RU2519867C2 - Gas-discharge laser - Google Patents
Gas-discharge laser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2519867C2 RU2519867C2 RU2012131336/28A RU2012131336A RU2519867C2 RU 2519867 C2 RU2519867 C2 RU 2519867C2 RU 2012131336/28 A RU2012131336/28 A RU 2012131336/28A RU 2012131336 A RU2012131336 A RU 2012131336A RU 2519867 C2 RU2519867 C2 RU 2519867C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- discharge
- electrode
- gas
- ceramic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Изобретение относится к устройству мощных газоразрядных, в частности эксимерных лазеров.The invention relates to a device for high-power gas-discharge, in particular excimer lasers.
Уровень техникиState of the art
Эксимерные лазеры являются наиболее мощными источниками направленного излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. В зависимости от состава газа эксимерные лазеры излучают на переходах различных молекул: ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeBr (282 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм). Лазеры на молекулярном фторе F2 (157 нм) близки к эксимерным лазерам по составу газа и способу накачки. Наиболее эффективными, с кпд около 3%, высокоэнергетичными, до ~1 Дж/импульс, и мощными, до 600 Вт, являются KrF и XeCl лазеры, нашедшие наибольшее применение в различных технологиях. К ним относятся производство плоских LCD и OLED дисплеев, 3D-микрообработка материалов, производство высокотемпературных сверхпроводников методом лазерной абляции, мощные УФ-лидары. ArF лазеры благодаря оптимально короткой длине волны, позволяющей использовать надежную кварцевую оптику, широко применяются в крупномасштабном литографическом производстве интегральных схем с характерным размером элементов лишь в несколько десятков нм. Для литографии применяются узкополосные ArF лазеры с относительно небольшой энергией генерации 5-10 мДж/импульс и высокой (4-6 кГц) частотой повторения импульсов.Excimer lasers are the most powerful sources of directional radiation in the ultraviolet (UV) range of the spectrum. Depending on the composition of the gas, excimer lasers emit at transitions of various molecules: ArF (193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeBr (282 nm), XeCl (308 nm), XeF (351 nm). Molecular fluorine lasers F2 (157 nm) are similar to excimer lasers in gas composition and pumping method. The most effective, with an efficiency of about 3%, high-energy, up to ~ 1 J / pulse, and powerful, up to 600 W, are KrF and XeCl lasers, which have found the greatest application in various technologies. These include the production of flat LCD and OLED displays, 3D microprocessing of materials, the production of high-temperature superconductors by laser ablation, and powerful UV lidars. ArF lasers, due to their optimally short wavelength, which makes it possible to use reliable quartz optics, are widely used in large-scale lithographic production of integrated circuits with a characteristic element size of only a few tens of nm. For lithography, narrow-band ArF lasers with a relatively low generation energy of 5-10 mJ / pulse and a high (4-6 kHz) pulse repetition rate are used.
В соответствии с потребностями современных высокопроизводительных технологий с использованием эксимерных лазеров их мощность постоянно возрастает. Однако повышение энергии и мощности излучения газоразрядных эксимерных лазеров имеет фундаментальные физические ограничения, которые при превышении оптимальных значений энергии генерации и частоты повторения импульсов обусловливают уменьшение эффективности лазера, снижение надежности и стабильности его работы и в конечном счете увеличение затрат на эксплуатацию лазера.In accordance with the needs of modern high-performance technologies using excimer lasers, their power is constantly increasing. However, an increase in the energy and radiation power of gas-discharge excimer lasers has fundamental physical limitations, which, when the optimum values of the generation energy and pulse repetition rate are exceeded, cause a decrease in the laser efficiency, a decrease in the reliability and stability of its operation, and ultimately an increase in the cost of operating the laser.
Все это определяет актуальность поиска решений, позволяющих оптимизировать конструкцию и метод работы эксимерных лазеров, повысить их мощность и снизить затраты на получение энергии генерации при различных сочетаниях энергии генерации и частоты повторения импульсов.All this determines the relevance of finding solutions to optimize the design and method of operation of excimer lasers, increase their power and reduce the cost of generating lasing energy for various combinations of lasing energy and pulse repetition rate.
Из United States Patent 6782030 известен импульсно-периодический газоразрядный лазер с предыонизацией слаботочным коронным разрядом, в котором с целью уменьшения индуктивности разрядного контура, что обеспечивает высокую эффективность лазера, конденсаторы, подсоединенные к электродам, размещены вблизи высоковольтного электрода, размещенного со стороны стенки лазерной камеры. Для совместимости с агрессивной средой лазера предложено использовать конденсаторы с покрытием из инертного материала.From the United States Patent 6782030, a repetitively pulsed gas-discharge laser with a preionization low-current corona discharge is known, in which, in order to reduce the inductance of the discharge circuit, which ensures high laser efficiency, capacitors connected to the electrodes are placed near a high-voltage electrode placed on the side of the laser chamber wall. For compatibility with an aggressive laser environment, it is proposed to use capacitors coated with an inert material.
Недостатком данного технического решения является то, что в состав керамических конденсаторов входят компоненты, например припой, которые в случае нарушения защитного слоя при воздействии на них F2 или HCl приведут к выходу конденсатора и затем лазера из строя. Кроме этого, в газовой среде лазера паразитный пробой по поверхности существующих керамических конденсаторов, предназначенных для работы в электрически прочной среде, не позволяет заряжать их до номинального напряжения. Это резко снижает энергозапас конденсаторов при их размещении в газовой среде лазера, не позволяя достичь высоких уровней энергии генерации и мощности лазера.The disadvantage of this technical solution is that the composition of ceramic capacitors includes components, for example, solder, which in case of violation of the protective layer when exposed to F 2 or HCl will lead to the output of the capacitor and then the laser out of order. In addition, in a laser gas environment, parasitic breakdown on the surface of existing ceramic capacitors designed to operate in an electrically robust medium does not allow them to be charged to rated voltage. This sharply reduces the energy storage of the capacitors when they are placed in the gas medium of the laser, not allowing to achieve high levels of generation energy and laser power.
Этого недостатка лишен газоразрядный эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией киловаттного уровня средней мощности излучения, в котором высоковольтный электрод размещен на протяженном керамическом фланце металлического лазерной камеры, к которому подсоединена дополнительная камера с электрически прочным газом, Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. Устройство лазера и способ генерации лазерного излучения позволяют увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации, и среднюю мощность излучения лазера. Малая индуктивность разрядного контура, необходимая для высокой эффективности лазера, достигается за счет минимизации толщины диэлектрического фланца в результате уменьшения механической нагрузки на нем при выравнивании внутреннего и наружного давлений.This disadvantage is deprived of a gas-discharge excimer laser with X-ray preionization of a kilowatt average radiation power level, in which a high-voltage electrode is placed on an extended ceramic flange of a metal laser chamber, to which an additional chamber with an electrically durable gas is connected, Laser Focus World, 25, N10, 23, 1989. The laser device and the method of generating laser radiation can increase the discharge aperture and, accordingly, the generation energy, and the average laser radiation power. The low inductance of the discharge circuit, which is necessary for high laser efficiency, is achieved by minimizing the thickness of the dielectric flange as a result of reducing the mechanical load on it when equalizing the internal and external pressures.
Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского блока предыонизации обуславливает применение слишком сложной лазерной камеры, поперечное сечение которой имеет трековую конфигурацию. Кроме этого, деформация лазерной камеры сложной формы при ее заполнении газом высокого давления может приводить к разрушению жестко закрепленного на нем керамического фланца.The disadvantage of this device is the complexity of its operation and large dimensions, since the presence of an X-ray preionization unit causes the use of too complex a laser camera, the cross section of which has a track configuration. In addition, deformation of a laser chamber of complex shape when it is filled with high-pressure gas can lead to the destruction of a ceramic flange rigidly fixed to it.
Известна одна из наиболее мощных газоразрядных эксимерных лазерных систем для индустриальных применений - двухлучевой лазер VYPER, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011, включающий размещенные на общем шасси два идентичных компактный лазера, аналогичных описанным в United States Patent 6,757,315, каждый из которых содержит корпус в виде металлической трубы, на которой крепится компактная керамическая разрядная камера с протяженным металлическим фланцем. На высоковольтном металлическом фланце керамической камеры установлены высоковольтный электрод и блок предыонизации.One of the most powerful gas-discharge excimer laser systems for industrial applications is known - the VYPER double-beam laser, Coherent Inc. ExcimerProductGuide2011, which includes two identical compact lasers located on a common chassis, similar to those described in United States Patent 6,757,315, each of which contains a metal tube housing on which a compact ceramic discharge chamber with an extended metal flange is mounted. A high-voltage electrode and a preionization unit are installed on the high-voltage metal flange of the ceramic chamber.
Данное устройство обеспечивает параметры лазерного излучения, оптимально соответствующие ряду технологических применений при уровне энергии генерации 1 Дж/импульс и мощности лазерного УФ- излучения 600 Вт на каждый лазер с длиной электродов около 1 м.This device provides laser radiation parameters that are optimal for a number of technological applications at a generation energy level of 1 J / pulse and a laser UV power of 600 W for each laser with an electrode length of about 1 m.
Однако дальнейшее повышение энергии генерации лазерной системы затруднено из-за использования в каждом из ее лазеров предыонизации слаботочным коронным разрядом и ограниченных размеров керамической разрядной камеры, установленной на металлическом корпусе с системой циркуляции газа. Поскольку в разрядной камере поток газа резко меняет направление, это не позволяет эффективно увеличивать скорость газа в межэлектродном промежутке, приводя к ограничению дальнейшего повышения частоты повторения разрядных импульсов и средней мощности лазерного излучения.However, a further increase in the generation energy of the laser system is difficult due to the use of preionization in each of its lasers with a low-current corona discharge and the limited size of the ceramic discharge chamber mounted on a metal case with a gas circulation system. Since the gas flow in the discharge chamber sharply changes direction, this does not allow to effectively increase the gas velocity in the interelectrode gap, limiting the further increase in the repetition rate of discharge pulses and the average laser radiation power.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является газоразрядный, в частности эксимерный, лазер, известный из Патента РФ №2446530 от 28.01.2011, опубликованного 27.03.2012 RU БИМП №9. The closest technical solution that can be selected as a prototype is a gas-discharge, in particular excimer, laser, known from RF Patent No. 2446530 dated January 28, 2011, published on 03/27/2012 RU BIMP No. 9.
Лазер включает в себя:The laser includes:
заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации для предыонизации газа между первым и вторым электродами; систему циркуляции газа для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами; набор конденсаторов, подсоединенных к первому и второму электродам, импульсный источник питания, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами для возбуждения газовой смеси лазера и генерации лазерного излучения, а также расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов.a laser chamber filled with a gas mixture, consisting mainly of metal and having spaced apart first and second electrodes that define a discharge region between them, with a first electrode located on the side of the inner surface of the laser chamber, at least one extended preionization unit for gas preionization between the first and second electrodes; a gas circulation system for updating gas in the discharge region between successive discharge pulses; a set of capacitors connected to the first and second electrodes, a switching power supply connected to the capacitors and intended for their pulse charging to a breakdown voltage, providing a gas discharge between the first and second electrodes to excite the laser gas mixture and generate laser radiation, as well as located near the first two long ceramic containers in which a set of cond is placed to reduce the inductance of the discharge circuit and ensure high laser efficiency Sensors connected to the first and second electrodes through high-voltage and grounded current leads of each ceramic container and through grounded gas-permeable return current conductors located on both sides of the electrodes.
В указанном устройстве контейнеры выполнены в виде круглых цилиндрических труб, установлены по обе стороны плоскости, проходящей через оси электродов. Поверхности контейнеров, обращенные к области разряда и расположенные заподлицо с первым электродом, служат в качестве направляющих газового потока.In the specified device, the containers are made in the form of round cylindrical pipes, are installed on both sides of the plane passing through the axis of the electrodes. The container surfaces facing the discharge region and flush with the first electrode serve as gas flow guides.
Лазер характеризуется простой, дешевой и надежной конструкцией лазерной камеры, в которой обеспечивается высокая скорость потока газа между электродами, и возможность достижения высокой средней мощности лазерного излучения.The laser is characterized by a simple, cheap and reliable design of the laser chamber, which provides a high gas flow rate between the electrodes and the possibility of achieving a high average laser radiation power.
В прототипе ограничена скорость зарядки импульсных конденсаторов, осуществляемая через торцы керамических контейнеров, приводя к уменьшению кпд лазера. Кроме этого, для зажигания вспомогательного разряда предыонизатора в металлическом лазерной камере необходимо наличие изолированных токовводов, что усложняет конструкции лазерной камеры. Геометрия керамических контейнеров в виде круглых цилиндров, расположенных заподлицо с первым электродом, не полностью удовлетворяет условиям минимизации индуктивности разрядного контура, что может снижать кпд лазера при увеличении энергии генерации.In the prototype, the charging speed of pulsed capacitors is limited through the ends of ceramic containers, leading to a decrease in the laser efficiency. In addition, to ignite the auxiliary discharge of the preionizer in a metal laser chamber, it is necessary to have isolated current leads, which complicates the design of the laser chamber. The geometry of ceramic containers in the form of round cylinders flush with the first electrode does not completely satisfy the conditions for minimizing the inductance of the discharge circuit, which can reduce the laser efficiency with increasing generation energy.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является создание мощных эксимерных лазеров, отличающихся простотой, малой стоимостью и технологичностью конструкции, обеспечивающей высокоскоростной поток газа между электродами при малой индуктивности разрядного контура.The objective of the invention is the creation of powerful excimer lasers, characterized by simplicity, low cost and manufacturability of the design, providing a high-speed gas flow between the electrodes at a low inductance of the discharge circuit.
Техническим результатом изобретения является улучшение конструкции металлокерамического лазера, увеличение энергии генерации, средней мощности излучения при высоком кпд лазера и, в целом, уменьшение затрат на получение энергии генерации.The technical result of the invention is to improve the design of the cermet laser, increase the generation energy, average radiation power at high laser efficiency and, in general, reduce the cost of generating the generation energy.
Для решения указанных задач предлагается газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, включающий в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый и второй электроды, определяющие область разряда между ними, с первым электродом, расположенным со стороны внутренней поверхности лазерного камеры, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации; систему циркуляции газа; расположенные вблизи первого электрода два протяженных керамических контейнера, в которых размещен набор конденсаторов, подключенных к первому и второму электродам через высоковольтные и заземленные токовводы каждого керамического контейнера и заземленные обратные токопроводы, расположенные по обе стороны электродов.To solve these problems, a gas-discharge, in particular an excimer, or molecular fluorine laser is proposed, which includes: a laser chamber filled with a gas mixture, consisting mainly of metal and having elongated first and second electrodes spaced from each other, which determine the discharge region between them with a first electrode located on the inner surface of the laser chamber, at least one extended preionization unit; gas circulation system; two extended ceramic containers located near the first electrode, in which a set of capacitors are placed, connected to the first and second electrodes through high-voltage and grounded current leads of each ceramic container and grounded return current conductors located on both sides of the electrodes.
Усовершенствование лазера состоит в том, что со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор,The improvement of the laser consists in the fact that on the side of the first electrode in the metal wall of the laser chamber along it are sealed high-voltage current leads, each of which includes a ceramic insulator,
внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы,inside the laser chamber on both sides of the ceramic containers are placed extended grounded conductors connected to the metal wall of the laser chamber,
и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также токовводы каждого контейнера.and the switching power supply is inductively connected to capacitors through the indicated high-voltage current leads and grounded laser cable conductors, as well as the current leads of each container.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока/спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.It is preferable that at least a portion of each extended ceramic container is placed laterally from the discharge region, forming gas flow guides / spoilers located upstream and / or downstream of the discharge region, which significantly change the direction of the gas flow when passing through the discharge region.
Предпочтительно, что, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере размещены вспомогательные конденсаторы, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов, вдоль длины контейнера установлены вспомогательные герметичные токовводы, через которые одна из обкладок вспомогательных конденсаторов подсоединена к блоку предыонизатора.It is preferable that at least one ceramic container contains auxiliary capacitors, the capacitance of which is many times smaller than the capacitance of the capacitors, auxiliary sealed current leads are installed along the container, through which one of the plates of the auxiliary capacitors is connected to the preionizer unit.
В лазере первый электрод и второй электрод могут быть выполнены сплошными, и, по меньшей мере, один блок предыонизации может быть установлен сбоку одного из двух указанных электродов.In a laser, the first electrode and the second electrode can be solid, and at least one preionization unit can be mounted on the side of one of the two indicated electrodes.
В другом варианте реализации изобретения либо первый электрод, либо второй электрод выполнен частично прозрачным, и блок предыонизации установлен с обратной стороны частично прозрачного электрода.In another embodiment, either the first electrode or the second electrode is partially transparent, and a preionization unit is mounted on the back of the partially transparent electrode.
Предпочтительно, что блок предыонизации содержит систему формирования протяженного однородного скользящего разряда по поверхности диэлектрика.Preferably, the preionization unit comprises a system for generating an extended uniform sliding discharge over the surface of the dielectric.
В другом варианте реализации изобретения блок предыонизации содержит систему формирования коронного разряда.In another embodiment, the preionization unit comprises a corona discharge forming system.
Контейнеры могут иметь форму прямоугольной трубы.The containers may be in the form of a rectangular pipe.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, которые представлены в виде, достаточном для понимания принципов изобретения, и ни в коей мере не ограничивают объема настоящего изобретения.The invention is illustrated by the accompanying drawings, which are presented in a form sufficient to understand the principles of the invention, and in no way limit the scope of the present invention.
Фиг.1 - поперечное сечение лазера с керамическими контейнерами, формирующими поток газа по обе стороны области разряда.Figure 1 is a cross section of a laser with ceramic containers forming a gas flow on both sides of the discharge region.
Фиг.2 - поперечное сечение широкоапертурного лазера с предыонизацией излучением скользящего разряда через частично прозрачный электрод.Figure 2 is a cross section of a wide-aperture laser with preionization by radiation of a sliding discharge through a partially transparent electrode.
Фиг.3 - поперечное сечение лазера с предыонизацией излучением коронного разряда.Figure 3 is a cross section of a laser with preionization by radiation from a corona discharge.
На чертежах совпадающие элементы устройства обозначены одинаковыми номерами позиций.In the drawings, matching device elements are denoted by the same reference numbers.
Варианты осуществления изобретения.Embodiments of the invention.
В соответствии с изобретением газоразрядный, в частности эксимерный, лазер или лазер на молекулярном фторе, поперечное сечение которого схематично показано на фиг.1, включает в себя: заполненную газовой смесью лазерную камеру 1, состоящую главным образом из металла и имеющую отстоящие друг от друга протяженные первый электрод 2 и второй электрод 3, определяющие область разряда 4 между ними. Первый электрод 1 расположен со стороны внутренней поверхности лазерного камеры 1. В лазерной камере также размещен, по меньшей мере, один протяженный блок предыонизации 5 для предыонизации газа в области разряда 4. В варианте реализации лазера, показанном на фиг.1, два идентичных блока предыонизации 5 расположены сбоку от первого электрода 2 и выполнены в виде системы формирования скользящего разряда по поверхности диэлектрической (сапфировой) пластины 6, покрывающей инициирующий электрод 7, с поджигающим электродом 8, расположенным на поверхности диэлектрической пластины 6. При этом электрод 7 блока предыонизации соединен с первым электродом 2 лазера. Для обновления газа в области разряда между очередными разрядными импульсами в керамической трубе 1 лазерной камеры также размещена система циркуляции газа, содержащая диаметральный вентилятор 9, охлаждаемые водой трубки 10 теплообменника, систему направляющих лопастей 11 и спойлеров 12, 13 для формирования высокоскоростного потока газа в области разряда. Также лазер содержит набор конденсаторов 14, подсоединенных к первому и второму электродам 2, 3, и импульсный источник питания 15, подключенный к конденсаторам и предназначенный для их импульсной зарядки до напряжения пробоя, обеспечивающего газовый разряд между первым и вторым электродами 2, 3 для возбуждения газовой смеси лазера и генерации луча лазера с помощью резонатора (не показан). Вблизи первого электрода 2 расположены два протяженных керамических контейнера 16, в которых для уменьшения индуктивности разрядного контура и обеспечения высокой эффективности лазера размещен набор конденсаторов 14. Конденсаторы подключены к первому и второму электродам 2, 3 через высоковольтные и заземленные токовводы 17, 18 каждого керамического контейнера и через заземленные газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3.In accordance with the invention, a gas-discharge, in particular an excimer, or molecular fluorine laser, the cross section of which is schematically shown in FIG. 1, includes: a
Со стороны первого электрода в металлической стенке 20 лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы 21, каждый из которых включает в себя керамический изолятор 22. Внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров/контейнера размещены соединенные с металлической стенкой 20 лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы 23. Импульсный источник питания 15 малоиндуктивно подключен к конденсаторам 14 через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16.On the side of the first electrode, sealed high-voltage current leads 21 are installed along the metal wall 20 of the laser chamber, each of which includes a
На фиг.1 каждый керамический контейнер 16 имеет форму прямоугольной трубы. При этом части 24, 25 протяженных керамических контейнеров 16 размещены сбоку от области разряда 4, образуя расположенные вверх и вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока/спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда 4.1, each
Для автоматической предыонизации, упрощающей эксплуатацию лазера, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 размещены вспомогательные конденсаторы 26, емкость которых многократно меньше емкости конденсаторов 14. Вдоль длины каждого контейнера 16, содержащего вспомогательные конденсаторы 26, установлены вспомогательные герметичные токовводы 27. Одна из обкладок вспомогательных конденсаторов 26 подсоединена к блоку предыонизатора 5 через вспомогательные токовводы 27 керамических контейнеров.For automatic preionization, simplifying the operation of the laser,
Газоразрядный лазер работает следующим образом. Производится включение импульсного источника 15, расположенного снаружи металлической лазерной камеры 1. Осуществляется импульсная зарядка подключенных к первому и второму электродам 2, 3 конденсаторов 14, размещенных в керамических контейнерах 16 (фиг.1), а также вспомогательных конденсаторов 26, размещенных, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16. Зарядка конденсаторов 14 осуществляется по малоиндуктивной электрической цепи, включающей в себя герметичные высоковольтные токовводы 21, изолированные от металлической стенки 20 керамическими изоляторами 22, герметичные токовводы 17, 18 керамических контейнеров 16 и протяженные соединенные с лазерной камерой 1 заземленные токопроводы 23, установленные внутри металлического лазерной камеры 1 по обе стороны керамических контейнеров 16. Одновременно осуществляется зарядка вспомогательных конденсаторов 26 по электрической цепи, включающей в себя разрядные промежутки между электродами 7, 8 блоков предыонизации 5 и вспомогательные токковводы 27 контейнеров 16. УФ-излучение вспомогательных разрядов по поверхности диэлектрика 6 осуществляет предыонизацию газа в области разряда 4. При этом оптимизированная величина емкости вспомогательных конденсаторов 26 во много раз меньше емкости конденсаторов 14, что определяет относительно малый энерговклад во вспомогательный разряд каждого блока предыонизации 5. При достижении напряжения пробоя на электродах 2, 3 между ними зажигается объемный газовый разряд. Энергия, запасенная в конденсаторах 14, вкладывается в разряд по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя распределенные по длине контейнеров 16 токовводы 17, 18 и газопроницаемые обратные токопроводы 19, расположенные по обе стороны электродов 2, 3. Разряд обеспечивает возбуждение газовой смеси в области разряда 4, что позволяет получить генерацию луча лазера. Когда охлаждаемый трубками теплообменника 10 высокоскоростной поток газа, обеспечиваемый диаметральным вентилятором 9 и направляющими газового потока, к которым относятся система лопастей 11, спойлеры 12, 13 и расположенные заподлицо с первым электродом части поверхности 24, 25 керамических контейнеров 16, сменит газ в области разряда 4, цикл работы лазера повторяется.A gas discharge laser operates as follows. The pulse source 15 located outside the
Малоиндуктивное подключение импульсного источника питания 15 к конденсаторам через высоковольтные токовводы 21 и заземленные токопроводы 23 лазерной камеры, а также токовводы 17, 18 каждого контейнера 16 уменьшает время импульсной зарядки конденсаторов 14. Для обеспечения малой индуктивности контура зарядки конденсаторов 14 количество изолированных токовводов 21 в лазерной камере должно быть около 6 штук в расчете на 1 м длины электродов. По сравнению с прототипом увеличивается скорость нарастания электрического поля и величина напряженности электрического поля в области разряда 4 на стадии пробоя. Это улучшает однородность объемного разряда лазера и повышает устойчивость однородной формы разряда к акустическим возмущениям, возникающим в лазерной камере при высокой частоте повторения разрядных импульсов. В результате достигается увеличение кпд лазера и снижается минимальный, достаточный для поддержания максимального кпд лазера, коэффициент К смены газа в разрядном объеме при высокой частоте повторения импульсов. Вследствие этого возрастает средняя мощность излучения при высоком кпд лазера и снижаются его эксплуатационные расходы.The low-inductance connection of the switching power supply 15 to the capacitors through the high-voltage current leads 21 and the grounded current leads 23 of the laser chamber, as well as the current leads 17, 18 of each
Размещение, по меньшей мере, в одном керамическом контейнере 16 вспомогательных конденсаторов 26, подключенных к блоку предыонизатора 5, позволяет осуществлять высокоэффективную автоматическую УФ-предыонизацию, При этом упрощается схема импульсного источника питания 15 и устраняется необходимость специальных изолированных токовводов в лазерной камере для питания блока предыонизатора. Все это упрощает конструкцию и эксплуатацию лазера.Placing at least one
Выполнение токовводов 21 лазерной камеры и токовводов 17, 18, 27 керамических контейнеров 16 герметичными необходимо для отделения газовой среды лазера от наружной атмосферы.The implementation of the current leads 21 of the laser chamber and the current leads 17, 18, 27 of the
Использование в высоковольтных токовводах 21 изоляторов 22, выполненных из керамики, обеспечивает большое время газовой смеси лазера.The use of
Форма контейнеров 16 в виде прямоугольных труб позволяет обеспечить малую индуктивность разрядного контура и повысить кпд лазера.The shape of the
Применение для предыонизации УФ-излучения скользящего разряда в виде протяженного плазменного листа на поверхности диэлектрика (сапфира) 6 позволяет реализовать в области разряда 4 однородный и оптимально высокий уровень предыонизации за счет возможности регулировки энерговклада в скользящий разряд. Это обеспечивает высокие эффективность лазера, качество лазерного луча и стабильность работы лазера в долговременном режиме, что является несомненным достоинством предыонизации данного типа.The use of a sliding discharge in the form of an extended plasma sheet on the surface of the dielectric (sapphire) 6 for preionization of UV radiation makes it possible to realize a uniform and optimally high level of preionization in the discharge region 4 due to the possibility of adjusting the energy input into the sliding discharge. This ensures high laser efficiency, the quality of the laser beam and the stability of the laser in the long-term mode, which is an undoubted advantage of preionization of this type.
Увеличение апертуры разряда и повышение энергии генерации при высоком кпд лазера и снижении расхода газа достигается при использовании частично прозрачного электрода. В варианте изобретения, иллюстрируемом фиг.2, автоматическая предыонизация осуществляется высокоэффективным блоком предыонизатора 5, выполненным в виде компактной симметричной системы формирования скользящего разряда, через щелевые окна 33 тонкостенной рабочей части электрода. В остальном работа лазера не отличается от описанной ранее. Выполнение лазера в таком варианте, фиг.2, позволяет увеличить разрядный объем, повысить его энергию генерации и мощность лазера.An increase in the discharge aperture and an increase in the generation energy at a high laser efficiency and a decrease in gas consumption are achieved by using a partially transparent electrode. In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 2, automatic preionization is carried out by a highly efficient preionizer unit 5, made in the form of a compact symmetrical system for forming a sliding discharge, through slotted windows 33 of the thin-walled working part of the electrode. Otherwise, the laser operation does not differ from that described previously. The implementation of the laser in this embodiment, figure 2, allows to increase the discharge volume, to increase its generation energy and laser power.
На фиг.3 блок предыонизатора 5 включает в себя расположенные по бокам первого электрода 2 две идентичные системы формирования протяженного коронного разряда, каждая из которых выполнена в виде диэлектрической трубки 29 из керамики Al2O3 или сапфира, внутренняя поверхность которой совмещена с поверхностью размещенного в диэлектрической трубке внутреннего электрода 30, который с торца трубки электрически связан с противоположным вторым электродом 3 лазера (соединение для упрощения не показано). В варианте лазера, показанном на фиг.3, при подаче напряжения на первый электрод 2 автоматически осуществляется коронный разряд между электродом 2 и внутренним электродом 30 каждого блока предыонизатора 5 через диэлектрический барьер трубки 29. УФ-излучение коронных разрядов по бокам электрода 2 лазера осуществляет предыонизацию области разряда 4. Использование для предыонизации двух идентичных компактных систем формирования протяженного коронного разряда (фиг.3) позволяет упростить разрядную систему лазера и уменьшить индуктивность разрядного контура.In Fig. 3, the preionizer unit 5 includes two identical systems of the formation of an extended corona discharge located on the sides of the
В соответствии с изобретением (фиг.1-3) два протяженных керамических контейнера 16 расположены по обе стороны от области разряда 4. В такой разрядной конфигурации, аналогичной реализуемой как в лазере, известном из US Patent 6757315, так и в лазерной системе VYPER, направление газового потока достаточно резко меняет направление, проходя через область разряда 4. Такая геометрия газового потока может быть достаточно эффективна, поскольку она легко устраняет нежелательный эффект отрыва газового потока от второго электрода после прохождения потоком области разряда. Настоящее изобретение позволяет в более широких пределах оптимизировать геометрию газового потока по сравнению с указанным аналогом. Кроме этого, за счет размещения керамических контейнеров 16 по бокам области разряда 4 расположенные в них конденсаторы 14 могут быть максимально приближены к области разряда 4. При этом в предложенном изобретении стенка контейнера может быть тоньше, чем стенка разрядной камеры лазеров, известных из US Patent 6757315 и применяемых в мощной лазерной системе VYPER. Соответственно, индуктивность разрядного контура может быть уменьшена, что обеспечивает увеличение кпд лазера и возможность высокоэффективного повышения энергии генерации.In accordance with the invention (Figs. 1-3), two extended
Предложенная конструкции лазеров отличается достаточной простотой и технологичностью, а также малой стоимостью, обеспечивает большое время жизни газовой смеси, высокоскоростной поток газа между электродами, малую индуктивность разрядного контура, возможность увеличении апертуры лазера и его мощности при высокой эффективности.The proposed laser design is notable for its sufficient simplicity and manufacturability, as well as low cost, it provides a long lifetime of the gas mixture, a high-speed gas flow between the electrodes, a low inductance of the discharge circuit, and the possibility of increasing the laser aperture and its power at high efficiency.
Выполнение газоразрядного, в частности эксимерного лазера в предложенном виде позволяет значительно увеличить энергию генерации, среднюю мощность излучения при высоком кпд лазера простой и надежной конструкции и, в целом, уменьшить эксплуатационные расходы при получении лазерного излучения.The implementation of the gas-discharge, in particular excimer laser in the proposed form allows to significantly increase the generation energy, the average radiation power at high laser efficiency of a simple and reliable design and, in general, reduce operating costs when receiving laser radiation.
Список обозначенийList of Symbols
1 - лазерная камера1 - laser camera
2 - первый электрод2 - first electrode
3 - второй электрод3 - second electrode
4 - область разряда4 - discharge region
5 - блок предыонизации5 - block preionization
6 - диэлектрическая пластина системы формирования скользящего разряда6 - dielectric plate of the system for the formation of a sliding discharge
7 - инициирующий электрод системы формирования скользящего разряда7 - initiating electrode of the system for forming a sliding discharge
8 - поджигающий электрод системы формирования скользящего разряда8 - ignition electrode of the system for forming a sliding discharge
9 - диаметральный вентилятор9 - diametral fan
10 - трубки теплообменника10 - heat exchanger tubes
11 - направляющие лопасти газового потока11 - guide vanes of the gas stream
12 - направляющие лопасти газового потока12 - guide vanes of the gas flow
13 - направляющие лопасти газового потока13 - guide vanes of the gas stream
14 - конденсаторы, расположенные в керамическом контейнере/контейнерах14 - capacitors located in a ceramic container / containers
15 - импульсный источник питания15 - switching power supply
16 - керамические контейнеры/ контейнер16 - ceramic containers / container
17 - высоковольтные герметичные токовводы керамического контейнера17 - high voltage sealed current leads ceramic container
18 - заземленные герметичные токовводы керамического контейнера18 - grounded sealed current leads ceramic container
19 - протяженные заземленные газопроницаемые обратные токопроводы19 - long grounded gas-permeable return conductors
20 - металлическая стенка лазерной камеры20 - metal wall of the laser chamber
21 - герметичные высоковольтные токовводы лазерной камеры21 - sealed high-voltage current leads of the laser chamber
22 - керамические изоляторы22 - ceramic insulators
23 - протяженные заземленные токопроводы, соединенные с лазерной камерой23 - long grounded conductors connected to the laser camera
24, 25 - части поверхности керамического контейнера, образующие направляющие газового потока вверх и вниз по потоку от первого электрода24, 25 - parts of the surface of the ceramic container, forming the guides of the gas stream up and downstream from the first electrode
26 - вспомогательные конденсаторы26 - auxiliary capacitors
27 - вспомогательные токовводы контейнера/дополнительного контейнера27 - auxiliary current leads of the container / additional container
28 - щелевые окна на рабочей поверхности частично прозрачного электрода28 - slotted windows on the working surface of a partially transparent electrode
29 - диэлектрическая трубка системы формирования коронного разряда29 - dielectric tube of the corona discharge forming system
30 - внутренний электрод системы формирования коронного разряда30 - the internal electrode of the corona discharge forming system
Claims (7)
при этом со стороны первого электрода в металлической стенке лазерной камеры вдоль нее установлены герметичные высоковольтные токовводы, каждый из которых включает в себя керамический изолятор, внутри лазерной камеры по обе стороны керамических контейнеров размещены соединенные с металлической стенкой лазерной камеры протяженные заземленные токопроводы, и импульсный источник питания малоиндуктивно подключен к конденсаторам через указанные высоковольтные токовводы и заземленные токопроводы лазерной камеры, а также токовводы каждого контейнера,
кроме того, часть каждого протяженного керамического контейнера размещена сбоку от области разряда, образуя расположенные вверх и/или вниз по потоку от области разряда направляющие газового потока или спойлеры, значительно изменяющие направление газового потока при прохождении области разряда.1. A gas discharge, in particular an excimer laser or a molecular fluorine laser, including: a laser chamber filled with a gas mixture, consisting mainly of metal and having elongated first and second electrodes spaced apart from one another, defining a discharge region between them, with the first electrode located on the side of the inner surface of the laser chamber, at least one extended block preionization; gas circulation system; two extended ceramic containers located near the first electrode, in which a set of capacitors is placed, connected to the first and second electrodes through high-voltage and grounded current leads of each ceramic container and grounded reverse current conductors located on both sides of the electrodes,
at the same time, sealed high-voltage current leads, each of which includes a ceramic insulator, are installed along the first electrode in the metal wall of the laser chamber, each of which includes a ceramic insulator, long grounded current leads connected to the metal wall of the laser chamber are placed on both sides of the ceramic containers, and a switching power supply low-inductively connected to capacitors through the indicated high-voltage current leads and grounded current paths of the laser chamber, as well as current leads each of container,
in addition, a part of each extended ceramic container is placed on the side of the discharge region, forming gas flow guides or spoilers located upstream and / or downstream of the discharge region, which significantly change the direction of the gas flow during the passage of the discharge region.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012131336/28A RU2519867C2 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas-discharge laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012131336/28A RU2519867C2 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas-discharge laser |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012131336A RU2012131336A (en) | 2014-01-27 |
| RU2519867C2 true RU2519867C2 (en) | 2014-06-20 |
Family
ID=49956995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012131336/28A RU2519867C2 (en) | 2012-07-23 | 2012-07-23 | Gas-discharge laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2519867C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6757315B1 (en) * | 1999-02-10 | 2004-06-29 | Lambda Physik Ag | Corona preionization assembly for a gas laser |
| US20060222034A1 (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Cymer, Inc. | 6 Khz and above gas discharge laser system |
| US7257144B2 (en) * | 2004-02-11 | 2007-08-14 | Photomedex | Rare gas-halogen excimer lasers with baffles |
| RU2306649C2 (en) * | 2001-08-29 | 2007-09-20 | Саймер, Инк. | Set of extremely narrow-band two-chamber gas-discharge lasers characterized in high pulse repetition frequency |
| RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
-
2012
- 2012-07-23 RU RU2012131336/28A patent/RU2519867C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6757315B1 (en) * | 1999-02-10 | 2004-06-29 | Lambda Physik Ag | Corona preionization assembly for a gas laser |
| RU2306649C2 (en) * | 2001-08-29 | 2007-09-20 | Саймер, Инк. | Set of extremely narrow-band two-chamber gas-discharge lasers characterized in high pulse repetition frequency |
| US7257144B2 (en) * | 2004-02-11 | 2007-08-14 | Photomedex | Rare gas-halogen excimer lasers with baffles |
| US20060222034A1 (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-05 | Cymer, Inc. | 6 Khz and above gas discharge laser system |
| RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012131336A (en) | 2014-01-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2446530C1 (en) | Pulse-periodic gas-discharge laser | |
| Borisov et al. | High-power, highly stable KrF laser with a pulse repetition rate | |
| RU2519867C2 (en) | Gas-discharge laser | |
| US4381564A (en) | Waveguide laser having a capacitively coupled discharge | |
| RU2507654C1 (en) | Gas discharge laser, laser system and method of radiation generation | |
| RU2503104C1 (en) | Gas-discharge laser | |
| Chen et al. | Long‐duration high‐efficiency operation of a continuously pulsed copper laser utilizing copper bromide as a lasant | |
| RU2510109C1 (en) | Gas discharge laser and method of radiation generation | |
| RU2506671C1 (en) | Gas-discharge laser and method of generating radiation | |
| RU2510110C1 (en) | Gas discharge laser | |
| RU2557327C2 (en) | Gas-discharge excimer laser (versions) | |
| RU2517796C1 (en) | Apparatus for generating volumetric self-sustained discharge | |
| RU2557325C2 (en) | Discharge system for excimer laser (versions) | |
| JP4326172B2 (en) | Low-pressure axial excitation type F2 laser device | |
| RU2507653C1 (en) | Gas discharge laser | |
| RU2519869C2 (en) | Excimer laser system and method of generating radiation | |
| Cirkel et al. | Excimer lasers with large discharge cross section | |
| RU2531069C2 (en) | Gas-discharge laser system and method of generating radiation | |
| Panchenko et al. | Efficient'Foton'electric-discharge KrCl laser | |
| RU2598142C2 (en) | Powerful pulse-periodic excimer laser for technological applications | |
| El-Osealy et al. | Gain characteristics of longitudinally excited F2 lasers | |
| Atezhev et al. | Nitrogen laser with a pulse repetition rate of 11 kHz and a beam divergence of 0.5 mrad | |
| JP5454842B2 (en) | High repetition rate high power excimer laser equipment | |
| RU2357339C1 (en) | Excimer laser | |
| RU2467442C1 (en) | Excimer laser |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180724 |