JPH10229229A - 放電励起型ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ発振開始時から定常状態での放電を可
能として電極及び高圧電源の寿命長期化が図れる放電励
起型ガスレーザ発振装置を提供する。 【解決手段】 レーザガスが封入され、かつ、電極対２
１が配設されたレーザチャンバ４を備え、電極対２１で
高電圧エネルギーを放電してレーザ光を発振する放電励
起型ガスレーザ発振装置において、レーザガス温度を検
出する温度センサ９と、この検出したレーザガス温度値
を入力し、予め実稼働前にレーザ光を発振させて定常発
振時のレーザガス温度値を記憶し、かつ、実稼働時に
は、レーザ光発振開始前にレーザガス温度が前記記憶し
た温度値になるように温度制御指令を出力してレーザガ
スを予熱した後にレーザ光発振し、レーザ光発振中前記
記憶した温度値に保持するコントローラ６と、レーザチ
ャンバ４の内部又は外部に配設され、かつ、前記温度制
御指令に基づいてレーザガス温度を制御する予熱手段と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電励起型のガス
レーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】放電励起型ガスレーザ発振装置（以後、
単にガスレーザ装置と呼ぶ）は、レーザチャンバ内に封
入されたレーザガスを放電電極間の放電エネルギーによ
って励起し、この励起状態のガスイオンが基底状態に戻
るときに放出するエネルギー量に相当する発振波長のレ
ーザ光を発生させる。この発生したレーザ光は、レーザ
チャンバに配設されたプリズム、ミラー等からなる光学
的共振器によって発振され、所定のパワーで外部に出力
される。例えばエキシマレーザ装置においては、前記レ
ーザガスとしてハロゲンガスとバッファガスと希ガスの
混合ガスが使用されている。

【０００３】エキシマレーザ装置のようなガスレーザ装
置は、金属加工、マーキング、半導体露光装置、及び光
化学反応プロセスの研究開発等の様々な分野に使用され
ているが、これらのいずれにおいても、レーザ光の出力
パワーを一定に保持することが重要な課題となってい
る。すなわち、従来のガスレーザ装置では、放電電極の
放電電圧と、レーザガスの温度と、出力パワーとは互い
に密接な関係があることが一般的に良く知られている。
図２〜図４には、この関係を表す各特性の稼働時間に対
する変化の様子が示されており、図２はレーザガスの温
度、図３は放電電圧一定時のレーザ出力パワー、及び図
４はレーザ出力パワー一定時の放電電圧の各特性を示し
ている。図２に示すように、レーザ光発振を連続して行
うと、放電エネルギーによってレーザガスの温度が上昇
し、所定の温度で定常状態となる。また、このとき放電
電圧を一定にしておくと、図３に示すように、上記レー
ザガス温度の上昇に伴って出力パワーが徐々に上昇する
傾向が見られる。したがって、出力パワーを一定に保持
するために、従来は、図４に示すように出力パワーをモ
ニタしながら放電電圧を制御して徐々に減少させるよう
にしている。

【０００４】また、出力パワーを一定に保持するための
一方法として、例えば、特開平３−２２７０８１号公報
には、出力パワーをモニタしながら、レーザチャンバに
配設された熱交換器の冷却水の流量を制御することによ
って、レーザガス温度を上げてレーザ出力パワーを安定
化させることが可能なエキシマレーザ装置が開示されて
いる。この結果、放電電圧の制御やハロゲンガスの注入
量の制御に比べて放電状態を悪化させないので、レーザ
ガスの長寿命化、放電電極の長寿命化を図ることができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のガスレーザ装置においては、レーザ発振開
始時のレーザガス温度が低いときには、高い放電電圧で
駆動する必要がある。このために、電極の磨耗や、高圧
電源の高電圧素子の信頼性低下を招き、よって、電極や
高圧電源の寿命を低下させている。この結果、これらの
機器を保守する頻度が多くなり、保守費用が高価となる
という問題が生じている。

【０００６】本発明は、上記の問題点に着目してなされ
たものであり、レーザ発振開始時から定常状態での放電
を可能として電極及び高圧電源の寿命長期化が図れる放
電励起型ガスレーザ発振装置を提供することを目的とし
ている。

【０００７】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ
ガスが封入され、かつ、内部に電極対２１が配設された
レーザチャンバ４を備え、前記電極対２１で高圧電源５
から供給される高電圧エネルギーを放電してレーザガス
を励起し、レーザ光を発振する放電励起型ガスレーザ発
振装置において、レーザチャンバ４内のレーザガスの温
度を検出する温度センサ９と、温度センサ９が検出した
レーザガス温度値を入力し、予め実稼働前にレーザ光を
発振させて定常発振時のレーザガス温度値を記憶し、か
つ、実稼働時には、レーザ光発振開始前にレーザガス温
度が前記記憶したレーザガス温度値に等しくなるように
温度制御指令を出力してレーザガスを予熱した後にレー
ザ光を発振し、レーザ光発振中継続して前記レーザガス
温度値に保持するコントローラ６と、レーザチャンバ４
の内部又は外部に配設され、かつ、前記温度制御指令に
基づいてレーザチャンバ４の内部のレーザガスを制御す
る予熱手段とを備えた構成としている。

【０００８】請求項１に記載の発明によると、レーザ光
発振を開始する前に、レーザガスを予熱手段によって予
熱し、レーザガス温度が定常発振時の温度と等しくして
おく。これによって、レーザ光発振開始時の放電電圧が
従来に比して低い電圧となり、しかも従来と同じ一定の
出力パワーを保持できる。この結果、電極及び高電圧電
源の長寿命化が図れ、保守頻度の低減による保守費の低
下が可能となる。

【０００９】請求項２に記載の発明は、前記予熱手段
が、前記レーザチャンバ４内を経由して配設され、か
つ、熱交換用の媒体を循環させる循環路１７と、前記コ
ントローラ６からの温度制御指令に基づいて、前記循環
路１７の媒体の流量及び温度を制御する循環装置１３と
を備えた請求項１記載の放電励起型ガスレーザ発振装置
としている。

【００１０】請求項２に記載の発明によると、レーザチ
ャンバ内に熱交換器を配設してレーザガスを所定温度に
予熱する。これによって、エキシマレーザ装置のよう
に、レーザガスにハロゲンガス等の高反応性を示すガス
を使用した場合でも、レーザガスを外部に漏らさない状
態でレーザガスを予熱及び温度制御できる。したがっ
て、安全性が向上すると共に、電極及び高電圧電源の長
寿命化が図れ、保守頻度の低減による保守費の低下が可
能となる。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記予熱手段
が、前記レーザチャンバ４に配設され、かつ、レーザガ
ス温度を制御するヒータを備えた請求項１記載の放電励
起型ガスレーザ発振装置としている。

【００１２】請求項３に記載の発明によると、レーザチ
ャンバ内にヒータを配設してレーザガスを所定温度に予
熱及び制御する。これによって、予熱手段が簡単な構成
となるので、保守性が容易となり、またガスレーザ発振
装置のコストを低減すること可能となる。また、電極及
び高電圧電源の長寿命化が図れ、保守頻度の低減による
保守費の低下が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図１を参照して、本発明に
係わる放電励起型ガスレーザ発振装置の実施形態を詳述
する。図１は、本発明の一実施形態を表す放電励起型ガ
スレーザ発振装置の構成図を示している。同図におい
て、レーザチャンバ４はレーザガスが封入される容器で
あり、例えばアルミニウム等の導電性金属で構成されて
いる。レーザチャンバ４の内部には電極対２１が備えら
れており、またレーザチャンバ４の上部には充電ユニッ
ト３が配設されている。この充電ユニット３の１対の高
電圧出力端子（図示せず）はそれぞれ電極対２１の各電
極に接続されており、この電極対２１間に充電ユニット
３から高電圧が印加される。また、レーザチャンバ４内
には、レーザチャンバ４の対向する側壁（図示では、左
右の側壁）に回転自在に支持された回転軸２２の回りに
回転するクロスフローファン２３が配設されている。こ
の回転軸２２はレーザチャンバ４の前記対向する側壁の
いずれか一方を貫通しており、この側壁の外部に設けら
れたカバー２４に取着されたモータ１の出力軸に連結さ
れている。

【００１４】また、モータ１が配設された側の前記側壁
とモータ１との間で、かつ、上記回転軸２２の外周面と
カバー２４の内周面とに囲まれた範囲内に、磁気シール
２が設けられている。この磁気シール２は、例えば磁石
と磁極板と磁性流体と回転軸２２によって形成される磁
気回路内に上記磁性流体を保持し、この磁性流体によっ
て前記レーザガスがレーザチャンバ４の内部から回転軸
２２の外周面を介して外部へ漏れるのを防止している。

【００１５】また、レーザチャンバ４の外部には高圧電
源５が設けられており、この高圧電源５と前記充電ユニ
ット３は、高電圧エネルギーを充電ユニット３に供給す
るための電源ケーブル２５で接続されている。

【００１６】また、磁気シール２、充電ユニット３、レ
ーザチャンバ４及び高圧電源５には、それぞれ独立して
熱交換用の循環路１６、１５、１７、１８が配設され、
この各循環路にそれぞれ循環装置１２、１１、１３、１
４が接続されている。各循環装置１１、１２、１３、１
４は熱交換用の媒体（水やガス等）の流量及び温度を制
御しながらこの媒体を循環させて各ユニットの温度を所
定値に制御する。このときの温度制御指令は、コントロ
ーラ６から出力されている。上記各循環装置１１、１
２、１３、１４及び各循環路１５、１６、１７、１８
は、実稼働前の予熱手段として使用されると共に、実稼
働時には温度を目標値に保持する制御手段として使用さ
れる。

【００１７】さらに、磁気シール２、充電ユニット３、
レーザチャンバ４及び高圧電源５にはそれぞれ温度セン
サ７、８、９、１０が配設されており、各センサはそれ
ぞれ前記磁性流体周辺、充電ユニット３の内部、レーザ
ガス、及び高圧電源５の内部の温度を検出している。そ
して、検出された各温度信号はコントローラ６に入力さ
れる。

【００１８】コントローラ６は例えばマイクロコンピュ
ータ等のコンピュータ装置を主体として構成されてお
り、内部には各ユニットの適切な温度値を予め記憶して
おくメモリを備えている。コントローラ６は上記の各温
度信号に基づいて演算処理し、各ユニットに対応する前
記循環装置１１、１２、１３、１４に温度制御指令を出
力して各ユニットの温度が前記記憶された温度値になる
ように制御する。

【００１９】次に、本発明に係わる放電励起型ガスレー
ザ発振装置の作用を、手順に従って説明する。まず、実
稼働を開始する前に予め、目標出力パワーＰ0nと、この
目標パワーの出力に必要な電源電圧Ｖ0n及びレーザガス
の温度設定値Ｔ0nを所定のメモリエリアに記憶してお
く。ここで、ｎは自然数とする。なお、目標出力パワー
Ｐ0nに対応する電源電圧Ｖ0n及び温度設定値Ｔ0nの求め
方は、以下のようにして行われる。最初に、図示しない
パワーモニタ手段によって出力パワーＰを検出しながら
レーザ光を発振させ、この検出した出力パワーＰが目標
出力パワーＰ0nとなるように高圧電源５の電源電圧Ｖを
制御する。そして、所定の稼働時間後にレーザガス温度
Ｔが定常状態になって安定したとき、レーザガス温度Ｔ
及び電源電圧Ｖを計測し（図２、４を参照）、この計測
値をそれぞれ温度設定値Ｔ0n及び電圧設定値Ｖ0nとして
記憶する。さらに、このような計測を目標出力パワーＰ
0nの異なる大きさ毎に行い、それぞれに対応した温度設
定値Ｔ0n及び電圧設定値Ｖ0nを記憶する。

【００２０】また、磁気シール２、充電ユニット３及び
高圧電源５の各ユニットの目標温度値は経験的に又は実
験的に設定され、記憶される。例えば、磁気シール２に
対しては、温度が低いときには磁気シール２の粘性抵抗
が大きいので、稼働開始時のモータ１の負荷トルクが大
きくなり、よって、所定の回転速度が得られない、ある
いは所定の回転速度で回転させるための回転トルクを大
きくする必要がある等の問題が生じる。このために、予
め実験によって、所定の負荷トルク以下で、かつ、所定
回転速度で回転させて温度が定常状態になったときの定
常温度を計測しておき、この定常温度を目標温度値Ｔ1
として設定する。

【００２１】また、充電ユニット３及び高圧電源５に対
しては、使用されている電気部品及び電子部品の通常の
使用温度条件を満足するような許容温度をそれぞれ目標
温度値Ｔ2 、Ｔ3 として設定する。各ユニット内の温度
がこの目標温度値Ｔ2 、Ｔ3以下であれば、各使用部品
の寿命（信頼性）が向上する。

【００２２】次に、実稼働時のレーザ光発振開始前に、
目標出力パワーＰ0nを設定し、この目標出力パワーＰ0n
に対応する前記温度設定値Ｔ0n及び電圧設定値Ｖ0nを所
定のメモリエリアから読み出す。また、前記記憶されて
いる磁気シール２、充電ユニット３及び高圧電源５の目
標温度値Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 を所定メモリエリアから読み
出す。そして、レーザガス温度が前記温度設定値Ｔ0nと
なるように、循環装置１３に温度制御指令を出力する。
これによってレーザチャンバ４が予熱され、レーザガス
温度値が上記目標値に制御されて定常状態となる。さら
に、磁気シール２、充電ユニット３及び高圧電源５の温
度がそれぞれ目標温度値Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 になるよう
に、対応する循環装置１１、１２、１４に温度制御指令
を出力する。これによって、上記各ユニット内が予熱さ
れ、その温度が上記目標値と等しくなるように制御され
る。

【００２３】この後、レーザガス温度値が温度設定値Ｔ
0nと等しくなり定常状態となったら、高圧電源５に高電
圧出力が前記電圧設定値Ｖ0nとなるような電圧制御指令
を出力してレーザ光発振を開始する。また、この稼働中
は、各ユニットの温度が前記各目標温度値から変動しな
いように温度制御される。したがって、発振開始時か
ら、レーザ光が目標出力パワーＰ0nで安定して発振され
ると共に、電源電圧の大きさを電圧設定値Ｖ0nと等しく
することができる。この結果、電源電圧を従来に比べて
低く押さえた状態で発振開始できるので、高圧電源５や
電極対２１の電極の寿命を長期化することが可能とな
る。

【００２４】また、レーザ光発振時に、磁性シール２の
磁性流体の温度も定常状態での温度と等しくなるので、
磁性流体の粘性抵抗が小さくなり、よってモータ１の負
荷トルクを軽減できる。したがって、モータ１の定格電
流値を小さくでき、モータ１の小型化及び長寿命化が図
れる。さらに、充電ユニット３及び高圧電源５内の温度
も所定の許容温度に制御されるので、各機器の長寿命化
が図れる。

【００２５】なお、以上の説明では、予熱手段として熱
交換器等の循環装置を使用する例を示しているが、本発
明はこれに限定されずに、温度を所定値に制御できるも
のであればよく、例えばヒータによって予熱することも
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わるガスレーザ発振装
置の構成図を示す。

【図２】従来技術に係わる一般的なガスレーザ装置のレ
ーザガス温度の時間特性を示す。

【図３】従来技術に係わる一般的なガスレーザ装置の放
電電圧一定時のレーザ出力パワーの時間特性を示す。

【図４】従来技術に係わる一般的なガスレーザ装置のレ
ーザ出力パワー一定時の放電電圧の時間特性を示す。

【符号の説明】

１ モータ ２ 磁気シール ３ 充電ユニット ４ レーザチャンバ ５ 高圧電源 ６ コントローラ ７，８，９，１０ 温度センサ １１，１２，１３，１４ 循環装置 １５、１６、１７、１８ 循環路 ２１ 電極対 ２２ 回転軸 ２３ クロスフローファン ２４ カバー ２５ 電源ケーブル

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザガスが封入され、かつ、内部に電
   極対(21)が配設されたレーザチャンバ(4) を備え、前記
   電極対(21)で高圧電源(5) から供給される高電圧エネル
   ギーを放電してレーザガスを励起し、レーザ光を発振す
   る放電励起型ガスレーザ発振装置において、 レーザチャンバ(4) 内のレーザガスの温度を検出する温
   度センサ(9) と、 温度センサ(9) が検出したレーザガス温度値を入力し、
   予め実稼働前にレーザ光を発振させて定常発振時のレー
   ザガス温度値を記憶し、かつ、実稼働時には、レーザ光
   発振開始前にレーザガス温度が前記記憶したレーザガス
   温度値に等しくなるように温度制御指令を出力してレー
   ザガスを予熱した後にレーザ光を発振し、レーザ光発振
   中前記レーザガス温度値に保持するコントローラ(6)
   と、 レーザチャンバ(4) の内部又は外部に配設され、かつ、
   前記温度制御指令に基づいてレーザチャンバ(4) の内部
   のレーザガス温度を制御する予熱手段とを備えたことを
   特徴とする放電励起型ガスレーザ発振装置。
2. 【請求項２】 前記予熱手段が、 前記レーザチャンバ(4) 内を経由して配設され、かつ、
   熱交換用の媒体を循環させる循環路(17)と、 前記コントローラ(6) からの温度制御指令に基づいて、
   前記循環路(17)の媒体の流量及び温度を制御する循環装
   置(13)とを備えたことを特徴とする請求項１記載の放電
   励起型ガスレーザ発振装置。
3. 【請求項３】 前記予熱手段が、前記レーザチャンバ
   (4) に配設され、かつ、レーザガス温度を制御するヒー
   タを備えたことを特徴とする請求項１記載の放電励起型
   ガスレーザ発振装置。