В. Ю. Баранов, В. М. Борисов, А. М. Давидовский, О. Б. Христофоров

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  РАЗРЯДА  ПО  ПОВЕРХНОСТИ   ДИЭЛЕКТРИКА  ДЛЯ  ПРЕДЫОНИЗАЦИИ  В  ЭКСИМЕРНЫХ  ЛАЗЕРАХ

Найдены условия получения высокой однородности сильноточного разряда по поверхности плоского диэлектрика, являющегося мощным источником УФ излучения, создающего высокий уровень предварительной ионизации в основном разрядном объеме. Объемный разряд был получен при апертуре до 30 см² и межэлектродных расстояниях до 10 см. Экспериментально показано, что для достижения высокой эффективности лазера вводимая во вспомогательный разряд энергия должна иметь определенное оптимальное значение.
В лазере достигнут уровень генерации 1 Дж при удельном энергосъеме 5,8 Дж/л. При уровне генерации 0,7 Дж полный КПД лазера составил 1,5 %.

1.  Введение

Разряд по поверхности диэлектрика уже использовался как вспомогательный, создающий УФ предыонизацию в TEA СО₂ -лазерах [1—3]. В работе [1] вспомогательный разряд по поверхности диэлектрика был получен в виде набора искровых каналов, развивающихся в соответствии с нанесенной на диэлектрик многоэлементной металлической структурой. Основной разряд развивался между сетчатым катодом, расположенным над вспомогательным разрядом, и металлическим анодом. В [2] авторы отказались от сетчатого электрода и использовали разряд по поверхности диэлектрика, выполненного аналогично [1], непосредственно в качестве плазменного электрода, с которого развивался основной разряд. Это позволило существенно увеличить удельный энерговклад в основной разряд при его апертуре 20 x 30 см. В работе [3] при создании TEA СО₂ - лазера был использован разряд по поверхности диэлектрика, при этом использовался диэлектрик без нанесения на него многоэлементной металлической структуры. Авторами [3] отмечено, что в стандартных лазерных смесях, содержащих большое количество гелия, завершенный разряд по поверхности диэлектрика существенно неоднороден, т. е. распадается на отдельные, визуально легко различимые каналы. Неоднородность плазмы вспомогательного разряда приводила к возникновению неоднородностей в основном объемном разряде. Это обстоятельство, видимо, и ограничило широкое применение подобных электроразрядных систем, в принципе являющихся весьма перспективными.
Целью данной работы явилось получение интенсивного однородного разряда по поверхности диэлектрика и использование его в качестве источника УФ излучения и плазменного электрода в мощных эксимерных лазерах.

2.   Скользящий  разряд  по  поверхности  плоского диэлектрика

Экспериментальная электроразрядная система для получения импульсного поверхностного разряда представлена на рис. 1, а. При приложении импульса напряжения на поверхности диэлектрика возникает ток смещения I_е= d (CU)/dt, который, как видно, определяется U, dU/dt и переменной емкостью С между поверхностным разрядом и поджигающим электродом, покрывающим противоположную сторону диэлектрика. Значение и однородность тока /_е в свою очередь определяют параметры завершенного скользящего разряда. Исходя из этого, экспериментальные исследования разряда по поверхности диэлектрика проводились для различных толщин диэлектрика, диэлектрических проницаемостей ε, геометрии разряда, вида и параметров схемы питания.
Эксперименты показали, что однородность скользящего разряда повышается при уменьшении толщины диэлектрика. Так, однородность скользящего разряда при толщине диэлектрика 1 мм была при визуальном наблюдении значительно выше, чем при толщине 5 мм при одних и тех же параметрах разрядного контура. Этот факт можно объяснить увеличением емкости между поверхностью, по которой развивается скользящий разряд, и поджигающим электродом при уменьшении толщины диэлектрика. С другой стороны, уменьшение толщины диэлектрика ограничивается напряжением пробоя и разрушения диэлектрика. Применение диэлектрика с большим значением ε (~ 1000) значительно усложняет технологию изготовления электроразрядных систем. Простая электродная система, на которой получена высокая однородность разряда по поверхности диэлектрика, была изготовлена из двухсторонне фольгированной стеклотекстолитовой пластины толщиной 1 мм (см. рис. 1).

Рис. 1.  Электроразрядная схема.

Поверхность, по которой развивался разряд, была получена травлением участков фольги в растворе хлорного железа.
В электрической схеме на рис. 1 использован конденсатор емкостью 0,03 мкФ с собственной индуктивностью 30 нГ и одноканальный разрядник, выполненный аналогично [4], с собственной индуктивностью 25 нГ. Соединение элементов разрядного контура производилось с минимальной индуктивностью шинами шириной 30 см.
Форма импульса напряжения на разрядном промежутке размером 125 x 370 мм в лазерной смеси газов NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 500 приведена на рис. 2.

Рис. 2. Напряжение на разрядном промежутке.

Из осциллограммы видно, что после пробоя вклад в завершенный поверхностный разряд происходит за время ~ 150 нс. Однородный разряд по поверхности диэлектрика толщиной 1—1,5 мм в инертных газах и лазерных смесях с большим содержанием гелия был получен при зарядных напряжениях > (2,5—3)S (в кВ), где S — ширина разрядного промежутка (в см.). Фотография свечения плазмы поверхностного разряда при зарядном напряжении 45 кВ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Свечение плазмы скользящего разряда размером 125 х 370 мм.

 Эксперименты показали, что уменьшение ширины разрядного промежутка приводит к некоторому ухудшению однородности разряда.
Так, при ширине промежутка 3 см разряд развивался каналами с расстоянием между ними ~ 0,5 мм. В описываемой схеме для равномерного растекания тока разряда по длине электродов при их протяженности более 40 см необходимо введение дополнительной обострительной емкости, присоединяемой параллельно разрядному промежутку и распределенной вдоль его линии.

3.  Объемный  разряд,  инициируемый  скользящим по поверхности  диэлектрика  разрядом

Экспериментальная электроразрядная система для создания объемного разряда представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема электроразрядной системы для создания объемного разряда

В качестве одного из электродов использовался скользящий разряд по поверхности диэлектрика. Скользящий разряд создавался при разрядке конденсатора С_п = 0,03 мкФ, а основной вклад в объемный разряд осуществлялся за счет энергии, запасенной в С_р = 0,03 мкФ. Конденсаторы С_п и С_р заряжались через зарядные сопротивления от одного источника до напряжения 70 кВ и коммутировались одним разрядником Р, присоединенным к зарядной клемме и заземленному электроду. Скользящий разряд, образующийся на поверхности диэлектрика при коммутации С_п на землю, служил источником УФ излучения. Конденсатор С_р импульсно перезаряжался на малоиндуктивный емкостной обостритель С₀ = 5 нФ и происходил пробой основного газоразрядного промежутка между высоковольтным электродом и плазменным слоем.
В экспериментах вместо емкости С_р использовался также двухступенчатый генератор импульсных напряжений (ГИН), собранный по схеме Маркса, обе ступени которого содержали по одному конденсатору емкостью 0,03 мкФ, заряжаемые параллельно с С_п.
Как и на рис. 3, скользящий разряд с большой степенью однородности имел размер 370 x 125 мм. Ширина объемного разряда определялась профилем высоковольтного металлического электрода. Электроразрядная система позволяла создавать разряд при основном межэлектродном промежутке до 10 см. Следует отметить, что если в гелии апертура разряда составляла (5—10) х 5 см, то при добавлении от 0,05 % и более F₂ или NF₃, а также в эксимерных лазерных смесях ширина разряда уменьшалась до 2—3 см. При этом наблюдалось отклонение объемного разряда в направлении заземленного электрода, расположенного на диэлектрике, обусловленное неоднородностью поля между высоковольтным и плазменным электродами вследствие падения напряжения на плазме скользящего разряда (~ 30 кВ). Применение ГИН для питания объемного разряда и включение обострительного разрядника между высоковольтным электродом, с одной стороны, и ГИН и обострительной емкостью С₀, с другой — привело к существенному увеличению амплитуды (до 90 кВ) и крутизны фронта (t_фр  ≈ 40 нc) напряжения на объемном разряде, что позволило получить однородный разряд с апертурой 6 x 5 см в лазерной смеси состава NF₃ : Xe : He = 1 : 3 : 500 при давлении 1,5 атм. При этом в максимуме тока на разряде параметр E / N = 4*10^-16 В*см².

4.  Лазерные  характеристики  объемного  разряда

Резонатор состоял из плоского алюминиевого зеркала и плоскопараллельной пластины из CaF₂. Длина резонатора в лазере с системой питания, изображенной на рис. 4, составляла 77 см при активной длине разряда 37 см. В этой системе нами было замечено резкое изменение плотности энергии генерации по межэлектродному промежутку. Измерения проводились следующим образом. Из апертуры разряда 8 x 2 см (где 8 см — межэлектродное расстояние) диафрагмой, расположенной за выходным зеркалом резонатора, вырезалась часть лазерного излучения с апертурой 0,5 x 2 см и из­мерялась ее энергия ∆E. Затем отверстие диафрагмы перемещалось вдоль межэлектродного расстояния. Наряду с измерением ∆E, посредством полупрозрачной отклоняющей пластинки регистрировалась энергия генерации от полной апертуры разряда E и на ординате откладывалось ∆E /E, что исключало ошибку, связанную с уменьшением энергии генерации в процессе измерений за счет выработки NF₃ в газовой смеси. По абсциссе откладывалось расстояние от металлического электрода, так что у плазменного электрода оно максимально (рис. 5).

Рис. 5. Изменение плотности генерации по межэлектродному промежутку (газовая смесь состава NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 500, р = 1,5 атм) на электроразрядной системе рис. 4 при межэлектродном расстоянии 8 см (1) и на компактном лазере с межэлектродным расстоянием 4 см (2).

Видно, что распределение интенсивности генерации по сечению разряда неоднородно, причем интенсивность максимальна вблизи плазменного электрода. Смена полярности импульса напряжения на разряд не изменила наблюдаемой зависимости.
Для объяснения зависимости плотности энергии генерации от расстояния до плазменного электрода нами было проведено спектроскопическое исследование фотоплазмы, создаваемой излучением разряда по поверхности диэлектрика при отсутствии объемного разряда. Спектрограф СТЭ-1 располагался вблизи лазерной камеры вдоль ее оптической оси, так что световой поток непосредственно от поверхностного разряда не попадал в объектив коллиматора спектрографа. Измерения показали, что   в спектральной области 250—500 нм свечение фотоплазмы практически отсутствует. Таким образом, эффект не может быть обусловлен образованием XeF* только под действием УФ излучения от плазмы скользящего разряда. Фотографии интегрального свечения объемного разряда показали, что его однородность у плазменного электрода выше, чем у металлического. Таким образом, наблюдаемый эффект скорее всего объясняется лучшей однородностью объемного разряда вблизи плазменного электрода.
В более компактной электроразрядной системе, на которой исследовались энергетические характеристики лазера, скользящий разряд развивался на площади размером 3 x 50 см. Плазменный электрод был выгнут на­встречу         металлическому электроду, расстояние между ними составляло 4 см. Ширина объемного разряда зависела от рабочей газовой смеси и составляла 1,0—1,2 см для смесей F₂—Кr—He, НСl—Хе—Не и NF₃—Хе— Не. Апертура разряда определялась по размерам флуоресцирующей области экрана, облучаемого лазерным импульсом.
Уменьшение межэлектродного расстояния и индуктивности разрядной цепи в данной модификации лазера обеспечило высокий уровень предыонизации, ее однородность по всему межэлектродному промежутку и, соответственно, однородную плотность энергии генерации по апертуре разряда. Кривая 2 рис. 5, иллюстрирующая распределение энергии генерации, снятая по методике получения кривой 1 рис. 5, показывает, что в компактном лазере с межэлектродным расстоянием 4 см исключается эффект зависимости плотности энергии генерации от расстояния до плазменного электрода.
Нами исследовались зависимости энергии генерации лазера от энергии, вводимой во вспомогательный разряд по поверхности диэлектрика. Энергия варьировалась за счет изменения зарядного напряжения и емкости конденсатора С_п. Для этих измерений использовался вариант электрической схемы, содержащей два разрядника, обеспечивающих независимое питание основного и вспомогательного разрядов посредством конденсаторов С_р и С_п (типа КМК с емкостями 0,1 и 0,03 мкФ соответственно). Распределенная вдоль длины электродов обострительная емкость С₀ = 0,01 мкФ набиралась из керамических конденсаторов КВИ-3. Емкость С_р заряжалась до фиксированного напряжения 50 кВ, а зарядное напряжение емкости предыонизатора С_п варьировалось с помощью резисторных делителей. В процессе измерений задержка между срабатыванием разрядников выбиралась такой, чтобы временной интервал между импульсами напряжения на поверхностном и объемном разрядах составлял 100 нс, как и в схеме с одним разрядником. Для всех исследованных смесей генерация не возникала при отсутствии вспомогательного разряда, хотя объемный разряд развивался равномерно по всей длине электродов.
На рис. 6 приведены зависимости энергии генерации лазера на моле­кулах KrF*, XeF*, XeCl* от зарядного напряжения емкости С_п.

Рис. 6. Зависимости энергии генерации лазера от зарядного напряжения емкости С_п для давления 2 атм газовых смесей состава F₂ : Кr : Не = 1 : 25 : 400 (1), NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 500 (2) и НСl : Хе : Не = 1 : 15 : 360 (3)

Видно, что для смесей F₂—Кr—Не и NF₃—Хе— Не с ростом зарядного напряжения на конденсаторе С_п от 6 кВ, когда скользящий разряд по поверхности ди­электрика носит еще незавершенный характер, до 20 кВ происходит резкое (примерно в 8 раз) увеличение энергии лазера. При дальнейшем возрастании напряжения на конденсаторе С_п и, как показал обсчет осциллограмм тока и напряжения, росте энерговклада в поверхностный разряд происходит незначительное увеличение энергии генерации. Для смеси НСl—Хе— Не зависимость менее сильная и энергия генерации возрастает в 1,5 раза при изменении зарядного напряжения предыонизатора от 12 до 46 кВ. Изменение энергии, вводимой во вспомогательный разряд, осуществляющий предыонизацию, за счет варьирования емкости С_п приводит к аналогичным зависимостям.
Полученные результаты подтверждают отмеченный в работе [5] факт сильной зависимости энергии генерации лазера от уровня предыонизааии, но показывают ее насыщающийся характер. Таким образом, можно сделать практический вывод, что для достижения высокой эффективности лазера вводимая во вспомогательный разряд энергия имеет оптимум. Измерения показали, что для различных зарядных напряжений и величин основной накопительной емкости С_р, изменявшейся от 0,03 до 0,2 мкФ, оптимальное со­отношение энергии, запасенной в предыонизаторе, к энергии, запасенной в С_р, находится в пределах от 0,1 до 0,05.
Оптимальный энерговклад в скользящий разряд по поверхности диэлектрика может быть осуществлен и без применения отдельного конденсатора С_п. Нами испытана схема, в которой скользящий разряд создавался при импульсной зарядке распределенной вдоль длины электродов дополнительной обострительной емкости величиной 0,1 мкФ, набранной из конденсаторов КВИ-3 и присоединенной к металлическому высоковольтному электроду и поджигающему электроду, расположенному на поверхности диэлектрика. На рис. 7 приведены зависимости энергии генерации лазера для различных газовых смесей и полного КПД лазера (пунктир), определяемого как отношение энергии генерации к запасаемой в С_р энергии, от за­рядного напряжения.

Рис. 7. Зависимость энергии генерации лазера (сплошные линии) и КПД лазера (пунктир) от зарядного напряжения емкости С_р для смесей состава:
 F₂ : Кr : Не = 1 : 25 : 400, р  = 2,65 атм, С_р = 0,1 мкФ (1)
 NF₃ : Хе : Не = 1 : 3 : 500, р = 2,6 атм, С_р = 0,1 мкФ (2)
 НСl : Хе : Не = 1 : 15 : 350, р  = 3 атм, С_р = 0,1 мкФ (3)
F₂ : Кr : Не = 1: 25 : 400, р = 3 атм, С_р = 0,03 мкФ (4)

При С_р = 0,1 мкФ и зарядном напряжении 58 кВ получен уровень генерации 1,05 Дж на смеси состава F₂ : Kr : He = 1 : 25 : 400 (р  = 2,65 атм), 0,75 Дж на смеси состава НСl : Хе : Не = 1 : 15 : 350 (р = 3 атм) и 0,5 Дж на смеси состава NF₃ : Xe : He = 1 : 3 : 500 (р = 2,6 атм). Удельная энергия генерация лазера на молекуле KrF* составила при этом 5,8 Дж/л, а максимальный КПД лазера — 1,5 % при уровне генерации 0,7 Дж, С_р = 0,03 мкФ и зарядном напряжении 55 кВ. Достигнутые параметры существенно превышают характеристики подобных лазеров (см., например, [6]) и демонстрируют перспективность использования разряда по поверхности диэлектрика для предыонизации в эксимерных лазерах.

1. М.С. Richardson, К. Leopold, А. Аlсосk. IEEE J. QE-9, 934 (1973).

2. В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.А. Сатов, Ю.Ю.Степанов. Квантовая электроника, 2, 1701 (1975).

3. С.И. Андреев, И.М. Белоусов, П.Н. Дашук, Д.Ю. 3арослов, Н.В. Карлов, Г.П.Кузьмин, С.М. Никифоров, А.М.Прохоров. Квантовая электроника, 3,  1502 (1976).

4. Техника больших импульсных токов и магнитных полей / Под ред.  В.С. Комелькова. — М.: Атомиздат, 1970, с. 251.

5. В. М. Борисов, Ф.И.Высикайло, Ю.Б.Кирюхин, С.Г. Мамонов, А.П. Напартович, Ю.Ю. Степанов.  Квантовая электроника, 7, 500 (1980).

6. W. J. Sarjcan.t, A.J.Alcock, К.Е.Leopold. IEEE /. QE-14,  261 (1978).