2. Эффективная предионизация в ХеС1-лазерах.

Предыонизация в ТЕА-лазерах является ключевым фактором, определяющим такие характеристики, как энергия генерации, ее стабильность от импульса к им­пульсу, время жизни газовой смеси. Использованная еще в первых моделях TEA CO-лазеров и эксимерных лазе­ров предыонизация газа УФ излучением от рядов искр, расположенных по обеим сторонам разрядного объема, остается в настоящее время широко распространенной для лазеров с малой апертурой. Так, в коммерческих эк­симерных лазерах, выпускаемых фирмой «Лямбда-Фи­зик», для апертур разряда порядка 1 см2 при оптимально малом энерговкладе искровая УФ предыонизация обес­печивает относительную нестабильность энергии им­пульсов генерации менее 1 % при времени жизни газовой смеси 20 млн. импульсов [1]. Однако при увеличении апертуры разряда искровая предыонизация становится неэффективной [2], т.к. не обеспечивает однородности предыонизации газового объема и, как следствие, тре­буемой однородности объемного разряда.

Активный объем можно увеличить, осуществляя предионизацию через полупрозрачный электрод. В работе [3] в качестве источника УФ предионизации в ХеС1-ла­зере использовался коронный (барьерный) разряд, од­нако малая интенсивность его УФ излучения не позво­лила увеличить сечение разряда свыше 4 х 2.5 см даже при сравнительно низком удельном энергосъеме ~0.8 Дж/л. Импульсно-периодический XeCl-лазер, обладаю­щий энергией генерации 2.6 Дж и рекордной на сегодняш­ний день средней мощностью 2.1 кВт [3], состоял из трех модулей с суммарной длиной основного разряда поряд­ка 3 м, так что один из габаритных размеров лазера равнялся 5.2 м.

Для ХеС1-лазеров с большим объемом активной сре­ды одним из эффективных способов предыонизации яв­ляется применение рентгеновского излучения. Однако сложность устройства рентгеновского источника преи­онизации и необходимость биологической защиты огра­ничивают возможности широкого внедрения лазеров с предыонизацией данного вида. Кроме того, нам неиз­вестны данные о ресурсе газовой смеси в лазерах с рент­геновской предыонизацией при высокой частоте повто­рения импульсов. Этот ресурс может быть невысок, т. к. рентгеновское излучение может способствовать эффек­тивному образованию в рабочей газовой смеси лазера химических соединений, отрицательно сказывающихся на лазерных параметрах.

В [4] был развит альтернативный способ предвари­тельной ионизации широкоапертурных газовых лазеров - ионизация УФ излучением скользящего разряда (СР) по поверхности диэлектрика. В [5] было показано, что такая предионизация, осуществляемая через полупрозрачный электрод, обеспечивает получение объемного разряда с апертурой d х Ъ и 12 х 10 см (d — межэлектродное рас­стояние, Ъ — ширина разряда) и энергию генерации до 20 Дж в импульсном ХеС1-лазере. В [6] мы, используя пред-ыонизацию СР, впервые получили среднюю мощность электроразрядных эксимерных лазеров 1 кВт (10 Дж, 100 Гц) в импульсно-периодическом режиме.

В настоящей работе при помощи УФ излучения вспо­могательного СР исследуются наиболее эффективные режимы предионизации в XeCl-лазерах. Определены ха­рактеристики излучения компактного XeCl-лазера в им­пульсно-периодическом режиме при различных комби­нациях энергии и длительности импульса генерации.

Электродная система широкоапертурных лазеров с УФ предыонизацией излучением СР

Поиск эффективных условий предыонизации прово­дился для ряда импульсно-периодических XeCl-лазеров с предыонизацией УФ излучением СР. На рис.1 показана

Эффективная предыонизация в XeCl-лазерах

205

Рис.1. Электродная система лазера с УФ предыонизацией излуче­нием СР:

1 — высоковольтный электрод; 2—заземленный щелевой электрод; 3 — ножевой электрод; 4 — сапфировая пластина; 5 — охлаждаемая ме­таллическая подложка.

Компактная электродная система широкоапертурного ХеС1-лазера. Основной объемный разряд формировался между двумя электродами, профилированными по моди­фицированному профилю Чанга. Позади полупрозрач­ного электрода располагался источник УФ предионизации в виде вспомогательного СР по поверхности ди­электрика. В качестве диэлектрика использовалась сап­фировая пластина, расположенная на охлаждаемой ме­таллической подложке, служившей электродом, на кото­рый подавалось импульсное отрицательное напряжение. Ножевой электрод системы формирования СР соединял­ся с заземленным полупрозрачным электродом дискрет­ными параллельными проводниками. СР развивался с ножевого электрода в обе стороны и замыкался на грани металлической подложки. УФ излучение слоя плазмы СР, который однородно покрывал поверхность диэлек­трика, обеспечивало предионизацию активного объема лазера, распространяясь через полупрозрачный элект­род. Сравнительное исследование показало, что для ХеС1-лазеров с объемом активной среды ~ 1 л эффектив­ность использования энергии, затрачиваемой на предио­низацию, в случае применения СР в 5 раз выше, чем при боковой предионизации искровыми разрядами. При этом преимущества УФ предионизации излучением СР наиболее полно проявляются с увеличением поперечного сечения активной среды лазера.

На начальном этапе развития широкоапертурных ла­зеров с УФ предыонизацией излучением СР полупро­зрачный электрод изготавливался перфорированным с диаметром отверстий 1 мм и прозрачностью 50 %. Пер­форация выполнялась в рабочей части электрода толщи­ной 1.0-1.2 мм [6,7]. Использование перфорированных электродов приводило к коллимации потока УФ излуче­ния от СР, поступающего в активный объем лазера через туннелеобразные отверстия перфорированного электро­да, и, соответственно, к неоднородности основного раз­ряда, проявляющейся в его протекании в виде диффуз­ных каналов, привязанных к отверстиям перфорации [7]. Для устранения этого эффекта был разработан новый тип полупрозрачного профилированного электрода, в котором УФ излучение от СР проходит в разрядный объем не через отверстия, а через щели, ориентирован­ные перпендикулярно продольной оси электрода (рис.1). Ширины щелей и перегородок были равны 1 мм, так что прозрачность рабочей части электрода составляла 50 %. С использованием таких щелевых полупрозрачных элек­тродов повышается КПД лазера и достигаются высокие однородность разряда и качество лазерного пучка [8].

Экспериментальное исследование оптимальных условий предыонизации

Первый эксперимент, показавший нам важность пра­вильного выбора условий предыонизации [9], прово­дился на ХеС1-лазере с апертурой d х Ъ = 7.8 х 4.4 см. Для возбуждения основного объемного разряда и вспо­могательного СР использовались две отдельные С-С-схемы питания, коммутируемые одновременно. При варьировании времени зарядки импульсного конденса­тора, подсоединенного к электродам основного объем­ного разряда, было замечено, что при близких времен­ных режимах ввода электрической энергии в разряд и неизменном импульсе УФ излучения СР энергия генера­ции значительно увеличивалась при уменьшении скоро­сти роста разрядного напряжения.