ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к импульсно-периодическим эксимерным лазерам с УФ предыонизацией и может быть использовано при проектировании и изготовлении эксимерных лазеров и лазерных систем с высокой средней мощностью излучения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В мощных эксимерных лазерах возбуждение активной среды осуществляется импульсно-периодическим объемным разрядом высокого (2,5-5 атм) давления в смесях инертных газов (Ne, He, Xe, Kr, Ar) с галогеносодержащими молекулами F₂, HCl при высокой ~1 МВт/см³ плотности мощности накачки. Такой разряд принципиально неустойчив, и время сохранения объемным разрядом однородной формы обычно не превышает нескольких десятков наносекунд. При этом обеспечение оптимального уровня предыонизации активной среды, подверженной ряду изменений в процессе долговременной непрерывной работы, относится к основным факторам, определяющим достижение высоких выходных характеристик эксимерных лазеров. Кроме этого, конфигурация блока УФ предыонизации в многом определяет геометрию разрядной системы лазера и, соответственно, условия накачки активной среды.

В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и средней мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и, в конечном счете, увеличение затрат на эксплуатацию лазера.

Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и стабильность работы, снизить затраты на получение энергии генерации.

Из [1] известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двулучевой лазер VYPER, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный газоразрядных эксимерных лазера, аналогичных описанным в [2]. Каждый из лазеров, как известно из [2], включает в себя газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод, зона объемного разряда между высоковольтным и заземленным электродами, продольные оси которых параллельны друг другу, по меньшей мере, один блок предыонизации, набор конденсаторов, расположенных по бокам разрядной камеры и соединенных с высоковольтным и заземленным электродами, источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор. Предыонизация осуществляется слаботочным коронным разрядом.

Данное устройство обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.

Однако дальнейшее повышение энергии генерации затруднено из-за использования предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных возможностей повышения апертуры разрядной зоны без значительного увеличения индуктивности разрядного контура, ведущего к снижению КПД лазера.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является увеличение энергии генерации и мощности эксимерного лазера, в том числе интегрируемого в наиболее мощные эксимерные лазерные системы, при сохранении высокого КПД.

Техническим результатом изобретения является улучшение разрядной системы эксимерного лазера, повышение энергии генерации и средней мощности излучения при высоком КПД лазера и снижении эксплуатационных затрат.

Для решения указанных задач предлагается газоразрядный эксимерный лазер, включающий в себя газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод, зона объемного разряда между высоковольтным и заземленным электродами, по меньшей мере, один блок предыонизации, набор конденсаторов, расположенных по бокам разрядной камеры и соединенных с высоковольтным и заземленным электродами, источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор, при этом

каждый блок предыонизации содержит систему формирования скользящего разряда (СР), включающую в себя протяженную диэлектрическую пластину, имеющую в поперечном сечении изогнутую форму, поджигающий электрод, установленный на лицевой поверхности диэлектрической пластины вдоль нее, и протяженный инициирующий электрод, примыкающий к обратной стороне диэлектрической пластины, причем, по меньшей мере, примыкающая к инициирующему электроду протяженная часть обратной поверхности диэлектрической пластины является цилиндрической.

В вариантах изобретения два идентичных блока предионизации расположены по бокам высоковольтного электрода.

В вариантах изобретения конденсаторы подсоединены к высоковольтному электроду через установленные в высоковольтном фланце вдоль него герметичные токовводы, каждый из которых снабжен керамическим изолятором, при этом источник питания электрически связан с каждым блоком предыонизации через высоковольтный фланец.

В вариантах изобретения изогнутая диэлектрическая пластина выполнена в виде протяженной части цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее продольной оси.

В вариантах изобретения система формирования СР содержит, по меньшей мере, один протяженный дополнительный электрод.

В вариантах изобретения дополнительный электрод соединен с инициирующим электродом.

В вариантах изобретения лицевая поверхность изогнутой диэлектрической пластины либо выпуклая, либо вогнутая.

В вариантах изобретения в качестве материала изогнутой диэлектрической пластины используется либо сапфир, либо керамика, в частности Al₂O₃.

В вариантах изобретения каждая точка зоны разряда между высоковольтным и заземленным электродами находится в зоне прямой видимости, по меньшей мере, части поверхностности изогнутой диэлектрической пластины, используемой для формирования СР.

В вариантах изобретения изогнутая диэлектрическая пластина выполнена в виде цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки с продольным разрезом, инициирующий электрод размещен внутри диэлектрической трубки, и дополнительный электрод соединен с инициирующим электродом через продольный разрез диэлектрической трубки.

В вариантах изобретения система формирования СР содержит в качестве изогнутой диэлектрической пластины цельную диэлектрическую трубку, внутри которой размещен инициирующий электрод, при этом на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки размещен дополнительный электрод.

В вариантах изобретения система формирования СР содержит в качестве изогнутой диэлектрической пластины цельную диэлектрическую трубку, внутри которой размещен инициирующий электрод, при этом на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки размещен дополнительный электрод, подсоединенный к инициирующему электроду через торец диэлектрической трубки.

В вариантах изобретения поджигающий электрод либо соединен, либо совмещен с высоковольтным электродом.

В вариантах изобретения дополнительный либо соединен, либо совмещен с высоковольтным электродом.

В вариантах изобретения высоковольтный электрод установлен на высоковольтном фланце и электрически соединен с ним, при этом источник питания электрически связан с каждым блоком предыонизации через установленные в высоковольтном фланце вдоль него герметичными дополнительные токовводы, каждый из которых снабжен керамическим изолятором.

В вариантах изобретения протяженные стенки керамической разрядной камеры выполнены наклонными к высоковольтному электроду, и конденсаторы установлены наклонно к высоковольтному электроду.

В другом аспекте изобретение относится к газоразрядному эксимерному лазеру, включающему в себя газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод и заземленный электрод, зона объемного разряда между высоковольтным и заземленным электродами, продольные оси которых параллельны друг другу, источник питания, подключенный к конденсаторам, установленных по бокам разрядной камеры и подсоединенных к высоковольтному и заземленному электродам, при этом высоковольтный электрод размещен на внутренней стороне высоковольтного фланца и выполнен частично прозрачным, на наружной стороне высоковольтного фланца установлена дополнительная разрядная камера, выполненная, по меньшей мере, частично из керамики, и блок предыонизации, установленный с обратной стороны частично прозрачного высоковольтного электрода, по меньшей мере, частично размещен в дополнительной разрядной камере.

В вариантах изобретения протяженные стенки керамической разрядной камеры выполнены наклонными к высоковольтному электроду, и конденсаторы установлены наклонно к высоковольтному электроду.

В вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования скользящего разряда (СР) между протяженными поджигающим и дополнительным электродами, расположенными на поверхности диэлектрической пластины, к обратной стороне которой примыкает инициирующий электрод, соединенный с дополнительным электродом, причем система формирования СР выполнена симметричной относительно плоскости, включающей в себя продольные оси высоковольтного и заземленного электродов.

В вариантах изобретения протяженная диэлектрическая пластина системы формирования СР имеет в поперечном сечении изогнутую форму.

В вариантах изобретения высоковольтный электрод имеет с обратной стороны протяженную нишу, в которой, по меньшей мере, частично размещена керамическая часть дополнительной разрядной камеры.

В вариантах изобретения протяженные стенки керамической разрядной камеры выполнены наклонными к высоковольтному электроду, и конденсаторы установлены наклонно к высоковольтному электроду.

В вариантах изобретения либо поджигающий, либо дополнительный электрод соединен с высоковольтным частично прозрачным электродом.

В вариантах изобретения система формирования СР содержит в качестве изогнутой диэлектрической пластины цельную диэлектрическую трубку, внутри которой размещен инициирующий электрод, при этом на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки диаметрально противоположно размещены поджигающий и дополнительный электроды.

Предпочтительно, что поджигающий электрод, либо дополнительный электрод подсоединен к инициирующему электроду через торец цельной диэлектрической трубки.

Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.

Описание дается в виде, достаточном для понимания принципов изобретения специалистами в области лазерной техники. Детальное описание компонент экимерных газоразрядных лазеров можно найти в [2-4].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде достаточном для понимания принципов изобретения и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.

Фиг.1 - схема лазера с двумя блоками предыонизации.

Фиг.2 - схема лазера с двумя блоками предыонизации УФ излучением СР на вогнутой поверхности диэлектрика.

Фиг.3 - схема лазера с двумя блоками предыонизации УФ излучением СР на поверхности диэлектрической трубки с продольным разрезом.

Фиг.4 - схема лазера с двумя блоками предыонизации УФ излучением СР на поверхности цельной диэлектрической трубки.

Фиг.5 - схема лазера с предыонизации через частично прозрачный электрод.

Фиг.6 - схема лазера с предыонизацией через частично прозрачный электрод УФ излучением СР на поверхности цельной диэлектрической трубки.

На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

В соответствии с изобретением газоразрядный эксимерный лазер, включает в себя газонаполненный корпус 1, на котором установлена протяженная керамическая разрядная камера 2 с протяженным высоковольтным фланцем 3. В разрядной камере 2 расположены протяженные высоковольтный электрод 4, заземленный электрод 5, зона разряда 6 между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 продольные оси которых параллельны друг другу, по меньшей мере, один блок предыонизации 7, набор конденсаторов 8, расположенных по бокам разрядной камеры 2 и соединенных с высоковольтным и заземленным электродами 4, 5, источник питания 9, подключенный к конденсаторам 8 и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 для возбуждения газовой смеси лазера и генерации луча лазера с помощью резонатора (не показан). Для повышения энергии генерации и мощности лазера в вариантах изобретения устройство содержит два идентичных блока предионизации 7, расположенные по бокам выполненного сплошным либо высоковольтного электрода 4 (Фиг.1). Каждый блок предыонизации 7 содержит систему формирования скользящего разряда (СР), включающую в себя протяженную диэлектрическую пластину 11, имеющую в поперечном сечении изогнутую форму, поджигающий электрод 12, установленный на лицевой поверхности 13 диэлектрической пластины 11 вдоль нее, и протяженный инициирующий электрод 14, примыкающий к обратной стороне 15 изогнутой диэлектрической пластины 11, причем, по меньшей мере, примыкающая к инициирующему электроду 14 протяженная часть обратной поверхности 15 диэлектрической пластины 11 является цилиндрической. Зона СР расположена между поджигающим и инициирующим электродами 12, 14 на поверхности или поверхностях изогнутой диэлектрической пластины 1. По меньшей мере, большая часть зоны СР расположена на той части лицевой поверхности 13 изогнутой диэлектрической пластины 11, к обратной стороне которой примыкает инициирующий электрод 14.

Для обновления газа в зоне разряда 6 между очередными разрядными импульсами лазер содержит систему циркуляции газа, включающую диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, два протяженных спойлера 18, выполненных керамическими, и протяженные направляющие лопасти 19 для формирования газового потока (Фиг.1). Газонаполненный корпус 1 также содержит фильтр 20, в частности электростатический, для чистки газовой смеси лазера от продуктов эрозии.

Предпочтительно, что импульсный источник питания 9 связан с каждым блоком предыонизации 7 через дополнительные конденсаторы 10, предназначенные для обеспечения автоматической предыонизации при их импульсной зарядке через СР.

Конденсаторы 8 подсоединены к заземленному электроду 5 через обратные токопроводы 22, расположенные по обе строны заземленного электрода 5 и выполненные газопроницаемыми для обеспечения возможности протока газа в зоне разряда 6.

В варианте изобретения (Фиг.1) конденсаторы 8 подсоединены к высоковольтному электроду 4 через установленные в высоковольтном фланце 3 вдоль него герметичные токовводы 23, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 24, при этом источник питания 9 электрически связан с каждым блоком предыонизации 7 через высоковольтный фланец 3, на котором установлен и электрически соединен с ним инициирующий электрод 14 каждого блока предыонизации 7.

Применение для предыонизации УФ излучения скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа или плазменных листов позволяет реализовать в области разряда 6 однородную предыонизацию оптимально высокого уровня за счет возможности регулировки энерговклада в СР. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является преимуществом предыонизации данного типа.

Выполнение устройства в предложенном виде обеспечивает компактность конструкции и возможность увеличения энергии генерации и мощности лазерного излучения при высоком КПД лазера за счет повышения уровня предыонизации.

Необходимая для высокоэффективной высокостабильной работы лазера однородность СР достигается, когда расстояние между электродами на поверхности диэлектрической пластины 11 не меньше определенного характерного значения, составляющего несколько единиц сантиметров. В связи с этим в отличие от известного из [3] использования плоской диэлектрической пластины предложенное формирование СР по поверхности изогнутой в поперечном сечении диэлектрической пластины обеспечивает компактность разрядной системы лазера, что обусловливает уменьшение индуктивности разрядного контура и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации, а также увеличения частоты следования разрядных импульсов и повышения средней мощности излучения лазера.

Выполнение, по меньшей мере, части диэлектрической пластины, примыкающей к инициирующему электроду, цилиндрической обеспечивает относительную простоту изготовления изогнутой диэлектрической пластины 11 и упрощает совмещение ее обратной поверхности 15 с поверхностью протяженного инициирующего электрода 14, что необходимо для высокой однородности СР.

В предпочтительных вариантах изобретения система формирования CP установлена так, чтобы образующие цилиндрической поверхности 15 изогнутой диэлектрической пластины 11 были параллельны продольным осям высоковольтного и заземленного электродов 4, 5. При этом зона CP параллельна зоне объемного разряда 6. Это обеспечивает однородный уровень предыонизации по всей длине протяженной зоны объемного разряда 6 и, соответственно, его высокую однородность и устойчивость к акустическим возмущениям в режиме с высокой частотой следования импульсов.

В соответствии с вариантом изобретения изогнутая диэлектрическая пластина 11 выполнена в виде протяженной части цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее продольной оси (Фиг.1). Это упрощает изготовление изогнутой диэлектрической пластины 11.

В соответствии с вариантом изобретения лицевая поверхность изогнутой диэлектрической пластины выпуклая (Фиг.1). За счет этого поджигающий и инициирующий электроды 12, 14 системы формирования CP блока не препятствуют формированию высокоскоростного потока газа в зоне объемного разряда 6.

Выполнение протяженной диэлектрической пластины изогнутой в поперечном сечении, в частности с выпуклой лицевой поверхностью, позволяет удалять электроды систем формирования CP от зоны объемного разряда 6 (Фиг.2). Это минимизирует искажения, вносимые блоками предыонизации 7 в распределение напряженности электрического поля в зоне объемного разряда 6, обеспечивая однородность объемного разряда и его устойчивость в режиме с высокой частотой следования импульсов. В результате достигается высокая стабильность энергии лазерного излучения от импульса к импульсу и высокое качество лазерного луча.

Для реализации возможности высокоэффективного повышения энергии генерации в вариантах изобретения каждая точка зоны разряда 6 между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 находится в зоне прямой видимости, по меньшей мере, части поверхностности изогнутой диэлектрической пластины 11, используемой для формирования СР (Фиг.1). Для этого изогнутые диэлектрические пластины 11 двух блоков предыонизации 12 должны быть установлены так, чтобы касательная к поверхности высоковольтного заземленного электрода 5, перпендикулярная плоскости, включающей в себя продольные оси высоковольтного и заземленного электродов 4, 5, касалась или пересекала часть поверхностности каждой изогнутой диэлектрической пластины 11, используемой для зажигания СР.

Для эксимерных лазеров газ, заполняющий лазерную камеру при характерном давлении в диапазоне от 2,5 до 5 атм представляет собой смесь инертных газов с донорами галогенов. В связи с этим в вариантах изобретения в качестве материала изогнутой диэлектрической пластины используется либо сапфир, либо керамика, в частности Al₂O₃, что обеспечивает большое время жизни диэлектрической пластины в составе блока предыонизации, а также большое время жизни газовой смеси лазера, содержащей чрезвычайно химически активные компоненты F₂ или HCl.

Изогнутая диэлектрическая пластина 11 предпочтительно выполнена в виде протяженной части кругло-цилиндрической тонкостенной трубки, заключенной между двумя сечениями трубки, параллельными ее продольной оси, что упрощает ее изготовление.

В вариантах реализации изобретения (Фиг.2) в двух идентичных блоках предыонизации 7, расположенных по бокам высоковольтного электрода 4, лицевая поверхность 13 изогнутой диэлектрической пластины 11 вогнутая. При этом обратная поверхность 15 изогнутой диэлектрической пластины 11, выполненной из керамики или сапфира, является частью наружной поверхности кругло-цилиндрической трубки, что облегчает возможность ее обработки с высокой точностью при вращении трубки-заготовки. Наряду с этим протяженная поверхность инициирующего электрода, примыкающая к обратной стороне диэлектрической пластины 11, является вогнутой кругло-цилиндрической, что также облегчает возможность ее точной обработки фрезерным инструментом. Все это упрощает технологию изготовления системы формирования скользящего разряда с точным совмещением поверхностей изогнутой диэлектрической пластины 11 и протяженного инициирующего электрода 14. В результате достигается высокоэффективная работа блока предыонизации 7 за счет обеспечения высокой однородности CP и эффективного охлаждения изогнутой диэлектрической пластины 11 посредством инициирующего электрода 14.

В соответствии с вариантами изобретения в каждом блоке предыонизации 7 система формирования CP содержит один протяженный дополнительный электрод 25, расположенный на диэлектрической пластине 11 (Фиг.2). При этом CP формируется на поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11 между поджигающим электродом 12 и дополнительным электродом 25. В этом варианте на инициирующий электрод 14 замыкается только ток зарядки емкости части изогнутой диэлектрической пластины 11, на которой зажигают СР. В связи с этим протяженный массивный инициирующий электрод 14 может быть изготовлен из относительно дешевого материала, предпочтительно с высокой теплопроводностью, например, из Al. Дополнительный электрод 25, на который замыкается основной ток завершенного CP выполняется из эрозионно-стойкого металла, например, из Ni, Cu-W и др. В связи с этим в вариантах изобретения дополнительный электрод 25 системы формирования CP совмещен с высоковольтным электродом 4 лазера (Фиг.2). В вариантах изобретения дополнительный электрод 25 соединен с высоковольтным электродом 4, либо совмещен с ним. В предпочтительных вариантах изобретения дополнительный электрод 25 соединен с инициирующим электродом 14 (Фиг 2). Все это упрощает электрическую цепь системы формирования СР.

В вариантах изобретения (Фиг.3) высоковольтный электрод 4 установлен на высоковольтном фланце 3 и электрически соединен с ним. При этом источник питания 9 электрически связан с каждым блоком предыонизации 7 через дополнительные конденсаторы 10, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, и через установленные в высоковольтном фланце 3 вдоль него герметичные дополнительные токовводы 26, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 27 и размещен сбоку высоковольтного электрода 4. В некоторых случаях это позволяет уменьшить индуктивность разрядного контура, что повышает КПД лазера.

В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг.3, разрядная система содержит два идентичных блока предыонизации 7, в каждом из которых:

- изогнутая диэлектрическая пластина 11 выполнена в виде цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки с продольным разрезом 28,

- инициирующий электрод 14 размещен внутри диэлектрической трубки 11 и соединен с дополнительным электродом 25 через продольный разрез 28 диэлектрической трубки 11,

- поджигающий электрод 12 каждого блока предыонизации 7 соединен, либо совмещен, то есть выполнен заодно, с высоковольтным электродом 4.

Здесь разрез означает, что его поперечный размер много меньше диаметра трубки и близок по величине толщине тонкостенной диэлектрической трубки.

При выполнении устройства в указанном виде также достигается улучшение компактности системы формирования CP и снижение индуктивности разрядной системы, что позволяет повысить КПД широкоапертурного высокоэнергетичного эксимерного лазера. Выполнение изогнутой диэлектрической пластины 11 в виде керамической трубки с продольным разрезом 28, наряду с компактностью блока предыонизации 7, обеспечивает относительную простоту технологии изготовления системы формирования СР. Выполнение трубки тонкостенной, то есть при значении ее толщины, не превышающем определенной верхней границы, обеспечивает на стадии зажигания CP высокую напряженность электрического поля на поверхностном разрядном промежутке, необходимую для получения высокой однородности завершенного СР. Характерные размеры тонкостенной трубки 11 могут быть следующими: диаметр 15 мм толщина 1,3 мм.

В вариантах изобретения система формирования CP содержит в качестве изогнутой диэлектрической пластины цельную диэлектрическую трубку 29, внутри которой, размещен инициирующий электрод 14, при этом на лицевой наружной поверхности цельной диэлектрической трубки 29 размещены поджигающий электрод 12 и дополнительный электрод 25 с зоной CP между ними (Фиг.4).

Эти варианты изобретения наряду с обеспечением компактности блоков предыонизации 7 позволяют еще более упростить изогнутую диэлектрическую пластину системы формирования СР. При этом в вариантах изобретения дополнительный электрод 25, предпочтительно, хотя не обязательно, подсоединен к инициирующему электроду 14 через торец диэлектрической трубки 29, что повышает напряженность электрического поля в плазме CP на стадии его зажигания и улучшает однородность завершенного СР.

В вариантах изобретения протяженные наружные стенки керамической разрядной камеры 2 выполнены наклонными к высоковольтному электроду 4, и конденсаторы 8 установлены наклонно к высоковольтному электроду 4. Это минимизирует индуктивность разрядной системы лазера, что позволяет увеличить апертуру объемного разряда, энергию генерации и мощность экисмерного лазера при сохранении высокого КПД.

Дальнейшее повышение энергии генерации и/или мощности эксимерного лазера возможно при использовании частично прозрачного электрода.

В соответствии с изобретением (Фиг.5) эксимерный лазер включает в себя газонаполненный корпус 1, на котором установлена керамическая разрядная камера 2 с протяженным высоковольтным фланцем 3, расположенные в разрядной камере 2 протяженные высоковольтный электрод 4 и заземленный электрод 5, зона объемного разряда 6 между высоковольтным и заземленным электродами 5, 6, продольные оси которых 30, 31 параллельны друг другу, источник питания 9, подключенный к конденсаторам 8, установленным по бокам разрядной камеры 2 и подсоединенным к высоковольтному и заземленному электродам 4, 5, при этом высоковольтный электрод 4 размещен на внутренней стороне высоковольтного фланца 3 и выполнен частично прозрачным. Предпочтительно часть лицевой поверхности частично прозрачного электрода, примыкающая к зоне объемного разряда 4, изготовлена тонкостенной, профилирована с лицевой стороны и выполнена с щелевыми отверстиями 32. На наружной стороне высоковольтного фланца установлена дополнительная разрядная камера 33, выполненная, по меньшей мере, частично из керамики, и блок предыонизации 7, установленный с обратной стороны частично прозрачного высоковольтного электрода 4, по меньшей мере, частично размещен в дополнительной разрядной камере 33.

В предпочтительных вариантах изобретения (Фиг.5) блок предыонизации 7 содержит систему формирования скользящего разряда (СР) между протяженными поджигающим электродом 12 и дополнительным электродом 25, расположенными на поверхности диэлектрической пластины 11, к обратной стороне которой примыкает инициирующий электрод 14, соединенный с дополнительным электродом 25, причем система формирования СР выполнена симметричной относительно плоскости 34, включающей в себя продольные оси 30, 31 высоковольтного и заземленного электродов 4, 5.

В предпочтительных вариантах изобретения (Фиг.5) высоковольтный электрод 4 имеет с обратной стороны протяженную нишу 35, в которой, по меньшей мере, частично размещена протяженная керамическая часть 36 дополнительной разрядной камеры 33. Соответственно, высоковольтный фланец 3 имеет протяженный вырез 37 для размещения протяженных керамических частей 36 дополнительной разрядной камеры 33.

В предпочтительных вариантах изобретения (Фиг.5) диэлектрическая пластина системы формирования СР имеет в поперечном сечении изогнутую форму.

В предпочтительных вариантах изобретения поджигающий электрод 12 соединен с высоковольтным частично прозрачным высоковольтным электродом 4 (Фиг.5) токопроводами 38, установленными вдоль длины высоковольтного электрода 4, выполняющими роль креплений поджигающего электрода 12 и практически не снижающими, благодаря высокой прозрачности, уровень предыонизации в зоне разряда 6.

В других вариантах дополнительный электрод 25 соединен с высоковольтным частично прозрачным электродом 4 (не показано).

Предпочтительно, что вспомогательная разрядная камера 33 снабжена протяженным дополнительным высоковольтным фланцем 39, с которым соединен либо дополнительный электрод 25 (Фиг.5), либо поджигающий электрод 12 системы формирования СР. При этом источник питания 9 электрически связан с блоком предыонизации 7 через дополнительные конденсаторы 10 и дополнительный высоковольтный фланец 39. При этом упрощается электрическая цепь осуществления автоматической предыонизации. Также достигается эффективное охлаждение изогнутой диэлектрический пластины 11 системы формирования CP через примыкающий к ней инициирующий электрод 14 и соединенные с ним по всей длине с хорошим тепловым контактом дополнительный электрод 25 и дополнительный высоковольтный фланец 39.

Предпочтительно, что протяженные наружные стенки 40 керамической разрядной камеры 2 выполнены наклонными к высоковольтному электроду 4, и конденсаторы 8 установлены наклонно к высоковольтному электроду 4. Как правило, используются осесиметричные керамические конденсаторы, и наклонность конденсатора 8 означает, что его ось, проходящая через обкладки конденсатора 8, наклонна к высоковольтному электроду 4 (Фиг.4-6).

В вариантах изобретения система формирования CP содержит в качестве изогнутой диэлектрической пластины цельную диэлектрическую трубку 29, внутри которой, размещен инициирующий электрод 14, при этом на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки диаметрально противоположно размещены поджигающий и дополнительный электроды 12, 25 (Фиг.6). В вариантах изобретения либо поджигающий электрод, либо дополнительный электрод 25 (Фиг.6) подсоединен к инициирующему электроду 14 через торец диэлектрической трубки 29 электрическим проводником 41.

В этих вариантах (Фиг.5, 6), в отличие от рассмотренных ранее (Фиг.1-4), сбоку от высоковольтного электрода 4 отсутствуют блоки предыонизации. Наряду с этим, достигаются малые поперечные размеры высоковольтного электрода 4 за счет минимизации поперечных размеров блока предыонизации 7, частично размещаемого в протяженной нише 35. При этом керамические части 36 дополнительной разрядной камеры 33 устраняют возможность паразитных пробоев между частично прозрачным высоковольтным электродом 4 и блоком предыонизации 7. Это реализует наибольшую возможность для предложенного выполнения протяженных наружных стенок 39 разрядной камеры 2 наклонными к высоковольтному электроду 4, и установку конденсаторов 8 наклонно к высоковольтному электроду 4, что минимизирует индуктивность разрядной системы лазера. В результате достигается возможность увеличения апертуры объемного разряда, повышения энергии генерации и мощности экисмерного лазера при сохранении высокого КПД. Кроме этого, поскольку разрядная система с частично прозрачным электродом характеризуется малым, близким к единице, значением коэффициента K смены газа в зоне разряда 6, достаточным для работы с максимальным КПД лазера, снижаются расходы на прокачку газа. Все это, в целом, снижает затраты на получение энергии генерации лазерного УФ излучения.

Газоразрядный эксимерный лазер работает следующим образом. При включении источника питания 9 между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5, расположенными в разрядной камере 2 с протяженным высоковольтным фланцем 3, а также на подключенных к электродам 4, 5 конденсаторах 8 начинает нарастать напряжение. Одновременно в каждом блоке предыонизации 7, содержащем систему формирования CP, на лицевой поверхности 13 той части изогнутой диэлектрической пластины 11, к обратной поверхности 15 которой, являющейся цилиндрической, примыкает протяженный инициирующий электрод 14, развивается волна ионизации. В процессе пробега волны ионизации от поджигающего электрода 12 к инициирующему электроду 14 происходит зарядка распределенной электрической емкости изогнутой диэлектрической пластины 11 до напряжения, приблизительно равного напряжению поджигающего электрода 12. После пробега волны ионизации от поджигающего электрода 12 к инициирующему электроду 14 между ними зажигается завершенный скользящий разряд, ток которого ограничен током зарядки дополнительных конденсаторов 10, через которые источник питания 9 предпочтительно связан с блоками предыонизации 7. В варианте изобретении (Фиг.1) эта связь осуществляется через электрическое подсоединение через высоковольтный фланец 3. Электрическая емкость дополнительных конденсаторов 10 выбирается многократно меньше емкости конденсаторов 8, подключенных к высоковольтному и заземленному электродам 4, 5, продольные оси которых параллельны друг другу. УФ излучение двух идентичных блоков предионизации 7, расположенных по бокам высоковольтного электрода 4, осуществляет предыонизацию каждой точки зоны разряда 6 между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5. Для этого каждая точка зоны разряда 6 между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 находится в зоне прямой видимости, по меньшей мере, части поверхностности изогнутой по меньшей мере одной изогнутой диэлектрической пластины 11, используемой для формирования СР. После того, как напряжение между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 достигает значения пробивного напряжения, происходит основной объемный разряд между ними по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему газопроницаемые обратные токопроводы 22, расположенные по обе стороны заземленного электрода 5. В варианте изобретения (Фиг.1) разрядный контур также включает в себя герметичные токовводы 23, снабженные керамическими изоляторами 24, через которые конденсаторы 8 подсоединены к высоковольтному электроду 4 через установленные в высоковольтном фланце вдоль него герметичные токовводы 23, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 24. При этом источник питания 9 электрически связан с каждым блоком предыонизации 7 через высоковольтный фланец 3. Энергия, запасенная в конденсаторах 8 вкладывается в объемный разряд, что с помощью резонатора (не показан) позволяет получить энергию генерации лазера.

Содержащаяся в газонаполненном корпусе 1 система формирования газового потока, включающая диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, два протяженных спойлера 18, выполненных керамическими, и протяженные направляющие лопасти 19 создает поток газа между заземленным электродом 5 и высоковольтным электродом 6. Протяженные спойлеры 18 и направляющие лопасти 19 обеспечивают равномерное распределение скорости газа между электродами. После того, как охлаждаемый трубками теплообменника 17 газовый поток, циркулирующий в корпусе 1, обновит газ между заземленным и высоковольтным электродами, цикл работы повторяется. В процессе работы лазера фильтр 20, в частности электростатический, содержащийся в газонаполненном корпусе 1 осуществляет очистку газовой смеси лазера от продуктов эрозии.

Применение для предыонизации УФ излучения скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) позволяет реализовать в области разряда 6 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является несомненным достоинством предыонизации данного типа.

Использование диэлектрической пластины 11, имеющей в поперечном сечении изогнутую форму, по сравнению с плоской обеспечивает компактность системы формирования СР и разрядной системы лазера в целом, что уменьшает индуктивность разрядного контура, обеспечивает возможность повышения частоты следования импульсов и увеличения средней мощности лазерного излучения при высоком КПД лазера. При этом выполнение, по меньшей мере, части диэлектрической пластины, примыкающей к инициирующему электроду, цилиндрической обеспечивает относительную простоту изготовления изогнутой диэлектрической пластины 11.

В вариантах изобретения (Фиг.1) CP осуществляют по поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11 выполненной в виде протяженной части цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее продольной оси. Это упрощает изготовление изогнутой диэлектрической пластины 11. В вариантах изобретения для дальнейшего упрощения устройства CP осуществляют по поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11 лицевая 13 и обратная 15, стороны которой предпочтительно являются кругло-цилиндрическими.

Соединение в вариантах изобретения поджигающего электрода 12 системы формирования CP с высоковольтным электродом 4 лазера (Фиг 1) обеспечивает компактность устройства, упрощает его и уменьшает индуктивность разрядного контура лазера, повышая его эффективность.

Высокий однородный уровень предыонизация зоны объемного разряда 6, обеспечиваемый двумя блоками предыонизации с УФ излучением CP улучшает однородность и устойчивость объемного разряда, обеспечивает повышение стабильности выходных характеристик лазера, а также возможность увеличения апертуры лазерного пучка, энергии генерации и средней мощности излучения лазера. С этой целью предыонизацию осуществляют блоками предыонизации 7, установленными так, что каждая точка зоны разряда 4 находится в зоне прямой видимости, по меньшей мере, части поверхностности изогнутой диэлектрической пластины 11, используемой для формирования СР.

В процессе работы устройства за счет применения выпуклой лицевой поверхности 13 каждой изогнутой диэлектрической пластины 11 блоки предыонизации 7, обеспечивающие высокий однородный уровень предыонизации в каждой точке зоны разряда 6, не препятствуют формированию высокоскоростного потока газа между высоковольтным и заземленным электродами 4, 5 (Фиг.1). Это улучшает однородность и устойчивость объемного разряда, обеспечивает повышение стабильности выходных характеристик лазера, а также возможность увеличения апертуры лазерного пучка, энергии генерации и средней мощности излучения лазера. Кроме этого, электроды 12, 14 системы формирования CP удалены от зоны разряда 4 (Фиг.1). Это минимизирует искажения, вносимые блоками предыонизации 7 в распределение напряженности электрического поля в зоне объемного разряда 6, обеспечивая однородность объемного разряда и устойчивость его однородной формы в режиме с высокой частотой следования импульсов. В результате достигается высокая стабильность энергии лазерного излучения от импульса к импульсу и высокое качество лазерного луча.

Для обеспечения большого времени жизни изогнутой диэлектрической пластины 11 в составе блока предыонизации 7, а также большого времени жизни газовой смеси лазера, содержащей чрезвычайно химически активные компоненты F₂ или HCl в вариантах изобретения в качестве материала изогнутой диэлектрической пластины 11 предпочтительно используются эрозионностойкие и галогеностойкие диэлектрики: либо сапфир, либо керамика, в частности Al₂O₃.

В вариантах изобретения СР зажигают на поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11, лицевая поверхность 13 которой вогнутая (Фиг.2). При этом в вариантах изобретения СР зажигают в двух идентичных блоках предыонизации 7, расположенных по бокам либо высоковольтного электрода 4 (Фиг.5), либо заземленного электрода 5 (Фиг.6). В данных вариантах изобретения облегчается обработка поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11, точнее наружной поверхности трубки-заготовки, совмещаемой с поверхностью инициирующего электрода 14. Это упрощает технологию изготовления системы формирования СР с точным совмещением поверхностей изогнутой диэлектрической пластины 11 и протяженного инициирующего электрода 14. В результате достигается высокоэффективная работа блока предыонизации 7 за счет обеспечения высокой однородности СР и эффективного охлаждения изогнутой диэлектрической пластины 11 посредством инициирующего электрода 14.

В вариантах изобретения СР зажигают между поджигающим электродом и, по меньшей мере, одним протяженным дополнительным электродом 25 (Фиг.2-6), предпочтительно соединенным с инициирующим электродом 14, что упрощает систему формирования СР и повышает ее надежность. В вариантах изобретения дополнительный электрод 25 системы формирования СР соединен с высоковольтным электродом 4 лазера (Фиг.3) или совмещен с ним. Все это упрощает электрическую цепь системы формирования СР.

В вариантах изобретения предыонизацию осуществляют со стороны высоковольтного электрода 4 (Фиг.3) двумя идентичными системами формирования СР по поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11, выполненной в виде цилиндрической тонкостенной диэлектрической трубки с продольным разрезом 28. При этом инициирующий электрод 14 размещен внутри диэлектрической трубки 11, и дополнительный электрод 25 соединен с инициирующим электродом 14 через продольный разрез 28 диэлектрической трубки 11.

При выполнении устройства в указанном виде достигается наибольшая компактность системы формирования СР и снижение индуктивности разрядной системы, что позволяет повысить КПД широкоапертурного высокоэнергетичного эксимерного лазера.

Выполнение изогнутой диэлектрической пластины 11 в виде керамической трубки с продольным разрезом 28, наряду с компактностью блока предыонизации 7, обеспечивает относительную простоту технологии изготовления системы формирования СР.

В вариантах изобретения (Фиг.4) СР зажигают на поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11, в качестве которой используют цельную диэлектрическую трубку 29, внутри которой размещен инициирующий электрод 14, при этом дополнительный электрод 25 размещен на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки 29. В вариантах изобретения дополнительный электрод 25 предпочтительно подсоединен к инициирующему электроду через торец диэлектрической трубки 29. При выполнении в указанном виде обеспечивается простота конструкции изогнутой диэлектрической пластины, ее компактность, а также малая индуктивность разрядной системы, что повышает КПД высокоэнергетичного широкоапертурного эксимерного лазера.

В вариантах изобретения (Фиг.3, 4) ток каждого СР протекает по контуру, включающему в себя установленные в высоковольтном фланце 3 вдоль него герметичными дополнительные токовводы 26, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 27. При этом токовый контур основного объемного разряда включает в себя высоковольтный фланец 3, с которым электрически соединен установленный на высоковольтном фланце 3 высоковольтный электрод 4. Это упрощает разрядную систему лазера и снижает ее индуктивность.

В другом аспекте изобретение относится газоразрядному эксимерному лазеру, в котором предыонизацию осуществляют через высоковольтный электрод 5, размещенный на внутренней стороне высоковольтного фланца 3 и выполненный частично прозрачным, предпочтительно с щелевыми отверстиями 32. Предыонизацию осуществляют блоком предыонизации 7, установленным с обратной стороны частично прозрачного высоковольтного электрода 4 и частично размещенным в дополнительной разрядной камере 33, установленной на наружной стороне высоковольтного фланца 3 и выполненной, по меньшей мере, частично из керамики (Фиг.5).

Предпочтительно основной разряд осуществляют по разрядному контуру с минимизированной индуктивностью, включающему конденсаторы 8, установленные наклонно к высоковольтному электроду 4 за счет выполнения протяженных стенок 40 керамической разрядной камеры 2 наклонными к высоковольтному электроду 4.

Эти варианты изобретения за счет минимизации разрядного контура позволяют увеличить апертуру объемного разряда, повысить энергию генерации и мощность экисмерного лазера при сохранении высокого КПД. Поскольку разрядная система с частично прозрачным электродом характеризуется малым, близким к единице, значением коэффициента К смены газа, в зоне разряда 6 снижаются расходы на прокачку газа. Все это, в целом, снижает затраты на получение энергии генерации лазерного УФ излучения.

В этих вариантах изобретения с системой формирования CP, выполненной симметричной относительно плоскости 34, включающей в себя продольные оси 30, 31 высоковольтного и заземленного электродов 4, 5, CP зажигают по обе стороны поджигающего электрода 12, установленного на выпуклой цилиндрической поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11 и соединенного с частично прозрачным первым электродом 2 токопроводами 38 (Фиг.5, 6). При этом либо поджигающий электрод 12 либо дополнительный электрод 25 соединен с частично прозрачным высоковольтным электродом 4. Для обеспечения компактности электродного узла и повышения эффективности блока предыонизации 7 CP зажигают в непосредственной близости от зоны разряда 6. Для этого устраняют паразитные пробои между блоком предыонизации 7 и частично прозрачным высоковольтным электродом 4 за счет, по меньшей мере, частичного размещения керамической части 36 дополнительной разрядной камеры 33 в протяженной нише 35, выполненной на обратной стороне частично прозрачного электрода 4 (Фиг.5, 6).

В вариантах изобретения (Фиг.6) CP зажигают на поверхности изогнутой диэлектрической пластины 11, в качестве которой используют цельную диэлектрическую трубку 29, внутри которой размещен инициирующий электрод 14, при этом дополнительный электрод 25 размещен на наружной поверхности цельной диэлектрической трубки 29. В вариантах изобретения дополнительный электрод 25 предпочтительно подсоединен к инициирующему электроду через торец диэлектрической трубки 29, например, электрическим проводником 41. В этих вариантах изобретения небольшое отличие в работе блока предыонизации состоит в том, что на стадии незавершенного CP зарядка емкости изогнутой диэлектрической пластины 11 осуществляется по электрическому контуру, включающему в себя электрический проводник 41, соединяющий дополнительный электрод 25 с инициирующим электродом 14 через торец диэлектрической трубки 29. При выполнении в указанном виде обеспечивается простота конструкции изогнутой диэлектрической пластины, ее компактность, а также малая индуктивность разрядной системы, что повышает КПД высокоэнергетичного широкоапертурного эксимерного лазера.

Выполнение разрядного эксимерного лазера в соответствии с изобретением позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура при обеспечении высокоскоростного потока газа между электродами и малого коэффициента К смены газа между электродами, что позволяет повысить энергию генерации и мощность экимерного лазера при снижении затрат на получение лазерного излучения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Изобретение позволяет создать наиболее высокоэнергетичные, мощные и высокоэффективные эксимерные лазеры и лазерные системы для крупных промышленных производств, научных исследований и других применений. К ним относятся: производство плоских LCD и OLED дисплеев методом лазерного отжига, модификация и упрочнение поверхности, 3D- микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции, экологический мониторинг с использованием мощных УФ лидаров, производство интегральных схем методом лазерной ВУФ литографии и др.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Coherent Inc. Excimer & UV Optical Systems Product Catalog 2012

2. Patent US 6757315.

3. V. Borisov, I. Bragin. High-Energy Lasers. In Excimer Laser Technology. Ed. by D. Basting, G. Marowsky. Springer-Verglas Berlin Heidelberg (2005).

4. Patent US 20030118072

5. Патентная заявка RU 2012131330.

6. Патентная заявка RU 2012131348.

Обозначения

1. корпус

2. разрядная камера

3. высоковольтный фланец

4. высоковольтный электрод

5. заземленный электрод

6. зона разряда

7. блок предыонизации

8. конденсаторы

9. источник питания

10. дополнительные конденсаторы

11. диэлектрическая пластина

12. поджигающий электрод

13. лицевая поверхность диэлектрической пластины

14. инициирующий электрод

15. обратная поверхность диэлектрической пластины

16. диаметральный вентилятор

17. трубки теплообменника

18. спойлеры

19. направляющие лопасти

20. фильтр

22. обратные токопроводы

23. герметичные токовводы

24. керамические изоляторы

25. дополнительный электрод

26. дополнительные токовводы

27. керамические изоляторы

28. продольный разрез диэлектрической трубки

29. цельная диэлектрическая трубка

30, 31 продольные оси высоковольтного и заземленного электродов

32. щелевые отверстия

33. дополнительная разрядная камера

34. плоскость, включающая в себя продольные оси электродов 4, 5

35. протяженная ниша на обратной стороне частично прозрачного электрода

36. керамическая часть дополнительной разрядной камеры 33

37. протяженный вырез высоковольтного фланца 3

38. токопроводы

39. дополнительный высоковольтный фланцец

40. наружные стенки керамической разрядной камеры 2

41. электрический проводник