Содержание к диссертации
Введение
1. Физика процессов в азотном, эксимерных лазерах и лазере на атомарных линиях фтора. генераторы накачки газовых лазеров 12
1.1. Механизмы создания инверсии населенностей в газовых лазерах 12
1.1.1. Эксимерные лазеры 12
1.1.2. Лазер на атомарных переходах фтора 17
1.1.3. Азотный лазер 22
1.2. Генераторы накачки с емкостными накопителями, применяемые для создания активной среды газовых лазеров. 26
1.3. Генераторы с прерывателем тока (ГПТ) 34
1.4. Лазеры с накачкой от ГПТ 37
2. Экспериментальная аппаратура и методики измерений 46
2.1. Электроразрядный лазер с накачкой от генератора с промежуточным индуктивным накопителем, и прерывателем тока на основе SOS-диодов 46
2.2. Мощный широкоапертурный азотный лазер 48
2.3. Диагностическая аппаратура и методики измерений 51
2.4. Особенности режимов накачки газовых лазеров от ГПТ 53
3. Характеритики объемного разряда и лазерного излучения в смесях инертных газов с фторсодержащими молекулами при накачке ГПТ 56
3.1. Лазер на молекулах XeF* 56
3.2. Электроразрядный КгР*-лазер 66
3.3. Лазер на переходах атома фтора (FI) 75
3.4. Рентгеновское излучение искровой системы предыонизации и плазмы объемного разряда в лазере с индуктивным накопителем энергии 79
4. Генерация на первой и второй положительных системах азота при возбуждении ГПТ 87
4.1. Исследование характеристик объемного разряда и лазерного излучения в смесях азота с NF3 и SF6 87
4.2. Моделирование азотного лазера с накачкой самостоятельным разрядом в смесях N2 с электроотрицательными газами 100
4.3. Обсуждение результатов численных расчетов и сравнение их с экспериментом 102
4.4. Широкоапертурный азотный лазер 110
Заключение 117
- Генераторы накачки с емкостными накопителями, применяемые для создания активной среды газовых лазеров.
- Мощный широкоапертурный азотный лазер
- Электроразрядный КгР*-лазер
- Моделирование азотного лазера с накачкой самостоятельным разрядом в смесях N2 с электроотрицательными газами
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение длительности импульса и энергии излучения электроразрядных газовых лазеров имеет большое практическое и научное значение. С одной стороны, снижение импульсной мощности излучения позволяет существенно увеличить энергию в импульсе, а также среднюю мощность излучения, передаваемую по световоду. С другой стороны, увеличение числа проходов в резонаторе дает возможность эффективно управлять такими параметрами лазерного излучения, как расходимость и ширина линии генерации, что важно для различных технологических приложений электроразрядных лазеров. Поэтому задачи исследований, поставленные и решаемые в данной диссертационной работе, актуальны.
Для увеличения длительности импульса излучения электроразрядных газовых лазеров необходимо увеличить длительность импульса накачки, что приводит к рассогласованию импеданса генератора накачки и сопротивления объемного разряда, и как следствие влечет падение коэффициента полезного действия (КПД) генерации. Поэтому задачи повышения длительности импульсов генерации, энергии излучения и эффективности работы электроразрядного лазера достаточно тесно связаны. Значительные длительности импульсов излучения газового лазера и его КПД могут быть получены при решении следующих двух основных проблем: 1) формирование и поддержание в течение длительного времени (0,1 мкс и более) однородного объемного разряда в газовых смесях, содержащих молекулы доноров фтора; 2) обеспечение высокой эффективности передачи энергии, запасенной в накопительном элементе генератора накачки, в активную среду лазера (плазму объемного разряда). Для этого разработан метод накачки двойным разрядом с использованием достаточно сложных импульсных генераторов с емкостными накопителями энергии и коммутаторами на основе искровых разрядников и магнитных ключей [1-9].
При этом генератор накачки формирует сначала высоковольтный предымпульс, инициирующий объемный разряд в лазерном промежутке, а затем основной накопитель (конденсатор или формирующая линия) вкладывает в активную среду лазера основную часть запасенной энергии в режиме согласования импедансов. Подобные генераторы с использованием импульсных формирующих линий позволили создать электроразрядные лазеры на хлоридах инертных газов с эффективностью до 4-5 % и длительностью импульса генерации до 1 мкс [1 — 5]. Однако, до настоящего времени не удалось одновременно увеличить длительность и эффективность генерации в смесях, содержащих NF3 или F2 (F2, XeF, KrF, и ArF — лазеры, лазеры на линиях атомарного фтора), из-за быстрого развития контракции объемного самостоятельного разряда [6, 7, 10].
Ранее в ИСЭ СО РАН был предложен способ формирования и поддержания объемного разряда при помощи генераторов с прерывателями тока (ГПТ) на основе взрывающихся проводников[11] плазменно-эрозионных [12] и полупроводниковых прерывателей на основе SOS-диодов [13]. Проведены исследования возбуждения различных газовых лазеров двойным разрядом от ГПТ. Получены уникальные параметры излучения эксимерных ХеС1- лазеров на 308 нм: плотность мощности 150 мДж/см" при длительности импульса на полувысоте до 300 не [14, 15]. Получен предельный КПД (до 10% относительно вложенной в активную среду энергии) электроразрядных HF(DF)-fla3epOB [16, 17]. Была осуществлена эффективная накачка СОг-лазера, КПД которого составил 15% [18]. Однако характеристики разряда и лазерного излучения в смесях инертных газов и азота с фторсодержащими молекулами подробно не исследовались [19].
Данная диссертационная работа является продолжением исследований по возбуждению электроразрядных лазеров при помощи генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока. Основное внимание при выполнении работы уделялось исследованию параметров объемного разряда
и лазерных характеристик в смесях Ne-Xe(Kr)-NF3(F2), N2-SF6(NF3), He-F2
(NF3).
Целью данной работы является: увеличение длительности импульсов
излучения и энергии генерации азотных, эксимерных XeF- и KrF- лазеров и
лазера на переходах атомарного фтора, при накачке двойным разрядом с
формированием высоковольтного предымпульса ГПТ и прерывателем тока
на основе SOS-диодов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить
следующие задачи:
Определить параметры предымпульсов, формируемых генератором с прерывателем тока, при которых достигается максимальная длительность объемной стадии разряда в газовых смесях с фторсодержащими молекулами.
Экспериментально исследовать характеристики объемного разряда и параметров генерации при различных режимах накачки XeF, KrF, N2 и FI - лазеров с использованием ГПТ и двухконтурных LC — генераторов с обострительными и накопительными емкостями.
Методы исследования. Основным методом исследования в работе
является физический эксперимент, включающий в себя измерения
энергетических, временных и спектральных характеристик лазерного
излучения и электрических параметров самостоятельного объемного разряда
в различных газовых смесях. Дополнительно проводилось сравнение
экспериментальных результатов и результатов численного моделирования
N2- и KrF-лазеров с накачкой поперечным объемным разрядом.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. При накачке смесей KrF— и XeF-лазеров с содержанием
электроотрицательной добавки <1,5 Тор генератором с прерывателем
тока, высоковольтный предымпульс с передним фронтом Тф= 10-20 не
обеспечивающий максимальную напряженность поля на лазерном
промежутке не менее Е/р = 5 кВ/смхатм и скорость нарастания тока
!
разряда не менее dl\dt = 2,6 кА/нс увеличивает длительность импульсов
I генерации на X = 353 и 248 нм до —100 не.
2. Реализация одновременной генерации на второй (CflJ,, - B3IJg) и первой
(B3IJg - А3Ґ~и) положительных системах азота увеличивает длительность импульса УФ-излучения до 100 не за счет разгрузки нижнего лазерного уровня В I7g.
3. При возбуждении смесей азота с NF3 и SF6 LC-генераторами с
соотношением величин обострительной и накопительной емкостей С/:
Cq< 1 : 20 и периоде колебаний тока в цепи С/ менее 35 не реализуется
двухпичковый режим генерации лазера на самоограниченных
переходах азота на длине волны 337,1 нм.
4. В электроразрядном XeF—лазере с накачкой от генератора с
прерывателем тока при передаче в промежуточный индуктивный
накопитель 10% запасаемой энергии и длительности импульса тока
разряда 150 не реализуется режим генерации с внутренним КПД до 3%.
Достоверность научных положений и других результатов подтверждается:
-применением общепринятых методик измерения параметров объемного разряда и лазерного излучения, использованием современной регистрационной аппаратуры,
-согласованием полученных экспериментальных данных, результатов
численных расчетов и данных, приведенных в работах других авторов,
-воспроизводимостью полученных результатов;
' Новизна защищаемых положений и других результатов:
Определены параметры предымпульсов, формируемых генератором с полупроводниковым прерывателем тока, при которых длительность объемной стадии разряда в рабочих смесях XeF-, KrF- и FI- лазеров возрастает до 100 - 200 не.
Экспериментально показана возможность разгрузки нижнего лазерного уровня перехода С?Пи —> B3IJg молекулы азота на "к = 337Д нм
вынужденными переходами первой положительной системы азота В IIg
- А3Ґи на X = 869,5 - 1046,9 нм.
Впервые при накачке самостоятельным поперечным разрядом реализован режим работы азотного лазера на длине волны X = 337.1 нм с двумя пиками излучения в течение одного импульса возбуждения.
Впервые в электроразрядном XeF - лазере при длительности импульса возбуждения -150 не реализован* КПД относительно вложенной энергии 3%.
Впервые зарегистрировано рентгеновское излучение из искровых промежутков системы УФ — предыонизации электроразрядных лазеров.
Впервые получены максимальные на данное время энергия и импульсная мощность «излучения азотного лазера на X = 337,1 нм. При активной* длине лазера 1 = 1 м и поперечном сечении области объемного разряда до 6х 10 см. в смеси N2 - SF6 энергия излученияша* молекулах азота достигала! 80*мДж при пиковой мощности* излучения до 6 МВт.
Научная ценность результатов:
Установлено; что ГПТ позволяет формировать предымпульсы с оптимальными для различных газовых смесей, содержащих молекулы галогенов, амплитудой напряжения, длительностью переднего фронта и скоростью нарастания* тока разряда, что повышает стабильность и время горения объемной стадии разряда, улучшает энергетические и временные параметры лазерного излучения в газовых смесях инертных газов и азота с молекулами SF6, NF3, F2.
Экспериментально^ показана возможность увеличения длительности импульса УФ - генерации-азотного лазера до.-100 не за счет разгрузки нижнего лазерного уровня'вынужденнымишереходами на первой (B3IJg
- А 2*„) положительной системе азота.
3. Показано, что система предыонизации на основе искровых
промежутков, кроме УФ> и ВУФ излучения формирует импульсы
мягкого рентгеновского излучения, которые могут влиять на формирование объемного разряда в различных газовых смесях. Практическая значимость работы заключатся в следующем:
Разработаны импульсные генераторы с полупроводниковыми прерывателями тока, позволяющие реализовать оптимальные режимы накачки двойным разрядом и получить максимальные энергетические и временные характеристики импульсов излучения различных газовых лазеров.
Найдены новые режимы работы азотного лазера при накачке от ГПТ, в которых наблюдаются два пика излучения в течение одного импульса накачки, а полная длительность импульса генерации достигает 50 не. В данных режимах достигается максимальная энергия излучения на X — 337,1 нм и Х = 869,5 - 1046,9 нм.
Создан электроразрядный эксимерный KrF лазер с накачкой от ГПТ с энергией в импульсе 0,65 Дж и длительностью импульса излучения —90 не на полувысоте при полной длительности импульса излучения до 120 не.
Создан электроразрядный эксимерный XeF лазер с накачкой от генератора с полупроводниковым прерывателем тока с энергией в импульсе 0,4 Дж при электрическом КПД до 1,6% и КПД от вложенной энергии 3%. Полная длительность импульса составила 200 не, а длительность на полувысоте 100 не.
Получены максимальные энергия и мощность излучения лазера на атомарных переходах фтора при накачке двойным разрядом от ГПТ. Энергия и мощность излучения достигали значений 7.5 мДж и 400 МВт, соответственно.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях: International Conference on High-Power Laser Ablation VI, VII, Taos, NM, USA,
2006, 2008; 13 ' International Conference on Method of Aerophysical Research (ICMAR), Novosibirsk, Russia, 2007; International Conference ICONO/LAT, Minsk, Belarus, 2007; Харитоновские чтения - международная научная конференция «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергий», РФЯЦ - ВНИИЭФ, г.Саров, Россия, 2006 и 2008; VII и VIII Международные конференции Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул, г.Томск, Россия, 2005, 2007; 13th and 14th Symposiums on High Current Electronics, Tomsk, 2006, 2008, 9th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies, Tomsk, 2008.
Личный вклад автора состоит в участии в постановке экспериментов, разработке и создании экспериментальных установок, проведении экспериментальных исследований, интерпретации и анализе полученных результатов.
Моделирование двухпичковой генерации азотного лазера Гл. 4 п. 4.2, 4.3 проводилось на основе модели, разработанной научным сотрудником лаборатории теоретической физики ИСЭ СО РАН А.И. Сусловым. Расчеты параметров электроразрядных KrF - лазеров производились на основе модели, разработанной в лаборатории газовых лазеров ИСЭ СО РАН д.ф-м.н. Ю.И. Бычковым, к.ф.-м.н. А.Г. Ястремским и к.ф.-м.н. С.А. Ямпольской.
Постановка задачи и общее руководство работой осуществлялось профессором, д.ф.-м.н. (специальность 01.04.03-радиофизика) Тарасенко В.Ф. Экспериментальные исследования проводились в Институте сильноточной электроники СО РАН под руководством научного консультанта, с.н.с, к.ф.-м.н. (специальность 01.04.04-физическая электроника) А.Н. Панченко Представленные в диссертационной работе результаты получены лично автором или совместно с соавторами при его непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, и библиографического списка. Диссертационная работа
изложена на 132 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунком и содержит 122 библиографические ссылки.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, их новизна, научная ценность и практическая значимость.
В первой главе дан обзор литературы, посвященный физике процессов, происходящих при накачке объемным самостоятельным разрядом, эксимерных и азотных лазеров, лазера на атомарных линиях фтора. Рассматриваются условия, необходимые для создания инверсии населенностей, на переходах молекулы азота, эксиплексных молекул и атомарного фтора. Также описаны конструкции и принципы работы импульсных генераторов, применяемых для создания активной среды газовых лазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом.
Во второй главе описаны конструкции лазерных установок, используемых в экспериментах, а также описаны приборы и методики измерений, которые использовались для решения задач, поставленных в диссертационной работе, рассмотрены вопросы, связанные с погрешностями измеряемых величин.
В третьей главе приведены результаты исследования спектра излучения от искровых промежутков системы УФ - предыонизации; сравнение режимов накачки лазера на атомарных переходах фтора и эксимерных лазеров от различных импульсных генераторов.
В четвертой главе исследованы различные режимы работы азстного лазера при накачке от генератора с прерывателем тока, проведено сравнение экспериментально полученных данных с результатами теоретического моделирования.
В заключении сформулированы основные результаты данной диссертационной работы.
Генераторы накачки с емкостными накопителями, применяемые для создания активной среды газовых лазеров.
Как показано выше, для создания инверсии населенности в различных газовых лазерах необходимы различные условия накачки, это накладывает отпечаток на выбор генератора накачки. В настоящее время для накачки импульсных газовых лазеров широко применяются генераторы, основанные на емкостных накопителях энергии. Применение таких генераторов позволило создать лазеры с высокой средней и импульсной мощностью излучения. Рассмотрим несколько типичных схем и принцип работы таких генераторов. Двухконтурная схема с перезарядкой емкости на емкость и схема Фитча. Принципиальная электрическая схема LC-генератора с накопительной и обострительной емкостями изображена на рисунке 4 а. К разновидности этой схемы относиться генератор Фитча, рисунок 4 б. Генератор состоит из контура с большой индуктивностью К1, включающего в себя накопительную емкость С„ коммутатор SW, а также контура с малой индуктивностью К2, включающего в себя емкость С0о и разрядный промежуток. При срабатывании коммутатора SW происходит зарядка обострительных конденсаторов С0в, и по достижении пробивного напряжения на лазерном промежутке происходит его пробой и формирование разряда. Как правило, в данных схемах удобно использовать искровую предыонизацию, которая работает в автоматическом режиме. В зависимости от соотношения емкостей Сн и С0в данная схема может осуществлять накачку быстрым разрядом (в этом случае С„ С0&) или формировать разряд от обострительной емкости, а основной энерговклад будет происходить от накопительной емкости (в этом случае выбирают С„ ЮхСо5). В [70] изучалась динамика поведения импульса генерации в зависимости от концентрации донора галогена и соотношения емкостей С,/С0б при использовании схемы с перезарядкой емкости на емкость. С соотношением емкостей CJC0c = 12/9 и газовой смеси с низким содержанием галогена НС1 (0.4 Тор) были получены импульсы генерации длительностью -150 не с энергией 35 мДж и электрическом КПД 0.1%. В свою очередь при накачке быстрым разрядом (С,/С0б 2) концентрация галогена НС1 могла быть увеличена до 4 Тор, что приводило к увеличению энергии генерации до 84 мДж с эффективностью 0.7 %, однако неизбежно уменьшалась длительность импульса (до 35 не). В [71] использование схемы с перезарядкой емкости на емкость позволило увеличить длительность импульса в XeCl-лазере до 200 не на полувысоте. Энергия составила 135 мДж с КПД от запасенной энергии 0.8%.
Несмотря на то, что эта схема LC-генератора является конструктивно простой, при ее использовании нельзя одновременно получить высокое перенапряжение на лазерном промежутке U (U 2U0, где U0 — зарядное напряжение накопительной емкости) при его пробое и эффективный ввод энергии в плазму. Эти генераторы в основном применяются для накачки лазеров быстрым разрядом. Генераторы накачки двойным разрядом. Для повышения эффективности длинноимпульсных лазеров на молекулах галогенидов благородных газов в [1] был предложен генератор накачки двойным разрядом на основе искровых разрядников, схема которого приведена на рисунке 5. Отличительной особенностью генератора накачки двойным разрядом является наличие 2-х независимых контуров, каждый из которых коммутируется на разрядный промежуток лазера отдельным коммутатором. В такой схеме контур с высоким зарядным напряжением и малой запасаемой энергией формирует высоковольтный предымпульс, который формирует объемный разряд, в то время как низковольтный контур вкладывает в нагрузку основную энергию в согласованном режиме. Данная схема, позволяет легко менять условия накачки. В экспериментах [1] была получена эффективная генерация на молекулах ХеС1 с КПД относительно запасаемой в двух контурах энергии до 4.2% с длительностью импульса генерации до 120 не на полувысоте (по основанию 200 не). Основной недостаток данного генератора состоял в сложности синхронизации контура с малой запасенной энергией и основного контура, поскольку разрядник SW1 должен выдерживать высокое напряжения и срабатывать при низком напряжении. Кроме того, наличие 2-х разрядников увеличивает потери на коммутацию и делает схему менее надежной. Для решения проблемы синхронизации контуров и исключения второго искрового разрядника используются генераторы двойного разряда с магнитными ключами, схема которых показана на рисунке 6 [2 - 4]. В таких генераторах роль второго коммутатора, подключающего основной накопитель, выполняет насыщающийся дроссель Ls. Подробное описание конструкций таких генераторов и анализ режимов их работы сделаны в [9]. В зависимости от величины, полярности и амплитуды предымпульса относительно напряжения на основном накопителе различают три режима работы таких генераторов, именуемых в англоязычной литературе как switch mode, diode mode и overshot mode. Характерные для этих режимов осциллограммы импульсов напряжения на лазерном промежутке приведены на рисунке 7. Все режимы характеризуются наличием задержки между пробоем разрядного промежутка при подаче предымпульса и началом тока разряда основного накопителя.
При этом скорость нарастания тока разряда ограничивается импедансом контура основного накопителя. В [9] максимальные длительности импульса генерации и КПД ХеС1 лазера были получены в режиме «overshoot». В работе [2] использование генератора на основе магнитных ключей для накачки смесей с малым содержанием донора галогена (Ne:Xe:HCl = 2 атм:6 Тор:0.4 Тор) позволило добиться увеличения импульса генерации ХеС1-лазера до 1250 не. Энергия генерации при этом составила всего 100 мДж при эффективности относительно запасенной энергии 0.44%. При уменьшении длительности импульса накачки до 600 не получена энергия излучения1 до 0,6 Дж в импульсе с длительностью на полувысоте 300 не с КПД 1,3%. В этих условиях возбуждения в смеси Ne:Kr:F2 = 1160 : 80 : 0.5 Тор ) были получены длительности импульсов генерации на молекулах KrF до 170 не (на полувысоте) с энергией 80 мДж и КПД менее 0,2%. В [4] использование генератора с магнитными ключами работающего в «switch» или «overshoot» режимах позволило увеличить длительность импульсов генерации KrCl-лазера до 150 и 175 не, соответственно. Энергии генерации составила 115 мДж, при КПД» относительно запасаемой энергии 0.75%. Генераторы.накачки с магнитными ключами имеют ряд недостатков, к которым помимо сложности конструкции можно отнести чувствительность схемы к составу смеси и зарядному напряжению, необходимость использовать импульсную зарядку основного накопителя. В таких генераторах в процессе импульсной зарядки накопителя зарядное напряжение прикладывается- к электродам лазера, что может вызывать паразитные пробои в лазерной камере. Альтернативный путь создания схем накачки двойным разрядом и формирования предымпульса состоит в использовании генераторов с прерывателями тока (ГПТ). В этом случае часть энергии, запасенной в первичном накопителе, передается в индуктивность контура генератора и затем с помощью специального устройства, называемого прерывателем тока, переключается в, нагрузку. Поэтому генератор с прерывателем тока можно назвать также генератором с промежуточным индуктивным накопителем энергии (ГПИН). Впервые накачка лазера от ГПТ осуществлена при использовании прерывателя на основе взрывающихся проводников [11] и плазменного прерывателя [12]. Эти эксперименты ясно продемонстрировали перспективность ГПТ для накачки газовых лазеров. Однако практическое использование ГПТ было ограничено сложной конструкцией прерывателя, его низкой частотой повторения импульсов и (или) низким током обрыва. Эксперименты по накачке лазеров от ГПТ были продолжены после появления промышленных полупроводниковых прерывателей тока (SOS-диодов) и созданием генераторов импульсов на их основе.
Мощный широкоапертурный азотный лазер
Широкоапертурная лазерная установка была разработана в лаборатории газовых лазеров ИСЭ СО РАН к.ф.-м.н. И.Н. Коноваловым и представляла собой лазер с возбуждением поперечным разрядом, близкий по конструкции к ХеС1-лазеру [75]. Схема лазера с генератором накачки приведена на рисунке 16. Для предыонизации активного объема использовался источник рентгеновского излучения. Установка позволяла формировать объемный разряд в азоте при повышенных давлениях и оптимальных значениях параметра Е(/р (Е0 — максимальная напряженность электрического поля на промежутке перед его пробоем). Цилиндрическая лазерная камера имела диаметр 60 см и длину 150 см. Возбуждаемый объем имел длину 100 см с апертурой до 6x10 см образованной двумя профилированными электродами. Снизу камеры закреплялся вакуумный диод источника мягкого рентгеновского излучения [76]. Рентгеновское излучение проникало в лазерную камеру через тонкостенный катод. Длительность импульса рентгеновского излучения составляла 500 не при максимуме на распределении рентгеновских квантов по энергии в области 25-30 кэВ и экспозиционной дозе рентгеновского излучения в активном объеме 0.15 Р. Анод через изолятор ввода соединялся с генератором накачки. Конструкция изолятора и обратного токопровода. обеспечивала индуктивность разрядного промежутка /,/=20 нГн. Генератор накачки также включал в себя основной и вспомогательный контуры. Основной контур включал накопительный конденсатор С0 — 45 нФ и индуктивность Lo= 100 нГн. Конденсатор Со импульсно заряжался от емкости Срг =100 нФ за время 1 мке и затем коммутировался на лазерный, промежуток рельсовым разрядником RG. Длительность тока разряда составляла -200 не. Вспомогательный контур обеспечивал прямой- ток через диоды и состоял из конденсатора CD = 8,3 нФ, искрового коммутатора SWD И индуктивности LQ-2,4 МКГН. В лазере использовались 12 или 14 диодов типа. SOS - 120-4, установленных параллельно обострительным конденсаторам общей емкостью С/ = 4,5 нФ. Генератор мог работать, как в режиме с индуктивным накоплением энергии, так и как обычный LC-контур. Резонатор лазеров состоял из 100% плоского зеркала с диэлектрическим» или алюминиевым покрытием, а на выходе резонатора устанавливалась плоскопараллельная кварцевая пластинка или зеркала с коэффициентами отражения на лазерных длинах волн от 10 до 98%.
Энергия излучения лазеров на различных длинах волн измерялась калориметрами ИКТ-1Н, ИМО-2Н, OPHIR с сенсорными головками FL-250A и РЕ-50ВВ. Если размеры поперечного сечения лазерного луча превышали размер входного окна приемника излучения, то излучение фокусировалось с помощью кварцевых линз или системы линз. Временная форма импульса излучения измерялась в дальней зоне вакуумными фотодиодами ФЭК-22 СПУ (диапазон длин волн 200-600 нм) или ФЭК-29 СПУ (диапазон длин волн 600-1100 нм), на которые при помощи кварцевой светоделительной пластинки направлялась часть лазерного излучения. Спектр излучения лазера регистрировался при помощи спектрометра StellarNet ЕРР2000 - С25 со спектральным разрешением 0,75 нм и полушириной аппаратной функции 1,5 нм или монохроматором МДР-23 и вакуумным фотодиодом на выходной щели. Для работы фотодиодов и спектрографа в линейном режиме излучение на их входе ослаблялось с помощью последовательности металлических сеток. В экспериментах измерялись ток через разрядный промежуток Id, ток разряда емкостного накопителя IQ, ТОК через SOS - диоды ID и напряжение на SOS - диодах Usos и электродах лазера Ud при помощи, соответственно, поясов Роговского, шунтов и резистивных делителей напряжения. Для регистрации электрических сигналов использовались цифровые осциллографы TDS - 220, TDS - 224 или TDS-3034B с частотным диапазоном до 300 мГц, сопряженные с персональным компьютером. Интегральное свечение разряда регистрировалось цифровыми фотоаппаратами OLYMPUS G-2020ZOOM и Konica Minolta Z5. Наличие рентгеновского излучения в искровой системе предыонизации определялось по засветке флюорографической пленки РФ-3 с чувствительностью 1200, которая помещалась в черный бумажный конверт толщиной 100 мкм и устанавливалась на шаблонах, размещенных слева и справа от разрядного промежутка. Шаблоны представляли собой пластины из органического стекла толщиной 3 и 7 мм, в которых были выполнены отверстия различных диаметров (рис. 17). Таким образом, мягкое рентгеновское излучение могло проходить только через отверстия в пластинках, а оптическое излучение разряда и через прозрачный шаблон. Это исключало ошибки, связанные с регистрацией паразитного светового излучения. Экспериментальные данные усреднялись не менее чем по пяти измерениям. Ошибка определялась погрешностью приборов и не превышала 10%. 2.4. Особенности режимов накачки газовых лазеров от ГПТ Сравнение работы ГПТ с промежуточным индуктивным накопителем энергии (ИНЭ) и обычного LC-генератора иллюстрирует схема электрической цепи, приведенная на рисунке 18 и характерные осциллограммы токов в различных контурах и напряжений на различных , элементах генераторов, показанные на рисунке 19. В качестве нагрузки использовался объемный разряд в чистом азоте при давлении 78 Тор. Ток через диоды в прямом направлении не показан. После срабатывания разрядника SWo через SOS-диоды пропускается обратный ток от накопителя Со- Через 30 не сопротивление диодов резко возрастает и ток через них прерывается. В течение этого времени часть энергии EL = Lol opetJ2 (где Iopen — амплитуда обрываемого тока) передается в индуктивный накопитель энергии (индуктивность L0). Для условий рисунка 19 1ореп =20 кА и EL = 5 Дж. Затем ток в цепи С0 переключается на зарядку обострительных конденсаторов.
В результате ИНЭ за время 20-30 не заряжает С/ до 40-80 кВ, формируя высоковольтный предымпульс на лазерном промежутке. После пробоя промежутка ток, остающийся в ИНЭ, складывается с током обострительной емкости //, что обеспечивает быстрое нарастание тока разряда и формирует первый мощный импульс накачки. Амплитуды 10реп, предымпульса на лазерном промежутке и первого пика накачки определяются зарядным напряжением конденсатора Con При этом от 10% до 50% энергии может быть передано в L0, что позволяет легко менять параметры предымпульса и получать оптимальные режимы накачки различных газовых лазеров. В случае накачки от LC-генератора конденсаторы С/ заряжаются только от емкостного накопителя и скорость роста напряжения на промежутке резко падает. При этом пробивное напряжение лазерного промежутка и амплитуда первого пика накачки падают в 1,5-2 раза, что затрудняет формирование объемного разряда и заметно снижает энергию и длительность импульсов лазерного излучения в исследованных газовых смесях с фторсодержащими молекулами. К моменту времени 175 не напряжение на диодах меняет свой знак и прерыватель тока открывается. Это значит, что при неполном согласовании импедансов генератора накачки и сопротивления разряда последующие осцилляции тока будут протекать через SOS-диоды, что снижает эрозию электродов и повышает надежность работы лазера. Отметим, что длительность тока разряда Id несколько больше полупериода тока в цепи основного накопителя Со из-за «разрядки» индуктивности Lj через диоды и лазерный промежуток после «открывания» SOS-диодов. Проведенный анализ показывает преимущества использования ГПТ для накачки газовых лазеров по сравнению с обычным LC- генератором. Проведены исследования характеристик разряда и лазерного излучения при возбуждении смеси Ne - Хе - NF3 двойным разрядом от генератора с прерывателем тока на основе полупроводниковых SOS - диодов и промежуточным индуктивным накопителем [79]. Накачка XeF-лазера осуществлялась в режиме работы ГПТ, когда в индуктивность передается небольшая часть энергии. При этом индуктивный накопитель формирует предимпульс с амплитудой до Umax = L0 dlo / dt 70 -80 кВ, где dlo / dt - скорость обрыва тока в диодах, со временем нарастания около 20 не и совместно с обострительными конденсаторами обеспечивает быстрый рост тока разряда, формируя короткий мощный импульс накачки.
Электроразрядный КгР*-лазер
Влияние ГПТ на разрядные характеристики KrF лазера показаны на рисунке 27, где приведены экспериментальные временные зависимости напряжения на лазерном промежутке, тока разряда и мощности лазерного излучения на А,=248 нм, полученные при накачке смесей Ne-Kr-F2 ГПТ и LC-генератором [88]. Отметим, что для формирования объемного разряда в смесях с фтором необходимо было повысить амплитуду предымпульса. При этом оптимальное зарядное напряжение емкости CD составило 27 кВ. Интегральные фотографии разряда для двух режимов накачки представлены на рисунке 28. Медленный рост напряжения на разрядном промежутке и низкое пробивное напряжение при использовании LC — генератора приводят к быстрому нарушению однородности разряда. Яркие искровые каналы, привязанные к катодным пятнам, наблюдаются в этом случае в лазерном промежутке. ГПТ значительно увеличивает скорость нарастания напряжения на разрядном промежутке и его пробивное напряжение. В результате однородность свечения разряда заметно повышается. Улучшение разрядных характеристик при использовании ГПТ приводит к заметному увеличению длительности импульса и энергии излучения. При формировании разряда от LC-генератора на фоне однородного свечения видны яркие искровые каналы. При использовании ГПТ искровые каналы практически исчезают. При этом импульс генерация продолжается до конца тока разряда, что также свидетельствует о высокой однородности объемного разряда, формируемого ГПТ (рис. 27, а). В наших экспериментах при накачке смесей Ne-Kr-F2 от генератора с прерывателем тока легко удалось увеличить длительность генерации KrF-лазера до -90 не на полувысоте при полной длительности импульса до 150 не. При отключении прерывателя тока энергия излучения и длительность лазерного импульса падали в 1,5-2 раза из-за быстрого развития неустойчивостей разряда. На рисунке 29 представлена зависимость энергии выходного излучения и КПД KrF-лазера от U0 для ГПТ и LC-генератора. Видно, что ГПТ значительно увеличивает энергию выходного излучения по сравнению с LC - генератором. Кроме того, в оптимальной газовой смеси Ne:Xe:F2=3 атм : 60 : 1.5 Тор энергия лазерного излучения достигала 650 мДж при полным КПД свыше 1.4%. Максимальная мощность излучения составила 8 МВт при эффективности генерации относительно вложенной энергии 3,3%.
В лаборатории газовых лазеров Института сильноточной электроники СО РАН производилось теоретическое моделирование работы электроразрядного KrF- лазера. Самосогласованная модель электроразрядного KrF лазера создана в рамках приближения локального электрического поля и включает в себя уравнение Больцмана для электронов, систему балансных уравнений для концентраций частиц плазмы и уравнения электрической цепи. Для расчета распределения потока фотонов лазерного излучения вдоль оптической оси использовалась одномерная модель резонатора [89]. В расчетах предполагается, что разряд пространственно однороден. В модели, рассчитываются концентрации следующих частиц: электронов— е, фотонов лазерного излучения - hv, атомарного и молекулярного фтора: F, F2, колебательно возбужденных молекул F2 (v=l, 2), возбужденных частиц: Ne , Ne , Ne2 , Кг , Кг . Кг , Kr2 , F2 , F2 , F , F , F , отрицательно и положительно заряженных ионов: Ne+, Ne2+, Kr+, Kr2+, F2+, F+, F", NeKr+. Структура уровней молекулы KrF описывается KrF(B) и KrF(C) состояниями с различными вибрационными квантовыми числами. Уровни KrF(B, 0) и KrF(C, 0) учитывают состояния с колебательным квантовым числом v=0. Уровни KrF(B, v) и KrF(C, v) являются интегральными состояниями, учитывающими относительные вклады колебательно возбужденных уровней KrF(B) и KrF(C). Система балансных уравнений для концентраций частиц плазмы и уравнения электрической цепи решались методом Гира, а уравнение Больцмана для электронов — методом взвешенных невязок [103]. На рисунке 30 представлены расчетные зависимости от времени напряжения на плазме, ток разряда и ток в цепи конденсатора С0. Все расчеты проводились для условий рисунка 27 а. Расчетные и экспериментальные данные хорошо согласуются, модель достаточно точно описывает кинетические процессы, происходящие в плазме объемного разряда. Необходимо отметить, что в данной модели объемный разряд рассматривается полностью однородным. Поэтому хорошее совпадение расчетных и экспериментальных импульсов излучения KrF-лазера является дополнительным доказательством высокой однородности и устойчивости объемного разряда в смесях Ne-Kr-F2, формируемого ГПТ. На рисунках 31-32 представлены расчетные зависимости от времени мощностей накачки и излучения, а также концентраций различных частиц в плазме объемного разряда в смеси Ne-Kr-F2 и скоростей процессов ионизации, рекомбинации и прилипания. Максимальная пиковая мощность в начальной стадии поступает в плазму от конденсатора С/ и равна 230 МВт ( 0,8 МВт/см ). В стадии основной накачки мощность равна 120 МВт (0,43 МВт/см ) и обусловлена конденсатором Со. Время запаздывания начала генерации относительно накачки составило 20 не, также каждый пик мощности генерации запаздывает относительно пика мощности накачки. Из этого следует, что начальный пик мощности накачки в рассматриваемом режиме, не только формирует плазму, но и обеспечивает развитие лазерной генерации с малым временем запаздывания. Максимум мощности излучения равен 8 МВт и этому излучению соответствует мощность накачки 125 МВт. Эффективность преобразования мощности накачки в излучение в стадии основной накачки высокая и равна 6,4%.
Расчетная энергия излучения равна 0,75 Дж, измеренная экспериментально составила 0,65 Дж. Длительность импульса излучения зависит от начальной концентрации молекул фтора и скорости их диссоциации. В рассматриваемом режиме накачки начальная концентрация фтора была равной 4,7x1016 см-3, за время генерации расход молекул фтора составил 60% (рис. 32), поэтому на этой же газовой смеси при оптимизации накачки имеется возможность на 20 - - 30% увеличить, как длительность импульса излучения, так и энергию излучения. Из рисунков 27, 30-32 видно что, при использовании ГПТ высоковольтный предымпульс и быстрое нарастание тока в первые 5 не развития объемного разряда обеспечивают рост концентраций электронов в плазме до 1015 см"3. В этот период времени рост концентрации заряженных частиц происходит в основном в процессе прямой ионизации. Можно предположить, что данная особенность накачки от ГПТ может обеспечить высокую однородность формируемого объемного разряда. Поясним это следующими рассуждениями: прямая ионизация является процессом, который сильно зависит от параметра Е/р на лазерном промежутке. Если в какой-то малой области разряда увеличится концентрация электронов, напряженность электрического поля в этой области снизится из-за роста проводимости, что замедлит дальнейший рост концентрации электронов. Этот процесс приведет к выравниванию концентрации плазмы во всей области объемного разряда при его формировании от ГПТ. Расчеты также показали, что в квазистационарной стадии разряда основным каналом гибели заряженных частиц является рекомбинация, которая может замедлить развитие неоднородностей в активном объеме KrF-лазера. В наших экспериментах, мы пытались получить генерацию на молекулах фтора на длине волны 157 нм. Лазерный порог не был достигнут из-за низкой мощности возбуждения. Однако, были получены однородный объемный разряд большой длительности и генерация на переходах FI в смесях 2-3 Тор F2 KIIHNF3 С Не при давлениях до 2 атм. На рисунке 33 приведены типичные формы импульсов напряжения на лазерном промежутке, тока разряда и интегрального лазерного импульса на красных линиях фтора в оптимальной газовой смеси. Импульс излучения повторяет пики тока разряда и продолжается в течение 100 не [104].
Моделирование азотного лазера с накачкой самостоятельным разрядом в смесях N2 с электроотрицательными газами
Численное моделирование проведено А.И. Сусловым, отдел теоретической физики ИСЭ СО РАН. При моделировании плазмохимических процессов в разрядном промежутке и лазерной генерации на переходе Cfnu — B3ng проводились расчеты: функции распределения электронов по энергиям в самостоятельном разряде (ФРЭЭ)/(Е/р); є; t), где Еир — напряженность поля и давление газа в разрядном промежутке, е-энергия электрона, ґ-время; физических параметров электронов (подвижности jue, температуры Те и коэффициента диффузии Д) и констант скоростей реакций электронов с частицами плазмы; кинетики тяжелых частиц; формирования лазерного излучения в оптическом резонаторе; электротехнических расчетов (схема накачки лазера); Все перечисленные виды расчетов оформлены в виде отдельных программных блоков и объединены в самосогласованную модель. Функция распределения электронов в самостоятельном разряде в смеси N2 - NF3 (SF6) определялась методом численного интегрирования уравнения Больцмана с использованием итерационной процедуры [105]. Сечения элементарных процессов взаимодействия электронов с азотом и молекулами NF3 и SF6 и константы реакций взяты из [106-112]. Для определения концентраций частиц в плазме численно решалась система уравнений кинетики для пространственно-однородного разряда: где пі — концентрация z-й частицы в активной среде азотного лазера; 5ir — разность стехиометрических коэффициентов для / -той частицы в правой и левой частях уравнения r-той реакции; rij — концентрация у-той частицы, участвующей в r-той реакции; т(г) - число частиц разного сорта в левой части уравнения r-той реакции; у/ - стехиометрический коэффициент для у -той частицы в левой части уравнения r-той реакции; кг — коэффициент скорости г-й реакции. Электрическая цепь, использованная в расчетах, приведена на рис. 18. Система уравнений для расчета электрической цепи имеет следующий вид: Здесь UQ - напряжение на накопительной емкости С0; U\ — напряжение на обострительной емкости С г, /о и 1\ — токи накопительного и обострительного контуров; Rp — сопротивление плазмы электрического разряда.
В расчетах лазерного излучения использовалось уравнение для плотности фотонов в резонаторе в приближении однородного распределения частиц по объему активной среды: где пр — плотность фотонов в резонаторе, см" ; пс и пв — населенности верхнего С?Пи и нижнего B?ng лазерного уровней, соответственно; О, - доля спонтанного излучения, падающая на выходное зеркало резонатора; тр — спонтанное время жизни верхнего лазерного уровня, г і и г2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора; /а и L — длина активной области и оптического резонатора; с — скорость света; а - сечение индуцированного испускания фотонов на лазерном переходе. Численные расчеты работы азотного лазера и сравнение их с экспериментом проводились для азота и смеси N2 : NF3 = 25 : 1 при р = 78 Тор и Uо - 35 кВ. На рисунке 54 показаны расчетные осциллограммы тока разряда и напряжения на лазерном промежутке, импульсы лазерного излучения для данной смеси и чистого азота при р — 75 Тор. Сравнение рисунков 19, 47 и 54 показывает хорошее согласование расчетных и экспериментальных кривых. Рассчитанная энергия излучения также была близка к данным измерений, приведенных на рисунке 45. Из данных рисунков видно, что напряжение в квазистационарной стадии разряда в чистом азоте приблизительно в два раза ниже, чем в смеси N2 - NF3, и добавление электроотрицательной примеси приводит к появлению второго импульса генерации во время квазистационарной стадии разряда. В данном режиме работы лазера достигается максимальная энергия генерации. Отметим, что квазистационарная стадия обычно подразумевает постоянство напряжения на лазерном промежутке. Поскольку в нашем случае данное напряжение модулируется осцилляцйями тока обострительной емкости, квазистационарной стадией обозначается период времени горения разряда с момента окончания спада напряжения на промежутке после его пробоя до конца импульса тока разряда. Увеличение напряжения во время квазистационарной стадии разряда при добавках NF3 объясняется зависимостью сечения прилипания электронов к NF3. Эта зависимость имеет максимум при энергии электронов, равной 2 эВ [111]. Поскольку средняя энергия электронов в самостоятельном разряде в азоте также равна 2 эВ (рис. 55), коэффициент скорости прилипания электронов к NF3 принимает максимальное значение 8x10"9 см3-с"!.
Как показали расчеты, добавки NF3 при заданном напряжении на промежутке влияют на выходное излучение двояким образом. С одной стороны, в квазистационарной стадии разряда за счет возрастания напряжения на промежутке увеличивается скорость возбуждения верхнего лазерного уровня, и соответственно, увеличивается мощность и длительность импульса генерации. С другой стороны, в двухконтурной схеме питания имеется рассогласование между волновым сопротивлением обострительного контура и нагрузкой, благодаря чему наблюдаются затухающие колебания напряжения на промежутке в результате перезарядки между С; и Со. Амплитуда этих колебаний достаточна для периодического создания в активной среде азотного лазера состояния с инверсной населенностью уровней перехода Cfnu — В3П8. В результате, в течение одного импульса накачки лазера реализуется два импульса генерации. Примерно такие же колебания напряжения наблюдаются и в чистом азоте, однако в квазистационарной стадии разряда без электроотрицательной примеси среднее значение параметра Е/р 30 кВ-см" атм" мало для получения инверсной населенности. Другие электроотрицательные газы с большим коэффициентом прилипания, такие как SF6 и F2 имеют максимумы сечений в диапазоне энергий электронов 300-500К [112]. Эти максимумы далеки от средней энергии электронов в самостоятельном разряде в азоте. Поэтому коэффициенты прилипания электронов к этим молекулам в условиях самостоятельного разряда составляют 10" - 3x10"9 см -с"1, а напряжение на плазме повышается всего на 30-40%. Этого роста не хватает для появления лазерной генерации в квазистационарной стадии. Функция распределения электронов по энергиям в смеси N2:NF3 =25:1 и сечения прилипания электронов к молекулам NF3 и SF6 показаны на рисунке 55. Вертикальной штриховой линией на рисунке отмечена средняя энергия электронов в разряде. Из рисунка видно, что лишь небольшая часть низкоэнергетичных электронов может участвовать в процессах прилипания электронов к SFe, в то время как максимум сечения NF3 довольно точно совпадает со средней энергией электронов Те. Тем не менее, режим излучения азотного лазера с двумя пиками генерации возможен и с SF6 при его концентрации 50%. На рисунке 56 показан пример такого режима для смеси N2 : SF6 = 12 : 12 Top. В ходе проведения численных расчетов было обнаружено очень сильное влияние практически всех начальных параметров эксперимента на выходное излучение лазера: зарядного напряжения, элементов схемы питания, начальной концентрации электронов, создаваемой системой предыонизации, геометрии электродов и состава смеси. Рассмотрим более подробно влияние давления смеси N2-NF3 на лазерные параметры. Следует отметить, что конечный эффект изменения давления на выход когерентного излучения далеко не очевиден, поскольку, например, уменьшение давления приводит к увеличению параметра Е/р на плазме (давление падает, а пробивное напряжение существенно не изменяется) и коэффициента скорости возбуждения верхнего лазерного уровня.
