JP4503425B2

JP4503425B2 - 軸方向励起超短パルスガスレーザー装置

Info

Publication number: JP4503425B2
Application number: JP2004347057A
Authority: JP
Inventors: 孝久實野
Original assignee: 孝久實野
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006156812A

Description

本発明は軸方向励起超短パルスガスレーザー装置に関し、より詳しくは、パルス幅が１００ｍｓ以下の超短パルスレーザー光を発生する軸方向励起方式の窒素レーザー、炭酸ガスレーザーなどを励起するのに適する新しい放電回路方式を具備したレーザー装置を提供するものである。

従来、炭酸ガスレーザーは数多くの応用分野に使用されている。炭酸ガスレーザーでは、連続発振の場合には軸方向励起の直流放電方式と横方向ＲＦ（高周波）放電方式が使用され、パルス発振の場合には横方向ＴＥＡ（横方向励起大気圧）放電方式がもっぱら使用されてきた。

ＲＦ放電で励起される封じきり装置では、励起をパルス的に行うことで５０μｓ程度のパルス幅のパルスが得られているが、それより短くすることは困難であった。

より短いパルス波形で発振させる必要がある場合にはＴＥＡ方式により１００ｎｓ程度のパルス幅のパルスを得ていた。しかし、例えば典型的なＴＥＡレーザー装置の構成を示す図２に見られるように、装置全体が大型で複雑であり、封じきっての使用が困難な状況であった。このような装置では装置の安定な動作にはガス交換やガスフロー、高速スイッチの維持管理などの多くの技術的な課題が存在していた。

また、外部Ｑスイッチを設けた装置もあるが、装置が大型、高価となっていた。短いパルスで発振する窒素レーザーにおいても、放電回路方式が複雑で効率の悪いものとなっていた。

特許文献１（特開平１０−８４６８０号公報）には、充電用のコンデンサ及び放電負荷と並列に設けられ、オン時に直流電圧源とリアクトルによる閉回路を構成して、電磁エネルギをリアクトルに蓄えさせる一方、オフ時にリアクトル、コンデンサ、放電負荷による閉回路を構成して、上記電磁エネルギをコンデンサに静電エネルギとして、かつその充電電圧を直流電圧源の電源電圧より昇圧させて蓄えさせるスイッチを備えるとともに、直流電圧源１の電圧を検出する電圧検出器と、リアクトルを流れる電流を検出する電流検出器とを備え、制御回路により、検出電圧および検出電流に基づいてスイッチをオン、オフさせるパルス電源装置が開示されている。

また、特許文献２（特開平６−６１５６５号公報）には、レーザ光のパルス毎のエネルギーを検出するビームスプリッタ、パワーモニタと、パルスのレーザ励起強度を検出する電圧モニタと、パワーモニタの検出出力及び電圧モニタの検出出力に基いて演算を行うＣＰＵと、このＣＰＵの演算結果に基いてパルスのレーザ励起強度を可変するレーザ電源とで構成され、レーザ光のエネルギーを目標エネルギー設定値通りに出力するにはどれだけ充電すれば良いかをレーザ電源に指令してパルスレーザの出力を一定に保つようにしたパルスレーザ装置が開示されている。

特開平１０−８４６８０号公報特開平６−６１５６５号公報

従来の短パルスレーザー装置では、大きい出力エネルギーを目指すＴＥＡＣ０ _２レーザーなどの場合、長いガス寿命の封じ切り装置の製造が困難であり、実用的なレーザー装置が存在しなかった。また、繰り返し回数を上げるためには装置内でガスを循環する必要があり、装置が複雑且つ大型になるという課題が存在していた。

窒素レーザーにおいては、封じきりシステムにおいてはガス循環系を組み込むことが困難であったため、高い繰り返しを得ることが困難で、最大のパルス発振周波数で３０Ｈｚ程度となっていた。

これらの制約のため、Ｃ０ _２レーザーおよびＮ _２レーザーにおいてはその実用的な応用が制約され、特に、微細加工や歯のアブレーション加工に使用される軸方向励起ガスレーザーにおいて、問題となっており、小型化したレーザー装置であってパルス幅を短縮できる新しい放電回路方式の開発が切望されていた。

また、特許文献１および２に開示された装置では、電圧検出器、電流検出器、制御回路を備え、検出電圧および検出電流に基づいてスイッチをオン、オフさせたり、ＣＰＵによりパワーモニタの検出出力及び電圧モニタの検出出力に基いて演算を行うため、装置が複雑化する。

本発明は上述した従来技術の問題点を解消することを目的とする。本発明は、特に微細加工や歯のアブレーション加工に使用される軸方向励起ガスレーザーのパルス幅を短縮できる新しい放電回路方式を提供するものである。また、本発明により、簡便な回路で高い繰り返し周波数で動作するパルス幅の短いレーザー光を容易に得ることができ、レーザー装置を大幅に小型化し、高繰り返し化できるようにする。

本発明においては、放電管と該放電管の励起回路とからなるパルスガスレーザー装置において、
該放電管は軸方向の両端部に電極を具備した横方向放電方式であり、
前記励起回路は、
パルスを発生するプライマリ一回路、
該プライマリ一回路に接続された昇圧トランス、
一方の端子が高圧整流ダイオードを介して該昇圧トランスに接続され、他方の端子が該昇圧トランスおよび前記放電管の一端部の電極に接続された蓄積キャパシター、
高電圧スイッチが該蓄積キャパシターに接続された一端子、前記放電管の他端部の電極に接続された他端子およびスイッチング作動子からなり、前記高電圧スイッチの両端子間にスパークギャップが形成されており、前記スイッチング作動子は前記昇圧トランスからのトリガパルスにより作動され、前記蓄積キャパシターに蓄えられた電荷を放電管の両端部の電極間に印加する高電圧スイッチ、並びに
前記放電管の両端部の電極間に設けられたシャント回路
からなることを特徴とする軸方向励起超短パルスガスレーザー装置が提供される。

前記スイッチング作動子は、高圧整流ダイオードと逆極性の高圧整流ダイオードを介して前記昇圧トランスに接続されている構成とすることが好ましい。また、前記放電管の前記一端と反対側の端部から該一端に向けて延びる金属シート等の導電体製の筒体により該放電管が被覆されていると同軸化に有効である。

本発明では、従来のレーザー装置上の問題点を回避するため、従来とは全く異なる軸方向励起方式を採用すると共に、放電回路上の工夫を行った。本発明では軸方向励起方式を採用しており、軸方向励起方式では放電電極の長さに比べて、放電電極間の距離が大きいため、従来の横方向励起方式で必要であった放電空間全域に亘る均一な予備電離が必要なく、残留電荷が存在しても均一な放電を得やすいという大きな特徴がある。

また、本発明によれば、放電管の構造が非常に簡素化できるため、封じきり管の製作に適している。ただし、これまでの軸方向励起方式では放電管のインダクタンスが大きいため、連続あるいは長いパルス幅の励起が用いられ、短いパルスを得ることは困難と考えられて来た。本発明ではパルス放電回路を短いパルスの励起に適するように改善する方法が採用されている。

具体的には短いパルスを得るためにパルス放電の持続時間を短くするシャント回路の使用と、従来用いられてきた容量移行型回路の改善による大幅な高効率化である。

これまでのＴＥＡ方式以外の炭酸ガスレーザーなどでは、高速の放電回路を用いることによりパルス幅８０ｎｓ程度の短いパルスが得られるが、その後に５０μｓ程度の長いテールを生じ、微細加工や歯のアブレーション加工に際して問題を生じていた。これに対して、本発明においては放電管の両端を１００Ω以下の小抵抗や１ｍＨ以下のインダクターなどでシャントすることによりテール部分を除去できる。

また、これまでの放電回路は電荷を一旦大型のキャパシターに蓄え、それを高電圧スイッチを介して放電管に並列に直結したバッファキャパシターに移すことにより高速放電を実現していたが、この電源回路の効率が高くならないという問題を有していた。この課題に関しては、軸方向励起方式では放電回路のインピーダンスが高いことを利用し、バッフアキャパシターを使用しない手法が有効であることが判明し、本発明に採用している。バッフアキャパシターを省略することで短パルス動作において電源の効率が数倍程度向上し、従来と比較して小さい電源容量で作動させることができる。

本発明により高い繰り返し動作が可能な小型のレーザー装置が実現されると共に、これまでは困難であった非常に短いパルス幅のレーザー発振が簡単な構造の封じきりレーザー装置により実現される。このため、従来は大型装置を用いないといけなかった分野にも、本発明に係る簡便なレーザー装置を用いることが可能となる。これにより、本発明によれば、レーザー装置のコストとメンテナンスが大幅に軽減され、レーザー応用機器の使用分野を大幅に拡大することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。本発明に係る新回路方式を図１に、従来の回路方式を図３に示す。

図１において、放電管２１は筒状体からなり、放電管２１の内部に炭酸ガス（Ｃ０ _２）を含む混合ガスまたは窒素ガス（Ｎ _２）が封入され、放電管２１の軸方向両端部の電極２１ａ、２１ｂ間にパルス電圧を印加して、両端部の電極２１ａ、２１ｂ間で放電させてレーザー光を発振する。放電管２１は、その外側が端部の電極２１ａから一端の電極２１ｂに向けて延びる金属シート等の導電体製の筒体２２により被覆されており、放電管２１のインピーダンスを下げている。

符号１１はサイリスタ１０やトランジスタ等を用いたパルス発生用のプライマリ一回路であり、プライマリ一回路１１は昇圧トランス１２の一次側に接続されている。実施例のプライマリ一回路１１は単発〜１ｋＨｚでパルスを発信する。

昇圧トランス１２の二次側の一方の端子１２ａは高圧整流ダイオード１３を介して蓄積キャパシター１４の一方の端子１４ａに接続されている。また、昇圧トランス１２の二次側の他方の端子１２ｂは蓄積キャパシター１４の他方の端子１４ｂと放電管２１の一端部の電極２１ｂとに接続されている。

高電圧スイッチ１６は、一方の端子１６ｂが蓄積キャパシター１４の端子１４ａに接続され、他方の端子１６ａが筒体２２を介して放電管２１の一端部の電極２１ａに接続され、両端子１６ａ、１６ｂ間にスパークギャップを形成している。高電圧スイッチ１６の作動子１６ｃは高圧整流ダイオード１５を介して昇圧トランス１２の端子１２ａと接続されており、高圧整流ダイオード１５は高圧整流ダイオード１３と逆極性である。高電圧スイッチ１６の両端子１６ａ、１６ｂ間を作動子１６ｃによりスイッチングして蓄積キャパシター１４に蓄えられた電荷を放電管２１の両端部の電極２１ａ、２１ｂに印加する。

放電管２１の両端部の電極２１ａ、２１ｂの間に、放電管２１と並列に１００オーム以下の小抵抗または１ｍＨ以下のインダクターなどで構成されたシャント回路１７が設けられている。

図３に示すように従来の放電回路では放電管２１の両端部の電極２１ａ、２１ｂの間にバッファキャパシター３１が設けられていた。これに対して、図１から明らかなように本発明の新回路においては、放電管２１の両端部の電極２１ａ、２１ｂの間にバッファキャパシターは全く設けられていない。

本発明の放電回路の作動原理を時間を追って説明する。まず最初にサイリスタ１０やトランジスタ等を用いたプライマリ一回路１１と接続された昇圧トランス１２が作動し、高圧整流ダイオード１３を介して蓄積キャパシター１４に電荷が充電される。この電荷が最大値に達した後、昇圧トランス１２の電圧が反転した時点で逆極性の高圧整流ダイオード１５を介してトリガーパルスが高電圧スイッチ１６に送られ、この高電圧スイッチ１６を導通させる。これにより、蓄積キャパシター１４に蓄えられた電荷が放電管２１の両端部の電極２１ａ、２１ｂに印加され、放電管２１内で高圧放電が発生する。

このとき、放電の初期には放電電流は放電管２１内を流れるが、後半にはシャント回路１７を経由して消費され、放電の持続時間を短縮すると共に放電管２１への余分な熱入力を軽減することができる。このため、繰り返し回数を上げても放電管２１の発熱が押さえられ、冷却等への要請が緩和できる。

本発明により、電源への負荷が軽減されると共に、放電管２１への無駄な熱入力が抑制されるため、電源回路の小型化や繰り返し周波数の増加などが図れる。

本発明の新型回路形式においては、放電回路は蓄積キャパシター１４と小容量の高電圧スイッチ１６、放電持続時間の短縮用シャント回路１７により構成される。本方式では構造が簡素化し、封じきり動作に適するという軸方向励起方式の利点を活かしながら、従来は必要とされていた放電管２１に並列に直結されたバッファキャパシターを用いないため、蓄積キャパシター１４に蓄積された電気エネルギーが高電圧スイッチ１６を介して直接放電管２１に印加され、効率の良い放電が行われる。

このため、図３に示すような従来の容量移行型放電回路と比較した場合、同じ出力エネルギーを出す場合の蓄積キャパシター１４の容量を数分の一と大幅に削減することができる。

また、前述のように、本発明の回路方式では放電管２１に並列に１００Ω以下の小抵抗またはｌｍＨ以下のインダクター（図示せず）からなるシャント回路１７を接続しており、これにより、放電の持続時間を短くし、容易にパルス幅の短縮を行うことが可能である。この場合、放電開始当初は通常通りパルスが形成されるが、電圧パルスの後半の部分がシャント回路１７に流れ、放電の持続時間を短縮し、レーザー光のパルス幅を短くすると共に、放電管への熱負荷をも軽減する。

本発明に係る軸方向励起超短パルスガスレーザー装置の一実施例の回路図である。典型的な従来のＴＥＡレーザー装置の構成を示す斜視図である。従来の軸方向励起パルスガスレーザー装置の回路図である。

１０
サイリスタ
１１
プライマリ一回路
１２
昇圧トランス
１２ａ
昇圧トランスの一方の端子
１２ｂ
昇圧トランスの他方の端子
１３
高圧整流ダイオード
１４
蓄積キャパシター
１４ａ蓄積キャパシターの一方の端子
１４ｂ
蓄積キャパシターの他方の端子
１５
高圧整流ダイオード
１６
高電圧スイッチ
１６ａ
他方の端子
１６ｂ
一方の端子
１７
シャント回路
２１
放電管
２１ａ、２１ｂ放電管の端部の電極
２２
導電体製の筒体

Claims

放電管と該放電管の励起回路とからなるパルスガスレーザー装置において、
該放電管は軸方向の両端部に電極を具備した横方向放電方式であり、
前記励起回路は、
パルスを発生するプライマリ一回路、
該プライマリ一回路に接続された昇圧トランス、
一方の端子が高圧整流ダイオードを介して該昇圧トランスに接続され、他方の端子が該昇圧トランスおよび前記放電管の一端部の電極に接続された蓄積キャパシター、
高電圧スイッチが該蓄積キャパシターに接続された一端子、前記放電管の他端部の電極に接続された他端子およびスイッチング作動子からなり、前記高電圧スイッチの両端子間にスパークギャップが形成されており、前記スイッチング作動子は前記昇圧トランスからのトリガパルスにより作動され、前記蓄積キャパシターに蓄えられた電荷を放電管の両端部の電極間に印加する高電圧スイッチ、並びに
前記放電管の両端部の電極間に設けられたシャント回路
からなることを特徴とする軸方向励起超短パルスガスレーザー装置。
放電管と該放電管の励起回路とからなるパルスガスレーザー装置において、
該放電管は軸方向の両端部に電極を具備した横方向放電方式であり、
前記励起回路は、
パルスを発生するプライマリ一回路、
該プライマリ一回路に接続された昇圧トランス、
一方の端子が高圧整流ダイオードを介して該昇圧トランスに接続され、他方の端子が該昇圧トランスおよび前記放電管の一端部の電極に接続された蓄積キャパシター、
高電圧スイッチが該蓄積キャパシターに接続された一端子、前記放電管の他端部の電極に接続された他端子およびスイッチング作動子からなり、前記高電圧スイッチの両端子間にスパークギャップが形成されており、前記スイッチング作動子は前記高圧整流ダイオードと逆極性の高圧整流ダイオードを介して前記昇圧トランスに接続され前記昇圧トランスからのトリガパルスにより作動され、前記蓄積キャパシターに蓄えられた電荷を放電管の両端部の電極間に印加する高電圧スイッチ、並びに
前記放電管の両端部の電極間に設けられたシャント回路
からなることを特徴とする軸方向励起超短パルスガスレーザー装置。
前記放電管の前記一端と反対側の端部から該一端に向けて延びる導電体製の筒体により該放電管が被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸方向励起超短パルスガスレーザー装置。