Учебное пособие: Эксимерные лазеры

1.2.2.1 Разрядные цепи

Пороговые значения инверсной населенности в эксимерных лазерах обычно высокие в связи с короткой длиной волны и значительной шириной линии основных переходов. Типичное значение концентрации активных носителей заряда на верхнем рабочем уровне составляет 1014 - 1015 см3. Такие концентрации могут быть получены только при очень высокой плотности энергии накачки (10-2 Дж/см3). Для этого необходимы специальные электроразрядные цепи. Обычно они состоят из емкостей и индуктивностей и в их состав входят специальные высоковольтные ключи.

Рисунок 10. Разрядная цепь эксимерного лазера с тиратроном

В современных эксимерных лазерах высоковольтные ключи заменили тиратроны. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов приведены на рисунке 11.

Рисунок 11. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов

Колба тиратрона заполнена H2. Давление водорода в колбе определяет запирающее напряжение. В режиме отсутствия проводимости решетка, расположенная между электродами, смещается в отрицательном направлении для удержания свободных электронов, смещаемых при нагреве ближе к катоду. При подаче положительного импульса электроны начинают проходить через решетку, и тиратрон переходит в режим проводимости.

Дополнительные решетки в усовершенствованной модели тиратрона позволяют получить более высокое запирающее напряжение, более надежное включение и более равномерный разряд.

Часто для снижения нагрузки на тиратроне в цепь вводят магнитный ключ (рис.12).

Рисунок 12. Цепь с магнитным переключателем.

Еще одно решение при проектировании разрядных цепей заключается в использовании твердотельных полупроводниковых ключей. Последние разработки в этой области нацелены на адаптацию твердотельных ключей к работе с высокими напряжениями.

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

Более простым в технической реализации является электроразрядный способ накачки эксимерных лазеров. В этом случае для получения возбужденных квазимолекул применяется быстрый поперечный разряд. Такой термин применим потому, что длительность импульса возбуждения выбирается меньше времени установления стримерного разряда и накачка активной среды аналогична накачке пучком электронов, но вводимым в рабочий объем не извне, а образующимся в нем самом. При электроразрядном способе накачки объем активной области не превышает десятых долей литра, так как разряд с большой плотностью тока при сохранении высокой электронной температуры тока реализовать в больших объемах не удается.

В качестве генераторов импульсов накачки в рассматриваемых лазерах используются формирующие линии, заряжаемые до напряжения в несколько десятков кВ и разряжающиеся через активную лазерную среду за времена от нескольких единиц до нескольких десятков нс.

В некоторых конструкциях предусматривается введение дополнительного третьего электрода, устанавливаемого вблизи от анода. Возникающий в этом случае между третьим электродом и анодом микроразряд играет роль предионизатора основного электронного разряда.

Преимуществом такой схемы накачки является простота конструкции по сравнению со схемами электронного возбуждения, поскольку в данном случае отпадает необходимость в дополнительной электронной пушке (электронном ускорителе) и разделительной фольги со всеми вытекающими из-за ее применения трудностями. Кроме того, в подобных лазерах можно получить значительно более высокие частоты следования (до 1000 Гц), чем в схемах с электронным возбуждением. За рубежом в экспериментальных образцах на основе KrF* получены импульсы излучения с энергией до 1,75 Дж с КПД около 0,3% при длительности импульса 20 нс в рабочем объеме 0,1 л, а на основе XeF* - импульсы с энергией 17 мДж при КПД 1% и длительности 3 нс. При этом удельный энергосъем достигает 5 - 6 Дж/л. Предполагается, что дальнейшее совершенствование лазерного модуля с активным объемом 0,1 л позволит работать на частотах следования до 1000 Гц со средней мощностью излучения до 10 Вт при КПД, равном нескольким процентам. Кроме того, полагается, что более детальные исследования позволят увеличить удельную энергию в несколько раз, более совершенные конструкции будут рассчитаны на большие активные рабочие объемы, что позволит создать эксимерные электроразрядные лазеры со средней мощностью излучения в сто или несколько сотен Вт. Уже сейчас на отдельных образцах удается получить среднюю мощность излучения 200 Вт.

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

Перспективным способом накачки эксимерных лазеров является также комбинированный способ - электрическим разрядом и электронным пучком, используемым для предионизации.

При накачке активной среды электрическим разрядом с предионизацией последнего электронным пучком требуется два источника накачки - электронный ускоритель и источник импульсного высоковольтного напряжения. Но большая доля энергии накачки в этом случае приходится на электрический разряд, что позволяет использовать для предионизации относительно маломощные электронные ускорители.

Комбинированный способ накачки позволяет сохранить преимущества возбуждения электронным пучком и создать потенциальные возможности для повышения эффективности лазера за счет более полного использования энергии электрического разряда. Предполагается, что оптимизация параметров блока электрической накачки и увеличение длительности импульсов пучка электров позволит существенно увеличить энергию излучения и КПД лазера. Возможность существенного увеличения активного объема лазера с таким методом накачки до нескольких кубических метров позволяет надеяться на получение средней мощности излучения выше 1 кВт при работе в частотном режиме.

Что касается работы в режиме редко повторяющихся вспышек, то в настоящее время получен удельный энергосъем, достигающий 5 Дж/л. Ожидается, что при оптимизации параметров лазера это значение будет увеличено в несколько раз.

Рисунок 13. Лазер с разрядом, стабилизированным электронным пучком

Учитывая опыт разработки СО2 - лазеров, можно полагать, что активный объем рабочей лазерной камеры будет увеличен до 100 л.

Поэтому вполне реальным представляется создание эксимерных лазеров с энергией излучения в импульсе порядка 1 кДж и более.

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.

Наилучшие результаты в настоящее время получены на квазимолекулах хлорида ксенона. При длине резонатора 100 см и импульсном рабочем напряжении 40 - 50 кВ получена средняя мощность излучения 1 Вт при частоте следования импульсов 100 Гц. Полный КПД лазера составляет 0,1% при работе в частотном режиме и 0,5% при работе в режиме одиночных импульсов. Импульсная мощность излучен6ия в рассматриваемом случае составляет несколько сотен киловатт при длительности импульса 1 - 20 нс. Состав рабочей смеси меняется от импульса к импульсу, что приводит к необходимости его смены в промежутках между последующими импульсами.

Сравнительные характеристики различных типов эксимерных лазеров показаны в таблице 2.

Таблица 2

Параметр		Способ накачки
		Электронный пучок	Электрический разряд с предионизацией электронным пучком	Быстрый электрический разряд	Двойной электрический разряд
Энергия импульса, Дж	100		10	10-2	10-2
Удельный энергосъем, Дж/л	3 - 30		3 - 5	1	0,1 - 1
Максимальная частота повторения, Гц		100	100 200	1000	200
КПД,%		1 - 2	0,3	0,25	0,1 - 0,5
Средняя мощность, Вт		10	2 - 10	0,1 - 2	1

Наилучшие результаты при возбуждении электронным пучком получены на молекулах KrF* и ArF*, при возбуждении электрическим разрядом с предионизацией и при быстром поперечном электрическом разряде - на молекулах XeF*, а при возбуждении двойным электрическим разрядом - на молекулах XeCl*.

1.3 Параметры выходного излучения

Сильное влияние на параметры выходного излучения лазера оказывает резонатор. В качестве резонаторов в эксимерных лазерах используются неустойчивые системы. Это обусловлено следующими факторами. Основным преимуществом неустойчивых резонаторов является возможность высокоэффективной селекции поперечных мод при больших числах Френеля, что практически соответствует большому поперечному сечению активной среды, обеспечивающей большую выходную мощность. В неустойчивых резонаторах распределение поля поперечных мод таково, что потери высших поперечных мод на излучение существенно превышают потери основной моды, что обеспечивает высокоэффективную селекцию. Поэтому в лазерах с неустойчивыми резонаторами обычно генерируется только низший поперечный тип колебаний. Существенно, что в отличие от высокодобротных резонаторов распределение поля основной моды в неустойчивых резонаторах практически не имеет спада по мере удаления от оси. Это доказывает, что все участки поперечного сечения активной среды зондируются полем достаточно высокоэффективно, что, в свою очередь, обеспечивает высокий КПД.

Но стоит отметить, что, несмотря на вышеперечисленные достоинства неустойчивых резонаторов, потери на излучение в них очень велики, что позволяет их использовать на практике лишь в мощных лазерах, каковыми и являются рассматриваемые в данной работе эксимерные лазеры.

Еще одним преимуществом неустойчивых резонаторов (например, по сравнению с плоским резонатором) является сужение пучка вблизи точки схода лучей, что позволяет использовать дополнительные оптические элементы с небольшим поперечным сечением внутри резонатора. Но, если сужение пучка проявляется в полной мере, то возможно возникновение пробоя или повреждение оптических элементов.

Устойчивые и плоские типы резонаторов также используются в эксимерных лазерах. Генераторы с плоскими или устойчивыми резонаторам позволяют получать расходимость, близкую к дифракционной, при размещении внутри резонатора одной или двух диафрагм малого диаметра.

Выходное излучение характеризуется также специфическим (близким к прямоугольному в поперечном сечении) распределением поля. В одном продольном сечении пучок излучения эксимерного лазера имеет вид гауссоиды, а в другом - супергауссоиды.

Рисунок 14. Профиль пучка эксимерного лазера.

Также пучок лазерного излучения характеризуется стабильностью направленности и, следовательно, положения пятна на плоскости анализа (рис.15).

Рисунок 15. Стабильность направленности и позиции пучка KrF лазера

Эксимерные лазеры имеют множество применений. Среди них множество областей (плоскопанельные экраны, полупроводниковые элементы электронных приборов и др.), которые требуют максимальной однородности и высокого качества пучка. Поэтому необходимо следить не только за стабильностью таких параметров их излучения, как направленность, расходимость, но и за его однородностью. Для этого в системы, в которые входит эксимерный лазер, вводят элемент, называемый гомогенизатором (рис.16).

Рисунок 16. Достижение однородности пучка KrF лазера

Для решения некоторых задач при помощи эксимерных лазеров также необходимо использовать элементы, позволяющие придать пучку определенную форму (например, квадрат, круг или кольцо).

Спектр излучения эксимерных лазеров часто является сравнительно широкополосным. Это позволяет использовать эти генераторы для накачки других лазеров (часто лазеров на красителях), а также организовать перестройку длины волны излучения лазера. Сужение спектра осуществляется, как правило, с помощью дисперсионного резонатора. Для эксимерных лазеров на XeF существует другая возможность управления спектральным составом. В нем относительная спектральная мощность на различных колебательных переходах, зависящая от инверсии населенностей на соответствующем переходе, может целенаправленно изменяться в зависимости от давления и температуры среды, а также уровня накачки. Возможно создание перестраиваемых эксимерных лазеров.

Для сужения полосы излучения эксимерного генератора может быть использован один или несколько резонаторов Фабри-Перо или дифракционная решетка.

2. Коммерческие модели эксимерных лазеров

2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)

Разработчиками немецкой фирмы Lambda Physik был создан эксимерный лазер для получения и обработки тонких пленок.

Эксимерные лазеры для высокоточной абляции материала должны отвечать высоким требованиям к их эффективности и параметрам выходного излучения. Для получения качественных результатов и повышения эффективности лазер должен иметь стабильные выходные характеристики.

Для увеличения времени самостоятельной работы лазера были модифицированы механизмы введения газа в кювету и его очищения от примесей. Вредные примеси эффективно устраняются с помощью элементов электростатического фильтра. При помощи сложной системы очистки рабочего газа, установленной в лазере LPXPro 305, энергетическая характеристика работы газа остается практически неизменной после долгой работы даже при энергии импульса, составляющей несколько тысяч мДж.

Рисунок 2.

Для повышения качества результатов абляции резонатор лазера был сделан внешним. В результате удалось избежать влияния на резонатор таких факторов, как перепады давления, возникающие при накачке кюветы рабочим газом, или колебания температуры, вызывающие механические напряжения. Так как кювета герметизирована выходными окнами, не относящимися к резонатору, сам резонатор не подвержен влиянию перепадов давления и температуры, происходящих в кювете. Для обеспечения наибольшего времени эксплуатации оптики и покрытия внешний резонатор не взаимодействует с инертным газом.

Рисунок 3.

Эксимерный лазер обладает стандартной прямоугольной в поперечном сечении конфигурацией пучка (вдоль короткой оси распределение гауссово, вдоль длинной - с плоской вершиной).

Страницы: 1, 2, 3, 4