Исследования по эксимерным лазерам

Для исследования эксимерных лазеров с электронно-пучковым возбуждением (ЭПЛ) в целях выявления и решения проблем, стоящих на пути создания технологических установок данного типа, в лаборатории используется

 Экспериментальная ускорительная лазерная установка ЭЛА. 

Сильноточная электронная пушка установки ЭЛА имеет энергию электронов ~300 кэВ, полную энергию электронного пучка (ЭП) за фольгой электронной пушки до 500 Дж при длительности импульсов 80 нс и частоте их повторения около 10^-3 Гц.

За время эксплуатации с 1980 г. на установке ЭЛА выполнен большой комплекс исследований по физике эксимерных ЭПЛ и взаимодействия их излучения с различными материалами.

1. На ней запущены и исследованы в режимах высоких удельных мощностей и энергий возбуждения XeF-ЭПЛ (353 нм, энергия в импульсе до 5 Дж за 80 нс), XeCl-ЭПЛ (308 нм, энергия – до 6 Дж), KrF-ЭПЛ (248 нм, энергия – до 15 Дж), ArF-ЭПЛ (193 нм, энергия до 6 Дж). Получена генерация на C-A переходе молекулы XeF* при фотолитической накачке смеси Ar/Xe₂F излучением электронно-пучковой эксимерной лампы на Xe₂*. На этом начальном этапе эксплуатации установки была решена проблема живучести разделительной фольги её электронной пушки за счет применения многослойной фольги из разных материалов.
2. Изучены возможность использования излучения KrF-лазера для накачки лазеров на красителях родамин 6Ж, кумарин 47, p-терфенил и РОРОР и получена энергия генерации на них до 1 Дж.
3. Проведены исследования по изучению имплантации мышьяка в кремний с помощью излучения KrF-ЭПЛ.
4. Выполнен комплекс тестовых испытаний зеркальных и просветляющих покрытий для KrF- и ArF-лазеров при разработке в ФИАНе технологий их изготовления, а также при последующем внедрении этих технологий в КБТЭМ (Минск) и ряде других организаций.
5.  В тесном контакте с производителями оптических материалов (ОМ) для УФ и ВУФ диапазона (кварцевые стекла, кристаллы MgF₂, CaF₂, BaF₂, Al₂O₃) проведено исследование поведения этих материалов под действием излучения XeF-, KrF- и ArF-лазеров, а также электронного пучка (ЭП). Измерены нелинейные характеристики большого количества образцов этих ОМ на 353, 248 и 193 нм, а также их лучевая прочность. В них были определены характеристики наведенного ЭП короткоживущего поглощения лазерного излучения. Эти экспериментальные результаты позволили вскрыть механизм увеличения поглощения лазерного излучения УФ диапазона в изученных ОМ за счет появления поглощения на короткоживущих состояниях рекомбинационного каскада в ОМ при их ионизации в течении импульса лазерного излучения с длительностями более 1 нс.
6.  Изучено поведение наведенного ЭП установки ЭЛА долгоживущего поглощения в высокочистых кварцевых стеклах и кристаллах SiO₂, Al₂O₃, BaF₂, CaF₂ и MgF₂. Эксперименты показали, что при периодическом воздействии импульсов ЭП с энергией электронов ~280 кэВ и общим флюенсом F до ~30 кДж/см² у испытанных кварцевых стекол марок КУ-1, КС-4В, Corning 7940 и 7980, а также у флюорита, наведенное поглощение с ростом F выходит на насыщение. Уровень этого поглощения определяется средней удельной плотностью мощности ЭП. При одинаковых условиях облучения стационарный уровень поглощения у нового российского кварцевого стекла КС-4В в области ~180-300 нм был примерно в 4 раза меньше, чем у стекла КУ-1, и в 2 раза меньше, чем у лучших образцов Corning 7980. У высокочистых образцов CaF₂ предельные изменения пропускания при реализованных условиях облучения ЭП не превышали 5-10% в области 120-1000 нм. Облучение образцов этих ОМ излучением KrF- или ArF-лазера с интенсивностью ~5 МВт/см² как в момент воздействия ЭП, так и после него приводит к уменьшению остаточного поглощения в них в 1,5-2 раза. Этим было впервые доказано, что уже имеющиеся сейчас кварцевые стекла, в первую очередь типа КС-4В, а также высокочистые кристаллы CaF₂, могут обеспечить длительную и устойчивую работу окон импульсно-периодических KrF-ЭПЛ при незначительных потерях энергии лазерного излучения.
7. При анализе накопленных в экспериментах большого количества спектров наведенного поглощения в различных кварцевых стеклах и кристаллах MgF₂ на основе их разложения на индивидуальные полосы была вскрыта картина наработки и релаксации ключевых дефектов в этих ОМ в процессе их облучения электронным пучком, а также при отжиге дефектов лазерным излучением УФ диапазона.

Представленные выше результаты опубликованы в работах, список которых представлен в разделе ПУБЛИКАЦИИ или ПУБЛИКАЦИИ сотрудников с ключевыми авторами Сергеев П.Б., Морозов Н.В., Сергеев А.П.