Импульсные газовые лазеры, возбуждаемые самостоятельным разрядом с автоматической УФ-предионизацией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Введение.

Глава I. Импульсные системы накачки лазеров высокого давления, возбуждаемые самостоятельным разрядом с автоматической УФ-предионизацией.

1.1. Механизмы возбуждения инверсной среды С02, N2, Си и эксимерных лазеров.

1.1.1. С02-лазер с передачей энергии.

1.1.2. N2 и Cu-лазеры с прямым возбуждением.

1.1.3. Эксимерные лазеры на галогенидах благородных газов.

1.2. Требования, предъявляемые к электроразрядным системам накачки газовых лазеров высокого давления.

1.3. Электроразрядные системы накачки и предионизации

С02, N2 и эксимерных лазеров.

1.4. Газовая система и способы приготовления рабочих смесей.

1.5. Аппаратура, методика эксперимента и обработка экспериментальных данных.

Глава II. Молекулярные С02 и К2-лазеры, возбуждаемые самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией.

2.1. Молекулярные электроразрядные С02-лазеры.

2.1.1. С02-лазер с двойным разрядом

2.1.2. С02-лазер с квазистационарным режимом накачки.

Выводы.

2.2. Азотные ТЕ-лазеры низкого давления.

2.2.1. Азотные лазеры с УФ-предионизацией.

2.2.2. Азотные лазеры с продольной накачкой и УФпредионизацией.

Выводы.

Глава III. Cu-лазер с накачкой самостоятельным поперечным разрядом и импульсным созданием паров.

3.1. Историческая справка.

3.2. Импульсный режим получения высокой концентрации атомов паров меди за счет взрыва проводников в вакууме.

Выводы.

3.3. Возбуждение паров меди поперечным самостоятельным разрядом.

Выводы.

Глава IV. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической коронной УФ-предионизацией.

4.1. Эксимерные лазеры на молекулах KrF, XeF и XeCl, возбуждаемые быстрым разрядом.

4.2. Объемный самостоятельный разряд в N2, Не и смесях Не:Хе:СС14.

4.2.1. Объемный разряд в N2.

4.2.2. Объемный разряд в Не.

4.2.3. Объемный разряд в Не:Хе:СС14.

4.3. Объемный самостоятельный разряд в Аг и смесях Аг:Хе:СС14.

4.3.1. Особенности развития объемного разряда в Аг.

4.3.2. Объемный разряд в смесях Аг:Хе:СС14.

4.4. ХеС1-лазер с двухконтурной схемой накачки.

4.4.1. ХеС1-лазер с быстрым режимом возбуждения.

4.4.2. ХеС1-лазер с квазистационарным режимом возбуждения (историческая справка).

Выводы.

Глава V. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической искровой предионизацией.

5.1. Режимы возбуждения с искровой предионизацией в обо-стрительном контуре.

Выводы.

5.2. Режимы возбуждения с искровой предионизацией в накопительном контуре.

5.2.1. Квазистационарный режим возбуждения с буферным газом Ne.

Выводы.

5.3. Быстрый режим возбуждения ХеС1-лазера с продольным разрядом и УФ-предионизацией

Выводы.

Глава VI. Эксимерные электроразрядные лазеры с автоматической плазменной предионизацией.

6.1. Быстрый режим возбуждения ХеС1 и XeF-лазеров с плазменным электродом и буферными газами Аг, Не и Не:Аг.

Выводы.

6.1.1. Быстрый режим возбуждения XeCl, XeF и KrF-лазеров с плазменными электродами и буферными газами Аг, Не и Не:Аг.

Выводы.

6.2. Квазистационарный режим возбуждения и генерации с плазменными электродами и буферными газами Аг, Не и Не:Аг.

Выводы.

6.2.1. Квазистационарный режим возбуждения и генерации с буферными газами Ne и Ne:He.

Выводы.'.

6.3. Особенности формирования объемного самостоятельного разряда для смесей Ne(He):Xe:HCl при квазистационарном режиме накачки.

6.3.1. Устойчивость разряда в смесях инертных газов с галогенами.

Выводы.

6.3.2. Самоподдерживающийся самостоятельный разряд в эксимерных смесях с УФ-предионизацией.

6.4. Историческая справка.

Выводы.

Газоразрядные лазеры составляют в настоящее время один из наиболее многочисленных классов оптических квантовых генераторов (ОКГ). Они перекрывают спектральный диапазон от вакуумного ультрафиолета до субмиллиметровой области спектра. Наиболее привлекательным считается импульсный режим генерации, так как удается получить лазерное излучение на значительно большем числе активных сред и переходов, а также в более широкой области спектра по сравнению с непрерывным.

В конце 60-х годов появились первые работы, в которых успешно применялся поперечный разряд для накачки N2, С02 и Си - лазеров. Однако, характеристики излучения были далеки от предельных, что обуславливалось нестабильностью объемных разрядов, используемых для накачки лазеров. Данная проблема стала ключевой после открытия экси-мерных лазеров на новых многокомпонентных активных средах. Практический интерес к ним был связан с их высокими параметрами УФ-излучения, частотными режимами работы, надежностью в эксплуатации и экономичностью для применений в новых технологиях: фотолитографии, фотохимии, медицине, биологии и т.д. Одной из перспективных областей применения считается атмосферная оптика: спектроскопия и дистанционное зондирование параметров атмосферы. Так, для высотного зондирования атмосферы эффективно используются мощные С02, Си и эксимерные лазеры.

В соответствии с вышесказанным, целью данной работы, начатой в начале 70-х годов, являлось исследование и создание мощных импульсных лазеров высокого давления, возбуждаемых самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией, на наиболее перспективных средах С02, Си, N2 и эк-симерных для задач атмосферной оптики и других применений. Для дос7 тижения этой цели было необходимо решение следующих принципиальных задач:

1. Исследования областей существования объемных самостоятельных разрядов и особенностей их поддержания при высоких давлениях в многокомпонентных газовых средах.

2. Исследование режимов возбуждения, а также энергетических, временных и спектральных характеристик генерации лазеров ИК, видимого и УФ-диапазона.

3. Создание эффективных систем накачки лазеров на основе самостоятельных разрядов высокого давления с УФ-предионизацией.

4. Разработка действующих образцов мощных лазеров.

Поставленные задачи решались частично путем теоретического анализа и расчета, а в основном экспериментально.

Научная новизна

1. Впервые показана возможность значительного увеличения длительности импульсов излучения ХеС1-лазера, возбуждаемого самостоятельными объемными разрядами со стабилизацией автоматическими источниками УФ-излучения в течение всего времени горения в активных средах различного состава:

• с коронной предионизацией в гелиевых и в аргоновых смесях обеспечивалась длительность разрядов до 100 не;

• с искровой предионизацией в гелиевых смесях - до 400 не, в аргоновых - до 200 не и в неоновых - до 300 не;

• с плазменной предионизацией в гелиевых смесях - до 1 мке, в аргоновых - до 300 не и в неоновых - до 500 не.

2. Впервые предложен и экспериментально реализован для ХеС1-лазера квазистационарный режим возбуждения и генерации самостоятельным 8 разрядом с УФ-предионизацией. Данный режим независимо от типа пре-дионизации определяется удельными мощностями накачки, вкладываемыми в быстрой и квазистационарной стадиях разряда.

3. Впервые показана возможность увеличения удельных параметров излучения электроразрядного ХеС1-лазера и достижения режима одновременной генерации на молекулах ХеС1 и атомарном Хе путем замены буферного газа гелия на аргон.

4. Впервые предложена и экспериментально реализована накачка экси-мерных лазеров с использованием плазменного электрода на основе поверхностной плазмы источника коронного разряда.

5. Показано, что увеличение интенсивности и длительности УФ-предионизации в сочетании с составом активной среды приводят к существенному увеличению удельных параметров излучения ХеС1-лазера и увеличению длительности импульсов генерации за счет квазистационарного режима возбуждения активной среды.

6. Впервые достигнуты рекордные удельные параметры излучения медного лазера при импульсном способе получения паров меди с возбуждением самостоятельным поперечным разрядом (2.4 Дж/см"5 и 120 kBt/cmj).

7. Впервые предложено использование квазистационарного режима возбуждения в С02 и 1Ч2-лазерах для управления выходными параметрами генерации.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе проведенных исследований и разработанных лабораторных образцов был создан ряд компактных электроразрядных эксимерных и азотных лазеров для широкого практического применения. Показана перспективность применения УФ-лазеров для упрочнения поверхностных слоев металлов и изменения свойств поверхностных слоев полупроводниковых материалов.

Найдено решение проблемы получения длинных импульсов генерации для электроразрядных эксимерных лазеров. Полученные результаты являются важными при получении генерации пикосекундных импульсов в режиме синхронизации мод или сужения линии генерации. Благодаря низкой пиковой мощности такие лазеры могут обеспечивать повышение энергии и средней мощности излучения, передаваемой по кварцевым волокнам.

Применение буферного газа Аг в активной среде электроразрядного ХеС1-лазера обеспечивает при условии использования мощных источников предионизации удельные параметры генерации, которые могут превышать аналогичные параметры в смесях с другими буферными газами (Не, Ne). В лазере ЭЛИ-91МТ при частоте следования импульсов генерации 50 Гц и их длительности 60 не была получена в аргоновых смесях энергия излучения 50 мДж и средняя мощность излучения 2.5 Вт с удельной энергией 0.7 Дж/л-атм; в неоновых смесях - 50 мДж, 2.5 Вт, 0.3 Дж/л-атм; в гелиевых смесях - 25 мДж, 1.25 Вт, 0.2 Дж/л-атм, соотвественно. Разработаны и реализованы лабораторные и опытные образцы мощных малогабаритных и миниатюрных азотных и эксимерных лазеров: УФИЛ-3(4), ЭЛАН-01М, ЭКСИК-1 (2), ЭКСИ-1, ЧЭПЛ-5, ЭКСИК-01М, ЭКСИК-OIF.

На основе лазера ЭЛАН-01М создан универсальный лазер ЭЛАН-02М, работающий на молекулах (N2, С02, ArF\ ICrF", ХеСГ и XeF*). Создана установка с поперечным разрядом возбуждения и импульсным получением паров металлов (за счет взрыва проводника в вакууме) для исследования их предельных параметров излучения. Результаты работы могут быть использованы при разработке новых электроразрядных лазеров высокого давления.

10

Научная ценность работы может быть проиллюстрирована рядом результатов изменяющим, ранее сложившиеся представления о самостоятельных поперечных разрядах, применяемых для газовых лазеров:

1. Обнаружен и исследован принципиально новый способ формирования самостоятельного объемного разряда в тяжелых инертных газах и аргоновых смесях высокого давления ХеС1-лазера в перенапряженных промежутках, где обеспечиваются условия формирования плазменного электрода за счет источника УФ-излучения. В результате этого основной объемный разряд развивается в промежутках, состоящих из металлического и плазменного электродов, и обеспечивает удельные энерговклады в активную среду до 300 Дж / л • атм.

2. Показано, что в эксимерных смесях высокого давления возможно получение длинных объемных разрядов, возбуждаемых самостоятельным разрядом стабилизированным УФ-предионизацией. В смесях Не:Хе:НС1 получены объемные разряды длительностью до 1 мкс за счет стабилизации разряда плазменными электродами в двухконтурной схеме питания с накопительной электрической линией в виде LC-звеньев.

3. Предложен и экспериментально реализован квазистационарный режим возбуждения эксимерных лазеров самостоятельным разрядом с УФ-предионизацией, обеспечивающий длинные импульсы излучения, который позволяет обеспечивать оптимальные удельные мощности накачки > 1 МВт/ cmj в быстрой и <0.2 МВт/ см3 в квазистационарной стадиях разряда .

4. Предложены и экспериментально реализованы импульсные способы получения паров меди (за счет взрыва проводника в вакууме) и возбуждения паров меди самостоятельным поперечным разрядом. Для Си -лазера получены рекордные удельные параметры излучения: Q = 2.4 Дж /см3 и W= 120 кВт/см3.

11

Использование результатов работы и внедрение

• Результаты научных исследований использованы в СКБ НП "Оптика" СО РАН при конструкторско-технологической разработке эксимерных лазеров ЭКСИ-1 и ЧЭПЛ-5.

• Малая серия лазеров ЭЛАН-01М изготовлена на Опытном заводе СО РАН г. Новосибирск для использования в институтах Сибирского отделения РАН.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 10 Международных, 14 Всесоюзных и 2 региональных конференциях. На разработки по теме диссертации получено 4 авторских свидетельства, материалы изложены в более 60 статьях в научных журналах, сборниках и отчетах.

Защищаемые положения

1. Стабилизация автоматическими источниками УФ-излучения (коронным, искровым или плазменным разрядом) самостоятельных объемных разрядов в течение всего времени горения позволяет увеличивать на один, два порядка время горения разрядов и реализовать квазистационарный режим возбуждения и генерации ХеС1-лазера с длительностью импульсов излучения 50-400 не.

2. Использование буферного газа аргона вместо гелия для ХеС1 и XeF-лазеров позволяет увеличивать их энергию излучения в 1.5 и 2 раза, соответственно, а также получать одновременную УФ и ИК генерацию на молекулах ХеС1* и атомарном Хе.

3. Экспериментально обнаруженный (в тяжелых инертных газах и аргоновых эксимерных смесях) новый способ формирования самостоятельного объемного разряда в промежутках, в которых один из электродов является металл, а другим - поверхностная плазма источника УФ-излучения, по

12 зволил разработать и показать высокую эффективность плазменного электрода на основе коронного разряда для эксимерных лазеров.

4. Обнаружен эффект влияния интенсивности и времени существования УФ-предионизации на параметры излучения эксимерного лазера. Рост интенсивности источника УФ-излучения позволяет повышать удельные параметры излучения ХеС1-лазера за счет выбора более эффективного буферного газа, а увеличение времени работы источника УФ-излучения позволяет увеличивать длительность импульсов генерации за счет квазистационарного режима возбуждения активной среды.

5. Импульсный способ получения паров меди за счет взрыва проводника в вакууме с последующим возбуждением самостоятельным поперечным разрядом позволяют получать рекордную удельную мощность и энергию излучения для медного лазера.

6. Применение квазистационарного режима возбуждения в С02 и N2-лазерах позволяет управлять их выходными параметрами генерации.

13

Основные результаты.

1. Проведены исследования самостоятельных разрядов с автоматической УФ-предионизацией (коронной, искровой и плазменной) для ХеС1-лазера с галогенидами СС14, СНС13, НС1 и буферными газами Аг, Не, Ne и Ar:He, Ne:He, позволившие определить удельные энерговклады и временные условия существования объемных разрядов:

- в установках с коронной предионизацией, длительность разрядов достигала 100 не в гелиевых смесях при давлениях < 4 атм с удельными энерговкладами до 200 Дж-л~'-атм"1, а в аргоновых смесях при давлениях < 2 атм с энерговкладами до 300 Дж-л~1-атм"1;

- в установках с искровой предионизацией длительность разрядов в гелиевых смесях увеличивалась до 400 не, в аргоновых - до 200 не и в неоновых - до 300 не;

273

- в установках с плазменной предионизацией длительность разрядов в гелиевых смесях была получена до 1 мкс, в аргоновых - до 300 не и в неоновых - до 500 не.

2. Обнаружен и исследован новый способ формирования объемного разряда в чистых газах Аг, Хе, Кг и смесях Аг:Хе:НС1 между металлическим электродом и электродом, образованным поверхностной плазмой, служившим и источником УФ-излучения. Разработан и реализован плазменный электрод с коронным разрядом для ХеС1 и XeF-лазеров, с использованием которого при замене буферного газа гелия на аргон или Аг:Не энергия излучения повышалась в 1,5 и 2 раза, соответственно.

3. Предложен и реализован плазменный способ стабилизации объемного разряда за счет двухконтурных схем питания с накопителем в виде распределенной емкости или электрической линии с сосредоточенными параметрами в виде LC-звеньев. Электрическая линия с сосредоточенными параметрами позволила получить квазистационарные разряды с длительностью импульсов возбуждения до 1 мкс.

4. В ХеС1-лазере замена буферного газа гелия на аргон при оптимизации условий накачки позволила увеличить энергию излучения этого лазера в 1,5 раза и получить одновременную генерацию на УФ и ИК переходах молекул ХеСГ и атомов Хе. Вклад ИК излучения в полную энергию генерации составял до 30%. Увеличение энергии излучения вследствие

274 замены буферного газа аргоном можно объяснить более эффективным образованием эксимерных молекул по ионному каналу.

5. Проведены исследования параметров излучения XeCl, XeF и KrF-лазеров с автоматической УФ-предионизацией и буферными газами Аг, Не, Ne и АпНе при использовании быстрого режима возбуждения с длительностью импульсов накачки до 50 не. С плазменной предионизацией добавка аргона порядка 1% в буферный газ гелий для перечисленных лазеров обеспечивала увеличение энергии их излучения на 20% по сравнению с активными средами на основе буферного газа гелия.

6. Проведены исследования параметров излучения ХеС1-лазера с автоматической УФ-предионизацией и буферными газами Ar, Не, Ne и Ar:He, Ne:He для квазистационарного режима возбуждения с длительностью импульсов накачки до 500 не:

- предложен и экспериментально исследован квазистационарный режим возбуждения и генерации для ХеС1-лазера, самоподдерживающимся самостоятельным разрядом. Показано, что данный режим зависит как от длительности объемной стадии разряда, определяемой концентрацией гало-генсодержащего газа и сорта буферного газа, так и от мощности накачки активной среды. В быстрой стадии разряда мощность накачки должна быть > 1 MBt/cmj, а в квазистационарной < 0.2 МВт/см3 при плотностях разрядного тока для буферного газа неона < 100 А/см2, а для гелия - < 200 А/см2;

275

- исследовано влияние длительности и интенсивности УФ-предионизации в эксимерных лазерах. Показано, что лучшие результаты достигаются в условиях, когда предионизация действует в течение всего времени существования разряда. В схемах возбуждения вне зависимости от того, куда включен источник УФ-предионизации в предимпульсный или основной контур питания, реализуется как быстрый, так и квазистационарный режим возбуждения активной среды. При этом длительность возбуждения зависит от длительности УФ-предионизации и параметров накачки;

- сформулированы общие требования для получения квазистационарного режима возбуждения и генерации ХеС1-лазера для любого буферного газа и различных схем возбуждения и типов УФ-предионизации;

- впервые в ХеС1 лазере с плазменной предионизацией получена генерация с энергией 0.5 Дж, длительностью импульсов более 250 не и удельной энергией излучения 1.25 Дж/л-атм при КПД = 1.4%. В лазере с искровой предионизацией при энергии генерации 0.5 Дж длительность импульсов достигала 170 не с удельной энергией излучения 0.75 Дж/л-атм и КПД = 1.6%.

- максимальная длительность импульсов генерации ХеС1 лазера была получена при использовании буферного газа аргона - 150 не, гелия - 220 не и неона - 400 не.

7. Проведены исследования параметров излучения ХеС1-лазера с буферными газами Аг, Не и Ne при возбуждении продольным разрядом с интенсивной УФ-предионизацией:

276

- впервые получена генерация в активной среде Хе:НС1 без буферного газа с удельной энергией излучения 1.5Дж/л-атм. При добавлении буферных газов Ne, Аг и Не удельная генерация составляла 0.9, 1.1 и 1.8 Дж/л-атм, соответственно.

8. Проведены исследования параметров излучения Cu-лазера с импульсным способом получения и возбуждения активной среды. Предложен и экспериментально реализован импульсный способ получения паров меди за счет взрыва проводника в вакууме при давлении Ю-5 Тор. Оптимальный энерговклад в проводник составил 200 Дж/имп. Получены рекордные удельные параметры генерации: С> = 2.4Дж/смэ и W = 120 кВт/см3.

9. Предложен и экспериментально реализован способ управления параметрами импульсов излучения С02 и ^-лазеров за счет применения квазистационарного режима возбуждения активной среды.

10. По результатам исследований создана серия N2, С02 и эксимерных лазеров с различным уровнем мощности и энергии и в различных габаритных размерах, включая миниатюрные.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приведены результаты исследований особенностей формирования объемных самостоятельных разрядов большой длительности и высокого давления, режимов ввода энергии накачки в активные среды с различными буферными газами и энергетические параметры излучения С02, N2, Си и эксимерных лазеров с УФ-предионизацией (коронной, искровой и плазменной) на основании которых разработаны оригинальные лабораторные образцы приборов.