JPH0582879A - ガスレ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】この発明は、放電空間部において主放電を均一
に点弧できるようにしたガスレ−ザ装置を提供すること
を目的とする。 【構成】気密容器１１の通路１２に設けられガスレ−ザ
媒質を循環させる送風機１３と、通路にガスレ−ザ媒質
の流れ方向と交差する方向に沿って設けられた主放電電
極１８と、この主放電電極１８にパルス高電圧を印加し
て主放電空間に所定の繰り返し数で主放電を発生させる
放電駆動回路と、送風機１３の吐出側と主放電電極１８
との間に主放電電極１８の長手方向ほぼ全長に対応して
設けられ主放電空間に流入する前のガスレ−ザ媒質をフ
ォトンを介さず電気的放電により直接的に予備電離する
高周波電極２１と、予備電離されたガスレ−ザ媒質が放
電空間に流入したときに主放電電極１８にパルス高電圧
を印加する同期制御部とを具備したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスレ−ザ媒質を予備
電離してから主放電電極間に主放電を点弧してレ−ザ光
を発生させるガスレ−ザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＥＡ（Transversely Excited Atmosph
eric-Pressure ）ＣＯ₂ レ−ザ装置やエキシマレ−ザ装
置といった、いわゆる高ガス圧下で動作させる横励起方
式のガスレ−ザ装置では、ガスレ−ザ媒質を励起するた
めの主放電を安定に点弧させるために、一対の主放電電
極間で点弧される主放電に先立って主放電空間を予備電
離する予備電離手段が備えられている。

【０００３】予備電離手段としては、上記主放電電極の
近傍に対向して設けたピン電極間に予備放電を点弧さ
せ、その予備放電によって発生したＵＶ光（紫外光）で
主放電空間を照射し、そこのガスレ−ザ媒質を光電離す
るＵＶ方式、主放電電極に密着してコロナ放電電極を設
け、このコロナ放電電極で密度の低い荷電粒子を発生さ
せて放電空間を予備電離するコロナ方式、主放電電極の
一部に薄肉部を形成し、この薄肉部に対応する主放電電
極の裏側にＸ線発生部を設け、このＸ線発生部で発生し
たＸ線を上記薄肉部を透過させて放電空間へ導き、この
放電空間を予備電離するＸ線方式などが知られている。

【０００４】上記ＵＶ方式は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ
（モリブデン）、Ｗ（タングステン）などで作られた細
い径のピン電極を対向させ、そのピンギャップ間に高電
流密度の放電を点弧させるため、スパッタリングによっ
てピン電極先端部が消耗し、長時間の継続動作ができな
いということがある。しかも、スパッタリングによって
不純物が発生し、その不純物がガスレ−ザ媒質を汚して
早期に劣化させるということがある。

【０００５】上記コロナ方式は、一般的にはＵＶ方式よ
り光量が弱く、フォトンを介しての予備電離能力は少な
く、またコロナ放電電極を主放電電極に取り付けるの
で、このコロナ電極によって主放電領域の電位分布が乱
され、さらに高繰り返し動作時には、ここにイオンなど
の残留が多くなり、主放電が不均一となったり、不安定
となり易い。

【０００６】上記Ｘ線方式は、Ｘ線が周囲に漏れるのを
防止する遮蔽構造を採用しなければならないから、構造
が複雑、高価かつ大型になり、取扱いも難しいというこ
とがある。

【０００７】しかも、上述した各方式に共通して言える
ことは、パルス繰り返しを、たとえば数ｋＨｚの高繰り
返しで行う場合、主放電空間における予備電離作用が先
行する主放電により生成された荷電粒子などの影響で不
十分となり、主放電の均一性が低下して良好なレ−ザ動
作が得られないということが生じる。

【０００８】最も一般的なピン電極によるＵＶ方式につ
いて考えてみる。エキシマレ−ザの場合、通常、ピン放
電より数１０ｎｓ遅れてＵＶ光で予備電離された主放電
空間に主放電が点弧される。ところが、パルス繰り返し
数を従来行われていなかった数ｋＨｚ程度まで上げる
と、パルス間の時間的間隔が短くなり、ガスレ−ザ媒質
の流速を高速にしなければならない。ガスレ−ザ媒質の
流れは、一般には最大１００ｍ／ｓ程度であるから、こ
の間にガスレ−ザ媒質は数μｍ程度移動するのみで、そ
の予備電離されたガスレ−ザ媒質が主放電空間に流入す
るのは後続パルスが点弧された時となる。

【０００９】発明者が行った実験としては、図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、ＸｅＣｌエキシマレ−ザ
にて主放電電極１間に主放電が点弧される幅ｗを１cm、
主放電電極１間の間隔ｇを２cm、ピン電極２から主放電
電極１の幅方向中心までの距離ｄを４cm、隣り合うピン
電極２間の間隔ｅを２cmとしてレ−ザ光をパルス発振さ
せた。なお、ピン電極２は主放電電極１の幅方向両側、
つまりガスレ−ザ媒質の流れ方向の上流側と下流側との
両方に配設する。ここで、ＣＲ値（クリアランス・レシ
オ）を次式のように定める。 ＣＲ＝（ガス流速）／｛（パルス繰り返し数）×（主放
電電極幅）｝

【００１０】図５（ａ）、（ｂ）はレ−ザ出力とＣＲ値
との関係を示し、（ａ）は上述したように主放電電極１
の幅方向両側にピン電極２を配置した場合で、（ｂ）は
下流側だけに配置した場合である。

【００１１】図５（ａ）においてＣＲ≦２では主放電の
ガスレ−ザ媒質の流れ方向下流側になる部分に局所的な
放電集中部ができ、レ−ザ動作ができなくなった。ま
た、ＣＲ値が２および４の付近ではパルス繰り返し数を
上げてゆくと、レ−ザ出力が急激に低下する現象が観測
された。

【００１２】上記実験系では、２つ前のパルス放電（主
放電）を点弧させるためのピン電極２間の予備電離放電
により生成された不純物が主放電空間に流入するのがＣ
Ｒ値２のときであり、直前の主放電を点弧させるための
ピン電極２間の予備電離放電により生成された不純物が
主放電空間に流入するのがＣＲ値４のときに一致してい
る。したがって、予備電離のときに生成された不純物が
主放電による出力低下の原因になっていると考えられ
る。

【００１３】図５（ｂ）はガスレ−ザ媒質の流れ方向上
流側のピン電極２を下流側に移し、下流側にだけ上記ピ
ン電極２を図４（ａ）に示す状態よりも２倍の密度で配
置した場合のレ−ザ出力とＣＲ値との関係を示す。この
場合は、ＣＲ値が２および４の付近であっても出力の低
下は見られず、良好な動作状態が確認された。

【００１４】しかしながら、この状態においても、レ−
ザ発振の繰り返し数が増大するにつれてレ−ザ出力が全
体的に低下する。この原因は、ピン電極２の放電により
生じる不純物以外のものが主放電を不均一にしているた
めで、ガスレ−ザ媒質中に含まれる金属微粉末、ガス流
の乱れ、主放電電極１の表面にある不純物や機械的キズ
などに由来していると考えられる。

【００１５】つまり、最初の段階では主放電電極１の放
電面上において放電時に無数の微小な輝点（ホット・ス
ポット）として観測される。次の段階においては、パル
ス繰り返し数が高い場合には輝点で発生する短波長光に
よってその上流部のガスが光電離され、つぎのパルス放
電時にその輝点部に電離生成物（不純物）が流入するの
で、上述したピン電極２がガスレ−ザ媒質の上流側にあ
る場合と同様のメカニズムにより、さらに上記輝点部分
に局所的な放電集中を増大させ、その増大が連鎖的に拡
大する。

【００１６】また、上記輝点は電子放出の高い部分であ
り、その近傍の放電空間には電離生成物であるイオンが
他の部分よりも高密度でイオンシ−スという状態を形成
し、ガス流速もこの主放電電極表面近傍部分（表面より
通常は数１０μｍの範囲）ではきわめて低いので、短時
間ではほとんど同じ場所に滞留することになり、放電集
中を加速させる結果ともなる。このような状態は、パル
ス放電の繰り返し数を上げた場合、パルス間の時間間隔
が短くなるので、従来の方式では避けられなかった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の予
備電離方式によると、いずれの方式であっても、パルス
繰り返し数を上げた場合に出力の低下を招くことが避け
られず、またコロナ方式では主放電が不均一になった
り、不安定になり易く、さらにＸ線方式では装置の大型
化や複雑化さらにはコスト高などを招くということがあ
った。

【００１８】この発明は上記事情にもとづきなされたも
ので、その目的とするところは、主放電を安定した状態
で確実に発生させることができ、しかもパルス繰り返し
数を上げた場合にも出力の低下を招くことなく、主放電
空間を均一に予備電離できるようにしたガスレ−ザ装置
を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
にこの発明は、ガスレ−ザ媒質が封入されているととも
にこのガスレ−ザ媒質が循環するル−プ状の通路を有す
る気密容器と、上記通路に設けられ上記ガスレ−ザ媒質
を循環させる送風手段と、上記通路に上記ガスレ−ザ媒
質の流れ方向と交差する方向に沿って設けられ主放電が
点弧される主放電空間を形成した主放電電極と、この主
放電電極に接続され主放電電極にパルス高電圧を印加し
て上記主放電空間に所定の繰り返し数で主放電を点弧さ
せる放電駆動回路と、上記送風機の吐出側と上記主放電
電極との間に上記主放電電極の長手方向ほぼ全長に対応
して設けられ上記主放電空間に流入する前のガスレ−ザ
媒質をフォトンを介さず電気的放電により予備電離する
予備電離手段と、この予備電離手段により直接的に予備
電離されたガスレ−ザ媒質が上記放電空間に流入したと
きに上記放電駆動回路により上記主放電電極にパルス高
電圧を印加させる同期手段とを具備し、上記予備電離手
段は予備電離したガスレ−ザ媒質が上記循環の流れにお
いて上記主放電空間に所定の荷電粒子密度状態で流入さ
れる箇所に位置していることを特徴とする。

【００２０】

【作用】上記構成によれば、構成が簡単であるととも
に、主放電空間に流入する前のガスレ−ザ媒質をフォト
ンを介さず電気的放電により均一に予備電離する予備電
離手段を主放電電極の長手方向全長にわたって設けたこ
とで、主放電空間全体を均一に予備電離することがで
き、しかもそのための構成も簡単であるばかりか、大型
化を招くことがない。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図１乃至図３を
参照して説明する。図中１１は気密容器である。この気
密容器１１は内管１１ａと外管１１ｂとの二重管構造を
なしていて、内管１１ａと外管１１ｂとの間にはル−プ
状の通路１２が形成されている。この通路１２にはガス
レ−ザ媒質が充填されている。このガスレ−ザ媒質は上
記通路１２に設けられた送風機１３によって矢印で示す
方向に所定の流速で循環させられるようになっている。

【００２２】上記送風機１３は、羽根部１４が上記通路
１２に設けられ、この羽根部１４を回転駆動するモ−タ
１５は気密容器１１の外部に配設されている。モ−タ１
５の回転軸１５ａは、上記外管１１ｂの側壁に気密に設
けられたカップリング１６に接続されている。このカッ
プリング１６には従動軸１７の一端が接続されている。
この従動軸１７の他端は上記羽根部１４に連結されてい
る。したがって、上記モ−タ１５が作動すれば、上記羽
根部１４が回転駆動されるようになっている。

【００２３】また、上記通路１２には、主放電を発生し
てガスレ−ザ媒質を励起することで、レ−ザ光を発生さ
せる一対の主放電電極１８がガスレ−ザ媒質の流れ方向
と直交する方向に沿って配設され、また通路１２には放
電励起されることで温度上昇するガスレ−ザ媒質を冷却
するための一対の熱交換器１９が配設されている。さら
に、上記通路１２には、上記送風機１３の吐出側と主放
電電極１８との間で、主放電電極１８の側方から所定寸
法離れた位置に、予備電離手段としての一対の高周波放
電電極２１が上記主放電電極１８の長さ方向全長にわた
って配設されている。すなわち、高周波放電電極２１
は、予備電離したガスレ−ザ媒質を一対の主放電電極１
８間の主放電空間１８ａに所定の荷電粒子密度の状態で
流入させることができる位置に配置されている。

【００２４】上記高周波放電電極２１は、帯板状の電極
板２２と、この電極板２２の一方の板面に接合された同
じく帯板状の絶縁板２３から形成されている。これら一
対の高周波電極２１は、互いの絶縁板２３を対向させて
配設されており、一対の電極板２２間には図２に示すよ
うに高周波電源２４が第１のスイッチ２５を介して接続
されている。したがって、上記第１のスイッチ２５を閉
じれば、一対の高周波電極２１間に高周波電圧が印加さ
れて高周波放電が発生する。高周波放電が発生すれば、
それによって一対の主放電電極１８間の主放電空間１８
ａに流入する前のガスレ−ザ媒質が予備電離される。こ
の高周波電極２１は、主放電電極１８の長手方向全長に
わたって設けられているから、主放電空間１８ａには長
手方向全長にわたって均一に予備電離されたガスレ−ザ
媒質が所定の荷電粒子密度状態、すなわち、主放電を均
一に放電点弧可能な荷電粒子密度以上の状態で流入す
る。

【００２５】上記一対の主放電電極１８には放電駆動回
路２６が接続されている。この放電駆動回路２６は高電
圧をパルス状に発生する高圧電源２７を有する。この高
圧電源２７には上記一対の主放電電極１８が接続されて
いる。また、高圧電源２７には、サイラトロンスイッチ
からなる第２のスイッチ２８とインダクタンス２９とが
主コンデンサ３１を介して並列に接続され、さらに一対
の主放電電極１８間にはピ−キングコンデンサ３２が接
続されている。

【００２６】上記第１のスイッチ２５と上記第２のスイ
ッチ２８とは同期制御部３３からの駆動信号によって開
閉されるようになっている。つまり、同期制御部３３
は、最初に第１のスイッチ２５を閉じる。それによっ
て、一対の高周波電極２１間に高周波放電を発生させ、
主放電空間１８ａに流入する前のガスレ−ザ媒質を予備
電離する。上記第２のスイッチ２８は、上記高周波電極
２１により予備電離されたガスレ−ザ媒質が上記放電空
間１８ａに流入したときに閉じられ、それによって一対
の主放電電極１８間に主放電を点弧させるようになって
いる。つぎに、上記構成のガスレ−ザ装置の作用につい
て説明する。

【００２７】まず、送風機１３を作動させて通路１２内
のガスレ−ザ媒質を矢印方向に循環させる。ガスレ−ザ
媒質が循環させられている状態で、まず同期制御部３３
からの駆動信号によって第１のスイッチ２５が閉じられ
る。それによって、一対の高周波電極２１間に高周波電
圧が印加されるから、これらの間に高周波放電が点弧さ
れ、その高周波放電によって図３（ａ）に示すように一
対の主放電電極１８間の主放電空間１８ａに流入する前
のガスレ−ザ媒質ｍ₁ が予備電離される。

【００２８】一対の高周波電極２１間に発生する高周波
放電はＵＶ方式のように放電にともなう不純物が発生す
ることがなく、しかも上記主放電空間１８の長手方向全
長に対応して点弧される。そのため、上記主放電空間１
８ａには、その長手方向全長にわたって均一に予備電離
されたガスレ−ザ媒質が流入する。

【００２９】予備電離されたガスレ−ザ媒質ｍ₁ が一対
の主放電電極１８の方向に向かって流れ、図３（ｂ）に
示すように一対の主放電空間１８ａに流入すると、その
とき上記同期制御部３３から第２のスイッチ２８へ駆動
信号が出力される。それによって、一対の主放電電極１
８間に主放電が点弧されるから、予備電離されたガスレ
−ザ媒質ｍ₁ が励起されてレ−ザ光が発生する。

【００３０】上記主放電空間１８ａには、その全長にわ
たって均一に予備電離されたガスレ−ザ媒質ｍ₁ が流入
するから、そのガスレ−ザ媒質ｍ₁ が流入したときに一
対の主放電電極１８間に点弧される主放電も上記主放電
空間部１８ａの全体にわたって均一となる。主放電を均
一に点弧することができれば、その主放電の繰り返しパ
ルスを、たとえば数ｋＨｚ程度まで高速にしても、従来
のように放電集中が発生しずらいから、レ−ザ出力が低
下するのを防止することができる。

【００３１】上記高周波電極２１による予備電離で発生
する荷電粒子は、再結合や拡散などで主放電空間１８ａ
に到達するまでに減少するので、主放電空間１８ａに主
放電を均一に点弧できる最小限の密度が維持できるよう
に、荷電粒子発生量、均一度、ガス流速、高周波電極２
１の主電極１８からの距離ｄなどについて最適値が設定
されることはいうまでもない。上記荷電粒子発生量は高
周波電極２１に印加する高周波電圧によって制御でき、
上記均一度は高周波電極２１の長さを主放電空間１８ａ
の長さに対応させることで達成できる。上記ガス流速は
送風機１３の回転数を制御することで設定できる。

【００３２】ここで、主要な荷電粒子であるイオンの消
滅について概算してみる。上述したごとく、多くのイオ
ンは再結合により消滅すると考えられるので、再結合係
数をα、放電消弧時のイオン密度をｎ₀ （cm^-3)とすれ
ば、これより、ｔsec 後に残留しているイオン密度ｎ
（cm^-3) は、｛１／ｎ＝１／ｎ₀ ＋αｔ｝であるから、
｛ｔ＝１／α（１／ｎ−１／ｎ₀ ）｝となる。

【００３３】ＸｅＣｌエキシンマレ−ザの場合、Ｘｅイ
オンについて考えると、通常、ピン電極間放電や主電極
間放電で生成されるＸｅイオンｎ₀ は１０¹³〜１０
¹⁵（cm^-3）であり、また主放電空間での予備電離では荷
電粒子密度が１０⁸ （cm^-3）程度で、均一な放電が得ら
れるから、これらよりｔは（１／αｎ）にほぼ等しくな
り、αはガスの種類や密度（圧力）によるが、通常は大
きい場合でも、α＝１０^-6（cm³ ／ｓ) である。したが
って、ｎ＝１０⁸ （cm^-3) の場合、ｔ＝１／100(sec)と
概算できる。すなわち、これらのイオンが予備電離作用
を失う程度に消滅するまでには、数１０msを要するの
で、ｋＨｚ台の高繰り返しレ−ザ動作には上述による予
備電離方式が有効である。

【００３４】この発明は上記一実施例に限定されるもの
でなく、たとえば予備電離手段として高周波放電電極以
外に沿面コロナ放電電極、マイクロ波放電電極などであ
ってもよく、要は間接的で多大の電気的エネルギを要す
るフォトンを介さず、直接電気的放電によりガスレ−ザ
媒質を効果的に予備電離できる手段であればよく、その
手段を主放電電極の側方全長にわたって設けるようにす
ればよい。

【００３５】なお、予備電離手段として沿面コロナ放電
電極を用いる場合、従来のように板状のコロナ放電電極
を主放電電極に接合させる構造でなく、図６に示すよう
に石英などの絶縁管４１に金属線４２を挿通してコロナ
放電電極４３を形成し、その電極を主放電電極の側方に
長手方向全長にわたって設けるようにする。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明は、主放電電
極の側方の長手方向ほぼ全長にわたって、上記主放電電
極間に形成された主放電空間に流入する前のガスレ−ザ
媒質を、フォトンを介さず電気的放電により予備電離す
る予備電離手段を設け、この予備電離手段によって予備
電離されたガスレ−ザ媒質が上記主放電空間に流入した
ときに上記主放電電極に主放電を点弧させるようにし
た。

【００３７】そのため、上記主放電空間に流入する前の
ガスレ−ザ媒質を、主放電空間の長さ方向ほぼ全長にわ
たる幅で均一に予備電離することができ、しかも予備電
離されたガスレ−ザ媒質が主放電空間に流入した時に主
放電が点弧されるから、一対の主放電電極間における主
放電を均一に点弧させ、レ−ザ出力の増大を図ることが
できる。とくに、主放電の均一性が増大することで、パ
ルス繰り返し数を、たとえば数ｋＨｚ程度まで増大させ
ても、レ−ザ出力が低下するのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の全体構成図。

【図２】同じく主放電電極と予備電離手段とを駆動する
ための回路図。

【図３】（ａ）は主放電空間に流入する前のガスレ−ザ
媒質を予備電離する状態の説明図、（ｂ）は予備電離さ
れたガスレ−ザ媒質が主放電空間に流入した状態の説明
図。

【図４】（ａ）は従来の主放電電極とピン電極との配置
状態の平面図、（ｂ）は同じく側面図。

【図５】（ａ）はピン電極を主放電電極の両側に配置し
たときのＣＲ値とレ−ザ出力との関係を示すグラフ、
（ｂ）はピン電極を主放電電極の下流側の一側だけに配
置したときのＣＲ値とレ−ザ出力との関係を示すグラ
フ。

【図６】この発明の予備電離手段の他の実施例であるコ
ロナ放電電極の配置状態を示す説明図。

【符号の説明】

１１…気密容器、１２…通路、１３…送風機、１８…主
放電電極、２１…高周波電極（予備電離手段）、２６…
放電駆動回路、３３…同期制御部（同期手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 8934−4Ｍ Ｈ０１Ｓ 3/097 Ｅ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスレ−ザ媒質が封入されているととも
   にこのガスレ−ザ媒質が循環するル−プ状の通路を有す
   る気密容器と、上記通路に設けられ上記ガスレ−ザ媒質
   を循環させる送風手段と、上記通路に上記ガスレ−ザ媒
   質の流れ方向と交差する方向に沿って設けられ主放電が
   点弧される主放電空間を形成した主放電電極と、この主
   放電電極に接続され主放電電極にパルス高電圧を印加し
   て上記主放電空間に所定の繰り返し数で主放電を点弧さ
   せる放電駆動回路と、上記送風機の吐出側と上記主放電
   電極との間に上記主放電電極の長手方向ほぼ全長に対応
   して設けられ上記主放電空間に流入する前のガスレ−ザ
   媒質をフォトンを介さず電気的放電により直接的に予備
   電離する予備電離手段と、この予備電離手段により予備
   電離されたガスレ−ザ媒質が上記放電空間に流入したと
   きに上記放電駆動回路により上記主放電電極にパルス高
   電圧を印加させる同期手段とを具備し、上記予備電離手
   段は予備電離したガスレ−ザ媒質が上記循環の流れにお
   いて上記主放電空間に所定の荷電粒子密度状態で流入さ
   れる箇所に位置していることを特徴とするガスレ−ザ装
   置。