Курсовая: Изучение параметров эксимерных лазеров

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

изучение параметров эксимерных лазеров

курсовая работа

студента 4курса физико-

технического факультета

Анисько Р.И.

Научный руководитель:

преподаватель кафедры

лазерной физики и

спектроскопии

Володенков А.П.

Гродно 2004

РЕФЕРАТ

Реферат курсовой работы «изучение параметров эксимерных лазеров»

студента физико-технического факультета УО Гродненский государственный

университет имени Янки Купалы Анисько Р.И

Объем 14 с., 7 источников.

Ключевые слова:

Эксимерный лазер, длительность,спектр.

Объект исследования –эксимерные лазеры.

Цель работы – сделать обзор литературы по управлению параметрами эксимерных

лазеров.

Сделан обзор литературы по управлению параметрами эксимерных лазеров.

Полученные данные предпполагается использовать для совершенствования лазеров.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. мощность накачки и энергия генерации эксимерных лазеров

2. насыщение , рассеяние и спектр лазерного излучения

3. оптимизация параметров эксимерных лазеров

4. другие характеристики эксимерных лазеров

Заключение

Список

использованных источников

Введение

Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием ”эксимерные” возник

сравнительно недавно, в начале 70-ых годов. В настоящее время эксимерные

лазеры на галогенидах благородных газов являются наиболее мощными источниками

когерентного излучения в УФ-области спектра, генерация получена на большом

количестве длин волн от вакуумного ультрафиолета до видимой области спектра.

Данный класс газовых лазеров работает на переходах эксимерных молекул

(которые существуют только в возбуждённых состояниях – XeCL, KrF, ArF, и

др.). Лазеры, работающие на переходах данных молекул наиболее эффективны и

хорошо изучены. Выходная энергия таких лазеров достигает нескольких сот

джоулей при КПД до 10% . 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.

Перечисленные достоинства обуславливают широкую область применения эксимерных

лазеров. Они используются для накачки лазеров красителях (лучших источников

перестраиваемого когерентного излучения видимого диапазона), травление

кремневых матриц при обработке материалов высокой степени частоты, разделения

изотопов. Перестраиваемое излучение эксимерных лазеров может использоваться в

селективной технологии для получения особо чистых веществ, для изучения

воздействия на биохимические процессы. Но основное применение эксимерных

лазеров – это возможность их использования для поиска качественно новых

эффектов, не достижимых с обычными источниками света, для детального изучения

нелинейных спектроскопических явлений, тонкострунных спектров сложных

молекул, для исследования лазерно-индуцированных процессов.

Известно, что для эксимерных лазеров требуется относительно высокий уровень

интенсивности накачки. В электроразрядных эксимерных лазерах интенсивность

накачки составляет от нескольких десятых до нескольких сотых единиц МВт/см

3 причём, для различных типов эксимерных лазеров оптимальные значения

этого параметра, определяемые с точки зрения максимальной эффективной накачки,

существенно различны.

В настоящее время будет рассмотрено управление параметрами эксимерных лазеров.

Целью этой работы является литературный обзор по управлению параметрами

эксимерных лазеров.

1.Мощность накачки и энергия генерации эксимерных лазеров

Рассматриваются результаты экспериментального исследования мощного

электроразрядного KrF-лазера с УФ предионизацией. Показано, что рост средней

мощности в лазере наблюдается при увеличении частоты следования импульсов

вплоть до 620 Гц - частоты, при которой достигается максимальная для

рассматриваемого класса лазеров средняя мощность излучения 630 Вт. Полученные

результаты демонстрируют реальные перспективы созда­ния индустриального

KrF-лазера со стабилизированной средней мощностью 300-500 Вт. При

стабилизированной средней мощности 300 Вт лазер мог работать непрерывно, без

смены газовой смеси 8 ч (12-106 импульсов), при этом нестабильность

генерации от импульса к импульсу составляла ~2%.

Проведены сравнительные исследования характеристик двух компактных KrF-

лазеров с различными геометрией и скоростью газового потока. В обоих лазерах

была использована одна и та же электроразрядная система, оптимизи­рованная

для достижения высокой эффективности KrF-лазера (~3.5%). Установлено, что при

работе лазера в режиме с высокой частотой повторения импульсов специфика

возникающих в газодинамическом контуре акустичес­ких возмущений влияет на

однородность разряда и генерацию лазера

Исследовано влияние добавок гелия на генерационные и усилительные характеристики

лазера ближней ИК области спектра на Ar-Xe-смеси с накачкой электронным пучком.

Показано, что при давлении двухкомпонентной лазерной смеси ~ 1 атм и

максимальной в данной работе плотности электронного тока] ~ 1.4 А/см2

эффективность лазера далека от максимальной. Уменьшение плотности электронного

тока или добавление гелия в активную среду приводят к резкому увеличению

энергетических параметров. Полученные результаты интерпретируются в терминах

компен­сации избыточной мощности накачки за счет уменьшения скоростей процессов

перемешивания лазерных уровней электронным ударом при уменьшении концентрации

вторичных электронов в первом случае или при охлаждении электронов в

соударениях с легкими атомами гелия во втором случае. Для смеси состава Аг:Хе =

200:1 с давлением 1 атм при) j= 0.2 А/см2 достигнут рекордный для

лазеров с электронно-пучковым возбуждением КПД

4.5 %.

Экспериментально исследованы энергетические и временные характеристики

накачки и излучения импульсного газо­разрядного эксимерного KrF-лазера (Х =

248 нм) с использованием буферного газа Не. На основе искрового разрядника

РУ-65 разработана конструкция и оптимизированы параметры высоковольтной схемы

возбуждения типа LC-инвертор с автоматической УФ предионизацией. В газовой

активной среде состава He:Kr:F2 = 89.8:10:0.2 при полном давлении 2.5 атм

впервые получен КПД лазера по запасенной энергии 2.4 % при энергии излучения

0.57 Дж. Макси­мальная энергия генерации KrF-лазера составила 0.82 Дж при

длительности импульса на полувысоте 24 нс, удельной энергии 5.9 Дж/л и КПД

2.0 %.

Рассчитаны и экспериментально измерены параметры XeCl-лазера с апертурой 25 х 25

см, возбуждаемого двумя встречными электронными пучками. Для оптимальной смеси

состава Аг:Хе:НС1 = 700:10:1 при общем давлении 2.5 атм энергия импульса

генерации с длительностью 250 нс на полувысоте превышала 200 Дж, коэффициент

усиления слабого сигнала go = 0.065 см-1, коэффициент ненасыщенного

поглощения у.о = 0.015 см-1. КПД лазера относительно всей вложенной

в активный объем энергии составил 3.0 %.

Исследован электроразрядный XeCl-лазер с активной областью размером 5.5 х 7 х

100 см и накачкой генератором на основе емкостных накопительных линий. В

качестве быстродействующего коммутатора использован многоканаль­ный искровой

разрядник. Предионизаиия рабочей смеси Ne-Xe-HCl осуществлялась мягким

рентгеновским излуче­нием. При постоянном зарядном напряжении на емкостных

линиях получены энергия импульса излучения 10.5 Дж и КПД по запасаемой

энергии 3 %. При импульсной зарядке емкостных линий энергия в импульсе

составила 14 Дж, КПД по энергии, запасаемой в емкостных линиях, равнялся 4 %.

Проведены исследования по выявлению некоторых физико-химических путей повышения

энергетических и ресурсных характеристик малогбаритного газоразрядного

импульсно-периодического эксимерного XeCl-лазера. Достигнуто увеличение энергии

и ресурса за счет изменения компонентного состава и температурного воздействия

на рабочие смеси. Так, при использовании в качестве галогеноносителя хлорида

бора (ВС1з) энергия импульса увеличивается на 20%, а ресурс - на 50% по

сравнению с традиционно применяемым хлористым водородом (НС1). При охлаждении

рабочих смесей XeCl-лазера энергия излучения возрастает примерно в 2 раза, а

ресурс достигает величины ~106 импульсов. Определено, что причинами

улучшения характеристик являются большие константы скоростей образо­вания

отрицательного иона С1~ в смесях с ВС1з, а также быстрая наработка нелетучих

продуктов в реакциях ВС1з с примесями и осаждение аэрозолей на теплообменнике в

газовом контуре.

Приведены конструкция и результаты испытаний мощного компактного лазера на

молекулах ХеСГ и KrF*. При длительности импульса излучения ~300 нс на

полувысоте получены энергии излучения на 1 = 308 и 249 нм соответственно 110

и 90 Дж. Показано, что при инжекции электронного пучка с четырех сторон и

давлениях смеси от 1 до 3 атм достигается равномерное распределение плотности

энергии излучения по сечению выходного пучка.

2. насыщение, рассеяние и спектр лазерного излучения

Приводятся результаты экспериментального исследования возможности ОВФ для пучка

накачки XeCl-лазера со спектральной шириной линии 26 см-1. При

интенсивности накачки ~ 100 МВт/см2 обнаружен эффект спектральной и

пространственной селекции пучка накачки нелинейной средой, который обусловлен

особенностями спектрального контура молекул XeCl. Реализовано ОВФ части

падающего пучка, при этом ширина спектральной линии стоксова сигнала составила

0.3-0.5 см-1.

Показано, что на работу XeCl-лазера существенное влияние оказывает динамика

нижнего Х-состояния рабочих молекул. В связи с этим интенсивность насыщения

лазерного перехода может быть разной в различных экспе­риментальных условиях.

Спектр выходного излучения при работе с неселективным резонатором также может

значительно трансформироваться; при этом увеличивается относительная

интенсивность излучения на «слабых» переходах молекул XeCl.

Экспериментально исследована расходимость излучения импульсно-периодического

электроразрядного ТЕ ХеС1-лазера с неустойчивым резонатором и несимметричным

выводом излучения. Показано, что резонатор с выпуклыми зеркалами позволяет

формировать излучение с расходимостью, близкой к дифракционной, при

сохранении энергии на уровне 40-50% от энергии лазера с плоскопараллельным

резонатором. Описано получение круглого пятна с равно­мерным распределением

интенсивности, возникающего при фокусировке пучка прямоугольной формы. С

помощью расчетов и экспериментов показано, что данное явление не имеет

дифракционной природы и не является результатом взаимодействия лазерного

излучения со средой или материалом мишени.

Разработана мощная лазерная KrF-система на основе широкоапертурного эксимерного

лазера с электронно-пучковой накачкой и инжекционным управлением от

электроразрядного задающего генератора. Спектральная яркость излу­чения с

шириной линии ~ 0.1см-1, перестраиваемой вблизи Х = 248 нм,

составила мощности ~ 1 ГВт.

3. оптимизация параметров эксимерных лазеров

Разработана численная модель XeCl-лазера с дополнительным источником питания и

насыщаемой индуктивностью. Модель опробована на различных по энергетике

экспериментальных установках. Наилучшее согласие с эксперимен­тальными

результатами в широком диапазоне выходных энергий получено в предположении о

разрушении иона NeXe + в разряде и равенстве площади разряда

площади электродов. Для десятиджоульного XeCl-лазера проведена оптими­зация

состава, параметров резонатора, площади разряда и межэлектродного расстояния

(начального напряжения на накопительной емкости) для заданного начального

напряжения на накопительной емкости (межэлектродного рас­стояния) и заданных

параметров цепи. Показано, что КПД генерации по отношению к запасенной в

конденсаторах энергии может достигать ~ 6.5% как в модели с разрушением иона

NeXe +, так и в модели без его разрушения. При этом, однако,

существенно различаются оптимальные условия (состав, площадь разряда и т.д.),

при которых достигается максимальный КПД. В оптимальных условиях реализуется

апериодический резким возбуждения, т. е. вся энергия в активный объем

вкладывается в первый полупериод разряда накопительной емкости.

Разработан длинноимпульсный XeCI-лазер, генерирующий в режиме активной

синхронизации мод цуги УКИ длительностью 100 пс , плавно перестраиваемые в

диапазоне 307.6 — 308.6 нм. Число импульсов в цуге достигает 60. При

использовании внутрирезонаторного эталона Фабри - Перо получены импульсы,

близкие к спектрально-ограниченным. Изучены зависимости длительности УКИ от

длины резонатора лазера и номера импульса в цуге. Показано, что заметное

увеличение длительности УКИ по сравнению с минимальной происходит при изменении

длины резонатора более чем на 1 мм. Установлено, что ми­нимальная полученная

длительность (100 пс) ограничивается не временем существования инверсии лазера

(0.5 мкс), а другими факторами, главный из которых нестационарность накачки.

Рассмотрены пути дальнейшего повышения стабильности и сокращения длительности

УКИ, генерируемых длинно-импульсными XeCI лазерами (t > 0.5 мкс) в режиме

синхронизации мод. Проанализирована работа таких лазеров при синхронизации мод

с использованием присоединенного нелинейного резонатора. Резуль­таты численных

расчетов показывают, что в этом случае достижима длительность УКИ менее

10 пс.

4. другие характеристики эксимерных лазеров

Экспериментально исследованы основные факторы, определяющие возможность

увеличения частоты повторения импульсов в мощных KrF-лазерах. Рассмотрены два

прототипа компактного промышленного KrF-лазера. Первый прототип позволяет

получать максимальную среднюю мощность ~ 620 Вт при частоте повторения

импульсов 4 кГц, во втором, более компактном, прототипе была достигнута

максимальная частота повторения 5 кГц при средней мощности излучения 200 Вт.

Исследованы энергетические и ресурсные характеристики, а также качество

излучения типичного XeCl-лазера. Впервые обнаружено наличие двух максимумов у

зависимости энергии излучения от отношения обострителъной емкости к

накопительной. Дано объяснение причинам появления этих максимумов. Данные по

загрязнению зеркал и циклическому режиму работы позволили сделать вывод о том,

что на начальном этапе (до 106 включений) основной причиной снижения

мощности излучения лазера является появление в активной среде мелкодисперсных

частиц. Показана работоспособность новой системы регенерации рабочей смеси

газов, не требующей использования крио­генной аппаратуры и позволяющей

обеспечить поддержание концентрации молекул НС1 в активном объеме, а также

избавиться от мелкодисперсных частиц и ряда вредных молекулярных примесей.

Установлено, что при использовании неустойчивого телескопического резонатора с

несимметричным выводом излучения даже сравнительно простой конструкции удается

сфокусировать излучение в пятно малого размера (~ 10 мкм).

Исследованы характеристики коронного разряда на смесях Не-Xe-HCl (близких по

составу к рабочим средам ХеСI-лазеров) при давлениях 100-300 кПа. Изучены

резкими зажигания и характеристики коронного разряда, используемого в

системах предионизации рабочих сред эксимерных лазеров и селективных

эксимерных ламп высокого давления, а также влияние излучения лазера c Х =

337.1 нм на усредненные вольт-амперные характеристики коронного разряда в

смеси Не—Хе—НС1. Определены условия получения устойчивой отрицательной

короны, которая может применяться для электрической прокачки рабочих сред

импульсно-периодических ХеСI-лазеров, а также в системах предионизации

лазеров на атомах Хе * и длинноимпульсных ХеСI-лазеров.

заключение

На основании изложенного выше можно заключить, что в настоящее время следует

работать над совершенствованием лазерных систем, разрабатывать новые

технологии для снижения потерь, уменьшения расходимости лазерного пучка.

Список использованных источников

1. Верховский В.С., Мельченко С.В., Тарасенко В.Ф. Генерация на молекулах

XeCl при возбуждении быстрым разрядом // Квант. электрон. – 1981. – Т.8, №2.

– С.417–419.

2. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Низкоимпендансный генератор

высоковольтных импульсов. // ПТЭ. – 1990. – №3. – С.99–101.

3. С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский. Влияние

параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера. // Межвуз. сб.

“Лазерная и оптико–электронная техника. – Минск: Университетское, 1992. –

С.91–96.

4. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Курганский А.Д. Влияние параметров контура

возбуждения на длительность и форму импульса генерации ХеС1-лазера. //

Межвуз. сб. “Лазерная и оптико-электронная техника. – Минск: Университетское,

1992. – С.86–90.

5. Ануфрик С.С., Зноско К.Ф., Володенков А.П., Исследование

энергети­ческих и временных характеристик генерации XeCl-лазера // Программа

и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара.– Прейла:

Литва.–1999.–с.16.

6. Елецкий А.В. Эксимерные лазеры // УФН. – 1978. – Т.125. – Вып.2. –

С.279–314.

7. В.М.Багинский, П.М.Головинский, В.А.Данилычев и др. Динамика развития

разряда и предельные характеристики лазеров на смеси Не-Хе-НС1 // Квант.

электрон. – 1986. – Т.13, №4. – С.751–758.

8. Борисов В.М., Борисов А.В., Брагин И.Е., Виноходов А.Ю. Квантовая

электроника, 22,446 (1995).

9. Райзер Ю.П. Физика газового разряда (М., Наука, 1987, с. 592).

10. Капцов Н.А. Электроника (М., Гостехиздат, 1956, с. 365).

11. Леб Л. Основные процессы электрических разрядов в газах ( М.—

Л., Гостехиздат, 1950, с. 672).

12. Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А., Никитин А.Г. Оптика и спектроскопия,

71, 235 (1991).

13. Бочкова О.П., Зубкова И.А., Фриш С.Э. Оптика и спектроско­пия,

36, 29 (1974).

14. Верещагин И.П. Коронный разряд в аппаратах электронно-ион­ной

технологии (М., Энергоатомиздат, 1985

15. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразряд­ные эксимерные

лазеры на галогенидах инертных газов (М., Энергоатомиздат, 1988).

16. Демьянов А.В., Кочетов И.В., Напартович А.П., Капителли М., Горсе К.,

Лонго С. Квантовая электроника, 19, 848 (1992).

17. Адамович В.А., Демьянов А.В., Кочетов И.В. и др. Квантовая электроника

, 17, 1395 (1990).