Введение к работе
Актуальность темы К настоящему времени импульсно-периодические эксимерные и СОг-лазеры высокого давления являются наиболее мощными источниками когерентного излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра Они находят самое широкое применение в микроэлектронике, фотохимии, зондировании атмосферы, образовании плазмы Однако, несмотря на длительный период исследования и применения этих лазеров в различных технологиях, они по-прежнему обладают целым рядом недостатков К ним в первую очередь относятся следующее неоднородность распределения интенсивности в пятне фокусировки лазерного излучения, малый срок службы лазеров, ограниченные возможности по управлению их характеристиками Дальнейший прогресс в расширении области их применений может быть достигнут лишь при возможности гибкого управления пространственно-временными, энергетическими параметрами излучения эксимерных и углекислотных лазеров
Однородность распределения интенсивности лазерного излучения важна для многих практических применений В частности, особые требования к качеству лазерного пучка предъявляют широко развивающиеся в последние годы нанотехнологии. Так, при получении нанопорошков лазерным испарением [1], образовании наноструктур при воздействии излучения на ниобат лития, нанесении качественных пленок из магнитного материала для записи информации и др , требуется равномерное распределение интенсивности излучения с резкими краями (П-образное распределение) в зоне взаимодействии излучения с материалом Существующие способы формирования П-образного распределения интенсивности излучения достаточно сложны, неудобны при эксплуатации и не всегда дают желаемый результат [2]
В импульсно-периодическом режиме работы газовые лазеры высокого давления с поперечной накачкой также позволяют реализовать высокую среднюю мощность излучения от нескольких ватт до десятков киловатт, соответствуя тем самым разным технологическим требованиям Но в процессе работы средняя мощность излучения газовых лазеров постепенно снижается, создавая неудобства, в основном, из-за деградации рабочей смеси [3] и загрязнений оптических элементов резонатора Разработанные к настоящему времени различные системы восстановления газовых смесей основаны либо на вымораживании ненужных примесей, либо на связывании их в высокотемпературных печах с использованием дорогих химических веществ Системы регенерации рабочей среды газовых лазеров, основанные на применении криогенной техники и высокотемпературных нагревательных элементов сложны, дороги и неудобны при эксплуатации Поэтому, несмотря на уже имеющиеся системы восстановления газовых смесей, проблема разработки простых систем поддержания состава газовой смеси на одном уровне до сих пор остается актуальной
В случае импульсно-периодического ТЕ С02-лазера атмосферного давления, требование равномерного распределения интенсивности излучения в пучке дополняется еще одним необходимым качеством - энергия в течение
импульса излучения должна как можно равномернее распределяться во времени В противном случае,, мощный кратковременный выброс энергии в начале импульса излучения создает плазму на мишени, которая в дальнейшем отражает остальную часть импульса, тем самым значительно снижая эффективность воздействия луча Чтобы избежать потери энергии излучения при отражении от плазмы, нужно применять специальные резонаторы и различные устройства, увеличивающие длительность импульса излучения, а также выбрать оптимальные давление и состав газовой смеси [4] Кроме того, для TEA С02-лазеров также необходимо разработать систему регенерации, не требующую высокотемпературного нагрева
Широкое применение лазеров в инфракрасной и видимой областях спектра во многом обусловлено возможностью управления параметрами их пучков с помощью различных электрооптических модуляторов типа ячейки Керра, Пок-кельса Но в ультрафиолетовой области, в особенности - в вакуумной УФ части спектра электромагнитных излучений к настоящему моменту отсутствуют материалы со свойствами, необходимыми для оптических модуляторов Эту проблему можно решить, создавая новые материалы, либо преобразованием излучения не при прохождении его через вещество, а при его отражении от поверхности, изменив ее коэффициент отражения различными способами
Основное внимание в диссертационной работе было уделено решениям перечисленных проблем
Цель работы. Исследование пространственно-временных, энергетических характеристик импульсно-периодических ТЕ ХеС1 - и С02-лазеров
Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи исследований:
Создать ТЕ XeCl-, СО2 -лазеры и исследовать их характеристики с целью улучшения и оптимизация пространственно-временных и энергетических параметров излучения
Исследовать возможность формирования равномерного распределения интенсивности лазерного излучения по сечению пучка с резкими краями
3 Создать и исследовать системы регенерации
а) газовой смеси XeCl-лазера без использования криогенной аппаратуры и
нагревательных устройств и разработать методику ее восстановления,
б) газовой смеси СОг-лазера и разработать методику ее восстановления
при относительно невысоких температурах нагрева, используя недорогие
твердотельные катализаторы
4 Исследовать возможность увеличения коэффициента отражения алюминиевой пленки при одновременном воздействии наносекундных импульсов лазерного излучения и тока высокой плотности
Защищаемые положения
1 При целенаправленном внесении геометрических аберраций в неустойчивый резонатор с несимметричным выводом излучения впервые найдены условия формирования лазерного излучения с равномерным распределением интенсивности по его сечению с резкими краями, которые заключаются в следующем 1) обеспечение расходимости излучения W < 3 W диф, 2) отсутствие
ограничивающих диафрагм между выходным зеркалом резонатора и коллими-рующей оптической системой; 3) строгая центрированность излучения и кол-лимирующей системы
2 Предложена и исследована система регенерации, эффективно восста
навливающая газовые среды ксенон-хлоридных лазеров при комнатной
температуре без использования криогенной аппаратуры и нагревательных уст
ройств.
3 Одновременное воздействие импульсов лазерного излучения (т = 15 —
30 не, Р ~ 106 Вт/см2) и импульсов электрического тока (j = 107 — 108 А/см2,
т = 50 — 120 не) на алюминиевые пленки приводят к обратимым увеличениям
коэффициента отражения алюминиевой пленки до 5 — 6%
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на следующих конференциях
1) VII конференция по физике тазового разряда ,Самара^ 1994;
Международный симпозиум "Gas Lasers - Recent Development and Future Progress", Moscow, July 2-6,1995,
3-rd International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers", Томск, сентябрь, 1997 г ;
VI международная конференция "Лазерные технологии - 98", Шатура, 1998 г,
4-th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers", Томск , сентябрь, 1999 г,
11 Научная школа "Импульсные процессы в механике сплошных сред", Николаевл сентябрь, 1999 г ,
5-th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers", Томск, сентябрь, 2001 г ,
8-th European Conference on Applications of Polar Dielectrics, Metz, France, Sept 4 - 8, 2006 г
Публикация. Основные результаты работы опубликованы в 14 статьях, 8 сборниках докладов и тезисов, защищены двумя патентами Российской Федерации Общее число работ, опубликованных по теме диссертации, составляет 24 наименования
Научная новизна
Впервые разработан метод формирования однородного распределения интенсивности с резкими краями основанный на применении геометрических аберраций Определены условия проявления данного явления 1) угловая расходимость лазерного излучения W < 3 W ДИф, 2) отсутствие любых оптических элементов между выходным зеркалом резонатора и коллимирующей оптической системой, 3) оптические элементы фокусирующей системы должны находиться на одной оптической оси с лазерным пучком
Впервые на одной лазерной установке с двухконтурной системой накачки разряда обнаружено два максимума в зависимости энергии излучения от соотношения обострительной емкости С0б к накопительной Сн, сильноотличаю-щихся по величине при Соб/С„= 0,06 и С0б/С„= 0,7
Разработан новый рефрактометрический метод определения микроколичеств хлористого водорода в газовой фазе для эксимерного ХеС1-лазера
Разработана методика регенерации и создана система ее осуществления, обеспечивающая эффективную, быструю очистку от мелкодисперсных частиц и ряда вредных молекулярных примесей, восстанавливающая газовую среду XeCl-лазера при комнатной температуре без применения криогенной аппаратуры и нагревательных устройств с использованием небольшого количества двух недорогих реагентов и без замены газовой среды
Разработана методика регенерации и создана система ее осуществления газовой смеси СОг-лазера с твердотельными катализаторами ИКТ-12-9 и ИК-12-11 Их применение позволяет стабилизировать мощность излучения С02-лазера
Одновременное воздействие импульсов лазерного излучения (т = 15 — 30 не, Р ~ 10б Вт/см2) и импульсов электрического тока (j = 107 - 108 А/см2, т = 50 — 120 не) на алюминиевые пленки приводят к обратимым увеличениям коэффициента отражения алюминиевой пленки до 5 - 6%
Практическая ценность
1. Разработанный метод формирования однородного распределения интенсивности с резкими краями может быть использован в тех случаях, где требуется равномерность мощности лазерного воздействия на материалы, например, при получении нанопорошков, формировании наноструктур на ниобате лития и нанесении тонких магнитных пленок
Использование разработанной методики регенерации и системы восстановления газовой среды XeCl-лазера при комнатной температуре позволит эффективно эксплуатировать эксимерные ксенон-хлоридные лазеры без использования криогенной аппаратуры и нагревательных устройств
Методика рефрактометрического определения микроколичеств хлористого водорода в газовой фазе для эксимерного XeCl-лазера также применима при анализе НС1 в других средах и системах, содержащих данный газ в качестве примеси
Применение разработанной методики регенерации и системы восстановления газовой смеси СОг-лазера с твердотельными катализаторами ИКТ-12-9 и ИК-12-11 позволяет стабилизировать мощность излучения любых TEA С02 -лазеров
Обнаруженное явление обратимого увеличения коэффициента отражения алюминиевых пленок в среднем до 5 - '6% при пропускании тока высокой плотности позволяет изменить интенсивность излучения при отражении его от поверхности зеркала
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, иллюстрируется 66 рисунками, 6 таблицами Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка (159 источников)
