JP2007103628A - 放電励起式パルス発振ガスレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図6
Description
したがって、後記する本発明は、この放電領域の幅を狭くすることにより、必要ガス流速の増大及びファンへの投入電力の増大を抑え、4kHz以上のさらなる高繰り返し動作を可能にすることを目的としている。
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Weと放電電極間の最小間隔gがg/We>3の関係を有し、
前記放電電極間へ4KHz以上のパルス繰り返し数で、50mJ/cm3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数(ただし、hは電極曲線部高さ、xは電極の幅方向の位置座標、yは電極の凸面方向の座標、Nは3以上の整数)の何れかであり、
xN /(We/2)N +yN /hN =1 ・・・(A)
電極幅内において、ΔE=電界強度の差、Eave =電界強度平均値とし、その割合ΔE/Eave が35%以下であることを特徴とするものである。
0.11≦h/We≦0.27 ・・・(4)
の関係を満たし、ΔE/Eave が30%以下であるものとすることができる。
0.12≦h/We≦0.22 ・・・(5)
の関係を満たし、ΔE/Eave が30%以下であるものとすることができる。
0.16≦h/We≦0.42 ・・・(6)
の関係を満たし、ΔE/Eave が35%以下であるものとすることができる。
0.2≦h/We≦0.68 ・・・(7)
の関係を満たし、ΔE/Eave が35%以下であるものとすることができる。
g/We>3 ・・・(2)
電力入力密度>50mJ/cm3 ・・・(3)
の条件のときに放電幅が狭くなり難いことが実験から分かり、そのとき、放電は電極端部(電極幅方向の端部)からも強く発生していることが分かった。
電極幅We 曲線部高さh h/We
3.0mm 0.3mm 1/10
電極幅Weは、寿命の点からも経時変化しない。式(1)のクリアランスレシオCR=v/(f×w)より、安定な放電に必要な放電間におけるガス循環流速v一定の下で、繰り返し周波数fを4kHzから6kHzに可能にするため、Weを狭くすることが好ましい。
楕円の関数:x2 /(We/2)2 +y2 /h2 =1、すなわち、
x2 +y2 /h2 =1
とする。hを変更し、横軸に電極中心からの距離x、縦軸に電極表面上の電界強度E及び電極表面の形状をとったグラフを図11に示す。また、その場合の横軸にh/We、縦軸に電界強度割合ΔE/Eave 、レーザ出力エネルギ(最大レーザ出力エネルギに対する比)、放電幅をとったグラフを図12に示す。
0.11≦h/We≦0.27 ・・・(4)
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図12より、従来の4kHzレーザ装置における電極表面の電界強度分布(ΔE/Eave =36.9)と比較して、ΔE/Eave <30%と改善している。
双曲線の関数:x2 /(We/2)2 −y2 /h2 =−1、すなわち、
x2 −y2 /h2 =−1
とする。hを変更し、横軸に電極中心からの距離x、縦軸に電極表面上の電界強度E及び電極表面の形状をとったグラフを図13に示す。また、その場合の横軸にh/We、縦軸に電界強度割合ΔE/Eave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図14に示す。
0.12≦h/We≦0.22 ・・・(5)
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図14より、従来の4kHzレーザ装置における電極表面の電界強度分布(ΔE/Eave =36.9)と比較して、ΔE/Eave <30%と改善している。
高次(3次)の関数:x3 /(We/2)3 +y3 /h3 =1、すなわち、
x3 +y3 /h3 =1
とする。hを変更し、横軸に電極中心からの距離x、縦軸に電極表面上の電界強度E及び電極表面の形状をとったグラフを図15に示す。また、その場合の横軸にh/We、縦軸に電界強度割合ΔE/Eave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図16に示す。
0.16≦h/We≦0.42 ・・・(6)
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図16より、従来の4kHzレーザ装置における電極表面の電界強度分布(ΔE/Eave =36.9)と比較して、ΔE/Eave <35%と改善している。
高次(4次)の関数:x4 /(We/2)4 +y4 /h4 =1、すなわち、
x4 +y4 /h4 =1
とする。hを変更し、横軸に電極中心からの距離x、縦軸に電極表面上の電界強度E及び電極表面の形状をとったグラフを図17に示す。また、その場合の横軸にh/We、縦軸に電界強度割合ΔE/Eave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図18に示す。
0.2≦h/We≦0.68 ・・・(7)
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図18より、従来の4kHzレーザ装置における電極表面の電界強度分布(ΔE/Eave =36.9)と比較して、ΔE/Eave <35%と改善している。
高次(5次)の関数:x5 /(We/2)5 +y5 /h5 =1、すなわち、
x5 +y5 /h5 =1
とする。hを変更し、横軸に電極中心からの距離x、縦軸に電極表面上の電界強度E及び電極表面の形状をとったグラフを図19に示す。また、その場合の横軸にh/We、縦軸に電界強度割合ΔE/Eave 、レーザ出力エネルギ、放電幅をとったグラフを図20に示す。
0.2≦h/We≦0.72 ・・・(8)
とすることで、電極表面における電界強度分布が均一化した。図20より、従来の4kHzレーザ装置における電極表面の電界強度分布(ΔE/Eave =36.9)と比較して、ΔE/Eave <35%と改善している。
図21に断面図を示すように、電極102の電極幅方向の端部に半径rで示される角丸めを付ける。この形状で表される電極曲線部高さhはrと同一となる。
2.0mm 0.3mm 3/20
とした際の電極表面における電界強度分布を図24に示す。
h/Weの適正範囲
0.11≦h/We≦0.27 ・・・(4)
電界強度の割合ΔE/Eave :30%以下
である。
h/Weの適正範囲
0.12≦h/We≦0.22 ・・・(5)
電界強度の割合ΔE/Eave :30%以下
である。
h/Weの適正範囲
0.16≦h/We≦0.42 ・・・(6)
電界強度の割合ΔE/Eave :35%以下
である。
h/Weの適正範囲
0.2≦h/We≦0.68 ・・・(7)
電界強度の割合ΔE/Eave :35%以下
である。
陽極1021 の高さが楕円数式で示され、
電極幅We 曲線部(楕円数式)高さh h/We
2.0mm 0.4mm 4/20
陰極1022 の高さが双曲線数式で示され、
電極幅We 曲線部(楕円数式)高さh h/We
2.0mm 0.4mm 4/20
とした際の電極表面における電界強度分布を図25に示す。この例における電極表面における電界強度最大値は、2.0×106 V/mであり、電極幅内における(電界強度の差)/(電界強度平均値):ΔE/Eave =11%であり、レーザ出力エネルギ(最大レーザ出力エネルギに対する比)は98%、放電幅は2.12mmである。
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極表面のコーティング層102C中に配置することで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図27に示すように、長寿命電極の構造部分である例えば金属微粒子を混合したアルミナ等のセラミックス層102C中に空孔3を配置したものを用いる。この空孔3は数〜数10マイクロメートルの直径のものである。そのようなコーティング層102Cの製作法としては、次のような手法を用いる。
電極の母材金属がフッ化物に化学変化し、膨張しても、膨張部分を吸収する空間を電極母材102A表面近傍に設けることで、電極全体の膨張を抑制することができる。このためには、図28に示すように、電極母材102A部分に空孔4のある母材を用いる。この空孔は、数〜数10マイクロメートルの直径のものである。そのような母材の製作法としては、次のような手法を用いる。
長寿命電極の電極母材102A部分(図26)に、フッ化したときに剥離しやすい金属を混入する。これにより、長寿命電極母材102Aがフッ化していった場合、その混入金属が表面のコーティング層102Cの微細な孔を通して電極から離脱し、その空いた空間に主材料のフッ化物が膨張でき、長寿命電極全体としての膨張を抑制することができる。長寿命電極母材を2種類以上の金属からなる合金で製作した場合、主母材として銅、混合材料としては、亜鉛、ニッケル等があげられる。フッ化亜鉛、フッ化ニッケルは、フッ化銅に比較して蒸発しやすく、上記の剥離しやすい金属フッ化物に相当する。具体的な合金としては、真鍮、白銅、洋白銅がよい。混合比は、母材の比重とフッ化したときの比重との差を吸収するように設定する。例えば銅を母材としたときには、混合比としては、30〜70%が適当になる。
長寿命電極が劣化したときに、放電幅に影響を与える要因は、上記のような電極放電面形状の変動であるが、さらに電極側面である母材102A側面の膨張がある。図26に示したように、電極膨張が進むと、電極側面も膨張してしまう。これは、電極側面にある程度の放電回り込みが発生し、電極側面からフッ化が進行し、電極幅を広げる作用のためである。そこで、図29に示すように、長寿命電極側面に、絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート102Bを配置する。これにより、電界の緩衝体の役目を持たせる。この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物は、単に配置するだけでは効果がない。放電は数マイクロメートルの隙間でも進展し、電極表面温度を上昇させるからである。その結果、金属表面がフッ化し、膨張を起こしてしまう。そのため、この絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコート102Bは電極に密着し、隙間なく配置しなければならない。コート102Bの最も密着性が高く効果のある製作方法としては溶射法が適している。
2…膨張した電極形状
3…空孔
4…空孔
7…フロントウィンドウ
8…フロントミラー
9…リアウィンドウ
11…レーザ光
13…高圧電源
14…貫流ファン
16…放電空間
18…予備電離電極
19…予備放電
20…狭帯域化ユニット
22…プリズム
23…グレーティング
26…内部導電体
27…誘電体
35…主放電
36…ガス流
37…電界制御電極
38…誘電体チューブ
39…導電体
45…開口部
48…スリット
44…外部電源
54…レーザコントローラ
100…エキシマレーザ装置
101…レーザチャンバ
102…主放電電極
1021 …アノード(主放電電極)
1022 …カソード(主放電電極)
102A…電極の母材
102B…絶縁物のコート
102C…コーティング層
103…高電圧パルス発生装置
104…ファン
105…狭帯域化モジュール
106…出力鏡
107…熱交換器
110…発振段レーザ(オシレーター)
111…レーザチャンバ
113…狭帯域化モジュール
114…拡大プリズム
115…グレーティング(回折格子)
116…フロントミラー
117、117’…電源
118…リアミラー
120、120’…増幅段(アンプ)
121… 同期コントローラ
122…ウィンドー部材
123…穴
131…金属
132…絶縁体
133…カソード電線
134…アノード戻り電線
144…コイル
151、152…電磁石体
Claims (14)
- 少なくとも、レーザガスを封入するレーザチャンバと、そのレーザチャンバ内部に対向して平行に設置された少なくとも一対の細長いアノードとカソードを有する放電電極とを備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面形状が、電極長手方向に直交する断面において凸面の曲線形状であり、
接地電位の電極の幅Weと放電電極間の最小間隔gがg/We>3の関係を有し、
前記放電電極間へ4KHz以上のパルス繰り返し数で、50mJ/cm3 以上の密度の電力を供給する電源を備え、
前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が、楕円、双曲線、又は、次の式で表現される高次関数(ただし、hは電極曲線部高さ、xは電極の幅方向の位置座標、yは電極の凸面方向の座標、Nは3以上の整数)の何れかであり、
xN /(We/2)N +yN /hN =1 ・・・(A)
電極幅内において、ΔE=電界強度の差、Eave =電界強度平均値とし、その割合ΔE/Eave が35%以下であることを特徴とする放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。 - 前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が楕円であり、
0.11≦h/We≦0.27 ・・・(4)
の関係を満たし、ΔE/Eave が30%以下であることを特徴とする請求項1記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。 - 前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状が双曲線であり、
0.12≦h/We≦0.22 ・・・(5)
の関係を満たし、ΔE/Eave が30%以下であることを特徴とする請求項1記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。 - 前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がN=3の高次関数であり、
0.16≦h/We≦0.42 ・・・(6)
の関係を満たし、ΔE/Eave が35%以下であることを特徴とする請求項1記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。 - 前記アノード及び前記カソードの放電面の前記凸面の曲線形状がN≧4の高次関数であり、
0.2≦h/We≦0.68 ・・・(7)
の関係を満たし、ΔE/Eave が35%以下であることを特徴とする請求項1記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。 - 前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記コーティング層中に空孔が配置されていることを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の表面近傍に空孔が配置されていることを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の金属としてフッ化したときに前記母材から剥離しやすい金属が混入されていることを特徴とする請求項1から6の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記放電電極の少なくとも一方の金属からなる母材の表面に誘電体、絶縁体若しくは金属微粒子を混合した誘電体、絶縁体からなるコーティング層が設けられ、前記母材の側面に絶縁物若しくは金属導体を添加した絶縁物のコートが設けられていることを特徴とする請求項1から8の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記アノードと前記カソードの間に形成される放電空間の側方に、前記放電電極と長手方向に略平行に電界制御電極を配置したことを特徴とする請求項1から9の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記電界制御電極に印加する電界制御電圧を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項10記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する永久磁石を有することを特徴とする請求項1から9の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記放電電極の放電方向に略平行な磁力線を持つ磁界を前記放電電極間の放電空間に発生する電磁石を有することを特徴とする請求項1から9の何れか1項記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
- 前記電磁石に流す電流を、レーザ光の発振条件又は履歴に応じて変化させることを特徴とする請求項13記載の放電励起式パルス発振ガスレーザ装置。
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