1. Введение

Эксимерные (эксиплексные) молекулы – широкий класс молекул, существующих только в возбужденных состояниях.

Начало работ по получению генерации на таких молекулах приходится на 1966 – 1969 гг. В 1970 г. в СССР был создан первый эксимерный лазер на жидком ксеноне с накачкой электронным пучком. В дальнейшем генерация на молекулярном ксеноне была осуществлена в плотном газе при давлении в десятки атмосфер. Таким образом, димер инертного газа Xe₂^* первая эксимерная молекула, на которой была получена генерация. Лазеры, работающие на другой разновидности эксимерных молекул – галогенидах инертных газов, созданы в 1975 г. Своеобразие этого класса газовых лазеров является прямым следствием строения эксимерных молекул и способа их образования.

Для лазеров на галогенидах инертных газов коротковолновый диапазон излучения от 193 до 353 нм при возможности достижения высокой импульсной и средней мощности генерации (энергия таких лазеров достигает нескольких сот джоулей) с полным КПД до 10%. Максимальная энергия генерации получена на молекулах ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 308 нм) и XeF (λ = 351 нм). Лазеры обычно работают на смеси, состоящей из легкого инертного газа He, Ne (~95%) и более тяжелого инертного газа Ar, Kr, Xe (~5%) с небольшой добавкой галогеноносителя (F₂, NF₃, Hcl), при давлении порядка трех атмосфер. Наличие тяжелого инертного газа и электроотрицательных компонент (при высокой концентрации захватывают электроны), высокое давления (классический тлеющий разряд существует только при низком ~ 10³ Па), а также необходимость обеспечения высокого уровня вкладываемой мощности, обуславливают жесткие требования к лазерным системам.

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов			Окислы благородных газов				Пары металлических соединений
Активная молекула	Xe2*	Kr2*	Ar2*	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
λген, нм	172	145,7	126	558	558	540	470
∆λ, нм	20	13,8	8			25
Римп, МВт (Рср, Вт)	75		50
τ, нс	10	10	4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
λген, нм	282	351	193	175	308	220	248
∆λ, нм	1	1,5	1,5	2	2,5	5	4
Римп, МВт (Рср, Вт)	(100)	3	1000	(0,02)	(7)	5 (0,05)	1000
τ, нс	20	20	55	10	5	30	55

Табл. 1. Характеристики эксимерных комплексов.

Ещё одним достоинством данного класса лазеров является то, что они эффективно работают при различных способах накачки, а системы накачки являются универсальными для получения генерации на различных молекулах при замене рабочей смеси. Для осуществления генерации необходимо, чтобы концентрация возбужденных эксимерных молекул была порядка N_В « 10¹⁴ - 10¹⁵ см^-3. Для создания подобной концентрации необходимо обеспечить весьма высокое значение энергии накачки ξ_н ~ 10^-2 дж/см³ за время порядка 10^-8 - 10^-7 сек. Столь высокая плотность энергии накачки достигнута при пропускании через газ мощного разряда.

Перечисленные достоинства обуславливают широкую область применения эксимерных лазеров.

До настоящего времени, эксимерный лазер на молекуле XeCl является одним из наиболее мощных источников интенсивного ультрафиолетового излучения. Тридцатилетняя история исследований XeCl-лазера позволила достичь большого прогресса в этой области. На сегодняшний день реализованы как частотные, так и моноимпульсные режимы с генерацией в диапазоне длительностей от десятка до нескольких сотен наносекунд. Типичные значения для коммерческих XeCl лазеров составляют: КПД лазера 1-2 %, удельный энергосъем с активной среды 0.5-1 Дж/литр×атм., при удельной мощности накачки до 1 MВт/cм³ и длительности импульса 20-30 нс [1]. В то же время в работах [2-4] показана возможность увеличения КПД XeCl лазера и удельного энергосъема не менее чем в два раза. В работе [5] описаны результаты исследования лазера с мощностью накачки 45 МВт/см³ и плотностью разрядного тока 14 кА/см², при этом КПД лазера по мощности составлял 0.8%, а максимальный удельный энергосъем ~2.4 Дж/литр×атм, интенсивность выходного пучка 4.8 МВт/см². В работе [6] при использовании УФ-предыонизации были реализованы условия горения разряда при плотности мощности накачки 3.77 МВт/см³, КПД лазера достигал 2.9%, удельный энергосъем с активной среды - 0.6 Дж/литр×атм, а интенсивность выходного пучка - 6.5 МВт/cм². С изменением давления смеси от 4 до 6 атм и зарядного напряжения U₀ от 18 до 36 кВ КПД лазера снижался до 1.8%, но удельный энергосъем достигал ~1 Дж/литр×атм, а интенсивность выходного излучения составляла 15.7 МВт/см². В работе [7] нами была реализована возможность горения разряда, состоящего из множества диффузных каналов при средней мощности накачки 10 МВт/см³ и средней плотности тока 5 кА/см², КПД лазера с такой активной средой составил 1.2%, удельный энергосъем ~3.9 Дж/литр×атм, интенсивность выходного пучка 14.9 Мвт/см². В большинстве случаев эффективность работы лазерных установок существенно снижалась при реализации максимального энергосъема с активной среды. При этом причинами, приводящими к снижению называются либо развитие неустойчивостей в разряде, либо не оптимальные условия для образования и тушения рабочих молекул XeCl^* в плазме в результате протекающих плазмо-химических реакций.

Цель работы:

Исследование формирования качественного излучения электроразрядного импульсно-периодического XeCl лазера с длительностью импульса накачки 30 нс, расходимостью близкой к дифракционному, увеличения КПД и повышения значения удельного энергосъема с активной среды в импульсно-периодическом XeCl лазере.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

1. Показать что, при высокой удельной мощности накачки реализуется однородный объемный разряд.

2. Реализация высокого КПД и высокой плотности мощности выходного.

3. Исследовать угловую расходимость, энергию выходного излучения сформированного в плоско-параллельном резонаторе.

4. Исследовать расходимость, энергию, и временной профиль выходного излучения с диафрагмами в резонаторе.

5. Исследовать формирование излучения с узкой спектральной линии в селективном резонаторе.