JP2008535254A - レーザ電源 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のレーザ電源に付随する欠点を改良すること。
【解決手段】駆動システムは、ＲＦ励起ガスレーザに対し電力の供給が可能である。ガスレーザはＣＯ_２レーザであってもよい。駆動システムは、増幅器駆動信号を生成し、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力するマイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラを備える。ＲＦ電力増幅器は、増幅器駆動信号を受信して増幅器駆動信号に比例するレーザ駆動信号を生成するように動作可能に、設けられるのでもよい。マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラは、遠隔の端末からコントロール入力を受信して動作状態に関する情報をこれに提供するネットワークインタフェースを備えるのでもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザに関し、特にＲＦ（Radio Frequency）励起ガスレーザを駆動するための電源の提供に関する。

ＲＦ励起ガスレーザは、ＲＦ信号を発生するレーザ電源によって駆動可能である。従来のＲＦ励起ガスレーザ用のレーザ電源は、デジタル回路とアナログ回路の両方を有する複合制御回路を使用する。このような従来のレーザ電源は、設計と製造に時間及び費用がかかるものであったりする。従来のレーザ電源は、また、電源設計の制限のため、動作特性（最大出力、デューティ比制御、動作モード）を制限したりもする。
米国公開第２００４−０２１８６５０号公報

本発明は、従来のレーザ電源に付随する欠点を改良するためになされた。

本発明の第１の例示的な側面によれば、ＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システムが提供される。この駆動システムは、マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラとＲＦ電力増幅器とを備える。マイクロプロセッサは、増幅器駆動信号を生成し、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力するように構成されるのでもよい。ＲＦ電力増幅器は、増幅器駆動信号を受信して、増幅器駆動信号に比例するレーザ駆動信号を発生するようになっているのでもよい。この構成は、導入される複合制御プロセス用に導入され、もって、ユーザの要求に応じてレーザを駆動する柔軟なシステムを実現する。

１つの実施例によれば、駆動システムは複数の動作モードで動作可能になっている。これらのモードは、マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが増幅器駆動信号を出力可能になっている第１のモードを含むのでもよい。また、マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが出力されない増幅器駆動信号を生成可能に動作する第２の動作モードが、提供されるのでもよい。マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが一定値をとる増幅器定駆動信号を生成する第３の動作モードが、提供されるのでもよい。さらに、これらの構成は、ユーザに、特定の用途に適した出力を発生させるように、駆動システムを用いてレーザを制御して駆動する選択肢を提供する。

他の実施例によれば、マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラは、全オンと全オフとの間の異なる状態を表す複数の信号レベルの何れかをとる増幅器駆動信号を出力可能となっている。この構成は、増幅器用のＤＣ電源を介して直接制御することなしに高精度に制御されるレーザ出力を可能とする。

１つの実施例において、マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラは、ＲＦ励起ガスレーザ内の時間遅延を考慮して、受信したコマンド信号を変換可能になっている。この構成は、大きな許容範囲をともなう応用のためにレーザ出力をより正確に制御するために、提供される。

他の実施例において、駆動システムは、また、ネットワークインタフェースを備える。この構成は、駆動システムの制御用に提供され、もってレーザが遠隔端末から駆動可能となる。したがって、レーザは近寄れない場所又はオペレータに有害な場所に配置可能であり、システムの完全な制御が実現可能である。

本発明の第２の例示的な側面によれば、ＲＦ励起ガスレーザが提供される。本レーザは、レーザ駆動信号を発生可能な駆動システムとビーム発生システムとを備える。駆動システムは、増幅器駆動信号を生成して、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力する構成のマイクロプロセッサを備える。駆動システムは、また、増幅器駆動信号を受信して増幅器駆動信号に比例するレーザ駆動信号を生成するように構成されたＲＦ電力増幅器を備える。ビーム発生システムは、受信する上記のレーザ駆動信号に応答してレーザビームを出力するように構成されるのでもよい。この構成は、導入される複合制御プロセス用に設けられ、もって、ユーザの要求に応じてレーザを駆動する柔軟なシステムを実現する。

本発明の第３の例示的な側面によれば、コヒーレント光ビームを発生する方法が提供される。本方法は、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を生成し、受信したコマンド信号に応じて増幅器駆動信号を出力し、出力された増幅器駆動信号に応じてＲＦレーザ駆動信号を生成し、上記のＲＦレーザ駆動信号を使用して気体を励起してコヒーレント光ビームを発生させる、ように構成されるのでもよい。本方法によって、発生するコヒーレント光ビームのレベルの微調が達成可能である。

本発明の実施例の適用可能な更なる範囲は、以下に提供される詳細な記載から明らかになる。詳細な記載及び特定の実施例が、本発明の例示的な具体例を示すものであるが、図示の目的のみを意図するものであり、本発明の範囲を限定するものではない、ことを理解するべきである。

本発明の実施例は、詳細な記載及び付随の図面からより十分に理解される。
本発明は、種々の変形又は別個の構成を有するが、特定の実施例が図面における例を介して示され、以下に詳細に記載される。しかしながら、図面及びそれについての詳細な記載は開示された特定の態様に本発明を限定することを意図するものではなく、むしろ逆に、本発明は、変形、等価な構成及び代替の構成であって、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の概念及び範囲内にある、全てのものを含むものである。

特定の実施例についての以下の記載は、単に本質部分を図示するだけであり、いかなる場合にも、本発明、その応用又は利用を制限することを意図するものではない。

ここにおいて、記載は、レーザシステムの駆動に関連する全ての詳細について言及しないかもしれないが、当業者によって知られているような詳細は、この書面に記載される実施例の範囲内に含まれることを意図する。

ＲＦ励起ガスレーザ１の一例が図１に示されている。ＲＦ励起ガスレーザ１は、レーザのビーム発生素子が配置可能な筐体１１を備える。筐体１１は、一方が筐体１１内に向けられた反射面を有し、他方が出力カップラとして作用するように向けられた部分透過面を有する、端部１０ａ、１０ｂとを有するのでもよい。

筐体内のビーム発生素子にＲＦ励起信号を供給するために、ＲＦフィードスルー１２が設けられるのでもよい。これは、筐体内１１に貫通し（図１に破線で示されるように）、絶縁性のセラミックカバー１３によって取り囲まれるのでもよい。セラミックカバー１３は、１つ又は複数の絶縁材及び／又は誘電材料、例えば、ＢｅＯ、ＡｌＮ、又はＡｌ_２Ｏ_３からなるのでもよい。

ＲＦ励起ガスレーザの他の例（図示せず）において、レーザが反射素子を有する密閉放電構造体内に設けられる場合、側壁又は電極が付加的に筐体をなす場合は、別個の筐体は必要とされなくともよい。

図１に戻り、ＲＦ電源３０は、ＲＦフィードスルー１２に連結され、ＲＦ励起信号を筐体１１内のビーム発生素子に供給可能となっている。本実施例において、ＲＦ電源３０は、マイクロプロセッサ３２によって制御され、ＲＦ励起ガスレーザ１の種々の動作モードのうちのいずれか１つに応じて、ＲＦ励起信号を供給する可能となっている。ここに記載される１つ又は複数の電源によって駆動されるレーザの例は、特許文献１に開示されており、これの開示は、これをもって参照によってこの書面に取り込まれる。

以下、図２を参照して、ＲＦ励起ガスレーザ１を駆動するＲＦ励起信号の供給に適した種類のＲＦ電源３０の一実施例が記載される。

図２に示すように、本実施例に係るＲＦ電源３０は、マイクロコントローラ３２が搭載されるレーザ制御ボード３１を有する。本実施例において、マイクロコントローラは、マイクロチップ・テクノロジー・インクが提供するＰＩＣ１８Ｆシリーズのうちの１つのマイクロコントローラである。他の実施例においては、別個のマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサが用いられるのでもよい。本実施例に係るレーザ制御ボード３１は、また、それに搭載された専用プロセッサ３３を有する。本実施例において、専用プロセッサは、ＦＰＧＡ（Pre-programmed Field Programmable Grid
Array）である。他の実施例においては、ＦＰＧＡに代えて、カスタム設計のハードウエアであるＤＳＰ、又は所定のロケーションに格納されたソフトウェアでリアルタイムに制御されるマクロプロセッサが使用されるのでもよい。ある実施例においては、単一のマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラが、マイクロコントローラ３２とＦＰＧＡ３３の機能を単一のデバイスで実現するように設けられるのでもよい。

レーザ制御ボード３１及びその上の全ての素子は、ＤＣ電源３４によって電力が供給される。レーザ制御ボード３１は、コマンド入力信号をＲＦ電源３０のコマンド入力端子３５経由で受信可能となっている。レーザ制御ボード３１は、モード選択信号をＲＦ電源３０のモード選択入力端子３６経由で受信可能となっている。変調パルスモードの動作がモード選択信号（以下に詳述される）を介して選択されたとき、レーザ制御ボード３１は、変調パルスパワーレベル制御信号をＲＦ電源３０の変調パルスパワーレベル制御入力端子３７経由で受信可能となっている。レーザ制御ボード３１は、また、ユーザインタフェース３８用に駆動信号を出力するのでもよい。ユーザインタフェースは、ＲＦ電源３０用の光学的又は音響的なインジケータ（例えば、ＬＥＤ、音響信号発生器等）を有するのでも、ＦＲ励起ガスレーザ１の動作情報を表示する表示画面（図示せず）等のリモートユーザインタフェースであってもよい。

コマンド入力信号、モード選択信号、及び該当する場合は変調パルスパワーレベル制御信号にも応じて、マイクロコントローラ３２は、ＲＦ電力増幅器３９に出力されるＲＦ駆動信号を発生する。ＲＦ電力増幅器３９は、ＤＣ電源３４によって電力供給され、ＲＦ駆動信号に比例するレーザ駆動信号をＲＦフィードスルー１２経由で筐体１１内のビーム発生素子に出力する。本実施例に係るＲＦ電力増幅器３９は、出力のデューティ比を制限することによって平均出力電力が最大出力容量よりも低く維持されることを条件として、ＲＦ電力増幅器３９の最大出力容量を超えるピーク電力のＲＦ駆動信号を出力可能となっている。本実施例において、ＲＦ電源３０によって生成されるＲＦ駆動信号は、１３ＭＨｚ〜１７５ＭＨｚの範囲内の周波数でのよい。この範囲は、本実施例において、低い周波数領域において発生することがありレーザに要求される放電領域での過大な大放電を回避し、高周波数において発生可能な一様な放電の維持が困難になることを回避するように設定されている。他の実施例においては、特定の導入における、放電領域の広さ並びに放電の均一性制御に要する及び／又は許容される操作負担の程度に応じて、より広い又は狭い範囲が適用可能であろう。

ＲＦ電源３０の各入力端子の詳細に戻って、コマンド入力端子３５経由で受信されるコマンド入力信号は、レーザのオンとオフとの時間を制御するための２値の信号である。本実施例において、信号は、オフ状態を表す０Ｖと、オン状態を表す＋５Ｖとの間で切り替わりうる。０Ｖと＋５Ｖとの間で切り替わる信号をこの入力端子に印加することによって、レーザはオンとオフとの間を切替え可能となっている。本実施例において、コマンド入力信号を介してのレーザのオンとオフとの切り替えと、レーザのオンとオフとの間の切り替わりとの間の遅延は、一般に５００ｎｓ秒以下であるが、当業者は、特性の異なる素子に替えることによって、この遅延時間が増減しうることを認識するであろう。これによって、レーザの作動停止に関する完全な制御が、提供可能となっている。

モード選択信号は、ＲＦ励起ガスレーザ１の動作モードの選択に使用可能となっている。本信号は、異なる動作モードを表す異なる電圧の多値信号であってもよい。代わりに、この信号は、異なる動作モードを異なるバイナリコードで表す、パラレルのデジタル信号であってもよい。代わりに、この信号は、異なる動作モードを異なるバイナリコードで表す、シリアルのデジタル信号であってもよい。パラレル又はシリアルのデジタル信号の実施例において、所望のモードに一旦入ると、モード選択信号は、モード変更が望まれない限り更に要求されない。

上記の周波数領域及び時間領域は、本実施例の文脈において例示的であり、本開示又は本発明の範囲を特定の周波数範囲のものに限定することを意図しない。上記のように、放出されるレーザビームの好ましい特性に応じて、他の範囲が可能である。

本実施例に係るＲＦ励起ガスレーザは、３つのモードで動作可能である。第１のモードは真のＣＷ（連続）モードであり、第２のモードはスーパーパルスモードであり、第３のモードは変調パルスモードである。これらのモードの詳細は、以下に記載される。モードの記載は、本実施例の文脈において例示的であり、本開示又は本発明の範囲を他の応用又は利用のための特定のモード数のものに限定することを意図しない。

変調パルスパワーレベル制御入力端子３７経由で受信される変調パルスパワーレベル制御信号は、変調パルスモードにおいてレーザ出力制御に使用可能なアナログ入力である。この動作モードの詳細は、以下に記載される。

上記のように、マイクロコントローラ３２は、ユーザインタフェース３８を駆動可能になっている。本実施例に係るユーザインタフェースの更なる詳細は、図３に示されている。本実施例において、ユーザインタフェース３８は、ＬＥＤ４１のアレーからなる。本実施例において、これらのＬＥＤ４１は、専用のＬＥＤ駆動ＩＣ４２により、マイクロコントローラ３２の制御の下に駆動可能である。この機能の遂行に適するデバイスは、テキサス・インスツルメント・インクによって提供されるＴＬＣ５９２１である。他の実施例において、ＬＥＤは、マイクロプロセッサ３２によって直接駆動されるのでもよい。ユーザインタフェースのＬＥＤは、レーザの種々の動作モードを示すように個別に駆動可能である。例えば、各ＬＥＤは、レーザのオン／オフ状態（４１ａ）、誤作動状態（４１ｂ）、警告信号（４１ｃ）、高温動作状態（４１ｄ）、選択された動作モード（４１ｅ）、及び出力パワーレベル（４１ｆ−ｏ）を、表示可能である。

本実施例において、ユーザインタフェース３８は、遠隔コンピュータによるＲＦ励起ガスレーザの制御用に、ネットワーク接続手段を有するのでもよい。ネットワーク接続手段は、コントローラ３２の制御の下でのイーサネットＭＡＣ／ＰＨＹ４４を有するのでもよい。イーサネットＭＡＣ／ＰＨＹ４４は、ＲＪ４５ソケット４５に接続され、ＣＡＴ５Ｅイーサネットケーブル（図示せず）等のネットワークケーブルがレーザ１に接続されることを可能にし、レーザ１のネットワークを介した遠隔制御を可能にするのでもよい。本実施例において、イーサネットＭＡＣ／ＰＨＹ４４は、１０又は１００ベースＴ（10/100 base T）イーサネット接続を提供するのでもよい。他の実施例において、１０ベース２（10 base 2）接続、ＧｂＥ（ギガビットイーサネット）接続、又は１０ＧｂＥ（１０ギガビットイーサネット）接続が提供されるのでもよい。代わりに、イーサネット（登録商標）に代えて又は含めて、、他のネットワーク接続技術が、利用されるのでもよい。そのような技術の一例として、インフィニバンド（Infiniband 商標）がある。

本実施例において、マイクロコンピュータ３２は、ｈｔｔｐベースであってネットワーク管理用の「ウェッブインタフェース（Web-interface）」を提供し、ネットワーク接続を介したレーザ１の管理を可能にするようになっているのでもよい。他の実施例において、テキストベースの端末インタフェースが設けられるのでもよい。そのようなインタフェースが設けられていることによって、コマンド入力、モード選択入力、及び変調パルスパワーレベル制御入力の機能が、ネットワークインタフェースを介して、実現可能又は置き換え可能となる。これによって、専門家又は専用の制御装置若しくはケーブル配線なしに、遠隔のコンピュータワークステーションからレーザの完全な制御が実現可能である。

したがって、以下、ＲＦ励起ＣＯ_２レーザ等のＲＦ励起ガスレーザ用の電源の構成について記載する。この電源は、レーザの３つの動作モードを提供するように制御可能であり、もってレーザの増強された柔軟性及び制御性を提供する。

以下、図４及び図５を参照して、ＲＦ電源３０に対する第１の動作モードが記載される。

この第１の動作モードは、真のＣＷ（連続波）モードである。この真のＣＷモードにおいて、ＤＣ電源３４は、ＲＦ電力増幅器３９をピークパワー、１００％のデューティ比で動作させるのに十分な一定電圧を出力するように制御される。レーザ制御ボード３１は、ＲＦ電力増幅器３９に制御信号を出力して１００％のデューティ比の出力を発生させる。したがって、ＲＦ電力増幅器３９は、ＲＦ電力増幅器の最大連続出力容量に等しいピーク電力の定駆動信号を出力する。ＲＦ駆動信号は１３〜１７５ＭＨｚ（上記参照）を有するが、レーザはこの周波数で一定に作動するものと考えられることを注記しておく。コマンド入力端子３５を使用して、レーザは、上記の２値信号を用いてオンとオフとの間で切り替わることが可能である。図４及び図５に示すように、コマンド入力制御信号が「オン」（この実施例では+５Ｖ）のとき、レーザは作動し、コマンド入力制御信号が「オフ」（この実施例では０Ｖ）のとき、レーザは作動しない。

１つの実施例において、３２ＶＤＣ電源は、ＲＦ電力増幅器に１５０Ｗピークパワーの駆動信号を発生させるように設けられる。本実施例に係るＲＦ電力増幅器は１５０Ｗの最大出力容量を有するため、１００％のデューティ比は、平均ＲＦ電力を１５０Ｗにする。図４及び図５に示すように、コマンド入力信号（図４）がオンの状態のとき、ＲＦ電力増幅器は１５０Ｗ（図５）を出力する。本実施例では、この１５０ＷのＲＦ駆動信号は、レーザに１１〜１４Ｗの連続パワーかつ１７Ｗの最大パワーのレーザビームを出力させる。当業者が理解するように、通常、ガスレーザ、特にＣＯ_２レーザは高効率レーザとして知られているが、これは、分子が複数のエネルギー準位を含むため、最大でも約３０％の効率でしかない。ＲＦ駆動導波管型ガスレーザの構成で使用される場合、典型的には、ほんの８〜１２％の効率である。本実施例のＲＦ駆動導波管型ガスレーザにおいて、１５０Ｗの駆動信号から１７Ｗの最大出力が得られることは、この種のレーザとしては高い効率であることを示す。全てのエネルギー損失は、熱となって失われる。レーザ装置の強制空冷又は熱放散によるこの熱損失の除去が、最適効率での動作を維持するために設けられるのでもよい。

以下、図６〜図８を参照して、ＲＦ電源３０に対する第２の動作モードが記載される。

この第２のモードは、レーザからのより高いピーク電力が達成可能なスーパーパルスモードである。これを達成するため、ＲＦ電力増幅器３９からのピーク電力は、この増幅器の最大連続出力容量を超えて増加されている。本実施例において、ＲＦ電力増幅器３９からの出力電力は、ＤＣ電源３４から入力されたＤＣ駆動電圧のみに依存する。本実施例に係るＲＦ電力増幅器３９は、ＤＣ３２Ｖで駆動されたとき、１５０ＷのＲＦ電力を出力する。ＲＦ電力増幅器３９にＤＣ４８Ｖが印加されたとき、３００ＷピークＲＦ電力が発生可能である、しかし、増幅器の平均定格電力１５０Ｗを超さないようにデューティ比が５０％までに制限されることとなる。３２Ｖから４８Ｖまでの間のＤＣ電圧で、ＲＦ電力増幅器３９は、ＤＣ電圧の増大に伴い、１５０Ｗから３００ＷまでのピークＲＦ電力を出力する。デューティ比は、それゆえ、増幅器の平均定格電力１５０Ｗを超えないように、それぞれ、１００％から５０％までの間に調節されなければならない。さらに、デューティ比の制限に関連し、ＲＦ電力増幅器が自己の平均定格電力を超えて過負荷となることを回避するため、ある状況下では、平均定格電力を長時間平均において超えなくとも短時間平均において超えないようにするため、最大パルス幅を制限することも必要になろう。一般に、ＲＦ出力電力は、電圧の２乗に略比例する。

本実施例において、ユーザは、３２Ｖから４８Ｖの間で供給電圧を選択することによって、所望のピーク電力を選択可能である。レーザ制御ボード３１は、電圧をモニタし、ＲＦ電力増幅器３９に供給されるＲＦ駆動信号のデューティ比とパルス幅を制限することによって、ＲＦ電力増幅器３９が過負荷になることを回避するように動作する。

本実施例において、デューティ比は、レーザ制御ボード３１上のＦＰＧＡ３３を介して制御可能となっている。ＦＰＧＡは、ＲＦ電力増幅器３９に印加された電圧に応答し、ＲＦ電力増幅器３９に供給されるＲＦ駆動信号のデューティ比と最大許容パルス幅を制限し、パラートランジスタの動作を許容動作範囲内に保持可能となっている。本実施例において、これは、略１００ｋＨｚにも及ぶパルスを用いてリアルタイムに行われる。マイクロコントローラ３２は、ＲＦ電力増幅器３９に供給された電圧をモニタし、その電圧についてＦＰＧＡ３３に必要な制限を問い合わせる。デューティ比の上限又は最大パルス幅の上限がＲＦ電力増幅器３９に供給されるＲＦ駆動信号によって超えられたとき、そのＲＦ駆動信号は、平均定格電力を超さないように制限される。また、過負荷の状態を回避するために駆動信号が切替えられたことを示す警告がオペレータに提供され、制御が取り消されたことを示すのでもよい。

本実施例に係るＦＰＧＡ３３は、増幅器を故障させうる電力の過大な反射からＲＦ電力増幅器３９を保護するために使用可能となっている。ＲＦ電力増幅器３９は、進行波電力及び反射波電力に比例した信号を発生させる。これらの信号は、所定の値と比較され、ＲＦ電力増幅器３９でのＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）が１．６（約１０％の電力が反射されることを示す）を超えたとき、いつでも反射波警告信号を発生する。当業者は理解するように、１を超えるＶＳＷＲは、ＲＦシステムの回避できない特性である。平たく言えば、これは、信号経路におけるインピーダンス成分の不整合による。本実施例において、ＶＳＷＲのそのような値がそのよう範囲に達することが予期される状況では、レーザ又はマッチング網（ＲＦレーザ駆動信号についての入力インピーダンスとＲＦ電力増幅器の出力インピーダンスとのバランスを取るためにレーザ内に設けられている部材）における不整合の可能性が存在する。反射電力警告信号は、ＦＰＧＡ３３によってモニタされる。ＦＰＧＡ３３は、レーザ制御ボード３１からＦＲ電力増幅器３９へのＲＦ駆動信号を、反射電力が長時間に亘り大きすぎる場合に、介在可能になっている。本実施例において、ＲＦ電力増幅器３９は、ＶＳＷＲが１．６を超えて２００μｓ以上又はデューティ比１０％以上で動作できないように、高い反射電力に対して設定された許容範囲を有する。本実施例に係るＦＰＧＡは、パルスを有するＲＦ駆動信号が上記の周波数でこれらの範囲を越えることを防止するようにＲＦ駆動信号を制御可能となっている。

図６に示すように、マイクロプロセッサ３２に供給されるコマンド入力は、それぞれが所定の幅を有する多数のパルスを含む。本実施例において、パルス周波数は１００ｋＨｚまで及ぶのでもよい、何故ならば、ＦＰＧＡ３３が、ＲＦ電力増幅器３９における過大な反射電力に対してこの制限値まで及ぶパルス周波数で防止することが可能となっているからである。他の実施例において、ＲＦ電力増幅器における過度の反射電力に対する保護用のモニタに使用可能な最大周波数は、レーザの意図する容量に応じてこの値より高くとも低くともよい。ＲＦ電力増幅器３９が最大出力容量に等しい出力電力を発生するように駆動されたとき、図７に示すようにレーザ駆動信号は、コマンド信号のパルスに対応したパルスとして生成される。

他方、ＲＦ増幅器３９が最大出力容量を超える出力電力を発生するように駆動されたとき、図８に示すように、１００％未満のデューティ比のレーザ駆動信号が生成される。本実施例においては、ＲＦ電力増幅器３９は、図７に示すように、１５０Ｗの最大出力容量を有し、ＤＣ３２Ｖで駆動されたときに１５０Ｗを生成する。しかしながら、本実施例に係るＲＦ電力増幅器がＤＣ４８Ｖで駆動されるときは、３００Ｗのピーク出力電力が生成される。これを１５０Ｗの平均出力電力に制限するため、図８に示すように５０％のデューティ比が導入されている。本実施例では、３０Ｗピーク出力のレーザビームが、この動作モードにおいて達成可能である。

本実施例において、パルス周波数は、ＦＰＧＡ３３の反射電力の検出限界までの何れの周波数でもよい。離散的な周波数がパルス用に使用される必要は無く、コマンド入力はランダムに発生されたパルスを含むのでもよい。デューティ比の算出限界は、前のパルスからの時間に基づくのでもよい。例えば、ＲＦ電力増幅器３９にＤＣ４８Ｖが供給されたときは、最大デューティ比は５０％である。パルス周波数の知見なくこの要求に適合するために、マイクロコントローラ３２は、直前にターンオンしたパルスからの遅延を計測し、そのデュレーションを終えることになる次のパルスを検出するのでもよい（もって、５０％のデューティ比を達成する）。正確なデューディ比の限界の検出に適した同様の原理は、ＲＦ電力増幅器３９に供給される３２Ｖ〜４８Ｖの間の電圧についても適用可能であり、ここでは、デューティ比の限界は１００％〜５０％の間である。本実施例において、ＲＦ電力増幅器から出力される平均電力を平均電力限界以下に維持することを確保する最大パルス幅は、供給電圧４８Ｖで１ｍｓである。低い供給電圧においては、上で概論した真のＣＷ動作が可能な３２Ｖに供給電圧が達するまで、対応するより広いパルス幅が使用されるのでもよい。異なる動作特性を有するＲＦ電力増幅器が使用される他の実施例においては、この最大パルス幅は、１ｍｓよりも大きくても小さくてもよい。

以下、図９〜図１３を参照して、ＲＦ電源３０に対する第３の動作モードを記載する。

この第３のモードは、レーザ制御ボードが、コマンド入力を用いてオンオフ出力される駆動パルス信号を生成可能な、変調パルスモードである。この駆動パルス信号のデューティ比は、変調パルスパワーレベル制御を用いて制御可能となっている。このように生成されたレーザ出力は、駆動パルス信号の周波数のリップルを有するＣＷレーザビームである。コントロールの特徴のこの組み合わせは、レーザのユーザに高い制御性を可能にする。特に、ユーザは、定出力状態でＲＦ電力増幅器３９が十分に高いＤＣ電圧で駆動されて平均定格電力超となるようにされたときでさえ、いかなるデューティ比又はパルス幅を有するコマンド入力を用いてレーザを作動可能である、何故ならば、出力電力の管理に関する全ての問題は、レーザ制御ボード３１による取り扱いに帰するからである。さらに、低電力（最大電力未満）ＣＷ信号も生成可能である。変調パルスパワーレベル制御を用いて出力レベルを調節することと、コマンド入力に一定の「オン」信号を適用することとによって、駆動信号パルス周波数のリップルを有するが、ＣＷレーザ出力が達成可能である。また、複雑なパルス形状も実現可能である。コマンド入力をパルス化し、変調パルスパワーレベル制御を調節することによって、レーザパルスの超高精度制御が達成可能である。これは、レーザが、例えば、曲面又は移動する凹凸面をターゲットとする状況において、ターゲットに正確に所望のレベルでパワーを供給することにおいて、利点となる。本実施例においては、パルス信号に対する相対的な周波数の制限は存在しない。しかしながら、当業者は、周波数の所定の組み合わせが、パルス化の効果が検出不能となる出力を生じさせることがあることを理解する。例えば、１０μｓのパルスを有する変調パルス制御信号によって１００ｋＨｚの信号（１０μｓのパルス幅を有する）がパルス形成される場合、１０μｓのパルスは、その中に、ただ１つの変調パルス制御信号パルスを有するのみであろう。

図９〜図１３は、変調パルス動作モードによって可能となった低出力ＣＷ動作モードの実施例を図示する。図９に示すように、コマンド入力信号は、レーザがオンに切り替わることを望む期間で「オン」に切替えられる。同時に、変調パルスパワーレベル制御入力は、それぞれ図１０に示すように所望のレーザ出力パワーに対応する種々のレベルに制御される。コマンド入力と変調パワーレベル制御入力に応答して、レーザ制御ボード３１は、図１１に示すようにコマンド入力が「オン」の期間の時間に亘って、変調モードパワーレベル制御に比例するデューティ比を有するＲＦ駆動信号を生成する。それゆえ、これは、ＲＦ電力増幅器３９を、図１２に示すように変調パルスレベル制御信号に比例する平均電力を有するレーザ駆動信号を出力するようにする。図１３に示すように、レーザ出力ビームは、ＲＦ駆動信号内のパルスの周波数のリップルを有する。明確化のためにリップルは図１３に強調されており、レーザ駆動信号における電力レベルの実際のリップル変動は通常０〜３０％の範囲内に入るが、これは駆動信号の実際のパルス間隔に依存する。図１３から分かるように、パルスのＲＦ駆動信号の調整されたデューティ比は、異なるレーザ駆動信号の振幅に直接変換され、所望のＣＷレーザ出力を発生させる。本実施例において、レーザは、略５０μｓの立ち上がり時間と立ち下がり時間を有する。高い周波数で、レーザ出力は、出力において擬似的な連続波の効果を奏するＲＦ駆動信号に忠実に応答することはできない。リップルの振幅は、駆動信号の周波数とデューティ比に依存する。

パルス成形操作は、殆ど同様に機能する。図１４〜図１８に図示するように、コマンド入力（図１４）及び変調パルスパワーレベル制御（図１５）は、出射されるレーザビーム（図１８）の正確なパワー及びデューティ比の制御のために組み合わせで使用される。理解されるように、変調パルスパワーレベル制御信号の変化は、ＲＦ駆動信号（図１６）の駆動パルスの幅を変えさせ、これが順次レーザ駆動信号のパワーパルスの幅を変えさせ、もって、レーザのパワー特性を変えさせる。

コマンド入力と変調パルスパワーレベル制御との組み合わせに応答して、レーザによって伝達されるパワーの制御を正確に行うため、レーザ制御ボード３１からＲＦ電力増幅器３９へのＲＦ駆動信号のパルスを、パルス列の時間遅延を考慮して、これに適応させる必要がある。換言すれば、レーザは、直ちにＲＦ駆動信号に応答しない。むしろ、ＲＦ駆動信号は、筐体１１内のビーム発生素子に入力される前にＲＦ電力増幅器３９でまず増幅される。励起ガスレーザの性質のため、駆動信号の印加とレーザビームの放出との間には遅延が存在する。

レーザ出力の制御性が向上するようにこの遅延を考慮するため、マイクロコントローラ３２は、印加されたコマンド入力と変調パルスパワーレベル制御を、これらのコントロール入力が直接印加されたら得られるであろうレーザ出力となるのではなく、むしろコントロール入力で入力された信号によって与えられる希望する結果となるべきレーザ出力となるように、ＲＦ駆動信号を出力するように変換する。したがって、マイクロコントローラ３２は、レーザ駆動システムにおける不完全を克服する補償と調節によってユーザが期待するように振舞うレーザ出力を発生するように動作可能である。コントロール入力のこの変換を遂行するため、マイクロプロセッサは、システムに内因する遅延を考慮して、ＲＦ駆動信号パルス幅、パルス位置及びパルス間隔を調節する。本実施例において、マイクロコントローラ３２は、異なる駆動信号特性に応答して、レーザ出力特性を記述するルックアップ指数データ又は行列表にアクセスする。次に、マイクロコントローラ３２は、ＲＦ駆動信号を生成したとき、ルックアップテーブルに保持されたデータを用い、正確なビーム強度とデュレーションのビームをレーザに出力させる駆動信号を発生させる。

本実施例において、レーザは、５０μｓの立ち上がり時間と立ち下がり時間を有する。それゆえ、例えば、変調パルスモードにおいて、実質的に一定出力の擬似ＣＷ動作を達成するため、レーザ出力を所望のレベルに素早く立ち上げるため、長パルス幅初期パルスが供給される。この長パルス幅初期パルスに続いて、例えば、１００ｋＨｚ駆動信号パルスが擬似ＣＷ出力を達成するために使用可能である。そのような構成がとられない場合、レーザ出力は、所望のレベルまでゆっくりとランプ関数的に５００パルス程度の過程を経て上昇する。ゆっくりと上昇するそのような出力は望ましいかもしれないが、しかしながら、所望の動作レベルに即座に始動することが求められる環境に対しては、長パルス幅初期パルスを供給することによって、ゆっくりと上昇する時間を回避可能である。

レーザ出力を所望の出力レベルに素早く齎すこの初期パルスの適切な長さを決定するため、所望のレーザ出力レベル、このレベルの達成が望まれる時間等を含む多くの要因が考慮されなければならず、本実施例においては、必要なパルス幅は、マイクロコントローラ３２によりアクセス可能なパルス幅データテーブルへの参照を実行することによって決定可能となっている。ルックアップテーブルは、所望のレーザ出力特性の異なる組み合わせついての、パルス幅の値を保持するのでもよい。本実施例において、この値は、使用されているＲＦ電力増幅器とレーザ発生素子の組み合わせに対して決定されるのでもよい。ある実施例においては、適切な初期パルス幅を決定するために、マイクロコントローラ３２又はＦＰＧＡ３３によって計算が実行されるのでもよい。

他の実施例において、マイクロコントローラ３２は、異なる駆動信号特性に応答して生じうる遅延を計算するようにプログラミングされるのでもよい。そして、マイクロコントローラは、所望のビーム出力を発生するために必要となる駆動信号特性を、リアルタイムに計算するのでもよい。

したがって、これまで、ＲＦ励起ガスレーザの出力を制御して種々のビーム強度、パルスジュレーション及びパルス幅を実現可能なレーザ電源の実施例について記載してきた。このようなレーザ電源は、ユーザに、レーザから出射されるパワーについての優れた制御性を提供可能であり、もってより幅広く多様なレーザの使用、特に、低電力損失が望まれる応用（例えば、バッテリ電源システム）、又は許容出力幅が狭い応用（例えば、医学及び加工応用）を可能にする。

本発明についての記載は本質的に単に例示的なものであり、それゆえ、本発明の趣旨から離れない変形は、本発明の実施例の範囲内にあることが意図される。そのような変形は、本発明の概念及び範囲から外れているものとは考えられないものである。

ＲＦ励起ガスレーザ装置を示す模式図である。 図１に示すＲＦ励起ガスレーザ陽のレーザ電源を示す模式図である。 図２に示すレーザ電源のユーザインタフェース部分を示す模式図である。 第１の動作モード用のコマンド入力信号の一例を示す図である。 第１の動作モード用のレーザ駆動信号の一例を示す図である。 第２の動作モード用のコマンド入力信号の一例を示す図である。 第２の動作モード用のレーザ駆動信号の一例を示す図である。 第２の動作モード用のレーザ駆動信号の他の一例を示す図である。 第３の動作モード用のレーザ駆動信号の一例を示す図である。 第３の動作モード用の変調パルスパワーレベル制御入力信号の一例を示す図である。 第３の動作モード用のＲＦ駆動信号の一例を示す図である。 第３の動作モード用のレーザ駆動信号の一例を示す図である。 第３の動作モード用のレーザ出力の一例を示す図である。 第３の動作モード用のコマンド入力信号の他の一例を示す図である。 第３の動作モード用の変調パルスパワーレベル制御入力信号の他の一例を示す図である。 第３の動作モード用のＲＦ駆動信号の他の一例を示す図である。 第３の動作モード用のレーザ駆動信号の他の一例を示す図である。 第３の動作モード用のレーザ出力の他の一例を示す図である。

符号の説明

１ ＲＦ励起ガスレーザ
１０ａ、１０ｂ 端部
１１ 筐体
１２ ＲＦフィードスルー
１３ セラミックカバー
３０ ＲＦ電源
３１ レーザ制御ボード
３２ マイクロプロセッサ（マイクロコントローラ）
３３ 専用プロセッサ（ＦＰＧＡ）
３４ ＤＣ電源
３５ コマンド入力端子
３６ モード選択入力端子
３７ 変調パルスパワーレベル制御入力端子
３８ ユーザインタフェース
３９ ＲＦ電力増幅器
４１ａ〜４１ｏ ＬＥＤ
４２ ＬＥＤ駆動ＩＣ
４４ イーサネットＭＡＣ／ＰＨＹ
４５ ＲＪ４５ソケット

Claims (22)

1. 増幅器駆動信号を生成し、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力可能なマイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラと、
   前記増幅器駆動信号を受信し、前記増幅器駆動信号に比例しＲＦ（Radio Frequency）ガス励起レーザを駆動するレーザ駆動信号を発生可能なＲＦ電力増幅器と、を備えることを特徴とするＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
2. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、第１の動作モードで増幅器駆動信号を出力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
3. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、他の動作モードにおいて、出力されない増幅器駆動信号を生成可能になっていることを特徴とする請求項２に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
4. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、他の動作モードにおいて、一定値をとる増幅器駆動信号を発生可能になっていることを特徴とする請求項２に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
5. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、「オン」の状態を表す信号レベルと「オフ」の状態を表す信号レベルとの何れかをとる増幅器駆動信号を出力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
6. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、全オンと全オフとの間の異なる状態を表す信号レベルの何れかをとる増幅器駆動信号を出力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
7. 前記ＲＦ電力増幅器が、ＲＦ電力増幅器の最大出力電力容量よりも大きなピーク電力部分を有するレーザ駆動信号を出力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
8. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、ＲＦ電力増幅器の最大出力電力容量以下に平均出力電力を維持するために１００％未満のデューティ比を有するレーザ駆動信号を出力可能となっていることを特徴とする請求項７に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
9. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、受信したコマンド入力をＲＦ励起ガスレーザ内の遅延を考慮して変換可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
10. 前記変換が、ルックアップテーブル内の遅延値を参照することを含むことを特徴とする請求項９に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
11. 前記変換が、受信したコマンド入力に基づいて遅延値を計算することを含むことを特徴とする請求項９に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
12. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、変換結果に応じて増幅器駆動信号を調節可能となっていることを特徴とする請求項９に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
13. 前記マイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラが、ユーザインタフェース用の駆動信号を発生可能になっていることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
14. 前記ユーザインタフェース用の駆動信号が、ＬＥＤアレー用の駆動信号を含むことを特徴とする請求項１３に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
15. 前記ユーザインタフェース用の駆動信号が、コンピュータグラフィックディスプレイ用の駆動信号を含むことを特徴とする請求項１３に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
16. さらに、ネットワークインタフェースを備えることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
17. 前記ネットワークインタフェースが、遠隔端末からコマンド入力を受信可能になっていることを特徴とする請求項１６に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
18. 前記ネットワークインタフェースが、操作パラメータを表す信号を遠隔端末に送信可能になっていることを特徴とする請求項１６に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
19. 増幅器駆動信号を生成し、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力可能なマイクロプロセッサ及び／又はマイクロコントローラと、
    前記増幅器駆動信号を受信し、前記増幅器駆動信号に比例するレーザ駆動信号を発生可能なＲＦ電力増幅器と、を備えることを特徴とするＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。
20. レーザ駆動信号を発生可能な駆動システムを備え、
    前記駆動システムが、
    増幅器駆動信号を発生し、受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力可能なマイクロプロセッサと、
    前記増幅器駆動信号を受信して前記駆動信号に比例するレーザ駆動信号を発生可能なＲＦ電力増幅器と、
    前記レーザ駆動信号の受信に応答してレーザビームを出力可能なビーム発生システムと、を有することを特徴とするＲＦ励起ガスレーザ。
21. 受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を発生し、
    受信したコマンド入力に応じて増幅器駆動信号を出力し、
    出力された前記電力駆動信号に応答してＲＦレーザ駆動信号を発生し、
    前記ＲＦレーザ駆動信号を用いて気体を励起してコーレント光ビームを発生する、ことを特徴とするコーレント光ビームの発生方法。
22. 前記レーザがＣＯ_２レーザであることを特徴とする請求項１に記載のＲＦ励起ガスレーザ用の駆動システム。

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