Stoffverdamdfungsvorrichtung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stoffverdampfungsvorrichtung zur
Erzeugung eines Dampfes eines Stoffes zur Verwendung als ein angeregtes,
ionisiertes Medium in einem Dampfionenlaser und wobei der Dampf durch Erhitzen
des Stoffes in einer gasgefüllten Entladungsröhre, die einen Entladungsraum
definiert, erzeugt wird, und ein paar Elektrodenmittel, die axial versetzt, sich
gegenüberliegend innerhalb des Entladungsraumes befinden, um den Stoff durch
Entladung zu verdampfen.
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Metalldampflaser und Dampfionenlaser verwenden eine derartige
Stoffverdampfungsvorrichtung. Die Figur 1 zeigt einen herkömmlichen Metalldampflaser, wie z.B.
in 6. Nenji Taikai Koen Yoko-shu, 21 allB3, Seiten 60-63 (1986) veröffentlicht. Wie
in Figur 1 gezeigt, enthält der Metalldampflaser Entladungselektroden 1a und 1b,
eine zylindrische Entladungsröhre 2, welche einen Entladungsraum 3 definiert, in
welchem ein durch Verdampfung von Metallstücken 4, wie etwa Kupferstücke,
erzeugter Metalldampf 5 angeregt wird, einem Hitzeschild 6 aus Hitze isolierendem
Material, wie etwa Wolle, Resonanzspiegel 7a und 7b für die Laseroszillation,
Flansche 8a und 8b, die einen eine Vakuumkammer 9 einschließenden, versiegelten
Raum definieren, eine isolierende Röhre 10, eine versiegelnde Röhre 11, ein
Gaseinlaßanschluß 12a und ein Gasauslaßanschluß 12b.
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Im Betrieb wird eine Pulsspannung über die Elektroden 1a und 1b angelegt, um
eine Entladung innerhalb des Entladungsraumes 3 auszulösen und dann wird ein
den Entladungsraum 3 füllendes Puffergas durch die Energie der beschleunigten
Ionen und Elektronen erhitzt, um die Metallstücke 4 zu verdampfen. Die durch eine
Pulsentladung beschleunigten Ionen und Elektronen mit hoher Energie und
Hochtemperatur-Atome des erhitzten Puffergases kollidieren mit den Atomen des
verdampften Metalls und übertragen ihre Energie, so daß die Atome des
verdampften Metalls auf ein höheres Energieniveau angeregt werden. Der Hitzeschild 6 dient
zum Halten des Gases auf einer gewünschten Temperatur, um eine vorbestimmte
Dampfdichte in dem Entladungsraum 3 aufrechtzuerhalten. Die Funktion der
Vakuumkammer 9 ist ähnlich der des Hitzeschildes; die Vakuumkammer 9
unterdrückt insbesondere Hitzeverluste durch Konvektion. Licht wird ausgesandt, wenn
das Energieniveau der Atome des verdampften Metalls auf ein niedrigeres
Energieniveau oder das Grundenergieniveau fällt.
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Das derart ausgesandte Licht wird optisch durch die Resonanzspiegel 7a und 7b
verstärkt, um für industrielle Anwendungen, wie etwa Laserbearbeitung, einen
Laserstrahl nach außen auszustrahlen.
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Die Figur 2 zeigt die Verteilung der Puffergastemperatur und die Verteilung der
Dampfdichte bezüglich der diametralen und axialen Richtung des Entladungsraumes
3 in dem derart aufgebauten Metalldampflaser. In der Figur 2 stimmen die X-Achse
bzw. die Y-Achse mit der diametralen Richtung bzw. der axialen Richtung des
Entladungsraumes 3 überein; die Temperatur ist entlang der T-Achse gemessen; bei
3a ist die Mittenachse des Entladungsraumes 3 und bei 3b sind die diametral
gegenüberliegenden Enden des Entladungsraumes angedeutet. Eine Kurve I,
dargestellt durch eine gestrichelte Linie, zeigt die Temperaturverteilung bezüglich der
axialen Richtung, Kurven n&sub1;, n&sub2; und n&sub3;, dargestellt durch strichpunktierte Linien,
zeigen die Dampfverteilung bezüglich der diametralen Richtung und Kurven m&sub1;, m&sub2;
und m&sub3;, dargestellt durch kontinuierliche Linien, zeigen die Temperaturverteilung
bezüglich der diametralen Richtung. Wie aus Figur 2 zu erkennen, nimmt die
Temperatur des Puffergases von der Mittenposition des Entladungsraumes 3 um
die Mittenachse 3a in Richtung des Randes des Entladungsraumes 3, dargestellt
durch die diametral gegenüberliegenden Enden 3b, ab. Die Temperatur des
Puffergases in der Umgebung der axialen Enden des Entladungsraumes 3 ist niedriger als
die in dem zentralen Abschnitt desselben. Da die Verteilung der Dampfdichte
innerhalb der Entladungsröhre 2 durch die Sättigungsdampfdichte n&sub0; angenähert
werden kann, welche eine Funktion der Puffergastemperatur ist, läßt sich die
Beziehung zwischen den Dampfdichteverteilungskurven n&sub1;, n&sub2; und n&sub3; durch
n&sub1; > n&sub2; = n&sub3; darstellen.
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Auf der anderen Seite, wenn die Dampfdichte relativ zur Puffergasdichte
(Puffergasdruck) zunimmt, nimmt die durchschnittliche freie Weglänge der Elektronen, der
Ionen und der neutralen Atome des Puffergases ab und somit die von den
Elektronen und Ionen dem durch eine Pulsentladung erzeugten elektrischen Feld
entnommene kinetische Energie vor der Kollision mit den Atomen des Dampfes, und
wenn die Temperatur der Atome des Dampfes zu sehr zunimmt, nehmen die Atome
des Dampfes auf niedrigerem Engerieniveau zu, so daß die Populationsinversion
zwischen der Anzahl der Atome des Dampfes auf einem höheren Engerieniveau und
der Atome des Dampfes auf einem niedrigerem nicht erzeugt wird, wodurch die
Elektronen und Ionen nicht in der Lage sind, die Atome des Dampfes auf ein
Energieniveau anzuregen, welches hoch genug ist, eine ausreichende
Laserverstärkung zu erzeugen. Dieser herkömmliche Metalldampflaser hat einen Nachteil
darin, daß die Dampfdichte in dem zentralen Abschnitt des Entladungsraumes 3
groß ist und somit die Dichte der Laserenergie in dem zentralen Abschnitt des
Entladungsraumes 3 niedrig ist.
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Die Figur 3 zeigt einen Kupferdampflaser, welcher in "Manufacture of Copper
Vapor Laser", veröffentlicht "Reza Kenkyu", Seiten 60-66, März 1981,
veröffentlicht ist.
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Die Figur 3 zeigt eine Dampflasereinheit 100, die zur Erzeugung einer Entladung in
einem Gas gegenüberliegende Elektroden 1 enthält, eine Entladungsröhre 2, die
Kupferpartikel 4 enthält, eine versiegelnde Röhre 11, ein Hitzeschild 6 zum
Verhindern des Verlustes der Hitze, welche durch eine zwischen den Elektroden erzeugte
Entladung erzeugt wird, jeweils in der Nähe der Elektroden 1 angordnete Fenster
13, um einen Laserstrahl auszusenden, und ein Isolierstück 21 an der
versiegelnden Röhre 11 zur Hochspannungsisolation.
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Ein Pulsschaltkreis 200 enthält eine Ladekapazität 14, welche mit der
versiegelnden Röhre 11 der Dampflasereinheit 100 durch eine Verbindungsleitung a
verbunden ist, eine in Serie mit der Lade kapazität 14 verbundene Ladedrossel 15, eine
Hochspannungsquelle 17, eine Diode 16 mit einer mit der Hochspannungsquelle 17
verbundenen positiven Elektrode und einer mit der Ladedrossel 15 verbundenen
negativen Elektrode, ein Thyratron 18, welches mit der Ladedrossel 15 und der
Hochspannungsquelle 17 verbunden ist, und eine Spitzendurchlaßkapazität 20,
welche mit der Lade kapazität 14 und dem Thyratron 18 verbunden ist. Die
Hochspannungsquelle 17 ist mit der versiegelnden Röhre 11 durch eine
Verbindungsleitung b verbunden.
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Die Lade kapazität 14 wird mittels der Hochspannungsquelle 17 durch die Diode 16,
die Ladedrossel 15 und die Spitzendruchlaßkapazität 20 auf eine Hochspannung
aufgeladen.
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Wenn das Thyratron 18 durch einen Pulssteuerschaltkreis 19 angeschaltet wird,
wird die Lade kapazität 14 aufgeladen, um eine Hochspannung über die
versiegelnde Röhre 11 über den Elektroden 1 anzulegen, um eine Entladung in der
Entladungsröhre 2 zu erzeugen. Da das Hitzeschild 6 den Verlust von durch die
Entladung innerhalb der Entladungsröhre erzeugter thermischer Energie verhindert, wird
die Temperatur innerhalb der Entladungsröhre 2 auf eine hohe Temperatur im
Bereich 1500º C angehoben, wodurch die Kupferpartikel 4 verdampft werden und
die Entladungsröhre 2 mit dem Kupferdampf gefüllt wird.
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Die durch die zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 1 gebildete Entladung
beschleunigten Elektronen eines Plasmas kollodieren mit den die Entladungsröhre
2 füllenden Kupferatomen, um die Kupferatome auf ein höheres Energieniveau
anzuregen, welches einem ersten Resonanzniveau entspricht. Da weniger Atome
auf ein niedrigeres Energieniveau angeregt werden, welches einem metastabilen
Energieniveau entspricht, wird eine Populationsinversion erzeugt. Das
Energieniveau der Kupferatome fällt von dem hohen Energieniveau auf ein niedrigeres
Energieniveau während der Laseroszillation und fällt dann stufenweise von dem
niedrigeren Engerieniveau zum Grundenergieniveau ab. Dieser Zyklus wird bei einer
Frequenz von einigen Kilohertz wiederholt. Der Laserstrahl wird durch die Fenster
13 ausgestrahlt.
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Der Abfall des Energieniveaus von dem niedrigeren Energieniveau auf das
Grundenergieniveau wird durch die Kollision der angeregten Atome mit der Wand der
Entladungsröhre 2 verursacht, wenn die Entladungsröhre einen relativ kleinen
Durchmesser hat und wird durch die superelastische Kollision der Atome des
niedrigen Energieniveaus und der langsamen Elektronen erzeugt, wenn die
Entladungsröhre 2 einen relativ großen Durchmesser hat, und die Lebenszeit der Atome
des niedrigeren Energieniveaus ist einige hundert Mikrosekunden lang.
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Wenn der Hochspannungspuls die Elektroden 1 für ein langes Intervall angelegt
wird, welches der langen Zeit einiger hundert Mikrosekunden entspricht, die das
niedrigere Energieniveau benötigt, um auf das Grundenergieniveau zu fallen, dann
wird die Frequenz des Anlegens der Hochspannungspulse reduziert. Auf der
anderen Seite nimmt die Zahl der Atome des höheren Energieniveaus zu, wenn der
Hochspannungspuls mit einer hohen Frequenz angelegt wird, so daß eine
unvollständige Populationsinversion erzeugt wird, und somit der Kupferdampflaser nicht
in der Lage ist, mit einer hohen Effizienz zu arbeiten.
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Aus der EP-291 295 ist eine Laservorrichtung bekannt, welche eine äußere Hülle
einschließt, welche eine Vielzahl von Laserentladungsröhren enthält. Jede der
Laserentladungsröhren enthält Kupferpulver, welches ein Laserverstärkungsmedium
agiert, wenn es verdampft wird. Für jede der Vielzahl von Laserentladungsröhren
ist ein Paar von Elektroden vorgesehen. Eine ähnliche Laservorrichtung ist aus der
FR-A-2 092 912 bekannt, welche ebenfalls eine Vielzahl von
Laserentladungsröhren enthält, wobei jede eine Entladungselektrode aufweist, welche mit einer
gemeinsamen zweiten Elektrode zusammenarbeitet.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Stoffverdampfungsvorrichtung zur
Verfügung zu stellen, welche bezüglich der diametralen Richtung eine im
wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung eines Puffergases in einem
Entladungsraum aufweist, so daß der Bereich der Dampfdichte und der Puffergastemperatur,
welcher optimalen Bedingungen zur Laseroszillation entspricht, innerhalb des
Entladungsraumes vergrößert wird und in der Lage ist, den Zeitabschnitt für die
Laseroszillation zu vergrößern.
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Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Stoffverdampfungsvorrichtung
zur Verfügung zu stellen, welche mit einer hohen Effizienz bei einer hohen Frequenz
des Anlegens eines Hochspannungspulses arbeitet, indem der Abfall des
Energieniveaus von Atomen einer Substanz von einem niedrigen Energieniveau auf das
Grundniveau in einem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden
Spannungspulsen gefördert wird, um eine vollständige Populationsinversion für das
nachfolgende Anlegen eines Spannungspulses zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung zeichnet sich eine Stoffverdampfungsvorrichtung von der im
Oberbegriff des Anspruches 1 definierten Art dadurch aus, daß mindestens eines
der Elektrodenmittel eine segmentäre Elektrode ist, die aus einer Vielzahl von
partiellen Elektroden (oder eine Hauptelektrode und einer Zusatzelektrode) besteht,
die diametral beabstandet innerhalb eines gemeinsamen Entladungsraumes der
Entladungsröhre angeordnet sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Mit anderen Worten enthält eine Stoffverdampfungsvorrichtung eine gasgefüllte
Röhre, welche einen Entladungsraum definiert und mit einem Paar Elektroden
versehen ist, welche einander gegenüberliegend innerhalb des Entladungsraumes
angeordnet sind, wobei mindestens eine der Elektroden eine segmentäre Elektrode
ist, die aus einer Vielzahl von partiellen Elektroden besteht, die diametral
beabstandet innerhalb eines gemeinsamen Entladungsraumes angeordnet sind. Eine
Pulsspannung wird an eine Vielzahl von partiellen Elektroden angelegt, um Entladungen
an diametral verschiedenen Positionen zu erzeugen, um das Puffergas in einer
Vielzahl von diametral getrennten Regionen im wesentlichen gleichförmig zu
erhitzen, so daß das Puffergas bezüglich des Durchmessers des Entladungsraumes
auf eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung erhitzt werden kann,
und somit die Länge und der Durchmesser des Lasermediums erhöht werden kann.
Darüber hinaus erhöhen die Pulsentladungen in einer Vielzahl von diametral
getrennten Regionen in dem Entladungsraum die Dauer der Laseroszillation pro
Einheitszeitintervall.
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Darüber hinaus enthält eine Stoffverdampfungsvorrichtung eine Entladungsröhre,
eine erste Pulserzeugungsschaltung zum Anlegen einer ersten Pulsspannung für die
Laseroszillation, eine zweite Pulserzeugungsschaltung zum Anlegen einer zweiten
Pulsspannung über der Entladungsröhre mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung
bezüglich der ersten Pulsspannung, und weiteren, der Entladungsröhre gegenüber
angeordneten Elektroden mit einer relativ kleinen Oberfläche. Die zweite
Pulsspannung wird über den weiteren Elektroden angelegt. Die zweite Pulsspannung
wird über den weiteren Elektroden mit einer relativ kleinen Oberfläche in einem
Zeitintervall zwischen den aufeinanderfolgenden ersten Pulsspannungen, die durch
die erste Pulserzeugungsschaltung erzeugt wurden, angelegt, um Entladungen
durch Fixieren einer Position, an der sich die Entladungen bilden, zu stabilisieren,
so daß Atome des niedrigen Energieniveaus und langsame Elektronen in
superelastische Zusammenstöße gezwungen werden. Somit wird die Relaxation der Atome
des niedrigeren Energieniveaus gefördert, so daß eine Populationsinversion durch
das Anlegen der nächsten, ersten Pulsspannung verbessert wird, und es wird die
Reduktion der Lasereffizienz sogar dann verhindert, wenn die erste Pulsspannung
mit einer hohen Frequenz angelegt wird.
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Das obige und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden beim Lesen der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen deutlicher, welche jedoch nur dazu dienen, die Erfindung zu
illustrieren und nicht dazu da sind, den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
einzuschränken.
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Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt eines
herkömmlichen Metalldampflasers;
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Figur 2 ist ein Graph, welcher die diametrale
Temperaturverteilung und die diametrale
Dampfdichtenverteilung in der Entladungsröhre einer
herkömmlichen Stoffverdampfungsvorrichtung
zeigt;
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Figur 3 ist eine diagrammartige Darstellung eines
herkömmlichen Kupferdampflasers;
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Figur 4 ist ein Querschnitt eines wesentlichen
Abschnittes einer Stoffverdampfungsvorrichtung in
einer ersten Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Figur 5 ist ein Querschnitt eines wesentlichen
Abschnittes einer Modifikation der
Stoffverdampfungsvorrichtung der ersten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Figur 6 ist ein Blockdiagramm eines wesentlichen
Abschnittes einer Stoffverdampfungsvorrichtung
gemäß einer zweiten Ausführungsform gemäß
der vorliegenden Erfindung;
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Figur 7 ist ein Chart einer Wellenform, der die
Wellenformen von Pulssignalen zeigt, die von einem in
einer Stoffverdampfungsvorrichtung
enthaltenen Pulsphasenregler erzeugt wurden;
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Figur 8 ist ein Blockdiagramm einer
Stoffverdampfungsvorrichtung nach einer dritten
Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
als Metalldampflaser,
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Figuren 9(a), 9(b) und 9(c) sind perspektivische Ansichten von weiteren
Elektroden;
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Figur 10 ist ein Schaltungsdiagramm einer zweiten, in
Figur 8 dargestellten Pulserzeugungsschaltung;
und
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Figur 11 ist ein Zeitstrahl, welcher das Timing des
Anlegens der Spannung an die Entladungsröhre
zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im
nachfolgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Figur 4 zeigt eine Stoffverdampfungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn sie auf einen Metalldampflaser
angewendet wird, wobei Teile, die denen ähnlich sind oder entsprechen, die zuvor mit
Bezug auf Figur 1 beschrieben wurden, durch die gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind und die Beschreibung derselben zur Vermeidung von Wiederholungen
weggelassen wird.
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In Figur 4 ist ein Paar von Entladungselektroden 43 und 44 bezüglich der axialen
Richtung, welche durch die Pfeile Y angedeutet ist, axial einander
gegenüberliegend in einem Entladungsraum 3 angeordnet. Die Elektrode 43 besteht aus einer
Vielzahl von partiellen Elektroden 43a, 43b und 43c, welche elektrisch voneinander
isoliert sind und diametral zum Entladungsraum 3 (entlang einer durch die Pfeile X
angedeuteten Richtung) beabstandet angeordnet sind, und die Elektrode 44 besteht
aus einer Vielzahl von partiellen Elektroden 44a, 44b und 44c, welche elektrisch
voneinander isoliert sind und diametral zum Entladungsraum 3 in Intervallen
angeordnet sind. Eine Vielzahl von Energiequellen 45a, 45b und 45c legen
Spannungen über den partiellen Elektroden 43a bzw. 44a, über den partiellen Elektroden
43b bzw. 44b und über den partiellen Elektroden 43c bzw. 44c.
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Beim Betrieb werden über den partiellen Elektroden 43a bzw. 44a, über den
partiellen Elektroden 43b bzw. 44b und über den partiellen Elektroden 43c und 44c
Pulsspannungen angelegt, um eine Vielzahl von diametral beabstandeten
Pulsentladungen in dem Entladungsraum 3 zu erzeugen, um im Entladungsraum
vorhandene Metallstücke 4 zu schmelzen und zu verdampfen, um einen Metalldampf zu
erzeugen. Laserlicht wird durch Anregung des Metalldampfes auf ein höheres
Energieniveau durch die Vielzahl von Pulsentladungen erzeugt. Da die
Pulsentladungen in den diametral beabstandeten Bereichen des Entladungsraumes 3 gebildet
werden, wird das im Entladungsraum 3 überwiegende Puffergas in diametraler
Richtung gleichförmig aufgeheizt, so daß die diametrale Temperaturverteilung des
Puffergases im wesentlichen gleichförmig ist. Daher kann die Länge und der
Durchmesser des Lasermediums erhöht und die Laserausgangsleistung angehoben
werden. Ein Anstieg in dem Zeitintervall der Laseroszillation im Einheitszeitintervall
durch die Vielzahl von Pulsentladungen, die in dem Entladungsraum 3 gebildet
werden, erhöht die Laserausgangsleistung.
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Figur 5 zeigt eine Modifikation der Stoffverdampfungsvorrichtung der ersten
Ausführungsform. Die in Figur 5 gezeigte Stoffverdampfungsvorrichtung enthält ein
Paar von Elektroden 43 und 44, wobei nur die Elektrode 43 aus einer Vielzahl von
partiellen Elektroden 43a, 43b und 43c besteht. Der Effekt der
Stoffverdampfungsvorrichtung gemäß Figur 5 ist im wesentlichen der gleiche, wie der der in Figur 4
gezeigten Stoffverdampfungsvorrichtung.
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Figur 6 zeigt eine Stoffverdampfungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Stoffverdampfungsvorrichtung enthält
eine Elektrode 43, die aus einer Vielzahl von partiellen Elektroden 43a, 43b und
43c besteht, einer Elektrode 44, die aus einer Vielzahl von partiellen Elektroden
44a, 44b und 44c besteht, einer ersten Energiequelle 45a, einer zweiten
Energiequelle 45b und einer dritten Energiequelle 45c zum Anlegen von Spannungen über
den partiellen Elektroden 43a bzw. 44a, über den partiellen Elektroden 43b bzw.
44b und über den partiellen Elektroden 43c bzw. 44c, und einen Pulsphasenregler
48, welcher mit den Engeriequellen 45a, 45b und 45c verbunden ist.
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Der Pulsphasenregler 48 legt Pulssignale S&sub1;, S&sub2; und S&sub3; an die Energiequellen 45a,
45b und 45c an, um die Energiequellen 45a, 45b und 45c zu veranlassen,
Pulsspannungen an die jeweils entsprechenden Paare von partiellen Elektroden 43a
bzw. 44a, 43b bzw. 44b und 43c bzw. 44c zu legen. Wie in Figur 7 gezeigt,
verzögert das an die zweite Energiequelle 45b angelegte Pulssignal S&sub2; das an die
erste Energiequelle 45a angelegte Pulssignal S&sub1; um eine Zeit T&sub1;, und das an die
dritte Energiequelle 45c angelegte Pulssignal S&sub3; verzögert das an die erste
Energiequelle 45a angelegte Pulssignal S&sub1; um eine Zeit T&sub2;. Dementsprechend hinkt die
Phase der über dem Paar von partiellen Elektroden 43b und 44b angelegten
Pulsspannung der Phase der über dem Paar von partiellen Elektroden 43a und 44a
angelegten Pulsspannung um die Zeit T&sub1; hinterher, und die Phase der über den
partiellen Elektroden 43c und 44c angelegten Pulsspannung hängt der Phase der
über dem Paar von partiellen Elektroden 43a und 44a angelegten Pulsspannung um
die T&sub2; hinterher.
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Daher weist die Stoffverdampfungsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform
zusätzlich zu dem der Stoffverdampfungsvorrichtung in der ersten
Ausführungsform den folgenden Effekt auf. Es werden nämlich die Pulsspannungen
verschiedener Phasen nacheinander über die Paare von partiellen Elektroden 43a bzw. 44a,
43b bzw. 44 und 43c bzw. 44c angelegt, um in diametral beabstandeten Bereichen
im Entladungsraum sequentiell Pulsentladungen verschiedener Phasen zu bilden, so
daß das Energieniveau der durch eine Pulsentladung auf ein höheres Energieniveau
angeregten Atome des Dampfes von einem höheren Energieniveau auf ein
niedrigeres Energieniveau fällt, um die Anzahl der Atome des niedrigeren Energieniveaus
anzuheben. Dem Energieniveau der Atome auf dem niedrigeren Energieniveau wird
es erlaubt, während der Unterbrechung der Pulsentladung auf das
Grundenergieniveau zu fallen, womit die Anzahl der Atome auf dem niedrigeren Energieniveau
reduziert werden kann, so daß die Laserausgangsleistung erhöht wird.
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Figur 8 zeigt eine Stoffverdampfungsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher Teile, die den zuvor mit Bezug auf
Figur 3 beschriebenen gleichen oder entsprechen, durch die gleichen
Bezugszeichen bezeichnet werden und die Beschreibung derselben weggelassen ist, um
Wiederholungen zu vermeiden.
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In Figur 8 ist der Eingang einer Verzögerungsschaltung 51 mit einer
Pulsregelschaltung 19 verbunden und der Ausgang mit einer zweiten
Pulserzeugungsschaltung 300 verbunden. Die Verzögerungsschaltung 51 verzögert das Ausgangssignal
bezüglich einem Eingangssignal der Pulsregelschaltung 19 um ein bestimmtes
Zeitintervall. Der Ausgang der zweiten Pulserzeugungsschaltung 300 ist durch
isolierende Ringe 102 mit weiteren Elektroden 101 verbunden, die gegenüber der
Elektroden 1 angeordnet sind, welche jeweils an den gegenüberliegenden Enden
einer Entladungsröhre 2 angeordnet sind. Die weiteren Elektroden 101 weisen
jeweils eine kleine Oberfläche auf, um eine stabile Entladung an einer bestimmten
Entladungsposition zu erzeugen. Die weiteren Elektroden 101 können
beispielsweise eine massive Stange 101-1 mit kleinem Durchmesser gemäß Figur 9(a) sein,
eine Röhre 101-2 mit einem kleinen Außendurchmesser gemäß Figur 9(b) oder
einem zylindrischen Kamm 101-3 gemäß Figur 9(c).
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Figur 10 zeigt die Konfiguration der zweiten Pulserzeugungsschaltung 300 gemäß
Figur 8 im Detail: Eine Verbindungsleitung a ist durch eine Filterdrossel 54 mit
einem Ende der zweiten Spule eines Pulstransformators 52 mit einem
Windungsverhältnis n verbunden. Eine Verbindungsleitung b ist mit dem anderen Ende der
zweiten Spule des Pulstransformators 52 verbunden. Eine Filterkapazität 53 ist mit
der zweiten Spule des Pulstransformators 52 parallel geschaltet. Die Filterkapazität
53 und die Filterdrossel 54 bilden eine Schutzschaltung 56.
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Ein Ende der Primärspule des Pulstransformators 52 ist mit der positiven Elektrode
einer Gleichspannungsquelle 58 über eine Diode 60 entgegengesetzter Polarität und
einer Pulsladedrossel 49 verbunden und durch eine Pulskapazität 57 mit einem
ersten Anschluß eines eigenständig Kurzschlüsse unterdrückenden Schalters 55.
Das andere Ende der Primärspule des Pulstransformators 52 ist über eine
Pulsdrossel 61 mit einem zweiten Anschluß des Selbst-Kurzschlüsse unterdrückenden
Schalters 55 verbunden. Die negative Elektrode der Gleichspannungsquelle 58 ist
mit dem ersten Anschluß des Selbst-Kurzschlüsse unterdrückenden Schalters 55
verbunden. Eine Verbindungsleitung c ist mit dem eigenständig Kurzschlüsse
unterdrückenden Schalter 55 verbunden.
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Der zeitliche Ablauf des Anlegens einer Pulsspannung an die Entladungsröhre 2 der
Stoffverdampfungsvorrichtung in der zehnten Ausführungsform ist in der Figur 11
gezeigt.
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Nach dem Empfang eines Steuersignais von der Pulsregelschaltung 19 legt die
erste Pulsschaltung 200 eine erste Pulsspannung über einer versiegelten Röhre
über den Elektroden 1 an, um eine Entladung in der Entladungsröhre 2 zu bilden.
Die Verzögerungsschaltung 51 transferiert das durch die Pulsregelschaltung 19 zur
Verfügung gestellte Steuersignal mit einer vorbestimmten Verzögerung zu der
zweiten Pulserzeugungsschaltung 300.
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Wenn der eigenständig Kurzschlüsse unterdrückende Schalter 55 der zweiten
Pulserzeugungsschaltung 300 durch ein durch die Verzögerungsschaltung 51 zur
Verfügung gestelltes Signal geschlossen wird, wird die elektrische Energie einer in
der Pulskapazität 57 gespeicherten Spannung über der Primärspule des
Pulstransformators 52 angelegt. Dann tritt eine Spannung über der Sekundärspule des
Pulstransformators 52 auf, die n-mal größer ist als die Spannung, die über der
Primärspule des Pulstransformators 52 anliegt, und es wird eine zweite
Pulsspannung über den weiteren Elektroden 101 der Entladungsrähre 2 durch die
Filterkapazität 53 und die Filterdrossel 54 angelegt.
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Zwischen den Verbindungsleitungen a und b werden Pulsspannungen Vab in einem
Modus angelegt, wie er in der Figur 11 gezeigt ist. Die erste
Pulserzeugungsschaltung 200 legt eine erste Pulsspannung zwischen denen Elektroden der
Entladungsröhre 2 zu einem Zeitpunkt t&sub0; an, um eine Entladung zu bilden. Die zweite
Pulserzeugungsschaltung 300 legt eine zweite Pulsspannung zwischen den weiteren
Elektroden 101 mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung T bezüglich dem Anlegen
der ersten Pulsspannung an. Das aufeinanderfolgende Anlegen der ersten
Pulsspannung zwischen den Elektroden 1 und der zweiten Pulsspannung zwischen
weiteren Elektroden 101 wird periodisch wiederholt.
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Da die Oberfläche der weiteren Elektroden 101 klein ist, werden die Entladungen
an einer bestimmten Position und gleichförmig innerhalb des durch die
Entladungsröhre 2 definierten Entladungsraumes ausgebildet, wodurch die Atome stabil von
dem niedrigeren Energieniveau auf das Grundenergieniveau relaxieren. Die
Filterdrossel 54 und die Filterkapazität 53 arbeiten als Tiefpaßfilter, welcher auf die
durch die erste Pulserzeugungsschaltung 200 erzeugte erste Pulsspannung
reakierend ist und auf die durch die zweite Pulserzeugungsschaltung 300 erzeugte zweite
Pulsspannung induktiv ist.
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Die Pulsbreite Tx der durch die zweite Pulserzeugungsschaltung 300 erzeugten
zweiten Pulsspannung ist eine Funktion der Induktivität Lx der Pulsdrossel 61 und
der Kapazität Cx der Pulskapazität 57 und läßt sich ausdrücken durch:
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Tx ≈ π(Lx Cx)½
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Die Pulsbreite Tx ist größer als die der durch die erste Pulserzeugungsschaltung
200 erzeugten ersten Pulsspannung.
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Die Relaxation der Atome von dem niedrigeren Energieniveau auf das
Grundenergieniveau wird durch den superelastischen Zusammenstoß der Atome des niedrigen
Energieniveaus und der langsamen Elektronen verursacht, wenn die
Entladungsröhre 2 einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweist, welcher ausgedrückt
wird durch:
Cu* + e(langsam) T Cu + e(schnell),
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wobei Cu* Kupferatome auf dem niedrigeren Energieniveau sind, Cu Kupferatorne
auf dem Grundenergieniveau sind, e(langsam) langsame Elektronen sind und
e(schnell) schnelle Elektronen sind.
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Die zweite durch die zweite Pulserzeugungsschaltung 300 erzeugte Pulsspannung
ist eine niedrige Spannung, welche nicht in der Lage ist, die Atome auf ein höheres
Energieniveau anzuregen, aber die zweite Pulsspannung ist in der Lage, die
Elektronen zu beschleunigen, wodurch häufige Zusammenstöße der Atome der
Elektronen auftreten. Somit wird die Relaxation der Atome von dem niedrigeren
Energieniveau auf das Grundenergieniveau durch den aktiven superelastischen
Zusammenstoß der Atome auf dem niedrigeren Engergieniveau und der Elektronen
gefördert.
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Eine durch Unterbrechen der Gleichstromquelle 58 erhaltene Spannung kann über
der Entladungsröhre 2 anstelle der Spannung der Pulskapazität 57 angelegt
werden.
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Jeder passende Ein/Aus-Schalter kann anstelle des eigenständig Kurzschlüsse
unterdrückenden Schalters 55 verwendet werden.
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Die Stoffverdampfungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung bildet Entladungen an diametral beabstandeten Positionen,
um das Puffergas im wesentlichen gleichförmig in einer Vielzahl von diametral
beabstandeten Bereichen in dem Entladungsraum zu erhitzten, so daß das
Puffergas in einer im wesentlichen gleichförmigen Temperaturverteilung bezüglich des
Durchmessers des Entladungsraumes erhitzt werden kann, und somit die Länge
und der Durchmessers des Lasermediums erhöht werden kann und die Dauer der
Laseroszillation pro Einheitszeitintervall erhöht werden kann. Somit ist die
Stoffverdampfungsvorrichtung in der Lage, eine hohe Laserausgangsleistung zur Verfügung
zu stellen.
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Die Stoffverdampfungsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung hat die Wirkung, zusätzlich zu den vorgenannten Wirkungen, daß sie
die Relaxation der Atome von einem niedrigeren Energieniveau auf das
Grundenergieniveau fördert, durch die Röhren B, welche in dem Entladungsraum
vorgesehen sind, um häufige Zusammenstöße der Atome des Dampfes gegen die
Wände der Röhre während der Unterbrechung der Pulsentladung zu verursachen.
Daher weist die Stoffverdampfungsvorrichtung eine vergleichsweise lange
Laseraustrittszeit und eine hohe Laserausgangsleistung auf.
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Die Stoffverdampfungsvorrichtung in der dritten Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung enthält eine erste Pulserzeugungsschaltung und eine zweite
Pulserzeugungsschaltung, welche eine zweite Pulsspannung mit einer
vorbestimmten Zeitverzögerung bezüglich einer durch die erste Pulserzeugungsschaltung
erzeugten ersten Pulsspannung erzeugt. Daher wird die für die Relaxation der
Atome von einem niedrigeren Energieniveau auf das Grundenergieniveau benötigte
Zeit reduziert, woduch eine Populationsinversion durch das Anlegen der nächsten,
ersten Pulsspannung verbessert wird. Die weiteren Elektroden mit einer kleinen
Oberfläche stabilisieren die Entladungen und die Entladungspositionen, so daß die
Relaxation der Atome gleichförmig in dem Entladungsraum auftritt. Daher arbeitet
die Stoffverdampfungsvorrichtung stabil bei einer hohen lasererzeugenden Effizienz
und einer hohen Entladungsfrequenz.