DE69029150T2

DE69029150T2 - Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung

Info

Publication number: DE69029150T2
Application number: DE69029150T
Authority: DE
Inventors: Hajime Nakatani; Atsushi Sugitatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1990-05-17
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2010-05-18
Also published as: EP0398330B1; DE69029150D1; CA2017056A1; EP0589494B1; KR930008356B1; EP0589494A1; JPH077857B2; DE69016258D1; DE69016258T2; JPH02303083A; CA2017056C; KR900019299A; EP0398330A2; EP0398330A3; US5090021A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung, wie eine Excimer- Laservorrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Puisgenerator zur Verwendung in der Entladungsanregungspuls -Laservorrichtung.
Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches eine konventionelle Excimer-Laservorrichtung zeigt, welche in "OPTICS COMMUNICTIONS", Vol 56, Nr. 1, 1. November 1985, Seite 51, beschrieben wird. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Laserkainmer, welche mit einem Lasergas gefüllt ist, beispielsweise XeCl, und welche Elektroden und dergleichen enthält, wie unten beschrieben. Bezugsziffer 2 bezeichnet eine erste Hauptelektrode mit einer konvex gebogenen Entladungsoberfläche; 3 bezeichnet eine zweite Hauptelektrode, welche aus einem gebogenen Metallgitter besteht und welche gegenüber der ersten Hauptelektrode 2 angeordnet ist; 4 bezeichnet eine Hilfselektrode, welche innerhalb eines konkaven Abschnitts der zweiten Hauptelektrode 3 angeordnet ist; 5 bezeichnet ein isolierendes Glied, welches so angeordnet ist, daß es die Oberfläche der Hilf selektrode 4 bedeckt; 6 bezeichnet einen Ladeanschluß; 7 bezeichnet einen Ladewiderstand; 8 bezeichnet einen Schalter mit einer Funkenlücke, dessen einer Pol mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist und geerdet ist; 9 bezeichnet einen ersten Ladekondensator, welcher in Reihe mit einer Induktivität 10 zwischen dem anderen Pol des Schalters 8 und der ersten Hauptelektrode 2 verbunden ist; 11 bezeichnet einen Ladekondensator, welcher zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und einem Knoten des ersten Ladekondensators 9 und der Induktivität 10 angeschlossen ist; 12 bezeichnet einen zweiten Ladekondendator, welcher mit dem anderen Pol des Schalters 8 und der Hilfselektrode 4 verbunden ist; 13 bezeichnet einen Peakingkondensator (Anhebungskondensator), welcher zwischen den Hauptelelektroden 2 und 3 angeschlossen ist; 14 bezeichnet einen Widerstand als ein Ladeschaltungselement, welches zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 angeschlossen ist.
Der Betrieb des so angeordneten Pulsgenerators wird nun beschrieben. Eine Energiequelle (nicht abgebildet) wird eingeschaltet, um dem Ladeanschluß 6 eine Gleichspannung zuzuführen. Die Spannung lädt die Kondensatoren 9, 11 und 12 über den Ladewiderstand 7.
Der Schalter 8, die Induktivität 10 und die Kondensatoren 9 und 11 bilden einen konventionellen LC-Wechselrichter. Wenn der Schalter 8 nach dem Vollenden des Ladens an der Funkenlücke gezündet wird, werden mit dem LC-Wechselrichter die Spannungen, welche an den Kondensatoren 9 und 11 auftreten, einander überlagert, wie durch eine Signalform 1 in Fig. 2 angedeutet, und es tritt eine hohe Pulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 auf. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 8, wird auch der zweite Ladekondensator 12 entladen, und eine durch eine Signalform 2 in Fig. 2 bezeichnete Pulsspannung tritt ebenfalls zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4 auf.
Die Erzeugung der Pulsspannung führt zum Auftreten einer Coronaentladung 16 zwischen der Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4. Als Ergebnis, laufen aufgrund der Coronaentladung, ultraviolette Strahlen durch die zweite Elektrode 3 mit der Gitterstruktur, um so das Gas in einem Raum zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 zu bestrahlen. Durch die Bestrahlung wird in dem Raum eine vorläufige Ionisation bewirkt. Das Isolierglied 5 ist vorgesehen, um zu verhindern, daß die Coronaentladung (16) sich in eine Lichtbogenentladung verwandelt.
Während der Spitzenwert der Pulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 zunimmt, dienen durch die vorläufige Ionisation erzeugte Elektronen als Keime, zur Bewirkung einer Stoßionisation. Dann tritt eine Hauptentladung 17 zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 auf, was zu einer Laseroszillation führt. Der Peakingkondensator (Anhebungskondensator) 13 ist vorgesehen zur Vergrößerung des Spitzenwertes der Spannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 durch seine kapazitive Natur, oder zur Erhöhung einer Spitzenleistung für die Hauptentladung 17.
Wenn eine Erhöhung der Spannung zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4 schnell durchgeführt wird, wird die vorläufige Ionisation aufgrund der Coronaentladung 16 erleichtert, was dazu führt, daß die Hauptentladung 17 gleichmäßiger ist und somit die Laserausgangsleistung erhöht wird. Die obige Tatsache wurde in "J. Appl. Phys." 54 (10), Oktober 1983, Seiten 5672 bis 5675 offenbart. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Pulsspannung in der Schaltung der Hilfselektrode 4 hängt stark von Streuinduktivitätskomponenten der Schaltung ab. Insbesondere was die Streuinduktivitäts und Widerstandskomponenten am Anschluß des Schalters 8 angeht, kann der Strom der Schaltung der Hauptentladung 17 dort hineinfließen. Dies führt zu einem Spannungsabfall, welcher seinerseits den Anstieg der Spannung in der Schaltung der Koronaentladung 16 verzögert.
Wenn dementsprechend der in der Schaltung der Hauptentladung 17 fließende Strom durch Erhöhen der Reaktanz der Induktivität 10 beschränkt wird, wird der Anstieg der Spannung in der Schaltung der Koronaentladung 16 proportional schnell gemacht (siehe Signalform 2 in Fig. 3).
Wenn mit der so angeordneten Entladungsanregungspuls- Laservorrichtung, die Reaktanz der Induktivität 10 zur Erleichterung der vorläufigen Ionisation durch die Koronaentladung erhöht wird, wird der Anstieg des Spannungspulses in der Hauptentladungsschaltung langsam, wie durch die Signalform 1 in Fig. 3 angedeutet. Dementsprechend führt die V-t-Charakteristik der Hauptentladunsschaltung dazu, daß eine Entladungsstartspannung VB sinkt, und folglich wird die Injektionsenergie vermindert. Folglich kann die Laserleistung nicht erhöht werden.

Zusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht des obigen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Entladungsanregungspuls-Laser zu schaffen, welcher in der Lage ist, den Anstieg der Spannung zwischen einer Hilfselektrode und einer zweiten Hauptelektrode zu beschleunigen, ohne die Entladungsstartspannung zwischen den Hauptelektroden zu vermindern, um dadurch die Laserausgangsleistung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 beschrieben ist. Bevorzugte Ausführungen finden sich in den Unteransprüchen
Die Verwendung von Induktivitäten mit nicht linearer Kennlinie (saturable reactor = sättigbare Induktivität) in Anregungsschaltungen für Laservorrichtungen, wird in WO 87/02517 und US-A-4 635 267 beschrieben, jedoch nur im Zusammenhang mit Zweielektroden-Lasern.
In der Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wird eine sättigbare Induktivität (saturable reactor) als eine Induktivität verwendet, welche in Reihe mit einem ersten Ladekondensator verbunden ist, und nach dem Schließen eines Schalters zur Erhöhung einer Spannung zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode, wird die Induktanz der sättigbaren Induktivität (saturable reactor) vermindert.
Durch Einstellen der Reaktanz der sättigbaren Induktivität (saturable reactor) auf einen hohen Wert, wird es möglich, den Anstieg der Pulsspannung zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode steil zu machen. Nachdem die Pulsspannung angestiegen ist, ist die sättigbare Induktivität gesättigt, so daß die Reaktanz (Induktanz) nichtlinear abnimmt. Dementsprechend wird der Anstieg der Pulsspannung zwischen den Elektroden kaum verzögert.
Zusätzlich ist eine Verzögerungsschaltung in Reihe mit dem zweiten Ladekondensator verbunden. Mit dem Vorsehen der Verzögerungsschaltung, stimmt die vordere Flanke einer zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode angelegten Pulsspannung mit der vorderen Flanke einer zwischen den Hauptelektroden angelegten Pulsspannung überein. Die zwischen den Hauptelektroden anliegende Spannung ist angestiegen, bevor die Zahl der Elektronen, welche durch vorläufige Ionisation aufgrund der Coronaentladung erzeugt werden, abnehmen kann. Dementsprechend wird der Effekt der vorläufigen Ionisation effektiv angewendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den begleitenden Zeichnungen:
Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches eine konventionelle Excimer-Laservorrichtung zeigt;
Fig. 2 und 3 sind grafische Darstellungen, welche Signalformen der Pulsspannungen der Laservorrichtung der Fig. 1 zeigen;
Fig. 4 ist ein Schaltbild, welches eine Excimer- Laservorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, welche Signalformen der Pulsspannungen in der Laservorrichtung zeigt;
Fig. 6 ist ein schematisches Schaltbild, welches eine weitere Ausführung einer Excimerlaservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist ein Schaubild, welches Signalformen der Pulsspannungen in der Laservorrichtung der Fig. 6 zeigt; und
Fig. 8 zeigt eine schematische Illustration einer Elektrodenstruktur einer zusätzlichen Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Fig. 4 ist ein Schaltbild, welches eine Ausführung einer Excimerlaservorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur werden gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher oder äquivalenter Abschnitte wie in Fig. 1 verwendet. Ladeinduktivitäten werden als Ladeschaltungselemente 14 und 15 verwendet. Bezugsziffer 18 bezeichnet eine Ladeinduktivität; 19 bezeichnet eine sättigbare Induktivität (saturable reactor), welche anstelle der Induktivität 10 der konventionellen Vorrichtung verwendet wird.
Im Betrieb werden ähnlich wie bei der konventionellen Vorrichtung, die Kondensatoren 9, 11 und 12 erst über die Ladeinduktivität 18 geladen. Während des Verlaufs des Ladens wird ein Eisenkern der sättigbaren Induktivität (saturable reactor) 19 mit einer Polarität gesättigt. Zum Zeitpunkt t = 0 wird die Lücke des Schalters 8 gezündet. Bei Auftreten des Funkens beginnen die Kondensatoren 9, 11 und 12 mit der Entladung. Da die Richtung eines Stromflusses durch die sättigbare Induktivität (saturable reactor) 19 umgekehrt ist zu jener des Stroms zur Zeit des Aufladens, wird der Kern entsättigt. Wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, arbeitet die sättigbare Induktivität 19 als eine Induktivität mit einer hohen Reaktanz. Unter dieser Bedingung, wie in Fig. 5 gezeigt, beschränkt die Induktivität 19 die Entladung des ersten Ladekondensators 9. Der Anstieg der Entladung des zweiten Ladekondensators 12 geschieht früh und steil, und die Coronaentladung 16 erleichtert die vorläufige Ionisation. Somit können die nützlichen Effekte, welche sich aus der erhöhten Reaktanz der Induktivität 19 ergeben, wie erwartet, erhalten werden.
In Fig. 5 schreitet die Entladung fort, und zu einem Zeitpunkt t = Ts ist der Kern der Induktivität 19 gesättigt, so daß ihre Reaktanz abrupt und nichtlinear abnimmt. Als Ergebnis, wie durch die Signalform 1 angedeutet, wird der Anstieg der Pulsspannung zwischen beiden Hauptelektroden 2 und 3 von der stark verminderten Induktanz bestimmt. Dementsprechend, ähnlich wie in der konventionellen Vorrichtung der Fig. 2, steigt die Spannung schnell an, und die Entladungsstartspannung VB ist ebenfalls hoch, und die in die Hauptentladung 17 injizierte Energie wird auch vergrößert.
Die Pulsspannung, welche stark ansteigt, wie durch die Signalform 2 in Fig. 5 angedeutet, wird zwischen der Hilf selektrode 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 angelegt. In der Folge geschieht die Coronaentladung 16, um eine vorläufige Ionisation zwischen beiden Hauptelektroden 2 und 3 zu bewirken. In dem Fall, in welchem ein Gas, welches mit einem Elektronen anziehenden Gas gemischt ist, beispielsweise F&sub2; und HCl, als Lasergas, mit welchem die Laserkammer (1) gefüllt ist, verwendet wird (insbesondere wo F&sub2;-Gas enthalten ist), werden Elektronen, welche während der vorläufigen Ionisation erzeugt werden, zu dem Elektronen anziehenden Gas gezogen, was zu einer Verminderung des Effektes durch die vorläufige Ionisation führt.
Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Entladungsanregungs- Laservorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche erhalten wird durch Modifizieren der ersten Ausführung, um die gerade erwähnten Nachteile zu überwinden. Die Ausführung unterscheidet sich von der rersten Ausführung der Fig. 4 darin, daß ein als Verzögerungsschaltung dienendes Koaxialkabel in Reihe mit dem zweiten Ladekondensator 12 geschaltet ist.
Fig. 7 zeigt Signalformen der jeweiligen Pulsspannungen in der zweiten Ausführung. Im Vergleich mit der Signalform der Fig. 5, verzögert die Verzögerungsschaltung die Pulsspannung (Signalform 2 in der Figur) zwischen der Hilfselektrode 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 um ungefähr 40 ns, während das steile Anstiegsprofil der Pulsspannung erhalten bleibt. Als Ergebnis stimmt die Zeit des Anstiegs der Pulsspannungs- Signalform 2 mit der vorderen Flanke der Pulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 überein. Daher wird das Problem der Absorption der durch die vorläufige Ionisation aufgrund der Coronaentladung erzeugten Elektronen im wesentlichen beseitigt. Dies wird glatt durchgeführt, um Coronaladung zur Hauptentladung zu verschieben.
Jede der oben erwähnten Ausführungen verwendet einen sogenannten LC-Wechselrichter, welcher den Ladungskondensator 11 zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 für die Schaltung zur Erzeugung der Pulsspannung verwendet. Es sollte beachtet werden, daß eine Modifikation möglich ist, und der Kondenator 11 kann wenn notwendig weggelassen werden.
Ein weiteres Beispiel der Elektroden ist in Fig. 8 gezeigt. In der Figur ist die zweite Hauptelektrode 3 so geformt, daß sie die gleiche Konfiguration hat, wie die erste Hauptelektrode. Stabformige Hilfselektroden 4 sind zu beiden Seiten der zweiten Hauptelektrode 3 angeordnet. Jede Hilf selektrode 4 ist mit einer Isolierschicht 5 überzogen.
In diesem Fall wird eine Coronaentlandung 16 zwischen den Hilfselektroden 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 erzeugt. In der Folge geschieht eine vorläufige Ionisation zwischen den Elektroden 2 und 3. Dann verschiebt sich die Coronaentladung zur Hauptentladung 17. Dieser Ansatz kann daher Auswirkungen erzielen, welche mit denen der anderen Ausführungen vergleichbar sind.
Während die oben beschriebenen Ausführungen eine Funken- Lücken-Schaltung verwenden, kann diese durch einen anderen Schalter ersetzt werden, beispielsweise ein Thyratron. Die Induktivitäten 14 und 15 können durch Widerstände oder Kombinationen aus einer Induktivität und einem Widerstand ersetzt werden, welche auf vielfältige Weise angeschlossen sind. Es ist auch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung außer auf Excimerlaser-Vorrichtungen, auch auf jedwede Entladungsanregungspuls -Laservorrichtung anwendbar ist.
Wie aus der obigen Beschreibung klar hervorgeht, wird gemäß der vorliegenden Erfindung, mit der Kombination des ersten Ladekondensators und der sättigbaren Induktivität (saturable reactor), nachdem die Spannung der Coronaentladung angestiegen ist, die Induktanz der sattigbaren Induktivität vermindert. Daher können die Spannungen, sowohl für die Coronaentladung als auch die Hauptentladung, dazu gebracht werden, steil anzusteigen, so daß die vorläufige Ionisation erleichtert wird, die Hauptentladung gleichmäßig wird und die Injektionsenergie für die Entladung erhöht wird. In der Folge ist es möglich, die Laserausgangsleistung und die Laseroszillationseffizienz zu erhöhen.
Durch das Vorsehen der mit dem zweiten Ladekondensator verbundenen Verzögerungsschaltung, stimmt die vordere Flanke der Spannung für die Coronaentladung mit jener der Spannung für die Hauptentladung überein. Daher kann der Effekt der vorläufigen Ionisation durch die Coronaentladung effektiv ausgenützt werden. Die Verschiebung der Coronaentladung zur Hauptentladung kann so glatt gemacht werden, was zu einer Erhöhung der Laserausgangsleistung und einer Verbesserung der Laseroszillationseffizienz führt.

Claims

1. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung, umfassend:

a) einen Ladeanschluß (6) zur Zuführung einer Gleichspannung zu der Vorrichtung,

b) ein Paar aus einer ersten und zweiten Hauptelektrode (2, 3) zur Erzeugung einer Hauptent ladung,

c) eine Hilfselektrode (4), welche mit der zweiten Hauptelektrode (3) zur Erzeugung einer Coronaent ladung zusammenwirkt,

d) einen Schalter (8), welcher einen ersten Anschluß hat, der mit der zweiten Hauptelektrode (3) verbunden ist,

e) eine Reihenschaltung aus einem ersten Ladeschaltungselement (19), welches eine sättigbare Induktivität ist, und einem ersten Ladekondensator (9), welcher zwischen einem zweiten Anschluß des Schalters (8) und der ersten Hauptelektrode (2) angeschlossen ist,

f) ein zweites Ladeschaltungselement (14), welches zwischen den Hauptelektroden (2, 3) angeschlossen ist,

g) einen zweiten Ladekondensator (12), welcher zwischen dem zweiten Anschluß des Schalters (8) und der Hilfselektrode (4) angeschlossen ist, und

h) ein drittes Ladeschaltungselement (15), welches zwischen der zweiten Hauptelektrode (3) und der Hilfselektrode (4) angeschlossen ist.

2. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ladungsschaltungselement (14) ein Widerstand oder eine Kombination aus einer Induktivität und einem Widerstand ist.

3. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Ladeschaltungselement (15) ein Widerstand oder eine Kombination aus einer Induktivität und einem Widerstand ist.

4. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Verzögerungsschaltung (20) umfaßt, welche in Reihe mit dem zweiten Ladekondensator (12) verbunden ist.

5. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen dritten Ladekondensator (11) umfaßt, welcher zwischen Erde und einem Knoten zwischen dem ersten Ladekondensator (9) und dem ersten Ladeschaltungselement angeschlossen ist.

6. Entladngsanregungspuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Anhebungskondensator (13) umfaßt, welcher zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (2, 3) angeschlossen ist.

7. Entladungsanregungspuls-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (4) ein Paar von stabförmigen Gliedern umfaßt, welche parallel in der Nähe der zweiten Hauptelektrode (3) angeordnet sind.