Наиболее эффективный способ преодоления трудностей, возникающих при осуществлении и поддержания в газе высокого давления однородного по объему импульсного разряда, состоит в использовании дополнительрого источника ионизации. После создания с помощью такого источника однородной по объему слабоионизированной плазмы к разрядному промежутку прикладывается электрическое поле, амплитуда которого уже не связана с условиями пробоя, а выбирается из условия оптимальрого возбуждения лазера. В качестве дополнительного источника ионизации эффективно используется как фотоионизируещее ультро фиолетовое излучение, так и маломощрый пучок быстрых электронов. Указанные источники дополнительной ионизации обеспечивают значение плотности электронов в активной среде~109-1013см-3. Поэтому для достижения порогового значения плотности электронов Ne~1014-1015см-3.Необходимо обеспечить такое отношение, при котором за время импульса успевает произойти увеличение плотности электронов на несколько порядков. Отсюда может быть получена оценка оптимального значения.

Во-первых, высокое давление буферного газа еозволяет обеспечить достаточно быстрое решение обьемной ионизации и обеспечение оптимальных значений потока электронов. Во-вторых, использование независимых источников начальной ионизации дает возможность резко снизить величину напряжения питания, устанавливая ее на уровне оптимальном с точки зрения возбуждения инверсной заселенности. Наконец, в качестве последней особенности электроразрядного возбуждения эксимерного лазера, отметим, что плотность того инертного газа, из которого образуется эксимерная молекула, может быть много меньше плотности буферного газа.

Дальнейшее увеличение плотности инертного газа N, участвующего в образовании эксимерных молекул, приводит к увеличению скорости образования возбужденных атомов и, казалось бы, способствует увеличению выходных параметров лазера. Однако, возникающие при этом накопления возбужденных атомов в активной среде вызывает изменение характера ионизации: вместо прямой ионизаци на первый план выступает ступенчатая ионизация, эффективность которой резко возрастает с ростом плотности возбужденных атомов. Это приводит к развитию неустойчивости, сопровождающейся лавинообразным ростом плотности электронов. В условиях эксимерного лазера, когда в газе имеется малая электроотрицательная примесь, указанная неустойчивость развивается при достаточно высокой плотности возбужденных атомов инертного газа, когда характерное время ионизации возбужденного атома меньше удвоенного времени прилипания электрона. Как показывают детальные численные расчеты, припревышении определенного значения плотности возбужденных атомов неустойчивость указанного типа приводит к резкому снижению доли энергии, идущей на образование метастабилей инертного газа.

Эффективность электроразрядного способа возбуждения эксимерных лазеров примерно столь же высока, что и в случае возбуждения электронным пучком. Это связано с тем обстоятельством, что в условиях оптимального возбуждения доля вводимой энергии, которая преобразуется в энергию возбужденных атомов, в случае импульсного разряда в инертном газе очень велика и может составлять десятки процентов. В результате КПД таких лазерных систем нередко оказывается около процента, а в отдельных случаях его значение превыает 10%.

1.3. Общая характеристика систем предыонизации

Одним из важнейших факторов, влияющих на работу электроразрядных эксимерных лазеров, является предыонизация активной среды. Она оказывает существенное влияние на устойчивость разряда, его однородность, длительность объемной стадии, стабильность генерации и ресурс работы лазера. В показано, что предварительное ультрафиолетовое (УФ) облучение газового объема сокращает время развития пробоя, способствует формированию объемного разряда. С увеличением интенсивности облучения уменьшается напряженность поля, при которой возникает диффузный разряд. Происходит это потому, что УФ-ионизация создает некоторое начальное количество свободных электронов, которые становятся центрами инициирования разряда. Для всех газоразрядных лазеров, использующих поперечный разряд, важное практическое значение имеет решение вопроса о минимальной плотности электронов предыонизации и однородности их распределения, необходимой для формирования однородного разряда. В случае малого количества начальных электронов происходит независимое развитие рождаемых ими лавин. В окрестности каждой лавины нарастает искажение внешнего поля потенциалом пространственного заряда, который возникает в ходе ионизационного размножения частиц в лавине. После прохождения лавиной некоторого критического расстояния она порождает стример. Формирование однородного разряда достигается в случае, когда пробой газоразрядного промежутка происходит при одновременном развитии множества электронных лавин и их взаимном перекрытии до того, как они пройдут критическое расстояние. При этом искажающее действие поля пространственного заряда каждой отдельной лавины будет подавлено коллективным действием остальных лавин во всем объеме. Известно, что существует критическое расстояние между начальными электронами предыонизации, которое определяет минимальное значение концентрации электронов предыонизации в разрядном объеме.

ne > (4De Xкр/uдр)-3/2, (15)

где De и uдр – коэффициент диффузии и дрейфовая скорость электронов, а Xкр– критическое расстояние. Оценка минимальной концентрации начальных электронов дает значение ~106-108см-3. Причем, повышение начального уровня предыонизации и напряжения на электродах, а также увеличение скорости его нарастания всегда способствует улучшению однородности разряда.

Учёными исследовалась зависимость энергии генерации ХеС1-лазера от уровня предыонизации. Показано, что выходная энергия не зависит от уровня предыонизации, когда ne > 108см-3. При ne~107см-3 она уменьшается на 10%, а при ne ~106см-3 наполовину. Данное снижение уровня предыонизации приводит к значительному нарушению однородности разряда и уменьшению энергии генерации. Концентрация электронов предыонизации при отсутствии напряжения между лазерными электродами может быть представлена

, (16)

где ne - концентрация электронов предыонизации; nHCl - концентрация молекул НCl; b – эффективная скорость диссоциативного прилипания электронов к НС1; S0 - скорость образования электронов под действием внешнего ионизатора. Тогда

. (17)

Из (3) видно, что концентрация электронов выходит на насыщение при ne = S0/bnHCl c постоянной времени t0 = 1/bnHCl. Оценим порядок величин определяющих величину выражения (15). Рассмотрим два случая.

1. Осутствует внешнее электрическое поле Е/N=0. В этом случае величина β ~ 10-10 -10-11 см-3/с . Концентрация молекул HCl в основном колебательном состоянии ~ 1016 см-3. Тогда t0 = 1/bnHCl ~ 10-6 c. Если S0 = 1015 см-3/с, то концентрация электронов возрастает до ne ~ 109 см-3 за время порядка t0.