В.H. Ищенко, С.А. Кочубей, A.M. Ражев

 

 

МОЩНЫЙ   ЭФФЕКТИВНЫЙ   ВУФ  F₂- ЛАЗЕР,  ВОЗБУЖДАЕМЫЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ  РАЗРЯДОМ

 

 

Сообщается о создании электроразрядного F₂- лазера на 157,6 нм и исследовании его спектральных, энергетических и временных характеристик. Для достижения высоких значений мощности генерации W и КПД F₂- лазера предложено увеличение давления активной среды Не — F₂, до 10 атм, позволившее получить W = 3 МВт и КПД = 0,17 % при удельном энергосъеме свыше 1 Дж/л. Обнаружено, что каждая из двух компонент спектра генерации имеет ширину ~ 0,02 нм.

 

Получение мощной генерации в ВУФ диапазоне спектра в настоящее время остается одной из актуальных задач квантовой электроники. Она решается в основном методами нелинейной оптики, требующими высокоэффективных лазеров УФ и видимого диапазонов спектра с заданными характеристиками излучения, что приводит к значительным техническим трудностям.
Лазер, работающий на переходе ³П_2g—³П_2u молекулярного фтора вблизи 157,6 нм, — наиболее мощный источник ВУФ излучения, получаемого прямой накачкой активной среды [1]. Он находит все более широкое применение при решении задач субмикронной фотолитографии [2], фотохимии, спектроскопии [3, 4] и т. д. Однако энергосъем (0,15 Дж/л) и эффективность (~ 0,02 %) его до сих пор оставались весьма невысокими [5].
Впервые о получении генерации на переходе ³П_2g—³П_2u молекулярного фтора вблизи 157,5 нм сообщалось в [1], где накачка смеси Не — F₂ осуществлялась электронным пучком. В [5] ВУФ генерация была получена при возбуждении этой же смеси электрическим разрядом с УФ предыонизацией из-под сетчатого катода. Авторам [5] в активном объеме 50 х 0,4 х 2,5 см удалось получить энергию излучения 8,6 мДж при длительности 15 нс. Возбуждение осуществлялось от линии, в которой запасалась энергия около 30 Дж. Таким образом, полный КПД F₂- лазера был около 0,02 %, импульсная мощность около 600 кВт. Из-за ограниченных возможностей конструкции в [5] не удалось достичь оптимальных значений давления смеси Не — F₂ и КПД лазера. Еще более низкие КПД имеют лазеры серии EMG, хотя их импульсная мощность достигает 1,5 МВт.
В настоящей работе экспериментально показана возможность получения генерации мощностью 3 МВт с КПД, близким к КПД лазеров на галогенидах инертных газов, что достигнуто за счет повышения давления активной среды свыше 10 атм, подбора условий возбуждения и использования чистых газов, особенно молекулярного фтора.
Основная часть экспериментов выполнена на установке, электрическая схема возбуждения которой приведена на рис. 1, а.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Электрическая схема лазера:
Z — разрядная камера
P₁, Р₂ — газонаполненные разрядники
C₁ = 3 нФ; С₂ = 12 нФ; С₃ = 2,4 (а) и 4 нФ (б)

 

 

 

Генератор импульсных напряжений ГИН-1 с энергией до 1 Дж служил для предыонизации разрядного промежутка в камере и запуска ГИН-2, осуществлявшего возбуждение рабочего газа. Энергия возбуждения 6—10 Дж при напряжении на разрядной камере ~ 20 кВ. Разрядная камера с активным объемом 2 х 12 х 580 мм изготовлена из стеклотекстолита, электроды никелевые. Резонатор образован плоским Al- зеркалом с покрытием MgF₂ и плоскопараллельной пластиной из MgF₂.
Для проведения экспериментов использовались гелий чистоты 99,998 % и фтор, полученный электролитическим способом и не содержащий О₂; как известно, последний имеет коэффициент поглощения на длине волны F₂- лазера 200 см^-1*атм^-1 [5]. В качестве основных примесей во фторе были ~ 1 % N₂ и ~ 0,1 % HF.
Измерения энергетических характеристик ВУФ излучения F₂- лазера осуществлялись ИМО-2, датчик которого помещался на расстоянии 80 см от выходного окна в герметичном измерительном тракте, предварительно вакууммируемом, а затем заполняемом Аr при давлении свыше 1 атм. Временные характеристики ВУФ генерации измерялись с помощью фотоэлемента ФЭК-22 и измерителя И2-7. Перед выходным окном ФЭК-22 помещался сцинтиллятор РОРОР, нанесенный на светофильтр СЗС-21. Светофильтр пропускал свечение РОРОР и подавлял сопутствующую ВУФ генерации красную генерацию атомарного фтора в области 630—756 нм [6], хотя оптимальные условия для F- и F₂- лазеров не совпадают. Вклад красной генерации в полную выходную энергию определялся из измерений при заполнении измерительного тракта аргоном (полная энергия) и воздухом (энергия только красной гене­рации). Работоспособность системы регистрации предварительно проверялась по генерации ArF (193 нм) и KrF (249 нм) в той же установке.
В результате исследований было обнаружено (рис. 2), что импульс ВУФ генерации, имеющий длительность по полувысоте 5 ± 0,5 нс, задержан относительно начала возбуждающего тока на 20 нс (такая же задержка была получена при работе с KrF).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Осциллограммы импульсов тока разряда (1) и генерации на красных переходах атомарного фтора (2) и ВУФ переходе молекулярного фтора (3)

 

 

Этот факт с учетом высокого давления активной среды, когда характерные времена релаксации не превышают 1 нс, свидетельствует в пользу рекомбинационного механизма образования инверсии на рабочем переходе ³П_2g—³П_2u.
Наибольший полный КПД F₂- лазера (0,17 %) получался при минимальных использованных накачках (рис. 3) и максимальном рабочем давлении 10 атм смеси He : F₂ = 1000 : 1 (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость энергии генерации Е (1) и полного КПД F₂ -лазера Q (2) от энергии Е_н в ГИН-2; смесь He : F₂ = 100 : 0,1; р = 9 атм, v = 4 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимость энергии генерации F₂- лазера от полного давления      смеси He : F₂ = 100 : 0,05 (1); 0,1 (2); 0,15 (3); 0,2 (4); 0,3    (5) и 0,5 (6) при Е_н = 12 Дж, v = 4 Гц.        

 

 

С ростом давления КПД лазера повышался, поэтому есть уверенность в том, что с разрядной камерой, способной выдерживать давления до 15—20 атм и имеющей большой активный объем, эффективность и энергия ВУФ F₂- лазера могут быть значительно повышены. При этом необходимо сохранить условия получения однородного разряда в газах высокого давления (длительность разрядного тока ~ 10 нс) и требования к чистоте газов.
Предварительные эксперименты на установке рис. 1, б, где обеспечивалось лучшее энергетическое согласование ГИН с разрядом и использовалась камера объемом 5 х 20 х 580 мм, показали существенное, в 3—5 раз, увеличение генерирующего объема при сохранении плотности мощности.
Измерения энергетических характеристик ВУФ излучения проводились при частоте следования импульсов (ЧСИ) 2—5 Гц и продольной прокачке газовой смеси со скоростью 10 л*атм/мин. Из результатов, приведенных на рис. 5, видно, что повышение ЧСИ до 25 Гц приводит к снижению энергии генерации в 2 раза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Зависимость средней мощности W (1, 2) и энергии Е генерации (3,4) F₂- лазера от ЧСИ v при Е_н = 12 (1, 3) и 9 Дж (2, 4) для смеси He : F₂ = 100 : 0,1 при р = 9 (1, 3) и 6,2 атм (2, 4).

 

 

 

Очевидно, что при необходимости работы с более высокой ЧСИ следует применять быструю поперечную вентиляцию разрядного промежутка. Однако для ЧСИ до 20— 50 Гц и средней мощности генерации 0,1 — 1 Вт целесообразно использование более простого и компактного варианта с продольной прокачкой.
На рис. 6 показана зависимость энергии генерации F₂- лазера от числа импульсов возбуждения в отсутствие прокачки газовой смеси через активную область.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Зависимость энергии генерации Е от числа импульсов возбуждения N при Е_н = 9 Дж; смесь He : F₂ = 100 : 0,1; р = 6,2 атм, v = 4 Гц.

 

 

При активном объеме разрядной камеры 14 см³ полный объем был около 100 см³. Энергия генерации до уровня 0,5 падала за 150 имп. Таким образом, ресурс F₂- лазера в данных условиях составил 1500 импульсов на 1 л смеси. Это значение близко к ресурсу эксимерного ArF-лазера (193 нм), работающего также с использованием F₂.
Спектр генерации F₂- лазера (рис. 7), полученный с помощью вакуумного монохроматора VM-3, изготовленного в ИФАН ЭССР, состоит из двух компонент, от­стоящих, как и в [7], на 0,1066 нм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Спектр генерации F₂- лазера, записанный при различных уровнях чувствительности регистрирующей системы. В случае а чувствительность была в 8 раз ниже, чем в случае б.

 

 

Однако в отличие от данных [7] соотношение интенсивностей компонент составляет не 1 : 7, а 1 : 5. Кроме того, каждая из компонент имеет сложную структуру, коррелирующую со спонтанным спектром, представленным в [7].
Таким образом, в результате проведенных исследований создан электроразрядный F₂- лазер на 157,6 нм, имеющий наибольшие в настоящее время значения импульсной мощности 3 МВт и КПД ~ 0,17 % при энергосъеме ~ 1 Дж/л. Показаны пути увеличения эффективности этого лазера. Структура спектра генерации свидетельствует о возможности перестройки длины волны с использованием селективного резонатора в пределах 0,13 нм.

 

 

 

1. J.К. Rice, А.К. Hays, J.R. Woodworth. Appl. Phys., 31, 31 (1977).

2. J.C. White, H.G. Craighead, R.E. Howard, L.D. Jackel, R.E.  Behringer, R.W. Epworth, D. Henderson, J.E. Sweeney. Appl. Phys.  Letts, 44, 22 (1984).

3. D.J. Kligler, С.K. Rhodes. Phys. Rev. Letts, 40, 309 (1978).

4. D.J. Kligler, D. Pritchard, W.K. Bischel, С.K. Rhodes. J. Appl. Phys.,  49, 2219 (1978).

5. H. Pummer, K. Hohla, M. Diegelmann, J.P. Reilly. Optics Comms,28 ,  104 (1979); K. Hohla, M. Diegelmann, H. Pummer, K.L. Kompa. Optics and Laser Techn., No. 12, 305 (1979).

6. P.L. Chapovsky, S.A Kochubei, V.N. Lisitsyn, A.M. Razhev. Appl.  Phys., 14, 231 (1977).

7. T.J. McKee. La Physique au Canada, 36, 41 (1980).