JP3842814B2 - パルスガスレーザ発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガスレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生させるパルスガスレーザ発生装置に関する。

例えば窒素（Ｎ₂）レーザやエキシマレーザなど、紫外域のパルスガスレーザ発生装置は、蛍光分析や、ガスの吸光等を用いたリモートセンシング装置、或いは光化学反応プロセス応用、さらには他のレーザ装置に利用されている。そして、このパルスガスレーザ発生装置としては、レーザ発振の光軸に沿った長い電極を用い、紫外光予備電離による横方向放電励起方式の装置が実用になっている。

横方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置では、放電領域が均一に励起され難く、１パルス毎のレーザ出力のゆらぎが発生し易い。また、この横方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置では、出力レーザビームの横断面形状が長方形等の非円形であるため、通常、円形である光ファイバにより伝送する場合に、レーザ装置としての伝送効率が低くなる。

このような不都合を解消する方式として、例えば特開平１−１０３８８９号、特開平４−２５１８７号、特開平８−３１６５５０号、或いは特開平９−８３０４２号公報等で知られるようなレーザ光軸方向すなわち縦方向の放電励起を利用する方式がある。縦方向放電励起方式自体は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ管、アルゴンレーザ管、ＣＯ₂レーザ管などでも知られている。しかし、これらは、通常、印加電圧に高電圧パルスを重畳して放電を開始させている。

縦方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置は、図１９にその概略構成を示すように、ガスレーザ管１１と、それに動作開始トリガ電圧及び動作電圧を供給するように電気的に接続された電源装置１２とを備えている。この電源装置１２は、高電圧発生器と高電圧トリガ電源を有し、ストレージコンデンサ１３を介してレーザ管１１に接続されている。

レーザ管１１は、真空容器である円筒状絶縁管１１ａの内部に、レーザ媒質１４として例えば窒素ガスが所定の圧力で封入されている。さらに絶縁管１１ａの両端部は出力ミラー１７及び高反射ミラー１８で真空気密に閉じられ、且つこの近傍内部に一対の放電用電極となる円筒状の陰極１５及び陽極１６が設けられている。

このような窒素ガスレーザ装置は、高いトリガ電圧が電源装置１２内のトリガ回路から陽極と陰極間に供給され、このトリガ電圧の印加により陽極１６と陰極１５との間の媒体ガスを通しての電気的絶縁破壊が起こり、ストレージコンデンサ１３に蓄えられていた電荷が陽極と陰極間を流れてレーザ媒質が活性化される。それにより、高反射ミラー１８と出力ミラー１７との間で光共振が起こり、出力ミラー１７からレーザ光が出力されるようになっている。

上記のような縦方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置は、断面円形の出力レーザ光が得られる利点がある。しかし、高繰返しのレーザ発振を安定的に行なわせるためには、相当に高いトリガ電圧および主放電電圧を陰極および陽極間に供給しなければならない。それによると、陰極或いは陽極に輝点と称される放電電流が局部集中する現象が発生し、陰極或いは陽極の材料がスパッタリングを起す場合がある。このスパッタリングは、ミラーを汚染してレーザ発振効率を低下させ、或いは主放電路を構成する絶縁管内面に付着して耐電圧性能を損なう等の不都合がある。

また、不十分な予備電離は、レーザビームを横断面でみて中央部分が十分に励起されないでドーナツ状の強度分布やパルス毎の出力の不安定、不揃いを引き起こすなど、さらに改良の余地が残されている。

この発明は、主放電用電極に輝点を生じることなく高繰り返しのパルス発振が可能であるとともに横断面が円形で均一な強度分布の出力レーザビームが得られるパルスガスレーザ発生装置を提供することを目的とする。

この発明のパルスガスレーザ発生装置は、上記した目的を実現するために、第１の主電極、主放電路を形成するための絶縁体製筒状放電管、および第２の主電極の順に縦列配置され且つ内部に媒体ガスが収容され、これら第１主電極および第２主電極の外方に光共振器を構成する一対のミラーが配置され、さらに第１主電極および第２主電極の間に主放電用電圧を印加する電源装置を備えるパルスガスレーザ発生装置において、第１主電極または第２主電極の少なくとも一方の主電極の近傍に、筒状誘電体と該筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを有し、且つ動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように補助電極に電圧を印加する補助電極電圧印加手段を有している。

この発明によれば、横断面が円形でほぼ均一な強度分布のパルスレーザ出力が高繰り返しで得られる。そして、金属電極に輝点が発生したりスパッタリングが発生することが抑制され、長時間安定な動作が維持される。

以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、同一部分は同一符号で表わす。図１に示す実施例は、パルスガスレーザ管の真空容器を構成する円筒状絶縁セラミックスからなる放電管２１の内部に、レーザ用の媒体ガスとして窒素ガスが所定の圧力で封入されている。この放電管２１の図示左側には出力ミラー膜を内面に有するガラス板製の出力ミラー２２が真空気密に接合され、図示右側には高反射ミラー膜を内面に有するガラス板製の高反射ミラー２３がそれぞれ真空気密に接合されて、光共振器を構成している。

そして、主放電路を構成する放電管２１は、金属リングからなる中間電極２６を間に挟んで同一内直径の絶縁セラミックス製の第１円筒部２１ａ、及び第２円筒部２１ｂがレーザ光軸方向に縦列配列され気密接合されている。両円筒部２１ａ、２１ｂの中間電極２６に接合された部分の内側には、金属円筒からなる中間電極円筒部２６ａが配置されている。また、中間電極２６には金属排気管２６ｂが接続されている。

放電管の第１円筒部２１ａの図示左方端部には、放電路に内面が露出した陰極２５が気密接合され、外周には陰極２５から延長された第１の外導体３１が密に嵌合配置されている。この第１外導体３１の他端部３１ｂは、中間電極円筒部２６ａの端部の近くに対応する位置まで延長されている。

さらに、陰極２５の図示左方には、高誘電率のセラミックスからなる誘電体円筒４０が気密接合され、さらにその左端に金属リングからなる補助電極４１が気密接合され、この補助電極４１に出力ミラー２２が気密接合されている。これら陰極２５、補助電極４１およびこれらに挟まれた誘電体円筒４０は、後述するように、動作中に誘電体円筒４０の内面およびその内側領域にプラズマ陰極２５ａが生成される。こうして、内部で対向し合うプラズマ陰極２５ａと中間電極円筒部２６ａとの間に、第１の放電路２０ａが構成される。

また、放電管の第２円筒部２１ｂの図示右端には、金属リングからなる陽極２４が気密接合され、この陽極２４の先端に高反射ミラー２３が気密接合されている。こうして、内部で対向し合う中間電極円筒部２６ａと陽極２４との間に第２の放電路２０ｂが構成される。なお、これら第１放電路２０ａと第２放電路２０ｂとの軸方向の長さの比率は、後に説明するように、所定の比率となるように設定されている。そして、放電管２１の内部は、排気管２６ｂで排気されたうえで窒素ガスが所定の圧力となるように放電管内部に封入され、しかる後、排気管２６ｂは封止切りされている。

さらに、放電管の第２円筒部２１ｂの外周には、同じく金属円筒からなる第２の外導体３２が密に嵌合配置されている。この第２外導体３２の一端部３２ａは陽極２４に固定されていて電気的に短絡接続され、他端部３２ｂは中間電極円筒部２６ａの端部の近くに対応する位置まで延長配置されている。

そして、放電管の第２円筒部２１ｂ及び第２外導体３２のまわりには、円筒状の同軸型のストレージコンデンサ３０が同軸的に配置されている。この同軸型ストレージコンデンサ３０は、高誘電率のセラミックスからなる円筒状誘電体３０ａの内周面及び外周面にそれぞれ内周電極３０ｂ、外周電極３０ｃが接着されている。一方の内周電極３０ｂは、導電性及び機械的強度の高い導電体リング３４により第２外導体３２の図示左側の先端部３２ｂに直接結合して電気的に短絡接続されている。他方の外周電極３０ｃは、接地電極として第１電源装置２７の負極とともに接地されている。さらに、同軸型コンデンサ３０の内周電極３０ｂは、第１電源装置２７の正極端子に電気的に接続されている。

こうして、主放電用の電荷を蓄積する同軸型ストレージコンデンサ３０の正極側は、導電体リング３４によってガスレーザ管の中間電極部に近接配置されている第２外導体先端部３２ｂの全外周に直結されて電気的に短絡接続されている。

なお、導電体リング３４は同軸型コンデンサ３０をレーザ管に機械的に保持させる機能も兼ねており、また、同軸型コンデンサ３０は図示しない絶縁体樹脂で覆われている。

また、中間電極２６、および陰極側の補助電極４１には、第２電源装置２８からトリガ電流制限用高抵抗素子２９ａ，２９ｂをそれぞれ介してパルス状のトリガ電圧が供給されるように電気的に接続されている。この第２電源装置２８は、パルスレーザ発振の繰返し周波数に対応する制御トリガパルス電圧を発生するものであり、内部電源やパルストランス等で構成されている。そしてこの第２電源装置２８からトリガパルス電圧を中間電極２６に供給するように接続されている。

次に、図１に示すレーザ発生装置の駆動制御方法および動作例について、図２および図３により説明する。図２の（ａ）に示す距離Ｌａは、ガスレーザ管の陰極２５と中間電極２６との間の第１放電路２０ａの軸方向の長さ、距離Ｌｂは中間電極２６と陽極２４との間の第２放電路２０ｂの軸方向の長さをあらわしており、この実施例での両者の比率（Ｌｂ：Ｌａ）は、概ね（２：１）に設定されている。なお、各放電管円筒部内に形成される各放電路の軸方向長さは、その放電路の直径即ち各放電管円筒部の内径寸法よりも十分大きい寸法になっている。それに対して、動作中に内面およびその内側領域にプラズマ陰極２５ａが生成される誘電体円筒４０の軸方向の長さは、第１放電路２０ａの軸方向の長さ（Ｌａ）
の２分の１以下、より好ましくは３分の１以下に設定されている。

そこでまず、ガスレーザ管の主放電電極対であるところの陰極２５と陽極２４との間には、第１電源装置２７から、自己放電開始電圧以下の直流電圧すなわち陽極２４に正電圧（＋Ｖｏ）が印加される。図１に示した構造から明らかなように、陽極２４は、第２外導体３２、導電体リング３４および同軸型コンデンサ３０の内周電極３０ｂを介して第１電源装置２７の正極に接続されている。それに対して、陰極２５は、第１外導体３１を介して接地されている。

これによって、陰極と陽極との間の放電管２１内の電位勾配Ｅｏは、概ね（Ｅｏ＝Ｖｏ／（Ｌａ＋Ｌｂ））であり、同図の（ｂ）に直線Ｅｏで示してある。この電位勾配Ｅｏは、放電路中で自己放電を生じない値、即ち、放電路中のどこにもコロナ放電、予備電離領域が存在しない限りこの電位勾配では主放電を起こさない電位勾配である。

一方、中間電極２６には、第２電源装置２８から抵抗２９ａを介して負のパルス状トリガ電圧（−Ｖｔ）が印加される。また、補助電極４１には第２電源装置２８から同様に抵抗２９ｂを介して負のパルス状トリガ電圧（−Ｖｔ）が印加される。これによって、接地電位である陰極２５と補助電極４１との間に印加されるトリガ電圧（−Ｖｔ）により、誘電体円筒４０の内面およびその内側領域にプラズマ陰極２５ａが生成される。

各電極にこのような電圧が印加された時の各電極間の電位勾配は、同図の（ｂ）に示すような関係になる。すなわち、陰極２５と中間電極２６との間の第１放電路即ち第１円筒部２１ａ内の電位勾配Ｅａの絶対値は、概ね（Ｅａ＝−Ｖｔ／Ｌａ）であり、同図（ｂ）に直線Ｅａで示してある。また、中間電極２６と陽極２４との間の第２放電路即ち第２円筒部２１ｂ内の電位勾配Ｅｂの絶対値は、概ね（Ｅｂ＝（｜Ｖｏ｜＋｜Ｖｔ｜）／Ｌｂ）であり、同図（ｂ）に直線Ｅｂで示してある。同時にまた、プラズマ陰極２５ａを構成する陰極２５と補助電極４１との間の電位勾配Ｅｐの絶対値は、誘電体円筒４０の軸方向の長さが第１放電路２０ａの軸方向の長さ（Ｌａ）の２分の１以下、より好ましくは３分の１以下に設定されているので、第１円筒部２１ａ内の電位勾配Ｅａの２倍以上の絶対値となる。

このような各電極間の電位勾配により、陰極２５と補助電極４１との間の誘電体円筒４０の内側には、いち早くプラズマ陰極２５ａが生成されるとともに、中間電極２６へのトリガ電圧印加による電位勾配Ｅａ，Ｅｂの絶対値は、第１および第２放電路中の中間電極２６の近傍領域Ａ、Ｂのいすれにもコロナ放電、予備電離を生じて絶縁破壊を起こす電位勾配である。

この実施例においては、各放電路長の比率（Ｌｂ：Ｌａ）が（２：１）に設定されているので、各印加電圧の絶対値を等しく、即ち（｜Ｖｏ｜＝｜Ｖｔ｜）にして印加すると、各放電路の電位勾配Ｅａ，Ｅｂの絶対値は互いに等しくなり、この電位勾配Ｅａ，Ｅｂで第１および第２放電路中に同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こる。このような関係に各印加電圧（＋Ｖｏ，−Ｖｔ）を設定しておく。この主放電は、プラスマ陰極２５ａが主放電の電子供給源となってパルス状主放電が起る。なお、この主放電電流は、陰極２５と陽極２４との間に流れる。

こうして、補助電極４１および中間電極２６へのトリガ電圧の同時的な印加により、プラズマ陰極２５ａが生成されるとともに、中間電極２６とこれに近接する陰極側外導体端部３１ｂ、陽極側外導体端部３２ｂ付近の放電路領域Ａ，Ｂにコロナ放電及び予備電離が生じ、各放電路で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こる。この絶縁破壊即ち陰極及び陽極間の絶縁抵抗の急激な低下が起こると、同軸型ストレージコンデンサ３０に貯えられていた電荷は、まず導電体リング３４を経て放電管を取巻く第２外導体３２の端部３２ｂに供給され、この外導体３２を経て陽極２４に伝わり、放電路に供給される。これにより両放電路を通して主放電が起こり、レーザ媒体が活性化され、パルスレーザ発振が生じる。

この実施例の動作態様を図３によりさらに補足的に説明する。同図の（ａ）に示すように、陰極と陽極との間にはストレージコンデンサに蓄えられた電圧（＋Ｖｏ）が供給されている。そして、中間電極に、ある時刻ｔ１から負の方向に増大するパルス状トリガ電圧（−Ｖｔ）が加わり、時刻ｔ２で放電路の絶縁破壊が起こる。

この絶縁破壊の時刻ｔ２で、同図の（ｂ）に示すように、陽極と陰極との間に瞬時に大きい主放電電流Ｉｄが流れる。この主放電電流Ｉｄによって、同図の（ｃ）に示すように、パルスレーザ発振が生じ、例えば５ナノ秒（ｎ−ｓｅｃ）程度の狭いパルス幅のレーザ出力が得られる。なお、コンデンサの両端電圧即ち陽極と陰極との間の電圧は、主放電により瞬時に低下し、この主放電の終了の後に再び同軸型ストレージコンデンサへのチャージにより上昇する。この動作は、パルスレーザ発振の繰返し周波数に対応するパルス状トリガ電圧の印加により、繰返される。

こうして、任意の繰返し周波数のパルスレーザ出力が得られる。そして、放電路の全域で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こり主放電が起こるので、高い発振効率が得られる。また、出力レーザビームは、横断面円形で且つ均一な強度分布となる。

なお、上述のように放電管のまわりに同軸コンデンサを配置することにより、電荷転送が全周で均一に行われ、且つ伝導路のインピーダンスが小さくなるので、より高繰り返しのパルスレーザ発振が可能となる。

また、中間電極およびプラズマ陰極用の補助電極へのトリガ電圧供給回路のインピーダンスを極めて高くしてあるので、中間電極および補助電極には主放電電流はもちろん流れず、トリガ電圧の印加による電流もきわめて微弱な電流であるので、中間電極および補助電極の材料がスパッタリング等を起こすおそれもない。

なおまた、中間電極に印加するトリガ電圧（Ｖｔ）は、上述の実施例のように、ストレージコンデンサから陰極又は陽極に供給する電圧の極性と逆極性にすれば、高電圧が印加される各部品の耐電圧性能をむやみに高くする必要がなく、実用上望ましい。しかし、各部品の耐電圧性能が必要十分であれば、中間電極に印加するトリガ電圧（ｖｔ）とストレージコンデンサから陰極又は陽極に供給する電圧との極性を同じにして各放電路の電位勾配が同等又はほぼ同等となるように各電圧を設定してもよい。

ところで、上述の実施例は、中間電極を挟んで両側に設けられる各放電路の長さ（Ｌｂ：Ｌａ）を約（２：１）に設定し、陰極と陽極との間に電圧（Ｖｏ）に対してパルス状トリガ電圧の尖頭値（Ｖｔ）を負の同等電圧とした例である。しかし各放電路長や印加電圧はそれに限らず、上述と類する動作が得られる範囲で任意に設定できる。

図４にその目安となるグラフを示す。同図の横軸は各放電路長の比率（Ｌｂ：Ｌａ）をあらわし、縦軸は各印加電圧及び各放電路の電位勾配の比をあらわしている。なお、これら各印加電圧比、電位勾配比は、いずれも絶対値で計算した値をあらわしている。同図のグラフ中の曲線Ｒは、各放電路の電位勾配（Ｅａ，Ｅｂ）が等しくなるトリガ電圧（−Ｖｔ）と陰極−陽極間電圧（Ｖｏ）との比（Ｒ＝｜Ｖｔ｜／｜Ｖｏ｜）の計算結果をあらわしている。また、曲線Ｓは、その時の各放電路の電位勾配（Ｅａ，Ｅｂ）と陰極−陽極間電圧（Ｖｏ）による電位勾配（Ｅｏ）との比（Ｓ＝（Ｅａ，又はＥｂ）／Ｅｏ）の計算結果をあらわしている。

したがって、このグラフから、各放電路長の比率（Ｌｂ／Ｌａ）を、例えば１．５に設定した場合、各放電路の電位勾配が等しくなる各印加電圧の比Ｒは、（Ｒ＝｜Ｖｔ｜／｜Ｖｏ｜＝２）であり、その時の電位勾配比Ｓは（Ｓ＝（Ｅａ，又はＥｂ）／Ｅｏ＝５）であることを示している。また、各放電路長比を例えば３に設定した場合は、各放電路の電位勾配が等しくなる各印加電圧の比Ｒは０．
５であり、その時の電位勾配比Ｓは２であることを示している。

このような関係から、各放電路長及び各印加電圧を適宜設定することができるが、実用に適する各放電路長の比率（Ｌｂ／Ｌａ）は、概ね、１．５〜４．０の範囲である。また、各印加電圧の比率は、各放電路での電位勾配が等しい条件においては、電位勾配比（Ｓ＝（Ｅａ，又はＥｂ）／Ｅｏ）が概ね１．７〜５．０の範囲が適当である。但し、各放電路の電位勾配（Ｅａ，Ｅｂ）は必ずしも等しくなくてもほぼ同時に絶縁破壊が起こるので、両電位勾配の比率（Ｅａ／Ｅｂ）
は、１．０±０．５、より好ましくは、１．０±０．３に定めるとよい。

図５に示す実施例は、中間電極２６の近くまで延長配置した第１外導体３１、第２外導体32の各端部から、電界集中用の細い導電体リング３１ｃ，３２ｃを複数本の導電体接続ワイヤ３１ｄ，３２ｄで突出させて配置したものである。これら細い導電体リング３１ｃ，３２ｃは、図示のように中間電極円筒部２６ａの両端部外周位置に重なるように配置してもよいし、又は重ならない近接位置に配置してもよい。また、いずれか一方の外導体にのみ設けてもよい。

この実施例によれば、各細い導電体リング３１ｃ，３２ｃに電界が集中するので、トリガ電圧印加時のコロナ放電、それに伴なう予備電離がより効率よく生じ、良好なパルスレーザ発振動作が得られる。

図６に示す実施例は、中間電極円筒部２６ａと各外導体各端部３１ｂ，３２ｂとが、長さ方向に所定距離ｍ，ｎだけ重なるように配置したものである。この実施例によっても、相互に重なった領域付近の放電路中にコロナ放電、それに伴なう予備電離がより効率よく生じ、良好なパルスレーザ発振動作が得られる。

図７に示す実施例は、第１外導体端部３１ｂ、及び第２外導体端部３２ｂの内側の放電管内に、それぞれ細い導電体リング２６ｃ，２６ｄを配置し、これらを例えば３本の接続ワイヤ２６ｅ，２６ｆで電気的に中間電極の円筒部２６ａに接続し、機械的に支持したものである。

この実施例によれば、中間電極２６に接続された細い導電体リング２６ａ，２６ｂの付近にトリガ電圧印加による高い電界が発生するので、コロナ放電、それに伴なう予備電離が一層起こり易くなる。

図８に示す実施例は、中間電極の円筒部２６ａと第１外導体端部３１ｂ及び第２外導体端部３２ｂとの間の領域の放電管の内外両側に、細い外部導電体リング３１ｃ，３２ｃと、細い内部導電体リング２６ｃ，２６ｄとを相対向させて配置したものである。この実施例によれば、相対向する内外導電体リング付近に一層高いトリガ用電界が発生するので、コロナ放電、それに伴う予備電離がさらに一層起こり易くなる。

本発明者は、このような縦方向励起のパルスレーザ発生装置において、出力レーザビームの横断面形状とその強度分布に関して、図９および図１０に示すような関係を見出した。即ち、図９はプラズマ陰極又はプラズマ陽極を生成する補助電極を省略した実施例であり、第１電源装置２７から陰極２５と陽極２４との間に同軸型ストレージコンデンサ３０を介して主放電用電圧を印加し、中間電極２６にトリガパルス電圧を印加して高繰返しバルスレーザ発振動作を行わせるようにした装置である。

そこで、図１０の（ａ）に示すように、同軸型ストレージコンデンサ３０を接続する電極すなわち陽極側の放電管の外周に筒状の外導体を配置し、主放電路中の予備電離を誘起すべき中間電極２６に近接した所に位置する外導体端部３２ｂに同軸型ストレージコンデンサ３０を直結して短絡接続した場合には、同図の（ｂ）に示すように、横断面で均一な強度分布の円形出力レーザビームが得られた。

それに対して外導体の反対側端部３２ａ又はそれを接続した電極すなわち陽極２４自体にストレージコンデンサ３０を直結した場合には、同図の（ｃ）に示すように、横断面の中央部にレーザ光がほとんどない強度分布のいわはドーナツ形状の出力レーザビームになってしまった。

なお、このように、中間電極２６の近くまで延長した外導体端部３２ｂに同軸型ストレージコンデンサ３０を直結して短絡接続すると横断面が均一な強度分布の円形出力レーザビームが得られる理由は、次のように考えられる。

すなわち、同軸型ストレージコンデンサ３０に蓄積されていた電荷が、まず中間電極近くに位置する外導体端部３２ｂに転送されてこれに近い放電路の領域Ｂ，Ａに予備電離を引起こすとともに、電荷がこの外導体端部３２ｂからこの外導体３２の内外表面に沿ってほぼ光速に相当する速度で移動して陽極２４に導かれることにより、放電管内部に電子の電界放出を生じさせて主放電路の絶縁破壊を生じさせる。

それにより、放電管内部に放電方向に沿って均一なプラズマが生成され、このプラズマ及び中間電極近傍のコロナ放電による予備電離により、放電管内に均一な主放電が生じるためであると考えられる。なお、陰極又は陽極の少なくとも一方にプラズマ電極を生成する手段があれば、さらに放電路の全体に均一な主放電の発生は助長される。

このように、放電路の絶縁破壊で放電管を取巻く第２外導体の端部３２ｂと中間電極の円筒部２６ａの端部との間の領域の放電路でコロナ放電、予備電離、電荷の移動で放電路内に均一に電子が放出され放電方向を垂線とする平面上に均一な放電が生じる。そのため、放電路を横断面でみた中央部でも強いレーザ発振が生じ、円形で且つ均一な強度分布の出力レーザビームが得られる。このようなレーザビームは、通常、円形断面の光ファイバにより効率よくレーザ光利用装置に伝送される。

図１１に示す実施例は、第１電源装置２７及び第２電源装置即ちトリガ電圧電源２８を、いずれも交流電源としたものである。そして、両交流電源は、図１２に示すように、パルスレーザ発振の繰返し周波数に相当する周波数で、且つ丁度又はおよそ１８０°の位相差を有し、同等の尖頭電圧となるように構成してある。なお、ストレージコンデンサ３０に直列にダイオード３５を接続してある。

この実施例によれば、同図の（ａ）に示すように、各交番電圧が放電管内で絶縁破壊を起こす電圧の位相α１で主放電が発生し、同図の（ｂ）に示すように、パルスレーザ発振が起こる。なお、コンデンサ３０の電圧（Ｖｏ）は、もし主放電が発生しないと仮定すれば、符号Ｖｐで示すようにコンデンサにチャージされたほぼ交流電源電圧の尖頭値のまま保持されるが、主放電即ちレーザ発振を繰り返すことにより同図に太い実線で示すように主放電により電圧低下、上昇を繰返す。

なお、主放電用電圧が直流充電であると、放電路での絶縁破壊が起こるトリガ電圧が低くなりレーザ出力が交流駆動と比較して小さくなる場合や、トリガ電圧の立ち上がり速度にばらつきが生じてレーザ発振が不安定になったり、ジッターを生じる場合があるが、この実施例のように交流駆動であると絶縁破壊のタイミングがずれることがほとんとなく、安定なレーザ発振が維持される。また、各電源素子やコンデンサ、絶縁体製部品等に印加される平均電圧が直流の場合よりも小さいため、各素子の劣化が少なく、レーザ発生装置の信頼性が高まる利点もある。

図１３に示す実施例は、単一のパルス電源５０を使用して駆動制御する装置である。すなわち、パルス電源５０からパルストランス５１を経てその出力電圧を各電極に供給するようにしてある。符号Ｄａはストレージコンデンサ３０に主放電用の負の電荷を蓄積するダイオード、ＤｂおよびＤｃは中間電極２６および補助電極４１に正のトリガパルスを供給するためのダイオードである。

そして、この実施例の場合は、図示右側が陰極２５であり、図示左側が陽極２４、補助電極４１および誘電体円筒４０からなるプラズマ陽極２４ａを内側領域に生成して動作する構成である。すなわち、主放電電流はプラズマ陽極２４ａの陽イオンが供給源となる。

この実施例の動作においては、パルス電源５０から所定繰返し周波数の負のパルスピーク電圧が発生される。パルストランス５１の二次側の点Ｆには、図１４の（ａ）に示すような波形があらわれる。これは、時間軸ｔのある時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３の間で急激に変化する。中間電極２６および補助電極４１に接続された回路の点Ｇでは、同図の（ｂ）に示すように正のパルス電圧があらわれて印加される。それによって、陽極２４と補助電極４１とで挟まれた誘電体円筒４０の内側領域にプラズマ陽極２４ａが生成されるとともに、中間電極２６により両側の放電路の絶縁破壊による主放電が引起こされる。

一方、コンデンサ３０および陰極２５の回路の点Ｈは、同図の（ｃ）に示すような波形の電荷の蓄積、および時間軸のｔ２からｔ３における瞬時の主放電が起る。これによって、時間軸のｔ２からｔ３の間に短いパルス幅のレーザビームが出力される。そして、このような動作が繰返される。この実施例によれば、キャップスイッチが不要で、比較的高繰返しのパルスレーザ発振が可能である。

なお、以上の説明からも明らかなように、陰極または陽極すなわち第１主電極または第２主電極の一方の主電極の近傍、或いは両方の主電極の近傍に、筒状誘電体とこの筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを設けて動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように構成することができる。そしてこのようなプラズマ陰極やプラズマ陽極等のプラズマ電極は、筒状誘電体の内側の沿面コロナ放電とクリーピング放電との複合作用の結果として生じているものと考えられる。

図１５に示す実施例は、プラズマ電極すなわちプラズマ陰極、またはプラズマ陽極の他の例である。これは、セラミックス誘電体円筒40の中央部の薄肉円筒部を取り巻いてリング状の補助電極４１を配置し、その外側をさらにセラミックス絶縁円筒で取り巻いて実質的に内部に補助電極４０を埋め込んだものである。

そして、誘電体円筒４０の両端部に陰極２５，リング状補助陰極２５ｂを配置するとともに、これらを誘電体円筒４０の外周を覆うように配置した導体円筒２５ｃによりこれら陰極２５およびリング状補助陰極２５ａを電気的に短絡接続してある。補助電極４１には、高抵抗素子２９ｂを介して図示しないパルストリガ電源が接続されている。

これによって、動作時には、陰極２５（又は陽極２４）と補助電極４１との間に印加される高電圧により、誘電体円筒４０の内面およびその内側領域にプラズマ電極２５ａが生成される。また、主放電電流が補助電極４１に流入することがより一層確実に防止され、スパッタリングの発生が防止される。

図１６に示す実施例は、誘電体円筒４０を複数個、例えば２個に分割して併設し、それぞれの誘電体円筒４０の一部を取り巻いて補助電極４１を配置し、実質的に内部に埋め込んだものである。そして、隣り合う誘電体円筒４０の間に、リング状の第２の補助陰極２５ｄを配置し、両端側の陰極２５、第１補助陰極２５ｂとともに導体円筒２５ｃにより電気的に短絡接続してある。なお、各補助電極４１は、高抵抗素子２９ｂを介して図示しないパルストリガ電源が接続されている。この実施例によれば、各誘電体円筒４０の内面および内側領域に一層容易にプラズマ電極が生成される。

図１７に示す実施例は、中間電極を省略したパルスガスレーザ発生装置である。同図の符号２１は単一の放電管、２４は陽極、２５ａはプラズマ陰極、Ｃｐはピーキングコンデンサ、Ｌはインダクタ、Ｓはギャップスイッチ、Ｒは保護抵抗をあらわしている。

この実施例の装置の動作において、スイッチＳがオフ（開）の間に、高電圧電源２７により、抵抗ＲおよびインダクタＬを介してコンデンサ３０が充電される。ギャップスイッチＳがオン（閉）されると、コンデンサ３０の電荷はピーキングコンデンサＣｐに移行される。この時、誘電体円筒４０の内側にプラズマ陰極２５ａが生成されるとともに、陽極２４に至る放電路の絶縁破壊が生じ、レーザ媒質が活性化されてレーザ発振が生じる。なお、この実施例の場合は、主放電電流はプラズマ陰極２５ａの補助電極４１と陽極２４との間に流れる。しかし、主放電電流の供給源はプラズマ陰極であるので、輝点や金属電極からのスパッタリングは発生せず、長時間にわたり安定なパルスレーザ発振が維持される。

図１８に示す実施例は、放電管２１の外周に円筒状の外導体３２を巻き付けるとともに、さらに同軸型のピーキングコンデンサＣｐを同軸的に配置したものである。同軸型コンデンサＣｐの円筒状誘電体３０ａの内周に接着された内周電極３０ｂは、電源装置２７に接続されたストレージコンデンサ３０に電気的に接続されるとともに、円筒状外導体３２の陰極２５の近傍まで延長された端部３２ｂに導電体リング３４で全周が機械的および電気的に直結されている。一方、円筒状誘電体３０ａの外周に接着された外周電極３０ｃは、陰極２５に電気的に接続されている。

この実施例によれば、動作時に、陰極２５と補助電極４１との間の誘電体円筒４０の内面およびその内側領域にプラズマ陰極２５ａが生成されるとともに、同軸型コンデンサＣｐの両端電圧が陰極２５と円筒状外導体３２との間に印加されてその近傍の放電路領域Ｂが予備電離され、主放電が誘起される。こうして、横断面が円形でほぼ均一な強度分布のパルスレーザビームが出力される。また、金属電極による輝点発生やスパッタリング発生が抑制され、長時間安定な動作が維持される。

なお、上述の図１７および図１８に示した実施例は、ギャップスイッチ等のスイッチによりレーザ発振を駆動する例であるが、ギャップスイッチ等を用いないで、実質的に同様の動作をする高電圧パルス或いはトリガパルス発生回路を含む電源装置で置き換えてもよい。それによって、安定で長寿命のパルスガスレーザ発生装置が得られる。

なおまた、この発明は、陰極または陽極のうちの一方側にプラズマ電極が生成されるように構成することに限られず、陰極および陽極の両方の電極近傍に筒状誘電体とそれに隣接して配置された補助電極とを備え、動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように補助電極に電圧を印加するように構成することもできる。それによって、金属電極の輝点の発生やスパッタリングの発生がより一層抑制される。

なおこの発明は、索外域のレーザ光を発生する窒素（Ｎ２）レーザやエキシマレーザ発生装置に適用できるのみならず、ＣＯ₂レーザ、その他のパルスガスレーザ発生装置に広く適用できる。また、この発明は、レーザ媒質であるガスを放電管内に外部から循環させる方式にも適用できるが、特に前述の実施例のように放電管を封止切りするタイプに好適であり、その場合はほぼメインテナンスフリーとなる利点がある。

この発明の一実施例を示す要部縦断面および結線図である。 図１の実施例の動作を説明する概略図および印加する電圧の大きさを説明するためのグラフ図ある。 同じく図１の実施例の動作を説明するグラフ図である。 この発明の好適な実施範囲を説明するグラフ図である。 この発明の他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図および結線図である。 図９の実施例の動作を説明する概略の構造図である。 この発明のさらに他の実施例を示す概略の構造図である。 図１１の動作を説明する波形図である。 この発明のさらに他の実施例を示す概略の構造図である。 図１３の動作を説明する波形図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面および結線図である。 この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面および結線図である。 従来例を説明するための概賂構成図である。

符号の説明

２１…放電管
２２…出力ミラー
２３…高反射ミラー
２４…陽極
２５…陰極
２６…中間電極
２７…第１電源装置
２８…第２電源装置
４０…誘電体円筒
４１…補助電極

Claims (9)

1. 第１の主電極、主放電路を形成するための絶縁体製筒状放電管、および第２の主電極の順に縦列配置され且つ内部に媒体ガスが収容され、前記第１主電極および第２主電極の外方に光共振器を構成する一対のミラーが配置され、上記第１主電極および第２主電極間に主放電用電圧を印加する電源装置を備えるパルスガスレーザ発生装置において、上記電源装置はコンデンサを含み、前記コンデンサは筒状をなし且つ上記絶縁体製筒状放電管を取り巻いて配置されていることを特徴とするパルスガスレーザ発生装置。
2. 上記コンデンサは筒状の誘電体の内周壁に内周電極が接合され且つ外周壁に外周電極が接合され、前記内周電極が上記第１主電極又は第２主電極の一方並びに上記電源装置に電気的に接続されている請求項１記載のパルスガスレーザ発生装置。
3. 上記絶緑体製筒状放電管の少なくとも一部を取り巻いて筒状の導電体が配置され、前記筒状導電体の一端部が上記第１主電極または第２主電極の一方に電気的に短絡接続され、他端部か他方の主電極の方向に延長されるとともに上記コンデンサの内周電極に電気的に短絡接続されている請求項１記載のパルスガスレーザ発生装置。
4. 上記絶縁体製筒状放電管は該放電管の途中に中間電極が設けられて第１の放電路を形成する第１絶縁円筒部と、第２の放電路を形成する第２絶縁円筒部とに分離され、上記第１主電極と第２主電極との間に自己放電開始電圧以下の電圧が印加され、上記中間電極に上記第１放電路及び第２放電路で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が生じるトリガ電圧が印加されてレーザ発振を生じさせるトリガ電源回路手段を有する請求項１記載のパルスガスレーザ発生装置。
5. 上記第１絶縁円筒部および第２絶縁円筒部の少なくとも一方の絶縁円筒部を取り巻いて筒状の導電体が配置され、前記筒状導電体の一端部が上記第１主電極または第２主電極に電気的に接続され、他端部が上記中間電極の近傍まで延長して配置され且つ上記コンデンサの内周電極に電気的に短絡接続されている請求項４記載のパルスガスレーザ発生装置。
6. 上記第１放電路の軸方向長と第２放電路の軸方向長とは、異なる長さである請求項４記載のパルスガスレーザ発生装置。
7. 上記第１放電路及び第２放電路は、短い方の軸方向長さに対して長い方の軸方向長さが、１．５倍乃至４．０倍の範囲である請求項６記載のパルスガスレーザ発生装置。
8. 上記中間電極へのトリガ電圧の印加による上記第１放電路中の電位勾配の絶対値と、上記第２放電路中の電位勾配の絶対値とは、同等、又はこれら両電位勾配の絶対値の比率が１．０±０．５の範囲にある請求項４記載のパルスガスレーザ発生装置。
9. 上記第１主電極または第２主電極の少なくとも一方の電極の近傍に、筒状誘電体と該筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを有し、且つ動作時に前記筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように前記補助電極に電圧を印加する補助電極電圧印加手段を有する請求項１記載のパルスガスレーザ発生装置。

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