Системы возбуждения эксимерных лазеров
На рис.2 показаны рост приведенной напряженности электрического поля E(f)/N (N- плотность частиц газа) на разрядном промежутке лазера и осциллограмма импульса /рг(г) УФ излучения предыонизатора. При условиях предыонизации, представленных на рис. 2,6, энергия генерации оказалась в 3 раза выше, чем в случае рис.2,а, характеризующегося большей скоростью нарастания E/N.
В вышеописанном эксперименте положение импульса разрядного напряжения было фиксировано по отношению к импульсу предыонизации, и для лучшего понимания столь резкого увеличения энергии генерации был проведен второй эксперимент на XeCl-лазере с апертурой d х Ъ = 5 х 3 см. В этом лазере ввод энергии в основной разряд осуществлялся электрической схемой с LC-инвертором и двумя ступенями магнитного сжатия импульса накачки, подобной описанной в [10]. Энерговклад в СР проводился с помощью независимой схемы импульсного питания, позволявшей варьировать как энергию, вводимую в СР, так и момент его включения.
На рис.3,а представлено взаимное положение импульсов напряжения £/(?), подаваемого на электроды лазера, и интенсивности УФ излучения СР /pr(?)- Этому соответствует временная задержка между ними, равная нулю. Нулевая задержка (та = 0) выбрана так, что начало импульса излучения предыонизатора Ipr(t) соответ-
10 8 6 4
В-см2); /рг (отн. ед.)
О tc ts 100
200 \Л (не) О
100
200 t (не)
Рис.2. Положение импульса УФ излучения предыонизатора /рг(<) относительно импульса приведенной напряженности электрического поля E(f)/Ntia. разрядном промежутке лазера при длительностях 140 (а) и 280 не (б) фронта нарастания E/N, соответствующих энергии генерации 2 (а) и 6 Дж (б) для смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа.
1/(кВ); /рг (отн. ед.)
30
20
10
О
-10
-400 -200 0 200 <(нс)
2.5 2.0 1.5 1.0
0.5 -100 0 100 200 300 400 та(нс)
Рис.3. Оптимальное положение импульса разрядного напряжения U(t) относительно импульса предыонизации Ipr(t) (а) и зависимости энергии генерации E\3S от времени задержки tj между импульсами U(t) и /рг(<) при энерговкладах во вспомогательный СР 0.17 (7), 0.42 (2) и 1 Дж (5) (б).
соответствует моменту достижения на разрядном промежутке лазера приведенной напряженности электрического поля (E/N)C, при которой реализуется ионизационно-прилипательное равновесие в газе на предпробойной стадии развития объемного разряда: Vi(E/N) = va(E/N), где v;, va - частоты ионизации и прилипания электронов.
В эксперименте импульс разрядного напряжения U(t) неизменной формы можно было сдвигать по времени относительно его положения, показанного на рис.3,а, изменяя таким образом время та задержки импульса напряжения на разряде относительно импульса предионизации.
При минимизированном энерговкладе в СР предионизатора (кривая 7 на рис.3,6) зависимость £1ias(td) имеет четко выраженный максимум при та и 0. Это означает, что предыонизация наиболее эффективно осуществляется именно с момента достижения ионизационно-прилипательного равновесия в разрядном промежутке лазера. Рассмотрение зависимостей на рис.3,6 показывает, что увеличение энергии, затрачиваемой на предионизацию, значительно расширяет диапазон временной задержки (—15 ^ та ^ 200 не), при которой предыонизация максимально эффективна. При этом для лазера с магнитной компрессией импульса накачки и характерной скоростью нарастания разрядного напряжения dU/dt ~ 2- 10П В/с увеличение энерговклада во вспомогательный СР свыше Ерг и 0.42 Дж нецелесообразно, т. к. не приводит к повышению энергии генерации лазера или к заметному изменению зависимости £ias от та (кривые 2,3 на рис.3,6).
Третий эксперимент был проведен на XeCl-лазере с размерами разряда 5 х 3 х 70 см. Отличительной особенностью этого лазера является использование для накачки основного разряда схемы с предимпульсом [2], обеспечивающей энергию импульса генерации E\as ^ 3 Дж при КПД ц к 3.6 % и длительность импульса генерации ~ 120 не.
На рис.4,а показано оптимальное положение импульса УФ предионизации /рг(?) относительно импульса напряжения на электродах основного разряда U(t), а также осциллограммы тока через разряд I(f) и импульса генерации /ias(?). По сравнению со схемой с магнитной компрессией импульса накачки (рис.3,а) здесь начальный участок импульса напряжения на разряде U(t) отличается большей длительностью (свыше 0.5 мкс) и, следовательно, малой скоростью нарастания dU/dt < 5-Ю10 В/с (рис.4,а). Этому соответствует больший (не менее 0.2 мкс) временной интервал эффективной предионизации на стадии роста разрядного напряжения (как это видно из зависимостей £1ias(ta), представленных на рис.4,6).
Как видно из зависимостей U(t), Ipi(t), приведенных на рис.4,а, особенностью рассматриваемой техники накачки является реализуемое непосредственно перед достижением максимума напряжения на разрядном промежутке лазера резкое увеличение скорости нарастания этого напряжения (до ~5'10П В/с), что облегчает условия зажигания однородного объемного разряда за счет большого перенапряжения. При этом в соответствии с зависимостями 7,2 на рис.4,6 максимальные энергия генерации и КПД лазера достигаются при значительно меньших (примерно на порядок величины) энерговкладах в СР (Ерг и 25 мДж), чем для схемы с не столь высокой скоростью нарастания напряжения (рис.3,6).
В результате оптимизации режимов предыонизации и возбуждения активной среды энерговклад во вспомогательный СР составил лишь 0.025 % от энерговклада в основной объемный разряд компактного высокоэффективного 0/ > 3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.
1/(кВ);
Ipr, I, lias
(отн. ед.) 20
-20
-40
-600
-300
300
'(не)
*(Дж) 3
-300
о
300
та (не)
Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыонизации Ipr(t), разрядного напряжения U(t), тока /((), импульса генерации las(') (и) и зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с высоковольтным предымпульсом.
Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах
207
Р(Вт) 600
400 200
О
О
100
200
/(Гц)
Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и относительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70 (2,5) и 45 не (5), 6).
Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов
Простой и надежный предыонизатор на базе СР хорошо вписывается в конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера, показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при межэлектродном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, подобная использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.