DE3588088T2

DE3588088T2 - Entladungsangeregter Laser zur Erzeugung kurzer Pulse

Info

Publication number: DE3588088T2
Application number: DE19853588088
Authority: DE
Inventors: Kenyu Haruta; Hideki Kita; Haruhiko Nagai; Hajime Nakatani; Yukio Sato; Hitoshi Wakata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1985-10-02
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2005-10-03
Also published as: DE3588118D1; EP0637106B1; EP0542718A1; DE3588088D1; EP0542718B1; DE3588137D1; DE3588137T2; EP0637106A1; EP0543795B1; EP0543795A1; DE3588118T2

Description

Diese Erfindung betrifft eine entladungsangeregte Kurzpuls- Laservorrichtung gemäß dem ersten Teil des Anspruchs 1. Eine Laservorrichtung dieser Art ist aus DE-A-2 113 334 bekannt, welche eine geteilte Kathode in der Form von metallischen Schichten offenbart, die auf einem isolierenden Träger ausgebildet sind.
Um die Laseroszillation zu erreichen, ist eine notwendige Voraussetzung, daß eine räumlich gleichförmige Entladung in einem Lasermedium erzeugt wird.
Bei Kurzpuls-Lasern, wie einem Excimerlaser, einem TEA-CO&sub2;-Laser und dergleichen, tendiert die Entladung dazu, einen konvergierenden Lichtbogen zu bilden, da der Betriebsdruck mehrere Atmosphären groß ist. Um dies zu verhindern, war es eine übliche Praxis, eine Vorionisierung herbeizuführen, bei der Keimelektronen vorab gleichförmig in dem Hauptentladungsbereich vor einer solchen Hauptentladung verteilt werden.
Im folgenden werden Erläuterungen zu den herkömmlichen Methoden mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 der beigefügten Zeichnungen gegeben.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ultraviolett (UV)-Excimerlaservorrichtung mit Vorionisierung zeigt, wie sie z. B. in Sato et al., Electronics 1983 (Augustausgäbe), S. 881 offenbart ist. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Hochspannungs-Leistungsquelle, die Ziffer 2 bezieht sich auf einen Kondensator, die Ziffer 3 bezieht sich auf einen großen Widerstand, 4 bezeichnet eine Wicklung, 5 stellt einen Kondensator dar, 6a und 6b beziehen sich auf Vorionisierungsstifte, 7 auf eine Lücke, 8 auf eine Kathode, 9 auf eine Anode, 10 auf einen Hauptentladungsraum und 11 auf einen Schalter.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer TEA-CO&sub2;-Laservorrichtung, wie sie z. B. in J. Lachambre et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-9 Nr. 4 (1973), S. 459, M. Blanchard et al., Journal of Applied Physics, Bd. 45 Nr. 3 (1974), S. 1311 usw. offenbart ist, welche eine Verbesserung hinsichtlich der Beseitigung verschiedener Nachteile der vorangehend beschriebenen herkömmlichen Excimerlaservorrichtung ist, die nachfolgend genauer erläutert werden. Es sollte jedoch festgehalten werden, daß, da das Schaltungssystem der in Fig. 2 gezeigten Laservorrichtung identisch zu dem der Fig. 1 ist, seine Konstruktion etwas von den Laservorrichtungen abweicht, die in diesen technischen Literaturstellen offenbart sind. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 12 ein dielektrisches Element, die Ziffer 13 bezieht sich auf einen Kondensator, die Ziffer 14 bezieht sich auf eine Hilfselektrode, die Ziffer 15 bezeichnet eine Netzkathode und 16 einen Vorentladungsbereich.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konstruktion des Elektrodenabschnitts bei der TEA-CO&sub2;-Laservorrichtung zeigt, die z. B. in Y. Pan et al., The Review of Scientific Instruments, Bd. 43 Nr. 4, (1972), S. 662 gezeigt ist, welche eine modifizierte Ausführungsform der in der vorangehend genannten Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ist. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 17 eine Pyrex-Glasröhre, die Ziffer 18 bezeichnet eine Leitung, die Ziffer 19 steht für einen Vorentladungsraum, die Ziffer 20 für einen Leistungszuführabschnitt aus Kupfer, die Ziffer 21 bezeichnet einen Trägertisch aus einem Kunststoffmaterial und 22 ein isolierendes Element.
Fig. 4 ist eine weitere modifizierte Ausführungsform der Laservorrichtung in Fig. 2, bei der diejenigen Bestandteile, welche dieselben wie in Fig. 2 und 3 sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser herkömmlichen Laservorrichtungen erläutert.
In Fig. 1 wird elektrische Ladung, welche von der Hochspannungs-Leistungsquelle geliefert wird, zunächst in dem Kondensator 2 angesammelt. Als nächstes verschiebt sich die in dem Kondensator 2 angesammelte Ladung, wenn der Schalter 11 in den leitenden Zustand gebracht wird, zu dem Kondensator 5 über eine Stromschleife, die bei dem Kondensator 2 beginnt, durch den Schalter 11 läuft, dann durch die Anode 9 und die Vorionisierungsstifte 6b über eine Erdleitung läuft und zu dem Kondensator 2 über die Vorionisierungsstifte 6a, den Kondensator 5 und die Wicklung 4 zurückkehrt. Während der Verschiebung der elektrischen Ladung findet eine Lichtbogenentladung in einer sehr kleinen Lücke 7 zwischen den Vorionisierungsstiften 6a und 6b statt, durch welche die Ultraviolettstrahlen erzeugt werden. Mit diesen Ultraviolettstrahlen findet eine Photoionisierung in dem Hauptentladungsraum 10 statt (diese Photoionisierung wird nachfolgend "Ultraviolettstrahl-Vorionisierung" genannt), wodurch mehr als 10&sup4;-10&sup6; Elektronen pro cm³ gleichförmig dem Raum des Hauptentladungsbereichs 10 zugeführt werden, um das Wachstum von lokalen Streamern und die Lichtbogenentladung zur Zeit der Hauptentladung zu unterdrücken. Andererseits setzt sich auch während dieser Zeitdauer die Verschiebung der elektrischen Ladung zu dem Kondensator 5 fort und die Spannung zwischen der Kathode 8 und der Anode 9 wächst. Sobald diese Spannung die Durchschlagsspannung erreicht, erhält man eine räumlich gleichförmige Pulsentladung in dem Hauptentladungsbereich 10 durch die Auswirkungen der vorangehend genannten Vorionisierung.
Da die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Laservorrichtung dieselbe wie die der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist, wird der Arbeitsmechanismus bei der Vorionisierung nachfolgend erläutert. Bevor der Schalter 11 in den leitenden Zustand gebracht wird, gibt es im wesentlichen keine Potentialdifferenz zwischen der Netzkathode 15 und der Hilfselektrode 14. Sobald jedoch der Schalter 11 in den leitenden Zustand gebracht wird und elektrische Ladung beginnt, sich von dem Kondensator 2 zu dem Kondensator 5 zu verlagern, wird ein hohes elektrisches Feld zwischen der Netzkathode 15 und der Hilfselektrode 14 erzeugt, aufgrund dessen die Entladung in dem Vorentladungsraum 16 über das dielektrische Element 12 stattfindet, wobei dieser Entladungsprozeß im folgenden "Antennenvorentladung" (aerial predischarge) genannt wird. Die durch diese Entladung zu erzeugenden Ultraviolettstrahlen sind schwächer als die der Lichtbogenentladung wie in der obengenannten Fig. 1 gezeigt und der Effekt der Ultraviolettstrahl-Vorionisierung nimmt dementsprechend ab. Bei dieser herkömmlichen Ausführungsform läuft jedoch ein Teil der in dem Vorentladungsraum 16 erzeugten Elektronen eher durch die Netzkathode 15 und wird der Umgebung der Netzkathode 15 in dem Raumbereich des Hauptentladungsbereichs 10 zugeführt, bei denen man davon ausgeht, daß sie zu Keimelektronen zum Herbeiführen einer räumlich gleichförmigen Hauptentladung werden.
Fig. 3 ist eine modifizierte Form der Fig. 2, bei der die Hilfselektrode als Leitung 18 in der Pyrex-Glasröhre 17 als dem dielektrischen Element angeordnet ist, das auf den Kunststoff-Trägertisch 21 gehalten wird, und jede Leitung 18 ist mit dem Versorgungsabschnitt 20 aus Kupfer verbunden, um sie auf dem gleichen elektrischen Potential zu halten. Darüberhinaus weist die Kathode 8 eine dahingehende Konstruktion auf, daß sie eine Mehrzahl von Vorsprüngen aufweist, um es zu ermöglichen, daß die Antennen-Vorionisierung in dem Vorentladungsbereich 19 stattfindet. Der Arbeitsmechanismus ist ähnlich dem in der obengenannten Fig. 2 gezeigten.
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, welches das dielektrische Element 12 und die Hilfselektrode 14 in Fig. 2 zeigt, die durch die Glasröhre 14 und die Leitung 17 ersetzt worden sind. Der zugehörige Wirkungsmechanismus ist ähnlich zu dem der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform.
Nebenbei bemerkt beeinflußt bei der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten herkömmlichen Ausführungsform der Abstand zwischen der Kathode 8 oder der Netzkathode 15 und der Glasröhre 17 oder dem dielektrischen Element 12 (dieser Abstand wird im folgenden "Dicke des Vorentladungsbereichs" genannt) die dem Vorentladungsbereich 19 oder 16 zuzuführende elektrische Leistung und die Dicke als solche bestimmt das Volumen des Vorentladungsbereichs 16 oder 19 mit der Folge, daß sie einen wichtigen Faktor zum Bestimmen der Anzahl von Elektronen pro Einheitsfläche, bezogen auf eine Ebene parallel zu der obengenannten Kathode, bildet.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist es übliche Praxis, einen Vorentladungsbereich 16 mit einer ziemlich kleinen Dicke, verglichen mit dem Abstand zwischen der Kathode 9 und der Netzkathode 15, vorzusehen. Obwohl bisher noch keine Fälle berichtet wurden, in denen der Einfluß dieser Dicke des Vorentladungsbereichs 16 quantitativ gemessen wurde, kann man sehen, daß eine im folgenden genannte Tendenz vorhanden ist. Das heißt, daß dann, wenn die Dicke des obengenannten Vorentladungsbereichs 16 klein wird, die Anfangsspannung der Antennenvorentladung mit der Folge gering wird, daß die Einschaltleistung für den obengenannten Raumbereich 16 gering wird. Dementsprechend ist es nötig, dem Vorentladungsbereich 16 ein bestimmtes Maß an Dicke zu verleihen, wenn ein zufriedenstellender Vorionisierungseffekt erreicht werden soll. Da jedoch bevorzugtermaßen das Verhältnis der für die Vorentladung verbrauchten Leistung zu der für die Hauptentladung verbrauchten Leistung unter dem Gesichtspunkt des Leistungsgrads des Lasers auf dem minimal möglichen Wert gehalten werden sollte, sollte die Dicke des obengenannten Vorentladungsbereichs vorzugsweise ausreichend klein, verglichen mit dem Abstand zwischen der Anode 9 und der Netzkathode 15 (dieser Abstand wird im folgenden "Länge der Hauptentladungslücke" genannt) gehalten werden.
Die in Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform weist entsprechend eine dahingehende Konstruktion auf, daß der Vorentladungsbereich 19 zwischen der Glasröhre 17 und der Kathode 8 oder der Netzkathode 15 vorgesehen ist.
Im folgenden werden detailliertere Erläuterungen hinsichtlich des Vorionisierungsmechanismus der herkömmlichen Laservorrichtungen gegeben, die in den Fig. 2 bis 4 gezeigt sind.
Anders als bei der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Ausführungsform führen diese bislang bekannten Laservorrichtungen die Keimelektronen zum Herbeiführen der räumlich gleichförmigen Hauptentladung nur in der Nähe der Kathode zu, während sie sie nicht gleichförmig in dem gesamten Raumbereich für den Hauptentladungsbereich 10 zuführen. Die Wirksamkeit dieses Systems kann wie folgt erklärt werden. Das heißt, daß es zum Unterdrücken der Lichtbogenentladung nur ausreicht, daß eine lokale Entwicklung von Streamern durch die Auswirkung des Raumladungsfeldes unterdrückt wird, wie dies bereits z. B. in J.I. Levatter et al., Journal of Applied Physics, Bd. 51, Nr. 1 (1980), S. 210 berichtet wurde. Daher werden die Keimelektroden von der Kathode 9 angezogen, um eine Elektronenlawine 23 zu bilden, wenn die Keimelektronen in der Nähe der Kathode zugeführt werden. Ein Überlappen dieser Elektronenlawinen 23 würde jedoch früher oder später die lokale Abstufung des Raumladungsfelds beseitigen, um dadurch die Streamer an einer Beschleunigung hindern zu können.
Daraus folgt, daß man einen großen Vorionisierungseffekt mit einer möglichst großen Anzahl von Keimelektronen pro Einheitsfläche, bezogen auf eine Ebene parallel zu der versorgten Kathode, erhält.
Die herkömmliche entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau weist mehrere problematische Punkte auf, die im folgenden erwähnt werden sollen.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist so konstruiert, daß die Vorionisierung durch die Ultraviolettstrahlen von beiden Seiten der Hauptelektroden 8 und 9 herbeigeführt wird. Bei dieser Konstruktion ist jedoch die Eindringtiefe der Ultraviolettstrahlen begrenzt, was das Vergrößern der Breite des Hauptentladungsbereichs 10 erschwert. Bei einem Excimerlaser könnte z. B. nur ein Laserstrahl mit einem rechteckigen Querschnitt von 6 mm bis 8 mm · 20 mm bis 25 mm entnommen werden.
Die in Fig. 2 gezeigte herkömmliche Laservorrichtung bildet eine verbesserte Konstruktion, die zum Lösen der oben beschriebenen Problempunkte vorgesehen ist, wodurch es möglich ist, die Breite des Hauptentladungsbereichs 10 aufgrund des Herbeiführens der Vorentladung von der rückwärtigen Oberfläche der Netzkathode 15 aus zu vergrößern. Wie vorangehend erwähnt wurde, ist bei dieser Art einer herkömmlichen Vorrichtung im Normalzustand die Netzkathode 15 in einem gewissen Abstand von dem dielektrischen Element 12 vorgesehen, der 3 mm bei dem Beispiel beträgt, das von M. Blanchard et al. in Journal of Applied Physics, Bd. 45, Nr. 3 (1974), S. 1311 berichtet wurde. Auch diese Art einer Laservorrichtung weist die folgenden Problempunkte (a) und (b) auf.
(a) Es ist offensichtlich unter dem Gesichtspunkt des Vorionisierungseffekts vorteilhaft, daß möglichst viele der Elektronen, die in dem Raum zwischen der Netzkathode 15 und dem dielektrischen Element 12 erzeugt werden, dazu gebracht werden, durch die Netzkathode 15 hindurchzulaufen und dem Hauptentladungsbereich zugeführt zu werden. Daher wächst die Eingangsdichte der Antennenvorentladung, wenn die Dicke des Vorionisierungsbereichs 16 so klein wie möglich gemacht wird, d. h. wenn das Volumen des Vorionisierungsbereichs 16 klein gemacht wird, und die Anzahl der Elektronen, die pro Einheitsfläche, bezogen auf eine Ebene parallel zu der Netzkathode 15, erzeugt werden, wächst und weiterhin nimmt der Anteil der erzeugten Elektronen, die durch eine Kollision mit Molekülen gestreut werden, bis sie die Netzkathode 15 erreichen, oder der Anteil der erzeugten Elektronen, die durch Rekombination mit Ionen "gelöscht" werden, wünschenswerterweise ab. Wie jedoch bereits mit Bezug auf die herkömmlichen Laservorrichtungen erklärt wurde, ist es unmöglich, bei der Antennenvorentladung die Dicke des Vorionisierungsbereichs 16 zu verringern und dabei die Einschaltleistung unverändert zu lassen (oder zu vergrößern).
(b) Wenn die Pulsoszillation des Lasers mit einer hohen Wiederholungsgeschwindigkeit erzeugt wird, wird die Kathode 15 durch Kollision von Ionen mit der Kathode aufgeheizt, weswegen die Strahlung dieser erzeugten Wärme ein wichtiger Faktor wird. Da der Raum zwischen der Netzkathode 15 und dem dielektrischen Element 12 schmal ist und sich in einem Zustand befindet, in dem dort im wesentlichen keine Konvektion vorliegt, findet ein Wärmeaustausch nur auf der Grundlage des Temperaturgradienten statt. Dementsprechend sollten die Netzkathode 15 und das dielektrische Element 12 vorteilhafterweise einander so nahe wie möglich gebracht werden, was jedoch unausweichlich zu dem Problem der Verringerung der Einschaltleistung für die obengenannte Antennenvorentladung führt.
Auch bei der in Fig. 4 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung gibt es ähnliche Probleme. Bei der in Fig. 3 gezeigten beispielhaften Vorrichtung haben die Elektronen, welche durch die Antennenvorentladung erzeugt werden, eine Form, die ohne weiteres zugeführt werden kann. Es gab jedoch verschiedene problematische Punkte wie den, daß Unregelmäßigkeiten in der Längsrichtung der Kathode 8 auftreten, d. h. solche Stellen, an denen die Antennenvorentladung leicht stattfindet und solche Stellen, an denen eine solche Vorentladung schwer stattfindet, da es praktisch schwierig ist, die Projektionen in der Kathode 8 und der Pyrex-Glasröhre 17 in einer genau parallelen Anordnung entlang der gesamten Längsrichtung der Kathode 8 zu halten und die Leitung 18 sich gerade durch das Zentrum der Pyrex-Glasröhre 17 erstrecken zu lassen, oder daß der Aufbau der Kathode als solcher kompliziert ist, so daß ihre Herstellung schwierig ist.
Die vorliegende Erfindung geschah auf der Grundlage des Konzepts, daß bei einer entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung, bei der die Vorentladung mit Hilfe eines dielektrischen Elements herbeigeführt wird, der eine Faktor, die Dicke des Raumes für die Vorentladung, und der andere Faktor, die Einschaltleistung für die Vorentladung, die bei der herkömmlichen Antennenvorentladung nicht zu trennen waren, unabhängig voneinander gemacht werden, wodurch die Vorentladung in einem Raum mit sehr kleiner Dicke an der Oberfläche des dielektrischen Elements erzeugt wird. Genauer besteht das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, darin, eine Kurzpuls-Laservorrichtung mit einer einfachen Ionisierungskonstruktion zu schaffen, die zu einem Laserstrahl mit großem Durchmesser bei hoher Sicherheit und hoher Zuverlässigkeit aufgrund der Erzeugung einer Vorentladung mit einer gleichförmigen, hohen Leistungsdichte an der Oberfläche des dielektrischen Elements über dem Teil, der dem Hauptentladungsbereich entspricht, fähig ist.
Dieses Problem wird durch Anspruch 1 gelöst.
Verschiedene Arten, die Erfindung auszuführen, werden im einzelnen nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche verschiedene konkrete Ausführungsformen illustrieren und von denen
Fig. 1 u. Fig. 2 jeweils Querschnittsansichten sind, welche die herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtungen zeigen,
Fig. 3 u. Fig. 4 jeweils Querschnittsansichten sind, welche die Hauptelektrodenabschnitte der herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtungen zeigen,
Fig. 5 ein schematisches Diagramm ist, welches die entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 6a u. Fig. 6b eine Querschnittsansicht bzw. eine schematische Draufsicht sind, welche den Kathodenabschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist,
Fig. 7a u. Fig. 7b eine Querschnittsansicht bzw. eine schematische Draufsicht sind, welche den Kathodenabschnitt entsprechend einer zweiten Ausführungsform zeigen, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist,
Fig. 8 eine Querschnittsansicht ist, welche den Hauptelektrodenabschnitt gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, die nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist,
Fig. 9a u. Fig. 9b eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht sind, welche den Zustand einer Gleitentladung zeigen,
Fig. 10 eine Querschnittsansicht ist, welche den Zustand der Hauptentladung in der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, deren Hauptteil in Fig. 6 gezeigt ist,
Fig. 11 eine schematische Draufsicht ist, welche eine mit Öffnungen versehene Elektrode gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt, welche alle Merkmale der vorliegenden Erfindung wie beansprucht aufweist,
Fig. 12 eine schematische Draufsicht ist,,die eine weitere mit Öffnungen versehene Elektrode gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt, welche alle Merkmale der vorliegenden Erfindung wie beansprucht aufweist,
Fig. 13 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht ist, welche den Elektrodenabschnitt gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt,
Fig. 14 eine der Erläuterung dienende Skizze für den Zustand der Vorionisierung und der Hauptentladung in dem Elektrodenabschnitt in Fig. 13 ist,
Fig. 15a eine Draufsicht des zweiten Hauptelektrodenabschnitts gemäß einer siebten Ausführungsform, von dem Hauptentladungsbereich aus gesehen, ist,
Fig. 15b eine der Erläuterung dienende Skizze für den Zustand der Vorionisierung und der Hauptentladung bei dem Elektrodenabschnitt in Fig. 5a ist,
Fig. 16 eine Querschnittsansicht der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform ist,
Fig. 17a eine Querschnittsansicht ist, die eine abgewandelte Ausführungsform nach Fig. 16 zeigt,
Fig. 17b eine Draufsicht ist, welche den Hauptteil der abgewandelten Ausführungsform in Fig. 17a zeigt,
Fig. 18 eine graphische Darstellung ist, welche in einem Vergleich die Laserintensitätsverteilung bei der herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung und bei der achten Ausführungsform zeigt,
Fig. 19 eine Querschnittsansicht der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform ist,
Fig. 20 eine graphische Darstellung ist, welche die Feldstärkeverteilung in einem Vergleich zwischen der herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls- Laservorrichtung und der neunten Ausführungsform zeigt,
Fig. 21 eine graphische Darstellung ist, welche die Feldstärkeverteilung in einem Vergleich zwischen der herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung und der neunten Ausführungsform zeigt,
Fig. 22a eine Querschnittsansicht ist, welche eine zehnte Ausführungsform zeigt,
Fig. 22b eine Querschnittsansicht des Hauptteils der in Fig. 22a gezeigten Laservorrichtung entlang der Linie I-I ist,
Fig. 23 eine Querschnittsansicht ist, welche eine elfte Ausführungsform zeigt,
Fig. 24 eine Querschnittsansicht ist, welche die Wärmeabstrahlrippen gemäß der zwölften Ausführungsform zeigt,
Fig. 25 eine Querschnittsansicht ist, welche die entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß einer dreizehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 26 eine Querschnittsansicht ist, welche eine vierzehnte Ausführungsform zeigt,
Fig. 27 eine Querschnittsansicht ist, welche einen Teil des Elektrodensystems einer fünfzehnten Ausführungsform zeigt,
Fig. 28 eine Querschnittsansicht ist, welche einen Teil des Elektrodensystems einem abgewandelten Ausführungsform zeigt und
Fig. 29 eine Querschnittsansicht des Elektrodenabschnitts gemäß einer sechzehnten Ausführungsform ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun im einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche mehrere bevorzugte Ausführungsformen darstellen.
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet wird. In der Zeichnung sind diejenigen Bestandteile, welche identisch mit denen in Fig. 1 und 2 sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Weiterhin wird in den folgenden Erläuterungen die erste Hauptelektrode als Anode gewählt, während die zweite Elektrode als Kathode gewählt wird, obwohl das Umgekehrte auch möglich ist.
In Fig. 5 bezeichnet die Bezugsziffer 24 eine von zwei Hauptelektroden (welche im folgenden "mit Öffnungen versehene Elektrode" genannt wird). Die Ziffer 9 bezieht sich auf eine Anode als Gegen-Hauptelektrode, welche gegenüber der obengenannten mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 des obengenannten Paars von Elektroden angeordnet ist. Die Ziffer 14 bezieht sich auf eine Hilfs- (oder Bezugs-) Elektrode. Die Bezugsziffer 12 bezeichnet ein dielektrisches Element, welches an die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 anstoßend angeordnet ist, während die Hilfselektrode 14 auf der Oberfläche des dielektrischen Elements gegenüber der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 angeordnet ist, so daß sie der mit Öffnungen versehenen Elektrode gegenübersteht. Die Ziffer 28 bezieht sich auf einen Wärmetauscher, die Ziffer 29 bezieht sich auf eine Fluidführung und 30 bezeichnet einen Ventilator. Die obengenannten Elektroden 9, 14, 24, der Wärmetauscher 28, die Fluidführung 29, der Ventilator 30 usw. sind in einem Lasergehäuse 31 untergebracht. Die Ziffer 32 bezieht sich auf ein isolierendes Element, 33 auf einen Hauptentladungsbereich und 34 auf einen Gasstrom.
Die Fig. 6a und 6b sind eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht, welche im einzelnen die zweite Hauptelektrode (oder die mit Öffnungen versehene Elektrode) gemäß der ersten Ausführungsform zeigen. In der Zeichnung bezeichnet die Ziffer 24 ein elektrisch leitendes Material mit mehreren Öffnungen 25, d. h. die mit Öffnungen versehene Elektrode. Die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 und das dielektrische Element sind in engem Kontakt miteinander angeordnet. Weiterhin ist die Hilfselektrode 14 auf der Rückseite der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 derart angeordnet, daß sie der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 über das dielektrische Element 12 gegenüberliegt. Bei dieser dargestellten Ausführungsform ist die Hilfselektrode 14 in dem Inneren des dielektrischen Elements 12 eingebettet. In diesem Fall ist mit der Rückseite oder der rückwärtigen Oberfläche der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 die Oberfläche gemeint, welche auf der anderen Seite bezüglich der Oberfläche liegt, welche der Anode gegenübersteht. Nebenbei bemerkt wird bei dieser Ausführungsform Aluminiumoxid für das dielektrische Element 12 verwendet und die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 hat die Form einer elektrisch leitenden Schicht, die durch Metallisieren dieses dielektrischen Elements 12 aus Aluminiumoxid mit Nickel bis zu einer Dicke von 50 µm erzeugt wird. Die Öffnungen 25 werden durch Ätzen gebildet.
Für das Schaltungssystem wurde das Kapazitätsverschiebungssystem verwendet, wie dies bei der in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Laservorrichtung der Fall ist. Wie mit Bezug auf die herkömmliche entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung erläutert wurde, wird eine Spannung zwischen der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 und der Hilfselektrode 12 erzeugt, während die Kapazität sich zwischen den zwei Kondensatoren verschiebt und die Spannung zwischen den Hauptelektroden anwächst, mit der Folge, daß eine Gleitentladung 26 an den Öffnungen 25 der Kathode 24 und an der Oberfläche des dielektrischen Elements 12 stattfindet. Diese Gleitentladung 26 tritt in der Richtung entlang der Oberfläche des dielektrischen Elements 12 auf und die Größe ihrer Ausdehnung wird durch die an die Entladungslücke angelegte Spannung bestimmt (die Spannung, die vorangehend als "Haltespannung" (maintenance voltage) definiert wurde, welche von der Spannung verschieden ist, die zwischen der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 und der Hilfselektrode 14 angelegt ist).
Dementsprechend kann die Haltespannung auf ein solches Niveau erhöht werden, daß die Gleitentladung 26 die Öffnungen 25 ausfüllt und sie hängt nicht von der Dicke der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 ab (diese Dicke entspricht im wesentlichen der Dicke der Gleitentladung 26). Infolgedessen kann die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 bei dieser Ausführungsform 20 µm dünn ausgeführt werden und dennoch kann eine ausreichende elektrische Leistung der Vorentladung (in diesem Fall der Gleitentladung) zugeführt werden. Verschiedene Bedingungen für die Arbeit mit der Gleitentladung sind in der folgende Tabelle 1 dargestellt und eine Skizze des Entladungszustands ist in Fig. 10 dargestellt. Tabelle 1 Gaszusammensetzung Gasdruck Kapazität des Kondensators Ladespannung bei Kondensator Fläche der mit Öffnungen versehenen Kathode Länge der Lücke der Hauptentladung Durchmesser der Öffnung Dicke der mit Öffnungen versehenen Kathode
In diesem Fall betrug der Spitzenstrom bei der Vorentladung 1,2 A/cm². Wie aus der Illustrationszeichnung hervorgeht, konnte eine klare Glimmentladung ohne eine Beimischung einer Fadenentladung erreicht werden.
Bei den veröffentlichten Beispielen eines herkömmlichen entladungsangeregten Excimerlasers wies die erzeugte Entladung eine Breite des Hauptentladungsbereichs 10 auf, die kleiner als die Länge der Lücke der Hauptentladung war. Im Gegensatz hierzu konnte eine Breite des Hauptentladungsbereichs 10 von 22 mm, welche ungefähr 1,5 mal größer als die Länge der Lücke (15 mm) bei der Hauptentladung ist, gemäß dieser Ausführungsform in dem Heliumpuffer erreicht werden. Die Effektivität des Vorionisierungssytems gemäß der vorliegenden Erfindung ist damit bewiesen.
Weiterhin ist die Wärmeabstrahlung der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 größer als diejenige bei der herkömmlichen Vorrichtung, da die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 und das dielektrische Element 12 sich in einer eng aneinanderhaftenden Beziehung befinden, was dazu beiträgt, das Problem bei den herkömmlichen Vorrichtungen zu lösen, daß die Lichtbogenentladung durch die unregelmäßige Länge der Lücke für die Hauptentladung erzeugt wird, was durch das Durchhängen und die Wellenbildung bei der herkömmlichen Netzelektrode durch Erhitzen auf Rotglut herbeigeführt wird.
Weiterhin ist die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 nicht nur einfach aufgebaut, sondern es ist auch aufgrund ihres Aufbaus möglich, ihre Dicke und damit die Dicke der Gleit-Vorentladung 26 mit hoher Präzision in Einheiten von Mikrometern (µm) festzulegen. Weiterhin ist es nicht länger nötig, die räumliche Anordnung der drei Elemente, des dielektrischen Elements und des Paars von Hauptelektroden, zu berücksichtigen, wie dies der Fall bei den herkömmlichen Laservorrichtungen ist; vielmehr ist es ausreichend, daß lediglich die relative Position entweder des dielektrischen Elements und der Anode oder der mit Öffnungen versehenden Elektrode und der anderen Hauptelektrode festgelegt wird, was ein Vorteil der vorliegenden Erfindung beim Herstellen der Laservorrichtung ist.
Die Fig. 7a und 7b sind eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht, welche den Kathodenabschnitt gemäß der zweiten Ausführungsform zeigen. Die Kathode ist bei dieser Ausführungsform identisch mit der in Fig. 6a und 6b gezeigten und weist denselben resultierenden Effekt auf, außer daß für die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 ein Metallgitter mit einer Dicke von 1 µm bis 3 mm (bei dieser Ausführungsform beträgt sie 100 µm) verwendet wurde und daß die Hilfselektrode 14 fest an der Oberfläche, an der die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 fest anhaftet, entgegengesetzten Oberfläche des dielektrischen Elements 12 fest anhaftete.
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, welche den Hauptelektrodenabschnitt der dritten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 und das dielektrische Element 12 in einer konvexen oder zu der Anode 9 hin ausgebeulten Form ausgebildet, wofür Repräsentanten z. B. die Rogowski-Elektrode oder die Chang-Elektrode sind, so daß die Feldstärke in der Nähe der Oberfläche der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 graduell mit der Entfernung von dem Zentralteil der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 abgebaut wird, wodurch die Bildung eines Lichtbogens aufgrund der Konzentration des elektrischen Felds an dem Ende der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 verhindert werden kann.
Im übrigen wird bei der in den Fig. 6a und 6b gezeigten Ausführungsform ein Schaltkonzept von dem Typ mit einer Kapazitätsverschiebung verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Typ allein beschränkt, sondern kann jeden Typ verwenden, wie den Typ mit LC-Umpolung, dem Blümlein-Typ, den PFN-Typ usw. Sie kann auch ohne weiteres einen Typ verwenden, bei dem das Schaltsystem der Gleitentladung in das Schaltsystem der Hauptentladung integriert ist, oder einen Typ, bei dem beide Schaltsysteme voneinander unabhängig sind.
Weiterhin illustriert Fig. 6 ein Beispiel, bei dem die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 durch Metallisieren von Nickel auf eine Aluminiumoxidbasis hergestellt wird, wobei dann die Öffnungen 25 durch Ätzen der mit Nickel metallisierten Aluminiumoxidbasis gebildet werden. Es soll jedoch angemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Herstellungsverfahren beschränkt ist, sondern daß natürlich jedes andere Verfahren ohne weiteres verwendet werden kann, z. B. das Verbinden oder Druckverbinden eines gestanzten Metalls mit dem dielektrischen Element 12.
Weiterhin ist das Material des dielektrischen Elements 12 nicht auf Aluminiumoxid beschränkt; vielmehr können verschiedene andere Materialien, wie z. B. Keramiken, Glas usw., verwendet werden. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die Erhöhung der Einschaltleistung für die Gleitentladung umso größer sein wird, je größer die dielektrische Konstante des dielektrischen Elements 12 ist und je kleiner seine Dicke ist, was unter dem Gesichtspunkt des Betriebs der Laservorrichtung günstig ist.
Weiterhin haftet bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Hilfselektrode 14 an dem dielektrischen Element 12 fest an, obwohl die Hilfselektrode 14 und das dielektrische Element 12 gegebenenfalls voneinander beabstandet angeordnet sein können. Wenn sie voneinander beabstandet sind, besteht jedoch die Möglichkeit, daß eine Verlustentladung zwischen der Hilfselektrode 14 und dem dielektrischen Element 12 stattfindet, so daß es vorzuziehen 10 ist, daß die Hilfselektrode bei ihrem Gebrauch fest an dem dielektrischen Element 12 wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform anhaftet. In diesem Fall kann die Hilfselektrode 14 auch so konstruiert sein, daß ein dielektrischer Film an ihrer Oberfläche ausgebildet ist.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Form der Öffnung 25 kreisförmig oder rechtwinklig ausgebildet. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung die Form der Öffnung 25 in keiner Weise auf diese Formen allein beschränkt ist.
Weiterhin ist ein struktureller Faktor, der die Gleitentladung 26 beeinflußt, der Öffnungsdurchmesser der Öffnung 25 und eine struktureller Faktor, welcher mit der Leistungsdichte der Gleitentladung 26 in Beziehung steht, ist die Dicke der mit Öffnungen versehenen Elektrode. Angesichts des Effektes der vorliegenden Erfindung, daß der Durchmesser der Öffnung 25 (der Faktor zum Bestimmen der maximalen Haltespannung) und die Dicke der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 (der Faktor zum Bestimmen der Dicke des Vorentladungsbereichs) unabhängig voneinander festgelegt werden können, so daß den Elektroden ein optimaler Vorionisierungseffekt mit Hilfe der Gleitentladung 26 als Vorentladung zugute kommt, beinhaltet die vorliegende Erfindung in keiner Weise das Auferlegen einer Beschränkung bezüglich dieser zwei strukturellen Faktoren. Was die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 jedoch angeht, kann es nötig sein, über eine Dicke von 1 µm oder mehr zu verfügen, weil die Elektrode dem Aufprall von Ionen während der Hauptentladung ausgesetzt ist und ihre Lebensdauer verkürzt wurde, wenn sie zu dünn ist. Andererseits sollte sie vorzugsweise 3 mm oder weniger betragen, weil die Dichte der Einschaltleistung für die Gleitentladung 26 gering wird, wenn die Elektrode zu dick ist, und eine solche Dicke würde verhindern, daß die Keimelektronen dem Hauptentladungsbereich zugeführt werden.
Ein praktischer Dickenbereich der mit Öffnungen versehenen Elektrode sollte vorzugsweise in einem Bereich von 10 µm bis 2 mm liegen.
Wie vorangehend erwähnt wurde, besteht gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die zweite Hauptelektrode (d. h. die mit Öffnungen versehene Elektrode) aus einem elektrisch leitenden Material und besitzt eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen. Weiterhin ist sie so konstruiert, daß sie die Elektronen verteilt, welche den Keim für die zwischen den Hauptelektroden zu erzeugende Hauptentladung bilden sollen, indem die mit Öffnungen versehene, Elektrode und das dielektrische Element in engem Kontakt miteinander angeordnet werden und die Gleitentladung auf der Oberfläche des dielektrischen Elements erzeugt wird, so daß die Einschaltleistung der Vorentladung und die Dicke des Vorentladungsbereichs als getrennte und unabhängige Faktoren behandelt werden können, so daß es möglich wird, die Vorentladung auf der Oberfläche des obengenannten dielektrischen Elements mit einer Einschaltleistung hoher Dichte zu erzeugen, wodurch eine gleichförmige Glimmentladung über den weiten Bereich der Hauptentladung erzeugt werden kann. Infolgedessen können sich verschiedene Auswirkungen hinsichtlich der Verbesserung der Zuverlässigkeit der Laservorrichtung zeigen, z. B. daß der Laserstrahldurchmesser und der Laserausgang erhöht werden können, der Aufbau der Elektrode einfach wird, die Wärmeabstrahlung von der obengenannten Kathode leicht vonstatten gehen kann, die Laservorrichtung beständig gegen rasche und wiederholte Laseroszillationen ist usw.
Nachfolgend wird die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 11 erläutert. In der Zeichnung ist die Position der Öffnungen 25, die in der gesamten Oberfläche der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 ausgebildet sind, so festgelegt, daß, wenn willkürliche gedachte Linien parallel zu der Achse des Laserstrahls auf der Oberfläche der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24, die eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, gelegt werden, die gedachten Linien durch die Mehrzahl von Öffnungen 25 laufen. Zum Beispiel sind solche Öffnungen 25 in einer versetzten Form angeordnet.
Im Fall der mit Öffnungen versehenen Elektrode, bei der die Öffnungen wie in Fig. 6a und 6b gezeigt angeordnet sind, würde z. B. der nachfolgend erwähnte Nachteil auftreten. Das heißt, daß ein dunkler Abschnitt an einer Stelle beobachtet werden kann, durch die der Laserstrahl hindurchläuft, wenn der Laserstrahl auf einen photographischen Film zum Untersuchen des Musters des Laserstrahls zum Zweck des Beobachtens des Zustands der Hauptentladung bei den beiden Hauptelektroden der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung in der Richtung der optischen Achse des Lasers eingestrahlt wird. Dies zeigt an, daß der Laserstrahl selbst eine Unregelmäßigkeit der Intensität aufweist, was die Qualität des Laserstrahls beeinträchtigt. Weiterhin wird unter solchen Bedingungen, unter denen die Gasströmungsrate klein ist oder das Lasermedium in dem Hauptentladungsbereich 33 nicht in ausreichendem Maß zwischen einer Pulsentladung und der nachfolgenden Pulsentladung ersetzt werden kann, das Lasermedium in dem Bereich der Hauptentladungssäule aufgeheizt; es wird jedoch nicht in dem dunklen Abschnitt aufgeheizt, weshalb die Temperaturverteilung in dem obengenannten Hauptentladungsbereich 33 extrem ungleichförmig wird. Daher würden ungünstige Ergebnisse begünstigt, z. B. unter anderem, daß der Divergenzwinkel des Laserstrahls deutlich aufgrund der Änderung der Brechung wegen des Unterschiedes in der Gasdichte wächst oder daß weiterhin die nachfolgende Pulsentladung die Lichtbogenentladung wird.
Daher können durch das Anordnen der Öffnungen 25 in einer versetzten Form wie vorangehend erwähnt die Entladungssäulen versagensfrei in einen überlappenden Zustand, in der Richtung der Laserstrahlachse gesehen, kommen, weshalb keine Unregelmäßigkeit der Intensität des Laserstrahls mehr beobachtet wird.
Im folgenden wird die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erindung mit Bezug auf Fig. 12 erläutert. In dieser Ausführungsform sind die Öffnungen 25 so angeordnet, daß die Entladungssäulen auch in der Richtung senkrecht zu der Richtung der Laserstrahlachse überlappend sein können. Genauer ist die Position der Öffnungen so festgelegt, daß dann, wenn willkürliche gedachte Linien parallel zu der Laserstrahlachse und willkürliche gedachte Linien, welche die Laserstrahlachse orthogonal schneiden, auf der Oberfläche der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24, die eine Mehrzahl von Öffnungen 25 aufweist, gelegt werden, beide gedachten Linien durch die Öffnungen 25 laufen.
Wenn die obengenannten Öffnungen 25 wie in Fig. 11 gezeigt angeordnet sind, kann ein Laserstrahl hoher Qualität in der Richtung 35 des Laserstrahls erreicht werden, da die Entladungssäulen sich in dieser Richtung überlappen. In der Richtung, welche die Richtung 35 der Laserstrahlachse orthogonal schneidet, findet jedoch keine Überlappung der Entladungssäulen statt, was zur Folge hat, daß dunkle Abschnitte zwischen benachbarten Reihen von Entladungssäulen gebildet werden. Während diese dunklen Abschnitte nicht direkt die Qualität des Laserstrahls beeinflussen, verkürzen sie die Länge des Erregungsabschnitts (ein Abschnitt, welcher zu der Laserwirkung beiträgt) erheblich, wodurch der Laserausgang sich verringert.
Indem die Öffnungen 25 in einer Weise angeordnet werden, daß die Entladungssäulen einander nicht nur in der Richtung 35 der Laserstrahlachse, sondern auch in der Richtung, welche die Richtung der Laserstrahlachse orthogonal schneidet, überlappen, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist, wird es möglich, eine Verringerung des Laserausgangs zu verhindern und ebenfalls einen Laserstrahl hoher Qualität zu erhalten.
Bei der vorangehend beschriebenen vierten und fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Entladungssäulen dazu gebracht, einander zu überlappen, indem die Öffnungen 25 in versetzter Form angeordnet werden. Es ist auch möglich, daß diese Entladungssäulen zur Überlappung gebracht werden, indem diese Öffnungen 25 mit einem geringen Abstand zwischen ihnen angeordnet werden. Da jedoch die Ausdehnung der Entladungssäulen erheblich von den Entladungsbedingungen, dem Gasdruck und der Gaszusammensetzung abhängt, kann es von Zeit zu Zeit geschehen, daß die dunklen Abschnitte auftreten, wenn diese Bedingungen sich ändern, auch wenn die Entladungssäulen einander unter bestimmten Bedingungen überlappen. Daher ist es durch das Anordnen der Öffnungen 25 in der versetzten Form wie vorangehend erwähnt möglich, die Entladungssäulen höchst einfach und genau zur Überlappung zu bringen.
Da die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 mehrere Öffnungen 25 aufweist, kann eine Metallplatte oder ein Metallnetz mit einer Dicke von 1 µm bis 3 mm verwendet werden.
Weiterhin ist die Form der Öffnungen 25 nicht auf einen Kreis beschränkt, sondern jede Form kann verwendet werden, vorausgesetzt, daß das Überlappen der Entladungssäulen mit einer guten Effizienz erreicht werden kann.
Fig. 13 illustriert die sechste Ausführungsform. Die entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist so konstruiert, daß die Oberfläche der zweiten Hauptelektrode (mit Öffnungen versehene Elektroden) 24 gegenüber der ersten Hauptelektrode 9 und die Seitenoberfläche 25a der Öffnung 25 miteinander durch eine gekrümmte Oberfläche verbunden sind. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 12 das dielektrische Element und die Bezugsziffer 14 bezeichnet die Hilfselektrode.
Bei der sechsten Ausführungsform wird eine Lawinenentladung wie in Fig. 14 gezeigt erzeugt, wenn eine Hochspannung zwischen der ersten Hauptelektrode 9 und der zweiten Hauptelektrode 24 angelegt wird, wobei Elektronen den Keim für die Entladung bilden, um dadurch die Hauptentladung 33 zu bilden. Da die Oberfläche 24a der zweiten Hauptelektrode 24 gegenüber der ersten Hauptelektrode 9 und die Seitenoberfläche 25a der Öffnung miteinander durch eine gekrümmte Oberfläche verbunden sind (mit anderen Worten ist die eckige Kante der Öffnung 25 abgerundet, um die Feldstärke zu verringern), wird in diesem Moment keine lineare starke Entladung wie bei der herkömmlichen Laservorrichtung erzeugt und eine gleichförmige Entladung kann leicht erreicht werden. Bei einer Anwendung der vorliegende Erfindung auf einen TEA-CO&sub2;-Laser konnte man immer noch die gleichförmige Entladung erreichen, auch wenn die Menge des Helium-Puffergases auf 80% bis 50% dessen verringert wurde, was bei herkömmlichen Laservorrichtungen verwendet wurde, und die Menge an Energie, welche in die Gleitentladung 36 gesteckt wurde, wurde zu 1% oder weniger der Energiemenge gemacht, die in die Hauptentladung 33 gesteckt werden muß, wodurch die Effektivität der vorliegenden Erfindung bewiesen werden konnte.
Fig. 15a ist eine Draufsicht des Hauptelektrodenabschnitts gemäß der siebten Ausführungsform, von dem Hauptentladungsbereich aus gesehen, und Fig. 15b ist eine der Erläuterung dienende Skizze, welche die Beziehung zwischen der Vorionisierung und der Hauptentladung in der Elektrode wie in der Fig. 15a gezeigt darstellt.
In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 37 die zweite Hauptelektrode mit einer Stabform (im folgenden "stabförmige Hauptelektrode" genannt), die einen kreisförmigen oder elyptischen Querschnitt aufweist, wobei diese stabförmigen Hauptelektroden 37 miteinander elektrisch verbunden sind. Die Arbeitsweise dieses Hauptelektrodenbereichs ist dieselbe wie die der in den Fig. 13 und 14 gezeigten Hauptelektrodenbereiche und hat den weiteren Vorteil, daß diese stabförmige Hauptelektrode 37 viel leichter herzustellen ist als die Elektroden in irgendeiner anderen Form. Übrigens liegt ein geeigneter Durchmesser dieser stabförmigen Hauptelektrode 37 in dem Bereich von 0,1 mm bis 3 mm oder dergleichen. Bei der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform ist die Form der Öffnung 25 kreisförmig ausgebildet; die Öffnung ist jedoch nicht auf diese Form allein begrenzt, sondern es können irgendwelche anderen Formen, wie Ellipsen, Polygone usw., geeigneterweise verwendet werden.
Fig. 16 zeigt die achte Ausführungsform der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung. Diese Ausführungsform soll die Fläche der Verteilung der Öffnungen in der zweiten Hauptelektrode (mit Öffnungen versehene Elektrode) begrenzen und die Breite der zu erzeugenden Hauptentladung kontrollieren, wodurch der flache Bereich der Intensitätsverteilung des Laserstrahls vergrößert wird.
In Fig. 16 sind die in der zweiten Hauptelektrode 24 auszubildenden Öffnungen in einem Bereich mit geringer Breite W, verglichen mit der der ersten Hauptelektrode 9, verteilt. Die Bezugsziffer 38 bezeichnet eine Hochspannungspulsquelle. Diese Hochspannungspulsquelle 38 kann auch mit Hilfe eines Teils der Hochspannungspulsquelle 1 wie bei der ersten bis siebten Ausführungsform ausgebildet werden. In der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugsziffern wie die in den vorangehenden Ausführungsformen dieselben Bestandteile.
Wenn eine Hochspannung zwischen der zweiten Hauptelektrode 24 und der Hilfselektrode 14 von der Pulsquelle 38 angelegt wird, tritt eine Hilfsentladung (Gleitentladung) an der Oberfläche des dielektrischen Elements 12 an dem Teil der Öffnungen 25 auf, die in der zweiten Hauptelektrode 24 ausgebildet sind. Ein Teil der durch diese Hilfsentladung ausgebildeten Elektronen und der Elektronen, die durch Photoionisierung mit durch diese Hilfsentladung erzeugten Ultraviolettstrahlen gebildet werden, wird zum Keim für das Erzeugen einer gleichförmigen Glimmentladung. Da der Bereich, in dem die Öffnungen 25 in der zweiten Hauptelektrode 24 vorhanden sind, die Ausdehnung der Breite W hat, sind die Vorionisierungselektronen praktisch in diesem Bereich der Breite W vorhanden. Dadurch, daß die obengenannte Breite W hinreichend kleiner als die Breite der ersten Hauptelektrode 9 gemacht wird, ist es möglich, den Bereich, in dem die Vorionisierungselektronen vorhanden sind, schmäler als den Bereich zu machen, in dem die Feldstärke an der Oberfläche der ersten Hauptelektrode 9 um ungefähr 0,5% bis 1% kleiner als der Maximalwert wird.
In dem Zustand, in dem eine Pulsspannung zwischen den Hauptelektroden 9 und 24 von der Hochspannungs-Pulsquelle 1 angelegt wird, wird die Haupt-Glimmentladung 33 mit den oben genannten Vorionisierungselektronen als Keim erzeugt. Die Breite dieser Haupt-Glimmentladung 33 ist im wesentlichen gleich der Breite W der Öffnungen 25. Durch diese Hauptentladung 33 wird das Lasermedium erregt, wodurch man einen Laserstrahl mit der Breite W wie durch die gestrichelte Kurve in Fig. 18 gezeigt erhält. Übrigens gibt die Kurve (a) in Fig. 18 die Feldstärke an, wenn die Breite des Abschnitts der Öffnungen nicht begrenzt ist.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Durchmesser der Öffnungen 25 in der zweiten Hauptelektrode 24 gleichförmig und konstant ausgeführt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß der Durchmesser der Öffnung 25, wie in den Fig. 17a und 17b gezeigt, an der Außenseite größer als auf der Innenseite innerhalb des Bereichs der Breite W ausgeführt wird.
Allgemein gesagt wächst die Anzahl der Vorionisierungselektronen mit der Energiemenge, da die der Hilfselektrode zuzuführende Energie größer wird, wenn der Durchmesser der Öffnung größer wird. Daher wächst im Fall der Fig. 17a und 17b die Anzahl der Vorionisierungselektronen an der Außenseite der Breite W mit der Folge, daß die Intensität der Entladung in der Nähe des äußeren Randes des Bereiches wächst, wodurch die Ausdehnung des flachen Bereichs in der Intensitätsverteilung des Laserstrahls gefördert wird, wie dies durch die gestrichelte Kurve (b) in Fig. 18 dargestellt ist.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Entladungsbereich auch durch das Begrenzen des Bereichs, in dem die Öffnungen 2b vorhanden sind, kontrolliert. Derselbe Effekt wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann jedoch auch durch Verkleinern der Breite der Hilfselektrode 14 per se erreicht werden.
Fig. 19 illustriert die neunte Ausführungsform, welche eine Modifikation der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform ist. In der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugsziffern wie diejenigen in den vorherigen Ausführungsformen dieselben Bestandteile. 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. der Verteilungsbereich 40, ist auf diejenigen Bereiche beschränkt, die nicht mit dem isolierenden Element 39 bedeckt sind.
Fig. 20a und Fig. 20b illustrieren im Vergleich (a) die Feldstärkesverteilung, welche durch die Elektroden bei der herkömmlichen entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung erzeugt wird, und (b) die Feldstärkesverteilung, welche durch die Elektroden bei der entladungsangeregten Kurzpuls-Laservorrichtung gemäß dieser neunten Ausführungsform erzeugt wird. In der Zeichnung bezeichnen die numerischen Ziffern die Werte der Feldstärke an jedem Punkt, wobei die Feldstärke in dem Zentralteil der Oberfläche der Hauptelektrode 24 auf eins gesetzt ist. Wie aus der Darstellung hervorgeht, wird durch das Bedecken eines Teils der zweiten Hauptelektrode mit dem bei dieser Ausführungsform verwendeten isolierenden Element 39 ein Abschnitt mit erhöhter Feldstärke am Ende der Elektrode erzeugt, was zu Folge hat, daß das Gebiet der erhöhten Feldstärke größer wird. Unter diesen Umständen wird die Hauptentladung 33 mit den obengenannten Vorionisierungselektronen als Keim erzeugt, wenn eine Pulsspannung zwischen der ersten Hauptelektrode 9 und der zweiten Hauptelektrode 24 von der Hochspannungs-Pulsquelle 1 angelegt wird. Diese Hauptentladung wird mit einer Breite erzeugt, welche im wesentlichen die Größe des Abschnitts der zweiten Hauptelektrode 24 widerspiegelt, der nicht mit dem isolierenden Element bedeckt ist, was auf die Begrenzung des Bereichs, in dem die Vorionisierungselektronen wie oben erwähnt vorhanden sind und die Vergrößerung des Teils mit erhöhter Feldstärke zurückgeht. Durch diese Hauptentladung 33 wird das Lasermedium erregt, was zu einem Laserstrahl mit einer größeren Breite führt, wie dies durch die gestrichelte Kurve (b) in Fig. 21 gezeigt ist. Übrigens zeigt die durchgezogene Kurve (a) in Fig. 21 die Laserstrahlintensität, wenn hinsichtlich der Öffnungen keine Beschränkung auferlegt wird.
Im folgenden wird die zehnte Ausführungsform gemäß den Fig. 22a und 22b erläutert.
Diese zehnte Ausführungsform soll verschiedene Probleme lösen, z. B. unter anderem, daß wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit zum Erhöhen des mittleren Laserausgangs erhöht wird, die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 und das dielektrische Element 12 sich erhitzen, was zu lokalen Unregelmäßigkeiten in der Länge der Lücke zwischen den Hauptentladungselektroden führt, oder dazu neigen, die Hauptentladung zu der Lichtbogenentladung aufgrund einer Beschädigung des dielektrischen Elements 12 und des Verziehens der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 durch thermische Belastung zu machen.
Fig. 22a ist eine Querschnittsansicht, welche den Vorentladungsabschnitt gemäß der zehnten Ausführungsform zeigt und Fig. 22b ist eine Querschnittsansicht des Hauptteils der Vorentladungsabschnitts in Fig. 22a, gesehen entlang der Richtung I-I. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugsziffer 41 Kühlrippen, welche bei dieser Ausführungsform an der Hilfselektrode 14 vorgesehen sind. Sie können jedoch auch an dem dielektrischen Element 12 oder sowohl an der Hilfselektrode als auch an dem dielektrischen Element vorgesehen sein. In der Zeichnung sind diejenigen Teile, welche mit denen in Fig. 5 identisch sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Im folgenden wird die Wirkungsweise dieses Vorentladungsabschnitts im einzelnen beschrieben. In thermischer Hinsicht bilden die mit Öffnungen versehene Elektrode 24, das dielektrische Element 12 und die Hilfselektrode 14 eine dreischichtige Platte. Wenn z. B. die mit Öffnungen versehene Elektrode 24 und die Hilfselektrode 14 aus Nickel und das dielektrische Element 12 aus Aluminiumoxid bestehen, hat der allgemeine Wert der Wärmeübertragungsrate eine Größenordnung von 10&sup4; kcal/ m² h ºC, was zwei Dezimalstellen mehr als die Wärmeübertragungsrate von der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 zu dem Heliumgas wie vorangehend erwähnt ist. Dementsprechend stellt der die Rate bestimmende Kühlvorgang den Prozeß der Wärmeübertragung zu dem Lasergas dar (bei dem Excimerlaser besteht z. B. 90% und mehr des Lasergases aus Helium). Daher wird durch eine Beschleunigung dieses Wärmeübertragungsprozesses eine effizientere Kühlung möglich. Um dies auf einfachere Weise zu realisieren, ist es weiterhin wünschenswert, daß das Lasergas, das mit einer hohen Geschwindigkeit zirkuliert und dessen Temperatur durch einen Wärmetauscher 28 kontrolliert wird, zum Kühlmedium für den Elektrodenabschnitt gemacht wird. Wenn die Gasströmungsrate n-mal vervielfacht wird, wird vor allem die Reynoldszahl das n-fache werden, was zur Folge hat, daß die Wärmeübertragungsrate ungefähr das n-fache wird. Andererseits würde jedoch der Druckabfall in dem Hauptentladungsbereich 33 das n²-fache (da er zu dem Quadrat der Strömungsrate proportional ist), was zu einem großen Problem führt.
Daher wird das Kühlen der Hilfselektrode 14 in Betracht gezogen. Wie vorangehend erwähnt wurde, kann ein effizientes Kühlen der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 und des dielektrischen Elements 12 in zufriedenstellender Weise durch Kühlen der Hilfselektrode 14 erreicht werden, da die Wärmeübertragungsrate zwischen den geschichteten Platten aus der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24, dem dielektrischen Element 12 und der Hilfselektrode 14 groß ist.
Zu diesem Zweck sind Kühlrippen 41 an der Hilfselektrode 14 vorgesehen, so daß das Lasergas durch diese Kühlrippen 41 strömt.
Nimmt man nun an, daß die Fläche der Hilfselektrode 14 A ist, der verbleibende Anteil der Elektrodenfläche A, in dem keine Kühlrippen 41 vorgesehen sind, A&sub0; ist, die Gesamtfläche der Kühlrippen Af ist und die Wärmeübertragungsrate an der Oberfläche der Rippen h&sub0; ist, so ist der Wärmeübertragungskoeffizient h durch die folgende Gleichung gegeben
h = A&sub0; + η Af/A h&sub0; (1)
(wobei η der sogenannte Rippenwirkungsgrad ist, welcher ein Wert ist, der aus der Wärmeübertragungsrate an der Oberfläche der Rippen 41, der Wärmeleitfähigkeit des die Rippen 41 bildenden Materials, der Dicke der Rippen 41 und der Höhe der Rippen 41 zu bestimmen ist). Wie aus der vorangehenden Gleichung (1) hervorgeht, ist es möglich, den Wert h sehr groß zu machen, indem man die Form der Rippe derart vergrößert, daß der Wert ηAf groß wird. Ein Beispiel hiervon wird im folgenden gegeben.
Wie bei der oben genannten mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 beträgt, wenn eine Breite der Hilfselektrode 14 von 0,06 m und eine Länge in der Richtung Laserstrahlachse von 0,6 m gewählt wird und auf diese Hilfselektrode zweihundert Kühlrippen 41, jeweils mit einer Höhe von 0,02 m und einer Dicke von 0,5 mm mit einem räumlichen Abstand von 2,5 mm in der Richtung senkrecht zu der Laserstrahlachse vorgesehen werden, ,die Fläche A&sub0;) 0,03 m² und die Gesamtfläche Af der Rippen beträgt 0,48 m². Wenn die Rippen aus Nickel bestehen und die Strömungsrate des Gases, das durch die Rippen 41 strömt, auf 20 m/s festgelegt wird, beträgt weiterhin der Rippenwirkungsgrad η 0,86 und die Wärmeübertragungsrate h&sub0; an der Oberfläche der Rippen ist durch 2,6 · 10² kcal/m² h ºC gegeben (aus der Literaturstelle mit dem Titel "Den-Netsu Gairon" von Yoshiro Kofuji, veröffentlicht von Yoken-Do, Seite 27 (1982)). Daher beträgt aufgrund der obigen Gleichung (1) die Wärmeübertragungsrate 3,2 · 10³ kcal/m² h ºC, was um eine Dezimalstelle größer als bei dem herkömmlichen Beispiel ist.
Fig. 23 illustriert die elfte Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind der Hauptentladungsbereich 33 und die Kühlrippen 41 in dem Gasströmungsweg in Reihe angeordnet. Wenn der Hauptentladungsbereich und die Kühlrippen parallel angeordnet sind, wie dies in Fig. 22a und 22b gezeigt ist, sollte die Gasströmungsrate des Ventilators 30 um einen Wert erhöht werden, der dem durch die Kühlrippen 41 laufenden Gasstrom entspricht. Im Gegensatz hierzu bleibt bei dieser Ausführungsform die Gasströmungsrate unverändert, während der Abgabedruck des Ventilators 30 erhöht werden sollte. Welche Ausführungsform zu wählen ist, hängt im wesentlichen von der Leistung des Ventilators 30 ab.
Fig. 24 ist eine Querschnittsansicht, welche den Kühlrippenabschnitt gemäß der zwölften Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Kühlrippen 41 auf dem dielektrischen Element 12 angeordnet, da die Hilfselektrode 14 in das Innere dieses dielektrischen Elements 12 eingebettet ist. In diesem Fall kann die Kühlrippe 41 aus einem dielektrischen Material oder einem metallischen Material bestehen.
Fig. 25 illustriert die dreizehnte Ausführungsform. Wie bei dem in den Fig. 22a, 22b und 24 gezeigten Ausführungsformen betrifft diese Ausführungsform die Konstruktion zum Kühlen des Elektrodenabschnitts. In der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugsziffern solche Bestandteile, die identisch oder ähnlich zu denen bei den vorherigen Ausführungsformen sind.
In Fig. 25 weist das dielektrische Element 12 einen rohrförmigen Aufbau auf. In diesem rohrförmigen dielektrischen Element ist die Hilfselektrode 14 angeordnet und es ist weiterhin eine Strömung von entionisiertem Wasser 42 vorgesehen, mit Hilfe dessen das Kühlen der Hilfselektrode 14 und des dielektrischen Elements 12 bewirkt wird; über diese Hilfselektrode und das dielektrische Element wird auch eine Kühlung der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 bewirkt.
Da die Wärmeübertragungsrate zwischen dem entionisiertem Wasser und der Hilfselektrode 14 10³ kcal/m h ºC oder mehr beträgt und die Wärmeübertragungsrate bei dem Teil mit einer Dreischichtstruktur, die aus der Hilfselektrode 14, dem dielektrischen Element 12 und der mit Öffnungen versehenen Elektrode 24 besteht, 10 kcal/m² h ºC beträgt, wie dies vorangehend erwähnt wurde, ist ersichtlich, daß die Temperatur des Teils mit der Dreischichtstruktur im wesentlichen auf der Temperatur des entionisierten Wassers gehalten werden kann, wenn diese zwei Wärmeübertragungsraten mit der Größenordnung der zugeführten Wärme wie vorangehend erwähnt verglichen werden.
Fig. 26 ist die vierzehnte Ausführungsform, bei der die Bezugsziffer 43 eine Zuführleitung bezeichnet und der Rest der Bezugsziffern dieselben Teile wie in der vorangehenden Fig. 25 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform fällt die Hilfselektrode 14 weg und statt dessen wird die Funktion der Hilfselektrode dem entionsiertem Wasser 42 per se neben seiner Funktion als Kühlmedium übertragen und die Leistungszuführung geschieht über die Zuführleitung 43, wodurch der Aufbau des Hilfselektrodenabschnitts äußerst einfach wird.
Als Kühlmedium kann man neben entionisiertem Wasser 42 auch Ammoniak, Halogenfluorkohlenwasserstoff usw. verwendet werden.
Weiterhin ist es möglich, das Kühlmedium in dem rohrförmigen dielektrischen Element 12 zu begrenzen, so daß ein Wärmeübertragungsrohr zum Durchführen des Kühlvorgangs gebildet wird.
Wie vorangehend erwähnt wurde, können gemäß diesen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die mit Öffnungen versehene Elektrode und das dielektrische Element mit hoher Effizienz gekühlt werden, da das dielektrische Element rohrförmig konstruiert ist, in dem das Kühlmedium eingeschlossen ist oder zum Strömen gebracht wird. Daher kann mit einem solchen rohrförmigen dielektrischen Element eine entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung geschaffen werden, die stabil auch bei einer hohen Wiederholungsgeschwindigkeit der Laseroszillation arbeiten kann, das heißt auch zu Zeiten eines hohen mittleren Ausgangs und einer sich mit hoher Geschwindigkeit wiederholenden Laseroszillation.
Fig. 27 illustriert die fünfzehnte Ausführungsform, welche insbesondere eine Verbesserung bei dem dielektrischen Element betrifft. Angesichts des Umstands, daß es bei der herkömmlichen Laservorrichtung unter dem Gesichtspunkt der Reaktion des Lasermediums nicht möglich ist, dielektrische Materialien mit einer hohen spezifischen dielektrischen Konstante und dielektrischen Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, es nicht möglich ist, die Einschaltleistung für die Gleitentladung für die Vorionisierung zu erhöhen oder es nicht möglich ist, eine effiziente Kühlung zum Verhindern des Aufheizens des dielektrischen Elements in Verbindung mit einer sich mit einer hohen Geschwindigkeit wiederhohlenden Laseroszillation zu bewirken, ist die Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung so konstruiert, daß sie beständig gegenüber einer sich mit hoher Geschwindigkeit wiederholenden Laseroszillation durch effizientes Kühlen des dielektrischen Elements über eine Erhöhung der Einschaltleistung für die Vorionisierung oder das Erzielen einer Glimmentladung mit höherer Stabilität oder die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des dielektrischen Elements ist.
In Fig. 27 bezeichnet die Bezugsziffer 44 eine erste dielektrische Schicht, welche auf der Seite der zweiten Hauptelektrode 24 vorgesehen ist und aus einem gegenüber dem Lasergas inaktiven Material besteht, die Ziffer 45 bezieht sich auf eine zweite dielektrische Schicht, die eine größere Dicke als die erste dielektrische Schicht 44 aufweist, und die Ziffer 46 bezieht sich auf ein zusammengesetztes dielektrisches Element, welches aus der ersten dielektrischen Schicht 44 und der zweiten dielektrischen Schicht 45 aufgebaut ist. Im übrigen bezeichnet die Bezugsziffer 14 die Hilfselektrode.
Im folgenden wird die Funktion des dielektrischen Elements im Detail erklärt. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht 44 wird mit da und ihre spezifische dielektrische Konstante wird mit &epsi;a bezeichnet, während die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 45 mit db und ihre spezifische dielektrische Konstante mit &epsi;a bezeichnet wird. Hierbei werden als Bedingungen, die zu erfüllen sind, (1) &epsi;a « &epsi;b und (2) db » da gewählt. Weiterhin besteht die erste dielektrische Schicht 44 aus einem Material, welches gegenüber den chemischen Reaktionen in der Laservorrichtung inaktiv ist und keine ungünstigen Auswirkungen auf den Gaslaser hat. Bisher wurden die erste dielektrische Schicht oder die zweite dielektrische Schicht alleine verwendet, wobei deren Dicke auf d festgesetzt wurde. Das Problem, das entsteht, wenn eine solche dielektrische Schicht alleine verwendet wird, ist wie vorangehend erläutert. Nun wird die spezifische dielektrische Konstante &epsi; des dielektrischen Elements (nachfolgend "zusammengesetztes dielektrisches Element" genannt) gemäß der vorliegenden Erfindung durch die folgende Gleichung ausgedrückt
&epsi; = &epsi;a&epsi;b(da + db)/(&epsi;a&epsi;b + &epsi;bda) (2).
Wenn die Größe von &epsi; und &epsi;a verglichen wird,
nimmt die Gleichung (3) immer den positiven Wert an, da &epsi;a « &epsi;b ist, und daher ist offensichtlich &epsi; > &epsi;a. Wenn da + db ungefähr gleich d ist, kann man folgern, daß das zusammengesetzte dielektrische Element in der Lage ist, wesentlich mehr Leistung für die Vorionisierung auf der Grundlage der folgenden Gleichung (4) zu erbringen:
Wd ∞ &epsi;s/d (4)
(wobei Wd die Einschaltleistung bezeichnet, &epsi;s die spezifische dielektrische Konstante des dielektrischen Elements darstellt und d sich auf die Dicke des dielektrischen Elements bezieht). Da die Oberfläche des dielektrischen Elements, welche in Kontakt mit dem Lasergas kommt, diejenige der ersten dielektrischen Schicht 44 ist, geht weiterhin die Eigenschaft, daß sie gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser inaktiv ist, in keiner Weise verloren. Genauer gesagt besteht die erste dielektrische Schicht 44 z. B. aus Aluminiumoxidporzellan (mit einer spezifischen dielektrischen Konstante von ungefähr 10), welches mit einer geringeren Dicke als dann (einige wenige Millimeter) eingesetzt wird, wenn es alleine verwendet wird. Wenn es z. B. mit einer Dicke von 1/10 des Werts bei alleiniger Verwendung verwendet wird, entspricht es einer zehnmal größeren dielektrischen Konstante als bei alleinigem Gebrauch. Bei einer solchen geringen Dicke bleibt jedoch die Frage der mechanischen Festigkeit der ersten dielektrischen Schicht. Um diese Schwäche der mechanischen Festigkeit der einzelnen ersten dielektrischen Schicht auszugleichen, wird die zweite dielektrische Schicht 45 mit einer hohen spezifischen dielektrischen Konstante, wie z. B. Bariumtitanatporzellan (mit einer spezifischen dielektrischen Konstante &epsi;s von ungefähr 3000) und einer Dicke, die ausreicht, um mechanische Festigkeit zu gewährleisten, auf diese erste dielektrische Schicht 44 geschichtet, um das gewünschte zusammengesetzte dielektrische Element zu bilden. Auf diese Weise ist die gesamte spezifische dielektrische Konstante des zusammengesetzten dielektrischen Elements (das aus Aluminiumoxidporzellan und Bariumtitanatporzellan besteht) ungefähr zehnmal größer als die von Aluminiumoxidporzellan mit derselben Dicke bei dem zusammengesetzten dielektrischen Element, wenn es alleine verwendet wird, und dennoch gehen die Eigenschaften des Aluminiumoxidporzellans, z. B. daß es inaktiv gegenüber chemischen Reaktionen in dem Gehäuse der Laservorrichtung ist, in keiner Weise verloren.
Die Kombination des zusammengesetzten Elements ist nicht auf die Kombination von Aluminiumoxidporzellan und Bariumtitanat beschränkt; vielmehr kann jede andere Kombination verwendet werden.
Für die zweite dielektrische Schicht 45 kann die Verwendung von verschiedenen organischen Substanzen mit einer spezifischen dielektrischen Konstante von 20 oder mehr in Betracht gezogen werden, wie z. B. Thalliumbromid (TlBr), Thalliumchlorid (TlCl), Vanadiumdioxid (VO&sub2;), Bleioxid (PbO), Titanporzellan, Zirkontitanat und Strontiumtitanat.
Für die erste dielektrische Schicht 44 kann die Verwendung von Quarzglas, Natriumcarbonatglas, Borosilikatglas, Bleiglas, Diamant oder Kohlenstoff mit denselben Eigenschaften wie Diamant usw. in Betracht gezogen werden.
Während es möglich ist, zwei dielektrische Elemente geschichtet zu verwenden, sollte es vorzuziehen sein, daß die zwei dielektrischen Elemente in einer fest aneinander haftenden Struktur durch Schichten eines dielektrischen Elements auf dem anderen dielektrischen Element hergestellt werden, da eine Luftschicht, die sich zwischen den zwei dielektrischen Elementen bildet, die dielektrische Festigkeit des zusammengesetzten dielektrischen Elements herabsetzen kann.
Wenn ein Borosilikatglas mit einer Dicke von 0,5 mm und Bariumtitanat mit einer Dicke von 2 mm verwendet wurde, um das zusammengesetzte dielektrische Element zu bilden, wurde festgestellt, daß das zusammengesetzte dielektrische Element keine Lichtbogenentladung am Ende einer zehntausendmaligen Laseroszillation zeigte und die Zahl von Streamern, die der Glimmentladung beigemischt waren, erheblich geringer war.
Dieselbe Konstruktion kann verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit des dielektrischen Element zu erhöhen. Der bei der konventionellen Laservorrichtung inhärente Problempunkt betreffend der Wärmeleitfähigkeit wurde bereits vorangehend beschrieben. Wenn ein dielektrisches Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit als erste dielektrische Schicht 44 verwendet wird und dann eine zweite dielektrische Schicht 45 mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit (1 W/cm º oder mehr) als der der ersten dielektrischen Schicht und mit einer größeren Dicke als der der ersten dielektrischen Schicht 44 auf diese erste dielektrische Schicht 44 geschichtet wird, wird die Gesamtwärmeleitfähigkeit dieses zusammengesetzten dielektrischen Elements größer, wodurch die Wärme in dem dielektrischen Element 46 gleichmäßig diffundiert werden kann und das Problem von Rissen aufgrund einer Warmverformung wird gelöst.
Wenn das dielektrische Element aus einer Kombination von Quarzglas mit einer Dicke von 0,5 mm und und Berylliumoxid mit einer Dicke von 2 mm hergestellt wurde, stellte man fest, daß auch dann, wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit der Laseroszillation auf 400 Hz erhöht wurde, kein Riß wie vorangehend erwähnt wurde erzeugt wurde. Wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit auf 600 Hz erhöht wurde, traten Risse in dem dielektrischen Element auf. Der Grund für diese Risse liegt darin, daß das Quarzglas und das Berylliumoxid nicht fest aneinander anhafteten. Wenn das dielektrische Element als Konstruktion mit einer festeren Haftung hergestellt wird, kann es möglich sein, daß die Wiederholungsgeschwindigkeit der Laseroszillation weiter erhöht werden kann.
Für das erste dielektrische Element (in diesem Fall eine Substanz mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, die jedoch inaktiv gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser ist) kann die Verwendung von Quarzglas und Borosilikatglas (mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,014 W/cm º), Natriumcarbonatglas, Bleiglas und Aluminiumoxidporzellan (mit einer Wärmeleifähigkeit von 0,3 W/cm º) in Betracht gezogen werden. Andererseits kann für die zweite dielektrische Schicht (eine Substanz mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit) die Verwendung von Berylliumoxid (BeO) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2,1 W/cm º, Diamant mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,9 W/cm º oder Kohlenstoff, der Eigenschaften ähnlich denen von Diamant aufweist, in Betracht gezogen werden. Da Diamant oder Kohlenstoff mit Eigenschaften ähnlich zu denen von Diamant eine Wärmeleitfähigkeit von 9,0 W/cm º aufweisen, was größer als diejenige von Metallen ist (Kupfer hat z. B. eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 4 W/cm º) inaktiv gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser ist, kann man ein zusammengesetztes dielektrisches Element mit den drei charakteristischen Merkmalen einer hohen spezifischen dielektrischen Konstante, einer guten Wärmeleitfähigkeit und Inaktivität gegenüber chemischen Reaktionen in dem Laser erreichen, wenn eine Schicht aus Diamant oder Kohlenstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie denen von Diamant auf die Oberfläche des dielektrischen Materials mit der hohen spezifischen dielektrischen Konstante wie vorangehend erwähnt geschichtet wird. Man kann hinzufügen, daß dies unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten erwünscht ist, da Diamant in der Form einer dünnen Schicht verwendet wird.
Weiterhin zeigt Fig. 27 eine Konstruktion, bei der zwei Schichten direkt übereinander geschichtet sind. Man beachte jedoch, daß eine Konstruktion wie in Fig. 28 gezeigt verwendet werden kann, bei der die erste dielektrische Schicht 44 die äußere Randoberfläche der zweiten dielektrischen Schicht 45 umgibt.
Es ist weiterhin möglich, daß sowohl die erste dielektrische Schicht als auch die zweite dielektrische Schicht ein zusammengesetztes dielektrisches Element ist, das aus einer Mehrzahl von dielektrischen Materialien zusammengesetzt ist.
Fig. 29 illustriert die sechzehnte Ausführungsform, welche ein dielektrisches Element betrifft, das geeigneterweise für eine entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung zu verwenden ist, bei der Halogengas als Lasergas verwendet wird.
In Fig. 29 bezeichnet die Bezugsziffer 47 das dielektrische Element aus Aluminiumoxidporzellan, das so ausgebildet worden ist, daß es die Hilfselektrode 14 umgibt. In der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugsziffern dieselben Bestandteile wie bei der vorangehenden Ausführungsform und von Erläuterungen hierzu wird abgesehen.
Die Dicke des dielektrischen Elements 47, das zwischen der Hilfselektrode 14 und der zweiten Hauptentladungselektrode 24 gehalten werden soll, beträgt im Fall der Verwendung von Quarzglas 8 mm. Es wurde jedoch verifiziert, daß dann, wenn Aluminiumoxidporzellan mit einer Reinheit von 99% verwendet wird, positive Isolationseigenschaften bei dem dielektrischen Element über eine lange Zeitdauer erreicht werden konnten, selbst wenn seine Länge auf 2 mm verkürzt wurde. Weiterhin wurde beobachtet, daß dann, wenn die zwischen den Elektroden 14 und 24 angelegte Spannung dieselbe ist, das Aluminiumoxidporzellan mit einer geringen Dicke eine hohe Lichtintensität der bei dem perforierten Abschnitt in der zweiten Hauptentladungselektrode 24 zu erzeugenden Hilfsentladung herbeiführt.
Gemäß dieser sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Aluminiumoxidporzellan mit einer extrem hohen dielektrischen Festigkeit und einer hohen spezifischen dielektrischen Konstante verwendet, das als Hauptbestandteil Aluminiumoxid enthält, das gegenüber einem Halogengas inaktiv ist. Daher weist das dielektrische Element gemäß dieser Ausführungsform bemerkenswerte Effekte auf, z. B. daß damit eine Hilfsentladung erzeugt werden kann, die für das Erzeugen einer gleichförmigen Hauptentladung ausreicht, daß es mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten kann, ohne daß es zu einer dielektrischen Verschlechterung über einer langen Zeitdauer kommt, und es dennoch die Lebensdauer des Lasergases vergrößern kann.

Claims

1. Entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung, welche umfaßt:

Hauptelektroden, die eine rechteckige Form aufweisen und aus einer Kathode (24) und einer Anode (9) bestehen, die einander gegenüberstehend angeordnet sind, wobei die Richtung der Achse des Laserstrahls ihre Längsrichtung bildet,

eine Hilfselektrode (14), die auf der Rückseite der Kathode vorgesehen ist und über ein dielektrisches Element (12) der Kathode gegenüberliegend angeordnet ist,

eine Impulsschaltung zum Anlegen einer Impulsspannung über den Hauptelektroden und

eine Schaltung zum Anlegen einer Spannung zwischen der Hilfselektrode und der Kathode, wobei diese Schaltung, einen Teil der Impulsschaltung bildet oder unabhängig von der Impulsschaltung ist und die Kathode aus einem elektrisch leitenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (24) und das dielektrische Element (12) aneinander fest anhaftend angeordnet sind und daß die Kathode (24) dünn ausgebildet ist, um zu ermöglichen, daß eine Gleitentladung an der Oberfläche des dielektrischen Elements (12) erzeugt wird, wodurch Elektronen verteilt werden, welche dafür bestimmt sind, den Keim für die zwischen den Hauptelektroden zu erzeugende Hauptentladung zu bilden,

und daß eine Vielzahl von Öffnungen (25) in versetzter Form angeordnet ist, so daß die Hauptentladungssäulen, die von diesen Öffnungen oder von der Nachbarschaft dieser Öffnungen erzeugt werden sollen, einander parallel und senkrecht zur Laserstrahlachse gesehen überlappen.

2. Entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Öffnungen (2,5) so angeordnet sind, daß, wenn willkürliche gedachte Linien parallel zu der Laserstrahlachse auf der Oberfläche der Kathode gebildet werden, diese gedachten Linien durch Öffnungen aus der besagten Vielzahl laufen.

3. Entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Öffnungen so angeordnet sind, daß, wenn willkürliche gedachte Linien parallel zu der Laserstrahlachse und willkürliche gedachte Linien, welche die Laserstrahlachse orthogonal schneiden, auf der Oberfläche der Kathode gebildet werden, beide gedachten Linien durch Öffnungen aus der besagten Vielzahl laufen.

4. Entladungsangeregte Kurzpuls-Laservorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der ein Metallgitter mit einer Dicke von 1 µm bis 3 mm als Kathode verwendet wird.