МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
POWERFUL PULSE-PERIODIC EXCIMER LASER FOR TECHNOLOGICAL APPLICATIONS

Область техники
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к импульсно-периодическим газоразрядным эксимерным лазерам, и может быть использовано при проектировании и изготовлении эксимерных лазеров различного назначения с высокой средней мощностью лазерного излучения.
Уровень техники
5
Развитие технологий, в которых применяют УФ излучение, генерируемое эксимерным лазером, использующим в качестве рабочей среды смесь инертных газов, например, He, Xe, Kr, с галогенами, например, хлором и фтором, требует увеличения, как энергии лазерного импульса, так и средней мощности лазерного излучения при условии сохранения высокого КПД лазера. Энергию, получаемую в лазерном импульсе, можно увеличить за счет увеличения апертуры разряда при сохранении оптимального энерговклада в единицу активного газового объема. Однако увеличение апертуры разряда больше некоторой величины ведет к значительному увеличению индуктивности разрядного контура, нарушению оптимальных условий ввода энергии в разряд и, как следствие, к снижению КПД лазера. Среднюю мощность лазерного излучения можно увеличить, увеличив частоту импульсов, генерируемых эксимерным лазером. Однако увеличение частоты генерирования лазерных импульсов также ограничено условиями охлаждения рабочего тела и проблемами, связанными с резким увеличением энергозатрат (Е) на увеличение скорости прокачки газа (v), так как E~v.
2
3
2
Известен эксимерный лазер, включающий в себя систему питания и лазерную камеру, которая состоит из металлического корпуса, на котором крепится диэлектрическая разрядная камера, изолирующая высоковольтный электрод от заземленного электрода и корпуса лазерной камеры (например, патент США №6757315 H01S 3/038, H01S 3/22 от 29.06.2004 [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 компонентов газовой смеси лазера, таких как F или HCl. В разрядной камере УФ предыонизация газа в межэлектродном промежутке осуществляется УФ излучением от слаботочного протяженного коронного разряда. В металлическом корпусе расположены система прокачки газового потока через межэлектродный промежуток и система теплоотвода.
2
Данная конструкция лазера имеет технические ограничения. Во-первых, повышение апертуры больше 3-4 см и энергии генерации лазера больше 1 Дж наталкивается на технические ограничения, связанные с низким уровнем УФ предыонизации, генерируемой слаботочным протяженным коронным разрядом. Во-вторых, так как разрядная камера размещена с наружной стороны корпуса то на входе в нее газовый поток резко меняет направление, что не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке и таким образом повышать частоту следования импульсов и среднюю мощность генерации лазера.
Известно устройство УФ предыонизации в импульсном лазере, в котором УФ предыонизация осуществляется от протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности плоской диэлектрической пластины (Патент РФ 2055429 от 06.10.1992 [2]). УФ излучение проходит через частично прозрачную поверхность электрода, имеющего, например, набор щелей, и создает в основном разрядном объеме начальные фотоэлектроны. Как показали исследования [Борисов В.М., Христофоров О.Б. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Том XI-4, стр. 503-522 (2005)] именно использование завершенного скользящего разряда, как предлагается в [2], а не коронного, как, например, в [1], обеспечивает высокий уровень однородной УФ предыонизации, необходимый для формирования широкоапертурного объемного разряда.
2
Использование в эксимерных лазерах УФ предыонизаторов с завершенным скользящим разрядом связано с обеспечением прочности керамического фланца, на котором крепится один из электродов, так как при оптимальной апертуре разряда ~10 см и энергии генерации ~2,0 Дж на керамический фланец в виде пластины, имеющий длину 1300 мм и ширину ~200 мм, со стороны газовой среды, находящейся под избыточным давлением 500 кПа (5 атм) действует сила ~130 кН (13 тонн). Во избежание разрушения керамического фланца и повышения его надежности необходимо увеличивать толщину фланца (до 80 мм), что значительно увеличивает индуктивность разрядного контура и уменьшает КПД лазера.
Известен эксимерный лазер, имеющий лазерную камеру, состоящую из диэлектрического цилиндрического корпуса, заполненного рабочей газовой средой, внутри которого расположен газодинамический тракт, содержащий газоразрядный модуль и систему прокачки и охлаждения газового потока через газоразрядный модуль, при этом газоразрядный модуль имеет высоковольтный и заземленный электроды и УФ предыонизатор, оснащенный системой формирования завершенного протяженного однородного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины. Лазер имеет систему питания газоразрядного модуля, включающую в себя накопительные конденсаторы системы питания предыонизатора и газового разряда газоразрядного модуля, размещенные с внешней стороны диэлектрического цилиндрического корпуса (например, международная заявка WO 2004/013940 H01S 3/03, H01S 3/038, опубликованная 06.02.2004 [3]). Лазер имеет внешний цилиндрический металлический корпус, охватывающий диэлектрический корпус лазерной камеры. Пространство между внешним металлическим корпусом и диэлектрическим цилиндрическим корпусом заполнено диэлектрической газовой средой, например, воздухом, под давлением. Несомненным достоинством лазера является использование в нем мощной и однородной УФ предыонизации в виде завершенного однородного разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины. Однако конструктивно лазер оказался довольно сложным и дорогим в исполнении.
Попытка преодолеть указанные выше недостатки сделана в заявке на получение патента на изобретение RU 2002120303 H01S 3/03, опубликованной 20.03.2004. Импульсно-периодический эксимерный лазер содержит металлический корпус, в котором размещены система формирования газового потока, УФ предыонизатор, высоковольтный и заземленный электроды. К электродам через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, расположенные в двух диэлектрических контейнерах, установленных по обе стороны от плоскости, проходящей через оси электродов. Высоковольтный электрод расположен со стороны стенки корпуса, контейнеры установлены по обе стороны высоковольтного электрода так, что их стенки, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами и высоковольтным электродом, один из электродов лазера выполнен частично прозрачным, УФ предыонизатор размещен со стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода и выполнен в виде симметричной системы формирования скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины.
Однако реализация этого подхода на практике показала, что он имеет существенный недостаток, так как не обеспечивает необходимое для оптимального ввода энергии в разряд малое время (~ 100 нс) зарядки накопительного конденсатора из-за слишком большой индуктивности подсоединения накопительного конденсатора к остальным элементам схемы питания, в частности, к магнитному ключу (магнитоуправляемый вентиль) для подачи питания на указанные конденсаторы.
Данное техническое решение может быть принято в качестве прототипа.
Исследование XeCl лазеров, описанных в международной заявке WO 2004/013940 и в заявке на получение патента на изобретение RU 2002120303, показало, что увеличение лазерной энергии за счет увеличения апертуры разряда больше некоторой величины и соответствующего увеличения вклада энергии в разряд становится неэффективным, так как падает эффективность (КПД) преобразования электрической энергии в лазерную. Апертура 5 см × 2 см, где 5 см - межэлектродное расстояние, 2 см - ширина разряда, оказалась оптимальной для XeCl лазера (308 нм). Увеличение межэлектродного расстояния ведет к увеличению индуктивности разрядного контура, так как при этом, чтобы избежать паразитных пробоев, надо увеличивать расстояние между высоковольтным электродом и заземленными вводами на диэлектрике. Увеличение ширины разряда ведет к рассогласованности параметров схемы и разряда. Оптимальная апертура разряда и энергия генерации, при которых КПД лазера еще достаточно высок, существует не только для XeCl лазера (308 нм), но и для KrF (248 нм) и ArF (193 нм) лазеров.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка импульсно-периодического эксимерного лазера, конструкция которого обеспечивает наилучшие условия ввода энергии в разряд с минимальной индуктивностью разрядного контура, при использовании оптимальной, с точки зрения сохранения высокого КПД, апертуры разряда. Задачей изобретения является также разработка импульсно-периодического эксимерного лазера, конструкция которого дает возможность скомпоновать лазер с удвоенной энергией и средней мощностью генерируемого лазером излучения.
Технической задачей изобретения является увеличение энергии генерации и средней мощности импульсно-периодического эксимерного лазера при высоком КПД преобразования электрической энергии в лазерное излучение.
Для решения поставленных задач предлагается эксимерный лазер, содержащий:
внешний цилиндрический корпус, обрамляющий заполненную рабочей газовой средой лазерную камеру с газодинамическим трактом, два газоразрядных модуля, систему прокачки рабочей газовой среды через указанные газоразрядные модули и систему охлаждения рабочей газовой среды, при этом каждый газоразрядный модуль имеет высоковольтный и заземленный электроды и УФ предыонизатор, оснащенный системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины,
систему питания газоразрядных модулей,
два диэлектрических цилиндрических контейнера, заполненные диэлектрической газовой средой, установленные внутри внешнего цилиндрического корпуса параллельно друг другу на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними двух упомянутых газоразрядных модулей, при этом каждый диэлектрический цилиндрический контейнер оснащен собственным газоразрядным модулем, размещенным на внешней поверхности этого диэлектрического контейнер при этом газоразрядные модули закреплены на обращенных друг к другу участках стенок диэлектрических контейнеров так, что их высоковольтные электроды расположены в одной плоскости, при этом элементы системы питания соответствующего газоразрядного модуля, по крайней мере, частично размещены внутри диэлектрического контейнера, на стенке которого закреплен этот газоразрядный модуль.
При этом заземленные электроды газоразрядных модулей соединены друг с другом.
Причем заземленные электроды газоразрядных модулей выполнены в едином блоке.
Предпочтительно, что диэлектрические контейнеры выполнены из керамики и заполнены электрически прочным газом, иным, чем рабочая газовая среда.
Предпочтительно, что внешний цилиндрический корпус выполнен из металла.
Кроме того, в УФ предыонизаторе система формирования протяженного однородного разряда, оснащена выпуклыми диэлектрическими пластинами.
При этом в газоразрядном модуле высоковольтный электрод выполнен полупрозрачным и выпуклые диэлектрические пластины установлены с обратной стороны полупрозрачного высоковольтного электрода.
При этом в газоразрядном модуле высоковольтный электрод выполнен сплошным и выпуклые диэлектрические пластины установлены по обе стороны от сплошного высоковольтного электрода.
Кроме того, один из диэлектрических контейнеров смещен к стенке внешнего цилиндрического корпуса и газодинамический тракт оснащен, по крайней мере, двумя направляющими цилиндрическими стенками, каждая из которых одной кромкой примыкает к стенке этого диэлектрического контейнера, а другой кромкой примыкает к стенке внешнего цилиндрического корпуса.
Кроме того, диэлектрические контейнеры размещены в центральной зоне внешнего цилиндрического корпуса и за газоразрядными модулями газодинамический тракт разделяется на два рукава, каждый из которых огибает соответствующий диэлектрический контейнер, которые затем соединяются с противоположной стороны контейнеров перед нагнетательным агрегатом, подающим рабочую газовую среду в газоразрядные модули.
При этом, в последнем случае, в нагнетательном агрегате используются осевые вентиляторы, располагаемые вдоль газоразрядных модулей, при этом между осевыми вентиляторами и газоразрядными модулями установлена выравнивающая решетка.
Предпочтительно, что элементы системы питания внутри каждого диэлектрического контейнера включают в себя, по меньшей мере, накопительные конденсаторы системы питания предыонизатора, накопительные конденсаторы системы питания газового разряда газоразрядного модуля и магнитоуправляемые ключи для подачи питания на указанные конденсаторы.
При этом, накопительные конденсаторы системы питания предыонизатора размещены внутри диэлектрического контейнера в зоне, прилегающей к внутренней стенке диэлектрического контейнера напротив электрода предыонизатора, а накопительные конденсаторы системы питания газового разряда газоразрядного модуля размещены внутри диэлектрического контейнера двумя блоками с двух сторон относительно накопительных конденсаторов системы питания предыонизатора.
При этом магнитоуправляемые ключи для подачи питания на конденсаторы, размещены внутри диэлектрического контейнера в зоне между упомянутыми накопительными конденсаторами.
Для решения поставленных задач также предлагается эксимерный лазер, содержащий:
внешний эллиптический цилиндрический корпус, обрамляющий с внешней стороны заполненную рабочей газовой средой лазерную камеру с газодинамическим трактом, два газоразрядных модуля, систему прокачки рабочей газовой среды через указанные газоразрядные модули и систему охлаждения рабочей газовой среды, при этом каждый газоразрядный модуль имеет высоковольтный и заземленный электроды и УФ предыонизатор, оснащенный системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины,
систему питания газоразрядных модулей,
один диэлектрический цилиндрический контейнер, установленный внутри внешнего эллиптического цилиндрического корпуса в его средней части с зазорами относительно внутренней поверхности этого корпуса, обеспечивающими размещение в этих зазорах двух упомянутых газоразрядных модулей, при этом газоразрядные модули закреплены на противоположных участках стенки диэлектрического контейнера так, что их высоковольтные электроды расположены в одной плоскости, при этом элементы системы питания газоразрядных модулей, по крайней мере, частично размещены внутри диэлектрического контейнера.
Предпочтительно, что диэлектрический цилиндрический контейнер выполнен из керамики и заполнен электрически прочным газом, иным, чем рабочая газовая среда.
Предпочтительно, что внешний эллиптический цилиндрический корпус выполнен из металла.
Кроме того, в каждом газоразрядном модуле УФ предыонизатор и высоковольтный электрод размещены на стенке цилиндрического диэлектрического корпуса, а заземленный электрод размещен на стенке эллиптического цилиндрического корпуса.
Кроме того, в УФ предыонизаторе система формирования протяженного однородного разряда, оснащена выпуклыми диэлектрическими пластинами.
При этом в газоразрядном модуле высоковольтный электрод выполнен полупрозрачным и выпуклые диэлектрические пластины установлены с обратной стороны полупрозрачного высоковольтного электрода.
При этом в газоразрядном модуле высоковольтный электрод выполнен сплошным и выпуклые диэлектрические пластины установлены по обе стороны от сплошного высоковольтного электрода.
Кроме того, в каждом газоразрядном модуле высоковольтный электрод размещен на стенке цилиндрического диэлектрического корпуса, а УФ предыонизатор и заземленный электрод размещены на стенке эллиптического цилиндрического корпуса, причем в УФ предыонизаторе система формирования протяженного однородного завершенного разряда, оснащена выпуклыми диэлектрическими пластинами.
Предпочтительно, что в газоразрядном модуле заземленный электрод выполнен полупрозрачным и выпуклые диэлектрические пластины установлены с обратной стороны полупрозрачного заземленного электрода, либо в газоразрядном модуле заземленный электрод выполнен сплошным и выпуклые диэлектрические пластины установлены по обе стороны от сплошного заземленного электрода.
Предпочтительно, что элементы системы питания внутри диэлектрического контейнера включают в себя, по меньшей мере, накопительные конденсаторы системы питания УФ предыонизаторов, накопительные конденсаторы системы питания газового разряда для обоих газоразрядных модулей и магнитные ключи для подачи питания на указанные накопительные конденсаторы.
При этом накопительные конденсаторы системы питания каждого УФ предыонизатора размещены внутри цилиндрического диэлектрического контейнера в зоне, прилегающей к внутренней стенке этого контейнера напротив электрода этого УФ предыонизатора, а накопительные конденсаторы системы питания газового разряда для каждого газоразрядного модуля размещены внутри цилиндрического диэлектрического контейнера двумя блоками с двух сторон относительно накопительных конденсаторов системы питания УФ предыонизатора этого газоразрядного модуля.
При этом магнитные ключи для подачи питания на накопительные конденсаторы и электроды размещены внутри цилиндрического диэлектрического контейнера в зоне между упомянутыми накопительными конденсаторами.
Кроме того, внутренняя полость цилиндрического диэлектрического контейнера разделена продольной перегородкой на две камеры, при этом для каждого газоразрядного модуля накопительные конденсаторы системы питания УФ предыонизаторов, накопительные конденсаторы системы питания газового разряда и магнитные ключи для подачи питания на указанные накопительные конденсаторы размещены в камере, примыкающей к этому газоразрядному модулю.
При этом газодинамический тракт лазерной камеры выполнен в виде кольцевого канала, охватывающего диэлектрический цилиндрический контейнер, а система прокачки содержит два участка, расположенных с двух сторон относительно цилиндрического контейнера и соединяющих соответственно выход одного газоразрядного модуля с входом другого газоразрядного модуля, при этом каждый из участков оснащен собственным вентилятором и теплообменником.
Предложенная конструкция лазерной камеры, в которой каждый диэлектрический цилиндрический контейнер оснащен, по крайней мере, одним собственным газоразрядным модулем, размещенным на внешней поверхности этого диэлектрического контейнера, и размещение элементов системы питания этого газоразрядного модуля, определяющих высокоэффективный ввод энергии в разряд, внутри диэлектрического контейнера, обеспечивает минимальную индуктивность контуров зарядки накопительных конденсаторов и их разрядки, так как в этом случае обеспечивается минимальная длина проводки, соединяющей накопительные конденсаторы с электродами и другими элементами системы питания. При этом, так как диэлектрический цилиндрический контейнер проектируется в виде сплошного тела, нагруженного внешним давлением, то можно изготовить его с минимальной толщиной стенки, что также уменьшает длину проводки. Таким образом, можно в полной мере реализовать преимущества УФ предыонизатора, оснащенного системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины. Такая конструкция лазерной камеры дает возможность разместить в одном корпусе два газоразрядных модуля, используя для этого либо два диэлектрических цилиндрических контейнера с собственными газоразрядными модулями, как это предлагается в первом варианте, либо один диэлектрический контейнер, как это предлагается во втором варианте. Тем самым можно удвоить энергию и мощность импульсно-периодического эксимерного лазера.
Диэлектрические контейнеры с расположенными внутри элементами системы питания, обеспечивающими оптимальный режим ввода энергии в разряд, эффективно сочетаются с системами прокачки газовой смеси через два газоразрядных объема, позволяют расширить диапазон режимов работы лазера и обеспечить широкий спектр его выходных энергетических характеристик при высоком КПД лазера.
Диэлектрические контейнеры заполнены электрически прочным газом, иным, чем рабочая газовая среда, например, азотом, воздухом и т.п., что предотвращает воздействие агрессивной рабочей газовой среды на элементы системы питания.
Предложенные конструкции УФ предыонизаторов, в которых создаются протяженные однородные завершенные разряды, скользящие по криволинейным поверхностям диэлектриков, компактны и позволяют получать высокий однородный уровень начальных электронов даже при использовании в газоразрядных модулях сплошных металлических электродов, что упрощает их конструкцию и повышает ресурс.
Краткое описание рисунков
Рисунки в заявке представлены в виде достаточном для понимания принципов изобретения специалистами в области лазерной техники и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.
На фиг. 1 показано предлагаемая конструкция лазерной камеры, в которой размещены два диэлектрических цилиндрических контейнера с собственными газоразрядными модулями.
На фиг. 2 показана предлагаемая конструкция разрядной части газоразрядного модуля с УФ предыонизатором, оснащенным системой формирования протяженного однородного разряда, скользящего по криволинейным поверхностям двух диэлектриков, расположенных с обратной стороны частично прозрачного высоковольтного электрода.
На фиг. 3 показана предлагаемая конструкция разрядной части газоразрядного модуля со сплошными электродами с УФ предыонизатором оснащенным системой формирования протяженного однородного разряда, скользящего по криволинейным поверхностям двух диэлектриков, расположенных по обе стороны от высоковольтных сплошных электродов.
На фиг. 4 показан вариант схемы импульсного питания и электродная конфигурация с УФ предыонизатором эксимерного газоразрядного лазера.
На фиг. 5 показан пример осуществления лазерной камеры, в которой размещены два диэлектрических цилиндрических контейнера с собственными газоразрядными модулями, и в которой продув газовой смеси через межэлектродные промежутки двух газоразрядных модулей осуществляется совокупностью осевых вентиляторов, располагаемых вдоль электродов.
На фиг. 6 показан другой вариант предлагаемой лазерной камеры, в которой размещен один диэлектрический цилиндрический контейнер с двумя газоразрядными модулями на его внешней поверхности.
На Фиг. 7 показана предлагаемая конструкция разрядной части газоразрядного модуля с УФ предыонизатором, оснащенным системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по криволинейным поверхностям двух диэлектриков, расположенных с обратной стороны частично прозрачного заземленного электрода.
На фиг. 8 показана предлагаемая конструкция разрядной части газоразрядного модуля со сплошными электродами с УФ предыонизатором оснащенным системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по криволинейным поверхностям двух диэлектриков, расположенных по обе стороны от заземленного сплошного электрода.
Пример осуществления изобретения
Следует понимать, что данное описание служит только для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.
2
3
В соответствии с первым примером осуществления (фиг. 1) эксимерный лазер содержит лазерную камеру, имеющую обрамляющий ее с внешней стороны внешний цилиндрический корпус в виде металлической трубы 1 и расположенные внутри нее два диэлектрических цилиндрических контейнера 2 и 3. Лазерная камера имеет заполненный газовой рабочей средой газодинамический тракт 4, включающий два газоразрядных модуля 5 и 6 и систему прокачки газовой рабочей среды, включающую в себя вентилятор 7, и систему охлаждения рабочей газовой среды, включающую в себя трубчатый теплообменник 8. Для обеспечения равномерности потока и снижения сопротивления газодинамический тракт 4 оснащен двумя направляющими стенками 9. Диэлектрические контейнеры 2 и 3 установлены внутри внешнего цилиндрического корпуса 1 параллельно друг другу на расстоянии, обеспечивающем размещение между ними двух газоразрядных модулей 5 и 6, как это показано на фиг.1. Диэлектрический цилиндрический контейнер 2 оснащен собственным газоразрядным модулем 5, а диэлектрический контейнер 3 оснащен собственным газоразрядным модулем 6. Газоразрядные модули 5 и 6 размещены на внешней поверхности соответствующего диэлектрического контейнера 2 и 3 и закреплены на обращенных друг к другу участках стенок диэлектрических контейнеров 2 и 3. Диэлектрические контейнеры могут быть выполнены из любого приемлемого диэлектрического материала, но предпочтительно изготавливать их из керамики, например из AlO. Диэлектрические контейнеры 2 и 3 заполнены электрически прочным газом, иным, чем рабочая газовая среда, например азотом, воздухом и т.п., которые обладают хорошими диэлектрическим характеристиками.
В первом примере осуществления диэлектрический контейнер 3 смещен к стенке внешнего цилиндрического корпуса 1 и примыкает к нему. Диэлектрический контейнер 2 установлен с зазором относительно стенки внешнего цилиндрического корпуса 1, по которому прокачивается рабочая среда лазерной камеры. Направляющие стенки 9 одной кромкой примыкают к стенке диэлектрического контейнера 3, а другой кромкой примыкают к стенке внешнего цилиндрического корпуса 1.
Как показано на фиг. 2 и 3 каждый газоразрядный модуль 5 и 6 имеет высоковольтный электрод 10, заземленный электрод 11 и УФ предыонизатор 12, оснащенный системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины. Высоковольтный электрод 10 и УФ предыонизатор 12 закреплены на внешней поверхности соответствующего диэлектрического цилиндрического контейнера 2 (или 3). Заземленный электрод 11 соединен со стенкой диэлектрического цилиндрического контейнера 2 (или 3) и с системой питания посредством газопроницаемых токопроводов 13. Высоковольтные электроды 10 и заземленные электроды 11 расположены в одной плоскости, формируя общую рабочую зону, включающую в себя оба газоразрядных модуля 5 и 6. Заземленные электроды И газоразрядных модулей 5 и 6 соединены между собой, либо они выполнены в виде единого блока.
На фиг. 2 высоковольтный электрод 10 выполнен полупрозрачным и УФ предыонизатор 12 размещен с обратной стороны высоковольтного электрода 10. УФ предыонизатор 12 содержит закрепленный на стенке диэлектрического цилиндрического контейнера 2 (или 3) электрод 14 и размещенные на его поверхности выпуклые диэлектрические пластины 15, например, две пластины, как показано на фиг. 2. Диэлектрические пластины 15 могут быть выполнены как часть цилиндрической керамической трубки соответствующей длины.
На фиг. 3 высоковольтный электрод 10 выполнен сплошным и УФ предыонизатор 12 содержит два электрода 16 и 17, закрепленные на стенке диэлектрического цилиндрического контейнера 2 (или 3) по обе стороны от сплошного высоковольтного электрода 10, и размещенные на их поверхности выпуклые диэлектрические пластины 15, примыкающие с обеих сторон к сплошному высоковольтному электроду 10. Диэлектрические пластины 15 могут быть выполнены как часть цилиндрической керамической трубки соответствующей длины.
Вариант системы питания газоразрядных модулей 5 и 6, показанный на фиг.4, включает в себя систему питания УФ предыонизатора и систему питания газового разряда газоразрядного модуля и будет описан только в части элементов, обеспечивающих непосредственную подачу питания на электроды УФ предыонизатора и электроды газоразрядных модулей.
пр
0
3
Система питания каждого газоразрядного модуля 5 и 6 включает в себя, по меньшей мере, высоковольтный блок питания 18 (показан только на фиг. 4), накопительные конденсаторы 19 (C) системы питания УФ предыонизатора, два блока 20 и 21 накопительного конденсатора (C), блока конденсаторов 22 (C) первой ступени сжатия импульса и магнитные ключи 23 (MS1) и 24 (MS2). В качестве магнитных ключей могут использоваться магнитоуправляемые вентили, дроссели насыщения и т.п. Магнитный ключ 23 обеспечивает уменьшение времени зарядки блока конденсаторов 22 (первая ступень сжатия импульса), а магнитный ключ 24 - дальнейшее сжатие импульса и быструю зарядку конденсаторов 19, 20, 21 (за время -100 наносекунд), при которой достигается перенапряжение на разрядных электродах. Обеспечение перенапряжения и минимального времени ввода энергии в разряд определяет эффективный ввод энергии в разряд. Чтобы достигнуть этого, необходимо обеспечить, как минимальную индуктивность контура зарядки конденсаторов 19, 20, 21, так и минимальную индуктивность их разрядки через газовый промежуток. Исходя из этого, элементы схемы питания 19, 20, 21 и 24 размещаются в керамических контейнерах. Возможно размещение в контейнере и блока конденсаторов 22 и магнитного ключа 23, как это будет показано далее на фигурах 6, 7, 8.
0
0
0
Как показано на фиг. 2 накопительный конденсатор 19 системы питания УФ предыонизатора 12 установлен внутри диэлектрического цилиндрического контейнера 2 в зоне прилегающей к внутренней стенке этого контейнера напротив электрода 14 УФ предыонизатора, что обеспечивает минимальную длину токоподвода 25 для подачи питания на электрод 14. Накопительный конденсатор (С) системы питания газового разряда разделен на два блока 20 и 21, установленные внутри диэлектрического цилиндрического контейнера 2 с двух сторон относительно накопительного конденсатора 19. Каждый из блоков 20 и 21 накопительного конденсатора (С) соединен с полупрозрачным высоковольтным электродом 10 собственным токоподводом, что обеспечивает минимальную длину токоподвода для подачи питания на высоковольтный электрод 10. Заземленный электрод 11 соединяется с заземленными шинами накопительных конденсаторов посредством газопроницаемых токопроводов 13. Минимальная длина токоподводов обеспечивает минимальную индуктивность цепи разрядки конденсаторов 19, 20, 21 через газовый промежуток газоразрядного модуля 5. В этом же контейнере 2 в зоне между накопительными конденсаторами установлен блок 26 с магнитными ключами 23 и 24 для подачи питания от высоковольтного блока питания 18 (установленного за пределами контейнера 2) на указанные накопительный конденсатор 19 и два блока 20 и 21 накопительного конденсатора (С). Такое размещение магнитных ключей обеспечивает минимальную длину электропроводки (на рисунках не показана) к накопительным конденсаторам, и соответственно уменьшает ее индуктивность. Аналогичным образом элементы питания газоразрядного модуля 6 установлены в диэлектрическом цилиндрическом контейнере 3.
Работа устройства.
Система питания через магнитный ключ 23, размещенный в блоке 26, заряжает блок конденсаторов 22 (первая ступень сжатия импульса) и затем через магнитный ключ 24 заряжает накопительные конденсаторы 19 системы питания УФ предыонизатора 12 и блоки 20 и 21 накопительных конденсаторов системы питания газового разряда газоразрядных модулей 5 и 6. При появлении напряжения на высоковольтном электроде 10 (фиг. 1, фиг. 2) с его кромок развиваются разряды, скользящие по поверхностям диэлектрических пластин 15 (керамических трубок). Скользящие разряды замыкаются на электроде 14, соединенном с накопительными конденсаторами 19. Так как ток завершенного скользящего разряда - это ток зарядки накопительного конденсатора 19, то, изменяя емкость накопительных конденсаторов 19, можно менять энерговклад в завершенный скользящий разряд и тем самым уровень УФ излучения от него.
УФ излучение от скользящих разрядов, проходя через частично прозрачные поверхности высоковольтных электродов 10, производит предварительную ионизацию газоразрядных промежутков газоразрядных модулей 5 и 6. Когда напряжение между высоковольтным электродом 10 и заземленным электродом 11 достигнет пробойного, происходит однородный объемный разряд в двух газоразрядных модулях, являющихся активным элементом лазера. При этом генерируется импульс лазерного излучения.
Для реализации импульсно-периодического режима к следующему импульсу необходимо, по крайней мере, частично сменить газ (газовую рабочую среду) между электродами и охладить его. Продув газа осуществляется диаметральным вентилятором 7. Охлаждение газа после импульса осуществляется в трубчатом теплообменнике 8, состоящем из металлических трубок, по которым обычно прокачивается вода.
Для ряда применений требуется высокая частота следования импульсов лазера. В этом случае ширина объемного разряда должна быть достаточно малой (~1 см) и целесообразно использовать сплошные металлические электроды. Как показано на фиг. 3, в этом случае скользящие разряды генерируются по обе стороны сплошного высоковольтного электрода 10 на криволинейных поверхностях диэлектрических пластин 15 (керамических трубках, часть поверхности каждой из которых (обычно четверть) удалена). Скользящие разряды начинаются от сплошного высоковольтного электрода 10 и замыкаются на электроды 16 и 17, соединенные посредством собственных токоподводов с накопительным конденсатором 19 системы питания УФ предыонизатора 12.
На фиг. 5 показан второй пример осуществления предлагаемого изобретения. Учитывая, что многие элементы в данном примере осуществления совпадают с предыдущим примером, описание совпадающих элементов устройства опущено.
В этом примере осуществления диэлектрические цилиндрические контейнеры 2 и 3 размещены в центральной зоне внешнего цилиндрического корпуса 1 и за газоразрядными модулями газодинамический тракт разделяется на два рукава 27 и 28, каждый из которых огибает соответствующий диэлектрический цилиндрический контейнер. Рукава 27 и 28 затем соединяются с противоположной стороны контейнеров перед нагнетательным, агрегатом, подающим рабочую газовую среду в газоразрядные модули. В данном случае в нагнетательном агрегате используются осевые вентиляторы 29, располагаемые вдоль газоразрядных модулей, при этом между осевыми вентиляторами и газоразрядными модулями установлена выравнивающая решетка 30 с переменной прозрачностью. Осевые вентиляторы вращаются с помощью электромоторов 31 через магнитные муфты 32. Создание и исследование подобной конструкции системы продува показало, что линейка из трех осевых вентиляторов обеспечивает продув газа в газоразрядном модуле с апертурой 9 см × 6 см, что позволяет сохранить энергию генерации ~10 Дж при частоте следования импульсов 300 Гц.
Работа этого эксимерного лазера не отличается от вышеописанного примера осуществления и здесь не приводится.
На фиг. 6 приведен другой вариант настоящего изобретения.
Эксимерный лазер содержит внешний металлический эллиптический цилиндрический корпус 33, обрамляющий с внешней стороны заполненный рабочей средой газодинамический тракт лазерной камеры, имеющий два газоразрядных модуля 5 и 6 и систему прокачки рабочей газовой среды через указанные газоразрядные модули. Внутри эллиптического цилиндрического корпуса 33 установлен диэлектрический цилиндрический контейнер 34, размещенный в его средней части с зазорами относительно внутренней поверхности этого корпуса 33, обеспечивающими размещение в этих зазорах двух газоразрядных модулей 5 и 6, при этом газоразрядные модули 5 и 6 закреплены на противоположных участках стенки диэлектрического цилиндрического контейнера 34 так, что их высоковольтные электроды расположены в одной плоскости. Предпочтительно, что диэлектрический цилиндрический контейнер 34 выполнен из керамики.
В общем случае, как и в первом варианте, в каждом газоразрядном модуле 5 и 6 УФ предыонизаторы и высоковольтные электроды размещены на стенке цилиндрического диэлектрического контейнера 34. В отличие от первого варианта заземленный электрод 11 размещен на стенке эллиптического цилиндрического корпуса 33.
Газоразрядные модули 5 и 6, показанные на общей схеме эксимерного лазера на фиг. 6, по своей конструкции и по схеме крепления их на стенке диэлектрического цилиндрического контейнера 34 совпадают с вышеописанным первым вариантом (фиг. 2 и 3) и их конструкция здесь не описывается.
Система питания газоразрядных модулей 5 и 6 включает в себя систему питания УФ предыонизатора и систему питания газового разряда газоразрядного модуля. В рассматриваемом варианте система питания газоразрядных модулей по своей схеме совпадает с системой питания для первого варианта (см. фиг. 4) и здесь не описывается.
0
0
0
Как показано на фиг. 6 элементы системы питания газоразрядного модуля 5 размещены внутри диэлектрического цилиндрического контейнера 34 в зоне, прилегающей к внутренней стенке этого контейнера напротив газоразрядного модуля 5, так, что, как и в первом варианте (фиг. 2 и 3), накопительный конденсатор 19 системы питания УФ предыонизатора установлен напротив электрода УФ предыонизатора, что обеспечивает минимальную длину токоподвода для подачи питания на электрод УФ предыонизатора. Два блока 20 и 21 накопительного конденсатора (C) системы питания газового разряда установлены внутри диэлектрического цилиндрического контейнера 34 с двух сторон относительно накопительного конденсатора 19. Каждый из блоков 20 и 21 накопительного конденсатора (C) соединен с полупрозрачным высоковольтным электродом 10 газоразрядного модуля 5 собственным токоподводом, аналогично первому варианту показанному на фиг. 2 и 3, что обеспечивает минимальную длину токоподвода для подачи питания на этот высоковольтный электрод 10. Заземленный электрод 11 соединяется с заземленными шинами накопительных конденсаторов посредством газопроницаемых токопроводов 13. Минимальная длина токоподводов обеспечивает минимальную индуктивность цепи подвода питания к газоразрядному модулю 5. В этой же зоне между накопительными конденсаторами установлен блок 26 с магнитными ключами 23 и 24 для подачи питания от высоковольтного блока питания 18 (установленного за пределами контейнера 33) на указанные накопительный конденсатор 19 и два блока 20 и 21 накопительного конденсатора (C). Такое размещение магнитных ключей обеспечивает минимальную длину электропроводки (на рисунках не показана) к накопительным конденсаторам, и соответственно уменьшает ее индуктивность. Аналогичным образом элементы питания газоразрядного модуля 6 установлены в верхней зоне диэлектрического цилиндрического контейнера 34.
При необходимости внутренняя полость цилиндрического диэлектрического контейнера 34 может быть разделена продольной перегородкой 35 на две камеры 36 и 37, при этом для каждого газоразрядного модуля накопительные конденсаторы системы питания УФ предыонизаторов, накопительные конденсаторы системы питания газового разряда и магнитные ключи для подачи питания на указанные накопительные конденсаторы размещены в камере, примыкающей к этому газоразрядному модулю.
На перегородке 35 могут быть размещены блоки накопительного конденсатора 22 (первой ступени сжатия) системы питания газоразрядных модулей 5 и 6 или иные блоки эксимерного лазера.
Газодинамический тракт лазерной камеры выполнен в виде кольцевого канала, охватывающего диэлектрический цилиндрический контейнер, а система прокачки рабочей газовой среды содержит два участка 38 и 39, расположенных с двух сторон относительно цилиндрического контейнера и соединяющих соответственно выход одного газоразрядного модуля 5 с входом другого газоразрядного модуля 6, при этом каждый из участков оснащен собственным вентилятором 7 и теплообменником 8.
Такая конструкция может выгодно отличаться от конструкции на фиг. 1 компактностью и лучшими газодинамическими характеристиками при достижении определенных энергетических выходных характеристик лазера.
Работа эксимерного лазера по второму варианту с газоразрядными модулями, аналогичными газоразрядным модулям, показанным на фиг. 2 и 3, не отличается от вышеописанного первого примера осуществления и здесь не приводится.
Дополнительно, в данном варианте осуществления настоящего изобретения можно использовать и иные конструкции газоразрядных модулей.
На фиг. 7 показана конструкция газоразрядного модуля, в которой высоковольтный электрод 10, размещен на диэлектрическом цилиндрическом контейнере 34 и выполнен сплошным. УФ предыонизатор 12 скомпонован с заземленным электродом 11 и размещен с обратной стороны полупрозрачного заземленного электрода 11, в котором имеется частично прозрачная часть 40 для ввода излучения УФ предыонизатора в разрядный объем и прорези 41 для ввода токоподводов 42 к электродам 43 УФ предыонизатора. Электрод 14 УФ предыонизатора соединен с корпусом 33 лазера и оснащен выпуклыми диэлектрическими пластинами 15, размещенными с обратной стороны частично прозрачной части 40 заземленного электрода.
При появлении напряжения на электродах 43 УФ предыонизатора с его кромок развиваются разряды, скользящие по поверхностям диэлектрических пластин 15 (керамических трубок). Скользящие разряды замыкаются на электроде 14.
УФ излучение от скользящих разрядов, проходя через частично прозрачные поверхности 40 заземленного электрода, производит предварительную ионизацию газоразрядных промежутков газоразрядных модулей 5 и 6. Когда напряжение между высоковольтным электродом 10 и заземленным электродом 11 достигнет пробойного, происходит однородный объемный разряд в соответствующем газоразрядном модуле. При этом генерируется импульс лазерного излучения.
На фиг. 8 показана конструкция газоразрядного модуля, в которой высоковольтный электрод 10 размещен на диэлектрическом цилиндрическом контейнере и выполнен сплошным. УФ предыонизатор 12 скомпонован с заземленным электродом 11. Электрод 14 УФ предыонизатора соединен с заземленным электродом 11 и оснащен выпуклыми диэлектрическими пластинами 15, размещенными по обе стороны от сплошного заземленного электрода 11. Электроды 43 УФ предыонизатора соединены с накопительными конденсаторами 19 газопроницаемыми токоподводами 42.
При появлении напряжения на электродах 43 УФ предыонизатора с его кромок развиваются разряды, скользящие по поверхностям диэлектрических пластин 15 (керамических трубок). Скользящие разряды замыкаются на электродах 14 и 11.
УФ излучение от скользящих разрядов производит предварительную ионизацию газоразрядных промежутков газоразрядных модулей 5 и 6. Когда напряжение между высоковольтным электродом 10 и заземленным электродом 11 достигнет пробойного, происходит однородный объемный разряд в соответствующем газоразрядном модуле. При этом генерируется импульс лазерного излучения.
Такая конструкция газоразрядных модулей при определенных требуемых энергетических параметрах лазера может оказаться более простой и выгодной.
По сравнению с известными устройствами предложенный эксимерный лазер приобретает новые положительные качества.
Предложенная конструкция лазерной камеры, в которой каждый диэлектрический цилиндрический контейнер оснащен, по крайней мере, одним собственным газоразрядным модулем, размещенным на внешней поверхности этого диэлектрического контейнера, и размещение элементов системы питания этого газоразрядного модуля, определяющих высокоэффективный ввод энергии в разряд, внутри диэлектрического контейнера, обеспечивает минимальную индуктивность контуров зарядки накопительных конденсаторов и их разрядки, так как в этом случае обеспечивается минимальная длина проводки, соединяющей накопительные конденсаторы с электродами и другими элементами схемы питания. При этом, так как диэлектрический цилиндрический контейнер проектируется в виде сплошного тела, нагруженного внешним давлением, то можно изготовить его с минимальной толщиной стенки, что также уменьшает длину проводки. Таким образом, можно в полной мере реализовать преимущества УФ предыонизатора, оснащенного системой формирования протяженного однородного завершенного разряда, скользящего по поверхности диэлектрической пластины.
Такая конструкция лазерной камеры дает возможность разместить в одном корпусе два газоразрядных модуля, используя для этого либо два диэлектрических цилиндрических контейнера с собственными газоразрядными модулями, как это предлагается в первом варианте, либо один диэлектрический контейнер, как это предлагается во втором варианте. Тем самым можно удвоить энергию и среднюю мощность импульсно-периодического эксимерного лазера без потери в эффективности преобразования электрической энергии в лазерную, то есть обеспечивая высокий КПД лазера.
Предложенные конструкции УФ предыонизаторов, в которых создаются протяженные однородные завершенные разряды, скользящие по криволинейным поверхностям диэлектриков, компактны и позволяют получать высокий однородный уровень начальных электронов даже при использовании в газоразрядных модулях сплошных металлических электродов, что упрощает их конструкцию и повышает ресурс.
В наиболее мощном на сегодняшний день коммерческом XeCl лазере (LAMBDA SX 540С), выпускаемом фирмой COHERENT, максимальная энергия импульса равна 0,9 Дж и, чтобы получить высокую среднюю мощность, в лазере использована очень высокая частота повторения импульсов (600 Гц). Исходя из требований технологий массового производства широкоформатных дисплеев, в которых используются эксимерные лазеры, и для увеличения энергии генерации и средней лазерной мощности, фирма COHERENT разработала лазерную систему (VYPER), составленную из двух отдельных лазерных камер, что резко увеличивает сложность системы и, соответственно, цену лазера. Энергия генерации этой системы 1,8-2 Дж (308 нм), но существует потребность в дальнейшем увеличении лазерной энергии.
Наши исследования XeCl лазера показали, что энергия ~2 Дж может быть получена при использовании предлагаемой конструкции от одного газоразрядного модуля с высоким КПД (>2%). Из этого следует, что в предлагаемой нами конструкции лазерной камеры с использованием двух газоразрядных модулей может быть получена энергия генерации 4 Дж (308 нм). В экспериментах продемонстрирована высокая стабильность и надежность работы лазера.
Таким образом, выполнение эксимерного лазера в предложенном виде позволяет удвоить энергию генерации при сохранении высокого КПД лазера, расширить диапазон лазерных характеристик, упростить и удешевить конструкцию лазера,
Каждый из описанных выше вариантов исполнения газоразрядного модуля может использоваться в соответствующем варианте исполнения эксимерного лазера в соответствии с потребностями потребителя.
Вышеприведенные варианты осуществления изобретения является просто примером и не ограничивают настоящего изобретения. Описание настоящего изобретения является иллюстративным и не ограничивает сферы действия формулы изобретения.