JPH03270284A - ガスレーザ発振装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はＴ　Ｅ　Ａ　ＣＯ２レーザやエキシマレーザ等
の高効率を有するガスレーザ発振装置に係わり、特にレ
ーザ発振の繰返し周波数を向上させたガスレーザ発振装
置に関する。

（従来の技術） ＴＥＡＣＯ□導波形レーザやエキシマレーザ等のガスレ
ーザ発振装置は、他のＨｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザ
装置に比較して容易に大出力が得られるので、レーザ加
工等の各種用途に使用されている。

第５図はエキシマを利用したガスレーザ発振装置を示す
断面模式図である。このガスレーザ発振装置は、励起状
態の原子（分子）と基底状態の原子（分子）がつくる励
起状態の分子であるエキシマをレーザ媒質とするもので
あり、図示するように、放電管１内に所定圧力の前述し
たガスレーザ媒質が封入されている。この放電管１内の
長手方向に沿って互いに対向する一対の導体２．３が配
設されている。そして、この一対の導体２．３の互いの
対向面にはそれぞれ電極４．５が取付られている。前記
導体２．３間の長手方向にはそれぞれ複数の予備電離電
極７が対向して設けられており、各予備電離電極７と導
体２間にはそれぞれピーキングコンデンサ８が介挿され
ている。

また、放電管１内には、封入されているガスレーザ媒質
をダクト１０を介して前記電極４．５間に強制循環させ
るためのファン９が配設されている。また、このファン
９の風上にはガスレーザ媒質を冷却するための熱交換器
１１が配設されている。したがって、放電管１内に封入
されたガスレーザ媒質はファン９．ダクト１°○、電極
４，５間、熱交換器１１を矢印入方向に循環する。そし
て、ガスレーザ媒質は電極４，５間で放電により加熱さ
れて、熱交換器１１で冷却される。

電極４，５間には直流電源１２から直流高電圧が印加さ
れている。さらに、放電管１の長手方向の両端には高反
射ミラーからなる一対の共振器が互いに対向するように
取付けられている。

このような構成のガスレーザ発振装置において、直流電
源１２を起動すると、まず、予備電離電極７相互間で予
備電離放電か生起される。そして、この予備電離放電に
よって、電極４，５間隔に主放電が生起される。しかし
て、この電極４，５間の主放電によって、レーザ光が発
生し、前記共振器間で増幅されたのち、所定光強度に達
した時点で放電管１外へ出力される。

このようなエキシマを利用したガスレーザ発振装置は原
理的に連続したレーザ光が得られないので、連続したレ
ーザ光か必要な場合には、前述したレーザ光発生の手順
を繰返し実行する必要がある。実際には、直流電源１２
内のサイラトロンのオン／オフの繰返し周波数を上昇す
るようにしている。

しかしながら、サイラトロンによるオン／オフの繰返し
周波数を上昇する手法ににおいては、レーザ光の繰返し
周波数を３ｋＨｚ以上に増加することは困難であった。

したかつて、高出力でかつ連続するレーザ光を得ること
が困難であった。

また、サイラトロンスイッチングにおける過度の繰返し
は、サイラトロンの寿命が短くなったり、サイラトロン
としての性能が低下するので、実際には数ｋＨｚ以上の
繰返しには適さないと考えられる。

また、高度の繰返し動作を行うには、電極４゜５間に冷
却されたガスレーザ媒質を高速で循環させる必要がある
ので、ファン９と熱交換器１１の処理能力を増大する必
要がある。また、直流電源１２の容量も増大する必要が
ある。その結果、装置全体が大型化するとともに製造費
が大幅に上昇する問題がある。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のガスレーザ発振装置においては、サ
イラトロンスイッチング手法を用いてレーザ光の繰返し
周波数を上昇させていたので、得られる最大繰返し周波
数は高々数ｋＨｚである。

したがって、高出力でかつ連続するレーザ光を得ること
が困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
直流電圧が印加される一対の電極のうちいずれか一方の
電極を配列された針状電極に形成することによって、一
対の電極間で自励直流放電を生起でき、スイッチング素
子を用いずに、容易に高繰返し周波数を得られ、もって
、高出力でかつ連続するレーザ光が得られるガスレーザ
発振装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解消するために本発明は、ガスレーザ媒質を
所定圧力で封入した放電管と、この放電管内に設けられ
、ガスレーザ媒質を励起するための放電を発生する一対
の電極と、この一対の電極間に直流電圧を印加する直流
電源と、ガスレーザ媒質を一対の電極間に循環させるフ
ァンとを備えたガスレーザ発振装置において、 一対の電極のうち少なくともいずれか一方の電極を一次
元的または二次元的に配列された複数の針状電極で構成
し、一対の電極間に存在する容量成分と一対の電極と直
流電源との間に存在する抵抗成分と直流電源の電源電圧
等で定まる周波数で一対の電極間に自助直流放電を生起
させるようにしたものである。

（作　用） このように構成されたガスレーザ発振装置であれば、一
方の電極が一次元的または二次元、的に配列された複数
の針状電極で構成されているので、電極相互間に直流放
電が生じやすい状態になる。

すなわち、電極間の容量成分に限界以上の電荷が蓄積さ
れると、電極間に放電が発生し電荷が放出される。電荷
が放出、されると放電は停止する。放電が停止すると、
再度電荷の蓄積を開始する。なお、限界以上の電荷が蓄
積されるまでの時間は容量成分、抵抗成分、電源電圧等
で定まるので、これらの値を制御すれば、高い繰返し周
波数を有した自動直流放電が得られる。

なお、この針状電極を用いて直流放電を生起させたとき
に、エキシマが１威されることは、既に実証されている
（１９８７年秋季応用物理学会予稿集：１９ａ−ＺＡ−
１）。この方式においては、直流電源の電源電圧を高く
することによって、容易に繰返し周波数を高くすること
が可能である（１９８８年春季応用物理学会予稿集：　
２９ｐ−ＺＮ−９）。

よって、高出力でかつ連続するレーザ光が得られる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第２図は実施例のガスレーザ発振装置の概略構成を示す
断面模式図である。所定圧力のガスレーザ媒質が封入さ
れた放電管２１内の長手方向に沿って互いに対向する一
対の支持板２２ａ、２２ｂが配設されている。そして、
この一対の支持板２２ａ、２２ｂの互いの対向面にはそ
れぞれ陽極となる複数の針状電極２３と、陰極となる１
個のエツジ電極２４とが取付られている。

また、放電管２１内１こは、封入されているガスレーザ
媒質をダク”）２５ａ、２５ｂを介して前記各針状電極
２３とエツジ電極２４との間に強制循、環させるための
ファン２６が配設されている。また、こ□のファン２６
の風上にはガスレーザ媒質を冷却するための熱交換器２
７が配設されている。

したがって、放電管２１内に封入されたガスレーザ媒質
はファン２６．ダクト２５ａ、・電極２３゜２４間、ダ
クト２５ｂ、熱交換器２７を矢印Ｂ方向に循環する。そ
して、ガスレーザ媒質は電極２３．２４間で放電により
加熱されて、熱交換器２７で、冷却される。

電極２３．２４間には直流電源２８から直流高電圧が印
加されている。さらに、放電管１の長手方向の両端には
、第１図に示すように、高反射ミラーからなる一対の共
振器２９ａ、２９ｂが互いに対向するように取付けられ
ている。

前記陽極となる複数の針状電極２３は、第１図に示すよ
うに、対抗するエツジ電極２４に沿って線状（−次元的
）に１００本以上配設されている。

そして、各針状電極２３の各上端部は金属抵抗板３０に
接続されている。さらに、各針状電極２３の中間位置か
ら上部がセラミックス材料３１に穿設された貫通孔に嵌
入固定されることによって、各針状電極２３は位置決め
されている。また、金属抵抗板３０の上面には導体板３
２が取付けられており、この導体板２３が前記直流電源
２８の（＋）副出力端子に接続されている。なお、エツ
ジ電極２４は直接前記直流電源２８の（−）副出力端子
に接続されている。

したがって、各針状電極２３と直流電源２８との間には
金属抵抗板３０が介挿され、各針状電極２３と接地間、
すなわち各針状電極２３とエツジ電極２４との間にはセ
ラミックス材料３１が介挿されている事になる。

笥３図はこのガスレーザ発振装置の等価回路図である。

前述したように、各針状電極２３と直流電源２８との間
には金属抵抗板３０からなる抵抗値Ｒを有した抵抗成分
３０ａが介挿され、各針状電極２３とエツジ電極２４と
の間にはセラミックス材料３１からなる容量値Ｃを有し
た容量成分３１ａが介挿されている。

なお、前記セラミックス材料３１は容量値Ｃを提供する
と共に、各針状電極２３相互間および各針状電極２３と
その他の部材との間の絶縁耐圧を向上させる機能を有す
る。

次に、このように構成されたガスレーザ発振装置の動作
を説明する。

先ず、ファン２６および熱交換器２７を起動して、放電
管２１内に封入されたガスレーザ媒質を矢印Ｂ方向に循
環させる。次に直流電源２８を起動して、直流の電源電
圧Ｅを抵抗成分３０ａを介して各針状電極２３とエツジ
電極２４との間に印加する。すると、容量成分３１ａが
充電開始する。

そして、容量成分３１ｇが充電され、両端電圧が限界電
圧以上に上昇すると、各針状電極２３とエツジ電極２４
間に直流放電が発生し電荷が放出される。電荷が放出さ
れると直流放電は停止する。

直流放電が停止すると、容量成分３１ａは再度充電開始
する。なお、両端電圧が限界電圧以上に充電されるまで
に要する時間Ｔは、容量成分３１ａの容量値Ｃ１抵抗戊
分３０ａの抵抗値Ｒ１直流電源２８の電源電圧Ｅ等で定
まる。したがって、これらの値Ｃ，Ｒ，Ｅを制御するこ
とによって、各針状電極２３とエツジ電極２４との間に
繰返し生起される直流放電の繰返し周波数Ｆを可変制御
できる。よって、電源電圧Ｅを上昇すれば繰返し周波数
Ｆを簡単に上昇できる。

各針状電極２３とエツジ電極２４間に直流放電が生起さ
れると、この直流放電によってレーザ光３３が発生する
。この発生したレーザ光は放電管２１の両端に取付けら
れた共振器２９ａ、２９ｂの間で増幅されたのち、所定
光強度に達した時点で放電管２１外へ出力される。

なお、直流電源２８の電源電圧Ｅが低い期間、すなわち
繰返し周波数Ｆが小さい領域においては、各針状電極２
３とエツジ電極２４間に生じる各直流放電の発生タイミ
ングがばらつき、出力されるレーザ光３３も不安定にな
るが、電源電圧Ｅを上昇させて、直流放電の間隔Ｔを短
くすると、一つの針状電極２３とエツジ電極２４間に生
起された放電にて放出される紫外光が他の針状電極２３
とエツジ電極２４間における放電を誘発する。したがっ
て、各針状電極２３とエツジ電極２４間に生じる各直流
放電の発生タイミングが自然に同期される。

このようなガスレーザ発振装置であれば、一方の電極を
複数の針状電極２３で形成し、抵抗成分３１ｇ、容量成
分３１ａとを用いて、電極２３゜２４間で自助直流放電
を発生させている。したがって、この自励直流放電の繰
返し周波数Ｆを電源電圧Ｅを上昇するのみで容易に上昇
させることが可能である。実施例装置においては、繰返
し周波数Ｆを１０ｋＨｚ程度まで上昇させることかでき
た。

また、第５図に示した従来装置のように、サイラトロン
スイッチング手法を採用していないので、サイラトロン
スイッチング手法による繰返し周波数の限界やサイラト
ロンを採用したレーザ発振装置全体の寿命低下等の問題
が生じることはない。

よって、従来装置に比較して、レーザ発振装置全体の寿
命を延ばすことが可能となる。

さらに、自励直流放電を生起させているので、第５図の
従来装置のように、予備型Ｍ電極７を用いて予備電離を
行う必要がない。また、放電面積が狭いので、高速にガ
スレーザ媒質を循環させる必要がないので、ファン２６
の容量を小さくできる。したがって、従来装置に比較し
て、ガスレーザ発振装置全体の構成を大幅に簡素化でき
るので、小型、低コストで、高い繰返し周波数を有する
レーザ光３３を出力できる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例装置においては、陽極側を針状電極に形成し
たが、陰極側を針状電極に形成してもよい。また、両方
の電極を針状電極に形成してもよい。

さらに、Ｍ４図に示すように、陽極を二次元的に配設さ
れた多数の針状電極４１で形成し、陰極を１枚の板状電
極４２で形成してもよい。このように構成することによ
って、出力されるレーザ光３３のビーム幅を拡大できる
。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明のガスレーザ発振装置によれ
ば、直流電圧が印加される一対の電極のうちいずれか一
方の電極を一次元的または二次元的に配列された針状電
極で構成している。よって、一対の電極間で簡単に自助
直流放電を生起でき、スイッチング素子を用いずに、例
えば電源電圧を上昇することによって容易に直流放電に
おける高い繰返し周波数が得られる。その結果、低い製
造費でもって、高出力でかつ連続するし一ザ光が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の一実施例に係わるガスレー
ザ発振装置を示すものであり、第１ＷＪは要部を取出し
て示す断面模式図、第２図は装置全体の断面図、第３図
は等優回路図であり、１４図は本発明の他の実施例に係
わるガスレーザ発振装置の要部を取出して示す斜視図、
第５図は従来のガスレーザ発振装置を示す断面模式図で
ある。 ２１　・・・放電管、２２ａ、２２ｂ−・・支持板、２
３゜４１・・・針状電極、２４・・・エツジ電極、２５
ａ。 ２５ｂ・・・ダクト、２６・・・ファン、２７・・・熱
交換器、２８・・・直流電源、２９ａ、２９ｂ・・・共
振器、３０・・・金属抵抗板、３０ａ・−・抵抗成分、
３１・・・セラミックス材料、３１ａ・・・容量成分、
３２・・・導体板、３３・・・レーザ光、４２・・・板
上状電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ガスレーザ媒質を所定圧力で封入した放電管と、この
   放電管内に設けられ、前記ガスレーザ媒質を励起するた
   めの放電を発生する一対の電極と、この一対の電極間に
   直流電圧を印加する直流電源と、前記ガスレーザ媒質を
   前記一対の電極間に循環させるファンとを備えたガスレ
   ーザ発振装置において、前記一対の電極のうち少なくと
   もいずれか一方の電極を一次元的または二次元的に配列
   された複数の針状電極で構成し、前記一対の電極間に存
   在する容量成分と前記一対の電極と前記直流電源との間
   に存在する抵抗成分と前記直流電源の電源電圧等で定ま
   る周波数で前記一対の電極間に自励直流放電を発生させ
   ることを特徴とするガスレーザ発振装置。