Е.Х. Бакшт, А.Н. Панченко, В.Ф.Тарасенко

ЭФФЕКТИВНЫЙ   ДЛИНОИМПУЛЬСНЫЙ   ХеСl- ЛАЗЕР   С  ПРЕДИМПУЛЬСОМ,  ФОРМИРУЕМЫМ  ИНДУКТИВНЫМ   НАКОПИТЕЛЕМ

Создан эффективный электроразрядный XeCl- лазер с накачкой самостоятельным разрядом с предымпульсом, формируемым генератором с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. При искровой УФ предыонизации получены энергия излучения до 800 мДж, длительность импульса до 450 нс и полная эффективность лазера 2,2 %.

Введение

Создание эффективных электроразрядных эксиплексных лазеров с большой длительностью импульса излучения связано с решением двух проблем. Первая проблема - это формирование и поддержание однородного объемного разряда в газовых смесях, содержащих электроотрицательные молекулы галогенов. Вторая связана с необходимостью увеличения эффективности передачи энергии от накопителя в плазму такого объемного разряда. Впервые при накачке самостоятельным разрядом большие длительности импульса излучения ХеCl- лазера были реализованы в лазере с рентгеновской предыонизацией и основным накопителем энергии в виде полосковой линии [1]. Энергия излучения в режиме длинных импульсов (~ 200 нс) при использовании различных буферных газов составила 1 -3 Дж.
Для обеспечения полной передачи энергии из накопителя в газоразрядную нагрузку в течение импульса генерации и получения высокой эффективности излучения электроразрядных эксиплексных лазеров необходимо использовать схему с двумя генераторами [2]. Высоковольтный генератор с малым энергозапасом формирует объемный разряд, а второй генератор обеспечивает накачку от основного конденсатора в согласованом режиме. В [2] были получены КПД генерации 4,2 %, энергия излучения 4,2 Дж и длительность импульса излучения 200 нс.
Возможность достижения длительности импульса генерации до 1 мкс в электроразрядном ХеСl- лазере была продемонстрирована нами в 1984 г. [3,4]. Для решения проблемы устойчивости разряда был предложен нестационарный режим накачки, связанный с определенной скоростью нарастания и спада тока разряда [4,5], который также позволил увеличить длительность импульса излучения электроразрядного ХеF- лазера до ~ 400 нс и длительность импульса спонтанного излучения в рабочей смеси КrСl- лазера до ~ 500 нс.
Наиболее успешно для накачки длинноимпульсных ХеСl- лазеров схема с двумя генераторами применялась в [6], где были использованы полосковые линии из керамических конденсаторов, магнитный ключ и предыонизация коронным разрядом через сетчатый электрод. Были получены длительность импульса излучения 1,5 мкс при энергии 100 мДж и КПД 0,44 %, а также длительность ~ 800 нс при энергии 500 мДж и КПД относительно запасенной в полосковой линии энергии ~ 2 %. Кроме того, при замене полосковой линии на два конденсатора емкостью по 0,25 мкФ длительность импульса излучения составила ~ 500 нс при энергии 600 мДж и КПД 1,3 %.
Цель настоящей работы - создание эффективного длннноимпульсного XeCl- лазера с искровой предыонизацией, отличающегося надежностью и большим сроком службы, при использовании для накачки двойного разряда с предымпульсом, формируемым генератором с индуктивным накопителем энергии. Ранее данный способ формирования предымпульса был использован нами для накачки СО₂- лазера [7,8], в котором сопротивление плазмы разряда существенно выше, чем в ХeСl-лазере.

Экспериментальная  установка, аппаратура  и  методики измерений

Конструкция длинноимпульсного ХеСl- лазера показана на рис.1. Электроды лазера располагались в цилиндрической камере, отделенной от генератора накачки пластиковым изолятором. Активный объем лазера V = 800 см³ (2,5 х 4 х 80 см) при межэлектродном зазоре d = 4 см.

Рис. 1. Схема ХеСl- лазера с предымпульсом, формируемым индуктивным накопителем энергии и SOS-диодами:
С₀ - накопительные конденсаторы
C₁ = 14 нФ - емкость для накачки SOS -диодов в прямом направлении
D₁ и D₂ - искровые разрядники
С_st = 1,5 нФ - коммутирующая емкость
R₁,R₂ - делитель напряжения
R_sh -  токовый шунт.

Для предыонизации использовалось излучение 72 искровых промежутков, расположенных равномерно с двух сторон катода. Генератор накачки состоял из накопительной и обострительной емкостей, набранных из конденсаторов КВИ. Их емкости составляли 240 и 2,4 нФ соответственно. Накопитель заряжался до напряжения U₀ ≈ 2U_s = 15 - 18 кВ, где U_s - напряжение в квазистационарной фазе разряда. В качестве полупроводникового прерывателя тока использовались 10 специальных SOS-диодов (SOS - semiconductor opening switch), установленных параллельно обострительным конденсаторам. Ток обрыва такого SOS-диода достигает 2 кА. время срабатывания - 10-20 нс, частота повторения импульсов при масляном охлаждении - до 1 кГц. Для работы диодов в режиме прерывателя тока через них предварительно пропускался в прямом направлении ток 100 - 500 А в течение 500 нс. Для этого использовался конденсатор С₁ = 14 нФ. Индуктивность контура конденсатора С₁ составляла 1,8 мкГн. Минимальная энергия, необходимая для управления диодами, не превышала 5 % энергии, запасенной в накопителе С₀. После срабатывания разрядника D₁ через диоды начинал протекать обратный ток от накопителя С₀, который обрывался через ~ 100 нс при достижении критического значения [9]. В момент обрыва тока SOS-диодами на лазерном промежутке возникал импульс напряжения с амплитудой U = Ldl/dt 50 кВ (где L = 0,11 мкГн - индуктивность разрядного контура накопителя С₀, dl/dt - скорость обрыва тока), формирующий объемный разряд. Затем накопитель С₀ разряжался на газоразрядную нагрузку в режиме, близком к согласованному. Отметим, что для получения требуемых тока обрыва и амплитуды предымпульса SOS-диоды можно устанавливать как параллельно, так и последовательно. При этом синхронизация срабатывания диодов происходит автоматически.
Резонатор лазера был образован 100 % -ным глухим зеркалом и зеркалами с диэлектрическим покрытием с коэффициентами отражения на λ = 308 нм от 20 до 70 %.
В экспериментах измерялись амплитудно-временные характеристики импульсов напряжения, тока и лазерного излучения. Для измерения энергии излучения использовался калориметр ИМО-2Н. Форма импульсов излучения определялась с помощью коаксиального фотоэлемента ФЭК-22СПУ. Импульсы тока разряда, тока через SOS-диоды и напряжения на разрядном промежутке лазера регистрировались поясом Роговского  омическими шунтом и делителем напряжения. Параметры электрических импульсов измерялись осциллографом С8-14.

Результаты  экспериментов  и  их  обсуждение

В экспериментах использовались смеси с буферным газом неоном при давлении 1-3,5 атм. Максимальная энергия излучения была получена при соотношении Хе : НCI = 10 : 1 и парциальном давлении хлористого водорода 1,5 Тор. Увеличение содержания HCI приводило к быстрой контракции разряда и уменьшало длительность импульса излучения.
На рис.2 приведены осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке, тока разряда и мощности лазерного излучения.

Рис.2. Осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке (1), тока разряда (2) и мощности лазерного излучения (3,4). Газовая смесь Ne : Xe : HCl = З атм : 12 Тор : 1,5 Тор. U₀ = 16 кВ, U₁ = 15 кВ. Коэффициент отражения выходного зеркала 20 (3) и 70 % (4).

Индуктивный накопитель энергии обеспечивал на лазерном промежутке быстрое нарастание напряжения с фронтом длительностью ~ 50 — 80 нс. Скорость нарастания импульсов напряжения и их амплитуда были пропорциональны прямому току (зарядному напряжению U₁ конденсатора С₁). Так, при увеличении U₁ с 10 до 30 кВ пробивное напряжение возрастало с 30 до 36 кВ, а длительность переднего фронта уменьшалась с 80 до 50 нс. Увеличение U₁ приводит к росту тока обрыва. При этом все большая доля энергии, запасенной в накопителе С₀, тратится на формирование предымпульса. С одной стороны, это приводит к улучшению условий формирования разряда и повышает его устойчивость, но с другой стороны, при этом уменьшается энерговклад от основного накопителя С₀.
Максимальные энергия и длительность импульса излучения были получены при U₁ = 15 кВ. Длительность импульса излучения на полувысоте составила 210 нс, а полная длительность достигала ~ 400 нс. Генерация продолжалась в течение всего импульса возбуждения. Это свидетельствует об однородности разряда, формируемого индуктивным накопителем энергии. При повышении добротности резонатора импульс излучения начинался раньше, его длительность возрастала.
В наших экспериментах зарядное напряжение накопительной емкости изменялось в пределах 15 - 18 кВ. Это несколько выше, чем 2U_s для используемой газовой смеси. Однако в оптимальных условиях примерно 10 % энергии, запасенной в накопителе С₀. тратится на формирование разряда. В связи с этим напряжение на С₀ к моменту пробоя лазерного промежутка снижается, и накопительный конденсатор разряжается в режиме, близком к согласованному. Важно отметить, что ток разряда накопителя во втором полупериоде протекает через SOS- диоды, а не через разрядный промежуток. Это исключает образование каналов после смены полярности тока разряда и уменьшает эрозию электродов.
На рис.З. приведены зависимости энергии излучения и полного КПД лазера от зарядного напряжения накопительного конденсатора.

Рис.З. Зависимости энергии излучения (1) и полного КПД (2) лазера от зарядного напряжения накопительного конденсатора U₀. Газовая смесь Ne : Xe : HCl = 3 атм : 12 Тор : 1,5 Top. U₁ = 15 кВ. Коэффициент отражения выходного зеркала 20 %.

Энергия излучения возрастала с увеличением зарядного напряжения и достигала 800 мДж. Максимальная эффективность лазера достигала 2,2 % при U₀ = 16 кВ и затем начинала снижаться из-за падения эффективности передачи энергии из накопителя С₀. Следует отметить, что удельная мощность накачки в наших экспериментах была ниже 100 кВт/см³, поэтому при увеличении ее можно ожидать повышения КПД генерации.

Заключение

Таким образом, в созданном эффективном электроразрядном ХеСl-лазере с накачкой двойным разрядом предымпульс формировался генератором с индуктивным накопителем энергии и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Достигнуты энергия излучения до 800 мДж, длительность импульса до 450 нс и полная эффективность лазера 2,2 %. Данные параметры получены при использовании надежной искровой подсветки. Разработанный индуктивный генератор может также применяться для накачки широкоапертурных и импульсно-периодических эксиплексных лазеров.

1. Levatter J.I., Robertson K.L. Lin S.-С. Appl.Phys.Letts. 39. 297   (1981).
2. Long W.H., Plummer J., Stappaerts E.A. ct al. Appl. Phvs.Lem. 43.   735(1983).
3. Мельченко C.B., Панченко A.H., Тарасенко В.Ф. Квантовая  электроника. II. 1490 (1984).
4. Ломаев М.И., Мельченко С.В., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Им. АН СССР. Сер.физич. 48. 1385 (1984).
5. Литвинов Е.А., Мельченко С.В., Панченко А.П., Тарасенко В.Ф.  ТВТ. 23. 392 (1985).
6. Taylor R.S., Leopold К.Е. J.Appl.Phys.. 65. 22 (1989).
7. Бакин Е.Х., Орловский В.М., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Письма в ЖТФ. 24. № 4. 57 (1998).
8. Baksht Е.Н., Panchenko A.N., Tarasenko V.F. IEEE J. Quantum  Electron.. 35. 261 (1999).

9. Pуkин C.H. ПТЭ. № 4. 5 (1999).