Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени
Янки Купалы»
Физико-технический факультет
Кафедра “Лазерная физика и спектроскопия”
Исследование системы возбуждения электроразрядного эксимерного лазера
выполненной по типу LC-инвертора
Дипломная работа
студентки физико-технического
факультета ГрГУ 5 курса
Темной Светланы Александровны
Научный руководитель
зам.декана, к.ф.-м.н., доцент
Зноско К.Ф.
Допущен к защите
Зав. кафедрой, д. ф.-м. н., проф. Ануфрик С.С.
2003 г. – Гродно
Содержание
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1. Лазеры на галогенидах инертных газов. Общие сведения. . . . . . . .
. . . . . .
Анализ спектров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . ..
1.2 Кинетика процессов, происходящих в эксимерных XeCl лазерах. . . . .
. .
1.3 Формирование объемного однородного разряда в активной среде ЭЭЛ. . .
1.4 Генерационные характеристики электроразрядных эксимерных лазеров с
возбуждением LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.Теоретический расчет схемы накачки электроразрядного эксимерного
лазера, выполненной по типу LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
2.1. Описание схемы LC-инвертора. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
2.2 Описание методики расчетов параметров схемы LC-инвертора. . . . . .
. . . .
3. Теоретическое исследование электроразрядного эксимерного лазера с
возбуждением схемы выполненной по типу LC-инвертора . . . . . . . . . .
. . . . . .
3.1 Исследование зависимости энерговклада от сопротивления разрядного
промежутка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
3.2 Исследование зависимости энерговклада от параметров элементов цепи
возбуждения.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Список используемой литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 50
Введение.
Среди многообразия типов лазеров одними из наиболее
перспективных в настоящее время являются эксимерные лазеры на
галагенидах инертных газов. Появившиеся в последнем десятилетии, они
стали предметом широкого изучения и практического применения. Внастоящее
время эксимерные лазеры являются самым мощным источником когерентного
излучения в УФ области спектра.
Благодаря своим уникальным свойствам (наносекундный импульс,
УФ – диапазон генерации) эксимерные лазеры уже сейчас используются в
нелинейной оптике спектроскопии, фотохимии, медицине, биологии.
Незаменимым инструментом оказываются эксимерные лазеры в системах
дистанционного контроля состава атмосферы, в системе лазерного
зондирования.
Увеличение энергии генерации и мощности лазеров этого класса
открывает новые перспективы при их использовании в технологии,
фотолитографии, лазерном нанесении тонких пленок, создании принципиально
новых технологий. Показана возможность их использования для космической
связи. Область возможных применений эксимерных лазеров значительно
расширяется при использовании лазеров на красителях для повышения
перестраиваемого когерентного излучения в видимой и УФ областях
спектра.
Широкие перспективы применения эксимерных лазеров
стимулируют исследования, направленные на увеличение их энергии,
мощностей, ресурса работы и надежности.
Для исследования селективного воздействия
излучения на вещества необходимы лазерные источники с плавной
перестройкой по частоте и узким спектром излучения в видимом и УФ
диапазоне.
Достигнутые к настоящему времени генерационные параметры
отечественных эксимерных лазеров еще не в состоянии удовлетворить
потребности науки и техники, и тем более, производство, из-за
сравнительно низкого КПД, малого ресурса работы активной среды, не
высокой энергетической эффективности.
В этой связи исследование, разработка и создание
отечественных эксимерных и возбуждаемых или лазеров на красителях,
отличающихся высокой энергетической эффективностью, КПД, стабильностью
генерационных параметров, широким спектральным диапазоном перестройки
является актуальной задачей. Так же одной из важных проблем видится
исследование временных и энергетических характеристик эксимерных
лазеров.
Для достижения поставленной цели, решаются следующие
задачи:
1. Изучение математической модели, которая позволяет моделировать
работу системы возбуждения эксимерного лазера, выполненной по типу
LC–инвертора.
2. Исследование зависимости энергии, вкладываемой в активную среду
от параметров схемы накачки, изучение электрических и энергетических
характеристик, при помощи имеющейся математической модели.
3. Поиск оптимальных значений параметров электрической схемы
накачки электроразрядного эксимерного лазера.
1. Лазеры на галогенидах инертных газов
Общие сведения
1.1 Анализ спектров
Для получения генерации на эксимерных молекулах галогенидов благородных
газов обычно используются тройные смеси, состоящие из буферного газа
(Ar,He) рабочего газа (Xe,Kr) и галогеноносителя (HCl, CCl4, F2 и др.).
Свойства лазерного излучения определяется специфическим расположением
потенциальных кривых эксимерных молекул, кинетическими процессами,
происходящими в плазме при возбуждении рабочей смеси, усилением и
поглощением на длине волны генерации.
Эксимерные молекулы, образующиеся в смеси благородных газов и паров
галогенов, обладают следующими ценными с точки зрения использования их в
качестве лазерного вещества свойствами:
1. Образование эксимерных молекул идет весьма эффективно через процесс
столкновения двух частиц уже при достаточно невысоком давлении.
2. В большинстве случаев верхний лазерный терм является неустойчивым, а
нижний отталкивательным.
3. Электронные электрические уровни молекул разделены широким
промежутком, что обуславливает наличие большого числа лазерных переходов
в УФ и вакуумной УФ области спектра.
4 Реакции, в которых образуются эксимерные молекулы, легко инициируются
электронным пучком, разрядом или их комбинацией.[3]
В общем виде структура молекулы галогенидов инертных газов
представлена на рис.1 . Основное состояние является ковалентно связанным
и при бесконечно большом межъядерном расстоянии коррелирует с основным
состоянием 2Р атома галогена. Вследствии особого характера Р-оболочки
атома галогена (суммарный орбитальный момент количества движения равен
1), основное состояние системы состоит из двух подуровней. Один из них,
2(, обладает наименьшей энергией, поскольку в этой конфигурации
единственная орбиталь галогена занята и примыкает непосредственно к
атомам инертного газа. Такое состояние системы называется основным или
Х-состоянием. В общем случае ему соответствует почти горизонтальная
потенциальная кривая или в крайнем случае оно является слабосвязанным.
Терм 2П основного состояния всегда отталкивательный. Поскольку он
представляет собой наинизшее возбужденное состояние, будем называть его
А-состояние.
Рис.1. Структура уровней эксимерной молекулы.
Верхнее лазерное состояние харктеризуется ионной связью с переносом
заряда и коррелирует при бесконечном межьядерном состоянии с состоянием
2Р положительного инертного газа и 1S отрицательного иона галогена.
Начинаясь при энергии равной потенциалу ионизации инертного газа, за
вычетом энергии сродсва к электрону галогена, потенциальная кривая этого
состояния ведет себя аналогично кулоновскому потенциалу, пересекаясь
диабатическим образом с ковалентными потенциальными кривыми,
коррелирующими с возбужденными состояниями атомов инертного газа и
галогена. В общем случае эти пересечения наблюдаются при больших
межъядерных расстояниях, когда перекрытие между орбиталями инертного
газа и галогена мало.
При малом межъядерном расстоянии кривая потенциальной энергии
расщепляется на 2( и 2П-ветви. Ионы, образующие лазерный уровень и
характеризующиеся состоянием 1S (ион галогена ) и 2Р ион инертного газа
аналогичны частицам, находящимся в основном состоянии, но в которых
атомы инертного газа и галогена поменялись местами. Таким образом
структуры верхнего ионного уровня и основного состояния являются
аналогичными причем терм, 2( оказывается нижним. Его принято обозначать
В-состоянием. Особый интерес представляет случай, когда кулоновская
кривая пересекает все кривые ковалентных возбужденных состояний. Самое
низкое возбужденное состояние является ионным, за исключением
А-состояния, которое коррелирует с основным состоянием атомов.
В некоторых молекулах галогенидов инертных газов, содеожащих галоген с
большим атомным номером (например, ХеI) А-состояние расщепляется за счет
спин-орбитального взаимодействия. Спин-орбитальное взаимодействие
приводит к расщеплению терма 2П на два состояния с (=1/2 и (=3/2
((-аксиальная проекция полного момента количества движения). Компанента
с (=1/2 расположена более высоко и коррелирует с высоколежащим ионным
2Р1/2 состоянием инертного газа. Ее называют D-состоянием. Нижележащая
компанента с (=3/2 называется С-состоянием. При малых межядерных
расстояниях происходит смещение уровней D и В (последний также имеет
(=1/2), при этом снимается запрет на излучательный переход с уровня D в
основное состояние Х.
Рис.2. Спектр флюоресценции Kr2F
Спектр испускания молекул галогенидов инертных газов состоит из
нескольких полос (рис.2). Наиболее интенсивная полоса идентифицируется с
переходом В(2()(Х(2(), именно на этом переходе и работают эксимерные
лазеры. При высоких давлениях газа в излучении наблюдаются ярко
выраженные пики, обусловленные высокорасположенными колебательными
уровнями верхнего электронного состояния. При низком давлении полоса
смещается в коротковолновую часть спектра. Это смещение обусловлено
переходом с более высоких колебательных уровней, которые обычно тушатся
релаксируют на нижние уровни ) при высоком давлении.
В длинноволновой области спектра полосы расположена широкая область
континиума, соответствующая переходам на отталкивательный уровень А
(2П) нижнего электронного состояния. Спектр излучения любой из полос
связан с переходом валентного электрона от отрицательного иона галогена
(верхнее состояние). То что, переход В(2()(Х(2() является самым
интенсивным объясняется тем, что из всех валентных орбиталей начальная и
конечная р(-орбитали этого электронного перехода наиболее сильно
перекрываются [4]. Поскольку D–состояние расположено выше самого
нижнего возбужденного (ионного) состояния примерно на одну и ту же
величину энергии независимо от межядерного расстояния, полоса D(Х
оказывается смещенной в голубую часть спектра по сравнению с полосой
перехода В(Х. В случае молекулы Кr2F излучение в полосе D(Х происходит
на длине волны около 220 нм, и на рис.2 не указанo. Переходы на 2П-термы
основного состояния являются существенно менее интенсивными и образуют
относительно широкий континуум, поскольку нижний уровень является
отталкивательным. На риc.2 широкий спектр излучения Кr2F простирается по
обе стороны от центра, расположенного вблизи 400 нм.
Анализ термов возбужденных молекул, составленных из атомов инертных
газов и галогенидов, может упроститься благодаря существованию глубокой
аналогии, связывающей молекулы данного типа и молекулы, составленные из
атомов щелочного металла и галогена. В самом деле, валентный S-электрон
в валентном атоме инертного газа характеризуется величиной энергии
связи, близкой энергии связи валентного электрона в атоме щелочного
металла, следующего в периодической таблице за рассматриваемым атомом
инертного газа. Поскольку характерные основные особенности волновой
функции слабо связанного электрона в возбужденном атоме определяется
величиной его энергии связи, имеет место близкое совпадение различных
параметров рассматриваемых пар молекул.
1.2. Кинетика процессов, происходящих в эксимерных XeCl лазерах
Если рассматривать кинетику реакций в газах на галогенидах инертных
газов, то она довольно сложна. В кинетических процессах участвует много
частиц: атомы и молекулы в основном и возбужденном состоянии, несколько
сортов ионов, а также большое число возбужденных атомов и молекул. В
работе [7] приводится более 50 реакций между возбужденными молекулами,
атомами и ионами, а так же излучением, которые необходимо учитывать при
рассмотрении кинетики процессов, происходящих в ХеСl-лазере в результате
электрического возбуждения смеси. С целью упрощения рассмотрения
кинетики реакций происходящих в эсимерных лазерах, условимся считать все
реакции, происходящие в плазме, разделенными на 8 групп и ограничимся
рссмотрением лишь наиболее важных из них. При этом некоторые реакции
могут принадлежать не только одной группе, а двум и более. Первыe три
группы составляют:
1. Первичные реакции с электронами, например:
e + He ( He+ +e +e
(1)
e + Xe ( Xe* + e
(2)
e + HCl ( HCl(v) +e
(3)
2. Реакции между частицами буферного газа, например
He* + He + He ( He2* + He
(4)
He+ + 2He ( He2+ + He
(5)
Ne* + Ne + Ne ( Ne2* + Ne
(6)
3.Реакции с HCl, например:
e + HCl ( HCl(v) +e
(7)
e + HCl ( H + Cl-
(8)
e + HCl ( HCl+ +2e
(9)
4. Реакции с потерями электронов и положительно заряженных ионов: а)
диссоциативная рекомбинация:
HeXe+ +e ( Xe* + He (10)
б) тройная рекомбинация, например:
He2+ + e + He ( He* + 2He (11)
в) прилипание электрона к нейтральным частицам, например:
e + HCl ( H + Cl- (13)
Cl +e + Ne ( Cl- +e + Ne (14)
отрицательный и положительный ионы могут рекомбинировать как бинарно
(перезарядка):
Cl- + Xe+ ( Xe* + Cl (15)
так и в тройных соударениях:
Xe+ + Cl- + Ne ( XeCl* + Ne (16)
Реакции (13) и (14) протекают достаточно быстро. Следует заметить
необычайную зависимость скорости этих реакций от давления. При давлении
ниже одной атмосферы константа скорости этих реакций имеет достаточно
большое значение. Реакция типа (14) вносит существенный вклад в
образование возбужденных молекул галогенидов инертных газов. Это
предположение основано на высоких КПД лазеров, наблюдаемых на молекулах
ХеСl. Теоретическим обоснаванием эффективности такого процесса является
то, что кривая кулоновской потенциальной энергии вдоль которой
происходит движение ионов, пересекает большую часть ковалентных кривых
на довольно больших межьядерных расстояниях. Это затрудняет переход
электрона от отрицательного к положительному иону, препятсвуя
образованию ковалентной связи [5].
Xe* + HCl(v) ( XeCl* + H
(17)
NeXe* + Cl- ( XeCl* + Nе
(18)
Реакциия (14) наиболее существенна, и основной канал образования ХеСl*
проходит именно через нее. Данная реакция аналогична взаимодействию
между ионом щелочного металла и ионом галогена.
Реакция (15) не вносит существенного вклада в образование ХеСl* (около
5%), тем не мение представляет интерес в других лазерах данного класса.
Это так называемая гарпунная реакция [6].
Реакция (16) протекает только в присутсвии неона либо при использование
его как буферного газа. Посредством данной реакции образуется 30%
молекул ХеСl* и неудивительно, что замена гелия на неон вкачестве
буферного газа повышает энергию в импульсе реальных устройств почти
вдвое.
6. Реакции, обуславливающие процессы тушения, протекающие в плазме. К
ним, например, относятся реакции:
XeCl* + He ( Xe + He + Cl
(19)
XeCl* + Xe ( 2Xe + Cl (20)
XeCl* + HCl(v) ( Xe + HCl + Cl
(21)
Наиболее важной, по крайней мере, при низком давлении, является прямое
тушение в столкновениях с галогеносодержащими молекулами (19).
Константа скорости такой реакции достаточно высока, т. е. тушение
происходит при каждом столкновении. Для типичной газовой смеси время
тушения 10 нс. Столь быстрое тушение электронно-возбужденных молекул
наблюдается давольно часто и связано с передачей энергии тушащей
молекуле [7].
Прямое тушение молекул ХеСl* в столкновениях с атомами инертных газов
(9) представляет собой значитель более медленный процесс. Однако при
высоком давлении возбужденные галогениды эффективно тушаться при
столкновениях с атомами инертных газов с образованием трехатомных
молекул.
7.Реакции с излучением. Вот некоторые из них:
XeCl* + h( ( Xe + 2h( (22)
Cl- + h( ( Cl +e
(23)
He* + h( ( He+ + e (24)
HeXe + h( ( Xe+ + He
(25)
8.Реакции с примесями, например:
HCl + O2 ( 4ClO2 + 2H2O
(26)
Xe* + O2 ( XeO
(27)
Xe* + H2O ( XeO + H2
(28)
Они обусловлены тем, что несмотря на строгие требования к чистоте газов,
газовая смесь может содержать до 1% О2,N2 H2,CO2,H2O. Вода является
главной вредной примесью в газовых смесях эксимерных лазеров. Из одной
молекулы фтора получается 4 молекулы агрессивного фтороводорода:
F2 + 2H2O ( 4HF + O2 (29)
Кроме вышеприведенных реакций в плазме протекает еще значительное
количество побочных, которые в основном уводят энергию из основного
канала. Все полезные возбужденные состояния достаточно короткоживущие,
дополнительно тушатся при взаимных столкновениях и столкновениях с
другими образованиями в плазме. Тем не менее, можно считать, что
основные реакции, приводящие к образованию возбужденных галогенидов
инертных газов, протекают достаточно быстро и эффективно. Учитывая все
эти процессы, а так же потери в схеме возбуждения, можно оценить, что в
реальных устройствах в образованиe молекул ХеСl, в лучшем случае
вкладывается только 8-10% энергии, запасенной первоначально в
накопительных емкостях [7].
1.3. Формирование объемного однородного
разряда в активной среде ЭЭЛ
В образовании эксимерных молекулы ХеСl участвуют атомы Хе, молекулы НСl
на возбужденных колебательных уровнях и ион Сl.- Возбуждаются и
образуются все эти компоненты в электрическом разряде, в балластном газе
Не или Ne при высоком давлении. Оптимальная напряженность поля при
давлениях 1-5 атм составляет 103-105 В/см. Длина же активного объема
должна быть порядка 10-100 см для получения эффективного усиления.
Чтобы обойти эту проблему создания устройств с рабочим напряжением более
1000 КВ применяется поперечный разряд, при котором излучение
распространяется поперек возбуждающего тока. Наиболее перспективными для
накачки эксимерных лазеров является поперечный разряд, при котором в
объемной стадии реализуются мощности накачки порядка 1 МВт/см3, при
давлении рабочей смеси порядка одной атмосферы [1].
При разрядке емкостного накопителя на разрядный промежуток можно
выделить на осциллограмме напряжения три характерных участка:
1. Предпробойная стадия, длительность которой составляет обычно 50-100
нс. В этой стадии напряжение на промежутке увеличивается и перед пробоем
в несколько раз превышает статическое пробивное. За счет предварительной
ионизации на этой стадии начинает формироваться объемный разряд .
2. Стадия быстрого спада напряжения – ее длительность порядка 10 нс. Во
время этой стадии ток через промежуток увеличивается на несколько
порядков, а напряжение уменьшается (от превышающего статически
пробивное, до напряжения в несколько раз меньшего статического
пробивного). В течение этой стадии заканчивается формирование объемного
разряд.
3. Квазистационарная стадия, длительность которой зависит от многих
параметров и может превышать 1 мкс. При разряде в инертных газах из-за
влияния процессов ступенчатой ионизации напряжение в квазистационарной
стадии существенно ниже статического пробивного, тогда как в азоте это
напряжение приблизительно равно статическому пробивному [1] .
На практике, первая трудность с которой мы сталкиваемся – создание
однородного разряда вдоль всей длинны электродов. Неоднородность,
стримеры в разряде, во-первых, вносят искажения в оптическую плотность
газа и в таких условиях очень затруднительно получить лазерный луч
хорошего качества. Во-вторых, в точках пространственной неоднородности
очень быстро достигается высокая температура плазмы, нарушаются условия
образования эксимерных молекул и инверсной заселенности. В-третьих,
проводимость каналов стримеров очень высока и растет лавинообразно.
Поэтому рассогласование импедансов схемы возбуждения и нагрузки, т. е.
плазма разряда, достигается значительно раньше, чем энергия будет
вложена в эту плазму. Даже в случае успешного поджига разряда, идеальной
его однородности характер разряда таков, что ведет к лавинообразному
образованию носителей заряда и далее к резкому падению сопротивления.
Поэтому в лазерах с самостоятельным зарядом пытаются создать условия,
при которых энергия вкладывается в плазму в течении очень коротких
времен, порядка 10-20 нс., пока сопротивление плазмы достаточно велико.
Существует два механизма превращающих непроводящий газ между электродами
в хорошо проводящую плазму. Это классический пробой Таунсенда и
стримерный пробой.
Время установления самостоятельного разряда по Таунсенду равно времени
пробега ионов от анода к катоду. Для 4-х сантиметрового промежутка это
время составляет порядка 10-4 с., т. е. за это время разряд становится
самостоятельным за счет ионной бомбардировке катода. Если же
положительную связь устанавливает фотоэмиссия с катода, то это время
составляет величину порядкa 10-6 с.
Стримерный пробой развивается значительно быстрее. Стример развивается
под действием сильного поля объемного разряда из одной или нескольких
лавин, локализованных в пространстве. Объемный заряд образуется
вследствие относительно низкой подвижности положительных ионов по
сравнению с электронами. В некоторой критической точке, где поле
пространственного заряда становится сравнимым с приложенным, начинает
формироваться стример. После коллапса отрицательного заряда на аноде в
прилегающей области остается положительный пространственный заряд,
который дает начало стримеру, направленному к катоду. Оба стримера
движутся значительно быстрее, чем электроны в поле, приложенном к
разрядному промежутку. Увеличение скорости происходит вследствие
усилeния поля пространственным зарядом, напряженность поля которого
значительно больше приложенного к электродам. Электроны, образованные в
окружающем газе сильным полем хвоста стримера, втягиваются в ствол
начальной лавины, что ведет к еще большему росту числа носителей. Когда
отрицательно заряженная голова движется к аноду, она оставляет за собой
положительно заряженный хвост, который тоже растет и ускоряется, пока
анод и катод не окажутся соединенными плазменным шнуром. Теоретически
время установления самостоятельного разряда благодаря стримерному пробою
составляет 2*10-6 для 4-х сантиметрового промежутка. На практике
стримерный пробой развивается за время порядка 10-9 с. из-за нелинейного
роста числа носителей в каналах лавин [7].
Итак, стримеры развиваются слишком быстро и разрушают однородность
плазмы. Для устранения этого эффекта применяются различные методы
предионизации. В начальной стадии в межэлектродном пространстве
образуется некоторое количество электронов, дающие начало
перекрывающимся лавинам. Сильное перекрытие голов лавин не только
выравнивает результирующую плотность плазмы, но и сглаживает локальные
градиенты поля пространственного заряда, что полностью тормозит
образование стримеров.
Данная модель достаточно груба, так как в ней не учитывается конечная
скорость нарастания поля на электродах. В реальных устройствах она
значительно меньше скорости образования стримеров. Тем не менее
качественную картину эта модель описывает правильно.
Объемный разряд при повышенных давлениях формируется только при
многоэлектронном инициировании. Условие формирования однородного разряда
при повышенных давлениях можно сформулировать следующим образом.
Во-первых, необходимо, чтобы начальная концентрация электронов,
создаваемых внешним ионизатором была ne0>r1/3, где r критический радиус
головки электронной лавины, при достижении которой начинает
формироваться стример. Во-вторых, из-за того что предыонизатор обычно
действует ограниченное время и начальные электроны из-за дрейфа уходят
из слоя около катода толщиной х, необходимо, чтобы х
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
