JP3281032B2 - 放電励起型ガスレーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エキシマレーザ装置等
の放電励起型ガスレーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザ装置等の放電励起型ガス
レーザ装置は、XeClやArF 等のレーザガスが高圧（例え
ば、２〜１０気圧）で封入されたガスレーザ容器ないし
はガスレーザ管を有しており、この高圧のレーザガスを
主放電用電極間でグロー放電させてレーザを発生させる
構成となっている。高いレーザ利得を得るためには、主
放電用電極間で一様なグロー放電を形成することが必要
であるが、そのためには、主放電開始前の極めて短時間
（１μs 程度）のうちに主放電用電極間のレーザガスを
予備電離して大量の自由電子が散在された状態を作り出
すことが重要である。

【０００３】この予備電離のための手段としては従来か
ら色々と提案されている。例えば特開昭６３−１２８６
８５号公報に記載されている手段では、図７及び図８に
示すように、主放電用電極５１，５２の両側のそれぞれ
に複数対の予備電離用電極ピン５３，５４を配置し、各
対の電極ピン５３，５４の間でアーク放電を生じさせ、
それに伴って発生される紫外光で主放電用電極５１，５
２間のレーザガスを予備電離することとしている。

【０００４】また、特開平３−１６６７８１号公報に
は、コロナにより予備電離を行う手段が開示されてい
る。この手段においては、図９に示すように、コロナ放
電用電極５５が挿入された絶縁材料から成る誘電体パイ
プ５６を主放電用電極５１，５２の両側に配置し、コロ
ナ放電用電極５５と主放電用電極５２との間に電圧をか
けることで誘電体パイプ５６の表面に沿面コロナ放電を
起こさせることとしている。

【０００５】しかしながら、これらの従来の手段には、
次に述べる幾つかの解決すべき技術的課題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６３−１２８６
８５号公報に記載の手段においては、アーク放電を形成
するために電極ピン５３，５４に瞬間的に大電流を流す
結果、電極ピン５３，５４の消耗が激しく、また、それ
により生じる粉塵がガスレーザ管５７内を汚染すると共
に、電極ピン５３，５４の対の間隔が大きく広がってし
まうという問題点がある。更に、隣合う電極ピン５３，
５４の対の間隔は必然的に電極ピン５３，５４の直径以
上に設定されるため、発生されるアーク放電の間隔は比
較的広く、よって、一様な予備電離状態を主放電用電極
５１，５２間に形成することは困難であった。

【０００７】一方、特開平３−１６６７８１号公報に記
載の手段では電極５５の消耗は比較的少ないものの、主
放電と同一の電源を用いた場合、十分なコロナが発生さ
れず、予備電離が不十分となる傾向があった。従って、
十分な予備電離状態を作り出すためには、コロナ放電用
に別個の電源を用意する必要があるが、それでは装置の
大型化、複雑化を招くこととなる。

【０００８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
のであり、主放電用電極間の空間を一様にかつ十分に予
備電離すると共に、予備電離用電極の消耗を抑制するこ
とのできる放電励起型ガスレーザ装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明に従
った放電励起型ガスレーザ装置は、ガスレーザ管内に配
置された１対の主放電用電極と、これらの主放電用電極
間のレーザガスを紫外光により予備電離するために主放
電用電極の近傍に配置された少なくとも１対の予備電離
用電極と、これらの予備電離用電極間のレーザガスをコ
ロナにより電離するために予備電離用電極の近傍に配置
された１対のコロナ放電用電極と、予備電離用電極間の
放電の前にコロナ放電用電極間でコロナ放電を行わせる
放電制御手段とを備えたことを特徴としている。

【００１０】前記の放電制御手段は、好ましくは、予備
電離用電極の対とコロナ放電用電極の対とを並列に結線
すると共に、予備電離用電極間の間隔に比してコロナ放
電用電極間の間隔を狭くしたことから成る。

【００１１】また、請求項３に係る発明によれば、コロ
ナ放電用電極の一方は、絶縁材料から成る誘電体パイプ
内に挿入された棒状電極であり、コロナ放電用電極の他
方は予備電離用電極の一方と共用されていることを特徴
とする。

【００１２】更に、請求項４に係る発明によれば、予備
電離用電極の放電発生部をレール状としたことを特徴と
している。

【００１３】

【作用】本発明によれば、予備電離用電極間での放電に
先立って、コロナ放電用電極によりコロナ放電を形成
し、そのコロナにより予備電離用電極間の空間を電離す
ることとしている。従って、コロナ放電に続いて予備電
離用電極間で放電を行うと、その放電はコロナにより発
生された自由電子から始まるアバランシェ放電であるの
で、当該電極間での空間にはいわゆるマルチアーク放電
が形成される。

【００１４】ここで、マルチアーク放電とは、電極上を
動き回る複数のアーク放電より成る放電をいう。

【００１５】このようなマルチアーク放電が予備電離用
電極間で形成されると、そこから発生される紫外光は広
がりをもった一様なものとなるため、主放電用電極間の
予備電離も一様となる。従って、主放電用電極間では多
量の自由電子が均等に分散され、一様性の良いグロー放
電が主放電電極間で生ずる。

【００１６】予備電離用電極対をレール状とした場合、
このマルチアーク放電を主放電用電極の長手方向に沿っ
て形成することが可能となる。

【００１７】また、予備電離用電極間の放電の前にコロ
ナ放電を行わせる放電制御手段として、請求項２に記載
の発明では、予備電離用電極の対とコロナ放電用電極の
対を並列に接続し、かつ、コロナ放電用電極間の間隔を
予備電離用電極間の間隔よりも狭くしているが、これ
は、同電圧をかけた場合に、電極対の間隔が狭いほど放
電が先に生ずることを利用したものである。

【００１８】

【実施例】以下、添付図面に沿って本発明の好適な実施
例について説明する。尚、図面において同一又は相当部
分には同一符号を用い、上下左右関係については図面の
上下左右に基づくものとする。

【００１９】図１は本発明に係る放電励起型ガスレーザ
装置の一実施例を示す概略図である。図１において、符
号１は第１の主放電用電極、符号２は第２の主放電用電
極を示し、これらは互いに一定の間隔を置いて対向配置
されている。各主放電用電極１，２は図面の紙面に垂直
に延びる長尺のものであり、その断面は一般にカマボコ
状をなしている。

【００２０】主放電用電極１，２の左右各側には１対の
予備電離用電極３，４が配置され、主放電用電極１，２
と平行に延びている。各対における第１及び第２の予備
電離用電極３，４の放電発生部３ａ，４ａは互いに対向
配置され、主放電用電極１，２間の空間Ｈ₁₂に対峙して
いる。

【００２１】また、第２の予備電離用電極４と第２の主
放電用電極２との間には、セラミックや石英ガラス等の
絶縁材料から成る誘電体パイプ５が配置されており、そ
の内部に棒状のコロナ放電用電極６が挿入されている。

【００２２】以上の各種電極は、XeClやArF 等のレーザ
ガスが高圧で封入されたガスレーザ管７内に収容されて
いる。

【００２３】また、この実施例におけるガスレーザ装置
の励起回路はいわゆる容量移行型であり、予備電離用の
回路も組み込まれている。即ち、第２の主放電用電極２
には充電コンデンサＣ₁ 及びコイルＬ₀ が接続されてお
り、コイルＬ₀ の他端は接地され、充電コンデンサＣ₁
の他端は抵抗Ｒを介して高電圧電源の端子H.V.に接続さ
れている。この抵抗Ｒは高電圧電源から大電流が瞬時的
に流れるのを防止するためのものである。抵抗Ｒと充電
コンデンサＣ₁ との間には、一端が接地されたスイッチ
ング素子S.W.が接続されている。このスイッチング素子
S.W.としては、サイラトロンスイッチやスパークギャッ
プスイッチ、レールギャップスイッチ等が用いられる。

【００２４】各第１の予備電離用電極３と第１の主放電
用電極１とはピーキングコンデンサＣ₂ を介して接続さ
れており、第１の予備電離用電極３は、同側の誘電体パ
イプ５内の棒状コロナ放電用電極６に導電線又は導電板
等により接続されている。第１の主放電用電極１は接地
されている。更に、各第２の予備電離用電極４と第２の
主放電用電極２とは導電線又は導電板等により接続され
ている。尚、図１において、符号８は導電体から形成さ
れたスペーサであり、このスペーサ８により第２の予備
電離用電極４と第２の主放電用電極２とを接続してい
る。

【００２５】次に、ガスレーザ管７の内部構成を図２に
沿って更に具体的に説明する。

【００２６】図示するように、第１の主放電用電極１
は、導電体から成る断面が逆Ｕ字状の枠体９の上部部分
９ａの下面にボルト等の適当な締結手段（図示しない）
により固定されており、その垂直下方の対向位置に一定
の間隔を置いて第２の主放電用電極２が平行に配置され
ている。

【００２７】枠体９の両側部分９ｂの内面にはそれぞ
れ、複数個のピーキングコンデンサＣ₂ が主放電用電極
１，２の長手方向に沿って並設され、その一方の端子が
枠体９に結合されている。また、ピーキングコンデンサ
Ｃ₂ の他方の端子側には、主放電用電極１，２とほぼ同
じ長さの第１の予備電離用電極３が配置され、この端子
と電気的に接続されている。この実施例では、第１の予
備電離用電極３の断面はＬ字状となっており、その垂直
部分がねじ等（図示しない）によってピーキングコンデ
ンサＣ₂ の端子に締結され、それにより予備電離用電極
３自体の支持と、ピーキングコンデンサＣ₂ との電気的
接続が行われている。第１の予備電離用電極３の水平部
分の先端縁は平坦なレール状で、直線状に延びており、
この部分が陰極側の放電発生部３ａとなる。

【００２８】一方、第２の主放電用電極２の左右各側部
には、一定の間隔を置いて第２の予備電離用電極４が平
行に配置されている。この予備電離用電極４と主放電用
電極２との間にはスペーサ８が介設され、両者に結合さ
れている。このスペーサ８は導電体から成り、第２の予
備電離用電極４と第２の主放電用電極２とを電気的に接
続する。第２の予備電離用電極４は、そのレール状の上
端縁が放電発生部４ａとなっており、当該放電発生部４
ａは第１の予備電離用電極３の放電発生部３ａに対して
一定の間隔を置いて対向配置されている。

【００２９】第２の主放電用電極２と各第２の予備電離
用電極４との間には誘電体パイプ５が配置され、スペー
サ８上で固定されている。図１のＡ−Ａ線に沿っての断
面図である図３に明示するように、この誘電体パイプ５
は一端が閉じられており、その内部に棒状のコロナ放電
用電極６が閉鎖端部近傍まで挿入されている。コロナ放
電用電極６の外側端部は誘電体パイプ５から露出してお
り、この露出部と第１の予備電離用電極３とが導電線１
０により電気的に接続されている。ここで、コロナ放電
用電極６は、その露出部と第２の予備電離用電極４との
間の最短距離が第２の予備電離用電極４と第１の予備電
離用電極３との間の最短距離（放電発生部３ａ，４ａ間
の距離）よりも短くなるような位置に配置されることが
必要である。この位置関係は、通常、誘電体パイプ５を
第２の予備電離用電極４に極めて接近させた状態或いは
接触させた状態で配置することで得られる。

【００３０】次に、このような構成のガスレーザ装置に
おいて、主放電が生ずるまでの動作について説明する。

【００３１】まず、高電圧電源により充電コンデンサＣ
₁ に十分に電荷が充電されたならば、図示していない
が、トリガ信号をスイッチング素子S.W.に印加してこれ
を閉じると、各対の予備電離用電極３，４の間、及び、
第２の予備電離用電極４とコロナ放電用電極６との間
に、それぞれ、充電コンデンサＣ₁ にかかっているのと
ほぼ同等の電圧がかかる。前述したように、第１及び第
２の予備電離用電極３，４間の間隔に比して第２の予備
電離用電極４とコロナ放電用電極６の間の間隔の方が狭
いので、第２の予備電離用電極４とコロナ放電用電極６
との間でまず放電が生ずる。この電極４，６間には絶縁
材料から成る誘電体パイプ５が介在されているため、誘
電体パイプ５の表面、特に第２の予備電離用電極４側の
表面に沿ってコロナが生じる。いわゆる沿面コロナ放電
が形成されるのである。このコロナは、第１及び第２の
予備電離用電極３，４間の空間Ｈ₃₄にあるレーザガスの
一部を電離して自由電子を発生させる（図１の点線矢印
参照）。

【００３２】このコロナ放電の後、続いて第１及び第２
の予備電離用電極３，４間でも放電が生ずる。これらの
電極３，４間の空間Ｈ₃₄には、その放電開始前に多量の
自由電子が前記コロナ放電により発生しているため、自
由電子から始まるアバランシェ放電が生じ、その結果、
当該空間Ｈ₃₄にはマルチアーク放電が形成される。前述
したように、マルチアーク放電とは、電極上を動き回る
２本以上の多数のアーク放電を含む集合体をいう。この
マルチアーク放電は、レール状の長い放電発生部３ａ，
４ａ上で生ずるので、一様な広がりを持った状態とな
り、主放電用電極１，２間の空間Ｈ₁₂に向かって一様な
紫外光を発する（図１の実線矢印参照）。仮に、コロナ
放電を行わずに第１及び第２の予備電離用電極３，４間
で放電を行った場合、それらの電極３，４間の一箇所で
糸状のアーク放電が１本生ずるのみである。

【００３３】コロナ放電及びマルチアーク放電が行われ
て、充電コンデンサＣ₁ の電荷がピーキングコンデンサ
Ｃ₂ に移行するに伴って、主放電用電極１，２間の電位
差がゼロから徐々に増大する。この電位差が主放電用電
極１，２間の絶縁破壊電圧に達すると、主放電用電極
１，２間で放電が生ずる。

【００３４】主放電用電極１，２間の空間Ｈ₁₂にあるレ
ーザガスは、マルチアーク放電の紫外光により予備電離
されているが、紫外光は主放電用電極１，２の長手方向
に沿って一様に照射されるので、予備電離も一様に行わ
れている。従って、主放電用電極１，２間には一様性の
良いグロー放電が発生し、その結果、高効率のレーザ光
が発生する。

【００３５】上記実施例では、互いに対向して配置され
た第１及び第２の予備電離用電極３，４の放電発生部３
ａ，４ａはレール状の直線的なものとしたが、これに限
定されるものではなく、１本のレールではなく、分割し
たものでよい。また、図４に示すように、波形の放電発
生部１３ａ，１４ａをそれぞれ有する電極１３，１４を
用いても良い。コロナ放電をあらかじめ発生させない場
合には、これらの電極１３，１４間で放電を行うと、放
電発生部１３ａ，１４ａの対となる隆起部分間にアーク
放電のみが生じる。しかしながら、本発明の如く、コロ
ナ放電を先行させて電極１３，１４間の電離を行った場
合には、隆起部分間で複数のアーク放電が集中するもの
の、全長にわたりグロー放電も発生し、全体的に見た場
合には比較的一様な紫外光が得られる。

【００３６】また、図５に示すように、複数の電極ピン
２３ａ，２４ａを有する予備電離用電極２３，２４にも
本発明は適用可能である。この場合、第２の予備電離用
電極２４の各電極ピン２４ａに隣接する位置に、誘電体
２５で被包されたコロナ放電用電極２６を配置すること
ができる。このような構成において、コロナ放電の後に
各対の電極ピン２３ａ，２４ａ間で放電を行った場合、
電極ピン２３ａ，２４ａ間には複数本のアーク放電とグ
ロー放電とが生じるため、コロナ放電を発生させない場
合に比し、発生される紫外光の一様性は格段に向上され
る。

【００３７】また、図１の実施例では、一端が閉じられ
た誘電体パイプ５にコロナ放電用電極６が挿入されてい
るが、誘電体パイプ５は両端が開放されていても良く、
コロナ放電が形成されるならば、その形状等は図示のも
のには限られない。勿論、上記実施例では、第２の予備
電離用電極４をコロナ放電用として用いているが、電極
６に対応するコロナ放電用電極を別個に設けても良い。
また、電極６と予備電離用電極３を電気的に結合せず
に、電極６とは別のパルス電源を用いて同様にコロナ放
電をおこすこともできる。

【００３８】更に、マルチアーク放電を形成するために
コロナ放電を先行させる放電制御手段も、予備電離用電
極３，４とコロナ放電用電極６の位置関係による必要は
なく、タイミングを確実に制御できる適当な励起回路を
用いることも可能である。

【００３９】その他、本発明は種々の形態で実施するこ
とができる。例えば、図６に示すように、陽極となる主
放電用電極３２が網状である場合、その下方に予備電離
用電極３３，３４の放電発生部３３ａ，３４ａを配置す
ることができる。また、コロナ放電用電極３６が挿入さ
れた誘電体パイプ３５は予備電離用電極３４と網状の主
放電用電極３２との間に配置される。

【００４０】このような構成としても、上記実施例と同
様な作用を呈する。即ち、まず、スイッチング素子S.W.
を閉じると、充電コンデンサＣ₁ の電荷がピーキングコ
ンデンサＣ₂ に移行し、その際にまず誘電体パイプ３５
の表面にコロナ放電が形成される。このコロナにより予
備電離用電極３３，３４間の空間が電離されて、これら
の電極３３，３４間でマルチアーク放電が生ずる。この
マルチアーク放電による一様な紫外光は主放電用電極３
２の網目を通過して主放電用電極３１，３２間の空間の
予備電離を行うのである。従って、主放電用電極３１，
３２間は十分にかつ均等に予備電離され、一様性の良好
なグロー放電を生ずる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、予備電
離用電極間の空間をまず最初にコロナにより電離するこ
とで、その空間で形成される放電をマルチアーク放電と
することができる。従って、従来のアーク放電のみ或い
はコロナ放電のみの場合に比して、一様な紫外光を発生
して予備電離を均質に行うことができる。また、コロナ
放電のみによる予備電離とは異なり、大量の電流が予備
電離用電極間で直接流れることから、強い紫外光が生
じ、予備電離により発生される自由電子の数も多い。従
って、主放電用電極間では円滑に一様なグロー放電が形
成されることとなり、高効率のレーザ光が得られる。

【００４２】また、コロナは予備電離用電極間の電離を
行うためのものであるので、別個の電源を用意する必要
がなく、装置の大型化を招くこともない。

【００４３】更に、マルチアーク放電の場合、有限個の
電極ピンの間で生ずる従来のアーク放電による予備電離
の場合に比べて、最大放電電流密度が大幅に低くなる。
従って、予備電離用電極に加わる衝撃は小さく、予備電
離用電極の消耗は著しく少なくなる。また、主放電用電
極間の予備電離も十分に行われるので、主放電用電極間
の放電の偏りが減り、主放電用電極の消耗も抑制され
る。電極の消耗を抑制することでガスレーザ管内の汚れ
を防止できるし、予備電離用電極の間隔を一定に保つこ
ともできる。これらの点においてもガスレーザ装置の性
能の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放電励起型ガスレーザ装置の一実
施例を示す概略図である。

【図２】図１のガスレーザ装置のガスレーザ管の内部構
成を具体的に示した斜視図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線に沿っての断面図である。

【図４】予備電離用電極の別の例を示す正面図である。

【図５】予備電離用電極の更に別の例を示す正面図であ
る。

【図６】本発明の別の実施例を示す図１と同様な概略図
である。

【図７】従来の紫外光による予備電離方式のガスレーザ
装置を示す概略図である。

【図８】図７のガスレーザ装置における予備電離用電極
ピンの拡大図である。

【図９】従来のコロナによる予備電離方式のガスレーザ
装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１，３１…第１の主放電用電極、２，３２…第２の主放
電用電極、３，１３，２３，３３…第１の予備電離用電
極、４，１４，２４，３４…第２の予備電離用電極、
５，２５，３５…誘電体パイプ、６，２６，３６…コロ
ナ放電用電極、７…ガスレーザ管、８…スペーサ。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−54978（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−147788（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−21883（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−268476（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−177487（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−248092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−40385（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−346280（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−158374（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/097 - 3/0977 H01S 3/03 - 3/038

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスレーザ管内に配置された１対の主放
   電用電極と、前記主放電用電極間のレーザガスを紫外光
   により予備電離するために前記主放電用電極の近傍に配
   置された少なくとも１対の予備電離用電極と、前記予備
   電離用電極間のレーザガスをコロナにより電離するため
   に前記予備電離用電極の近傍に配置された１対のコロナ
   放電用電極と、前記予備電離用電極間の放電の前に前記
   コロナ放電用電極間でコロナ放電を行わせる放電制御手
   段とを備える放電励起型ガスレーザ装置であって、 前記放電制御手段が、前記予備電離用電極の対と前記コ
   ロナ放電用電極の対とを並列に結線すると共に、前記予
   備電離用電極間の間隔に比して前記コロナ放電用電極間
   の間隔を狭くしたことから成る、放電励起型ガスレーザ
   装置。
2. 【請求項２】 前記コロナ放電用電極の一方は、絶縁材
   料から成る誘電体パイプ内に挿入された棒状電極であ
   り、前記コロナ放電用電極の他方は前記予備電離用電極
   の一方と共用されている請求項１に記載の放電励起型ガ
   スレーザ装置。
3. 【請求項３】 前記予備電離用電極の放電発生部はレー
   ル状である請求項１又は２に記載の放電励起型ガスレー
   ザ装置。