Б.В. Лажинцев, В.А. Нор-Аревян

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   ГАЗОВЫЙ   ЛАЗЕР   НА   ОСНОВЕ МНОГОСЕКЦИОННОГО   РАЗРЯДНОГО   ПРОМЕЖУТКА

Разработан электроразрядный лазер с новой конструкцией электродного узла. Созданная электроразрядная система с многосекционными пластинчатыми электродами и автоматической УФ предыонизацией позволяет формировать высокоустойчивый объемный разряд. Получена высокая эффективность генерации в N₂ - и XeF - лазерах. В N₂ - лазере без прокачки газа реализована частота следования импульсов излучения до 200 Гц.

Одной из тенденций в развитии импульсно-периодических электроразрядных газовых лазеров является повышение частоты следования импульсов. Так, например, в работе [1] сообщается о создании эксимерного ХеСl - лазера с частотой следования импульсов 5 кГц и средней мощностью излучения 560 Вт. Скорость газового потока в рабочем промежутке достигала 137 м/с при габаритах лазерной камеры 1,5 х 2,5 х 2 м. Представляет практический интерес разработка небольших эксимерных лазеров с энергией в импульсе от нескольких единиц до нескольких десятков миллиджоулей, а также азотных лазеров с частотой следования импульсов несколько килогерц при умеренных скоростях прокачки газа. Такие лазеры могут найти применение в обработке материалов, фотолитографии, лазерной очистке поверхности, разделении изотопов и т.д.
Рассмотрим основные предпосылки, реализация которых необходима для создания высокочастотных лазеров. С увеличением частоты следования импульсов в электроразрядных лазерах наиболее существенным моментом становится устойчивость разряда к приэлектродным возмущениям и возмущениям плотности газа в рабочем объеме. Эти процессы приводят к ухудшению однородности разряда, его контрагированию и, как следствие, к срыву генерации [2]. В дальнейшем высокоустойчивым разрядом будем считать такой разряд, который даже при сильных возмущениях плотности газа (∆р/р > 0,02) в рабочем объеме не срывается в искровую фазу. Возможность достижения в лазере высокой частоты следования импульсов определяется многими факторами, в том числе геометрией разрядного промежутка, конструкцией электродов, системой предыонизации, скоростью прокачки рабочего газа, а также наличием дополнительных устройств, снижающих акустические возмущения в межэлектродном промежутке.
Наиболее просто высокочастотный режим работы электроразрядного лазера реализуется при небольшой ширине поперечного сечения разряда накачки. В этом случае требуются более низкие скорости прокачки газа, энерговклад на единицу длины разряда уменьшается и, соответственно, снижаются интенсивность ударных волн в рабочем объеме и длительность импульса накачки. В результате этого повышается устойчивость разряда.
В эксимерных активных средах на устойчивость разряда в значительной степени влияет также и начальная концентрация электронов, создаваемая источником предыонизации. В лазерах с наиболее часто используемой искровой УФ предыонизацией начальная электронная плотность зависит как от энерговыделения в искровых промежутках в пересчете на единицу длины разряда накачки, так и от их расстояния до активного объема. При создании лазеров с небольшой энергией излучения снижение энергии, запасаемой в накопительной емкости источника накачки, должно сопровождаться уменьшением энерговклада в искровых промежутках. Это приводит к необходимости приближения искровых промежутков к активному объему для сохранения требуемой начальной концентрации электронов. В высокочастотном режиме приближение системы искровой предыонизации к области разряда часто провоцирует дугообразование в разрядном промежутке.
Время диффузной фазы горения разряда в плотных газах уменьшается с уменьшением межэлектродного промежутка. Так, например, характерное время существования диффузной фазы разряда при зазоре между электродами 4 мм по данным работы [3] составляет ~ 10 нс. В дальнейшем удалось существенно увеличить время устойчивого горения разряда в эксимерных KrF- и ХеСl - лазерах при использовании индуктивной стабилизации разряда [4]. В этой работе секционированный катод состоял из изолированных сегментов, каждый из которых подсоединялся к общей шине с помощью индуктивностей. УФ предыонизация осуществлялась через сетчатый анод, расположенный на расстоянии 2,5 мм от катода. Время устойчивого горения разряда составило несколько десятков наносекунд.
Одним из основных результатов работы [4] является реализация импульсно-периодического режима работы лазера с частотой следования импульсов несколько десятков герц без прокачки газовой смеси. Характерная частота следования импульсов в лазерах без индуктивной стабилизации разряда существенно ниже [3].
Следует отметить, что возмущение плотности рабочего газа в активном объеме, связанное с тепловыделением в лазере без прокачки газа, работающем с частотой более десятка герц, значительно выше, чем в лазере с прокачкой газа. Это связано с тем, что в лазере с прокачкой смеси нагретый газ выносится из рабочего промежутка за время между импульсами. В режиме без прокачки газа реализация диффузного разряда в лазерном устройстве при частоте следования импульсов в несколько десятков герц свидетельствует о достижении высокой устойчивости разряда. При использовании в аналогичном лазерном устройстве прокачки газа возможно достижение высокой частоты следования импульсов при небольших коэффициентах сменности газа без применения сложных устройств, снижающих акустические возмущения. В связи с этим разработка и исследование таких лазерных устройств имеют принципиальное значение для существенного продвижения в дальнейшем по частоте следования импульсов вплоть до 5 - 10 кГц.
В настоящей работе исследуется новый вариант электродного узла [5] пластинчатой конструкции с УФ предыонизацией, разработанный для малогабаритных высокочастотных лазеров. На рис.1 представлена принципиальная схема электроразрядного лазера с пластинчатыми электродами.

Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки:
С₀ - накопительная емкость
С₁…С_N      - обострительные емкости
L₁ ... L_N+1 - индуктивности развязки
L₀ — зарядная индуктивность
1 - электродные пластины
2 - область объемного разряда
3 - острия предыонизатора
4 - искровые промежутки
5 - разрядник.

В экспериментах использовалась разрядная камера из алюминиевого сплава с внешним диаметром 24 см и длиной 38 см, в которой с помощью трех проходных изоляторов располагался электродный узел из двух идентичных пластинчатых электродов. Каждый электрод состоял из 49 (в некоторых опытах из 37) изолированных друг от друга латунных пластин толщиной 1 мм с радиусом рабочей кромки 60 мм, расположенных с шагом 5 мм. Электроды устанавливались таким образом, чтобы каждая пластина катода располагалась в плоскости соответствующей пластины анода, причем расстояние между рабочими кромками анодных и катодных пластин могло варьироваться в диапазоне 8 - 15 мм.
Каждая пара пластин, находящихся в одной плоскости, подсоединена к одному либо двум конденсаторам с общей емкостью С_i, расположенным внутри камеры вблизи электродных пластин, как показано на рис.1, и образует электродную секцию. За счет этого достигалась минимальная индуктивность разрядного контура. Характерный период колебаний тока разряда в электродных секциях 2π√LC ≤ 20 нс. Каждая электродная секция соединена с источником накачки через стабилизирующую индуктивность L_i, (200 - 400 нГн) и искровой промежуток, который обеспечивает УФ предыонизацию.
Разряд в межэлектродном промежутке возбуждался высоковольтным генератором, собранным по двухконтурной (С – С ) схеме с коммутатором на основе разряд­ника РУ-73. Накопительная емкость источника разряда С₀ была собрана из конденсаторов КВИ-3 (0,68 нФ х 20 кВ), соединенных последовательно-параллельно и расположенных снаружи разрядной камеры. Накопительная емкость С₀ почти во всех экспериментах выбиралась равной суммарной обострительной емкости:  С₀ ~ Σ^N _{i =1} С_i ,

где N = 49 либо 37. В качестве обострительных емкостей в экспериментах использовались конденсаторы КВИ-2 (20 пФ х 30 кВ; 33 пФ х 20 кВ; 47 пФ х 20 кВ). После включения разрядника 5 к межэлектродному промежутку прикладывалось напряжение с фронтом нарастания, определяемым временем перезарядки накопительной емкости С₀ и суммарной обострительной емкости. Зеркала плоскопараллельного резонатора лазера располагались на фланцах лазерной камеры и являлись одновременно торцевыми окнами разрядной камеры.
В качестве модели для исследования устойчивости разряда к температурным возмущениям плотности газа в частотном режиме в настоящей работе в большинстве экспериментов использовался лазер на азотной рабочей смеси. Азотный лазер работает в широком интервале давлений азота и добавок различных буферных газов. В качестве критерия, характеризующего устойчивость разряда, была выбрана предельная частота, при которой сохраняется практически линейный рост средней мощности излучения с частотой.
Однородный безыскровой разряд наблюдался вдоль оптической оси азотного лазера в широком диапазоне давлений рабочей смеси. При наблюдении сбоку разряд представлял собой отдельные бочкообразные диффузные плазменные образования между анодными и катодными пластинами, лежащими в одной плоскости, не перекрывающиеся в центральной части разряда.
На рис.2 представлены зависимости средней мощности генерации и КПД лазера при частоте следования импульсов 10 Гц от напряжения зарядки U накопительной емкости С₀ для высот разрядных промежутков h = 10 и 15 мм.

Рис.2. Зависимости мощности генерации W(I) и КПД азотного лазера η (2) от напряжения зарядки U накопительной емкости С₀ для высоты разрядного промежутка h = 10 (а) и 15 мм (б).
C₀ = 2,2 (а) и 2 нФ (б), С_i = 66 (а) и 40 пФ (б) при давлении азота 91 (а) и 114 Тор (б).

Видно, что КПД лазера существенно возрастает (более чем в 1,3 раза) с увеличением высоты разрядного промежутка.
Это, по-видимому, связано с лучшим согласованием источника накачки с нагрузкой и с увеличением энергии, перебрасываемой в обострительную емкость. Максимальный КПД для азотного лазера с высотой разрядного промежутка h = 10 мм составил 0,055 %, а при h = 15 мм – 0,075 %. Характерные КПД азотных электроразрядных лазеров обычно равны 0,05 – 0,1 %. Следует отметить, что КПД лазера при частоте следования импульсов 10 Гц практически совпадает с КПД лазера в режиме редко повторяющихся импульсов.
В [6] приведена зависимость средней мощности гене­рации азотного лазера без УФ предыонизации от частоты следования импульсов. Удельная энергия накачки на единицу длины активного объема (вдоль оптической оси) составляла ~ 0,1 Дж/см. В качестве активной среды использовался чистый азот. Линейный рост мощности излучения лазера наблюдался до f_lin ≈ 10 Гц. В работе [7] более высокая частота следования импульсов (f_lin ~ 20 - 25 Гц) получена в азотном лазере с УФ предыонизацией на смеси азота с гелием (конструкция лазера обеспечивала самопрокачку газа). Удельная энергия накачки составляла ~ 0,15 Дж/см. Аналогичные результаты получены в [7] и для эксимерного лазера на смеси Не-Хе-HCI.
В нашей работе основное внимание уделено исследованию зависимости средней мощности излучения азотного лазера от частоты следования импульсов. Характерный диапазон удельных энергий накачки составлял ~ 0,02 – 0,05 Дж/см.
Результаты экспериментов даны на рис.З.

Рис. 3. Зависимости средней мощности генерации азотного лазера W от частоты следования импульсов f :
при h = 10 мм, С₀ = 4,7 нФ, С_i = 94 пФ, U = 16 (1,2) и 22 кВ (3,4), давлении азота 91 (1), 114 (2, 3) и 152 Тор (4) (а)
при h = 10 мм, С₀ = 4,7 нФ, С_i = 94 пФ, U = 22 кВ, давлении азота 91 Тор (5) для смеси состава N₂ : He = 46 : 1000 Тор (6) (б)
при h = 8,8 мм, С₀ = 2,35 нФ, С_i = 47 пФ, U = 22 кВ, давлении азота 91 (7) и 114 Тор (8) для смеси состава N₂ : He = 46 : 760 Тор (9) (в).

При удельной энергии накачки ~ 0,05 Дж/см линейный рост средней мощности излучения в чистом азоте имел место до f_lin ~ 20 - 30 Гц (кривые 3-5 на рис.З), причем при неоптимальном давлении рабочей смеси наблюдается более медленный рост мощности излучения с увеличением частоты следования импульсов (кривая 4). Снижение удельной энергии накачки до ~ 0,026 Дж/см за счет уменьшения либо накопительной емкости, либо напряжения зарядки приводит к увеличению f_lin  до 40 - 50 Гц (кривые 1,7,8). При уменьшении в экспериментах удельной энергии накачки до ~ 0,01 Дж/см был реализован безыскровой диффузный разряд с частотой следования импульсов 200 Гц при мощности лазерного излучения 6 мВт. При этом КПД лазера снизился в ~ 1,5 раза. Дальнейшее увеличение частоты следования импульсов ограничивалось возможностями системы зарядки.
Наиболее существенное увеличение f_lin  имеет место при добавлении к азоту буферного газа Не (рис.З, кривая 6). В этом случае при удельной энергии накачки ~ 0,05 Дж/см получены f_lin > 60 Гц и средняя мощность излучения 13 мВт. Очевидно, это связано со снижением возмущений плотности активной среды за счет существенного увеличения теплоемкости рабочего газа при добавлении гелия. При удельной энергии накачки ~ 0,026 Дж/см добавление к азоту Не при давлении 1 атм (кривая 9) не дает увеличения f_lin (f_lin ~  40 Гц). Это, по-видимому, связано с незначительным превышением порога генерации при уменьшении энергии накачки и с увеличением потерь лазерного излучения при повышении частоты следования импульсов.
Надо отметить более быстрый, чем линейный, рост средней мощности излучения с увеличением частоты следования импульсов от 10 до 60 Гц при давлении азота 114 Тор (рис.З, кривая 2). Это связано с тем, что с увеличением частоты следования импульсов заметно снижается плотность рабочей смеси в рабочем промежутке за счет разогрева газа и в результате плотность газа в области разряда становится близкой к оптимальной (оптимальное давление азота при работе в режиме редко повторяющихся импульсов составляет ~ 90 Тор). Из оценок следует, что в активной среде лазера имеют место существенные флуктуации плотности газа (∆р/р ~ 0,1 – 0,2).
Было проведено также исследование параметров эксимериого XeF-лазера с добавкой NF₃ в качестве донора фтора и буферными газами Ne и Не при давлении до 2 атм. Во всех случаях имел место безыскровой диффузный разряд. Измерялись энергия генерации одиночных импульсов и средняя мощность излучения при частоте следования импульсов 10 Гц.
На рис.4 приведены характерные зависимости энергии одиночного импульса, средней мощности генерации, а также КПД лазера от напряжения зарядки накопительной емкости для высот разрядных промежутков 10 и 15 мм.

Рис.4. Зависимости энергии Е (1) и КПД η (2) генерации, а также средней мощности  излучения W при частоте следования импульсов 10 Гц (3) эксимерного XeF-лазера от напряжения зарядки U накопительной емкости C₀ для рабочих смесей состава NF₃ : Xe : Ne = 6 : 15 : 760 Тор при h = 10 мм, С₀ = 2,2 нФ, С_i = 66 пФ (а) и NF₃ : Xe : He = 5 : 10 : 760 Тор при h = 15 мм, С₀ = 2 нФ, С_i = 40 пФ (б).

Видно, что максимальный КПД лазера на смесях состава NF₃ : Xe : Ne = 6 : 15 : 760 и 5 : 10 : 760 при полном давлении порядка 1 атм превышает ~ 0,34 %. Такая эффективность является типичной для ХеF -лазера на основе NF₃ с коротким импульсом накачки (см., напр, [8]). Следует отметить, что детальная оптимизация XeF-лазера в настоящей работе не проводилась.
Линейное возрастание средней мощности излучения XeF -лазера с увеличением частоты следования импульсов имело место до f_lin ~ 30 Гц. Однородный диффузный разряд наблюдался во всем исследованном диапазоне частот следования (до 60 Гц) и давлений рабочей смеси (до 2 атм). В экспериментах удельная энергия накачки составляла ~ 0,02 – 0,04 Дж/см. В этих условиях обеспечивалась необходимая начальная концентрация электронов.
Таким образом, лазер с пластинчатыми электродами и индуктивно-емкостной стабилизацией обладает высокой устойчивостью разряда к возмущениям плотности рабочего газа. Электроды такой конструкции можно использовать при создании высокочастотных электроразрядных лазеров и эксиплексных ламп. Большим преимуществом пластинчатых электродов является также возможность прокачки газовой рабочей среды через электроды. В этом случае, с нашей точки зрения, можно существенно снизить коэффициент сменности газа (ниже 1,5) в импульсно-периодическом режиме работы лазера.
При малой удельной энергии накачки ~ 0,01 Дж/см в случае, если не требуется получение расходимости излучения, близкой к дифракционной, возможно создание электроразрядных лазеров, при прокачке активной среды которых коэффициент сменности газа будет значительно меньше единицы. В результате открывается перспектива создания относительно простых высокочастотных (5 - 10 кГц) эксиплексных ламп и электроразрядных лазеров с невысокой скоростью прокачки газа по­рядка 10 - 20 м/с.

1  Cioto Т., Kakizaki К., Takagy S., Okamoto N., Sato S., Kosugi S., Ohishi T. Rev.Sci.Insirum.  66. 5162 (1995).

2  Баранов В. Ю., Борисов B. M, Степанов Ю. Ю. Электроразрядные  эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов (М.,  Энергоатомиздат, 1988).

3  Sze R.C.. Seegmiller Е. IEEE J.Quantum Eleciron.. 17,81 (1981).

4  Sze R.C. J.Appl. Phys.. 54. 1224 (1983): US Patent  № 4601039  (1986).

5  Лажинцев Б.В, Нор-Аревян В. А. Патент России № 2089981 (5 ян­варя 1996): БИ. № 25. 355 (1996).

6  Антонов B.C. Квантовая электроника. 5.915 (1978).

7  Ломаев М.И, Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Изв. АН. Сер.физич.  58. 55 (1994).

8  Wang С.Р. Appl.Phys.Letts. 29.103 (1976).