JPH1168199A - 同軸ガスレーザ励起方法および同軸ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価なサイラトロン等の高電圧スイッチを不
要にし、レーザ発振の効率を高め、放電管内の残留イオ
ンの不均一や放電ムラ等の影響を受けない長寿命で低価
格かつ安定性の高い同軸ガスレーザ励起方法および同軸
ガスレーザ装置を提供する。 【解決手段】 発振媒体ガス１８を封入した筒状放電管
１０と、この放電管１０の軸方向両端に対向配置された
主電極１２ａ・１２ｂと、この放電管１０の中間部に配
置された副電極２０と、前主電極１２ａ・１２ｂ間に主
パルス状電圧を印加する主電圧源２２と、前記副電極２
０と一方の主電極１２ｂ間に副パルス状電圧を印加する
副電圧源２４とから構成され、この主電圧源および／ま
たは副電圧源のインピーダンスを高く設定し、副パルス
状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電
極１２ａ・１２ｂ間に主放電を発生させ、この主放電と
同方向にレーザ光を発振放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパルス放電励起型ガ
スレーザの改良に係り、更に詳細には、発振媒体ガスの
コロナ放電を利用して主放電のスイッチングを行うこと
により高速大電流用スイッチを不要にすると共に、高イ
ンピーダンスの電圧源を用いて発振効率を高く維持し、
しかも主放電方向をレーザ放射方向と同軸構造にした放
電ムラ等が影響することのない安定な同軸ガスレーザ励
起方法およびこれを利用した同軸ガスレーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、穴開け、切断、マーキングおよび
レーダー等の分野に使用されるパルス放電励起型ガスレ
ーザ、例えばエキシマレーザ、ＣＯ₂ レーザ、Ｎ₂ レー
ザ等においては、放電をスタートさせるためにスパーク
ギャップやサイラトロン等の高電圧スイッチを使用して
きた。この目的は、立上りの早い電圧パルスを発生さ
せ、その電圧を主電極に印加して速やかな励起放電を作
り出すことである。

【０００３】また、従来のパルス放電励起型ガスレーザ
では、均一な放電を形成し励起密度を上げるために、放
電空間に高密度のプラズマを形成してきた。従って、大
きな電流密度が得られる回路が好適と考えられ、放電を
駆動する電源回路の内部インピーダンスをできるだけ低
く設定することが求められてきた。例えば、放電回路を
構成するキャパシターも可能な限り低いインピーダン
ス、つまり小さなインピーダンスになるように放電回路
に接続され、この結果電圧と電流の立ち上がりも急峻な
ものになる。

【０００４】従来の典型的なパルス放電励起型ガスレー
ザの例として、光軸（レーザ放射方向）と直交する方向
に放電電流が流れる横方向励起のＣＯ₂ レーザの回路構
成を図６に示す。

【０００５】図６は、充電抵抗１、コンデンサー２、サ
イラトロン３、高電圧電源７からなる高電圧パルス発生
回路Ａと、主電極４ａ・４ｂ、バッファキャパシター
５、予備電離ギャップ６からなる自動予備電離放電回路
Ｂ、送風ファン８および放電管９から構成されている。

【０００６】この回路の作動を説明すると、高電圧電源
７からの充電により充電抵抗１およびコンデンサー２に
より決まる時定数に従ってコンデンサー２が充電され
る。このコンデンサー２の電圧が一定値まで上昇すると
サイラトロン３が働き主電極４ａ・４ｂ間に放電電圧が
印加される。この電圧は予備電離ギャップ６にも作用
し、この予備電離ギャップ６の放電により、放電管９内
の媒体ガスが自動的に予備電離され、これをトリガーに
して主電極４ａ・４ｂ間に主放電が生起する。

【０００７】図７は図６の放電管内部の簡略斜視図であ
る。放電管９は筒状で、その軸方向に長尺の主電極４ａ
・４ｂおよび送風ファン８が狭い空間内に配置されてい
る。放電は矢印で示すように対向する主電極４ａ・４ｂ
間の短区間で起り、励起レーザ光は波線で示すように軸
方向に放射される。放電方向と放射方向が直交するため
横方向励起と呼ばれる。送風ファン８は放電空間内の残
留イオンを均一にするため、放電空間内の媒体ガスを循
環させるために設けられている。図６に矢印で示すよう
に、媒体ガスは放電管９内を周方向に循環する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような予備電離
型放電回路においては、レーザの出力効率を高めるた
め、主電極４ａ・４ｂ間に印加される放電電圧を可能な
限り急峻なものとする必要がある。その理由は、主放電
空間Ｃが放電電圧の印加と同時に既に予備電離されてい
るため、電圧の立上りが緩慢であると放電電圧の低いと
ころで主放電が開始することになり、入力エネルギーが
無駄に消費されることになるからである。したがって、
従来の予備電離型放電回路においては、主放電回路にサ
イラトロンやスパークギャップ等の高速大電流用のスイ
ッチ機構を必要としていた。しかし、このサイラトロン
は１０の８乗程度のショット数で劣化が生じ、高価なサ
イラトロンの短寿命性はレーザ装置全体の性能を大幅に
制限し、保守コストの高騰を招いていた。

【０００９】また、この従来の電源回路（放電回路も含
めて）では、大きな電流密度を得るために内部インピー
ダンスが低く設定されていた。例えば、高電圧電源７の
内部インピーダンスを低くし、コンデンサー２やバッフ
ァキャパシター５、５もインダクタンスが小さくなるよ
うに配置されていた。その結果、確かに放電時に大電流
を流すことができるが、電圧降下が急速に生じて励起に
必要な電位傾度（電界強度）が確保されず、電流が無駄
に消費されてきた。これを改善するために更に高電圧で
電流を供給する必要が生じ、より低いインピーダンスの
電源回路を求めるというジレンマに陥っていた。この様
な低インピーダンス化は放電回路や電源回路に無理を生
じ、放電空間のインピーダンスも制御が困難な程小さく
なっていた。

【００１０】また、図７から分るように、主電極４ａ・
４ｂは狭い放電空間を介して長区間対向しており、この
長区間に均一な放電を生起することが安定で良好なレー
ザ励起の条件である。この均一性の確保のために、放電
空間を均一に弱く電離して放電を助ける予備電離が必須
であり、放電励起ガスレーザ装置の構造を複雑にしてい
る。しかも、放電後、空間に残留するイオン量が均一で
ないと、次の放電が極在化して出力が低下する。それを
防止するために送風ファン８の設置がどうしても必要で
あった。しかし、ファン８を配置するためには放電管を
大きくしなければならず、しかも機械部品を導入するた
め、故障確率が高くなる欠点があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記欠点を解消
するためになされたものであり、筒状放電管に発振媒体
ガスを封入し、その放電管の中間部に位置する副電極に
副パルス状電圧を印加してコロナ放電を生起させ、この
コロナ放電をトリガーとして前記筒状放電管の両端にあ
る主電極間に主放電を発生させ、この主放電のインピー
ダンスを高く設定して安定な放電を持続させ、この主放
電と同方向にレーザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ
励起方法を基本構成としている。

【００１２】更に、発振媒体ガスを封入した筒状放電管
と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極
と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主
電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副
電極と一方の主電極管に副パルス状電圧を印加する副電
圧源とから構成され、この主電圧源および／または副電
圧源のインピーダンスを高く設定し、副パルス状電圧に
より生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主
放電を発生させ、この主放電と同方向にレーザ光を発振
放射させる同軸ガスレーザ装置を提案する。

【００１３】この基本装置を更に限定した下記の装置群
を提案する。前記主電圧源および／または副電圧源を高
いインピーダンスのトランスから構成した同軸ガスレー
ザ装置を提案する。

【００１４】

【発明の実施の形態】従来のガスレーザ励起方法の有す
る欠点が横方向励起方式によることから、本発明者はこ
の欠点を全面的に解消するため同軸励起方法を想到する
に到った。これは放電方向とレーザ光放射方向とを同方
向とするもので、筒状放電管の軸方向両端に主電極を対
向配置し、放電管の軸方向長さが放電長となる。

【００１５】本発明では高電圧スイッチを使用せず、放
電管自体をスイッチとして作動させるために、放電励起
型のガスレーザ装置の長寿命化を達成でき、同時に低コ
スト化も実現できる。同軸励起方式を採用しているため
放電長が長く、その放電空間における予備電離の一様性
はほとんど問題にならない。仮に予備電離が不均一であ
ったとしても、放電が始まれば全て一本の放電路内に存
在し、電子なだれ機構およびストリーマ機構により一本
の放電中に吸収されてしまうからである。

【００１６】また、放電空間に残留イオンが残っていて
も、同軸放電の場合にはほとんど影響を与えない。これ
は、上述した予備電離の不均一性が影響を与えないのと
全く同様に、放電が始まれば一本の放電中に不均一残留
イオンが全て吸収されてしまうからである。更に、放電
長が長いから放電の形成遅れ時間が大きく、立上りの早
い電圧パルスを用いる必要もなくなる。立上りの遅い電
圧パルスでも放電の形成遅れ時間に間に合えばよいから
である。この理由からも高電圧スイッチが不要となる。

【００１７】本発明では、従来の放電回路での放電電圧
が低下する問題点を回避するため、放電空間のインピー
ダンスを下げ過ぎないように、電源回路のインピーダン
スを高くする方法が採用される。電源回路のインピーダ
ンスが高い場合には、放電空間に電流が流れると電圧が
降下し、電子増倍の機構が抑制されてそれ以上の電流の
増加が抑制され、適切な電圧が維持されて効率的な励起
が可能となる。

【００１８】電源のインピーダンスを上げる最も簡単な
方法は、電源と負荷（放電管）の間に抵抗を挿入するこ
とであるが、この場合には電流が流れると抵抗での発熱
が起こり、無駄なエネルギー損失を生じる。損失を生じ
ないためには、電源回路そのものをインピーダンスの高
いトランス、例えばリーケージトランス等にして、従来
のキャパシターバンク方式では困難であった、電圧の発
生と電流の制限を同時に行うことが望まれる。

【００１９】インピーダンスの高いトランスを用いる
と、出力電圧が発生して放電が進展を始めると、電圧が
降下し、放電空間のインピーダンスが下がり過ぎるのを
抑制する。この結果、負荷には適正な高い電圧が印加さ
れたまま放電電流が流れることになり、適正な電子温度
を維持しながら放電入力を入れることが可能となるた
め、理想的なガスレーザの作動が可能となる。

【００２０】本発明では、筒状放電管の両端に対向配置
されている主電極間に主パルス状電圧を印加する。この
主パルス状電圧の値は封入されている所定圧力の発振媒
体ガスを単独に放電できる電圧値より小さく設定されて
いる。この状態で、中間部に配置されている副電極に副
パルス状電圧を印加して、副電極近傍にコロナ放電を発
生させる。このコロナ放電がトリガーとなって主電極間
に主放電が生起され、レーザ発振が起る。即ち、副電極
の電圧を制御して放電管自体、換言すれば放電空間をス
イッチとして動作できる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第
１実施例の概略断面図である。筒状放電管１０の両端に
は主電極１２ａ・１２ｂが対向配置され、またその一端
には反射鏡１４および他端には出力鏡１６が設けられて
いる。筒状放電管１０の内部には発振媒体ガス１８が密
封されており、用途に応じてガスを変更すればよい。２
０はリング状の副電極、２２は主電圧源、２４は副電圧
源で共に主電極１２ｂを接地している。両電源２２、２
４ともに高インピーダンストランスからなるパルス状電
源回路である。高インピーダンスの電源回路を用いるこ
とによって、放電空間のインピーダンスを高く設定でき
る。Ｃは放電用キャパシターであり、放電発生の初期の
電離量を制御するために用いられる。

【００２２】次に、上記構成の作動を説明する。主電圧
源２２により主電極１２ａは負電極となり、主電極１２
ｂに対し負電位に設定される。同時に副電圧源２４によ
り副電極２０はトリガー電極となり、主電極１２ｂに対
し正または負電位に設定される。この副電極への電圧印
加により放電管１０の内部では、副電極２０の近傍で発
振媒体ガス１８がコロナ放電を開始する。

【００２３】コロナ放電中の正イオンは主電極１２ａ・
１２ｂに向って走り出し、次々と媒体ガスをイオン化し
て電子なだれ現象が生起する。又、再結合時に発する紫
外線によるストリーマ機構によってもイオン化が加速
し、主電極間に一気に主放電が発生する。前述したよう
に放電空間のインピーダンスは大きいから、放電空間に
電流が流れると電圧が降下し、電子増倍の機構が抑制さ
れる。そのため、それ以上の電流増加が抑制され、高い
放電電圧が維持されて効率的な媒質の励起が生じる。こ
の主放電により出力鏡１６から主放電方向と同じ軸方向
にレーザ光が励起放射される。そしてパルス状電圧の連
続的な繰り返しにより安定なレーザ発振が持続する。

【００２４】図２は本発明に係る同軸ガスレーザ装置の
第２の実施例の概略断面図である。この実施例では高イ
ンピーダンスの電圧源２５により放電用キャパシタＣを
介して主電極１２ａ、１２ｂ間にパルス状電圧が印加さ
れる。また、この電圧が副キャパシタＣｔと抵抗Ｒによ
り分割されて、副電極２０にトリガー電圧が印加され
る。この主電圧と副電圧が同極性である点が第１実施例
と異なっている。従来は放電用キャパシターＣ以外にバ
ッファキャパシターを設けて放電電流の立ち上がりを改
善していたが、本実施例では不要である。これ以外の同
一部分には同一番号を付して説明を省略する。

【００２５】次に、この第２実施例の作動を説明する。
副電極２０へのパルス状電圧の印加により絶縁体壁を介
してコロナ放電を生成させる。このコロナ放電によって
放電管内が絶縁破壊し、放電用キャパシターＣに充電さ
れたエネルギーがガスに注入されると共に、電源回路よ
りエネルギーが供給される。このとき、電源回路のイン
ピーダンスが高いために放電管１０のインピーダンスは
低下せず、高いインピーダンスでの放電が維持される。
この放電により、高い放電電圧が維持され、効率的な媒
質の励起が生じる。この結果、放電管の両端に取り付け
た共振器によりレーザ光が発光され、パルス状電圧の連
続的な印加により安定なレーザ発振が維持される。

【００２６】図３は第３実施例の概略断面図である。発
振媒体ガスをフロー式にしたもので、主電極１２ａ上に
ガス流入口２８ａおよび主電極１２ｂ上にガス流出口２
８ｂを設けて、ガスを矢印方向に流動させる方式であ
る。本発明の同軸構造では残留イオンの影響はほとんど
ないが、本実施例のようにガスをフローさせることによ
って、放電管内に発生する不純物の問題を完全に解消し
たものである。

【００２７】図４は第４実施例の概略断面図である。本
実施例では筒状放電管１０を２分割し、放電管１０ａ・
１０ｂとしている。この間に副電極２０を介装して両放
電管１０ａ・１０ｂを一体化したものである。副電極２
０が直接発振媒体ガスに露出しているので、コロナ放電
を生起しやすい。

【００２８】図５は第５実施例の概略断面図である。本
実施例では、筒状放電管１０の周りに副電極２０を巻装
し、その両端に絶縁体３０ａ・３０ｂを配置する。主電
極１２ａ・１２ｂに導通した状態から絶縁体３０ａ・３
０ｂまで導体３２ａ・３２ｂを被覆する。導体３２ａ・
３２ｂを被覆しておくと、放電管内面でコロナ放電が発
生し、副電極２０によるコロナ放電と相乗して、主放電
を安定して生起できる。

【００２９】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種
々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含する
ものである。

【００３０】

【発明の効果】本発明により放電回路のスイッチが不要
となり、スイッチ素子の寿命で制限を受けることなくレ
ーザを作動させることができる。又、従来装置で比較的
大きな容積を占めていたサイラトロン等のスイッチとそ
の付属回路が不要となるため、装置の大幅な小型化と低
価格化が実現できる。

【００３１】また、本発明では電源回路の内部インピー
ダンスを高く設定しているため、放電空間のインピーダ
ンスも高く維持でき、高い放電維持電圧を保持できるた
めに、効率的なレーザ発振を安定的に持続できる。

【００３２】又、本発明では同軸方式を採用したため、
放電管の軸方向位置における残留イオンの不均一や放電
のムラ等が無視でき、発振媒体ガスの循環用ファンも不
要となる。更に、放電長が長いために、放電の形成遅れ
時間も大きく、立上りの早い電圧パルスを用いる必要も
ない。加えて、放電管の構造が従来に比べて大幅に簡素
化されるため、ガスを封じきって使用する密封式の場合
には、高い気密性が得られ、長寿命の作動を実現でき
る。

【００３３】このように、放電管の構造が簡単になるこ
とにより、共振器の安定性が増し、使用する部品数が大
幅に減少し、封じきりが容易になることで作動寿命が延
びる等、産業応用の面でも実用的なレーザ装置が実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第１実施例
を示す概略断面図である。

【図２】本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第２実施例
を示す概略断面図である。

【図３】第３実施例の概略断面図である。

【図４】第４実施例の概略断面図である。

【図５】第５実施例の概略断面図である。

【図６】従来例である横方向励起の回路構成図である。

【図７】従来例である放電管内部の簡略斜視図である。

【符号の説明】

１０・１０ａ・１０ｂ…筒状放電管、１２ａ・１２ｂ…
主電極、１４…反射鏡、１６…出力鏡、１８…発振媒体
ガス、２０…副電極、２２…主電圧源、２４…副電圧
源、２５…電圧源、２６…放電用キャパシター、２８ａ
…ガス流入口、２８ｂ…ガス流出口、３０ａ・３０ｂ…
絶縁体、３２ａ・３２ｂ…導体、Ｃ…放電用キャパシタ
ー、Ｃｔ…副キャパシター、Ｒ…抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 賢志 兵庫県神戸市東灘区岡本９丁目９番17− 202号 (72)発明者 中嶋 行雄 大阪府高槻市北園町４の19 株式会社宇翔 内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状放電管に発振媒体ガスを封入し、そ
   の放電管の中間部に位置する副電極に副パルス状電圧を
   印加してコロナ放電を生起させ、このコロナ放電をトリ
   ガーとして前記筒状放電管の両端にある主電極間に主放
   電を発生させ、この主放電のインピーダンスを高く設定
   して安定な放電を持続させ、この主放電と同方向にレー
   ザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ励起方法。
2. 【請求項２】 発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、
   この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、こ
   の放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間
   に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と
   一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源と
   から構成され、この主電圧源および／または副電圧源の
   インピーダンスを高く設定し、副パルス状電圧により生
   起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を
   発生させ、この主放電と同方向に安定なレーザ光を発振
   放射させる同軸ガスレーザ装置。
3. 【請求項３】 前記主電圧源および／または副電圧源を
   高インピーダンストランスから構成している請求項２に
   記載の同軸ガスレーザ装置。