Системы возбуждения эксимерных лазеров
а, при которых высокая энергия генерации
сохраняется (рис.4,6).
Заключение
Обоснован режим эффективной предыонизации в эк-симерных XeCl-лазерах,
заключающийся в ее осуществлении на оптимальном временном интервале роста
разрядного напряжения с оптимально сформированным фронтом. Показано, что
длительность временного интервала, соответствующего максимальной
эффективности предионизации, возрастает при снижении скорости роста
разрядного напряжения dU/dt, когда отношение E/N находится в определенной
окрестности значения, соответствующего ионизационно-прилипательному
равновесию (v; = va) в разрядном объеме. В то же время увеличение dU/dt на
этапе лавинного размножения фотоэлектронов резко снижает уровень
предионизации, необходимый для достижения максимального КПД лазера,
существенно повышая ее эффективность.
Показано, что предыонизация УФ излучением СР, осуществляемая в
оптимальном режиме, позволяет при очень малом энерговкладе в СР (~ 100 мДж)
добиваться высоких энергий генерации ХеС1-лазеров с различными условиями
ввода энергии в основной разряд. Этот факт имеет важное значение для
импульсно-периодического режима работы лазеров, поскольку при таком малом
энерговкладе в источник предионизации, во-первых, не вносится существенных
возмущений в газовую среду лазера и, во-вторых, обеспечивается приемлемо
малое распыление электродов системы формирования вспомогательного разряда.
Таким образом, предионизатор не является препятствием для повышения ресурса
использования как газовой смеси, так и оптических окон лазера при его
долговременной работе, что является необходимым условием использования
лазеров в технологии. Кроме того, при снижении энерговклада в СР ресурс
самого предыонизатора также увеличивается. При использовании предыонизатора
на базе СР в компактных импульсно-периодических ХеС1-лазерах со средней
мощностью излучения 500 Вт не отмечено случаев разрушения диэлектрика
предыонизатора при наработке, превышающей 108 импульсов.
3. Возбуждение эксимернго KrF-лазера оптическим разрядом в поле ИК
лазерного излучения.
В настоящее время экеимерные лазеры (ЭЛ) являются мощными и
эффективными источниками когерентного излучения в УФ области спектра. Для
их возбуждения широко применяются пучки электронов высокой энергии и
электрический разряд. При этом КПД по вложенной энергии многих ЭЛ достигает
10 %. Известны эксперименты по эффективному возбуждению ЭЛ СВЧ разрядом в
поле импульсного СВЧ излучения в сходящихся конусообразных волноводах [1].
В связи с этим представляет несомненный интерес возможность возбуждения
лазеров на эксимерах (например, KrF, ArF и др.) мощным ИК лазерным
излучением, когда в средах этих лазеров развивается оптический разряд.
Эффективными источниками ИК лазерного излучения являются импульсные
химические лазеры на цепной реакции водорода со фтором. В результате ранее
проведенных нами исследований была показана возможность создания чисто
химических HF- и DF - СО2-лазеров на так называемой фотонно-разветвленной
реакции. На их основе возможно создание многокаскадных систем химических
лазеров, где импульс выходного излучения каждого предыдущего лазера
инициирует работу последующего, излучающего импульс с энергией, большей в
10-20 раз [2]. Таким образом, для трехкаскадной системы выходная энергия ИК
лазерного излучения будет превышать энергию входного импульса в 103 - 104
раз. Если конечным каскадом служит ЭЛ, возбуждаемый оптическим разрядом в
поле ИК излучения импульсного химического лазера с КПД ~ 10 %, то возможно
получение импульса УФ лазерного излучения с энергией, в 102 - 103 раз
превышающей затраченную на инициирование химического трехкаскадного лазера.
В настоящей работе исследуется среда KrF-лазера, в которой оптический
разряд возникает под действием ИК лазерного излучения. Рассматривается
возможность эффективного возбуждения лазера на смеси F2-Kr-He импульсами
излучения с длиной волны 10,6 и ~3 мкм длительностью 20-150 не и
исследуется прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения через среду
ЭЛ.
Рассмотрим среду KrF-лазера (смесь F2-Kr-Не), на которую действует
импульс ИК лазерного излучения с интенсивностью в максимуме /тах, при
которой возможно развитие в данной среде оптического разряда и
обеспечивается наработка достаточной концентрации электронов (Ne ~ 1016
см~3). Первичные "затравочные" электроны в среде ЭЛ могут возникать при
испарении в поле ИК излучения ультрадисперсных частиц, почти всегда
находящихся в газах, из которых приготовляют лазерную смесь. Эти частицы
веществ, не реагирующих со фтором, имеют размеры 0,01-0,1 мкм и
концентрацию и~ 106 см~3. Если такие частицы отсутствуют в смеси ЭЛ, их
туда следует инжектировать с концентрацией, не меньшей 105 см~3.
Итак, частицы с размерами менее 0,1 мкм будут испаряться под действием
ИК лазерного излучения с соответствующей интенсивностью за времена, много
меньшие длительности возбуждающего импульса. При этом образуются свободные
термоэлектроны, переходящие в газовую среду вместе с нейтральными атомами и
ионами. "Микропробои" в парах вещества частиц также сопровождаются
образованием свободных электронов в лазерной смеси. Возникающие свободные
электроны будут быстро набирать энергию в поле ИК излучения, вызывая в ходе
их диффузии в лазерную среду ионизацию атомов и молекул с образованием
новых электронов. При этом вследствие быстрого набора энергии электронами
сравнительно малое их количество будет захватываться молекулами фтора в
реакции F2 + e-»F~ + F [3]. Сечение этого процесса падает при энергиях
электронов свыше 0,3 эВ [4], электроны же в ходе развития электронной
лавины в среде ЭЛ будут иметь среднюю энергию е^З эВ, если скорость их
диссоциативного прилипания к молекулам фтора меньше скорости ионизации
компонентов смеси. Таким образом, в поле ИК лазерного излучения
соответствующей интенсивности электроны диффундируют в лазерную среду, не
уменьшаясь в количестве. При этом коэффициент диффузии электронов с е^З эВ
составляет Z)• 2F + е ; возбуждение атомов электронным ударом -
Не + е -» Не* + е, Кг + е -» Кг* + е;
ионизация из основного и возбужденного состояний
Кг + е -> Кг+ + 2е, Кг* + е -> Кг+ + 2е,
Не + е -> Не+ + 2е, Не* + е -> Не+ + 2е; образование ионов Кг2 -
Кг+ + Кг + Не -> Кг2+ + Не; диссоциативная рекомбинация -
Кг2+ + е -» Кг* + Кг; пеннинговская ионизация -
Не* + Кг -> Не + Кг+ + е, Не* + Кг + Не -> -> Кг+ + 2Не + е, Кг* +
Кг* -> Кг+ + Кг + е; тушение возбужденных атомов Кг -Кг* + е -> Кг + е;
образование возбужденных молекул KrF -Кг* + F2 -> KrF* + F, Kr+ + F~ + He
-> KrF* + He, а также гибель молекул KrF в реакциях
KrF*+ F2 -> Кг + 3F, KrF*+ Кг + He ^
2Kr + F + He, KrF + 2He -> Kr
2He,
[pic]
Зависимость от времени интенсивности возбуждающего лазерного излучения
с длиной волны 10,6 мкм на входе в среду р2 - Кг - Не (1) и после
прохождения в этой среде 50 см (2) при фокусировке ИК излучения оптической
системой с фокусным расстоянием 3,5 м.
сам с максимумом при (рисунок):
tm = tf/5 = 4 30 не
при
Ш = [/maxW«/0/ -
Поскольку в исследуемых смесях KrF-лазера концентрация гелия намного
превышает концентрацию других компонентов, коэффициент поглощения ц(е) ИК
излучения свободными электронами в лазерной среде при е < 5 эВ полагался
[3] равным (8/3)ц0(2е/Зл:81)1'/2, где ц0 - коэффициент поглощения ИК
излучения в Не при больших энергиях электронов [6], ei = 6 эВ.
Конкретные численные расчеты были проведены нами для смесей KrF-
лазера, типичных для
Таблица 1
KrF -> Кг + F + hv, KrF + е -> Кг + F + е.
Константы скоростей указанных процессов, зависящие от электронной
температуры, брались из [5,6]. Константа скорости диссоциативного
прилипания электронов к F2 (в см3/с) апроксимирова-лась на основе данных
[4] выражением 2,6-1 (Г9 х хехр(-0,08/Ге)/Те, где Те - температура
электронов в электронвольтах. Для диссоциации молекул фтора электронным
ударом константа скорости полагалась равной 2-1 (Г9 см3/с. Возбуждающий
импульс ИК лазерного излучения длительностью г,- = 20 150 не брался в
расчетах близким по форме к экспериментально наблюдаемым лазерным импуль-
Примечание: tp - время достижения максимума импульса генерации KrF-
лазера; Р/ - удельная мощность генерируемого излучения; е/ - удельный
лазерный энергосьем KrF-лазера, возбуждаемого оптическим разрядом.
Экспериментальных условий [5]: F2:Kr:He = = 3:75:1500 (смесь 1) и
4:200:1500 мм рт.ст. (смесь 2). Полагалось, что к моменту t = 1 не после
начала действия возбуждающего импульса ИК излучения концентрация
электронов, возникающих при испарении ультрадисперсных частиц в среде KrF-
лазера, достигает Ne = 109 см~3. При этом расчеты, выполненные при Ne (t =
1 не) = 107 - 1010 см~3, приводят практически к тем же результатам.
Вначале нами были исследованы характеристики плазмы оптического
разряда в указанных средах на входе ИК излучения в смесь KrF-лазера (х = 0)
при различных /тах и ?,-. Результаты расчетов для импульса ИК лазерного
излучения длительностью tj = 20 не представлены в табл. 1. Видно, что
необходимая для образования требуемой концентрации электронов Ne х 1015 -
1016 см~3 интенсивность ИК излучения в максимуме (t =
| |  скачать работу |
Системы возбуждения эксимерных лазеров |
