14. Устойчивость разрядов в эксимерных лазерах
Р. А. Хаас
14.1. Введение
Открытие эксимерных лазеров с электрическим возбуждением [3, 12] вызвало огромный интерес к разработке высокоэффективных мощных лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов с точки зрения применения их для осуществления термоядерного синтеза, для разделения изотопов, в фотохимии, связи, для обнаружения и измерения дальности и во многих других областях техники. Последующая экспериментальная разработка электроразрядных эксимерных лазерных систем показала, что их рабочие характеристики и рост мощности сдерживаются возникновением ионизационной неустойчивости [5, 6, 9, 18]. Эта неустойчивость вызывает схлопывание или шнурование разряда, что приводит, как правило, к прекращению лазерной генерации уже через несколько десятков наносекунд. Возникновение неустойчивости обусловливается локальным нарушением баланса между процессами рождения и гибели электронов в разряде. Оказалось [9], что разряд можно стабилизировать, используя для поддержания процесса ионизации в разряде пучок электронов высокой энергии. Однако теоретическое рассмотрение и эксперименты [5, 9] показали, что на электронный пучок должна приходиться значительная доля полной электрической мощности, вкладываемой в разряд. Сложность и дороговизна способа поддержания электрического разряда, управляемого электронным пучком, ограничили практическое применение этого метода. Однако выполненные в последнее время эксперименты [6] с привлечением новых лазерных смесей и специально подобранных временных зависимостей параметров электронного пучка и разряда дают основание предполагать, что при использовании таких методов
требования к относительной мощности накачки электронным пучком могут быть снижены.
Цель данной главы — показать, какие достигнуты успехи в направлении изучения механизмов возникновения неустойчивости в эксимерных лазерах большого объема и высокой мощности с накачкой электрическим разрядом, управляемым электронным пучком. Особое внимание уделяется определению роли фундаментальных столкновительных процессов. Мы не рассматриваем неустойчивости, обусловленные несоответствием между характеристиками задающей цепи и разряда [18], и условия, необходимые для создания в среде эксимерного лазера высокого давления однородного импульсного лавинного разряда [17], хотя эти вопросы являются важными областями исследования. Методы стабилизации разрядов эксимерных лазеров рассматриваются с точки зрения их влияния на основные столкновительные процессы, вызывающие неустойчивость. Глава построена следующим образом. В разд. 14.2 обсуждаются теоретические результаты, касающиеся ионизационной неустойчивости разряда в эксимерных лазерах. В разд. 14.3 дается обзор теоретических и экспериментальных исследований ионизационной неустойчивости в разряде эксимерных KrF-лазеров. В дополнение к теоретическому рассмотрению, представленному в разд. 14.2, в конце главы помещены два приложения. В приложении 1 к настоящей главе изложена общая теория ионизационной неустойчивости разрядов в эксимерных лазерах, а также выводятся используемые в разд. 14.2 выражения, определяющие условия возникновения и ско- рость нарастания неустойчивости. В приложении 2 к настоящей главе рассчитываются константы суммарной скорости ионизации для нескольких простых моделей процесса многоступенчатой ионизации в разрядах эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов [9], галогенидах металлов [33] и парах металлов [33]. Аналитические результаты, приводимые в приложениях 1 и 2 к настоящей главе, детально обсуждаются в разд. 14.2. Эти результаты составляют основу для интерпретации [5, 6, 9] экспериментальных данных, представленных в разд. 14.3 для разрядов, в которых образуются молекулы KrF.
