Влияние концентрации молекулярного фтора на выходные характеристики электроразрядного Fi-лазера

Хомич В.Ю., Ямщиков В.А. (yamschikov52@mail.ru)

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН

Введение

F2-лазер является одним из самых мощных источников вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения (длина волны -157 нм) [1-3]. В настоящее время ему нет альтернативы даже среди лазеров с диодной накачкой, из-за отсутствия нелинейных кристаллов, конвертирующих излучение в область менее 180 нм [4] .

F2-лазер обладает уникальными свойствами: его излучение поглощается почти всеми материалами, что позволяет использовать его для обработки даже таких материалов, как кварц, тефлон, сверхтвердые сплавы, керамики и т.д. Экстремально короткая длина волны позволяет создавать фотонные структуры размером до 100 нм, которые невозможно получить с помощью других высокоточных средств обработки [5-7]. F2-лазер используется при записи брегговских решеток в оптических волокнах, применяемых в средствах телекоммуникаций и в опто-волоконных датчиках физических величин и их полей (температуры, давления, электромагнитных, акустических полей и др.) [8-10]. Лазерное излучение 157 нм используется в фотолитографической микро-технологии с пространственным разрешением менее 100 нм. [1-4,11]. Наконец, F2-лазер незаменим при изготовлении деталей для микроэлектромеханических систем (МЕМС), которые находят все больше применение в охранных устройствах, для развития постоянно растущего рынка мобильных телефонов, для диагностических целей в медицине [5].

Традиционный подход к созданию мощных F2-лазеров основан на получении высокой мощности накачки, достигаемой при работе на экстремально высоких давлениях активной среды (6-10 бар)[12-15]. В работах [2,3] нами был предложен другой подход, основанный на повышении мощности накачки лазера за счет оптимизации условий энерговклада. Обоснованы преимущества подхода, позволяющего существенно снизить рабочее давление F2-лазера и улучшить выходные характеристики лазера. Тем не вопрос, касающийся влияния концентрации молекулярного фтора [F2] на достижение оптимальных условий накачки F2-лазера остался открытым.

В то время, как теоретические расчеты [15] предсказывают повышение энергии излучения F2-лазера при увеличении [F2] с последующим насыщением при [F2] > 0.9%, экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что зависимости энергии генерации Wg от [F2] имеют максимум в области [F2] < 0.3% [2,3,14,15]. Наличие максимума обычно связывают с проявлением нестабильности горения объемного самостоятельного разряда, вызванной ускорением реакции прилипания электронов к молекулам фтора при увеличении [F2] [15]. Однако в результате проведенных нами визуальных наблюдениях процесса горения разряда и анализа разрядных характеристик существования такой связи обнаружено не было. Более того, анализ работ [2,3,14] показывает, что оптимальное значение [F2] в смеси He/ F2, соответствующее максимуму энергии генерации, в значительной мере зависит от параметров системы возбуждения лазера.

В данной работе исследуется влияние концентрации молекулярного фтора на получение оптимальных условий накачки F2-лазера, работающего при полном давлении смеси He/ F2 до 3500 мБар. Описание экспериментальной установки

HV

Лазерная камера

Рис.1 Электрическая схема генератора накачки

На рис.1 изображена электрическая схема лазера. Генератор накачки содержит два магнитных звена сжатия высоковольтных импульсов в комбинации с LC -генератором Фитча [16]. Коммутатором служил тиратрон с холодным катодом типа ТПИ1-1к/20. Суммарная емкость накопительных конденсаторов С1 + С2=12 нФ. Емкость обострительного конденсатора С4= 3,5 нФ. Приведенные на схеме величины индуктивностей L1, L2, L3 магнитных звеньев сжатия соответствуют насыщенному состоянию их сердечников. Индуктивности Lj и L3 намотаны на ферритовых кольцах 1000НН К100 x60 х15, а индуктивность L2 на магнитном сердечнике из аморфного железа. Обратное перемагничивание сердечника L1 производится импульсным током заряда накопительных конденсаторов, текущим от высоковольтного источника, а сердечников L2 и L3 - с помощью катушек подмагничивания от источника постоянного тока (2А). Генератор обеспечивал стабильное формирование на разрядном промежутке импульсов напряжения с фронтом до ~ 70 нс и амплитудой до 21 кВ при зарядном напряжении U0 до 14 кВ .

Предыонизация разрядного промежутка лазера (РП) осуществлялась протяженным барьерным разрядом через диэлектрик. Предыонизатор находился сбоку от (РП). Он состоял из двух, параллельно расположенных ножевого и цилиндрического электродов, которые разделялись керамической трубкой. Ножевой электрод соединялся с высоковольтным электродом лазера (см. рис.1). Однородный барьерный разряд растекался по поверхности трубки, обеспечивая достаточно равномерную засветку рабочего объема и необходимый уровень начальных электронов.

Активный объем лазера составлял V = dxwxl «9 см (где, d = 1,2 см - межэлектродное расстояние, w « 0,3 см - ширина разряда, l « 25 см - длина разрядной зоны). Эксперименты проводились при давлении газа в разрядной камереp <3500 мБар.

Для исследования характеристик оптического излучения, как и в [2,3], применялась специальная измерительная камера, герметично соединенная с выходным окном лазера, которая откачивалась и затем наполнялась азотом. Внутри камеры располагался пироэлектрический приемник "Gentech", которым измерялась выходная энергия лазера.

Импульсы напряжения генератора накачки и на разрядном промежутке регистрировались с помощью высоковольтного щупа Tektronix P6015A и осциллографа LeCroy WaweSurfer 432. Оптический резонатор общей длиной 54 см был образован глухим плоским зеркалом, выходным окном в виде плоско-параллельной пластины из СаF2 и дополнительной плоскопараллельной пластиной из СаF2. Вторая пластина располагалась внутри измерительной камеры на расстоянии ~ 20 см от первой и была необходима для увеличения добротности резонатора.

Исследуемый лазер мог работать на частоте повторения импульсов до 1000 Гц, но измерения его характеристик проводились на частоте 10 Гц. В ходе экспериментов регистрировались осциллограммы импульсов высокого напряжения и энергия лазерного пучка при разных зарядных напряжениях U0 , составе и давлениях газовой смеси.

Результаты экспериментов

На рис. 2 (а, б, в) представлены зависимости энергии генерации F2-лазера Wg от полного давления газовой смеси р при разных U0 для смесей He/F2 с концентрацией фтора [F2] = 0,1%; 0,14% и 0,19% соответственно.

Энергия генерации зависит от энергии, запасаемой в обостряющей емкости WC=C4Um2/2 где, Um- величина максимального напряжения на разрядном промежутке в момент пробоя РП. Поэтому для анализа поведения Wg необходимо знать характер изменения Um. Экспериментальные зависимости Um отр, изображены на рис.3 (а, б, в). Видно, что Um сначала растут, а затем насыщаются, достигая предельных значений Uam, соответствующих напряжению холостого хода для данной схемы генератора накачки (без пробоя РП), определяемых величиной U0 [2,3]. Чем выше процентное содержание фтора в смеси, тем меньше р, при котором наступает насыщение. Графики же Wg = f(p) ведут себя совершенно иначе. Они различаются, как по абсолютным значениям, так и по положению максимумов Wg относительно р. Визуальные наблюдения разрядной зоны показали, что благодаря равномерной предыонизации и короткой длительности накачки, разряд в РП был совершенно однородным (без катодных пятен, искр и зон с повышенной яркостью свечения). Поэтому неоднородности разряда не могли быть причиной столь значительных изменений выходной энергии лазера. Понять эволюцию зависимостей Wg = f(p) позволяет учет процесса согласования сопротивления плазмы с волновым сопротивлением разрядного контура.

Чтобы эффективно возбудить F2-лазер необходимо энергию из накопительных конденсаторов С]+ С2 вложить с минимальными потерями в плазму разряда в режиме максимальной мощности накачки. Если не учитывать неизбежные потери в схеме генератора накачки, то это возможно в том случае, когда предельное напряжение (соответствующее напряжению холостого хода для данной схемы генератора накачки) на разрядном промежутке и согласованный режим накачки реализуются совместно [2,3].

Условие согласованного режима накачки имеет вид:

Em p = 2Eqs/p(1)

где, Eqs/p -значение отношения напряженности поля к давлению газа в квазистационарном режиме, соответствующее максимуму тока самостоятельного разряда. Оно означает равенство сопротивления разрядного промежутка Rqs= Uqs/Im в максимуме тока и волнового

1/2

сопротивления Z = (Lr /С4) разрядного контура С4 через РП -индуктивность разрядного контура). Только при согласованном режиме накачки практически вся энергия, накопленная в обостряющей емкости С4 успевает вложиться в плазму разряда за время импульса тока накачки.

Для получения согласованного режима необходимо знать величину Eqs/p (см. равенство 1), которую оценим исходя из следующих допущений.

В смеси He/F2 доминирующей реакцией является реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора [17,18]:

F2+e- Е+ F(3)