УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭКСИМЕРНОМ ЛАЗЕРЕ

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована при создании газовых эксимерных лазеров с узкой спектральной линией излучения. Известно, что газовые эксимерные лазеры являются наиболее эффективными и мощными источниками в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Для многих применений требуется не только определенный уровень энергии излучения, но и узкая спектральная линия излучения. И хотя к настоящему времени хорошо отработаны методы формирования в лазерах узкой линии генерации, тем не менее, разработка новых устройств может повысить как эффективность дисперсионных элементов, так и повысить уровень энергии и мощности лазерных пучков.
Известно, что в серийных электроразрядных эксимерных лазерах время существования усиления в активной среде составляет менее 30 нс. Из-за относительно большой длины активной среды (~100 см) излучение успевает совершить незначительное число обходов резонатора (5 обходов). Для формирования узкой спектральной линии излучения в резонаторе устанавливают дисперсионный элемент, например, дифракционную решетку. Большой коэффициент усиления и малое число обходов вызывают необходимость использования резонаторов с высокой дисперсией. Однако использование высокодисперсионных резонаторов увеличивает в них неселективные потери, что приводит к существенному снижению выходной энергии лазерного излучения (в сотни и тысячи раз). Поэтому, на данный момент, задача по формированию в лазерах узкой спектральной линии излучения с малыми потерями энергии в импульсе остается актуальной.
Известны способы формирования узкой линии в резонаторе эксимерного лазера за счет использования дифракционной решетки [1-2] призмы [3] и эталонов Фабри-Перо [4]. Однако во всех этих работах использование различных дисперсионных элементов приводило к существенному снижению энергии в импульсе генерации. При этом авторы старались использовать дисперсионные элементы с наибольшей дисперсией и с высокой избирательностью.
Аналогом предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в работе [1]. Данное устройство состоит из дифракционной решетки 2400 штр/мм, призменного телескопа с увеличением М=25, двух диафрагм диаметр 2 мм, активной среды XeCl лазера и выходного полупрозрачного зеркала. Полученная на данном устройстве спектральная
ширина линии генерации составила 0.005 нм. Однако в данном резонаторе возникают существенные потери излучения на отражении от поверхностей призм телескопа, что приводит к существенному снижению энергии выходного излучения при заданной ширине линии.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в работе [2]. В этой работе отсутствует расширяющий телескоп. Данное устройство состоит из дифракционной решетки 3600 штр/мм, двух диафрагм диаметром 2 мм, активной среды ХеСl лазера и выходного полупрозрачного зеркала. Данное устройство, несмотря на высокую дисперсию дифракционной решетки, позволяло сузить спектральную ширину линии генерации только до величины 0.04 нм. Энергия импульса излучения при этом была 0.3 мДж.
Основным недостатком прототипа при формировании узкой линии излучения являются большие потери энергии на высокодисперсионной дифракционной решетке и достаточно широкая спектральная линия генерации. Предлагаемая полезная модель решает задачу уменьшения энергетических потерь при одновременном уменьшении ширины спектральной линии генерации.
Решение указанной задачи достигается тем, что в известном устройстве, содержащем дифракционную решетку, две диафрагмы диаметром 2 мм, активную среду ХеСl лазера и выходное полупрозрачное зеркало, дифракционная решетка устанавливается в положение, в котором обратная связь с полупрозрачным зеркалом соответствует центру спектральной линии усиления активной среды и максимуму усиления на данной спектральной линии. При этом происходит увеличение спектральной селекции (примерно в 5 раз) дифракционной решеткой и формирование более узкой ширины спектральной линии лазерного излучения.
Предлагаемое решение основано на известном явлении нелинейного поведения различных физических характеристик вблизи центра спектральной линии усиления активной среды. В частности, нелинейного поведения ширины спектральной линии от величины дисперсии дисперсионного элемента. В предлагаемой полезной модели данное явление используется для уменьшения в лазере ширины спектральной линии при использовании дисперсионных элементов с более низкой дисперсией по сравнению с прототипом. Более того, использование дисперсионных элементов с более низкой дисперсией позволяет уменьшить энергетические потери излучения и повысить мощность (энергию) лазерного импульса.
Схема предлагаемого устройства (лазера) приведена на фиг.1. Устройство для формирования узкой линии излучения содержит: 1 - дифракционную решетку; 2 - две диафрагмы; 3 - полупрозрачное выходное зеркало; 4 - активную среду ХеСl лазера.
Принцип работы предлагаемой полезной модели заключается в следующем. Зарождающиеся в активной среде фотоны излучения начинают проходить через эту среду, усиливаться, попадать на выходное зеркало и дифракционную решетку. Отражаясь назад от решетки и выходного зеркала, между которыми возникает обратная связь, излучение начинает совершать обходы резонатора между этими элементами. При отражении от решетки происходит спектральная селекция излучения - отражается только узкая часть вблизи центра спектральной линии усиления активной среды. При этом за счет нелинейного поведения ширины спектральной линии спектральная селекция излучения увеличивается в несколько раз по сравнению с обычной линейной селекцией.
В качестве доказательства возможности работы заявляемой полезной модели приводится пример ее экспериментальной реализации. Эксперименты проводились на коммерческом ХеСl лазере серии EL, разработанном в ИСЭ СО РАН. В режиме свободной генерации на смеси 900:8:l=Ne:Xe:HCl при давлении р=3.6 атм энергия излучения лазера была 200 мДж при длительности импульса излучения ~30 нс. Для формирования узкой линии излучения на базе данного лазера было собрано устройство, состоящее из дифракционной решетки 1800 штр/мм, двух диафрагм диаметром 2 мм, полупрозрачного выходного зеркал с коэффициентом отражения 40%, и активной среды ХеСl лазера. Дифракционная решетка была установлена таким образом, что максимальная обратная связь в резонаторе обеспечивалась на центре перехода 0-2 молекулы ХеС1 с длиной волны 308,2 нм. На выходе данного устройства был получен лазерный пучок с длительностью импульса 25 нс, с энергией в импульсе 1 мДж, с расходимостью излучения близкой к дифракционному пределу. Ширина спектральной линии на полувысоте интенсивности была 0.015 нм. Расчетная полоса пропускания дисперсионного резонатора на основе линейной дисперсии была ~0.08 нм. Т.е. наблюдалось нелинейное уменьшение ширины линии в 5 раз. При этом, за счет использования дифракционной решетки с меньшей дисперсией по сравнению с прототипом, энергия узкополосного излучения 1 мДж была близка к энергии пучка, полученного в обычном плоскопараллельном резонаторе с диафрагмами 2 мм. В случае установки дифракционной решетки таким образом, что максимальная обратная связь в резонаторе обеспечивалась не на центре перехода 0-2 молекулы ХеСl, а на ее крыле - ширина линии увеличивалась до ~0.08 нм.
Измеренные параметры сформированного пучка имели высокую точность повторения от импульса к импульсу. Таким образом, по сравнению с прототипом, получен лазерный пучок с большей энергией (примерно в 3 раза), более узкой линией (примерно в 2 раза) и при использовании дифракционной решетки с меньшим количеством штрихов на миллиметр (в два раза).
Полученные результаты показывают возможность формирования узкополосного импульса излучения с высоким качеством в простой оптической схеме.
Использование данной полезной модели позволит создавать задающие генераторы на базе коммерческих эксимерных лазеров без использования дорогой селективной оптики.
Источники информации:
1. Валиев К.А., Беликов Л.В., Волков Г.С., Зарослов Д.Ю. Исследование характеристик эксимерного лазера с узкой линией генерации // Квантовая электроника 1990. 17. №1. С.43-45.
2. Люцканов В.Л., Христов Х.Г., Томов И.В. Перестройка частоты генерации газоразрядного ХеС1 лазера // Квантовая электроника 1980. 7. №11. С.2493-2494.
3. Т.R.Loree, К.В.Butterfield, and D.L.Barker. Appl. Phys. Letters. 1978. - 32. - P. 171.
4. Т.J.Pacala, I.S.McDermid, and D.B.Laudenslager. Appl. Phys. Letters. 1984. - 44. P.658.