JPH05218559A - Co2導波管レーザ用の周波数掃引位相ロックループシンセサイザ電源 - Google Patents

Co2導波管レーザ用の周波数掃引位相ロックループシンセサイザ電源

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JPH05218559A
JPH05218559A JP4245152A JP24515292A JPH05218559A JP H05218559 A JPH05218559 A JP H05218559A JP 4245152 A JP4245152 A JP 4245152A JP 24515292 A JP24515292 A JP 24515292A JP H05218559 A JPH05218559 A JP H05218559A
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signal
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JP4245152A
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Charles E Nourrcier
チャールス・イー・ヌアーシアー
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、CO2 導波管レーザ用の無線周波
数電源の周波数が発振器開始時と連続動作時で1〜5M
Hz 相違するのに対して最適の周波数で電力を供給する
電源装置を提供することを目的とする。 【構成】 レーザ10の連続動作のために第1の予め定め
られた周波数で無線周波数レーザ駆動信号を発生する位
相ロックループ周波数シンセサイザ18のVCO26が連続
動作に最適な第1の周波数より高い第2の予め定められ
た周波数から下方に周波数掃引を開始して途中でレーザ
発振開始のための中間の第3の周波数を通って第1の予
め定められた周波数まで掃引して装置の誤差や温度変化
によるレーザ発振開始周波数の変動に関係なく、まず第
3の周波数でレーザ発振を開始させた後に連続動作に最
適な第1の周波数に自動的に電源周波数を設定すること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、CO2 導波管レーザの
発振開始および連続動作の両方に最適に設計された無線
周波数(RF)電源に関する。
【0002】
【従来の技術】CO2 導波管レーザは医療から軍事およ
び工業分野まで適用される信頼性の高い低価格な多用途
の装置である。これらのレーザの説明は、ラックマン氏
による文献(SPIE vol.247 Advances in Laser Enginee
ring and Applications,1980年,74乃至78頁)に記載さ
れている。これらのレーザは横断方向または縦方向の動
作モードを含む種々の構造およびDCまたはRF励起を
有する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】RF励起または駆動さ
れたCO2 導波管レーザに関する問題は、連続したレー
ザ動作に最適である周波数およびパワーレベルでRF励
起が最初に行われる場合、それらが発振開始しないこと
である。 150MHzの周波数で最大効率で連続的に動作
するレーザの一例として、レーザを最初に発振させるた
めに必要なRF励起は 150MHzより1乃至5MHz程
度高い周波数である。
【0004】レーザのインピーダンスはCO2 ガスの状
態および電極の物理的ディメンションによって決定され
る。ガスは電極と組合せられて分布容量を形成する誘電
材料のように作用する。ガスの誘電定数は不発振状態か
ら発振状態に変化する。RF駆動電源とレーザとの間で
整合したRFインピーダンスが発振状態に対して最適化
された場合、不発振状態において周波数は発振開始のた
めに十分なパワーをレーザに与えるために変化されなけ
ればならない。
【0005】十分なRF駆動パワーにより、レーザは連
続動作に最適な周波数でスタートされることができる。
しかしながら、これはさらに複雑で大きく高価である高
電力のRF供給を必要とする。レーザの最初の発振中の
高い反射パワーのために、RF電源内のRF増幅器は保
護されなければならない。これは付加的な複雑さおよび
費用をRF電源に付加する。
【0006】種々の手段は発振開始のために増加された
周波数でRF駆動パワーを最初に供給し、その後レーザ
が発振を開始した後、最適の連続動作周波数にRF駆動
パワーを切替えるために使用される。この機能を行う従
来技術の回路構造は、それらの出力において異なるRF
周波数を発生する開ループ構造で動作する2つの電圧制
御発振器(VCO)および適切な時間でレーザに発振器
を選択的に接続するRFスイッチを含む。
【0007】第1のVCOは最初に発振開始周波数より
高い周波数を有し、最適な連続動作周波数を通過して下
方に掃引する駆動信号を発生する。第2のVCOは最適
な連続動作周波数で駆動信号を発生する。RFスイッチ
は最初に発振開始するためにレーザに第1のVCOを接
続し、次に第1のVCOを切替えて遮断し、レーザが発
振開始した後に第2のVCOをスイッチインする。
【0008】このような周波数スイッチング構造を使用
してCO2 導波管レーザの発振を開始させ、動作させる
ことは可能であるが、2つのVCO間のスイッチングの
タイミングは臨界的である。第1のVCOが遮断され、
第2のVCOがまだ接続されていない(どちらのVCO
もレーザに接続されていない)時間の期間がある場合、
レーザ発振は消滅する。その代わりとして、第1のVC
Oが遮断される前に第2のVCOが接続された場合(両
VCOがレーザに接続される)、レーザは最適な連続動
作周波数より下で第1のVCOの周波数に後続し、発振
は消滅する。
【0009】VCO動作開ループは温度ドリフトの結果
生じた著しい出力周波数変化にさらされる。典型的なV
COの周波数対出力電圧は装置によっておよび、または
温度の影響のために10MHz乃至20MHzだけずら
れされる可能性がある。レーザの発振開始の周波数と連
続動作周波数との差は1MHz乃至5MHzに過ぎない
ため、このずれは大きい。周波数があまり高く掃引しな
い場合、レーザは発振開始しない。周波数が非常に低く
値まで掃引された場合、レーザの発振は消滅する。
【0010】さらにこれらの回路は、手動調節が正しい
周波数にVCOを同調するために必要なので自動化され
た大量生産が困難である。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明を使用するRF電
源は、通常連続的なレーザ動作に最適である第1の周波
数でCO2 導波管レーザにRF駆動信号を供給する位相
ロックループ周波数シンセサイザを含む。レーザの発振
を開始するためにシンセサイザの電圧制御された発振器
(VCO)は第1の周波数より高い第2の周波数からレ
ーザ発振開始に最適である中間の第3の周波数を通って
第1の周波数まで駆動信号の周波数を下方に掃引する。
レーザは第3の周波数を通って下方に掃引される途中で
発振が開始され、その後連続動作のための第1の周波数
に維持される。
【0012】本発明は掃引RF電源に大きく改良された
安定性および信頼性を与える位相ロックループの固有の
性能を示す。この電源は小さく、容易に利用可能で安価
な素子を使用し、手動調節または周波数同調が不要なの
で、自動化された市販生産ベースで製造されることが可
能である。この位相ロックループシンセサイザは安定し
た周波数基準により閉ループ構造で動作されるため、上
記の従来技術のスイッチング構造に関連した温度ドリフ
トの問題はなくなる。臨界的なタイミング要求はスイッ
チング動作が存在しないため取除かれる。
【0013】本発明のこれらおよび別の特徴および利点
は、以下の詳細な説明および添付図面から当業者に明ら
かになるであろう。ここで同じ参照符号は同じ素子を示
している。
【0014】
【実施例】図1は、上記のラックマン氏による上記の参
照文献に示されたように横断方向または縦方向モードの
構造を有するRF励起または駆動CO2 導波管レーザ10
を示す。RF電源12は、レーザ10および電源12の動作に
必要なDCおよびAC電圧を供給する主電源14並びに全
体的な動作を制御する制御ユニット16を含む。位相ロッ
クループ(PLL)シンセサイザ18は、典型的に3.75M
Hzの周波数でRF基準信号REFを発生する基準信号
発生器20を含む。信号REFはミキサまたは位相検出器
22の入力に供給される。
【0015】位相検出器22の1つの分枝出力は抵抗R1
およびR3 を通って演算増幅器OAの反転入力に供給さ
れる。位相検出器22の第2の分枝出力は抵抗R2 および
R4を通って増幅器OAの非反転入力に供給される。容
量C1 は抵抗R1 およびR3の接合部と接地との間に接
続される。容量C2 は抵抗R2 およびR4 の接合部と接
地との間に接続される。抵抗R6 および容量C4 は、増
幅器OAの非反転入力と接地との間に直列に接続され
る。演算増幅器OAはループ積分器または2次ローパス
フィルタ24として動作するるように接続され、抵抗R5
および容量C3 は通常の積分フィードバックループで増
幅器OAの出力とその反転入力との間に接続されてい
る。
【0016】増幅器OAの出力はダイオードDIの陽極
に接続され、その陰極は抵抗R8 を介して電圧制御発振
器(VCO)26の入力に接続される。抵抗R7 はダイオ
ードDIおよび抵抗R8 の接合部と接地との間に接続さ
れる。容量C5 はVCO26の入力と接地との間に接続さ
れる。
【0017】以下に説明するように、制御ユニット16は
抵抗R10を通じて電界効果トランジスタFETのゲート
に掃引パルス信号SWPを供給する。制御ユニット16の
SWP信号出力と抵抗R10の接合部は抵抗R11を通じて
接地されている。主電源14はトランジスタFETのドレ
インにDC電圧Vccを供給し、そのソースは抵抗R9を
介してVCO26の入力に接続されている。容量CXはV
CO26の入力を横切って接続され、さらに詳しく言えば
VCO26の入力と接地との間に抵抗R9 と直列接続され
る。VCO26の出力は、1:40の例示的な周波数分割比
を有する周波数分割器28を介して位相検出器22の入力に
フィードバックされる。
【0018】シンセサイザ18は通常VCO26の出力に現
れるRFレーザを駆動または出力信号DRを生成するよ
うに機能する。出力信号DRは、レーザ10の連続した動
作に最適であるように選択される 150MHzの例示的な
周波数を有する。詳細に示されていないが、レーザ10は
信号DRを増幅し、適切なインピーダンス整合でレーザ
光学装置にそれを供給する高電圧増幅器を含む。
【0019】特に、VCO26は入力に供給された電圧に
対応した周波数で信号DRを生成する。信号DRの周波
数は分割器28によって係数40で分割される。位相検出器
22は、周波数分割された信号DRの位相を基準信号RE
Fと比較し、それらの間の位相差に対応した差信号を発
生する。差信号は差信号中のRF成分を減衰するローパ
スフィルタ24に位相検出器22の2つの出力分枝を通じて
供給される。DIFとして示されたフィルタ処理された
差信号は、基準信号REFと出力信号DRと間の位相差
に対応したDC電圧を有する。信号DIFは、差信号D
IFの電圧に対応した周波数で出力信号DRを発生する
VCO26の入力に供給される。シンセサイザ18は通常レ
ーザ10の連続動作に最適である 150MHzで出力信号D
Rの周波数をロックするように機能する。出力信号DR
の周波数( 150MH)は分割器28の周波数分割比(40)
により乗算された基準信号REFの周波数(3.75MH
z)に等しい。
【0020】上記に論じられたように、レーザ10を発振
開始するのに最適な周波数は連続動作に対する最適周波
数より少し上である。レーザ10が連続動作に対して 150
MHで最適に駆動された場合、最適な発振開始周波数は
典型的に連続した動作周波数より1乃至5MHz程度上
の周波数である。
【0021】図2の(a)に示されているように、制御
ユニット16はレーザ10の発振を開始させるために、100m
s 程度の期間Tc を有するSWPパルスをトランジスタ
FETのゲートに一時的に供給する。SWPパルスはト
ランジスタFETをオンにし、抵抗R9 を通してVCO
26の入力と、期間Tc 中にトランジスタFETを通って
実質的に電圧Vccに充電するキャパシタCXとに電圧V
ccを供給する。
【0022】電圧Vccは、 150MHzより9MHz程度
高い周波数またはレーザ10の発振を開始させるのに最適
な周波数の少し上の周波数に対応するように選択され
る。期間Tc の終端時、キャパシタCXは実質的にVcc
に充電される。この電圧はVCO26に供給され、それに
電圧Vccに対応した周波数、例えばほぼ 159MHzで出
力信号DRを生成させる。SWPパルスの終端はトラン
ジスタFETをオフにさせ、それによってキャパシタC
XおよびVCO26から電圧Vccを遮断する。図2の
(b)に示されているように、キャパシタCXは、VC
O26の入力に供給されるキャパシタCXを横切る電圧V
ccが実質的なVccからシンセサイザがほぼ 150MHzで
ロックされる電圧Vo に向かって減少または下方に掃引
するように期間T中に抵抗R7 、R8 およびR9 並びに
VCO26の入力インピーダンスを通して放電する。放電
時間期間Td は重要ではなく、典型的に10秒程度であっ
てもよい。
【0023】図2の(c)に示されているように、この
動作は期間Td 中に出力信号DRの周波数を 159MHz
から 150MHzに向かって下方に掃引させる。この掃引
中に、周波数は通常Ti で示された時間にレーザ10を発
振開始するのに最適である値、例えば 153MHzに一時
的に到達し、レーザ10を発振開始する。信号DRの周波
数は、時間Ti に発振を開始したレーザ10が連続的に動
作する 150MHzの一定値まで連続的に下方に掃引を続
ける。
【0024】ダイオードDIは、期間Tc +Td の間の
周波数掃引動作期間中にローパスフィルタ24の出力から
VCO26の入力を遮断するように機能する逆方向阻止ダ
イオードである。実質的にTc +Td の期間全体の間の
キャパシタCXを横切る電圧が差信号DIFの電圧より
高い期間には、ダイオードDIは逆バイアスされ、それ
によってキャパシタCXを横切る掃引電圧が差信号DI
Fに重なることを可能にする。
【0025】回路中で関連した抵抗と組合せられたキャ
パシタCXの充電および放電時定数は、キャパシタCX
が時間期間Tc 中に比較的迅速に充電し、時間期間Td
中に比較的ゆっくりと放電するように選択される。それ
によって、信号DRの周波数はレーザ10の発振が開始さ
れる最適な周波数を通って比較的ゆっくりと下方に掃引
し、最適な連続駆動周波数まで連続的に下方に掃引が続
けられる。掃引がレーザの発振を開始させるために必要
な周波数より高い周波数で始まる限り、シンセサイザ18
に対して臨界的なタイミングまたは温度ドリフト状態は
存在しない。
【0026】掃引が始まる周波数はVccによって決定さ
れ、それはVCOパラメータにおける生産変数および温
度の影響を考慮した場合、適切な掃引を保証するために
非常に高く設定されることができる。
【0027】シンセサイザ18の適切な動作のために、信
号REFと信号DRのビートによって発生されたビート
周波数は大幅に減衰されることが重要である。このビー
ト周波数がVCO26を変調した場合、サイドバンドが出
力信号DRのスペクトル中で生成される。出力信号DR
は基準周波数とビート周波数の和および差に対応した周
波数(およびその高調波)のサイドバンドを有する。
【0028】ビート周波数は電磁干渉(EMI)に関連
しているに過ぎない。システムはRF電源から放射され
たピックアップを取除くために信号プロセッサ(示され
ていない)中にノッチフィルタを要求する。したがっ
て、ビート周波数を取除くことによってできるだけ狭い
RF電源のスペクトルを維持することが重要である。場
合によっては、これは問題ではない。
【0029】ビート周波数は、シンセサイザ18のループ
帯域幅に関して基準信号REFの周波数を非常に高くす
ることによって無視できるレベルに減少される。シンセ
サイザ18の周波数安定性は基準発振器20の周波数安定性
によって決定される。基準発振器の周波数を追跡するシ
ンセサイザ18の性能はループ帯域幅によって決定され
る。市販のVCO中の位相雑音は典型的に10KHzより
大きい周波数で−80dBcだけ減衰されるため、ほぼ25
KHz程度のループ帯域幅がシンセサイザ18に適切であ
る。
【0030】ビート周波数の減衰はさらにシンセサイザ
18の適切な位置に付加的な極またはローパスフィルタを
設けることによって行われることができる。抵抗R1 お
よびキャパシタC1 はローパスフィルタ24への入力の上
方分枝中にこのような付加的な1極を構成し、一方抵抗
R2 およびキャパシタC2 はその下方分枝に対応した付
加的な1極を構成する。抵抗R8 およびキャパシタC5
はローパスフィルタ24の出力とVCO26の入力との間に
付加的な極を構成する。
【0031】キャパシタCXの充電および放電時定数を
計算する等価回路は図3に示されている。トランジスタ
FETスイッチが閉じられた(トランジスタFETがS
WPパルスによってオンに切替えられた)とき、キャパ
シタCXは時定数Tc により充電し、ここにおいて、 Tc =CX(Rs +Rp ) ここで、Rs はSWPパルスによってオンに切替えられ
たトランジスタFETのドレインソース抵抗であり、R
p は電圧Vccを生成する電源14の電源インピーダンスで
ある。
【0032】SWPパルスの終端時に、トランジスタF
ETはオフに切替えられ、キャパシタCXは時定数Td
で放電し、ここにおいて、 Td =CX[R9 +Rvco (R7 +R8 )/(Rvco +R7 +R8 )] シンセサイザ18の主素子は市販の素子から組立てられ
る。例えば、位相検出器22はモトローラ社のMC4344の
集積回路(IC)、演算増幅器OAとしてプレシジョン
モノリシックス社のOP27IC、VCO26としてもモト
ローラ社のMC1648ICおよび周波数分割器28としてプ
レッシィSP8716ICを含む。
【0033】本発明の実施例が図示および説明されてい
るが、当業者は本発明の技術的範囲を逸脱することなく
種々の変形および別の態様を認識するであろう。したが
って、本発明は特に示された実施例だけに限定されるも
のではない。種々の修正が考慮され、添付された特許請
求の範囲によって限定されたように本発明の技術的範囲
を逸脱することなく行われることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を使用したCO2 導波管レーザ用のRF
電源を示す電気的概略図。
【図2】本発明の電源の動作を示すタイミング図。
【図3】本発明の電源の充電および放電時定数を計算す
る等価回路の概略図。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CO2 導波管レーザ用の無線周波数電源
    において、 通常連続したレーザ動作のために第1の予め定められた
    周波数で無線周波数レーザ駆動信号を発生する位相ロッ
    クループ周波数シンセサイザ手段と、 第1の予め定められた周波数より高い第2の予め定めら
    れた周波数からレーザ発振開始のための中間の第3の予
    め定められた周波数を通って第1の予め定められた周波
    数まで駆動信号の周波数をシンセサイザ手段によって下
    方に掃引させる周波数掃引手段とを具備していることを
    特徴とする電源。
  2. 【請求項2】 周波数掃引手段は、レーザ発振開始に最
    適である予め定められた時間の期間中に第2の予め定め
    られた周波数から第1の予め定められた周波数に駆動信
    号の周波数をシンセサイザ手段に掃引させるように構成
    されている請求項1記載の電源。
  3. 【請求項3】 シンセサイザ手段は、第4の予め定めら
    れた周波数でRF基準信号を発生する基準発振器手段
    と、 基準信号および駆動信号を受信し、それらの間の位相差
    に対応した電圧を有する差信号を生成する位相検出器手
    段と、 位相検出器手段から差信号を受信し、そこからRF信号
    成分を除去するローパスフィルタ手段と、 ローパスフィルタ手段から差信号を受信し、通常差信号
    の電圧に対応した周波数で駆動信号を発生する電圧制御
    発振器手段とを備え、差信号は通常第1の予め定められ
    た周波数に対応した第1の予め定められた電圧を有し、 周波数掃引手段は、差信号に重なり、第2の予め定めら
    れた周波数に対応した第2の予め定められた電圧から第
    1の予め定められた電圧に掃引する電圧を有する電圧制
    御発振器手段に周波数掃引信号を供給するように構成さ
    れている請求項1記載の電源。
  4. 【請求項4】 電圧制御発振器手段はローパスフィルタ
    手段から差信号を受信するための入力を有し、 周波数掃引手段は、電圧制御発振器手段の入力を横切っ
    て接続され、レーザ発振開始に最適である予め定められ
    た時間の期間に対応した時定数を有する容量手段と、第
    2の予め定められた電圧にこの容量手段を充電し、続い
    て容量手段を放電させる充電手段とを備えている請求項
    3記載の電源。
  5. 【請求項5】 周波数掃引手段は、容量手段が差信号の
    電圧より高い電圧に充電されたときに逆バイアスされる
    ローパスフィルタ手段と容量手段との間に接続された逆
    転阻止ダイオードを具備している請求項4記載の電源。
  6. 【請求項6】 容量手段は電圧制御発振器手段の入力端
    子目に直列接続されたキャパシタおよび抵抗を具備して
    いる請求項4記載の電源。
  7. 【請求項7】 実質的に第2の電圧を有する直流信号を
    発生する電源手段と、 充電手段に電源手段を一時的に接続するスイッチ手段と
    を具備している請求項4記載の電源。
  8. 【請求項8】 電圧制御発振器手段は駆動信号を出力す
    る出力部を有し、 シンセサイザ手段はさらに電圧制御発振器手段の出力と
    位相検出器手段との間に接続された周波数分割器手段を
    含み、 第1の予め定められた周波数は第4の予め定められた周
    波数より高い請求項3記載の電源。
  9. 【請求項9】 通常第1の予め定められた周波数で出力
    信号を発生する位相ロックループ周波数シンセサイザ手
    段と、 第1の予め定められた周波数より高い第2の予め定めら
    れた周波数から第1の予め定められた周波数まで出力信
    号の周波数をシンセサイザ手段によって下方に掃引させ
    る周波数掃引手段とを備え、 シンセサイザ手段は、第3の予め定められた周波数でR
    F基準信号を発生する基準発振器手段と、基準信号およ
    び出力信号を受信し、それらの間の位相差に対応した電
    圧を有する差信号を生成する位相検出器手段と、位相検
    出器手段から差信号を受信し、そこからRF信号成分を
    除去するローパスフィルタ手段と、ローパスフィルタ手
    段から差信号を受信し、通常差信号の電圧に対応した周
    波数で出力信号を発生する電圧制御発振器手段とを備
    え、差信号は通常第1の予め定められた周波数に対応し
    た第1の予め定められた電圧を有し、 周波数掃引手段は、差信号に重なり、第2の予め定めら
    れた周波数に対応した第2の予め定められた電圧から第
    1の予め定められた電圧まで掃引する電圧を有する電圧
    制御発振器手段に周波数掃引信号を供給するように構成
    されていることを特徴とする無線周波数電源。
  10. 【請求項10】 電圧制御発振器手段はローパスフィル
    タ手段から差信号を受信する入力を有し、 周波数掃引手段は、電圧制御発振器手段の入力端子間に
    接続され、予め定められた時定数を有する容量手段と、
    第2の予め定められた電圧にこの容量手段を充電し、そ
    れに続いて容量手段を放電させる充電手段とを備えてい
    る請求項9記載の電源。
  11. 【請求項11】 シンセサイザ手段はさらに基準信号と
    出力信号との間のビートによって発生されたビート信号
    を減衰するビート周波数フィルタ手段を備えている請求
    項9記載の電源。
  12. 【請求項12】 ローパスフィルタ手段は基準信号と出
    力信号との間のビートによって発生されたビート信号を
    減衰するビート周波数フィルタ手段を備えている請求項
    9記載の電源。
  13. 【請求項13】 基準信号と出力信号との間のビートに
    よって発生されたビート信号を減衰するローパスフィル
    タ手段と電圧制御発振器手段との間に接続されたビート
    周波数フィルタ手段を備えている請求項9記載の電源。
  14. 【請求項14】 電圧制御発振器手段は出力信号を出力
    する出力部を有し、 シンセサイザ手段はさらに電圧制御発振器手段の出力と
    位相検出器手段との間に接続された周波数分割器手段を
    具備し、 第1の予め定められた周波数は第3の予め定められた周
    波数より高い請求項9記載の電源。
JP4245152A 1991-09-13 1992-09-14 Co2導波管レーザ用の周波数掃引位相ロックループシンセサイザ電源 Pending JPH05218559A (ja)

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