Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературы по исследованиям эксимерных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров 15
1.1. Физические принципы работы эксимерных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров 15
1.1.1. Эксимерный KrF (248 нм) лазер 19
1.1.2. Эксимерный,4г7г(193 нм) лазер 24
1.2. Обзор литературы по исследованиям газоразрядных KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров 31
Глава 2. Экспериментальная установка и методы исследований 36
2.1. Описание экспериментальной установки 36
2.2. Аппаратура и методы исследований 43
Глава 3 Исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного KrF (248 им) лазера на смеси He:Kr:F2 45
3.1. Эксимерный KrF лазер на основе буферного газа Не с энергией 0,8 Дж и кпд 2,0% 45
3.2. Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F2 53
Глава 4. Исследование энергетических и временных характеристик накачки и излучения эксимерного газоразрядного ArF (193 нм) лазера на смеси He(Ne):Ar:F2 67
4.1. Эксимерный ArF лазер с энергией излучения 0,5 Дж в активной среде He;Ar:F2 67
4.2. Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд ArF лазера на смеси He:Ar:F2 75
4.3. Исследование влияния сорта буферного газа на параметры накачки и излучения ArF лазера 83
Заключение 116
Литература
- Эксимерный,4г7г(193 нм) лазер
- Аппаратура и методы исследований
- Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F2
- Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд ArF лазера на смеси He:Ar:F2
Введение к работе
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 энер-
гетической 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=EI Ут, 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 оптималь-ные значения интенсивности накачки, которые были в диапазоне 1,8-2,5 МВт/см и
значения интенсивности накачки, которые были в диапазоне 1,8-2,5 МВт/см3 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 Л^ 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:
Исследование параметров систем возбуждения и нахождение их значений, позволяющих изменять интенсивность накачки в широком диапазоне величин, превышающих 2,5 МВт/см известные из литературы.
Исследование влияния параметров активной среды на энергию излучения и кпд эксимерных газоразрядных ArF и KrF лазеров.
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.
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.
Эксимерный,4г7г(193 нм) лазер
Эксимерный газоразрядный ArF лазер работает на электронных переходах молекулы ArF . Упрощенная схема потенциальных кривых молекулы ArF показана на рис. 1.4 [14,32]. Молекула ArF существует только в возбужденном состоянии на двух близколежащих уровнях В и С с АЕ = Ец-Ес = 120 см"1 [15,32,33]. При этом населенность уровня В примерно в два раза меньше, чем уровня С (Nb I Nc = 0,6) [34,35]. Радиационное время жизни молекулы ArF составляет 4,2 не [17]. Основное состояние молекулы разлетное и состоит из двух сильно перемешанных уровней А и А".
При переходе В - X (рис. 1.4) молекула ArF излучает квант УФ света с длиной волны излучения 193,3±0,5 нм и энергией фотона - 6,4 эВ [25,36-38]. При этом спектр излучения достаточно широк и составляет величину 0,3 нм на гюлувысоте [25].
Описанные свойства молекулы ArF сильно влияют на один из важнейших параметров лазера - коэффициент усиления. Его величина зависит от длины волны излучения, населенности верхнего лазерного уровня (в данном случае уровня В), а также вероятности вынужденного излучения, которая в свою очередь зависит от времени жизни верхнего лазерного уровня В [14]. Длина волны излучения ArF (193 нм) лазера короче, чем для KrF лазера. Населенность уровня В в два раза меньше, чем уровня С [34,39], в отличие от KrF лазера для которого соотношение иаселенностей Nb Nc. Время жизни верхнего лазерного уровня для ArF лазера таюке в два раза меньше, чем для KrF лазера (9,0 не). Все это объясняет более низкое значение коэффициента усиления (15% см"1) ArF лазера, чем для KrF лазера (27% см"1), при одинаковых условиях накачки [40]. Поэтому для получения генерации в ArF лазере необходим более высокий уровень мощности накачки, чем для KrF лазера.
Типичная активная среда газоразрядного ArF лазера состоит из ОД-0,3% га-логенсодержащего вещества (обычно F2, в отдельных экспериментах NF3 [36] или SF [25]), 10-20% рабочего газа Аг в буферном газе Не или Ne или их комбинации. Наибольшие значения энергии излучения и кпд обычно достигаются в смесях на F;. Е,(эВ) 10 8 6 Ar + F
Упрощенная схема потенциальных кривых молекулы ArF [32]. В отличие от эксимерного газоразрядного KrF лазера, где использование Ne в качестве буферного газа в смеси предпочтительнее Не с точки зрения достижения максимальной.энергии излучения и кпд [29,30], для ArF лазера не существует единого мнения о сорте буферного газа в смеси [34,35]. Результаты расчетов, представленные в [35], свидетельствуют о том, что ArF лазер с точки зрения получения высоких значений энергии и кпд на смесях с буферным газом Ne предпочтительнее, чем с Не. Однако, авторы работы [34] считают, что использование Ne вместо Не не дает заметных преимуществ в кпд и энергии излучения лазера, и, что в гелиевых смесях можно получить выходные параметры излучения сравнимые с результатами, полученными в неоновых смесях, при более высоком уровне накачки.
На рис.1.5 показана упрощенная кинетическая схема реакций газоразрядного ArF лазера на смеси Ne:Ar:F2 [34]. В смеси с буферным газом Не схема похожа, хотя некоторые константы реакций и энергии компонент, участвующих в реакциях, несколько отличаются.
Важным параметром, ответственным за эффективность образования молекулы ArF является функция распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) в разряде. По аналогии с KrF лазером, для газоразрядного ArF лазера существует разница в функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) для Ne и Не смесей [34,35]. В Ne смесях, за счет меньших потерь на упругие столкновения, средняя энергия электронов также несколько выше чем в Не смесях. Следовательно, пробой разрядного промежутка в неоновой смеси также происходит раньше чем в гелиевой смеси и при меньшем напряжении [34,39]. Это обозначает, что в гелиевой смеси сопротивление разряда выше, чем в неоновой смеси, и, в итоге, это приводит к более высокому уровню энергии вложенной в разряд при одинаковых условиях накачки [39].
Как видно из рис.1.5, на первом этапе электроны разряда при столкновениях с компонентами смеси приводят, посредством реакций возбуждения, ионизации и передачи заряда, к образованию таких частиц, жк.Аг ,Аг+ ,Ne aNe+, а в гелиевых смесях Не и Не+, Аг и Аг+. Заметим, что только небольшая часть ионов Аг+ может быть образована в результате прямого электронного удара.
Упрощенная кинетическая схема реакций газоразрядного ArF лазера на смеси Ne:Ar:F2 [34]. В основном ионы Аг образуются за счет реакций ступенчатой ионизации. Впоследствии, эти частицы (Аг , Аг , Ne , Ne+, Не и Не+), реагируя с другими компонентами смеси, приводят к образованию возбужденной молекулы ArF . Причем, так как средняя энергия электронов в разряде в неоновых смесях несколько выше чем в Не смесях, процессы возбуждения и ионизации компонент смеси, участвующих в образовании молекулы ArF, идут более эффективно, чем в гелиевых смесях.
Авторы работ [34,41] считали, что определяющим каналом в образовании молекул ArF" является гарпунная реакция (1.6). В работе [41] было получено, что 79,9% молекул ArF образуется в результате гарпунной реакции, 19,1% в результате ион-ионной рекомбинации между Аг + HF" (1.7,а), и 1,0% в результате ионной рекомбинации между Аг2 и "(1.7,6). В работе [34] вклад этого канала зависел от сорта буферного газа и составлял -50% в Ne и -70% в Не. Однако авторы [35] считали, что вклад гарпунной реакции составляет только 30% для обоих буферных газов, а в более поздней работе [42] было показано, что гарпунная реакция (1.6) является преобладающим процессом образования молекул ArF только на первой стадии разряда. На более поздних стадиях разряда, в момент формирования импульса излучения, определяющим каналом является ион-ионная рекомбинация (1.3). Что было подтверждено наличием наблюдаемой задержки между началом импульса тока накачки и излучения [5,39,42].
Аппаратура и методы исследований
Величина емкости 2С3 в ходе экспериментов изменялась от 20 до 45 нф с целью достижения максимальной эффективности передачи энергии из зарядной в обостряющую емкость. Оптимальное значение 2С3 было 34 нф. Емкость 2С3 заряжалась от 2С/ и 2С2 через 78 дросселей, имевших индуктивность 1,0 мкГн каждый, и подключенных к искровым зазорам УФ предыонизации для обеспечения их синхронного срабатывания. Поэтому, полная индуктивность параллельно включенных дросселей была равна 12,8 нГн и входила в величин} индуктивности L2. Индуктивность L2 представляла собой индуктивности, контура LC-инвертора включающую в себя индуктивность УФ предыонизации, индуктивности емкостей С}, С2 и оценивалась величиной порядка 40 нГн. Индуктивность Lj контура L/C], определялась в значительной степени индуктивностью коммутатора 1 и оценивалась величиной порядка 80 нГн. Зарядная индуктивность L4 имела величину 2,5 мкГн. Для сокращения времени ввода энергии в активную среду величина индуктивности разрядного контура L3 была сделана минимальной и равной 3,8 нГн за счет компактного расположения элементов разрядной камеры, конденсаторов и минимизации длины соединительных шин. Индуктивность Ls - индуктивность токоподводящих шин (обратный токопровод), величина ее обычно делается минимальной и составляет величину 20-30 нГн.
Из формулы оценки величины интенсивности накачки (см. стр. 34) следует, что для достижения её высокого значения необходимо сокращать время ввода и увеличивать энергию, вкладываемую в активную среду. В нашей системе накачки время ввода энергии в активную среду определяется в основном величиной индуктивности разрядного контура (L3 = 3,8 нГн). Для увеличения уровня энерговклада необходимо осуществить высокую эффективность передачи энергии из 2С] и 2С2 в 2C3i а затем в активную среду. Для достижения этого необходимо было правильно организовать подбор и расположение элементов и соединительных шин схемы возбуждения, оптимизировать их значения с целью согласования параметров системы возбуждения с параметрами активной среды. Поэтому была проведена оптимизация режима работы схемы для достижения максимальной эффективности передачи энергии из 1С\ и 2Сг в 2Сз связанная с подбором расположения конденсаторов, образующих С} и Сг вблизи разрядной камеры и правильной организацией обратного токопровода. Эффективность передачи энергии оценивалась по максимальной величине напряжения на обостряющей емкости. В результате была разработана система возбуждения, которая выполнена в виде двух параллельных контуров образованных разрядником и емкостями С], С2 и Сз показанная на рис. 2.3.
Система питания и газовая система
Система питания лазера позволяла заряжать накопительные емкости в схеме возбуждения до напряжения 26 кВ и подавать импульс запуска с требуемыми параметрами на коммутатор (разрядник). Газовая система позволяла приготавливать смеси различного состава при поиске оптимального состава активной среды для каждого лазера и варьировать полное давление в разрядной камере. Измерительные приборы и датчики, входящие в систему регистрации описаны в 2.2.
Проведение экспериментов в данной работе было связано с измерением энергетических и амплитудно-временных характеристик импульсов напряжения, тока и излучения в наносекундном диапазоне времени. Для измерения энергии излучения использовался калориметр ИМО-ЗВ и пироэлектрический детектор РЕ50-ВВ (Ophir Optronics Ltd.) сертифицированный на длины волн 193 и 248 нм.
Форма импульса излучения регистрировалась с использованием коаксиального фотоэлемента ФЭК-22. Для регистрации импульса излучения на длине волны 193 им, которая находится вне области спектральной чувствительности прибора (220-650 нм) был использован метод преобразования ВУФ излучения в излучение в видимой области спектра при помощи люминофора. В качестве люминофора использовалась тонкая пленка саллициллата натрия, нанесенная на пластину из кварца КУ-1. При этом излучение длиной волны 193 нм переизлучалось люминофором в область 370-400 нм.
Амплитудно-временные характеристики измерялись осциллографом Tektronix TDS 220. Импульсы напряжения исследовались с использованием емкостных и омических делителей, тщательно экранированных и калиброванных в сборе с учетом подводящих проводов с точностью 2,0%. Для измерения импульсов тока был разработан и изготовлен низкоиндуктивный омический шунт сопротивлением 0,02 Ом, на котором измерялось падение напряжения и, затем, пе-ресчитывалось на величину тока. Точность измерений амплитуд напряжения и тока во всех экспериментах составляла 5,0%.
Описана экспериментальная установка для проведения исследований энергетических и амплитудно-временных характеристик накачки и излучения экси-мерных газоразрядных лазеров.
Приведены наиболее распространенные схемы возбуждения газоразрядных лазеров и описан принцип их работы. Обоснован выбор схемы возбуждения для создания системы накачки, используемой в наших экспериментах. В результате, высоковольтная система накачки была собрана по схеме ІС-инвертор на основе искрового разрядника РУ-65 с автоматической искровой УФ прсдыонизацией и низкоиндуктивным разрядным контуром. Детально описаны конструкция и элементы системы возбуждения и разрядной камеры. Проведена оптимизация параметров системы возбуждения и разрядной камеры для достижения высокой интенсивности накачки. Как будет показано далее, созданная система накачки позволит достичь интенсивности накачки порядка 3,0 МВт/см3 для KrF ( 3.1) и ArF ( 4.1) лазеров.
Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F2
В данной работе для увеличения интенсивности накачки предложено увеличение индуктивности основного контура системы накачки путем введения дополнительной индуктивности Ls, которая устанавливалась на участке цепи между Z, С-инвертором и низкоиндуктивным разрядным контуром, так как это показано на рис. 3.8. По сути, этот участок цепи является обратным токопроводом. В этом случае полная индуктивность ХС-инвертора будет определяться величиной L=L2 + Ls. Такой метод согласования параметров ZC-инвертора с параметрами разрядного контура уже был опробован нами ранее при проведении исследований KrF лазера в предыдущем параграфе [67]. Однако вследствие недостаточности данных о влиянии величины дополнительной индуктивности L5 на эффективность генерации этого лазера, подробное описание работы системы накачки с индуктивностью L5 не проводилось.
С использованием разработанной модели было проведено теоретическое исследование влияния величины индуктивности Ls на энергию излучения KrF лазера. Результаты исследований представлены на рис. 3.11 и свидетельствуют о том, что величина Ls сильно влияет на выходную энергию, но имеет вполне определенный узкий диапазон значений равных 80-100 нГн. Теоретический анализ показал, что величина индуктивности L5 влияет на напряжение U, при котором происходит пробой разрядного промежутка, а таюке на величину полного тока / через активную среду. Кроме того, с увеличением L5 происходит увеличение задержки At между началом импульса предыонизации и началом импульса тока через газовую смесь, что положительно влияет на однородность объемного разряда и эффективность энерговклада в активную среду.
Результаты анализа были подтверждены экспериментально (рис. 3.12). В отсутствие дополнительной индуктивности L5 собственная индуктивность L2 контура ІС-инвертора была около 30 нГн. Такое значение индуктивности L2 первоначально делалось минимальным (к чему обычно стремятся разработчики систем накачки эксимерных лазеров) и было получено в результате специальной компоновки накопителей С/, С2 и коммутатора вокруг низкоиндуктивного контура, образованного разрядной камерой и накопителем С3. На рис. 3.12 показаны экспериментально полученные зависимости от величины индуктивности L; напряжения на разрядном промежутке V, полного тока через него / и задержки At между началом импульса УФ предыонизации и началом тока J. Видно, что при увеличении Ls до 80 нГн происходит значительное увеличение всех перечисленных выше параметров. При дальнейшем увеличении L5 от 80 до 100 нГн рост параметров (17, J, At) прекращается. Измерения выходной энергии излучения Е дали аналогичную зависимость от величины Ls При значениях Ls свыше 100 нГн в расчетах было получено снижение, как энергии излучения, так и кпд лазера. Таким образом, оптимальное значение Ls находится в диапазоне 80-100 нГн и при проведении дальнейших исследований, использовалась величина L5 равная 80 нГн.
Влияние дополнительной индуктивности Ls на энергию и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F2 по нашему мнению заключалось в следующем. После включения коммутатора в С-инверторе и смены полярности на конденсаторе С/ энергия из конденсаторов С{ и С2 передается в конденсатор С3 низкоиндуктивиого контура. Очевидно, что параметром, определяющим эффективность работы системы накачки является эффективность передачи энергии из Сі и С2 контура LC-инвертора в Сз низкоиндуктивного контура. Эффективность оценивалась по максимальной величине напряжения на Сз- Последнее складывается из двух составляющих: напряжения UcH& конденсаторах Cj и С2 и напряжения UL= L /(dl/dt) на суммарной индуктивности L=L2 + LSi причем V = Uc - UL.
При малых значениях индуктивности X (в нашем случае при минимальном значении Ls) ее влияние на протекание тока в цепи мало, и V Vc\ максимальное поле в разряде достигается в момент смены полярности напряжения на емкости С/. Повышение величины L соответствует возрастанию, как амплитуды, так и периода колебаний UL, которое теперь уже оказывает существенное влияние на напряжение на Сз- В начальный период времени, когда ток через индуктивность L увеличивается (UL 0), напряжение на обостряющей емкости С3 определяется соотношением (7= Uc- UL. Более медленное, по сравнению со случаем малыми значениями L, увеличение электрического поля в разряде и, следовательно, элек тронной плотности приводит к повышению потенциала зажигания разряда. Последующее снижение величины тока, текущего через индуктивность Ц соответствует перемене знака Ui. При этом напряжение на С3 становится U - Vc +UL и за счет более высокой величины UL, резко возрастает. Однако, нельзя сильно увеличивать значение индуктивности L основного контура ІС-инвертора, так как это приведет к затягиванию фронта зарядки обостряющей емкости С3, и в итоге, снижению эффективности передачи энергии из основного контура [14,29].
В дальнейшем, когда емкость С3 зарядиласт, до напряжения пробоя промежутка между основными электродами, после пробоя она начинает разряжаться и энергия от нее передается как в активную среду, так и назад в ЛС-иг-гоертор, что приводит к потерям энергии вкладываемой в разряд. Снизить такие потери и позволяет увеличение индуктивности основного разрядного контура путем добавления индуктивности L5i которая в сумме с Х ограничивает ток из С? назад в С/ и С21С-инвертора.
Таким образом можно сделать вывод, что существует оптимальное значение индуктивности І5- Она не может быть большой, т.к. будет снижать эффективность передачи энергии из С} и С2 в С3, но и не должна быть меньше определенной величины, в данном случае 80-100 нГн, чтобы препятствовать обратному процессу. Теоретический анализ импульсов тока через эти конденсаторы и напряжений на них при различных значениях L$ в период разряда емкости С3 подтверждает этот вывод. В результате увеличивается как напряжение на разрядном промежутке, так и ток через него и, таким образом увеличивается энергия, вкладываемая в активную среду. Как следствие, увеличивается энергия излучения и кпд KrF лазера на смеси He:Kr:F2.
Исследование влияния интенсивности накачки на энергию излучения и кпд ArF лазера на смеси He:Ar:F2
В дальнейшем эти установки совершенствовались и, в результате, была разработана и создана эксимерная лазерная офтальмологическая система Меди-лекс 193, которая позволяет исправлять любые аномалии рефракции глаза. Система детально описана в работах [4,85-90]. Система Медилекс-193 состоит из эксимерного лазера с источником питания, автоматизированной газовой системы, оптической системы доставки и преобразования излучения, системы управления и контроля, а также системы центровки и наведения. Эксимерный лазер генерирует излучение длиной волны 193 нм и уровнем энергии необходимым для эффективного испарения тканей роговицы. Автоматизированная газовая система позволяет производить замену и контролировать давление активной газовой среды эксимерного лазера. Оптическая система предназначена для преобразования лазерного излучения выходящего из эксимерного лазера в излучение с заданным размером и распределением интенсивности по пучку и его доставки на поверхность роговицы. Система управления и контроля включает в себя персональный компьютер, микропроцессорный блок управления, программное обеспечение, систему датчиков и обеспечивает ввод данных и проведение операций, а также контроль над параметрами лазерного излучения. Система центровки и наведения обеспечивает совмещение центра глаза пациента и пучка лазерного луча.
Эксимерная лазерная система Медилекс-193 сконструирована как единый корпус, в котором расположены эксимерный лазер с источником питания, газовая система с форвакуумным насосом и двумя баллонами с газовой смесью, микропроцессорный блок управления [88-89]. Система показана на рис. 5.2. Конструкция включает в себя оптическую систему преобразования и транспортировки лазерного излучения. Габаритные размеры системы 168x81x130 см при весе 470 кг.
В комплект эксимерной лазерной системы входит также персональный компьютер, хирургический трехкоординатный стол с точной регулировкой, кресло хирурга и цифровая видеосистема. Кроме того, система может работать с микрокератомом для проведения операций по технологии Lasik (лазерный кера-томилез).
Эксимерный лазер.
В составе офтальмологической лазерной системы Медилекс был использован эксимерный электроразрядный ArF лазер серии ExciLight-L (рис.5.1.), описанный в главе 4 и работах [74-75]. Максимальная энергия генерации этого лазера составляет до 1,3 Дж при кпд (от запасенной энергии) 2,0% и длительности импульса генерации 15 не в активной среде на основе буферного газа Де. Этот лазер позволяет достигать плотность энергии более 250 мДж/см в пучке диаметром 8 мм, работать с частотой следования импульсов до 20 Гц и не требует водяного охлаждения. Стандартный режим работы лазера при проведении операций - частота следования импульсов 10 Гц и плотность энергии 130 - 160 мДж/см2.
Оптическая система Медилекс.
Для осуществления перепрофилирования была разработана оптическая система, позволяющая сформировать распределение интенсивности излучения по сечению пучка по заданному закону, поскольку первоначальное распределение равномерное. Заданное распределение интенсивности излучения по сечению пучка сводится к изменению от центра пучка к его краю по параболическому закону. При создании оптической системы Медилекс был разработан и предложен оригинальный метод формирования заданного профиля интенсивности на поверхности роговицы описанный в [4,91-93]. В основе метода лежит освещение гомогенизированным лазерным излучением вращающихся масок с четным количеством лепестков (2-6) специально разработанной формы и передача их изображения на поверхность роговицы [4]. Первоначально для коррекции близорукости (миопии) и дальнозоркости (гиперметропии) использовались вращающиеся 6-ти лепестковые маски диаметром 4,0 - 6,0 мм описанные в работах [4,86-88].3атем были разработаны новые маски с (рис. 5.3 и 5.4), которые отличаются наличием переходной зоны, позволяющей улучшить качество проводимых рефракционных операций [89,90,94].
На рис. 5.3 и 5.4 показаны сами маски, распределение интенсивности энергии излучения и полученный профиль на внешней поверхности роговицы глаза. Эти маски могут быть использованы для коррекции близорукости (миопии) и дальнозоркости (гиперметропии) (рис. 5.4) при вращении с постоянной скоростью. Вращение этих масок с переменной скоростью по специальному закону позволяет исправлять миопический или гиперметропический астигматизм. Данный метод был смоделирован и разработан главным специалистом лаборатории Чекавииским В.А. При использовании вращающихся масок, как 2-х так и 6-ти лепестковых, происходит ротационное сканирование лепестков небольшой площади по поверхности роговицы и формирование заданного профиля. При этом не происходит значительного нагрева роговицы, отсутствует «островко-вый» эффект и получается гладкий профиль.
Таким образом, оптическая система, используемая в системе Медилекс-193, предназначена для получения однородного, гомогенизированного лазерного излучения диаметром не менее 8,0 мм, освещения им специальных вращающихся диафрагм формирующих распределение интенсивности по пучку, передачи их изображения на поверхность роговицы глаза.
Одним из наиболее важных элементов данной оптической системы является гомогенизатор лазерного излучения. Первоначально в качестве гомогенизатора в системе использовалась вращающаяся призма Дове и тупоугольная призма [4,86-88]. Однако этот гомогенизатор имеет один существенный недостаток, с течением времени возрастают потери внутри гомогенизатора связанные с наработкой центров окраски внутри кварца при прохождении мощного УФ излучения. Кроме того, настройка этого элемента достаточно сложная. Поэтому была разработана оптическая система на основе растрового гомогенизатора [94]. Преимуществами этого гомогенизатора являются - более высокая степень гомогенизации, более долгое время жизни элемента, связанное со значительным снижением плотности мощности при освещении УФ излучением, а также простота и точность настройки.
