JPH04139780A - パルスレーザ発振装置 - 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、パルスレーザ発振装置に係り、特に、その放
電部及び電源構成に改良を施したパルスレーザ発振装置
に関するものである。

（従来の技術） 放電励起方式のガスレーザ装置では、レーザガス中で空
間的に均一なグロー放電を発生させてレーザ発振を得て
いるが、横方向励起パルスＣ０２レーザやエキシマレー
ザを始めとするパルスレーザ発振装置では、レーザガス
圧力が大気圧以上であり、さらに、電子付着性の強いガ
ス成分を含んでいるため、上記グロー放電を均一に点弧
することは困難である。このため、グロー放電点弧に先
立って予備電離を行うと共に、高速のパルス電圧を放電
部に印加してグロー放電を形成°するのが一般的である
。

第５図は、従来のパルスレーザ発振装置の放電部構成及
び励起電源回路の一例を示す図である。

即ち、一対の主電極１．２が対向して配設され、主電極
１，２で囲まれた空間内にレーザガスが充填されている
。また、主電極２は接地されている。

一方、主電極１には予備電離電極３ａが接続され、両者
は電気的に同電位になっている。この予備電離型枠３ａ
と予備電離電極３ｂとは、ギャップ４を介してレーザガ
ス中に対向して配設されているまた、予備電離電極３ｂ
は主電極１を機械的に支持する導体から電気的に絶縁さ
れてレーザガス中から引き出され、コンデンサＣｓ５に
接続されている。さらに、充電用インダクタンス６の一
端は予備電離電極３ｂとコンデンサＣｓ５に共通接続さ
れ、他端は接地されている。また、コンデンサＣｓ５は
スイッチ７を介して接地されると共に、充電抵抗８を介
して高圧電源ＨＶ９に接続されている。さらに、主電極
１，２間にはコンデンサＣｂｌＯが接続されている。な
お、これらのコンデンサ及びインダクタンス類は、一つ
もしくは複数個が並列に接続されて構成されている。ま
た、紙面に垂直方向には光共振器（図示せず）が配設さ
れている。

この様に構成された従来のパルスレーザ発振装置は、以
下に述べるように動作する。即ち、初期状態においては
、スイッチ７は開いており、高圧電源ＨＶ９−充電抵抗
８−コンデンサＣｓ５−充電用インダクタンス６−接地
の経路で、コンデンサＣｓ５は充電されている。一方、
コンデンサＣｂｌｏは充電されていないので、主電極１
は接地電位となっている。次いで、スイッチ７が閉じら
れると、コンデンサＣｓ５のスイッチ７側の電位は接地
電位となるので、コンデンサＣｓ５の予備電離電極３ｂ
側の電位は、コンデンサＣｓ５に充電された極性と逆の
極性で予備電離電極３ｂに加わる。一方、予備電離電極
３ａは接地電位なので、ギャップ４には高電圧が加わり
、ギャップ４てスパーク放電が発生する。このスパーク
放電により発生する紫外線によって、主電極１．２間の
レーザガスが予備電離される。また、コンデンサＣｓ５
に蓄えられた電荷は、スイッチ７−コンデンサＣｓ５−
予備電離電極３ｂ−ギャップ４−子備電離電極３ａ−主
電極１−コンデンサＣｂｌＯの経路で流れ、コンデンサ
ＣｂｌＯが充電されていく。

この様にしてコンデンサＣｂｌＯの電圧が上昇して、主
電極１．　２間に加わる電圧かレーザガスの放電破壊電
圧以上に達すると、主電極１，２間にグロー放電１１が
形成され、レーザガスが励起され、図示していない光共
振器の作用てレーザ光が紙面垂直方向に出射される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記の様な従来のパルスレーザ発振装置にお
いては、コンデンサＣｓ５の充電電圧を数１０ｋＶ以上
とし、また、コンデンサＣｂｌＯを充電する速度を高め
て、ギャップ４で形成される予備電離放電の発生時間と
グロー放電１１が形成される時間間隔を短くすることが
必要である。

このため、スイッチ７を流れる電流の最大値及び時間変
化率は非常に大きく、使用可能なスイッチの種類が限定
されるだけでなく、スイッチ７の寿命も短くなるといっ
た欠点があった。また、スイッチ７の特性で決まる許容
電流最大値及び許容電流変化率以上には充電電圧をあげ
ることができなかった。

この様に、利用できるスイッチの動作範囲及び種類が限
定されるため、繰り返し運転や、長寿命運転といった産
業応用上必要な運転動作を実現するのは困難であった。

また、グロー放電１１の放電開始電圧は、コンデンサＣ
ｂｌＯの充電速度及び電圧で決まり、外部制御かできな
いため、エキシマレーザの場合は、特に放電インピーダ
ンスが低く、コンデンサＣｂｌＯに蓄えたエネルギーし
か利用することができず、コンデンサＣｓ５に蓄えた全
エネルギーをグロー放電に注入することができないため
、発振効率が低いといった欠点があった。

本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解消するために
提案されたもので、その目的は、スイッチの動作責務を
大幅に低減し、レーザの動作領域が広く、発振効率の高
いパルスレーザ発振装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、レーザガスを気密充填した容器内に一対の主
電極を対向配置し、前記主電極間にコンデンサを接続し
て成るパルスレーザ発振装置において、前記コンデンサ
を、第１のコンデンサ吉第２のコンデンサに２分割して
構成し、両者を直列に接続してその接続点を接地し、一
方のコンデンサを直流充電する電源回路に接続し、また
、他方のコンデンサをパルス充電する電源回路に接続し
、さらに、グロー放電開始時刻を外部より制御する制御
装置を設けたことを特徴とするものである。

（作用） 本発明のパルスレーザ発振装置によれば、グロー放電に
供給する全電気エネルギーの所定の部分を、直流充電し
たコンデンサから供給し、残りのエネルギーを高速パル
スで充電したコンデンサから供給することができるので
、スイッチの動作責務を大幅に軽減することができる。

また、グロー放電の開始時刻を外部より制御することが
できるので、発振効率が向上される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図乃至第４図に基づいて具
体的に説明する。なお、第５図に示した従来型と同一の
部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

■第１実施例 本実施例においては、第１図に示した様に、対の主電極
１，２は、レーザーガスが充填された気密容器内に対向
して配設され、これら主電極１゜２間には図示していな
い送風機の作用でレーサーガスが循環して流れている。

また、主電極２は充電抵抗８を介して直流電源ＨＶＡ１
２に接続されている。さらに、主電極１，２間には、第
１のコンデンサＣｐ１３と第２のコンデンサＣｄ１４が
直列に接続され、両コンデンサの接続点は接地されてい
る。また、主電極１はスイッチ７を介してコンデンサＣ
ｓ５に接続され、このコンデンサＣ５５は充電抵抗８を
介して高圧電源ＨＶ９に接続されている。一方、予備電
離電極３ａ、３ｂは、前記主電極１と電気的に絶縁され
て、主電極１の近傍に配設されている。また、予備電離
電極３ａと予備電離電極３ｂ間には一定のギャップ４が
設けられており、予備電離電極３ａはスイッチ１５を介
してコンデンサＣｔ　１６の一端に接続され、一方、予
備電離電極３ｂは分流コイル１７を介してコンデンサＣ
ｔ１６の他端に接続されている。

このコンデンサＣｔ１６は、充電抵抗８を介して直流の
高圧電源ＨＶＢ１８に接続されている。さらに、前記ス
イッチ７及びスイッチ１５は、図示しない制御装置に接
続され、その投入動作が制御されている。

なお、高圧電源ＨＶ９の電圧極性は、高圧電源ＨＶＡ１
２の電圧極性と常に逆極性であり、本実施例ではそれぞ
れ負及び正であるが、この極性は相互に反転しても良い
。また、以上のコンデンサ、抵抗及びインダクタンス類
は、一つもしくは複数個が並列接続されて構成されてい
る。さらに、紙面垂直方向には図示していない光共振器
が配設されている。

この様な構成を有する本実施例のパルスレーザ発振装置
は、以下に述べる様に作用する。即ち、初期状態ではス
イッチ７は開いており、高圧電源ＨＶ９−充電抵抗８−
コンデンサＣｓ５−接地の経路で、コンデンサＣｓ５は
負極性に充電されている。一方、第２のコンデンサＣｄ
１４は、高圧電源ＨＶＡ１２−充電抵抗８−第２のコン
デンサＣｄ　１４−接地の経路で、正極性に直流充電さ
れている。また、第１のコンデンサＣｐｌ−３は初期状
態では充電されていないので、主電極１は接地電位とな
っている。また、スイッチ１５は開いており、高圧電源
ＨＶＢ１８−充電抵抗８−コンデンサＣｔ１６の経路で
、コンデンサＣｔ　１６は充電されている。

次いで、図示していない制御装置からの信号でスイッチ
７が閉じられると、コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷
は、コンデンサＣｓ５から第１のコンデンサＣｐ１３に
高速で移行し、第１のコンデンサＣｐ１３がパルス充電
される。そして、定の時間が経過し、コンデンサＣｓ５
の電荷が第１のコンデンサＣｐ１３に移行した時点で、
制御装置からの信号でスイッチ１５が閉じられると、コ
ンデンサＣｔ１６の電圧が分流コイル１７を介して予備
電離電極３ａ、３ｂに加わり、ギャップ４に高電圧が加
わって、ギャップ４でスパーク放電が発生する。複数個
あるギャップ４には、分流コイル１７の作用で電流が分
流するので、すべてのキャップ４においてスパーク放電
が発生する。

このスパーク放電により発生する紫外線で、主電極１．
２間のレーザガスが予備電離される。

第２図は、上記の回路電圧の変化を示したものである。

即ち、時刻ｔ。においてスイッチ７が閉じられると、第
１のコンデンサＣｐ１３の電圧Ｖｐは、１−ｃＯ５（２
πｔ／τｄ）の変化率で負極性側に上昇する。次いて、
時刻ｔ１てスイッチ１５が閉じられると、ギャップ４間
にスパーク放電が発生して予備電離光が発生し、紫外線
によりレーザガスが電離され、また、主電極１，２間の
電界により電子数が増加する。また、主電極１゜２間に
は、第１のコンデンサＣｐ１３の電圧Ｖｐと第２のコン
デンサＣｄ１４の電圧Ｖｄの合計値（Ｖｐ＋Ｖｄ）が加
わり、この合計値が時刻ｔ２において、主電極１．２間
の放電破壊電圧ｖｂに達すると、主電極１，２間にグロ
ー放電１１が形成され、レーザガスが励起されて、図示
していない光共振器の作用でレーザ光が紙面垂直方向に
出射される。

以下に、本実施例におけるスイッチ７のスイッチングエ
ネルギーの低減について説明する。なお、簡単のために
、コンデンサＣｓ５と第１のコンデンサＣｐ１３の容量
は等しく、コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷がすべて
第１のコンデンサＣｐ１３に移行した場合について説明
する。また、従来例との比較が容易なように、従来用い
られているコンデンサＣｂｌＯの容量値と、本実施例に
おける第１のコンデンサＣｐ１３と第２のコンデンサＣ
ｄ１４の直列容量値が等しく、また、主電極１．２間の
放電破壊電圧ｖｂが、第１のコンデンサＣｐ１３の電圧
Ｖｐと第２のコンデンサＣｄ１４の電圧Ｖｄの合計値と
等しい（Ｖｂ＝Ｖｐ＋Ｖｄ）と仮定する。

即ち、従来型のスイッチングエネルギーはＥｂ＝１／２
φＣｂＶｂ２ て与えられ、本実施例のスイッチングエネルギーは、ス
イッチ７で分担するのが Ｅ　ｐ　＝　１　／　２・ＣｐＶｐ２ となり、ＥｐとＥｂの関係は次式で表わされる。

Ｃｐ／Ｃｄ Ｅｐ−・Ｅｂ　　　・・・（１） ｌ＋Ｃｐ／Ｃｄ ここで、第１のコンデンサＣｐ１３と第２のコンデンサ
Ｃｄ１４の容量値が等しい場合には、Ｅｐ＝１／２・Ｅ
ｂとなり、スイッチ７で扱うスイッチングエネルギーは
従来の５０％に低下する。また、この時の電圧値Ｖｐは
従来型の電圧値ｖｂの１／２となり、動作電圧も１／２
となる。この様にスイッチ７の動作責務は大幅に軽減さ
れる。

さらに、予備電離光の発生時間を外部の制御装置で制御
することができるため、グロー放電１１の放電開始時刻
を最適にすることができる。本実施例においては、コン
デンサＣｓ５に蓄えた電荷がすべて第１のコンデンサＣ
ｐ１３に移行した時点てグロー放電１１が発生するよう
にできるため、エネルギー移行効率が高い。また、予備
電離光が発生する時点で、主電極１，２間には常に電界
が印加されているので、予備電離電子の増加が進みやす
く、グロー放電１１が均一に発生し、また、クロー放電
の放電開始電圧ｖｂを低下させることができる。

この様に、本実施例によれば、スイッチの動作責務を大
幅に低減できるだけでなく、エネルギー移行効率を高め
、さらに、安定したグロー放電を発生することができ、
レーザの発振効率を高めることができる。

■第２実施例 本実施例においては、第３図に示した様に、対向配置さ
れる一対の主電極の内、一方の主電極１９が断面Ｕ字形
の板状に構成され、その背面側には、主電極間に短波長
光を照射する装置、例えばＸ線源２１が配設されている
。さらに、前記主電極１９，２間には、第１の第１のコ
ンデンサＣｐ１３と第２の第２のコンデンサＣｄ１４が
直列に接続され、両コンデンサの接続点は接地されてい
る。また、主電極２は充電抵抗８を介して直流電源ＨＶ
Ａ１２に接続され、さらに、主電極２には抵抗２０が接
地電位間に接続されている。さらに、主電極１９は、ス
イッチ７を介してコンデンサＣ８５に接続され、このコ
ンデンサＣｓ５は充電抵抗８を介して高圧電源ＨＶ９に
接続されている。

また、前記スイッチ７及びＸ線源２１は、図示しない制
御装置に接続され、その投入動作が制御されている。な
お、以上のコンデンサ、抵抗及びインダクタンス類は、
一つまたは複数個が並列に接続されて構成されている。

この様な構成を有する本実施例のパルスレーザ発振装置
は、以下に述べる様に作用する。なお、主電極１９．２
間に加わる電圧の変化は、第２図に示したと同様になる
。即ち、初期状態ではスイッチ７は開いており、高圧電
源ＨＶ９−充電抵抗８−コンデンサＣｓ５−接地の経路
で、コンデンサＣｓ５は負極性に充電されている。一方
、第２のコンデンサＣｄ１４は、高圧電源ＨＶＡ　１２
充電抵抗８−第２のコンデンサＣｄ１４−接地の経路で
正極性に直流充電されている。また、第１のコンデンサ
Ｃｐ１３は初期状態では充電されていないので、主電極
１９は接地電位となっている。

次いで、図示していない制御装置からの信号でスイッチ
７が閉じられると、コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷
は、コンデンサＣｓ５から第１のコンデンサＣｐ１３に
高速で移行し、第１のコンデンサＣｐ１３がパルス充電
される。そして、定の時間が経過し、コンデンサＣｓ５
の電荷が第１のコンデンサＣｐ１３に移行した時点で、
図示していない制御装置からの信号でＸ線源２１が動作
すると、パルス状のＸ線２２が主電極１９を透過して主
電極１９．２間のレーザガスに照射され、主電極１９，
２間のレーザガスが予備電離されて、主電極間の電子密
度が増加していく。第２図に示した様に、時刻ｔ。にお
いてスイッチ７が閉じられると、第１のコンデンサＣｐ
１３の電圧Ｖｐは、１−ｃｏｓ（２πｔ／τｄ）の変化
率で負極性側に上昇する。次いで、時刻ｔ１でＸ線源２
１が動作すると、Ｘ線２２によりレーザガスが電離され
、また、主電極１９．２間の電界により電子数が増加す
る。また、主電極１９，２間には、第１のコンデンサＣ
ｐ１３の電圧Ｖｐと第２のコンデンサＣｄ１４（７）電
圧Ｖｄの合計値（ｖｐ十Ｖｄ）が加わり、この合計値が
時刻ｔ２において、主電極１９．２間の放電破壊電圧ｖ
ｂに達すると、主電極１９．２間にグロー放電１１が形
成され、レーザガスが励起されて、図示していない光共
振器の作用でレーザ光が紙面垂直方向に出射される。

この場合のスイッチングエネルギーは、前述した第１実
施例と同様に、従来のスイッチングエネルギーの５０％
に低下する。また、この時の電圧値Ｖｐは従来型の電圧
値ｖｂの１／２となり、動作電圧も１／２となるので、
スイッチ７の動作責務は大幅に軽減される。さらに、予
備電離光の発生時間を外部の制御装置で制御することが
できるため、グロー放電１１の放電開始時刻を最適にす
ることができ、エネルギー移行効率が高い。また、予備
電離光が発生する時点で、主電極１９，２間には常に電
界が印加されているので、予備電離電子の増加が進みや
すく、グロー放電１１が均一に発生し、また、グロー放
電の放電開始電圧ｖｂを低下させることができる。

■第３実施例 本実施例は上記の第２実施例の変形例である。

即ち、主電極２は充電抵抗８及び整流器２３を介して高
圧電源ＨＶ９に接続されている。また、コンデンサＣｓ
５はその一端が充電抵抗８を介して高圧電源ＨＶ９に接
続され、他端が主電極１９に接続されると共に、インダ
クタンス２４を介して接地されている。さらに、スイッ
チ７はコンデンサＣｓ５と充電抵抗８の接続点から接地
電位間に接続されている。他の構成は第２実施例と同様
である。

この様な構成を有する本実施例のパルスレーザ発振装置
は、以下に述べる様に作用する。なお、主電極１９，２
間に加わる電圧の変化は、第２図に示したと同様になる
。即ち、第２のコンデンサＣｄ１４は、高圧電源ＨＶ９
−整流器２３−充電抵抗８−第２のコンデンサＣｄ１４
−接地の経路で正極性に直流充電されている。また、コ
ンデンサＣｓ５はインダクタンスを通して正極性に充電
されているが、スイッチ７が閉じられると、コンデンサ
Ｃｓ５の一端が接地電位となるので、主電極１９には負
極性のパルス電圧が加わることになる。なお、第１のコ
ンデンサＣｐ１３は初期状態では充電されていないので
、主電極１９は接地電位となっている。

次いで、図示していない制御装置からの信号でスイッチ
７が閉じられると、コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷
は、コンデンサＣｓ５から第１のコンデンサＣｐ１３に
高速で移行し、第１のコンデンサＣｐ１３が負極性にパ
ルス充電される。そして、一定の時間が経過し、コンデ
ンサＣｓ５の電荷が第１のコンデンサＣｐ１３に移行し
た時点で、図示していない制御装置からの信号でＸ線源
２１が動作すると、パルス状のＸ線２２が主電極１９を
透過して主電極１９，２間のレーザガスに照射され、主
電極１９，２間のレーザガスが予備電離されて、主電極
間の電子密度が増加していく。

また、主電極１９，２間には、第１のコンデンサＣｐ１
３の電圧Ｖｐと第２のコンデンサＣｄ１４の電圧Ｖｄの
合計値（Ｖｐ＋Ｖｄ）が加わり、この合計値が主電極１
９．２間の放電破壊電圧ｖｂに達すると、主電極１９．
２間にクロー放電１１が形成され、レーザガスが励起さ
れて、図示していない光共振器の作用でレーザ光が紙面
垂直方向に出射される。

この場合のスイッチングエネルギーは、前述した第１実
施例及び第２実施例と同様に、従来のスイッチングエネ
ルギーの５０％に低下する。また、この時の電圧値Ｖｐ
は従来型の電圧値ｖｂの１／２となり、動作電圧も１／
２となるので、スイッチ７の動作責務は大幅に軽減され
る。さらに、予備電離光の発生時間を外部の制御装置で
制御することができるため、グロー放電１１の放電開始
時刻を最適にすることができ、エネルギー移行効率が高
い。また、予備電離光が発生する時点で、主電極１９．
２間には常に電界が印加されているので、予備電離電子
の増加が進みやすく、グロー放電１１が均一に発生し、
また、クロー放電の放電開始電圧ｖｂを低下させること
ができる。さらに、本実施例においては、高圧電源ＨＶ
９を共有することができるので、コストの削減も可能と
なる。

［発明の効果コ 以上述べた様に、本発明によれは、主電極間に配設され
るコンデンサを第１のコンデンサと第２のコンデンサに
２分割して構成し、両者を直列に接続してその接続点を
接地し、一方のコンデンサを直流充電する電源回路に接
続し、また、他方のコンデンサをパルス充電する電源回
路に接続し、さらに、グロー放電開始時刻を外部より制
御する制御装置を設けることによって、スイッチの動作
責務を大幅に低減し、レーザの動作領域が広く、発振効
率の高いパルスレーザ発振装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパルスレーザ発振装置の第１実施例を
示す構成図、第２図は本発明のパルスレーザ発振装置の
動作説明図、第３図は本発明の第２実施例を示す構成図
、第４図は本発明の第３実施例を示す構成図、第５図は
従来のパルスレーザ発振装置の一例を示す構成図である
。 １．２・・・主電極、３ａ、３ｂ・・・予備電離電極、
４・・・ギャップ、５・・・コンデンサＣｓ、６・・・
充電用インダクタンス、７・・・スイ・ソチ、８・・・
充電抵抗、９・・・高圧電源ＨＶ、１０・・・コンデン
サＣｂ、１１・・・グロー放電、１２・・・高圧電源Ｈ
ＶＡ、１３・・・第１のコンデンサＣｐ、１４・・・第
２のコンデンサＣｄ１１５・・・スイッチ、１６・・・
コンデンサＣｔ、１７・・・分流コイル、１８・・・高
圧電源ＨＶＢ、１９・・・主電極、２０・・・抵抗、２
１・・・Ｘ線源、２２・・・Ｘ線、２３・・・整流器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザガスを気密充填した容器内に一対の主電極を対向
   配置し、前記主電極間にコンデンサを接続して成るパル
   スレーザ発振装置において、前記コンデンサを、第１の
   コンデンサと第２のコンデンサに２分割して構成し、両
   者を直列に接続して、その接続点を接地し、一方のコン
   デンサを直流充電する電源回路に接続し、また、他方の
   コンデンサをパルス充電する電源回路に接続し、さらに
   、グロー放電開始時刻を外部より制御する制御装置を設
   けたことを特徴とするパルスレーザ発振装置。