На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Способы накачки Эксимерных лазеров

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 06.07.2012. Сдан: 2011. Страниц: 6. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


     Эксимерный лазер — разновидность ультрафиолетового газового лазера, широко применяемая вглазной хирургии (Кератэктомия) и полупроводниковом производстве.
     Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием ”эксимерные” возник сравнительно недавно, в начале 70-ых годов. В настоящее время эксимерные лазеры на галогенидах благородных газов являются наиболее мощными источниками когерентного излучения в УФ-области спектра, генерация получена на большом количестве длин волн от вакуумного ультрафиолета до видимой области спектра.
     Данный  класс газовых лазеров работает на переходах эксимерных молекул (которые существуют только в возбуждённых состояниях – XeCl, KrF, ArF, и др.). Лазеры, работающие на переходах данных молекул наиболее эффективны и хорошо изучены. Выходная энергия таких лазеров достигает нескольких сот джоулей при КПД до 10% . Ещё одним достоинством данного класса лазеров является то, что они эффективно работают при различных способах накачки, а системы накачки являются универсальными для получения генерации на различных молекулах при замене рабочей смеси.
     Перечисленные достоинства обуславливают широкую  область применения эксимерных лазеров. Они используются для накачки лазеров красителях (лучших источников перестраиваемого когерентного излучения видимого диапазона), травление кремневых матриц при обработке материалов высокой степени частоты, разделения изотопов. Перестраиваемое излучение эксимерных лазеров может использоваться в селективной технологии для получения особо чистых веществ, для изучения воздействия на биохимические процессы. Но основное применение эксимерных лазеров – это возможность их использования для поиска качественно новых эффектов, не достижимых с обычными источниками света, для детального изучения нелинейных спектроскопических явлений, тонкострунных спектров сложных молекул, для исследования лазерно-индуцированных процессов.
     Известно, что для эксимерных лазеров требуется относительно высокий уровень интенсивности накачки. В электроразрядных эксимерных лазерах интенсивность накачки составляет от нескольких десятых до нескольких сотых единиц МВт/см3 причём, для различных типов эксимерных лазеров оптимальные значения этого параметра, определяемые с точки зрения максимальной эффективной накачки, существенно различны.
     Лазерное  излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (не ассоциативное) основное — то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений.  В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.
     Несмотря  на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции. 

Таблица 1. Длины волн эксимерных лазеров. 

Эксимер Длина волны
F2 157 нм
ArF 193 нм
KrF 248 нм
XeBr 282 нм
XeCl 308 нм
XeF 351 нм
Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их широко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах литографии в полупроводниковом производстве, а также в дерматологии. Сегодня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении (см. LASIK), однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам 
 
 

  
 
 
 
 
 
 
 

Применение

Фотолизное возбуждение лазерных сред

      Фотолизное возбуждение лазерной среды представляет собой случай, когда используется эксимерное излучение в некогерентном виде. В этом случае источник фотонов, возбуждаемый каким-либо способом (например, накачка электронным пучком, разрядом или их комбинацией) посылает излучение через окно в поглощающую активную среду.
      Фотолизное возбуждение используется по трем основным причинам. Во-первых, такое возбуждение происходит без участия электронов. С помощью эксимерных систем может быть осуществлена как оптическая накачка (твердотельные и жидкостные лазеры), так и лазерная накачка (лазеры на красителях и мощных твердотельных систем).
      Во-вторых, оптическая накачка может иметь  преимущества в случае накопительных  лазеров. Импульс излучения может  быть сжат со времени накачки до времени высвечивания. Один из самых  эффективных процессов получения  возбужденных частиц - фотодиссоциация.
      В-третьих, оптическая накачка эксимерными лазерами может быть отрегулирована по частоте. Это существенно для резонансно-накачиваемых твердотельных систем.
      С помощью таких методов как  оптическая накачка другой лазерной среды, вынужденное комбинационное рассеяние и параметрическое  преобразование можно значительно  расширить возможности перестройки  частоты излучения эксимерных лазеров (например, на галогенидах инертных газов). Для оптической накачки обычно используют лазеры на красителях, поскольку они могут непрерывно перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Стоит отметить, что при этом краситель подвергается значительно меньшему разрушению, чем при накачке импульсной лампой.
      Вынужденное комбинационное рассеяние применялось  для получения сдвига волны в ArF-, KrF - и XeF-лазерах. Использование околорезонансного комбинационного рассеяния в парах бария позволило перестроить длину волны XeF-лазера с 351 нм на 585 нм, причем КПД преобразования составил 80%. Благодаря тому, что исходное лазерное излучение не находится в резонансе с рассеивающей средой, усиление на смещенной вследствие комбинационного рассеяния длине волны почти такое же, как и усиление на исходной длине волны, в результате чего наблюдаются последовательно сдвинутые линии излучения. Таким образом, любая комбинация лазера и рассеивающей среды позволяет получить несколько линий излучения. 
 

Хирургия 
LASIK (акроним Laser-Assisted in Situ Keratomileusis — «лазерный кератомилёз»)— современный вид коррекции зрения при помощи эксимерного лазера. Данная операция позволяет исправить различные нарушения зрения: дальнозоркость (до +4 диоптрий), близорукость (до ?15 диоптрий), астигматизм (до ±3 диоптрий). Операция практически безболезненна, выполняется быстро и позволяет вернуть человеку нормальное зрение 

     Фоторефракционная кератэктомия— воздействие на роговицу глаза, заключающееся в удалении путем испарения (абляции) поверхностного слоя роговицы. Проводится с целью достижения рефракционного эффекта за счет изменения кривизны внешней поверхности роговицы. Выполняется с помощью эксимерного лазера.
     Особенности операции - Роговица глаза имеет слоистую структуру: эпителий, боуменова оболочка, строма, десцеметова оболочка, задний эпителий (эндотелий). Устойчивый рефракционный эффект достигается только при изменении геометрии стромы (основного слоя роговицы). Достижение стромы является серьезной проблемой, поэтому все разновидности ФРК, имея целью абляцию слоев стромы (собственно рефракционный этап операции), различаются способом «прохождения» двух первых слоев: эпителия и боуменовой оболочки. Стандартная «классическая» ФРК в качестве первого этапа операции предполагает просто механическое удаление (скарификацию) эпителия и боуменовой мембраны[1]. Есть варианты комбинации химического и механического удаления эпителия, называемые LASEK, эпи-LASEK[2]. При этом время, затрачиваемое на данную процедуру, занимает больше половины всего времени операции
     

     Рис. 1.Структура роговицы.
     Наиболее щадящей процедурой деэпителизации является абляция эпителия эксимерным лазером с широким лучом, захватывающим сразу всю зону операции (широкоапертурный лазер). В этом случае за минимальное время слои роговицы, предшествующие строме, просто исчезают (холодная абляция), оставляя исключительно ровный край зоны операции. Переход от этапа деэпителизации к рефракционному этапу фиксируется хирургом, визуально наблюдающим за появлением стромы в зоне операции (характер свечения стромальной ткани в лучах подсветки при лазерном воздействии отличается от свечения эпителия и боуменовой мембраны). Для стороннего наблюдателя этот переход просто незаметен. Уменьшение травматичности и отсутствие механических дефектов стромы и края зоны операции при проведении деэпителизации влечет за собой существенное улучшение качества послеоперационного зрения и резко снижает вероятность осложнений. 
     .

Фотолитография

      Фотолитография - метод нанесения рисунка на тонкую пленку материала. Минимальный размер детали рисунка определяется дифракционным  пределом.
      В процессе фотолитографии на толстую  подложку (часто кремниевую) наносится  тонкий слой материала, из которого нужно  сформировать рисунок. На этот слой наносится  фоторезист (материал, изменяющий свои фотохимические свойства при облучении светом). Далее производится экспонирование через фотошаблон (пластину, прозрачную для видимого света, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем). Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость, и их можно удалить с помощью травления. Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются. В завершении производится удаление остатков фоторезиста.
      

      Рис. 2. Микроструктура, полученная фотолитографическим методом
      В случае получения недостаточно малых  размеров создаваемых лазером пятен  возможно применение технологии иммерсионной фотолитографии. Основным отличием технологии является тот факт, что между проекционной системой и кремниевой пластиной  помещается слой жидкости с коэффициентом  преломления большим, нежели у газовой  смеси. Зачастую для этих целей используется обыкновенная очищенная вода.

Накачка

      Для накачки лазеров на основе эксимеров имеется несколько методов, общим требованием к которым является обеспечение большого удельного энерговклада в активную рабочую среду. К числу этих методов относятся: возбуждение пучков высокоэнергетических электронов (электронное возбуждение), возбуждение электрическим разрядом, поддерживаемым электронным пучком (электроразрядные лазеры с электронной предионизацией), возбуждение быстрым поперечным разрядом, оптическое возбуждение (излучение взрывающихся проволочек).

Накачка электронным пучком

      При электронном возбуждении пучок  высокоэнергетических электронов обладает энергией от 300 кэВ до 1 МэВ и выше. Формирование электронного пучка производится отдельной электронной пушкой, а  сам пучок вводится в активный объем лазера, заполненный газовой  смесью, через тонкий слой фольги, разделяющий  вакуумный объем электронной  пушки и рабочий объем лазера, давление в котором обычно превышает  атмосферное. Длительность импульсов  возбуждения обычно составляет несколько  десятков наносекунд, а плотность  тока электронного пучка от нескольких десятков до нескольких сотен ампер  на квадратный сантиметр. При данном методе возбуждения удалось обеспечить генерацию на большинстве из перечисленных  выше активных сред: KrF*, ArF*,XeCl*, XeF*.
      

      Рис. 3.Накачка электронным пучком.
      Наилучшие результаты достигнуты на фторидах криптона и аргона (KrF и ArF), удельный энергосъем при использовании которых достигает 3 - 30 Дж/л, а рабочий объем возбуждения несколько десятков литров. Энергия импульса излучения при объеме рабочей среды 36 л равна 100 Дж при КПД 1,5% (КПД это отношение энергии излучения к поглощенной энергии электронного пучка). Для оценки полного КПД необходимо учесть КПД преобразования энергии первичного источника питания в энергию электронного возбуждающего пучка, в оптимальных условиях достигающих 50%.
      Создана лазерная установка с рабочим  объемом 40 см(камера длиной 20 см и диаметром 2 см), на которой получены импульсы излучения с энергией 7 мДж. Возбуждение осуществляется электронным пучком 250 - 300 кэВ и током до 5 кА. В качестве рабочей лазерной среды используется смесь газов Ar, Xe, SFв соотношении 75: 1: 0,1 при давлении 0,71 МПа.
      Способ  возбуждения электронным пучком имеет ряд достоинств, к которым  следует отнести: возможность возбуждения  высоколежащих уровней атомов (т.е. получения излучения в УФ и видимом диапазонах длин волн); возможность возбуждения газов при высоком давлении и больших объемах, что обеспечивает поучение больших энергий излучения; возможность работы при частотах следования импульсов до 100 и более Гц и, следовательно, получение больших средних мощностей излучения. Но этому способу возбуждения присущи и некоторые недостатки, к числу которых относятся трудности введения энергии электронного пучка в газ с достаточно равномерным ее распределением по объему, сложность электронных ускорителей, существенно повышающих стоимость лазера.
      Что касается перспектив дальнейшего совершенствования  эксимерных лазеров с электронным возбуждением, то можно отметить следующее. Для рассматриваемого типа лазеров наиболее перспективной с точки зрения эффективности представляется квазимолекула KrF*. Теоретический КПД лазера на основе этой активной среды (по отношению к энергии, вложенной в активную среду) составляет 22%, а при возбуждении электрическим разрядом и пучком 35%. Во всех экспериментальных установках, на которых была получена генерация, параметры были неоптимальными, в связи с чем полный КПД таких лазеров не превышал 1 - 2%. Поэтом вопрос с реально достижимых КПД остается открытым и требует дальнейших исследований; энергосъем этих лазеров предполагается увеличить до 40 - 50 Дж/л.

Накачка электрическим разрядом

      При использовании электроразрядного способа накачки эксимерных лазеров необходимо обеспечить предионизацию активной среды.
      Предионизация используется для предотвращения дугового разряда и обычно достигается излучающими в УФ диапазоне искровыми разрядами, пробегающими параллельно оси трубки. Поскольку глубина проникновения УФ излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок иногда применяют предионизацию рентгеновским излучением.
      

      Рис. 4. Накачка электрическим разрядом.
      К другим методам предионизации относятся использование импульсных источников электронного пучка (предионизация электронным пучком) и ионизация благодаря коронному эффекту (коронная предионизация). Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий вентиль и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10 - 20 нс). В случае, представленном на рисунке 1, это достигается тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют безындукционные конденсаторы.
      Эффект  предионизации тлеющим разрядом помогает получить равномерные и согласованные профили разрядов с минимумом ответвлений от основного разряда. Параметры, влияющие на предионизацию, такие как порог предионизации, начальная плотность электронов и согласованность предионизации, сильно зависят от составляющих резонатора: профиль электрода, тип электрода, давление в газовой среде, длительность предионизации, потери электронов при предионизации, временная задержка между предионизацией и основным разрядом, время нарастания основного импульса; а так же от основных геометрических параметров резонатора.
      Два наиболее распространенных метода предионизации:
      для эксимерных лазеров малых и средних размеров - предионизация электродами, расположенными вблизи от главных электродов;
      для больших систем - предионизация рентгеновскими источниками. 
 

      

      Рис. 5. Сектор кюветы, отвечающий за предионизацию газа.
      Предионизационные электроды, показанные на рисунке 7, генерируют искровой разряд приблизительно за 10 нс до основного разряда. Искры инициируют УФ излучение, достаточное для предионизации рабочего газа с начальной плотностью около 10электронов/сммежду электродами. В последних моделях коммерческих эксимерных лазеров были введены новые методы предионизации, например, Поверхностный разряд в диэлектрике - Creeping Discharge onDielectric Surface (CDDS-preionizer for XeCl-lasers) или Поверхностная коронная предионизация - Surface Corona Preionization (SCP). Особенно в качестве источника предионизации зарекомендовал себя метод SCP, позволяющий создавать уровни с одинаковой плотностью электронов с гораздо большей равномерностью, достигаемой значительным снижением полной энергии.

Разрядные цепи

      Пороговые значения инверсной населенности в  эксимерных лазерах обычно высокие в связи с короткой длиной волны и значительной шириной линии основных переходов. Типичное значение концентрации активных носителей заряда на верхнем рабочем уровне составляет 1014 - 1015 см3. Такие концентрации могут быть получены только при очень высокой плотности энергии накачки (10-2 Дж/см3). Для этого необходимы специальные электроразрядные цепи. Обычно они состоят из емкостей и индуктивностей и в их состав входят специальные высоковольтные ключи.
      

      Рис. 6 Разрядная цепь эксимерного лазера с тиратроном
      В современных эксимерных лазерах высоковольтные ключи заменили тиратроны. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов приведены на рисунке 7.
      

      Рис. 7. Конструкции стандартного и усовершенствованного тиратронов
      Колба тиратрона заполнена H2. Давление водорода в колбе определяет запирающее напряжение. В режиме отсутствия проводимости решетка, расположенная между электродами, смещается в отрицательном направлении для удержания свободных электронов, смещаемых при нагреве ближе к катоду. При подаче положительного импульса электроны начинают проходить через решетку, и тиратрон переходит в режим проводимости.
      Дополнительные  решетки в усовершенствованной  модели тиратрона позволяют получить более высокое запирающее напряжение, более надежное включение и более  равномерный разряд.
      Часто для снижения нагрузки на тиратроне  в цепь вводят магнитный ключ (рис.8).
       

      Рис. 8. Цепь с магнитным переключателем.
      Еще одно решение при проектировании разрядных цепей заключается  в использовании твердотельных  полупроводниковых ключей. Последние  разработки в этой области нацелены на адаптацию твердотельных ключей к работе с высокими напряжениями.

Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

      Более простым в технической реализации является электроразрядный способ накачки эксимерных лазеров. В этом случае для получения возбужденных квазимолекул применяется быстрый поперечный разряд. Такой термин применим потому, что длительность импульса возбуждения выбирается меньше времени установления стримерного разряда и накачка активной среды аналогична накачке пучком электронов, но вводимым в рабочий объем не извне, а образующимся в нем самом. При электроразрядном способе накачки объем активной области не превышает десятых долей литра, так как разряд с большой плотностью тока при сохранении высокой электронной температуры тока реализовать в больших объемах не удается.
      В качестве генераторов импульсов  накачки в рассматриваемых лазерах  используются формирующие линии, заряжаемые до напряжения в несколько десятков кВ и разряжающиеся через активную лазерную среду за времена от нескольких единиц до нескольких десятков нс.
      В некоторых конструкциях предусматривается  введение дополнительного третьего электрода, устанавливаемого вблизи от анода. Возникающий в этом случае между третьим электродом и анодом микроразряд играет роль предионизатора основного электронного разряда.
      Преимуществом такой схемы накачки является простота конструкции по сравнению  со схемами электронного возбуждения, поскольку в данном случае отпадает необходимость в дополнительной электронной пушке (электронном  ускорителе) и разделительной фольги со всеми вытекающими из-за ее применения трудностями. Кроме того, в подобных лазерах можно получить значительно  более высокие частоты следования (до 1000 Гц), чем в схемах с электронным  возбуждением. За рубежом в экспериментальных  образцах на основе KrFполучены импульсы излучения с энергией до 1,75 Дж с КПД около 0,3% при длительности импульса 20 нс в рабочем объеме 0,1 л, а на основе XeF- импульсы с энергией 17 мДж при КПД 1% и длительности 3 нс. При этом удельный энергосъем достигает 5 - 6 Дж/л. Предполагается, что дальнейшее совершенствование лазерного модуля с активным объемом 0,1 л позволит работать на частотах следования до 1000 Гц со средней мощностью излучения до 10 Вт при КПД, равном нескольким процентам. Кроме того, полагается, что более детальные исследования позволят увеличить удельную энергию в несколько раз, более совершенные конструкции будут рассчитаны на большие активные рабочие объемы, что позволит создать эксимерные электроразрядные лазеры со средней мощностью излучения в сто или несколько сотен Вт. Уже сейчас на отдельных образцах удается получить среднюю мощность излучения 200 Вт.

Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

      Перспективным способом накачки эксимерных лазеров является также комбинированный способ - электрическим разрядом и электронным пучком, используемым для предионизации.
      При накачке активной среды электрическим  разрядом с предионизацией последнего электронным пучком требуется два источника накачки - электронный ускоритель и источник импульсного высоковольтного напряжения. Но большая доля энергии накачки в этом случае приходится на электрический разряд, что позволяет использовать для предионизации относительно маломощные электронные ускорители.
      Комбинированный способ накачки позволяет сохранить  преимущества возбуждения электронным  пучком и создать потенциальные  возможности для повышения эффективности  лазера за счет более полного использования  энергии электрического разряда. Предполагается, что оптимизация параметров блока  электрической накачки и увеличение длительности импульсов пучка электров позволит существенно увеличить энергию излучения и КПД лазера. Возможность существенного увеличения активного объема лазера с таким методом накачки до нескольких кубических метров позволяет надеяться на получение средней мощности излучения выше 1 кВт при работе в частотном режиме.
      Что касается работы в режиме редко повторяющихся  вспышек, то в настоящее время  получен удельный энергосъем, достигающий 5 Дж/л. Ожидается, что при оптимизации параметров лазера это значение будет увеличено в несколько раз.

      Рис. 9. Лазер с разрядом, стабилизированным электронным пучком
      Учитывая  опыт разработки СО- лазеров, можно полагать, что активный объем рабочей лазерной камеры будет увеличен до 100 л.
      Поэтому вполне реальным представляется создание эксимерных лазеров с энергией излучения в импульсе порядка 1 кДж и более.

Накачка двойным электрическим  разрядом

      Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным  методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй - рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.
      Наилучшие результаты в настоящее время  получены на квазимолекулах хлорида ксенона. При длине резонатора 100 см и импульсном рабочем напряжении 40 - 50 кВ получена средняя мощность излучения 1 Вт при частоте следования импульсов 100 Гц. Полный КПД лазера составляет 0,1% при работе в частотном режиме и 0,5% при работе в режиме одиночных импульсов. Импульсная мощность излучен6ия в рассматриваемом случае составляет несколько сотен киловатт при длительности импульса 1 - 20 нс. Состав рабочей смеси меняется от импульса к импульсу, что приводит к необходимости его смены в промежутках между последующими импульсами.
      Таблица 2.
Параметр Способ накачки
Электронный пучок Электрический разряд с предионизацией электронным пучком Быстрый электрический разряд
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.