WO2014017952A1

WO2014017952A1 - Газоразрядный лазер, лазерная система и способ генерации излучения

Info

Publication number: WO2014017952A1
Application number: PCT/RU2013/000562
Authority: WO
Inventors: Олег Борисович ХРИСТОФОРОВ
Original assignee: Khristoforov Oleg Borisovich
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2014-01-30
Also published as: RU2514159C2; RU2012131330A

Abstract

Изобретение направлено на увеличение мощности эксимерных лазеров и уменьшение затрат на получение энергии генерации. Указанный результат достигается за счет того, что жестко скрепленные торцевые фланцы (25) лазерной камеры (1) герметично уплотнены на наружной поверхности (29) керамической трубы (24) камеры, которая может быть выполнена из двух, либо из трех герметично скрепленных между собой керамических модулей (24а, 24b, 24c). В вариантах изобретения внутренняя стенка керамической трубы лазерной камеры имеет протяженную нишу (39), в которой установлен первый электрод (2) и блок предыонизации (5), а с наружной стороны керамической трубы (24) в ее стенке выполнены ячейки (44), в которые частично погружены конденсаторы (14), распределенные по длине лазера. В варианте лазера вблизи второго электрода (3) установлены протяженные контейнеры (50) с размещенными в них дополнительными конденсаторами (53), которые заряжают через торцы контейнеров (50) от дополнительного источника питания (54), имеющего полярность, противоположную полярности источника питания (20). Лазерная система содержит идентичные первый лазер (59), второй лазер (60) и систему оптической связи (68) между ними.

Description

Газоразрядный лазер, лазерная система и способ генерации излучения

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.

Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров, лазерных систем и способам генерации лазерного излучения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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), KrCI (222 нм), KrF (248 нм), ХеВг (282 нм), XeCI (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 XeCI лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D- 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.

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, Кг, Аг) с галогеносодержащими молекулами F₂, HCI при условиях ввода энергии в разряд, обеспечивающих высокую эффективность генерации лазерного излучения. Такой разряд принципиально неустойчив, и время сохранения объемным разрядом однородной формы обычно не превышает нескольких десятков наносекунд. При этом достижение высоких выходных характеристик определяется рядом 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 HCI, предъявляет жесткие требования к конструкционным материалам лазера.

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.

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.

Из патента US6782030 известен 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.

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 HCI 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.

Этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлического 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. 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.

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 компактный 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.

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.

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.

Частично этих недостатков лишен газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и заполненную газовой смесью, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, размещенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации ; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы , расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, патент ЕР1525646В1. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление предьюнизации газа между первым и вторым электродами, импульсную зарядку конденсаторов, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера.

Протяженная лазерная камера включает в себя круглую цилиндрическую трубу с равномерными внутренним и внешним диаметрами, выполненную из керамики. Выполнение лазерной камеры преимущественно керамической определяет возможность достижения высокого времени жизни газовой смеси эксимерного лазера, содержащей такие чрезвычайно химически активные компоненты, как F₂ или HCI. Для формирования потока газа в зоне разряда по обе стороны от первого электрода, расположенного на внутренней стенке цилиндрической трубы камеры, заподлицо с ним размещены протяженные керамические направляющие газового потока. В лазере реализуются возможность увеличения объема активной газовой среды при обеспечении высокого однородного уровня её предьюнизации, и высокая скорость прокачки газа между электродами. В результате достигается возможность увеличения энергии генерации и мощности импульсно - периодического эксимерного лазера.

Однако к настоящему времени не удалось реализовать изготовление цельных высококачественных труб больших размеров (например, диаметром 0,45 м и длиной 1,4 м) из керамики А1₂0₃ высокой (> 95%) чистоты с высокими физико-химическими свойствами и необходимой точностью обработки, требуемыми для камер эксимерного лазера. Реализация технологии их изготовления требует слишком больших вложений. Кроме этого, повышение энергии генерации лазера требует увеличения межэлектродного расстояния и повышения разрядного напряжения. Последнее требует увеличения расстояния между высоковольтными и заземленными электрическими вводами керамического лазерной камеры для предотвращения паразитных пробоев, что ведет к увеличению индуктивности разрядного контура и падению КПД лазера. С этой точки зрения геометрия лазерной камеры и разрядная система не полностью оптимизированы для достижения высокой энергии генерации и мощности лазера. В устройстве предусмотрены различные варианты снижения вызываемой давлением газа радиальной составляющей механической нагрузки на керамическую трубу камеры, однако возможности снижения продольной составляющей этой нагрузки не предложено.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание наиболее мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров и лазерных систем. 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.

Для решения указанной задачи предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: лазерную камеру, состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и заполненную газовой смесью, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, размещенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; набор конденсаторов, расположенных вне лазерной камеры и соединенных с первым и вторым электродами через электрические вводы лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор, при этом лазерная камера включает в себя керамическую трубу и два торцевых фланца, жестко скрепленных между собой посредством крепежной системы, протяженной вдоль керамической трубы, причем каждый из торцевых фланцев герметизирован с керамической трубой посредством уплотнительной кольцевой прокладки.

Предпочтительно, что кольцевая прокладка, посредством которой торцевой фланец герметизирован с керамической трубой, размещена на наружной поверхности концевой части керамической трубы,

Предпочтительно, что каждый торцевой фланец имеет на обратной стороне круговую нишу, в которой размещен торец керамической трубы, и торцевой фланец близко примыкает к керамической трубе только на ее наружной поверхности.

Предпочтительно, что наружная поверхность концевой части керамической трубы лазерной камеры имеет форму прямого круглого цилиндра.

Предпочтительно, что каждый из двух торцевых фланцев снабжен ответным фланцем, установленным на наружной поверхности концевой части керамической трубы и скрепленным с торцевым фланцем для уплотнения кольцевой прокладки.

В вариантах реализации изобретения керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку из галогеностойкого эластомера. В вариантах реализации изобретения керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, обеспечиваемым парой скрепленных между собой фланцев, при этом между скрепленными фланцами размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка из галогеностойкого эластомера, фланцы выполнены из диэлектрического материала, и каждый диэлектрический фланец установлен на части наружной поверхности одного из керамических модулей, примыкающей к стыку и имеющей форму прямого круглого цилиндра.

Предпочтительно, что каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев имеет либо плотную, либо скользящую посадку по наружной поверхности керамических модулей, выполняя функцию бандажного кольца в области стыка керамических модулей составной керамической трубы лазерной камеры.

В другом аспекте изобретение относится к лазеру, в котором лазерная камера включает в себя керамическую трубу с двумя торцевыми фланцами, которые жестко скреплены между собой посредством протяженной крепежной системы, при этом керамическая труба лазерной камеры имеет с внутренней стороны протяженную нишу, в которую установлен, по меньшей мере, первый электрод.

В вариантах изобретения части внутренней поверхности керамической трубы, примыкающие к протяженной нише, в которую установлен первый электрод, расположены заподлицо с первым электродом и образуют расположенные верх и вниз по потоку от первого электрода направляющие газового потока или спойлеры.

В других вариантах изобретения керамическая труба лазерной камеры имеет с внутренней стороны протяженную нишу, в которой, наряду с первым электродом размещена, по меньшей мере, часть области разряда, и внутренние грани ниши, расположенные по обе стороны области разряда образуют расположенные верх и вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.

Предпочтительно, что по обе стороны первого электрода с наружной стороны керамической трубы в ее стенке выполнены распределенные по длине керамической трубы, за исключением ее концевых частей, либо ниши, либо ячейки, в которые, по меньшей мере, частично, погружены конденсаторы.

В вариантах изобретения первый электрод примыкает своими боковыми гранями к внутренним граням протяженной ниши или находится в непосредственной близости от них. Предпочтительно, что в протяженной нише на внутренней поверхности керамической трубы наряду с первым электродом установлен, по меньшей мере, один блок предыонизации.

Изобретение в другом аспекте относится к лазеру, в котором в лазерной камере вблизи второго электрода установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера, в каждом керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, конденсаторы и дополнительные конденсаторы последовательно соединены между собой через газопроницаемые обратные токопроводы и подключены к первому и второму электродам через распределенные вдоль лазерной камеры электрические вводы керамической трубы и электрические вводы керамических контейнеров.

Предпочтительно, что снаружи лазерной камеры расположен дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания, причем дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого керамического контейнера.

Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов, производимой дополнительным источником питания через торцы керамических контейнера/контейнеров, и времени зарядки конденсаторов, производимой малоиндуктивно подключенным к ним источником питания.

Предпочтительно, что обращенные к области разряда части поверхности каждого протяженного керамического контейнера образуют расположенные вблизи второго электрода направляющие газового потока.

Предпочтительно, что газопроницаемые обратные токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда

Предпочтительно, что, по меньшей мере, один керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

В некоторых вариантах вблизи второго электрода установлен один керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к области разряда имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод,

В некоторых вариантах блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

В некоторых вариантах блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда. В некоторых вариантах изобретения первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

В некоторых вариантах либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

Предпочтительно, что лазер содержит электрически связанные с блоком предыонизации и одним из электродов вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов.

В некоторых вариантах изобретения керамическая труба лазерной камеры состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку из галогеностойкого эластомера.

Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, заключающемуся в осуществлении предыонизации газа между первым и вторым электродами, импульсной зарядке конденсаторов, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором

предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого 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 обратные токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.

Изобретение в другом аспекте относится к лазерной системе. Лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому лазеру, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания лазерной системы.

В некоторых вариантах в лазерной системе между конденсаторами второго лазера и 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.

Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, заключающемся в осуществлении в каждом лазере предьюнизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором

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.

Вышеупомянутые и другие объекты, аспекты, особенности и преимущества изобретения станут более очевидными из последующего описания и формулы изобретения.

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, Patent US 6757315, Excimer Laser Technology. Ed. by D.Basting, G.Marowsky. Springer-Verglas Berlin Heidelberg (2005).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде достаточном для понимания принципов изобретения и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.

Фиг. 1- схематичное изображение поперечного сечения газоразрядного лазера.

Фиг. 2- схематичное изображение продольного сечения лазера в соответствии с вариантом осуществления изобретения в уменьшенном, по сравнению с Фиг. 1, масштабе.

Фиг. 3- продольное сечение лазера с трехмодульной керамической трубой лазерной камеры.

Фиг. 4- поперечное сечение лазера с трехмодульной керамической трубой лазерной камеры.

Фиг. 5- поперечное сечение лазера, в котором первый электрод установлен в протяженной нише на внутренней поверхности керамической трубы лазерной камеры. Фиг. 6- поперечное сечение лазера с блоками предыонизации на основе коронного разряда.

Фиг. 7- поперечное сечение лазера, с частично прозрачным первым электродом, установленным в нише на внутренней поверхности керамической трубы, и конденсаторами, частично погруженными в протяженные ниши на наружной поверхности керамической трубы.

Фиг. 8- поперечное сечение лазера с областью разряда, расположенной в протяженной нише на внутренней поверхности керамической трубы.

Фиг. 9- поперечное сечение лазера с дополнительным источником питания и дополнительными конденсаторами, размещенными в двух керамических контейнерах, установленных вблизи второго электрода.

Фиг. 10- поперечное сечение лазера с одним керамическим контейнером, установленным вблизи второго электрода.

Фиг. 11- схематичное изображение поперечного сечения лазерной системы.

Фиг. 12- схематичное изображение поперечного сечения лазерной системы.

Фиг. 13- блок- схема лазерной системы с системой оптической связи между лазерами.

На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

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, по меньшей мере, частично из керамического материала и заполненную газовой смесью. Лазер также содержит протяженные первый электрод 2, второй электрод 3, расположенные друг против друга и определяющие область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры 1, и, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5. В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, один блок предыонизации 5, расположенный сбоку от второго электрода 3, выполнен в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической, в частности, сапфировой пластины б, покрывающей инициирующий электрод (как мы его называем) 7, с поджигающим электродом (как мы его называем) 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6.

Для обновления газа в области разряда 4 между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, два керамических спойлера 11, 12 и направляющие лопасти 13 для формирования газового потока.

Вне лазерной камеры 1 расположен набор распределенных вдоль керамической трубы 1 конденсаторов 14, соединенных с первым и вторым электродами 2, 3 через токоведущие шины 15, 16, электрические вводы 17, 18 керамической трубы 1 лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные в лазерной камере по обе стороны от электродов 2, 3. К конденсаторам 14 подключен источник питания 20, предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера.

Для генерации луча 21 лазера снаружи лазерной камеры 1 размещен резонатор, включающий в себя, по меньшей мере, два зеркала 22, 23, как показано на Фиг. 2, на которой схематично представлено продольное сечение лазера.

В соответствии с изобретением лазерная камера 1 включает в себя керамическую трубу 24 и два торцевых фланца 25, жестко скрепленных между собой посредством крепежной системы 26, протяженной вдоль керамической трубы 24. При этом каждый из торцевых фланцев 25 герметизирован с керамической трубой 24 посредством уплотнительной кольцевой прокладки 27 (Фиг. 1, Фиг. 2).

На каждом торцевом фланце 25 установлено по оптическому окну 28 для вывода лазерного луча 21 из лазерной камеры 1.

В предложенной конструкции лазера обеспечивается простота и надежная герметизация лазерной камеры 1. Применение крепежной системы 26 торцевых фланцев 25 снимает с керамической трубы 24 продольную составляющую механической нагрузки, обусловленную многотонной силой давления газовой смеси на торцевые фланцы 25. Это обеспечивает высокую надежность металлокерамической лазерной камеры 1, определяя существенное преимущество предложенной конструкции.

В вариантах изобретения крепежная система 26 может быть выполнена как охватывающая керамическую трубу 24 металлическая труба, имеющая на торцах кольцевые фланцы, скрепленные с торцевыми фланцами 25 лазерной камеры 1, и снабженная достаточно широким и протяженным вырезом для установки набора конденсаторов 14 (Фиг. 1, Фиг. 2).

Уплотнительные кольцевые прокладки 27 лазерной камеры 1 могут выполняться либо из металла, либо из галогеностойкого эластомера в соответствии с двумя принятыми для герметизации эксимерных лазеров технологиями, обеспечивающими большое время жизни галогеносодержащей газовой смеси. В предпочтительных вариантах изобретения каждая кольцевая прокладка 27, посредством которой каждый торцевой фланец 25 герметизирован с керамической трубой 24, размещена на наружной поверхности концевой части 29 керамической трубы 24 лазерной камеры 1.

В предпочтительных вариантах изобретения каждый торцевой фланец 25 имеет на обратной стороне 30 круговую нишу 31, в которой размещен торец керамической трубы 24 лазерной камеры 1. При этом торцевой фланец 25 близко примыкает к керамической трубе 24 только на ее наружной поверхности у места установки уплотнительной кольцевой прокладки 27. Близкое примыкание здесь означает подвижную посадку торцевого фланца 25 на наружной поверхности концевой части 29 керамической трубы.

В предпочтительных вариантах изобретения наружная поверхность концевой части 20 керамической трубы 24 лазерной камеры 1 имеет форму прямого круглого цилиндра (Фиг. 2).

Все это упрощает систему герметизации лазерной камеры. Кроме этого, путь паразитного пробоя по поверхности керамической трубы 24 с расположенного на ее внутренней поверхности высоковольтного первого электрода 2 на заземленный торцевой фланец 25 завершается на наружной поверхности керамической трубы 25 лазерной камеры 1. В результате обеспечивается увеличение пути паразитного пробоя и достигается высокоэффективная электрическая изоляция между электродом 2 и торцевыми фланцами 21. Это позволяет либо минимизировать длину керамической трубы 24 лазерной камеры 1, что упрощает ее конструкцию, либо позволяет увеличить длину первого и второго электродов 2, 3 и, соответственно, повысить энергию генерации и мощность лазера.

Газоразрядный лазер (Фиг. 1, Фиг. 2) работает следующим образом. Производится включение источника питания 20, подсоединенного к конденсаторам 14, расположенным снаружи протяженной газонаполненной лазерной камеры 1, включающей в себя керамическую трубу 24 на концевых частях 29 которой установлены торцевые фланцы 25, скрепленные между собой посредством протяженной крепежной системы 26. Между поджигающим электродом 8 и инициирующим электродом 7 системы формирования скользящего разряда блока предыонизации 5 зажигается завершенный скользящий разряд по поверхности протяженной сапфировой пластины б (Фиг. 1). УФ излучение вспомогательного разряда блока предыонизации 5 осуществляет предыионизацию газа в области разряда 4 между первым и вторым электродами лазера 2, 3. Одновременно осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 14 до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд в области 4 между первым и вторым электродами 2, 3. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя набор конденсаторов 14, токоведущие шины 15, 16, электрические вводы 17, 18 керамической трубы 24 лазерной камеры и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что с помощью окон 28 и зеркал 22, 23 резонатора позволяет получить генерацию луча 21 лазера (Фиг. 2). Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся спойлеры 11, 12, и направляющие лопасти 13,- сменит газ в области разряда 4 между электродами 2, 3, цикл работы лазера повторяется. Для обеспечения газового потока в области разряда 4 обратные токопроводы 19 выполнены газопроницаемыми.

В процессе работы лазера каждый из фланцев 25 герметизирован с керамической трубой 24 посредством уплотнительной кольцевой прокладки 27. Уплотнительные кольцевые прокладки 27 лазерной камеры 1 могут выполняться либо из металла, либо из галогеностойкого эластомера в соответствии с двумя принятыми для герметизации эксимерных лазеров технологиями герметизации, обеспечивающими большое время жизни газовой смеси.

Протяженная вдоль керамической трубы 24 крепежная система 26 обеспечивает крепление торцевых фланцев 25, каждый из которых нагружен многотонной, обычно в диапазоне от 4 до 8 т, силой давления газа, содержащегося в лазерной камере 1. Применение крепежной системы 26 торцевых фланцев 25 снимает с керамической трубы 24 продольную составляющую механической нагрузки, обусловленную давлением газа на торцевые фланцы 25. Это обеспечивает высокую надежность металлокерамической лазерной камеры 1, определяя существенное преимущество предложенной конструкции.

При работе лазера обеспечивают отсутствие паразитного пробоя между высоковольтным электродом 2 и заземленными торцевыми фланцами 25. В связи с этим в предпочтительных вариантах изобретения каждый торцевой фланец 25 имеет на обратной стороне 30 круговую нишу 31, в которой размещен торец керамической трубы 24, и торцевой фланец 25 близко примыкает к керамической трубе 24 только на наружной поверхности ее концевой части 29 в месте установки уплотнительной кольцевой прокладки 27. При этом путь паразитного пробоя с высоковольтного первого электрода 2 на заземленный торцевой фланец 25 проходит по внутренней, торцевой и наружной поверхностям керамической трубы 24 лазерной камеры 1. В результате достигается высокоэффективная электрическая изоляция между электродом 2 и торцевыми фланцами 21, позволяющая либо минимизировать длину керамической трубы лазерной камеры, что упрощает и удешевляет ее конструкцию, либо увеличить длину электродов и, соответственно, повысить энергию генерации и мощность лазера.

Размещение кольцевой прокладки 27, посредством которой торцевой фланец 25 герметизирован с керамической трубой 24, на наружной поверхности концевой части 29 керамической трубы 24, а также выполнение наружной поверхности концевой части 29 керамической трубы 24 лазерной камеры 1 в форме прямого круглого цилиндра упрощает конструкцию лазерной камеры 1.

Другие варианты изобретения обеспечивают дальнейшее упрощение конструкции лазерной камеры.

В вариантах изобретения (Фиг. 3-9) крепежная система 26 выполнена в виде стяжных балок.

В вариантах изобретения (Фиг. 3) каждый из двух торцевых фланцев 25 снабжен ответным фланцем 32, который установлен на наружной поверхности концевой части керамической трубы 24 и скреплен с торцевым фланцем 25 для уплотнения кольцевой прокладки 27, посредством которой торцевой фланец 25 герметизирован с керамической трубой 24 лазерной камеры 1.

Как отмечалось, изготовление цельных высококачественных керамических труб больших размеров (например, диаметром 0,45 м в и длиной 1,4 м из керамики А1₂0₃ высокой, > 95%, чистоты с высокими физико- химическими свойствами и необходимой точностью обработки, требуемыми для камер эксимерного лазера) достаточно сложно и дорого.

Следующие апробированные варианты изобретения позволяют упростить технологию изготовления и снизить стоимость керамической трубы лазерной камеры. В этих вариантах изобретения, керамическая труба лазерной камеры 24 состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей 24а, 24Ь, 24с (Фиг.З и Фиг. 4) с герметичным соединением каждого стыка 33 между керамическими модулями 24а, 24Ь, 24с, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку 34 из галогеностойкого эластомера, в частности, из витона.

В варианте изобретения, иллюстрируемом Фиг. 3, показывающей продольное сечение лазера, герметичное соединение каждого стыка 34 между керамическими модулями 24а, 24Ь, 24с обеспечивается парой скрепленных между собой фланцев 35, 36. Между скрепленными фланцами 35, 36 размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка 34 из галогеностойкого эластомера. Фланцы 35, 36 выполнены из диэлектрического материала, в частности из стеклотекстолита. Каждый из диэлектрических фланцев 35, 36 установлен на части 37 наружной поверхности одного из керамических модулей 24а, 24Ь, 24с, примыкающей к стыку 33 и имеющей форму прямого круглого цилиндра с равномерным внешним диаметром. Это обеспечивает дальнейшее упрощение конструкции и технологии изготовления лазерной камеры 1.

В вариантах изобретения каждый из скрепленных между собой диэлектрических фланцев 35, 36 имеет либо плотную посадку, либо скользящую посадку по части 37 наружной поверхности одного из керамических модулей 24а, 24Ь, 24с, примыкающей к стыку 33 керамических модулей 24а, 24Ь, 24с и имеющей форму прямого круглого цилиндра. При этом каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев 35, 36 выполняет функцию бандажного кольца в области стыка 33 керамических модулей 24а, 24Ь, 24с составной керамической трубы 24 лазерной камеры 1.

В данном варианте изобретения в процессе работы лазера обеспечивают герметизацию стыков между модулями 24а, 24Ь, 24с керамической трубы 24 лазерной камеры посредством уплотняющих прокладок 34 из галогеностойкого эластомера, что является принятой для эксимерных лазеров технологией герметизации.

Выполнение наружной поверхности концевой части каждого керамического модуля в форме прямого круглого цилиндра наряду с применением для герметизации скрепленных между собой фланцев, имеющих либо плотную, либо скользящую посадку по наружной поверхности 37 керамических модулей 24а, 24Ь, 24с и выполняющих функцию бандажного кольца в области стыка 33 керамических модулей устраняет необходимость осевого сжатия керамических модулей для уплотнения их стыков. При такой герметизации стыков отсутствует продольная механическая нагрузка на керамические модули 24а, 24Ь, 24с, несмотря на высокое давление газовой смеси в лазерной камере. Все это упрощает конструкцию составной лазерной камеры 1, обеспечивает ее механическую прочность и высокую надежность. .

Выполнение как скрепленных между собой фланцев 35, 36, так и размещенных между ними кольцевых прокладок 34 диэлектрическими обеспечивает высокую электрическую прочность керамической трубы 24 лазерной камеры 1 и не вносит искажений в распределение напряженности электрического поля между первым и вторым электродами 2, 3 лазера, что необходимо для его высокоэффективной работы.

Количество модулей: либо два, либо три,- наиболее целесообразно. При таком количестве модулей длина каждого керамического модуля близка к его диаметру или не превосходит его по величине, что упрощает и удешевляет технологию их изготовления. Керамические модули могут быть обработаны с гораздо большей точностью, чем цельная керамическая труба большой длины, что упрощает создание лазерной камеры с оптимальными параметрами.

В целом, выполнение камеры из отдельных керамических модулей позволяет увеличить размеры металлокерамической лазерной камеры до оптимально больших размеров, повысить частоту повторения лазерных импульсов, энергию генерации и среднюю мощность газоразрядного, в частности, эксимерного лазера.

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- 5, 7-12) в виде протяженного плазменного листа или плазменных листов на поверхности диэлектрика (сапфира) б позволяет реализовать в области разряда 4 однородную предыонизацию оптимально высокого уровня 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.

При ограничении амплитуды напряжения разряд по поверхности диэлектрика может быть коронным, Фиг. 1, 3. В соответствии с этим блок предыонизации 5 может содержать систему формирования коронного разряда.

В вариантах устройства либо первый электрод 2, как показано на Фиг. 3, 4, 7, 10, 11, либо второй электрод 3 выполнен частично прозрачным за счет наличия на его рабочей поверхности щелевых окон 38. При этом блок предыонизации 5 установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода. Как вариант исполнения, блок предыонизации 5 выполнен в виде компактной симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности диэлектрической, преимущественно сапфировой пластины б, покрывающей инициирующий электрод 7, на поверхности которой установлен поджигающий электрод 8.

В этих вариантах изобретения при работе лазера предыонизация области разряда 4 осуществляется УФ излучением блока предыонизации 5 через частично прозрачный электрод с щелевыми окнами прозрачности 38 (Фиг. 4).

Это 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 К смены газа, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера.

Пример 1 осуществления изобретения. Примером практического осуществления изобретения является мощный эксимерный лазер с возможностью генерации на молекулярном фторе, характеризующийся высокой, до 5,5 кГц, частотой следования импульсов. Разрядная система лазера аналогична показанной на Фиг.1. Лазерная камера выполнена на основе трехмодульной керамической трубы диаметром 420 мм. Герметичное соединение стыков трех модулей керамической трубы лазерной камеры осуществлялось двумя парами скрепленных между собой стеклотекстолитовых фланцев, имеющих скользящую посадку по концевой части наружной поверхности керамических модулей и выполняющих функцию бандажного кольца в области стыка модулей. Длина электродов была 0.8 м. Источник питания 20 был выполнен полностью твердотельным с использованием полупроводниковых коммутаторов типа IGBT с системой магнитной компрессии импульса накачки. При частоте следования импульсов f= 4 кГц для случая генерации лазера на ArF энергия генерации составляла более 50 мДж/импульс при малой, не более 1%, относительной нестабильности энергии генерации. Мощный высокостабильный 200 Вт- ArF лазер, выполненный в соответствии с вариантом изобретения характеризовался также высокой для данного типа лазеров эффективностью 2%. При генерации на KrF мощность лазера была примерно в два раза выше.

Пример 2 осуществления изобретения. Другим примером практического осуществления изобретения является мощный широкоапертурный эксимерный XeCI лазер. В лазере с лазерной камерой на основе трехмодульной керамической трубы использовались электродная система, показанная на Фиг. 4. В процессе долговременного теста XeCI лазера стабилизированный уровень средней мощности излучения 450 Вт при f= 300 Гц поддерживался на одной газовой смеси в течении 60 млн импульсов. В процессе длительной непрерывной работы лазера в течение 53-х часов снижение эффективности лазера из-за выгорания галогена и загрязнения быстросменных окон лазера автоматически компенсировалось повышением зарядного напряжения источника питания. Относительная нестабильность энергии генерации σ была на низком уровне: от 0,7 до 1%, что свидетельствует о высокой стабильности энергии генерации лазера.

Приведенные примеры и другие экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что предложенная в соответствии с настоящим изобретением конструкция лазеров с использованием лазерной камеры на основе керамической трубы позволяет реализовать серию мощных высокоэффективных высокостабильных эксимерных лазеров с различными сочетаниями длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов при большом времени жизни газовой смеси.

Следующие варианты реализации изобретения позволяют ему приобрести новые положительные качества.

В вариантах изобретения (Фиг. 5-10) керамическая труба 24 лазерной камеры 1 имеет с внутренней стороны протяженную нишу 39, в которую установлен первый электрод 2. Части 40, 41 внутренней поверхности керамической трубы 24, примыкающие к протяженной нише 39, в которую установлен первый электрод 2, образуют расположенные верх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока. Предпочтительно, что первый электрод 2 примыкает своими боковыми гранями к внутренним граням ниши 39 или находится в непосредственной близости от них (Фиг. 5). Первый электрод 2 может быть расположен в протяженной нише 39 заподлицо с частями 40, 41 внутренней поверхности керамической трубы 24, примыкающими к протяженной нише 39.

Данные варианты реализации изобретения (Фиг. 5-10) позволяют в процессе работы лазера эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда

4 посредством примыкающих к протяженной нише 39 частей 40, 41 внутренней поверхности керамической трубы 24, образующих расположенные верх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока. В случаях, когда первый электрод 2 примыкает своими боковыми гранями к внутренним граням ниши 39 или находится в непосредственной близости от них, а также когда первый электрод 2 расположен в протяженной нише заподлицо с частями 40, 41 внутренней поверхности керамической трубы, примыкающими к протяженной нише, газодинамические характеристики газового потока улучшаются. Все это обеспечивает возможность увеличения частоты следования импульсов и средней мощности лазерного излучения. В остальном работа лазера не отличается от описанной выше.

В вариантах лазера (Фиг. 6-10) в протяженной нише 39 на внутренней поверхности керамической трубы 24 наряду с первым электродом 2 установлен, по меньшей мере, один блок предыонизации 5. При этом в вариантах лазера блок или блоки предыонизации

5 могут быть расположены сбоку от первого электрода (Фиг. б, 8, 9) или с обратной стороны первого электрода 2, рабочая поверхность которого выполнена частично прозрачной (Фиг. 7, 10).

В вариантах изобретения, один из которых иллюстрируется Фиг. 6, блок предыонизации 5 содержит систему формирования коронного разряда. В лазере (Фиг. 6) в протяженной нише 39 на внутренней поверхности керамической трубы 24 наряду с первым электродом 2 по бокам первого электрода 2 установлены два идентичных блока предыонизации 5, каждый из которых включает в себя систему формирования протяженного коронного разряда. Каждая система формирования коронного разряда выполнена в виде диэлектрической трубки 42 из керамики А1₂0₃ или сапфира, внутренняя поверхность которой совмещена с поверхностью размещенного в диэлектрической трубке 42 внутреннего электрода 43. Внутренний электрод 43 с торца трубки 42 электрически связан с противоположным электродом 3 лазера (соединение для упрощения не показано).

В варианте лазера, показанном на Фиг. б при подаче напряжения между первым и вторым электродами 2, 3 лазера автоматически осуществляется коронный разряд между первым электродом 2 и внутренним электродом 43 блока предыонизации 5 через диэлектрический барьер в виде стенки диэлектрической трубки 42. УФ излучение короннных разрядов по бокам первого электрода 2 лазера осуществляет предыонизацию области разряда 4. В остальном работа лазера осуществляется как описано выше. Использование блока предыонизации, выполненного в виде расположенных по бокам первого электрода 2 двух идентичных систем формирования протяженного коронного разряда (Фиг. 6) позволяет в ряде случаев упростить разрядную систему лазера и уменьшить индуктивность разрядного контура и увеличить КПД лазера.

При установке блока предыонизации 5 наряду с первым электродом 2 в протяженной нише 39 на внутренней поверхности керамической трубы 24 лазерной камеры 1 (Фиг. 6-10) предыонизация осуществляется со стороны первого электрода 2. Обычно это позволяет упростить токоподводы к блоку предыонизации 5, а также устранить предыонизацию газа на частях 40, 41 внутренней поверхности керамической трубы, примыкающих к первому электроду 2, улучшив их электроизоляционные свойства, что повышает надежность работы лазера.

Установка первого электрода 2 в протяженной нише 39 подразумевает наличие утолщения стенки керамической трубы 24 лазерной камеры 1 по бокам ниши 39 (Фиг. 5- 10). Это позволяет без уменьшения механической прочности керамической трубы реализовать варианты изобретения (Фг. 7-10), в которых по обе стороны первого электрода 2 с наружной стороны керамической трубы 24 в ее стенке выполнены распределенные по длине керамической трубы, за исключением ее концевых частей, либо ниши, либо ячейки 44, в которые, по меньшей мере, частично, погружены конденсаторы 14.

Ниши 44 отличаются от ячеек 44 тем, что в каждой нише 44 размещается по нескольку конденсаторов, а в каждой ячейке 44- по одному конденсатору 14, так что они отличаются только длиной и формой. За счет размещения в нишах или ячейках 44 конденсаторы 14 приближены к области разряда 4. Это уменьшает индуктивность разрядного контура и позволяет увеличивать энергию генерации лазера без снижения КПД лазера.

В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг. 7, для повышения энергии генерации используется широкоапертурный объемный разряд с предыонизацией через частично прозрачный первый электрод 2.

Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации может достигаться и без использования достаточно сложных в изготовлении частично прозрачных электродов. В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг. 8, первый и второй электроды 2, 3 выполнены сплошными, а два блока предыонизации 5 расположены по бокам первого электрода 2. Каждый из двух идентичных блоков предыонизации 5 выполнен в виде системы формирования скользящего разряда, аналогичной изображенной на Фиг.1 и описанной выше. Данная электроразрядная система (Фиг. 8) с достаточно простыми в изготовлении сплошными электродами позволяет высокоэффективно повышать апертуру разряда и увеличивать энергию генерации лазера в отличие от разрядной системы лазера, Фиг. 1, Фиг. 5, содержащей один блок предыонизации.

Упрощение лазера достигается в вариантах изобретения с автоматической предыонизацией. В этих вариантах, иллюстрируемых Фиг. 8-12, лазер содержит электрически связанные с блоком предыонизации 5 и одним из электродов вспомогательные конденсаторы 45, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14. На Фиг. 8-12 блок или блоки предыонизации 5 расположены вблизи первого электрода 2, а вспомогательные конденсаторы 45 электрически связаны с первым электродом 2, через вспомогательные электрические вводы 46, установленные в стенке керамической трубы 24 лазерной камеры 1 вдоль нее.

В этих вариантах реализации лазера предыонизация области разряда 4 осуществляется автоматически с момента включения источника питания 20 за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 46 через вспомогательный разрядный промежуток каждого блока предыонизации 5. В процессе автоматической предыонизации ток вспомогательного разряда блока предыонизации 5 протекает по малоиндуктивной разрядной цепи, включающей в себя первый электрод 2, вспомогательные электрические вводы 46 и вспомогательные конденсаторы 45. Малая емкость вспомогательных конденсаторов 45 определяет оптимально малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации. Это обеспечивает наряду с высокой эффективностью лазера большое время жизни блока предыонизации, газовой смеси и лазера в целом. В остальном работа лазера осуществляется аналогично тому, как описано выше.

В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг. 8, с целью уменьшения индуктивности разрядного контура возможно еще большее приближение конденсаторов 14 к области разряда 4. В этих вариантах изобретения керамическая труба 24 лазерной камеры имеет с внутренней стороны протяженную нишу 39 столь большого объема, что в ней наряду с первым электродом 2, размещена, по меньшей мере, часть области разряда 4. При этом внутренние грани ниши 48, 49, расположенные по обе стороны области разряда 4, образуют расположенные верх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4.

Такая геометрия газового потока может быть достаточно эффективна, поскольку она легко устраняет нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода

3 после прохождения газовым потоком области разряда 4. Эти варианты изобретение позволяют в широких пределах оптимизировать геометрию газового потока при минимизированной индуктивности разрядного контура. Кроме этого, по обе стороны протяженной ниши 39 с наружной стороны керамической трубы 24 в ее стенке выполнены распределенные по длине керамической трубы лазерной камеры 1 ниши или ячейки 44, в которые, по меньшей мере, частично погружены конденсаторы 14 (Фиг. 8). За счет этого конденсаторы 14 могут быть максимально приближены к области разряда 4, что обеспечивает увеличение КПД лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации и мощности лазера.

Керамическая труба 24 лазерной камеры 1, имеющая протяженную нишу 39 на внутренней поверхности, может быть выполнена в соответствии с различными вариантами изобретения либо цельной, либо состоящей из нескольких керамических модулей.

Другие варианты реализации изобретения позволяют обеспечить дальнейшее увеличение апертуры разряда, энергии генерации и мощности лазера. В этих вариантах, иллюстрируемых Фиг. 9, Фиг. 10, вблизи второго электрода 3 установлены либо два протяженных керамических контейнера 50 (Фиг. 9), либо один (Фиг. 10) протяженный керамический контейнер 50. Части поверхности 51, 52 контейнеров 50 (Фиг. 9) или контейнера 50 (Фиг. 10), обращенные к области разряда 4 образуют расположенные верх и вниз по потоку от второго электрода 3 направляющие газового потока. Концевые части каждого керамического контейнера 50 герметично закреплены на торцевых фланцах 25 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера (для упрощения не показано). В каждом керамическом контейнере 50 размещены дополнительные конденсаторы 53. Снаружи лазерной камеры расположен дополнительный источник питания 54, полярность которого противоположна полярности источника питания 20. Дополнительный источник питания 54 подключен к дополнительным конденсаторам 53 с торцов каждого керамического контейнера 50. Конденсаторы 14 и дополнительные конденсаторы 53 последовательно соединены между собой через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19 и подключены к первому и второму электродам 2, 3 через распределенные вдоль лазерной камеры электрические вводы 17, 18 лазерной камеры и электрические вводы 55, 56 керамических контейнеров 50, причем газопроницаемые обратные токопроводы 19 выполнены вогнутыми в сторону области разряда 4. При этом временная задержка между включениями дополнительного источника питания 54 и источника питания 20 равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов 53, производимой дополнительным источником питания 54 через торцы керамических контейнера или контейнеров 50, и времени зарядки конденсаторов 14, производимой малоиндуктивно подключенным к ним источником питания 20.

В вариантах изобретения керамическая труба 24 лазерной камеры 1 может состоять либо из двух, либо из трех керамических модулей с герметичным соединением каждого стыка между керамическими модулями, содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку из галогеностойкого эластомера, аналогично тому, как это было описано выше.

В других вариантах, иллюстрируемых Фиг. 10, вблизи второго электрода 3 установлен один керамический контейнер 50, поверхность которого, обращенная к области разряда 4 имеет протяженную нишу 57, в которой размещен второй электрод 3.

Способ генерации лазерного излучения в этих вариантах изобретения (Фиг. 9, 10) осуществляют следующим образом. Создают непрерывный поток газа между размещенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры 1 первым электродом 2 и вторым электродом 3, к которым через электрические вводы 17, 18, 55, 56, и обратные токопроводы 19 подсоединены последовательно соединенные конденсаторы 14 и дополнительные конденсаторы 53. Включают дополнительный источник питания 54 и с торцов каждого керамического контейнера 50 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 53 сравнительно медленную, поскольку индуктивность контура зарядки через торцы керамического контейнера 50 относительно велика. Осуществляют предыонизацию газа между первым и вторым электродами 2, 3. С временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 53 и конденсаторов 14, включают источник питания 20 и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 14 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 53. К моменту одновременного окончания зарядки конденсаторов 14 и дополнительных конденсаторов 53 осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 14 и дополнительные конденсаторы 53, последовательно соединенные между собой через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19, вогнутые в сторону области разряда 4. В результате получают генерацию лазера. После того, как система циркуляции газа, в который входит вентилятор 9, трубки теплообменника 10, направляющие газового потока 13, 51, 52, сменит газ между электродами 2, 3 цикл работы лазера повторяют.

В вариантах способа генерации лазерного излучения, иллюстрируемых Фиг. 9, Фиг. 10, предыонизацию осуществляют автоматически с момента включения источника питания 20 за счет зарядки вспомогательных конденсаторов 46 через вспомогательный разрядный промежуток каждого блока предыонизации 5. После момента одновременного окончания зарядки конденсаторов 14 и дополнительных конденсаторов 53 зажигают основной объемный разряд в области разряда 4 между высоковольтными первым и вторым электродами 2, 3 противоположной полярности, что позволяет получить генерацию лазера.

Возможность предложенной в этом варианте способа высокоэффективной автоматической предыонизации с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 54, 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 HCI, F₂, зависящей от величины напряженности электрического поля между 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 соответствие 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 XeCI лазера достигает 50 не. Задержка может быть увеличена, если скорость роста напряжения до начала предыонизации ниже. Таким образом, при времени зарядки конденсаторов ~180 не время зарядки дополнительных конденсаторов 53 может быть существенно больше 230 не, обеспечивая в соответствии с предложенным вариантом способа генерации лазерного излучения высокоэффективную автоматическую предыонизацию у первого электрода 2.

Выполнение обращенных к области разряда 4 частей 51, 52 поверхностей керамических контейнеров 50 (Фиг. 9) или контейнера 50 (Фиг. 10) в виде направляющих газового потока вблизи второго электрода 3, и размещение второго электрода 3 в протяженной нише 57 контейнера 50 (Фиг. 10) позволяет формировать высокоскоростной поток газа между электродами. Это обеспечивает быструю смену газа в области разряда 4, давая возможность увеличить частоту следования импульсов и среднюю мощность излучения лазера.

Введение керамических контейнеров 50 в количестве либо двух (Фиг. 9), либо одного (Фиг. 10) оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера. Выбор формы керамических контейнеров позволяет оптимизировать характеристики разрядного контура и / или системы циркуляции газа. В связи с этим в вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер 50 выполнен в форме либо прямоугольной (Фиг. 9), либо круглой трубы (Фиг. 12).

Применение контейнеров 50 в виде круглых труб (Фиг.12) обеспечивает наибольшую простоту и механическую прочность конструкции и, соответственно, надежность контейнеров, нагруженных высоким внешним давлением.

Форма контейнеров 50 в виде прямоугольных труб (Фиг. 9) 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. Кроме этого, плоские протяженные части 51, 52 контейнеров 50, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа.

В вариантах реализации изобретения, иллюстрируемых Фиг. 9, Фиг. 10, форма заземленных газопроницаемых обратных токопроводов 19, 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.

Подключение дополнительного источника питания 54 к дополнительным конденсаторам 53 и их зарядка с торцов каждого керамического контейнера 50 обеспечивает наибольшую простоту разрядной системы лазера.

Поскольку индуктивность цепи зарядки дополнительных конденсаторов 53 и, соответственно, время их зарядки больше, чем для конденсаторов 14, с целью достижения максимальной скорости нарастания напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда и обеспечения однородного устойчивого разряда лазера источник питания 20 включают с указанной временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 54.

В целом, в вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг. 9, Фиг. 10, за счет введения дополнительных конденсаторов 53, размещаемых в керамических контейнерах или контейнере 50 и заряжаемых от дополнительного источника питания 54, первый и второй электроды 2, 3 оба являются высоковольтными разной полярности и размещены на изоляторах, в качестве которых выступают керамическая труба 24 и керамические контейнеры или контейнер 50. По сравнению с вариантами лазера, показанными на Фиг. 1-7, напряжение между соседними высоковольтными и заземленными электрическими вводами 17, 18, а также между электродами 2, 3 и торцевыми фланцами 25 лазерной камеры снижается вдвое. Это позволяет увеличить длину электродов, повысив энергию генерации лазера при малой индуктивности разрядного контура и высоком КПД лазера. При этом снижаются требования к электрической изоляции лазера, что повышает надежность и упрощает эксплуатацию лазера.

В предложенных вариантах реализации изобретения амплитуда напряжения источника питания и дополнительного источника питания в 2 раза ниже по сравнению с вариантами лазера, использующими один источник питания.

Таким образом, выполнение лазера и способа генерации лазерного излучения в предложенном виде позволяет увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком КПД лазера, а также снизить эксплуатационные расходы лазера.

Варианты изобретения, направленные на дальнейшее повышение энергии и мощности лазерного излучения, относятся к лазерной системе. Двулучевая лазерная система, схематично показанная на Фиг. 11, содержит шасси 58, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением и описанные выше первый лазер 59 и идентичный первому второй лазер 60. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 61. Выводы 62, 63 общего источника питания 61 малоиндуктивно подсоединены к конденсаторам 14 каждого из лазеров 59, 60. Предпочтительно, что общий источник питания 61 включает в себя систему компрессии импульсов накачки лазеров 59, 60, содержащую два малоиндуктивных насыщаемых дросселя 64, 65 выводы которых совмещены с высоковольтными выводами 62, 63 общего источника питания 61. Между конденсаторами 14 второго лазера 60 и общим источником питания 61 может быть введена линия задержки 66. При этом линия задержки 66 может быть совмещена с насыщаемым дросселем 65 общего источника питания 61.

В процессе работы лазерной системы синхронизовано осуществляют предыонизацию газа между первым и вторым электродами 2, 3, импульсную зарядку конденсаторов 14, разряд между первым и вторым электродами 2, 3, и генерацию излучения в каждом из лазеров 59, 60 при использовании общего источника питания 61, установленного вместе с лазерами на шасси 58. При этом импульсную зарядку конденсаторов 14 каждого из лазеров 59, 60 предпочтительно осуществляют через обеспечивающие компрессию импульсов накачки малоиндуктивные насыщаемые дроссели 64, 65, выводы которых совмещены с выводами 62, 63 общего источника питания 61. При необходимости с помощью линии задержки 66 регулируют время между срабатыванием лазеров 59, 60. В остальном работа каждого из лазеров 59, 60 не отличается от описанной выше, что позволяет получить в лазерной системе генерацию двух лучей лазера.

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 58.

В вариантах изобретения, схематично показанных на Фиг. 12, лазерная система содержит шасси 58, на котором размещены выполненные в соответствии с настоящим изобретением первый лазер 59 и второй лазер 60, идентичный первому. При этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общий источник питания 61 и дополнительные источники питания первого и второго лазеров 59, 60 совмещены в общий дополнительный источник питания 67.

За счет использования шасси, обеспечивающего транспортабельность лазерной системы, и общего источника питания ее работа более проста по сравнению с использованием отдельных мощных лазеров. При этом упрощается синхронизация работы двух лазеров, а также упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей в один. При выполнении в указанном виде лазерная система позволяет вдвое увеличить лазерную энергию и мощность по сравнению с одиночным лазером при сохранении высокой эффективности преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения.

В варианте изобретения (Фиг. 12) работу лазерной системы реализуют следующим образом. Включают общий дополнительный источник питания 67 и с торцов каждого керамического контейнера 50 каждого лазера 59, 60 производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов 53. Затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов 53 и конденсаторов 14, включают общий источник питания 61. После насыщения малоиндуктивных дросселей 64, 65 через выводы 62, 63 общего источника питания 61 осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов 14 каждого из лазеров 59, 60 напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов 53. Одновременно осуществляют автоматическую предыонизацию газа в области разряда 4. После окончания зарядки конденсаторов 14 и дополнительных конденсаторов 53 осуществляют разряды в первом и втором лазерах между высоковольтными первым 2 и вторым 3 электродами противоположной полярности. В каждом из лазеров 59, 60 ток разряда протекает по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы 14, дополнительные конденсаторы 53, газопроницаемые обратные токопроводы 19, электрические вводы 17, 18 керамической трубы 24 лазерной камеры и электрические вводы 55, 56 керамических контейнеров 50.

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.

В этих вариантах изобретения между конденсаторами второго лазера 60 и общим источником питания 61 введена линия задержки 66, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере 60 на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 59 (Фиг. 11, Фиг. 12). При этом, как иллюстрируется блок- схемой Фигуры 13, на шасси 58 размещена система оптической связи 68 между двумя лазерами 59, 60, обеспечивающая инжекцию во второй лазер 60 внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера 59.

Система оптической связи 68 между лазерами 59, 60 может быть размещена либо внутри, либо снаружи (Фиг. 13) зеркал 22, 23 резонатора каждого лазера. В качестве варианта реализации изобретения система оптической связи 68 может включать в себя пластины 69, 70, просветленные с одной стороны, то есть отклоняющие около 4% лазерного излучения, и полностью отражающие зеркала 71, 72, обеспечивающие увеличение оптической связи между двумя лазерами 59, 60.

В промышленном производстве с использованием лазерного излучения могут использоваться либо два отдельных лазерных луча 21, либо один луч 73. В последнем случае совмещение двух лазерных лучей 21 осуществляется вне шасси 58 лазерной системы в оптическом модуле 74.

В этих вариантах изобретения способ генерации лазерного излучения посредством лазерной системы (Фиг. 11, 12, 13) осуществляют следующим образом. За счет линии задержки 66 между источником питания 61 и вторым лазером 60, разряд во втором лазере 60 зажигают с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала (менее десятков не) между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере 59. С помощью системы оптической связи 68, включающей, например, просветленные с одной стороны пластины 69, 70 и полностью отражающие зеркала 71, 72 (Фиг. 13) производят инжекцию во второй лазер 60 внешнего оптического сигнала. Внешний оптический сигнал представляет собой малую часть лазерного излучения, выходящего из резонатора, образованного зеркалами 22, 23 первого лазера 59. За счет инжекции внешнего оптического сигнала снижают порог генерации во втором лазере 60. С помощью системы оптической связи 68 на завершающем этапе разряда в первом лазере 59 в него осуществляют инжекцию внешнего оптического сигнала из второго лазера 60. При необходимости совмещение двух лазерных лучей 21 в один лазерный луч 73 осуществляют вне шасси 58 лазерной системы в оптическом модуле 74. После того, как в каждом лазере система циркуляции газа сменит газ между электродами 2, 3 цикл работы лазерной системы повторяют.

В данном варианте изобретения 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 лазер увеличивает часть энергии генерации первого лазера на завершающем этапе разряда.

Таким образом, при выполнении в указанном виде лазерная система и способ генерации лазерного излучения позволяют повысить эффективность лазерной системы в целом.

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.

Применение крепежной системы 26 торцевых фланцев 25 снимает с керамической трубы 24 лазерной камеры 1 продольную составляющую механической нагрузки, обусловленную многотонной силой давления газовой смеси на торцевые фланцы 25, что обеспечивает высокую надежность металлокерамической лазерной камеры 1, определяя существенное преимущество предложенной конструкции мощного лазера.

За счет размещения торца керамической трубы 24 в круговой нише 31 на обратной стороне 30 торцевого фланца 25 лазерной камеры 1 (Фиг. 2) достигается высокоэффективная электрическая изоляция между первым электродом 2 и торцевыми фланцами 25. Это позволяет либо минимизировать длину керамической трубы 24 лазерной камеры, что упрощает и удешевляет ее конструкцию, либо дает возможность увеличить длину электродов 2, 3 и, соответственно, повысить энергию генерации и мощность лазера. Кроме этого, достигается простота и надежность герметизация лазерной камеры 1.

Выполнение керамической трубы лазерной камеры из отдельных керамических модулей 24а, 24Ь, 24с (Фиг.З и Фиг. 4) упрощает технологию изготовления лазерной камеры 1, что удешевляет лазер и позволяет уменьшить расходы на получение энергии генерации. В целом, выполнение камеры из отдельных керамических модулей позволяет увеличить размеры металлокерамической лазерной камеры до оптимально больших размеров, повысить частоту повторения лазерных импульсов, энергию генерации и среднюю мощность газоразрядного, в частности, эксимерного лазера. Варианты реализации изобретения (Фиг. 5-10), в которых первый электрод 2 размещен в протяженной нише 39 на внутренней поверхности керамической трубы 24 лазерной камеры, позволяют эффективно формировать высокоскоростной поток газа в области разряда 4, что обеспечивает возможность увеличения частоты следования импульсов и средней мощности лазерного излучения.

Варианты изобретения (Фиг. 8), в которых, ниша 39 на внутренней поверхности керамической трубы 24 лазерной камеры выполнена настолько большой, что в ней наряду с первым электродом 2 размещена, по меньшей мере, часть области разряда 4, и внутренние грани 48, 49 протяженной ниши 39, образуют расположенные верх и вниз по потоку от области разряда 4 направляющие газового потока, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4,- позволяют легко устранить нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода 3 после прохождения потоком области разряда 4. Кроме этого, эти варианты изобретения (Фиг. 8) позволяет в более широких пределах, по сравнению с известными аналогами, оптимизировать геометрию газового потока для повышения частоты следования импульсов и увеличения средней мощности лазерного излучения.

Варианты изобретения, в которых снаружи керамической трубы в ее стенке выполнены распределенные по ее длине ниши или ячейки 44, в которые, по меньшей мере, частично, погружены конденсаторы 14, подсоединенные к электродам 2, 3, позволяют максимально приблизить конденсаторы 14 к области разряда 4. Это дает возможность минимизировать индуктивность разрядного контура, повысить энергию генерации и мощность лазера при обеспечении его высокой эффективности.

В вариантах изобретения с применением дополнительных конденсаторов 53 размещенных в керамических контейнерах 50 и дополнительного источника питания 54 оба электрода 2, 3 лазера являются высоковольтными противоположной полярности (Фиг. 9, 10). При этом в сравнении с другими вариантами изобретения, напряжение между заземленными и высоковольтными элементами разрядного контура лазерной камеры 1 снижается вдвое. Это позволяет увеличить длину электродов, повысив энергию генерации лазера, а также обеспечить малую индуктивность разрядного контура и высокий КПД высокоэнергетичного лазера. Достигаемое снижение требований к электрической изоляции лазера упрощает эксплуатацию лазера и повышает его надежность.

В этих вариантах изобретения (Фиг. 9, 10) форма заземленных газопроницаемых обратных токопроводов 19, вогнутых в сторону области разряда 4, соответствует форме эквипотенциальных линий электрического поля между высоковольтными электродами 2, 3 противоположной полярности. В связи с этим при использовании заземленных обратных токопроводов 19, вогнутых в сторону области разряда 4, достигается уменьшение индуктивности разрядного контура без искажения конфигурации электрического поля в области разряда 4, что способствует достижению высокого КПД лазера.

Выполнение поверхностей 51, 52 керамических контейнеров / контейнера 50, обращенных к области разряда 4, в виде направляющих газового потока вблизи второго электрода 3 или размещение второго электрода 3 в протяженной нише 57 контейнера 50 (Фиг. 10) позволяет формировать высокоскоростной поток газа между первым и вторым электродами 2, 3. Это обеспечивает быструю смену газа в области разряда 4, давая возможность увеличить частоту следования импульсов и повысить среднюю мощность излучения лазера.

Введение керамических контейнеров 50 в количестве либо двух (Фиг. 9), либо одного (Фиг. 10) оптимально для обеспечения простоты конструкции мощного высокоэнергетичного лазера. Применение керамических контейнеров 50 в виде круглых цилиндрических труб (Фиг. 12) обеспечивает их наибольшую простоту, механическую прочность и, соответственно, надежность керамических контейнеров 50, нагруженных высоким внешним давлением.

Форма контейнеров 50 в виде прямоугольных труб (Фиг. 9) позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура и повысить КПД лазера. Кроме этого, плоские протяженные части 51, 52 контейнеров 50, обращенные к области разряда 4, позволяют эффективно формировать в ней высокоскоростной поток газа.

Подключение дополнительного источника питания 54 к дополнительным конденсаторам 53 и их зарядка с торцов каждого керамического контейнера 50 (Фиг. 9, 10) обеспечивает наибольшую простоту разрядной системы лазера с дополнительными конденсаторами 53, размещенными в керамических контейнерах 50. При этом включение источника питания 20 с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания 54, равной разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов 53 и времени зарядки конденсаторов 14, обеспечивает максимальную скорость нарастания электрического поля в межэлектродном промежутке на предпробойной стадии разряда. В результате обеспечивается формирование однородного устойчивого объемного разряда лазера.

Все это позволяет значительно увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком КПД лазера, а также снизить эксплуатационные расходы лазера.

Предложенные варианты конструкции мощного лазера позволяют применять различные типы разрядных систем. Так, использование блоков предыонизации 5 содержащих систему б, 7, 8 формирования протяженного скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа или плазменных листов на поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины б (Фиг. 1-5, Фиг. 7-12) позволяет реализовать в области разряда 4 однородную предыонизацию оптимально высокого уровня. Это обеспечивает высокие: эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме.

Осуществление предынизации через частично прозрачный электрод с щелевыми окнами прозрачности 38 (Фиг. 3, 4, 7, 10, 11) позволяет реализовать широкоапертурный однородный объемный разряд при компактной малоиндуктивной разрядной системе. Такая разрядная система характеризуется также высокой эффективностью смены газа в области разряда 4, то есть с малым, ~1, коэффициентом смены газа, достаточным для эффективной высокостабильной работы мощного лазера.

В других вариантах изобретения высокие энергия генерации и мощность лазера с предыонизацией УФ излучением скользящего разряда обеспечиваются при использовании более простых и дешевых сплошных электродов (Фиг. 1, 2, 5, 8, 9).

Упрощение лазера также достигается в вариантах изобретения, предусматривающих применение электрически связанных с блоком предыонизации 5 и одним из электродов 2, 3 вспомогательных конденсаторов 45, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14 (Фиг. 9-12). Это обеспечивает автоматическую предыонизацию с ее оптимизируемым за счет выбора величины емкости вспомогательных конденсаторов 45 уровнем. Малая емкость вспомогательных конденсаторов 45, достаточная для высокоэффективной высокостабильной работы лазера, обеспечивает большое время жизни блока предыонизации, газовой смеси и лазера в целом.

Использование блока предыонизации 5 в виде двух идентичных систем 42, 43 формирования протяженного коронного разряда, расположенных по бокам электрода 2 (Фиг. б) позволяет в ряде случаев, не требующих высокой энергии генерации, еще более упростить разрядную систему лазера.

Использование лазерной системы с двумя идентичными лазерами, выполненными в соответствии с различными вариантами настоящего изобретения, (Фиг. 11, 12) позволяет, по меньшей мере, вдвое увеличить мощность лазерного излучения.

За счет использования шасси 58, обеспечивающего транспортабельность лазерной системы, и общего источника питания 61 ее работа более проста по сравнению с использованием отдельных мощных лазеров. При этом упрощается синхронизация работы двух лазеров 59, 60, а также упрощается возможность совмещения двух лазерных лучей 21 в один лазерный луч 73.

При введении линии задержки 66 в цепь зарядки конденсаторов 14 одного из лазеров 60, а также системы оптической связи 68 между лазерами 59, 60 за счет функционирования лазерной системы предложенным способом снижается порог генерации во втором лазере 60 за счет инжекции внешнего оптического сигнала сразу после зажигания в нем разряда. Это может увеличивать энергию генерации во втором лазере 60 на ~30%, обеспечивая более чем двукратное повышение мощности излучения лазерной системы по сравнению с мощностью каждого из двух входящих в ее состав лазеров 59, 60.

Таким образом, выполнение газоразрядного, в частности, эксимерного лазера, лазерной системы и способов генерации излучения в предложенном виде позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления металлокерамической лазерной камеры, значительно увеличить энергию генерации и среднюю мощность лазерного излучения при высоком КПД лазера или лазерной системы, а также уменьшить эксплуатационные расходы.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

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.

Список обозначений 42. диэлектрическая трубка системы формирования коронного разряда

1. Лазерная камера

43. внутренний электрод системы

2. первый электрод

формирования коронного разряда

3. второй электрод

44. ниши либо ячейки в которые

4. область разряда

частично погружены конденсаторы

5. блок предыонизации

45. вспомогательные конденсаторы

6. диэлектрическая пластина

46. вспомогательные электрические

7. инициирующий электрод

вводы

8. поджигающий электрод

48, 49 внутренняя грань протяженной

9. диаметральный вентилятор

ниши 39

10. трубки теплообменника

50. керамический контейнер

11. 12 спойлеры

51, 52 части поверхности керамического

13. направляющие лопасти

контейнера или контейнеров

14. конденсаторы

53 дополнительные конденсаторы

15. токоведущие шины

54 дополнительный источник

16. токоведущие шины

питания

17. электрические вводы

55, 56 электрические вводы

18. электрические вводы

керамических контейнеров

19. газопроницаемы обратные

57 протяженная ниша керамического токопроводы

контейнера

20. источник питания

58 шасси

21. лазерный луч

59, 60 первый и второй идентичные

22. зеркало резонатора

лазеры

23. зеркало резонатора

61 общий источник питания

24. керамическая труба

62, 63 высоковольтные выводы общего

24а, 24Ь, 24с- керамические модули

источника питания

25. торцевой фланец

64, 65 насыщаемые малоиндуктивные

26. крепежная система

дроссели

27. уплотнительная прокладка

66 линия задержки

28. окно

67 общий дополнительный источник

29. концевая часть керамической

питания

трубы

68 система оптической связи между

30. обратная сторона торцевого

лазерами

фланца 69, 70 пластины отклоняющие около 4%

31. круговая ниша

лазерного излучения

32. ответный фланец

71, 72 зеркала для увеличения

33. стык между керамическими

оптической связи между двумя лазерами модулями 73 совмещенный лазерный луч

34. уплотнительная кольцевая

74 оптический модуль совмещения прокладка из эластомера двух лазерных лучей.

35. диэлектрический фланец

36. диэлектрический фланец

37. часть наружной поверхности

керамического модуля примыкающая к

стыку 33

38. щелевые окна на рабочей

поверхности электрода

39. протяженная ниша

40. 41 часть внутренней поверхности

керамической трубы примыкающая к

протяженной нише

33

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Claims

Формула изобретения

1. Газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: лазерную камеру (1), состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и заполненную газовой смесью, протяженные первый электрод (2) и второй электрод (3), расположенные друг против друга и определяющие область разряда (4) между ними, с первым электродом (2), размещенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры (1); по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации (5); систему циркуляции газа (9, 10, 11, 12, 13); набор конденсаторов (14), расположенных вне лазерной камеры (1) и соединенных с первым и вторым электродами (2, 3) через электрические вводы (17, 18) лазерной камеры (1) и газопроницаемые обратные токопроводы (19), расположенные в лазерной камере по обе стороны электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам, и резонатор, при этом

лазерная камера (1) включает в себя керамическую трубу (24) и два торцевых фланца (25), жестко скрепленных между собой посредством крепежной системы (26), протяженной вдоль керамической трубы (24), причем каждый из торцевых фланцев (25) герметизирован с керамической трубой (24) посредством уплотнительной кольцевой прокладки (27).

2. Лазер, по п.1, в котором кольцевая прокладка (27), посредством которой торцевой фланец герметизирован с керамической трубой (24), размещена на наружной поверхности концевой части (29) керамической трубы (24).

3. Лазер, по п.1, в котором каждый торцевой фланец имеет на обратной стороне (30) круговую нишу (31), в которой размещен торец керамической трубы (24), и торцевой фланец (25) близко примыкает к керамической трубе (24) только на ее наружной поверхности.

4. Лазер, по п.1, в котором наружная поверхность концевой части (29) керамической трубы (24) лазерной камеры (1) имеет форму прямого круглого цилиндра.

5. Лазер, по п.1, в котором каждый из двух торцевых фланцев (25) снабжен ответным фланцем (32), установленным на наружной поверхности концевой части (29) керамической трубы (24) и скрепленным с торцевым фланцем для уплотнения кольцевой прокладки (27).

6. Лазер, по п.1, в котором керамическая труба лазерной камеры (1) состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей (24а, 24Ь, 24с) с герметичным соединением каждого стыка (33) между керамическими модулями (24а, 24Ь, 24с), содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку (34) из галогеностойкого эластомера.

7. Лазер, по п.1, в котором керамическая труба (24) лазерной камеры (1) состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей (24а, 24Ь, 24с) с герметичным соединением каждого стыка (33) между керамическими модулями (24а, 24Ь, 24с), .

34

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) обеспечиваемым парой скрепленных между собой фланцев (35, 36), при этом между скрепленными фланцами (35, 36) размещена, по меньшей мере, одна кольцевая прокладка (34) из галогеностойкого эластомера, фланцы (35, 36) выполнены из диэлектрического материала, и каждый диэлектрический фланец (35, 36) установлен на части (37) наружной поверхности одного из керамических модулей(24а, 24b, 24с), примыкающей к стыку (33) и имеющей форму прямого круглого цилиндра.

8. Лазер по п.7, в котором каждая пара скрепленных между собой диэлектрических фланцев (35, 36) имеет либо плотную, либо скользящую посадку по наружной поверхности (37) керамических модулей (24а, 24Ь, 24с), выполняя функцию бандажного кольца в области стыка (33) керамических модулей (24а, 24Ь, 24с) составной керамической трубы (24) лазерной камеры (1).

9. Лазер по п.1, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (6, 7, 8) формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

10. Лазер по п.1, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (42, 43) формирования коронного разряда.

И. Лазер по п.1, в котором либо первый электрод (2), либо второй электрод (3) выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации (5) установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

12. Лазер по п.1, в котором первый электрод (2) и второй электрод (3) выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации (5) установлен сбоку одного из двух указанных электродов.

13. Лазер по п.1, содержащий электрически связанные с блоком предыонизации (5) и одним из электродов вспомогательные конденсаторы (45), емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов (14).

14. Газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, содержащий лазерную камеру (1) с газовой смесью, включающую в себя керамическую трубу (24) с двумя торцевыми фланцами (25), которые жестко скреплены между собой посредством протяженной крепежной системы (26), размещенные в лазерной камере (1) протяженные первый электрод (2) и второй электрод (3), расположенные друг против друга и определяющие область разряда (4) между ними, с первым электродом (2), размещенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры (1); по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации (5); систему циркуляции газа (9, 10, 11, 12, 13); набор конденсаторов (14), расположенных вне лазерной камеры (1) и соединенных с первым и вторым электродами (2, 3) через электрические вводы (17, 18) лазерной камеры (1) и газопроницаемые обратные токопроводы (19), расположенные в лазерной камере (1) по обе стороны электродов (2, 3); источник питания (20), подключенный к конденсаторам, и резонатор (22, 23), при этом

35

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) керамическая труба (24) лазерной камеры (1) имеет с внутренней стороны протяженную нишу (39), в которой установлен, по меньшей мере, первый электрод (2).

15. Лазер по п. 14, в котором, части внутренней поверхности керамической трубы (24), примыкающие к протяженной нише (39), в которую установлен первый электрод (2), расположены заподлицо с первым электродом (2) и образуют расположенные верх и вниз по потоку от первого электрода (2)направляющие газового потока или спойлеры.

16. Лазер по п. 14, в котором, керамическая труба (24) лазерной камеры (1) имеет с внутренней стороны протяженную нишу (39), в которой, наряду с первым электродом (2) размещена, по меньшей мере, часть области разряда (4), и внутренние грани (48, 49) протяженной ниши (39), расположенные по обе стороны области разряда (4) образуют расположенные верх и вниз по потоку от области разряда (4) направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда (4).

17. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором по обе стороны первого электрода (2) с наружной стороны керамической трубы (24) в ее стенке выполнены распределенные по длине керамической трубы (24), за исключением ее концевых частей (29), либо ячейки (44), либо ниши (44), в которые, по меньшей мере, частично, погружены конденсаторы (14).

18. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором первый электрод (2) примыкает своими боковыми гранями к внутренним граням протяженной ниши (39) или находится в непосредственной близости от них.

19. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором в протяженной нише (39) на внутренней поверхности керамической трубы (24) наряду с первым электродом (2) установлен, по меньшей мере, один блок предыонизации (5).

20. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (6, 7, 8) формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

21. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (42, 43) формирования коронного разряда.

22. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором либо первый электрод (2), либо второй электрод (3) выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации (5) установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

23. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором первый электрод (2) и второй электрод (3) выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации (5) установлен сбоку одного из двух указанных электродов (2, 3).

24. Лазер по любому из пунктов 14-16, содержащий электрически связанные с блоком предыонизации (5) и одним из электродов (2, 3) вспомогательные конденсаторы (45), емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов (14).

36

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

25. Лазер по любому из пунктов 14-16, в котором керамическая труба (24) лазерной камеры (1) состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей (24а, 24Ь, 24с) с герметичным соединением каждого стыка (33) между керамическими модулями (24а, 24Ь, 24с), содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку (34) из галогеностойкого эластомера.

26. Газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру (1), состоящую, по меньшей мере, частично из керамического материала и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды (2, 3), определяющие область разряда (4) между ними, с первым электродом (2), расположенным вблизи или непосредственно на внутренней поверхности лазерной камеры (1), по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации (5); систему циркуляции газа (9, 10, 11, 12, 13); набор конденсаторов (14), расположенных вне лазерной камеры (1) и соединенных с первым и вторым электродами (2, 3) через электрические вводы (17, 18) лазерной камеры (1) и газопроницаемые обратные токопроводы (19), расположенные в лазерной камере (1) по обе стороны электродов (2, 3); источник питания (20), подключенный к конденсаторам (14), и резонатор (22, 23), при этом в лазерной камере (1) вблизи второго электрода установлены либо один, либо два протяженных керамических контейнера (50), в каждом керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы (53), конденсаторы (14) и дополнительные конденсаторы (53) последовательно соединены между собой через газопроницаемые обратные токопроводы (19) и подключены к первому и второму электродам (2, 3) через распределенные вдоль лазерной камеры (1) электрические вводы (17, 18) керамической трубы (24) и электрические вводы (55, 56) керамических контейнеров (50).

27. Лазер по п. 26, в котором снаружи лазерной камеры (1) расположен дополнительный источник питания (54), полярность которого противоположна полярности источника питания (20), причем дополнительный источник питания (54) подключен к дополнительным конденсаторам (53) с торцов каждого керамического контейнера (50).

28. Лазер по п. 26, в котором временная задержка между включениями дополнительного источника питания (54) и источника питания (20) равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов (53), производимой дополнительным источником питания (54) через торцы каждого керамического контейнера (50), и времени зарядки конденсаторов (14), производимой малоиндуктивно подключенным к ним источником питания (20).

29. Лазер по п. 26, в котором обращенные к области разряда (4) части (51, 52) поверхности каждого протяженного керамического контейнера (50) образуют расположенные вблизи второго электрода (2) направляющие газового потока.

37

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

30. Лазер по п. 26, в котором газопроницаемые обратные токопроводы (19) выполнены вогнутыми в сторону области разряда (4).

31. Лазер по п. 26, в котором, по меньшей мере, один керамический контейнер (50) имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

32. Лазер по п. 26, в котором вблизи второго электрода (2) установлен один керамический контейнер (50), поверхность которого, обращенная к области разряда (4) имеет протяженную нишу (57), в которой размещен второй электрод (3),

33. Лазер по любому из пунктов 26-32, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (6, 7, 8) формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.

34. Лазер по любому из пунктов 26-32, в котором блок предыонизации (5) содержит систему (42, 43) формирования коронного разряда.

35. Лазер по любому из пунктов 26-32, в котором либо первый электрод (2), либо второй электрод (3) выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации (5) установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.

36. Лазер по любому из пунктов 26-32, в котором первый электрод (2) и второй электрод (3) выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации (5) установлен сбоку одного из двух указанных электродов (2, 3).

37. Лазер по любому из пунктов, 26-32, содержащий электрически связанные с блоком предыонизации (5) и одним из электродов (2, 3) вспомогательные конденсаторы (45), емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов (14).

38. Лазер по любому из пунктов 26-32, в котором керамическая труба (24) лазерной камеры (1) состоит либо из двух, либо из трех керамических модулей (24а, 24Ь, 24с) с герметичным соединением каждого стыка (33) между керамическими модулями (24а, 24Ь, 24с), содержащим, по меньшей мере, одну кольцевую уплотняющую прокладку (34) из галогеностойкого эластомера.

39. Способ генерации лазерного излучения посредством лазера по любому из пунктов 26-38, заключающийся в осуществлении предыонизации газа между первым и вторым электродами (2, 3), импульсной зарядке конденсаторов (14), осуществлении разряда между первым и вторым электродами (2, 3) и генерации луча (21) лазера, при котором предварительно включают дополнительный источник питания (54) и с торцов каждого керамического контейнера (50) производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов (53), затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов (53) и конденсаторов (14), включают импульсный питания (20) и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов (14) напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов (53); после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов (14) и дополнительных конденсаторов (53) осуществляют разряд между высоковольтными

38

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) первым и вторым электродами (2, 3) противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы (14) и дополнительные конденсаторы (53), последовательно соединенные между собой через газопроницаемые обратные токопроводы (19), вогнутые в сторону области разряда (4).

40. Способ генерации лазерного излучения по п. 39, при котором с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания (54), равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов (53) и конденсаторов (14), с помощью источника питания (20) осуществляют автоматическую предыонизацию со стороны первого электрода (2).

41. Лазерная система, содержащая шасси (58), на котором размещены первый лазер (59), второй лазер (60), идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания (61) лазерной системы.

42. Лазерная система, содержащая шасси (58), на котором размещены первый лазер

(59) , второй лазер (60), 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 лазерной системы (67).

43. Лазерная система по любому из пп. 41, 42 в которой между конденсаторами (14) второго лазера (60) и общим источником питания (61) введена линия задержки (66), обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере (60) на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере (59), и на шасси (58) размещена система оптической (68) связи между двумя лазерами (59, 60), обеспечивающая инжекцию во второй лазер (60) внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера (59).

44. Способ генерации лазерного излучения посредством лазерной системы по п. 43, заключающийся в осуществлении в каждом лазере (59, 60) предьюнизации газа между первым и вторым электродами (2, 3), импульсной зарядке конденсаторов (14), осуществлении разряда между первым и вторым электродами (2, 3) и генерации лучей (21) лазера (59, 60), при котором

после зажигания разряда в первом лазере (59) зажигают разряд во втором лазере

(60) с временной задержкой, не превышающей длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере (59), и с помощью системы оптической связи (68) производят инжекцию во второй лазер (60) внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера (59), снижая порог генерации во втором лазере (60).

39

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)