C.K. Baртапетов, А.А. Жигалкин, К.Э. Лашпин, А.З. Обидин, В.Ю. Хомич, В.А. Ямщиков

ИССЛЕДОВАНИЕ  ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО   ВУФ   ЛАЗЕРА   НА  МОЛЕКУЛЯРНОМ   ФТОРЕ

Исследовано влияние разрядного напряжения, состава и давления газовой смеси Не-F₂ на выходные характеристики вакуумного ультрафиолетового F_2- лазера. Показано, что в процессе возбуждения активной среды существенную роль играет реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора. Определено условие для выбора оптимального состава смеси. Применение генератора накачки с многоступенчатым магнитным сжатием высоковольтных импульсов и системы предыонизации с барьерным разрядом на поверхности керамической трубки позволило обеспечить высокую однородность газовых разрядов (без катодных пятен). Создан малогабаритный F₂- лазер (активный объем ~ 9 см³) с энергией излучения 2,5 мДж, частотой следования импульсов до 1 кГц, работающий при давлении смеси Не- F₂ до 3500 мбар.

Введение

Лазер на молекулярном фторе является одним из самых мощных источников ВУФ излучения (длина волны λ = 157 нм) [1 -3]. В настоящее время он не имеет альтернативы даже среди лазеров с диодной накачкой из-за отсутствия нелинейных кристаллов, конвертирующих излучение в область длин волн менее 180 нм [4].
Рассматриваемый лазер обладает уникальными свойствами. Его излучение поглощается почти всеми материалами, что дает возможность использовать этот лазер для обработки даже таких материалов, как кварц, тефлон, сверхтвердые сплавы, керамики и т.д. Экстремально короткая длина волны позволяет создавать фотонные структуры размером до 100 нм, которые невозможно получить с помощью других высокоточных средств обработки. В обозримом будущем на основе таких структур предполагается создавать многофункциональные оптические устройства, заключенные в одном чипе, которые придут на смену современным микроэлектронным приборам [5-7]. F₂- лазер используется при записи брэгговских решеток в оптических волокнах, применяемых в средствах телекоммуникаций [8- 10]. Оптоволоконные брэгговские интерферометры служат также датчиками физических величин и их полей (температуры, давления, электромагнитных полей, акустических полей и др.). Лазерное излучение с λ = 157 нм применяется в фотолитографической микротехнологии с пространственным разрешением менее 100 нм [1-4,11]. Наконец. F₂-лазер незаменим при изготовлении деталей для микроэлектромеханических систем, которые находят все большее применение в охранных устройствах, для сбора разведывательной информации, для диагностических целей в медицине. Большое значение микроэлектромеханические системы представляют для развития постоянно растущего рынка мобильных телефонов [5].
Традиционный подход к созданию мощных F₂ - лазеров базируется на получении высокой мощности накачки, достигаемой при использовании экстремально высоких давлений активной среды (6- 10 бар). В работах [2,3] нами был предложен другой подход, основанный на повышении мощности накачки лазера за счет оптимизации условий энерговклада. Обоснованы преимущества под­хода, позволяющего существенно снизить рабочее давление F₂ -лазера. Был создан F₂- лазер, способный конкурировать с новейшими разработками ведущих зарубежных фирм. Он эффективно генерировал энергию 28 мДж при давлении 3300 мбар. Тем не менее ряд вопросов, связанных с влиянием состава смеси на получение оптимальных условий накачки или с возможностью дальнейшего снижения рабочего давления смеси, остался нерешенным.
В современных технологиях F₂- лазеры с высокой энергией излучения (десятки миллиджоулей) обычно применяются совместно с фотомасками. На такой маске может теряться до 90 % энергии светового пучка [5- 10]. Кроме того, подобные лазеры имеют высокую стоимость и довольно внушительные массогабаритные показатели.
В ряде других технологий выгоднее использовать малогабаритный F₂- лазер с энергией в импульсе около 1 мДж. В этом случае почти все оптическое излучение можно фокусировать в пятно диаметром менее 1 мкм и с помощью сканирующей зеркальной системы выборочно воздействовать на поверхность облучаемой мишени. До настоящего времени подобные лазеры могли эффективно работать только при давлениях свыше 6 атм [12,13].
Целью данной работы являлось исследование влияния давления и состава смеси на получение оптимальных условий накачки F₂- лазepa, а также создание малогабаритного лазера с выходной энергией более 1 мДж, работающего при давлении смеси 3000 - 3500 мбар.

Основные требования к системам и условиям накачки лазера

Задача создания мощного F₂- лазера требует правильного выбора системы возбуждения, включающей в себя генератор накачки, систему предыонизации и разрядный контур, а также корректного определения параметров оптического резонатора и подбора оптимальных условий возбуждения активной среды. Рассмотрим эти требования по отдельности.

1. Генератор накачки

Для работы лазера при относительно низких давлениях газовой смеси необходим генератор накачки с крутым (длительностью менее 100 нс) фронтом нарастания напряжения, способным обеспечить достаточно высокое напряжение на разрядном промежутке. Лучше всего для этого подходит генератор с магнитным сжатием высоковольтных импульсов, который позволяет получать импульсы с длительностью фронта несколько десятков наносекунд [14].
На рис.1 изображена электрическая схема применяемого генератора накачки, который содержит два магнитных звена сжатия высоковольтных импульсов и LC- генератор Фитча [15].

Рис. 1. Электрическая схема генератора накачки.

Коммутатором служил тиратрон с холодным катодом типа ТПИ1-1к/20. Суммарная емкость накопительных конденсаторов С₁ + С₂ = 12 нФ. Емкость обострительного конденсатора С₄ = 3,5 нФ. Приведенные на схеме индуктивности L₁ L₂ и L₃ магнитных звеньев сжатия соответствуют насыщенному состоянию их сердечников. Индуктивности L₁ и L₃ намотаны на ферритовые кольца 1000НН К100 х 60 х 15, а индуктивность L₂ - на магнитный сердечник из аморфного железа. Обратное перемагничивание сердечника L₁ производится импульсным током заряда накопительных конденсаторов, текущим от высоковольтного источника, а сердечников L₂ и L₃ - с помощью катушек подмагничивания, питаемых от источника постоянного тока (J = 2 А).

2. Система  предыонизации

Искровая система предыонизации, часто применяемая в эксимериых лазерах, имеет два существенных недостатка: неоднородность УФ подсветки вдоль разрядного промежутка, вызывающая неоднородное распределение энергии накачки, и необходимость применения большого числа индуктивных или емкостных развязок для равномерного распределения токов в отдельных искрах [1-3, 16]. Вместо искровой системы мы использовали предыонизацию протяженным барьерным разрядом через диэлектрик. Предыонизатор находился сбоку от разрядного промежутка. Он состоял из двух параллельно расположенных электродов - ножевого и цилиндрического, которые разделялись керамической трубкой. Ножевой электрод соединялся с высоковольтным электродом лазера. Однородный барьерный разряд растекался по поверхности трубки, обеспечивая достаточно равномерную засветку рабочего объема и необходимую начальную концентрацию электронов. Благодаря ограниченной плотности тока барьерного разряда ослабляется эрозия ножевого электрода, что существенно замедляет нежелательный процесс металлизации оптических элементов лазера.

3. Разрядный контур

Основой для создания F₂- лазера служил малогабаритный эксимерный лазер серии CL5000 (рабочие длины волн 308, 248 и 193 нм), выпускаемый ЦФП ИОФРАН [17]. Его особенностью являются металлокерамическая конструкция и компьютерное управление, обеспечивающие высокий ресурс работы, возможность плавной регулировки и высокую стабильность лазерных импульсов. Активный объем лазера V = d х w х / ≈ 9 см³ (где d = 1,2 см - межэлектродное расстояние, w ≈ 0,3 см - ширина разряда, / ≈ 25 см - длина разрядной зоны). Эксперименты проводились при давлении газа в разрядной камере р = 3500 мбар.
Радиационное время жизни t_r верхнего лазерного уровня D'³П_2g составляет всего 3,7 нс (эффективное время еще меньше) [18]. Реализовать накачку с такой длительностью сложно. Обычно накачка F₂- лазера происходит в квазистационарном режиме, когда длительность импульсов накачки много больше характерных времен протекающих в лазере процессов. Из-за этого около 30 % энергии излучения теряется за счет спонтанной эмиссии [18, 19], т.е. чем короче импульс накачки, тем меньше должны быть радиационные потери и выше эффективность генерации.
С другой стороны, длительность импульса накачки влияет на свойства объемного самостоятельного разряда. При горении разряда на поверхности катода могут образовываться локальные перегретые области с интенсивной эмиссией электронов (катодные пятна). Они вызывают повышенную эрозию электродов и способны спровоцировать появление искр, что сказывается на сокращении ресурса работы лазера, особенно при больших частотах следования импульсов. Время образования катодного пятна обратно пропорционально квадрату плотности тока разряда и при характерных для F₂- лазера условиях (плотность тока j > 1 кА/см²) составляет более 20 нc [12]. Вот почему для получения однородного объемного самостоятельного разряда без катодных пятен также очень важно иметь малую длительность импульса накачки. Длительность тока накачки пропорциональна (L_dC₄)^1/2, где L_d - индуктивность разрядного контура. При конструировании лазера принимались меры для того, чтобы свести к минимуму величину L_d путем уменьшении площади сечения разрядного контура и длины токопроводов.

4. Оптический  резонатop

При переходе к более низким рабочим давлениям и укороченной длине резонатора необходимо провести соответствующую оптимизацию коэффициентов отражения зеркал резонатора. Условие максимального вывода излучения из резонатора имеет вид [20]

Ln(R₁R₂)/2l = β(1- (α/β)^1/2)         (1),

где α - коэффициент усиления слабого сигнала, β - коэффициент поглощения (сумма коэффициентов «переходного» поглощения в течение импульса возбуждения и стационарного поглощения, вызванного присутствием в газовой смеси посторонних включений), R₁ и R₂ - коэффициенты отражения глухого и выходного зеркал резонатора соответственно. В работе [21] приводятся экспериментальные зависимости α от p для F₂- лазера. Из них следует, что для рассматриваемых условий (при р ≈ 3500 мбар) α ≈ 0,14 см^-1, α/β ≈ 10 [18]. Полагая далее, что R₁ = 0,98, из (1) находим значение R₂ = 0,23, необходимое для получения максимального энергосъема. Коэффициент отражения одной плоскопараллельной пластины из CaF₂ (от двух поверхностей) составляет примерно 10 %. Очевидно, что для увеличения добротности резонатора необходимо использование хотя бы двух таких пластин.

Оптимальные условия возбуждения активной среды

Для эффективной накачки F₂- лазера энергию накопительных конденсаторов (С₁ + C₂) необходимо вложить в плазму разряда с минимальными потерями в режиме максимальной мощности накачки [2,3]. Если не учитывать неизбежные потери в схеме генератора накачки, то это возможно в том случае, когда предельное напряжение (соответствующее напряжению холостого хода для данной схемы генератора накачки) на разрядном промежутке (РП) и согласованный режим накачки реализуются одновременно.
Условие согласованного режима накачки имеет вид

E_m /p =  2E_qs/p,       (2)

где Е_m - максимальная напряженность поля; E_qs/p - отношение напряженности поля к давлению газа в квазистационарном режиме, соответствующее максимуму тока самостоятельного разряда. Условие (2) означает равенство сопротивления разрядного промежутка R_qs= U_qs/J_m  в максимуме тока и волнового сопротивления Z = (L_d/C₄)^1/2 контура разряда С₄ через РП. Только при согласованном режиме накачки практически вся энергия, накопленная в обостряющей емкости С₄, успевает вложиться в плазму разряда за время действия импульса тока накачки.

Эксперимент

Для исследования характеристик оптического излучения применялась, как и в работах [2,3], специальная измерительная камера, герметично соединенная с выходным окном лазера, которая откачивалась и затем наполнялась азотом. Внутри камеры располагался пироэлектрический приемник Gentech, которым измерялась выходная энергия лазера. Импульсы напряжения генератора накачки и напряжения на разрядном промежутке регистрировались с помощью высоковольтного щупа Tekt­ronix Р6015А и осциллографа LeCroy WaveSurfer 432.
Оптический резонатор общей длиной 54 см был образован глухим плоским зеркалом, выходным окном в виде плоскопараллельной пластины из CaF₂ и дополнительной плоскопараллельной пластиной из CaF₂. Вторая пластина располагалась внутри измерительной камеры на расстоянии ~ 20 см от первой.
Исследуемый лазер мог работать па частоте повторения импульсов до 1000 Гц, но измерения его характеристик проводились на частоте 10 Гц. В ходе экспериментов регистрировались импульсы высокого напряжения и энергия лазерного пучка при разных зарядных напряжениях U₀, составах и давлениях газовой смеси.
На рис.2 изображены осциллограммы импульсов напряжения в характерных точках схемы генератора накачки (точки 1,2 и 3 на рис. 1).

Рис.2. Осциллограммы импульсов напряжения в схеме генератора накачки в точках 1 (1), 2 (2) и 3 (J), указанных на рис.1 (масштаб по вертикали - 5 кВ/дел., по горизонтали - 200 нс/дел.).

Видно, что магнитный генератор обеспечивал четырнадцатикратное сжатие импульсов и формировал на РП импульсы напряжения с длительностью фронта до — 70 нс и амплитудой до 21 кВ.
На рис.З представлены зависимости энергии генерации F₂- лазера W_g от полного давления газовой смеси р при разных U₀ для смесей Не-F₂ с различным содержанием фтора [F2].

Рис.З. Зависимости энергии генерации W_g от полного давления p смеси Не—F₂ при разных зарядном напряжении U₀ и содержании фтора [F₂].

Поскольку энергия генерации зависит от запасаемой в обостряющей емкости энергии W₄ = С₄U²_m/2, где U_m - максимальное напряжение на РП, то для сравнения на рис.4 приводятся экспериментальные зависимости U_m от р.

Рис.4. Зависимость максимального напряжения U_m на РП от полного давления р смеси Не - F₂ при разных зарядном напряжении U₀ и содержании фтора [F₂].

Видно, что напряжения U_m сначала растут, а затем насыщаются, достигая одинаковых предельных значений U_lim, определяемых величиной U_о [2,3].
Чем выше процентное содержание фтора в смеси, тем меньше давление р, при котором наступает насыщение. Зависимости же W_g = f(р) ведут себя совершенно иначе. Они различаются как по абсолютным значениям, так и по положению максимумов. Визуальные наблюдения разрядной зоны показали, что благодаря равномерной предыонизации и малой длительности накачки разряд в РП был совершенно однородным (без катодных пятен, искр и зон с повышенной яркостью свечения). Поэтому неоднородности разряда не могли быть причиной столь значительных изменений выходной энергии лазера.
Понять эволюцию зависимостей W_g = f(р) позволяет учет процесса согласования сопротивления плазмы с волновым сопротивлением разрядного контура. Для получения согласованного режима необходимо знать величину E_qs/p (см. (2)), которую оценим исходя из следующих допущений.
В смеси Не-F₂ доминирующей реакцией является реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора [19,22]:

F₂ + е → F^- + F. (3)

Она контролирует потери электронов в лазерной плазме. Коэффициент прилипания растет с уменьшением электронной энергии W_е = (3/2)kT_e, где к - постоянная Больцмана, Т_е - электронная температура. Чем выше концентрация фтора, тем большая часть электронов «уходит» из плазмы за счет прилипания, что вызывает быстрый рост W_е и Т_е.
В работе [19] приводится расчетная зависимость T_е от [F₂] в смеси He-F₂, ионизуемой квазистационарным электронным пучком, которая показана на рис.5 (нижняя кривая).

Рис.5. Расчетные зависимости электронной температуры Т_е и отношения напряженности поля к давлению газа E_qs/p  от содержания молекулярного фтора [F₂] в плазме F₂- лазера.

В газовом разряде Т_е ~ Е/р [23]. Механизм влияния [F₂] на характер поведения Т_е и Е/р не зависит от способа ионизации газовой смеси. Поэтому можно предположить, что зависимости Т_е = f ([F₂]) в плазме, создаваемой электронным пучком и самостоятельным разрядом, имеют одинаковый вид. Тогда, зная, что E_qs/p = 1,6 В см^-1мбар^-1 при [F₂] = 0 [18], нетрудно получить зависимость E_qs/p = f([F₂]), которая также приведена на рис.5 (верхняя кривая). Откуда для экспериментальных значений [F₂] = 0,1 %; 0,14 % и 0,19 % получаем E_qs/p = 2,6; 3 и 3,5 В см^-1*мбар^-1 соответственно.
Согласно равенству (2) давление смеси, соответствующее согласованному режиму накачки, находится по точкам пересечения зависимостей E_m/p = U_m/(pd) = f(p) на рис.6, построенным на основании экспериментальных данных рис.4, с расчетными значениями 2E_qs/p  = 5,2; 6 и 7 В*см^-1 *мбар^-1.

Рис.6. Зависимости отношения максимальной напряженности поля к полному давлению смеси E_m/p от р при разных U₀ и [F₂].

Из сравнения рис.3,4 и 6 видно, что в случае повышенного содержания фтора ([F₂] ≥ 0,19 %. см. рис.З.в 4.в, 6.в) согласованный режим возможен только при р ≤ 2100 мбар, когда напряжение на РП не является достаточно высоким. Во всем же остальном диапазоне рабочих давлений поведение зависимостей W_g(p) определяется как поведением U_m(p), так и ростом α с увеличением р [18]. Однако чем выше р, тем меньшая доля энергии поступает в активную среду из С₄ [2, 3]. В результате выходная энергия лазера оказывается низкой.
Для [F₂] = 0,1 %, U₀ = 14 кВ согласованный режим и предельное напряжение на РП реализуются при рабочем давлении, близком к предельному давлению p_lim = 3500 мбар. В этих условиях благодаря максимальным энерговкладу и коэффициенту усиления α (для р ≤ p_lim) достигаются наиболее высокие значения W_g.
При [F₂] = 0,14 % максимумы W_g (рис.3,б) находятся в области значений р, соответствующих согласованному режиму накачки (рис.6.б). Однако в этом промежуточном случае согласованный режим реализуется при р и U_m. меньших p_lim и U_lim, и поэтому получаются промежуточные значения W_g. При использовании резонатора только с одной плоскопараллельной выходной пластиной из СаF₂ при прочих равных условиях энергия генерации падала примерно в два раза из-за уменьшения добротности резонатора.
Из приведенных результатов следует, что для получения максимальной энергии генерации электроразрядного F₂- лазера требуется такой состав смеси He-F₂, при котором согласованный режим накачки активной среды реализуется в условиях предельного (для данной схемы возбуждения) напряжения на РП и предельного рабочего давления.
При попытках перейти к еще меньшему рабочему давлению необходимо использовать смеси с большим содержанием фтора. Вместе с тем, чтобы не снижать напряжение U_m, следует либо повышать крутизну фронта напряжения накачки, что весьма затруднительно, либо расширять межэлектродный зазор, что приведет к большому различию расходимости излучения по вертикальной и горизонтальной координатам пучка.
Следует отметить, что по сравнению с аналогичными зарубежными лазерами, которые имели энергию 2 мДж при рабочем давлении смеси 6 бар [13] и 7 бар [12], лазер, описанный в настоящей работе, генерировал энергию до 2,5 мДж при давлении смеси 3,5 бар, значительно меньшем, чем в указанных работах.

Выводы

Исходя из особенностей и требований, предъявляемых к работе электроразрядного F₂- лазера, предложено использовать усовершенствованную систему возбуждения активной среды на основе генератора магнитного сжатия высоковольтных импульсов и с предыонизацией межэлектродного промежутка барьерным разрядом по поверхности керамической трубки. Такая система позволяет получать высокооднородные объемные самостоятельные разряды без катодных пятен в смесях He-F₂.
Исследование зависимостей выходных характеристик лазера от состава смеси, ее давления и разрядного напряжения показало, что существенное влияние на процессы накачки оказывает реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора, которая контролирует электронную температуру плазмы и процесс энерговклада в активную среду. Установлено, что оптимальным является такой состав смеси He-F₂, при котором согласованный режим накачки активной среды реализуется в условиях предельных значений (для данной системы возбуждения) напряжения на разрядном промежутке и рабочего давления.
В результате проведенных исследований создан малогабаритный F₂- лазер с характеристиками излучения, не уступающими характеристикам мировых аналогов (энергия излучения 2,5 мДж, активный объем ~ 9 см³), но работающий при значительно меньшем давлении газовой смеси (до 3500 мбар).

1  Excimer Laser Technology. Ed. by D. Basting et al. (Gottingen: Lambda Physik. AG. 2001).

2  Атежев В.В., Вартапетов С.К., Жуков А.Н., Курзанов М.А., Обидин А.З., Ямщиков В.А. Квантовая электроника. 33 (8). 677 (2003).

3  Atejev V.V, Vartapetov S.K, Zhukov A.N, Kurzanov M.A, Obidin A.Z, Yamschikov V.A. Techn. Program XI Conf. on Laser Opt. (St. Petersburg. 2003. p. 18).

4  Peters P, Feenstra L, Bastiaens H. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.,  4184. 338(2001).

5  Herman P.R, Chen K.P, Wei М., Zhang J, Ihlcmann J, Schiifer D, Marowsky G, Oesterlin P, Burghardt B. Techn. Dig. Conf. on Lasers and Electro-Optics (Washington. DC, OSA. 2001, p. 574).

6  Herman P.R, Chen K.P, Corkum P, Naumov A, Ng S.. Zhang J. RIKE.X Review, № 32. 31 (2001).

7  Chen K.P, Herman P.R. Electron. Leu., 37.822 (2001).

8  Larionov Y, Rybaltovsky A, Semjonov S, Bubnov M, Dianov E, Vartapetov S, Kurzanov М., Obidin A., Yamschikov V. Teclm. Dig. Conf. on Optical Fiber Communication (FC-2 03) (Atlanta. Geor­gia. USA. 2003. Vol. 1. p. 38).

9  Larionov Yu.V, Rybaltovsky A.A, Semjonov S.L, Bubnov M.M., Dianov E.M., Vartapetov S.K., Kurzanov M.A, Obidin A.Z., Yamschikov V.A. Techn. Dig. Con. on Bragg Gratings, Photosensi­tivity amI Poling in Glass Waveguides (BGPP 2003) (Monterey. Cal, USA. 2003. MD28.  p. 136).

10  Larionov Yu.V, Rybaltovsky A.A, Semjonov S.L, Bubnov M.M., Dianov E.M., Vartapetov S.K, Kurzanov M.A, Obidin A.Z., Yamschikov V.A, Guryanov A.N, Yashkov M.V., Umnikov A.A. Techn. Digest Conf. on Bragg Gratings. Photosensitivity and Poling in Glass Wawguides (BGPP 2003) (Monterey. Cal. USA. 2003. MC4, p. 46).

11  Wallace J. Laser Focus World. August. 139 (1999).

12  Treshalov A, Lissovski A, Chikeev E. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.,  4747.253 (2002).

13  Gortler A, Strowitzki  C, Geiger S. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.,  4184. 330(2001).

14  Атежев В.В, Вартапетов С.К, Жигалкин А.К, Лапшин К.Э.,  Обидин  А.З. Квантовая электроника. 34 (9). 790 (2004).

15  Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов   (М.: Сов. радио. 1974).

16  Frowein Н, Schillinger P. Laser Focus World. July. S9 (2002).

17  Physics Instrumentation Center, http://www.pic.troitsk.ru/.

18  Kakchata М, Uematsu Т, Kannari F, Obara M. IEEE J. Quantum  Electron.. 27. 2456 (1991).

19  Kochetov I.V, Demyanov A.V, Napartovich A.P. Review of Troitsk  Institute of Innovative and Thermonuclear Research (Troitsk. Russia.  2000).

20  Rigrod W.W. IEEE J. Quantum Electron.. 14. 377 (1978).

21  Kitamura Т, Arita Y, Macda K, Takasaki М, Nakamura K., Fujiwara Y., Horiguchi S. J. Appl. Phys.. 81. 2523 (1997).

22  Chantry P.J. In: Applied Atomic Collision Physics. Vol. 3. Gas  Lasers. Ed. by H.S.W.Massey. E.W.McDaniel. B.Bederson (New York: Acad. Press. 1982. p. 35).

23 Paйзеp Ю.П. Физика газового разряда (М.: Наука. 1980).