KR20140034116A - Ｒｆ 여기식 레이저 조립체 - Google Patents

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KR20140034116A KR1020137013165A KR20137013165A KR20140034116A KR 20140034116 A KR20140034116 A KR 20140034116A KR 1020137013165 A KR1020137013165 A KR 1020137013165A KR 20137013165 A KR20137013165 A KR 20137013165A KR 20140034116 A KR20140034116 A KR 20140034116A
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지저스 페르난도 몬자딘-로페즈
피터 다니엘
요첸 다일레
샤디 섬레인
빅터 그란손
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트럼프 인크.
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Abstract

고주파(RF) 여기식 레이저 조립체는 전극간 갭을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들 및 상기 2개의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지를 포함한다. 상기 종단 브릿지는 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지 및 배치하고 상기 전극들로 인가되는 RF 전압을 위한 종단 임피던스를 제공한다. 원뿔형의 나선형 유도체는 하나 이상의 금속 권선들(windings), 및 하나 이상의 동심 단자들을 포함하며, 그에 따라 상기 원뿔형의 나선형 유도체는 권선들 사이에서의 가스 매체의 이온화를 완화시키기에 충분한 권선간 간격을 형성한다. 고주파(RF) 피드스루 조립체는 RF 전압을 한 쌍의 대향 전극들로 인가하도록 구성되고, 그에 따라 전도체가 이온 시스 방전 배리어에 의해서 상기 전도체 주위의 금속 슬리브 위치로부터 격리된다.

Description

ＲＦ 여기식 레이저 조립체{RF­EXCITED LASER ASSEMBLY}
관련출원에 대한 교차 참조
35 U.S.C. §119(e)(1) 하에서, 본원은 2010년 10월 29일자로 출원된 선행 미국 가출원 제 61/408,197 호의 이익을 주장하고, 상기 출원의 전체 내용은 참고에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본원의 기재 내용은 레이저들에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 모든 금속 가스 레이저들에 관한 것이다.
환형 방전, 하이브리드 공진기들, 및 분산 인덕턴스들(inductances)을 가지는 통상적인 레이저들 및 통상적인 확산 냉각식 레이저들은 전형적으로 "통전(live)" 전극과 접지부 사이에서 뿐만 아니라 고주파(RF; Radio Frequency) 피드스루(feed-through) 내에서 절연 재료들을 이용한다. 그러한 레이저들의 예들에는, TruCoax V3, V4, 및 V5 생산 레이저들을 포함하는 TRUMPF(코네티컷주 파밍턴 소재)로부터의 상업적으로 이용가능한 레이저들을 포함한다.
도 1a(측방향, 단면도)는, 한 쌍의 동심 전극들(1 및 2)을 포함하는 RF 여기식 가스 레이저의 조립체를 도시하며, 상기 전극들은 방전 갭(11)을 그 사이에 형성하고 그리고 유전체 부분들에 의해서 양 단부들에서 전기 절연적으로 그리고 기계적으로 유지된다. 광학 공진기들을 위한 미러들은 서로 대면하는 방전 단부들에 위치된다. 이러한 미러들은 일 단부에서 액시콘(axicon)(7)이고 그리고 타 단부에서 헬릭스(8)이며, 상기 액시콘은 역반사기(retro-refelctor)이고, 상기 헬릭스는 전형적인 공진기의 전방 및 후방 미러들 모두를 단일 기판 내에서 포함한다. 레이저 출력 윈도우(12)가 헬릭스 캐리어 상에 위치된다. 전극 조립체는, 공진기 미러들이 장착되는 각 단부에서 지지 블록들을 포함한다. 각각의 미러는, 조립체의 각 단부에 대한 덮개(lid)로서의 역할을 하는 캐리어 상에 장착된다.
외측 전극(1), 내측 전극(2), 및 덮개들이 조립될 때, 그들은 레이저 가스 혼합물을 유지하는 진공 밀봉형(tight) 챔버를 형성한다. 내측 전극(2)은 금속 브릿지(3) 및 세라믹 삽입체들(5 및 6)에 의해서 제위치에서 유지된다. 세라믹 삽입체들은 내측 전극을 외측 전극으로부터 전기적으로 절연시킨다. 헬릭스 단부의 세라믹 삽입체(5)는 헬릭스용 캐리어와 내측 전극(2)을 연결하는 중공형 실린더와 같이 성형된다. 캐리어뿐만 아니라 헬릭스 기판은 중심의 원형 개구부를 가지고, 그러한 개구부는 중공형 세라믹 삽입체(5)를 통한 대기압의 내측 전극(2)에 대한 접근을 제공한다. RF 전력을 공급하기 위해서 그리고 내측 전극(2)에 대한 냉각 유체의 공급 및 복귀를 위해서, 이러한 개구를 통해서, RF 피드스루 조립체(9)가 내측 전극(2)의 노출된 영역에 연결된다. 헬릭스-단부 세라믹 삽입체(5)는 내측 전극(2)을 접지된 외측 전극(1)으로부터 절연되게 유지한다. 액시콘(7) 단부에서, 내측 전극(2)이 조정가능한 종단 유도체(4)에 의해서 접지부에 전기적으로 연결된다.
RF 전력이 RF 피드스루(9)를 통해서 내측 전극(2)으로 공급되고 그리고 방전이 갭(11) 내에서 생성되며, 생성된 방전과 함께 전극들이 RF 전력에 대한 손실 전송 라인들(lossy transmission lines)과 같이 거동한다. RF 전력이 손실 전송 라인 내에서 전파됨에 따라, 전압 변동이 전극들의 길이를 따라서 발생된다. 전송 라인은 내부 조정가능 종단(4)에 의해서 액시콘(7) 단부에서 종료된다. 전압 변동들을 더 감소시키기 위해서 그리고 균일한 방전을 획득하기 위해서, 분산 유도체들(100)이, 외측 전극(1)과 내측 전극(2) 사이에서, 특별하게 디자인된 조립체들에 의해 전극들의 길이를 따라서 그리고 진공 외부에서의 몇몇 위치들에 연결된다.
도 1b는 제시된 바와 같은 그리고 미국 특허 제 7,778,303 호에 개시된 바와 같은 이러한 레이저의 코일 조립체의 예를 도시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 유도체 조립체(100)는 외측 전극(110)의 진공-밀봉형 개구부(175)를 통해서 그리고 내측-전극 갭(115) 내로 연장하는 전도성 로드 또는 피드스루(170)를 포함한다. 피드스루(170)는 진공 내에서 내측 전극(105)의 외측 표면과 접촉하는 가요성의 전도성 컨택트(187)에서 일 단부가 종료된다. 유도체 조립체(100)는 또한, 예를 들어, 나사(185)를 이용하여 피드스루(170)에 착탈식으로 연결되는 리드(180)를 포함한다. 유도체 조립체(100)는, 리드(180)가 외측 전극(110)의 외측 표면과 적절한 전기적 접촉을 이룰 때, 리드(180)에 의해서 외측 전극(110)에 전기적으로 연결된다. 나사들(185 및 186)을 제거함으로써, 외측 전극(110)의 외측 표면에 대한 리드(180)의 위치가 조정될 수 있고 그에 따라 피드스루(170)로부터 외측 전극(110)까지의 현재 길이를 조정하여 유도체 조립체(100)에 의해서 생성되는 인덕턴스의 값을 조정할 수 있다. 그에 따라, 진공 밀봉을 개방할 필요가 없이 또는 피드스루(170)를 제거할 필요가 없이, 유도체 조립체(100)의 인덕턴스가 용이하게 조정될 수 있다.
본 개시물은 RF 바이어스(bias)를 대향하는 전극으로 제공하기 위해서 제 1 전극 내의 포트를 통해서 연장하도록 구성된 RF 피드스루 조립체, 레이저 조립체에 의해서 형성된 가스 챔버 내에 배치되도록 구성된 하나 이상의 임피던스들 및/또는 상기 전극들을 분리하고 종단 임피던스를 제공하는 하나 이상의 금속 브릿지 지지부들을 포함하는 레이저 조립체들을 특징으로 한다.
하나의 양태에서, 본 개시물은 고주파(RF) 여기식 레이저 조립체를 제공하고, 그러한 RF 여기식 레이저 조립체는 전극간(inter-electrode) 갭을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들; 및 상기 2개의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지를 포함하고, 상기 종단 브릿지는 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지 및 배치하고 그리고 상기 전극들로 인가되는 RF 전압을 위한 종단 임피던스를 제공한다.
다른 양태에서, 본 개시물은 전극간 갭을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들로 RF 전압을 인가하도록 구성된 고주파(RF) 피드스루 조립체를 제공하고, 상기 조립체는 제 1 전극 내에 형성된 포트를 통해서 그리고 상기 전극간 갭에 걸쳐서 연장하도록 구성된 전도체; 및 상기 전도체 주위로 배치된 금속 슬리브를 포함하고; 상기 금속 슬리브는 상기 제 1 전극에 대해서 전기적으로 커플링되도록 그리고 상기 전도체로부터 이격되어 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이에 이온 시스 방전 배리어(ion sheath discharge barrier)의 형성을 허용하기에 충분한 폭을 가지는 갭을 형성하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 전도체는 수냉 포트를 포함한다.
본원 개시 내용에 의해서 제공되는 또 다른 양태는 하나 이상의 금속 권선들(windings); 및 하나 이상의 동심 단자들을 포함하는 원뿔형의 나선형 유도체이며, 상기 원뿔형의 나선형 유도체는 권선들 사이에서의 가스 매체의 이온화를 완화(mitigate)시킬 수 있는 충분한 권선간 간격을 형성한다. 일부 구현예들에서, 유도체는 동축 전극들 사이에 커플링되도록 그리고 유도체 내에서 생성된 열을 적어도 하나의 전극들을 향해서 전도하도록 구성될 수 있다. 또한 일부 실시예들에서, 하나 이상의 금속 권선들은 권선들 내에서 생성된 열을 하나 이상의 동심 단자들에 커플링된 유체-냉각식 조립체를 향해서 전도할 수 있는 충분한 단면적을 가질 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시물은 레이저 방전을 생성하기 위한 방법들을 특징으로 한다. 그러한 방법들은 전극간 갭을 형성하는 한 쌍의 대향하는 전극들을 제공하는 단계; 양 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지를 제공하는 단계로서, 상기 전도성 종단 브릿지는 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지 및 배치하고 그리고 상기 전극들로 인가되는 RF 전압을 위한 종단 임피던스를 제공하는 것인 단계; 및 전극간 갭 내에서 레이저 방전을 생성하기 위해서 전극들로 RF 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 전극들은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 그리고 상기 방법들은: 전도체 및 금속 슬리브를 포함하는 RF 피드스루 조립체를 제공하는 단계로서, 상기 전도체는 제 1 전극 내에 형성된 포트를 통해서, 금속 슬리브를 통해서, 그리고 무방전(discharge-free) 영역 내의 전극간 갭을 가로질러 연장하고, 상기 전도체는 제 2 전극에 전기적으로 커플링되는 것인 단계; 및 무방전 영역이 가스 매체에 대해서 접근할 수 있도록, 그러나 무방전 영역이 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭 내의 위치에 배치되도록, 상기 전도체를 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연시키기 위해서 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이에 이온 시스 방전 배리어를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이러한 양태들의 구현예들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극들은 내측 전극 및 외측 전극을 포함하는 동심 전극들일 수 있고, 그리고 상기 전극들은 환형 전극간 갭을 형성한다. 상기 내측 전극은 종단 브릿지에 인접한 하나 이상의 동심 핀들(fins)을 포함할 수 있고, 그리고 상기 하나 이상의 동심 핀들 각각은 RF 전압의 주파수에서 내측 전극의 스킨(skin) 깊이의 2배보다 더 두꺼운 두께를 가진다. 종단 브릿지는 하나 이상의 상보적인 동심 핀들을 포함할 수 있고, 그에 따라 하나 이상의 동심 핀들 및 하나 이상의 상보적인 동심 핀들이 배열되어, 사용중에 유전체 가스로 충전되어 커패시터를 형성할 수 있는 공간을 형성한다. 종단 브릿지가 평면형의, 다중-나선-형상의 브릿지 또는 평면형의, 아르키메데스(Archimedean)-나선-형상의 브릿지일 수 있다. 종단 브릿지가 전극들 중 하나와 일체로 형성된 T-형상의 브릿지일 수 있다. 단지 브릿지는 제 1 종단 브릿지가 될 수 있고, 그리고 RF 여기식 레이저 조립체가 상기 제 1 종단 브릿지에 대향하는 단부에서 제 2 종단 브릿지를 더 포함한다. 제 1 종단 브릿지는 평면형의, 이중-나선-형상의 브릿지일 수 있고, 그리고 상기 제 2 종단 브릿지는 전극들 중 하나와 일체로 형성된 T-형상의 브릿지일 수 있다. 종단 브릿지는 냉각 유체 공급 경로 및 냉각 유체 복귀 경로를 형성할 수 있다.
일부 실시예들에서, RF 여기식 레이저 조립체는 또한 대향 전극들의 쌍에 의해서 형성된 무방전 영역 내에서 전극간 갭에 걸쳐서 연장하는 완전 폐쇄형 임피던스 구성요소를 포함할 수 있고, 상기 무방전 영역은 가스 매체에 대해서 접근할 수 있으나, 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭 내의 위치에 배치된다. 임피던스 구성요소는 원뿔형의 나선형 유도체이다. RF 여기식 레이저 조립체는 원뿔형의 유도체를 레이저 조립체에 대해서 고정하도록 구성된 금속 클램프 및 금속 캡을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속 캡, 금속 클램프, 및 원뿔형 유도체는 전부 금속인 유도체 조립체를 함께 형성한다. 원뿔형의 나선형 유도체는 권선들 사이에서 가스 매체의 이온화를 완화시키기에 충분한 권선간 간격을 형성할 수 있다. 임피던스 구성요소 내에서 생성된 열을 전극들 중 적어도 하나를 향해서 전도하도록 임피던스 구성요소가 구성될 수 있다. RF 여기식 레이저 조립체는, 한 쌍의 대향 전극들 중의 제 1 전극 내에 형성된 포트를 통해서 그리고 한 쌍의 대향 전극들에 의해서 형성된 무방전 영역 내의 전극간 갭을 가로질러 연장하는 전도체를 포함하는 RF 피드스루 조립체를 더 포함할 수 있고, 상기 무방전 영역은 가스 매체에 대해서 접근할 수 있으나, 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭 내의 위치에 배치되며, 상기 전도체는 상기 한 쌍의 대향하는 전극들 중의 제 2 전극에 전기적으로 커플링되고 그리고 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연된다. 피드스루 조립체는 상기 전도체 주위의 금속 슬리브를 더 포함할 수 있고, 상기 금속 슬리브는 상기 제 1 전극에 전기적으로 커플링되고 그리고 상기 전도체로부터 이격되어 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이의 이온 시스 방전 배리어의 형성을 허용하기에 충분한 폭을 가지는 갭을 형성한다. 피드스루 조립체는 전도체를 제 1 전극으로부터 격리시키기 위해서 전도체 주위의 세라믹 슬리브를 더 포함할 수 있다. 전도체는 수냉 포트를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 대향 전극들의 쌍이 전극간 갭 내의 무방전 영역을 형성하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 무방전 영역이 가스 매체에 대해서 접근할 수 있는 전극간 갭 내의 영역이 되나, 그러한 곳에서 가스 매체는 여기되지 않으며, RF 여기식 레이저 조립체는 무방전 영역 내에서 전극간 갭에 걸쳐 연장하는 완전 폐쇄형 임피던스 구성요소를 더 포함하며; 그에 따라 임피던스 구성요소가 2개의 전극들에 대해서 전기적으로 커플링된다. 임피던스 구성요소는 원뿔형의 나선형 유도체일 수 있다. RF 여기식 레이저 조립체는 원뿔형 유도체를 레이저 조립체에 대해서 고정하도록 구성된 금속 클램프 및 금속 캡을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속 캡, 금속 클램프, 및 원뿔형 유도체는 전부 금속인 유도체 조립체를 형성한다. 원뿔형의 나선형 유도체는 권선들 사이에서 가스 매체의 이온화를 완화시키기에 충분한 권선간 간격을 형성할 수 있다. 임피던스 내에서 생성된 열을 전극들 중 적어도 하나를 향해서 전도하도록 임피던스가 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 한 쌍의 대향 전극들이 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있어, 전극들이 전극간 갭 내의 무방전 영역을 형성하도록 구성되며, 그에 따라 무방전 영역이 가스 매체에 대해서 접근할 수 있는 전극간 갭 내의 영역이 되나, 그러한 곳에서 가스 매체는 여기되지 않으며, 상기 RF 여기식 레이저 조립체는 제 1 전극 내에 형성된 포트를 통해서 그리고 무방전 영역 내에서 전극간 갭에 걸쳐서 연장하는 전도체를 더 포함하고, 상기 전도체는 상기 제 2 전극에 전기적으로 커플링되고 그리고 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연된다. 피드스루 조립체는 상기 전도체 주위의 금속 슬리브를 더 포함할 수 있고, 그에 따라 상기 금속 슬리브가 상기 제 1 전극에 전기적으로 커플링되고 그리고 상기 전도체로부터 이격되어 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이의 이온 시스 방전 배리어의 형성을 허용하기에 충분한 폭을 가지는 갭을 형성한다. 피드스루 조립체는 전도체를 제 1 전극으로부터 격리시키기 위해서 전도체 주위의 세라믹 슬리브를 더 포함할 수 있다. 전도체는 수냉 포트를 포함할 수 있다.
본원의 개시 내용에서 설명된 청구 대상의 특별한 실시예들은, 이하의 장점들 중 하나 이상을 실현하도록 구현될 수 있다. 구현예들은 대향 전극들의 쌍들 사이에서 보다 균일한 방전 특성들을 생성할 수 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 종단 브릿지들을 이용하는 것 및/또는 가스 챔버 내에서 유전체 재료를 이용하는 것에 대한 대안들을 제공하는 것은 신뢰성을 개선할 수 있고, 부품 수(part count)를 줄일 수 있고, 및/또는 레이저 조립체의 전체적인 비용을 줄일 수 있다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 2개의 종단 브릿지들을 이용하는 것은 레이저 조립체의 견고성(rigidity)을 추가적으로 개선할 수 있고, 그리고 일부 경우들에서 전극간 갭을 유지하면서도 레이저의 조립 및 분해를 단순화시킬 수 있다.
달리 규정된 바가 없다면, 본원에서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본원 발명이 속하는 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미를 가진다. 본원에서 개시된 것들과 유사한 또는 균등한 방법들 및 재료들이 본원 발명의 실시 또는 테스트에서 이용될 수 있지만, 적합한 방법들 및 재료들은 이하에서 설명된 바와 같다. 본원에서 언급된 모든 공보들, 특허 출원들, 특허들, 및 다른 참조물들은 그들의 전체가 본원에서 참조로서 포함된다. 분쟁이 있는 경우에, 정의들(definitions)을 포함하는 본원 명세서가 우선할 것이다. 또한, 재료들, 방법들, 및 예들은 단지 예시적인 것이고 그리고 한정적인 것을 의미하지 않는다.
본원 발명의 다른 특징들 및 장점들은 이하의 구체적인 설명으로부터, 그리고 청구항들로부터 자명할 것이다.
도 1a는 RF 여기식 레이저의 측단면도이다.
도 1b는 외부적으로 조정가능한 임피던스의 측단면도이다.
도 2-4는 RF 여기식 레이저들의 측단면도들이다.
도 5는 나선형 종단 브릿지를 포함하는 RF 여기식 레이저의 단부도이다.
도 6a 및 6b는 종단 브릿지의 2개의 추가적인 예들을 도시한 도면들이다.
도 7-9는 T-형상의 종단 브릿지 예들의 측단면도이다.
도 10a-10f는 상보적인 핀 구조물들과 함께 T-형상의 종단 브릿지 및 내측 전극을 도시한 단면도, 사시도 및 측면도이다.
도 11 및 12는 RF 피드스루 조립체들의 측단면도이다.
도 13 및 도 14는 유도체 형태의 내부 임피던스 구성요소의 측단면도들이다.
도 15a는 원뿔형의 나선형 유도체의 측면도이다
도 15b는 원뿔형의 나선형 유도체의 평면도이다.
도 16은 커패시터 형태의 외부 임피던스 구성요소의 측단면도이다.
여러 도면들에서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 나타낸다.
도 2-16은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함하는 레이저 조립체들 및 하위(sub)-조립체들의 여러 가지 구현예들을 도시한다: (i) RF 바이어스를 대향 전극으로 제공하기 위해 제 1 전극 내의 포트를 통해서 연장하도록 구성된 고주파(RF) 피드스루 조립체, (ii) 레이저 조립체에 의해서 형성된 가스 챔버 내에 배치되도록 구성된 하나 이상의 임피던스들, 및 (iii) 전극들을 분리시키고 종단 임피던스를 제공하는 하나 이상의 금속 브릿지 지지부들. 이러한 요소들이 조합되어 모든 금속 가스 레이저들을 제공할 수 있으나, 또한 그들 자체적으로 또는 이들 특징들의 쌍들의 여러 가지 조합으로 이용될 때 상당한 장점들을 제공할 수 있을 것이다.
도 2를 참조하면, RF 여기식 레이저 조립체(200)가 도시되어 있으며, 그러한 조립체는 레이저를 전기적으로 펌핑하기 위해서 가스 매체를 여기하기 위한 방전 용적을 제공하는 전극간 갭(215)을 형성하는 한 쌍의 대향하는 전극들(205, 210)을 포함한다. 이러한 구현예에서, 레이저(200)는 환형의 기하형태를 가지고 그리고 2개의 동심 전극들을 가진다. 전극(205)은 외측의 원통형 전극(205)이고 그리고 전극(210)은 상기 외측 전극(205)의 내측 개구를 따라서 동축으로 연장하여 환형의 전극간 갭(215)을 형성하는 내측의 원통형 전극(210)이다.
레이저(200)는 수냉 시스템을 이용하여 전극들(205, 210) 중 하나 이상(예를 들어, 외측 전극(205))을 냉각시킴으로써 확산 냉각될 수 있다. 예를 들어, 내측 전극은 도 2-4 및 7-10a에 도시된 바와 같은 중공형의 원통형 형상을 가질 수 있거나 또는 중실형의 원통형 형상을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, 내측 전극은 중공형 코어 및 냉각수에 대한 경로를 제공하기 위해서 상기 전극의 내측 표면 내에 형성된 채널들을 포함한다. 레이저(200)는 내측 전극(210)으로 그리고 외측 전극(205)으로 전력을 제공하는 고주파(RF) 여기 공급원을 이용하여 동작될 수 있다. 레이저(200)의 광학 공진기가 전방 미러, 액시콘(220), 및 후방 미러, 헬릭스(225), 및 2개의 전극들(205, 210)에 의해서 형성된다. 그에 따라, 레이저 가스의 여기는 전극들 사이의 방전 용적(또는 RF 필드(field)) 내에 이루어진다. 헬릭스(225)가 헬릭스 캐리어(235) 상에 장착되고 그리고 액시콘(220)이 액시콘 캐리어(245) 상에 장착된다. 레이저 출구 윈도우(265)가 헬릭스 캐리어(235) 상에 위치된다. 공진기 디자인은 선형 편광화 비임을 생성한다.
하나의 특정 구현예에서, 레이저(200)는 이산화탄소(C02) 가스 레이저이고, 이는 이산화탄소(C02), 헬륨(He), 질소(N2), 및 가능하게는 약간의 수소(H2), 수증기, 및/또는 크세논(Xe)을 포함하는 가스 매체를 기초로 하는 레이저이다. RF 공급원(230)을 이용하여 동작되는 C02 가스 레이저(200)는 약 9 내지 11 ㎛의, 특히 약 10.59 ㎛의 파장을 방출할 수 있다. 전극들(205, 210)은 길이방향으로 연장하고, 약 1.3 m의 종방향 길이들 및 몇백 밀리미터 정도의 지름들을 가질 수 있고, 그리고 예를 들어 약 70-90 밀리바아의 압력에서 약 6 mm의 전극간 갭(215)을 형성할 수 있다. 갭(215)의 크기는 공급원 주파수 및 갭(215) 내의 압력과 관련되고, 그에 따라 만약 특별한 갭(215) 크기가 요구된다면, 공급원 주파수 및 갭(215) 내의 압력이 그에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 만약 갭 크기가 감소된다면, 주파수 및 갭 압력이 증가된다.
전극들(205, 210)은, 유전체 재료를 이용하지 않고, 전도성 종단 브릿지들(240, 250)에 의해서 양 단부들에서 지지된다. 브릿지들(240, 250)은 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지하고 위치시킨다. 또한, 브릿지들(240, 250)은, 전극들을 따른 전압 분배를 개선하기 위해서 희망하는 종단 임피던스를 획득하도록 성형된다. 일부 구현예들에서, 액시콘 단부에서 접지된 외측 전극(205)과 내측 전극(210) 사이의 보다 큰 전압 강하를 생성하기 위해서 그리고 보다 긴 RF 경로를 제공하기 위해서, 내측 전극(210)은 액시콘 단부(260)에서 핀들(예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 핀들(811))과 함께 제조된다. 핀들은 여기 주파수에서 스킨 깊이의 적어도 2배의 두께를 가지도록, 그리고 바람직하게, 여기 주파수에서 스킨 깊이 보다 수 배 더 두꺼운 두께를 가지도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 가스 방전의 점화(ignition)를 개시하기 위해서 및/또는 균일한 가스 방전을 유지하기 위해서, 각 브릿지의 임피던스는 내측 전극(210)의 상응하는 단부에서, 접지된 외측 전극(205)에 대한 압력 강하를 제공한다. 희망하는 임피던스를 가지도록 각각의 브릿지를 성형하는 것은 브릿지와 내측 전극 사이의 세라믹 삽입체에 대한 필요성을 배제하고, 그에 따라 보다 탄력적이고 그리고 보다 덜 복잡한 하위-조립체를 제공한다. 특정 레이저 조립체들에서 적어도 하나의 지지 조립체를 대체함으로써, 유사한 장점들이 유도될 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 4는 RF 여기식 레이저 조립체들(300, 400)의 측단면도들을 도시하고, 이들 각각의 조립체는 도 1a의 레이저(100)와 유사하다. 이러한 구현예들에서, 레이저들(300, 400)은 내측 전극(310, 410)에 대한 기계적인 지지를 제공하는 전도성 종단 브릿지(340, 440), 및 액시콘 단부에서의 내측 전극(310, 410)과 외측 전극(305, 405) 사이의 종단 임피던스를 포함한다. 이러한 방식에서, 브릿지들(340, 440)은, 세라믹 삽입체(예를 들어 도 1a의 세라믹 삽입체(6))를 이용하지 않고, 내측 전극(310, 410)과 외측 전극(305, 405)에 대해서 전기적으로 및 기계적으로 커플링된다. 브릿지들(340, 440)이 예를 들어 도 5-10f에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 내측 전극(210)에 대한 기계적인 지지를 제공하기 위해서 2개의 전도성 종단 브릿지들을 이용하는 것은, 내측 전극(210)과 외측 전극(205) 사이의 간격이나 정렬에 영향을 미치지 않고, 헬릭스 캐리어(235)와 액시콘 캐리어(245)의 제거를 가능하게 한다. 이는 조립 프로세스 동안에 및/또는 미러들을 조정 또는 교체할 때 특히 유용할 수 있다.
도 5-10f는 평면형의 나선형-형상의 브릿지들(500, 600), 평면형의 지그-재그 형상의 브릿지(650), 및 T-형상의 브릿지들(700, 800, 900)을 포함하는 전도성 종단 브릿지들의 여러 가지 구현예들을 도시한다. 종단 브릿지(500)의 임피던스가 각각의 나선형 브랜치(510)의 많은 수의 회선들(turns), 구조물의 두께, 그리고 외측 전극, 내측 전극, 및 브릿지 사이에 형성된 공극(예를 들어, 도 2에 도시된 공극(225))에 의해서 튜닝된다. 헬릭스 미러와 종단 브릿지 사이의 거리는 또한 임피던스 값에 영향을 미치고, 그리고 미세 조정을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 거리가 고정적으로 유지된다면, 동일한 광학 공진기를 유지하기 위해서 다른 매개변수들을 조정할 수 있을 것이다(즉, 헬릭스와 액시콘 미러들 사이의 거리를 유지함으로써).
페르마 나선(Fermat's spiral)들 또는 로그 나선(logarithmic spiral)들이 또한 희망하는 임피던스 및 기계적 지지를 달성하기 위해서 이용될 수 있다. 다른 형태들이 또한 희망하는 양의 기계적 안정성/견고성, 강도, 및/또는 임피던스를 달성하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 6b는 상이한 형태들을 가지는 평면형 종단 브릿지의 2개의 추가적인 임피던스들을 도시한다. 종단 브릿지(600)는, 도 5에서 제공된 구현예에 대비하여 증가된 수의 권선들을 형성하는 2개의 나선형 브랜치들(610)을 포함하는 다른 이중-나선 종단 브릿지가 된다. 도 6b는 평행한 지그-재그 브랜치를 가지는 종단 브릿지(650)를 도시한다. 도 5에 도시된 종단 브릿지들에서와 같이, 브랜치들(610, 660)은 외측 링(615, 665)의 원주를 따라서 정반대되는 위치들(620/625, 670/675)에서 종료된다. 광학 공진기와의 간섭을 제공하지 않도록 또는 거의 간섭을 제공하지 않도록 브랜치들(610, 660)과 외측 링(615, 665) 사이의 간격이 구성된다(즉, 브랜치들(610, 660)과 외측 링(615, 665) 사이에 형성된 공극의 폭이, 조립된 내측 전극과 외측 전극 사이에 형성되는 전극간 갭 보다 더 크다). 다른 구현예들은, 다른 수단에 의해서 기계적 안정성이 제공되기만 한다면, 하나의 나선형 브랜치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본원에서 개시된 내부 원뿔형-나선형-유도체와 같은 분산 금속 임피던스들이 내측 전극을 지지하기 위해서 그리고 전극간 갭을 유지하기 위해서 이용될 수 있다.
도 6a 및 6b에 제공된 종단 브릿지들의 전체 임피던스는 브랜치들(610, 660)의 기하형태적 형상, 두께 및 저항뿐만 아니라, 외측 전극, 내측 전극 및 브릿지 사이에 형성된 공극의 단면에 의해서 조정된다. 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이, 헬릭스 미러와 종단 브릿지 사이의 거리는 또한 임피던스 값에 영향을 미치고 그리고 미세 조정을 위해서 이용될 수 있다.
도 7-10a는 여러 가지 T-형상의 종단 브릿지들의 예들의 단면도들을 도시한다. 그러한 T-형상의 종단 브릿지들이 내측 전극에 부착되거나 또는 내측 전극과 일체로 형성되어(예를 들어, 용접됨 또는 몰딩됨) 연속적인 조립체/구성요소를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 7은 내측 전극(710)의 단부 캡(716)에 용접된 종단 브릿지(700)를 도시한다. 종단 임피던스는 구조물의 두께 그리고 외측 전극(705), 내측 전극(710), 및 브릿지(700) 사이에 형성된 공극(755)의 단면에 의해서 결정된다. 단부 캡(716)은 선택적으로 내측 전극(710)에 부착 또는 용접되기에 앞서서, 브릿지(700)에 부착되거나 브릿지(700)와 함께 형성될 수 있을 것이다.
도 8은, 예를 들어 복수의 동심 핀들(811)을 가지는 내측 전극(810)과 일체로 형성될 수 있는 T-형상의 브릿지(800)를 도시한다. 종단 브릿지(800)는 내측 전극(810)에 용접된 내측 전극 컨택트(816)를 포함한다. 내측 전극 컨택트(816)는, 내측 전극(810)의 일부로서, 또는 본원에서 개시된 바와 같은 종단 브릿지의 일부로서, 내측 전극(1010)에 대해서 도 10c으로 설명되는 바와 같은 내측 전극(810)에 대한 단부 캡으로서 형성될 수 있다. 내측 전극 컨택트(816), 지지 기둥(column)(817), 교차-브레이스(cross-brace)(818)가 함께 몰딩, 용접 및/또는 볼트 체결되어 종단 브릿지(800)를 형성할 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 핀은 바람직하게는 내측 및 외측 전극들에 걸쳐서 인가된 RF 포텐셜의 주파수에서 내측 전극의 스킨 깊이의 2배 보다 더 큰 두께를 가진다. 일부 구현예들은 희망하는 임피던스를 달성하기 위해서 보다 적은 수의 또는 보다 많은 수의 핀들을 포함할 수 있다.
도 9는, 내측 전극(910) 상에(즉, 단부 캡(916) 상에) 제공된 핀들(911) 및 유전체로서 핀들 사이의 공간 내로 도입되는 레이저 가스 매체와 조합되어, 용량형(capacitive) 구조물(913)을 형성하도록 배열된 상보적인 동심 핀들(912)을 포함하는 T-형상의 브릿지(900)를 도시한다. 이러한 방식에서, 용량형 종단이 내측 전극(910)과 외측 전극(905) 사이에서 달성될 수 있다.
도 10a-10f는 내측 전극 핀들(1011) 및 브릿지 핀들(1012)에 의해서 형성된 용량형 구조물을 포함하는 T-형상의 종단 브릿지(1000)의 단면도, 측면도 및 사시도를 도시한다. 종단 브릿지(1000)는 내측 전극을 위한 냉각 유체들의 공급 및 복귀를 위한 내부 채널들(1041, 1042)을 또한 포함한다. 내부 채널들(1041, 1042)은, 예를 들어 도 7 내지 9에 도시된 구현예들을 포함하는 다른 구현예들에 선택적으로 포함될 수 있을 것이다. T-형상의 브릿지 구현예들에서의 내부 채널들(1041, 1042)은, 도 1, 3 및 4에 도시된 바와 같이, 내측 전극을 위한 냉각 유체들의 공급 및 복귀를 위한 레이저의 헬릭스 단부에서 RF 피드스루를 이용하는 것에 대한 대안을 제공한다. 도 10c는 핀들(1011)을 포함하는 내측 전극(1010)의 단부도를 제공한다. 도 10c는 또한 브릿지(1000)의 채널들(1041, 1042)에 의해서 제공되는 냉각 유체에 대한 내측 전극 공급 경로 및 복귀 경로들을 도시한다. 도 10d-10e는 정반대측에 있는 전극 지지 연장부들(1021, 1022) 및 외측 지지 링(1023)을 포함하는 종단 브릿지(1000)의 정면도 및 사시도를 제공한다. 외측 지지 링(1023)이 외측 전극에 기계적으로 커플링되어 접지부에 대한 복귀 경로를 제공한다. 도 10f는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 종단 브릿지(1000) 및 핀들(1011, 1012)의 횡단면도이다.
일부 구현예들에서, RF 전력은, 외측 전극 내에 형성된 개구부 또는 포트를 통해서 내측 전극에 연결되는 피드스루 전도체에 의해서 내측 전극으로 공급된다. 예를 들어, 도 2는 레이저(200)의 액시콘 단부(260)에 근접하여 배열된 RF 피드스루 조립체(270)를 도시한다. 도 11 및 12는 RF 피드스루 조립체의 2개의 예들을 보다 구체적으로 도시한다. 이러한 예들에서, RF 전력은, 방전 및 레이저 작용이 금지된 영역(즉, 무방전 영역(1114, 1214)) 내에서 방전 갭(1115, 1215) 내로 직접적으로 주입된다. 무방전 영역(1114, 1214)은 전극간 갭(1115, 1215)의 크기를 변화시킴으로써 형성된다. 도 11 및 12에 도시된 예들에서, 무방전 영역(1114, 1214) 내의 및/또는 무방전 영역(1114, 1214) 근처의 외측 전극(1105, 1205)의 내측 표면과 내측 전극(1110, 1210)의 외측 표면(즉, 전극들(1105/1110, 1205/1210)의 인접한 표면들) 사이의 거리는 무방전 영역(1114, 1214) 내의 외측 전극(1105, 1205)과 내측 전극(1110, 1210) 사이의 플라즈마 방전을 방지 또는 금지하기에 충분할 정도로 크다(그에 따라, 플라즈마가 무방전 영역(1114, 1214) 내에서 점화될 수 없다).
다른 한편으로, 무방전 영역(1114, 1214) 외부의 전극들(1105/1110, 1205/1210)의 인접한 표면들 사이의 거리는 방전 용적(무방전 영역(1114, 1214)의 외부의 용적) 내의 외측 전극(1105, 1205)과 내측 전극(1110, 1210) 사이에서 플라즈마 방전을 촉진할 수 있을 정도로 충분히 작다. 다시 말해서, 무방전 영역(1114, 1214) 내의 전극들(1105/1110, 1205/1210) 사이의 갭(1115, 1215)이 방전 용적 내의 전극들(1105/1110, 1205/1210) 사이의 갭(1115, 1215) 보다 더 크며, 그에 따라 무방전 영역(1114, 1214) 내에서의 방전 발생이 방지된다. 피드스루 전도체의 과열 및 전도체에 밀접한 아아크 발생(arcing)을 회피하도록, 무방전 영역(1114, 1214)이 형성된다.
방전 점화의 지점에서의 RF 피드스루 영역 내의 전기장 분포는 라플라스 미분 방정식을 수치적으로 해석함으로써 계산된다. 아아크 형성을 유도할 수도 있는 높은 국소적인 전기장 강도들을 회피하기 위해서, 유전체 디스크 지름 및 내측 전극 스폿 페이스(face)와 같은 치수들이 계산된다. 무방전 영역(스폿 페이스)으로의 전이부(transition)에서의 방전 갭의 개구부는 클로소이드(clothoid) 형상을 가지며, 이때 곡률 반경은 방전 갭에서의 무한대(infinity)로부터 어느 정도의 유한한 곡률까지 연속적으로 증가된다.
도 11의 RF 피드스루 조립체는 알루미나 세라믹 절연체(1124) 및 절연 클램프(1125)에 의해서 외측 전극(1110)으로부터 절연되는 피드스루 전도체(1119)를 포함하고, 그리고 나사(1122)에 의해서 내측 전극(1110)에 연결된다. 절연체(1124)는 방전 갭 영역(1115) 내로 진입하기 전의 약 2 mm까지 피드스루 전도체(1119)를 덮고, 그에 따라 피드스루 전도체(1119)와, 클램프 조립체(1126)에 의해서 접지부 복귀부에 연결된 외측 전극(1110)에 의해서 형성된 포트의 벽들 사이의 방전을 방지한다. RF 피드스루 전도체(1119)를 위한 포트는, 도 11에 도시된 바와 같이, O-링들(1123)을 클램핑함으로써 진공에 대해서 밀봉된다. RF 피드스루 전도체(1119)는 전도체의 내측 벽들에 의해서 형성된 선택적인 공급 및 복귀 냉각 포트(1127)를 포함한다.
일부 실시예들에서, 알루미나 대신에 다른 절연체 재료들이 피드스루 조립체에 이용될 수 있으나, 그러한 모든 재료들은 이하의 기준들을 충족시켜야 한다: 바람직하게 알루미나보다 더 낮은 유전 상수, (~ 700 ℃의 온도에서 기계적 및 화학적으로 안정한) 열 저항, 및 무배출. 알루미나보다 낮은 유전 상수를 가지는 재료는 피드스루와 외측 전극에서의 포트의 벽들 사이의 방전 발생 위험을 최소화하는 데 있어서 바람직할 수 있다.
일부 구현예들에서, 피드스루 조립체는 피드스루 전도체를 접지된 외측 전극으로부터 절연시키기 위해서 유전체 재료를 이용할 것을 요구하지 않는다. 도 12는 그러한 실시예의 예를 제공한다. 도 12에 도시된 바와 같은 실시예들은, 피드스루 전도체(1219)를 접지된 외측 전극(1210)으로부터 격리시키기 위해서, 금속 표면의 경계들에서 가스 내에 형성된 이온 시스의 두께를 이용한다.
피드스루 전도체(1219)와 외측 전극 포트의 접지된 벽 사이의 분리는 이온 시스보다 작아야 한다. 일부 구성들에서, 27.12 MHz 여기 주파수의 경우에 이온 시스는 400 ㎛ 정도가 된다. 도 12의 예에서, 피드스루 전도체(1219)는 나사(1222)에 의해서 내측 전극(1210)에 연결되고 그리고 피드스루 전도체로부터 이격된 접지된 금속 슬리브(1232)에 의해서 덮이고, 그에 따라 이온 시스 두께와 유사한(comparable) 갭을 피드스루 전도체(1219)와 금속 슬리브(1232) 사이에 형성한다. 금속 슬리브(1232)는 압축된 O-링(1223)에 의해서 피드스루 전도체(1219)에 대해서 센터링되고, 상기 O-링(1223)은 또한 금속 슬리브와 피드스루 전도체 사이의 진공 밀봉부로서의 역할을 한다. 다른 O-링(1224)이 금속 슬리브(1232)와 외측 전극(1210)에 의해서 형성된 포트 사이를 밀봉하기 위해서 이용된다. O-링(1223, 1224)은 접지부 복귀부 클램프(1233) 및 절연 클램프(1234)에 의해서 압축된다. RF 피드스루 전도체(1219)는 전도체의 내측 벽들에 의해서 형성된 선택적인 공급 및 복귀 냉각 포트(1227)를 포함한다.
방전이 형성될 때, 방전의 전력 밀도는 전형적으로 전송 라인 내의 전압 변동에 의해서 전극들을 따라서 변화된다. 그러나, 갭을 따라서 방전을 균일하게 유지하는 것이 일반적으로 바람직하다. 일부 구현예들에서, 방전 균일성은 도 2-10f와 관련하여 전술한 하나 이상의 종단 브릿지들을 이용함으로써 개선될 수 있다. 일부 구현예들에서, 균일한 방전은, 전극간 갭(215)의 길이를 따라서 하나 이상의 분산 임피던스들과 조합하여, 전술한 바와 같은 하나 이상의 종단 브릿지들을 이용함으로써 달성될 수 있다. 도 2를 다시 참조하면, 종단 브릿지들(240 및 250)에 의해서 제공된 분산 임피던스들, 중심 임피던스(280)는 갭(215)을 따라 균일한 방전을 유지하는 것을 돕는다. 도 2의 예에서, 중심 임피던스(280)는 외부적으로 조정될 수 있는 유도체의 형태가 된다. 도 1b는 미국 특허 제 7,778,303 호에 개시된 바와 같이 외부적으로 조정가능한 유도체 조립체(100)의 예를 도시한다.
레이저(200)의 헬릭스 및 액시콘 단부들 사이에 외부에서 조정가능한 임피던스를 제공하는 것은, 최대(full) RF 입력 파워에서 전형적으로 1.5 배 미만의 최대 대 최소의(maximum over minimum) 비율을 가지는 방전 분배를 허용한다. 일부 구현예들에서, 희망하는 방전 성능을 달성하는데 있어서 필수적인 임피던스 특성들이 예를 들어, 실험적으로, 계산에 의해서, 또는 시뮬레이션에 의해서 결정되고, 그리고 가스 챔버 내에 배치된 하나 이상의 고정형 임피던스 구성요소들을 제공하기 위해서 이용된다. 도 13은 가스 챔버 내부에 전체적으로 수용될 수 있는 원뿔형 나선과 같이 성형된 유도체(1305)를 포함하는 고정형 유도체 조립체(1300)의 예를 도시한다. 예를 들어, 권선들 사이의 공간 내에서의 가스 매체의 점화를 완화하도록 원뿔형 나선의 신장(elongation)이 선택된다.
일부 예들에서, 유도체(1302)는 높은 전기 전도도 및 높은 열 전도도를 가지는 금속으로 제조된다. 바람직하게, 권선의 단면은, 유도체 내에서 생성된 열이 적어도 하나의 전극을 향해서 전도할 수 있을 정도로 충분히 두꺼워야 한다. 유도체(1302)는 나사(1329)에 의해서 방전 갭(1315)을 가로질러 내측 전극(1310)에 그리고 금속 클램프(1330)를 이용하여 아래로 클램핑하는 것에 의해서 접지된 외측 전극(1305)에 연결될 수 있다. 방전 특성들을 모니터링하기 위해서, 관찰 포트(viewport)(1331)가 설치될 수 있다. 그 대신에, 금속 캡, 금속 클램프(1330), 및 유도체(1302)가 모두 금속인 유도체 조립체를 형성하도록, 금속 캡이 관찰 포트(1331) 대신에 이용될 수 있다.
도 14는 원뿔형 나선으로서 성형된 유도체(1402)를 포함하는 고정형 유도체 조립체(1400)의 다른 구현예를 도시한다. 유도체(1402)는 나사(1429)에 의해서 방전 갭(1415)을 가로질러 내측 전극(1410)에 그리고 금속 클램프/캡(1430)을 이용하여 아래로 클램핑함으로써 접지된 외측 전극(1405)에 연결될 수 있다. 관찰 포트(도 13에 도시됨) 대신에 금속 클램프/캡(1430)을 이용하는 것은 전부 금속인 유도체 조립체를 제공한다.
도 15a 및 15b는, 전술한 설명에 따른 원뿔형의 나선형 유도체(1502)의 측면도 및 평면도를 각각 제공한다. 유도체(1502)는 가스 챔버 내부에 완전히 수용되도록 구성된다. 권선들 사이의 공간 내에서의 가스 매체의 점화를 방지하도록 원뿔형 나선의 신장이 선택된다. 유도체(1502)는 높은 전기 전도도 및 높은 열 전도도를 가지는 금속으로 제조되고, 그리고 권선의 단면은, 바람직하게는 확산 냉각되는 하나 이상의 전극들을 향해서 발생된 열을 전도할 수 있을 정도로 충분히 두꺼워야 한다. 유도체(1502)는 나사에 의해서 방전 갭을 가로질러 내측 전극에 그리고 클램프를 이용하여 아래로 클램핑하는 것에 의해서 접지된 외측 전극에 연결될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 외측 전극 내에 형성된 포트들에 매칭되도록 그리고 시뮬레이션에 의해서 또는 실험적으로 결정될 수 있는 희망 임피던스를 제공하도록 유도체의 치수들이 선택된다.
도 16은, 피드스루 조립체(1604)의 일부로서 피드스루 전도체(1617) 및 외측 전극(1605) 사이에 전기적으로 연결된 커패시터(1604)를 포함하는 외부 임피던스 조립체(1600)의 하나의 예를 도시한다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 용량형 조립체들이 가스 챔버 내에 배치된다. 예를 들어, 서로 맞물린(inter-digitated) 구조물들, (종단 브릿지(1000)와 관련하여 전술한 바와 같은) 상보적인 동심 링 플레이트들 및 평면형 전극 구조물들을 포함하여, 용량형 구조물을 형성하기 위한 다양한 형상들 및 치수들이 가능할 것이다. 구현예들은, 전도성 로드가 내측 전극으로부터 격리되도록 금속 표면의 경계들에서 가스 내에 형성된 이온 시스의 두께보다 작은 거리까지 전극간 갭을 통해서 연장하는 전도성 로드를 포함할 수 있다. 대안적인 구현예들은, 알루미나 세라믹 절연체 또는 RF 피드스루 조립체 내에서 피드스루 전도체(1119)를 절연하기 위한 전술한 기준을 충족시키는 다른 절연체 재료와 같은 유전체를 이용하는 용량형 구조물들을 포함할 수 있다. 피드스루 조립체(1604)뿐만 아니라 대안적인 구현예들과 관련한 추가적인 상세한 설명이 도 1b, 13 및 14와 관련하여 본 명세서에서 설명된다.
일반적으로, 레이저의 입력 및 출력 전력이 변화될 수 있다. 본원에 개시된 레이저들은 lkW 내지 5kW의 레이저 출력을 생성하기 위해서 lOkW 내지 50kW의 RF 입력 전력으로 작동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레이저 조립체의 치수들을 적절하게 스케일링(scaling; 규모 조정)함으로써 다른 전력 레벨들에서 동작되도록 레이저 조립체들이 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 레이저 조립체들의 여러 가지 구현예들은 2개의 전극들 사이에서 절연체 재료들을 이용하지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같은 종단 브릿지를 포함하는 구현예들은 그 대신에 견고한 전기 전도성 조립체들을 제공한다. 외측 전극과 내측 전극 사이의 이중 단자가 저주파수 도메인(domain) 내에서 단락 연결부(short circuit connection)와 같은 거동을 할 수 있을 것이지만, 본 명세서에 개시된 종단 브릿지들은 전극들로 인가되는 RF 포텐셜에 대한 종단 임피던스를 실제로 제공한다. 액시콘 및 헬릭스 종단 브릿지들과 조합하여, 전술한 종단 임피던스들은 모두-금속인 동축적인 레이저 조립체를 제공할 수 있게 한다.
동작 중에, 레이저 방전 발생은: 전극간 갭을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들을 제공하는 단계; 2개의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지를 제공함으로써, 상기 전도성 종단 브릿지가 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지 및 배치하고 그리고 상기 전극들로 인가되는 RF 전압을 위한 종단 임피던스를 제공하는 것인 단계; 및 전극간 갭 내에서 레이저 방전을 생성하기 위해서 전극들로 RF 포텐셜을 인가하는 단계를 제공함으로써 달성된다. 일부 구현예들에서, 전극들은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있어, 전극들은 전극간 갭 내의 무방전 영역을 형성하도록 구성되며, 그리고 그에 따라 무방전 영역이 가스 매체에 대해서 접근할 수 있는 전극간 갭 내의 영역이 되나, 그러한 곳에서 가스 매체는 여기되지 않는다. 그러한 구현예들에서, 레이저 방전은 전도체 및 금속 슬리브를 포함하는 RF 피드스루 조립체를 추가적으로 제공하는 단계에 의해서 생성되며, 상기 전도체는 제 1 전극 내에 형성된 포트를 통해서, 금속 슬리브를 통해서, 그리고 무방전 영역 내의 전극간 갭을 가로질러 연장하고, 상기 전도체는 제 2 전극에 전기적으로 커플링되고, 그리고 상기 전도체를 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연시키기 위해서 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이에 이온 시스 방전 배리어를 형성한다.
본 발명에 관한 상세한 설명으로 본 발명을 설명하였지만, 전술한 설명은 본 발명의 범위를 예시하도록 의도되는 것으로, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들의 범위에 의해서 규정된다. 다른 양태들, 장점들, 및 변경들이 이하의 청구항들의 범위 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (25)

  1. 고주파(RF; Radio Frequency) 여기식 레이저 조립체로서:
    전극간 갭(215)을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들(205, 210); 및
    상기 2개의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지(240, 250)
    를 포함하고, 상기 종단 브릿지는 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지하고 배치하며, 상기 전극들로 인가되는 RF 전압(230)을 위한 종단 임피던스를 제공하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극들이 내측 전극(210) 및 외측 전극(205)을 포함하는 동심 전극들이고, 상기 전극들이 환형의 전극간 갭(215)을 형성하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내측 전극이 상기 종단 브릿지(1000)에 인접한 하나 이상의 동심 핀들(1011)을 포함하고, 상기 하나 이상의 동심 핀들 각각은 RF 전압(230)의 주파수에서 상기 내측 전극의 스킨 깊이의 2배보다 큰 두께를 가지는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지(1000)가 하나 이상의 상보적인 동심 핀들(1012)을 포함하고, 상기 하나 이상의 동심 핀들 및 상기 하나 이상의 상보적인 동심 핀들은 이용 중에 커패시터를 형성하기 위해서 유전체 가스로 충전될 수 있는 공간을 형성하도록 배열되는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지(250, 340)가 평면형의 복수-나선-형상의 브릿지인 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지가 평면형의 아르키메데스-나선-형상의 브릿지(500)인 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지가 전극들(210, 205) 중 하나와 일체로 형성된 T-형상의 브릿지들(240)인 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지가 제 1 종단 브릿지(250)이고, 상기 RF 여기식 레이저 조립체가 상기 제 1 종단 브릿지의 반대측의 단부에서 제 2 종단 브릿지(240)를 더 포함하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 종단 브릿지가 평면형의 이중-나선-형상의 브릿지(250)이고, 상기 제 2 종단 브릿지가 상기 전극들(210, 205) 중 하나와 일체로 형성된 T-형상의 브릿지(240)인 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종단 브릿지(240)가 냉각 유체 공급 경로 및 냉각 유체 복귀 경로(1041, 1042)를 형성하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 여기식 레이저 조립체는 한 쌍의 대향 전극들에 의해서 형성된 무방전 영역 내에서 전극간 갭을 가로질러 연장하는 완전 폐쇄형 임피던스 구성요소(1302, 1402)를 더 포함하고, 상기 무방전 영역은 가스 매체에 접근할 수 있으나, 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭 내의 위치에 배치되는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 임피던스 구성요소(1302, 1402)가 원뿔형의 나선형 유도체인 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 RF 여기식 레이저 조립체는 원뿔형의 유도체(1302)를 RF 여기식 레이저 조립체에 고정하도록 구성된 금속 클램프(1330) 및 금속 캡을 더 포함하며, 상기 금속 캡, 금속 클램프, 및 원뿔형 유도체는 함께 전부 금속인 유도체 조립체(1400)를 형성하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 원뿔형의 나선형 유도체(1302, 1402)는 권선들 사이에서의 가스 매체의 이온화를 완화시키기에 충분한 권선간 간격을 형성하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 임피던스 구성요소는, 임피던스 구성요소 내에서 생성된 열을 상기 전극들 중 적어도 하나를 향해서 전도하도록 구성되는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 RF 여기식 레이저 조립체는, 대향 전극들의 쌍의 제 1 전극(1105, 1205) 내에 형성된 포트를 통해서 그리고 대향 전극들의 쌍에 의해서 형성된 무방전 영역 내의 전극간 갭(1115, 1215)을 가로질러 연장하는 전도체(1119, 1219)를 구비하는 RF 피드스루 조립체(1100, 1200)를 더 포함하고, 상기 무방전 영역은 가스 매체에 접근할 수 있으나, 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭 내의 위치에 배치되며, 상기 전도체는 상기 대향하는 전극들의 쌍의 제 2 전극(1110, 1210)에 전기적으로 커플링되고, 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연되는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 피드스루 조립체(1200)는 상기 전도체(1219) 주위의 금속 슬리브(1232)를 더 포함하고, 상기 금속 슬리브는 상기 제 1 전극(1205)에 전기적으로 커플링되고, 상기 전도체로부터 이격되어 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이의 이온 시스 방전 배리어(ion sheath discharge barrier)의 형성을 허용하기에 충분한 폭을 가지는 갭을 형성하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 피드스루 조립체(1100)는 상기 전도체(1119)를 상기 제 1 전극(1105)으로부터 격리시키기 위해서 상기 전도체(1119) 주위에 세라믹 슬리브(1124)를 더 포함하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도체(1119, 1219)가 수냉 포트(1127, 1227)를 포함하는 것인 RF 여기식 레이저 조립체.
  20. 레이저 방전을 생성하기 위한 레이저 방전의 생성 방법으로서:
    전극간 갭(215)을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들(205, 210)을 제공하는 단계;
    2개의 전극들과 전기적으로 접촉하는 전도성 종단 브릿지(140, 150)를 제공하는 단계로서, 상기 전도성 종단 브릿지는 상기 전극들을 서로에 대해서 기계적으로 지지 및 배치하고 상기 전극들로 인가되는 RF 전압(230)을 위한 종단 임피던스를 제공하는 것인 단계; 및
    상기 전극간 갭(215) 내에서 레이저 방전을 생성하기 위해서 상기 전극들로 RF 전압(230)을 인가하는 단계
    를 포함하는 레이저 방전의 생성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전극들은 제 1 전극(205) 및 제 2 전극(210)을 포함하고,
    상기 레이저 방전의 생성 방법은:
    전도체(1219) 및 금속 슬리브(1232)를 포함하는 RF 피드스루 조립체(1200)를 제공하는 단계로서, 상기 전도체는 제 1 전극(205, 1205) 내에 형성된 포트를 통해서, 금속 슬리브(1232)를 통해서, 그리고 무방전 영역 내의 전극간 갭(215, 1215)을 가로질러 연장하고, 상기 전도체는 제 2 전극(210, 1210)에 전기적으로 커플링되는 것인 단계; 및
    상기 전도체를 상기 제 1 전극으로부터 전기적으로 절연시키기 위해서 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이에 이온 시스 방전 배리어를 형성하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 무방전 영역이 가스 매체에 접근할 수 있으나, 상기 가스 매체가 여기되지 않는 전극간 갭(215, 1215) 내의 위치에 배치되는 것인 레이저 방전의 생성 방법.
  22. 전극간 갭을 형성하는 한 쌍의 대향 전극들로 RF 전압을 인가하도록 구성된 고주파(RF) 피드스루 조립체(1200)로서:
    제 1 전극(1205) 내에 형성된 포트를 통해서 그리고 상기 전극간 갭(1215)에 걸쳐서 연장하도록 구성된 전도체(1219); 및
    상기 전도체 주위로 배치된 금속 슬리브(1232)
    를 포함하고, 상기 금속 슬리브는 상기 제 1 전극(1205)에 대해서 전기적으로 커플링되도록, 그리고 상기 전도체(1219)로부터 이격되어 상기 전도체와 상기 금속 슬리브 사이에 이온 시스 방전 배리어의 형성을 허용하기에 충분한 폭을 가지는 갭을 형성하도록 구성되는 것인 RF 피드스루 조립체.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전도체(1219)가 수냉 포트(1227)를 포함하는 것인 RF 피드스루 조립체.
  24. 원뿔형의 나선형 유도체(1302, 1402, 1502)로서:
    하나 이상의 금속 권선들; 및
    하나 이상의 동심 단자들
    을 포함하고, 상기 원뿔형의 나선형 유도체는 권선들 사이에서의 가스 매체의 이온화를 완화시킬 수 있는 충분한 권선간 간격을 형성하는 것인 원뿔형의 나선형 유도체.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 금속 권선들은 상기 권선들 내에서 생성된 열을 하나 이상의 동심 단자들에 커플링된 유체-냉각식 조립체를 향해서 전도하기에 충분한 단면적을 가지는 것인 원뿔형의 나선형 유도체.
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