DE69401900T2 - Plasma Lichtquelle - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle, bei der es sich bei dem lichterzeugenden Medium um ein durch Mikrowellen angeregtes Plasma handelt, und genauer durch Mikrowellen angeregte Gaslaser.
- Lichtquelle und insbesondere Gaslaser, bei denen das lichtabgebende Medium in einen Plasmazustand mittels Mikrowellenstrahlung angeregt wird, sind bekannt. Jedoch verwenden bestehende Lichtquellen dieses Typs linear polarisierte Mikrowellenstrahlung, um das gasförmige Medium in einen lichtabgebenden Zustand anzuregen. Bei diesen Vorrichtung neigt das lichtabgebende Plasma dazu, in Lichtstreifen bzw. in Schichten zusammenzubrechen, die den elektrischen Vektor des anregenden Mikrowellenfeldes folgen. Je stärker das elektrische Feld der Mikrowelle ist, desto wahrscheinlicher ist es, daß diese Instabilitäten auftreten. Der Effekt ist insbesondere in dem Fall eines durch Mikrowellen angeregten Gaslasers kritisch, da er sowohl die maximale Leistung als auch die Pulslänge der Laserstrahlung beschränkt, die erzeugt werden kann.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Gas-Lichtquellen, die durch Mikrowellen angeregt werden, bereitzustellen.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtquelle bereitgestellt, die ein Gas- Medium enthält, das mittels eines elektromagnetischen Mikrowellenfeldes in einen lichtemittierenden Zustands angeregt wird, wobei das elektromagnetische Feld durch eine zirkular polarisierte Mikrowellenstrahlung erzeugt wird.
- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtquelle angepaßt, um einen Laser zu betreiben. Eine bestimmte Laser-Form, die die vorliegende Erfindung verwirktucht, weist ein Lasermedium auf, das aus Helium mit 0,1 bis 1 % Xenon bei einem Gesamtdruck zwischen 10&sup4; und 10&sup5; Pa (100 und 1000 mbar) besteht.
- Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
- die Figuren 1(a)
- und 1(b) schematische Darstellungen in Längs- und Quer-Abschnitten eines Gaslasers, der durch Mikrowellen angeregt wird und der die vorliegende Erfindung verkörpert, sind und
- Figuren 2(a)
- und 2(b) schematische Darstellungen in Längs- und Quer-Abschnitten der Lichtquelle, die durch Mikrowellen angeregt wird und die vorliegende Erfindung verkörpert, sind.
- Nimmt man Bezug auf die Figur 1, so besteht ein Gaslaser, der durch Mikrowellen angeregt wird und die vorliegende Erfindung verkörpert, aus einer röhrenförmigen Anregungskammer 1, die aus Silika oder einem anderem Keramikmaterial hergestellt ist, das gegenüber Mikrowellenstrahlung transparent ist. An einem Ende 2 der Anregungskammer 1 befindet sich ein Einlaß 3 für ein gasförmiges laserndes bzw. laserstrahlenaussendendes Medium und an dem anderen Ende 4 der Anregungskammer 1 befindet sich ein Auslaß 5 für das gasförmige, laserstrahlenaussendende Medium. Das Ende 2 der Anregungskannner 1 ist mit einem voll-reflektierenden Spiegel 6 versehen und das Ende 4 der Anregungskammer 1 ist mit einem teilweise reflektierenden Spiegel 7 versehen. Der Abstand zwischen den Spiegeln 6 und 7 ist der Gestalt, daß eine optische Resonanz-Kavität in der für einen Laser üblichen Art und Weise ausgebildet wird. Ein aktiver Bereich der Anregungskammer 1 wird durch einen Metallzylinder 8 umgeben, der durch in sich zurückkehrende Enden 9 und 10, die ein Mikrowellen-absorbierendes Material 11 beinhalten können, oder durch Abschnitte eines Wellenleiter-Cut-Off bei der Mikrowellenfrequenz abgeschlossen ist. Der Zylinder 8 bildet eine Mikrowellen-Resonanz-Kavität 12. Die wiedereintretenden Enden bzw. die in sich zurückkehrenden Enden 9 und 10 und der Absorber 11 des Mikrowellen-Wellenleiters 12 verhindern, daß Mikrowellenstrahlung aus der Mikrowellen-Resonanz-Kavität 12 herausgelangt bzw. leckt. Eine linear polarisierte Mikrowellenstrahlung aus einem Mikrowellengenerator 13 wird in die Mikrowellenresonanz-Kavität 12 über eine Drehkreuzverbindung 14 eingebracht, die aus vier regelmäßig beabstandeten Blindleitungen 15 mit rechteckförmigem Querschnitt besteht, von denen zwei, nämlich 16 und 17, einstellbare Enden 18 und 19 beinhalten, um es zu ermöglichen, daß sich zirkular polarisierte Mikrowellen in der Mikrowellen-Resonanz-Kavität 12 ausbilden.
- Das Medium wird so gewählt, daß es die gewünschte Wellenlänge oder die gewünschten Wellenlängen der Laserstrahlung bereitstellt. Zum Beispiel wird eine Mischung von Helium mit 0,1 bis 1 % Xenon eine Strahlung erzeugen, die Wellenlängen einschließlich 2,03, 2,65, 3,43 und 3,65 µm (Mikrometer) umfaßt. Mit diesem Medium können Gesamt-Gasdrücke von zwischen 10&sup4; bis 10&sup5; Pa (100 und 1000 mbar) verwendet werden, genauso wie Flußraten von zwischen 0 bis 10 l/min verwendet werden können. Eine geeignete Mikrowellenfrequenz beträgt 2,8 GHz, und zwar in Pulsen mit einer Puls-Wiederholrate von bis zu 10 kHz.
- Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die angepaßt ist, um als eine Plasma-Lichtquelle zu wirken. Jene Bestandteile, die entsprechende Gegenstücke in der Ausführungsform der Erfindung haben, die unter Bezugnahme auf die Figur 1 beschrieben wurde, haben diesselben Bezugszeichen.
- Nimmt man Bezug auf die Figur 2, so ist der teilweise reflektierende Spiegel 7 durch einen voll-reflektierenden Spiegel 21 ersetzt und ein Bereich des Metallzylinders 8 ist durch ein Metallgitter 22 ersetzt, dessen Löcher klein genug sind, um eine Leckage von Mikrowellenstrahlung zu verhindern, die aber groß genug sind, um die Emission von Licht radial aus der Kammer 1 zu ermöglichen. Natürlich muß in diesem Fall die Anregungskammer 1 gegenüber Licht transparent sein, das von dem Plasma, das darin ist, emittiert wird.
- Verwendet man Xenon bzw. Xenonchlorid, so ist die obige Ausführungsform besonders geeignet, um eine Quelle ultravioletten Lichts bereitzustellen, das Wellenlängen von 172 bzw. 308 nm aufweist.
- Beispiele für andere gasförmige Medien, die verwendet werden können, sind die folgenden:
- a) Eine Mischung aus 3 % F&sub2;, 50 % Ar und Helium als Puffergas bzw. Ausgleichsmittel. Diese Mischung erzeugt bei einem Gesamtdruck von 5 10³ Pa (50 mbar) und bei einer Fließrate bzw. bei einem Fluß zwischen 20 und 60 ccm min&supmin;¹, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 193 µm von dem angeregten Molekül ArF*, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 6 und 7 %.
- b) Eine Mischung aus 4 % F&sub2;, 25 % Kr und He als Puffer. Diese Mischung erzeugt bei einem Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) und einem Fluß zwischen 50 und 120 ccm min&supmin;¹, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 248 µm von dem angeregten Molekul KrF*, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 15 - 17 %.
- c) Eine Mischung von 4 % F&sub2;, 30 % Xe und He als Puffer. Diese Mischung erzeugt bei einem Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) und einem Fluß zwischen 50 und 70 ccm min&supmin;¹, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 351 µm von dem angeregten Molekul XeF*, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 7 und 8 %.
- d) Eine Mischung aus 0,5 % HCl, 90 % Xe und dem Puffer He. Diese Mischung erzeugt bei einem Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) und einem Fluß zwischen 100 und 200 ccm min&supmin;¹, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 308 µm von dem angeregten Molekul XeCl*, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 8 und 10 %.
- e) Eine Mischung aus 1 % HCl, 90 % Kr und dem Puffer He. Diese Mischung erzeugt bei einem Gesamtdruck von 9 10³ Pa (90 mbar) und einem Fluß zwischen 100 und 200 ccm min&supmin;¹, eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 222 µm von dem angeregten Molekül KrCl*, und zwar mit einem Wirkungsgrad zwischen 7 und 8 %.
- Andere Gasmedien, die verwendet werden können, sind Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff-Fluorid, Deuterium-Fluorid, Xenonchlorid, Xenon und Gasmischungen, die üblicherweise verwendet werden, um Lichtemissionen durch diese Moleküle bereitzustellen (zum Beispiel Mischungen aus SF&sub6;, D&sub2;, HCL).
Claims (24)
1. Lichtquelle, die ein Gas-Medium beinhaltet, das in einem lichtabgebenden Zustand
mittels eines elektromagnetischen Mikrowellenfeldes angeregt wird, wobei das
elektromagnetische Feld durch zirkular polarisierte Mikrowellenstrahlung erzeugt
wird.
2. Lichtquelle gemäß Anspruch 1, bei welchem das gasförmige Medium eine oder
mehrere der folgenden Gase enthält: Argon, Chlor, Deuterium, Fluor, Helium,
Krypton und Xenon oder Verbindungen davon beinhaltet.
3. Lichtquelle nach dem Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem das gasförmige
Medium eins oder mehrere der folgenden Gase enthält: Kohlendioxid, Deuterium-
Fluor, Wasserstoff-Fluor, Xenon-Chlorid, Schwefelhexafluorid, Deuterium- und
Wasserstoffchlorid.
4. Lichtquelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das gasförmige
Medium bei einem Druck von bis zu 10&sup5; Pa (1000 mbar) vorliegt.
5. Lichtquelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das gasförmige
Medium durch eine Anregungskammer (1) bei einer Flußrate zwischen 0 und 10 l
min&supmin;¹ durchgeleitet wird, die einen Teil der Lichtquelle ausbildet, in dem es in den
lichtabgebenden Zustand angeregt wird.
6. Lichtquelle nach den Ansprüchen 2, 4 und 5, bei welchem das gasförmige Medium
eine Mischung aus Helium und 0,1 bis 1 Volumen-% von Xenon bei einem
Gesamtdruck von 10&sup4; bis 10&sup5; Pa (100 bis 1000 mbar) aufweist.
7. Lichtquelle nach Anspruch 6, bei welcher das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß von 0 bis 10 l min&supmin;¹ hindurchgeleitet wird.
8. Lichtquelle nach den Ansprüchen 2, 4 und 5, bei welcher das gasförmige Medium
eine Mischung aus Argon, Fluor und Helium in den Verhältnissen 50:3:47 bei einem
Gesamtdruck von 5 10³ Pa (50 mbar) jeweilig aufweist.
9. Lichtquelle nach Anspruch 8, bei welcher das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß zwischen 20 und 60 ccm min&supmin;¹ hindurchgeleitet
wird.
10. Lichtquelle nach den Ansprüchen 2, 4 und 5, bei welcher das gasförmige Medium
eine Mischung aus Fluor, Helium und Krypton in den Verhältnissen von 4:71:25 bei
einem Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) jeweilig aufweist.
11. Lichtquelle nach Anspruch 10, bei welcher das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß zwischen 50 und 120 ccm min&supmin;¹
hindurchgeleitet wird.
12. Lichtquelle nach Ansprüchen 2, 4 und 5, bei welcher das gasförmige Medium eine
Mischung aus Fluor, Helium und Xenon in den Verhältnissen 4:66:30 bei einem
Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) ist.
13. Lichtquelle nach Anspruch 12, bei welcher das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß zwischen 50 und 70 ccm min&supmin;¹ hindurchgeleitet
wird.
14. Lichtquelle nach Anspruch 3, 4 und 5, bei welcher das gasförmige Medium eine
Mischung aus Wasserstoffchlorid, Helium und Xenon in den Verhältnissen 0,5:9,5:90
bei einem Gesamtdruck von 4 10³ Pa (40 mbar) jeweilig aufweist.
15. Lichtquelle nach Anspruch 14, bei welcher das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß zwischen 100 und 200 ccm min&supmin;¹
hindurchgeleitet wird.
16. Lichtquelle nach Ansprüchen 3, 4 und 5, bei welcher das gasförmige Medium eine
Mischung aus Wasserstoffchlorid, Helium und Krypton in den Verhältnissen 1:9:90
bei einem Gesamtdruck von 9 10³ Pa (90 mbar) jeweilig aufweist.
17. Lichtquelle nach Anspruch 16, bei welchem das gasförmige Medium durch die
Anregungskammer (1) bei einem Fluß zwischen 100 und 200 ccm min&supmin;¹
hindurchgeleitet wird.
18. Lichtquelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, die angepaßt ist,
um als ein Laser zu wirken.
19. Lichtquelle nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, bei welcher eine
zylindrische Anregungskammer (1) beinhaltet ist, die aus einem Material hergestellt
ist, das gegenüber Mikrowellenstrahlung transparent ist, und die Einlaß- und
Auslaßöffnungen (3, 5) aufweist, mittels derer ein gasförmiges Medium durch die
Anregungskammer (1) hindurchgeleitet werden kann, sowie einen zylindrischen
Wellenleiter (8), der die Anregungskammer (1) umgibt und angepaßt ist, um eine
Mikrowellen-Resonanz-Kavität (12) auszubilden und Einrichtungen (13, 14, 15, 16,
17, 18) zum Ausbilden eines zirkular polarisierten Mikrowellenfeldes in der
Mikrowellenresonanz-Kavität (12) umfaßt.
20. Lichtquelle nach Anspruch 19, bei welcher die Einrichtung zum Ausbilden eines
zirkular polarisierten Mikrowellenfeldes in der Mikrowellenresonanz-Kavität (12) vier
regelmäßig beabstandete Wellenleiter (15) umfaßt, wobei an einem ein
Mikrowellengenerator (13) angeschlossen ist und ein einander gegenüberliegendes Paar davon (16,
17) in der Länge einstellbar ist, so daß die Mikrowellenresonanz-Kavität (12) auf die
Resonanz abgestimmt werden kann.
21. Lichtquelle nach Anspruch 19 oder nach Anspruch 20, bei welcher die
Anregungskammer (1) angepaßt (6, 7) ist, um einen Teil einer optischen Resonanz-Kavität
auszubilden, um dadurch die Lichtquelle zu veranlassen, als Laser zu arbeiten.
22. Lichtquelle nach Anspruch 19 oder nach Anspruch 20, bei welcher die Wände der
Anregungskammer (1) gegenüber der Strahlung, die durch das angeregte Gas-Medium
erzeugt wird, transparent ist und der zylindrische Wellenleiter (8), der die
Anregungskammer (1) umgibt aus einem metallischen Gitter (22) hergestellt ist, dessen Löcher
klein genug sind, um eine Leckage von Mikrowellenstrahlung zu verhindern, aber
groß genug sind, um die Strahlung, die durch das angeregte Gas-Medium erzeugt
wird, hindurchzulassen.
23. Lichtquelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Mikrowellenstrahlung eine Frequenz von 2,8 GHz aufweist.
24. Lichtquelle nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Mikrowellenstrahlung bei einer Wiederholfrequenz von ungefahr 10 KHz gepulst ist.
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