DE69016258T2

DE69016258T2 - Durch Entladung angeregte, gepulste Laservorrichtung.

Info

Publication number: DE69016258T2
Application number: DE69016258T
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: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2010-05-18
Also published as: JPH02303083A; DE69029150D1; US5090021A; EP0398330B1; EP0589494B1; EP0398330A3; CA2017056A1; KR900019299A; KR930008356B1; EP0589494A1; JPH077857B2; DE69029150T2; CA2017056C; DE69016258D1; EP0398330A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine entladungsangeregte Impulslaservorrichtung wie zum Beispiel eine Excimer-Laservorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Impulsgenerator für die Verwendung bei einer entladungsangeregten Impulslaservorrichtung.
Fig. 1 ist ein Schaltbild welche eine in "OPTICS COMMUNICATIONS", Vol. 56, No. 1, Nov. 1 1985, p51 dargestellte konventionelle Excimer-Laservorrichtung darstellt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine mit einem Lasergas, wie zum Beispiel XeCl, gefüllte Laserkammer, welche Elektroden und dergleichen gemäß nachstehender Beschreibung enthält. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine erste Hauptelektrode mit einer konvex gekrümmten Entladungsoberfläche; 3, eine aus einem gekrümmten Gittermetall bestehende zweite Hauptelektrode, welche der ersten Hauptelektrode gegenüberliegend angeordnet ist; 4, eine innerhalb eines konkaven Bereichs der zweiten Hauptelektrode 3 angeordnete Hilfselektrode; 5, ein Isolationselement, das so angeordnet ist, daß es die Oberfläche der Hilfselektrode 4 überdeckt; 6, einen Ladeanschluß; 7, einen Ladewiderstand; 8, einen Schalter mit einer Funkenstrecke, dessen einer Pol mit der zweiten Hauptelektrode verbunden und auf Masse gelegt ist; 9, einen ersten Ladekondensator, der in Serie mit einer Drossel 10 zwischen dem anderen Pol des Schalters 8 und der ersten Hauptelektrode 2 geschaltet ist; 11, einen Ladekondensator, der zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und einem Knoten des ersten Ladekondensators 9 und der Drossel 10 angeschlossen ist; 12, einen zweiten Ladekondensator der mit dem anderen Pol des Schalters 8 und der Hilfselektrode 4 verbunden ist; 13, einen zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 angeschlossenen Spitzenerhöhungskondensator; 14, einen als ein erstes Ladeschaltkreiselement zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 angeschlossenen Widerstand; 15, einen als ein zweites Ladeschaltkreiseleinent zwischen der zweiten Hauptelektrode 3
Eine Betriebsweise des derart angeordneten Impulsgenerators wird nun beschrieben. Eine (nicht dargestellte) Energieversorgungsguelle wird eingeschaltet, um eine Gleichspannung an den Ladeanschluß 6 zu liefern. Die Spannung lädt die Kondensatoren 9, 11 und 12 über den Ladewiderstand 7 auf. Da die Widerstände 14 und 15 zwischen den Elektroden angeschlossen sind, wird eine ausreichende Spannung an die Kondensatoren 9, 11 und 12 angelegt.
Der Schalter 8, die Drossel 10 und die Kondensatoren 9 und 11 bilden einen konventionellen LC-Umrichter. Mittels des LC-Umrichters werden, wenn der Schalter 8 an der Funkenstrecke nach dem Abschluß der Ladung zündet, die über den Kondensatoren 9 und 11 auftretenden Spannungen einander überlagert, wie es durch eine Wellenform 1 in Fig. 2 dargestellt ist, und es tritt eine hohe Impulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 auf. Gleichzeitig mit dem Schließen des Schalters 8 wird der zweite Ladekondensator 12 ebenfalls entladen, und eine Impulsspannung, wie sie durch die Wellenform 2 in Fig. 2 dargestellt wird, tritt ebenfalls zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4 auf.
Die Erzeugung der Impulsspannung bewirkt das Auftreten einer Koronaentladung 16 zwischen der Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4. Demzufolge dringt eine ultraviolette Lichtstrahlung aufgrund der Koronaentladung durch die zweite Hauptelektrode 3 mit der Gitterstruktur, um so das Gas in einem Raum zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 zu beleuchten. Durch die Beleuchtung wird eine Vorionisation in dem Raum bewirkt. Das Isolationselement 5 ist dafür vorgesehen, um zu verhindern, daß sich die Koronaentladung 16 in einen Funkenentladung umwandelt.
Wenn der Scheitel- oder Spitzenwert zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 ansteigt, dienen die durch die Vorionisation erzeugten Ionen als Keime für das Auslösen einer Stoßionisation. Daraufhin tritt eine Hauptentladung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 auf, was in dem Auftreten einer Laseroszillation resultiert. Der Spitzenerhöhungskondensator 13 ist dafür vorgesehen, den Spitzenwert der Spannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 aufgrund seiner Kondensatornatur zu erhöhen, oder die Spitzenenergie der Hauptentladung 17 zu erhöhen.
Wenn ein Anstieg der Spannung zwischen der zweiten Hauptelektrode 3 und der Hilfselektrode 4 schnell erfolgt, wird die Vorionisation aufgrund der Koronaentladung 16 erleichtert, demzufolge die Hauptentladung 17 gleichförmiger ist und die Laserausgangsleistung somit erhöht wird. Die vorstehende Tatsache wurde in "J. Appl. Phys." 54(10), Oct. 1983, Seiten 5672 bis 5675 offenbart. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Impulspannung im Schaltkreis der Hilfselektrode 4 hängt in großem Maße von den Streuinduktivitätskomponenten der Schaltung ab. Insbesondere gilt für die Streuinduktivität- und die Widerstandskomponenten am Anschlußpunkt des Schalters 8, daß der Strom des Schaltkreises der Hauptentladung 17 möglicherweise in dieses hineinfließen kann. Dieses ergibt einen Spannungsabfall, welcher wiederum den Anstieg der Spannung im Schaltkreis der Koronaentladung 16 verzögert.
Wenn demzufolge der in den Schaltkreis der Hauptentladung 17 fließende Strom durch die Erhöhung der Reaktanz der Drossel 10 verhindert wird, wird der Spannungsanstieg des Schaltkreises der Koronaentladung 16 dadurch proportional schneller gemacht (siehe Wellenform 2 von Fig. 3).
Wenn bei einer derart aufgebauten entladungsangeregten Impulslaservorrichtung die Reaktanz der Drossel 10 erhöht wird, um die Vorionisation durch die Koronaentladung zu erleichtern, wird der Anstieg der Impulsspannung im Hauptentladungsschaltkreis verlangsamt, wie es durch die Wellenform 1 von Fig. 3 dargestellt ist. Folglich bewirkt die V-t- Charakteristik des Hauptentladungsschaltkreises, daß eine Entladungsstartspannung VB niedriger wird, und somit die Injektionsenergie verringert wird. Demzufolge kann die Laserausgangsleistung nicht erhöht werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entladungsangeregte Impulslaservorrichtung bereitzustellen, die den Anstieg der Spannung zwischen einer Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode ohne Erniedrigung der Entladungstartspannung zwischen den Hauptelektroden beschleunigen kann, um dadurch die Laserausgangsleistung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine entladungsangeregte Impulslaservorrichtung gemäß Beschreibung im Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Verwendung von Sättigungsdrosseln in Anregungsschaltungen für Laservorrichtungen ist in der WO 87/02517 in der US-A-4 635 267 beschrieben.
In der erfindungsgemäßen entladungsangeregten Impulslaservorrichtung wird eine Sättigungsdrossel für eine mit einem ersten Ladekondensator in Serie geschaltete Drossel verwendet, und nach dem Schließen eines Schalters, so daß eine Spannung zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode angestiegen ist, wird eine Induktivität der Sättigungsdrossel reduziert wird.
Durch das Einstellen der Induktivität der Sättigungsdrossel auf einen großen Wert wird es möglich, den Anstieg der Impulsspannung zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode steil zu gestallten. Nach dem Anstieg der Impulspannung ist die Sättigungsdrossel gesättigt, so daß die Reaktanz (Induktivität) nichtlinear abfällt. Demzufolge wird der Anstieg der Impulsspannung zwischen den Elektroden etwas verzögert.
Zusätzlich ist eine Verzögerungsschaltung in Serie mit dem zweiten Ladekondensator eingefügt. Durch das Vorsehen der Verzögerungsschaltung fällt die Vorderflanke einer zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Hauptelektrode angelegten Impulsspannung mit der Vorderflanke einer zwischen den Hauptelektroden angelegten Spannung zusammen. Die zwischen den Hauptelektroden angelegte Spannung ist bereits angestiegen, bevor die von der Vorionisation erzeugten Elektronen sich sehr verringern können. Demzufolge wird die Wirkung der Vorionisation wirkungsvoll eingesetzt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Von den beigefügten Zeichnungen stellen dar:
Fig. 1 ein Schaltbild, das eine konventionelle Excimer- Laservorrichtung zeigt
Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen, die Wellenformen von Impulsspannungen der Laservorrichtung von Fig. 1 zeigen;
Fig. 4 ein Schaltbild, das eine Excimer-Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche Wellenformen der Impulsspannungen in der Laservorrichtung zeigen;
Fig. 6 ein Schaltbild, das eine weitere Ausführungsform einer Excimer-Laservorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die Wellenformen der Impulsspannungen in der Laservorrichtung von Fig. 6 zeigen; und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Elektrodenstruktur einer zusätzlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 4 ist ein Schaltbild, welches eine Ausführungsform einer Excimer-Laservorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der Figur werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder äquivalente Komponenten wie in Fig. 1 zu bezeichnen. Es werden Ladedrosseln für die Ladeschaltkreiselemente 14 und 15 verwendet. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Ladedrossel; 19, eine Sättigungsdrossel, welche anstelle der Drossel 10 der konventionellen Vorrichtung verwendet wird.
Im Betrieb werden die Kondensatoren 9, 11 und 12, ähnlich wie in der konventionellen Schaltung, zuerst über die Ladedrossel 18 geladen, Während des Ladevorgangs wird ein Eisenkern der Sättigungsdrossel 19 in einer Polarität gesättigt. Zum Zeitpunkt t = 0 zündet die Funkenstrecke des Schalters 8. Nach der Zündung beginnen die Kondensatoren 9, 11 und 12 mit dem Entladen. Da die Richtung eines durch die Sättigungsdrossel 19 fließenden Stroms zu dem Strom zum Zeitpunkt der Ladung umgekehrt ist, wird der Kern entsättigt. Wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben, arbeitet die Sättigungsdrossel 19 als eine Drossel mit einer hohen Reaktanz. Durch diese Bedingung verhindert die Drossel gemäß Darstellung in Fig. 5 das Entladen des ersten Ladekondensators 9. Der Anstieg der Entladung des zweiten Ladekondensators 12 erfolgt früh und steil, und die Koronaentladung 16 erleichtert die Vorionisation. Auf diese Weise können die aus der erhöhten Induktivität der Drossel 19 erwarteten nützlichen Effekte, wie erwartet, erzielt werden.
Gemäß Fig. 5 schreitet die Entladung weiter fort und zu einem Zeitpunkt t = Ts ist der Kern der Drossel 19 gesättigt, so daß ihre Induktivität abrupt und nicht linear zusammenbricht. Demzufolge wird gemäß Darstellung durch die Wellenform 1 in Fig. 5 der Anstieg der Impulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 durch die stark reduzierte Induktivität bestimmt. Folglich steigt die Spannung, ähnlich wie bei der konventionellen Vorrichtung von Fig. 2, schnell an und die Entladungstartspannung VB ist ebenfalls hoch, und die in die Hauptentladung 17 injizierte Energie ist ebenfalls erhöht.
Die Impulspannung, welche gemaß Darstellung durch die Wellenform 2 in Fig. 5 steil ansteigt, liegt zwischen der Hilfselektrode 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 an. Wiederum tritt die Koronaentladung 16 auf, um eine Vorionisation zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 zu bewirken. In dem Falle bei dem ein mit einem elektronenanziehenden Gas, wie beispielsweise F&sub2;- und HCl-Gas gemischtes Gas als Lasergas verwendet wird, mit dem die Laserkammer gefüllt ist (insbesondere, wenn das F&sub2;-Gas enthalten ist), werden während der Varionisation erzeugte Elektronen zu dem elektronen- anziehenden Gas hingezogen, was eine Reduzierung des von der Vorionisation herrührenden Effektes bewirkt.
Fig. 6 ist ein Schaltbild einer entladungsangeregten Laservorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche durch Modifikation der ersten Ausführungsform erhalten wird, um die gerade genannten Nachteile zu vermeiden. Die Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform von Fig. 4 dadurch, daß ein Koaxialkabel 20 als Verzögerungsleitung in Serie mit der dem zweiten Ladekondensator 12 geschaltet ist.
Die Fig. 7 stellt Wellenformen der entsprechen Impulsspannungen in der zweiten Ausführungsform dar. Im Vergleich zu den Wellenformen von Fig. 5, verzögert die Verzögerungsschaltung die Impulsspannung (Wellenform 2 in der Figur) zwischen der Hilfselektrode 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 um etwa 40 ns, wobei das steile Anstiegsprofil der Impulsspannung beibehalten wird. Folglich fällt der Zeitablauf des Anstiegs der Impulsspannungswellenform 2 mit der Vorderflanke der Impulsspannung zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 zusammen. Dadurch wird das Problem der Absorption der von der Vorionisation aufgrund der Koronaentladung erzeugten Elektronen im wesentlichen beseitigt. Es erfolgt ein sanfter Übergang von der Koronaentladung zur Hauptentladung.
Jede der vorstehend erwähnten Ausführungsformen verwendet einen sogenannten LC-Umrichter, um mit Hilfe des Ladekondensators 11 zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 die Impulsspannung für die Schaltung zu erzeugen. Es sollte beachtet werden, daß eine Modifikation möglich ist, und der Kondensator 11, falls erforderlich, weggelassen werden kann.
Ein weiteres Beispiel für die Elektroden ist in Fig. 8 dargestellt. In der Figur ist die zweite Hauptelektrode so geformt, daß sie denselben Aufbau wie die erste Hauptelektrode aufweist. An beiden Seiten der zweiten Hauptelektrode 3 sind stabförmige Hilfselektroden 4 angeordnet. Jede Hilfselektrode 4 ist von einer Isolationsschicht 5 überdeckt.
In diesem Falle wird eine Koronaentladung 16 zwischen den Hilfselektroden 4 und der zweiten Hauptelektrode 3 erzeugt. Wiederum entsteht eine Vorionisation zwischen den Elektroden 2 und 3. Dann geht die Koronaentladung auf die Hauptentladung 17 über. Dieses Verfahren kann deshalb die mit den anderen Ausführungsformen vergleichbaren Effekte erreichen.
Die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen als Schalter verwendete Funkenstrecke kann durch einen Schalter, wie beispielsweise ein Thyratron, ersetzt werden. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auf jede andere entladungsangeregte Impulslaservorrichtung wie auch auf die Excimer-Laservorrichtung angewendet werden kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird klar, daß der vorliegenden Erfindung gemäß durch die Kombination des ersten Ladekondensators und der Sättigungsdrossel die Induktivität der Sättigungsdrossel nach dem Anstieg der Spannung für die Koronaentladung verringert wird. Dadurch kann die Spannung sowohl für die Koronaentladung als auch für die Hauptentladung zu einem steilen Anstieg veranlaßt werden, so daß die Vorionisation erleichtert wird, die Hauptentladung gleichförmig wird, und die Injektionsenergie für die Entladung erhöht wird. Folglich können sowohl die Laserausgangsleistung als auch der Laseroszillationswirkungsgrad erhöht werden.
Durch das Vorsehen der mit dem zweiten Ladekondensator verbundenen Verzögerungsschaltung fällt die Vorderflanke der Spannung für die Koronaentladung mit der der Spannung für die Hauptentladung zusammen. Somit kann der Vorionisationseffekt durch die Koronaentladung effektiv genutzt werden. Der Übergang von der Koronaentladung auf die Hauptentladung kann somit sanft gestaltet werden, was sowohl eine Erhöhung der Laserausgangsleistung als auch des Laseroszillationswirkungsgrades ergibt.

Claims

1. Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung mit:

a) einem Ladeanschluß (6) zum Zuführen einer Gleichspannung zu der Vorrichtung;

b) einem aus einer ersten und zweiten Hauptelektrode (2, 3) bestehenden Paar zum Erzeugen einer Hauptentladung;

c) einer mit der zweiten Hauptelektrode (3) zusammenarbeitenden Hilfselektrode (4) zum Erzeugen einer Koronaentladung;

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

e) einer Serienschaltung aus einer Sättigungsdrossel (19) und einem ersten Ladekondensator (9), die zwischen einem zweiten Anschluß des Schalters (8) und der ersten Hauptelektrode (2) angeschlossen ist;

f) einer ersten Ladeschaltkreisdrossel (14), die zwischen den Hauptelektroden (2, 3) angeschlossen ist;

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

h) einer zweiten Ladeschaltkreisdrossel (15), die zwischen der zweiten Hauptelektrode (3) und der Hilfselektrode (4) angeschlossen ist.

2. Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Verzögerungsschaltkreis (20) aufweist, der in Serie mit dem zweiten Ladekondensator (12) angeschlossen ist.

3. Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner einen dritten Ladekondensator (11) aufweist, der zwischen Masse und einem Knoten zwischen dem ersten Ladekondensator (9) und der Sättigungsdrossel (19) angeschlossen ist.

4. Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, welche ferner einen Spitzenerhöhungskondensator (13) aufweist, der zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (2, 3) angeschlossen ist.

5. Entladungsangeregte Impulslaservorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, bei der die Hilfselektrode (4) ein Paar stabförmiger Elemente aufweist, die in der Nähe der zweiten Hauptelektrode (3)parallel angeordnet sind.