DE4233634A1 - Laser mit zumindest einer Anode und einer Kathode zur Vorionisierung und/oder Entladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit zumindest einer Anode und einer Kathode zur Vorionisierung und/oder Entladung. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung bestimmter metallischer Werkstoffe in Anoden und Kathoden bei der Vor­ ionisierung und/oder Entladung in einem Laser. Insbesondere betrifft die Erfindung einen gepulsten Gaslaser mit zumindest einer Kathode und einer Anode.

Die im Stand der Technik bekannten Laser weisen häufig zu­ mindest eine Anode und eine Kathode zur Vorionisierung des in der Laserröhre enthaltenen Gases auf. Entsprechende Laser haben mindestens zwei weitere Elektroden, die zur Haupt- oder Plasma­ entladung dienen. Als typisches Beispiel für eine entsprechende Laseranordnung seien hier die sogenannten gepulsten Gaslaser erwähnt.

Gepulste Gaslaser sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt, insbesondere als CO₂-Laser, Excimer-Laser oder N₂-Laser, etc. Weit verbreitet ist bei gepulsten Gaslasern eine sogenannte transversale Anregung des Lasergases in Form einer Gasentladung (auch Haupt- oder Plasmaentladung genannt).

Ebenfalls bekannt ist es, das Lasergas vor der Hauptentladung einer sogenannten Vorionisierung zu unterziehen, bei der vor der eigentlichen Hauptentladung eine möglichst homogene Ver­ teilung von freien Elektronen (ca. 10⁷ Elektronen/cm³) im Entladungsraum erzeugt wird. Eine solche Vorionisierung des Gases dient insbesondere dazu, zu vermeiden, daß die Haupt­ entladung als Bogenentladung erfolgt. Nach der Vorionisierung setzt dann zwischen den Hauptelektroden des Lasers die genannte Hauptentladung ein, bei der sich die Elektronenkonzentration in der sogenannten Avalanche-Phase um mehrere Größenordnungen ver­ vielfacht, zum Beispiel auf 10¹⁴ bis 10¹⁵ Elektronen/cm³.

Für die Vorionisierung werden im Stand der Technik in der Regel externe, das heißt, von der eigentlichen Hauptentladung geson­ derte Energiequellen verwendet, zum Beispiel UV-Licht. Dieses UV-Licht wird z. B. von Funkenstrecken oder auch Corona-Entla­ dungen emittiert.

Insbesondere bei der UV-Vorionisierung in Excimer-Lasern werden Funkenstrecken zur Erzeugung von UV-Licht genutzt, um im eigent­ lichen zur Entladung bestimmten Gasvolumen durch Photoionisa­ tion bzw. Photoeffekt an den Elektrodenoberflächen genügend freie Ladungsträger zu bilden. Diese vervielfachen sich dann in der Zündphase der Hauptentladung zwischen den Hauptelektroden (Anode und Kathode) lawinenartig über große Volumina.

Im Stand der Technik werden die Elektroden stets aus demselben metallischen Werkstoff gefertigt. Es wurde nun festgestellt, daß die Funken der Vorionisierung zu einem Materialabtrag und/oder zu einer Materialveränderung der metallischen Vorionisierungselektroden nach dem Stand der Technik, zwischen denen der Funke "brennt", führen. Die Materialveränderung bzw. der Materialabtrag ist auch noch im besonderen Maße von dem Gehalt des Excimer-Lasergasgemisches an Fluor (F₂) oder Chlor­ wasserstoff (HCL) abhängig. Innerhalb des Funkens, sowie an den Fußpunkten (Oberflächen der Elektroden) reagiert das Metall der Anode oder Kathode mit F₂ bzw. F-Abkömmlingen wie F*, F⁻, F-Radikalen usw. bzw. mit HCL oder dessen Spaltprodukten.

Der Materialabtrag bzw. die Materialveränderungen beeinträch­ tigen insgesamt die Vorionisierung, d. h. die UV-Erzeugung für Vorionisierungszwecke, was mit der Zeit zu einer gravierenden Störung der Hauptentladung führt. Dies hat zur Folge, daß an den Hauptelektroden eine örtliche Abnahme der Elektronenkonzen­ tration auftritt und somit die Entladehomogenität der Hauptent­ ladung gestört wird.

Die Materialveränderungen durch beispielsweise Bildung von Metall­ fluoriden oder Chloriden wirken sich auf die Zündeigenschaften der Vorionisierungselektroden aus, indem diese erheblich ver­ schlechtert und somit die UV-Erzeugung für Vorionisierungs­ zwecke drastisch reduziert wird.

Die an den metallischen Vorionisierungselektroden nach dem Stand der Technik beobachteten Materialveränderungen bzw. der Materialabtrag wurde gleichermaßen bei den Hauptelektroden von Excimer-Lasern beobachtet.

Es versteht sich von selbst, daß sowohl für die Zuverlässigkeit als auch für die Langlebigkeit von gepulsten Gaslasern, insbe­ sondere von Excimer-Entladungseinheiten die beobachteten Vor­ gänge nachteilig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit zu­ mindest einer Anode und einer Kathode zur Vorionisierung und/oder Entladung bereitzustellen, um gegenüber den bekannten Lasern eine verbesserte Langlebigkeit und somit Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anode und die Katho­ de metallische Werkstoffe unterschiedlicher Normalpotentiale aufweisen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Laser mit zumindest einer Anode und einer Kathode zur Vorionisierung, wobei Anode und Kathode metallische Werkstoffe unterschiedlicher Normalpotentiale aufweisen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Laser mit zu­ mindest einer Anode und einer Kathode zur Hauptentladung, wobei Anode und Kathode metallische Werkstoffe unterschiedlicher Nor­ malpotentiale aufweisen.

Die Differenz der Normalpotentiale zwischen Anode und Kathode beträgt nach einer spezielleren Ausführungsform der Erfindung mindestens 0,3 Volt, vorzugsweise 0,6 Volt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Elektrode aus dem metallischen Werkstoff mit dem geringeren Normalpotential im wesentlichen Kupfer auf. Die Elektrode aus dem metallischen Werkstoff mit dem höheren Normalpotential weist bevorzugt im wesentlichen Platin auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Werkstoff der Kathode ein höheres Normalpotential als der Werkstoff der Anode. Bevorzugt wird, daß die Kathode im wesentlichen aus Platin, die Anode im wesentlichen aus Kupfer besteht.

Die Erfindung wird vorteilhaft als gepulster Gashochdrucklaser bereitgestellt.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung von Anoden und Kathoden aus metallischen Werkstoffen zur Vor­ ionisierung und/oder Entladung in einem Laser, wobei zwischen den metallischen Werkstoffen, die die Anode und Kathode jeweils aufweisen, eine Differenz der Normalpotentiale besteht.

Es wurde nun festgestellt, daß bei Lasern, die mit erfindungs­ gemäßen Elektroden ausgestattet wurden, die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit insbesondere im Fall von Excimer-Entladungsein­ heiten deutlich verbessert werden konnte. Dies zeigte sich unter anderem darin, daß die erfindungsgemäßen Laser nach mehreren 100 Betriebsstunden an den Elektroden praktisch kei­ nerlei Materialabtrag oder Materialveränderungen aufwiesen. Dieser Vorteil zeigte sich besonders drastisch dann, wenn für die Kathode ein Werkstoff mit höherem Normalpotential als dem der Anode gewählt wurde, insbesondere wenn die Kathode im wesentlichen aus Platin und die Anode im wesentlichen aus Kupfer gehalten wurde.

Die erfindungsgemäßen Vorteile treten sowohl bei Vorionisie­ rungs- als auch bei Entladungselektroden auf.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Laservorionisierungseinrichtung und

Fig. 2 eine Hauptentladungseinheit eines Excimer-Lasers.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Vorionisierungseinheit mit einer Anode (1) und einer Kathode (2) angegeben. Die als Stift ausgebildete Kathode (2) ist mit einer Isolation (3) umgeben. Nicht abgebildet ist die Laserröhre in der sich diese Elektro­ denanordnung befindet, so wie die an sich bekannte Energiever­ sorgung und Steuerung.

Die Fig. 2 zeigt wiederum schematisch einen Laser mit einer Kathode (2) und einer Anode (1) in einer (nicht abgebildeten) Laserröhre als Hauptentladungs-Anordnung.

Beispiel

Zur Simulation einer typischen Vorionisierungssituation im Be­ trieb eines Gashochdrucklasers wurde wie folgt verfahren.

Eine Laserröhre (40 cm lang, Durchmesser 20 cm), die mit einer Kupferschiene (10×1×0,5 cm³) als Anode und einem Platin­ stift (5 cm lang, Durchmesser 0,5 cm) als Kathode versehen war, wurde zunächst evakuiert und dann mit Krypton, Neon und Fluor beschickt. Der Abstand zwischen den Elektroden war etwa 0,5 cm. Der Druck in der Röhre betrug - entsprechend dem Druck beim Betrieb eines typischen Excimer Lasers - 3·10⁵ Pa.

Es wurde an die Elektroden eine Spannung von 10 Volt angelegt.

Als Vergleich wurde eine Röhre, wie zuvor beschrieben, mit Elektroden entsprechender Ausmaße, allerdings nur aus Kupfer, bereitgestellt. Diese Röhre wurde gleichen Bedingungen wie zu­ vor beschrieben unterworfen.

Die Elektroden aus den Röhren wurden nach etwa 500 Stunden einer näheren Analyse unterworfen.

Es zeigte sich bei den Kupferelektroden nach dem stand der Technik ein deutlicher Materialabtrag sowohl an der Anode, als auch der Kathode. Dieser Materialabtrag war bereits mit bloßem Auge sichtbar. Insbesondere der Stift aus Kupfer wirkte stark abgetragen. Die Kupferanode war deutlich angelaufen. Eine ge­ nauere Untersuchung zeigte darüberhinaus, daß auf der Kupfer­ anode teilweise nichtmetallische Strukturen aufgewachsen waren.

Die erfindungsgemäßen Elektroden zeigten demgegenüber keinerlei Materialabtrag. Sowohl Anode als auch Kathode wiesen keinerlei äußerlich sichtbare Veränderungen auf. Bei genauerer Unter­ suchung der Anode konnten darüberhinaus keinerlei nichtme­ tallische Strukturen festgestellt werden.

Diese Ergebnisse zeigen, daß durch die Wahl unterschiedlichen Elektrodenmaterials die Erosion an Anode und Kathode deutlich reduziert werden kann. Dies gilt aber nicht nur für die Bedin­ gungen, unter denen eine Vorionisierung stattfindet, sondern auch für die anschließende Hauptentladung in einer Laserröhre.

Somit trägt die Erfindung dazu bei, die Lebensdauer von Lasern, die zum Zwecke der Vorionisierung und/oder Entladung Elektroden aufweisen, zu verlängern.

Claims (10)

1. Laser mit zumindest einer Anode (1) und einer Kathode (2) zur Vorionisierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) und die Kathode (2) metallische Werkstoffe unterschiedlicher Nor­ malpotentiale aufweisen.

2. Laser mit zumindest einer Anode (1) und einer Kathode (2) zur Hauptentladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) und die Kathode (2) metallische Werkstoffe unterschiedlicher Nor­ malpotentiale aufweisen.

3. Laser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Normalpotentiale zwischen Anode und Kathode mindestens 0,3 Volt beträgt.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Normalpotentiale zwischen Anode und Kathode mindestens 0,6 Volt beträgt.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus dem metallischen Werkstoff mit dem geringeren Normalpotential im wesentlichen aus Kupfer besteht.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus dem metallischen Werkstoff mit dem höheren Normalpotential im wesentlichen aus Platin besteht.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Kathode (2) ein höheres Normalpotential hat, als der Werkstoff der Anode (1).

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (2) im wesentlichen aus Platin und die Anode (1) im wesentlichen aus Kupfer besteht.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein gepulster Gashochdrucklaser ist.

10. Verwendung von Anoden und Kathoden aus metallischen Werk­ stoffen zur Vorionisierung und/oder Entladung in einem Laser dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den me­ tallischen Werkstoffen, die die Anode (1) und Kathode (2) je­ weils aufweisen, eine Differenz der Normalpotentiale besteht.