JPH0468584A - 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】 〔産業上の利用分野］ この発明はレーザ発振装置、とくにその放電励起回路の
改善に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は例えば雑誌（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒ第４３巻第８号（１９８３年１０月１５
日）、第７３５〜７３７頁）に示された従来のレーザ発
振装置における放電励起回路を示す回路構成囚である。

図において、（１）はレーザ筐体、（２）はこのレーザ
筐体（１）内に所定のガス圧力で封入、もしくは流され
ているレーザガスである。（３）および（４１はこのし
−ザガス（２）の雰囲気中に相対向して配置された第１
、および第２の主電極であり、（５）はこの主電極！３
）　、　（４１の相互間に生起されるレーザ励起放電で
ある。（６）はこの主電極＋３１　、　（４＋間に並列
に接続されて、そｎら相互間に急峻なパルス電圧を印加
し、第１、及び第２０主直極（３１、（４１に均一なレ
ーザ励起放電＋５１を開始させるためのエネルギを供給
するスパイ力コンデンサであり、（７）はこのスパイカ
コンデンサ（６）をパルス充電するためのスパイカ充電
用亀ｉである。（８）はスパイカ充電用電源（７）を構
成する直流高圧電源、（９）はパルス充電用コンデンサ
、＋１０）はパルス充電用コンデンサ（９）とスパイ力
コンデンサ（６）の間に挿入されるスイッチＳＷ、であ
る。◇υは前記第１、及び第２の主電極ｆ３ｉ　、　（
４１間に生起されたレーザ励起放電（５１を維持する１
こめの主たるエネルギを供給するサステイナコンデンサ
であり、０２）はサステイナコンデンサａυを充電する
ためのサステイナ充電用電源、（１３はサステイナコン
デンサ０１）に蓄えられたエネルギを第１１及び第２の
主電極（３）。

（４）間に供給する際のスイッチングを行なうスイッチ
ング素子である。

次に動作について説明する。まず、サステイナ充電用電
源０２）によりサステイナコンデンサ（１υを所定の充
電間圧ＶＰＦＮに充電する。次にスパイカ充電用電源（
７）によりスパイカコンデンサ（６）を充電する。スパ
イカ充岨用電源（７）は直流高圧電源（８）、パルス充
電用コンデンサ（９）、スイッチＳＸ〜１（１０）より
構成される。まず直流高圧電源（８）によりパルス充電
用コンデンサ（９１を直流充電しておく。次にスイッチ
５ｖＴｌ（１０１をＯＮ状態にすると、パルス充電用コ
ンデンサ（９）に蓄えられた電荷は登、激にスパイカコ
ンデンサ（６）に移行され、これに並列に接続された第
１、及び第２の主電極（３１、（４１間に急峻なパルス
電圧が印加される。第１、及び第２の主電極（３，、＋
４１間の電圧かその放電開始電圧ｖｂに達すると、スパ
イカコンデンサ（６）に蓄わえられた電荷が一気に第１
、及び第２の主電極（３１、（４１間に流れ込み、レー
ザ励起放電（５）が開始される。ここで、第１１及び第
２の主電極（３１、（４）間に電圧が印加されるのに先
立ち、もしくは電圧か印加されるのと同時に、Ｘ線、紫
外線、または紫外レーザ光等により、レーザ励起放電（
５）の領域が均一に予備電離されている場合は、レーザ
励起に必要な均一な放電となる。

スパイカコンデンサ（６）に蓄えられたエネルギにまり
、主″妊極＋３１　、　（４１間ｔこ均一な放電が開始
した時点で、スイッチング素子１２３）をＯＮの状Ｈｊ
こする。

この時、サステイナコンデンサ０１）に蓄えられ１こエ
ネルギが主電極ｔ３）　、　＋４ｊ間に流れ込み、レー
ザ発振が開始する。

主電極＋３１　、　（４１間の電圧を■ｇ、スイッチン
グ素子［１３を通してサステイナコンデンサαｌ）から
主電極＋３）　、　（４１間に流れ込む電流を１１．レ
ーザ発振パワーをＰとした時の、Ｖｇ、ｉｏ、ｐと時間
【の関係を第８図に示す。

上記に説明したようは、最初にスパイカコンデンサ（６
）により急峻なパルス高電圧を主電極ｆ３１　、　（４
ｊ間に印加し、均一なレーザ励起放電（５）を形成する
とともに、主電極ｆ３１　、　ｆ４）間の放電抵抗を準
定状放亀の値まで下げる。次にその抵抗値と同一の特性
インピーダンスを有するサステイナコンデンサ０υから
レーザ励起に必要な主たるエネルギを注入する放電回路
方式は、エキシマレーザのような、その放電抵抗が低い
レーザガスに対して効率よくエネルギを注入するのに有
効である。この放電回路方式は一般にスパイカ／サステ
イナ回路方式と呼ばれている。

さて、同回路方式において効率的にレーザ励起を行なう
ためには、スパイカコンデンサ（６）からのエネルギ注
入により均一な励起放電を開始することが重要となる。

そのための一つの解決策は、主電極［３１、（４１間に
立ち上がりが非常に速い電圧を印加して、直流的な電圧
を印加した際の放電開始電圧に対して十分高い電圧で放
電を開始させることである。

現状の放電回路における主電極＋３１　、　（４１間の
電圧の立ち上がりはパルス充電用コンデンサ（９）かラ
スパイカコンデンサ（６）における電荷の移行の速度で
定まっている。この内容を定量的に説明するために、放
電回路の等価回路を第９図に示す。同図において、α菊
はスイッチＳＷｌσ０）を通してパルス充電用コンデン
サ（９）からスパイカコンデンサ（６）に対して流ｎる
容量移行電Ｗｅ、　ｒ　ｔのループ（こおける浮遊のイ
ンダクタンスＬ＋　、［１５１は電流ｉｔのループにわ
ける浮遊の抵抗Ｒ１、口６１はレーザ励起放電（５）に
対する等価的なスイッチＳＷｄ、　ｉｌ力はレーザ励起
放電（５）部周辺に対する浮遊のインダクタンスＬａ、
Ｏｓ＋はレーザ励起放電（５）部周辺に対する浮遊の抵
抗Ｒａである。ま１こ、ｕ９＋はサステイナコンデンサ
ａ０からレーザ励起放電（５１部に流れる放電電流１ｎ
のループにおける浮遊のインダクタンスＬＳ１（２Ｇは
電流Ｉｎのループにおける浮遊の抵抗Ｒｓである。

さて、パルス充電用コンデンサ（９）の最初の充電電圧
をＶ、ｏとすれば、スパイカコンデンサ（６）の充Ｉｔ
圧■２がそのピーク電圧に達するまでの平均的な電圧の
立ち上かり、（ｄＶ２／ｄｔ　）ａｖｅはＸ（ＬＩＸＣ
２３ノー１２　　　　　　　・・・・・・・・・　（１
）ｃ４＝ｃ！ならば 〜・Ｔ （ｄＶ２／ｄｔ）２ｙｅ＝　−×　Ｖ３０Ｘ（ＬＩＸＣ
２ン−１／　２　　　、、、、、、・・・　　（２）で
表わされる。たｊごし、Ｃ（、Ｃ’ｌ　、　Ｃｐは各々
コンデンサ（＋　１．）　ｔ６１　ｆ９１の容量であり
、Ｃ２３−５ヨコ二　とする。

Ｃ２士Ｃ３ また、Ｒ１は十分小さいとして無視し１こ。今、典型的
な値としてＬ＋　＝　ＱＯＯｎＨ、Ｃ２＝　ｃ３＝６ｎ
Ｆ、　Ｖ３０＝＝５０ｋＶを仮定すると、（ｄ　Ｖ２／
’　ｄ　ｔ　）　３ｖｅ＝　３２５　ｋ〜ン旬Ｓとなり
、十分速い立ち上がりとは言えない。立上がりを改善す
るには、（２）式から、電流１ｔ　ループの浮遊のイン
ダクタンスＬ１を小さくすることが有効であるが、１秒
間に何百回もの高繰り返し発振を行なう装置では、高速
てレーザ励起放電（５）部にガスを流す必要性から、構
造的に困難てあっ１こ。

〔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たの
で、主電極間に印加される電圧の立ち上がりか遅く、直
流的な放電開始電圧に対して十分な過電圧を印加てきず
、安定した均一なレーザ励起放電を開始てきないという
問題点かあっ１こ。

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、安定した均一なレーザ励起放電を実現するこ
とにより、高出力、高効率で高信頼なレーザ発振装置を
得ることを目的としている。

〔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、スパイカ充電用璽源
とサステイナ充電用電源かスパイカコンデンサとサステ
イナコンデンサを互いに逆極性に充電する特性を有する
と共に、上記サステイナコンデンサが充電状態であり、
かつ上記スパイカコンデンサが充電される過程で、上記
スパイカコンデンサの充電電圧が第１、及び第２の主電
極間の放電開始電圧に達する以前に、サステイナコンデ
ンサと主電極を接続する回路中に挿入されたスイッチン
グ素子がＯＦＦ状態からＯＮ状態になるようにしたもの
である。また、このような発振装置においては、予備電
離放電部をスパイカコンデンサと並列に接続するとよい
。

〔作　用〕

この発明におけるレーザ発振装置では、サステイナコン
デンサと主電極を接続する回路中に挿入されたスイッチ
ング素子のスイッチングにより、スパイカコンデンサが
急峻に逆極性に充電され、主電極間に非常に立ち上がり
の速い電圧が印加される。また、予備電離放電部をスパ
イカコンデンサと並列に接続することにより、予備電離
量か容易に、かつ簡単な構成により大きくてきる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、Ｑ旧よりステイナ充電用電源０りに対して
逆極性の充電特性を有するスパイカ逆極性充電用電源、
区は逆極性スパイカ充電用電源＋２）１を実現する逆極
性直流高圧電源である。

第１図の構成は第７図に示した従来例の構成例とほぼ同
一であるが、少なくともスパイカ逆極性充電用電源０の
充電極性がサステイナ充電用電源α乃と互いに逆極性に
なっている点、およびスイッチング素子（１３１の動作
点において異なる。ここではスパイカ逆極性充電用電源
ＱＤの極性を従来例に対して反転させた場合、すなわち
、逆極性直流高圧電源ツの極性を反転させ１こ場合を仮
定して話を進める。その場合の主電極ｆ３）　（４）間
電圧■ｇ１スイッチング素子［３１を通りサステイナコ
ンデンサＯｖから主電極（３＋　、　（Ｊ間に流れ込む
電流１ｎ、およびレーザ発振パワーＰを第２図（こ示す
。

以下、Ｃの発明の動作１こついて説明Ｔる。まず、サス
テイナ充電用電源α２）によりサステイナコンデンサＱ
ｌ）を所定の充電電圧ＶＰＦＮに充電する。次にスパイ
カ逆充電用電源口の動作によりスパイカコンデンサ（６
）をパルス充電する。その際、主電極（３ｊ。

（４）間に印加される電圧Ｖ２Ｃ向きは第２図に示すよ
うに負の向きとなる。この充電Ｖ態を維持する時は、同
図中に示した破線Ａのように電圧■２が負の向きに増加
し、放電開始電圧ｖｂに達した時点てレーザ励起放電ｆ
５＋が開始されるが、この発明では少なくともｖｂに達
する以前のＶ、に達した点て、スイッチング素子（１３
１をＯＮ状態とする。この時、サステイナコンデンサ０
υに蓄えられた電荷が一気にスパイカコンデンサ（６）
に流れ込み、スパイカコンデンサ（６）はサステイナコ
ンデンサと同一極性で急峻に充電される。そして負の向
きにおける放電開始電圧Ｖｂより絶対値が大きいｖｂ、
に達した時点で均一なレーザ励起放Ｗｌ（５１が開始さ
れる。

この時、サステイナコンデンサ０１）に蓄えられた電荷
が主放電部に流れ込み、レーザ発振が行なわれる。

さて、スイッチング素子市かＯＮＬ、た状態となり、ス
パイ力コンデンサ（６）を充電する過程における電圧の
立ち上がりを第９区で示した等価回路で考える。ここで
は、電流Ｉｎのループの浮遊の抵抗Ｒ８を十分に小さい
ものとして無視する。また、スパイカ逆充電用電源囚の
影響を無視する。さらにスパイカ／サステイナ回路にお
いて一般に成り立つ仮定であるｃｌ＞＞ｃ２を想定する
。この時、スパイカコンデンサ（６）が回路的にそのピ
ーク電圧に達するまでの平均的な電圧の立ち上がり（ｄ
Ｖｚ／ｄｔ）　ｅＶｅは （ｄＶ２／′ｄ　Ｌ　）ａｖｅ　　へ−Ｘ（ＶＰＦＮ−
ｖ、）−＋　（Ｌ５−ｆｃ２）　ｌ／２・・・・・・・
・・・・・　（３） て表わされる。ここで典型的な値として、ＶＰＦＮ＝＝
　２０ｋＶ、Ｖｓ＝−２０ｋＶ　、ＬＳ＝５０ｎＨ，ｃ
２＝６ｎＦを（３）式に挿入すると （ｄ■２／′ｄｔ）ａｖｅ〜１４００に■７／μｓか得
られることになり、先に（２）式で得た従来方式に比べ
４倍り上速い（ｄ　Ｖ２／　ｄ　ｔ、　）　２ｙｅが得
られることがわかる。立ち上がりか速くなる主因は、（
２）式と（３）式を比較すると明らかなように、Ｌ＋に
比べＬＳか構造的に小さく押さえられることに起因して
いる。この結果、主電極＋３１　、　（４！間に立ち上
がりの速い電圧が印加され、より安定で屹−な励起放電
が得られるようになる。そして同一の充電エネルギに対
しても窩出力、高効率でかつ再現性の良いレーザ発振出
力が得られるようになる。

なお、（３１式から明らかなように、スイッチング素子
０３１をスイッチングする直前のスパイヵコンデンサ（
６）の充％、［圧Ｖｓは、絶対値として大きい方が主電
極間の電圧の立ち上がりを改善するという意味で良く、
少なくとも本来の放電開始電圧■ｂに対して Ｖ５１２０．６　Ｘ　ＩＶｂ の点で動作させることが安定動作を行なう上で、望まし
い。

なお、第１図に示し１ニサステイナ充電用電源６２）、
およびスパイカ逆極性充電用電源口の極性は一例であり
、互いに逆の極性であってもよい。

第３図はこの発明の他の実施例を示すものであり、スイ
ッチング素子を、礎気飽和スイッチのにより溝成した場
合について示し、第４図はこの場合の主電極ｆ３１　、
　（４１間の電圧■ｇの時間変化を示している。磁気飽
和スイッチ囚）を用いた場合はサステイナ充電用１町２
）の動作により、スパイヵコンデンサ（６）も初期状態
においてＶＰＦＮで充電されている。この状態てもスバ
イヵ逆充屯用電源ｃ！１１の動作により、スパイカコン
デンサ（６）を負方向に充電することは可能であり、負
方向の放電開始電圧Ｖｂに対し、電圧■ｓが主電極（３
１、ｆ４ｉ間に印加された時点で、磁気飽和スイッチの
が飽和するように設計する。すなわち、磁性体内の磁束
が第４図で示した斜線Ｂの積分値に達した時点で飽和す
るように、磁性材料の飽和磁束密度Ｂｓ　、飽和断面積
Ｓを選定すればよい。これによりこの発明の回路動作に
おける高繰返し動作が実現する。

また、スイッチング素子口３として高速トランジスタ、
ＳＩＴ等の半導体素子を用いても無論よい。

第５図はこの発明の一実施例による回路動作方式と紫外
線予備電離方式を組合わせた例で、（２４ａ）。

（２４ｂ）は予備電離用電極対、ｃ！５１は予備電離用
電極対（２４ａ）、（２４ｂ）間で発生するアーク放電
、■はアーク放電■から発生する紫外光である。このよ
うな回路構成では、最初にスパイカ充奄用電源因により
スパイカコンデンサ（６）を充電する過程において、予
備電離用電極対（２４ａ　）、　（２４ｂ）間でアーク
放電＋２５＋が起こり、そこから発生する紫外光勿）に
よりレーザ励起放＊　（５１の全領域が予備電離される
。次にスイッチング素子ｆ１３１が閉じ、サステイナコ
ンデンサα１）かスパイカコンデンサ（６）を導電位に
急峻に充電する過程においては、よりピーク値の高い移
行電流が流れるため、より強度の強い紫外光のが発生し
、より均一で大きな予備電離が行なわれ、急峻な主電極
（３１、（４＋間の印加とともにレーザ励起に適した均
一なレーザ励起放電（５）を開始するのに極めて有効に
作用する。

第６図はこの発明による回路動作方式と、沿面コロナ予
備電離方式を組合わせた例で、万は第２の主電極を構成
する配孔電極、ムは誘電体、ｃ！９１は補助電極である
。沿面コロナ予（イ：”ｉ！離方式では誘電体（至）を
介して開孔電極のと補助電極の、）間に／ｆルス高電圧
を印加することにより、開孔電極αの開孔端部において
均一なコロナ放電を発生し、レーザ励起放電（５）の部
分を予備電離するもので、構造が比較的簡単なことから
予備ＩＩｃ離源としての信頼性か高く、また、コロナ放
電による予備電離のため、レーザガスの解離等による劣
化が少ないという特長を有する。さて、開孔電極のと補
助電極の１を第６図に示すようにスパイカコンデンサ（
６）に並列に接続すれば、開孔電極のと補助電極α間に
主電極（３＋　、　（４＋間同様に立上がりの速い、急
峻なパルス電圧が印加され、電流値が高いコロナ放電が
形成され、予備電離量が大きくなる。これにより、より
均一な予備ｗＬ離が行なわれ、大出力、高効率なレーザ
発振に不可欠な均一励起放電が容易に実現する。

〔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
サとスパイカコンデンサを互いに逆極性の電圧で充゛題
すると共に、スパイカコンデンサの充電過程において、
７バイカコンデンサの充電電圧が主電極間の放電開始電
圧に達する以前に、サステイナコンデンサと主電極間に
挿入されたスイッチング素子をＯＦＦ状態からＯＮ状態
にし、放電を開始するようにしたので、高出力、高効率
で、かつ高信頼のレーザ発振装置が得らｎる効果がある
。

さらに、このようなレーザ発振装置において、予備電離
放電部をスパイカコンデンサと並列に接続することによ
り、予備電離量が容易に、かつ簡単な構成により大きく
でき、レーザ励起に適した均一なレーザ励起放電が実現
できる。

４、図面の簡単説明 第１図はこの発明の一実施例によるレーザ発振装置を示
す回路構成図、第２図はこの発明の一実施例に係る主電
極間電圧■２、サステイナコンデンサからの放電電流ｉ
ｎ１　及びレーザ発振パワーＰの波形を示す波形図、第
３図はこの発明の他の実施例によるレーザ発振装置を示
す回路構成図、第４図はこの発明の他の実施例に係る主
電極間電圧Ｖｇの波形を示す波形図、第５１及び第６図
は各々紫外線予備電離方式及び沿面予備電離方式を組み
合わせた、この発明の一実施例によるレーザ発振装置を
示す回路構成図、第７図は従来のレーザ発振装置を示す
回路構成図、第８図は従来のレーザ発振装置における主
電極間電圧ｖｇ１サステイナコンデンサからの放電電流
Ｉ　ｎｓ及びレーザ発振パワーＰの波形を示す波形図、
並びに第９図は従来及びこの発明の一実施例によるレー
ザ発振装置における放電回路の等価回路を示す回路図で
ある。

図において、（２）はレーザガス、（３）は第１の主電
極、（４）は第２の主電極、（５）はレーザ励起放電、
（６）はスパイカコンデンサ、α１）はサステイナコン
デンサ、Ｑ２）はサステイナ充電用電源、０３１はスイ
ッチング素子、２）１はスパイカ充電用電源、のは磁気
飽和スイッチ、（２４ａ　）　（２４ｂ　）は予備電離
用電極対、ムはアーク放電、ωは紫外光、τｊは開孔電
極、（支）は誘電体、伽、１は補助電極である。

なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザガス中において相対向する第１、及び第２
   の主電極、第１、及び第２の主電極に並列に接続された
   スパイカコンデンサ、第１、及び第２の主電極にスイッ
   チング素子を介して並列に接続されたサステイナコンデ
   ンサ、上記スパイカコンデンサを充電するスパイカ充電
   用電源、並びに上記サステイナコンデンサを充電するサ
   ステイナ充電用電源を備えたレーザ発振装置において、
   上記スパイカ充電用電源と上記サステイナ充電用電源が
   上記スパイカコンデンサと上記サステイナコンデンサを
   互いに逆極性に充電する特性を有すると共に、上記サス
   テイナコンデンサが充電状態であり、かつ上記スパイカ
   コンデンサが充電される過程で、上記スパイカコンデン
   サの充電電圧が第１、及び第２の主電極間の放電開始電
   圧に達する以前に、上記スイッチング素子がＯＦＦ状態
   からＯＮ状態になり、上記スパイカ充電用電源と逆方向
   の極性において、第１、及び第２の主電極間の放電が開
   始されることを特徴とするレーザ発振装置。
2. （２）第１、及び第２の主電極間において放電を開始す
   る以前に上記主電極間を予備電離する予備電離放電部を
   、スパイカコンデンサと並列に接続したことを特徴とす
   る請求項１記載のレーザ発振装置。