Исследование электроразрядных эксимерных лазеров
На рис.15,б приведены типичные осциллограммы напряжения на обострительной емкости С2 в режиме холостого хода–1, в рабочем режиме 2, тока через обострительную емкость – 3 и импульса генерации 4. На рис.16 представлена зависимость энергии генерации лазера от величины накопительной и обострительной емкостей при использовании различных буферных газов.
Из рис.16,а видно, что максимальная энергия генерации наблюдается при определенном соотношении между величинами обострительной емкости и накопительных емкостей, а именно С2 = С11/2 = С12/2.
На рис.16,б максимум энергии генерации имеет место при С2 = 0,45 С11=0,45 С12 (в случае использования буферного газа неона).
Из анализа представленных на рис.16 результатов можно сделать следующие выводы. Существуют оптимальные соотношения между величинами обострительной емкости С2 и накопительной С11 = С12, т.е. оптимальная величина С2/С11, при которой достигается максимум энергии генерации при фиксированной величине накопительной емкости С11 = С12. При этом С2/С11 = 0,5 для буферного газа гелия и С2/С11 = 0,45 для буферного газа неона. Энергия генерации растет при увеличении емкости накопителя и максимальна при С11 = С12 = 300 нФ. А наибольшее значение КПД лазера достигает при значении накопительной емкости С11 = С12 = 50 нФ, и оно примерно в 1,5 раза выше, чем при С11 = С12.= 300 нФ. Это легко определить из рис.16. При переходе от кривых 1 к кривым 3 максимум энергии генерации падает примерно в 2 раза, а величина накопительной емкости уменьшается в 3 раза. Значит, КПД возрастает в 2 раза.
На рис.17 представлены типичные осциллограммы импульсов напряжения на обострительной емкости С2 , импульсов тока через обострительную емкость С2 и импульсов генерации, полученных при использовании буферного газа гелия на смеси НС1 : Xe : Не = 1 : 6 : 2000 при общем давлении 2,6 атм. и зарядном напряжении U0 = 30 кВ. На всех рисунках приводятся осциллограммы импульса тока, начиная с момента пробоя межэлектродного промежутка, так как именно этот участок используется при анализе работы системы возбуждения лазера.
Максимальная длительность импульса генерации по полувысоте составляла 60 нс и была получена при С11 = С12 = 300 нФ и С2 =79 нФ , а минимальная длительность генерируемого импульса равнялась 25 нс при С11 = С12 = 300 нФ и С2 = 160 нФ. Таким образом, при фиксированном значении накопительной емкости и уменьшении величины обострительной емкости длительность импульса генерации возрастает.
Из осциллограмм тока и напряжения видно, что полезный энерговклад в разряд осуществляет в основном обострительная емкость С2. Например, на рис.3. при переходе от С2 = 133 нФ к С2 = 160нФ энергия генерации растет от 0,39 Дж до 0,44 Дж. Из осциллограммы напряжения следует, что энергия, запасенная в обострителе в момент пробоя, растет в 1,13 раза. Рост энергии генерации происходит примерно во столько же раз: 0,44/0,39 = 1,13. Однако, такие простые рассуждения не всегда приводят к верным результатам. Так, при переходе от С2 = 79 нФ к С2 = 160 нФ энергия генерации растет от 0,26 Дж до 0,44 Дж. Из осциллограмм напряжения определяем, что энергия, запасенная в обострителе, наоборот, падает, примерно в 1,25 раза. Рост энергии генерации в этом случае обусловлен не увеличением энергии, запасенной в обострителе. Он вызван тем, что уменьшается волновое сопротивление контура разрядки обострителя на межэлектродный промежуток 
вследствие увеличения С2. А значит, улучшается согласование волнового сопротивления с сопротивлением межэлектродной плазмы. Об этом свидетельствуют осциллограммы токов. При С2 = 160 нФ колебания тока быстро затухают и основной вклад дает первый импульс тока. При С2 = 79 нФ затухание импульсов тока меньше и энерговклад дают и последующие импульсы тока, а это происходит уже после окончания генерации.
На рис.18 представлены типичные осциллограммы импульсов напряжения на обострительной емкости С2 , импульсов тока через обострительную емкость С2 и импульсов генерации, полученных при использовании буферного газа неона, при общем давлении 3,8 атм. Как видно из рис.18, максимальная длительность импульса генерации по полувысоте составила 90 нс и была достигнута при С11 = С12 = 300 нФ и С2 = 160 нФ. При С2 = 79 нФ, 106, нФ, 133 нФ длительность импульса генерации по полувысоте не меняется и составляет примерно 50 нс.
Интересно отметить, что форма и длительность импульса генерации определяется в основном только величиной обострительной емкости С2 и не зависит от величины С11 = С12. Из осциллограмм на рис.4 хорошо видно, что при увеличении емкости обострителя с С2 = 79 нФ до С2 = 160 нФ изменяется положение импульса генерации относительно первого импульса тока. При С2 = 79 нФ начало импульса генерации попадает на максимум первого импульса тока. При С2 = 160 нФ начало и конец импульса генерации совпадают с началом и концом первого импульса тока Это связано, по-видимому, с тем, что при С2 = 160 нФ в разрядном межэлектродном промежутке существуют благоприятные условия для образования ХеС1*-молекул по гарпунному механизму сразу с началом импульса тока. При меньших значениях С2 образование эксимерных молекул по гарпунному каналу не происходит, а полностью доминирует канал ион-ионной рекомбинации, что приводит к запаздыванию начала импульса генерации относительно начала импульса тока.
Следует отметить, что при изменении обострительной емкости С2 от 133 нФ до 160 нФ (С11 = С12 = 300 нФ, 200 нФ) энергия генерации меняется незначительно (в пределах 20%), а длительность импульса генерации по полувысоте сокращается почти в 2 раза. Полученный результат можно использовать для получения лазерных импульсов различной пиковой мощности, но приблизительно равной энергии генерации.
При всех значениях величин обострительных емкостей полезный энерговклад в разряд осуществляется только обострительной емкостью На этот факт указывает как вид осциллограмм тока и напряжения, так и зависимость энергии генерации от напряжения. Например, при С2 = 79 нФ (С11 = С12 = 300 нФ) зависимость энергии генерации от напряжения имеет следующий вид. При U0 ~ 22 кВ возникает генерация. При увеличении зарядного напряжения U0 с 24 кВ до 30 кВ величина энергии генерации меняется незначительно с 0,75 до 0,86 Дж (при использовании в качестве буферного газа неона). Энергия запасаемая в накопительной емкости возрастает при этом в 1,6 раза. Незначительное возрастание энергии генерации обусловлено тем, что обострительная емкость С2 заряжается только до напряжения пробоя разрядного промежутка Uр и энергия, запасаемая в обострителе, равная 0.5С2Uр2, слабо зависит от зарядного напряжения U0 . Такая зависимость Uр от напряжения обусловлена сокращением времени запаздывания пробоя при увеличении зарядного напряжения, что уменьшает рост Uр при увеличении U0.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19