JPH05291662A

JPH05291662A - ガスレーザ装置

Info

Publication number: JPH05291662A
Application number: JP4090693A
Authority: JP
Inventors: Kiyohisa Terai; 清寿寺井; Takaaki Murata; 隆昭村田; Hirokatsu Suzuki; 博勝鈴木; Toru Tamagawa; 徹玉川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】電源電圧条件、或は電極構造及びレーザガス
圧力を含む放電条件を適宜に設定するだけでレーザ発振
効率の向上を実現する。【構成】レーザガスが循環する放電空間５を挟んで第
１の誘電体電極３、第２の誘電体電極４を対向配置す
る。両電極３、４間に接続された交流電源１２の出力周
波数を７００ｋＨｚ以上に設定すると共に、その交流電
源１２の出力電圧を、放電空間５で生成される陽光柱電
圧がレーザ励起に寄与しない電極層領域での負担電圧
（通常は実効値で４５０Ｖ）より大きくなるようなレベ
ルに設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極間に高周波電圧を
印加して放電を行わせることによりレーザ光を発振させ
るガスレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７には、ガス流が出力光軸と直交した
形態の所謂横流形ガスレーザ装置の縦断面構造が示され
ている。この図７において、断面矩形状をなす外部風洞
１内には、断面Ｕ字状をなす金属製の内部風洞２が設け
られている。外部風洞１側には、その上面中央部にセラ
ミックスなどから成る平板状の第１の誘電体３ａが気密
に取り付けられ、内部風洞２側には、その上面開口部分
を閉鎖するようにして平板状の第２の誘電体４ａが気密
に取り付けられており、これら誘電体３ａ、４ａ間に所
定ギャップの放電空間５が存するように構成されてい
る。また、第１の誘電体３ａの上面中央部には第１の電
極部３ｂが取り付けられて、第１の誘電体電極３が構成
され、第２の誘電体４ａの下面中央部には第２の電極部
４ｂが取り付けられて、第１の誘電体電極３と対をなす
第２の誘電体電極４が構成されている。尚、第１の電極
部３ｂ及び第２電極部４ｂは交流電源６に接続される。

【０００３】外部風洞１及び内部風洞２間の空間部に
は、レーザガスが所定圧力で封入され、内部風洞２内は
外気に連通される。外部風洞１内の下部には、レーザガ
スを矢印Ａ方向に循環させるための送風機７及び放電空
間５を流れた後のレーザガスを冷却するための熱交換器
８が配置される。

【０００４】このような構成のレーザ発振器において
は、第１の電極部３ｂ及び第２の電極部４ｂ間に交流電
源６から交流電圧が印加されると、第１の誘電体３ａ及
び第２の誘電体４ａを介して放電空間５に交流放電が生
起されるようになり、その放電空間５を流れるレーザガ
スが励起されてレーザ光９が紙面に対し直交した方向に
発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】放電空間５での放電の
物理構造は、図４に摸式的に示すように、陽光柱１０と
第１及び第２の誘電体電極３及び４近傍の電極層１１と
から成る。この場合、陽光柱１０に対する注入電力はレ
ーザ励起に寄与するが、電極層１１に対する注入電力は
レーザ励起に寄与しない。しかしながら、従来構成のガ
スレーザ装置では、電極層１１領域での電力損失に対し
ての考慮が払われていなかったため、電極層１１領域で
の電力損失が全体の放電入力に対して大きな割合を占め
ることに起因してレーザ発振効率が低くなるという問題
点があった。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、電源電圧条件、或は電極構造及びレ
ーザガス圧力を含む放電条件を適宜に設定するだけでレ
ーザ発振効率の向上を実現できるようになるガスレーザ
装置を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、交流電圧が印加される少なくとも一対の電
極を、レーザガスが循環する放電空間を挟んだ状態で配
置して成るガスレーザ装置において、前記交流電源の周
波数を７００ｋＨｚ以上に設定すると共に、その交流電
源の出力電圧を、放電空間で生成される陽光柱電圧がレ
ーザ励起に寄与しない電極層領域での負担電圧より大き
くなるようなレベルに設定する構成としたものである。

【０００８】また、交流電圧が印加される少なくとも一
対の電極を、レーザガスが循環する放電空間を挟んだ状
態で配置して成るガスレーザ装置において、交流電源の
周波数を７００ｋＨｚ以上に設定した上で、対をなす電
極間の寸法ｄ及びレーザガスの圧力ｐを、ｐ・ｄ≧３４
torr・cmの関係を満足するように設定することにより、
放電空間でのレーザ励起に供される入力電力が全体の入
力電力の５０％以上となるように構成することもでき
る。

【０００９】

【作用】対をなす電極間に交流電源から交流電圧が印加
されると、それら電極間で交流放電が生起されるため、
放電空間を循環するレーザガスが励起されてレーザ光が
発生する。このような状態での電極間の放電構造は、図
４に示したように、注入電力がレーザ励起に寄与する陽
光柱１０と、注入電力がレーザ励起に寄与しない電極層
１１とにより構成された状態となる。このとき、交流電
源の周波数が低い場合には、電極層１１領域を流れる電
流は、変位電流成分に伝導電流成分が加わったものとな
るため、電力損失が増大することになるが、交流電源の
周波数が７００ｋＨｚ以上に設定されていた場合には、
電極層１１領域を流れる電流の主成分が変位電流となっ
て電力損失が低減すると共に、レーザパルス特性が向上
するものである。

【００１０】請求項１のように、交流電源の出力電圧
を、陽光柱１０の電圧がレーザ励起に寄与しない電極層
１１領域での負担電圧より大きくなるようなレベルに設
定する構成となっていた場合には、放電空間でのレーザ
励起に供される入力電力が全体の入力電力の５０％以上
となるものであり、総じてレーザ発振効率が向上するよ
うになる。

【００１１】請求項２のように、対をなす電極間の寸法
ｄ及びレーザガスの圧力ｐを、ｐ・ｄ≧３４torr・cmの
関係に設定する構成とした場合にも、不活性ガス成分が
通常レベル以下のレーザガスを使用する状況下では放電
空間でのレーザ励起に供される入力電力が全体の入力電
力の５０％以上にできるものであり、以てレーザ発振効
率が向上するようになる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の第１実施例について図１〜図
３並びに前述した図４を参照しながら説明する。

【００１３】図１には、ガス流が出力光軸と直交した形
態の所謂横流形ガスレーザ装置の縦断面構造を示してい
るが、その構成は図７に示した従来構成と概ね同様であ
るから、同一部分に同一符号を付すことによって説明を
省略した。即ち、この図１において、従来構成と異なる
点は、交流電源１２である。

【００１４】図２には交流電源１２の概要を示す。この
図２において、三相２００Ｖの交流入力を直流電源部１
３を通じてインバータ部１４に供給することにより、そ
のインバータ部１４から周波数７００ｋＨｚ以上の高周
波電圧を出力させる構成となっており、その高周波出力
を整合器１５を通じて第１及び第２の誘電体電極３及び
４の各電極部３ｂ及び４ｂに供給するように接続され
る。また、インバータ部１４からの出力電圧は、図４に
示した陽光柱１０の電圧Ｖｃがレーザ励起に寄与しない
電極層１１領域での負担電圧（通常は実効値で４５０
Ｖ）より大きいレベル、例えば、陽光柱１０の電圧Ｖｃ
が電極層１１領域での負担電圧の３倍となるレベルであ
る１３５０Ｖ（実効値）以上となるようなレベルに設定
している。

【００１５】尚、直流電源部１３は、交流入力を整流平
滑する回路とパルス幅変調形直流変換回路を含んで構成
されており、各電極部３ｂ、４ｂに供給する高周波電力
のレベル及びパルス制御を行うようになっている。ま
た、インバータ部１４は、スイッチング用の主回路素子
として静電誘導形トランジスタ（ＳＩＴ）を利用してい
る。

【００１６】さて、図３には、典型的なＣＯ2 レーザに
おける電源周波数（放電周波数）と電極層１１領域での
損失の関係を示している。

【００１７】この図３から理解できるように、電源周波
数が７００ｋＨｚより低い状態では、電極層１１領域を
流れる電流に伝導電流成分が加わるため、電力損失が増
大するようになり、電極層１１領域での損失がきわめて
大きくなる。これに対して、上記した本実施例の構成の
ように、電源周波数が７００ｋＨｚ以上に設定されたい
た場合には、電極層１１領域に流れる電流の主成分が損
失のない変位電流となるため、その領域での電力損失が
大幅に低減するようになり、またレーザパルス特性も向
上するようになる。

【００１８】このとき、本実施例のように、インバータ
部１４の出力電圧を、陽光柱１０の電圧Ｖｃが電極層１
１領域での負担電圧の３倍以上となるようなレベルに設
定する構成となっていた場合には、放電空間５において
レーザ励起に供される入力電力が全体の入力電力の７５
％以上となるものであり、総じてレーザ発振効率が向上
するようになる。

【００１９】尚、インバータ部１４の出力電圧は、陽光
柱１０の電圧がレーザ励起に寄与しない電極層１１領域
での負担電圧（通常は実効値で４５０Ｖ）より大きいレ
ベルであれば良いものであり、このようなレベルに設定
されていた場合には、放電空間５においてレーザ励起に
供される入力電力が全体の入力電力の５０％以上となっ
て、レーザ発振効率を実用上十分なレベルまで高め得る
ようになる。

【００２０】図５、図６には本発明の第２実施例が示さ
れており、以下これについて前記第１実施例と異なる部
分のみ説明する。

【００２１】即ち、この実施例では、図５において、第
１の誘電体電極３と第２の誘電体電極４との間の寸法
ｄ、並びに外部風洞１及び内部風洞２間の空間部に封入
するレーザガスの圧力ｐの関係を、次式のように設定し
ている。

【００２２】ｐ・ｄ≧１０３torr・cm このような関係に設定した場合には、前記第１実施例と
同様に、放電空間５においてレーザ励起に供される入力
電力を全体の入力電力の７５％以上とすることができる
ものであり、以下その理由について説明する。

【００２３】即ち、図６には、レーザガスとしてＣＯ2
、Ｎ2 、Ｈｅの混合ガスを使用した一般的なＣＯ2 レ
ーザにおいて、Ｎ2 の比率と陽光柱１０中の分子１個当
たりの換算電界Ｅ／Ｎとの関係を実験により求めたもの
である（電源周波数は７００ＫＨｚ）。

【００２４】例えばＮ2 濃度が６０％の場合には、Ｅ／
Ｎ＝４．１×１０^−１６（Ｖ・cm^２）となる。レー
ザガス圧力ｐが５０torr、温度Ｔが３００°Ｋの場合、
理想気体の状態方程式（ｋはボルツマン定数）によっ
て、単位体積当たりの分子数Ｎは、

【００２５】Ｎ＝Ｐ／ｋＴ＝５０×１３３．３／（１．３８×１０^−２３×３００）＝１．６１×１０^１８（／cm^３）で得られる。このとき、陽光柱電圧Ｖｃを前記実施例と
同様に１３５０Ｖ以上となるようにするためには、次式
を満足すれば良い。

【００２６】ｄ×（Ｎ／Ｔ）×Ｎ≧１３５０つまり、ｄ×４．１×１０^−１６×１．６１×１０
^１８≧１３５０の関係を満足すれば良いものであり、こ
れにより、ｄ≧２．０５cmが得られるが、レーザガス圧
力ｐが５０torrであるから、結果的に、ｐ・ｄ≧１０３
torr・cmの関係を満足すれば、放電空間５においてレー
ザ励起に供される入力電力を全体の入力電力の７５％以
上とすることができ、前記第１実施例と同様の効果を奏
し得る。

【００２７】尚、Ｎ2 濃度が６０％より低くなる場合に
は、図６のようにＥ／Ｎが減る傾向を示すから、ｄを大
きくすることによって対処できるものであり、この結果
として、ｐ・ｄ≧１０３torr・cmを満足すれば良くなる
ものである。

【００２８】また、陽光柱電圧Ｖｃをレーザ励起に寄与
しない電極層１１領域での負担電圧（通常は実効値で４
５０Ｖ）より大きくするためには、ｄ×（Ｎ／Ｔ）×Ｎ
≧４５０を満足すれば良いから、ｄ≧０．６８cmが得ら
れ、この結果として、次式（Ａ）の関係を満足する構成
とすれば、放電空間５においてレーザ励起に供される入
力電力を全体の入力電力の５０％以上とすることができ
るものであり、このようにした場合でもレーザ発振効率
を十分に高め得るようになる。

【００２９】ｐ・ｄ≧３４torr・cm …（Ａ）

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば以上の説明によって明ら
かなように、放電電力を供給するための交流電源の周波
数を７００ｋＨｚ以上に設定すると共に、その交流電源
の出力電圧を、放電空間で生成される陽光柱電圧がレー
ザ励起に寄与しない電極層領域での負担電圧より大きく
なるようなレベルに設定するという電源電圧条件の設
定、或は交流電源の周波数を７００ｋＨｚ以上に設定し
た上で、対をなす電極間の寸法ｄ並びにレーザガスの圧
力ｐを、ｐ・ｄ≧３４torr・cmの関係に設定するという
電極構造及びレーザガス圧力を含む放電条件の設定を行
うだけで、レーザ発振効率の向上を実現できるという優
れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す全体の概略的な縦断
正面図

【図２】交流電源の概略的構成図

【図３】電極層領域での損失特性図

【図４】放電空間での放電の物理構造を摸式的に示す図

【図５】本発明の第２実施例を示す図１相当図

【図６】作用説明用の特性図

【図７】従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

図中、１は外部風洞、２は内部風洞、３は第１の誘電体
電極、３ａは第１の誘電体、３ｂは第１の電極部、４は
第２の誘電体電極、４ａは第１の誘電体、４ｂは第１の
電極部、５は放電空間、１０は陽光柱、１１は電極層、
１２は交流電源を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玉川徹神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号株式会社東芝浜川崎工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザガスが循環する放電空間を挟んだ
状態で配置された少なくとも一対の電極と、これら電極
に接続された交流電源とを備えたガスレーザ装置におい
て、前記交流電源の周波数を７００ｋＨｚ以上に設定すると
共に、その交流電源の出力電圧を、前記放電空間で生成される
陽光柱電圧がレーザ励起に寄与しない電極層領域での負
担電圧より大きくなるようなレベルに設定したことを特
徴とするガスレーザ装置。
【請求項２】レーザガスが循環する放電空間を挟んだ
状態で配置された少なくとも一対の電極と、これら電極
に接続された交流電源とを備えたガスレーザ装置におい
て、前記交流電源の周波数を７００ｋＨｚ以上に設定すると
共に、対をなす電極間の寸法ｄ、並びにレーザガスの圧力ｐ
を、次式（Ａ）の関係に設定することにより、放電空間
でのレーザ励起に供される入力電力が全体の入力電力の
５０％以上となるように構成したことを特徴とするガス
レーザ装置。ｐ・ｄ≧３４torr・cm …（Ａ）