Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
На рис.9 представлены зависимости энергии генерации ХеСl - лазера от величины индуктивности L1. Состав активной смеси и ее давление соответствовали оптимальным значениям, полученным в [34]. Задержка начала тока основного разряда относительно начала импульса предыонизации соответствовала оптимальной и составляла ~100 нс. Результаты, представленные на рисунке получены при значениях величины С1=300 нФ – (а), 225 нФ – (б), 150 нФ – (в) и 75 нФ – (г). На всех четырех рисунках кр. 1 соответствует С0=3,6 нФ, кр. 2 – 25 нФ, кр. 3 – 52 нФ и кр. 4 – 70 нФ. Из представленных графиков видно, что при величине обострительной емкости С0 в несколько нанофорад (кр.1) увеличение индуктивности L1 от 11 нГн до 33 нГн приводит к уменьшению энергии генерации лазера примерно вдвое во всех четырех случаях. Такое же поведение обнаруживает и зависимость Eген от индуктивности L1 при величине С0=25 нФ (кр.2). Однако ход кривых изменяется при С0 =52 нФ. Если при С1=300,225 и 150 нФ с ростом индуктивности L1 энергия генерации уменьшается, то при С1=75 нФ с ростом L1 она возрастает (см. рис.9,г. кр.3). Дальнейшее увеличение С0 существенно изменяет ход зависимостей Eген от индуктивности L1. При Со=70 нФ и С1=300 и 225 нФ энергия генерации лазера практически не зависит от индуктивности L1,а при С1=150 и 75 нФ она возрастает с ростом L1, причем значительно (рис.7 г, кр. 4).
На рис.10 представлены зависимости энергии генерации ХеСl-лазера от величины обострительной емкости С0 при изменении величины индуктивности в контуре перезарядки L1=11 нГн (а), 23 нГн (б), 33нГн (в). Кривая 1 соответствует С1=300 нФ, 2 – 225 нФ, 3 – 150 нФ и 4 – 75 нФ. Из рис.10,а видно, что энергия генерации лазера с ростом С0 от 3,6 нФ до 70 нФ при минимально возможном значении L1=11 нГн плавно уменьшается при всех значениях С1. Иное поведение кривых наблюдается при L1=23 нГн (б) и 33 нГн (в). Уменьшение энергии генерации происходит только до значений С0~30-40 нФ, после чего она возрастает.
С целью обобщения полученных результатов и более наглядного представления влияния различных параметров LC-контура на генерационные характеристики ХеСl- лазера на рис.11 представлены объемные поверхности, иллюстрирующие одновременную зависимость Еген от изменения индуктивности L1 и обострительной емкости С0 при значениях накопительной емкости С1=300 нФ (а) и С1=75 нФ (б). На данных поверхностях можно проследить все описанные ранее закономерности.
На рис.12 приведены осциллограммы импульсов напряжения на обострительной емкости (1), разрядного тока (2) и импульса генерации (3) при С1=300 нФ, L1=11 нГн. Состав и давление смеси, а также зарядное напряжение – прежние. Из рисунка видно, что рост С0 существенным образом влияет на напряжение, ток разряда и импульс генерации. Возрастание С0 приводит к увеличению колебательной структуры импульсов.
Проанализируем полученные результаты. Существующие способы предыонизации активной среды эксимерных лазеров позволяют получать начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их плотности в момент начала генерации ~1015-1016см-3 [35]. Это значит, в разряде существует стадия его формирования, в течение которой концентрация электронов возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии, преимущественно за счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке, происходит экспоненциальный рост концентрации электронов. При этом, как показано в [26], время поддержания высокой напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-20 наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии: стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту концентрации электронов. Это можно сделать, как показано в [36,37], путем значительного уменьшения напряженности электрического поля на стадии энерговклада, т.е. уменьшения E/N до значения (E/N)*. В работе [38] формирование разряда осуществлялось с помощью высоковольтного предымпульса, а энерговклад в него производился от низкоомной формирующей линии с пониженным напряжением. Была достигнута энергия генерации 4,2 Дж при КПД~4,2%. Уменьшение напряженности электрического поля можно достичь путем последовательного включения стабилизирующих элементов (балластных резисторов, нелинейных индуктивностей), а также созданием систем возбуждения с изменяющимся во времени по определенному закону импульсом напряжения.
При малых величинах обострительной емкости С0 (см. рис.12) основная её функция состоит в формировании объемного разряда. За время ~40 нс она заряжается от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем разряжается на межэлектродный промежуток за время ~20 нс. При столь высоком перенапряжении (>70 кВ /3,5 см·4 атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной емкости С1. На осциллограммах напряжения, на обострительной емкости (1) и тока разряда (2) видна незначительная колебательная структура, обусловленная наличием С0, однако на импульсе генерации она не сказывается. Аналогичная структура импульса разрядного тока наблюдалась в работе [39] при подключении к лазерным электродам обострительных конденсаторов величиной~1 нФ и возбуждении разряда с помощью формирующей линии.
Уменьшение С0 до нескольких нанофарад позволило разделить во времени формирование разряда и его возбуждение. Этот эффект достигнут благодаря тому, что разрядка С0 осуществляется при напряжении в ~2 раза большем, чем напряжение на С1 и длится ~20 нс, а разрядка С1 фактически начинается после того, как С0 разрядилась. Уменьшение L1 до 11 нГн позволило осуществить возбуждение активной среды непосредственно от накопительной емкости С1 импульсом длительностью ~240 нс, причем первые 200 нс разряд был однородным (см. рис.12,а) Это подтверждается длительностью импульса генерации, которая равнялась ~170 нс.
С увеличением обострительной емкости С0 ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд. Мощность которого сравнима с мощностью энерговклада от С1. Кроме того, так как волновое сопротивление контура L0С0 превышает активное сопротивление плазмы в межэлектродном промежутке, то разряд С0 имеет колебательный характер. Так как L0С0<(L1+L0)С1, то наложение токов разряда обострительной и накопительной емкостей приводит к колебательному суммарному энерговкладу. При С0=15 нФ на импульсе тока от С1 видна колебательная структура, а при С0=37 нФ наблюдается явный колебательный разряд (см. рис.12,б и в). Колебательный характер энерговклада отрицательно сказывается на однородности и длительности объемной стадии разряда.
