Influence of discharge plasma inhomogeneities on the characteristics of KrF laser radiation.pdf Введение Известно, что эксимерные лазеры являются наиболее эффективными и мощными источниками излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Однако, так как зажигаемый объемный разряд, в газах высокого давления включающий в себя галогениды, по своей природе неустойчив, то, как правило, используют два типа генераторов для накачки эксимерных лазеров. В первом случае, от одного источника тока происходит формирование объемного разряда, затем от другого идет поддержание его горения [1]. Во втором случае, формирование и накачка разряда происходят от одного генератора, что позволяет существенно упростить электрическую схему накачки и соответственно сделать ее более конкурентоспособной при производстве технологических лазеров. Однако в данном случае возможности повышения энергии генерации и КПД лазера ограничиваются существующей длительностью импульса излучения, которое, как правило, не превышает 10-20 нс. Малая длительность лазерного пучка обусловлена сложностью удержания объемного разряда ввиду развития в нем различных типов токовых неустойчивостей, которые и приводят к прекращению генерации [2-5]. Данный эффект наиболее явно проявляется с ростом удельной мощности накачки (более 1 МВт/см3), а также ее длительности (более 50 нс). Таким образом, цель работы - изучение условий формирования токовых неустойчивостей в разрядной плазме и их влияния на характеристики излучения KrF-лазера при повышенных удельных мощностях накачки. Экспериментальная установка и методики измерений Экспериментальные исследования проводились на электроразрядном импульсно-периодичес¬ком KrF-лазере серии ELF. КrF-лазер имел энергию генерации Е ≈ 0.5 Дж, длительность импульса на полувысоте интенсивности (FWHM) 20 нс, частота повторения импульсов до 100 Гц [6]. Накачка KrF-лазера осуществлялась по классической двухконтурной электрической схеме с перезарядкой конденсаторов (рис. 1). Автоматическая УФ-предыонизация осуществлялась от искровых промежутков при протекании через них тока перезарядки конденсаторов. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТПИ1-10k/20. Зарядное напряжение изменялось в диапазоне 18-24 кВ. Параметры электрической схемы накачки были следующими: емкости конденсаторов С1 и С2 - 57.4 и 37.4 нФ соответственно, значения индуктивностей L2 - 120 нГн и L3 - 4 нГн. Длина электродов была равна 450 мм, межэлектродное расстояние - 21.4 мм. Радиус рабочей поверхности электродов R изменялся от 80 до 120 мм. Длина резонатора - 80 см, зеркала имели коэффициенты отражения 0.07 и 0.99. Форма импульсов тока и напряжения на разрядной емкости С2 регистрировались с помощью токового шунта и резистивного делителя напряжения. Измерение временной формы лазерного излучения проводилось фотодиодом ФЭК-22 СПУ-М с помощью осциллографа TDS-3032. Энергия излучения регистрировалась калориметром Gentec-E. Для анализа полученных экспериментальных результатов использовалась разработанная в ИСЭ СО РАН численная модель KrF-лазера [6, 7]. Модель включала ряд уравнений, позволяющих описывать временное поведение тока накачки в электрической схеме (метод Гира), изменение концентраций частиц плазмы и электронов, формирование лазерного излучения в резонаторе, и уравнение Больцмана для функции распределения электронов по энергии. Модель кинетики включала реакции, в которых использовались 40 частиц. Рис. 1. Принципиальная электрическая схема накачки KrF-лазера Экспериментальные результаты В ходе проведения экспериментов на электроразрядном KrF-лазере с использованием электродов с R = 80 мм было показано, что импульс генерации прекращается уже на первом полупериоде разрядного тока. На рис. 2, а приведены экспериментально полученные осциллограммы импульсов тока I, напряжения U на разрядном конденсаторе С2 и импульса излучения. При использовании в лазере смеси Ne/Kr/F2/He - 3240/60/4.5 мбар для U0 = 24 кВ энергия генерации составляла 0.35 Дж, полный КПД - 2.12 %. Время запаздывания генерации излучения было ~ 20 нс относительно мощности накачки. Рис. 2. Экспериментальные осциллограммы тока I, напряжения U на С2 и временной профиль импульса генерации Pлаз (а). Фотография разряда (б). Для смеси Ne/Kr/F2 = 3240/60/4.5 мбар, U0 = 24 кВ, Е = 0.35 Дж Увеличение мощности излучения происходило с большой скоростью, менее чем за 8 нс мощность излучения повысилась от 1.5 до 18 МВт. Следует отметить, что импульс генерации прекращается уже на первом полупериоде разрядного тока, и его длительность (Δt = 15 нс) в 2 раза меньше длительности импульса тока разряда. Данное временное поведение импульса излучения является типичным для таких типов лазеров [8]. На рис. 2, б представлена фотография интегрального свечения разряда KrF-лазера. Автограф лазерного излучения имел размер 22×6 мм, при этом в пучке выделялась вертикальная интенсивная полоса шириной не более ~ 3.5 мм. Для объяснения полученных результатов были проведены численные расчеты, которые показали хорошее согласие с экспериментом [6, 7]. В нашем случае при приложенном напряжении на разрядный промежуток 23 кВ, на момент его пробоя, максимальная напряженность электрического поля была ~ 9.5 кВ/см (центр оси электрода, х = 0). Искажения электрического поля по ширине разряда для точек поперек оси электрода на х = 3 и 8 мм составляли 5 и 1.5 % соответственно. Из расчетов численной 2D-модели следует, что наличие искажений электрического поля приводит к тому, что уже в момент пробоя разрядного промежутка формируется пространственно неоднородное распределение электронов - ne в плазме разряда. На рис. 3 показано распределение электронов по ширине разряда для разных моментов времени t = -(55, 45, 35, 25, 15) нс, которые соответствуют временному поведению осциллограмм, приведенных на рис. 2, а. На основе данных осциллограмм видно, что в первый интервал времени с -55 до -45 нс концентрация электронов в плазме увеличивается с 51010 см-3 до 1013 см-3, при этом распределение электронов по ширине разряда сохраняет свою форму и близко к форме распределения электрического поля. В последующие моменты времени концентрация электронов быстро увеличивается до ne = 81015 см-3. На спаде импульса тока разряда при t = -15 нс (кривая 5) концентрация ne в центре разряда сохраняется на высоком уровне (~ 81015 см-3), однако в остальном объеме плазмы концентрация электронов существенно снижается. Из оценок ширины разряда по профилю электронов (FWHM) в максимуме тока разряд занимает ~ 30 % от начального объема, а к началу второго полупериода тока разряда - не более 15 %. Рис. 3. Распределение концентрации электронов ne по ширине разряда в моменты времени: кр. 1 - (-55 нс); кр. 2 - (-45 нс); кр. 3 - (-35 нс); кр. 4 - (-25 нс); кр. 5 - (-15 нс) Известно, что одним из возможных способов устранения эффекта сжатия разрядной плазмы является уменьшение начального искажения электрического поля в разрядном промежутке. В наших последующих экспериментах радиус рабочей поверхности электродов был увеличен с 80 до 120 мм при сохранении остальных параметров разрядного промежутка. В этом режиме работы лазера была определена оптимальная газовая смесь Ne/Kr/F2 = = 3300/100/3.5 мбар, при которой были получены максимальные выходные характеристики излучения. На рис. 4, а приведены экспериментальные зависимости энергии генерации от зарядного напряжения, кривая 1 получена при использовании плоскопараллельного резонатора с длиной 800 мм, кривая 2 - при длине резонатора 1200 мм, окна камеры были наклонены под углом Брюстера. Снижение энергии генерации при использовании более длинного резонатора объясняется увеличением потерь для формирующихся потоков излучения, вызываемых повышением величины угловой селекции такого резонатора. Зависимости КПД лазера от зарядного напряжения показаны на рис. 4, б, длина резонатора лазера составляла 800 мм. Кривые 1 и 2 получены в перерасчете энергии генерации к энергии, запасенной в емкости С1, и вложенной энергии в плазму соответственно. Максимальное значение полного КПД лазера достигало 3.44 % при U0 = 18 кВ. Максимальная плотность излучения, снимаемая с активной среды, при U0 = 24 кВ составляла 6.4 Дж/л, при плотности вложенной энергии ~ 155 Дж/л полный КПД лазера был 2.75 %, внутренний КПД сохранялся на уровне (4.3±0.1) % при изменении удельной мощности накачки в диапазоне 2.5- 4.5 МВт/см3. Снижение величины полного КПД лазера от зарядного напряжения обусловлено снижением эффективности перезарядки емкостей С1 в С2. Рис. 4. Зависимости энергии генерации от зарядного напряжения при плоскопараллельном резонаторе длиной 800 (кр. 1) и 1200 мм (кр. 2) (а), полный КПД лазера от запасенной энергии в емкости С1 (кр. 1) и КПД от вложенной энергии в разряд (кр. 2) для резонатора длиной 800 мм (б) Измеренное время запаздывания генерации относительно начала импульса накачки практически не изменялось и составляло 18-20 нс в исследуемом диапазоне удельной мощности накачки при величине обратной связи резонатора (0.2-0.6). Индуцированное излучение начиналось в первом полупериоде разрядного тока в максимуме накачки и заканчивалось в конце второго полупериода. При этом длительность импульса генерации была 30 нс (FWHM), что позволяет говорить об однородном горении объемного разряда. Из расчетных результатов следует, что с момента пробоя разрядного промежутка и начала роста тока в течение 5 нс разрядный ток увеличивался до 12 кА, а напряжение снижалось до 5.6 кВ. Энергия, вводимая в разряд в данный период, составляла ~ 1 Дж. В это же время формировалась пространственная структура диффузной плазмы, обеспечивающая дальнейший ввод основной энергии накачки, которая в нашем случае была ~ 10 Дж. При дальнейшем горении разряда напряжение в разрядном промежутке медленно снижалось до 4.5 кВ, а величина тока достигала максимального значения 40 кА при плотности разрядного тока ~ 1.7 кА/см2. Рис. 5. Фотография лазерного пучка, смесь Ne/Kr/F2 = 3400/270/5 мбар (а), Ne/Kr/F2 = 3400/270/10 мбар (б) Фотографирование разряда в разные моменты времени показало, что в конце импульса накачки объемная форма разряда переходит в пространственную токовую структуру, содержащую множественные диффузные макроканалы [9]. Зондирование коротким лазерным пучком такой диффузной плазмы показало, что в разряде сохраняются усиливающие свойства активной среды в течение последующего ввода импульса накачки. Момент временного перехода объемной плазмы в разряд, состоящий из диффузных макроканалов, можно было регулировать изменением концентрации фтора и криптона в газовой смеси лазера. При увеличении концентрации Kr и F2 относительно оптимального состава в разрядной плазме начинают более быстро формироваться множественные диффузные макроканалы, что сказывается на пространственной форме формирующегося излучения. На рис. 5 представлены отпечатки лазерного пучка, полученные при работе лазера с повышенным содержанием Kr в газовой смеси, Ne/Kr/F2 = = 3400/270/5 мбар (a), Ne/Kr/F2 = 3400/270/10 мбар (б) при Р = 3.3 атм, U0 = 23 кВ. Таким образом, из рассмотренных выше исследований можно сделать вывод, что для получения наибольшего энергосъема с активной среды при сохранении высокого КПД необходимо обеспечить условия горения объемного разряда в течение всей длительности импульса ввода энергии в разряд. При этом уровень удельной мощности накачки должен соответствовать оптимальному выгоранию фтора в эксимерной газовой среде. Экспериментально было показано, что в электроразрядном короткоимпульсном KrF-лазере при удельной энергии импульса излучения 6.4 Дж/л внутренний КПД лазера по энергии составляет 4.3 %. Заключение Проведенные исследования показали возможность управления формированием различных типов неустойчивостей, возникающих в объемном разряде электроразрядного KrF-лазера. Установлено, что основной причиной, ограничивающей длительность генерации и КПД лазера, являются имеющиеся неоднородности электрического поля разрядного промежутка и выбор неоптимального парциального состава газовой смеси Ne/Kr/F2. Продемонстрирована возможность получения в KrF-лазере удельной энергии импульса излучения ~ 6 Дж/л при внутреннем КПД по энергии более 4 %.

Скачать электронную версию публикации