DE4408041A1

DE4408041A1 - Sub-nanosecond nitrogen laser

Info

Publication number: DE4408041A1
Application number: DE19944408041
Authority: DE
Inventors: Marcus-G Meisel; Thomas Feurer; Hansheinrich Langhoff
Original assignee: MEISEL MARCUS G
Current assignee: MEISEL MARCUS G
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-09-14

Abstract

The laser uses a gas discharge for generating the sub-nanosecond pulses, with a jitter of less than one nanosecond. The gas discharge channel is provided in the upper or lower electrode (4,5) of a low inductance band line acting as the charge storage capacitance, with an integrated triggered spark path at its left or right end. The band line pref. has a solid electrode (4), an earth plate (5) and an intermediate dielectric (6), with a precisely controlled switch (8) for triggering the spark path integrated in the earth plate.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stickstofflaser zur Erzeugung von Subnanosekunden impulsen bei Repetitionsraten von mehreren hundert Hertz und einem zeitlichen Jitter, bezüglich des Triggerimpulses, von weniger als einer Nanosekunde. Anwen dungen finden solche Laser als Pumplichtquellen für Farbstofflaser, als Blitzlampen für Hochgeschwindigkeitsphotographie, zur Materialbearbeitung und als UV Licht quelle in der Mikroelektronik.The invention relates to a nitrogen laser for the generation of subnanoseconds pulses at repetition rates of several hundred hertz and a temporal Jitter, with respect to the trigger pulse, of less than a nanosecond. Anwen Such lasers are used as pumping light sources for dye lasers, as flash lamps for high-speed photography, for material processing and as UV light source in microelectronics.

Auf Grund seiner physikalischen Eigenschaften ist der Stickstofflaser bei einer Wel lenlänge von 337 nm nur als gepulster Laser zu betreiben. Die wichtigste Grundbe dingung, die es dabei zu erfüllen gilt, ist eine möglichst schnelle und große Besetzung des oberen Laserniveaus. In den allermeisten Fällen wird dazu eine transversale Ga sentladung in einem abgeschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Volumen gezündet. Die zugrunde liegende elektrische Schaltung ist meist entweder ein Blumleinkreis oder eine sogenannte Charge Transfer Schaltung. Innerhalb eines, verglichen zum Entladevorgang, relativ langen Zeitraumes werden dabei Kondensatoren auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und schließlich, mittels eines schnellen Schalters, wird die in den Kondensatoren gespeicherte Energie in das Stickstoffgas transfe riert. Die Geschwindigkeit dieses Vorganges hängt nun im wesentlichen von der Gesamtinduktivität des Systems ab. Diese setzt sich aus mehreren Einzelindukti vitäten (Schalter, Zuleitungen, etc.) zusammen. Für einen effizienten Betrieb muß also darauf geachtet werden, letztere möglichst klein zu halten. Neben der hohen Geschwindigkeit muß, wie bereits oben erwähnt, auch eine möglichst hohe Pum pleistung gewährleistet werden. Dies wird einerseits durch eine hohe Ladespannung erreicht, andererseits muß darauf geachtet werden, daß die Impedanz der Gasentla dung und die des elektrischen Schaltkreises übereinstimmen, denn nur dann ist es möglich, die gesamte gespeicherte Energie im Gas selbst zu deponieren.Due to its physical properties, the nitrogen laser is at Wel wavelength of 337 nm can only be operated as a pulsed laser. The most important Grundbe The condition that must be met is that it should be as fast and large as possible of the upper laser level. In the vast majority of cases, this is a transversal Ga sent charge ignited in a sealed, filled with nitrogen volume. The underlying electrical circuit is usually either a Blumleinkreis or a so-called charge transfer circuit. Within one, compared to Entladevorgang, relatively long period of time while capacitors to a charged certain voltage and finally, by means of a fast switch, the energy stored in the capacitors will be transferred to the nitrogen gas riert. The speed of this process depends essentially on the Total inductance of the system. This consists of several Einzelindukti vities (switches, supply lines, etc.) together. For efficient operation must So be sure to keep the latter as small as possible. In addition to the high Speed must, as already mentioned above, also the highest possible Pum pleistung be guaranteed. This is on the one hand by a high charging voltage achieved, on the other hand, care must be taken that the impedance of Gasentla and the electrical circuit, because only then is it possible to deposit the entire stored energy in the gas itself.

Im praktischen Betrieb ist es nicht möglich, alle Voraussetzungen optimal zu erfüllen. Bei typischen Betriebsspannungen von 10 bis 30 kV sind dazu technisch hochent wickelte, teure Schalter notwendig. Um hohe Repetitionsraten zu fahren sind zudem sehr aufwendige, leistungsstarke Netzgeräte erforderlich, und außerdem ist man ge zwungen ständig frisches Stickstoffgas in das Entladungsvolumen strömen zu lassen. In practical operation, it is not possible to fulfill all requirements optimally. At typical operating voltages of 10 to 30 kV, this is technically very high wrapped, expensive switches necessary. In addition, to drive high repetition rates are very complex, powerful power supplies required, and also one is ge constantly flowing fresh nitrogen gas into the discharge volume.

Bei dem vorliegenden Stickstofflaser wird durch den mechanischen Aufbau und im wesentlichen durch den integrierten Schalter, eine extrem hohe Anregungsgeschwin digkeit erreicht. Die für die hier verwandte Blumleinschaltung notwendigen Kon densatoren sind als Bandleiter realisiert. Die masseseitige Elektrode beider Konden satoren wird von ein und derselben Metallplatte gebildet, während in die hochspan nungsseitigen Elektroden der Entladungskanal eingearbeitet ist. Die Geometrie des Aufbaus ist so gewählt, daß möglichst keine Impedanzänderungen im elektrischen Kreis auftreten, welche zu einer Herabsetzung der Geschwindigkeit führen würden. In den bisher völlig symmetrischen Aufbau, wird nun in einen der beiden Bandleiter eine triggerbare Funkenstrecke direkt integriert. Damit entfallen im gesamten Kreis alle hochinduktiven Zuleitungen.In the present nitrogen laser is by the mechanical structure and in the essentially by the integrated switch, an extremely high excitation speed achieved. The necessary for the related Blumleinschaltung Kon capacitors are realized as a strip conductor. The ground-side electrode of both condenses is formed by one and the same metal plate, while in the high chip nungsseitigen electrodes of the discharge channel is incorporated. The geometry of the Structure is chosen so that possible no impedance changes in the electrical Circle occur, which would lead to a reduction in speed. In the previously completely symmetrical structure, is now in one of the two band conductor a triggerable spark gap directly integrated. This accounts for the entire circle all highly inductive feeders.

Die sehr schnelle Anregung hat nun zwei entscheidende Vorteile. Einerseits erzielt man mit diesem Aufbau Laserpulse, die im Subnanosekundenbereich liegen (meh rere hundert Pikosekunden), andererseits fällt der zeitliche Jitter auf unter eine Nanosekunde, d. h. in 90% aller Fälle variiert die Zeitspanne zwischen elektrischem Triggerimpuls und Laserimpuls um weniger als eine Nanosekunde.The very fast stimulation now has two decisive advantages. On the one hand achieved one with this structure laser pulses, which are in the subnanosecond range (meh second hundred picoseconds), on the other hand, the temporal jitter drops below one Nanosecond, d. H. In 90% of all cases, the time interval varies between electrical Trigger pulse and laser pulse less than a nanosecond.

Wegen des relativ geringen Elektrodenabstandes kann der Laser mit einem hohen Stickstoffdruck von etwa einem bar betrieben werden. Der hohe Druck und die klei nen geometrischen Abmessungen führen dazu, daß Repetitionsraten von mehreren hundert Hertz erreicht werden können, ohne die Energie pro Puls merklich herab zusetzen, und vor allem ohne den Laser bei ständigem Gasdurchsatz zu betreiben.Because of the relatively small electrode spacing, the laser can with a high Nitrogen pressure of about one bar are operated. The high pressure and the clothes geometric dimensions mean that repetition rates of several one hundred hertz can be achieved without the energy per pulse being noticeably lower enforce, and in particular without the laser to operate at a constant gas flow rate.

Abb. 1 zeigt eine Realisation des beschriebenen Stickstofflasers. Der Laserkopf 1 ist in einem gasdichten Gehäuse 2 montiert, welches mit Stickstoff gefüllt ist. Durch ein Fenster 3 wird der Laserstrahl selbst aus dem Resonator ausgekoppelt. Letzterer kann aus dem Fenster 3 und einem entweder planen oder konkaven Spiegel bestehen. In der Schnittzeichnung, Abb. 2, sind die wesentlichen Komponenten des Laser kopfes 1 zu sehen. Die Bandleiter werden aus den massiven Elektroden 4, der Masseplatte 5 und einem dazwischenliegendem Dielektrikum 6 gebildet. Elektro den 4 und Masseplatte 5 sollten aus einem Metall mit möglichst hoher Leitfähigkeit gefertigt sein (z. B.: Kupfer, Messing, etc.). Das Dielektrikum 6 dagegen muß ein Isolator mit großer Durchbruchsfeldstärke sein (z. B.: Kapton, Mylar, Keramik). Die Halteplatte 7 dient dazu, den Aufbau mechanisch zu stabilisieren. In der Masse platte 5 ist der Schalter 8, eine triggerbare und auf die jeweilige Ladespannung einstellbare Funkenstrecke, integriert. Die Triggerung des Schalters erfolgt über einen kurzen, schnellen Hochspannungsimpuls, dessen Spitzenwert vorzugsweise der Ladespannung entsprechen sollte. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit die Funkenstrecke im Selbstdurchbruch zu betreiben. Das Elektrodenprofil 10 des Entla dungskanals ist so gestaltet, daß eine Oberflächenentladung über das Dielektrikum 6 unterbunden wird, trotzdem aber ein Impedanzsprung weitgehend vermieden wird. Das Blockschaltbild in Abb. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Lasers, wel ches einer einfachen Blumleinschaltung entspricht. Die Punkte A und B werden mittels eines Hochspannungsnetzgerätes auf zwischen 4 und 7 kV aufgeladen. Die Netzgerätdimensionen müssen dabei so gewählt werden, daß es bei der gewünschten maximalen Repetitionsrate des Lasers, den notwendigen Ladestrom zur Verfügung stellt. Fig. 1 shows a realization of the described nitrogen laser. The laser head 1 is mounted in a gas-tight housing 2 , which is filled with nitrogen. Through a window 3 , the laser beam itself is coupled out of the resonator. The latter may consist of the window 3 and either a plane or a concave mirror. In the sectional drawing, Fig. 2, the essential components of the laser head 1 can be seen. The band conductors are formed of the solid electrodes 4 , the ground plate 5 and an intervening dielectric 6 . Electro- 4 and ground plate 5 should be made of a metal with the highest possible conductivity (eg: copper, brass, etc.). On the other hand, the dielectric 6 must be an insulator with a high breakdown field strength (eg Kapton, Mylar, ceramics). The holding plate 7 serves to mechanically stabilize the structure. In the mass plate 5 , the switch 8 , a triggerable and adjustable to the respective charging voltage spark gap, integrated. The triggering of the switch via a short, fast high-voltage pulse whose peak value should preferably correspond to the charging voltage. However, there is also the possibility to operate the spark gap in self-breakdown. The electrode profile 10 of the discharge duct is designed in such a way that a surface discharge via the dielectric 6 is prevented, but nevertheless an impedance discontinuity is largely avoided. The block diagram in Fig. 3 shows the electrical equivalent circuit diagram of the laser wel Ches corresponds to a simple Blumleinschaltung. The points A and B are charged by means of a high voltage power supply to between 4 and 7 kV. The power supply unit dimensions must be chosen so that it provides the necessary charging current at the desired maximum repetition rate of the laser.

In der folgenden Tabelle sind die typischen Daten eines bevorzugten Ausführungs beispiels zusammengestellt.In the following table, the typical data of a preferred embodiment compiled example.

Kanallänge|8 cmChannel length | 8 cm Elektrodenabstandelectrode distance 0.8 mm0.8 mm Angeregtes VolumenExcited volume 0.04 cm²0.04 cm² Gesamtkapazitättotal capacity 1 nF1 nF Ladespannungcharging voltage 6.5 kV6.5 kV Dielektrikumdielectric 50 µm Kaptonfolie (^TMDu Pont)50 μm Kapton foil ( ^TM Du Pont) Gasdurchflußgas flow nein (Puffervolumen)no (buffer volume)

Pulsdauer|300 psPulse duration | 300 ps Pulsenergiepulse energy 11 µJ11 μJ Wellenlängewavelength 337.1 nm337.1 nm Linienbreitelinewidth 0.1 nm0.1 nm Strahldimensionbeam dimension 0.5 × 0.6 mm²0.5 × 0.6 mm² Fokus (f=40 mm)Focus (f = 40 mm) 20 × 140 µm²20 × 140 μm 2 max. EnergiedichteMax. energy density 460 mJ/cm²460 mJ / cm² Strahldivergenzbeam divergence 4 × 8 mrad4 × 8 mrad Jitterjitter ±1 ns± 1 ns max. RepetitionsrateMax. repetition 350 Hz350 Hz mittlere Leistungaverage power 4 mW4 mW Wirkungsgradefficiency 0.05%0.05% GasaustauschintervallGas Exchange interval <10⁵ Schuß<10⁵ shot

Claims

1. gas discharge for the generation of subnanosecond pulses and a temporal jitter of a few nanoseconds, characterized in that incorporated in a niederin ductile strip conductor in the lower or upper electrode of the gas discharge channel and in the left or right end a triggerable spark gap is integrated.

2. nitrogen laser, which use the gas discharge described in claim 1 and at an operating pressure of preferably one bar up to repetition rates can be operated by several hundred hertz.