JPH114035A - レーザ放電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】高繰り返し周波数でのパルス発振を行った場合
でも予備電離電極でのチャージアップを防止し、高くて
安定なレーザ出力を得る。 【解決手段】対構成の主放電電極１、２と、主放電電極
間に主放電の発生用の電荷を充電する主放電用コンデン
サＣaと、第１及び第２の電極５，７により誘電体６を
挟むように構成され、第１及び第２の電極間の予備放電
により主放電空間３のレーザ媒質を予備電離する予備電
離電極４と、予備電離電極に予備放電の発生用の電荷を
充電する予備放電用コンデンサＣbと、主放電用コンデ
ンサおよび予備放電用コンデンサに対し所定の繰り返し
周期で高圧電源の電荷の充電スイッチング動作を行うス
イッチング回路８とを具え、主放電電極による主放電の
前に予備電離電極による予備放電を行うレーザ放電回路
で、予備放電時に誘電体に残留する電荷を放電する放電
用素子１０を予備電離電極に並列に接続する。

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、主電極による主
放電の前に予め主放電空間を予備電離電極を用いて予備
電離する予備電離方式のレーザ放電装置において、前記
主電極及び予備電離電極を放電するための放電回路の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】１気圧以上の気体を放電させてレーザ発
振させる方式をＴＥＡレーザと呼び、１対の対向する主
放電電極間に均一なグロー放電を発生させて、レーザ発
振に必要な反転分布領域を形成するようにしている。こ
のＴＥＡレーザにおいて、放電空間全体に広がったグロ
ー放電を得るためには、主放電を開始する前に予備電離
を行い、予め主放電空間全体を電離しておく必要があ
る。特に、エキシマレーザの場合は、負正ガス中での電
子の寿命が短いため、主放電の直前にできるだけ多く電
離させておく必要がある。

【０００３】現在、予備電離方式としては、Ｘ線、スパ
ーク放電、コロナ放電などを使った様々な方式が使用さ
れているが、中でもコロナ放電を使った方式は、比較的
簡便でレーザガスへの汚染が少ない事から広く使用され
ている。

【０００４】図５は、コロナ放電を使って予備電離を行
う従来の容量移行型の放電装置の等価回路を示してい
る。

【０００５】この図５の放電回路においては、１対の主
電極間１，２によって形成される主放電空間３の両側に
コロナ予備電離電極４を配置するようにしており、コロ
ナ予備電離電極４は円柱状の背後電極５が挿入された円
管状の誘電体６の外周面にアース電極７の端部を当接し
た構成となっている。円管状の誘電体６の軸は、主電極
１、２の長手方向と平行に設置されている。コロナ放電
は、誘電体６とアース電極７の接触している箇所を起点
として誘電体６の外周面に発生する。

【０００６】この構成においては、まず高電圧電源ＨＶ
に接続されたコンデンサＣsに、コイルＬs，Ｌp，Ｌcを
通して電荷が充電される。つぎに、サイラトロンなどで
構成される高速の高圧大電流のスイッチング回路８がオ
ンになると、コンデンサＣsからピーキングコンデンサ
Ｃa，Ｃbに電荷が移動し、これらピーキングコンデンサ
Ｃa，Ｃbの電圧が上昇していく。そして、コンデンサＣ
bの電圧が上昇することで、コロナ予備電離電極４の誘
電体６の表面にコロナ放電が発生される。さらに、この
コロナ放電によって誘電体６の表面にＵＶ光が発生し、
このＵＶ光によって主電極１、２間の主放電空間のレー
ザ媒体が予備電離される。さらに、この後コンデンサＣ
aの電圧が充電の進展とともに上昇し、この電圧が所定
の主放電開始電圧Ｖ2に達すると、主放電が開始されレ
ーザガスが励起される。

【０００７】また、この主放電によってコンデンサＣ
a，Ｃbの電圧は急速に低下し、所定時間経過後に充電開
始前の状態に戻る。

【０００８】このような放電動作が高速スイッチング回
路８に設定された所定の繰り返し周波数（パルス発振周
波数）で繰り返し行われることにより、パルスレーザ発
振が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図６(a)に１パルス周
期分のコンデンサＣaの電圧波形を示し、図６(b)に繰り
返し周波数が低い場合のコンデンサＣbの１パルス周期
分の電圧波形を示し、図６(c)に繰り返し周波数が高い
場合のコンデンサＣbの１パルス周期分の電圧波形を示
す。

【００１０】まず、パルスレーザ発振の繰り返し周波数
が低い場合は、図６(a)(b)に示すように、スイッチング
回路８がオンすることで、コンデンサＣsからピーキン
グコンデンサＣa，Ｃbに電荷が移動し、これによりコン
デンサＣa，Ｃbの電圧はほぼ同じ傾きで低下していく
が、予備放電開始電圧Ｖ1は主放電開始電圧Ｖ2より値が
小さいので、先にコンデンサＣbの電圧がこの予備放電
開始電圧Ｖ1に達し、まず予備放電が開始される。一
方、この予備放電の後にコンデンサＣaの電圧が主放電
開始電圧Ｖ2に達し、主放電が開始される。スイッチン
グ回路８がオンから主放電開始まで、数１００ナノ秒か
かる。

【００１１】ここで、予備電離電極４は誘電体６を電極
５，７で挟んだー種のコンデンサであるため、電極５，
７間でコロナ放電が行われた後も、この後数ミリ秒程度
の所定の時間Ｔsを経ないことには誘電体６に残留して
いる電荷を完全に放電する事はできない。

【００１２】図６(b)に示すように、パルス発振の繰り
返し周波数が低い場合は、上記誘電体６の残留電荷放電
時間Ｔsに比べ、予備放電が終了してから次のパルス周
期においてコンデンサＣa，Ｃbの再充電動作が開始され
るまでの時間を長くとることができるので、コンデンサ
Ｃbは電位０の状態から再充電されることになる。

【００１３】しかし、図６(c)に示すように、パルス発
振の繰り返し周波数が高くなった場合は、上記残留電荷
放電時間Ｔsが経過する前に次の周期の予備放電が開始
されることになる。このため、この場合は、誘電体６に
蓄積された電荷が完全に抜ける前に、次の周期のコンデ
ンサＣa，Ｃbの充電動作が開始される事になる。すなわ
ち、パルス発振の繰り返し周波数が高くなった場合は、
コンデンサＣbはスイッチング回路８がオンになる時点
において、誘電体６に電荷が蓄積される分だけ放電電圧
と逆の極性を持った直流電圧が印加された状態となって
いる。

【００１４】したがって、このような状態でスイッチン
グ回路８がオンになって、コンデンサＣsからピーキン
グコンデンサＣa，Ｃbへの電荷の移動が開始されると、
コンデンサＣbが正常な予備放電開始電圧Ｖ1より小さな
電圧値Ｖ3になった時点で背後電極５とアース電極７間
に予備放電に必要な電圧差Ｖdが形成されることにな
り、この時点で予備放電が開始されてしまう。

【００１５】このように従来の放電回路においては、パ
ルス発振の繰り返し周波数に同期した充放電動作を行う
際に、予備電離電極４の誘電体６に蓄積された電荷が抜
けきるまでに所定の時間間隔Ｔsを必要としていたの
で、繰り返し周波数を上げてパルス発振を行った場合、
直前のパルス周期の充放電動作の際に誘電体６に蓄積さ
れた電荷によって予備放電の開始電圧が低下するととも
に、予備放電開始タイミングが早くなって予備放電が行
われてから主放電が開始されるまでの期間が長くなって
いた。

【００１６】このため、従来技術においては、高繰り返
し周波数でのパルス発振を行った場合、予備放電の際に
発生するＵＶ光の強度が弱くなり、また予備放電の効果
が低下するので、レーザ出力が低下し、パルス間のレー
ザ出力のばらつきが大きくなる問題があった。

【００１７】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、高繰り返し周波数でのパルス発振を行った場
合でも、予備電離電極でのチャージアップを防止して、
高くかつ安定なレーザ出力を得ることができるレーザ放
電回路を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段及び作用効果】この発明で
は、対構成の主放電電極と、該主放電電極間に主放電を
発生させるための電荷を充電する主放電用コンデンサ
と、第１及び第２の電極によって誘電体を挟むように構
成され、これら第１及び第２の電極間の予備放電によっ
て前記主放電空間のレーザ媒質を予備電離する予備電離
電極と、この予備電離電極に予備放電を発生させるため
の電荷を充電する予備放電用コンデンサと、前記主放電
用コンデンサおよび前記予備放電用コンデンサに対し所
定の繰り返し周期で高圧電源の電荷を充電するスイッチ
ング動作を行うスイッチング回路とを具え、前記主放電
電極による主放電の前に前記予備電離電極による予備放
電を行うようにしたレーザ放電回路において、前記予備
放電の際に前記誘電体に残留する電荷を放電する放電用
素子を前記予備電離電極に並列に接続するようにしてい
る。

【００１９】前記放電用素子としては、抵抗、コイル、
ダイオードなどがあげられる。

【００２０】かかる発明によれば、予備放電の度に予備
電離電極の誘電体に残留する電荷を放電用素子を介して
逃がすようにしたので、高繰り返し周波数でのパルス発
振を行った場合でも予備電離電極でのチャージアップが
防止され、これにより予備放電開始電圧の低下および予
備放電開始タイミングが早くなることが抑制され、高く
かつ安定なレーザ出力を得ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００２２】図１はこの発明を容量移行型の放電装置に
適用した実施例を示す等価回路である。

【００２３】この図１に示す実施例においては、先の図
５に示した従来装置に対し抵抗１０を追加するようにし
ており、その他の構成は図５の従来装置と同じである。

【００２４】すなわち、この実施例においては、予備電
離電極４に並列にアース接続された抵抗１０を設け、こ
の抵抗１０を介して予備放電後誘電体６に残留した電荷
を放電するようにしている。

【００２５】図２(a)に１パルス周期分のコンデンサＣa
の電圧波形を示し、図２(b)にコンデンサＣbの１パルス
周期分の電圧波形を示す。

【００２６】この図１に示す構成においては、まず高電
圧電源ＨＶに接続されたコンデンサＣsに、コイルＬs，
Ｌp，Ｌcを通して電荷が充電される。つぎに、サイラト
ロンなどで構成される高速の高圧大電流のスイッチング
回路８がオンになると、コンデンサＣsからピーキング
コンデンサＣa，Ｃbに電荷が移動し、これらピーキング
コンデンサＣa，Ｃbの電圧がほぼ同じ傾きで上昇してい
き、背後電極５に高電圧が印加される。

【００２７】この際、コンデンサＣbには電荷が数１０
０ナノ秒レベルで高速に充電されるために、コンデンサ
Ｃbに充電された電荷が抵抗１０を通してアースに流れ
ることはない。

【００２８】したがってこの後、コンデンサＣbの電圧
が予備放電開始電圧Ｖ1に達し、コロナ予備電離電極４
の誘電体６の表面にコロナ放電が発生される。さらに、
このコロナ放電によって誘電体６の表面にＵＶ光が発生
し、このＵＶ光によって主電極１、２間の主放電空間の
レーザ媒体が予備電離される。

【００２９】さらに、この後コンデンサＣaの電圧が充
電の進展とともに上昇し、この電圧が所定の主放電開始
電圧Ｖ2に達すると、主放電が開始されレーザガスが励
起される。コンデンサＣaの電圧は、主放電が開始され
ることで急速に低下していく。

【００３０】ここで、予備電離電極４の誘電体６には、
コロナ放電が消灯した後も、電荷が残留し直流電圧が印
加された状態になるが、この残留電荷は抵抗１０を介し
てアースに急速に流れるので、コンデンサＣbの電圧
は、図２(b)に示すように急速に電圧０の充電前の状態
に戻ることになる。

【００３１】このような充放電動作が高速スイッチング
回路８に設定された所定の繰り返し周波数（パルス発振
周波数）で繰り返し行われることにより、パルスレーザ
発振が行われる。

【００３２】このようにこの実施例においては、繰り返
し周波数に同期して繰り返し行われる予備放電の度に、
抵抗１０を介して予備放電後誘電体６に残留した電荷を
アースに流すようにしたので、コンデンサＣa，Ｃbに対
して充電動作を開始するときコンデンサＣbの電圧は常
に充電が行われる前の状態に戻るようになり、このため
この実施例においては、パルス発振の繰り返し周波数を
高周波に上げた場合においても、直前の周期の予備放電
の影響がない予備放電動作を行うことができる。したが
って、この実施例によれば、予備放電開始電圧の低下、
予備放電開始タイミングの早期化によるレーザ出力の低
下およびレーザ出力のばらつきを防止する事ができる。

【００３３】図３はこの発明の他の実施例を示すもの
で、この実施例では先の実施例の抵抗１０に代えてダイ
オード２０を接続するようにしている。

【００３４】すなわち、この実施例においては、予備電
離電極４に並列にアース接続されたダイオード２０を設
け、このダイオード２０を介して予備放電後誘電体６に
残留した電荷を放電するようにしている。

【００３５】図４はこの発明のさらに他の実施例を示す
もので、この実施例ではＬＣ反転回路により放電回路を
構成すると共に、先の実施例の抵抗１０またはダイオー
ド２０に代えてコイル３０を用いるようにしている。

【００３６】この回路では、高電圧電源ＨＶから並列に
接続された２個の蓄積コンデンサにＣs対して充電が行
われる。充電後、スイッチング回路８がスイッチオンさ
れると、図中下側のコンデンサＣsと共振用コイルＬsと
の間でＬＣ共振回路が形成され、コンデンサＣsと共振
用コイルＬsの積で決まる時定数でコンデンサ両端の電
圧が自由振動する。したがって、スイッチオンから最初
の半周期後に下側コンデンサＣsの電圧は充電時に対し
て逆転し、ピーキングコンデンサＣa，Ｃbに印加され充
電される電圧は２倍となる。

【００３７】この実施例においても、コンデンサＣbに
は電荷が数１００ナノ秒レベルで高速に充電されるため
に、コンデンサＣbに充電された電荷がコイル３０を通
してアースに流れることはない。

【００３８】したがって、コンデンサＣbの電圧が予所
定の備放電開始電圧に達すると、コロナ予備電離電極４
の誘電体６の表面にコロナ放電が発生される。さらに、
この後コンデンサＣaの電圧が充電の進展とともに上昇
し、この電圧が所定の主放電開始電圧に達すると、主放
電が開始されレーザガスが励起される。

【００３９】一方、予備電離電極４の誘電体６には、コ
ロナ放電が消灯した後も、電荷が残留し直流電圧が印加
された状態になるが、この残留電荷はコイル３０を介し
てアースに急速に流れるので、コンデンサＣbの電圧
は、急速に電圧０の充電前の状態に戻ることになる。

【００４０】したがって、この実施例においても、パル
スレーザ発振の繰り返し周波数に同期して繰り返し行わ
れる予備放電の度に、コイル３０を介して予備放電後誘
電体６に残留した電荷がアースに急速に流れるので、コ
ンデンサＣbに対して充電動作を開始するときコンデン
サＣbの電圧は常に充電が行われる前の状態に戻るよう
になり、このためこの実施例においては、パルス発振の
繰り返し周波数を高周波に上げた場合においても、予備
電離電極でのチャージアップが防止され、高くかつ安定
なレーザ出力を得ることができる。

【００４１】なお、誘電体に残留した電荷を放電するた
めの素子としては、抵抗、コイル、ダイオード以外の任
意の素子を用いるようにしてもよい。

【００４２】また、上記実施例では本発明を容量移行型
またはＬＣ反転回路型の放電回路に適用するようにした
が、本発明を他のパルスフォーミングライン回路型ある
いはブルムライン回路型等の放電回路に適用するように
してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す回路ブロック図。

【図２】図１の実施例を作用を説明するタイムチャー
ト。

【図３】この発明の他の実施例を示す回路ブロック図。

【図４】この発明の他の実施例を示す回路ブロック図。

【図５】従来技術を示す回路ブロック図。

【図６】従来技術の作用を説明するためのタイムチャー
ト。

【符号の説明】

１、２…主電極 ３…主放電空間 ４…予備放電電
極 ５…背後電極 ６…誘電体 ７…アース電極 １０…抵抗 ２０…ダイオード ３０…コイル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対構成の主放電電極と、該主放電電極間に
   主放電を発生させるための電荷を充電する主放電用コン
   デンサと、第１及び第２の電極によって誘電体を挟むよ
   うに構成され、これら第１及び第２の電極間の予備放電
   によって前記主放電空間のレーザ媒質を予備電離する予
   備電離電極と、この予備電離電極に予備放電を発生させ
   るための電荷を充電する予備放電用コンデンサと、前記
   主放電用コンデンサおよび前記予備放電用コンデンサに
   対し所定の繰り返し周期で高圧電源の電荷を充電するス
   イッチング動作を行うスイッチング回路とを具え、前記
   主放電電極による主放電の前に前記予備電離電極による
   予備放電を行うようにしたレーザ放電回路において、 前記予備放電の際に前記誘電体に残留する電荷を放電す
   る放電用素子を前記予備電離電極に並列に接続するよう
   にしたことを特徴とするレーザ放電回路。
2. 【請求項２】前記放電用素子は抵抗である請求項１記載
   のレーザ放電回路。
3. 【請求項３】前記放電用素子はコイルである請求項１記
   載のレーザ放電回路。
4. 【請求項４】前記放電用素子はダイオードである請求項
   １記載のレーザ放電回路。