JPH053358A - 放電励起ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高繰り返し発振時においても出力の安定性に
優れ、高効率かつ長寿命でしかも小型軽量の放電励起ガ
スレ−ザ装置を提供する。 【構成】 気密容器１の内部にレ−ザ媒質ガス１１と一
対の電極２ａ、２ｂを備え、この一対の電極２ａ、２ｂ
に印加される直流パルスの極性を反転させ、レ−ザ媒質
ガス１１を放電励起させる。 【効果】 一定時間間隔で一対の電極２ａ、２ｂの極性
を反転させるので、レーザ媒質ガス１１の流速を大きく
しなくても放電領域１５におけるレ−ザ媒質ガス１１が
空間的に一様となり、高繰り返し発振時においてもレ−
ザ励起放電が安定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工業分野で用いられる放
電励起ガスレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、新しい産業用のレーザ光源として
エキシマレーザが注目されている。エキシマレーザは、
レーザ媒質ガスとしてクリプトン、キセノンなどの希ガ
スと弗素、塩素などのハロゲンガスとを組み合わせるこ
とにより、３５３ｎｍから１９３ｎｍの間の波長で発振
線を得ることができる紫外レーザの一つである。エキシ
マレーザは、従来のレーザ装置に比べて短い波長域で大
きな出力が得られるので、工業、医療などの分野におけ
る新しい光源として期待されている。特に半導体製造工
程においては、超ＬＳＩ製造用縮小投影露光装置の水銀
ランプに代わる光源として急速に需要が立ち上がりつつ
ある。エキシマレーザ装置はレーザ媒質ガスの励起方法
によって放電励起方式、電子ビーム励起方式、Ｘ線励起
方式、マイクロ波励起方式などがある。中でも装置の構
成が簡単で、高繰り返し化が可能であり、かつ小型化が
容易なことから、工業用の分野においては放電励起方式
が多用されている。

【０００３】以下に従来の放電励起ガスレーザ装置につ
いて説明する。図１５は従来の放電励起高繰り返しエキ
シマレーザ装置の概略構成図である。図１５において、
１は気密容器、２ａ、２ｂは一対の主電極、３はピーキ
ングコンデンサ、４はピーキングコンデンサ３に接続さ
れた予備電離ギャップ、９は送風ファン、１０は熱交換
器であり、これらによってレーザ発振管が構成されてい
る。また気密容器１内にはレーザ媒質ガス１１が封入さ
れている。なおピーキングコンデンサ３、予備電離ギャ
ップ４および主電極２ａ、２ｂから構成される２次回路
は、Ａ点とＡ’点でサイラトロンなどからなるスイッチ
６、充電用コンデンサ５、充電用インダクタ８および直
流高電圧電源７から構成される１次回路に接続されてい
る。また１２は移行電流、１３は送風ファン９の回転方
向、１４は送風ファン９によって生ずるガス流、１５は
放電領域である。

【０００４】以上のように構成された放電励起高繰り返
しエキシマレーザ装置について、以下にその動作につい
て説明する。まず直流高電圧電源７によって充電用コン
デンサ５に電荷が蓄えられる。充電用コンデンサ５に所
定の電荷が蓄えられ、その両端の電位差が一定の値にな
った時点でスイッチ６が閉じられる。スイッチ６が閉じ
られると、Ａ点の電位はＡ’点を基準として負方向に増
大する。Ａ点の電位が負方向に増大するにともない、予
備電離ギャップ４において絶縁破壊が生じ、一方の主電
極２ａと他方の主電極２ｂとの間を予備電離するととも
に充電用コンデンサ５から移行電流１２が矢印の方向に
流れ、ピーキングコンデンサ３に電荷が移行する。ピー
キングコンデンサ３に電荷が移行するのにともない主電
極２ａ、２ｂ間の電位差が増大し、放電開始電圧に到達
すると一方の主電極２ａと他方の主電極２ｂとの間で直
流パルス放電が発生し、ピーキングコンデンサ３に移行
した電気エネルギーが放電領域１５に投入される。この
直流パルス放電によって放電領域１５内のレーザ媒質ガ
ス１１は高エネルギー状態に励起され、いわゆる反転分
布を形成する。こうしてレーザ媒質ガス１１に蓄積され
たエネルギーは光共振器（図示せず）によりレーザビー
ムとして出力される。加工用などの目的に適した持続的
なレーザビームとするには、以上の１連の動作を高繰り
返しで行えばよい。

【０００５】しかしながら、放電領域１５にあるレーザ
媒質ガス１１はレーザ励起放電によって徐々に劣化して
放電特性が悪くなるために、主電極２ａ、２ｂ間のレー
ザ媒質ガス１１が拡散によって置換されるまで、次の直
流パルス放電は安定せず正当なレーザ出力は得られな
い。

【０００６】したがって、従来の装置では気密容器１内
に送風ファン９および熱交換器１０を設置し、送風ファ
ン９を矢印で示す回転方向１３に回転させることで気密
容器１内にガス流１４を形成し、一方の主電極２ａと他
方の主電極２ｂとの間のレーザ媒質ガス１１を置換する
とともに冷却再生することによって、高繰り返しでレー
ザ発振させ、連続的なレーザビームを取り出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、図１５における主電極２ａ、２ｂ間での
レーザ媒質ガス１１の流速を大きくしても、一方の主電
極２ａと他方の主電極２ｂの表面近傍では境界層が形成
され、十分な流速が確保できないという課題を有してい
た。

【０００８】図１６は境界層の形成の様子を説明する模
式図である。図１６においてハッチングで示した部分が
境界層１６である。また図１７は図１６をＢーＢ’線で
切断した横断面における流速の分布の一例を示す図であ
る。図１７に示すように、一方の主電極２ａと他方の主
電極２ｂの表面近傍では、中央部分に比較して流速が低
下している。この現象のために、レーザ励起放電によっ
て生成された正負のイオンのうち正イオンは陰極に、負
イオンは陽極に引き寄せられるようになる。すなわち、
一方の主電極２ａと他方の主電極２ｂの表面近傍には境
界層１６が形成されていて流速が小さいために、繰り返
し周波数が高くなると、一方の主電極２ａと他方の主電
極２ｂの表面近傍のレーザ媒質ガス１１が完全に置換さ
れる前に次のレーザ励起放電が開始することになる。そ
れによって、陰極近傍には正にイオン化しやすい原子
が、陽極近傍には負にイオン化しやすい原子がそれぞれ
相対的に高い濃度で分布するようになる。弗化クリプト
ン（ＫｒＦ）エキシマレーザを例にとって考えると、正
にイオン化し易いクリプトン、ヘリウムなどの希ガスは
陰極すなわち主電極２ｂの近傍で、また負にイオン化し
易い弗素は陽極すなわち主電極２ａの近傍でそれぞれ高
い濃度勾配をもつように分布する。その結果、主電極２
ａ、２ｂ間のレーザ媒質ガス１１は一様ではなくなりレ
ーザ励起放電の均一性が損なわれるため、励起効率が下
がってレーザビームのパルスエネルギーが低下する。こ
のことは高繰り返し発振時に同じパルスエネルギーを得
ようとすれば、放電領域１５への投入エネルギーをより
大きくしなければならないことを意味している。しか
し、放電領域１５に投入するエネルギー密度が増大する
と、レーザ媒質ガス１１の劣化が著しく促進される。ま
た放電励起高繰り返しエキシマレーザにおいては直流パ
ルス放電による安定したグロー放電が不可欠であるが、
このような高エネルギー放電は一方の主電極２ａと他方
の主電極２ｂに対してイオン衝撃（通常イオンボンバリ
ングと呼ばれている）を引き起こす。以上のようにＫｒ
Ｆレーザにおいては、陽極である一方の主電極２ａの表
面近傍に弗素が、陰極である他方の主電極２ｂの表面近
傍にはクリプトンなどの希ガスが相対的に高い濃度で存
在している。したがって、レーザ励起放電をさせると陽
極２ａには弗素イオンが数多く衝突するようになる。弗
素は極めて反応性に富んでいるために、一方の主電極２
ａに弗素イオンが打ち込まれるような状態では、電極表
面を構成する金属例えばニッケルと反応して弗化ニッケ
ルなどの金属弗化物を生成し、この金属弗化物によって
一方の主電極２ａの表面が部分的に凸状に隆起する。一
方、他方の主電極２ｂに衝突する希ガスは反応性に乏し
いが、レーザ励起放電程度の運動エネルギーでも電極表
面をスパッタリングするため、他方の主電極２ｂの表面
が部分的に凹状になる。このように、一方の主電極２ａ
と他方の主電極２ｂの表面が部分的に変形すると、電界
の一様性が乱され、放電の局部的な集中を引き起こすこ
とになる。そのため、レーザビームの空間的一様性が劣
化するだけでなく、主電極２ａ、２ｂの寿命も著しく短
縮することになる。

【０００９】したがって、従来の装置においては高繰り
返し発振をさせるためにレーザ媒質ガス１１を非常に高
速で送風する手法を取っているが、レーザ媒質ガス１１
の流速が増大すると境界層１６の影響がますます無視で
きなくなるため、繰り返し周波数が高くなるにつれて必
要とされる流速は指数関数的に大きくなる。結果として
送風ファン９が巨大化し、空間的にも消費電力の上でも
レーザ装置の大部分を占めるようになっている。

【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、一方の主電極と他方の主電極の表面近傍を含めた放
電領域におけるレーザ媒質ガスを空間的に一様とするこ
とで、高繰り返し発振時においても出力の安定性に優
れ、高効率、長寿命かつ小型で軽量の放電励起ガスレー
ザ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の放電励起ガスレーザ装置は、気密容器内にレ
ーザ媒質と一対の電極を備え、この一対の電極に印加さ
れる直流パルスの極性を反転させ、レーザ媒質を放電励
起させる構成を有している。

【００１２】

【作用】この構成によって、高繰り返し発振時において
も主電極近傍を含めた放電領域でのレーザ媒質を構成す
る原子、イオンの分布が均一となる。したがって、レー
ザ媒質ガスの流速を必要以上に速くしなくても、高繰り
返し発振時における直流パルス放電の安定性が良くな
り、高効率動作によってパルスエネルギーの低下がなく
なり、レーザ媒質ガスの寿命が延びる。また主電極損傷
の極性による偏りが解消されるので、装置全体としての
寿命が延びる。さらにレーザ媒質ガスの送風装置が小型
でよいため、小型軽量でしかも消費電力の少ない放電励
起ガスレーザ装置が実現できる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の一実施例について、放電励起高
繰り返しエキシマレーザ装置を例として図面を参照しな
がら説明する。

【００１４】図１は本発明の第１の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置の概略構成図であ
る。図１において、図１５に示した従来例の構成要素と
対応する部分には同一符号を付して説明を省略し、本実
施例の特徴とする部分についてのみ説明する。図１にお
いて、７ａは正の直流高電圧電源、７ｂは負の直流高電
圧電源、２７は直流高電圧電源７ａと７ｂを切り換える
高圧スイッチである。なお充電用コンデンサ５に電荷を
充電し、それがレーザ発振に消費された後、再び充電用
コンデンサ５に電荷を充電する直前までの一連の動作を
１サイクルと呼ぶことにする。

【００１５】まず、あるサイクルＪにおいて高圧スイッ
チ２７が正の直流高電圧電源７ａの側に接続されている
とする。この時、本実施例の放電励起高繰り返しエキシ
マレーザ装置の電気的な動作は図１５に示す従来例の動
作と同様である。すなわち、充電用コンデンサ５への充
電が完了した時点でスイッチ６が閉じられると充電用コ
ンデンサ５からピーキングコンデンサ３に電荷が移行す
るが、それにともなってＡ点の電位はＡ’点を基準とし
て負方向に増大する。そしてついには一方の主電極２ａ
を陰極、他方の主電極２ｂを陽極とした直流パルス放電
が発生し、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１を放電励
起し、レーザ発振に至らせる。

【００１６】次のサイクル（Ｊ＋１）においては、高圧
スイッチ２７は負の直流高電圧電源７ｂの側に切り換え
られる。したがって、このサイクル（Ｊ＋１）において
は充電用コンデンサ５はＡ’を基準として負に充電され
ることになる。充電用コンデンサ５への充電が完了した
時点でスイッチ６が閉じられると充電用コンデンサ５か
らピーキングコンデンサ３に電荷が移行するが、それに
ともなって、サイクルＪの時とは逆に、Ａ点の電位は
Ａ’点を基準として正方向に増大する。そしてついには
一方の主電極２ａを陽極、他方の主電極２ｂを陰極とし
た直流パルス放電が発生し、放電領域１５のレーザ媒質
ガス１１を放電励起し、レーザ発振させる。

【００１７】このように第１の実施例では、１サイクル
毎に一方の主電極２ａと他方の主電極２ｂの極性を交互
に反転させて繰り返し発振させる。すなわち、ＫｒＦエ
キシマレーザを例にとって考えると、サイクルＪにおい
ては一方の主電極２ａの表面近傍には正にイオン化しや
すいクリプトンなどの希ガス原子が引き寄せられるが、
続くサイクル（Ｊ＋１）においては主電極２ａは陽極と
なるために、負にイオン化しやすい弗素原子が引き寄せ
られ、希ガス原子は逆に反発される。また他方の主電極
２ｂの表面近傍においては一方の主電極２ａの表面近傍
におけるプロセスとは逆のプロセスが生じる。以上の動
作が交互に繰返されるので、一対の主電極２ａ、２ｂの
近傍を含めた放電領域１５におけるレーザ媒質ガス１１
を構成する原子、イオンの分布が均一となる。

【００１８】その結果、レーザ媒質ガス１１の流速を従
来の高繰り返しエキシマレーザ装置のように大きくする
ことなく、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１をサイク
ル毎に完全に置換することができ、高繰り返し発振時に
おいても直流パルス放電は安定し、レーザビームの出力
も低下しない。このことは、同じレーザビーム出力を得
るために必要なエネルギーが小さくて済むことを意味し
ており、余剰のエネルギーを放電領域１５に放出するこ
とに起因するレーザ媒質ガス１１の劣化を最小限に抑え
ることができるので、効率およびレーザ媒質ガス１１の
劣化の両面において顕著な改善効果がある。しかも、１
サイクル毎に主電極２ａ、２ｂの極性が入れ替わるの
で、イオンボンバリングによる主電極表面の劣化も双方
の主電極２ａ、２ｂ間で偏りがなくなって放電の局部的
な集中が緩和されるために、出力レーザビームの空間的
一様性が向上するのみならず、主電極２ａ、２ｂの寿命
も大きく延びる。

【００１９】さらに、レーザ媒質ガス１１の流速を従来
の装置ほど大きくしなくてもよいので、送風ファン９の
形状を小さくし、その駆動電力を少なくすることがで
き、装置全体としても小型で消費電力の少ない放電励起
高繰り返しエキシマレーザ装置を実現できる。図１にお
けるスイッチ６には双方向性のスイッチ（例えばスパー
クギャップ）が要求される。次に例えばサイラトロンの
ような方向性のあるスイッチを使用した実施例について
説明する。

【００２０】図２は方向性のあるスイッチを使用した放
電励起高繰り返しエキシマレーザ装置の回路図である。
図２において、スイッチ６ａ、６ｂの矢印は、矢印の方
向にスイッチング電流が流れることを示しており、スイ
ッチ６ａ、６ｂは各々その極性を逆にして並列接続され
ている。高圧スイッチ２７が正の直流高電圧電源７ａに
接続される時にはスイッチ６ａのみを、高圧スイッチ２
７が負の直流高電圧電源７ｂに接続される時にはスイッ
チ６ｂのみをそれぞれトリガする。

【００２１】図３は本発明の第２の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置の概略構成図であ
る。本実施例においては、図１に示す第１の実施例のよ
うに高圧スイッチ２７を用いて正負の直流高電圧電源７
ａ、７ｂを１サイクル毎に交互に切り換えるのではな
く、直流高電圧電源７が正負の直流高電圧を１サイクル
毎に交互に出力するようになっている。その他は図１に
示す第１の実施例と動作、効果ともに同じである。

【００２２】図４は本発明の第３の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置の概略構成図であ
る。本実施例においては、充電用コンデンサ５ａとスイ
ッチ６ａおよび充電用コンデンサ５ｂとスイッチ６ｂか
らなる２系統の回路を備え、直列接続が互いに逆方向に
なるようにして並列に接続されている。直流高電圧電源
７は高圧スイッチ２７によって図４に示される点Ｃａま
たはＣｂに１サイクル毎に切り換えて接続される。そし
て充電用インダクタ８の中点が接地されている。その他
は図１に示す第１の実施例または図２に示す第２の実施
例と構成において同じである。

【００２３】以下図４に示す第３の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置について、その動作
を説明する。まず、あるサイクルＫにおいて高圧スイッ
チ２７がＣａ点すなわち充電用コンデンサ５ａの側に接
続されているとする。この時、本実施例における放電励
起高繰り返しエキシマレーザ装置の電気的な動作は、図
１５に示す従来例の動作と同様である。まず充電用コン
デンサ５ａへの充電が完了した時点でスイッチ６ａが閉
じられると充電用コンデンサ５ａからピーキングコンデ
ンサ３へ電荷が移行するが、それにともないＡ点の電位
はＡ’点を基準として負方向に増大する。そしてついに
は一方の主電極２ａを陰極、他方の主電極２ｂを陽極と
した直流パルス放電が発生し、放電領域１５のレーザ媒
質ガス１１を放電励起し、レーザ発振に至らせる。

【００２４】次のサイクル（Ｋ＋１）においては、高圧
スイッチ２７はＣｂ点すなわち充電用コンデンサ５ｂの
側に切り換えられる。充電用コンデンサ５ｂへの充電が
完了した時点でスイッチ６ｂが閉じられると充電用コン
デンサ５ｂからピーキングコンデンサ３へ電荷が移行す
るが、それにともなってサイクルＫの時とは逆に、Ａ点
の電位はＡ’点を基準として正方向に増大する。そして
ついには一方の主電極２ａを陽極、他方の主電極２ｂを
陰極とした直流パルス放電が発生し、放電領域１５のレ
ーザ媒質ガス１１を放電励起し、レーザ発振に至らせ
る。

【００２５】このように、第３の実施例においては、直
流高電圧電源７は単極性であるが、やはり１サイクル毎
に一方の主電極２ａと他方の主電極２ｂの極性を交互に
反転させて繰り返し発振をさせており、その効果は第１
および第２の実施例における効果と同じである。

【００２６】図５は本発明の第４の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置の概略構成図であ
る。なお図５において、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８
ｂはそれぞれ切り換え回路を構成するスイッチである。
また図６は、図５に示す放電励起高繰り返しエキシマレ
ーザ装置の動作を説明するための要部回路図である。図
６において、点Ｘ、点Ｘ’はそれぞれ矢印の方向に流れ
る移行電流１２の合流点または分岐点である。

【００２７】以下図６に示す第４の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置について、その動作
を説明する。あるサイクルＬにおいて、スイッチ１７
ａ、１７ｂがオフで、スイッチ１８ａ、１８ｂがオンと
なるように設定されているものとする。まず直流高電圧
電源７によって充電用コンデンサ５に電荷が蓄えられる
が、この充電用コンデンサ５の充電期間中にスイッチ１
７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂのオン、オフの設定が行
われる。スイッチ６が閉じるまでは充電インダクタ８の
両端の電位差がほとんど零であるので、スイッチ１７
ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは高電圧をスイッチングす
る必要はない。この時、第４の実施例における放電励起
高繰り返しエキシマレーザ装置の回路は図７に示す回路
図と等価となる。したがって、このサイクルＬにおける
電気的な動作は図１５に示す従来の放電励起高繰り返し
エキシマレーザ装置の動作と同様である。充電用コンデ
ンサ５への充電が完了した時点でスイッチ６が閉じられ
ると、充電用コンデンサ５からピーキングコンデンサ３
に移行電流１２が流れる。移行電流１２は矢印で示すよ
うにＡ点から流れ出しＡ’点に流れ込む。この移行電流
１２によってピーキングコンデンサ３に電荷が移行する
が、それにともないＡ点の電位はＡ’点を基準として負
方向に増大する。そしてついには一方の主電極２ａを陰
極、他方の主電極２ｂを陽極とした直流パルス放電が発
生し、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１を放電励起
し、レーザ発振に至らしめる。

【００２８】次のサイクル（Ｌ＋１）においては、図６
に示すスイッチ１８ａ、１８ｂがオフ、スイッチ１７
ａ、１７ｂがオンとなるように設定される。このサイク
ル（Ｌ＋１）においてもサイクルＬと同様に、充電用コ
ンデンサ５の充電期間中にスイッチ１７ａ、１７ｂ、１
８ａ、１８ｂのオン、オフが設定されるので、スイッチ
１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂは高電圧をスイッチン
グする必要はない。この時、本実施例の回路は図８に示
す回路図と等価となる。充電用コンデンサ５への充電が
完了した時点でスイッチ６が閉じられると充電用コンデ
ンサ５からピーキングコンデンサ３に移行電流１２が流
れるが、その方向は矢印で示すようにＡ’点からＡ点方
向となる。したがって、このサイクル（Ｌ＋１）におい
ては移行電流１２によってピーキングコンデンサ３に電
荷が移行するが、それにともないサイクルＬの時とは逆
にＡ’点の電位がＡ点を基準として負方向に増大する。
そして、ついには一方の主電極２ａを陽極、他方の主電
極２ｂを陰極とした直流パルス放電が発生し、放電領域
１５のレーザ媒質ガス１１を放電励起し、レーザ発振さ
せる。

【００２９】このように、第４の実施例では複数のスイ
ッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂによって構成され
る切り換え回路を用いることにより、１サイクル毎に一
方の主電極２ａと他方の主電極２ｂの極性を交互に反転
させて繰り返し発振をさせており、第１および第３の実
施例と効果において同じである。またスイッチ１７ａ、
１７ｂ、１８ａ、１８ｂは高電圧が印加されていない状
態で切り換えられ、スイッチ６のように高電圧をスイッ
チングすることはないため、スイッチ１７ａ、１７ｂ、
１８ａ、１８ｂにおけるスイッチング損失はほとんど発
生しない。したがって、従来の放電励起高繰り返しエキ
シマレーザ装置に新たに切り換え回路を設けたことによ
る損失の増加をほとんど無視できる。なお切り換え回路
を構成するスイッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂに
は、例えば高電圧リレーや半導体スイッチなどを用いる
ことができる。

【００３０】図９は本発明の第５の実施例における放電
励起高繰り返しエキシマレーザ装置の回路図である。本
実施例は、図６の切り換え回路を構成するスイッチ１７
ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂをそれぞれ半導体スイッチ
であるサイリスタ４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂとし
たもので、それ以外は図６に示す第４の実施例と動作、
効果ともに同じである。なおサイリスタ４１ａ、４１
ｂ、４２ａ、４２ｂのトリガ回路は本発明と直接関係が
ないため省略した。本実施例においては、サイリスタ４
１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂのゲートにトリガ信号を
入力することがスイッチをオンにすることに、またトリ
ガ信号を入力しないことがスイッチをオフにすることに
相当する。これらのサイリスタ４１ａ、４１ｂ、４２
ａ、４２ｂの設定は充電用コンデンサ５の充電期間中
（通常数ｍｓ）に行われるため、そのスイッチング速度
は速くなくてもよく、高価な高速サイリスタを用いる必
要がない。本実施例においては、サイリスタ４１ａ、４
１ｂ、４２ａ、４２ｂは耐圧と電流容量とを考慮すれば
よい。もし１個の素子でこれらの仕様を満たせないなら
ば、複数個の素子を適宜直列、並列に接続して用いれば
よい。なお本実施例では半導体スイッチとしてサイリス
タを例として説明したが、トランジスタやＦＥＴなど他
の半導体素子であっても、その耐圧、電流容量が必要条
件を満たしさえすれば、同じ動作および効果が期待でき
ることはいうまでもない。

【００３１】図１０は本発明の第６の実施例における放
電励起高繰り返しエキシマレーザ装置の回路図である。
本実施例は、図６に示す切り換え回路を構成するための
スイッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂをそれぞれ放
電スイッチである４極サイラトロン４３ａ、４３ｂ、４
４ａ、４４ｂとしたもので、その他は図６に示す第４の
実施例と動作、効果ともに同じである。なお４５ａ、４
５ｂ、４６ａ、４６ｂはそれぞれ４極サイラトロン４３
ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂのコントロールグリッドで
ある。また４極サイラトロン４３ａ、４３ｂ、４４ａ、
４４ｂのヒータ回路やトリガ回路などは本発明と直接関
係がないので省略した。４極サイラトロンにおいては、
そのコントロールグリッド４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４
６ｂをカソードに対して負にバイアスすることがスイッ
チをオフにすることに、また負バイアスを取り去ること
がスイッチをオンにすることにそれぞれ相当する。放電
励起高繰り返しエキシマレーザにおけるレーザ励起放電
電圧の波高値は、過渡的ではあるが通常２０ｋＶ以上で
ある。したがって、図５および図６に示すスイッチ１７
ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂの耐圧もそれぞれ２０ｋＶ
以上が要求される。すなわち半導体スイッチを用いると
すれば、１つのスイッチ当たりに耐圧が数ｋＶの半導体
スイッチを多段に直列接続して用いる必要が生じる。し
かし、サイラトロンなどの放電スイッチであれば１段で
も耐圧４０ｋＶ以上が容易に実現できるため、装置とし
ての構成が単純になり、信頼性が向上する。なお本実施
例では、４極サイラトロンを例として説明したが、スパ
ークギャップなどの放電スイッチであっても、その耐
圧、電流容量が必要条件を満たしさえすれば、同じ動
作、効果が期待できることはいうまでもない。

【００３２】図１１は本発明の第７の実施例における放
電励起高繰り返しエキシマレーザ装置の回路図である。
本実施例は、図６に示す切り換え回路を構成するための
スイッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂとして可飽和
リアクトルを用いたものである。図１１において、図５
または図６に示した第４の実施例の構成要素と対応する
要素には同一符号を付している。図１１において、１９
ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂはそれぞれ図６に示す第４
の実施例におけるスイッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１
８ｂに対応する可飽和リアクトルである。また、２１
ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂはそれぞれ可飽和リアクト
ル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂに励磁電流を流すバ
イアス回路である。第７の実施例においては、可飽和リ
アクトル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが充電用イン
ダクタの役割も兼ねているので、本発明の第１から第６
の実施例で必要とした充電用インダクタ８は省略するこ
とができる。なお、それぞれの可飽和リアクトル１９
ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂにおいて矢印で示す移行電
流１２が流れる方向を順方向とする。移行電流１２でな
く励磁電流であっても、矢印の方向に流れる場合は順方
向電流とする。そして、この順方向電流によって可飽和
リアクトル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが励磁され
る時を順方向励磁、磁気飽和を起こす時を順方向飽和と
いうことにする。また、それぞれの可飽和リアクトル１
９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂにおいて、矢印で示す移
行電流１２が流れる方向と反対の方向を逆方向とする。
移行電流１２でなく励磁電流であっても、矢印で示す移
行電流１２の方向と反対の方向であれば逆方向電流とす
る。そして、この逆方向の電流によって可飽和リアクト
ル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂが励磁される時を逆
方向励磁、磁気飽和を起こす時を逆方向飽和ということ
にする。

【００３３】図１２は以上述べた状態を説明するため
の、可飽和リアクトルに用いる可飽和鉄芯材料例えばア
モルファス磁性材料などの軟磁性材料のＢ−Ｈ曲線の概
念図である。図１２において、破線で示す曲線３１が可
飽和鉄芯材料の直流磁化曲線であり、実線で示す曲線３
２が移行電流１２の実際の動作周波数帯域における磁化
曲線である。また、順方向飽和磁束密度は＋Ｂｓ、逆方
向飽和磁束密度は−Ｂｓとしてそれぞれ図１２中に示し
た。

【００３４】以下図１１および図１２を参照して第７の
実施例の動作について説明する。まず、あるサイクルＭ
において可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂはそれぞれバ
イアス回路２１ａ、２１ｂによって順方向飽和状態もし
くはそれに近い状態に励磁されている。すなわち、図１
２のＰ１で示す状態にセットされている。一方、可飽和
リアクトル２０ａ、２０ｂはそれぞれバイアス回路２２
ａ、２２ｂによって逆方向に弱く励磁されている。すな
わち、図１２のＰ２で示す状態にセットされている。直
流高電圧電源７によって充電用コンデンサ５に電荷が蓄
えられるのであるが、前述の可飽和リアクトル１９ａ、
１９ｂ、２０ａ、２０ｂの励磁はこの充電用コンデンサ
５の充電期間中に直流的に行われる。これら可飽和リア
クトル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの励磁のための
電流は充電用コンデンサ５の充電期間中だけ流してもよ
いし、または１サイクル通して流し続けてもよい。充電
用コンデンサ５への充電が完了した時点でスイッチ６が
閉じられると、充電用コンデンサ５から移行電流１２が
流れる。

【００３５】サイクルＭにおいては、可飽和リアクトル
１９ａ、１９ｂの可飽和鉄芯の初期状態はともに図１２
のＰ１にあるが、移行電流１２によって可飽和リアクト
ル１９ａ、１９ｂの可飽和鉄芯の状態は図１２に示す実
際の動作周波数帯域における磁化曲線３２の上をＰ１か
ら点ａを経て点ｃに移動し、順方向飽和に至る。一般に
可飽和リアクトルのインダクタンスは使用する可飽和鉄
芯の比透磁率、すなわち磁束密度を磁界で微分した量ｄ
Ｂ／ｄＨに比例する。前述の可飽和リアクトル１９ａ、
１９ｂの可飽和鉄芯のサイクルＭにおける動作曲線、す
なわち図１２のＰ１から点ａを経て点ｃに移動し順方向
飽和に至る曲線においては、このｄＢ／ｄＨはほとんど
順方向飽和後の可飽和鉄芯の比透磁率に等しく、この値
は通常可飽和リアクトルに用いる可飽和鉄芯においては
ほとんど１である。

【００３６】一方、サイクルＭにおける可飽和リアクト
ル２０ａ、２０ｂの可飽和鉄芯の初期状態はともに図１
２のＰ２にあり、移行電流１２によって実際の動作周波
数帯域における磁化曲線３２の上をＰ２から点ｂを経て
点ａに至る方向に移動することになるが、この動作曲線
は可飽和鉄芯の未飽和領域内にある。通常、可飽和リア
クトルに用いる可飽和鉄芯の未飽和領域における比透磁
率は飽和領域での値よりも２桁以上大きいので、サイク
ルＭにおいては可飽和リアクトル２０ａ、２０ｂのイン
ダクタンスは可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂのインダ
クタンスよりも２桁以上大きな値となり、移行電流１２
は大部分が可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂを流れ、可
飽和リアクトル２０ａ、２０ｂにはほとんど流れない。
したがって、このサイクルＭにおいては可飽和リアクト
ル２０ａ、２０ｂが磁気飽和することはなく、移行電流
１２は図１１のＡ点から流れ出しＡ’点に流れ込む方向
に流れる。したがって、第７の実施例のサイクルＭにお
ける動作は、図６に示す第４の実施例のサイクルＬにお
いてスイッチ１７ａ、１７ｂを閉じ、１８ａ、１８ｂを
開いた時と同じである。すなわち、一方の主電極２ａを
陰極、他方の主電極２ｂを陽極とした直流パルス放電が
発生し、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１を放電励起
し、レーザ発振させる。

【００３７】続くサイクル（Ｍ＋１）においては、前述
したサイクルＭとは反対に可飽和リアクトルが励磁され
る。すなわち、可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂはそれ
ぞれバイアス回路２１ａ、２１ｂによって逆方向に弱く
励磁され、可飽和リアクトル２０ａ、２０ｂはそれぞれ
バイアス回路２２ａ、２２ｂによって順方向飽和状態ま
たはそれに近い状態に励磁されている。このサイクル
（Ｍ＋１）においてもサイクルＭと同様に、前述の可飽
和リアクトル１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂの励磁は
充電用コンデンサ５の充電期間中に直流的に行われる。
これらの励磁のための電流は充電用コンデンサ５の充電
期間中だけ流してもよいし、または１サイクル通して流
し続けてもよい。

【００３８】充電用コンデンサ５への充電が完了した時
点でスイッチ６が閉じられると、充電用コンデンサ５か
ら移行電流１２が流れるが、このサイクル（Ｍ＋１）に
おいては前述のサイクルＭとは逆に可飽和リアクトル２
０ａ、２０ｂの可飽和鉄芯が飽和領域での動作となる一
方、可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂの可飽和鉄芯は未
飽和領域で動作し磁気飽和は発生しない。したがって、
第７の実施例のサイクル（Ｍ＋１）においては、可飽和
リアクトル１９ａ、１９ｂのインダクタンスが可飽和リ
アクトル２０ａ、２０ｂのインダクタンスよりも２桁以
上大きな値となり、図６に示す第４の実施例においてス
イッチ１７ａ、１７ｂを開き、１８ａ、１８ｂを閉じた
時と同様の動作となる。すなわち一方の主電極２ａを陽
極、他方の主電極２ｂを陰極とした直流パルス放電が発
生し、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１を放電励起
し、レーザ発振に至らしめる。

【００３９】以上のように第７の実施例においては、可
飽和リアクトルの飽和領域におけるインダクタンスと未
飽和領域におけるインダクタンスの差を、切り換え回路
を構成するスイッチとして利用している。したがって、
未飽和領域で動作させる可飽和リアクトル、すなわちサ
イクルＭにおける可飽和リアクトル２０ａ、２０ｂおよ
びサイクル（Ｍ＋１）における可飽和リアクトル１９
ａ、１９ｂの初期状態としては、各々の可飽和リアクト
ルに用いる可飽和鉄芯の比透磁率が飽和領域における比
透磁率（ほとんど１）と比較して十分に大きく、かつ順
方向飽和までのマージンが適度にあれば良く、逆方向飽
和に近い状態である必要はないため飽和領域で動作させ
る場合に比べて励磁電流も少なくてよい。

【００４０】また第７の実施例においては、可飽和リア
クトル１９ａ、１９ｂはサイクルＭにおいては飽和領域
内のみ、続くサイクル（Ｍ＋１）においては未飽和領域
内のみの動作となり、一方可飽和リアクトル２０ａ、２
０ｂについては逆に、サイクルＭにおいては未飽和領域
内のみ、サイクル（Ｍ＋１）においては飽和領域内のみ
の動作となる。また可飽和リアクトルの初期状態の設定
は、充電用コンデンサ５の充電期間中にバイアス回路に
よって直流的に行われ、実際の動作周波数帯域において
は逆方向飽和に近い状態から順方向飽和に移行する、い
わゆる磁気スイッチとしての動作を行っていない。

【００４１】また可飽和リアクトルをスイッチング動作
させた際に発生する損失は、そのほとんどが鉄芯の損失
によるものであり、この値は可飽和リアクトルに用いる
可飽和鉄芯のヒステリシスループの面積で表される。図
１２に示すように、可飽和リアクトルに用いる可飽和鉄
芯材料の直流磁化曲線３１のヒステリシスループの面積
は実際の動作周波数帯域における磁化曲線３２のヒステ
リシスループの面積よりもはるかに小さい。したがっ
て、第７の実施例においては、可飽和リアクトルを実際
の動作周波数帯域においてスイッチング動作させる一般
の磁気アシスト方式などとは異なり、可飽和リアクトル
の損失は非常に少なくなるため切り換え回路を設けるこ
とによる損失の増加を無視することができる。さらに可
飽和鉄芯材料の直流透磁率は実際の動作周波数帯域にお
ける透磁率よりも２桁以上も大きいため、可飽和リアク
トルを順方向飽和状態あるいはそれに近い状態にまたは
逆方向に弱く励磁するための励磁電流は移行電流１２に
比べてはるかに小さな値で済み、バイアス回路も小型の
ものでよい。

【００４２】以上のように第７の実施例では、スイッチ
として可飽和リアクトルを用いて切り換え回路を構成す
ることにより、１サイクル毎に直流パルス放電を行う一
方の主電極２ａと他方の主電極２ｂの極性を交互に反転
させて繰り返し発振させており、第４の実施例と動作、
効果ともに異なるところはない。

【００４３】図１３は本発明の第８の実施例における放
電励起高繰り返しエキシマレーザ装置の概略構成図であ
る。図１３において２３、２４はそれぞれトロイド状の
可飽和鉄芯である。このトロイド状の可飽和鉄芯２３、
２４の中心部の穴に導線を貫通させることによって可飽
和リアクトルが構成される。この導線の貫通する回数が
可飽和リアクトルのターン数となる。図１３において
は、これらの導線は各々１ターンづつしか巻かれていな
いが、それぞれ導線を複数回巻くことでさらにターン数
の多い可飽和リアクトルを構成することができる。２５
は可飽和鉄芯２３に励磁電流３６ａ、３６ｂを流すバイ
アス回路である。また２６は可飽和鉄芯２４に励磁電流
３７ａ、３７ｂを流すバイアス回路である。この第８の
実施例においても、可飽和リアクトルが充電用インダク
タの役割を兼ねているので、本発明の第１の実施例にお
ける充電用インダクタ８は省略することができる。

【００４４】以下図１３を参照して第８の実施例の動作
について説明する。充電用コンデンサ５への充電が完了
した時点でスイッチ６が閉じられると、充電用コンデン
サ５から移行電流１２が矢印の方向に流れる。この移行
電流１２は、可飽和鉄芯２３においては分岐点Ｘ’から
可飽和鉄芯２３を図１３に向かって右側より左側に貫き
点Ａ’に至る方向、および点Ａから可飽和鉄芯２３を図
１３に向かって右側より左側に貫き合流点Ｘに至る方向
へ流れる。一方、この移行電流１２は、可飽和鉄芯２４
においては分岐点Ｘ’から可飽和鉄芯２４を図１３に向
かって右側より左側に貫き点Ａに至る方向、および点
Ａ’から可飽和鉄芯２４を図１３に向かって右側より左
側に貫き合流点Ｘに至る方向へ流れる。したがって、本
発明の第７の実施例において定義した順方向は図１３に
向かって右側より左側に可飽和鉄芯２３、２４を貫く方
向であり、逆方向は図１３に向かって左側より右側に可
飽和鉄芯２３、２４を貫く方向である。

【００４５】あるサイクルＮにおいて、充電用コンデン
サ５の充電期間中にバイアス回路２５は直流的な励磁電
流３６ａを、またバイアス回路２６は直流的な励磁電流
３７ａをそれぞれ出力する。これらの励磁電流３６ａ、
３７ａは充電用コンデンサ５の充電期間中だけ流しても
よいし、または１サイクル通して流し続けてもよい。励
磁電流３６ａは、可飽和鉄芯２３を図１３に向かって右
側より左側に貫く方向に流れるので順方向電流である。
この励磁電流３６ａによって可飽和鉄芯２３は順方向飽
和状態またはそれに近い状態に励磁される。一方励磁電
流３７ａは、可飽和鉄芯２４を図１３に向かって左側よ
り右側に貫く方向に流れるので逆方向電流である。この
励磁電流３７ａによって可飽和鉄芯２４は逆方向に弱く
励磁される。したがって、第８の実施例のサイクルＮに
おいては、第７の実施例と同様に、可飽和鉄芯２３の順
方向電流に対する比透磁率は可飽和鉄芯２４の順方向電
流に対する比透磁率よりも２桁以上小さい値となる。す
なわち可飽和鉄芯２３とこれを貫く導線とで構成される
可飽和リアクトルの順方向電流に対するインダクタンス
は、可飽和鉄芯２４とこれを貫く導線とで構成される可
飽和リアクトルの順方向電流に対するインダクタンスよ
りも２桁以上も小さい値となる。したがって、第８の実
施例のサイクルＮにおいては、移行電流１２はその大部
分が可飽和鉄芯２３を貫く導線を流れ、可飽和鉄芯２４
を貫く導線にはほとんど流れない。その結果、このサイ
クルＮにおいては可飽和鉄芯２４が磁気飽和することは
なく、移行電流１２はＡ点から流れ出しＡ’点に流れ込
む。したがって、第８の実施例のサイクルＮにおける動
作は、図６に示した第４の実施例において切り換え回路
を構成するスイッチ１７ａ、１７ｂを閉じ、１８ａ、１
８ｂを開いた時と同じであり、一方の主電極２ａを陰
極、他方の主電極２ｂを陽極とする直流パルス放電が発
生し、放電領域１５のレーザ媒質ガス１１を放電励起
し、レーザ発振に至らしめる。 続くサイクル（Ｎ＋
１）においては、充電用コンデンサ５の充電期間中にバ
イアス回路２５は直流的な励磁電流３６ｂを、またバイ
アス回路２６は直流的な励磁電流３７ｂをそれぞれ出力
する。これらの励磁電流３６ｂ、３７ｂは充電用コンデ
ンサ５の充電期間中だけ流してもよいし、または１サイ
クル通して流し続けてもよい。励磁電流３６ｂ、３７ｂ
の流れる方向はサイクルＮにおける励磁電流３６ａ、３
７ａの流れる方向とそれぞれ反対であるため、可飽和鉄
芯２３、２４の励磁の方向もそれぞれサイクルＮの時と
反対となる。すなわち可飽和鉄芯２４が順方向飽和状態
またはそれに近い状態に励磁され、可飽和鉄芯２３が逆
方向に弱く励磁される。したがって、第８の実施例のサ
イクル（Ｎ＋１）においては、サイクルＮの時とは反対
に、可飽和鉄芯２４の順方向電流に対する比透磁率が可
飽和鉄芯２３の順方向電流に対する比透磁率よりも２桁
以上小さい値となる。したがって、可飽和鉄芯２４とこ
れを貫く導線とで構成される可飽和リアクトルの順方向
電流に対するインダクタンスは、可飽和鉄芯２３とこれ
を貫く導線とで構成される可飽和リアクトルの順方向電
流に対するインダクタンスよりも２桁以上も小さい値と
なり、移行電流１２はその大部分が可飽和鉄芯２４を貫
く導線を流れ、可飽和鉄芯２３を貫く導線にはほとんど
流れない。その結果、このサイクル（Ｎ＋１）において
は、可飽和鉄芯２３が磁気飽和することはなく、移行電
流１２はＡ’点から流れ出しＡ点に流れ込む。したがっ
て、第８の実施例のサイクル（Ｎ＋１）における動作は
サイクルＮの時とは反対に、図６に示した第４の実施例
において切り換え回路を構成するスイッチ１８ａ、１８
ｂを閉じ、１７ａ、１７ｂを開いた時と同じであり、一
方の主電極２ａを陽極、他方の主電極２ｂを陰極とした
直流パルス放電が発生し、放電領域１５のレーザ媒質ガ
ス１１を放電励起し、レーザ発振させる。

【００４６】以上のように第８の実施例においても第７
の実施例と同様に、可飽和リアクトルの飽和領域におけ
るインダクタンスと未飽和領域におけるインダクタンス
の差を切り換え回路を構成するスイッチとして利用して
いる。したがって、未飽和領域で動作させる可飽和鉄
芯、すなわちサイクルＮにおける可飽和鉄芯２３および
サイクル（Ｎ＋１）における可飽和鉄芯２４の初期状態
としては、各々の可飽和リアクトルに用いる可飽和鉄芯
の比透磁率が飽和領域における比透磁率（ほとんど１）
と比較して十分に大きく、かつ順方向飽和までのマージ
ンが適度にあれば良く、逆方向飽和に近い状態である必
要はないため、飽和領域で動作させる場合に比べれて励
磁電流が少なくてよい。

【００４７】また第８の実施例においては、第７の実施
例と同様に可飽和リアクトルは実際の動作周波数帯域に
おいてはスイッチング動作を行わないため、可飽和リア
クトルにおける損失は小さく、切り換え回路を設けたこ
とによる損失の増加は無視できる。

【００４８】また図１３に示す分岐点Ｘ’から可飽和鉄
芯２３を図１３に向かって右側より左側に貫き点Ａ’に
至る導線と可飽和鉄芯２３とによって構成される可飽和
リアクトルが図１１に示す可飽和リアクトル１９ｂに相
当し、図１３に示す点Ａから可飽和鉄芯２３を図１３に
向かって右側より左側に貫き合流点Ｘに至る導線と可飽
和鉄芯２３とによって構成される可飽和リアクトルが図
１１に示す可飽和リアクトル１９ａに相当する。同様に
分岐点Ｘ’から可飽和鉄芯２４を図１３に向かって右側
より左側に貫き点Ａに至る導線と可飽和鉄芯２４とによ
って構成される可飽和リアクトルが図１１に示す可飽和
リアクトル２０ｂに相当し、点Ａ’から可飽和鉄芯２４
を図１３に向かって右側より左側に貫き合流点Ｘに至る
導線と可飽和鉄芯２４とによって構成される可飽和リア
クトルが図１１に示す可飽和リアクトル２０ａに相当す
る。

【００４９】したがって、第８の実施例においては、図
１１の可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂを１つの可飽和
鉄芯２３で、また同様に図１１の可飽和リアクトル２０
ａ、２０ｂを１つの可飽和鉄芯２４でそれぞれ構成して
いることになる。すなわち図６における切り換え回路を
構成する４個のスイッチ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８
ｂが図１３では２個の可飽和鉄芯２３、２４によって構
成されたことになる。

【００５０】このことより、部品点数が減少し、実際の
構成も単純になって信頼性が向上するだけでなく以下に
述べる利点も発生する。第７の実施例において説明した
ように、可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂの可飽和鉄芯
は、移行電流１２に対してあるサイクルＭにおいては磁
気飽和領域で、続くサイクル（Ｍ＋１）においては未飽
和領域で動作させられる。すなわち、可飽和リアクトル
１９ａ、１９ｂはどのサイクルにおいても同一の動作条
件におかれるため、その特性が良くそろっていることが
望ましい。同様に可飽和リアクトル２０ａ、２０ｂも、
どのサイクルにおいても同じ動作条件におかれるため、
やはりその特性が良くそろっていることが望ましい。図
１３に示す第８の実施例においては、１つの可飽和鉄芯
２３を可飽和リアクトル１９ａ、１９ｂが共用する構成
となるため、両者の特性はそろい、全く同一の条件で理
想的に動作する。また同様に１つの可飽和鉄芯２４を可
飽和リアクトル２０ａ、２０ｂが共用する構成となるた
め、やはり両者の特性は揃い、全く同一の条件で理想的
に動作する。

【００５１】以上のように第８の実施例においては、切
り換え回路を構成するスイッチとして可飽和リアクトル
を用いることによって、直流パルス放電を行う一方の主
電極２ａと他方の主電極２ｂの極性を１サイクル毎に交
互に反転させて繰り返し発振をさせており、第４ないし
第７の実施例と動作、効果ともに異なるところはない。
しかしながら第７および第８の実施例においては、可飽
和リアクトルを切り換えスイッチとして利用し、励磁電
流の切り換えによってその制御を行っている。上述した
ように、可飽和リアクトルの設定は直流的に行われるの
であるが、励磁電流の切り換えはレーザ発振の繰り返し
と同じ速さで行う必要がある。

【００５２】図１４は、図１３における励磁電流３６
ａ、３６ｂを出力するバイアス回路２５の出力波形の一
例である。図１４において、実線３８は励磁電流波形、
破線３９は電圧波形である。横軸は時間で、第８の実施
例におけるサイクルＮを示しており、ａ−ｂ間は可飽和
鉄芯２３が未飽和状態で励磁電流３６ａが立ち上がりつ
つある期間、ｂ−ｃ間は励磁電流３６ａによって可飽和
鉄芯２３が飽和状態に近づきつつある期間である。縦軸
は電流値および電圧値である。可飽和リアクトルに用い
られる可飽和鉄芯材料は、低周波帯域において未飽和状
態では極めて大きな比透磁率を有している。したがっ
て、励磁電流３６ａの流れる回路のインダクタンスが、
レーザ発振の繰り返し周波数程度の低周波帯域では非常
に大きく、発明者の実験によれば数ｍＨにも達する。第
７および第８の実施例では磁気飽和させた可飽和リアク
トルを閉じたスイッチとして利用するのであるが、発明
者の実験によれば、可飽和鉄芯を磁気飽和させるために
は少なくとも６Ａの直流励磁電流が必要であった。ここ
でレーザ発振の繰り返し周波数をｆ、励磁電流３６ａの
流れる回路のインダクタンスをＬ、可飽和鉄芯を磁気飽
和させるために必要な励磁電流をＩ、バイアス回路２５
の出力電圧をＶとする。励磁電流３６ａは充電用コンデ
ンサ５の充電期間中にＩに達していなければならない。
充電用コンデンサ５への充電の時間は、レーザ励起放電
の時間が極めて短く、無視できるのでほとんどレーザ発
振の繰り返し周波数の逆数（１／ｆ）に等しくなる。し
たがって、この時間（１／ｆ）以内に励磁電流３６ａが
Ｉに達するために必要なバイアス回路２５の出力電圧Ｖ
は、Ｖ＝Ｌ・ｄＩ／ｄｔの関係より、Ｖ＝（Ｌ・Ｉ）／
ｆとなる。発明者の実験では、レーザ発振の繰り返し周
波数１ｋＨｚの時バイアス回路２５の出力電圧は１００
Ｖ以上必要であった。図１４の励磁電流３６ａの立ち上
がり期間ａ−ｂ間においてバイアス回路２５の出力電圧
が高い値となっているのは、このことを示している。し
かしながら可飽和鉄芯２３が励磁電流３６ａによって飽
和状態に近づく時、すなわち図１４におけるｂ−ｃ間に
到達すると、その比透磁率は急激に低下する。そのため
に励磁電流３６ａの流れる回路のインダクタンスも急激
に減少する。この状態でバイアス回路２５の出力電圧を
可飽和鉄芯２３が未飽和状態であった時すなわち図１４
のａ−ｂ間における電圧値に固定していると、励磁電流
３６ａは急激に増大して、ついにはバイアス回路２５は
破壊してしまう。したがって、可飽和鉄芯が飽和状態に
近づいて励磁電流が急激に増大し始めたならば、バイア
ス回路２５の出力電圧を適宜下げる必要がある。図１４
のｂ−ｃ間において、バイアス回路２５の出力電圧が低
下しているのは、このことを示している。つまり、バイ
アス回路２５は、ほとんど０Ｖから１００Ｖ以上までの
広い電圧範囲において、６Ａ以上の大電流を出力しなけ
ればならない。しかしこのような出力をシリーズ電源回
路や、リニアアンプ回路で得ようとすると、バイアス回
路における熱損失が厖大なものとなり、回路自体も巨大
化してしまう。広い電圧範囲において大電流が取り出
せ、しかも低損失である回路としては、スイッチング電
源回路が考えられる。発明者の実験によれば、第８の実
施例において、レーザ発振の繰り返し周波数が１ｋＨｚ
の時のバイアス回路２５、２６における熱損失は、これ
らのバイアス回路にシリーズ電源回路を用いた時約４０
０Ｗあったのに対し、スイッチング電源を用いた時は約
３０Ｗとなり、１０分の１以下に抑えられた。

【００５３】なお以上の実施例はいずれも自動予備電離
容量移行型回路構成を有する放電励起高繰り返しエキシ
マレーザ装置について動作および効果を説明したが、直
流パルス放電によってレーザ媒質を放電励起させる放電
励起ガスレーザ装置であればどのようなレーザ装置であ
っても、直流パルス放電を行う主電極の極性を１サイク
ル毎に反転させることにより同様の効果が得られること
はいうまでもない。また切り換え回路を構成するスイッ
チの動作速度などの問題から、直流パルス放電を行う主
電極の極性を１サイクル毎に反転させることが困難な場
合は、例えば２サイクル毎、または３サイクルに１サイ
クルの周期などで主電極の極性を反転させてもよい。し
かしながら１サイクル毎に主電極の極性を反転させた場
合、最大の効果が得られることはもちろんである。あま
りにも長い周期、例えば１００サイクルを超えるような
周期で直流パルス放電を行う主電極に極性を反転させて
も、もはや高繰り返し化にはなんらの利点も生じないこ
とは明らかである。但し、このような動作をさせた場合
においても、主電極の寿命の伸長には、やはり大きな効
果が期待できることもいうまでもない。

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明は、気密容器内にレ
ーザ媒質ガスと一対の電極を備え、この一対の電極に印
加される直流パルスの極性を反転させてレーザ媒質ガス
を放電励起させる構成を有しており、高繰り返し発振時
においても、主電極近傍を含めた放電領域でのレーザ媒
質ガスを構成する原子、イオンの分布が均一となるた
め、レーザ媒質ガスの流速を必要以上に速めなくても直
流パルス放電の安定性が良くなり、高効率動作によって
パルスエネルギーの低下がなくなり、レーザ媒質ガスの
寿命特性も改善できる優れた放電励起ガスレーザ装置を
実現できるものである。

【００５５】また主電極損傷の偏りが解消されるので、
装置全体としての寿命が延びる上、レーザ媒質ガスの送
風装置が小型で済むために、小型軽量でしかも消費電力
の少ない放電励起ガスレーザ装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における放電励起高繰り
返しエキシマレーザ装置の概略構成図

【図２】方向性のあるスイッチを使用した同エキシマレ
ーザ装置の要部回路図

【図３】本発明の第２の実施例における放電励起高繰り
返しエキシマレーザ装置の概略構成図

【図４】本発明の第３の実施例における放電励起高繰り
返しエキシマレーザ装置の概略構成図

【図５】本発明の第４の実施例における放電励起高繰り
返しエキシマレーザ装置の概略構成図

【図６】同エキシマレーザ装置の要部回路図

【図７】同エキシマレーザ装置のサイクルＬにおける等
価回路図

【図８】同エキシマレーザ装置のサイクル（Ｌ＋１）に
おける等価回路図

【図９】本発明の第５の実施例における放電励起高繰り
返しエキシマレーザ装置の回路図

【図１０】本発明の第６の実施例における放電励起高繰
り返しエキシマレーザ装置の回路図

【図１１】本発明の第７の実施例における放電励起高繰
り返しエキシマレーザ装置の回路図

【図１２】可飽和鉄芯のＢ−Ｈ曲線を示す図

【図１３】本発明の第８の実施例における放電励起高繰
り返しエキシマレーザ装置の概略構成図

【図１４】同エキシマレーザ装置におけるバイアス回路
の出力波形を示す図

【図１５】従来の放電励起高繰り返しエキシマレーザ装
置の概略構成図

【図１６】境界層の形成の様子を説明する模式図

【図１７】図１６をＢ−Ｂ’線で切断した横断面におけ
る流速分布の１例を示す図

【符号の説明】

１ 気密容器 ２ａ 一方の主電極（電極） ２ｂ 他方の主電極（電極） １１ レーザ媒質ガス １５ 放電領域（放電励起）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 忠明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 三升 睦己 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密容器内にレーザ媒質ガスと一対の電
   極とを備え、前記一対の電極間の直流パルス放電によっ
   て前記レーザ媒質ガスを放電励起させる放電励起ガスレ
   ーザ装置において、前記一対の電極に印加される直流パ
   ルスの極性を反転させ、前記レーザ媒質ガスを放電励起
   することを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
2. 【請求項２】 直流パルスの極性を反転させる手段が複
   数のスイッチよりなる切り換え回路である請求項１記載
   の放電励起ガスレーザ装置。
3. 【請求項３】 スイッチとして半導体素子を用いた請求
   項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
4. 【請求項４】 スイッチとして放電スイッチを用いた請
   求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
5. 【請求項５】 スイッチとして可飽和リアクトルを用い
   た請求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
6. 【請求項６】 １個の可飽和鉄芯を複数の可飽和リアク
   トルの鉄芯として共用した請求項５記載の放電励起ガス
   レーザ装置。
7. 【請求項７】 可飽和リアクトルを制御する手段として
   スイッチング電源を用いた請求項５または請求項６記載
   の放電励起ガスレーザ装置。