Способ создания активной среды krf лазера

Авторы патента:

H01S3/225 - содержащим эксимеры или эксиплексы

H01S3/097 - Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне (полупроводниковые лазеры H01S 5/00)

Владельцы патента RU 2575142:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, (ИСЭ СО РАН) (RU)

Способ создания активной среды KrF лазера включает в себя зажигание объемного разряда в лазерной смеси после подачи импульсного напряжения на разрядный промежуток, включение искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, и пробой разрядного промежутка. Объемный разряд зажигают биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³, тем самым создают активную среду с большей длительностью существования, что позволяет повышать эффективность и энергию лазерного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании электроразрядных эксимерньгх лазеров.

Известно, что эксимерные лазеры генерируют высокоинтенсивное излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра с высокой эффективностью (2-4)%. Активная среда таких лазеров образуется в результате формирования некоторого объема низкотемпературной плазмы, которая создается электрическим объемным разрядом между двумя протяженными электродами (поперечный разряд). Для зажигания объемного разряда используют специальные импульсные генераторы. Эти генераторы обеспечивают предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке и затем быстрое (десятки наносекунд) зажигание объемного разряда. Длительность импульса генерации KrF лазера обычно составляет 10-20 нс, а энергия генерации в импульсе сотни миллиджоулей. К настоящему времени в литературе имеется значительное количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению этих лазеров. Тем не менее, и сейчас остаются актуальными исследования, направленные на улучшение характеристик излучения в таких лазерах.

В настоящее время известны лазеры на газовых смесях Ne(He)-Kr(Ar)-F₂, излучающие на молекулах KrF и ArF [1-5], в которых создание активной среды происходит в следующей последовательности: от генератора накачки на разрядный промежуток подается импульс напряжения, при этом включается искровая предыонизация, создающая предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, при достижении пробивного напряжения на разрядном промежутке наступает его пробой и зажигается объемный разряд, создающий активную среду. Разрядный ток, протекающий через разряд, носит колебательный затухающий характер. Однако, объемный разряд обычно существует только в течение первого полупериода разрядного тока, поскольку разряд в газовых смесях с галогенидами является очень не устойчивый, и обычно в конце первого полупериода разрядного тока, или в начале второго, начинается контракция (стягивание в канал) разряда и активная среда прекращает свое существование. Поэтому импульс генерации после первого полупериода тока обычно прекращается [1-5]. Оптимальная удельная мощность накачки KrF лазера находится в диапазоне 2-4 МВт/см³. Отметим, что в данных лазерах типичная крутизна переднего фронта (от 10% до 90% амплитуды) нарастания разрядного тока составляет ~20-25 нс.

Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является способ формирования активной среды в эксимерном лазере, описанный в работах [4, 5], в котором создание активной среды на молекулах KrF происходит с помощью генератора накачки на основе LC-инвертора, который обеспечивает удельную мощность накачки 2-4 МВт/см³. В данном лазере обеспечивается достаточно крутой фронт нарастания разрядного тока ~18 нс, что и обеспечивает достаточно высокие параметры лазера (энергию и КПД). Однако активная среда в лазере существует только в первом полупериоде разрядного тока, поэтому импульс генерации после него прекращается и имеет длительность на полувысоте амплитуды 10-12 нс, а по основанию 18-20 нс.

Главным недостатком технического решения, реализованного в прототипе в свете предлагаемого решения, является малая длительность существования активной среды, которая создается при оптимальной мощности накачки только в первом полупериоде разрядного тока. Ограничение длительности существования активной среды, безусловно, снижает энергетические параметры лазера как при генерации, так и при использовании его в качестве усилителя.

Указанный технический результат, при осуществлении заявляемого технического решения, достигается тем, что в известном способе создания активной среды KrF лазера при зажигании объемного разряда в газовой смеси импульсом разрядного тока, заключающемся в подаче импульсного напряжения на разрядный промежуток, включении искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, пробое разрядного промежутка и зажигании объемного разряда, через который протекает разрядный ток, согласно изобретению, объемный разряд зажигается биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³.

Предложенный способ основан на обнаруженном нами режиме накачки, при котором зажигание и сохранение однородного объемного разряда с высокой удельной мощностью накачки (3-4 МВт/см³), как и в прототипе, сохраняется в течение нескольких полупериодов разрядного тока, тем самым, увеличивая временной диапазон существование активной среды, в течение которого реализуется эффективная генерация лазерного излучения. Данный режим в основном обусловлен более крутым передним фронтом разрядного тока (8-10 нс), который нам удалось реализовать при сохранении высокой удельной мощностью накачки (3.5-4.5 МВт/см³). Реализация такого крутого переднего фронта обеспечивала формирование более однородного объемного разряда и его горение в течение нескольких полупериодов разрядного тока. Кроме этого, более быстрое нарастание мощности накачки уменьшило время запаздывания для превышения порога генерации в лазере, и тем самым, дополнительное удлинило импульс генерации в передней его части.

На фиг. 1 приведен пример экспериментальной реализации предлагаемого решения, в качестве доказательства возможности осуществления заявляемого изобретения.

Активная среда формировалась в электроразрядном KrF лазере, в котором использовался LC-генератор накачки (как и в прототипе), состоящий из зарядных емкостей С₁ и С₂, индуктивности L₁ коммутатора (тиратрон TPI-10K/20), зарядной индуктивности L₂, разрядной емкости С₃, индуктивностей зарядного контура L₃ и разрядного контура L₄, искровых промежутков ИП и разрядного промежутка РП, фиг. 1. Значения емкостей C₁, С₂ и С₃ были 100, 50 и 30 нФ, соответственно; индуктивностей L₁=20 нГн, L₂=100 мкГн, L₃=90 нГн и L₄=4 нГн. Металлические электроды разрядного промежутка имели длину рабочей поверхности 450 мм и межэлектродное расстояние 25 мм.

Принцип работы схемы заключался в следующем. После зарядки емкостей С1 и С2 срабатывал коммутатор и энергия из емкостей С1 и С2 через искровые промежутки, которые обеспечивали предыонизацию разрядного промежутка, передавалась в емкость С3. Напряжение на емкости С3 параллельно подавалось на разрядный промежуток (РП). После достижения пробивного напряжения разрядный промежуток РП пробивался и зажигался объемный разряд, через который протекал разрядный ток.

На Фиг. 2. приведена форма разрядного тока, имеющего колебательный характер. Длительность переднего фронта разрядного тока была 8-10 нс, скорость нарастания разрядного тока - 4.5×10¹² А/с, а максимальная плотность разрядного тока 1.13 кА/см². Максимальная мощность накачки составляла 3.3-4.5 МВт/см³. При этом использовалась лазерная смесь Ne:Kr:F₂=700:24:1 при давлении р=3.6 атм. В нашем случае при формировании разряда выполнялись одновременно два условия: зажигалась и удерживалась однородная объемная плазма в течение 80-90 нс, а также обеспечивался достаточно высокий коэффициент усиления (0.1 см^-1) за счет высокой мощности накачки 3.5-4.5 МВт/см³. При использовании плоскопараллельного резонатора длиной 120 см, длительность импульса генерации составила 29 нс на полувысоте амплитуды и 62 нс по основанию. Энергия в импульсе излучения достигала 0.8 Дж. Из Фиг. 2 видно, что импульс генерации начинается в первом полупериоде разрядного тока и заканчивается в конце второго полупериода, т.е. правомерно говорить о существовании генерации в течение биполярного импульса разрядного тока - биполярной накачки. Таким образом, в данном изобретении увеличена длительность существования активной среды, в течение которого реализуется высокий коэффициент усиления, это позволяет повышать эффективность и энергию лазерного излучения.

Таким образом, полученные экспериментальные результаты показывают возможность формирования высокоэнергетичного (мощного) импульса излучения с большей длительностью в активной среде на молекулах KrF при реализации накачки биполярным импульсом разрядного тока. Использование данного изобретения позволит создавать эффективные KrF лазеры с более высокой энергией лазерного пучка.

Источники информации

1. Б.М. Борисов, И.Е. Брагин, А.Ю. Виноходов, В.А. Водчин. Об интенсивности накачки электроразрядных эксимерных лазеров // Квантовая электроника. 1995. Т. 22. №6. С. 533-536.

2. А.А. Жупиков, A.M. Ражев. Эксимерный ArF-лазер с энергией 0.5 Дж на основе буферного газа Не // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. №8. С. 683-687.

3. В.В. Атежев, С.К. Вартапетов, А.Н. Жуков, М.А. Курганов, А.З Обидин. Эксимерный лазер с высокой когерентностью // Квантовая электроника. 2003. Т. 33. №8. С. 689-694.

4. А.А. Жупиков, A.M. Ражев. Эксимерный KrF-лазер на основе буферного газа Не с энергией 0.8 Дж и КПД 2% // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. №8. С. 687-689.

5. A.M. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.В. Рябцев, А.А. Жупиков. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного электроразрядного KrF лазера на смеси He-Kr-F₂ // Квантовая электроника. 2004. Т. 34. №10. С. 901-906.

Способ создания активной среды KrF лазера при зажигании объемного разряда в газовой смеси, заключающийся в подаче импульсного напряжения на разрядный промежуток, включении искровой предыонизации, создающей предварительную ионизацию газа в разрядном промежутке, пробое разрядного промежутка и зажигании объемного разряда, через который протекает разрядный ток, отличающийся тем, что объемный разряд зажигается биполярным импульсом разрядного тока с общей длительностью 70-85 нс, передним фронтом 8-10 нс и максимальной удельной мощностью накачки (3.5-4.5) МВт/см³.

Похожие патенты:

Эксимерный лазер // 2467442

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

Узкополосный газоразрядный лазер с газовой добавкой // 2240636

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к эксимерным лазерам с узкой полосой излучения с частотой импульсов 500-2000 Гц. .

Узкополосный эксимерный лазер на фториде криптона (krf) для промышленного применения, имеющий высокую надежность и модульную конструкцию // 2197045

Изобретение относится к лазерной технике, а именно - к лазерам, используемым для долговременной круглосуточной работы при производстве интегральных микросхем способом литографии.

Способ регенерации газовой среды ксенон-хлоридного лазера и система для ее осуществления // 2097890

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для поддержания выходной мощности и увеличения ресурса работы ксенон-хлоридного лазера путем химической регенерации его газовой среды.

Генератор синглетного кислорода // 2091938

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам непрерывного действия, и может быть использовано при создании йодно-кислородного лазера многоцелевого назначения для получения синглетного кислорода-энергоносителя лазеров этого типа.

Способ получения синглетного кислорода // 2090966

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам непрерывного действия, и может быть использовано при создании иодно-кислородного лазера многоцелевого назначения для получения синглетного кислорода энергоносителя лазеров этого типа.

Способ получения синглетного кислорода // 2076416

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическим лазерам непрерывного действия, может быть использовано при создании иодно-кислородного лазера многоцелевого назначения для получения сингетного кислорода энергоносителя лазеров этого типа.

Способ получения синглетного кислорода // 2069931

Генератор синглетного кислорода для химического иодно- кислородного лазера непрерывного действия // 2038667

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании химических иодно-кислородных лазеров непрерывного действия различного назначения.

Эксимерный лазер на хлоридах благородных газов // 2032259

Способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, и устройство для его осуществления // 2569538

Изобретение может быть использовано в производстве водородсодержащих наночастиц. Способ получения наночастиц металлов, насыщенных водородом, включает лазерную абляцию массивной металлической мишени, помещенной в жидкость с протонным типом проводимости.

Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом // 2559172

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом содержит размещенный с обратной стороны частично прозрачного электрода УФ предыонизатор в виде протяженной системы зажигания завершенного скользящего разряда, включающей в себя металлическую подложку, покрытую диэлектрическим слоем, на поверхности которого зажигается завершенный скользящий разряд между поджигающим и дополнительным электродом, соединенным с металлической подложкой.

Разрядная система газового лазера // 2559029

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система газового лазера содержит расположенные в корпусе лазера протяженные первый и второй электроды лазера, УФ предыонизатор, расположенный сбоку от одного из электродов лазера и выполненный в виде системы зажигания скользящего разряда между протяженными поджигающим электродом и дополнительным электродом, расположенными на поверхности диэлектрического слоя, покрывающего протяженную металлическую подложку.

Газоразрядный эксимерный лазер (варианты) // 2557327

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер включает газонаполненный корпус, на котором установлена керамическая разрядная камера с протяженным высоковольтным фланцем, расположенные в разрядной камере протяженные высоковольтный электрод, заземленный электрод и, по меньшей мере, один блок предыонизации.

Разрядная система эксимерного лазера (варианты) // 2557325

Изобретение относится к лазерной технике. Разрядная система эксимерного лазера включает в себя расположенную в лазерной камере (1) зону объемного разряда (4) между первым и вторым электродами (2), (3), продольные оси которых параллельны друг другу, каждый блок предыонизации (5) содержит систему формирования однородного завершенного скользящего разряда (CP) по поверхности протяженной диэлектрической пластины (6), имеющей в поперечном сечении изогнутую форму.

Импульсный твердотельный лазер // 2554315

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный твердотельный лазер содержит активный элемент, осветитель, включающий лампу накачки и отражатель, а также резонатор, включающий призму-крышу и плоское зеркало, установленные с противоположных торцов активного элемента таким образом, что ребро призмы-крыши и грань плоского зеркала перпендикулярны оптической оси активного элемента, размещенного рядом с лампой накачки в отражателе.

Вертикально излучающий лазер с брэгговскими зеркалами и внутрирезонаторными металлическими контактами // 2554302

Предлагаемое изобретение относится к вертикально-излучающим лазерам с брэгговскими отражателями на основе наногетероструктур, работающим в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание вертикально излучающих лазеров с однородными слоистыми металлическими контактами, находящимися внутри резонатора, с повышенным коэффициентом полезного действия и улучшенными параметрами лазерного излучения. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является снижение электрического сопротивления структуры, обеспечение однородности электрического тока накачки, а также подавление поглощения света металлическими слоями. Результат достигается за счет того, что внутрь резонатора вертикально излучающего лазера с брэгговскими зеркалами и внутрирезонатрными металлическими контактами, между брэгговским отражателем и активной областью вводятся металлические слои, которые одновременно являются контактами и элементами резонатора, формирующими собственную моду электромагнитного поля, причем толщина слоев брэгговского отражателя, примыкающего к металлическому слою, отличается от остальных слоев брэгговского отражателя, что обеспечивает такую пространственную структуру собственной моды электромагнитного поля, используемой для лазерной генерации, что узлы электрического поля совпадают по положению с металлическими слоями, что значительно уменьшает поглощение света металлическими слоями, при этом обеспечивается максимальное перекрытие электрического поля собственной моды лазера и активной области.

Устройство для возбуждения молекул и атомов газа // 2551387

Изобретение относится к устройству для возбуждения молекул и атомов газа в системах накачки газовых лазеров. Устройство представляет собой кювету в виде вытянутого параллелепипеда или цилиндра, имеющего внешний корпус из изоляционного материала.

Способ генерации свч квантов // 2551371

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания.

Импульсный двухрежимный твердотельный лазер // 2548592

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный двухрежимный твердотельный лазер содержит поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), выполненный с ВКР-преобразованием, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора и лампу накачки.

Квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки // 2579188

Изобретение относится к лазерной технике. Квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки содержит размещенные в корпусе в виде многогранника: активный элемент, матрицы лазерных диодов, расположенные вокруг и вдоль активного элемента равномерно, и систему охлаждения, выполненную в виде двух независимых контуров для охлаждения активного элемента и матриц, контур охлаждения активного элемента содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала шириной δ, и входной, выходной коллекторы, из которых выходят каналы. Квантрон снабжен световодами, расположенными параллельно оси активного элемента, контур охлаждения матриц содержит термоинтерфейс, теплоотводы и элементы термостабилизации, размещенные в теплообменном модуле и теплообменниках. В качестве элементов термостабилизации используются нагреватели и элементы охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении возможности упрощения системы охлаждения активного элемента. 2 ил.