ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР
PULSE-PERIODIC ELECTRIC-DISCHARGE EXCIMER LASER

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к компактным импульсно-периодическим электроразрядным эксимерным лазерам высокого давления с УФ предыонизацией.
2
3
2
Известен эксимерный лазер с искровой УФ предыонизацией, содержащий компактный металлический корпус с системой формирования газового потока, на котором крепится диэлектрическая разрядная камера, изолирующая высоковольтный электрод от заземленного электрода и корпуса лазера [1]. С целью достижения высокого времени жизни газовой смеси в качестве материала диэлектрической камеры использована керамика (AlO), стойкая к воздействию интенсивного УФ излучения и высоко агрессивных компонент газовой смеси лазера, таких как F или HCl.
Хотя данная конструкция лазера обеспечила достижение довольно высокой средней мощности лазерного УФ излучения (~540 Вт с ~1 метра длины активного газового объема лазера) [2], она имеет ряд недостатков. Во-первых, повышение энергии генерации лазера наталкивается на ограничения по увеличению апертуры разряда из-за используемой боковой искровой предыонизации и ограниченных размеров разрядной камеры. Во-вторых, поток газа резко меняет направление, проходя через разрядную камеру, что не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке и приводит к ограничению частоты повторения импульсов и средней мощности генерации.
Частично этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном диэлектрическом фланце металлического корпуса лазера, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом [3]. Данная конструкция позволяет 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 является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского предыонизатора обуславливает применение сложного корпуса, поперечное сечение которого имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерного корпуса при его заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем диэлектрического фланца при его выполнении керамическим.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является эксимерный лазер, содержащий протяженный корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, протяженные заземленный электрод и высоковольтный электрод, расположенный на обращенной внутрь корпуса поверхности протяженного керамического фланца, выполненного в виде плиты [4]. В специальных ячейках на наружной поверхности керамического фланца размещены конденсаторы, малоиндуктивно подключенные к электродам лазера. В лазере обеспечен равномерно распределенный между электродами высокоскоростной поток газа, что позволяет работать при высокой частоте следования импульсов.
Однако конструкции корпуса и керамического фланца достаточно сложны и дороги. При этом затруднено повышение энергии генерации и средней мощности лазера, например, используя электроразрядную систему с УФ предыонизатором в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрика [5], так как при этом увеличивается площадь керамического фланца, что может приводить к его разрушению. Это связано с большой (до 15 тонн) величиной силы, действующей на керамический фланец, так как в эксимерном лазере используется газовая смесь под высоким давлением (~5 атм). Для повышения надежности необходимо увеличивать толщину керамического фланца, что увеличивает индуктивность разрядного контура и уменьшает КПД лазера.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, уменьшение стоимости, увеличение энергии генерации и средней мощности импульсно-периодического эксимерного лазера при высокой надежности его работы. Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием устройства, содержащего корпус, в котором размещены система организации газового потока, предыонизатор в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрика, заземленный и высоковольтный электроды, к которым через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, отличающийся тем, что корпус лазера выполнен в виде двух труб: металлической трубы, на внутренней поверхности которой крепится заземленный электрод, и расположенной внутри нее диэлектрической трубы, на внешней поверхности которой установлен УФ предыонизатор и высоковольтный частично прозрачный электрод. Отличие устройства также состоит в том, что конденсаторы и элементы схемы питания разряда (например, магнитный ключ) размещены внутри диэлектрической трубы.
На фиг.1 схематично изображен эксимерный лазер.
Эксимерный лазер содержит:
корпус, образуемый металлической трубой 1 и расположенной внутри нее диэлектрической трубой 2, систему формирования газового потока, включающую в себя диаметральный вентилятор 3, формирователи потока 4 и трубки теплообменника 5. В корпусе также размещены заземленный электрод 6, высоковольтный электрод 7, УФ предыонизатор 8, установленный на внешней поверхности керамической трубы. Внутри диэлектрической трубы размещены импульсные конденсаторы 9, которые через токовводы 10, 10' и газопроницаемые токопроводы 11 подсоединены к электродам 6, 7. Внутри диэлектрической трубы, помимо конденсаторов 9, могут размещаться другие элементы импульсной схемы питания разряда, например магнитный ключ 12.
Эксимерный лазер работает следующим образом. Содержащаяся в корпусе, образованном трубами 1 и 2, система формирования газового потока, в который входит диаметральный вентилятор 3, формирователи потока 4 и трубки теплообменника 5, создает поток газа между заземленным электродом 6 и высоковольтным электродом 7.
Газодинамический тракт, образованный цилиндрическими поверхностями корпуса, обеспечивает равномерное распределение скорости газа между электродами.
Предыонизатор 8 осуществляет предварительную ионизацию активного объема газовой смеси между электродами лазера. Одновременно осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 9, вслед за которой происходит зажигание объемного разряда между электродами 6, 7. Энергия, запасенная в конденсаторах 9, вкладывается в разряд. Энерговклад в разряд осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему конденсаторы 9, токовводы 10, 10', газопроницаемые токопроводы 11 и электроды 6, 7, за довольно малое время (~100 нс), что позволяет получить эффективную генерацию лазерного излучения. После того как охлаждаемый теплообменником 5 газовый поток, циркулирующий в корпусе, сменит газ между заземленным и высоковольтным электродами, происходит очередной разряд, и формируется очередной импульс генерации.
Выбор формы керамического диэлектрика, разделяющего высоковольтный и заземленный электроды, в виде керамической трубы 2, обладающей высокой стойкостью к разрушению под действием давления по сравнению с плоской керамической пластиной, позволяет уменьшить толщину керамики и приблизить конденсаторы 9 к электродам 6, 7, что уменьшает индуктивность разрядного контура и увеличивает КПД лазера. Выполнение корпуса лазера в виде металлической трубы и помещенной внутри нее керамической трубы значительно упрощает и удешевляет конструкцию лазера по сравнению с прототипом при тех же лазерных энергетических характеристиках.
Осуществление УФ предыонизации посредством скользящего разряда на поверхности плоской диэлектрической пластины через частично прозрачный высоковольтный электрод позволяет увеличивать апертуру объемного разряда и повышать энергию генерации лазера при сохранении компактности корпуса, а гладкий газодинамический тракт, образованный цилиндрическими поверхностями труб 1, 2, позволяет формировать однородный газовый поток между электродами и осуществлять эффективную смену газа в разрядном промежутке, тем самым увеличивать частоту следования импульсов и наращивать среднюю мощность лазерного излучения.
Таким образом, выполнение эксимерного лазера в предложенном виде позволяет упростить конструкцию корпуса лазера, удешевить его и повысить надежность работы лазера. При этом достигается увеличение энергии генерации и средней мощности излучения в компактном варианте лазера.
Использованные источники информации
1. В.М.Борисов и др. Квантовая электроника, 22, №5, 446-450 (1995).
2. Specification of excimer laser Lambda-C Series, Coherent 2010.
3. Laser Focus Word, 25, №10, 23 1989.
4. Борисов В.М., Христофоров О.Б. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4, стр.503-522 (2005).
5. Борисов В.М., Степанов Ю.Ю., Христофоров О.Б. Патент РФ №20556429.