JP2739936B2 - 高周波放電励起レーザ - Google Patents

高周波放電励起レーザ

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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ管に高周波の電力を供給してレーザ出
力を得る高周波放電励起レーザに関する。 〔従来の技術〕 第3図は従来の高周波放電励起レーザの一例を概略的
に示す回路図である。 第3図に示されるように、従来の高周波放電励起レー
ザは、例えば、数〜数100MHzの周波数の電圧をレーザ管
104の2つの電極143aと143bとの間に印加してレーザ出
力を得るものであり、高周波電源101とレーザ管104との
間にマッチング回路103が設けられている。このマッチ
ング回路103によって、高周波電源101の出力インピーダ
ンスZ0′と、レーザ管104の2つの電極143aと143bとの
間のインピーダンス(レーザ管104のインピーダンス)Z
L′とを整合させ、高周波電源101の出力電圧をレーザ管
104に効率よく伝達するようになされている。 マッチング回路103は、その1例であり、高周波電源1
01の出力に並列に接続されたコンデンサ131、レーザ管
の2つの電極143aおよび143bに接続された(レーザ管10
4に並列に接続された)コンデンサ133、および、高周波
電源101の一方の出力とレーザ管の電極143aとの間に直
列に接続されたコイル132で構成されたπ型マッチング
回路である。 上記した従来の高周波放電励起レーザは、レーザ管10
4に印加した高周波電圧でセラミック管141内に放電を生
じさせ、この放電によりセラミック管の内部142の炭酸
ガス(実際には、CO2,N2,Heの混合気体)を励起する。
すなわち、高周波放電励起レーザは、CO2分子を高準位
の振動状態に励起し、この高準位の分子振動状態から低
準位の分子振動状態に遷移する過程でCO2分子が放出す
る光をレーザ管104の両側に平行に設けられた2枚の反
射鏡(図示しない)で反射して共振させ、その一部の光
をレーザ出力として取り出すものである。 上記した従来の高周波放電励起レーザは小出力のもの
であり、高周波電源101の出力インピーダンスZ0′とレ
ーザ管104のインピーダンスZL′との比はそれほど大き
くないため(例えば、Z0′/ZL′=2〜5)、高周波電
源101とレーザ管104との整合は、1つのマッチング回路
103だけで十分である。具体的に、従来の高周波放電励
起レーザは、例えば、レーザ管の内部142の内径は数ミ
リメートルであり、レーザ管の電極143aおよび143bに数
百ボルト程度の電圧を印加すればレーザ出力を得ること
ができるものである。また、高周波電源101の出力電圧
は、例えば、200Vであり、動作電圧が数百ボルトのレー
ザ管104との整合は、上記した1段のマッチング回路103
を使用すれば十分である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上述したように、従来の高周波放電励起レーザは、高
周波電源101の出力インピーダンスZ0′とレーザ管104の
インピーダンスZL′との比はそれほど大きくないため
(例えば、Z0′/ZL′=2〜5)、1つのマッチング回
路103だけで十分に整合をとることができ、すなわち、
高周波電源101の出力電圧をレーザ管104の動作電圧まで
昇圧するのも1つのマッチング回路103だけで十分であ
る。 しかし、近年、レーザ管104に数キロボルトの高周波
電圧を印加して高出力のレーザ光を得る高周波放電励起
レーザが実用化されつつある。このような高出力の高周
波放電励起レーザにおいて、レーザ管の内部142の内径
は数十ミリメートル程度(例えば、30ミリメートル)で
あり、レーザ管の2つの電極143aと143bとの間に印加す
る電圧も数キロボルトとしなければならない。そのた
め、高周波電源101の出力インピーダンスZ0′とレーザ
管104のインピーダンスZL′との比は大きくなり(例え
ば、Z0′/ZL′>10)、1つのマッチング回路103では高
周波電源101の出力を十分に昇圧することができない。
すなわち、このような大きなインピーダンス比を1つの
マッチング回路103で実現するためには、コンデンサ133
の値を極めて大きく設定するか、または、コンデンサ13
1の値を十分小さく設定しなければならない。 ところで、コンデンサ133の値を大きく設定すると、
マッチング回路103の占有容積が増大するだけでなく、
コンデンサ133を流れる電流が増大してレーザ出力の効
率が低下することになる。また、コンデンサ131の値を
小さく設定したくても、配線の浮遊容量等のためにその
コンデンサ131の値は制限され、さらに、レーザの出力
を安定させることが困難となる。この様な素子による制
約は他の形式のリアクタンス回路網によるマッチング回
路を用いても同様なことは明白である。 このような問題に対して、マッチング回路103を複数
段直列に設けることが考えられるが、マッチング回路を
複数段接続すると、マッチング回路の占有する容積が非
常に大きくなるだけでなく、各マッチング回路103のイ
ンピーダンスを正確に規定することができず、種々の調
整を必要とし、実際にレーザ管を高効率で安定して駆動
させることができない。 本発明は、上述した従来形の高周波放電励起レーザに
おける問題点に鑑み、高周波電源とマッチング回路との
間に高周波電源の出力電圧を昇圧する昇圧トランスを挿
入し、高周波電源の出力電圧を昇圧トランスとマッチン
グ回路との両方で昇圧してレーザ管に印加することによ
って、簡単な回路構成で占有容積を小さくし、また、安
定したレーザ光を高い効率で発生させることを目的とす
る。 〔問題点を解決するための手段〕 第1図は本発明に係る高周波放電励起レーザの原理を
示すブロック図である。 本発明によれば、レーザ管等の放電部に高周波電圧を
印加してレーザ出力を得る高周波放電励起レーザであっ
て、前記高周波電圧を出力する高周波電源と、該高周波
電源の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、該昇圧トラ
ンスの出力電圧が印加され、該昇圧トランスと前記レー
ザ管等の放電部とのインピーダンス整合を行い、インダ
クタンス素子およびキャパシタンス素子によるリアクタ
ンスで構成された4端子回路であるマッチンク回路と、
該マッチング回路の出力電圧が印加され、レーザ光を発
生するレーザ管等の放電部と、を具備し、前記高周波電
源の動作周波数が数MHz以上で且つ該高周波電源の出力
インピーダンスと前記レーザ管等の放電部のインピーダ
ンスが前記昇圧トランスと前記マッチング回路とによっ
て整合されることを特徴とする高周波放電励起レーザが
提供される。 〔作 用〕 上述した構成を有する本発明の高周波放電励起レーザ
によれば、高周波電源1の出力電圧は昇圧トランス2で
昇圧されてマッチング回路3に印加され、マッチング回
路3は昇圧トランス2とレーザ管4とのインピーダンス
整合を行うとともにその出力電圧はレーザ管4に印加さ
れる。すなわち、昇圧トランス2とマッチング回路3と
によって十分に昇圧された高周波電源1の出力電圧はレ
ーザ管4に印加され、これにより、レーザ管4から大出
力のレーザ光が出力されることになる。 〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明に係る高周波放電励起レ
ーザの一実施例を説明する。 第2図は本発明の高周波放電励起レーザの一実施例を
概略的に示す回路図である。 第2図に示されるように、本発明の高周波放電励起レ
ーザの一実施例は、例えば、数MHzの周波数の電圧をレ
ーザ管4の2つの電極43aと43bとの間に印加してレーザ
出力を得るものであり、概略すると、高周波電源1、昇
圧トランス2、マッチング回路3、および、レーザ管4
を具備する。 高周波電源1は、数百ボルトの高周波電圧を出力する
もので、この出力電圧は昇圧トランス2の一次側21に印
加される。昇圧トランス2の二次側22にはマッチング回
路3が接続され、昇圧トランス2で昇圧された高周波電
源1の出力電圧が印加されるようになされている。ここ
で、昇圧トランス2の一次側21の入力インピーダンスZ1
は、高周波電源1の出力インピーダンスZ0と整合されて
いて、高周波電源1の出力が高効率で供給されるように
なされている。ここで、使用する昇圧トランス2は、レ
ーザ管4を駆動する電圧の周波数が、例えば、数MHzと
高周波数であるため、占有する容積の小さい小型の昇圧
トランスで十分である。 マッチング回路3は、たとえば高周波電源1の出力に
並列に接続されたコンデンサ31、レーザ管の2つの電極
43aおよび43bに接続された(レーザ管4に並列に接続さ
れた)コンデンサ33、および、高周波電源1の一方の出
力とレーザ管の電極43aとの間に直列に接続されたコイ
ル32で構成されたπ型マッチング回路である。このπ型
マッチング回路3は、コンデンサ31および33の値が無理
なく設定されているため、レーザ管4を安定して駆動す
ることができる。ここで、マッチング回路3の入力イン
ピーダンスZ3は、昇圧トランス2の二次側22の出力イン
ピーダンスZ2と整合していて、無駄な損失が生じないよ
うになされている。 マッチング回路3は、昇圧トランス2の出力インピー
ダンスZ2とレーザ管4のインピーダンスZLとを整合させ
るもので、昇圧トランス2で昇圧(例えば、2〜5倍程
度に昇圧)された高周波電源1の出力電圧は、このマッ
チング回路3でさらに昇圧(例えば、2〜5倍程度に昇
圧)されてレーザ管4の2つの電極43aと43bとの間に印
加される。ここで、レーザ管2のインピーダンスZLは、
レーザ光の出力状態等により、例えば、500Ω〜3KΩま
で変化するので、このレーザ管4のインピーダンスZL
マッチング回路3の出力インピーダンスZ4との整合は完
全に一致させることはできない。しかし、たとえレーザ
管4のインピーダンスZLとマッチング回路3の出力イン
ピーダンスZ4との整合が完全に行えずにレーザ管4側か
らマッチング回路3側に高周波電圧が反射したとして
も、その反射した高周波電圧は再びレーザ管4側に反射
されることになるので、高周波電源1で出力された電力
は高効率でレーザ管4に供給されることになる。 レーザ管4は、たとえば石英ガラスで形成された管4
1、および、石英ガラス管41の上下に設けられた電極43
a,43bを具備する。 そして、昇圧トランス2とマッチング回路3とで昇圧
された高周波電圧が印加された石英ガラス管41の内部42
では、高周波放電が生じ、この放電により炭酸ガス(実
際には、CO2,N2,Heの混合気体)が励起される。すなわ
ち、石英ガラス管の内部42のCO2分子は高準位の振動状
態に励起され、この高準位の分子振動状態から低準位の
分子振動状態に遷移する過程において、CO2分子は所定
の波長の光を放出する。この光はレーザ管4の両側に平
行に設けられた2枚の反射鏡(図示しない)で反射して
共振させられ、その一部の光がレーザ出力として取り出
されることになる。 上述の実施例において、マッチング回路3はπ型マッ
チング回路として説明したが、本発明の高周波放電励起
レーザのマッチング回路3はπ型のマッチング回路に限
定されるものではないのはもちろんである。また、本発
明の高周波放電励起レーザは、炭酸ガスレーザのみなら
ず、He−Ne,CO(一酸化炭素),エキシマ等の他の全て
のガスレーザに適用することが可能である。 さらに、レーザ管を、他の方式による放電機構、例え
ば、レーザ励起空間を挟んで対向させて配置した一対の
板状電極のような構成に置き換えた場合にも本発明を適
用することができる。 〔発明の効果〕 以上、詳述したように、本発明に係る高周波放電励起
レーザは、高周波電源とマッチング回路との間に高周波
電源の出力電圧を昇圧する昇圧トランスを挿入し、高周
波電源の出力電圧を昇圧トランスとマッチング回路との
両方で昇圧してレーザ管に印加することによって、簡単
な回路構成で占有容積を小さくし、また、安定したレー
ザ光を高い効率で発生させることができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明に係る高周波放電励起レーザの原理を示
すブロック図、 第2図は本発明の高周波放電励起レーザの一実施例を概
略的に示す回路図、 第3図は従来の高周波放電励起レーザの一例を概略的に
示す回路図である。 (符号の説明) 1……高周波電源、2……昇圧トランス、 3……マッチング回路、4……レーザ管。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.レーザ管等の放電部に高周波電圧を印加してレーザ
    出力を得る高周波放電励起レーザであって、 前記高周波電圧を出力する高周波電源と、 該高周波電源の出力電圧を昇圧する昇圧トランスと、 該昇圧トランスの出力電圧が印加され、該昇圧トランス
    と前記レーザ管等の放電部とのインピーダンス整合を行
    い、インダクタンス素子およびキャパシタンス素子によ
    るリアクタンスで構成された4端子回路であるマッチン
    ク回路と、 該マッチング回路の出力電圧が印加され、レーザ光を発
    生するレーザ管等の放電部と、 を具備し、前記高周波電源の動作周波数が数MHz以上で
    且つ該高周波電源の出力インピーダンスと前記レーザ管
    等の放電部のインピーダンスが前記昇圧トランスと前記
    マッチング回路とによって整合されることを特徴とする
    高周波放電励起レーザ。 2.前記マッチング回路は、π型マッチング回路として
    構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第1項
    に記載の高周波放電励起レーザ。
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