JPH04346280A - 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】この発明は、放電励起ガスレーザ
装置、特にその予備電離源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大気圧程度、またはそれ以上のガス圧力
中で動作するガスレーザ装置において、放電により効率
よく媒質を励起するためには、空間的に均一なグロー状
の放電を形成する必要がある。このため通常、主放電開
始以前に主放電空間に電子を発生させる予備電離が行わ
れる。ところで、放電励起ガスレーザ装置を大出力化す
るためには、主放電の断面積を増加させることが有効な
方法である。大断面積で均一な放電を実現するため、従
来いくつかの予備電離部に特徴をもつレーザ装置が提示
されている。図６は例えば特開平２−２６８４７６号公
報に示された従来の放電励起ガスレーザ装置の電極部の
構造を示す構成図である。図中、１は第１の主電極、２
は、ほぼ全面に複数の貫通穴を穿孔した金属平板からな
る第２の主電極である。３は第２の主電極２の背後に設
置された補助電極、４は第２の主電極２と補助電極３の
間に挟まれている誘電体、５は第１のピン電極、６は第
１のピン電極との間にスパークギャップを設け、それぞ
れ対をなして対向する第２のピン電極である。第１、及
び第２のピン電極対５、６は、第１の主電極１の両側に
複数個配置されている。

【０００３】次に、この電極部構成の作用について説明
する。本図において紙面と垂直な方向が光軸方向であり
、主電極の前後に部分透過鏡と全反射鏡を配置し共振器
を構成することによりレーザ光が取り出される。第１の
主電極１と第２の主電極２には励起用回路が接続されて
おり、両主電極間に高電圧を印加することにより主放電
が形成されレーザガスが励起される。大気圧程度または
それ以上のガス圧力中で動作する放電励起ガスレーザ装
置において予備電離が重要であることは前述の通りであ
る。この構成の特徴は、第１の主電極１の両側にＵＶス
パーク方式と呼ばれる予備電離方式を用いた第１の予備
電離源と、第２の主電極２の背面にコロナ方式と呼ばれ
る予備電離方式を用いた第２の予備電離源を備えている
ことである。第１の予備電離源は、第１のピン電極５と
第２のピン電極６の間に高電圧を印加することによりア
ーク放電を起こし、そこから発生する紫外光で第１、及
び第２の主電極１、２間のレーザガスを光電離するもの
である。第２の予備電離源は、補助電極３と第２の主電
極２の間に高電圧を印加し、第２の主電極の開孔部にコ
ロナ放電を生じさせ、そこから発生する紫外光で第１、
及び第２の主電極１、２間のレーザガスを光電離するも
のである。

【０００４】放電により効率よくレーザを励起するため
には、均一なグロー状の放電を形成する必要があること
は前にも述べたが、均一な放電と予備電離電子密度、並
びに予備電離電子密度分布の均一性とは密接な関係があ
る。ＵＶスパーク予備電離方式では、アーク放電から発
生する強力な紫外光でレーザガスの電離を行うため、高
い予備電離電子密度が得られる。しかし、紫外光強度の
距離依存性から光源であるピン電極対どうしの距離を離
しすぎると予備電離電子密度分布に大きな勾配を生じ、
もはや均一な放電を起こすことはできなくなる。通常、
この方式では紫外光発生源であるピン電極対を主電極の
両側に配置するため、上述の理由により主放電の幅は制
限される。これに対しコロナ予備電離方式は、通常、主
電極の背面より予備電離を行うため、主放電を起こすた
め印加される電界に直角な方向に対しては、均一な予備
電離電子密度分布が得られ、主放電の幅は制限されない
。コロナ予備電離方式を用いてより高い予備電離電子密
度を得るためには、第２の主電極２、補助電極３及び誘
電体４から形成されるコンデンサの充電電流密度を大き
くする必要がある。コロナ予備電離部コンデンサの充電
電流はコンデンサの静電容量と印加電圧の立ち上がりｄ
Ｖ／ｄｔに比例する。電流密度を大きくするという観点
から電極面積を一定と考えると、静電容量を大きくする
ためには、誘電体に比誘電率の高い材料を用いるか、電
極間の距離を短くしなければならない。しかしながら、
絶縁耐圧等の問題により予備電離部誘電体に使用可能な
誘電体材料には制限があり、電極間距離も必要以上に短
くすることはできないため、静電容量を大きくすること
は困難である。また、印加電圧の立ち上がりは電極部構
造により決定されるインダクタンスによって制限される
ため予備電離部コンデンサの充電電流を大きくし、コロ
ナ予備電離方式でより高い予備電離電子密度得ることは
容易ではない。前記従来例のような電極部構成を用いれ
ば、両予備電離方式の長所を生かすことにより、大断面
積にわたり比較的簡単に均一で高い予備電離電子密度を
得ることができる。

【０００５】また、ここに示す放電励起ガスレーザ装置
はパルス発振であるため、工業的な応用を考えた場合、
１秒間に数十〜数百ショットの動作を行うような繰り返
し運転が可能であることが必須となる。安定な繰り返し
運転を行うためには、主放電によりに生ずる荷電粒子等
の不純物を放電場から取り除かなければならない。この
ため、通常はレーザガスを循環させることにより、主放
電毎に主電極の側方から放電場のレーザガスの置換を行
っている。しかし、１秒間に数百回以上主放電を行う高
繰り返し運転になると、レーザガスも高速で循環させな
ければならず、主電極側面にピン電極対のようなガス流
を遮るものが存在すると、放電場に渦等が生じガス流が
乱れる。また、アーク放電からは多量の不純物が発生し
放電場に流れ込むため、レーザガスの置換を十分に行う
ことができず均一な主放電が得られなくなり、ガス寿命
の劣化にもつながる。

【０００６】また、前記従来例は第１の主電極１、第２
の主電極２の両側に予備電離源を配置した構成をとるも
のであるが、この方式によると電極部の構造が複雑にな
り、高効率な励起に不可欠な主放電回路の低インダクタ
ンス化に不利になるばかりでなく、組立、及び保守時に
もかなりの手間を要する。

【０００７】なお、図７は例えば特開平２−２２２１８
３号公報に示された他の従来の放電励起ガスレーザ装置
の回路構成図である。図中、図６と同一符号のものは、
同一部分または相当部分である。図において、７は複数
のピン電極対５、６に均等に電流を流すために設けた分
流用リアクトル、８はピーキングコンデンサ、９はパル
ス電源である。本従来例も前記従来例と同じく、アーク
放電発生源であるピン電極対５、６と、コロナ放電発生
源である第２の主電極２、補助電極３、及び誘電体４を
備えているが、ピン電極対５、６は主電極側面ではなく
、第２の主電極の背後に設置されている。このためピン
電極対５、６はガス流に対し何等影響を与えない。ただ
しこのピン電極対５、６は予備電離のためのものではな
く、コロナ放電の電圧の立ち上がりを速めるためのもの
である。即ち、コロナ予備電離部コンデンサの充電電流
を大きくすることにより、高い予備電離電子密度が得ら
れることは前にも述べた。本従来例における予備電離部
コンデンサとピーキングコンデンサは直列に接続されて
いる。通常、予備電離部コンデンサ容量はピーキングコ
ンデンサ容量に比べ非常に小さいため、ピン電極対５、
６がアーク放電による短絡以前は、パルス電源９の発生
電圧はほとんど予備電離部コンデンサに印加される。こ
のため、予備電離部コンデンサとピーキングコンデンサ
を並列に接続する通常の方式に比べ、予備電離部コンデ
ンサへの印加電圧の立ち上がりは非常に速く、大きな充
電電流が得られる。このように本従来例におけるピン電
極対５、６は第２の主電極２と補助電極３との間に立ち
上がりの速い電圧を印加するために設けられたもので、
予備電離機能は有していない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の放電励起ガスレ
ーザ装置は以上のように構成され、大断面積放電を実現
するため１つの放電励起空間に対し複数の予備電離方式
を用いて予備電離を行う例が示されている。しかし、こ
のような例の多くは図６に示すようにガス流の一部を遮
る位置に予備電離源が設置されており、工業応用には不
可欠な高繰り返し運転時に、安定した均一放電を得るこ
とが困難になる等の問題点があった。また、いずれも主
電極双方へ近接して予備電離源が設置されているため、
電極部の構造が複雑となりレーザの高効率発振に不可欠
な放電ループの低インダクタンス化の妨げとなるばかり
でなく、保守等にもかなりの手間を要するものとなって
いた。

【０００９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、大断面積で空間的に均一な放電
を実現するとともに、１秒間に数１０〜数百回の動作を
行う高繰り返し運転時においても安定なレーザ発振が得
られる放電励起ガスレーザ装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る放電励起
ガスレーザ装置は、第１、及び第２の主電極のうち一方
の主電極の背面に、少なくとも２種類の異なる予備電離
方式を用いた予備電離源を有するものである。

【００１１】さらに、この発明に係る放電励起ガスレー
ザ装置は、一方の主電極の背面に設けられた少なくとも
２種類の異なる予備電離方式を用いた予備電離源のうち
、少なくとも１つの予備電離源が、第１、及び第２の主
電極に接続された励起用回路とは独立した、予備電離を
始動するためのスイッチを含む予備電離用回路で駆動さ
れ、上記励起用回路と上記予備電離用回路の動作タイミ
ングを調整する調整手段を設けたものである。

【００１２】

【作用】この発明における放電励起ガスレーザ装置は、
主電極の一方の背面から少なくとも２種類の予備電離方
式を用いて主電極間のレーザガスを予備電離するため、
ガス流に影響を与えることなく、広い空間にわたり均一
で高い予備電離電子密度が得られるので、高繰り返し運
転時においても安定で高効率なレーザ発振が得られる。 また、予備電離部が一方の主電極側にのみ設置されてい
るため、複数の予備電離方式を用いているにも関わらず
電極部構成が簡単になり、主放電ループのインダクタン
スを十分小さくすることができるので、高効率発振に不
可欠な主放電ループのインダクタンスを十分小さくする
ことができ、それとともに簡易に電極部の組立、及び保
守を行うことが可能となる。

【００１３】また、上記予備電離源のうち、少なくとも
１つの予備電離源を、第１、及び第２の主電極に接続さ
れた励起用回路とは独立した、予備電離を始動するため
のスイッチを含む予備電離用回路で駆動し、上記励起用
回路と上記予備電離用回路の動作タイミングを調整する
調整手段により、主放電と予備電離のタイミングを最適
値へ正確に設定するようにすれば、常に安定なレーザ発
振が得られるようになる。

【００１４】

【実施例】実施例１．図１はこの発明の一実施例を示す
回路構成図である。図において、１０はストレージコン
デンサ、１１はストレージコンデンサ１０を高電圧で充
電するための給電端子、１２は例えばサイラトロン等の
励起用回路のスイッチである。１３はストレージコンデ
ンサ１０への充電時、ピーキングコンデンサ８への充電
を避けるため接続した充電用コイルで、スイッチ１２、
ストレージコンデンサ１０、ピーキングコンデンサ８か
らなる閉ループのもつインダクタンスに比べ、十分大き
なインダクタンスを持つよう設定する。１４は補助電極
３に印加される電圧を調整するための分割コンデンサ、
１５は、アーク放電を起こすためピン電極５に高電圧を
印加するためのＵＶスパーク予備電離用回路である。ま
た、１６は第１のピン電極５と第２の主電極２との間で
起こるアーク放電から発生する紫外光を主放電部へ到達
させるために、ピン電極５と対で設けた光透過用孔であ
る。

【００１５】次にこの回路の動作について説明する。給
電端子１１から充電用コイル１３を通しストレージコン
デンサ１０を高電圧で充電する。ここでスイッチ１２を
ＯＮすると、ストレージコンデンサ１０に蓄えられてい
た電荷はピーキングコンデンサ８に移行され、ピーキン
グコンデンサ８の両端に印加される電圧は急速に増加す
る。ピーキングコンデンサ８に印加される電圧は、第１
、及び第２の主電極１、２間に印加される電圧に等しく
、また補助電極３にも、分割コンデンサ１４の静電容量
と第２の主電極２、補助電極３、及び誘電体４から形成
されるコンデンサの静電容量から決定される比でこの電
圧を分割したものが印加される。補助電極３に印加され
る電圧が十分に高くなると、第２の主電極２の開孔内で
強電界が生じ、コロナ放電が開始する。このコロナ放電
から発生する紫外光で主電極間のレーザガスの予備電離
を行う。また、ほぼ同時にＵＶスパーク予備電離用回路
１５を始動させピン電極５に高電圧を印加し、第２の主
電極２との間にアーク放電を開始させる。アーク放電か
ら発生した紫外光も第２の主電極２に設けた光透過用孔
１６を通り主放電空間に到達し、レーザガスの予備電離
を行う。ピーキングコンデンサに印加される電圧が主電
極１、２間の絶縁破壊電圧に達すると、主放電が開始し
レーザガスが励起される。

【００１６】主電極背面からコロナ放電で予備電離を行
うことにより、主放電の幅を十分に広げることができる
ことは先にも述べた通りである。更にコロナ予備電離方
式を用いた予備電離源の両側に、ＵＶスパーク予備電離
方式を用いた予備電離源を設置し、アーク放電による予
備電離を付加することにより、コロナ予備電離方式単独
では得ることのできない予備電離電子密度が得られ、大
断面積、かつ空間的に均一な放電を実現することができ
る。また本実施例ではピン電極５が第２の主電極２の背
面に配置されているため、予備電離源がガス流を乱すこ
とはなく、またアーク放電により生じた不純物も放電空
間を汚染しないため、１秒間に数百回以上主放電を行う
高繰り返し運転時においても安定して均一な主放電が得
られる。本実施例の電極部構成によると２種類の予備電
離源両者とも第２の主電極の背面に設置されており、ま
た第２の主電極２が第２のピン電極も兼ねているため、
構造が単純になる。このため主放電ループのインダクタ
ンスを十分小さくすることができ高効率励起に有利であ
るばかりでなく、電極部の保守等も簡易に行うことがで
きる。

【００１７】実施例２．図２は、この発明の他の実施例
を示す電極部の構成図である。前記実施例においてはコ
の字型の誘電体を用いていたのに対し、本実施例ではこ
れにかえて円筒型の誘電体４を用いている。コロナ予備
電離方式において、通常の平板、もしくはコの字型の誘
電体を用いる場合、第２の主電極２と補助電極３との間
の沿面放電による短絡を防ぐため、補助電極に比して長
手方向、幅方向共にかなり大きめの誘電体を用いる必要
がある。しかし、本実施例のように円筒型の誘電体４を
用いれば、幅方向からの沿面放電の回り込みを防ぐこと
ができるので、この結果ピン電極５も、平板、もしくは
コの字型の誘電体を用いた場合に比べ、放電中心部へ近
付けることができるので、主放電場においてより高い予
備電離電子密度が得られ、より安定で均一な主放電が得
られるばかりでなく、電極部をよりコンパクトにまとめ
ることができ、主放電ループを更に低インダクタンス化
することができる。

【００１８】実施例３．これまで示した実施例は、予備
電離源にＵＶスパーク予備電離方式とコロナ予備電離方
式を組み合わせて用いたものであった。図３に示す実施
例は、予備電離源にＸ線予備電離方式とＵＶスパーク予
備電離方式を組み合わせて用いている。図において、１
７はＸ線発生装置、１８はＸ線である。Ｘ線を透過させ
るため中空にくり抜いた主電極２の背後にＸ線発生装置
１７を設置し、そこから発生したＸ線１８は、主電極２
の薄肉部を透過し、主電極１、２間のレーザガスを電離
する。更にこれに加え主電極２の両側にもピン電極５を
多数配置し、主電極２との間でアーク放電を起こし、そ
こから発生する紫外光で、レーザガスを予備電離する。

【００１９】Ｘ線による予備電離は、レーザガスに対す
る透過率が高いことから、空間的に非常に均一な予備電
離電子密度分布が得られることが知られている。しかし
一方、高い予備電離電子密度を得ようとすると、Ｘ線量
を上げなければならず、Ｘ線発生装置中の電子源等の改
良を伴い、非常に困難である。本実施例によると、簡易
に空間的に均一で高い予備電離電子密度を得ることがで
き、大断面積の均一放電を実現し、効率よくレーザを発
振させることができる。

【００２０】ところで、主放電に対する予備電離のタイ
ミングは、レーザ発振の効率、及び安定性に対し大きく
影響する。効率よく安定にレーザを発振させるためには
、主放電に対し適切なタイミングで予備電離を行わなく
てはならない。図１に示した回路構成では、コロナ予備
電離方式に関しては予備電離を行うための予備電離用回
路と、主放電を起こすための励起用回路が独立しておら
ず、コロナ放電のタイミングは、仕様から設定するコン
デンサ容量等の回路定数と、回路の構成、及び寸法から
決まるインダクタンス等の回路定数により決定される。 しかし、ＵＶスパーク予備電離方式に関しては、励起用
回路とは独立したスイッチを含む予備電離用回路を用い
ており、励起用回路とのタイミングを制御する手段を構
じる必要がある。

【００２１】実施例４．図４は、主放電と予備電離のタ
イミングを制御する手段を示したものである。図中、１
９はスイッチ１２を駆動させるためのスイッチ駆動用パ
ルサー、２０は基準信号に対し、任意の遅延時間で信号
を発生させることのできる遅延トリガ発生器である。ま
た点線で囲まれた部分２１は主放電を起こすための励起
用回路を示すものである。

【００２２】次に、本実施例の動作について説明する。 本実施例では、予備電離源にＵＶスパーク予備電離方式
とコロナ予備電離方式を組み合わせて用いている。コロ
ナ予備電離用回路は励起用回路２１に含まれており、主
放電に対するコロナ放電のタイミングは、励起用回路の
回路定数により決定され、スイッチ１２がＯＮすると、
コロナ放電はある定まったタイミングで、自動的に開始
する。これに対しＵＶスパーク予備電離用回路１５は励
起用回路２１から独立している。遅延トリガ発生器２０
に外部、または内部より基準信号を入力すると、この信
号を基準として励起用回路駆動信号、及びＵＶスパーク
予備電離用回路駆動信号を発生する。励起用回路駆動信
号はスイッチ駆動用パルサー１９に入力し、この信号を
トリガとして直ちにスイッチングを開始する。一方、Ｕ
Ｖスパーク予備電離用回路１５も予備電離用回路駆動信
号が入力するとスイッチがＯＮし、動作を開始する。遅
延トリガ発生器２０は任意の遅延時間を設定することが
できるため、主放電に対し最適なタイミングでアーク放
電を発生させることができる。

【００２３】ところで、サイラトロン駆動用パルサーの
ような、スイッチを動作させるための回路系においても
、ジッターを完全に抑えることは不可能である。上記実
施例は、励起用回路と予備電離用回路を同一の信号を基
準として動作させるタイミング制御方式である。この方
式を用いると、励起用回路のジッターが大きいとき、主
放電に対し、複数の予備電離すべてのタイミングが、最
適な位置からずれてしまう可能性がある。

【００２４】実施例５．図５は、上述のような主放電と
予備電離のタイミングのずれを抑えることのできる制御
方法を示したものである。本実施例では、予備電離源に
コロナ予備電離方式とＵＶスパーク予備電離方式を組み
合わせて用いており、励起用回路と二つの予備電離用回
路はそれぞれ独立している。図において、２２は補助電
極３に高電圧を印加するためのコロナ予備電離用回路、
２３は主電極１、２の間に印加される電圧を測定するた
めの電圧測定器である。励起用回路２１が動作を開始す
ると、第１、及び第２の主電極１、２の間に印加される
電圧も変化する。この電圧の変化を電圧測定器２３で検
出し、これを基準として遅延トリガ発生器２０により、
ＵＶスパーク予備電離用回路１５、並びにコロナ予備電
離用回路２２を始動させる。この方法によれば、励起用
回路の動作に合わせて、予備電離用回路の始動タイミン
グも変化するため、励起用回路のジッターについては考
える必要はなく、主放電と予備電離のタイミングのずれ
は、予備電離用回路のジッター内に抑えることができる
。なお、上記実施例ではコロナ予備電離方式とＵＶ予備
電離方式を組み合わせたものについて述べたが、Ｘ線と
ＵＶスパーク予備電離方式、Ｘ線とコロナ予備電離方式
等の組合せで用いても、この発明の効果を減ずるもので
はないことは言うまでもない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、相対
向して設けられた主電極の一方の背面に、少なくとも２
種類の異なる予備電離方式を用いた予備電離源を配設し
たので、簡易に空間的に均一、かつ高い予備電離電子密
度を得ることができ、大断面積で空間的に均一な主放電
を形成することが可能となり、高効率にレーザを発振さ
せることができる効果がある。また、予備電離源はその
設置位置からガス流に影響を与えることがなく、予備電
離から発生する不純物で主放電空間を汚染することもな
いため、１秒間に数十〜数百ショットの動作を行う高繰
り返し運転時においても安定で均一な主放電が得られる
効果がある。また、予備電離源を一方の主電極近傍に配
置するため、複数の予備電離方式を組み合わせて用いて
も電極部の構成を単純にすることができ、主放電ループ
のインダクタンスを十分小さくすることが可能で、高効
率励起に対して有利であるばかりでなく、保守等も簡易
に行うことができる効果がある。

【００２６】また、上記予備電離源のうち、少なくとも
１つの予備電離源を、第１、及び第２の主電極に接続さ
れた励起用回路とは独立した、予備電離を始動するため
のスイッチを含む予備電離用回路で駆動し、上記励起用
回路と上記予備電離用回路の動作タイミングを調整でき
るようにしたので、主放電と予備電離のタイミングを最
適値へ正確に設定することにより、常に安定なレーザ発
振が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１による放電励起ガスレーザ
装置の回路構成図である。

【図２】この発明の実施例２による放電励起ガスレーザ
装置の電極部の構成図である。

【図３】この発明の実施例３による放電励起ガスレーザ
装置の電極部の構成図である。

【図４】この発明の実施例４による放電励起ガスレーザ
装置の回路構成図である。

【図５】この発明の実施例５による放電励起ガスレーザ
装置の回路構成図である。

【図６】従来の放電励起ガスレーザ装置の電極部の構成
図である。

【図７】従来の放電励起ガスレーザ装置の電極部、及び
回路の構成図である。

【符号の説明】

１　　第１の主電極 ２　　第２の主電極 ３　　補助電極 ４　　誘電体 ５　　第１のピン電極 ６　　第２のピン電極 １５　　ＵＶアーク予備電離用回路 １７　　Ｘ線発生装置 １８　　Ｘ線 ２０　　遅延トリガ発生器 ２１　　励起用回路 ２２　　コロナ予備電離用回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザガス中において主放電を起こす
   ため相対向して設けられた第１、及び第２の主電極と、
   第１、及び第２の主電極に接続された励起用回路と、第
   １、及び第２の主電極間のレーザガスを主放電に先立ち
   予備電離するための予備電離源とを有し、第１、及び第
   ２の主電極間に放電を生成してレーザ発振を得る放電励
   起ガスレーザ装置において、第１、及び第２の主電極の
   うち、一方の主電極の、主放電と反対側の面側に、少な
   くとも２種類の、異なる予備電離方式を用いた予備電離
   源を設けたことを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の放電励起ガスレーザ装
   置において、少なくとも１つの予備電離源が、第１、及
   び第２の主電極に接続された励起用回路とは独立した、
   予備電離を始動するためのスイッチを含む予備電離用回
   路で駆動され、上記励起用回路と上記予備電離用回路の
   動作タイミングを調整する調整手段を設けたことを特徴
   とする放電励起ガスレーザ装置。