Системы возбуждения эксимерных лазеров
c~ W/8r + 8//8х = 21/(f - х) - ц/,
ЦВт/см2
где / - интенсивность ИК излучения; х - расстояние от фокусирующей системы вдоль направления распространения ИК излучения; ц - коэффициент ослабления возбуждающего излучения свободными электронами в среде KrF-лазера.
В расчетах учитывались следующие процессы -[5]:
диссоциативное прилипание электронов к молекулам фтора -
F2 + e^ f-+ F; диссоциация молекул F2 электронным ударом -
F2 + е ->• 2F + е ; возбуждение атомов электронным ударом -
Не + е -» Не* + е, Кг + е -» Кг* + е;
ионизация из основного и возбужденного состояний
Кг + е -> Кг+ + 2е, Кг* + е -> Кг+ + 2е,
Не + е -> Не+ + 2е, Не* + е -> Не+ + 2е; образование ионов Кг2 -
Кг+ + Кг + Не -> Кг2+ + Не; диссоциативная рекомбинация -
Кг2+ + е -» Кг* + Кг; пеннинговская ионизация -
Не* + Кг -> Не + Кг+ + е, Не* + Кг + Не -> -> Кг+ + 2Не + е, Кг* + Кг* -> Кг+ + Кг + е; тушение возбужденных атомов Кг -Кг* + е -> Кг + е;
образование возбужденных молекул KrF -Кг* + F2 -> KrF* + F, Kr+ + F~ + He -> KrF* + He, а также гибель молекул KrF в реакциях
KrF*+ F2 -> Кг + 3F, KrF*+ Кг + He ^
2Kr + F + He, KrF + 2He -> Kr
2He,
Зависимость от времени интенсивности возбуждающего лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм на входе в среду р2 - Кг - Не (1) и после прохождения в этой среде 50 см (2) при фокусировке ИК излучения оптической системой с фокусным расстоянием 3,5 м.
сам с максимумом при (рисунок):
tm = tf/5 = 4 30 не
при
Ш = [/maxW«/0/ -
Поскольку в исследуемых смесях KrF-лазера концентрация гелия намного превышает концентрацию других компонентов, коэффициент поглощения ц(е) ИК излучения свободными электронами в лазерной среде при е < 5 эВ полагался [3] равным (8/3)ц0(2е/Зл:81)1'/2, где ц0 - коэффициент поглощения ИК излучения в Не при больших энергиях электронов [6], ei = 6 эВ.
Конкретные численные расчеты были проведены нами для смесей KrF-лазера, типичных для
Таблица 1
KrF -> Кг + F + hv, KrF + е -> Кг + F + е.
Константы скоростей указанных процессов, зависящие от электронной температуры, брались из [5,6]. Константа скорости диссоциативного прилипания электронов к F2 (в см3/с) апроксимирова-лась на основе данных [4] выражением 2,6-1 (Г9 х хехр(-0,08/Ге)/Те, где Те - температура электронов в электронвольтах. Для диссоциации молекул фтора электронным ударом константа скорости полагалась равной 2-1 (Г9 см3/с. Возбуждающий импульс ИК лазерного излучения длительностью г,- = 20 150 не брался в расчетах близким по форме к экспериментально наблюдаемым лазерным импуль-
Примечание: tp - время достижения максимума импульса генерации KrF-лазера; Р/ - удельная мощность генерируемого излучения; е/ - удельный лазерный энергосьем KrF-лазера, возбуждаемого оптическим разрядом.
Экспериментальных условий [5]: F2:Kr:He = = 3:75:1500 (смесь 1) и 4:200:1500 мм рт.ст. (смесь 2). Полагалось, что к моменту t = 1 не после начала действия возбуждающего импульса ИК излучения концентрация электронов, возникающих при испарении ультрадисперсных частиц в среде KrF-лазера, достигает Ne = 109 см~3. При этом расчеты, выполненные при Ne (t = 1 не) = 107 - 1010 см~3, приводят практически к тем же результатам.
Вначале нами были исследованы характеристики плазмы оптического разряда в указанных средах на входе ИК излучения в смесь KrF-лазера (х = 0) при различных /тах и ?,-. Результаты расчетов для импульса ИК лазерного излучения длительностью tj = 20 не представлены в табл. 1. Видно, что необходимая для образования требуемой концентрации электронов Ne х 1015 - 1016 см~3 интенсивность ИК излучения в максимуме (t = 4 не) должна составлять ~ 1,7 ГВт/см2 для СО2-лазера и ~ 24 ГВт/см2 для HF-лазера. При этом электронная температура достигает наибольших значений T'max = Te(t = 4 не) х 3 — 3,5 эВ, а максимальная концентрация электронов JVmax нарабатывается к моменту гтах «15- 17 не, когда Те снижается до 1,4 - 1,6 эВ. В дальнейшем концентрация электронов убывает, в основном из-за их диссоциативного захвата молекулами фтора.
Нами также были проведены модельные расчеты генерационных характеристик KrF-лазера, возбуждаемого при развитии оптического разряда под действием импульса ИК лазерного излучения. При этом предполагалось, что возбуждение происходит однородно по всей длине активной среды, что возможно при фокусировке ИК излучения цилиндрической линзой, расположенной вдоль лазерной кюветы с небольшими поперечными размерами.
В расчетах коэффициент усиления g для простоты полагался равным <JoNa, где go = 2-10~16см2-сечение индуцированного излучения, Na - концентрация молекул KrF . Учитывалось фотопоглощение генерируемого излучения молекулами F2, ионами F" и возбужденными атомами Кг . Порог резонатора полагался равным 10~2 см"1. Результаты расчетов в случае возбуждения импульсами излучения СО2-лазера длительностью t/ = 20 не с различными /тах представлены в табл.2. Во всех вариантах длительность генерируемого импульса на полувысоте составляла 5-6 не. При некотором оптимальном значении /тах для каждой смеси достигается наибольший удельный энергосьем KrF-лазера (примерно 12 Дж/л при /тах = 1,93 ГВт/см2 для смеси 1 и ~26 Дж/л при /тах = 1,77 ГВт/см2 для смеси 2).
При дальнейшем увеличении максимальной интенсивности возбуждающего ИК излучения происходит резкое снижение г/. Это объясняется возникновением очень большой (свыше 1017 см~3) концентрации электронов, при которой происходит почти полное исчезновение F2, так что становится невозможным дальнейшее возрастание концентрации KrF . Из-за отсутствия F2 концентрация электронов после окончания действия возбуждающего импульса практически не падает, вызывая быстрое тушение возбужденных молекул KrF , что ведет к существенному снижению энергии генерации KrF-лазера. Как следует из табл.2, использование смеси 2 позволяет достигать удельных лазерных энергосъе-мов, более чем вдвое превышающих е/ для смеси 1.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9