Системы возбуждения эксимерных лазеров
В настоящей работе исследуется среда KrF-лазера, в которой оптический разряд возникает под действием ИК лазерного излучения. Рассматривается возможность эффективного возбуждения лазера на смеси F2-Kr-He импульсами излучения с длиной волны 10,6 и ~3 мкм длительностью 20-150 не и исследуется прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения через среду ЭЛ.
Рассмотрим среду KrF-лазера (смесь F2-Kr-Не), на которую действует импульс ИК лазерного излучения с интенсивностью в максимуме /тах, при которой возможно развитие в данной среде оптического разряда и обеспечивается наработка достаточной концентрации электронов (Ne ~ 1016 см~3). Первичные "затравочные" электроны в среде ЭЛ могут возникать при испарении в поле ИК излучения ультрадисперсных частиц, почти всегда находящихся в газах, из которых приготовляют лазерную смесь. Эти частицы веществ, не реагирующих со фтором, имеют размеры 0,01-0,1 мкм и концентрацию и~ 106 см~3. Если такие частицы отсутствуют в смеси ЭЛ, их туда следует инжектировать с концентрацией, не меньшей 105 см~3.
Итак, частицы с размерами менее 0,1 мкм будут испаряться под действием ИК лазерного излучения с соответствующей интенсивностью за времена, много меньшие длительности возбуждающего импульса. При этом образуются свободные термоэлектроны, переходящие в газовую среду вместе с нейтральными атомами и ионами. "Микропробои" в парах вещества частиц также сопровождаются образованием свободных электронов в лазерной смеси. Возникающие свободные электроны будут быстро набирать энергию в поле ИК излучения, вызывая в ходе их диффузии в лазерную среду ионизацию атомов и молекул с образованием новых электронов. При этом вследствие быстрого набора энергии электронами сравнительно малое их количество будет захватываться молекулами фтора в реакции F2 + e-»F~ + F [3]. Сечение этого процесса падает при энергиях электронов свыше 0,3 эВ [4], электроны же в ходе развития электронной лавины в среде ЭЛ будут иметь среднюю энергию е^З эВ, если скорость их диссоциативного прилипания к молекулам фтора меньше скорости ионизации компонентов смеси. Таким образом, в поле ИК лазерного излучения соответствующей интенсивности электроны диффундируют в лазерную среду, не уменьшаясь в количестве. При этом коэффициент диффузии электронов с е^З эВ составляет Z)<?~3-103 см2/с в смесях с давлением р~\ атм. Время диффузионного смешения электронов т^« R2/l6De (R - среднее расстояние между ультрадисперсными частицами) при и~ 106 см~3 составит 2 не. Итак, в поле возбуждающего ИК излучения соответствующей интенсивности в среде KrF-лазера за время порядка нескольких наносекунд возникает практически однородная концентрация первичных свободных электронов. Далее под действием излучения с подходящей пиковой интенсивностью /тах в среде развивается электронная лавина и концентрация электронов быстро возрастает, достигая максимума спустя некоторое время после пика возбуждающего импульса. Затем по мере спадания интенсивности ИК лазерного излучения концентрация электронов может уменьшаться из-за их диссоциативного прилипания к молекулам фтора.
Таким образом, импульс ИК лазерного излучения с соответствующей максимальной интенсивностью /тах может обеспечивать в среде ЭЛ как предионизацию за счет испарения ультрадисперсных частиц, так и наработку необходимой для возбуждения ЭЛ концентрации свободных электронов. В рассматриваемом случае будет происходить возбуждение ЭЛ оптическим разрядом в поле ИК лазерного излучения. При этом оптимальная для возбуждения ЭЛ концентрация электронов (1015-1016 см~3) будет нарабатываться при соответствующей оптимальной интенсивности возбуждающего излучения в максимуме. Вследствие ослабления ИК лазерного излучения электронами с указанной концентрацией необходима фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с подходящим фокусным расстоянием . Как показывают дальнейшие расчеты, это может обеспечить наработку практически постоянной максимальной концентрации электронов на достаточно большой длине в среде KrF-лазера.
При действии возбуждающего ИК излучения с максимальной интенсивностью, превышающей оптимальную, на входе в среду ЭЛ может развиваться оптический пробой, при котором концентрация электронов достигает значений Ne ~ 1018 см~3. Но при таких больших Ne ИК лазерное излучение будет заметно ослабевать по мере его дальнейшего про-хрождения в среду ЭЛ. При этом вследствие очень сильной зависимости порога пробоя от интенсивности излучения пробой не возникает уже на сравнительно небольшом (~ 1 см) расстоянии от входа возбуждающего импульса в лазерную среду. Соответственно и концентрация электронов будет резко падать с расстоянием до значений, при которых возможно прохождение возбуждающего ИК лазерного излучения в среду ЭЛ. При фокусировке пучка ИК излучения в лазерной среде будет обеспечиваться наработка практически постоянной концентрации электронов, зависящей от фокусного расстояния при котором ослабление ИК излучения будет компенсироваться соответствующим сжиманием пучка из-за его фокусировки. Например, как показывают расчеты, для импульса излучения длительностью ~ 10 не с длиной волны 10,6 мкм, действующего на среду KrF-лазера (р к, 2 атм), практически постоянная максимальная концентрация образующихся электронов Ne ж 1016 см~3 обеспечивается на достаточно большой длине (~1 м) при /«3,5 м. Для наработки же электронов с Ne ж 1015 см~3 требуется фокусировка возбуждающего импульса оптической системой с фокусным расстоянием/» 20 м. Таким образом, для обеспечения наработки в среде ЭЛ необходимой концентрации электронов Ne на большой длине достаточно сфокусировать входное ИК лазерное излучение оптической системой с соответствующим фокусным расстоянием однозначно определяющим значение Ne, которое практически не зависит от интенсивности /тах на входе в лазерную среду.
Нами было проведено численное моделирование процессов в среде KrF-лазера при действии на нее ИК лазерного излучения с длинами волн 2,8 и 10,6 мкм. С этой целью совместно решались уравнения для температуры и концентрации свободных электронов в поле ИК излучения, уравнения химической кинетики для концентраций F2, Кг , Не , Кг + , Kr+2, F~, KrF и скоростное уравнение генератора где /г - интенсивность излучения KrF-лазера внутри резонатора; g - коэффициент усиления; а - коэффициент фотопоглощения в лазерной среде; g, - порог резонатора; Vs - член, учитывающий спонтанное излучение молекул KrF. При исследовании распространения возбуждающего импульса ИК излучения в среде ЭЛ численно решалось также уравнение переноса излучения
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9