Исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров
Министерство образования Республики Беларусь
УчРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИя «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ
ЯНКИ КУПАЛЫ »
ФИЗИКО-ТЕХНИчЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра лазерной физики и спектроскопии
Исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров
Курсовая работа
студента физико-технического
факультета 4 курса, 2 группы,
специальности "Лазерная физика и
спектроскопия"
Гильвина Павла Леонидовича
Научный руководитель:
доцент кафедры лазерной физики и
спектроскопии
Зноска Казимир Францевич
Гродно, 2003
УДК 530.145
Реферат курсовой работы "Исследование влияния растворителя на
cпектрально-люминесцентные и генерационные свойства кумаринов" студента
физико-технического факультета УО «Гродненский государственный университет
имени Янки Купалы» Гильвина Павла Леонидовича. Объем( 33 страницы( 8
рисунков( 0 таблиц, 9 литературных источников( 0 приложений( 18 формул.
Ключевые слова( предыонизация активной среды, возбуждение
электрическим пучком, эксимерная молекула, LC-контур, LC-инвертор.
Изучаются эксимерные лазеры, спобы и системы их возбуждения.
Содержание
Введение 4
1. Механизмы возбуждения эксимерных лазеров 6
1.1. Возбуждение эксимерного лазера элекронным пучком 7
1.2. Возбуждение зксимерного лазера разрядом 10
1.3. Общая характеристика систем предыонизации 14
2.Основные схемы возбуждения ЭЭЛ 18
2.1. Использование LC-контура для возбужденияэлектроразрядных эксимерных
лазеров 21
2.2 Описание схемы LC-инвертора 27
Заключение 31
Список используемой литературы 34
Введение
В настоящее время эксимерные лазеры являются лучшими источниками
когерентного излучения в ультрафиолетовой области спектра. Хотя класс
эксимерных лазеров весьма широк, наиболее перспективной является группа
импульсных газоразрядных лазеров высокого давления на галогенидах инертных
газов, излучающих на длинах волн, расположенных в ультрафиолетовой (УФ)
области спектра, в частности электроразрядный эксимерный ХеСl лазер (длина
волны генерации 308 нм). Данный класс лазеров отличают сравнительная
простота конструкции, возможность достижения высоких энергий генерации и
пиковой мощности, малой угловой расходимости и возможности получения узкой
спектральной полосы генерации.
Для многих практических применений эксимерных лазеров важнейшее
значение имеют такие характеристики как энергия, мощность, длительность и
форма импульса генерации, расходимость и однородность пространственного
распределения энергии. Они зависят от целого ряда факторов, однако
определяющую роль играет система возбуждения активной среды, обеспечивающая
однородность энерговклада и формирование его квазистационарной стадии.
Поэтому на сегодняшний день не вызывает сомнений актуальность проблемы
повышения эффективности электроразрядных эксимерных лазеров, улучшение их
энергетических и временных характеристик. Существенную помощь в решении
данной задачи может оказать моделирование процесса возбуждения эксимерных
электроразрядных лазеров, а также схем их накачки, сочетающее в себе
теоретические расчеты и экспериментальные данные. Развитие вычислительной
техники и создание новых расчетных программ позволяет моделировать процесс
возбуждения активной среды, есть возможность теоретически, без проведения
эксперимента исследовать зависимости вложенной в активную среду энергии от
широкого набора параметров цепи возбуждения, выявлять оптимальные режимы
возбуждения и набор параметров цепи возбуждения, по заданным выходным
характеристикам генерации.
Для повышения энергетических характеристик эксимерных лазеров
необходимо уменьшение потерь энергии в процессе его возбуждения. Для этого,
в первую очередь, необходимо уменьшить потери при коммутации высокого
напряжения. Одним из вариантов решения этой задачи является использование
многоканальной коммутации или использование параллельного включения
коммутаторов при их наносекундной синхронизации.
Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие
сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-
контура или LC-инвертора.
Актуальность проблемы: повышение эффективности электроразрядных
эксимерных лазеров, улучшение их энергетических и временных характеристик.
Задачи: изучить процессы возбуждения эксимерных электроразрядных
лазеров, а также схемы их накачки.
Целью данной работы является теоретическое установление оптимальных
условий возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров.
Механизмы возбуждения эксимерных лазеров
Пороговые значения инверсии для эксимерных лазеров очень велики, что
связано, с одной стороны с малой длинной волны, а с другой стороны, с
большой шириной линии соответствующих переходов. В самом деле, выражение
для коэфициента усиления в случае, когда в нижнем состоянии перехода
молекулы отсутствуют, имеет вид:
[pic], (1)
где [pic] - плотность молекул в верхнем состоянии, [pic]-ширина линии
усиления,[pic]-вероятность спонтанного излучения для перехода,[pic]-
длинаволны. Для тэксимерных лазеров a21~107 - 108 сек-1, [pic]см,
поэтому,задавшись пороговым значением усиления[pic]k~10-2см-1,получим
оценку порогового значения плотности возбуждённых молекул:
[pic] (2)
Длясоздания подобной плотности возбуждённых молекул необходимо
обеспечить весьма высокое значение плотности энергии накачки [pic]Eн~10-
2дж/см3 за время порядка 10-8 - 10-7сек. Столь высокая плотность энергии
накачки может быть достигнута при пропускании через газ достаточно иысокой
плотности интенсивного пучка быстрых электронов или мощного импульсного
разряда. При использовании двух указанных способов введении энергии в
активную среду реализуются существенноразличные механизмы создания
инверсной заселённости, основанные на различных последовательностях
элементарных процессов. Рассмотрим подробнее эти механизмы.
1 Возбуждение эксимерного лазера элекронным пучком
При возбуждении эксимерного лазера пучком быстрых электронов величина
удельной энергии накачки, вводимой в активную среду лазера, пропорциональна
давлению газа, поэтому пороговые условия в данном случае достигаются и
результате простого увеличения давления. Так, в случае, если основной
механизм потери энергии электронного пучка в газе связан с ионизацией
атомов газа при прохождении в нём элелтронов, то величина удельной энергии
Ен, вводимой в газ, даётся выражением:
[pic] (3)
где Nп – плотность электронов в пучке, Z – атомный номер элементов, ?
– энергия электронов в пучке, I – энергия связи электронов в атоме, сп –
скорость электронов в пучке, ? – длительность импульса. При использовании
релятивистского электронного пучка с энергией ~ 1 Мэв, плотностью тока j ~
104а/см2 и длительностью импульса ~ 10-8 сек, плотность энергии накачки ~
0,1дж/см3 достигается при давлении криптона ~ 1 атм. Источники пучков с
указанными параметрами довольно широко распространены и их создание, по-
видимому, не является сложной технической проблемой.
В случае, если активная среда заполнена в основном инертным газом, с
большим порядковым номером Z, то поджавляющая часть энергии, теряемой
пучком в газе, будет расходоваться на ионизацию атомов. В результате в газе
образуется значительное количество свободных электронов, рекомбинация
которых приводит к образованию возбужденныхз атомов и молекул. Ориентируясь
на приведенные выше параметры активной среды, мы можем проанализировать
следующую последовательность элементарных процессов, происходящих в таком
слабоионизованном газе:
к + R > к + R+ + e,
(4)
R+ +2 R >R+2 + R, (5)
R+2 +e >R + R*, (6)
R+ +2e >R + e, (7)
R+ +X2 >RX* +X, (8)
R* +X2 >R +2X, (9)
RX* > R +X +ћ?, (9')
R* +2 R >R*2 + R, (10)
ћ? + RX* > R +X +2ћ?, (11)
где R, X – атом инертного газа и галогена соответственно, звездочка
отвечает электронно-возбужденному состоянию, к – быстрый электрон пучка, е
– тепловой электрон.
Как видно из механизма возбуждения лазера, важными стадиями в
последовательности процессов, приводящих к созданию инверсной заселенности,
являются процессы конверсии ионов (5) и диссоциативной рекомбинации (6).
Эти процессы отвечают основным каналам преобразования энергии
электрического поля в энергию возбужденных атомов и молекул только в
специфических условиях, когда давление газов и энергия первичных электронов
в газе достаточно овысоки. При малых давлениях, с одной стороны, процесс
конверсии (5) весьма медленный, так что на процесс диссоциативной
рекомбинации (6) накладываются процессы рекомбинации через другие
механизмы, при которых образуются атомы не в одном, а во многих электронно-
возбужденных состояниях. Такой режим не благопричтен для создания
инверсионной заселенности. С другой стороны, при малых значениях энергии
электронов доля энергии, расходуемой на ионизацию, уменьшается, что также
снижает селективность механизма образования возбужденных атомов. В самом
деле, если энергия налетающего электрона порядка связи электрона в атоме,
то при неупругом соударении электрона с атомом с примерно равными
