М. Ю. Артемьев,  А. 3. Грасюк,  В. М. Нестеров

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   XeCI   ЛАЗЕР   С   ИМПУЛЬСОМ  ГЕНЕРАЦИИ   ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ   500 нс

Исследован электроразрядный ХеСl- лаэер с УФ предыонизацией и сечением активной области 4 х 4 см. Показано, что использование схемы возбуждения лазера на основе конденсаторов КМК и ИК-100 позволяет получить длительность импульса генерации по полувысоте 500 нс. Обнаружено, что на длительность импульса генерации влияет компонентный состав рабочей газовой смеси.

Введение

Для ряда практических задач, например, для получения очень узких линий УФ излучения, УКИ в экспериментах по самосинхронизации мод, в медицинских экспериментах, где нужна низкая пиковая мощность, требуются длинные импульсы (t_и > 100 нс) излучения эксимерных лазеров. В последнее время для решения ряда технологических вопросов, связанных со взаимодействием излучения с веществом возникла необходимость в длинных импульсах лазерного излучения в УФ области. В электроразрядных эксимерных лазерах получение таких импульсов значительно осложнено тем, что в сильно электроотрицательных эксимерных средах трудно получить однородный и устойчивый разряд. Некоторые ухищрения, например секционированные электроды со стабилизацией разряда сопротивлениями [1], позволили получить импульс длительностью до 200 нс. Дальнейшее увеличение длительности импульса усложняет систему питания лазера. Например, в [2] импульс длительностью по полувысоте t_и « 1,5 мкс получен с использованием насыщающихся дросселей.
Настоящая работа посвящена получению импульсов электроразрядного XeCI- лазера длительностью до 0,5 мкс по полувысоте при энергии генерации за импульс более 100 мДж при использовании традиционной схемы возбуждения газовой среды лазера, где в качестве накопительной емкости используются конденсаторы.

Экспериментальная аппаратура и методика

В экспериментах использовалась установка, поперечное сечение которой показано на рис. 1, а.

Рис. 1. Поперечное сечение лазера (а) и его электрическая схема (б)

Разрядная камера изготовлена из капролонового блока (капролон-В) и имеет габариты 20 х 34 х 110 см, толщину стенок 6 см, внутренний объем примерно 38 л. Одним электродом был сплошной профилированный дюралюминевый электрод длиной 80 см, рассчитанный по методу Чанга [3], профиль позволял получать разряд шириной до 4 см. Второй электрод был плоским и изготовлялся из сетки из нержавеющей стали с ячейкой 1 мм. Расстояние между электродами равнялось 4 см. Предыонизация осуществлялась из-под сетчатого электрода, система предыонизации представляла собой примерно 600 искр, развивающихся по поверхности стеклотекстолита и равномерно расположенных по длине и ширине сетчатого электрода (60 х 10 шт.). Панель, изготовленная из двустороннего фольгированного стеклотекстолита и подобная описанной в [4], находилась на расстоянии 3 см от сетчатого электрода.
Этот способ предыонизации позволяет ионизовать большие апертуры разрядов с большой однородностью по длине и ширине электродов, кроме того, такая панель проста в изготовлении и организации искровых промежутков.
На рис. 1, б дана электрическая схема лазера. Как и в [5], использовалась двухконтурная система возбуждения, состоящая из накопительной емкости С₀ и обострительной емкости С₁. Первая состояла из 3 конденсаторов КМК (0,1 х 50 кВ) общей емкостью 0,3 мкФ, вторая — из конденсаторов К15-10 (0,01 х 40 кВ) общей емкостью 0,03 мкФ. Накопительная емкость коммутировалась газонаполненным разрядником 1, который продувался азотом или смесью SF₆ и азота при давлении 1—2 атм. Напряжение на разрядном промежутке регистрировалось омическим делителем напряжения, ток разряда — поясом Роговского, а форма импульсов спонтанного и лазерного излучения — фотоэлементами ФЭК-22СПУ. Электрические сигналы фиксировались регистра­торами 6ЛОP- 04 и СУР-1, энергия генерации — измерителем мощности ИМО-2Н. Расходимость лазерного излучения оценивалась с помощью прибора измерения расходимости ПИР-2Ф (разработка ОКБ ФИАН СССР). В рабочих газовых смесях использовались газы следующей чистоты: Не — 99,995; Ne — 99,974; Аr — 99,98; Хе — 99,999; HCI — 99,992. Специальной очистке газы не подвергались. Резонатор состоял из зеркал с диэлектрическим покрытием на основе окислов Hf₂О₃/SiО₂ и Sc₂О₃/MgF₂ с диаметрами 10 и 6 см и коэффициентами отражения на длине волны генерации λ ≈ 308 нм R = 0,22—0,998.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Для данной лазерной установки рабочая газовая смесь оптимизировалась по соотношению концентраций HCI и Хе при использовании Ne в качестве буферного газа. В предыдущей работе [6] нами было показано, что максимальная энергия генерации ХеCI- лазера с t_и ≤ 100 нс наблюдается при [Хе] / [НCI] = 7,5 и широком изменении давления буферного газа Не, Ne или Аr (например, давление Ne изменялось от 0,5 до 5 атм). Это отношение осталось оптимальным и для данной лазерной установки. На рис. 2 изображена зависимость энергии генерации лазера от давления НCI при различном давлении буферного газа и постоянном давлении Хе 15 мм рт. ст.

Рис. 2. Зависимость энергии генерации Е_Г (1—3) и длительности импульса излучения лазера t_и (4,5) от давления HCI в газовой смеси при давлении буферного газа Ne 0,5 (1, 4), 1 (2,5), 2 атм (3), u_зар = 40 кВ, прозрачности резонатора T = 0,27, давлении Хе 15 мм рт. ст., С₀ = 300 нФ

Видно, что энергия генерации максимальна при парциальном давлении НCI 1,5—2 мм рт. ст., причем энергия генерации возрастает от 0,1 до 0,6 Дж с увеличением давления буферного газа Ne от 0,5 до 2 атм. Накопительная емкость С₀ заряжалась до зарядного напряжения u_зар = 40 кВ, при этом прозрачность резонатора T ≈ 60 %.
Известно [7], что на t_и влияет концентрация электроотрицательного газа НCI в рабочей газовой смеси. На рис. 2 представлена также зависимость t_и от давления НCI. Максимум длительности импульса генерации также лежит в диапазоне 1,5—2 мм рт. ст. и растет с увеличением давления буферного газа ( при давлении 1 атм t_и ≈ 300 нc). На рис. 3 дана зависимость выходной энергии от давления буферного газа (Ne или Аr) при зарядном напряжении 40 кВ.

Рис.З. Зависимость энергии генерации лазера от давления буферного газа для смесей НCl : Хe : Аr = 2 : 15 : р (1), HCl : Xe : Ne = 2 : 15 : 760  :р (2) и HCl : Xe : Ne : Ar = 2 : 15 : 760 : р (3) при и_зар = = 40 кВ и резонаторе с R = 98 % и пластинкой из КУ-1

Резонатор лазера в этом случае состоял из диэлектрического зеркала с R ≈ 98 % и кварцевой плоскопараллельной пластинки (КУ-1). При использовании в качестве буферного газа только Ne и изменении давления Ne от 1 до 2 атм энергия генерации увеличивается от 0,1 до 0,6 Дж. При этом удельная мощность, вводимая в разрядный промежуток, составляет 0,1—0,3 МВт/см³ (расчет по осциллограммам тока и напряжения на разрядном промежутке). Если же в качестве буферного газа использовать Аr, то энергия генерации значительно падает (Е_г ≈ 0,2 Дж при давлении 406 мм рт. ст., причем давление Аг изменяется от 100 до 760 мм рт. ст.). Характерно, что в такой смеси (НCI : Хе : Аr = 2 : 15 : 439 мм рт. ст.) t_и « 60 нс значительно ниже, чем в неонсодержащей смеси.
Известно [8], что частичная замена буферного газа Не на Аr (в гелийсодержащих смесях) увеличивает выходную энергию. Аналогичные эксперименты мы провели и для неонсодержащей смеси. Результаты приведены на рис. 3 (кривая 3). Добавление Аr в рабочую газовую смесь (HCl : Xe : Ne = 2 : 15 : 760 мм рт. ст.) в диапазоне до 235 мм рт. ст. увеличивает выходную энергию примерно на 20—25 %. Дальнейшее увеличение давления Аr вызывает резкое уменьшение выходной энергии генерации. Визуально при виде сбоку разряд из однородного и диффузного превращается в разряд, пронизанный от электрода к электроду рядом искровых каналов. Следует отметить, что, хотя длительность импульса возбуждения разряда практически не изменяется (t_и ≈ 500 нс) при переходе к четырехкомпонентной смеси (НCl—Хе—Ne—Аr), t_и уменьшается с ростом давления Аг. Так, например, если для неонсодержащей смеси HCl : Xe : Ne = 2 : 15 : 760 мм рт. ст. имеем t_и ≈ 300 нс, то для смеси HCl : Xe : Ne : Ar = 2 : 15 : 760 : 235 мм рт. ст. t_и ≈ 200 нс, причем энергия генерации уменьшается примерно на 20 %. Таким образом, не изменяя электрических параметров системы питания, можно управлять длительностью импульса гене­рации, добавляя к рабочей газовой смеси определенное количество Аr.
На рис. 4 представлены осциллограммы напряжения, тока и мощности генерации ХеCl-лазера при С₀ = 0,3 и 0,7 мкФ.

Рис. 4. Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) на разрядном промежутке и мощности генерации (3) при С₀ = 300 нФ, u_зар = 44 кВ (а) и при С₀ = 700 нФ, u_зар = 40 кВ (б)

При С₀ = 0,3 мкФ ток разряда имел длительность по основанию примерно 500 нс, t_и ~ 300 нс; при давлении смеси 1 атм энергия генерации Е_г = 0,4 Дж, а эффективность 0,16 %. С ростом давления буферного газа Ne до 2 атм t_и увеличивается до 330—350 нс, энергия - до 0,6 Дж, а эффективность — до 0,25 %. При С₀ = 700 нФ длительность тока разряда увеличивается до 700 нс, t_и = 500 нс при Е_г   ≈ 100 мДж (эффективность - 0,018 %).
Резкое уменьшение эффективности работы лазера может быть объяснено следующим. Емкость С₀ = 700 нФ набиралась путем параллельного подключения конденсатора ИК-100 (0,4 мкФ х 100 кВ) к трем конденсаторам КМК (0,1 мкФ х 50 кВ). Схема подключения конденсатора имела значительную индуктивность (более 100 нГн). Это привело к рассогласованию волнового сопротивления системы питания и сопротивления разряда, что и снизило энергию, вкладываемую в разрядный промежуток.
В диапазоне исследуемых и_зар от 22 до 44 кВ и давлений буферного газа Ne от 0,5 до 2 атм для смеси НСl—Хе—Ne при Хе : НСl = 15 : (0,5—3,5) мм рт. ст. параметр Е/р менялся в диапазоне 1,5—2 кВ/см*атм. При этом ширина пучка в ближней зоне поперек разрядной области изменялась при уменьшении давления буферного газа Ne и энергии накачки. Одновременно с помощью щели размером 40 х 2 мм, которая перемещалась в горизонтальном направлении по сечению разряда, регистрировались энергия и мощность генерации, прошедшие через щель.
В случае, когда общее давление в камере составляло 0,5 атм, т. е. при [Ne] / [Хе] =20 и вводимой плотности мощности 80—100 кВт/см³, наблюдалась задержка появления генерации в крайних областях разряда по сравнению с центральной областью. Кроме того, длительность фронта импульса генерации в крайних областях была несколько больше, чем в центральной. С увеличением плотности мощности накачки (100—400 кВт/см³) и добротности резонатора эти эффекты исчезали. При изменении давления Ne от 0,5 до 2 атм ([Ne] / [Хе] = 100) энергия генерации практически линейно возрастает как в центре, так и на краю, т. е. отношение интенсивности генерации в центре пучка к интенсивности генерации на краю пучка остается неизменным. Задержки в появлении генерации в разных областях (в центре и на краю) при этом не наблюдалось. Таким образом, при [Ne] / [Хе] =20, низкой плотности вводимой мощности (до 100 кВт/см³) и низкой добротности резонатора порог генерации в крайних областях разряда достигается позже, чем в центре. При [Ne] / [Хе] = 100 и том же уровне вводимой мощности этого не наблюдается. Отсюда следует, что задержка, по-видимому, связана с зависимостью коэффициента поглощения на длине волны генерации (λ = 308 нм) от [Ne] / [Хе]. Это согласуется с результатами [9, 10]. В наших экспериментах ширина разряда изменялась от 2 см при низких энерговкладах (менее 100 кВт/см³ ) до 4 см при энерговкладах свыше 100 кВт/см³.
Увеличение энергии генерации (от 0,1 до 0,6 Дж) с ростом давления Ne связывается главным образом с увеличением удельного энергосъема, а не с увеличением активной области из-за возрастания ширины разрядной области. Оценка коэффициента усиления слабого сигнала (методика предложена в [11]) по сечению активной области разряда дает 0,8 % /см для края разряда и 2 % /см для центральной части разряда при вводимой плотности мощности ~ 0,2 МВт/см³.
Расходимость лазерного излучения составила ~ 5-10^-3 рад при использовании плоскопараллельного резонатора (зеркало с R = 99,8 % и кварцевая плоскопараллельная пластина (КУ-1)) и оставалась практически неизменной при изменении мощности вводимой энергии от 0,1 до 0,4 мВт/см³. При использовании неустойчивого телескопического резонатора с коэффициентом увеличения 3 расходимость излучения достигала ~ 3*10^-4 рад.

1  D.С. Hogan.   /. Phys. D, 14, 151 (1981).

2  R.S. Taylor,    К.E. Leopold. Appl. Phys. Letts,  47, 81 (1985).

3  Т.Y. Chang.    Rev. Sci. Instr., 44, 405 (1973).

4  Ch. Yamabe,  T. Matsushits, S. Sato, К. Horu.     /. Appl. Phys., 51,    898 (1980).

5  А. Д. Клементов, Ю.С. Леонов, В.М. Нестеров, С.А. Пендюр. Кр. сообщ. по физ., ФИАН, № 8, 12 (1983).

6  М.Ю. Артемьев, А. Д. Клементов, В.М. Нестеров. Препринт ФИАН, М., 1987, № 325.

7  R.S. Taylor. Appl.    Phys. В, 41, 1 (1986).

8  R.W. Waynant, J.G. Eden. Appl. Phys. Letts, 36, 262 (1986).

9  L.F. Champagne, L.J. Palumbo, T.G. Finn. Appl. Phys. Letts, 34, 315  (1979).

10  Ю.И. Бычков, М.Л. Винник, В.Ф. Лосев. Квантовая электроника, 8, 1582 (1987).

11  S.Watanabe, A.J. Alcock, К.Е. Leopold, R.S. Taylor. Appl. Phys.  Letts, 38, 3 (1981).