DE4315973A1

DE4315973A1 - Kurzimpuls-Multigas-Laser

Info

Publication number: DE4315973A1
Application number: DE19934315973
Authority: DE
Inventors: Rustem Dr Osmanow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-08
Filing date: 1993-05-08
Publication date: 1994-11-10

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurzimpuls-Multigas-Laser, der im Gegensatz zu schon bekannten Typen einen besonders kurzen Impuls (von 0,7 bis 3 ns) hat. Somit kann er in der Medizin, der Materialbearbeitung, für die Steuerung fotochemischer Reaktionen, in der Analytik und Isotopentrennung, für die Laserlithographie, vor allem für die Spektroskopie, einge setzt werden.

Multigas-Laser sind für den Einsatz mit verschiedenen Edel gashalogenidmischungen (ArF 193 nm, KrF 248 nm, XeCl 308 nm, XeF 351 nm usw.) sowie für den Betrieb mit anderen Gasen (N₂ 337 nm, Xe 1730 nm, CO₂ 10600 nm) geeignet. Dieser Im pulslaser gehört zum TEA (transversal elektrisch angeregten) -Typ, bei dem die Inversionsbesetzung durch die elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden senkrecht zur optischen Achse des Resonators erzielt wird. Die homogene Entladung gelingt mittels Funkenvorionisation.

Während der Arbeit des Lasers mit Edelgashalogenidmischun gen wird der Auswahl der Materialien, die mit dem aktiven Medium in Verbindung stehen, besondere Aufmerksamkeit ge widmet. Sie sind entscheidend für die Lebensdauer des La sers ohne Austausch des aktiven Mediums und die Stabilität der Energie von Impuls zu Impuls. Das Vorratsgefäß wird aus Aluminiumlegierungen oder Edelstahl hergestellt. Die Elek troden eines bestimmten Profils bestehen aus massivem Nic kel. Als Kathodenisolator wird Polyvinylidenfluorid - PVDF - oder Al₂O₃-Keramik benutzt. So wie PVDF unter Einfluß der UV-Strahlung, welche in der Entladung auftritt, dissoziiert, bildet sich HF und CF₄ (Laser Focus World 25, 1, 1989, 9). Deshalb werden Resultate bei Nutzung des Isometers aus Al₂O₃-Keramik (Erhöhung der Lebensdauer des ArF-Gemischs um das 10fache) erreicht. Außerdem stellt man sich den geometrischen Isolator so vor, daß die UV-Bestrahlung seiner Oberfläche minimal ist.

Der Multigas-Laser ist ein Impulsgaslaser für Gasdrücke 1 bar mit internem oder externem optischem Resonator, der innerhalb eines rohr- oder kastenförmigen Vorrats gefäßes ein langgestrecktes Entladungsvolumen zwischen den Elektroden und einem Lüfter zur Gasumwälzung aufweist, wo bei innerhalb des Vorratsgefäßes auf einem dieses vakuum- und druckdicht verschließenden Deckel eine Elektrode oder eine Metallplatte mit angebrachter Elektrode und eine in tegrierte Vorionisationsfunkenanordnung mittig auf einem Hochspannungsisolator und im Abstand dazu eine Gegenelek trode angeordnet sind, wobei mittels mindestens eines Ble ches der Gasstrom geführt wird.

Dieses Strömungsblech ist beiderseits der Elektroden und Gegenelektroden wieder so geformt, daß es über die Befe stigung an einem metallischen Wandstück den niederinduk tiven Anschluß zu den außerhalb der Laserkammer befindli chen Kondensatoren des Laserentladungskreises herstellt und für den Betrieb mit erhöhter Polgefrequenz der Laser entladungen zwecks schnellen Gasaustauschs mit mindestens einer Öffnung beiderseits der Elektrode versehen ist.

Zum Erhalt eines kurzen Laserimpulses muß man die Grund lagen für eine schnelle elektrische Entladung im aktiven Medium schaffen (Kvantovaja Elektronika 8, (10), 1981, 2271). Dies gelingt auf zwei Wegen: 1. durch die Nutzung der getrennten Stromversorgung; 2. durch die Schaffung einer speziellen Geometrie der Entladungskontur, "Topf kreis", welche eine niedrige Eigeninduktivität hat.

Im Schema mit getrennter Stromversorgung ist die Aufla dungsbatterie, bestehend aus einigen Kondensatoren, so gebaut, daß auf jeden Vorionisationsstift eine bestimmte Kapazität kommt: C_n = C/n, wobei C die allgemeine Kapazität der Aufladungsbatterie und n die Anzahl der Vorionisati onsstifte darstellt. Die Aufladung jeder Kapazität C_n wird über eine getrennte Induktivität L_n erreicht. Der Vorteil dieses Stromversorgungssystems besteht darin, daß die Ent ladungszeit t=RC (R - Widerstand der Entladungskontur, C - Kapazität der Aufladungsbatterie) in diesem Fall um C/n mal kürzer sein wird.

Zur Schaffung des Niederinduktionskreises vom Typ "Topfkreis" existieren solche geometrischen Parameter der Entladungskon tur, daß eine schnelle Entladung der Aufladungsbatterie ge währleistet wird.

Zu diesem Zweck ist die Kathode des Thyratrons mit minimalem Abstand zur Anode angelegt. Die Anode des Thyratrons hinge gen wird an die Kondensatoren der Aufladungsbatterie C über ein kurzes Kupferblech angeschlossen. Dessen Fläche ist fast identisch mit der Anodenfläche des Thyratrons.

Um die Hochspannungsfestigkeit zu erhöhen, wird die Hoch spannung auf der Anode des Thyratrons und der Aufladungs batterie C nur für eine kurze Zeit (ca. 50 Mikrosekunden) mittels Hochspannungsnetzteil geschaffen (P 41007190).

Der Resonator des Lasers besteht aus einem Aluminium- oder dielektrischen Spiegel auf dem Substrat MgF₂ oder CaF₂ mit einer Reflexion von mehr als 90% und einem Austrittsfenster aus MgF₂ oder CaF₂. In einigen Fällen wird ein Austritts spiegel mit einer Reflexion von 20 bis 25% benutzt. Die Länge des Resonators liegt zwischen 17 und 30 cm.

Um nicht nur eine Energieerhöhung des Laserimpulses durch die Aufladungsbatterie mit Zwischenelektroden zu erreichen, wird der Kondensator Cp eingeschaltet. Er ist symmetrisch von beiden Kathodenseiten von außen am Isolator angeschlos sen.

Zur Verringerung der Eigeninduktivität wird der Kondensator Cp in einem Block hergestellt. Dafür ist auf die Keramik Al₂O₃ (99,99% Reinheit, ε≃9) mit einer Stärke von 0,5 bis 1,0 mm von beiden Seiten eine Molybdenschicht aufgetragen, die anschließend vernickelt wird. Daran ist eine Kupferfo lie gelötet. Zur Ausschaltung der Oberflächenentladung ver fügen die Elektroden des Kondensators über geringere Ausma ße als die Platte der Keramik. Desweiteren wird der gesamte Kondensator mit speziellem Gießharz übergossen. Die Kapazi tät des Kondensators Cp beträgt 10 bis 40% der Kapazität der Aufladungsbatterie C.

Analoge Ergebnisse erhält man bei Aufteilung des Kondensa tors Cp in n-Teile. Der Aufladungskondensator C ist aus niederinduktiven keramischen Kondensatoren zusammengesetzt und auf der Rückseite der Kathode angeordnet.

Die Elektroden werden aus Nickel hergestellt. Die Anode besitzt halbrundes Profil mit einem Radius von 10 cm. Die Kathode weist einen Radius von 3 bis 5 mm auf. Bei einer Elektrodenentfernung von 10 bis 12 mm verfügt der Strahl querschnitt über die Ausmaße 2-4 × 10-12 mm².

Der gebaute Multigaslaser erzeugt unter Nutzung:

1. der Entladungskontur vom Typ "Topfkreis",
2. der getrennten Stromversorgung,
3. des Resonators mit unterschiedlicher Reflexion des Austrittsspiegels und
4. des Kondensators Cp von 0 bis 40% der Aufladungsbatterie C die Laserimpulse mit einer Länge von 0,7 bis 3 ns Halbwertsbreite und einer Energie von 0,8 bis 7 mJ bei einem Volumen des aktiven Me diums von 3 bis 10 cm³.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den erfindungsgemäßen Aufbau eines Impulsgaslaser-Kopfes. Der erfindungsgemäße Impulsgaslaser setzt sich in den Grundbestandteilen aus einem Vorratsgefäß 1 mit einem vakuum- und druckdichten Deckel zusammen, der einen Hochspannungsisolator 2 und eine mittig angeordnete Elektrode 3 mit einer integrierten Vorionisationsanordnung 4 und 5 enthält sowie einer der Elektrode 3 gegenüberlie genden Gegenelektrode 6.

Auf die Leiste 7 ist ein Blech 8 gleich mitmontiert, das die Lenkung der Gasströmung durch einen Kühler 9 und Tan gentiallüfter 10 gewährleistet. Da die Gasumwälzung nahe zu im Kreis geführt ist, wird ein geringer Strömungswider stand erreicht. Das ermöglicht eine hohe Impulsfolgefre quenz. Die Elektrode 3 wird über nicht dargestellte Schraubverbindungen von außen befestigt. Diese die Gas füllung nicht verunreinigenden Schraubenverbindungen die nen außerdem zur Befestigung des Vorionisationsbleches 5.

Das niederinduktive Thyratron 11 wird parallel und im ge ringst möglichen Abstand zur Kathodenplatte 12 angeordnet. Die Kondensatoren der Aufladungsbatterie C_n sind am Ano denblech des Thyratrons und den Vorionisationsstiften be festigt (Fig. 1) oder der Kathodenelektrode (Fig. 2).

Die Kondensatoren Cp finden am Isolator 2 beidseits der Kathodenplatte 12 Platz. Das Anodenblech des Thyratrons ist mit dielektrischer Folie bedeckt, um ein Durchschla gen auf die Kathodenplatte 12 zu verhindern.

Claims

1. Kurzimpuls-Multigas-Laser mit Funkenvorionisationsan ordnung und mit einem tangentialen Lüfter innerhalb sowie mit Kondensatoren und Thyratron des Entladungskreises außerhalb eines rohr- oder kastenförmigen Vorratsgefäßes dadurch gekennzeichnet,

- daß an der Gegenelektrode (5) Mittel zur Lenkung der Gasströmung über die Elektroden (5, 6) durch mindestens einen Kühler (10) und den Lüfter (1) vorgesehen sind, so daß die Gasumwälzung bei minimalem Strömungswiderstand nahezu im Kreis geführt wird, wobei ein mit der Gegen elektrode (5) verbundenes und Öffnungen aufweisendes Strö mungsleitblech (4) beiderseits des langgestreckten Entla dungsvolumens so geformt ist, daß es über eine Randbefe stigung an den oberen Wandstücken des Vorratsgefäßes (9) den niederinduktiven Anschluß zu den außerhalb des Vor ratsgefäßes (9) befindlichen Kondensatoren (8) herstellt,
- daß die Kathodenelektrode (3) im Querschnitt konusför mig und leicht abgerundet ist. Infolgedessen hat die Ver teilungsfunktion des Potentials eine Form, durch welche die Vorionisationsstifte in Kathodennähe angebracht wer den können.

2. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Thy ratron in minimaler Entfernung von der Kathode parallel zur Kathodenplatte (12) angeordnet und so mit den Kondensatoren verbunden ist, daß die Induktivität der Entladungskontur, nach dem "Topfkreis"-Typ gebaut, eine schnelle elektrische Entladung im aktiven Medium ermöglicht.

3. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Schema der getrennten Stromversorgung benutzt wird, in dem die Aufladungsbatterie aus einzelnen Kondensatoren besteht, die unabhängig voneinander an die Vorionisationsstifte angeschlossen und über getrennte Induktivitäten aufgela den sind. Deshalb ist es möglich, unter Beibehaltung der gespeicherten Energie die Entladungszeit um das n-fache (n - Zahl der Vorionisationsstifte) zu verringern.

4. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß die Hoch spannung auf der Anode des Thyratrons und der Aufla dungsbatterie C für eine sehr kurze Zeit (ca. 50 Mikro sekunden) zwecks Erhöhung der Hochspannungsfestigkeit mittels speziellem Hochspannungsimpulsgenerator geschaf fen wird.

5. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Schema mit getrennter Stromversorgung benutzt wird, in dem die Aufladungsbatterie aus niederinduktiven keramischen Kon densatoren besteht. Die Umladungskondensatoren hingegen sind unabhängig zu den Vorionisationsstiften angeordnet.

6. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Konden satoren Cp, die mit Silikonkautschuk begossen werden, aus Al₂O₃-Keramik mit Elektroden hergestellt sind, die sich in ihrer ganzen Länge verbinden können. Deshalb erhält man minimale Eigeninduktivität des Kondensators und mi nimale Induktivität seines Anschlusses.

7. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zum Erhalt eines kurzen Laserimpulses ein Resonator benutzt wird von nicht mehr als 30 cm Länge, bestehend aus 98% Spie gel und Fenster mit 20 bis 25% Reflexion.

8. Kurzimpuls-Multigas-Laser nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß ein zweites an der Leiste (2) befestigtes Blech (11) die Lenkung der Gasströmung durch den Kühler (10) und den Lüfter (1) ge währleistet oder daß die Lenkung der Gasströmung durch den Kühler (10) und Lüfter (1) aufgrund des Profils der Leiste (2) erfolgt.