RU2507654C1 - Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation - Google Patents
Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2507654C1 RU2507654C1 RU2012131348/28A RU2012131348A RU2507654C1 RU 2507654 C1 RU2507654 C1 RU 2507654C1 RU 2012131348/28 A RU2012131348/28 A RU 2012131348/28A RU 2012131348 A RU2012131348 A RU 2012131348A RU 2507654 C1 RU2507654 C1 RU 2507654C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- additional
- capacitors
- discharge
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
- H01S3/09702—Details of the driver electronics and electric discharge circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/22—Gases
- H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
- H01S3/225—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms comprising an excimer or exciplex
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров, лазерных систем и способу генерации лазерного излучения.The invention relates to a device for high-power gas-discharge, in particular, excimer lasers, laser systems and a method for generating laser radiation.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeBr (282 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F2 (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с КПД около 3%, высокоэнергетичными, до ~1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 30D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ лидары. ArF лазеры, благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм. Для литографии применяются узкополосные ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов, устройство и, технология которых описаны, в частности, в заявке US20030118072. Таким образом, мощные экисмерные лазеры находят применения при различных сочетаниях длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов.Excimer lasers are the most powerful sources of directional radiation in the ultraviolet (UV) range of the spectrum. Depending on the composition of the gas, excimer lasers emit at transitions of various molecules: ArF (193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeBr (282 nm), XeCl (308 nm), XeF (351 nm). Molecular fluorine lasers F 2 (157 nm) are similar to excimer lasers in terms of gas composition and pumping method. The most effective, with an efficiency of about 3%, high-energy, up to ~ 1 J / pulse, and powerful, up to 600 W, are KrF and XeCl lasers, which have found the greatest application in various technologies. These include the production of flat LCD and OLED displays, 30D-microprocessing of materials, the production of high-temperature superconductors by laser ablation, and powerful UV lidars. ArF lasers, due to their optimally short wavelength allowing the use of reliable quartz optics, are widely used in large-scale lithographic production of integrated circuits with a characteristic element size of only a few tens of nm. For lithography, narrow-band ArF lasers are used with a relatively low generation energy of 5-10 mJ / pulse and a high (4-6 kHz) pulse repetition rate, the device and technology of which are described, in particular, in the application US20030118072. Thus, high-power excimer lasers are used for various combinations of the radiation wavelength, generation energy, and pulse repetition rate.
В мощных эксимерных лазерах возбуждение активной среды осуществляется импульсно-периодическим объемным разрядом высокого (2,5-5 атм) давления в смесях инертных газов (Ne, Не, Хе, Кr, Аr) с галогеносодержащими молекулами F2, HCl при условиях ввода энергии в разряд, обеспечивающих высокую эффективность генерации лазерного излучения. Такой разряд принципиально неустойчив, и время сохраненияIn high-power excimer lasers, the active medium is excited by a periodically pulsed volume discharge of high (2.5-5 atm) pressure in mixtures of inert gases (Ne, He, Xe, Kr, Ar) with halogen-containing molecules F 2 , HCl under conditions of energy input into discharge, providing high efficiency of laser radiation generation. Such a discharge is fundamentally unstable, and the storage time
объемным разрядом однородной формы обычно не превышает нескольких десятков наносекунд. При этом достижение высоких выходных характеристик определяется рядомa volume discharge of a uniform form usually does not exceed several tens of nanoseconds. At the same time, the achievement of high output characteristics is determined by a number
факторов, находящихся в довольно сложной взаимосвязи. К основным факторам относятся условия предварительной ионизации активного объема, режим зажигания и ввода энергии в разряд, геометрия электродной системы и характеристики газового потока в ней. Обеспечение большого времени жизни газовой смеси высокого давления, содержащей химически чрезвычайно активные компоненты F2 или HCl, предъявляет жесткие требования к конструкционным материалам лазера.factors in a rather complex relationship. The main factors include the conditions for preliminary ionization of the active volume, the mode of ignition and energy input into the discharge, the geometry of the electrode system and the characteristics of the gas flow in it. Providing the long lifetime of the high pressure gaseous mixture comprising chemically extremely active components F 2 or HCl, imposes stringent requirements on the materials of construction of the laser.
В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров/ их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и, в конечном счете, увеличение затрат на эксплуатацию лазера.In accordance with the needs of modern high-performance technologies using excimer lasers / their power is constantly increasing. However, an increase in the energy and radiation power of gas-discharge excimer lasers has fundamental physical limitations, which, when the optimal values of the generation energy and pulse repetition rate are exceeded, cause a decrease in the laser efficiency, a decrease in the reliability and stability of its operation, and, ultimately, an increase in the cost of operating the laser.
Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.All this determines the relevance of finding solutions to optimize the design and method of operation of excimer lasers, increase their power and reduce the cost of generating lasing energy for various combinations of lasing energy and pulse repetition rate.
Известен из патента US6782030 импульсно-периодический газоразрядный лазер, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены в лазерной камере вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.US6782030 is known from a pulsed-periodic gas-discharge laser, in which, in order to reduce the inductance of the discharge circuit, which ensures high laser efficiency, capacitors connected to the electrodes are placed in the laser chamber near a high-voltage electrode placed on the side of the wall of the laser chamber. For compatibility with an aggressive laser environment, it is proposed to use capacitors coated with an inert material.
Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F2 или НСl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.The disadvantage of this technical solution is that the composition of ceramic capacitors includes components, for example, solder, which in case of violation of the protective layer when exposed to F 2 or Hcl will lead to the output of the capacitor and then the laser out of order. In addition, in the gas medium of the laser, parasitic breakdown on the surface of ceramic capacitors designed to operate in an electrically robust medium does not allow them to be charged to rated voltage. This sharply reduces the energy storage of the capacitors when they are placed in the gas medium of the laser, not allowing to achieve high levels of generation energy and laser power.
Этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлической лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом. Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют 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 preionization of a kilowatt average radiation power level, in which a high-voltage electrode is placed on an extended ceramic flange of a metal laser chamber, to which an additional chamber with an electrically strong gas is connected, is deprived of this drawback. Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. The laser device and the method of generating laser radiation can 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 данных устройства и способа является сложность эксплуатации лазера и его большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обуславливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.The disadvantage of the data of the device and method is the complexity of the operation of the laser and its large dimensions, since the presence of an X-ray preionization unit causes the use of too complex a laser camera, the cross section of which has a track configuration. In addition, deformation of a laser chamber of complex shape when it is filled with high-pressure gas can lead to the destruction of a ceramic flange rigidly fixed to it.
Из Coherent Inc. Excimer / UV Optical Systems Product Catalog 2012 известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двулучевой лазер VYPER, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактных лазера, аналогичных описанным в патенте US6757315. Каждый из лазеров содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации. Способ генерации лазерного излучения предусматривает одновременную синхронизированную накачку двух идентичных лазеров и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.From Coherent Inc. Excimer / UV Optical Systems Product Catalog 2012 is known for one of the most powerful gas-discharge excimer laser systems for industrial applications - the VYPER double-beam laser, which includes two identical compact lasers located on a common chassis, similar to those described in US6757315. Each of the lasers contains a housing in the form of a metal pipe on which a compact ceramic discharge chamber with an extended metal flange is mounted. A high-voltage electrode and a preionization unit are installed on the high-voltage metal flange of the ceramic chamber. The method of generating laser radiation involves the simultaneous synchronized pumping of two identical lasers and the combination of two parallel laser beams outside the laser.
Данные устройство и способ обеспечивают параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.These device and method provide laser radiation parameters that are optimal for a number of technological applications with a generation energy level of 1 J / pulse and a laser UV power of 600 W for each laser with an electrode length of about 1 m.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.However, a further increase in the generation energy of the laser system is difficult due to the use of preionization in each of its lasers with a low-current corona discharge and the limited size of the ceramic discharge chamber mounted on a metal case with a gas circulation system. Since the gas flow in the discharge chamber sharply changes direction, this does not allow to effectively increase the gas velocity in the interelectrode gap, limiting the further increase in the repetition rate of discharge pulses and the average laser radiation power.
Частично этих недостатков лишен газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, известный из патента RU2446530, являющийся наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа. Лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор.Partially these drawbacks are deprived of a gas discharge, in particular, an excimer laser or a molecular fluorine laser, known from patent RU2446530, which is the closest technical solution that can be selected as a prototype. The laser includes: a laser chamber filled with a gas mixture, consisting mainly of metal, an extended first electrode and a second electrode located opposite each other and defining a discharge region between them, with a first electrode located on the side of the metal wall of the laser chamber; at least one extended preionization unit; two extended ceramic containers located near the first electrode, a set of capacitors located in each of the ceramic containers, the capacitors being connected to the first and second electrodes through high-voltage and grounded current leads of each ceramic container and through gas-permeable return current conductors located on both sides of the first and second electrodes; a power source connected to capacitors; gas circulation system and resonator.
Здесь и далее «токовводы» означают то же самое, что «электрические вводы».Hereinafter, “current leads” mean the same as “electrical inputs”.
В указанном устройстве керамические контейнеры, выполненные в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, с помощью источника питания, предыонизацию газа между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию лазерного излучения. Предыонизацию осуществляют УФ излучением завершенного скользящего разряда, что позволяет эффективно увеличивать апертуру разряда.In the specified device, ceramic containers made in the form of round cylindrical pipes are installed on both sides of the electrodes. The container surfaces facing the discharge region and flush with the first electrode serve as gas flow guides. The method of generating laser radiation includes performing pulsed charging of capacitors placed in ceramic containers using a power source, preionizing the gas between the first and second electrodes, performing a discharge between the first and second electrodes, and generating laser radiation. Preionization is carried out by UV radiation of a completed sliding discharge, which allows to effectively increase the discharge aperture.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.The laser is characterized by a simple, cheap and reliable design of the laser chamber, which provides a high gas flow rate between the electrodes and the possibility of achieving a high average laser radiation power.
В устройстве ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению КПД лазера. Для зажигания вспомогательного разряда блока предыонизации в металлической лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Также в лазере ограничена возможность повышения энергии генерации из-за ограниченных габаритов контейнеров и, соответственно, ограниченного энергозапаса размещенных в них конденсаторов. Кроме того, требуемое для повышения энергии генерации увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера и сопровождается необходимостью увеличения габаритов керамических частей лазера, служащих в качестве высоковольтных изоляторов, и лазерной камеры в целом, что усложняет ее конструкцию. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров может не полностью удовлетворять условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать КПД лазера при увеличении энергии генерации.The device limits the charging speed of pulsed capacitors through the ends of ceramic containers, leading to a decrease in the laser efficiency. To ignite the auxiliary discharge of the preionization unit in a metal laser chamber, it is necessary to have isolated current leads, which complicates the design of the laser chamber. Also in the laser, the possibility of increasing the generation energy is limited due to the limited dimensions of the containers and, accordingly, the limited energy reserve of the capacitors placed in them. In addition, the increase in the interelectrode distance required to increase the generation energy leads to an increase in the discharge voltage, which complicates the operation of the laser and is accompanied by the need to increase the dimensions of the ceramic parts of the laser, which serve as high-voltage insulators, and the laser chamber as a whole, which complicates its design. The geometry of ceramic containers in the form of round cylinders may not fully satisfy the conditions for minimizing the inductance of the discharge circuit, which may reduce the laser efficiency with increasing generation energy.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является создание наиболее мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров и лазерных систем.The objective of the invention is the creation of the most powerful gas-discharge, in particular, excimer lasers and laser systems.
Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком КПД лазера или лазерной системы и уменьшение затрат на получение энергии генерации.The technical result of the invention is to improve the design of the cermet laser, increase the generation energy, average radiation power at high efficiency of the laser or laser system and reduce the cost of generating the generation energy.
Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода либо два протяженных керамических контейнера,To solve these problems, a gas-discharge, in particular, an excimer laser or a molecular fluorine laser is proposed, which includes: a laser chamber filled with a gas mixture, consisting mainly of metal, an extended first electrode and a second electrode located opposite each other and determining the discharge region between them , with a first electrode located on the side of the metal wall of the laser chamber; at least one extended preionization unit; located near the first electrode or two extended ceramic containers,
либо один протяженный керамический контейнер,either one extended ceramic container,
набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор, при этомa set of capacitors located in each of the ceramic containers, the capacitors being connected to the first and second electrodes through high-voltage and grounded current leads of each ceramic container and through gas-permeable return current conductors located on both sides of the first and second electrodes; a power source connected to capacitors; gas circulation system and resonator, while
со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых снабжен керамическим изолятором, внутри лазерной камеры по обе стороны либо керамических контейнеров, либо керамического контейнера размещены протяженные заземленные токопроводы, соединенные с металлической стенкой лазерной камеры, и источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через упомянутые высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы, а также через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера.on the side of the first electrode, sealed high-voltage current leads are installed along the metal wall of the laser chamber, each of which is equipped with a ceramic insulator; inside the laser chamber, on either side of either ceramic containers or a ceramic container, there are extended grounded conductors connected to the metal wall of the laser chamber, and the source the power supply is inductively connected to capacitors through the aforementioned high-voltage current leads and grounded current leads, as well as through a high-voltage earthed and grounded current leads of each ceramic container.
Предпочтительно, что концевые части каждого керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера.Preferably, the end parts of each ceramic container are hermetically attached to the ends of the laser chamber with the possibility of access or hermetic connection to the inside of the container.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизации.It is preferable that at least one ceramic container contains auxiliary capacitors, the capacitance of which is many times smaller than the capacitance of the capacitors, auxiliary sealed current leads are installed along the container, through which one of the plates of the auxiliary capacitors is connected to the preionization unit.
В вариантах изобретения части поверхности каждого керамического контейнера, обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом, образуя вблизи первого электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.In embodiments of the invention, parts of the surface of each ceramic container facing the discharge region are flush with the first electrode, forming gas flow guides located upstream and downstream near the first electrode.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.In embodiments of the invention, at least a portion of each elongated ceramic container is placed to the side of the discharge region, forming gas flow guides or spoilers located upstream and / or downstream of the discharge region that significantly change the direction of the gas stream when passing through the discharge region.
В некоторых вариантах реализации изобретения вблизи первого электрода установлен один протяженный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен первый электрод.In some embodiments of the invention, one extended ceramic container is installed near the first electrode, the surface of which, facing the discharge region, has an extended niche in which the first electrode is placed.
В другом аспекте изобретение относится к лазеру, в лазерной камере которого размещены либо один, либо два дополнительных протяженных керамических контейнера, каждый дополнительный керамический контейнер расположен вблизи второго электрода, в каждом дополнительном керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, в стенках каждого дополнительного керамического контейнера вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы и заземленные токовводы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые обратные токопроводы, высоковольтные токовводы и заземленные токовводы каждого дополнительного контейнера и дополнительные конденсаторы, снаружи лазерной камеры размещен подключенный к дополнительным конденсаторам дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания.In another aspect, the invention relates to a laser, in the laser chamber of which either one or two additional extended ceramic containers are placed, each additional ceramic container is located near the second electrode, additional capacitors are placed in each additional ceramic container, and walls of each additional ceramic container are installed along it sealed high-voltage current leads and grounded current leads, while the capacitors are connected to the second electrode through g zopronitsaemye inverse conductors, high current leads and the grounded current leads each additional container and additional capacitors placed outside the laser chamber connected to the additional capacitors additional power source with polarity opposite to the polarity of the power source.
Предпочтительно, что концевые части каждого дополнительного керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера.Preferably, the end parts of each additional ceramic container are hermetically attached to the ends of the laser chamber with the possibility of access or hermetic connection to the inner part of the additional container.
Предпочтительно, что дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого дополнительного керамического контейнера.Preferably, the additional power source is connected to additional capacitors from the ends of each additional ceramic container.
Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов и времени зарядки конденсаторов.It is preferable that the time delay between switching on the additional power source and the power source is equal to the difference between the pulse time of charging additional capacitors and the charging time of the capacitors.
Предпочтительно, что части поверхности каждого дополнительного керамического контейнера, обращенные к области разряда, образуют вблизи второго электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.Preferably, the surface portions of each additional ceramic container facing the discharge region form gas flow guides located upstream and downstream near the second electrode.
В вариантах изобретения заземленные газопроницаемые токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда.In embodiments of the invention, grounded gas-permeable conductors are concave toward the discharge region.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один блок предыонизации размещен в непосредственной близости от второго электрода, и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере, вдоль его длины, установлены вспомогательные герметичные токовводы и размещены вспомогательные конденсаторы, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные токовводы.In embodiments of the invention, at least one preionization unit is located in the immediate vicinity of the second electrode, and at least one additional ceramic container, along its length, has auxiliary sealed current leads and auxiliary capacitors, one of the plates of which is connected to preionization block through auxiliary current leads.
В вариантах изобретения вблизи второго электрода может быть установлен один дополнительный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод.In embodiments of the invention, one additional ceramic container may be installed near the second electrode, the surface of which, facing the discharge region, has an extended niche in which the second electrode is placed.
В некоторых вариантах изобретения лазерная камера может быть снабжена дополнительной системой циркуляции газа.In some embodiments of the invention, the laser chamber may be provided with an additional gas circulation system.
В вариантах изобретения первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку либо первого электрода, либо второго электрода.In embodiments of the invention, the first electrode and the second electrode are solid, and at least one preionization unit is installed on the side of either the first electrode or the second electrode.
В вариантах изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.In embodiments of the invention, either the first electrode or the second electrode is partially transparent, and a preionization unit is mounted on the back of the partially transparent electrode.
В предпочтительных вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.In preferred embodiments of the invention, the preionization unit comprises a system for generating an extended uniform sliding discharge over the surface of the dielectric.
В некоторых вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.In some embodiments of the invention, the preionization unit comprises a corona discharge forming system.
В предпочтительных вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.In preferred embodiments of the invention, at least one ceramic container or additional ceramic container is in the form of either a round or rectangular pipe.
В вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере, и к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.In embodiments of the invention, at least one ceramic container or an additional ceramic container is filled with either a gas or liquid electrically strong medium under a pressure close to the gas pressure in the laser chamber, and a system is hermetically connected to the ends of each container filled with an electrically strong medium maintaining pressure of an electrically durable medium close to the gas pressure in the laser chamber, and the pressure maintenance system is configured to circulate and cool electrically durable Wednesday.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, заключающемуся в осуществлении импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в каждом керамическом контейнере, с помощью источника питания и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при которомThe invention in another aspect relates to a method for generating laser radiation, which consists in performing pulsed charging of capacitors placed in each ceramic container using a power source and gas preionization between the first and second electrodes, performing a discharge between the first and second electrodes and generating a laser beam, which
предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.preliminarily include an additional power source and from the ends of each additional ceramic container carry out pulse charging of additional capacitors, then with a time delay equal to the difference in charging times of additional capacitors and capacitors, turn on the power source and carry out fast pulse charging of capacitors with a voltage whose polarity is opposite to that of the additional charging voltage capacitors, after the moment of simultaneous completion of charging the condensate trench capacitors and additional discharge is performed between the high voltage first and second electrodes of opposite polarity by a low-inductance discharge circuit including a capacitor and additional capacitors are serially connected together through the gas-permeable conductors, concave toward the discharge region.
В некоторых вариантах изобретения с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода.In some embodiments of the invention, with a time delay with respect to the moment the additional power supply is turned on, equal to the difference in the charging times of the additional capacitors and capacitors, preionization is performed from the side of the first electrode.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, включающему предыонизацию газовой смеси между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера, при которомThe invention in another aspect relates to a method for generating laser radiation, comprising preionizing the gas mixture between the first and second electrodes, performing a discharge between the first and second electrodes, and generating a laser beam, in which
в процессе работы лазера поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере.during the operation of the laser, the pressure of an electrically strong medium is maintained, filling at least one ceramic container, or an additional ceramic container, close to the pressure of the gas mixture in the laser chamber.
Изобретение в другом аспекте относится к лазерной системе, содержащей шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания лазерной системы.The invention in another aspect relates to a laser system comprising a chassis on which a first laser, made in accordance with the present invention, is located, a second laser identical to the first, wherein the power sources of the first and second lasers are combined in a common power source of the laser system.
В вариантах изобретения в лазерной системе между конденсаторами второго лазера и общим источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере, и на шасси размещена система оптической связи между двумя лазерами, обеспечивающая инжекцию во второй лазер внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера.In embodiments of the invention, a delay line is introduced between the second laser capacitors and the common power source in order to delay the ignition of the discharge in the second laser for a time not exceeding the length of the time interval between the moment of ignition of the discharge and the moment the generation threshold is reached in the first laser, and is placed on the chassis an optical communication system between two lasers, which provides injection into the second laser of an external optical signal, which is a small part of the radiation of the first laser.
В некоторых вариантах изобретения лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания, и дополнительные источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем дополнительном источнике питания.In some embodiments of the invention, the laser system comprises a chassis on which a first laser made in accordance with the present invention is placed, a second laser identical to the first, wherein the power sources of the first and second lasers are combined in a common power source, and additional power sources of the first and second lasers combined in a common additional power source.
Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения посредством лазерной системы, заключающемуся в осуществлении в каждом лазере предыонизации газа, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при которомThe invention, in another aspect, relates to a method for generating laser radiation by means of a laser system, which comprises performing gas preionization in each laser, discharging between the first and second electrodes, and generating a laser beam, in which
после зажигания разряда в первом лазере зажигают разряд во втором лазере с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере, и с помощью системы оптической связи производят инжекцию во второй лазер внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера, снижая порог генерации во втором лазере.after ignition of the discharge in the first laser, the discharge in the second laser is ignited with a time delay not exceeding the duration of the time interval between the moment of ignition of the discharge and the moment of reaching the generation threshold in the first laser, and using an optical communication system, an external optical signal is injected into the second laser, which is a small part of the radiation of the first laser, lowering the generation threshold in the second laser.
Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.The above and other objects, aspects, features and advantages of the invention will become more apparent from the following description and claims.
Описание дается в виде, достаточном для понимания принципов изобретения специалистами в области лазерной техники. Детальное описание компонент газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров можно найти в Patent US20030118072;The description is given in a form sufficient to understand the principles of the invention by specialists in the field of laser technology. A detailed description of the components of gas-discharge, in particular, excimer lasers can be found in Patent US20030118072;
Patent US 6757315; Exdmer Laser Technology, Ed. by D.Basting, G.Marowsky. Springer-Verglas Berlin Heidelberg (2005).Patent US 6757315; Exdmer Laser Technology, Ed. by D. Basting, G. Marowsky. Springer-Verglas Berlin Heidelberg (2005).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.The invention is illustrated by the accompanying drawings, which are presented in a form sufficient to understand the principles of the invention, and in no way limit the scope of the present invention.
Фиг.1 - схематичное изображение поперечного сечения газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов.Figure 1 is a schematic representation of a cross section of a gas discharge laser with a high pulse repetition rate.
Фиг.2 - часть продольного сечения того же варианта лазера по оси одного из двух керамических контейнеров.Figure 2 is a part of a longitudinal section of the same laser variant along the axis of one of the two ceramic containers.
Фиг.3 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучения скользящего разряда.Figure 3 is a cross section of a wide-aperture laser with preionization of the radiation of a sliding discharge.
Фиг.4 - поперечное сечение лазера с керамическими контейнерами, значительно изменяющими направление газового потока при прохождении области разряда.Figure 4 is a cross section of a laser with ceramic containers, significantly changing the direction of the gas stream during the passage of the discharge region.
Фиг.5 - поперечное сечение лазера с предыонизацией излучения коронного разряда.5 is a cross section of a laser with a preionization of corona discharge radiation.
Фиг.6 - поперечное сечение лазера с одним керамическим контейнером, установленным вблизи первого электрода.6 is a cross section of a laser with one ceramic container mounted near the first electrode.
Фиг.7 - поперечное сечение лазера с дополнительными контейнерами и дополнительным источником питания.7 is a cross section of a laser with additional containers and an additional power source.
Фиг.8 - поперечное сечение лазера с дополнительной системой циркуляции газа.8 is a cross section of a laser with an additional gas circulation system.
Фиг.9 - поперечное сечение лазерной системы.Fig.9 is a cross section of a laser system.
Фиг.10 - поперечное сечение лазерной системы с дополнительным источником питания.Figure 10 is a cross section of a laser system with an additional power source.
Фиг.11 - блок схема системы оптической связи лазерной системы.11 is a block diagram of an optical communication system of a laser system.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.In the drawings, matching device elements are denoted by the same reference numbers.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Газоразрядный лазер, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого в одном из вариантов реализации изобретения показано на Фиг.1, включает в себя: лазерную камеру 1, состоящую преимущественно из металла и заполненную газовой смесью. Лазер также содержит протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, расположенные друг против друга и определяющие область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 6.A gas-discharge laser, in particular an excimer laser or a molecular fluorine laser, the cross-section of which in one embodiment of the invention is shown in FIG. 1, includes: a
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.1, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными. Один блок предыонизации 6, расположенный сбоку от второго электрода 3, содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика, в частности по поверхности сапфировой пластины 7, покрывающей инициирующий (как мы его называем) электрод 8, с поджигающим (как мы его называем) электродом 9, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 7. При этом инициирующий электрод 8 блока предыонизации 6 совмещен со вторым электродом 3 лазера.In the embodiment of the invention shown in FIG. 1, the
Вблизи первого электрода 2 расположены либо один, либо, как показано на Фиг.1, два протяженных керамических контейнера 10, в которых размещен набор конденсаторов 11. Конденсаторы 11 подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные токовводы 12 и заземленные токовводы 13 каждого керамического контейнера 10 и через газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. К конденсаторам 11 подключен источник питания 15, предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера.Near the
Для обновления газа в области разряда 4 между очередными разрядными импульсами в лазерной камере 1 размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, спойлеры 18, 19 и направляющие лопасти или лопасть 20 для формирования высокоскоростного потока газа между первым и вторым электродами 2, 3.To update the gas in the
В соответствии с изобретением со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 22. Внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 размещены протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. При этом источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 11 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23, а также через высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10.In accordance with the invention, from the side of the
Для генерации луча лазера (не показан) снаружи лазерной камеры 1 размещен резонатор (для упрощения не показан).To generate a laser beam (not shown), a resonator is placed outside the laser chamber 1 (not shown for simplicity).
Предложенная конструкция лазера отличается простотой и надежностью. Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21, снабженные керамическими изоляторами 22, и заземленные токопроводы 23, а также через токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10, уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с известным из патента RU2446530 устройством увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.The proposed laser design is simple and reliable. The low-inductance connection of the switching
Высокий КПД лазера также обеспечивается за счет высокого уровня предыонизации, обеспечиваемого УФ излучением однородного скользящего разряда, и малой индуктивности разрядного контура - за счет размещения конденсаторов 11, с помощью которых осуществляется энерговклад в основной объемный разряд лазера, в непосредственной близости от разрядного объема 4.High laser efficiency is also achieved due to the high level of preionization provided by the UV radiation of a uniform sliding discharge, and the low inductance of the discharge circuit due to the placement of
На Фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы, что обеспечивает компактность керамических контейнеров 10 с высокой степенью их заполнения керамическими конденсаторами 11, используемыми для мощных газоразрядных лазеров. В результате достигается малая индуктивность разрядного контура и повышение КПД лазера.In figure 1, each
На Фиг.1 части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 10, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи первого электрода 2 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока. Это позволяет формировать высокоскоростной поток газа в разрядной области 4.In Fig. 1,
Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 10 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 11. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизации 6 через вспомогательные токовводы 27 керамического контейнера 10 и протяженный вспомогательный газопроницаемый обратный токопровод 28 (Фиг.1).For automatic preionization, simplifying the operation of the laser,
На Фиг.2 показана часть сечения устройства, проходящего вдоль одного из керамических контейнеров 10, для того же варианта лазера, что и на Фиг.1. В соответствии с изобретением концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10. В одном из вариантов концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 при помощи соединительного устройства 31 (Фиг.2). На каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 установлены оптические окна 32 для выхода луча (не показан) лазера.Figure 2 shows a part of the cross section of the device along one of the
Герметизация керамических контейнеров 16 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет прокачивать электрически прочную среду, например воздух, через конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, осуществлять их охлаждение, устранять образующийся в контейнерах 16 озон или предотвращать возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера в долговременном режиме. Использование соединительного устройства 31 обеспечивает возможность надежного герметичного крепления концевых частей 29 керамических контейнеров 10 различной формы в непосредственной близости к оптическим окнам 32 лазера.The sealing of
В других вариантах концевые части 29 контейнеров выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены в отверстиях, выполненных в торцах 30 лазерной камеры 1.In other embodiments, the
Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи лазерной камеры 1, состоящей преимущественно из металла. Осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 11, размещенных в варианте изобретения в двух керамических контейнерах 10 и подключенных к протяженным первому и второму электродам 2, 3, расположенным друг против друга и определяющим область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1. В варианте изобретения керамические контейнеры 10 выполнены в виде прямоугольных труб (Фиг.1). Зарядка конденсаторов 11 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, установленные со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее и изолированные от металлической стенки 5 керамическими изоляторами 22. Малоиндуктивный контур зарядки конденсаторов 11 также включает герметичные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и размещенные внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном из керамических контейнеров 10. Зарядка вспомогательных конденсаторов 26 осуществляется по электрической цепи, включающей в себя вспомогательные токковводы 27 контейнера 10, протяженный газопроницаемый вспомогательный токопровод 28, разрядный промежуток между поджигающим и инициирующим электродами 9, 8 блока предыонизации 6, газопроницаемые обратные токопроводы 14.A gas discharge laser operates as follows. The inclusion of the
При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 11, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации 5. УФ излучение вспомогательного завершенного скользящего разряда по поверхности протяженной сапфировой пластины 7 осуществляет предыионизацию газа в области разряда 4. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3, между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 11, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Излучение лазера выводится через одно из двух оптических окон 32, установленных на каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 (Фиг.2). Когда с помощью системы циркуляции газа, содержащей диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, направляющие газового потока, к которым относятся спойлеры 18, 19, направляющие лопасти или лопасть 20, и части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 10, предпочтительно расположенные заподлицо с первым электродом 2, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.Moreover, the optimized value of the capacitance of the
В процессе работы через контейнеры 10, концевые части 29 которых герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1, например, посредством соединительного устройства 31 (Фиг.2), осуществляют проток электрически прочной среды, в частности воздуха. За счет этого охлаждают конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, а также устраняют озон или возможность его образования в контейнерах 10.In the process, through the
В предложенной конструкции лазера достигается малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам 11 за счет введения герметичных высоковольтных токовводов 21, снабженных керамическими изоляторами 22, и протяженных заземленных токопроводов 23. Это значительно уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11, увеличивает скорость нарастания электрического поля и повышает величину напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.In the proposed laser design, a low-inductance connection of the switching
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 10 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизации 6, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ предыонизацию. При этом упрощается схема импульсного источника питания 15 и устраняется необходимость специальных изолированных токовводов в лазерной камере 1 для питания блока предыонизации 6. Все это упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера.Placing at least one
Выполнение токовводов 21 лазерной камеры и токовводов 12, 13, 27 керамических контейнеров 10 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы.The implementation of the current leads 21 of the laser chamber and the current leads 12, 13, 27 of the
Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных керамическими, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.The use of
Форма контейнеров 10 в виде прямоугольных труб (Фиг.1, 2, 4, 5, 9) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 24, 25 контейнеров 10, расположенные заподлицо с первым электродом, образуя вблизи него расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока, позволяют эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4, что позволяет реализовать высокоэффективный режим работы лазера с высокой средней мощностью излучения.The shape of the
В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок предыонизации 5 содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика. Применение для предыонизации УФ излучения скользящего разряда (Фиг.1, 3, 4, 6-10) в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 7 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является преимуществом предыонизации данного типа.In a preferred embodiment, the
При ограничении амплитуды напряжения разряд по поверхности диэлектрика может быть коронным. В соответствии с этим блок предыонизации 6 может содержать систему формирования коронного разряда.If the voltage amplitude is limited, the discharge along the surface of the dielectric can be corona. In accordance with this
Герметизация предложенным образом контейнеров 10 на торцах 30 лазерной камеры 1 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздух через конденсаторы 11, 26, охлаждать их и устранять образующийся в контейнерах 10 озон или предотвращать возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме. Использование соединительного устройства 31 обеспечивает многовариантность и универсальность конструкции крепления контейнеров различной формы и их размещение вблизи оптических окон 32 лазера. При этом достигается компактность конструкции лазера и малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокого КПД лазера. В других вариантах концевые части 29 контейнеров могут быть выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены на них.The sealing of the
Для герметизации лазерной камеры и ее элементов могут использоваться уплотнительные прокладки либо из металла, либо из галогеностойкого эластомера в соответствии с двумя принятыми для герметизации эксимерных лазеров технологиями герметизации, обеспечивающими большое время жизни газовой смеси.To seal the laser chamber and its elements, gaskets made of either metal or a halogen-resistant elastomer can be used in accordance with two sealing technologies adopted for sealing excimer lasers, which ensure a long lifetime of the gas mixture.
В варианте лазера либо первый электрод (Фиг.3, 8-10), либо второй электрод (Фиг.7) выполнен частично прозрачным за счет наличия на его рабочей поверхности щелевых окон 33. При этом блок предыонизации 6 установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода. Как вариант исполнения, блок предыонизации 6 выполнен в виде компактной симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической, преимущественно сапфировой пластины 7, покрывающей инициирующий электрод 8, на поверхности которой установлен поджигающий электрод 9.In the laser embodiment, either the first electrode (Fig. 3, 8-10) or the second electrode (Fig. 7) is partially transparent due to the presence of slit windows 33 on its working surface. In this case, the
В этих вариантах изобретения при работе лазера предыонизация области разряда 4 осуществляется УФ излучением блока предыонизации 6 через частично прозрачный электрод с щелевыми окнами прозрачности 33 (Фиг.3), в остальном работа лазера не отличается от описанной ранее.In these embodiments of the invention, when the laser is operated, the preionization of the
Применение частично прозрачного электрода позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера и высокой эффективности смены газа в области разряда 4, то есть с малым, ~1, коэффициентом смены газа К, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера. В результате достигается увеличение энергии генерации и мощности лазерного излучения при высоком КПД лазера.The use of a partially transparent electrode makes it possible to realize a wide-aperture uniform volume discharge with a compact low-inductance laser discharge system and high gas change efficiency in the region of
В вариантах лазера контейнеры имеют форму круглых труб (Фиг.3, 7, 8, 10), что обеспечивает простоту их конструкции, наибольшую механическую прочность и, соответственно, надежность керамических контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением газовой смеси лазера.In the laser variants, the containers have the shape of round tubes (Figs. 3, 7, 8, 10), which ensures the simplicity of their design, the greatest mechanical strength and, accordingly, the reliability of ceramic containers loaded with high external pressure of the laser gas mixture.
Пример 1 осуществления изобретения. Примером практического осуществления изобретения является мощный эксимерный лазер с возможностью генерации на молекулярном фторе, характеризующийся высокой, до 5 кГц, частотой следования импульсов. Устройство лазера аналогично показанному на Фиг.1, 2. Диаметр металлическоой лазерной камеры составлял 370 мм. Керамические контейнеры в форме квадратных труб были герметично закреплены на торцах камеры посредством соединительного устройства. Через торцы керамических контейнеров 10 посредством вентилятора осуществлялся продув конденсаторов и вспомогательных конденсаторов воздухом. При объеме разряда 1.3×18×580 мм3 мощность лазера при генерации на ArF достигала 160 Вт при частоте повторения импульсов f=5000 Гц с КПД «от розетки» 1,6%. При увеличении длины разряда до ~1 м ожидаемая мощность ArF лазера составит более 250 Вт. При генерации на KrF мощность лазера была примерно в два раза выше.Example 1 of the invention. An example of a practical implementation of the invention is a powerful excimer laser with the possibility of generation on molecular fluorine, characterized by a high pulse repetition rate up to 5 kHz. The laser device is similar to that shown in FIGS. 1, 2. The diameter of the metal laser chamber was 370 mm. Ceramic containers in the form of square tubes were hermetically fixed to the ends of the chamber by means of a connecting device. Through the ends of the
Пример 2 осуществления изобретения. Другим примером практического осуществления изобретения является мощный широкоапертурный эксимерный лазер XeCl лазер. Устройство лазера аналогично показанному на Фиг.3. Диаметр металлической лазерной камеры составлял 580 мм, керамические контейнеры были выполнены в виде круглых цилиндрических труб, выведенных через торцы лазерной камеры и герметично закрепленных на них. При объеме разряда 23×50×690 мм3 мощность лазера достигала 420 Вт при f=350 Гц с КПД «от розетки» 2%. При увеличении длины разряда до ~1 м ожидаемая мощность XeCl лазера составит около 600 Вт.Example 2 of the invention. Another example of the practical implementation of the invention is a powerful wide-aperture excimer laser XeCl laser. The laser device is similar to that shown in Fig.3. The diameter of the metal laser chamber was 580 mm, the ceramic containers were made in the form of round cylindrical tubes brought out through the ends of the laser chamber and hermetically fixed to them. With a discharge volume of 23 × 50 × 690 mm 3 , the laser power reached 420 W at f = 350 Hz with an efficiency of 2% from the outlet. With an increase in the discharge length to ~ 1 m, the expected XeCl laser power will be about 600 W.
Приведенные примеры и другие экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что предложенная в соответствии с настоящим изобретением конструкция лазеров с использованием металлической лазерной камеры и керамических контейнеров с размещенными в них конденсаторами, расположенными в непосредственной близости от области разряда, позволяет реализовать серию мощных высокоэффективных высокостабильных эксимерных лазеров с различными сочетаниями длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов. При этом предложенная конструкция лазеров отличается достаточной простотой и технологичностью, а также малой стоимостью, обеспечивает большое время жизни газовой смеси, однородный высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличения апертуры лазера, энергии генерации и мощности при высокой эффективности.The above examples and other experimental results indicate that the design of the lasers proposed in accordance with the present invention using a metal laser camera and ceramic containers with capacitors located in them in the immediate vicinity of the discharge region makes it possible to realize a series of powerful highly efficient highly stable excimer lasers with various combinations of radiation wavelength, generation energy and pulse repetition rate. At the same time, the proposed design of the lasers is distinguished by sufficient simplicity and manufacturability, as well as low cost, provides a long lifetime of the gas mixture, a uniform high-speed gas flow between the electrodes, a low inductance of the discharge circuit, the possibility of increasing the laser aperture, generation energy, and power at high efficiency.
Следующие варианты реализации изобретения позволяют ему приобрести новые положительные качества.The following embodiments of the invention allow him to acquire new positive qualities.
Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации может достигаться и без использования достаточно сложных в изготовлении частично прозрачных электродов. В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг.4, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными, а два блока предыонизации расположены по бокам первого электрода 2. Каждый из двух идентичных блоков предыонизации 6 выполнен в виде системы формирования скользящего разряда, аналогичной изображенной на Фиг.1 и описанной выше. Такой тип разрядной системы (Фиг.4 и Фиг.6) позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при использовании сплошных электродов 2, 3 простой конструкции.An increase in the discharge aperture and an increase in the generation energy can be achieved without the use of partially transparent electrodes that are quite difficult to manufacture. In the embodiments of the invention illustrated in FIG. 4, the
В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг.4, 5, с целью уменьшения индуктивности разрядного контура возможно еще большее приближение конденсаторов 11 к области разряда 4. В этих вариантах, по меньшей мере, части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 10 размещены сбоку от области разряда 4, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4.In the embodiments of the invention illustrated in FIGS. 4, 5, in order to reduce the inductance of the discharge circuit, the
В такой разрядной конфигурации, аналогичной реализуемой в лазере, известном из US Patent 6757315, а также в лазерной системе VYPER, направление газового потока достаточно резко меняет направление, проходя через область разряда 4. Такая геометрия газового потока может быть эффективна, поскольку она легко устраняет нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода после прохождения потоком области разряда 4. Настоящее изобретение позволяет в более широких пределах оптимизировать геометрию газового потока, по сравнению с указанным аналогом. Кроме этого, за счет размещения керамических контейнеров 10 по бокам области разряда 4, расположенные в них конденсаторы 11 могут быть максимально приближены к области разряда 4. При этом в предложенном изобретении стенка контейнера может быть тоньше, чем стенка разрядной камеры лазеров, известных из US Patent 6757315 и применяемых в мощной лазерной системе VYPER. Соответственно, индуктивность разрядного контура может быть уменьшена, что обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации.In such a discharge configuration, similar to that implemented in a laser known from US Patent 6757315, as well as in the VYPER laser system, the direction of the gas flow changes enough direction passing through the
На Фиг.5 блок предыонизации 6 включает в себя расположенные по бокам первого электрода 2 две идентичные системы формирования протяженного коронного разряда, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической трубки 34 из керамики Al2O3 или сапфира, внутренняя поверхность которой совмещена с поверхностью размещенного в диэлектрической трубке 34 внутреннего электрода 35, который с торца трубки электрически связан с противоположным вторым электродом 3 лазера (соединение для упрощения не показано).5, the
В варианте лазера, показанном на Фиг.5, при подаче напряжения на первый электрод 2 автоматически осуществляется коронный разряд между электродом 2 и внутренним электродом 35 каждого блока предыонизации 6 через диэлектрический барьер трубки 34. УФ излучение коронных разрядов по бокам электрода 2 лазера осуществляет предыонизацию области разряда 4. В остальном работа лазера осуществляется аналогично тому, как описано выше.In the laser embodiment shown in FIG. 5, when a voltage is applied to the
Использование для предыонизации двух идентичных компактных систем формирования протяженного коронного разряда (Фиг.5) позволяет упростить разрядную систему лазера и уменьшить индуктивность разрядного контура.Using for preionization of two identical compact systems for the formation of an extended corona discharge (Figure 5) allows us to simplify the discharge system of the laser and reduce the inductance of the discharge circuit.
В целом, размещение, по меньшей мере, части, по меньшей мере, одного протяженного керамического контейнера сбоку от области разряда, как это иллюстрируется Фиг.4, 5, позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура, что увеличивает эффективность лазера.In General, the placement of at least part of at least one extended ceramic container on the side of the discharge region, as illustrated in Figures 4, 5, allows to minimize the discharge circuit inductance, which increases the laser efficiency.
На Фиг.6 представлен вариант реализации изобретения, в котором вблизи первого электрода 2 установлен один протяженный керамический контейнер 10, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен первый электрод 2. Наряду с электродом 2 в нише 36 размещены два идентичных блока предыонизации 6. Первый электрод 2 предпочтительно расположен заподлицо с частями 24, 25 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда и образующими направляющие газового потока вниз и вверх по потоку от первого электрода 2. Данный вариант изобретения позволяет оптимизировать форму керамического контейнера 10 для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда, обеспечения малой индуктивности разрядного контура, увеличения количества и энергозапаса размещаемых в нем конденсаторов 11.Figure 6 presents an embodiment of the invention in which, near the
Оптимизированная с точки зрения повышения мощности лазера форма контейнера 10 (Фиг.6) отличается от использующейся в прототипе формы круглого цилиндра. Это обусловливает повышенные механические напряжения в контейнере 10, вызываемые давлением газовой смеси в лазерной камере. Для снижения механических нагрузок в процессе работы такой контейнер 10 в соответствии с вариантами реализации изобретения заполнен либо газообразной (например, азот), либо жидкой (например, Galden Fluid) электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере 1. При этом к торцам контейнера 10 герметично подсоединена система 38 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере 1, выполненная с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37, что, при необходимости, позволяет поддерживать оптимальные условия работы конденсаторов 11, 26 в режиме с высокой частотой повторения импульсов.Optimized from the point of view of increasing laser power, the shape of the container 10 (Fig.6) differs from that used in the prototype round cylinder shape. This causes increased mechanical stresses in the
В данном варианте изобретения в процессе работы лазера с помощью системы 38 поддерживают давление электрически прочной среды 37, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер 10 с размещенными в нем конденсаторами 11, близким к давлению газа в лазерной камере 1.In this embodiment of the invention, during the operation of the laser using the
Все это позволяет повысить энергию генерации и среднюю мощность лазера при высоком КПД.All this makes it possible to increase the generation energy and the average laser power at high efficiency.
Другие варианты реализации изобретения нацелены на дальнейшее увеличение апертуры разряда, энергии генерации и мощности лазера. В этих вариантах, иллюстрируемых Фиг.7, а также Фиг.8, Фиг.10, вблизи второго электрода 3 установлены либо два протяженных дополнительных керамических контейнера 39 (Фиг.7, Фиг.10), либо один протяженный дополнительный керамический контейнер 39 (Фиг.8). Каждый дополнительный керамический контейнер 39 расположен преимущественно с нерабочей стороны второго электрода 3. В каждом дополнительном контейнере 39 размещены дополнительные конденсаторы 40. В стенках каждого дополнительного контейнера 39 вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы 41 и заземленные токовводы 42. Конденсаторы 11 подключены ко второму электроду 3 через заземленные газопроницаемые токопроводы 14, вогнутые в сторону области разряда 4, через токовводы 41, 42 каждого дополнительного контейнера 39 и дополнительные конденсаторы 40. Снаружи лазерной камеры 1 размещен дополнительный источник питания 47, полярность которого противоположна полярности источника питания 15. Дополнительный источник питания 47 предпочтительно подключен к дополнительным конденсаторам 39 с торцов каждого дополнительного контейнера 39. Концевые части каждого дополнительного керамического контейнера 39 герметично закреплены на торцах металлической лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера (не показано). При этом части поверхности 44, 45 каждого дополнительного контейнера 39, обращенные к разрядной области 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока. В вариантах изобретения, по меньшей мере, один дополнительный контейнер 39 выполнен в форме либо круглой (Фиг.7), либо прямоугольной (Фиг.8) трубы.Other embodiments of the invention are aimed at further increasing the discharge aperture, lasing energy and laser power. In these embodiments, illustrated in FIG. 7 as well as FIG. 8, FIG. 10, either two extended additional ceramic containers 39 (FIG. 7, FIG. 10) or one extended additional ceramic container 39 (FIG. .8). Each additional
В вариантах изобретения, как показано на Фиг.7, по меньшей мере, один блок предыонизации 6 размещен в непосредственной близости от второго электрода 3, и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере 39, вдоль его длины, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27 и размещены вспомогательные конденсаторы 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации 6 через вспомогательные токовводы 27.In the embodiments of the invention, as shown in FIG. 7, at least one
Способ генерации лазерного излучения в этих вариантах изобретения (Фиг.7, 8) осуществляют следующим образом. Включают дополнительный источник питания 43 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 39 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 40 сравнительно медленно, поскольку индуктивность электрического контура их зарядки относительно велика. В варианте реализации изобретения (Фиг.7) с момента включения дополнительного источника питания 43 производят автоматическую предыонизацию за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 26 через вспомогательный разрядный промежуток или промежутки блока предыонизации 6. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11, включают источник питания 15 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 11 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 40. К моменту одновременного окончания зарядки конденсаторов 11 и дополнительных конденсаторов 40 осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 11 и дополнительные конденсаторы 40, последовательно соединенные между собой через заземленные газопроницаемые токопроводы 14, вогнутые в сторону области разряда, и токовводы 12, 13 и 41, 42 контейнеров 10 и дополнительных контейнеров 39. В результате получают генерацию лазерного излучения. После того как система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3, цикл работы лазера повторяют.The method of generating laser radiation in these embodiments of the invention (Fig.7, 8) is as follows. An
Введение дополнительных керамических контейнеров 39 с размещенными в них дополнительными конденсаторами 40 позволяет значительно, примерно вдвое по сравнению с вариантами реализации устройства, представленного на Фиг.1-5, увеличить суммарную энергию, запасаемую в конденсаторах, подключенных к первому и второму электродам лазера 2, 3. Это значительно, примерно вдвое, позволяет увеличить энергию генерации лазера.The introduction of additional
Введение для зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительного источника питания 43, полярность которого противоположна полярности источника питания 15, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазера, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать его индуктивность. Это реализует возможность увеличить длину электродов и повысить энергию генерации лазера при малой индуктивности разрядного контура и высоком КПД лазера. Кроме этого, за счет значительного снижения напряжения, упрощается эксплуатация лазера и повышается его надежность.Introduction for charging
Герметичное закрепление каждого дополнительного керамического контейнера 39 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздуха, через конденсаторы 40, 26, охлаждать их и устранять образующийся в контейнерах 39 озон. Это обеспечивает высокоэффективную надежную и стабильную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме. Кроме этого, реализуется возможность зарядки дополнительных конденсаторов 40 с торцов каждого дополнительного контейнера 39.The tight fastening of each additional
Осуществление зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительным источником питания 43 с торцов каждого дополнительного контейнера 39 конструктивно наиболее просто. Поскольку индуктивность контура и время зарядки дополнительных конденсаторов 40 больше, чем конденсаторов 11, для достижения максимальной скорости нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда и обеспечения однородного устойчивого разряда источник питания 15 включают с указанной временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника 43.The implementation of charging
Применение дополнительных контейнеров 39 в виде круглых цилиндрических труб (Фиг.7) обеспечивает наибольшую простоту их конструкции, механическую прочность и, соответственно, надежность керамических контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением.The use of
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.8, введена дополнительная система циркуляции газа, содержащая дополнительный диаметральный вентилятор 46, охлаждаемые водой дополнительные трубки 47 теплообменника, систему дополнительных направляющих лопастей и спойлеров 48, 49, 50. За счет этого значительно повышается скорость смены газа между первым и вторым электродами 2, 3 и улучшается охлаждение газовой смеси, что позволяет увеличить частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера.In the embodiment of the invention shown in Fig. 8, an additional gas circulation system is introduced, comprising an additional
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.8, блок предыонизации 6 расположен вблизи первого электрода. Для данного варианта изобретения предыонизацию осуществляют автоматически с момента включения источника питания 15 с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11. Предыонизацию осуществляют производя быструю импульсную зарядку вспомогательных конденсаторов 26 через разрядный промежуток блока предыонизации 6. Это способствует повышению однородности вспомогательного разряда, и как следствие, повышает однородность и устойчивость основного разряда. В остальном лазер функционирует, как описано выше.In the embodiment of the invention shown in FIG. 8, the
Возможность предложенной в этом варианте изобретения высокоэффективной автоматической предыонизации с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, то есть после начала роста разрядного напряжения, не является очевидным. Однако, в соответствии с опытными данными, эффективная предыонизация в таком режиме может быть осуществлена. Это связано с тем, что газовые смеси эксимерных лазеров отличаются высокой скоростью прилипания электронов к донорам галогенов HCl, F2, зависящей от величины напряженности электрического поля между первым и вторым электродами 2, 3. В связи с этим предыонизация может обеспечивать максимальный КПД лазера при ее включении с момента достижения величины напряжения на электродах 2, 3 лазера, при которой частота ионизации газа электрическим полем начинает преобладать над частотой прилипания электронов к донорам галогенов. В соответствии с опытными данными, для характерных времен ~180 не роста напряжения от нулевого уровня до пробойного, задержка начала максимально эффективной предыонизации относительно начала роста разрядного напряжения для XeCl лазера достигает 50 нс. Задержка может быть увеличена, если скорость роста напряжения до момента включения блока предыонизации ниже. Таким образом, при времени зарядки конденсаторов ~180 нс время зарядки дополнительных конденсаторов 40 может быть существенно больше 230 нс, обеспечивая в соответствии с предложенным вариантом способа генерации лазерного излучения высокоэффективную автоматическую предыонизацию у первого электрода 2.The possibility of a highly effective automatic preionization proposed in this embodiment of the invention with a time delay with respect to the moment of switching on the
Введение предложенного количества (либо один, либо два) дополнительных керамических контейнеров оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера. Выполнение высоковольтных и заземленных токовводов 41, 42 дополнительных керамических контейнеров 39 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы. Для обеспечения малой индуктивности разрядного контура достаточно установки вдоль каждого дополнительного контейнера 39 по двенадцать высоковольтных и заземленных токовводов 41, 42 в расчете на 1 м длины электродов.The introduction of the proposed number (either one or two) of additional ceramic containers is optimal to ensure the simplicity of the design of a powerful high-energy laser. The implementation of high-voltage and grounded current leads 41, 42 of additional
Форма дополнительных контейнеров 39 в виде прямоугольных труб (Фиг.8) позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 44, 45 контейнеров 39, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа.The shape of the
В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг.7, Фиг.8, Фиг.10, форма заземленных газопроницаемых обратных токопроводов 14, вогнутых в сторону области разряда 4, соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности. В связи с этим достигается уменьшение индуктивности разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4, что способствует достижению высокого КПД лазера.In the embodiments of the invention illustrated in FIGS. 7, 8, and 10, the shape of the grounded gas-
Все это обеспечивает возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.All this makes it possible to highly efficiently increase the generation energy and laser power.
Варианты изобретения, направленные на дальнейшее повышение энергии и мощности лазерного излучения, относятся к лазерной системе. Двухлучевая лазерная система, схематично показанная на Фиг.9, содержит шасси 51, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением и описанные выше первый лазер 52 и идентичный первому второй лазер 53. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 54. Выводы 55, 56 общего источника питания 54 малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 11 каждого из лазеров 52, 53. Предпочтительно, что общий источник питания 54 включает в себя систему компрессии импульсов накачки лазеров 52, 53, содержащую два малоиндуктивных насыщаемых дросселя 57, 58, выводы которых совмещены с высоковольтными выводами 55, 56 общего источника питания 54. Между конденсаторами 11 второго лазера 53 и общим источником питания 54 может быть введена линия задержки 60. При этом линия задержки 60 может быть совмещена с насыщаемым дросселем 58 общего источника питания 54.Variants of the invention, aimed at further increasing the energy and power of laser radiation, relate to the laser system. The double-beam laser system, schematically shown in Fig. 9, comprises a
В процессе работы двухлучевой лазерной системы в каждом из лазеров 52, 53 синхронизированно осуществляют предыонизацию газа между первым и вторым электродами 2, 3 и производят импульсную зарядку конденсаторов 11 от общего источника питания 54, установленного вместе с лазерами на шасси 51. Затем зажигают разряд между первым и вторым электродами 2, 3 и получают генерацию луча лазера в каждом из лазеров 52, 53. При этом импульсную зарядку конденсаторов 11 каждого из лазеров 52, 53 предпочтительно осуществляют через обеспечивающие компрессию импульсов накачки малоиндуктивные насыщаемые дроссели 57, 58, выводы которых совмещены с выводами 55, 56 общего источника питания 54. При необходимости с помощью линии задержки 60 регулируют время между срабатыванием лазеров 52, 53. В остальном работа каждого из лазеров 52, 53 не отличается от описанной выше, что позволяет получить в лазерной системе генерацию двух лучей лазера.During the operation of the two-beam laser system in each of the
Для применений могут использоваться либо два отдельных лазерных луча, либо один луч. В последнем случае совмещение двух лазерных лучей осуществляется в специальном оптическом модуле, размещаемом предпочтительно вне шасси 51.For applications, either two separate laser beams or one beam can be used. In the latter case, the combination of two laser beams is carried out in a special optical module, preferably placed outside the
При выполнении в указанном виде лазерная система позволяет вдвое, по сравнению с одиночным лазером, увеличить энергию генерации и мощность лазера при сохранении высокой эффективности преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения. При этом за счет использования шасси, обеспечивающего транспортабельность системы, и общего источника питания работа лазерной системы более проста по сравнению с использованием двух отдельных мощных лазеров. Кроме этого, достигается синхронизация работы двух лазеров, упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей в один.When performed in this form, the laser system allows you to double, compared with a single laser, to increase the generation energy and laser power while maintaining the high efficiency of converting electrical energy into laser radiation energy. Moreover, due to the use of the chassis, which ensures the transportability of the system, and a common power source, the operation of the laser system is simpler than using two separate powerful lasers. In addition, synchronization of the operation of two lasers is achieved, the possibility of combining two laser beams into one is simplified.
В вариантах изобретения, схематично показанном на Фиг.10, лазерная система содержит шасси 51, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением первый лазер 52 и идентичный первому второй лазер 53. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 54 и дополнительные источники питания первого и второго лазеров 52, 53 совмещены в общий дополнительный источник питания 59.In the embodiments of the invention schematically shown in FIG. 10, the laser system comprises a
В соответствии с одним из вариантов изобретения в лазерах вблизи второго электрода 3 установлен один дополнительный керамический контейнер 39, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен второй электрод 3 (Фиг.10). Это позволяет формировать высокоскоростной поток газа между первым и вторым электродами 2, 3, давая возможность увеличить частоту следования импульсов и повысить среднюю мощность излучения лазера.In accordance with one embodiment of the invention, one additional
Также в соответствии с одним из вариантов изобретения в каждом лазере дополнительный керамический контейнер 39 заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, и к торцам каждого дополнительного контейнера 39, заполненного электрически прочной средой 37, герметично подсоединена система 38 поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37. Это позволяет оптимизировать с точки зрения повышения мощности лазера форму дополнительного контейнера, обеспечив при этом его надежность за счет снижения механических нагрузок.Also, in accordance with one embodiment of the invention, in each laser, the additional
В этом варианте изобретения (Фиг.10) работу лазерной системы реализуют следующим образом. Включают общий дополнительный источник питания 59 и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера 48 каждого лазера 52, 53 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 40. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 40 и конденсаторов 11, включают общий источник питания 54. После насыщения малоиндуктивных дросселей 57, 58 через выводы 55, 56 общего источника питания 54 осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 11 каждого из лазеров 52, 53 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 40. Одновременно осуществляют автоматическую предыонизацию газа в области разряда 4. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 11 и дополнительных конденсаторов 40 осуществляют разряды в первом и втором лазерах 52, 53 между высоковольтными первым 2 и вторым 3 электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 11, дополнительные конденсаторы 40, газопроницаемые обратные токопроводы 14 и токовводы 12, 13, 41, 42 контейнеров 10 и дополнительных контейнеров 39, что позволяет получить генерацию излучения в каждом из лазеров 52, 53.In this embodiment of the invention (FIG. 10), the operation of the laser system is implemented as follows. The common additional power source 59 is turned on and the
Варианты изобретения, иллюстрируемые Фиг.10, позволяют повысить энергию генерации и мощность лазерной системы за счет использования в ее составе наиболее высокоэнергетичных и мощных лазеров.The embodiments of the invention illustrated in FIG. 10 make it possible to increase the generation energy and power of the laser system due to the use of the most high-energy and powerful lasers in its composition.
Следующие варианты изобретения направлены на более чем двойное повышение мощности излучения лазерной системы по сравнению с мощностью каждого из двух входящих в ее состав лазеров.The following variants of the invention are aimed at more than a twofold increase in the radiation power of the laser system compared to the power of each of the two lasers included in it.
В этих вариантах изобретения в лазерной системе (Фиг.9, Фиг.10) между конденсаторами 11 второго лазера 53 и общим источником питания 54 введена линия задержки 60, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере 53 на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 52. В этих вариантах изобретения, как иллюстрируется блок-схемой Фиг.11, на шасси 51 размещена система оптической связи 61 между двумя лазерами 52, 53, обеспечивающая инжекцию во второй лазер 53 внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера 52.In these embodiments of the invention, a
Система оптической связи 61 между лазерами 52, 53 может быть размещена либо внутри, либо снаружи (Фиг.11) зеркал 62, 63 резонатора каждого лазера. В качестве варианта реализации изобретения система оптической связи 61 может включать в себя пластины 64, 65, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и полностью отражающие зеркала 66, 67, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерами 52, 53.The
В промышленном производстве с использованием лазерного излучения могут применяться либо два отдельных лазерных луча 68, 69, либо один луч 70. В последнем случае совмещение двух лазерных лучей 68, 69 осуществляется вне шасси 51 лазерной системы в оптическом модуле 71.In industrial production using laser radiation, either two
В этих вариантах изобретения способ генерации лазерного излучения посредством лазерной системы (Фиг.9, 10, 11) осуществляют следующим образом. За счет линии задержки 60 между источником питания 54 и вторым лазером 53, разряд во втором лазере 53 зажигают с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала (менее десятков нс) между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 52. С помощью системы оптической связи 61, включающей, например, просветленные с одной стороны пластины 64, 65 и полностью отражающие зеркала 66, 67 (Фиг.11) производят инжекцию во второй лазер 53 внешнего оптического сигнала. Внешний оптический сигнал представляет собой малую часть лазерного излучения, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 62, 63 первого лазера 52. За счет инжекции внешнего оптического сигнала снижают порог генерации во втором лазере 53. Системой оптической связи 61 на завершающем этапе разряда в первом лазере 52 обеспечивают инжекцию в него внешнего оптического сигнала от второго лазера 53. При необходимости совмещение двух параллельных лазерных лучей 68, 69 в один лазерный луч 70 осуществляют в оптическом модуле 71. После того, как в каждом лазере система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3, цикл работы лазерной системы повторяют.In these embodiments of the invention, a method for generating laser radiation by means of a laser system (Figs. 9, 10, 11) is carried out as follows. Due to the
При получении лазерной генерации предложенным способом снижается порог генерации во втором лазере за счет инжекции в него внешнего оптического сигнала сразу после зажигания в нем разряда. Это может увеличивать КПД второго лазера на ~30%. С другой стороны, инжекция внешнего оптического сигнала из второго лазера в первый лазерный модуль увеличивает часть энергии генерации первого лазерного модуля на завершающем этапе разряда.Upon receipt of laser generation by the proposed method, the generation threshold in the second laser is reduced due to the injection of an external optical signal immediately after ignition of the discharge in it. This can increase the efficiency of the second laser by ~ 30%. On the other hand, injection of an external optical signal from the second laser into the first laser module increases a portion of the generation energy of the first laser module at the final stage of the discharge.
Таким образом, при выполнении в указанном виде лазерная система и способ генерации лазерного излучения позволяют повысить эффективность лазерной системы в целом.Thus, when performed in the indicated form, the laser system and the method of generating laser radiation can improve the efficiency of the laser system as a whole.
При выполнении в соответствии с настоящим изобретением газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, а также лазерные системы, приобретают существенные новые положительные качества.When carried out in accordance with the present invention, a gas discharge, in particular an excimer laser or a molecular fluorine laser, as well as laser systems, acquire significant new positive qualities.
Применение высоковольтных токовводов 21, снабженных керамическими изоляторами 22, заземленных токопроводов 23 и токовводов 12, 13 каждого керамического контейнера 10 обеспечивает малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам 11, размещенным в керамических контейнерах 10 (Фиг.1-10). За счет этого достигается увеличение скорости нарастания электрического поля и повышение величины напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте следования импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются эксплуатационные расходы.The use of high-voltage current leads 21 equipped with
Герметичное закрепление каждого керамического контейнера 10 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет осуществлять в процессе работы лазера проток электрически прочной среды, например воздуха, через конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, охлаждать их, устранять образующийся в контейнерах 10 озон или предотвращать возможность его образования (Фиг.2). Все это обеспечивает высокоэффективную надежную и стабильную работу лазера предложенной конструкции в долговременном режиме.The tight fastening of each
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере вспомогательных конденсаторов 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные герметичные токовводы контейнера с емкостью, многократно меньшей емкости конденсаторов 11, упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера за счет реализации автоматической предыонизации (Фиг.1-10). Малая емкость вспомогательных конденсаторов 26, достаточная для высокоэффективной высокостабильной работы лазера, обеспечивает большое время жизни блока предыонизации, газовой смеси и лазера в целом.The placement of
Варианты изобретения (Фиг.1-3, 6-10), в которых части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 10, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи него расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока, позволяют формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4 для реализации режима работы с высокой частотой повторения импульсов и высокой мощностью лазера.Variants of the invention (Figs. 1-3, 6-10), in which
В вариантах изобретения, в которых, по меньшей мере, части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 10 расположены по бокам области разряда 4, образуя расположенные вверх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4 (Фиг.4, 5), устраняется нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода 3. Кроме этого, данный вариант изобретения позволяет в более широких пределах, по сравнению с известными аналогами, оптимизировать геометрию газового потока. При этом за счет максимально близкого размещения конденсаторов 11 к области разряда 4 индуктивность разрядного контура может быть минимизирована, что обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.In embodiments of the invention in which at
Установка вблизи первого электрода 2 одного протяженного керамического контейнера 10, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу 36, в которой размещен первый электрод 2 заподлицо с частями 24, 25 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда 4 (Фиг.6), позволяет оптимизировать форму керамического контейнера для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда 4, обеспечения малой индуктивности разрядного контура, увеличения количества и энергозапаса размещаемых в нем конденсаторов 11. Это также обеспечивает возможность увеличения КПД лазера, высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.The installation near the
Введение дополнительных керамических контейнеров 39 или контейнера 39 с размещенными в них дополнительными конденсаторами 40 (Фиг.7, 8) позволяет значительно, примерно вдвое по сравнению с вариантами реализации устройства, представленного на Фиг.1-5, увеличить суммарную энергию, запасаемую в конденсаторах, подключенных к первому и второму электродам лазера 2, 3. Это значительно, примерно вдвое, увеличивает энергию генерации лазера. При этом введение для зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительного источника питания 43, полярность которого противоположна полярности источника питания 15, значительно уменьшает разность потенциалов между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазера, что значительно снижает требования к электрической изоляции, позволяя уменьшить габариты элементов разрядного контура и минимизировать его индуктивность. Это реализует возможность увеличить длину электродов и повысить энергию генерации лазера при малой индуктивности разрядного контура и высоком КПД лазера. Кроме этого, за счет значительного снижения напряжения, упрощается эксплуатация лазера и повышается его надежность.The introduction of additional
Осуществление зарядки дополнительных конденсаторов 40 дополнительным источником питания 43 с торцов каждого дополнительного контейнера 39 обеспечивает простоту конструкции мощного лазера. При этом включение источника питания с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 43, равной разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов 40 и времени зарядки конденсаторов 11, обеспечивает максимальную скорость нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда. В результате обеспечивается формирование однородного устойчивого объемного разряда лазера.The implementation of charging
Размещение дополнительных керамических контейнеров 39 таким образом, что их поверхности 44, 45, обращенные к области разряда 4, образуют вблизи второго электрода 3 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока (Фиг.7, 8), позволяет эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4 для реализации режима работы с высокой частотой повторения импульсов и высокой мощностью лазера.Placing additional
Выполнение газопроницаемых обратных токопроводов 14 вогнутыми в сторону области разряда 4 (Фиг.7, 8), что соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности, позволяет уменьшить индуктивность разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4. Это способствует достижению высокого КПД лазера и обеспечивает возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.The implementation of gas-
При размещении, по меньшей мере, одного блока предыонизации 6 в непосредственной близости от второго электрода 3, и установка, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере 39 вдоль его длины вспомогательных герметичных токовводов 27 и размещение в нем вспомогательных конденсаторов 26, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные токовводы 27 (Фиг.7), позволяет осуществлять автоматическую предыонизацию со стороны второго электрода, что может быть оптимально в некоторых вариантах изобретения.When placing at least one
Установка вблизи второго электрода 3 одного дополнительного керамического контейнера 39, поверхность которого, обращенная к разрядной области 4, имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод 2 заподлицо с частями 44, 55 керамического контейнера 10, обращенными к области разряда 4 (Фиг.10), позволяет оптимизировать форму дополнительного керамического контейнера для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда 4 и обеспечения малой индуктивности разрядного контура. Это также обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.The installation near the
Введение в некоторых вариантах изобретения дополнительной системы циркуляции газа (Фиг.8) значительно повышает скорость смены газа между первым и вторым электродами 2, 3 и улучшает охлаждение газовой смеси, что позволяет увеличить частоту повторения импульсов и среднюю мощность лазера.The introduction in some embodiments of the invention of an additional gas circulation system (Fig. 8) significantly increases the gas change rate between the first and
Выполнение в вариантах изобретения первого и второго электродов сплошными (Фиг.1, 2, 4, 5) и установка, по меньшей мере, одного блока предыонизации сбоку либо первого электрода (Фиг.4, 5), либо второго электрода (Фиг.1, 2) позволяет упростить и удешевить конструкцию электродной системы мощного лазера.The implementation in the embodiments of the invention of the first and second electrodes solid (Fig. 1, 2, 4, 5) and installation of at least one preionization unit on the side of either the first electrode (Fig. 4, 5) or the second electrode (Fig. 1, 2) allows to simplify and reduce the cost of the design of the electrode system of a powerful laser.
Выполнение в вариантах изобретения либо первого электрода (Фиг.3, 8-10), либо второго электрода (Фиг.7) частично прозрачным с блоком предыонизации, установленным с обратной стороны частично прозрачного электрода, позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе лазера. Такая разрядная система характеризуется высокой эффективностью смены газа в области разряда 4, то есть малым, ~1, коэффициентом К смены газа, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера.The implementation in embodiments of the invention of either the first electrode (Fig. 3, 8-10) or the second electrode (Fig. 7) partially transparent with a preionization unit mounted on the back side of the partially transparent electrode, allows for a wide-aperture uniform volume discharge with a compact low-inductance discharge system laser. Such a discharge system is characterized by a high efficiency of gas change in the region of
Использование в предпочтительных вариантах изобретения блока предыонизации, содержащего систему формирования протяженного однородного скользящего разряда в виде плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) (Фиг.1-4, 6-10), позволяет реализовать в области разряда 4 однородную предыонизацию оптимально высокого уровня. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы мощного лазера в долговременном режиме.The use in preferred embodiments of the invention of a preionization unit containing a system for generating an extended uniform sliding discharge in the form of a plasma sheet on the surface of a dielectric (sapphire) (Figs. 1-4, 6-10) allows for the realization of a uniformly high level homogeneous preionization in the region of
Применение в некоторых вариантах изобретения блоков предыонизации, содержащих систему формирования коронного разряда (Фиг.5), позволяет в ряде случаев, не требующих высокой энергии генерации, упростить разрядную систему лазера.The use in some embodiments of the invention of preionization units containing a corona discharge forming system (FIG. 5) allows in some cases not requiring high generation energy to simplify the laser discharge system.
Выполнение керамических контейнеров 10 либо дополнительных керамических контейнеров 39 в виде круглых цилиндрических труб (Фиг.3, 8, 10) обеспечивает их наибольшую простоту, механическую прочность и надежность.The execution of
Выполнение в других вариантах изобретения керамических контейнеров 10 либо дополнительных керамических контейнеров 39 в виде прямоугольных труб (Фиг.3, 8, 10) позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 24, 25 керамических контейнеров 10 либо плоские протяженные части 44, 45 дополнительных керамических контейнеров 39, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа. Все это позволяет увеличить мощность лазера при при высоком КПД.The implementation in other embodiments of the invention of
Заполнение в соответствии с вариантами изобретения, по меньшей мере, одного керамического контейнера 10 или дополнительного керамического контейнера 39 либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой 37 под давлением, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере 1, позволяет оптимизировать с точки зрения повышения мощности лазера форму керамического контейнера, обеспечив при этом его надежность за счет снижения механических нагрузок (Фиг.6, 10). Герметичное подсоединение к торцам каждого керамического контейнера 39, заполненного электрически прочной средой 37, системы 38 поддержания давления, выполненной с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды 37, при необходимости позволяет поддерживать оптимальные условия работы конденсаторов 11, вспомогательных конденсаторов 26 и/или дополнительных конденсаторов 40 в режиме с высокой частотой повторения импульсов.Filling, in accordance with embodiments of the invention, of at least one
Использование лазерной системы с двумя идентичными лазерами, выполненными в соответствии с различными вариантами настоящего изобретения (Фиг.9, 10), позволяет, по меньшей мере, вдвое увеличить мощность лазерного излучения.The use of a laser system with two identical lasers made in accordance with various variants of the present invention (Figs. 9, 10) allows at least doubling the power of laser radiation.
За счет использования шасси 51, обеспечивающего транспортабельность лазерной системы, и общего источника питания 54 ее работа более проста по сравнению с использованием отдельных мощных лазеров. При этом упрощается синхронизация работы двух лазеров 52, 53, а также упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей в один лазерный луч.Due to the use of the
При введении линии задержки 60 в цепь зарядки конденсаторов 11 второго лазера 53, а также системы оптической связи 61 между лазерами 52, 53 за счет функционирования лазерной системы предложенным способом снижается порог генерации во втором лазере 53 за счет инжекции внешнего оптического сигнала сразу после зажигания в нем разряда (Фиг.11). Это может увеличивать энергию генерации во втором лазере 53 на ~30%, обеспечивая более чем двукратное повышение мощности излучения лазерной системы по сравнению с мощностью каждого из двух входящих в ее состав лазеров 52, 53 и, в целом, повышение КПД лазерной системы.When the
Таким образом, выполнение газоразрядного, в частности, эксимерного лазера, лазерной системы и способов генерации излучения в предложенном виде позволяет при простой и надежной конструкции лазерной камеры значительно увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком КПД лазера или лазерной системы, а также уменьшить эксплуатационные расходы.Thus, the implementation of the gas-discharge, in particular, excimer laser, laser system and methods of generating radiation in the proposed form allows for a simple and reliable design of the laser camera to significantly increase the generation energy and average laser radiation power at high efficiency of the laser or laser system, as well as reduce operational costs.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY
Предложенные изобретения позволяют создать наиболее высокоэнергетичные, мощные и высокоэффективные эксимерные лазеры и лазерные системы с различными сочетаниями длины волны излучения (от 157 до 351 нм), энергии генерации (от ~0.01 до более 2 Дж/импульс) и частоты следования импульсов (от ~300 Гц до ~6000 Гц) для крупных промышленных производств, научных исследований и других применений. К ним относятся: производство плоских LCD и OLED дисплеев методом лазерного отжига, модификация и упрочнение поверхности, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции, экологический мониторинг с использованием мощных УФ лидаров, производство интегральных схем методом лазерной ВУФ литографии и др.The proposed inventions make it possible to create the most high-energy, powerful and highly efficient excimer lasers and laser systems with various combinations of the radiation wavelength (from 157 to 351 nm), generation energy (from ~ 0.01 to more than 2 J / pulse) and pulse repetition rate (from ~ 300 Hz to ~ 6000 Hz) for large industrial enterprises, scientific research and other applications. These include: the production of flat LCD and OLED displays by laser annealing, surface modification and hardening, 3D microprocessing of materials, the production of high-temperature superconductors by pulsed laser ablation, environmental monitoring using powerful UV lidars, the production of integrated circuits using laser VUV lithography, etc.
Список обозначенийList of Symbols
второго электрода partially transparent surfaces
Claims (27)
в каждом дополнительном керамическом контейнере (39) размещены дополнительные конденсаторы (40),
в стенках каждого дополнительного керамического контейнера (39) вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы (41) и заземленные токовводы (42),
при этом конденсаторы подключены ко второму электроду (3) через газопроницаемые обратные токопроводы (14), высоковольтные токовводы (41) и заземленные токовводы (42) каждого дополнительного контейнера (39) и дополнительные конденсаторы (40),
снаружи лазерной камеры (1) размещен подключенный к дополнительным конденсаторам (40) дополнительный источник питания (43), полярность которого противоположна полярности источника питания (15).6. The laser according to claim 1, in the chamber of which either one or two additional extended ceramic containers (39) are placed, each additional ceramic container (39) is located near the second electrode (2),
each additional ceramic container (39) contains additional capacitors (40),
in the walls of each additional ceramic container (39), sealed high-voltage current leads (41) and grounded current leads (42) are installed along it
the capacitors are connected to the second electrode (3) through gas-permeable return current leads (14), high voltage current leads (41) and grounded current leads (42) of each additional container (39) and additional capacitors (40),
outside the laser chamber (1) is placed connected to additional capacitors (40) an additional power source (43), the polarity of which is opposite to the polarity of the power source (15).
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131348/28A RU2507654C1 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation |
PCT/RU2013/000561 WO2014017951A1 (en) | 2012-07-23 | 2013-07-09 | Gas-discharge laser, laser system and method for generating radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131348/28A RU2507654C1 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012131348A RU2012131348A (en) | 2014-01-27 |
RU2507654C1 true RU2507654C1 (en) | 2014-02-20 |
Family
ID=49956999
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131348/28A RU2507654C1 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2507654C1 (en) |
WO (1) | WO2014017951A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2598142C2 (en) * | 2015-01-12 | 2016-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Powerful pulse-periodic excimer laser for technological applications |
RU2625076C1 (en) * | 2016-02-08 | 2017-07-11 | Николай Борисович Болотин | Combustion chamber of gas turbine engine and means of air activation |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6757315B1 (en) * | 1999-02-10 | 2004-06-29 | Lambda Physik Ag | Corona preionization assembly for a gas laser |
US20060222034A1 (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Cymer, Inc. | 6 Khz and above gas discharge laser system |
US7257144B2 (en) * | 2004-02-11 | 2007-08-14 | Photomedex | Rare gas-halogen excimer lasers with baffles |
RU2306649C2 (en) * | 2001-08-29 | 2007-09-20 | Саймер, Инк. | Set of extremely narrow-band two-chamber gas-discharge lasers characterized in high pulse repetition frequency |
RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06105804B2 (en) * | 1987-12-29 | 1994-12-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | Gas laser oscillator |
-
2012
- 2012-07-23 RU RU2012131348/28A patent/RU2507654C1/en not_active IP Right Cessation
-
2013
- 2013-07-09 WO PCT/RU2013/000561 patent/WO2014017951A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6757315B1 (en) * | 1999-02-10 | 2004-06-29 | Lambda Physik Ag | Corona preionization assembly for a gas laser |
RU2306649C2 (en) * | 2001-08-29 | 2007-09-20 | Саймер, Инк. | Set of extremely narrow-band two-chamber gas-discharge lasers characterized in high pulse repetition frequency |
US7257144B2 (en) * | 2004-02-11 | 2007-08-14 | Photomedex | Rare gas-halogen excimer lasers with baffles |
US20060222034A1 (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Cymer, Inc. | 6 Khz and above gas discharge laser system |
RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2598142C2 (en) * | 2015-01-12 | 2016-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Powerful pulse-periodic excimer laser for technological applications |
RU2625076C1 (en) * | 2016-02-08 | 2017-07-11 | Николай Борисович Болотин | Combustion chamber of gas turbine engine and means of air activation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014017951A1 (en) | 2014-01-30 |
RU2012131348A (en) | 2014-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5875207A (en) | Discharge arrangement for pulsed gas lasers | |
JP3353253B2 (en) | Gas pulse laser play-on device | |
US4393505A (en) | Gas discharge laser having a buffer gas of neon | |
RU2446530C1 (en) | Pulse-periodic gas-discharge laser | |
RU2507654C1 (en) | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation | |
US4709373A (en) | Laser excitation system | |
US4381564A (en) | Waveguide laser having a capacitively coupled discharge | |
Razhev et al. | Effect of the pump intensity on the efficiency of a KrF excimer electric-discharge laser on a He—Kr—F2 mixture | |
Panchenko et al. | Laser on nitrogen-electronegative gas mixtures, pumped by inductive energy storage generator: Experiment and theoretical model | |
RU2517796C1 (en) | Apparatus for generating volumetric self-sustained discharge | |
RU2510109C1 (en) | Gas discharge laser and method of radiation generation | |
RU2557327C2 (en) | Gas-discharge excimer laser (versions) | |
RU2519869C2 (en) | Excimer laser system and method of generating radiation | |
Furuhashi et al. | Longitudinal discharge N2 laser with automatic preionization using an LC inversion circuit | |
RU2514159C2 (en) | Gas-discharge laser, laser system and method of generating radiation | |
RU2510110C1 (en) | Gas discharge laser | |
RU2519867C2 (en) | Gas-discharge laser | |
RU2503104C1 (en) | Gas-discharge laser | |
RU2531069C2 (en) | Gas-discharge laser system and method of generating radiation | |
RU2557325C2 (en) | Discharge system for excimer laser (versions) | |
RU2506671C1 (en) | Gas-discharge laser and method of generating radiation | |
Panchenko et al. | Efficient'Foton'electric-discharge KrCl laser | |
RU2507653C1 (en) | Gas discharge laser | |
RU2467442C1 (en) | Excimer laser | |
RU2321119C2 (en) | Excimer laser and method for stimulating its lasing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150724 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160420 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180724 |