Исследование системы возбуждения электроразрядного эксимерного лазера выполненной по типу LC-инвертора
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки
Купалы»
Физико-технический факультет
Кафедра “Лазерная физика и спектроскопия”
Исследование системы возбуждения электроразрядного эксимерного лазера
выполненной по типу LC-инвертора
Дипломная работа
студентки физико-технического
факультета ГрГУ 5 курса
Темной Светланы Александровны
Научный руководитель
зам.декана, к.ф.-м.н., доцент
Зноско К.Ф.
Допущен к защите
Зав. кафедрой, д. ф.-м. н., проф. Ануфрик С.С.
2003 г. – Гродно
Содержание
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1. Лазеры на галогенидах инертных газов. Общие сведения. . . . . . . . . .
. . . .
1. Анализ спектров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ..
1.2 Кинетика процессов, происходящих в эксимерных XeCl лазерах. . . . . . .
1.3 Формирование объемного однородного разряда в активной среде ЭЭЛ. . .
1.4 Генерационные характеристики электроразрядных эксимерных лазеров с
возбуждением LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
2.Теоретический расчет схемы накачки электроразрядного эксимерного лазера,
выполненной по типу LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
2.1. Описание схемы LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
2.2 Описание методики расчетов параметров схемы LC-инвертора. . . . . . .
. . .
3. Теоретическое исследование электроразрядного эксимерного лазера с
возбуждением схемы выполненной по типу LC-инвертора . . . . . . . . . . . .
. . . .
3.1 Исследование зависимости энерговклада от сопротивления разрядного
промежутка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .
3.2 Исследование зависимости энерговклада от параметров элементов цепи
возбуждения.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Список используемой литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . 50
Введение.
Среди многообразия типов лазеров одними из наиболее
перспективных в настоящее время являются эксимерные лазеры на галагенидах
инертных газов. Появившиеся в последнем десятилетии, они стали предметом
широкого изучения и практического применения. Внастоящее время эксимерные
лазеры являются самым мощным источником когерентного излучения в УФ области
спектра.
Благодаря своим уникальным свойствам (наносекундный импульс, УФ
- диапазон генерации) эксимерные лазеры уже сейчас используются в
нелинейной оптике спектроскопии, фотохимии, медицине, биологии. Незаменимым
инструментом оказываются эксимерные лазеры в системах дистанционного
контроля состава атмосферы, в системе лазерного зондирования.
Увеличение энергии генерации и мощности лазеров этого класса
открывает новые перспективы при их использовании в технологии,
фотолитографии, лазерном нанесении тонких пленок, создании принципиально
новых технологий. Показана возможность их использования для космической
связи. Область возможных применений эксимерных лазеров значительно
расширяется при использовании лазеров на красителях для повышения
перестраиваемого когерентного излучения в видимой и УФ областях спектра.
Широкие перспективы применения эксимерных лазеров стимулируют
исследования, направленные на увеличение их энергии, мощностей, ресурса
работы и надежности.
Для исследования селективного воздействия
излучения на вещества необходимы лазерные источники с плавной перестройкой
по частоте и узким спектром излучения в видимом и УФ диапазоне.
Достигнутые к настоящему времени генерационные параметры
отечественных эксимерных лазеров еще не в состоянии удовлетворить
потребности науки и техники, и тем более, производство, из-за сравнительно
низкого КПД, малого ресурса работы активной среды, не высокой
энергетической эффективности.
В этой связи исследование, разработка и создание отечественных
эксимерных и возбуждаемых или лазеров на красителях, отличающихся высокой
энергетической эффективностью, КПД, стабильностью генерационных параметров,
широким спектральным диапазоном перестройки является актуальной задачей.
Так же одной из важных проблем видится исследование временных и
энергетических характеристик эксимерных лазеров.
Для достижения поставленной цели, решаются следующие задачи:
1. Изучение математической модели, которая позволяет моделировать
работу системы возбуждения эксимерного лазера, выполненной по типу
LC–инвертора.
2. Исследование зависимости энергии, вкладываемой в активную среду от
параметров схемы накачки, изучение электрических и энергетических
характеристик, при помощи имеющейся математической модели.
3. Поиск оптимальных значений параметров электрической схемы накачки
электроразрядного эксимерного лазера.
1. Лазеры на галогенидах инертных газов
Общие сведения
1.1 Анализ спектров
Для получения генерации на эксимерных молекулах галогенидов
благородных газов обычно используются тройные смеси, состоящие из буферного
газа (Ar,He) рабочего газа (Xe,Kr) и галогеноносителя (HCl, CCl4, F2 и
др.). Свойства лазерного излучения определяется специфическим расположением
потенциальных кривых эксимерных молекул, кинетическими процессами,
происходящими в плазме при возбуждении рабочей смеси, усилением и
поглощением на длине волны генерации.
Эксимерные молекулы, образующиеся в смеси благородных газов и паров
галогенов, обладают следующими ценными с точки зрения использования их в
качестве лазерного вещества свойствами:
1. Образование эксимерных молекул идет весьма эффективно через процесс
столкновения двух частиц уже при достаточно невысоком давлении.
2. В большинстве случаев верхний лазерный терм является неустойчивым,
а нижний отталкивательным.
3. Электронные электрические уровни молекул разделены широким
промежутком, что обуславливает наличие большого числа лазерных переходов в
УФ и вакуумной УФ области спектра.
4 Реакции, в которых образуются эксимерные молекулы, легко
инициируются электронным пучком, разрядом или их комбинацией.[3]
В общем виде структура молекулы галогенидов инертных газов
представлена на рис.1 . Основное состояние является ковалентно связанным и
при бесконечно большом межъядерном расстоянии коррелирует с основным
состоянием 2Р атома галогена. Вследствии особого характера Р-оболочки атома
галогена (суммарный орбитальный момент количества движения равен 1),
основное состояние системы состоит из двух подуровней. Один из них, 2(,
обладает наименьшей энергией, поскольку в этой конфигурации единственная
орбиталь галогена занята и примыкает непосредственно к атомам инертного
газа. Такое состояние системы называется основным или Х-состоянием. В общем
случае ему соответствует почти горизонтальная потенциальная кривая или в
крайнем случае оно является слабосвязанным. Терм 2П основного состояния
всегда отталкивательный. Поскольку он представляет собой наинизшее
возбужденное состояние, будем называть его А-состояние.
Рис.1. Структура уровней эксимерной молекулы.
Верхнее лазерное состояние харктеризуется ионной связью с переносом
заряда и коррелирует при бесконечном межьядерном состоянии с состоянием 2Р
положительного инертного газа и 1S отрицательного иона галогена. Начинаясь
при энергии равной потенциалу ионизации инертного газа, за вычетом энергии
сродсва к электрону галогена, потенциальная кривая этого состояния ведет
себя аналогично кулоновскому потенциалу, пересекаясь диабатическим образом
с ковалентными потенциальными кривыми, коррелирующими с возбужденными
состояниями атомов инертного газа и галогена. В общем случае эти
пересечения наблюдаются при больших межъядерных расстояниях, когда
перекрытие между орбиталями инертного газа и галогена мало.
При малом межъядерном расстоянии кривая потенциальной энергии
расщепляется на 2( и 2П-ветви. Ионы, образующие лазерный уровень и
характеризующиеся состоянием 1S (ион галогена ) и 2Р ион инертного газа
аналогичны частицам, находящимся в основном состоянии, но в которых атомы
инертного газа и галогена поменялись местами. Таким образом структуры
верхнего ионного уровня и основного состояния являются аналогичными причем
терм, 2( оказывается нижним. Его принято обозначать В-состоянием. Особый
интерес представляет случай, когда кулоновская кривая пересекает все кривые
ковалентных возбужденных состояний. Самое низкое возбужденное состояние
является ионным, за исключением А-состояния, которое коррелирует с основным
состоянием атомов.
В некоторых молекулах галогенидов инертных газов, содеожащих галоген с
большим атомным номером (например, ХеI) А-состояние расщепляется за счет
спин-орбитального взаимодействия. Спин-орбитальное взаимодействие приводит
к расщеплению терма 2П на два состояния с (=1/2 и (=3/2 ((-аксиальная
проекция полного момента количества движения). Компанента с (=1/2
расположена более высоко и коррелирует с высоколежащим ионным 2Р1/2
состоянием инертного газа. Ее называют D-состоянием. Нижележащая компанента
с (=3/2 называется С-состоянием. При малых межядерных расстояниях
происходит смещение уровней D и В (последний также имеет (=1/2), при этом
снимается запрет на излучательный переход с уровня D в основное состояние
Х.
Рис.2. Спектр флюоресценции Kr2F
Спектр испускания молекул галогенидов инертных газов состоит из
