JP2008028346A

JP2008028346A - パルスガスレーザ発振器

Info

Publication number: JP2008028346A
Application number: JP2006202463A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Koseki; 良治小関
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【解決手段】パルスガスレーザ発振器１は、主放電電極２に高電圧を印加する第１充電回路１０１および第２充電回路１０２とを備えている。
第１充電回路１０１は、従来公知のものと同様の構成部材からなる正電圧回路である。これに対して、第２充電回路１０２は第１充電回路１０１と同じ構成部材を備えて第１充電回路１０１と対称的な負電圧回路となっており、第２充電回路１０２から負電圧を主放電電極２に印加するようになっている。
第１充電回路１０１と第２充電回路１０２とは互いに逆極性となっており、それらから同時に主放電電極２に電圧を印加してレーザガスを励起する。
【効果】製造コストを安価に押えて高出力のレーザを得ることが可能なパルスガスレーザ発振器１を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明はパルスガスレーザ発振器に関する。

従来からパルスガスレーザ発振器として各種のものが提案されている（特許文献１〜特許文献４）。
特許文献１および特許文献２に開示された横方向励起型ＴＥＡレーザ発振器は、図４に示すような構成となっている。すなわち、この図４において、数１０ｋＶの高圧直流電源１１から充電用の主コンデンサ１２に電荷が蓄えられる。それに十分に電荷が蓄えられた後、スイッチ手段としてのサイラトロン１３のＯＮによって主コンデンサ１２から副コンデンサ２１（ピーキングコンデンサ）に電荷が移行して予備電離電極３間でコロナ放電が起こりＵＶ光が発生する。このＵＶ光によってレーザガスが予備電離され、予備電離により発生した電子およびイオンが主放電電極２間に供給される。主放電電極２の陰極２Ａと陽極２Ｂ間には高電圧が印可されているため、電子およびイオンは加速されなだれ的に増加して主放電が発生するようになっている。なお、この図４において、サイラトロン１３を保護するために保護回路１４を設けてあり、また電気回路内の所要箇所に直流電源を保護するための複数のインダクタを配置している。
このような従来の装置においては、主コンデンサ１２に蓄えられるエネルギーは、１／２×ＣＶ^２で電圧の２乗に比例することが知られている。
また、特許文献３においては、放電管内の主放電電極間に複数の電源によって印加する電圧を重畳印加することで、陽極と陰極との電位差を大きくして充放電コンデンサに蓄えられるエネルギーを大きくしてレーザ光の出力を高くしている。
さらに、特許文献４においては、中央部に共通電極を設けてプラスで放電する放電管とマイナスで放電する放電管の２つの放電管を直列で一体に接続してレーザ発振させるようにしている。
特開平７−２８８３５６号公報特公平５−６１７８９号公報特開平３−１６４１７号公報特開平１１−２８４２５８号公報

ところで、最近ではレーザ発振器によるレーザ出力を増大させることが要望されている。上述した特許文献１や特許文献２のような従来の装置においてレーザ出力を高める場合には、共振器長を長くして放電電極を複数組直列に配置すればよいが、そのような構成にするとレーザ発振器の製造コストが非常に高くなり装置が大型化するという問題が生じる。
また、上記特許文献３においては、複数設けた電源によって放電電極間に同じ極性の電圧を重畳させているために、一方の電極のグランド電位に対して他方の電極は非常に高い電位となり、絶縁距離を長くとらなければならないことになり、発振器自体が大きくなるという欠点があった。
さらに、上記特許文献４においては、放電管を直列に配置してレーザエネルギーを高くしているが、取り出せるレーザエネルギーは２倍程度であり、装置が大型となる割りには得られるエネルギーは小さいものであった。
そこで、本発明の目的は、レーザの出力を低コストで増大できるコンパクトなパルスガスレーザ発振器を提供することである。

すなわち、本発明は、レーザガスを介在させたケーシング内に配置された一対の電極からなる主放電電極間に充電回路により電圧を印加して、上記主放電電極間で放電させるようにしたパルスガスレーザ発振器において、
上記充電回路は、第１主コンデンサと、該第１主コンデンサに正電圧を印加する第１充電電源と、この第１充電電源によって上記第１主コンデンサに蓄えられた正電荷を上記主放電電極に移行させる第１スイッチ手段とを備える第１充電回路と、
第２主コンデンサと、負電圧を上記第２主コンデンサに印加する第２充電電源と、この第２充電電源によって上記第２主コンデンサに蓄えられた負電荷を上記主放電電極に移行させる第２スイッチ手段とを有し、
正電荷が蓄えられる第１主コンデンサの負極側を接地するとともに一方の主放電電極に接続し、
負電荷が蓄えられる第２主コンデンサの正極側を設置するとともに他方の主放電電極に接続し、
上記第１スイッチ手段と上記第２スイッチ手段を同時にＯＮさせて、両方の主コンデンサに蓄えられた電荷を主放電電極に移行して放電させるようにしたものである。

上述した構成によれば、コンパクトでありながらレーザの出力を低コストで増大できるパルスガスレーザ発振器を提供することができる。

以下本発明の一実施例について図面に基づいて説明すると、図１は本発明にかかるパルスガスレーザ発振器１の電気回路を示したものであり、また図２および図３は本発明にかかるパルスガスレーザ発振器１の構造を示したものである。
図１〜図３において、パルスガスレーザ発振器１は、かまぼこ形状をした電極２Ａ,２Ｂを対向させて配設した主放電電極２と、この主放電電極２の長手方向に沿って両側に設けた多数の予備電離電極３と、上記主放電電極２と予備電離電極３に同時に高電圧を印加する第１充電回路１０１と第２充電回路１０２と、上記主放電電極２および予備電離電極３等の構成部材を収容した概略筒状のケーシング４とを備えている。

図２及び図３に示すように、主放電電極２とそれらの両側に配置された多数の予備電離電極３は一対の基板５に取り付けられている。図面上では省略しているが、ケーシング４の所定位置にはレーザガスをケーシング４内に給排するガス導入管を接続してあり、図示しないレーザガスの供給源からケーシング４内にレーザガスを供給するようにしている。
また、ケーシング４内の所要位置には熱交換器６が配置されるとともに、ガスを循環させるための２台のファン７が配置されている。レーザガスを励起してレーザ光を発振させる際には上記熱交換器６によってレーザガスを冷却するとともにファン７を作動させるようになっており、それによってケーシング４内のガスを図３に矢印で示すように主放電電極２の一対の電極２Ａ,２Ｂの間に循環供給させるようになっている。
なお、図面上は省略してあるが、パルスガスレーザ発振器１はフロントミラーとリヤミラーとを備えており、図２における主放電電極２の長手方向の延長上となる両側にフロントミラーとリヤミラーとを対向させて配置している。上述したようにしてケーシング４内で発振されたレーザ光は、フロントミラーとリヤミラーとによって多数回反射されることで出力が増幅されるようになっており、出力が増幅されたレーザ光はフロントミラーを透過して外部へ放射されるようになっている。

しかして、図４に示した従来の電気回路と図１に示した本実施例の電気回路とを比較してみれば理解できるように、本実施例における第１充電回路１０１は従来公知のものとほぼ同様の正電圧回路となっているが、第２充電回路１０２は第１充電回路１０１と対称的な負電圧回路となっている。
すなわち、図１に示すように、本実施例の第１充電回路１０１は、高圧の直流電源１１と、この正極側と主放電電極２の一方の電極２Ａの間に設けられた主コンデンサ１２と、直流電源１１および主コンデンサ１２に接続されたスイッチ手段としてのサイラトロン１３と、上記サイラトロン１３と並列に配置されてそれを保護する保護回路１４とを備えている。サイラトロン１３の正極１３Ａと直流電源１１との間には第１インダクタ１５を配置してあり、主コンデンサ１２と主放電電極２の一方の電極２Ａとの間には、該主放電電極２と並列に第２インダクタ１６を配置している。保護回路１４は、直列に配置した第３インダクタ１７およびフライホイールダイオード１８と、フライホイールダイオード１８に並列に配置したコンデンサ１９とによって構成されている。また、各予備電離電極３ごとに副コンデンサ２１を配置している。

他方、負電圧回路である第２充電回路１０２は、上記第１充電回路１０１と同一の構成部材を備えて、それらを第１充電回路１０１と対称的に配置している。つまり、第２充電回路１０２は、上記第１充電回路１０１の直流電源１１と同じ大きさで負電圧を供給する直流電源１１’と、この負極側と主放電電極２の他方の電極２Ｂの間に設けられた主コンデンサ１２’と、直流電源１１’に接続されたスイッチ手段としてのサイラトロン１３’と、上記サイラトロン１３’と並列に配置されてそれを保護する保護回路１４’とを備えている。サイラトロン１３’の負極１３Ｂ’側と直流電源１１’および主コンデンサ１２’は電気的に接続されている。サイラトロン１３’の負極１３Ｂ’側と直流電源１１’との間には、第１インダクタ１５’を配置してあり、主コンデンサ１２’の正極側と主放電電極２の他方の電極２Ｂとの間には、主放電電極２と並列に第２インダクタ１６’を配置している。保護回路１４’は、直列に配置した第３インダクタ１７’およびフライホイールダイオード１８’と、フライホイールダイオード１８’に並列に配置したコンデンサ１９’とによって構成されている。
上記両充電回路１０１，１０２の対称位置にある第２インダクタ１６，１６’と、保護回路１４，１４’およびサイラトロン１３，１３’を相互に電気的に接続している。また，両充電回路１０１、１０２を電気的に接続している。そして、第１充電回路１０１の負極側および第２充電回路１０２の正極側を共通の配線によって接地している。

本実施例においては、上記両充電回路１０１、１０２を上述したように構成することで、第１充電回路１０１の直流電源１１の電圧をＶとし、第２充電回路１０２の電圧をＶとした時に、両電圧回路１０２のサイラトロン１３、１３’を同時にオンすることで、主放電電極２および予備電離電極３へ合計２Ｖの電圧を印加することができるようになっている。つまり、図４に示した従来の電気回路と比較すると、本実施例においては２倍の電圧を主放電電極２に印加できるようになっている。そして、そのように主放電電極２に電圧を印加する際においては、正電圧回路である第１充電回路１０１と負電圧回路である第２充電回路１０２とが互いに逆極性となって正の電圧とそれと絶対値が実質的に等しい負の電圧が加算されて主放電電極２に印加されることになる。
そのため、本実施例においては、主放電電極２や予備電離電極３およびそれを収容したケーシング４を大型化することなく大きな出力のレーザ光を発振できるようになっている。

以上の構成において、両充電回路１０１,１０２の主コンデンサ１２，１２’への充電時には、各直流電源１１，１１’からそれぞれの主コンデンサ１２，１２’にゆっくりと電荷が充電されるようになっている。その際、各直流電源１１、１１’の負荷を軽減するためにそれらの隣接位置に上記第１インダクタ１５,１５’を設けてあり、それらによって各直流電源１１，１１’から主コンデンサ１２，１２’へ急峻な電流が流れないようにしている。
この後、主コンデンサ１２，１２’に電荷が十分に充電されたら両充電回路１０１，１０２の各サイラトロン１３，１３’を同時にＯＮにして電流が流れることを可能にする。なお、それらは実際には厳密に同時にＯＮすることができず、両者をＯＮにするタイミングが数１０ｎｓｅｃ程度ずれることになるが、特に問題はない。

上記サイラトロン１３,１３’がＯＮされると、主コンデンサ１２，１２’に蓄えられた電荷はまず流れやすい予備電離電極３側に流れて、そこでコロナ放電が起こる。このコロナ放電によって発生する紫外線が主放電電極２を流れるレーザガスに照射されてレーザガスが電離されて主放電電極２間のインピーダンスが低下して主放電が起こりやすくなる。そして主コンデンサ１２，１２’からの電荷が主放電電極２に流れて主放電が起こる。
このようにして発生した主放電により主コンデンサ１２，１２’に蓄えられた電荷が放出された後に再び両充電回路１０１，１０２の直流電源１１，１１’により主コンデンサ１２，１２’に電荷が蓄えられて、上述した作動説明と同様にして予備電離と主放電を経てレーザ発振が起こるようになっている。この作動が繰り返されることでパルス状にレーザ光が発振されるようになっている。

以上のように、本実施例においては，共通の主放電電極２に両充電回路１０１、１０２から互いに逆極性になるように正の電圧とそれと絶対値が実質的に等しい負の電圧が印加されるようになっている。この場合のエネルギーは１／２×Ｃ（２Ｖ）^２となる。つまり４倍である。
本実施例は、２つの充電回路１０１，１０２の直流電源１１，１１’でそれぞれ別の主コンデンサ１２，１２’に充電する回路であるためサイラトロン１３，１３’は耐電圧が低くコストの安価な部品を利用することができる。
また、本実施例においては、主放電電極には接地電位（０Ｖ）を基準に正負の電圧がかかるため、一方が０Ｖの場合に比較して絶縁距離を短くできる。
したがって、本実施例によれば、製造コストを安価に押さえてコンパクトでありながら高い出力が得られるパルスレーザ発振器１を提供することができる。

なお、上述した本発明は、ＣＯ^２ガスレーザ，エキシマレーザ，フッ素レーザ，Ｎ^２レーザ,イオンレーザなどにも適用することができる。

本発明の一実施例を示すパルスガスレーザ発振器の電気回路図。図１に示したパルスガスレーザ発振器の構造を示す断面図。図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿う断面図。従来技術を示すパルスガスレーザ発振器の電気回路図。

符号の説明

１…パルスガスレーザ発振器２…主放電電極
１１，１１’…直流電源１２，１２’…主コンデンサ
１３，１３’…サイラトロン（スイッチ手段）
１０１…第１充電回路１０２…第２充電回路

Claims

レーザガスを介在させたケーシング内に配置された一対の電極からなる主放電電極間に充電回路により電圧を印加して、上記主放電電極間で放電させるようにしたパルスガスレーザ発振器において、
上記充電回路は、第１主コンデンサと、該第１主コンデンサに正電圧を印加する第１充電電源と、この第１充電電源によって上記第１主コンデンサに蓄えられた正電荷を上記主放電電極に移行させる第１スイッチ手段とを備える第１充電回路と、
第２主コンデンサと、負電圧を上記第２主コンデンサに印加する第２充電電源と、この第２充電電源によって上記第２主コンデンサに蓄えられた負電荷を上記主放電電極に移行させる第２スイッチ手段とを有し、
正電荷が蓄えられる第１主コンデンサの負極側を接地するとともに一方の主放電電極に接続し、
負電荷が蓄えられる第２主コンデンサの正極側を設置するとともに他方の主放電電極に接続し、
上記第１スイッチ手段と上記第２スイッチ手段を同時にＯＮさせて、両方の主コンデンサに蓄えられた電荷を主放電電極に移行して放電させることを特徴とするパルスガスレーザ発振器。
上記第２充電電源は、上記第１充電電源が第１主コンデンサに印加する正電圧とほぼ同じ大きさの負電圧を第２主コンデンサに印加するものであることを特徴とする請求項１に記載のパルスガスレーザ発振器。