DE4108474C2

DE4108474C2 -

Info

Publication number: DE4108474C2
Application number: DE4108474A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dr. 3400 Goettingen De Mueller-Horsche
Original assignee: LAMBDA PHYSIK FORSCHUNGSGESELLSCHAFT MBH 3400 GOETTINGEN DE
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1993-03-25
Also published as: JP3353253B2; DE4108474A1; JPH05102580A; US5247531A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vorionisierung und Hauptentladung eines gepulsten Gaslasers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 03 98 330 A2 bekannt. Dort sind ein Vorionisierungsschaltkreis und ein Hauptentladungsschaltkreis zwar über einen gemeinsamen Schalter schließbar und werden auch über eine gemeinsame Hochspannungsquelle mit Energie gespeist, jedoch ist die Energie des Vorionisierungsschaltkreises in einem Kondensator gespeichert, der getrennt und zusätzlich vom energiespeichernden Kondensator des Hauptentladungsschaltkreises ausgebildet ist. Eine sättigbare Spule dient der zeitlichen Verzögerung zwischen der Erregung der Vorionisierungselektroden in bezug auf die Auslösung der Hauptentladung des gepulsten Gaslasers.

Die JP 60-1 57 280 (A) beschreibt die Verwendung einer stabilisierenden Spule, die zwischen Vorionisierungselektroden und einer Hauptelektrode des Lasers geschaltet ist.

Der Aufsatz von Nakamura, K. et al.: Improvement of a Corona-Preionized TEA-CO₂ Laser by Means of High-Frequency Corona Discharge, in JP-Z.: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29, Nr. 1, Januar 1990 S. 95-100, beschreibt eine HF-Korona-Entladung zur Vorionisierung, die gegenüber dem Hauptentladungskreis eine eigene, getrennte Hochspannungsquelle besitzt.

Gepulste Gaslaser, wie beispielsweise Excimerlaser und CO₂-Laser, können gemäß dem Stand der Technik durch sogenannte transversale gepulste Gasentladungen betrieben werden (TE-Gaslaser). Diese Gasentladung (auch Plasmaentladung oder Hauptentladung genannt) erfolgt senkrecht zur optischen Achse des Lasers. Die für die Hauptentladung erforderliche Energie wird in einem Kondensator gespeichert und bei der Entladung in das Plasma transferiert. Die Plasmaentladung erfolgt üblicherweise in der Laserkammer zwischen parallel zur optischen Achse angeordneten Hauptelektroden.

Die Leistung und auch andere Qualitäten des Lasers hängen u. a. wesentlich von der Homogenität der Plasmaentladung ab. Um die erforderliche Homogenität der Plasmaentladung bei unterschiedlichen Drücken des Arbeitsgases je nach Gasgemisch zu gewährleisten, ist eine sogenannte Vorionisierung vor der Plasmaentladung (Hauptentladung) erforderlich. Die Vorionisierung des Gases im Raum zwischen den Hauptelektroden des Lasers erfolgt insbesondere auch deshalb, um Bogenentladungen zu vermeiden.

Bei einer solchen Vorionisierung wird das Gas im Entladungsraum zwischen den Hauptelektroden zur Vorbereitung der Hauptentla dung ionisiert, d. h. es werden freie Elektronen in dem Gas er zeugt. Typischerweise werden bei einer solchen Vorionisierung relativ geringe Elektronenkonzentrationen (z. B. 10⁷ Elektro nen/cm³) im Entladungsraum erzeugt. Bei der gegenüber der Vor ionisierung zeitlich verzögert einsetzenden Hauptentladung wird dann die während der Vorionisierung erzeugte geringe Anfangs konzentration an freien Ladungen in kurzer Zeit über sog. Avalanche-Prozesse vervielfacht und es werden durch Ionisie rungsprozesse im Lasergas Elektronenkonzentrationen von 10¹⁴ bis 10¹⁵ Elektronen/cm³ erreicht.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren für die Vorionisierung bekannt. Üblicherweise wird Ultraviolett-Strah lung verwendet, welche z. B. durch Funkenstrecken oder durch Koronaentladungen gewonnen wird.

Funken-Vorionisierungseinrichtungen sind mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden, insbesondere sind eine Viel zahl von isolierten Hochspannungsdurchführungen gasdicht in die Laserkammer beidseitig entlang den Hauptelektroden einzubringen und zum anderen haben Funken-Vorionisierungssysteme auch den Nachteil, daß durch Erosionsprozesse in den heißen Funkenplas men Gasverunreinigungen auftreten, welche die Laserleistung und insbesondere die Lebensdauer des Lasers beeinträchtigen.

Funken-Vorionisierungssysteme bewirken im allgemeinen eine höhere Elektronendichte im Entladungsgas als Korona-Vorionisie rungseinrichtungen. Aber auch mit Korona-Vorionisierungsein richtungen kann eine für einen gepulsten Gaslaser ausreichende und gute homogene Glimmentladung erreicht werden, insbesondere bei XeCl-Excimerlasern und bei CO₂-Lasern.

Bei der Korona-Vorionisierungseinrichtung wird ultraviolettes Licht erzeugt in einer Gasentladung zwischen einem Metall und einem Dielektrikum. Diese ultraviolette Strahlung erzeugt dann im Gas des Entladungsraumes die oben erwähnte schwache Ionisie rung, d. h. die genannte Erzeugung von freien Elektronen. Im An schluß an diese Vorionisierung kann dann eine homogene Gasent ladung zwischen den Hauptelektroden des Lasers ausgelöst wer den.

Bei einer Korona-Vorionisierungseinrichtung verhindert das Dielektrikum die Entstehung von Funkenkanälen zu den Vorionisierungselektroden (welche von den Hauptelektroden zu unterscheiden sind, wie dem Fachmann geläufig ist). Während der Vorionisierung wird lediglich die aus den Vorionisierungselektroden und dem Dielektrikum gebildete elektrische Kapazität aufgeladen. Trotz relativ geringer Ströme kommt es dabei zu einer intensiven Emission von UV-Licht (Ernst, G. J., Boer, A. G.: Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO₂ Laser, in NL-Z: Opt. Commun. Vol. 27, Nr. 1, Oktober 1978, S. 105-110; Hasson, U., Bergmann, von H. M.: Ultraminiature high-power gas discharge lasers, in US-Z.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 50, Nr. 1 Januar 1979, S. 59-63).

Bei einer derartigen Verwendung von Dielektrika bei der Korona-Vorionisierung werden Funken wirksam unterdrückt und damit auch die durch Funken bedingten Nachteile, insbesondere Erosionsprozesse an den Elektroden sowie Gasverschmutzungen.

Der Stand der Technik von Korona-Vorionisierungseinrichtungen kennt im wesentlichen zwei Arten der elektrischen Schaltung der Korona-Elektrode: Entweder, die Korona-Elektrode wird mit einem separaten Hochspannungsschaltkreis versorgt, d. h. die Korona-Elektrode hat eine eigene, von den Hauptelektroden unabhängige Hochspannungsquelle, oder die Korona-Elektrode wird in einfacher Weise direkt mit dem elektrischen Potential der Gegen-Hauptelektrode verbunden. Dieser Stand der Technik soll nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert werden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen einer Korona-Vorionisierungseinrichtung, bei der die Korona-Elektrode mit dem Potential der Gegen-Hauptelektrode verbunden ist (Marchetti, R., et. al.: A new type of corona-discharge photoionization source for gas lasers, in US-Z.: J. Appl. Phys., Vol. 56, Nr. 11, Dezember 1984, S. 3163-3168).

In bekannter Weise sind zwei Hauptelektroden 10, 10′ einander gegenüberliegend in der Laserkammer angeordnet. Benachbart der einen Hauptelektrode 10 sind Vorionisierungselektroden 12, 12′. Jede der Vorionisierungselektroden 12, 12′ ist jeweils mit einem rohrförmigen Dielektrikum (z. B. Keramik) 14, 14′ umgeben. Eine als solche bekannte Hochspannungsquelle ist mit dem Bezugszei chen 16 angedeutet. Die Hochspannungsquelle 16 lädt einen Speicherkondensator 18 auf. Über ein Thyratron 20 wird die Gas entladung in bekannter Weise geschaltet. Hierzu ist in bekann ter Weise eine Umladeinduktivität 22 (Spule) vorgesehen und Entladekondensatoren C₁, C₂ sind parallel zur zwischen den Hauptelektroden 10, 10′ erfolgenden Hauptentladung geschaltet.

Gemäß Fig. 2 sind die benachbart der einen Hauptelektrode 10 angeordneten Vorionisierungselektroden 12, 12′ mit dem Poten tial der Gegen-Hauptelektrode 10′ verbunden, d. h. die Vorioni sierungselektroden 12, 12′ haben das Potential der Gegen-Haupt elektrode 10′ und aufgrund ihres geringeren Abstandes zur einen Hauptelektrode 10 entsteht zwischen der einen Hauptelektrode 10 und den Vorionisierungselektroden 12, 12′ eine sehr hohe Feldstärke, welche eine Koronaentladung auf den dielektrischen Röhrchen 14, 14′ erzeugt. Die Koronaentladung wiederum emit tiert UV-Strahlung, welche das Gas zwischen den Hauptelektroden 10, 10′ vorionisiert.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2, wobei nunmehr zwei Vorionisierungselektroden 12, 12′ nahe der unteren Hauptelektrode 10′ angeordnet, aber mit dem Potential der Gegen-Hauptelektrode 10 verbunden sind, so daß die eine Vorionisierung bewirkende Koronaentladung nahe der in den Figuren unten gezeichneten Hauptelektrode 10′ brennt.

In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit glei chen Bezugszeichen versehen. In den Fig. 3 und 4 sind die Hoch spannungsquelle 16, der Speicherkondensator 18, das Thyratron 20 und der Widerstand R₁ der Einfachheit halber nicht gezeich net.

Eine Korona-Vorionisierungseinrichtung gemäß den Fig. 2 und 3 hat den Nachteil, daß Defekte im Dielektrikum (z. B. kleine Löcher und Risse) zu elektrischen Durchschlägen (zwischen der Vorionisierungselektrode und der benachbarten Hauptelektrode) führen können, bei denen die Energie der Hauptentladung ver braucht und das Dielektrikum 14, 14′ zerstört werden kann. Ein solcher Verbrauch der Energie der Hauptentladung oder eine Zerstörung des Korona-Dielektrikums können zwar durch eine kapazitive Strombegrenzung mittels der Kondensatoren C₃, C₄ verhindert werden, jedoch führt eine solche kapazitive Span nungsteilung auch zu einem Verlust an Wirkungsgrad beim Trans fer von elektrischer Energie in die Koronaentladung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Vorionisierung und Hauptentladung eines gepulsten Gaslasers zu schaffen, bei der der Spannungsverlauf bzw. die relative Ver zögerung zwischen Vor- und Hauptentladungspuls eingestellt und für ein gegebenes System optimiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan spruch 1 gekennzeichnet.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Die erfindungsgemäße elektrische Ansteuerung der Vorionisie rungselektroden (in einer einfachen Abwandlung der Erfindung kann auch eine einzige Vorionisierungselektrode vorgesehen sein) macht es in einfacher Weise möglich, die Vorionisierungs elektroden kurze Zeit vor Anlegen des Hochspannungspulses an die Hauptelektroden so (gegenüber den Hauptelektroden) unter Spannung zu setzen, daß mittels einer Koronaentladung eine gute Vorionisierung erreicht wird. Während der Aufladung der Ent ladekondensatoren C₁, C₂ tritt nämlich eine relativ große Stromänderung auf und durch Anschluß der Vorionisierungselek trode an eine "Zwischenstelle" der Gesamt-Induktivität kommt es zu einem sehr schnell einsetzenden Potentialunterschied zwi schen den Vorionisierungselektroden und der Hauptelektrode und damit zu einer entsprechend intensiven Koronaentladung.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Fig. 1 näher beschrieben.

In der Fig. 1 sind diejenigen Bauelemente, welche denen gemäß den Fig. 2 bis 4 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen verse hen. Es sind also benachbart von Hauptelektroden 10, 10′ je weils Vorionisierungselektroden 12, 12′ angeordnet, wobei der Abstand der Vorionisierungselektroden 12, 12′ zu einer der Hauptelektroden geringer ist als zu der anderen Hauptelektrode. Gemäß der Fig. 1 sind die Vorionisierungselektroden näher an der oberen Hauptelektrode 10 als an der unteren Hauptelektrode 10′. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispieles kann auch eine einzige Vorionisierungselektrode 12 vorgesehen sein, jedoch wird die symmetrische Anordnung gemäß den Figuren vorgezogen.

Jede der Vorionisierungselektroden 12, 12′ ist jeweils mit einem rohrförmigen Dielektrikum 14, 14′ umgeben. Auf der Außenfläche des Dielektrikums brennt die Koronaentladung.

Eine als solche bekannte Hochspannungsquelle zur Erzeugung von Hochspannungspulsen ist mit dem Bezugszeichen 16 angedeutet. Das oben bereits beschriebene Thyratron 20, der Speicherkonden sator 18 und die Umladeinduktivität 22 sind weggelassen, um die Darstellung auf das Erfindungswesentliche zu konzentrieren.

Wesentlich ist die Anordnung einer Induktivität (Spule) 30a, 30b im Vorionisierungs- und Hauptentladungsschaltkreis sowie die Anordnung der Leitung 32, mit der die Vorionisierungselek troden 12, 12′ unter Spannung gesetzt werden.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erzeugt die Hochspan nungsquelle 16 Hochspannungspulse, mit denen die Entladekon densatoren C₁, C₂ sukzessive aufgeladen werden. Während der Aufladung der Entladekondensatoren C₁, C₂ treten an der Induk tivität 30 große Stromänderungen und entsprechende Spannungsab fälle auf. Erfindungsgemäß werden die Vorionisierungselektroden 12, 12′ über eine Leitung 32 mit Spannung versorgt, die in Laderichtung der Hochspannungspulse vor der Teilinduktivität 30b und nach der Teilinduktivität 30a das Potential abgreift. Durch diesen Spannungsabgriff 30 kommt es zu einem sehr schnell einsetzenden Potentialunterschied zwischen den Vorionisierungselektroden 12, 12′ und der zu ihnen benachbart angeordneten Hauptelektrode 10 und entsprechend entsteht eine Koronaentladung auf den die Vorionisierungselektroden 12, 12′ umgebenden Dielektrika 14, 14′. Zeitlich fällt die so erzeugte Koronaentladung mit dem Spannungsanstieg zwischen den Hauptelektroden 10, 10′ zusammen. Dabei wird die Induktivität so bemessen, daß die zeitliche Verzögerung zwischen dem Einsetzen der Koronaentladung und der Hauptentladung eine maximale Laserleistung ergibt. Für ein gegebenes Lasersystem hängt die Bemessung der Kapazitäten und insbesondere der Induktivität von den gegebenen Leitungsanordnungen und den damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten ab und muß für den besonderen Einzelfall experimentell ermittelt werden. Für eine Vielzahl von Excimer-Lasergasmischungen hat sich die zeitliche Verzögerung zwischen Vorionisierung mittels Koronaentladung und anschließender Hauptentladung als optimal zur Erzielung einer hohen Laserleistung und langen Laserlebensdauer erwiesen. Besondere Synchronisationsschaltungen sind nicht erforderlich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine Vorionisierung liegt darin, daß mit zunehmender Auf ladung der Entladekondensatoren C₁, C₂ sich die Potentialdif ferenz zwischen den Vorionisierungselektroden und der zugeord neten Hauptelektrode reduziert. Der zwischen diesen Elektroden herrschende Spannungspuls ist zeitlich deshalb relativ kurz, so daß die Gefahr eines Durchschlags durch das Dielektrikum be trächtlich verringert ist. Als Dielektrikum haben sich insbe sondere Al₂O₃-Keramik oder Saphir bewährt.

Die Leitung 32, welche die Spannung an die Vorionisierungselektroden 12, 12′ legt, greift zwischen den beiden Induktivitäten 30a, 30b die Spannung ab. Durch geeignete Variation der Induktivitäten 30a, 30b kann experimentell der Spannungsverlauf zwischen den Vorionisierungselektroden und der Hauptelektrode eingestellt und für ein gegebenes System optimiert werden.

Die vorstehend beschriebene, baulich und schaltungstechnisch sehr einfache Anordnung hat sich bei einer Vielzahl von Excimer-Lasergasmischungen bewährt, insbesondere konnten mit XeCl- und KrF-Lasergasmischungen homogene Glimmentladungen bis zu sehr hohen Pulswiederholraten von 200 Hz realisiert werden. Die Effizienz der emittierten Laserstrahlung war genau so hoch wie bei Verwendung einer wesentlich aufwendigeren Funken-Vorionisierung. Die erfindungsgemäße Vorionisierungsvorrichtung erfordert nur vier Hochspannungsdurchführungen in die Laserkammer.

Claims

1. Vorrichtung zur Vorionisierung und Hauptentladung eines gepulsten Gaslasers mit Vorionisierungselektroden (12, 12′), die jeweils benachbart zugeordneten Hauptelektroden (10, 10′) angeordnet sind, um bei Erregung mittels Hochspannung ultra violette Strahlung zu erzeugen, die zeitlich vor einer Haupt entladung zwischen den Hauptelektroden (10, 10′) die Vorioni sierung des Gases bewirkt, mit einer einzigen, sowohl einen Vorionisierungskreis (18, 32, 12, 12′, 14, 14′, 10; 18, 30a, 32, 12, 12′, 14, 14′, 10) als auch einen Hauptentladungskreis (18, 30, 10, 10′) speisenden Hochspannungsquelle (16), einem sowohl den Hauptentladungskreis als auch den Vorionisierungs kreis schließenden Schaltelement (20), und zumindest einer Induktivität (30, 30a, 30b), mit der die zeitliche Verzögerung zwischen der Erregung der Vorionisierungselektroden (12, 12′) und der Auslösung der Hauptentladung zwischen den Hauptelektro den (10, 10′) eingestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (32), welche eine Spannung an die Vorionisierungselektroden (12, 12′) legt, zwischen zwei Teilinduktivitäten (30a, 30b) einer Gesamtinduktivität die Spannung abgreift.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisie rungselektroden (12, 12′) Koronaelektroden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koronaelek troden von einem rohrförmigen Dielektrikum (14, 14′) umgeben sind.