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)<?~3-103 см2/с в смесях с давлением р~\ атм. Время диффузионного смешения электронов т^« R2/l6De (R - среднее расстояние между ультрадисперсными частицами) при и~ 106 см~3 составит 2 не. Итак, в поле возбуждающего ИК излучения соответствующей интенсивности в среде KrF-лазера за время порядка нескольких наносекунд возникает практически однородная концентрация первичных свободных электронов. Далее под действием излучения с подходящей пиковой интенсивностью /тах в среде развивается электронная лавина и концентрация электронов быстро возрастает, достигая максимума спустя некоторое время после пика возбуждающего импульса. Затем по мере спадания интенсивности ИК лазерного излучения концентрация электронов может уменьшаться из-за их диссоциативного прилипания к молекулам фтора.
Таким образом, импульс ИК лазерного излучения с соответствующей максимальной интенсивностью /тах может обеспечивать в среде ЭЛ как предионизацию за счет испарения ультрадисперсных частиц, так и наработку необходимой для возбуждения ЭЛ концентрации свободных электронов. В рассматриваемом случае будет происходить возбуждение ЭЛ оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения. При этом оптимальная для возбуждения ЭЛ концентрация электронов (1015-1016 см~3) будет нарабатываться при соответствующей оптимальной интенсивности возбуждающего излучения в максимуме. Вследствие ослабления ИК лазерного излучения электронами с указанной концентрацией необходима фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с подходящим фокусным расстоянием . Как показывают дальнейшие расчеты, это может обеспечить наработку практически постоянной максимальной концентрации электронов на достаточно большой длине в среде KrF-лазера.
При действии возбуждающего ИК излучения с максимальной интенсивностью, превышающей оптимальную, на входе в среду ЭЛ может развиваться оптический пробой, при котором концентрация электронов достигает значений Ne ~ 1018 см~3. Но при таких больших Ne ИК лазерное излучение будет заметно ослабевать по мере его дальнейшего про-хрождения в среду ЭЛ. При этом вследствие очень сильной зависимости порога пробоя от интенсивности излучения пробой не возникает уже на сравнительно небольшом (~ 1 см) расстоянии от входа возбуждающего импульса в лазерную среду. Соответственно и концентрация электронов будет резко падать с расстоянием до значений, при которых возможно прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения в среду ЭЛ. При фокусировке пучка ИК излучения в лазерной среде будет обеспечиваться наработка практически постоянной концентрации электронов, зависящей от фокусного расстояния при котором ослабление ИК излучения будет компенсироваться соответствующим сжиманием пучка из-за его фокусировки. Например, как показывают расчеты, для импульса излучения длительностью ~ 10 не с длиной волны 10,6 мкм, действующего на среду KrF-лазера (р к, 2 атм), практически постоянная максимальная концентрация образующихся электронов Ne ж 1016 см~3 обеспечивается на достаточно большой длине (~1 м) при /«3,5 м. Для наработки же электронов с Ne ж 1015 см~3 требуется фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с фокусным расстоянием/» 20 м. Таким образом, для обеспечения наработки в среде ЭЛ необходимой концентрации электронов Ne на большой длине достаточно сфокусировать входное ИК лазерное излучение оптической системой с соответствующим фокусным расстоянием однозначно определяющим значение Ne, которое практически не зависит от интенсивности /тах на входе в лазерную среду.