Transversal elektrisch angeregter Gasentladungslaser zur Erzeugung von Lichtpulsen mit hoher Pulsfolgefrequenz und Verfahren zur Herstellung.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen transversal elektrisch angeregten Gasentladungslaser zur Erzeugung von Lichtpulsen mit hoher Pulsfolgefrequenz mit zumindest folgenden Komponenten: • gasdichte Entladungsröhre aus einem keramischen Werkstoff mit einer abgeschlossenen Lasergasbefüllung,

• zwei sich axial erstreckende Hauptelektroden, die unter Bildung einer Gasentladungsstrecke in der Entladungsröhre in Entkoppel- und Halteelementen, die in diametral gegenüberliegenden Wandungs- durchbrüchen der Entladungsröhre vorgesehen sind, angeordnet sind,

• eine stabförmige, sich parallel zu den Hauptelektroden erstreckende Hilfselektrode in der Entladungsröhre zur Steuerung der Startbedingungen der Gasentladung in der Entladungsröhre durch elektronische Vorionisierung, • elektrischer Anregungskreis, der auf die Hauptelektroden und die

Hilfselektroden einwirkt und einen Schalter umfasst, zur Erzeugung einer schnellen, aus Energiespeichern gespeisten Hochstromentladung,

• zwei optische Resonatorspiegel an den Stirnseiten der Entladungsröhre in axialer Ausrichtung zur Gasentladungsstrecke, wobei ein Resonatorspiegel zur Lichtauskopplung teildurchlässig ausgebildet ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gasentladungslasers.

Transversal angeregte Gasentladungslaser, insbesondere transversal elektrisch angeregte Laser - TEA-Laser -, sind seit Mitte der 70er Jahre bekannt. Diese Laser zeichnen sich durch eine Reihe von Eigenschaften aus, die für unterschiedliche Anwendungen besonders wichtig sind: sehr hohe Laser-Ausgangsleistung mit anpassbarer Höhe und Verlauf, hohe Strahlqualität, hohe Betriebssicherheit, gute Steuerbarkeit, kompakter Aufbau und hoher quantenoptischer Wirkungsgrad. Die Gasentladungslaser besitzen ein breites Anwendungsspektrum u.a. als Anregungslichtquelle in der laserindu- zierten, zeitaufgelösten Spektroskopie, für intensitätsabhängige Absorptionsund Fluoreszenzuntersuchungen, als Testlichtquelle für elektronische Bauelemente und Baugruppen, als lonisationslichtquelle bei der Flugzeitspektroskopie, für die opto-akustische Oberflächendiagnostik extrem dünner Schichten, als Werkzeug in der Mikromaterialbearbeitung und für eine Vielzahl von Anwendungen unter dem UV-Mikroskop. Wichtig ist bei vielen Anwendungen insbesondere die erzeugbare hohe Pulsfolgefrequenz mit Lichtpulsen im Nano- und Sub-Nanosekundenbereich.

Das aktive Laservolumen eines Gasentladungslasers wird durch Höhe, Abstand und Länge der Hauptelektroden gebildet, dort läuft die stimulierte Lichtverstärkung ab. Das laseraktive Material wird von einem Gas oder Gasgemisch oder Dampf gebildet. Die Gasentladung kann optisch oder elektrisch angeregt werden. Als wichtigste Gaslaser können genannt werden : CO ₂ -Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm (fernes Infrarot), beispielsweise für die Materialbearbeitung, der HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm (rot), beispielsweise für die Messtechnik, der Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 157 nm bis 351 nm (ultraviolett, 157 nm F2, 351 nm XeF), beispielsweise für die Messtechnik und die Photochemie. Weiterhin ist der Stickstoff- Laser zu nennen, der alle Voraussetzungen besitzt, um zu einer wichtigen und preiswerten UV- Quelle bei 337,1 nm und einer Bandbreite von 100 pm zu

werden. Die Wellenlänge 337,1 nm ist für viele Anwendungen ideal. Wichtige, weltweit eingeführte Verfahren stützen sich auf diese Wellenlänge. Das aktive Lasermedium Stickstoff bedarf keiner aufwändigen Aufbereitung für den Laserbetrieb. Es entstehen keine chemischen Verbindungen, die die Umwelt belasten. Die Physik des Lasers ermöglicht es ohne komplizierte Zusatzeinrichtungen, sehr kurze Lichtimpulse von einigen Nanosekunden bis zu 100 ps zu erzeugen. Ein Einsatz von Excimergasgemischen, auch unter Beteiligung von Halogengasen, ebenfalls möglich.

Die zur Lichtverstärkung benötigte Energiezuführung wird durch eine Hochstromentladung mit 1.000 - 3.000 A cm ^"2 quer durch das aktive Laservolumen erreicht. Durch die Hochstromentladung wird die Mehrzahl der Gasmoleküle des Lasermediums in einen angeregten Zustand höherer Energie gebracht. Ein zufällig entstehendes Photon gleicher Richtung und Wellenlänge oder ein eingespeistes Oszillatorphoton starten den Verstärkungsprozess. Die Lichtwelle läuft zwischen den beiden Resonatorspiegeln, bis die Mehrzahl der Gasmoleküle den laseraktiven Anregungszustand verlassen hat. Ein Teil der Lichtenergie wird über den Auskoppelspiegel ausgekoppelt und steht als monochromatischer, gerichteter Lichtpuls zur Verfügung. Gespeist wird die Hochstromentladung aus niederinduktiven Kondensatoren, in denen in dem Zeitraum zwischen den Laserpulsen die erforderliche Elektroenergie zwischengespeichert wird. über einen Hochleistungsschalter wird die zwischengespeicherte Energie mit einer Stromanstiegsgeschwindigkeit von 100 - 500 kAμs ^"1 in das Laservolumen geleitet.

Stand der Technik

Gasentladungslaser in unterschiedlichen Ausführungsformen bezüglich ihrer wesentlichen Komponenten Laserkanal und Anregungskreis sind aus einer

Vielzahl von Druckschriften bekannt. Der Laserkanal ist in einem Entladungsgefäß, in dem die Gasentladungsstrecke liegt, angeordnet und besteht zumeist aus zwei sich gegenüberliegenden Hauptelektroden mit Baulängen von 10 mm bis 500 mm. Es gibt Gasentladungslaser mit einem externen Gasreservoir (DE 41 27 566 A1), und Gasentladungslaser mit einer abgeschlossenen Gasmenge im Entladungsgefäß, die durch passive oder aktive Umwälzung gekühlt wird. Zu diesen auch der beanspruchte Gasentladungslaser gehört. Ein erstes Problem tritt bei den bekannten Gasentladungslasern bei der Gasdichtheit des Gasentladungsgefäßes auf. Aus der DE 295 20 820 U1 ist eine Laserröhre für halogenhaltige Gasentladungslaser bekannt, bei der alle öffnungen unter Zwischenlage von Metalldichtungen abgeschlossen werden. Die DE 297 13 755 U1 offenbart einen Gasentladungslaser mit einer keramischen Gasentladungsröhre, bei der die Metalldichtungen einen elastischen Kern aufweisen. In der DE 40 10 149 A1 wird ein hochfrequenzangeregter Bandleiterlaser beschrieben, bei dem die Resonatorspiegel unmittelbar mit den Hauptelektroden galvanisch leitend verbunden sind. Aus der DE 101 47 655 A1 ist ein Gasentladungslaser bekannt, bei dem ein Isolator vorgesehen ist, der die Gasentladungskammer weitgehend umschließt und zur Einsparung von Dichtungen einstückig ausgebildet ist. In der DE 202 12 624 U1 wird ein kompakter Excimer-Laser zur Erzeugung hoher Pulsfrequenzen beschrieben, bei dem in einer keramischen Entladungsröhre eine Hauptelektrode angeordnet ist, die die Gasentladungsstrecke zu mehreren Wärmetauscherrohren bildet. Die Stirnseiten der Entladungsröhre sind unter Zwischenlage von Dichtungen durch zwei Flansche abgeschlossen. Neben einem Vorionisierer sind noch mehrere Stromformer und ein Ventilator in der Entladungsröhre angeordnet. Auf der Außenseite des Entladungsgefäßes sind mehrere größere lonisationskondensatoren als Teil der Entladungsschaltung vorgesehen. Aus der DE 36 19 354 A1 ist ein transversal angeregter Impulsgaslaser bekannt, der über radial verstellbare Haupt- elektroden verfügt, was einen asymmetrischen Aufbau bedingt.

Neben dem Laserkanal mit dem Entladungsgefäß und den Hauptelektroden spielt der elektrische Anregungskreis zur Erzielung einer Hochstromentladung zwischen den Hauptelektroden beim Gasentladungslaser eine wichtige Rolle. Dieser besteht in der Regel aus zumindest zwei Kondensatoren, den Hauptelektroden, einem schnellen Schalter, beispielsweise Spark-gap oder Thyratron, und Bandleitungen zur schnellen und verlustarmen Energieübertragung. Aus der G 80 25 354 U1 ist ein Hochenergielaser des TEA-Typs mit laserachsparallel angeordneten Vorionisierungsstäben bekannt, bei der der pulsformende elektrische Anregungskreis als Blümleinschaltung oder als Charge-Transferschaltung ausgebildet sein kann. Bei der Blümlein-Schaltung wird die Hochspannung über einen niederinduktiven Schalter an einen ersten Ladekondensator angelegt. Parallel zu diesem liegt die Reihenschaltung eines zweiten Ladekondensators und der Gasentladungsstrecke. Das Grund- Schaltbild der Blümleinschaltung ist beispielsweise aus der DE 44 08 041 A1 für einen Subnanosekundenstickstofflaser bekannt. Die Charge-Transfer- Schaltung unterscheidet sich von der Blümlein-Schaltung insbesondere dadurch, dass der zweite Ladekondensator parallel zur Gasentladungsstrecke liegt und dass der erste Ladekondensator in Reihe zum niederinduktiven Schalter und damit der Hochspannungsversorgung geschaltet ist. Mit der Charge-Transfer-Schaltung sind daher nur Schaltpulse bis ca. 1 ns mit einer Anstiegszeit des Schalters von ca. 40 ns möglich, wohingegen die Blümlein- Schaltung derzeit Pulse bis 50 ps bei einer Schalteranstiegszeit von unter 12 ns generieren kann. Aus dem Produktblatt „ALLTEC Power Switch" der Firma ALLTEC (abrufbar (Stand 18.05.2005) im Internet unter der Adresse http://www.alltec.org/deutsch/alltec_power/frame.htm) ist die Verwendung eines Halbleiterschalters zum Betrieb der Hochspannungsentladung von TEA CO ₂ Lasern bekannt. Dieser hat eine Reihe von Vorteilen und kann die herkömmlichen Thyristoren ersetzen, zeigt aber immer noch ähnlich große Abmaße im Bereich von einigen 100 mm.

Um eine Laserentladung gleichförmigen Volumens unter Vermeidung einer elektrischen Lichtbogenbildung bei hohen Gasdrücken zu erzielen, ist es erforderlich, eine Anfangskonzentration von Ionen und Elektronen in der Gasentladungsstrecke vor dem Anlegen des elektrischen Hauptpulses zu erzielen. Diese Technik wird als Vorionisierung bezeichnet und ist beispielsweise aus der DE 28 11 198 A1 bekannt. Eine Möglichkeit der Erzielung einer Vorionisierung ist die Verwendung des charakteristischen Blümlein- Spannungs-Vorimpulses, der an den Hauptelektroden während des Ladezyklus der Blümlein-übertragungsleitung ausgebildet wird. Dieser schnelle Impuls ist in der Amplitude groß genug, damit eine anfängliche Störung von Elektronen in der Nähe der Hauptelektroden erzielt wird. Er ist jedoch auch ausreichend kurz, damit ein vollständiges Durchschlagen des Lasergases verhindert wird. Die Größe und das Zeitverhalten des Vorimpulses werden durch die Impulsladegeschwindigkeit der Blümlein-übertragungsleitung gesteuert und können über einen weiten Bereich von Werten verändert werden, damit eine optimale Vorionisierung erzielt wird. Die Hochstromentladung wird direkt auf die Hilfselektroden zur Erzielung einer Vorionisierung und über Kontaktelektroden auf der Außenseite des Entladungsgefäßes auf die Hauptelektroden gegeben. Aus der DE 37 34 690 A1 ist es weiterhin bekannt, eine Kontaktelektrode auf der Außenseite des Entladungsgefäßes als Kondensatorelektrode zu verwenden.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 33 13 811 A1 beschrieben. Der hieraus bekannte gattungsgemäße Gasentladungslaser mit den eingangs aufgezählten Komponenten zeigt eine zylindrisches, gasdichtes („sealed-off") Entladungsgefäß, beispielsweise aus keramischem Aluminiumoxid AI ₂ O ₃ , das an beiden Stirnseiten durch Resonatorspiegel unter Zwischenlage von Dichtringen abgeschlossen ist. Zwischen je zwei Hilfselektroden wird die Vorionisierung

außerhalb der Gasentladungsstrecke herbeigeführt. Die Hauptelektroden sind pilzförmig ausgeführt und über durch die Gefäßwandung entkoppelt durchgeführte Stützen und Zuleitungen gelagert und mit dem Anregungskreis verbunden. Der Anregungskreis enthält neben einem zur Gasentladungs- strecke parallel geschalteten Kondensator eine triggerbare Funkenstrecke und ist mit Haupt- und Hilfselektroden gleichermaßen verbunden. über Justage- möglichkeiten der Hauptelektroden und Resonatorspiegel werden keine Aussagen getroffen. Ein derartiger Gasentladungslaser weist jedoch verschiedene Nachteile auf und ist dadurch schwer zu konditionieren. Dazu zählt, dass die statische und dynamische Gaslebensdauer durch auftretende Undichtigkeiten an den Fügestellen am Entladungsgefäß und durch relativ hohe Diffusionsraten der einzelnen Komponenten begrenzt ist. Da diese zudem in der Regel nicht auf Temperaturen weit oberhalb von 100 ⁰ C erwärmbar sind, ist das Herstellen der erforderlichen Gashygiene im Entla- dungsgefäß, insbesondere hinsichtlich dipoliger Wasserrückstände, die zwangsläufig zu aggressiven Verbindungen mit Lasergaskomponenten und damit zur Betriebsunfähigkeit des Lasers führen, sehr zeitaufwändig (ca. 24 h) und erfordert ein mehrfaches Gasspülen. Der Schalter im Anregungskreis und der Entladungskanal stellen Verschleißbaugruppen dar. Es wird eine Stand-by- Leistung benötigt. Durch externe Bauelemente entstehen Verluste und Zusatzaufwand. Schließlich zeigt der Gasentladungslaser einen Zeitjitter, einen Temperaturgang und insbesondere ein Toleranzgebiet der optischen Schnittstelle aufgrund von Justageungenauigkeiten während der Laserherstellung und Fehlen von Nachjustiermöglichkeiten im Betrieb.

Aufgabenstellung und Lösung

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Gasentladungslaser der eingangs beschriebenen Art

anzugeben, der einfach und zuverlässig zu konditionieren ist. Er soll keine Undichtigkeiten und weiterhin geringste Diffusionsraten zeigen und damit eine hohe statische und dynamische Gaslebensdauer aufweisen. Insbesondere sollen keine Wasserrückstände im fertig gestellten Gasentladungslaser mehr vorhanden sein. Diese sollen in einfacher Weise zuverlässig und schnell entfernt werden. Schließlich soll der erfindungsgemäße Gasentladungslaser kein Toleranzgebiet der optischen Schnittstelle aufweisen, da er sowohl direkt nach der Herstellung als auch im Betrieb hochgenau justierbar sein soll. Die erfindungsgemäße Lösung für den beschrieben Aufgabenkomplex für eine verbesserte Laserkonditionierung ist dem Erzeugnisanspruch und dem nebengeordneten Verfahrensanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen des erfindungsgemäßen Gasentladungslasers sind den jeweils untergeordneten Unteransprüchen zu entnehmen und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Der erfindungsgemäße Gasentladungslaser besteht aus einer gleichsam monolithischen Entladungsröhre mit einem abgeschlossenen Gasvorrat, deren Funktionskomponenten die mechanischen, gastechnischen, elektrischen und optischen Anforderungen an einen Laserkopf kombinatorisch erfüllen, verschleiß- und wartungsfrei sind und geringe Verluste bedingen. Dazu ist die Entladungsröhre ohne lösbare Verbindungen und Dichtungen an beiden Stirnseiten mit Trägerringen, in die die optischen Resonatorspiegel eingeschweißt sind, und an ihrem Umfang mit den Trägerwannen durch geschmolzenes und mit entsprechend angeordneten partiellen Metallbelägen auf der Entladungsröhre verbundenes Hartlot stoffschlüssig verbunden. Die funktionswichtigen Komponenten des einstückigen Laserkopfs sind alle ultrahochva- kuumtauglich und weisen daher eine sehr geringe Diffusionsrate auf. Die dynamische und statische (Gas)-Lebensdauer von Entladungsgefäßen wird jedoch dominant von deren Diffusionsrate bestimmt, deren Einfluss zunimmt mit kleiner werdendem Gasvolumen im Entladungsgefäß. Das Hauptproblem

stellen dabei bislang die verwendeten, in der Regel aus mehreren aneinander gepressten Elementen bestehenden Dichtungen (organische Spezialmateria- lien oder weichgeglühte Metalldichtungen) dar. Die Entladungsröhre des erfindungsgemäßen Gasentladungslasers besitzt jedoch keine Dichtungen, sodass die damit verbundenen, zwangsläufig immer auftretenden Undichtigkeiten von Dichtungen vermieden sind. Weiterhin sind die Diffusionseigenschaften der Materialien aller beteiligten Komponenten so gewählt, dass die Zusammensetzung des Lasergases über einen sehr langen Zeitraum unkritisch bleibt und der erfindungsgemäße Gasentladungslaser eine hohe Lebensdauer besitzt und einige 100 Millionen Lichtpulse wartungsfrei erzeugen kann.

Weiterhin sind bei dem erfindungsgemäßen Gasentladungslaser alle Komponenten in ihrem Material so gewählt, dass sie alle Anforderungen der Ultra- hochvakuumtechnik erfüllen und ein Ausheizen über die zweite Wassergrenze (355 ⁰ C) zulassen. Oberhalb der zweiten Wassergrenze werden auch beim Verdampfen des Wassers oberhalb von 100 ⁰ C noch verbliebene Wasserdipole, die sich an der Innenwandung des Entladungsgefäßes festsetzen, zuverlässig aufgelöst und entfernt. Nach einem Ausheizen des Entladungs- gefäßes über die zweite Wassergrenze ist dieses damit in seinem Innern vollständig wasserfrei. Schäden durch verbliebenes Wasser sind somit zuverlässig vermieden. Das Entladungsgefäß kann daher mit unterschiedlichen Gasen, einschließlich Halogengasgemischen, in einem Druckbereich von 10 ⁴ Pa bis 6x10 ⁵ Pa bar befüllt und über lange Zeiträume wartungsfrei betrieben werden.

Die stoffschlüssige Hartlotverbindung ergibt sich im Herstellungsverfahren durch einen Hartlötprozess (s.u.). Der Lötprozess zum Verbinden aller Komponenten läuft bevorzugt bei oberhalb 900 ⁰ C ab. Die unterschiedlichen Wäremeausdehnungskoeffizienten der Komponenten gestatten es nicht (oder

machen den Fügeprozess extrem teuer), Justagegenauigkeiten von einigen Hundertsteln und Winkelgenauigkeiten von < 0,1 ° während der Herstellung des Gasentladungslasers reproduzierbar zu erreichen. Für den erfindungsgemäßen Gasentladungslaser wird ein einfacher Herstellungsprozess gewählt und eine Möglichkeit zur Fein- und Nachjustage im fertig prozessierten

Zustand des Gasentladungslasers geschaffen. Diese besteht darin, dass die Hauptelektroden in Trägerwannen gehalten und mechanisch entkoppelt werden, die - genau wie die Trägerringe für die Spiegelresonatoren - durch eine dauerhafte plastische Verformung oder fixierte elastische Verformung in ihrer Ausdehnung so eingestellt werden, dass der erzeugte Laserpulsstrahl optimal fokussiert und positioniert ist. Der Fertigungsaufwand wird dadurch günstig. Der Temperaturgang des Gasentladungslasers wird ausschließlich vom Entladungsrohr bestimmt und bleibt damit absolut vernachlässigbar. über die Trägerwannen und -ringe ist auch im Betrieb eine Nachjustage ohne weiteres möglich.

In Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Gasentladungslasers kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine oder beide Hauptelektroden schneidenartig und/oder mit mehreren nebeneinander liegenden öffnungen ausgebildet sind, die so gestaltet sind, dass die Stege zwischen um die öffnungen herum einen konstante Breite aufweisen. Entlang dieser Stege wird dann der Entladungsstrom geführt und umgelenkt. Weiterhin können die beiden Hauptelektroden unterschiedliche Höhen aufweisen und die Gasentladungsstrecke außerhalb der Längsachse der Entladungsröhre angeordnet sein. Diese unsymme- trische Elektrodengeometrie mit Durchgangsöffnungen ermöglicht eine passive oder wahlweise, wenn in die öffnungen entsprechende Komponenten, beispielsweise Lüfterelemente, eingesetzt werden, eine aktive Gasumwälzung in der Entladungsröhre mit besonders positiver Wirkung auf die erreichbare Folgefrequenz und Stabilität des Gasentladungslasers bei gleichzeitiger Reduzierung der Abscheidungsraten an den optischen Resonatorspiegeln. Es

wird ein stabiler Laserbetrieb auch bei hohen Pulsfolgeraten erzielt. Im Zusammenwirken mit der gasdichten Fügetechnologie kann durch die beschriebene Elektrodengeometrie eine besonders niederinduktive Speisung der Hauptentladung erfolgen. Dadurch können mit dem Gasentladungslaser nach der Erfindung Lichtpulspulse bis zu 50 ps erzeugt werden. Durch weitere Optimierungen der einzelnen Komponenten wird die Erzeugung von Lichtpulsen mit einer Dauer von 50 ps angestrebt. Während der Gasentladung erfolgt der Stromansatz nicht kontinuierlich auf den gerundeten Elektrodenkanten, sondern durch das Plasma fadenartig eingeschnürt. Dadurch entstehen an den Kontaktstellen sehr hohe Strombelastungen (> 1000 Acm ^"2 ), die zu einem Abdampfen des Elektrodenmaterials, beispielsweise Kupfer, an den Elektrodenkanten führen können. Der entstehende Metalldampf kann sich störend auf den Resonatorspiegeln niederschlagen und die Transmission der optischen Komponenten senken. Deshalb ist eine hochschmelzende Beschich- tung der beiden Hauptelektroden im Bereich der Gasentladungsstrecke vorteilhaft. Der im Betrieb auftretende Metalldampfdruck wird durch eine derartige Beschichtung extrem reduziert. Gleichzeitig vermindert die Beschichtung die Aufnahme von Gasmolekülen in die Elektrodenoberflächen (gettern).

Die Gestaltung des Entladungsgefäßes bei dem beanspruchten Gasentladungslaser ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Startbedingungen der Gasentladung. Es kann somit eine getrennte elektronische Vorionisierung erfolgen, die einen nahezu verschleißfreien Betrieb ermöglicht. Eine gegen- über bekannten Gasentladungslasern drei- bis fünffach größere Lebensdauer wird erreicht. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gasentladungslasers sehen deshalb vor, dass die beiden stabförmigen Hilfselektroden in Höhe der der Gasentladungsstrecke zugewandten Oberkante einer Hauptelektrode an jeweils zwei Trägerstiften als Entkoppel- und Halteelemente in Wandungslöchern der Entladungsröhre befestigt sind.

Angesteuert wird der beanspruchte Gasentladungslaser durch einen besonders niederinduktiven, koaxialen Anregungskreis, der das Entladungsgefäß umschließt und alle elektrischen Bauelemente zur Energiespeicherung, zur schnellen Energieübertragung sowie den Schalter enthält. Dabei kann der elektrische Anregungskreis vorteilhaft als Blümleinschaltung mit mehreren Bandleiterkondensatoren ausgebildet sein, wobei die Bandleiterkondensatoren koaxial die Entladungsröhre umschließen. Für eine optimale elektrische Anregung ist eine homogene, lichtbogenfreie Entladung erforderlich. Zur Kompensation der schädlichen Magnetfelder (Induktivitäten) ist es bei der koaxialen Umschließung wichtig, dass sich die Strompfade („Stromflächen") in den Bandleiterkondensatoren unter diametraler Ausrichtung (180°) entgegen stehen. Nur so kann gemeinsam mit den integrierten Halbleiterschaltern (s.u.) der notwendige Stromanstieg von 100 bis 500 kAμs ^"1 (typisch 300 A/ns) erreicht werden. Bei der koaxialen Anordnung können die Bandleiterkondensatoren in einen Bandleiter integriert sein, der die Entladungsröhre koaxial umschließt und auch zumindest einen Halbleiterschalter aufnimmt, oder direkt auf weitere partielle Metallbeläge auf der Außenseite der Entladungsröhre aufgebracht sein. Für die Bandleiter kommen in der Regel spannungsfeste Isoliermaterialien wie Polyimid- oder Keramikfolien zum Einsatz. Ihre hohe Spannungsfestigkeit ( von einigen 10 kV ) und ein ε _R von 5 bis 300 gestatten den Aufbau von Bandleiterbaugruppen mit einem Wellenwiderstand im Ohmbereich. Dadurch können ultrakurze Lichtpulse bis 50 ps generiert werden können. Weiterhin kann die Schaltung der Hochstromentladung über zumin- dest einen miniaturisierten, direkt schaltenden Halbleiterschalter erfolgen, der zwischen die Bandleiterkondensatoren integriert ist. Bei dem Halbleiterschalter handelt es sich um ein direkt wirkendes Hochleistungsschaltelement auf Halbleiterbasis. Derartige Hochleistungsschaltelemente sind beispielsweise bekannt aus den Veröffentlichungen „High power semiconductor-based nano and subnanosecond pulse generator with a low delay time" (I. Grekhov et al.,

PPC-2003, Dallas), „Multi-kilovolt solid-state picosecond switch studies" (CA. Frost, IEEE 2002, pp. 174-177) und "Simulation of semiconductor opening switch physics" (A. Engelko et al., IEEE 2002, pp 318-321 ). Der bei der Erfindung verwendete Halbleiterschalter gestattet dessen auf den Wellenwider- stand bezogene Einbindung in den umgebenden Anregungskreis. Die miniaturisierten Abmessungen des Halbleiterschalters (ca. 25 mm ² mit einer Höhe von ca. 1 mm) erlauben zudem eine konstruktive Einbindung des Halbleiterschalters in die Schaltung. Der Wirkungsgrad wird entscheidend verbessert und das Bauvolumen heutigen Industrieansprüchen angepasst. In der Regel werden mehrere Halbleiterschalter in den Anregungskreis integriert.

Weitere Einzelheiten zum Aufbau des Gasentladungslasers nach der Erfindung und in diesem Zusammenhang auch zu einem bevorzugten Verfahren zu seiner Herstellung können zur Vermeidung von Wiederholungen dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil entnommen werden.

Ausführungsbeispiele

Der Gasentladungslaser und ein Herstellungsverfahren nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt durch den Gasentladungslaser,

Figur 2 eine Seitenansicht des Gasentladungslasers, Figur 3 einen Querschnitt des Gasentladungslasers und

Figur 4 ein Schaltschema des elektrischen Anregungskreises

Die Figur 1 zeigt einen Gasentladungslaser GL im Bereich des Laserkopfes LK (ohne elektrischen Anregungskreis EA). Der Laserkopf LK umfasst eine gasdichte Entladungsröhre ER mit zylindrischer Geometrie aus Keramik, in der sich eine abgeschlossene Lasergasbefüllung LG befindet. Zum Evakuieren und Befüllen der Entladungsröhre ER ist ein Pumprohr PR vorgesehen, das beim fertig prozessierten Gasentladungslaser GL entfernt ist, wobei die öffnung gasdicht verschweißt oder verlötet ist. Weiterhin befinden sich in der Entladungsröhre ER zwei sich axial erstreckende Hauptelektroden HE1, HE2, die sich diametral gegenüberliegen und zwischen sich eine Gasentladungsstrecke GS bilden. über zwei seitlich von den Hauptelektroden HE1, HE2 angeordnete stabförmige Hilfselektroden HN1 , HN2 (im Längsschnitt ist nur die eine Hilfselektrode HN1 dargestellt) werden die Startbedingungen der Gasentladung durch elektronische Vorionisierung gesteuert. Der elektrische Anregungskreis EA ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. An beiden Stirnseiten SS der Entladungsröhre ER befinden sich in axialer Ausrichtung zur Gasentladungstrecke GS optische Resonatorspiegel RS, im gewählten Ausführungsbeispiel aus Saphir (und daher bis oberhalb 355°C (zweite Wassergrenze) erwärmbar) und teilweise bzw. vollständig verspiegelt. Zur Lichtauskopplung ist ein Resonatorspiegel RS teildurchlässig ausgebildet.

Die beiden Hauptelektroden HE1, HE2 sind in langlochartigen Wandungs- durchbrüchen WD in Trägerwannen TW gelagert, die die Hauptelektroden HE1, HE2 gleichzeitig gegen die Entladungsröhre ER mechanisch entkoppeln. Dabei sind die Trägerwannen durch die Wahl des Materials verformbar ausgebildet, sodass sie eine Feinjustage der Hauptelektroden HE1, HE2 im Endzustand ermöglichen. Die Feinjustage - beispielsweise nach einer Längenänderung aufgrund eines Ausheizvorganges (s.u.) - kann entweder

durch dauerhafte plastische Verformung der Trägerwannen TW oder durch elastische Verformung, die im justierten Zustand beispielsweise durch einen Haltewinkel (in der Figur 1 nicht weiter dargestellt) eingehalten wird, erreicht werden. Gleiches gilt für verformbare Trägerringe TR, in denen die beiden Resonatorspiegel RS angeordnet sind, sodass auch diese im Endzustand über geschlitzte Druckringe DR feinjustiert werden können. Die Trägerwannen TW und Trägerringe TR sind mit zuvor auf die Entladungsröhre ER partiell aufgebrachten Metallbelägen MB durch geschmolzenes Hartlot HL stoffschlüssig verbunden, sodass ein gleichsam einstückiger Laserkopf LK mit ausgezeich- neter Gasdichtheit vorliegt. Dabei wird die Einstückigkeit auch im Bereich der Resonatorspiegel RS eingehalten, da diese über ihre Fassungen FA in die Trägerringe TR gasdicht eingeschweißt sind.

Zur Erzeugung einer homogenen und gleichmäßigen Gasentladung in der Gasentladungsstrecke GS sind die beiden Hauptelektroden HE1, HE2 asymmetrisch und schneidenartig ausgebildet. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist die Hauptelektrode HE1 schmaler als die Hauptelektrode HE2, sodass die Gasentladungsstrecke GS oberhalb der zentralen Achse der Entladungsröhre ER liegt. Die Hauptelektrode HE2 weist quadratische öffnungen OF mit gerundeten Kanten auf, wobei die verbleibenden Stege ST eine konstante Breite aufweisen. An ihren der Gasentladungsstrecke GS zugewandten Seiten sind die Hauptelektroden HE1, HE2 mit einer hochschmelzenden Beschichtung HB versehen, die Metallverdampfung durch Stromeinschnürungen und Einlagerung von Gasmolekülen verhindert. Auf ihrer von außen zugänglichen Seite weisen die Hauptelektroden HE1, HE2 mehrere Bohrungen BO auf, die der Kontaktierung des elektrischen Anregungskreises EA dienen.

In Höhe der der Gasentladungsstrecke GS zugewandten Oberkante der Hauptelektrode HE2 sind die beiden stab- oder drahtförmigen Hilfselektroden

HN1, HN2 (vergleiche Figur 3) an jeweils zwei Trägerstiften TS (vergleiche Figuren 2 und 3) befestigt, die als Entkoppel- und Halteelemente in Wandungslöchern WL der Entladungsröhre ER angeordnet sind. Auch die Trägerstifte TS sind durch geschmolzenes Hartlot mit entsprechenden partiellen Metallbelägen MB (vergleiche Figuren 2 und 3) auf der Entladungsröhre ER gasdicht verbunden.

Die Figur 2 zeigt eine Seitenansicht des Gasentladungslasers GL mit dem elektrischen Entladungskreis EA in halb abgeklapptem Zustand (die Hinter- führung hinter der Entladungsröhre ER ist in der Figur 2 gestrichelt dargestellt), gleiche Bezugszeichen sind der Figur 1 zu entnehmen. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist ein Bandleiter BL („strip conductor") mit integrierten Bandleiterkondensatoren BK und Halbleiterschaltern HS dargestellt. Der Kontakt zu den Hauptelektroden HE1, HE2 wird durch Schraubverbindungen hergestellt, wobei die Schrauben SR durch Löcher LC in die Bohrungen BO der Hauptelektroden HE1, HE2 eingreifen. Die Hilfselektroden HN1, HN2 werden über die Trägerstifte TS direkt kontaktiert.

Die Figur 3 zeigt den Gasentladungslaser gemäß Figur 2 im Querschnitt mit koaxial geschlossenem elektrischem Anregungskreis EA. Zu erkennen sind die elektrisch isolierende Entladungsröhre ER, die beiden Hauptelektroden HE1, HE2, die beiden Hilfselektroden HN1 , HN2 mit den Trägerwannen TW, Bandleiterkondensatoren BK mit Isolier- und Massezwischenlagen IM sowie die Halbleiterschalter HS. Dabei sind die Bandleiterkondensatoren BK unter diametraler Entgegenrichtung ihrer Strompfade angeordnet, sodass sich die Induktivitäten bis auf eine vernachlässigbare Restinduktivität LR kompensieren. Weitere Elemente gemäß Figur 2 wurden der besseren überschaubarkeit halber in der Figur 3 nicht dargestellt.

In der Figur 4 ist der elektrische Schaltplan des koaxialen elektrischen Anregungskreises EA schematisch aufgezeigt. Exemplarisch sind vier Bandleiterkondensatoren BK und ein Halbleiterschalter HS für die Summe der entsprechenden Komponenten dargestellt. Die elektrische Energie wird von einer Spannungsversorgung SV geliefert. Die Leistungsdaten des Halbleiterschalters HS können folgendermaßen aussehen:

Betriebsspannung (Schaltspannung) 12.000 V bis 18.000 V

Sichere Sperrspannung UB + 15 % Einschaltzeit 12 ns bis 14 ns

Sperrverzögerungszeit max. 5 μs

Zeit Jitter max. 1 ,5 ns, optimal 600 ps

Wiederholfrequenz 100 pps bis 250 pps

Peakstrom (250 ns) 1.800 A bis 5.500 A Umkehrstrom (200 ns) 40 % Peakstrom

Stromanstieg größer 120 A ns ^"1

Nach den ausführlichen Erläuterungen zum Aufbau des Gasentladungslasers soll abschließend noch kurz auf ein bevorzugtes Verfahren zu seiner

Herstellung eingegangen werden. Dieses kann folgendermaßen ablaufen:

Verfahrensschritt I Auf die Außenseite der Entladungsröhre ER werden partiell Metallbeläge MB aufgebracht, auf denen später die verschiedenen Trägerkomponenten festgelötet werden.

Verfahrensschritt Il

In jede Stirnseite SS der Entladungsröhre ER werden unter Zwischenlage von Hartlotringen die verformbaren Trägerringe TR zur Aufnahme der optischen Resonatorspiegel RS eingesetzt.

Verfahrensschritt III

In jeden Wandungsdurchbruch WD der Entladungsröhre EA werden unter Zwischenlage von Hartlotfolien die verformbaren Trägerwannen TW eingesetzt. Diese dienen als Entkoppel- und Halteelemente für die Hauptelektroden HE1, HE1 , die wiederum unter Zwischenlage von Hartlotfolien in die Trägerwannen TW eingesetzt werden.

Verfahrensschritt IV

In dafür vorgesehene Wandungslöcher WL der Entladungsröhre ER werden Trägerstifte TS, die als Entkoppel- und Halteelemente für die stabförmigen Hilfselektroden HN1, HN2 dienen, unter Zwischenlage von Hartlothülsen eingesetzt. Die Hilfselektroden HN1 , HN2 werden ihrerseits unter Zwischenlage von Hartlothülsen auf die Trägerstifte TS aufgesteckt.

Verfahrensschritt V

Alle Komponenten, die zuvor durch Zwischenlage von Hartlot miteinander kontaktiert wurden, werden durch einen Lötofen geführt. Bei einer Löttemperatur oberhalb von 900 ⁰ C werden die aneinander gepressten Komponenten miteinander hartverlötet (Trägerwannen TW, Trägerringe TR und Trägerstifte TS mit den entsprechenden partiellen Metallbelägen MB auf der Entladungsröhre ER, Hauptelektroden HN1 , HN2 mit den Trägerwannen TW, Hilfselektroden HN1 , HN2 mit den Trägerstiften TS und Trägerringe TR mit de Stirnseiten der Entladungsröhre ER).

Verfahrensschritt VI

In die beiden eingelöteten Trägerringe TR werden die Fassungen FA der verspiegelten optischen Resonatorspiegel RS gasdicht eingeschweißt. Dabei wird ein solches Material für die Resonatorspiegel RS ausgesucht, das ein Ausheizen oberhalb 355 ⁰ C zulässt.

Verfahrensschritt VII

über das Pumprohr PR wird die Entladungsröhre ER bis in den Ultrahochvakuumbereich evakuiert. Gleichzeitig wird die Entladungsröhre ER auf eine Temperatur (355°C) oberhalb der zweiten Wassergrenze ausgeheizt, um Wasser in der Entladungsröhre ER rückstandsfrei zu entfernen.

Verfahrensschritt VIII Die Entladungsröhre ER wird mit dem Wellenlängen bestimmenden Laser- und Puffergas über das Pumprohr PR befüllt. Anschließend wird das Pumprohr PR gasdicht verschlossen (verschweißt).

Verfahrensschritt IX An den eingelöteten Trägerringe TR, die mit den Resonatorspiegeln RS verschweißt werden, werden Druckringe DR befestigt. Diese weisen beispielsweise Schrauben zur Druckausübung auf die verformbaren Trägerringe TR auf.

Verfahrensschritt X

Es erfolgt jetzt eine Feinjustage über die Trägerwannen TW und die Trägerringe TR. Diese können dauerhaft plastisch oder rückstellbar elastisch fixiert werden. Die Verformung erfolgt beispielsweise über ortsfeste Winkel bei den Hauptelektroden HE1 , HE2 und über die Schrauben der Druckringe DR bei den Resonatorspiegeln RS.

Verfahrensschritt Xl

Abschließend wird der elektrische Anregungskreis EA auf die Entladungsröhre ER montiert und mit den Haupt- und Hilfselektroden HE1, HE2, HN1, HN2 elektrisch kontaktiert. Dabei kann die Anbringung des elektrischen Anregungskreis EA als Blümleinschaltung durch Integration von Bandleiterkondensatoren BK in einen Bandleiter BL, der gemäß Figur 2 kontaktiert wird, oder durch direktes Aufbringen auf weitere partielle Metallbeläge MB koaxial unter diametraler Entgegenrichtung der Strompfade in den Bandleiterkondensatoren BK auf der Außenseite der Entladungsröhre ER erfolgen. Die miniaturisierten, direkt schaltenden Halbleiterschalter HS werden zwischen den Bandleiterkondensatoren BK auf dem Bandleiter BL oder direkt auf der Endladungsröhre ER kontaktiert. Nach der Kontaktierung mit dem elektrischen Anregungskreis EA wird der Gasentladungslaser GL in einem Gehäuse angeordnet, fertig montiert und ist nach Anschluss an die Spannungsversorgung SV einsatzbereit.

Bezugszeichenliste

BL Bandleiter

BK Bandleiterkondensator

BO Bohrung

EA elektrischer Anregungskreis

ER Entladungsröhre

FA Fassung

DR Druckring

GL Gasentladungslaser

GS Gasentladungsstrecke

HB hochschmelzende Beschichtung

HE Hauptelektrode

HL Hartlot

HN Hilfselektrode

HS Halbleiterschalter

IM Isolier- und Massezwischenlage

LC Loch

LG Lasergasbefüllung

LK Laserkopf

LR Restinduktivität

MB Metallbelag

OF öffnung

PR Pumprohr

RS Resonatorspiegel

SR Schraube

SS Stirnseite

ST Steg

SV Spannungsquelle

TR Trägerring

TS Trägerstift

TW Trägerwanne

WD Wandungsdurchbruch

WL Wandungsloch