ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ЛАЗЕР И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
GAS DISCHARGE LASER AND METHOD OF RADIATION GENERATION

Область техники.
Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности эксимерных, лазеров и способу генерации лазерного излучения.
Уровень техники
Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), ХеВr (282 нм), ХеС1 (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F2 (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с кпд около 3%, высокоэнергетичными, до ~ 1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и ХеС1 лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ лидары. ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм. В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и в конечном счете увеличение затрат на эксплуатацию лазера.
Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.
Из United States Patent 6782030 известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.
2
Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F или НСl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.
Этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлической лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом, Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда, и, соответственно, энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.
Недостатком указанного устройства и способа генерации лазерного излучения является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как рентгеновская предыонизация обуславливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.
Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный лазера, аналогичных описанным в United States Patent 6,757,315, каждый из которых содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации. Способ генерации лазерного излучения предусматривает одновременную синхронизированную накачку двух идентичных лазеров и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.
Данные устройство и способ обеспечивают параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является газоразрядный, в частности, эксимерный лазер, известный из Патента РФ №2446530 от 28.01.2011, опубликованного 27.03.2012 RU БИМП №9. Лазер включает в себя:
заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами; систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, подсоединенных к первому и второму электродам, импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера и генерации лазерного излучения, а также расположенные вблизи первого электрода два протяженные керамические контейнеры, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов.
В указанном устройстве контейнеры выполнены в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны плоскости, проходящей через оси электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока. Способ функционирования лазера включает в себя осуществление импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, с помощью импульсного источника питания и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения. Предыонизацию осуществляют УФ излучением завершенного скользящего разряда через частично прозрачный либо первый электрод, либо второй электрод, что позволяет эффективно увеличивать апертуру разряда.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами, и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.
В прототипе ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению кпд лазера. Кроме этого, для зажигание вспомогательного разряда предыонизатора в металлическом лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Также в лазере ограничена возможность повышении энергии генерации из-за ограниченных габаритов контейнеров и, соответственно, ограниченного энергозапаса размещенных в них конденсаторов. Кроме того, требуемое для повышения энергии генерации увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера и сопровождается необходимостью увеличения габаритов керамических частей лазера, служащих в качестве высоковольтных изоляторов, и лазерной камеры в целом, что усложняет ее конструкцию. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров не полностью удовлетворяет условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать кпд лазера при увеличении энергии генерации.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание ряда мощных эксимерных лазеров, отличающихся, технологичностью и простотой конструкции, обеспечивающей однородный высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличения апертуры лазера при снижении рабочего напряжения.
Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком кпд лазера и в целом уменьшение затрат на получение энергии генерации.
Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности эксимерный лазер, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, размещенных либо в одном керамическом контейнере, либо в двух керамических контейнерах, установленных вблизи первого электрода, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы, каждого керамического контейнера и через заземленные обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов, лазер также содержит импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам, при этом
со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор,
внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров/контейнера размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы,
и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также через токовводы каждого керамического контейнера.
В вариантах изобретения в лазерной камере размещены либо один, либо два дополнительных протяженных керамических контейнера, каждый дополнительный керамический контейнер расположен преимущественно с нерабочей стороны второго электрода, в каждом дополнительном керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, в стенках каждого дополнительного керамического контейнера вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы и заземленные токовводы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые токопроводы, токовводы каждого дополнительного контейнера и дополнительные конденсаторы, снаружи лазерной камеры размещен подключенный к дополнительным конденсаторам дополнительный импульсный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания.
Предпочтительно, что концевые части каждого дополнительного керамического контейнера герметично закреплены на торцах металлической лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера.
Предпочтительно, что дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого дополнительного контейнера.
Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов и времени зарядки конденсаторов.
Предпочтительно, что части поверхности каждого дополнительного контейнера, обращенные к разрядной области, образуют вблизи второго электрода расположенные верх и вниз по потоку направляющие газового потока.
В вариантах изобретения заземленные газопроницаемые токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один блок предыонизатора размещен в непосредственной близости от второго электрода и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере, вдоль его длины установлены вспомогательные герметичные токовводы и размещены вспомогательные конденсаторы, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизатора через вспомогательные токовводы.
В вариантах изобретения вблизи второго электрода установлен один дополнительный контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод.
В вариантах изобретения вблизи первого электрода установлен один протяженный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен первый электрод.
В вариантах изобретения в нише керамического контейнера наряду с первым электродом установлен, по меньшей мере, один блок предыонизации,
в вариантах изобретения лазерная камера которого снабжена дополнительной системой циркуляции газа.
В вариантах изобретения первый электрод и второй электрод выполнены сплошными и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.
В вариантах изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.
Предпочтительно, что блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один контейнер/дополнительный контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере, и
в вариантах изобретения к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения посредством лазера, заключающемуся в осуществлении импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в каждом керамическом контейнере, с помощью импульсного источника питания и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации генерации луча лазера, при котором
предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают импульсный источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.
В некоторых вариантах с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения посредством лазера, при котором в процессе работы лазера поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер с размещенными в нем конденсаторами, близким к давлению газа в лазерной камере.
Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.
Фиг.1 - поперечное сечение лазера с одним керамическим контейнером, установленным вблизи первого электрода.
Фиг.2 - поперечное сечение лазера с дополнительным источником питания.
Фиг.3 - поперечное сечение лазера с двумя системами циркуляции газа.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.
Варианты осуществления изобретения.
В соответствии с изобретением газоразрядный, в частности эксимерный, лазер, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру 1, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 1 расположен со стороны внутренней поверхности лазерного камеры 1. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа в области разряда 4. В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, два идентичных блока предыонизации 5, расположены сбоку от первого электрода 2 и выполнены в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, с поджигающим электродом 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6. При этом электрод 7 блока предыонизации соединен с первым электродом 2 лазера. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, систему направляющих лопастей 11 и спойлеров 12. Также лазер содержит набор конденсаторов 14, подсоединенных к первому и второму электродам 2, 3, и импульсный источник питания 15, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера и генерации луча лазера с помощью резонатора (не показан). В варианте изобретения, показанном на фиг.1, вблизи первого электрода 2 расположен один протяженный керамический контейнер 16, имеющий протяженную нишу 13, в которой размещен первый электрод 2. В керамическом контейнере 16 для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов 14. Конденсаторы подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные и заземленные токовводы 17, 18 керамического контейнера 16 и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2,3.
Со стороны первого электрода в металлической стенке 20 лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых включает в себя керамический изолятор 22. Внутри лазерной камеры по обе стороны керамического контейнера размещены соединенные с металлической стенкой 20 лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы 23. Импульсный источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 14 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16.
В варианте изобретения, показанном на фиг.1, части 24, 25 протяженного керамического контейнера образуют направляющие газового потока вниз и вверх по потоку от первого электрода 2. Для этого в нише 13 контейнера 16 наряду с электродом 2 установлены оба блока предыонизации 5.
Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, в керамическом контейнере 16 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизатора 5 через вспомогательные токовводы 27 керамических контейнеров.
Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи металлической лазерной камеры 1. Осуществляется импульсная зарядка подключенных к первому и второму электродам 2, 3 конденсаторов 14, размещенных в керамических контейнерах 16 (фиг.1), а также вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16. Зарядка конденсаторов 14 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, изолированные от металлической стенки 20 керамическими изоляторами 22, герметичные токовводы 17, 18 керамических контейнеров 16 и протяженные соединенные с лазерной камерой 1 заземленные токопроводы 23, установленные внутри металлического лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 16. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26 по электрической цепи, включающей в себя разрядные промежутки между электродами 7, 8 блоков предыонизации 5 и вспомогательные токовводы 27 контейнеров 16. УФ излучение вспомогательных разрядов по поверхности диэлектрика 6 осуществляет предыонизацию газа в области разряда 4. При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 14, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд каждого блока предыонизации 5. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3 между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя распределенные по длине контейнеров 16 токовводы 17, 18 и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся система лопастей 11, спойлеры 12 и расположенные заподлицо с первым электродом 2 части поверхности 24, 25 керамического контейнера 16, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.
Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16 уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 14. По сравнению с прототипом увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение кпд лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального кпд лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком кпд лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизатора 5, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ предыонизацию.
Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных из керамики, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.
Применение для предыонизации УФ излучения скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 6 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является несомненным достоинством предыонизации данного типа.
Данный вариант изобретения с установкой протяженного керамического контейнера 16, имеющего протяженную нишу 13, в которой размещены первый электрод 2 и блоки предыонизации позволяет оптимизировать форму контейнера для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда, обеспечения малой индуктивности разрядного контура, увеличения количества и энергозапаса размещаемых в контейнере конденсаторов.
Оптимизированная с точки зрения повышения мощности лазера форма контейнера 16 (фиг.1) отличается от использующейся в прототипе формы круглого цилиндра. Это обусловливает повышенные механические напряжения в контейнере 16, вызываемые давлением газа в лазерной камере. Для снижения механических нагрузок в процессе работы контейнер 16 предпочтительно заполнен либо газообразной (например, азот), либо жидкой (например, Galden Fluid) электрически прочной средой 28 под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере 1. При этом к торцам контейнера 16 герметично подсоединена система 29 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере, выполненная с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 28, что при необходимости позволяет поддерживать оптимальные условия работы конденсаторов 16, 26 в режиме с высокой частотой повторения импульсов.
В данном варианте изобретения способ генерации лазерного излучения включает в себя поддержание в процессе работы лазера давления электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер с размещенными в нем конденсаторами, близким к давлению газа в лазерной камере.
Все это позволяет повысить энергию генерации и среднюю мощность лазера при высоком кпд.
Другие варианты реализации изобретения нацелены на дальнейшее увеличение апертуры разряда, энергии генерации и мощности лазера. В этих вариантах, иллюстрируемых фиг.2-3, вблизи второго электрода 3 установлены либо два протяженных дополнительных керамических контейнера 30 (фиг.2), либо один протяженный дополнительный керамический контейнер 30 (фиг.3). Каждый дополнительный керамический контейнер 30 расположен преимущественно с нерабочей стороны второго электрода 3. В каждом дополнительном контейнере 30 размещены дополнительные конденсаторы 31. В стенках каждого дополнительного контейнера 30 вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы 32 и заземленные токовводы 33. Конденсаторы 14 подключены ко второму электроду 3 через заземленные газопроницаемые токопроводы 19, вогнутые в сторону области разряда 4, через токовводы 32, 33 каждого дополнительного контейнера 30 и дополнительные конденсаторы 31. Снаружи лазерной камеры 1 размещен дополнительный импульсный источник питания 34, полярность которого противоположна полярности источника питания 15. Дополнительный источник питания 34 подключен к дополнительным конденсаторам 30 с торцов каждого дополнительного контейнера 30. Концевые части каждого дополнительного керамического контейнера 30 герметично закреплены на торцах части поверхности 35, 36 каждого дополнительного контейнера 30, обращенные к разрядной области 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные верх и вниз по потоку направляющие газового потока. В вариантах изобретения, по меньшей мере, один дополнительный контейнер 30 выполнен в форме либо круглой, либо прямоугольной трубы (фиг.2).
Как показано на фиг.2, в лазере, по меньшей мере, один блок предыонизатора 5 может быть размещен в непосредственной близости от второго электрода 3 и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере 30 вдоль его длины установлены вспомогательные герметичные токовводы 27 и размещены вспомогательные конденсаторы 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизатора через вспомогательные токовводы 27. На фиг.2 блок предыонизатора, содержащий компактную симметричную систему формирования скользящего разряда, размещен с обратной стороны частично прозрачного электрода 3.
Для данного варианта изобретения способ генерации лазерного излучения осуществляют следующим образом. Предварительно включают дополнительный источник питания 34 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 30 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 31 сравнительно медленно, поскольку индуктивность электрического контура их зарядки относительно велика. В варианте реализации изобретения (фиг.2) с момента включения дополнительного источника питания 34 производят автоматическую предыонизацию за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 26 через вспомогательный разрядный промежуток/ промежутки блока предыонизатора 5. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 31 и конденсаторов 14, включают импульсный источник питания 15 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 14 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 31. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 14 и дополнительных конденсаторов 31 осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 14 и дополнительные конденсаторы 31, последовательно соединенные между собой через заземленные газопроницаемые токопроводы 19, вогнутые в сторону области разряда, и токовводы 17, 18, 32, 32, 33 контейнеров 16 и дополнительных контейнеров 30. В результате получают генерацию лазерного излучения. После того как система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3, цикл работы лазера повторяют.
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг.3, введена дополнительная система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 38, охлаждаемые водой трубки 39 теплообменника, систему направляющих лопастей и споилеров 40, 41. За счет этого значительно повышается скорость смены газа электродами и улучшается охлаждение газа, что позволяет увеличить частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазерного излучения. В близи второго электрода 3 формирование газового потока улучшается за счет его размещения в нише 37 на поверхности дополнительного контейнера 30. К дополнительному контейнеру может быть подсоединена система циркуляции и поддержания давления электрически прочной среды близким к давлению газа в лазерной камере (не показано).
В варианте реализации изобретения, показанном на фиг.3, блок предыонизации расположен вблизи первого электрода. Для данного варианта изобретения предыонизацию осуществляют со стороны первого электрода 2 с момента включения источника питания 15 с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 34, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 31 и конденсаторов 14. Предыонизацию осуществляют, производя быструю импульсную зарядку вспомогательных конденсаторов 26 через блок предыонизатора 5. Это способствует повышению однородности вспомогательного разряда и, как следствие, повышает однородность и устойчивость основного разряда. В остальном лазер функционирует, как описано выше.
2
Возможность предложенной в этом варианте изобретения высокоэффективной автоматической предыонизации с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 34, то есть после начала роста разрядного напряжения, не является очевидным. Однако в соответствии с опытными данными эффективная предыонизация в таком режиме может быть осуществлена. Это связано с тем, что газовые смеси эксимерных лазеров отличаются высокой скоростью прилипания электронов к донорам галогенов НС1, F, зависящей от величины напряженности электрического поля между электродами 2, 3. В связи с этим предыонизация может обеспечивать максимальный кпд лазера при ее включении с момента достижения величины напряжения на электродах 2, 3 лазера, при которой частота ионизации газа электрическим полем начинает преобладать над частотой прилипания электронов к донорам галогенов. В соответствии с опытными данными для характерных времен ~ 180 нс роста напряжения от нулевого уровня до пробойного задержка начала максимально эффективной предыонизации относительно начала роста разрядного напряжения для ХеСl лазера достигает 50 нс. Задержка может быть увеличена, если скорость роста напряжения до момента включения блока предыонизации ниже. Таким образом, при времени зарядки конденсаторов ~180 нс время зарядки дополнительных конденсаторов 33 может быть существенно больше 230 нс, обеспечивая в соответствии с предложенным вариантом способа генерации лазерного излучения высокоэффективную автоматическую предыонизацию у первого электрода 2.
Введение дополнительных керамических контейнеров/контейнера 30 с размещенными в них дополнительными конденсаторами 31 позволяет значительно, примерно вдвое по сравнению с вариантами реализации устройства, представленного на фиг.1, 2, 5, увеличить суммарную энергию, запасаемую в конденсаторах, подключенных к электродам лазера 2, 3. Это значительно, примерно вдвое, увеличивает энергию генерации лазера.
Введение для зарядки дополнительных конденсаторов 31 дополнительного источника питания 34, полярность которого противоположна полярности источника питания 1, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазера, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать его индуктивность. Это позволяет увеличить длину электродов и повысить энергию генерации лазера. При значительно сниженном напряжении упрощается эксплуатация лазера и повышается его надежность. Кроме этого реализуется возможность уменьшить индуктивность контура зарядки конденсаторов 14, а также минимизировать индуктивность разрядного контура. Это, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность лазера.
Осуществление зарядки дополнительных конденсаторов 31 дополнительным источником питания 34 с торцов каждого дополнительного контейнера 30 обеспечивает наибольшую простоту способа зарядки дополнительных конденсаторов 31. Поскольку индуктивность контура и время зарядки дополнительных конденсаторов 31 больше, чем конденсаторов 14, для достижения максимальной скорости нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда и обеспечения однородного устойчивого разряда источник питания 15 включают с указанной временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника 34.
Введение предложенного количества (либо один, либо два) дополнительных керамических контейнеров оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера. Выполнение токовводов 32, 33 дополнительных керамических контейнеров 30 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы. Для обеспечения малой индуктивности разрядного контура достаточно установки вдоль каждого дополнительного контейнера 30 по 12 токовводов 32, 33 в расчете на 1 м длины электродов.
Применение дополнительных контейнеров 30 в виде круглых цилиндрических труб (фиг.2) обеспечивает наибольшую простоту и механическую прочность конструкции и, соответственно, надежность контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением. Форма дополнительных контейнеров 30 в виде прямоугольных труб позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура, повысить кпд лазера и эффективно формировать высокоскоростной поток газа.
При выполнении заземленных токопроводов 19 вогнутыми в сторону разрядного промежутка их форма соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между реализованными в данном изобретении двумя высоковольтными электродами противоположной полярности. Это позволяет снизить индуктивность разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в разрядном промежутке, что также способствует достижению высокого кпд лазера и высокого качества лазерного луча. Кроме этого приближение к области разряда 4 заземленных газопроницаемых токопроводов 19 позволяет максимально приблизить к области разряда и направляющие газового потока 11, 12, 13. Это улучшает характеристики газового потока и снижает необходимый для высокоэффективной высокостабильной работы лазера объемный расход газа в области разряда между очередными разрядными импульсам, позволяя минимизировать эксплуатационные расходы лазера. Этому способствует и то, что в соответствии вариантами реализации изобретения поверхности 35, 36 каждого дополнительного контейнера 30, обращенные к разрядной области 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные верх и вниз по потоку направляющие газового потока.
Таким образом, выполнение газоразрядного, в частности эксимерного, лазера и способов генерации излучения в предложенном виде позволяет в несколько раз увеличить энергию генерации, среднюю мощность излучения при высоком кпд лазера простой и надежной конструкции и в целом уменьшить эксплуатационные расходы при получении лазерного излучения.
Список обозначений
1. лазерная камера
2. первый электрод
3. второй электрод
4. область разряда
5. блок предыонизации
6, 7, 8. диэлектрическая пластина, инициирующий и поджигающий электроды
9. диаметральный вентилятор
10. трубки теплообменника
11 направляющие лопасти
12. направляющие лопасти
13. ниша на поверхности контейнера
14. конденсаторы, расположенные в керамическом контейнере/контейнерах
15. импульсный источник питания
16. керамические контейнеры/ контейнер
17. высоковольтные герметичные токовводы керамического контейнера
18. заземленные герметичные токовводы керамического контейнера
19. протяженные заземленные газопроницаемые обратные токопроводы
20. металлическая стенка лазерной камеры
21. герметичные высоковольтные токовводы лазерной камеры
22. керамические изоляторы
23. протяженные заземленные токопроводы, соединенные с лазерной камерой
24,25. части поверхности керамического контейнера, формирующие поток
26. вспомогательные конденсаторы
27. вспомогательные токовводы контейнера/ дополнительного контейнера
28. электрически прочная среда
29. система поддержания давления и циркуляции электрически прочной среды
30. один, либо два протяженных дополнительных керамических контейнера,
31. дополнительные конденсаторы, размещеные в дополнительных контейнерах
32. высоковольтные герметичные токовводы дополнительного контейнера
33. заземленные герметичные токовводы дополнительного керамического контейнера
34. дополнительный импульсный источник питания
35. 36. части поверхности дополнительных контейнеров, формирующие газовый поток
37. ниша на поверхности дополнительного контейнера
38. диаметральный вентилятор
39. трубки теплообменника
40, 41. направляющие лопасти