JPH05315676A - パルスレーザ放電電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルスレーザ電極のスパーク放電電極を流れ
る電流値と持続時間を低減し有効な予備電離を可能とす
る。スパーク放電電極並びにレーザを構成する各光学部
品の長寿命化を図る。レーザ出力の安定性を向上させ
る。 【構成】 第１の主電極１を放電用のコンデンサ５及び
充電抵抗８を介して高圧電源９に接続し、この放電用の
コンデンサ５はスイッチ７を介して接地する。第１の主
電極１を、充電用インダクタンス６を介して接地する。
主電極１には、スパーク放電電極を構成する第１の金属
電極３ａを接続する。スパーク放電電極を構成する第２
の金属電極３ｂを、前記第１の金属電極３ａとギャップ
４を介して対向して設ける。第２の金属電極３ｂは、そ
の周囲を誘電体１２で覆うと共にインピーダンス１３を
介して接地する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、予備電離用のスパーク
電極を備えたパルスレーザ放電電極に関するもので、特
に、スパーク電極部分の構成に改良を施してその損耗を
防止する技術に係る。

【０００２】

【従来の技術】放電励起方式のガスレーザでは、レーザ
ガス中で空間的に均一なグロー放電を発生させてレーザ
発振を得ている。ところが、横方向励起パルスＣＯ2 レ
ーザやエキシマレーザを始めとするパルスレーザ放電電
極では、レーザガス圧力が大気圧以上であり、さらに電
子付着性の強いガス成分を含んでいるため、上記グロー
放電を均一に点弧することは難しい。このため、主電極
部の近傍に設けたスパーク放電電極を使用して、グロー
放電点弧に先立って予備電離を行うとともに、高速のパ
ルス電圧を主放電部に印加して、グロー放電を形成する
のが一般的である。

【０００３】図４は、このような予備電離用のスパーク
放電電極を備えた従来のパルスレーザ放電電極の放電部
の構造と励起電源回路の一例を示したものである。即
ち、レーザガスが充填された空間内部には、第１及び第
２の一対の主電極１，２が対向して配設されている。な
お、この主電極１，２を配置した空間は、図示していな
いレーザガス循環用送風器の作用によりレーザガスが循
環されていることから、一般に風洞と呼ばれている。こ
れら一対の主電極１，２のうち、第２の主電極２は電気
的に接地されている。

【０００４】一方、放電電源側である第１の主電極１の
近傍には、第１及び第２の一対のスパーク放電電極３
ａ，３ｂが配置されている。第１のスパーク放電電極３
ａと第２のスパーク放電電極３ｂは、ギャップ４を介し
て、レーザガス中に対向して配設されている。これらス
パーク放電電極３ａ，３ｂのうち、第１のスパーク放電
電極３ａは、主電極１と電気的に接続され同電位になっ
ている。一方、第２のスパーク放電電極３ｂは、主電極
１から電気的に絶縁されてレーザガス中から引き出さ
れ、スパーク放電電源用のコンデンサ５に接続されてい
る。これらコンデンサ５と第２のスパーク放電電極３ｂ
とには、充電用インダクタンス６の一端が共通接続さ
れ、この充電用インダクタンス６の他端は接地されてい
る。また、コンデンサ５はスイッチ７を介して接地され
るとともに、充電抵抗８を介して高圧電源（ＨＶ）９に
接続されている。更に、主電極１，２間にはコンデンサ
１０が接続されている。なお、前記各コンデンサ及びイ
ンダクタンス類は、１もしくは複数個が並列接続されて
構成されている。

【０００５】以上の様に構成された従来のパルスレーザ
放電電極の動作を説明する。即ち、初期状態ではスイッ
チ７は開いており、高圧電源９−充電抵抗８−コンデン
サ５−充電用インダクタンス６−接地の経路で、コンデ
ンサ５は充電されている。一方、コンデンサ１０は充電
されていないので、第１の主電極１は接地電位になって
いる。スイッチ７が閉じられると、コンデンサ５のスイ
ッチ７側の電位は接地電位となるので、コンデンサ５の
第２のスパーク放電電極３ｂ側の電位は、コンデンサ５
に充電された極性と逆の極性でスパーク放電電極３ｂに
加わる。この時点で、第１のスパーク放電電極３ａは接
地電位なので、ギャップ４間にコンデンサ５に充電され
た高電圧が加わり、ギャップ４でスパーク放電が発生す
る。このスパーク放電により発生する紫外線で主電極
１，２間のレーザガスが電離され、予備電離電子が生成
される。また、この際、コンデンサ５に蓄えられた電荷
は、接地−スイッチ７−コンデンサ５−スパーク放電電
極３ｂ−ギャップ４−スパーク放電電極３ａ−主電極１
−コンデンサ１０−接地の経路で流れ、コンデンサ１０
が充電されていく。コンデンサ１０が充電されて、コン
デンサ１０の両端の電圧が上昇し、主電極１，２間に加
わる電圧がレーザガスの放電破壊電圧以上に達すると、
主電極１，２間にグロー放電１１が形成され、レーザガ
スが励起されて、図示していない光共振器の作用でレー
ザ光が紙面垂直方向に出射される。

【０００６】図５は、以上述べた従来のパルスレーザ放
電電極の主電極１，２間の電圧波形Ｖ1-2 と、スパーク
放電電極３ａとスパーク放電電極３ｂ間を流れる電流Ｉ
3a-3b を示す。時刻ｔ＝０でスイッチ７が動作し、電流
Ｉ3a-3b によってコンデンサ１０が充電されている。グ
ロー放電１１が発生するのは、時刻ｔｓの点である。こ
の様に、スパーク放電電極３ａとスパーク放電電極３ｂ
間にはグロー放電１１が形成される前から、形成されて
いる間も含めて、電流Ｉ3a-3b が流れ続けている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様な従来のパルス
レーザ放電電極においては、スパーク放電電極３ａとス
パーク放電電極３ｂ間を、合計数ｋＡにも達する電流Ｉ
3a-3b が流れ続けるため、スパーク放電電極３ａとスパ
ーク放電電極３ｂの消耗は著しい。特に、パルスレーザ
を高繰り返しで運転するとこの傾向はより顕著で、スパ
ーク放電電極３ａとスパーク放電電極３ｂとのギャップ
間隔が変化し、所定の電圧で動作することができなくな
る。また、スパーク放電電極３ａとスパーク放電電極３
ｂの金属が蒸発してレーザ装置内に充満し、光学部品な
どの寿命を短くするという問題もある。

【０００８】この様に、従来のパルス放電電極では、ス
パーク放電電極部分の損耗により、では、繰り返し運転
や長寿命運転といった産業応用上必要な運転動作を実現
するのは困難であった。また、グロー放電１１の放電開
始電圧は、スパーク放電電極の動作特性に影響されるた
め、スパーク放電電極が消耗してその動作特性にバラつ
きが生ずるようになると、放電注入エネルギーも変化し
て最終的にレーザ出力が一定しない原因となっていた。

【０００９】本発明は、上述した様な従来技術の欠点を
解消するために提案されたもので、その目的は、スパー
ク放電電極を流れる電流値と持続時間を大幅に低減し、
スパーク放電電極の長寿命化を図るとともに光学部品の
寿命も長くし、さらにはレーザ出力の安定性を高めるこ
とができる、パルスレーザ放電電極を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、放電電源に接続された第１の主電極と
接地電位にある第２の主電極とを対向配置し、第１の主
電極の近傍に予備電離用のスパーク放電電極を配置した
パルスレーザ放電電極において、前記スパーク放電電極
を、互いに一定の距離をおいて配置された第１及び第２
の金属電極から構成し、これら金属電極のうち、第１の
金属電極を前記第１の主電極に接続し、第２の金属電極
を前記第１の主電極に対して誘電体を介して接続し、前
記誘電体を配置した第２の金属電極を、インピーダンス
素子を介して第２の主電極に接続したことを特徴とする
ものである。

【００１１】

【作用】上記のような構成の本発明によれば、第２の金
属電極に配置した誘電体により、スパーク放電電極と並
列にコンデンサが形成されることになり、このスパーク
放電電極を流れる電流値は、前記誘電体の誘電率と形状
により決定されコンデンサ値と、これに接続されるイン
ピーダンス素子の値によって決定される。その結果、こ
れらコンデンサ値とインダクタンス素子の値を適切に設
定することにより、スパーク放電電極に流れる電流の通
電時間を従来技術と比べて大幅に低減できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２に基
づいて具体的に説明する。なお、図４に示した従来技術
と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略す
る。

【００１３】本実施例においては、図１に示した様に、
放電電源側の第１の主電極１は、放電用のコンデンサ５
及び充電抵抗８を介して高圧電源９に接続され、この放
電用のコンデンサ５はスイッチ７を介して接地されてい
る。また、第１の主電極１は、充電用インダクタンス６
を介して接地されている。一方、第２の主電極２は、従
来技術と同様に電気的に接地されている。前記主電極１
には、スパーク放電電極を構成する第１の金属電極３ａ
が接続され、両者は同電位となっている。また、スパー
ク放電電極を構成する第２の金属電極３ｂは、前記第１
の金属電極３ａとギャップ４を介して対向して設けられ
ている。また、この第２の金属電極３ｂは、その周囲が
誘電体１２で密着して覆われるとともに、主電極１から
電気的に絶縁されてレーザガス中から引き出され、イン
ピーダンス１３を介して接地されている。

【００１４】このように構成された本実施例のスパーク
放電電極部分の等価回路を示すと、図２の通りである。
即ち、放電用コンデンサ５に対して、ギャップ４を有す
るスパーク放電電極３ａ，３ｂと誘電体１２によって構
成されたコンデンサとが並列に接続され、更にこれらの
電極とコンデンサに対して、互いに並列接続された主電
極放電用のコンデンサ１０、充電用インダクタンス６及
びインピーダンス１３の三者が接続されている。

【００１５】以上の様に構成された本実施例のパルスレ
ーザ放電電極の動作を以下に説明する。即ち、初期状態
ではスイッチ７は開いており、高圧電源ＨＶ９−充電抵
抗８−コンデンサ５−充電用インダクタンス６−接地の
経路でコンデンサ５は充電されている。この時、コンデ
ンサ１０は充電されていないので、主電極１及び第１の
金属電極３ａは接地電位になっている。次いで、スイッ
チ７が閉じられると、コンデンサ５のスイッチ７側の電
位は接地電位となるので、コンデンサ５のスパーク放電
電極３ａ側の電位はコンデンサ５に充電された極性と逆
の極性でスパーク放電電極３ａに加わり、スパーク放電
電極３ｂの周囲に密着配置された誘電体１２が形成する
コンデンサが充電される。

【００１６】その後、誘電体１２によって形成されたコ
ンデンサの充電が完了した時点で、第２の金属電極３ｂ
は接地電位なので、ギャップ４間にコンデンサ５に充電
された高電圧が加わり、ギャップ４でスパーク放電が発
生する。この場合のスパーク放電電流は、コンデンサ５
に貯えられた電荷が第１の金属電極３ａから第２の金属
電極３ｂを通りインピーダンス１３を介して接地に流れ
る電流と、誘電体１２が形成するコンデンサに充電され
た電荷が、スパーク放電電極３ａ−スパーク放電電極３
ｂ−誘電体１２の経路で流れる電流との合成電流とな
る。ただし、本実施例では、前者の電流はインピーダン
ス素子の値を本実施例の時間尺度に比較して非常に大き
く設定しておくことにより、後者に対してほとんど無視
される。このため、スパーク放電を流れる電流の波形
は、図３のＩに示す波形となる。

【００１７】一般に、スパーク放電により発生する紫外
線は、スパーク放電電極を流れる電流最大値や持続時間
に大きく影響されないため、本実施例のようにスパーク
放電電流が図５の従来技術の場合に比較して短時間しか
持続しなくとも、主電極１，２間のレーザガスは有効に
電離され予備電離電子が生成される。また、この際、の
主電極１，２間の放電は従来技術と同様にして行われ、
本実施例のような電極構成としても従来技術に比較して
問題が生じることがない。即ち、本実施例において、コ
ンデンサ５に蓄えられた電荷は、接地−スイッチ７−コ
ンデンサ５−主電極１−コンデンサ１０−接地の経路で
流れ、コンデンサ１０が充電されていく。コンデンサ１
０が充電されて、コンデンサ１０の両端の電圧が上昇
し、主電極１，２間に加わる電圧がレーザガスの放電破
壊電圧以上に達すると、主電極１，２間にグロー放電１
１が形成され、レーザガスが励起されて図示していない
光共振器の作用でレーザ光が紙面垂直方向に出射され
る。

【００１８】以上説明したように、本実施例では、時刻
ｔ＝０でスイッチ７が動作し、コンデンサ１０が充電さ
れていくが、スパーク放電電極を構成する第１と第２の
金属電極３ａ，３ｂ間を流れる電流値及び電流持続時間
は、従来の電流は比較して最大値、持続時間ともに大幅
に低減されることがわかる。

【００１９】

【発明の効果】上記のような構成の本発明によれば、ス
パーク放電電極を構成する金属電極に誘電体を配設する
という簡単な手段により、スパーク放電電極を流れる電
流値と持続時間を大幅に低減しつつ有効な予備電離を可
能とし、これによりスパーク放電電極並びにレーザを構
成する各光学部品の長寿命化を図ると共に、レーザ出力
の安定性を向上させたパルスレーザ放電電極を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルスレーザ放電電極の一実施例を示
す正面図。

【図２】図１の実施例の電気的等価回路図。

【図３】図１の実施例の動作を説明するグラフ。

【図４】従来のパルスレーザ放電電極の構成を示す正面
図。

【図５】従来のパルスレーザ放電電極の動作を説明する
グラフ。

【符号の説明】

１，２…第１及び第２の主電極 ３ａ，３ｂ…スパーク放電電極を構成する第１及び第２
の金属電極 ４…ギャップ ５…コンデンサ ６…充電用インダクタンス ７…スイッチ ８…充電抵抗 ９…高圧電源 １０…コンデンサ １１…グロー放電 １２…誘電体 １３…インピーダンス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電電源に接続された第１の主電極と接地
   電位にある第２の主電極とを対向配置し、第１の主電極
   の近傍に予備電離用のスパーク放電電極を配置したパル
   スレーザ放電電極において、 前記スパーク放電電極を、互いに一定の距離をおいて配
   置された第１及び第２の金属電極から構成し、 これら金属電極のうち、第１の金属電極を前記第１の主
   電極に接続し、第２の金属電極を前記第１の主電極に対
   して誘電体を介して接続し、 前記誘電体を配置した第２の金属電極を、インピーダン
   ス素子を介して第２の主電極に接続したことを特徴とす
   るパルスレーザ放電電極。