ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ЭКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована при создании электроразрядных эксимерных лазеров с высоким качеством излучения, а именно с высокой степенью пространственной и временной когерентности, с высокой контрастностью (отношение полезного сигнала к шуму).
Известно, что эксимерные лазеры генерируют высокоинтенсивное излучение с длительностью импульса ~10-20 нс. Однако, наличие высокого коэффициента усиления активной среды и малого времени формирования излучения в резонаторе приводят к тому, что без специальных мер выходной пучок из лазера обычно имеет низкое качество.
Тем не менее, для большинства применений требуется не только определенный уровень энергии излучения, но и его высокое качество. К настоящему времени в литературе имеется большое количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Тем не менее, и сейчас остаются актуальными задачи, решение которых направленно на улучшение характеристик лазерного излучения.
Известно, что для получения качественного излучения с высокой энергией наиболее часто используется лазерная система, состоящая из двух лазерных модулей. В одном модуле формируется качественный пучок с малой энергией (<1 мДж), и он, является задающим генератором (ЗГ), во втором происходит усиление этого пучка до требуемой энергии, и он является усилителем (УС). Недостатком такого подхода является наличие двух лазерных модулей и сложность из синхронизации.
Упростить лазерную систему и снизить ее стоимость возможно за счет использования только одного широкоапертурного лазерного модуля, в котором формируется и усиливается качественный пучок. Однако имеющиеся в литературе данные по таким лазерам показали [1-3], что при формировании в широкоапертурном лазере узкополосного излучения выходной пучок снимает только малую долю запасенной энергии в активной среде, при этом также сужается спектральный диапазон перестройки линии генерации. Данные эффекты обусловлены присутствием в оптической схеме лазера высокого уровня селективных и неселективных потерь, малым временем существования инверсной населенности и наличием существенного потока усиленного спонтанного излучения (УСИ) в резонаторе.
Среди используемых оптических схем формирования излучения в широкоапертурных эксимерных лазерах можно выделить следующие: широкоапертурный дисперсионный резонатор со спектральной и пространственной селекцией [1-4], оптический резонатор, состоящий из малоапертурного спектрально-дисперсионного резонатора, имеющего общую оптическую ось с широкоаперт урным регенеративным усилителем [5, 6], малоапертурный дисперсионный резонатор, имеющий одну и ту же активную среду с усилителем [7, 8].
Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является оптическая схема в эксимерных лазерах, описанных в работах [7, 8], в которой были реализованы условия формирования пучка в малоапертурном селективном резонаторе и последующего усиления пучка в той же активной среде. В данном устройстве для повышения контраста выходного излучения использовалось либо однопроходное усиление [7], либо двухпроходное усиление с использованием селективного нелинейного зеркала с обращением волнового фронта [8].
Главным недостатком реализованного технического решения является низкая энергия выходного пучка и возможность использования этого решения только в XeCl-лазерах с длительностью существования активной среды более 100 не. Использование данного решения невозможно для формирования качественного излучения в эксимерных KrF лазерах, поскольку объемный разряд в них существует значительно меньшее время. Малое время существования активной среды обусловлено более худшими условиями горения объемного разряда по сравнению с XeCl лазерами и, как следствие, более ранним наступлением контракции разряда.
Техническим результатом предлагаемой оптической схемы эксимерного лазера для получения узкополосного излучения с широкой спектральной областью перестройки в одномодульном короткоимпульсном эксимерном лазере является повышение энергии в импульсе излучения и увеличение спектральной области перестройки.
Указанный технический результат в предлагаемой оптической схеме электроразрядного одномодульного эксимерного KrF лазера достигается тем, что в известной схеме лазера, включающей задающий генератор (ЗГ), формирующий узкополосный лазерный пучок, и размещенный в той же активной среде двухпроходный усилитель (УС), повьппающий энергию этого пучка, согласно техническому решению, в оптическом тракте между задающим генератором и двухпроходным усилителем в качестве оптического затвора установлен интерферометр Фабри-Перо. Интерферометр предназначен для фильтрации широкополосного усиленного спонтанного излучения (УСИ), попадающего из усилителя в задающий генератор. При этом перед каждым последующим проходом по усилителю для более эффективного усиления пучка в активной среде и дополнительной фильтрации УСИ устанавливаются согласующие телескопы Кеплера с фильтрующими диафрагмами.
В качестве доказательства возможности осуществления предлагаемого решения приводится пример экспериментальной его реализации. На фиг. 1 представлена оптическая схема лазера для формирования высокоэнергетического пучка с высоким качеством.
Схема состоит из ЗГ, образованного дифракционной решеткой (1), призменным телескопом Кеплера (2), диафрагм (3), выходным зеркалом (4), и активной средой (5); двухпроходного усилителя, образованного зеркалами (6) и активной средой (5); оптического затвора, образованного интерферометром Фабри-Перо (7); согласующих телескопов Кеплера, образованного линзами (8, 9) с фильтрующими диафрагмами (10).
Принцип работы оптической схемы заключается в следующем. Формирование узкополосного излучения с широкой спектральной областью перестройки происходит в ЗГ за счет использования дисперсионного резонатора, включающего в себя дифракционную решетку с 2400 штр/мм (1), работающую в автоколлимационном режиме во второй порядок дифракции, призменный телескоп Кеплера с увеличением M=15 (2), две фильтрующие прямоугольные диафрагмы (3) размером 2×5 мм (с большим размером в неселективной плоскости) и выходное плоскопараллельное зеркало из CaF2 (4) с коэффициентом отражения 8%. Сформированный в ЗГ пучок с помощью поворотных зеркал (6) с коэффициентом отражения R=99% направляется на воздушный интерферометр Фабри-Перо (7), используемый в качестве оптического затвора для широкополосного излучения, и первый согласующий телескоп Кеплера, образованный положительными линзами (8) с фокусным расстоянием F=150 мм и (9) с F=240 мм и фильтрующей диафрагмой (10) диаметром 0.3 мм для снижения уровня УСИ. После этого, он усиливается на первом проходе в активной среде (5), проходит второй согласующий телескоп Кеплера (8, 9, 10), усиливается на втором проходе в активной среде (5) и с помощью поворотного зеркала (9) выводится из оптической, схемы.
С использованием в одномодульном KrF лазере данной оптической схемы генератор-усилитель на выходе регистрировался импульс излучения, имеющий следующие параметры:
- ширина спектральной линии - 2 пм;
- диапазон спектральной перестройки - 247.7-249.6 нм;
- энергия излучения - 150 мДж на краю контура усиления;
- длительность импульса 20 и 40 нс на полувысоте и основании интенсивности, соответственно.
- поляризация - 95%;
- расходимость излучения - 0.2 мрад. (80% энергии);
- частота повторения импульсов 1-100 Гц.
Полученные результаты показывают возможность формирования высокоэнергетичного (мощного) качественного излучения в одномодульном электроразрядном KrF лазере (до 150 мДж). Применение предлагаемой нами оптической схемы позволило увеличить спектральный диапазон перестройки длин волн до 2 нм. В имеющихся коммерческих KrF лазерных системах спектральный диапазон перестройки по длинам волн составляет ~1 нм [9].
Использование данной полезной модели позволит создавать лазеры с качественным излучением большой мощности, собранные по схеме генератор-усилитель в одном лазерном модуле, что существенно снизит стоимость и весо-габаритные характеристики данных устройств, а также улучшит выходные параметры излучения.
Источники информации:
1. Исследование характеристик эксимерного лазера с узкой линией генерации / К.А. Валиев, Л.В. Великое, Г.С. Волков, Д.Ю. Зарослов // Квантовая электроника. 1990. Т. 17. №1. С. 43-45.
2. McKee T.J. Optical cavity design for long pulse excimer lasers // Appl. Opt. 1991 - Vol. 30. P. 635-644.
3. Chen J.W., Nassisi V., Perrone M.R. Narrow-linewidth SFUR applied to a XeCl laser // Opts. Commun. 1989. Vol. 74. №3. P. 211-213.
4. И.А. Кудинов, B.T. Платоненко, E.B. Слободчиков Узкополосный перестраиваемый эксимерный лазер на XeCl // Квантовая электроника. 1990. Т. 17. №5. С. 543-547.
5. Cooper D., Tankerslay L.L., Reitjes J. Narrow-linewidth unstable resonator // Opt. Lett. 1988. Vol. 13. №7. P. 568-570.
6. S.S. Alimpiev, S.K. Vartapetov, I.A. Veselovskii, V.I. Kusakin, S.V. Likhanskii, and A.Z. Obidin Spectrum narrowing, phase conjugation and compression of excimer laser pulse // Laser Physics, 1991, Vol. 1, No. 3, P. 261-272.
7. Иванов Н.Г., Лосев В.Ф., Панченко Ю.Н., Ястремский А.Г. XeCl - лазерная система с выходной апертурой 25x25 см.// Квантовая электроника.- 1999. Т. 29. №1. - С. 14-19.
8. Sugii М., Okabe М., Watanabe A. and Sasaki К. Single-Stage High-Beam-Quality XeCl Laser with a Phase-Conjugate Brillouin Mirror / // IEEE J. Quant. Electron. 1988. Vol. 24. №11. P. 2264-2269.
9. G. Grunefeld, H. Schluter, P. Andresen, E.W. Rothe Operation of KrF and ArF tunable excimer lasers without Cassegrain optics // Appl. Phys. В 62, 241-247 (1996)