JPH03165083A - レーザ発振装置 - 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〕 この発明は、プリパルスコンデンサに蓄積されたエネル
ギーでレーザ励起放電を生起させ、このレーザ励起放電
を主コンデンサに蓄積されたエネルギーで維持するレー
ザ発振装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図および第５図は、例えばアプライドフィジックス
レター（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒ）誌第４３巻第８号（１９８３年ｌＯ月１５日）の第
７３５〜７３７頁に示された従来のレーザ発振装置を示
す概略構成図であり、第４図はその正面断面図、第５図
は平面図である。

図において、１はレーザ筺体、２はこのレーザ筺体１内
に所定のガス圧で封入、もしくは流されているレーザガ
スである。３および４はこのレーザガス２の雰囲気中に
相対向して配置された主電極であり、５はこの主電極３
．４の相互間に生起するレーザ励起放電である。６はこ
の主電極３゜４間に並列に接続されてそれら相互間に急
峻なパルス電圧を印加し、主電極３，４に均一なレーザ
励起放電５を開始させるためのエネルギーを供給するプ
リパルスコンデンサであり、７はこのプリパルスコンデ
ンサ６を充電するためのプリパルスコンデンサ充電バン
クである。

８は前記主電極３．４間に生起されたレーザ励起放電５
を維持するための主たるエネルギーを供給する主コンデ
ンサであり、９はこの主コンデンサ８を構成する誘電体
、１０および１１は同じ（主コンデンサ８を構成する金
属板である。１２はこの主コンデンサ８を充電するため
の主コンデンサ充電バンクである。１３は主コンデンサ
８に蓄えられたエネルギーの主電極３，４への供給をス
イッチングするレールギャップスイッチであり、１４お
よび１５はこのレールギャップスイッチ１３の相対向し
たレールギャップ電極で−ある。

１６は前記主電極３，４の長手方向の一端側の、レーザ
筺体ｌの背面部に取り付けられた全反射鏡、１７は同じ
く主電極３．４の長手方向の他端側の、レーザ筺体１の
前面部に取り付けられた部分反射鏡である。この主電極
３．４の長手方向の両側に配された全反射ｊ１１１６と
部分反射ｍ１７とによって、レーザ発振の光共振器が構
成されている。

１８は誘導放出によって部分反射鏡１７から出射された
レーザ光である。

次に動作について説明する。まず、主コンデンサ充電バ
ンク１２により主コンデンサ８が充電され、金属板１０
と１１との間に充電電圧Ｖ　ＰＦＭが印加される６次に
プリパルスコンデンサ充電バンク７によりプリパルスコ
ンデンサ６がパルス充電され、急峻なパルス電圧が主電
極３と４の間、およびレールギャップスイッチ１３のレ
ールギャップ電極１４と１５の間に印加される。これに
よって、両者はほぼ同時に放電を開始する。ここで、主
電極３と４の間では電圧が印加されるのに先立って、も
しくは電圧が印加されるのと同時に、Ｘ線、紫外線、ま
たは紫外のレーザ光が照射される。

これによって、レーザガスは電子密度ｎｅが１０６〜１
０８個／ｃｍ３程度均一に生成された、いわゆる予備電
離状態となる。

この時、主電極３，４間にプリパルスコンデンサ６から
エネルギーが供給されると、均一なレーザ励起数ｔ５が
開始される。以下、このプリパルスコンデンサ６からの
エネルギー供給によるレーザ励起放電をブリパルス放電
という０次に、前記レールギャップスイッチ１３の放電
による主コンデンサ８からの主たる励起エネルギーが主
電極３゜４間に供給され、ブリパルス放電によって開始
されたレーザ励起放電５を安定に維持する。主電極３．
４の長手方向の両側には、レーザ励起放電５を間に挟ん
で相対向する形で、全反射ｍ１６と部分反射１１１７か
らなる光共振器が構成されており、誘導放出により部分
反射鏡１７からレーザ光１８が出射される。

ここに示したレーザ励起回路は、エキシマレーザのよう
な主電極３．４間における放電のインピーダンスが低い
レーザガス２において、効率的なエネルギー注入を行う
のに有効な回路である。以下、第６図を用いてこの回路
の機能を説明する。

同図において、プリパルスコンデンサ６から主電極３．
４に至る回路はブリパルス回路と呼ばれ、速い立ち上が
りのパルス電圧を主電極３と４の間に印加して、均一な
ブリパルス放電を開始させるとともに、主電極３．４間
の電圧Ｖｇが準安定状態の放電維持電圧となるまで、そ
こでの放電インピーダンスを下げる役割を担っている。

一方、主コンデンサ８として第４図に示したような構造
のものを採用した場合、等価回路的には第７図に示すよ
うな無限小のキャパシタンスＣｐと無限小のインダクタ
ンスｔ、ｐをＮ段（Ｎ−＋（Ｘ））連ねた分布定数線路
と考えることができる。ここで、Ｃｐ、Ｌｐの値は金属
板ｌＯと１１の寸法、および誘電体９の誘電率で決定さ
れるものである。

特性インピーダンスＺ　ｏ　−（Ｌｐ　／　Ｃｐ　）　
””をし＝ザ励起放電５部分の放電インピーダンスに等
しくなるように設計することにより、主コンデンサ８に
備えたエネルギーを効率的にレーザ励起放電５の部分に
注入することができ、効率的なレーザ発振が実現できる
。上記に示したような分布定数線路はパルスフォーミン
グネットワーク（ＰｕｌｓｅＦｏｒｓ＋ｉｎｇ　Ｎｅｔ
ｗｏｒｋ　、以下、ＰＦＮという）と呼ばれている。

いま第６図に示した回路図において、プリパルスコンデ
ンサ６から流れるプリパルス電流をｉ４、主コンデンサ
８から流れる主放電電流をｉｌｌとすれば、このプリパ
ルス電流ｉ４および主放電電流量、と、主電極３．４間
の電圧Ｖｇおよびレーザ出力バワーｐとの時間関係は第
８図に示すものとなる。すなわち、プリパルス電流ｉ４
と主放電電流１１とはほぼ同時に流れだし、プリパルス
電流ｉ、が流れて開始されたプリパルス放電によって、
電圧Ｖｇが準安定状態の放電維持電圧に達する前に、主
放電電流ｉｎが流れはじめる。ここで、前記プリパルス
回路とＰＦＮとを組み合わせたレーザ発振装置の利点を
生かすためには、両回路の動作タイミングが重要である
。すなわち１、プリパルス電流ｉ、が流れて均一なレー
ザ励起放電５が開始するとともに、その部分での放電イ
ンピーダンスが下がって、電圧Ｖｇが準安定な放電維持
電圧になった時点で主放電電流ｉイが流れ出すことが必
要条件となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のレーザ発振装置は以上のように構成されているの
で、レールギャップスイッチの動作点に制御性がなく、
プリパルス放電の開始と同時に動作し、プリパルス電流
ｉ−と主放電電流１１は同時に流れ出すため、レーザ励
起放電部とＰＦＮとのインピーダンス整合が取れず、Ｐ
ＦＮからのエネルギーの伝送効率が低下し、さらにプリ
パルス電流ｉ４によって均一な放電が開始される以前に
ＰＦＮからの主放電電流ｉ３が供給されるため、安定な
放電が維持できず、放電が途中でアークに転位してしま
うことがあり、これら二つの影響により、レーザ出力が
低下し、不安定になるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、レーザ出力が高出力、高効率で、かつ安定なレ
ーザ発振装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るレーザ発振装置は、主コンデンサからの
エネルギーを主電極へスイッチングするレールギャップ
スイッチとして、プリパルスコンデンサからのパルス電
圧の印加のみでは作動せず、レールギャップ電極間にこ
のパルス電圧が印加されているときにトリガ光が与えら
れると作動する構造のものを用い、プリパルスコンデン
サから供給されるエネルギーにて生起したプリパルス放
電によって出射されたレーザ光、もしくはその一部を取
り出し、それをトリガ光として前記レールギャップスイ
ッチに供給するトリガ手段を設けたものである。

〔作　用〕

この発明におけるトリガ手段は、プリパルスコンデンサ
から供給されるエネルギーにて主電極間に生起したプリ
パルス放電によってレーザ光が出射されると、そのレー
ザ光あるいは当該レーザ光の一部をトリガ光として取り
出し、レールギャップスイッチに供給してそれを作動さ
せることにより、プリパルス放電における主電極間の電
圧が準安定状態の放電維持電圧になった時点で、主放電
電流の供給が開始されるようにして、高出力、高効率で
安定なレーザ出力が得られるレーザ発振装置を実現する
。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、１はレーザ筐体、２はレーザガス、３．４
は主電極、６はプリパルスコンデンサ、７はプリパルス
コンデンサ充電バンク、８は主コンデンサ、１０．１１
は金属板、１２は主コンデンサ充電バンク、１６は全反
射鏡、１７は部分反射鏡、１８はレーザ光であり、第４
図および第５図に同一符号を付した従来のそれらと同一
あるいは相当部分であるため詳細な説明は省略する。

１９は従来のレールギャップスイッチ１３と同様に、主
コンデンサ８に蓄えられたエネルギーの主電極３．４へ
の供給をスイッチングするレールギャップスイッチであ
り、２０および２１はこのレールギャップスイッチ１９
の相対向したレールギャップ電極である。２２はこのレ
ールギャップスイッチ１９内に特定のガス圧で封入、も
しくは流されているガスであり、２３はガス２２を光電
離させるためにレールギャップスイッチ１９に供給され
るトリガ光である。このレールギャップスイッチ１９は
、ガス２２がトリガ光によって光電離されないと１．レ
ールギャップ電極２０と２１の間にパルス電圧が印加さ
れていても作動せず、この点で従来のレールギャップス
イッチ１３とは異なっている。

２４は前記部分反射鏡１７より出射されたブリパルス放
電によるレーザ光１日の一部を取り出すビームスプリフ
タであり、２５はこのビームスプリッタ２４の取り出し
たレーザ光１８を反射してレールギャップスイッチ１９
に送るペンドミラーである。このビームスプリッタ２４
とペンドミラー２５とによって、プリパルス放電による
レーザ光１８の一部を、トリガ光２３としてレールギャ
ップスイッチ１９に供給するトリガ手段が形成されてい
る。

次に動作について説明する。主コンデンサ８は予め主コ
ンデンサ充電バンク１２によりＶＰＦにに充電されてい
る。次に、プリパルスコンデンサ充電バンク７によりプ
リパルスコンデンサ６がパルス充電され、急峻なパルス
電圧が主電極３と４の間およびレールギャップスイッチ
１９のレールギャップ電極２０と２１の間に印加される
。この際、レールギャップスイッチ１９には、レールギ
ャップ電極２０と２１の間において放電が開始されない
ように、特定のガス圧力でガスが封入、もしくは流され
ている。

主電極３と４の間の電圧がその放電開始電圧に達すると
、従来の場合と同様に、プリパルスコンデンサ６からエ
ネルギーが供給される形で均一なブリパルス放電が開始
される。これにより主電極３と４の間の電圧Ｖｇが準安
定状態における放電維持電圧まで下がると同時に、プリ
パルス電流ｉ。

により低出力のレーザ発振が起こり、部分反射鏡１７よ
りレーザ光１８が出射する。

このレーザ光１８の一部がビームスプリッタ２４で分岐
され、ペンドミラー２５により反射されて、トリガ光２
３としてレールギャップスイッチ１９のレールギャップ
電極２０．２１間に導かれる。レールギャップ電極２０
．２１間のガス２２はトリガ光２３により光電離され、
前記プリパルスコンデンサ６によって印加されているパ
ルス電圧によって放電を開始する。このレールギャップ
スイッチ１９の動作により主コンデンサ８に蓄えられた
エネルギーが主電極３．４間に供給され、当該主電極３
．４間のブリパルス放電は、より高電力密度のレーザ励
起放電５となって、部分反射鏡１７からは大きなレーザ
出力が出射される。

この発明における主電極３，４間の電圧Ｖｇ、プリパル
ス電流１４、主放電電流ｉ１、レーザ出力パワーｐの時
間的関係を第２図に示す０図示のように、プリパルス電
流ｉ４により、電圧Ｖｇが準安定状態の放電維持電圧ま
で下がり切った状態で主放電電流ｉ、、が流れ出す。従
って、主コンデンサ８としてＰＦＮを採用した場合には
、レーザ励起放電５の部分と主コンデンサ８の間でイン
ピーダンス整合が成立し、伝送効率の向上がはかれる。

また、プリパルス電流ｉ４により十分均質な放電が初期
において形成されるため、これが予備放電となって比較
的長時間にわたって安定な放電が維持され、この面から
も実効的な伝送効率の向上がはかれる。

なお、上記実施例では主コンデンサ８としてＰＦＮを用
いた場合について示したが、通常の集中型のコンデンサ
を用いてもよく、その場合には、プリパルス電流による
均一な予備放電形成の効果がある。

また、ブリパルス放電によるレーザ光１８の一部をトリ
ガ光２３としてレールギャップスイッチ１９のレールギ
ャップ電極２０．２１間に導くトリガ手段を、ビームス
プリッタ２４とベンドミラ−２５で形成した場合につい
て示したが、光ファイバにて形成してもよい、この際、
第３図に示すように、部分反射鏡の一部に高反射率の部
分２６を設け、プリパルス放電によるレーザ発振に対し
、全反射鏡１６と部分反射鏡１７にて形成される光共振
器の最適結合をはかるようにしてもよい。

また、レールギャップスイッチ１９内のガス２２に、例
えば、トリ・エヌ・プロピルアミン（Ｔｒｉ−ｎ−ｐｒ
ｏｐｙｌａｇｇｉｎｅ　）、ビー・キシレン（Ｐ−Ｘｙ
ｌｅｎｅ　）、トリ・メチフレアミン（Ｔｒｉ−ｓ＋ｅ
ｔｈｙｌａｍｉｎｅ　）などの、トリガ光２３に対して
光電離しやすいガスを混入することによって、微少なト
リガ光２３によっても確実に作動するレールギャップス
イッチ１９を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、プリパルス放電によ
って出射されたレーザ光あるいは当該レーザ光の一部を
トリガ光として取り出し、このトリガ光をレールギャッ
プスイッチに供給することによってそれを作動させるよ
うに構成したので、プリパルス放電における主電極間の
電圧が準安定状態の放電維持電圧になった時点で、主コ
ンデンサより主放電電流の供給が開始されるようになり
、放電が安定して途中でアーク放電に転移するようなこ
とはなく、また、レーザ励起放電部とＰＦＮとのインピ
ーダンスが整合されてＰＦＮからのエネルギーの伝送効
率が向上して、レーザ出力が安定で、高出力、高効率な
レーザ発振装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ発振装置を示
す概略構成図、第２図はその主電極間電圧、プリパルス
電流、主放電電流、およびレーザ出力パワーの時間的関
係を示す説明図、第３図はこの発明の他の実施例におけ
る部分反射鏡を示す正面図、第４図および第５図は従来
のレーザ発振装置を示す概略構成図、第６図はその電気
的な接続を示す回路図、第７図は主コンデンサとして用
いられるＰＦＮの等価回路を示す回路図、第８図は従来
のレーザ発振装置の主電極間電圧、プリパルス電流、主
放電電流、およびレーザ出力パワーの時間的関係を示す
説明図である。 ２はレーザガス、３，４は主電極、５はレーザ励起放電
、６はプリパルスコンデンサ、８は主コンデンサ、１８
はレーザ光、１９はレールギャップスイッチ、２０．２
１はレールギャップ電極、２３はトリガ光、２４はトリ
ガ手段（ビームスプリッタ）、２５はトリガ手段（ペン
ドミラー）。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザガスの雰囲気中に相対向して配置され、相互間の
   レーザ励起放電によってレーザ光を発振する１対の主電
   極と、前記主電極間に並列に接続され、前記主電極間に
   パルス電圧を印加してレーザ励起放電を開始するための
   エネルギーを供給するプリパルスコンデンサと、前記主
   電極間に生起された前記レーザ励起放電を維持するため
   の主たるエネルギーを前記主電極に供給する主コンデン
   サと、相対向して配置された１対のレールギャップ電極
   を有して前記主電極と前記主コンデンサとの間に接続さ
   れ、前記レールギャップ電極間に所定の電圧が印加され
   ているときにトリガ光が与えられると作動して、前記主
   コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記主電極に供給
   するレールギャップスイッチと、前記主電極が、前記プ
   リパルスコンデンサから供給されるエネルギーにて生起
   されたレーザ励起放電によって発振したレーザ光、もし
   くは当該レーザ光の一部を取り出して、前記トリガ光と
   して前記レールギャップスイッチに供給するトリガ手段
   とを備えたレーザ発振装置。