RU2477912C2

RU2477912C2 - Pulse-periodic electric-discharge excimer laser

Info

Publication number: RU2477912C2
Application number: RU2011120086/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Борисов
Original assignee: Владимир Михайлович Борисов
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-03-20
Also published as: RU2011120086A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: laser has an elongated housing in which there is a gas flow generating system, a UV pre-ioniser, elongated ground electrode and high-voltage electrode. The laser housing is in form of a metal pipe with the ground electrode mounted on its inner surface, and a dielectric pipe inside said metal pipe, on the outer surface of which the UV pre-ioniser is and the partially transparent high-voltage electrode are mounted. Capacitors and components of the discharge feed circuit, for example a magnetic coupling, can be placed inside the dielectric pipe.

EFFECT: high generation energy and average power of laser radiation with high reliability of operation of the laser.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к компактным импульсно-периодическим электроразрядным эксимерным лазерам высокого давления с УФ предыонизацией.The invention relates to quantum electronics, in particular to compact pulse-periodic high-pressure electric-discharge excimer lasers with UV preionization.

Известен эксимерный лазер с искровой УФ предыонизацией, содержащий компактный металлический корпус с системой формирования газового потока, на котором крепится диэлектрическая разрядная камера, изолирующая высоковольтный электрод от заземленного электрода и корпуса лазера [1]. С целью достижения высокого времени жизни газовой смеси в качестве материала диэлектрической камеры использована керамика (Al₂O₃), стойкая к воздействию интенсивного УФ излучения и высоко агрессивных компонент газовой смеси лазера, таких как F₂ или HCl.Known excimer laser with spark UV preionization, containing a compact metal casing with a gas flow formation system, on which is mounted a dielectric discharge chamber that isolates the high-voltage electrode from the grounded electrode and the laser casing [1]. In order to achieve a high lifetime of the gas mixture, ceramic (Al ₂ O ₃ ) is used as the material of the dielectric chamber, which is resistant to intense UV radiation and highly aggressive components of the laser gas mixture, such as F ₂ or HCl.

Хотя данная конструкция лазера обеспечила достижение довольно высокой средней мощности лазерного УФ излучения (~540 Вт с ~1 метра длины активного газового объема лазера) [2], она имеет ряд недостатков. Во-первых, повышение энергии генерации лазера наталкивается на ограничения по увеличению апертуры разряда из-за используемой боковой искровой предыонизации и ограниченных размеров разрядной камеры. Во-вторых, поток газа резко меняет направление, проходя через разрядную камеру, что не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке и приводит к ограничению частоты повторения импульсов и средней мощности генерации.Although this laser design ensured a rather high average power of the laser UV radiation (~ 540 W with ~ 1 meter of the active gas volume of the laser) [2], it has several disadvantages. Firstly, an increase in the laser generation energy encounters restrictions on increasing the discharge aperture due to the lateral spark preionization used and the limited size of the discharge chamber. Secondly, the gas flow sharply changes direction passing through the discharge chamber, which does not allow to effectively increase the gas velocity in the interelectrode gap and limits the pulse repetition rate and the average generation power.

Частично этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном диэлектрическом фланце металлического корпуса лазера, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом [3]. Данная конструкция позволяет увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.An excimer laser with X-ray preionisation, in which a high-voltage electrode is placed on an extended dielectric flange of the laser metal housing, to which an additional chamber with an electrically strong gas is connected [3], is partially free of this drawback. This design allows to increase the discharge aperture and, accordingly, the generation energy and the average laser radiation power. The low inductance of the discharge circuit, which is necessary for high laser efficiency, is achieved by minimizing the thickness of the dielectric flange as a result of reducing the mechanical load on it when equalizing the internal and external pressures.

Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского предыонизатора обуславливает применение сложного корпуса, поперечное сечение которого имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерного корпуса при его заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем диэлектрического фланца при его выполнении керамическим.The disadvantage of this device is the complexity of its operation and large dimensions, since the presence of an X-ray preionizer causes the use of a complex case, the cross section of which has a track configuration. In addition, the deformation of the laser housing when it is filled with high-pressure gas can lead to the destruction of the dielectric flange rigidly fixed on it when it is made ceramic.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является эксимерный лазер, содержащий протяженный корпус, в котором размещены система формирования газового потока, предыонизатор, протяженные заземленный электрод и высоковольтный электрод, расположенный на обращенной внутрь корпуса поверхности протяженного керамического фланца, выполненного в виде плиты [4]. В специальных ячейках на наружной поверхности керамического фланца размещены конденсаторы, малоиндуктивно подключенные к электродам лазера. В лазере обеспечен равномерно распределенный между электродами высокоскоростной поток газа, что позволяет работать при высокой частоте следования импульсов.The closest technical solution, selected as a prototype, is an excimer laser containing an extended casing in which there is a gas flow formation system, a preionizer, an extended grounded electrode and a high-voltage electrode located on the surface of the extended ceramic flange made in the form of a plate facing the inside of the housing [ four]. In special cells on the outer surface of the ceramic flange there are capacitors that are connected inductively to the laser electrodes. A high-speed gas flow is uniformly distributed between the electrodes in the laser, which makes it possible to operate at a high pulse repetition rate.

Однако конструкции корпуса и керамического фланца достаточно сложны и дороги. При этом затруднено повышение энергии генерации и средней мощности лазера, например, используя электроразрядную систему с УФ предыонизатором в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрика [5], так как при этом увеличивается площадь керамического фланца, что может приводить к его разрушению. Это связано с большой (до 15 тонн) величиной силы, действующей на керамический фланец, так как в эксимерном лазере используется газовая смесь под высоким давлением (~5 атм). Для повышения надежности необходимо увеличивать толщину керамического фланца, что увеличивает индуктивность разрядного контура и уменьшает КПД лазера.However, the design of the body and ceramic flange are quite complex and expensive. In this case, it is difficult to increase the generation energy and average laser power, for example, using an electric-discharge system with a UV preionizer in the form of a system for the formation of a sliding discharge over the surface of the dielectric [5], since the ceramic flange area increases, which can lead to its destruction. This is due to the large (up to 15 tons) magnitude of the force acting on the ceramic flange, since the gas mixture under high pressure (~ 5 atm) is used in the excimer laser. To increase reliability, it is necessary to increase the thickness of the ceramic flange, which increases the inductance of the discharge circuit and reduces the efficiency of the laser.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, уменьшение стоимости, увеличение энергии генерации и средней мощности импульсно-периодического эксимерного лазера при высокой надежности его работы. Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием устройства, содержащего корпус, в котором размещены система организации газового потока, предыонизатор в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрика, заземленный и высоковольтный электроды, к которым через газопроницаемые токопроводы подсоединены конденсаторы, отличающийся тем, что корпус лазера выполнен в виде двух труб: металлической трубы, на внутренней поверхности которой крепится заземленный электрод, и расположенной внутри нее диэлектрической трубы, на внешней поверхности которой установлен УФ предыонизатор и высоковольтный частично прозрачный электрод. Отличие устройства также состоит в том, что конденсаторы и элементы схемы питания разряда (например, магнитный ключ) размещены внутри диэлектрической трубы.The technical result of the invention is to simplify the design, reduce cost, increase the generation energy and average power of a repetitively pulsed excimer laser with high reliability. This task can be carried out by improving the device containing the housing in which the gas flow organization system is located, a preionizer in the form of a sliding discharge formation system on the surface of the dielectric, grounded and high voltage electrodes to which capacitors are connected through gas-permeable current conductors, characterized in that the laser housing is made in the form of two pipes: a metal pipe, on the inner surface of which a grounded electrode is mounted, and a dielectric located inside it tube, on the outer surface of which is installed UV preionizer and a high-voltage partially transparent electrode. The difference between the device also lies in the fact that capacitors and elements of the discharge power circuit (for example, a magnetic key) are placed inside the dielectric pipe.

На фиг.1 схематично изображен эксимерный лазер.Figure 1 schematically shows an excimer laser.

Эксимерный лазер содержит:Excimer laser contains:

корпус, образуемый металлической трубой 1 и расположенной внутри нее диэлектрической трубой 2, систему формирования газового потока, включающую в себя диаметральный вентилятор 3, формирователи потока 4 и трубки теплообменника 5. В корпусе также размещены заземленный электрод 6, высоковольтный электрод 7, УФ предыонизатор 8, установленный на внешней поверхности керамической трубы. Внутри диэлектрической трубы размещены импульсные конденсаторы 9, которые через токовводы 10, 10' и газопроницаемые токопроводы 11 подсоединены к электродам 6, 7. Внутри диэлектрической трубы, помимо конденсаторов 9, могут размещаться другие элементы импульсной схемы питания разряда, например магнитный ключ 12.a case formed by a metal pipe 1 and a dielectric pipe 2 located inside it, a gas flow forming system including a diametrical fan 3, flow formers 4 and heat exchanger tubes 5. A grounded electrode 6, a high voltage electrode 7, a UV preionizer 8 are also placed mounted on the outer surface of the ceramic pipe. Inside the dielectric tube, pulse capacitors 9 are placed, which are connected to the electrodes 6, 7 through current leads 10, 10 'and gas-permeable current conductors 11. Inside the dielectric tube, in addition to capacitors 9, other elements of the pulse discharge supply circuit can be placed, for example, a magnetic key 12.

Эксимерный лазер работает следующим образом. Содержащаяся в корпусе, образованном трубами 1 и 2, система формирования газового потока, в который входит диаметральный вентилятор 3, формирователи потока 4 и трубки теплообменника 5, создает поток газа между заземленным электродом 6 и высоковольтным электродом 7.An excimer laser operates as follows. Contained in the housing formed by pipes 1 and 2, the gas flow formation system, which includes the diametrical fan 3, flow formers 4 and heat exchanger tubes 5, creates a gas flow between the grounded electrode 6 and the high-voltage electrode 7.

Газодинамический тракт, образованный цилиндрическими поверхностями корпуса, обеспечивает равномерное распределение скорости газа между электродами.The gasdynamic path formed by the cylindrical surfaces of the housing provides a uniform distribution of the gas velocity between the electrodes.

Предыонизатор 8 осуществляет предварительную ионизацию активного объема газовой смеси между электродами лазера. Одновременно осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 9, вслед за которой происходит зажигание объемного разряда между электродами 6, 7. Энергия, запасенная в конденсаторах 9, вкладывается в разряд. Энерговклад в разряд осуществляется по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему конденсаторы 9, токовводы 10, 10', газопроницаемые токопроводы 11 и электроды 6, 7, за довольно малое время (~100 нс), что позволяет получить эффективную генерацию лазерного излучения. После того как охлаждаемый теплообменником 5 газовый поток, циркулирующий в корпусе, сменит газ между заземленным и высоковольтным электродами, происходит очередной разряд, и формируется очередной импульс генерации.The preionizer 8 pre-ionizes the active volume of the gas mixture between the laser electrodes. At the same time, pulse charging of the capacitors 9 is carried out, followed by the ignition of a volume discharge between the electrodes 6, 7. The energy stored in the capacitors 9 is invested in the discharge. The energy input into the discharge is carried out along a low-inductance discharge circuit, including capacitors 9, current leads 10, 10 ', gas-permeable current leads 11 and electrodes 6, 7, in a fairly short time (~ 100 ns), which allows one to obtain efficient laser radiation generation. After the gas stream circulated in the housing cooled by the heat exchanger 5 changes the gas between the grounded and high voltage electrodes, another discharge occurs and another generation pulse is generated.

Выбор формы керамического диэлектрика, разделяющего высоковольтный и заземленный электроды, в виде керамической трубы 2, обладающей высокой стойкостью к разрушению под действием давления по сравнению с плоской керамической пластиной, позволяет уменьшить толщину керамики и приблизить конденсаторы 9 к электродам 6, 7, что уменьшает индуктивность разрядного контура и увеличивает КПД лазера. Выполнение корпуса лазера в виде металлической трубы и помещенной внутри нее керамической трубы значительно упрощает и удешевляет конструкцию лазера по сравнению с прототипом при тех же лазерных энергетических характеристиках.The choice of the shape of the ceramic dielectric separating the high-voltage and grounded electrodes, in the form of a ceramic pipe 2, which has high resistance to destruction under pressure compared to a flat ceramic plate, reduces the thickness of the ceramic and brings capacitors 9 closer to electrodes 6, 7, which reduces the discharge inductance contour and increases the efficiency of the laser. The implementation of the laser housing in the form of a metal pipe and a ceramic pipe placed inside it greatly simplifies and reduces the cost of the laser design compared to the prototype with the same laser energy characteristics.

Осуществление УФ предыонизации посредством скользящего разряда на поверхности плоской диэлектрической пластины через частично прозрачный высоковольтный электрод позволяет увеличивать апертуру объемного разряда и повышать энергию генерации лазера при сохранении компактности корпуса, а гладкий газодинамический тракт, образованный цилиндрическими поверхностями труб 1, 2, позволяет формировать однородный газовый поток между электродами и осуществлять эффективную смену газа в разрядном промежутке, тем самым увеличивать частоту следования импульсов и наращивать среднюю мощность лазерного излучения.The implementation of UV preionization by means of a sliding discharge on the surface of a flat dielectric plate through a partially transparent high-voltage electrode makes it possible to increase the aperture of the volume discharge and increase the laser generation energy while maintaining the compactness of the casing, and a smooth gas-dynamic path formed by the cylindrical surfaces of pipes 1, 2 allows the formation of a uniform gas flow between electrodes and carry out an effective gas change in the discharge gap, thereby increasing the trace frequency pulses and increase the average power of laser radiation.

Таким образом, выполнение эксимерного лазера в предложенном виде позволяет упростить конструкцию корпуса лазера, удешевить его и повысить надежность работы лазера. При этом достигается увеличение энергии генерации и средней мощности излучения в компактном варианте лазера.Thus, the implementation of the excimer laser in the proposed form allows us to simplify the design of the laser housing, reduce its cost and increase the reliability of the laser. In this case, an increase in the generation energy and the average radiation power in a compact version of the laser is achieved.

Использованные источники информацииInformation Sources Used

1. В.М.Борисов и др. Квантовая электроника, 22, №5, 446-450 (1995).1. V.M. Borisov and others. Quantum Electronics, 22, No. 5, 446-450 (1995).

2. Specification of excimer laser Lambda-C Series, Coherent 2010.2. Specification of excimer laser Lambda-C Series, Coherent 2010.

3. Laser Focus Word, 25, №10, 23 1989.3. Laser Focus Word, 25, No. 10, 23 1989.

4. Борисов В.М., Христофоров О.Б. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том XI-4, стр.503-522 (2005).4. Borisov V.M., Khristoforov O.B. Encyclopedia of low-temperature plasma. Volume XI-4, pp. 503-522 (2005).

5. Борисов В.М., Степанов Ю.Ю., Христофоров О.Б. Патент РФ №20556429.5. Borisov V.M., Stepanov Yu.Yu., Khristoforov O.B. RF patent №20556429.

Claims

1. Pulse-periodic gas-discharge laser containing a housing in which a gas flow organization system is placed, a UV preionizer in the form of a system for generating a sliding discharge on the surface of a dielectric, a grounded and high-voltage electrodes to which capacitors are connected through gas-permeable current conductors, characterized in that the laser housing made of two pipes: a metal pipe, on the inner surface of which a grounded electrode is attached, and a dielectric pipe located inside it, on the outer surface rhnosti which is set and a high UV preioniser partially transparent electrode.

2. Pulse-periodic gas-discharge laser according to claim 1, characterized in that the capacitors and elements of the discharge power circuit (for example, a magnetic key) are placed inside the dielectric tube.