JP2932723B2 - パルスレーザ用放電励起回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はパルスレ−ザ用放電励
起回路、とくに気体レ−ザのうちパルス的な放電励起に
よりレ−ザ光を発生する繰り返しパルスレ−ザ装置にお
ける繰り返し動作特性の改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は例えば雑誌（Applied Physics Le
tter 第４８巻第２３号（1986年6月9日）、第1574〜15
76頁）に示された、従来の典型的なパルスレ−ザ用放電
励起回路を示す回路図である。図において、１、及び２
はレ−ザガス中において相対向するように配置された第
１、及び第２の主電極、３はこれら主電極１、２に並列
に接続されたスパイカコンデンサ、４はスパイカコンデ
ンサ３を急峻に高電圧まで充電して放電を形成するため
のスパイカ充電用電源、５は放電が形成された後、電極
間のレ−ザガスに励起エネルギを注入するためのサステ
イナコンデンサ、６はスパイカコンデンサ３とサステイ
ナコンデンサ５をある一定時間電気的に隔絶するため
の、例えば磁気スイッチや固体スイッチ等のスイッチン
グ素子、７はサステイナコンデンサ５をパルス的に充電
するためのサステイナ充電用電源であり、８はサステイ
ナコンデンサ５をパルス的に充電するための充電用コン
デンサ、９は充電用コンデンサ８からサステイナコンデ
ンサ５へのエネルギ移行を開始させるための、例えばサ
イラトロン等の高電圧スイッチ、１０はサステイナコン
デンサ５への充電時間を設定するための充電時定数設定
用インダクタンス、１１は第１、及び第２の主電極間の
レーザガスを予備電離するための、例えばＸ線源などの
予備電離源である。

【０００３】次にこの回路の動作について説明する。図
８は第１と第２の主電極間に印加される電圧の時間変化
を示したものである。高電圧スイッチ９が閉じると充電
用コンデンサ８に蓄えられたエネルギは高電圧スイッチ
９、充電時定数設定用インダクタンス１０を介してサス
テイナコンデンサ５へ、さらにスイッチング素子６を介
してスパイカコンデンサ３に移行し、主電極１、２間の
電圧は上昇するが（図８の区間Ａ）、この電圧は主電極
１、２間の放電開始電圧Ｖｂより低いため主電極１、２
間に放電は形成されない。この時、スパイカ充電用電源
４を動作させるとスパイカコンデンサ３に高電圧が発生
し、主電極１、２間の電圧がＶｂを越えると放電が形成
される（図８の区間Ｂ）。放電が形成されると主電極
１、２間の電圧は急速に低下し（図８の区間Ｃ）、この
後スイッチング素子６が導通し、サステイナコンデンサ
５に蓄えられたエネルギはスイッチング素子６を介して
放電に投入されレ−ザガスを励起し（図８の区間Ｄ）、
レ−ザ光を発生させる。図８に示した様なサステイナコ
ンデンサ５とスパイカコンデンサ３の電圧の極性が同じ
方向の場合を同方向モ−ドと呼ぶ。

【０００４】さて、より大きなレ−ザエネルギを得るた
めにはサステイナコンデンサ５により大きなエネルギを
蓄える必要があるが、上述したようにサステイナコンデ
ンサ５は放電開始電圧Ｖｂより低い電圧までしか充電で
きないため、発生させ得るレ−ザエネルギは放電開始電
圧Ｖｂにより制限される。ところで、主電極１、２間の
放電開始電圧Ｖｂは、ある一定の主電極１、２間のギャ
ップ間隔ｄおよびレ−ザガス圧力ｐのもとでは、主電極
１、２間の電圧の上昇速度すなわちサステイナコンデン
サの充電時定数Ｔｃにより決定され、充電時定数Ｔｃが
短いほど放電開始電圧Ｖｂは高くできる。このため充電
時定数Ｔｃを短くすればサステイナコンデンサ５には、
より大きなエネルギを蓄えることができ、より大きなレ
−ザエネルギを発生させることが可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のパルスレ−ザ用
放電励起回路は以上のように構成され、充電時定数Ｔｃ
を短くし、大きなレ−ザエネルギを発生させるようにさ
れていた。しかしながら、充電時定数Ｔｃを短くし、サ
ステイナコンデンサ５により大きなエネルギを蓄えるこ
とは、高電圧スイッチ９を単位時間当りに通過するエネ
ルギが増大するため、高電圧スイッチ９の負荷が増加す
る。特に、産業用に使用される高繰返しのパルスレ−ザ
においては、高電圧スイッチ９の負荷増大により、高電
圧スイッチ９の劣化のみならず、サステイナコンデンサ
充電電圧や繰返し周波数が制限され、レ−ザ性能や信頼
性を著しく低下させるといった問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、レ−ザエネルギを増大させた場
合においても、パルスレ−ザ用放電励起回路における高
電圧スイッチの負荷を軽減することにより、劣化を防
ぎ、かつレ−ザ性能が良く、信頼性の高いレ−ザ装置を
得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるパルス
レ−ザ用放電励起回路は、サステイナ充電用電源に用い
られる充電用コンデンサとサステイナコンデンサの間に
少なくとも１段の磁気パルス圧縮回路を挿入し、この磁
気パルス圧縮回路の動作を検知する検知手段と、検知信
号から任意の遅延時間の後、スパイカ充電用電源の始動
信号を発生する 遅延トリガ発生器とを設け、サステイナ
コンデンサへの充電完了時とスパイカコンデンサの動作
タイミングを調整するようにしたものである。

【０００８】

【作用】この発明におけるパルスレ−ザ用放電励起回路
は、充電用コンデンサとサステイナコンデンサの間に磁
気パルス圧縮回路を挿入し、この磁気パルス圧縮回路の
動作を検知する検知手段と、遅延トリガ発生器とを設け
ることにより、サステイナコンデンサの充電タイミング
とスパイカコンデンサの充電タイミングを正確に設定す
ることができるので、レ−ザエネルギのばらつきを小さ
くすることができる。

【０００９】

【実施例】実施例１ 図１はこの発明の一実施例の前提となるパルスレ−ザ用
放電励起回路を示す回路図である。なお、図中、図７と
同一符号は同一もしくは相当部分を示す。図において、
１２は磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ、１３は磁気
パルス圧縮回路用コンデンサ、１４は充電用コンデンサ
８の放電時定数を設定するための放電時定数設定用イン
ダクタンス、１５は磁気パルス圧縮回路である。

【００１０】次にこの回路の動作について説明する。図
２は図１に示す磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３お
よび主電極１、２間に印加される電圧の時間変化を示し
たものである。高電圧スイッチ９が閉じると充電用コン
デンサ８に蓄えられたエネルギは高電圧スイッチ９、放
電時定数設定用インダクタンス１４を介して、まず磁気
パルス圧縮回路用コンデンサ１３に蓄えられる（図２の
区間Ｅ）。この時、磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１
３への充電は、放電時定数設定用インダクタンス１４で
決まる高電圧スイッチ９の能力に応じたゆっくりとした
速度で行うことにより、高電圧スイッチ９の負荷を充分
軽減することができる。すなわち、高電圧スイッチ９に
おいては最大定格電流が決まっており、それ以下の電流
値で使用することが望ましい。 いま充電用コンデンサ８
の静電容量を５００ｎＦ、充電電圧を２０ｋＶとし、磁
気パルス圧縮回路用コンデンサ１３の静電容量を充電用
コンデンサ８の静電容量と同じ５００ｎＦとすると合成
容量は２５０ｎＦとなり充電時に流れる最大電流値Ｉ
_max は、放電時定数設定用インダクタンス１４をＬ０と
して、 Ｉ _max ＝２０ｋＶ×（（２５０ｎＦ／Ｌ０） ^1/2 ） で求められる。 典型的な高電圧スイッチ９の高繰り返し
動作における最大定額電流は約５ｋＡ程度であるので、
これを満足するためには、上式よりＬ０は４μＨ程度と
なり、放電時定数設定用インダクタンス１４をこの値以
上に設定しておく必要がある。ここで、充電時定数を考
えると τ０＝π×（（２５０ｎＦ×４μＨ） ^1/2 ） で与えられ、τ０は約３．１μ秒となるが、本実施例に
おいては磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３とは別に
磁気スイッチを介してサステイナコンデンサ５（ほぼ磁
気パルス圧縮回路用コンデンサ１３の静電容量と同じぐ
らいに設定される）が設置されているので、上記時定数
でサステイナコンデンサ５を充電すなわち電極間に電圧
が印加されることを防止しているので、放電が開始する
ことはない。高電圧スイッチ９の寿命の観点からはさら
に電流値を下げる方が良く、放電時定数設定用インダク
タンス１４をさらに大きくして高電圧スイッチ９に流れ
る最大電流を、高電圧スイッチ９の最大定格電流よりは
るかに低減することができる。 次に充電用コンデンサ８
に蓄えられたエネルギが全て磁気パルス圧縮回路用コン
デンサ１３に移行した時点で磁気パルス圧縮回路用磁気
スイッチ１２がスイッチするように設定しておくことに
より、磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３に蓄えられ
たエネルギは磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ１２、
充電時定数設定用インダクタンス１０を介してサステイ
ナコンデンサ５へ、さらにスイッチング素子６を介して
スパイカコンデンサ３に移行し、主電極１、２間の電圧
は上昇するが（図２の区間Ａ）、この電圧の上限は主電
極１、２間の放電開始電圧Ｖｂより決定され、サステイ
ナコンデンサ５の充電時定数Ｔｃが短いほど放電開始電
圧Ｖｂは高くできることはすでに述べた。この場合、充
電時定数Ｔｃは、充電用コンデンサ８とサステイナコン
デンサ５との間に磁気パルス圧縮回路１５を設けること
により、磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３とサステ
イナコンデンサ５の合成容量と磁気スイッチ１２のスイ
ッチング後のインダクタンス、および充電時定数設定用
インダクタンス１０のみで決めることができる。したが
って、充電時定数Ｔｃは高電圧スイッチ９の制限を受け
ることがなく、充電用コンデンサ８から磁気パルス圧縮
回路用コンデンサ１３への充電時間より数分の１程度に
小さくすることができるため、放電開始電圧Ｖｂを充分
高くでき、したがってサステイナコンデンサ５へ大きな
エネルギを蓄えることができる。この後、スパイカ充電
用電源４の動作によりスパイカコンデンサ３に高電圧が
発生し、主電極１、２間の電圧がＶｂを越えると放電が
形成される（図２の区間Ｂ）。放電が形成されると主電
極１、２間の電圧は急速に低下し、（図２の区間Ｃ）、
この後スイッチング素子６が導通し、サステイナコンデ
ンサ５に蓄えられた大きなエネルギはスイッチング素子
６を介して放電に投入され、レ−ザガスを励起し（図２
の区間Ｄ）、大きなレ−ザエネルギを発生させることが
できる。

【００１１】ところで、上記回路例はいわゆる同方向モ
−ドについて述べたが、サステイナコンデンサ５の充電
電圧とスパイカコンデンサ３の充電電圧の極性を反転さ
せた時の動作モ−ド、いわゆる反転モードの場合の回路
例を図３に示す。なお図中、図１と同一符号は同一もし
くは相当部分を示す。図において、１６は電圧極性反転
回路である。

【００１２】この回路例の場合の動作について説明す
る。図４は図３に示される放電励起回路における、磁気
パルス圧縮回路用コンデンサ１３および主電極１、２間
に印加される電圧の時間変化を示したものである。高電
圧スイッチ９が閉じると充電用コンデンサ８に蓄えられ
たエネルギは高電圧スイッチ９、電圧極性反転回路１６
を介して磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３に蓄えら
れるが、電圧の極性としては正の極性である（図４の区
間Ｅ）。次に充電用コンデンサ８に蓄えられたエネルギ
が全て磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３に移行した
時点で、蓄えられたエネルギは磁気パルス圧縮回路用磁
気スイッチ１２およびスイッチング素子６を介してサス
テイナコンデンサ５へ、充電されて、上記回路例と同様
高電圧スイッチ９の能力によらずレーザ動作に重大な影
響を与えるサステイナコンデンサ５への充電時定数Ｔｃ
を決めることができる。上記充電と同時にエネルギーの
一部は、さらに磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ１２
を介してスパイカコンデンサ３に移行し、主電極１、２
間の電圧は上昇する（図４の区間Ａ）。サステイナコン
デンサ５の充電が完了した時点でスパイカ充電用電源４
を動作させるとスパイカコンデンサ３にはサステイナコ
ンデンサ５の充電電圧とは逆の電圧が発生し、そこでス
イッチング素子６を導通させることにより、サステイナ
コンデンサ５からスパイカコンデンサ３への急速なエネ
ルギ移行が生じ、このためスパイカコンデンサ３には高
電圧が発生し、主電極１、２間の電圧がＶｂを越え放電
が形成される（図４の区間Ｂ）。放電が形成されると、
サステイナコンデンサ５に蓄えられたエネルギはスイッ
チング素子６を介して放電に投入されレ−ザガスを励起
し（図４の区間Ｄ）、レ−ザ光を発生させる。この場合
は、高電圧スイッチの負荷を軽減するだけでなく、磁気
パルス圧縮回路１５の磁気スイッチが、主電極１、２に
発生する高電圧が直接高電圧スイッチ９に印加されるこ
とを防止するため、高電圧スイッチの破壊等の問題点も
解決することができる。

【００１３】上記回路例では、予備電離源としてＸ線を
用いる場合について示したが、高繰り返し動作に優れた
予備電離源として、一方の主電極として誘電体を密着さ
せた開孔電極を用い、その開孔部でのコロナ放電を用い
る沿面コロナ予備電離を用いれば、レーザの性能はより
向上する。

【００１４】上述したようなパルスレーザ用放電励起回
路においてはサステイナコンデンサ５への充電は磁気パ
ルス圧縮回路用磁気スイッチ１２が導通することにより
開始されるが、磁気スイッチが導通する条件は磁気スイ
ッチに印加される電圧時間積により決定され、この発明
の場合、その電圧時間積は磁気パルス圧縮回路用コンデ
ンサ１３の電圧をＶｉ（ｔ）とするとＶｉ（ｔ）の時間
積分、すなわち図２の斜線部分の面積となる。したがっ
て、電圧により磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ１２
の導通するタイミングが変化するため、サステイナコン
デンサ５の充電完了時点とスパイカ充電用電源４の動作
タイミングを一致させることが困難である。図５はこれ
を解決するためのこの発明における回路動作タイミング
制御方式を示したものである。図において、１７は磁気
パルス圧縮回路用磁気スイッチ１２の導通を検知するた
めの電圧測定器、１８は検知信号から任意の遅延時間の
後、スパイカ充電用電源の始動信号を発生する遅延トリ
ガ発生器である。磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ１
２の導通により磁気パルス圧縮回路用コンデンサ１３か
らサステイナコンデンサ５への充電が始まるため、磁気
パルス圧縮回路用コンデンサ１３の電圧が低下するが、
この低下を電圧測定器１７により検出し、これを基準と
して遅延トリガ発生器１８によりスパイカ充電用電源４
を始動させる。サステイナコンデンサ５の充電時定数Ｔ
ｃは充電時定数設定用インダクタンス１０により固定で
あるのでサステイナコンデンサ５の充電完了時点とスパ
イカ充電用電源４の動作タイミングを正確に設定するこ
とができる。

【００１５】実施例２． なお、上記実施例では磁気パルス圧縮回路用磁気スイッ
チ１２の導通検知手段として磁気パルス圧縮回路用コン
デンサ１３に電圧測定器を用いたが、サステイナコンデ
ンサ５の電圧を測定することによっても同様の効果が得
られることは言うまでもない。

【００１６】実施例３． また、図６に示すように電流測定器１９を磁気パルス圧
縮回路用磁気スイッチ１２の導通検知手段として用いる
こともできる。

【００１７】実施例４． さらに、磁気パルス圧縮回路用磁気スイッチ１２に２次
巻線を設けて、その電圧を測定して導通を検知する方法
を用いても良く、また上記２次巻線として磁気パルス圧
縮回路用磁気スイッチ１２のリセット用巻線を利用して
もよい

【００１８】実施例５． さて、繰り返しパルスレーザでは繰り返し周波数により
放電開始電圧が変化し、繰り返し周波数にかかわらず同
一の動作条件で動作させた場合、放電が不安定になり、
それに伴いレーザ出力のばらつきも大きくなる。そこ
で、上記遅延トリガ発生器１８において設定される遅延
時間を繰り返し周波数の関数とし、繰り返し周波数に応
じて遅延時間を変化させる制御方式を用いれば、レーザ
出力はさらに安定し、繰り返しパルスレーザ装置の高信
頼化が達成できる。

【００１９】実施例６． なお、上記各実施例ではサステイナ充電用電源が１段の
磁気パルス圧縮回路を有するものを示したが、充電時定
数を短くするためには磁気パルス圧縮回路を多段に接続
すればよい。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、サス
テイナ充電用電源を構成する充電用コンデンサとサステ
イナコンデンサの間に少なくとも１段の磁気パルス圧縮
回路を挿入し、この磁気パルス圧縮回路の動作を検知す
る検知手段と、検知信号から任意の遅延時間の後、スパ
イカ充電用電源の始動信号を発生する遅延トリガ発生器
とを設け、サステイナコンデンサへの充電完了時とスパ
イカコンデンサの動作タイミングを調整することによ
り、レ−ザエネルギのばらつきを小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例の前提となるパルスレーザ
用放電励起回路を示す回路図である。

【図２】 図１に示すパルスレーザ用放電励起回路の動
作を示す電圧波形図である。

【図３】 この発明の実施例の前提となるパルスレーザ
用放電励起回路を示す回路図である。

【図４】 図３に示すパルスレーザ用放電励起回路の動
作を示す電圧波形図である。

【図５】 この発明の実施例１によるパルスレーザ用放
電励起回路を示す回路図である。

【図６】 この発明の実施例３によるパルスレーザ用放
電励起回路を示す回路図である。

【図７】 従来のパルスレーザ用放電励起回路を示す回
路図である。

【図８】 従来のパルスレーザ用放電励起回路の動作を
示す電圧波形図である。

【符号の説明】

１ 第１の主電極 ２ 第２の主電極 ３ スパイカコンデンサ ４ スパイカ充電用電源 ５ サステイナコンデンサ ６ スイッチング素子 ７ サステイナ充電用電源 １１ 予備電離源 １５ 磁気パルス圧縮回路 １７ 電圧測定器 １８ 遅延トリガ発生器 １９ 電流測定器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−273978（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−96978（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−227081（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/097 - 3/0977

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レ−ザガス中において相対向する第１、
   及び第２の主電極、少なくとも１段の磁気パルス圧縮回
   路を有し、第１、及び第２の主電極に並列に接続された
   スパイカコンデンサ、第１、及び第２の主電極にスイッ
   チング素子を介して並列に接続されたサステイナコンデ
   ンサ、上記スパイカコンデンサを充電するスパイカ充電
   用電源、上記サステイナコンデンサを充電するサステイ
   ナ充電用電源、並びに第１、及び第２の主電極間のレー
   ザガスを予備電離するための予備電離源を備えたパルス
   レ−ザ用放電励起回路において、上記サステイナ充電用
   電源を構成する充電用コンデンサと上記サステイナコン
   デンサとの間に挿入された、少なくとも１段の磁気パル
   ス圧縮回路と、この磁気パルス圧縮回路の動作を検知す
   る検知手段と、検知信号から任意の遅延時間の後、スパ
   イカ充電用電源の始動信号を発生する遅延トリガ発生器
   とを有し、サステイナコンデンサの充電タイミングとス
   パイカコンデンサの充電タイミングを調整するようにし
   たことを特徴とするパルスレ−ザ用放電励起回路。