DE112013002021B4

DE112013002021B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Form- und Leistungssteuerung der Ausgangspulse eines gepulsten CO2 Lasers

Info

Publication number: DE112013002021B4
Application number: DE112013002021.1T
Authority: DE
Inventors: Peter Rosenthal; John Kennedy; Vern Seguin; David ALLIE
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2033-04-06
Also published as: CN104488147A; GB2515981A; WO2013154949A2; JP6041977B2; DE112013002021T5; CN104488147B; KR20140132018A; WO2013154949A3; JP2015518657A; US8687661B2; GB2515981B; US20130272325A1; GB201420217D0; KR101519516B1

Abstract

Um eine konstante Laserausgangspulsleistung in einem RF-angeregten, abgeschlossenen, diffusionsgekühlten, gepulsten CO₂-Gasentladungslaser aufrechtzuerhalten, wird jeder Laserausgangspuls durch einen Zug oder eine Folge von kürzeren RF-Pulsen erzeugt. Wenn die Zeit zwischen den Laserausgangspulsen kurz genug wird, so dass die Leistung in einem Puls durch Gasentladungs-Wärmeeffekte eines vorhergehenden Pulses verringert würde, wird die Leistung in den RF-Pulszügen durch Ändern der Dauer oder des Tastgrads der Pulse in den Folgen verändert, wodurch die Ausgangspulsleistung in den Laserausgangspulsen konstant gehalten wird. RF-Pulse in einer beliebigen Folge können eine unterschiedliche Dauer haben, um die zeitliche Form eines zugehörigen Laserausgangspulses maßzuschneidern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ausgangsleistungssteuerung in durch Hochfrequenz (radio-frequency, RF) angeregten, gepulsten Kohlendioxid (CO₂)-Gasentladungslasern. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Bereitstellung einer konstanten Leistung von einem Laserausgangspuls zu einem nächsten und auch auf die Steuerung der zeitlichen Form von Ausgangspulsen solcher Laser.
Wenn in einem RF-angeregten, abgeschlossenen, diffusionsgekühlten, gepulsten CO₂-Gasentladungslaser die Zeit zwischen den Pulsen kurz genug wird, kann die Diffusionskühlung überfordert werden, was zu einem Temperaturanstieg in dem CO₂-Lasergasgemisch führt. Dies kann die Charakteristik der Ausgangspulse beeinträchtigen, insbesondere den Anstieg und Abfall der Ausgangspule. Dies kann zu einer Inkonsistenz der Leistung von Puls zu Puls und entsprechend zu Variationen in der Durchschnittsleistung führen. Ein typisches Lasergasgemisch weist Helium (He), Stickstoff (N₂) und CO₂ in Anteilen von etwa 80:10:10 auf.
1A und 1B zeigen ein Zeitdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem RF-Puls (1A), der einen herkömmlichen diffusionsgekühlten CO₂-Gasentladungslaser anregt, und einem sich ergebenden Laserausgangspuls (1B) von dem Laser vergleicht. Es wird davon ausgegangen, dass der Laser zum Betrieb (Lasen) bei einer Wellenlänge von etwa 10,6 Mikrometer (μm) eingestellt ist. Der RF-Puls beginnt bei der Zeit t₀ und endet bei der Zeit t₃. Wie es hier dargestellt ist, hat der RF-Puls eine Dauer von etwa 100 Mikrosekunden oder länger.
Anfangs gibt es keinen Laseroutput, weil das N₂ in dem Lasergasgemisch eine gewisse Zeit zur Anregung durch die Hochfrequenz und anschließend zur Übergabe dieser Energie an das CO₂ durch Kollision benötigt. Nach einer vergleichsweise kurzen Zeit gibt es eine Anfangs-Gainspitze (Leistungsspitze) in dem Lasergasgemisch, die zu dem Zeitpunkt t₁ fast auf null abfällt. Aufgrund der sehr kurzen Zeitdauer ist die Energie in dieser Leistungsspitze aus Sicht des Prozesses nicht von Relevanz. Im Anschluss an die Leistungsspitze wächst der Laseroutput zunehmend. Dieser Zeitraum steigender Leistung ist in 1B mit τ_R bezeichnet. Während dieser Zeit steigt die Temperatur des Gasgemischs an, und zum Zeitpunkt t₂ beginnt der Gain (bei der 10,6 μm CO₂-Wellenlänge, für die der Laser eingestellt ist) allmählich zu fallen als Ergebnis einer Konkurrenz zwischen den Energieübergängen für die 10,6 μm-Wellenlänge und für eine weitere Laserwellenlänge bei etwa 9,6 μm (für die der Laserresonator vermeintlich nicht eingestellt ist). Eine genaue Beschreibung der Physik der Gain-Verringerung ist für das Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich und wird vorliegend nicht präsentiert. Dieser allmähliche Abfallzeitraum der 10,6 μm-Leistung aufgrund des Aufwärmens des Lasergasgemischs ist in 1B als Zeitraum τ_H bezeichnet. Zum Zeitpunkt t₃, wenn der RF-Puls beendet ist, fallen der Gain und entsprechend die Laserpulsleistung exponentiell in Richtung null über eine Abfallzeit, die in 1B als Zeitraum τ_F bezeichnet ist.
Wenn die RF-Pulsdauer ausreichend kurz eingerichtet ist, kann der Gas-Aufwärmeffekt in einem einzelnen Laserpuls, wie er in 1B dargestellt ist, vermieden werden. Jedoch tritt in einem Laserpulszug mit einer ausreichend kurzen Dauer zwischen den Pulsen dennoch eine Gasaufwärmung ein, aber der Effekt zeigt sich auf eine andere Weise, wie unten beschrieben ist.
2A und 2B zeigen ein Zeitdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Zug von drei RF-Pulsen A_RF, B_RF und C_RF (2A) und den sich jeweils ergebenden Laserausgangspulsen A_L, B_L, C_L vergleicht. Es wird hier angenommen, dass die RF-Pulse bei einer Pulsrepetitionsfrequenz F zugeführt werden, die eine Zeit T zwischen den Pulsen in der Größenordnung von 0,15 Millisekunden (ms) bereitstellt. Als Pulsdauer (τ_P) wird von etwa 25 Mikrosekunden (μs) ausgegangen. Diese Pulsdauer ist ausreichend kurz, so dass der τ_H-Effekt von 1B vermieden wird. Die Zeit zwischen den Pulsen ist aber ausreichend kurz, so dass das Lasergas nicht zu derjenigen Temperatur zurückkehrt, bei der der eine Puls beginnt, bevor der nächste beginnt. Ein Folge davon ist, dass die Spitzenleistung P_L2 von Puls B_L kleiner ist als die Spitzenleistung P_L1 von Puls A_L, und die Spitzenleistung P_L3 von Puls C_L kleiner ist als die Spitzenleistung P_L2 von Puls B_L. Diese Spitzenleistungsverringerung von einem Puls zu dem nächsten geht weiter, bis ein stabiler Gaswärmezustand erreicht ist. In dem Fall der beispielhaften 0,15 ms-Pulse und für einen Lasergasdruck von etwa 100 Torr kann dies erst dann eintreten, wenn etwa 7 Pulse geliefert wurden.
3 ist ein Graph, der schematisch das gemessene Amplitudenverhältnis (angezeigt durch Rauten) zwischen einzelnen Laserausgangspulspaaren als eine Funktion der Zeit zwischen Pulsen in einem herkömmlichen diffusionsgekühlten CO₂-Laser veranschaulicht. Der Kreis zeigt die Pulsabstandszeit an, die einer Pulsrepetitionsfrequenz von 3 Kilohertz (kHz) entspricht. Die RF-Pulsdauer (Anregungspulse) betrug in diesem Fall etwa 25 μs, aber ähnliche Ergebnisse wurden mit RF-Pulsen mit einer Dauer von 50 μs erhalten. Es ist erkennbar, dass die Amplituden von aufeinanderfolgenden Pulsen etwa gleich werden, wenn die Zeit zwischen den Pulsen zwischen etwa 750 und 1000 Mikrosekunden oder mehr beträgt.
Für empfindliche Laserbearbeitungsoperationen wie etwa Laserbohren von Kontaktierungslöchern (via holes) in gedruckten Leiterplatten (printed circuit boards, PCBs) ist das Aufrechterhalten einer Konstanz von Puls-zu-Puls sehr wichtig. Ein Einsetzen von Pulsinkonsistenz legt eine obere Grenze für die Pulsrepetitionsrate fest, die verwendet werden kann, und entsprechend eine Grenze für die Durchsatzleistung der Operation. In den meisten Fällen ist der stationäre Zustand keine Option, weil eine besondere Bohrungsfolge Pulse auf Aufforderung hin bei unregelmäßigen Abständen erfordert. Entsprechend gibt es ein Bedürfnis für ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Konstanz von Puls-zu-Puls von Laserausgangspulsen beibehalten kann, die mit vergleichsweise kurzen Intervallen dazwischen auf Verlangen hin getriggert werden. Gasentladungs-Lasergeräte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind in der WO 2008/091446 A1 angegeben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gasentladungslasers zum Bereitstellen eines Laseroutputs in der Form von Laser-Ausgangspulsen. Der Laser weist voneinander beabstandete Gasentladungselektroden auf, die durch eine Hochfrequenz-Energieversorgung (radio frequency power supply, RFPS) mit Energie versorgt werden, wobei ein Laserresonator zwischen den Entladungselektroden gebildet ist. Erfindungsgemäß ausgeführte Gasentladungs-Lasergeräte sind im Patentanspruch 1 angegeben. Erfindungsgemäße Verfahren sind im Patentanspruch 2 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B bilden ein Zeitdiagramm, das schematisch eine Beziehung zwischen Leistung als Funktion der Zeit eines RF-Pulses und eines zugehörigen Laserausgangspulses in einem herkömmlichen, diffusionsgekühlten CO₂-Laser veranschaulicht.
2A und 2B bilden ein Zeitdiagramm, das schematisch eine Beziehung zwischen Leistung als Funktion der Zeit eines Zugs von RF-Pulsen und eines zugehörigen Zugs von Laserausgangspulsen in einem herkömmlichen diffusionsgekühlten CO₂-Laser veranschaulicht, wobei die Pulsspitzenleistung von einem Puls zu dem nächsten als Ergebnis einer Lasergaserwärmung durch die RF-Pulse verringert wird.
3 ist ein Graph, der schematisch das gemessene Amplitudenverhältnis zwischen einzelnen Laserausgangspulspaaren als einer Funktion der Zeit zwischen den Pulsen in einem herkömmlichen diffusionsgekühlten CO₂-Laser veranschaulicht.
4A ist ein Graph, der schematisch erste und zweite aufeinanderfolgende herkömmliche RF-Anregungspulse zeigt, von denen angenommen wird, dass sie zwischen sich eine Zeit haben, die ausreichend kurz ist, um in zugehörigen Laserausgangspulsen die Spitzenleistungsverringerung von 2B zu bewirken.
4B ist ein Graph, der schematisch eine Intra-Pulsmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die herkömmlichen Laserpulse von 4A durch aufeinanderfolgende erste und zweite Züge gleicher Dauer von kürzeren Pulsen ersetzt sind, die ebenfalls gleicher Dauer sind, aber wobei die Pulsrepetitionsfrequenz des zweiten Zugs kürzerer Pulse erhöht ist, um den Effekt der Spitzenleistungsverringerung von 2B zu kompensieren, indem der zweite Zug mehr kürzere Pulse aufweist als der erste Zug.
4C ist ein Graph, der schematisch eine Intra-Pulsmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die herkömmlichen Laserpulse von 4A durch aufeinanderfolgende erste und zweite Züge gleicher Dauer von kürzeren Pulsen ersetzt sind, mit derselben Anzahl an Pulsen in jedem Zug, aber wobei die Pulse in dem zweiten Zug eine längere Dauer haben als die Pulse in dem ersten Zug, um den Effekt der Spitzenleistungsverringerung von 2B zu kompensieren.
4D ist ein Graph, der schematisch eine Intra-Pulsmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, die ähnlich zu dem Schema von 4C ist, aber wobei der erste Puls in jedem Zug davon eine längere Dauer hat als die anderen Pulse in dem Zug, um die Anstiegszeit der von den Pulszügen jeweils erzeugten Laserpulse zu verringern.
5 ist eine Abbildung einer Oszilloskopspur, die schematisch einen durch eine 25 Mikrosekunden lange RF-Pulsfolge, die ähnlich zu den Pulsfolgen von 4D ist, erzeugten gemessenen Laserpuls zeigt, aber wobei 12 Unterpulse vorhanden sind, die auf den längeren ersten Unterpuls folgen.
6 ist ein High-Level-Schaltbild, das schematisch einen experimentellen Aufbau zeigt, der für die Erzeugung der Laserpulse von 5 verwendet wird.
7 ist ein High-Level-Schaltbild, das schematisch ein Beispiel für eine Schaltung zum Implementieren der Puls-Leistungssteuerung durch Intra-Pulsmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
7A zeigt schematisch einen Gasentladungslaser, der die Schaltung von 7 enthält.
Die 8A, 8B, 8C und 8D sind Graphen, die schematisch eine Betriebsart in der Schaltung von 7 zeigen.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die 4B, 4C und 4D zeigen in schematischer Form drei verschiedene Ausführungsformen der Zwischen-Pulsmodulation von RF-Anregungspulsen gemäß der vorliegenden Erfindung. 4A ist zum Vergleich mit den 4B–D bereitgestellt und zeigt schematisch erste und zweite aufeinanderfolgende unmodulierte (herkömmliche) RF-Pulse P1 und P2, mit denen modulierte Pulszüge der 4B–D verglichen werden können. In 4A hat jeder der herkömmlichen unmodulierten Pulse dieselbe Dauer T_A. Es gibt eine Zeit T_B zwischen dem Ende des Pulses P1 und dem Beginn es Pulses P2. Die Pulsrepetitionsdauer beträgt T_A + T_B, entsprechend einer Pulsrepetitionsfrequenz (PRF) von 1/(T_A + T_B). Ein bevorzugter Wert für T_A liegt zwischen etwa 25 μs und etwa 50 μs. Ein bevorzugter Wert für T_B ist größer als etwa 200 μs.
Zum Zwecke dieser Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Zeit T_B in dem Bereich von etwa 750 μs oder weniger liegt, in dem die Leistung eines Laserausgangspulses durch die oben erörterte Gasaufheizung während der Erzeugung eines unmittelbar vorausgehenden Pulses verringert wird (siehe 3). Es wird angenommen, dass eine Nachschlagetabelle durch tabellarische Anordnung der gemessenen Leistungsverhältnisse von aufeinanderfolgenden Pulsen als eine Funktion der Zwischenpulsdauer T_B gebildet ist, wie in 3 dargestellt ist.
Bei dem Zwischenpuls-Modulationsschema der vorliegenden Erfindung sind in allen Ausführungsformen die unmodulierten (fortdauernden) Pulse des Stands der Technik durch Folgen oder Züge von Unterpulsen (Sub-Pulsen) mit einer Zeit zwischen den Unterpulsen ersetzt, die ausreichend kurz ist, so dass der Laser auf den Pulszug antwortet, als ob der Zug ein einzelner fortdauernder Puls wäre. Damit dies geschieht, sollte der Zwischenpulszeitraum der Unterpulse etwa 1 μs betragen. Ein Pulszug kann als ein modulierter Puls mit der Dauer des Pulszugs betrachtet werden, mit einer Rechtecks-Modulationshüllkurve und einer 100% Modulationstiefe. Somit kann die Leistung in einem derart modulierten Puls bequem durch Pulsbreitenmodulation oder PRF-Variation geändert werden.
In der Ausführungsform der 4B ist der fortdauernde Puls P1 von 4A ersetzt durch einen Zug PT_A von fünf Unterpulsen gleicher Amplitude. Die Pulse haben alle dieselbe (Unterpuls an) Dauer T_D und denselben Zwischenpulszeitraum (Unterpuls aus) T_E für einen prozentuellen Tastgrad (duty cycle) für die Modulation in dem Pulszug von 100·T_D/(T_D + T_E). Von der experimentell bestimmten Nachschlagtabelle und dem Wissen über T_B wird bestimmt, wie viel zusätzliche Leistung in einem folgenden Pulszug PT_B (mit derselben Dauer wie Pulszug PT_A) enthalten sein muss, so dass durch die aufeinanderfolgenden Pulszüge erzeugte Laserpulse dieselbe Leistung haben. Hier wird davon ausgegangen, dass PT_B 1,2mal die Leistung von PT_A haben muss, so dass die jeweiligen Laserpulse dieselbe Leistung haben. Um dies zu erreichen, ist PT_B ein Zug von sechs Unterpulsen mit derselben Dauer und Amplitude wie die Unterpulse von PT_A und der Dauer der Züge. Die stellt in dem Zug die zusätzliche Leistung bereit, indem ein zusätzlicher Unterpuls bereitgestellt wird, so dass effektiv der Tastgrad von PT_B um einen Faktor von 1,2 (6/5 in Bruchschreibweise) erhöht wird.
In der Ausführungsform von 4C ist wiederum der fortlaufende Puls P1 von 4A ersetzt durch einen Zug PT_A von fünf Unterpulsen gleicher Amplitude und Dauer, wie oben erläutert. Ein zweiter Pulszug PT_C hat dieselbe Anzahl an Unterpulsen bei derselben Pulsrepetitionsfrequenz PRF wie in dem Zug PT_A, aber die Dauer (zeitliche „Breite”) der Unterpulse in PT_C ist um den Faktor 1,2 vergrößert, um die zusätzliche RF-Leistung zum Konstanthalten der Laserpulsleistung bereitzustellen. Wiederum ist der Tastgrad von PT_C 1,2mal derjenige von PT_A. weil die Dauer von PT_C dieselbe ist wie diejenige von PT_A.
In der Ausführungsform von 4D ist der Puls P1 durch einen Pulszug PT_D ersetzt, der einen Anfangs-Unterpuls SP1 mit einer Dauer T_G aufweist, die im Vergleich zu der Dauer des Zugs relativ lang ist, bspw. etwa eine Hälfte der Dauer des Zugs beträgt. Die übrigen Unterpulse haben eine Dauer und einen Tastgrad, die mit der Dauer und dem Tastgrad in den Unterpulsen in den Ausführungsformen der 4B und 4C vergleichbar sind. Hier ist die Dauer der Unterpulse mit T_D bezeichnet.
Ein Grund dafür, den Zug PT_D mit einem relativ langen Unterpuls zu beginnen, ist eine Vergrößerung der Leistung am vorderen Ende eines zugehörigen Laserpulses, um dem Laserpulse eine zeitliche Form zu geben, die „quadratisch” oder „rechteckig” ist im Vergleich zu den „spitzen” Pulsen von 2B. Solche „quadratischen” oder „rechteckigen” Pulse sind bei bestimmten Laserprozessoperationen erwünscht. Dieses Intra-Pulsmodulationsschema ist auch in Fällen nützlich, in denen der zeitliche Abstand von Laserausgangspulsen lang genug ist, so dass dieselbe Modulation bei aufeinanderfolgenden Pulsen angewendet werden kann. Wenn jedoch eine Korrektur erforderlich ist, kann dies durch proportionale Vergrößerung der Dauer aller Unterpulse in einem nächsten Anregungspulszug erreicht werden. Dies ist in 4D gezeigt, wo die Dauer aller Unterpulse in einem Zug PT_E um einen Faktor von 1,2 erhöht ist.
Es ist hier anzumerken, dass die in den 4A–D schematisch dargestellten Pulse und Unterpulse tatsächlich Einhüllende der RF-Frequenzoszillationen (nicht gezeigt) der Energieversorgung sind. Diese RF-Frequenz liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 Megahertz (MHz), d. h. eine Oszillationsperiode liegt in der Größenordnung von 0,01 μs.
5 ist eine ist eine Abbildung einer Oszilloskopspur, die schematisch einen gemessenen Laserpuls zeigt, der durch einen 25 Mikrosekunden langen RF-Pulszug erzeugt wurde, der aus einem Anfangs-Unterpuls mit einer Dauer von 13 μs besteht, der von 12 Unterpulsen gefolgt wird, die mit einem Tastgrad von 65% geliefert wurden. Der oben erörterte „Gain-Spitzen”-Effekt am Anfang des Pulses ist klar erkennbar und vorhanden. Die scheinbare Modulation des „flachen” Abschnitts des Pulses ist elektronische Störung oder „Ringing” in dem für die Pulsmessung verwendeten Detektor, und ist bei dem Laserpuls nicht tatsächlich vorhanden. Es ist nicht die Laserantwort auf den modulierten RF-Pulszug.
Der experimentelle Aufbau 100, der zum Erzeugen des Pulses von 5 verwendet wurde, ist schematisch in 6 gezeigt. Ein Puls-Verzögerungsgenerator 102 wurde zum Erzeugen von zwei synchronisierten Pulsen 104 und 106 aus den Anschlüssen A bzw. B verwendet. Die Pulsdauern und die Abstände der Pulse sind einstellbar. Der Verzögerungsgenerator war der Generator des Modells DG 535, hergestellt von Stanford Research Systems Inc., Sunnyvale, Kalifornien. Puls 104 wird früher als Puls 106 ausgegeben. Die Dauer des Pulses von Anschluss A wurde als die erwünschte Dauer des langen Anfangs-Unterpulses in dem Pulszug (Dauer T_G bei dem Zug PT_D in 4D) ausgewählt.
Puls 106 wird zum Triggern eines Funktionsgenerators 100 verwendet. Der verwendete Funktionsgenerator war ein Modell Nr. 33220A Funktionsgenerator, der von Agilent Inc., Sunnyvale, Kaliforniern, erhältlich ist. Der Funktionsgenerator wurde zum Ausgeben eines Pulszugs (hier 3 Pulse) mit einer Dauer als T_G (Dauer T_D bei dem Zug PT_D in 4D) eingestellt. Die Dauer T_D und der ausgewählte Tastgrad und die Dauer des Pulszugs bestimmt die Zwischenpulsdauer (Dauer T_E bei dem Zug PT_D in 4D). Der Pulszug wird durch Puls 106 zu einem Zeitpunkt T_G + T_E nach t₀ getriggert und erscheint in 6 als Pulszug 112. Puls 104 und Pulszug 112 werden an Dioden 108 und 114 angekoppelt, die entgegengesetzt verbunden sind. Die Pulszüge werden bei Knoten 116 zwischen den Dioden summiert, um einen Pulszug 118 bereitzustellen (entsprechend Pulszug PT_D in 4D), der zum Anweisen von RF-Pulsen von einer RFPS 120 verwendet wird, die mit den Entladungselektroden des Lasers verbunden ist.
Es ist hier anzumerken, dass die Versuchsschaltung von 6 nur zum Formen eines modulierten Pulses (Pulszugs) des in 4D gezeigten Typs zum Rechteckigmachen („squaring up”) von Laserausgangspulsen geeignet ist. Die Schaltung ist nicht dazu vorgesehen, eine Ausgangsleistungssteuerung von Puls-zu-Puls durch die erfindungsgemäße Intra-Pulsmodulation in einem der Modi gemäß den 4B–D zu implementieren.
7 ist ein High-Level-Schaltbild 130, das schematisch ein Beispiel für eine Schaltung zum Implementieren der Pulsleistungssteuerung von Puls-zu-Puls durch Intra-Pulsmodulation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Beschreibung der Schaltung wird im Folgenden unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 8A, 8B, 8C und 8D und auf 4A und 4D fortgeführt. In dieser Beschreibung wird angenommen, dass ein Unterpulszug des „Rechteckigmach”-Typs, wie er in 4D gezeigt ist, bspw. Unterpulszug PT_D, bereits erzeugt wurde.
Bei Anschluss 132 wird ein von einem Verwender bereitgestelltes (von einem PC, Mikroprozessor o. dgl.) Pulskommando 134 bereitgestellt. Das Kommando 134 kann einem herkömmlichen (unmodulierten) Puls P2 von 4A entsprechen, wobei ein ähnliches Kommando entsprechend Puls P1 von 4A zuvor geliefert wurde. Der Puls 134 wird bei Knoten 136 aufgespalten, wobei ein Teil mit einem Eingang eines UND-Gates 138 verbunden ist, ein anderer Teil mit einer Aus-Zeitmessschaltung 140 und ein anderer Teil mit einem Slope-Generator 142 mit einer Nachschlagetabelle (Look-Up Table, LUT) mit Daten verbunden ist, die die Zeit zwischen Pulskommandos mit Pulszug-Tastgraden verknüpfen, wie oben beschrieben. Ein weiterer Teil des Kommandopulses ist sowohl mit einem Hochfrequenz-Pulsgenerator 144 als auch mit einem Start-Timer 146 verbunden. Die Dauer des Kommandopulses 134 bestimmt die Dauer des Zugs von Unterpulsen gemäß dem Kommando, bspw. des Unterpulszugs PT_E von 4D.
Die Aus-Zeitmessschaltung 140 misst die Zeit t_off, die seit dem Ende des vorhergehenden Pulskommandos vergangen ist. Dies wird der Schaltung 142 übergeben, die einen Tastgradwert von der gespeicherten LUT bestimmt. Der Tastgradwert ist derjenige, der zum Gleichmachen der Leistung in dem auszugebenden Unterpulszug (PT_E von 4D) mit derjenigen Leistung erforderlich ist, die von dem vorhergehenden Unterpulszug (PT_D in 4D) geliefert wurde. Der erforderliche Tastgradwert wird dem Hochfrequenz-Pulsgenerator 144 mitgeteilt. Der Tastgradwert wird als eine erforderliche Steigerung der Pulsrepetitionsfrequenz (PRF) der Unterpulse in dem Zug (wie in 4B dargestellt) oder als eine Steigerung in der Dauer der Unterpulse in den Zügen (4C und 4D) interpretiert. Welches Verfahren auch implementiert ist, der Pulsgenerator 144 emittiert in Antwort auf den Empfang eines Teils des Kommandopulses 134 einen Zug 148 von negativgehenden Pulsen (entsprechend den erforderlichen Unterpulsen) mit der gewählten PRF oder einer Dauer, die der Zwischenpulsdauer von Pulsen in dem gewünschten Unterpulszug entspricht.
In Antwort auf den Empfang eines Teils des Kommandopulses 134 erzeugt der Start-Timer 146 einen positivgehenden Puls 150 mit einer Dauer, die einem erweiterten Anfangspuls in dem Unterpulszug entspricht. Die Dauer des Pulses 150 kann von Unterpulszug zu Unterpulszug konstant sein oder von Pulszug zu Pulszug unter Verwendung der Tastgrad- oder der Pulsdauerdaten von der LUT 110, die von dem Hochfrequenz-Pulsgenerator 144 weitergegeben wurden, angepasst sein. Der negativgehende Pulszug 148 und Puls 150 werden mit verschiedenen Eingängen eines ODER-Gates 152 verbunden. Wenn ein Signal von einem Puls an einem der zwei Eingänge des ODER-Gates anliegt, wird ein Ausgangssignal an dem anderen Eingang des UND-Gates bereitgestellt. Der Ausgang des UND-Gates ist ein Unterpulszug 154 ähnlich zu dem Unterpulszug PT_E von 4D. Dieser Unterpulszug wird durch das abfallende Ende des Kommandopulses 134 beendet, das auch den Pulsgenerator 144 und den Start-Timer 146 in Erwartung eines weiteren Pulskommandos zurücksetzt.
7A zeigt schematisch die Kommandopuls-Modulationsschaltung aus 7, die in einen Gasentladungslaser 160 gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist. Der Pulszug (der modulierte Kommandopuls) 154 von Schaltung 130 wird an eine RFPS 162 geleitet. Als Antwort auf das Empfangen des modulierten Kommandopulses liefert die RFPS einen entsprechenden Zug von RF-Unterpulsen, d. h. einen modulierten RF-Puls, an eine Elektrodenanordnung 166 mit einer aktiven oder „heißen” Elektrode 168 und einer geerdeten Elektrode 170. Pulse in diesem Zug können als Anregungspulse charakterisiert werden. RFPS 162 weist ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk zum Anpassen der Ausgangsimpedanz der RFPS an die Impedanz der Elektroden auf, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein Laserresonator, hier ein instabiler Laserresonator, ist zwischen Spiegeln 172 und 174 gebildet. Die Elektroden und der Resonator sind in einem Gehäuse (nicht gezeigt) mit einem Lasergasgemisch, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wie oben angemerkt, wird bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Zeit zwischen Unterpulsen ausreichend kurz eingerichtet, so dass das von dem Unterpulszug angeregte Lasergasgemisch so reagiert, als ob der Unterpulszug ein fortlaufender Puls wäre. Als Ergebnis wird nur ein einzelner Laserausgangspuls 176 von dem Laserresonator in Antwort auf die Anregung durch den Unterpulszug 164 geliefert.
Es sollte angemerkt werden, dass das Schaltungsbeispiel von 7 nur ein Beispiel für eine Schaltung zum Implementieren des Intra-Pulsmodulationsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist. Ausgehend von dieser Schaltungsbeschreibung und der Beschreibung des hierin dargestellten erfindungsgemäßen Intra-Pulsmodulationsverfahrens wird der Fachmann im Bereich der Elektronik andere Schaltungen zum Implementieren des erfindungsgemäßen Verfahrens ableiten können, ohne den Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Gasentladungs-Lasergerät, das aufweist: voneinander beabstandete Entladungselektroden (168, 170); einen sich zwischen den Entladungselektroden (168, 170) erstreckenden Laserresonator; eine mit den Entladungselektroden verbundene Hochfrequenz-Energieversorgung (RFPS) (162) zum Anregen des Laserresonators; eine mit der RFPS (162) verbundene elektronische Schaltung (130), wobei die elektronische Schaltung eingerichtet und ausgebildet ist zum Empfangen eines ersten Kommandopulses (134), Umwandeln des Kommandopulses (134) in einen ersten Zug (154) von Kommandounterpulsen und Zuführen des ersten Zugs (154) von Kommandounterpulsen zu der RFPS (162), wodurch bewirkt wird, dass die RFPS einen entsprechenden ersten Zug (164) von RF-Anregungsunterpulsen dem Laserresonator zuführt, wobei der zeitliche Abstand zwischen den RF-Anregungsunterpulsen ausreichend kurz ist, so dass der Laserresonator auf den ersten Zug von Anregungsunterpulsen antwortet, als ob der erste Zug (164) von Anregungsunterpulsen ein einzelner RF-Anregungspuls wäre, wodurch der Laserresonator einen ersten, einzelnen Laserausgangspuls (176) in Antwort auf die Anregung durch den ersten Zug von RF-Anregungsunterpulsen liefert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (130) ferner eingerichtet und ausgebildet ist, im Anschluss an den Empfang des ersten Kommandopulses (134), zum Empfangen eines zweiten Kommandopulses (134), Bestimmen einer Zeit (t_off) zwischen dem Ende des ersten Kommandopulses (134) und dem Beginn des zweiten Kommandopulses (134), Umwandeln des zweiten Kommandopulses (134) in einen zweiten Zug (154) von Kommandounterpulsen und Zuführen des zweiten Zugs (154) von Kommandounterpulsen zu der RFPS (162), wodurch bewirkt wird, dass die RFPS (162) einen entsprechenden zweiten Zug (164) von RF-Anregungsunterpulsen dem Laserresonator zuführt, wobei der zeitliche Abstand zwischen den RF-Anregungsunterpulsen ausreichend kurz ist, so dass der Laserresonator auf den zweiten Zug (164) von Anregungsunterpulsen so antwortet, als ob der zweite Zug (164) von Anregungsunterpulsen ein einzelner RF-Anregungspuls wäre, wodurch der Laserresonator einen zweiten, einzelnen Laserausgangspuls (176) in Antwort auf die Anregung durch den zweiten Zug (164) von RF-Anregungsunterpulsen liefert, und wobei die Anzahl oder die Dauer (T_G, T_D) der Unterpulse in dem zweiten Zug (154) von Kommandounterpulsen und entsprechend in dem zweiten Zug (164) von RF-Anregungsunterpulsen auf Grundlage der bestimmten Zeit (t_off) zwischen dem Ende des ersten Kommandopulses (134) und dem Beginn des zweiten Kommandopulses (134) ausgewählt ist, so dass der erste und der zweite Laserausgangspuls (176) etwa dieselbe Leistung haben.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers, wobei der Laser mit einer Hochfrequenz(RF)-Energieversorgung (162) verbundene Elektroden (168, 170) zum Anregen eines Gases zwischen den Elektroden (168, 170) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Generieren eines Kommandos (132) zum Erzeugen eines ersten Laserpulses (176); Zuführen einer ersten Einhüllenden von RF-Leistung an die Elektroden (168, 170) in Antwort auf das Kommando (132) zum Erzeugen eines ersten Laserpulses (176), wobei die erste Einhüllende einen ersten Unterpulszug (164) aufweist, wobei jeder Unterpuls in dem Zug (164) eine Mehrzahl von Zyklen von RF-Energie aufweist; gekennzeichnet durch Generieren eines Kommandos (132) zum Erzeugen eines zweiten Laserpulses (176); und Zuführen einer zweiten Einhüllenden von RF-Leistung an die Elektroden (168, 170) in Antwort auf das Kommando (132) zum Erzeugen eines zweiten Laserpulses (176), wobei die erste und die zweite Einhüllende etwa dieselbe Dauer haben und die zweite Einhüllende einen zweiten Unterpulszug (164) aufweist, wobei jeder Unterpuls in dem Zug (164) eine Mehrzahl von Zyklen von RF-Energie aufweist, und wobei, wenn die Zeit (t_off) zwischen dem Ende des ersten Laserpulses (176) und dem Beginn des zweiten Kommandos (132) zum Erzeugen des zweiten Laserpulses (176) kürzer ist als eine vorgegebene Zeitdauer, der Tastgrad der Unterpulse in dem zweiten Pulszug (164) erhöht wird, so dass die Energie in dem zweiten Laserpuls (176) eher der Energie in dem ersten Laserpuls entspricht.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Tastgrad in dem zweiten Unterpulszug (164) um ein Maß erhöht wird, das umgekehrt proportional zu der Zeit zwischen dem Ende des ersten Laserpulses (176) und der Generation des zweiten Kommandos (132) zum Erzeugen des zweiten Laserpulses (176) ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die vorgegebene Zeitdauer der kürzesten Zeit entspricht, bei der der zweite Laserpuls (176) noch immer etwa dieselbe Energie wie der erste Laserpuls (176) haben würde, wenn der Tastgrad der ersten und zweiten Unterpulszüge (164) unverändert bleibt.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Tastgrad des zweiten Unterpulszuges (164) durch Vergrößern der Anzahl von Pulsen in dem zweiten Unterpulszug (164) erhöht wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Tastgrad des zweiten Unterpulszuges (164) durch Vergrößern der Länge (T_P) der Pulse in dem zweiten Unterpulszug (164) erhöht wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Unterpuls in jedem Pulszug (164) länger ist als die restlichen Unterpulse in dem Zug (164).
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Laserpulse zum Bohren von Löchern in ein Werkstück verwendet werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Laserpulse zum Bohren eines Kontaktierungsloches in einer gedruckten Leiterplatte verwendet werden.