JP3055891B2 - 一体化プレ・イオナイザを有する小型エキシマレーザ絶縁体 - Google Patents
一体化プレ・イオナイザを有する小型エキシマレーザ絶縁体Info
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Description
関し、より詳しく述べれば、エキシマレーザシステムに
おいてガスをプレ・イオン化する装置に関する。
て拡張的に使用されている。例えば、レーザは、目の裂
傷または網膜剥離の治療、または動脈からのプラクの除
去のような、種々な医療応用に使用されている。またレ
ーザは、半導体の製造にも使用され、半導体層の表面上
に電気回路のパターンを発生させたり、半導体内の精密
な位置に孔をあけたりしている。レーザは、それらが波
長の狭い帯域内で高強度のコヒーレント放射を生成する
ので、これらの及び他の応用に有利である。一般にレー
ザシステムは、レーザの陽極と陰極との間に放電を発生
させる時にキャビティ内のガスのイオン化及び化学反応
を容易にするために、レーザ内のガスをプレ・イオン化
するサブシステムを含んでいる。プレ・イオナイザは、
キャビティ内のガスにコロナ放電を導く少なくとも1つ
の管を含むことができる。コロナ放電は、管の内側の導
体と、管の外側の少なくとも1つの導体との間に電圧パ
ルスを好ましく印加した時に発生する。管の両端付近に
はブシュが配置されていて、管を絶縁された関係に維持
する。管には、管をレーザ内の特定の位置に関連付ける
部材が設けられている。
若干の固有の欠陥を有している。多くのシステムではブ
シュは管と同質ではないので、接着剤による等によって
ブシュを管に取付ける必要がある。接着剤はコロナ環境
の効果の下で劣化する傾向があるので、これは特に長期
間にわたるプレ・イオナイザの使用を制限する。接着剤
のこの劣化はレーザガスを汚染させ、ガスをより屡々交
換することが必要になる。また接着剤は、キャパシタの
板間(これらの板間に管が誘電体として含まれている)
に印加する電圧をも制限する。米国特許第 5,337,330号
「レーザ用プレ・イオナイザ」には改良されたプレ・イ
オン化管が開示されている。この開示されている管は、
両端にブシュを含み、これらのブシュは管と同質であ
る。同質の管は、接着剤劣化の問題を回避する。それで
もこのシステムは、従来システムと同様に管及びブシュ
組立体のための充分な空間を得るために、過大な長さの
キャビティを必要としている。付加的に要求される長さ
が総合効率を、従って出力パワーを低下させる。
伸びない改良されたプレ・イオナイザが要望されること
は明白である。
絶縁板と一体化されているようなプレ・イオン化システ
ムを提供する。陰極絶縁板は、その前面内に加工された
凹み領域を含む。陰極はこの凹み領域内に嵌め込まれ、
絶縁体前面と実質的に同一の面をなすように配置され
る。陰極が凹みに取付けられているために、近くの接地
電位構造へのトラッキングまたはアーキングを防ぐため
の充分な電気的絶縁を維持しながら、絶縁板の幅を小さ
くすることができる。絶縁板の背面は、陰極の長手軸に
平行に走る1対のスロットを含んでいる。プレ・イオン
化棒がこれらのスロット内に嵌め込まれている。スロッ
トは、陰極の端にほぼ接して棒を配置するように充分な
深さを有している。棒を接地電位に維持することによっ
てキャパシタが形成され、棒と陰極との間の絶縁板材料
がこのキャパシタの誘電性材料として働く。従って、絶
縁材料は容量性コロナ放電を支える特性を呈さなければ
ならない。
は背面に沿う接地に電気的に接続れている。棒は陰極と
ほぼ同じ長さであり、絶縁板を越えて伸びてはいない。
この構成によれば、レーザキャビティの長さが実質的に
短縮され、従って動作効率及び出力パワーが改善される
ようになる。本発明の別の実施形態では、キャビティハ
ウジングが、スタンドオフを使用することなく、絶縁板
の背面に直接取付けられる。これによりプレ・イオン化
棒をキャビティハウジングに直接接触させることが可能
になり、付加的なワイヤを使用せずに接地電位に保つこ
とができる。以下の添付図面を参照しての説明から、本
発明の本質及び長所を更に理解することができよう。
0で示すレーザは、図1の破線102で示すキャビティ
内に配置されている。このレーザの全体的な構成は、全
て本願出願人に譲渡され、本明細書に参照として採り入
れられている米国特許第 4,959,840号(「レーザの壁に
絶縁関係に取付けられた電極を含む小型エキシマレー
ザ」)、第 5,033,055号(「小型エキシマレーザ」)、
第 5,377,215号(「エキシマレーザ」)、及び第 5,37
7,330号(「レーザ用プレ・イオナイザ」)に開示され
ているものに対応する。レーザ100は陽極104及び
陰極106を含み、これらはキャビティ102内に配置
されており、またこれらは第1の方向に互いに離間され
ている。陽極104は電気的に接地することができる。
導電性部材108は、陰極106から導電性ブロック1
10までの電気的な連続性を与える。ガスはキャビティ
内に導入される。一つの型のシステムでは、ガスはクリ
プトン(Kr)及びフッ素(F2)であることができ
る。代替として、他のガスを使用することもできる。ガ
スはキャビティ102内の位置112に点によって概示
されている。ガス112は再循環させることができ、ま
た再循環中に浄化することができる。
106との間に電圧パルスが印加されると(好ましく
は、陰極を高電圧にする)、陽極と陰極との間に放電が
発生する。この放電がガス112をイオン化し、ガス間
に化学反応を発生させる。例えば、キャビティ102内
のKr及びF2 が化学反応してフッ化クリプトン(Kr
F)が発生する。この化学反応が発生すると、光の形状
のエネルギが特定の波長でキャビティ102内に発生す
る。このコヒーレントエネルギは高強度で、且つ狭いビ
ームで発生する。これはキャビティから窓(図示してな
い)を通して導かれる。紫外光を導入することによって
ガス112のイオン化を容易にするために、全体を11
6で示すプレ・イオナイザをキャビティ102内に配置
することができる。紫外光は、各電圧パルスを陽極10
4と陰極106との間に印加する直前に、ガスへのコロ
ナ放電によって発生される。コロナ放電によって放出さ
れる放射の方向は図1に矢印付きの波線118によって
示されている。
06との間に配置することができ、第1の方向に対して
横方向の、好ましくは直角の第2の方向に互いに離間さ
せることができる。プレ・イオナイザ116は第1及び
第2の方向に対して横方向の、好ましくは直角の第3の
方向に伸びている。電極104及び106もキャビティ
102内において第3の方向に伸びている。この第3の
方向は、図1の紙面に直角であるものと考えてよい。図
2は、レーザキャビティから分離させた特定の陰極/プ
レ・イオナイザ組立体の斜視図である。陰極106の両
側を陰極106と同一方向に走っているのがプレ・イオ
ナイザ116である。各プレ・イオナイザは、高誘電定
数と高誘電強度とを呈する適当な材料で作られた中空管
201を含んでいる。好ましい管201は、多結晶質半
透明の酸化アルミニウム製である。
れている。好ましくは、ブシュ203の材料は、管20
1の材料と同質とする。更に好ましいのは、ブシュ20
3の材料は管201の材料と同一とすることである。管
201及びブシュ203を材料の単一片から作ることに
より、同一の高誘電特性を達成し、管201とブシュ2
03との間の接着剤の必要性を排除することができる。
導体205が各管201内に配置されている。導体20
5は、接地されたレーザハウジングに電気的に結合され
ている。導体207が管201の表面上に配置され、ブ
シュ203の間を電極106のほぼ全長にわたって走っ
ている。導体207は関連する管201の表面に配置さ
れ、それに対して適度の力で拘束されている弾力性ばね
の形状であることができる。導体207は陰極106の
電位に保たれている。ブシュ203は、導体207から
レーザハウジングへ管201に沿う放電またはアーキン
グを防いでいる。
よって定位置に、そして導体207に対して保持されて
いる。図3は、位置AAにおける陰極/プレ・イオナイ
ザ組立体の断面図である。位置決め部材209は、管2
01を導体207に対して保持する。好ましくは、位置
決め部材209は絶縁材料で作る。部材209は導電性
材料であることもできるが、そのような構成は下流アー
キングを発生させる恐れがある。また導電性位置決め部
材は、部材の直ぐ近傍を取り囲む領域においてコロナ放
電の形成を妨害する恐れもある。導体205及び207
は、キャパシタの第1及び第2の板を限定している。管
201は、キャパシタの板の間の誘電体材料として働
く。好ましくは、導体207に陰極電位を、また導体2
05に接地電位を印加するのように、高電圧を印加す
る。管201の誘電性材料は、誘電体破壊を起こすこと
なく容量性コロナ放電を支える特性を有している。
207との間に印加されると、電荷が管201の表面か
らコロナ放電を発生させる(図1に波形矢印118によ
って示す)。これらのコロナ放電は放射を放出し、この
放射はガス112が位置している空間へ走行する。放射
はガス112をプレ・イオン化し、電圧パルスが発生し
た時に陽極104と陰極106との間のガスのイオン化
を容易にする。図3に示す特定の陰極組立体では、陰極
106はスペーサ301に取付けられている。スペーサ
301は陰極106と主絶縁体板303との間に伸びて
いる。主絶縁体板303は、酸化アルミニウムのような
セラミック製であることが好ましい。スペーサ301
は、金属棒305と陰極106とを電気的に接続する。
各金属棒305を取り巻いているのは、好ましくはセラ
ミックのような材料製の絶縁ブシュ307である。主絶
縁体板303は、陰極106(好ましくは、接地電位に
保つ)をレーザハウジング102の壁から電気的に絶縁
する。従って、絶縁体板303は、陰極106と陽極1
04との間に適切な放電が発生するようにしている。
加されると、望ましくない電流が主絶縁体板303の表
面上を接地されたハウジング102の壁に向かって流れ
る傾向がある。絶縁体303がこの電流の流れにどれ程
良く耐えるかは、部分的にはこれらの電流が流れなけれ
ばならない距離に(長い程良い)、また主絶縁体の表面
が接地されたハウジング壁102にどれ程接近している
か(これも長い程よい)に依存する。好ましくは、ハウ
ジング102の壁は、主絶縁体303をハウジング壁か
ら孤立させる、即ち壁に対して浮かせるように下方向に
伸びる部分を含んでいる。ハウジング102に対して浮
いている絶縁体303は、所与の絶縁体サイズに対し
て、寄生電流が接地電位に保たれているハウジング10
2へ到達するのに流れなければならない距離を最大にす
る。更に、主絶縁体板303の表面が接地されたハウジ
ング102から離されているので、寄生表面電流と接地
との間の容量性結合が減少する。励起が極めて短い持続
時間の間印加されるようになっている短パルスレーザで
は、表面電流と接地との間の容量性結合が電流の流れを
強める。主絶縁体303をハウジング102から離間さ
せることによって、容量性結合が、従って寄生電流の流
れが減少する。
オナイザ組立体全体の断面図である。図示のように、単
一の陰極106は、3組の、各組が5つの導電性棒30
5に結合されている。各組の導電性棒305は単一の導
電性スペーサ301に結合されている。3つの主絶縁体
板303が図示されているが、代わりに、より大きい単
一の絶縁板を使用することもできる。図5に、本発明に
よる主絶縁体板501を示す。従来の技術と同様に、板
501は酸化アルミニウムのようなセラミックで作るこ
とが好ましい。陰極106は板501の凹み領域内に嵌
め込まれている。板501には、一連の溝503が加工
されている。図6は、絶縁板501の好ましい実施形態
の詳細断面図である。陰極が導電性スペーサ301によ
って絶縁板303の上に取付けられている図3に示した
従来の技術とは対照的に、本発明の陰極は、殆ど完全に
絶縁板501の凹み601内に埋め込まれている。この
構成は陰極の電気的絶縁を援助し、従って陰極を、レー
ザハウジングのような接地電位にある表面に極めて接近
させて配置することができる。
能力を更に高めるために使用されている。好ましいのは
溝を必要とせず、従って製造時間及び費用を最小にする
ことである。必要な溝503(もし必要とすれば)の数
は、レーザの特定の設計によって決まる。主要ファクタ
は、陰極と、何等かの電流担持部材及び/または接地電
位に保たれた何等かの部材との接近度であり、従ってレ
ーザシステムの総合サイズに大きく影響する。従って、
陰極に印加される高電圧パルスの大きさが、溝503の
設計の主ファクタである。前述したように、本発明は、
図3に示した従来の技術のスペーサ301のような導電
性スペーサの使用を必要としない。その代わりとして、
陰極106は導電性棒305に直接結合される。前述し
たように、棒305は絶縁体307を用いて絶縁されて
いる。
01の背面に形成されている溝605の中に保持されて
いる。従来の技術と同様にワイヤ603は接地電位に維
持することが好ましい。図7は本発明の別の実施形態を
示している。この実施形態では、絶縁板501はキャビ
ティハウジング701のある区分に直接結合されてい
る。溝605の中にはプレ・イオン化部材703が存在
している。この実施形態では、プレ・イオン化部材70
3はハウジング701と接触しており、従って接地電位
に保たれている。従って、この実施形態は、接地電位に
保たれているハウジングまたは別の部材の何れかにプレ
・イオン化棒を結合するワイヤを必要とせず、レーザシ
ステムの所要サイズを更に減少させる。プレ・イオン化
ワイヤを絶縁板501の背面内に統合したことによっ
て、レーザの総合長さをかなり短縮することができる。
長さを短くしたことの結果として、レーザ動作効率及び
出力パワーが改善される。図2に示したように、従来の
技術のアプローチは、管201の両端をブシュ203に
結合することを必要としていた。ブシュ203はプレ・
イオン化ワイヤ205を絶縁するために必要であり、そ
れによってワイヤ205から、陰極106または導体2
07の何れかへの放電を防いでいる。ブシュ203を追
加することにより、レーザキャビティの長さがかなり追
加され、レーザの効率及び出力パワーが低下する。
に示した実施形態のプレ・イオン化棒703は、陰極1
06の長手方向軸に対応する方向に、決して絶縁板50
1を越えて伸びることはないから、本発明はブシュ20
3に類似の成分を必要としない。このためより小型化さ
れ、従ってより効率的なレーザシステムがもたらされ
る。改善された動作効率の利点に加えて、本発明はより
簡単さをもたらし、従って少ない設計費用で済む。例え
ば、図7に示す実施形態は、分離したプレ・イオン化管
201、ブシュ203、導電性部材207、プレ・イオ
ン化管支持部材209、または導電性スペーサ301を
必要としない。更に、本発明の凹み内陰極設計により、
絶縁板501は従来の技術の絶縁板のように幅広ではな
く、従って板を製造するのに必要なセラミック材料のサ
イズが減少する。
の特定の実施形態では、板501の両端の板の中に小さ
いチャンネル801が切ってあり、絶縁板がレーザ光キ
ャビティを妨害しないようにしてある。チャンネル80
1は、陰極106の外面が、それを取り囲む絶縁板より
も僅かに低いことによる予防措置に過ぎない。更に、光
クリッピングが恐らく陰極106を侵食し始め、陰極外
面をより多く凹ませ始める。当業者ならば、本発明は、
その思想または本質的な特徴から逸脱することなく他の
特定形状で実施できることが理解されよう。従って、以
上の説明は単なる例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載
の本発明の範囲を限定するものではない。
マレーザの概要端面図
レ・イオナイザ組立体の斜視図
断面図
全体の断面図
Claims (5)
- 【請求項1】 レーザに使用するためのプレ・イオナイ
ザにおいて、 第1の表面及び第2の表面を有し、誘電体破壊を生ずる
ことなく容量性コロナ放電を支える特性を有する誘電性
材料で作られている部材と、 上記部材の上記第1の表面内の凹み領域と、 上記第1の表面の上記凹み領域内にあって、第1のキャ
パシタ板を限定している第1の電極と、 上記部材の上記第2の表面内の少なくとも1つの凹み領
域と、 上記第2の表面の上記凹み領域内にあって、第2のキャ
パシタ板を限定している第2の電極と、 上記第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加して上
記キャパシタを充電し、上記部材からコロナ放電を形成
させる電圧源と、を備え、 上記部材は、上記第1の表面上に少なくとも1つの連続
溝を有し、この溝は上記第1の表面上に上記凹み領域を
画していることを特徴とするプレ・イオナイザ。 - 【請求項2】 ハウジングと、 第1の表面及び第2の表面を有し、この第2の表面が上
記ハウジングの内面に結合されている絶縁板と、 上記絶縁板の第1の表面に結合されている陰極と、 陽極と、 上記絶縁板の上記第2の表面に形成されたスロット内に
配置されているプレ・イオン化要素と、を備え、 上記陰極がキャパシタの第1の板を限定し、上記プレ・
イオン化要素が上記キャパシタの第2の板を限定し、上
記プレ・イオン化要素は誘電体破壊を生ずることなく容
量性コロナ放電を支える特性を有する誘電性材料で作ら
れ、 更に、上記ハウジング内のレーザ可能なガス媒体と、 上記陰極と上記プレ・イオン化要素との間に電圧を印加
して上記キャパシタを充電し、コロナ放電を形成させる
電圧源と、を備え、 上記コロナ放電は上記レーザ可能なガス媒体のイオン化
を容易にするようになっており、 少なくとも1つの連続溝が上記絶縁板の上記第1の表面
内に形成されており、 この溝は上記陰極の周囲を画していることを特徴とする
レーザ。 - 【請求項3】 ハウジングと、 第1の表面及び第2の表面を有し、この第2の表面が上
記ハウジングの内面に結合されている絶縁板と、 上記絶縁板の第1の表面に結合されている陰極と、 陽極と、 上記絶縁板の上記第2の表面に形成されたスロット内に
配置されているプレ・イオン化要素と、を備え、 上記陰極がキャパシタの第1の板を限定し、上記プレ・
イオン化要素が上記キャパシタの第2の板を限定し、上
記プレ・イオン化要素は誘電体破壊を生ずることなく容
量性コロナ放電を支える特性を有する誘電性材料で作ら
れ、 更に、上記ハウジング内のレーザ可能なガス媒体と、 上記陰極と上記プレ・イオン化要素との間に電圧を印加
して上記キャパシタを充電し、コロナ放電を形成させる
電圧源と、を備え、 上記コロナ放電は上記レーザ可能なガス媒体のイオン化
を容易にするようになっており、 上記絶縁板の上記第1の表面に凹みが設けられており、 上記絶縁板は、第1の端及び第2の端を有し、第1のチ
ャンネル及び第2のチャンネルが上記絶縁板の上記第1
の表面内に形成され、上記第1のチャンネルは上記凹み
から上記第1の端まで走り、上記第2のチャンネルは上
記凹みから上記第2の端まで走り、上記第1及び第2の
チャンネルは上記絶縁板による光クリッピングを最小に
するようになっていることを特徴とするレーザ。 - 【請求項4】 レーザに使用するためのプレ・イオナイ
ザにおいて、 ある幅、ある長さ、第1の表面、及び第2の表面を有
し、容量性コロナ放電を支える特性を有する誘電性材料
で作られている絶縁板と、 上記絶縁板の上記第1の表面内に形成され、上記絶縁板
の長さよりも小さい長さと、上記絶縁板の幅よりも小さ
い幅とを有する凹みと、 上記凹み内に嵌め込まれ、第1のキャパシタの第1のキ
ャパシタ板及び第2のキャパシタの第1のキャパシタ板
を限定し、そして上記凹みに関連する深さと実質的に等
しい厚みを有する陰極と、 上記絶縁板の上記第2の表面内に形成され、上記凹みの
長さと実質的に等しい長さを有する第1のスロットと、 上記絶縁板の上記第2の表面内に形成され、上記凹みの
長さと実質的に等しい長さを有し、上記第1のスロット
と実質的に平行な第2のスロットと、 上記第1のスロット内に嵌め込まれ、上記第1のキャパ
シタの第2のキャパシタ板を限定し、そして接地電位に
電気的に接続されている第1のプレ・イオン化要素と、 上記第2のスロット内に嵌め込まれ、上記第2のキャパ
シタの第2のキャパシタ板を限定し、そして上記接地電
位に電気的に接続されている第2のプレ・イオン化要素
と、 上記陰極と上記第1のプレ・イオン化要素との間、及び
上記陰極と上記第2のプレ・イオン化要素との間にある
電圧を印加し、上記陰極の近傍に第1及び第2のコロナ
放電を形成させる電圧源と、 上記絶縁板の上記第1の表面に形成され、上記凹みを画
している少なくとも1つの連続溝と、 を備えていることを特徴とするプレ・イオナイザ。 - 【請求項5】 レーザに使用するためのプレ・イオナイ
ザにおいて、 ある幅、ある長さ、第1の表面、及び第2の表面を有
し、容量性コロナ放電を支える特性を有する誘電性材料
で作られている絶縁板と、 上記絶縁板の上記第1の表面内に形成され、上記絶縁板
の長さよりも小さい長さと、上記絶縁板の幅よりも小さ
い幅とを有する凹みと、 上記凹み内に嵌め込まれ、第1のキャパシタの第1のキ
ャパシタ板及び第2のキャパシタの第1のキャパシタ板
を限定し、そして上記凹みに関連する深さと実質的に等
しい厚みを有する陰極と、 上記絶縁板の上記第2の表面内に形成され、上記凹みの
長さと実質的に等しい長さを有する第1のスロットと、 上記絶縁板の上記第2の表面内に形成され、上記凹みの
長さと実質的に等しい長さを有し、上記第1のスロット
と実質的に平行な第2のスロットと、 上記第1のスロット内に嵌め込まれ、上記第1のキャパ
シタの第2のキャパシタ板を限定し、そして接地電位に
電気的に接続されている第1のプレ・イオン化要素と、 上記第2のスロット内に嵌め込まれ、上記第2のキャパ
シタの第2のキャパシタ板を限定し、そして上記接地電
位に電気的に接続されている第2のプレ・イオン化要素
と、 上記陰極と上記第1のプレ・イオン化要素との間、及び
上記陰極と上記第2のプレ・イオン化要素との間にある
電圧を印加し、上記陰極の近傍に第1及び第2のコロナ
放電を形成させる電圧源と、を備え、 上記絶縁板は第1の端及び第2の端を有し、第1のチャ
ンネル及び第2のチャンネルが上記絶縁板の上記第1の
表面内に形成され、上記第1のチャンネルは上記凹みか
ら上記第1の端まで走り、上記第2のチャンネルは上記
凹みから上記第2の端まで走り、上記第1及び第2のチ
ャンネルは上記絶縁板による光クリッピングを最小にす
るようになっていることを特徴とするレーザ。
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