PL224240B1 - Sposób kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego oraz laserowa rura wyładowcza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego oraz laserowa rura wyładowcza do stosowania tego sposobu, umożliwiający czynną zmianę mocy generowanych na wybranych liniach charakterystyki widmowej.

Znany jest z opisu patentowego US patent 4689796 sposób kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera kryptonowego poprzez zmianę ciśnienia gazu w rurze laserowej a tym samym zmianę mocy promieniowania poszczególnych linii widma. W celu zmiany ciśnienia kryptonu w rurze laserowej wykorzystuje się substancję sorpcyjną umieszczoną w dodatkowym zbiorniku przyłączonym do rury laserowej. Substancje sorpcyjną wykazującą silną zależność własności sorpcyjnych od temperatury. Zmniejsza się temperaturę zbiornika za pomocą dołączonego do niego elementu termoelektrycznego o regulowanej temperaturze, przez co zwiększa się ilość gazu zaabsorbowanego w zbiorniku, a w efekcie spadek ciśnienia gazu w rurze laserowej i moc jego promieniowania. Znana laserowa rura wyładowcza ma w kapilarze anodę dołączoną do dodatniego bieguna zasilacza i katodę dołączoną do ujemnego bieguna zasilacza prądu stałego. Akcję laserową uzyskuje się w wyniku wyładowania łukowego pomiędzy katodą a anodą, w kapilarze wyładowczej rury laserowej wypełnionej kryptonem. Do rury laserowej dołączony jest za pośrednictwem zaworu oraz przewodu zbiornik zawierający sorbent.

Znany jest patent DE19942455=US6330267 - metoda i system kontroli wydajności dla laserów z wyładowaniem w gazie. Podano schemat budowy układu lasera zawierający: rurę laserową, zbiornik gazu, zwierciadła, zasilacz, miernik mocy i układ z procesorem. Opatentowano metodę i system analizy pracy lasera ekscymerowego pracującego impulsowo (Rys. 3A i Rys. 3B). Schemat metody oraz systemu analizy pozwalającego na przywrócenie optymalnych warunków pracy przedstawia rysunek 4a.

W znanym patencie DE19640270A1 przedstawiono metodę optymalizacji wartości pola magnetycznego lasera jonowego w zależności od widma generowanego przez laser. Na rysunku 2 przedstawiono rurę laserową z zasilaczem oraz układ kontroli prądu cewki. Rysunek 3 przedstawia schemat rozwiązania umożliwiającego analizę widma generowanego przez laser. Układ składa się z dwóch detektorów, filtra i układu elektronicznego sterującego zmianą prądu cewki. Na rysunku 4 pokazano, że dla różnych generowanych widm mamy inne wartości optymalnego pola magnetycznego. Opatentowane rozwiązanie ma na celu umożliwienie ustawienia wartości pola magnetycznego odpowiedniej dla generowanego widma.

Patent PL217084B1 opisuje sposób zmiany ciśnienia gazu aktywnego w laserowej rurze wyładowczej. Rysunek przedstawia rurę laserową z katodą, anodą okienkami Brewstera oraz zbiornikiem i zaworem. Rozwiązanie umożliwia dostosowanie ciśnienia gazu (argonu lub kryptonu) w laserze, tak aby osiągnąć wartość optymalną dla generowanej przez laser linii widmowej. W patencie opisano procedurę sterowania zaworem umożliwiającą realizację w/w celu.

Znany jest patent JPS61276282, w którym przestawiono rurę laserową z okienkami Brewstera, zwierciadłami i zasilaczem oraz układem komparatora. Celem rozwiązania jest uzyskanie lasera o stabilnej mocy wyjściowej w dłuższym okresie czasu. Realizowane jest to przez porównanie napięcia na rurze laserowej z wartością nominalną (początkową) i dostarczanie ze zbiornika o dużym ciśnieniu odpowiedniej do ubytku porcji gazu.

W patencie JPH 04290277 realizowany jest identyczny cel, jak w rozwiązaniu poprzednim. Jednakże, wprowadzono układ zwiększający precyzję dopasowania się do charakterystyki prądowo-napięciowej wyładowania (Rys. 4). Zabezpieczając się przed możliwym „przedozowaniem” lasera.

Patent JPH 04267382 również odnosi się do przeciwdziałania niedoborom gazu roboczego i przedłużeniu żywotności rury laserowej. W tym przypadku podobnie, jak w poprzednich patentach do rury wyładowczej lasera dołączono przez zawór (9) zbiornik z gazem o dużym ciśnieniu (8) Rys. 1. Dobieranie odpowiedniej porcji gazu określa układ elektroniczny wykorzystujący układ scalony Rys. 2.

Znane rozwiązania pozwalają jedynie na zmianę mocy promieniowania linii widmowych czystego gazu, a po napełnieniu rury laserowej nie ma już technicznych możliwości zmiany gazu w gotowym laserze. Zastosowanie znanych rozwiązań w laserze wypełnionym mieszaniną gazów nie pozwoli na zmianę udziału generacji linii poszczególnych gazów wchodzących w skład mieszaniny w ogólnej mocy promieniowania generowanego przez laser, z uwagi na taki sam wpływ znanych rozwiązań na gazy wchodzące w skład mieszaniny.

PL 224 240 B1

Celem wynalazku jest umożliwienie kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego wypełnionego mieszaniną gazów poprzez zmianę udziału w ogólnej mocy promieniowania generowanego przez laser, generacji linii poszczególnych składników mieszaniny.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że zmienia się koncentrację składników w mieszaninie gazów szlachetnych lasera jonowego w ten sposób, że po włączeniu wyładowania w laserze zwiększa się natężenie prądu wyładowania do jak najwyższej wartości, a następnie czeka się do ustabilizowania się zmian napięcia na mierniku napięcia. Następnie otwiera się zawór na czas potrzebny do uzyskania założonych proporcji mieszaniny przez monitorowanie wskazań miernika napięcia i zamyka się zawór. Proporcje składników mieszaniny gazu reguluje się czasem otwarcia zaworu dla danej wartości prądu wyładowania podczas otwarcia zaworu.

Istota laserowej rury według wynalazku polega na tym, że ma zbiornik wypełniony mieszaniną gazów szlachetnych lasera jonowego, korzystnie mieszaniną argonu i kryptonu. Przewód ma średnicę nie większą niż 0,5 mm przy jego długości nie mniejszej niż 5 cm. W przypadku rury laserowej z kapilarą segmentową zbiornik dołączony jest po stronie katodowej rury wyładowczej, zaś w przypadku rury laserowej z kapilarą ciągłą, zbiornik dołączony jest po stronie anodowej rury wyładowczej. Przewód ma średnicę nie większą niż 0,5 mm przy jego długości nie mniejszej niż 5 cm.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego wypełnionego mieszaniną gazów.

Sposób według wynalazku jest objaśniony przykładowo na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie wyładowczą rurę laserową z kapilarą segmentową, a na fig. 2 - wyładowczą rurę laserową z kapilarą ciągłą.

Sposób zwiększenia udziału linii widmowych kryptonu w generowanym widmie lasera polega na tym, że po włączeniu wyładowania w laserze zwiększa się natężenie prądu wyładowania do maksymalnej dopuszczalnej wartości, a następnie czeka się do ustabilizowania się zmian napięcia na mierniku napięcia 11, co świadczy o ustabilizowaniu się koncentracji gazu w obszarze przyelektrodowym oraz koncentracji gazu w kapilarze wyładowczej. Następnie otwiera się zawór 6 na ustalony czas. Następnie zamyka się zawór 6 po ustalonym czasie, przez co w kapilarze wyładowczej zmniejsza się koncentrację argonu. Stopień zmniejszenia zawartości argonu reguluje się czasem otwarcia zaworu 6 oraz wartością natężenia prądu wyładowania podczas otwarcia zaworu 6. Skład mieszaniny monitoruje się mierząc napięcie 11 na zasilaczu lasera 9 dla danego natężenia prądu wyładowania 10. W ten sposób zmienia się koncentrację poszczególnych składników mieszaniny gazu, a tym samym moc promieniowania w określonym zakresie widma.

Aby wrócić do stanu początkowego, w którym mieszanina w kapilarze wyładowczej jest bogatsza w argon, otwiera się zawór 6 przy braku przypływu prądu na czas wystarczający do wyrównania się koncentracji gazu w obszarze przyelektrodowym i w kapilarze wyładowczej. Po ustaleniu się w kapilarze składu mieszaniny bogatszej w argon następuje stan początkowy.

Jak to jest przedstawione na fig. 1 anoda 2 wyładowczej rury laserowej 3 ma kapilarę segmentową i dołączona jest do dodatniego bieguna zasilacza 9, katoda 1 dołączona jest poprzez transformator zasilania katody 14 i miernik prądu 10 do ujemnego bieguna zasilacza prądu stałego 9. Do zasilacza 9 dołączony jest miernik napięcia 11. Rura laserowa 3 jest z kapilarą ciągłą, w której dominuje przepompowywanie gazu w kierunku anody. Rura ta napełniana jest mieszaniną gazów argon, krypton, bogatszą w gaz o niższej liczbie atomowej, argon. W rozwiązaniu tym jest rura z kapilarą segmentową, w której dominuje przepompowywanie gazu w kierunku katody. Do obszaru przy katodowego 4 rury laserowej 3, dołączany jest za pośrednictwem sterowanego elektrycznie zaworu 6 oraz przewodu o niewielkiej przewodności 7, zbiornik 8 o objętości dobranej dla danej konstrukcji rury laserowej.

Akcję laserową uzyskuje się w wyniku wyładowania łukowego pomiędzy katodą 1, a anodą 2, w kapilarze wyładowczej rury laserowej 3 wypełnione mieszaniną gazów argon - krypton. Ciśnienie mieszaniny jest wyższe niż typowe ciśnienie robocze. Miernik napięcia 11 umożliwia monitorowanie zmian napięcia na zaciskach wyładowczej rury laserowej. Miernik natężenia prądu 10 umożliwia monitorowanie natężenia prądu wyładowania łukowego w wyładowczej rurze laserowej.

Efekt przepompowywania gazu, który jest zasadniczo szkodliwym zjawiskiem występującym w gazowych laserach jonowych, polega na wzroście ciśnienia gazu w przyelektrodowych obszarach laserowej rury wyładowczej w trakcie wyładowania. Prędkość efektu przepompowywania gazu zwiększa się wraz ze wzrostem natężenia prądu wyładowania, co powoduje wzrost koncentracji gazu w obszarze przyelektrodowym. Gazy szlachetne wchodzące w skład mieszaniny różnią się intensywnością efektu przepompowywania, czego wynikiem jest różny poziom zmian koncentracji obu gazów

PL 224 240 B1 w części przyelektrodowej rury wyładowczej. Po włączeniu przepływu prądu w rurze laserowej lub po zmianie natężenia prądu wyładowania, proces ustalania się koncentracji w obszarach przyelektrodowych trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund, przy czym zachodzi on szybciej dla gazu o niższej liczbie atomowej spośród gazów wchodzących w skład mieszaniny. Po tym czasie koncentracja gazu w obszarze przyelektrodowym stabilizuje się na określonym poziomie zależnym od natężenia prądu wyładowania. Ustabilizowaniu ulega również stosunek koncentracji obu gazów, w obszarze przyelektrodowym oraz w kapilarze wyładowczej, przy czym mieszanina w kapilarze staje się uboższa w gaz o niższej liczbie atomowej, argonu, zaś w obszarze przy elektrodowym staje się ona bogatsza o ten gaz.

Ponieważ w obszarze przyelektrodowym, koncentracja argonu jest zwiększona w stosunku do koncentracji kryptonu, przez cienki przewód 7 do zbiornika 8 przepływa więcej argonu niż kryptonu. Przewodność cienkiego przewodu 7 dla zakresu ciśnienia panującego w rurze wyładowczej jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości gazu, która z kolei jest wyższa dla gazu o wyższej liczbie atomowej, do zbiornika jest odprowadzane więcej gazu o niższej liczbie atomowej, argonu. Otwarcie na ustalony czas zaworu 6 po zwiększeniu natężenia prądu wyładowania płynącego pomiędzy katodą 1 i anodą 2 wyładowczej rury laserowej 3 zasilanej z zasilacza 9 pozwala na zmianę charakterystyki widmowej promieniowania lasera jonowego poprzez zmianę składu mieszaniny gazu. Możliwe jest wykorzystanie pomiaru napięcia 11 na zasilaczu lasera 9 do doboru czasu otwarcia zaworu 6 i ustalenia wartości prądu wyładowania 10 w celu zautomatyzowania uzyskiwania mieszanin o różnych składach.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 2 anoda 2 wyładowczej rury laserowej 3 z kapilarą ciągłą dołączona jest do dodatniego bieguna zasilacza 9, katoda 1 dołączona jest poprzez transformator zasilania katody 14 i miernik prądu 10 do ujemnego bieguna zasilacza prądu stałego 9. Do zasilacza 9 dołączony jest miernik napięcia 11. Rura laserowa 3 jest z kapilarą ciągłą, w której dominuje przepompowywanie gazu w kierunku anody. Do obszaru przy anodowego 5 rury laserowej 3, dołączony jest za pośrednictwem sterowanego elektrycznie zaworu 6 oraz przewodu o niewielkiej przewodności 7, zbiornik 8 o objętości dobranej dla danej konstrukcji rury laserowej.

Akcję laserową uzyskuje się w wyniku wyładowania łukowego pomiędzy katodą 1, a anodą 2 w kapilarze wyładowczej rury laserowej 3 wypełnionej mieszaniną gazów argon - krypton. Rura laserowa 3 jest z kapilarą ciągłą, w której dominuje przepompowywanie gazu w kierunku anody. W związku z tym umieszczony jest zbiornik 8 z zaworem 6 w anodowej części 5 rury laserowej 3. Rura ta napełniana jest mieszaniną bogatszą w gaz o niższej liczbie atomowej, argon. Ciśnienie mieszaniny jest wyższe niż typowe ciśnienie robocze. Miernik napięcia 11, umożliwia monitorowanie zmian napięcia na zaciskach wyładowczej rury laserowej. Miernik natężenia prądu 10 umożliwia monitorowanie natężenia prądu wyładowania łukowego w wyładowczej rurze laserowej.

Efekt przepompowywania gazu, który jest zasadniczo szkodliwym zjawiskiem występującym w gazowych laserach jonowych, polega na wzroście ciśnienia gazu w przyelektrodowych obszarach laserowej rury wyładowczej w trakcie wyładowania. Prędkość efektu przepompowywania gazu zwiększa się wraz ze wzrostem natężenia prądu wyładowania, co powoduje wzrost koncentracji gazu w obszarze przyelektrodowym. Gazy szlachetne wchodzące w skład mieszaniny różnią się intensywnością efektu przepompowywania, czego wynikiem jest różny poziom zmian koncentracji obu gazów w części przyelektrodowej rury wyładowczej. Po włączeniu przepływu prądu w rurze laserowej lub po zmianie natężenia prądu wyładowania, proces ustalania się koncentracji w obszarach przyele ktrodowych trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund, przy czym zachodzi on szybciej dla gazu o niższej liczbie atomowej spośród gazów wchodzących w skład mieszaniny. Po tym czasie koncentracja gazu w obszarze przyelektrodowym stabilizuje się na określonym poziomie zależnym od natężenia prądu wyładowania. Ustabilizowaniu ulega również stosunek koncentracji obu gazów, w obszarze przyelektrodowym oraz w kapilarze wyładowczej, przy czym mieszanina w kapilarze staje się uboższa w gaz o niższej liczbie atomowej, argonu, zaś w obszarze przy elektrodowym staje się ona bogatsza o ten gaz.

Ponieważ w obszarze przyelektrodowym, koncentracja argonu jest zwiększona w stosunku do koncentracji kryptonu, przez cienki przewód 7 do zbiornika 8 przepływa więcej argonu niż kryptonu. Przewodność cienkiego przewodu 7 dla zakresu ciśnienia panującego w rurze wyładowczej jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości gazu, która z kolei jest wyższa dla gazu o wyższej liczbie atomowej, do zbiornika jest odprowadzane więcej gazu o niższej liczbie atomowej, argonu. Otwarcie na ustalony czas zaworu 6 po zwiększeniu natężenia prądu wyładowania płynącego pomiędzy katodą 1 i anodą 2 wyładowczej rury laserowej 3 zasilanej z zasilacza 9 pozwala na zmianę charakterystyki

PL 224 240 B1 widmowej promieniowania lasera jonowego poprzez zmianę składu mieszaniny gazu. Możliwe jest wykorzystanie pomiaru napięcia 11 na zasilaczu lasera 9 do doboru czasu otwarcia zaworu 6 i ustalenia wartości prądu wyładowania 10 w celu zautomatyzowania uzyskiwania mieszanin o różnych składach.

Claims (4)

1. Sposób kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego poprzez zmiany mocy promieniowania w określonym zakresie widma mieszaniny gazów przez otwieranie i zamykanie zaworu zbiornika, znamienny tym, że zmienia się koncentrację poszczególnych składników w mieszaninie gazów szlachetnych lasera jonowego w ten sposób, że po włączeniu wyładowania w laserze zwiększa się natężenie prądu wyładowania do jak najwyższej wartości, a następnie czeka się do ustabilizowania się zmian napięcia na mierniku napięcia (11), a następnie otwiera się zawór (6) na czas potrzebny do uzyskania założonych proporcji mieszaniny przez monitorowanie wskazań miernika napięcia (11), zamyka się zawór (6).

2. Sposób kształtowania charakterystyki według zastrz. 1, znamienny tym, że proporcje składników mieszaniny gazu reguluje się czasem otwarcia zaworu (6) dla danej wartości prądu wyładowania podczas otwarcia zaworu (6).

3. Laserowa rura wyładowcza do kształtowania charakterystyki widmowej promieniowania gazowego lasera jonowego ma w kapilarze anodę dołączoną do dodatniego bieguna zasilacza i katodę dołączoną do ujemnego bieguna zasilacza prądu stałego a do rury laserowej dołączony jest za pośrednictwem zaworu oraz przewodu zbiornik wypełniony mieszaniną gazów, znamienna tym, że ten zbiornik (8) jest wypełniony mieszaniną gazów szlachetnych lasera jonowego, korzystnie mieszaniną argonu i kryptonu a przewód (7) ma średnicę nie większą niż 0,5 mm przy jego długości nie mniejszej niż 5 cm.

4. Laserowa rura wyładowcza według zastrz. 3, znamienna tym, że w przypadku rury laserowej (3) z kapilarą segmentową zbiornik (8) dołączony jest po stronie katodowej (4) rury wyładowczej (3), zaś w przypadku rury laserowej (3) z kapilarą ciągłą, zbiornik (8) dołączony jest po stronie anodowej (5) rury wyładowczej (3).