DE3817145C2 - Elektrode für gepulste Gas-Laser und ihre Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für gepulste Gas-Laser mit Anregung eines Gases zwischen den Elektroden mittels einer Gasentladung.

Laser dieser Art sind z. B. Excimer-Laser, N₂-Laser oder CO₂- Laser. Der Aufbau und die Funktion solcher Laser sind bekannt. In einem mit Gas gefülltem Laser-Resonator sind mindestens zwei Elektroden parallel zur optischen Achse angeordnet. An die Elektroden wird eine Spannung angelegt und das Lasergas zwi­ schen den Elektroden wird mittels einer Gasentladung (Plasma­ entladung) angeregt.

Die Erfindung betrifft das Material, aus dem derartige Elektro­ den gefertigt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Elek­ trodenmaterial für Excimer-Laser.

Excimer-Laser-Gasmischungen bestehen typischerweise aus 5 bis 10% eines sogenannten aktiven Edelgases (z. B. Krypton), 0,1 bis 0,5% eines Halogen-Donors wie F₂ und einem leichten Puf­ fergas, wie Helium oder Neon bei einem Gesamtdruck von 1,5 bis 4 bar. Dieses Gas wird zwischen zwei langgestreckte, parallele Elektroden gebracht und der genannten Hochspannungsentladung ausgesetzt. Um Laserpulse hoher Energie zu erzeugen, sind bei der Hochspannungsentladung zwischen den Elektroden sehr hohe Stromdichten von typischerweise 10³ A/cm², Leistungsdichten von 10⁶ W/cm³ und Elektronentemperaturen im Bereich von 1 eV erfor­ derlich. Bei kommerziell einsetzbaren Excimer-Lasern muß zur Erreichung einer hinreichenden Durchbruchfeldstärke der Elek­ trodenabstand relativ gering sein, typischerweise im Bereich von 2 bis 3 cm. Die Elektroden unterliegen deshalb einer star­ ken Beanspruchung durch das benachbarte Plasma.

Die Lebensdauer von Excimer-Laser-Gasen ist hauptsächlich durch zwei Prozesse begrenzt. Zum einen finden auch in gut passivier­ ten Systemen chemische Dunkelreaktionen zwischen dem Halogen und den Behälterwandungen statt, die zum Verbrauch des Halogens sowie zu Verunreinigungen führen. Zum anderen führt ein leich­ ter Elektrodenabbrand während der Hochspannungsentladung eben­ falls zu chemischen Reaktionen. Die vom Elektrodenabbrand her­ rührenden Produkte können sowohl in Form von Partikeln wie auch als flüchtige Metallfluoridverbindung auftreten. Im ersten Fall führt dies zu Staubablagerungen an den Innenwänden der Laser­ kammer, was besonders im Bereich der Spiegel und Fenster uner­ wünscht ist; im zweiten Fall kann sich aufgrund der Laserstrah­ lung selbst auf photochemischem Wege auf der Innenseite der Fenster ein Metallfilm ablagern, der ebenfalls höchst schädlich ist.

Das Material der Laser-Elektroden ist somit nicht nur für die Lebensdauer der Elektroden maßgeblich, deren Form sich mit dem Elektrodenabbrand ändert, sondern auch bestimmend für die Le­ bensdauer des Laser-Gases und der Laser-Optik.

Entsprechende Überlegungen gelten auch für andere gepulste Gas- Laser, wie N₂-Laser oder CO₂-Laser.

Das Elektrodenmaterial muß daher bezüglich seiner chemischen und physikalischen Widerstandsfähigkeit sorgfältig ausgewählt werden. Im Stand der Technik werden zumeist Elektroden aus Nickel und gelegentlich auch aus Messing verwendet. Bekannt sind auch Aluminium-Elektroden mit einer Nickel-Beschichtung (siehe den Aufsatz von H. Pummer, U. Sowada, P. Oesterlin, U. Rebhan und D. Basting in der Zeitschrift "Laser und Optoelek­ tronik" Vol. 17(2), S. 141-148 (1985)).

JP 61-188980 (A) zeigt eine Entladungselektrode für einen Gas­ laser, die aus einer gesinterten Legierung von Wolfram und Kup­ fer mit einem Massenverhältnis von 70 : 30 besteht. Die Elektrode wird eingesetzt, um einen kostengünstigeren und - bei gleicher Leistung - kleineren gepulsten Gaslaser zu erhalten.

JP 61-147590 (A) zeigt ebenfalls eine aus einer gesinterten Le­ gierung von Kupfer und Wolfram bestehende Gaslaser-Elektrode, die 30% ± 10% Kupfer und 70% ± 10% (Gewichtsprozent) Wolf­ ram aufweist. Diese Elektrode dient zur Steigerung der Laser- Ausgangsleistung, indem die Wolfram-Teilchen im Laser erzeugte Hitze abführen.

JP 61-289686 (A) zeigt eine Entladungselektrode eines Gasla­ sers, die aus zwei ringförmigen Elektroden zusammengesetzt ist, und zwar einer gesinterten Kupfer-Wolfram-Legierung im Verhält­ nis 30 : 70 und einer Nickel-Kupfer-Legierung im Verhältnis 80 : 20. Weil sich an diesen Materialien unterschiedlich dicke Oxidschichten bilden, wird die ansteigende Flanke eines Aus­ gangsimpulses des Lasers geglättet und der Verlust an elektri­ scher Leistung minimiert.

JP 61-142783 (A) zeigt ein kostengünstiges und stabiles Elek­ trodenrohr für einen Laser-Oszillator mit geringem elektrischen Leistungsverlust. Die Oberfläche eines Trägerrohres ist von spiralenförmigen Metallelektroden umgeben, die jedoch keine Entladungselektroden darstellen. Auf die verbleibende Oberflä­ che des Trägerrohres ist eine Nickel-Aluminium-Legierung aufge­ bracht.

JP 58-91691 (A) zeigt die Elektrode einer Gaslaserröhre, die einen röhrenförmigen Basiskörper aus einem Metall wie Kupfer, Eisen oder Nickel aufweist. Auf die Innenfläche des Basiskör­ pers ist als Emissionsschicht ein Material mit hohem Schmelz­ punkt, wie beispielsweise ein Tetraborat seltener Erden, aufge­ bracht.

Aus der EP 0 052 714 A1 ist ein Laser-Verstärker bekannt, des­ sen Gehäuse aus einem symmetrischen Hohlkörper aus Metall, zum Beispiel einem nicht magnetischen Metall wie Aluminium, Kupfer, Wolfram, einer Legierung dieser Metalle oder einem ferromagne­ tischen Metall besteht.

Aus US 4,498,183 ist ein Hochleistungs-Excimer-Laser bekannt, dessen zur Anregung eines Gases mittels einer Gasentladung die­ nende, in einer Laserkammer angeordnete Entladungselektroden aus Aluminium, Nickel oder rostfreiem Stahl bestehen können. Der Laser weist weiterhin zwei Elektroden auf, die aus Wolfram, Molybdän, Messing oder Kupfer bestehen können. Diese Elektroden sind in einer Leitung angeordnet, in der ein Gas wie Stick­ stoff, Luft oder eine Mischung von Schwefelhexafluorid in Stickstoff zirkuliert. Diese nicht-aggressive Gaszusammenset­ zung ist vollkommen verschieden von der halogenhaltigen Exci­ mer-Gasmischung in der Laserkammer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für gepulste Gas-Laser, insbesondere Excimer-Laser, bereitzustel­ len, die hinsichtlich der vorstehenden Anforderungen optimale Eigenschaften aufweist. Die Elektrode soll also eine lange Le­ bensdauer haben und Verschmutzungen des Lasergases sowie der optischen Komponenten, wie Spiegel und Fenster, des Lasers ver­ meiden.

Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung wird, entsprechend Anspruch 9, diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Excimer-Laser mit einer Elektrode vorgesehen ist, wobei die Elektrode zumindest teilweise aus einem Wolfram und Kupfer aufweisenden Werkstoff besteht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der Werkstoff etwa 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 80%, Wolfram und als Rest im wesentlichen Kupfer aufweist.

In einer besonders geeigneten Ausgestaltung besteht der Werk­ stoff aus etwa 80% gesintertem Wolframpulver, in das ca. 20% Kupfer eingebracht ist.

Die vorstehend beschriebene Elektrode aus Wolfram und Kupfer ist besonders gut für alle Excimer-Laser-Gase geeignet, außer solchen Gasgemischen, in denen Fluoride enthalten sind.

Insbesondere für Excimer-Laser-Gase, die Fluoride enthalten, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gemäß Anspruch 2 durch eine Elektrode gelöst, die zumindest teilweise aus einem als wesentliche Bestandteile Kupfer, Aluminium und Nickel aufweisenden Werkstoff besteht.

In einer dem Anspruch 1 beziehungsweise dem von Anspruch 2 abhängigen Anspruch 3 entsprechenden Erfindungsvariante ist vorgesehen, daß der Werkstoff 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 80%, Kupfer aufweist und der Rest als wesentliche Bestandteile zumindest Aluminium und/oder Nickel.

In einer besonders geeigneten Weiterbildung der Erfindung weist der vorstehend genannte Rest neben Aluminium und Nickel noch zumindest Eisen als Bestandteil auf, dabei ist der Anteil an Aluminium größer als der jedes anderen Metalls (außer Kupfer, welches den Hauptbestandteil des Werkstoffes bildet).

Besonders geeignet ist eine Legierung aus etwa 80% Kupfer, etwa 10% Aluminium, etwa 5% Nickel und etwa 4% Eisen. Eine solche Legierung kann auch Spuren anderer Elemente, wie Zink oder Mangan, enthalten.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die vorstehend aufgeführten erfindungsgemäßen Materialzusammensetzungen und Legierungen für die Elektroden die Lebensdauer im Vergleich mit bekannten Materialien wesentlich verlängern.

Claims (11)

1. Elektrode für gepulste Gas-Laser mit Anregung eines Gases zwischen den Elektroden mittels einer Gasentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest teilweise aus einem Werkstoff be­ steht, der 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 80% Kupfer aufweist, und der Rest des Werkstoffs als wesentliche Bestandteile zumin­ dest Aluminium oder Nickel.

2. Elektrode für gepulste Gas-Laser mit Anregung eines Gases zwischen den Elektroden mittels einer Gasentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest teilweise aus einem als wesentliche Bestandteile Kupfer, Aluminium und Nickel aufweisenden Werkstoff besteht.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 80% Kupfer und der Rest des Werkstoffs als wesentliche Bestandteile Alumi­ nium und Nickel aufweist.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des Werkstoffs neben Aluminium und Nickel noch zumindest Eisen enthält.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des Werkstoffs mehr Aluminium als ein anderes Metall enthält.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei etwa 80% Kupferanteil der Rest des Werkstoffes etwa 10% Aluminium, 5% Nickel und 4% Eisen sowie Spuren weiterer Metalle, wie Zink und/oder Mangan enthält.

7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff gesintert ist.

8. Excimer-Laser, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.

9. Excimer-Laser mit einer Elektrode zur Anregung eines Gases mittels einer Gasentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zumindest teilweise aus einem Wolfram und Kupfer aufweisenden Werkstoff besteht.

10. Excimer-Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Werkstoff etwa 60 bis 90%, vorzugsweise etwa 80% Wolfram und als Rest des Werkstoffs im wesentlichen Kupfer aufweist.

11. Excimer-Laser nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff gesintert ist.