Эксимерные лазеры - один из самых интересных видов лазеров. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 - 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, все эти замечательные характеристики эксимерных лазеров влекут за собой некоторые трудности при их изготовлении и создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO2 или N2, генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, excited dimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excited complex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А2.

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А2* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов			Окислы благородных газов			Пары металлических соединений
Активная квазимолекула	Xe2*	Kr2*	Ar2*	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
λген, нм	172	145,7	126	558	558	540	470
∆λ, нм	20	13,8	8			25
Римп, МВт (Рср, Вт)	75		50
τ, нс	10	10	4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
λген, нм	282	351	193	175	308	220	248
∆λ, нм	1	1,5	1,5	2	2,5	5	4
Римп, МВт (Рср, Вт)	(100)	3	1000	(0,02)	(7)	5 (0,05)	1000
τ, нс	20	20	55	10	5	30	55

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 309 нм), XeF (λ = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения. К ним относится фотодиссоциация исходного галогена, из которого образуется галогенид инертного газа F2 + hν → 2F; фотораспад образованного в плазме отрицательного иона F - + hν → F + e-; фотоионизация возбужденных атомов и молекул инертного газа Ar* + hν → Ar+ + e-; фотодиссоциация димеров ионов инертного газа Ar2+ + hν → Ar+ + Ar. А также поглощение самими молекулами галогенидов инертных газов.

Фотопоглощение в активной среде лазеров на галогенидах инертных газов можно разделить на линейчатое и широкополосное. Линейчатое поглощение возникает на связанно-связанных переходах, присутствующих в лазерной смеси примесей атомарных и молекулярных газов, а также свободных атомов и радикалов, образующихся под действием разряда либо при разложении примесных молекул, либо за счет эрозии электронов. Показано, что линейчатое поглощение в некоторых случаях может довольно существенно искажать спектр генерации, однако, как правило, не приводит к заметному снижению ее энергии. Широкополосное поглощение обусловлено, главным образом, связанно-свободными переходами, происходящими в процессах типа фотодиссоциации, фотоотлипания и фотоионизации.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом.

Эффективная накачка эксимерных лазеров, т.е. создание разряда оптимального с точки зрения вклада энергии в активную среду, еще не гарантирует получения высоких генерационных характеристик лазера. Не менее важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии.

Это приобретает особое значение для лазеров на галогенидах инертных газов, так как их существенным отличием от большинства типов газовых лазеров оказывается наличие ненасыщающегося (линейного) фотопоглощения в активной среде. Потери на фотопоглощение, даже при отсутствии данных по измеренному поглощению слабого сигнала , могут быть оценены следующим образом.

При измеренных для данного эксимерного лазера коэффициенте усиления слабого сигнала и интенсивности насыщения рабочего перехода предельная, в пренебрежении всеми потерями, интенсивность, снимаемая с единицы апертуры активной среды, составит . Сравнение с экспериментально измеряемой интенсивностью на выходе позволяет оценить долю энергии, теряемую на фотопоглощение. Такое сравнение правомерно при невысоких сосредоточенных потерях, т.е. потерях на оптических окнах и зеркалах, что обычно имеет место.

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

Лазеры на окислах инертных газов могут быть использованы при необходимости получения импульсов с длительностью порядка наносекунды и меньше и энергией несколько килоджоулей. Это связано с тем, что сечение вынужденного излучения генерирующего перехода в таких системах удовлетворяет необходимым требованиям. С одной стороны оно должно быть достаточно малым, чтобы паразитные потери не истощали инверсию населенностей, и в то же время для эффективного извлечения запасенной энергии это сечение должно быть достаточно большим, чтобы насыщение происходило при величинах потока, не достигающих порога разрушения оптических материалов. Учитывая все эти требования, можно заключить, что сечение вынужденного излучения должно быть около см2.

Во всех эксимерных системах типа "инертный газ + элемент VI группы", за исключением случая XeO, переходы являются в основном свободно-свободными лишь с небольшим вкладом связанно-свободных эксимерных переходов.

В случае XeO характер взаимодействия следующий. Благодаря эффектам перекрывания взаимодействие между атомами с заполненной и незаполненной оболочками является главным образом отталкивательным. Силы притяжения возникают по двум причинам: во-первых, за счет дисперсионного и электростатического взаимодействия и, во-вторых, за счет переноса заряда, возникающего вследствие взаимодействия ионных и ковалентных конфигураций. Роль переноса заряда возрастает, если потенциал ионизации инертного газа уменьшается.

Излучательные переходы между синглетными валентными состояниями происходят исключительно вследствие столкновений. Взаимодействие с переносом заряда является преобладающим в переходах на более коротких расстояниях между атомами. С увеличением межатомных расстояний более важную роль начинают играть силы электростатического взаимодействия.

Что касается методов накачки, то кислород (или другие доноры элементов VI группы) в смеси с инертными газами целесообразно подвергнуть действию электронного пучка, чтобы воспользоваться передачей энергии за счет столкновений.

1.1.3 Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов

Обычно эксимерные лазеры на инертных газах работают при относительно высоких давлениях (более двух атмосфер), а источником возбуждения являются пучки электронов сравнительно высокой энергии и плотности (~1 МэВ, сотни А·см-2). При таких условиях концентрация электронов в образующейся плазме довольно высока (более 1014 см-3).

Механизм селективной накачки эксимерных уровней можно упрощенно рассматривать как последовательность столкновений с обменом энергией. Электроны высокой энергии ионизируют или возбуждают основной газ в результате реакций типа e - + Ar → Ar+ + 2e-; e - + Ar → Ar* + e. Все примеры, приводимые для аргона, справедливы также для ксенона и криптона. В зависимости от используемого газа вторичные электроны имеют среднюю энергию в диапазоне 5 - 7 эВ.

При высоких давлениях, характерных для рассматриваемых лазеров, трехчастичная ассоциация по схеме Ar+ + 2Ar → Ar2+ + Ar протекает достаточно быстро. Затем в процессе диссоциации образуются нейтральные возбужденные диссоциирующие молекулы e - + Ar2+ → Ar2 → Ar** + Ar. Процессы трехчастичной ассоциации, имеющие большую скорость при высоких давлениях, приводят затем к образованию связанных молекулярных уровней Ar** + 2Ar → Ar2* + Ar. Самые низкие возбужденные состояния молекул не пересекаются отталкивательными кривыми, и поэтому молекулы в таких состояниях не диссоциируют. При высоких давлениях процессы, описанные выше, протекают быстрее радиационного распада, так что эта цепочка процессов позволяет получить высокую плотность инверсии населенностей.

1.1.4 Лазеры на двухатомных галогенах

Между лазерами на гомоядерных молекулах галогенов и лазерами на эксимерных соединениях атома инертного газа и атома галогена имеется значительное сходство. Однако, они относятся к разным типам устройств.

Лазеры на двухатомных галогенах, так же как лазеры на моногалогенидах инертных газов и лазеры на галогенидах ртути, генерируют на переходах между верхним состоянием ионного типа и нижним ковалентным состоянием. Таким образом, и характеристики этих лазеров должны быть аналогичными. Нижние состояния моногалогенидов инертных газов (за исключением XeF) являются отталкивательными, что облегчает получение инверсии населенностей. Однако гомоядерные молекулы галогенов имеют тенденцию к переходам на высокие колебательные уровни связанных нижних электронных состояний. Поэтому в них инверсия определяется быстрой колебательной и электронной релаксацией.

Основные кинетические процессы, протекающие в лазерах на галогенидах, представлены на рисунке 3.

Лазерная накачка электронным пучком или разрядом способна быстро и эффективно создавать первичные состояния во всем объеме газа. В реакциях с передачей энергии от примеси галогену образуются возбужденные атомы галогенов X*. Возможной реакцией, в которой создаются другие первичные состояния, является реакция с одновременным образованием отрицательных ионов X - (за счет диссоциативного прилипания электронов низкой энергии) и галогенсодержащих положительных ионов X+ или RX+. Реакции ион-ионной нейтрализации (процесс 1) могут затем произвести возбужденные состояния гомоядерных галогенов. Возбужденные нейтральные атомы могут образовывать молекулы галогенов путем гарпунных реакций (процесс 2).

Рисунок 3. Схема основных кинетических процессов, связанных с возникновением генерации в двухатомных галогенах

При высоком давлении газа в рабочем объеме быстрая электронная и колебательная релаксация приводит к заселению наинизших уровней ионных термов. Чтобы эти процессы оказались эффективными, молекула не должна иметь отталкивательных потенциальных кривых, соответствующих атомам в основных состояниях и пересекающих потенциальные кривые связанных верхних состояний. Дезактивация верхних уровней происходит за счет излучения (процесс 4) и тушения (процесс 5), первый из которых является желательным, а второй - нежелательным процессом. Из спектроскопических измерений следует, что излучательные процессы заканчиваются на высоких колебательных уровнях нижней потенциальной кривой, которая не представляет собой основное состояние. Последующие столкновения в газе способствуют быстрой колебательной релаксации или даже диссоциации нижнего уровня, поддерживая таким образом инверсию населенностей. К заселению верхнего лазерного уровня могут приводить несколько различных процессов. Нижний уровень не обязательно является самым низким энергетическим состоянием молекулы.

На рисунке 4 приведены спектры испускания галогенов.

Рисунок 4. Спектры испускания галогенов

В случае йода спектр был снят за 1, 3 и 5 импульсов, а в случае брома - за 1, 5 и 10 импульсов. Длинноволновая часть импульсов характеризуется большим количеством подавленных импульсов.

1.1.5 Лазеры на парах металлов

Эксимерные молекулы с атомами металлов характеризуются несколькими важными свойствами. Во-первых, их эксимерные полосы располагаются на крыльях линий паров металлов; следовательно, наиболее интересные полосы, соответствующие переходам из основного состояния в первое возбужденное, обычно находятся в видимой или ближних УФ и ИК областях спектра. Во-вторых, многие из возбужденных состояний AB*, определяющие эти полосы, являются слабосвязанными. Для того, чтобы иметь соответствующее давление паров металлов, требуемое для получения достаточного коэффициента усиления, необходимы повышенные температуры (за исключением случая Hg). При этом возникает сложная техническая проблема, связанная с химическим взаимодействием с материалами окон и прокладок. И, наконец, энергия атомов металлов в наинизшем возбужденном состоянии, как правило, составляет менее половины энергии ионизации. Это свойство имеет важные следствия для электронных столкновительных сечений, которыми определяется КПД потенциальных электроионизационных и электроразрядных лазеров высокой мощности.

Наличие слабой связи у многих эксимеров с участием атомов металлов сильно отражается на их оптических свойствах, когда они используются как лазерная среда. Это приводит к низкому показателю усиления в расчете на возбужденный атом металла; однородному уширению эксимерной полосы; быстрым переходам между возбужденными атомами A* и соответствующими эксимерными молекулами AB*; а также к необходимости повышать плотность инертного газа и к довольно строгим требованиям, накладываемым на степень возбуждения атомов металлов. Также наличие слабой связи позволяет получать (благодаря низкому показателю усиления и однородному уширению) высокие уровни мощности, а также большие энергии в импульсе, чему способствует отвод тепла инертным газом, находящимся при высоком давлении.

1.1.6 Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа

В эксимерных лазерах, работающих при, примерно, 2% -ном соотношении входной электрической и выходной оптической энергий, избыток энергии должен эффективно выводиться как избыток тепла. Как во всех охлаждающих системах газовых лазеров, плохой теплообмен между рабочим газом и теплообменником становится причиной появления проблем. Обычно активная среда содержится в алюминиевом резервуаре определенного объема под давлением. Встроенный вентилятор создает мощную циркуляцию рабочего газа, что позволяет сохранять активную среду хорошо перемешанной и обновляемой в области генерации и получать высокую скорость прохождения газа через фильтр и теплообменник. Последний, обычно использующий в качестве охлаждающей среды воду, для обеспечения высокой температурной стабильности (особенно в режиме частых повторений) должен иметь определенную зону контакта со средой. На рисунке 5 схематично представлен резонатор эксимерного лазера.

Рисунок 5. Резонатор эксимерного лазера.

На рисунке 6 приведен пример кюветы с коронной предионизацией (см. ниже) и системой охлаждения.

Рисунок 6: A - коронный разряд, B - электроды, C - кювета, D - вентилятор, E - электростатический фильтр, F - теплообменник

1.2 Накачка

Для накачки лазеров на основе эксимеров имеется несколько методов, общим требованием к которым является обеспечение большого удельного энерговклада в активную рабочую среду. К числу этих методов относятся: возбуждение пучков высокоэнергетических электронов (электронное возбуждение), возбуждение электрическим разрядом, поддерживаемым электронным пучком (электроразрядные лазеры с электронной предионизацией), возбуждение быстрым поперечным разрядом, оптическое возбуждение (излучение взрывающихся проволочек).

1.2.1 Накачка электронным пучком

При электронном возбуждении пучок высокоэнергетических электронов обладает энергией от 300 кэВ до 1 МэВ и выше. Формирование электронного пучка производится отдельной электронной пушкой, а сам пучок вводится в активный объем лазера, заполненный газовой смесью, через тонкий слой фольги, разделяющий вакуумный объем электронной пушки и рабочий объем лазера, давление в котором обычно превышает атмосферное. Длительность импульсов возбуждения обычно составляет несколько десятков наносекунд, а плотность тока электронного пучка от нескольких десятков до нескольких сотен ампер на квадратный сантиметр. При данном методе возбуждения удалось обеспечить генерацию на большинстве из перечисленных выше активных сред: KrF*, ArF*, XeCl*, XeF*.

Рисунок 7.Накачка электронным пучком.

Наилучшие результаты достигнуты на фторидах криптона и аргона (KrF и ArF), удельный энергосъем при использовании которых достигает 3 - 30 Дж/л, а рабочий объем возбуждения несколько десятков литров. Энергия импульса излучения при объеме рабочей среды 36 л равна 100 Дж при КПД 1,5% (КПД это отношение энергии излучения к поглощенной энергии электронного пучка). Для оценки полного КПД необходимо учесть КПД преобразования энергии первичного источника питания в энергию электронного возбуждающего пучка, в оптимальных условиях достигающих 50%.

Создана лазерная установка с рабочим объемом 40 см3 (камера длиной 20 см и диаметром 2 см), на которой получены импульсы излучения с энергией 7 мДж. Возбуждение осуществляется электронным пучком 250 - 300 кэВ и током до 5 кА. В качестве рабочей лазерной среды используется смесь газов Ar, Xe, SF6 в соотношении 75: 1: 0,1 при давлении 0,71 МПа.

Способ возбуждения электронным пучком имеет ряд достоинств, к которым следует отнести: возможность возбуждения высоколежащих уровней атомов (т.е. получения излучения в УФ и видимом диапазонах длин волн); возможность возбуждения газов при высоком давлении и больших объемах, что обеспечивает поучение больших энергий излучения; возможность работы при частотах следования импульсов до 100 и более Гц и, следовательно, получение больших средних мощностей излучения. Но этому способу возбуждения присущи и некоторые недостатки, к числу которых относятся трудности введения энергии электронного пучка в газ с достаточно равномерным ее распределением по объему, сложность электронных ускорителей, существенно повышающих стоимость лазера.

Что касается перспектив дальнейшего совершенствования эксимерных лазеров с электронным возбуждением, то можно отметить следующее. Для рассматриваемого типа лазеров наиболее перспективной с точки зрения эффективности представляется квазимолекула KrF*. Теоретический КПД лазера на основе этой активной среды (по отношению к энергии, вложенной в активную среду) составляет 22%, а при возбуждении электрическим разрядом и пучком 35%. Во всех экспериментальных установках, на которых была получена генерация, параметры были неоптимальными, в связи с чем полный КПД таких лазеров не превышал 1 - 2%. Поэтом вопрос с реально достижимых КПД остается открытым и требует дальнейших исследований; энергосъем этих лазеров предполагается увеличить до 40 - 50 Дж/л.

1.2.2 Накачка электрическим разрядом

При использовании электроразрядного способа накачки эксимерных лазеров необходимо обеспечить предионизацию активной среды.

Предионизация используется для предотвращения дугового разряда и обычно достигается излучающими в УФ диапазоне искровыми разрядами, пробегающими параллельно оси трубки. Поскольку глубина проникновения УФ излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок иногда применяют предионизацию рентгеновским излучением.

Рисунок 8. Накачка электрическим разрядом.

К другим методам предионизации относятся использование импульсных источников электронного пучка (предионизация электронным пучком) и ионизация благодаря коронному эффекту (коронная предионизация). Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий вентиль и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10 - 20 нс). В случае, представленном на рисунке 1, это достигается тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют безындукционные конденсаторы.

Эффект предионизации тлеющим разрядом помогает получить равномерные и согласованные профили разрядов с минимумом ответвлений от основного разряда. Параметры, влияющие на предионизацию, такие как порог предионизации, начальная плотность электронов и согласованность предионизации, сильно зависят от составляющих резонатора: профиль электрода, тип электрода, давление в газовой среде, длительность предионизации, потери электронов при предионизации, временная задержка между предионизацией и основным разрядом, время нарастания основного импульса; а так же от основных геометрических параметров резонатора.

Страницы: 1, 2