Газоразрядный лазер и способ генерации излучения



Газоразрядный лазер и способ генерации излучения
Газоразрядный лазер и способ генерации излучения
Газоразрядный лазер и способ генерации излучения

 


Владельцы патента RU 2506671:

Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" (RU)

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.

 

Область техники

Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров, лазерных систем и способу генерации лазерного излучения.

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 с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов, 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.

Известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, United States Patent 6782030, 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 HCl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности 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 эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлического 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 и способа генерации лазерного излучения является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновскоq 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. Способ генерации лазерного излучения предусматривает одновременную синхронизированную накачку двух идентичных лазеров и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.

Данные устройство и способ обеспечивают 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, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на 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, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны от электродов; 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 резонатор для генерации луча лазера. Patent EP 1525646 В1. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление предыонизации газа между первым и вторым электродами, импульсную зарядку конденсаторов, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера.

В лазере реализуются возможность увеличения объема активной газовой среды при обеспечении высокого однородного уровня ее предыонизации, и высокая скорость прокачки газа между электродами. В результате достигается возможность увеличения энергии генерации и мощности импульсно- периодического эксимерного лазера. Протяженная камера лазера включает в себя круглую цилиндрическую трубу, выполненную из керамики. Для формирования высокоскоростного потока газа в зоне разряда по обе стороны от первого электрода, расположенного на внутренней стенке цилиндрической трубы камеры, заподлицо с ним размещены протяженные керамические направляющие газового потока. Выполнение лазерной камеры преимущественно керамической определяет возможность достижения высокого времени жизни газовой смеси эксимерного лазера, содержащей такие чрезвычайно химически активные компоненты, как F2 или HCl. При генерации на эксимерных молекулах в лазере с компактной (диаметром 0.45 м) керамической камерой и длиной электродов, не превышающей 1 м, характерная средняя мощность лазерного УФ излучения составляет ~500 Вт в различных сочетаниях энергии генерации, от 0.1 до 2 Дж/импульс, и частоты следования импульсов.

Однако, повышение энергии генерации лазера требует увеличения межэлектродного расстояния и повышения разрядного напряжения, сопровождаемого необходимостью увеличения расстояния между высоковольтными и заземленными электрический вводами керамического лазерной камеры - для предотвращения паразитных пробоев, что ведет к увеличению индуктивности разрядного контура и падению кпд лазера. С этой точки зрения геометрия лазерной камеры не полностью оптимизирована. В прототипе предусмотрены различные варианты снижения вызываемой давлением газа радиальной составляющей механической нагрузки на керамическую трубу камеры, однако возможности снижения продольной составляющей этой нагрузки не предложено.

Недостатком устройства прототипа и способа его функционирования является снижение эффективности при дальнейшем повышении энергии генерации и средней мощности лазера. Требуемое для этого увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера, и сопровождается необходимостью увеличения расстояния между заземленными и высоковольтными токовводами керамического корпуса лазера - для предотвращения паразитных пробоев, увеличением индуктивности разрядного контура и, как следствие, падением кпд лазера. Кроме этого, возрастают продольные размеры корпуса лазера, поскольку при увеличении межэлектродного расстояния и разрядного напряжения необходимо увеличивать расстояния от торцов первого электрода, являющегося в прототипе высоковольтным, до торцевых заземленных металлических фланцев керамического корпуса, что увеличивает стоимость корпуса и также усложняет эксплуатацию лазера.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является преодоление физических и технологических ограничений, связанных с созданием более мощных, по сравнению с существующими, газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров

Техническим результатом изобретения является увеличение энергии генерации и средней мощности излучения при высоком кпд лазера, упрощение конструкции и снижение стоимости изготовления мощного газоразрядного лазера, уменьшение эксплуатационных расходов и, в целом, снижение затрат на получение энергии генерации.

Для решения указанной задачи предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; и источник питания, подключенный к конденсаторам.

Усовершенствование лазера состоит в том, что в лазерной камере вблизи второго электрода установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера, в каждом керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, конденсаторы и дополнительные конденсаторы последовательно соединены между собой через газопроницаемые обратные токопроводы и подключены к первому и второму электродам через распределенные вдоль лазерной камеры электрические вводы керамической трубы и электрические вводы керамических контейнеров.

Предпочтительно, что снаружи лазерной камеры расположен дополнительный импульсный источник питания, полярность которого противоположна полярности импульсного источника питания, причем дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого керамического контейнера.

Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов, производимой дополнительным источником питания через торцы керамических контейнера/контейнеров, и времени зарядки конденсаторов, производимой малоиндуктивно подключенным к ним источником питания.

Предпочтительно, что обращенные к области разряда части поверхности каждого протяженного керамического контейнера образуют расположенные вблизи второго электрода направляющие газового потока.

Предпочтительно, что газопроницаемые обратные токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда

Предпочтительно, что, по меньшей мере, один керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

В некоторых вариантах вблизи второго электрода установлен один керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к области разряда имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод,

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

В некоторых вариантах блок предыонизации содержит систему формирования протяженного коронного разряда

В некоторых вариантах первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

В некоторых вариантах либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

Предпочтительно, что лазер содержит электрически связанные с блоком предыонизации и одним из электродов вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов.

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.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.

Фиг.1 - поперечное сечение лазера в соответствии с изобретением.

Фиг.2 - поперечное сечение лазера с автоматической предыонизацией у второго электрода в соответствии с изобретением.

Фиг.3 - поперечное сечение лазера с автоматической предыонизацией у первого электрода в соответствии с изобретением.

Варианты осуществления изобретения.

Газоразрядный лазер, в частности, эксимерный лазер, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, содержит заполненную газовой смесью лазерную камеру, выполненную преимущественно из керамики, в частности, лазерная камера включает в себя керамическую трубу 1 с торцевыми фланцами (не показаны). В лазерной камере размещены отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 2 расположен вблизи или непосредственно на внутренней поверхности керамической трубы 1 лазерной камеры. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа между первым и вторым электродами 2, 3.

В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, блок предыонизации 5 выполнен в виде компактной симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической, преимущественно сапфировой пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, на поверхности которой установлен поджигающий электрод 8. Блок предыонизации 5 установлен с обратной стороны электрода первого электрода 2, выполненного частично прозрачным за счет щелевых окон 9 на его рабочей поверхности, перпендикулярных продольной оси электрода.

Вне лазерной камеры расположен набор распределенных вдоль лазерной камеры набор конденсаторов 10. К конденсаторам 10 подключен импульсный источник питания 11. Вблизи второго электрода 3 установлен протяженный керамический контейнер 12 (фиг.1). Концевые части каждого керамического контейнера 12 герметично закреплены на торцевых фланцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера (для упрощения не показано). В каждом керамическом контейнере 12 размещены дополнительные конденсаторы 13. Снаружи лазерной камеры расположен дополнительный импульсный источник питания 14, полярность которого противоположна полярности импульсного источника питания 11. Дополнительный источник питания 14 подключен к дополнительным конденсаторам 13 с торцов каждого керамического контейнера 12. Конденсаторы 10 и дополнительные конденсаторы 13 последовательно соединены между собой через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 15 и подключены к первому и второму электродам 2, 3 через распределенные вдоль лазерной камеры электрические вводы 16, 17 лазерной камеры и электрические вводы 18, 19 керамических контейнеров 12. Причем, газопроницаемые обратные токопроводы 15 выполнены вогнутыми в сторону области разряда 4. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 20, охлаждаемые водой трубки 21 теплообменника, и формирующие поток газа поворотные лопасти 22 и керамические спойлеры 23, образованные примыкающими к первому электроду 2 частями лазерной камеры. Кроме этого, обращенная к области разряда 4 поверхность установленного вблизи второго электрода 3 керамического контейнера 12 имеет протяженную нишу 24, в которой размещен второй электрод 3. При этом обращенные к области разряда 4 части 25 поверхности керамического контейнера 12 образуют расположенные верх и вниз по потоку от второго электрода 3 направляющие газового потока.

Способ генерации лазерного посредством лазера осуществляют следующим образом. Между поджигающим электродом 8 и инициирующим электродом 7 системы формирования блока предыонизации 5 зажигают завершенный скользящий разряд по поверхности протяженной сапфировой пластины 6, фиг.1. С помощью УФ излучения вспомогательного разряда блока предыонизации 5 осуществляет предварительную ионизацию газовой смеси в области разряда 4 между первым и вторым электродами лазера 2, 3. Включают дополнительный источник питания 14 и с торцов каждого керамического контейнера 12 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 13 сравнительно медленную, поскольку индуктивность контура зарядки через торцы керамического контейнера 12 относительно велика. С временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 13 и конденсаторов 10, включают импульсный источник питания 11 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 10 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 13. За счет взаимосогласованного выбора параметров разрядной цепи, с одной стороны, и давления, состава и других характеристик газа - с другой, обеспечивают одновременное окончание зарядки конденсаторов 10, дополнительных конденсаторов 13, а также достижение пробивного напряжения между электродами 2, 3. Зажигают разряд в области 4 между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности. Разряд осуществляют по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 10 и дополнительные конденсаторы 13, последовательно соединенные между собой через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 15, вогнутые в сторону области разряда 4 и электрические вводы 16, 17, 18, 19 лазерной камеры и керамического контейнера 12. В результате получают генерацию луча лазера. После того, как система циркуляции газа, в который входит вентилятор 20, трубки теплообменника 21, и формирующие поток газа поворотные лопасти 22, керамические спойлеры 23, и примыкающие к нише 24 части 25 керамического контейнера, сменит газ в области разряда 4, цикл работы повторяют.

Упрощение эксплуатации лазера достигается в вариантах изобретения с автоматической предыонизацией. В этих вариантах, иллюстрируемых фиг.2, 3, лазер содержит электрически связанные с блоком предыонизации 5 и одним из электродов вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 10.

На фиг.2 блок предыонизации 5 расположен с обратной стороны второго полупрозрачного электрода 3, вблизи которого установлены два керамических контейнера 12, имеющие форму круглой цилиндрической трубы. Вспомогательные конденсаторы 26 размещены в каждом контейнере 12 и электрически связаны с блоком предыонизации 5, через вспомогательные электрические вводы 27, установленные в стенке каждого керамического контейнера.

В этих вариантах изобретения предыонизацию осуществляют автоматически с момента включения дополнительного источника питания 11 за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 26 через вспомогательный разрядный промежуток блока предыонизации 5. В процессе автоматической предыонизации ток вспомогательного разряда предыонизации 5 протекает по малоиндуктивной разрядной цепи, включающей в себя второй электрод 2, вспомогательные электрические вводы 27 и вспомогательные конденсаторы 26. Малая емкость вспомогательных конденсаторов 26 определяет оптимально малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации. В остальном работа лазера осуществляется аналогично тому, как описано выше.

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

Осуществление предыонизации через частично прозрачный электрод позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера и высокой эффективности смены газа в области разряда 4.

Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации может достигаться и без использования достаточно сложных в изготовлении частично прозрачных электродов. В вариантах изобретения, иллюстрируемых фиг.3, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными, а два блока предыонизации расположены по бокам первого электрода 2. Каждый из двух идентичных блоков предыонизации 5 выполнен в виде системы формирования скользящего разряда. Данная электроразрядная система (фиг.3) с достаточно простыми в изготовлении сплошными электродами также позволяет высокоэффективно повышать апертуру разряда и увеличивать энергию генерации лазера.

При ограничении амплитуды напряжения разряд по поверхности диэлектрика может быть коронным, фиг.1. В соответствии с этим блок предыонизации может содержать систему формирования коронного разряда. Другие системы формирования коронного разряда для упрощения не рассматриваются.

На варианте изобретения, показанном на фиг.3 блоки предыонизации 5 расположены по бокам первого электрода. Вспомогательные конденсаторы 26 размещены снаружи лазерной камеры и электрически связаны с блоками предыонизации 5 через вспомогательные электрические вводы 28, установленные в стенке керамической трубы 1 лазерной камеры.

В вариантах способа генерации лазерного излучения, иллюстрируемых фиг.3, автоматическую предыонизацию со стороны первого электрода осуществляют с помощью источника питания 11 с момента его включения. При этом предыонизацию осуществляют с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 12, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 12 и конденсаторов 10.

Возможность предложенной в этом варианте способа высокоэффективной автоматической предыонизации с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания, то есть после начала роста разрядного напряжения не является очевидным. Однако, в соответствии с опытными данными эффективная предыонизация в таком режиме может быть осуществлена. Это связано с тем, что газовые смеси эксимерных лазеров отличаются высокой скоростью прилипания электронов к донорам галогенов НС1, F2, зависящей от величины напряженности электрического поля между электродами 2, 3. В связи с этим предыонизация может обеспечивать максимальный кпд лазера при ее включении с момента достижения величины напряжения на электродах 2, 3 лазера, при которой частота ионизации газа электрическим полем начинает преобладать над частотой прилипания электронов к донорам галогенов. В соответствие с опытными данными, для характерных времен ~180 не роста напряжения от нулевого уровня до пробойного, задержка начала максимально эффективной предыонизации относительно начала роста разрядного напряжения для XeCl лазера достигает 50 не. Задержка может быть увеличена, если скорость роста напряжения до момента включения блока предыонизации ниже. Таким образом, при времени зарядки конденсаторов ~180 нс время зарядки дополнительных конденсаторов 13 может быть существенно больше 230 не, обеспечивая в соответствии с предложенным вариантом способа генерации лазерного излучения высокоэффективную автоматическую предыонизацию у первого электрода 2.

При выполнении в предложенном виде лазер приобретает новые положительные качества.

Выполнение поверхностей керамических контейнеров/контейнера, обращенных к области разряда 4, в виде направляющих газового потока вблизи второго электрода 3 и размещение второго электрода 2 в протяженной нише 24 контейнера 12 (фиг.1) позволяет формировать высокоскоростной поток газа между электродами. Это обеспечивает быструю смену газа в области разряда 4, давая возможность увеличить частоту следования импульсов и среднюю мощность излучения лазера.

Введение керамических контейнеров 12 в количестве либо двух (фиг.2, 3), либо одного (фиг.1) оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера.

Применение контейнеров 12 в виде круглых цилиндрических труб (фиг.2) обеспечивает наибольшую простоту и механическую прочность конструкции и, соответственно, надежность контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением.

Форма контейнеров 12 в виде прямоугольных труб (фиг.2) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить кпд лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 25 контейнеров 12, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа.

Форма заземленных газопроницаемых обратных токопроводов 15, вогнутых в сторону области разряда 4 (фиг.1-3), соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности. В связи с этим достигается уменьшение индуктивности разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4, что способствует достижению высокого кпд лазера.

Подключение дополнительного источника питания 14 к дополнительным конденсаторам 13 и их зарядка с торцов каждого керамического контейнера 12 обеспечивает наибольшую простоту разрядной системы лазера.

Поскольку индуктивность токового контура и время зарядки дополнительных конденсаторов 13 больше, чем для конденсаторов 10, для достижения максимальной скорости нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда и обеспечения однородного устойчивого разряда источник питания 11 включают с указанной временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 14.

В соответствии с изобретением первый и второй электроды 2, 3 оба являются высоковольтными разной полярности и размещены на изоляторах, в качестве которых выступают керамическая труба 1 лазерной камеры и керамические контейнеры/контейнер 12. По сравнению с прототипом, напряжение между соседними высоковольтными и заземленными электрическими вводами 16, 17, а также между электродами 2, 3 и торцевыми фланцами лазерной камеры снижается вдвое с полного разрядного напряжения до его половины. Это позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и высокий кпд лазера, а также увеличить длину электродов, повысив энергию генерации лазера. При этом снижаются требования к электрической изоляции лазера, что упрощает эксплуатацию лазера и повышает его надежность.

Выполнение лазера и способа генерации лазерного излучения в указанном виде позволяет значительно увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком кпд лазера, а также снизить эксплуатационные расходы лазера. К примеру, межэлектродное расстояние h и ширина разряда w могут быть увеличены в √2 раз. Апертура разряда h×w, активный объем лазера, суммарный энергозапас конденсаторов и дополнительных конденсаторов будут увеличены в 2 раза, а амплитуда напряжения источника (равная по величине напряжению дополнительного источников питания) будет значительно (в √2 раз) снижена по сравнению с лазерами, использующими один источник. Это позволяет увеличить энергию генерации лазера на 100% при умеренных рабочих напряжениях. Индуктивность разрядного контура может быть минимизирована за счет размещения конденсаторов в непосредственной близости от электродов и за счет уменьшения, по меньшей мере, в √2 раза расстояния между высоковольтными и заземленными элементами разрядного контура, обеспечивая увеличение энергии генерации при высоком кпд лазера.

Таким образом, выполнение газоразрядного эксимерного лазера, и способов генерации лазерного излучения в предложенном виде позволяет увеличить энергию генерации, среднюю мощность излучения при высоком кпд лазера и, в целом, уменьшить расходы на получение энергии генерации.

Список обозначений

1. керамическая труба лазерной камеры

2. первый электрод

3. второй электрод

4. область разряда

5. блок предыонизации

6. диэлектрическая (сапфировая) пластина

7. инициирующий электрод

8. поджигающий электрод

9. щелевые окна на рабочей поверхности электрода

10. конденсаторы

11. импульсный источник питания

12. один, либо два протяженных керамических контейнера,

13. дополнительные конденсаторы, размещенные в каждом керамическом контейнере поверхности керамического контейнера, формирующая газовый поток

14. дополнительный импульсный источник питания

15. обратные токопроводы

16, 17, 18, 19 электрические вводы лазерной камеры и контейнеров,

20. диаметральный вентилятор

21. трубки теплообменника

22. направляющие лопасти

23. спойлеры

24. протяженная ниша, в которой установлен второй электрод

25. части поверхности контейнера, формирующие поток

26. вспомогательные конденсаторы

27. вспомогательные электрические вводы контейнеров

28. вспомогательные электрические вводы лазерной камеры

1. Газоразрядный, в частности эксимерный лазер, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, в котором в лазерной камере вблизи второго электрода установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера; в каждом керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы; конденсаторы и дополнительные конденсаторы последовательно соединены между собой через газопроницаемые обратные токопроводы и подключены к первому и второму электродам через распределенные вдоль лазерной камеры электрические вводы керамической трубы и электрические вводы керамических контейнеров.

2. Лазер по п.1, в котором снаружи лазерной камеры расположен дополнительный импульсный источник питания, полярность которого противоположна полярности импульсного источника питания, причем дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого керамического контейнера.

3. Лазер по п.1, в котором временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов, производимой дополнительным источником питания через торцы керамических контейнера/контейнеров, и времени зарядки конденсаторов, производимой малоиндуктивно подключенным к ним источником питания.

4. Лазер по п.1, в котором обращенные к области разряда части поверхности каждого протяженного керамического контейнера образуют расположенные вблизи второго электрода направляющие газового потока.

5. Лазер по п.1, в котором газопроницаемые обратные токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда.

6. Лазер по п.1, в котором, по меньшей мере, один керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

7. Лазер по п.1, в котором вблизи второго электрода установлен один керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к области разряда имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод.

8. Лазер по любому из пп.1-7, в котором блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

9. Лазер по любому из пп.1-7, в котором блок предыонизации содержит систему формирования протяженного коронного разряда.

10. Лазер по любому из пп.1-7, в котором либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

11. Лазер по любому из пп.1-7, в котором первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

12. Лазер по любому из пп.1-7, содержащий электрически связанные с блоком предыонизации и одним из электродов вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов.

13. Способ генерации лазерного излучения посредством лазера по любому из пп.1-12, заключающийся в осуществлении предыонизации газа между первым и вторым электродами, импульсной зарядке конденсаторов, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором
предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого керамического контейнера производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают импульсный источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые обратные токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.



 

Похожие патенты:

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.

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 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.

Изобретение относится к лазерной технике. Эксимерная лазерная система содержит шасси, на котором размещены: импульсный источник питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам каждого лазерного модуля; дополнительный источник питания с полярностью, противоположной полярности источника питания, подключенный к дополнительным конденсаторам через торцы каждого керамического контейнера; первый лазерный модуль и второй лазерный модуль, идентичный первому. Каждый модуль включает в себя протяженный керамический корпус, в котором расположены система формирования газового потока, предыонизатор, первый и второй электроды, расположенные снаружи корпуса конденсаторы, подсоединенные к первому электроду через высоковольтные токовводы корпуса. Также в корпусе установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера, расположенные так, что стенки каждого керамического контейнера, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области. В каждом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, подключенные ко второму электроду через заземленные токовводы корпуса, протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы, расположенные по обе стороны электродов, токовводы каждого керамического контейнера, и дополнительные конденсаторы. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности лазера и уменьшении затрат на получение энергии генерации. 2 н. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.
Наверх