DE3817145C2 - Elektrode für gepulste Gas-Laser und ihre Verwendung - Google Patents
Elektrode für gepulste Gas-Laser und ihre VerwendungInfo
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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.
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- 1988-05-19 DE DE19883817145 patent/DE3817145C2/de not_active Expired - Fee Related
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