3. Возбуждение эксимернго KrF-лазера оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения.

В настоящее время экеимерные лазеры (ЭЛ) являются мощными и эффективными источниками когерентного излучения в УФ области спектра. Для их возбуждения широко применяются пучки элект­ронов высокой энергии и электрический разряд. При этом КПД по вложенной энергии многих ЭЛ достигает 10 %. Известны эксперименты по эффек­тивному возбуждению ЭЛ СВЧ разрядом в поле импульсного СВЧ излучения в сходящихся конусо­образных волноводах [1]. В связи с этим представля­ет несомненный интерес возможность возбуждения лазеров на эксимерах (например, KrF, ArF и др.) мощным ИК лазерным излучением, когда в средах этих лазеров развивается оптический разряд.

Эффективными источниками ИК лазерного из­лучения являются импульсные химические лазеры на цепной реакции водорода со фтором. В результа­те ранее проведенных нами исследований была показана возможность создания чисто химических HF- и DF - СО2-лазеров на так называемой фотонно-разветвленной реакции. На их основе возможно создание многокаскадных систем химических лазе­ров, где импульс выходного излучения каждого предыдущего лазера инициирует работу после­дующего, излучающего импульс с энергией, бол­ьшей в 10-20 раз [2]. Таким образом, для трехкаскадной системы выходная энергия ИК лазерного излучения будет превышать энергию входного им­пульса в 103 - 104 раз. Если конечным каскадом служит ЭЛ, возбуждаемый оптическим разрядом в поле ИК излучения импульсного химического лазе­ра с КПД ~ 10 %, то возможно получение импульса УФ лазерного излучения с энергией, в 102 - 103 раз превышающей затраченную на инициирование хи­мического трехкаскадного лазера.

В настоящей работе исследуется среда KrF-лазера, в которой оптический разряд возникает под действием ИК лазерного излучения. Рассматри­вается возможность эффективного возбуждения ла­зера на смеси F2-Kr-He импульсами излучения с длиной волны 10,6 и ~3 мкм длительностью 20-150 не и исследуется прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения через среду ЭЛ.

Рассмотрим среду KrF-лазера (смесь F2-Kr-Не), на которую действует импульс ИК лазерного излучения с интенсивностью в максимуме /тах, при которой возможно развитие в данной среде оптиче­ского разряда и обеспечивается наработка достаточ­ной концентрации электронов (Ne ~ 1016 см~3). Первичные "затравочные" электроны в среде ЭЛ могут возникать при испарении в поле ИК излуче­ния ультрадисперсных частиц, почти всегда наход­ящихся в газах, из которых приготовляют лазерную смесь. Эти частицы веществ, не реагирующих со фтором, имеют размеры 0,01-0,1 мкм и концентра­цию и~ 106 см~3. Если такие частицы отсутствуют в смеси ЭЛ, их туда следует инжектировать с кон­центрацией, не меньшей 105 см~3.

Итак, частицы с размерами менее 0,1 мкм будут испаряться под действием ИК лазерного излучения с соответствующей интенсивностью за времена, мно­го меньшие длительности возбуждающего импуль­са. При этом образуются свободные термоэлектро­ны, переходящие в газовую среду вместе с нейт­ральными атомами и ионами. "Микропробои" в парах вещества частиц также сопровождаются об­разованием свободных электронов в лазерной сме­си. Возникающие свободные электроны будут бы­стро набирать энергию в поле ИК излучения, вызывая в ходе их диффузии в лазерную среду ионизацию атомов и молекул с образованием новых электронов. При этом вследствие быстрого набора энергии электронами сравнительно малое их ко­личество будет захватываться молекулами фтора в реакции F2 + e-»F~ + F [3]. Сечение этого процесса падает при энергиях электронов свыше 0,3 эВ [4], электроны же в ходе развития электронной лавины в среде ЭЛ будут иметь среднюю энергию е^З эВ, если скорость их диссоциативного прилипания к молекулам фтора меньше скорости ионизации ком­понентов смеси. Таким образом, в поле ИК лазер­ного излучения соответствующей интенсивности электроны диффундируют в лазерную среду, не уменьшаясь в количестве. При этом коэффициент диффузии электронов с е^З эВ составляет Z)<?~3-103 см2/с в смесях с давлением р~\ атм. Время диффузионного смешения электронов т^« R2/l6De (R - среднее расстояние между ультрадис­персными частицами) при и~ 106 см~3 составит 2 не. Итак, в поле возбуждающего ИК излучения соот­ветствующей интенсивности в среде KrF-лазера за время порядка нескольких наносекунд возникает практически однородная концентрация первичных свободных электронов. Далее под действием излуче­ния с подходящей пиковой интенсивностью /тах в среде развивается электронная лавина и концентра­ция электронов быстро возрастает, достигая макси­мума спустя некоторое время после пика возбуж­дающего импульса. Затем по мере спадания интен­сивности ИК лазерного излучения концентрация электронов может уменьшаться из-за их диссоциа­тивного прилипания к молекулам фтора.

Таким образом, импульс ИК лазерного излуче­ния с соответствующей максимальной интенсив­ностью /тах может обеспечивать в среде ЭЛ как предионизацию за счет испарения ультрадисперс­ных частиц, так и наработку необходимой для возбуждения ЭЛ концентрации свободных электро­нов. В рассматриваемом случае будет происходить возбуждение ЭЛ оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения. При этом оптимальная для возбуждения ЭЛ концентрация электронов (1015-1016 см~3) будет нарабатываться при соответст­вующей оптимальной интенсивности возбуждающе­го излучения в максимуме. Вследствие ослабления ИК лазерного излучения электронами с указанной концентрацией необходима фокусировка возбуж­дающего импульса оптической системой с подход­ящим фокусным расстоянием . Как показывают дальнейшие расчеты, это может обеспечить нара­ботку практически постоянной максимальной кон­центрации электронов на достаточно большой дли­не в среде KrF-лазера.

При действии возбуждающего ИК излучения с максимальной интенсивностью, превышающей оп­тимальную, на входе в среду ЭЛ может развиваться оптический пробой, при котором концентрация электронов достигает значений Ne ~ 1018 см~3. Но при таких больших Ne ИК лазерное излучение будет заметно ослабевать по мере его дальнейшего про-хрождения в среду ЭЛ. При этом вследствие очень сильной зависимости порога пробоя от интенсивно­сти излучения пробой не возникает уже на сравни­тельно небольшом (~ 1 см) расстоянии от входа возбуждающего импульса в лазерную среду. Соот­ветственно и концентрация электронов будет резко падать с расстоянием до значений, при которых воз­можно прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения в среду ЭЛ. При фокусировке пучка ИК излучения в лазерной среде будет обеспечиваться наработка практически постоянной концентрации электронов, зависящей от фокусного расстояния при котором ослабление ИК излучения будет ком­пенсироваться соответствующим сжиманием пучка из-за его фокусировки. Например, как показывают расчеты, для импульса излучения длительностью ~ 10 не с длиной волны 10,6 мкм, действующего на среду KrF-лазера (р к, 2 атм), практически постоян­ная максимальная концентрация образующихся электронов Ne ж 1016 см~3 обеспечивается на доста­точно большой длине (~1 м) при /«3,5 м. Для наработки же электронов с Ne ж 1015 см~3 требуется фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с фокусным расстоянием/» 20 м. Таким образом, для обеспечения наработки в среде ЭЛ необходимой концентрации электронов Ne на бол­ьшой длине достаточно сфокусировать входное ИК лазерное излучение оптической системой с соот­ветствующим фокусным расстоянием однозначно определяющим значение Ne, которое практически не зависит от интенсивности /тах на входе в лазерную среду.