DE69005187T2

DE69005187T2 - Durch transversale Entladung angeregter Laserkopf mit drei Elektroden.

Info

Publication number: DE69005187T2
Application number: DE90830210T
Authority: DE
Inventors: Tommaso Letardi
Original assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Current assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1990-05-11
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2010-05-12
Also published as: EP0397626A3; US5070513A; EP0397626B1; DE69005187D1; IT8947954A0; EP0397626A2; IT1231783B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen durch transversale Entladung gepumpten Gas-Laser und insbesondere den Aufbau eines Laserkopfs, der durch transversale Entladung angeregt wird, an dem drei Elektroden derart angebracht sind, daß zwei getrennte Entladebereiche zur Verfügung stehen.
In Fig. 1 ist der gemeinhin für den Ort der Elektroden in einem durch transversale Entladung gepumpten Gas-Laser benutzte Aufbau gemäß dem gegenwärtigen Stand der Technik dargestellt. Sie zeigt zwei gegenüberliegende Elektroden, die neben Leitern für den Rückstrom angeordnet sind. Der Betrieb eines durch transversale Entladung angeregten Lasers dieser Art kann leicht unter Bezugnahme auf das Schaltbild der Fig. 2 veranschaulicht werden. Eine geeignete differentielle Spannung wird mittels einer Kondensatorreihe, die auf eine Spannung Vo geladen ist, über die zwei gegenüberliegenden Elektroden E1 und E2 angelegt. Das zuvor durch Vorionisierung mit UV-Photonen oder Röntgenstrahlen leitend gemachte Gas wird durch einen hohen elektrischen pulsstrom gekreuzt, der dem Gas die nötige Energie überträgt, so daß Atome oder Moleküle den angeregten Pegel erreichen, von dem aus sie zerfallen und damit den Lasereffekt hervorbringen sollten.
Diese als TEA (transversal angeregter Atmosphärendruck) bekannte Geometrie wird entweder benutzt, wenn eine sehr kurze Anregungszeit des Gases oder kurze Laserpulse (CO&sub2;) angestrebt werden, oder weil die Entladung in dem benutzten Gas nicht stabil ist, so daß die Entladung enden muß, bevor der unstabile Zustand errichtet wird (Excimerlaser). Während der Entladung kann das System als RLC-Schaltkreis angesehen werden, wobei C im wesentlichen die Kondensatorreihe ist, die auf die Spannung Vo geladen ist, L die Induktivität der Verbindung zwischen der Kondensatorreihe und dem Laserkopf ist, und R der Entladewiderstand ist. Es ist dann offensichtlich, daß die Anordnung zur transversalen Entladung in bezug auf beispielsweise die Anordnung zur longitudinalen Entladung zuläßt, daß sowohl L als auch R unter demselben aktiven Gasvolumen und der in der Kondensatorreihe gespeicherten Energie reduziert werden. Deshalb wird Energie schneller zu dem Gas übertragen.
Die Anordnung zur transversalen Entladung hat jedoch zusammen mit dem zuvor beschriebenen Vorteil einige negative Aspekte, die nachfolgend zusammengefaßt sind:
1) Die zwei Elektroden müssen seitlich integriert leitende Ansätze aufweisen, die mit einer isolierenden Schicht überzogen sind, was den korrekten Strompfad schaffen sollte. Diese Ansätze sollten zum Minimieren der Induktivität in der Nähe der Elektroden sein; das Minimieren sollte aber nicht ein zu großen Ausmaß annehmen, damit Probleme elektrischer Entladung vermeidbar sind, die durch den isolierenden Überzug nur teilweise vermieden werden können. Weiterhin sollte der Aufbau der Ansätze gegenüber der Gasströmung in hohem Maß durchlässig sein (großes Leerraum-Festkörper-Inhaltsverhältnis, d.h. Ansätze mit großen Abständen dazwischen, Netz mit beabstandeten Maschen), was im Gegensatz zu der Notwendigkeit steht, daß der Entladeschaltkreis eine niedrige Impedanz haben muß (d.h., daß ein Aufbau mit gegensätzlichen Eigenschaften erforderlich ist). Weiterhin sollten die Ansätze ein aerodynamisches Profil haben (d.h. komplizierte Bearbeitung), um die Turbulenz bzw. die Wirbelströmung in dem Reaktionsraum zu minimieren, wodurch die optische Qualität des Laserstrahls verschlechtert wird. Wenn das isolierende Material, das die Ansätze bedeckt, nach der Entladung von den heißen und reaktiven Gasen getroffen wird, kann leicht wieder eine chemische Reaktion auftreten, die die mittlere Lebensdauer des Gases verändert (wodurch die Betriebskosten aufgrund von mehr Einsatzmitteln größer werden).
2) Die Pumptechnik eines Excimerlasers durch transversale Entladung erfordert zum Erhalten einer hohen Effizienz die Verwendung von Schaltern, die hohe Spitzenströme (bis zu 100 kA) mit hohen Stromdifferentialen (zum Beispiel: dI/dt größer als 10¹² A/s) aushalten. Die verwendeten Lösungen sind immer ein Kompromiss, nämlich:
- Die Verwendung eines Thyratrons, wie es weit verbreitet gemacht wird, reduziert die Effizienz aufgrund des beschränkten Differentials dI/dt; wieder reduziert das Verwenden der Eigenschaften an ihren Grenzbereichen die mittlere Lebensdauer.
- Bei der Verwendung einer Funkenstrecke kann die erforderliche Leistungsfähigkeit bezüglich dI/dt und Imax erreicht werden, aber die mittlere Lebensdauer derartiger Einrichtungen ist immer beschränkt (max. 10³ Pulse) und dies ist eine große Einschränkung für Quellen, die entwickelt sind, um bei einer hohen Wiederholfrequenz zu arbeiten (zum Beispiel wäre bei einer Quelle, die bei 1 kHz arbeitet, die mittlere Lebensdauer der Funkenstrecke etwa 30 Betriebsstunden).
- Es können Schalter mit Sättigungsmagneten verwendet werden. In einem solchen Fall können die erforderlichen Werte für Imax und dI/dt erhalten werden, und auch eine mittlere Lebensdauer, die für einen längeren Einsatz geeignet ist, aber derartige Systeme sind schwerfällig, teuer und vor allem sehr wenig flexibel, da sie für einen bestimmten Arbeitspunkt (bezüglich der Energie, die von jedem Puls übertragen wird, der Betriebsspannung und einigem mehr) entwickelt sind, der nicht leicht verändert werden kann.
3) Es sollte hinzugefügt werden, daß eine von Long zum ersten Mal und darauf von vielen anderen benutzte Vorrichtung erlaubt, daß die Leistungsfähigkeit der Excimerlaser erweitert wird. Eine derartige Vorrichtung ist als "Vorpuls"-Schaltkreis bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist durch den normalen Betriebsmodus eines Lasers mit transversaler Entladung offenbart worden. In solchen Lasern entwickelt sich der Entladeprozess durch zwei getrennte Phasen. Die laufend benutzten Vorionisierungsquellen erzeugen nämlich eine Elektronendichte von 10&sup7; bis 10¹¹ e/cm³, was weit entfernt von der geforderten Dichte der Entladung (10¹&sup4; - 10¹&sup5; e/cm³) ist.
Während der Anfangsphase der Entladung (< 20 ns) ist zum Erhöhen der Dichte der Elektronen ein hohes elektrisches Feld nötig, und in der darauffolgenden Phase ist zum Halten der Entladung ein viel niedrigeres elektrisches Feld nötig. Diese Doppelfunktion wird normalerweise durch nur einen Schaltkreis durchgeführt, der in der Praxis die Impedanzveränderung der Entladung und einen Hilfskondensator geringer Kapazität (Spitzenwert-Kondensator) benutzt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das sich ausgehend von der Anfangsphase hin zu der folgenden Phase um etwa einen Faktor 2 ändert. Der ideale Wert ist jedoch größer als 3. Unter idealen Bedingungen sind bei Longs Arbeit zwei aufeinanderfolgend arbeitende Schaltkreise benutzt worden (siehe Fig. 3): zu Beginn ist ein Schalter I&sub0; geschlossen, der einen auf eine hohe Spannung V&sub0; geladenen Kondensator C&sub0; mit kleinen Kapazitäten anschließt, wodurch das hohe elektrische Feld der Verfielfachung geschaffen wird, und sofort danach wird ein Schalter I&sub1; geschlossen, der mit einem Kondensator C&sub1; verbunden ist, der einen großen Wert hat und mit viel niedrigerer Spannung geladen ist, wodurch der größte Anteil der Gas-Anregungsenergie erzeugt wird. Durch diese Vorrichtung, d.h. durch getrenntes Optimieren der elektrischen Felder der Vervielfachungsphase und der Entladungsphase, sind zwei wichtige Ergebnisse erreicht worden: Die Effizienz eines Excimer-XeCl-Lasers ist von 2% auf 4,2% erhöht worden (Long et al) und die Dauer des Laserpulses ist von 150 ns auf über 500 ns erhöht worden. Das Anwenden einer derartigen Vorrichtung erfordert immer das Verwenden eines Hilfsschalters (Funkenstrecke, Sättigungsinduktivität, Hilfselektrode), der die Elektrode der Kondensatorreihe isoliert, wenn der Vervielfachungspuls angelegt wird.
4) Um die Darstellung des gegenwärtigen Standes der Technik abzuschließen, sollte man sich dem sogannten MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) zuwenden, bei dem zwei Laserkammern gleichzeitig betrieben werden, um die Anforderungen an die Strahlen sehr hoher Qualität (enges Spektrum, niedrige Divergenz) zu befriedigen. Bei einem derartigen Aufbau wird der Strahl mit den erforderlichen Eigenschaften in einem Master-Oszillator (mittels Rastern, Etalon, unstabilen Hohlräumen und einigem anderen) gebildet. Ein solcher Strahl wird dann durch einen Leistungsverstärker verstärkt. Ein derartiger Schaltkreis benötigt für seinen Betrieb ein Netzteil geringer Leistung (nicht notwendigerweise mit hoher Effizienz), das mit einem Netzteil mit hoher Effizienz genau synchronisiert ist. Natürlich leidet das System, außer daß es den Vorteil des doppelten Entladebereichs aufweist, an allen der zuvor beschriebenen Probleme.
Die vorliegende Erfindung versucht, die oben genannten Probleme zu vermeiden, und zwar durch Schaffen eines durch transversale Entladung angeregten Laserkopfs, der zuläßt:
a) daß die die Gasströmung behindernden Rückstromleitungen vermieden werden;
b) daß die MOPA-Technik ohne Synchronisationsprobleme und ohne Fumkenstrecken- oder Magnetpulskomprimiereinheiten benutzt werden kann;
c) daß die "Vorpuls"-Technik ohne die Notwendigkeit der Elektrodenisolierung während des "Vorpulses" mittels einer Funkenstrecke oder Magnetschaltern (Sättigungsmagnete) benutzt werden kann.
Dies ist erreicht worden durch Schaffen eines Laserkopfes und wenigstens dreier Elektroden, von denen jeweils zwei mit Masse und mit der Hauptkondensatorreihe verbunden sind, und wobei die dritte Elektrode, die Hilfselektrode genannt wird, weder mit Masse mit geringer Impedanz noch mit der Hauptkondensatorreihe verbunden ist. Die drei Elektroden sind abwechselnd angebracht, um zwei getrennte Entladebereiche zu bilden, von denen einer der Rückstrompfad des Stroms ist, der durch den anderen Entladebereich verläuft.
Bei einem solchen Aufbau gemäß der Erfindung ist der Entladeschaltkreis durch die Elektroden geschlossen, so daß weitere Metallelektroden, die die Gasströmung behindern, nicht nötig sind.
Weiterhin läßt der offenbarte Laserkopf vorteilhaft zu, daß der oben genannte "Vorpuls"-Schaltkreis leicht zur Verfügung gestellt werden kann, da die Hilfselektrode erlaubt, daß ein Vervielfachungs-Vorpuls einer Vorionisierung an den aktiven Bereich des Gases angelegt wird.
Der Laserkopf der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Die Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen 2 - 10 offenbart.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung klar, die als nicht einschränkendes Beispiel ein etwas bevorzugtes Ausführungsbeispiel verglichen mit der bekannten Technik zeigt. Es zeigen:
Fig. 1 den gemeinhin benutzten Aufbau für die Anordnung der Elektroden in einem durch transversale Entladung gepumpten Gas-Laser;
Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild desselben Lasers;
Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines Lasers mit transversaler Entladung, der gemäß der Vorpuls-Technik arbeitet;
Fig. 4 eine Schnittansicht in Längsrichtung des Laserkopfs mit drei Elektroden gemäß der Erfindung;
Fig. 5 ein erstes Betriebsschaltbild eines Lasers, der den Kopf der Fig. 4 verwendet;
Fig. 6 ein zweites elektrisches Schaltbild mit einem Kondensator niedriger Kapazität parallel zu den Entladeelektroden 1-2;
Fig. 7 ein drittes Schaltbild eines Laser, der den Kopf der Fig. 4 mit einer durch einen Vorpuls verursachten Entladung verwendet; und
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laserkopfs, wobei eine Hilfselektrode keine Elektrodenschuhe hat und die zwei anderen Elektroden durch eine isolierende Schicht getrennt sind, die geeignet geformt ist, um den Widerstand gegenüber der Gasströmung zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 ist der Aufabu eines Laserkopfs der vorliegenden Anmeldung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im wesentlichen gekennzeichnet durch eine Hilfselektrode 2, die in einer Ebene liegt, die parallel zu jener der anderen zwei Elektroden 3 und 1 ist. Die Elektrode 2 ist an ihren longitudinalen Enden mit zwei Elektronenschuhen 2b und 2a versehen, die jeweils nach innen vorstehen und gegenüber den Elektroden 3 und 1 angeordnet sind. Die zwei Elektrodenschuhe 2a und 2b sind auf geeignete Weise derart geformt, daß ein einheitliches elektrisches Feld sowie die gegenüberliegenden Elektroden 1 und 3 geschaffen werden. Die Elektrode 2 ist weder mit niedriger Impedanz mit Masse noch mit der Haupkondensatorreihe verbunden.
Der Entladestrom von der Erdungselektrode 1 erreicht die Hilfselektrode 2 in dem Bereich 2a und kehrt zu dem anderen Ende des Kondensators (Elektrode 3) zurück. Es gibt im wesentlichen zwei unterschiedlich Entladebereiche: 1-2a und 2b-3.
Die Enladung kann entsprechend zweier unterschiedlicher Moden begonnen werden:
A) Eine anwachsende Spannung wird über die Elektroden 1 und 3 angelegt (Fig. 5) und die Elektrode 2 wird durch einen hohen Widerstand auf dem Erdpotential gehalten. Wenn die Spannung über den Elektroden 2 und 3 einen geeigneten Wert erreicht hat, werden die Bereiche 1-3 und 1-2 vorionisiert. Der Bereich 3-2 beginnt die Entladung und die Spannung geht schnell zu null, während die Spannung über den Elektroden 1 und 2a anwächst, wodurch die Entladung begonnen wird, die den Schaltkreis schließt. Die Strecke 3-2b arbeitet als Funkenstrecke für den Bereich 1-2a.
Ein Kondensator C&sub2; niedriger Kapazität (Spitzenwert- Kondensator), der parallel zu der Strecke 1-2 zwischen der Elektrode 2 und der Masse angeschlossen ist (Fig. 6), kann die Effizienz dieses Betriebsmodus erhöhen.
B) Eine Kondensatorreihe, die mit einer Spannung V&sub3; geladen ist, ist über den Elektroden 3 und 1 angeschlossen (Fig. 7), und die Bereiche 3-2b und 2a-1 sind vorionisiert. Die Spannung ist so gewählt, daß es unter diesen Bedingungen keine Entladung gibt. Ein kurzer Puls wird an die Elektrode 2 angeelgt, um die Vervielfachungsphase und darauffolgend die Entladephase zu beginnen. Unter diesen Bedingungen wird er mit einem vorbestimmten Pulsmodus unter Verwendung einer Hilfselektrode hoher Impedanz betrieben.
Es sollte beachtet werden, daß die Strecken über den Elektroden in dem Fall der Fig. 7 unterschiedliche Größen haben sollten, damit die Entladungen gleichzeitig erfolgen können.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Hilfselektrode ist in Fig. 8 gezeigt. Die zwei Elektrodenschuhe, die den gegenüberliegenden Elektroden gegenüber angeordnet sind, sind nicht vorgesehen, während es eine Schicht aus isolierendem Material zwischen den gegenüberliegenden Elektroden gibt, die geeignet geformt ist, um den Widerstand gegenüber der Gasströmung auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Aufbaus können leicht offenbart werden unter Bezugnahme auf die Probleme, denen man bei Verwendung der transversalen Entladepumpverfahren begegnet und die zuvor im Zusammenhang mit den bekannten Techniken genannt sind:
- Die Notwendigkeit von Rückstromelektroden wird vermieden, da es bei der vorgeschlagenen Lösung eine Strecke als Rückstrompfad der dazu parallelen Strecke gibt. Somit wird der dynamische Widerstand gegenüber der Gasströmung eliminiert, und nach der Entladung kontaktieren die heißen Gase die isolierenden Materialien nicht, die Turbulenz wird vermieden und der mechanische Aufbau ist vereinfacht.
- Das Problem des schnellen Schaltens wird gelöst, da ein aktiver Bereich (3-2b) auch als Funkenstrecke für den Bereich bei hoher Effizienz (2a-1) arbeitet. Somit kann der Bereich 3-2b, der als Oszillator arbeitet, eine niedrige Effizienz haben. Ein derariger Betrieb betrifft den Betriebsmodus, der zuvor bei A aufgezeigt ist.
- Die Hilfselektrode, die mit einer hohen Impedanz angeschlossen ist, kann als Elektrode zum Erzeugen der Vervielfachungsphase der Vorionisierung gemäß dem oben beschriebenen Punkt B benutzt werden. Somit kann das vorgeschlagene Schaltbild zum leichten Schaffen des Vorpulsschaltkreises benutzt werden.
- Es gibt zwei aktive Bereiche, die aufgrund des Schaltkreis-Schließmodus automatisch synchronisiert werden. Dies erlaubt, daß das MOPA-Schaltbild mit einer Synchronisation zwischen dem Oszillator und dem Verstärker benutzt wird.

Claims

1. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen ist: an einer Seite eine erste mit Masse verbundene Elektrode (3) und eine zweite mit einer Kondensatorreihe verbundene Elektrode (1), und an der anderen Seite eine dritte Elektrode (2), die geeignet beabstandet ist und weder mit niedriger Impedanz mit Masse noch mit der Kondensatorreihe verbunden ist, wobei die letztere Elektrode (2) den anderen zwei Elektroden (1, 3) gegenüberliegt, um zwei unterschiedliche Bereiche zu bilden, von denen einer der Rückstrompfad des anderen Bereichs ist, um den elektrischen Schaltkreis ohne Verwendung weiterer Leiter zu schließen, die die Querströmung des Gases rechtwinklig zu den Entladungen und zu der Länge der Elektroden behindern.

2. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (3) mit einer hohen Impedanz verbunden ist, um leicht gepulst zu werden, um die Vorionisierung zu vervielfachen und die elektrische Entladung in dem Gas zu beginnen.

3. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (3) und die zweite (1) Elektrode in derselben Ebene liegen und parallel zueinander sind.

4. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (2) parallel zu den anderen zwei Elektroden ist.

5. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der dritten Elektrode (2) im wesentlichen gleich der Summe des Strecke zwischen den anderen Elektroden und deren Breite ist.

6. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (2) an ihren gegenüberliegenden Seiten entlang ihrer Breite zwei Elektrodenschuhe (2a, 2b) hat, von denen jeder einer der gegenüberliegenden Elektroden (1, 3) gegenüber angeordnet ist.

7. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (2) aus einem Körper ohne Elektrodenschuhe gebildet ist.

8. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elektrodenschuhe (2a, 2b) der dritten Elektrode (2) geeignet geformt sind, um auf dieselbe Weise wie die zwei gegenüberliegenden Elektroden ein einheitliches elektrisches Feld zu erzeugen.

9. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode (1, 3) durch eine isolierende Schicht getrennt sind, die geeignet geformt ist, um den Widerstand der Gasströmung auf dem Minimalwert zu halten.

10. Durch transversale Entladung angeregter Gas-Laserkopf nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der ersten Entladung die Funktion eines schnellen Schalters für die Entladung in dem zweiten Bereich hat, wodurch der Spitzenwert-Leistungs- Schalter eliminiert wird, der normalerweise bei den herkömmlichen Transversal-Entladungs-Lasern benutzt wird.