JPH01266777A - 金属蒸気レーザの出力安定化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属蒸気レーザ装置から発振される金属蒸気
レーザの出力安定化方法に関する。

〔技術の背景〕

金属蒸気レーザは、レーザ管内に金属とキャリアガスと
を封入し、当該金属の蒸気を利用してレーザ発振を起こ
させるものである。

現在において、実用化されている金属蒸気レーザとして
は、放電の陽光柱部分を用いてレーザ発振させるいわゆ
る陽光柱型があり、具体的には、キャリアガスとしてヘ
リウムを、金属としてカドミウムを用いてなる陽光柱型
のＨｅ−Ｃｄレーザが知られている。

このＨｅ−Ｃｄレーザは、例えば波長３２５ｎｍの紫外
線を連続発振することができ、また波長４４２ｎ！Ｉ＋
の短波長域の可視光線も連続発振することができること
から、近年需要が増加し、例えばレーザプリンター、ホ
ログラフィ−、フォトプロッター、カラースキャナー等
の光源として種々の分野で利用されている。

しかして、金属蒸気レーザにおいては、使用時間の経過
に伴い金属蒸気が管内壁等に凝結する際にヘリウムガス
がトラップされて当該ヘリウムガス圧力が低下するため
レーザが不安定となりやすい。

これを防止するため、従来は、ヘリウムガス供給器を金
属蒸気レーザ管に接続してヘリウムガスを適宜金属蒸気
レーザ管内に補充するようにしている。

第３図は、斯かるヘリウムガス供給器を備えた従来の金
属蒸気レーザ装置の一例を示し、７０は金属蒸気レーザ
管、７１は金属溜、７２はカソード、７３はアノード、
８０はヘリウムガス供給器、８１は低圧室、８２は中圧
室、８３は高圧室、８４．８５は隔壁、８６はヒータ、
８７は圧力検出器である。

低圧室８１は金属蒸気レーザ管７０内に連通し、高圧室
８３には高圧のヘリウムガスが充・填されている。

隔壁８４．８５は、低圧室８１、中圧室８２、高圧室８
３を区画するものであり、温度によりヘリウムガス透過
率が変化する例えば石英ガラス等により構成されている
。

圧力検出器８７は低圧室８１内のヘリウムガス圧力を検
出するものであり、この金属蒸気レーザ装置においては
、圧力検出器８７による検出結果に基づいてヒータ８６
への供給電力を制御して隔壁８４．８５の温度を変化さ
せることによりヘリウムガス透過率を調整し、これによ
り金属蒸気レーザ管７０内のヘリウムガス圧力を一定化
し、いわば間接的に金属蒸気レーザの出力を安定化する
ものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の出力安定化手段は以下の問題を有してい
る。

（１）圧力検出器８７により検出された低圧室８１内の
圧力に基づいて隔壁８４．８５の温度を変化させてヘリ
ウムガス透過量を制御し、これにより間接的に金属蒸気
レーザの出力を安定化する手段であるため、金属蒸気に
よるヘリウムガスのトラップに起因して生ずる出力変化
を制御することはできるが、共振器保持ロッド（図示省
略）の熱膨張等に起因して生ずる出力変化に対しては原
理的に制御することができない。

（２）隔壁８４．８５の温度を変化させてヘリウムガス
透過量を制御することにより、金属蒸気レーザの出力を
安定化する手段であるため、金属蒸気レーザ装置の周囲
温度の急激な低下により金属レーザ管７０内のヘリウム
ガス圧力が低下した場合に起因して生ずる出力変化に対
しては、出力の安定化を迅速に達成することができない
。これは、出力の変化を検出してからヘリウムガスが金
属蒸気レーザ管７０内に補充されるまでに相当の時間を
要するからである。

（３）　また、金属蒸気レーザ管７０内へのヘリウムガ
スの補充量が過剰になると、雑音が大きくなって金属蒸
気レーデのＳＮ比が低下する問題がある。

本発明は以上の如き事情に基づいてなされたものであっ
て、その目的は、上記（１）〜（３）の問題を解決し、
金属蒸気レーザの出力を高い精度で安定化でき、かつ金
属蒸気レーザのＳＮ比の低下を防止できる金属蒸気レー
デの出力安定化方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、金属蒸気レーザ装
置から発振される金属蒸気レーザの出力安定化方法にお
いて、前記金属蒸気レーザ装置が、金属蒸気レーザ管と
、この金属蒸気レーザ管内にキャリアガスを補充するキ
ャリアガス供給器とを備え、前記キャリアガス供給器が
、温度によりキャリアガス透過率が変化する隔壁により
区画された、前記金属蒸気レーザ管内に連通ずる低圧室
と、キャリアガスが高圧で充填された高圧室と、前記隔
壁の温度を制御するヒータとを備えてなり、前記金属蒸
気レーザ装置から発振される金属蒸気し−ザの出力を検
出し、この検出結果に基づいて前記ヒータへの供給電力
を制御することにより金属蒸気レーザの出力を安定化す
るとともに、金属蒸気レーザの出力の雑音をも検出して
、当該雑音が一定レベルを超えたときには、前記ヒータ
への電力の供給を停止することを特徴とする。

また、キャリアガス供給器がさらに低圧室内の温度を制
御するヒータを備えてなり、当該ヒータへの供給電力が
金、清蒸気レーザの出力の検出結果に基づいて制御され
ることを特徴とする。

〔作用〕

金属蒸気レーデの出力を直接検出してその検出結果に基
づいてキャリアガス供給器のヒータへの供給電力を制御
してキャリアガス供給器の隔壁を透過するヘリウムガス
量を調整するので、金属蒸気のトラップによるキャリア
ガスの減少に起因する出力変化のみならず、共振器保持
ロッドの熱膨張等に起因する出力変化に対しても有効に
制御することができる３、すなわち、共振器保持ロッド
の熱膨張等に起因して出力が変化した場合には、金属蒸
気レーザ管内のキャリアガス圧力を強制的に変化させる
ことによって出力の安定化を達成することができる。

しかも、金属蒸気レーザの出力の雑音をも検出して、当
該雑音が一定レベルを超えたときには、ヒータへの電力
の供給を停止するので、キャリアガスの過剰な補充を防
止することができ、従ってキャリアガスが過剰に補充さ
れた場合に生ずる金属蒸気レーザのＳＮ比の低下を有効
に回避することができる。

また、ヒータにより低圧室内の温度をも制御する場合に
は、当該低圧室内の温度を変化させていわばボイル・シ
ャルルの法則に基づいて当該低圧室内のキャリアガス圧
力を迅速に変化させることができる。従って、金属蒸気
レーザ装置の周囲温度の急激な低下により金属レーザ管
内のヘリウムガス圧力が低下して出力が変化した場合に
も、短期的には隔壁によるキャリアガスの透過を待たず
に迅速に金属蒸気レーザの出力の安定化を達成すること
ができる。そして、長期的には隔壁を透過してキャリア
ガスが金属蒸気レーザ管内に補充されるので金属蒸気レ
ーデの出力を安定化することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施に好適な金属蒸気レーザ装置の一
例を示す説明図である。

同図において、１０は例えばＨｅ−Ｃｄレーザを発振さ
せるための金属蒸気レーザ管、１１は金属溜、１２は出
力ミラー、１３は反射ミラー、２０はキャリアガスを補
充するキャリアガス供給器である。

キャリアガス供給器２０において、２１は実質的にキャ
リアガス不透過性の外管、２２は外管２１の内部を低圧
室２３と高圧室２４とに区画する隔壁であって温度によ
りキャリアガス透過率が変化する材料により構成されて
いる。

低圧室２３は連結管２５により金属蒸気レーザ管１０の
放電空間に連通している。従って、低圧室２３内のキャ
リアガス圧力は金属蒸気レーザ管１０内のキャリアガス
圧力と実質的に同一である。低圧室２３の内容積は金属
蒸気レーデ管１０の内容積の例えば１／３以上である。

そして、高圧室２４内には、キャリアガスが高圧で充填
されている。

この例の金属蒸気レーザ管１０はキャリアガスとしてヘ
リウムガスを用いるので、隔壁２２の構成材料としては
例えば石英ガラス等を用いることができる。特に石英ガ
ラスはヘリウムガス透過率の温度依存性が優れていてヘ
リウムガスの透過を迅速に達成することができる。また
、この例の隔壁２２は管状の形態を有しているので、当
該隔壁２２の面積が大きくて透過量の制御範囲が広く、
また熱的な応答性が向上する。高圧室２４内にはヘリウ
ムガスが通常３００〜４００　Ｔｏｒｒ程度の圧力で充
填され、低圧室２３内のヘリウムガスの圧力は、通常５
〜６Ｔｏｒｒ程度の範囲内である。外管２１の構成材料
としては、ヘリウムガスを実質上透過しない例えばコバ
ールガラス等の硬質ガラス等を用いることができる。

３１および３２はヒータであり、ヒータ３１は隔壁２２
の温度を制御するものであり、ヒータ３２は低圧室２３
内の温度を制御するものである。この例においては、ヒ
ータ３１と３２とは直列に接続されているが、並列接続
、あるいは別個独立の構成であってもよい。

各ヒータ３１および３２は、例えばニクロム線等の抵抗
線よりなり、ヒータ３１は隔壁２２を構成する石英ガラ
ス管内に挿入配置され、ヒータ３２は低圧室２３を囲む
外管２１の外周に巻回されて設けられている。

４１は金属蒸気レーザの出力を検出する出力検出器であ
り、具体的には光電変換器よりなる。この出力検出器４
１は金属蒸気レーザ管１０の反射ミラー１３よりの漏れ
光を受ける位置に配置されている。

４２は比較回路、４３は基準電圧源、４４は電力増幅器
であり、これらによりヒータ３１および３２の電力制御
回路が構成され、出力検出器４１により検出された金属
蒸気レーザの出力に基づいてヒータ３１および３２への
供給電力がネガティブ・フィードバック・コントロール
される。すなわち、金属蒸気レーザ管１０から発振され
る金属蒸気レーザの出力は出力検出器４１により検出さ
れ、その検出結果が比較回路４２において基準電圧源４
３と比較され、その差を打ち消すための出力信号、すな
わち金属蒸気レーザの出力を基準電圧源４３により設定
された所定の一定値となるような出力信号が電力増幅器
４４に送られ、当該電力増幅器４４よりの制御された供
給電力によりヒータ３１および３２が駆動される。

５１はバンドパスフィルターである。このバンドパスフ
ィルター５１は、金属蒸気レーザの出力信号のうち所定
の帯域幅のみの雑音を通過させ、そして当該雑音を整流
して直流の雑音信号に変換するものである。

５２は比較回路、５３は基準電圧源、５４はヒータ３１
および３２の電源ラインに介挿されたスイッチ回路であ
る。

比較回路５２においては、バンドパスフィルター５１よ
りの雑音のレベルが、基準電圧源５３によって設定され
る基準レベルを超えているときにはスイッチ回路５４を
開く信号が出力され、逆に基準レベル未満のときにはス
イッチ回路５４を閉じる信号が出力される。

第２図は、ヘリウムガス圧力と、Ｈｅ−Ｃｄレーザの出
力（実線で示す）と、雑音（破線で示す）との関係を示
す説明図である。同図から理解されるように、ヘリウム
ガス圧力と出力との間には一定の相関関係があるので、
ヘリウムガス圧力を変化させることによりＨｅ−Ｃｄレ
ーザの出力を制御することができる。そして、ヘリウム
ガス圧力と雑音との間にも一定の相関関係があるので、
出力の雑音を検出することによりヘリウムガス圧力を検
出することができる。そして、これらの相関関係はその
他の金属蒸気レーザについても一般に適用できることが
判明している。

第２図において、点Ａは発振時において出力が安定化さ
れているときの動作点、点Ｂは非発振時におけるＨｅ−
Ｃｄレーザ管内のヘリウムガス圧力を示す。

もし、Ｈｅ−Ｃｄレーザの出力が極大点Ｑを超えて右側
に移動してしまうと、雑音のレベルが高雑音領域となり
、その結果金属蒸気レーザのＳＮ比が低下し実用不可と
なるので、ヘリウムガス圧力は常に極大点Ｑよりも左側
の低雑音領域にあるように制御することが必要である。

従って、スイッチ回路５４を開閉するときの雑音のレベ
ルの境界値は例えば極大点Ｑもしくは当該極大点Ｑより
若干左側の点に対応する雑音のレベルを選択する。

なお、高雑音領域においては、例えば３００ｋ　Ｈｚを
中心に数１００ｋＨｚの帯域幅の雑音が急激に増加する
ことが判明している。

以上の構成によれば、次のようにして金属蒸気レーザの
出力が安定化される。

まず、起動時においては、非発振時には点Ｂとなる圧力
のヘリウムガスが封入された金属蒸気レーザ管１０を起
動して安定状態へ移行させるとともに、当該安定状態に
おいて金属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガス圧力が点
への圧力となるように出力検出器４１による検出結果に
基づいてヒータ３１および３２への供給電力が制御され
て隔壁２２および低圧室２３内が加熱制御される。

そして、安定状態においては金属蒸気レーザの出力が点
Ａに対応する一定値Ｐに安定化される。

しかして、例えば雪囲気温度の低下に起因して金属蒸気
レーザ管１０内のヘリウムガス圧力が減少して金属蒸気
レーザの出力が点Ａよりも左側の点Ｃに移動すると、出
力検出器４１によりその出力変化が直接検出されるので
その検出結果に基づいて電力制御回路が動作してヒータ
３１および３２への供給電力が増加する方向にネガティ
ブ・フィードバック・コントロールされるが、この場合
にはヒータ３２により低圧室２３内の加熱が迅速に行わ
れるのでいわゆるボイル・シャルルの法則に基づいて金
属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガス圧力が迅速に変化
し、これにより金属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガス
圧力が元の点Ａにまで復帰し、金属蒸気レーザの出力が
一定値Ｐに維持されるようになる。

そして、長期的には、ヒータ３１により隔壁２２が加熱
されることにより金属蒸気レーザ管１０内へキャリアガ
スが緩やかに補充されるので、金属蒸気レーザ管１０内
のヘリウムガス圧力が元の点Ａにまで復帰し、金属蒸気
レーザの出力が一定値Ｐに維持されるようになる。

一方、雰囲気温度の上昇に起因して金属蒸気レーザ管１
０内のヘリウムガス圧力が増加して金属蒸気レーザの出
力が点Ａよりも右側の点りに移動した場合には、上記と
逆方向のネガティブ・フィードバック・コントロールに
より、金属蒸気レーザの出力が一定値Ｐに維持されるよ
うになる。

また、金属蒸気のトラップにより金属藪気レーザ管１０
内のヘリウムガスが減少して金属蒸気レーザの出力が低
下した場合においても、以上と同様にしてヒータ３１フ
よび３２への供給電力がネガティブ・フィードバック・
コントロールされるので、金属蒸気レーザの出力が一定
値Ｐに維持されるようになる。

そして、金属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガス圧力は
変化していないが例えば共振器保持ロッド（図示省略）
の熱膨張等に起因して金属蒸気レーザの出力が一定値Ｐ
からずれた場合には、出力検出器４１によりその出力変
化が直接検出されるのでその検出結果に基づいてヒータ
３１および３２への供給電力がネガティブ・フィードバ
ック・コントロールされ、その結果金属蒸気レーザの出
力が一定値Ｐに維持されるようになる。すなわち、この
場合にも金属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガス圧力を
意識的に変化させることにより出力の制御が可能となる
。

しかして、共振器保持ロンドの熱膨張等に起因して金属
蒸気レーザの出力が減少した場合において、その制御の
応答が遅くてヒータ３１および３２への供給電力が過度
に制御されると、金属蒸気レーザ管１０内のヘリウムガ
ス圧力が次第に極大点Ｑに接近することとなるが、この
場合には出力検出器４１により高雑音領域の雑音が検出
されるのでその検出結果に基づいてバンドパスフィルタ
ー５１および比較回路５２が動作してスイッチ回路５４
が開かれてヒータ３１および３２への電力の供給が停止
することとなる。従って、隔壁２２の加熱が停止されて
温度が低下するので、当該隔壁２２を透過して金属蒸気
レーザ管１０内に補充されるヘリウムガスが減少し、ま
た短期的にはいわゆるボイル・シャルルの法則に基づい
て低圧室２３内の圧力を迅速に低下させることができ、
これらの結果ヘリウムガス圧力が極大点Ｑを超えて右側
の高雑音領域に進入することが抑制され、金属蒸気レー
ザのＳＮ比の低下を防止することができる。

以上の実施例によれば、金属蒸気レーザの出力を直接検
出してその検出結果に基づいてキャリアガス供給器２０
のヒータ３１および３２への供給電力を制御してキャリ
アガス供給器２０の隔壁２２を透過するヘリウムガス量
を調整するので、金属蒸気のトラップによるキャリアガ
スの減少に起因する出力変化のみならず、共振器保持ロ
ッドの熱膨張等に起因する出力変化に対してもこれを有
効に制御することができる。

そして、金属蒸気レーザの出力の雑音をも検出して、当
該雑音が一定レベルを超えたときには、ヒータ３１およ
び３２への電力の供給を停止するので、ヘリウムガスの
過剰の補充を抑制することができ、従ってヘリウムガス
圧力の高雑音領域への進入を抑制して、金属蒸気レーザ
のＳＮ比の低下を防止することができる。

また、ヒータ３２により低圧室２３内の温度をも制御す
るので、当該低圧室２３内の温度を変化させていわゆる
ボイル・シャルルの法則に基づいて当該低圧室２３内の
キャリアガス圧力を迅速に変化させることができる。従
って、金属蒸気レーザ装置の周囲温度の急激な低下によ
り金属レーザ管１０内のヘリウムガス圧力が低下した場
合に起因して生ずる出力変化に対しても、短期的には隔
壁２２によるキャリアガスの透過を待たずに迅速に金属
蒸気レーザの出力を安定化することができる。そして、
長期的には隔壁２２を透過してキャリアガスが金属蒸気
レーザ管１０内に補充されるので金属蒸気レーザの出力
を安定化することができる。

以上本発明を一実施例に基づいて説明したが、本発明の
適用の対象となる金属蒸気レーデ装置の具体的構成は、
上記実施例に限定されず、種々の変形を施すことができ
る。また、金属としてもカドミウムに限定されずその他
の金属を用いてもよく、さらに金属と組合せるキャリア
ガスとしてもヘリウムガスに限定されずその他のガスを
用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば以下の効果が発揮
される。

（１）請求項１によれば、金属蒸気レーザの出力を検出
してその検出結果に基づいてヒータへの供給電力を制御
するので、金属蒸気レーザ管内のキャリアガス圧力の変
化に起因する出力変化のみならず、共振器保持ロッドの
熱膨張等に起因する出力変化に対しても、制御が有効に
働き、その結果金属蒸気レーザの出力を高い精度で安定
化することができ、しかも、金属蒸気レーザの出力の雑
音をも検出して当該雑音が一定レベルを超えたときには
ヒータへの電力の供給を停止するので、金属蒸気レーザ
のＳＮ比の低下を防止することができる。

（２）請求項２によれば、ヒータにより低圧室内の温度
をも制御するので、低圧室内の温度変化に追随して当該
低圧室内のキャリアガス圧力が迅速に変化する。従って
短期的には隔壁によるキャリアガスの透過を待たずに迅
速に金属蒸気レーザの出力を安定化することができ、そ
して長期的には隔壁の温度制御によりキャリアガスの透
過量が調整されるので金属蒸気レーザの出力を安定化す
ることができる。

（３）また、キャリアガス供給器には圧力検出器を設け
ることが不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施に好適な金属蒸気レーザ装置の一
例を示す説明図、第２図はＨｅ−Ｃｄレーザ管内のヘリ
ウムガス圧力とＨｅ−Ｃｄレーデの出力と雑音との関係
を示す説明図、第３図は従来の方法を適用した金属蒸気
レーザ装置の一例を示す説明図である。 １０・・・金属蒸気レーザ管　１１・・・金属溜１２・
・・出力ミラー　　　　１３・・・反射ミラー２０・・
・キャリアガス供給器 ２１・・・外管　　　　　　　２２・・・隔壁２３・・
・低圧室　　　　　　２４・・・高圧室２５・・・連結
管　　　　　　３１．３２・・・ヒータ４１・・・出力
検出器　　　　４２・・・比較回路４３・・・基準電圧
源　　　　４４・・・電力増幅器５１・・・バンドパス
フィルター ５２・・・比較回路　　　　　５３・・・基準電圧源５
４・・・スイッチ回路　　　７０・・・金属蒸気レーザ
管７１・・・金属溜　　　　　　７２・・・カソード７
３・・・アノード　　　　　８０・・・ヘリウムガス供
給器８１・・・低圧室　　　　　　８２・・・中圧室８
３・・・高圧室　　　　　　８４．８５・・・隔壁８６
・・・ヒータ　　　　　　８７・・・圧力検出器十１図 一−ヘリウム汀ス圧ｎ −＋−３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属蒸気レーザ装置から発振される金属蒸気レー
   ザの出力安定化方法において、 前記金属蒸気レーザ装置が、金属蒸気レーザ管と、この
   金属蒸気レーザ管内にキャリアガスを補充するキャリア
   ガス供給器とを備え、 前記キャリアガス供給器が、温度によりキャリアガス透
   過率が変化する隔壁により区画された、前記金属蒸気レ
   ーザ管内に連通する低圧室と、キャリアガスが高圧で充
   填された高圧室と、前記隔壁の温度を制御するヒータと
   を備えてなり、前記金属蒸気レーザ装置から発振される
   金属蒸気レーザの出力を検出し、この検出結果に基づい
   て前記ヒータへの供給電力を制御することにより金属蒸
   気レーザの出力を安定化するとともに、金属蒸気レーザ
   の出力の雑音をも検出して、当該雑音が一定レベルを超
   えたときには、前記ヒータへの電力の供給を停止するこ
   とを特徴とする金属蒸気レーザの出力安定化方法。
2. （２）キャリアガス供給器がさらに低圧室内の温度を制
   御するヒータを備えてなり、当該ヒータへの供給電力が
   金属蒸気レーザの出力の検出結果に基づいて制御される
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属蒸気レーザの出
   力安定化方法。