Учебное пособие: Эксимерные лазеры

Учебное пособие: Эксимерные лазеры

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Учебно-методическое пособие

Эксимерные лазеры

Н.В. Лисицына

Москва 2006

Содержание

Введение

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

1.1.3 Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов

1.1.4 Лазеры на двухатомных галогенах

1.1.5 Лазеры на парах металлов

1.1.6 Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа

1.2 Накачка

1.2.1 Накачка электронным пучком

1.2.2 Накачка электрическим разрядом

1.2.2.1 Разрядные цепи

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

1.3 Параметры выходного излучения

2. Коммерческие модели эксимерных лазеров

2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)

2.2 Лазер eX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)

3. Применения

3.1 Фотолизное возбуждение лазерных сред

3.2 Генерация коротковолнового излучения

3.2.1 Фотолитография

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Литература

Введение

Эксимерные лазеры - один из самых интересных видов лазеров. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 - 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, все эти замечательные характеристики эксимерных лазеров влекут за собой некоторые трудности при их изготовлении и создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO2 или N2, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, excited dimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excited complex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А2.

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А2* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов			Окислы благородных газов			Пары металлических соединений
Активная квазимолекула	Xe2*	Kr2*	Ar2*	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
λген, нм	172	145,7	126	558	558	540	470
∆λ, нм	20	13,8	8			25
Римп, МВт (Рср, Вт)	75		50
τ, нс	10	10	4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
λген, нм	282	351	193	175	308	220	248
∆λ, нм	1	1,5	1,5	2	2,5	5	4
Римп, МВт (Рср, Вт)	(100)	3	1000	(0,02)	(7)	5 (0,05)	1000
τ, нс	20	20	55	10	5	30	55

Страницы: 1, 2, 3, 4