DE3856348T2

DE3856348T2 - Laser Plasmavorrichtung

Info

Publication number: DE3856348T2
Application number: DE3856348T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Iwata; Junichi Nishimae; Masakazu Taki; Yoshihioro Ueda; Tadashi Yanagi; Kenji Yoshizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1988-01-23
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2008-01-24
Also published as: DE3856348D1; EP0280044A2; DE3855896T2; EP0280044A3; EP0674471B1; DE3855896D1; EP0280044B1; KR910002239B1; EP0674471A1; KR880009461A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmavorrichtung, welche Plasma mittels Mikrowellenentladung erzeugt und eine Laseranregung durchführt und in Plasmaverfahren eingesetzt werden kann.

Beschreibung des Standes der Technik

Es sind verschiedene Plasmavorrichtungen bekannt, die Mikrowellenentladung benutzen, wie beispielsweise eine Laservorrichtung, eine Lichtwellenvorrichtung, eine Plasmaverfahrensvorrichtung, eine Ionenquelle o. ä. Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer bekannten Gaslaservorrichtung offenbart z. B. im Journal of Applied Physics, Band 49, Nr. 7., Juli 1978, Seite 3753, und Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1. In den Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 300 einen Wellenleiter zur Übertragung von Mikrowellen, das Bezugszeichen 301 bezeichnet einen Wellenleiterquerschnittsanpasser, der an einem Abschnitt des Wellenleiters 300 vorgesehen ist, Bezugszeichen 302 bezeichnet eine Lasentladungsröhre aus Pyrexglas, die in einem Raum des Wellenleiterquerschnittsanpassers angeordnet ist, Bezugszeichen 303 bezeichnet eine Lasergaseinlaßöffnung, die an einem Ende der Laserentladungsröhre 302 vorgesehen ist, Bezugszeichen 304 bezeichnet eine Lasergasauslaßöffnung, die ebenfalls an einem Ende der Laserentladungsröhre 302 vorgesehen ist, Bezugszeichen 305 bezeichnet eine Kühlgaszuführröhre, die um die Laserentladungsröhre 302 angeordnet ist, Bezugszeichen 306 bezeichnet eine Kühlgaseinlaßöffnung, die an einem Ende der Kühlgaszuführröhre 305 vorgesehen ist, Bezugszeichen 307 bezeichnet eine Kühlgasauslaßöffnung, die ebenfalls an einem Ende der Kühlgaszuführröhre 305 vorgesehen ist, Bezugszeichen 308 bezeichnet Brewster-Fenster, die an beiden Enden der Laserentladungsröhre 302 angeordnet sind, Bezugszeichen 309 bezeichnet eine Kathode zur Gleichstromentladung und Bezugszeichen 310 bezeichnet eine Anode ebenfalls für Gleichstromentladung.
In der oben beschriebenen, bekannten Gaslaservorrichtung wird Lasergas, wie z. B. CO&sub2;-Lasergas, von der Lasergaseinlaßöffnung 303 in die Laserentladungsröhre 302 eingeführt, und andererseits werden Mikrowellen der TE10-Mode in dem Wellenleiter 300 angeregt. Da der Wellenleiter 300 den Wellenleiterquerschnittsanpasser 301 auf der Innenseite aufweist und der Innendurchmesser des Wellenleiters 300 an der Anbringposition der Laserentladungsröhre 302 minimal wird, ist die elektrische Feldintensität der Mikrowellen an dieser Position maximal. Das starke Mikrowellenfeld verursacht einen Entladungszusammenbruch des Lasergases innerhalb der Laserentladungsröhre 302 und erzeugt Plasma und regt das Lasermedium an. Dann fließt z. B. N&sub2;-Gas geringer Temperatur mit hoher Geschwindigkeit in die Kühlgaszuführröhre 305 und die Laserentladungsröhre 302 wird von außen gekühlt. Die Entladungsbedingung, wie z. B. der Lasergasdruck, wird derart geeignet gewählt, daß die Laseroszillationsbedingung erhalten wird, und weitere Spiegel zur Laseroszillation (nicht gezeigt) werden an der Außenseite der Brewster- Fenster 308 angeordnet, wodurch die Laseroszillation durchgeführt wird.
Da in der oben beschriebenen, bekannten Gaslaservorrichtung die geschlossene Laserentladungsröhre 302 benutzt wird, überwiegt, wenn Plasma mit leitenden Eigenschaften erzeugt wird, die Mikrowellenmode der koaxialen Art, wenn Plasma in der Laserentladungsröhre 302 als innerer Leiter benutzt wird, und das Mikrowellenfeld im Plasma wird zum elektrischen Feld, dessen Komponente parallel zur Röhrenwand der Entladungsröhre 302 die Hauptkomponente ist, so daß die in das Plasma eintretenden Mikrowellen im wesentlichen diejenige Mode aufweisen, die senkrecht zur Röhrenwand der Laserentladungsröhre 302 einfallen, d. h. zur Plasmagrenze. Bei einer solchen Entladung, die durch senkrecht zur Plasmagrenzfläche einfallende Mikrowellen erzeugt wird, nimmt das Mikrowellenfeld von der Entladungsröhrenwand zur Innenseite ab; da aber das Entladungsplasma Konstantspannungseigenschaften aufweist, variiert die Stromstärke in Abhängigkeit von geringen Variationen des elektrischen Felds beträchtlich. Als ein Ergebnis wird das Plasma nahe der Entladungsröhrenwand erzeugt und ist um diese Position zentriert und weist beträchtliche Ungleichmäßigkeiten auf. Dieser Zustand ist in einer Schnittansicht in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 311 elektrische Kraftlinien des elektrischen Mikrowellenfeldes, und Bezugszeichen 312 bezeichnet Plasma. Da bei einer Mikrowellenentladung verwendenden, bekannten Gaslaservorrichtung ungleichmäßiges Plasma, wie in Fig. 3 gezeigt ist, erzeugt wird, ist es schwierig, daß Entladung als Ganzes in geeigneter Weise für die Laseranregung nutzbar gemacht wird. Weiterhin überlappen sich die Laserresonatormode und das Plasma nicht miteinander, wodurch die Laserausgangsleistung bzw. der Wirkungsgrad niedrig werden.
Wenn bei der bekannten, in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung Mikrowellen mit 2,45 GHz und Pulsmikrowellen mit 132 Hz benutzt werden und die Vorrichtung bei einer Pulsbreite von 1 us und einer Spitzenleistung von 2,6 kW betrieben wird, wird eine Hauptausgangsleistung von nur 15 mW erhalten. Der Grund ist, daß die Vorrichtung nur bei einer Pulsbreite von 1 us und 132 Hz betrieben werden kann, d. h. bei sehr geringem Tastverhältnis, das ungefähr 1/10.000 aufgrund der oben beschriebenen Ungleichmäßigkeit der Entladung beträgt. Da weiterhin die Vorrichtung bei einer so langsamen Wiederholungsrate wie 132 Hz betrieben wird, entsteht ein zeitlich ungleichmäßiges Plasma und es können deshalb nur gepulste Laseroszillationen durchgeführt werden. Solche Probleme entstehen nicht nur in der Gasfaservorrichtung, sondern tauchen auch in anderen Plasmavorrichtungen aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Entladung auf.
Ebenfalls bekannt ist eine Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters, bei dem Lasergas in einen Raum gefüllt wird, der als optischer Wellenleiter dient, um erzeugte Laserstrahlen zu leiten, und es wird Plasma in dem Lasergas mittels Entladung erzeugt, um eine Laseranregung durchzuführen.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer bekannten Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters, wie er z. B. in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 54-103692 offenbart ist. Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der Fig. 4. In den Figuren bezeichnen Bezugszeichen 321, 322 ein Paar langer, einander gegenüber angeordneter Dielektria, Bezugszeichen 323, 324 bezeichnen ein Paar langer, einander gegenüber angeordneter Elektroden zwischen diesen Dielektrika 321, 322 mit einem vorgegebenen Zwischenraum, Bezugszeichen 325 bezeichnet einen Entladungsraum, bei dem alle Seiten durch diese Dielektrika 321, 322 und Elektroden 323, 324 definiert sind. Lasergas ist in diesen gefüllt, um Laseranregung mittels Entladung durchzuführen. Bezugszeichen 326 bezeichnet einen Block aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, an dem diese Dielektrika 321, 322 und Elektroden 323, 324 angebracht sind, Bezugszeichen 327 bezeichnet einen Totalreflektionsspiegel, der an einem Ende des Entladungsraumes 325 angeordnet ist, Bezugszeichen 328 bezeichnet einen teildurchlässigen Spiegel, der am anderen Ende des Entladungsraumes 325 gegenüber dem Totalreflektionsspiegel 327 angeordnet ist, und Bezugszeichen 329 bezeichnet eine Hochfrequenzspannungsquelle zum Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes an die Elektroden 323, 324. In diesem Fall weist der Entladungsraum 325 geeignete Abmessungen zum Leiten der erzeugten Laserstrahlen auf; er wirkt ebenfalls als optischer Wellenleiter.
Nachfolgend wird der Betrieb beschrieben. Lasergas wird in den Entladungsraum 325 eingeleitet, und Hochfrequenzspannung wird zwischen die Elektroden 323 und 324 von der Hochfrequenzspannungsquelle 329 angelegt. Hierdurch wird das starke elektrische Hochfrequenzfeld an das Lasergas im Entladungsraum 325 angelegt, der Entladungszusammenbruch des Lasergases wird durch das elektrische Hochfrequenzfeld hervorgerufen, Plasma wird erzeugt und die Laseranregung durchgeführt. Die erzeugten Laserstrahlen laufen durch den Entladungsraum 325, der einen optischen Wellenleiter darstellt, und werden zwischen dem Totalreflektionsspiegel 327 und dem teildurchlässigen Spiegel 328 reflektiert, die an beiden Enden des Entladungsraumes 325 angeordnet sind, und ein Teil der Laserstrahlen wird von dem teildurchlässigen Spiegel 328 nach außen durchgelassen.
Da die bekannte Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters wie oben beschrieben aufgebaut ist, ist es schwierig, die Frequenz der zwischen den Elektroden 323 und 324 angelegten Hochfrequenzspannung über ein bestimmtes Maß zu erhöhen. Wenn die Frequenz der Hochfrequenzspannung erhöht wird, konzentriert sich weiterhin die Entladung im Entladungsraum 325 im Oberflächenbereich der Dielektrika 321, 322, die an beiden Seiten des Entladungsraums 325 angeordnet sind, wodurch ein gleichmäßiges Plasma nicht erreicht werden kann und es schwierig ist, daß der Entladungsraum 325 als Ganzes für die Laseranregung in geeigneter Weise nutzbar gemacht wird.
Da in jeder der oben beschriebenen, bekannten Gaslaservorrichtungen die Laserentladungsröhre als Ganzes aus Pyrex-Glas hergestellt ist, kann in der Laserentladungsröhre entstehende Hitze nicht effizient abgestrahlt werden, und die Temperatur des Lasergases, wie z. B. CO&sub2;-Gas, ruft ein Absinken der Laserausgangsleistung hervor.
Aus der Veröffentlichung von L. A. Newman et al.: "High power couples CO&sub2; waveguide laser array" in "Conference on lasers and electro-optics", OSA/IEEE, Digest of Technical Papers, San Francisco, CA, 9.-13. Juni 1986, Seiten 162-164, IEEE, New York, USA, ist ein Laserarray bekannt, bei dem Mikrowellen von einem Mikrowellenoszillator über eine Mikrowellenübertragerstrecke zu einem Plasma- erzeugenden Medium übertragen werden, wobei das Medium in einen Raum zwischen einer ersten Leiterwand und einem keramischen Einsatz gefüllt ist und der keramische Einsatz an seiner Rückseite eine zweite Leiterwand aufweist und beide Leiterwände Teil der Mikrowellenübertragerstrecke sind. Wenn das elektrische Feld von beiden Seiten zum Zentrum hin in das Plasma eindringt, ist das eindringende elektrische Feld parallel zum diesbezüglichen Teil der Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Plasma, wodurch ein starker Skineffekt am Auftreffbereich entsteht. Dieser Skineffekt wächst mit wachsender Frequenz stark an und verhindert eine gleichmäßige Stromverteilung im Plasma. In dieser Hinsicht kann eine normale Entladung in diesem bekannten Array in einem Mikrowellenbereich oberhalb 300 MHz nicht erzeugt werden, weder im kontinuierlichen Mode-Betrieb noch in einem Puls-Mode-Betrieb.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der räumlich gleichmäßiges und stabiles Plasma erzeugt wird und Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung möglich ist und weiteres Einfüllen des Plasma-erzeugenden Mediums einfach ist.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer zur Verfügung zu stellen, bei der die Wandoberfläche eines Entladungsraumes geschützt ist und eine Zerstörung eines Plasma-erzeugenden Mediums verhindert wird.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung mit größerem Durchmesser zur Verfügung zu stellen, bei der gleichmäßige Entladung sogar bei einem Entladungsraum großer Fläche erhalten wird.
Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der Mikrowellenentladungsplasma sogar in einer Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters räumlich gleichmäßig wird.
Ein fünftes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der das erzeugte Mikrowellenentladungsplasma räumlich gleichmäßig ist, die Kühleffizienz einer Entladungsröhre verbessert ist und weiterhin Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung möglich ist.
Ein sechstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasmavorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der das Austreten von in einen Entladungsraum gefülltem Plasma-erzeugendem Medium durch Lecks verhindert werden kann.
Ein siebtes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsquellenvorrichtung kleiner Größe zur Verfügung zu stellen, die als Leistungsquelle für eine Plasmavorrichtung genutzt werden kann und keine Hochspannungsleistungsquelle zur Pulskontrolle benötigt.
Zur Verwirklichung der oben genannten Ziele enthält eine erfindungsgemäße Plasmavorrichtung einen Mikrowellenoszillator zur Erzeugung von Mikrowellen, einen Mikrowellenkreis zur Erzeugung eines Plasmas mittels Mikrowellenentladung in dem Mikrowellenkreis und eine Übertragungsstrecke zur Erzeugung der Mikrowellen von dem Mikrowellenoszillator zu dem Mikrowellenkreis, wobei ein plasma- erzeugendes Medium zur Erzeugung des Plasmas in einem Raum zwischen einer Leiterwand und einem Dielektrikum, das gegenüber der Leiterwand angeordnet ist, gefüllt wird, und der Mikrowellenkreis den Hauptteil der Mikrowellen derart auf das Dielektrikum koppelt, das eine vorgegebene Mikrowellenmode durch die Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Plasma hindurchdringt, wobei der Mikrowallenoszillator ein Oszillator zur Er Zeugung von mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz gepulsten Mikrowellen ist, und wobei das Dielektrikum und die Leiterwand derart angeordnet sind, daß die elektrische Feldkomponente der Mikrowellenmode senkrecht zu demjenigen Teil der Grenzfläche ist, durch den die Mikrowellen in das Plasma eindringen.
Da demnach in der Plasmavorrichtung gemäß der Erfindung die Leiterwand mit höherer Leitfähigkeit als das Plasma gegenüber dem als Mikrowelleneintrittfenster dienenden Dielektrikum angeordnet ist, fließt der Endstrom der einfallenden Mikrowellen durch die Leiterwand, wodurch Strom, der zwischen dem Dielektrikum und der Leiterwand hindurchtritt, in das Plasma fließt, um räumlich gleichmäßiges Plasma zu erzeugen.
Eine Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt ebenfalls Plasma durch Mikrowellenentladung in gepulsten Mikrowellen. Hierdurch nimmt die räumliche Gleichmäßigkeit des Plasmas zu.
In einer Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in einem Mikrowellenkreis angeregte Mikrowellen als pulsförmige Mikrowellen erzeugt, wobei die Ruhezeit kürzer ist als die thermische Zeitkonstante des Plasmaerzeugenden Mediums, wie z. B. CO&sub2;-Lasergas. Demnach kann das Plasma in der Plasmavorrichtung dieser Erfindung auch zeitlich gleichmäßig erzeugt werden.
In einer Plasmavorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Leiterwandoberfläche, die zur Bildung des Raumes beiträgt, mit einer keramischen Schicht beschichtet, um die Wandoberfläche zu schützen, wodurch eine Beschädigung eines Plasma-erzeugenden Mediums verhindert wird und Plasmaentladung mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer möglich wird.
In einer Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein mit dem Raum in Verbindung stehender Vorratstank angebracht, der um Plasma-erzeugendes Medium zu speichern, wodurch eine kompakte Plasmavorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, großer Ausgangsleistung und langer Lebensdauer erhalten werden kann.
In einer Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein erstes und zweites Dielektrikum an einer Bodenoberfläche bzw. einer Seitenoberfläche des Raumes angeordnet, der von der Leiterwand gebildet wird, wodurch Plasma hoher Gleichmäßigkeit sogar in einem Entladungsraum mit großer Fläche erzeugt werden kann.
In einer Gaslaservorrichtung vom Typ eines optischen Wellenleiters in Plasmavorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Raum als ein optischer Wellenleiter von einer Leiterwand, die einen Teil eines Mikrowellenkreises darstellt, und einem Dielektrikum gebildet, das gegenüber der Leiterwand angeordnet ist, und ein Lasergas wird als ein Plasma-erzeugendes Medium in den Raum gefüllt, und weiterhin treten Mikrowellen in diesen ein, in dem das Dielektrikum als ein Mikrowelleneintrittsfenster benutzt wird, so daß eine Mikrowellenmode mit vertikaler elektrischer Feldkomponente an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und dem im Lasergas erzeugten Plasma ausgebildet wird.
Demnach wird in Gaslaservorrichtungen vom Typ des optischen Wellenleiters in Plasmavorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung Hochfrequenzspannung nicht zwischen zwei Elektroden angelegt, sondern Mikrowellen treten ein, indem das Dielektrikum als Mikrowelleneintrittsfenster benutzt werden, wodurch die Laseranregung mittels Mikrowellen möglich wird. Da weiterhin eine Leiterwand mit höherer Leitfähigkeit als das Plasma gegenüber dem Dielektrikum angeordnet ist, auf das die Mikrowellen auftreffen, fließt der Endstrom der einfallenden Mikrowellen durch die Leiterwand, wodurch Strom, der durch das Dielektrikum und die Leiterwand hindurchtritt, in das Plasma fließt, um räumlich gleichmäßiges Plasma zu erzeugen.
Bei einem Raum, der in einer Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen einer Leiterwand und einem Dielektrikum zum Einfüllen von Plasma- erzeugendem Medium in diesen gebildet wird, wird ein Bereich, der sich von dem Dielektrikum des Raumes unterscheidet, teilweise von einem gaspermeablen Element gebildet, und Umwälzmittel zum Umwälzen des Plasma-erzeugenden Mediums in dem Raum werden durch das gaspermeable Element hindurch angeordnet. Hierdurch wird gleichmäßiges Plasma in dem Plasma-erzeugenden Medium erzeugt. Da weiterhin das Lasergas in dem Raum durch das gaspermeable Element umgewälzt wird, um Mikrowellen zu reflektieren, wird im Lasergas erzeugte Wärme effizient abgestrahlt und der Temperaturanstieg des Lasergases wird verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung sind die Mikrowellen mit einer Pulsfrequenz von 500 Hz oder mehr gepulst.
In der erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung wird bevorzugt mittels eines DC-AC Wechselrichters Gleichstrom in Wechselstrom mit einer Frequenz konvertiert, die größer ist als die Netzfrequenz, und mittels eines Transformators hochgespannt, und dann werden gepulste Mikrowellen von einem Mikrowellenkreis erzeugt, der von einer Spannungsquelle gespeist wird, welche Hochspannung mittels eines Halbwellen-Spannungsmultiplikatorkreises erzeugt.
In einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung werden die gepulsten Mikrowellen von einem Mikrowellenoszillator erzeugt, der von einem Hochspannungs-Pulsgenerator ausgesteuert wird, bei dem eine hohe Gleichspannung durch ein Schaltelement unterbrochen wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung haben die gepulsten Mikrowellen bevorzugt eine Auszeit, die kleiner ist als die thermische Zeitkonstante des plasma- erzeugenden Mediums.
In einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung ist das Speisegerät, welches eine Pulsspannung dem Mikrowellenoszillator zuführt, bevorzugt ein Speisegerät, welches ein nichtlineares Element oder eine nichtlineare Vorrichtung treibt, bei dem unterhalb einer vorgegebenen Spannung Ez kein Strom fließt, und bei dem oberhalb einer vorgegebenen Spannung Ez Strom fließt; wobei ein Halbleiterschaltelement zur Steuerung der von der Spannungsquelle zum nichtlinearen Element oder der nichtlinearen Vorrichtung fließenden Speiseleistung in Serie mit dem nichtlinearen Element oder der nichtlinearen Vorrichtung geschaltet ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung ist bevorzugt das nichtlineare Element oder die nichtlineare Vorrichtung mit parallel geschalteten Teilerwiderständen versehen.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung weist bevorzugt das Halbleiterschaltelement eine Schwellspannung auf, die kleiner ist als die Spannung E&sub0; der Spannungsquelle, und die größer ist als E&sub0; minus Ez.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung sind bevorzugt mehrere Halbleiterschaltelemente in Serie zueinander geschaltet.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung ist das Halbleiterschaltelement bevorzugt als Feldeffekttransistor ausgebildet.
Bei einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung ist bevorzugt das Halbleiterschaltelement als bipolarer Transistor ausgebildet, und das nichtlineare Element enthält bevorzugt ein Magnetron.
In einer Plasmavorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Mikrowellenübertragerstrecke und der Mikrowellenkreis parallel entlang der optischen Achse des Lasers angeordnet, wodurch die Entladungslänge gesichert werden kann, die zur Erhöhung der Laserausgangsleistung und -gleichmäßigkeit ausreichend ist, und die Vorrichtung als Ganzes kompakt gebaut ist. Weiterhin kann der Raumfaktor und die Kontrolleigenschaft im Vergleich zum Stand der Technik beträchtlich verbessert werden.
Die vorangehenden und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer bekannten Gaslaservorrichtung;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1;
Fig. 3 einen Querschnitt zur Darstellung des Entladungszustandes einer bekannten Gaslaservorrichtung;
Fig. 4 einen Querschnitt einer bekannten Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 4;
Fig. 6 eine Gesamtdarstellung einer ersten Ausführungsform der Gaslaservorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 einen Querschnitt entlang der Linie C-C der Fig. 6;
Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt des Hauptteils zur Darstellung des Entladungszustandes in Fig. 7;
Fig. 9 einen Graph zur Darstellung der Laseroszillationseigenschaften in Fig. 6 und 7;
Fig. 10 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Entladungsraumes 13;
Fig. 11 eine andere Ausführungsform eines Mikrowellenkreises;
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform eines Mikrowellenkreises;
Fig. 13 eine Ausführungsform, bei der Plasma in einem Teil eines Entladungsraumes 13 erzeugt wird;
Fig. 14 eine Schaltungsdarstellung einer Leistungsquelle zum Betrieb eines Magnetrons 1 in einer zweiten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 eine Darstellung einer Wellenform von durch das Magnetron 1 erzeugten Mikrowellen;
Fig. 16 ein Schaltungsdiagramm einer anderen Ausführungsform einer Leistungsquellenvorrichtung;
Fig. 17 ein Graph zur Darstellung der Beziehung zwischen der an der Anode angelegten Spannung und dem Strom eines Magnetrons M in der Leistungsquellenvorrichtung der Fig. 16;
Fig. 18 ein Schaltungsdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer Leistungsquellenvorrichtung;
Fig. 19 ein Querschnitt einer vierten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 20 ein Querschnitt einer fünften Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 21 Darstellungen der Entladungszustände in der fünften Ausführungsform;
Fig. 22 einen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters;
Fig. 23 einen Querschnitt einer sieben Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 24 den Aufbau eines gaspermeablen Elementes 67;
Fig. 25 eine Modifikation der Fig. 24;
Fig. 26 einen Querschnitt einer achten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 27 bis 30 Modifikationen der Fig. 7;
Fig. 31 einen Querschnitt einer neunten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 32 einen Querschnitt einer zehnten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 33 eine Detailansicht des Hauptteiles der Fig. 32;
Fig. 34 einen Querschnitt einer elften Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 35 eine Detailansicht des Hauptteiles der Fig. 34;
Fig. 36 eine Gesamtansicht einer zwölften Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung;
Fig. 37 einen Querschnitt der Fig. 36;
Fig. 38 eine Gesamtansicht einer dreizehnten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung; und
Fig. 39 eine Gesamtansicht einer vierzehnten Ausführungsform einer Gaslaservorrichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 6 ist eine Gesamtansicht einer Gaslaservorrichtung in einer ersten Ausführungsform als ein Beispiel für Plasmavorrichtungen der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein von einem Mikrowellenoszillator gebildetes Magnetron, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Wellenleiter, Bezugszeichen 3 bezeichnet einen trichterförmigen Wellenleiter zur Verbreiterung des Wellenleiters 2, Bezugszeichen 4 bezeichnet ein Mikrowellenkoppelfenster, Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Spiegel zur Laseroszillation und Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Laserkopfbereich. Fig. 7 ist ein Querschnitt entlang der Linie C-C der Fig. 6, der Details der Gaslaservorrichtung darstellt. Wie in Fig. 7 gezeigt, weist der Laserkopfbereich 6 die Struktur eines Mikrowellenhohlraums vom Rippenwellenleitertyp auf, der eine Art Mikrowellenkreis darstellt. In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 7 eine auf das Mikrowellenkoppelfenster 4 folgende Hohlraumwand, Bezugszeichen 8 und 9 bezeichnen Rippen, die an zentraler Stelle eines Bereiches der Hohlraumwand 7 ausgebildet sind, Bezugszeichen 10 bezeichnet eine an einer Rippe 8 ausgebildete Nut und Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Leiterwand, die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellt, wobei die Wandoberfläche der Nut 10 in dieser Ausführungsform zu diesem Zweck benutzt wird. Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Dielektrikum wie beispielsweise Aluminium, das gegenüber der Leiterwand 11 angeordnet ist, um als Eintrittsfenster für Mikrowellen zu dienen, und Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Entladungsraum, der zwischen der Leiterwand 11 und dem Dieleketrikum 12 gebildet wird, wenn das Dielektrikum 12 die Nut 10 abdeckt. Ein Lasergas, wie beispielsweise CO&sub2;-Gas, das ein Plasma-erzeugendes Medium darstellt, ist in den Entladungsraum 13 gefüllt. Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Kühlwasserstrecke, die in den Rippen 8 und 9 ausgebildet ist.
In der wie oben beschrieben aufgebauten Gaslaservorrichtung gemäß der Erfindung treten vom Magnetron 1 erzeugte Mikrowellen durch den Wellenleiter 2 und verbreitern sich durch den trichterförmigen Wellenleiter 3. Nach Vornahme der Impedanzanpassung durch das Mikrowellenkoppelfenster 4 zum Zwecke eines guten Wirkungsgrades werden die Mikrowellen mit dem Laserkopfbereich 6 gekoppelt. Da der Laserkopfbereich 6 einen Querschnitt der Form eines Rippenhohlraumes gemäß der Fig. 7 aufweist, werden die Mikrowellen zwischen den Rippen 8 und 9 konzentriert. Das starke elektromagnetische Feld der konzentrierten Mikrowellen verursacht den Entladungszusammenbruch des in den Entladungsraum 13 gefüllten Lasergases, erzeugt Plasma und regt das Lasermedium an. Dann fließt Kühlwasser in der Kühlwasserstrecke 14, um das Entladungsplasma zu kühlen, und die Entladungsbedingungen, wie beispielsweise Druck des Lasergases, werden geeignet gewählt, wodurch die Laseroszillationsbedingungen erhalten werden können. Danach wird ein Laserresonator durch den Spiegel 5 (Fig. 6) und einen anderen Spiegel (nicht gezeigt) gebildet, so daß die Laseroszillationsstrahlen erhalten werden können.
Da in diesem Fall in der Gaslaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Mikrowellenentladung in dem Entladungsraum 13 durchgeführt wird, der zwischen der einen Teil des Mikrowellenkreises darstellenden Leiterwand 11 und dem Dielektrikum 12 gebildet wird, das als Mikrowelleneintrittsfenster gegenüber der Leiterwand 11 angeordnet ist, folgt, daß der Eintritt der Mikrowellen nur von einer Seite des Plasmas erfolgt. Demnach kann es nicht vorkommen, daß eine Mikrowellenmode vom koaxialen Typ bei Verwendung des Plasmas als innerem Leiter überwiegt, so daß die Entladung mittels einer erwarteten Mikrowellenmode durchgeführt werden kann.
Wenn der Mikrowellenkreis Mikrowellenmoden mit elektrischen Feldkomponenten senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum 12 und dem Plasma hervorruft, wie in dem Rippenhohlraum der Fig. 7 gezeigt, besitzt die Mikrowellenmode aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung des Dielektrikum 12 und der Leiterwand 11 eine elektrische Feldkomponente ebenfalls senkrecht zur Leiterwand 11, wodurch ein das Plasma durchdringendes elektrisches Feld gebildet wird. Sogar wenn Plasma mit leitenden Eigenschaften erzeugt wird, fließt in diesem Fall, da die Leiterwand 11 mit ihrer um mehrere Größenordnungen größeren Leitfähigkeit als das Plasma gegenüber dem als Mikrowelleneintrittsfenster dienenden Dielektrikum 12 angeordnet ist, der Endstrom der eintretenden Mikrowellen durch die Leiterwand 11, und das elektrische Feld nahe der Leiterwand 11 wird gezwungenermaßen senkrecht zur Oberfläche der Leiterwand 11 ausgerichtet, wodurch das das Plasma durchdringende elektrische Feld aufrechterhalten wird. Folglich treten die Mikrowellen in das Plasma ein, und das Plasma durchdringender Strom fließt, so daß räumlich gleichmäßiges Entladungsplasma aufgrund des kontinuierlichen Stromes erhalten werden kann. Dieser Zustand ist in einem vergrößerten Querschnitt in Fig. 8 gezeigt. In Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen 17 elektrische Kraftlinien des elektrischen Mikrowellenfeldes, und Bezugszeichen 18 bezeichnet Entladungsplasma. Da gemäß der Gaslaservorrichtung der Erfindung eine gleichmäßige Entladung gemäß der Fig. 8 erhalten wird, kann die Entladung als Ganzes in einfacher Weise der Laseranregung angepaßt werden, und die Laserresonatormode und das Plasma überlappen sich ebenfalls gut, so daß die Laseroszillation bei wesentlich größerem Wirkungsgrad und größerer Ausgangsleistung im Vergleich mit einer Gaslaservorrichtung erhalten werden kann, welche Mikrowellenentladung auf bekannte Weise einsetzen.
Da weiterhin das Dielektrikum 12 und die Rippe 8, auf welcher die Nut 10 ausgebildet ist, mit ihren Oberflächen eng aneinander anliegen und das Lasergas dort hineingefüllt ist, wird, wenn der Druck des Lasergases geringer ist als der Atmosphärendruck, beispielsweise im Fall einer CO&sub2;-Gaslaservorrichtung, externer Druck auf das Dielektrikum 12 ausgeübt, so daß das Lasergas auf einfache Weise eingeschlossen werden kann. Falls notwendig, kann die dicht anliegende Oberfläche mittels eines Klebers haftend gemacht werden oder separater Druck kann von außen aufgebracht werden; in jedem Falle kann das Lasergas auf einigermaßen einfache Weise strukturell eingeschlossen werden, so daß die Nut 10 durch das Dielektrikum 12 abgedeckt ist.
Obwohl der Mikrowellenhohlraum vom Rippenwellenleitertyp in den Mikrowellenkreis der oben beschriebenen Ausführungsform benutzt wird, kann ein Mikrowellenkreis eines anderen Typs, wie beispielsweise eines rechteckförmigen Hohlraums, benutzt werden, und ein ähnlicher zum oben beschriebenen Effekt kann erhalten werden.
Fig. 9 zeigt einen Graphen, der experimentelle Ergebnisse darstellt, wenn die Vorrichtung den in den Fig. 6 und 7 gezeigten Aufbau aufweist und die Entladungslänge von 300 mm auf den CO&sub2;-Laser angewandt wird. In Fig. 9 gibt die Abzisse Mikrowelleneingangsleistung der Frequenz 2,45 GHz an, und die Ordinate bezeichnet die CO&sub2;-Laserausgangsleistung und den Wirkungsgrad. Gemäß der Fig. 9 werden eine maximale Ausgangsleistung von 24 W und ein maximaler Wirkungsgrad von 10,5% erhalten, d. h. die Ausgangsleistung ist um 3 Größenordnungen oder mehr größer als die CO&sub2;-Laserausgangsleistung von 15 mW, die für die bekannten Vorrichtungen der Fig. 1 und 2 berichtet werden. Obwohl nur gepulste Oszillationen mit den bekannten Vorrichtungen erhalten werden können, hat sich weiterhin bestätigt, daß die CW-Oszillationen mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.
Da gemäß der ersten Ausführungsform der Gaslaservorrichtung der vorliegenden Erfindung die Metallwand zur Begrenzung der Mikrowellen und das Entladungsplasma dicht aneinander anliegen, kann die Kühlung von außerhalb der Metallwand frei und effektiv durchgeführt werden. Folglich wird die Vorrichtung vorteilhafter weise bei einem Laser angewandt, bei dem eine Kühlung des Lasergases wichtig ist, wie z. B. bei einem CO&sub2;-Laser. Da weiterhin die Wirkung des magnetischen Feldes nicht benutzt wird, kann die Vorrichtung ebenfalls bei einem Hochdrucklaser, wie beispielsweise einem Eximer-Laser angewandt werden, und eine Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Feldes wird nicht benötigt, so daß die Vorrichtung kompakt und einfach ist.
Die oben erwähnte Gaslaservorrichtung kann in Abhängigkeit vom Mikrowellenkreis und den Aufbauarten des Entladungsraums 13 weiterhin verschiedene Aufbauanordnungen aufweisen. Fig. 10 zeigt Querschnitte, die Beispiele von Aufbauarten des Entladungsraums 13 darstellen, bei dem ein Mikrowellenhohlraum oder ein Wellenleiter als ein Mikrowellenkreis verwendet werden. In Fig. 10 bezeichnet Bezugszeichen 11 eine Leiterwand, Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Dielektrikum und Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Entladungsraum. In Fig. 10(a) ist der Mikrowellenhohlraum durch das Dielektrikum 12 unterteilt, um den Entladungsraum 13 zu bilden; diese Vorrichtung ist vorteilhafterweise einfach herzustellen. In Fig. 10(b) wird der nicht vom Entladungsraum 13 eingenommene Raum mit dem Dielektrikum 12 gefüllt, so daß eine unnötige Entladung in dem nicht vom Entladungsraum 13 eingenommenen Raum verhindert werden kann. In Fig. 10(c) bildet die an der Hohlraumwand ausgebildete Nut den Entladungsraum 13. Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Entladungsraum 13 in jeder Größe ausgebildet sein kann. In Fig. 10(d) ist die Rippe 9 der Vorrichtung der Fig. 10(c) hinzugefügt; die Vorrichtung der Fig. 10(d) ist im Vergleich zur Vorrichtung der Fig. 10(c) dahingehend vorteilhaft, daß Lasergas hohen Druckes entladen werden kann, und die Anpassung einfach ist. Die Fig. 10(g), (h) zeigen den Gebrauch von Kombinationen dieser Anordnungen. Gemäß der Fig. 10 sind die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellende Leiterwand 11 und das Dielektrikum 12, das der Leiterwand 11 gegenüber angeordnet ist, geeignet gewählt, so daß der Entladungsraum 13 weitgehend frei gestaltet und eine gleichförmige Entladung ähnlich der in Fig. 8 gezeigten erhalten werden kann.
Fig. 11 zeigt Querschnitte von Ausführungsformen, bei denen eine Koaxialleitung oder eine Streifenleitung als Mikrowellenkreis verwendet werden. Fig. 11(a) zeigt eine Ausführungsform, bei der der äußere Leiter der Koaxialleitung als Leiterwand 11 verwendet wird, die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellt. Fig. 11(b) zeigt eine Ausführungsform, bei der der innere Leiter des Koaxialleiters von der Leiterwand gebildet wird und Fig. 11(c) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Streifenleitung benutzt wird. Da die Koaxialleitung und die Streifenleitung der Fig. 11 keine Cutoff-Frequenz aufweisen, wenn z. B. Mikrowellen der Frequenz 245 GHz benutzt werden, kann die Vorrichtung als Ganzes vorteilhafterweise einen kompakten Aufbau im Vergleich zu einer Vorrichtung annehmen, die einen Mikrowellenhohlraum verwendet. Es versteht sich, daß die Vorrichtungen der Fig. 11(a), (b), (c) verschiedenartig entsprechend den Aufbauarten des in Fig. 10 gezeigten Entladungsraums aufgebaut sein können.
Fig. 12 stellt Querschnitte von Ausführungsformen dar, bei denen ein Oberflächenwellenleiter als Mikrowellenkreis benutzt wird. Fig. 12(a) zeigt eine Ausführungsform, bei der eine flache Leiterplatte die Leiterwand 11 und eine flache dielektrische Platte das Dielektrikum 12 darstellt, um den Entladungsraum 13 zu bilden und gleichzeitig den Oberflächenwellenleiter darzustellen. Fig. 12(b) zeigt eine Ausführungsform, bei der ein kreisförmiger Zylinderleiter die Leiterwand 11 und ein dielektrisches Rohr um den kreisförmigen Zylinderleiter das Dielektrikum 12 darstellt, um den Entladungsraum 13 zu bilden und gleichzeitig den Oberflächenwellenleiter darzustellen. Wenn, wie in Fig. 12 gezeigt, ein Oberflächenwellenleiter benutzt wird, können der Mikrowellenkreis und der Entladungsraum gleichzeitig unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten aufgebaut werden, wodurch die Vorrichtung vorteilhafterweise vereinfacht wird. Ebenfalls kann jede der Ausführungsformen der Fig. 12(a), (b) entsprechend der Aufbauarten des in Fig. 10 gezeigten Entladungsraums gewählt werden.
Obwohl in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen das Plasma im wesentlichen im gesamten Entladungsraum 13 erzeugt wird, der zwischen der einen Teil des Mikrowellenkreises darstellenden Leiterwand 11 und dem gegenüber der Leiterwand angeordneten Dielektrikum 12 gebildet ist, kann das Plasma lediglich in einem Teil des Entladungsraums 13 erzeugt werden. Fig. 13 stellt Querschnitte von Ausführungsformen dar, bei denen eine Projektion 21 in einem Teil des Mikrowellenkreises vorgesehen ist, und Plasma 22 in einem starken elektromagnetischen Feld erzeugt wird, das in einem Teil des Entladungsraums durch die Projektion 21 gebildet wird. Fig. 13(a) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Projektion 21 außerhalb des Entladungsraums 13 vorgesehen ist, und Fig. 13(b) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Projektion 21 innerhalb des Entladungsraums 13 vorgesehen ist. Gemäß dem Aufbau der Fig. 13 kann das Entladungsplasma lediglich in einem Teil des Entladungsraums 13 konzentriert werden und eine Laservorrichtung vom dreiachsigen orthogonalen Typ kann auf einfache Weise erhalten werden. Auch kann Lasergas von hohem Druck entladen werden, und Plasma hoher Entladungsleistungsdichte kann auf einfache Weise erzeugt werden.
Da gemäß der Gaslaservorrichtung der ersten Ausführungsform der Erfindung das Lasergas, das mittels der Mikrowellenentladung Plasma erzeugt, in einen Raum gefüllt wird, der zwischen einer einen Teil des Mikrowellenkreises bildenden Leiterwand und dem der Leiterwand gegenüber angeordneten Dielektrikum gebildet wird, und gleichzeitig der Mikrowellenkreis Mikrowellenmoden erzeugt, deren elektrische Feldkomponenten senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Plasma sind, kann das Mikrowellenentladungsplasma räumlich gleichmäßig erzeugt werden und die Entladung als Ganzes für die Laseranregung geeignet gemacht werden und weiterhin können die Laserresonatormode und das Plasma gut überlappen, wodurch eine Gaslaservorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erhalten werden kann.
Da weiterhin eine Nut am Leiter ausgebildet ist, um einen Teil des Mikrowellenkreises zu bilden, und ein Öffnungsabschnitt der Nut zur Bildung eines Raumes durch das Dielektrikum abgedeckt ist und ein Plasma-erzeugendes Medium in den Raum gefüllt ist, kann das Einfüllen des Plasma-erzeugenden Mediums in den Raum auf einfache Weise durchgeführt werden.
Als nächstes wird eine Gaslaservorrichtung als ein Beispiel von Plasmavorrichtungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der zweiten Ausführungsform kann räumlich gleichmäßigeres Plasma durch Mikrowellenentladung mittels gepulster Mikrowellen erzeugt werden.
Das bedeutet, daß der Aufbau der Gaslaservorrichtung in der zweiten Ausführungsform ähnlich der in den Fig. 6 und 7 gezeigten ersten Ausführungsform ist. Folglich werden die gleichen Teile unter Verwendung derselben Bezugszeichen beschrieben.
Andererseits ist eine Spannungsquelle zum Betrieb eines Magnetrons 1 wie in Fig. 14 gezeigt aufgebaut. Gemäß der Fig. 14 wird Wechselstrom von einer handelsüblichen Wechselstromfrequenzleistungsquelle E mittels einer Gleichrichtungs- und Glättungsschaltung 25 in Gleichstrom umgewandelt, und der Gleichstrom wird mittels einer Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichterschaltung in hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt, wie beispielsweise 20 kHz. Der hochfrequente Wechselstrom wird durch einen Transformator 27 verstärkt und mittels einer halbwellenspannungsmultiplizierenden Gleichrichterschaltung 28, die von einem Kondensator C und Dioden D&sub1;, D&sub2; gebildet wird, in einen Wellenstrom hoher Spannung umgewandelt und dann dem Magnetron 1 zugeführt. Bezugszeichen 29 bezeichnet eine Drahtspannungsquelle des Magnetrons 1.
Der wesentliche Betrieb der Gaslaservorrichtung der zweiten Ausführungsform in ihrem oben beschriebenen Aufbau ist ähnlich derjenigen der Vorrichtung der ersten Ausführungsform. Gemäß der Fig. 8 wird in vertikaler Richtung zur Papieroberfläche der Figur, d. h. in Längsrichtung der Entladung, ein Entladungsknoten entsprechend der Mikrowellenmode hervorgerufen.
Da ebenfalls in dieser Ausführungsform die in Fig. 14 gezeigte Vorrichtung als Leistungsquelle ein Magnetron benutzt, das von einem Mikrowellenoszillator zur Erzeugung von Mikrowellen gebildet wird, entsteht die in Fig. 15 gezeigte Wellenform der vom Magnetron erzeugten Mikrowellen, welches von der Leistungsquelle versorgt wird. Das bedeutet, daß mit hoher Frequenz unterbrochen gepulste Mikrowellen erzeugt werden. Das Tastverhältnis der gepulsten Mikrowellen kann auf einen sehr hohen Wert, wie beispielsweise 0,1-0,4, im Vergleich zu bekannten gepulsten Mikrowellen eingestellt werden. Demnach wird die Ruhezeit der Mikrowellen ausreichend kleiner als die thermische Zeitkonstante des Plasma- erzeugenden Mediums, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas. Ebenfalls kann eine sehr hohe Pulsfrequenz, wie beispielsweise mehrere 10 kHz, erreicht werden. Wenn die Vorrichtung der Fig. 6-7 in dieser Weise betrieben wird, ist bestätigt worden, daß die Entladungslänge, unterbrochen von dem Knoten des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes in Längsrichtung, klein wird und daß die Entladung ebenfalls gleichmäßiger in Längsrichtung wird. Wenn die Pulsfrequenz ungefähr 500 Hz oder mehr beträgt, wird die Zeitmodulation der Plasmaparameter unterdrückt, da die Ruhezeit der gepulsten Mikrowellen kürzer als die thermische Zeitkonstante des eingefüllten Plasma-erzeugenden Mediums wird, und das Plasma wird ebenfalls zeitlich gleichmäßig erzeugt.
In diesem Fall wurde 2MI20 (hergestellt von Hitachi, Ltd.) als Magnetron 1 benutzt und Mikrowellen von ungefähr 2,45 GHz wurden erzeugt. Die Pulsfrequenz beträgt 20 kHz und das Tastverhältnis 0,4. Auf diese Weise wurden ähnliche Ergebnisse wie im Graphen der Fig. 9 erhalten.
Obwohl der Wechselrichter als Leistungsquelle des Magnetrons 1 in der oben beschriebenen Ausführungsform benutzt wird, kann eine Leistungsquelle vom Unterbrechertyp verwendet werden, die an das Magnetron 1 von der Hochspannungsgleichstromquelle mittels eines Schaltelements angelegt wird, um die gepulsten Mikrowellen zu erzeugen. Obwohl die Laservorrichtung als Plasmavorrichtung in dieser Ausführungsform gezeigt ist, kann die Erfindung weiterhin als Ionenquelle oder als Lichtquellenplasmaverfahrensvorrichtung verwendet werden, und eine ähnliche Wirkung kann erhalten werden, indem eine räumlich und zeitlich gleichmäßige Entladung hervorgerufen wird.
Obwohl der Leiter und das Plasma in der oben beschriebenen Ausführungsform miteinander Kontakt haben, wird verständlicherweise der oben genannte Effekt nicht zunichte gemacht, wenn eine dünne dielektrische Schicht, wie beispielsweise eine dielektrische Deckschicht, auf der Leiteroberfläche vorgesehen ist, da diese dielektrische Schicht die elektrische Feldverteilung der Mikrowellen nicht wesentlich beeinflußt.
Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das Plasma-erzeugende Medium in einen Raum gefüllt, der zwischen einer einen Teil des Mikrowellenkreises der Plasmavorrichtung darstellenden Leiterwand und einem gegenüber der Leiterwand angeordnetem Dielektrikum gebildet, und der Mikrowellenkreis ruft Mikrowellenmoden mit einer Komponente senkrecht zur Grenzfläche mit dem Dielektrikum hervor, und die gepulsten Mikrowellen werden in dem Mikrowellenkreis angeregt, so daß räumlich gleichmäßiges Plasma erhalten werden kann.
Da die gepulsten Mikrowellen in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Ruhezeit kürzer als die thermische Zeitkonstante des Plasma- erzeugenden Mediums, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, aufweisen und in dem Mikrowellenkreis angeregt werden, kann räumlich und zeitlich gleichmäßiges Plasma für eine lange Zeit stabil erhalten werden, und die Entladung als Ganzes kann auf einfache Weise für die Laseranregung in geeigneter Weise genutzt werden, und die Laserresonatormode und das Plasma können gut überlappt werden, um zu ermöglichen, daß die CO&sub2;-Gaslaservorrichtung einen Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erreicht.
Eine andere Ausführungsform der Leistungsquellenvorrichtung zur Zuführung gepulster Spannung zu einer nichtlinearen Last, wie beispielsweise dem Magnetron 1, wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 16 ist ein Schaltungsdiagramm der Spannungsquellenvorrichtung. Gemäß Fig. 16 bezeichnet M ein Magnetron als ein nichtlineares Element, Q&sub1;, Q&sub2; bezeichnen Feldeffekttransistoren (im folgenden als "FET" bezeichnet) als Halbleiterschaltungselemente, PT&sub1;, PT&sub2;, PT&sub3; bezeichnen Pulsumwandler zum Anlegen von Spannung an das Gate des FET, Q&sub1;, Q&sub2;, D&sub1;, D&sub2; bezeichnen Umkehrstromblockierdioden, R&sub3;, R&sub4;, R&sub5; bezeichnen Teilungswiderstände für Hochspannung und PG bezeichnet einen Pulsgenerator.
Als nächstes wird der Betrieb beschrieben. Wenn kein Puls vom Pulsgenerator PG an den Pulstransformator PT&sub3; angelegt wird, schalten die FET Q&sub1;, Q&sub2; ab. Wenn dann an die FET Q&sub1;, Q&sub2; und das Magnetron M die Spannungen VoQ1, VoQ2 bzw. VoM angelegt werden und die Leistungsquellenspannung auf -E(V) eingestellt wird, folgt:
Die Beziehung zwischen der an der Anode angelegten Spannung und dem Anodenstrom im Magnetron M ist in Fig. 17 gezeigt, und Strom fließt nicht bei der Cutoff- Spannung Vz oder geringerer Spannung. Wenn die Teilungswiderstände R&sub3;-R&sub5; Werte annnehmen, so daß VoM < Vz, läuft das Magnetron folglich nicht, wenn die FET Q&sub1;-Q&sub2; abgeschaltet sind. Wenn weiterhin die Teilungswiderstände R&sub3;-R&sub5; Werte annehmen, so daß die Beziehung der Haltespannungen der FET Q&sub1;, Q&sub2; zu VDSS (drain-source-Spannung) VoQ1, VoQ2 < VDSS wird, brechen die FET Q&sub1;, Q&sub2; nicht durch, da Spannungen oberhalb der Haltespannungen nicht an die FET Q&sub1;, Q&sub2; angelegt werden, wenn die FET Q&sub1;, Q&sub2; abgeschaltet werden.
Wenn ein Puls vom Pulsgenerator PG an den Pulstransformator PT&sub3; angelegt wird, wird der Puls an das Gate der FET Q&sub1;, Q&sub2; angelegt und deshalb werden die FET Q&sub1;, Q&sub2; angeschaltet. Da dann das Magnetron M mit der Leistungsquellenspannung -E(V) versorgt wird, wird das Magnetron betrieben und es werden Mikrowellen erzeugt. Somit wird jedesmal, wenn ein Puls vom Pulsgenerator PG an den Pulstransformator PT&sub3; angelegt wird, das Magnetron M betrieben und Mikrowellen in gepulster Form werden erzeugt. Da die FET Q&sub1;, Q&sub2; mit der Hochspannunsschaltung verbunden sind, müssen sie von der Leistungsquelle des Pulsgenerators PG isoliert werden. Wenn jedoch die Isolierhaltespannung der Pulstransformatoren PT&sub1;- PT&sub3; auf E(V) oder mehr eingestellt wird, wird der Pulsgenerator PG von der Hochspannungsschaltung isoliert und kann deshalb auf gewöhnlichem Leistungsquellenpotential oder Massepotential eingestellt werden.
In der Ausführungsform der Fig. 16 sind die zwei FET Q&sub1;, Q&sub2; in Serie geschaltet und werden als Halbleiterschaltungselement verwendet, jedoch wird die Zahl durch die Haltespannung vorgegeben. D. h. die Haltespannung des Halbleiterschaltungselements kann höher als die Differenz (E - Vz) (V) zwischen der Betriebsspannung E(V) des Magnetrons M und der Cutoff-Spannung Vz(V) eingestellt werden. Wenn z. B. Vz = 3,2 kV und E = 4,2 kV ist, muß die am Halbleiterschaltungselement anliegende Spannung im OFF-Zustand auf 1 kV oder höher eingestellt werden. Da die Haltespannung des FET 1 kV oder höher betragen sollte, müssen folglich die beiden FET jeweils eine Haltespannung von 500 V oder höher, vorzugsweise 700- 800 V, aufweisen.
Fig. 18 ist ein Schaltungsdiagramm einer anderen Ausführungsform, bei der ein Bipolartransistor als Halbleiterschaltungselement benutzt wird.
In Fig. 18 sind gleiche oder ähnliche Teile wie in der zuvor beschriebenen Fig. 16 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 18 bezeichnet Q&sub3; einen als Schaltungselement wirkenden Transistor und IP bezeichnet eine Isolationsleistungsquelle.
Als nächstes wird der Betrieb beschrieben. Der Pulsgenerator PG steuert die Basis des Bipolartransistors Q&sub3; und schaltet hierdurch den Bipolartransistor Q&sub3; an. Auch in diesem Fall können, in ähnlicher Vorgehensweise zur Fig. 16, die Werte der Teilungswiderstände R&sub4;, R&sub5; so eingestellt werden, daß die am Magnetron M anliegende Spannung beim OFF-Zustand des Bipolartransistors Q&sub3; Vz oder eine geringere Spannung einnimmt und die am Bipolartransistor Q&sub3; anliegende Spannung seine Haltespannung oder geringer ist. Obwohl der Pulsgenerator PG direkt mit der Hochspannungsschaltung verbunden ist, sind die Hochspannungsschaltung und die Primärseite der Leistungsquelle isoliert, wenn die Spannungsquelle des Pulsgenerators PG als Isolierleistungsquelle IP verwendet wird, bei der die Hochspannungsisolation mittels des Leistungsquellentransformators durchgeführt wird.
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform das Magnetron M als ein Beispiel eines nichtlinearen Elements erklärt worden ist, kann eine beliebige Leistungsquelle für ein nichtlineares Element oder eine Vorrichtung ähnlich betrieben werden, bei welcher kein Strom unterhalb der vorgegebenen Spannung Ez und Strom bei der vorgegebenen Spannung Ez oder höher fließt.
Gemäß der oben beschriebenen Leistungsquellenvorrichtung der Erfindung ist in der Leistungsquellenvorrichtung zum Betreiben des nichtlinearen Elementes oder der Vorrichtung, bei der kein Strom unterhalb der vorgegebenen Spannung Ez und Strom bei der vorgegebenen Spannung Ez oder höher fließt, die Leistungsquelle hoher Spannung für die Kontrolle nicht nötig, da das Halbleiterschaltungselement, das in Serie mit dem nichtlinearen Element oder Vorrichtung verbunden ist, den von der Spannungsquelle zum nichtlinearen Element oder Vorrichtung fließenden Strom kontrolliert. Eine Leistungsquellenvorrichtung kleiner Größe kann erhalten werden, und weiterhin kann ein Halbleiterschaltungselement mit relativ niedriger Haltespannung benutzt werden.
Als nächstes wird eine Gaslaservorrichtung in einer dritten Ausführungsform beschrieben. In der dritten Ausführungsform ist die Wandoberfläche des Leiters des mit dem Lasergas zu füllenden Raumes mit einer keramischen Schicht beschichtet, wie in der ersten Ausführungsform gezeigt. Hierbei kann die Wandoberfläche des Leiters geschützt und die Zerstörung des Lasergases kann verhindert werden und weiterhin wird eine Laseroszillation mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer möglich.
Das bedeutet, daß auf der Wandoberfläche des Leiters einschließlich der Leiterwand 11 der Fig. 7 der ersten Ausführungsform die keramische Schicht 15 durch Beschichten gebildet wird. Wenn die keramische Schicht 15 in einer solchen Weise gebildet wird, kommt aufgrund der Beschichtung der Wandoberfläche des Leiters einschließlich der Leiterwand 11 des Entladungsraumes 13 mit der keramischen Schicht 15 das durch die Mikrowellenentladung erzeugte Plasma nicht in direkten Kontakt mit der Leiterwand 11 o. dgl., und das erzeugte Plasma unterliegt nicht einem Sputtern oder einem Einschluß in der keramischen Schicht 15 und dem Dielektrikum 12, die chemisch inert sind. Folglich tritt eine Zerstörung des Lasergases aufgrund von Sputtern oder chemischen Reaktionen nur selten auf und die Wandoberfläche des Entladungsraums 13 ist nicht einer Beschädigung durch Sputtern unterworfen, wodurch eine Plasmavorrichtung, wie beispielsweise der Gaslaservorrichtung des Mikrowellenanregungssystems, mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer realisiert werden kann.
Um eine räumlich gleichmäßige Entladung in stabiler Weise zu erhalten, ist es in diesem Fall notwendig, daß die Mikrowellen in das Plasma nur von einer ihrer Oberflächen eindringen. Folglich ist die Dicke der keramischen Schicht 15 vorzugsweise ausreichend geringer als die des Dielektrikums 12. Wenn die Dicke der keramischen Schicht 15 ein Zehntel oder weniger als diejenige des Dielektrikums 12 beträgt, ist bestätigt worden, daß der Hauptanteil der Mikrowellenenergie von der Seite des Dielektrikums 12 in das Plasma eingebracht wird. Weiterhin ist es notwendig, daß die Impedanz des Endes der eintretenden Mikrowellen geringer ist als die Impedanz des Plasmas. Wenn die spezifische dielektrische Konstante der keramischen Schicht 15 mit &epsi;r bezeichnet ist, die Dicke der keramischen Schicht 15d beträgt, der Wellenwiderstand des Vakuums Zo ist und der Widerstand des Plasmas mit δ bezeichnet wird, muß die folgende Beziehung erfüllt sein:
(d/&epsi;r) < (δ/Zo).
Weiterhin sollte in einer Laservorrichtung, die ein Lasergas einschließlich eines Halogengases mit hoher chemischer Aktivierungsenergie benutzt, beispielsweise einer Eximerlaservorrichtung, verständlicherweise ein Material für die keramische Schicht 15 benutzt werden, welches nicht mit der Gruppe der Halogene reagiert.
Als nächstes wird anhand der Fig. 19 eine vierte Ausführungsform beschrieben. In der vierten Ausführungsform ist ein Vorratstank vorgesehen, der mit dem von der Leiterwand und dem Dielektrikum gebildeten Raum in Verbindung steht, und das Plasma-erzeugende Medium ist in dem Vorratstank bevorratet, um eine Zerstörung des Plasma-erzeugenden Mediums wie des Lasergases zu verhindern, und eine Plasmavorrichtung mit einem Plasmabetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung kann erhalten werden.
Fig. 19 zeigt den Aufbau der Vorrichtung. In Fig. 19 sind mit der Gaslaservorrichtung der Fig. 7 übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß eine entsprechende Beschreibung unterbleiben kann. In Fig. 19 bezeichnet Bezugszeichen 31 einen Vorratstank, der in dem Leiter hinter der Leiterwand 11 auf der Rippe 8 zur Bevorratung des Lasergases ausgebildet ist, um das Lasergas in dem Entladungsraum 13 zu ersetzen, Bezugszeichen 32 bezeichnet ein oder mehrere durchgehende Verbindungslöcher zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Vorratstank 31 und dem Entladungsraum 13, und Bezugszeichen 33 bezeichnet ein gaspermeables Element, z. B. ein Metallgitter o. ä., welches an dem Öffnungsabschnitt bzw. dem offenen Abschnitt des Entladungsraumes 13 des durchgehenden Verbindungsloches 32 angeordnet ist und das Lasergas passieren läßt und die Mikrowellen reflektiert.
Da der Vorratstank 31 wie oben beschrieben angeordnet ist, ersetzt das Lasergas in dem Entladungsraum 13 in geeigneter Weise das Lasergas in dem Vorratstank 31 durch das durchgehende Verbindungsloch 32 und das gaspermeable Element 33, wobei sogar bei lang andauernder Laseroszillation eine Zerstörung des Lasergases auf ein Minimum unterdrückt werden kann und das Lasergas eine lange Lebensdauer erhält. Da in diesem Fall das gaspermeable Element 33, gebildet vom Metallgitter o. ä., an dem Öffnungsabschnitt im Entladungsraum 13 des durchgehenden Verbindungslochs 32 angeordnet ist, wird die Mikrowellenmode in dem Entladungsraum 13 nicht gestört.
Obwohl in dieser Ausführungsform das gaspermeable Element zur Reflektion der Mikrowellen und zum Durchlaß des Lasergases in einem Endabschnitt an einer Seite des Entladungsraumes des durchgehenden Verbindungsloches angeordnet ist, kann das gaspermeable Element fortgelassen werden, wenn das durchgehende Verbindungsloch eine Cutoff-Größe oder geringere Größe zur Verhinderung der Übertragung von Mikrowellen aufweist, und ähnliche Effekte zu denen der obigen Ausführungsform werden erhalten.
Gemäß der wie oben beschriebenen Erfindung wird das Plasma-erzeugende Medium, wie beispielsweise Lasergas zur Erzeugung des Plasmas durch Mikrowellenentladung, in den Raum eingefüllt, der zwischen der von einem Teil des Mikrowellenkreises gebildeten Leiterwand und dem gegenüber der Leiterwand angeordneten Dielektrikum gebildet wird, und das Plasma-erzeugende Medium ersetzt in geeigneter Weise das in dem Vorratstank bevorratete Medium, und der Mikrowellenkreis erzeugt eine Mikrowellenmode mit elektrischer Feldverteilung senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Plasma, wobei das Plasma räumlich gleichmäßig und stabil für eine lange Zeit und die Entladung als Ganzes für die Laseranregung geeignet eingestellt werden kann. Da weiterhin die Zerstörung des Plasma-erzeugenden Mediums ohne Hinzufügen einer Vorrichtung mit großen Abmessungen an der Außenseite zum Austausch des Plasma-erzeugenden Mediums verhindert werden kann, kann eine kompakte Plasmavorrichtung mit hohem Wirkungsgrad, großer Ausgangsleistung und langer Lebensdauer erhalten werden.
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 20 und 21 beschrieben. In der fünften Ausführungsform kann eine gleichmäßige Entladung insbesondere bei einem Entladungsraum großer Fläche erhalten werden. Fig. 20 zeigt die Gaslaservorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform. In Fig. 20 sind mit der ersten Ausführungsform der Fig. 7 übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 20 bezeichnet Bezugszeichen 41 eine auf einer der Rippen 8 ausgebildete Vertiefung, Bezugszeichen 42 bezeichnet eine Leiterwand, die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellt und eine Bodenoberfläche der Vertiefung 41 bildet, und Bezugszeichen 43 bezeichnet eine zweite Leiterwand, welche die Seitenoberfläche der Vertiefung 41 bildet. Bezugszeichen 44 bezeichnet ein erstes Dielektrikum, beispielsweise aus Aluminium, das beispielsweise einen Öffnungsabschnitt der Vertiefung 41 abdeckt und gegenüber der ersten Leiterwand 42 angeordnet ist und als Eintrittsfenster für Mikrowellen dient. Bezugszeichen 45 bezeichnet ein zweites Dielektrikum, beispielsweise aus Aluminium, welches an der Wandoberfläche der zweiten Leiterwand 43 angeordnet ist. Bezugszeichen 46 bezeichnet einen Entladungsraum, der zwischen dem ersten Dielektrikum 44 und dem zweiten Dielektrikum 45 gebildet ist, wenn die erste Leiterwand 42 den Öffnungsabschnitt der Vertiefung bedeckt, und in den das Plasma-erzeugende Medium, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, gefüllt wird, und Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Kühlwasserstrecke, die an der Rippe 8 und der Rippe 9 ausgebildet ist.
Der wesentliche Teil das Laseranregungsbetriebes der fünften Ausführungsform ist ähnlich der anhand der Fig. 7 beschriebenen ersten Ausführungsform. In diesem Fall wird die Mikrowellenentladung in dem Entladungsraum 46 durchgeführt, der von der einen Teil des Mikrowellenkreises darstellenden Leiterwand 42 und das als Eintrittsfenster für Mikrowellen dienende erste Dielektrikum 44 aufweist, das gegenüber der ersten Leiterwand 42 angeordnet ist. Da die Mikrowellen in das Plasma lediglich von einer Seite eintreten, kommt es nicht vor, daß bei Verwendung des Plasmas als innerem Leiter die Mikrowellenmode vom koaxialen Typ überwiegt, und eine Entladung mittels der erwarteten Mikrowellenmode kann durchgeführt werden. Auch wenn der Mikrowellenkreis die Mikrowellenmode mit elektrischer Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem ersten Dielektrikum 44 und dem Plasma erzeugt, wie in dem Rippenhohlraum des in der Figur gezeigten Laserkopfabschnitts 6 gezeigt, ist die elektrische Feldkomponente, da daß erste Dielektrikum 44 und die erste Leiterwand 42 einander gegenüberliegen, ebenfalls orthogonal zur ersten Leiterwand 42, wodurch ein das Plasma durchdringendes elektrisches Feld erzeugt wird. Da die erste Leiterwand 42 mit einer Leitfähigkeit, die um mehrere Größenordnungen höher als diejenige des Plasmas ist, gegenüber dem als Mikrowelleneintrittsfenster dienenden ersten Dielektrikum 44 angeordnet ist, fließt folglich sogar bei der Erzeugung von leitfähigem Plasma ein Endstrom der eintretenden Mikrowellen durch die erste Leiterwand 42, und das elektrische Feld nahe der ersten Leiterwand 42 ist gezwungenermaßen senkrecht zur Oberfläche der ersten Leiterwand 42, wobei das das erzeugte Plasma durchdringende elektrische Feld aufrechterhalten wird. Folglich treten die Mikrowellen in das Plasma ein, und das Plasma durchdringender Strom fließt, und das räumlich gleichmäßige Entladungsplasma wird aufgrund des kontinuierlichen Stroms erzeugt.
Das Vorgesagte ist ohne Probleme auf den in Fig. 21(a) gezeigten Fall anwendbar, bei dem der Entladungsraum 46 und die Entfernung zwischen der ersten Leiterwand 42 und dem ersten Dielektrikum 44 klein ist. Wenn jedoch zur Vergrößerung des Entladungsraums 46 der Abstand zwischen der ersten Leiterwand 42 und dem ersten Dielektrikum 44 erhöht wird, wird die Impedanz des Plasmas im Entladungsraum 46 groß, und die erzeugte elektrische Feldkomponente wird zur zweiten Leiterwand 43 umgelenkt, wie in Fig. 21(b) gezeigt. Folglich überwiegt die elektrische Kraftlinie 47 in Richtung auf die zweite Leiterwand 43 gegenüber derjenigen zur ersten Leiterwand 42 gerichteten, wodurch die Gleichmäßigkeit des erzeugten Plasmas zerstört wird. Demnach ist das zweite Dielektrikum 45 zwischen der zweiten Leiterwand 43 und dem Plasma innerhalb des Entladungsraums 46 angeordnet, und gemäß der Fig. 21 (c) schwächt das zweite Dielektrikum 45 die zur zweiten Leiterwand 43 gerichteten elektrischen Kraftlinien 47 und stärkt die zur ersten Leiterwand 42 gerichteten elektrischen Kraftlinien 47, so daß die elektrische Feldkomponente senkrecht zur ersten Leiterwand 42 überwiegt. Auf diese Weise wird die räumlich gleichmäßige Entladung erhalten, und die Entladung als Ganzes kann geeignet für die Laseranregung eingestellt werden.
Obwohl in der Ausführungsform eine Anwendung in bezug auf die Gaslaservorrichtung beschrieben worden ist, kann die Erfindung auf eine Plasmaverfahrensvorrichtung, eine Ionenquelle, eine Lichtquelle o. ä. angewandt werden, und ähnliche Effekte zu denen der beschriebenen Ausführungsform können erhalten werden.
Gemäß der oben beschriebenen Erfindung stellen die erste Leiterwand mit ihrer Bodenoberfläche als Teil des Mikrowellenkreises und die zweite Leiterwand als dessen Seitenoberfläche die Vertiefung dar, und ein Öffnungsabschnitt der Vertiefung ist mit dem ersten Dielektrikum abgedeckt, und weiterhin ist Plasmaerzeugendes Medium in den von dem zweiten, an der zweiten Leiterwand angeordneten Dielektrikum gebildeten Raum gefüllt, und der Mikrowellenkreis erzeugt die Mikrowellenmode mit elektrischer Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Plasma und dem ersten Dielektrikum, wobei räumlich gleichmäßige Mikrowellen sogar bei einem Entladungsraum von großer Fläche über einen langen Zeitraum stabil erhalten werden, und eine Plasmavorrichtung großen Durchmessers zur Erzeugung von Plasma mit großer räumlicher Gleichmäßigkeit kann erhalten werden.
Als nächstes wird anhand der Fig. 22 eine Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters als eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Plasmavorrichtung beschrieben. In diesem Fall entspricht der Querschnitt der Vorrichtung der sechsten Ausführungsform dem Querschnitt der Vorrichtung der anhand der Fig. 7 beschriebenen ersten Ausführungsform, so daß die sechste Ausführungsform ebenfalls bezüglich der Fig. 7 beschrieben werden soll. Fig. 22 ist ein Querschnitt entlang der Linie X-X der Fig. 7. In Fig. 22 bezeichnet Bezugszeichen 6 einen Laserkopfabschnitt, Bezugszeichen 51 und 52 bezeichnen Rippen, die an einer Hohlraumwand im Anschluß an ein Mikrowellenkoppelfenster 4 angeordnet sind, Bezugszeichen 53 bezeichnet eine Leiterwand, Bezugszeichen 54 bezeichnet ein als Eintrittsfenster für Mikrowellen dienendes Dielektrikum gegenüber der Leiterwand 53, Bezugszeichen 55 bezeichnet einen Entladungsraum, der zwischen der Leiterwand 53 und dem Dielektrikum 54 gebildet ist, wenn das Dielektrikum 54 die an der Rippe 51 ausgebildete Nut abdeckt und in dem das Lasergas, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, eingefüllt ist, und Bezugszeichen 56 bezeichnet eine Kühlwasserstrecke, die an der Rippe 51 mit der einen Teil des Mikrowellenkreises darstellenden Leiterwand 53 und an der Rippe 52 gegenüber der Rippe 51 ausgebildet ist. Außerdem bezeichnen Bezugszeichen 57, 58 einen Totalreflektionsspiegel bzw. einen teildurchlässigen Spiegel, die einander gegenüber an beiden Enden des Entladungsraums 55 angeordnet sind. Der Entladungsraum 55 wirkt ebenfalls als optischer Wellenleiter mit geeigneten Abmessungen zum Leiten der erzeugten Laserstrahlen.
Der Betrieb der Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters gleicht im wesentlichen dem der anhand der Fig. 6-7 beschriebenen ersten Ausführungsform. In der sechsten Ausführungsform fließt Kühlwasser in der Kühlwasserstrecke 56, die an der Rippe 51 mit der einen Teil des Mikrowellenkreises bildenden Leiterwand 53 und der gegenüber der Rippe 51 angeordneten Rippe 52 vorgesehen ist, und die Leiterwand 53 und das Dielektrikum 54, die direkt mit dem Lasergas Kontakt haben, werden innerhalb des Entladungsraums 55 gekühlt, wodurch das Lasergas wirksam gekühlt wird und eine Sättigung der Laserausgangsleistung aufgrund des Temperaturanstiegs des Lasergases verhindert wird, obwohl dies besonders im Falle der Verwendung von CO&sub2;-Lasergas ein Problem darstellt. Weiterhin kann eine Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erhalten werden.
Obwohl die Nut in dieser Ausführungsform an einer der Rippen vorgesehen ist und den Entladungsraum mitbildet, kann das an der Nut vorgesehene Dielektrikum auf der flachen oberen Oberfläche der Rippe gehalten und der Entladungsraum gebildet werden.
Gemäß der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gaslaservorrichtung vom Typ des optischen Wellenleiters wird der als optischer Wellenleiter dienende Raum durch die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellende Leiterwand und das Dielektrikum gegenüber der Leiterwand gebildet, und Lasergas wird in den Raum gefüllt, und Mikrowellen treten unter Verwendung des Dielektrikum als Mikrowelleneintrittsfenster ein, wodurch die Laseranregung durch Mikrowellen möglich wird. Da die Leiterwand, die eine größere Leitfähigkeit als das Plasma aufweist, weiterhin gegenüber dem Dielektrikum angeordnet ist, in welches die Mikrowellen eintreten, fließt der Endstrom der eintretenden Mikrowellen durch die Leiterwand, und Strom, der zwischen dem Dielektrikum und der Leiterwand eindringt, fließt in das Plasma, wobei räumlich gleichmäßiges Plasma in dem Lasergas stabil aufrechterhalten werden kann.
Die Fig. 23 bis 25 zeigen eine siebte Ausführungsform, bei der die Hitzeentwicklung einer Laserentladungsröhre mittels Umwälzmitteln verhindert wird. Fig. 23 zeigt eine Vorderansicht einer Gaslaservorrichtung im Querschnitt. Eine Gesamtsicht der siebten Ausführungsform entspricht derjenigen der in Fig. 6 gezeigten ersten Ausführungsform, und mit der ersten Ausführungsform gemeinsame Teile sind in Fig. 23 durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, so daß die entsprechende Beschreibung unterbleiben kann. In Fig. 23 bezeichnet Bezugszeichen 6 einen Laserkopfabschnitt, der die Struktur eines Mikrowellenhohlraums vom Rippenwellenleitertyp aufweist, Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Magnetron, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Wellenleiter, Bezugszeichen 3 bezeichnet einen trichterförmigen Wellenleiter und Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Mikrowellenkoppelfenster. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Hohlraumwand im Anschluß an das Mikrowellenkoppelfenster 4 im Laserkopfabschnitt 6, Bezugszeichen 61 bezeichnet eine an zentraler Position der Hohlraumwand 7 angeordnete Rippe und Bezugszeichen 62 bezeichnet eine Leiterwand, die einen Teil des Mikrowellenkreises darstellt. In dieser Ausführungsform wird eine flache H-Oberfläche gegenüber dem Hohlraum 7 des Mikrowellenkreises der Mikrowellenhohlraumstruktur vom Rippenwellenleitertyp als Leiterwand 62 benutzt. Bezugszeichen 63 bezeichnet ein Dielektrikum, beispielsweise aus Aluminium, das gegenüber der Leiterwand 62 angeordnet ist und als Mikrowelleneintrittsfenster dient, Bezugszeichen 64 bezeichnet einen Entladungsraum, der zwischen der Leiterwand 62 und dem Dielektrikum 63 gebildet ist und in welchen Lasergas, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, eingefüllt ist, Bezugszeichen 65 bezeichnet ein Gaszuführrohr, das in Verbindung mit dem Entladungsraum 64 steht, Bezugszeichen 66 bezeichnet ein als Umwälzmittel dienendes Gebläse, das in der Mitte des Gaszuführrohres 65 angeordnet ist, und Bezugszeichen 67 bezeichnet ein gaspermeables Element, das an einem Öffnungsabschnitt des Gaszuführrohres 65 zum Entladungsraum 64 zum Reflektieren der Mikrowellen angeordnet ist. Z. B. wird eine Honigwabenstruktur aus Metall als gaspermeables Element 67 benutzt, wie in Fig. 24 gezeigt.
Als nächstes wird der Betrieb beschrieben. Im wesentlichen ist die Durchführung der Laseranregung dieselbe wie die schon oben beschriebene. Das Gebläse 66 wird eingeschaltet, das Lasergas im Entladungsraum 64 wird umgewälzt und das Entladungsplasma wird gekühlt. Gleichzeitig werden die Entladungsbedingungen wie beispielsweise der Druck des Lasergases geeignet gewählt, wodurch die Laseroszillationsbedingungen erhalten werden. Da das von der metallische Honigwabenstruktur gebildete gaspermeable Element 67 (Fig. 24) in dem Öffnungsabschnitt des Gaszuführrohres 65 benutzt wird, das an der Leiterwand 62 vorgesehen ist, gelangt das Lasergas durch dieses hindurch, wohingegen die Mikrowellen reflektiert werden, so daß die Mikrowellenmode im Entladungsraum 64 nicht beeinflußt wird und eine erzwungene Umwälzung des Lasergases durch das Gebläse 66 möglich wird. Als ein Ergebnis wird räumlich gleichmäßiges Entladungsplasma im Raum erzeugt. Da weiterhin die sich frei in dem Dielektrikum 63 fortpflanzenden Mikrowellen gleichmäßig von der Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum 63 und dem Plasma in das Plasma eindringen und die Mikrowellenentladung im wesentlichen nicht geeignet ist, zu einer Bogenentladung sogar bei elektrodenloser Entladung zu werden, und weiterhin das Dielektrikum 63 als kapazitive Verteilungslast wirkt, kann das räumlich gleichmäßige Entladungsplasma auch in transversaler Richtung des Plasmas erhalten werden. Als ein Ergebnis kann eine im wesentlichen räumlich gleichmäßige Entladung realisiert werden. Da auf diese Weise die räumlich gleichmäßige Entladung erhalten wird, kann die Entladung als Ganzes in einfacher Weise für die Laseranregung geeignet eingesetzt werden. Da das Lasergas mittels des Gebläses 66 erzwungenermaßen zirkuliert und effektiv gekühlt wird, kann eine Sättigung der Laserausgangsleistung aufgrund von Temperaturanstieg des Lasergases verhindert werden, obwohl dies besonders ein Problem wird, wenn CO&sub2;-Gas als Lasergas genutzt wird, und trotz des Mikrowellenanregungssystems kann eine Gaslaservorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erhalten werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform das gaspermeable Element 67 an der Leiterwand 62 angeordnet ist, um die Bodenoberfläche des Entladungsraumes 64 zu bilden, kann es an einem Seitenwandabschnitt des Entladungsraums 64 angeordnet werden. Fig. 25 ist eine teilgeschnittene Darstellung einer derartigen Ausführungs form. In dieser Ausführungsform wird ein Teil des Hohlraumabschnitts des Mikrowellenkreises als Gaszuführrohr, und am Seitenwandabschnitt des Entladungsraumes 64 zwischen der Leiterwand 62 und dem Dielektrikum 63 ist das von der metallischen Honigwabenstruktur gebildete gaspermeable Element 67 angeordnet, durch welches das Lasergas treten kann, aber an dem die Mikrowellen reflektiert werden. Ebenso ist in dieser Ausführungsform das Gebläse 66 als Umwälzmittel mit einem Wärmeaustauscher 68 versehen, wobei Wärme des verwirbelten Lasergases erzwungenermaßen nach außen abgestrahlt und das Plasma effektiver gekühlt wird.
Obwohl in dieser Ausführungsform die Honigwabenstruktur aus Metall als gaspermeables Element zur Reflektion der Mikrowellen eingesetzt wird, kann das gaspermeable Element ein Leiter mit einer Anzahl in diesen hineingebohrter, kleiner Löcher sein, bzw. es kann ein Metallgitter benutzt werden, und in jedem Fall können ähnliche Effekte wie diejenigen bei der obigen Ausführungsform erhalten werden.
Da gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung das Lasergas erzwungenermaßen umgewälzt und durch die Umwälzmittel gekühlt wird, kann räumlich gleichmäßiges Plasma für eine lange Zeit stabil erhalten und Sättigung der Laserausgangsleistung aufgrund von Temperaturanstieg des Lasergases ebenfalls verhindert werden, wodurch eine Gaslaservorrichtung mit einem Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erhalten werden kann.
Die Fig. 26 bis 30 zeigen eine achte Ausführungsform, bei der das Auslecken des Plasma-erzeugenden Mediums durch ein Epoxidharz bzw. einen Epoxykleber verhindert wird. In diesem Fall zeigt Fig. 26 dieselbe Apparatur der Gaslaservorrichtung der ersten, in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform. In Fig. 26 bezeichnet Bezugszeichen 70 ein Epoxidharz, das über die gesamte Oberfläche eines Abschnitts aufgetragen ist, an dem das Dielektrikum 12 und die Rippe 8 mit der Leiterwand 11 miteinander in Kontakt sind, und wobei das Epoxidharz beide Elemente derart verklebt und abdichtet, daß die Luftdichtigkeit des Entladungsraums 13 verbessert wird. Hierdurch werden Lecks des Lasergases im Entladungsraum 13 vollständig abgedichtet, und die stabile Laseroszillation kann erhalten werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform die gesamte Oberfläche des Kontaktbereiches zwischen der Rippe 8 und dem Dielektrikum 12, als dem Mikrowellenkreis, mittels des Epoxidharzes 70 geklebt und abgedichtet ist, kann auch ein Teil des Kon taktbereiches mittels des Epoxidharzes geklebt und abgedichtet werden. Die Fig. 27 bis 30 sind teilvergrößerter Schnittdarstellungen einer derartigen Ausführungsform. In Fig. 27 ist eine Nut am Kontaktbereich zwischen der Rippe 8 und dem Dielektrikum 12 vorgesehen, und das Epoxidharz 70 ist in die Nut gefüllt, um den Entladungsraum 13 abzudichten. In Fig. 28 ist die Nut an der Seite des Dielektrikums 12 vorgesehen. In Fig. 29 ist die äußere Kante der Rippe 8 abgeschrägt, und das Epoxidharz 70 ist in eine zwischen der Rippe 8 und dem Dielektrikum 12 gebildete dreieckförmige Nut eingefüllt. In Fig. 30 ist die Abschrägung an der Außenkante des Dielektrikum 12 vorgesehen. Wenn der Kleber in die Nut gefüllt wird usw., wird der Kleber nicht in den Entladungsraum 13 gedrängt, und es besteht kein Anlaß zur Sorge, daß unsauberes Gas aus dem Kleber entweicht, welches der Entladung ausgesetzt ist.
Weiterhin kann anstelle des Epoxidharzes 70 eine metallische Dichtung durch Löten verwendet werden, wodurch auch in diesem Fall ähnliche Effekte erhalten werden können.
Fig. 31 zeigt eine neunte Ausführungsform, bei der die Wärme der Laserentladungsröhre wirksam entfernt werden kann. In Fig. 31 sind gemeinsame Teile mit denen der ersten Ausführungsform in Fig. 7 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 31 bezeichnet Bezugszeichen 75 eine metallisierte Schicht (oder eine Metallisierungsschicht oder eine aufgedampfte Metallschicht), die auf der Oberfläche des Dielektrikums 12 auf der dem Entladungsraum 13 abgewandten Seite vorgesehen ist, und die metallisierte Schicht 75 wird beispielsweise von einer Aluminiumbedampfungsschicht gebildet und ist integral mit dem Dielektrikum 12 verbunden. Bezugszeichen 76, 77 bezeichnen Kühlwasserstrecken, die jeweils auf den Rippen 8 und 9 gebildet sind, wobei die Kühlwasserstrecke 76 einen kreisförmigen Querschnitt und die Kühlwasserstrecke 77 einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die Oberfläche der metallisierten Schicht 75 ist direkt gegenüber der Kühlwasserstrecke 77 angeordnet, und das Dielektrikum 12 steht direkt mit dem Kühlwasser durch die metallisierte Schicht 75 in Verbindung und wird gekühlt. Bezugszeichen 78 bezeichnet eine Nut.
Die Durchführung der Laseranregung bei dieser Ausführungsform ist dieselbe wie bei der schon beschriebenen. Die metallisierte Schicht 75 ist integral in engem Kontakt zur Oberfläche des Dielektrikums 12 auf der dem Entladungsraum 13 entgegengesetzten Seite - wie oben beschrieben - angebracht, und die metallisierte Schicht 75 ist zur Kühlwasserstrecke 77 gerichtet und steht direkt in Kontakt mit dem Kühlwasser, wodurch das Dielektrikum 12 direkt gekühlt wird, und das Plasma-erzeugende Medium, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, im Entladungsraum 13 kann effektiv gekühlt werden. Der Temperaturanstieg des CO&sub2;-Lasergases o. ä., welches eine Sättigung der Laserausgangsleistung verursachen kann, wird verhindert, und eine Laservorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung, wie beispielsweise eine CO&sub2;-Gaslaservorrichtung, kann zur Verfügung gestellt werden. Ebenfalls können in diesem Fall die Mikrowellen vom Kühlwasser absorbiert werden, und ein Austreten der Mikrowellen in den Außenraum kann verhindert werden.
Da gemäß der wie oben beschriebenen Erfindung das Kühlwasser in der Kühlwasserstrecke direkt mit der metallisierten Schicht in Berührung steht, welche integral auf dem Dielektrikum vorgesehen ist, kann ein Temperaturanstieg des CO&sub2;- Lasergases effektiv unterdrückt werden, und eine Sättigung der Laserausgangsleistung kann verhindert werden, wodurch die Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad sogar bei hoher Entladungsleistungsdichte betrieben werden kann.
Die Fig. 32 und 33 zeigen eine zehnte Ausführungsform, bei der die Erzeugung von ungleichmäßigem Plasma wirksamer verhindert werden kann. Die Fig. 32 zeigt dieselbe Vorrichtung wie die in Fig. 7 dargestellte Gaslaservorrichtung. In Fig. 32 bezeichnet Bezugszeichen 81 eine Öffnungskante einer Nut 78 zur Bildung des Entladungsraums 13. Die Öffnungskante 81, wie auch in Fig. 33 gezeigt, weist eine glatte bogenförmige Oberfläche auf, so daß eine Konzentration des elektrischen Feldes in diesem Bereich verhindert wird.
Wenn demgemäß das Plasma erzeugt und das Lasermedium angeregt wird, existiert, da die Öffnungskante 81 der Nut 78 zur Bildung des Entladungsraums 13 die glatte bogenförmige Oberfläche - wie in Fig. 33 gezeigt - aufweist, kein Kantenbereich, um eine Konzentration des elektrischen Feldes an der Leiterwand 11 hervorzurufen, wodurch ein ungleichmäßiges Plasma aufgrund der Konzentration des elektrischen Feldes verhindert werden kann. D. h., daß gemäß der in Fig. 33 gezeigten, bogenförmigen Oberfläche die Erzeugung des gleichmäßigen Mikrowellenentladungsplasmas 82 im Entladungsraum 13 erleichtert wird, die Entladung als Ganzes für die Laseranregung genutzt werden kann, die Laserresonanzmode und das Plasma gut überlappen, und der Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung möglich wird.
Die Fig. 34 und 35 zeigen eine elfte Ausführungsform als eine Modifikation der zuvor anhand der Fig. 32 und 33 beschriebenen zehnten Ausführungsform. In Fig. 34 bezeichnet Bezugszeichen 91 eine metallisierte Schicht, beispielsweise eine Aluminiumbedampfungsschicht, die integral mit einem Abschnitt auf dem Dielektrikum 12 vorgesehen ist, um einen Öffnungskantenabschnitt 92 des Entladungsraums zu bilden, wie deutlich in Fig. 35 erkennbar ist. Die metallisierte Schicht 91 wirkt als Abschirmung des elektrischen Feldes der Mikrowellen, so daß eine Konzentration des elektrischen Feldes am Öffnungskantenbereich 92 verhindert wird.
Da die metallisierte Schicht 91 auf einem Abschnitt des Dielektrikums zur Abdeckung des Öffnungskantenabschnitts 92 einer Nut 93 zur Bildung des Entladungsraumes 13 vorgesehen ist, kann das elektrische Feld der Mikrowellen abgeschirmt werden, obwohl es am Öffnungskantenabschnitt 92 ohne die metallisierte Schicht 91 konzentriert sein kann. Demgemäß kann ungleichmäßiges Plasma aufgrund einer Konzentration des elektrischen Feldes verhindert werden. Auf diese Weise wird die Erzeugung von gleichmäßigem Mikrowellenentladungsplasma 94 im Entladungsraum 13 erleichtert, die Entladung als Ganzes kann für die Laseranregung genutzt werden, die Laserresonanzmode und das Plasma überlappen sich gut und der Laserbetrieb mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung wird möglich.
Die Fig. 36 bis 39 zeigen weitere Ausführungsformen. In einer Gaslaservorrichtung nach einer in den Fig. 36 und 37 gezeigten zwölften Ausführungsform bezeichnet Bezugszeichen 102 einen Laserkopfbereich mit einer Mikrowellenhohlraumstruktur des Rippenwellenleitertyps, Bezugszeichen 103 bezeichnet ein Magnetron, Bezugszeichen 104 bezeichnet einen Wellenleiter, Bezugszeichen 106 bezeichnet ein Mikrowellenkoppelfenster, das den Wellenleiter 104 an den Laserkopfbereich 102 koppelt, und Bezugszeichen 107 bezeichnet einen Reflektionsspiegel zur Laseroszillation, der an dem Laserkopfbereich 102 befestigt ist. Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 120 eine Hohlraumwand im Anschluß an das Mikrowellenkoppelfenster 106 im Laserkopfbereich 102, Bezugszeichen 121, 122 bezeichnen Rippen, die am zentralen Abschnitt der Hohlraumwand 120 vorgesehen sind und einen Teil des Mikrowellenkreises bilden, und Bezugszeichen 123 bezeichnet eine an einer Rippe 121 gebildete Leiterwand. Eine Bodenwandoberfläche einer Nut 128 an einer oberen Oberfläche der Rippe 121 dieser Ausführungsform wird als Leiterwand 123 verwendet. Bezugszeichen 124 bezeichnet ein Dielektrikum, beispielsweise aus Aluminium, welches gegenüber der Leiterwand 123 angeordnet ist und als Eintritts fenster für Mikrowellen wirkt, und Bezugszeichen 125 bezeichnet einen Entladungsraum, der zwischen der Leiterwand 123 und dem Dielektrikum 124 gebildet ist, wenn das Dielektrikum 124 die Nut 128 auf der oberen Oberfläche der Rippe 121 bedeckt, und in den Lasergas, wie beispielsweise CO&sub2;-Lasergas, eingefüllt ist.
Die Durchführung des Laserbetriebs bei dieser Ausführungsform ist dieselbe wie bei der in Fig. 7 beschriebenen. In dieser Ausführungsform sind der den Mikrowellenkreis darstellende Laserkopfbereich 102 und der die Mikrowellenübertragerstrecke darstellende Wellenleiter 104 parallel in Richtung entlang der optischen Laserachse angeordnet, und die Mikrowellen werden durch das längliche Mikrowelleneinkoppelfenster 104 eingespeist, welches in der longitudinalen Richtung des Laserkopfbereichs 102 vorgesehen ist, wodurch das starke elektromagnetische Feld der Mikrowellen gleichmäßig über die Länge der Rippen 121, 122 des Laserkopfbereichs 102 erzeugt wird. Demgemäß braucht die gesamte Vorrichtung nicht mit großen Ausmaßen hergestellt zu werden, sondern die lange und gleichmäßige Entladung kann in der optischen Achse des Lasers erhalten werden und ein optimaler Zustand für die gesamte Entladung und die Laseranregung wird realisiert.
Fig. 38 zeigt eine dreizehnte Ausführungsform, die eine Modifikation der oben genannten Ausführungsform darstellt. Um in einer Gaslaservorrichtung dieser Erfindung zu vermeiden, daß der Wellenleiter 104 einen quadratischen Querschnitt aufweist und daher für die Mikrowellentransmission groß wird, ist der als Mikrowellenübertragerstrecke dienende Wellenleiter als Rippenwellenleiter 104A ausgebildet. Auf diese Weise kann die Mikrowellenübertragerstrecke verkleinert werden und die gesamte Konfiguration der Gaslaservorrichtung wird auf kleine Größe reduziert, und der für den Aufbau benötigte Raum kann verkleinert werden.
Fig. 39 zeigt eine weitere, vierzehnte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform wird der als Verzögerungsübertragerstrecke dienende Verzögerungswellenleiter 104B als Wellenleiter benutzt, und eine als Verzögerungsmedium wirkende dielektrische Platte 130 ist im Inneren angeordnet. Das bedeutet, daß die Wellenlänge der durch das Dielektrikum des Mikrowellenkreises laufenden Mikrowellen kleiner ist als diejenige im Fall der durch das Vakuum laufenden. Andererseits ist die Wellenlänge der Mikrowellen, die durch die Mikrowellenübertragerstrecke laufen, wie beispielsweise einem gewöhnlichen Wellenleiter, länger als diejenige im Fall der durch das Vakuum laufenden. Demgemäß stimmen die Wellenlänge in jeder Röhre des als Mikrowellenübertragerstrecke dienenden Wellenleiters und dem Mikrowellenkreis nicht überein, so daß es schwierig ist, eine lange und gleichmäßige Entladung in Richtung der optischen Achse des Lasers stabil durchzuführen. Um in dieser Ausführungsform die Nichtübereinstimmung der Wellenlängen zu lösen, wird die Mikrowellenübertragerstrecke als Verzögerungswellenleiter 104B mit einer dielektrischen Platte 130 benutzt. Hierdurch fallen zwei Mikrowellenmoden zusammen, und die stabile und gleichmäßige Entladung sowie der Laserbetrieb können realisiert werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform das Mikrowellenkoppelfenster 106 eine längliche Spaltform aufweist, können mehrere Löcher in Richtung der optischen Achse des Lasers angeordnet sein. Wenn in diesem Fall die Lochgröße in drei Richtungen des Magnetrons graduell verkleinert wird, d. h., wenn die Energiedichtenverteilung der Mikrowellen beliebig eingestellt ist, können die Mikrowellen gleichmäßig über die gesamte Länge der Rippen 121, 122 verteilt werden, eine gleichmäßige Entladung im Entladungsraum 125 kann stabil realisiert werden, und eine Laserausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad wird möglich. Obwohl in dieser Ausführungsform die Energiedichtenverteilung der Mikrowellen und der Impedanzanpassung gleichzeitig mittels des oben erwähnten Spaltes bzw. Loches eingestellt werden, kann das Element zur Impedanzanpassung separat angeordnet sein, und ein solcher Spalt bzw. Loch kann an einem anderen Element außer demjenigen für die Impedanzanpassung angeordnet sein.
Da gemäß der oben beschriebenen Erfindung das durch Mikrowellenentladung Plasma-erzeugende Lasergas in den Entladungsraum gefüllt ist, der zwischen einer in einem Teil des Mikrowellenkreises ausgebildeten Leiterwand und gegenüber der Leiterwand angeordnetem Dielektrikum gebildet ist, und die Mikrowellenmode mit elektrischer Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem Plasma mittels des Mikrowellenkreis gebildet wird, kann Strom, der zwischen dem Dielektrikum und der Leiterwand dringt, im wesentlichen gleichmäßig im Plasma fließen, wodurch räumlich gleichmäßiges Plasma erzeugt wird, und eine Laserausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad und großer Ausgangsleistung erhalten werden kann. Da weiterhin der Mikrowellenkreis und die Mikrowellenübertragerstrecke parallel in Richtung der optischen Achse des Lasers angeordnet sind, wird eine lange und gleichmäßige Entladung in Richtung der optischen Achse des Lasers möglich, und stabileres und gleichmäßigeres Plasma kann im Entladungsraum erzeugt werden, und die Gaslaservorrichtung kann weiterhin miniaturisiert werden.

Claims

1. Plasmavorrichtung mit

einem Mikrowellenoszillator (1; 103) zur Erzeugung von Mikrowellen,

einem Mikrowellenkreis (6; 102) zur Erzeugung eines Plasmas (18; 22; 82; 94) mittels Mikrowellenentladung in dem Mikrowellenkreis (6; 102), und

einer Übertragungsstrecke (2, 3; 104) zur Übertragung der Mikrowellen von dem Mikrowellenoszillator (1; 103) zu dem Mikrowellenkreis (6; 102),

wobei ein plasma-erzeugendes Medium zur Erzeugung des Plasmas (18; 22; 82; 94) in einen Raum (13; 46; 55; 64; 125) zwischen einer Leiterwand (11; 42, 43; 54; 62; 123) und einem Dielektrikum (12; 44; 54; 63; 124), das gegenüber der Leiterwand (11; 42; 43; 53; 62; 123) angeordnet ist, gefüllt wird, und

der Mikrowellenkreis (6; 102) den Hauptteil der Mikrowellen derart auf die Dielektrika (12; 44; 54; 63; 124) koppelt, daß eine vorgegebene Mikrowellenmode durch die Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum (12; 44; 54; 63; 124) und dem Plasma (18; 22; 82; 94) dringt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenoszillator (1; 103) ein Oszillator zur Erzeugung von mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz gepulsten Mikrowelle ist, und daß das Dielektrikum (12; 44; 54; 63; 124) und die Leiterwand (11; 42, 43; 53; 62; 123) derart angeordnet sind, daß die elektrische Feldkomponente (17; 47) der Mikrowellenmode senkrecht zu demjenigen Teil der Grenzfläche ist, durch den die Mikrowellen in das Plasma (18; 22; 82; 94) eindringen.

2. Plasmavorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das plasma-erzeugende Medium ein CO&sub2;-Lasergas ist.

3. Plasmavorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut (10; 78; 93; 128) auf dem Leiter ausgebildet ist und einen Teil des Mikrowellenkreises darstellt, und daß das plasma-erzeugende Medium in einen Raum (13; 125) gefüllt ist, der durch Abdeckung des offenen Abschnitts (81; 92) der Nut (10; 78; 93; 128) gebildet wird, wobei das Dielektrikum (12; 124) als ein Eintrittsfenster für die Mikrowellen dient.

4. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandoberfläche des Leiters in dem Raum (13) mit einer keramischen Schicht (15) beschichtet ist.

5. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorratstank (31) mit dem Raum (13) durch ein oder mehrere Verbindungslöcher (32) in Verbindung steht und das plasma-erzeugende Medium speichert, das gegen das plasma-erzeugende Medium in dem Raum ersetzt werden soll.

6. Plasmavorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgehenden Verbindungslöcher (32) mit einem gaspermeablen Element versehen sind, welches die Mikrowellen an seinem Ende zum Raum (13) hin reflektiert.

7. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung (41) vorgesehen ist, welche eine erste Leiterwand (42) zur Bildung eines Teils des Mikrowellenkreises als eine untere Oberfläche, und eine zweite Leiterwand (43) als eine seitliche Oberfläche umfaßt, daß ein Öffnungsabschnitt der Ausnehmung (41) durch einen ersten dielektrischen Körper (44) abgedeckt ist, der ein Eintrittsfenster für Mikrowellen darstellt, daß ein zweiter dielektrischer Körper (45) an der zweiten Leiterwand (43) angeordnet ist, daß das plasma-erzeugende Medium in einem Raum (46) gefüllt wird, der durch die erste Leiterwand (42) den ersten dielektrischen Körper (44) und den zweiten dielektrischen Körper (45) gebildet wird, und daß der Mikrowellenkreis (6) eine Mikrowellenmode bildet, deren elektrische Feldkomponente senkrecht zu der Grenzfläche zwischen dem ersten dielektrischen Körper (47) und dem in dem plasmaerzeugenden Medium erzeugten Plasma ist.

8. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (55) zwischen der Leiterwand (53) und dem Dielektrikum (54) als optischer Wellenleiter wirkt, daß das Lasergas in den Raum (13; 46; 55; 64; 125) geführt wird, daß Mikrowellen eintreten, indem das Dielektrikum (54) als Mikrowelleneintrittsfenster benutzt wird, und daß eine Mikrowellenmode mit der elektrischen Feldkomponente senkrecht zur Grenzfläche zwischen dem Dielektrikum und dem im Lasergas erzeugten Plasma aufgebaut wird, wodurch eine Gaslaser-Vorrichtung vom Typ eines optischen Wellenleiters gebildet wird.

9. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Raumes (13; 64) mit Ausnahme des Dielektrikums (12; 63) als gaspermeables Element zur Reflexion der Mikrowellen ausgebildet ist, und das Lasergas in dem Raum (13; 64) durch Zirkulationsmittel durch das gaspermeable Element (33; 67) zirkuliert.

10. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenübertragungsstrecke (2, 3; 104) und der Mikrowellenkreis (6; 102) parallel zur optischen Achse verlaufen.

11. Plasmavorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen mit einer Pulsfrequenz von 500 Hz oder mehr gepulst sind.

12. Plasmavorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines DC-AC Wechselrichters (26) Gleichstrom in Wechselstrom mit einer Frequenz konvertiert wird, die größer ist als die Netzfrequenz, und mittels eines Transformators (27) hochgespannt wird, und daß dann gepulste Mikrowellen von einem Mikrowellenkreis (1) erzeugt werden, der von einer Spannungsquelle (29) gespeist wird, welche Hochspannung mittels eines Halbwellen-Spannungsmultiplikatorkreises (28) erzeugt.

13. Plasmavorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Mikrowellen an einem Mikrowellenoszillator (1) erzeugt werden, der von einem Hochspannungs-Pulsgenerator ausgesteuert wird, bei dem eine hohe Gleichspannung durch ein Schaltelement unterbrochen wird.

14. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gepulsten Mikrowellen eine Auszeit haben, die kleiner als die thermische Zeitkonstante des plasma-erzeugenden Mediums ist.

15. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisegerät, welches eine Pulsspannung dem Mikrowellenoszillator zuführt, ein Speisegerät ist, welches ein nichtlineares Element oder eine nichtlineare Vorrichtung (M) treibt, bei dem unterhalb einer vorgegebenen Spannung Ez kein Strom fließt, und bei dem oberhalb einer vorgegebenen Spannung Ez Strom fließt, und daß ein Halbleiterschaltelement (Q&sub1;, Q&sub2;; Q&sub3;) zur Steue rung der von der Spannungsquelle zum nichtlinearen Element oder nichtlinearen Element fließenden Speiseleistung in Serie mit dem nichtlinearen Element oder der nichtlinearen Vorrichtung (M) geschaltet ist.

16. Plasmavorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element oder die nichtlineare Vorrichtung (M) mit parallel geschalteten Teilerwiderständen (R&sub3;, R&sub4;, R&sub5;) versehen ist.

17. Plasmavorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschaltelement (Q&sub1;, Q&sub2;; Q&sub3;) eine Schwellspannung aufweist, die kleiner ist als die Spannung E&sub0; der Spannungsquelle und größer als E&sub0;-Ez.

18. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschaltelemente (Q&sub1;, Q&sub2;; Q&sub3;) in Serie zueinander geschaltet sind.

19. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente (Q&sub1;, Q&sub2;; Q&sub3;) als Feldeffekttransistor (Q&sub1;, Q&sub2;) ausgebildet sind.

20. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente (Q&sub1;, Q&sub2;; Q&sub3;) einen Bipolartransistor (Q&sub3;) enthalten.

21. Plasmavorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element (M) ein Magnetron ist.