«Системы возбуждения эксимерных лазеров» (стр. 2 из 6)

Для ХеС1-лазеров с большим объемом активной среды одним из эффективных способов предыонизации является применение рентгеновского излучения. Однако сложность устройства рентгеновского источника преионизации и необходимость биологической защиты ограничивают возможности широкого внедрения лазеров с предыонизацией данного вида. Кроме того, нам неизвестны данные о ресурсе газовой смеси в лазерах с рентгеновской предыонизацией при высокой частоте повторения импульсов. Этот ресурс может быть невысок, т. к. рентгеновское излучение может способствовать эффективному образованию в рабочей газовой смеси лазера химических соединений, отрицательно сказывающихся на лазерных параметрах.

В [4] был развит альтернативный способ предварительной ионизации широкоапертурных газовых лазеров - ионизация УФ излучением скользящего разряда (СР) по поверхности диэлектрика. В [5] было показано, что такая предионизация, осуществляемая через полупрозрачный электрод, обеспечивает получение объемного разряда с апертурой d х Ъ и 12 х 10 см (d — межэлектродное расстояние, Ъ — ширина разряда) и энергию генерации до 20 Дж в импульсном ХеС1-лазере. В [6] мы, используя пред-ыонизацию СР, впервые получили среднюю мощность электроразрядных эксимерных лазеров 1 кВт (10 Дж, 100 Гц) в импульсно-периодическом режиме.

В настоящей работе при помощи УФ излучения вспомогательного СР исследуются наиболее эффективные режимы предионизации в XeCl-лазерах. Определены характеристики излучения компактного XeCl-лазера в импульсно-периодическом режиме при различных комбинациях энергии и длительности импульса генерации.

Электродная система широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией излучением СР

Поиск эффективных условий предыонизации проводился для ряда импульсно-периодических XeCl-лазеров с предыонизацией УФ излучением СР. На рис.1 показана

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

205

Рис.1. Электродная система лазера с УФ предыонизацией излучением СР:

1 — высоковольтный электрод; 2—заземленный щелевой электрод; 3 — ножевой электрод; 4 — сапфировая пластина; 5 — охлаждаемая металлическая подложка.

Компактная электродная система широкоапертурного ХеС1-лазера. Основной объемный разряд формировался между двумя электродами, профилированными по модифицированному профилю Чанга. Позади полупрозрачного электрода располагался источник УФ предионизации в виде вспомогательного СР по поверхности диэлектрика. В качестве диэлектрика использовалась сапфировая пластина, расположенная на охлаждаемой металлической подложке, служившей электродом, на который подавалось импульсное отрицательное напряжение. Ножевой электрод системы формирования СР соединялся с заземленным полупрозрачным электродом дискретными параллельными проводниками. СР развивался с ножевого электрода в обе стороны и замыкался на грани металлической подложки. УФ излучение слоя плазмы СР, который однородно покрывал поверхность диэлектрика, обеспечивало предионизацию активного объема лазера, распространяясь через полупрозрачный электрод. Сравнительное исследование показало, что для ХеС1-лазеров с объемом активной среды ~ 1 л эффективность использования энергии, затрачиваемой на предионизацию, в случае применения СР в 5 раз выше, чем при боковой предионизации искровыми разрядами. При этом преимущества УФ предионизации излучением СР наиболее полно проявляются с увеличением поперечного сечения активной среды лазера.

На начальном этапе развития широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией излучением СР полупрозрачный электрод изготавливался перфорированным с диаметром отверстий 1 мм и прозрачностью 50 %. Перфорация выполнялась в рабочей части электрода толщиной 1.0-1.2 мм [6,7]. Использование перфорированных электродов приводило к коллимации потока УФ излучения от СР, поступающего в активный объем лазера через туннелеобразные отверстия перфорированного электрода, и, соответственно, к неоднородности основного разряда, проявляющейся в его протекании в виде диффузных каналов, привязанных к отверстиям перфорации [7]. Для устранения этого эффекта был разработан новый тип полупрозрачного профилированного электрода, в котором УФ излучение от СР проходит в разрядный объем не через отверстия, а через щели, ориентированные перпендикулярно продольной оси электрода (рис.1). Ширины щелей и перегородок были равны 1 мм, так что прозрачность рабочей части электрода составляла 50 %. С использованием таких щелевых полупрозрачных электродов повышается КПД лазера и достигаются высокие однородность разряда и качество лазерного пучка [8].

Экспериментальное исследование оптимальных условий предыонизации

Первый эксперимент, показавший нам важность правильного выбора условий предыонизации [9], проводился на ХеС1-лазере с апертурой d х Ъ = 7.8 х 4.4 см. Для возбуждения основного объемного разряда и вспомогательного СР использовались две отдельные С-С-схемы питания, коммутируемые одновременно. При варьировании времени зарядки импульсного конденсатора, подсоединенного к электродам основного объемного разряда, было замечено, что при близких временных режимах ввода электрической энергии в разряд и неизменном импульсе УФ излучения СР энергия генерации значительно увеличивалась при уменьшении скорости роста разрядного напряжения.

На рис.2 показаны рост приведенной напряженности электрического поля E(f)/N (N- плотность частиц газа) на разрядном промежутке лазера и осциллограмма импульса /р_г(г) УФ излучения предыонизатора. При условиях предыонизации, представленных на рис. 2,6, энергия генерации оказалась в 3 раза выше, чем в случае рис.2,а, характеризующегося большей скоростью нарастания E/N.

В вышеописанном эксперименте положение импульса разрядного напряжения было фиксировано по отношению к импульсу предыонизации, и для лучшего понимания столь резкого увеличения энергии генерации был проведен второй эксперимент на XeCl-лазере с апертурой d х Ъ = 5 х 3 см. В этом лазере ввод энергии в основной разряд осуществлялся электрической схемой с LC-инвертором и двумя ступенями магнитного сжатия импульса накачки, подобной описанной в [10]. Энерговклад в СР проводился с помощью независимой схемы импульсного питания, позволявшей варьировать как энергию, вводимую в СР, так и момент его включения.

На рис.3,а представлено взаимное положение импульсов напряжения £/(?), подаваемого на электроды лазера, и интенсивности УФ излучения СР /_pr(?)- Этому соответствует временная задержка между ними, равная нулю. Нулевая задержка (та = 0) выбрана так, что начало импульса излучения предыонизатора I_pr(t) соответ-

10 8 6 4

В-см²); /_рг (отн. ед.)

О t_c t_s 100

200 \Л (не) О

100

200 t (не)

Рис.2. Положение импульса УФ излучения предыонизатора /_рг(<) относительно импульса приведенной напряженности электрического поля E(f)/Ntia. разрядном промежутке лазера при длительностях 140 (а) и 280 не (б) фронта нарастания E/N, соответствующих энергии генерации 2 (а) и 6 Дж (б) для смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа.

1/(кВ); /_рг (отн. ед.)

30

20

10

О

-10

-400 -200 0 200 <(нс)

2.5 2.0 1.5 1.0

0.5 -100 0 100 200 300 400 т_а(нс)

Рис.3. Оптимальное положение импульса разрядного напряжения U(t) относительно импульса предыонизации I_pr(t) (а) и зависимости энергии генерации E&bsol;_3S от времени задержки tj между импульсами U(t) и /_рг(<) при энерговкладах во вспомогательный СР 0.17 (7), 0.42 (2) и 1 Дж (5) (б).

соответствует моменту достижения на разрядном промежутке лазера приведенной напряженности электрического поля (E/N)_C, при которой реализуется ионизационно-прилипательное равновесие в газе на предпробойной стадии развития объемного разряда: Vi(E/N) = v_a(E/N), где v;, v_a - частоты ионизации и прилипания электронов.

В эксперименте импульс разрядного напряжения U(t) неизменной формы можно было сдвигать по времени относительно его положения, показанного на рис.3,а, изменяя таким образом время та задержки импульса напряжения на разряде относительно импульса предионизации.

При минимизированном энерговкладе в СР предионизатора (кривая 7 на рис.3,6) зависимость £¹i_as(td) имеет четко выраженный максимум при та и 0. Это означает, что предыонизация наиболее эффективно осуществляется именно с момента достижения ионизационно-прилипательного равновесия в разрядном промежутке лазера. Рассмотрение зависимостей на рис.3,6 показывает, что увеличение энергии, затрачиваемой на предионизацию, значительно расширяет диапазон временной задержки (—15 ^ та ^ 200 не), при которой предыонизация максимально эффективна. При этом для лазера с магнитной компрессией импульса накачки и характерной скоростью нарастания разрядного напряжения dU/dt ~ 2- 10^П В/с увеличение энерговклада во вспомогательный СР свыше Е_рги 0.42 Дж нецелесообразно, т. к. не приводит к повышению энергии генерации лазера или к заметному изменению зависимости £i_as от та (кривые 2,3 на рис.3,6).