JP3888598B2 - 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】
本発明は、充電用直流高圧電源に並列接続されたコンデンサに蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送供給してレーザパルス発振を行なせるパルスレーザ用電源装置に関し、特に転送されるエネルギーを精度高く制御して安定したレーザ出力を得ることができるとともに、エネルギー消費の効率化を図ることができる高繰り返し発振のパルスレーザ用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーザ用電源装置には、高速、大電流、高繰り返しパルス電源を実現するため、磁気パルス圧縮回路を付加するものがある。この磁気パルス圧縮回路は、鉄心等の強磁性体の磁化の飽和を利用するものである。
【０００３】
例えば、図１２は磁気パルス圧縮回路を用いた従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１２において、充電用直流電源１１は、例えば数十ｋＶの直流電源であり、これに並列接続されたコンデンサＣ０を充電する。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、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導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。そして、この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ＬＤに印加され、レーザ放電されて電流Ｉ１４が流れる。
【０００４】
可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３が飽和する多段磁気圧縮回路の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスは、下流の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスの方が小さいのでパルス圧縮が行われる。すなわち、可飽和リアクトルＳＬ１がオンしてコンデンサＣ０の端子電圧ＶＣ０が低下し、この電荷の転送に伴ってコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１１が低下し、コンデンサＣ１への電荷転送が完了した時点で可飽和リアクトルＳＬ２がオンする。可飽和リアクトルＳＬ２がオンすると、コンデンサＣ１に転送した電荷がコンデンサＣ２に転送される。同様にして、コンデンサＣ２に電荷が転送完了したときに可飽和リアクトルＳＬ３がオンし、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰに電荷が転送される。
【０００５】
この場合、可飽和リアクトルＳＬ１のオンから可飽和リアクトルＳＬ２のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ２のオンから可飽和リアクトルＳＬ３のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ３のオンからピーキングコンデンサＣＰに電荷転送が完了するまでの間は、順次短くなるように設定されるので、各電荷の転送間の電流は図１３（ｂ）に示すように順次大きな電流値となり、パルス圧縮が実現される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパルスレーザ用電源装置におけるピーキングコンデンサＣＰの端子電圧ＶＣＰ１は、可飽和リアクトルＳＬ３がオンしてコンデンサＣ２から電荷が転送開始される際、既にΔＶ１分転送された値となっている。これは、可飽和リアクトルＳＬ３がオフのときにコンデンサＣ２の電荷が可飽和リアクトルＳＬ３を介して、ピーキングコンデンサＣＰに漏れてしまっているからである。
【０００７】
ピーキングコンデンサＣＰに転送される電荷量と転送時間は最終的にレーザ発振を行うためのエネルギーを規定する。上述したピーキングコンデンサＣＰへの電荷の漏れが生じていると、ピーキングコンデンサＣＰに蓄えられる電荷量の減少とレーザ放電部ＬＤへの電圧印加度（ｄＶ／ｄｔ）の減少をもたらす。これらが、レーザ出力の安定制御を阻害するという問題点があった。
【０００８】
また、上述した従来のパルスレーザ用電源装置では、ピーキングコンデンサＣＰに蓄えられたエネルギーの全てがレーザ放電部ＬＤで消費されず、残余のエネルギーはその後レーザ放電部ＬＤとピーキングコンデンサＣＰとの間で数回共振することになる。この共振の終了状態はレーザ発振の都度変動し、確定することができず、最終的なピーキングコンデンサＣＰの端子電圧の極性がばらつくことになり、この極性のばらつきも、安定したレーザ出力の制御を妨げるものであった。
【０００９】
一方、残余のエネルギーを次のレーザパルス発振に利用して、効率的なパルスレーザ用電源装置とすることが要望される。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、レーザ発振の安定出力制御をすることができるとともに、効率的なエネルギー消費を実現す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。
【００１１】
【課題を解決するための手段および効果】
第１の発明は、充電用直流電源と、該充電用直流電源に並列接続されたスイッチ素子と、直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該スイッチ素子に並列接続し、さらに直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサと該並列接続されたコンデンサに並列接続する構成を順次持たせて前記スイッチ素子のオンを契機としてコンデンサに蓄積されたエネルギーを順次後段のコンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路と、該磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部とを有するパルスレーザ用電源装置において、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の可飽和リアクトルに直列接続され、該磁気パルス圧縮回路によるエネルギー転送方向を導通方向とするダイオードを具備し、前記充電用直流電源は、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサを除くコンデンサを充電することを特徴とする。
【００１２】
第１の発明では、充電用直流電源が前記スイッチ素子の導通特性によって前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサを除くコンデンサを充電する。この結果最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始時、最終段のコンデンサの電位は最終段の１つ前段のコンデンサの電位に比べて低いため、最終段の１つ前段のコンデンサから最終段の可飽和リアクトルを介して最終段のコンデンサに電荷が漏れず、最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始後、最終段のコンデンサの電位が最終段の１つ前段のコンデンサの電位と等しくなった時点から、最終段のコンデンサから最終段の１つ前段の可飽和リアクトルを介して最終段のコンデンサに電荷が漏れ始めるため、最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始時点における最終段のコンデンサの電位降下量が極めて小さくなる。この結果、最終段の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、レーザ放電部に対して供給されるエネルギーを精度高く制御でき、安定したパルスレーザ発振を実現することができる作用効果を奏する。
【００１３】
また、第１の発明では、上述したように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、最終段の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、このダイオードの導通方向は、最終段の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前段のコンデンサに回生される方向に一致するため、次パルス発振のための充電のエネルギー消費が格段に減少し、効率的なエネルギー消費を実現することができるという作用効果を奏する。
【００１４】
しかも、第１の発明では、最終段の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率的に抑制され、またこの共振状態の終了状態も、最終段の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になるため、この点からも安定したレーザ出力制御が可能となる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記ダイオードは、前記レーザ放電部および前記最終段のコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点と、前記最終段の１つ前段の可飽和リアクトルおよびコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点との間で、前記最終段の可飽和リアクトルに直列接続されることを特徴とする。
【００１６】
これにより、第２の発明は第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００１７】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記スイッチ回路および前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサの容量は、前段のコンデンサの容量と後段のコンデンサの容量とが３対１であることを特徴とする。
【００１８】
これにより、第３の発明では第１の発明と同様な作用効果を奏するとともに、磁気パルス圧縮されるエネルギーを倍増して圧縮することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１に示すパルスレーザ用電源装置では、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１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ＬＤ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。すなわち、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。
【００２１】
次に、図２から図７を参照して図１のパルスレーザ用電源装置の動作について説明する。まず、図３において、充電用直流電源１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。
【００２２】
従って、図２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。
【００２３】
その後、ゲートＧ１に所定電圧を印加してスイッチ素子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の端子間電圧が急激に増大し、可飽和リアクトルＳＬ１が飽和する電圧時間積に達して飽和し、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。この結果、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は図４に示すように、電流Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１の極性が反転する。従って、図２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、コンデンサＣ２→可飽和リアクトルＳＬ２→可飽和リアクトルＳＬ１→スイッチ素子ＳＷ→コンデンサＣ２という経路、およびコンデンサＣ２→可飽和リアクトルＳＬ２→コンデンサＣ１→コンデンサＣ２という経路の２つの経路で漏れ、微小な電圧降下が生じる（点Ｐ３）。
【００２４】
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、図５に示すように、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。この結果、図２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ボルト程度となり、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、コンデンサＣ２の電荷は、ダイオードＤ１および可飽和リアクトルＳＬ３を介してピーキングコンデンサＣＰへ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。ここで、通常、レーザ放電部ＬＤからのレーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部ＬＤに対する印加電圧を制御することが行われるが、上述したようにレーザ放電部ＬＤ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。
【００２５】
その後、コンデンサＣ２の極性反転により電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ３がオンとなり、図６に示すように、極性反転によって転送されたコンデンサ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、図６に示すように、電流Ｉ４としてレーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放電部ＬＤ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ＬＤ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ＬＤ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、図７に示すように電流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ＬＤ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。
【００２６】
次に、図８を参照して、図１のパルスレーザ用電源装置の変形例について説明する。図１に示すパルスレーザ用電源装置ではダイオードＤ１が、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤの接続点と可飽和リアクトルＳＬ３との間に直列接続されているが、図８に示すパルスレーザ用電源装置では、可飽和リアクトルＳＬ２とコンデンサＣ２の接続点と可飽和リアクトルＳＬ３との間に直列接続したダイオードＤ２を設けている。このダイオードＤ２の導通方向は、ダイオードＤ１と同様にパルス圧縮による電荷転送方向である。
【００２７】
このようなダイオードＤ２をダイオードＤ１に代えて設けるようにしても、図１に示すパルスレーザ用電源装置と同様な作用効果を奏する。
【００２８】
換言すれば、ダイオードＤ１またはダイオードＤ２であれ、可飽和リアクトルＳＬ３とコンデンサＣ２の接続点から可飽和リアクトルＳＬ３とピーキングコンデンサＣＰの接続点までの間のいずれかに、パルス圧縮による電荷転送方向を導通方向としたダイオードを設けるようにすればよい。
【００２９】
次に、図９を参照して、図１のパルスレーザ用電源装置の応用例について説明する。図１のパルスレーザ用電源装置は可飽和リアクトルを用いた磁気圧縮回路を含んでおり、この場合通常コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの容量は同一に設定している。
【００３０】
ここで、コンデンサＣ１の容量とコンデンサＣ２の容量とを３対１に設定すると、コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの端子電圧の変化は図９に示すようになる。但し、各可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３の電圧時間積は変更なく、それぞれ図２に示すタイミングで飽和状態となる。
【００３１】
コンデンサＣ２と、コンデンサＣ２に対して３倍の容量をもつコンデンサＣ１に対しては充電用直流電源１によってそれぞれ充電されている。その後、スイッチ素子ＳＷのオンに伴って可飽和リアクトルＳＬ１がオンになると、コンデンサＣ１の端子電圧Ｖ’Ｃ１は図９に示すように、＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化して電圧の極性反転を行う。その後、可飽和リアクトルＳＬ２がオンになると、極性反転したコンデンサＣ１の電荷はコンデンサＣ２に転送され、コンデンサＣ２の電荷は極性反転する。この際、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖ’Ｃ２はほぼ＋Ｅボルトから−２Ｅボルトに変化する。すなわち、コンデンサＣ２には、充電した電荷量の約２倍の電荷量がコンデンサＣ２に転送され、極性反転される。その後さらに、可飽和リアクトルＳＬ３のオンによってコンデンサＣ２に転送されている約２倍の電荷は、ピーキングコンデンサＣＰに転送されることになる。これにより、充電電圧の２倍の電圧をレーザ放電部ＬＤに印加することができる。
【００３２】
この場合においても、図１に示すパルスレーザ用電源装置と同様に、可飽和リアクトルＳＬ２のオン時から、ピーキングコンデンサＣＰから漏れ電荷が生じることがなく、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖ’Ｃ２が極性反転する際、すなわち時点Ｐ１０から漏れ電荷が生じるため、可飽和リアクトルＳＬ３のオン時におけるピーキングコンデンサＣＰの電圧降下ΔＶ’は図２に示す電圧降下ΔＶと同様に極めて小さな値となる。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Ｖ’ＣＰの値は０ボルト近傍に効果的に押さえられることになり、上述したようにレーザ放電部ＬＤ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。また、圧縮段数は２段に限らず、図１０のような１段圧縮、図１１のような３段圧縮などでもよい。
【００３３】
なお、上述した実施の形態におけるスイッチ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用できる。
【００３４】
また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッチ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかかる耐圧を軽減するようにしてもよい。
【００３５】
さらに、上述した実施の形態では、充電用直流電源１が可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２を介してコンデンサＣ１，Ｃ２を充電するようにしているが、これに限らず、各コンデンサＣ１，Ｃ２を直接充電するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示すパルスレーザ用電源装置におけるコンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示すパルスレーザ用電源装置における充電状態を示す図である。
【図４】図１に示すパルスレーザ用電源装置においてスイッチ素子ＳＷのオンに伴って可飽和リアクトルＳＬ１がオンした状態での電流Ｉ１による極性反転の状態を示す図である。
【図５】図１に示すパルスレーザ用電源装置において可飽和リアクトルＳＬ２がオンした状態での電流Ｉ２による電荷転送の状態を示す図である。
【図６】図１に示すパルスレーザ用電源装置において可飽和リアクトルＳＬ３がオンした状態での電流Ｉ３による電荷転送の状態を示す図である。
【図７】図１に示すパルスレーザ用電源装置において、レーザ放電部ＬＤによる放電後での回生電流Ｉ５を示す図である。
【図８】図１に示すパルスレーザ用電源装置に対してダイオードの配置を変更した一例を示す図である。
【図９】図１に示すパルスレーザ用電源装置においてコンデンサＣ１，Ｃ２の容量を３対１に設定した場合のコンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化を示すタイミングチャートである。
【図１０】パルス圧縮段数を１段とする本発明に係るパルスレーザ用電源装置の一例を示す図である。
【図１１】パルス圧縮段数を３段とする本発明に係るパルスレーザ用電源装置の一例を示す図である。
【図１２】従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示すパルスレーザ用電源装置におけるコンデンサＣ０，Ｃ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化および磁気パルス圧縮された電流変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…充電用直流電源 ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート
ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル Ｄ１…ダイオード
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ ＣＰ…ピーキングコンデンサ
ＬＤ…レーザ放電部 ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣＰ…端子電圧
ΔＶ，ΔＶ’…電圧降下
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電用直流高圧電源に並列接続されたコンデンサに蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送供給してレーザパルス発振を行なせるパルスレーザ用電源装置に関し、特に転送されるエネルギーを精度高く制御して安定したレーザ出力を得ることができるとともに、エネルギー消費の効率化を図ることができる高繰り返し発振のパルスレーザ用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーザ用電源装置には、高速、大電流、高繰り返しパルス電源を実現するため、磁気パルス圧縮回路を付加するものがある。この磁気パルス圧縮回路は、鉄心等の強磁性体の磁化の飽和を利用するものである。
【０００３】
例えば、図１２は磁気パルス圧縮回路を用いた従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１２において、充電用直流電源１１は、例えば数十ｋＶの直流電源であり、これに並列接続されたコンデンサＣ０を充電する。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、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導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。そして、この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ＬＤに印加され、レーザ放電されて電流Ｉ１４が流れる。
【０００４】
可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３が飽和する多段磁気圧縮回路の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスは、下流の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスの方が小さいのでパルス圧縮が行われる。すなわち、可飽和リアクトルＳＬ１がオンしてコンデンサＣ０の端子電圧ＶＣ０が低下し、この電荷の転送に伴ってコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１１が低下し、コンデンサＣ１への電荷転送が完了した時点で可飽和リアクトルＳＬ２がオンする。可飽和リアクトルＳＬ２がオンすると、コンデンサＣ１に転送した電荷がコンデンサＣ２に転送される。同様にして、コンデンサＣ２に電荷が転送完了したときに可飽和リアクトルＳＬ３がオンし、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰに電荷が転送される。
【０００５】
この場合、可飽和リアクトルＳＬ１のオンから可飽和リアクトルＳＬ２のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ２のオンから可飽和リアクトルＳＬ３のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ３のオンからピーキングコンデンサＣＰに電荷転送が完了するまでの間は、順次短くなるように設定されるので、各電荷の転送間の電流は図１３（ｂ）に示すように順次大きな電流値となり、パルス圧縮が実現される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のパルスレーザ用電源装置におけるピーキングコンデンサＣＰの端子電圧ＶＣＰ１は、可飽和リアクトルＳＬ３がオンしてコンデンサＣ２から電荷が転送開始される際、既にΔＶ１分転送された値となっている。これは、可飽和リアクトルＳＬ３がオフのときにコンデンサＣ２の電荷が可飽和リアクトルＳＬ３を介して、ピーキングコンデンサＣＰに漏れてしまっているからである。
【０００７】
ピーキングコンデンサＣＰに転送される電荷量と転送時間は最終的にレーザ発振を行うためのエネルギーを規定する。上述したピーキングコンデンサＣＰへの電荷の漏れが生じていると、ピーキングコンデンサＣＰに蓄えられる電荷量の減少とレーザ放電部ＬＤへの電圧印加度（ｄＶ／ｄｔ）の減少をもたらす。これらが、レーザ出力の安定制御を阻害するという問題点があった。
【０００８】
また、上述した従来のパルスレーザ用電源装置では、ピーキングコンデンサＣＰに蓄えられたエネルギーの全てがレーザ放電部ＬＤで消費されず、残余のエネルギーはその後レーザ放電部ＬＤとピーキングコンデンサＣＰとの間で数回共振することになる。この共振の終了状態はレーザ発振の都度変動し、確定することができず、最終的なピーキングコンデンサＣＰの端子電圧の極性がばらつくことになり、この極性のばらつきも、安定したレーザ出力の制御を妨げるものであった。
【０００９】
一方、残余のエネルギーを次のレーザパルス発振に利用して、効率的なパルスレーザ用電源装置とすることが要望される。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、レーザ発振の安定出力制御をすることができるとともに、効率的なエネルギー消費を実現す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。
【００１１】
【課題を解決するための手段および効果】
第１の発明は、充電用直流電源と、該充電用直流電源に並列接続されたスイッチ素子と、直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該スイッチ素子に並列接続し、さらに直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサと該並列接続されたコンデンサに並列接続する構成を順次持たせて前記スイッチ素子のオンを契機としてコンデンサに蓄積されたエネルギーを順次後段のコンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路と、該磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部とを有するパルスレーザ用電源装置において、前記磁気パルス圧縮回路の最終段の可飽和リアクトルに直列接続され、該磁気パルス圧縮回路によるエネルギー転送方向を導通方向とするダイオードを具備し、前記充電用直流電源は、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサを除くコンデンサを充電することを特徴とする。
【００１２】
第１の発明では、充電用直流電源が前記スイッチ素子の導通特性によって前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサを除くコンデンサを充電する。この結果最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始時、最終段のコンデンサの電位は最終段の１つ前段のコンデンサの電位に比べて低いため、最終段の１つ前段のコンデンサから最終段の可飽和リアクトルを介して最終段のコンデンサに電荷が漏れず、最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始後、最終段のコンデンサの電位が最終段の１つ前段のコンデンサの電位と等しくなった時点から、最終段のコンデンサから最終段の１つ前段の可飽和リアクトルを介して最終段のコンデンサに電荷が漏れ始めるため、最終段のコンデンサへのエネルギー転送開始時点における最終段のコンデンサの電位降下量が極めて小さくなる。この結果、最終段の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、レーザ放電部に対して供給されるエネルギーを精度高く制御でき、安定したパルスレーザ発振を実現することができる作用効果を奏する。
【００１３】
また、第１の発明では、上述したように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、最終段の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、このダイオードの導通方向は、最終段の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前段のコンデンサに回生される方向に一致するため、次パルス発振のための充電のエネルギー消費が格段に減少し、効率的なエネルギー消費を実現することができるという作用効果を奏する。
【００１４】
しかも、第１の発明では、最終段の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率的に抑制され、またこの共振状態の終了状態も、最終段の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になるため、この点からも安定したレーザ出力制御が可能となる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明において、前記ダイオードは、前記レーザ放電部および前記最終段のコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点と、前記最終段の１つ前段の可飽和リアクトルおよびコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点との間で、前記最終段の可飽和リアクトルに直列接続されることを特徴とする。
【００１６】
これにより、第２の発明は第１の発明と同様な作用効果を奏する。
【００１７】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記スイッチ回路および前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサの容量は、前段のコンデンサの容量と後段のコンデンサの容量とが３対１であることを特徴とする。
【００１８】
これにより、第３の発明では第１の発明と同様な作用効果を奏するとともに、磁気パルス圧縮されるエネルギーを倍増して圧縮することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１に示すパルスレーザ用電源装置では、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１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ＬＤ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。すなわち、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。
【００２１】
次に、図２から図７を参照して図１のパルスレーザ用電源装置の動作について説明する。まず、図３において、充電用直流電源１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。
【００２２】
従って、図２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。
【００２３】
その後、ゲートＧ１に所定電圧を印加してスイッチ素子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の端子間電圧が急激に増大し、可飽和リアクトルＳＬ１が飽和する電圧時間積に達して飽和し、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。この結果、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は図４に示すように、電流Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１の極性が反転する。従って、図２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、コンデンサＣ２→可飽和リアクトルＳＬ２→可飽和リアクトルＳＬ１→スイッチ素子ＳＷ→コンデンサＣ２という経路、およびコンデンサＣ２→可飽和リアクトルＳＬ２→コンデンサＣ１→コンデンサＣ２という経路の２つの経路で漏れ、微小な電圧降下が生じる（点Ｐ３）。
【００２４】
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、図５に示すように、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。この結果、図２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ボルト程度となり、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、コンデンサＣ２の電荷は、ダイオードＤ１および可飽和リアクトルＳＬ３を介してピーキングコンデンサＣＰへ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。ここで、通常、レーザ放電部ＬＤからのレーザ発振出力を制御する場合、レーザ放電部ＬＤに対する印加電圧を制御することが行われるが、上述したようにレーザ放電部ＬＤ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。
【００２５】
その後、コンデンサＣ２の極性反転により電荷転送終了直後に可飽和リアクトルＳＬ３がオンとなり、図６に示すように、極性反転によって転送されたコンデンサ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、図６に示すように、電流Ｉ４としてレーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放電部ＬＤ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ＬＤ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ＬＤ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、図７に示すように電流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ＬＤ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。
【００２６】
次に、図８を参照して、図１のパルスレーザ用電源装置の変形例について説明する。図１に示すパルスレーザ用電源装置ではダイオードＤ１が、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤの接続点と可飽和リアクトルＳＬ３との間に直列接続されているが、図８に示すパルスレーザ用電源装置では、可飽和リアクトルＳＬ２とコンデンサＣ２の接続点と可飽和リアクトルＳＬ３との間に直列接続したダイオードＤ２を設けている。このダイオードＤ２の導通方向は、ダイオードＤ１と同様にパルス圧縮による電荷転送方向である。
【００２７】
このようなダイオードＤ２をダイオードＤ１に代えて設けるようにしても、図１に示すパルスレーザ用電源装置と同様な作用効果を奏する。
【００２８】
換言すれば、ダイオードＤ１またはダイオードＤ２であれ、可飽和リアクトルＳＬ３とコンデンサＣ２の接続点から可飽和リアクトルＳＬ３とピーキングコンデンサＣＰの接続点までの間のいずれかに、パルス圧縮による電荷転送方向を導通方向としたダイオードを設けるようにすればよい。
【００２９】
次に、図９を参照して、図１のパルスレーザ用電源装置の応用例について説明する。図１のパルスレーザ用電源装置は可飽和リアクトルを用いた磁気圧縮回路を含んでおり、この場合通常コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの容量は同一に設定している。
【００３０】
ここで、コンデンサＣ１の容量とコンデンサＣ２の容量とを３対１に設定すると、コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの端子電圧の変化は図９に示すようになる。但し、各可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３の電圧時間積は変更なく、それぞれ図２に示すタイミングで飽和状態となる。
【００３１】
コンデンサＣ２と、コンデンサＣ２に対して３倍の容量をもつコンデンサＣ１に対しては充電用直流電源１によってそれぞれ充電されている。その後、スイッチ素子ＳＷのオンに伴って可飽和リアクトルＳＬ１がオンになると、コンデンサＣ１の端子電圧Ｖ’Ｃ１は図９に示すように、＋Ｅボルトから−Ｅボルトに変化して電圧の極性反転を行う。その後、可飽和リアクトルＳＬ２がオンになると、極性反転したコンデンサＣ１の電荷はコンデンサＣ２に転送され、コンデンサＣ２の電荷は極性反転する。この際、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖ’Ｃ２はほぼ＋Ｅボルトから−２Ｅボルトに変化する。すなわち、コンデンサＣ２には、充電した電荷量の約２倍の電荷量がコンデンサＣ２に転送され、極性反転される。その後さらに、可飽和リアクトルＳＬ３のオンによってコンデンサＣ２に転送されている約２倍の電荷は、ピーキングコンデンサＣＰに転送されることになる。これにより、充電電圧の２倍の電圧をレーザ放電部ＬＤに印加することができる。
【００３２】
この場合においても、図１に示すパルスレーザ用電源装置と同様に、可飽和リアクトルＳＬ２のオン時から、ピーキングコンデンサＣＰから漏れ電荷が生じることがなく、コンデンサＣ２の端子電圧Ｖ’Ｃ２が極性反転する際、すなわち時点Ｐ１０から漏れ電荷が生じるため、可飽和リアクトルＳＬ３のオン時におけるピーキングコンデンサＣＰの電圧降下ΔＶ’は図２に示す電圧降下ΔＶと同様に極めて小さな値となる。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Ｖ’ＣＰの値は０ボルト近傍に効果的に押さえられることになり、上述したようにレーザ放電部ＬＤ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。また、圧縮段数は２段に限らず、図１０のような１段圧縮、図１１のような３段圧縮などでもよい。
【００３３】
なお、上述した実施の形態におけるスイッチ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用できる。
【００３４】
また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッチ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかかる耐圧を軽減するようにしてもよい。
【００３５】
さらに、上述した実施の形態では、充電用直流電源１が可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２を介してコンデンサＣ１，Ｃ２を充電するようにしているが、これに限らず、各コンデンサＣ１，Ｃ２を直接充電するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示すパルスレーザ用電源装置におけるコンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示すパルスレーザ用電源装置における充電状態を示す図である。
【図４】図１に示すパルスレーザ用電源装置においてスイッチ素子ＳＷのオンに伴って可飽和リアクトルＳＬ１がオンした状態での電流Ｉ１による極性反転の状態を示す図である。
【図５】図１に示すパルスレーザ用電源装置において可飽和リアクトルＳＬ２がオンした状態での電流Ｉ２による電荷転送の状態を示す図である。
【図６】図１に示すパルスレーザ用電源装置において可飽和リアクトルＳＬ３がオンした状態での電流Ｉ３による電荷転送の状態を示す図である。
【図７】図１に示すパルスレーザ用電源装置において、レーザ放電部ＬＤによる放電後での回生電流Ｉ５を示す図である。
【図８】図１に示すパルスレーザ用電源装置に対してダイオードの配置を変更した一例を示す図である。
【図９】図１に示すパルスレーザ用電源装置においてコンデンサＣ１，Ｃ２の容量を３対１に設定した場合のコンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化を示すタイミングチャートである。
【図１０】パルス圧縮段数を１段とする本発明に係るパルスレーザ用電源装置の一例を示す図である。
【図１１】パルス圧縮段数を３段とする本発明に係るパルスレーザ用電源装置の一例を示す図である。
【図１２】従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示すパルスレーザ用電源装置におけるコンデンサＣ０，Ｃ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの電圧変化および磁気パルス圧縮された電流変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…充電用直流電源 ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート
ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル Ｄ１…ダイオード
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ ＣＰ…ピーキングコンデンサ
ＬＤ…レーザ放電部 ＶＣ１，ＶＣ２，ＶＣＰ…端子電圧
ΔＶ，ΔＶ’…電圧降下
Claims (3)
- 充電用直流電源と、該充電用直流電源に並列接続されたスイッチ素子と、直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサとを該スイッチ素子に並列接続し、さらに直列接続された可飽和リアクトルとコンデンサと該並列接続されたコンデンサに並列接続する構成を順次持たせて前記スイッチ素子のオンを契機としてコンデンサに蓄積されたエネルギーを順次後段のコンデンサに転送する磁気パルス圧縮回路と、該磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部とを有するパルスレーザ用電源装置において、
前記磁気パルス圧縮回路の最終段の可飽和リアクトルに直列接続され、該磁気パルス圧縮回路によるエネルギー転送方向を導通方向とするダイオードを具備し、
前記充電用直流電源は、前記磁気パルス圧縮回路の最終段のコンデンサを除くコンデンサを充電する
ことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。 - 前記ダイオードは、前記レーザ放電部および前記最終段のコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点と、前記最終段の１つ前段の可飽和リアクトルおよびコンデンサの前記最終段の可飽和リアクトル側の接続点との間で、前記最終段の可飽和リアクトルに直列接続されることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ用電源装置。
- 前記スイッチ回路および前記磁気パルス圧縮回路のコンデンサの容量は、前段のコンデンサの容量と後段のコンデンサの容量とが３対１であることを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーザ用電源装置。
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