DE3925886C2

DE3925886C2 -

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Publication number: DE3925886C2
Application number: DE19893925886
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Noll; Claus Ruediger Dr. 5100 Aachen De Haas; Bruno Dr. 6100 Darmstadt De Weikl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1992-03-05
Also published as: DE3925886A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kurzwelligen Lasers, mit einer Hochleistungsplasmaanlage, die im wesentlichen aus einem gasgefüllten zylindrischen und mit einem Laserstrahlungsfenster versehenen Entladungsgefäß besteht, das zwei eine magnetisch komprimierte Entladungsplasmasäule erzeugende Elektroden aufweist, an die ein als Kondensatorbank ausgebildeter Energiespeicher über einen Schalter zur Erzeugung einer Entladungsschwingung anschließbar ist, und mit einem komprimiertes Plasma aufnehmenden Resonatorvolumen.The invention relates to a method for operating a short-wave laser, with a high-performance plasma system, which consists essentially of a gas-filled cylindrical and there is a discharge vessel provided with a laser radiation window, the two a magnetically compressed discharge plasma column has generating electrodes to which a capacitor bank trained energy storage via a switch for Generation of a discharge oscillation can be connected, and with a compressed plasma receiving resonator volume.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US 44 50 568 bekannt.A Process of this type is known from US 44 50 568.

Für eine Reihe von technischen Anwendungen werden Laser kurzer Wellenlänge, im UV-, VUV-Spektralbereich und im weichen Röntgenbereich benötigt. Als Anwendungen werden beispielsweise die Fotoprozeßtechnik, die Mikrostrukturierung, die Mikrolithographie, die Holographie und die Röntgenmikroskopie genannt. Lasers are used for a number of technical applications short wavelength, in the UV, VUV spectral range and in the soft X-ray area needed. As applications, for example the photo process technology, the microstructuring, the microlithography, called holography and x-ray microscopy.

Je kürzer die zu erzeugende Laserwellenlänge ist, desto größere Pumpleistungen sind erforderlich, um die für den Laserprozeß notwendige Besetzungsinversion aufzubauen. Eine genauere Analyse zeigt, daß die minimal erforderliche Pumpleistung, bezogen auf die Kleinsignalverstärkung des Lasermediums, mit der dritten bis sechsten Potenz der Laserfrequenz skaliert. Zur Erzeugung von Laserstrahlung im nahen UV-Gebiet sind die Pumpleistungsdichten daher schon so hoch, daß das Lasermedium nur im Plasmazustand existieren kann. In dem hier betrachteten Spektralbereich der Wellenlängen von ca. 1 nm bis 300 nm muß das Lasermedium ein Plasma sein. Dieses Plasma wird mit Hilfe von Hochleistungsgasentladungen hergestellt, um gepulste Laserstrahlung im UV, VUV und weichen Röntgenbereich zu erzeugen.The shorter the laser wavelength to be generated, the more Larger pumping capacities are required in order for the laser process to build up the necessary cast inversion. A more precise one Analysis shows that the minimum pumping power required to the small signal amplification of the laser medium with which third to sixth power of the laser frequency scaled. For generation of laser radiation in the near UV region are the pump power densities therefore so high that the laser medium only in Plasma state can exist. In the spectral range considered here The laser medium must have a wavelength of approx. 1 nm to 300 nm be a plasma. This plasma is created with the help of High power gas discharges made to deliver pulsed laser radiation to produce in the UV, VUV and soft X-ray range.

Bei der Gasentladung in einem Gaszylinder, der durch Elektrodenendplatten verschlossen ist, entsteht ein Plasmaschlauch, der mit hoher Stromdichte erzeugt wird. Infolge der Wechselwirkung des Plasmastroms mit dem von ihm erzeugten Magnetfeld wird der Plasmaschlauch durchmesserreduziert. Der Plasmaschlauch kollabriert. Eine Beschreibung dieses Vorgangs findet sich z. B. in dem Buch PRINCPLES OF PLASMA PHYSICS von N. A. Krall und A. W. Trivelpiece, San Francisco Press, Inc. 1986, ISBN 0-911302-58-1, S. 123ff. Es kommt zu einer Plasmabewegung radial nach innen, so daß der Plasmaschlauch zu einer Plasmasäule komprimiert wird, die als Plasmapinch oder Z-Pinch bezeichnet wird. Der im Plasma fließende Storm i(t) verläuft in Abhängigkeit von der Zeit gemäß Fig. 1a, obere Darstellung. Dieser Entladestrom i(t) zeigt oszillatorisches Verhalten, weil sich der den Energiespeicher und den Schalter aufweisende elektrische Treiber und die Gasentladung im wesentlichen wie ein gedämpfter elektrischer Schwingkreis verhalten. Üblicherweise wird in der Plasmatechnik so verfahren, daß der Pinch-Zeitpunkt tp, also der Zeitpunkt der maximalen Zusammenschnürung des Plasmas, mit dem Zeitpunkt des ersten Strommaximums der Stromentladeschwingung etwa zusammenfällt. Die Stromstärke des Entladestroms ist also am Ende der Phase, während der das Plasma durchmesserreduziert wird, maximal. Infolge des Strommaximums ist auch die magnetische Komprimierung am größten und durch den großen Strom wird die Leistungseinkopplung in das Plasma vergrößert. During the gas discharge in a gas cylinder, which is closed by electrode end plates, a plasma tube is created that is generated with a high current density. As a result of the interaction of the plasma flow with the magnetic field generated by it, the plasma tube is reduced in diameter. The plasma tube collapses. A description of this process can be found e.g. B. in the book PRINCPLES OF PLASMA PHYSICS by NA Krall and AW Trivelpiece, San Francisco Press, Inc. 1986, ISBN 0-911302-58-1, p. 123ff. There is a plasma movement radially inwards, so that the plasma tube is compressed into a plasma column, which is referred to as a plasma pin or Z pinch. The storm i (t) flowing in the plasma runs as a function of the time according to FIG. 1a, upper illustration. This discharge current i (t) exhibits oscillatory behavior because the electric driver and the gas discharge having the energy store and the switch behave essentially like a damped electrical resonant circuit. In plasma technology, the procedure is usually such that the pinch time tp, ie the time of the maximum constriction of the plasma, approximately coincides with the time of the first current maximum of the current discharge oscillation. The current strength of the discharge current is therefore at its maximum at the end of the phase during which the plasma is reduced in diameter. As a result of the current maximum, the magnetic compression is also greatest, and the large current increases the power coupling into the plasma.

Der vorbeschriebene Durchmesserreduzierungsvorgang, also der Kollaps des Plasmaschlauchs, erfolgt gemäß Fig. 1a, untere Darstellung, mit wachsender Beschleunigung. Die dargestellte Plasmaposition ändert sich zunächst nur wenig, dann aber zunehmend schneller bis zum Pinch-Zeitpunkt tp. Das kann zu Instabilitäten führen, die die Symmetrie des Plasmaschlauchs beeinträchtigen oder zerstören. Der Plasmaschlauch erleidet Verformungen, Verbiegungen, Abschnürungen oder ähnliches, so daß das Plasma infolgedessen unkontrolliert beeinflußt ist. Die vorbeschriebenen Instabilitäten des Plasmas werden herkömmlicherweise damit bekämpft, daß externe Magnetfelder angewendet werden. Stabilisierende Magnetfelder sind beispielsweise aus der Publikation J. W. Mather, "Dense Plasma Focus", in "Methods of Experimental Physics", Vol. 9, Part B, R. Lovberg, H. Griem eds, Akademic Press 1971, S. 238 bekannt. Den vorbeschriebenen Instabilitäten begegnet man bei einem Laser gemäß US 44 50 568, der die eingangs genannten baulichen Merkmale aufweist, durch eine hinreichende Vorionisierung in einem vorbestimmten Entladungskanal.The above-described diameter reduction process, that is to say the collapse of the plasma tube, takes place according to FIG. 1a, lower illustration, with increasing acceleration. The plasma position shown initially changes only slightly, but then increasingly rapidly up to the pinch time tp. This can lead to instabilities that impair or destroy the symmetry of the plasma tube. The plasma tube suffers from deformations, bends, constrictions or the like, so that the plasma is consequently influenced in an uncontrolled manner. The above-described instabilities of the plasma are conventionally combated by using external magnetic fields. Stabilizing magnetic fields are known, for example, from the publication JW Mather, "Dense Plasma Focus", in "Methods of Experimental Physics", Vol. 9, Part B, R. Lovberg, H. Griem eds, Akademic Press 1971, p. 238. The instabilities described above are counteracted in a laser according to US Pat. No. 4,450,568, which has the structural features mentioned at the beginning, by sufficient preionization in a predetermined discharge channel.

Während der Phase der maximalen Kompression des Plasmas ist dessen Durchmesser am kleinsten, dessen Strom aber maximal, so daß auch die Stromdichte im Bereich der Ansatzpunkte des Plasmas an den Elektroden einen Maximalwert annimmt. Daher folgen verstärkte Materialerosionsvorgänge, die zu Plasmaverunreinigungen führen und die Standzeit der Elektroden vermindern. In Verbindung mit dem Einsatz von Plasmaanlagen zum Pumpen eines Lasermediums ist darüber hinaus noch zu bedenken, daß Instabilitäten des Plasmas infolge der Dichte-, Temperatur- und Feldgradienten zu inhomogenen Inversionsverteilungen und störenden Strahlablenkungen führen. Ferner sollte die Plasmageometrie, im wesentlichen also der Durchmesser des Plasmas, an die Laserstrahlgeometrie angepaßt sein, im wesentlichen also an den Laserstrahldurchmesser, um eine optimale Überlappung bzw. möglichst gleiches Plasma- und Strahlvolumen zu erreichen. Wenn dabei die Außendurchmesser des Plasmas und des Laserstrahls etwa gleich groß sind, ist die Belastung der Elektroden im Bereich der Fenster für den Laserstrahl besonders groß. Die hohe Energiedichte führt zu einer Erosion des Elektrodenwerkstoffs und damit zu einer entsprechenden Beeinflussung des Laserstrahls. Es ist daher nur unzureichend möglich, eine kontrollierte und homogene Plasmasäule für den Einsatz in Verbindung mit kurzwelligen Lasern zu erzeugen. Das gilt auch für das Verfahren gemäß US-Z: Appl. Phys. Lett., Bd. 26, 1975, S. 113-115, wonach es für durch Pinch-Effekt angeregte, gepulste Laser bekannt ist, daß die Emission von Laserlicht nahezu in dem Augenblick auftrat, als das Plasma auf seinen Minimaldurchmesser zusammengezogen war.During the phase of maximum compression of the plasma its diameter is smallest, but its current is maximum, so that the current density in the area of the starting points of the Plasma at the electrodes assumes a maximum value. Hence follow increased material erosion processes leading to plasma contamination lead and reduce the service life of the electrodes. In Connection with the use of plasma systems for pumping a Laser medium is also to be considered that instabilities of the plasma due to the density, temperature and field gradients to inhomogeneous inversion distributions and disruptive Cause beam deflections. Furthermore, the plasma geometry, in essentially the diameter of the plasma, to the laser beam geometry be adapted, essentially to the laser beam diameter, to an optimal overlap or as possible to achieve the same plasma and jet volume. If the outer diameter of the plasma and the laser beam approximately are equal, the load on the electrodes in the area the window for the laser beam is particularly large. The height Energy density leads to erosion of the electrode material and thus to influence the laser beam accordingly. It is therefore inadequate to have a controlled one and homogeneous plasma column for use in conjunction with short-wave lasers. This also applies to the procedure according to US-Z: Appl. Phys. Lett., Vol. 26, 1975, pp. 113-115, after which it is known for pulsed lasers excited by the pinch effect is that the emission of laser light occurred almost at the moment that Plasma had contracted to its minimum diameter.

Demgegenüber liegt die Erfindung der Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß das Plasma eine möglichst stabile, kontrollierbare Ausbildung erfährt, also keine Instabilitäten aufweist, die zu Störungen des Plasmazustandes führen, und daß die Standzeit der Elektroden und der Fenster bei verminderter Plasmaverunreinigung verbessert wird, wobei ohne zusätzliche Hilfsmittel zur Plasmastabilisierung ausgekommen werden kann.In contrast, the invention is based on the object To improve the method of the type mentioned so that the Plasma undergoes the most stable, controllable training possible, thus has no instabilities that lead to disturbances of the Lead plasma state, and that the life of the electrodes and the window improved with reduced plasma contamination is, without additional aids for plasma stabilization can get by.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der als Kondensatorbank ausgebildete Energiespeicher (1) folgender Beziehung genügt:This object is achieved in that the energy store ( 1 ) designed as a capacitor bank satisfies the following relationship:

worin folgendes gilt:where the following applies:

U = Ladespannung der Kondensatorbank
C = Kapazität der Kondensatorbank
r = Innenradius des Entladungsgefäßes
ρ = Massendichte des Füllgases des Entladungsgefäßes
α = const. = 1 bis 3U = charging voltage of the capacitor bank
C = capacitance of the capacitor bank
r = inner radius of the discharge vessel
ρ = mass density of the filling gas of the discharge vessel
α = const. = 1 to 3

L₁ = Induktivität des Treibers (Energiespeicherkreis)
L₂ = µ₀l/2π · 0,67
µ₀ = magnetische Feldkonstante
π = Zahlenwert 3,14 . . .
l = Länge des Entladungsraumes,L₁ = inductance of the driver (energy storage circuit)
L₂ = µ₀l / 2π · 0.67
µ₀ = magnetic field constant
π = numerical value 3.14. . .
l = length of the discharge space,

und daß die variablen Parameter der vorstehenden Beziehung im Sinne einer maximalen Komprimierung der Plasmasäule etwa zur Zeit eines Schwingungsnulldurchgangs des Entladungsstroms bestimmt sind.and that the variable parameters of the above relationship in For maximum compression of the plasma column Time of a zero oscillation of the discharge current is determined are.

Für die Erfindung ist die Erkenntnis wesentlich, daß auf ein Strommaximum zur Erzeugung eines minimalen Pinch-Durchmessers verzichtet werden kann. Das steht im Gegensatz zu der üblichen Handlungsweise in der Plasmaphysik, die es vorzieht, einen möglichst kompakten Pinch im Strommaximum zu erhalten. Es wurde erkannt, daß eine gute Laserwirkung auch dann erreicht wird, wenn die Plasmaanlage auf einen mimimalen Pinch-Durchmesser bei i(t)=0 bei t<0 eingestellt wird. Bei diesem Minimumpunkt wird die Kraft auf das Plasma geringer, so daß die Neigung zu Instabilitäten ebenfalls gering wird und damit die Laserlichtqualität verbessert wird.For the invention, the knowledge that is essential a current maximum to generate a minimum pinch diameter can be dispensed with. This is in contrast to the usual one Action in plasma physics which it prefers to get the most compact possible pinch in the current maximum. It it was recognized that a good laser effect was also achieved is when the plasma system to a minimal pinch diameter is set at i (t) = 0 at t <0. At this minimum point the force on the plasma is reduced, so that the Tendency to instability is also low and thus the Laser light quality is improved.

Die vorbeschriebene maximale Durchmesserreduzierung der Plasmasäule etwa zur Zeit eines Schwingungsnulldurchgangs des Entladungsstroms setzt voraus, daß dieser vorher ein Maximum gehabt hat. Mit Hilfe dieses Maximums ist es möglich, schon vor dem Zeitpunkt tp der maximalen Durchmesserreduzierung der Plasmasäule einen Inversionszustand des Plasma herbeizuführen, der zur Erzeugung von Laserenergie erforderlich ist. Das invertierte Lasermedium wird dann während der Kollabierung des Plasmaschlauchs in den Resonatorbereich eingebracht, so daß der Laser anschwingen kann. Es hat sich erwiesen, daß ein derartiger Laser eine stabile, kontrollierbare Plasmasäule hat, also eine Plasmageometrie, die zur Erzeugung kurzwelliger Laserstrahlung geeignet ist. Plasmaverunreinigungen während der Pinchphase werden vermieden und die Standzeiten der Elektroden in Pinchnähe und der Fenster an den Enden des Plasmaschlauchs werden vergrößert. Es hat sich erwiesen, daß der Bewegungsablauf des Plasmas und der Stromverlauf so aufeinander abgestimmt sind, daß in der Kollapsphase praktisch keine radialen Beschleunigungen des Plasmas auftreten. Das wird weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher ausgeführt. The above-described maximum diameter reduction of the Plasma column around the time of a zero oscillation of the Discharge current assumes that this is a maximum beforehand had. With the help of this maximum, it is possible to advance the time tp of the maximum diameter reduction of the plasma column bring about an inversion state of the plasma, the is required to generate laser energy. The inverted Laser medium is then used during the collapse of the plasma tube introduced into the resonator area so that the laser can swing. It has been found that such a laser has a stable, controllable plasma column, i.e. one Plasma geometry used to generate short-wave laser radiation suitable is. Plasma contamination during the pinch phase are avoided and the service life of the electrodes near the pinch and the window at the ends of the plasma tube enlarged. It has been shown that the movement of the Plasma and current flow are coordinated that in the collapse phase there are practically no radial accelerations of the plasma occur. This is explained below using a Embodiment explained in more detail.

Durch Bestimmung der variablen Parameter wird beispielsweise erreicht, daß die maximale Durchmesserreduzierung beim ersten Schwingungsnulldurchgang auftritt.By determining the variable parameters, for example achieved that the maximum diameter reduction at first zero vibration occurs.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is explained with reference to the drawing. It shows

Fig. 1a den zeitlichen Verlauf des Stroms i(t) und der Plasmaposition bei einer herkömmlichen Hochleistungsplasmaanlage, Fig. 1a the time curve of the current i (t) and the plasma position in a conventional high-power plasma unit,

Fig. 1b der Fig. 1a entsprechende Verläufe bei der neuartigen Hochleistungsplasmaanlage, und Fig. 1b of Fig. 1a corresponding curves in the novel high-performance plasma system, and

Fig. 2 vereinfachte Darstellung eines zylindrischen Entladungsgefäßes zur Erläuterung der Durchmesserreduzierung des Plasmas. Fig. 2 shows a simplified representation of a cylindrical discharge vessel to explain the diameter reduction of the plasma.

Das Entladungsgefäß 4 der Hochleistungsplasmaanlage besteht im wesentlichen aus einem hohlen Glaszylinder, dessen Stirnseiten von Entladungselektroden 8 abgedeckt sind. Der Innenraum 12 des Entladungsgefäßes 4 wird über eine Gasfüllbohrung mit einem Entladungsgas gefüllt; in dem ein zwischen den Elektroden 8 erfolgender Überschlag zur Ausbildung eines Plasmas führt. Das Entladungsgefäß 4 ist mit seiner Achse 5 gleichachsig mit dem Resonator eines nicht dargestellten Lasers angeordnet und seine Elektroden 8 haben Bohrungen 9 als Fenster für den Laserstrahl. Die Bohrungen 9 bestimmen dementsprechend auch den Außendurchmesser eines Resonatorraums, der möglichst vollständig mit angeregtem Lasermedium ausgefüllt sein soll. Infolgedessen wird dieser Durchmesser so gewählt, daß er angenähert dem Durchmesser 32 einer eingeschnürten Plasmasäule 6 des Entladungsgefäßes 4 entspricht.The discharge vessel 4 of the high-performance plasma system essentially consists of a hollow glass cylinder, the end faces of which are covered by discharge electrodes 8 . The interior 12 of the discharge vessel 4 is filled with a discharge gas via a gas filling hole; in which a flashover between the electrodes 8 leads to the formation of a plasma. The discharge vessel 4 is arranged with its axis 5 coaxial with the resonator of a laser, not shown, and its electrodes 8 have bores 9 as windows for the laser beam. Accordingly, the bores 9 also determine the outer diameter of a resonator chamber, which is to be filled as completely as possible with excited laser medium. As a result, this diameter is chosen so that it approximately corresponds to the diameter 32 of a constricted plasma column 6 of the discharge vessel 4 .

Eine Entladung zwischen den Elektroden 8 wird mit Hilfe des Treibers 34 erreicht, also eines elektrischen Schaltkreises mit einem als Kondensatorbank ausgebildeten Energiespeicher 1, einem Schalter 2 und einem symbolisiert dargestellten Übertragungssystem 3. Der zeitliche Ablauf der Entstehung des Entladungsplasmas wird im folgenden anhand der Fig. 1b und 2 erläutert. Discharge between the electrodes 8 is achieved with the aid of the driver 34 , that is to say an electrical circuit with an energy store 1 designed as a capacitor bank, a switch 2 and a transmission system 3 shown symbolized. The time course of the formation of the discharge plasma is explained below with reference to FIGS. 1b and 2.

Wird der Schalter 2 betätigt, so entlädt sich der Energiespeicher 1 und das Übertragungssystem 3 auf die Elektroden 8, zwischen denen im gasgefüllten Innenraum 12 des Entladungsgefäßes 4 ein elektrischer Durchschlag erfolgt, aufgrund dessen sich eine Gasionisation einstellt, die zu einer Plasmabildung an der Innenwand 4′ des Entladungsgefäßes 4 führt. Durch das Plasma hindurch entlädt sich der Energiespeicher 2 und der infolgedessen fließende Entladungsstrom i(t) verläuft entsprechend der in Fig. 1b oben dargestellten Entladungsschwingung 29. Die aufgrund des Stromflusses sich entwickelnden Magnetfelder schnüren den in Fig. 2 oben dargestellten Plasmaschlauch in der Folge zusammen, so daß sich eine Kollapsphase ergibt, während der der Plasmaschlauch gemäß Fig. 2, Mitte, radial nach innen wandert, bis er schließlich zu einer Plasmasäule gemäß Fig. 2, unten, komprimiert ist, so daß sich der dargestellte Z- Pinch ergibt.If the switch 2 is actuated, the energy store 1 and the transmission system 3 discharge onto the electrodes 8 , between which an electrical breakdown takes place in the gas-filled interior 12 of the discharge vessel 4 , due to which gas ionization occurs, which leads to plasma formation on the inner wall 4 'Of the discharge vessel 4 leads. The energy store 2 is discharged through the plasma and the discharge current i (t) flowing as a result runs in accordance with the discharge oscillation 29 shown in FIG. 1b above. The magnetic fields that develop due to the current flow then tie the plasma tube shown in FIG. 2 above together, so that there is a collapse phase during which the plasma tube according to FIG. 2, center, moves radially inward until it finally reaches a plasma column is shown in FIG. 2, is compressed downward so that the illustrated Z-Pinch results.

Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Anordnung besteht nun darin, daß das Kollabieren des Plasmaschlauchs im Vergleich zu bekannten Plasmaanlagen nach dem Starten mit annäherungsweise gleichbleibender Geschwindigkeit verläuft. Das ergibt sich aus Fig. 1b. Der Entladungsstrom i(t) schwingt nämlich gemäß 29 von Null über ein Strommaximum bis zum Stromnulldurchgang 30, bevor die maximale Durchmesserreduzierung gemäß Fig. 2, unten, erreicht ist. Das ergibt sich auch aus Fig. 1b, unten, wo der Verlauf der Plasmaposition in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß der Zusammenhang zwischen der Plasmaposition und der Zeit im wesentlichen linear ist, daß also das Plasma mit konstanter Geschwindigkeit radial von außen nach innen verlagert wird. Es fehlen also Inhomogenitäten des Plasmas verursachende Beschleunigungen des Plasmaschlauchs bzw. der Plasmasäule.The peculiarity of the arrangement according to the invention consists in the fact that the collapse of the plasma tube compared to known plasma systems takes place after starting at an approximately constant speed. This results from Fig. 1b. The discharge current i (t) namely oscillates according to FIG. 29 from zero through a current maximum to the current zero crossing 30 before the maximum diameter reduction according to FIG. 2, below, has been reached. This also results from Fig. 1b, below, where the course of the plasma position is shown as a function of time. It can be seen that the relationship between the plasma position and time is essentially linear, that is to say the plasma is displaced radially from the outside inwards at a constant speed. Inhomogeneities in the plasma causing accelerations of the plasma tube or the plasma column are therefore missing.

Außerdem kann anhand der Fig. 1b, oben, abgeleitet werden, daß der Strom bereits vor dem vollständigen Durchmesserreduzieren des Plasmas ein Maximum durchläuft, so daß das Plasma bereits zu diesem Zeitpunkt einen Inversionszustand erreichen kann, der für die Ausbildung von Laserschwingungen erforderlich ist. Das Plasma befindet sich jedoch noch nicht im Laserresonator, sondern wird im Verlaufe der weiteren Durchmesserreduzierung erst in den Resonatorraum hineintransportiert. Erst danach schwingt der Laser an. Das invertierte Lasermedium wird also nach Art einer Güteschaltung in den Resonatorraum eingebracht. Inhomogene Inversionsverteilungen werden vermieden. Die frühzeitige Invertierung des Lasermediums und dessen beschleunigungsfreie Einschnürung vermeiden unannehmbare Instabilitäten des Plasmas.It can also be derived from FIG. 1b, above, that the current passes through a maximum even before the plasma has been completely reduced in diameter, so that the plasma can already reach an inversion state at this point in time, which is necessary for the formation of laser oscillations. However, the plasma is not yet in the laser resonator, but is only transported into the resonator chamber in the course of the further diameter reduction. Only then does the laser vibrate. The inverted laser medium is thus introduced into the resonator chamber in the manner of a Q-switch. Inhomogeneous inversion distributions are avoided. The early inverting of the laser medium and its acceleration-free constriction avoid unacceptable instabilities of the plasma.

Um die vorbeschriebenen vorteilhaften Wirkungen bei kapazitiver Energiespeicherung zu erreichen, muß die ein zylindrisches Entladungsgefäß aufweisende Hochleistungsplasmaanlage wie folgt dimensioniert sein:To the above-described advantageous effects with capacitive Achieving energy storage must be cylindrical Discharge vessel with high-performance plasma system such as be dimensioned as follows:

worin folgendes gilt:where the following applies:

L₁ = Induktivität des Treibers 34 (Energiespeicherkreis)
L₂ = µ₀l/2π · 0,67
µ₀ = magnetische Feldkonstante
π = Zahlenwert 3,14 . . .
l = Länge des Entladungsraumes.L₁ = inductance of driver 34 (energy storage circuit)
L₂ = µ₀l / 2π · 0.67
µ₀ = magnetic field constant
π = numerical value 3.14. . .
l = length of the discharge space.

Die vorstehende Beziehung läßt sich aus der elektrischen Kreisgleichung für die Plasmaanlage einerseits und aus der Bewegungsgleichung der durch die Plasmaschicht erfaßten Masse des Entladungsgases berechnen, die miteinander in Beziehung gesetzt werden. Bei induktiver Energiespeicherung läßt sich eine analoge Beziehung herleiten.The above relationship can be seen from the electrical Circular equation for the plasma system on the one hand and from the equation of motion the mass of the Calculate discharge gas, which are related to each other will. With inductive energy storage, an analog one can be used Derive relationship.

Desweiteren werden als typische Parameter einer Anlage mit einem Entladungsgefäß genannt:Furthermore, as typical parameters of a plant with called a discharge vessel:

gespeicherte Energie: 1-100 kJ
Entladeströme: 0,1-5 MA
Gasarten: metallorganische Verbindungen, Edelgase, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Silan, Methan und Gasgemische, davon mindestens eine Komponente laserfähig
Fülldrucke: 0,01-50 mbar
Entladevolumen:
Länge, l: 1-100 cm
Durchmesser, 2r: 0,5-20 cmstored energy: 1-100 kJ
Discharge currents: 0.1-5 MA
Types of gas: organometallic compounds, noble gases, hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, silane, methane and gas mixtures, at least one component of which can be lasered
Filling pressures: 0.01-50 mbar
Unloading volume:
Length, l: 1-100 cm
Diameter, 2r: 0.5-20 cm

Unter Zuhilfenahme der Gasart und des Fülldrucks läßt sich die Massendichte ρ des Füllgases berechnen.With the help of the gas type and the filling pressure calculate the mass density ρ of the filling gas.

Claims

Method for operating a short-wave laser

- With a high-performance plasma system, which consists essentially of a gas-filled cylindrical and provided with a laser radiation window discharge vessel ( 4 ), which has two magnetically compressed discharge plasma column ( 6 ) generating electrodes ( 8 ) to which an energy store ( 1 ) designed as a capacitor bank a switch ( 2 ) for generating a discharge oscillation ( 29 ) can be connected, and
with a compressed plasma receiving resonant volume,

characterized in that the energy store ( 1 ) designed as a capacitor bank satisfies the following relationship: where the following applies: U = charging voltage of the capacitor bank
C = capacitance of the capacitor bank
r = inner radius of the discharge vessel
ρ = mass density of the filling gas of the discharge vessel
α = const. = 1 to 3 L₁ = inductance of the driver (energy storage circuit)
L₂ = µ₀l / 2π · 0.67
µ₀ = magnetic field constant
π = numerical value 3.14. . .
l = length of the discharge space, and that the variable parameters of the above relationship in the sense of maximum compression of the plasma column ( 6 ) are determined approximately at the time of a zero oscillation crossing ( 30 ) of the discharge current (i (t)).