Газоразрядный лазер, лазерная система и способ генерации излучения

Газоразрядный лазер, лазерная система и способ генерации излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности, эксимерных лазеров, лазерных систем и способу 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), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeBr (282 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F₂ (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с КПД около 3%, высокоэнергетичными, до ~1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 30D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ лидары. ArF лазеры, благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм. Для литографии применяются узкополосные ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов, устройство и, технология которых описаны, в частности, в заявке US20030118072. Таким образом, мощные экисмерные лазеры находят применения при различных сочетаниях длины волны излучения, энергии генерации и частоты следования импульсов.

В мощных эксимерных лазерах возбуждение активной среды осуществляется импульсно-периодическим объемным разрядом высокого (2,5-5 атм) давления в смесях инертных газов (Ne, Не, Хе, Кr, Аr) с галогеносодержащими молекулами F₂, HCl при условиях ввода энергии в разряд, обеспечивающих высокую эффективность генерации лазерного излучения. Такой разряд принципиально неустойчив, и время 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 HCl, 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.

Известен из патента US6782030 импульсно-периодический газоразрядный лазер, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены в лазерной камере вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.

Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F₂ или НСl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.

Этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлической лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом. Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.

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 компактных лазера, аналогичных описанным в патенте US6757315. Каждый из лазеров содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации. Способ генерации лазерного излучения предусматривает одновременную синхронизированную накачку двух идентичных лазеров и совмещение двух параллельных лазерных лучей вне лазера.

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, известный из патента RU2446530, являющийся наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа. Лазер включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор.

Здесь и далее «токовводы» означают то же самое, что «электрические вводы».

В указанном устройстве керамические контейнеры, выполненные в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока. Способ генерации лазерного излучения включает в себя осуществление импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в керамических контейнерах, с помощью источника питания, предыонизацию газа между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию лазерного излучения. Предыонизацию осуществляют УФ излучением завершенного скользящего разряда, что позволяет эффективно увеличивать апертуру разряда.

Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.

В устройстве ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению КПД лазера. Для зажигания вспомогательного разряда блока предыонизации в металлической лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Также в лазере ограничена возможность повышения энергии генерации из-за ограниченных габаритов контейнеров и, соответственно, ограниченного энергозапаса размещенных в них конденсаторов. Кроме того, требуемое для повышения энергии генерации увеличение межэлектродного расстояния ведет к повышению разрядного напряжения, что усложняет эксплуатацию лазера и сопровождается необходимостью увеличения габаритов керамических частей лазера, служащих в качестве высоковольтных изоляторов, и лазерной камеры в целом, что усложняет ее конструкцию. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров может не полностью удовлетворять условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать КПД лазера при увеличении энергии генерации.

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 указанных задач предлагается газоразрядный, в частности, эксимерный лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую преимущественно из металла, протяженные первый электрод и второй электрод, расположенные друг против друга и определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны металлической стенки лазерной камеры; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; расположенные вблизи первого электрода либо два протяженных керамических контейнера,

либо один протяженный керамический контейнер,

набор конденсаторов, размещенных в каждом из керамических контейнеров, причем конденсаторы подключены к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны первого и второго электродов; источник питания, подключенный к конденсаторам; систему циркуляции газа и резонатор, при этом

со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых снабжен керамическим изолятором, внутри лазерной камеры по обе стороны либо керамических контейнеров, либо керамического контейнера размещены протяженные заземленные токопроводы, соединенные с металлической стенкой лазерной камеры, и источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через упомянутые высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы, а также через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера.

Предпочтительно, что концевые части каждого керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера.

Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизации.

В вариантах изобретения части поверхности каждого керамического контейнера, обращенные к области разряда, расположены заподлицо с первым электродом, образуя вблизи первого электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.

В вариантах изобретения, по меньшей мере, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.

В некоторых вариантах реализации изобретения вблизи первого электрода установлен один протяженный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен первый электрод.

В другом аспекте изобретение относится к лазеру, в лазерной камере которого размещены либо один, либо два дополнительных протяженных керамических контейнера, каждый дополнительный керамический контейнер расположен вблизи второго электрода, в каждом дополнительном керамическом контейнере размещены дополнительные конденсаторы, в стенках каждого дополнительного керамического контейнера вдоль него установлены герметичные высоковольтные токовводы и заземленные токовводы, при этом конденсаторы подключены ко второму электроду через газопроницаемые обратные токопроводы, высоковольтные токовводы и заземленные токовводы каждого дополнительного контейнера и дополнительные конденсаторы, снаружи лазерной камеры размещен подключенный к дополнительным конденсаторам дополнительный источник питания, полярность которого противоположна полярности источника питания.

Предпочтительно, что концевые части каждого дополнительного керамического контейнера герметично закреплены на торцах лазерной камеры с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части дополнительного контейнера.

Предпочтительно, что дополнительный источник питания подключен к дополнительным конденсаторам с торцов каждого дополнительного керамического контейнера.

Предпочтительно, что временная задержка между включениями дополнительного источника питания и источника питания равна разности времени импульсной зарядки дополнительных конденсаторов и времени зарядки конденсаторов.

Предпочтительно, что части поверхности каждого дополнительного керамического контейнера, обращенные к области разряда, образуют вблизи второго электрода расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока.

В вариантах изобретения заземленные газопроницаемые токопроводы выполнены вогнутыми в сторону области разряда.

В вариантах изобретения, по меньшей мере, один блок предыонизации размещен в непосредственной близости от второго электрода, и, по меньшей мере, в одном дополнительном керамическом контейнере, вдоль его длины, установлены вспомогательные герметичные токовводы и размещены вспомогательные конденсаторы, одна из обкладок которых подсоединена к блоку предыонизации через вспомогательные токовводы.

В вариантах изобретения вблизи второго электрода может быть установлен один дополнительный керамический контейнер, поверхность которого, обращенная к разрядной области, имеет протяженную нишу, в которой размещен второй электрод.

В некоторых вариантах изобретения лазерная камера может быть снабжена дополнительной системой циркуляции газа.

В вариантах изобретения первый электрод и второй электрод выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации установлен сбоку либо первого электрода, либо второго электрода.

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

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

В некоторых вариантах изобретения блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.

В предпочтительных вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер имеет форму либо круглой, либо прямоугольной трубы.

В вариантах изобретения, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер заполнен либо газовой, либо жидкой электрически прочной средой под давлением, близким к давлению газа в лазерной камере, и к торцам каждого контейнера, заполненного электрически прочной средой, герметично подсоединена система поддержания давления электрически прочной среды, близким к давлению газа в лазерной камере, причем система поддержания давления выполнена с возможностью циркуляции и охлаждения электрически прочной среды.

Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, заключающемуся в осуществлении импульсной зарядки конденсаторов, размещенных в каждом керамическом контейнере, с помощью источника питания и предыонизации газа между первым и вторым электродами, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при котором

предварительно включают дополнительный источник питания и с торцов каждого дополнительного керамического контейнера производят импульсную зарядку дополнительных конденсаторов, затем с временной задержкой, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, включают источник питания и осуществляют быструю импульсную зарядку конденсаторов напряжением, полярность которого противоположна полярности напряжения зарядки дополнительных конденсаторов, после момента одновременного окончания зарядки конденсаторов и дополнительных конденсаторов осуществляют разряд между высоковольтными первым и вторым электродами противоположной полярности по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы и дополнительные конденсаторы, последовательно соединенные между собой через газопроницаемые токопроводы, вогнутые в сторону области разряда.

В некоторых вариантах изобретения с временной задержкой по отношению к моменту включения дополнительного источника питания, равной разности времен зарядки дополнительных конденсаторов и конденсаторов, осуществляют предыонизацию со стороны первого электрода.

Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения, включающему предыонизацию газовой смеси между первым и вторым электродами, осуществление разряда между первым и вторым электродами и генерацию луча лазера, при котором

в процессе работы лазера поддерживают давление электрически прочной среды, заполняющей, по меньшей мере, один керамический контейнер, либо дополнительный керамический контейнер, близким к давлению газовой смеси в лазерной камере.

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

В вариантах изобретения в лазерной системе между конденсаторами второго лазера и общим источником питания введена линия задержки, обеспечивающая задержку зажигания разряда во втором лазере на время, не превышающее длительность временного интервала между моментом зажигания разряда и моментом достижения порога генерации в первом лазере, и на шасси размещена система оптической связи между двумя лазерами, обеспечивающая инжекцию во второй лазер внешнего оптического сигнала, представляющего собой малую часть излучения первого лазера.

В некоторых вариантах изобретения лазерная система содержит шасси, на котором размещены первый лазер, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, второй лазер, идентичный первому, при этом источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем источнике питания, и дополнительные источники питания первого и второго лазеров совмещены в общем дополнительном источнике питания.

Изобретение в другом аспекте относится к способу генерации лазерного излучения посредством лазерной системы, заключающемуся в осуществлении в каждом лазере предыонизации газа, осуществлении разряда между первым и вторым электродами и генерации луча лазера, при 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; Exdmer 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 с высокой частотой следования импульсов.

Фиг.2 - часть продольного сечения того же варианта лазера по оси одного из двух керамических контейнеров.

Фиг.3 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучения скользящего разряда.

Фиг.4 - поперечное сечение лазера с керамическими контейнерами, значительно изменяющими направление газового потока при прохождении области разряда.

Фиг.5 - поперечное сечение лазера с предыонизацией излучения коронного разряда.

Фиг.6 - поперечное сечение лазера с одним керамическим контейнером, установленным вблизи первого электрода.

Фиг.7 - поперечное сечение лазера с дополнительными контейнерами и дополнительным источником питания.

Фиг.8 - поперечное сечение лазера с дополнительной системой циркуляции газа.

Фиг.9 - поперечное сечение лазерной системы.

Фиг.10 - поперечное сечение лазерной системы с дополнительным источником питания.

Фиг.11 - блок схема системы оптической связи лазерной системы.

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 преимущественно из металла и заполненную газовой смесью. Лазер также содержит протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, расположенные друг против друга и определяющие область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1; по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 6.

В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг.1, первый электрод 2 и второй электрод 3 выполнены сплошными. Один блок предыонизации 6, расположенный сбоку от второго электрода 3, содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика, в частности по поверхности сапфировой пластины 7, покрывающей инициирующий (как мы его называем) электрод 8, с поджигающим (как мы его называем) электродом 9, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 7. При этом инициирующий электрод 8 блока предыонизации 6 совмещен со вторым электродом 3 лазера.

Вблизи первого электрода 2 расположены либо один, либо, как показано на Фиг.1, два протяженных керамических контейнера 10, в которых размещен набор конденсаторов 11. Конденсаторы 11 подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные токовводы 12 и заземленные токовводы 13 каждого керамического контейнера 10 и через газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. К конденсаторам 11 подключен источник питания 15, предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера.

Для обновления газа в области разряда 4 между очередными разрядными импульсами в лазерной камере 1 размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, спойлеры 18, 19 и направляющие лопасти или лопасть 20 для формирования высокоскоростного потока газа между первым и вторым электродами 2, 3.

В соответствии с изобретением со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых снабжен керамическим изолятором 22. Внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 размещены протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. При этом источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 11 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23, а также через высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10.

Для генерации луча лазера (не показан) снаружи лазерной камеры 1 размещен резонатор (для упрощения не показан).

Предложенная конструкция лазера отличается простотой и надежностью. Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21, снабженные керамическими изоляторами 22, и заземленные токопроводы 23, а также через токовводы 12, 13 каждого керамического контейнера 10, уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с известным из патента RU2446530 устройством увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком КПД лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.

Высокий КПД лазера также обеспечивается за счет высокого уровня предыонизации, обеспечиваемого УФ излучением однородного скользящего разряда, и малой индуктивности разрядного контура - за счет размещения конденсаторов 11, с помощью которых осуществляется энерговклад в основной объемный разряд лазера, в непосредственной близости от разрядного объема 4.

На Фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы, что обеспечивает компактность керамических контейнеров 10 с высокой степенью их заполнения керамическими конденсаторами 11, используемыми для мощных газоразрядных лазеров. В результате достигается малая индуктивность разрядного контура и повышение КПД лазера.

На Фиг.1 части 24, 25 поверхности каждого керамического контейнера 10, обращенные к области разряда 4, расположены заподлицо с первым электродом 2, образуя вблизи первого электрода 2 расположенные вверх и вниз по потоку направляющие газового потока. Это позволяет формировать высокоскоростной поток газа в разрядной области 4.

Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 10 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 11. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизации 6 через вспомогательные токовводы 27 керамического контейнера 10 и протяженный вспомогательный газопроницаемый обратный токопровод 28 (Фиг.1).

На Фиг.2 показана часть сечения устройства, проходящего вдоль одного из керамических контейнеров 10, для того же варианта лазера, что и на Фиг.1. В соответствии с изобретением концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10. В одном из вариантов концевые части 29 каждого керамического контейнера 10 герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1 при помощи соединительного устройства 31 (Фиг.2). На каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 установлены оптические окна 32 для выхода луча (не показан) лазера.

Герметизация керамических контейнеров 16 на торцах 30 лазерной камеры 1 с возможностью доступа или герметичного подсоединения к внутренней части контейнера 10 позволяет прокачивать электрически прочную среду, например воздух, через конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, осуществлять их охлаждение, устранять образующийся в контейнерах 16 озон или предотвращать возможность его образования. Все это обеспечивает высокоэффективную работу лазера в долговременном режиме. Использование соединительного устройства 31 обеспечивает возможность надежного герметичного крепления концевых частей 29 керамических контейнеров 10 различной формы в непосредственной близости к оптическим окнам 32 лазера.

В других вариантах концевые части 29 контейнеров выведены через торцы 30 лазерной камеры 1 и герметично закреплены в отверстиях, выполненных в торцах 30 лазерной камеры 1.

Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи лазерной камеры 1, состоящей преимущественно из металла. Осуществляется импульсная зарядка конденсаторов 11, размещенных в варианте изобретения в двух керамических контейнерах 10 и подключенных к протяженным первому и второму электродам 2, 3, расположенным друг против друга и определяющим область разряда 4 между ними, с первым электродом 2, расположенным со стороны металлической стенки 5 лазерной камеры 1. В варианте изобретения керамические контейнеры 10 выполнены в виде прямоугольных труб (Фиг.1). Зарядка конденсаторов 11 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, установленные со стороны первого электрода 2 в металлической стенке 5 лазерной камеры 1 вдоль нее и изолированные от металлической стенки 5 керамическими изоляторами 22. Малоиндуктивный контур зарядки конденсаторов 11 также включает герметичные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и размещенные внутри лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 10 протяженные заземленные токопроводы 23, соединенные с металлической стенкой 5 лазерной камеры 1. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном из керамических контейнеров 10. Зарядка вспомогательных конденсаторов 26 осуществляется по электрической цепи, включающей в себя вспомогательные токковводы 27 контейнера 10, протяженный газопроницаемый вспомогательный токопровод 28, разрядный промежуток между поджигающим и инициирующим электродами 9, 8 блока предыонизации 6, газопроницаемые обратные токопроводы 14.

При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 11, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд блока предыонизации 5. УФ излучение вспомогательного завершенного скользящего разряда по поверхности протяженной сапфировой пластины 7 осуществляет предыионизацию газа в области разряда 4. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3, между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 11, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя высоковольтные и заземленные токовводы 12, 13 керамических контейнеров 10 и газопроницаемые обратные токопроводы 14, расположенные по обе стороны первого и второго электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Излучение лазера выводится через одно из двух оптических окон 32, установленных на каждом из двух торцов 30 лазерной камеры 1 (Фиг.2). Когда с помощью системы циркуляции газа, содержащей диаметральный вентилятор 16, охлаждаемые водой трубки 17 теплообменника, направляющие газового потока, к которым относятся спойлеры 18, 19, направляющие лопасти или лопасть 20, и части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 10, предпочтительно расположенные заподлицо с первым электродом 2, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.

В процессе работы через контейнеры 10, концевые части 29 которых герметично закреплены на торцах 30 лазерной камеры 1, например, посредством соединительного устройства 31 (Фиг.2), осуществляют проток электрически прочной среды, в частности воздуха. За счет этого охлаждают конденсаторы 11 и вспомогательные конденсаторы 26, а также устраняют озон или возможность его образования в контейнерах 10.

В предложенной конструкции лазера достигается малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам 11 за счет введения герметичных высоковольтных токовводов 21, снабженных керамическими изоляторами 22, и протяженных заземленных токопроводов 23. Это значительно уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 11, увеличивает скорость нарастания электрического поля и повышает величину напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение КПД лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального КПД лазера, коэфф