RU2559172C2 - Laser discharge system with partially translucent electrode - Google Patents
Laser discharge system with partially translucent electrode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2559172C2 RU2559172C2 RU2013136117/28A RU2013136117A RU2559172C2 RU 2559172 C2 RU2559172 C2 RU 2559172C2 RU 2013136117/28 A RU2013136117/28 A RU 2013136117/28A RU 2013136117 A RU2013136117 A RU 2013136117A RU 2559172 C2 RU2559172 C2 RU 2559172C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- laser
- partially transparent
- discharge
- metal substrate
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к мощным импульсно-периодическим газоразрядным лазерам, преимущественно эксимерным, с поперечным самостоятельным разрядом и УФ предыонизацией. Область применений включает лазерную микрообработку материалов, отжиг аморфного кремния (α-Si) при производстве плоских дисплеев, производство высокотемпературных сверхпроводников методом импульсной лазерной абляции и др.The invention relates to quantum electronics, in particular to high-power repetitively pulsed gas-discharge lasers, mainly excimer, with transverse self-sustained discharge and UV preionization. Applications include laser microprocessing of materials, annealing of amorphous silicon (α-Si) in the manufacture of flat displays, the production of high-temperature superconductors by pulsed laser ablation, etc.
Известна разрядная система газового лазера со сплошными электродами [1], в которой УФ предыонизация осуществляется разрядами через диэлектрический барьер, зажигаемыми сбоку от высоковольтного электрода. При использовании в эксимерном лазере разрядная система позволяет эффективно получать энергию генерации при высокой частоте следования импульсов. Недостатком указанного устройства является малый уровень предыонизации, ограничивающий возможность увеличения апертуры основного разряда, повышения энергии генерации и средней мощности лазера.A known discharge system of a gas laser with solid electrodes [1], in which UV preionization is carried out by discharges through a dielectric barrier, ignited on the side of the high-voltage electrode. When used in an excimer laser, the discharge system makes it possible to efficiently obtain the generation energy at a high pulse repetition rate. The disadvantage of this device is the low level of preionization, limiting the possibility of increasing the aperture of the main discharge, increasing the generation energy and average laser power.
Этого недостатка лишена разрядная система газового лазера с УФ предыонизацией, осуществляемой излучением от двух рядов искр, автоматически зажигаемых при зарядке импульсных конденсаторов сбоку от высоковольтного электрода, расположенного с стороны стенки корпуса лазера [2]. Данная система обеспечила достижение высокой (600 Вт) средней мощности лазерного УФ излучения в эксимерном KrF лазере. Недостатком электродной системы с УФ предыонизатором в виде рядов отдельных искровых промежутков является пространственная неоднородность предыонизации по длине электродов, что уменьшает кпд лазера, и ее сложность из-за необходимости герметизировать десятки токовводов предыонизатора. Кроме того, искровые промежутки обуславливают повышенное поступление в газ продуктов эрозии электродов предыонизатора, что уменьшает время жизни газовой смеси лазера.This disadvantage is deprived of the discharge system of a gas laser with UV preionization, carried out by radiation from two rows of sparks, automatically ignited when charging pulsed capacitors on the side of the high-voltage electrode located on the side of the laser housing wall [2]. This system ensured the achievement of a high (600 W) average power of laser UV radiation in an excimer KrF laser. The disadvantage of the electrode system with a UV preionizer in the form of rows of separate spark gaps is the spatial heterogeneity of the preionization along the length of the electrodes, which reduces the laser efficiency, and its complexity due to the need to seal dozens of current leads of the preionizer. In addition, spark gaps cause an increased entry into the gas of erosion products of the preionizer electrodes, which reduces the lifetime of the laser gas mixture.
Этого недостатка лишен эксимерный лазер с рентгеновской предыонизацией через частично прозрачный для рентгеновского излучения заземленный электрод [3]. Данная конструкция позволяет увеличивать апертуру разряда и, соответственно, энергию генерации и среднюю мощность излучения лазера, которая при генерации на XeCl составила 1 кВт (1 Дж, 1000 Гц).An excimer laser with x-ray preionisation through a partially grounded electrode, which is partially transparent to x-ray radiation, does not have this drawback [3]. This design makes it possible to increase the discharge aperture and, accordingly, the generation energy and the average laser radiation power, which when generated by XeCl was 1 kW (1 J, 1000 Hz).
Недостатком указанного устройства является сложность его эксплуатации и большие габариты, так как наличие рентгеновского предыонизатора требует достаточно сложного отдельного высоковольтного источника питания у заземленного электрода и обуславливает применение крупногабаритного корпуса, поперечное сечение которого имеет трековую конфигурацию.The disadvantage of this device is the complexity of its operation and large dimensions, since the presence of an X-ray preionizer requires a rather complex separate high-voltage power source at a grounded electrode and causes the use of a large-sized case, the cross section of which has a track configuration.
Этих недостатков лишена разрядная система эксимерного лазера, содержащая сплошной электрод и частично прозрачный электрод, с нерабочей стороны которого установлен предыонизатор в виде симметричной системы зажигания скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины, расположенные в протяженном металлическом корпусе лазера [4]. В металлическом корпусе лазера также расположены протяженные керамические контейнеры, установленные вблизи одного из электродов, в которых размещены импульсные конденсаторы, малоиндуктивно подсоединенные к электродам лазера. Устройство позволяет упростить конструкцию мощного лазера, удешевить его, обеспечить высокую скорость потока газа между электродами, энергию и среднюю мощность лазера в долговременном режиме.These disadvantages are deprived of the excimer laser discharge system, which contains a solid electrode and a partially transparent electrode, on the non-working side of which a preionizer is installed in the form of a symmetrical sliding discharge ignition system on the surface of a flat dielectric plate, located in an extended metal laser housing [4]. In the metal case of the laser there are also extended ceramic containers installed near one of the electrodes, in which pulse capacitors are placed, which are inductively connected to the laser electrodes. The device allows you to simplify the design of a powerful laser, reduce its cost, provide a high gas flow rate between the electrodes, energy and average laser power in the long-term mode.
Недостатком прототипа являются большие габариты полупрозрачного электрода, что ведет к увеличению апертуры и активного объема лазера, и, как следствие, требует увеличения объема импульсно-заряжаемых конденсаторов, керамических контейнеров, и корпуса лазера в целом при необходимости обеспечить высокую энергию генерации.The disadvantage of the prototype is the large dimensions of the translucent electrode, which leads to an increase in the aperture and active volume of the laser, and, as a result, requires an increase in the volume of pulse-charged capacitors, ceramic containers, and the laser case as a whole, if necessary, to ensure high generation energy.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является разрядная система лазера с частично прозрачным электродом, содержащая размещенный с стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода УФ предыонизатор, выполненный в виде системы зажигания скользящего разряда, включающей в себя протяженную металлическую подложку, покрытую диэлектрическим слоем, на поверхности которого размещены протяженный поджигающий электрод и дополнительный электрод, соединенный с металлической подложкой [5]. В качестве диэлектрического слоя используется плоская сапфировая (Al2O3) пластина, поверхность которой, обращенная к частично прозрачному электроду, при работе предыонизатора полностью покрыта плазмой двух поверхностных скользящих разрядов, симметричных относительно плоскости, включающей в себя продольные оси электродов. Прототип позволяет упростить конструкцию мощного лазера, удешевить его, обеспечить высокую скорость потока газа между электродами при компактном корпусе лазера. В данной разрядной системе обеспечивается высокий уровень и пространственная однородность предыонизации разрядной зоны между электродами лазера. Достигается возможность повышения энергии генерации и средней мощности излучения лазера. При этом реализуется возможность в несколько раз уменьшить прокачиваемую через предыонизатор энергию, что, в свою очередь, повышает время жизни газовой смеси. С компактным (диаметром 0,45 м) керамическим корпусом лазера при генерации на XeCl стабилизированная средняя мощность лазерного УФ излучения с данной разрядной системой достигала 500 Вт.The closest technical solution, selected as a prototype, is a laser discharge system with a partially transparent electrode, containing a preionizer located on the side of the inoperative surface of the partially transparent electrode, made in the form of a sliding discharge ignition system, which includes an extended metal substrate coated with a dielectric layer, on the surface of which there is an extended ignition electrode and an additional electrode connected to a metal substrate [5]. As the dielectric layer, a flat sapphire (Al 2 O 3 ) plate is used, the surface of which facing the partially transparent electrode, when the preionizer is working, is completely covered by the plasma of two surface sliding discharges, symmetrical with respect to the plane that includes the longitudinal axis of the electrodes. The prototype allows us to simplify the design of a powerful laser, reduce its cost, and ensure a high gas flow rate between the electrodes with a compact laser housing. This discharge system provides a high level and spatial uniformity of the preionization of the discharge zone between the laser electrodes. The possibility of increasing the generation energy and average laser radiation power is achieved. In this case, the opportunity is realized to reduce the energy pumped through the preionizer several times, which, in turn, increases the lifetime of the gas mixture. With a compact (0.45 m diameter) ceramic laser body when generating on XeCl, the stabilized average power of the laser UV radiation with this discharge system reached 500 W.
Однако поперечный размер диэлектрической пластины не может быть меньше определенной величины, ниже которой нарушается однородность горения скользящих разрядов. В связи с этим частично прозрачный электрод с предыонизатором в виде системы зажигания скользящего разряда по поверхности плоской диэлектрической пластины имеет относительно большие поперечные размеры, что повышает индуктивность разрядного контура. Этот фактор ограничивает получение высокоэффективной генерации в эксимерных лазерах на фторидах инертных газов (KrF, ArF), для которых наблюдается резкая зависимость эффективности лазера от индуктивности разрядного контура. Кроме этого, при больших поперечных размерах частично прозрачные электроды достаточно сложны и дороги в изготовлении, а также менее надежны в эксплуатации.However, the transverse size of the dielectric plate cannot be less than a certain value, below which the uniformity of combustion of the sliding discharges is violated. In this regard, a partially transparent electrode with a preionizer in the form of a sliding discharge ignition system on the surface of a flat dielectric plate has relatively large transverse dimensions, which increases the inductance of the discharge circuit. This factor limits the obtaining of highly efficient generation in excimer inert gas fluoride (KrF, ArF) lasers, for which a sharp dependence of the laser efficiency on the discharge circuit inductance is observed. In addition, with large transverse dimensions, partially transparent electrodes are quite complex and expensive to manufacture, as well as less reliable in operation.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и средней мощности лазера с частично прозрачным электродом, упрощение его конструкции, снижение стоимости и увеличение времени жизни разрядной системы.The technical result of the invention is to increase the efficiency and average power of a laser with a partially transparent electrode, simplifying its design, reducing cost and increasing the life time of the discharge system.
Указанная задача может быть осуществлена усовершенствованием разрядной системы лазера с частично прозрачным электродом, содержащей размещенный со стороны нерабочей поверхности частично прозрачного электрода УФ предыонизатор, выполненный в виде протяженной системы зажигания скользящего разряда, включающей в себя металлическую подложку, покрытую диэлектрическим слоем, на поверхности которого размещены поджигающий электрод и дополнительный электрод, соединенный с металлической подложкой.This task can be carried out by improving the discharge system of a laser with a partially transparent electrode, containing a preionizer located on the non-working surface of the partially transparent electrode UV, made in the form of an extended ignition system of a sliding discharge, which includes a metal substrate coated with a dielectric layer, on the surface of which an igniter is placed an electrode and an additional electrode connected to a metal substrate.
Усовершенствование устройства состоит в том, что по крайней мере часть поверхности протяженной металлической подложки, обращенная к частично прозрачному электроду, выполнена цилиндрической, выпуклой в сторону частично прозрачного электрода и совмещена с поверхностью диэлектрического слоя, а поджигающий электрод системы формирования завершенного скользящего разряда установлен на выпуклой цилиндрической поверхности диэлектрического слоя.An improvement of the device consists in the fact that at least part of the surface of the extended metal substrate facing the partially transparent electrode is cylindrical, convex towards the partially transparent electrode and aligned with the surface of the dielectric layer, and the ignition electrode of the complete sliding discharge forming system is mounted on the convex cylindrical the surface of the dielectric layer.
В варианте реализации устройства диэлектрический слой выполнен в виде прямой тонкостенной керамической трубки, на наружной поверхности которой вдоль нее диаметрально противоположно размещены протяженные поджигающий электрод и дополнительный электрод, а протяженная металлическая подложка размещена внутри керамической трубки и подсоединена к дополнительному электроду с торцов керамической трубки.In an embodiment of the device, the dielectric layer is made in the form of a straight thin-walled ceramic tube, on the outer surface of which an extended ignition electrode and an additional electrode are diametrically opposed, and an extended metal substrate is placed inside the ceramic tube and connected to the additional electrode from the ends of the ceramic tube.
В другом варианте устройства диэлектрический слой выполнен в виде протяженной части прямой тонкостенной керамической трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее оси, часть поверхности металлической подложки, обращенная к частично прозрачному электроду, совмещена с внутренней цилиндрической поверхностью диэлектрического слоя, а другая часть поверхности металлической подложки совмещена с дополнительным электродом.In another embodiment of the device, the dielectric layer is made in the form of an extended part of a straight thin-walled ceramic tube enclosed between two longitudinal sections of the tube parallel to its axis, a part of the surface of the metal substrate facing the partially transparent electrode is aligned with the inner cylindrical surface of the dielectric layer, and the other part of the surface the metal substrate is combined with an additional electrode.
При этом рабочая часть частично прозрачного электрода изготовлена тонкостенной, профилирована со стороны рабочей поверхности и выполнена с щелевыми окнами прозрачности.In this case, the working part of the partially transparent electrode is made thin-walled, profiled from the side of the working surface and made with slotted transparency windows.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by the accompanying drawings.
На фиг.1 упрощенно изображена разрядная система газового лазера с предыонизацией по поверхности диэлектрической трубки через частично прозрачный электрод, установленный удаленно от стенки корпуса лазера; на фиг.2 - пример схемы этого варианта устройства; на фиг.3 упрощенно изображена разрядная система газового лазера с предыонизацией по поверхности диэлектрической трубки через частично прозрачный электрод, установленный с стороны стенки корпуса лазера, на фиг.4 - пример схемы этого варианта устройства; на фиг.5 упрощенно изображена разрядная система газового лазера с предыонизацией по поверхности части диэлектрической трубки, на фиг.6 - пример схемы этого варианта устройства.Figure 1 is a simplified depiction of a gas laser discharge system with preionization over the surface of a dielectric tube through a partially transparent electrode mounted remotely from the wall of the laser housing; figure 2 is an example diagram of this embodiment of the device; figure 3 is a simplified illustration of a discharge system of a gas laser with preionization over the surface of a dielectric tube through a partially transparent electrode mounted on the side of the wall of the laser casing; figure 4 is an example of a diagram of this embodiment of the device; figure 5 is a simplified illustration of a discharge system of a gas laser with preionization over the surface of a part of a dielectric tube; figure 6 is an example of a diagram of this embodiment of the device.
Разрядная система газового лазера содержит расположенный вне корпуса - 1 лазера импульсный источник питания - 2 и расположенный в корпусе - 1 протяженные вдоль оси лазера сплошной электрод - 3 и частично прозрачный электрод - 4, установленный удаленно от стенки корпуса - 1 лазера (фиг.1). Вне корпуса лазера размещены подсоединенные к электродам - 3, 4 лазера конденсаторы - 5, к которым подключен источник питания - 2. Также снаружи корпуса - 1 расположены вспомогательные конденсаторы - 6, через которые импульсный источник - 2 связан с расположенным в корпусе - 1 УФ предыонизатором. УФ предыонизатор выполнен в виде системы зажигания скользящего разряда между протяженными поджигающим электродом - 7 и дополнительным электродом - 9, расположенными на поверхности диэлектрического слоя, выполненного в виде прямой тонкостенной керамической трубки - 8, преимущественно из Al2O3, покрывающего протяженную металлическую подложку - 10, соединенную с дополнительным электродом - 9. Поверхность металлической подложки - 10, обращенная к частично прозрачному электроду, выполнена цилиндрической, выпуклой в сторону частично прозрачного электрода и совмещена с поверхностью диэлектрического слоя. Диэлектрический слой выполнен в виде прямой тонкостенной керамической трубки - 8 (фиг.1), на наружной поверхности которой вдоль нее диаметрально противоположно размещены поджигающий электрод - 7 и дополнительный электрод - 9. Металлическая подложка - 10 размещена внутри керамической трубки - 8, поверхность металлической подложки выполнена цилиндрической и совмещена с внутренней поверхностью керамической трубки. Металлическая подложка - 10 подсоединена к дополнительному электроду - 9 с торцов керамической трубки - 8, причем в варианте устройства, показанном на фиг.1, дополнительный электрод - 9 системы зажигания скользящего разряда соединен с частично прозрачным электродом - 4.The discharge system of a gas laser contains a pulsed power supply located outside the
Для этого варианта устройства на фиг.2 корпус - 1 лазера, как и в прототипе, выполнен преимущественно керамическим. В корпусе - 1 расположены газопроницаемые токопроводы - 11 посредством которых конденсаторы - 5 соединены с частично прозрачным электродом - 4, а также вспомогательные газопроницаемые токопроводы - 12, посредством которых вспомогательные конденсаторы - 6 подсоединены к поджигающему электроду - 7 системы зажигания скользящего разряда. В корпусе также размещена система формирования газового потока, в которую входит вентилятор - 13, направляющие газового потока - 14, и трубки теплообменника - 15.For this embodiment of the device in figure 2, the housing - 1 of the laser, as in the prototype, is made mainly of ceramic. In the case - 1 there are gas-permeable current conductors - 11 by means of which capacitors - 5 are connected to a partially transparent electrode - 4, as well as auxiliary gas-permeable current conductors - 12, by means of which auxiliary capacitors - 6 are connected to the ignition electrode - 7 of the sliding discharge ignition system. The housing also houses a gas flow formation system, which includes a fan - 13, gas flow guides - 14, and a heat exchanger tube - 15.
На фиг.3 частично прозрачный электрод - 4 установлен со стороны стенки корпуса - 1, при этом поджигающий электрод - 7 системы зажигания скользящего разряда по поверхности керамической трубки - 8 соединен с частично прозрачным электродом лазера - 4, а металлическая подложка - 10, размещенная внутри керамической трубки подсоединена к дополнительному электроду - 9 с торцов керамической трубки - 8. Рабочая часть частично прозрачного электрода - 4 изготовлена тонкостенной, профилирована со стороны рабочей поверхности и выполнена с щелевыми окнами - 4' прозрачности.In Fig. 3, a partially transparent electrode - 4 is installed on the side of the wall of the housing - 1, while the ignition electrode - 7 of the sliding discharge ignition system on the surface of the ceramic tube - 8 is connected to the partially transparent laser electrode - 4, and the metal substrate - 10, located inside the ceramic tube is connected to an additional electrode - 9 from the ends of the ceramic tube - 8. The working part of the partially transparent electrode - 4 is made thin-walled, profiled from the side of the working surface and made with slotted windows - 4 'p ozrachnosti.
Для этого варианта устройства на фиг.4 металлический корпус - 1 лазера содержит протяженные керамические контейнеры - 1', установленные вблизи частично прозрачного электрода - 4; в протяженных керамических контейнерах - 1' размещены конденсаторы - 5 и вспомогательные конденсаторы - 6, малоиндуктивно подсоединенные соответственно к электродам - 3, 4 лазера и к дополнительному электроду - 9 системы зажигания скользящего разряда по наружной поверхности керамической трубки - 8. В варианте устройства подсоединение источника питания - 2 к конденсаторам - 5 осуществляется через снабженные изоляторами токовводы корпуса - 1 (Фиг.4).For this embodiment of the device of FIG. 4, the metal case - 1 of the laser contains extended ceramic containers - 1 'installed near a partially transparent electrode - 4; in long ceramic containers - 1 'there are capacitors - 5 and auxiliary capacitors - 6, which are inductively connected respectively to the electrodes - 3, 4 of the laser and to the additional electrode - 9 of the sliding discharge ignition system on the outer surface of the ceramic tube - 8. In the device version, the source is connected power - 2 to the capacitors - 5 is carried out through the insulated current leads of the housing - 1 (Figure 4).
В варианте устройства, показанном на фиг.5 диэлектрический слой выполнен в виде протяженной части прямой тонкостенной керамической трубки - 8, заключенной между двумя продольными сечениями (резами) трубки, параллельными ее оси. Часть поверхности протяженной металлической подложки - 10, обращенная к частично прозрачному электроду - 4 совмещена с внутренней цилиндрической поверхностью диэлектрического слоя - 8, а другая часть поверхности металлической подложки совмещена с дополнительным электродом - 9. Поджигающий электрод системы формирования завершенного скользящего разряда - 7 установлен на выпуклой цилиндрической поверхности диэлектрического слоя - 8 и соединен с частично прозрачным электродом - 4, размещенным со стороны стенки корпуса - 1 лазера.In the embodiment of the device shown in Fig. 5, the dielectric layer is made in the form of an extended part of a straight thin-walled ceramic tube - 8, enclosed between two longitudinal sections (cuts) of the tube parallel to its axis. Part of the surface of the extended metal substrate - 10, facing the partially transparent electrode - 4 is aligned with the inner cylindrical surface of the dielectric layer - 8, and the other part of the surface of the metal substrate is aligned with the additional electrode - 9. The ignition electrode of the complete sliding discharge forming system - 7 is mounted on a convex the cylindrical surface of the dielectric layer is 8 and is connected to a partially transparent electrode - 4 located on the side of the housing wall - 1 laser.
Для этого варианта устройства на фиг.6 корпус - 1 лазера выполнен преимущественно керамическим, и в керамической стенке корпуса вдоль него установлены герметичные токовводы - 16, посредством которых вспомогательные конденсаторы - 6 подсоединены к дополнительному электроду - 9 системы зажигания скользящего разряда, а также токовводы - 17, посредством которых конденсаторы - 5 подсоединены к частично прозрачному электроду - 4. В качестве изоляторов токовводов - 16, 17 служит сама керамическая стенка корпуса - 1 и дополнительный протяженный керамический изолятор - 18.For this embodiment of the device in Fig. 6, the laser case - 1 is made mainly of ceramic, and sealed current leads - 16 are installed along the ceramic wall of the case along which auxiliary capacitors - 6 are connected to the additional electrode - 9 of the sliding discharge ignition system, as well as current leads - 17, by means of which capacitors - 5 are connected to a partially transparent electrode - 4. As the insulators of current leads - 16, 17, the ceramic wall of the housing itself - 1 and an additional extended ceramic insulator - 18.
Разрядная система лазера с частично прозрачным электродом работает следующим образом.A discharge laser system with a partially transparent electrode operates as follows.
При включении расположенного вне корпуса - 1 источника питания - 2 между сплошным - 3 и частично прозрачным - 4 электродами лазера, а также на подключенных к ним конденсаторах - 5 начинает нарастать напряжение. Потенциал сплошного электрода - 3 через вспомогательные конденсаторы - 6 передается на поджигающий электрод - 7 системы зажигания скользящего разряда по поверхности прямой тонкостенной керамической трубки - 8 предыонизатора (фиг.1). Между поджигающим электродом - 7 и диаметрально противоположно ему установленным на поверхности керамической трубки - 8 дополнительным электродом - 9, соединенным с частично прозрачным электродом - 4 лазера и металлической подложкой - 10, также начинает нарастать напряжение. По поверхности керамической трубки - 8, покрывающей металлическую подложку - 10, размещенную внутри керамической трубки, в обе стороны от поджигающего электрода - 7 к дополнительному электроду - 9 развивается волна ионизации. В процессе развития волны ионизации происходит зарядка электрической емкости диэлектрического слоя в виде части керамической трубки между поджигающим и дополнительным электродами - 7, 9 до напряжения, приблизительно равного разности потенциалов поджигающего электрода - 7 и металлической подложки - 10. Зарядка емкости диэлектрического слоя осуществляется по электрическому контуру, включающему в себя размещенные с торцов керамической трубки - 8 провода соединения металлической подложки - 10 с дополнительным электродом - 9. После пробега двух волн ионизации от поджигающего электрода - 7 к дополнительному электроду - 9 между электродами - 7, 9 зажигаются два поверхностных скользящих разряда, ток которых ограничен током зарядки вспомогательных конденсаторов - 6, емкость которых выбирается много меньше емкости конденсаторов - 5, подключенных к электродам - 3, 4 лазера. Через частично прозрачный электрод - 4 УФ излучение скользящих разрядов по поверхности керамической трубки - 8 осуществляет предыонизацию разрядной зоны между электродами - 3, 4 лазера. После того, как напряжение между сплошным и частично прозрачным электродами - 3, 4 достигает значения пробивного напряжения, происходит основной объемный разряд между ними. Энергия, запасенная в конденсаторах - 5, 6 вкладывается в объемный разряд, что позволяет получить энергию генерации лазера.When you turn on the outside of the case - 1 power source - 2 between a solid - 3 and partially transparent - 4 laser electrodes, as well as on the capacitors connected to them - 5, the voltage starts to increase. The potential of the continuous electrode - 3 through auxiliary capacitors - 6 is transferred to the ignition electrode - 7 of the sliding discharge ignition system along the surface of a straight thin-walled ceramic tube - 8 preionizer (Fig. 1). Between the
На фиг.2 для варианта устройства с керамическим корпусом - 1 лазера контур протекания тока системы зажигания скользящего разряда включает в себя наряду с импульсно заряжаемыми вспомогательными конденсаторами - 6 протяженные вспомогательные газопроницаемые токопроводы - 12, поджигающий электрод - 7, дополнительный электрод - 9, соединенный с ним частично прозрачный электрод - 4 и газопроницаемые токопроводы - 11. Ток основного объемного разряда протекает по малоиндуктивному разрядному контуру, включающему в себя конденсаторы - 5, токовводы корпуса лазера, газопроницаемые токопроводы - 11 и электроды - 3, 4. Кроме этого, в основной разряд вкладывается энергия, запасенная за время импульсной зарядки во вспомогательных конденсаторах - 6, при этом частично выделяясь в скользящем разряде. После генерации импульса лазерного излучения с помощью системы формирования газового потока, в который входит вентилятор - 13, направляющие газового потока - 14 и трубки теплообменника - 15 газ между электродами - 3, 4 обновляется, и цикл работы лазера повторяется.In Fig. 2, for a variant of the device with a ceramic case - 1 laser, the current flow loop of the sliding discharge ignition system includes, along with pulse-charged auxiliary capacitors - 6 extended auxiliary gas-permeable current conductors - 12, an ignition electrode - 7, an additional electrode - 9, connected to a partially transparent electrode — 4 and gas-permeable current conductors — 11. The current of the main volume discharge flows along a low-inductance discharge circuit, including capacitors — 5, current leads laser whisker, gas-permeable current conductors - 11 and electrodes - 3, 4. In addition, the energy stored during pulse charging in auxiliary capacitors - 6 is invested in the main discharge, while partially released in the sliding discharge. After generating a laser pulse using a gas flow formation system, which includes a fan - 13, gas flow guides - 14 and a heat exchanger tube - 15, the gas between the electrodes - 3, 4 is updated, and the laser cycle is repeated.
В варианте устройства на фиг.3, фиг.4 при включении источника питания - 2 между сплошным - 3 и частично прозрачным - 4 электродами лазера и на подключенных к ним конденсаторах - 5 начинает нарастать напряжение. Потенциал сплошного электрода - 3 через вспомогательные конденсаторы - 6 передается на дополнительный электрод - 9 системы зажигания скользящего разряда, установленной с нерабочей стороны частично прозрачного электрода, размещенного со стороны стенки корпуса - 1. Между дополнительным электродом - 9 и соединенным со сплошным электродом - 3 лазера поджигающим электродом - 7 также начинает нарастать напряжение, и между ними зажигаются поверхностные скользящие разряды.In the embodiment of the device in FIG. 3, FIG. 4, when the power source - 2 is turned on, between the solid - 3 and partially transparent - 4 laser electrodes and on the capacitors connected to them - 5, the voltage starts to increase. The potential of the continuous electrode - 3 through auxiliary capacitors - 6 is transferred to the additional electrode - 9 of the sliding discharge ignition system installed on the non-working side of the partially transparent electrode located on the side of the housing wall - 1. Between the additional electrode - 9 and 3 lasers connected to the solid electrode the igniting electrode - 7 also begins to build up voltage, and surface sliding discharges are ignited between them.
В варианте устройства на фиг.4 цепь протекания тока системы зажигания скользящего разряда включает в себя герметичные токовводы керамических контейнеров - 1'. Дальнейшая работа устройства происходит, как описано выше. В вариантах установки частично прозрачного электрода - 4 со стороны стенки корпуса, в отличие от варианта на фиг.2, устраняется необходимость использования вспомогательных газопроницаемых токопроводов - 12, что упрощает конструкцию разрядной системы лазера.In the embodiment of the device of Fig. 4, the current flow circuit of the sliding discharge ignition system includes sealed current leads of ceramic containers - 1 '. Further operation of the device occurs as described above. In the options for installing a partially transparent electrode - 4 from the side of the housing wall, in contrast to the variant in Fig. 2, the need to use auxiliary gas-permeable current conductors - 12 is eliminated, which simplifies the design of the laser discharge system.
В варианте устройства, фиг.5, фиг.6, незначительные отличия его работы состоят в том, что в процессе развития волны ионизации зарядка емкости диэлектрического слоя осуществляется по электрическому контуру с малой индуктивностью соединения металлической подложки - 10 с дополнительным электродом - 9, - за счет совмещения части поверхностей дополнительного электрода - 9 и металлической подложки - 10. Это может улучшать однородность скользящего разряда, а также обеспечивать более удобное крепление электродной системы предыонизатора. В отличие от варианта устройства с применением целой керамической трубки в качестве диэлектрического слоя, фиг.1-4, использование части диэлектрической трубки, фиг.5-6, позволяет более эффективно использовать излучение скользящего разряда, уменьшая размер предыонизатора по сравнению с прототипом приблизительно в π/2 раз.In the embodiment of the device, FIG. 5, FIG. 6, insignificant differences in its operation are that in the process of development of the ionization wave, the capacitance of the dielectric layer is charged along the electric circuit with a low inductance connecting the metal substrate - 10 with an additional electrode - 9, - due to the combination of part of the surfaces of the additional electrode - 9 and the metal substrate - 10. This can improve the uniformity of the sliding discharge, as well as provide more convenient fastening of the electrode system of the preionizer. In contrast to the device with the use of the whole ceramic tube as a dielectric layer, FIGS. 1-4, the use of a part of the dielectric tube, FIGS. 5-6, allows more efficient use of the radiation of the sliding discharge, reducing the size of the preionizer compared to the prototype by approximately π /2 times.
Выполнение рабочей части частично прозрачного электрода тонкостенной со щелевыми окнами прозрачности позволяет удешевить изготовление частично прозрачного электрода, используя в качестве инструмента для изготовления окон прозрачности электрода тонкую дисковую фрезу. Выполнение окон прозрачности щелевыми, а рабочей поверхности частично прозрачного электрода профилированной, позволяет получить однородное электрическое поле в разрядном объеме лазера. Это повышает выходные характеристики лазера. Кроме этого, тонкая рабочая часть частично прозрачного обеспечивает более однородное распределение разрядного тока по поверхности электрода, что также способствует достижению максимальных выходных характеристик лазера.The implementation of the working part of a partially transparent thin-walled electrode with slotted transparency windows makes it possible to reduce the cost of manufacturing a partially transparent electrode using a thin disk mill as a tool for manufacturing the transparency windows of the electrode. The implementation of the transparency windows is slotted, and the working surface of a partially transparent electrode is profiled, allows you to get a uniform electric field in the discharge volume of the laser. This improves the laser output. In addition, the thin part of the partially transparent part provides a more uniform distribution of the discharge current over the electrode surface, which also helps to achieve maximum laser output characteristics.
При размещении частично прозрачного электрода со стороны стенки корпуса, фиг.3, 4, 5, 6, предыонизатор не освещает керамическую стенку корпуса. Это повышает электрическую прочность изоляции разрядного контура лазера, позволяя минимизировать его индуктивность и повысить энергию генерации.When placing a partially transparent electrode from the side of the housing wall, Figs. 3, 4, 5, 6, the preionizer does not illuminate the ceramic wall of the housing. This increases the dielectric strength of the insulation of the discharge circuit of the laser, minimizing its inductance and increasing the generation energy.
Выполнение системы зажигания скользящего разряда в предложенном виде обеспечивает компактность предыонизатора, размещаемого в непосредственной близости от частично прозрачного электрода. По сравнению с прототипом, в котором для зажигания скользящего разряда используется плоская диэлектрическая пластина, использование керамической трубки уменьшает поперечный размер диэлектрика в π раз (как при свертывании листа в трубку). Кроме этого, выполнение системы зажигания скользящего разряда в предложенном виде позволяет избежать паразитных пробоев между частично прозрачным электродом и предыонизатором. Все это позволяет значительно, до 2-х раз, уменьшить поперечный размер частично прозрачного электрода. В результате реализуется компактная электродная система с высокоэффективной предыонизацией.The implementation of the ignition system of the sliding discharge in the proposed form ensures the compactness of the preionizer located in the immediate vicinity of the partially transparent electrode. Compared with the prototype, in which a flat dielectric plate is used to ignite a sliding discharge, the use of a ceramic tube reduces the transverse dielectric size by π times (as when folding the sheet into a tube). In addition, the implementation of the sliding discharge ignition system in the proposed form avoids spurious breakdowns between the partially transparent electrode and the preionizer. All this allows to significantly, up to 2 times, reduce the transverse size of the partially transparent electrode. As a result, a compact electrode system with highly efficient preionization is realized.
При этом компактность предыонизатора, электродов лазера и разрядной системы в целом позволяет минимизировать индуктивность разрядного контура для получения высокой энергии генерации с максимально высокой эффективностью, что снижает эксплуатационные расходы лазера.At the same time, the compactness of the preionizer, laser electrodes, and the discharge system as a whole makes it possible to minimize the inductance of the discharge circuit to obtain high generation energy with the highest possible efficiency, which reduces the laser operating costs.
Выполнение диэлектрического слоя в виде керамической трубки, наряду с компактностью предыонизатора, обеспечивает относительную простоту технологии его изготовления. При этом выполнение керамической трубки тонкостенной необходимо для обеспечения высокой однородности скользящего разряда. Использование Al2O3 в качестве материала диэлектрической трубки обеспечивает высокое время жизни как предыонизатора, так и газовой смеси лазера, в частности эксимерного, содержащей высокоагрессивные компоненты, такие как F2, HCl. Таким образом, в отличие от аналогов с искровой предыонизацией, возможность достижения высоких энергии и средней мощности лазерного излучения реализуется при обеспечении высокого времени жизни газовой смеси, что снижает эксплуатационные расходы лазера.The implementation of the dielectric layer in the form of a ceramic tube, along with the compactness of the preionizer, provides the relative simplicity of its manufacturing technology. In this case, the implementation of a thin-walled ceramic tube is necessary to ensure high uniformity of the sliding discharge. The use of Al 2 O 3 as the material of the dielectric tube provides a high lifetime of both the preionizer and the gas mixture of the laser, in particular the excimer, containing highly aggressive components, such as F 2 , HCl. Thus, unlike analogues with spark preionization, the possibility of achieving high energy and average laser radiation power is realized while ensuring a high lifetime of the gas mixture, which reduces the operating costs of the laser.
Использование для предыонизации системы зажигания скользящих разрядов, реализуемых в виде однородных протяженных плазменных листов на поверхности диэлектрического слоя, позволяет осуществлять однородную по активному объему лазера предыонизацию при ее оптимально высоком уровне, реализуемом за счет возможности регулировки энерговклада в завершенный скользящий разряд, что обеспечивает высокую эффективность мощного газоразрядного лазера.The use of sliding discharges for the preionization of the ignition system, which are implemented as uniform extended plasma sheets on the surface of the dielectric layer, allows preionization uniform in the active volume of the laser to be optimally high, realized by adjusting the energy input to the completed sliding discharge, which ensures high efficiency of the powerful gas discharge laser.
По сравнению с прототипом облегчается формирование высокоскоростного однородного потока газа между электродами, что позволяет повысить частоту повторения разрядных импульсов и среднюю мощность лазера.Compared with the prototype, the formation of a high-speed uniform gas flow between the electrodes is facilitated, which allows to increase the repetition rate of discharge pulses and the average laser power.
Уменьшение поперечных размеров частично прозрачного электрода упрощает технологию его изготовления и снижает стоимость, а также увеличивает механическую прочность рабочей части электрода, что повышает время жизни электрода и разрядной системы лазера в целом.Reducing the transverse dimensions of a partially transparent electrode simplifies its manufacturing technology and reduces cost, and also increases the mechanical strength of the working part of the electrode, which increases the lifetime of the electrode and the discharge system of the laser as a whole.
Таким образом, выполнение разрядной системы лазера с частично прозрачным электродом в предложенном виде повышает эффективность и среднюю мощность лазера, упрощает его конструкции, снижает стоимость и увеличивает время жизни разрядной системы.Thus, the implementation of the discharge system of the laser with a partially transparent electrode in the proposed form increases the efficiency and average power of the laser, simplifies its design, reduces cost and increases the lifetime of the discharge system.
Использованные источники информацииInformation Sources Used
1. Patent US 6,757,315 B1. Int. Cl7 H01S 3/22. 19.10.2000.1. Patent US 6,757,315 B1. Int. Cl 7 H01S 3/22. 10/19/2000.
2. V M Borisov, D Basting, U Stamm, et al, "Compact 600-W KrF laser". Quantum Electron, 1998, 28 (2), pp.119-122.2. V M Borisov, D Basting, U Stamm, et al, "Compact 600-W KrF laser". Quantum Electron, 1998, 28 (2), pp. 119-122.
3. Timmermans J.C.M. 1-kW Industrial excimer Laser (308 nm) // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1998. V 3343, p.687.3. Timmermans J.C.M. 1-kW Industrial excimer Laser (308 nm) // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 1998. V 3343, p. 687.
4. Заявка на патент РФ №2002120303, МКИ 7 H01S 3/097, заявлено 31.07.2002, опубликовано RU БИМП №8 20.03.2004 (или, если возможно: Заявка на патент РФ №2011131139 МКИ 7 H01S 3/097, заявлено 26.07.2011).4. Application for a patent of the Russian Federation No. 20022120303,
5. Patent WO 2004/013940, Int. Cl7 H01S 3/00. 28.07.2003.5. Patent WO 2004/013940, Int. Cl 7 H01S 3/00. 07.28.2003.
Claims (3)
диэлектрический слой выполнен в виде либо прямой тонкостенной трубки, либо протяженной части прямой тонкостенной трубки, заключенной между двумя продольными сечениями трубки, параллельными ее оси,
по крайней мере часть поверхности протяженной металлической подложки, обращенная к частично прозрачному электроду, выполнена цилиндрической, выпуклой в сторону частично прозрачного электрода и совмещена с внутренней цилиндрической поверхностью диэлектрического слоя, а
поджигающий электрод установлен на выпуклой цилиндрической поверхности диэлектрического слоя вдоль него.1. A discharge laser system with a partially transparent electrode, comprising a UV preionizer located on the back side of the partially transparent electrode in the form of an extended ignition system of a completed sliding discharge, including a metal substrate coated with a dielectric layer, on the surface of which a completed sliding discharge is ignited between the ignition and the additional an electrode connected to a metal substrate, while
the dielectric layer is made in the form of either a straight thin-walled tube or an extended part of a straight thin-walled tube enclosed between two longitudinal sections of the tube parallel to its axis,
at least part of the surface of the extended metal substrate facing the partially transparent electrode is cylindrical, convex towards the partially transparent electrode and aligned with the inner cylindrical surface of the dielectric layer, and
a firing electrode is mounted on the convex cylindrical surface of the dielectric layer along it.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136117/28A RU2559172C2 (en) | 2013-08-01 | 2013-08-01 | Laser discharge system with partially translucent electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136117/28A RU2559172C2 (en) | 2013-08-01 | 2013-08-01 | Laser discharge system with partially translucent electrode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013136117A RU2013136117A (en) | 2015-03-20 |
| RU2559172C2 true RU2559172C2 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53285324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013136117/28A RU2559172C2 (en) | 2013-08-01 | 2013-08-01 | Laser discharge system with partially translucent electrode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2559172C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001177173A (en) * | 1999-12-16 | 2001-06-29 | Meidensha Corp | Gas laser oscillator |
| WO2004013940A2 (en) * | 2002-07-31 | 2004-02-12 | Lambda Physik Ag | Gas discharge laser |
| RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
-
2013
- 2013-08-01 RU RU2013136117/28A patent/RU2559172C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001177173A (en) * | 1999-12-16 | 2001-06-29 | Meidensha Corp | Gas laser oscillator |
| WO2004013940A2 (en) * | 2002-07-31 | 2004-02-12 | Lambda Physik Ag | Gas discharge laser |
| RU2446530C1 (en) * | 2011-01-28 | 2012-03-27 | Владимир Михайлович Борисов | Pulse-periodic gas-discharge laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013136117A (en) | 2015-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bulaev et al. | High-power repetitively pulsed electric-discharge HF laser | |
| Baksht et al. | Discharge lasers pumped by generators with inductive energy storage | |
| RU2559172C2 (en) | Laser discharge system with partially translucent electrode | |
| US4292600A (en) | Pulsed gas laser emitting high-power beam of short wavelength | |
| US20080061669A1 (en) | Dielectric barrier discharge excimer light source | |
| Tarasenko | Excilamps as efficient UVVUV light sources | |
| RU2548240C1 (en) | Discharge system of high-efficiency gas laser | |
| RU2559029C2 (en) | Gas laser discharge system | |
| Kazantsev et al. | Electrode system for electric-discharge generation of atomic iodine in a repetitively pulsed oxygen—iodine laser with a large active volume | |
| Panchenko et al. | Planar excilamp on rare gas chlorides pumped by a transverse self-sustained discharge | |
| RU2557327C2 (en) | Gas-discharge excimer laser (versions) | |
| RU2557325C2 (en) | Discharge system for excimer laser (versions) | |
| Panchenko et al. | Pulsed gas lasers pumped by generators with inductive energy storage | |
| RU2664780C1 (en) | Nitrogen laser, excited by longitudinal electric discharge | |
| RU2321119C2 (en) | Excimer laser and method for stimulating its lasing | |
| WO2014017951A1 (en) | Gas-discharge laser, laser system and method for generating radiation | |
| RU2519869C2 (en) | Excimer laser system and method of generating radiation | |
| Klimuk et al. | Electric-discharge pulsed F2+ H2 (D2) chain reaction HF/DF laser with a 4.2-L active volume | |
| RU2357339C1 (en) | Excimer laser | |
| Aleksandrov et al. | A repetitively pulsed HF laser with a large discharge gap operating on the F2—H2 mixture | |
| Lue et al. | The plasma z‐pinch effect on the I‐V characteristic of fast discharge flash tubes | |
| RU2503104C1 (en) | Gas-discharge laser | |
| RU2519867C2 (en) | Gas-discharge laser | |
| RU2531069C2 (en) | Gas-discharge laser system and method of generating radiation | |
| Lomaev et al. | One-and two-barrier excilamps on xenon dimers operating in the VUV range |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
| HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant |