DE4401892C2 - Elektrode für einen Gasentladungslaser und Verfahren zum Formen einer Elektrode für einen Gasentladungslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Gasentladungs­ laser, wobei die Elektrode eine Einlage aus Metall aufweist, die in einen Körper eingebettet ist, der aus einem dielektrischen, gegen Elektrodenabbrand unempfindlichen Material besteht.

Solche Elektrodenpaare sind aus den Veröffentlichungen DD 291 424 A5 und JP 63-227069 (A) bekannt.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Elektroden für Ex­ cimerlaser, wobei auch solche Laser eingeschlossen sein sollen, in deren Gasentladung sogenannte Exciplexe oder auch Trimere auftreten, also angeregte Edelgashalogenide, die nur in ange­ regten Zuständen stabil sind, so daß bei der stimulierten Emis­ sion ein Übergang in einen nicht gebundenen Zustand erfolgt.

Transversal angeregte Gasentladungslaser weisen eine mit dem sogenannten Arbeitsgas (auch Lasergas genannt) gefüllte Laser­ kammer 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 ef­ fektive Anregung des Arbeitsgases für die Gasentladung zu er­ reichen, wird dieses vor dem Einsetzen der Hauptentladung einer Vorionisierung unterworfen, d. h. es werden vor Beginn der Hauptentladung mittels einer Vorionisierung 10⁵ bis 10⁸ freie Elektronen pro cm³ im Lasergas erzeugt. Es ist bekannt, für diese Vorionisierung ebenfalls gesonderte Elektroden vorzusehen und zwischen ihnen Funken zu zünden. Diese der Vorionisierung dienenden Elektroden werden üblicherweise auch als Hilfselek­ troden bezeichnet. Außer einer derartigen UV-Vorionisierung mit Funken ist auch eine Corona-Vorionisierung oder eine Röntgen Vorionisierung möglich.

Arbeitsgasmischungen für Excimerlaser (genauer: Exciplexlaser) enthalten neben Edelgasen auch eine Halogenkomponente oder ei­ nen Halogendonor, 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 pa­ rallelen Hauptentladungselektroden gebracht und der Hochspan­ nungsentladung ausgesetzt. Um Laserimpulse hoher Energie zu er­ zeugen, sind bei der Hochspannungsentladung sehr hohe Strom­ dichten von typischerweise 10³ A/cm² und Leistungsdichten von 10⁶ W/cm³ und Elektronentemperaturen im Bereich von 1 eV erfor­ derlich. Die gesamte Entladungseinheit unterliegt daher einer sehr starken Beanspruchung.

Die Abtragung von Elektrodenmaterial während des Betriebs wird üblicherweise als "Elektrodenabbrand" bezeichnet. Die physika­ lischen 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.

Im Stand der Technik hat man versucht, dem Problem des Elektro­ denabbrandes dadurch zu begegnen, daß metallische Materialien für die Elektroden gewählt wurden, bei denen der Abbrand im je­ weiligen Einsatzfall (Lasertyp, Gasgemisch etc.) auf ein Mi­ nimum reduziert ist. Es bleibt aber festzustellen, daß der Elektrodenabbrand grundsätzlich unvermeidlich ist.

Der Elektrodenabbrand ist aber nicht nur wegen des Auftretens schädlicher Produkte wie Staub und Metallhalogenide in der La­ serkammer unerwünscht, sondern besonders deshalb nachteilig, weil sich mit dem Abbrand die Elektrodengeometrie und somit auch die elektrische Feldverteilung im Gasentladungsbereich än­ dert, so daß mit zunehmender Betriebsdauer des Lasers die Lei­ stungsdaten der Laserstrahlung sich in unerwünschter Weise ver­ ändern.

Bei der eingangs genannten DD 291 424 A5 sind die dielektri­ schen Körper, in denen die metallische Einlage angeordnet ist, so konturiert (gestaltet), daß der Elektrodenraum durch die dielektrischen Körper begrenzt ist und die Entladungsbreite un­ abhängig ist von der Größe der eingespeisten Energie. Bei der JP 63-227069 (A) sind metallische Elektroden an ihren Rändern mit einem Kunststoff oder Gummi beschichtet, wobei die Be­ schichtung so gestaltet ist, daß auch bei hohen Repititionsra­ ten die Entladungsbreite unverändert bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schädlichen Aus­ wirkungen des Elektrodenabbrandes bei Gasentladungslasern, ins­ besondere Excimerlasern, zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 und den nebengeordneten Verfahrensanspruch 5 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An­ sprüchen beschrieben.

Als Material für die metallische Einlage kommen alle im Stand der Technik bekannten Elektrodenmaterialien für Excimerlaser in Betracht beispielsweise Nickel, Messing, Aluminiumlegierungen, Metalle der Platingruppe oder Gold, und Legierungen von Platin etc.

Die Erfindung sucht dem Problem des Elektrodenabbrandes nicht primär dadurch abzuhelfen, daß gegen den Abbrand besonders wi­ derstandsfähige Materialien gefunden werden, sondern daß viel­ mehr der Abbrand, der auch mit den zur Zeit bestmöglichen Mate­ rialien nicht zu vermeiden ist, hingenommen wird, jedoch die Auswirkungen des Abbrandes auf eine Veränderung des elektri­ schen Feldes zwischen den Elektroden weitestgehend reduziert werden.

Die Elektroden bestehen nur im gewünschten Entladungsbereich aus Metall. In einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse der Elektroden (und somit auch quer zur optischen Achse des Resona­ tors) schließen sich an die metallische Einlage konturierte Bereiche des gegen Elektrodenabbrand unempfindlichen Körpers an, wobei die Konturierung so erfolgt, daß die elektrische Feldverteilung den gewünschten Verlauf zwischen den metallischen Einlagen aufweist und insbesondere die Gasentladung auf den Scheitelbereich der Elektrode konzentriert ist.

Die Feldverteilung in Abhängigkeit vom Elektrodenabbrand (also der Reduzierung der Stärke der metallischen Einlage) läßt sich im voraus berechnen, und es können die Profile des gegen Elek­ trodenabbrand unempfindlichen Körpers so gewählt werden, daß bei den typischen Abbrandstärken von bis zu 0,3 µm (was bei etwa 1000 Millionen Laserpulsen erreicht sein kann) die für die Gasentladung maßgebliche Feldstärkeverteilung kaum geändert wird.

Beim Stand der Technik wird üblicherweise mit zunehmender Be­ triebsdauer des Lasers (steigender Pulszahl) die Brennfläche der Gasentladung auf den Elektroden breiter. Durch diese Ver­ breiterung wird der Feldverlauf zwischen den Elektroden geän­ dert und somit ändern sich auch die Eigenschaften der Gasent­ ladung, so daß auch die Konstanz der Leistung des Lasers in einem vorgegebenen Raumwinkel nicht mehr gewährleistet ist. Diesem Nachteil wird durch die Erfindung abgeholfen, da auch mit zunehmendem Abbrand die Elektroden nicht breiter und damit die elektrische Feldstärkeverteilung nicht wesentlich geändert wird. Hierzu ist die metallische Einlage in dem Keramikkörper so gestaltet, daß ihre Breite unabhängig ist vom Abbrand.

Der gegen Elektrodenabbrand weitgehend unempfindliche Körper besteht aus dielektrischem Material. Mit bekannten Verfahren der Feldstärkesimulation können Feldverteilungen zwischen den Elektroden in Abhängigkeit vom Abtrag der Einlage berechnet werden, und der dielektrische Körper beidseits der metallischen Einlage kann so gestaltet werden, daß die Feldverteilung auch bei zunehmendem Abbrand gleich bleibt.

Die Breite der Gasentladung ist gleich der Breite der metalli­ schen Einlagen (im Stand der Technik ist die Breite der metal­ lischen Elektroden regelmäßig größer als die Breite der Gasent­ ladung).

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Als dielektrische Materialien kommen Keramiken mit hoher Dielektrizitätskonstante zum Ein­ satz, insbesondere Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd, und Aluminiumni­ trid. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch die Entladungskammer eines Excimerlasers gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Excimer­ lasers; und

Fig. 3 eine abgewandelte Elektrode.

Die Entladungskammer 10 ist mit einem Lasergas gefüllt, das insbesondere in den Bereich zwischen zwei Elektroden 12, 14 gefördert wird.

Die Elektroden bestehen jeweils aus einem Keramikkörper 12 bzw. 14, in dem eine Ausnehmung entladungsseitig ausgeformt ist, in welcher jeweils eine metallische Einlage 16 bzw. 18 befestigt ist.

Als Material für die metallischen Einlagen 16, 18 kommen die bekannten Elektrodenmaterialien (s. o.) in Betracht. Die Figur ist ein Schnitt senkrecht zur optischen Achse des Excimerla­ sers, d. h. senkrecht zu den Längsachsen der Elektroden. Die Breite b jeder metallischen Einlage 16, 18 liegt z. B. zwischen 4 und 15 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 8 mm. Die Entladungs­ fläche ist plan oder profiliert. Zwischen den Enden der metal­ lischen Einlagen 16, 18 und dem gegenüberliegenden Rand der Ausnehmung im Keramikkörper 12, 14 kann ein Spalt gegeben sein, dessen Breite in der Figur mit "s" dargestellt ist. In Abhän­ gigkeit von diesem Spalt werden die Keramikkörper 12, 14 in den Bereichen 12a, 14a, die der metallischen Einlage unmittelbar benachbart sind, konturiert, und zwar so, daß die elektrische Feldstärkeverteilung im Bereich zwischen den Elektroden mög­ lichst homogen ist und sich auch nicht mit einem Abbrand der metallischen Einlagen 16, 18 wesentlich ändert. Für die Er­ mittlung der Kontur in den Abschnitten 12a bzw. 14a der Kera­ mikkörper 12 bzw. 14 können jeweils unterschiedliche Abbrand- Situationen simuliert werden, und es kann so durch rechnerische Simulation ein bestmögliches Profil für den Keramikkörper ge­ funden werden.

Die Keramikkörper 12 bzw. 14 sind jeweils durch Elektrodenträ­ ger 20 bzw. 22 abgestützt. Die Elektrodenträger 20, 22 bestehen aus elektrisch leitfähigem Material z. B. Metall. Mittels elek­ trisch leitender Bolzen 26a, 26b, die den Elektrodenträger und den zugehörigen Keramikkörper 12 durchsetzen, wird die metal­ lische Einlage 16 der Elektrode befestigt. Dabei sind die Bol­ zen 26a, 26b jeweils fest mit der metallischen Einlage 16 ver­ bunden. Mittels auf die Bolzen 26a, 26b aufgeschraubter Schrau­ ben 28a, 28b wird die Elektrode insgesamt mit dem Elektroden­ träger 20 verbunden.

Die in Fig. 1 unten dargestellte Elektrode ist mit einem ein­ zigen leitenden Bolzen 30 und einer Schraubenmutter 32 am Elek­ trodenträger 22 montiert. Für die Gasentladung wird zwischen die Elektrodenträger 20, 22 und damit auch zwischen die metal­ lischen Einlagen 16, 18 eine Hochspannung angelegt.

Es sind die Abmessungen der metallischen Einlagen 16, 18 und die Geometrie der Keramikkörper 12, 14, insbesondere in den Be­ reichen 12a, 14a, so aufeinander abgestimmt, daß zum einen die Breite der metallischen Einlagen auf zumindest annähernd die Entladungsbreite "e" reduziert ist und zum anderen die Konturie­ rung der Keramikkörper so gewählt ist, daß ein möglichst homo­ genes elektrisches Feld im Entladevolumen 24 (also dem Raum, in dem die Entladung stattfindet) erreicht ist.

Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Elek­ trodensatzes für einen Excimerlaser. Einander entsprechende oder in der Funktion vergleichbare Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, wobei abgewandelte Varianten jeweils mit Buchstaben gekennzeichnet sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die metallischen Ein­ lagen 16 massiv ausgebildet und erstrecken sich durch den Kera­ mikkörper 12c, 12d bis zum Elektrodenträger 20. Die Befestigung der metallischen Einlage 16 am Elektrodenträger 20 erfolgt mit­ tels einer Schraube 34. Die gegenüberliegende metallische Ein­ lage 18 der anderen Elektrode wird mittels einer Schraube 36 am Elektrodenträger 22 befestigt. Auch hier sind wieder die Bau­ teile 16, 34, 20, 22, 36 und 18 elektrisch leitend.

Die zwischen den Keramikkörpern 12c, 12d und 14c, 14d angeord­ neten massiven metallischen Einlagen 16, 18 der Elektroden ha­ ben eine Breite "b", die der Entladungsbreite (vgl. Fig. 1) entspricht. Die metallischen Elektrodeneinlagen 16, 18 können auch mit einem Profil, also einer nicht völlig ebenen Oberflä­ che, versehen sein. Die barrenförmigen metallischen Einlagen 16, 18 können gemäß Fig. 2 mit Bohrungen 38 bzw. 40 für ein Kühlmittel versehen sein.

Die Formung des elektrischen Feldes bei Anlegen einer Hoch­ spannung an die Elektroden derart, daß die Zündung der Gas­ entladung zwischen den Elektroden nur zwischen den elektrisch leitenden metallischen Einlagen 16, 18 einsetzt, wird durch entsprechend geformte Seitenprofile 12c, 12d, 14c, 14d aus di­ elektrischem Material (z. B. Keramik) erreicht. Die mangelnde Leitfähigkeit dieser dielektrischen Körper führt dazu, daß eine Ausdehnung der Entladung in Bereiche außerhalb der elektrisch leitenden Einlagen 16, 18 hinaus innerhalb kürzester Zeit (ty­ pischerweise 1 bis 2 ns), also noch während der Zündphase der Gasentladung, abbricht. Dies ist aus der Gasentladungsphysik bekannt, und wird dort als "dielektrisch behinderte Entladung" bezeichnet.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Gasentla­ dungslasers, wobei hier nur eine einzige Elektrode dargestellt ist. Die zweite Elektrode wäre analog hinzuzufügen. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird die Elektrode durch einen massiven Metallkörper 16 gebildet, der einen mittigen, der Gas­ entladung zugewandten Vorsprung 16a aufweist. Der Vorsprung 16a definiert die Breite "b" der Gasentladung. Direkt angrenzend an den Vorsprung 16a sind gemäß Fig. 3 keramische Körper 12e, 12f plaziert. Die keramischen Abdeckungen 12e, 12f können insbeson­ dere auch durch Plasmaspritzen aufgebracht werden. Sie werden geometrisch so gestaltet, daß die für die gewünschte Formung des elektrischen Feldes erforderliche Elektrodenkontur entsteht.

Bei allen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen der Er­ findung wird, wie gesagt, die Kontur der metallischen Einlagen 16, 18 und der zugehörigen dielektrischen Körper so bestimmt, daß das elektrische Feld eine Gasentladung nur zwischen den me­ tallischen Einlagen bewirkt. Im Stand der Technik metallischer Elektroden (also ohne die erfindungsgemäßen keramischen Abdec­ kungen) ist es bekannt, die Form der Elektroden zu optimieren. Verwiesen wird insbesondere auf folgende Literatur: "Compact Uniform Field Profiles", Gerard J. Ernst, Department of Applied Physics, Twente University of Technology, Enschede, The Nether­ lands, Optics Communications, vol. 47, Nr. 1, 1. August 1983; "Improved Uniform-Field Electrode Profiles for TEA Laser and High-Voltage Applications", T. Y. Chang, Bell Telephone La­ boratories, The Review of Science Instruments, vol. 41, Nr. 4, April 1973 und "A novel analytical design method for discharge laser electrode profiles", E. A. Stappaerts, Northrop Corpora­ tion, Appl. Phys. Lett. 40/12, 15. Juni 1982.

Diese bekannten Optimierungsverfahren können grundsätzlich auch für die Berechnung der Abmessungen und Konturen der metalli­ schen Einlagen und der Keramikkörper gemäß der vorliegenden Er­ findung eingesetzt werden. Bei diesen Methoden wird mit Hilfe der Potentialtheorie und der Methode der sogenannten konformen Abbildung zunächst von einem analytisch geschlossen darstellba­ ren Profil ausgegangen. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann bei­ spielsweise das sogenannte Rogowski-Profil als Ausgangspunkt genommen werden. Mit einem solchen Profil als Ausgangspunkt wird dann experimentell die Kontur schrittweise verändert und es wird die damit jeweils erzeugte Intensitätsverteilung der Laserstrahlung gemessen. Gleichzeitig wird die elektrische Feldstärkeverteilung zwischen den so veränderten (mathematisch nicht mehr mit einem geschlossenen analytischen Ausdruck be­ schreibbaren) Konturen zum Zündzeitpunkt mit einem Rechenpro­ gramm berechnet, und zwar nach dem bekannten Finite-Elemente- Verfahren. Damit werden rein rechnerisch Konturkoordinaten für die Elektrodensysteme und zugehörige Intensitätsprofile der mit solchen Elektrodenpaaren erzeugten Laserstrahlung gewonnen.

Die Bestimmung der Konturen der dielektrischen Teile gemäß den Fig. 1 bis 3 erfolgt nun ausgehend von der Kontur der Voll­ metallelektrode wiederum mit dem Finite-Elemente-Verfahren, wo­ bei die Kontur so lange verändert wird, bis sich eine elektri­ sche Feldstärkeverteilung zwischen den Elektroden ergibt, von der aus Erfahrung bekannt ist, daß sie das gewünschte Laser­ strahlintensitätsprofil erzeugt. Rechnungen zeigen, daß dies für die vorstehend beschriebenen Verbundelektroden aus metal­ lischen und dielektrischen Teilen möglich ist. Insbesondere zeigen die Rechnungen, daß ein Elektrodenabbrand von bis zu einigen Zehntel Millimeter in der Elektrodenmitte nicht zu schädlichen Änderungen des Entladungsverhaltens zwischen den leitenden Metallteilen der Verbundelektroden führt. Bei Voll­ metallelektroden gemäß dem Stand der Technik hingegen führt eine solche Konturänderung zu einer stetigen Verbreiterung der Entladung mit einer damit einhergehenden stetigen Abflachung der für die Konzentrierung der Entladung auf den Elektroden­ mittelteil kritischen Konturausbildung.

Der die Elektrode beidseits der Entladung eingrenzende dielek­ trische Körper 12, 14 wird also so geformt, daß bei gegenüber­ liegender Anordnung zweier Elektroden im Entladungsbereich die Homogenität der Feldverteilung optimiert ist, und zwar auch dann noch, wenn sich im Verlaufe des Gebrauches der Elektrode die Kontur im üblichen Maße (leicht) verändert.

Die Erfindung beinhaltet auch einen Elektrodensatz für einen Gasentladungslaser, bei dem zumindest eine der Elektroden, vor­ zugsweise die Anode, in der oben beschriebenen Weise ausgestal­ tet ist.

Claims (5)

1. Elektrode für einen Gasentladungslaser, die eine Einlage (16, 18) aus Metall aufweist, die in einen Körper (12, 14) eingebettet ist, der aus einem dielektrischen, gegen Elektro­ denabbrand unempfindlichen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12, 14) so konturiert ist, daß auch nach einem Abbrand der Metalleinlage (16, 18) die elektrische Feldverteilung im Gasentladungsraum gleich bleibt.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12, 14) zumindest teil­ weise aus Keramik, insbesondere Aluminiumoxyd, besteht.

3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Einlage (16, 18) eine Breite (b) hat, die der Breite (e) der Gasentladung ent­ spricht.

4. Elektrode nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12, 14) beidseits der Einlage (16, 18) so geformt ist, daß bei gegenüberliegender An­ ordnung zweier Elektroden im Entladungsbereich die Homogenität der Feldverteilung gefördert ist.

5. Verfahren zum Formen einer Elektrode für einen Gasentladungs­ laser, wobei die Elektrode eine Einlage (16, 18) aus Metall aufweist, die in einen Körper (12, 14) eingebettet ist, der aus einem dielektrischen, gegen Elektrodenabbrand unempfindlichen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (12a, 14a; 12c, 12d, 14c, 14d; 12e, 12f) des dielektrischen Körpers so bestimmt wird, daß verschiedene Elektrodenabbrandszustände der metalli­ schen Einlage simuliert und der zugehörige elektrische Feldverlauf zwischen den Elektroden ermittelt wird und die Kontur der dielektrischen Körper so gewählt wird, daß trotz unterschiedlichen Elektrodenabbrands die elektrische Feldverteilung zwischen den Elektroden gleich bleibt.