JPH11177171A - パルスガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気パルス圧縮回路方式の主放電回路の一部
を予備電離回路に共用し、しかも予備電離回路に複雑な
遅延手段や昇圧手段を設けることを不要にして、装置構
成の簡略化を図る。 【解決手段】 磁気パルス圧縮回路方式の主放電回路２
２の中間段の中間コンデンサ６０に、インダクタ７０を
介して予備電離用コンデンサ７２を並列に接続し、かつ
この予備電離用コンデンサ７２に、磁気スイッチ７４を
介して予備電離器１０を並列に接続し、これによって予
備電離回路３８ａを構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁気パルス圧縮
回路方式の主放電回路と、コロナ放電方式の予備電離器
とを備える放電励起形のパルスガスレーザ装置に関し、
典型的には同形のエキシマレーザ装置に関し、より具体
的には、主放電回路の一部を予備電離回路に共用して装
置構成の簡略化を図る手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルスガスレーザ装置において、装置の
寿命を決定する大きな要因として、予備電離器が挙げら
れる。従来は、ピンギャップアーク放電を用いる予備電
離器が用いられていたが、この方式では予備電離電極間
の通電量が大きく電極の消耗が大きいため、予備電離器
の寿命が短いという課題があった。

【０００３】この寿命の課題を解決するものとして、コ
ロナ放電を用いる予備電離器が実用化され始めている。
そのようなコロナ放電を用いる予備電離器を備えるパル
スガスレーザ装置の主電極および予備電離器周りの一例
を図２に示す。

【０００４】一対の例えば半円柱状をした主電極２、４
が互いに一定の間隙をあけて相対向するように配置され
ており、この主電極２、４間の主放電空間６の左右の少
なくとも片側（この例では両側）の近傍に予備電離器１
０が配置されている。主放電空間６には、レーザガス
（例えばエキシマレーザの場合はＫｒ等の希ガスとＦ₂
等のハロゲンガスとの混合ガス）が供給される。各予備
電離器１０は、この例では、板状の誘電体１４を挟ん
で、線状または棒状のコロナ開始電極１２と板状の背後
補助電極１６とを配置した構造をしている。

【０００５】主電極２、４間の主放電の点灯の直前まで
に、コロナ開始電極１２と背後補助電極１６間に予備電
離用のパルス電圧を印加すると、誘電体１４のコロナ開
始電極１２側の面に、コロナ開始電極１２を始点として
沿面コロナ放電１８が発生して、このコロナ放電１８の
発光によって主放電空間６のレーザガスが弱電離（予備
電離）されて初期電子が発生する。このとき、主電極
２、４間に主放電用のパルス電圧を印加すると、両主電
極２、４間の主放電空間６に均一な主放電が発生し、こ
の主放電によって主放電空間６のレーザガスが励起され
てレーザ光８が発生する。

【０００６】このような予備電離器１０は、従来のアー
ク放電を用いるものよりも通電電流が小さくて済み、そ
の電極の寿命、ひいては当該予備電離器１０の寿命が大
幅に増加するという特長を有している。

【０００７】上記のようなパルスガスレーザ装置の従来
の電気回路の一例を図３に示す。この回路は、主電極
２、４とそれに主放電用のパルス電圧を供給する電源回
路から成る主放電回路２２と、予備電離器１０とそれに
予備電離用のパルス電圧を供給する電源回路から成る予
備電離回路３８から成る。

【０００８】主放電回路２２は、この例では容量移行形
のものであり、互いに直列接続された１次コンデンサ２
８およびスイッチ２６を主電極２、４間に接続し、かつ
２次コンデンサ３０を主電極２、４間に接続した構成を
している。スイッチ２６に並列に、１次コンデンサ２８
の充電用の高圧の充電電源（例えばパルス電源）２４を
接続している。１次コンデンサ２８と主電極２間には回
路インダクタンス３２、３４が存在する。３６は充電用
インダクタンスである。スイッチ２６は例えばサイラト
ロンである。

【０００９】予備電離回路３８は、互いに直列接続され
たコンデンサ４４およびスイッチ４２をコロナ開始電極
１２と背後補助電極１６間に接続した構成をしている。
スイッチ４２に並列に、コンデンサ４４の充電用の高圧
の充電電源（例えばパルス電源）４０を接続している。
４６は波形整形インピーダンスである。スイッチ４２は
例えばサイラトロンである。

【００１０】主放電回路２２の動作を説明すると、１次
コンデンサ２８に予め充電電源２４から充電用インダク
タンス３６を通して初期電圧が充電される。その後、ス
イッチ２６をオンすると１次コンデンサ２８の初期電荷
が２次コンデンサ３０へ流入し、この２次コンデンサ３
０の電圧が主電極２、４間に印加される。１次コンデン
サ２８から２次コンデンサ３０への電荷移行がほぼ終了
した時刻において、２次コンデンサ３０の有する電圧に
よって主電極２、４間が絶縁破壊して主放電空間６に主
放電が開始され、レーザ光８が励起される。

【００１１】予備電離回路３８の動作を説明すると、コ
ンデンサ４４に予め充電電源４０から波形整形インピー
ダンス４６を通して初期電圧が充電される。その後、主
電極２、４間の上記絶縁破壊の直前までにスイッチ４２
をオンすると、コンデンサ４４の電圧がコロナ開始電極
１２と背後補助電極１６間に印加され、それによって誘
電体１４の表面にコロナ放電１８（図２参照）が発生
し、主放電空間６のレーザガスの予備電離が行われる。

【００１２】図４は、充電電源２４およびスイッチ２６
を、主放電回路２２と予備電離回路３８とに共用した例
を示す。このようにすれば、充電電源および放電開始用
のスイッチが１組で済み、装置構成が大幅に簡略化され
る。なお、この場合は、１次コンデンサ２８と予備電離
用コンデンサ４４の充電電圧およびスイッチングのタイ
ミングは、互いに同電圧および同時となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】主放電開始のための上
記スイッチ２６には前述したようにサイラトロンが用い
られるが、近年は、スイッチの寿命、メインテナンスの
容易さ等から、サイリスタ等の半導体素子をスイッチと
して用いる試みが成されている。

【００１４】しかしながら、現状では、サイラトロンに
取って代わるほどの良好なスイッチング特性（例えば通
電電流や電流立ち上がり特性）を有する半導体素子はな
く、従って半導体素子を上記スイッチに用いるために
は、磁気パルス圧縮（ＭＰＣ）回路を併用する必要があ
る。そのようにした例を図５に示す。

【００１５】この図５の例は、充電電源５０および放電
開始用のスイッチ５２を主放電回路２２と予備電離回路
３８とに共用しており、図４の例に対応するものであ
る。予備電離回路３８は図４の例と実質的に同じ構成で
あるので重複説明を省略する。

【００１６】主放電回路２２は、磁気パルス圧縮回路方
式のものであり、高圧の充電電源（例えばパルス電源）
５０を初期コンデンサ５８を介して昇圧パルストランス
５６の１次巻線に接続し、充電電源５０に並列にスイッ
チ５２を接続している。５４は時定数調整インダクタン
スである。スイッチ５２は例えばサイリスタ等の半導体
スイッチ（これは固体スイッチとも呼ばれる）である。
昇圧パルストランス５６の２次巻線と主電極２、４との
間には、この例では二つの中間コンデンサ５９および６
０、最終段コンデンサ６１ならびに二つの磁気スイッチ
６４および６６が梯子形（ラダー形）に接続されてい
る。３４は前述した回路インダクタンスである。このよ
うな構成によってこの主放電回路２２は磁気パルス圧縮
回路を形成している。

【００１７】この主放電回路２２の動作を説明すると、
初期コンデンサ５８に予め充電電源５０から時定数調整
インダクタンス５４および昇圧パルストランス５６の１
次巻線を通して初期電圧が充電される。その後、スイッ
チ５２をオンすると初期コンデンサ５８の電荷が昇圧パ
ルストランス５６を通じて中間コンデンサ５９に流入し
て中間コンデンサ５９が充電される。ここで、時定数調
整インダクタンス５４は、中間コンデンサ５９へのパル
ス充電の時定数を増加させ、スイッチ５２に過大な電流
が流れるのを防止するためのものであり、昇圧パルスト
ランス５６は、初期コンデンサ５８への充電電圧を小さ
なもので済ませてスイッチ５２に加わる電圧を低下させ
るためのものであり、両者５４、５６は、スイッチ５２
が半導体スイッチの場合はそれの負担を軽減する目的で
通常は設けられる。

【００１８】初期コンデンサ５８から中間コンデンサ５
９への電荷移行の終了時点付近において、中間コンデン
サ５９への充電電圧の時間積（いわゆるＶ−ｔ積）に応
じて磁気スイッチ６４が飽和し（即ちオンし）、中間コ
ンデンサ５９から中間コンデンサ６０への電荷移行が開
始される。このときの時定数は、初期コンデンサ５８か
ら中間コンデンサ５９への電荷移行の時定数よりも小さ
く設定されており、電流パルスが圧縮される。この例で
は、更に磁気スイッチ６６を用いてパルス圧縮をかける
２段圧縮方式を採用しており、最終的には中間コンデン
サ６０から最終段コンデンサ６１への電荷移行がほぼ終
了した時点で主電極２、４間が絶縁破壊し、レーザ発振
に至る。

【００１９】ところが、装置構成の簡略化のために、こ
の例のように充電電源５０およびスイッチ５２を主放電
回路２２と予備電離回路３８とに共用すると、次のよう
な課題が生じる。

【００２０】 主放電回路２２に磁気パルス圧縮回路
方式を採用しているため、スイッチ５２のオンと主電極
２、４間のレーザ発振（主放電）との間に大きな（例え
ば約１０μｓ程度の）時間差（遅延時間）が生じ、予備
電離器１０による予備電離と主電極２、４間の主放電と
のタイミングを取る（例えば予備電離を主放電よりも１
００ｎｓ〜２００ｎｓ程度早くする）ために、予備電離
回路３８（例えばそのライン６８）に遅延手段を設ける
必要があり、その分、装置構成が複雑化する。特にこの
遅延手段は、上記のような大きな遅延時間を実現する必
要があるため、主放電回路２２とほぼ同様の磁気パルス
圧縮回路で構成する等、構成が複雑なものとなる。

【００２１】 スイッチ５２の保護の目的のために昇
圧パルストランス５６を用いて初期コンデンサ５８の初
期充電電圧、即ち充電電源５０の出力電圧を下げている
ため、予備電離用コンデンサ４４の充電電圧ひいては予
備電離器１０に印加する予備電離用のパルス電圧が低
く、予備電離器１０に対して予備電離に必要なパルス電
圧を供給するためには、予備電離回路３８（例えばその
ライン６８）に何らかの昇圧手段を設ける必要があり、
この理由からも装置構成が複雑化する。

【００２２】このおよびの課題の発生を避けるため
に上記充電電源５０およびスイッチ５２の共用を止める
と、それらを共用する利点が失われるのでやはり装置構
成が複雑化する。

【００２３】そこでこの発明は、磁気パルス圧縮回路方
式の主放電回路の一部を予備電離回路に共用し、しかも
予備電離回路に複雑な遅延手段や昇圧手段を設けること
を不要にして、装置構成の簡略化を図ることを主たる目
的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この発明のパルスガスレ
ーザ装置は、前記主放電回路の中間段のコンデンサに、
インダクタを介して予備電離用コンデンサを並列に接続
し、かつこの予備電離用コンデンサに、磁気スイッチを
介して前記予備電離器を並列に接続して成る予備電離回
路を備えることを特徴としている。

【００２５】上記構成によれば、磁気パルス圧縮回路方
式の主放電回路の中間段のコンデンサに移行する電荷の
一部は、予備電離回路のインダクタを通して予備電離用
コンデンサにも移行して当該コンデンサを充電する。そ
して予備電離回路の磁気スイッチが飽和すると、この予
備電離用コンデンサから当該磁気スイッチを経由して予
備電離器にパルス電流が流れ、予備電離が行われる。

【００２６】この構成によれば、主放電回路の中間段の
コンデンサから前段側の回路を予備電離回路にも利用し
ているので、装置構成の大幅な簡略化を図ることができ
る。

【００２７】しかも、予備電離回路は主放電回路の中
間段のコンデンサに移行する電荷の分岐を受けるので、
予備電離回路に複雑な遅延手段を設けなくても、予備電
離と主放電との間の必要なタイミングを取ることができ
る。また、主放電回路に昇圧パルストランスを用いて
初期充電電圧を低下させている場合でも、予備電離回路
は上記中間段のコンデンサに移行する電荷の分岐を受け
るので、予備電離回路に昇圧手段を設ける必要はない。
従ってこのおよびの理由からも、装置構成の簡略化
を図ることができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るパルスガ
スレーザ装置の電気回路の一例を示す図である。図２〜
図５に示した例と同一または相当する部分には同一符号
を付し、以下においてはそれらとの相違点を主に説明す
る。

【００２９】このパルスガスレーザ装置は、図５に示し
た例と同様の、磁気パルス圧縮回路方式の主放電回路２
２を備えている。この主放電回路２２の構成および作用
は、前記と同様であるのでここでは重複説明を省略す
る。

【００３０】この実施例では、この主放電回路２２のパ
ルス圧縮用の中間段のコンデンサ、即ち初期コンデンサ
５８および最終段コンデンサ６１以外の中間コンデンサ
５９および６０の内の後段側の中間コンデンサ６０に、
インダクタ７０を介して予備電離用コンデンサ７２を並
列に接続している。かつこの予備電離用コンデンサ７２
に、磁気スイッチ７４を介して前述した予備電離器１０
を並列に接続している。即ちこの例では、予備電離用コ
ンデンサ７２の一端（インダクタ７０との接続端）に磁
気スイッチ７４を介して予備電離器１０の背後補助電極
１６を接続し、予備電離用コンデンサ７２の他端（接地
端）に予備電離器１０のコロナ開始電極１２を接続して
いる。このような構成によって予備電離回路３８ａを形
成している。なお、予備電離器１０のコロナ開始電極１
２と背後補助電極１６との間には、必要に応じて、従来
例と同様に波形整形インピーダンス４６が並列に接続さ
れる。

【００３１】動作を説明すると、主放電回路２２の初期
コンデンサ５８から中間コンデンサ５９への電荷移行の
終了時点付近において磁気スイッチ６４が飽和し、中間
コンデンサ５９から中間コンデンサ６０への電荷移行が
開始される。この電荷移行の過程において、中間コンデ
ンサ５９から中間コンデンサ６０へ移行する電荷の一部
は、予備電離回路３８ａのインダクタ７０を通して予備
電離用コンデンサ７２にも移行して当該コンデンサ７２
を充電する。そして、中間コンデンサ６０への電荷移行
の終了時点付近で磁気スイッチ６６が飽和し、主放電回
路２２では中間コンデンサ６０から最終段コンデンサ６
１への電荷移行に移るけれども、この磁気スイッチ６６
の飽和付近の時刻において予備電離回路３８ａの磁気ス
イッチ７４も飽和し、予備電離用コンデンサ７２から当
該磁気スイッチ７４を経由して予備電離器１０にパルス
電流が流れ、この予備電離器１０による前述した主放電
空間６（図２参照）のレーザガスの予備電離が行われ
る。

【００３２】ここで、インダクタ７０は、予備電離器１
０への印加電圧を調整すると共に、磁気スイッチ６６と
磁気スイッチ７４の飽和時に予備電離回路３８ａと主放
電回路２２との間の電気絶縁をある程度確保する作用を
する。磁気スイッチ６６と７４の飽和時に、中間コンデ
ンサ６０および予備電離用コンデンサ７２の電荷が互い
に流入するのを十分に制限するためには、インダクタ７
０のインダクタンスは、磁気スイッチ６６および７４の
飽和時のインダクタンスの１０倍程度以上にするのが好
ましい。しかしあまり大きくすると中間コンデンサ５９
から予備電離用コンデンサ７２への電荷移行を遅らせ、
磁気スイッチ６６の飽和時までに十分な電荷がコンデン
サ７２へ充電されないことになるので、２０倍〜５０倍
程度がより好ましい。

【００３３】磁気スイッチ７４の飽和時刻は、磁気スイ
ッチ６６の飽和時刻と原則的には同時刻に設定すべきで
あり、そのようにすれば、中間コンデンサ６０と予備電
離用コンデンサ７２間で電荷が互いに流入するのをより
少なくして損失がより少なくなるけれども、予備電離器
１０による予備電離と主電極２、４間の主放電との間の
タイミングを調整するために、磁気スイッチ６６に対し
て磁気スイッチ７４の飽和時刻を若干早くしても良いし
遅くしても良い。この予備電離と主放電のタイミング
は、実験によれば、予備電離を主放電よりも例えば１０
０ｎｓ〜２００ｎｓ程度早くするのが好ましく、そのよ
うにすればより大きな予備電離効果が得られる。

【００３４】このパルスガスレーザ装置においては、主
放電回路２２のパルス圧縮用の中間コンデンサ６０から
前段側の回路を予備電離回路３８ａにも利用しているの
で、即ち前述した充電電源５０、スイッチ５２を含む充
電電源５０から中間コンデンサ６０までの回路を主放電
回路２２と予備電離回路３８ａとで共用しているので、
装置構成の大幅な簡略化を図ることができる。

【００３５】しかも、予備電離回路３８ａは主放電回路
２２の中間コンデンサ５９から中間コンデンサ６０に移
行する電荷の分岐を受けるので、予備電離回路３８ａに
複雑な遅延手段を設けなくても、予備電離と主放電との
間の必要なタイミングを取ることができる。これを詳述
すると、前述したスイッチ５２のオンから主電極２、４
間の主放電までの約１０μｓ程度という遅延時間の内訳
は、初期コンデンサ５８から中間コンデンサ５９への電
荷移行に要する時間が約５μｓ〜１０μｓ、中間コンデ
ンサ５９から中間コンデンサ６０への電荷移行に要する
時間が約１μｓ、中間コンデンサ６０から最終段コンデ
ンサ６１への電荷移行に要する時間が約２００ｎｓ〜３
００ｎｓということである。ところがこの遅延時間の大
半を占める初期コンデンサ５８から中間コンデンサ５９
への電荷移行に要する時間は、この実施例では中間コン
デンサ６０よりも前段側を共用していて主放電回路２２
側と予備電離回路３８ａ側とに等しく加算されるので、
図５の例の場合と違って、予備電離回路３８ａに複雑な
遅延手段を設けなくても予備電離と主放電との間の必要
なタイミングを簡単に取ることができる。

【００３６】更にこの実施例のように、主放電回路２２
に昇圧パルストランス５６を用いて初期コンデンサ５８
への初期充電電圧を低下させて半導体スイッチ等から成
るスイッチ５２の負担を軽減させている場合でも、予備
電離回路３８ａは昇圧パルストランス５６による昇圧後
の電圧を利用するので、図５の例の場合と違って、予備
電離回路３８ａに昇圧手段を設ける必要はない。

【００３７】このようにこの実施例では、予備電離回路
３８ａに昇圧手段や遅延手段を設ける必要がないので、
この理由からも、装置構成の簡略化を図ることができ
る。

【００３８】なお、予備電離回路３８ａは、上記中間コ
ンデンサ６０以外に接続しても良い。例えば、それより
も一つ前の中間コンデンサ５９に接続しても良いし、中
間段のコンデンサが図１の実施例よりも多くある場合は
どの中間段のコンデンサに接続しても良い。また最終段
コンデンサ６１に接続しても良い。しかしながらこの実
施例のように、最終段コンデンサ６１のすぐ前段にある
中間コンデンサ６０に予備電離回路３８ａを（即ちイン
ダクタ７０および予備電離用コンデンサ７２を）接続す
るのが最も好ましく、そのようにすれば、予備電離器１
０による予備電離と主電極２、４間の主放電との間の前
述したようなタイミング（即ち予備電離を主放電よりも
１００ｎｓ〜２００ｎｓ程度早くするのが好ましいとい
うタイミング）を簡単に実現することができる。これ
は、中間コンデンサ６０以降の主放電回路２２の構成と
中間コンデンサ６０以降の予備電離回路３８ａの構成と
の主な差は最終段コンデンサ６１であり、この最終段コ
ンデンサ６１への電荷移行に要する時間（これは例えば
前述したように２００ｎｓ〜３００ｎｓ程度）はうまい
具合に上記タイミングの値に近く、この時間を利用する
ことによって上記タイミングを簡単に実現することがで
きるからである。

【００３９】また、予備電離器１０は、管状または筒状
の誘電体１４の表面近傍に線状または棒状のコロナ開始
電極１２を設け、かつこの誘電体１４内に棒状の背後補
助電極１６を設けた構造のものでも良い。

【００４０】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、磁気パ
ルス圧縮回路方式の主放電回路の中間段のコンデンサか
ら前段側の回路を予備電離回路にも利用しているので、
装置構成の大幅な簡略化を図ることができる。しかも、
予備電離回路は主放電回路の中間段のコンデンサに移行
する電荷の分岐を受けるので、予備電離回路に複雑な遅
延手段を設けなくても、予備電離と主放電との間の必要
なタイミングを取ることができる。また同じ理由から、
予備電離回路に昇圧手段を設ける必要もない。従ってこ
れらの理由からも、装置構成の簡略化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るパルスガスレーザ装置の電気回
路の一例を示す図である。

【図２】パルスガスレーザ装置の主電極および予備電離
器周りの一例を示す断面図である。

【図３】従来のパルスガスレーザ装置の電気回路の一例
を示す図である。

【図４】従来のパルスガスレーザ装置の電気回路の他の
例を示す図である。

【図５】磁気パルス圧縮回路方式の主放電回路を備える
パルスガスレーザ装置の電気回路の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

２、４ 主電極 １０ 予備電離器 ２２ 主放電回路 ３８ａ 予備電離回路 ５８〜６１ コンデンサ ６４、６６ 磁気スイッチ ７０ インダクタ ７２ 予備電離用コンデンサ ７４ 磁気スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の主電極間で主放電を発生させてレ
   ーザ光を発生させる回路であって、複数のコンデンサお
   よび１以上の磁気スイッチを用いて主電極間に印加する
   パルスを圧縮する磁気パルス圧縮回路方式の主放電回路
   と、コロナ放電を発生させて主電極間のレーザガスを予
   備電離する予備電離器とを備えるパルスガスレーザ装置
   において、前記主放電回路の中間段のコンデンサに、イ
   ンダクタを介して予備電離用コンデンサを並列に接続
   し、かつこの予備電離用コンデンサに、磁気スイッチを
   介して前記予備電離器を並列に接続して成る予備電離回
   路を備えることを特徴とするパルスガスレーザ装置。