Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации ³1 Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж , формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и длительностью, иметь высокую генерационную эффективность. Однако такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт) и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи и во-вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным электродам.

В технике возбуждения газоразрядных лазеров в основном используется три типа электрических схем: так называемая схема Блюмляйна (рис. 2а), схема с перезарядкой емкостей (рис.2б) и генератор Маркса(рис. 2в).

Недостатком схемы Блюмляйна является трудность согласования импедансов нагрузки и контура возбуждения. Но зато существует

теоретическая возможность удвоения напряжения на нагрузке. Кро­ме того, при оптимальных параметрах согласования нагрузка на коммутатор низка, т. к. коммутируется только емкость С1, которая в большинстве случаев в 2-3 раза меньше С2.

Схема с перезарядкой емкостей (рис. 2б) наиболее сильно нагружает. коммутатор (тиратрон), т. к. коммутируемая емкость С1 больше С2. Кроме того, в случае согласованной нагрузки напряже­ние на ней падает более чем вдвое по сравнению с начальным на­пряжением на накопительной емкости С1.

Генератор Маркса применяется в мощных лазерных установках, где основной упор сделан на энергетические, а не частотные ха­рактеристики, т. к. в этом типе схемы возбуждения в качестве ком­мутаторов используются искровые разрядники, не позволяющие ра­ботать с частотами выше 10 Гц.

Итак, мы остановились на схеме Блюмляйна, которая, как показывает анализ, наиболее эффективна для применения в лазе­рах средней мощности, с запасаемой в емкостях энергией поряд­ка 10 - 20 Дж. Рассмотрим подробнее работу этой схемы (рис. 3) переходные процессы, начинающиеся в схеме после включения ти­ратрона Т, описываются нелинейным дифференциальным уравнением пятого порядка. Дело упрощается, если моделировать процесс пробоя межэлектродного промежутка ступенчатой кривой (рис. 4), где сопротивление нагрузки падает до 0, 5-0, 3 Ом в момент начала лавинных процессов. Это приближение сильно упрощает уравнения и довольно хорошо описывает работу схемы.

Качественно картина работы схемы возбуждения выглядит так: первоначально емкости С1 и С2 заряжаются от источника питания до напряжения U0. После включения коммутатора Т в контуре 1 начинается довольно медленный процесс переразрядки емкости C1 с характерным временем (L1c1), где L1 - индуктивность тиратрона. Этот контур в основном определяет крутизну нарастания напряжения на нагрузке - межэлектродном промежутке. В идеальном слу­чае процесс инвертирования заряда на С1 проходит полностью, и в момент пробоя емкости С1 и С2 оказываются соединенными последовательно, напряжение на нагрузке удваивается по сравнению с начальным U0. Реально же из-за довольно медленного процесса, тормозимого конечными переходными характеристиками тиратрона, нарастание напряжения на нагрузке недостаточно быстро (около 70 нc), и пробой происходит без существенного перенапряжения.

Длительность импульса тока, следовательно и плотность тока, определяет контур 11 с характерным временем

Как показывают эксперименты, можно пожертвовать скоростью нарастания напряжения и, подсоединив параллельно нагрузке емкость С3, уменьшить за счет взаимоиндукции L2 и L3 эффективную индуктивность разрядного контура, тем самым ускорить процессы энерговклада в плазму. Этот метод оказался довольно эффективным и позволил поднять кпд лазера в 1, 5 раза.

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.