Практически все схемы возбуждения можно получить исходя из двух основных схем LC-контур и LC-инвертор :

2.1. Использование LC-контура для возбужденияэлектроразрядных эксимерных лазеров

Применению LC-контура в качестве системы возбуждения эксимерных лазеров посвящен ряд работ. Было исследовано влияние на энергию генерации отдельных параметров разрядного контура, проведена оптимизация схемы возбуждения, изучено влияние индуктивности контура на энергию генерации и исследована зависимость выходной энергии и полной эффективности ХеСl-лазера от отношения накопительной к обострительной ёмкостей С0/С1.

Из результатов исследования влияния величины обострительной емкости на выходную энергию и КПД ХеСl лазера стало ясно, что существует оптимальное значение обострительной емкости, при которой выходная энергия максимальна.

Ведущими инжинерами доказано, что энергия генерации максимальна при соотношении С0/С1~0,6, причем максимальная эффективность в этом случае достигается при минимальном напряжении.

Эксперименты проводились при трех значениях С1 и изменении С0 в пределах 0,1С1-0,7С1.Найдено, что для всех значений С1 оптимальное отношение С0/С1 лежит в диапазоне 0,3-0,5.

Из анализа публикаций следует, что оптимальное соотношение обострительной и накопительной емкостей лежит в диапазоне 0,2-0,6. Обращает на себя внимание столь большое различие полученных разными авторами оптимальных значений отношения С0/С1. Это может быть связано с тем, что данное соотношение зависит от индуктивности L1, через которую происходит зарядка C0 от С1, а также потерь при коммутации, прикладываемого напряжения. Максимальное напряжение, до которого заряжается С0 от С1 при изменении С0 от 0,1С1 до С1, может линейно изменяться от ~2U0 до ~U0, где U0-начальное зарядное напряжение на С1. С изменением величины С0 изменяется также напряжение, прикладываемое к лазерным электродам, и соответственно энерговклад в активную среду. Поэтому для каждого конкретного случая необходимо определять оптимальные значения давления смеси, зарядного напряжения, величины С1, С0, L1 и L0.

Описанная ситуация имеет место при большом значении L1. При величине L1, сравнимой с L0, положение, вероятно, изменится, поэтому представлялось целесообразным изучить работу LC-контура с обострительной емкостью при L1<10L0 (L0~3нГн). В большинстве случаев уменьшение L1 ниже 10L0 связано со значительными конструктивными трудностями, поэтому этот диапазон изменений L1 был практически не исследован.

Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1 обострительную емкость C0 (см. рис.3). Так как С1 перезаряжается на С0 через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с сопроти. При С0=15 нФ на импульсе тока от С1 видна колебательная структура, а при С0=37 нФ наблюдается явный колебательный разряд (см. рис.12,б и в). Колебательный характер энерговклада отрицательно сказывается на однородности и длительности объемной стадии разряда.

Для описания данного нестационарного разряда могут быть использованы формулы, но только до момента времени, когда ток достигает максимальной величины, влением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение потерь на коммутаторе. С целью выяснения влияния сопротивления коммутатора на энергию генерации лазера исследовалась ее зависимость от числа параллельно включенных разрядников РУ-65. Исследования проводились на смеси НСl:Хе:Ne–1:15:1960, при общем давлении 2,6 атм. и зарядном напряжении до 40кВ. Величины накопительной и обострительной емкостей были равны 70 нФ. Индуктивность L1 в этой серии экспериментов была постоянной и равнялась ~35нГн, что достигается сменой токоведущих шин.

Проанализируя полученные учёными результаты, делаем выводы, что существующие способы предыонизации активной среды эксимерных лазеров позволяют получать начальную концентрацию электронов до 1010см-3, при их плотности в момент начала генерации ~1015-1016см-3. Это значит, в разряде существует стадия его формирования, в течение которой концентрация электронов возрастает на несколько порядков. В течение этой стадии, преимущественно за счет прямой ионизации, в условиях высокой напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке, происходит экспоненциальный рост концентрации электронов. При этом, время поддержания высокой напряженности электрического поля должно быть ограничено 10-20наносекундами. Его затягивание приводит к “взрывному” росту концентрации электронов за счет ступенчатой ионизации и быстрому контрагированию разряда. По этой причине у большинства эксимерных лазеров длительность фазы объемного однородного разряда, а, следовательно, и импульса генерации составляет 30-60 нс. Для того, чтобы продлить существование однородного объемного разряда необходимо разделить его возбуждение на две стадии: стадию формирования и стадию энерговклада в разряд, на которой необходимо принять меры, препятствующие развитию ступенчатой ионизации и росту концентрации электронов. Это можно сделать, путем значительного уменьшения напряженности электрического поля на стадии энерговклада, т.е. уменьшения E/N до значения (E/N)*. Уменьшение напряженности электрического поля можно достичь путем последовательного включения стабилизирующих элементов (балластных резисторов, нелинейных индуктивностей), а также созданием систем возбуждения с изменяющимся во времени по определенному закону импульсом напряжения.

При малых величинах обострительной емкости С0 основная её функция состоит в формировании объемного разряда. За короткое время она заряжается от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем разряжается на межэлектродный промежуток за вдвое меньшее время. При столь высоком перенапряжении (>70 кВ /3,5 см·4 атм.) и крутом фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд. Сама обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной емкости С1. Уменьшение С0 до нескольких нанофарад позволило разделить во времени формирование разряда и его возбуждение. Этот эффект достигнут благодаря тому, что разрядка С0 осуществляется при напряжении в ~2 раза большем, чем напряжение на С1 и длится ~20нс, а разрядка С1 фактически начинается после того, как С0 разрядилась. С увеличением обострительной емкости С0 ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд. Мощность которого сравнима с мощностью энерговклада от С1. Кроме того, так как волновое сопротивление контура L0С0 превышает активное сопротивление плазмы в межэлектродном промежутке, то разряд С0 имеет колебательный характер. Так как L0С0<(L1+L0)С1, то наложение токов разряда обострительной и накопительной емкостей приводит к колебательному суммарному энерговкладу. При колебательном характере импульса тока напряжение возрастает от нуля до некоторого максимального значения. В этом случае и при быстрое падение разрядного напряжения связано с влиянием собственной индуктивности разряда, приводящей к неустойчивости и его контрагированию.