«Системы возбуждения эксимерных лазеров» (стр. 1 из 6)

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Системы возбуждения эксимерных лазеров

курсовая работа

студента 4курса физико-

технического факультета

Саковича Д. А.

Научный руководитель:

преподаватель кафедры

лазерной физики и

спектроскопии

Володенков А.П.

Гродно 2004

РЕФЕРАТ

Реферат курсовой работы «Системы возбуждения эксимерных лазеров» студента физико-технического факультета УО Гродненский государственный университет имени Янки Купалы Саковича Д.А.

Объем 14 с., 1 рис., 1 табл., 7 источников.

Ключевые слова:

Эксимерный лазер,LC-контур, LC-инвертор, накачка.

Объект исследования –эксимерные лазеры.

Цель работы – сделать обзор литературы по системам возбуждения эксимерных лазеров.

Сделан обзор литературы по системам возбуждения эксимерных лазеров.

Полученные данные предпполагается использовать для совершенствования лазеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт

2. Эффективная предыонизация в ХеС1-лазерах

3. Возбуждение эсимерного KrF-лазера оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения

Заключение Список использованных источников

1. Условия возбуждения широкоапертурного ХеС1-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт.

Для ряда перспективных применений эксимерных лазеров требуются как высокая средняя мощность, так и значительная энергия в импульсе. В частности, создание ХеС1-лазера мощностью 1 кВт является одной из задач Европейской программы EUREKA. В рамках этой программы немецкой фирмой Лямбда Физик был создан XeCl-лазер со средней мощностью излучения ~750 Вт при энергии в импульсе ~ 1.5 Дж. Система питания лазера включала в себя LC-инвертор и звено магнитного сжатия. Недавно был сделан XeCl-лазер, в котором средняя мощность 1 кВт была достигнута при энергии в импульсе 10 Дж. Позже такой же уровень средней мощности был получен в ХеС1-лазере, созданном французской компанией Сопра при практически аналогичных параметрах лазерного излучения (энергия в импульсе 10 Дж при частоте повторения ~ 100 Гц).

Ранее накачка лазера осуществлялась с помощью LC-инвертора, но без цепи магнитного сжатия. В коммутатором LC-инвертора служили 6 тиратронов, работающих параллельно. Высокие (свыше 10 Дж) энергии в схеме с классическим LC-инвертором можно получить лишь при увеличении как давления, так и зарядных напряжений LC-инвертора. Однако повышать давление в газодинамическом контуре лазера крайне невыгодно из-за резко возрастающих требований к прочностным характеристикам лазера и системе прокачки газа. Использовать слишком высокие напряжения (свыше 30 кВ) также невыгодно, поскольку в этом случае необходимо применять дорогие и не отличающиеся высокой надежностью высоковольтные коммутаторы.

В этом пункте определены условия накачки мощного XeCl-лазера, при которых высокая энергия (~ 10 Дж) при частоте следования ~ 100 Гц, может быть достигнута при умеренных давлениях (до 5 атм.) и зарядных напряжениях (~ 30 кВ).

Модернизированная система накачки лазера содержала два параллельно соединенных генератора импульсных напряжений, состоящих из двух последовательно соединенных LC-инверторов. Такая система накачки позволяет получать импульсное напряжение с амплитудой 100 кВ при зарядных напряжениях лишь 25 кВ и использовать для коммутации импульсов с частотой повторения ~ 100 Гц недорогие, надежно работающие тиратроны. Система также включает в себя звено сжатия импульса на основе магнитного ключа и импульсно заряжаемые конденсаторы, подключенные к электродам лазера с минимальной индуктивностью L к 25 нГн. Суммарная емкость конденсаторов равна суммарной емкости генератора импульсных напряжений «в ударе» и составляет 100 нФ. Магнитный ключ выполнен в виде насыщаемого малоиндуктивного цилиндрического одновиткового дросселя с сечением сердечника ПО см², изготовленного на основе ленты шириной 20 мкм из металлоаморфного сплава 2НСР с индукцией насыщения B_s= 1.4Тл.

Поскольку при длительной работе эксимерного лазера в импульсно-периодическом режиме энергия генерации снижается из-за выработки НС1, неизменная средняя мощность эксимерного лазера обычно поддерживается за счет повышения зарядного напряжения U схемы накачки. Затем, при достижении максимально допустимого значения uq, производится регенерация газовой смеси и долговременный цикл работы повторяется. Таким образом, для поддержания средней мощности излучения лазера неизменной необходимо иметь запас по энергии генерации лазера при максимально допустимом £₀. В связи с этим был предпринят поиск условий, обеспечивающих получение энергии генерации свыше 10 Дж в широком диапазоне зарядных напряжений, не превышающих 30 кВ и соответствующих надежному долговременному режиму работы тиратронов.

На рис.1 представлены зависимости разрядного напряжения С/2 (кривые 1, 2) и амплитуды напряжения С/1 (кривая 3) на выходе генераторов импульсного напряжения от С/о. Прямая 6 показывает величину 4 С/о, которая соответствует максимально возможным значениям C/i и С/2. Кривыми 4 и 5 обозначены зависимости коэффициента k передачи запасенной в генераторах импульсного напряжения энергии в импульсно заряжаемую емкость С. На рис.1 видно, что с ростом С/о амплитуда генератора U сохраняет максимально возможное значение 4С/о вплоть до С/о ~ 23.5 кВ. Однако при этом амплитуды С/2 напряжения на разряде существенно отличаются от максимально возможного значения 4С/о (кривые 1, 2). Для d = 8 см это обуславливает достаточно малый коэффициент передачи энергии k = 0.56 (кривая 4), которому соответствует энергия генерации Е = 5.3 Дж и КПД ц = 1.3% (рис.4, кривые 2). Увеличение d до 9 см приводит к возрастанию амплитуды разрядного напряжения (кривые 1, 2) и повышению коэффициента передачи энергии до k = 0.7 (кривая 5), что влечет за собой рост энергии генерации до 7.5 Дж и КПД до 1.65% (рис.4, кривые 3).

Экстраполяция полученных результатов показывает, что если дальше увеличивать межэлектродное расстояние лазера d до 10.6 см, то энергия генерации Е « 10 Дж может быть получена с ц = 2.2% и k = 0.9 при зарядном напряжении всего лишь 23.5 кВ, что существенно расширяет возможности поддержания киловаттного уровня мощности излучения при длительной работе лазера.

k

Рис.1. Зависимости амплитуд напряжения на разрядном промежутке лазера (1, 2) и генератора импульсных напряжений (3), а также коэффициента передачи энергии генератора в импульсно заряжаемую емкость С (4, 5) от зарядного напряжения для d = 8 (1, 4) и 9 см (2,5);б-4£/₀. сокращается с 240 до 190 не. Таким образом, энергия генерации существенно повышается при увеличении скорости перекачки энергии в импульсно заряжаемую емкость С. Однако поскольку время полной перекачки энергии из генераторов импульсного напряжения в емкость С фиксировано и равно 300 не, это сопровождается уменьшением k (кривая 5, рис.5) и соответственно ц (кривая 3, рис.4,6).

Требуемого для увеличения энергии генерации значительного повышения С/о, сопровождаемого снижением КПД, можно избежать при дополнительном сжатии импульса накачки. Анализ полученных результатов показывает, что введение дополнительного звена сжатия на основе магнитного ключа позволит получить при d = 10.6 см энергию генерации Е = 14 Дж с ц « 2.3% при С/о = 27.5 кВ. Это является одной из задач программы реализации долговременной устойчивой работы XeCl-лазера со средней мощностью излучения 1 кВт.

Таким образом, нами исследованы характеристики широкоапертурного XeCl-лазера киловаттного уровня средней мощности (10 Дж, 100 Гц) с модернизированной системой питания в виде последовательно соединенных LC-инверторов и магнитного звена сжатия импульса, отличающейся пониженными зарядными напряжениями (С/о < 30 кВ). На основе анализа условий возбуждения активной среды лазера рассмотрена возможность реализации режима с выходной мощностью 1 кВт, обеспечивающего поддержание неизменного уровня мощности лазера при долговременной работе.

2. Эффективная предионизация в ХеС1-лазерах.

Предыонизация в ТЕА-лазерах является ключевым фактором, определяющим такие характеристики, как энергия генерации, ее стабильность от импульса к импульсу, время жизни газовой смеси. Использованная еще в первых моделях TEA CO-лазеров и эксимерных лазеров предыонизация газа УФ излучением от рядов искр, расположенных по обеим сторонам разрядного объема, остается в настоящее время широко распространенной для лазеров с малой апертурой. Так, в коммерческих эксимерных лазерах, выпускаемых фирмой «Лямбда-Физик», для апертур разряда порядка 1 см² при оптимально малом энерговкладе искровая УФ предыонизация обеспечивает относительную нестабильность энергии импульсов генерации менее 1 % при времени жизни газовой смеси 20 млн. импульсов [1]. Однако при увеличении апертуры разряда искровая предыонизация становится неэффективной [2], т.к. не обеспечивает однородности предыонизации газового объема и, как следствие, требуемой однородности объемного разряда.

Активный объем можно увеличить, осуществляя предионизацию через полупрозрачный электрод. В работе [3] в качестве источника УФ предионизации в ХеС1-лазере использовался коронный (барьерный) разряд, однако малая интенсивность его УФ излучения не позволила увеличить сечение разряда свыше 4 х 2.5 см даже при сравнительно низком удельном энергосъеме ~0.8 Дж/л. Импульсно-периодический XeCl-лазер, обладающий энергией генерации 2.6 Дж и рекордной на сегодняшний день средней мощностью 2.1 кВт [3], состоял из трех модулей с суммарной длиной основного разряда порядка 3 м, так что один из габаритных размеров лазера равнялся 5.2 м.