Системы возбуждения эксимерных лазеров
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 Bs= 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 Ј0. 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.
[pic]
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-4Ј/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.
Для ХеС1-лазеров с большим объемом активной среды одним из эффективных
