1 Особенности работы и применения электроразрядных эксимерных лазеров

1. Способы создания активной среды электроразрядных эксимерных лазеров

Впервые генерация на эксимерных молекулах получена в 1975 г [4]. Излучательный переход в эксимерных молекулах происходит между верхним электронным состоянием, которое имеет потенциальный минимум, и нижним слабосвязанным состоянием, обуславливает широкую полосу усиления. Широкая полоса и малое время жизни молекулы в возбужденном состоянии порядка ~ 10^-8 - 10^-9 с, требуют для создания активной среды высоких энерговкладов ~10^-2 Дж/см³ [5]. Равномерное возбуждение при таких давлениях может достигаться несколькими способами. Например:

1. Пучком электронов.

2. Накачка разрядом, контролируемым пучком электронов.

3. Возбуждение самостоятельным разрядом с предварительной ионизацией.

Первые два способа накачки являются наиболее перспективными при получении импульсов излучения с энергией десятки-сотни джоулей.

При создании лазеров работающих с большой частотой повторения и высокой средней мощностью, более перспективны электроразрядные лазеры.

Одной из особенностей электроразрядных эксимерных лазеров (ЭЭЛ) это - сложность удержания объемного сильноточного разряда высокого давления в течение длительного времени, из-за развития неоднородностей в разряде приводящих к его контрагированию [6].

Накачка в таких лазерах осуществляется от генераторов, которые формируют импульс возбуждения в единицы-десятки наносекунд и напряжением в десятки и сотни киловольт. К таким схемам накачки относятся LC- инвертор [7, 8] и схема с перезарядкой емкости на емкость [9-12]. Принципиальные электрические схемы изображены на рис. 1.

а

С₁

R_з С_об РП

K

б

С_н

KС_об

R_з РП

искры

Рисунок 1. Схемы питания разряда в эксимерных лазерах:

а) LC– генератор

б) схема с перезарядкой емкости на емкость

С_н- накопительная емкость, С_об- обострительная емкость, РП- разрядный промежуток,K- коммутатор,R_з-зарядное сопротивление, искры- предыонизация

Во всех схемах присутствуют 2 контура:

1. Контур с малой индуктивностью, включающий в себя обострительную (разрядную) емкость и разрядный промежуток.

2. Контур с большой индуктивностью, включающий в себя накопительную емкость и коммутирующие элементы.

Несмотря на схожесть элементов использующихся в схемах каждая схема имеет свои особенности использования.

LC - генератор

LC – генератор или генератор с инвертированием напряжения на накопительных емкостях.

LC- схема приведена на рис 1а. Накопительные конденсаторы С₁и С₂заряжаются через сопротивлениеR_зили индуктивность. При коммутации разрядника в контуреLC₁начинается колебательный процесс и через времяLC₁происходит перезарядка емкости С₁, в результате на высоковольтном электроде возникнет напряжение больше напряжения пробоя разрядного промежутка.

К достоинствам этой схемы питания следует отнести небольшие значения питающих напряжений, более высокое по сравнению со схемой перезарядки емкости на емкость, нарастание напряжения на разрядном промежутке. Однако при перезарядке емкости С₁, через коммутатор начинает течь большой ток. Что накладывает свои условия на выбор коммутаторов, в качестве которых в такой схеме чаще всего используют искровой разрядник. Но такие разрядники имеют большие потери, малый срок службы, порядка 10⁵импульсов. Кроме того, в данной схеме присутствует удвоенное число накопительных конденсаторов, что ведет к увеличению габаритов и стоимости изделия.

В настоящее время в литературе имеется большое количество экспериментальных результатов, полученных в результате исследований импульсно-периодических электроразрядных с автоматической УФ-предионизацией XeCl-лазеров. Например, в работе [13] описанXeClлазер сLC–генератором включающий в себя магнитное звено сжатия и тиратрон ТГИ 1-1000/25. В этом случае, схема возбуждения позволила реализовать фронт роста напряжения до 30 кВ, за время не более 80 нс, на имеющимся межэлектродном зазоре 21 мм.. Полученная энергия в импульсе достигала 120 мДж, при КПД накопленной энергии в обострительных конденсаторах до 2%. В работах [14,15] авторами изучалось влияния величины предыонизации на устойчивость горения разряда, а также зависимость эффективности работы лазера от интенсивности накачки. Следует отметить, что в работе [15] показывается, что при длительности импульса накачки ~ 20-30 нс дляXeClлазера, с увеличением мощности накачки от 1.25 до 3 МВт/см³, КПД лазера падает от 2.3 до 1.7 %.