Эксимерный лазер

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2357339:

Институт сильноточной электроники СО РАН (RU)

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при разработке и создании мощных и эффективных эксимерных лазеров с импульсом излучения длительностью 20-40 нс. Технический результат - повышение эффективности и мощности (энергии) генерации лазера. Для достижения данного результата в эксимерном лазере величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰ A/см²c и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0.5 МВт/см³. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых эксимерных лазеров.

Известно, что эксимерные лазеры являются наиболее эффективными и мощными источниками в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. К настоящему времени в литературе имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Тем не менее, и сейчас остаются актуальными исследования по улучшению параметров лазерного излучения. В этом случае, представляет интерес получение высокой эффективности генерации при одновременном сохранении высокой мощности (энергии) лазерного пучка.

Известно, для обеспечения эффективной работы лазера необходимо зажигать объемный разряд с высокой однородностью. Для зажигания объемного разряда обычно применяется ультрафиолетовая предыонизация [1-7]. Также известно, что для каждой длительности импульса генерации существует своя оптимальная величина удельной мощности накачки. При превышении некоторой величины удельной мощности накачки (обычно в основном за счет повышения плотности разрядного тока j) в разряде развиваются локальные неоднородности (макроканалы - 1-2 мм в диаметре и микроканалы - 0.1 мм). Результатом развития локальных неоднородностей является снижение эффективности и энергии генерации лазера [3-5]. Основными причинами снижения генерации лазеров являются: уменьшение объема разряда и выгорание в неоднородностях галогеносодержащего вещества (HCl) за счет протекания большого тока через меньшую площадь. Развитие неоднородностей в разряде эксимерных лазеров обусловлено физикой горения (неустойчивостью) разряда в газовых смесях с галогеном [6, 7].

При снижении удельной мощности накачки сразу улучшаются условия зажигания однородного разряда, но снижается мощность (энергия) импульса лазерного излучения. Поэтому все лазеры работают как бы на некоторой границе между большой и малой удельной мощностью накачки, называемой оптимальной удельной мощностью накачки данного лазера. Величина этой мощности определяется в основном условиями зажигания объемной формы разряда и ограничена сверху развитием локальных неустойчивостей в разряде.

Данное изобретение осуществлено в лазерах с длительностью импульса накачки (на полувысоте импульса мощности накачки) 20-40 нс. Согласно литературным данным для таких лазеров на молекуле XeCl оптимальная удельная мощность накачки лежит в области 1-1.5 МВт/см³ [1-6]. КПД таких лазеров в основном составляет (1-1.5)%, и только в лучших работах около 2% [4, 7]. Энергия генерации таких лазеров обычно равна 0.1-1 Дж. Так в работе [2] авторы утверждают, что наибольшая эффективность генерации должна быть при удельной мощности накачки в диапазоне от 1 до

2 МВт/см³, при этом была получена эффективность лазера 1.5%. В работе [6] лазер с длительностью импульса 40 нс и энергией генерации 1-2 Дж работал при оптимальной удельной мощности накачки 1 МВт/см³, КПД лазера был 1.35%. В работе [3] лазер работал при удельной мощности накачки 1.5 МВт/см³, КПД лазера был на уровне 1.5%.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является эксимерный лазер, описанный в работе [7]. В данном лазере достигнута максимальная эффективность генерации 2.3%. Авторы утверждают, что эта эффективность реализуется при удельной мощности накачки ~1 МВт/см³. Эксимерный лазер состоит из резонатора и лазерной камеры с газовой смесью Ne/Xe/HCl, в которой расположены основные металлические электроды для зажигания разряда накачки и дополнительные электроды для предыонизации газа между основными электродами. Система импульсного питания разряда накачки состоит из коммутатора (тиратрон),

зарядной C₁ и разрядной С₂ емкостей и разрядной индуктивности. Принцип работы лазера заключается в следующем. После зарядки зарядной емкости C₁ включается коммутатор и энергия из зарядной емкости C₁ передается в разрядную емкость С₂ через дополнительные электроды. Вблизи максимума напряжения на разрядной емкости происходит пробой основного разрядного промежутка в лазерной камере, между основными электродами зажигается разряд накачки и производится импульс генерации.

Главный недостаток технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является низкая эффективность генерации, ограниченная интенсивность выходного излучения и дальнейшее снижение эффективности при увеличении удельной мощности накачки. Ограничение эффективности генерации, по нашему мнению, связано с развитием локальных неоднородностей в разряде, которые еще больше проявляются при увеличении удельной мощности накачки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и мощности (энергии) генерации лазера с длительностью импульса генерации 20-40 нс.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном эксимерном лазере с длительностью импульса 20-40 нс, содержащем резонатор, камеру с газовой смесью Ne/Xe/HCl, электродами и разрядный контур, состоящий из емкости, индуктивности и коммутатора, согласно изобретению величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0.5 МВт/см³.

Предлагаемое изобретение основано на обеспечении такой величины индуктивности разрядного контура, при которой повышение удельной мощности накачки до 3±0.5 МВт/см³ и обеспечение скорости нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с, не приводит к развитию локальных неоднородностей в разряде, позволяет зажечь однородный разряд и повысить как эффективность лазера, так и мощность (энергию) излучения в импульсе. Именно высокая скорость нарастания плотности разрядного тока обеспечивает более благоприятные условия для развития множества лавин с катода основного разрядного промежутка равномерно на всей рабочей площади электродов. При уменьшении величины dj/dt≥5×10¹⁰А/см²с уже возможна конкуренция между отдельными лавинами, которая при высокой удельной мощности накачки может приводить к перераспределению тока по отдельным участкам разрядного промежутка и снижению энергии лазерной генерации.

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения приводится пример экспериментальной реализации предлагаемого решения.

На чертеже представлена электрическая схема коммерческого XeCl лазера, разработанного в нашем институте. Лазер работает при частоте импульсов до 100 Гц.

Лазер состоит из лазерной камеры с газовой смесью (1), в которой расположены основные металлические электроды (2) для зажигания разряда накачки и дополнительные электроды (3) для предыонизации межэлектродного промежутка. Длина основных электродов разряда накачки равна 59 см, межэлектродное расстояние 2.24 см. Для данного межэлектродного расстояния основные электроды были выполнены по радиусу 60 см. Для другого межэлектродного расстояния радиус электродов должен быть другим. Расстояние между основными и дополнительными электродами было 25 мм. Данное расстояние ограничивалось электрической прочностью между этими электродами. Система импульсного питания разряда накачки состоит из коммутатора (тиратрон) (4), зарядной C₁ и разрядной С₂ емкостей. Величина емкостей была С₁=66 нФ, a C₂=53 нФ. Величина разрядной индуктивности была 4 нГн. Разряд зажигался в газовой смеси Ne/Xe/HCl=1000/15/1 при давлении 3.6 атм. В лазере использовался обычный плоскопараллельный резонатор.

Принцип работы лазера заключается в следующем. После зарядки зарядной емкости C₁ до напряжения (18-23) кВ включается коммутатор (4) (тиратрон) и энергия из зарядной емкости С₁ передается в разрядную С₂ через искры (3), которые возникают между дополнительными электродами и обеспечивают предварительную ионизацию газовой смеси. Вблизи максимума напряжения на разрядной емкости С₂ происходит пробой разрядного промежутка между основными электродами (2), зажигается разряд накачки и производится импульс генерации. Длительность импульса накачки лазера (на полувысоте мощности накачки) составляет 32 нс. Лазер эффективно работает при удельной мощности накачки 3±0.5 МВт/см³. Максимальная энергия генерации лазера достигает 400 мДж, а КПД=2.6%. Изменение удельной мощности накачки в большую или меньшую сторону от указанного диапазона снижает эффективность генерации лазера. При 10%-м изменении длительности импульса накачки (за счет увеличения или уменьшения величины емкостей C₁ и С₂) оптимальная удельная мощность накачки 3±0.5 МВт/см³ не изменялась.

Полученные результаты показывают возможность повышения выходных параметров XeCl лазеров с длительностью импульсов 20-40 нс за счет повышения уровня удельной мощности накачки до 3±0.5 МВт/см³. Так, при такой мощности накачки была достигнута не только более высокая эффективность генерации 2.6%, но и рекордная на настоящий момент времени интенсивность лазерного излучения 10 МВт/см³.

Использование данного изобретения позволит создавать эффективные и мощные коммерческие ХеС1 лазеры, пригодные для многих применений.

Источники информации

1. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. (М. Энергоатомиздат, 1988).

2. В.Б.Кауль, С.Э.Кунц, С.В.Мельченко. Интенсивность насыщения и спектр выходного излучения XeCl лазера // Квантовая электроника. - 1995. - В.22. - №6. - С.555-561.

3. Ageev V.P., Atezhev V.V., Bukreev V.S. Vartapetov S.V., Zhukov A.N., Konov V.I., Sevelev A.D., " Pulse - periodic excimer laser with magnetic spiker unit", Zhurnal Tehnicheskoi Phiziki, - 1986. - T.56. - P.1387 - 1389.

4. B.M.Борисов, В.Ю.Баранов, А.Ю.Виноходов и др. Квантовая электроника. - 1991. - В.18. - С.183.

5. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Д.Н.Молчанов и др. Широкоапертурный электроразрядный XeCl лазер с УФ предыонизациец и энергией генерации 20 Дж. // Квантовая электроника. - 1987. - В.14. - №8. - С.1542-1550.

6. Mel'chenko S.V., Panchenko A.N., Tarasenko V.F. High power Raman conversion of a discharge XeCl laser // Optics Communications. - 1985. - V.5. - №1. - P.51-52.

7. B.M.Борисов, И.Е.Брагин, А.Ю. Виноходов, В.А.Водчиц. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника. - 1995. - В.22. - №6. - С.533-536.

Эксимерный лазер длительностью импульса 20-40 нс, содержащий резонатор, камеру с Ne/Хе/HCl газом, электродами и разрядный контур, состоящий из емкости, индуктивности и коммутатора, отличающийся тем, что величина индуктивности разрядного контура обеспечивает скорость нарастания плотности разрядного тока dj/dt≥5×10¹⁰ A/см²c и зажигание разряда накачки с удельной мощностью 3±0,5 МВт/см³.

Изобретение относится к лазерной физике и может быть использовано для повышения мощности и эффективности генерации электроразрядных СО лазеров, а также для создания мощного компактного электроразрядного СО лазера или усилителя ИК-излучения.

Способ и устройство квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред // 2349999

Изобретение относится к области создания мощной лазерной техники для технологических целей, преимущественно фотоионизационных CO2(СО)-лазеров, а также лазеров на основе Ar:Хе, O2:I2, и может быть использовано при возбуждении плазмохимических сред и создании плазмохимических реакторов различного назначения.

Эксимерный лазер с субпикосекундным импульсом излучения // 2349998

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании эксимерных лазеров с импульсом излучения короткой длительности и малой расходимости.

Газовый лазер // 2330364

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано в технологическом процессе изготовления активных элементов для лазеров. .

Устройство возбуждения плазмы газового разряда // 2330363

Изобретение относится к возбуждению и стабилизации плазмы газового разряда и может быть использовано в газовых лазерах, в системах типа «Токамак» и т.п. .

Способ поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера и газоразрядная трубка лазера на парах галогенидов металлов // 2295811

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания и поддержания требуемой концентрации галогеноводорода в активной области газоразрядной трубки.

Импульсно-периодический газовый лазер и лазерная хирургическая установка // 2286628

Изобретение относится к газовым лазерам и может быть использовано в научных целях, лазерных технологиях, медицине, в лазерной хирургии и косметологии. .

Способ изготовления активного элемента газового лазера // 2273928

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для изготовления газовых лазеров. .

Проточный газовый лазер // 2270499

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологических процессах. .

Химический кислородно-йодный лазер с буферным газом // 2390892

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров и лазеров специального назначения

Электроразрядный многоканальный лазер с диффузионным охлаждением газовой смеси // 2410810

Активный элемент лазера на парах галогенида металла // 2420844

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например, бромида меди

Лазер на стронции // 2439763

Эксимерный лазер // 2467442

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к компактным импульсно-периодическим эксимерным лазерам с УФ предыонизацией

Лазер на парах щелочных металлов с диодной накачкой // 2503105

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер на парах щелочных металлов с диодной накачкой содержит лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов и оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры. Активная среда представляет собой смесь из буферного газа и пара щелочного металла. Источник излучения накачки расположен со стороны торцевого окна лазерной камеры таким образом, что направление формируемого им излучения накачки ориентировано продольно направлению оптической оси камеры. Оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки выполнены и установлены с обеспечением построения в активной среде в одной и той же плоскости, поперечной оптической оси камеры, изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее короткой стороны и Фурье-изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее длинной стороны. Технический результат заключается в обеспечении более эффективного преобразования энергии накачки в лазерную энергию и в повышении КПД лазера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ получения инверсионной населенности на атомах йода // 2548622

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров. Способ получения инверсной населенности на атомах йода заключается в оптической накачке газового потока. Оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение. Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды. 1 ил.

Устройство для возбуждения молекул и атомов газа // 2551387

Изобретение относится к устройству для возбуждения молекул и атомов газа в системах накачки газовых лазеров. Устройство представляет собой кювету в виде вытянутого параллелепипеда или цилиндра, имеющего внешний корпус из изоляционного материала. Внутри корпуса вдоль стен кюветы, параллельно друг другу, расположены сетчатые электроды - анод и катод. Пространство между электродами представляет собой разрядную камеру для осуществления горения тлеющего разряда. В зонах между каждой сеткой-электродом и внутренней поверхностью кюветы образованы камеры, выполняющие роль формирователя газового потока. В каждую из камер осуществляется индивидуальный подвод газа. При этом в одной из боковых стенок газовой кюветы выполнена щель для выпуска из разрядной камеры потока возбужденных молекул или атомов газа в область резонатора, генерирующего поток излучения. Технический результат - снижение габаритов и мощности устройства при сохранении энерговклада. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Мультиэлементный излучатель на парах металлов и их соединений // 2557328

Изобретение относится к лазерной технике. В оптический резонатор излучателя на парах металлов и их соединений установлено две или более соосных друг другу газоразрядных трубок таким образом, что зеркала резонатора оптически связаны друг с другом через объемы газоразрядных трубок, в каждой из упомянутых трубок содержится своя активная среда на парах металлов или их соединений, при этом активные среды и материалы выходного зеркала и окон газоразрядных трубок взаимно прозрачны для генерируемых длин волн, а электроды каждой трубки электрически связаны с выходом своего импульсного высоковольтного источника питания. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения числа и диапазона длин волн генерации за счет внесения в оптический резонатор нескольких активных сред. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Активный элемент лазера на парах щелочных металлов // 2558652

Активный элемент лазера на парах щелочных металлов содержит камеру с активной средой и оптические окна, прозрачные для лазерного излучения. В стенках камеры установлены трубчатые концевые секции, отделяющие оптические окна от стенок. Каждая концевая секция выполнена металлической с ребристой внутренней поверхностью и снабжена рубашкой охлаждения, охватывающей внешнюю поверхность секции. Внутри каждой секции установлены металлические диафрагмы с отверстиями, диаметр которых согласован с размером поперечного сечения пучка лазерного излучения. Активная среда представляет собой смесь по меньшей мере одного буферного газа и пара щелочного металла. Рубашка охлаждения секции содержит кольцевой канал, в котором обеспечена циркуляция хладагента (охлаждающей жидкости или газа). Технический результат - уменьшение вероятности оседания паров щелочных металлов на окнах кюветы и взаимодействия их с материалами окон и просветляющих покрытий. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.