устройство для уф-предыонизации в импульсном лазере

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УФ-ПРЕДЫОНИЗАЦИИ В ИМПУЛЬСНОМ ЛАЗЕРЕ, содержащее расположенные вдоль оси лазера протяженные сплошной и полупрозрачный электроды, плоскую диэлектрическую пластину, расположенную позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода и размещенную на металлической подложке, и два дополнительных электрода, расположенных на поверхности диэлектрической пластины, один из которых соединен с подложкой, отличающееся тем, что устройство содержит поджигающий электрод, который размещен вдоль плоской диэлектрической пластины между дополнительными электродами на равном расстоянии от них и соединен с полупрозрачным электродом, оба дополнительных электрода соединены с подложкой, которая выполнена с каналами для циркуляции охлаждающей жидкости, причем к полупрозрачному и сплошному электродам подсоединены две последовательно соединенные емкости, общая точка которых соединена с подложкой через проходную емкость.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительные электроды размещены на поверхности диэлектрической пластины, обращенной к подложке.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что введен протяженный диэлектрический корпус П-образного сечения, на котором закреплены полупрозрачный электрод и охлаждаемая подложка, подсоединение емкостей к которым осуществляется одним рядом штыревых токовводов, расположенным вдоль диэлектрического корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах возбуждения импульсного объемного разряда, преимущественно в мощных широкоапертурных импульсно-периодических (ИП) эксимерных и других лазерах.

Известно устройство для ультрафиолетовой (УФ) предыонизации в импульсном лазере [1] осуществляемой УФ-излучением вспомогательного незавершенного скользящего разряда (СР), зажигаемого при подаче через неуправляемый разрядник анодного напряжения на металлическую подложку с размещенным на ней диэлектрическим слоем, на поверхности которого расположен перфорированный катод лазера.

Недостатком указанного устройства является малый, 10⁷электронов/см³, уровень предыонизации, создаваемый слаботочным разрядом по поверхности диэлектрика в отверстиях перфорированного катода, ток которого ограничен током зарядки емкости диэлектрического слоя. Это приводит к снижению энергетических характеристик лазера. Кроме того, затруднен переход к стабильной работе в ИП-режиме работы из-за наличия дополнительного неуправляемого разрядника.

Этих недостатков частично лишено устройство для УФ-предыонизации в электроразрядном импульсном лазере [2] осуществляемой излучением от ряда искр, автоматически зажигаемых при импульсной зарядке шунтирующих конденсаторов, подключенных к электродам лазера через искровые промежутки, размещенные под сетчатым электродом лазера.

В указанном устройстве неоднородность предыонизации из-за дискретности искровых каналов приводит к быстрой потере устойчивости разряда, что снижает энергию генерации лазера и его КПД. Увеличение энергии генерации лазера за счет увеличения апертуры объемного разряда затруднено из-за сложности создания искровых матриц большой площади.

Прототипом изобретения является устройство для УФ-предыонизации в импульсном лазере, содержащее расположенные вдоль оси лазера протяженные сплошной и полупрозрачный электроды, плоскую диэлектрическую пластину, расположенную позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода и размещенную на металлической подложке, и два дополнительных электрода, расположенных на поверхности диэлектрической пластины, один из которых соединен с подложкой [3]

Такое устройство предназначено для использования в мощных широкоапертурных импульсных лазерах и позволяет получать более высокий по сравнению с аналогами уровень предыонизации.

В этом устройстве СР по поверхности диэлектрика осуществляется конкретным числом поверхностных сильноточных искр, определяемым многоэлементной металлической структурой между протяженными дополнительными электродами на поверхности диэлектрической пластины. В сочетании с отсутствием системы охлаждения это приводит к малому ресурсу устройства из-за теплового разрушения диэлектрика или его металлизации при ИП- режиме работы. Дискретность СР вызывает также необходимость осуществления задержки между основными и вспомогательными разрядами для выравнивания начальной неоднородности предыонизации. Это обуславливает применение схемы питания СР с отдельным коммутатором, что усложняет устройство при эксплуатации в МП-режиме. Недостатком является также большие габариты системы формирования СР, так как значительная часть площади диэлектрической пластины, 50% используется в качестве изоляции для предотвращения паразитных поверхностных пробоев. Это не позволяет приблизить вспомогательный разряд к сетчатому катоду, через который осуществляется предыонизации, и наряду с задержкой между основным и вспомогательным разрядами приводит к снижению уровня предыонизации в активном объеме лазера и уменьшению его энергии генерации и КПД.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона режима работы устройства за счет достижения высокого ресурса при большой частоте следования импульсов, упрощения его конструкции и повышения уровня предыонизации.

Указанная задача может быть осуществлена устройством новой конструкции, содержащим расположенные вдоль оси лазера протяженные сплошной и полупрозрачный электроды, плоскую диэлектрическую пластину, расположенную позади рабочей поверхности полупрозрачного электрода и размещенную на металлической подложке, и два дополнительных электрода, расположенных на поверхности диэлектрической пластины, один из которых соединен с подложкой. Отличие устройства заключается в том, что оно содержит поджигающий электрод, который размещен вдоль плоской диэлектрической пластины между дополнительными электродами на равном расстоянии от них и соединен с полупрозрачным электродом, оба дополнительных электрода соединены с подложкой, которая выполнена с каналами для циркуляции охлаждающей жидкости, причем к полупрозрачному и сплошному электродам подсоединены две последовательно соединенных емкости, общая точка которых соединена с подложкой через проходную емкость.

Отличие устройства может состоять и в том, что дополнительные электроды размещены на поверхности диэлектрической пластины, обращенной к подложке.

Отличие устройства может состоять также в том, что в него введен протяженный диэлектрической корпус П-образного сечения, на котором закреплены полупрозрачный электрод и охлаждаемая подложка, и подсоединение емкостей к полупрозрачному электроду и подложке осуществляется одним рядом штыревых токовводов, расположенным вдоль диэлектрического корпуса.

Поскольку перечисленные выше аналоги и прототип не содержат признаков, сходных с признаками, отличающими изобретение от прототипа, и неизвестны технические решения в других областях, в которых эти признаки используются по данному назначению, то заявленное техническое решение обладает существенными отличиями.

При выполнении устройства в указанном виде обеспечивается развитие СР по всей поверхности диэлектрической пластины в виде сплошных плазменных слоев, что наряду с выполнением металлической подложки с каналами для циркуляции жидкости, охлаждающей диэлектрик, обеспечивает высокий ресурс работы устройства в ИП-режиме. Введение последовательно соединенных емкостей, подключенных к сплошному и полупрозрачному электродам, общая точка которых соединена посредством проходной емкости с подложкой, обуславливает автоматическое зажигание вспомогательных СР, осуществляющих УФ-предыонизацию, при подаче импульсного напряжения на основной разрядный промежуток лазера, что упрощает конструкцию устройства и его эксплуатацию при большой частоте следования импульсов. Путем выбора величины проходной емкости и соотношения величин двух указанных емкостей осуществляется выбор величин энерговклада в СР и амплитуды напряжения на нем. За счет этого обеспечиваются оптимальный уровень предыонизации активного объема лазера и высокий ресурс работы источника предыонизации. Достигается компактность электродной системы формирования вспомогательных СР, так как исключается необходимость увеличения ее габаритов для устранения паразитных поверхностных пробоев. Это позволяет приблизить источник предыонизации к основному разрядному промежутку, что наряду с отсутствием задержки между основным и вспомогательным разрядами повышает уровень предыонизации и энергетические характеристики лазера.

Размещение дополнительных электродов на поверхности диэлектрической пластины, обращенной к подложке, повышает устойчивость СР, снижает требования к юстировке его электродной системы и позволяет высокоэффективно использовать предложенное устройство при небольших поперечных размерах диэлектрической пластины, 4 см, в лазерах с небольшими апертурами, 4х4 см².

Введение протяженного диэлектрического корпуса П-образного сечения, на котором закреплены полупрозрачный электрод и охлаждаемая подложка, подсоединение емкостей к которым производится посредством одного ряда штыревых токовводов, расположенного вдоль корпуса, обеспечивают совмещение полупрозрачного электрода и источника предыонизации в единый компактный электродный узел. Кроме того, при использовании полупрозрачного электрода в качестве высоковольтного электрода это позволяет минимизировать индуктивности вспомогательного и основного разрядных контуров, что обеспечивает достижение высокого КПД лазера.

На фиг.1 схематично изображено устройство для УФ-предыонизации в импульсном лазере; на фиг. 2 то же устройство при расположении дополнительных электродов на поверхности диэлектрической пластины, обращенной к подложке; на фиг.3 устройство для УФ-предыонизации с ди-электрическим корпусом и рядом штыревых токовводов.

Устройство содержит импульсный источник 1 питания, подключенный к сплошному электроду 2 и полупрозрачному электроду 3 лазера, к которым подсоединены последовательно соединенные емкости 4, 5, причем общая точка емкостей 4, 5 соединена проходной емкостью 6 с металлической подложкой 7, диэлектрическую пластину 8, на поверхности которой размещены соединенный с полупрозрачным электродом 3 поджигающий электрод 9 и два дополнительных электрода 10, 11, соединенных с подложкой 7, выполненной с каналами для циркуляции охлаждаемой жидкости 12.

На фиг.2 дополнительные электроды 10,11 размещены на поверхности диэлектрической пластины 8, обращенной к подложке 7.

На фиг. 3 полупрозрачный электрод 3 и охлаждаемая подложка 7 закреплены на протяженном диэлектрическом корпусе 13 и распределенные вдоль полупрозрачного электрода емкости 5 и 6 подсоединены соответственно рядом штыревых токовводов 14 и 15 к полупрозрачному электроду 3 и подложке 7. Установка полупрозрачного электрода 3 на корпусе 13 осуществляется посредством токопроводящих креплений 16, соединенных с токовводами 14.

Устройство для УФ-предыонизации в импульсном лазере работает следующим образом.

При включении импульсного источника 1 питания между сплошным и полупрозрачными электродами 2 и 3 начинает нарастать напряжение. Посредством емкостного делителя, образованного емкостями 4, 5, через проходную емкость 6 часть потенциала анода передается на металлическую подложку 7. По поверхности диэлектрической пластины 8, обращенной к основному разрядному промежутку, развивается волна ионизации, после пробега которой от поджигающего 9 к дополнительным 10, 11 электродам между ними зажигаются поверхностные СР. При этом происходит импульсная зарядка проходной емкости 6. СР по поверхности диэлектрической пластины образуют плазменные слои, служащие источником УФ-излучения, которое через полупрозрачный электрод 3 осуществляет предыонизацию основного разрядного промежутка. После того, как напряжение между сплошным 2 и полупрозрачным 3 электродами достигает значения пробивного напряжения, происходит основной объемный разряд между ними, что позволяет получить генерацию. Охлаждающая жидкость 12 при циркуляции осуществляет отвод энергии, идущий на нагрев диэлектрической пластины 8 при большой частоте следования импульсов.

Диэлектрический корпус (13) П-образного сечения (фиг.3) обеспечивает изоляцию между источником УФ-излучения и полупрозрачным электродом, а также неизменность их взаимного расположения во время работы устройства. При этом энерговклад во вспомогательный СР осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему расположенные в один ряд токовводы 14, 15 и токопроводящие крепления 16 полупрозрачного электрода. Из нескольких токовводов 15, подсоединенных к подложке 7, два выполняются полыми для подвода и вывода охлаждающей жидкости.

По сравнению с прототипом устройство для УФ-предыонизации в импульсном лазере приобретает новые положительные качества.

Введение поджигающего электрода, расположенного на поверхности диэлектрической пластины вдоль нее между дополнительными электродами на равном расстоянии от них, и соединение каждого дополнительного электрода с металлической подложкой обуславливают простоту и компактность системы формирования СР, так как исключается необходимость увеличения ее габаритов для избежания паразитных поверхностных пробоев. Это позволяет приблизить вспомогательный разряд к перфорированному катоду и увеличивает уровень предыонизации. При этом в отличие от прототипа при выборе достаточно малой толщины диэлектрической пластины достигаются полное заполнение поверхности диэлектрика между поджигающим и дополнительными электродами плазмой СР и однородное предварительное УФ-облучение активного объема лазера. Это исключает необходимость значительной, 1 мкс, задержки между основным и вспомогательным разрядами, приводящей в прототипе к уменьшению концентрации предварительных электронов, особенно значительному в лазерах на галогенидах инертных газов, газовые смеси которых характеризуются высокой скоростью прилипания электронов к донорам галогенов. Это позволяет повысить уровень предыонизации и энергетические характеристики лазера при снижении энерговклада во вспомогательный СР. Кроме того, осуществление СР в виде сплошных плазменных листов между поджигающим и дополнительными электродами в отличие от дискретных каналов в прототипе и выполнение металлической подложки с каналами для циркуляции охлаждающей жидкости уменьшают локальные тепловые нагрузки на диэлектрике, дополнительных и поджигающих электродах, что увеличивает ресурс работы устройства в ИП-режиме из-за устранения теплового разрушения диэлектрика и его металлизации материалом электродов.

Применение последовательно соединенных емкостей и проходной емкости в предложенном виде обеспечивает автоматическое зажигание вспомогательного разряда при подаче импульса высокого напряжения на основной разрядный промежуток, что упрощает конструкцию устройства и его эксплуатацию в ИП-режиме.

Кроме того, осуществляется возможность ввода энергии в СР при оптимальных тепловых и электрических нагрузках ди-электрической пластины, обеспечивающие высокий, более 10⁸ импульсов, ресурс работы устройства в ИП-режиме.

Размещение дополнительных электродов на поверхности диэлектрической пластины, обращенной к охлаждаемой подложке, повышает однородность распределения энерговклада в плазму СР, которая может быть ухудшаться при малых поперечных размерах диэлектрической пластины. Это позволяет использовать предложенное устройство при небольших апертурах основного объемного разряда.

Введение протяженного диэлектрического корпуса П-образного сечения, на котором закреплены полупрозрачный электрод и охлаждаемая подложка, подсоединение емкостей к которым осуществляется посредством одного ряда штыревых токовводов, обеспечивает компактность устройства и удобcтво его использования в лазере. При использовании полупрозрачного электрода в качестве высоковольтного обеспечивается возможность уменьшения индуктивностей основного и вспомогательного разрядных контуров.

Использование предложенного устройства для УФ-предыонизации в импульсном лазере обеспечивает по сравнению с прототипом следующие основные преимущества, определяющие расширение диапазона режимов работы устройства: достижение высокого ресурса работы при большой частоте следования импульсов, увеличение уровня предыонизации в активном объеме лазера, повышение энергетических характеристик лазера, упрощение конструкции устройства и его эксплуатации в ИП-режиме работы, повышение устойчивости объемного разряда при большой частоте следования импульсов.

В настоящее время предложенное устройство испытано для УФ-предыонизации ИП-эксимерных KrF-, XeCl-лазеров со средней мощностью излучения 0,1-1 кВт. Проводятся их ресурсные испытания. При частоте следования импульсов 80 Гц после 2 х 10⁷ импульсов не наблюдалось каких-либо ухудшений в работе предложенного устройства в составе KrF-лазера. Применение предложенного устройства позволило получить на молекуле XeCl* энергию генерации 20 Дж.