DE3212928A1

DE3212928A1 - Entladungsgepumpter laser

Info

Publication number: DE3212928A1
Application number: DE3212928A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr. 3400 Göttingen Albers; Kristian Dr. Hohla
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1983-10-20
Also published as: US4534034A; JPS58186985A; DE3212928C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen entladungsgepumpten Laser mit einem ein Gasgemisch enthaltenden Entladungsgefäß/ welches im Bereich der Fenster Gaseinlässe und im übrigen einen Gasauslaß aufweist und über Leitungen und eine Umwälzpumpe an eine Reinigungseinrichtung angeschlossen ist. ' ·

Bei Gaslasern, die durch eine elektrische Entladung angereg werden, tritt häufig ein Alterungsprozeß auf. Zum einen wir das Gas verbraucht, da es in den Entladungszonen zu chemischen Umsetzungen kommt, zum anderen beobachtet man die BiI dung von Staubteilchen bzw. von Aerosolen. Für die Bildung der Staubteilchen sind mehrere, im Detail noch nicht ganz erklärbare Prozesse verantwortlich. Eine große Rolle spielt der Elektrodenabbrand: Die Gasentladung erfolgt zwischen zwei Elektroden, an denen eine elektrische Spannung anliegt Bei genügender elektrischer Leitfähigkeit des Gases oder Gc gemisches fließt ein Strom,' der an der Grenzfläche zwischer Gas und Elektrodenmaterial zu einer erheblichen Belastung der Elektrodenbberfläche führt. Sowohl die lokale Erhitzung als auch die mechanische Belastung im atomaren Bereich durc im elektrischen Feld beschleunigte geladene Teilchen bewirken eine Erosion der Elektroden. Die herausgeschlagenen mikroskopisch kleinen Teilchen bilden Staub, der mit dem Gas oder Gasgemisch in den gesamten Innenraum des Lasers gelangt und in vielfacher Hinsicht stört. Die Laserwirkung b die Lasertätigkeit wird in mehrfacher Weise beeinflußt:

1. Der Staub schlägt sich an elektrisch isolierenden Teile nieder. Aufgrund der Veränderung der Oberfläche ändern sie die Isolationseigenschaften. Es können sich Nebenentladung oder sogar kurzschlußartige Entladungskanäle ausbilden, di die Funktion des Lasers zum Erliegen bringen.

INCOMPLETE DOCUMENT F "

t · COPY

IAD ORIGINAL

2. Der Staub wirkt als ein Filter für die Laserlichtstrahlung. Die Streuung an den Staubteilchen führt zu einer Verminderung der Ausgangsleistung von Lasern. Dieser Effekt tritt besonders stark bei Lasern auf, die UV-Licht aussenden, da die Streuung sehr sta^k zu kürzeren Wellenlängen hin anwächst.

3. Der Staub kann sich nicht nur an den isolierenden Wänden des Lasers niederschlagen sondern-auch an den optischen Komponenten. In der Regel ist der Laser durch zwei optische Fenster abgeschlossen. Diese Fenster werden durch den Staub belegt und die Transmission der Fenster nimmt ab.

Neben den Problemen, die mit dem Vorhandensein und der Verteilung von Staubteilchen auftreten, werden in Gaslasern gasförmige Verunreinigungen gebildet, die einerseits die physikalischen Vorgänge in der Gasentladung verändern können und andererseits durch starke Absorption die Ausgangsleistung erheblich vermindern.

Um den beschriebenen Nachteilen und der damit verbundenen Verkürzung der Lebensdauer derartiger Laser entgegenzuwirken, wurden bereits verschiedene Lösungsvorschläge gemacht. Da der Staub vornehmlich in der Entladungszone entsteht, soll durch die Strömungsführung des Gasgemisches erreicht werden, daß der Staub schnell aus dem gefährdeten Bereich abgeführt wird und sich in einem ungefährdeten Teil des Strömungskreislaufes absetzt. Damit läßt sich jedoch eine generelle Lösung nicht erzielen, weil es sich nicht vermeiden läßt, daß ein kleiner Teil des Staubes sich trotzdem im Nahbereich der Entladung niederschlägt. Zusätzlich entstehen insbesondere bei gepulsten Entladungen Druckwellen, die diese Staubpartikel in die gefährdeten Bereiche hineintransportieren.

COPY

Weiterhin ist es bekannt, besonders anfällige Teile des Entladungsbereiches oder des Lasers durch laufende Zugabe von frischem Lasergas bzw. Gasgemisch, das also noch nicht mit Staub beladen ist, zu spülen und damit von Staub freizuhalten. Dies führt zwar zu einer Reinhaltung der bespülten Teile, hat aber den Nachteil eines großen Gasverbrauchs. Um diesen Gasverbrauch zu reduzieren, ist von Ph. N. Mace: State of- the art in descharge pumped excimer laser systems in the United States Second Australian Laser Conference, ■ Canberra, Aus., 1/9 - 4/9 1981 LA-UR-81-2541 Los Alamos Scientific Laboratory, ein Gasführungssystem vorgeschlagen .worden, von dem die vorliegenden Erfindung ausgeht. Dabei .werden in einem Teilgasstrom mit Hilfe einer Reinigungsein-· richtung und einer Umwälzpumpe wesentliche Gaskomponenten, nämlich die Hallogen-Komponenten, und mit ihnen die Verunreinigungen abgeschieden. Diese Gaskomponente liegt zwar nur in geringer Konzentration vor, so daß das abgeschiedene Gas in gleicher Menge dem Kreislauf jeweils kontinuierlich zugeführt werden muß. Nach der Abscheidung dieses Gases, bei dem nur die Hallogen-Komponenten erfaßt werden, wird ·· der verbleibende Anteil Gas aus dem Gasgemisch den im Bereich der Fenster des Entladungsgefäßes vorgesehenen Gaseinlässen wieder zugeführt, wodurch eine Spülung der Fenster mit diesem Gas erfolgt. Dieser Prozeß, der auch von R. Tennant in Control of Contaminants in XeCl Lasern Laser Focus October 1981, S. 65-68 beschrieben wurde, ist aufwendig und teuer.

In einer weiteren Literaturstelle (K. 0. Kutschke, P- A. Hak-< kett und C. Wills "Rev. Sei. Instrum. 52 (II)" Nov. 1981, ■ S. 1655, wird.ein Verfahren beschrieben, bei dem insoweit ^; ein umgekehrter Weg beschritten wird, als dort nicht das Gas auf Kosten des Hallogen-Gases gereinigt wird, sondern die _ teuerste Komponente aus dem Gasgemisch wieder aufbereitet wird. Dabei wird der weitaus größte Anteil, nämlich" die preiswerteren Gaskomponenten, entfernt und jeweils durch"

frisches Gas ersetzt. Auch dieses Verfahren ist aufwendig und teuer, so daß sich eine Amortisation erst bei sehr langem Betrieb ergeben würde. In der bezeichneten Literaturstelle wird von 100 Tagen Betriebszeit gesprochen. Hierbei wird eine Betriebsdauer von 5 Stunden pro Tag vorausgesetzt, während der der Laser mit. 100 Hz Repetitionsrate arbeitet.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die in der Literatur beschriebenen Verfahren solche Reinigungseinrichtungen vorschlagen, bei denen wesentliche Komponenten des Gasgemisches verbraucht werden, die dann durch eine aufwendige Nachfüllung ersetzt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß eine Reinigung des Gasgemisches zur Erhöhung der Lebensdauer des Lasers erfolgt, ohne daß Gaskomponenten ergänzt werden müssen, um die ursprüngliche Gaszusammensetzung beizubehalten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Reinigungseinrichtung ein Elektrofilter vorgesehen ist und der . Gaskreislauf mit einer Ruhezone für das den Gaseinlässen zugeleitete Gasgemisch versehen ist. Damit ist es möglich, einen Teil oder die gesamte Gasmenge über das Elektrofilter zu leiten und hier die Staupartikel, nicht aber Gaskomponenten, abzuscheiden. Hierdurch ändert sich die Gaszusammensetzung nicht. Es steht das Gasgemisch nach der Passage durch den Elektrofilter als Spülgas zur Verfügung, welches den gefährdeten Komponenten, insbesondere den Fenstern zugeleitet wird. Damit wird die die Lebensdauer der optischen Komponenten begrenzende Verschmutzung durch die staubförmigen Partikel aufgehoben und die Lebensdauer des Lasers erhöht. Es ist aber nicht nur die Anwendung des Elektrofilters, sondern auch die gleichzeitige Bereitstellung einer Ruhezone

von besonderer Bedeutung. In dieser Ruhezone' findet eine Regenerierung eines Teiles des Gasgemisches statt, das regeneriert in gefährdete Bereiche des Lasers .eingespült wird, um die störenden Staubablagerungen zu verhindern.

Der Elektrofilter kann gleichzeitig als Ruhe zone ausgebildet sein, d.h. durch seinen gegenüber den Leitungen vergrößerten Durchflußquerschnitt tritt eine Beruhigung der Strömung verbunden mit einer Erhöhung der Verweilzeit auf, so daß eine Regenerierung eines Teiles des Gasgemisches möglich wird. In dem Elektrofilter sind die an die Vorionisierung wie auch an die Kollektoren angelegten Spannungen auf die Teilchensorte und -größe der abzuscheidenden Staubpartikel abgestimmt. Der Elektrofilter kann sowohl in das Entladungsgefäß integriert werden als auch in einen Gaskreislauf mit entsprechenden Leitungen eingesetzt sein. Durch die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit in dem Elektrofilter kann der Reinheitsgrad eingestellt werden. Wegen der kleinen Strömungsgeschwindigkeiten und der damit verbundenen Verweilzeit im Elektrofilter bzw. in den Ruhezonen reagieren auch gasförmig Verunreinigungen wieder zurück. Damit wird nicht nur die Reinigung von Staubteilchen erreicht, sondern überraschenderweise auch eine Reduktion der störenden: gasförmigen Bestandteile erzielt. Da die gefährdeten Komponenten mit gereinigtem Gas gespült werden, wird ein Absetzen des Staubes auf diesen Komponenten und damit eine Alterung vermieden. Ein Vorteil dieser aufgezeigten Lösung besteht darin, daß nur ein Teil des Gasgemisches gereinigt werden muß, um die gefährdeten Teile sauber zu halten. Weiterhin wird durch die Verwendung eines Elektrofilters kein neuer Prozess im Kreislauf des 'Gasgemisches eingeführt bzw. durchgeführt, wie es bei Benutzung der chemischen Abscheidemethoden aus dem Stand der Technik der Fall ist. In einem Elektrofilter befindet sich eine elektrische Glimmentladung, die dazu dient, das Gas bzw. die Staubteilchen zu

ionisieren. Dabei findet ein der eigentlichen Laserentladung verwandter Vorgang statt. Die Kollektoren des Elektrofilters bestehen aus Metallplatten, die keine neue Verschmutzung herbeiführen. Die Benutzung nur eines Teils des Lasergases und die Sauberhaltung der Komponenten mit einem Teil dieses Gases führt Uazu, daß der Elektrofilter verhältnismäßig klein dimensioniert werden kann. Eine aufwendige und teure Nachfüllung bzw. Wiederaufbereitung des Gases wird dadurch vermieden.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Anwendung bei sogenannten Edelgas-Hallogenid-Lasern. Diese Laser arbeiten mit Gasgemisch, das sich aus - Edelgasen und aus HaImogen-Gasen zusammensetzt.

Ein Ausführungsbeispiel der .Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Lasers mit seiner Reinigungsvorrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm mit der Darstellung der Energie pro Laserschuß in Abhängigkeit von der Schußzahl

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Entladungsgefäß 1 dargestellt, welches mit einem Gasgemisch 2 gefüllt ist. Das Entladungsgefäß 1 wird an beiden Enden durch optische Komponenten in Form von Fenstern 3 begrenzt, in deren Nähe Gaseinlässe 4 so angeordnet sind, daß die Fenster 3 von dem hier eintretenden Gasstrom bespült werden können. Es ist ein weiterer Gaseinlaß 5 an Gefäß 1 vorgesehen, der mit einem Dosierventil 6 ausgestattet ist. Der Gaseinlaß dient dem Einfüllen des Gasgemisches 2. -

Das Entladungsgefäß 1 besitzt auch einen Gasauslaß 7, der mit einer Pumpe "8 in Verbindung steht, der ein Elektrofilter 9 nachgeschaltet ist. Von dort führen Leitungen 10 und 11 über Ruhezonen 12-zu den Gaseinlässen 4 im Bereich der Fenster 3. Es ist ersichtlich, daß der Elektrofilter 9 selbst eine im Querschnitt stark erweiterte Ruhezone darstellt, so daß auf die gesonderte Anordnung der Ruhezonen 12 in den Leitungen 10 auch verzichtet werden kann.

Während des Betriebes wird das Gasgemisch 2 oder ein Teil desselben durch die Pumpe 8 abgesaugt. Die mittransportierten Staubpartikel werden in dem Elektrofilter 9 abgeschieden, ohne daß eine Gaskomponente mit abgeschieden wird. Bereits im Elektrofilter 9 und/oder in den nachgeschalteten Ruhezonen 12 tritt eine Regenerierung des Gases ein, so daß durch die Leitungen 10 die Fenster 3 mit gereinigtem Gas gleicher Zusammensetzung bespült und damit freigehalten werden können, wie es sich als Gasgemisch 2 innerhalb des Entladungsgefäßes 1 befindet. Die beschriebene Reinigung und Regenerierung wurde an einer typischen Excimer-Gasentladung getestet. Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Auf der Ordinate (y) ist die Energie pro Laserschuß wiedergegeben. Die Abzisse zeigt die Schußzahl. In gestrichelter Linienführung ist die Lebensdauerkurve eines XeCl-Lasers (Ohne Elektrofilter) dargestellt. Man erkennt, daß die Laserenergie bei einer Schußzahl von ca. 3 χ 10 Schüsse auf etwa die Hälfte sinkt. In durchgezogener Linienführung ist die Lebensdauerkurver eines derartigen Lasers mit Reinigung und Regenerierung dargestellt. Man erkennt, daß hierdurch die Lebensdauer des Gases um den Faktor 3 erhöht ist. Der Abfall der Energie ist hierbei nicht mehr auf die Verschmutzung der optischen Komponenten zurückzuführen, sondern erklärt sich durch eine Aufzehrung des Lasergases. Die Transmission der Fenster 3, dip ein Maß für die Reinheit der Oberfläche darstellt, hat sich bei der gestrichelten Kurve nach

-f-

3 χ 10 Schuß um 30 Prozent verringert, während sie im Falle der durchgezogenen Linie mit Elektrofilter und Ruhezone sich überhaupt nicht gegenüber dem ersten Schuß verändert hat. Damit ist nachgewiesen, daß mit der aufgezeigten Rein- und Sauberhaltung der optischen Komponenten mit sehr gutem Erfolg erreicht wird, und zwar bei sehr geringem Aufwand. Außerdem entsteht hierdurch keine zusätzliche Verunreinigung des Lasergases gegenüber dem normalen Betrieb.

Bezugszeichenliste

1 = Entladungsgefäß

2 = Gasgemisch

3 = Fenster

4 = Gaseinlaß

5 = Gaseinlaß

6 = Dosierventil

7 = Gasauslaß

8 = Pumpe

• 9 = Elektrofilter 10= Leitung = Leitung 12= Ruhezone

Leerseite

Claims

UNSER ZEICHEN OUR REF.

Lambda Physik GmbH-, Hans-Böckler-Str. 12, 3400 Göttingen

Entladungsgepumpter Laser

Patentansprüche :

1,1 Entladungsgepumpter Laser mit einem Gasgemisch enthaltenden Entladungsgefäß, welches im Bereich der Fenster Gaseinlässe und im übrigen einen Gasauslaß aufweist und über Leitungen und eine Umwälzpumpe an eine Reinigungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Reinigungseinrichtung ein Elektrofiüter (9) vorgesehen ist und der Gaskreislauf mit einer Ruhezone für das den Gaseinlässen (4) zugeleitete Gasgemisch versehen ist.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrofilter. (9)- gleichzeitig als Ruhezone ausgebildet ist,

copy
3. Laser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Vorionisierung wie auch die Kollektoren angelegten Spannungen auf die Teilchensorte und -größe abgestimmt sind.

copy sf