«Системы возбуждения эксимерных лазеров» (стр. 3 из 6)

Третий эксперимент был проведен на XeCl-лазере с размерами разряда 5 х 3 х 70 см. Отличительной особенностью этого лазера является использование для накачки основного разряда схемы с предимпульсом [2], обеспечивающей энергию импульса генерации E\_as ^ 3 Дж при КПД ц к 3.6 % и длительность импульса генерации ~ 120 не.

На рис.4,а показано оптимальное положение импульса УФ предионизации /_рг(?) относительно импульса напряжения на электродах основного разряда U(t), а также осциллограммы тока через разряд I(f) и импульса генерации /i_as(?). По сравнению со схемой с магнитной компрессией импульса накачки (рис.3,а) здесь начальный участок импульса напряжения на разряде U(t) отличается большей длительностью (свыше 0.5 мкс) и, следовательно, малой скоростью нарастания dU/dt < 5-Ю¹⁰ В/с (рис.4,а). Этому соответствует больший (не менее 0.2 мкс) временной интервал эффективной предионизации на стадии роста разрядного напряжения (как это видно из зависимостей £¹i_as(ta), представленных на рис.4,6).

Как видно из зависимостей U(t), Ipi(t), приведенных на рис.4,а, особенностью рассматриваемой техники накачки является реализуемое непосредственно перед достижением максимума напряжения на разрядном промежутке лазера резкое увеличение скорости нарастания этого напряжения (до ~5'10^П В/с), что облегчает условия зажигания однородного объемного разряда за счет большого перенапряжения. При этом в соответствии с зависимостями 7,2 на рис.4,6 максимальные энергия генерации и КПД лазера достигаются при значительно меньших (примерно на порядок величины) энерговкладах в СР (Е_рги 25 мДж), чем для схемы с не столь высокой скоростью нарастания напряжения (рис.3,6).

В результате оптимизации режимов предыонизации и возбуждения активной среды энерговклад во вспомогательный СР составил лишь 0.025 % от энерговклада в основной объемный разряд компактного высокоэффективного 0/ > 3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.

1/(кВ);

Ipr, I, lias

(отн. ед.) 20

-20

-40

-600

-300

300

'(не)

*(Дж) 3

-300

о

300

та (не)

Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыонизации I_pr(t), разрядного напряжения U(t), тока /((), импульса генерации las(') (и) и зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с высоковольтным предымпульсом.

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

207

Р(Вт) 600

400 200

О

О

100

200

/(Гц)

Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и относительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70 (2,5) и 45 не (5), 6).

Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов

Простой и надежный предыонизатор на базе СР хорошо вписывается в конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера, показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при межэлектродном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, подобная использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.

Некоторые зависимости, характеризующие универсальный XeCl-лазер, приведены на рис.5. Зависимость средней мощности лазерного излучения Р от частоты следования импульсов/при длительности генерации 120 не (кривая 1 на рис.5) была получена при использовании схемы накачки с высоковольтным предымпульсом, характеристики которой приведены на рис.4. Зависимости P(f) при длительности импульса генерации 70 и 45 не (кривые 2,3 на рис.5) были получены для схем возбуждения, использующих LC-инвертор и две ступени магнитного сжатия.

На рис.5 показано также поведение относительной нестабильности энергии генерации а в зависимости от частоты следования импульсов (кривые 4—6). Из рассмотрения этих кривых видно, что относительная нестабильность энергии генерации не превышает 1 %, что свидетельствует о высокой эффективности используемого режима предыонизации.

Анализ результатов

Для характеристики и сравнения режимов предыонизации на временном интервале роста напряжения на разряде введем параметр nf₀ [9]:

f'^s Г Г

- 4(0 ехр- 0;

J /с I J t_c

ос /_Рг(?) - скорость производства фотоэлектронов в единице разрядного объема, пропорциональная интенсивности УФ излучения предыонизатора; t_c - момент времени достижения ионизационно-прилипательного

равновесия: Vi(t_c) = v_a(?_c); t_s - момент времени, к которому произошел существенный (в 3 —10 раз) рост числа электронов в лавинах, при этом J,^s(v; — v_a)dt ~ 1 — 2. Параметр nf₀ эквивалентен обычной начальной плотности электронов и_ео, т. к. при t ^ t_s

Л* (О

ft

л^ехр vidt'. Jt_c

Из расчетов с привлечением количественных данных по константам скоростей ионизации и прилипания [5] следует, что для газовой смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа отношение (£/-/V)_c«2.3-10~¹⁷ В-см² (рис.2). При этом, если в случае рис.2,а к моменту времени t_c и 20 не фотоэлектроны еще не производились предионизатором, то в случае рис.2,6 к моменту времени t_c их наработано достаточно большое число (~ (1/3)и^), причем они почти не гибли, т. к. у_аг_с < 0.2. В итоге для случая рис.2,а nf₀ в 3.5 раза меньше, чем для случая рис.2,6. Более того, при меньшей скорости роста напряжения (рис.2,6) коэффициент размножения электронов в лавинах К= &bsol;п(п_е/п^} при t ^ t_s + 40нс во много (значительно больше 1.6) раз меньше, что отдаляет во времени наступление критических условий потенциального перехода в стример (К и 20) и приводит к большему диффузионному расплыванию лавин и их более полному перекрытию.

На осциллограммах рис.2 видна общая качественная особенность временного режима предионизации: сохранение значительной интенсивности фотоионизации до момента существенного роста числа электронов в лавине t_s. Из этого можно заключить, что в обоих случаях нет условий для образования обедненной электронами зоны вблизи катода из-за их дрейфа до момента t_s.

Из приведенного рассмотрения следует, что эффективной является предыонизация на определенном оптимальном временном интервале роста напряжения на разрядном промежутке. Данный интервал находится в окрестности момента достижения ионизационно-прилипательного равновесия t_c, и его верхняя граница соответствует моменту существенного роста электронов в лавинах t_s. При этом качество разряда и, соответственно, интенсивность генерации будут высокими, если к моменту t_s будет достигаться некая пороговая для данных условий возбуждения разряда концентрация электронов nf₀. Эффективность предионизации, понимаемая как минимальность энергетических затрат на предионизацию при максимальной энергии генерации лазера, определяется оптимальностью способа достижения требуемой пороговой концентрации nf₀ к моменту времени t$.

Кривая 7 рис.3,6 подтверждает сказанное выше, т. к. при минимизированном энерговкладе в СР предыонизатора максимум энергии генерации получен именно тогда, когда импульс УФ излучения СР реализовался на временном интервале t_c < t < t_s. Если импульс УФ излучения СР реализуется позже оптимального момента времени, показанного на рис.3,а, энергия генерации резко падает (отрицательная область задержек та на рис. 3,6), поскольку фотоэлектроны, созданные после момента времени t_s, уже не дают начало дополнительным лавинам с большим числом электронов и большими размерами, способным эффективно (с точки зрения однородности разряда) перекрыться, т. е. не повышают уровень предионизации nf₀. В случае, когда импульс УФ излучения осуществляется раньше оптимального момента времени (положительная область задержек та на рис.3,6), энергия генерации также падает, т. к. к моменту t_s нарабатывается и сохраняется меньшая концентрация фотоэлектронов из-за их прилипания. Однако, если увеличить энерговклад в СР, энергия генерации сохраняется высокой и в области положительных задержек та (кривые 2,3 на рис.3,6), поскольку к моменту t_s еще сохраняется требуемая концентрация фотоэлектронов.

При использовании схем накачки с предимпульсом высокая скорость нарастания напряжения на предпробойной стадии разряда снижает требования к пороговой концентрации фотоэлектронов, обеспечивающей высокое качество основного разряда и максимальную энергию генерации XeCl-лазера (рис.4). В то же время, поскольку предыонизация осуществляется на начальном участке фронта импульса напряжения с малой скоростью нарастания, то интервал времени от t_c до t_s (Т = tc — t_s) увеличивается. Соответственно увеличивается и диапазон задержек та, при которых высокая энергия генерации сохраняется (рис.4,6).