DE4107174C2 - Laseroszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laseroszillator mit:

• - einer Laserkammer, in die ein Lasergas gefüllt ist;
• - einem Hauptpaar von Elektroden, die innerhalb der Laser­ kammer einander gegenüberliegend so angeordnet sind, daß sie einen Laseranregungs-Entladungsbereich bilden;
• - einem Schwingkreis, der an das Elektrodenpaar ange­ schlossen ist und Hochspannung daran anlegt zur Erzeu­ gung einer laserangeregten Entladung und zur Zufuhr von Anregungsenergie zum Laseranregungs-Entladungsbereich zur Erzeugung von Laserschwingungen; und
• - einer Schaltkreiskomponentenkammer zur Aufnahme von Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises.

Ein solcher Laseroszillator ist allgemein bekannt und z. B. in Applied Physics Letter, Band 48, Nr. 23, Seite 1574 (1986) offenbart sowie schematisch in Fig. 4 dargestellt. Dieser herkömmliche Laseroszillator weist eine Laserkammer 81 sowie darin einander gegenüber angeordnete Elektroden 82 und 83 auf. Ein Laseranregungs-Entladungsbereich ist mit der Bezugs­ ziffer 84 gekennzeichnet. Der Laserkammer 81 benachbart ist eine Schaltkreiskomponentenkammer 85 vorgesehen, die mit ei­ nem elektrisch isolierenden Öl gefüllt ist und einen Teil ei­ ner Entladungs-Anregungs-Schaltungsanordnung aufnimmt, um in das Isolieröl eingetaucht einer Laseranregungs-Entladung zu erzeugen. Zwischen der Laserkammer 81 und der Schaltkreiskom­ ponentenkammer 85 ist eine isolierende Trennwand 86 vorgese­ hen. Über eine elektrisch leitfähige Platte 87 wird der zwei­ ten Elektrode 83 eine Hochspannung zugeführt. Zum Auslösen der Anregungs-Entladung wird von einem ersten Kondensator 88 ein Hochspannungsimpuls an die erste und zweite Elektrode 82 und 83 angelegt. Der erste Kondensator 88 wird mittels einer ersten Ladungseinheit oder Ladereihe 89 aufgeladen. Ein zwei­ ter Kondensator 90 liefert Anregungsenergie für die Anre­ gungs-Entladung und ist von einem Dielektrikum 91 gebildet und wird mittels einer zweiten Ladereihe 92 aufgeladen. Die Energie des zweiten Kondensators 90 wird mittels eines magne­ tisch sättigbaren Schalters 93 gespeichert. Die Laserkammer 81 wird mit Gas gefüllt und dann die zweite Ladereihe 92 zur Impulsaufladung des zweiten Kondensators 90 betätigt. Danach wird zur Impulsaufladung des ersten Kondensators 88 die erste Ladereihe 89 betätigt. Da der erste Kondensator 88 mit der ersten und zweiten Elektrode 82 und 83 parallelgeschaltet ist, wird in diesem Zeitpunkt auch die Ladespannung des er­ sten Kondensators 88 an die erste und zweite Elektrode 82 und 83 angelegt. Wenn die Spannung an diesen beiden Elektroden 82 und 83 den Entladungs-Auslösewert erreicht, wird die im er­ sten Kondensator 88 gespeicherte elektrische Ladung über die beiden Elektroden 82 und 83 hinweg entladen und bildet die Laseranregungs-Entladung. Der Laseranregungs-Entladungsbe­ reich 84 ist gleichförmig und für die Laseranregung geeignet, weil er im voraus mit Röntgenstrahlen, ultravioletten Strah­ len und dergleichen vorionisiert wurde. Bei Auslösung der La­ seranregungs-Entladung wird der sättigungsfähige magnetische Schalter 93 geschaltet, damit die im zweiten Kondensator 90 gespeicherte elektrische Ladung rasch in den Laseranregungs- Entladungsbereich gelangen kann, woraufhin die Laserschwin­ gung beginnt.

In einem solchen Laseroszillator ist die Laserkammer 81 mit einem Gas gefüllt, und die Schaltkreiskomponentenkammer 85, die einen Teil der Anregungsschaltung enthält (elektrische Schaltkreiskomponenten) ist wegen der erforderlichen starken Isolierung mit einem elektrisch isolierenden Öl gefüllt. Beim Ansteuern des Laseranregungs-Entladungsbereichs 84 wird der Schalter 93 so geschaltet, daß die im zweiten Kondensator 90 gespeicherte elektrische Ladung in den Laseranregungs-Entla­ dungsbereich strömen kann, um die Laserschwingung in Gang zu setzen.

Da bei dem vorstehend beschriebenen Oszillator die Laser­ kammer 81 mit Gas und die Schaltkreiskomponentenkammer 85 mit einem elektrisch isolierenden Öl gefüllt ist, muß zwischen den beiden Kammern eine elektrisch isolierende Trennwand 86 vorgesehen sein, weil an die zweite Elektrode 83 der beiden Hauptelektroden eine hohe Spannung angelegt werden muß. Bei einem Excimer-Laser, der im Ultraviolettbereich schwingt und bei dem das verwendete Gas korrodierend ist, muß als Isolier­ material Tetrafluorethylen (Teflon = Handelsname), Vinylchlo­ ridharz oder dergleichen verwendet werden.

Bei dem bekannten Laseroszillator mit dem oben beschriebenen Aufbau gelangt das Isolieröl durch die isolierende Trennwand aus Tetrafluorethylen, Vinylchloridharz oder dergleichen hin­ durch und dringt in die Laserkammer ein, worunter das Gas leidet. Wenn die isolierende Trennwand außerdem dem Innen­ druck in der Laserkammer ausgesetzt ist, kann sie nur mit Mühe ihre mechanische Festigkeit beibehalten, vor allem dann, wenn sie aus Tetrafluorethylen oder Vinylchloridharz besteht.

Aus der US 4 348 647 ist ein Laseroszillator bekannt mit einer Laserkammer, in die ein Lasergas gefüllt ist. In der Laserkammer ist ein Hauptpaar von Elektroden einander gegen­ überliegend unter Ausbildung eines Laseranregungs-Entladungs­ bereichs angeordnet. An das Elektrodenpaar ist ein Hoch­ spannungspuls-Schaltkreis angeschlossen, welcher mit einer bestimmten Repetitionsfrequenz getriggert wird. An die Laserkammer schließen sich zwei weitere Kammern an, nämlich eine der Laserkammer unmittelbar benachbarte Vakuumkammer und eine sich daran anschließende Schaltkreiskomponentenkammer. In der mit Öl gefüllten Schaltkreiskomponentenkammer sind Teile des Hochspannungs-Pulsschaltkreises angeordnet. In der Vakuumkammer, welche vorzugsweise auf 10^-5 Torr evakuiert wird, ist eine Elektronenkanone angeordnet. Die von der Elektronenkanone erzeugten Elektronen sollen den Laserprozeß durch Bereitstellung von Primärelektronen unterstützen.

Die Ausbildung eines Vakuums in der der Laserkammer benach­ barten Kammer erhöht jedoch noch die bereits geschilderten Dichtigkeitsprobleme. Die Folge ist ein Abfallen des Drucks in der Laserkammer und möglicherweise eine Verschiebung des Mischungsverhältnisses des für den Laserprozeß notwendigen Gasgemisches. Weiterhin ergeben sich besondere Probleme hin­ sichtlich der mechanischen Festigkeit einer zwischen den bei­ den Kammern angeordneten Trennwand. Die Ausbildung eines Va­ kuums in der der Laserkammer benachbarten Kammer ist daher keine zufriedenstellende Lösung, um ein Eintreten des in der Schaltkreiskammer vorhandenen Isolieröls in die Laserkammer zu verhindern.

In der GB 1 558 988 ist ein Laseroszillator beschrieben, dessen Laserkammer mit Lasergas gefüllt ist und ein Elektro­ denpaar sowie eine Elektronenkanone aufweist zur Zufuhr von Anregungsenergie zum Laseranregungs-Entladungsbereich. Wei­ terhin ist ein Hochspannungspuls-Schaltkreis an dem Elektro­ denpaar angeschlossen, welcher manuell oder automatisch ge­ triggert werden kann. An der Laserkammer schließt sich eine Schaltkreiskomponentenkammer an, welche aus einer einzigen zusammenhängenden Kammer besteht. In dieser Kammer ist eine erste und zweite Zuführungsleitung, welche durch einen Schalter unterbrochen werden kann, angeordnet. In der Schaltkreiskomponentenkammer ist weder ein Isolieröl noch ein elektrisch isolierendes Gas vorgesehen.

Auch aus der US 3 757 246 ist ein Laseroszillator mit einer Laserkammer bekannt. Bei dieser Laserkammer geht es jedoch darum, die Laserkammer derart auszugestalten, daß eine besonders große Ansammlung von Energie zur Erzeugung einer laserangeregten Entladung möglich wird. Dazu ist die La­ serkammer in mehrere Bereiche unterteilt. Eine Schaltkreis­ komponentenkammer zur Aufnahme von Schaltkreiskomponenten oder gar eine etwaige Unterteilung der Schaltkreiskompo­ nentenkammer ist nicht offenbart.

Schließlich ist in der US 4 317 087 ein Laseroszillator mit einer gasgefüllten Laserkammer beschrieben, in der ein Paar von Elektroden gegenüberliegend angeordnet ist. Eine Schalt­ kreiskomponentenkammer ist räumlich getrennt von der Laser­ kammer durch Starkstromkabel mit der Laserkammer verbunden.

Die Schaltkreiskomponentenkammer ist einteilig ausgebildet und beherbergt mindestens teilweise eine von Isolieröl umge­ bene Stromversorgung der Elektroden der Laserkammer. Eine räumliche Trennung der Schaltkreiskomponentenkammer und der Laserkammer verhindert zwar ein Eindringen von Isolieröl in die Laserkammer, ist jedoch zur Bereitstellung sehr hoher und kurzzeitiger Anregungsenergie ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Laseroszillator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Isolieröl nicht ohne weiteres in die Laserkammer eindringen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Durch die Aufteilung der Schaltkreiskomponentenkammer in eine erste, der Laser­ kammer benachbart angeordnete und mit einem elektrisch iso­ lierenden Gas gefüllte Kammer zur Aufnahme mindestens eines Teils der Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises und in eine zweite Kammer, die der ersten Kammer benachbart angeord­ net und mit einem elektrisch isolierenden Öl gefüllt ist und in der weitere Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises auf­ genommen sind, läßt sich ein Eindringen von Isolieröl in die Laserkammer sicher vermeiden. Die oben erwähnten Nachteile treten bei der erfindungsgemäßen Konstruktion nicht mehr auf.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäß ausgebildeten Laseroszillators anhand der beigefügten Zeich­ nung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Laseroszillators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Laseroszillators gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Laseroszillators gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Laseros­ zillator.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäß ausgebildeten Laseroszillators, wobei Teile, die der erfindungsgemäße Laseroszillator mit dem herkömmlichen La­ seroszillator gemäß Fig. 4 gemeinsam hat, mit denselben Be­ zugsziffern gekennzeichnet sind. Dementsprechend umfaßt auch der erfindungsgemäße Laseroszillator eine Laserkammer 81, die mit einem Gas gefüllt ist, und ein Paar Elektroden 82 und 83, die im Abstand voneinander und einander gegenüber so inner­ halb der Laserkammer 81 angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein Laseranregungs-Entladungsbereich 84 begrenzt ist. An das Elektrodenpaar 82, 83 ist ein nicht gezeigter Schwingkreis mit verschiedenen Schaltkreiskomponenten angeschlossen, um eine Hochspannung an die Elektroden anzulegen, damit eine la­ serangeregte Entladung entsteht und Anregungsenergie an den Laseranregungs-Entladungsbereich 84 gelangt, um eine Laser­ schwingung hervorzurufen. Die Laserkammer 81 ist von einem insgesamt becherförmigen Gehäuse 94 und einer isolierenden Trennwand 86 begrenzt, durch die sich die Elektrodenstange hindurcherstreckt.

Ferner gehört zu dem Laseroszillator eine erste Schaltkreis­ komponentenkammer 95, die der Laserkammer 81 benachbart und mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllt ist und min­ destens einige der Schaltkreiskomponenten des hier nicht ge­ zeigten Schwingkreises aufnimmt. Der ersten Schaltkreiskompo­ nentenkammer 95 ist eine zweite Schaltkreiskomponentenkammer 96 benachbart, die mit einem hier nicht gezeigten elektrisch isolierenden Öl gefüllt ist und mindestens einige der Schalt­ kreiskomponenten des Schwingkreises aufnimmt, was noch näher erläutert wird. Die erste Kammer 95 ist an einer Seite der isolierenden Trennwand 86 angeordnet und wird von dieser, ei­ nem ringförmigen Teil 97 und einer zweiten isolierenden Trennwand 98 begrenzt. Die zweite Kammer 96 ist von der zwei­ ten isolierenden Trennwand 98 und einem an der Trennwand 98 befestigten, im wesentlichen becherförmigen Gehäuse 99 be­ grenzt. Die zweite Kammer 96 enthält Kondensatoren 88, magne­ tisch sättigbare Schalter 93 und einen zweiten Kondensator 90, der ein Dielektrikum 91 enthält.

Das Isoliergas, mit dem die erste Kammer 95 gefüllt ist, wird unter Druck gesetzt, um den Druck des Lasergases in der La­ serkammer 81 auszugleichen, so daß die erste isolierende Trennwand 86 aus einem Werkstoff von verhältnismäßig geringer mechanischer Stärke, beispielsweise aus Tetrafluorethylen, Vinylchlorid oder dergleichen bestehen kann. Als isolierendes Gas kann vorzugsweise ein SF₆-Gas benutzt werden, es ist aber auch ein jederzeit verfügbares Gas verwendbar, wie Luft, N₂-Gas usw.

Wenn nur ein elektrisch isolierendes Gas ohne Verwendung von Isolieröl in der Schaltkreiskomponentenkammer benutzt werden soll, muß das Gas auf einen absoluten atmosphärischen Druck im Wert von 3 druckbeaufschlagt werden, und folglich muß das Gebilde der Schaltkreiskomponentenkammer eine äußerst hohe mechanische Festigkeit haben, um dem hohen Druck standzuhal­ ten. Das Isolieröl hat aber auch hervorragende Eigenschaften der Isolierung gegenüber Kriechströmen und in der Kühlung. Die Verwendung von isolierendem Gas allein im Laseroszillator scheint deshalb nicht praktisch.

Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Vorteile des Isolieröls hinsichtlich der hohen Kriechstromisolierung und der guten Kühlung der Schaltkreiskomponenten ohne Beeinträch­ tigung der Isolierung voll genutzt. Das unerwünschte Eindrin­ gen von Isolieröl in die Laserkammer wird außerdem verhin­ dert, das Lasergas wird nicht dadurch beeinträchtigt, daß die erste Schaltkreiskomponentenkammer mit Isoliergas gefüllt ist. Gleichzeitig wird die mechanische Beanspruchung, der die verhältnismäßig schwache isolierende Trennwand ausgesetzt ist, erniedrigt, was die Zuverlässigkeit des Laseroszillators erhöht.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laseros­ zillators gemäß der Erfindung, bei dem eine dritte isolie­ rende Trennwand 100 am Ende des Gehäuses 99 angebracht ist, um den zweiten Kondensator 90 gegenüber Schaltkreiskomponen­ ten, wie den Kondensatoren 88 und den magnetisch sättigbaren Schaltern 93, zu isolieren, die innerhalb der zweiten Schalt­ kreiskomponentenkammer 96 angeordnet sind, womit sich der zweite Kondensator 90 außerhalb der Schaltkreiskomponenten­ kammern 95 und 96 befindet.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Laseros­ zillators gemäß der Erfindung, bei dem die ersten Kondensa­ toren 88, die Bestandteil des Anregungskreises sind, inner­ halb der ersten Schaltkreiskomponentenkammer 95 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung ist der Laseranregungs- Entladungsbereich 84 wegen der reduzierten strukturellen Induktivität zwischen den ersten Kondensatoren 88 und diesem Bereich 84 in vorteilhafter Weise stabil. Wenn gewünscht, kann auch jede beliebige andere Schaltkreiskomponente in der ersten Kammer 95 angebracht werden.

Der zweite Kondensator 90 mit dem Dielektrikum 91 in seinem Inneren kann auch durch einen gewöhnlichen Türknopfkondensa­ tor ähnlich den ersten Kondensatoren 88 ersetzt sein. Außer­ dem können das die Laserkammer 81 begrenzende Gehäuse 94, das hohle rohrförmige Bauteil 97, welches die erste Schaltkreis­ komponentenkammer 95 bildet, sowie das zweite Gehäuse 99, welches die zweite Schaltkreiskomponentenkammer 96 begrenzt, die bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen alle ge­ trennte Bauelemente sind, in einem Stück gestaltet sein und ein einteiliges Bauelement darstellen.

Claims (7)

1. Laseroszillator, mit

• - einer Laserkammer (81), in die ein Lasergas gefüllt ist;
• - einem Hauptpaar von Elektroden (82, 83), die innerhalb der Laserkammer (81) einander gegenüberliegend so ange­ ordnet sind, daß sie einen Laseranregungs-Entladungs­ bereich (84) bilden;
• - einem Schwingkreis, der an das Elektrodenpaar (82, 83) angeschlossen ist und Hochspannung daran anlegt zur Erzeugung einer laserangeregten Entladung und zur Zufuhr von Anregungsenergie zum Laseranregungs-Entladungsbe­ reich (84) zur Erzeugung von Laserschwingungen; und
• - einer Schaltkreiskomponentenkammer zur Aufnahme von Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreiskomponenten­ kammer in eine erste, der Laserkammer (81) benachbart angeordnete und mit einem elektrisch isolierenden Gas gefüllte Kammer (95) zur Aufnahme mindestens eines Teils der Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises und in
• - eine zweite Kammer (96) unterteilt ist, die der ersten Kammer (95) benachbart angeordnet und mit einem elek­ trisch isolierenden Öl gefüllt ist und in der weitere Schaltkreiskomponenten des Schwingkreises aufgenommen sind.

2. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (95) an einer Seite einer isolierenden Trennwand (86) angeordnet und von dieser Trennwand, einem ringförmigen Teil (97) und einer zweiten isolierenden Trennwand (98) begrenzt ist, und daß die zweite Kammer (96) von der zweiten isolierenden Trennwand (98) und einem an dieser befestigten, im wesentlichen becherförmigen Gehäuse (99) umgrenzt ist.

3. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die erste Kammer (95) gefüllte Isoliergas zum Ausgleich des Drucks des Lasergases in der Laserkammer (81) druckbeaufschlagt ist.

4. Laseroszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste isolierende Trennwand (86) aus einem Werk­ stoff hergestellt ist, der aus der im wesentlichen aus Tetrafluorethylen und Vinylchlorid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Kondensatoren (88), die Schaltkreiskomponenten der Anregungsschaltung sind, innerhalb der ersten Kammer (95) angeordnet sind.

6. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses eine dritte isolierende Trennwand (100) angeordnet ist, die einen zweiten Kon­ densator (90), der eine Schaltkreiskomponente des Schwingkreises bildet, von anderen Schaltkreiskomponen­ ten, wie z. B. magnetisch sättigungsfähige Schalter (93) innerhalb der zweiten Kammer (96) isoliert, wodurch sich der zweite Kondensator (90) außerhalb der ersten und zweiten Kammer (95, 96) befindet.

7. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserkammer (81) begrenzende Gehäuse (94) sowie die erste und die zweite Kammer (95, 96) einteilig ausgebildet sind.