JPH09326517A

JPH09326517A - マイクロ波励起ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JPH09326517A
Application number: JP14252396A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iwasaki; 泰岩崎; Shigeki Yamane; 茂樹山根
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1997-12-16

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロ波励起ガスレーザ発振装置におい
て、安定した高速なパルス状のレーザ光出力を得ること
を目的とする。【解決手段】レーザガスの最上流部に配設したマグネ
トロン駆動用スイッチング電源のみ連続駆動しその他の
マグネトロン駆動用スイッチング電源は間欠動作するこ
とにより、安定した立上りの早い高速なパルス状のレー
ザ光を得ることができるマイクロ波励起ガスレーザ発振
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電管の各放電区
間においてマイクロ波放電励起をおこなうマイクロ波励
起ガスレーザ発振装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスレーザ発振装置は小形化の流
れがあり、その手段として励起周波数の高周波化が進め
られている。その電源としては従来、直流および数１０
０ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電源が用いられている
が、高価格、安定出力制御性において問題があった。現
在マイクロ波励起ガスレーザ発振器の検討がいろいろ行
われているが、その１例を図９に示す。図９において１
は内部にレーザガスが流れている放電管、４はマイクロ
波を発生するマグネトロン、２は前記放電管１にマイク
ロ波を伝送する導波路、８は前記マグネトロン４を駆動
するマグネトロン駆動用スイッチング電源、９は放電区
間、１８はレーザ光を部分透過する出力鏡、１９は前記
出力鏡１８と光共振器を構成する全反射鏡である。以上
のように構成されたマイクロ波励起ガスレーザ発振装置
について、以下その動作について説明する。まず、マグ
ネトロン駆動用スイッチング電源８は２０ｋＨｚ程度の
スイッチング電源でマグネトロン４に発振可能な高電圧
を印加する。そのときマグネトロン４から出力されるマ
イクロ波は完全なオフ時間を設けたパルス状になるよう
マグネトロン駆動用スイッチング電源８を構成してい
る。そして、マグネトロン４より出力されたマイクロ波
は導波路２を介して放電区間６に注入される。この放電
区間６で励起されたレーザガスからレーザ光が励起さ
れ、出力鏡１８と全反射鏡１９とにより構成される光共
振器にて増幅され一部が出力鏡１８から取出される。な
お、マグネトロン駆動用スイッチング電源８はマイクロ
波出力を一定にすべくＰＷＭ制御を行っている。また、
マグネトロン駆動用スイッチング電源８にはマグネトロ
ン４のフィラメントに印加するヒータトランスも内蔵し
ており商用周波数電圧を降圧してフィラメントに印加し
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記マ
イクロ波励起ガスレーザ発振装置ではレーザ加工に必要
なパルス動作時のレーザ光の立ち上がりが遅く高周波数
のレーザ光が得られないという課題があった。

【０００４】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、安定した、立上がりの早いパルス状のレーザ出力を
得るマイクロ波励起ガスレーザ発振装置を提供すること
を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に第１発明のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置はレー
ザ光パルス動作時において、複数のマグネトロン駆動用
スイッチング電源のうち、共振器内を循環するレーザガ
スの最上流部のマグネトロン駆動用スイッチング電源の
み連続駆動する構成としたものである。

【０００６】また、第２発明のマイクロ波励起ガスレー
ザ発振装置は特定のマグネトロン駆動用スイッチング電
源のみ連続動作させ他のマグネトロン駆動用スイッチン
グ電源をパルス動作させる構成としたものである。

【０００７】さらに、第３発明のマイクロ波励起ガスレ
ーザ発振装置は、同一放電管の各放電区間毎に設けた複
数のマグネトロン駆動用スイッチング電源のマイクロ波
出力を任意に設定し、同一としない構成としたものであ
る。

【０００８】また、第４発明のマイクロ波励起ガスレー
ザ発振装置は、パルス動作時のオフ期間にマグネトロン
に発振開始しきい値電圧より低い直流バイアス電圧を印
加する構成としたものである。

【０００９】さらに、第５発明のマイクロ波励起ガスレ
ーザ発振装置は、マグネトロンのアノード・カソード間
に流れるパルス状のマグネトロン電流のピーク値を一定
に制御する構成としたものである。

【００１０】また、第６発明のマイクロ波励起ガスレー
ザ発振装置は、前記マグネトロン電流の平均値とピーク
値を検出しその比率に応じてレーザ出力が安定するよう
にマグネトロンのフィラメントに印加するヒータ電圧を
制御する構成としたものである。

【００１１】さらに、第７発明のマイクロ波励起ガスレ
ーザ発振装置はマグネトロンのアノード・カソード間の
電圧を検出し、レーザ出力が安定するように前記マグネ
トロンのヒータ電圧を制御するヒータ電圧制御回路を備
えたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】第１発明のマイクロ波励起ガスレ
ーザ発振装置は、レーザ光がパルス動作時に各放電管の
最上流のマグネトロン駆動用スイッチング電源のみ連続
駆動するとしたものであり、レーザ光の立ち上がり時間
が短縮できるという作用を有する。

【００１３】第２発明のマイクロ波励起ガスレーザ発振
装置は、同一の放電管に複数のマグネトロン駆動用スイ
ッチング電源を配設した場合特定のマグネトロン駆動用
スイッチング電源のみ連続動作とし他のマグネトロン駆
動用スイッチング電源をパルス動作する構成としたもの
であり、レーザ光の立ち上がり時間が短い直流重畳のパ
ルス状のレーザ光出力が得られるという作用を有する。

【００１４】第３発明のマイクロ波励起ガスレーザ発振
装置は、同一の放電管に設けたマイクロ波電源のマイク
ロ波出力を任意に設定し、同一としない構成としたもの
であり、マイクロ波出力をすべて同一とした場合よりレ
ーザ光の発振効率が向上しレーザ光出力が向上するとい
う作用を有する。

【００１５】第４発明のマイクロ波励起ガスレーザ発振
装置は、レーザ光パルス動作時のレーザ光オフ期間はマ
グネトロンを発振しないレベルの直流バイアス電圧を印
加するとしたものであり、レーザ光オン期間のマグネト
ロンの立ち上がり時の遅れ時間が短縮できレーザ光の立
ち上がり時の遅れ時間を短縮できるという作用を有す
る。

【００１６】第５発明のマイクロ波励起ガスレーザ発振
装置は、マグネトロンのアノード・カソード間に流れる
パルス状のマグネトロン電流のピーク値を一定としたも
のであり、パルス状に出力されるマイクロ波のピーク値
の変動を低減させ放電管内のマイクロ波放電を安定化さ
せるという作用を有する。

【００１７】第６発明は、マグネトロン電流の平均値と
ピーク値を検出しその比率に応じて前記マグネトロンの
ヒータ電圧を制御するとしたものであり、パルス動作時
に発生しやすいマグネトロンの異常発振を防止すること
ができパルス動作時に安定したパルス状のレーザ光出力
を得ることができるという作用を有する。

【００１８】第７発明は、マグネトロンのアノード・カ
ソード間電圧を検出し、前記マグネトロンのヒータ電圧
を制御するとしたものであり、マグネトロンの異常発振
を検出し直ちに正常発振に復帰させることができ、レー
ザ光出力の変動を最小限に抑えるという作用を有する。

【００１９】以下、本発明の実施の形態１ないし７につ
いて図１から図８に沿って説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は本実施の形態１に
おけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の概略電源構
成図である。１はレーザガスが封入されている放電管
で、この放電管１内を吸気ブロック２から排気ブロック
３の方向にレーザガスが循環している。４はマグネトロ
ンで、このマグネトロン４は各導波路５に接続してい
る。そして、マグネトロン４から出力されるマイクロ波
は導波路５を通じて放電区間６に注入される。７はマイ
クロ波電源で、マイクロ波電源制御回路７はマグネトロ
ン駆動用スイッチング電源８のスイッチング電源制御回
路９に接続し出力設定信号Ｓ１およびマグネトロン４の
動作を連続か間欠かを決定する動作設定信号Ｓ２を送
る。そしてレーザ光出力モードがパルス動作の場合は放
電管１のガス流の最上流部のスイッチング電源制御回路
９に送られる動作設定信号Ｓ２は連続、出力設定信号Ｓ
１は最低値にしておき、その他のスイッチング電源制御
回路９に送られる動作設定信号Ｓ２は間欠、出力設定信
号Ｓ１は任意にしておく。ここで最上流部のスイッチン
グ電源制御回路８に送られる出力設定信号Ｓ１を最低値
にするとしたが、最低値とはパルス動作時、レーザ光出
力に直流成分が重畳されない値を示す。しかし最上流部
の放電区間６を流れ出たレーザガスはレーザガス発振は
しないものの、ある程度励起されており、常に間欠動作
している電源に接続されている放電区間６を流れている
ため、間欠動作している放電区間６にマイクロ波が注入
されると直ちにレーザ発振を開始する。そのため図２
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、全てのマグネト
ロン駆動用スイッチング電源８を間欠動作させた場合の
レーザ光出力Ｐ１に比し、ガス流の最上流部のみ連続動
作させたレーザ光出力Ｐ２の場合が立上がりは早い利点
を有する。

【００２１】（実施の形態２）つぎに本実施の形態２に
おけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置のレーザ光出
力波形を図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に沿って説明す
る。

【００２２】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は同一放電管
に接続されたマグネトロン駆動用スイッチング電源のう
ち、特定のマグネトロン駆動用スイッチング電源のみ連
続動作させ、他のマグネトロン駆動用スイッチング電源
は間欠動作させた場合のレーザ光出力波形を示したもの
である。このように連続動作と間欠動作を組合わせるこ
とによりレーザ光出力として立ち上がりの早い直流重畳
形のパルス波形を得ることができる。

【００２３】（実施の形態３）つぎに、本実施の形態３
におけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置のレーザ光
出力特性を図４に沿って説明する。

【００２４】図４は同一放電管内で全てのマグネトロン
駆動用スイッチング電源の出力を全て同一とせず最適な
比率でマイクロ波電源を駆動した場合のレーザ光出力Ｐ
１と、全てのマグネトロン駆動用スイッチング電源の出
力を同一とした場合のレーザ光出力Ｐ２との出力特性を
比較したものである。図４のようにマグネトロン駆動用
スイッチング電源を全て同一出力とした場合と比較して
最適な比率で駆動した方が、レーザ光出力が大きい領域
において発振効率がのび、高いレーザ出力が得られるこ
とがわかる。これは、各放電区間においてガス圧、ガス
の流れ方が違うため放電が安定しなくなることにより注
入電力値が各放電区間において異なるためである。

【００２５】（実施の形態４）つぎに、本実施の形態４
におけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置を図５
（ａ）ないし（ｄ）に沿って説明する。

【００２６】図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はレ
ーザ光パルス動作時のオフ期間はマグネトロンを発信し
ないレベルの直流バイアス電圧を印加する時のマグネト
ロン駆動用スイッチング電源各部の信号波形を示すもの
である。そして、動作設定信号がオンの場合は出力設定
信号によって定められたマイクロ波を出力するが、動作
設定信号がオフの場合はマグネトロンのアノード・カソ
ード間電圧が発振しきい値電圧Ｅに達しないようにスイ
ッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号のＯＮ時間を絞り常に
マグネトロンに直流電圧を印加しておくことにより、マ
グネトロンの立上がり時の遅れ時間を短縮できる。これ
により、マイクロ波電流の立上がり時の遅れ時間も短縮
できる安定したレーザ出力を得ることができる。

【００２７】（実施の形態５）つぎに、本実施の形態５
におけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置を図６に沿
って説明する。

【００２８】図６はガスレーザ用マイクロ波電源装置の
制御回路部のブロック図で、マグネトロン電流のピーク
値を一定に制御するものである。すなわち、電流素子１
０によりマグネトロン電流を検出しそのピーク値をピー
ク値検出回路１１により検出し出力設定信号との誤差を
誤差増幅器１２により求める。その結果をＰＷＭ制御回
路１３に送り、マグネトロン駆動用スイッチング電源４
のスイッチング素子のＯＮ時間を決定し前記スイッチン
グ素子を制御する。

【００２９】このような制御を行うことによりパルス状
のマグネトロン電流のピーク値の変動を低減することが
でき放電区間での安定した放電が得られ、リップルの少
ない良質のレーザ光出力が得られる。

【００３０】（実施の形態６）つぎに、本実施の形態６
におけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置を図７に沿
って説明する。

【００３１】図７はマグネトロン電流の平均値とピーク
値を検出し前記マグネトロンのヒータ電圧を制御するマ
イクロ波励起ガスレーザ発振装置のヒータ電圧回路のブ
ロック図である。そして、電源検出素子１０よりパルス
状のマグネトロン電流を検出し、ピーク検出回路１１お
よび平均値検出回路１４によりマグネトロン電流のピー
ク値と平均値をそれぞれ検出する。その２つの検出信号
を除算器１５により除算しその結果ヒータ電圧制御回路
１６に入力する。さらに、ヒータ電圧制御回路１６で
は、マグネトロン電流の平均値に対するピーク値の比率
が高いほどヒータ電圧を高くする制御を行う。

【００３２】このような制御を行うことにより、マグネ
トロンのモーディングを防止することができ、必要以上
にヒータ電圧を上げることもないためマグネトロンの劣
化を低減することができる利点を有する。

【００３３】（実施の形態７）つぎに、本実施の形態７
におけるマイクロ波励起ガスレーザ発振装置を図８に沿
って説明する。

【００３４】図８はマグネトロンのアノードとカソード
の間の電圧を検出し、前記マグネトロンのヒータ電圧を
制御するマイクロ波励起ガスレーザ発振装置のヒータ電
圧制御のブロック回路図である。マグネトロンは異常発
振になるとアノード・カソード間の電圧は正常発振状態
の１．５倍以上の電圧がかかる。このアノード・カソー
ド間の電圧を常に監視し規定以上の電圧が発生している
か否かを比較器１７により判別し異常発振を検出する。
異常発振の発生をしていればヒータ電圧制御回路１６に
信号を送りヒータ電圧を上げることにより正常発振状態
に速やかに復帰できる。このことにより、異常発振が発
生してもいち早く正常発振に復帰でき、レーザ光の変動
も最小限に抑えることができる利点を有する。

【００３５】

【発明の効果】以上のように第１発明によれば、レーザ
光がパルス動作時に各放電区間のレーザガスの最上流部
の放電区間のマグネトロン駆動用スイッチング電源のみ
連続動作する構成としたもので、立上りの早いレーザ光
出力が得られる。第２発明によれば、立上りの早いレー
ザ光出力が得られ、パルス波形に直流成分が重畳したよ
うなレーザ光出力が得られる。第３発明によれば、同一
の放電管の各放電区間毎に設けた複数のマグネトロン駆
動用スイッチング電源のマイクロ波出力を任意に設定
し、同一としない構成としたもので、レーザ光出力の発
振効率が高いガスレーザ発振装置が得られる。第４発明
によれば、パルス動作時にパルスＯＮ設定信号に対して
レーザ光が出力され始めるまでの遅れ時間の短いレーザ
光出力が得られる。第５発明によれば、マグネトロンの
アナード・カソード間に流れるパルス状のマグネトロン
電流のピーク値を一定としたもので、リップルが少ない
レーザ光出力を得ることができる。第６発明によれば、
安定したレーザ光出力を得ることができマグネトロンの
寿命を長くすることができる。第７発明によれば、マグ
ネトロンのアノード・カソード間電圧を検出し、レーザ
出力が安定するように前記マグネトロンのヒータ電圧を
制御するヒータ電圧制御回路を備えたもので、マグネト
ロンの異常によるレーザ光出力の低下を最小限に抑える
ことができる。

【００３６】各本発明は以上のように優れた効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるマイクロ波励起ガ
スレーザ発振装置の電源ブロック構成図

【図２】（ａ）マグネトロン駆動用スイッチング電源の
動作設定信号Ｓ１の波形図（ｂ）全てのマグネトロン駆動用スイッチング電源を間
欠動作したときのレーザ光出力波形図（ｃ）ガス流の最上流部のマグネトロン駆動用スイッチ
ング電源のみ間欠動作したときのレーザ光出力波形図

【図３】（ａ）本実施の形態２における特定のマグネト
ロン駆動用スイッチング電源の間欠動作によるマイクロ
波出力図（ｂ）他のマグネトロン駆動用スイッチング電源の連続
動作によるマイクロ波出力図（ｃ）同実施の形態２のレーザ光出力図

【図４】本発明の実施の形態３におけるレーザ光出力特
性図

【図５】（ａ）マグネトロン駆動用スイッチング電源の
動作設定信号Ｓ１の波形特性図（ｂ）同マグネトロン駆動用スイッチング電源のスイッ
チング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号波形図（ｃ）マグネトロンのアノード・カソード間電圧とマグ
ネトロン発振開始しきい値電圧を示す特性図（ｄ）マイクロ波出力電流の波形図

【図６】本発明の実施の形態５によるマイクロ波励起ガ
スレーザ発振装置のヒータ電圧回路のブロック図

【図７】本発明の実施の形態６によるマイクロ波励起ガ
スレーザ発振装置のヒータ電圧制御のブロック回路図

【図８】本発明の実施の形態７によるマイクロ波励起ガ
スレーザ発振器のヒータ電圧制御のブロック回路図

【図９】従来のマイクロは励起ガスレーザ発振装置のマ
イクロ波電源ブロック回路図

【符号の説明】

１放電管４マグネトロン６放電管区間７マイクロ波電源制御回路８マグネトロン駆動用スイッチング電源９スイッチング電源制御回路１０電流検出素子１１ピーク検出回路１２誤差増幅器１３ＰＷＭ制御回路１４平均値検出回路１５除算器１６ヒータ電圧制御回路１７比較器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、レーザ光がパルス動作時に各放電区間
のレーザガスの最上流部の放電区間のマグネトロン駆動
用スイッチング電源のみ連続駆動する構成としたマイク
ロ波励起ガスレーザ発振装置。
【請求項２】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、特定のマグネトロン駆動用スイッチン
グ電源のみ連続動作とし他のマグネトロン駆動用スイッ
チング電源をパルス動作とする構成としたマイクロ波励
起ガスレーザ発振装置。
【請求項３】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、同一の放電管の各放電区間毎に設けた
複数のマグネトロン駆動用スイッチング電源のマイクロ
波出力を任意に設定し、同一としない構成としたマイク
ロ波励起ガスレーザ発振装置。
【請求項４】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、パルス動作時のオフ期間はマグネトロ
ンに発振開始しきい値電圧より低い直流バイアス電圧を
印加する構成としたマイクロ波励起ガスレーザ発振装
置。
【請求項５】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、マグネトロンのアノード・カソード間
に流れるパルス状のマグネトロン電流のピーク値を一定
としたマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
【請求項６】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波を電力を供給し、前
記放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源
としてレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置であって、マグネトロン電流の平均値とピーク
値を検出しその比率に応じて前記マグネトロンのヒータ
電圧をレーザ出力が安定するように制御するヒータ電圧
制御回路を備えたマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
【請求項７】放電管内に送風機によりレーザガスを流
し、前記放電管の外部に設けた複数のマグネトロン駆動
用スイッチング電源よりマイクロ波電力を供給し、前記
放電管内に放電を発生させ、この放電をレーザ励起源と
してレーザ光を発生させるマイクロ波励起ガスレーザ発
振装置であって、マグネトロンのアノード・カソード間
電圧を検出し、レーザ出力が安定するように前記マグネ
トロンのヒータ電圧を制御するヒータ電圧制御回路を備
えたマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。