Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура
Министерство образования Республики Беларусь
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»
Кафедра лазерной физики и спектроскопии
Курсовая работа
Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-контура
Выполнил:
студент 4курса физико-
технического факультета
Зенько П.В.
Научный руководитель:
преподаватель кафедры
лазерной физики и
спектроскопии
Володенков А.П.
Гродно 2004
РЕФЕРАТ
Реферат курсовой работы «Исследование систем возбуждения эксимерных
лазеров на основе LC-контура» студента физико-технического факультета УО
Гродненский государственный университет имени Янки Купалы
Зенько П.В. Объем 50 с., 18 рис., 23 формул, 31 источников.
Ключевые слова:
Объемный разряд, система возбуждения, поперечный разряд, LC-контур,
энерговклад, расчетные осциллограмм, предымпульс
Объект исследования – электроразрядные эксимерные XeCl лазеры с
возбуждением LC-контуром для технологических применений.
Цель настоящей работы–создание математической модели эксимерного
лазера с системой возбуждения на основе LC-контура, экспериментальное и
теоретическое исследование оптимальных условий возбуждения электроразрядных
эксимерных лазеров, обеспечивающих максимальную их эффективность.
Нами было проведено теоретическое исследование работы системы
возбуждения активной среды. Разобраны особенности моделирования импеданса
разряда различными схемами замещения. Разработана методика расчета систем
возбуждения ХеСl лазера, выполненной по типу LC-контура, позволяющая
рассчитывать форму импульса напряжения на лазерных электродах и энерговклад
в активную среду в зависимости от параметров цепи возбуждения. Показано,
что для уточнения нашей модели расчета LC-контура необходимо задаваться
пробойным напряжением конкретного разрядного промежутка для определенного
состава газовой смеси.
Изучено влияние параметров контуров возбуждения на энергетические
характеристики эксимерных лазеров. Показано, что для уменьшения потерь
энергии в системе возбуждения необходимо применять многоканальную
коммутацию. Установлено, что наибольшая энергия генерации достигается в
случае реализации системами возбуждения режима работы с автоматическим
предымпульсом. Полученные результаты применены для конструирования систем
возбуждения технологических электроразрядных эксимерных лазеров.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
4
1. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-контура
7
1.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на
основе LC-контура
7
1.2. Экспериментальное исследование систем возбуждения
на основе LC-контура
20
2. Процессы прилипания электронов в разряд 31
2.1. Автораспадные состояния двухатомных молекул
32
3. Динамика предыонизации.
39
Заключение
46
Список использованных источников 48
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 позволило успешно моделировать
процесс возбуждения активной среды, появилась возможность теоретически, без
проведения дорогостоящего 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. В равной мере оба типа систем возбуждения
используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых
за рубежом. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы
возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1
Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж [1],
формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и
длительностью [2], иметь высокую генерационную эффективность [3]. Однако
такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование
специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их
применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт)
и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего
используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них
снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [4] и во-
вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным
электродам.
Ниже в разделах 1.1-1.2 приведены результаты исследования выходных
генерационных характеристик XeCl-лазера с возбуждением LC-контуром при
изменении его параметров в широком диапазоне [5-13]. Эти исследования
позволяют определить оптимальные параметры системы возбуждения для
достижения максимальной энергии, мощности и КПД генерации, получения
гладкого временного профиля импульса, а также сформулировать критерии, по
которым можно целенаправленно управлять характеристиками генерации
эксимерных лазеров.
Целью настоящего этапа являлось экспериментальное и теоретическое
установление оптимальных условий возбуждения электроразрядных эксимерных
лазеров.
1. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-контура
1.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-контура
Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную
емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1
обострительную емкость C0 (см. рис.1,а). Так как С1 перезаряжается на С0
через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с
сопротивлением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется
значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей
увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение
потерь на коммутаторе. Возможны следующие характерные режимы работы LC-
контура.
1. При малых величинах обострительной емкости С0 её основная функция
состоит в формировании объемного разряда. Она заряжается от накопительной
емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем быстро
разряжается на межэлектродный промежуток. При столь высоком перенапряжении
((5 кВ/(см атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется
однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на
стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко.
Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной
емкости С1.
2. При увеличением обострительной емкости С0 (при одновременном увеличении
L1) ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и
энерговклад в разряд. Причем его мощность сравнима с мощностью энерговклада
от С1.
3. Если величина обострительной емкости С0 становится одного порядка с
накопительной С1, то возможен режим работы с полной перезарядкой. В
LC-контур
а
б
а – электрическая схема; б – расчетная схема;
С1, С0 – накопительная и обострительная емкости; L1 и L0 – контурные
индуктивности; Сe - межэлектродная емкость; R(t) –сопротивление
междуэлектродного промежутка; LS – собственная индуктивность разряда; I1,
I2, Ir– токи через соответствующие элементы; U1 – напряжение на емкости C1;
U0– напряжение на емкости C0; Ue – разность потенциалов на емкости Ce; U –
напряжение на лазерных электродах; Rk – сопротивление разрядников.
