JPH05175582A - 高繰返しパルスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高繰返しパルスレーザ装置の放電部近傍にお
いて、レーザガス温度を速やかに低下させ、不純物の発
生を抑制することができるようにする。 【構成】 ２つの主電極２，３の両側（上流側及び下流
側）に配設される風ガイド１０の内、レーザガス流の下
流側に位置する下流側風ガイド１０ａの内部に、電極長
手方向に直径数ｍｍ程度の冷却管１１が複数本設けられ
ている。これら複数本の冷却管１１は、電極長手方向の
端部において連結されており、冷却管全体として一つの
流路を構成している。また、前記冷却管１１は熱交換器
（図示せず）の冷却管と直列に接続され、熱交換器内を
流れる冷却水の循環経路の一部を構成している。そし
て、熱交換器内の冷却水が、下流側風ガイド１０ａ内を
常時循環する冷却媒体として機能できるように構成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザーガスを強制的に
循環させてレーザ発振を行う高繰返しパルスレーザ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザガスを強制的に循環させ
てレーザ発振を行う高繰返しパルスレーザ装置は、アノ
ード及びカソードを構成する一対の主電極が、密閉容器
内に一定間隔をおいて対向する位置に配設され、これら
主電極間にレーザ発振の方向と直交する方向にレーザガ
スが強制的に循環されるように構成されている。そし
て、そのレーザガスを、前記一対の主電極間に生じるグ
ロー放電で励起してレーザ光を発振させるのが一般的で
ある。

【０００３】図２は従来の高繰返しパルスレーザ装置の
一例を示したもので、その光軸垂直方向の断面を模式的
に表わしている。

【０００４】即ち、密閉容器であるレーザチャンバ１内
のレーザ媒質中には、第１の主電極２（カソード）と、
それと対向する位置に、第２の主電極３（アノード）が
配設されている。また、対向する２つの主電極２，３の
間には、放電終了後のレーザガスを速やかに交換し、レ
ーザ放電により発生した不純物が混入した残留ガスを除
去するために、レーザガスを強制的に循環させる送気手
段４により、矢印の方向にレーザガス流５が生じてい
る。

【０００５】さらに、２つの主電極２，３の両側には、
レーザガス流の方向を制御する風ガイド６が配設されて
いる。また、レーザ放電を行った後のレーザガスは高温
になっているので、レーザチャンバ１内のガス流路中に
は、熱交換器７が設けられ、レーザガスを冷却できるよ
うに構成されている。

【０００６】この様に構成された従来の高繰返しパルス
レーザ装置において、高繰返しパルス電源８からＨＶパ
ルスが主放電電極間に印加された時、主放電空間に注入
されるエネルギーＥは以下の式で表わされる。

【０００７】Ｅ＝１／２ＣｐＶ² Ｃｐ：ピーキングコンデンサ容量 Ｖ：充電電圧 このエネルギーが数１０ｎｓｅｃという短時間に主放電
電極に印加されるため、放電部に注入されるピークエネ
ルギーは数ＭＷ／ｃｃに達する。

【０００８】ところが、このような放電励起型パルスレ
ーザにおけるエネルギー効率（出力エネルギー／注入エ
ネルギー）は、一般に数％程度と非常に低い値をとる。
即ち、注入エネルギーの大部分は回路損失やジュール熱
となって失われてしまう。この注入エネルギーの熱損分
は、電極を通してレーザガスへと移行し、その結果、電
極及びレーザガスの温度を急激に上昇させることにな
る。

【０００９】図３は、レーザガス温度とレーザ平均出力
の関係を示したものである。即ち、レーザガス温度が上
昇するとレーザ出力は大幅に低下することが種々の調査
から明らかにされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この様なレーザガス温
度の上昇は、レーザガス自体の分解・化合による不純物
の生成や、レーザチャンバ内部の各部品を構成する構造
物に吸着されていた不純物のレーザガス中への離脱等を
促進することになる。そこで、一般には、高温となった
放電領域のガスを、送気手段４により熱交換器７に通し
て冷却するという手段が講じられている。

【００１１】また、高温になって活性化されたレーザガ
スにおいては、高温状態の持続時間が長い程、反応可能
時間が長くなるので、新たに発生・混入する不純物量は
増加する。そのため、放電後のレーザガスの冷却は、可
能な限り早期に行う必要がある。従って、熱交換器７は
できるだけ放電部に近い位置に設置されることが望まし
い。

【００１２】しかしながら、前記熱交換器７は多数の放
熱用フィンと冷却水を流すための冷却管から構成されて
いるため、その冷却効率を高めるためには、３次元的に
ある程度の大きさが必要となる。そのため、熱交換器７
を放電部に近接させて配置するには、放電部の側部に広
い空間が必要となり、その結果、レーザチャンバ本体が
大型になるといった不具合が生じていた。

【００１３】そのため、従来の高繰返しパルスレーザ装
置においては、熱交換器が放電部から離れた位置に配置
されるため、高温のレーザガスが熱交換器で冷却される
までに多量の不純物が発生する。これら不純物は、レー
ザ発振効率の低下、レーザガスの劣化、レーザ出力鏡・
反射鏡の汚染、電極の腐食促進等といった不利益をもた
らす原因となり、ひいては、レーザ出力の長時間安定化
を阻害する要因ともなっていた。

【００１４】本発明は上述した様な従来技術の欠点を解
決するために提案されたものであり、その目的は、放電
部近傍において、レーザガス温度を速やかに低下させ、
不純物の発生を抑制することができ、安定したレーザ出
力を得ることのできる優れた高繰返しパルスレーザ装置
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、密閉容器内
に、対向配置された一対の金属製主電極と、これら主電
極間にレーザガスを循環させる送気手段と、この送気手
段により発生したレーザガス流を効率良く放電部に流入
・流出させる風ガイドとを備え、さらに、レーザ放電後
のレーザガスを冷却するための熱交換器を有する高繰返
しパルスレーザ装置において、放電部近傍に配設された
前記風ガイドの内、少なくとも放電部より下流側に設け
られた風ガイドに、冷却媒体を流すための冷却管を設け
たことを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】以上の様な構成を有する本発明の高繰返しパル
スレーザ装置においては、風ガイド内部を流れる冷却媒
体の効果により、常時風ガイド全体が積極的に冷却され
ているため、放電注入エネルギーにより上昇したレーザ
ガスの温度を、放電直後に速やかに低下させることがで
き、レーザガスの反応性を抑制することができる。その
結果、不純物の発生量を低下させることができるので、
高繰返し動作条件下においても、常に安定したグロー放
電を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて具
体的に説明する。なお、図２に示した従来型と同一の部
材には同一の符号を付して、説明は省略する。

【００１８】本実施例においては、図１に示した様に、
２つの主電極２，３の両側（上流側及び下流側）に配設
される風ガイド１０の内、放電領域から見てレーザガス
流の下流側に位置する下流側風ガイド１０ａの内部に、
電極長手方向に直径数ｍｍ程度の冷却管１１が複数本設
けられている。これら複数本の冷却管１１は、電極長手
方向の端部において連結されており、冷却管全体として
一つの流路を構成している。

【００１９】また、前記冷却管１１は熱交換器（図示せ
ず）の冷却管と直列に接続され、熱交換器内を流れる冷
却水の循環経路の一部を構成している。そして、熱交換
器内の冷却水が、下流側風ガイド１０ａ内を常時循環す
る冷却媒体として機能できるように構成されている。

【００２０】なお、前記風ガイド１０は、テフロン、Ｐ
ＶＤＦ、ガラスエポキシなどの高分子絶縁物より構成さ
れている。

【００２１】この様な構成を有する本実施例の高繰返し
パルスレーザ装置は、以下に述べる様に作用する。即
ち、高繰返しパルス電源８からパルス高電圧（ＨＶパル
ス）が印加され、予め予備電離電極（図示せず）により
予備電離された主電極２，３間のレーザガス中で放電破
壊が発生すると、放電部に注入された莫大なエネルギー
の大部分は熱量に変換され、放電領域に存在するレーザ
ガス中に放出される。そのため、放電部のレーザガス温
度は、例えば摂氏百数十度にまで上昇する。

【００２２】この様な場合であっても、本実施例におい
ては、下流側風ガイド１０ａの内部を循環する冷却水の
冷却作用により、下流側風ガイド１０ａ本体は常時冷却
されているため、下流側風ガイド１０ａの表面とレーザ
ガスの間において速やかに熱交換が行われる。即ち、放
電により温度上昇したレーザガスは、その直後に冷却さ
れることになる。

【００２３】従って、レーザガスが高い反応性を有する
高温状態は、放電直後に緩和されるため、放電部から離
れた位置に配設された熱交換器にレーザガスが到達する
までの不純物生成反応は抑制される。その結果、レーザ
ガスの消耗・劣化速度を大幅に低下させることができ
る。

【００２４】また、熱交換器に到達するレーザガスは、
下流側風ガイド１０ａによりすでにある程度冷却されて
いるため、熱交換器部分での冷却効率は高くなり、ガス
の劣化はさらに抑制される。このことは、安定なグロー
放電の点弧に寄与するだけでなく、レーザガスの長寿命
化にもつながるため、長時間にわたり安定なレーザ発振
を維持することが可能になる。

【００２５】さらに、下流側風ガイド１０ａの冷却管１
１と熱交換器の冷却管を直列に接続することによって、
パルスレーザ装置本体に配設する冷却水供給口・排出口
を共用することができるため、パルスレーザ装置の部材
点数も最小限とすることができる。

【００２６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、以下に示す適用例においても、同様の
効果を得ることができる。

【００２７】例えば、本実施例においては、下流側風ガ
イド１０ａの冷却管１１と熱交換器の冷却管を直列に連
結し、冷却水供給口・排出口を共用していたが、冷却水
の供給・排出はそれぞれ別個に行っても良い。この場合
には、下流側風ガイドと熱交換器にそれぞれ別個の冷却
媒体を流すことが可能となる。即ち、風ガイド部分の冷
却媒体の絶縁性を重視する場合には、水より高価な絶縁
性流体であるフロンや絶縁油を流すのは風ガイド部分の
みとし、膨大な量の冷媒を消費する熱交換器には安価な
水を流すというように、状況に応じて流す媒質を変える
ことができ、また、一方のみにチラーを取付けて、さら
に冷却効率を上げることもできる。

【００２８】また、下流側風ガイド１０ａだけでなく、
上流側風ガイド１０ｂ中にも冷却管を設けても良い。

【００２９】さらに、予備電離方法、送気手段、電源方
式、励起回路等については種々の方式を選択することが
できる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、放電
部近傍に配設された風ガイドの内、少なくとも放電部よ
り下流側に設けられた風ガイドに、冷却媒体を流すため
の冷却管を設けることにより、放電部近傍において、レ
ーザガス温度を速やかに低下させ、不純物の発生を抑制
することができ、安定したレーザ出力を得ることのでき
る優れた高繰返しパルスレーザ装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高繰返しパルスレーザ装置の一実施例
を示す要部断面図

【図２】従来の高繰返しパルスレーザ装置の構成を示す
断面図

【図３】レーザガス温度とレーザ平均出力の関係を示す
図

【符号の説明】

１…レーザチャンバ ２…第１の主電極 ３…第２の主電極 ４…送気手段 ５…レーザガス流 ６…風ガイド ７…熱交換器 ８…高繰返しパルス電源 １０ａ…下流側風ガイド １１…冷却管

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 8934−4Ｍ Ｈ０１Ｓ 3/04 Ｇ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉容器内に、対向配置された一対の金
   属製主電極と、これら主電極間にレーザガスを循環させ
   る送気手段と、この送気手段により発生したレーザガス
   流を効率良く放電部に流入・流出させる風ガイドとを備
   え、さらに、レーザ放電後のレーザガスを冷却するため
   の熱交換器を有する高繰返しパルスレーザ装置におい
   て、 放電部近傍に配設された前記風ガイドの内、少なくとも
   放電部より下流側に設けられた風ガイドに、冷却媒体を
   流すための冷却管を設けたことを特徴とする高繰返しパ
   ルスレーザ装置。