JP4026697B2 - 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するパルスレーザ用電源装置に関し、特に最終的にレーザ放電部に転送されるパルスエネルギーを時間的に伸長し、さらにはエネルギー転送効率を高めることができる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１０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１０において、充電用直流電源２１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Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１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に蓄積された電荷によりレーザ放電部ＬＤが放電破壊した後、電流ＩＬＤ１０として流れて、レーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【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、図１１（ａ）に示すように、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ＶＣ１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１１（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】
ここで、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷によりレーザ放電部ＬＤが放電破壊した後、電流ＩＬＤ１０が流れるが、パルス伸長用のコイルＬ１によって転送される電荷エネルギーは時間的に伸長されてレーザ放電部ＬＤに流れる。
【０００７】
その後、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとを含む閉回路では、共振状態となって数回放電が繰り返される。この電流ＩＬＤａは、パルス伸長用のコイルＬ１を付加しないときの電流値ＩＬＤ１０に比較してそのピーク値ＰＰ１０がピーク値ＰＰ２に低下し、時間的に伸長した波形となる。従って、レーザ放電部ＬＤで放電破壊されると、図示しないレーザチャンバ内に充填されるレーザ媒質は放電励起され、このパルス伸長した電流値ＰＰ２の波形に近似したパルス波形のレーザ光が発振される。
【０００８】
この結果、時間的に伸長されたパルスレーザ光は、パルスエネルギー値全体を維持したまま、そのピーク値が低減されるため、光学素子等に与えるダメージを低減できることから、光学素子等の寿命を延ばし、該光学素子等を交換することなく、長期に渡るレーザ発振と安定したレーザ発振とを達成することができる。一方、パルスレーザ光のピーク値の低減に伴ってパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が増大することから、パルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の小型軽量化の促進や大量生産を可能にする。
【０００９】
また、パルスレーザ光は時間的に伸長されることから、光共振器間の往復回数が増大したパルスレーザ光が含まれ、パルスレーザ用電源装置がグレーティング等の波長選択素子が含んで狭帯域化されたパルスレーザ光を出力する狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には、出力されるパルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のパルスレーザ用電源装置では、最終磁気パルス圧縮閉回路上を流れる電流Ｉ３によってピーキングコンデンサＣＰにエネルギー転送を行う際、パルス伸長用のコイルＬ１を経由してエネルギー転送を行うため、このエネルギー転送時におけるコイルＬ１での転送電流のロス及び転送時のｄＶ／ｄｔ（電圧の時間変化率）の減少による放電開始電圧の低下が発生し、レーザ放電部ＬＤに転送すべきエネルギー量が低減し、効率の悪いエネルギー転送を余儀なくされるという問題点があった。
【００１１】
また、ピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤにパルスエネルギーを転送する最終エネルギー転送閉回路上に設けられるインダクタンスは、複数設定しても、その合成されたインダクタンスに過ぎず、このインダクタンスを変化させることによってパルス伸長を行うことになるが、そのパルス伸長の設定範囲には限界があるという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、レーザ放電部に対して供給されるパルスエネルギーを時間的に伸長してパルスレーザ光を伸長する場合にも、エネルギー効率を高く維持することができるとともに、パルス伸長の設定範囲を広くできる柔軟なパルス伸長設定を可能とす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。
【００１３】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明は、充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、前記最終段のコンデンサに磁気パルス圧縮してエネルギー転送を行う最終磁気パルス圧縮閉回路であって前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路である共有転送回路上に直接接続され、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段と、前記パルス伸長手段に並列接続され、前記エネルギー転送閉回路によるエネルギー転送方向を順方向とする一方向性素子とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
請求項１に係る発明では、パルス伸長手段を用いてパルス伸長を行う場合にも、最終磁気パルス圧縮閉回路から最終段のコンデンサに流入するエネルギーはパルス伸長手段を経由せず、ダイオード等の一方向性素子を導通し、パルス伸長手段を経由した場合に生ずる電力ロス及び放電開始電圧値の低下をなくすことができ、この結果、最終段のコンデンサに全てのエネルギーが転送されてエネルギー転送効率の低下を防止し、最終エネルギー転送閉回路を用いたレーザ放電部に対するパルスエネルギーを高く維持することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記一方向性素子が並列接続されたパルス伸長手段と前記最終段のコンデンサとからなる回路を複数並列接続し、前記最終エネルギー転送閉回路を複数設け、複数並列接続された各パルス伸長手段が異なるパルス伸長を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、一方向性素子が並列接続されたパルス伸長手段と最終段のコンデンサとからなる回路を複数並列接続して、最終エネルギー転送閉回路を分割するようにしているので、各複数の回路における各パルス伸長手段によるパルス伸長を個々に設定することができ、個々に設定されたパルス伸長の合成パルスエネルギーがレーザ放電部に印加され、これによってレーザ放電部に供給されるパルスエネルギーを柔軟に伸長することができる。
【００１７】
しかも、最終エネルギー転送閉回路からの各複数の回路における各最終段のコンデンサに対するエネルギー転送も遅延せず、該各最終段のコンデンサから各パルス伸長手段を経由してパルス伸長された各パルスエネルギーをレーザ放電部に供給するようにしているので、各パルスエネルギーを合成して形成される合成パルスエネルギー波形を出力するための各パルスエネルギーの設定を容易に行うことができる。
【００２２】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記一方向性素子は、インダクタンスであり、前記パルス伸長手段を経由する最終エネルギー転送閉回路に対するインピーダンスを前記インダクタンスを経由する前記最終磁気パルス圧縮閉回路に対するインピーダンスに比して小さくすることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に係る発明では、請求項２に係る発明において、一方向性素子をインダクタンスとしても、最終段のコンデンサあるいは各最終段のコンデンサからレーザ放電部へのパルスエネルギーの転送を簡易な構成によって効率よく行うことができる。
【００２４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、前記パルス伸長手段は、インダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる所定の時定数を有した回路であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に係る発明では、請求項１〜３に係る発明において、パルス伸長手段をインダクタンスとすることによって具体的にロスの少ない構成を実現することができ、また、並列接続された抵抗とキャパシタンスとからな所定の時定数を有した回路によっても、簡易な構成によってパルス伸長手段を実現することができる。
【００２６】
【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。
図１は、本発明の第１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り、図２は、図１に示すパルスレーザ用電源装置の電荷エネルギー転送動作を示すタイミングチャートである。
【００２７】
図１において、パルスレーザ用電源装置１は、図１０に示すパルスレーザ用電源装置２０と同様に、充電用直流電源２１と同一の充電用直流電源２を有し、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された充電用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＬ１と転送用のコンデンサＣ１とがこの充電用直流電源２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とピーキングコンデンサＣＰとコイルＬＬとがコンデンサＣ２に並列接続される。さらに、コイルＬＬには、ダイオードＤが並列接続され、その順方向をピーキングコンデンサＣＰ側としている。
【００２８】
また、ピーキングコンデンサＣＰには、レーザ放電部ＬＤと充電用のコイルＬとが並列接続される。ここで、充電用直流電源２の負極側、スイッチＳＷの順方向側、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤのアノード側、コイルＬＬの一端、レーザ放電部ＬＤのアノード１２側、およびコイルＬの一端は、点Ｐ１で共通接続され、接地される。
【００２９】
この図１に示すパルスレーザ用電源装置１は、図１０に示すパルスレーザ用電源装置２０にダイオードＤを付加した構成であり、ピーキングコンデンサＣＰに磁気パルス圧縮された電荷エネルギーをピーキングコンデンサＣＰに転送する際、この電荷エネルギーをダイオードＤを介してピーキングコンデンサＣＰに蓄積させ、その後、ピーキングコンデンサＣＰに蓄積された電荷エネルギーをレーザ放電部ＬＤに供給する際、コイルＬＬを介してパルス伸長されたパルスエネルギーとしてレーザ放電部ＬＤに供給しようとするものである。
【００３０】
従って、ピーキングコンデンサＣＰに蓄積される電荷エネルギーは、コイルＬＬのインダクタンスでの転送電流ロスが少なく、また転送時のｄＶ／ｄｔの減少もないため、ピーキングコンデンサＣＰには、コンデンサＣ２に蓄積されていた電荷エネルギーが全て転送され、レーザ放電部ＬＤへの電圧印加も放電破壊に十分な電圧を供給でき、レーザ放電部ＬＤの放電も安定して行われることになる。
【００３１】
次に、図２を参照して、このダイオードＤをコイルＬＬに付加した場合のパルスレーザ用電源装置１の動作について説明する。図２において、充電用直流電源２によって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ０がゆっくりと充電され、コンデンサＶＣ０の電圧が＋Ｅボルトまで充電される。この場合、コイルＬを介した閉回路が直流的に構成されることになる。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Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１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。
【００３２】
この際、コンデンサＣ２から転送される電荷は、ダイオードＤを通ってピーキングコンデンサＣＰに転送される。このため、図２（ａ）に示すように、ピーキングコンデンサの端子電圧ＶＬＤは、電圧ＶＬＤａのように低下しない。
【００３３】
なお、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの電荷転送がコイルＬＬを介する場合には、このコイルＬＬのインダクタンスによって転送電流ロスが生じ、ｄＶ／ｄｔが低下するが、ダイオードＤを介してピーキングコンデンサＣＰに転送される場合には、そのようなことはない。
【００３４】
その後、印加電圧ＶＬＤが所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは確実に放電破壊し、パルス伸長された電流ＩＬＤが急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルス伸長されたパルスレーザ発振が行われる。
【００３５】
次に、図３および図４を参照して、第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。図３では、第２の実施の形態として特徴的な構成部分である後段部１１を示しているが、その他の構成部分については図１に示す第１の実施の形態と同様な構成である。
【００３６】
図３において、第２の実施の形態では、図１に示したピーキングコンデンサＣＰと、ダイオードＤおよびコイルＬＬの並列回路とが直列接続された回路を複数並列接続した構成となっている。図１の後段部１０に対応する図３に示す後段部１１では、３つの回路が並列接続されている。
【００３７】
すなわち、並列接続されたダイオードＤ１とコイルＬ１とがピーキングコンデンサＣＰ１に直列接続された第１の回路と、並列接続されたダイオードＤ２とコイルＬ２とがピーキングコンデンサＣＰ２に直列接続された第２の回路と、並列接続されたダイオードＤ３とコイルＬ３とがピーキングコンデンサＣＰ３に直列接続された第３の回路とが、それぞれコンデンサＣ２と可飽和リアクトルＳＬ３との直列回路に並列接続された構成となっている。
【００３８】
このピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３は、図１に示すピーキングコンデンサＣＰを３つに分割した構成となっている。なぜなら、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の容量を同一のコンデンサとすると、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送される電荷量は同一となるため、ピーキングコンデンサＣＰの容量が３分割されたことになる。もちろん、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の容量を異ならせる構成としてもよい。
【００３９】
図４をも参照して図３に示す後段部１１のエネルギー転送動作について説明すると、まず、コンデンサＣ２に電荷が転送されるまでは、図１に示すパルスレーザ用電源装置１と同じ動作を行う。
【００４０】
その後、可飽和リアクトルＳＬ３のオンを契機として、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は、ダイオードＤ１を通ってピーキングコンデンサＣＰ１に電流Ｉ３１として転送され、ダイオードＤ２を通ってピーキングコンデンサＣＰ２に電流Ｉ３２として転送され、ダイオードＤ３を通ってピーキングコンデンサＣＰ３に電流Ｉ３３として転送される。
【００４１】
各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３にかかる電圧ＶＣＰ１〜ＶＣＰ３は、電流Ｉ３１〜Ｉ３３のそれぞれがダイオードＤ１〜Ｄ３を介してピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に流通するため、コイルＬ１〜Ｌ３での電力ロスが発生せず、コンデンサＣ２が蓄積していた電荷エネルギーの合計と同じエネルギー値を有し、ロスがない効率的なエネルギー転送が行われる。
【００４２】
ここで、各コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスを、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３とすると、各コイルＬ１〜Ｌ３によるパルス伸長度が異なることになる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、ピーキングコンデンサＣＰ１からコイルＬ１を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ１の波形よりも、ピーキングコンデンサＣＰ２からコイルＬ２を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ２の波形の方がパルス伸長され、そのピーク値も低くなり、さらにピーキングコンデンサＣＰ２からコイルＬ２を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ２の波形は、ピーキングコンデンサＣＰ３からコイルＬ３を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ３の波形の方がパルス伸長され、そのピーク値も低くなる。従って、レーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ１〜ＩＣＰ３の合成電流値ＩＬＤの波形は、単一のピーキングコンデンサＣＰを設けたときよりもそのピーク値ＰＰ２が低くなり、パルス伸長の度合いも大きくなる。
【００４３】
このようなパルス伸長の度合いは、各コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスの値を適切に組み合わせることにより、所望のパルス伸長波形を柔軟に得ることができる。しかも、この場合、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスの値をそれぞれ変えても、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に電荷エネルギーを蓄積させるときに、コイルＬ１〜Ｌ３を通過しないので、蓄積される電荷エネルギーロスがなく、コンデンサＣ２から各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送されるタイミングが変化することがないので、所望のパルス伸長波形を容易に得ることができる。
【００４４】
次に、図５を参照して、第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第３の実施の形態では、図１に示すパルスレーザ用電源装置１におけるコイルＬＬの接地側の接続点Ｐ１とダイオードＤの接地側（アノード側）の接続点Ｐ４とを切り離した構成としている。
【００４５】
このような構成とすることにより、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの電荷エネルギーの転送と、ピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤへの電荷エネルギーの転送とを確実に分離することができ、ピーキングコンデンサＣＰの電圧降下を一層防止することができる。
【００４６】
次に、図６を参照して、第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第４の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に複数のピーキングコンデンサ、ここでは３つのピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３を設け、各ピーキングコンデンサＣＰ１とコイルＬ１〜Ｌ３とをそれぞれ直列接続した回路のそれぞれのピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３側を可飽和リアクトルＳＬ３に接続するとともに、コイルＬ１〜Ｌ３側をレーザ放電部ＬＤのアノード３側に接続している。また、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３とコイルＬ１〜Ｌ３との間に各ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソード側を接続し、各ダイオードＤ１〜Ｄ３のアノード側をコンデンサＣ２の接地側に接続している。
【００４７】
このような構成とすることにより、コンデンサＣ２から各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送される電流Ｉ４１〜Ｉ４３と、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３からレーザ放電部ＬＤに転送される各電流ＩＣＰ１〜ＩＣＰ３とが確実に分離され、エネルギー転送効率を一層向上させることができる。
【００４８】
なお、複数のピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３を設けてパルス伸長を可変にできることは、第２の実施の形態と同様である。
【００４９】
次に、図７を参照して、第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第５の実施の形態では、第４の実施の形態におけるコイルＬ１〜Ｌ３の構成に代えて、パルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３を設けた構成としている。このパルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３は、抵抗とコンデンサとを並列接続して、所定の時定数を持たせたものであり、このパルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３によっても、パルス伸長を行うことができ、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスに違いを持たせたと同様に、各パルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３の時定数を代えた構成とすることにより、パルス伸長の度合いを変化させることができる。
【００５０】
次に、図８を参照して、第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第６の実施の形態では、第４の実施の形態におけるダイオードＤ１〜Ｄ３の構成に代えて、コイルＬ１１〜Ｌ１３を設けている。このコイルＬ１１〜Ｌ１３のインダクタンスとコイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスとの関係を適切な値に設定することにより、ダイオードＤ１〜Ｄ３を設けた場合とほぼ同様な効果を得ることができる。
【００５１】
例えば、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスＬＩ１〜ＬＩ３とし、コイルＬ１１〜Ｌ１３のインダクタンスをＬＩ１１〜ＬＩ１３とすると、
ＬＩ１＜ＬＩ１１＋ＬＩ１２
ＬＩ１＜ＬＩ１１＋ＬＩ１３
とする関係を満たすことにより、ピーキングコンデンサＣＰ１に蓄積されたエネルギーをレーザ放電部ＬＤに転送する際に、コイルＬ１１を介してコンデンサＣ２に逆流することを防止できる。
【００５２】
一般に全てのコイルＬ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３のインダクタンスが全て同じであっても、コイルＬ１〜Ｌ３に対するインピーダンスは、コイルＬ１１〜Ｌ１３を介したインピーダンスの半分の値となる。
【００５３】
このコイルＬ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３の関係を一般化すると、コイルＬ１〜Ｌ３に対応する複数のコイルのインダクタンスをＬｍとし（ｍ＝１〜ｎ）、コイルＬ１１〜Ｌ１３に対応する複数のコイルのインダクタンスをＬ’ｍとし、ｉ≠ｍとすると、
Ｌｍ＜Ｌ’ｍ＋Ｌ’ｉ
として示すことができる。
【００５４】
次に、図９を参照して、第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第７の実施の形態では、第４の実施の形態と同様の作用効果を奏するが、第４の実施の形態がダイオードＤ１〜Ｄ３とコイルＬ１〜Ｌ３を接地側に設けたのに対し、第７の実施の形態では、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３をはさんで、接地側と反対側に、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３とコイルＬ２１〜Ｌ２３を設けた点が異なる。
【００５５】
すなわち、第７の実施の形態では、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３とレーザ放電部ＬＤのカソード４との間にそれぞれパルス伸長用のコイルＬ２１〜Ｌ２３を独立して接続し、一方、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３のアノード側を、このコイルＬ２１〜Ｌ２３とピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３との間に接続し、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３のカソード側を可飽和リアクトルＳＬ３に接続した構成とし、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の接地側は共通接続されている。
【００５６】
このような構成によっても、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３を介した各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３へのエネルギー転送と、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３からレーザ放電部ＬＤへのエネルギー転送とを確実に分離することができ、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の電圧が降下することもない。
【００５７】
なお、上述した実施の形態では、複数のピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３、ダイオードＤ１〜Ｄ３、コイルＬ１〜Ｌ３等の並列回路を３つ設けた例をもとに説明したが、これに限らず、複数設けることができるのは言うまでもない。
【００５８】
また、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。
【００５９】
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。
【００６０】
さらに、上述した実施の形態では、まず充電用コンデンサＣ０に充電するようにしているが、この充電用コンデンサＣ０を取り除き、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を直接充電するようにしてもよい。この場合、コイルＬは取り除かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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１の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２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４】図３に示すパルスレーザ用電源装置２の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図１０】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１１】図１０に示す従来のパルスレーザ用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…パルスレーザ用電源装置 ２…充電用直流電源 １０〜１６…後段部
ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル
Ｌ，ＬＬ，Ｌ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３…コイル
Ｄ，Ｄ１〜Ｄ３，Ｄ１１〜Ｄ１３…ダイオード Ｃ０…充電用コンデンサ
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ Ｒ…抵抗
ＣＰ，ＣＰ１〜ＣＰ３…ピーキングコンデンサ ＬＤ…レーザ放電部
３…アノード ４…カソード
【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するパルスレーザ用電源装置に関し、特に最終的にレーザ放電部に転送されるパルスエネルギーを時間的に伸長し、さらにはエネルギー転送効率を高めることができる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１０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１０において、充電用直流電源２１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Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１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に蓄積された電荷によりレーザ放電部ＬＤが放電破壊した後、電流ＩＬＤ１０として流れて、レーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【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、図１１（ａ）に示すように、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ＶＣ１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１１（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】
ここで、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷によりレーザ放電部ＬＤが放電破壊した後、電流ＩＬＤ１０が流れるが、パルス伸長用のコイルＬ１によって転送される電荷エネルギーは時間的に伸長されてレーザ放電部ＬＤに流れる。
【０００７】
その後、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとを含む閉回路では、共振状態となって数回放電が繰り返される。この電流ＩＬＤａは、パルス伸長用のコイルＬ１を付加しないときの電流値ＩＬＤ１０に比較してそのピーク値ＰＰ１０がピーク値ＰＰ２に低下し、時間的に伸長した波形となる。従って、レーザ放電部ＬＤで放電破壊されると、図示しないレーザチャンバ内に充填されるレーザ媒質は放電励起され、このパルス伸長した電流値ＰＰ２の波形に近似したパルス波形のレーザ光が発振される。
【０００８】
この結果、時間的に伸長されたパルスレーザ光は、パルスエネルギー値全体を維持したまま、そのピーク値が低減されるため、光学素子等に与えるダメージを低減できることから、光学素子等の寿命を延ばし、該光学素子等を交換することなく、長期に渡るレーザ発振と安定したレーザ発振とを達成することができる。一方、パルスレーザ光のピーク値の低減に伴ってパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が増大することから、パルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の小型軽量化の促進や大量生産を可能にする。
【０００９】
また、パルスレーザ光は時間的に伸長されることから、光共振器間の往復回数が増大したパルスレーザ光が含まれ、パルスレーザ用電源装置がグレーティング等の波長選択素子が含んで狭帯域化されたパルスレーザ光を出力する狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には、出力されるパルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のパルスレーザ用電源装置では、最終磁気パルス圧縮閉回路上を流れる電流Ｉ３によってピーキングコンデンサＣＰにエネルギー転送を行う際、パルス伸長用のコイルＬ１を経由してエネルギー転送を行うため、このエネルギー転送時におけるコイルＬ１での転送電流のロス及び転送時のｄＶ／ｄｔ（電圧の時間変化率）の減少による放電開始電圧の低下が発生し、レーザ放電部ＬＤに転送すべきエネルギー量が低減し、効率の悪いエネルギー転送を余儀なくされるという問題点があった。
【００１１】
また、ピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤにパルスエネルギーを転送する最終エネルギー転送閉回路上に設けられるインダクタンスは、複数設定しても、その合成されたインダクタンスに過ぎず、このインダクタンスを変化させることによってパルス伸長を行うことになるが、そのパルス伸長の設定範囲には限界があるという問題点があった。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、レーザ放電部に対して供給されるパルスエネルギーを時間的に伸長してパルスレーザ光を伸長する場合にも、エネルギー効率を高く維持することができるとともに、パルス伸長の設定範囲を広くできる柔軟なパルス伸長設定を可能とす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。
【００１３】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明は、充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、前記最終段のコンデンサに磁気パルス圧縮してエネルギー転送を行う最終磁気パルス圧縮閉回路であって前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路である共有転送回路上に直接接続され、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段と、前記パルス伸長手段に並列接続され、前記エネルギー転送閉回路によるエネルギー転送方向を順方向とする一方向性素子とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
請求項１に係る発明では、パルス伸長手段を用いてパルス伸長を行う場合にも、最終磁気パルス圧縮閉回路から最終段のコンデンサに流入するエネルギーはパルス伸長手段を経由せず、ダイオード等の一方向性素子を導通し、パルス伸長手段を経由した場合に生ずる電力ロス及び放電開始電圧値の低下をなくすことができ、この結果、最終段のコンデンサに全てのエネルギーが転送されてエネルギー転送効率の低下を防止し、最終エネルギー転送閉回路を用いたレーザ放電部に対するパルスエネルギーを高く維持することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記一方向性素子が並列接続されたパルス伸長手段と前記最終段のコンデンサとからなる回路を複数並列接続し、前記最終エネルギー転送閉回路を複数設け、複数並列接続された各パルス伸長手段が異なるパルス伸長を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明において、一方向性素子が並列接続されたパルス伸長手段と最終段のコンデンサとからなる回路を複数並列接続して、最終エネルギー転送閉回路を分割するようにしているので、各複数の回路における各パルス伸長手段によるパルス伸長を個々に設定することができ、個々に設定されたパルス伸長の合成パルスエネルギーがレーザ放電部に印加され、これによってレーザ放電部に供給されるパルスエネルギーを柔軟に伸長することができる。
【００１７】
しかも、最終エネルギー転送閉回路からの各複数の回路における各最終段のコンデンサに対するエネルギー転送も遅延せず、該各最終段のコンデンサから各パルス伸長手段を経由してパルス伸長された各パルスエネルギーをレーザ放電部に供給するようにしているので、各パルスエネルギーを合成して形成される合成パルスエネルギー波形を出力するための各パルスエネルギーの設定を容易に行うことができる。
【００２２】
請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記一方向性素子は、インダクタンスであり、前記パルス伸長手段を経由する最終エネルギー転送閉回路に対するインピーダンスを前記インダクタンスを経由する前記最終磁気パルス圧縮閉回路に対するインピーダンスに比して小さくすることを特徴とする。
【００２３】
請求項３に係る発明では、請求項２に係る発明において、一方向性素子をインダクタンスとしても、最終段のコンデンサあるいは各最終段のコンデンサからレーザ放電部へのパルスエネルギーの転送を簡易な構成によって効率よく行うことができる。
【００２４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明において、前記パルス伸長手段は、インダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる所定の時定数を有した回路であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に係る発明では、請求項１〜３に係る発明において、パルス伸長手段をインダクタンスとすることによって具体的にロスの少ない構成を実現することができ、また、並列接続された抵抗とキャパシタンスとからな所定の時定数を有した回路によっても、簡易な構成によってパルス伸長手段を実現することができる。
【００２６】
【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。
図１は、本発明の第１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り、図２は、図１に示すパルスレーザ用電源装置の電荷エネルギー転送動作を示すタイミングチャートである。
【００２７】
図１において、パルスレーザ用電源装置１は、図１０に示すパルスレーザ用電源装置２０と同様に、充電用直流電源２１と同一の充電用直流電源２を有し、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された充電用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＬ１と転送用のコンデンサＣ１とがこの充電用直流電源２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とピーキングコンデンサＣＰとコイルＬＬとがコンデンサＣ２に並列接続される。さらに、コイルＬＬには、ダイオードＤが並列接続され、その順方向をピーキングコンデンサＣＰ側としている。
【００２８】
また、ピーキングコンデンサＣＰには、レーザ放電部ＬＤと充電用のコイルＬとが並列接続される。ここで、充電用直流電源２の負極側、スイッチＳＷの順方向側、コンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤのアノード側、コイルＬＬの一端、レーザ放電部ＬＤのアノード１２側、およびコイルＬの一端は、点Ｐ１で共通接続され、接地される。
【００２９】
この図１に示すパルスレーザ用電源装置１は、図１０に示すパルスレーザ用電源装置２０にダイオードＤを付加した構成であり、ピーキングコンデンサＣＰに磁気パルス圧縮された電荷エネルギーをピーキングコンデンサＣＰに転送する際、この電荷エネルギーをダイオードＤを介してピーキングコンデンサＣＰに蓄積させ、その後、ピーキングコンデンサＣＰに蓄積された電荷エネルギーをレーザ放電部ＬＤに供給する際、コイルＬＬを介してパルス伸長されたパルスエネルギーとしてレーザ放電部ＬＤに供給しようとするものである。
【００３０】
従って、ピーキングコンデンサＣＰに蓄積される電荷エネルギーは、コイルＬＬのインダクタンスでの転送電流ロスが少なく、また転送時のｄＶ／ｄｔの減少もないため、ピーキングコンデンサＣＰには、コンデンサＣ２に蓄積されていた電荷エネルギーが全て転送され、レーザ放電部ＬＤへの電圧印加も放電破壊に十分な電圧を供給でき、レーザ放電部ＬＤの放電も安定して行われることになる。
【００３１】
次に、図２を参照して、このダイオードＤをコイルＬＬに付加した場合のパルスレーザ用電源装置１の動作について説明する。図２において、充電用直流電源２によって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ０がゆっくりと充電され、コンデンサＶＣ０の電圧が＋Ｅボルトまで充電される。この場合、コイルＬを介した閉回路が直流的に構成されることになる。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Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１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。
【００３２】
この際、コンデンサＣ２から転送される電荷は、ダイオードＤを通ってピーキングコンデンサＣＰに転送される。このため、図２（ａ）に示すように、ピーキングコンデンサの端子電圧ＶＬＤは、電圧ＶＬＤａのように低下しない。
【００３３】
なお、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの電荷転送がコイルＬＬを介する場合には、このコイルＬＬのインダクタンスによって転送電流ロスが生じ、ｄＶ／ｄｔが低下するが、ダイオードＤを介してピーキングコンデンサＣＰに転送される場合には、そのようなことはない。
【００３４】
その後、印加電圧ＶＬＤが所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは確実に放電破壊し、パルス伸長された電流ＩＬＤが急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルス伸長されたパルスレーザ発振が行われる。
【００３５】
次に、図３および図４を参照して、第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。図３では、第２の実施の形態として特徴的な構成部分である後段部１１を示しているが、その他の構成部分については図１に示す第１の実施の形態と同様な構成である。
【００３６】
図３において、第２の実施の形態では、図１に示したピーキングコンデンサＣＰと、ダイオードＤおよびコイルＬＬの並列回路とが直列接続された回路を複数並列接続した構成となっている。図１の後段部１０に対応する図３に示す後段部１１では、３つの回路が並列接続されている。
【００３７】
すなわち、並列接続されたダイオードＤ１とコイルＬ１とがピーキングコンデンサＣＰ１に直列接続された第１の回路と、並列接続されたダイオードＤ２とコイルＬ２とがピーキングコンデンサＣＰ２に直列接続された第２の回路と、並列接続されたダイオードＤ３とコイルＬ３とがピーキングコンデンサＣＰ３に直列接続された第３の回路とが、それぞれコンデンサＣ２と可飽和リアクトルＳＬ３との直列回路に並列接続された構成となっている。
【００３８】
このピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３は、図１に示すピーキングコンデンサＣＰを３つに分割した構成となっている。なぜなら、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の容量を同一のコンデンサとすると、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送される電荷量は同一となるため、ピーキングコンデンサＣＰの容量が３分割されたことになる。もちろん、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の容量を異ならせる構成としてもよい。
【００３９】
図４をも参照して図３に示す後段部１１のエネルギー転送動作について説明すると、まず、コンデンサＣ２に電荷が転送されるまでは、図１に示すパルスレーザ用電源装置１と同じ動作を行う。
【００４０】
その後、可飽和リアクトルＳＬ３のオンを契機として、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は、ダイオードＤ１を通ってピーキングコンデンサＣＰ１に電流Ｉ３１として転送され、ダイオードＤ２を通ってピーキングコンデンサＣＰ２に電流Ｉ３２として転送され、ダイオードＤ３を通ってピーキングコンデンサＣＰ３に電流Ｉ３３として転送される。
【００４１】
各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３にかかる電圧ＶＣＰ１〜ＶＣＰ３は、電流Ｉ３１〜Ｉ３３のそれぞれがダイオードＤ１〜Ｄ３を介してピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に流通するため、コイルＬ１〜Ｌ３での電力ロスが発生せず、コンデンサＣ２が蓄積していた電荷エネルギーの合計と同じエネルギー値を有し、ロスがない効率的なエネルギー転送が行われる。
【００４２】
ここで、各コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスを、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３とすると、各コイルＬ１〜Ｌ３によるパルス伸長度が異なることになる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、ピーキングコンデンサＣＰ１からコイルＬ１を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ１の波形よりも、ピーキングコンデンサＣＰ２からコイルＬ２を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ２の波形の方がパルス伸長され、そのピーク値も低くなり、さらにピーキングコンデンサＣＰ２からコイルＬ２を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ２の波形は、ピーキングコンデンサＣＰ３からコイルＬ３を介してレーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ３の波形の方がパルス伸長され、そのピーク値も低くなる。従って、レーザ放電部ＬＤに加えられる電流ＩＣＰ１〜ＩＣＰ３の合成電流値ＩＬＤの波形は、単一のピーキングコンデンサＣＰを設けたときよりもそのピーク値ＰＰ２が低くなり、パルス伸長の度合いも大きくなる。
【００４３】
このようなパルス伸長の度合いは、各コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスの値を適切に組み合わせることにより、所望のパルス伸長波形を柔軟に得ることができる。しかも、この場合、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスの値をそれぞれ変えても、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に電荷エネルギーを蓄積させるときに、コイルＬ１〜Ｌ３を通過しないので、蓄積される電荷エネルギーロスがなく、コンデンサＣ２から各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送されるタイミングが変化することがないので、所望のパルス伸長波形を容易に得ることができる。
【００４４】
次に、図５を参照して、第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第３の実施の形態では、図１に示すパルスレーザ用電源装置１におけるコイルＬＬの接地側の接続点Ｐ１とダイオードＤの接地側（アノード側）の接続点Ｐ４とを切り離した構成としている。
【００４５】
このような構成とすることにより、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰへの電荷エネルギーの転送と、ピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤへの電荷エネルギーの転送とを確実に分離することができ、ピーキングコンデンサＣＰの電圧降下を一層防止することができる。
【００４６】
次に、図６を参照して、第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第４の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に複数のピーキングコンデンサ、ここでは３つのピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３を設け、各ピーキングコンデンサＣＰ１とコイルＬ１〜Ｌ３とをそれぞれ直列接続した回路のそれぞれのピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３側を可飽和リアクトルＳＬ３に接続するとともに、コイルＬ１〜Ｌ３側をレーザ放電部ＬＤのアノード３側に接続している。また、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３とコイルＬ１〜Ｌ３との間に各ダイオードＤ１〜Ｄ３のカソード側を接続し、各ダイオードＤ１〜Ｄ３のアノード側をコンデンサＣ２の接地側に接続している。
【００４７】
このような構成とすることにより、コンデンサＣ２から各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３に転送される電流Ｉ４１〜Ｉ４３と、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３からレーザ放電部ＬＤに転送される各電流ＩＣＰ１〜ＩＣＰ３とが確実に分離され、エネルギー転送効率を一層向上させることができる。
【００４８】
なお、複数のピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３を設けてパルス伸長を可変にできることは、第２の実施の形態と同様である。
【００４９】
次に、図７を参照して、第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第５の実施の形態では、第４の実施の形態におけるコイルＬ１〜Ｌ３の構成に代えて、パルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３を設けた構成としている。このパルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３は、抵抗とコンデンサとを並列接続して、所定の時定数を持たせたものであり、このパルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３によっても、パルス伸長を行うことができ、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスに違いを持たせたと同様に、各パルス伸長回路ＲＣ１〜ＲＣ３の時定数を代えた構成とすることにより、パルス伸長の度合いを変化させることができる。
【００５０】
次に、図８を参照して、第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第６の実施の形態では、第４の実施の形態におけるダイオードＤ１〜Ｄ３の構成に代えて、コイルＬ１１〜Ｌ１３を設けている。このコイルＬ１１〜Ｌ１３のインダクタンスとコイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスとの関係を適切な値に設定することにより、ダイオードＤ１〜Ｄ３を設けた場合とほぼ同様な効果を得ることができる。
【００５１】
例えば、コイルＬ１〜Ｌ３のインダクタンスＬＩ１〜ＬＩ３とし、コイルＬ１１〜Ｌ１３のインダクタンスをＬＩ１１〜ＬＩ１３とすると、
ＬＩ１＜ＬＩ１１＋ＬＩ１２
ＬＩ１＜ＬＩ１１＋ＬＩ１３
とする関係を満たすことにより、ピーキングコンデンサＣＰ１に蓄積されたエネルギーをレーザ放電部ＬＤに転送する際に、コイルＬ１１を介してコンデンサＣ２に逆流することを防止できる。
【００５２】
一般に全てのコイルＬ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３のインダクタンスが全て同じであっても、コイルＬ１〜Ｌ３に対するインピーダンスは、コイルＬ１１〜Ｌ１３を介したインピーダンスの半分の値となる。
【００５３】
このコイルＬ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３の関係を一般化すると、コイルＬ１〜Ｌ３に対応する複数のコイルのインダクタンスをＬｍとし（ｍ＝１〜ｎ）、コイルＬ１１〜Ｌ１３に対応する複数のコイルのインダクタンスをＬ’ｍとし、ｉ≠ｍとすると、
Ｌｍ＜Ｌ’ｍ＋Ｌ’ｉ
として示すことができる。
【００５４】
次に、図９を参照して、第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。第７の実施の形態では、第４の実施の形態と同様の作用効果を奏するが、第４の実施の形態がダイオードＤ１〜Ｄ３とコイルＬ１〜Ｌ３を接地側に設けたのに対し、第７の実施の形態では、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３をはさんで、接地側と反対側に、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３とコイルＬ２１〜Ｌ２３を設けた点が異なる。
【００５５】
すなわち、第７の実施の形態では、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３とレーザ放電部ＬＤのカソード４との間にそれぞれパルス伸長用のコイルＬ２１〜Ｌ２３を独立して接続し、一方、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３のアノード側を、このコイルＬ２１〜Ｌ２３とピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３との間に接続し、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３のカソード側を可飽和リアクトルＳＬ３に接続した構成とし、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の接地側は共通接続されている。
【００５６】
このような構成によっても、ダイオードＤ２１〜Ｄ２３を介した各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３へのエネルギー転送と、各ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３からレーザ放電部ＬＤへのエネルギー転送とを確実に分離することができ、ピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３の電圧が降下することもない。
【００５７】
なお、上述した実施の形態では、複数のピーキングコンデンサＣＰ１〜ＣＰ３、ダイオードＤ１〜Ｄ３、コイルＬ１〜Ｌ３等の並列回路を３つ設けた例をもとに説明したが、これに限らず、複数設けることができるのは言うまでもない。
【００５８】
また、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。
【００５９】
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。
【００６０】
さらに、上述した実施の形態では、まず充電用コンデンサＣ０に充電するようにしているが、この充電用コンデンサＣ０を取り除き、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を直接充電するようにしてもよい。この場合、コイルＬは取り除かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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１の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２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４】図３に示すパルスレーザ用電源装置２の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図８】本発明の第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図９】本発明の第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の主要構成部分を示す図である。
【図１０】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１１】図１０に示す従来のパルスレーザ用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…パルスレーザ用電源装置 ２…充電用直流電源 １０〜１６…後段部
ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル
Ｌ，ＬＬ，Ｌ１〜Ｌ３，Ｌ１１〜Ｌ１３，Ｌ２１〜Ｌ２３…コイル
Ｄ，Ｄ１〜Ｄ３，Ｄ１１〜Ｄ１３…ダイオード Ｃ０…充電用コンデンサ
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ Ｒ…抵抗
ＣＰ，ＣＰ１〜ＣＰ３…ピーキングコンデンサ ＬＤ…レーザ放電部
３…アノード ４…カソード
Claims (4)
- 充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、
前記最終段のコンデンサに磁気パルス圧縮してエネルギー転送を行う最終磁気パルス圧縮閉回路であって前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路である共有転送回路上に直接接続され、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段と、
前記パルス伸長手段に並列接続され、前記エネルギー転送閉回路によるエネルギー転送方向を順方向とする一方向性素子と
を具備したことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。 - 前記一方向性素子が並列接続されたパルス伸長手段と前記最終段のコンデンサとからなる回路を複数並列接続し、前記最終エネルギー転送閉回路を複数設け、
複数並列接続された各パルス伸長手段が異なるパルス伸長を行う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。 - 前記一方向性素子は、インダクタンスであり、
前記パルス伸長手段を経由する最終エネルギー転送閉回路に対するインピーダンスを前記インダクタンスを経由する前記最終磁気パルス圧縮閉回路に対するインピーダンスに比して小さくする
ことを特徴とする請求項２に記載のパルスレーザ用電源装置。 - 前記パルス伸長手段は、
インダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる所定の時定数を有した回路であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のパルスレーザ用電源装置。
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