JP2000150996A - パルスレーザ用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎな
いパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができ
るようにする。 【解決手段】可飽和リアクトルＡＬn1〜ＡＬn2と転送元
コンデンサＣn1，Ｃn2の直列回路を複数個前記ピーキン
グコンデンサＣpに並列に接続するとともに、前記複数
の過飽和リアクトルＡＬn1〜ＡＬn2を磁気結合し、かつ
これら複数の可飽和リアクトルＡＬn1〜ＡＬn2の飽和後
インダクタンスＬ1，Ｌ2を異ならせるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ用パルス
放電に利用される磁気スイッチ（可飽和リアクトル）を
用いたパルスレーザ用電源装置に関し、特にレーザパル
スの１パルス当たりのエネルギーを下げることなくパル
スレーザのピーク出力を下げるための改良に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】高出
力パルスレーザや加速器用のパルス電源装置として、
近年、サイラトロン、ＧＴＯなどの主スイッチの耐久性
の向上のために磁気パルス圧縮回路を使用したものが用
いられることが多い。

【０００３】図１２はパルスレーザのパルス電源に用い
られる一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮装置の等価
回路を示すもので、図１３は図１２の回路各部における
電圧及び電流の波形例を示すものである。

【０００４】この図１２の放電回路は、可飽和リアクト
ルから成る３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象
を利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。

【０００５】図１２においては、まず、コンデンサＣ0
に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源
ＨＶからの電荷をチャージしておく。

【０００６】この後、パルスレーザ発振の繰り返し周波
数に同期してオンになるパルス発振同期信号（トリガ信
号）ＴＲが入力されると、この時点で主スイッチＳＷが
オンにされる（図１０時刻ｔ0）。主スイッチＳＷがオ
ンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下
がり、この後磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコン
デンサＣ0と主スイッチＳＷの電圧差ＶC0−ＶSWの時間
積（電圧ＶC0の時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の
設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ1にお
いて磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気
スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のルー
プに電流パルスｉ0が流れる。

【０００７】この電流パルスｉ0が流れ始めてから０に
なる（時刻ｔ2）までの時間δ0、即ちコンデンサＣ0か
らコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷
転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視
すれば、磁気スイッチＡＬ0の飽和後インダクタンス、
コンデンサＣ0、コンデンサＣ1の各容量によって決定さ
れる。

【０００８】一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積
Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達
すると、この時点ｔ3において磁気スイッチＡＬ1は飽和
し、低インダクタンスとなる。これにより、コンデンサ
Ｃ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電
流パルスｉ1が流れる。この電流パルスｉ1は、コンデン
サＣ1、Ｃ2の容量および磁気スイッチＡＬ1の飽和後イ
ンダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1を
経由した後、時刻ｔ4で０になる。

【０００９】また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積
Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達
すると、この時点ｔ5において磁気スイッチＡＬ2は飽和
し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデン
サＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスｉ2が
流れる。

【００１０】その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧
ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定
の主放電開始電圧に達すると、この時点ｔ6において主
電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始
される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数
ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。

【００１１】この後、主放電によってピーキングコンデ
ンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電
開始前の状態に戻る。

【００１２】このような放電動作が、トリガ信号ＴＲに
同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰
り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パ
ルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。

【００１３】また、この場合、磁気スイッチおよびコン
デンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタン
スが後段にいくにつれ小さくなるように設定されている
ので、電流パルスｉ0〜ｉ2のピーク値が順次高くなりか
つその通電幅も順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行
われ、この結果主電極６間に短時間での強い放電が得ら
れることになる。

【００１４】ところで、上記のような磁気パルス圧縮に
よってパルス圧縮率を高めすぎると、パルス幅の短いピ
ーク出力の大きなパルスレーザ光が得られる反面、この
ような短パルス幅で高出力のパルスレーザ光によって ・レーザ共振器内に設けられた光学部品の耐久性が悪く
なる ・ラウンドトリップ回数（レーザ光の共振器での往復回
数）が減少する ・ラウンドトリップ回数の減少により狭帯域化光学素子
への入射回数が減り、狭帯域化効率が落ちる などの種々の不具合が発生する。そこで、昨今はこれと
は逆にパルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎない
パルスレーザ光のほうが要望されることが多い。パルス
レーザ光のピーク出力を下げるとはいってもパルス幅が
長くなるので、レーザパルスの１パルス当たりのエネル
ギーがパルス幅の短いピーク出力の大きなパルスレーザ
光に比べ小さくなることはない。

【００１５】しかし、上記従来技術では、コンデンサＣ
2からピーキングコンデンサＣpに一度に全ての電荷を電
流パルスｉ2として転送するようにしているので、パル
スレーザ光の発光強度、発光時間は電流パルスｉ2のみ
の電荷転送時間およびピーク値によって一義的に決まっ
てしまい、これを微調整することが難しい。また、上記
従来技術では、コンデンサＣ2からピーキングコンデン
サＣpに転送された電荷は放電によってそのほとんどが
消費されてしまい、レーザ発光が開始された後もピーキ
ングコンデンサＣpに電荷が転送されることはないの
で、レーザパルスのパルス幅を長くする上で、回路的に
自ずと限界があった。

【００１６】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎ
ないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることがで
きるパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用効果】請求項１に
対応する発明では、レーザ媒質中に設けられるパルスレ
ーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されてい
るピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサ
に並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデ
ンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電され
た電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピ
ーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間
でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパ
ルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置におい
て、前記可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回
路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続する
とともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、
かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタ
ンスを異ならせるようにしている。

【００１８】この請求項１の発明では、磁気パルス圧縮
回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リ
アクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピ
ーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複
数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の
可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせる
ようにしており、複数の転送元コンデンサに充電された
電荷は、各転送元コンデンサに直列接続された可飽和リ
アクトルが飽和すると、ピーキングコンデンサに電荷転
送を開始する。そして、この請求項１の発明では、これ
ら複数の可飽和リアクトルは、磁気結合されているた
め、各種のばらつき要因によって可飽和リアクトルが飽
和する前に、各可飽和リアクトルを流れる電流の変化に
多少のばらつきがあったとしても、これら複数の可飽和
リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの複数の
可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始のタイミン
グを揃えることができる。

【００１９】また、各可飽和リアクトルの飽和後インダ
クタンスを異ならせるようにしているので、各転送元コ
ンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送の際の
電荷転送時間が各ルート別に異なるようになり、短時間
で転送される電荷と比較的長い時間で転送される電荷な
ど転送時間の異なる各種電荷を発生させることができ
る。

【００２０】したがってこの請求項１の発明によれば、
ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が
開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルート
からピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現
象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすこ
とができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少さ
せることができる。このようにこの発明では、パルス幅
が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光
を簡単な構成によって得ることができる。

【００２１】請求項２の発明では、請求項１の発明に対
し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元
コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向
を導通方向とするダイオードを更に設け、前記複数の転
送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたこ
とを特徴とする。

【００２２】この請求項２の発明では、前記複数の転送
元コンデンサには予め充電を行うようにしているので、
転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転
送時、ピーキングコンデンサの電位は転送元コンデンサ
の電位よりも低いため、転送元コンデンサから可飽和リ
アクトルを介してピーキングコンデンサへ電荷が漏れ
ず、ピーキングコンデンサへの電荷転送開始後に、ピー
キングコンデンサの電位が転送元コンデンサの電位と等
しくなった時点からピーキングコンデンサから可飽和リ
アクトルを介して電荷が漏れるために、ピーキングコン
デンサへのエネルギー転送開始時点におけるピーキング
コンデンサの電位降下量が極めて小さくなる。この結
果、ピーキングコンデンサに転送されるエネルギー量を
正確に把握することができ、レーザ放電部に供給される
エネルギーを精度良く制御することができる。

【００２３】また、この請求項２の発明では、ダイオー
ドの導通方向がエネルギー転送方向であるため、ピーキ
ングコンデンサへの充電を効果的に阻止することができ
るとともに、ダイオードの導通方向はピーキングコンデ
ンサからレーザ放電部にエネルギー供給後残余のエネル
ギーが転送元コンデンサなどの前段側のコンデンサに回
生される方向に一致するため、次のパルス発振のための
充電のエネルギー消費が各段に減少する。しかも、この
発明では、ピーキングコンデンサからレーザ放電部にエ
ネルギー供給後に残余のエネルギーによって生じる共振
が効果的に抑制され、またこの共振の終了状態もピーキ
ングコンデンサの電位を常に負の電位を持たせて終了す
ることとなるために、この点からも安定したレーザ出力
制御が可能になる。

【００２４】請求項３の発明では、レーザ媒質中に設け
られるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列
に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキ
ングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトル
と転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデ
ンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現
象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により
前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒
質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用
電源装置において、前記可飽和リアクトルを複数個の可
飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、これら
複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数
の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせ
るようにしたことを特徴としている。

【００２５】この請求項３の発明では、磁気パルス圧縮
回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リ
アクトルと転送元コンデンサの直列回路のうち可飽和リ
アクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割
するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合
し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダ
クタンスを異ならせるようにしており、転送元コンデン
サに充電された電荷は、複数の並列接続された可飽和リ
アクトルを介してピーキングコンデンサに転送される。
そして、この場合、これら複数の可飽和リアクトルは、
磁気結合されているため、前述したように、これら複数
の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これら
の複数の可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始の
タイミングを揃えることができる。また、これら複数の
可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせる
ようにしているので、転送元コンデンサからピーキング
コンデンサへの電荷転送の際の電荷転送時間が各ルート
別に異なるようになり、短時間で転送される電荷と比較
的長い時間で転送される電荷など転送時間の異なる各種
電荷を発生させることができる。

【００２６】したがってこの請求項３の発明によれば、
ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が
開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルート
からピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現
象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすこ
とができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少さ
せることができる。このようにこの発明では、パルス幅
が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光
を簡単な構成によって得ることができる。

【００２７】請求項４の発明では、請求項３の発明に対
し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元
コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向
を導通方向とするダイオードを更に設け、前記転送元コ
ンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特
徴としている。

【００２８】したがって、この発明では、請求項２と同
様の効果を得ることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施形態を添付図
面に従って詳細に説明する。

【００３０】図１はこの発明の一実施形態を示す等価回
路図である。この図１においては、磁気パルス圧縮回路
における最終段の圧縮回路回路部分のみを示している。
この磁気パルス圧縮回路は、例えばエキシマレーザなど
のパルスガスレーザの放電電極に高電圧を印加するため
の電源回路として用いられる。

【００３１】この実施形態において、放電電極１０に
は、ピーキングコンデンサＣpが並列接続されている。
このピーキングコンデンサＣpに対し、可飽和リアクト
ルＡＬn1と転送元コンデンサＣn1との直列回路と、可飽
和リアクトルＡＬn2と転送元コンデンサＣn2との直列回
路とが並列に接続されている。２つの転送元コンデンサ
Ｃn1およびＣn2は、ピーキングコンデンサＣpに電荷を
転送するもので、これらコンデンサＣn1およびＣn2に
は、その前段の図示しないコンデンサから電荷が同時に
転送されるものとする。すなわち、転送元コンデンサＣ
n1およびＣn2の電圧は、全く同じように変化する。転送
元コンデンサＣn1およびＣn2の容量は同じとする。

【００３２】一方、並列接続された２つの可飽和リアク
トルＡＬn1，ＡＬn2は、密に磁気結合されており、した
がってこれらの飽和タイミングは同時になる。

【００３３】磁気結合の手法としては、例えば、第２図
に示すように、２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2
の各巻線１１，１２を共通の１つのコア１３に巻回す
る。

【００３４】可飽和リアクトルにおいては、可飽和リア
クトルに電圧が印加されたとしても最初はコアの透磁率
が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大き
く、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増え
ていく。この電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超
えたときコアは飽和し、これによりコアの透磁率が急激
に小さくなって巻き線を流れる電流が一気に増加する。
この時点が可飽和リアクトルの飽和時点（オン時点）で
ある。

【００３５】この実施形態では、同一のコア１３を用い
て同一段の複数の可飽和リアクトルを構成しているため
に、各種のばらつき要因によってコアが飽和する前に、
巻き線１１、１２を流れる電流の変化に多少のばらつき
があったとしても、これら同一段の複数の可飽和リアク
トルの飽和タイミングが一致し、これらの可飽和リアク
トルＡＬn1，ＡＬn2が介在する電荷転送の開始のタイミ
ングを揃えることができる。

【００３６】磁気結合の他の手法として、図３に示すよ
うな手法もある。

【００３７】この図３の場合は４個の可飽和リアクトル
を磁気結合するようにしている。すなわちこの手法で
は、複数（この場合４個）のコア２０〜２３を用い、２
つのコアに跨って各可飽和リアクトルの巻き線２５〜２
８を巻回するようにしている。図３に付した矢印のうち
巻き線に平行して付した矢印は電流の向きを示してお
り、各コア２０〜２３中に示した矢印は、各巻き線によ
って作られる磁界の向きを示している。ここで、これら
の磁界の向きは、反時計方向→時計方向→反時計方向と
いうように１個単位に逆向きになるようにコイルの巻き
方向および電流の向きを調整する必要がある。また、こ
のような１個単位に逆向きの磁界を実現するためには、
コアの個数は偶数であることが必要となる。

【００３８】図３において、各巻き線２５〜２８に電圧
が印加されると、各コア２０〜２３の巻き線には、各巻
き線を流れる電流を打ち消すように電圧が発生し、これ
が電流の増加を抑える。最初は各コア２０〜２３の透磁
率が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大
きく、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増
えていく。この電流増加によって各コア２０〜２３の磁
束密度も増加し、同じように飽和に近づいていく。そし
て、電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたとき
コアは飽和する。

【００３９】仮に１つのコア２０が飽和に達したとする
と、このコア２０に巻回されている巻き線２５および２
８を流れる電流が急激に増加する。これらの電流増加に
よってコア２０に隣接しているコア２１および２３の磁
束密度も急激に増加し、これによってコア２１及び２３
も直ちに飽和する。

【００４０】この結果、コア２１及び２３に巻回されて
いる巻き線２６および２７を流れる電流が急激に増加す
る。

【００４１】そして、これらの電流増加によって残るコ
ア２２も直ちに飽和する。

【００４２】このようにして、４個のコアのうちのどれ
が先に飽和したとしても、残り３個のコアも直ちに飽和
することになり、これら４個の可飽和リアクトルの飽和
タイミングを一致させることが可能になる。

【００４３】つぎに、図１において、磁気結合された２
つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、それらの飽和
後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異ならせるようにしてい
る。この場合、Ｌ1＜Ｌ2とする。

【００４４】このような図１に示す回路においては、転
送元コンデンサＣn1およびＣn2は同容量であり、これら
転送元コンデンサＣn1およびＣn2の両端電圧はほぼ同じ
ように変化する。また、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬ
n2は、同じ値の電圧時間積によって飽和するようそれら
の飽和特性が設定されている。

【００４５】したがって、可飽和リアクトルＡＬn1，Ａ
Ｌn2は、基本的には同時点で飽和する。しかも、可飽和
リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、前述した手法によって磁
気結合されているので、各種のばらつき要因によって各
可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を流れる電流の変化に
多少のばらつきがあったとしても、これら可飽和リアク
トルＡＬn1，ＡＬn2の飽和タイミングが一致する。した
がって、転送元コンデンサＣn1からピーキングコンデン
サＣpへの電荷転送開始タイミングと、転送元コンデン
サＣn2からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送開始
タイミングとをほぼ完全に一致させることができる。

【００４６】また、図１に示す回路においては、可飽和
リアクトルＡＬn1の飽和後インダクタンスＬ1より可飽
和リアクトルＡＬn2の飽和後インダクタンスＬ2のほう
を大きく設定している。したがって、この場合、転送元
コンデンサＣn1から可飽和リアクトルＡＬn1を介してピ
ーキングコンデンサＣpへ転送される電荷Ｉ1の転送時間
τ1より転送元コンデンサＣn2から可飽和リアクトルＡ
Ｌn2を介してピーキングコンデンサＣpへ転送される電
荷Ｉ2の転送時間τ2のほうが長くなる。

【００４７】このように、図１の回路においては、図４
に示すように、短時間で転送される電流パルスＩ1と、
比較的長時間をかけて転送される電流パルスＩ2とを、
それらの転送開始タイミングを同じにして発生させるこ
とができる。

【００４８】この実施形態によれば、図４に示すよう
に、ピーキングコンデンサＣpの電圧Ｖcpは電流Ｉ1と電
流Ｉ2の合成電流によって充電の進展とともに上昇す
る。そして、この電圧Ｖcpが所定の主放電開始電圧に達
すると、主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて放
電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起
され、レーザ光が発生される。この後、主放電によって
ピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、共振
を経た後充電開始前の状態に戻る。

【００４９】ここで、長時間をかけて転送される電流パ
ルスＩ2は、レーザ発振が開始された後のレーザ光が発
光している最中にも、依然ピーキングコンデンサＣpに
転送され続けている。したがって、この図１の回路で
は、レーザ光が発生された後もピーキングコンデンサＣ
pにエネルギーを供給する状態を作り出すことができ、
これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、ま
たその単位時間当たりの発光強度を減少させることがで
きる。

【００５０】図５はこの発明の他の実施形態を示すもの
である。この実施形態においては、最終段の電荷転送回
路中の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2のみをピーキン
グコンデンサＣpに対し２個並列に接続しており、転送
元コンデンサＣnは従来通り１個のままとしている。

【００５１】この実施形態においても、並列接続された
２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は先の実施形態
と同様磁気結合しており、また２個の可飽和リアクトル
ＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異
なる値に設定している。したがって、この実施形態にお
いても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介し
た２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキング
コンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時と
なり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異
なる値となる。

【００５２】したがって、この実施形態においても先の
図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させる
ことができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすこ
とができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少さ
せることができる。

【００５３】図６はこの発明の更に他の実施形態を示す
ものである。

【００５４】この実施形態においては、先の図５に示し
た回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に
それぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加する
ようにしている。ただし、先の図１または図５に示した
実施形態の電荷転送の手法は先の図１２に示したものと
同様であるが、図６の回路の場合は、電荷転送の手法が
先の図１２の場合と異なっているので、図６の回路の基
本的な電荷転送動作を図７および図８を用いて説明す
る。

【００５５】図７においては、最終段のＬＣ回路の可飽
和リアクトルおよびコンデンサを複数の並列回路には分
割してはいない。

【００５６】図７に示す磁気パルス圧縮回路では、スイ
ッチ素子ＳＷと、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ
1およびコンデンサＣ1とがそれぞれ充電用直流電源ＨＶ
に並列接続される。また、直列接続された可飽和リアク
トルＳＬ2およびコンデンサＣ2はコンデンサＣ1に並列
接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトル
ＳＬ3、ダイオードＤ1およびピーキングコンデンサＣp
はコンデンサＣ2に並列接続される。また、レーザ放電
部１０がピーキングコンデンサＣpに並列接続される。
この場合、ダイオードＤ1はピーキングコンデンサＣpか
ら可飽和リアクトルＳＬ3への方向を導通方向としてい
る。即ち、ダイオードＤ1は、パルス圧縮転送時におけ
るエネルギー転送方向を導通方向としている。

【００５７】この図７の磁気パルス圧縮回路の動作を図
８のタイムチャートを用いて説明する。

【００５８】まず、図７において、充電用直流電源ＨＶ
によって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ1
およびコンデンサＣ2が充電される。コンデンサＣ1に
は、可飽和リアクトルＳＬ1を介して充電され、コンデ
ンサＣ2には、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2を介して
充電される。この充電は、可飽和リアクトルＳＬ1，Ｓ
Ｌ2が飽和しなくても十分な時間をかけて直流高電圧を
印加することによって実現できる。電流の急激な変動が
ない場合、インダクタンスは小さくなるからである。一
方、ピーキングコンデンサＣpは充電されない。ダイオ
ードＤ1によってピーキングコンデンサＣpへの電荷移動
が阻止されるからである。

【００５９】従って、図８に示すように、充電が完了し
た段階におけるコンデンサＣ1，Ｃ2の端子電圧ＶC1，Ｖ
C2はそれぞれ＋Ｅボルト（点Ｐ１）、ピーキングコンデ
ンサＣpの端子電圧Ｖcpは０ボルト（点Ｐ２）となって
いる。

【００６０】その後、主スイッチＳＷをオンにするとコ
ンデンサＣ1に蓄積された電荷の転送が開始される。す
なわち、スイッチ素子ＳＷのオンによって可飽和リアク
トルＳＬ1の端子電圧が急激に増大し、この後この電圧
時間積が可飽和リアクトルＳＬ1の飽和限界に達すると
可飽和リアクトルＳＬ1は飽和し、可飽和リアクトルＳ
Ｌ1のインダクタンスが急激に減少してオン状態とな
る。

【００６１】この結果、コンデンサＣ1に蓄積された電
荷は電流Ｉ1として流れ、コンデンサＣ1の極性が反転す
る。すなわち、図８に示すようにコンデンサＣ1の端子
電圧ＶC1は＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。この
コンデンサＣ1の極性反転の期間Ｔ１において、コンデ
ンサＣ2に蓄積されていた電荷は、可飽和リアクトルＳ
Ｌ1，ＳＬ2間の電圧降下によって可飽和リアクトルＳＬ
2がオフ状態であるにもかかわらず、可飽和リアクトル
ＳＬ1を介して放電し、またコンデンサＣ2、リアクトル
ＳＬ2、コンデンサＣ1を経て放電して、微小な電圧降下
が生じる（点Ｐ３）。

【００６２】その後、コンデンサＣ1の極性反転による
電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ2がオンとな
り、極性反転によって転送されてコンデンサＣ1に蓄積
された電荷およびコンデンサＣ2に蓄積された電荷が電
流Ｉ2として流れ、コンデンサＣ2の極性が反転されると
ともに、コンデンサＣ1の電荷がコンデンサＣ2に転送さ
れる。コンデンサＣ1とコンデンサＣ2との容量比が３：
１のときには、図８に示すように、コンデンサＣ1の端
子電圧ＶC1は−Ｅボルトから０ボルトとなり、コンデン
サＣ2の端子電圧ＶC2はほぼ＋Ｅボルトから−Ｅボルト
に変化する。このコンデンサＣ1からコンデンサＣ2への
電荷転送およびコンデンサＣ2の極性反転の期間Ｔ2にお
いて、ピーキングコンデンサＣpの電荷は、ダイオード
Ｄ1および可飽和リアクトルＳＬ3を介して漏れることに
なるが、可飽和リアクトルＳＬ2がオンになった時点で
は、可飽和リアクトルＳＬ3の電位に対して可飽和リア
クトルＳＬ2の電位の方が高いため、ピーキングコンデ
ンサＣpの電荷は漏れない。そして、可飽和リアクトル
ＳＬ2と可飽和リアクトルＳＬ3との電位が同じとなった
時点Ｐ５から、ピーキングコンデンサＣpの電荷の漏れ
が開始する。この結果、ピーキングコンデンサＣpの漏
れ電荷による端子電圧Ｖcpの電圧降下ΔＶの値は、可飽
和リアクトルＳＬ2がオンとなる時点Ｐ４から電荷漏れ
が開始した場合の電圧降下ΔＶ１の値に比較して半減あ
るいはそれ以下の微小な値となる。これにより、ピーキ
ングコンデンサＣpに電荷が転送される前のピーキング
コンデンサＣpの端子電圧Ｖcpの値は０ボルト近傍に効
果的に抑えられることになる。

【００６３】ここで、通常、レーザ放電部１０からのレ
ーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部１０に対す
る印加電圧を制御することが行われるが、この図７の電
荷転送方式によれば、上述したようにレーザ放電部１０
に供給すべきピーキングコンデンサＣpからの印加電圧
量、電荷量等のエネルギー量を正確に把握することがで
き、精度の高い、安定したパルスレーザ出力に制御する
ことが可能となる。

【００６４】その後、コンデンサＣ2への電荷転送終了
直後に可飽和リアクトルＳＬ3がオンとなり、コンデン
サＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ3として流れ、コンデン
サＣ2の電荷がピーキングコンデンサＣpに転送される。
このピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は、電
流Ｉ4としてレーザ放電部１０に印加され、レーザ放電
部１０の放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ発
振することになる。レーザ放電部１０で消費された電流
以外の残余の電流は、その後レーザ放電部１０とピーキ
ングコンデンサＣpとの間で数回共振するが、スイッチ
素子ＳＷをオフしておけばその都度ダイオードＤ1、可
飽和リアクトルＳＬ2，ＳＬ3を介し、電流Ｉ5としてコ
ンデンサＣ1，Ｃ2に回生される。しかも、ダイオードＤ
1の整流作用によってダイオードＤ1を介してコンデンサ
Ｃ1，Ｃ2に回生された電荷はピーキングコンデンサＣp
に戻ることが阻止される。これにより、ピーキングコン
デンサＣpに転送された電荷は、レーザ放電部１０の放
電に寄与するとともに、残余の電荷は再びコンデンサＣ
1，Ｃ2に回生され、次の充電エネルギーを削減すること
ができ、エネルギー消費効率を非常に大きくすることが
できる。

【００６５】図６に示した回路においては、上記図７に
示したような電荷転送を行なう磁気パルス圧縮回路にお
いて、コンデンサＣ1（図６ではＣn）からピーキングコ
ンデンサＣpへの電荷転送を行なう最終段の電荷転送回
路中に含まれる可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を複数
個並列に接続し、これら複数の可飽和リアクトルＡＬn
1，ＡＬn2を磁気結合するとともに、これら可飽和リア
クトルにそれぞれ直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続する
ようにしている。すなわち、図６において、コンデンサ
Ｃnに並列に接続された２つの可飽和リアクトルＡＬn
1，ＡＬn2は、図５の実施例と同様、磁気結合してお
り、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2
の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異なる値に設定し
ている。したがって、この実施形態においても、２個の
可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルート
の転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへ
の電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つ
のルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。し
たがって、この実施形態においても先の図４に示したも
のとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、こ
れによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、また
その単位時間当たりの発光強度を減少させることができ
る。

【００６６】また、この図６の実施形態においては、先
の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、最
終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクトル
ＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続する
ようにしている。したがって、この実施形態によれば、
先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもでき
る。

【００６７】なお、最終段の電荷転送回路に接続される
ダイオードは、図９に示すように、並列接続された複数
の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に対し、共通のダイ
オードＤを１つ接続するようにしてもよい。このように
しても、先の図６の実施形態と同様の効果を得ることが
できる。

【００６８】図１０はこの発明の更に他の実施形態を示
すものである。

【００６９】この実施形態においては、先の図１に示し
た回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に
それぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加する
ようにしている。ただし、この図１０の実施形態におい
ては、電荷転送の手法は、先の図７に示したものと同じ
である。

【００７０】この実施形態においても、２つの可飽和リ
アクトルＡＬn1，ＡＬn2は、先の実施形態と同様、磁気
結合しており、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬ
n1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2は異なる
値に設定されている。したがって、この実施形態におい
ても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した
２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコ
ンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時とな
り、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異な
る値となる。したがって、この実施形態においても先の
図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させる
ことができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすこ
とができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少さ
せることができる。

【００７１】また、この図１０の実施形態においては、
先の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、
最終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクト
ルＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続す
るようにしている。したがって、この実施形態によれ
ば、先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもで
きる。

【００７２】なお、図１０の回路において、最終段の電
荷転送回路に接続されるダイオードは、図１１に示すよ
うに、並列接続された複数の可飽和リアクトルＡＬn1，
ＡＬn2に対し、共通のダイオードＤを１つ接続するよう
にしてもよい。このようにしても、先の図１０の実施形
態と同様の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態を示す等価回路図。

【図２】磁気結合の１手法を示す図。

【図３】磁気結合の他の手法を示す図。

【図４】図１の実施形態の電流、電圧などのタイムチャ
ート。

【図５】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【図６】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【図７】図６の実施形態における電荷転送動作を説明す
る為の等価回路図。

【図８】図７の回路の各部の電圧波形を示すタイムチャ
ート。

【図９】図６の実施形態の変形例を示す等価回路図。

【図１０】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。

【図１１】図１０の実施形態の変形例を示す等価回路
図。

【図１２】従来技術を示す等価回路図。

【図１３】従来技術の電流、電圧などのタイムチャー
ト。

【符号の説明】

Ｃ1〜Ｃ2，Ｃn，Ｃn1〜Ｃn2…コンデンサ Ｃp…ピーキングコンデンサ ＨＶ…充電電源 ＳＷ…主スイッチ ＡＬ1，ＡＬ2，ＡＬn1，ＡＬn2…可飽和リアクトル １０…放電電極 １１，１２、２５〜２８…巻線 １３，２０〜２３…コア

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用
   放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピー
   キングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列
   接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの
   直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷
   を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキン
   グコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパル
   ス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレ
   ーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前
   記可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複
   数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するととも
   に、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこ
   れら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを
   異ならせるようにしたことを特徴とするパルスレーザ用
   電源装置。
2. 【請求項２】前記可飽和リアクトルに直列接続され、前
   記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷
   転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記
   複数の転送元コンデンサには予め充電を行っておくよう
   にしたことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ用
   電源装置。
3. 【請求項３】レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用
   放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピー
   キングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列
   接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの
   直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷
   を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキン
   グコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパル
   ス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレ
   ーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、 前記可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並
   列回路に分割するとともに、これら複数の過飽和リアク
   トルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトル
   の飽和後インダクタンスを異ならせるようにしたことを
   特徴とするパルスレーザ用電源装置。
4. 【請求項４】前記可飽和リアクトルに直列接続され、前
   記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷
   転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記
   転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにした
   ことを特徴とする請求項３記載のパルスレーザ用電源装
   置。