JP2012033799A

JP2012033799A - レーザ装置

Info

Publication number: JP2012033799A
Application number: JP2010173490A
Authority: JP
Inventors: Ken Aizawa; 賢相澤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】予備電離電極の曲げ部分に対応した曲率を持ったセラミック製の絶縁管を作製することは困難である。
【解決手段】レーザ容器が、第１の方向に長く、レーザ媒質ガスを収容する空間を画定する。その空間内に、１対の放電電極が、相互に間隔を隔てて配置されている。放電電極は、第１の方向に延在する。少なくとも一方の放電電極の側方に、予備電離電極が配置されている。予備電離電極は、第１の方向に延在する直線部分、及び直線部分の両端において屈曲してレーザ容器に取り付けられた屈曲部分を含む。予備電離電極の直線部分が、筒状の絶縁材料からなる第１の絶縁管内に収容されている。予備電離電極の屈曲部分が、屈曲した筒状の第２の絶縁管内に収容されている。第１の絶縁管の材料の誘電率が、第２の絶縁管の材料の誘電率よりも高い。
【選択図】図２

Description

本発明は、主放電電極の側方に予備電離電極を備えたガスレーザ装置に関する。

ガスレーザ装置は、レーザ媒質ガスを励起させるための主放電電極を有する。主放電電極による放電の効率を高め、かつ安定した放電を可能にするために、予備電離電極（ワイヤ電極）が設けられる。予備電離電極にパルス電圧が印加されると、局所的にコロナ放電が発生する。コロナ放電で発生した紫外光によって、主放電電極間のレーザ媒質ガスが電離される。この電離が引き金となって、主放電が発生する。

予備電離電極は、中空状の絶縁管の中に配置される。絶縁管の表面に、絶縁管の絶縁材料とは異なる誘電率を持ち、電子放出性が高い絶縁材料からなる絶縁層が、溶射により形成されている。この絶縁層を形成することにより、予備電離強度を高くし、効率のよい安定した放電を実現することができる。

特開２００８−２１１０８０号公報

予備電離電極は、主電極の側方に、主電極とほぼ平行に配置されるが、その両端において、高圧パルス電源の端子に接続するために曲げられている。予備電離電極を収容する絶縁管も、予備電離電極の曲げに対応して、両端において曲げられている。このため、絶縁管には、曲げ等の加工の容易性を考慮して、石英等が用いられる。

予備電離の効果を高めるために、絶縁管の誘電率を高めることが有効である。ところが、セラミック等の誘電率の高い材料は、曲げ等の加工が困難である。予備電離電極の曲げ部分に対応した曲率を持ったセラミック製の絶縁管を作製することは困難である。

本発明の一観点によると、
第１の方向に長く、レーザ媒質ガスを収容する空間を画定するレーザ容器と、
前記空間内に、相互に間隔を隔てて配置され、前記第１の方向に延在する１対の放電電極と、
少なくとも一方の前記放電電極の側方に配置され、前記第１の方向に延在する直線部分、及び該直線部分の両端において屈曲して前記レーザ容器に取り付けられた屈曲部分を含む予備電離電極と、
前記予備電離電極の前記直線部分を収容する筒状の絶縁材料からなる第１の絶縁管と、
前記予備電離電極の前記屈曲部分を収容する屈曲した筒状の第２の絶縁管と
を有し、前記第１の絶縁管の材料の誘電率が、前記第２の絶縁管の材料の誘電率よりも高いレーザ装置が提供される。

第１の絶縁管に、第２の絶縁管よりも誘電率の高い材料を用いることにより、効率的に予備電離を生じさせることができる。

（１Ａ）は、実施例によるレーザ装置の断面図であり、（１Ｂ）は、実施例によるレーザ装置の概略側面図である。（２Ａ）は、実施例によるレーザ装置に用いられている予備電離電極と絶縁管との断面図であり、（２Ｂ）は、他の構成例を示す断面図である。（３Ａ）及び（３Ｂ）は、実施例によるレーザ装置に用いられている予備電離電極と絶縁管との他の構成例の断面図である。実施例によるレーザ装置に用いられている予備電離電極と絶縁管との他の構成例の断面図である。

図１Ａに、実施例によるエキシマレーザ装置の断面図を示す。中空の筒状の外側レーザ容器１０の内部に、中空の筒状の内側レーザ容器１１が配置されている。外側レーザ容器１０の中心軸と内側レーザ容器１１の中心軸とは、平行であり、図１Ａにおいて紙面に垂直である。外側レーザ容器１０の内側の表面と、内側レーザ容器１１の外側の表面との間に、環状のレーザ媒質ガス収容空間が画定される。レーザ媒質ガス収容空間内に、レーザ媒質ガスが充填される。

レーザ媒質ガス収容空間内に、第１の主放電電極１５及び第２の主放電電極１６が、相互に対向するように配置されている。第１の主放電電極１５及び第２の主放電電極１６の各々は、外側レーザ容器１０の軸方向に長い棒状の形状を有する。第１の主放電電極１５が、内側レーザ容器１１に近い位置に配置されており、第２の主放電電極１６が、内側レーザ容器１１から遠い位置に配置されている。第１の主放電電極１５と第２の主放電電極１６との間に、主放電領域２５が画定される。

レーザ媒質ガス収容空間内にファン２２が装填されている。ファン２２は、レーザ媒質ガスを周方向に循環させる。レーザ媒質ガスは、循環するときに、熱交換器２１により冷却される。

第２の主放電電極１６は、導電性の複数のクランプ１９により内側レーザ容器１１に支持されている。クランプ１９は、軸方向に一定の間隔をおいて配列している。レーザ媒質ガスは、クランプ１９の間を通って主放電領域２５内に輸送され、主放電領域２５から排出される。クランプ１９は、内側レーザ容器１１の内部に配置されているパルス電源２５のグランド端子に、電気的に接続される。クランプ１９を介して、第２の主放電電極１６にグランド電圧が印加される。第１の主放電電極１５は、パルス電源２５の高圧端子に電気的に接続されている。

第２の主放電電極１６の側方に、第１の予備電離電極１７が配置されており、第１の主放電電極１５の側方に、第２の予備電離電極１８が配置されている。第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８は、それぞれ第２の主放電電極１６及び第１の主放電電極１５と平行な方向（図１Ａの紙面に垂直な方向）に延在する直線状の部分を含む。

第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８は、それぞれパルス電源２５の高圧端子及びグランド端子に接続されている。第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８は、それぞれ絶縁管２０内に挿入されている。

図１Ｂに、レーザ装置の概略側面図を示す。図１Ｂでは、クランプ１９（図１Ａ）の記載を省略している。外側レーザ容器１０内に内側レーザ容器１１が配置されている。外側レーザ容器１０と内側レーザ容器１１との間のレーザ媒質ガス収容空間は、外側レーザ容器１０の両端において蓋１２、１３により閉じられている。レーザ空間内に、図１Ｂの横方向に長い第１の主放電電極１５、第２の主放電電極１６、第１の予備電離電極１７、及び第２の予備電離電極１８が配置されている。第１の主放電電極１５と第２の主放電電極１６との間に、主放電領域２５が画定されている。

主放電領域２５を軸方向に延長した仮想直線と、蓋１２、１３との交差箇所に、それぞれ光透過窓３１、３２が取り付けられている。一方の光透過窓３１よりも外側に全反射鏡３３が配置され、他方の光透過窓３２よりも外側に部分反射鏡３４が配置されている。全反射鏡３３と部分反射鏡３４とで、光共振器が構成される。

第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８の各々は、その両端において、内側レーザ容器１１に向かって屈曲している。屈曲した部分の先端が、内側レーザ容器１１に設けられた端子３６に接続されている。これらの端子３６は、図１Ａに示したパルス電源２５に接続されている。第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８は、それぞれ絶縁管２０内に挿入されている。絶縁管２０は、支持部材３７により内側レーザ容器１１に支持されている。

次に、レーザ発振動作について説明する。パルス電源２５から第１の主放電電極１５、第２の主放電電極１６、第１の予備電離電極１７、及び第２の予備電離電極１８に、パルス電圧が印加される。第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８に印加されるパルス電圧により、局所的にコロナ放電が発生する。コロナ放電によって紫外光が放射され、主放電領域２５内のレーザ媒質ガスが電離する。これにより、主放電（グロー放電）が起こりやすい状況が作り出される。グロー放電によってレーザ媒質ガスが励起され、レーザ発振が生じる。

図１Ａ及び図１Ｂでは、第１の主放電電極１５の側方及び第２の主放電電極１６の側方に、それぞれ第２の予備電離電極１８及び第１の予備電離電極１７を配置したが、一方の主放電電極の側方にのみ予備電離電極を配置してもよい。すなわち、第１の予備電離電極１７及び第２の予備電離電極１８の一方を省略してもよい。

図２Ａに、第１の予備電離電極１７及び絶縁管２０の断面図を示す。なお、第２の予備電離電極１８及び絶縁管２０の構造も、第１の予備電離電極１７及び絶縁管２０の構造と同一である。

第１の予備電離電極１７は、両端が屈曲した１本の導線で形成されている。第１の予備電離電極１７の直線部分は、直線状の第１の絶縁管２０Ａ内に挿入されており、屈曲部分は、屈曲した第２の絶縁管２０Ｂ内に挿入されている。第１の予備電離電極１７の屈曲部分の先端が、端子３６に接続されている。

第２の絶縁管２０Ｂには、加熱することによって容易に屈曲させることができる材料、例えば石英等が用いられる。第１の絶縁管２０Ａには、第２の絶縁管２０Ｂよりも誘電率の高い材料、例えばアルミナ等のセラミックが用いられる。

第２の絶縁管２０Ｂの一方の端部が、第１の絶縁管２０Ａ内に挿入されている。第２の絶縁管２０Ｂの端部近傍の外側の表面に凸部２０Ｃが形成されている。凸部２０Ｃが第１の絶縁管２０Ａの端面に接触することにより、第１の絶縁管２０Ａ内への、第２の絶縁管２０Ｂの挿入の深さが規制される。

第１の絶縁管２０Ａの材料であるセラミックは、曲げ加工等が困難であるため、第１の予備電離電極１７の屈曲部分を収容する絶縁管をセラミックで形成することは困難である。実施例においては、第１の予備電離電極１７の屈曲部分を石英等の加工が容易な第２の絶縁管２０Ｂで保護している。このため、屈曲部分を、放電環境から保護することができる。

第２の絶縁管２０Ｂの曲げ角は、約１８０°である。このため、第２の絶縁管２０Ｂの両端の開口部は、同一の方向を向いている。また、一方の端子３６から他方の端子３６までの第１の予備電離電極１７の長さは、固定されている。このため、第１の予備電離電極１７を第１の絶縁管２０Ａ及び第２の絶縁管２０Ｂ内に収容して、端子３６に取り付けた状態では、第２の絶縁管２０Ｂの、挿入の深さが浅くなる方向への移動が禁止される。

また、外側レーザ容器１０（図１Ｂ）の軸方向に関して、端子３６を図１Ｂに示した蓋１２、１３から遠ざけることができる。これにより、予期しない放電の発生を防止することができる。

第１の絶縁管２０Ａの誘電率が、第２の絶縁管２０Ｂの誘電率よりも高いため、絶縁管２０の全体を、第２の絶縁管２０Ｂと同じ材料で形成する場合に比べて、コロナ放電が発生しやすくなる。このため、効率的に予備電離を行うことが可能になる。

絶縁管２０が、すべて石英で形成された比較例のレーザ装置と、実施例によるレーザ装置とのパルスエネルギのばらつきを評価した。評価実験においては、比較例のレーザ装置と実施例のレーザ装置とを、同一の条件で動作させ、パルスエネルギの、基準値からの変化率を測定した。比較例のレーザ装置におけるパルスエネルギの変化率の標準偏差を１としたとき、実施例のレーザ装置におけるパルスエネルギの変化率の標準偏差は約０．７であった。実施例のように、第１の絶縁管２０Ａを誘電率の高い材料で形成することにより、パルスエネルギの安定性を高めることができる。この効果は、効率的に予備電離が行われたことに起因すると考えられる。

図２Ｂに示すように、第１の絶縁管２０Ａの端部を、第２の絶縁管２０Ｂ内に挿入してもよい。この場合には、第２の絶縁管２０Ｂの端部近傍の内側の表面に凸部２０Ｄを形成することにより、挿入の深さを規制することができる。

図３Ａに示すように、第１の絶縁管２０Ａの端部近傍の内側の表面を、端部に向かって広がるテーパ形状にし、第２の絶縁管２０Ｂの端部近傍の外側の表面を、端部に向かって細くなるテーパ形状にしてもよい。第１の絶縁管２０Ａのテーパ状の表面の形状は、第２の絶縁管２０Ｂのテーパ状の表面の形状に整合する。テーパ形状の表面同士が接触することにより、挿入の深さが規制される。逆に、図３Ｂに示すように、第１の絶縁管２０Ａの端部近傍の外側の表面を、端部に向かって細くなるテーパ形状にし、第２の絶縁管２０Ｂの端部近傍の内側の表面を、端部に向かって広がるテーパ形状にしてもよい。

第１の絶縁管２０Ａと第２の絶縁管２０Ｂとの接続部分を、テーパ状にすることにより、放電時の振動等に起因する絶縁管の位置ずれや損傷を防止することができる。

図４に示すように、第１の絶縁管２０Ａ内に第２の絶縁管２０Ｂの端部を挿入し、両者を接着剤３９で固定してもよい。この場合、接着剤３９として、脱ガス等が生じないものを使用することが好ましい。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０外側レーザ容器
１１内側レーザ容器
１２、１３蓋
１５第１の主放電電極
１６第２の主放電電極
１７第１の予備電離電極
１８第２の予備電離電極
１９クランプ
２０絶縁管
２１熱交換器
２２ファン
２５主放電領域
３１、３２光透過窓
３３全反射鏡
３４部分反射鏡
３６端子
３７支持部材
３９接着剤

Claims

第１の方向に長く、レーザ媒質ガスを収容する空間を画定するレーザ容器と、
前記空間内に、相互に間隔を隔てて配置され、前記第１の方向に延在する１対の放電電極と、
少なくとも一方の前記放電電極の側方に配置され、前記第１の方向に延在する直線部分、及び該直線部分の両端において屈曲して前記レーザ容器に取り付けられた屈曲部分を含む予備電離電極と、
前記予備電離電極の前記直線部分を収容する筒状の絶縁材料からなる第１の絶縁管と、
前記予備電離電極の前記屈曲部分を収容する屈曲した筒状の第２の絶縁管と
を有し、前記第１の絶縁管の材料の誘電率が、前記第２の絶縁管の材料の誘電率よりも高いレーザ装置。
前記第１の絶縁管はセラミックで形成され、前記第２の絶縁管は石英で形成されている請求項１に記載のレーザ装置。
前記第２の絶縁管の端部が、前記第１の絶縁管の端部から前記第１の絶縁管の内部に挿入されており、前記第２の絶縁管の外側の表面に、前記第２の絶縁管が前記第１の絶縁管内へ挿入される深さを規制する凸部が形成されている請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記第１の絶縁管の端部が、前記第２の絶縁管の端部から前記第２の絶縁管の内部に挿入されており、前記第２の絶縁管の内側の表面に、前記第１の絶縁管が前記第２の絶縁管内へ挿入される深さを規制する凸部が形成されている請求項１または２に記載のレーザ装置。
前記第１の絶縁管及び前記第２の絶縁管のうち、一方の絶縁管の外側の表面が、端部に向かって細くなるテーパ状の部分を含み、他方の絶縁管の内側の表面が、前記一方の絶縁管の外側の表面のテーパ状の部分に整合するテーパ状の部分を含み、前記第１の絶縁管の前記テーパ状の部分と、前記第２の絶縁管の前記テーパ状の部分とが接触している請求項１または２に記載のレーザ装置。