JP3866868B2 - パルスレーザ用電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ用パルス放電に利用される磁気スイッチ（可飽和リアクトル）を用いたパルスレーザ用電源装置に関し、特にレーザパルスの１パルス当たりのエネルギーを下げることなくパルスレーザのピーク出力を下げるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
高出力パルスレーザや加速器用のパルス電源装置として、 近年、サイラトロン、ＧＴＯなどの主スイッチの耐久性の向上のために磁気パルス圧縮回路を使用したものが用いられることが多い。
【０００３】
図１２はパルスレーザのパルス電源に用いられる一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮装置の等価回路を示すもので、図１３は図１２の回路各部における電圧及び電流の波形例を示すものである。
【０００４】
この図１２の放電回路は、可飽和リアクトルから成る３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象を利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。
【０００５】
図１２においては、まず、コンデンサＣ0に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源ＨＶからの電荷をチャージしておく。
【０００６】
この後、パルスレーザ発振の繰り返し周波数に同期してオンになるパルス発振同期信号（トリガ信号）ＴＲが入力されると、この時点で主スイッチＳＷがオンにされる（図１０時刻ｔ0）。主スイッチＳＷがオンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下がり、この後磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコンデンサＣ0と主スイッチＳＷの電圧差ＶC0−ＶSWの時間積（電圧ＶC0の時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ1において磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のループに電流パルスｉ0が流れる。
【０００７】
この電流パルスｉ0が流れ始めてから０になる（時刻ｔ2）までの時間δ0、即ちコンデンサＣ0からコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視すれば、磁気スイッチＡＬ0の飽和後インダクタンス、コンデンサＣ0、コンデンサＣ1の各容量によって決定される。
【０００８】
一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ3において磁気スイッチＡＬ1は飽和し、低インダクタンスとなる。これにより、コンデンサＣ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電流パルスｉ1が流れる。この電流パルスｉ1は、コンデンサＣ1、Ｃ2の容量および磁気スイッチＡＬ1の飽和後インダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1を経由した後、時刻ｔ4で０になる。
【０００９】
また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ5において磁気スイッチＡＬ2は飽和し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデンサＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスｉ2が流れる。
【００１０】
その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定の主放電開始電圧に達すると、この時点ｔ6において主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。
【００１１】
この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電開始前の状態に戻る。
【００１２】
このような放電動作が、トリガ信号ＴＲに同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。
【００１３】
また、この場合、磁気スイッチおよびコンデンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタンスが後段にいくにつれ小さくなるように設定されているので、電流パルスｉ0〜ｉ2のピーク値が順次高くなりかつその通電幅も順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、この結果主電極６間に短時間での強い放電が得られることになる。
【００１４】
ところで、上記のような磁気パルス圧縮によってパルス圧縮率を高めすぎると、パルス幅の短いピーク出力の大きなパルスレーザ光が得られる反面、このような短パルス幅で高出力のパルスレーザ光によって
・レーザ共振器内に設けられた光学部品の耐久性が悪くなる
・ラウンドトリップ回数（レーザ光の共振器での往復回数）が減少する
・ラウンドトリップ回数の減少により狭帯域化光学素子への入射回数が減り、狭帯域化効率が落ちる
などの種々の不具合が発生する。そこで、昨今はこれとは逆にパルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光のほうが要望されることが多い。パルスレーザ光のピーク出力を下げるとはいってもパルス幅が長くなるので、レーザパルスの１パルス当たりのエネルギーがパルス幅の短いピーク出力の大きなパルスレーザ光に比べ小さくなることはない。
【００１５】
しかし、上記従来技術では、コンデンサＣ2からピーキングコンデンサＣpに一度に全ての電荷を電流パルスｉ2として転送するようにしているので、パルスレーザ光の発光強度、発光時間は電流パルスｉ2のみの電荷転送時間およびピーク値によって一義的に決まってしまい、これを微調整することが難しい。また、上記従来技術では、コンデンサＣ2からピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は放電によってそのほとんどが消費されてしまい、レーザ発光が開始された後もピーキングコンデンサＣpに電荷が転送されることはないので、レーザパルスのパルス幅を長くする上で、回路的に自ずと限界があった。
【００１６】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができるパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
請求項１に対応する発明では、レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前記可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしている。
【００１８】
この請求項１の発明では、磁気パルス圧縮回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしており、複数の転送元コンデンサに充電された電荷は、各転送元コンデンサに直列接続された可飽和リアクトルが飽和すると、ピーキングコンデンサに電荷転送を開始する。そして、この請求項１の発明では、これら複数の可飽和リアクトルは、磁気結合されているため、各種のばらつき要因によって可飽和リアクトルが飽和する前に、各可飽和リアクトルを流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの複数の可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。
【００１９】
また、各可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしているので、各転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送の際の電荷転送時間が各ルート別に異なるようになり、短時間で転送される電荷と比較的長い時間で転送される電荷など転送時間の異なる各種電荷を発生させることができる。
【００２０】
したがってこの請求項１の発明によれば、ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルートからピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。このようにこの発明では、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができる。
【００２１】
請求項２の発明では、請求項１の発明に対し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記複数の転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明では、前記複数の転送元コンデンサには予め充電を行うようにしているので、転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送時、ピーキングコンデンサの電位は転送元コンデンサの電位よりも低いため、転送元コンデンサから可飽和リアクトルを介してピーキングコンデンサへ電荷が漏れず、ピーキングコンデンサへの電荷転送開始後に、ピーキングコンデンサの電位が転送元コンデンサの電位と等しくなった時点からピーキングコンデンサから可飽和リアクトルを介して電荷が漏れるために、ピーキングコンデンサへのエネルギー転送開始時点におけるピーキングコンデンサの電位降下量が極めて小さくなる。この結果、ピーキングコンデンサに転送されるエネルギー量を正確に把握することができ、レーザ放電部に供給されるエネルギーを精度良く制御することができる。
【００２３】
また、この請求項２の発明では、ダイオードの導通方向がエネルギー転送方向であるため、ピーキングコンデンサへの充電を効果的に阻止することができるとともに、ダイオードの導通方向はピーキングコンデンサからレーザ放電部にエネルギー供給後残余のエネルギーが転送元コンデンサなどの前段側のコンデンサに回生される方向に一致するため、次のパルス発振のための充電のエネルギー消費が各段に減少する。しかも、この発明では、ピーキングコンデンサからレーザ放電部にエネルギー供給後に残余のエネルギーによって生じる共振が効果的に抑制され、またこの共振の終了状態もピーキングコンデンサの電位を常に負の電位を持たせて終了することとなるために、この点からも安定したレーザ出力制御が可能になる。
【００２４】
請求項３の発明では、レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前記可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、これら複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしたことを特徴としている。
【００２５】
この請求項３の発明では、磁気パルス圧縮回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路のうち可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしており、転送元コンデンサに充電された電荷は、複数の並列接続された可飽和リアクトルを介してピーキングコンデンサに転送される。そして、この場合、これら複数の可飽和リアクトルは、磁気結合されているため、前述したように、これら複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの複数の可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。また、これら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしているので、転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送の際の電荷転送時間が各ルート別に異なるようになり、短時間で転送される電荷と比較的長い時間で転送される電荷など転送時間の異なる各種電荷を発生させることができる。
【００２６】
したがってこの請求項３の発明によれば、ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルートからピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。このようにこの発明では、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができる。
【００２７】
請求項４の発明では、請求項３の発明に対し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴としている。
【００２８】
したがって、この発明では、請求項２と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施形態を添付図面に従って詳細に説明する。
【００３０】
図１はこの発明の一実施形態を示す等価回路図である。この図１においては、磁気パルス圧縮回路における最終段の圧縮回路回路部分のみを示している。この磁気パルス圧縮回路は、例えばエキシマレーザなどのパルスガスレーザの放電電極に高電圧を印加するための電源回路として用いられる。
【００３１】
この実施形態において、放電電極１０には、ピーキングコンデンサＣpが並列接続されている。このピーキングコンデンサＣpに対し、可飽和リアクトルＡＬn1と転送元コンデンサＣn1との直列回路と、可飽和リアクトルＡＬn2と転送元コンデンサＣn2との直列回路とが並列に接続されている。２つの転送元コンデンサＣn1およびＣn2は、ピーキングコンデンサＣpに電荷を転送するもので、これらコンデンサＣn1およびＣn2には、その前段の図示しないコンデンサから電荷が同時に転送されるものとする。すなわち、転送元コンデンサＣn1およびＣn2の電圧は、全く同じように変化する。転送元コンデンサＣn1およびＣn2の容量は同じとする。
【００３２】
一方、並列接続された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、密に磁気結合されており、したがってこれらの飽和タイミングは同時になる。
【００３３】
磁気結合の手法としては、例えば、第２図に示すように、２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各巻線１１，１２を共通の１つのコア１３に巻回する。
【００３４】
可飽和リアクトルにおいては、可飽和リアクトルに電圧が印加されたとしても最初はコアの透磁率が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大きく、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増えていく。この電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたときコアは飽和し、これによりコアの透磁率が急激に小さくなって巻き線を流れる電流が一気に増加する。この時点が可飽和リアクトルの飽和時点（オン時点）である。
【００３５】
この実施形態では、同一のコア１３を用いて同一段の複数の可飽和リアクトルを構成しているために、各種のばらつき要因によってコアが飽和する前に、巻き線１１、１２を流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら同一段の複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2が介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。
【００３６】
磁気結合の他の手法として、図３に示すような手法もある。
【００３７】
この図３の場合は４個の可飽和リアクトルを磁気結合するようにしている。すなわちこの手法では、複数（この場合４個）のコア２０〜２３を用い、２つのコアに跨って各可飽和リアクトルの巻き線２５〜２８を巻回するようにしている。図３に付した矢印のうち巻き線に平行して付した矢印は電流の向きを示しており、各コア２０〜２３中に示した矢印は、各巻き線によって作られる磁界の向きを示している。ここで、これらの磁界の向きは、反時計方向→時計方向→反時計方向というように１個単位に逆向きになるようにコイルの巻き方向および電流の向きを調整する必要がある。また、このような１個単位に逆向きの磁界を実現するためには、コアの個数は偶数であることが必要となる。
【００３８】
図３において、各巻き線２５〜２８に電圧が印加されると、各コア２０〜２３の巻き線には、各巻き線を流れる電流を打ち消すように電圧が発生し、これが電流の増加を抑える。最初は各コア２０〜２３の透磁率が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大きく、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増えていく。この電流増加によって各コア２０〜２３の磁束密度も増加し、同じように飽和に近づいていく。そして、電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたときコアは飽和する。
【００３９】
仮に１つのコア２０が飽和に達したとすると、このコア２０に巻回されている巻き線２５および２８を流れる電流が急激に増加する。これらの電流増加によってコア２０に隣接しているコア２１および２３の磁束密度も急激に増加し、これによってコア２１及び２３も直ちに飽和する。
【００４０】
この結果、コア２１及び２３に巻回されている巻き線２６および２７を流れる電流が急激に増加する。
【００４１】
そして、これらの電流増加によって残るコア２２も直ちに飽和する。
【００４２】
このようにして、４個のコアのうちのどれが先に飽和したとしても、残り３個のコアも直ちに飽和することになり、これら４個の可飽和リアクトルの飽和タイミングを一致させることが可能になる。
【００４３】
つぎに、図１において、磁気結合された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、それらの飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異ならせるようにしている。この場合、Ｌ1＜Ｌ2とする。
【００４４】
このような図１に示す回路においては、転送元コンデンサＣn1およびＣn2は同容量であり、これら転送元コンデンサＣn1およびＣn2の両端電圧はほぼ同じように変化する。また、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、同じ値の電圧時間積によって飽和するようそれらの飽和特性が設定されている。
【００４５】
したがって、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、基本的には同時点で飽和する。しかも、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、前述した手法によって磁気結合されているので、各種のばらつき要因によって各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の飽和タイミングが一致する。したがって、転送元コンデンサＣn1からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送開始タイミングと、転送元コンデンサＣn2からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送開始タイミングとをほぼ完全に一致させることができる。
【００４６】
また、図１に示す回路においては、可飽和リアクトルＡＬn1の飽和後インダクタンスＬ1より可飽和リアクトルＡＬn2の飽和後インダクタンスＬ2のほうを大きく設定している。したがって、この場合、転送元コンデンサＣn1から可飽和リアクトルＡＬn1を介してピーキングコンデンサＣpへ転送される電荷Ｉ1の転送時間τ1より転送元コンデンサＣn2から可飽和リアクトルＡＬn2を介してピーキングコンデンサＣpへ転送される電荷Ｉ2の転送時間τ2のほうが長くなる。
【００４７】
このように、図１の回路においては、図４に示すように、短時間で転送される電流パルスＩ1と、比較的長時間をかけて転送される電流パルスＩ2とを、それらの転送開始タイミングを同じにして発生させることができる。
【００４８】
この実施形態によれば、図４に示すように、ピーキングコンデンサＣpの電圧Ｖcpは電流Ｉ1と電流Ｉ2の合成電流によって充電の進展とともに上昇する。そして、この電圧Ｖcpが所定の主放電開始電圧に達すると、主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生される。この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、共振を経た後充電開始前の状態に戻る。
【００４９】
ここで、長時間をかけて転送される電流パルスＩ2は、レーザ発振が開始された後のレーザ光が発光している最中にも、依然ピーキングコンデンサＣpに転送され続けている。したがって、この図１の回路では、レーザ光が発生された後もピーキングコンデンサＣpにエネルギーを供給する状態を作り出すことができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００５０】
図５はこの発明の他の実施形態を示すものである。この実施形態においては、最終段の電荷転送回路中の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2のみをピーキングコンデンサＣpに対し２個並列に接続しており、転送元コンデンサＣnは従来通り１個のままとしている。
【００５１】
この実施形態においても、並列接続された２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は先の実施形態と同様磁気結合しており、また２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異なる値に設定している。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。
【００５２】
したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００５３】
図６はこの発明の更に他の実施形態を示すものである。
【００５４】
この実施形態においては、先の図５に示した回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2にそれぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加するようにしている。ただし、先の図１または図５に示した実施形態の電荷転送の手法は先の図１２に示したものと同様であるが、図６の回路の場合は、電荷転送の手法が先の図１２の場合と異なっているので、図６の回路の基本的な電荷転送動作を図７および図８を用いて説明する。
【００５５】
図７においては、最終段のＬＣ回路の可飽和リアクトルおよびコンデンサを複数の並列回路には分割してはいない。
【００５６】
図７に示す磁気パルス圧縮回路では、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ1およびコンデンサＣ1とがそれぞれ充電用直流電源ＨＶに並列接続される。また、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ2およびコンデンサＣ2はコンデンサＣ1に並列接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ3、ダイオードＤ1およびピーキングコンデンサＣpはコンデンサＣ2に並列接続される。また、レーザ放電部１０がピーキングコンデンサＣpに並列接続される。この場合、ダイオードＤ1はピーキングコンデンサＣpから可飽和リアクトルＳＬ3への方向を導通方向としている。即ち、ダイオードＤ1は、パルス圧縮転送時におけるエネルギー転送方向を導通方向としている。
【００５７】
この図７の磁気パルス圧縮回路の動作を図８のタイムチャートを用いて説明する。
【００５８】
まず、図７において、充電用直流電源ＨＶによって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ1およびコンデンサＣ2が充電される。コンデンサＣ1には、可飽和リアクトルＳＬ1を介して充電され、コンデンサＣ2には、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2を介して充電される。この充電は、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2が飽和しなくても十分な時間をかけて直流高電圧を印加することによって実現できる。電流の急激な変動がない場合、インダクタンスは小さくなるからである。一方、ピーキングコンデンサＣpは充電されない。ダイオードＤ1によってピーキングコンデンサＣpへの電荷移動が阻止されるからである。
【００５９】
従って、図８に示すように、充電が完了した段階におけるコンデンサＣ1，Ｃ2の端子電圧ＶC1，ＶC2はそれぞれ＋Ｅボルト（点Ｐ１）、ピーキングコンデンサＣpの端子電圧Ｖcpは０ボルト（点Ｐ２）となっている。
【００６０】
その後、主スイッチＳＷをオンにするとコンデンサＣ1に蓄積された電荷の転送が開始される。すなわち、スイッチ素子ＳＷのオンによって可飽和リアクトルＳＬ1の端子電圧が急激に増大し、この後この電圧時間積が可飽和リアクトルＳＬ1の飽和限界に達すると可飽和リアクトルＳＬ1は飽和し、可飽和リアクトルＳＬ1のインダクタンスが急激に減少してオン状態となる。
【００６１】
この結果、コンデンサＣ1に蓄積された電荷は電流Ｉ1として流れ、コンデンサＣ1の極性が反転する。すなわち、図８に示すようにコンデンサＣ1の端子電圧ＶC1は＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。このコンデンサＣ1の極性反転の期間Ｔ１において、コンデンサＣ2に蓄積されていた電荷は、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2間の電圧降下によって可飽和リアクトルＳＬ2がオフ状態であるにもかかわらず、可飽和リアクトルＳＬ1を介して放電し、またコンデンサＣ2、リアクトルＳＬ2、コンデンサＣ1を経て放電して、微小な電圧降下が生じる（点Ｐ３）。
【００６２】
その後、コンデンサＣ1の極性反転による電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ2がオンとなり、極性反転によって転送されてコンデンサＣ1に蓄積された電荷およびコンデンサＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ2として流れ、コンデンサＣ2の極性が反転されるとともに、コンデンサＣ1の電荷がコンデンサＣ2に転送される。コンデンサＣ1とコンデンサＣ2との容量比が３：１のときには、図８に示すように、コンデンサＣ1の端子電圧ＶC1は−Ｅボルトから０ボルトとなり、コンデンサＣ2の端子電圧ＶC2はほぼ＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。このコンデンサＣ1からコンデンサＣ2への電荷転送およびコンデンサＣ2の極性反転の期間Ｔ2において、ピーキングコンデンサＣpの電荷は、ダイオードＤ1および可飽和リアクトルＳＬ3を介して漏れることになるが、可飽和リアクトルＳＬ2がオンになった時点では、可飽和リアクトルＳＬ3の電位に対して可飽和リアクトルＳＬ2の電位の方が高いため、ピーキングコンデンサＣpの電荷は漏れない。そして、可飽和リアクトルＳＬ2と可飽和リアクトルＳＬ3との電位が同じとなった時点Ｐ５から、ピーキングコンデンサＣpの電荷の漏れが開始する。この結果、ピーキングコンデンサＣpの漏れ電荷による端子電圧Ｖcpの電圧降下ΔＶの値は、可飽和リアクトルＳＬ2がオンとなる時点Ｐ４から電荷漏れが開始した場合の電圧降下ΔＶ１の値に比較して半減あるいはそれ以下の微小な値となる。これにより、ピーキングコンデンサＣpに電荷が転送される前のピーキングコンデンサＣpの端子電圧Ｖcpの値は０ボルト近傍に効果的に抑えられることになる。
【００６３】
ここで、通常、レーザ放電部１０からのレーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部１０に対する印加電圧を制御することが行われるが、この図７の電荷転送方式によれば、上述したようにレーザ放電部１０に供給すべきピーキングコンデンサＣpからの印加電圧量、電荷量等のエネルギー量を正確に把握することができ、精度の高い、安定したパルスレーザ出力に制御することが可能となる。
【００６４】
その後、コンデンサＣ2への電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ3がオンとなり、コンデンサＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ3として流れ、コンデンサＣ2の電荷がピーキングコンデンサＣpに転送される。このピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は、電流Ｉ4としてレーザ放電部１０に印加され、レーザ放電部１０の放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ発振することになる。レーザ放電部１０で消費された電流以外の残余の電流は、その後レーザ放電部１０とピーキングコンデンサＣpとの間で数回共振するが、スイッチ素子ＳＷをオフしておけばその都度ダイオードＤ1、可飽和リアクトルＳＬ2，ＳＬ3を介し、電流Ｉ5としてコンデンサＣ1，Ｃ2に回生される。しかも、ダイオードＤ1の整流作用によってダイオードＤ1を介してコンデンサＣ1，Ｃ2に回生された電荷はピーキングコンデンサＣpに戻ることが阻止される。これにより、ピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は、レーザ放電部１０の放電に寄与するとともに、残余の電荷は再びコンデンサＣ1，Ｃ2に回生され、次の充電エネルギーを削減することができ、エネルギー消費効率を非常に大きくすることができる。
【００６５】
図６に示した回路においては、上記図７に示したような電荷転送を行なう磁気パルス圧縮回路において、コンデンサＣ1（図６ではＣn）からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送を行なう最終段の電荷転送回路中に含まれる可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を複数個並列に接続し、これら複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を磁気結合するとともに、これら可飽和リアクトルにそれぞれ直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。すなわち、図６において、コンデンサＣnに並列に接続された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、図５の実施例と同様、磁気結合しており、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異なる値に設定している。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００６６】
また、この図６の実施形態においては、先の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、最終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。したがって、この実施形態によれば、先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもできる。
【００６７】
なお、最終段の電荷転送回路に接続されるダイオードは、図９に示すように、並列接続された複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に対し、共通のダイオードＤを１つ接続するようにしてもよい。このようにしても、先の図６の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
図１０はこの発明の更に他の実施形態を示すものである。
【００６９】
この実施形態においては、先の図１に示した回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2にそれぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加するようにしている。ただし、この図１０の実施形態においては、電荷転送の手法は、先の図７に示したものと同じである。
【００７０】
この実施形態においても、２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、先の実施形態と同様、磁気結合しており、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2は異なる値に設定されている。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００７１】
また、この図１０の実施形態においては、先の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、最終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。したがって、この実施形態によれば、先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもできる。
【００７２】
なお、図１０の回路において、最終段の電荷転送回路に接続されるダイオードは、図１１に示すように、並列接続された複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に対し、共通のダイオードＤを１つ接続するようにしてもよい。このようにしても、先の図１０の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示す等価回路図。
【図２】磁気結合の１手法を示す図。
【図３】磁気結合の他の手法を示す図。
【図４】図１の実施形態の電流、電圧などのタイムチャート。
【図５】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図６】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図７】図６の実施形態における電荷転送動作を説明する為の等価回路図。
【図８】図７の回路の各部の電圧波形を示すタイムチャート。
【図９】図６の実施形態の変形例を示す等価回路図。
【図１０】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図１１】図１０の実施形態の変形例を示す等価回路図。
【図１２】従来技術を示す等価回路図。
【図１３】従来技術の電流、電圧などのタイムチャート。
【符号の説明】
Ｃ1〜Ｃ2，Ｃn，Ｃn1〜Ｃn2…コンデンサ
Ｃp…ピーキングコンデンサ
ＨＶ…充電電源
ＳＷ…主スイッチ
ＡＬ1，ＡＬ2，ＡＬn1，ＡＬn2…可飽和リアクトル
１０…放電電極
１１，１２、２５〜２８…巻線
１３，２０〜２３…コア
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ用パルス放電に利用される磁気スイッチ（可飽和リアクトル）を用いたパルスレーザ用電源装置に関し、特にレーザパルスの１パルス当たりのエネルギーを下げることなくパルスレーザのピーク出力を下げるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
高出力パルスレーザや加速器用のパルス電源装置として、 近年、サイラトロン、ＧＴＯなどの主スイッチの耐久性の向上のために磁気パルス圧縮回路を使用したものが用いられることが多い。
【０００３】
図１２はパルスレーザのパルス電源に用いられる一般的な容量移行型の磁気パルス圧縮装置の等価回路を示すもので、図１３は図１２の回路各部における電圧及び電流の波形例を示すものである。
【０００４】
この図１２の放電回路は、可飽和リアクトルから成る３個の磁気スイッチＡＬ0〜ＡＬ2の飽和現象を利用した２段の磁気パルス圧縮回路である。
【０００５】
図１２においては、まず、コンデンサＣ0に、磁気スイッチＡＬ0、コイルＬ1を介して高電圧電源ＨＶからの電荷をチャージしておく。
【０００６】
この後、パルスレーザ発振の繰り返し周波数に同期してオンになるパルス発振同期信号（トリガ信号）ＴＲが入力されると、この時点で主スイッチＳＷがオンにされる（図１０時刻ｔ0）。主スイッチＳＷがオンになると、主スイッチＳＷの電位ＶSWが０に急激に下がり、この後磁気スイッチＡＬ0の両端電圧であるコンデンサＣ0と主スイッチＳＷの電圧差ＶC0−ＶSWの時間積（電圧ＶC0の時間積分値）Ｓ0が磁気スイッチＡＬ0の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ1において磁気スイッチＡＬ0は飽和し、コンデンサＣ0、磁気スイッチＡＬ0、主スイッチＳＷ、コンデンサＣ1のループに電流パルスｉ0が流れる。
【０００７】
この電流パルスｉ0が流れ始めてから０になる（時刻ｔ2）までの時間δ0、即ちコンデンサＣ0からコンデンサＣ1に電荷が完全に移行されるまでの電荷転送時間δ0は、主スイッチＳＷなどによる損失を無視すれば、磁気スイッチＡＬ0の飽和後インダクタンス、コンデンサＣ0、コンデンサＣ1の各容量によって決定される。
【０００８】
一方、コンデンサＣ1の電圧ＶC1の時間積Ｓ1が磁気スイッチＡＬ1の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ3において磁気スイッチＡＬ1は飽和し、低インダクタンスとなる。これにより、コンデンサＣ1、コンデンサＣ2、磁気スイッチＡＬ1のループに電流パルスｉ1が流れる。この電流パルスｉ1は、コンデンサＣ1、Ｃ2の容量および磁気スイッチＡＬ1の飽和後インダクタンスによって決定される所定の転送時間δ1を経由した後、時刻ｔ4で０になる。
【０００９】
また、コンデンサＣ2の電圧ＶC2の時間積Ｓ2が磁気スイッチＡＬ2の設定特性で決まる限界値に達すると、この時点ｔ5において磁気スイッチＡＬ2は飽和し、これにより、コンデンサＣ2、ピーキングコンデンサＣP、磁気スイッチＡＬ2のループに電流パルスｉ2が流れる。
【００１０】
その後、ピーキングコンデンサＣpの電圧ＶCpは充電の進展とともに上昇し、この電圧ＶCpが所定の主放電開始電圧に達すると、この時点ｔ6において主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて主放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、数ｎｓｅｃ後にレーザ光が発生される。
【００１１】
この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電開始前の状態に戻る。
【００１２】
このような放電動作が、トリガ信号ＴＲに同期した主スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行われることにより、所定の繰り返し周波数（パルス発振周波数）でのパルスレーザ発振が行われる。
【００１３】
また、この場合、磁気スイッチおよびコンデンサで構成される各段の電荷転送回路のインダクタンスが後段にいくにつれ小さくなるように設定されているので、電流パルスｉ0〜ｉ2のピーク値が順次高くなりかつその通電幅も順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、この結果主電極６間に短時間での強い放電が得られることになる。
【００１４】
ところで、上記のような磁気パルス圧縮によってパルス圧縮率を高めすぎると、パルス幅の短いピーク出力の大きなパルスレーザ光が得られる反面、このような短パルス幅で高出力のパルスレーザ光によって
・レーザ共振器内に設けられた光学部品の耐久性が悪くなる
・ラウンドトリップ回数（レーザ光の共振器での往復回数）が減少する
・ラウンドトリップ回数の減少により狭帯域化光学素子への入射回数が減り、狭帯域化効率が落ちる
などの種々の不具合が発生する。そこで、昨今はこれとは逆にパルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光のほうが要望されることが多い。パルスレーザ光のピーク出力を下げるとはいってもパルス幅が長くなるので、レーザパルスの１パルス当たりのエネルギーがパルス幅の短いピーク出力の大きなパルスレーザ光に比べ小さくなることはない。
【００１５】
しかし、上記従来技術では、コンデンサＣ2からピーキングコンデンサＣpに一度に全ての電荷を電流パルスｉ2として転送するようにしているので、パルスレーザ光の発光強度、発光時間は電流パルスｉ2のみの電荷転送時間およびピーク値によって一義的に決まってしまい、これを微調整することが難しい。また、上記従来技術では、コンデンサＣ2からピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は放電によってそのほとんどが消費されてしまい、レーザ発光が開始された後もピーキングコンデンサＣpに電荷が転送されることはないので、レーザパルスのパルス幅を長くする上で、回路的に自ずと限界があった。
【００１６】
この発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができるパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
請求項１に対応する発明では、レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前記可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしている。
【００１８】
この請求項１の発明では、磁気パルス圧縮回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしており、複数の転送元コンデンサに充電された電荷は、各転送元コンデンサに直列接続された可飽和リアクトルが飽和すると、ピーキングコンデンサに電荷転送を開始する。そして、この請求項１の発明では、これら複数の可飽和リアクトルは、磁気結合されているため、各種のばらつき要因によって可飽和リアクトルが飽和する前に、各可飽和リアクトルを流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの複数の可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。
【００１９】
また、各可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしているので、各転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送の際の電荷転送時間が各ルート別に異なるようになり、短時間で転送される電荷と比較的長い時間で転送される電荷など転送時間の異なる各種電荷を発生させることができる。
【００２０】
したがってこの請求項１の発明によれば、ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルートからピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。このようにこの発明では、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができる。
【００２１】
請求項２の発明では、請求項１の発明に対し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記複数の転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明では、前記複数の転送元コンデンサには予め充電を行うようにしているので、転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送時、ピーキングコンデンサの電位は転送元コンデンサの電位よりも低いため、転送元コンデンサから可飽和リアクトルを介してピーキングコンデンサへ電荷が漏れず、ピーキングコンデンサへの電荷転送開始後に、ピーキングコンデンサの電位が転送元コンデンサの電位と等しくなった時点からピーキングコンデンサから可飽和リアクトルを介して電荷が漏れるために、ピーキングコンデンサへのエネルギー転送開始時点におけるピーキングコンデンサの電位降下量が極めて小さくなる。この結果、ピーキングコンデンサに転送されるエネルギー量を正確に把握することができ、レーザ放電部に供給されるエネルギーを精度良く制御することができる。
【００２３】
また、この請求項２の発明では、ダイオードの導通方向がエネルギー転送方向であるため、ピーキングコンデンサへの充電を効果的に阻止することができるとともに、ダイオードの導通方向はピーキングコンデンサからレーザ放電部にエネルギー供給後残余のエネルギーが転送元コンデンサなどの前段側のコンデンサに回生される方向に一致するため、次のパルス発振のための充電のエネルギー消費が各段に減少する。しかも、この発明では、ピーキングコンデンサからレーザ放電部にエネルギー供給後に残余のエネルギーによって生じる共振が効果的に抑制され、またこの共振の終了状態もピーキングコンデンサの電位を常に負の電位を持たせて終了することとなるために、この点からも安定したレーザ出力制御が可能になる。
【００２４】
請求項３の発明では、レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前記可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、これら複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしたことを特徴としている。
【００２５】
この請求項３の発明では、磁気パルス圧縮回路における最終段の電荷転送回路に含まれる可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路のうち可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしており、転送元コンデンサに充電された電荷は、複数の並列接続された可飽和リアクトルを介してピーキングコンデンサに転送される。そして、この場合、これら複数の可飽和リアクトルは、磁気結合されているため、前述したように、これら複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの複数の可飽和リアクトルが介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。また、これら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしているので、転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送の際の電荷転送時間が各ルート別に異なるようになり、短時間で転送される電荷と比較的長い時間で転送される電荷など転送時間の異なる各種電荷を発生させることができる。
【００２６】
したがってこの請求項３の発明によれば、ピーキングコンデンサに転送された電荷によって放電が開始されてレーザ光が発光している最中にも他のルートからピーキングコンデンサに電荷が転送されるような現象が発生し、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。このようにこの発明では、パルス幅が短か過ぎずピーク出力が大き過ぎないパルスレーザ光を簡単な構成によって得ることができる。
【００２７】
請求項４の発明では、請求項３の発明に対し、前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴としている。
【００２８】
したがって、この発明では、請求項２と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施形態を添付図面に従って詳細に説明する。
【００３０】
図１はこの発明の一実施形態を示す等価回路図である。この図１においては、磁気パルス圧縮回路における最終段の圧縮回路回路部分のみを示している。この磁気パルス圧縮回路は、例えばエキシマレーザなどのパルスガスレーザの放電電極に高電圧を印加するための電源回路として用いられる。
【００３１】
この実施形態において、放電電極１０には、ピーキングコンデンサＣpが並列接続されている。このピーキングコンデンサＣpに対し、可飽和リアクトルＡＬn1と転送元コンデンサＣn1との直列回路と、可飽和リアクトルＡＬn2と転送元コンデンサＣn2との直列回路とが並列に接続されている。２つの転送元コンデンサＣn1およびＣn2は、ピーキングコンデンサＣpに電荷を転送するもので、これらコンデンサＣn1およびＣn2には、その前段の図示しないコンデンサから電荷が同時に転送されるものとする。すなわち、転送元コンデンサＣn1およびＣn2の電圧は、全く同じように変化する。転送元コンデンサＣn1およびＣn2の容量は同じとする。
【００３２】
一方、並列接続された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、密に磁気結合されており、したがってこれらの飽和タイミングは同時になる。
【００３３】
磁気結合の手法としては、例えば、第２図に示すように、２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各巻線１１，１２を共通の１つのコア１３に巻回する。
【００３４】
可飽和リアクトルにおいては、可飽和リアクトルに電圧が印加されたとしても最初はコアの透磁率が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大きく、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増えていく。この電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたときコアは飽和し、これによりコアの透磁率が急激に小さくなって巻き線を流れる電流が一気に増加する。この時点が可飽和リアクトルの飽和時点（オン時点）である。
【００３５】
この実施形態では、同一のコア１３を用いて同一段の複数の可飽和リアクトルを構成しているために、各種のばらつき要因によってコアが飽和する前に、巻き線１１、１２を流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら同一段の複数の可飽和リアクトルの飽和タイミングが一致し、これらの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2が介在する電荷転送の開始のタイミングを揃えることができる。
【００３６】
磁気結合の他の手法として、図３に示すような手法もある。
【００３７】
この図３の場合は４個の可飽和リアクトルを磁気結合するようにしている。すなわちこの手法では、複数（この場合４個）のコア２０〜２３を用い、２つのコアに跨って各可飽和リアクトルの巻き線２５〜２８を巻回するようにしている。図３に付した矢印のうち巻き線に平行して付した矢印は電流の向きを示しており、各コア２０〜２３中に示した矢印は、各巻き線によって作られる磁界の向きを示している。ここで、これらの磁界の向きは、反時計方向→時計方向→反時計方向というように１個単位に逆向きになるようにコイルの巻き方向および電流の向きを調整する必要がある。また、このような１個単位に逆向きの磁界を実現するためには、コアの個数は偶数であることが必要となる。
【００３８】
図３において、各巻き線２５〜２８に電圧が印加されると、各コア２０〜２３の巻き線には、各巻き線を流れる電流を打ち消すように電圧が発生し、これが電流の増加を抑える。最初は各コア２０〜２３の透磁率が極めて大きいため巻き線のインダクタンスも充分大きく、このため巻き線を流れる電流は極めてゆっくり増えていく。この電流増加によって各コア２０〜２３の磁束密度も増加し、同じように飽和に近づいていく。そして、電流が作る磁束がコアの飽和磁束密度を超えたときコアは飽和する。
【００３９】
仮に１つのコア２０が飽和に達したとすると、このコア２０に巻回されている巻き線２５および２８を流れる電流が急激に増加する。これらの電流増加によってコア２０に隣接しているコア２１および２３の磁束密度も急激に増加し、これによってコア２１及び２３も直ちに飽和する。
【００４０】
この結果、コア２１及び２３に巻回されている巻き線２６および２７を流れる電流が急激に増加する。
【００４１】
そして、これらの電流増加によって残るコア２２も直ちに飽和する。
【００４２】
このようにして、４個のコアのうちのどれが先に飽和したとしても、残り３個のコアも直ちに飽和することになり、これら４個の可飽和リアクトルの飽和タイミングを一致させることが可能になる。
【００４３】
つぎに、図１において、磁気結合された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、それらの飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異ならせるようにしている。この場合、Ｌ1＜Ｌ2とする。
【００４４】
このような図１に示す回路においては、転送元コンデンサＣn1およびＣn2は同容量であり、これら転送元コンデンサＣn1およびＣn2の両端電圧はほぼ同じように変化する。また、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、同じ値の電圧時間積によって飽和するようそれらの飽和特性が設定されている。
【００４５】
したがって、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、基本的には同時点で飽和する。しかも、可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、前述した手法によって磁気結合されているので、各種のばらつき要因によって各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を流れる電流の変化に多少のばらつきがあったとしても、これら可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の飽和タイミングが一致する。したがって、転送元コンデンサＣn1からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送開始タイミングと、転送元コンデンサＣn2からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送開始タイミングとをほぼ完全に一致させることができる。
【００４６】
また、図１に示す回路においては、可飽和リアクトルＡＬn1の飽和後インダクタンスＬ1より可飽和リアクトルＡＬn2の飽和後インダクタンスＬ2のほうを大きく設定している。したがって、この場合、転送元コンデンサＣn1から可飽和リアクトルＡＬn1を介してピーキングコンデンサＣpへ転送される電荷Ｉ1の転送時間τ1より転送元コンデンサＣn2から可飽和リアクトルＡＬn2を介してピーキングコンデンサＣpへ転送される電荷Ｉ2の転送時間τ2のほうが長くなる。
【００４７】
このように、図１の回路においては、図４に示すように、短時間で転送される電流パルスＩ1と、比較的長時間をかけて転送される電流パルスＩ2とを、それらの転送開始タイミングを同じにして発生させることができる。
【００４８】
この実施形態によれば、図４に示すように、ピーキングコンデンサＣpの電圧Ｖcpは電流Ｉ1と電流Ｉ2の合成電流によって充電の進展とともに上昇する。そして、この電圧Ｖcpが所定の主放電開始電圧に達すると、主電極１０間のレーザガスが絶縁破壊されて放電が開始される。この主放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生される。この後、主放電によってピーキングコンデンサＣpの電圧は急速に低下し、共振を経た後充電開始前の状態に戻る。
【００４９】
ここで、長時間をかけて転送される電流パルスＩ2は、レーザ発振が開始された後のレーザ光が発光している最中にも、依然ピーキングコンデンサＣpに転送され続けている。したがって、この図１の回路では、レーザ光が発生された後もピーキングコンデンサＣpにエネルギーを供給する状態を作り出すことができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００５０】
図５はこの発明の他の実施形態を示すものである。この実施形態においては、最終段の電荷転送回路中の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2のみをピーキングコンデンサＣpに対し２個並列に接続しており、転送元コンデンサＣnは従来通り１個のままとしている。
【００５１】
この実施形態においても、並列接続された２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は先の実施形態と同様磁気結合しており、また２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異なる値に設定している。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。
【００５２】
したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００５３】
図６はこの発明の更に他の実施形態を示すものである。
【００５４】
この実施形態においては、先の図５に示した回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2にそれぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加するようにしている。ただし、先の図１または図５に示した実施形態の電荷転送の手法は先の図１２に示したものと同様であるが、図６の回路の場合は、電荷転送の手法が先の図１２の場合と異なっているので、図６の回路の基本的な電荷転送動作を図７および図８を用いて説明する。
【００５５】
図７においては、最終段のＬＣ回路の可飽和リアクトルおよびコンデンサを複数の並列回路には分割してはいない。
【００５６】
図７に示す磁気パルス圧縮回路では、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ1およびコンデンサＣ1とがそれぞれ充電用直流電源ＨＶに並列接続される。また、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ2およびコンデンサＣ2はコンデンサＣ1に並列接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ3、ダイオードＤ1およびピーキングコンデンサＣpはコンデンサＣ2に並列接続される。また、レーザ放電部１０がピーキングコンデンサＣpに並列接続される。この場合、ダイオードＤ1はピーキングコンデンサＣpから可飽和リアクトルＳＬ3への方向を導通方向としている。即ち、ダイオードＤ1は、パルス圧縮転送時におけるエネルギー転送方向を導通方向としている。
【００５７】
この図７の磁気パルス圧縮回路の動作を図８のタイムチャートを用いて説明する。
【００５８】
まず、図７において、充電用直流電源ＨＶによって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ1およびコンデンサＣ2が充電される。コンデンサＣ1には、可飽和リアクトルＳＬ1を介して充電され、コンデンサＣ2には、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2を介して充電される。この充電は、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2が飽和しなくても十分な時間をかけて直流高電圧を印加することによって実現できる。電流の急激な変動がない場合、インダクタンスは小さくなるからである。一方、ピーキングコンデンサＣpは充電されない。ダイオードＤ1によってピーキングコンデンサＣpへの電荷移動が阻止されるからである。
【００５９】
従って、図８に示すように、充電が完了した段階におけるコンデンサＣ1，Ｃ2の端子電圧ＶC1，ＶC2はそれぞれ＋Ｅボルト（点Ｐ１）、ピーキングコンデンサＣpの端子電圧Ｖcpは０ボルト（点Ｐ２）となっている。
【００６０】
その後、主スイッチＳＷをオンにするとコンデンサＣ1に蓄積された電荷の転送が開始される。すなわち、スイッチ素子ＳＷのオンによって可飽和リアクトルＳＬ1の端子電圧が急激に増大し、この後この電圧時間積が可飽和リアクトルＳＬ1の飽和限界に達すると可飽和リアクトルＳＬ1は飽和し、可飽和リアクトルＳＬ1のインダクタンスが急激に減少してオン状態となる。
【００６１】
この結果、コンデンサＣ1に蓄積された電荷は電流Ｉ1として流れ、コンデンサＣ1の極性が反転する。すなわち、図８に示すようにコンデンサＣ1の端子電圧ＶC1は＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。このコンデンサＣ1の極性反転の期間Ｔ１において、コンデンサＣ2に蓄積されていた電荷は、可飽和リアクトルＳＬ1，ＳＬ2間の電圧降下によって可飽和リアクトルＳＬ2がオフ状態であるにもかかわらず、可飽和リアクトルＳＬ1を介して放電し、またコンデンサＣ2、リアクトルＳＬ2、コンデンサＣ1を経て放電して、微小な電圧降下が生じる（点Ｐ３）。
【００６２】
その後、コンデンサＣ1の極性反転による電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ2がオンとなり、極性反転によって転送されてコンデンサＣ1に蓄積された電荷およびコンデンサＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ2として流れ、コンデンサＣ2の極性が反転されるとともに、コンデンサＣ1の電荷がコンデンサＣ2に転送される。コンデンサＣ1とコンデンサＣ2との容量比が３：１のときには、図８に示すように、コンデンサＣ1の端子電圧ＶC1は−Ｅボルトから０ボルトとなり、コンデンサＣ2の端子電圧ＶC2はほぼ＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化する。このコンデンサＣ1からコンデンサＣ2への電荷転送およびコンデンサＣ2の極性反転の期間Ｔ2において、ピーキングコンデンサＣpの電荷は、ダイオードＤ1および可飽和リアクトルＳＬ3を介して漏れることになるが、可飽和リアクトルＳＬ2がオンになった時点では、可飽和リアクトルＳＬ3の電位に対して可飽和リアクトルＳＬ2の電位の方が高いため、ピーキングコンデンサＣpの電荷は漏れない。そして、可飽和リアクトルＳＬ2と可飽和リアクトルＳＬ3との電位が同じとなった時点Ｐ５から、ピーキングコンデンサＣpの電荷の漏れが開始する。この結果、ピーキングコンデンサＣpの漏れ電荷による端子電圧Ｖcpの電圧降下ΔＶの値は、可飽和リアクトルＳＬ2がオンとなる時点Ｐ４から電荷漏れが開始した場合の電圧降下ΔＶ１の値に比較して半減あるいはそれ以下の微小な値となる。これにより、ピーキングコンデンサＣpに電荷が転送される前のピーキングコンデンサＣpの端子電圧Ｖcpの値は０ボルト近傍に効果的に抑えられることになる。
【００６３】
ここで、通常、レーザ放電部１０からのレーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部１０に対する印加電圧を制御することが行われるが、この図７の電荷転送方式によれば、上述したようにレーザ放電部１０に供給すべきピーキングコンデンサＣpからの印加電圧量、電荷量等のエネルギー量を正確に把握することができ、精度の高い、安定したパルスレーザ出力に制御することが可能となる。
【００６４】
その後、コンデンサＣ2への電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ3がオンとなり、コンデンサＣ2に蓄積された電荷が電流Ｉ3として流れ、コンデンサＣ2の電荷がピーキングコンデンサＣpに転送される。このピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は、電流Ｉ4としてレーザ放電部１０に印加され、レーザ放電部１０の放電によってレーザ媒質が励起され、レーザ発振することになる。レーザ放電部１０で消費された電流以外の残余の電流は、その後レーザ放電部１０とピーキングコンデンサＣpとの間で数回共振するが、スイッチ素子ＳＷをオフしておけばその都度ダイオードＤ1、可飽和リアクトルＳＬ2，ＳＬ3を介し、電流Ｉ5としてコンデンサＣ1，Ｃ2に回生される。しかも、ダイオードＤ1の整流作用によってダイオードＤ1を介してコンデンサＣ1，Ｃ2に回生された電荷はピーキングコンデンサＣpに戻ることが阻止される。これにより、ピーキングコンデンサＣpに転送された電荷は、レーザ放電部１０の放電に寄与するとともに、残余の電荷は再びコンデンサＣ1，Ｃ2に回生され、次の充電エネルギーを削減することができ、エネルギー消費効率を非常に大きくすることができる。
【００６５】
図６に示した回路においては、上記図７に示したような電荷転送を行なう磁気パルス圧縮回路において、コンデンサＣ1（図６ではＣn）からピーキングコンデンサＣpへの電荷転送を行なう最終段の電荷転送回路中に含まれる可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を複数個並列に接続し、これら複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を磁気結合するとともに、これら可飽和リアクトルにそれぞれ直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。すなわち、図６において、コンデンサＣnに並列に接続された２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、図５の実施例と同様、磁気結合しており、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2を異なる値に設定している。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００６６】
また、この図６の実施形態においては、先の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、最終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。したがって、この実施形態によれば、先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもできる。
【００６７】
なお、最終段の電荷転送回路に接続されるダイオードは、図９に示すように、並列接続された複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に対し、共通のダイオードＤを１つ接続するようにしてもよい。このようにしても、先の図６の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
図１０はこの発明の更に他の実施形態を示すものである。
【００６９】
この実施形態においては、先の図１に示した回路において、各可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2にそれぞれ直列接続されるダイオードＤ1，Ｄ2を追加するようにしている。ただし、この図１０の実施形態においては、電荷転送の手法は、先の図７に示したものと同じである。
【００７０】
この実施形態においても、２つの可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2は、先の実施形態と同様、磁気結合しており、またこれら２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2の各飽和後インダクタンスＬ1，Ｌ2は異なる値に設定されている。したがって、この実施形態においても、２個の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2を介した２つのルートの転送元コンデンサＣnからピーキングコンデンサＣpへの電荷転送の開始タイミングは同時となり、また各２つのルートの電荷転送時間はそれぞれ異なる値となる。したがって、この実施形態においても先の図４に示したものとほぼ同じ電荷転送状態を発生させることができ、これによりレーザ光の発光時間を延ばすことができ、またその単位時間当たりの発光強度を減少させることができる。
【００７１】
また、この図１０の実施形態においては、先の図７に示した回路と同様の電荷転送を行うと共に、最終段の電荷転送回路に含まれる複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に直列にダイオードＤ1，Ｄ2を接続するようにしている。したがって、この実施形態によれば、先の図７に示した回路と同様の効果を得ることもできる。
【００７２】
なお、図１０の回路において、最終段の電荷転送回路に接続されるダイオードは、図１１に示すように、並列接続された複数の可飽和リアクトルＡＬn1，ＡＬn2に対し、共通のダイオードＤを１つ接続するようにしてもよい。このようにしても、先の図１０の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を示す等価回路図。
【図２】磁気結合の１手法を示す図。
【図３】磁気結合の他の手法を示す図。
【図４】図１の実施形態の電流、電圧などのタイムチャート。
【図５】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図６】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図７】図６の実施形態における電荷転送動作を説明する為の等価回路図。
【図８】図７の回路の各部の電圧波形を示すタイムチャート。
【図９】図６の実施形態の変形例を示す等価回路図。
【図１０】この発明の他の実施形態を示す等価回路図。
【図１１】図１０の実施形態の変形例を示す等価回路図。
【図１２】従来技術を示す等価回路図。
【図１３】従来技術の電流、電圧などのタイムチャート。
【符号の説明】
Ｃ1〜Ｃ2，Ｃn，Ｃn1〜Ｃn2…コンデンサ
Ｃp…ピーキングコンデンサ
ＨＶ…充電電源
ＳＷ…主スイッチ
ＡＬ1，ＡＬ2，ＡＬn1，ＡＬn2…可飽和リアクトル
１０…放電電極
１１，１２、２５〜２８…巻線
１３，２０〜２３…コア
Claims (4)
- レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、前記可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路を複数個前記ピーキングコンデンサに並列に接続するとともに、前記複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしたことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。
- 前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記複数の転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴とする請求項１記載のパルスレーザ用電源装置。
- レーザ媒質中に設けられるパルスレーザ用放電電極と、この放電電極に並列に接続されているピーキングコンデンサと、このピーキングコンデンサに並列接続されている可飽和リアクトルと転送元コンデンサの直列回路とを具え、転送元コンデンサに充電された電荷を可飽和リアクトルの磁気飽和現象を利用してピーキングコンデンサに転送する事により前記放電電極間でパルス放電を行なうことで、レーザ媒質を励起してパルスレーザを発生させるパルスレーザ用電源装置において、
前記可飽和リアクトルを複数個の可飽和リアクトルの並列回路に分割するとともに、これら複数の過飽和リアクトルを磁気結合し、かつこれら複数の可飽和リアクトルの飽和後インダクタンスを異ならせるようにしたことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。 - 前記可飽和リアクトルに直列接続され、前記転送元コンデンサからピーキングコンデンサへの電荷転送方向を導通方向とするダイオードを更に設け、前記転送元コンデンサには予め充電を行っておくようにしたことを特徴とする請求項３記載のパルスレーザ用電源装置。
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