14.3.2. Методы подавления неустойчивости

Экспериментальные и теоретические исследования, выполненные Догерти и др. [9], а также Брауном и Нигэном [5], показали, что в KrF-лазерах, управляемых электронным пучком, основной вклад в неустойчивость вносит ионизационная неустойчивость, обусловленная многоступенчатой ионизацией. Условие стабильного горения разряда (т. е. можно записать в виде [6, 9]

что это условие зависит от плотности молекул F2, свидетельствует о том, что гибель электронов определяется главным образом

диссоциативным прилипанием к молекулам F2, а эксимерные молекулы образуются в основном благодаря тушению метастабильных состояний инертного газа молекулами Было показано [23], что при значениях параметров, необходимых для эффективной работы -лазера, левая часть неравенства (27) обычно принимает значения, соответствующие интервалу устойчивости, а именно значения в пределах 0,2 — 1,0.

Как указали Браун и Нигэн [6], из критерия устойчивости [неравенства (27)] следует несколько методов увеличения продолжительности импульса устойчивого разряда при сохранении оптимальных условий работы лазера. Для этого 1) можно изменять во времени напряжение разряда Е/N таким образом, чтобы снизить величину к можно изменять во времени функцию источника ионизации электронным пучком таким образом, чтобы компенсировались потери молекул F2, и 3) можно модифицировать кинетику галогенов таким образом, чтобы потери молекул F2 оказывали значительно меньшее влияние на устойчивость разряда.

Браун и Нигэн [6] обнаружили, что влияние потерь молекул F2 на устойчивость разряда можно существенно уменьшить, если разорвать связь между столкновительными механизмами гибели электронов, один из которых обусловлен диссоциативным прилипанием, а другой — образованием эксимеров при тушении метастабилей. Такую ситуацию можно получить, используя двухкомпонентные смеси галогенов, такие, как в которых одна из частиц отвечает в основном за потери электронов, в то время как другая играет главную роль в тушении метастабилей и, следовательно, в процессе образования эксимеров. Это достигается добавлением сравнительно небольшого количества молекул в обычную газовую смесь KrF-лазера, поскольку по сравнению с F2 молекулы имеют значительно большую константу скорости прилипания и намного меньшую константу скорости тушения метастабильных атомов. В этом случае критерий устойчивости принимает вид [6]

Как следствие ослабления связи между процессами гибели электронов и тушения метастабилей, снижается скорость расходования галогенного топлива и повышается устойчивость разряда.

Численное моделирование и экспериментальная проверка позволили Брауну и Нигэну [6] показать действенность этих методов повышения устойчивости. Характерные результаты расчета приведены на рис. 5. Повышение устойчивости разряда подтверждается

тем, что при использовании указанных методов стабилизации разряда рост разрядного тока резко уменьшается. Кроме того, на стадии устойчивого горения разряда характеристики среды поддерживались почтц однородными при значениях, совместимых с теми, которые необходимы для эффективной работы лазера высокой мощности [29].

Рис. 5. Вычисленные [6] профили плотности тока для разрядов, управляемых электронным пучком, в смесях при полном давлении 1 атм. Для каждой кривой начальное значение и скорость ионизации где I измеряется в секундах. Было рассмотрено несколько вариантов условий в рязряде: I — при постоянных — при E/N, изменяющихся по закону — при постоянных E/N, когда в смесь добавлено

Например, для условий, соответствующих рис. 5(2), разряд имеет следующие параметры: кпд образования KrF равен 20%, усиление слабого сигнала равно отношение усиления слабого сигнала к потерям, обусловленным ненасыщенным фотопоглощением, равно 10, суммарная плотность электрической мощности составляет и усредненный во времени коэффициент усиления мощности разряда равен 5.

Методы повышения устойчивости экспериментально исследовались в разряде, управляемом электронным пучком. На рис. 6 приведены результаты измерения плотности тока разряда, напряжения и флуоресценции KrF для смеси при давлении 1 атм и для различных начальных условий. Данные, приведенные на рис. соответствуют разряду с постоянным значением Е/N, неустойчивость в котором возникает примерно через после начала инициирования разряда. Чтобы оценить влияние

подстройки разрядного напряжения (рис. 6,б), величину Е/N в время горения разряда уменьшали по линейному закону. Благодар этому методу начало неустойчивой фазы горения разряда было задержано почти на по отношению к моменту включения разряда. На рис. 6,в иллюстрируется действие добавки при постоянном Е/N. Наблюдаемое снижение начальной плотности тока увеличение времени устойчивой фазы горения разряда до также согласуются с теоретическими результатами, приведенным на рис. 5.

Рис. 6. Измеренные разрядные характеристики [6] смеси и скорость ионизации электронным пучком, соответствующие рис. 5. а — при постоянном значении E/N ; б — при Е/N, изменяющемся по закону в — при постоянном значении когда в смесь добавлено

На рис. 7, а показано поведение разряда в такой же смеси но при более высоких значениях Е/N. Неустойчивость здесь возникает через интервал времени менее Однако добавка а также снижение во времени величины Е/N позволили увеличить время стабильной работы разряда примерно до При этих условиях плотность мощности разряда была равна а коэффициент усиления мощности разряда составлял около 7. Численным расчетом были

получены следующие характеристики среды, обеспечивающие эффективную работу лазера высокой мощности: эффективность образования усиление слабого сигнала и отношение усиления слабого сигнала к потерям, обусловленным ненасыщенным фотопоглощением, равное 17.

Рис. 7. Измеренные разрядные характеристики [6] смеси и скорости ионизации электронным пучком, соответствующие рис. 5. а — при постоянном значении ; б — при изменяющемся Е/N от начального значения к значению когда в смесь добавлено

Методы повышения устойчивости, разработанные Брауном и Нигэном [6], показывают, как с помощью управления основными столкновительными процессами можно подавить неустойчивость разряда в эксимерных лазерах.