JPH04369283A - レーザー放電回路 - 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、材料加工、分光計測
、照明露光用光源等に用いられる放電励起型レーザー装
置に関し、特にＵＶ予備電離を用いた放電励起型レーザ
ー装置のレーザー放電回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】１気圧以上の気体を横方向から放電させ
、レーザー発振させる方式をＴＥＡレーザーと呼び、一
対の対向する主放電電極間に均一なグロー放電を発生さ
せ、レーザー発振に必要な反転分布領域を形成している
。このＴＥＡレーザーにおいて、放電空間全体に広がっ
たグロー放電を得るためには、主放電を開始する前に予
備電離を行い、あらかじめ放電空間全体に電子をばらま
いておく必要がある。特に、エキシマレーザーの場合は
負性ガス中での電子の寿命が短いため、主放電の直前に
出来るだけ多くの電子を発生させておく必要がある。

【０００３】現在、予備電離の方式としてはＸ線、アー
ク放電、コロナ放電などを使った様々な方式が使用され
ているが、とりわけアーク放電を使った方式は、その簡
便さ、信頼性の高さから容量移行型の予備電離方式とし
て広く使用されている。図４はアーク放電を使ったＵＶ
予備電離方式の等価回路を示している。図４の回路にお
いて、予備電離が開始されると高電圧電源Ｈ．Ｖ．に接
続されたコンデンサＣｓにはコイルＬｓ、Ｌｐ、Ｌｃを
通して電荷が充電される。次に、サイラトロンスイッチ
Ｔｈがオン状態になるとコンデンサＣｓから主放電用の
コンデンサＣｐへ電荷が移動し、ループ内に充電電流ｉ
ｐが流れる。この充電過程で前記ループ内に設けられた
予備電離ピン（スパークギャップ）Ｇに充電電流ｉｐが
流れるときにアーク放電が発生し、このアークから発生
する紫外光（ＵＶ）によって主放電電極Ｄ内の空間が予
備電離される。さらにこの後、コンデンサＣｐの電圧が
充電の進展と共に上昇して主放電開始電圧に達すると、
主放電電極Ｄ間に主放電電流ｉｄが流れ、主放電がスタ
ートして励起が行われる。この予備電離は、予備電離ピ
ンＧをＡの位置に置く主回路外予備電離方式と、Ｂの位
置に置く主回路内予備電離方式とが知られている。なお
、実際の予備電離ピンＧは回路中に複数設置されるが、
ここでは説明を簡単にするため、その一つを代表して示
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先に説明したように、
エキシマレーザーの場合は予備電離の際に出来るだけ多
くの電子を発生させておく必要があるため、予備電離電
極に大きなアーク電流を流すため、電極の消耗が激しく
なり、レーザーガス中の消耗電極のダスト量が多くなる
。このため、ダストによりレーザー内部の光取り出し窓
の汚染の進行や、冷却ガス攪拌ファンのベアリング寿命
の低下、レーザー光の散乱による効率低下などが引き起
こされるという問題点があった。また、放電プラズマ中
のイオン温度も高くなるために放電化学反応も盛んにな
り、これによってレーザー媒質ガスの劣化が促進され、
ガス寿命も短くなるという問題も生じていた。

【０００５】この発明は、レーザー出力に影響を及ぼす
ことなく、予備電離ピンを通過させる電荷量を小さくす
ることによって、予備電離電極の消耗、及び放電化学反
応を低減することができるレーザー放電回路を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、この発明に係わるレーザー放電回路においては、予備
電離用のコンデンサと主放電用コンデンサを分離すると
共に、前記予備電離コンデンサの充電開始時間を制御す
る遅延素子を、前記主放電用コンデンサと並列に設けて
いる。

【０００７】上記レーザー放電回路は容量移行型回路で
構成され、遅延素子としては可飽和リアクトル、サイラ
トロンなどを用いることができる。また、この放電回路
はＬＣ反転回路のほか、ＰＦＬなどの分布定数型回路な
どにより構成することができる。さらに、前記レーザー
放電回路はその一部に磁気スイッチを用いて構成しても
よい。

【０００８】

【作用】主放電用コンデンサの電圧は充電開始と共に次
第に上昇する。一方、予備電離用コンデンサは遅延素子
により、所定の遅延時間が経過した後に充電が開始され
る。前記遅延素子の遅延時間を、例えば主放電用コンデ
ンサへの充電開始から主放電開始までの時間の２／３程
度に設定すれば、双方のコンデンサの電圧は主放電開始
時点でほぼ同じ電位となる。このため、予備電離が主放
電に近い時刻に行われることになり、予備電離電子の損
失を少なくすることができる。したがって、従来のよう
に予備電離の際に多くの電子を発生させる必要がなくな
り、予備電離ピンを通過する電荷量を小さくすることが
できる。この結果、予備電離電極の消耗が最少限に抑え
られ、レーザー内部の光取り出し窓の汚染の進行や、冷
却ガス攪拌ファンのベアリング寿命の低下などを低減す
ることができる。また、従来に比べて放電化学反応も抑
えられるので、ガスの劣化低減やガス寿命の伸長を図る
ことができる。

【０００９】

【実施例】以下、この発明に係わるレーザー放電回路の
一実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１０】図１は、この発明に係わるレーザー放電回
路の一実施例を示す等価回路図である。この回路は、先
に説明した図４における主放電用のコンデンサＣｐと並
列に遅延素子Ｒ、前記Ｃｐよりも小さな容量を持つ予備
電離用のコンデンサＣｐ´、及びコイルＬｐ´を設置し
ている。その他の構成は図４の回路とほぼ同じであり、
同等部分を同一符号で表している。

【００１１】前記遅延素子としては、例えば図２（ａ）
の可飽和リアクトル、同図（ｂ）のサイラトロンなどが
ある。遅延素子に要求される機能としては、コンデンサ
Ｃｐの充電開始よりも後にコンデンサＣｐ´の充電開始
を設定することができればよく、同等の機能を有する素
子であれば、前記例以外の素子を使用してもよい。なお
、図１の回路では可飽和リアクトルを使用している。

【００１２】次に、上記回路の動作について説明する。 図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した回路各部の波形を
示している。図３（ａ）において、コンデンサＣｓから
の電荷がコンデンサＣｐに充電されるにつれて、コンデ
ンサＣｓの電圧Ｖｓが降下し、同時にコンデンサＣｐの
電圧Ｖｐが次第に増加する。コンデンサＣｐに流れる充
電電流ｉｐの波形を図３（ｂ）に示す。さて、充電開始
から遅延時間Δｔが経過すると遅延素子Ｒの可飽和リア
クトルが飽和し、コンデンサＣｐ´の充電（電圧Ｖｐ´
）が開始される。

【００１３】ここで、例えばＣｐ´＝Ｃｐ／１０程度と
なるようにコンデンサＣｐ´の容量を設定しておくと、
電圧Ｖｐ´の立ち上がりは電圧Ｖｐの充電時間の１／３
程度となる。したがって、遅延時間Δｔを電圧Ｖｐの充
電開始から主放電開始までの時間Ｔの２／３程度に設定
すれば、図３（ａ）に示すように電圧Ｖｐ、Ｖｐ´は主
放電開始時点でほぼ同じ電位となる。また、コンデンサ
Ｃｐ´の充電時間は遅延時間Δｔの分だけ短くなるが、
充電される電荷量は遅延の有無にかかわらず一定となる
。すなわち、予備電離ピンＧを通過する電荷の量はＶｐ
´＝Ｖｐとなる時点でほば所定量に到達し、図３（ｃ）
に示すように充電時間が短くなった分だけ電流のピーク
値が増大する。また、充電電流ｉｐ´が最大となる時刻
は主放電開始の時刻に近くなる。

【００１４】図３（ｃ）において、ａは遅延がないとき
の充電電流ｉｐ´の波形を表し、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ
遅延時間Δｔを大きくしたときの充電電流ｉｐ´の波形
を表している。このうち、ｄは遅延時間Δｔのときの充
電電流ｉｐ´の波形を表しており、上述したように充電
時間が短くなった分だけ電流のピーク値が増大している
。上述したように、充電される電荷量は遅延の有無にか
かわらず一定であり、波形ｄの斜線部の面積と波形ａ〜
ｃの面積は同じとなる。

【００１５】上述した遅延素子による作用を予備電離と
いう観点から考えると、次のように説明することができ
る。通常は電圧Ｖｐの立ち上がりと共にゆっくりと予備
電離光が発光し始め、放電開始後Ｔ／２近傍で最大とな
った後に次第に発光は弱まっていく。しかし、先に説明
したように予備電離光による光電離で発生した電子は、
イオンとの再結合、負性ガスとの会合によって時間と共
に指数関数的に減少する傾向がある。例えばエキシマレ
ーザーの場合、ＸｅＣｌでは数１００ｎｓ〜数μｓの時
定数で減少し、ＫｒＦでは数１０ｎｓ〜数１００ｎｓの
時定数で減少してしまう。このため、従来は予備電離の
際にできるだけ多くの電子を発生させていたが、この実
施例の図１の回路によれば、予備電離が主放電に近い時
刻で行われるので、予備電離電子の損失が少なく、効率
のよい予備電離ができる。したがって、余分な電子を発
生させる必要がなくなり、従来に比べて予備電離ピンＧ
を通過させる電荷量を小さくすることができる。この結
果、放電化学反応も抑えられ、ガスの劣化を低減し、ガ
ス寿命を伸長することができる。また、これによって予
備電離電極の消耗が少なくなるため、放電生成物による
レーザー内部の光取り出し窓の汚染の進行や、冷却ガス
攪拌ファンのベアリング寿命の低下などを低減すること
ができる。したがって、メンテナンスコスト、ガス代な
どのランニングコストを大幅に低減することが可能なレ
ーザー放電回路とすることができる。

【００１６】上記実施例では、容量移行型回路として構
成した例について述べたが、スパークＵＶ予備電離が使
用できる回路であれば、他の励起回路で構成してもよい
。

【００１７】図５はＬＣ反転回路により構成した場合の
回路図である。この回路では、まず高電圧電源Ｈ．Ｖ．
から並列に接続された２個の蓄積コンデンサＣｓに対し
て充電が行われる。充電後、サイラトロンスイッチＴｈ
がスイッチオンされると、図中下側のコンデンサＣｓと
共振用コイルＬｓとの間でＬＣ共振回路が形成され、コ
ンデンサＣｓと共振用コンデンサＬｓの積で決まる時定
数でコンデンサ両端の電圧が自由振動する。したがって
、スイッチオンから最初の半周期後に下側コンデンサＣ
ｓの電圧は充電時に対して逆転し、ピーキングコンデン
サＣｐ及びＣＰ´に印加される電圧は２倍となる。次に
、ピーキングコンデンサＣｐが充電される間にＣｐ´は
遅延素子Ｒにより予備電離が遅らされ、主放電の直前に
高輝度の予備電離を行いレーザー発振を行う。

【００１８】図６はＰＦＬ（パルスフォーミングライン
）回路により構成した場合の回路図である。この回路で
は、パルス動作の充電電源により１つの分布定数型（例
えば、平行平板の水コンデンサなど）の素子を充電する
と同時に、遅延素子Ｒにより遅延してコンデンサＣｐ´
が充電される際に予備電離が行われる。このときの遅延
時間は、充電時間及び主放電スイッチにより開始するＰ
ＦＬの特性インピーダンスで決まる電気エネルギーの伝
搬速度を考慮して設定されている。この遅延により主放
電の直前に高輝度の予備電離を行い、レーザー発振を行
う。

【００１９】図７はＢｌｕｍｌｅｉｎ（ブルムライン）
回路により構成した場合の回路図である。この回路では
、パルス動作の充電電源により一対の分布定数型（例え
ば、３枚の導体を用いた平行平板の水コンデンサなど）
の素子を充電すると同時に、遅延素子Ｒにより遅延して
コンデンサＣｐ´が充電される際に予備電離が行われる
。このときの遅延時間は、充電時間及び主放電スイッチ
により開始するＰＦＬの特性インピーダンスで決まる電
気エネルギーの伝搬速度を考慮して設定されている。主
放電は片側のコンデンサＣｐ´をスイッチした際に発生
する分布定数回路の自由振動現象を利用して電圧を倍加
させて高電圧を発生させている。この遅延により主放電
の直前に高輝度の予備電離を行い、レーザー発振を行う
。

【００２０】図８は図５のＬＣ反転回路に磁気スイッチ
Ｓｈを使用した場合の回路図である。この回路は、ＬＣ
反転回路のコンデンサＣｓからコンデンサＣｐのエネル
ギーの移行を遅延させエネルギーの移行効率を改善した
もので、この場合の磁気スイッチＳｈには耐久性、効率
の点でＮｉ，Ｃｏ　系のアモルファスリボンなどの磁性
材料が用いられている。回路の動作はＬＣ反転回路とほ
ぼ同じであり、容量移行時の効率、放電負荷とのマッチ
ングが改善されている図９は容量移行回路（例えば、図
１など）のサイラトロンスイッチＴｈと直列に磁気スイ
ッチＳｈを使用した場合の回路図である。この回路は、
スイッチング時のサイラトロンの内部放電抵抗がまだ高
い時点での導通電流を磁気スイッチＳｈによって抑制す
るようにしたもので、サイラトロンスイッチＴｈの発熱
を抑え、寿命を延ばすことができる。動作はスイッチの
タイミングが磁気スイッチＳｈの保持時間分だけ遅れる
。その他は従来の容量移行回路と同じである。

【００２１】なお、図８のＬＣ反転回路において、サイ
ラトロンスイッチＴｈと直列に磁気スイッチＳｈを接続
すれば、図９の回路と同様の効果を得ることができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
レーザー放電回路では、予備電離用のコンデンサと主放
電用コンデンサを分離し、前記予備電離コンデンサの充
電開始時間を制御する遅延素子を前記主放電用コンデン
サと並列に設け、予備電離が主放電に近い時刻に行われ
るようにしたため、予備電離電子の損失が低減し、効率
のよい予備電離を行うことができる。したがって、予備
電離ピンを通過させる電荷量を小さくすることができる
ようになり、不要な放電化学反応が抑えられる。この結
果、ガスの劣化が少なくなり、ガス寿命を伸長すること
が可能となる。また、予備電離電極の消耗も少なくなる
ため、ダストによるレーザー内部の光取り出し窓の汚染
の進行や、冷却ガス攪拌ファンのベアリング寿命の低下
、レーザー光の散乱による効率低下などを最少限にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わるレーザー放電回路の一実施例
を示す等価回路図

【図２】遅延素子の例を示す説明図

【図３】図１の回路各部の波形を示す図

【図４】アーク
放電を使ったＵＶ予備電離方式の等価回路図

【図５】ＬＣ反転回路により構成した場合の回路図

【図
６】ＰＦＬ回路により構成した場合の回路図

【図７】Ｂ
ｌｎｍｌｅｉｎ回路により構成した場合の回路図

【図８】ＬＣ反転回路に磁気スイッチを使用した場合の
回路図

【図９】容量移行回路のサイラトロンスイッチと直列に
磁気スイッチを使用した場合の回路図

【符号の説明】

Ｌｓ、Ｌｐ、Ｌｃ…コイル、Ｃｐ、Ｃｐ´、Ｃｓ…コン
デンサ、Ｔｈ…サイラトロンスイッチ、Ｒ…遅延素子、
Ｄ…主放電電極、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＵＶ予備電離を用いた放電励起型レーザー
   装置のレーザー放電回路において、予備電離用のコンデ
   ンサと主放電用のコンデンサを分離すると共に、前記予
   備電離コンデンサの充電開始時間を制御する遅延素子を
   前記主放電用コンデンサと並列に接続したことを特徴と
   するレーザー放電回路。