Системы возбуждения эксимерных лазеров
На рис.4,а показано оптимальное положение импульса УФ предионизации /рг(?) относительно импульса напряжения на электродах основного разряда U(t), а также осциллограммы тока через разряд I(f) и импульса генерации /ias(?). По сравнению со схемой с магнитной компрессией импульса накачки (рис.3,а) здесь начальный участок импульса напряжения на разряде U(t) отличается большей длительностью (свыше 0.5 мкс) и, следовательно, малой скоростью нарастания dU/dt < 5-Ю10 В/с (рис.4,а). Этому соответствует больший (не менее 0.2 мкс) временной интервал эффективной предионизации на стадии роста разрядного напряжения (как это видно из зависимостей £1ias(ta), представленных на рис.4,6).
Как видно из зависимостей U(t), Ipi(t), приведенных на рис.4,а, особенностью рассматриваемой техники накачки является реализуемое непосредственно перед достижением максимума напряжения на разрядном промежутке лазера резкое увеличение скорости нарастания этого напряжения (до ~5'10П В/с), что облегчает условия зажигания однородного объемного разряда за счет большого перенапряжения. При этом в соответствии с зависимостями 7,2 на рис.4,6 максимальные энергия генерации и КПД лазера достигаются при значительно меньших (примерно на порядок величины) энерговкладах в СР (Ерг и 25 мДж), чем для схемы с не столь высокой скоростью нарастания напряжения (рис.3,6).
В результате оптимизации режимов предыонизации и возбуждения активной среды энерговклад во вспомогательный СР составил лишь 0.025 % от энерговклада в основной объемный разряд компактного высокоэффективного 0/ > 3 %) импульсно-периодического ХеС1-лазера.
1/(кВ);
Ipr, I, lias
(отн. ед.) 20
-20
-40
-600
-300
300
'(не)
*(Дж) 3
-300
о
300
та (не)
Рис.4. Экспериментальные осциллограммы импульса предыонизации Ipr(t), разрядного напряжения U(t), тока /((), импульса генерации las(') (и) и зависимости энергии генерации XeCl-лазера от tj при энерговкладах во вспомогательный СР 10 (1) и 25 мДж (2) (б) для схемы накачки с высоковольтным предымпульсом.
Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах
207
Р(Вт) 600
400 200
О
О
100
200
/(Гц)
Рис.5. Зависимости средней мощности XeCl-лазера Р (1 — 3) и относительной нестабильности энергии генерации а (4—6) от частоты следования импульсов при длительности импульсов генерации 120 (1,4), 70 (2,5) и 45 не (5), 6).
Характеристики режима с высокой частотой следования импульсов
Простой и надежный предыонизатор на базе СР хорошо вписывается в конструкцию импульсно-периоди-ческого эксимерного лазера. Используя предыонизатор этого типа, мы создали компактный универсальный ХеС1-лазер со средней мощностью излучения 500 Вт. Электроразрядная система лазера, показанная на рис.1, и обеспечивающая скорость газа ~ 25 м/с при межэлектродном расстоянии d = 5 — 1 см система прокачки, подобная использованной в [10] для создания KrF-лазера мощностью 600 Вт, размещались в алюминиевой трубе длиной 1.2 м с внутренним диаметром 42 см.
Некоторые зависимости, характеризующие универсальный XeCl-лазер, приведены на рис.5. Зависимость средней мощности лазерного излучения Р от частоты следования импульсов/при длительности генерации 120 не (кривая 1 на рис.5) была получена при использовании схемы накачки с высоковольтным предымпульсом, характеристики которой приведены на рис.4. Зависимости P(f) при длительности импульса генерации 70 и 45 не (кривые 2,3 на рис.5) были получены для схем возбуждения, использующих LC-инвертор и две ступени магнитного сжатия.
На рис.5 показано также поведение относительной нестабильности энергии генерации а в зависимости от частоты следования импульсов (кривые 4—6). Из рассмотрения этих кривых видно, что относительная нестабильность энергии генерации не превышает 1 %, что свидетельствует о высокой эффективности используемого режима предыонизации.
Анализ результатов
Для характеристики и сравнения режимов предыонизации на временном интервале роста напряжения на разряде введем параметр nf0 [9]:
f's Г Г
- 4(0 ехр- 0;
J /с I J tc
ос /Рг(?) - скорость производства фотоэлектронов в единице разрядного объема, пропорциональная интенсивности УФ излучения предыонизатора; tc - момент времени достижения ионизационно-прилипательного
равновесия: Vi(tc) = va(?c); ts - момент времени, к которому произошел существенный (в 3 —10 раз) рост числа электронов в лавинах, при этом J,s(v; — va)dt ~ 1 — 2. Параметр nf0 эквивалентен обычной начальной плотности электронов иео, т. к. при t ^ ts
Л* (О
ft
л^ехр vidt'. Jtc
Из расчетов с привлечением количественных данных по константам скоростей ионизации и прилипания [5] следует, что для газовой смеси HCl:Xe:Ne = 0.35:2.5:400 кПа отношение (£/-/V)c«2.3-10~17 В-см2 (рис.2). При этом, если в случае рис.2,а к моменту времени tc и 20 не фотоэлектроны еще не производились предионизатором, то в случае рис.2,6 к моменту времени tc их наработано достаточно большое число (~ (1/3)и^), причем они почти не гибли, т. к. уагс < 0.2. В итоге для случая рис.2,а nf0 в 3.5 раза меньше, чем для случая рис.2,6. Более того, при меньшей скорости роста напряжения (рис.2,6) коэффициент размножения электронов в лавинах К= \п(пе/п^} при t ^ ts + 40нс во много (значительно больше 1.6) раз меньше, что отдаляет во времени наступление критических условий потенциального перехода в стример (К и 20) и приводит к большему диффузионному расплыванию лавин и их более полному перекрытию.
На осциллограммах рис.2 видна общая качественная особенность временного режима предионизации: сохранение значительной интенсивности фотоионизации до момента существенного роста числа электронов в лавине ts. Из этого можно заключить, что в обоих случаях нет условий для образования обедненной электронами зоны вблизи катода из-за их дрейфа до момента ts.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9