Исследование энергетических и временных характеристик газоразрядных эксимерных ArF и KrF лазеров на смесях He:Ar(Kr):F2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

на правах рукописи

ЖУЛИКОВ Андрей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ АгК И КгР ЛАЗЕРОВ НА СМЕСЯХ Не:Аг(Кг):Г2

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2006

Работа выполнена в Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук А.М. Ражев Официальные оппоненты;

доктор физико-математических наук, профессор В.Е. Бразовский

кандидат физико-математических наук В .И. Денисов

Ведущая организация:

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН

Защита состоится: " 24" ноября 2006 г.

в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003-024.01 в Институте лазерной физики СО РАН по адресу. 630090 Новосибирск, просп. Лаврентьева 13/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.

Автореферат разослан " 23 " октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.» м.н.

Н.Г. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации приводятся результаты исследований, полученные автором в 1996 - 2005 гг. в Институте лазерной физики Сибирского отделения РАН. Диссертация содержит решение проблемы поиска оптимальных параметров накачки эксимерных газоразрядных ArF (193 им) и KrF (248 нм) лазеров на смесях с буферным газом Неу обеспечивающих достижение максимальных значений энергии излучения и кпд.

Актуальность работы

В настоящее время импульсные газоразрядные ArF (193 нм) и KrF (248 нм) эксимерные лазеры находят широкое применение в микроэлектронике, фотолитографии, медицине и научных исследованиях [1,2], так как это наиболее коротковолновые лазеры (УФ диапазон спектра) с прямой накачкой, излучение которых попадает в полосы сильного поглощения многих сред. Высокая энергия квантов 6,4 и 4,9 эВ позволяет реализовать фотохимический механизм взаимодействия такого излучения с поверхностью вещества. Совокупность этих свойств лазерного излучения позволяет обрабатывать различные материалы с субмикроннон точностью без термического разрушения краев и поверхности материалов.

Одной нз наиболее интересных и перспективных областей применения эксимерных ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазеров является медицина (офтальмология, кардиохирургия и дерматология). Наиболее широкое применение ArF лазер находит в офтальмологии, где излучение с длиной волны 193 нм используется для проведения рефракционных операций по коррекции близорукости, дальнозоркости и астигматизма в широком диапазоне аномалий рефракции от 1,0 до 15 диоптрий, а также для лечения ряда поверхностных заболеваний роговицы [1-3]. Излучение ArF лазера с длиной волны 248 нм является перспективным для использования в кардиохирургии для образования каналов в сердечной мышце с целью улучшения ее кровоснабжения (трансмиокардиальная реваскуляризация), а также для лечения вирусных заболеваний в офтальмологии и дерматологии [4].

С практической точки зрения, для эксимерных лазеров предназначенных для медицинских применений, наиболее важными параметрами являются:

• максимально достижимая энергия излучения (не менее 0,5 Дж) в связи с необходимостью обработки больших площадей с высокой плотностью энергии до 5,0-6,0 Дж/см2 на поверхности ткани;

• максимальное значение полного кпд (от запасенной энергии в накопительной емкости системы возбуждения, далее просто кпд), что позволяет помимо энергетической экономии увеличить ресурс элементов системы возбуждения и электродной системы, а также повысить ресурс газовой среды;

• минимальная длительность импульсов (менее 30 не), чтобы минимизировать термический эффект, приводящий к разрушению поверхности ткани;

• простота конструкции и надежность эксплуатации лазера, определяемые типом системы возбуждения лазера и используемыми значениями зарядных напряжений, а также ресурс одного наполнения лазера.

Большое значение имеет стоимость эксплуатации лазера, которая в основном определяется стоимостью газовой смеси и зависит от сорта буферного газа. Использование гелия вместо неона в качестве буферного газа в активной среде эксимерного лазера позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию лазера, в котором газовая смесь должна периодически обмениваться. В связи с этим, проблема создания высокоэффективных газоразрядных АгР (193 нм) и КгР (248 нм) эксимерных лазеров с максимально достижимыми значениями энергии излучения и кпд в смесях на основе буферного газа гелия, является актуальной. Получение высоких значений энергии излучения при максимальном кпд в гелиевых смесях является достаточно сложной задачей, решение которой требует проведения специальных исследований.

Одним из наиболее важных параметров, влияющих на получение высоких значений энергии излучения и кпд эксимерного лазера, является интенсивность накачки активной среды. Следует выделить тот факт, что для каждого состава активной среды в лазерах на разных эксимерных молекулах существуют свои оптимальные значения интенсивности накачки, при которых достигается максимальный кпд лазера. Интенсивность накачки в данной работе определялась как удельная средняя мощность накачки № = Е!Угу где Е - энергия, запасенная в обостряющей емкости, V- активный объем, г- время ввода энергии в активную среду [5].

На момент начала наших исследований максимальные значения энергии излучения и кпд для эксимерных газоразрядных АгР и КгР лазеров были получены в смесях на основе буферного газа Л'е. Для этих лазеров были найдены оптимальные значения интенсивности накачки, которые были в диапазоне 1,3-2,5 МВт/см3 и позволяли получить максимальные значения кпд 2,1% (270 мДж) для АгР лазера и 3,9% (500 мДж) для КгР лазера [5]. Максимальные значения энергии излучения составляли 500 мДж (с кпд 1,0%) для АгР и 810 мДж (с кпд 2,6%) для

KrF лазеров, соответственно [6]. Замена буферного газа Ne на Не в этих лазерах, как правило» приводила к значительному снижению энергии излучения и кпд. В буклетах «Highlights» фирмы Lambda Physics [7] сообщалось о достижении в коммерческих лазерах серии LPX 300 энергии излучения 650 мДж для ArF и 1,2 Дж для KrF лазеров. Параметры активной среды и накачки, позволяющие получать такие энергии излучения, не сообщались. В связи с этим, представляло интерес изучение влияния интенсивности накачки на выходные параметры эксимерных лазеров на гелиевых смесях.

Цель работы:

Целью данной работы являлось исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерных газоразрядных ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазеров на смесях с буферным газом гелием в зависимости от параметров активной среды и интенсивности ее накачки, для достижения максимальных значений энергии излучения и кпд.

Задачи исследований:

1. Исследование параметров систем возбуждения и нахождение. их значений, позволяющих изменять интенсивность накачки в широком диапазоне величин, превышающих 2,5 МВт/см3 известные из литературы,

2. Исследование влияния параметров активной среды на энергию излучения и кпд эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров.

3. Исследование влияния величины интенсивности накачки на энергию излучения и кпд эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров на смесях lle:Ar(Kr):F2. Поиск оптимальных параметров накачки, позволяющих получать максимальные значения энергии излучения при максимальных кпд этих лазеров.

4. Разработка и создание лазерных систем с параметрами излучения, обеспечивающими их конкретные применения в медицине.

Научная новизна:

1. В высоковольтной системе возбуждения типа ZC- инвертор предложен и реализован способ увеличения интенсивности накачки до 5,5 МВт/см3 путем изменения конструкции и увеличения индуктивности основного контура до 100 нГн.

2. Впервые в KrF (248 нм) лазере на смеси IIe:Kr:F2 получена энергия излучения 1,0 Дж при кпд 2,0% за счет увеличения интенсивности накачки до 4,5 МВт/см3.

3. Впервые показано, что кпд эксимерного газоразрядного KrF (248 нм) лазера на смеси He:Kr:F2 достигает максимальных значений при интенсивности накачки, величина которой должна находиться в диапазоне 3,0-4,0 МВт/см3 (в данной работе 2,2%).

Впервые в Лг¥ (193 нм) лазере на смеси состава Не:Лг:Р2 получена энергия излучения 1,3 Дж при кпд 2,0% за счет увеличения интенсивности накачки до 5,0 МВт/см3,

Впервые показано, что кпд эксимерного газоразрядного Агр (193 нм) лазера на смеси Не:Лт:Р2 достигает максимальных значений при интенсивности накачки, величина которой должна находиться в диапазоне 4,5-5,0 МВт/см3 (в данной работе 2,1%).

Практическая значимость:

Созданы высокоэффективные эксимерные АтР (193 нм) и АгГ(248 нм) лазеры с активными средами на основе буферного газа гелия: серии ЕхЫЫ£Ш-$ с энергией излучения порядка 50 мДж; сер!ш Ех~ аПиМ-М с энергией излучения порядка 100-300 мДж; и серии Ех-ыЫцМ-Ь с энергией излучения порядка 500 -700 мДж. Созданные лазеры используются для научных исследований в Новосибирском государственном университете, Институте химической кинетики и горения СО РАН и аналитическом центре Института геологии и минералогии СО РАН,

Разработанный эксимерный газоразрядный АгР (193 нм) лазер серии использован в составе УФ лазерной офтальмологической системы Медилекс-193™, Проведены клинические испытания системы для рефракционных операций по коррекции аномалий рефракции глаза. Системы успешно используются в Новосибирском филиале ГУ МНТК "Микрохирургия глаза" и Краевой офтальмологической больнице г. Барнаула.

Разработаны малогабаритные медицинские системы на основе эксимерного КгР лазера (248 им) для лечения вирусных заболеваний на поверхности кожи с плотностью энергии излучения от 0,15 до 2,0 Дж/см2 и изменяемыми размерами пятна диаметром от 0,5 до 5,0 мм.

На зашиту выносятся: Величина индуктивности основного контура в системе возбуждения типа ХС-инвертор определяет величину интенсивности накачки для данной конструкции.

Максимальные значения энергии излучения и кпд эксимерного газоразрядного КгР (248 нм) лазера на смеси Не:Кг:Р2 достигаются при интенсивности накачки 3,0-4,0 МВт/см3.

Максимальные значения энергии излучения и кпд эксимерного газоразрядного АтР (193 нм) лазера на смеси Не:Ат:Р3 достигаются при интенсивности накачки 4,5-5,0 МВт/см3*

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на: Международных симпозиумах "Современные проблемы лазерной физики" (Новосибирск, 1995, 1997, 2000, 2004 г.), Международном коллоквиуме 363 "Механика лазерной абляции" (Новосибирск, Россия, 1997), Российско-Германском лазерном симпозиуме "RGLS - 97" (Новосибирск, Россия, 1997 г.), III, V, VI и VII Международных конференциях "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, Россия, 1997, 2001, 2003, 2005 г.), Европейском симпозиуме по биомедицинской оптике "BiOS/Europe 98" (Стокгольм, Швеция, 1998), Европейской конференции по лазерам и электрооптике "CLEO/Europe -98" (Глазго, Шотландия, 1998 г.), Азиатской конференции по лазерам и электрооптике "CLEO/Pacific Rim - 2001" (Чиба, Япония, 2001 г.), II Российско-Французском лазерном симпозиуме "RFLS-2001" (Владимир, Россия, 2001 г.), III Российско-Французском лазерном симпозиуме "RFLS-2003" (Москва, Россия, 2003 г.), IV Российско-Французском лазерном симпозиуме "RFLS-2005" (Ницца, Франция, 2005 г,), Евразийском симпозиуме "Медицинская физика" (Москва, Россия, 2001 г.), Международной конференции по квантовой электронике "IQEC-2002" (Москва, Россия, 2002 г.), Конференции по лазерам, применениям и технологиям "LAT- 2002" (Москва, Россия, 2002 г.), XIV международном симпозиуме по газовым, проточным и химическим лазерам и конференции по мощным лазерам "CGL/HPL-2002" (Вроцлав, Польша, 2002), IX конференции по применениям лазеров в науке о жизни "LALS- 2002" (Вильнюс, Литва, 2002 г.), Международных симпозиумах по биомедицинской оптике "BiOS" и по лазерам и их применениям в науке и технологиях "LASE - 2003" (Сан-Хосе, США, 2000, 2001,2002, 2003 г.).

Личный вклад автора Все описанные в данной диссертации эксперименты, а также полученные в них результаты и подготовленные на их основе публикации сделаны при непосредственном участии автора.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 15 научных работах в российских и зарубежных журналах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Приложения, Заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 126 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков и список цитируемой литературы из 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется цель и задачи исследований. Изложено краткое содержание диссертации. Приводятся научная новизна и практическая значимость полученных результатов, формулируются основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Глава 1 носит обзорный характер, в которой приведены литературные данные по теоретическим (§ 1.1) и экспериментальным (§ 1.2) исследованиям эксимерных газоразрядных КгР (248 нм) и АгР (193 нм) лазеров.

В § 1.1 описаны структура эксимерных молекул галогенидов инертных газов и условия, необходимые для их образования. На основе теоретических сведений рассмотрены физические принципы работы газоразрядных эксимерных КгР (§ 1.1.1) иу!гР(§ 1.1.2) лазеров.

В § 1.1.1 приведена схема потенциальных кривых молекулы КгР*, описаны её физические свойства и представлена упрощенная схема кинетических процессов

происходящих в плазме разряда лазера для двух различных смесей Не:Кг:Р3 и Не:Кг;Р2. Описаны основные кинетические процессы с учетом сорта буферного газа (Не или №), приводящие к образованию и тушению эксимерной молекулы Кг Г*, а также процессы фотопоглощения на длине волны излучения, влияющие на величину энергии излучения лазера. На основе результатов теоретического моделирования сделан вывод, что для газоразрядного КгР лазера использование в качестве буферного газа предпочтительнее Не для достижения максимальных значений энергии излучения и кпд [8,9].

В § 1.1.2 приведена схема потенциальных кривых молекулы АгГ*, описаны её физические свойства и также представлена упрощенная кинетическая схема реакций газоразрядного АгР лазера на смеси Не(Нс):Аг:Р2. Описаны основные кинетические процессы с учетом сорта буферного газа (Не или ¡Ус), приводящие к образованию и тушению молекулы АгРа также процессы фотопоглощения на длине волны излучения, влияющие на величину энергии излучения этого лазера [10,11]. Отмечается, что в отличие от КгР лазера, использование буферного газа ¿\е вместо Не не дает заметных преимуществ в кпд и энергии излучения АгР лазера, и, что в гелиевых смесях возможно получить выходные параметры излучения сравнимые с результатами полученными в неоновых смесях, при более высоком уровне накачки [10,12].

В § 1.2 сделан обзор литературы по экспериментальным исследованиям эксимерных газоразрядных АгР и КгР лазеров с различными системами возбуждения и активными средами.

На основании анализа литературных данных показано, что максимальные значения энергии излучения и кпд этих лазеров получены в смесях на основе буферного газа № при использовании достаточно сложных схем возбуждения типа генератора Маркса или стандартных схем типа С-С перезарядки, работающих при высоких зарядных напряжениях (порядка 40 кВ и выше). Причем, в большинстве работ максимальные значения энергии достигались при минимальных значениях кпд и наоборот, максимальные кпд достигались при низких энергиях излучения. Кроме того, из обзора литературы следует, что для эксимерных газоразрядных АтР и КгР лазеров в смесях на основе буферного газа ТУе были найдены оптимальные значения интенсивности накачки, которые находятся в диапазоне 1,8-2,5 МВт/см3 [5]. В этих условиях были получены максимальные известные для этих лазеров кпд, которые составили величину 2,1% (270 мДж) для АтР лазера и 3,9 % (500 мДж) для КгР лазера. Отмечается, что оптимальные условия накачки, при которых достигаются максимальные значения энергии излучения и кпд для газоразрядных АтР и КгР лазеров на гелиевых смесях, известны не были.

На основе результатов теоретических исследований по влиянию сорта буферного газа на энергию излучения и кпд АтР лазера, описанных в § 1.1.2, сделано предположение, что существует возможность увеличения выходных параметров этого лазера на гелиевой смеси при более высокой интенсивности накачки, чем для неоновой смеси [10], т.е. свыше 2,5 МВт/см3.

В главе 2 описана экспериментальная установка, использованная для проведения исследований энергетических и амплитудно-временных характеристик накачки и излучения эксимерных газоразрядных лазеров. Приведены наиболее распространенные схемы возбуждения газоразрядных лазеров и описан принцип их работы. Обоснован выбор схемы возбуждения типа ¿С- инвертор для создания системы накачки, используемой в наших экспериментах В результате, высоковольтная система возбуждения была собрана по схеме ¿С-инвертор на основе искрового разрядника РУ-65, с автоматической УФ предыонизацией искрами и низкоиндуктивным разрядным контуром (см. рис. 1). Детально описаны конструкция и элементы системы возбуждена и разрядной камеры,

Ри с Л, Электр и ческая схема системы накачки лазера. Р — искровой разрядник; С/ = 45 нФ; Сг = 90 нФ; С, = 34 нФ; Ь, = 40 нГн; - 20 нГн; Ь^ 3.8 нГн; £,= 2,5 мкГн; - 30-100 нГн; и1 = 18-25 кВ.

а также результаты оптимизации их параметров, которая заключалась в достижении максимальной эффективности передачи энергии из накопительных емкостей С) и С2 в обостряющую емкость С3 и, затем, в активную среду. Как будет показано далее, созданная система возбуждения позволяет достигать интенсивности накачки до 3,0 МВт/см3 для КтР (§ 3.1) и АгР (§ 4.1) лазеров. Описаны измерительная аппаратура и методы исследований.

Глава 3 посвящена исследованиям энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного Кгр (248 нм) лазера в смесях на основе буферного газа Не с целью поиска оптимальных параметров накачки для достижения максимальных значений энергии излучения и кпд.

. В § 3.1 приведены результаты исследований ЛгР лазера на смеси Не:Кг:Р2 при использовании экспериментальной установки показанной на рис. 1, Проведена оптимизация состава газовой смеси на основе буферного газа Не по максимальной энергии излучения. Найдено оптимальное соотношение компонент смеси Не:Кт:р2- 89,8:10:0,2. Исследованы энергетические и временные параметры накачки и излучения КгР лазера. Получено, что при зарядном напряжении 25 кВ напряжение на разрядном промежутке составило величину 36 кВ, а ток разряда — 80 кА. Оценки интенсивности накачки показали, что для активного объема 140 см3 при времени ввода энергии равном 50 не её величина составила 3,0 МВт/см3. При такой интенсивности накачки впервые для КтР лазера на гелиевой смеси была достигнута энергия излучения 0,8 Дж при кпд 2,0%.

Исследовано влияние состава буферного газа (соотношения Не и №) на параметры накачки и излучения КгР лазера для данной системы возбуждения. Получено, что добавление Л^ в качестве буферного газа к Не до 50% не изменяло параметров накачки (напряжения и тока разряда) и приводило к незначительному увеличению энергии излучения и кпд (на 10%). Дальнейшее увеличение содержания № в смеси свыше 50% и переход к чистому N6 приводили к снижению энергии излучения и кпд на 10% по сравнению со смесью на чистом Не. Сделан вывод, что использование интенсивности накачки порядка 3,0 МВт/см3 приводит к снижению выходных параметров КгР лазера на неоновой смеси и их у вс л тению для гелиевой смеси.

В § 3.2 представлены результаты исследований по определению оптимальных параметров накачки газоразрядного КгР лазера на смеси Не:Кт:Р2. Предложено увеличение интенсивности накачки свыше 3,0 МВт/см3 и проведено теоретическое и экспериментальное исследования влияния величины интенсивности накачки на энергию излучения и кпд этого лазера.

Совместно с теоретической группой из Института физики НАНУ (Киев, Украина) была разработана теоретическая модель системы возбуждения и построена кинетическая модель процессов, происходящих в плазме разряда Кгр лазера. Проведены теоретические и экспериментальные исследования системы возбуждения показанной на рис. 1 и найдены параметры элементов системы возбуждения, позволяющие увеличить интенсивность накачки свыше 3,0 МВт/см3. Для этого было предложено увеличение индуктивности основного контура Л С-инвертора путем увеличения индуктивности ¿5 в цепи обратного токопровода до 80 нГн (рис. 1). Результаты расчетов и экспериментов показали, что величина этой индуктивности сильно влияет на величину напряжения пробоя разрядного промежутка, тока разряда, а также на величину времени задержки между началом импульса предыонизации и началом импульса тока через газовую смесь (рис. 2). С увеличением индуктивности до 80 нГн, при одинаковых условиях накачки, происходит значительное увеличение напряжения и тока разряда, а также увеличение времени между предыонизацией и началом пробоя разрядного промежутка, что в системах с автоматической предыонизацией положительно влияет на однородность объемного разряда. Из расчетов получено, что рост напряжения происходит за счет увеличения индуктивной составляющей

напряжения #¿¿+¿3 основного контура £С -инвертора, а рост тока разряда - за счет ограничения индуктивностью Ь5 тока уходящего назад в схему во время пробоя разрядного промежутка (см. рис. I). В результате, совокупность этих факторов (рост значений и, А/) приводит к значительному увеличению энергии, вкладываемой в активную среду лазера. При изменении от 80 до 100 нГн рост параметров (V, /и) прекращается, а при значениях 1,$ свыше 100 нГн в расчетах было получено их снижение. Таким образом, оптимальное значение Ь5 находится в диапазоне 80-100 нГн, которое использовалось в дальнейших экспериментах.

Рис. 2. Зависимость напряжения на разрядном промежутке (/, тока разряда / и времени между началом УФ предыонизации и пробоем разрядного промежутка А/ от величины индуктивности £ 5.

Исследованы энергетические и временные параметры накачки и излучения КгР лазера при использовании индуктивности =80 нГн в системе возбуждения. Получено, что с увеличением зарядного напряжения от 18 до 26 кВ напряжение на разрядном промежутке растет от 26 до 42 кВ. При этом интенсивность накачки врастет от 2,0 до 4,5 МВт/см3 (рис. 3). При оценке величины И7 были приняты во внимание время ввода энергии в среду равное 40 не и увеличение ширины разряда от 0,7 до

1,1 см с ростом зарядного напряжения, влияющей на величину активного объема лазера который изменялся от 96 до 175 см3. При интенсивности накачки 4,5 МВт/см3 впервые для газоразрядного КгР лазера в смеси Не:Кг:Р2 объемом 175 см3 достигнута энергия излучения 1,0 Дж при кпд 2,0% (рис. 3). При длительности импульса на полувысоте 24 не импульсная мощность излучения составила величину 40 МВт. На основании полученных результатов был найден оптимальный диапазон интенсивности накачки 3,0-4,0 МВт/см3, при котором достигаются максимальные кпд для КгР лазера на гелиевой смеси (рис. 3).

Глава 4 посвящена исследованиям энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного АтР (193 нм) лазера на смесях на основе буферного газа Не с целью поиска оптимальных параметров накачки для достижения максимальных значений энергии излучения и кпд.

В § 4.1 приведены результаты исследований АтР лазера на смеси Не:Аг:Р2 при использовании экспериментальной установки показанной на рис. 1. Оптимизирован состав газовой смеси на основе буферного газа Не по максимальной энергии излучения и найдено оптимальное соотношение компонент смеси Не:Аг:Рг - 79,7:20:0,3. Проведены исследования энергетических и временных параметров накачки и излучения АтР лазера. Получено, что при зарядном напряжении 25 кВ напряжение на разрядном промежутке достигало 37 кВ. При этом для активного объема 130 см3 и времени ввода энергии в среду равном 50 не максимальная интенсивность накачки составила величину 3,0 МВт/см3.

Рис. 3. Зависимость энергии излучения Е и кпд 7} для КгР лазера от зарядного напряжения и1 и интенсивности накачки IV на смеси Не:Кг:Г2 - 89,8:10:0,2.

При такой интенсивности накачки для эксимерного газоразрядного ArF лазера на гелиевой смеси впервые была достигнута энергия излучения 550 мДж при кпд 1,4%.

Исследовано влияние состава буферного газа на выходные параметры ArF лазера. Измерения энергии излучения и кпд лазера для различных соотношений Не и Ne показали, что добавление Ne в качестве буферного газа к Не до 50% не изменяло выходные параметры лазера. Увеличение содержания Ne в смеси свыше 50% и переход к чистому буферному газу Ne приводили к снижению энергии излучения и кпд ArF лазера в 1,5 раза. Как и в случае для KrF лазера сделан вывод, что использование интенсивности накачки порядка 3,0 МВт/см3 приводит к снижению выходных параметров ArF лазера на неоновой смеси и их увеличению для гелиевой смеси.

В § 4.2 представлены результаты исследований по поиску оптимальных параметров накачки позволяющих достичь максимальных значений энергии и кпд для эксимерного ArF лазера в смесях на основе буферного газа Не. Увеличение интенсивности накачки, так же как и для KrF лазера (см. § 3.2), было получено путем увеличения индуктивности основного контура LC- инвертор за счет увеличения индуктивности Ls в цепи обратного токопровода между ¿С-инвертором и разрядным контуром до 80 нГн (рис. 1). Исследовано влияние величины индуктивности L$ на параметры возбуждения этого лазера и найдена её оптимальная величина равная 80 нГн. В этих условиях получено, что при увеличении зарядного напряжения от 20 до 32 кВ напряжение на разрядном промежутке растет от 35 до 50 кВ, а величина интенсивности накачки W от 3,8 до 5,5 МВт/см3 (рис. 4). При оценке интенсивности

Рис. 4. Зависимость энергии излучения Е и кпд ц для АгГ лазера от зарядного напряжения 1/г и интенсивности накачки Н' на смеси Не:Аг:Р2 - 79,7:20:0,3.

г» '

накачки W также учитывался факт увеличения активного объема от 120 до 180 см3 за счет роста ширины разряда от 0,75 до 1,15 см при увеличении зарядного напряжения. При этом время ввода энергии в среду было равно 40 не. Для эксимерного газоразрядного ArF лазера на смеси He:Ar:F2 объемом 170 см3 при интенсивности накачки 5,0 МВт/см3 впервые была достигнута энергия излучения 1,3 Дж с кпд 2,0% (рис. 4).

При длительности импульса на полувысоте 15±1 не, импульсная мощность составила величину порядка 85 МВт. На основании полученных результатов для АгР лазера на гелиевой смеси был найден оптимальный диапазон интенсивности накачки 4,5-5,0 МВт/см3, при котором достигаются максимальные значения кпд этого лазера (рис. 4).

В § 4.3 описаны результаты теоретического и экспериментального исследований влияния сорта буферного газа на параметры возбуждения и излучения эксимерного газоразрядного АгР лазера на смеси Не(№е):Аг:Р2. Совместно с теоретической группой го Института физики НАНУ (Киев, Украина), на основе результатов полученных для гелиевой смеси (см. § 4.2), была разработана теоретическая модель системы накачки и построена кинетическая модель процессов, происходящих в плазме разряда АгР лазера на смесях состава Не(Г\е):Аг:Р2.

Получено, что замена гелия на неон в смеси АгР лазера приводит к снижению уровня интенсивности накачки. Оценки интенсивности накачки для неоновых смесей показали, что с увеличением зарядного напряжения от 20 до 32 кВ величина врастет от 3,0 до 4,4 МВт/см3. Из результатов расчетов и экспериментов следует, что снижение величины IV в неоновой смеси связано с более ранним пробоем разрядного промежутка при меньших напряжениях (32-44 кВ) и большим увеличении активного объема лазера (145-190 см3) за счет большего роста ширины разряда (0,8-1,2 см).

Показано, что энергия излучения в неоновой смеси при увеличении уровня накачки, в отличие от гелиевой смеси (см. рис. 4), растет более медленно от 0,5 до 0,88 Дж. При этом максимальная величина кпд 1,9% достигалась при минимальном зарядном напряжении и затем монотонно снижалась до 1,1%.

Сделан вывод, что снижение выходных параметров АгР лазера при переходе с чистого буферного газа Не на Лг<? в нашем лазере происходит за счет использования интенсивности накачки свыше 3,0 МВт/см3, которая является неоптимальной для неоновых смесей. Результаты теоретического расчета показали, что «шжение полного кпд, при достижении величины интенсивности накачки выше оптимальной, связано со снижением энергии излучения за счет более интенсивного тушения молекул АгР* электронами разряда. Отмечается, что гелиевая среда эксимерного газоразрядного АгР лазера является эффективной для достижения кпд (2,0%), сравнимого с полученным в неоновой среде, при использовании интенсивности накачки 5,0 МВт/см3.

В приложении представлены эксимерные газоразрядные АгР (193 нм) и КгГ (248 нм) лазеры, работающие на гелиевых смесях, серии ExciLight и созданные на их основе системы для медицинских применений (офтальмология, дерматология).

В приложении I описаны экс и мерные лазеры ExciLight разработанные и созданные на основе результатов исследований полученных в даНЕЮй работе (рис, 5). В зависимости от уровня выходной энергии излучения, созданные лазеры разделены на три серии: серию ExciLight-S с энергией излучения порядка 50 мДж; серию ExciLight-M с энергией излучения порядка 100300 мДж; и серию ExciLight-L с энергией излучения порядка 500 -700 мДж. Описана конструкция лазера, приведены параметры лазеров для Рис,5. Фотография эксимерного лазера каждой серии и их примене-Excilight. ния.

В приложении 2 представлена УФ лазерная офтальмологическая система Мед ил екс-193 ™ для использования при проведении операций по коррекции аномалий рефракции глаза (близорукость, дальнозоркость и астигматизм), в составе которой используется эксимерпый ArF (193 нм) лазер серии ExciLight-L. Детально описаны состав и конструкция всей системы, лазер и оптическая система преобразования и доставки мощного УФ излучения на основе растрового гомогенизатора н специальных диафрагм, а также функциональные возможности системы.

В приложении 3 описана малогабаритная экспериментальная установка на основе эксимерного KrF (248 нм) лазера серии ExciLight-M, Система создана для проведения исследований по поиску параметров лазерного излучения, для достижения максимального лечебного эффекта при лечении вируса герпеса (рис. 6). Энергия излучения лазера была 300 мДж при длительности импульса на полувысоте 20±t не. Для передачи и преобразования мощного УФ лазерного излучения была разработана оптическая система, позволяющая получать на обрабатываемой поверхности ткани излучение с плотностью энергии от 0,15 до 2,0 Дж/см2 в пучке диаметром от 0,5 до 5,0 мм.

Рис» 6. Лазерная система на длине волны 24S нм для лечения вирусных кожных заболеваний.

.В приложении 4 представлены документы (акты внедрения) о практическом использовании разработанных лазеров в организациях РАН и медицинской системы на основе одного из созданных лазеров в медицинском учреждении, а также документы, разрешающие использование этой системы в медицинской практике.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в данной диссертационной работе:

1. Создана высоковольтная система возбуждения типа инвертор обеспечивающая достижение интенсивности накачки до 5,5 МВт/см3. Для получения такой интенсивности накачки предложено увеличение индуктивности основного контура ЬС~ инвертора за счет увеличения индуктивности до 80-100 нГн в цепи обратного токопровода.

2. Впервые для КгР (248 нм) лазера на смеси Не:Кг:Г? при интенсивности накачки порядка 4,5 МВт/см3 получена энергия излучения 1,0 Дж с кпд 2,0%.

3. Впервые для эксимерного газоразрядного КгР (248 нм) лазера на смеси состава Не:Кг:Р2 определен оптимальный диапазон интенсивности накачки 3,0-4,0 МВт/см3, при котором достигаются максимальные значения кпд этого лазера (в данной работе 2,2%).

4. Впервые для АгР (193 нм) лазера на смеси состава Не:Аг:Р2 при интенсивности накачки 5,0 МВт/см3 достигнута энергия излучения 1,3 Д ж с кпд 2,0%.

5. Впервые для эксимерного газоразрядного АгР (193 нм) лазера на смеси состава Не:Аг:Р2 определен оптимальный диапазон интенсивности накачки порядка 4,5-5,0 МВт/см3, при котором достигаются максимальные значения кпд этого лазера (в данной работе 2,1%).

6. Разработаны высокоэффективные зкеимерные газоразрядные АгР (193 нм) и КгР (248 нм) лазеры с активными средами на основе буферного газа гелия; серии ЕхсШ£Ы-8 с энергией излучения 50 мДж; серии ЕхсПщШ-М с энергией излучения 100-300 мДж; и серии ЕхсО,1%Ш-1, с энергией излучения 500 -700 мДж.

7. Эксимерный АгР (193 нм) лазер серии ЕхсгЬщШ-Ь использован в составе УФ офтальмологической лазерной системы Медилекс-193™ для рефракционной хирургии. Проведены клинические испытания системы для лазерной коррекции аномалий рефракции и лечения некоторых заболеваний глаза.

8. На основе эксимерного КгР (248 нм) лазера серии ЕхЫЫ%М-М создана малогабаритная система для использования в дерматологии.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Жуликов А.А., Ражев A.M. ЭксимерныЙ ArF-лазер с энергией 0,5 Дж на основе буферного газа Не // Квант, электрон. -1997. - Т. 24, № 8. -С 683-687.

2. Жупнков А.Л., Ражев A.M. ЭксимерныЙ KrF лазер на основе буферного газа Не с энергией 0.8 Дж и КПД 2 % // Квант, электрон. - 1998. - Т. 25, № 8. - С. 687-689.

3. Багаев С.Н., Жупиков А.А., Ражев A.M. Увеличение эффективности экснмерных ArF и KrF лазеров на основе буферного газа Не // Оптика атмосферы и океана. - 1998. -Т. 11, № 2-3. - С. 105-109.

4. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A. Excimer laser ophthalmic devices for eye microsurgery // Laser Physics. - 1998. - V. 8, № 3. - P. 794-798.

5. Багаев C.H., Жупиков A.A., Ражев A.M. E.C. Каргапольцев B.A. Чекавинский Влияние параметров накачки и состава активной среды на энергию излучения и кпд электроразрядных ArF и KrF лазеров // Оптика атмосферы и океана. - 2001, - Т. 14, № 11. - С. 991-995.

6. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Kuranov R.V., Turchin I.V. The excimer laser system for refractive surgery assisted by optical coherence tomography // Laser Physics. - 2001. - V. 11, № 11. - P. 1224-1227.

7. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Kuranov R.V,, Turchin I.V. Excimer laser ophthalmic system with optical coherence tomography // Proc. SPIE. - 2001. - V. 4245.-P.1-6.

8. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Kuranov R.V., Turchin I.V. Optical coherence tomography for in situ monitoring of laser corneal ablation // J. Biom. Opt - 2002. - V. 7, № 4. - P. 633-642.

9. Bagayev S.N., Razhev A.M., Chernych V.V., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S. The choice of the laser wavelength for a herpetic keratitis treatment // Proc. SPIE. - 2002. - V. 4611. - P. 86-93.

10. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., 1,3 J KrF excimer laser with efficiency 2,5% // Proc. SPIE. - 2003. -V. 5120. -P. 231-235.

И. Ражев A.M., Жупиков A.A., Каргапольцев E.C. ЭксимерныЙ KrCl (223 им) лазер на смеси He-Kr-HCl if Квант, электрон, - 2004. - Т. 34, № 2. С. 95-98.

12. Ражев A.M., Щедрин А.И., Калгожная А.Г., Рябцев А.В., Жупиков А.А. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного электроразрядного KrF лазера на смеси Не-Кг-Р2 // Квант, электрон. - 2004. - Т. 34, № 10.-С. 901-906.

13. Razhev А.М., Schedrin АЛ., Kalyuzhnaya A.G., Zhupikov А.А. Dependence of the efficiency of excimer gas-discharge lasers on parameters of the excitation circuit and the active medium // Ukr. J. Phys. -2005. - V. 50, № 9. - P. 922-929.

14. Razhev A.M., Zhupikov A.A. Excimer ArF laser with an output energy of 1,3 J at 2,0% efficiency on the He:Ar:F2 mixture // Appl.Phys. B.-2005. -V. 81. P. 1113-1117.

15. Ражев A.M., Щедрин А.И., Калюжная А.Г., Жупиков A.A. Влияние параметров возбуждения и активной среды на эффективность эксимерного электроразрядного ArF-лазера // Квант, электрон. -2005. - Т. 35, № 9. С. 799-804.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Excimer laser technology: laser sources, optics, systems and applications / Ed. by Basting D. - Gottingen: Lambda Physics AG, 2001, - 292 p.

2. Ewing J. Excimer lasers at 30 years // Optics & photonics news.-2003 — №.5.-P. 26-31.

3. Куренков B.B. Эксимерлазерная хирургия роговицы- M.: БЭБиМ, 1998.-151 с.

4. Ражев А.М. Ультрафиолетовые газоразрядные эксимерные лазеры и их применение в медицине: Дис... д-ра. физ.-мат. наук: 01.04.21. — Защищена 19.12.1999; Утв. 14.04.2000; 002872. - Новосибирск, 1999,

- 340 с.

5. Борисов В.М., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю., Водчиц В.А. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Кванг. электрон. - 1995. - Т. 22, № 6. - С. 533-536.

6. Борисов В.М., Борисов А.В., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. Эффекты ограничения средней мощности в компактных импульсно-периодических KrF-лазерах. // Квант, электрон, — 1995. - Т. 22, Ks 5.

- С. 446-450.

7. Basting D.: Lambda Physics Highlights. V. 50, January 1997, - 4 p.

8. Баранов В.Ю., Борисов B.M., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. -М: Энергоатомиздат, 1988. 163 с.

9. Maeda М., Takahashi A., Mizunami Т., et. all. Kinetic model for self-sustained discharge XeCl lasers // J. Appl. Phys. - 1982. - V. 21, № 8, -P. 1161-1169.

10. Ohwa M., Obara M. Theoretical evaluation of the buffer gas effects for a self-sustained discharge ArF laser // J. Appl. Phys. - 1988. - V. 63, № 5. -P. 1306-1312.

11. Бойченко A.M., Держиев В.И., Жидков А.Г., Яковленко С.Й. Кинетическая модель ArF-лазера // Квант, электрон. - 1992. - Т. 19, №5.-С. 486-491.

12. Nagai S., Furuhashi Н., etc. Formation dynamics of excited atoms in an ArF laser using He and Ne buffer gases if J. Appl. Phys. - 1995. - V.77, №7.-P. 2906-2911.

Формат бумаги 60x84 1/16 Объем печати 1. печ. лист. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринте Новосибирского института органической химии

им. H.H. Ворожцова СО РАН 630090 г. Новосибирск 90, пр. ак. Лаврентьева

Введение

Глава 1. Анализ литературы по исследованиям эксимерных KrF

248 нм) и ArF (193 нм) лазеров

1.1. Физические принципы работы эксимерных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров

1.1.1. Эксимерный KrF (248 нм) лазер

1.1.2. Эксимерный ArF (193 нм) лазер

1.2. Обзор литературы по исследованиям газоразрядных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров

Глава 2. Экспериментальная установка и методы исследований

2.1. Описание экспериментальной установки

2.2. Аппаратура и методы исследований

Глава 3 Исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного

KrF (248 нм) лазера на смеси He:Kr:F

3.1. Эксимерный KrF лазер на основе буферного газа Не с энергией 0,8 Дж и кпд 2,0%

3.2. Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F

Глава 4. Исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного ArF (193 нм) лазера на смеси He(Ne):Ar:F

4.1. Эксимерный ArF лазер с энергией излучения 0,5 Дж в активной среде He:Ar:F

4.2. Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд ArF лазера на смеси He:Ar:F

4.3. Исследование влияния сорта буферного газа на параметры накачки и излучения ArF лазера

В настоящее время импульсные газоразрядные ArF (193 нм) и KrF (248 нм) эксимерные лазеры находят широкое применение в микроэлектронике, фотолитографии, медицине и научных исследованиях [1,2], так как это наиболее коротковолновые лазеры (УФ диапазон спектра) с прямой накачкой, излучение которых попадает в полосы сильного поглощения многих сред. Высокая энергия квантов 6,4 и 4,9 эВ позволяет реализовать фотохимический механизм взаимодействия такого излучения с поверхностью вещества. Совокупность этих свойств лазерного излучения позволяет обрабатывать различные материалы с субмикронной точностью без термического разрушения краев и поверхности материалов.

Одной из наиболее интересных и перспективных областей применения экси-мерных ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазеров является медицина (офтальмология, кардиохирургия и дерматология). Наиболее широкое применение ArF (193 нм) лазер находит в офтальмологии, где излучение с длиной волны 193 нм используется для проведения рефракционных операций по коррекции близорукости, дальнозоркости и астигматизма в широком диапазоне аномалий рефракции от 1 до 15 диоптрий, а также для лечения ряда поверхностных заболеваний роговицы [1-3]. Излучение KrF лазера с длиной волны 248 нм является перспективным для использования в кардиохирургии для образования каналов в сердечной мышце с целью улучшения ее кровоснабжения (трансмиокардиальная реваскуляризация), а также для лечения вирусных заболеваний в офтальмологии и дерматологии [4].

С практической точки зрения, для эксимерных лазеров предназначенных для медицинских применений, наиболее важными параметрами являются:

• максимально достижимая энергия излучения (не менее 0,5 Дж), в связи с необходимостью обработки больших площадей с высокой плотностью энергии до 5,0-6,0 Дж/см на поверхности ткани;

• максимальное значение полного кпд (от запасенной энергии в накопительной емкости системы возбуждения, далее просто кпд), что позволяет помимо энергетической экономии увеличить ресурс элементов системы возбуждения и электродной системы, а также повысить ресурс газовой среды;

• минимальная длительность импульсов (менее 30 не), чтобы минимизировать термический эффект, приводящий к разрушению поверхности ткани;

• простота конструкции и надежность эксплуатации лазера, определяемые типом системы возбуждения лазера и используемыми значениями зарядных напряжений, а также ресурс одного наполнения лазера.

Большое значение имеет стоимость эксплуатации лазера, которая в основном определяется стоимостью газовой смеси и зависит от сорта буферного газа. Использование гелия вместо неона в качестве буферного газа в активной среде эксимерного лазера, позволяет значительно снизить затраты на эксплуатацию лазера, в котором газовая смесь должна периодически обмениваться.

В связи с этим, проблема создания высокоэффективных газоразрядных ArF (193 нм) и KrF (248 нм) эксимерных лазеров с максимально достижимыми значениями энергии излучения и кпд в смесях на основе буферного газа гелия, является актуальной. Получение высоких значений энергии излучения при максимальном кпд в гелиевых смесях является достаточно сложной задачей, решение которой требует проведения специальных исследований.

Одним из наиболее важных параметров, влияющих на получение высоких значений энергии излучения и кпд эксимерного лазера, является интенсивность накачки активной среды. Следует выделить тот факт, что для каждого состава активной среды в лазерах на разных эксимерных молекулах существуют свои оптимальные значения интенсивности накачки, при которых достигается максимальный кпд лазера. Интенсивность накачки в данной работе определялась как удельная средняя мощность накачки W=E/Vt, где Е - энергия, запасенная в обостряющей емкости, V - активный объем, г - время ввода энергии в активную среду [5].

На момент начала наших исследований максимальные значения энергии излучения и кпд для эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров были получены в смесях на основе буферного газа Ne. Для этих лазеров были найдены оптимальные значения интенсивности накачки, которые были в диапазоне 1,8-2,5 МВт/см3 и о значения интенсивности накачки, которые были в диапазоне 1,8-2,5 МВт/см и позволяли получить максимальные значения кпд 2,1% (270 мДж) для ArF лазера и 3,9% (500 мДж) для KrF лазера [5]. Максимальные значения энергии излучения составляли 500 мДж (с кпд 1,0%) для ArF и 810 мДж (с кпд 2,6%) для KrF лазеров, соответственно [6]. Замена буферного газа Ne на Не в этих лазерах, как правило, приводила к значительному снижению энергии излучения и кпд. В буклетах «Highlights» фирмы Lambda Physics [7] сообщалось о достижении в коммерческих лазерах серии LPX 300 энергии излучения 650 мДж для ArF и 1,2 Дж для KrF лазеров. Параметры активной среды и накачки, позволяющие получать такие энергии излучения, не сообщались. В связи с этим, представляло интерес изучение влияния интенсивности накачки на выходные параметры эксимерных лазеров на гелиевых смесях.

Цель работы:

Целью данной работы являлось исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерных газоразрядных ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазеров на смесях с буферным газом гелием в зависимости от параметров активной среды и интенсивности ее накачки, для достижения максимальных значений энергии излучения и кпд.

Задачи исследований:

1. Исследование параметров систем возбуждения и нахождение их значений, позволяющих изменять интенсивность накачки в широком диапазоне величин, о превышающих 2,5 МВт/см известные из литературы.

2. Исследование влияния параметров активной среды на энергию излучения и кпд эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров.

3. Исследование влияния величины интенсивности накачки на энергию излучения и кпд эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров на смесях He:Ar(Kr):F2, Поиск оптимальных параметров накачки, позволяющих получать максимальные значения энергии излучения при максимальных кпд этих лазеров.

4. Разработка и создание лазерных систем с параметрами излучения, обеспечивающими их конкретные применения в медицине.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Приложения, Заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация содержит 126 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков и список цитируемой литературы из 99 наименований.

Выводы к 4.3.

Проведены экспериментальное и теоретическое исследования влияния сорта буферного газа на параметры накачки и излучения эксимерного газоразрядного ArF (193 нм) и He(Ne):Ar:F2.

В результате проведенных исследований получено, что замена гелия на неон в смеси ArF лазера приводит к снижению уровня интенсивности накачки. При изменении зарядного напряжения от 20 до 32 кВ величина интенсивности накачо ки для неоновой смеси изменяется от 3,0 до 4,4 МВт/см , а для гелиевой смеси от 3,8 до 5,5 МВт/см3.

Дано объяснение снижению выходных параметров ArF лазера в исследуемом лазере при переходе от чистого буферного газа Не на Ne. Энергия излучения и кпд снижаются за счет использования интенсивности накачки свыше 3,0 МВт/см3, являющейся неоптимальной для неоновых смесей.

Показано, что гелиевая среда эксимерного газоразрядного ArF лазера является эффективной для достижения кпд (порядка 2,0%) при использовании интенсивности накачки 5,0 МВт/см3, сравнимого с полученным в неоновой среде [75].

Заключение

Основным результатом данной диссертации является определение оптимальных параметров возбуждения эксимерных газоразрядных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров на смесях состава He:Kr(Ar):F2, обеспечивающих достижение максимальных значений энергии излучения и кпд. На основе полученных результатов исследований были созданы высокоэффективные лазеры, работающие на недорогих гелиевых смесях, позволяющих значительно увеличить экономическую эффективность их эксплуатации. Созданные лазеры использованы в составе медицинских систем для применения в таких областях, как офтальмология и дерматология. Результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Создана высоковольтная система возбуждения типа LC- инвертор обеспечио вающая достижение интенсивности накачки до 5,5 МВт/см . Для получения такой интенсивности накачки предложено увеличение индуктивности основного контура LC- инвертора за счет увеличения индуктивности до 80-100 нГн в цепи обратного токопровода.

2. Впервые для KrF (248 нм) лазера на смеси He:Kr:F2 при интенсивности накачки порядка 4,5 МВт/см3 получена энергия генерации 1,0 Дж с кпд от запасенной энергии 2,0%.

3. Впервые для эксимерного газоразрядного KrF (248 нм) лазера на смеси состава He:Kr:F2 определен оптимальный диапазон интенсивности накачки 3,0-4,0 МВт/см , позволяющий получать максимальные значения кпд этого лазера (в данной работе 2,2%).

4. Впервые для ArF (193 нм) лазера на смеси состава He:Ar:F2 при интенсивноо сти накачки 5,0 МВт/см достигнута энергия генерации 1,3 Дж с кпд от запасенной энергии 2,0%.

5. Впервые для эксимерного газоразрядного ArF (193 нм) лазера на смеси He:Ar:F2 определен оптимальный диапазон интенсивности накачки 4,5-5,0 МВт/см3, при котором достигаются максимальные значения кпд этого лазера (в данной работе 2,1%).

6. Разработаны высокоэффективные эксимерные газоразрядные ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазеры с активными средами на основе буферного газа гелия: серии ExciLight-S с энергией излучения порядка 50 мДж; серии ExciLight-M с энергией излучения 100-300 мДж; и серии ExciLight-L с энергией излучения 500 -700 мДж.

7. Эксимерный ArF (193 нм) лазер серии ExciLight-L использован в составе УФ офтальмологической лазерной системы Медилекс-193™ для рефракционной хирургии. Проведены клинические испытания системы для лазерной коррекции аномалий рефракции и лечения некоторых заболеваний глаза.

8. На основе эксимерного KrF (248 нм) лазера серии ExciLight-M создана малогабаритная система для использования в дерматологии.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. A.M. Ражеву за высококвалифицированное руководство на всех этапах выполнения работы от постановки задач до защиты данной диссертации. А также поблагодарить сотрудников лаборатории: гл. спец. В.А. Че-кавинского за полезные обсуждения результатов и создание надежных систем питания, мне Е.С. Каргапольцева и мне Д.С. Чуркина за помощь в проведении экспериментов.

1. Excimer laser technology: laser sources, optics, systems and applications / Ed. by Basting D.- Gottingen: Lambda Physics AG, 2001, - 292 p.

2. Ewing J.J. Excimer lasers at 30 years // Optics & photonics news. 2003. - №.5. -P. 26-31.

3. Куренков В.В. Эксимерлазерная хирургия роговицы- М.: БЭБиМ, 1998. -151 с

4. Ражев A.M. Ультрафиолетовые газоразрядные эксимерные лазеры и их применение в медицине: Дис. д-ра. физ.-мат. наук: 01.04.21. -Защищена 19.12.1999; Утв. 14.04.2000; 002872. Новосибирск, 1999, - 340 с.

5. Борисов В.М., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю., Водчиц В. А. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квант, электрон. 1995. - Т. 22, № 6. - С. 533-536.

6. Борисов В.М., Борисов А.В., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. Эффекты ограничения средней мощности в компактных импульсно-периодических KrF-лазерах. // Квант, электрон. 1995. - Т. 22, № 5. - С. 446-450.

7. Basting D.: Lambda Physics Highlights. V. 50, January 1997, 4 p.

8. Эксимерные лазеры / Под ред. Ч. Роудза.- М: Мир, 1981. 245 с.

9. Velazco J.E., Setser D.W. Bound-free emission spectra of diatomic xenon halides // J. Chem. Phys. 1975. - V. 62, № 5. - p. 1990-1991.

10. Tellinghuisen J., Hoffman J.M., Tisone C.C., Hays A.K. Spectroscopic studies of diatomic noble gas halides: analysis of spontaneous and stimulated emission from XeCl // J. Chem. Phys.- 1976. V. 64, № 6. - P. 2484-2490.

11. Tellinghuisen J., Tisone G.C., Hoffman J.M., Hays A.K. Analysis of spontaneous and laser emission from XeF // J. Chem. Phys. 1976. - V. 64, № 11. - P. 47964797.

12. Лакоба И. С, Яковленко С.И. Активные среды эксиплексных лазеров // Квант, электрон. 1980. - Т. 7, № 4. - С. 677-719.

13. Елецкий А.В. Эксимерные лазеры // Успехи физ. наук. 1978. - Т. 125, Вып. 2.-С. 279-313.

14. Hay P. J., Dunning Jr. Т.Н. The electronics states of KrF // J. Chem. Phys. -1977. -V. 66, №3,- P. 1306-1316.

15. Dunning Jr. Т.Н., Hay P.J. The covalent and ionic states of the rare gas monofluorides // J. Chem. Phys. -1978. V. 69, № 1. - P. 134-149.

16. Julienne P.S., Krauss M. Role of the 111(1/2) -11(1/2) transition in rare-gas-halide kinetics //Appl. Phys. Lett. 1979. - V. 35, № 1. - P. 55-57.

17. Burnham R., Searles S.K. The radiative lifetime of KrF* // J. Chem. Phys. 1977. -V. 67, №1.-P. 5967-5958.

18. Kannari F. Multilevel model analysis of energy extraction from a KrF laser medium by short pulses // J. Appl. Phys. 1990. - V. 67, № 9. - P. 3954 - 3963.

19. Brau C.A., Ewing J.J. Emission Spectra of XeBr, XeCl, XeF and KrF // J. Chem. Phys. 1975. - V. 63, №11. - P. 4640-4647.

20. Tellinghuisen J., Hays A.K., Hoffman J.M., Tissone G.C. Spectroscopic Studies of Diatomic Noble Gas Halides II. Analysis of Bound-Free Emission from XeBr, XeJ and KrF // J. Chem. Phys. 1976. - V. 65, № 11. - P. 4473-4482.

21. Velazco J.E., Kolts J.H., Setser D.W. Quenching rate constants for metastable argon, krypton and xenon atoms by fluorine containing molecules and branching ratios for XeF and KrF formation // J. Chem. Phys. 1976. - V. 65, № 9. - P. 34683480.

22. Murray J.R., Powell H.T. KrCl laser oscillation at 223 nm // Appl. Phys. Lett. -1976.-V. 29, №4.-P. 252-253.

23. Moore C.E. Atomic Energy Levels // 1952. V. 2. - Natl. Bur. Stand. (US). - Circular 467.

24. Ищенко B.H., Лисицын B.H., Ражев A.M. Мощная сверхсветимость на эксимерах ArF, KrF, XeF в электрическом разряде // Письма в Журн. техн. физики. -1976. Т. 2, вып. 18, - С. 839-842.

25. Sze R.C., Loree T.R. Experimental studies of KrF and ArF discharge lasers. // IEEE J. of Quant. Electron. 1978. - QE-14, № 12. - P. 944-950.

26. Fahlen T.S. Efficient quarter-joule KrF laser with corona preionisation. // IEEE J. of Quant. Electron. 1979. - QE-15, № 5. - P. 311-313.

27. Кудрявцев Ю.А., Кузьмина Н.П. Эксимерные ультрафиолетовые газоразрядные XeF, XeCl, KrF лазеры. // Квант, электрон. 1977. - т. 4, № 1, - С. 220-222.

28. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. -М: Энергоатомиздат, 1988. 163 с.

29. Maeda М., Takahashi A., Mizunami Т., et. all. Kinetic model for self-sustained discharge XeCl lasers // J. Appl. Phys. 1982.'- V. 21, № 8. - P. 1161-1169.

30. Газовые лазеры. / Под. ред. Мак-Даниеля И. и Нигена У М: Мир, 1986. 348 с.

31. Michels Н.Н., Hobbs R.H., Wright L.A. The electronic structure of ArF* and Ar2F* // Chem. Phys. Lett. 1977. - V. 48, №1. - P. 158-162.

32. Verdeyen J.T. Laser electronics // New Jersey: Prentice Hall.- 2nd ed. -1989 340 P.

33. Ohwa M., Obara M. Theoretical evaluation of the buffer gas effects for a self-sustained discharge ArF laser // J. Appl. Phys. 1988. - V. 63, № 5. - P. 13061312.

34. Бойченко A.M., Держиев В.И., Жидков А.Г., Яковленко С.И. Кинетическая модель ArF-лазера // Квант, электрон. 1992. - Т. 19, № 5. - С. 486-491.

35. McKee T.J. Emission spectra of common discharge excimer-laser transitions // Can. J. Phys. 1988. - V. 66. - P. 859-860.

36. Burnham R. Ultraviolet-preionized discharge-pamped lasers in XeF, KrF and ArF // Appl. Phys. Lett. 1976. - V. 29, № 11. - P. 707-709.

37. Kudryavtsev Y.A., Kuzmina N.P. Excimer gas-discharge tunable ArF laser // Appl. Phys. 1977. - V. 13, № 1. - P. 107-108.

38. Nagai S., Furuhashi H., Uchida Y., Yamada J., Kono A., Goto T. Formation dynamics of excited atoms in an ArF laser using He and Ne buffer gases // J. Appl. Phys. 1995. - V.77, № 7. - P. 2906-2911.

39. Andrew J.E., Dyer P.E. Gain measurements in ArF and KrF excimer discharges using axial and sidelight fluorescence detection // Opt. Commun. 1985. - V. 54, №2.-P. 117-120.

40. Nagai S., Sakai M., Furuhashi H., Kono A., Goto Т., Uchida Y. Effects of F" ions and F2 molecules on the oscillation process of a discharge-pumped ArF excimer laser // IEEE J. of Quant. Electron. 1998. - V. 34, № 1. - P.40-46.

41. Saito Т., Ito S., Tada A. Long lifetime operation of an ArF-excimer laser // Appl. Phys. B. 1996. - V. 63. - P.229-235.

42. Saito Т., Ito S. Gas contaminant effect in a discharge-excited ArF excimer laser // Appl. Phys. B. 1998. - V. 66. - P.579-583.

43. Lo D., Shchedrin A.I., Ryabtsev A.V. The upper energy limit of a self-sustained discharge-pumped ArF laser // J. Phys D: Appl. Phys. 1996. - V. 29. - P.43-49.

44. Sutton D.G., Suchard S.N., Gibb O.L., Wang C.P. Fast discharge initiated KrF laser // Appl. Phys. Lett. - 1976. - V. 28, № 9. - P. 522-523.

45. Burnham R., Powell F.X., Djeu N. Efficient electric discharge lasers in XeF and KrF // Appl. Phys. Lett. 1976. - V. 29, № 1. - P. 30-32.

46. Burnham R., Djeu N. Ultraviolet-preionized discharge-pumped lasers in XeF, KrF and ArF // Appl. Phys. Lett. 1976. - V. 29, № 11. - P. 707-709.

47. Greene A.E., Brau C.A. Theoretical studies of UV-preionized transverse discharge KrF and ArF lasers // IEEE J. Quant. Electron. 1978. - QE-14, № 12. -P.951-957.

48. Hasson V., Bergmann H.M. Simple and compact photopreionization -stabilized excimer lasers // Rev. Sci. Instrum. 1979. - V. 50, № 12. - P. 1542-1544.

49. Andrew J.E., Dyer P.E., Roebuck P.J. Improved energy output from discharge pumped ArF and KrCl lasers // Opt. Commun. 1984. - V. 49, № 3. - P. 189194.

50. Rothe D.E., Gibson R.A. Analysis of a spark-preionized large-volume XeF and KrF discharge laser // Opt. Commun. -1977. V. 22, № 3. - P. 265-268.

51. Sze R.C. Rare-gas halide avalanche discharge lasers // IEEE J. Quant. Electron. -1979. QE-15, № 12. - P. 1338-1347.

52. Armandillo E., Bonanni F., Grasso G. Compact, simple, high-energy, discharge-pumped rare gas halide laser // Opt. Commun. -1982. V. 42, № 1. - P. 63-66.

53. Watanabe S., Endoch A. Wide aperture self-sustained discharge KrF and XeCl lasers // Appl. Phys. Lett. 1982. - V. 41, № 9. - P. 799-801.

54. Nodomi R, Oeda Y., Sajiki K., Nakajima S., Watanabe M., Watanabe S. High repetition rate, wide aperture KrF lasers for subpicosecond amplification // IEEE J. Quant. Electron. 1991. - V. 27, № 3. - P. 441-444.

55. Miyazaki K., Hasama Т., Yamada K., Fukatsu Т., Eura Т., Sato T. Efficiency of a capacitor-transfer-type discharge excimer laser with automatic preionization // J. Appl. Phys. 1986. - V. 60, № 8. - P. 2721-2728.

56. Агеев В.П., Атежев B.B., Букреев B.C. Импульсно периодический лазер с магнитным звеном сжатия // Журн. техн. физ. - 1986. - Т.56, Вып. 7. - С. 1387-1389.

57. Wang С.Р. Performance of XeF/KrF lasers pumped by fast discharge // Appl. Phys. Lett. 1976. - V. 29, № 2. - P. 103-105.

58. Баранов В.Ю., Борисов B.M., Степанов Ю.Ю. XeF лазер с импульсом генерации 2 не и расходимостью близкой к дифракционной // Квант, электрон. 1981. - Т. 8, № 10. - С. 2271-2273.

59. Sze R.C., Scott Р.В. Laser action in kripton fluoride and N2 in a fast pin laser // J. Appl. Phys. 1976. - V. 47, № 12. - P. 5492-5493.

60. Sarjeant W.J., Alcock A.J., Leopold K.E. A scalable multiatmosphere high-power XeF laser // Appl. Phys. Lett. 1977. - V. 30, № n. - P. 635-637.

61. Andrews A.J., Kearsley A.J. etc. A KrF fast discharge laser in mixtures containing NF3, N2F2 or SF6 // Opt. Commun. 1977. - V. 20, № 2. - P. 265-268.

62. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.А. Сатов, Ю.Ю. Степанов. Получение однородного разряда для импульсного лазера большого объема // Квант, электрон. 1975. - Т. 2, № 9. с. 2086-2087.

63. Месяц Г.А., Осипов В.В., Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры. М: Наука, 1991.-80 с.

64. Багаев С.Н., Жупиков А.А., Ражев A.M. Увеличение эффективности эксимерных ArF и KrF лазеров на основе буферного газа Не // Оптика атмосферы и океана. 1998. - Т. 11, № 2-3. - С. 105-109.

65. Жупиков А.А., Ражев A.M. Эксимерный KrF лазер на основе буферного газа Не с энергией 0.8 Дж и КПД 2 % // Квант.электрон. 1998. - Т. 25, № 8. - С. 687-689.

66. Ражев A.M., Щедрин А.И., Калюжная А.Г., Рябцев А.В., Жупиков А.А. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного электроразрядного KrF лазера на смеси He-Kr-F2 // Квант, электрон. 2004. -Т. 34, №10.-С. 901-906.

67. Razhev A.M., Schedrin A.I., Kalyuzhnaya A.G., Zhupikov A.A. Dependence of the efficiency of excimer gas-discharge lasers on parameters of the excitation circuit and the active medium // Ukr. J. Phys. 2005. - V. 50, № 9. - P. 922-929.

68. Hsia J. A model for uv preionization in electric-discharge-pumped XeF and KrF lasers //Appl. Phys. Lett. 1977. -V. 30, № 2. - P. 101-103.

69. Luches A., Nassisi V., Perrone M.R. Output characteristics of an excimer laser with delayed double preionisation // J. of Phys. E: Scientific Instruments. 1987. -V. 20, № 8.-P. 1015-1018.

70. Жупиков A.A., Ражев A.M. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0,5 Дж на основе буферного газа Не // Квант, электрон. -1997. Т. 24, № 8. - С. 683-687.

71. Ражев A.M., Жупиков А.А., Каргапольцев Е.С. Эксимерный KrCl (223 нм) лазер на смеси Не-Кг-НС1 // Квант, электрон. 2004. - Т. 34, № 2. С. 95-98.

72. Razhev A.M., Zhupikov A.A. Excimer ArF laser with an output energy of 1,3 J at 2,0% efficiency on the He:Ar:F2 mixture // Appl. Phys. B. 2005. - V. 81. P. 1113-1117.

73. Ражев A.M., Щедрин А.И., Калюжная А.Г., Жупиков А.А. Влияние параметров возбуждения и активной среды на эффективность эксимерного электроразрядного ArF-лазера // Квант, электрон. 2005. - Т. 35, № 9. С. 799-804.

74. Munnerlyn C.R., Koons S.J., Marshall J. Photorefractive keratectomy: a technique for laser refractive surgery // J. Cataract. Refract. Surg. 1988. - V. 14, № 1. - P. 46-52.

75. Krauss J.M., Puliafito C.A. Lasers in ophthalmology // Lasers in Surgery and Medicine // 1995. V. 17. - P. 102-159.

76. Лашух B.B., Пятин M.M., Искаков И.А., Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Ражев A.M., Чеботаев В.П. Применение УФ эксимерных лазеров в микрохирургии глаза. Новосибирск, 1986. - 18 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики; № 151).

77. Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Лантух В.В., Пятин М.М, Ражев A.M., Субботин В.М., Чеботаев В.П. Использование УФ излучения эксимерных лазеров в микрохирургии глаза // Оптика и спектроскопия. 1987. - Т. 63, Вып. 5. -С.1132-1138.

78. Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Лантух В.В., Пятин М.М., Ражев A.M., Чеботаев В.П. Фотоиспарение материалов мощным УФ излучением. Некоторые применения // Изв. АН СССР. 1987. - № 8. Сер. физическая. - Т. 51. -С. 1425-1430.

79. Chebotayev V.P., Ishchenko V.N., Iskakov I.A., Kochubei S.A, Lantukh V.V, Pyatin M.M., Razhev A.M. UV excimer lasers in eye microsurgery // Lasers in the Life Sciences. 1988- V. 2, № 4, - P. 271-284.

80. Lantukh V.V., Pyatin M.M., Razhev A.M. Clinical application of UV lasers // J. De Physique IV. 1991. - V. 1, Colloque C7. - P. 232-234.

81. Ахмаметьева Е.М., Лебедева Л.И., Кочубей С.А., Ражев A.M., Рыданных ОБ. Цитогенетические эффекты УФ лазерных излучений с длинами волн 248, 223 и 193 нм на клетки млекопитающих // Радиобиология. 1990. - Т. 30,Вып. 6.-С. 821-826.

82. Razhev A.M. Lantukh V.V., Pyatin M.M. Ophthalmic devices for corneal microsurgery on excimer lasers // J. De Physique IV. 1991. - V. 1. - Colloque C7. - P. 235-237.

83. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A. Excimer laser ophthalmic devices for eye microsurgery // Laser Physics. 1998. - V. 8, № 3. - P. 794-798.

84. Bagayev S.N., Chernikh V.V., Razhev A.M., Zhupikov A.A. Perspectives of using the wavelength of 223 nm of the KrCl excimer laser for refractive surgery and for the treatment of some eye diseases // Proc. SPIE. 2000. - V. 3908. - P. 138-145.

85. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Kuranov R.V., Turchin I.V. Excimer laser ophthalmic system with optical coherence tomography // Proc. SPIE. 2001. - V. 4245. - P.l-6.

86. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Kuranov R.V., Turchin I.V. The excimer laser system for refractive surgery assisted by optical coherence tomograph // Laser Physics. 2001. - V. 11,№11.-P. 1224-1227.

87. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Kuranov R.V., Turchin I.V. Optical coherence tomography for in situ monitoring of laser corneal ablation // J. Biom. Opt. -2002.-V. 7, №4.-P. 633-642.

88. Fedorov S.N., Lantukh V.V., Pyatin M.M., Razhev A.M., Ishchenko V.N., Kochubei S.A., Rydannykh O.V., Tsibisov A.V., Chebotayev V.P. Device for correcting ocular refraction anomalies // United States Patent. 1990. - № 4953969.

89. Fedorov S.N., Lantukh V.V., Pyatin M.M., Razhev A.M., Ishchenko V.N.,. Kochubei S.A., Rydannykh O.V., Tsibisov A.V., Chebotayev V.P. Un dispositivo de correction de anomalias de refraction del ojo // Patente de invention, Espana. 1990.-№P89023371.

90. Федоров С.Н., Лантух В.В., Пятин М.М., Ражев A.M., Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Рыданных О.В., Цибизов А.В., Чеботаев В.П. Способ коррекции аномалий рефракции и устройство для его осуществления // Авт. свидетельство. 1992. - № 1832479.

91. Лантух В.В., Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Пятин М.М., Ражев A.M., Чеботаев В.П. Способ лечения герпетических кератитов // Авт. свидетельство. СССР. - 1989. - №1524221.

92. Bagayev S.N., Razhev A.M., Chernych V.V., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S. The choice of the laser wavelength for a herpetic keratitis treatment // Proc. SPIE. -2002.-V. 4611.-P. 86-93.

93. Bagayev S.N., Razhev A.M., Zhupikov A.A., Kargapoltsev E.S. The advantages of using the 223 nm compared with 193 nm radiation wavelength for ophthalmic applications // Proc. SPIE. 2002. -V. 4900. - P. 1007-1013.