Газоразрядный лазер



Газоразрядный лазер
Газоразрядный лазер
Газоразрядный лазер
Газоразрядный лазер
Газоразрядный лазер

 


Владельцы патента RU 2503104:

Христофоров Олег Борисович (RU)

Изобретение относится к лазерной технике. В газоразрядном лазере конденсаторы, малоиндуктивно подключенные к электродам лазера, размещены вблизи первого электрода в керамических контейнерах и малоиндуктивно соединены с импульсным источником питания через токовводы каждого контейнера, высоковольтные токовводы металлической лазерной камеры и протяженные заземленные токопроводы, расположенные по обе стороны контейнеров. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности эксимерных лазеров. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Уровень техники

Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeBr (282 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F2 (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с КПД около 3%, высокоэнергетичными, до ~ 1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ-лидары. ArF лазеры благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм.

В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и, в конечном счете, увеличение затрат на эксплуатацию лазера.

Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.

Из United States Patent 6782030 известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.

Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F2 или НСl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности существующих керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.

Этого недостатка лишен газоразрядный эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлической лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом. Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.

Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обуславливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.

Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный лазера, аналогичных описанным в United States Patent 6,757,315, каждый из которых содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации.

Данное устройство обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.

Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.

Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является газоразрядный, в частности, эксимерный лазер, известный из Патента РФ №2446530 от 28.01.2011, опубликованного 27.03.2012 RU БИМП №9. Лазер включает в себя:

заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами;

систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, подсоединенных к первому и второму электродам, импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера и генерации лазерного излучения, а также расположенные вблизи первого электрода два протяженные керамические контейнеры, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны контейнеров/контейнера.

В указанном устройстве контейнеры выполнены в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны плоскости, проходящей через оси электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока.

Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.

В прототипе ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению КПД лазера. Кроме этого, для зажигания вспомогательного разряда предыонизатора в металлической лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров может не полностью удовлетворять условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать КПД лазера при увеличении энергии генерации.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание мощных эксимерных лазеров, отличающихся простотой, малой стоимостью и технологичностью конструкции, обеспечивающей высокоскоростной поток газа между электродами при малой индуктивности разрядного контура.

Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком КПД лазера и, в целом, уменьшение затрат на получение энергии генерации.

Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и заземленные обратные токопроводы, расположенные по обе стороны контейнеров.

Усовершенствование лазера состоит в том, что со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор, внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы, и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также токовводы каждого контейнера.

Предпочтительно, что концевые части каждого керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера.

Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизатора.

Предпочтительно, что части поверхности каждого керамического контейнера, обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом, образуя вблизи первого электрода расположенные верх и вниз по потоку направляющие газового потока.

В лазере первый электрод и второй электрод могут быть выполнены сплошными и, по меньшей мере, один блок предыонизации может быть установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

В другом варианте реализации изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

Предпочтительно, что блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

Предпочтительно, что контейнеры имеют форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

Краткое описание чертежей

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде достаточном для понимания принципов изобретения и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.

Фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов.

Фиг.2 - часть продольного сечения того же варианта лазера по оси одного из двух керамических контейнеров.

Фиг.3 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучением скользящего разряда.

Фиг.4 - график зависимости мощности излучения от частоты следования импульсов и автограф луча ArF лазера.

Фиг.5 - графическое представление мощности излучения в зависимости от частоты следования импульсов и автограф луча ХеС1 лазера.

На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.

Варианты осуществления изобретения

В соответствии с изобретением газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру 1, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 1 расположен со стороны внутренней поверхности лазерной камеры 1. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа в области разряда 4. В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, один блок предыонизации 5, расположенный сбоку от второго электрода 3, выполнен в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, с поджигающим электродом 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6. При этом электрод 7 блока предыонизации совмещен со вторым электродом 3 лазера. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, систему направляющих лопастей 11 и спойлеров 12, 13 для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда. Также лазер содержит набор конденсаторов 14, подсоединенных к первому и второму электродам 2, 3, и импульсный источник питания 15, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера и генерации луча лазера с помощью резонатора (не показан). Вблизи первого электрода 2 расположены либо один, либо, как показано на фиг.1, два протяженных керамических контейнера 16, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов 14. Конденсаторы подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные и заземленные токовводы 17, 18 каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны контейнеров 16.

Со стороны первого электрода в металлической стенке 20 лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых включает в себя керамический изолятор 22. Внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров/контейнера размещены соединенные с металлической стенкой 20 лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы 23. Импульсный источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 14 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16.

На фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы. При этом части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 16, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи него расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.

Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизатора 5 через вспомогательные токовводы 27 керамических контейнеров и вспомогательные газопроницаемые обратные токопроводы 28.

На фиг.2 показана часть сечения, проходящего вдоль одного из керамических контейнеров, для того же варианта лазера, что и на фиг.1. Каждая концевая часть 29 каждого керамического контейнера 16 герметично закреплена на одном из торцов 30 металлического лазерной камеры 1 лазера, например, при помощи терминалов 31, с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 16. На каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 2 установлены оптические окна 32 для выхода луча лазера.

Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи металлической лазерной камеры 1. Осуществляется импульсная зарядка подключенных к первому и второму электродам 2, 3 конденсаторов 14, размещенных либо в двух керамических контейнерах 16 (фиг.1), либо в одном контейнере, а также вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16. Зарядка конденсаторов 14 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, изолированные от металлической стенки 20 керамическими изоляторами 22, герметичные токовводы 17, 18 керамических контейнеров 16 и протяженные соединенные с лазерной камерой 1 заземленные токопроводы 23, установленные внутри металлического лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 16. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26 по электрической цепи, включающей в себя вспомогательные токковводы 27 контейнера 16, токопровод 24, выполненный в варианте реализации устройства на фиг.1 газопроницаемым, и разрядный промежуток между электродами 7, 8 блока предыонизации 5. УФ-излучение вспомогательного разряда по поверхности диэлектрика 6 осуществляет предыонизацию газа в области разряда 4. При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 22 во много раз меньше емкости конденсаторов 11, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации 5. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3 между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя распределенные по длине контейнеров 16 токовводы 17, 18 и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе по обе стороны контейнеров 16. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Излучение лазера выводится через одно из двух оптических окон 32, установленных на каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1. Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся система лопастей 11, спойлеры 12, 13 и расположенные заподлицо с первым электродом части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 16, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.

Герметизация предложенным образом контейнеров 16 на торцах 30 лазерной камеры 1 позволяет прокачивать электрически прочную среду, например воздух, через конденсаторы 14, 26, осуществлять их охлаждение, устранять образующийся в контейнерах 16 озон или возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме. Использование терминалов 31 также обеспечивает многовариантность и универсальность конструкции крепления контейнеров различной формы и их совмещение с оптическими окнами 32 для вывода луча лазера. Вместе с тем, в других вариантах концевые части 29 контейнеров могут быть выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены на них.

Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16, уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 14. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с прототипом, увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающих в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.

Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизатора 5, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ-предыонизацию. При этом упрощается схема импульсного источника питания 15 и устраняется необходимость специальных изолированных токовводов в лазерной камере для питания блока предыонизатора. Все это упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера.

Выполнение токовводов 21 лазерной камеры и токовводов 17, 18, 27 керамических контейнеров 16 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы.

Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных из керамики, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.

Форма контейнеров 16 в виде прямоугольных труб (фиг.1, 2, 6, 7, 11) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 24, 25 контейнеров 16, расположенные заподлицо с первым электродом, образуя вблизи него расположенные верх и вниз по потоку направляющие газового потока, позволяют эффективно формировать высокоскоростной поток газа в разрядной области 4.

Применение для предыонизации УФ-излучения скользящего разряда (фиг.1, 3, 6, 8-12) в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 6 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является несомненным достоинством предыонизации данного типа.

В варианте лазера, показанном на фиг.3, а также на фиг.9-12 автоматическая предыонизация осуществляется компактным высокоэффективным блоком предыонизатора 5, выполненным в виде компактной симметричной системы формирования скользящего разряда, расположенной с обратной стороны первого (фиг.3, 10-12) или второго (фиг.9) частично прозрачного электрода, тонкостенная рабочая часть которого выполнена с щелевыми окнами 33, перпендикулярными продольной оси электрода. Для автоматической предыонизации в каждом керамическом контейнере 16 размещены вспомогательные конденсаторы 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизатора 5, фиг.3. Предыонизация осуществляется УФ-излучением вспомогательного разряда блока предыонизатора 5 через щелевые окна 33 частично прозрачного электрода 2. В остальном работа лазера не отличается от описанной ранее. Выполнение лазера в таком варианте, фиг.3, позволяет увеличить разрядный объем, повысить его энергию генерации и мощность лазера. Форма контейнеров в виде круглых труб (фиг.3, 9, 10, 12) обеспечивает простоту конструкции, наибольшую механическую прочность и, соответственно, надежность контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением газа.

Пример 1 осуществления изобретения

Примером практического осуществления изобретения является мощный эксимерный лазер с возможностью генерации на молекулярном фторе, характеризующийся высокой, до 5 кГц, частотой следования импульсов. Устройство лазера аналогично показанному на фиг.1, 2. Диаметр металлической лазерной камеры составлял 370 мм. Керамические контейнеры в форме квадратных труб были герметично закреплены на торцах камеры посредством терминалов, через которые посредством вентилятора осуществлялся продув воздухом конденсаторов и вспомогательных конденсаторов. На фиг.4 показаны зависимость 34 средней мощности лазерного излучения 35 от частоты f повторения импульсов 36 и автограф луча 37 ArF лазера. При объеме разряда 1.3×18×580 мм3 мощность лазера достигала 160 Вт при f=5000 Гц с КПД «от розетки» 1,6%. При увеличении длины разряда до ~ 1 м ожидаемая мощность ArF лазера составит более 250 Вт. При генерации на KrF мощность лазера была почти в два раза выше.

Пример 2 осуществления изобретения

Другим примером практического осуществления изобретения является мощный широкоапертурный эксимерный лазер ХеСl лазер. Диаметр металлической лазерной камеры составлял 580 мм, керамические контейнеры были выполнены в виде круглых цилиндрических труб, выведенных через торцы лазерной камеры и герметично закрепленных на них. При объеме разряда 23×50×690 мм3 мощность лазера достигала 420 Вт при f=350 Гц с КПД «от розетки» 2%. На фиг.5 показаны зависимость 34 средней мощности лазерного излучения 35 от частоты f повторения импульсов 36 и автограф лазерного луча 37 для ХеСl лазера, схематично показанного на фиг.3. При увеличении длины разряда до ~ 1 м ожидаемая мощность ХеСl лазера составит около 600 Вт.

Приведенные примеры и другие экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что предложенная в соответствии с настоящим изобретением конструкция лазеров с использованием металлической лазерной камеры и керамических контейнеров с размещенными в них конденсаторами, расположенными в непосредственной близости от области разряда, позволяет реализовать серию мощных высокоэффективных высокостабильных эксимерных лазеров с различными сочетаниями длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов. При этом предложенная конструкция лазеров отличается достаточной простотой и технологичностью, а также малой стоимостью, обеспечивает большое время жизни газовой смеси, однородный высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличения апертуры лазера и его мощности при высокой эффективности.

Выполнение газоразрядного, в частности, эксимерного лазера в предложенном виде позволяет значительно увеличить энергию генерации, среднюю мощность излучения при высоком КПД лазера простой и надежной конструкции и, в целом, уменьшить эксплуатационные расходы при получении лазерного излучения.

Список обозначений

1. Лазерная камера

2. Первый электрод

3. Второй электрод

4. Область разряда

5. Блок предыонизации

6. Диэлектрическая пластина системы формирования скользящего разряда

7. Инициирующий электрод системы формирования скользящего разряда

8. Поджигающий электрод системы формирования скользящего разряда

9. Диаметральный вентилятор

10. Трубки теплообменника

11. Направляющие лопасти газового потока

12. Направляющие лопасти газового потока

13. Направляющие лопасти газового потока

14. Конденсаторы, расположенные в керамическом контейнере/контейнерах

15. Импульсный источник питания

16. Керамические контейнеры/ контейнер

17. Высоковольтные герметичные токовводы керамического контейнера

18. Заземленные герметичные токовводы керамического контейнера

19. Протяженные заземленные газопроницаемые обратные токопроводы

20. Металлическая стенка лазерной камеры

21. Герметичные высоковольтные токовводы лазерной камеры

22. Керамические изоляторы

23. Протяженные заземленные токопроводы соединенные с лазерной камерой

24, 25. Части поверхности керамического контейнера, образующие направляющие газового потока вверх и вниз по потоку от первого электрода

26. Вспомогательные конденсаторы

27. Вспомогательные токовводы контейнера/дополнительного контейнера

28. Вспомогательный токопровод блока предыонизатора

29. Концевая часть керамического контейнера

30. Торцы лазерной камеры

31. Терминалы для герметичного соединения концевых частей керамического контейнера с торцами лазерной камеры

32. Оптические окна для вывода лазерного излучения

33. Щелевые окна на рабочей поверхности частично прозрачного

34. График 34 средней мощности лазерного излучения 35 в зависимости от частоты повторения импульсов 36

37. Автограф лазерного луча

1. Газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, главным образом, из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерной камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и заземленные обратные токопроводы, расположенные по обе стороны контейнеров, при этом
со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор,
внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы,
и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также токовводы каждого контейнера.

2. Лазер по п.1, в котором концевые части каждого керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера.

3. Лазер по п.1, в котором, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизатора.

4. Лазер по п.1, в котором части поверхности каждого керамического контейнера, обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом, образуя вблизи первого электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.

5. Лазер по п.1, в котором первый электрод и второй электрод выполнены сплошными и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

6. Лазер по п.1, в котором либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

7. Лазер по п.1, в котором блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

8. Лазер по п.1, в котором контейнеры имеют форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.



 

Похожие патенты:

Комплекс содержит боевую машину с лазером и вспомогательные машины в виде заправщиков окислителя и горючего на многоколесном шасси. Боевая машина выполнена на гусеничной ходовой части.

Способ позиционирования трех передвижных зеркал в лазерном гирометре, содержащем три кольцевых лазерных резонатора, осуществляется при запуске гирометра. Каждый из резонаторов содержит среду, возбуждаемую для генерирования световых волн.

Изобретение относится к системам космических объектов (КО) с передачей между ними энергии и импульса посредством лазерного излучения и может быть использовано для КО, на борту которых создаются условия микрогравитации на уровне ~10-7 10-8 ускорения на поверхности Земли.

Изобретение относится к оборонительным боевым установкам. .

Изобретение относится к области вооружения, а именно к средствам и способам ведения наступательных или оборонительных действий с применением управляемого луча лазера с ядерной накачкой очень большой мощности.

Изобретение относится к области вооружения, а именно к средствам нападения и обороны от всех видов оружия, в том числе от атаки авиационных и ракетных средств противника.

Изобретение относится к спутниковым системам для производства и исследования материалов с уникальными свойствами в условиях низкой микрогравитации. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем локации. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании лазерных систем локации. .

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

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер, преимущественно эксимерный, включает в себя лазерную камеру, состоящую из керамического материала и имеющую протяженные первый и второй электроды, первый из которых расположен вблизи внутренней поверхности лазерной камеры, блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры, и источник питания, подключенный к конденсаторам. Вблизи второго электрода установлены протяженные керамические контейнеры с размещенными в них дополнительными конденсаторами. При этом конденсаторы и дополнительные конденсаторы последовательно соединены между собой через расположенные по обе стороны электродов заземленные газопроницаемые обратные токопроводы и подключены к первому и второму электродам через электрические вводы лазерной камеры и электрические вводы керамических контейнеров. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазера и уменьшения затрат на получение энергии генерации. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Газоразрядный лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, блок предыонизации, систему циркуляции газа, набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов, источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, и резонатор для генерации луча лазера. Лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, жестко скрепленными между собой посредством протяженной вдоль керамической трубы крепежной системы. Каждый из торцевых фланцев герметизирован с керамической трубой посредством кольцевой прокладки, размещенной на наружной поверхности концевой части керамической трубы. Каждый торцевой фланец имеет на внутренней стороне круговую нишу, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе только на ее наружной поверхности в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазеров и в упрощении их конструкции. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. В газоразрядном лазере конденсаторы (11), малоиндуктивно подключенные к электродам (2, 3) лазера, размещены вблизи первого электрода (2) в керамических контейнерах (10) и малоиндуктивно соединены с импульсным источником питания (15) через токовводы (12, 13) каждого контейнера, высоковольтные токовводы (21) металлической лазерной камеры (1) и протяженные заземленные токопроводы (23), расположенные по обе стороны керамических контейнеров (10). Концевые части (29) каждого керамического контейнера (10) герметично закреплены на торцах (30) лазерной камеры (1) с возможностью доступа или подсоединения к внутренней части контейнера (10). Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазера и в уменьшении затрат на получение энергии генерации. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Газоразрядный лазер включает в себя: лазерную камеру, имеющую отстоящие друг от друга протяженные электроды, протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, установленных вблизи первого электрода, указанные конденсаторы подключены к электродам через токовводы керамических контейнеров и через токопроводы, расположенные по обе стороны электродов. Лазер также содержит импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам, при этом в лазерной камере размещены дополнительные протяженные керамические контейнеры, в каждом из которых размещены дополнительные конденсаторы. В стенках каждого дополнительного контейнера вдоль него установлены герметичные токовводы. При этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые токопроводы, токовводы каждого дополнительного контейнера и дополнительные конденсаторы. Снаружи лазерной камеры размещен подключенный к дополнительным конденсаторам дополнительный импульсный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазера. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Газоразрядный лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, протяженный блок предыонизации и систему циркуляции газа. Первый электрод расположен вблизи внутренней поверхности лазерной камеры. Набор конденсаторов, к которым подключен источник питания, расположен вне лазерной камеры и соединен с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов. При этом лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, которые жестко скреплены между собой посредством протяженной крепежной системы, и керамическая труба лазерной камеры имеет с внутренней стороны протяженную нишу, в которую установлен, по меньшей мере, первый электрод. Части внутренней поверхности трубы, примыкающие к нише, образуют расположенные вверх и вниз по потоку от первого электрода направляющие газового потока или спойлеры. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности излучения и в уменьшении затрат на получение энергии генерации. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Газоразрядный лазер включает в себя: лазерную камеру (1), состоящую из керамического материала и заполненную газовой смесью, протяженные электроды (2, 3), определяющие область разряда (4), блок предыонизации (5); систему циркуляции газа (9, 10, 11, 12, 13); набор конденсаторов (14), расположенных вне лазерной камеры (1) и соединенных с первым и вторым электродами (2, 3) через электрические вводы (17, 18) лазерной камеры (1) и газопроницаемые обратные токопроводы (19), расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор. Лазерная камера (1) включает в себя керамическую трубу (24) и два торцевых фланца (25), жестко скрепленных между собой посредством крепежной системы (26), протяженной вдоль керамической трубы (24). Крепежная система (26) выполнена либо в виде охватывающей керамическую трубу металлической трубы, снабженной достаточно широким протяженным вырезом для установки набора конденсаторов (14) и имеющей на торцах кольцевые фланцы, скрепленные с торцевыми фланцами (25) лазерной камеры (1), либо в виде стяжных балок. Технический результат заключается в увеличении мощности. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике. Устройство для формирования объемного самостоятельного разряда (ОСР) содержит разрядную камеру, в которой установлены подключенные к источнику накачки три электродные пары, каждая из которых состоит из пластинчатых профилированных электродов. Каждая пластина катода расположена в плоскости соответствующей пластины анода, при этом электродные пары установлены либо параллельно продольной оси камеры, либо под острым углом к ней. Рабочая кромка центральных катодных пластин содержит расположенный по центру прямолинейный участок, к которому с обеих сторон примыкают участки с профилем Степперча. Рабочая кромка центральных анодных пластин имеет дугообразную форму и обращена выпуклостью в сторону разрядного промежутка. Участки рабочих кромок крайних анодных и катодных пластин, обращенные к центральным электродам, повторяют профиль рабочей кромки соответствующих анодных и катодных центральных пластин. Внешние участки рабочих кромок крайних анодных и катодных пластин имеют дугообразную форму и большую длину, чем участки рабочих кромок крайних анодных и катодных пластин, обращенные к центральным электродам, причем все участки рабочих кромок имеют плавное сопряжение. Технический результат заключается в обеспечении возможности формирования однородного ОСР между всеми парами электродных пластин в различных газовых средах. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для возбуждения активных сред газовых лазеров. Устройство возбуждения объемного разряда в плотных газах содержит источник высокого напряжения, соединенный с протяженными коронирующим и токосъемным электродами ножевой формы, установленными вдоль диэлектрического цилиндра, выполненного с возможностью вращения. На внешней поверхности цилиндра расположены электропроводящий экран и диэлектрическая пленка, причем коронирующий электрод установлен вдоль радиуса цилиндра с зазором относительно цилиндра. Экран выполнен в виде двух и более секции, протяженных вдоль цилиндра и электрически изолированных друг от друга, при этом секция, проходящая зону коронирующего электрода ножевой формы, соединена скользящим контактом с заземленным полюсом источника, а секция, проходящая зону токосъемного электрода ножевой формы, соединена скользящим контактом с потенциальным полюсом источника. Потенциал, подаваемый на секцию экрана, может регулироваться, например, потенциометром. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения мощности разряда. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для возбуждения активных сред газовых лазеров. Устройство возбуждения объемного разряда в плотных газах содержит источник высокого напряжения, соединенный с протяженными коронирующим и токосъемным электродами ножевой формы, установленными вдоль диэлектрического цилиндра, выполненного с возможностью вращения. На внешней поверхности цилиндра расположены электропроводящий экран и диэлектрическая пленка, причем коронирующий электрод установлен вдоль радиуса цилиндра с зазором относительно цилиндра. Экран выполнен в виде двух и более секции, протяженных вдоль цилиндра и электрически изолированных друг от друга, при этом секция, проходящая зону коронирующего электрода ножевой формы, соединена скользящим контактом с заземленным полюсом источника, а секция, проходящая зону токосъемного электрода ножевой формы, соединена скользящим контактом с потенциальным полюсом источника. Потенциал, подаваемый на секцию экрана, может регулироваться, например, потенциометром. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения мощности разряда. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. В газоразрядном лазере конденсаторы, малоиндуктивно подключенные к электродам лазера, размещены вблизи первого электрода в керамических контейнерах. При этом части каждого протяженного керамического контейнера размещены сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока/спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда. Конденсаторы малоиндуктивно соединены с импульсным источником питания через токовводы каждого контейнера, высоковольтные токовводы металлической лазерной камеры и протяженные заземленные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов. Технический результат заключается в увеличении мощности лазера. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх