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