Системы возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура

Министерство образования Республики Беларусь УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ Кафедра лазерной физики и спектроскопии Курсовая работа Системы возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура Выполнил студент 4курса, 2-й группы физико- технического факультета Субко Е.А Научный руководитель преподаватель кафедры лазерной физики и спектроскопии Володенков А.П. Гродно 2004. Реферат. Реферат курсовой работы Системы возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура студента физико-технического факультета УО Гродненский государственный университет имени Янки Купалы Субко Е.А. Объем 21 с 7 рис 17 формул, 16 источников. Ключевые слова объемный разряд, система возбуждения, перечный разряд, LC-контур, энерговклад, расчетные осциллограмм, предымпульс.

Объект исследования методики теоретических и экспериментальных исследований электроразрядных эксимерных XeCl лазеров с возбуждением LC-контуром.Цель настоящей работы ознакомление с простейшими математическими моделями систем возбуждения эксимерного лазеров на основе LC-контура и методами теоретического и экспериментального исследования оптимальных условий возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров.

Изучена методика расчета системы возбуждения ХеСl лазера, выполненной по типу LC-контура, позволяющая рассчитывать форму импульса напряжения на лазерных электродах и энерговклад в активную среду в зависимости от параметров цепи возбуждения.При этом влияние активной среды учитывалось величиной пробойного напряжения конкретного разрядного промежутка.

Изучена методика учета влияние параметров контуров возбуждения на энергетические характеристики эксимерных лазеров и методика исследования режима работы с автоматическим высоковольтным предымпульсом. Полученные результаты и навыки предполагается применить для теоретического и экспериментального исследования систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров на распределенных элементах.ВВЕДЕНИЕ Эксимерные лазеры лазеры, работающие на эксимерных молекулах. Эксимерные, или эксиплексные, молекулы это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии.

Основное состояние таких молекул либо чисто отталкивательное, либо имеет очень мелкую яму на кривой потенциальной энергии. При переходе из устойчивого возбужденного состояния в неустойчивое молекула распадается.Поэтому при достаточно низких температурах нижнее состояние эксимера не заселено, и инверсия населенностей определяется населенностью только верхнего уровня. Впервые идея об использовании связанно-свободных переходов эксимеров в качестве активной среды для лазеров была высказана в 1960 г. Однако действующие лабораторные образцы появились лишь в начале 70-х годов.

Достаточно высокая скорость возбуждения, необходимая для получения оптического усиления эксимеров, была достигнута с помощью нового применения имеющихся возможностей, а именно техники электронных пучков.Теперь ясно, что эти разработки привели к возникновению быстро развивающейся гибридной технологии, которая окажет значительное влияние на будущий научный и технический прогресс.

Огромный интерес к этим лазерам связан с тем, что с их помощью может быть получено мощное импульсное когерентное излучение в видимой и ультрафиолетовой УФ областях спектра и, что особенно существенно, средняя мощность эксимерных лазеров может достигать высоких значений, а КПД превышать несколько процентов. К настоящему времени запущено свыше десятка различных типов эксимерных лазеров как с накачкой электронным пучком, так и с оптической и электрической накачкой.

Эти лазеры дают излучение в диапазоне 130 1000 нм. Существенным свойством эксимерных лазеров является возможность непрерывной перестройки частоты генерации в широкой области спектра.Это обусловливается тем, что переходы из возбужденного состояния эксимера в основное отталкивательное обеспечивают довольно широкие полосы излучения порядка 100 200 нм. что допускает широкую перестройку частоты эксимерных лазеров и генерацию коротких импульсов.

Наибольшие достигнутые энергия и средняя мощность излучения в режиме повторяющихся импульсов получены в УФ-диапазоне на галогенидах инертных газов и составляют 350 Дж и 100 Вт . Создание эксимерных лазеров ознаменовало собой сушественныи поворот в развитии когерентных источников излучения.Успехи в этом направлении за последние несколько лет связаны с совокупностью достижений в таких дисциплинах, как атомная и молекулярная физика, оптическая технология и техника мощных импульсных источников возбуждения последняя из них обязана главным образом разработке электронных пучков.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. Система возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура 2. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура 3. Расчетные осциллограммы 13 Заключение 19 Список использованных источников 1. Система возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура. Как система возбуждения лазера, LC-контур содержит накопительную емкость С1 и последовательно включенную с ней через индуктивность L1 обострительную емкость C0 см. рис.1,а. Так как С1 перезаряжается на С0 через коммутатор, который обладает активным сопротивлением, сравнимым с сопротивлением плазмы в межэлектродном промежутке, то на нем теряется значительная часть энергии, запасенной в С1. Следовательно, одним из путей увеличения эффективности и выходной энергии генерации является уменьшение потерь на коммутаторе.

Возможны следующие характерные режимы работы LC-контура. 1. При малых величинах обострительной емкости С0 е основная функция состоит в формировании объемного разряда.

Она заряжается от накопительной емкости С1 до напряжения порядка двойного зарядного, а затем быстро разряжается на межэлектродный промежуток.При столь высоком перенапряжении 5 кВсм атм. и крутом фронте импульса возбуждения формируется однородный объемный разряд.

Сама обострительная емкость С0 разряжается на стадии пробоя, когда сопротивление разрядной плазмы достаточно высоко. Основной энерговклад в разряд в этом случае осуществляется от накопительной емкости С1. 2. При увеличением обострительной емкости С0 при одновременном увеличении L1 ее роль изменяется. Наряду с формированием разряда она осуществляет и энерговклад в разряд.Причем его мощность сравнима с мощностью энерговклада от С1. 3. Если величина обострительной емкости С0 становится одного порядка с накопительной С1, то возможен режим работы с полной перезарядкой.

В LC-контур а б а электрическая схема б расчетная схема С1, С0 накопительная и обострительная емкости L1 и L0 контурные индуктивности Сe - межэлектродная емкость Rt сопротивление междуэлектродного промежутка LS собственная индуктивность разряда I1, I2, Ir токи через соответствующие элементы U1 напряжение на емкости C1 U0 напряжение на емкости C0 Ue разность потенциалов на емкости Ce U напряжение на лазерных электродах Rk сопротивление разрядников.

Рис.1 этом случае вся энергия запасенная в С1 переходит в обостритель С0, причем именно в таком режиме обеспечивается как правило максимальный К.П.Д. лазера . 2. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на основе LC-контура Нами была изучена компьютерная программа расчета холостого и рабочего режимов работы системы возбуждения на основе LC-контура.По расчетной схеме на рис.1,б была составлена следующая система уравнений 1 где I1, I2, Ir токи через соответствующие элементы рис.1,б U1 напряжение на емкости C1 U0 напряжение на емкости C0 Ue разность потенциалов на емкости Ce U напряжение на лазерных электродах Rk сопротивление разрядников.

В расчетной схеме рис.1,б введена межэлектродная емкость Ce, сопротивление разряда Rt и собственная индуктивность разряда LS. Эти три величины моделируют импеданс разряда.Напряженность электрического поля в разряде имеет две составляющие. 2 Первое слагаемое в 2 является напряженностью электростатического поля, обусловленного зарядами.

Второе слагаемое вызвано переменным магнитым полем.В квазистационарном прибижении вектор потенциал определяется токами протекающими в системе, поэтому второе слагамое зависит от скорости изменения токов и можно записать 3 Зависимость сопротивления разряда от времени задавалась в следующем виде 4 Такая зависимость сопротивления разряда от времени получается в случае, если плотность электронов n удовлетворяет следующему уравнению. 5 Где эффективная частота ионизации в коэффициент рекомбинации.

Решение уравнения 5 при начальном условии n0npначальная концентрация электронов, то есть созданная предыонизацией имеет следующий вид 6 где - стационарная концентрация электронов, достигаемая за достаточно большой промежуток времени.Эффективная частота ионизации зависит от ионизационного коэффициента б и дрейфовой скорости электронов Vd следующим образом. 7 Представим ионизационный коэффициент в форме Таунсенда. 8 Дрейфовую скорость электронов в следующем виде. 9 Тогда на основании выражений 7-8 имеем 10 Где Р давление газа. То есть, в общем случае при мР onst частота ионизации зависит от давления газа Р и отношения ЕP. Поэтому, при получении решения уравнения 5 в форме 6, подразумевалось, что величины Р и ЕP постоянны.

Удельное сопротивление плазмы с равно 11 На основании 6 и 11 имеем 12 где - начальное удельное сопротивление соответствует концентрации электронов np - стационарное удельное спротивление соответствует концентрации электронов . Тогда в выражении 4 13 14 где l расстояние между электродами S площадь, занимаемая разрядом на электроде.

Таким образом выражение 4 строго выполняется только при постоянном ЕP. Однако, оно успешно применятся для аппроксимации разрядного сопротивления. Это связано с тем, что сопротивлении разрядной плазмы очень быстро 20 нс выходит на некоторый практически постоянный уровень.На этом уровне скорость ионизационные процессы практически равна нулю первый член в правой части уравнения 5 обращается в ноль и происходит медленная рекомбинация плазмы по уравнению 15 Решение этого уравнения при начальном условии n0n0 имеет вид 16 На основании 11-16 сопротивление разрядного промежутка меняется медленно по закону 17 Этим изменением мы пренебрегаем.

При расчетах величина R1 бралась в пределах 2-10 кОм R0 0.1 Ом x107, Rk 0, Ом в зависимости от числа используемых разрядников.

При этом обеспечивалось наилучшее совпадение экспериментальных и расчетных осциллограмм. На рис.2-6 представлены расчетные осциллограммы напряжения Ut на межэлектродном промежутке и мощности Pt энерговклада в разряд, полученные в результате численного решения системы уравнений 1 при помощи стандартных программ MathCard 7. Расчетные осциллограммы рис.2-7 будут проанализированы детально при обсуждении экспериментальных данных, полученных при тех же параметрах системы возбуждения. На рис.6 показана зависимость мощности энерговклада от времени при двух разных значениях сопротивления коммутатора Rk Уменьшение сопротивления Rk в целом спосоствует росту мощности энерговклада.

На рис.7 предаставлены осциллограммы импульсов напряженияU и разности потенциалов Ue на разрядном промежутке. Они получены при разных L0 и LS, но L0LSconst. При этом импульс напряжения на разряде не меняется, а импульс разность потенциалов меняется.На практике, при использовании делителя напряжения мы измеряем импульс разности потенцилов на разряде.

Поэтому расчетные осцилограмы сравнивались с экспериментальными и определялись значения параметров схемы замещения разрядного промежутка рис.1,а. 3. Расчетные осциллограммы а - L111 нГн б L123 нГн С175 нФ С03,6 нФ U040 кВ Rk0,3 Ом L05 нГн LS1 нГн Рис.2 Расчетные осциллограммы а - L111 нГн б L123 нГн С175 нФ С015 нФ U040 кВ Rk0,3 Ом L05 нГн LS1 нГн Рис.3 Расчетные осциллограммы а - L111 нГн б L123 нГн С175 нФ С037 нФ U040 кВ Rk0,3 Ом L05 нГн LS1 нГн Рис.4 Расчетные осциллограммы а - L111 нГн б L123 нГн С175 нФ С070 нФ U040 кВ Rk0,3 Ом L05 нГн LS1 нГн Рис.5 Расчетные осциллограммы а - Rk0,9 Ом б - Rk0,6 Ом С175 нФ С070 нФ U040 кВ L123 нГн L05 нГн LS1 нГн Рис.6 Расчетные осциллограммы а - L05 нГн LS1 нГн б L03 нГн LS3 нГн С175 нФ С070 нФ L111 нГн U040 кВ Rk0,3 Ом Рис.7 Заключение Изучена методика расчета систем возбуждения ХеСl лазера, выполненных по типу LC-контура, позволяющая рассчитывать форму импульса напряжения на лазерных электродах и энерговклад в активную среду в зависимости от параметров цепи возбуждения.

На практике обычно измеряют напряжение на обострительной емкости, а не на разрядном промежутке.

Изученная методика позволяет по экспериментальным осциллограммам напряжения на обострительной емкости и разрядного тока достаточно точно расчетным путем получать импульс напряжения на лазерных электродах. Это дает возможность определить реальное ЕP в зависимости от времени на разряде и его среднего значения.

При этом влияние активной среды учитывалось величиной пробойного напряжения конкретного разрядного промежутка.Список использованных источников 1. Верховский В.С Мельченко С.В Тарасенко В.Ф. Генерация на молекулах XeCl при возбуждении быстрым разрядом Квант. электрон. 1981. Т.8, 2. С.417 419. 2. Боровков В.В Воронин В.В Воронов С.Л. и др. Высокоэффективные газовые лазеры на основе трехэлектродной схемы формирования двойного разряда Квант. электрон. 1996. Т.23, 1. С.41 42. 3. Баранов В.Ю Борисов В.М Христофоров О.Б. Эксимерный электроразрядный лазер с плазменными электродами Квант. электрон. 1981. Т.8, 1. С.165 167. 4. Ануфрик С.С Зноско К.Ф Курганский А.Д. Низкоимпендансный генератор высоковольтных импульсов.

ПТЭ. 1990. 3. С.99 101. 5. С.С.Ануфрик, А.П.Володенков, К.Ф.Зноско, А.Д.Курганский. Влияние параметров LC-инвертора на энергию генерации ХеС1-лазера. Межвуз. сб. Лазерная и оптико электронная техника.Минск Университетское, 1992. С.91 96. 6. С.С. Ануфрик, А.П. Володенков, К.Ф. Зноско, А.Д. Курганский.

Влияние параметров LC-инвертора на выходноую энергию XeCl-лазера. Лазерная физика и спектроскопия Труды конференции под ред. А.А. Афанасьева. Минск Институт физики НАНБ, 1997. т.1, С.200-203. 7. Ануфрик С.С Зноско К.Ф Курганский А.Д. Оптимизация двухконтурной схемы возбуждения ХеС1-лазера. Межвуз. сб. Лазерная и оптико электронная техника.Минск Университетское, 1989. С.87 91. 8. Ануфрик С.С Зноско К.Ф Курганский А.Д. Влияние параметров контура возбуждения на длительность и форму импульса генерации ХеС1-лазера.

Межвуз. сб. Лазерная и оптико-электронная техника. Минск Университетское, 1992. С.86 90. 9. Ануфрик С. С Зноско К.Ф Володенков А.П Исследование энергетических и временных характеристик генерации XeCl-лазера Программа и тезисы докладов XIV Литовско-Белорусского семинара. Прейла Литва. 1999. с.16. 10. С.С.Ануфрик, К.Ф.Зноско, А.Д. Курганский. Влияние параметров LC-контура на энергию генерации XeCl-лазера.Квантовая электроника. 1989- Т.16, 11 с.2228-2231. 11. Елецкий А.В. Эксимерные лазеры УФН. 1978. Т.125. Вып.2. С.279 314. 12. Ю.И.Бычков, С.В.Мельченко, Г.А.Месяц и др. Квазистационарный режим возбуждения электроразрядных лазеров.

Квант.электрон. 1982. Т.9, 12. С.2423 2431. 13. В.М.Багинский, П.М.Головинский, В.А.Данилычев и др. Динамика развития разряда и предельные характеристики лазеров на смеси Не-Хе-НС1 Квант. электрон. 1986. Т.13, 4. С.751 758. 14. Osborne M.R. and Hutchinson M.H.R. Long pulse operation and premature termination of a high-power disharge pumped XeCl laser J.Appl.Phys. 1986. Vol.59, 3. P.711 715. 15.В.М.Багинский, П.М.Головинский, В.А.Данилычев и др. Динамика развития разряда и предельные характеристики лазеров на смеси Не-Хе-НС1 Квант. электрон. 1986. Т.13, 4. С.751 758 16.Christov Ch.G Chaltakova N.G. Simplified discharge model for excimer lasers.

Bul. J.Phys. Vol.15 5. P.497 5061988.