JP2001268945A - パルスレーザ電源 - Google Patents

パルスレーザ電源

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JP2001268945A JP2000082867A JP2000082867A JP2001268945A JP 2001268945 A JP2001268945 A JP 2001268945A JP 2000082867 A JP2000082867 A JP 2000082867A JP 2000082867 A JP2000082867 A JP 2000082867A JP 2001268945 A JP2001268945 A JP 2001268945A
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pulse laser
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Akira Tokuchi
明 徳地
Norihiko Ninomiya
紀彦 二宮
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Nichicon Corp
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Nichicon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルスレーザ電源において、極性反転回路を
別に設けることなく、キックバックエネルギーを回生す
る。 【解決手段】 初期充電された充放電用コンデンサCo
からリアクトルLoを介して半導体スイッチSWのオン
制御でパルス電圧を発生するパルス発生回路1と、パル
ス電圧を磁気圧縮してパルスレーザ発生部4に供給する
磁気圧縮回路3とを備え、パルスレーザ発生部4からの
キックバックエネルギーにより上記充放電用コンデンサ
Coが逆極性に充電されるパルスレーザ電源において、
上記充放電用コンデンサCoと並列に接続された高電圧
直流電源2の整流回路用ダイオードDsを介して、エネ
ルギーを回生する手段を備えたことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はパルス発生回路と磁
気圧縮回路を組み合わせたパルスレーザ電源に関わり、
主にキックバックエネルギーの回生方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】近年エキシマレーザに代表されるパルス
レーザ装置は、半導体製造用の露光装置や物体の表面加
工等の光源に用いられて産業上の需要が高まっている。
このパルスレーザの励起を行うにはマイクロ秒以下の極
短パルスの電圧をレーザ装置に印加して放電を行わなけ
ればならないが、このような極短パルス電圧を発生させ
るには、初期充電されたコンデンサから、半導体スイッ
チをオンすることによって、初期パルスを発生させ、次
段のコンデンサを充電し、更に可飽和リアクトルの飽和
特性を利用してパルス幅の圧縮を行う、いわゆる磁気パ
ルス圧縮回路が用いられる。この種のパルスレーザ電源
の従来例を図2に示す。
【0003】図2において、パルス発生回路1は高電圧
直流電源2により高抵抗の充電抵抗Roを介して初段の
充放電用コンデンサCoを初期充電しておき、半導体ス
イッチSWのオン制御で充放電用コンデンサCoからリ
アクトルLoを介してコンデンサCに電荷を供給す
る。なお、リアクトルLoはスイッチSWのスイッチン
グ損失を軽減するために設けられた回路素子で磁気飽和
を利用する磁気アシスト手段として設けられることが多
い。
【0004】磁気圧縮回路3はコンデンサCと可飽和
リアクトルLとを組み合わせて用いるもので、複数段
で用いることが多いが、その代表的な例について説明す
る。コンデンサをC〜C、可飽和リアクトルをL
〜Ln−1とする。また、より高い電圧を必要とする場
合には、コンデンサC〜Cと並列にパルス変圧器を
接続し昇圧して使用することもある。コンデンサC
電荷が供給されると電圧が上昇して可飽和リアクトルL
が励磁されて、所定の電圧×時間(V・Sec)に達
すると可飽和リアクトルLが磁気飽和してインダクタ
ンス値が激減する。すなわち、磁気スイッチ動作をする
ことにより次段のコンデンサCに電荷が移動しパルス
充電が行われる。以下同じ動作が繰り返されて行き、後
段のリアクトルほど飽和後のインダクタンスを小さく設
計しているために充電時間が短くなりパルス圧縮される
ことになる。このようにして最終段のコンデンサC
極めて狭幅にパルス充電されることにより、パルスレー
ザ発生部4のレーザ極間ギャップの電圧が上昇し絶縁が
破壊されてコンデンサCに蓄積された電荷がレーザ触
媒中に注入されてレーザが励起される。
【0005】このようにして移動してきた電荷と実際に
レーザ光に注入されるエネルギーの変換効率は大変悪
く、コンデンサCとレーザ発生部4のレーザ極間ギャ
ップからなる閉回路の回路インピーダンスよりも、レー
ザ極間ギャップ固有の放電インピーダンスの方が小さく
て整合できないために、移動して来た電荷の多くは反射
エネルギーとしてコンデンサCを逆極性に充電する。
そしてこの反転した電荷の一部(これをキックバックエ
ネルギーと呼ぶ)はコンデンサC、Cn−1、可飽和
リアクトルLn−1の閉回路電流となりコンデンサC
n−1を充電する。同様の作用によりキックバックエネ
ルギーは前段へと移動して行き、最終的には充放電用コ
ンデンサCoを逆極性に充電する。そして、その後充放
電用コンデンサCoと並列に接続されたダイオードDr
とリアクトルLrの直列回路で構成される極性反転回路
5を介して、再度充放電用コンデンサCoを逆充電させ
て当初の極性に戻す。すなわち、当初の電荷の一部が充
放電用コンデンサCoに回生できたことになる。なお、
ダイオードDrは初期の電圧を保持する方向に接続され
ている。
【0006】このようにエネルギーを回生しないと、キ
ックバックエネルギーは再度レーザ発生部へと向かい不
安定なレーザ発振を繰り返し、また、レーザ極間電極の
消耗に著しい影響を与え、かつ、回路構成素子の寿命の
低下を招くことになる。エネルギーの回生は長寿命化の
達成、長期的な信頼性の向上、およびエネルギーの効率
改善のために有効な手段である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図2に示すように、従
来の回路構成はエネルギーを回生するために極性反転回
路5を別に設けていた。従って価格も高価となり、大型
で、重量も大きなものとなっていた。これはパルス発生
回路1のみで問題解決を図ろうとしたためである。高電
圧直流電源2と併せてシステム的に構成すれば極性反転
回路5を別に設ける必要はない。本発明は上記の背景を
鑑みて、パルスレーザ電源を低コスト化、小型・軽量化
するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、初期充電され
た充放電用コンデンサCoからリアクトルLoを介して
半導体スイッチSWのオン制御でパルス電圧を発生する
パルス発生回路1と、パルス電圧を磁気圧縮してパルス
レーザ発生部4に供給する磁気圧縮回路3とを備え、パ
ルスレーザ発生部4からのキックバックエネルギーによ
り上記充放電用コンデンサCoが逆極性に充電されるパ
ルスレーザ電源において、上記充放電用コンデンサCo
と並列に接続された高電圧直流電源2の整流回路用ダイ
オードDsを介して、エネルギーを回生する手段を備え
たことを特徴とするパルスレーザ電源である。また、高
電圧直流電源2が全波整流回路6を備え、該全波整流回
路と高周波吸収用コンデンサCsを並列接続し、かつ、
直流出力の一端と半導体スイッチSWとの間にリアクト
ルLsとダイオードDssを直列接続したことを特徴と
するパルスレーザ電源である。さらに、全波整流回路6
が変圧器Trの二次コイルに接続され、変圧器Trまた
は変圧器Trの二次コイルが複数個で構成され、各々の
全波整流回路6が直列接続されたことを特徴とするパル
スレーザ電源である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1は本発明の実施例である。図2と同一
回路を構成する素子については同一記号を付記したので
その説明を省略する。
【0010】図1において、一次側より供給された交流
電圧を所定の電圧まで昇圧するための変圧器Trの二次
側に全波整流回路6を構成する整流回路用ダイオードD
sを設け、かつ、上記全波整流回路6の直流出力側と並
列に高周波吸収用のコンデンサCsを接続し、その直流
出力端子の一端を電流抑制用のリアクトルLsとダイオ
ードDssを直列に接続して構成される高電圧直流電源
2をパルス発生回路1と並列に接続する。
【0011】変圧器Trは高電圧であるために複数個使
用する場合や変圧器Trの二次コイルを複数個に分割し
て使用する場合がある。この場合は各々に設けられた全
波整流回路6の直流出力側を直列に接続して使用する
が、必ずしも均等に分圧されないために、上記各全波整
流回路6に並列に接続した高周波吸収用のコンデンサC
sが直流分圧を兼ねる。ダイオードDssは高周波吸収
用コンデンサCsや全波整流回路6の分布容量とコンデ
ンサCoとの共振により生じる逆電流を阻止するための
ものである。
【0012】なお、この共振が発生すると充放電用コン
デンサCoのエネルギーの一部が高電圧直流電源2側に
戻っていくことから、ダイオードDssは充電効率や充
放電用コンデンサCoの電圧安定化の面から重要な回路
構成要素である。
【0013】次に動作について説明する。図2において
説明したキックバックエネルギーは充放電用コンデンサ
Coを逆極性に充電する。その後充放電用コンデンサC
oに蓄えられた電荷は、高電圧直流電源2のダイオード
Dsを介してリアクトルLs、ダイオードDssとで構
成される閉回路によって充放電用コンデンサCoは、初
期の極性に充電され、キックバックエネルギーは回生さ
れたことになる。したがって整流回路用ダイオードDs
は充放電用コンデンサCoを充電するための直流整流機
能と充放電用コンデンサCoのエネルギーを回生する機
能との両方の役割を果たすことになる。
【0014】
【発明の効果】以上の通り本発明は、別に極性反転回路
5を設けることなく、高電圧直流電源2の一機能である
整流回路用ダイオードDsを利用することによって、充
放電用コンデンサCoに充電された逆極性のキックバッ
クエネルギーを回生することができる。この電源は数k
V〜数十kVと電圧が高く、かつ、1秒間に数千回の放
電をさせることから大容量のエネルギーを扱うことにな
る。従ってキックバックエネルギーも必然的に高電圧、
大エネルギーとなることから、別に極性反転回路5を設
けるとすれば、コスト高で大型化し、重量の大きなもの
となる。また、高電圧直流電源2の全波整流回路6は電
圧が高いために、単品で耐える整流回路用ダイオードD
sの素子がなく、通常は多くの高圧素子を直列に使用す
るためにコスト高となるのみならず、電圧の分担が一様
になりにくいなどの難点もあった。本発明により、この
全波整流回路6を複数に分割して使用することで各全波
整流回路6の電圧が分割数だけ分圧することができるた
めに絶縁設計が容易になり、整流回路用ダイオードDs
も低圧素子が使えるので信頼性が増し、コストメリット
も高い。また、半導体露光装置用の光源として本レーザ
が使用される場合は極度の安定性が要求されるため、充
放電用コンデンサCoの充電電圧は0.5%以下の安定
度が求められることがある。このような場合、ダイオー
ドDssを用いると、充電電圧の変動の大きな要因とな
る充放電用コンデンサCoと高電圧直流電源2との間の
共振を阻止することができ、ダイオードDssを回路に
接続することによって上記安定度が達成でき、パルスレ
ーザ装置としての品質向上に大きく貢献できる。このよ
うに、本発明は従来の欠点をなくしたものであって、工
業的価値大なるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるパルスレーザ電源の実施例を示す
回路図である。
【図2】従来例によるパルスレーザ電源の回路図であ
る。
【符号の説明】
1 パルス発生回路 2 高電圧直流電源 3 磁気圧縮回路 4 パルスレーザ発生部 5 極性反転回路 6 全波整流回路 Tr 変圧器 Ds 整流回路用ダイオード Cs 高周波吸収用コンデンサ Ls リアクトル Dss ダイオード SW 半導体スイッチ Ro 充電抵抗 Lr リアクトル Dr ダイオード Co 充放電用コンデンサ C〜C コンデンサ Lo リアクトル L〜Ln−1 可飽和リアクトル

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 初期充電された充放電用コンデンサから
    リアクトルを介して半導体スイッチのオン制御でパルス
    電圧を発生するパルス発生回路と、パルス電圧を磁気圧
    縮してパルスレーザ発生部に供給する磁気圧縮回路とを
    備え、パルスレーザ発生部からのキックバックエネルギ
    ーにより上記充放電用コンデンサが逆極性に充電される
    パルスレーザ電源において、 上記充放電用コンデンサと並列に接続された高電圧直流
    電源の整流回路用ダイオードを介して、エネルギーを回
    生する手段を備えたことを特徴とするパルスレーザ電
    源。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の高電圧直流電源が全波整
    流回路を備え、該全波整流回路と高周波吸収用コンデン
    サを並列接続し、かつ、直流出力の一端と半導体スイッ
    チとの間にリアクトルとダイオードを直列接続したこと
    を特徴とするパルスレーザ電源。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の全波整流回路が変圧器の
    二次コイルに接続され、変圧器または変圧器の二次コイ
    ルが複数個で構成され、各々の全波整流回路が直列接続
    されたことを特徴とするパルスレーザ電源。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101304525B1 (ko) * 2011-12-08 2013-09-05 주식회사 비앤비시스템 가변 펄스폭을 갖는 펄스형 레이저를 위한 전원장치
CN105450078A (zh) * 2015-12-11 2016-03-30 金华大维电子科技有限公司 一种纳秒级脉冲电源
CN107143475A (zh) * 2017-07-11 2017-09-08 中国人民解放军国防科学技术大学 用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路

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