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Die Erfindung betrifft ein entladungsangeregtes Kurzimpuls-
Lasergerät, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 (M. Blanchard
et al. in Journal of Applied Physics, Band 45, Nr. 3,
03.03.1974).
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Eine notwendige Bedingung zum Erhalten einer Laserschwingung
ist, daß eine räumlich gleichmäßige Entladung in einem
Lasermedium ausgeführt wird.
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Bei solchen Kurzimpulslasern, wie dem Excimerlaser, TEA CO&sub2;-
Lasern usw., neigt die Entladung jedoch dazu, einen
konvergierenden Bogen zu bilden, weil ihr Betriebsdruck bis zu mehreren
Atmos-phären hoch sein kann. Um dies zu verhindern, war es
übliche Praxis, eine Vorionisierung durchzuführen, bei der in
dem Hauptentladungsbereich vor einer solchen Hauptentladung im
voraus Elektronenkeime gleichmäßig verteilt werden.
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Im folgenden sind die herkömmlichen Techniken mit Bezug auf
die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist eine Schnittdarstellung eines Ultraviolett (UV)-
Vorionisierungs-Excimer-Lasergerätes, wie es beispielsweise in
"ELECTRONICS", Augustausgabe, S. 881 (1983), von Sato et al.
offenbart wurde. In der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen
1 eine Hochspannungsquelle, ein Bezugszeichen 2 bezeichnet
einen Kondensator, ein Bezugszeichen 3 bzeichnet einen großen
Widerstand, 4 bezeichnet eine Wicklung, 5 bezeichnet einen
Kondensator, 6a und 6b bezeichnen Vorionisierungsstifte, 7
einen Spalt, 8 eine Kathode, 9 eine Anode, 10 einen
Hauptentladungsbereich und 11 einen Schalter.
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Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung eines TEA CO&sub2;-Lasergerätes,
wie es beispielsweise in J. Lachambre et al., IEEE Journal of
Quantum Electronics: Band QE-9, Nr. 4, S. 459 (1973); M.
Blanchard et al., Journal of Applied Physics, Band 45, Nr. 3,
03.03.1974; und an anderen Stellen offenbart ist, das eine
Verbesserung bei der überwindung der verschiedenen Nachteile
in dem oben beschriebenen herkömmlichen Excimer-Lasergerät
erreicht, welches später noch genauer beschrieben wird. Man
sollte jedoch verstehen, daß aufgrund des identischen
Schaltkreissystems des in Fig. 2 gezeigten Lasergerätes zu dem der
Fig. 1 sich sein Aufbau etwas von den Lasergeräten
unterscheidet, welche in der oben angegebenen Literatur offenbart sind.
In der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen 12 ein
dielektrisches Bauteil, ein Bezugszeichen 13 bezeichnet einen
Kondensator, ein Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Hilfselektrode,
ein Bezugszeichen 15 bezeichnet eine Gitterkathode, und 16
bezeichnet einen Vorentladungsbereich.
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Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung des Aufbaus eines Teils der
Elektrode in dem TEA CO&sub2;-Lasergerät, welches z.B. in Y. Pat et
al., The Review of Scientific Instruments: Band 43, Nr. 4, S.
662 (1972), gezeigt ist, das eine modifiziert Ausführungsform
des in Fig. 2 gezeigten Gerätes ist. In der Zeichnung
bezeichnet ein Bezugszeichen 17 eine Pyrex-Glasröhre, ein
Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Anschlußleitung, ein Bezugszeichen 19
bezeichnet einen Vorentladungsraum, ein Bezugszeichen 20
bezeichnet einen Leistungszufuhrabschnitt aus Kupfer, ein
Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Stütztisch aus einem
Kunststoffmaterial, und 22 bezeichnet eine Isoliervorrichtung.
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Fig. 4 ist eine weitere modifizierte Ausführungsform des
Lasergerätes von Fig. 2, bei der die Bauteile, welche gleich wie
in den Fig. 2 und 3 sind sind, mit den selben Bezugszeichen
bezeichnet wurden.
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Im folgenden wird der Betrieb dieser bekannten Lasergeräte
beschrieben.
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In Fig. 1 wird zunächst eine elektrische Ladung, die von der
Hochspannungsquelle zugeführt wird, in dem Kondensator 2
aufgebaut bzw. gespeichert. Wenn der Schalter 11 in seinen
leitenden Zustand gebracht wird, verschiebt sich als nächstes die
in dem Kondensator 2 aufgebaute Ladung über eine Stromschleife
zu dem Kondensator 5, welche bei dem Kondensator 2 beginnt,
durch den Schalter 11 geht, weiter durch eine Masseleitung
durch die Anode 9 und die Vorionisierungsstifte 6b geht und zu
dem Kondensator 2 über die Vorionisierungsstifte 6a, den
Kondensator 5 und die Wicklung 4 zurückkehrt Während dieser
Verschiebung der elektrischen Ladung findet in einem sehr kleinen
Spalt 7 zwischen den Vorionisierungsstiften 6a und 6b eine
Bogenentladung statt, aufgrund der die Ultraviolettstrahlen
erzeugt werden. Mit diesen Ultraviolettstrahlen entsteht eine
Photoionisierung in dem Hauptentladungsbereich 10 (diese
Photoionisierung wird im folgenden mit
"Ultraviolettstrahlen-Vorionisierung" bezeichnet) , wodurch mehr als 10&sup4; bis 10&sup4;
Elektronen pro Kubikzentimeter gleichmäßig in den Raum des
Hauptentladungsbereiches 10 zugeführt werden, um das Wachstum
lokaler Strahlen (Streamer) und die Bogenentladung zum Zeitpunkt
der Hauptentladung zu unterdrücken. Andererseits setzt sich
selbst während dieser Periode die Verschiebung der
elektrischen Ladung zu dem Kondensator 5 fort, und die Spannung
über der Kathode 8 und der Anode 9 wächst. Sobald diese
Spannung die Durchbruchsspannung erreicht, wird durch die Wirkung
der oben genannten Vorionisierung eine räumlich gleichmäßige
Impulsentladung in dem Hauptentladungsbereich 10 erhalten.
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Da der Betrieb des in Fig. 2 gezeigten Lasergerätes gleich dem
Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Gerätes ist, wird im folgenden
der Mechanismus der Vorionisierung beschrieben. Bevor der
Schalter 11 in den leitenden Zustand gebracht wird, gibt es im
wesentlichen keine Potentialdifferenz zwischen der
Gitterkathode 15 und der Hilfselektrode 14. Sobald jedoch der Schalter
11 in seinen leitenden Zustand gebracht wird, beginnt die
elektrische Ladung, sich von dem Kondensator 2 zu dem
Kondensator 5 zu bewegen, ein hohes elektrisches Feld wird zwischen
der Gitterkathode 15 und der Hilfselektrode 14 erzeugt,
wodurch die Entladung in dem Vorentladungsraum 16 durch das
dielektrische Bauteil 12 stattfindet, wobei dieser
Entladungsvorgang im folgenden "Luft-Vorentladung" bezeichnet wird. Die
Ultraviolettstrahlen, welche mit dieser Entladung erzeugt
werden, sind schwächer als die Strahlen aufgrund der
Bogenentladung gemäß Fig. 1, und der Effekt der Ultraviolettstrahlen-
Vorionisierung ist entsprechend geringer. Bei dieser bekannten
Ausführungsform geht jedoch ein Teil der Elektronen, welche in
dem Vorionisierungsraum 16 erzeugt werden, statt dessen durch
die Gitterkathode 15 und wird direkt in die Nähe der
Gitterkathode 15 in den Raum des Hauptentladungsbereiches 10 geführt,
wobei dieser Teil zu Keimelektronen werden soll, um die
räumlich gleichmäßige Hauptentladung zu erzeugen.
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Fig. 3 ist eine modifizierte Form der Fig. 2, bei der die
Hilfselektrode als die Anschlußleitung 18 dient und in der
Pyrex-Glasröhre 17 als dem dielektrischen Bauteil, gehalten
auf dem Stütztisch 21 aus Kunststoff, angeordnet ist, wobei
alle Anschlüsse 18 mit dem aus Kupfer bestehenden
Zuführabschnitt 20 verbunden sind, um sie auf dem gleichen
elektrischen Potential zu halten. Ferner weist die Kathode 8
mehrere Vorsprünge auf, damit die Luftvorionisierung in dem
Vorentladungsbereich 19 stattfinden kann. Die Betriebsweise ist
ähnlich wie in Fig. 2 oben.
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Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm des dielektrischen
Bauteils 12 und der Hilfselektrode 14 in Fig. 2, welche durch die
Glasröhre 14 und den Anschluß 17 ersetzt wurden. Die
Betriebsweise ist ähnlich wie bei der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform.
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Nebenbei bemerkt beeinflußt bei den bekannten, in den Fig. 2
bis 4 gezeigten Ausführungsformen der Abstand zwischen der
Kathode 8 oder der Gitterelektrode 15 und der Glasröhre 17
oder dem dielektrischen Bauteil 12 (dieser Abstand ist im
folgenden als "Dicke des Entladungsraums" bezeichnet) die
elektrische Leistung, die dem Entladungsraum 19 oder 16 zugeführt
werden muß, und die Dicke an sich bestimmt das Volumen des
Entladungsraums 16 oder 19 mit der Folge, daß sie einen
wichtigen Faktor für die Ermittlung der Anzahl der Elektronen pro
Einheitsfläche bildet, welche relativ zu einer Ebene bestimmt
wird, die parallel zu der oben genannten Kathode ist.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist es gängige
Praxis, einen Vorentladungsbereich 16 mit einer relativ
geringen Dicke im Vergleich zu der Distanz zwischen der Kathode 9
und der Gitterelektrode 15 vorzusehen. Obwohl bisher keine
Fälle berichtet wurden, in denen der Einfluß dieser Dicke des
Entladungsraums 16 quantitativ gemessen wurde, ist es
offensichtlich, daß es eine Tendenz gibt, die unten noch erläutert
wird. D.h., wenn die Dicke des genannten Vorentladungsraums 16
klein wird, wird die Anfangsspannung der Luftentladung klein,
mit der Folge, daß die Einschaltleistung für den oben
genannten Raum 16 klein wird. Wenn eine zufriedenstellende
Vorionisierungswirkung erreicht werden soll, ist es daher notwendig,
daß der Vorentladungsbereich 16 eine gewisse Dicke hat. Da
aber vorzugsweise das Verhältnis der Leistung, welche für die
Vorentladung verbraucht wird, zu der Leistung, welche für die
Hauptentladung verbraucht wird, im Hinblick auf den Leistungs-
Wirkungsgrad so klein wie möglich gehalten werden soll, sollte
die Dicke des oben genannten Vorentladungsraums vorzugsweise
ausreichend klein im Vergleich zu der Distanz zwischen der
Anode 9 und der Gitterkathode 15 sein (diese Distanz wird im
folgenden als "Hauptentladungs-Spaltlänge" bezeichnet).
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Ähnlich hat die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform
einen derartigen Aufbau, daß der Vorentladungsraum 19 zwischen
der Glasröhre 17 und der Kathode 8 oder der Gitterkathode 15
vorgesehen wird.
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Im folgenden wird der Vorionisierungsmechanismus der in den
Fig. 2 bis 4 gezeigten herkömmlichen Lasergeräte mit weiteren
Einzelheiten beschrieben.
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Anders als bei der in Fig. 1 gezeigten, herkömmlichen
Ausführungsform führen diese aus dem Stand der Technik bekannten
Lasergeräte die Keimelektronen derart zu, daß eine räumlich
gleichmäßige Hauptentladung nur in der Nähe der Kathode
erzeugt wird, wobei dieselben nicht gleichmäßig in den gesamten
Raum für den Hauptentladungsbereich 10 geführt werden. Die
Effektivität dieses Systems kann wie folgt erklärt werden. Wie
bereits z.B. in J.I. Levatter et al., Journal of Applied
Physics, Band 51, Nr. 1, S. 210 (1980), berichtet wurde, ist
es zum Unterdrücken der Bogenentladung schon ausreichend, daß
die lokale Entwicklung von Strahlen (Streamers) durch die
Wirkung des Raumladungsfeldes verhindert wird. Wenn die
Keimelektronen in die Nähe der Kathode gespeist werden, werden diese
Keimelektronen daher von der Kathode 9 angezogen und bilden
eine Elektronenlawine 23; eine überlagerung dieser
Elektronenlawinen 23 würde jedoch früher oder später die lokale
Abstufung des Raumladungsfeldes aufheben, so daß die Streamer nicht
beschleunigen können.
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Daraus folgt somit, daß eine große Vorionisierungswirkung mit
einer möglichst großen Anzahl Keimelektronen pro
Flächeneinheit in Bezug auf eine Ebene erhalten wird, die parallel zu
der gespeisten Kathode ist.
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Das herkömmliche entladungsangeregte Kurzimpuls-Lasergerät mit
dem oben beschriebenen Aufbau hatte verschiedene
Problempunkte,
welche im folgenden angegeben sind.
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Das in Fig. 1 gezeigte Gerät ist so konstruiert, daß die
Ultraviolettstrahlen die Vorionisierung von beiden Seiten der
Hauptelektroden 8 und 9 bewirken. Mit diesem Aufbau gibt es
jedoch eine Grenze der Eindringtiefe der Ultraviolettstrahlen,
die es schwierig macht, die Breite des
Hauptentladungsbereiches 10 zu vergrößern. Mit dem Excimerlaser kann man z.B. nur
einen Laserstrahl ausgeben, der einen rechteckigen Querschnitt
von 6 bis 8 mm x 20 bis 25 mm hat.
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Das in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Lasergerät hat einen
verbesserten Aufbau, der zur Lösung der oben beschriebenen
Problempunkte konzipiert wurde und mit dem es möglich ist, die
Breite des Hauptentladungsbereiches 10 aufgrund der
Durchführung der Vorionisierung von der Rückseite der Gitterkathode 15
zu vergrößern. Wie bereits gesagt wurde, wird bei diesem Typ
des herkömmlichen Lasergeräts in seinem normalen Zustand eine
Gitterkathode 15 bei einem bestimmten Abstand von dem
dielektrischen Bauteil 12 vorgesehen, der bei dem Beispiel von M.
Blanchard et al., in Journal of Applied Physics, Band 45, Nr.
3, S. 1311 (1974), 3 mm beträgt. Auch dieser Lasergerätetyp
weist jedoch noch die folgenden Problempunte (a) und (b) auf:
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(a) Im Hinblick auf den Vorionisierungseffekt ist es
offensichtlich vorteilhaft, daß so viele der in dem Raum
zwischen der Gitterkathode 15 und dem dielektrischen Bauteil
12 erzeugten Elektronen wie möglich durch die
Gitterkathode 15 gehen und zu dem Hauptentladungsbereich gespeist
werden. Wenn die Dicke des Vorionisierungsraumes 16 daher
so dünn wie möglich gemacht wird, d.h. wenn das Volumen
des Vorionisierungsraumes 16 klein ist, nimmt die
Luftvorentladungs-Eingangsdichte zu, und die Anzahl der pro
Flächeneinheit erzeugten Elektronen, in Bezug auf eine zu
der Gitterkathode 15 parallelen Ebene, wächst, wobei
ferner
der Anteil der erzeugten Elektronen, welche durch
ihre Kollision gegen Moleküle verteilt werden, bis sie
die Gitterkathode 15 erreichen, oder der Anteil der
erzeugten Elektronen, welche durch ihre Rekombination mit
Ionen ausgelöscht werden, vorteilhaft abnimmt. Wie
bereits mit Bezug auf die herkömmlichen Lasergeräte erklärt
wurde, ist es jedoch bei der Luftvorentladung unmöglich,
die Dicke des Vorionisierungsraumes 16 zu verringern und
dabei die Einschaltleistung unverändert zu lassen (oder
zu erhöhen)
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(b) Wenn die Impulsschwingung des Lasers bei einer schnellen
Wiederholgeschwindigkeit abläuft, erhitzt sich die
Kathode 15 durch die Kollision der Ionen gegen die Kathode,
wodurch die Strahlung der so erzeugten Wärme
einwichtiger Faktor wird. Da der Raum zwischen der Gitterkathode
15 und dem dielektrischen Bauteil 12 schmal und in einem
Zustand ist, bei dem im wesentlichen keine Konvektion
stattfindet, erfolgt die Wärmeübertragung nur aufgrund
eines Temperaturgradienten. Sowohl die Gitterkathode 15
als auch das dielektrische Bauteil 12 sollten daher
vorzugsweise so nah wie möglich zusammengebracht werden,
wodurch jedoch unvermeidlich das Problem der Verminderung
der Einschaltleistung für die obengenannte
Luftvorentladung wächst.
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Auch bei dem in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Gerät gibt es
ähnliche Probleme. Bei dem in Fig. 3 gezeigten
Ausführungsbeispiel liegen die Elektronen, welche von der Luftvorentladung
erzeugt werden, in einer Form vor, die leicht weitergeleitet
werden kann. Es gab jedoch verschiedene andere Problempunkte,
wie die folgenden. Da es sehr schwierig ist, die Vorsprünge in
der Kathode 8 und die Pyrex-Glasröhre 17 über der gesamten
Längserstreckung der Kathode 8 präzise parallel ausgerichtet
zu halten und die Leitungen 18 geradlinig durch das Zentrum
der Pyrex-Glasröhre 17 gehen zu lassen, treten
Unregelmäßigkeiten in der Längserstreckung der Kathode 8 auf, d.h. es gibt
Stellen, wo die Luftvorentladung leicht stattfindet, und
solche Stellen, wo die Vorentladung nicht so leicht stattfindet;
auch ist die Struktur der Kathode an sich kompliziert, so daß
ihre Herstellung schwierig wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage eines
Konzeptes gemacht, das darauf beruht, daß bei einem
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät, bei dem die Vorentladung
über ein dielektrisches Element ausgeführt wird, ein Faktor,
welcher sich auf die Dicke eines Raumes für die Vorentladung
bezieht, und ein anderer Faktor, welcher sich auf eine
Einschaltleistung für die Vorentladung bezieht, die bei der
herkömmlichen Luftentladung untrennbar waren, voneinander
unabhängig gemacht wurden, wodurch die Vorentladung in einem Raum
mit einer sehr dünnen Dicke auf der Oberfläche des
dielektrischen Elementes erzeugt werden kann. Konkreter gesagt, ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kurzimpulslaser
mit einer einfachen Ionisierungsstruktur vorzusehen, der einen
Laserstrahl mit einem großen Durchmesser, mit hoher Sicherheit
und Zuverlässigkeit durch die Erzeugung einer Vorentladung mit
einer gleichmäßigen und hohen Leistungsdichte auf der
Oberfläche des dielektrischen Bauteils über dessen Teil, der dem
Hauptentladungsbereich entspricht, erzeugen kann.
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Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst.
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Verschiedene Arten der Ausführung der Erfindung sind im
einzelnen unten mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche
verschiedene spezielle Ausführungsformen zeigen, wobei sich
nur die Figuren 27 und 28 auf Ausführungsformen der Erfindung
beziehen und andere Ausführungsformen nützlich für das
Verständnis der Erfindung sind.
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Fig. 1 und 2 sind jeweils Schnittdarstellungen herkömmlicher
entladungsangeregter Kurzimpuls-Lasergeräte;
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Fig. 3 und 4 sind jeweils Schnittdarstellungen der
Hauptelektrodenabschnitte der herkömmlichen
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergeräte;
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Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm eines
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerätes;
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Fig. 6a und 6b sind eine Schnittdarstellung bzw. eine
schematische Draufsicht des Kathodenabschnittes des
Lasergerätes der Fig. 5;
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Fig. 7a und 7b sind eine Schnittdarstellung bzw. eine
schematische Draufsicht des Kathodenabschnittes eines
weiteren Lasergerätes, das ähnlich dem der Fig. 5 ist;
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Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung der Hauptelektrode für
ein weiteres Lasergerät, das ähnlich dem der Fig. 5
ist;
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Fig. 9a und 9b sind eine Draufsicht bzw. eine
Schnittdarstellung eines Zustands der Kriechentladung;
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Fig. 10 ist eine Schnittdarstellung eines Zustands der
Hauptentladung in dem entladungsangeregten
Kurzimpuls-Lasergerätes gemäß Fig. 5, dessen
Hauptbestandteil in Fig. 6 gezeigt ist;
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Fig. 11 ist eine schematische Draufsicht einer weiteren
Elektrode mit Öffnungen gemäß einer weiteren
Ausführungsform eines Lasergerätes;
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Fig. 12 ist eine schematische Draufsicht einer weiteren
Elektrode mit Öffnungen gemäß einer noch weiteren
Ausführungs form;
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Fig. 13 ist eine perspektivische teilweise geschnittene
Ansicht des Elektrodenabschnitts gemäß einer weiteren
Ausführungsform;
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Fig. 14 ist ein Erläuterungsdiagramm für den Zustand der
Vorionisierung und die Hauptentladung in dem
Elektrodenabschnitt des in Fig. 13 gezeigten
Lasergerätes;
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Fig. 15a ist eine Draufsicht des zweiten
Hauptelektrodenabschnitts gemäß einer weiteren Ausführungsform, von
dem Hauptentladungsraum aus gesehen;
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Fig. 15b ist ein Erläuterungsdiagramm für den Zustand der
Vorionisierung und die Hauptentladung in dem
Elektrodenabschnitt der Fig. 15a;
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Fig. 16 ist eine Schnittdarstellung des entladungsangeregten
Kurzimpuls-Lasergerätes gemäß einer weiteren
Ausführungsform;
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Fig. 17a ist eine Schnittdarstellung einer modifizierten
Ausführungsform der Fig. 16;
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Fig. 17b ist eine Draufsicht des Hauptbestandteils der
modifizierten Ausführungsform der Fig. 17a;
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Fig. 18 ist eine graphische Wiedergabe, welche im Vergleich
die Laserintensitätsverteilung in dem herkömmlichen
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät und in
der Ausführungsform der Fig. 16 zeigt;
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Fig. 19 ist eine Schnittdarstellung des entladungsangeregten
Kurzimpuls-Lasergerätes gemäß einer weiteren
Ausführungs form;
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Fig. 20 ist eine graphische Darstellung, welche im Vergleich
die Feldintensitätsverteilung in dem herkömmlichen
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät und in
der Ausführungsform gemäß Fig. 19 zeigt;
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Fig. 21 ist eine graphische Darstellung, welche im Vergleich
die Feldintensitätsverteilung in dem herkömmlichen
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät und in
der Ausführungsform gemäß Fig. 19 zeigt;
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Fig. 22a ist eine Schnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform;
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Fig. 22b ist eine Schnittdarstellung des Hauptbestandteils
des in Fig. 22a gezeigten Lasergerätes, welche längs
einer Linie 1-1 aufgenommen wurde;
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Fig. 23 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform eines Lasergerätes;
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Fig. 24 ist eine Schnittdarstellung, welche
Wärmestrahlungsrippen gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt;
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Fig. 25 ist eine Schnittdarstellung des entladungsangeregten
Kurzimpuls-Lasergerätes gemäß einer weiteren
Ausführungsform;
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Fig. 26 ist eine Schnittdarstellung einer anderen
Ausführungsform;
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Fig. 27 ist eine Schnittdarstellung eines Teils des
Elektrodensystems einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 28 ist eine Schnittdarstellung eines Teils des
Elektrodensystems einer modifizierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 29 ist eine Schnittdarstellung des Elektrodenabschnitts
gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerätes, bei dem die vorliegende
Erfindung angewendet wird. In der Zeichnung werden die Teile,
welche zu denen in den Fig. 1 und 2 identisch sind, mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet. In der folgenden Erläuterung wird
ferner die erste Hauptelektrode als Anode genommen, während
die zweite Elektrode als Kathode genommen wurde, obwohl auch
eine umgekehrte Zuordnung denkbar wäre.
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In Fig. 5 bezeichnet ein Bezugszeichen 24 eine von zwei
Hauptelektroden (welche im folgenden als "geöffnete Elektrode"
(apertured electrode) bezeichnet wird) . Ein Bezugszeichen 9
bezeichnet eine Anode als die Gegen-Hauptelektrode, welche der
obengenannten geöffneten Elektrode 24 des erwähnten
Elektrodenpaares gegenüberliegt Ein Bezugszeichen 14 bezeichnet eine
Hilfs- (oder Bezugs-) Elektrode; ein Bezugszeichen 12
bezeichnet ein dielektrisches Element, welches angrenzend an die
geöffnete Elektrode 24 angeordnet ist, wobei die Hilfselektrode
14 auf der der geöffneten Elektrode 24 abgewandten Oberfläche
des dielektrischen Elementes angeordnet ist, so daß sie der
geöffneten Elektrode gegenüberliegt Ein Bezugszeichen 28
bezeichnet einen Wärmetauscher; ein Bezugszeichen 29 bezeichnet
eine Fluidleitung; und 30 bezeichnet ein Gebläse. Die
obengenannten Elektroden 9, 14, 24, der Wärmetauscher 28, die
Fluidleitung 29, das Gebläse 30 usw. sind in einem Lasergehäuse 31
untergebracht. Ein Bezugszeichen 32 bezeichnet ein
Isolierbauteil; 33 bezeichnet einen Hauptentladungsraum; und 34
bezeichnet einen Gasstrom.
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Die Fig. 6a und 6b sind eine Schnittdarstellung bzw. eine
Draufsicht, die im einzelnen die zweite Hauptelektrode (oder
die geöffnete Elektrode) gemäß einer ersten Ausführungsform
wiedergeben. In der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen 24
ein elektrisch leitendes Material mit mehreren Öffnungen 25,
d.h. die geöffnete Elektrode. Die geöffnete Elektrode 24 und
das dielektrische Element sind in engem Kontakt zueinander
angeordnet. Ferner ist die Hilfselektrode 14 auf der Rückseite
der geöffneten Elektrode 24 so angeordnet, daß sie der
geöffneten Elektrode 24 durch das dielektrische Element 12 hindurch
gegenüberliegt Bei der gezeigten Ausführungsform ist die
Hilfselektrode 14 in das Innere des dielektrischen Elementes
12 eingebettet. In diesem Fall ist mit der Rückseite oder
hinteren Oberfläche der geöffneten Elektrode 24 die Oberfläche
gemeint, welche der zur Anode weisenden Oberfläche
gegenüberliegt. Im übrigen wird bei dieser Ausführungsform
Aluminiumoxid (Tonerde) für das dielektrische Element 12 verwendet, und
die geöffnete Elektrode 24 hat die Form eines elektrisch
leitenden Films, der durch Vernickeln des dielektrischen
Elementes 12 aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 50 µm erzeugt
wird. Die Öffnungen 25 werden durch Ätzen gebildet.
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Für das Schaltungssystem wurde ein
Kapazitätverschiebungssystem verwendet, das auch bei dem in Fig. 2 gezeigten
herkömmlichen Lasergerät eingesetzt wird. Wie mit Bezug auf das
herkömmliche
entladungsangeregte Kurzimpuls-Lasergerät erörtert
wurde, wird während der Kapazitätverschiebung zwischen den
beiden Kondensatoren und der Spannungszunahme über den
Hauptelektroden eine Spannung zwischen der geöffneten Elektrode 24
und der Hilfselektrode 12 mit der Folge erzeugt, daß eine
Kriechentladung 26 bei den Öffnungen 25 der Kathode 24 und auf
der Oberfläche des dielektrischen Elementes 12 stattfindet.
Diese Kriechentladung 26 tritt in der Richtung auf, welche der
Oberfläche des dielektrischen Elementes 12 folgt, wobei ihre
Ausdehnungsstrecke durch eine Spannung bestimmt wird, welche
an den Entladungsspalt angelegt wird (die Spannung wurde
früher als "Haltespannung" definiert und unterscheidet sich von
der Spannung, welche zwischen der geöffneten Elektrode 24 und
der Hilfselektrode 14 angelegt wird). Die Haltespannung kann
demgemäß bis auf einen Pegel erhöht werden, bei dem die
Kriechentladung 26 die Öffnungen 25 füllt, und sie ist nicht
von der Dicke der geöffneten Elektrode 24 abhängig (wobei
diese Dicke im wesentlichen der Dicke der Kriechentladung 26
entspricht). Demzufolge kann bei dieser Ausführungsform die
geöffnete Elektrode 24 so dünn wie 20 µm gemacht werden, und
gleichwohl kann ausreichend elektrische Leistung durch die
Vorentladung (in diesem Falle die Kriechentladung)
hervorgebracht werden. Verschiedene Bedingungen der Kriechentladung in
der Praxis sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, und eine
Darstellung des Entladungszustands ist in Fig. 10 gezeigt.
Tabelle 1
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In diesem Fall war der Spitzenstrom bei der Vorentladung
1,2 A/cm². Wie sich aus der Zeichnung deutlich ergibt, konnte
eine klare Glühentladung erhalten werden, in die keine
Fadenentladung eingemischt war.
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Bei den bekannten Beispielen der herkömmlichen
entladungsangeregten Excimerlaser hatte die erhaltene Entladung eine Breite
des Hauptentladungsbereiches 10, die kleiner war als die
Spaltlänge der Hauptentladung. Im Gegensatz dazu konnte in dem
Hehumpuffer eine Breite des Hauptentladungsbereiches 10 von
22 mm erhalten werden, die ungefähr 1,5 mal so groß wie die
Spaltlänge (15 mm) in der Hauptentladung ist. Dadurch ist die
Effektivität des Vorionisierungssystems bewiesen.
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Da die geöffnete Elektrode 24 und das dielektrische Element 12
in einer eng aneinander haftenden Struktur vorliegen, ist
ferner die wärmestrahlung der geöffneten Elektrode 24 schneller
als bei dem herkömmlichen Gerät, was zur Lösung der Probleme
des herkömmlichen Gerätes beiträgt, wie dem Problem, daß von
der unregelmäßigen Spaltlänge für die Hauptentladung eine
Bogenentladung erzeugt wird, welche durch das Durchhängen und
die Wellung in der herkömmlichen Gitterelektrode durch Rot-
Erhitzen hervorgerufen wird.
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Ferner hat die geöffnete Elektrode 24 nicht nur einen
einfachen Aufbau, sondern aufgrund ihrer Struktur kann auch ihre
Dicke, und somit die Dicke der Kriech-Vorentladung 26, mit
hoher Genauigkeit in Mikrometer-Einheiten (µm) eingestellt
werden. Zusätzlich hierzu ist es nicht mehr nötig, die
räumliche Anordnung der drei Elemente, dielektrisches Bauteil und
die beiden Hauptelektroden, untereinander zu berücksichtigen,
wie im Falle der herkömmlichen Lasergeräte, sondern es genügt,
wenn lediglich eine relative Position zwischen dem
dielektrischen Element und der Anode oder zwischen der geöffneten
Elektrode und der anderen Hauptelektrode eingestellt wird, was
Vorteile bei der Herstellung des Lasergerätes mit sich bringt.
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Die Fig. 7a und 7b zeigen eine Schnittdarstellung bzw. eine
Draufsicht des Kathodenabschnitts gemäß einer zweiten
Ausführungsform. Die Kathode in dieser Ausführungsform ist identisch
mit der in den Fig. 6a und 6b gezeigten und erzielt dieselbe
Wirkung, mit der Ausnahme, daß als die geöffnete Elektrode 24
ein Metallgitter mit einer Dicke zwischen 1 µm und 3 mm (bei
dieser Ausführungsform sind es 100 µm) verwendet wurde, und
daß die Hilfselektrode 14 fest an die Oberfläche des
dielektrischen Bauteils 12 geklebt wurde, und zwar entgegengesetzt
zu der Oberfläche, an der die geöffnete Elektrode 24 fest
haftet.
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Fig. 8 zeigt eine Schnittdarstellung, welche den
Hauptelektrodenabschnitt gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt. Bei
dieser Ausführungsform sind die geöffnete Elektrode 24 und das
dielektrische Element 12 in einer konvexen, oder in Richtung
zur Anode 9 vorgewölbten Form ausgebildet, welche z.B. durch
die Rogowski-Elektrode oder die Chang-Elektrode repräsentiert
wird, um die Feldintensität in der Nähe der Oberfläche der
geöffneten Elektrode 24 allmählich zu vermindern, wenn sie vom
zentralen Teil der geöffneten Elektrode 24 weiter weg liegt,
wodurch die Bogenbildung aufgrund der Konzentration des
elektrischen
Feldes auf die Endabschnitte der geöffneten Elektrode
24 verhindert werden kann.
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Im übrigen wird bei der in den Fig. 6a und 6b gezeigten
Ausführungsform ein Schaltungsaufbau mit Kapazitätverschiebung
gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen
schaltungstyp beschränkt, sondern sie kann jede Schaltungsart
verwenden, wie Schaltungen mit LC-Umkehr, mit überstrahlungs-
Leitung (Bloom-Line), PFN-Schaltungen usw. Es kann ohne
Probleme auch ein Schaltungstyp übernommen werden, bei dem das
Schaltungssystem der Kriechentladung in das Schaltungssystem
der Hauptentladung integriert ist, oder ein anderer Typ, bei
dem beide Schaltungssysteme unabhängig voneinander sind.
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Die Fig. 6 zeigen ferner ein Beispiel, bei dem die geöffnete
Elektrode 24 mittels Vernickeln einer Aluminiumoxidbasis und
ein Ausbilden der Öffnungen 25 durch Ätzen der vernickelten
Aluminiumoxidbasis hergestellt wird. Man beachte jedoch, daß
die vorliegende Erfindung nicht auf dieses
Herstellungsverfahren beschränkt ist, sondern daß selbstverständlich jedes
andere Verfahren sicher übernommen werden kann, z.B. Kleben oder
Druck-Kleben eines gestanzten Metalls auf das dielektrischen
Element 12.
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Ferner ist das Material für das dielektrische Element 12 nicht
auf Aluminiumoxid beschränkt, sondern viele andere Materialien
können verwendet werden, z.B. Keramik, Glas etc. Man sollte
jedoch beachten, daß je höher die dielektrische Konstante des
dielektrischen Elementes 12 ist und je geringer seine Dicke
ist, desto mehr die Einschaltleistung für die Kriechentladung
steigt, was im Hinblick auf den Betrieb des Lasergerätes
günstig ist.
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Zusätzlich haftet bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
die Hilfselektrode 14 eng an dem dielektrischen Element 12,
obwohl die Hilfselektrode 14 und das dielektrische Element 12
fallabhängig mit einem Zwischenraum angeordnet werden können.
Wenn sie jedoch mit Zwischenraum angeordnet sind, besteht die
Möglichkeit einer Verlustentladung, welche zwischen der
Hilfselektrode 14 und dem dielektrischen Element 12 entsteht, so
daß bei Gebrauch vorzugsweise die Hilfselektrode eng an dem
dielektrischen Element 12 haftet, wie bei der oben
beschriebenen Ausführungsform. In diesem Fall kann die Hilfselektrode
14 auch mit einem dielektrischer Film auf ihrer Oberfläche
ausgebildet sein.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Form der
Öffnung 25 rund oder rechteckig. Man beachte jedoch, daß die
Form der Öffnung 25 in keiner Weise ausschließlich auf diese
Formen beschränkt ist.
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Ein weiterer struktureller Faktor, welcher die Kriechentladung
26 beeinflußt, ist der Öffnungsdurchmesser der Öffnung 25, und
ein struktureller Faktor, welcher die Leistungdichte der
Knechentladung 26 betrifft, ist die Dicke der geöffneten
Elektrode. Unter Berücksichtigung der Wirkung der vorliegenden
Erfindung, nämlich daß der Durchmesser der Öffnung 25 (der Faktor
zum Bestimmen der maximalen Haltespannung) und die Dicke der
geöffneten Elektrode 24 (der Faktor zum Bestimmen der Dicke
des Vorentladungsbereiches) unabhängig eingestellt werden
können, um den Elektroden durch die Kriechentladung 26 als die
Vorentladung die optimale Vorionisierungswirkung zu verleihen,
ist die vorliegende Erfindung jedoch auf keine Weise auf diese
beiden strukturellen Faktoren beschränkt. Was jedoch die
geöffnete Elektrode 24 betrifft, kann es notwendig sein, eine
Dicke von einem 1 µm oder mehr vorzusehen, weil dann, wenn sie
zu dünn ist, die Elektrode dem Aufprall von Ionen während der
Hauptentladung ausgesetzt ist, und ihre Lebensdauer verkürzt
würde; andererseits sollte sie vorzugsweise 3 mm oder kleiner
sein, denn wenn die Elektrode zu dick ist, wird die Dichte der
Einschaltleistung für die Kriechentladung 26 so gering, daß
sie verhindern würde, daß die Keimelektronen in den
Hauptentladungsbereich gelangen.
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In der Praxis sollte die Dicke der geöffneten Elektrode
vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 2 mm liegen.
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Wie bereits gesagt, wird bei der ersten bis dritten
Ausführungsform die zweite Hauptelektrode (d.h. die geöffnete
Elektrode) aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und
hat mehrere darin ausgebildete Öffnungen; ferner ist sie so
aufgebaut, daß sie die Elektronen, welche als Keim für die
Hauptentladung dienen sollen, die über den Hauptelektroden
erzeugt werden sollen, verteilt, indem die geöffnete Elektrode
und das dielektrische Element in engem Kontakt beieinander
angeordnet werden und indem die Kriechentladung auf der
Oberfläche des dielektrischen Elementes erzeugt wird, so daß die
Einschaltleistung der Vorentlandung und die Dicke des
Vorentladungsraumes als getrennte und unabhängige Faktoren behandelt
werden können, so daß es möglich wird, die Vorentladung auf
der Oberfläche des oben genannten dielektrischen Bauteils mit
einer Einschaltleistung hoher Dichte zu bewirken, wodurch eine
gleichmäßige Glühentladung über dem breiten Bereich der
Hauptenladung erhalten werden kann. Als Resultat ergeben sich
verschiedene Effekte für die Verbesserung der Zuverlässigkeit des
Lasergerätes, wie daß der Laserstrahldurchmesser und die
Laserausgangsleistung erhöht werden können, die Struktur der
Elektrode einfach wird, die Wärmestrahlung von der oben
genannten Kathode einfach realisiert werden kann, das Lasergerät
stabil gegenüber schnellen und wiederholten Laserschwingungen
ist und dgl.
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Im folgenden wird eine vierte Ausführungsform mit Bezug auf
Fig. 11 erläutert. In der Zeichnung wird die Position der
öffnungen 25, welche in der gesamten Oberfläche der geöffneten
Elektrode 24 ausgebildet sind, so bestimmt, daß dann, wenn
willkürliche, imaginäre Linien parallel zu der
Laserstrahlachse auf der Oberfläche der geöffneten Elektrode 24, mit einer
Vielzahl von Öffnungen darin, vorgesehen werden, die
imaginären Linien durch die Vielzahl der Öffnungen 25 gehen. Die
Öffnungen 25 sind z.B. gestaffelt angeordnet.
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Im Falle der geöffneten Elektrode mit einer Anordnung der
Öffnungen wie in den Fig. 6a und 6b, würde z.B&sub5; ein im folgenden
noch erläuterter Nachteil auftreten. Für die Beobachtung des
Zustandes der Hauptentladung in beiden Hauptelektroden des
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerätes aus der Richtung
der optischen Achse des Lasers, wenn der Laserstrahl auf einen
photographischen Film gerichtet wird, um das Muster des
Laserstrahls zu untersuchen, kann an einer Stelle, bei der der
Laserstrahl durchgeht, ein dunkler Abschnitt beobachtet werden.
Dies zeigt, daß der Laserstrahl selbst
Intensitätsunregelmäßigkeiten hat, welche die Qualität des Laserstrahls
beeinträchtigen. Ferner wird unter den Bedingungen, daß die
Gasströmungsrate kurz ist oder das Lasermedium in dem
Hauptentladungsraum 33 zwischen einer Impulsentladung und der nächsten
Impulsentladung nicht ausreichend ersetzt werden kann, das
Lasermedium in dem Bereich der Hauptentladungssäule erhitzt,
in dem dunklen Bereich wird es jedoch nicht erhitzt, wodurch
die Temperaturverteilung in dem oben erwähnten
Hauptentladungsbereich 33 extrem ungleichmäßig wird. Dadurch würden
ungünstige Ergebnisse hervorgerufen, z.B. daß der
Divergenzwinkel des Laserstrahls aufgrund einer Änderung in seiner
Ablenkung basierend auf der Dichtedifferenz des Gases zunimmt, oder
auch daß die nachfolgende Impulsentladung eine Bogenentladung
wird, und anderes mehr.
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Durch Anordnen der Öffnungen 25 in gestaffelter Form, wie oben
angegeben, überlappen sich daher die Entladungssäulen ohne
Ausnahme, wenn man sie aus der Richtung der Laserstrahlachse
betrachtet, so daß man keine Unregelmäßigkeiten in der
Intensität des Laserstrahls mehr beobachten kann.
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Im folgenden ist eine fünfte Ausführungsform mit Bezug auf
Fig. 12 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform sind die
Öffnungen 25 so angeordnet, daß sich die Entladungssäulen auch in
der zu der Richtung der Laserstrahlachse senkrechten Richtung
überlappen. Genauer gesagt, die Position der Öffnungen wird so
eingestellt, daß dann, wenn willkürliche imaginäre Linien
parallel zu der Laserstrahlachse und willkürliche imaginäre
Linien, welche die Laserstrahlachse senkrecht schneiden, auf der
Oberfläche der geöffneten Elektrode 24, mit den mehreren
Öffnungen 25 darin, vorgesehen werden, jede der imaginären Linien
durch die Öffnungen 25 geht.
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Wenn die genannten Öffnungen 25 wie in Fig. 11 gezeigt
angeordnet sind, erhält man einen Laserstrahl hoher Qualität in
der Richtung 35 des Laserstrahls, weil sich die
Entladungssäulen in dieser Richtung überdecken. In der anderen Richtung,
welche die Richtung 35 der Laserstrahlachse senkrecht
schneidet, überlappen sich die Entladungssäulen jedoch nicht, mit
der Folge, daß zwischen benachbarten Reihen der Entladungssäu
len dunkle Abschnitte gebildet würden. Während diese dunklen
Abschnitte die Qualität des Laserstrahls nicht direkt
beeinflussen, würden sie die Länge des Anregungsabschnittes (ein
Abschnitt, der zu der Laserwirkung beiträgt) erheblich
verkürzen, wodurch die Laserausgangsleistung sinkt.
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Durch Anordnen der Öffnungen 25 derart, daß sich die
Entladungssäulen nicht nur in der Richtung 35 der Laserstrahlachse,
sondern auch in der zur Laserstrahlachse senkrechten Richtung
überlappen, wie in Fig. 12 gezeigt, ist es möglich, eine
Senkung der Laserausgangsleistung zu verhindern und einen
Laserstrahl hoher Qualität auszugeben.
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Bei der oben beschriebenen vierten und fünften Ausführungsform
überlappen die Entladungssäulen einander, indem die Öffnungen
25 in gestaffelter Form angeordnet werden. Es ist ferner
möglich, diese Entladungssäulen überlappen zu lassen, indem diese
Öffnungen 25 mit kurzem Abstand zueinander angeordnet werden.
Da die Ausdehnung der Entladungssäulen jedoch erheblich von
den Entladungsbedingungen, dem Gasdruck und der
Gaszusammensetzung, abhängig ist, kann es von Zeit zu Zeit passieren, daß
die dunklen Abschnitte in Erscheinung treten, wenn sich diese
Bedingungen ändern, unter bestimmten Bedingungen sogar selbst
dann, wenn sich die Entladungssäulen überlappen. Durch
Anordnung der Öffnungen 25 in der gestaffelten Form, wie oben
angegeben, ist es somit möglich, die Entladungssäulen sich einfach
und genauesten überlappen zu lassen.
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Für die geöffnete Elektrode 24 mit den mehreren Öffnungen 25
darin kann eine Metallplatte oder ein Metallgitter mit einer
Dicke zwischen 1 µm bis 3 mm verwendet werden.
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Auch die Form der Öffnung 25 ist nicht auf einen Kreis
beschränkt, sondern es kann jede Form übernommen werden,
vorausgesetzt, daß man die Überlappung der Entladungssäulen dabei
auf effiziente Weise erreicht.
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Fig. 13 zeigt eine sechste Ausführungsform. Das
entladungsangeregte Kurzimpuls-Lasergerät gemäß dieser Ausführungsform ist
so aufgebaut, daß die Oberfläche der zweiten Hauptelektrode
(geöffnete Elektrode) 24, welche der ersten Hauptelektrode 9
gegenüberliegt, und die Seitenfläche 25a der Öffnung 25 über
eine gekrümmte Oberfläche verbunden sind. In der Zeichnung
bezeichnet ein Bezugszeichen 12 das dielektrische Element, und
ein Bezugszeichen 14 bezeichnet die Hilfselektrode.
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Wenn bei bei sechsten Ausführungsform eine Hochspannung
zwischen der ersten Hauptelektrode 9 und der zweiten
Hauptelektrode
24 angelegt wird, wird eine Lawinenentladung erzeugt,
wie in Fig. 14 gezeigt, mit Elektronen als Keim für die
Entladung, um dadurch die Hauptentladung 33 zu bilden. Da die
Oberfläche 24a der zweiten Hauptelektrode 24, welche der ersten
Hauptelektrode 9 gegenüberliegt, und die Seitenfläche 25a der
Öffnung über eine gekrümmte Oberfläche verbunden sind (mit
anderen Worten, die winklige Kante der Öffnung 25 ist
abgerundet, um die Feldintensität zu entspannen), wird nicht wie bei
dem herkömmlichen Lasergerät eine lineare und starke Entladung
erzeugt, und eine gleichmäßige Entladung kann leicht erhalten
werden. Wenn die vorliegende Erfindung auf einen TEA CO&sub2;-Laser
angewendet wird, könnte man noch immer die gleichmäßge
Entladung erhalten, selbst wenn die Menge des Heliumpuffergases auf
80% bis 50% der Menge, welche in den herkömmlichen
Lasergeräten verwendet wird, gesenkt würde, und wenn die Energiemenge,
welche für die Kriechentladung 36 aufgewendet wird, auf 1%
oder weniger der Energie festgelegt würde, welche für die
Hauptentladung 33 eingebracht müßte, wodurch die Effektivität
des Gerätes bewiesen werden könnte.
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Fig. 15a ist eine Draufsicht auf den Hauptelektrodenabschnitt
gemäß einer siebten Ausführungsform, gesehen von dem
Hauptentladungsraum; und Fig. 15b ist ein erläuterndes Diagramm,
welches die Beziehung zwischen der Vorionisierung und der
Hauptentladung in der in Fig. isa gezeigten Elektrode zeigt.
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In der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen 37 die zweite
Hauptelektrode, die eine Stabform mit einem runden oder
elliptischen Querschnitt hat (im folgenden als "stabförmige
Hauptelektrode" bezeichnet), wobei diese stabförmigen
Hauptelektroden 37 elektrisch miteinander verbunden sind. Der Betrieb
dieses Hauptelektrodenabschnitts ist gleich dem des
Hauptelektrodenabschnitts, der in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist, mit dem
weiteren Vorteil, daß diese stabförmige Hauptelektrode 37
wesentlich einfacher herzustellen ist als die Elektroden mit den
anderen Formen. Ein geeigneter Durchmesser für diese
stabförmige Hauptelektrode 37 liegt in einem Bereich von 0,1 bis 3 mm
oder so. Bei der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform wurde
die Form der Öffnung 25 rund gemacht, die Öffnung ist jedoch
nicht auf diese Form allein beschränkt, sondern jede andere
Form, wie Ellipsen, Polygone etc., kann geeignet sein. Ferner
ist bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die zweite
Elektrode 24 eng haftend an dem dielektrischen Element 12
dargestellt, obwohl auch ein Teil der oder die gesamte zweite
Hauptelektrode in das dielektrische Element 12 eingebettet
sein kann.
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Fig. 16 zeigte eine achte Ausführungsform des
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergeräts. Diese Ausführungsform
beschränkt den Bereich, in dem die Öffnungen in der zweiten
Hauptelektrode (geöffnete Elektrode) verteilt sind, und
steuert die Breite der zu erzeugenden Hauptentladung, wodurch der
lineare Bereich der Intensitätsverteilung des Laserstrahls
vergrößert wird.
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In Fig. 16 sind die Öffnungen, welche in der zweiten
Hauptelektrode 24 ausgebildet werden, auf einen Bereich mit einer
schmalen Breite W im Vergleich zu dem der ersten
Hauptelektrode 9 verteilt. Ein Bezugszeichen 38 bezeichnet eine
Hochspannungs-Impulsquelle. Diese Hochspannungs-Impulsquelle 38 kann
auch mithilfe eines Teils der Hochspannungs-Impulsquelle 1 der
ersten bis siebten Ausführungsform gebildet werden. In der
Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie bei den
vorhergehenden Ausführungsformen dieselben Komponenten.
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Wenn von der Impulsquelle 38 zwischen der zweiten
Hauptelektrode 24 und der Hilfselektrode 14 eine Hochspannung angelegt
wird, tritt eine Hilfsentladung (Kriechentladung) auf der
Oberfläche des dielektrischen Elementes 12 im Bereich der
Öffnungen 25 auf, welche in der zweiten Hauptelektrode 24
ausgebildet
sind. Ein Teil der durch diese Hilfsentladung
gebildeten Elektronen sowie Elektronen, welche durch Photoionisierung
der Ultraviolettstrahlen gebildet werden, welche durch diese
Hilfsentladung erzeugt werden, werden zu Keimen für die
Erzeugung der gleichmäßigen Glühentladung. Da der Bereich, in dem
die Öffnungen 25 in der Hauptelektrode 24 liegen, gleich der
Größe der Breite W ist, sind die Vorionisierungselektronen
praktisch innerhalb der Ausdehnung dieser Breite W vorhanden.
Indem man die besagte Breite W ausreichend schmaler als die
Breite der ersten Hauptelektrode 9 macht, ist es möglich, den
Bereich, in dem Vorionisierungselektronen vorhanden sind,
schmaler zu machen als einen Bereich, in dem die
Feldintensität auf der Oberfläche der ersten Hauptelektrode 9 um etwa 0,5
bis 1% geringer wird als der Maxiamalwert.
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Wenn in einem solchen Zustand eine Impulsspannung von der
Hochspannungs-Impulsquelle 1 über den Hauptelektroden 9 und 24
angelegt wird, wird die Hauptglühentladung 33 mit den oben
erwähnten Vorionisierungselektronen als Keimen erzeugt. Die
Breite dieser Hauptglühentladung 33 ist im wesentlichen gleich
der Breite W der Öffnungen 25. Durch diese Hauptentladung wird
das Lasermedium angeregt, wodurch der Laserstrahl mit der
Breite W, wie durch die gestrichelte Kurve in Fig. 18 gezeigt,
erhalten wird. Im übrigen gibt die Kurve (a) in Fig. 18 die
Feldintensität wieder, wenn die Breite des Bereiches mit
Öffnungen nicht beschränkt ist.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Durchmesser
der Öffnungen 25 in der zweiten Hauptelektrode 24 gleichmäßig
und konstant. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Durchmesser
der Öffnungen 25, wie in den Fig. 17a und 17b gezeigt, an der
Außenseite größer gemacht wird als an der Innenseite, gesehen
über die Ausdehnung der Breite W.
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Da die Energie, welche von der Hilfselektrode verbraucht wird,
höher wird, wenn der Durchmesser der Öffnung größer wird,
nimmt allgemein gesprochen die Anzahl der
Vorionisierungselektronen in Übereinstimmung mit der Energiemenge zu. Im Falle
der Fig. 17a und 17b nimmt daher die Anzahl der
Vorionisierungselektronen an der Außenseite der Breite W mit der Folge
zu, daß die Intensität der Entladung in der Nähe des
Außenumfangs dieses Bereiches steigt, wodurch die Größe des linearen
oder flachen Bereiches der Intensitätsverteilung des
Laserstrahls verbessert wird, wie durch die gestrichelte Kurve (b)
in Fig. 18 dargestellt wird.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ferner der
Entladungsbereich dadurch kontrolliert, daß der Bereich, in
dem die Öffnungen 25 vorhanden sind, beschränkt wird. Derselbe
Effekt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann
jedoch selbst dann erzielt werden, wenn die Breite der
Hilfselektrode 14 an sich verringert wird.
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Fig. 19 zeigt eine neunte Ausführungsform, die eine
Modifikation der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform ist. In der
Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie in den
vorherigen Ausführungsformen dieselben Komponenten. In dieser
Ausführungsform ist ein Teil der zweiten Hauptelektrode 24 mit
einem isolierenden Element 39 bedeckt, und der Bereich, in dem
die Vorionisierungselektronen vorhanden sind, d.h. ein
Verteilungsbereich 40, ist auf die Bereiche beschränkt, welche nicht
mit dem isolierenden Element 39 bedeckt sind.
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Die Fig. 20a und 20b zeigen im Vergleich die Verteilung der
Feldintensität (a), welche von den Elektroden in dem
herkömmlichen entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät erzeugt
wird, und die Verteilung der Feldintensität (b), welche von
den Elektroden in dem entladungsangeregten
Kurzimpuls-Lasergerät gemäß dieser neunten Ausführungsform erzeugt wird. In der
Zeichnung geben numerische Zahlen die Werte der Feldintensität
bei jedem Punkt wieder, wenn die Feldintensität bei dem
zentralen Teil der Oberfläche der Hauptelektrode 24 auf 1
eingestellt wird. Wie aus dieser Darstellung offensichtlich ist,
wird durch das Abdecken eines Teils der zweiten Hauptelektrode
mit dem isolierenden Element 39, welches in dieser
Ausführungsform verwendet wird, an dem Endabschnitt der Elektrode
ein Abschnitt mit erhöhter Feldintensität erzeugt, mit dem
Resultat, daß der Bereich mit der erhöhten Feldintensität
größer wird. Unter solchen Umständen wird die Hauptentladung 33
mit den oben erörterten Vorionisierungselektronen als Keimen
erzeugt, wenn von der Hochspannungs-Impulsquelle 1 eine
Impulsspannung über der ersten Hauptelektrode 9 und der zweiten
Hauptelektrode 24 angelegt wird. Diese Hauptentladung 33 wird
mit einer Breite erzeugt, die im wesentlichen die Größe des
Teils der zweiten Hauptelektrode 24 wiedergibt, welcher nicht
mit dem isolierenden Element bedeckt ist, was seinen Grund in
der Beschränkung des Bereiches hat, in dem die
Vorionisierungselektronen, wie oben erwähnt, vorhanden sind, sowie in
der Ausdehnung des Teils mit erhöhter Feldintensität Durch
diese Hauptentladung 33 wird das Lasermedium angeregt, was zu
einem Laserstrahl mit einer größeren Breite gemäß der
gestrichelten Kurve (b) in Fig. 21 führt. Die durchgezogene Kurve
(a) in Fig. 21 zeigt die Intensität des Laserstrahls, wenn die
Öffnungen nicht beschränkt werden.
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Im folgenden wird eine zehnte Ausführungsform mit Bezug auf
die Fig. 22a und 22b beschrieben.
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Mit dieser zehnten Ausführungsform werden verschiedene
Probleme gelöst, wie daß sich bei einer Erhöhung der
Wiederholgeschwindigkeit zur Verbesserung der mittleren
Laserausgangsleistung die geöffnete Elektrode 24 und das dielektrische Element
12 erhitzen, wodurch lokale Unregelmäßigkeiten in der Länge
des Spaltes zwischen den Hauptentladungs-Elektroden entstehen,
oder daß die Hauptentladung aufgrund einer Beschädigung des
dielektrischen Elementes 12 und einer Verwerfung der
geöffneten Elektrode 24 durch die thermische Belastung zu einer
Bogenentladung wird, oder dergleichen.
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Fig. 22a ist eine Schnittdarstellung des
Vorentladungsabschnitts gemäß der zehnten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, und Fig. 22b ist eine Schnittdarstellung des
Hauptteils des Vorentladungsabschnittes aus Fig. 22a, gesehen aus
der Richtung 1-1. In der Zeichnung bezeichnet ein
Bezugszeichen 41 Kühlrippen oder -flügel, welche bei dieser
Ausführungsform an der Hilfselektrode 14 vorgesehen sind. Sie können
jedoch auch an dem dielektrischen Element 12 oder an sowohl
der Hilfselektrode als auch dem dielektrischen Element
vorgesehen werden. In der Zeichnung sind die Teile, welche mit
denen aus Fig. 5 identisch sind, mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
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Im folgenden wird die Funktion dieses Vorentladungsabschnittes
im einzelnen beschrieben. Aus thermischer Sicht bilden die
geöffnete Elektrode 24, das dielektrische Bauteil 12 und die
Hilfselektrode 14 eine dreischichtige Platte. Wenn z.B. die
geöffnete Elektrode 24 und die Hilfselektrode 14 aus Nickel
bestehen und das dielektrische Element 12 aus Aluminiumoxid,
liegt der allgemeine Wert der Wärmeübertragungsrate bei einer
Größenordnung von 10&sup4; kcal/m² Std.ºC, was um zwei numerische
Stellen größer ist als der Wert der Wärmeübertragungsrate von
der geöffneten Elektrode 24 zu Heliumgas, siehe oben. Die
diese Rate bestimmende Kühlstufe bestimmt demnach den
Wärmeübertragungsvorgang in das Lasergas (bei dem Excimerlaser z.B.
besteht 90% und mehr des Lasergases aus Helium). Durch
Beschleunigung dieses Wärmeübertragungsvorgangs wird daher eine
effizientere Kühlung möglich. Um dies mit einem einfachen
Verfahren zu realisieren, ist es ferner wünschenswert, daß das
Lasergas, welches bei einer hohen Geschwindigkeit zirkuliert
und dessen Temperatur von einem Wärmetauscher 28 kontrolliert
wird, das Kühlmedium für den Elektrodenabschnitt wird. Wenn
die Gasströmungsrate oder -geschwindigkeit n ist, wird auch
die Reynolds-Zahl zu n, mit dem Resultat, daß die
Wärmeübertragungsrate ungefähr gleich n wird. Der Druckverlust in dem
Hauptentladungsraum 33 würde andererseits jedoch gleich n²
werden (weil er proportional zum Quadrat der Strömungsrate
ist), woraus ein großes Problem entsteht.
-
Es muß daher über die Kühlung der Hilfselektrode 14
nachgedacht werden. Da die Wärmeübertragungsrate zwischen den
geschichteten Platten, bestehend aus der geöffneten Elektrode
24, dem dielektrischen Bauteil 12 und der Hilfselektrode 14,
wie zuvor erwähnt, groß ist, kann eine zufriedenstellende
effektive Kühlung der geöffneten Elektrode 24 und des
dielektrischen Elementes 12 erreicht werden, indem die Hilfselektrode
14 gekühlt wird.
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Für diesen Zweck werden Wärmestrahlungsrippen 41 an der
Hilfselektrode 14 vorgesehen, und die Lasergasströmung wird durch
diese Kühlrippen 41 geführt.
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Es sei nun angenommen, daß die Fläche der Hilfselektrode 14
gleich A ist, ein Restteil der Elektrodenfläche A, bei dem
keine Kühlrippen 41 vorgesehen sind, ist A&sub0;, die Gesamtfläche
der Kühlrippen ist Af , und die Wärmeübertragungsrate an der
Oberfläche der Rippen ist h&sub0;, wobei dann der
Wärmeübertragungskoeffizient h gegeben ist durch die folgende Gleichung:
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h = A&sub0; &sbplus; ηAf / A h&sub0; ... (1)
-
(Wobei gilt: η ist der sogenannte Rippen-Wirkungsgrad, ein
Wert, der durch die Wärmeübertragungsrate an der Oberfläche
der Rippen 41, die Wärmeleitfähigkeit des Materials, welches
die Rippen 41 bildet, die Dicke der Rippen 41 und die Höhe der
Rippen 41 bestimmt wird.) Wie aus der obigen Gleichung (1)
offensichtlich ist, ist es durch die Wahl der Rippenform, so
daß der Wert ηAf groß wird, möglich, den Wert von h extrem
groß zu machen. Ein Beispiel hierfür ist im folgenden gezeigt.
-
Es gilt das gleiche wie bei der oben erwähnten geöffneten
Elektrode 24, wobei die Breite der Hilfselektrode 14 auf 0,06
m und die Länge in der Richtung der Laserstrahlachse auf 0,6 m
festgelegt wird; auf dieser Hilfselektrode werden 200
Kühlrippen 41, jede mit einer Höhe von 0,02 m und einer Dicke von 0,5
mm, in Intervallen mit einem Abstand von 2,5 mm und
ausgerichtet in der zu der Laserstrahlachse senkrechten Richtung
vorgesehen; die Fläche A&sub0; wird dann gleich 0,03 m², und die
Gesamtfläche Af der Rippen wird gleich 0,48 m². Wenn ferner die
Rippen aus Nickel bestehen, und die Gasströmungsrate, welche
durch die Rippen 41 geht, auf 20 m/sec eingestellt wird, ist
der Rippen-Wirkungsgrad 77 gleich 0,86, und die
Wärmeübertragungsrate h&sub0; bei der Rippenoberfläche ist gegeben durch 2,6 x
10² kcal/m² Std.ºC (aus einer Literaturstelle mit dem Titel
"Den-Netsu Gairon", von Yoshiro Kofuji, veröffentlicht von
Yoken-Do, S. 27 (1982)). Aus der obigen Gleichung (1) ergibt
sich daher eine Wärmeübertragungsrate h von 3,2 x 10³ kcal/m²
Std.ºC, welche um eine numerischen Stelle größer ist als bei
dem herkömmlichen Ausführungsbeispiel.
-
Fig. 23 zeigt eine elfte Ausführungsform Bei dieser
Ausführungsform sind der Hauptentladungsraum 33 und die Kühlrippen
41 in dem Gasströmungspfad in Reihe angeordnet. In dem Fall,
daß sowohl der Hauptentladungsraum als auch die Kühlrippen
parallel angeordnet sind, wie in den Fig. 22a und 22b gezeigt,
sollte die Gasströmungsrate des Gebläses 30 um einen Wert
erhöht werden, welcher dem Gasstrom entspricht, der durch die
Kühirippen 41 geht. Im Gegensatz dazu, kann bei dieser
Ausführungsform die Gasströmungsrate unverändert bleiben, während
der Abgabedruck des Gebläses 30 erhöht werden sollte. Welche
Ausführungsform gewählt wird, hängt dabei von der Leistung des
Gebläses 30 ab.
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Fig. 24 ist eine Schnittdarstellung des Kühlrippenabschnittes
gemäß einer zwölften Ausführungsform Bei dieser
Ausführungsform ist die Hilfselektrode 14 in das Innere des
dielektrischen Elementes 12 eingebettet, und die Kühlrippen 41 sind
daher auf diesem dielektrischen Element 12 vorgesehen. In
diesem Fall können die Kühlrippen 41 aus dem dielektrischen
Material oder einem Metall hergestellt sein.
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Fig. 25 zeigt eine dreizehnte Ausführungsforrn Ebenso wie die
in den Fig. 22a, 22b und 24 gezeigten Ausführungsform bezieht
sich diese Ausführungsform auf die Konstruktion für die
Kühlung des Elektrodenabschnitts. In der Zeichnung sind die
Komponenten, welche mit denen in den vorhergehenden
Ausführungsformen identisch oder ähnlich sind, mit denselben
Bezugszeichen bezeichnet.
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In Fig. 25 hat das dielektrische Element 12 einen rohrförmigen
Aufbau. In diesem rohrförmigen dielektrischen Element ist die
Hilfselektrode 14 angeordnet, ferner gibt es dort eine
Strömung aus deionisiertem Wasser 42, mit dem die Kühlung der
Hilfselektrode 14 und des dielektrischen Elementes 12 bewirkt
wird, über diese Hilfselektrode und das dielektrische Element
wird auch die geöffnete Elektrode 24 gekühlt.
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Da die Wärmeübertragungsrate zwischen dem deionisierten Wasser
und der Hilfselektrode 14 gleich 10³ kcal/m² Std.ºC oder
größer ist, und da die Wärmeübertragungsrate in der
dreischichtigen Struktur, welche aus der Hilfselektrode 14, dem
dielektrischen Element 12 und der geöffneten Elektrode 24 besteht,
10&sup4; kcal/m² Std.ºC beträgt, wie zuvor bereits gesagt wurde,
ist es offensichtlich, daß die Temperatur der dreischichtigen
Struktur im wesentlichen auf der Temperatur des deionisierten
Wassers gehalten werden kann, wenn man diese beiden
Wärmeübertragungsraten mit der Größenordnung des Wärmeeintrags
vergleicht, wie bereits angedeutet wurde.
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Fig. 26 ist eine vierzehnte Ausführungsform, bei der ein
Bezugszeichen 43 eine Speiseleitung bezeichnet, wobei die
übrigen Bezugszeichen dieselben Teile wie in Fig. 25 oben
bezeichnen. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfselektrode 14
weggelassen, und statt dessen wird diese Funktion der
Hilfselektrode an das deionisierte Wasser 42 an sich übertragen,
zusätzlich zu dessen Funktion als Kühlmedium, und die
Leistungsversorgung wird durch die Speiseleitung 43 bewirkt, wodurch
der Hilfselektrodenabschnitt einen extrem einfachen Aufbau
erhält.
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Als Kühlmedium kann ferner neben dem deionisierten Wasser 42
Ammoniak und halogenisierter Fluorkohlenstoff usw. verwendet
werden.
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Es ist ferner denkbar, das Kühlmedium in dem rohrförmigen
dielektrischen Element 12 einzugrenzen, um ein Wärmerohr zum
Durchführen der Kühlfunktion zu bilden.
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Wie vorstehend ausgeführt, können gemäß diesen
Ausführungsformen aufgrund des rohrförmigen Aufbaus des dielektrischen
Elementes, in dem das Kühlmedium eingeschlossen ist oder strömt,
die geöffnete Elektrode und das dielektrische Element mit
gutem Wirkungsgrad gekühlt werden. Mit einem solchen
rohrförmigen dielektrischen Element kann daher ein entladungsangeregtes
Kurzimpuls-Lasergerät realisiert werden, das selbst bei hohen
Wiederholgeschwindigkeiten der Laserschwingung stabil
arbeitet, d.h. selbst dann, wenn eine hohe mittlere
Ausgangsleistung und eine sich extrem schnell wiederholende
Laserschwingung vorliegt.
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Fig. 27 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
welche sich insbesondere auf eine Verbesserung in dem
dielektrischen Element bezieht. Im Hinblick auf die Tatsache, daß
das herkömmliche Lasergerät nicht dielektrische Materialien
mit hohen spezifischen Dielektrizitätskonstanten verwenden
kann, und daß solche dielektrischen Materialien mit hoher
Wärmeleitfähigkeit, vom Standpunkt der Reaktion des Lasermediums,
die Einschaltleistung der Kriechspannung für die
Vorionisierung nicht erhöhen können bzw. keine wirksame Kühlung zum
Verhindern einer Erwärmung des dielektrischen Elementes, welche
mit der Hochfrequenz-Laserschwingung einhergeht, erzielen
können, ist dagegen das Lasergerät gemäß der vorliegenden
Erfindung so aufgebaut, daß es die hochf requenten Laserschwingungen
gut aushalten kann, wobei das dielektrische Element wirksam
gekühlt wird, die Einschaltleistung für die Vorionisierung
erhöht wird, eine Glühentladung mit höherer Stabilität
erhalten wird bzw. die Wärmeleitfähigkeit des dielektrischen
Elementes erhöht wird.
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In Fig. 27 bezeichnet ein Bezugszeichen 44 die erste
dielektrische Schicht, welche auf der Seite der zweiten
Hauptelektrode 24 vorgesehen ist und aus einem Material besteht, das
mit dem Lasergas nicht reagiert, ein Bezugszeichen 45
bezeichnet eine zweite dielektrische Schicht mit einer Dicke, die
größer ist als die der ersten dielektrischen Schicht 44, und
ein Bezugszeichen 46 bezeichnet ein zusammengesetztes
dielektrisches Element oder dielektrisches Verbundelement, welches
aus der ersten dielektrischen Schicht 44 und der zweiten
dielektrischen Schicht 45 besteht. Im übrigen bezeichnet das
Bezugszeichen 14 die Hilfselektrode.
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Im folgenden wird die Funktion des dielektrischen Elementes im
einzelnen beschrieben. Die Dicke der ersten dielektrischen
Schicht 44 ist da, und die spezifische
Dielektrizitätskonstante ist εa, die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 45 ist
db, und ihre spezifische Dielektrizitätskonstante ist εb. Die
folgenden Bedingungen sollen erfüllt werden: (1) εa«εb und
(2) db»da. Ferner besteht die erste dielektrische Schicht 44
aus einem Material, welches bei den chemischen Reaktionen in
dem Lasergerät inaktiv ist und das keine schlechte Wirkung
(Mal-Effekt) in dem Lasergas hat. Bisher wurden die erste
dielektrische Schicht oder die zweite dielektrische Schicht
einzeln eingesetzt, und ihre Dicke wurde auf d festgelegt. Das
Problem, welches entstand, wenn solche dielektrischen
Schichten einzeln eingesetzt wurden, wurde vorstehend beschrieben.
Nun ergibt sich die spezifische Dielektrizitätskonstante ε des
dielektrischen Elementes (welches im folgenden als
"dielektrisches Verbundelement" bezeichnet ist) gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die folgende Gleichung:
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ε = εaεb(da + db)/(εadb + εbda) ... (2)
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wenn die Größen von ε und εa verglichen werden, ergibt sich:
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Da εa « εb, nimmt die Gleichung (3) einen positiven Wert an,
weil offensichtlich ist, daß ε > εa. Wenn da + db ungefähr
gleich d ist, folgt demnach daraus, daß das dielektrische
Verbundelement auf der Basis der folgenden Gleichung (4)
wesentlich mehr Leistung für die Vorionisierung bilden kann:
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Wd ∞ εs/d ... (4)
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(wobei Wd die Einschaltleistung bezeichnet; Es gibt die
spezifische
Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Elementes
wieder; und d bezeichnet die Dicke des dielektrischen
Elementes). Da ferner die Oberfläche des dielektrischen Elementes,
die in Kontakt mit dem Lasergas kommt, die Oberfläche der
ersten dielektrischen Schicht 44 ist, wird deren Eigenschaft der
Inaktivität gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser nicht
verloren. Genauer gesagt, die erste dielektrische Schicht 44
besteht z.B. aus Tonerdeporzellan oder Aluminiumoxidporzellan
(mit einer spezifischen Dielektrizitätskonstante von ungefähr
10), das mit einer geringeren Dicke eingesetzt wird (einige
wenige Millimeter), als wenn es alleine verwendet wurde. Wenn
es z.B. mit einer Dicke verwendet wird, die einem Zehntel der
Dicke bei Einzelverwendung entspricht, entspricht dies zehn
mal der spezifischen Dielektrizitätskonstante bei der
Einzelverwendung. Mit einer so geringen Dicke bleibt jedoch die
Frage der mechanischen Festigkeit der ersten dielektrischen
Schicht. Um die mechanische Festigkeit der einzelnen ersten
dielektrischen Schicht zu stärken, wird die zweite
dielektrische Schicht 45 mit einer höheren spezifischen
Dielektrizitätskonstante, wie z.B. Bariumtitanatprozellan (mit einer
spezifischen Dielektrizitätskonstante εs von etwa 3000), und mit
einer Dicke, welche den Anforderungen an die mechanische
Festigkeit genügt, mit dieser ersten dielektrischen Schicht 44
schichtverbunden (laminiert), um das gewünschte dielektrische
Verbundelement zu bilden. Dadurch ist die gesamte spezifische
Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Verbundelementes
(welches aus Aluminiumoxidporzellan und Bariumtitanatporzellan
zusammengesetzt ist) ungefähr zehn mal höher als die von
Aluminiumoxidporzellan mit derselben Dicke wie das dielektrische
Verbundelement, wenn es einzeln verwendet wird, wobei.dadurch
die Eigenschaft des Aluminiumoxidporzellans, wie seine
Inaktivität gegenüber chemischen Reaktionen in dem Gehäuse des
Lasergerätes, gleichwohl nicht verloren geht.
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Die Kombination des dielektrischen Verbundelementes ist nicht
auf die Kombination aus Aluminiumoxidporzellan und
Bariumtitanat beschränkt, sondern es können auch andere Kombinationen
übernommen werden.
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Für die zweite dielektrische Schicht 45 kann die Verwendung
zahlreicher anorganischer Substanzen erwogen werden, welche
eine spezifische Dielektrizitätskonstante von 20 oder mehr
haben, wie z.B. Thalliumbromid (TlBr), Thalliumchlorid (TlCl),
Vanadiumdioxid (VO&sub2;), Bleioxid (PbO), Titanporzellan,
Zirkontitanat und Strontiumtitanat.
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Für die erste dielektrische Schicht 44 kann erwogen werden,
Quarzglas, Natriumkarbonatglas, Borsilikatglas, Bleiglas,
Diamant oder Kohlenstoff mit denselben Eigenschaften wie Diamant
und dergleichen zu verwenden.
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Während es machbar ist, zwei dielektrische Elemente im
Schichtverbund zu verwenden, sollten vorzugsweise die beiden
dielektrischen Elemente in einer eng aneinander haftenden
Struktur hergestellt werden, indem das eine dielektrische
Element auf das andere dielektrische Element laminiert wird, da
eine Luftschicht, welche sich zwischen den beiden
dielektrischen Elementen bildet, die dielektrische Stärke des
dielektrischen Verbundelementes vermindern kann.
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Wenn Borsilikatglas mit einer Dicke von 0,5 mm und
Bariumtitanat mit einer Dicke von 2 mm verwendet werden, um das
dielektrische Verbundelement herzustellen, hat sich gezeigt, daß das
dielektrische Verbundelement nach einer 10000-fachen
Laserschwingung zu keiner Bogenentladung führte, und daß auch die
Anzahl der Strahlen (Streamer), welche in die Glühentladung
gemischt waren, merklich geringer war.
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Derselbe Aufbau kann dazu verwendet werden, die
Wärmeleitfähigkeit des dielektrischen Elementes zu erhöhen. Ein bei den
herkömmlichen Lasergeräten inhärentes Problem in Bezug auf die
Wärmeleitfähigkeit wurde bereits oben beschrieben. Wenn ein
dielektrisches Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit
als die erste dielektrische Schicht 44 verwendet wird, und
wenn dann die zweite dielektrische Schicht 45 mit einer
höheren Wärmeleitfähigkeit (1 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹ oder größer) als die
erste dielektrische Schicht und mit einer größeren Dicke als
die erste dielektrische Schicht 44 auf diese erste
dielektrische Schicht 44 laminiert wird, wird die gesamte
Wärmeleitfähigkeit dieses dielektrischen Verbundelementes größer, wodurch
die Wärme in dem dielektrischen Element 46 gleichmäßig
verteilt werden kann, und das Problem der Bildung von Rissen in
dem dielektrischen Element aufgrund einer Wärmestörung ist
gelöst.
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Wenn das dielektrische Element aus einer Kombination aus
Quarzglas mit einer Dicke von 0,5 mm und Berilliumoxid mit
einer Dicke von 2 mm hergestellt wird, ergab sich, daß selbst
dann, wenn die Wiederholfrequenz der Laserschwingung auf 400
Hz erhöht wurde, keine Risse, wie oben erwähnt, erzeugt
wurden. Wenn die Wiederholfrequenz auf 600 Hz erhöht wurde,
traten Risse in dem dielektrischen Element auf. Der Grund für
diese Risse ist, daß das Quarzglas und das Berilliumoxid nicht
eng aneinander hafteten. Wenn das dielektrische Element mit
einem stärker aneinander haftenden Aufbau hergestellt wird,
kann es möglich sein, daß die Wiederholfrequenz der
Laserschwingung noch weiter erhöht werden kann.
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Für die erste dielektrische Schicht (in diesem Falle eine
Substanz mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, die jedoch
inaktiv gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser ist) kann die
Verwendung von Quarzglas oder Borsilikatglas (mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 0,014 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹), Natriumkarbonatglas,
Bleiglas und Aluminiumoxidporzellan (mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹) erwogen werden. Andererseits kann
für die zweite dielektrische Schicht (eine Substanz mit einer
höheren Wärmeleitfähigkeit) die Verwendung von Barilliumoxid
(BeO) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2,1 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹,
Diämant mit einer Wärmeleitfähigkeit von 9,0 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹, oder
Kohlenstoff mit Eigenschaften, die sehr nahe bei denen von
Diamant liegen, erwogen werden. Da Diamant oder Kohlenstoff
mit Eigenschaften, welche ähnlich denen von Diamant sind, eine
Wärmeleitfähigkeit von 9,0 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹ haben, die höher ist
als die der Metalle (Kupfer z.B. hat eine Wärmeleitfähigkeit
von ungefähr 4 W cm&supmin;¹ Grad&supmin;¹), und inaktiv gegenüber chemische
Reaktionen in dem Laser sind, kann dann, wenn ein Film aus
Diamant oder Kohlenstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie
Diamant als Beschichtung auf die Oberfläche des dielektrischen
Materials mit der hohen spezifischen Dielektrizitätskonstante
(siehe oben) aufgebracht wird, ein dielektrisches
Verbundelement erhalten werden, welches die drei charakteristischen
Eigenschaften: hohe spezifische Dielektrizitätskonstante, gute
Wärmeleitfähigkeit und Inaktivität gegenüber chemischen
Reaktionen in dem Laser hat. Es soll hier noch hinzugefügt werden,
daß der Diamant in Form eines Dünnfilms aufgebracht wird, was
im Hinblick auf die Herstellungskosten günstig ist.
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Fig. 27 zeigt ferner einen Aufbau, bei der zwei Schichten
direkt aufeinander laminiert (schichtverbunden) sind. Es sei
jedoch bemerkt, daß man auch eine Konstruktion wie die in
Fig. 28 gezeigte, verwenden kann, bei der die erste
dielektrische Schicht 44 die äußere Umfangsfläche der zweiten
dielektrischen Schicht 45 umgibt.
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Es ist ferner möglich, daß die erste dielektrische Schicht und
die zweite dielektrische Schicht wie das dielektrische
Verbundelement aus mehreren dielektrischen Materialien
zusammengesetzt sind.
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Fig. 29 zeigt eine Ausführungsform, welche darauf gerichtet
ist, daß das dielektrische Element in einem
entladungsangeregten Kurzimpuls-Lasergerät verwendet werden kann, in dem
Habgengas als das Lasergas verwendet wird.
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In Fig. 29 bezeichnet ein Bezugszeichen 47 das dielektrische
Element aus Aluminiumoxidporzellan, das derart ausgebildet
wurde, daß es die Hilfselektrode 14 umgibt. In der Zeichnung
bezeichnen dieselben Bezugszeichen die gleichen Komponenten
wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, und sie werden
hier nicht nochmals erläutert.
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Die Dicke des dielektrischen Elementes 47, welches zwischen
der Hilfselektrode 14 und der zweiten Hauptentladungselektrode
24 gehalten wird, ist im Fall der Verwendung von Quarzglas
8 mm. Es wurde jedoch überprüft, daß dann, wenn
Aluminiumoxidporzellan mit einer Reinheit von 99% verwendet wird, mit dem
dielektrischen Element über eine lange Zeitspanne selbst dann
günstige Isoliereigenschaften erzielt werden können, wenn
seine Länge auf 2 mm verkürzt wird. Wenn ferner eine Spannung,
welche über den Elektroden 14 und 24 angelegt wird, gleich
ist, kann man beobachten, daß das Aluminiumoxidporzellan mit
einer geringen Dicke eine starke Lichtintensität der
Hilfsentladung erzeugt, welche bei dem perforierten Bereich in der
zweiten Hauptentladungselektrode 24 erzeugt wird.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird Aluminiumoxidporzellan mit
einer extrem hohen dielektrischen Festigkeit und einer hohen
spezifischen Dielektrizitätskonstante verwendet, welches als
Hauptbestandteil Aluminiumoxid enthält, das mit Halogengas
nicht reagiert. Das dielektrische Element gemäß dieser
Ausführungsform erzielt daher bemerkenswerte Effekte, z.B. kann es
eine Hilfsentladung erreichen, die ausreichend für die
Erzeugung einer gleichmäßigen Hauptentladung ist, es kann über eine
lange Zeitspanne mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten, ohne daß
eine dielektrische Verschlechterung entsteht, und es kann
sogar die Lebensdauer des Lasergases verlängern.