Мощные импульсно-периодические эксимерные лазеры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

V У

оь~. 99 -

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТРОИЦКИЙ ИНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

* о? 99 Ш,

На правах рукописи ^ г- -Г ~ УДК621.375.826

ХРИСТОФОРОВ Олег Борисович

МОЩНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Специальность: 01.04.08.- физика и химия плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Троицк 1998

-2-

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 5

ГЛАВА I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ МОЩНЫХ ЭКСИМЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ. 23

1.1. Принципы построения импульсно- периодических эксимерных лазеров. 23

1.1.1. Системы импульсного питания. 25

1.1.2. Концепция мощного эксимерного лазера с универсальным газодинамическим контуром. 33

1.1.3. Обеспечение большого времени жизни газовой смеси. 3 9

1.2. Оптимизация лазерных систем на основе расчетного моделирования электрических полей. 41

1.3. Методики исследований. 47

1.3.1. Измерения лазерных характеристик. 47

1.3.2.Методики изучения импульсных самостоятельных разрядов. 49

1.4. Выводы к главе I. 53

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ. 55

2.1. Формирование однородных плазменных слоев большой площади. 55

2.2. Динамика формирования завершенного многоканального СР. 60

2.3. Структура электрического поля в плазме СР на стадии пробоя. 64

2.4. Влияние скорости нарастания электрического поля на напряжение газового пробоя. 68

2.5. Эффект сохранения однородной формы СР при высокой частоте следования импульсов в отсутствие продува газа. 71

2.6. Условия достижения высокого ресурса систем формирования импульсно-периодического СР. 75

2.7. Излучательные характеристики сильноточного скользящего разряда. Применение СР для фотоинициирования НЕ- лазера. 79

2.8. Концентрация фотоэлектронов, создаваемых излучением СР в газовых средах эксимерных лазеров. 83

2.9. Мощные высокоэффективные эксимерные лампы, возбуждаемые скользящим и барьерным разрядами. 85

2.9.1. Экспериментальные сапфировые эксилампы. 86

2.9.2. Выход флюоресценции КгБ* импульсного разряда. 88

2.9.3. Интенсивность излучения КгБ* в квазинепрерывном режиме. 93

2.9.4. Ограничения на среднюю мощность флуоресценции КгБ* в долговременном режиме возбуждения. 95

2.10. Выводы к главе П. 97

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ ЭКСИМЕРНЫХ ЛАЗЕРОВ. 101

3.1. Импульсный самостоятельный разряд в инертных газах. 101 3.1.1. Однородный объемный разряд в Не и Ne в отсутствие предыонизации. 104

3.2. Разряд в смесях инертных газов с галогенами. 107

3.2.1. Влияние состава газа на характер протекания разряда. 107

3.2.2. Эволюция разряда с ростом амплитуды напряжения. 108

3.2.3. Результаты экспериментального и расчетного исследования развития неоднородностей в плазме объемного разряда. 111

3.3. Неустойчивость однородной формы самостоятельного разряда в газовых средах эксимерных лазеров. 115

3.4. Закономерности флуоресценции эксимерных молекул KrF* в объемном разряде. 118

3.4.1. Временные и энергетические характеристики флуоресценции KrF* в зависимости от условий ввода энергии и состава газовой смеси. 119

3.4.2. Причины ограничения мощности и энергии флуоресценции KrF* в импульсном объемном разряде. 124

3.5. Увеличение выхода флуоресценции эксимерных молекул в разряде с плазменными электродами. 126

3.6. Выводы к главе Ш. 130

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ KrF- ЛАЗЕРОВ. 133

4.1. Лазеры с плазменными электродами. 134

4.2. Основные принципы достижения высокой средней мощности электроразрядных лазеров на фторидах инертных газов. 139

4.3 Широкоапертурный импульсно- периодический KrF- лазер с накачкой встречными электронными пучками. 146

4.3.1. Исследование теплового режима охлаждаемых выпускных окон электронных пушек лазера. 148

4.3.2. Влияние внешнего магнитного поля на характеристики накачки и генерации. 154

4.3.3. Эффект разрушения широкоалертурных оптических CaF2- окон при выводе лазерного УФ излучения высокой средней мощности. 160

-44.5. Эксимерные лазеры с диффузионным охлаждением. 160

4.5.1. Экстраполяция результатов исследования KrF- ламп в направлении создания импульсно- периодических эксимерных лазеров. 161

4.5.2. Щелевой KrF- лазер с возбуждением двойным скользящим разрядом. 165

4.6. Выводы к главе IV. 170

ГЛАВА V. МОЩНЫЕ ШИРОКОАПЕРТУРНЫЕ XeCI- ЛАЗЕРЫ С УФ

ПРЕДЫОНИЗАЦИЕЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ СКОЛЬЗЯЩЕГО РАЗРЯДА. 172

5.1. Исследование эффективных режимов УФ предыонизации. 173

5.1.1. ХеС1-лазеры с УФ предыонизацией искровыми и скользящим разрядами. 174

5.1.2. Оптимальный режим предыонизации. 179 5.1.2.1. Зависимость от условий возбуждения активной среды. 183

5.2. Широкоапертурный XeCI- лазер с энергией генерации 20 Дж. 185

5.2.1. Пространственно- энергетические характеристики излучения. 186

5.2.2. Неустойчивость объемного разряда как причина ограничения длительности генерации. 187

5.3. Первый XeCI- лазер со средней мощностью излучения 1 кВт. 190

5.4. Создание компактных электродных систем с однородным распределением энергии генерации по сечению пучка. 192

5.4.1. Компактная электродная система с предыонизацией симметричным СР. 193

5.4.2. Конфигурация полупрозрачного электрода высокоэффективных лазеров. 197

5.4.3. Метод управления пространственным профилем излучения. 200

5.5 Лазеры киловаттного уровня мощности. 203

5.5.1. Новая система накачки лазера со средней мощностью 1 кВт. 203

5.5.2. Исследование условий возбуждения активной среды. 206

5.5.3. Электроразрядный лазер "Гефест". 208

5.5.4. К вопросу о построении мощной лазерной линейки с расходимостью, близкой к дифракционному пределу. 212

5.6. Компактный широкоапертурный XeCI- лазер со средней мощностью излучения 600 Вт. 218

5.6.1. Особенности компактной конфигурации широкоапертурного лазера. 220

5.6.1.1. Структура электрического поля. 220

5.6.1.2. Распределение скорости газового потока. 223

5.6.2. Характеристики излучения. 225

5.7. Выводы к главе V. 227 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 231

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 234

ЛИТЕРАТУРА.

236

Введение.

Исследования в области мощных лазеров и применений лазерного луча являются одним из приоритетных направлений современной физики. Во многих областях человеческой деятельности, таких как промышленность, медицина, экология и наука, внедрение процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом обеспечивает качественное изменение существующих технологий.

Актуальность проблемы создания и исследования высокоэнергетичных эксимерных лазеров определяется возможностью получения в них значительно

и __и и

большей, по сравнению с другими источниками, импульснои и средней мощности излучения на селективных длинах волн в УФ области спектра с высоким качеством лазерного луча, а также широким кругом сформировавшихся и потенциальных применений мощного лазерного УФ излучения.

Впервые механизм инверсной заселенности на эксимерных молекулах, существующих только в возбужденном состоянии, был реализован в 1970 г. Н.Г. Басовым с сотрудниками при накачке среды жидкого ксенона пучком электронов [1]. В 1975 г. было показано, что эксимерные молекулы галогенидов благородных газов могут эффективно создаваться при тушении метастабильных атомов инертных газов галогено содержащими молекулами [2]. Эта работа наметила перспективы получения мощного лазерного излучения в УФ диапазоне и явилась основой для развития эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов.

Использование электронных пучков является универсальным способом накачки мощных высокоэнергетичных газовых лазеров, особенно эффективным для больших объемов активной среды [3-5]. Максимальная для эксимерных лазеров энергия генерации 10 кДж получена в КгБ-лазере (>.=248 нм) с активным объёмом 1x1x2 м3, возбуждаемом встречными пучками быстрых электронов

[6]. Одним из наиболее впечатляющих достижений в этой области стало создание на основе электронно-пучкового KrF-усилителя установки Nike для исследования лазерного термоядерного синтеза, в которой получен лазерный пучок высокого качества, с неравномерностью распределения интенсивности излучения по апертуре <0.5 %, и энергией 4-5 кДж в импульсе длительностью лишь 4 не, [7]. Полученные к настоящему времени результаты определили преимущества применения высокоэнергетичных эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов для решения проблемы лазерного термоядерного синтеза.

Одно из направлений развития эксимерных лазеров, накачиваемых электронными пучками, связано с осуществлением режима их действия с высокой частотой следования импульсов, наиболее эффективного для ряда применений. Создание мощных импульсно-периодических электронно-пучковых лазеров осложняется нагревом, возможностью радиационных повреждений и механическими нагрузками фольги, отделяющей вакуумный объем электронной пушки от газовой среды лазера высокого давления, необходимостью поддержания достаточно высокого, ~ 10"5 Topp, вакуума в пушке с большой, 10-20 А/см2, плотностью тока пучка, применением систем питания с напряжением в сотни киловольт и частотой следования импульсов -100 Гц. В настоящее время известно об единственном действовавшем эксимерном импульсно-периодическом XeF-лазере EMRLD с накачкой электронными пучками, проектная средняя мощность которого равна 4кВт (40 Дж, 100 Гц) при расходимости лазерного луча близкой к дифракционной [8-10].

В настоящей работе представлены результаты начальных исследований по созданию первого в нашей стране импульсно-периодического KrF-лазера с накачкой встречными электронными пучками и энергией генерации 100 Дж/ импульс.

Эксимерные лазеры, возбуждаемые самостоятельным объёмным разрядом, конструктивно проще, более надежны в эксплуатации, обеспечивают возможность получения больших средних мощностей в режиме с высокой частотой повторения импульсов [11]. К настоящему времени наиболее полно исследованы и реализованы принципы эффективного достижения генерации в лазерах субкиловаттного уровня средней мощности излучения с характерной энергией в импульсе < 1 Дж и частотой следования 100-300 Гц. При использовании простой искровой УФ предионизации, оптимальном выборе режимов ввода энергии, материалов электроразрядной системы и газодинамического контура достигается ресурс лазера -2-109 импульсов и время жизни газовой смеси -5-107 импульсов [12].

В середине 1980-х годов в Европе (проект EUREKA) и в Японии (проект AMMTRA) стартовали программы по развитию эксимерных электроразрядных лазеров с высокой, >1 кВт, средней мощностью [13,14].

Исследования в рамках общеевропейской программы EUREKA нацелены на создание ХеС1-лазеров (А,=308 нм), возбуждаемых объемным разрядом с предварительной ионизацией рентгеновским излучением. Наиболее значительным достижением в этом направлении в последние годы стало создание французского широкоапертурного импульсно-периодического ХеС1-лазера VEL (Very Large Excimer Laser), на котором в 1993 г. было продемонстрировано в кратковременном (~1 секунды) режиме достижение средней мощности 1 кВт (10 Дж, 100 Гц) [15]. Как следует из публикаций,[16], переход к долговременному режиму возбуждения так и не был осуществлен.

В рамках японского национального проекта к 1995 г. была создана ХеС1-лазерная установка со средней мощностью излучения 2.1 кВт при частоте следования импульсов 800 Гц [17]. Для возбуждения активной среды

использовался объемный разряд с высоковольтным предымпульсом и УФ предыонизацией излучением слаботочного незавершенного (коронного) разряда по поверхности диэлектрика. Достаточно низкий (~107 электронов/см3) уровень фотоионизации, обеспечиваемый таким предыонизатором, не позволяет увеличить апертуру основного объёмного разряда и ограничивает возможности эффективного повышения энергии генерации в отдельном импульсе. В связи с этим в [17] для получения энергии генерации 2,6 Дж использовалось три идентичных лазера, объединенных одним каскадным резонатором.

Развитое нами направление возбуждения импульсно-периодических лазеров объёмным разрядом в сочетании со вспомогательным завершенным скользящим разрядом по поверхности диэлектрика в качестве мощного протяженного источника УФ предионизации позволило снять указанные проблемы и впервые, в 1991 г., достичь уровень средней мощности излучения ХеС1-лазера 1 кВт (10 Дж, 100 Гц), [18]. В последствии, с использованием усовершенствованных схемы питания и электродной системы был осуществлен переход к режиму устойчивой долговременной работы лазера с высокой однородностью пространственного распределения интенсивности излучения [19,20].

В настоящее время в принципе отсутствует подход к решению проблемы эффективного увеличения энергии генерации в импульсе и достижения киловаттного уровня средней мощности излучения в электроразрядных КгБ-лазерах, КПД которых при определенных условиях не уступает КПД ХеС1-лазеров, а энергия кванта излучения (5 эВ) существенно выше, что предпочтительно для ряда применений. В диссертационной работе на основании проведенных исследований и анализа имеющихся экспериментальных данных развита концепция мощного, ~1 кВт, КгГ-лазера с высокой, около 103 Гц, частотой повторения импульсов. В этой концепции принципы эффективного достижения

высокой средней мощности в электроразрядном лазере универсальны для генерации на различных длинах волн в УФ диапазоне спектра (АгР*, А=193нм; КгС1*, А,=222нм; КхР*, Х=248 нм; ХеС1*, ^=308 нм; ХеР*, А,=351 нм).

Исследования по созданию мощных лазеров на моногалогенидах инертных газов были начаты автором по плановой теме ИАЭ им. И.В. Курчатова "Разработка импульсно-периодических эксимерных лазеров" (номер гос. регистрации У99060) в 1978 г. К началу работы средняя мощность импульсно-периодических эксимерных лазеров не превышала 10 Вт [21].

Целью работы было создание и исследование импульсно-периодических УФ лазеров с высокими импульсной (>107 Вт) и средней 1кВт) мощностью излучения и ресурсом, приемлемым для практических применений, на основе решения проблемы получения и устойчивости пространственно протяженных (>1л) однородных форм низкотемпературной плазмы с большой (~103 Вт/л) плотностью мощности излучения на переходах эксимерных молекул.

Основными задачами работы, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, было исследование закономерностей излучения эксимерных молекул в активных газовых средах и определение эффективных способов их возбуждения в импульсном и импульсно- периодическом режимах. Разработка высокоресурсных систем накачки высокой импульсной и средней мощности для электроразрядных и электронно-пучковых эксимерных лазеров с большой частотой следования импульсов, замкнутых газодинамических контуров данного класса лазеров с системами обеспечения большого времени жизни агрессивных галогеносодержащих газовых сред. Создание способов формирования лазерного луча высокого качества. Особое внимание в работе уделялось созданию и исследованию мощных широкоапертурных эксимерных лазеров с предыонизацией УФ излучением вспомогательного скользящего

разряда (СР) по поверхности диэлектрика.

Методы исследований. В качестве метода исследования в работе принят физический эксперимент с привлечением методов численного моделирования изучаемых физических процессов и интерпретации полученных экспериментальных данных на основе их теоретического анализа.

Научная новизна состоит в следующем.

1. Решена проблема получения и устойчивости в импульсно- периодическом режиме самостоятельного объемного разряда высокого давления в газовых смесях ХеС1-лазеров при осуществлении предыонизации больших («10 см) межэлектродных промежутков УФ излучением скользящего разряда и впервые получена средняя мощность лазерного излучения 1 кВт на Х= 308 нм.

2. Проведено исследование скользящего разряда высокого давления в инертных газах и их смесях с галогенами, на основании которого:

- определены уровни концентрации фотоэлектронов, создаваемых излучением СР при качественно различных условиях его возбуждения и установлены преимущества завершенной формы СР для предыонизации в эксимерных лазерах;

- установлены и аналитически описаны закономерности динамики распространения волны ионизации и распределения напряженности электрического поля в плазме СР на стадии его формирования;

- определены и реализованы условия полного однородного заполнения поверхности диэлектрика большой площади плазмой скользящего разряда; обнаружен эффект сохранения однородной формы СР при высокой частоте следования импульсов без продува газа;

- установлены энергомощностные режимы возбуждения, при которых достигается максимальный оптический выход СР в полосе прозрачности воздуха,

при этом плотности энергетического потока УФ излучения с поверхности протяженного плазменного слоя, характеризующегося высокой (> 1 кК) яркостной температурой, достигают величин ( > 0.3 Дж/см2 ), являющихся пороговыми для ряда технологических процессов поверхностной обработки материалов;

- предложена �