DE3920634A1 - Ignition electrode for gas lasers - contains metal of platinum gp. in ignition area to increase its working life - Google Patents

Ignition electrode for gas lasers - contains metal of platinum gp. in ignition area to increase its working life

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Wolfgang Dr Mueckenheim
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MUECKENHEIM, WOLFGANG, PROF. DR., 86399 BOBINGEN,
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/038—Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition
    • H01S3/0388—Compositions, materials or coatings

Abstract

Electrode for the ignition unit of a gas laser contains a metal of the Pt gp. or Au in the area of the electrode where the ignition occurs. The electrode contains Pt, Ir or Au or alloys of these metals at least on the surface near the ignition area. USE/ADVANTAGE - In pulsed gas lasers such as Excimer-, Fe-, N2-or CO2-lasers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für die Entladungseinheit eines Gaslasers.The invention relates to an electrode for the discharge unit a gas laser.

Gaslaser im Sinne der Erfindung sind insbesondere gepulste Gas­ laser wie Excimerlaser, F2-Laser, N2-Laser oder CO2-Laser. Der Aufbau und die Wirkungsweise solcher Laser sind bekannt (W. Mückenheim, Excimerlaser-Technologie, in: Laser - Technologie und Anwendungen, H. Kohler (Hrsg.), Vulkan-Verlag, Essen, 1988, S. 26) .Gas lasers in the sense of the invention are in particular pulsed gas lasers such as excimer lasers, F 2 lasers, N 2 lasers or CO 2 lasers. The structure and mode of operation of such lasers are known (W. Mückenheim, excimer laser technology, in: Laser technology and applications, H. Kohler (ed.), Vulkan-Verlag, Essen, 1988, p. 26).

In einer mit dem Arbeitsgas (auch Lasergas genannt) gefüllten Laserkammer sind zwei Elektroden (Hauptentladungselektroden), parallel zur optischen Achse eines Resonators angeordnet. An diese Elektroden wird ein Hochspannungsimpuls angelegt und das Lasergas zwischen den Elektroden wird mittels einer Gasentla­ dung (Plasmaentladung) angeregt. Um eine effektive Anregung des Arbeitsgases zu erreichen, wird dieses vor dem Einsetzen der Hauptentladung einer sogenannten Vorionisierung unterworfen, d.h. es werden vor Beginn der Hauptentladung mittels einer Vorionisierung 105 bis 108 freie Elektronen pro Kubikzentimeter im Lasergas erzeugt. Für eine solche Vorionisierung sind ver­ schiedene Mittel bekannt, wie Elektronenstrahlen, Röntgenstrah­ len oder elektrisch erzeugte Funken. Im letzteren Fall werden zahlreiche Funkenstrecken in der Nähe der Hauptentladungselek­ troden angeordnet und kurz vor dem Einsetzen der Hauptentladung gezündet. Mit derartigen Funkenstrecken arbeitet die Mehrzahl aller gebräuchlichen Excimerlaser. Die Elektroden solcher Fun­ kenstrecken werden im folgenden als Hilfselektroden bezeichnet.In a laser chamber filled with the working gas (also called laser gas), two electrodes (main discharge electrodes) are arranged parallel to the optical axis of a resonator. A high-voltage pulse is applied to these electrodes and the laser gas between the electrodes is excited by means of a gas discharge (plasma discharge). In order to achieve an effective excitation of the working gas, it is subjected to a so-called pre-ionization before the main discharge begins, ie 10 5 to 10 8 free electrons per cubic centimeter are generated in the laser gas by means of a pre-ionization. For such pre-ionization, various means are known, such as electron beams, X-rays or electrically generated sparks. In the latter case, numerous spark gaps are arranged in the vicinity of the main discharge electrodes and ignited shortly before the main discharge begins. The majority of all common excimer lasers work with such spark gaps. The electrodes of such spark gaps are referred to below as auxiliary electrodes.

Die Erfindung betrifft das Material, aus dem die Hauptentla­ dungselektroden und/oder die Hilfselektroden gefertigt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung das Elektrodenmaterial für Excimerlaser. Wesentlich für eine einwandfreie Funktion eines Excimerlasers bei guter Strahlqualität (hohe Energie und räum­ liche Homogenität des Laserimpulses) sind zum einen die genaue Formgebung der Hauptentladungselektroden, zu deren Berechnung bekannte Algorithmen zur Verfügung stehen (T.Y. Chang, Rev. Scient. Instr. 44, (1973) 405; E.A. Stappaerts, US-Patent 45 23 320 (1985)), sowie zum anderen eine gute Qualität der Vorioni­ sierung, wofür die Einhaltung eines bestimmten Abstandes der Hilfselektroden mit geringer Toleranz erforderlich ist.The invention relates to the material from which the main entla tion electrodes and / or the auxiliary electrodes are made. In particular, the invention relates to the electrode material for Excimer laser. Essential for the proper functioning of a Excimer lasers with good beam quality (high energy and space Liche homogeneity of the laser pulse) are on the one hand the exact Shape of the main discharge electrodes, for their calculation known algorithms are available (T.Y. Chang, Rev. Scient. Instr. 44, (1973) 405; E.A. Stappaerts, U.S. Patent 4,523,320 (1985)), as well as a good quality of the Vorioni sation, for which maintaining a certain distance of the Auxiliary electrodes with low tolerance is required.

Arbeitsgasmischungen für Excimerlaser enthalten neben Edelgasen auch eine Halogenkomponente oder einen Halogendonor, wie F2, NF3, HCl etc. Bei einem Gesamtdruck von 1,5 bis 10 bar beträgt die Halogenkonzentration 0,1 bis 0,5%. Diese Gasmischung wird zwischen die zwei langgestreckten parallelen Hauptentladungs­ elektroden gebracht und der Hochspannungsentladung ausgesetzt. Um Laserimpulse hoher Energie zu erzeugen, sind bei der Hoch­ spannungsentladung sehr hohe Stromdichten von typischerweise 103 A/cm2, Leistungsdichten von 106 W/cm2 und Elektronentem­ peraturen im Bereich von 1 eV erforderlich. Die gesamte Entla­ dungseinheit unterliegt daher einer sehr starken Beanspruchung.Working gas mixtures for excimer lasers contain not only noble gases but also a halogen component or a halogen donor, such as F 2 , NF 3 , HCl etc. At a total pressure of 1.5 to 10 bar, the halogen concentration is 0.1 to 0.5%. This gas mixture is brought between the two elongated parallel main discharge electrodes and exposed to the high voltage discharge. In order to generate high energy laser pulses, very high current densities of typically 10 3 A / cm 2 , power densities of 10 6 W / cm 2 and electron temperatures in the range of 1 eV are required for the high voltage discharge. The entire discharge unit is therefore subject to very high loads.

Die Lebensdauer von Excimerlasergasen ist hauptsächlich durch zwei Umstände begrenzt. Zum einen finden auch in gut passivier­ ten Systemen chemische Reaktionen zwischen dem Halogen und den Behälterwandungen statt, die zum Verbrauch des Halogens sowie zur Bildung von Verunreinigungen führen. Zum anderen findet ein sogenannter Elektrodenabbrand statt, der ebenfalls zu chemi­ schen Reaktion führt. Die vom Elektrodenabbrand herrührenden Produkte können sowohl in Form von Partikeln als auch als flüchtige Metallhalogenide auftreten. Partikel führen zu Staub­ ablagerungen, was insbesondere im Bereich der Laseroptik uner­ wünscht ist. Flüchtige Metallhalogenide können aufgrund von durch die Laserstrahlung selbst erzeugten photochemischen Pro­ zessen zu Metallfilmen auf den optischen Komponenten des Laser führen, was ebenfalls die Funktion des Lasers stark beeinträch­ tigt.The lifespan of excimer laser gases is mainly through limited to two circumstances. For one, also find passivier in good chemical reactions between the halogen and the Container walls instead, which lead to the consumption of halogen as well lead to the formation of impurities. On the other hand, one finds so-called electrode erosion instead, which is also too chemi  reaction. Those resulting from electrode erosion Products can be in the form of both particles and volatile metal halides occur. Particles lead to dust deposits, which is particularly important in the field of laser optics wishes. Volatile metal halides can occur due to photochemical pro generated by the laser radiation itself eat metal films on the optical components of the laser lead, which also greatly affects the function of the laser does.

Das Material der Elektroden ist somit nicht nur für die Lebens­ dauer der Elektroden selbst maßgeblich, deren Form und Abstand sich mit dem Elektrodenabbrand ändert, sondern auch bestimmend für die Lebensdauer des Lasergases und der Laseroptik.The material of the electrodes is therefore not just for life duration of the electrodes themselves, their shape and spacing changes with the electrode erosion, but also determines for the life of the laser gas and the laser optics.

Entsprechende Überlegungen gelten auch für andere gepulste Gas­ laser.Corresponding considerations also apply to other pulsed gas laser.

Im Stand der Technik werden zumeist Elektroden aus Nickel und gelegentlich Messing verwendet. Bekannt sind auch Aluminium- Elektroden mit einer Nickelbeschichtung (H. Pummer, U. Sowada, P. Oesterlin, U. Rebhan, D. Basting, Laser und Optoelektronik 17, (1985) 141). Weiterhin sind auch Elektrodenmaterialien aus Kupfer/Aluminium- und Nickel-Legierungen und aus Wolfram/Kup­ fer-Legierungen bekannt (DE-OS 38 17 145).In the prior art, electrodes made of nickel and occasionally used brass. Aluminum are also known Electrodes with a nickel coating (H. Pummer, U. Sowada, P. Oesterlin, U. Rebhan, D. Basting, laser and optoelectronics 17, (1985) 141). Electrode materials are also made of Copper / aluminum and nickel alloys and made of tungsten / copper fer alloys known (DE-OS 38 17 145).

Lediglich Elektroden mit Wolfram als wesentlichem Bestandteil weisen im Vergleich mit dem Standardwerkstoff Nickel eine er­ heblich (etwa um den Faktor 6) verlängerte Lebensdauer auf, sind aber nicht mit fluorhaltigen Lasergasen einsetzbar.Only electrodes with tungsten as an essential component have a comparison with the standard material nickel significantly (about a factor of 6) longer lifespan, but cannot be used with fluorine-containing laser gases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektroden für eine Entladungseinheit eines gepulsten Gaslasers, insbesondere eines Excimerlasers, bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer be­ sitzen, Verschmutzungen des Lasergases und der optischen Kompo­ nenten des Lasers weitgehend vermeiden und auch zur Verwendung mit fluorhaltigen Lasergasen geeignet sind. The invention has for its object electrodes for a Discharge unit of a pulsed gas laser, in particular one Excimer lasers, which provide a long life sitting, contamination of the laser gas and the optical compo Avoid the laser as far as possible and also for use with fluorine-containing laser gases are suitable.  

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektrode zumindest in ihrem der Entladung ausgesetzten Bereich als wesentlichen Bestandteil zumindest ein Metall der Platin­ gruppe oder Gold aufweist. Das erfindungsgemäße Elektrodenmate­ rial ist sowohl für die Hauptelektroden als auch die Hilfselek­ troden eines Gaslasers geeignet.According to the invention this object is achieved in that the Electrode at least in its area exposed to discharge as an essential component at least one metal of platinum group or gold. The electrode mat according to the invention rial is for both the main electrodes and the auxiliary elec suitable for a gas laser.

Der Begriff "Platingruppe" beinhaltet die sechs sogenannten Platinmetalle Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt.The term "platinum group" includes the six so-called Platinum metals Ru, Rh, Pd, Os, Ir and Pt.

Erfindungsgemäß braucht nicht notwendig die gesamte Elektrode aus dem hier vorgeschlagenen Material zu bestehen. Es genügt und ist kostengünstiger, nur denjenigen Bereich der Elektrode aus erfindungsgemäßem Material herzustellen, der durch den Funken der Vorionisierung (Hilfselektroden) bzw. durch die Hauptentladung (Hauptelektroden) beansprucht wird. Die Bean­ spruchung findet im wesentlichen auf der den Funken bzw. der Hauptentladung zugekehrten Oberfläche der Elektroden statt.According to the invention, the entire electrode is not necessary to consist of the material proposed here. It is sufficient and is cheaper, only that area of the electrode to produce from material according to the invention by the Sparks from the pre-ionization (auxiliary electrodes) or from the Main discharge (main electrodes) is claimed. The bean saying takes place essentially on the spark or the Main discharge facing surface of the electrodes instead.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Elektrode zumindest in ihrem der Gasentladung ausgesetzten Teil (auch ein Funke ist als Gasentladung zu verstehen) als wesent­ lichen Bestandteil Platin auf.In a preferred embodiment of the invention, the Electrode at least in its part exposed to gas discharge (a spark is also to be understood as a gas discharge) as essential platinum.

In Abwandlung dieses Ausführungsbeispieles kann auch Iridium oder Gold verwendet werden.In a modification of this embodiment, iridium can also or gold can be used.

Weiterhin werden gute Ergebnisse erzielt mit Elektroden, die eine Legierung aus Metallen der Platingruppe aufweisen, z.B. Pt/Ir.Furthermore, good results are achieved with electrodes that comprise an alloy of platinum group metals, e.g. Pt / Ir.

Ebenfalls gute Ergebnisse werden erzielt mit Elektroden, die eine Legierung aus zumindest einem Metall der Platingruppe mit zumindest einem anderen Metall aufweisen, insbesondere Re, Cu, Ag und Au, z.B. Pt/Au oder Pd/Ag. Good results are also achieved with electrodes that an alloy of at least one platinum group metal have at least one other metal, in particular Re, Cu, Ag and Au, e.g. Pt / Au or Pd / Ag.  

Versuche haben gezeigt, daß auch bei Verwendung von fluorhalti­ gen Arbeitsgasen in einem Excimerlaser die Lebensdauer der er­ findungsgemäßen Elektroden bis zu einem Faktor 10 gegenüber dem Standardwerkstoff Nickel verlängert werden kann.Experiments have shown that even when using fluorhalti gen working gases in an excimer laser the lifespan of the electrodes according to the invention up to a factor of 10 compared to the Standard material nickel can be extended.

Obwohl das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial teuerer ist als andere bekannte Werkstoffe, ergibt sich eine überraschende Wirtschaftlichkeit bei Verwendung des Materials, da durch die verlängerte Lebensdauer, die Vermeidung der Verschmutzung des Lasergases und der optischen Komponenten eine Einsparung an Wartungs- und Servicekosten bei einem Excimerlaser in Höhe von DM 200 000,- ermöglicht ist. Darüber hinaus verringern sich auch die Kosten des Arbeitsgases und die Ausfallzeiten.Although the electrode material according to the invention is more expensive than other known materials, there is a surprising Economy when using the material because of the extended life, avoiding pollution of the Laser gas and the optical components at a saving Maintenance and service costs for an excimer laser in the amount of DM 200,000 is possible. They also decrease also the cost of working gas and downtime.

Weiterhin ist bei einem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial eine Rückführung (Recycling) von erodiertem Edelmetall möglich.Furthermore, an electrode material according to the invention a return (recycling) of eroded precious metal possible.

Claims (6)

1. Elektrode für die Entladungseinheit eines Gaslasers, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest in ihrem der Entladung ausgesetzten Bereich als Bestandteil zumindest ein Metall der Platingruppe oder Gold aufweist.1. Electrode for the discharge unit of a gas laser, characterized in that the electrode has at least in its area exposed to the discharge as a component at least one metal of the platinum group or gold. 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Platin vorgesehen ist.2. electrode according to claim 1, characterized, that is provided as metal platinum. 3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Iridium vorgesehen ist.3. electrode according to claim 1, characterized, that iridium is provided as the metal. 4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest in ihrem der Entladung ausgesetzten Bereich zumindest an der Oberfläche aus Gold besteht.4. Electrode according to claim 1, characterized, that the electrode is at least exposed to discharge Area at least on the surface consists of gold. 5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Legierung aus Metallen der Platingruppe oder eine Gold enthaltende Legierung aufweist. 5. Electrode according to one of the preceding claims, characterized, that the electrode is an alloy of platinum group metals or has an alloy containing gold.   6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Legierung aus zumindest einem Metall der Platingruppe mit zumindest einem anderen Metall aufweist.6. Electrode according to one of claims 1 to 4, characterized, that the electrode is an alloy of at least one metal Platinum group with at least one other metal.
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