Энергетические и временные характеристики эксимерных ХeCI-лазеров с электроразрядным возбуждением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

о

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ. Б.И.СТЕПАНОВА

УДК 621.375.826

ЗНОСКО КАЗИМИР ФРАБЦЕВИЧ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗКСИМЕРНЫХ ХеС1-МЗЕР0В С ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

01-04.21- лазерная физика

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата физико-математиче ских наук

Минск 1996

Работа выполнена в Гродненском государственном университете Министерства образования и науки Республики Беларусь.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, зав. кафедрой общей физики Белорусского государственного университета, профессор Грузинский В.В.

кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой лазерной физики и спектроскопии, профессор Ануфрик C.G.

доктор физико-математических наук, профессор Шкадаревич А.П.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Бохонов А.Ф.

Оппонирующая организация: Международный лазерный центр

Защита состоится,

СьГ'

/У

_1996 г. в ' ' часов на заседании Совета по защите диссертаций Д. 01.05.01. в Институте физики АНБ (220602, г.Минск, пр.Ф.Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ АНБ.

Автореферат разослан "_"_ 1996 г.

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций доктор физ.-мат.наук, профессор

А.А.Афанасьев

— х —

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. С момента получения генерации

на эксимерных молекулах лазеры этого класса пре терпели бурное развитие, и за четверть века в этой области науки и техники достигнуты значительные успехи. Среди них особое место занимают эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов с электроразрядным возбуждением. Они способны генерировать имцульсы когерентного излучения с выходной энергией в несколько десятков джоулей. Применение электроразрядного возбуждения к эксимерным лазерам позволило уменьшить их вес и габариты, снизить рабочее напряжение, повысить надежность по сравнению с лазерами, возбуждаемыми релятивистским электронным пучком и создать целую серию разработок, нашедших широкое применение в науке, технике, производстве. Активные среда эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов позволяют получать генерацию более чем на десяти лазерных переходах, в диапазоне 175-480 нм. Использование ВКР-преобразования позволяет увеличить число линий излучения в несколько раз. Кроме того, электроразрядные эксимерные лазеры способны работать с частотой до 3,5 кГц. Ширина линии генерации может быть уменьшена до 0,001 нм, а расходимость до дифракционного предела.

Повышенный интерес к УФ лазерам стимулировал целую вожу экспериментальных и теоретических исследований, а также конструкторских разработок эксимерных лазеров. Благодаря вше указанным свойствам, электроразрядные эксимерные лазеры перспективны душ решения ряда задач фотохимии и спектроскопии, медицины и биологии. Они уже нашли применение в лидарных системах, новых технологиях. Существует, однако, ряд недостатков, присущих разработанным лазерам этого типа, препятствующих успешному их внедрению в различных областях науки и техники. Прежде всего следует отметить, что все рекордные значения генерационных параметров получены, как правило, на специально созданных установках, с применением формирующих линий на воде и специальных коммутаторов, с использованием дорогих материалов и сверхчистых, газовых компонент активной среды. Кроме того, эти рекордные параметры не сочетаются в одном и том же лазере в связи с тем, что улучшение одного параметра приводит к определенному ухудшению других. Большинство высокоэнергетических эксимерных лазеров

используют многоконтурные схемы возбуждения. Это приводит к росту мощности энерговклада на начальной стадии разряда,. однако полный энерговклад остается колебательным. При этом также возрастает доля теряемой энергии (вложенной в разряд после срыва генерации). Серьезным недостатком является наличие структуры на импульсе генерации, затянутого ее спада. Неясными остаются многие процессы, происходящие в активной среде при ее возбуждении, знание которых помогла бы указать пути повышения эффективности эксимерных лазеров, вести целенаправленную разработку новых лазерных систем.

Для широкого практического применения необходимо, чтобы лазер обладал достаточно высокой выходной энергией при относительной простоте устройства. Для ХеС1-лазеров это значение находится на уровне Дж. При больших выходных энергиях сложность конструкции непропорционально возрастает и не всегда соответствует требованиям потребителей. Для разработки таких эксимерных лазеров были необходимы сравнительные исследования их генерационных характеристик на одном излучателе с различными составами рабочей смеси, схемами возбуждения и их параметрами, уровнями предыонизации и энерговклада. Они позволяют выяснить, какие процессы оказывают наибольшее влияние на пространственно-временные и энергетические характеристики генерации лазеров, а также экстраполировать выявленные закономерности на другие энергетические диапазоны.

Решить эти задачи как экспериментально, так и аналитически достаточно трудно. Хотя исследованию электроразрядных эксимерных лазеров посвящено большое число работ, в том числе и вопросам ввода энергии в активную среду, однако ряд вопросов, связанных с установлением основных свойств и физических особенностей возбуждения активной среды ХеС1-лазеров с энергией генерации -I Дж, а также определение путей реализации гладкоимпульсного режима генерации требовали своего разрешения.

Целью диссертационной работы являлось . выявление закономерностей изменения энергетических и временных характеристик излучения эксимерных ХеС1-лазеров с электроразрядным способом возбуждения при изменении параметров систем возбуждения и состава активной среды и в создании на основе полученных данных источников когерентного УФ-излучения - ХеС1-лазеров с выходной энергией Дж и гладкой временной огибающей импульса генерации

для широкого практического применения и, в частности, для передатчиков лидарных систем, накачки высокоэнергетических перестраиваемых лазеров на красителях.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установление взаимосвязи выходных характеристик электроразрядного эксимерного ХеС1-лазера с энергией генерации до I Дж с параметрами его активной среды: компонентным составом, видом буферного газа, соотношением активных компонент, давлением при различных режимах и схемах возбуждения.

2. Определение влияния способа предыонизации активной среды, параметров системы предаонизации, задержки основного разряда относительно предыонизации на энергию генерации ХеС1-лазера.

3. Сравнительное исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, выполненных по типу LC-контура и LC-инвертора, влияния их параметров на энергию генерации XeCI-лазера, поиск эффективных режимов возбуждения.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Экспериментально изучена зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от взаимного соотношения парциальных давлений активных компонент среды. Показано, что энергия генерации XeCI-лазера принимает максимальное значение при соотношении парциальных давлений активных компонент HCl и Хе - 1:17, которое выполняется во всем диапазоне их рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбуздения поперечного разряда.

2. Показано, что использование емкостного разряда через пленочный. диэлектрик позволяет осуществлять предыонизацшо активной среды ХеС1~лазера и получать энергию генерации, большую, по сравнению с искровой предыоиизацией и меньшими энергозатратами. Экспериментально установлено, что ХеС1~лазер генерирует импульсы излучения с максимальным значением выходной энергии при задержках начала основного разряда относительно начала разряда емкостной и искровой предыонизации, равных 100-150 не и 150-250 не соответственно.

3. Показано, что уменьшение индуктивности LC-контура до значения ~10 нГн с одновременным уменьшением обострительной емкости до значения 0,01-0,02 от величины накопительной емкости позволяет реализовать возбуждение ХеС1-лазера с раздельным формированием однородного объемного разряда и энерговкладом в него, стабилизировать разряд, получать импульсы генерации с глад-

ким временным профилем, длительностью ~170 не и энергией ~1,5 Дж.

4. Показано, что энергия генерации ХеС1-лазера при возбуждении ьс-контуром с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную достигает максимального значения, а импульсы генерации имеют гладкий временной щкфшь и длительность ™60 не, при т ~ Тп - Тр/2 и Т^Тр > 2,5, где т - время задержки' разряда в межэлектродном промежутке, Тд - полупериод перезарядки накопительной емкости на обострительную, а Тр - полупериод разряда обострительной емкости на межэлектродный промежуток.

5. Рассчитаны мовдости энерговклада в активную среду ХеС1-лазера и зависимости разрядного тока от времени при возбуждении ьс-контуром с различными значениями его параметров. Показано, что структура импульса генерации и ее ерш обусловлены колебательным характером разрядного тока и энерговклада.

6. Экспериментально установлено влияние параметров ьс-инвертора на энергетические характеристики генерации ХеС1-лазера. Показана возможность осуществления режима возбуждения ХеС1~лазера с выходной энергией ~ I Дк без обострения импульса разрядного тока.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Определены требования к предыонизации, давлению и составу активной среды, соотношению активных компонент среда, системам возбуждения разряда и их параметрам для достижения высоких энергетических характеристик ХеС1-лазера с гладким импульсом генерации.

2. Выработаны физико-технические критерии определения оптимальных значений параметров схем возбуждения электроразрядных эксимерных лазерных систем, с энергией генерации Дж. Установлены оптимальные режимы возбуждения ХеС1-лазеров.

3. Разработан и создан ряд макетов ХеС1-лазеров с энергией генерации до 1,5 Дж для накачки лазеров на красителях, использования в качестве передатчиков лидарных систем, для исследования озонового слоя Земли, медико-биологических применений.

' Экономическая значимость полученных результатов состоит в том, что проведенные исследования позволили разработать и создать ряд эксимерных лазеров, которые использовались для различных практических применений. Это позволило не закупать за рубежом данные лазеры в отсутствие их серийного выпуска. Стоимость

разработанных эксимерных лазеров значительно ниже зарубежных.

Основные положения, выносимые на защиту следующие:

1. Энергия генерации ХеС1-лазера максимальна при соотношении парциальных давлений активных компонент НС1:Хе - 1:17, которое выполняется во всем диапазоне их рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа (Не, Ие, Аг) и системы возбуждения поперечного разряда.

2. Применение емкостного разряда через пленочный диэлектрик для предварительной ионизации активной среда ХеС1-лазера из-под сетчатого катода позволяет получать энергию генерации, большую по сравнению с искровой предыонизацией и меньшими энергозатратами. Энергия генерации ХеС1-лазера максимальна при задержках начала основного разряда относительно начала разряда емкостной и искровой цредаонизации 100-150 не и 150-250 не соответственно.

3. Уменьшение индуктивности ЬС-контура до значения ~10 нГн с одновременным уменьшением оббетрительной емкости до значений 0,01-0,02 от величины накопительной емкости позволяет реализовать раздельное формирование объемного разряда и энерговклад в него, стабилизировать разряд, получать гладкие импульсы генерации длительностью ~170 не и энергией ~1,5 Дж. При возбуждении ХеС1-лазера ЬС-контуром с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную максимальная энергия генерации с гладким импульсом достигается при задержках основного разряда г ~ Тп~Тр/2 и Тп/Тр > 2,5, где Тп - полупериод перезарядки емкостей, а Тр - полупериод разряда обострительной емкости на межэлектродный промежуток. Структура импульса генерации и ее срыв обусловлены колебательным характером разрядного тока и энерговклада.

4. Применение ЬС-инвертора при минимально возможном значении индуктивности контура инверсии позволяет возбуждать ХеС1-лазер с выходной энергией ~ I Дж без обострения импульса разрядного тока.

Апробация результатов диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в научных журналах, 4 статьях в сборниках, 2 препринтах, 18 тезисах конференций, докладывались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах:

- Межреспубл. школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы нелинейной оптики и квантовой электроники", Минск, 1987.

- ХШ Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988.

- Ш Всесоюзная конференция молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1988.

- IX Республ. конференция молодых ученых "Исследования в области спектроскопии и квантовой электроники", Паланга, 1989;

- П Всесоюзный семинар "Зизика быстропротекавдих плазменных процессов", Гродно, 1989;

- П Межреспубл. школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы", Минск, 1989.

- У1 Всесоюзная конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1990.

- Ш-rd Symposium on Laser Technology, Szozeoin Swinonjsoie, 1990;

- Республ. научно-техническая конференция "Электрофизические и прикладные вопросы высоковольтных измерений", Запорожье, 1990.

- Ш Межреспубликанский семинар "Физика быстроцротекащих плазменных процессов", Гродно, 1992.

- Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии", Гродно, 1993.

- П Международная конференция "Лазерная физика и спектроскопия", Гродно, 1995.

Получено 10 авторских свидетельств на изобретения.

Личный вклад автора состоит в следующем:

- непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач-исследования;

- участие в разработке и реализации методик проведения экспериментов;

- проведение экспериментов и обработка полученных данных;

- интерпретация полученных экспериментальных результатов:

- обсуждение и оформление полученных результатов.

Научные руководители оказывали содействие на всех этапах выполнения настоящей работы. Загреба Ю.Н., Курганский А.Д. и Володенков А.П. принимали участие в создании экспериментальной установки, образцов эксимерных лазеров, проведении отдельных экспериментов. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения,

общей характеристики, семи глав и выводов. Она содержит 215 страниц, включая 77 рисунков, а также список литературы из 175 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит оценку современного состояния решаемой проблемы, основные и исходные данные для разработки теш, обоснование необходимости выполнения работы.

Общая характеристика работы содержит обоснование актуальности темы, цель и задачи исследования, научную новизну, практическую и экономическую значимость полученных результатов. Здесь же приведены защищаемые положения, указаны личный вклад автора, апробация и опубликованность результатов, структура диссертации.

Первая глава диссертации - обзорная и посвящена общей характеристике эксимерных лазеров и анализу перспектив их развития.

В 1.1 рассмотрена классификация эксимерных лазеров по типу активной среда и по способу возбуждения, указаны наиболее перспективные активные среда и способы их накачки, проанализированы основные трудности при их реализации. Кратко дан анализ основных кинетических процессов, происходящих в активной среде во время разряда. Рассмотрен процесс образования ХеСТ.*-молекул, процесс их тушения, релаксации, фотопоглощения в среде, а также проблемы вывода излучения. Рассмотрены основные направления исследований эксимерных лазеров.

В 1.2 дан очерк основных этапов развитая электроразрядных эксимерных лазеров с выходной энергией больше I Дзк, проанализированы основные их конструкции и схемы возбуждения. Рассмотрены принципы построения систем накачки эксимерных лазеров, достигнутые успехи и нерешенные задачи.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методике проведения исследований.

В 2.1 описаны излучатель электроразрядного эксдаерного лазера, система лазерных электродов, схемы предаонизации активной среды. Представлены системы возбуждения поперечного разряда, выполненные по типу ьс-контура и ьс-пнвертора, а также схемы возбуждения предаонизации. Указан диапазон изменения параметров этих систем, обоснован их выбор.

В 2.2 рассмотрена экспериментальная установка, на которой исследовался лазер, описанный в 2.1. Она содержит вакуумную

систему и систему газоналолнения, источник постоянного высокого напряжения, систему управления, состоящую из 2-х генераторов и 2-х блоков импульсного высокого напряжения. Подробно рассмотрено устройство и работа этих систем, а также функционирование установки в целом.

В 2.3 описана методика измерения энергии, длительности и формы импульса генерации, напряжения и тока разряда, других электрических параметров системы накачки, а также приборы и устройства, используемые для этой цели. Выходная энергия XeCI-лазера измерялась калориметром ИМ0-2Н, а также образцовым измерителем энергии и мощности ОСИЭМ. Временные характеристики регистрировались с помощью осциллографа 6JT0P-04, посредством ФЭК-29 КПУ, пояса Роговского, низкоомных шунтов, высоковольтных делителей напряжения.

Третья глава посвящена исследованию влияния давления и состава активной среды на энергию генерации XeCI-лазера.

В 3.1 исследовано влияние давления HCl, Хе, буферных газов Не, Ne и Ar на энергию генерации при возбуждении XeCI-лазера LC-инвертором. Определены оптимальные диапазоны изменений выше указанных газовых компонент, при которых выходная энергия лазера и его эффективность максимальны. Установлено, что энергия генерации XeCI-лазера зависит не только от абсолютного значения давлений активных компонент HCl и Хе, но и от их взаимного соотношения. На основе экспериментальных данных были построены диаграммы, показывающие зависимость энергии генерации от совместного влияния давлений HCl и Хе, из которых получена величина оптимального соотношения парциальных давлений HCl и Хе, равная 1:17. При соблюдении этого соотношения выходная энергия ХеС1-лазера принимала максимальное значение во всем диапазоне рабочих давлений HCl и Хе. Энергия генерации лазера практически сохраняла максимальное значение с буферным газом неоном при изменении давления HCl от 0,5 до 3, и Хе - от 8 до 50 мм рт.ст. соответственно. Вид буферного газа на значение оптимального соотношения влияния практически не оказывал.

Наличие оптимального соотношения давлений HCl и Хе обусловлено противоположным их влиянием на энергию электронов в разрядной плазме. Рост давления HCl приводит к возрастанию количества центров прилипания электронов, падению их концентрации и росту напряженности электрического поля. Последнее приводит к

увеличению скорости возбуждения Хе в метастабильные состояния и сокращению времени развития ступенчато-ионизационной неустойчивости, снижению энергии генерации лазера. Одновременный рост давления Хе приводит к росту концентрации электронов, снижению доли электронов, энергии которых превышают порог возбуждения метастабялышх уровней Хе, падению скорости возбуждения Хе возрастанию времени развития ступенчато- ионизационной неустойчивости и стабилизации энергии генерации. Отношение давлений HCl и Хе в активной среде лазера определяется постоянными скоростей возбуждения Хе и диссоциативного прилипания электронов.

В 3.1 также приведены результаты ресурсных исследований ХеСТ--лазера. Показано, что падение знергзи генерации с ростом числа импульсов связано с уменьшением концентрации HCl, которая приводит к нарушению оптимального соотношения активных компонент среда, а также наработкой в ней вредных примесей.

В 3.2 представлены результаты исследования влияния давлений HCl, Хе, буферных газов Не и Ne на энергию генерации ХеС1-лазера, возбуждаемого с помощью LC-контура. Исследована зависимость энергии генерации XeCI-лазера от соотношения HCl и Хе. Величина оптимального его значения совпадала с полученным в 3.1 и не зависела от вида буферного газа и системы возбуждения разряда. Исследования проводились при оптимальном давлении буферных газов и постоянном значении зарядного напряжения.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния типа предыонизации, задержки между основным разрядом и разрядом предыокизации на энергетические характеристики ХеЙ-лазера, а также оптимизации параметров контуров возбуждения разряда емкостной и искровой предаонизащш. Рассмотрена роль предыонизации, дана оценка минимального уровня предыонизации.

В 4.1 рассмотрены- преимущества емкостной предыонизации, исследовано влияние задержи между началом основного разряда и началом предыонизации на энергию генерации ХеС1-лазера, установлено влияние емкости, индуктивности и напряжения питания в контуре ее возбуждения, а также влияние концентрации галогеноносителя на оптимальную ве.личину задержки. Показано, чторазряд в межэлектродном промежутке с предаонизацией активной среда в нем излучением емкостного разряда из-под сетчатого катода обладает высокой однородностью, позволяет расширить зону генерации, уменьшить в несколько раз по сравнению с искровой

предыонизацией энергозатраты. При малых задержках начала основного разряда относительно начала разряда предыонизации энергия генерации и ее стабильность низкие. С увеличением величины задержки выходная энергия лазера возрастает , достигая максимума при 100-150 не. Значительно возрастает ее стабильность. Дальнейшее увеличение задержки приводит к уменьшению выходной энергии лазера. Снижение концентрации галогеноносителя в п ределах диапазона его рабочих давлений приводит к смещению максимума выходной энергии лазера в сторону меньших задержек начала основного разряда.

В 4.2 приведены результаты исследования искровой предыонизации. Поведение зависимости выходной энергии ХеС1-лазера от задержки начала основного разряда относительно начала предыонизации аналогичны представленому в 4.1, однако, максимум выходной энергии соответствует задержкам 150-250 не.

В обоих случаях устойчивая генерация наблюдалась при задержках до « 500 не, после чего становилась сильно не стабильной и в дальнейшем срывалась, хотя разркд, осуществляющий предыонизацию шел длительность до 3 мке, т.е. наиболее интенсивное ионизирующее излучение как емкостного, так и искрового разрядов существует на стадии их формирования и развития.

Пятая глава посвящена исследованию XeCI-лазера с возбуждением LC-контуром.

В 5.1 проведена оценка коммутационных потерь. Показано, что при их уменьшении выходную энергию лазера можно увеличить вплоть до 2 раз. Проведен анализ схем возбуждения. Исследованы зависимости энергии генерации ХеС1-лазера от величин накопительной и обострительной емкости, индуктивности в цепи и их перезарядки. Подробно рассмотрены экспериментальные результаты. Исходя из процесса энерговклада проведено их объяснение. Выделены два режима эффективного возбуждения лазера. Первый реализуется ' при минимальном значении индуктивности в контуре перезарядки накопительной емкости на обострительную и величине обострительной емкости 3-4 нФ. Формирование разряда осуществляется коротким (~20 не) высоковольтным импульсом, создаваемым обострительной емкостью, заряженной до двойного начального напряжения от накопительной емкости. Энерговклад в разряд осуществляется от накопительной емкости сразу после его формирования при оптимальном значении напряжения. Второй режим реализуется при

равных значениях накопительной и обострительной емкостей и оптимальном значении индуктивности в контуре перезарядки (режим с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную), значение которой не обязательно должно быть минимальным.

В 5.2 представлены результаты исследования формы и длительности импульса генерации ХеС1-лазера в зависимости от параметров ьс-контура. Показано, что с помощью накопительной и обострительной емкости и индуктивности в контуре их перезарядки можно успешно управлять длительностью и формой импульса генерации в течение времени существования объемной стадии разряда. Получены импульсы генерации с гладким временным профилем, длительностью до 170 не. Реализован двухимцульсшй режим генерации. Проведено моделирование энерговклада в активную среду XeCI-лазера, с помощью которого объясняются и обосновываются экспериментальные результаты. Расчеты мощности энерговклада и разрядного тока, проведенные для XeCI-лазера, и сравнении их результатов с экспериментом показало адекватность принятой модели реальным процессам. Показано, что структура импульса генерации, сокращение его длительности, а также срыв генерации обусловлены неравномерным во времени энерговкладом и колебательным характером разрядного тока в межэлектродком промежутке.

В 5.3 представлены результаты исследования влияния параметров ъс-контура с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную на энергию генерации ХеС1-лазера. Предложены критерии определения значений взаимосвязанных параметров LC-контура для возбуждения ХеС1-лазеров. Реализовано и исследовано несколько вариантов схем возбуждения ХеС1~лазера при равенстве накопительной и обострительной емкостей. Дано объяснение полученным результатам. Получено, что выходная энергия лазера максимальна цри т = Тп - Тр/2 и тп/тр >2,5 , где т -время задержки разряда в межэлектродном промежутке, Тп полупериод перезарядки накопительной емкости на обострительную и Тр - полупериод разряда обострительной емкости на межэлектродный промежуток.

Шестая глава посвящена исследованию ХеС1-лазера с возбуждением IC-инвертором. В главе проведено обоснование использование ьс-инвертора для возбуждения ХеС1-лазеров, проведен анализ схемы возбуждения, выделены параметры, определяющие энерговклад в активную среду.

_ - 12 -

В 6.1 проведены экспериментальные исследования выходной энергии ХеС1-лазера в зависимости от параметров контура инверсии, величин основной накопительной и обострительной емкости, на основании которых выведены условия максимальной передачи энергии в активную среду. Показано, что определяадее значение на выходную энергию оказывают параметры контура инверсии.

В 6.2 представлены результаты исследования влияния отношения величины емкости в контуре инверсии к величине накопительной емкости на энергию генерации ХеС1-лазера. Показано, что это отношение не обязательно должно быть равным единице. При значениях обострительной емкости 10-30 нФ оно может быть уменьшено до 0,25, хотя лучшие результаты получены при его величине 0,4-0,5.

Седьмая глава посвящена описанию разработанных вариантов электроразрядных эксимерных лазеров. Описана конструкция лазеров, основные их узлы, генерационные характеристики, условия эксплуатации и области применения.

В 7.1 представлен малогабаритный эксимерный лазер для медико-биологических исследований, спектроскопии и т.д.

В 7.2 описан ХеС1-лазер с энергией генерации ~ 0,5 Дж, предназначенный для накачки лазеров на красителях, лидарных систем, технологических применений.

В 7.3 представлен ХеС1-лазер с выходной энергией до 1,5 Дж.

ВЫВОДЫ

1. Установлена взаимосвязь выходных характеристик генерации ХеС1-лазера с параметрами активной среды. Показано, что энергия генерации ХеС1-лазера зависит не только от парциального давления активных компонент рабочей смеси, но и от взаимного соотношения их давлений. Выходная энергия ХеС1-лазера принимает максимальное значение при соотношении парциальных давлений НС1 и Хе, равном 1:17. Показано, что при этом соотношении давлений активных компонент энергия генерации сохраняет максимальное значение во всем диапазоне их рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбуждения разряда.

2. Экспериментально показано, что использование излучения емкостного разряда с применением пленочного диэлектрика для предыонизации активной среды ХеС1-лазера позволяет получать энер-

гию генерации большую, нежели использование для этой цели

излучения набора дискретных искровых, разрядов. Установлено, что при предаонизации активной среды ХеС1-лазера излучением емкостного разряда энергия генерации максимальна при задерж ках начала основного разряда относительно начала разряда предаонизации 100150 не, а при использовании излучения искровых разрядов - 150-250 не. Показано, что высокой ионизирующей способностью излучение разрядов, создающих предыонизацию обладает в течении первых 100200 не, а устойчивая генерация ХеС1-лазера наблюдается в диапазоне задержек начала основного разряда относительно начала разряда предаонизации 100 - ~ 500 не.

3. Выявлены закономерности изменения энергетических и временных характеристик генерации электроразрядного эксимерного ХеС1-лазера при изменении параметров систем его возбуждения. Проведены экспериментальные сравнения различных схем возбуждения ХеС1-лазера. Предложен режим возбуждения с раздельным формированием однородного объемного разряда и энерговкладом в него, позволивший получить импульс генерации с гладкой временной огибающей, увеличить его длительность до 170 не по основанию, а энергию генерации до 1,5 Дж (в 1,5-2 раза по сравнению с традиционными режимами). Показано, что он реализуется с помощью ЬС-контура, у которого уменьшена величина обострительной емкости до значений 0,01-0,02 от величины накопительной при одновременном уменьшении индуктивности разрядного контура обострительной емкости до нескольких наногенри, а индуктивности разрядного контура накопительной емкости до десятка наногенри.

4. На основе анализа особенностей возбуждения активной среды ХеС1-лазера Ю-контуром с полной перезарядкой накопительных емкостей на обострительные установлены критерии определения его параметров. Показано, что ХеС1-лазер с возбувдением ьс-контуром с полной перезарядкой накопительной емкости 0Х на обострительную 0о генерирует импульсы излучения с максимальным значением выходной энергии при т ~ - Тр/2 и Тп/Тр > 2,5 , где т - время задержки разряда в межэлектродном промежутке, Тп - полупериод перезарядки С1 на С0, а Тр - полупериод разряда С0 на межэлектродный промежуток.

5. Показано, что как при использовании режима с раздельным формированием разряда и энерговкладом в него, так и при возбуждении ХеС1-лазера ьс-контуром с полной перезарядкой емкостей им-

пульс генерации имеет гладкую временную огибающую, при длительности ~170 не и ~60 не по основанию в первом и втором случае соответственно. При промежуточных вариантах системы возбуждения, выполненной по типу LG-контура, импульсы генерации структурные.

6. На основе рассчетов зависимостей мощности энерговклада в активную среду ХеС1-лазера при возбуждении Lö-контуром с различным значением его параметров от времени, показано, что структура импульса генерации и ее срыв обусловлены неравномерным во времени энерговкладом и колебательным характером разрядного тока в межэлектродном промежутке.

7. Экспериментально получено, что энергия генерации XeCI-лазера с возбуждением активной среды IC-инвертором принимает максимальное значение при величине времени задержки разряда в межэлектродном промежутке порядка полупериода контура инверсии, величине обострительной емкости порядка 30 нФ, отношении величины емкости в контуре инверсии к величине накопительной емкости 0,250,5. Реализован режим возбуждения XeCI-лазера без обострения импульса разрядного тока.

8. Разработан ряд образцов электроразрядных эксимерных XeCI-лазеров с энергией генерации от десятков миллиджоулей до 1,5 Дж, которые использовались для медико-биологических исследований, накачки лазеров на красителях, в лидарных системах при зондировании озонного слоя Земли.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. A.C. 1336893, H 01 S 3/22. Эксимерный лазер / Е.Е.Иванов, А.П.Володенков, С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР). -3871818/31-25; заявлено 09.01.85.

2. A.C. 1464859, H 01 S 3/22. Эксимерный лазер / С.С.Ануфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский (СССР). -4249091/31-25; заявлено 20.05.87.

3. Ломаев М.И., Мельченко C.B., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Ануфрик С.С., Верховский B.C., Загреба Ю.Н., Зноско К.Ф. Электроразрядный эксиплексный лазер ЛИДА. - Препринт / Томский филиал СО АН СССР. - Томск, 1988. - Ш6. - 26 с.

4. Коротковолновый перестраиваемый лазер с возбуждением эксимерным лазером / С.С.Ануфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско и др.// Тез.докл. ХШ Мевдунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике. - Минск, 6-9 сентября 1988 г. - Т.2. - С.283-284.

- 15 -

5. A.C. 1302972, H 01 S 3/097. Мощный эксимерный лазер / Зноско К.Ф., Ануфрик С.С., Иванов Е.Е., Володенков А.П. (СССР). 3887899/31-25; заявлено 24.04.85.

6. Загреба Ю.Н., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование ХеЙ-лазера с возбуждением LC-контуром // Материалы Межреспубл. школы-семинара мол.уч. "Современные проблемы нелинейной оптики и квантовой электроники". Минск, 13-16 октября 1987 г. - Минск, 1988. - С.126-129.

7. Загреба Ю.Н., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование ХеС1-лазера с УФ-предыонизацией. // Тез. докл. Ш Всесоюз. конф. мол.уч. "Теоретическая и прикладная оптика". - Ленинград, 1988. -С.90-91.

8. A.C. I6623II, Н Ol S 3/02. Лазер с когерентной накачкой / С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско, С.А.Картазаева , Ю.Д.Микитчук (СССР). - 4367161/25; заявлено 25.01.88.

9. Загреба Ю.Н., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование влияния системы возбуждения на генерационные параметры ХеЙ-лазера // Тез. докл. Ш Всесоюз. конф. мол.уч. '"Теоретическая и прикладная оптика". - Ленинград, 1988. - С.92-93.

10. Зноско К.Ф., Курганский А.Д. ХеС1-лазер с "плазменным" катодом // Тез.докл.IX Республ.конф. мол.уч. "Исследования в области спектроскопии и квантовой электроники". - Паланга, 23-25 мая 1989 г., ИФ АН Лит.ССР, Вильнюс, 1989. - С.48.

11. A.C. 1672895, Н Ol S 3/02. Моноблочная кювета для активной среды лазера с восьмисторонней накачкой / С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР). - 4690504/25; заявлено 04.04.89.

12. Зноско К.Ф. Исследование предыонизации XeCI-лазера // Тез.докл.IX Республ. конф.мол.уч. "Исследования в области спектроскопии и квантовой электроники". - Паланга, 23-25 мая 1989 г. ИФ АН Лит.ССР, Вильнюс, 1989. - С.49.

13. A.C. 1538844, Н Ol s 3/097. Газовый импульсный лазер / С.С.Ануфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский (СССР). -4387444/31-25; заявлено 25.01.88.

14. Ануфрик С.е., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Управление временным профилем импульса генерации ХеС1-лазера параметрами цепи возбуждения // Тез.докл. П Всесоюз. семинара "Физика быстропротекающих плазменных процессов". Гродно, 12-14 сентября 1989 г. - С.35.

15. Зноско К.Ф. Исследование процесса энерговклада в

ХеС1-лазере при возбуждении LC- контуром // Материалы П Межресппубл. школы-семинара мол.уч. "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы". Минск, 16-20 октября 1989 г. Минск, 1990. - С.206-209.

16. Ануфрюс С.С., Верховский B.C., Зноско К.Ф., Курганский А.Д., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Влияние параметров разрядного контура конструкции системы предыонизации состава и давления рабочей смеси на амплитудно-временные характеристики электроразрядного ХеС1-лазера. Препринт / Томский филиал СО АН СССР. -Томск, 1989. - JÜ2. - 29 с.

17. А.С.1485982, Н Ol s 3/02. Осветитель лазера / С.С.Ануфрик, Ю.Н.Загреба, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский (СССР). -4231923/31-25; заявлено 20.04.87.

18. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Оптимизация двухконтурной схемы возбуждения ХеС1-лазера // Межвуз. сб. Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское,

1989. - С.87-91.

19. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование влияния емкостной и искровой предыонизации на энергиюгенерации ХеС1-лазера. // Межвуз.сб. Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1989. - С.92-96.

20. Ануфрик С.С.,Зноско К.Ф. Влияние состава активной среды XeCI-лазера на его энергию генерации // Тез.докл.VI Всесоюз. конф. "Оптика лазеров". Ленинград, 2-7 марта 1990. - С.109.

21. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Исследование XeCI-лазера с возбуждением LC-контуром// Тез.докл. У1 Всесоюз. конф. "Оптика лазеров". Ленинград, 2-7 марта 1990. - С.НО.

22. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Низкоимпедансный генератор высоковольтных импульсов // ПЕЭ. -

1990. - ЯЗ. - С.99-101.

23. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А. Д. Электроразрядный лазер на XeCI // Изв. АН БССР. Сер. физ.-мат.наук. - 1990. - J63. - С.89-94.

24 A.C. 1771363, Н Ol s 3/094. Лазер / С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР). - 4845011/25; заявлено 17.04.91.

25. Измерение напряжения и тока ' в электроразрядных эксимерных лазерах /С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тез.докл. Республ.научн.-техн.конф. "Электрофизические и прикладные вопросы высоковольтных измерений".

- 17 -

Запорожье, 18-20 сент., 1990. - С.5-6.

26. Исследование схем возбуждения электроразрядного эксимерного ХеС1-лазера / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский// Тез.докл.Ш Менреспубл. семинара "Физика быстропратекащих плазменных процессов". Гродно, 11-14 мая 1992. - С.62.

27. Источник когерентного УФ-излучения для оптической диагностики / С.С.Ануфрик, А.С.Балнкин, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско // Тез.докл.Ш Мэжреспубл. семинара "Физика быстро-протекавдих процессов. Гродно, 11-14 мая 1992. - С.63.

28. А.О. 1811342, Н 01 Б 3/0977. Электроразрядный лазер с предыонизацией активной среды излучением скользящего разряда / С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР). - 4845012/25; заявлено 17.04.90.

29. АнуфрикС.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Влияние параметров контура возбуждения на длительность и форму импульса генерации ХеС1-лазера // Межвуз.сб. Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1992. - С.86-90.

30. Влияние параметров ьс-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Межвуз.сб. Лазерная и оптико-электронная техника. - Минск: Университетское, 1992. - С.91-96.

31. Исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А. Д. Курганский // Тез.Мездунар. конф. Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии. Гродно, 5-7 июля 1993. - С. 75-76.

32. Малогабаритные эксимерные лазеры / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тез.Мездунар. конф. Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии. Гродно, 5-7 июля 1993. - С. 226-228.

33 А.С. 1547647, Н 01 й 3/02. Кювета для активной среды лазера с восьдасторонней накачкой / С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско (СССР). - 4499113/31-25; заявлено 11.07.88.

34. Малогабаритный эксимерный лазер / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тез. П Мездунар. конф. по лазерной физике и спектроскопии. Гродно, 25-27 сентября 1995. - С. 104-105.

35. Система возбуждения широкоапертурного электроразрядного ХеС1-лазера.// С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско,

А.Д.Курганский // Тез. П Междунар. конф. по лазерной физике и спектроскопии. Гродно, 25-27 сентября 1995. - С. II5-II6.

36. Anufrik S.S., Znosko K.F., Kurgansky A.D. XeCl-laser with. ЪС-circuit excitation research // SPIE. - 1991- - Vol.1391.

- P.87-92.

37. Anufrik S.S., Znosko K.F., Kurgansky A.D'. XeCl-laser with ЪС-circuit excitation research // Abstracts Ш-rd Symposium on Laser Technology. Szcecin - Swinoujscie, 24-27 September 1990.

- P.47-48.

38. Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров / С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский // Тез. П Междунар. конф- по лазерной физике и спектроскопии. Гродно, 252? сентября 1995. - С. II0-II2.

РЕЗШЕ. Зноско Казимир Францевич. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСИМЕРНЫХ XeCl-ЛАЗЕРОВ С ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ.

Лазер, эксимер, энергия, возбуждение, длительность, разряд, предыонизация, контур, напряжение, ток, излучение, генерация, емкость, индуктивность, плазма.

Экспериментально найдены значения параметров активной среды XeCl-лазера при которых энергия генерации максимальна. Установлены оптимальные значения соотношения давлений активных компонент HCl и Хе и величины задержки основного разряда относительно разряда, создающего предыонизацшо.

Выявлены закономерности изменения характеристик выходного излучения XeCl-лазера при изменении параметров системы возбуждения. Предложены режимы эффективного его возбуждения.

Установлена взаимосвязь временных характеристик лазерного излучения с режимами возбуждения и параметрами системы возбуждения.

Создан ряд образцов электроразрядных эксимерных XeCl-лазеров с энергией генерации до 1,5 Дж для накачки лазеров на красителях, лидарных систем, медицины и биологии.

РЗЗШЗ. Зноска Каз1м1р Францав1ч. ЭЮРГЕТЫЧНЫЯ I ЧАСАВЫЯ ХАРАКТАРЫСТЫК1 ЭКС1МЕРНЫХ XeCI-ЛАЗЕРАУ 3 ЭЛЕКГРАРАЗРАДНЫМ УЗЕУдаЭННЕМ.

Лазер, экс1мер, энэрг1я, узбуджэнне, працягласць, разрад, прадыянХзацыя, контур, напружанне, ток, выпраменьванне, генерацыя, емкасць, 1ндуктыунасць, плазма.

Экспериментальна знойдзены значэнн1 параметрау актыунага асяроддзя ХеС1-лазера пры як!х энзрг!я генералы! найболыаая. Устаноулены аптымальныя значэнн! суаднос!н ц!ску актыуннх кампанент HCI и Хе i вел!чыны затрымк! асноунага разраду адносна разраду здзяйсняючага прадаян1зацыю.

Выяулены заканамернасц! змянення характарыстык выпраменьвання ХеСГ-лазера пры змяненн! параметрау с1стэмы узбуджэння. Прапанаваш рэтш эфектыунага яго узбуджэння.

Устаноулена узаемасувязь часавых характарыстык лазернага выпраменьвання з рэжымам! узбуджэння i параметрам! с!стэм узбуджэння.

Створаны шэраг узорау электраразрадных экс1мерных ХеС1-лазерау з энэрг!яй генрацы! да 1,5 Дж для пампавання лазерау на фарбавальн1ках, л!дарных с1стэм.

SUMMARY. Znosko Kazimir Prancevich. THE ENERGY AND TIME DEPENDENT CHARACTERISTICS OF EXOIMER XeCl-LASERS WITH ELECTRIC DISCHARGE EXCITATION.

Laser, exolmer, energy, excitation, duration, discharge, pre ionization, contour, voltage, current, radiation, lasing, capacity, inductance, plasma.

The meanings of the XeCl-laser active medium parameters providing the highest output energy has been experimentally found. The optimal values of the pressure ratio of HCI and Xe active components and the time delay between the main and згеionization discharges has been determined.

The behaviour of XeCl laser output radiation under the lifferent parameters of excitation system is revealed. It is !ound out the condition for its effective excitation.

The time characteristics correlation between the excitation ¡onditions and the parametersof active medium and excitation system is established.

It is created the set of excimer discharge pumped XeCl .asers with, the output energy up to 1-5 J for the lidar systems,

lumping of dye lasers, medicine