JPH04322478A - 放電励起ガスレーザ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予備電離手段を有する放
電励起ガスレーザ装置に係り、特に主放電電極間を流れ
るレーザガスと上流側の予備電離手段に流れるレーザガ
ス流を制御することにより、主放電電極間の放電の安定
な、高繰り返し性能の高い放電励起ガスレーザに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】放電励起ガスレーザ、特に放電励起希ガ
スハライドエキシマレーザ（以後エキシマレーザと言う
）は、高効率、高出力、高繰り返しの発振が可能である
ことから、各種の研究用光源としてはもちろんのこと、
半導体プロセス、化学工業、微細加工、医療等への利用
が期待されている。

【０００３】以下、従来の放電励起ガスレーザについて
説明する。図４は従来の放電励起ガスレーザの断面模式
図を示すものである。図４において、１はレーザガス２
を封入する圧力容器、３、４は一対の対向する主放電電
極（紙面と垂直方向が長手方向）である。５、６は予備
電離ギャップで、５は上流側、６は下流側であり、スパ
ーク放電により紫外線を放出する。７は循環器で、封入
されたレーザガス２を矢印の方向に貫流させる。８は冷
却器で、放電により温度が上昇したレーザガスを冷却す
る。９は充電コンデンサー（Ｃ１）であり図示していな
いが端子１０に接続された高圧電源から放電エネルギを
蓄える。１１は充電用コイルである。１２はサイラトロ
ンであり、図示していないがトリガ信号により高速でＯ
Ｎ−ＯＦＦをする。１３、１４はピーキングコンデンサ
ー（Ｃ２）で充電コンデンサー９に蓄えた電荷が移行さ
れる。

【０００４】以上のように構成された放電励起ガスレー
ザについて、以下その動作について説明する。まず、充
電コンデンサー９に蓄えられた電荷はサイラトロン１２
がＯＮすることにより、予備電離ギャップ５、６をスパ
ーク放電させピーキングコンデンサー１３、１４に移行
し、充電される。この時、予備電離ギャップ５、６のス
パーク放電により紫外線が放出され、光電離効果により
主放電電極３、４間のレーザガスが予備的に電離して電
子密度をおよそ１０８個／ｃｍ３に高める。ピーキング
コンデンサー１３、１４が充電されるにつれて主放電電
極間の印可電圧が上昇する。印可電圧の上昇に伴い主放
電電極間のレーザガスの電子密度が急激に１０１８個／
ｃｍ３程度に増加し、ピーキングコンデンサー１３、１
４の電荷が主放電電極３、４間をパルス的に流れ、いわ
ゆる放電状態となる。これにより、主放電電極間のレー
ザガスが励起されレーザ発振に至る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、上流側の予備電離ギャップがスパーク放
電するのに伴い発生するイオン、金属粒子等の混入した
レーザガス（劣化レーザガス）が下流側に位置する主放
電電極間を必ず通ることになる。もしも、主放電電極間
に前のレーザ発振時のスパーク放電の劣化レーザガスが
残留すると、予備電離による電子密度分布が空間的に不
均一になる。この事は、主放電電流の局在化となり、ア
ークの発生等につながり、レーザ発振効率が低くなる。 結果として、レーザビームサイズの縮小化とレーザ出力
の低下を招くと同時に主放電電極の寿命を短くする。従
って、高いレーザ発振効率で安定したとレーザビームを
得るためには、主放電電極間に上流側予備電離ギャップ
により発生する劣化レーザガスを残留させない事が重要
である。そのためには、高速のガス流を発生させたりガ
ス流の層流化を図りながら循環する必要がある。一般に
、レーザ発振の繰り返し周波数ｆ（１／ｓｅｃ）と最低
必要なレーザガス流速Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は、以下の（数
１）のように関係づけられる。

【０００６】

【数１】 ここで、Ｌは上流側予備電離ギャップと主放電電極の下
流側端の距離（ｍ）で、ＣＲはクリアリングレシオと呼
ばれる値で、ガス流が完全な層流の時を１であり、乱流
の度合で値が大きくなり、例えば、上記従来技術の場合
では、Ｌが０．０６ｍ、ＣＲは３程度の値が実用的であ
る。仮に、上記の従来技術で５００Ｈｚの高繰り返しを
達成するには、ガス流速は９０ｍ／ｓｅｃ以上となり、
大容量の循環器を必要とし装置が大型化するという課題
を有していた。

【０００７】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、上流側予備電離ギャップのスパーク放電で発生す
る劣化ガスの主放電への影響をなくし、小容量の循環器
で繰り返し性能の高い放電励起ガスレーザを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、上流側に配置される予備電離手段（ギャッ
プ）を流れるレーザガス流を主放電電極間に到達させな
いようレーザガス流を制御する制御手段を有する。

【０００９】

【作用】本発明は上記構成によって、上流側予備電離ギ
ャップで劣化したレーザガスは、直接的に主放電電極間
を通過しない経路を経て流れる。このため、繰り返し発
振に必要なガス流速は、主放電電極の放電領域のみを吹
き払うのに最低必要な速度で良いことになり、小容量の
循環器でも従来装置では不可能であった高繰り返し数ま
で発振をする。

【００１０】

【実施例】以下図面を参照しながら本発明について詳細
に説明する。

【００１１】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例
について、図１乃至図２を参照しながら説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例における放電励起
ガスレーザの要部斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ断
面に相当する断面模式図である。図１乃至２において、
１０１は圧力容器でレーザガスが所定の圧力、組成に封
入されている。１０２は主放電部レーザガス流、１０３
は上流側予備電離部レーザガス流の流れる方向（例えば
貫流方向）を示す。１０４、１０５は１対の対向する主
放電電極（紙面と垂直方向が長手方向）で、その対向す
る空間で主放電を行う。１０６は上流側、１０７は下流
側予備電離手段（ギャップ）で、主放電電極に沿って（
紙面に垂直方向）複数個設置されており、スパーク放電
により紫外線を放出し、主放電電極間のレーザガスを均
一に電離する。１０８は開口部を有する隔壁で紫外線照
射により不純物ガス発生の少ない材質で構成され、開口
部は貫流するレーザガスの一部を通過させるためのもの
で、主放電部、上流側予備電離部方向にそれぞれガス流
を分岐分離させると同時に、上流側予備電離手段で放出
された紫外線を主放電電極間に放射できるよう上流側予
備電離に対応して配備されている。１０９は循環器で、
封入されたレーザガスを貫流させ、１１０は冷却器で、
放電により温度が上昇したレーザガスを冷却する。 １１１は充電コンデンサーであり図示していないが端子
１１２に接続された高圧電源から放電エネルギーを蓄え
る。１１３は充電用コイルで、１１４はサイラトロンで
あり図示しないがトリガ信号により高速でＯＮ−ＯＦＦ
する。

【００１３】また、主放電電極１０４、１０５の略長手
方向がレーザ発振のための共振方向であり、レーザ光を
射出する。

【００１４】以上のように構成された本発明の実施例に
ついて、図２を用いてその動作を説明する。まず、充電
コンデンサー１１１に蓄えられた電荷はサイラトロン１
１４がＯＮすることにより、予備電離ギャップ１０６、
１０７をスパーク放電させピーキングコンデンサー１１
５、に移行し、充電される。この時、予備電離ギャップ
１０６、１０７のスパーク放電により紫外線が放出され
、光電離効果により主放電電極１０４、１０５間のレー
ザガスを均一に予備的に電離して電子密度をおよそ１０
８個／ｃｍ３に高める。ピーキングコンデンサー１１５
が充電されるにつれて主放電電極間の印可電圧が上昇す
る。印可電圧の上昇に伴い主放電電極間のレーザガスの
電子密度が増殖的に急激に１０１８個／ｃｍ３程度に増
加し、ピーキングコンデンサー１１５の電荷が主放電電
極１０４、１０５間のレーザガスを通してパルス的に流
れ、いわゆる放電状態となる。これにより、主放電電極
間のレーザガスが励起されレーザ発振に至る。

【００１５】本実施例では、主放電電極の上流側に開口
部を有する隔壁を設けることにより、主放電部を流れる
レーザガス流と上流側予備電離部を流れるレーザガス流
とを分岐し、上流側予備電離部を流れるレーザガスは、
隔壁に設けられた開口から上流側予備電離手段に向かっ
て吸い込まれ、主放電部とは別の循環路を経て循環器に
戻るようにした。これにより、上流側予備電離手段で発
生するイオン、金属粒子等のガス劣化成分は前記の循環
路内を通過する間に、イオンの寿命、粉塵の沈降等によ
り自然に浄化、隔壁により冷却されて、主放電域から冷
却器を通ってきたレーザガスに混合され貫流する。この
ため、本実施例では上流側予備電離による劣化レーザガ
スの影響を完全に除去でき、繰返し動作時、主放電電極
間の放電域にあるレーザガスのみを置き換えるだけで、
主放電電極間の予備電離による電子密度が容易に空間的
に均一化できる。このため安定した放電が得られ、効率
の高いレーザ発振ができる。また、本実施例では、レー
ザガスの置換は主放電電極間の主放電域のみで良いこと
から、従来例と比較して狭い範囲で良いこと、また主放
電電極間の上流部にレーザガスの流れを妨げるように位
置された従来例における予備電離ピン等の構造物がない
ことから主放電電極間のガス流を容易に層流化できる。 このため、レーザガスの風速を遅くすることができ、小
型の循環器でも従来装置では不可能であった高繰り返し
数の発振が可能となった。

【００１６】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】図３は本発明の第２の実施例における放電
励起ガスレーザ装置の断面模式図である。

【００１８】図３において、２０１は圧力容器、２０２
は主放電部レーザガス流、２０３は上流側予備電離部レ
ーザガス流の貫流方向を示す。２０４、２０５は１対の
対向する主放電電極（紙面と垂直が長手方向）、２０６
は上流側、２０７は下流側予備電離手段（ギャップ）、
２０８は少なくとも１つの開口部を有し圧力容器内を区
分する隔壁、２０９は循環器で封入されたレーザガスを
主放電部に貫流させる。２１０は冷却器、２１１は充電
コンデンサー、２１２は高圧端子、２１３は充電用コイ
ルで、２１４はサイラトロン、２１５はピーキングコン
デンサーで、以上は図２の構成と同様なものである。

【００１９】図２の構成と異なるのは隔壁２０８により
圧力容器を２つに区分し、外部循環器２１６を別に設け
、隔壁の開口部より吸引、循環器２０９に貫流させるよ
うにした点である。この外部循環器２１６はガス純化装
置を含むことも可能である。

【００２０】上記のように構成された放電励起ガスレー
ザについて、以下その動作を説明する。レーザ発振に至
る動作は図２と同じであるので省略する。主放電部は循
環器２０９によりレーザガス流が発生されるが、上流側
予備電離手段（ギャップ）近傍においては、隔壁の開口
部を通じて、別に設けられた外部循環器２１６により吸
引されるようにした。これにより、より効果的に上流予
備電離部と主放電部のレーザガス流を分岐分離できる。 また、外部循環器の循環能力を選択することにより、任
意に上流側予備電離手段のレーザガス流の流量が可変に
できる。

【００２１】また、少なくとも１つ以上の開口部を有す
る隔壁で圧力容器を少なくとも２つに区分し、外部循環
器で吸引し循環させることより、上流側予備電離手段で
発生するイオン、金属粒子等のガス劣化成分は、主放電
電極内を直接的に通過することはなく、また吸引された
ガスは循環路内を通過する間に自然にイオンの寿命等に
より浄化され、圧力室の隔壁により冷却される。このた
め、第１の実施例同様、本実施例でも上流側予備電離に
よる劣化レーザガスの影響を完全に除去でき、繰返し動
作時、主放電電極間は放電域にあるレーザガスのみを置
き換えるだけで、主放電電極間の予備電離による電子密
度が容易に空間的に均一化できる。このため安定した放
電が得られ、効率の高いレーザ発振ができるようになっ
た。また、本実施例では、レーザガスの置換は主放電電
極間の主放電域のみで良いことから、従来例と比較して
狭い範囲で良いこと、また主放電電極間の上流部にレー
ザガスの流れを妨げる構造物がないことから主放電電極
間のガス流を容易に層流化できる。このため、レーザガ
スの風速を遅くすることができ、小型の循環器でも従来
装置では不可能であった高繰り返し数の発振が可能とな
った。特に本実施例においては、循環器を別に設けるこ
とにより容易に上流予備電離部と主放電部のレーザガス
流を分岐分離でき、また外部循環器の循環能力を選択す
ることにより、上流側予備電離手段のレーザガス流の流
量がが任意に可変にでき、最適化が容易に行える。

【００２２】なお、本実施例において予備電離手段はス
パークギャップとしたが、予備電離手段はコロナ放電手
段としてもよいことは言うまでもない。また上記実施例
は、個の発明の理解を容易にするために例示したものに
過ぎず、種々の変形や変更が可能であることはいうまで
もない。

【００２３】また、圧力容器の隔壁でレーザガスが十分
に冷却される場合は、冷却器を省略できることはいうま
でもない。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は予備電離手段を有
するガスレーザにおいて、少なくとも１つ以上の開口部
を有する隔壁を設け、上流側予備電離手段と主放電部の
レーザガス流を分岐分離することにより、上流側予備電
離手段による劣化ガスの主放電部への影響を除去し、小
容量の循環器でも発振効率の高い、放電の安定な高繰り
返し発振をすることができる優れた放電励起ガスレーザ
を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における放電励起ガスレー
ザの要部斜視図

【図２】本発明の第１の実施例における放電励起ガスレ
ーザの断面模式図

【図３】本発明の第２の実施例における放電励起ガスレ
ーザの断面模式図

【図４】従来の放電励起ガスレーザの断面模式図

【符号の説明】

１０１　　圧力容器 １０２　　主放電部レーザガス流 １０３　　上流予備電離部レーザガス流１０４　　主放
電電極 １０５　　主放電電極 １０６　　上流予備電離手段 １０７　　下流予備電離手段 １０８　　隔壁 １０９　　循環器 １１０　　冷却器 １１１　　充電コンデンサー １１２　　端子 １１３　　充電コイル １１４　　サイラトロン １１５　　ピーキングコンデンサー ２０１　　圧力容器 ２０２　　主放電部レーザガス流 ２０３　　上流予備電離部レーザガス流２０４　　主放
電電極 ２０５　　主放電電極 ２０６　　上流予備電離手段 ２０７　　下流予備電離手段 ２０８　　隔壁 ２０９　　循環器 ２１０　　冷却器 ２１１　　充電コンデンサー ２１２　　端子 ２１３　　充電コイル ２１４　　サイラトロン ２１５　　ピーキングコンデンサー ２１６　　外部循環器

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧力容器内に封入されたレーザガスと、レ
   ーザ光の射出方向を長手方向とし、かつ相対向して配置
   された１組の主放電電極と、前記長手方向と垂直な方向
   に前記主放電電極間を通じて前記レーザガス流を発生さ
   せるガス流発生手段と、前記主放電電極の少なくとも上
   流側に配置される予備電離手段とを有する放電励起ガス
   レーザ装置において、前記上流側に配置した予備電離手
   段近傍のレーザガスが直接に主放電電極間に流れないよ
   うに前記レーザガス流を制御する制御手段を有すること
   を特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
2. 【請求項２】レーザガス流を制御する制御手段が、予備
   電離手段近傍へレーザガス流を通すための少なくとも１
   つ以上の開口部を有することを特徴とする請求項１記載
   の放電励起ガスレーザ装置。
3. 【請求項３】レーザガス流を制御する制御手段が、開口
   部を通過するレーザガス流を吸入するガス吸入手段を有
   することを特徴とする請求項２記載の放電励起ガスレー
   ザ装置。
4. 【請求項４】レーザガス流を制御する制御手段として設
   けられた少なくとも１つ以上の開口部が、主放電電極間
   のレーザガスを予備電離するための紫外線を通すための
   窓孔を兼ねることを特徴とする請求項２記載の放電励起
   ガスレーザ装置。
5. 【請求項５】レーザガス流を制御する制御手段として設
   けられた開口部は隔壁に設けられ、前記隔壁が不純物ガ
   ス発生の少ない材料で構成されていることを特徴とする
   請求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
6. 【請求項６】隔壁が圧力容器と一体になっていることを
   特徴とする請求項５記載の放電励起ガスレーザ装置。
7. 【請求項７】レーザガスの予備電離手段がスパークギャ
   ップ予備電離手段であることを特徴とする請求項１記載
   の放電励起ガスレーザ装置。
8. 【請求項８】レーザガスの予備電離手段がコロナ予備電
   離手段であることを特徴とする請求項１記載の放電励起
   ガスレーザ装置。
9. 【請求項９】さらにレーザガスを冷却する冷却手段を有
   することを特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレー
   ザ装置。
10. 【請求項１０】レーザガスが圧力容器内を貫流すること
    を特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレーザ装置。