DE3936946C2 - Kontinuierlicher Edelgas - Halogenid- bzw. Edelgas - Halogen Excimerlaser - Google Patents

Kontinuierlicher Edelgas - Halogenid- bzw. Edelgas - Halogen Excimerlaser

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Description

Der Stand der Technik ergibt sich aus dem von Boivineau, Jouvet und Piuzzi verfaßten United States Patent Patent Number: 4,849,983 "PROCESS AND APPARATUS FOR OBTAINING AN EXCIMER AND APPLICATION TO LASERS" vom 18. Juli 1989. Hierin wird eine Apparatur beschrieben, die mit mehr als zehnfacher Schallgeschwindigkeit ein Gasgemisch transversal eine elektrische Entladung durchströmen läßt, deren Elektroden 4 mm voneinander entfernt sind, und in deren Entladungsraum ein Druck von unter 135 Pascal herrscht. Durch diese Überschallströmung kann bei dieser Apparatur auf eine Vorionisierung, wie sie bei den herkömmlichen gepulsten Systemen nötig ist, verzichtet werden. Diese Art von Excimerlasern, wie sie in den Artikeln von R. S. Taylor und K. E. Leopold in Appl. Phys. Lett. 47 (2), 15 July 1985, S. 81-83 und von A. A. Serafetinides und K. R. Rickwood in OPTICS COMMUNICATIONS Volume 65, number 1, 1 January 1988, S. 37-41 und von I V Chaltakov, I V Tomov und Ch G Christov in J. Phys. E: Sci. Intrum. 19 (1986), S. 1034-1036 beschrieben werden, haben jeweils Vorionisierungen unterschiedlichster Art notwendig, um eine gepulste Hochdruckgasentladung von bis zu 1,5 Mikrosekunden Dauer zu erzeugen.
Die Erfindung geht von einem Gegenstand der Gattung des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 aus. Ein Gegenstand dieser Art ist bisher nur in gepulster Form bekannt und dazu höchst energieaufwendig, da zusätzliche aufwendige Apparaturen notwendig sind, wie Funkenarrays, Elektronenbeschleuniger, Röntgenapparaturen ect. Kontinuierliche Excimerlaser, speziell im Wellenlängenbereich <300 nm, werden insbesondere in der Medizin und Biotechnologie, dort besonders in der Gentechnik, gefordert, um neben der hohen Photonenenergie eine extrem gute Fokussierbarkeit (<500 nm) zu haben - nur so sind Schnitte höchster Präzision und gezielte Eingriffe in die Genstruktur der DNS möglich. Excimerlaser finden auch Anwendung in der Mikrolithographie, Photochemie, Spektroskopie, nichtlinearen Optik, Trägheitsfusion und Umweltschutzdiagnostik. Auch auf diesen Anwendungsgebieten wird ein kontinuierlicher Excimerlaser der Gattung des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2 gefordert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines kontinuierlichen und effizienten
Excimerlasers anzugegeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Ausnutzung der physikalischen Gegebenheiten durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, des Anpruchs 2 und den nachfolgenden Unter- und Nebenansprüchen gelöst.
Die Vorteile der Erfindung sind:
  • 1. der erstmalig kontinuierliche Laserbetrieb,
  • 2. der hohe Wirkungsgrad (bis ca. 10%),
  • 3. die Miniaturisierung des Laserkopfes.
Zu den physikalischen Gegebenheiten gehören folgende genäherten Bilanzen, Bedingungen und Gleichungen:
Elektronenbilanz:
e = Q + (νi-νA)ne = Q+νne (1)
Anionenbilanz:
- = νAne - αn+n- (2)
Neutralitätsbedingung:
n+ ≈ ne (3)
Stationaritätsbedingungen:
e = 0,  - = 0,  Ex = 0 (4)
Dabei ist:
ne, e Elektronendichte bzw. deren zeitliche Ableitung;
n-, - Anionendichte bzw. deren zeitliche Ableitung;
n+, + Kathionendichte bzw. deren zeitliche Ableitung;
nEx, Ex Dichte des lasernden Excimers;
νi Ionisierungsfrequenz (Elektronenstoßionisation);
νA Attachmentfrequenz (Elektroneneinfang);
ν = i-νA effektive Ionisierungsfrequenz.
Der Elektronenquellterm Q wird durch Photoionisation an dem zur Excimerbildung notwendigen Edelgas erzeugt. Die dazu benötigten Photonen und/oder Röntgenquanten entspringen den in Anspruch 8 bzw. Ansprüchen 4 und/oder 6 beschriebenen Entladungsstrecken bzw. Entladungsschichten und/oder nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 5 jeder anderen Photonen und/oder Röntgenquanten emittierenden Apparatur. Zusätzlich liefert die Hochdruckgasentladung (s. Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6) einen Beitrag zur Photonen- und/oder Röntgenquantbildung.
Der durch die Entladung in der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 erzeugte Anteil des Elektronenquellterms ergibt sich aus folgender Abschätzung:
Δ Dicke der Hochdruckgasentladung;
l Abstand der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 oder nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 5 einer sonstigen Photonen und/oder Röntgenquanten emittierenden Apparatur zur Hochdruckgasentladung (s. Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6);
n Dichte des Strahlung emittierenden Edelgasexcimers;
A Einsteinkoeffizient des Edelgasexcimers für spontane Emission;
d Dicke der in der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 erzeugten Entladung oder Dicke der Strahlung emittierenden Zone nach Anspruch 3 und/oder Anspruch 5 sonstiger Photonen und/oder Röntgenquanten emittierender Apparaturen;
σ Photoionisationsquerschnitt;
nE Dichte des zu ionisierenden Edelgases, das zur Bildung des Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimer notwendig ist.
Der aus der nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 6 entstehenden Entladungsschicht erzeugte Anteil des Elektronenquellterms ergibt sich aus folgender Abschätzung: Durch die aus der Entladung der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 emittierten Photonen und/oder Röntgenquanten und/oder nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 6 jeder anderen Photonen und/oder Röntgenquanten emittierenden Apparatur wird über Photoeffekt ein Raumladungsfeld vor den Laserelektroden oder sonstigen Metall-, Halbleiter- oder Isolatorteilen aufgebaut. Es kann zu
abgeschätzt werden. Dabei ist:
e = 1.602 · 10-19 As Elimenterladung;
ε₀ = 8.854 · 10-12 Dielektrizitätskonstante;
je Photoelektronenstrom;
z Abstand zu den Photoelektronen emittierenden Oberflächen;
λ mittlere freie Elektronenweglänge.
Durch dieses Raumladungsfeld wird in einer Schicht, die einer freien Elektronenweglänge λe entspricht, eine Photonenstromdichte von
in Richtung auf die Laserentladung erzeugt. Bei Verwendung von die entsprechende Wellenlänge spiegelndem Material kann sogar die doppelte Elektronenstromdichte erreicht werden. Dieser Photonenstrom erzeugt einen Elektronenquellterm von
ΔE Länge der durchstrahlten Entladungsschicht
sofern keine Absorptionsschicht vor der lasernden Hochdruckgasentladung (s. Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6) liegt.
Der durch die Hochdruckgasentladung (s. Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6) erzeugte Elektronenquellterm kann aufgrund der geringen Photonenreichweite zu
Q₃ ≈ An (9)
abgeschätzt werden.
Aus den Bilanzen und Bedingungen (Gleichungen (1), (2), (3), (4)) läßt sich folgende Skalierungsgleichung herleiten:
AEx Einsteinkoeffizient des Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimers bei spontaner Emission;
B Einsteinkoeffizient des Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimers bei induzierter Emission;
γ Photonendichte der Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimer-Strahlung;
νZ Zerstörungsfrequenz der Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimere durch Atom und/oder Molekülstöße;
α Ratenkoeffizient für die Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimerbildung;
kDiss Ratenkoeffizient für die Elektronenstoßdissoziation der Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimere.
Mit der aus den Bilanzen erhaltenen Elektronendichte
und der Anionendichte
für einen kontinuierlichen Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimer-Laser erhält man folgende Skalierungsgleichung:
Die Dichte n folgt aus der Photonenbilanz, im stationären Fall angenähert zu:
T Verweildauer der Photonen im Resonator;
lA aktive Länge;
lR Resonatorlänge;
c Lichtgeschwindigkeit;
n* Dichte angeregter Edelgase;
σ* Anregungsquerschnitte der angeregten Edelgase;
σDet Photodetachmentquerschnitt von Anionen (n-);
nH Halogen- bzw. Halogeniddichte;
 Photodissoziation von Halogen- bzw. Halogenidmolekülen.
Der für einen kontinuierlichen Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimer-Laserbetrieb mittlere Elektronenenergiebereich ergibt sich aus den Werten für die Attachmentfrequenz, die Ionisationsfrequenz (νA, νi), der Laserstrahlung emittierenden Excimerdichte n und dem Elektronenquellterm Q. Seine Grenzen sind durch die zu erfüllenden Bedingungen
gegeben. QSoll ist der Elektronenquellterm, der notwendig ist, um den durch Atom- und Molekülstöße angeregten und den spontanen Strahlungszerfall der Edelgas-Halogenid- bzw. Edelgas-Halogen-Excimere auszugleichen. n läßt sich über Gleichung (14) steuern, wobei angenommen werden kann, daß
n* α n+ ≈ ne (16)
Aus der Skalierungsgleichung läßt sich die maximal mögliche Laserleistung P durch
D Transmissionsgrad des Auskoppelspiegels;
hν Photonenenergie der Laserstrahlung;
F Auskoppelfläche des Entladungsvolumens;
c Lichtgeschwindigkeit
vorhersagen.
Das anzulegende Feld ergibt sich aus der Proportionalität von mittlerer Elektronenenergie ∈ zur Wurzel des Feldes E
und die Stromdichte aus der Beziehung
νc Kollisionsfrequenz der Elektronen mit den Neutralgasteilchen;
me 9.109 · 10-31 kg Elektronenmasse;
e = 1.602 · 10-19 As Elementarladung.
Die einzukoppelnde Leistung PI ergibt sich aus der Gleichung
PI = jEV (20)
V Entladungsvolumen.
Die Kontinuitätsgleichung stellt eine weitere Bedingung für den Aufbau eines Excimerlasers nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dar:
j = jEl (21)
jEl Kathodenstrom;
j Maximalstrom≡Entladungsstrom.
Sie wird z. B. durch eine Kathodenheizung erfüllt. Ihre thermischen Anforderungen sind durch die Richardsongleichung gegeben:
AEm Emissionskonstante;
T Temperatur der Kathodenoberfläche;
Φ Austrittsarbeit der Elektronen aus der Kathode;
k Boltzmannkonstante.
Um einer Halogenverarmung vorzubeugen, wird das Entladungsvolumen mit einer Strömungsgeschwindigkeit v der vorgegebenen Lasergasmischung durchströmt:
V Entladungsvolumen;
A durchströmte Entladungsfläche.
Zur näheren Erläuterung sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen KrF-Excimerlasers vorgestellt.
Dazu werden folgende Figuren verwendet:
Fig. 1 Ausführungsbeispiel der Anordnung der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 und der lasernden Hochdruckgasentladung nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 2,
Fig. 2 Ausführungsbeispiel eines Laserkopfes nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 2,
Fig. 3 Ausführungsbeispiel der Entladungsstrecke nach Anspruch 8,
Fig. 4 Schaltungsbeispiel der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 und der lasernden Hochdruckgasentladung nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 2,
Fig. 5 Ausführungsbeispiel einer Laserelektrode nach Anspruch 7.
Für ein Gasgemisch aus 5,1·10¹⁹ cm-3 Helium, 1,7·10¹⁸ cm-3 Krypton, 1,5·10¹⁷ cm-3 Fluor läßt sich aus den Bedingungen (15) der Bereich der mittleren Elektronenenergie abschätzen. Er beträgt:
3,29 eV < ∈ < 3,35 eV
Das Lasermaximum ist, wie allgemein bekannt, für ν≈0 zu erwarten. Das liegt bei ca. 3,34 eV. Über die Proportionalität (18) läßt sich das anzulegende Feld zu
E = 4460 V cm-1
bestimmen. Damit folgt für die Stromdichte nach Gleichung (19)
j = 150 A cm-2
und die einzukoppelnde Leistungsdichte
p = jE = 0,67 MW cm-3
Um eine technisch leicht handhabbare Leistung (<1 kW) zu besitzen, wird ein geringes Entladungsvolumen von z. B. lA=1 cm aktiver Länge, 0,3 mm Entladungshöhe und 0,3 mm Elektrodenabstand gewählt (s. Fig. 1). Es beträgt
V = 0,0009 cm³
Daraus läßt sich die anzulegende Spannung mit U=134 V und der fließende Strom zu I=4,5 A angeben. Das heißt, es sind 602 W einzukoppeln. Das Laserleistungsmaximum ergibt sich bei einem 10 cm langen Resonator nach Gleichung (17) zu P=60 W. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 10%. Um diese Leistung herunterzukühlen, ist ein Umpumpsystem des Excimergases mit Kühlung und Säuberung des Entladungsgases vorgesehen. Es muß eine Strömungsgeschwindigkeit nach Gleichung (23) von mindestens
ν ≈ 160 ms-1
haben. Um die Kontinuitätsgleichung (21) zu erfüllen, muß die Temperatur der Kathode nach Gleichung (22) auf ca. 3100 K gebracht werden. Dies geschieht z. B. durch einen Heizdraht (1, Fig. 2). Als Kathodenmaterial sind einzig Wolfram (Smp. 3700 K) und andere Hochtemperaturlegierungen (Smp. <3100 K) möglich.
Zum Start der kontinuierlichen Hochdruckgasentladung ist eine Elektronendichte von 3,2·10¹³ cm-3 am Laserschwellwert notwendig. Aus ihm kann dann durch langsame Spannungserhöhung an die optimale Leistungsauskopplung herangefahren werden.
Das Problem, hohe Elektronendichten in kurzen Zeiten (<µs) zu erreichen, wird erfindungsgemäß z. B. durch eine Entladungsstrecke nach Anspruch 8 gelöst.
Sie besteht aus drei Elektroden (2, Fig. 3) und einem Isolator (3, Fig. 3). Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung (4) hat den Vorteil, eine stille Entladung mit hoher Strahlungsausbeute an Photonen <5 eV auszubilden. Die Strahlungsemission bestimmter, zur Ionisation dienender Photonen aus stillen Entladungen ist selbst begrenzend, so daß in einem Zeitbereich von ca. 1 ns Dauer so viele Photonen erzeugt werden können, daß über Photoionisation die jeweils notwendige Vorionisierung im Bereich der Laserelektroden (5, Fig. 1) erreicht wird. Die erzeugte Elektronendichte kann im wesentlichen durch den Abstand der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 zu den Laserelektroden (5, Fig. 1) eingestellt werden. Er ist in den meisten Fällen sehr gering (µm-Bereich), da die Reichweite der Photonen durch die meist hohe Absorption des Entladungsgases sehr kurz ist.
Vorteil dieser Vorionisierungsentladung gegenüber bisherigen Vorionisierungsarten ist:
  • 1. Homogenität,
  • 2. hohe Ausbeute an Photonen (<5 eV),
  • 3. Selbstbegrenzung der zur Vorionisierung dienenden Photoemission, welche das Problem der zu langsam abfallenden Spannungspulse bisheriger Systeme beseitigt. Denn der zu langsame Abfall erzeugt eine zu hohe Elektronendichte, die eine Lasertätigkeit unterbindet.
Zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 sei, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, an das oben angeführte Ausführungsbeispiel eines KrF-Excimerlasers angeknüpft. Bei der dort angegebenen Gaszusammensetzung ist nach Gleichung (8) eine Photonenstromdichte von
= 2,73 · 10²¹ cm-2 s-1
notwendig. Aus Gleichung (5) ergibt sich der Abstand der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 zu den Laserelektroden (5, Fig. 1):
l = 72 µm
Dabei ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit eine mittlere Elektronenenergie in der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 von 10 eV angenommen worden. Das entspricht nach der Proportionalität (18) 50 kV cm-1. Dazu wird bei einem Elektrodenabstand von 0,3 mm eine Spannung von 1,5 kV benötigt.
Ein Schaltungsbeispiel der Entladungsstrecke nach Anspruch 8 ist in Fig. 4 gezeigt. Es besteht aus einem schnellen Schalter (6), zwei Ladekondensatoren CA, CK und einem mit der Entladung zu einem Gesamtwiderstand RG parallel geschaltetem Widerstand.
Die Laserelektroden nach Anspruch 7 sollten aus Wolfram oder einer Hochtemperaturlegierung bestehen, um die hohen Temperaturanforderungen (Smp. <3100 K) zu erfüllen. Gleichzeitig müssen die Materialien gegenüber den auftretenden Halogenen bzw. Hologeniden resistent sein und in ihrer Folienform Gasströmungsgeschwindigkeiten v von 1000 m s-1 < ν < 100 m s-1 widerstehen. Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine hochtemperaturbeständige Metall- und/oder hochtemperaturbeständige Legierungsfolie (7, Fig. 5) in Verbindung zu einem Metall- und/oder Halbleiter- und/oder einem Isolationskörper als Elektrodensupport (8, Fig. 5 und Fig. 2) gebracht wird.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Es wird in diesem Beispiel eine Laserelektrode aus einer Wolframfolie (7) von 0,3 mm und einem Wolframkörper (8) hergestellt, der in einer Keramik bis auf seinen Schmelzpunkt erwärmt und daran anschließend mit einer vorgespannten Wolframfolie so in Kontakt gebracht wird, daß das in Fig. 5 dargestellte Ergebnis erhalten wird. Ein weiteres Beispiel für die Herstellung wäre das punktuelle Anschweißen der Folie mittels eines Hochleistungslasers.

Claims (6)

1. Edelgas-Halogenid-Excimerlaser, mit einer Hochdruckgasentladung von mehr als eintausend Pascal Gasdruck und einer Vorionisierungseinrichtung, wobei die Hochdruckgasentladung von einem Gasgemisch durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckgasentladung kontinuierlich und stabil ist, daß die Hochdruckgasentladung durch eine Hilfsentladung gezündet und im Bedarfsfalle bei für einen kontinuierlichen Betrieb ungünstigen Entladungsparametern durch eine Hilfsentladung aufrechterhalten wird, und daß die Strömungsgeschwindigkeit kleiner ist als die zehnfache Schallgeschwindigkeit.
2. Edelgas-Halogen-Excimerlaser, mit einer Hochdruckgasentladung von mehr als eintausend Pascal Gasdruck und einer Vorionisierungseinrichtung, wobei die Hochdruckgasentladung von einem Gasgemisch durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckgasentladung kontinuierlich und stabil ist, daß die Hochdruckgasentladung durch eine Hilfsentladung gezündet und im Bedarfsfalle bei für einen kontinuierlichen Betrieb ungünstigen Entladungsparametern durch eine Hilfsentladung aufrechterhalten wird, und daß die Strömungsgeschwindigkeit kleiner ist als die zehnfache Schallgeschwindigkeit.
3. Excimerlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierungseinrichtung eine homogene Startelektronendichte erzeugt, die einer Elektronendichte eines kontinuierlichen Betriebs der Hochdruckgasentladung entspricht, wobei die Vorionisierung mittels ionisierender Strahlung separat oder in Verbindung mit einer Kathodenheizung durchgeführt ist.
4. Excimerlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierung durch Photonen, insbesondere durch Röntgen- oder Gammaquanten, oder Elektronenbestrahlung oder Ionenbestrahlung oder durch eine beliebige Kombination der genannten Strahlungsarten erfolgt.
5. Excimerlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierung bei Bedarf zur Aufrechterhaltung der kontinuierlichen und stabilen Hochdruckgasentladung dient.
6. Excimerlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorionisierungseinrichtung in einem Abstand zur Hochdruckgasentladung befindet, der kleiner oder gleich 1 cm ist.
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