JPH04139781A - 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】 し発明の目的］ （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
間的に均一なり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、ギヤ１．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Ｃｂｌ
ｏ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−充電用インタフタンス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。次いて、スイッチ７か閉じら
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
放電にヨリ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間に加わる電圧がレーザカスの放電破壊電圧
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て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、外部制御ができな
いため、エキシマレーザの場合は、特に放電インピーダ
ンスか低く、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
エネルギーをクロー放電に注入することができないため
、発振効率か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低速パルス充電する電源回路に接続
し、また、他方のコンデンサを高速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、低速パルス
で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ザーガスが循環して流れている
。また、主電極１，２間には、第１のコンデンサＣｐ１
３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
、第１のスイッチ７を介して第３のコンデンサＣｓ５に
接続され、この第３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。一方、主電極
２は、直列に接続された第２のスイッチ１７及びインダ
クタンス１６を介して、第４のコンデンサＣａ１５に接
続され、この第４のコンデンサＣａ１５は充電抵抗８を
介して高圧電源ＨＶＡ１２に接続されている。そして、
第４のコンデンサＣａ１５−インダクタンス１６−第２
のスイッチ１７−第２のコンデンサＣｄＪ４の経路の回
路のしくインダクタンス）−Ｃ（コンデンサ）−Ｒ（抵
抗）で決まる電流周期τｄは、第３のコンデンサＣ８５
−第１のスイッチ７−第１のコンデンサＣｐ１３の経路
の回路のしくインダクタンス）−〇（コンデンサ）　−
Ｒ（抵抗）で決まる電流周期τｐに比較して、十分長く
設定されている。

また、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は第３
のスイッチ１８を介して第５のコンデンサＣｔ１９の一
端に接続され、一方、予備電離電極３ｂは分流コイルＬ
ｂを介して第５のコンデンサＣｔ　１９の他端に接続さ
れている。この第５のコンデンサＣｔ１９は、充電、抵
抗８を介して直流の高圧電源ＨＶＢ２０に接続されてい
る。さらに、前記第１〜第３のスイッチ７゜１７．１８
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、初期状態では第
１のスイッチ７は開いており、高圧電源ＨＶ９−充電抵
抗８−第３のコンデンサＣ５５−接地の経路で、第３の
コンデンサＣｓ５は負極性に充電されている。また、同
様に第２のスイッチ１７は開いており、高圧電源ＨＶＡ
　１２充電抵抗８−第４のコンデンサＣａ１５−接地の
経路で、第４のコンデンサＣａ１５は正極性に充電され
ている。一方、第１のコンデンサＣｐ１３及び第２のコ
ンデンサＣｄ１４は初期状態では充電されていないので
、主電極１，２は接地電位となっている。また、第３の
スイッチ１８は開いており、高圧電源ＨＶＢ２０−充電
抵抗８−第５のコンデンサＣｔ　１９の経路で、第５の
コンデンサＣｔ１９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第２のス
イッチ１７が閉じられると、第４のコンデンサＣａ１５
に蓄えられた電荷は、第４のコンデンサＣａ１５からイ
ンダクタンス１６を介して第２のコンデンサＣｄ１４に
低速で移行し、第２のコンデンサＣｄ１４がパルス充電
される。そして、一定時間経過後、図示していない制御
装置からの信号で第１のスイッチ７が閉じられると、第
３のコンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷は、第３のコン
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かパルス充電される。

さらに、一定時間経過後、第３のコンデンサＣｓ５の電
荷か第１のコンデンサＣｐ１３に移行し終わる直前の時
点で、図示しない制御装置からの信号で第３のスイッチ
１８が閉じられると、第５のコンデンサＣｔ　１９の電
圧か分流コイルＬｂ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
てスパーク放電か発生する。複数個あるギャップ４には
、分流コイルＬｂの作用で電流が分流するので、すべて
のギャップ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ｒ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Ｏて第２のスイッチ１７が閉じられると、上
述した様にして第２のコンデンサＣｄ１４か低速パルス
充電され、その電圧Ｖｄは、１−ｃｏｓ（２πｔ／τｄ
）の変化率で正極性側に上昇する。次に、時刻ｔ。にお
いて第１のスイッチ７が閉じられると、上述した様にし
て第１のコンデンサＣｐ１３が高速パルス充電され、そ
の電圧Ｖｐは、１−Ｃ０５（２πｔ／τｄ）の変化率で
負極性側に上昇する。さらに、時刻ｔ１で第３のスイッ
チ１８が閉じられると、キャップ４間にスパーク放電が
発生してＴ脩電離光が発生し、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ｖ
ｂ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
、第３のコンデンサＣｓ５と第１のコンデンサＣｐ１３
の容量は等しく、また、第４のコンデンサＣａ１５と第
２のコンデンサＣｄ１４の容量は等しく、且つ、第３の
コンデンサＣｓ５及び第４のコンデンサＣａ１５に蓄え
られた電荷が、すべてそれぞれ第１のコンデンサＣｐｌ
Ｂ及び第２のコンデンサＣｄ１４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Ｃｂ　］、　０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Ｃｄ　１．４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
・ＣｂＶｂ２ で与えられ、本実施例のスイッチングエネルギーは、第
１のスイッチ７て分担するのが Ｅｐ＝１／２・ＣｐＶｐ２ となり、第２のスイッチ１７で分担するのがＥｄ＝１／
２・ＣｄＶｄ２ となる。また、Ｅｐ、Ｅｄ及びＥｂの関係は次式％式％ Ｃｄ／Ｃｐ Ｅｄ＝　　　　　　　　　・Ｅｂ　　　・・・（２）ｌ
十Ｃｄ／Ｃｐ 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＝Ｅｄ＝ｌ／
２・Ｅｂとなり、第１のスイッチ７及び第２のスイッチ
１７で扱うスイッチングエネルキーは従来の５０％に低
下する。また、この時の電圧値Ｖｐは従来型の電圧値ｖ
ｂの１／２となり、動作電圧も１／２となる。この様に
第１のスイッチ７の動作責務は大幅に軽減される。また
、第２のスイッチ１７は、低速のパルス電流（周期τｄ
）の開閉を行えば良いため、その動作責務は軽く、サイ
リスタなどの半導体スイッチを使用することができる。

さらに、本実施例においては、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。即ち
、第３のコンデンサＣｓ５に蓄えた電荷がすべて第１の
コンデンサＣｐ１３に移行した時点でグロー放電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
、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。

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１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２７が配設されている。

また、主電極１，２には、抵抗２１が接地電位間に接続
されている。さらに、前記主電極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。

一方、第３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、第３のコンデンサＣｓ５、サ
イリスタ２２及びトランス２３の一次巻線２３ａとで閉
回路が構成されている。

また、前記トランス２３の二次巻線は、その中央部が接
地されて２系統に分割されて構成され、それぞれの端部
には逆極性の電圧が発生するようになっている。そして
、トランス２３の一方の二次巻線２３ｂは、直接主電極
２に接続されている。

また、他方の二次巻線２３ｃには、それと並列にコンデ
ンサＣｍ２４が接続され、さらに、可飽和リアクトル２
５を介して充電用インダクタンス２６を通って接地され
ている。また、前記可飽和リアクトル２５は第１のコン
デンサＣｐ１３に接続されている。

なお、トランス２３の一次巻線２３ａの巻き数は、二次
巻線の巻き数に比べて小さくなっている。

また、前記サイリスタ２２及びＸ線源２７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
。さらに、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、以下に述べる禄に作用する。なお、第４図は、上記
の回路電圧の変化を示したものである。即ち、初期状態
ではサイリスタ２２は開いており、高圧電源ＨＶ９−充
電抵抗８−第３のコンデンサＣｓ５−接地の経路で、第
３のコンデンサＣｓ５は充電されている。一方、第１の
コンデンサＣｐ１３及び第２のコンデンサＣ’ｄ１４は
初期状態では充電されていないので、主電極１．２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サイリス
タ２２が導通すると、第３のコンデンサＣｓ５に蓄えら
れた電荷は、第３のコンデンサＣ５５−サイリスタ２２
−トランス２３の一次巻線２３ａの経路で流れ、トラン
ス２３の二次巻線２３ｂ、２３ｃに電圧が発生する。そ
して、Ｆランス２３の一方の二次巻線２３ｂに発生した
電圧で、第２のコンデンサＣｄ１４は、第４図に示した
様に正極性に充電される。この第２のコンデンサＣｄ１
４の端子電圧Ｖｄは、サイリスタ２２が導通した後、時
刻ｔ３で最大値に達する。また、トランス２３の他方の
二次巻線２３ｃに発生した負の電圧により、コンデンサ
Ｃｍ２４は第４図中Ｖｍの様に充電されるか、時刻ｔ１
で可飽和リアクトル２５が導通状態になると、コンデン
サＣｍ２４に加えられた電荷は、第１のコンデンサＣｐ
１３に高速に流れ込み、第１のコンデンサＣｐ１３の電
圧波形は、第４図中Ｖｐの様になる。次いで、時刻ｔ２
で、図示していない制御装置からの信号で、Ｘ線源２７
からＸ線２８が主電極１を透過して主電極１，２間のレ
ーザガスに照射されると、主電極１，２間のレーザガス
が予備電離され、主電極間の電子密度か増加していく。

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ｔ３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、第３のコンデンサＣｓ５に接続されたスイッ
チ素子であるサイリスタ２２においては、電流パルス幅
が長くなると同時に電圧が低減されているので、その動
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
することかできるため、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、り゛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。

［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、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低速パルス充電する電
源回路に接続し、また、他方のコンデンサを高速パルス
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図は第１図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図は第３図のパルスレーザ発振装置の動作説明図
、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・・・スイッチ、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、１３０．、第１のコンデンサｃｐ、１４・・・第
２のコンデンサｃｄ、１５・・・第４のコンデンサＣａ
、１６・・・インダクタンス、１７・・・第２のスイッ
チ、１８・・・第３のスイッチ、１９・・・第５のコン
デンサＣｔ、２０・・高圧電源）ＩＶＢ、２１・・・抵
抗、２２・・・サイリスタ、２３・・・トランス、２３
ａ・・・−次巻線、２３ｂ、２３ｃ・・・二次巻線、２
４・・・コンデンサＣｍ、２５・、・可飽和リアクトル
、２６・・・充電用インダクタンス、２７・・・Ｘ線源
、２８・・・Ｘ線。

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
   デンサを低速パルス充電する電源回路に接続し、また、
   他方のコンデンサを高速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
   。