Исследование пространственно-временных и энергетических параметров излучения импульсно-периодических XeCl- и CO2-лазеров высокого давления

• Автор: Орлов, Альберт Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 123 с. : ил.

Исследование пространственно-временных и энергетических параметров излучения импульсно-периодических ХеС1- и СОг-лазеров высокого давления
Глава 1. Формирование лазерного пучка с равномерным распределением интенсивности по сечению и резкими краями

1.1. Неустойчивые резонаторы

1.1.1.Формирование основной моды в неустойчивых резонаторах

1.1.2. Способы достижения П - образного распределения интенсивности лазерного излучения

1 ^.Экспериментальная установка и методика измерений

1.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

1.4. Методика и результаты расчетов

1.5. Оптические аберрации двухзеркального неустойчивого резонатора с несимметричным выводом излучения и наклонными выпуклыми зеркалами

Выводы к главе

Глава 2. Исследование энергетических и ресурсных характеристик импульсно -периодического ТЕ XeCl-лазера с системой регенерации газовой смеси
2.1. Снижение выходной мощности ТЕ XeCl-лазера в импульсно-периодическом режиме работы и способы ее восстановления
2.1.1. Оптимизация параметров схемы накачки эксимерных лазеров
2.1.2. Методы восстановления мощности излучения импульсно-периодического ТЕ ХеС1-лазера
2.3. Общие характеристики импульсно-периодического ТЕ ХеС1-лазера с системой регенерации газовой смеси
2.4. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
2.4.1. Увеличение выходного излучения эксимерного лазера при оптимизации соотношения величин накопительной и обострительной емкостей
2.4.2. Разработка методики определения микроколичеств хлористого водорода
2.4.3. Описание методики регенерации и экспериментальные результаты
Выводы к главе
Глава 3. Исследование энергетических и ресурсных характеристик импульсно
периодического TEA СОг-лазера с системой регенерации

3.1. Общие характеристики импульсно-периодического TEA С02-лазера
3.2. Экспериментальное исследование энергетических и ресурсных характеристик импульсно-периодического TEA СОг-лазера
3.2.1. Устойчивый резонатор с несимметричным выводом излучения импульснопериодического TEA С02-лазера
3.2.2. Создание и исследование системы регенерации газовой смеси
TEA С02 - лазера с твердотельным катализатором
Выводы к главе
Глава 4. Исследование возможности управления интенсивностью излучения ТЕ XeCl-лазера наносекундными импульсами тока при отражения его от алюминиевой пленки
4.1. Основные закономерности взаимодействия лазерного излучения с отражающей поверхностью
4.1.1. Необратимые изменения в отражательной способности металлов при воздействии на них излучением разной интенсивности
4.1.2. Обратимые изменения коэффициента отражения металлов при воздействии на них лазерным излучением
4.2. Описание экспериментальной установки и методика измерений
4.3. Необратимые изменения отражательной способности алюминиевой пленки
и диэлектрического зеркала в результате действий импульсов тока и излучения
4.3.1. Увеличение отражательной способности алюминиевой пленки в результате действий импульсов тока и излучения
4.3.2. Изменение отражательной способности диэлектрического зеркала в результате действия лазерного излучения
4.4. Обратимые изменения отражательной способности алюминиевой пленки
за время действия импульсов тока и излучения
Выводы к главе
Заключение
Литература

К настоящему времени импульсно-периодические эксимерные и СО^-лазеры высокого давления с поперечной накачкой являются наиболее мощными источниками когерентного излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах спектра [1]. Они находят самое широкое применение в микроэлектронике (осаждение металлических и оксидных пленок [2], импульсный отжиг [3], прямое легирование поверхностных слоев [4 - 9]), фотохимии [10 - 12], разделении изотопов [13], зондировании атмосферы, образовании плазмы и других областях. Однако, несмотря на длительный период исследования и применения этих лазеров в различных технологиях, они по-прежнему обладают целым рядом недостатков. К ним в первую очередь относятся следующее: неоднородность распределения интенсивности в пятне фокусировки лазерного излучения, малый срок службы лазеров, ограниченные возможности по управлению их характеристиками. Дальнейший прогресс в расширении области их применения может быть достигнут лишь при возможности гибкого управления пространственно-временными, энергетическими параметрами излучения эксимерных и углекислотных лазеров.
Однородность распределения интенсивности лазерного излучения важна для многих практических применений. В частности, особые требования к качеству лазерного пучка предъявляют широко развивающиеся в последние годы нанотехнологии. Так, при получении нанопорошков лазерным испарением [14,15 ], образовании наноструктур при воздействии излучения на ниобат лития [16-22 ], нанесении качественных пленок из магнитного материала [23] для записи информации и др., требуется равномерное распределение интенсивности излучения с резкими краями (П-образное распределение) в зоне взаимодействии излучения с материалом. Существующие способы формирования П - образного распределения интенсивности излучения достаточно сложны, неудобны при эксплуатации и не всегда дают желаемый результат [24 ].
В импульсно-периодическом режиме работы газовые лазеры высокого давления с поперечной накачкой также позволяют реализовать высокую среднюю мощность излучения от нескольких ватт до десятков киловатт[1], соответствуя тем самым разным технологическим требованиям. Но в процессе работы в импульсно-периодическом режиме средняя мощность излучения газовых лазеров постепенно снижается, создавая неудобства, в основном, из-за деградации рабочей смеси [25, 26] и загрязнений оптических элементов резонатора [27]. Разработанные к настоящему времени различные системы восстановления газовых смесей основаны либо на вымораживании ненужных

разрядном промежутке происходит диссоциация молекулы хлористого водорода HCl(v) в результате диссоциативного прилипания [84] на атом Н и отрицательный ион СГ, который взаимодействует с различными примесями в газе, образуя хлориды. Если в межэлектродном промежутке формируется неоднородный разряд, то уменьшение концентрации НС1 происходит еще быстрее.
Для сохранения первоначальной пропорции газов в смеси газоразрядную камеру эксимерного лазера и конструктивные детали в ней делают из химически стойких материалов или используют защитные покрытия [83]. С этой же целью путем подбора типа, конструкции и параметров высоковольтного генератора, а также формы, материала электродов и расстояния между ними формируют как можно более однородный разряд. Спад мощности излучения из-за уменьшения концентрации НС1 легко восстанавливается путем напуска в газовую смесь дополнительной порции НС1 [83] (рис. 2.2(а)).
Для эффективного восстановления диссоциированного хлористого водорода вводят также молекулярный водород [88], что приводит к существенному увеличению времени работы лазера на одном заполнении газовой смесью разрядной камеры (см рис.2.2.(б)).
Время работы лазера (часы при 150 Гц)
0 1 2 3 4 5
а) б)
Рис 2.2. Зависимость выходной мощности излучения от количества импульсов а), график зависимости мощности излучения от количества импульсов с и без добавки Нг (б).
Значительно сложнее восстановить выходную энергию лазера, если уменьшение энергии вызвано молекулярными примесями, выделяющимися из материалов стенок газоразрядной камеры и деталей внутри камеры, а также вновь образующимися молекулярными соединениями в процессе работы лазера.
Существующие методы восстановления газовой смеси по условиям проведения очистки можно разделить на следующие методы:
а) низкотемпературная регенерация (от 0°С до -19б°С);
б) высокотемпературная регенерация;