JP3757025B2

JP3757025B2 - 同軸ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP3757025B2
Application number: JP10696597A
Authority: JP
Inventors: 孝久實野
Original assignee: 孝久實野
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: JPH10303487A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス放電励起型ガスレーザの改良に係り、更に詳細には、発振媒体ガスのコロナ放電を利用して主放電のスイッチングを行うことにより高速大電流用スイッチを不要にすると共に、高インピーダンスの電圧源を用いて発振効率を高く維持し、しかも主放電方向をレーザ放射方向と同軸構造にした放電ムラ等が影響することのない安定な同軸ガスレーザ励起を可能とした同軸ガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、穴開け、切断、マーキングおよびレーダー等の分野に使用されるパルス放電励起型ガスレーザ、例えばエキシマレーザ、ＣＯ₂レーザ、Ｎ₂レーザ等においては、放電をスタートさせるためにスパークギャップやサイラトロン等の高電圧スイッチを使用してきた。この目的は、立上りの早い電圧パルスを発生させ、その電圧を主電極に印加して速やかな励起放電を作り出すことである。
従って、パルス放電励起型ガスレーザにおいては、高電圧スイッチは特殊な例を除き、不可欠な要素であった。
【０００３】
典型的なパルス放電励起型ガスレーザの例として、光軸（レーザ放射方向）と直交する方向に放電電流が流れる横方向励起のＣＯ₂レーザの回路構成を図７に示す。
【０００４】
図７は、充電抵抗１、コンデンサー２、サイラトロン３からなる高電圧パルス発生回路Ａと、主電極４ａ・４ｂ、バッファキャパシター５、予備電離ギャップ６からなる自動予備電離放電回路Ｂ、送風ファン８および放電管９から構成されている。
【０００５】
この回路の作動を説明すると、高電圧電源７からの充電により充電抵抗１およびコンデンサー２により決まる時定数に従ってコンデンサー２が充電される。このコンデンサー２の電圧が一定値まで上昇するとサイラトロン３が直ちに働き主電極４ａ・４ｂ間に放電電圧が印加される。この電圧は予備電離ギャップ６にも作用し、この予備電離ギャップ６の放電により、放電管９内の媒体ガスが自動的に予備電離され、これをトリガーにして主電極４ａ・４ｂ間に主放電が生起する。
【０００６】
図８は図７の放電管内部の簡略斜視図である。
放電管９は筒状で、その軸方向に長尺の主電極４ａ・４ｂおよび送風ファン８が狭い空間内に配置されている。放電は矢印で示すように対向する主電極４ａ・４ｂ間の短区間で起り、励起レーザ光は波線で示すように軸方向に放射される。放電方向と放射方向が直交するため横方向励起と呼ばれる。
送風ファン８は放電空間内の残留イオンを均一にするため、放電空間内の媒体ガスを循環させるために設けられている。図７に矢印で示すように、媒体ガスは放電管９内を周方向に循環する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような予備電離型放電回路においては、レーザの出力効率を高めるため、主電極４ａ・４ｂ間に印加される放電電圧を可能な限り急峻なものとする必要がある。その理由は、主放電空間Ｃが放電電圧の印加と同時に既に予備電離されているため、電圧の立上りが緩慢であると放電電圧の低いところで主放電が開始することになり、入力エネルギーが無駄に消費されることになるからである。したがって、従来の予備電離型放電回路においては、主放電回路にサイラトロンやスパークギャップ等の高速大電流用のスイッチ機構を必要としていた。
【０００８】
図７に示すように、この高電圧スイッチは放電管に直列に接続されているから、放電に投入される全電荷量が高電圧スイッチを通過し、高電圧スイッチの寿命が問題となってきている。通常のサイラトロン等では１０の８乗程度のショット数で劣化を生じることが判っている。このような短寿命性は放電励起ガスレーザ全体の性能を大幅に制限している。しかも、このスイッチは高い耐電圧と確実なスイッチングを確保するために、精度の高い非常に高価な部品でもあり、この交換には高いコストを必要としていた。
【０００９】
また、図８から分るように、主電極４ａ・４ｂは狭い放電空間を介して長区間対向しており、この長区間に均一な放電を生起することが安定で良好なレーザ励起の条件である。この均一性の確保のために、放電空間を均一に弱く電離して放電を助ける予備電離が必須であり、放電励起ガスレーザ装置の構造を複雑にしている。しかも、放電後、空間に残留するイオン量が均一でないと、次の放電が極在化して出力が低下する。それを防止するために送風ファン８の設置がどうしても必要であった。しかし、ファン８を配置するためには放電管を大きくしなければならず、しかも機械部品を導入するため、故障確率が高くなる欠点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、請求項１の発明は、発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記副電極の両端部に絶縁体を配置すると共に主電極から絶縁体まで筒状放電管を導体により被覆し、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向にレーザ光を発振放射させることを発明の基本構成とするものである。
【００１１】
請求項２の発明は、発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記筒状放電管を２分割すると共に副電極を中間部に介装して両放電管を連結一体化し、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向にレーザ光を発振放射させることを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記主パルス状電圧と副パルス状電圧とが逆極性で印加され、放電空間の電界強度を強める構成としたものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、発振媒体ガスを筒状放電管から外部にフローさせる構成としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
従来のガスレーザ励起方法の有する欠点が横方向励起方式によることから、本発明者はこれら欠点を全面的に解消するため同軸励起方法を想到するに到った。これは放電方向とレーザ光放射方向とを同方向とするもので、筒状放電管の軸方向両端に主電極を対向配置し、放電管の軸方向長さが放電長となる。
【００１５】
本発明では高電圧スイッチを使用せず、放電管自体をスイッチとして作動させるために、放電励起型のガスレーザ装置の長寿命化を達成でき、同時に低コスト化も実現できる。同軸励起方式を採用しているため放電長が長く、その放電空間における予備電離の一様性はほとんど問題にならない。仮に予備電離が不均一であったとしても、放電が始まれば全て一本の放電路内に存在し、電子なだれ機構およびストリーマ機構により一本の放電中に吸収されてしまうからである。
【００１６】
また、放電空間に残留イオンが残っていても、同軸放電の場合にはほとんど影響を与えない。これは、上述した予備電離の不均一性が影響を与えないのと全く同様に、放電が始まれば一本の放電中に不均一残留イオンが全て吸収されてしまうからである。
更に、放電長が長いから放電の形成遅れ時間が大きく、立上りの早い電圧パルスを用いる必要もなくなる。
立上りの遅い電圧パルスでも放電の形成遅れ時間に間に合えばよいからである。この理由からも高電圧スイッチが不要となる。
【００１７】
本発明では、筒状放電管の両端に対向配置されている主電極間に主パルス状電圧を印加する。
この主パルス状電圧の値は封入されている所定圧力の発振媒体ガスを単独に放電できる電圧値より小さく設定されている。この状態で、中間部に配置されている副電極に副パルス状電圧を印加して、副電極近傍にコロナ放電を発生させる。このコロナ放電がトリガーとなって主電極間に主放電が生起され、レーザ発振が起る。
即ち、副電極の電圧を制御して放電管自体、換言すれば放電空間をスイッチとして動作できる。
【００１８】
主パルス状電圧に対し、副電極と一方の主電極間に印加される副パルス状電圧を逆極性にすると、放電管内の電界強度が高まる結果コロナ放電を容易に発生できる。
また、筒状放電管の中間部に２つの副電極を絶縁して配置し、これらの副電極間に印加される副パルス状電圧を主パルス状電圧に対し同極性にすれば、同様に放電管内の電界強度を高めることができ、コロナ放電をトリガーにして主放電を生起することもできる。
【００１９】
【実施例】
図１は本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第１実施例の概略断面図である。筒状放電管１０の両端には主電極１２ａ・１２ｂが対向配置され、またその一端には反射鏡１４および他端には出力鏡１６が設けられている。筒状放電管１０の内部には発振媒体ガス１８が密封されており、用途に応じてガスを変更すればよい。２０はリング状の副電極、２２は主電圧源、２４は副電圧源で共に主電極１２ｂを接地しており、Ｃは放電用キャパシターである。副電極２０の位置は、主電極１２ａからの長さが主電極１２ｂからの長さの２倍になる位置が合理的である。
【００２０】
試作品で説明すると、放電管１０はガラスやセラミック等の絶縁材料で形成され、厚さ１〜２ｍｍ、軸長３０ｃｍまたは６０ｃｍ、外直径１２〜１３ｍｍである。反射鏡１４は反射率９５％の共振器となり、出力鏡１６は長さ３０ｃｍ放電管に対して焦点距離１０ｍ、長さ６０ｃｍ放電管に対して焦点距離１５ｍに設定されている。又、発振媒体ガス１８はＨｅとＮ₂とＣＯ₂が３：１：１の混合ガスであり、現在の出力は４０ミリジュール、パルス周波数約１００ＨＺである。
これらの材料、数値等は目的、用途に応じて種々に設計変更できる。
【００２１】
図２は同軸ガスレーザ装置の駆動回路の一例を示すものである。主電圧源２２は６００Ｖの直流高圧電源ＨＰ、抵抗Ｒ、コンデンサＣ₁、サイリスタＳＣＲ、トランスＴおよびダイオードＤ₁からなり、副電圧源２４はダイオードＤ₂、放電ギャップＧおよびコンデンサＣ₂から構成されている。
【００２２】
次に上記回路の作動について説明する。直流高圧電源ＨＰから抵抗Ｒを介してコンデンサＣ₁に電流が流れ、その時定数に従ってコンデンサＣ₁が充電される。サイリスタＳＣＲのゲート電流が流れると、サイリスタＳＣＲは導通状態となり、コンデンサＣ₁がトランスＴのコイルを介して放電を始める。トランスＴにより点Ｐの電位が−３０ＫＶに達し、ダイオードＤ₁を介して放電用キャパシタＣが充電される。
その結果、主電極１２ａが−３０ＫＶになる。
【００２３】
ダイオードＤ₁を流れる電流の一部はダイオードＤ₂を介してコンデンサＣ₂に流入し、点Ｑの電位は３０ＫＶにまで上昇する。この瞬間、放電ギャップＧが放電することにより副電極２０が導通し、副電極２０の電位が３０ＫＶになる。
【００２４】
放電管１０の電位状態を電位図である図３を用いて説明する。原点は主電極１２ｂ、ｙ₁は副電極２０およびｙ₂は主電極１２ａの位置を示している。
主電極１２ｂに対し主電極１２ａの電位は負（−３０ＫＶ）であり、他方主電極１２ｂに対し副電極２０の電位は正（＋３０ＫＶ）になっており、主電極間に対し副電極と主電極間の極性が逆になっている。
従って、点線で示す電位傾度、即ち電界強度よりも、副電極２０を配置することによる電界強度は図示の如くかなり強くなる。
【００２５】
副電極２０に副パルス状電圧が印加されると、副電極近傍の発振媒体ガスがコロナ放電を始め、正イオンは主電極１２ａ・１２ｂに向って走り出し、次々と媒体ガスをイオン化して電子なだれ現象が生起する。又、再結合時に発する紫外線によるストリーマ機構によってもイオン化が加速し、主電極間に一気に主放電が発生する。
この主放電により出力鏡１６から主放電方向と同じ軸方向にレーザ光が励起放射される。
そして、放電後サイリスタＳＣＲは遮断されるが、再び充電が開始され、この繰り返しによりレーザ光が安定して定常的に放射され続ける。
【００２６】
図４は第２実施例の概略断面図である。
発振媒体ガスをフロー式にしたもので、主電極１２ａ上にガス流入口２８ａおよび主電極１２ｂ上にガス流出口２８ｂを設けて、ガスを矢印方向に流動させる方式である。本発明の同軸構造では残留イオンの影響はほとんどないが、本実施例のようにガスをフローさせることによって、放電管内に発生する不純物の問題を完全に解消したものである。
【００２７】
図５は第３実施例の概略断面図である。
本実施例では筒状放電管１０を２分割し、放電管１０ａ・１０ｂとしている。この間に副電極２０を介装して両放電管１０ａ・１０ｂを一体化したものである。副電極２０が直接発振媒体ガスに露出しているので、コロナ放電を生起しやすい。
【００２８】
図６は第４実施例の概略断面図である。
本実施例では、筒状放電管１０の周りに副電極２０を巻装し、その両端に絶縁体３０ａ・３０ｂを配置する。主電極１２ａ・１２ｂに導通した状態から絶縁体３０ａ・３０ｂまで導体３２ａ・３２ｂを被覆する。導体３２ａ・３２ｂを被覆しておくと、放電管内面でコロナ放電が発生し、副電極２０によるコロナ放電と相乗して、主放電を安定して生起できる。又、回路のインダクタンスが減少するので、放電用キャパシタ２６のエネルギーを効率的にレーザ光に変更できる。
【００２９】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により放電回路のスイッチが不要となり、スイッチ素子の寿命で制限を受けることなくレーザを作動させることができる。又、従来装置で比較的大きな容積を占めていたサイラトロン等のスイッチとその付属回路が不要となるため、装置の大幅な小型化と低価格化が実現できる。
【００３１】
又、本発明では同軸方式を採用したため、放電管の軸方向位置における残留イオンの不均一や放電のムラ等が無視でき、発振媒体ガスの循環用ファンも不要となる。更に、放電長が長いために、放電の形成遅れ時間も大きく、立上りの早い電圧パルスを用いる必要もない。加えて、放電管の構造が従来に比べて大幅に簡素化されるため、ガスを封じきって使用する密封式の場合には、高い気密性が得られ、長寿命の作動を実現できる。
【００３２】
このように、放電管の構造が簡単になることにより、共振器の安定性が増し、使用する部品数が大幅に減少し、封じきりが容易になることで作動寿命が延びる等、産業応用の面でも実用的なレーザ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第１実施例を示す概略断面図である。
【図２】同軸ガスレーザ装置の第１実施例の駆動回路である。
【図３】第１実施例の放電管の電位図である。
【図４】第２実施例の概略断面図である。
【図５】第３実施例の概略断面図である。
【図６】第４実施例の概略断面図である。
【図７】従来例である横方向励起の回路構成図である。
【図８】従来例である放電管内部の簡略斜視図である。
【符号の説明】
１０・１０ａ・１０ｂ…筒状放電管、１２ａ・１２ｂ…主電極、１４…反射鏡、１６…出力鏡、１８…発振媒体ガス、２０…副電極、２２…主電圧源、２４…副電圧源、２６…放電用キャパシター、２８ａ…ガス流入口、２８ｂ…ガス流出口、３０ａ・３０ｂ…絶縁体、３２ａ・３２ｂ…導体、ＨＰ…直流高圧電源、Ｒ…抵抗、ＳＣＲ…サイリスタ、Ｃ₁・Ｃ₂…コンデンサ、Ｔ…トランス、Ｄ₁・Ｄ₂…ダイオード、Ｇ…ギャップ、Ｃ…放電用キャパシタ。

Claims

発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記副電極の両端部に絶縁体を配置すると共に主電極から絶縁体まで筒状放電管を導体により被覆し、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向にレーザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ装置。
発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記筒状放電管を２分割すると共に副電極を中間部に介装して両放電管を連結一体化し、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向にレーザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ装置。
前記主パルス状電圧と副パルス状電圧とが逆極性で印加され、放電空間の電界強度を強める構成とした請求項１又は請求項２に記載の同軸ガスレーザ装置。
発振媒体ガスを筒状放電管から外部にフローさせる構成とした請求項１又は、請求項２に記載の同軸ガスレーザ装置。