JPS61212080A - パルスガスレ−ザ励起回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、パルスガスレーザの励起回路に関するもので
ある。

（従来技術とその問題点） Ｔ　Ｂ　Ａ　ＣＯ，レーザやエキシマレーザなどのパル
スガスレーザにおいては、多くの場合大気圧以上のガス
圧のレーザガスをグロー放電させることによりレーザを
励起している０この場合のグロー放電は、励起時間内で
安定で放電空間内で均一でなければならない。しかし、
大気圧以上のガスを放電させる場合、アーク放電が発生
し易い。アー′り放電はレーザ出力を低下させるのみな
らずレーザガスを急激に劣化させガスの寿命を著しく損
なわせる。アーク放電の発生を防ぎ大きなレーザ出力を
得るためには立ち上がりの速い高電圧で主放電を開始す
ることが必要不可欠である。

第４図は、従来のパルスガスレーザ励起回路の第１の例
である。なお１本図には本発明に係る部分のみが示しで
ある。この従来例は通常容量移行型励起回路と呼ばれて
いる。この容量移行型励起回路はパルスガスレーザの励
起回路として一般的に広く用いられている（レーザ研究
９（１９８１）６８２）。この従来例では、第１の主放
電電極ｌ及び第２の主放電電極２に並列にピーキングコ
ンデンサ１３、充電インダクタンス１４、及び充電コン
デンサ３とスイッチング回路４との直列回路を接続し、
スイッチング回路４に並列に高電圧電源１０を接続する
第４図の様な構成をとり、この励起回路中の充電コンデ
ンサ３、ピーキングコンデンサ１３及びスイッチング回
路４を含む閉回路を低インピーダンスに構成することに
よって主放電電極１．２間に立ち上がりの速い高電圧を
印加することができる。また、ピーキングコンデンサ１
３の容量を充電コンデンサ３の容量に較べて小さくする
ことによって充電コンデンサ３の充電電圧以上の高電圧
を主放電電極１，２間に印加することが可能となる。

しかし、この励起回路を用いたパルスガスレーザにおい
ては、ピーキングコンデンサ１３の容量を充電コンデン
サ３の容量に較べて小さくするとレーザの励起に用いら
れるピーキングコンデンサ１３の蓄積エネルギーが減る
ためパルスガスレーザの効率が悪くなるという欠点があ
った。また、この従来例では前述した充電コンデンサ３
、ピーキングコンデンサ１３及びスイッチング回路４を
含む閉回路を低インピーダンスに構成するとスイッチン
グ回路４に立ち上刃５りが速くピーク値の非°常に大き
な大電流が流れると同時に充電コンデンサ３の充電電圧
に等しい：１６電圧がスイッチング回路４の両端に印加
されることなどからスイッチング回路４の寿命を著しく
低下させてしまうという欠点があった。

第５図は、従来のパルスガスレーザ励起回路の第２の例
である。但し、本図にも第４図と同様に本発明に係る部
分のみが示しである。この従来例は通常ＬＣ反転型励起
回路と呼ばれ、第４図の容量移行型励起回路と同様にパ
ルスガスレーザの励起回路として一般的に広く用いられ
ている。この従来例では、第１の主放電電極１及び第２
の主放電電極に並列に充電インダクタンス１４及び第１
の充電コンデンサ１５と第２の充電コンデンサ１６との
直列回路を接続し、第２の充電コンデンサ１６に並列に
スイッチング回路４及び高電圧！［ＬｌＯを接続する第
５図の様な構成をとり、スイッチング回路４を閉じ、低
インピーダンスに構成したスイッチング回路４及び第２
の充電コンデンサ１６を含む閉回路を通して、充電され
た＠２の充電コンデンサ１６の電荷（すなわち両端の電
圧）を反転させることによって、主放電電極１，２間に
第１及び第２の充電コンデンサ１５．１６の充電電圧の
２倍の立ち上がりの速い高電圧を印加することができる
。したがりて、第１及び第２の充電コンデンサ１５．１
６の充電電圧は主放電電極１゜２間に印加する高電圧の
１／２で済む。このことから、スイッチ時をこスイッチ
ング回路４の両端に印加される高電圧を小さくすること
ができる。

しかし、この励起回路を用いたパルスガスレーザにおい
ても第４図の例と同様に、スイッチング回路４及び第２
の充電コンデンサ１６を含む閉回路を低インピーダンス
に構成する必要があるため、スイッチング回路４に立ち
上がりが速くピーク値の非常に大きな大電流が流れ、ス
イッチング回路４の寿命を著しく低下させてしまうとい
う欠点があった０ 第６図は、立ち上がりが遅く長い電流パルスを立ち上が
りが速く短い電流パルスに圧縮するための磁気スイッチ
（可飽和インダクタンス）を励起回路中に含む従来のパ
ルスガスレーザ励起回路の例である。（レーザ・アンド
・オプトエレクトロニック（Ｌａｓｅｒ　　ｕｎｄ　　
０ｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｋ　２（１９８４）１２８
））。この従来例では、第１の主放を電極１及び第２の
主放を電極２に並列に充電インダクタンス１４及び第３
のコンデンサ１９及び磁気スイッチ９と第２のコンデン
サ１８の直列回路を接続し、第２のコンデンサ１８に並
列にインダクタンス１７と充電コンデンサ３とスイッチ
ング回路４の直列回路を接続し、スイッチング回路４に
並列に高紙圧電＃１０を接続する第６図の様な構成をと
り、まずインダクタンス１７によって充電された充電コ
ンデンサ３の＃積エネルギーをゆっくりと第２のコンデ
ンサ１８に移す。磁気スイッチ９はこの第２のコンデン
サ１８の充電時にはインダクタンス１７に較べて非常に
大きいインダクタンスとして働く。第２のコンデンサ１
８が充電され両端の電圧がピーク値に達すると磁気スイ
ッチ９を貫く磁束密度は飽和し、この時、磁気スイッチ
９のインダクタンスはインダクタンス１７に較べて非常
に小さくなる。したがりてこの時、第２のコンデンサ１
７の蓄積エネルギーは第２及び第３のコンデンサ１８．
１９と磁気スイッチ９を含む閉回路を通して、この閉回
路中の回路定数で定まる速い立ち上がりの短い電流パル
スで第３のコンデンサ１９に移行する。このエネルギー
移行に伴い第３のコンデンサ１９の両端の電圧、すなわ
ちこの両端に接続された主放電電極１，２間の電圧が速
やかに立ち上がる。このようｌこ、第６図の従来例では
スイッチング回路４＃こ流れる電流のピーク値を下げ立
ち上がりを遅らせることによってスイッチング回ｗ＆４
の寿命を伸ばすとともに主放電電極１，２間に立ち上が
りの速い高電圧を印加することが可能となる。

しかし、この従来例では、充電コンデンサ３から第２の
コンデンサ１８へ移行するエネルギーの移行効率及び第
２のコンデンサ１８から第３のコンデンサ１９へ移行す
るエネルギーの移行効率を高くする必要性から充電コン
デンサ３及び第２及び第３のコンデンサ１８．１９の容
量をすべて等しくしなければならないため主放電電極１
．２間に印加する高電圧と同程度の充電電圧で充電しな
ければならないこと、したがりてこのことからスイッチ
時にスイッチング回路４の両端に主放電電極１，２間に
印加する高電圧と同程度の高電圧が印加されるためスイ
ッチング回路４の寿命及びコストが制限されることなど
の欠点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、レーザガスを立ち上がりの速い高電圧
でパルス放電させることにより高効率で大きなレーザ出
力を得ることが可能であり、かつ、スイッチング１回路
の寿命の長いパルスガスレーザ励起回路を提供すること
にある。

（発明の構成） 本発明によるパルスガスレーザ励起回路の構成は、第１
のピーキングコンデンサ、第２のピーキングコンデンサ
、第１のインダクタンス及び第２のインダクタンスを直
列接続した閉回路と、スイッチング回路と、充電コンデ
ンサと、高電圧電源と、前記第２のピーキングコンデン
サの両端の電圧がピーク値に達した時に前記第２のピー
キングコンデンサの両端を自動的に短絡させるスイッチ
ング回路（磁気スイッチ（可飽和インダクタンス）スパ
ークギャップ、レールギャップ、サーフェスギャップ及
び予備電離用アークギャップ等を含む。

以下受動スイッチング回路と称す。）とを少なくとも備
え、前記閉回路中の前記第１のコンデンサと前記第２の
コンデンサの接続部に前記受動スイッチング回路の第１
の極及び前記充電コンデンサの第１の極を接続し、前記
受動スイッチング回路の第２の極を前記第２のコンデン
サと前記第２のインダクタンスの接続部に接続し、前記
スイッチング回路を前記充電コンデンサの第２の極及び
前記第１のインダクタンスと前記第２のインダクタンス
との接続部に接続し、前記第１のコンデンサと前記第１
のインダクタンスの接続部に被励起パルスガスレーザの
第１の主放電電極を接続し、前記第２のコンデンサと前
記＄２のインダクタンスの接続部に被励起パルスガスレ
ーザの第２の主放電電極を接続し、前記スイッチング回
路の一方の極を前記高電圧電源に接続し前記スイッチン
グ回路の残りの極をアースに接続することを特徴とする
。

（実施例） 嬉１図−人は、高電圧電源１０によって充電コンデンサ
３を充電するために必要な充電インダクタンスを受動ス
イッチング回路としての磁気スイッチ（可飽和インダク
タンス）９が兼ねる構造をとる本発明の第１の実施例の
模式図である。

本実施例においては、まず、第１のピーキングコンデン
サ５、第２のピーキングコンデンサ６、第２のインダク
タンス８及び第１のインダクタンス７を直列に、接続し
た閉回路を形成した。この閉回路の第２のピーキングコ
ンデンサに並列に受動スイッチング回路９を接続、し、
さらに、充電コンデンサ３と、スイッチング回路４を直
列に接続した回路の一端を第１のピーキングコンデンサ
５と第ス８の接続部に接続することによって高電圧電源
によって充電された充電コンデンサ３の蓄積エネルギー
を第１のピーキングコンデンサ５及び第２のピーキング
コンデンサ６に移す閉回路（以下エネルギー移行閉回路
とする。）を形成する。なお、第２のピーキングコンデ
ンサがパルスガスレーザの主放電電極に並列になるよう
に前記主放電電極化接続して用いる。充電コンデンサ３
から第１のピーキングコンデンサ５及び第２のピーキン
グコンデンサ６にエネルギーが移行する間、磁気スイッ
チ（可飽和インダクタンス）９は第１及び第２のインダ
クタンス７．８に比べて非常に大きなインダクタンスと
して働く。したがって、充電コンデンサ３から第１及び
第２のピーキングコンデンサ５，６へのエネルギー移行
時には、第１図Ａに示した励起回路の等価回路を＠１図
−ＢのｓＩこ書くことができる。第１のピーキングコン
デンサ５と第２のピーキングコンデンサ６の容量及び第
１のインダクタンス７と第２のインダクタンス８の大き
さは同じである必要はないが、第１図−Ｂの等価回路の
解析を簡略化するために第１のビニキングコンデンサ５
と第２のピーキングコンデンサ６の容量及び第１のイン
ダクタンス７と第２のインダクタンス８の大きさを同じ
とし、それぞれも。

Ｌ、とすると、第１図−Ｂの等価回路の解析から第１及
び第２のピーキングコンデンサ５，６の２０　　Ｖｏと
なる。ここで、Ｃ１は充電３７７７０重＋２０゜ す３の容量、ｖｏは充電コンデンサ３の充電電圧、ｔは
時間である。今、第１及び第２のピーキングコンデンサ
５，６の容量を充電コンデンサ３の容量の半分とすると
（Ｃオ””ｃｔ、）、第１及び第２のピーキングコンデ
ンサ５，６の両端の電圧のピーク値ｖ！、はＶｏとなり
、充電コンデンサ３から第１及び第２のピーキングコン
デンサ５，６のエネルギー移行効率Ｅ　＝　２　Ｘ　（
−Ｃ，Ｖ、♂）／”ｃｔ　Ｖｏ”は１００％となる。ま
た、第１及び第２のピーキングコンデンサ５，６の容量
を充電コンデンサ２のａｍ　１．４３　Ｔｏ及び”＝４
９二８２チとなる。さらにスイッチング回路４に流れる
電流Ｉは 達するまでの時間、すなわち電流工の立ち上がり時間ｔ
ｏはＪ■に比例することが判る。

次に、充電コンデンサ３からのエネルギー移行に伴い第
１及び第２のピーキングコンデンサ５゜６の両端の電圧
がピーク値に達すると、磁気スイッチ（可飽和インダク
タンス）９を貫く磁束密度は飽和し、この時磁気スイッ
チ（可飽和インダクタンス）９のインダクタンスは真空
の透磁率と形状で定まる。第１及び第２のインダクタン
ス７゜８に較べて非常に小さな値になる。したがりて、
第１及び第２のピーキングコンデンサ５，６の両端の電
圧がピーク値に達した後の励起回路の等価回路は第１図
−Ｃの様になる。第１及び第２のピーキングコンデンサ
９，１０の両端の電圧がピーク値に達した時刻を時間の
原点（１＝、）に取れば、このとき第１図−Ｃにおいて
、第１の主放電電極１及び第２の主放電電極２の電位は
ｔＪｃｌのピーキングコンデンサ５と第２のピーキング
コンデンサ６の接続部に較べてｖ、ｐだけ高くなってい
る。磁気スイッチ（可飽和インダクタンス）９が閉じる
と第２のピーキングコンデンサ６の蓄積電荷ｃ１ｖｔＦ
。

は第２のピーキングコンデンサ６及び磁気スイッチ（可
飽和インダクタンス）９を含むＬＣ回路を通して反転し
、第２のピーキングコンデンサ６の両端の電圧Ｖ、は、
第１及び第２のピーキングコンデンサ５，６の接続部の
電位を基準にすると。

Ｖ！　＝　Ｖ２ｐ　ｃｏｓ　（ｔ／ｆｆ　）となる。こ
こで、Ｌｌは主として磁気スイッチ（可飽和インダクタ
ンス）９の残留インダクタンス１１、ｔは時間である。

したがってｔ＝ｔ１＝ｆＬ可マ後には、ｖ、　＝−％と
なり、主放電電極１，２間に印加される電圧ｖＤは２Ｘ
Ｖ、、となる。

以上述べた様に、充電コンデンサ３から第１及び第２の
ピーキングコンデンサ５，６へのエネルギー移行回路に
受動スイッチング回路（本実施例では磁気スイッチ（可
飽和インダクタンス））９を設けることにより充電コン
デンサ３から第１及び第２のピーキングコンデンサ５，
６へのエネルギー移行回路と第２のコンデンサ６の電圧
反転回路を時間的に分ける事が可能となる。充電コンデ
ンサ３から第１及び第２のピーキングコンデンサ５．６
へのエネルギー移行回路に含まれる第１及び第２のイン
ダクタンス７．８のため電圧Ｔｏに充電された充電コン
デンサ３の蓄積エネルギーはゆりくりと第１及び第２の
ピーキングコンデンサ５．６に移される。したがってス
イッチング回路４に流れる電流の立ち上がりを遅らせそ
のピーク値を小さくすることができると同時に、受動ス
イッチング回路４を低インダクタンスに構成することに
よって、主放電電極１，２間に立ち上がりの速い充電コ
ンデンサ３の充電電圧ｖｏの２〜３倍の高電圧を印加す
ることが可能となる。例えば、一般的な値として、Ｌ１
＝１μｕ、ｃｌ：＝３０ｎＦｅ（４＝　１５　ｎＦ　、
　Ｖｏ　＝２０　ｋＶ及び受動スイッチング回路４の残
留インダクタンスをＩ４　＝　２０　ｎＨとすると、ス
イッチング回路４に流れる電流のピーク値はＩ　ｐ　ｃ
−ｔ　３−５　ｋ人、電流の立ち上がり時間はｔ。

、ｘｏ、１４μｓしたがりて電流の上昇率ｄＩ／ｄｔは
２．５Ｘ１０’°人／Ｓ、主放電電極１，２間に印加さ
れる電圧はｖＤ：４０　ｋＶその立ち上がり時間は１゜
ｃｓ−ｔ　５４　ｎＨとなる。この時、充電コンデンサ
２からに１及び第２のピーキングコンデンサ９．１０に
移されるエネルギーの移行効率はＥ＝１０（１である。

このｖｎ、■、及びｄＩ／ｄｔの値は、例えば高電圧・
大電流スイッチング回路の一つであり、通常レーダにお
いて電流変調等に使用される市販のサイラトロンの許用
範囲を満たすものである。

また、上の例において、（４”　６　ｎＦとし充電コン
デンサ３と第１及び第２のピーキングコンデンサ５．６
の容量比Ｃ１／ｃｔを５とすると、■、ム２，６ｋＡ、
ｔｏｙ０．１０μｓ　　ｄＩ／ｄｔ　＞　２．６　Ｘ　
１０”°　人／３゜ＶＢｙ５７　ｋＶ、　ｔｌ　ム３４
　ｎｓ、Ｆｉ：：８２％となる。この場合、充電コンデ
ンサ３から第１及び第２のコンデンサ５，６へ移される
エネルギーの移行効率Ｂは若干悪くなるが、スイッチン
グ回路４に流れる電流工、を小さくでき、かつ主放電電
極１，２間に印加する電圧ｖＤをより短い時間で充電コ
ンデンサ３の充電電圧Ｖｎの３倍近くまで立ち上げるこ
とができる。

第２図は、高電圧電源１ｏによって充電コンデンサ３を
充電するために必要な充電インダクタンスをスパークギ
ャップ９ｍに並列に配置した構成をとる本発明の第２の
実施例の模式図で、この充電インダクタンスとスパーク
ギャップとから受動スイッチング回路が構成されている
。

本実施例において、第３のインダクタンス９’ｂが前述
した充電インダクタンスである。この充電インダクタン
スは、充電コンデンサを充電するためのものでスパーク
ギャップだけで受動スイッチング回路を構成した場合は
充電されない。なお、本実施例で各ギャップ９１（スパ
ークギャップ、レールギャップ、サーフェスギャップ等
）を受動スイッチング回路に用いる場合、受動スイッチ
ング回路のスイッチング電圧は各ギャップの形状ギャッ
プ間隔及び各ギャップ内のガスの種類及びガス圧等によ
って調節する。

第３図は、第２の実施例と同じ回路構成で、受動スイッ
チング回路に用いるギャップに予備電離用アークギャッ
プ列９ｃを用いた本発明の第３の実施例の模式図である
。主放電電極１，２に挾まれた主放電空間を主放電開始
前に予め電離し電子−イオン対を多数作っておくことに
よって、有害なアーク放電の発生を防ぎより大きなレー
ザ出力を得ることができるということが一般的に知られ
ている。本実施例では、受動スイッチング回路としての
予備電離用アークギャップ９ｃを複数個、主放電空間の
近傍に配置し、第２のピーキングコンデンサ６の電圧反
転時に複数個の予備電離用アークギャップ９ｃで起こる
アーク放電によって発生する紫外線を用い主放電空間を
主放電開始前に予備電離することができる。したがって
、新たな予備電離機構、予備電離回路等を必要としない
特長がある。

（発明の効果） 一般的にＴＦ！ＡＣＯ，レーザやエキシマレーザなどの
パルスガスレーザにおいてはより速い高電圧でパルス放
電させる程有害なアーク放電がない安定なグロー放電が
得られレーザの効率及び出力が格段に増加することが知
られているが、本発明のパルスガスレーザ励起回路にお
いては前述した様に、３０〜５０　ｎｓという非常に短
い立ち上がり時間内に主コンデンサの充電電圧の２〜３
倍もの高電圧でパルス放電を開始することが可能である
ためレーザの効率及び出力を大幅に増大させることがで
きる。同時に、前述した様に従来の励起回路を用いて立
ち上がりの速い高電圧を得ようとする場合、スイッチン
グ回路に立ち上がりが速くピーク値が非常に高い大電流
が流れるとともに主コンデンサの充電電圧に等しい高電
圧が印加され、スイッチング回路の寿命を著しく短くし
てしまう。

これに反して、本発明のパルスガスレーザ励起回路にお
いては、受動スイッチング回路によって主コンデンサか
らピーキングコンデンサへのエネルギー移行回路と主放
電電極間に立ち上がりの速い高電圧を印加するためのＩ
、　Ｃ反転回路を時間的に分けることができるためスイ
ッチング回路に流れる電流の立ち上がりを大幅に遅らせ
かつそのピーク値を大幅に小さくできると同時に主コン
デンサの充電電圧をより低くできることからスイッチン
グ回路に印加される高電圧を低減することが可能となり
スイッチング回路の寿命を著しく増大させることができ
る。現状では、ＴＥＡＣＯ，レーザやエキシマレーザな
どのパルスガスレーザの寿命はスイッチング回路の寿命
で限定されている。以上の。

ことから、本発明のパルスガスレーザ励起回路を用いる
ことによって、高効率で大きなレーザ出力を持ちかつ装
置寿命の非常に長いパルスガスレーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図−人は本発明の第１の実施例を示す図で、第１図
−Ｂは充電コンデンサ３から第１及び第２のピーキング
コンデンサ５，６へのエネルギー移行時の励起回路の等
価回路図で、第１図−〇は第２のピーキングコンデンサ
６の電圧反転時の励起回路の等価回路図である。第２図
は本発明の第２の実施例の模式図、第３図は本発明の第
３の実施例である。第４図、第５図及び第６図はそれぞ
れ５．。 従来のパルスガスレーザ装置の第１の実施例、第２の実
施例及び第３の実施例の模式図である。 １・・・第１の主放電電極、２・・・第２の主放電電極
、３・・・充電コンデンサ、４・・・スイッチング回路
、５・・・第１のピーキングコンデンサ。 ６・・・第２のピーキングコンデンサ、７・・・第１の
インダクタンス、 ８・・・第２のインダクタンス、 ・　９・・・受動スイッチンｒ路、１０・・・高電圧電
源、１１・・・磁気スイッチ（可飽和インダクタンス）
の残留インダクタンス ９ｂ・・・第３のインダクタンス、　　　　　　　　′
１３・・ピーキングコンデンサ、 １４・・・充電コンデンサ、 １５・・第１の充電コンデンサ、 １６・・・第２の充電コンデンサ、 １７・・・インダクタンス、１８・・・第２のコンデン
サ１９・・・第３のコンデンサ。 第２図 ｆｆ１４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１のピーキングコンデンサ、第２のピーキングコンデ
   ンサ、第１のインダクタンス及び第２のインダクタンス
   を直列接続した閉回路と、スイッチング回路と、充電コ
   ンデンサと、高電圧電源と、前記第２のピーキングコン
   デンサの両端の電圧がピーク値に達した時に前記第２の
   ピーキングコンデンサの両端を自動的に短絡させるスイ
   ッチング回路（以下受動スイッチング回路と称す。）と
   を少くとも備え、前記閉回路中の前記第１のピーキング
   コンデンサと前記第２のピーキングコンデンサの接続部
   に前記受動スイッチング回路の第１の極及び前記充電コ
   ンデンサの第１の極を接続し、前記受動スイッチング回
   路の第２の極を前記第２のピーキングコンデンサと前記
   第２のインダクタンスの接続部に接続し、前記スイッチ
   ング回路を前記充電コンデンサの第２の極及び前記第１
   のインダクタンスと前記第２のインダクタンスの接続部
   に接続し、前記第１のピーキングコンデンサと前記第１
   のインダクタンスの接続部に被励起パルスガスレーザの
   第１の主放電電極を接続し、前記第２のピーキングコン
   デンサと前記第２のインダクタンスの接続部に被励起パ
   ルスガスレーザの第２の主放電電極を接続し、前記スイ
   ッチング回路の一方の極を前記高電圧電源に接続し前記
   スイッチング回路の残りの極を高電圧電源のアース側に
   接続することを特徴とするパルスガスレーザ励起回路。