В. Ю. Баранов, В. М. Борисов, О. Б. Христофоров

ЭКСИМЕРНЫЙ   ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   ЛАЗЕР   С ПЛАЗМЕННЫМИ   ЭЛЕКТРОДАМИ

Создан и исследован электроразрядный лазер с плазменными электродами для получения генерации на галогенидах благородных газов. В качестве плазменных электродов использовался сильноточный однородный разряд по поверхности диэлектрика. Достигнута энергия генерации 1,75 Дж на молекуле KrF* и 0,8 Дж на XeF*.

Повышение энергии генерации эксимерных электроразрядных лазеров, для которых достаточно легко может быть осуществлен импульсно-периодический режим работы, актуально в свете различных применений мощного лазерного излучения УФ области спектра. Типичная энергия генерации, полученная в таких лазерах, составляет 0,1—0,3 Дж [1, 2]. Исключение составляет лазер, описанный в работе [3], в котором энергия 0,8 Дж получена при использовании сложной системы перекачки энергии и зарядном напряжении — 100 кВ, что затрудняет применение лазера в режиме с большой частотой повторения импульсов генерации.
В предшествующей работе нами было установлено, что повышение уровня и однородности предыонизации УФ излучением позволяет увеличить энергию генерации и КПД эксимерного лазера в несколько раз [4]. Результаты, полученные в [4], стимулировали поиски систем предыонизации, обладающих повышенными однородностью и мощностью УФ излучения. Мы остановились на скользящем разряде по поверхности диэлектрика, излучение которого в оптическом диапазоне во много раз выше, чем у открытого разряда [5].
В электроразрядной системе, изображенной на рис. 1, решена задача получения объемного разряда между двумя плазменными электродами. Электроды, изготовленные из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1 мм, помещались в разрядную камеру, выполненную из тефлоновой трубы с внутренним диаметром 100 и толщиной 7 мм.

Рис. 1. Экспериментальная электроразрядная система с плазменными электродами

Разряды по поверхностям диэлектрика, образующие верхний и нижний плазменные электроды, возникают при импульсной зарядке распределенных по длине электродов и равных по величине емкостей С'₀ и С₀ соответственно. При этом падения напряжений на плазменных электродах взаимно компенсируют друг друга, так что разность потенциалов между любыми двумя противоположными точками плазменных слоев одинакова. Отметим, что нарушение равенства обострительных емкостей С₀ и С'₀ снижало лазерный выход. В качестве основной накопительной емкости С_р применялись соединенные параллельно конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с собственной индуктивностью 20 нГ. Емкости С₀ и С'₀ набирались из керамических конденсаторов. Наличие распределенных вдоль электродов обострительных емкостей позволило при использовании одноканального разрядника Р получить равномерное растекание токов поверхностных и основного разрядов на большой длине. Скользящий разряд по поверхности диэлектрика развивался на площади 3 х 90 см. Визуальные и фотографические наблюдения показали его высокую однородность по всей длине. Расстояние между плазменными электродами составляло 4 см. Во избежание неоднородностей, вносимых в основной разряд краями фольг, электроды слегка выгибались навстречу друг другу (см. рис. 1) при помощи боковых тефлоновых вставок. Ширина основного разряда составляла 1,5 см, так что фольгированная часть электродов находилась вне разрядного объема, занимавшего область 1,5 х 4 х 90 см. Резонатор длиной 1,15 м был образован плоским зеркалом из Аl и плоскопараллельной пластиной из CaF₂.
Использование в описываемой схеме плазменных электродов, являющихся мощными однородными источниками УФ излучения, и геометрия их расположения (друг против друга в непосредственной близости от разрядного объема) обеспечили высокий уровень и однородность предыонизации, а также, как показали измерения, однородную плотность энергии генерации по апертуре разряда.
Электроразрядная камера была рассчитана на максимальное давление 3,5 атм, поэтому оптимизация лазерной смеси проводилась при давлениях до 3 атм. Зависимость энергии генерации лазера от давления и состава газовой смеси F₂—Кr—Не представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость энергии генерации лазера от давления и состава рабочей смеси при зарядном напряжении 50 кВ, С_р = 0,3 мкф, С₀ + С'₀ = 0,04 мкФ.
Газовая смесь F₂ : Kr : He = 1 : 12 : 400 (■)
                                               1: 20 : 400 (∆)
                                               1 : 30 : 400 (●)
                                               1 : 20 : 750 (□)
                                               1 : 20 : 1500 (о)
                                               2 : 20 : 400 (▲)

Из рис.2  видно, что в области давлений 2—3 атм изменение концентрации Кr от 3 до 8 % слабо влияет на энергию генерации, а увеличение концентрации F₂ от 0,25 до 0,5 % приводит к уменьшению генерации в 1,5—2 раза. Исследование влияния параметров электрической цепи на лазерные характеристики проводилось в газовой смеси F₂ : Кr : Не = 1 : 30 : 400 при р = 2 атм.
На рис. 3 представлены зависимости энергии генерации лазера от величин накопительной и обострительной емкостей при зарядном напряжении 65 кВ.

Рис. 3. Зависимость энергии генерации лазера от величин С_р(1) и С₀ + С'₀ (2—5) для смесей F₂ : Кr : Не = 1 : 30 : 400 при давлении 2 атм (1—3) и NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 750 при давлении 1,5 атм (4, 5); С_р = 0,3 (2, 4) и 0,2 мкФ (3, 5)

Насыщающийся характер зависимости энергии генерации от С_р при фиксированном значении С₀ + С'₀ = 0,04 мкФ (кривая 1 на рис. 3) свидетельствует о существовании оптимального уровня энерговклада в разряд, выше которого происходит неэффективное преобразование энергии в лазерное излучение. Осциллографические измерения показали, что напряжение пробоя U_пр газового промежутка в пределах ошибки измерений (± 5 %) не зависит от величины накопительной емкости. Отсюда следует, что наблюдаемый рост энергии генерации при увеличении накопительной емкости происходит при неизменной величине энергии ξ =( С₀ + С'₀)U²_пр / 2, запасаемой в емкостях С₀ и С'₀ к началу пробоя. Полученные результаты свидетельствуют о том, что энерговклад в разряд про­исходит как от энергии ξ, запасенной в обострительной емкости, так и от части энергии, оставшейся в накопительной емкости. Поэтому представление эффективности лазера как коэффициента преобразования энергии, запасенной только в обострительной емкости, в энергию излучения (см. [3]) является не совсем правильным и приводит к завышенным значениям. Приведенные на рис. 3 зависимости энергии генерации лазера на молекулах KrF* и XeF* от соотношения величин С_р и С₀ + С'₀ (сплошные линии) показывают, что высокий уровень генерации достигается при оптимальном соотношении накопительной и обострительной емкостей, которое различно для разных С_р.
На рис. 4 представлены зависимости энергии генерации лазера и пикового напряжения на разряде от зарядного напряжения при оптимальных для описываемой конструкции значениях С_р = 0,З мкФ и С₀ + С'₀ = 0,04 мкФ.

Рис. 4. Зависимости энергии генерации лазера (1, 2) и пикового напряжения на разряде (3) от зарядного напряжения для смесей:
 F₂ : Кr : Не = 1 : 30 : 400  при давлении 2 атм (2, 3)
 NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 750 при давлении 1,5 атм (1)

Зависимости энергии генерации от величин накопительной емкости и зарядного напряжения, изображенные на рис. 3 и 4, подобны, поскольку обе они отражают насыщающийся характер зависимости от запасаемой энергии. Максимальная энергия генерации, полученная в настоящей работе при значениях С_р = 0,3 мкФ, С₀ + С'₀ = 0,04 мкФ и зарядном напряжении 65 кВ, составила 0,8 Дж на смеси NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 750 (р = 1,5 атм) и 1,75 Дж на смеси F₂ : Кr : Не = 1 : 30 : 400 (р = 2 атм). Длительность импульса генерации на молекуле KrF* была в этом случае 20 нс. Форма импульса генерации и его длительность существенно зависели от величины обострительной емкости. Так, при С₀ + С'₀= 0,08 мкФ длительность импульса генерации составила 40 нс. На рис. 5 представлены типичные формы импульсов генерации для двух различных значений С₀ + С'₀ и С_р = 0,3 мкФ. Следует при этом отметить, что форма и длительность импульса генерации не зависели от зарядного напряжения.

Рис. 5. Форма импульсов генерации лазера для С₀ + С'₀ = 0,04 (1) и 0,08 мкФ (2)

Таким образом, создана лазерная электроразрядная система с плазменными электродами, являющимися интенсивным однородным источником УФ излучения, предельно приближенным к зоне основного объемного разряда. Это позволяет относительно легко увеличивать апертуру разряда и, в сочетании с оптимально выбранными схемой питания и рабочей газовой смесью, обеспечивает высокие энергетические параметры эксимерных лазеров.
Следует отметить, что простая электрическая схема дает возможность использовать вместо разрядника тиратрон и осуществить режим с большой частотой следования импульсов генерации при энергии в одном импульсе ~1 Дж и полном КПД лазера ~ 0,7%.

1. R. Вuгnhаm, N.Djеu. Appl. Phys. Letts, 29, 707 (1976).

2. R.С. Szе, Р. В. Sсоtt. Rev. Sci. Instrum., 49, 772 (1978).

3. W.J. Sarjant, A.J. Alcock, К.E. Leopold. IEEE /. QE-14, 177  (1978).

4. В.М. Борисов, Ф.И. Высикайло, С.Г. Мамонов, А. П. Напартович, Ю.Ю. Степанов. Квантовая электроника,   7, 593 (1980).

5. К. Фольрат. В кн.: Физика быстропротекающих процессов. —  М.: Мир, 1971, т. 1, с. 135.