JPH057041A

JPH057041A - 放電励起ガスレーザ装置

Info

Publication number: JPH057041A
Application number: JP3265888A
Authority: JP
Inventors: Takuhiro Ono; 拓弘小野; Naoya Horiuchi; 直也堀内; Keiichiro Yamanaka; 圭一郎山中; Kenichi Takahata; 憲一高畑; Nobuaki Furuya; 伸昭古谷; Takeo Miyata; 威男宮田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-10-15
Publication date: 1993-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】予備電離手段を有する放電励起ガスレーザ装
置に関するもので、上流側予備電離手段による劣化ガス
の主放電部への影響と、主放電による下流側予備電離手
段への影響の除去することで、レーザガス及び予備電離
手段の寿命を伸ばし、あわせて小容量の循環器でも、放
電の安定な、効率の高い、高繰り返し発振の優れた特性
を持つ放電励起ガスレーザを目的とする。【構成】少なくともそれぞれが１つ以上の開口部を有
する２つ隔壁１０８、１０９を設け、外部循環器１１２
により上流予備電離手段１０６側から吸引、下流予備電
離１０７側に吹き出ことで、予備電離部と主放電電極１
０４、１０５間のレーザガス流を分岐することにより、
主放電電極間の予備電離の均一化を図り高繰り返し時の
安定化放電と高効率発振が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予備電離手段を有する放
電励起ガスレーザ装置に係り、特に主放電電極間を流れ
るレーザガス流と予備電離手段に流れるレーザガス流を
制御することにより、主放電電極間の放電の安定化と、
レーザガス及び予備電離手段の寿命の長い高繰り返し性
能の高い放電励起ガスレーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】放電励起ガスレーザ、特に放電励起希ガ
スハライドエキシマレーザ（以後エキシマレーザと言
う）は、高効率、高出力、高繰り返しの発振が可能であ
ることから、各種の研究用光源としてはもちろんのこ
と、半導体プロセス、化学工業、微細加工、医療等への
利用が期待されている。

【０００３】以下、従来の放電励起ガスレーザについて
説明する。図４は従来の放電励起ガスレーザの断面模式
図を示すものである。図４において、１はレーザガス２
を封入する圧力容器、３、４は一対の対向する主放電電
極（紙面と垂直方向が長手方向）である。５、６は予備
電離ギャップで、５は上流側、６は下流側であり、スパ
ーク放電により紫外線を放出する。７は循環器で、封入
されたレーザガス２を矢印の方向に貫流させる。８は冷
却器で、放電により温度が上昇したレーザガスを冷却す
る。９は充電コンデンサー（Ｃ１）であり図示していな
いが端子１０に接続された高圧電源から放電エネルギを
蓄える。１１は充電用コイルである。１２はサイラトロ
ンであり、図示していないがトリガ信号により高速でＯ
Ｎ−ＯＦＦをする。１３、１４はピーキングコンデンサ
ー（Ｃ２）で充電コンデンサー９に蓄えた電荷が移行さ
れる。

【０００４】以上のように構成された放電励起ガスレー
ザについて、以下その動作について説明する。まず、充
電コンデンサー９に蓄えられた電荷はサイラトロン１２
がＯＮすることにより、予備電離ギャップ５、６をスパ
ーク放電させピーキングコンデンサー１３、１４に移行
し、充電される。この時、予備電離ギャップ５、６のス
パーク放電により紫外線が放出され、光電離効果により
主放電電極３、４間のレーザガスが予備的に電離して電
子密度をおよそ１０⁸個／ｃｍ³に高める。ピーキングコ
ンデンサー１３、１４が充電されるにつれて主放電電極
間の印可電圧が上昇する。印可電圧の上昇に伴い主放電
電極間のレーザガスの電子密度が急激に１０¹⁸個／ｃｍ
³程度に増加し、ピーキングコンデンサー１３、１４の
電荷が主放電電極３、４間をパルス的に流れ、いわゆる
放電状態となる。これにより、主放電電極間のレーザガ
スが励起されレーザ発振に至る。

【０００５】

【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、上流側の予備電離ギャップがスパーク放
電するのに伴い発生するイオン、金属粒子等の混入した
レーザガス（劣化レーザガス）が下流側に位置する主放
電電極間を必ず通ることになる。もしも、主放電電極間
に前のレーザ発振時のスパーク放電の劣化レーザガスが
残留すると、予備電離による電子密度分布が空間的に不
均一になる。この事は、主放電電流の局在化となりアー
クの発生等につながり、レーザ発振効率が低くなる。結
果として、レーザビームサイズの縮小とレーザ出力の低
下を招くと同時に主放電電極の寿命を短くする。

【０００６】また従来の構成では、主放電に伴い高温
で、イオン、金属粒子を含んだ劣化レーザガスが下流側
に位置する予備電離手段に悪影響をする。特にエキシマ
レーザに於ける高繰り返し動作時ではその影響が著し
く、下流側予備電離ギャップの損傷が激しい。例えばＫ
ｒＦエキシマレーザでは、予備電離ピンが高温になると
ふっ素ガスとの反応が激しくなり、予備電離ピンの摩耗
と同時にふっ素ガスが消耗試レーザガスの寿命と、予備
電離ピンの寿命が短く、安定な高繰り返し動作が困難で
あった。

【０００７】従って、高いレーザ発振効率で安定したと
レーザビームを得るためには、主放電電極間に上流側予
備電離ギャップにより発生する劣化レーザガスを残留さ
せない事と、下流側予備電離ギャップ間に主放電電極に
より発生する劣化レーザガスを残留させないことが重要
であり、そのために高速のガス流を発生させたり、ガス
流の層流化が必要となり、大容量の循環器を必要とし装
置が大型化するという課題を有していた。

【０００８】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、上流側予備電離ギャップのスパーク放電で発生す
る劣化ガスの主放電への影響をなくすと同時に、下流側
予備電離ギャップの損傷を防ぐことにより、小容量の循
環器で繰り返し性能の高い、レーザガス及び予備電離手
段の寿命の長い放電励起ガスレーザを提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、上流側の予備電離手段を流れるレーザガス
流が主放電電極間に直接的に到達せず、主放電電極間を
流れるレーザガス流が直接的に下流側の予備電離手段に
到達しないようにレーザガス流を制御する制御手段を有
する。

【００１０】

【作用】本発明は上記構成によって、上流側予備電離ギ
ャップで劣化したレーザガスは、隔壁の開口部を通して
吸い込まれて主放電電極間を流れるレーザガス流とは別
の経路を経て流れ、イオンの寿命、粉塵の沈降により自
然浄化され、圧力壁の隔壁により冷却され、下流側予備
電離ギャップを冷却しながら下流側隔壁の開口部から主
放電部を循環するレーザガス流内に吹き出す。また、繰
り返し発振に必要なガス流速は、主放電電極の放電領域
のみを吹き払うのに最低必要な速度で良いことになり、
小容量の循環器でも従来装置では不可能であった高繰り
返し数まで発振をする。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。

【００１２】（実施例１）以下本発明の第１の実施例に
ついて、図１乃至図２を参照しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施例における放
電励起ガスレーザの要部斜視図であり、図２は、図１の
Ａ−Ａ断面に相当する断面模式図である。図１乃至図２
において、１０１は圧力容器でレーザガスが所定の圧
力、組成に封入されている。１０２は主放電部レーザガ
ス流、１０３は予備電離部レーザガス流の流れる方向
（例えば貫流方向）を示す。１０４、１０５は１対の対
向する主放電電極（紙面と垂直方向が長手方向）で、そ
の対向する空間で主放電を行う。１０６は上流側、１０
７は下流側予備電離手段（ギャップ）で、主放電電極に
沿って（紙面に垂直方向）複数個設置されており、スパ
ーク放電により紫外線を放出し、主放電電極間のレーザ
ガスを均一に電離する。１０８、１０９はそれぞれ上流
側、下流側の少なくとも１つの開口部を有し、圧力容器
内を区分する隔壁で、紫外線照射により不純物ガス発生
の少ない材質で構成され、開口部は、貫流するレーザガ
スの一部を主放電部、上流側予備電離部にそれぞれ分岐
分離させて通過させ、そして下流側予備電離部から吐出
されたレーザガスと主放電電極からのレーザガスとを分
岐して通過させると同時に、予備電離手段で放出された
紫外線を主放電電極間に放射できるよう予備電極に対応
して配備されている。１１０は循環器で、封入されたレ
ーザガスを貫流させ、１１１は冷却器で、放電により温
度が上昇したレーザガスを冷却する。１１２は外部循環
器で、予備電離部のレーザガスを貫流し、所定のガス純
化装置を含んでいてもよい。１１３は充電コンデンサー
であり、図示していないが端子１１４に接続された高圧
電源から放電エネルギーを蓄える。１１５は充電用コイ
ルで、１１６はサイラトロンであり図示しないがトリガ
信号により高速でＯＮ−ＯＦＦする。

【００１４】また主放電電極１０４、１０５の略長手方
向にレーザ発信のための共振系を備え、レーザ光を射出
する。

【００１５】以上のように構成された本発明の実施例に
ついて、図２を用いてその動作を説明する。まず、充電
コンデンサー１１３に蓄えられた電荷はサイラトロン１
１６がＯＮすることにより、予備電離ギャップ１０６、
１０７をスパーク放電させピーキングコンデンサー１１
７、に移行し、充電される。この時、予備電離ギャップ
１０６、１０７のスパーク放電により紫外線が放出さ
れ、光電離効果により主放電電極１０４、１０５間のレ
ーザガスを均一に予備的に電離して電子密度をおよそ１
０⁸個／ｃｍ³に高める。ピーキングコンデンサー１１７
が充電されるにつれて主放電電極間の印可電圧が上昇す
る。印可電圧の上昇に伴い主放電電極間のレーザガスの
電子密度が増殖的に急激に１０¹⁸個／ｃｍ³程度に増加
し、ピーキングコンデンサー１１７の電荷が主放電電極
１０４、１０５間のレーザガスを通してパルス的に流
れ、いわゆる放電状態となる。これにより、主放電電極
間のレーザガスが励起されレーザ発振に至る。

【００１６】本実施例では、主放電電極の上流側及び下
流側にそれぞれ開口部を有する隔壁を設け、主放電部を
貫流させる循環器とは別に設置され外部循環器により、
主放電部を流れるレーザガス流と予備電離部を流れるレ
ーザガス流とを分岐し、上流側隔壁に設けられた開口か
ら上流側予備電離手段に向かって吸い込み、外部循環器
を通る主放電部とは別の循環路で下流側予備電離を経て
下流側隔壁に設けられた開口部から主放電部のレーザガ
ス循環路に吹き出すようにした。そして、上流側予備電
離手段で発生するイオン、金属粒子等のガス劣化成分は
前記の循環路内を通過する間に自然にイオンの寿命、粉
塵の沈降等により浄化され、圧力容器の隔壁で冷却され
て、下流側予備電離手段に達するため、本実施例では上
流側予備電離による劣化レーザガスの影響を完全に除去
できると同時に、主放電により劣化した高温のレーザガ
スによる下流側予備電離手段への悪影響も完全に除去で
きる。また、繰返し動作時、主放電電極間は放電域にあ
るレーザガスのみを置き換えるだけで、主放電電極間の
予備電離による電子密度が容易に空間的均一化できる。
このため安定した放電が得られ、効率の高いレーザ発振
ができると同時に、レーザガスおよび予備電離ギャップ
の寿命を長くすることができる。また、本実施例では、
繰り返し動作に必要なレーザガスの置換は主放電電極間
の主放電域のみで十分であることから、従来例と比較し
て狭い範囲で良いこと、また主放電電極間の上流部にレ
ーザガスの流れを妨げるように位置された従来例におけ
る予備電離ピン等の構造物がないことから主放電電極間
のガス流を容易に層流化できる。このため、レーザガス
の風速を遅くすることができ、小型の循環器でも従来装
置では不可能であった高繰り返し数の発振が可能となっ
た。

【００１７】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図３は本発明の第２の実施例における放電
励起ガスレーザ装置の断面模式図である。

【００１９】図３において、２０１は圧力容器、２０２
は主放電部レーザガス流、２０３は予備電離部レーザガ
ス流の貫流方向を示す。２０４、２０５は１対の対向す
る主放電電極（紙面と垂直が長手方向）、２０６は上流
側、２０７は下流側予備電離手段（ギャップ）、２０
８、２０９はそれぞれに少なくとも１つの開口部を有し
圧力容器を区分する隔壁、２１０は循環器、２１１は冷
却器、２１２は外部循環器、２１３は充電コンデンサ
ー、２１４は高圧端子、２１５は充電用コイルで、２１
６はサイラトロン、２１７はピーキングコンデンサー
で、以上は図１の構成と同様なものである。

【００２０】図２の構成と異なるのは隔壁２０８によ
り、外部循環器２１２に向かう予備電離部レーザガスの
循環路の外部循環器の前に集塵器２１８を設け、上流側
隔壁から吸引されるレーザガス中の塵（金属粒子等）を
積極的に除去させるようにした点である。

【００２１】上記のように構成された放電励起ガスレー
ザについて、以下その動作を説明する。レーザ発振に至
る動作と基本原理及び作用、効果は図２と同じであるの
で説明は省略すし、異なる点についてのみ説明する。主
放電領域では、放電に伴い電極材料がスパッタリングさ
れ金属あるいは化合物の粒子としてレーザガス中に漂
い、特に高繰り返し発振時はその濃度が増加し、このレ
ーザガスが循環器２０９により次々と放電領域に貫流さ
れる。これはレーザ発振に悪影響を及ぼす。本実施例で
は上流側隔壁から吸引する予備電離手段を循環するレー
ザガス中の塵を集塵器で除去でき、主放電領域のクリー
ン度を保持でため長期間にわたり放電領域のメンテナン
スが不用になった。

【００２２】以上のように、予備電離部のレーザガス循
環路に集塵器を設けることにより、レーザガス中の塵を
除去でき、主放電領域のクリーン度を保持でため長期間
にわたり放電領域のメンテナンスが不用になるととも
に、第１の実施例同様、本実施例でも上流側予備電離に
よる劣化レーザガスの主放電領域への影響を完全に除去
し又、下流側予備電離手段の損傷を防止し、繰返し動作
時、主放電電極間は放電域にあるレーザガスのみを置き
換えるだけで、主放電電極間の予備電離による電子密度
が容易に空間的に均一化でき、安定した放電が得られ、
効率の高いレーザ発振ができるようになると同時に、レ
ーザガス及び予備電離ギャップの長寿命化が達成でき
る。また、本実施例では、レーザガスの置換は主放電電
極間の主放電域のみで良いことから、従来例と比較して
狭い範囲で良いこと、また主放電電極間の上流部にレー
ザガスの流れを妨げる構造物がないことから主放電電極
間のガス流を容易に層流化できる。このため、レーザガ
スの風速を遅くすることができ、小型の循環器でも従来
装置では不可能であった高繰り返し数の発振が可能とな
った。

【００２３】なお、本実施例において予備電離手段はス
パークギャップとしたが、予備電離手段はコロナ放電と
してもよいことは言うまでもない。また上記実施例は、
この発明の理解を容易にするために例示したものに過ぎ
ずを、種々の変形や変更が可能であることはいうまでも
ない。

【００２４】またレーザガスが圧力容器の隔壁で十分冷
却される場合は、冷却器を省略できることはいうまでも
ない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明は予備電離手段を有
するガスレーザにおいて、少なくともそれぞれ１つ以上
の開口部を有する２つの隔壁を設け、予備電離部と主放
電部のレーザガス流を分岐分離することにより、上流側
予備電離手段による劣化ガスの主放電部への影響を除去
すると同時に、下流側予備電離部の損傷を抑え、レーザ
ガス寿命を伸ばし、小容量の循環器でも発振効率の高
い、放電の安定な高繰り返し発振をすることができる優
れた放電励起ガスレーザを実現できるものである。

【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ガスレ
ーザの要部斜視図

【図２】本発明の第１の実施例における放電励起ガスレ
ーザの断面模式図

【図３】本発明の第２の実施例における放電励起ガスレ
ーザの断面模式図

【図４】従来の放電励起ガスレーザの断面模式図

【符号の説明】

１０１圧力容器１０２主放電部レーザガス流１０３予備電離部レーザガス流１０４主放電電極１０５主放電電極１０６上流予備電離手段１０７下流予備電離手段１０８上流側隔壁１０９下流側隔壁１１０循環器１１１冷却器１１２外部循環器１１３充電コンデンサー１１４端子１１５充電コイル１１６サイラトロン１１７ピーキングコンデンサー２０１圧力容器２０２主放電部レーザガス流２０３予備電離部レーザガス流２０４主放電電極２０５主放電電極２０６上流予備電離手段２０７下流予備電離手段２０８上流側隔壁２０９下流側隔壁２１０循環器２１１冷却器２１２外部循環器２１３充電コンデンサー２１４端子２１５充電コイル２１６サイラトロン２１７ピーキングコンデンサー２１８集塵器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高畑憲一神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者古谷伸昭神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者宮田威男神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力容器内に封入されたレーザガスと、レ
ーザの射出方向を長手方向とし、かつ相対向して配置さ
れた２つの主放電電極と、前記長手方向と垂直な方向に
前記主放電電極間を通じて前記レーザガスを流すように
レーザガス流を発生させるガス流発生手段と、主放電電
極の上流側、下流側に配置される予備電離手段とを有す
る放電励起ガスレーザ装置において、前記上流側に配置
した予備電離手段近傍のレーザガスが直接的に主放電電
極間に流れないように、かつ前記主放電電極が通過した
レーザガスを直接的に下流側に配置した予備電極に流れ
ないようにレーザガス流を制御する制御手段を有するこ
とを特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
【請求項２】レーザガス流を制御する制御手段が、上流
側予備電離手段近傍へ向けて、および下流側予備電離手
段からレーザガスを通過させるための開口部と、前記上
流側予備電離手段近傍へ向けてレーザガスを吸入するガ
ス吸入手段と、前記下流側予備電離手段からレーザガス
を吐出するガス吐出手段とを有することを特徴とする請
求項１記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項３】レーザガス流を制御する制御手段のガス吸
入手段とガス吐出手段とが同一のガス吸入吐出手段であ
ることを特徴とする請求項２記載の放電励起ガスレーザ
装置。
【請求項４】レーザガス流を制御する制御手段のガス吸
入吐出手段の前に集塵手段を配置したことを特徴とする
請求項３記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項５】レーザガスを制御する制御手段のガス吸入
吐出手段がガス純化装置を含むことを特徴とする請求項
３記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項６】レーザガス流を制御する制御手段の少なく
とも１つ以上の開口部が主放電電極間のレーザガスを予
備電離するための紫外線を通すための窓孔を兼ねること
を特徴とする請求項２記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項７】開口部は圧力容器を区分する少なくとも１
つの隔壁に設けられ、前記隔壁は不純物ガス発生の少な
い材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載
の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項８】隔壁が圧力容器と一体になっていることを
特徴とする請求項７記載の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項９】レーザガスの予備電離手段がスパークギャ
ップ予備電離手段であることを特徴とする請求項１記載
の放電励起ガスレーザ装置。
【請求項１０】レーザガスの予備電離手段がコロナ予備
電離手段であることを特徴とする請求項１記載の放電励
起ガスレーザ装置。
【請求項１１】レーザガスを冷却するための冷却器を有
することを特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレー
ザ装置。
【請求項１２】圧力容器内でレーザガスが循環されるこ
とを特徴とする請求項１記載の放電励起ガスレーザ装
置。