Учебное пособие: Эксимерные лазеры

Два наиболее распространенных метода предионизации:

для эксимерных лазеров малых и средних размеров - предионизация электродами, расположенными вблизи от главных электродов;

для больших систем - предионизация рентгеновскими источниками.

Рисунок 9. Сектор кюветы, отвечающий за предионизацию газа.

Предионизационные электроды, показанные на рисунке 7, генерируют искровой разряд приблизительно за 10 нс до основного разряда. Искры инициируют УФ излучение, достаточное для предионизации рабочего газа с начальной плотностью около 108 электронов/см3 между электродами. В последних моделях коммерческих эксимерных лазеров были введены новые методы предионизации, например, Поверхностный разряд в диэлектрике - Creeping Discharge on Dielectric Surface (CDDS-preionizer for XeCl-lasers) или Поверхностная коронная предионизация - Surface Corona Preionization (SCP). Особенно в качестве источника предионизации зарекомендовал себя метод SCP, позволяющий создавать уровни с одинаковой плотностью электронов с гораздо большей равномерностью, достигаемой значительным снижением полной энергии.

1.2.2.1 Разрядные цепи

Пороговые значения инверсной населенности в эксимерных лазерах обычно высокие в связи с короткой длиной волны и значительной шириной линии основных переходов. Типичное значение концентрации активных носителей заряда на верхнем рабочем уровне составляет 1014 - 1015 см3. Такие концентрации могут быть получены только при очень высокой плотности энергии накачки (10-2 Дж/см3). Для этого необходимы специальные электроразрядные цепи. Обычно они состоят из емкостей и индуктивностей и в их состав входят специальные высоковольтные ключи.

Рисунок 10. Разрядная цепь эксимерного лазера с тиратроном

В современных эксимерных лазерах высоковольтные ключи заменили тиратроны. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов приведены на рисунке 11.

Рисунок 11. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов

Колба тиратрона заполнена H2. Давление водорода в колбе определяет запирающее напряжение. В режиме отсутствия проводимости решетка, расположенная между электродами, смещается в отрицательном направлении для удержания свободных электронов, смещаемых при нагреве ближе к катоду. При подаче положительного импульса электроны начинают проходить через решетку, и тиратрон переходит в режим проводимости.

Дополнительные решетки в усовершенствованной модели тиратрона позволяют получить более высокое запирающее напряжение, более надежное включение и более равномерный разряд.

Часто для снижения нагрузки на тиратроне в цепь вводят магнитный ключ (рис.12).

Рисунок 12. Цепь с магнитным переключателем.

Еще одно решение при проектировании разрядных цепей заключается в использовании твердотельных полупроводниковых ключей. Последние разработки в этой области нацелены на адаптацию твердотельных ключей к работе с высокими напряжениями.

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

Более простым в технической реализации является электроразрядный способ накачки эксимерных лазеров. В этом случае для получения возбужденных квазимолекул применяется быстрый поперечный разряд. Такой термин применим потому, что длительность импульса возбуждения выбирается меньше времени установления стримерного разряда и накачка активной среды аналогична накачке пучком электронов, но вводимым в рабочий объем не извне, а образующимся в нем самом. При электроразрядном способе накачки объем активной области не превышает десятых долей литра, так как разряд с большой плотностью тока при сохранении высокой электронной температуры тока реализовать в больших объемах не удается.

В качестве генераторов импульсов накачки в рассматриваемых лазерах используются формирующие линии, заряжаемые до напряжения в несколько десятков кВ и разряжающиеся через активную лазерную среду за времена от нескольких единиц до нескольких десятков нс.

В некоторых конструкциях предусматривается введение дополнительного третьего электрода, устанавливаемого вблизи от анода. Возникающий в этом случае между третьим электродом и анодом микроразряд играет роль предионизатора основного электронного разряда.

Преимуществом такой схемы накачки является простота конструкции по сравнению со схемами электронного возбуждения, поскольку в данном случае отпадает необходимость в дополнительной электронной пушке (электронном ускорителе) и разделительной фольги со всеми вытекающими из-за ее применения трудностями. Кроме того, в подобных лазерах можно получить значительно более высокие частоты следования (до 1000 Гц), чем в схемах с электронным возбуждением. За рубежом в экспериментальных образцах на основе KrF* получены импульсы излучения с энергией до 1,75 Дж с КПД около 0,3% при длительности импульса 20 нс в рабочем объеме 0,1 л, а на основе XeF* - импульсы с энергией 17 мДж при КПД 1% и длительности 3 нс. При этом удельный энергосъем достигает 5 - 6 Дж/л. Предполагается, что дальнейшее совершенствование лазерного модуля с активным объемом 0,1 л позволит работать на частотах следования до 1000 Гц со средней мощностью излучения до 10 Вт при КПД, равном нескольким процентам. Кроме того, полагается, что более детальные исследования позволят увеличить удельную энергию в несколько раз, более совершенные конструкции будут рассчитаны на большие активные рабочие объемы, что позволит создать эксимерные электроразрядные лазеры со средней мощностью излучения в сто или несколько сотен Вт. Уже сейчас на отдельных образцах удается получить среднюю мощность излучения 200 Вт.

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

Перспективным способом накачки эксимерных лазеров является также комбинированный способ - электрическим разрядом и электронным пучком, используемым для предионизации.

При накачке активной среды электрическим разрядом с предионизацией последнего электронным пучком требуется два источника накачки - электронный ускоритель и источник импульсного высоковольтного напряжения. Но большая доля энергии накачки в этом случае приходится на электрический разряд, что позволяет использовать для предионизации относительно маломощные электронные ускорители.

Комбинированный способ накачки позволяет сохранить преимущества возбуждения электронным пучком и создать потенциальные возможности для повышения эффективности лазера за счет более полного использования энергии электрического разряда. Предполагается, что оптимизация параметров блока электрической накачки и увеличение длительности импульсов пучка электров позволит существенно увеличить энергию излучения и КПД лазера. Возможность существенного увеличения активного объема лазера с таким методом накачки до нескольких кубических метров позволяет надеяться на получение средней мощности излучения выше 1 кВт при работе в частотном режиме.

Что касается работы в режиме редко повторяющихся вспышек, то в настоящее время получен удельный энергосъем, достигающий 5 Дж/л. Ожидается, что при оптимизации параметров лазера это значение будет увеличено в несколько раз.

Рисунок 13. Лазер с разрядом, стабилизированным электронным пучком

Учитывая опыт разработки СО2 - лазеров, можно полагать, что активный объем рабочей лазерной камеры будет увеличен до 100 л.

Поэтому вполне реальным представляется создание эксимерных лазеров с энергией излучения в импульсе порядка 1 кДж и более.

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.

Наилучшие результаты в настоящее время получены на квазимолекулах хлорида ксенона. При длине резонатора 100 см и импульсном рабочем напряжении 40 - 50 кВ получена средняя мощность излучения 1 Вт при частоте следования импульсов 100 Гц. Полный КПД лазера составляет 0,1% при работе в частотном режиме и 0,5% при работе в режиме одиночных импульсов. Импульсная мощность излучен6ия в рассматриваемом случае составляет несколько сотен киловатт при длительности импульса 1 - 20 нс. Состав рабочей смеси меняется от импульса к импульсу, что приводит к необходимости его смены в промежутках между последующими импульсами.

Сравнительные характеристики различных типов эксимерных лазеров показаны в таблице 2.

Таблица 2

Наилучшие результаты при возбуждении электронным пучком получены на молекулах KrF* и ArF*, при возбуждении электрическим разрядом с предионизацией и при быстром поперечном электрическом разряде - на молекулах XeF*, а при возбуждении двойным электрическим разрядом - на молекулах XeCl*.

1.3 Параметры выходного излучения

Сильное влияние на параметры выходного излучения лазера оказывает резонатор. В качестве резонаторов в эксимерных лазерах используются неустойчивые системы. Это обусловлено следующими факторами. Основным преимуществом неустойчивых резонаторов является возможность высокоэффективной селекции поперечных мод при больших числах Френеля, что практически соответствует большому поперечному сечению активной среды, обеспечивающей большую выходную мощность. В неустойчивых резонаторах распределение поля поперечных мод таково, что потери высших поперечных мод на излучение существенно превышают потери основной моды, что обеспечивает высокоэффективную селекцию. Поэтому в лазерах с неустойчивыми резонаторами обычно генерируется только низший поперечный тип колебаний. Существенно, что в отличие от высокодобротных резонаторов распределение поля основной моды в неустойчивых резонаторах практически не имеет спада по мере удаления от оси. Это доказывает, что все участки поперечного сечения активной среды зондируются полем достаточно высокоэффективно, что, в свою очередь, обеспечивает высокий КПД.

Но стоит отметить, что, несмотря на вышеперечисленные достоинства неустойчивых резонаторов, потери на излучение в них очень велики, что позволяет их использовать на практике лишь в мощных лазерах, каковыми и являются рассматриваемые в данной работе эксимерные лазеры.

Еще одним преимуществом неустойчивых резонаторов (например, по сравнению с плоским резонатором) является сужение пучка вблизи точки схода лучей, что позволяет использовать дополнительные оптические элементы с небольшим поперечным сечением внутри резонатора. Но, если сужение пучка проявляется в полной мере, то возможно возникновение пробоя или повреждение оптических элементов.

Устойчивые и плоские типы резонаторов также используются в эксимерных лазерах. Генераторы с плоскими или устойчивыми резонаторам позволяют получать расходимость, близкую к дифракционной, при размещении внутри резонатора одной или двух диафрагм малого диаметра.

Выходное излучение характеризуется также специфическим (близким к прямоугольному в поперечном сечении) распределением поля. В одном продольном сечении пучок излучения эксимерного лазера имеет вид гауссоиды, а в другом - супергауссоиды.

Рисунок 14. Профиль пучка эксимерного лазера.

Также пучок лазерного излучения характеризуется стабильностью направленности и, следовательно, положения пятна на плоскости анализа (рис.15).

Рисунок 15. Стабильность направленности и позиции пучка KrF лазера

Эксимерные лазеры имеют множество применений. Среди них множество областей (плоскопанельные экраны, полупроводниковые элементы электронных приборов и др.), которые требуют максимальной однородности и высокого качества пучка. Поэтому необходимо следить не только за стабильностью таких параметров их излучения, как направленность, расходимость, но и за его однородностью. Для этого в системы, в которые входит эксимерный лазер, вводят элемент, называемый гомогенизатором (рис.16).

Рисунок 16. Достижение однородности пучка KrF лазера

Для решения некоторых задач при помощи эксимерных лазеров также необходимо использовать элементы, позволяющие придать пучку определенную форму (например, квадрат, круг или кольцо).

Спектр излучения эксимерных лазеров часто является сравнительно широкополосным. Это позволяет использовать эти генераторы для накачки других лазеров (часто лазеров на красителях), а также организовать перестройку длины волны излучения лазера. Сужение спектра осуществляется, как правило, с помощью дисперсионного резонатора. Для эксимерных лазеров на XeF существует другая возможность управления спектральным составом. В нем относительная спектральная мощность на различных колебательных переходах, зависящая от инверсии населенностей на соответствующем переходе, может целенаправленно изменяться в зависимости от давления и температуры среды, а также уровня накачки. Возможно создание перестраиваемых эксимерных лазеров.

Для сужения полосы излучения эксимерного генератора может быть использован один или несколько резонаторов Фабри-Перо или дифракционная решетка.

2. Коммерческие модели эксимерных лазеров

2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)

Разработчиками немецкой фирмы Lambda Physik был создан эксимерный лазер для получения и обработки тонких пленок.

Эксимерные лазеры для высокоточной абляции материала должны отвечать высоким требованиям к их эффективности и параметрам выходного излучения. Для получения качественных результатов и повышения эффективности лазер должен иметь стабильные выходные характеристики.

Для увеличения времени самостоятельной работы лазера были модифицированы механизмы введения газа в кювету и его очищения от примесей. Вредные примеси эффективно устраняются с помощью элементов электростатического фильтра. При помощи сложной системы очистки рабочего газа, установленной в лазере LPXPro 305, энергетическая характеристика работы газа остается практически неизменной после долгой работы даже при энергии импульса, составляющей несколько тысяч мДж.

Рисунок 2.

Для повышения качества результатов абляции резонатор лазера был сделан внешним. В результате удалось избежать влияния на резонатор таких факторов, как перепады давления, возникающие при накачке кюветы рабочим газом, или колебания температуры, вызывающие механические напряжения. Так как кювета герметизирована выходными окнами, не относящимися к резонатору, сам резонатор не подвержен влиянию перепадов давления и температуры, происходящих в кювете. Для обеспечения наибольшего времени эксплуатации оптики и покрытия внешний резонатор не взаимодействует с инертным газом.

Рисунок 3.

Эксимерный лазер обладает стандартной прямоугольной в поперечном сечении конфигурацией пучка (вдоль короткой оси распределение гауссово, вдоль длинной - с плоской вершиной).

Рисунок 4.

Не маловажен такой параметр лазерного излучения как отклонение пучка. График, приведенный на рисунке 5, построен по экспериментальным данным.

Рисунок 5.

Основные параметры описанного лазера приведены в таблице 3.

Таблица 3

Габариты лазерного излучателя: 1966×800×474 мм; масса: 300 кг.

Габариты блока накачки: 230×240×530 мм; масса: 23 кг.

Габариты энергоблока: 460×185×750 мм; масса: 50 кг.

2.2 Лазер eX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)

EX5 - компактный эксимерный лазер с воздушным охлаждением, коронной предионизацией. Блоки лазерного излучателя и накачки объединены в одном корпусе, что способствует снижению габаритов системы.

Рисунок.

Существует две версии этого лазера: EX5 и EX5 Type II. Их основные параметры приведены в таблицах 3 и 3.

Таблица 3 (EX5)

Таблица 3 (EX5 Type II)

Габариты: 470×250×250 мм; масса: 15 кг.

Оптические компоненты лазера изготовлены из материалов, позволяющих работать на различных длинах волн (157 - 351 нм) без потери качества получаемого излучения. Для получения генерации на другой длине волны нужно просто заменить рабочий газ в камере. Для снижения уровня шумов в лазере предусмотрена встроенная клетка Фарадея. Вторая версия позволяет получить более высокую выходную мощность при увеличении на 50% времени жизни рабочего газа.

Рисунок.

Рисунок.

Излучение лазера обладает высокой стабильностью энергии от импульса к импульсу (0,77% для KrF).

Рисунок.

Управление лазером осуществляется с помощью программного обеспечения, разработанного для операционных систем Windows.

Данный лазер может быть использован:

как источник ионизации;

в компактных оптикоэлектромеханических системах;

для микрообработки;

в лазерной рефрактивной хирургии.

3. Применения

3.1 Фотолизное возбуждение лазерных сред

Фотолизное возбуждение лазерной среды представляет собой случай, когда используется эксимерное излучение в некогерентном виде. В этом случае источник фотонов, возбуждаемый каким-либо способом (например, накачка электронным пучком, разрядом или их комбинацией) посылает излучение через окно в поглощающую активную среду.

Фотолизное возбуждение используется по трем основным причинам. Во-первых, такое возбуждение происходит без участия электронов. С помощью эксимерных систем может быть осуществлена как оптическая накачка (твердотельные и жидкостные лазеры), так и лазерная накачка (лазеры на красителях и мощных твердотельных систем).

Во-вторых, оптическая накачка может иметь преимущества в случае накопительных лазеров. Импульс излучения может быть сжат со времени накачки до времени высвечивания. Один из самых эффективных процессов получения возбужденных частиц - фотодиссоциация.

В-третьих, оптическая накачка эксимерными лазерами может быть отрегулирована по частоте. Это существенно для резонансно-накачиваемых твердотельных систем.

С помощью таких методов как оптическая накачка другой лазерной среды, вынужденное комбинационное рассеяние и параметрическое преобразование можно значительно расширить возможности перестройки частоты излучения эксимерных лазеров (например, на галогенидах инертных газов). Для оптической накачки обычно используют лазеры на красителях, поскольку они могут непрерывно перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Стоит отметить, что при этом краситель подвергается значительно меньшему разрушению, чем при накачке импульсной лампой.

Вынужденное комбинационное рассеяние применялось для получения сдвига волны в ArF-, KrF - и XeF-лазерах. Использование околорезонансного комбинационного рассеяния в парах бария позволило перестроить длину волны XeF-лазера с 351 нм на 585 нм, причем КПД преобразования составил 80%. Благодаря тому, что исходное лазерное излучение не находится в резонансе с рассеивающей средой, усиление на смещенной вследствие комбинационного рассеяния длине волны почти такое же, как и усиление на исходной длине волны, в результате чего наблюдаются последовательно сдвинутые линии излучения. Таким образом, любая комбинация лазера и рассеивающей среды позволяет получить несколько линий излучения.

3.2 Генерация коротковолнового излучения

Рентгеновские когерентные источники нашли применение в диагностике очень плотной плазмы, микропроцессах, биохимических и генетических исследованиях. Также источники этого типа применяются в рентгеновской голографии, производстве компонент для микроэлектроники.

3.2.1 Фотолитография

Фотолитография - метод нанесения рисунка на тонкую пленку материала. Минимальный размер детали рисунка определяется дифракционным пределом.

В процессе фотолитографии на толстую подложку (часто кремниевую) наносится тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист (материал, изменяющий свои фотохимические свойства при облучении светом). Далее производится экспонирование через фотошаблон (пластину, прозрачную для видимого света, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем). Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость, и их можно удалить с помощью травления. Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются. В завершении производится удаление остатков фоторезиста.

Рисунок 7. Микроструктура, полученная фотолитографическим методом

В случае получения недостаточно малых размеров создаваемых лазером пятен возможно применение технологии иммерсионной фотолитографии. Основным отличием технологии является тот факт, что между проекционной системой и кремниевой пластиной помещается слой жидкости с коэффициентом преломления большим, нежели у газовой смеси. Зачастую для этих целей используется обыкновенная очищенная вода.

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Лазерная коррекция зрения на сегодняшний день является самым прогрессивным направлением современной офтальмологии. С помощью новейших методик возможно эффективное лечение близорукости, дальнозоркости и астигматизма, при этом результаты лечения остаются неизменными в течение всей жизни.

В 80-х гг. ХХ века появилась новая технология - эксимер-лазерная коррекция зрения. Лазерный луч, управляемый специальным компьютером по заданной программе перепрофилирования роговицы, устраняет дефекты оптической линзы глаза и выравнивает ее поверхность таким образом, чтобы лучи света, проецируемые хрусталиком, четко фокусировались на сетчатке.

Сегодня широко применяются два метода лазерной коррекции зрения: PRK (ФРК - фоторефрактивная кератэктомия) и LASIK (лазерный кератомилез).

Метод ФРК является первой попыткой использовать эксимерный лазер для медицинских целей. Суть данного метода восстановления зрения заключается в устранении неровностей роговицы путем выпаривания ее тканей. Этот метод является бесконтактным. Однако у метода ФРК есть некоторые недостатки: микроэрозия, возникающая в ходе операции, заживает в течение двух дней. При этом пациент испытывает болевые ощущения.

Метод LASIK - это сочетание микрохирургического воздействия и эксимер-лазерной технологии. Он позволяет сохранить анатомию слоев роговицы, что значительно снижает неприятные ощущения у пациента во время реабилитации после операции. В ходе лазерной коррекции зрения методом LASIK используется автоматический микрохирургический прибор (микрокератом), который срезает верхний слой роговицы, открывая лазерному лучу доступ к более глубоким слоям глазной линзы. Проводится выравнивание роговицы - микро-испарение ткани с внутренних слоёв роговицы на заданное количество микрон для придания нужной кривизны в центральной зоне без повышения температуры ткани, после чего отделенный слой возвращается на место и фиксируется за счет коллагена, вещества роговицы.

Обеспечение перестройки длины волны лазерного излучения. Сужение полосы пропускания резонатора на основной длине волны.

Благодаря короткой длине волны излучения, высокой мощности импульса, высокой стабильности мощности и направленности пучка лазеры серии LPX немецкой фирмы Lambda Physik позволяют проводить очень точную обработку материалов (с разрешением до 2 мкм).

При создании установок для микролитографии с использованием линзовых оптических систем объектива и осветителя приходится использовать эксимерный лазер с очень высокой монохроматичностью. Причиной этого являются трудности, возникающие при ахроматизации кварцевой оптики. Отклонение длины волны лазерного излучения (если основная длина волны  нм) составляет около  нм!

Предлагается дополнить резонатор существующего эксимерного лазера диспергирующим элементом с целью обеспечения перестройки длины волны и сужения диапазона .

Предлагается использовать схему дисперсионного резонатора с двумя концевыми зеркалами и отражательной дифракционной решеткой между ними (рис.5).

Рисунок 5.

Дисперсия такого резонатора становится максимальной при скользящем угле падения света на решетку . В этом случае избирательность резонатора значительно выше, чем с автоколлимационной решеткой (угол падения равен углу дифракции).

Отсутствие неселективного (нулевой порядок) обратного отражения в активную среду резко снижает интенсивность сверхлюминесцентного фона в выходном узкополосном излучении.

Принципиальный недостаток резонаторов "со скользящим падением" - низкая дифракционная эффективность. Поэтому они используются в основном в лазерах с высоким усилением (в том числе эксимерных).

Для такого резонатора полоса пропускания по уровню 0.5 составляет

, (1)

где  - радиус пучка до дифракционной решетки (в активной среде);

 - угол дифракции;

 - коэффициент телескопичности.

Длину волны перестройки резонатора такого типа наиболее удобно менять вращением ближайшего к решетке концевого зеркала. При скользящем падении излучения на решетку перестройка производится по закону

 (2)

и коэффициент перестройки

, (3)

 - период решетки, мм.

Основное уравнение дифракционной решетки выглядит следующим образом

. (4)

При скользящем падении и угле дифракции близком к нулю период решетки примерно равен длине волны падающего излучения.

Итак, используем резонатор "со скользящим падением" (), где дифракционная решетка работает во втором порядке (65 - 70%), а нулевой порядок используется для вывода излучения из резонатора.

Рассчитываем решетку на основную длину волны нм, работающую во втором порядке, с периодом  нм.

Из основного уравнения дифракционной решетки видно, что  и, следовательно, угол дифракции . При таком соотношении углов  и  телескопичность .

Оценим полосу пропускания резонатора с такой решеткой:

 пм

и  пм.

Отметим, что для дальнейшего сужения полосы возможно применение эталона Фабри-Перо, полоса пропускания которого , где  - резкость идеального эталона Фабри-Перо,  - коэффициент отражения зеркал эталона. Но любое дополнительное средство сужения полосы пропускания будет приводить к снижению КПД системы. Итак, можно сделать выводы.

Литература

1.  Звелто О. "Принципы лазеров". М.: Мир, 1990г.

2.  п. р. Роудза Ч. "Эксимерные лазеры". М.: Мир, 1981г.

3.  Ed. Dr. D. Basting “Excimer Laser Technology: Laser Sources, Optics, Systems and Applications"

4.  Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. "Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов". М.: Энергоатомиздат, 1988г.

5.  Рябов С.Г. "Приборы квантовой электроники".

6.  Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. "Оптико-электронные квантовые приборы". М:. Радио и связь, 1982г.

7.  Официальный сайт фирмы Lambda Physik: www.lambdaphysik.com

8.  Ralph F. Delmdahl “Pulsed Excimer Lasers For Thin Film Applications”, Lambda Physik AG

9.  Официальный сайт фирмы Gam Lasers www.gamlasers.com

10.  Соскин М.С. "Перестраиваемые лазеры"