способов предыонизации является применение рентгеновского излучения. Однако
сложность устройства рентгеновского источника преионизации и необходимость
биологической защиты ограничивают возможности широкого внедрения лазеров с
предыонизацией данного вида. Кроме того, нам неизвестны данные о ресурсе
газовой смеси в лазерах с рентгеновской предыонизацией при высокой частоте
повторения импульсов. Этот ресурс может быть невысок, т. к. рентгеновское
излучение может способствовать эффективному образованию в рабочей газовой
смеси лазера химических соединений, отрицательно сказывающихся на лазерных
параметрах.
В [4] был развит альтернативный способ предварительной ионизации
широкоапертурных газовых лазеров - ионизация УФ излучением скользящего
разряда (СР) по поверхности диэлектрика. В [5] было показано, что такая
предионизация, осуществляемая через полупрозрачный электрод, обеспечивает
получение объемного разряда с апертурой d х Ъ и 12 х 10 см (d —
межэлектродное расстояние, Ъ — ширина разряда) и энергию генерации до 20 Дж
в импульсном ХеС1-лазере. В [6] мы, используя пред-ыонизацию СР, впервые
получили среднюю мощность электроразрядных эксимерных лазеров 1 кВт (10 Дж,
100 Гц) в импульсно-периодическом режиме.
В настоящей работе при помощи УФ излучения вспомогательного СР исследуются
наиболее эффективные режимы предионизации в XeCl-лазерах. Определены
характеристики излучения компактного XeCl-лазера в импульсно-периодическом
режиме при различных комбинациях энергии и длительности импульса генерации.
Электродная система широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией
излучением СР
Поиск эффективных условий предыонизации проводился для ряда импульсно-
периодических XeCl-лазеров с предыонизацией УФ излучением СР. На рис.1
показана
Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах
205
[pic]
Рис.1. Электродная система лазера с УФ предыонизацией излучением СР:
1 — высоковольтный электрод; 2—заземленный щелевой электрод; 3 — ножевой
электрод; 4 — сапфировая пластина; 5 — охлаждаемая металлическая подложка.
Компактная электродная система широкоапертурного ХеС1-лазера. Основной
объемный разряд формировался между двумя электродами, профилированными по
модифицированному профилю Чанга. Позади полупрозрачного электрода
располагался источник УФ предионизации в виде вспомогательного СР по
поверхности диэлектрика. В качестве диэлектрика использовалась сапфировая
пластина, расположенная на охлаждаемой металлической подложке, служившей
электродом, на который подавалось импульсное отрицательное напряжение.
Ножевой электрод системы формирования СР соединялся с заземленным
полупрозрачным электродом дискретными параллельными проводниками. СР
развивался с ножевого электрода в обе стороны и замыкался на грани
металлической подложки. УФ излучение слоя плазмы СР, который однородно
покрывал поверхность диэлектрика, обеспечивало предионизацию активного
объема лазера, распространяясь через полупрозрачный электрод. Сравнительное
исследование показало, что для ХеС1-лазеров с объемом активной среды ~ 1 л
эффективность использования энергии, затрачиваемой на предионизацию, в
случае применения СР в 5 раз выше, чем при боковой предионизации искровыми
разрядами. При этом преимущества УФ предионизации излучением СР наиболее
полно проявляются с увеличением поперечного сечения активной среды лазера.
На начальном этапе развития широкоапертурных лазеров с УФ
предыонизацией излучением СР полупрозрачный электрод изготавливался
перфорированным с диаметром отверстий 1 мм и прозрачностью 50 %. Перфорация
выполнялась в рабочей части электрода толщиной 1.0-1.2 мм [6,7].
Использование перфорированных электродов приводило к коллимации потока УФ
излучения от СР, поступающего в активный объем лазера через туннелеобразные
отверстия перфорированного электрода, и, соответственно, к неоднородности
основного разряда, проявляющейся в его протекании в виде диффузных каналов,
привязанных к отверстиям перфорации [7]. Для устранения этого эффекта был
разработан новый тип полупрозрачного профилированного электрода, в котором
УФ излучение от СР проходит в разрядный объем не через отверстия, а через
щели, ориентированные перпендикулярно продольной оси электрода (рис.1).
Ширины щелей и перегородок были равны 1 мм, так что прозрачность рабочей
части электрода составляла 50 %. С использованием таких щелевых
полупрозрачных электродов повышается КПД лазера и достигаются высокие
однородность разряда и качество лазерного пучка [8].
Экспериментальное исследование оптимальных условий предыонизации
Первый эксперимент, показавший нам важность правильного выбора условий
предыонизации [9], проводился на ХеС1-лазере с апертурой d х Ъ = 7.8 х 4.4
см. Для возбуждения основного объемного разряда и вспомогательного СР
использовались две отдельные С-С-схемы питания, коммутируемые одновременно.
При варьировании времени зарядки импульсного конденсатора, подсоединенного
к электродам основного объемного разряда, было замечено, что при близких
временных режимах ввода электрической энергии в разряд и неизменном
импульсе УФ излучения СР энергия генерации значительно увеличивалась при
уменьшении скорости роста разрядного напряжения.
На рис.2 показаны рост приведенной напряженности электрического поля
E(f)/N (N- плотность частиц газа) на разрядном промежутке лазера и
осциллограмма импульса /рг(г) УФ излучения предыонизатора. При условиях
предыонизации, представленных на рис. 2,6, энергия генерации оказалась в 3
раза выше, чем в случае рис.2,а, характеризующегося большей скоростью
нарастания E/N.
В вышеописанном эксперименте положение импульса разрядного напряжения
было фиксировано по отношению к импульсу предыонизации, и для лучшего
понимания столь резкого увеличения энергии генерации был проведен второй
эксперимент на XeCl-лазере с апертурой d х Ъ = 5 х 3 см. В этом лазере ввод
энергии в основной разряд осуществлялся электрической схемой с LC-
инвертором и двумя ступенями магнитного сжатия импульса накачки, подобной
описанной в [10]. Энерговклад в СР проводился с помощью независимой схемы
импульсного питания, позволявшей варьировать как энергию, вводимую в СР,
так и момент его включения.
На рис.3,а представлено взаимное положение импульсов напряжения Ј/(?),
подаваемого на электроды лазера, и интенсивности УФ излучения СР /pr(?)-
Этому соответствует временная задержка между ними, равная нулю. Нулевая
задержка (та = 0) выбрана так, что начало импульса излучения предыонизатора
Ipr(t) соответ-
10 8 6 4
В-см2); /рг (отн. ед.)
[pic]
[pic]
О tc ts 100
200 \Л (не) О
100
200 t (не)
Рис.2. Положение импульса УФ излучения предыонизатора /рг(
3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.
1/(кВ);
Ipr, I, lias
(отн. ед.) 20
-20
-40
[pic]
-600
-300
300
'(не)
*(Дж) 3
[pic]
-300
о
300
та (не)
Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыонизации Ipr(t),
разрядного напряжения U(t), тока /((), импульса генерации las(') (и) и
зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во
вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с
высоковольтным предымпульсом.
Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах
207
Р(Вт) 600
400 200
О
[pic]
О
100
200
/(Гц)
Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и
относительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты
следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70
(2,5) и 45 не (5), 6).
Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов
Простой и надежный предыонизатор на базе СР хорошо вписывается в
конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя
предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со
средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера,
показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при
межэлектродном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, подобная
использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались
в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.
Некоторые зависимости, характеризующие универсальный XeCl-лазер,
приведены на рис.5. Зависимость средней мощности лазерного излучения Р от
частоты следования импульсов/при длительности генерации 120 не (кривая 1 на
рис.5) была получена при использовании схемы накачки с высоковольтным
предымпульсом, характеристики которой приведены на рис.4. Зависимости P(f)
при длительности импульса генерации 70 и 45 не (кривые 2,3 на рис.5) были
получены для схем возбуждения, использующих LC-инвертор и две ступени
магнитного сжатия.
На рис.5 показано также поведение относительной нестабильности энергии
генерации а в зависимости от частоты следования импульсов (кривые 4—6). Из
рассмотрения этих кривых видно, что относительная нестабильность энергии
генерации не превышает 1 %, что свидетельствует о высокой эффективности
используемого режима предыонизации.
Анализ результатов
Для характеристики и сравнения режимов предыонизации на временном
интервале роста напряжения на разряде введем параметр nf0 [9]:
f's Г Г
- 4(0 ехр- 0;
J /с I J tc
ос /Рг(?) - скорость производства фотоэлектронов в единице разрядного
объема, пропорциональная интенсивности УФ излучения предыонизатора; tc -
момент времени достижения ионизационно-прилипательного
равновесия: Vi(tc) = va(?c); ts - момент времени, к которому произошел
существенный (в 3 —10 раз) рост числа электронов в лавинах, при этом J,s(v;
— va)dt ~ 1 — 2. Параметр nf0 эквивалентен обычной начальной плотности
электронов иео, т. к. при t ^ ts
Л* (О
ft
л^ехр vidt'. Jtc
Из расчетов с привлечением количественных данных по константам
скоростей ионизации и прилипания [5] следует, что для газовой смеси
HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа отношение (Ј/-/V)c«2.3-10~17 В-см2 (рис.2).
При этом, если в случае рис.2,а к моменту времени tc и 20 не фотоэлектроны
еще не производились предионизатором, то в случае рис.2,6 к моменту времени
