А.А. Жупиков, А.М. Ражев

ЭКСИМЕРНЫЙ  ArF- ЛАЗЕР   С   ЭНЕРГИЕЙ   0,5 Дж  НА  ОСНОВЕ   БУФЕРНОГО   ГАЗА  Не

Представлены результаты экспериментальных исследований энергетических и временных характеристик газоразрядного эксимерного ArF- лазера (λ = 193 нм) в газовых смесях на основе буферного газа Не. На основе искрового разрядника РУ-65 разработана конструкция и оптимизированы параметры высоковольтной схемы возбуждения типа LC-инвертор с автоматической УФ предыонизацией. В газовой активной среде состава He : Ar : F₂ = 79,7 : 20 : 0,3 при полном давлении 2,5 атм впервые получен КПД по запасенной энергии 1,5 % при энергии излучения 360 мДж. Максимальная энергия генерации ArF- лазepa 550 мДж была достигнута с КПД 1,36 % при длительности импульса на полувысоте 12 нс.

Введение

В настоящее время электроразрядный эксимерный ArF- лазер находит широкое применение в медицине, микроэлектронике, фотолитографии и других областях. Одно из наиболее интересных и перспективных применений ArF- лазера – офтальмология, где излучение с λ = 193 нм используется для абляции субмикронных слоев роговицы глаза с целью перепрофилирования ее внешней поверхности и, таким способом, исправления близорукости, дальнозоркости и астигматизма в широком диапазоне аномалий рефракции от 2 до 20 Дп с сохранением прозрачности роговины, а также для лечения ряда поверхностных заболеваний роговицы и других тканей глаза (фототерапевтическая и фоторефракционная кератектомия).
Существует ряд специальных требований к параметрам ArF- лазера, предназначенного для медицинских применений: энергия излучения должна быть не менее 300 - 400 мДж в связи с большими потерями в преобразующих и передающих излучение оптических системах и необходимостью получения плотности энергии 150— 250 мДж/см² и более на поверхности ткани площадью до 0,5 см²; длительность импульсов должна быть по возможности минимальной (на практике она обычно меньше 20 нс); частота следования импульсов не должна превышать 20 Гц, чтобы минимизировать термический эффект на поверхности ткани. Важную роль играют однородность и распределение энергии по сечению пучка, а также ресурс активной среды лазера.
Впервые о получении генерации на переходах В-Х эксимерных молекул АrF (λ= 193 нм) сообщалось в работе [1], где было получено лазерное излучение в режиме сверхсветимости в смеси He-Ar-SF₆, возбуждаемой поперечным электрическим разрядом. В этих экспериментах ( впервые для электроразрядных эксимерных лазеров) была применена предварительная ионизация активной среды, которая осуществлялась дополнительным поперечным разрядом через диэлектрик. Накачка лазера проводилась по схеме с перезарядкой накопительной емкости на обостряющую емкость в виде полосковой линии путем коммутирования энергии искровым газонаполненным разрядником. Позднее авторами работы [2] было показано, что для возбуждения больших активных объемов и достижения высоких КПД и энергии ArF- лазера более перспективной является предыонизация активной среды УФ излучением искр, расположенных сбоку от электродов, а более эффективным донором фтора служит F₂.
В экспериментах, описанных в [2], впервые была использована высоковольтная схема возбуждения типа LC- инвертор без обостряющей емкости (схема Блюмлейна), которая имеет ряд преимуществ по сравнению со схемой с перезарядкой емкости [3]. К таким преимуществам относятся возможность увеличения напряжения на разрядном промежутке, способствующего улучшению однородности разряда и повышению эффективности энерговклада в активную среду при небольших зарядных напряжениях. Кроме того, снижается нагрузка на высоковольтный коммутатор и повышение его срока службы, т. к. в отличие от схемы с перезарядкой емкости высоковольтный коммутатор не включается в цепь последовательно и через него не проходит вся запасаемая энергия.
Обычно при реализации схемы LC- инвертора с целью повышения ее эффективности в нее включается обостряющая емкость для уменьшения индуктивности разрядного контура. При этом в ряде случаев используются нелинейные магнитные дроссели для сжатия импульсов и отделения обостряющей емкости и разрядного промежутка от LC- инвертора на время изменения знака напряжения на одной из емкостей инвертора [4]. В литературе имеется небольшое число публикаций, посвященных исследованиям электроразрядного ArF- лазера с энергией 0,5 Дж и более.
Максимальная энергия ArF- лазера была получена в [5]. Возбуждение лазера с активным объемом 0,5 л осуществлялось по схеме с двухступенчатым генератором Маркса и автоматической УФ предионизацией. В смеси с буферным газом Не была получена энергия 1,7 Дж при напряжении 70 кВ, давлении 5 атм и КПД лазера относительно запасаемой в конденсаторах энергии (понимая под ним полный КПД, в дальнейшем будем называть его просто КПД) 0,44 %. Мри уменьшении напряжения до 40 кВ и давления до 4 атм полный КПД увеличивался до 0,67 %. Использование в качестве буферного газа смеси состава He : Ne = 1 : 1 позволило увеличить энергию до 2 Дж и КПД до 0,51 % при напряжении 70 кВ и давлении 5 атм. Максимальный КПД 0,9 % в четырехкомпонентной газовой смеси был получен при напряжении 40 кВ и давлении 4,9 атм.
В работе [3] авторам удалось получить КПД ArF-лазера 1,3 % при энергии генерации 295 мДж и КПД 1,1 % при максимальной энергии генерации 420 мДж в газовой смеси состава Ne : He : Ar : F₂ = 59,4 : 35,6 : 4,9 : 0,1 при давлении 4 атм и зарядных напряжениях 28 и 36 кВ соответственно. Лазер с активным объемом 116 см³ возбуждался в схеме с перезарядкой емкости и автоматической УФ предыонизацией. При исследовании роли буферных газов Не и Ne в разработанной конструкции лазера было показано, что для зарядных напряжений 30 кВ и ниже генерация при использовании в качестве буферного газа только Не вообще не наблюдалась.
Наиболее интересные результаты по ArF- лазеру, на наш взгляд, были получены в работах [6,7]. В [6] был достигнут КПД 2,1 % при энергии излучения 270 мДж, а в [7] - КПД 0,1 % при энергии 500 мДж. В этих работах не указано, с каким буферным газом в АrF-лазере проводились измерения. В [7] представлены результаты по KrF- лазеру на смеси с буферным газом Ne, поэтому мы считали, что и данные для ArF-лазера получены в смесях с этим же буферных» газом. В этих работах описана простая, эффективная, хорошо оптимизированная по многим параметрам высоковольтная схема возбуждения с перезарядкой емкости и автоматической УФ предыонизацией. Достигнута высокая удельная мощность накачки KrF- и ArF- лазеров - до 3,5 МВт/см³. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТГИ 1000/25 (или ТГИ 2500/50).
В работе [8] представлены результаты экспериментальных исследований ArF- лазера в газовых смесях на основе Не и Ne, возбуждаемого в схеме LC- инвертора с использованием кабелей в качестве обостряющих емкостей. Было показано, что никаких заметных различий в эффективности этого лазера при замене буферного газа нет.
В [9] проведен теоретический анализ эффективности ArF- лазера и роли буферного газа, из которого следует, что использование Ne вместо Не не дает заметных преимуществ в КПД и энергии. Авторы объясняют это тем, что, с одной стороны, внутренняя эффективность ArF- лазера с оптимизированным резонатором в смеси с буферным газом Ne выше и достигает 4 %, а в смеси с Не - в два раза ниже и требуется более высокая скорость накачки, а с другой стороны, выходная энергия генерации в смеси с буферным газом Не должна быть больше, чем в смеси с Ne, т.к. накопленная энергия более эффективно вкладывается в активную среду.
Результаты, представленные в [10], несколько отличаются от расчетов, сделанных в работе [9], и свидетельствуют о том, что ArF-лазер, с точки зрения получения более высоких энергии и КПД, на смесях с буферным газом Ne предпочтительнее, чем на смесях с Не. Предельный КПД газоразрядного ArF- лазера для условий, рассмотренных в [10], составляет не менее 4 %.
Как следует из анализа литературных данных по газоразрядному ArF- лазеру, никаких сообщений о получении КПД 1 % и более в ArF- лазере на смесях с буферным газом Не не имеется. Учитывая тот факт, что в наших исследованиях ArF- лазер разрабатывается для медицинских применений, а следовательно, большое значение имеет частота смены активной газовой среды и стоимость газовых компонентов, задача по увеличению эффективности этого лазера с добавкой Не является актуальной. Успешное решение этой задачи позволит увеличить ресурс не только газовой смеси, но и элементов схемы возбуждения, разрядной камеры (электродов), улучшить однородность распределения лазерного излучения по сечению пучка.
Цель данной работы - экспериментальное исследование энергетических и временных характеристик газоразрядного ArF-лазера на смесях с буферным газом Не, изучение конструктивных особенностей разрядной камеры, профиля электродов и оптимизация высоковольтной схемы возбуждения типа LC- инвертор с обостряющей емкостью и автоматической УФ предыонизацией для достижения минимальной индуктивности схемы возбуждения и, следовательно, высокой мощности накачки, обеспечивающей максимальные КПД и энергии при минимальной длительности импульсов и небольших зарядных напряжениях в отсутствие магнитных насыщающихся дросселей.

Аппаратура  и  методы  измерений

Проведение экспериментов в данной работе было связано с измерением энергетических и амплитудно-временных характеристик импульсов напряжения, тока и излучения в наносекундном диапазоне времени. Для измерения энергии излучения применялся калориметр ИМО- ЗН, форма импульса излучения регистрировалась с использованием коаксиального фотоэлемента ФЭК-22. Амплитудно-временные характеристики измерялись осциллографами С1-75, С8-12 и измерителем наносекундных временных интервалов И2-7.
Импульсы напряжения исследовались с помощью емкостных и омических делителей, тщательно экранированных и калиброванных с точностью 2 %. Для измерения импульсов тока был разработан и изготовлен низкоиндуктивный омический шунт с сопротивлением 0,02 Ом, на котором измерялось падение напряжения, пересчитываемое затем на величину тока. Погрешность измерений амплитуд напряжения и тока во всех экспериментах составляла 5 %.

Экспериментальная  установка

Разрядная камера лазера была изготовлена из капролона. Ее внутренняя поверхность покрывалась фторолоновым лаком, разработанным в НПО «ГИПХ» (Санкт-Петербург). Покрытие использовалось для защиты внутренней поверхности капролона от разрушения фтором и УФ излучением и уменьшения загрязнения газовой смеси. Электроды лазера были изготовлены из никеля и в поперечном сечении имели первоначально профиль Чанга с шириной по основанию 30 мм.
Наилучшие результаты были получены для электродов с радиусами рабочей поверхности 100 мм и боковой поверхности 13 мм, поэтому все последующие исследования проводились с использованием этих электродов. Расстояние между ними было 22 мм, длина активной области составляла 640 мм, а активный объем при ширине разряда 9 мм был равен 130 см³. Автоматическая УФ предыонизация осуществлялась двумя рядами искровых промежутков с зазорами 2 мм. Для улучшения однородности разряда и снижения индуктивности высоковольтной схемы возбуждения количество искровых промежутков было сделано по возможности максимальным - по 39 с каждой стороны высоковольтного электрода.
В экспериментах изменялось расстояние от искровых промежутков до края электрода в пределах 20 - 5 мм. Анализировались ширина и однородность разряда, распределение энергии по сечению пучка, полный КПД АrF- лазера. Оптимальным оказалось расстояние 10 мм. Камера герметизировалась плоскопараллельными пластинами из MgF₂, одна из которых служила выходным зеркалом резонатора. Вторым зеркалом резонатора было внешнее диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения 95 %. Длина резонатора составила 120 см. Через разрядный промежуток осуществлялась поперечная прокачка газовой смеси с помощью радиального вентилятора со скоростью 8 м/с. Полный объем разрядной камеры с вентилятором был равен 15 л.
Высоковольтная схема возбуждения лазера (рис.1) состояла из емкостей 2С₁ и 2С₂ и обостряющей емкости 2С₃.

Рис.1. Электрическая схема и поперечное сечение лазера:
1 - искровой разрядник РУ-65
2 - вентилятор
3 - теплообменники
U₁ - напряжение поджига: С₁ = 22 нФ; С₂ = 45 нФ; С₃ = 17 нФ; L₁ =2,1 мкГн; L₂ - батарея из 39 штук индуктивностей по 1 мкГн каждая.

В качестве высоковольтного коммутатора был использован стандартный искровой газонаполненный разрядник типа РУ-65. Емкости 2С₁ и 2С₂ представляли собой батареи конденсаторов типа КВИ-3 680 пФ, состоящие из 66 и 132 штук соответственно, и равнялись 45 и 90 нФ, поэтому полная зарядная емкость была равна 135 нФ. После срабатывания разрядника и изменения знака напряжения на 2С₁ емкости 2С₁ и 2С₂ включались последовательно и зарядная емкость становилась равной 30 нФ. Значения 2С₁ и 2С₂ были получены по результатам оптимизации энергии и КПД ArF-лазера. Емкость С₃ набиралась из конденсаторов КВИ-3 1000 пФ, которые располагались с двух сторон непосредственно на разрядной камере (вдоль нее) для достижения минимальной индуктивности разрядного контура. В ходе экспериментов емкость 2 С₃ изменялась от 20 до 45 нФ для достижения максимальной эффективности передачи энергии из зарядной емкости в обостряющую. Оптимальная емкость 2С₃, соответствующая максимальным энергии излучения и КПД ArF-лазера, была равна 34 нФ. Емкость 2С₃ заряжалась от емкостей 2С₁ и 2С₂ через 78 дросселей, имевших индуктивность 1 мГн каждая и подключенных к искровым зазорам УФ предыонизации для обеспечения их синхронного срабатывания, поэтому полная индуктивность параллельно включенных дросселей была равна 12,8 нГн, а зарядная индуктивность L₁ = 2,5 мкГн.
Для того чтобы обеспечить высокие эффективности передачи энергии из емкостей 2С₁ и 2С₂ в 2С₃ и введения энергии в газовую смесь на основе буферного газа Не в отсутствие магнитного насыщающегося дросселя, необходимо было разработать конструкцию высоковольтной схемы возбуждения, имеющую предельно минимальную индуктивность. Полная индуктивность схемы в нашем случае складывалась из индуктивностей элементов С₁, С₂, С₃, разрядника РУ-65, подводящих шин и обратных токопроводов. Индуктивностями емкостей С₁, С₂ и С₃ мы пренебрегали, т. к. каждая из них состояла из большого числа параллельно включенных конденсаторов КВИ-3 с собственной индуктивностью около 1 нГн.
Индуктивность разрядника РУ-65 оценивалась нами равной примерно 10 нГн и не могла быть изменена. Эта индуктивность влияла в основном на скорость изменения напряжения на емкостях С₁ и поэтому оптимизация режима работы схемы была связана с подбором расположения конденсаторов, образующих С₁ и С₂, вблизи разрядной камеры и правильной организацией обратного токопровода с целью получения максимальной эффективности передачи энергии из емкостей 2С₁ и 2С₂ в 2С₃ и сокращения времени поступления энергии в активную среду. В результате была разработана конструкция схемы возбуждения в виде двух параллельных контуров, образованных разрядником и емкостями С₁ и С₂ (рис.1).

Результаты  и  их  обсуждение

В экспериментах оптимизировались состав активной газовой смеси на основе буферного газа Не и полное ее давление в зависимости от зарядного напряжения. Было получено оптимальное соотношение компонентов смеси Не : Аr : F₂ = 79,7 : 20 : 0,3, которое измерялось по максимальной энергии генерации. Оптимальное полное давление зависело от зарядного напряжения и изменялось от 2 до 2,5 атм при изменении напряжения от 19 до 25 кВ.
На рис.2 показана зависимость напряжения на разрядном промежутке U и тока разряда J от зарядного напряжения U₀.

Рис.2. Зависимость напряжения на разрядном промежутке U и тока разряда J oт зарядного напряжения U₀ для смеси состава He : Ar : F₂ = 79,7 : 20 : 0,3 при давлении р = 2,5 атм.

Видно, что при увеличении зарядного напряжения U₀ напряжение на электродах U увеличивается, но достаточно медленно - от 31 до 37 кВ, тогда как ток разряда J даже при малых напряжениях велик (56 кА) и быстро растет при увеличении накачки до 87 кА. Отсюда следует, что увеличение энерговклада в активную среду происходит, в основном, за счет роста тока разряда. Оценки показали, что при максимальном зарядном напряжении 25 кВ мощность накачки составляет 3 МВт/см³, а КПД лазера по энергии, вложенной в газ, равен 3,1 %.
На рис.З представлены осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке U, тока разряда J и мощности генерации Р.

Рис.З. Осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке U, тока разряда J и мощности лазерного излучения Р для смеси состава He : Ar : F₂ = 79,7 : 20 : 0,3 при р = 2,5 атм, U₀ = 19 кВ.

Получено, что задержка между началом импульса УФ предыонизации и началом тока разряда равна 175 нс. Импульс тока достаточно короткий и составил 25 нс на полувысоте. При этом, как видно из осциллограмм напряжения U и тока J, не наблюдается заметных потерь энергии в результате колебательного процесса в разрядном контуре и импульс напряжения на разряде достаточно близок к апериодическому, что обеспечило высокий КПД ArF- лазера на гелиевых смесях.
Импульс генерации также имеет небольшую длительность и равен 12 ± 1 нс на полувысоте. На рис.4 показана зависимость энергии излучения Е и полного КПД η ArF- лазера от зарядного напряжения U₀.

Рис.4. Зависимости энергии излучения Е ArF- лазера от зарядного напряжения U₀ для смеси состава He : Ar : F₂ = 79,7 : 20 : 0,3 при р = 2,5 атм.

Полученные результаты показывают, что максимальный КПД 1,5 % достигается при малом зарядном напряжении 19 кВ и энергии генерации 360 мДж. При увеличении зарядного напряжения до 25 кВ КПД уменьшается незначительно, до 1,3 %, что позволяет достичь рекордной для гелиевых смесей энергий генерации 550 мДж. Отсюда следует, что импульсная мощность излучения равна 46 МВт.
Исследовано влияние состава буферного газа на эффективность ArF- лазера. В результате проведенных экспериментов по измерению энергии и КПД лазера для различных соотношений Не и Ne было получено, что добавление до 50 % Ne в качестве буферного газа к Не не изменяло выходные параметры генерации и осциллограммы импульсов, показанные на рис.З. Увеличение содержания Ne в смеси свыше 50 % и переход к чистому буферному газу Ne приводили к снижению энергии и КПД ArF-лазера в 1,5 раза для зарядного напряжения 25 кВ.
Проведенные исследования позволили разработать конструкцию схемы возбуждения ArF- лазера с высокой мощностью накачки. Были проведены расчеты средней W_m и пиковой W_р мощностей накачки. Пиковая мощность накачки W_р была получена путем интегрирования осциллограмм тока разряда J через сопротивление R и напряжения на нем U_r , которое было равно разности напряжении U и индуктивной составляющей U_L, т.e. U_R = U - U_L = U – L(dJ/dt), где L - индуктивность разрядного контура, которая составляла 2,6 нГн. Средняя мощность накачки вычислялась по формуле W_m = E/V_t, где E - энергия, запасенная в емкости 2C₃,V -активный объем, t - длительность тока разряда. В результате было показано, что при минимальном зарядном напряжении 19 кВ средняя удельная мощность накачки была равна 1,9 МВт/см³, а пиковая – 2,4 МВт/см³. При увеличении зарядного напряжения средняя и пиковая удельные мощности увеличивались и при 25 кВ становились равными 3,0 и 5,6 МВт/см³ соответственно. Большая мощность и малая длительность накачки позволили достичь высокой эффективности генерации ArF- лазера с активной средой на основе буферного газа Не. Было получено, что даже при минимальном зарядном напряжении 19 кВ напряжение на зарядном промежутке длиной 22 мм достаточно большое - 31 кВ. Это позволило реализовать высокую однородность разряда без дугообразования, о чем свидетельствует и максимальный КПД ArF-лазера 1,5 % при низких мощностях накачки. С ростом мощности накачки КПД снижался, но достаточно медленно, что также указывало на хорошую однородность разряда и позволило получить энергию генерации 550 мДж.
Форма светового пучка на выходе лазера была прямоугольной размером 24 х 9 мм. В направлении, перпендикулярном направлению тока, пучок имел плоскую вершину шириной 6 мм, в пределах которой интенсивность изменялась на 20 %.

Заключение

В результате проведенных исследований найдены оптимальные условия возбуждения ArF- лазера с активной средой на основе буферного газа Не. Разработана и создана низкоиндуктивная схема возбуждения типа LC- инвертор, обеспечивающая среднюю и пиковую удельные мощности накачки 3,0 и 5,6 МВт/см³ соответственно.
Впервые для ArF- лазера с буферным тазом Не достигнуты КПД 1,5 % (при энергии 360 мДж) и энергия излучения 550 мДж (при КПД 1,36 %). Этот лазер был использован для УФ лазерной офтальмологической установки «Медилекс», предназначенной для коррекции аномалий рефракции глаза.

1  Ищенко В.Н., Лисицын В.Н., Ражев А.М. Письма ЖТФ. 2. 839  (1976).

2  Burnham R., Djeu N. Appl. Phys. Letts. 29. 707 (1976).

3  Miyazaki K., Hasama Т., Yamada K., Fukatsu Т., Eura Т., Sato T. J.  Appl. Phys. 60. 2721 (1986).

4  Агеев В.П., Атежев B.B., Букреев B.C., Вартапетов С.К., Жуков А.Н., Конов В.И., Савельев А.Д. ЖТФ. 56. 1387 (1986).

5  Andrew J.E., Dyer Р.Е., Roebuck P.J. Optics Comms. 49. 189(1984).

6  Борисов В.М., Братин И.Е., Виноходов А.Ю., Волчиц В.А. Квантовая электроника. 22. 533 (1995).

7  Борисов В.М., Борисов А.В., Братин И.Е., Виноходов А.Ю. Квантовая электроника. 22.446 (1995).

8  Sze R.C. IEEE J.Quantum Electron. 15. 1338 (1979).

9  Ohwa М., Ohara M. J. Appl. Phys. 63. 1306 (1988).

10  Бойченко A.M., Держиев В.И., Жидков А.Г., Яковленко С.И.   Квантовая электроника. 19. 486 (1992).