Системы возбуждения эксимерных лазеров

Системы возбуждения эксимерных лазеров

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Системы возбуждения эксимерных лазеров

курсовая работа

студента 4курса физико-

технического факультета

Саковича Д. А.

Научный руководитель:

преподаватель кафедры

лазерной физики и

спектроскопии

Володенков А.П.

Гродно 2004

РЕФЕРАТ

Реферат курсовой работы «Системы возбуждения эксимерных лазеров»

студента физико-технического факультета УО Гродненский государственный

университет имени Янки Купалы Саковича Д.А.

Объем 14 с., 1 рис., 1 табл., 7 источников.

Ключевые слова:

Эксимерный лазер,LC-контур, LC-инвертор, накачка.

Объект исследования –эксимерные лазеры.

Цель работы – сделать обзор литературы по системам возбуждения

эксимерных лазеров.

Сделан обзор литературы по системам возбуждения эксимерных лазеров.

Полученные данные предпполагается использовать для совершенствования

лазеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней

мощностью излучения 1 кВт

2. Эффективная предыонизация в ХеС1-лазерах

3. Возбуждение эсимерного KrF-лазера оптическим разрядом в поле ИК

лазерного излучения

Заключение

Список использованных источников

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней

мощностью излучения 1 кВт.

Для ряда перспективных применений эксимерных лазеров требуются как

высокая средняя мощность, так и значительная энергия в импульсе. В

частности, создание ХеС1-лазера мощностью 1 кВт является одной из задач

Европейской программы EUREKA. В рамках этой программы немецкой фирмой

Лямбда Физик был создан XeCl-лазер со средней мощностью излучения ~750 Вт

при энергии в импульсе ~ 1.5 Дж. Система питания лазера включала в себя LC-

инвертор и звено магнитного сжатия. Недавно был сделан XeCl-лазер, в

котором средняя мощность 1 кВт была достигнута при энергии в импульсе 10

Дж. Позже такой же уровень средней мощности был получен в ХеС1-лазере,

созданном французской компанией Сопра при практически аналогичных

параметрах лазерного излучения (энергия в импульсе 10 Дж при частоте

повторения ~ 100 Гц).

Ранее накачка лазера осуществлялась с помощью LC-инвертора, но без

цепи магнитного сжатия. В коммутатором LC-инвертора служили 6 тиратронов,

работающих параллельно. Высокие (свыше 10 Дж) энергии в схеме с

классическим LC-инвертором можно получить лишь при увеличении как давления,

так и зарядных напряжений LC-инвертора. Однако повышать давление в

газодинамическом контуре лазера крайне невыгодно из-за резко возрастающих

требований к прочностным характеристикам лазера и системе прокачки газа.

Использовать слишком высокие напряжения (свыше 30 кВ) также невыгодно,

поскольку в этом случае необходимо применять дорогие и не отличающиеся

высокой надежностью высоковольтные коммутаторы.

В этом пункте определены условия накачки мощного XeCl-лазера, при

которых высокая энергия (~ 10 Дж) при частоте следования ~ 100 Гц, может

быть достигнута при умеренных давлениях (до 5 атм.) и зарядных напряжениях

(~ 30 кВ).

Модернизированная система накачки лазера содержала два параллельно

соединенных генератора импульсных напряжений, состоящих из двух

последовательно соединенных LC-инверторов. Такая система накачки позволяет

получать импульсное напряжение с амплитудой 100 кВ при зарядных напряжениях

лишь 25 кВ и использовать для коммутации импульсов с частотой повторения ~

100 Гц недорогие, надежно работающие тиратроны. Система также включает в

себя звено сжатия импульса на основе магнитного ключа и импульсно

заряжаемые конденсаторы, подключенные к электродам лазера с минимальной

индуктивностью L к 25 нГн. Суммарная емкость конденсаторов равна суммарной

емкости генератора импульсных напряжений «в ударе» и составляет 100 нФ.

Магнитный ключ выполнен в виде насыщаемого малоиндуктивного цилиндрического

одновиткового дросселя с сечением сердечника ПО см2, изготовленного на

основе ленты шириной 20 мкм из металлоаморфного сплава 2НСР с индукцией

насыщения Bs= 1.4Тл.

Поскольку при длительной работе эксимерного лазера в импульсно-

периодическом режиме энергия генерации снижается из-за выработки НС1,

неизменная средняя мощность эксимерного лазера обычно поддерживается за

счет повышения зарядного напряжения U схемы накачки. Затем, при достижении

максимально допустимого значения uq, производится регенерация газовой смеси

и долговременный цикл работы повторяется. Таким образом, для поддержания

средней мощности излучения лазера неизменной необходимо иметь запас по

энергии генерации лазера при максимально допустимом Ј0. В связи с этим был

предпринят поиск условий, обеспечивающих получение энергии генерации свыше

10 Дж в широком диапазоне зарядных напряжений, не превышающих 30 кВ и

соответствующих надежному долговременному режиму работы тиратронов.

На рис.1 представлены зависимости разрядного напряжения С/2 (кривые 1,

2) и амплитуды напряжения С/1 (кривая 3) на выходе генераторов импульсного

напряжения от С/о. Прямая 6 показывает величину 4 С/о, которая

соответствует максимально возможным значениям C/i и С/2. Кривыми 4 и 5

обозначены зависимости коэффициента k передачи запасенной в генераторах

импульсного напряжения энергии в импульсно заряжаемую емкость С. На рис.1

видно, что с ростом С/о амплитуда генератора U сохраняет максимально

возможное значение 4С/о вплоть до С/о ~ 23.5 кВ. Однако при этом амплитуды

С/2 напряжения на разряде существенно отличаются от максимально возможного

значения 4С/о (кривые 1, 2). Для d = 8 см это обуславливает достаточно

малый коэффициент передачи энергии k = 0.56 (кривая 4), которому

соответствует энергия генерации Е = 5.3 Дж и КПД ц = 1.3% (рис.4, кривые

2). Увеличение d до 9 см приводит к возрастанию амплитуды разрядного

напряжения (кривые 1, 2) и повышению коэффициента передачи энергии до k =

0.7 (кривая 5), что влечет за собой рост энергии генерации до 7.5 Дж и КПД

до 1.65% (рис.4, кривые 3).

Экстраполяция полученных результатов показывает, что если дальше

увеличивать межэлектродное расстояние лазера d до 10.6 см, то энергия

генерации Е « 10 Дж может быть получена с ц = 2.2% и k = 0.9 при зарядном

напряжении всего лишь 23.5 кВ, что существенно расширяет возможности

поддержания киловаттного уровня мощности излучения при длительной работе

лазера.

[pic]

k

Рис.1. Зависимости амплитуд напряжения на разрядном промежутке лазера

(1, 2) и генератора импульсных напряжений (3), а также коэффициента

передачи энергии генератора в импульсно заряжаемую емкость С (4, 5) от

зарядного напряжения для d = 8 (1, 4) и 9 см (2,5);б-4Ј/0. сокращается с

240 до 190 не. Таким образом, энергия генерации существенно повышается при

увеличении скорости перекачки энергии в импульсно заряжаемую емкость С.

Однако поскольку время полной перекачки энергии из генераторов импульсного

напряжения в емкость С фиксировано и равно 300 не, это сопровождается

уменьшением k (кривая 5, рис.5) и соответственно ц (кривая 3, рис.4,6).

Требуемого для увеличения энергии генерации значительного повышения

С/о, сопровождаемого снижением КПД, можно избежать при дополнительном

сжатии импульса накачки. Анализ полученных результатов показывает, что

введение дополнительного звена сжатия на основе магнитного ключа позволит

получить при d = 10.6 см энергию генерации Е = 14 Дж с ц « 2.3% при С/о =

27.5 кВ. Это является одной из задач программы реализации долговременной

устойчивой работы XeCl-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт.

Таким образом, нами исследованы характеристики широкоапертурного XeCl-

лазера киловаттного уровня средней мощности (10 Дж, 100 Гц) с

модернизированной системой питания в виде последовательно соединенных LC-

инверторов и магнитного звена сжатия импульса, отличающейся пониженными

зарядными напряжениями (С/о < 30 кВ). На основе анализа условий возбуждения

активной среды лазера рассмотрена возможность реализации режима с выходной

мощностью 1 кВт, обеспечивающего поддержание неизменного уровня мощности

лазера при долговременной работе.

2. Эффективная предионизация в ХеС1-лазерах.

Предыонизация в ТЕА-лазерах является ключевым фактором, определяющим

такие характеристики, как энергия генерации, ее стабильность от импульса к

импульсу, время жизни газовой смеси. Использованная еще в первых моделях

TEA CO-лазеров и эксимерных лазеров предыонизация газа УФ излучением от

рядов искр, расположенных по обеим сторонам разрядного объема, остается в

настоящее время широко распространенной для лазеров с малой апертурой. Так,

в коммерческих эксимерных лазерах, выпускаемых фирмой «Лямбда-Физик», для

апертур разряда порядка 1 см2 при оптимально малом энерговкладе искровая УФ

предыонизация обеспечивает относительную нестабильность энергии импульсов

генерации менее 1 % при времени жизни газовой смеси 20 млн. импульсов [1].

Однако при увеличении апертуры разряда искровая предыонизация становится

неэффективной [2], т.к. не обеспечивает однородности предыонизации газового

объема и, как следствие, требуемой однородности объемного разряда.

Активный объем можно увеличить, осуществляя предионизацию через

полупрозрачный электрод. В работе [3] в качестве источника УФ предионизации

в ХеС1-лазере использовался коронный (барьерный) разряд, однако малая

интенсивность его УФ излучения не позволила увеличить сечение разряда свыше

4 х 2.5 см даже при сравнительно низком удельном энергосъеме ~0.8 Дж/л.

Импульсно-периодический XeCl-лазер, обладающий энергией генерации 2.6 Дж и

рекордной на сегодняшний день средней мощностью 2.1 кВт [3], состоял из

трех модулей с суммарной длиной основного разряда порядка 3 м, так что один

из габаритных размеров лазера равнялся 5.2 м.

Для ХеС1-лазеров с большим объемом активной среды одним из эффективных

способов предыонизации является применение рентгеновского излучения. Однако

сложность устройства рентгеновского источника преионизации и необходимость

биологической защиты ограничивают возможности широкого внедрения лазеров с

предыонизацией данного вида. Кроме того, нам неизвестны данные о ресурсе

газовой смеси в лазерах с рентгеновской предыонизацией при высокой частоте

повторения импульсов. Этот ресурс может быть невысок, т. к. рентгеновское

излучение может способствовать эффективному образованию в рабочей газовой

смеси лазера химических соединений, отрицательно сказывающихся на лазерных

параметрах.

В [4] был развит альтернативный способ предварительной ионизации

широкоапертурных газовых лазеров - ионизация УФ излучением скользящего

разряда (СР) по поверхности диэлектрика. В [5] было показано, что такая

предионизация, осуществляемая через полупрозрачный электрод, обеспечивает

получение объемного разряда с апертурой d х Ъ и 12 х 10 см (d —

межэлектродное расстояние, Ъ — ширина разряда) и энергию генерации до 20 Дж

в импульсном ХеС1-лазере. В [6] мы, используя пред-ыонизацию СР, впервые

получили среднюю мощность электроразрядных эксимерных лазеров 1 кВт (10 Дж,

100 Гц) в импульсно-периодическом режиме.

В настоящей работе при помощи УФ излучения вспомогательного СР исследуются

наиболее эффективные режимы предионизации в XeCl-лазерах. Определены

характеристики излучения компактного XeCl-лазера в импульсно-периодическом

режиме при различных комбинациях энергии и длительности импульса генерации.

Электродная система широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией

излучением СР

Поиск эффективных условий предыонизации проводился для ряда импульсно-

периодических XeCl-лазеров с предыонизацией УФ излучением СР. На рис.1

показана

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

205

[pic]

Рис.1. Электродная система лазера с УФ предыонизацией излучением СР:

1 — высоковольтный электрод; 2—заземленный щелевой электрод; 3 — ножевой

электрод; 4 — сапфировая пластина; 5 — охлаждаемая металлическая подложка.

Компактная электродная система широкоапертурного ХеС1-лазера. Основной

объемный разряд формировался между двумя электродами, профилированными по

модифицированному профилю Чанга. Позади полупрозрачного электрода

располагался источник УФ предионизации в виде вспомогательного СР по

поверхности диэлектрика. В качестве диэлектрика использовалась сапфировая

пластина, расположенная на охлаждаемой металлической подложке, служившей

электродом, на который подавалось импульсное отрицательное напряжение.

Ножевой электрод системы формирования СР соединялся с заземленным

полупрозрачным электродом дискретными параллельными проводниками. СР

развивался с ножевого электрода в обе стороны и замыкался на грани

металлической подложки. УФ излучение слоя плазмы СР, который однородно

покрывал поверхность диэлектрика, обеспечивало предионизацию активного

объема лазера, распространяясь через полупрозрачный электрод. Сравнительное

исследование показало, что для ХеС1-лазеров с объемом активной среды ~ 1 л

эффективность использования энергии, затрачиваемой на предионизацию, в

случае применения СР в 5 раз выше, чем при боковой предионизации искровыми

разрядами. При этом преимущества УФ предионизации излучением СР наиболее

полно проявляются с увеличением поперечного сечения активной среды лазера.

На начальном этапе развития широкоапертурных лазеров с УФ

предыонизацией излучением СР полупрозрачный электрод изготавливался

перфорированным с диаметром отверстий 1 мм и прозрачностью 50 %. Перфорация

выполнялась в рабочей части электрода толщиной 1.0-1.2 мм [6,7].

Использование перфорированных электродов приводило к коллимации потока УФ

излучения от СР, поступающего в активный объем лазера через туннелеобразные

отверстия перфорированного электрода, и, соответственно, к неоднородности

основного разряда, проявляющейся в его протекании в виде диффузных каналов,

привязанных к отверстиям перфорации [7]. Для устранения этого эффекта был

разработан новый тип полупрозрачного профилированного электрода, в котором

УФ излучение от СР проходит в разрядный объем не через отверстия, а через

щели, ориентированные перпендикулярно продольной оси электрода (рис.1).

Ширины щелей и перегородок были равны 1 мм, так что прозрачность рабочей

части электрода составляла 50 %. С использованием таких щелевых

полупрозрачных электродов повышается КПД лазера и достигаются высокие

однородность разряда и качество лазерного пучка [8].

Экспериментальное исследование оптимальных условий предыонизации

Первый эксперимент, показавший нам важность правильного выбора условий

предыонизации [9], проводился на ХеС1-лазере с апертурой d х Ъ = 7.8 х 4.4

см. Для возбуждения основного объемного разряда и вспомогательного СР

использовались две отдельные С-С-схемы питания, коммутируемые одновременно.

При варьировании времени зарядки импульсного конденсатора, подсоединенного

к электродам основного объемного разряда, было замечено, что при близких

временных режимах ввода электрической энергии в разряд и неизменном

импульсе УФ излучения СР энергия генерации значительно увеличивалась при

уменьшении скорости роста разрядного напряжения.

На рис.2 показаны рост приведенной напряженности электрического поля

E(f)/N (N- плотность частиц газа) на разрядном промежутке лазера и

осциллограмма импульса /рг(г) УФ излучения предыонизатора. При условиях

предыонизации, представленных на рис. 2,6, энергия генерации оказалась в 3

раза выше, чем в случае рис.2,а, характеризующегося большей скоростью

нарастания E/N.

В вышеописанном эксперименте положение импульса разрядного напряжения

было фиксировано по отношению к импульсу предыонизации, и для лучшего

понимания столь резкого увеличения энергии генерации был проведен второй

эксперимент на XeCl-лазере с апертурой d х Ъ = 5 х 3 см. В этом лазере ввод

энергии в основной разряд осуществлялся электрической схемой с LC-

инвертором и двумя ступенями магнитного сжатия импульса накачки, подобной

описанной в [10]. Энерговклад в СР проводился с помощью независимой схемы

импульсного питания, позволявшей варьировать как энергию, вводимую в СР,

так и момент его включения.

На рис.3,а представлено взаимное положение импульсов напряжения Ј/(?),

подаваемого на электроды лазера, и интенсивности УФ излучения СР /pr(?)-

Этому соответствует временная задержка между ними, равная нулю. Нулевая

задержка (та = 0) выбрана так, что начало импульса излучения предыонизатора

Ipr(t) соответ-

10 8 6 4

В-см2); /рг (отн. ед.)

[pic]

[pic]

О tc ts 100

200 \Л (не) О

100

200 t (не)

Рис.2. Положение импульса УФ излучения предыонизатора /рг(

3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.

1/(кВ);

Ipr, I, lias

(отн. ед.) 20

-20

-40

[pic]

-600

-300

300

'(не)

*(Дж) 3

[pic]

-300

о

300

та (не)

Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыонизации Ipr(t),

разрядного напряжения U(t), тока /((), импульса генерации las(') (и) и

зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во

вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с

высоковольтным предымпульсом.

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

207

Р(Вт) 600

400 200

О

[pic]

О

100

200

/(Гц)

Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и

относительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты

следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70

(2,5) и 45 не (5), 6).

Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов

Простой и надежный предыонизатор на базе СР хорошо вписывается в

конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя

предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со

средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера,

показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при

межэлектродном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, подобная

использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались

в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.

Некоторые зависимости, характеризующие универсальный XeCl-лазер,

приведены на рис.5. Зависимость средней мощности лазерного излучения Р от

частоты следования импульсов/при длительности генерации 120 не (кривая 1 на

рис.5) была получена при использовании схемы накачки с высоковольтным

предымпульсом, характеристики которой приведены на рис.4. Зависимости P(f)

при длительности импульса генерации 70 и 45 не (кривые 2,3 на рис.5) были

получены для схем возбуждения, использующих LC-инвертор и две ступени

магнитного сжатия.

На рис.5 показано также поведение относительной нестабильности энергии

генерации а в зависимости от частоты следования импульсов (кривые 4—6). Из

рассмотрения этих кривых видно, что относительная нестабильность энергии

генерации не превышает 1 %, что свидетельствует о высокой эффективности

используемого режима предыонизации.

Анализ результатов

Для характеристики и сравнения режимов предыонизации на временном

интервале роста напряжения на разряде введем параметр nf0 [9]:

f's Г Г

- 4(0 ехр- 0;

J /с I J tc

Страницы: 1, 2