JP2013507791A - Ｃｏ２ガス放電レーザのための事前イオン化方法 - Google Patents

Abstract

ＲＦ駆動のＣＯ_２ガス放電レーザは、複数の放電電極および電極間のレーザ用ガス混合物を含む。レーザ用ガス混合物は、ＲＦパワーが電極に印加されるとイオン化され、レーザ用ガス混合物中で放電を着火することに十分なほどの持続時間の間、ＲＦパワーが印加されるとレーザ作用が開始される。ガス混合物は、放電の着火が生じることが予測されない所定期間の間、電極にＲＦパワーを周期的に印加することによって、事前にイオン化される。電極から後方反射されるＲＦパワーが監視される。監視されるパワーが、所定の持続時間が経過する前に、レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回ると、電極へのＲＦパワーの印加は、レーザ作用が生じないように終了される。

Description

（発明の技術分野）
本発明は、概して、レーザ作用を生じさせるためにガス放電が点火されるレーザ用ガス混合物を含む二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス放電レーザに関する。本発明は、特に、ガス混合物を事前にイオン化し、放電を確実に点火するように促進するための装置および方法に関する。

ＣＯ_２レーザは、典型的には、レーザ用ガス混合物を含有するエンクロージャ内に、離間した並列の放電−電極を含む。レーザ共振器は、電極間に延在するその長手軸によって構成される。ガス放電は、通常、ＲＦ電圧パルスの形式で、放電電極にＲＦパワーを印加することによって、レーザ用ガス混合物中において衝突させられる（点火される）。これは、レーザ共振器に、持続時間および周波数がＲＦ電圧パルスの持続時間および周波数に対応するレーザ放射のパルスを送達させる。パルスが送達されているとき、混合物の中に十分なイオン化が存在していると、１つのＲＦパルスの印加後、次のパルスは、次のパルスを送達するために、本質的に直ぐに放電を再点火する。

市販のパルスＣＯ_２レーザでは、典型的には、レーザパルス列が送達されていないとき、レーザ用ガス混合物中にあるレベルのイオン化を維持するために提供されるいくつかの手段が存在する。これは、一般的には、事前イオン化と称される。事前イオン化は、レーザパルスを送達することが所望されるとき、ガス放電の点火を促進する。事前イオン化手段は、通常、電極へのＲＦパルスパワーの印加と、レーザパルスの送達との間のいかなる遅延も最小にするように構成される。事前イオン化手段はまた、いかなる最小遅延が残る場合であっても、遅延が予測可能かつ再現可能なように構成されるべきである。

例えば、１００ワット（Ｗ）の平均パワー出力未満を有する初期の低パワーレーザでは、事前イオン化は、スパークプラグとよく似た別個の事前イオン化素子によって提供され、放電電極のためのＲＦ電源と別個の電源によって動作されていた。この方法は、より高いパワー出力有するレーザに対して、不適切であることが分かっている。シマー放電法と称される方法は、そのようなレーザのために開発された。シマー放電法において、事前イオン化は、レーザの主ＲＦ電源から放電電極にＲＦパルスを印加することによってもたらされ、このときのパルス持続時間は、自由電子を生成し、要求されるイオン化を提供するためには十分に長いが、実際に、放電（プラズマ）を点火し、レーザ作用を生じさせるほどには長くはない。

シマー放電法の開発の課題は、シマー放電（事前イオン化）状態と点火された放電（レーザ発振）状態との間に存在する、放電の負荷インピーダンスの相違に対応する手段を見つけることであった。そのような手段の１つは、本発明の譲受人に譲渡された２００９年２月６日出願の米国特許出願第１２／３６７，１７４号に説明されており、その完全なる開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる。この説明によるシマー放電法は、最大４００Ｗの平均出力パワーを有するパルスＣＯ_２レーザにおいて確実に機能する。

最大１０００Ｗまでの平均パワー出力を有するパルスＣＯ_２レーザにおいて、この方法を実装しようとすると、より低いパワーレーザにおいて信頼性があり、一貫した事前イオン化を提供していた事前イオン化−パルス持続時間が、より高いパワーレーザにおいては、望ましくないレーザ作用を散発的に生じさせることが分かっている。また、公称上同一の１０００Ｗレーザ間の統計的変動に起因して、望ましくないレーザ作用を伴うことなく事前イオン化を提供し得る事前イオン化パルス持続時間は、予測が困難であることも分かっている。これは、そのレーザに対して、具体的な最適事前イオン化パルス持続時間を決定するために、時間がかかり、かつコストもかかる各レーザの「較正」を必要とする。そのような較正を伴わずに、レーザ発振を回避するために十分なほど短い持続時間を使用しようとすることは、信頼性がない放電着火につながる。望ましくないレーザ作用と、信頼性がない放電着火を回避することとの間の矛盾を回避するための事前イオン化方法をさらに開発することが必要であることが分かっている。

ガス放電レーザにおける上記の先行技術のシマー放電手順の動作の例示的説明は、図１Ａおよび１Ｂを参照して、以下に説明されており、それぞれ、時間の機能として、電圧を図示しており、ともに、タイミング図を提供する。図１Ａは、シマーパルスのタイミングを例示し、図１Ｂは、レーザパルスのタイミングを例示する。

レーザに電源を投入する前に、最初に、シマー放電が、時間ｔ_０においてオンにされる。シマーパルス発生回路は、ＲＦ電源（ＲＦＰＳ）に、パルスＳＰ_１、ＳＰ_２、およびＳＰ_３によって、図１Ａに例示されるように、短ＲＦパルスから成るＲＦシマーパルス列を放出するように命令する。ＲＦパルスは、幅（持続時間）Ｗ_Ｓと、ピーク電圧Ｖとを有する。パルスは、その間に時間間隔Ｔ、すなわち、１／Ｔに等しいパルス−反復周波数（ＰＲＦ）を伴って、反復される。このアプローチでは、ＲＦＰＳは、点火していない放電と、すなわち、シマー機能、点火された放電に動力を供給する。ピーク電圧Ｖは、公称上、点火された放電および点火していない放電状態に対して、同一である。シマーパルスの持続時間は、レーザパルスの持続時間より短く、短か過ぎて、実際には、レーザ放電を生じさせることができない。一例として、シマーパルスは、約４μｓの持続時間を有してもよい。シマーパルスは、放電電極間のガス内に十分な数の自由電子を発生させることによって、レーザのウォームアップ周期の間、レーザガスの状態を事前に調整する。初期ウォームアップ周期は、数分程度であり得る。自由電子は、レーザパルスを放出するためのユーザコマンドが、ＲＦＰＳに、レーザ放電を励起し、レーザパルスを放出するために十分に長い幅（持続時間）Ｗ_Ｌ、例えば、約５０ミリ秒以上を有する、ＲＦパルスを放出するように指示すると、放電が迅速に着火されることを確実にする。周期Ｔは、必要に応じて、レーザ放電の着火を促進するためのこの周期の間、十分な自由電子が常に存在するように選択される。

図１Ｂでは、ユーザコマンドパルスは、時間ｔ_１におけるシマーパルスＳＰ_３の終了後、持続時間ｔ_Ｄだけ時間的に離間した時間ｔ_２に到着するように任意に選択される。時間ｔ_Ｄは、シマーパルス間の時間Ｔ未満であるので、時間ジッタ（遅延）をほとんど伴わずに、放電において放電を迅速に着火することに十分なほどの自由電子が存在する。レーザコマンドを受信すると、パルスシマーパルスコマンド回路は無効にされる。レーザパルス（ＬＰ_１）は、時間ｔ_３において終了される。別のユーザコマンド信号が、ｔ_３後、別の周期Ｔが経過する前に受信されない場合、シマーパルス回路は、再起動され、ＲＦＰＳによってシマーパルスを送達させる。図１Ｂでは、パルスＳＰ_４は、そのようなパルスの１つ目を表す。シマー回路は、ＲＦＰＳに、別のユーザコマンドが受信され、レーザパルスを送達するまで、その間に周期Ｔを伴って、シマーパルスを送達するように命令する。

前述の先行技術のシステムは、良好に作動するが、常に、任意の所与のレーザ配設に対するシマーパルスの時間について、疑問が生じる。確実に、持続時間は、レーザ発振を生じさせずに、ガスを励起しなければならない。４００ＷＣＯ_２スラブレーザによる拡張実験では、前述に例示された４μｓパルスは、これらの基準を満たすことが示された。しかしながら、同一シマーパルス幅が、１０００ＷＣＯ_２スラブレーザにおいて印加されると、レーザ作用は、シマーパルスの終了前に生じ、少量のレーザパワーが、そのような信号を受信していなくても、レーザによって放出された。１０００Ｗスラブレーザにおいて、シマーパルス幅を３μｓまで減少させると、少なくともその１つの特定のレーザにおいては、容認可能に作動するようであった。問題は、同一モデル群内のレーザ間の統計的変動が存在することであって、したがって、群内の１つのユニットにおいて、レーザ発振を生じさせないシマーパルス持続時間がまた、群内の別のユニットにおいても、レーザ発振を生じさせないかどうかは確実ではない。

任意の特定のレーザのための適切なシマーパルス持続時間は、実験によって、比較的に迅速に決定することができるが、この実験的な決定は、レーザ生産に時間とコストを追加する。故に、シマーパルスの送達の際に、望ましくないレーザ発振を自動的に回避する、シマーパルスを送達するための方法および回路の必要性が存在する。

本発明の一側面では、前述の矛盾は、電極へのＲＦパワーの印加を開始するステップと、電極から後方反射されたＲＦパワーを監視するステップとを備えるレーザ用ガス混合物を事前にイオン化する方法によって回避される。監視された反射ＲＦパワーが、レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回るとき、電極へのＲＦパワーの印加は、レーザ作用が生じないように終了される。

好ましい実施形態では、レーザ作用を生じさせずに、ＲＦパワーを印加可能な最大期間が決定される。ＲＦパワーが、推定される最大期間の間、印加される前に、監視された反射パワーが、所定の値を下回らない場合、ＲＦパワーの印加は、最大持続時間が経過した後に終了される。いずれの場合も、ＲＦパワーの印加の終了後、レーザのユーザが、レーザ作用が生じるよう命令していない場合、電極へのＲＦパワーの印加の開始および終了は、その間、レーザ用ガス混合物が、依然として、放電の着火を促進することに十分なほどイオン化されるであろう期間後、反復される。

図１Ａおよび１Ｂは、時間の関数としてのＲＦ電圧のグラフであって、シマーパルスおよびレーザパルスを送達するための先行技術方式の動作を図式的に例示する、タイミング図を提供する。 図２は、レーザヘッドと、ＲＦパワーをレーザヘッドに送達するためのＲＦ電源と、レーザヘッドから送達および反射されるＲＦパワーを監視するためのセンサと、監視された反射ＲＦ信号から、反射ＲＦ信号内の減少を示すデジタル信号を提供するための回路と、センサ回路からデジタル信号を受信すると、レーザヘッドへのＲＦパワーの送達を終了するように構成される、複合プログラム可能論理素子（ＣＰＬＤ）とを含む、本発明による、レーザ装置の好ましい実施形態を図式的に例示する。 図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄは、センサ回路からのデジタル信号の受信に応答して、図２のＣＰＬＤによって、ＲＦパルスの終了を図式的に例示する、タイミング図を提供する。 図４は、図２のＣＰＬＤの一好ましい構成を図式的に例示する、論理回路図である。 図５は、随意に、図２のデジタル信号が、所定の時間の間、受信されない場合、故障信号を提供するための図４のＣＰＬＤ構成と併用可能な故障検出回路である。 図６は、図４の構成の機能性を有するが、加えて、反射ＲＦ信号が、図２のセンサ回路によって検出されない場合、故障信号を提供する、図２のＣＰＬＤの別の好ましい構成を図式的に例示する、論理回路図である。

図２は、本発明によるレーザ装置１０の好ましい基本レイアウトを図式的に例示する。レーザ１０は、４つの主要サブシステム、すなわち、ＡＣパワーによって駆動されるＤＣ電源１２と、ＤＣ電源によって駆動されるＲＦ電源（ＲＦＰＳ）１４と、放電電極、レーザ用ガス混合物、および光共振器を含む（但し、図示せず）レーザヘッド１６と、電子制御回路１８とを有する。ＲＦによって励起されたガス放電レーザは、当業者には周知であるため、レーザ配設の詳細な説明は、本明細書では提示されない。

順方向指向性センサ連結器２０は、必要に応じて、シマーパルスまたはレーザパルスを生成するためのレーザ電極に伝搬するＲＦエネルギー（パワー）を監視するために提供される。逆（逆方向）指向性連結器センサ２２は、電極から後方反射されるＲＦパワーを監視するために提供される。

指向性連結器からの順方向および逆方向（反射）信号は、回路１８内のアナログ回路２４にフィードされる。アナログ回路２４は、順方向および反射（アナログ）信号を閾値と比較し、アナログ信号の変化を対応するデジタル信号に変換する。順方向信号は、ＲＦＰＳがＲＦパワーを電極（負荷）に送達していることを示す。逆方向信号の変化は、電極間の放電の点火のタイミングの情報を提供する。これは、以下にさらに詳述される。

制御回路１８は、複合プログラム可能論理素子（ＣＰＬＤ）２６を含む。好ましいそのような素子は、ＡＬＴＥＲＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｓａｎ Ｊｏｓｅ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販のモデルＥＰＭ３２５６である。この素子の構成要素の好ましい構成の詳細な説明は、以下にさらに提供される。ユーザは、レーザパルスの送達の開始および停止のためのＯＮ／ＯＦＦコマンドをＣＰＬＤに提供する。ＣＰＬＤは、回路２４およびユーザコマンド入力からのデジタル化された反射ＲＦエネルギー情報を処理し、処理されたユーザまたはシマーコマンドをＲＦＰＳに送達する。ＣＰＬＤからの入力に基づいて、ＲＦＰＳは、適切なＲＦシマーまたは動作（レーザ）パルスをレーザヘッド１６に送達する。

ＲＦＰＳが、回路発生シマーパルスまたはレーザパルスのいずれかを送達するようにオンにされると、センサ２２からの反射ＲＦ信号が、急速に上昇する。これは、ＲＦパルスの開始時、ガスが未だ絶縁破壊されておらず、故に、レーザが、高不整合負荷として挙動するためである。短時間後、レーザ内のレーザ発振が絶縁破壊を開始し、負荷整合が改善し始め、反射ＲＦパワーを減少させ、それによって、ＲＦ２２から反射される信号（電圧）を低下させる。ＲＦパワーが印加された後、ガスが絶縁破壊するまでにかかる実際の時間は、例えば、ガス混合物組成および圧力、電極形状および間隔、ならびにレーザ放電が最後に起動されてから経過した「オン」時間を含む、レーザヘッドの具体的構成要素に依存する。

アナログ反射ＲＦ信号は、反射ＲＦ信号をアナログ回路２４内に含有される高速電圧コンパレータ（図２には図示せず）に通過させることによって、デジタル化され、コンパレータは、レーザ製造業者によって設定される、基準電圧を有する。反射ＲＦ信号が、電圧基準の設定レベルを下回ると、コンパレータの出力は、高にデジタル化される。反射信号が、設定基準電圧を上回ると、コンパレータの出力は、低にデジタル化される。高および低出力は、デジタル化された反射信号と称され得る。

回路１８の機能の概要説明は、引き続き、図２を参照して、以下に記載される。最初のレーザの開始時、ＣＰＬＤ２６は、ＲＦＰＳを有効にする、初期レーザウォームアップ周期の間、シマーパルス列をオンにする。電極からの反射ＲＦ信号は、急速に上昇し、センサ２２によって検出される。センサ２２からの信号が、回路２４内のコンパレータの電圧基準の設定レベルを超えると、信号は、コンパレータの出力を高から低にトリガする。応答して、ＲＦＰＳは、ガスが絶縁破壊し始めるまで、ＲＦエネルギーをガスに送達する。ガスが絶縁破壊し始めるのに伴って、ＲＦＰＳとレーザとの間のインピーダンス整合が改善し、反射ＲＦ対応信号が低下し始める。これは、信号にコンパレータの基準電圧を再び超えさせ、デジタル反射信号を低から高に戻す。コンパレータからのデジタル反射信号の低／高遷移は、ＣＰＬＤに、ＲＦＰＳをオフにすることによって、シマーパルスを終了させる。ＣＰＬＤは、完全シマー反復周期（図１Ａおよび１Ｂ内のＴ）のカウントを継続し、次いで、ユーザコマンドパルスが、図１Ａおよび１Ｂに例示されるように、シマー周期の終了前に受信されない場合、新しいシマーパルスを開始する。

しかしながら、ここでは、図１Ａおよび１Ｂによって例示される先行技術の配設とは対照的に、シマーパルスの持続時間は、所定のクロック時間に固定されずセンサ２２からの信号変化が、レーザ作用が差し迫っていることを示すと、調整（終了）され、それによって、シマーパルスが実際にレーザ作用を生じさせないように防止することが強調される。言い換えると、ＲＦＰＳは、ガスの絶縁破壊を生じさせ始めるために必要とされる限りにおいて、シマーパルスを消す。しかしながら、レーザが、レーザ放電開始点に反復的に駆動されているため、パルスがユーザによって要求されると、低時間ジッタを伴って、レーザが迅速に開始するために、常時、ガス内に十分な自由電子が存在する。本発明の方法は、「スマートシマー」と称され得る。放電は、スマートシマーでは、決して点火されないため、シマーがオンである時に、レーザ作用が生じる機会は、殆どまたは全くない。

ガスが、ＲＦＰＳからのシマーパルスの印加に応じて、絶縁破壊の開始し損なう場合、レーザヘッドからの反射ＲＦ信号に減少が存在せず、したがって、シマーパルスは、ある事前に設定された最大パルス時間後に、終了されるように配設される。これが生じる場合、そのレーザシステムに何らかの異常が存在し、検査を行う必要があることが示唆される。故に、スマートシマーは、以下のように動作する、故障信号の実装を可能にする。

レーザ用ガスが、シマーパルスの際、絶縁破壊を開始し損なう場合、反射ＲＦ信号は、高いままであって、シマーパルスは、前述のように、事前に設定された最大時間持続時間の間、継続するであろう。これは、特に、レーザ放電の開始がより難しい、レーザの初期ウォームアップ時間の際に生じる可能性がある。最大長パルスの行程は、レーザが最初に「冷温」開始される時に必要とされることが予測され得るため、単一の最大長パルスのみの後、故障信号をトリガするのは、実践的ではないであろう。代わりに、スマートシマーは、連続最大長シマーパルスの数を計数し、数がある所定の限界値を超えた後のみ、故障信号をトリガする。例えば、限界値が、１０００最大長シマーパルスであって、シマーパルスＰＲＦが、１キロヘルツ（ｋＨｚ）である場合、故障信号は、反射ＲＦ信号が低下の兆候を示さない時、１秒後にトリガされるであろう。レーザ放電が、「ウォームアップ」を開始するのに伴って、シマーパルス幅は、前述のように、自動的に、アナログコンパレータの機能によって減少される。

図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄは、前述の方法による、シマーパルスの打ち切りを図式的に例示する、タイミング図を提供する、グラフである。図２の回路構成要素に加えて参照する。図３Ａの電圧パルスは、ＣＰＬＤ２６によって発生される。パルスは、時間Ｔ_０でオンにされ、任意の打切り（デジタル化された反射信号からの任意の入力）なく、パルスの破線部分によって示されるように、時間Ｔ_５でオフにされるであろう。４００ＷＣＯ_２スラブレーザの場合、非打切りシマーパルス長（Ｗ_ＭＡＸ）は、典型的には、前述の先行技術のシマーシステムに対して、約２μｓから４μｓとなるであろう。図３Ａのパルスは、標準的ユーザコマンドパルスであるかのように、ＲＦＰＳ１４のコマンド入力に印加される。図３Ａパルスの立ち上がりエッジにおいて、ＲＦＰＳがオンにされ、図３Ｂに図示されるＲＦパルスを開始する。

図３Ｂは、順方向指向性連結器センサ２０によって検出されるように、レーザの電極に向かって伝搬している、ＲＦＰＳによって放出される順方向ＲＦパワーのエンベロープを図示する。この順方向信号は、ユーザに、ＲＦＰＳが適切に作動していることを通知する。図３Ｂのパルスは、ＲＦＰＳに提供される電圧パルスの形状（図３Ａ）をとるが、上昇および降下時間がよりゆっくりであることに留意されたい。よりゆっくり上昇および降下時間の理由は、ＲＦＰＳが有効にされると、フルパワーを構築するのに時間がかかり、無効にされると、ゼロまで減衰するのに時間がかかるためである。ここでも再び、任意の打切りなく、ＲＦパルスは、時間Ｔ_５でＣＰＬＤによってオフにされ、パルスの破線部分によって示されるように、時間Ｔ_６でゼロに降下するであろうことに留意されたい。

図３Ｃは、センサ２２によって提供される反射ＲＦ信号の典型的エンベロープ挙動を図示する。レーザ放電は、最初は、「点灯されていない」ため、信号は、最初に、図３Ｃの順方向ＲＦ信号とともに上昇する。ＲＦＰＳは、放電が点灯されていないと、負荷と高不整合状態にある。短い間隔、通常、約０．５μｓの後、典型的４００Ｗスラブレーザでは、ガスは、絶縁破壊を開始し、ＲＦＰＳとレーザとの間のＲＦパワー整合が改善し始め、図３Ｃの反射信号は、低下し始める。図３Ｃに示される水平破線は、設定基準電圧レベルであって、その値は、Ｖ_Ｒによって示される。基準電圧は、レーザ製造業者によって設定され、スマートシマーが使用される各レーザ群に対して、実験によって決定される。

図３Ｄは、回路２４内の反転アナログコンパレータ回路を通過後の図３Ｃの反射ＲＦ信号のエンベロープを示す。図３Ｃの反射信号の振幅が、電圧Ｖ_Ｒを下回ると、コンパレータの出力は、図３Ｄに示されるように、論理的に高くなる。時間Ｔ_１では、反射信号の電圧は、Ｖ_Ｒと等しくなる。Ｖ_Ｒを上回って上昇すると、コンパレータの出力は、論理的に低く切り替わる。時間Ｔ_２では、反射信号の電圧は、Ｖ_Ｒまで降下する。反射信号が、Ｖ_Ｒを下回って低下するとすぐに、コンパレータの出力は、再び、論理的に高く切り替わる。図３Ｄに示されるように、デジタル化された反射信号は、反転され、デジタル論理レベルに伴って、図３Ｃの反射信号のレプリカを「直角にする」結果となる。

図３Ｄのデジタル反射信号が、時間Ｔ_２において、デジタル的に低からデジタル的に高に遷移すると、図３Ａの実線曲線によって図示されるように、ＣＰＬＤ信号をデジタル的に高からデジタル的に低に降下するようにトリガする。これは、ＲＦＰＳをオフにし、図３Ｂの実線立ち下がりエッジによって示されるように、シマーパルスを終了し、ＲＦ電圧は、時間Ｔ_４でゼロまで降下する。時間Ｔ_２でのシマーパルスの急速な終了（打切り）は、シマーパルスの際のレーザ発振を防止する。

時間Ｔ_２における図３Ｄのデジタル反射信号の立ち上がりエッジと、時間Ｔ_３における図３Ａのシマーパルスの対応する立ち下がりエッジとの間には、ある伝搬遅延ΔＴが存在することに留意されたい。この遅延は、例示の便宜上、図３Ａおよび３Ｄにおいて誇張される。実際は、この伝搬遅延は、通常、無視され得る。

図４は、４００Ｗ拡散冷却ＣＯ_２スラブレーザと併用するために構成された回路１８の一好ましい実装を図式的に例示する。破線によって包囲される回路は、前述のＡｌｔｅｒａ ＥＰＭ３２５６ ＣＰＬＤ集積回路チップを構成することによって実装される、ＣＰＬＤ２６の回路である。アナログコンパレータ２５は、図２のアナログ回路２４の一部である。Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販の高速アナログコンパレータモデルＬＭＶ７２１９−１０が、本実装で使用された。アナログコンパレータ上の基準電圧設定のための反射信号および基準電圧（Ｖ_Ｒ）信号（図３Ｃ参照）は、図示されるように、コンパレータ２５の反転（−）および非反転（＋）入力端子に印加される。

ユーザコマンド信号は、最初に、ユーザコマンドのデューティサイクルおよび最大パルス幅を限定する、パルス認定回路３０に通過される。パルス認定回路３０の目的は、ユーザが、超える場合、ＲＦＰＳまたはレーザヘッドの損傷につながり得る、規定動作範囲外でＲＦＰＳおよびレーザヘッドを操作しないように防止することである。パルス認定回路の詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要なく、故に、本明細書には提示されない。

認定回路３０からの信号は、ＯＲゲート３２に、次いで、図２のＲＦＰＳ１４に提供される。認定コマンド信号はまた、Ｄフリップフロップ３４によって、システムクロックと同期される。この同期認定コマンド信号は、カウンタ３６と、ＮＯＲゲート４０を介して、ＯＲゲート３２にフィードされるシマーパルスコマンドをもたらすＪＫフリップフロップ３８をクリアするために使用される。これによって、ユーザコマンドは、周期全体の間、ユーザコマンド信号が不在となるまで、シマーを無効にし、抑制することが可能となる。

シマーパルスは、以下のように発生される。カウンタ３６は、二重入力ラインによって図示される、所定の「係数」パラメータを有する。クロックサイクル毎に、カウンタは、係数−１、すなわち、係数パラメータより１つ少ないカウントに到達するまで、１ずつカウントアップする。このカウントにおいて、カウンタ３６からの桁上げ信号は、論理１となる。次のクロックサイクルでは、カウンタ３６は、ゼロのカウントに戻り、桁上げは、論理０に戻る。一例として、クロックが、１ＭＨｚの周波数を有する場合、係数は、１０００である。９９９のカウント時に、桁上げは、論理１となり、次のカウントでは、カウンタは、９９９から０にカウントし、桁上げは、論理０になる。故に、カウンタ３６の桁上げは、１メガヘルツ／１０００、すなわち、１ｋＨｚの速度で、出力パルスを放出する。

カウンタ３６の桁上げは、ＪＫフリップフロップ３８のＪ入力に印加される。留意されるように、桁上げは、カウント＝９９９の時、論理１にある。次のクロックサイクルでは、カウンタ３６は、０までカウントし、ＪＫフリップフロップ３８の出力は、論理１になる（ＪＫフリップフロップが、クロック時に設定され、Ｊ＝１およびＫ＝０であるため）。これは、シマーパルスコマンド信号の開始を示す。シマーパルスコマンドは、ＯＲゲート３２を通って、図２のＲＦＰＳ１４に通過し、それによって、ＲＦＰＳをオンにし、シマーパルスを開始する。

カウンタ３６の出力ビットは、二重線フィーディング端子Ｂによって示されるように、デジタルコンパレータ４２のＢ入力にフィードされる。別の入力（再び、二重線によって示される）は、デジタルコンパレータの端子Ａに印加される。この入力信号は、シマーパルスの最大パルス幅を定義する、ＣＰＬＤ定義パラメータに設定される。実際の最大パルス幅は、印加されたパルス幅パラメータ＋１である。一例として、１ＭＨｚクロックでは、５μｓの最大パルス幅が所望される場合、パルスパラメータは、４に設定されるはずである。カウンタの出力が、パルス幅パラメータ（Ａ＝Ｂ）の値に等しいとき、デジタルコンパレータ４２の出力は、論理１となる。次のクロックサイクルでは、ＪＫフリップフロップ３８の出力は、論理０となる（ＪＫフリップフロップが、クロック時にクリアされ、Ｊ＝０およびＫ＝１であるため）。これは、シマーパルスの終了を示す。コマンド出力信号は、論理０となり、ＲＦＰＳは、オフにされる。

前述のシマーパルス発生の説明は、レーザヘッドからの検出された反射ＲＦ信号に変化がないことを想定する。引き続き、図４を参照して、以下に記載されるのは、ＲＦフィードバック信号のある変化が、レーザヘッドから検出される時に何が生じるかの説明である。

シマーパルスが開始し、ＲＦＰＳがオンにされると、図３Ｃを参照して前述のように、反射ＲＦ信号が、上昇を開始する。この信号は、高速アナログコンパレータ２５の反転（−）入力に印加される。反射ＲＦ信号が、選択された基準電圧Ｖ_Ｒを超えると、コンパレータ２５の出力は、論理０となる。これは、コンパレータからのデジタル反射信号が、Ｄフリップフロップ４４のポジティブエッジトリガクロック入力をフィードするため、論理回路の状態に変化を生じさせない。短時間後、レーザガスは、絶縁破壊を開始し、反射ＲＦ信号が降下し始める。反射ＲＦ信号が、基準電圧Ｖ_Ｒを下回ると、アナログコンパレータ２５の出力は、論理１となる。デジタル反射信号の立ち上がりエッジは、Ｄフリップフロップ４４をクロックする。フリップフロップのＤ入力は、論理１にあり（ＪＫフリップフロップ３８からのシマーパルスに接続されるため）、したがって、Ｄフリップフロップ４４の出力は、論理１となる。Ｄフリップフロップ４４の出力は、ＮＯＲゲート４０の１つの入力に印加され、ゲートの出力を論理０にする。これは、次に、ＪＫフリップフロップ３８の同期、すなわち、非クロッククリアを生じさせる。このため、アナログコンパレータ２５からのデジタル化された反射ＲＦ信号が降下すると、シマーパルスを時期尚早に終了させ、また、デジタルコンパレータ４２のＡ＝Ｂ出力は、インバータ４６の入力に提供され、その出力は、Ｄフリップフロップ４４の「クリア」入力に提供される。

ここで、シマーパルスのクリアは、カウンタ３６の挙動に影響を及ぼさないことに留意されたい。カウンタ３６は、カウンタ出力が、デジタルコンパレータ４２の端子Ａに提供されるパルス幅パラメータ信号と等しくなるまで、カウントアップを継続する。デジタルコンパレータ４２の出力は、再び、論理１となる。ＪＫフリップフロップ３８は、説明されるように、反射ＲＦ信号によって既にクリアされているため、この場合、クリアされない。しかしながら、Ｄフリップフロップ４４は、シマー回路が、次のシマー周期の際、別のシマーパルスの発生に備えるように、非同期的にクリアされる。

前述のように、Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ３２５６ ＣＰＬＤ集積回路チップを構成後、故障検出回路を実装するために、ＣＰＬＤ内に十分な未使用回路素子が残留することが決定された。一好ましい実装５０の説明は、図５を参照して、かつ引き続き、図４および図２を参照して後述される。

故障検出回路５０は、前述の回路２６が、ある所定の時間の周期の間、完全長の非打切りパルスを発生している場合、デジタル故障信号を発するであろう。これは、レーザガスが、図２のセンサ２２からの反射ＲＦ信号の降下の失敗によって示されるように、シマーパルスの間、点灯開始の証拠を示さない場合に生じるであろう。これが生じると、デジタル化された反射ＲＦアナログ信号は、シマーパルス全体の間、高いままであって、アナログコンパレータ２５の出力は、論理低のままである。このため、ＪＫフリップフロップ３８は、時期尚早にクリアされず、シマーパルスは、プリセット最大持続時間の間、稼働する。カウンタ３６の出力が、パルス幅パラメータに等しくなると、デジタルコンパレータ４２の出力は、論理高になり、ＪＫフリップフロップ３８は、続くクロックサイクルでリセットされる。

図４のデジタルコンパレータ４２およびＪＫフリップフロップ３８からの出力もまた、図５に示されるように、故障検出回路５０に印加される。図４のデジタルコンパレータ４２の出力が高くなる時、図４のＪＫフリップフロップ３８の出力が高い場合、これは、この特定のシマーパルスに対する故障状態を示す。回路５０では、これらの２つの信号は、インバータ５４からの信号とともに、３入力ＡＮＤゲート５２の入力に印加され、その入力は、カウンタ５６の桁上げから提供される。係数パラメータ（係数−２）は、カウンタ５６に印加される。係数−２は、故障が疑われる前に容認可能な所定の最大数の完全長シマーサイクルを定義する。

カウンタ５６が、この所定の最大値（係数−２マイナス１）を下回る場合、カウンタ５６の反転桁上げ出力は、論理高になり、３入力ＡＮＤゲート５２の出力もまた、論理高になるであろう。その結果、カウンタ５６のカウント有効入力は、論理高になり、カウンタは、次のクロックサイクルで１ずつカウントアップするであろう。

完全長シマーサイクルのカウントが、所定の最大値を超える場合、カウンタ５６からの桁上げ出力は、論理高になり、シマー故障信号をアサートする。シマー故障信号は、ライトの点灯またはＲＦＰＳのオフ等、故障インジケータに提供可能であって、それによって、ユーザに、レーザシステムに異常があり、その検査が適切であり得ることを通知する。桁上げ信号はまた、インバータ５４によって反転され、３入力ＡＮＤゲート５４の出力を低状態にし、カウンタによるさらなるカウントを無効にする。

しかしながら、任意のシマーパルスの送達の際、放電が着火を開始する場合、シマーパルスは、打ち切られ（前述のように、）、その時、図４のデジタルコンパレータ４２の出力は、論理高になり、ＪＫフリップフロップ３８の出力は、論理低となるであろう。この出力は、インバータ５８によって、図５の回路５０内で反転され、図４のデジタルコンパレータ４２からの出力とともに、２入力ＡＮＤゲート６０に印加される。２入力ＡＮＤゲート６０の出力は、論理高になり、カウンタ５６は、「ゼロ」状態にクリアされる。これはまた、そのようにアサートされている場合、シマー故障信号をクリアするであろう。

図４の回路のバージョンの欠点は、例えば、不良接続、不十分な振幅等、何らかの理由から、反射ＲＦフィードバック信号が喪失される場合、回路が、回路内で定義された最大パルス幅を有するＲＦパルスを発生させ続けるであろうことである。そのような状態が生じる場合、ＲＦエネルギーは、レーザヘッドに圧送され続け、これは無駄であって、意図しないレーザ発振を生じさせ得る。

図６を参照して、引き続き図４を参照して記載されるのは、これが生じている時にユーザに通知し、望ましくないレーザ作用が生じないように防止するために、図４の回路の機能性のすべてを留保しながら、シマーパルス幅を最小値に短縮する、代替回路７０の説明である。図６の回路はまた、ＡＬＴＥＲＡ ＥＰＭ３２５６ ＣＰＬＤ素子内で構成可能である。説明および比較の便宜上、図４の回路１８のものと機能的に同等な回路６０の構成要素は、同一参照番号で指定され、太線で輪郭が描かれる。認定ユーザコマンドを送達するための回路１８のパルス認定回路３０および回路１８のアナログコンパレータ２５は、図６に図示されない。しかしながら、それらの項目の出力は、太線で明白に指定される。

回路７０では、シマーパルスコマンドは、カウンタ３６、デジタルコンパレータ４２、ＪＫフリップフロップ３８、Ｄフリップフロップ３４および４４、ならびにインバータ４６によって、図４の回路１８におけるように、正確に発生される。しかしながら、図４の回路１８内の２入力ＮＯＲゲート４０は、３入力ＮＯＲゲート７２と、図６の回路７０内で置換される。この置換は、現時点では、シマーパルスの打切りを生じさせ得る、３つの状態が存在するために必要とされる。これらは、回路１８におけるように、認定ユーザコマンド信号の受信およびレーザ作用の発現の検出と、回路７０の追加特徴である、反射ＲＦ信号の喪失の検出である。

レーザが正常に機能しているとき、シマーパルスは、ＪＫフリップフロップ３８がカウンタ３６の桁上げ出力によって設定されると、開始する。シマーパルスの開始は、ＡＮＤゲート７４を介して、カウンタ７６を有効にし、このカウンタは、シマーパルスの開始からの経過時間のカウントを開始する。

この時点において、Ｄフリップフロップ４４および７８は両方とも、論理状態０にある。ある時間後、反射ＲＦパワーが、図２のセンサ２２によって検出され、デジタル化された反射信号が、１から０に遷移する。この遷移は、インバータ８０によって反転され、Ｄフリップフロップ４４をクロックし、状態１となる。これは、２入力ＮＯＲゲート８２の出力を０にし、したがって、ＡＮＤゲート７４を０にし、カウンタ７６を無効にする。

シマーパルスが、十分な時間の周期の間、レーザに印加された後、レーザ着火の発現が生じ、反射ＲＦ信号が低下し、デジタル反射信号が、０から１に遷移する。この遷移は、Ｄフリップフロップ７８をクロックし、論理状態１にする。この状態は、前述の回路におけるように、ＮＯＲゲート７２を通して伝送され、ＪＫフリップフロップ１６をクリアし、シマーパルスを打ち切る。しかしながら、カウンタ３６は、カウントを続け、最大シマーパルス時間が経過した後、カウンタの出力は、パルス幅パラメータと等しくなり、デジタルコンパレータ４２の出力は、１クロックサイクルの間、論理状態１となる。これは、インバータ４６を通して、Ｄフリップフロップ４４および７８をクリアする。

デジタル化された反射信号が受信されない場合、ＪＫフリップフロップ３８が設定され、前述のように、カウンタ７６は、パルスの開始からの経過時間の測定を開始する。デジタル化された反射信号が、論理状態１のままあるため、Ｄフリップフロップ４４および７８は、論理状態０のままである。カウンタ７６は、カウントが、カウンタ７６の係数である、パラメータ「フォールドバックパルス幅」より１つ少なくなるまで、カウントアップする。

フォールドバックパルス幅パラメータは、最大想定シマーパルス幅を定義する、パルス幅パラメータ（カウンタ３６の係数）を大幅に下回る、期間を定義する。この期間は、レーザ作用が、生じる可能性がないように、十分に短く選択され、レーザへのＲＦエネルギーの入力を大幅に減少させる。好ましくは、フォールドバックパルス幅パラメータは、シマーパルスの最大想定パルス幅の約１０％乃至約５０％であるべきである。一例として、８μｓが最大想定シマーパルス幅である場合に、フォールドバックパルス幅は２μｓであってもよい。カウンタ７６内のカウントが、フォールドバックパルス幅パラメータより１少なくなると、カウンタ７６の桁上げ出力は、論理状態１となり、ＮＯＲゲート７２の出力は、論理状態０となり、ＪＫフリップフロップ３８はクリアされ、シマーパルスを打ち切る。同時に、カウンタ７６は、ＮＯＲゲート８２およびＡＮＤゲート７４を通して伝搬する桁上げ信号によって無効にされる。これによって、カウンタ７６は、その最大カウントに到達したことを「記憶」することが可能となる。次いで、カウンタ７６は、その出力が、通常シマーパルスサイクルの終了時に、論理１になると、デジタルコンパレータ４２の出力によってクリアされる。これによって、カウンタ７６は、次のシマーパルスサイクルの開始時に、ゼロからカウントを開始するように備えることが可能となる。

カウンタ７６の出力が、デジタルコンパレータ４２からのリセットパルス時において、論理１である（反射ＲＦフィードバック信号の不在のため、パルスが打ち切られたことを示す）場合、Ｄフリップフロップ８４は、論理１となり、このフリップフロップの出力から、所望に応じて、アサートされ得る、「無フィードバック」故障信号が送達される。カウンタ７６の出力が、リセットパルス時に論理０である場合、Ｄフリップフロップ８４は、論理０となり、「無フィードバック」故障信号は、送達されないであろう。

結論として、本発明は、プログラムされた論理回路の２つの実施例を参照して、前述で説明されている。図４の実施例では、回路は、反射ＲＦ信号の変化が、パルスの送達の際、レーザ作用の発現を示すとき、シマーパルスを終了する。図６の回路は、図４の機能性のすべてを有するが、加えて、反射ＲＦ信号が検出されない場合、レーザへのＲＦエネルギー送達を大幅に減少させ、ユーザに問題をアラートするか、または何らかの方法でアサートされる信号を送達することが可能である。ある数のシマーパルスが、レーザ作用の発現が検出されることなく、送達される場合、故障信号を送達することができる、補助回路が、図５を参照して説明される。図５の故障検出回路は、図４の回路および図６の回路の両方と併用されてもよい。当業者は、説明される回路がそれぞれ、そのような回路の一実施例にすぎないことを認識するであろう。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、類似機能性を有する多の回路を考案してもよい。

発明の開示において、上記の発明は、好ましい実施形態を参照して説明されている。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および図示される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。

Claims (14)

1. ＲＦ駆動のガス放電レーザにおいて、該ＲＦ駆動のガス放電レーザは、複数の放電電極および該電極間のレーザ用ガス混合物を含み、該レーザ用ガス混合物は、ＲＦパワーが該電極に印加されるとイオン化され、放電を着火することに十分なだけの持続時間の間、該ＲＦパワーが印加されると、レーザ作用が開始される、該レーザ用ガス混合物を事前にイオン化する方法であって、該方法は、
   該電極へのＲＦパワーの印加を開始するステップと、
   該電極から後方反射されるＲＦパワーを監視するステップと、
   該監視される反射ＲＦパワーが、レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回ると、該レーザ作用が生じないように該電極への該ＲＦパワーの印加を終了するステップと
   を含む、方法。
2. レーザ作用が生じることが予測されずに前記ＲＦパワーが前記電極に印加され得る最大期間を決定するステップと、前記監視される反射ＲＦパワーが、推定された最大期間が経過する前に、前記レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回らない場合に、該最大期間が経過した後に、該ＲＦパワーの印加を終了するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ用ガス混合物が、前記放電の着火を促進することに十分なほどイオン化される所定の期間後に、前記開始ステップおよび監視ステップを反復するステップをさらに含む、請求項２に記載の事前にイオン化する方法。
4. 前記レーザ用ガス混合物が、前記放電の着火を促進することに十分なほどイオン化される所定の期間後に、前記開始ステップおよび監視ステップを反復するステップをさらに含む、請求項２に記載の事前にイオン化する方法。
5. ＲＦ駆動のガス放電レーザにおいて、該ＲＦ駆動のガス放電レーザは、複数の放電電極および該電極間にレーザ用ガス混合物を含み、該レーザ用ガス混合物は、ＲＦパワーが該電極に印加されるとイオン化され、放電を着火することに十分なほどの持続時間の間、該ＲＦパワーが印加されると、レーザ作用が開始される、該レーザ用ガス混合物を事前にイオン化する方法であって、該方法は、
   （ａ）レーザ作用が生じることが予測されずに、該ＲＦパワーが該電極に印加され得る最大期間を決定するステップと、
   （ｂ）該電極へのＲＦパワーの印加を開始するステップと、
   （ｃ）該電極から後方反射されるＲＦパワーを監視するステップと、
   （ｄ）推定される最大期間の間、ＲＦパワーが該電極に印加される前に、該監視される反射ＲＦパワーが、レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回る場合に、該推定される時間が経過する前に、該レーザ作用が生じないように、該電極への該ＲＦパワーの印加を終了し、そうでない場合に、該推定される最大時間が経過したとき、該電極への該ＲＦパワーの印加を終了するステップと、
   （ｅ）反復の間の所定の時間によって、所定の回数、ステップ（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）を反復するステップと、
   （ｆ）該監視される反射パワーが、ステップ（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）の該反復のいずれの間においても、該レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回らない場合に、これが問題であることを示す故障信号を提供するステップと
   を含む、方法。
6. ＲＦ駆動のガス放電レーザにおいて、該ＲＦ駆動のガス放電レーザは、複数の放電電極および該電極間のレーザ用ガス混合物を含み、該レーザ用ガス混合物は、ＲＦパワーが該電極に印加されるとイオン化され、放電を着火することに十分なほどの持続時間の間、該ＲＦパワーが印加されると、レーザ作用が開始される、該レーザ用ガス混合物を事前にイオン化する方法であって、該方法は、
   （ａ）レーザ作用が生じることが予測されずに、該ＲＦパワーが該電極に印加され得る第１の最大期間を決定するステップと、
   （ｂ）レーザ作用を開始することなく、該ＲＦパワーが該電極に印加され得る第２の最大期間を推定するステップであって、該第２の最大時間は、該第１の最大期間を大幅に下回る、ステップと、
   （ｃ）該電極へのＲＦパワーの印加を開始するステップと、
   （ｄ）該電極から後方反射されるＲＦパワーを監視するステップと、
   （ｅ）ステップ（ｄ）の間、ＲＦパワーが監視されない場合に、該第２の推定された最大時間が経過したとき、該電極への該ＲＦパワーの印加を終了し、反復の間の第１の所定の間隔によって、ステップ（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を反復し、反射ＲＦパワーが監視されないことを示す第１の故障信号を提供するステップと、そうでない場合に、
   （ｆ）該推定された最大時間の間に、ＲＦパワーが該電極に印加される前に、該監視される反射ＲＦパワーが、レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回ると、該推定された第１の時間が経過する前に該レーザ作用が生じないように、該電極への該ＲＦパワーの印加を終了し、そうでなければ、該第１の推定された最大時間が経過すると、該電極への該ＲＦパワーの印加を終了するステップと
   を含む、方法。
7. ステップ（ｆ）の後に、反復の間の所定の時間間隔によって、所定の回数、ステップ（ｃ）、（ｄ）、および（ｆ）を反復すること、ならびに前記監視される反射パワーが、ステップ（ｃ）、（ｄ）、および（ｆ）の該反復のいずれの間においても、前記レーザ作用の差し迫った発現を示す所定のレベルを下回らない場合に、これが問題であることを示す第２の故障信号を提供することを行うステップ（ｇ）をさらに含む、請求項６に記載の事前にイオン化する方法。
8. ガス放電レーザ装置であって、該装置は、
   複数の放電電極および該電極間のレーザ用ガス混合物を含むレーザヘッドと、
   該電極間の該レーザ用ガス混合物を励起するために、該電極にＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、
   該ＲＦ電源と該電極との間のインピーダンス不整合の結果として該電極から後方反射されるＲＦパワーを監視するセンサと、
   反射ＲＦパワーモニタと協働している制御回路であって、該レーザ用ガス混合物を事前にイオン化するシマーパルスを提供する該ＲＦＰＳによって該電極へのＲＦパワー送達の開始および終了を反復するように配設される制御回路と
   を備え、該制御回路は、該反射ＲＦパワーモニタが、該レーザヘッド内でのレーザ作用の発現を示す所定のレベルを下回る、該反射ＲＦパワーの降下を検出すると、シマーパルスを終了するように配設される、装置。
9. 前記制御回路は、前記反射ＲＦパワーの降下が、所定の第１の最大期間内に検出されない場合、該第１の最大期間が経過した後にシマーパルスを終了するようにさらに配設される、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１の最大期間後に終了されたシマーパルスの所定の数のものが続けて送達される場合に、前記制御回路はこれが問題であることを示す故障信号を送達するように、該制御回路がさらに配設される、請求項９に記載の装置。
11. 前記制御回路は、前記反射ＲＦパワーモニタが、前記電極へのＲＦパワー送達の開始後、いかなる反射ＲＦパワーも検出しない場合に、前記シマーパルスが、第２の最大期間が経過した後に終了されるようにさらに配設され、該第２の最大期間は、前記第１の最大期間を大幅に下回る、請求項９に記載の装置。
12. 前記第２の最大期間は、前記第１の最大期間の約１０％乃至約５０％である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記反射ＲＦパワーモニタが、前記電極へのＲＦパワー送達の開始後、いかなる反射ＲＦパワーも検出しない場合に、前記制御回路はこれが問題であることを示す「無フィードバック」信号を送達するように、該制御回路がさらに配設される、請求項１１に記載の装置。
14. 前記第１の最大期間後に終了されたシーマパルスの所定の数のものが続けて送達される場合に、前記制御回路がこれが問題であることを示す故障信号を送達するように、該制御回路はさらに配設される、請求項１１に記載の装置。

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