Результат интеллектуальной деятельности: Способ накачки в газоразрядных импульсных лазерах

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсных газоразрядных лазеров, таких как эксимерные и других лазеров, включающих в свой состав смеси газов с электроотрицательными компонентами (СО₂, нецепные химические на молекулах HF(DF) и др.).

Известно, что в таких типах электроразрядных лазеров с ростом мощности накачки резко ускоряется развитие токовых неустойчивостей в объемной плазме, что приводит к снижению эффективности работы лазеров, а также к сокращению длительности импульса генерации. Например, в работах [1-3] было показано, что с ростом мощности накачки с 1 до 3 МВт/см³ эффективность работы электроразрядных XeCl и KrF лазеров снижается с 4% до 2-2.6%, а максимальная удельная энергия импульса излучения не превышает 6 Дж/л (при потенциальной возможности достижения величины 20 Дж/л [4]). Проведенные исследования показали, что в таких лазерах с превышением оптимальной величины мощности накачки в объемном разряде возникают различные типы токовых неустойчивостей (сильноточные каналы, диффузные макроканалы с диаметром - 1-2 мм и микроканалы - 0.1 мм). Развитие неоднородностей в объемном разряде неизбежно приводит к его контракции и прекращению генерации, что обусловлено резким уменьшением объема разряда с неконтролируемым повышением плотности разрядного тока и последующим выгоранием галогеносодержащих компонент в газовой среде.

Известен способ зажигания объемного разряда в XeCl лазере с металлическими электродами с автоматической УФ-предыонизацией и повышенной удельной мощностью накачки. Максимальная плотность разрядного тока в этом случае составляла 1.1 кА/см² при величине его нарастания dj/dt=2×10¹⁰А/см²×с. В данном лазере при использовании плоскопараллельного резонатора была достигнута максимальная удельная энергия генерации 1.6 Дж/атм. × литр [5].

Известен способ создания активной среды KrF лазера [6] при котором зажигание и сохранение объемного разряда с высокой удельной мощностью накачки (3-4 МВт/см³) осуществляется за счет реализации крутого переднего фронта разрядного тока (8-10 нс) и использования биполярного импульса разрядного тока. Реализация такого крутого переднего фронта обеспечивало формирование более однородного объемного разряда и его горение в течение нескольких полупериодов разрядного тока.

Также известны способы повышения энерговклада в СО₂ лазере за счет использования электродов с высокой эмиссионной способностью [7] и увеличения концентрации начальных электронов в разрядной плазме [8].

Недостатком данных технических решений является сложность удержания объемной стадии горения разряда с ростом удельной мощности накачки более 3 МВт/см³, что обусловлено природной неустойчивостью его горения и как следствие развития ионизационных неустойчивостей в однородной плазме. Данные свойства горения объемного разряда отмечаются практически во всех исследовательских работах, имеющих в литературе.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, взятым нами за прототип, является эксимерный лазер, описанный в патенте [9]. В данном эксимерном лазере один из электродов был выполнен в виде плазменного катода, потенциальная кромка которого расположена в максимуме электрического поля межэлектродного промежутка. Данное техническое решение позволяет реализовать условия зажигания множественных макроканалов за счет их привязки к острийному электроду, обеспечивающему резко-неоднородное распределение электрического поля в области разряда.

Основными недостатками способа, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, являются, во-первых, недолговечность работы плазменного катода, а также формирование диффузных каналов в резко-неоднородном электрическом поле разрядного промежутка вдоль узкой кромки плазменного катода. Во-вторых, предъявляются жесткие требования к фронту импульса тока, что накладывает существенные ограничения на величину разрядной индуктивности L которая должна быть менее 3 Гн, что является сложно достижимым условием для импульсно-периодических лазеров.

Техническим результатом изобретения является зажигание при удельных мощностях накачки 3-10 МВт/см³ устойчивой формы диффузного разряда в технологических лазерах, использующих эксимерные и другие газовые среды, включающие в себя электроотрицательные компоненты.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, заключающийся в зажигании диффузной плазмы в протяженном межэлектродном промежутке после подачи на него импульса высокого напряжения и срабатывания автоматической предыонизации, согласно изобретению, в разрядном промежутке зажигается многоканальный диффузный разряд за счет обеспечения скорости роста плотности импульса тока dj/dt более 6×10¹⁰ А/см²×с и приведенной напряженности поля в момент пробоя разрядного промежутка не менее Е/Р ~ 3 кВ/см×атм.

Кроме того, завершенная форма разряда в лазере определяется соотношением концентраций компонент эксимерной газовой смеси, играющих роль донора и акцептора для электронов в плазме и составляет в XeCl лазере Хе/HCl≥12/1 и Ne/HCl≤500/1, а незавершенная форма при соотношениях 10/1≤Хе/HCl≤12/1 и 500/1≤Ne/HCl≤1000/1. В KrF лазере завершенная форма разряда определяется соотношением концентраций компонент эксимерной газовой смеси Kr/F₂≥25/1 и Ne/F₂≤350/1, а незавершенная форма разряда при соотношениях 10/1≤Kr/F₂≤25/1 и 700/1≥Ne/F₂≥350/1

Предложенный способ основан на обнаруженном нами режиме горения разряда с повышенной удельной мощностью накачки в диапазоне 3-10 МВт/см³, при котором по всему объему разрядного промежутка зажигаются множественные равновесные диффузные каналы, сохраняющие свойства активной среды в течение импульса накачки. Данный режим в основном обусловлен наличием приведенной напряженности поля в момент пробоя разрядного промежутка не менее Е/Р ~ 3 кВ/см×атм, скоростью роста плотности импульса тока dj/dt>6×10¹¹ А/см²×с и определенным соотношением компонент газовой смеси играющих роль донора и акцептора электронов в плазме, при этом величина начальной концентрации галогена в газовой среде должна обеспечивать, во-первых, ограничение роста начальной концентрации электронов до n_e≤10⁹ см^-3 на предпробойной стадии вблизи поверхности катода, а во-вторых, соответствие с долей выгораемого галогена (не более 80%) в плазме при заданных величинах удельной мощности накачки.. При уменьшении величины dj/dt<6×10¹¹ А/см² с конкуренция между отдельными каналами начинает приводить к перераспределению тока по отдельным каналам, и энергия лазера начинает уменьшаться.

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример экспериментальной реализации предлагаемого решения.

На фиг. 1 представлена стандартная двухконтурная электрическая схема накачки лазера. Предыонизация разрядного промежутка осуществлялась УФ - излучением, которое возникало при срабатывании искровых промежутков, установленных в первом контуре электрической цепи. Накопительная С1 и разрядная С2 емкости имели величину 107.2 и 74 нФ, соответственно. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТПИ1-10k/20. Значение индуктивности первого L2 и второго L3 разрядных контуров составляло 150 и 4.5 нГ, соответственно. Длина металлических электродов составляла 650 мм, межэлектродный зазор - 28 мм. Электроды имели цилиндрическую форму с радиусом рабочей поверхности 60 мм.

Эксперименты проводились на электроразрядном XeCl лазере с длительностью импульса тока на полувысоте ~ 45 нс, использовался состав смеси Ne-Xe-HCl, при общем давлении Р=3.5 атм. При соотношении компонент газовой среды при соотношениях Хе/HCl≥12/1 и Ne/HCl≤500/1 загорается завершенная форма разряда, диффузные каналы полностью перекрывали разрядный промежуток (фиг. 2, б). КПД лазера в этом случае составил 1.1%. При соотношениях 10/1≤Хе/HCl≤12/1 и 500/1≤Ne/HCl≤1000/1 в плазме формировались незавершенные множественные диффузные каналы, которые на некотором расстоянии перекрывались между собой, в этом случае КПД лазера достигал величины 2.42%, (фиг. 2, а). Аналогичные результаты были получены для электроразрядного KrF лазера для смеси Ne/Kr/F₂=3400/270/10 мбар, при соотношениях Kr/F₂≥25/1 и Ne/F₂≤350/1 загорается завершенная форма разряда, при соотношениях 10/1≤Kr/F₂≤25/1 и 700/1≥Ne/F₂≥350/1 - незавершенная форма. В обоих случаях каналы сохраняли свойства активной среды.

Использование данного изобретения позволяет создавать электроразрядные лазеры на плотных газах с электроотрицательными компонентами, имеющие удельную энергию импульса излучения 10-15 Дж/л.

Источники информации:

1. R. Riva, М. Legentil, S. Pasquiers and V. Puech Experimental and theoretical investigations of a XeCl phototriggered laser /// J. Phys. D: Appl. Phys. - 1995. - Vol. 28, No. 5. - P. 856-872.

2. А.А. Жупиков, A.M. Ражев Эксимерный KrF-лазер на основе буферного газа Не с энергией 0,8 Дж и КПД 2% // Квантовая электроника. - 1998. - Т. 25, №8. - С. 687-689.

3. О.Б. Христофоров Лазерные электроразрядные системы со скользящим разрядом в смесях инертных газов с галогеносодержащими молекулами: дис… канд. физ.-мат.наук: 01.04.04 - М., 1984. - 206 с.

4. Л.Д. Клементов, Н.В. Морозов, П.Б. Сергеев Электронно-пучковый XeCl-лазер с удельным энергосъемом 20 Дж/л // Квантовая электроника. - 1985. - Т. 12, №8. - С. 1607-1611.

5. Masakatdu Sugii, Makoto Okabe, Akio Watanabe, and Keisuke Sasaki, Single-stage high-beam-quality XeCl laser with a phase-conjugate Brillouin mirror, IEEE J. Quantum Electron. - 1988 - Vol. 24, No. 11. P. 2264-2269.

6. Ю.H. Панченко, В.Ф. Лосев, М.В. Андреев. Способ создания активной среды KrF лазера // Пат. RU 2575142 С1 РФ МПК H01S 3/097; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИСЭ СО РАН. - 2014148832/28; заявл. 03.12.2014; опубл. 10.02.2016. - Бюл. №4.

7. Г.А. Месяц, В.В. Осипов, А.Н. Петров и др. Влияние эмиссионных свойств электродов на характеристики импульсно-периодического CO2 лазера // ЖТФ. - 1990. - Т. 60, вып. 4. - С. 143-146.

8. В.В. Осипов Самостоятельный объемный разряд // УФН. - 2000. - Т. 170, №3. - С. 225-245.

9. В.Ф. Лосев, Ю.Н. Панченко, Н.А. Лосева Эксимерный лазер и способ получения генерации в нем // Пат. RU 2321119 С2 РФ МПК H01S 3/097; заявитель и патентообладатель ФГБУН ИСЭ СО РАН. - 2005119823/28; заявл. 27.06.2005; опубл. 27.03.2008. - Бюл. №9.