JPH0318074A - 金属蒸気レーザ装置 - 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、金属蒸気レーザ装置、特にガス放電によっ
て金属を加熱、気化させてレーザ出力を得る金属蒸気レ
ーザ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は、例えば「レーザー研究」，昭和５６年３月号
，第６０頁〜第６６頁に記載されている「銅蒸気レーザ
ーの製作」に示されている従来の銅蒸気レーザ装置の構
成を示す図である。

図において．１００は放電管であり、この放電￥！１０
０はガス放電を生じさせる対向する電極１と、銅蒸気を
発生する銅粒子３が配置された内管２と、外筒４と、上
記電極１で生じた放電の熱の逃げを防ぐ断熱層５と、上
記電％１側に設けられているレーザ光を取り出す窓６と
、上記外筒４の中間部に高圧電圧を絶縁するために設け
られている絶縁ブレイク７から構成されている。

２００は第１のパルス発生回路であり、この第１のパル
ス発生回路２００は放電管１００の外筒４と接続線ａを
介して接続される充電用コンデンサ８と，この充電用コ
ンデンサ８と直列に接続される充電用リアクトル９と，
陽極が高圧電源ｔｉの一端と接続され，陰極が充電用リ
アクトル９と接続されるダイオード１０と、上記充電用
リアクトル９の一端と上記高圧電源１１の一端との間に
接続されているサイラトロン１２と、上記充電用コンデ
ンサ８の一端と上記サイライトロ　ン１２の一端との間
に接続される充電用抵抗ｌ４から構成されている。

また、高圧電源１１の他端は接続線ｂを介して外筒４と
接続されている。さらに，サイラトロン１２のグリッド
にはパルス制御回路１３が接続されている。

従来の金属蒸気レーザ装置は上記のように構或され、高
圧電源１１からダイオード１０および充電用リアクトル
９を通して、かつ充電用抵抗１４を通じて充電用コンデ
ンサ８に高圧電圧が充電される。

次に、パルス制御回路１３によって駆動されるサイラト
ロン１２がオンすると，充電用コンデンサ８に充電され
た高圧電圧は外筒４を通じて対向する電極１に印加され
、内管２の中にガス放電を形或する。

この内管２の中に形或された放電の熱エネルギーは断熱
層５によって保持されるため，内管２の温度はガス放電
の繰返によって１５００℃程度の高温に上昇し，銅粒子
３を蒸気にすると共に内管２の中に銅蒸気を充満させる
。

対向する電極１によって形成されたガス放電により放電
プラズマの電子を加速し，さらに電子は内管２の中に充
満された銅原子に衝突すると共に、銅原子の原子レベル
を第一共鳴準位である上準位に励起し、準安定準位であ
る下準位へ励起させる数は少ないため、反転分布が形成
される。上準位にある銅原子はレーザ発振を伴って下準
位に落ち、さらに下準位から基底準位にゆっくりと緩和
する。

以上の動作を数ＫＨｚで繰り返す。レーザ光は窓６を通
して取り出す． 下準位から基底準位への緩和は内管２の口径が小さい場
合は、内管２の壁と励起原子との衝突で行われ、内管２
の口径が大きい場合は，下準位原子と低速電子との超弾
性衝突にて行われ、その寿命は数百μｓｅｃと長い。

〔発明が解決しようとする線題〕

従来の銅蒸気レーザ装置は以上のように構成されている
ので，スイッチング素子としてのサイラトロンの特性変
化、電源電圧の変動などによって、投入電力が一定にな
らず、そのため、内管２の温度が変動し、異常温度上昇
によって内管２を破損したり、所望の色のレーザが得ら
れないという問題点があった。

また、下準位から基底準位に緩和する時間が数百μｓｅ
ｃと非常に長いので、緩和が終了するのを待って次のパ
ルスを印加するとパルス繰り返し数が小さくなり，また
パルス繰り返し数を高くするとパルス印加時の下準位の
数が多くなるため，反転分布が不完全となり、銅蒸気レ
ーザの効率が低下するなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、投入電力を一定にして、放電管の温度を一定
に保持し、温度変化に起因する不都合を防止するととも
に各パルスの間で、下準位から基底準位への緩和を促進
させ，次にパルスでの反転分布をより完全なものとする
ことで、パルス繰り返し数が高い場合でも効率が高い金
属蒸気レーザ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〕

この発明に係る金属蒸気レーザ装置は、放電管にガス放
電を発生させるパルス電圧を供給する第１のパルス発生
回路と、前記第１のパルス発生回路とは別の設けられ、
前記第１のパルス電圧より所定時間遅延し該第１のパル
ス電圧より小さい第２のパルス電圧を前記放電管に供給
する第２のパルス発生回路と，前記第２のパルス電圧に
基づいて前記放電管の投入電力が一定となる前記第１の
パルス電圧を算出し、この算出結果によって前記第１の
パルス発生回路を制御する電力計算回路とを具備したも
のである。

〔作用〕 この発明における金属蒸気レーザ装置は，第１のパルス
発生回路から供給される第１のパルス電圧間に第２のパ
ルス発生回路から発生される第２のパルス電圧を印加し
、下準位原子と低速電子との超弾性衝突を強性的に生じ
させ、その結果、下準位原子の緩和が促進され、次のパ
ルス電圧が印加される場合に反転分布がより完全なもの
となる。

また、電力計算回路で算出した第１のパルス電圧となる
ように第１のパルス発生回路を制御することにより、放
電管の投入電力を均一化し、放電管内部の温度を一定に
保持することができ、異常温度上昇をなくして放電管の
破損を防止する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。前記
第５図と同一部分に同一符号を付して重複説明を省略し
た第１図において、１５は遅延回路であり、この遅延回
路１５の出力側は第２のパルス発生回路３００と接続さ
れ、その入力側はパルス制御回路１３と接続され，パル
ス制御回路１３からの信号を受けて、所定時間だけ出力
を遅延させる。また，この第２のパルス発生回路３００
は出力側は放電管１００と接続され、遅延回路１５から
の信号を受けて放電管１００に電圧を印加する。

第２図は第工図の第２のパルス発生回路３００の詳細回
路を示す図である。図において、接続線ａはフィルタリ
アクトル２４を介して巻線比ｎ：ｌのパルストランス２
２の一次側の一端と接続されると共に接続点ｂは上記パ
ルストランス２２の一次側の他端と接続されている。フ
ィルタコンデンサ２３はパルストランス２２の一次側と
並列に接続され、このフィルタコンデンサ２３とフィル
タリアクトル２４とで保護回路２６を構成している。

上記パルストランスの二次側の一端は、逆極性のダイオ
ード２０およびパルス充電リアクトル１９を介して直流
電源１８の正極側と接続される共にパルス用コンデンサ
１７を介して自己消弧型スイッチ２５の一端と接続され
、上記パルストランス２２の二次側の他端は、パルス用
リアクトル２１を介して上記自己消弧型スイッチ２５の
他端と接続されている。また，直流電源１８の負極側は
自己消弧型スイッチ２５の一端と接続されている。

さらに、接続線Ｃは上記自己消弧型スイッチ２５と接続
されている。

第３図はこの発明の一実施例による放電管１００に印加
される電圧を表すタイムチャート図を示す図である。

次に上記実施例の動作について説明する。パルス制御回
路１３から出力された出力信号を受けて、遅延回路ｌ５
がパルス制御回路１３の出力を所定の時間だけ遅延した
後、第２のパルス発生回路３００に信号を与える。

第２のパルス発生回路３００の自己消弧型スイッチ２５
が遅延回路１５の信号を受けて導通すると、パルス用コ
ンデンサｌ７に蓄えられてた電圧は、パルストランス２
２、パルス用リアクトル２ｌに印加される．パルストラ
ンス２２の二次側には、一次側に対しｎ倍の電圧が発生
し、フィルタコンデンサ２３、フィルタリアクトル２４
を通して放電管１００に第２のパルス電圧を印加する。

第３図に接続，Ｉｉ！ｌａ　−　ｂ間に印加される電圧
Ｖａｌ＋を時間に対して示す。時刻ｔ。において、第１
のパルス発生回路２００から第１のパルス電圧が放電管
１００に印加されてガス放電を得る。時刻１ｏから所定
時間τだけ遅延され，第２のパルス発生回路３００から
第２のパルス電圧が印加され、それを一定の繰り返しで
行う。フィルタリアクトル２４、フィルタコンデンサ２
３は第↓のパルス発生回路２００からの第１のパルス電
圧に対しては阻止するように働き、第２のパルス回路３
００からの第２のパルス電圧に対しては伝達するような
ローバスフィルタとなっている。

第２のパルス発生回路３００からの第２のパルス電圧の
パルス幅Ｔｘは、パルス用リアクトル２工のインダクタ
ンスＬｘとパルス用コンデンサ１７の容量Ｃｘで決まり
、 Ｔｘｍｚｔ　　Ｌｘ１１Ｃｘ一 となる。パルス幅Ｔｘの大きさは、第工のパルス発生回
路２００から出力される第１のパルス電圧のパルス幅よ
り大きくなっている。

銅蒸気レーザ装置において、下準位原子の基底準位への
緩和は、内管２の口径が大きい場合は下準位と低速電子
との超弾性衝突によって行われる．つまり、 Ｃｕ傘（ＳＬＯＩＦ）→Ｃ　ｕ　＋　ｅ　（Ｈｇｔ）こ
こで．Ｃｕ拳は下準位原子 Ｃｕは基底準位原子 ｅ　！Ｌｏｌｌ）は低速電子 ｅ　（ｆａｇｔ）は高速電子 となる。

第２のパルス発生回路３００から印加される電圧は、銅
原子を上準位に励起しない低い電圧であるが、電子の加
速は行われるため電子と銅原子との衝突は激しくなる．
その結果、下準位原子と電子との超弾性衝突が活発にな
り，よって下準位の緩和が促進される． 上記の場合，放電管１００に対する投入電力（投入エネ
ルギ）は、第１のパルス発生回路２０１ 発生回路３００による投入エネルギＴＣ，Ｖ２”の和と
なる． そこで、第２のパルス発生回路３００からの第２のパル
ス電圧ｖ２と容量設定回路ｌ６からの容量Ｃユ，Ｃ２に
基づいて、 Ｅは放電管１００の投入エネルギの式から電力計算回路
１７で第１のパルス電圧Ｖエを算出し、この第１のパル
ス電圧Ｖｉを放電管１００に印加するように、第１のパ
ルス発生回路２００を電力計算回路１７の算出結果で制
御することにより、放電管１００に対する投入電力，つ
まり投入エネルギの均一化を図ることができ、放電管内
部の温度変化を抑制することができる。

第４図は電力計算回路１７の１例を示すブロック図であ
り、第２のパルス発生回路３００からの第２のパルス電
圧ｖ２を乗算器１１８で二乗し、この乗算器１１８の出
力ｖ２ｚと容量設定回路１６からの容量Ｃ２を乗算器１
１９で乗算する．そして，乗算器１１９の出力を減衰器
２１０で減衰し、インバータ２１を通した減衰器２１０
の減衰出１ 力ＴＣ２ｖ２″を電力設定回路２１２からの投入エネル
ギＥと加算器２１３で加算した後、増幅器２１４で増幅
する。

次いで、この増幅器２１４の出力と上記容量設定回路１
６から供給された容量Ｃ１とを割算器２１５で割算し，
この割算器２１５の出力を平方根回路２１６を通すこと
により、第１のパルス電圧Ｖエを算出するものである． 〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、放電管に一定の投入
電力を供給するように構或したので、放電管内部の温度
を均一に保持することができ、異常温度上昇などによる
放電管の破損を防止し所望の色のレーザを安定に出力す
ることができる．また、第１のパルス発生回路と別に第
２のパルス発生回路を設け、第１のパルス発生回路から
パルス電圧が印加された後、所定時間遅延して第２のパ
ルス発生回路から再びパルス電圧を印加するようにした
ので、下準位の原子が基底準位に緩和する時間が短縮さ
れ，その結果第１のパルス発生回路からの次のパルス印
加時に反転分布がより完全なものとなり、高繰り返しに
おいても効率の高い金属蒸気レーザ装置を得ることがで
きる効果がある・

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による金属蒸気レーザ装置
の構成図、第２図は第２のパルス発生回路の回路図、第
３図は放電管の印加電圧を示すタイムチャート図、第４
図は電力計算回路の構或図、第５図は従来の金属蒸気レ
ーザ装置の構或図である． １００は放電管，２００は第１のパルス発生回路、３０
０は第２のパルス発生回路４　１７は電力計算回路。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガス放電によって金属を加熱、気化させてレーザ出力を
   得る放電管と、前記放電管にガス放電を発生させるパル
   ス電圧を供給する第１のパルス発生回路と、前記第１の
   パルス発生回路とは別に設けられ前記第１のパルス電圧
   より所定時間遅延し該第１のパルス電圧より小さい第２
   のパルス電圧を前記放電管に供給する第２のパルス発生
   回路と、前記第２のパルス電圧に基づいて前記放電管の
   投入電力が一定となる前記第１のパルス電圧を算出し、
   この算出結果によって前記第１のパルス発生回路を制御
   する電力計算回路とを備えた金属蒸気レーザ装置。