DE4400345A1 - Vorrichtung für die Reinigung von Lasergas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Reinigung von Lasergas eines Gasentladungslasers.

Gasentladungslaser, insbesondere sogenannte Excimerlaser (einschließlich Exciplexlaser) weisen eine mit Lasergas gefüllte Laserkammer auf, in der zwei Elektroden üblicherweise parallel zur optischen Achse eines Laser-Resonators angeordnet sind. Diese Elektroden dienen der sogenannten Hauptentladung des Lasers. Zwischen ihnen wird also die Gasentladung gezündet. Um eine effektive Anregung des Lasergases für die Gasentladung zu erreichen, wird dieses vor dem Einsetzen der Hauptladung einer Vorionisierung unterworfen. Auch die Vorionisierung wird häufig mittels gesonderter Elektroden durchgeführt, zwischen denen ein Funke gezündet wird.

Arbeitsgasmischungen für Excimerlaser (genauer: Exciplexlaser) enthalten neben Edelgasen auch eine Halogenkomponente oder einen Hologendonor, wie F₂, NF₃, HCl etc. Bei einem Gesamtdruck von 1,5 bis 10 bar beträgt die Halogenkonzentration 0,1 bis 0,5%. Diese Gasmischung wird zwischen die zwei langgestreckten parallelen Hauptentladungselektroden gebracht und die Hochspan­ nungsentladung ausgesetzt. Um Laserimpulse hoher Energie zu erzeugen, sind bei der Hochspannungsentladung sehr hohe Strom­ dichten von typischerweise 10³ A/cm², Leistungsdichten von 10⁶ W/cm³ und thermischen Elektronenenergien im Bereich von 1 eV erforderlich. Die gesamte Entladungseinheit unterliegt daher einer sehr starken Beanspruchung.

Die Abtragung von Elektrodenmaterial während des Betriebs wird üblicherweise als "Elektrodenabbrand" bezeichnet. Die physikali­ schen und chemischen Ursachen des Elektrodenabbrandes sind vielfältig und zum Teil auch noch nicht vollständig verstanden. Insbesondere treten, je nach Art des Lasergases und der Entla­ dung, Zerstäubungserscheinungen ("sputtern") und auch chemische Reaktionen auf, die durch das Entladungsplasma verursacht sind.

Die vom Elektrodenabbrand herrührenden Produkte können sowohl in Form von Partikeln als auch als flüchtige Metallhalogenide auftreten. Die Partikel führen zu Staubablagerungen, was insbesondere im Bereich der Laseroptik unerwünscht ist. Flüchti­ ge Metallhalogenide können aufgrund von durch die Laserstrah­ lung selbst erzeugten photochemischen Prozessen zu Metallfilmen auf den optischen Komponenten des Lasers führen, was ebenfalls die Funktion des Lasers stark beeinträchtigt.

Zur Entfernung von das Lasergas verunreinigenden Teilchen hat man im Stand der Technik bereits sogenannte elektrostatische Staubabscheider eingesetzt.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Vorrichtung für die Reinigung von Lasergas zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, nachträglich ohne größeren Aufwand an einem Laser installierbar ist und schädliche Teilchen wirksam aus dem Lasergas entfernt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Magnetfeld so angeordnet wird, daß es das Lasergas durchsetzt, so daß magnetische und/oder magnetisierbare Teilchen aus dem Lasergas entfernt werden. Die Teilchen werden im Magnetfeld aufgrund der wirkenden Kräfte (bei Inhomogenität des Feldes) bewegt und können an den Enden der Kammer oder auch in geson­ dert hierfür vorgesehenen Fallen gesammelt werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß sich das Lasergas mit den zu entfernenden Teilchen relativ zum Magnetfeld bewegt, so daß der Durchsatz des zu reinigenden Gases durch das Magnetfeld und damit auch die Ausbeute an zu entfernenden Teilchen erhöht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß mehrere Magnete ringförmig um das Lasergas herum ohne Gasberührung angeordnet sind. Die Ringform braucht dabei nicht notwendig kreisförmig zu sein. Es sind auch rechteckige Anordnun­ gen der Magnete oder andere Gestaltungen denkbar.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Magnetfeld zwischen der Gasentladung und einem Fenster oder Spiegel des Lasers erzeugt wird. Besonders gegen Teilchen-Ablagerungen zu schützen sind nämlich die Front- und Rückspiegel des Lasers, falls diese direkt dem Lasergas ausgesetzt sind und Fenster, falls der Resonator extern montiert ist. Ist die Laserkammer, in deren Innerem das Lasergas angeordnet ist (z. B. zirkulierend), durch Fenster begrenzt (wobei dann die Front- und Rückspiegel außerhalb der Fenster angeordnet sind), so wird das Magnetfeld bevorzugt zwischen dem Gasentladungsbereich und dem Fenster erzeugt.

Die beiden vorstehend beschriebenen Varianten der Erfindung haben den Vorteil, daß die im Bereich der Gasentladung entste­ henden magnetischen bzw. magnetisierbaren Teilchen direkt nach ihrer Entstehung auf dem Weg zum Fenster bzw. Spiegel abgefan­ gen werden können.

Die erfindungsgemäße Reinigung des Lasergases beruht auf der Erkenntnis, daß bei einer Vielzahl von Elektrodenmaterialien die durch Abbrand entstehenden Teilchen magnetische Eigenschaf­ ten haben, aufgrund derer sie im Magnetfeld eine Kraft erfah­ ren, so daß sie aus dem Lasergas entfernbar sind. Dies gilt insbesondere für Elektroden, die Nickel oder Nickelverbindungen enthalten.

Zur Erzeugung des Magnetfeldes kommen Permanentmagnete oder auch Elektromagnete in Betracht. Die Magnete können in einfa­ cher Weise außerhalb der Laserkammer und auch eventuell gegebe­ ner Leitungen, in denen das Lasergas strömt, angeordnet werden, da das erzeugte Magnetfeld durch die Wandung hindurch in den Raum eintritt, in dem das Lasergas enthalten ist. Insbesondere durch Keramik-, Kunststoff- und Aluminiumwände tritt das Magnetfeld hindurch.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Gasentladungslaser mit Vor­ richtungen zum Reinigen des Lasergases und

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 entlang der Linie I-II.

Gemäß Fig. 1 wird in bekannter Weise in der Kammer 10 eines Excimerlasers zwischen zwei Elektroden 12, 14 eine Gasentladung 16 gezündet. Aufgrund der Gasentladung entstehen in der Kammer Teilchen, unter anderem auch solche, die aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften in einem Magnetfeld eine Kraft erfahren. Die Teilchen können z. B. durch sogenanntes Sputtern (Zerstäuben) im Wege des sogenannten Elektrodenabbrandes von den Elektroden 12, 14 abgetragen worden sein. Beim in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das Lasergas kontinuier­ lich durch ein Rohr 18 entsprechend dem Pfeil 20. Das Rohr weist eine Verzweigung 22 auf, der eine Pumpe 24 nachgeschaltet ist. Das Lasergas wird mittels der Pumpe 24 in Bezug auf die Laserkammer 10 zirkuliert, was durch den Pfeil 26 in Fig. 1 angedeutet ist.

Am Strömungsweg des Lasergases durch das Rohr 18 sind Ringe 28, 30 angeordnet, mit denen Magnetfelder im Inneren des Rohres 18 erzeugt werden. Das Rohr 18 ist also aus einem Material, das einen Durchgriff eines Magnetfeldes gestattet, z. B. Keramik, Kunststoff, Aluminium etc.

Der erste Magnet-Ring 28 ist zwischen der Gasentladung 16 und der Abzweigung 22 angeordnet, so daß zirkulierendes Lasergas den Ring 28 passiert, wobei aufgrund des Magnetfeldes im Inneren des Ringes 28 Teilchen aus dem Lasergas entfernt und in Richtung auf die Wände der Leitung bewegt werden. An den Wänden können gegebenenfalls Fallen für die Teilchen angeordnet werden. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich, da die anfallenden Teilchenmengen auch ohne besondere Maßnahmen an den Wänden hängenbleiben, so sie nach langen Betriebszeiten durch Reinigung entfernt werden können.

Ein weiterer Ring 30 mit Magneten ist vor einem Fenster 32 der Laserkammer 10 angeordnet, so daß Teilchen auf dem Wege zum Fenster 32, welches gegen eine Verschmutzung besonders geschützt werden soll, abgefangen werden.

Durch die periodischen Gasentladungen 16 werden im Lasergas Druckwellen erzeugt, welche die Staubteilchen in der durch den Pfeil 20 angegebenen Richtung fördern. Die Teilchen werden so­ mit auf die Magnetfelder erzeugenden Ringe 28, 30 zubewegt und dort abgefangen, bevor sie sich an den optischen Komponenten des Resonators niederschlagen können.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie I-II der Fig. 1 durch den Magnet-Ring 28. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind eine Vielzahl von Permanentmagneten außen um das Rohr 18 herum angeordnet, so daß im Inneren des Rohres 18 ein inhomogenes Magnetfeld entsteht. Die einzelnen Magnete N, S, . . . sind ringförmig konzentrisch um die optische Achse 36 des Resonators herum angeordnet. Aufgrund ihrer Anordnung außerhalb der Laserkammer und der gasführenden Teile, brauchen die Magnete nicht vor den aggressiven Lasergasen geschützt zu werden.

Es können Permanentmagnete und/oder Elektromagnete zur Erzeu­ gung der Magnetfelder eingesetzt werden.

Zum Beispiel können Permanentmagnete in ein geeignetes Mate­ rial, wie Aluminium oder Kunststoff (z. B. PVC) eingegossen oder geklebt werden, so daß sie in Form eines zweigeteilten Ringes in einfacher Weise montierbar sind. Es ist auch möglich, bisher nicht mit derartigen Reinigungsvorrichtungen ausgerüstete Laser nachträglich ohne großen Aufwand mit solchen Reinigungsvorrich­ tungen zu versehen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel zirkuliert das Lasergas durch die Laserkammer 10. Diese Zirkulation ist nicht unbedingt notwendig für die Anwendung der erfindungsgemäßen Reinigung mittels Magnetfeldern. Die durch die Gasentladung erzeugten Druckwellen 34 reichen für sich auch schon aus, um die Teilchen zu den Magnetfeldern zu bewegen.

Claims (6)

1. Vorrichtung für die Reinigung von Lasergas in einem Gasentladungslaser, gekennzeichnet durch ein Magnetfeld, welches das Lasergas durchsetzt und magnetische und/oder magnetisierbare Teilchen daraus entfernt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Lasergas und/oder die Teilchen relativ zum Magnetfeld bewegt bzw. bewegen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Magnete (N, S, N . . . ) ringförmig um das Lasergas angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld zwischen einem Gasentladungsbereich (16) und einem Fenster (32) oder Spiegel des Lasers angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld erzeugende Magnete oder Solenoide außerhalb der Laserkammer (10) und/oder außer­ halb einer vom Lasergas durchströmten Leitung angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in dem Bereich, in dem es das Lasergas durchsetzt, inhomogen ist.