Газоразрядная лазерная система и способ генерации излучения
Изобретение относится к квантовой электронике. Лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый и второй идентичные лазерные модули. Каждый из модулей включает в себя металлический корпус, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод. Вблизи первого электрода установлены керамические контейнеры, в каждом из которых размещены конденсаторы, подсоединенные ко второму электроду через расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы. Импульсный источник питания имеет выводы, которые малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам в каждом лазерном модуле через изолированные токовводы металлического корпуса и токовводы каждого керамического контейнера. Технический результат заключается в увеличении энергии генерации и средней мощности излучения. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к мощным импульсно-периодическим газоразрядным лазерам с УФ-предыонизацией, преимущественно к эксимерным лазерам. Область применений включает лазерную микрообработку материалов, отжиг аморфного кремния (α-Si) при производстве плоских дисплеев, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции, производство интегральных схем методом лазерной УФ- и ВУФ-литографии и др.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, включающий в себя два идентичных компактных лазерных модуля, 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 предыонизатор, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011. Способ генерации излучения посредством лазерной системы предусматривает одновременную накачку двух идентичных лазерных модулей и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.
Данная конструкция обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений с уровнем энергии генерации 1 Дж/импульс при длине электродов около 1 м и мощностью лазерного УФ-излучения 600 Вт с каждого лазерного модуля.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за используемой боковой предыонизации слаботочным барьерным разрядом и ограниченных размеров разрядной камеры лазерных модулей, а поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.
Частично этих недостатков лишены устройство и способ генерации излучения мощного посредством компактного эксимерного ХеСl лазера, в котором импульсно заряжаемые конденсаторы, подключенные к электродам, размещены на наружной поверхности протяженного диэлектрического фланца, установленного на компактном сварном металлическом корпусе, выполненном на основе алюминиевой трубы диаметром 420 мм, Борисов В.М., Христофоров О.Б. Мощные импульсно-периодические эксимерные лазеры. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4, стр.503-522 (2005). Способ генерации излучения включает в себя предыонизацию газа УФ-излучением завершенного скользящего разряда через частично прозрачный электрод. При длине электродов лишь 0.8 м в вариантах устройства энергия генерации варьировалась от 4 до 2 Дж/импульс при стабилизированном уровне мощности лазерного УФ-излучения 500 Вт. Для обеспечения высокого времени жизни газовой смеси лазера диэлектрический фланец выполняется керамическим и с целью предотвращения его хрупкого разрушения вводится присоединенная к нему дополнительная камера с электрически прочным газом для выравнивания внутреннего и наружного давлений на фланец.
Недостатком лазера и способа его функционирования является то, что сварной фланец алюминиевого корпуса лазера, на который устанавливается керамический фланец лазера, деформируется при напуске в корпус лазера газовой смеси высокого, до 5 атм, давления. Все это обуславливает сложность конструкции корпуса и лазера в целом, его низкую надежность и сложность эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является лазерная система, содержащая металлический корпус, выполненный на основе металлической трубы, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод, установленные вблизи первого электрода два керамических контейнера, в каждом из которых размещены конденсаторы, подсоединенные ко второму электроду через расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы, причем стенки каждого керамического контейнера, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами, и размещенный снаружи корпуса импульсный источник питания, выводы которого подсоединены к конденсаторам, Патент РФ №2446530 от 28.01.2011, опубликованный 27.03.2012 RU БИМП №9.
В указанном устройстве контейнеры, выполненные в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны от плоскости, проходящей через оси электродов. В варианте исполнения предыонизатор лазера выполнен в виде компактной системы зажигания скользящего разряда, УФ-излучение которого осуществляет предыонизацию через выполненный частично прозрачным первый или второй электрод.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией корпуса, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами и высокая средняя мощность лазерного излучения при различных сочетаниях энергии генерации и частоты следования импульсов в долговременном режиме.
Способ генерации излучения посредством указанного устройства заключается в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения.
В варианте способа предыонизацию осуществляют автоматически со стороны первого электрода, производя через разрядный промежуток предыонизатора зарядку вспомогательных конденсаторов, также размещенных в керамических контейнерах. Предыонизацию могут осуществляют через частично прозрачный электрод, что позволяет эффективно увеличивать энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения. Необходимая для зажигания однородного разряда лазера быстрая импульсная зарядка конденсаторов соответствует характерному времени зарядки 50-300 нс, зависящему от энергии генерации, характерные значения которой могут быть в диапазоне от 0.1 до 2 Дж/импульс для лазера с различными поперечными размерами керамических контейнеров.
Недостатком устройства прототипа и способа его функционирования является ограниченная возможность повышения энергии генерации при сохранении малой индуктивности разрядного контура из-за ограниченных габаритов контейнеров и, соответственно, ограниченного энергозапаса размещенных в них конденсаторов. Кроме того, требуемое для повышения энергии генерации увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера и сопровождается необходимостью увеличения габаритов керамических частей лазера, служащих в качестве высоковольтных изоляторов, и корпуса лазера в целом, что усложняет его конструкцию.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание высокоэффективной двухмодульной лазерной системы, предпочтительно эксимерной, с более чем двукратным, по отношению к одиночному модулю, увеличением энергии генерации и средней мощности лазерного излучения.
Техническим результатом изобретения является увеличение энергии генерации и средней мощности излучения при повышении кпд лазерной системы, характеризующейся простой и дешевой конструкцией, и, в целом, снижение затрат на получение энергии генерации.
Указанные задачи могут быть осуществлены предлагаемой газоразрядной лазерной системой, содержащей: шасси, на котором размещены:
первый лазерный модуль, включающий в себя металлический корпус, выполненный на основе металлической трубы, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод, установленные вблизи первого электрода либо один, либо два керамических контейнера, в каждом из которых размещены конденсаторы, подсоединенные ко второму электроду через расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы,
второй лазерный модуль, идентичный первому,
импульсный источник питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам в каждом лазерном модуле через изолированные токовводы металлического корпуса и токовводы каждого керамического контейнера.
Предпочтительно, что между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазерном модуле на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и введена система оптической связи между лазерными модулями, обеспечивающая инжекцию внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля во второй лазерный модуль.
Керамические контейнеры каждого лазерного модуля могут быть заполнены либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в корпусе лазера, и к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в корпусе лазера, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.
Предпочтительно, что в корпусе каждого лазерного модуля могут быть установлены либо один, либо два протяженных дополнительных керамических контейнера, размещенных преимущественно с нерабочей стороны второго электрода, в каждом дополнительном контейнере размещены дополнительные конденсаторы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые токопроводы, токовводы каждого дополнительного керамического контейнера и дополнительные конденсаторы, при этом лазерная система содержит дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, и дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам каждого лазерного модуля через торцы каждого дополнительного контейнера
Способ генерации излучения посредством лазерной системы заключается в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов, предыонизации газа и осуществлении разряда между первым и вторым электродами, и генерации лазерного излучения в каждом лазерном модуле,
при котором после зажигания разряда в первом лазерном модуле разряд во втором лазерном модуле зажигают с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и с помощью системы оптической связи производят инжекцию во второй лазерный модуль внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля, снижая порог генерации во втором лазерном модуле.
Предпочтительно, что в процессе работы лазерной системы в каждом лазерном модуле поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один контейнер, близким к давлению газа в корпусе каждого лазерного модуля.
В варианте реализации способа предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера каждого лазерного модуля производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, размещенных в дополнительных керамических контейнерах, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают импульсный источник питания и осуществляют импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, в процессе зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов осуществляют предыонизацию газа либо со стороны первого электрода, либо со стороны второго электрода, 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 токопроводы.
Предложенная конструкция лазерной системы, в которой введен второй лазерный модуль, идентичный первому, позволяет удваивать энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при использовании высокоэффективных лазерных модулей простой и надежной конструкции.
Использование единого импульсного источника питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам в каждом лазерномо модуле через изолированные токовводы металлического корпуса и токовводы каждого керамического контейнера, упрощает работу двухмодульной лазерной системы, автоматически обеспечивая их синхронную работу.
Введение между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания линии задержки импульса зарядки конденсаторов второго лазерного модуля на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, позволяет с помощью системы оптической связи между лазерными модулями обеспечить инжекцию внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую (<8%) часть излучения первого лазерного модуля во второй лазерный модуль, и снизить порог генерации во втором лазерном модуле. Это позволяет увеличить энергию генерации во втором лазерном модуле на ~30%.
Установка в каждом лазерном модуле дополнительных керамических контейнеров с размещенными в них дополнительными конденсаторами, к которым через торцы дополнительных контейнеров подключен дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, позволяет увеличить энергию и мощность каждого лазерного модуля при снижении амплитуды напряжения на электродах, что упрощает эксплуатацию лазерной системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.
На фиг.1a показано поперечное сечение двухмодульной лазерной системы.
На фиг.1b схематично показан вид сверху устройства с системой оптической связи между лазерными модулями
На фиг.2 показано поперечное сечение лазерной системы с системами поддержания давления электрически прочной среды, заполняющей контейнеры, близким к давлению газа в корпусе каждого лазерного модуля.
На фиг.3 показана лазерная система с дополнительным источником питания.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание служит для иллюстрации вариантов осуществления изобретения, но не объемов его реализации.
В соответствии с примером осуществления (фиг.1а) лазерная система содержит шасси 1, на котором размещены: первый лазерный модуль 2 и второй лазерный модуль 3, идентичный первому лазерному модулю. Каждый лазерный модуль включает в себя металлический корпус 4, выполненный на основе металлической трубы, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, состоящая из вентилятора 5, направляющих газового потока 6 и трубок теплообменника 7, предыонизатор 8, первый электрод 9, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод 10, установленные вблизи первого электрода 9 либо один, либо два керамических контейнера 11, в каждом из которых размещены конденсаторы 12, подсоединенные ко второму электроду 10 через расположенные по обе стороны электродов заземленные газопроницаемые токопроводы 13, причем стенки каждого керамического контейнера 11, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами 13. На шасси 1 также размещен импульсный источник питания 14. Импульсный источник питания 14 включает в себя систему компрессии импульсов накачки лазерных модулей, содержащую два магнитных ключа, выводы которых совмещены с высоковольтными выводами 15а, 15b источника питания 14. Высоковольтные выводы 15а, 15b и заземленные выводы источника питания 14 малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 12 каждого лазерного модуля 2, 3 соответственно через изолированные токовводы 16 металлического корпуса 4, высоковольтные токовводы 17 каждого керамического контейнера 11 и заземленные токопроводы 18 и токовводы 19 каждого керамического контейнера 11.
На фиг. 1а каждый лазерный модуль содержит по два контейнера 11, установленных по обе стороны первого электрода 9, каждый из которых герметично закреплен на торцевых фланцах металлического корпуса лазерного модуля. Как вариант исполнения протяженный предыонизатор 8 выполнен в виде компактной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической пластины, преимущественно сапфировой, и установлен с тыльной стороны первого электрода 9, выполненного частично прозрачным за счет щелевых окон на его рабочей поверхности, перпендикулярных продольной оси электрода. Для осуществления автоматической предыонизации в керамических контейнерах 11 размещены вспомогательные конденсаторы 20, электрически связанные через вспомогательные токовводы 21 керамических контейнеров с предыонизатором 8. При этом емкость и объем вспомогательных конденсаторов 20 многократно (в 5-10 раз) меньше емкости и объема конденсаторов 12, расположенных в каждом керамическом контейнере 11.
Между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания может быть введена линия задержки 22 (фиг.1а), обеспечивающая задержку импульса зарядки конденсаторов 12 второго лазерного модуля 3 и задержку зажигания разряда в нем на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле 2. Линия задержки 22 может быть совмещена с магнитным ключом на высоковольтном выводе 15b второго лазерного модуля 3. При этом введена система оптической связи 23 (фиг.lb) между лазерными модулями 2, 3, обеспечивающая инжекцию во второй лазерный модуль внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую, например ≈4%, часть излучения первого лазерного модуля. В качестве варианта реализации система оптической связи 23 между лазерными модулями 2, 3, размещенная либо внутри, либо снаружи (фиг.lb) зеркал 24, 25 резонатора каждого лазерного модуля, может включать в себя пластины 26а, 26b, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и зеркала 27а, 27b, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерными модулями 2, 3. Совмещение двух параллельных лазерных лучей осуществляется вне шасси 1 лазерной системы в оптическом модуле 28.
В варианте устройства (фиг.2) вблизи первого электрода 9 каждого лазерного модуля 2, 3 установлен один керамический контейнер 11, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой установлен первый электрод 9. При этом керамический контейнер 11 каждого лазерного модуля заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 29 под давлением, близким к давлению газа в корпусе 4 каждого лазерного модуля лазера, и к торцам каждого контейнера 11, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система 30 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в корпусе лазера. Система 30 поддержания давления может быть выполнена с обеспечением циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 29.
В варианте устройства (фиг.3) в корпусе 4 каждого лазерного модуля 2, 3 установлены либо один, либо два протяженных дополнительных керамических контейнера 31, размещенных преимущественно с нерабочей стороны второго электрода 10, в каждом дополнительном контейнере 31 размещены дополнительные конденсаторы 32, при этом конденсаторы 12 подключены ко второму электроду 10 через газопроницаемые токопроводы, токовводы 33, 34 каждого дополнительного контейнера 31 и дополнительные конденсаторы 32. При этом лазерная система содержит дополнительный источник питания 35, полярность которого противоположна полярности источника питания 14, и дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам каждого лазерного модуля через торцы каждого дополнительного контейнера 31.
Способ генерации излучения посредством газоразрядной лазерной системы (фиг.1) реализуется следующим образом. Включают установленный на шасси 1 импульсный источник питания 14, высоковольтные выводы 15а, 15b и заземленные выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 12 каждого лазерного модуля 2, 3. С помощью источника питания 14 осуществляют быструю (за время 50-300 нс) импульсную зарядку конденсаторов 12, размещенных в керамических контейнерах 11, и осуществляют предыонизацию в лазерных модулях 2, 3 газа между первым 9 и вторым 10 электродами, затем осуществляют разряд между первым и вторым электродами 9, 10 и получают генерацию лазерного излучения в каждом лазерном модуле.
С момента включения источника питания 14 в каждом лазерном модуле автоматически осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода 9 (фиг.1а), производя зарядку вспомогательных конденсаторов 20 через разрядный промежуток предыонизатора 8, выполненного, например, в виде компактной системы формирования скользящего разряда, расположенной за частично прозрачным электродом 9. Уровень предыонизации выбирают оптимальным за счет регулируемого энерговклада в скользящий разряд. Ток вспомогательного относительно низкоэнергетичного разряда предыонизатора 8 протекает по разрядной цепи, включающей в себя токовводы 19, 21 каждого контейнера 11, первый электрод 9, разрядный промежуток предыонизатора 8 и вспомогательные конденсаторы 20, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 12. Одновременно в каждом лазерном модуле осуществляют импульсную зарядку конденсаторов 12 по малоиндуктивной цепи, включающей герметичные изолированные токовводы 16 корпуса 4, соединенные с корпусом протяженные заземленные токопроводы 18 и токовводы 17, 18 контейнеров 11. После момента окончания зарядки конденсаторов 12 и одновременного достижения пробивного напряжения между электродами 9, 10 первого лазерного модуля 2 между ними осуществляют разряд по малоиндуктивному контуру, включающему в себя конденсаторы 12, токовводы 17, 19 контейнеров 11, заземленные протяженные газопроницаемые токопроводы 13, что позволяет получить генерацию в первом лазерном модуле. С помощью линии задержки 22, введенной между конденсаторами 12 второго лазерного модуля 3 и источником питания 14, зажигают разряд во втором лазерном модуле 3 с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле 2. С помощью системы оптической связи 23 (фиг.1b) производят инжекцию во второй лазерный модуль 3 внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть лазерного излучения первого лазерного модуля, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 24, 25, снижая порог генерации во втором лазерном модуле 3. Инжекцию внешнего сигнала во второй лазерный модуль осуществляют, например, с помощью системы оптической связи, включающей в себя пластины 26а, 26b, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и зеркала 27а, 27b, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерными модулями 2, 3. Совмещение двух параллельных лазерных лучей осуществляют вне шасси 1 лазерной системы в оптическом модуле 28.
При функционировании предложенным способом снижается порог генерации во втором лазерном модуле за счет инжекции сразу после зажигания в нем разряда внешнего оптического сигнала. Это может увеличивать энергию генерации во втором лазерном модуле более чем на 30%. С другой стороны, инжекция внешнего оптического сигнала из второго лазерного модуля в первый лазерный модуль увеличивает часть энергии генерации первого лазерного модуля на завершающем этапе разряда. Таким образом, в лазерной системе с простыми по конструкции лазерными модулями достигается более чем двукратное по сравнению с одномодульной лазерной системой увеличение энергии генерации.
В варианте способа функционирования газоразрядной лазерной системы (фиг.2), по меньшей мере, один керамический контейнер 11 каждого лазерного модуля 2, 3 предварительно заполняют либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 29 под давлением, близким к давлению газа в корпусе 4, и в процессе работы лазерной системы поддерживают давление электрически прочной среды 29 близким к давлению газа в корпусе лазерного модуля с помощью системы 30 поддержания давления электрически прочной среды.
Это позволяет оптимизировать форму контейнеров 11 с точки зрения уменьшения индуктивности разрядного контура и повышения энергозапаса размещаемых в них конденсаторов. В результате реализуется возможность дальнейшего повышения энергии генерации и средней мощности излучения лазерной системы.
В другом варианте способа функционирования газоразрядной лазерной системы (фиг.3) предварительно включают дополнительный источник питания 35 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 31 каждого лазерного модуля производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 32, размещенных в керамических контейнерах. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 32 и конденсаторов 12, включают импульсный источник питания 14 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 12 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов. В процессе зарядки дополнительных конденсаторов 32 и конденсаторов 12 осуществляют предыонизацию газа либо со стороны первого электрода, либо со стороны второго электрода. В варианте устройства (фиг.3) с помощью дополнительного источника питания 35 осуществляют автоматическую предыонизацию со стороны второго электрода 10 способом, аналогичным описанному выше. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 12 и дополнительных конденсаторов 32 осуществляют разряды в каждом лазерном модуле между высоковольтными первым 9 и вторым 10 электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 12 и дополнительные конденсаторы 32, последовательно соединенные между сбой через газопроницаемые токопроводы 13 и токовводы 17, 19 контейнеров 11 и токовводы 33, 34 дополнительных контейнеров 31. Как описано выше, разряды в лазерных модулях осуществляют с задержкой и инжектируют внешний оптический сигнал из первого лазерного модуля во второй лазерный модуль.
При этом заземленные токопроводы 13 выполняются вогнутыми в сторону разрядного промежутка (фиг.3), что соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между двумя высоковольтными электродами с противоположной полярностью. Такая форма токопроводов 13 позволяет снизить индуктивность разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в разрядном промежутке, что также способствует достижению высокого кпд лазера при высоких однородности разряда и распределении энергии генерации по апертуре лазерного луча.
Введение для зарядки дополнительных конденсаторов дополнительного источника питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазерных модулей, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать индуктивность разрядного контура. Во-первых, это позволяет уменьшить расстояние от торцов электродов до торцевых заземленных металлических фланцев корпуса и уменьшить габариты лазерной системы в целом. Во-вторых, функционирование лазерной системы осуществляется при значительно сниженной амплитуде напряжении, что упрощает ее эксплуатацию и повышает надежность. В-третьих, это снижает требования к электрической изоляции между элементами разрядного контура, что реализует возможность уменьшить индуктивность контура зарядки конденсаторов и минимизировать индуктивность разрядного контура. Это, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность лазера.
Введение предложенным образом дополнительных конденсаторов позволяет увеличить суммарный энергозапас конденсаторов, межэлектродное расстояние лазера и, соответственно, апертуру разряда, объем активной среды, что позволяет повысить энергию генерации лазерной системы. Кроме этого, в соответствии с обнаруженным нами для широкоапертурных лазеров эффектом увеличение межэлектродного расстояния выше некоторой определенной величины позволяет значительно (в ~ 2 раза) снизить необходимый для эффективной высокостабильной работы лазера коэффициент К смены газа в разрядном промежутке, вплоть до минимального значения К=1, реализуемого для электродной системы с предыонизацией через частично прозрачный электрод. Здесь К - отношение объема газа, проходящего между электродами за время между очередными разрядными импульсами, к величине разрядного объема. Эффект обусловлен повышением устойчивости объемного разряда к акустическим возмущениям плотности газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов и, возможно, снижением акустических возмущений благодаря увеличению межэлектродного расстояния. Вследствие этого с увеличением межэлектродного расстояния и активного объема лазера поддержание высокой частоты повторения импульсов возможно без увеличения скорости прокачки газа. При этом значительное увеличение энергии генерации достигается без снижения частоты следования импульсов, что значительно снижает эксплуатационные расходы.
Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют увеличить энергию генерации и среднюю мощность излучения при повышении кпд лазерной системы, характеризующейся простой и дешевой конструкцией, и, в целом, снизить затраты на получение энергии генерации.
В соответствии с оценками при генерации на ХеСl предлагаемая лазерная система с длиной электродов 1 м и диаметрами корпусов - 0.5 м позволит превзойти мощность лазерного УФ-излучения существующих аналогов уже при частоте следования импульсов 300-400 Гц.
1. Газоразрядная лазерная система, содержащая шасси, на котором размещены первый лазерный модуль, включающий в себя металлический корпус, выполненный на основе металлической трубы, в котором размещены протяженные: система формирования газового потока, предыонизатор, первый электрод, расположенный со стороны стенки корпуса, второй электрод, либо один, либо два керамических контейнера, в каждом из которых размещены конденсаторы, подсоединенные к первому и второму электродам через расположенные по обе стороны электродов протяженные заземленные газопроницаемые токопроводы, второй лазерный модуль, идентичный первому, импульсный источник питания, выводы которого малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам в каждом лазерном модуле через изолированные токовводы металлического корпуса и токовводы каждого керамического контейнера.
2. Лазерная система по п.1, отличающаяся тем, что между конденсаторами второго лазерного модуля и источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазерном модуле на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и введена система оптической связи между лазерными модулями, обеспечивающая инжекцию внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля, во второй лазерный модуль.
3. Лазерная система по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один керамический контейнер каждого лазерного модуля заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в корпусе лазера, и к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близкого к давлению газа в корпусе лазера, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.
4. Лазерная система по любому из пп.1, 2, отличающаяся тем, что в корпусе каждого лазерного модуля установлены либо один, либо два протяженных дополнительных керамических контейнера, размещенных преимущественно с нерабочей стороны второго электрода так, что стенки каждого дополнительного керамического контейнера, обращенные к разрядной области, образуют часть системы формирования газового потока в приэлектродной области между газопроницаемыми токопроводами, в каждом дополнительном контейнере размещены дополнительные конденсаторы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через токовводы каждого дополнительного керамического контейнера и дополнительные конденсаторы, при этом лазерная система содержит дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, и дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам каждого лазерного модуля через торцы каждого дополнительного контейнера.
5. Способ генерации излучения посредством лазерной системы по п.2, заключающийся в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов и предыонизации в лазерных модулях газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения в каждом лазерном модуле, при котором
после зажигания разряда в первом лазерном модуле зажигают разряд во втором лазерном модуле с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазерном модуле, и с помощью системы оптической связи производят инжекцию во второй лазерный модуль внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазерного модуля, снижая порог генерации во втором лазерном модуле.
6. Способ генерации излучения посредством лазерной системы по п.3, заключающийся в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов и предыонизации в лазерных модулях газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения в каждом лазерном модуле, при котором
в процессе работы лазерной системы в каждом лазерном модуле поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один контейнер, близким к давлению газа в корпусе каждого лазерного модуля.
7. Способ генерации излучения посредством лазерной системы по п.4, заключающийся в быстрой импульсной зарядке с помощью импульсного источника питания конденсаторов и предыонизации в лазерных модулях газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации лазерного излучения в каждом лазерном модуле, при котором
предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера каждого лазерного модуля производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, размещенных в дополнительных керамических контейнерах, 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, в процессе зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов осуществляют предыонизацию газа либо со стороны первого электрода, либо со стороны второго электрода, 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 токопроводы.
