JPH04287990A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はレーザ発振装置の放電
励起回路面からの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は例えば特願平２−１８３７５６号
公報に示された従来のレーザ発振装置を示す断面図であ
り、図において、１はレーザガスを入れたレーザ筺体、
２はレーザガス中においてレーザ励起放電を起こすため
の第１の主電極、３はこの第１の主電極２に相対向して
設置された第２の主電極、４は上記第１の主電極２、第
２の主電極３の間において形成されるレーザ励起放電、
５は上記第１の主電極２、第２の主電極３の間に流し込
まれているレーザガスの気流を示す矢印、６は上記レー
ザ励起放電４に対し励起エネルギを蓄えるためのサステ
イナコンデンサ、７はこのサステイナコンデンサ６を主
に充電するためのサステイナコンデンサ充電用電源、８
は上記レーザ励起放電４を開始するためのエネルギを蓄
えるためのスパイカコンデンサ、９はこのスパイカコン
デンサ８を上記サステイナコンデンサ６と逆の極性にお
いて充電するためのスパイカ充電用電源、１０は上記サ
ステイナコンデンサ６と上記第１、第２の主電極対２、
３の回路中に挿入された磁気飽和スイッチである。

【０００３】次に動作について説明する。まずレーザ筺
体１の中にレーザガスが入れられ、第１の主電極２、第
２の主電極３の間ではレーザガスの気流５の方向に流さ
れている。この状態でサステイナ充電用電源７によりサ
ステイナコンデンサ６を電圧ＶＯＰＦＮまで充電する。 この際スパイカコンデ８も同一の電圧まで充電されると
同時に、第１、第２の主電極２、３間にもその充電電圧
が印加される。図４のａに第１、第２の主電極２、３間
の電圧Ｖｇ　、ｂに放電電流ｉｄ　、ｃにレーザ発振出
力Ｐの経時変化を示す。さて、サステイナコンデンサ６
がＶＯＰＦＮまで充電された時、スパイカ充電用電源９
によりスパイカコンデンサ８をサステイナコンデンサ６
とは逆の極性に充電していく。図３に示した例ではサス
テイナコンデンサ６を正に充電し、スパイカコンデンサ
８を負に充電している。スパイカコンデンサ８の充電電
圧には第１、第２の主電極２、３間にも印加され、Ｖｇ
　は急速に負の電圧となる。この間、サステイナコンデ
ンサ６の充電電圧ＶＯＰＦＮは磁気飽和スイッチ１０に
よってブロックされているため、ほとんど影響を受けな
い。さて、Ｖｇが負の電圧であるＶ３　まで達すると、
サステイナコンデンサ６とスパイカコンデンサ８の差電
圧によって形成された磁束により磁気飽和スイッチ１０
が飽和し、ＯＮ状態となる。この時、サステイナコンデ
ンサ６の静電容量がスパイカコンデンサ８のそれに比べ
十分大きく、また、両コンデンサ間の回路のインダクタ
ンスが十分小さいため、サステイナコンデンサ６の電荷
が急速にスパイカコンデンサ８に移行されるため、Ｖｇ
　には１０００ｋｖ／μｓを越えるような急峻パルスが
印加される。そしてＶｇ　が放電開始電圧Ｖｂ　に達す
ると、スパイカコンデンサ８に蓄えられた電荷がまず急
速に第１、第２の主電極２、３間に流れ込みレーザ励起
放電４を形成する。次にやや遅れてサステイナコンデン
サ６よりレーザ励起エネルギが注入される。これにより
レーザ発振出力Ｐが紙面と垂直方向に出射する。

【０００４】上記に示したような放電の開始エネルギと
励起エネルギの注入を分離した放電励起回路は、エキシ
マレーザ（特にＸｅｃｅレーザ）のように上位準位での
寿命が短く、また、放電時のインピーダンスが低いレー
ザガスに対して効率的に励起を行ううえで有効な回路で
ある。その中でもここに示した回路動作は、サステイナ
コンデンサとスパイカコンデンサを互いに逆極性で充電
し、かつ磁気飽和スイッチのスイッチングポイントをＶ
Ｓ　に設定することにより主電極間に急峻なパルス電圧
を印加するとともに、スパイカコンデンサおよびサステ
イナコンデンサから流れ込む放電電流の向きを互いに同
一としていることを特徴とする。これにより均一励起放
電の実現を容易にしている。

【０００５】互いに逆極性に充電する類似の回路（スイ
ッチングモード）がＣｈａｒｌｅｓＨ、Ｆｉｓｈｅｒ等
（Ａｐｐｌｉｅｄ　　ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒ
，ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．２３，１５７４（１９８６））
によって示されているが、スパイカコンデンサとサステ
イナコンデンサから流れ込む放電電流が互いに逆向きで
あり、第１、第２の主電極間に急峻なパルスを放電開始
時点において印加できないことが本発明における動作モ
ードとは異なる。急峻なパルスを主電極間に印加すると
、その立ち上がりに応じて放電開始電圧Ｖｂ　が増加し
、より均一な励起放電を得ることができる。

【０００６】さて、実際にレーザ励起に必要な均一放電
を実現するには、主電極間に急峻なパルス電圧を印加す
るだけでは十分でなく、電圧を印加するのに先立ってレ
ーザ励起放電を行う部分のレーザガスを均一に弱電離状
態（電子密度Ｎｅ＝１０６　〜１０８　コ／ｃｍ３　と
しておく必要がある。そのための予備電離源を備えた従
来のレーザ発振装置の断面図の例を図５に示す。同図に
おいて３ａは多数の開孔を有する第２の主電極、１１は
第２の主電極３ａの背面に設置された誘電体、１２は誘
電体１２の背面に設置され、スパイカコンデンサ８の一
端に電気的に接続された補助電極である。

【０００７】図５の構成において、サステイナ充電用電
源７によりサステイナコンデンサ６が正極性に充電開始
される。同時に、その充電電圧が第２の主電極３ａ、補
助電極１２間にも印加され、第２の主電極３ａの開孔部
と、誘電体１１の表面においてコロナ放電が主成される
。このコロナ放電から発生する紫外光によりレーザ励起
放電４が生成する領域のレーザガスが均一に弱電離状態
とされる。その後の回路動作は先に示した例（図４）と
同じである。ここで示した例では、いわゆる予備電離効
果により、主電極２、３ａ間に急峻なパルス電圧が印加
された場合、均一にばらまかれた電子を核として電子増
倍が起こり、レーザ励起放電４が確実に得られるように
なる。

【０００８】しかしながら、１秒間に３回以上の繰り返
し放電を行ういわゆる繰り返し発振の場合で、かつサス
テイナコンデンサ６の充電電圧ＶＯＰＦＮが比較的高い
場合は異なる回路動作となる。その場合の回路動作およ
びレーザ出力を図６に示す。同図において、ａは第１、
第２の主電極２、３ａ間の電圧Ｖｇ　、ｂは補助電極１
２、第２の主電極３ａ間に流れる予備電離電流ｉＰＩ、
ｃは第１、第２の主電極間を流れる放電電流ｉｄ、ｄは
レーザ出力Ｐである。

【０００９】ここで動作を説明する。繰り返し放電の場
合、前回の放電による電極スパッタリング生成物、イオ
ン等の生成物を、次回の放電までにレーザのガス流５に
よりレーザ励起放電４の領域から取り除く必要がある。 ところが電極の表面ではガス流速がほとんどゼロである
ため、その影響を完全に除くことができない。このため
、サステイナコンデンサ６に対する充電電圧ＶＯＰＦＮ
が比較的高い時は、その充電過程において予備電離電流
ｉＰＩが常に流れているため、予備電離と放電残留物の
影響により、ＶＯＰＦＮ（１）より低いＶＯＰＦＮ（２
）において主電極２、３ａ間において自爆放電が起こる
。この放電はスパイカコンデンサ８により急峻な電圧が
印加される以前に生成される放電であるため、均一に広
がることなく、主電極２、３ａの表面数ヵ所で行われる
アーク放電となる。このためレーザ出力は得られない。

【００１０】図７はサステイナコンデンサ６充電中の自
爆放電を押さえるために考えられた回路で、１３は予備
電離用コンデンサ、１４は予備電離電流バイパス用イン
ダクタンスである。同回路構成ではサステイナコンデン
サ６の充電過程において、インダクタンス１３の両端間
はほぼ短絡状態となり、その充電電圧は大部分予備電離
用コンデンサ１３に印加されることになる。したがって
サステイナコンデンサ６の充電過程では第２の主電極３
ａ、補助電極１２間には電圧が印加されず、予備電離は
行われない。このため繰り返し放電においても、自爆放
電は起こりにくくなる。同回路では、スパイカコンデン
サ８がスパイカ充電用電源９により逆極性の方向に充電
が行われて初めて予備電離電流ｉＰＩが流れ始める。そ
の理由は、スパイカコンデンサ８が逆極性の方向に充電
される時定数が速く、インダクタンス１４の両端に電圧
が発生するためである。図８の回路構成における回路動
作、発振出力を図に示す。同図において、ａは主電極２
、３ａの間の電圧Ｖｇ　、ｂは予備電離電流ｉＰＩ、ｃ
は主法電電流ｉｄ　、ｄはレーザ出力Ｐを示している。

【００１１】さて同回路構成では繰り返し動作条件にお
けるサステイナコンデンサ充電過程時の自爆放電抑制に
は大きな効果をもたらした。しかしながら、スパイカコ
ンデンサ８に対し逆極性の充電開始後、磁気飽和スイッ
チ１０のスイッチング電圧ＶＳ　に達するまでの時間、
およびＶＳ　からさらに逆極性の電圧のピーク電圧ＶＰ
Ｏに達するまでの時間が５０〜１００ｎｓ程度のオーダ
ーで極めて短い時間であるため、予備電離が十分に行わ
れず、本来放電が開始するはずの電圧Ｖｂ　では放電で
きないことが判明した。この際、主電極２、３ａ間には
振動電圧が印加され、その次のピーク電圧であるＶＰ２
、ＶＰ３（またはＶＰｎ、ｎ≧４）近傍において始めて
放電を開始することになる。この時、放電開始電圧が本
来の開始電圧Ｖｂ　より低いため、十分均一なレーザ励
起放電４が得られず、放電電流ｉｄ　が流れている途中
で放電状態が不均一なアーク放電となり、レーザ出力Ｐ
が止まる。このためレーザ出力、発振効率が低く押さえ
られることが問題であった。また、繰り返し動作時には
１回ごとの放電開始電圧にバラツキが生じ、大きな出力
変動が起こることが問題であった。

【００１２】

【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、繰り返し動作時の
サステイナコンデンサ充電過程において自爆放電が起こ
り、レーザの高出力化を制限するという問題点があった
。また、主電極間に急峻パルスが印加されることにより
、放電開始電圧が定まらなくなり、レーザ出力、効率の
低下および出力変動を増大させることが問題であった。

【００１３】この発明は上記の問題点を解消するために
なされたもので、大出力、高効率で、かつ出力変動が少
ない、信頼性の高いレーザ発振装置を得ることを目的と
している。

【００１４】

【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、レーザガスを予備電離するための予備電離源
を備え、予備電離を行うタイミングとして、サステイナ
充電用電源がサステイナコンデンサの充電を開始した後
で、かつスパイカ充電用電源がサステイナコンデンサの
充電極性とは逆極性の方向にスパイカコンデンサを充電
開始する以前に行うようにしたものである。また、繰り
返し動作の周波数に対して、放電開始電圧を一定に保つ
ように、予備電離のタイミングを制御するようにしたも
のである。

【００１５】

【作用】この発明におけるレーザ発振装置は、サステイ
ナコンデンサ充電開始後に予備電離を行うため、その遅
延時間を大きくする程繰り返し動作時における自爆放電
の開始電圧を高めることができ、すなわちサステイナコ
ンデンサにより多くのレーザ励起エネルギを蓄えること
ができる。また、スパイカコンデンサを逆極性の方向に
充電開始する以前に予備電離を開始するので、放電形成
までの時間が短くなり、急峻パルス印加時においても、
その第一ピーク電圧ＶＰ１に達する以前の一定電圧にお
いて、放電を開始することができる。

【００１６】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１において１５は予備電離用の電源
である。

【００１７】次にこの発明の動作について説明する。図
２はこの発明における回路の動作を示しており、ａは主
電極２、３ａ間の電圧Ｖｇ　、ｂは予備電離電流ｉＰＩ
、ｃは放電電流ｉｄ　、ｄはレーザ出力Ｐを示している
。

【００１８】基本的な回路の動作は図３、図４で示した
従来の回路動作と同じである。しかしながら、ここでは
サステイナ充電用電源７によってサステイナコンデンサ
６の充電を開始した後、かなり主電極２、３ａ間の電圧
Ｖｇ　が立ち上がった時点で、予備電離用電源１５を動
作し、第２の主電極３ａ、補助電極１２間に電圧を印加
している。これにより予備電離電流ｉＰＩが流れ出し、
第２の主電極３ａの開孔部と誘電体１１の表面において
コロナ放電が生じる。このいわゆる沿面コロナ放電によ
りレーザ励起放電４が行われる部分のレーザガスが弱電
離状態となる。予備電離がある程度進んだ段階で、主電
極２、３ａ間の電圧Ｖｇ　が、サステイナコンデンサ６
の所定の充電電圧であるＶＯＰＦＮに達する。この時点
でスパイカ充電用電源９を動作させ、スパイカコンデン
サ８を逆極性の方向に充電を開始する。電圧Ｖｇ　がＶ
ＯＰＦＮからそれと逆の極性であるＶＳ　に達すると、
磁気飽和スイッチ１０が動作し、サステイナコンデンサ
６からスパイカコンデンサ８に対し急激な電荷移行が行
われる。これにより急峻なパルスが主電極２、３ａ間に
印加されるが、サステイナコンデンサ６の充電過程にお
いてすでに予備電離を始めており、この充電電圧によっ
てかなり空間的に均一な電子増倍が進んでいるため、第
１のピーク電圧であるＶＰ１の近傍の電圧Ｖｂ　で確実
に放電を開始できる。 この時のレーザ励起放電４は均一な予備電離のもとで、
かつ十分な過電圧で開始した放電であるため、均一で安
定した放電となり、効率的なレーザ発振が実現できる。 また、サステイナコンデンサの充電が所定の充電電圧Ｖ
ＯＰＦＮに近づいた段階で予備電離を行っているため、
繰り返し動作時においても自爆放電が起こる電圧をある
程度高い電圧に維持することができる。

【００１９】いま、図２・ｂに示すように、予備電離電
流ｉＰＩを流し始めてからスパイカコンデンサ８を逆極
性の方向に充電し始めるまでの時間を△ｔＰＩとする。 △ｔＰＩの最適値は、自爆放電を押さえ、少しでも高い
充電電圧ＶＯＰＦＮを達成し、レーザの高出力化を図る
という観点からはゼロに近い方が良い。反面、ＶＳ　に
てスイッチング後、第一のピーク電圧ＶＰ１に達するま
でに確実に放電を開始させるためには、ある程度の遅延
時間を設定することが必須である。サステイナコンデン
サ６は繰り返し動作においては１〜５μｓの時定数で充
電することが必要であるが、Ｘｅｃｅレーザでは、その
時の遅延の時間△ｔＰＩは１００〜５００ｎｓにおいて
出力、およびその安定性の観点から最適値があることが
判明している。

【００２０】実施例２．本発明の説明では、その予備電
離源として誘電体を介して開孔電極と補助電極間に電圧
を印加して予備電離を行う、いわゆる沿面予備電離方式
の場合について説明を行ったが、対になったピン電極を
多数並べ、対のピン電極間でアーク放電を形成するＵＶ
予備電離方式、またはＸ線を予備電離源とするＸ線予備
電離方式においても同様の効果を奏する。

【００２１】実施例３．繰り返し動作では、繰り返し周
波数によって前の放電の影響が異なるため、放電開始電
圧、放電状態が異なってくる。これを補正するために、
繰り返し周波数に応じて予備電離を開始するタイミング
を制御し、放電開始電圧を極力一定に保つことがレーザ
の安定動作のうえで有効な方法である。

【００２２】実施例４．なお、先の実施例において受動
素子である磁気飽和スイッチを使用していたが、これを
能動素子である半導体スイッチで行っても、効果が同じ
であることはいうまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、サステ
イナコンデンサが充電開始された後で、かつスパイカコ
ンデンサが逆極性の方向に充電開始される以前に予備電
離を始めるようにしたので、高出力で高効率、かつ出力
安定性の高い、繰り返し動作の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】

【図１】この発明の一実施例によるレーザ発振装置を示
す断面図である。

【図２】この発明の実施例による回路動作、レーザ出力
を示す説明図である。

【図３】従来のレーザ発振装置を示す断面図である。

【図４】従来の実施例による回路動作、レーザ出力を示
す説明図である。

【図５】従来の予備電離源を備えたレーザ発振装置を示
す断面図である。

【図６】従来の予備電離源を備えた実施例による回路動
作、レーザ出力を示す説明図である。

【図７】従来の他の予備電離源を備えたレーザ発振装置
を示す断面図である。

【図８】従来の他の予備電離源を備えた実施例による回
路動作、レーザ出力を示す説明図である。

【符号の説明】

２　　第１の主電極 ３　　第２の主電極 ５　　レーザガス流を示す矢印 ６　　サステイナコンデンサ ７　　サステイナ充電用電源 ８　　スパイカコンデンサ ９　　スパイカ充電用電源 １０　　磁気飽和スイッチ １５　　予備電離用電源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザガスの気流中で相対向する第１
   および第２の主電極、この主電極対に磁性材料、または
   半導体材料により構成されたスイッチを介して並列に接
   続されたサステイナコンデンサ、上記主電極対に並列に
   接続されたスパイカコンデンサ、上記サステイナコンデ
   ンサを充電するためのサステイナ充電用電源、上記スパ
   イカコンデンサを上記サステイナ充電用電源とは逆の極
   性で充電するためのスパイカ充電用電源を備え、まず上
   記サステイナ充電用電源により上記サステイナコンデン
   サを充電し、次に上記スパイカ充電用電源により上記ス
   パイカコンデンサを上記サステイナコンデンサとは逆の
   極性に充電し、このスパイカコンデンサの逆極性充電過
   程において、上記スイッチをＯＦＦ状態からＯＮ状態と
   し、上記サステイナコンデンサの電荷を急速に上記スパ
   イカコンデンサに移行し、上記主電極対間に上記サステ
   イナコンデンサと同一の極性の急峻パルスを印加し、こ
   れを少なくとも１秒間に３回以上繰り返す、繰り返し動
   作のレーザ発振装置において、このレーザ発振装置は上
   記主電極対間のレーザガスを予備電離するための予備電
   離源を備え、この予備電離源は上記サステイナコンデン
   サが充電を開始した後で、上記スパイカコンデンサが上
   記スパイカ充電用電源により充電を開始される前に上記
   主電極間の予備電離を開始し、上記急峻パルスによる上
   記主電極対間の放電開始電圧を制御することを特徴とす
   るレーザ発振装置。
2. 【請求項２】　　繰り返し動作の周波数に応じて、予備
   電離源の動作タイミングを制御する手段を有することを
   特徴とする請求項１のレーザ発振装置。