JPS63239991A - 放電励起ガスレ−ザ装置 - 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】 ［発明の口約］ （産業上の利用分野） この発明は、グロー放電によりレーザ媒質を励起してレ
ーザ発振を行なう放電励起ガスレーザ装置に関する。

（従来の技術） この種のガスレーザ装置として、第６図に示すような直
流横方向放電励起ガスレーザ装置が知られている。同図
に示すように、ガス流２１の流れる場に平板状のアノー
ド電極２２と、複数に分割して配列され絶縁性支持体２
４に取付けられたカソード電極２３が配置されている。

また、ミラー２５ａ、２５ｂは共振器と構成している。

アノード電極２２は直流電源２７の正極に接続され、カ
ソード電極２３は放電制限抵抗２６を介して？Ｉｉ源２
７の負極に接続されている。

このようなガスレーザ装置では、アノード電極２２とカ
ソード電極２３との間に生成される放電プラズマの一様
性が十分でなく、放電電力密度が低く、放電も不安定で
あるという問題がある。

そこで、本出願人は補助グロー放電を利用することによ
り、上記の問題を解決した放電励起ガスレーザ装置を提
案し゛ている。これはアノード電極と主カソード電極で
形成される主放電領域のガス流上流側に、アノード電極
に対向させて補助カソード電極を設置し、その補助カソ
ード電極とアノード電極との間で補助グロー放電を行な
うことにより、放電の均質化と安定化を図ったものであ
る。

ところで、上述したような放電励起ガスレーザ装置は、
電子線維持型放電励起ガスレーザ装置と異なり、放電を
維持するのに必要な電子の生成を、自身の放電によって
行なっている。このようないわゆる自己維持放電型の放
電励起ガスレーザ装置においては、電界をガス密度で割
った値Ｅ／Ｎが大きくなり、平均電子温度も高くなる。

しかし、レーザガスの励起効率の観点からは、電子温度
は低いことが望ましい。

前述した補助グロー放電を用いる方式の放電励起ガスレ
ーザ装置は、主放電領域の電子温度を下げる効果がある
程度は期待できるが、レーザガス励起効率の面からは十
分でない。従って、自己維持放電型放電励起ガスレーザ
装置の発振効率は、電子線維持型放電励起ガスレーザ装
置のそれよりも低くなっているのが普通である。

一方、電子線維持型放電励起ガスレーザ装置では、大電
流型の電子線源が必要となるため、装置が慢雑になると
ともに耐久性に欠ける（特に電子線をレーザガス中に導
くための薄膜の寿命が問題となる）という欠点があり、
さらに連続動作させることが難しいという問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来の放電励起ガスレーザ装置は、自己維持
放電型のものでは発振効率が低く、また電子線維持型の
ものでは装置が高価で複雑となり、耐久性に欠け、連続
動作が困難という問題があった。

本発明は放電自己維持型放電励起ガスレーザ装置におい
て、電子温度を効果的に下げて発振効率を向上させた放
電励起ガスレーザ装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は」１記目的を達成するため、グロー放電を誘起
させるアノード電極と分割型カソード電極とを膏する放
電励起ガスレーザ装置において、カソード電極に直流電
圧に重畳させて負極性パルスを繰返し印加する負極性パ
ルス印加手段を備えたことを特徴とする。ここで、分割
型カソード電極が主カソード電極と補助グロー放電生成
のための補助カソード電極とを有する構成の放電励起ガ
スレーザ装置では、負極性パルス印加手段は主カソード
電極および補助カソード電極の少なくとも一方に負極性
パルスを印加するものとする。

（作用） カソード電極に直流電圧に重畳させて負極性パルスを印
加すると、これによって流れるパルス電流により、定常
時に比較して非常に電子密度の高い電子が生成される。

この電子が消滅する前に次の負極性パルスが印加され、
電子の生成がパルスによらて連続的になされる。従って
、放電維持電圧が低下し、電子温度が低くなるので、レ
ーザガスの励起効率が高くなり、発振効率が向−トする
。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係る放電励起ガスレーザ装
置の共振器の長手方向に見た断面図である。図に示すよ
うに、ガス流１の流れる場に平板状のアノード電極２と
、これに対向して共振器長手方向に複数に分割して配列
された主カソード電極３および補助カソード電極４が設
けられている。主カソード電極３および補助カソード電
極４は、同一の絶縁性支持体５に取付けられている。

また、ミラー６ａ、６ｂによって共振器を構成している
。補助カソード電極４は主カソード電極３に対してガス
流１の下流側に設けられ、また補助カソード電極４とア
ノード電極２との間の距離Ｊ！１　は、主カソード電極
３とアノード電極２との間の距離１２より小さく設定さ
れている。

アノード電極２は接地され、また主カソード電極３およ
び補助カソード電極４は放電制限抵抗（バラストａ抗）
７，８をそれぞれ介して同じ負の直流電源９に接続され
ている。この場合、抵抗８の値は抵抗７の値より大きく
設定されている。

そして、主カソード電極３はさらに、放電制限コンデン
サ１１を介して負のパルス発生器１０に接続されている
。

このように構成されたガスレーザ装置では、主カソード
電極３とアノード電極２との間でグロー放電が行われる
ことによりガス流１が励起され、ミラー６ａ、６ｂによ
り構成された共振器によりレーザ出力が取出される。こ
の場合、主カソード電極３のガス流１の上流側に設置さ
れた補助カソード電極４とアノード電極２との間でも補
助グロー放電が行なわれることにより、主カソード電極
３とアノード電極２との間の主放電領域の放電の均質化
と安定化が図られる。

そして、さらにパルス発生器１０からの負極性パルスが
直流電源９からの直流電圧に重畳して主カソード電極３
に印加されることにより、レーザ発振効率が向上する。

すなわち、主カソード電極３に負極性パルスを印加する
と、これによって流れるパルス電流により、パルスが印
加されない時の何倍もの電子密度の電子が生成される。

パルスが消滅するとこの電子は徐々に減少するが、完全
に消滅する前に次の負極性パルスが印加されれば、再び
そのパルスにより電子が生成される。このように電子の
生成が負極性パルスの印加によってもなされる結果、放
電維持電圧が低下する。従って、アノード・カソード間
の印加電界に依存する電子温度が低くなるので、レーザ
ガスの励起効率が高くなり、発振効率が向」ニする。

第２図および第３図に本発明の他の実施例を示す。第２
図では補助カソード電極４に放電制限コンデンサ１２を
介してパルス発生器１０を接続し、また第３図では主カ
ソード電極３および補助カソード電極４の両方にコンデ
ンサ１１．１２をそれぞれ介してパルス発生器１０を接
続している。第３図の実施例の場合、コンデンサ１１．
１２の値は、前者のインピーダンスより後者のそれの方
が大きくなるように設定されている。

次に、本発明の効果を具体的に説明する。第４図は第１
図の実施例に基づいて放電励起ＣＯ２レーザ装置を構成
した時の実験データであり、負極性パルスをカソードγ
Ｕ極に印加しない従来構成に基づく実験データも示しで
ある。横軸はガスの温度上昇から算出した全放電人力（
注入電力）であり、縦軸はレーザ出力である。負極性パ
ルスはパルス幅２．５１１　ＳＱｃ、繰返し周波数５．
７ｋＨ２であり、電力は２００〜３００Ｗと少ないが、
放電維持電圧は約３ｋＶから２．５ｋ　Ｖへと、およそ
数百Ｖ低下した。この結果、第４図にも示されるように
、主カソード電極３に負極性パルスを印加すると、発振
効率が向上することが確認された。

第５図は第２図の実施例のように補助電極４に負極性パ
ルスを印加した場合の同様な実験結果を示したものであ
る。この時の負極性パルスの印加条件は第４図の場合と
同様であるが、電力としては数＋Ｗ以下とさらに小さく
なっている。この場合も放電維持電圧の低下により、図
のように発振効率の向上が見られる。因みにこの時の放
電維持電圧の低下はおよそ　２５０■であった。なお、
実験結果を示していないが、第３図に示したように主カ
ソード電極３および補助カソード電極４の両方に負極性
パルスを印加した場合も同様の効果が得られる。

本発明に基づく主カソード電極および／または補助カソ
ード電極への負極性パルスの印加条件は、次の二つの要
因から決定される。連続出力のＣ０２レーザ装置を例に
とると、動作ガス圧力は数十Ｔ　ｏｒｒ前後（１０〜１
００　Ｔ　ｏｒｒ　）が適している。

このようなレーザ装置で放電電流を増加すると電流集中
が起こり、アーク状の放電に移行する。このアーク状放
電の成長時間は、実験によれば数十μｓｅｃであった。

この時間はガス圧力が高くなると短くなり、ガス圧力が
低くなると長くなると考えられる。従って、一般のＣＯ
２レーザ装置の動作条件では、パルス幅数十μｓｅｃ以
下の大電流パルスを流してもアーク状放電に移行しない
と考えられ、実験を行なった結果でもアークの発生は見
られなかった。

一方、本発明に基づく負極性パルスの印加に基づくパル
ス放電によって生成される電子の寿命は、アフターグロ
ーの測定からおよそ　１００μｓｅｃであった。よって
、負極性パルスは繰返し周波数が１０ｋＨｚ　　（１／
　ｌｏＯμｓｅｃ　）以上であることが望ましく、少な
くともパルス放電により生成された電子の寿命の数分の
１の周期で印加されることが望ましい。また、ガス圧力
が低ければ電子の寿命はほぼ反比例して長くなると考え
られる。

以上二つの要因から、負極性パルスのパルス幅の最大値
および繰返し周波数の最小値が求まる。

但し、前述したようにこれらの条件はガス圧力。

ガス混合比等によって異なり、連続出力の横流ＣＯ２レ
ーザ装置やＣＯ２レーザ装ｊｉｔ等においては、パルス
幅１００μ５１３ｅ以下（特に好ましくは数十μｓｅｃ
以下）、繰返し周波数１−　！＜　Ｈｚ以上が適してい
ると考えられる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではな
く、例えば実施例ではアノード電極とカソード電極の対
向方向とガス流の方向およびＪＩ：振器の長手方向が全
て直交したいわゆる三軸直交型の放電励起ガスレーザ装
置について述べたが、例えば電極の対向方向とガス流の
方向が同じで、」（振器の長手方向がこれらと直交した
二軸直交型の放電励起ガスレーザ装置にも本発明を適用
できる。

また、補助カソード電極以外の補助グロー放電手段を有
する三軸直交型放電励起ガスレーザ装置？ｖ１さらには
補助グロー放電手段をｑしない三軸直交型放電励起ガス
レーザ装置にも本発明を適用することができる。

［発明の効果コ 本発明によれば、カソード電極（補助カソード電極があ
る場合は主カソード電極および補助カソード電極の少な
くとも一方）に負極性パルスを直流電圧に重畳して印加
することにより、放電維持γＵ圧が低下し、電子温度が
低くなることで、発振効率が向上する。また、本発明に
係る放電励起ガスレーザ装置は本質的に自己維持放電型
であり、電子線維持型のもののように電子線源が不要な
ので、構成が簡単で安僅であり、信頼性が高く、連続発
振が可能であるという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る放電励起ガスレーザ装
置の構成図、第２図および第３図は本発明の他の実施例
の構成図、第４図および第５図は本発明によるレーザ発
振効率向上の効果を説明するための実験結果を示す図、
第６図は従来の放電励起ガスレーザ装置の構成図、第７
図は従来の補助グロー放電を用いた放電励起ガスレーザ
装置１ｔの構成図である。 １・・・ガス流、２・・・アノード電極、３・・主カソ
ード電極、４・・・補助カソード電極、５　進縁性支持
体、６ａ、６ｂ・・・ミラー、７，８・・・放電１１１
］限抵抗、９・・・直流電源、１０・・・パルス発生器
１．１．．１２・・放電制限コンデンサ。 出願人代理人　弁理士　鈴江式な ７７Ｍ　　　　５０Ｔｏｒｒ ＣＯ２１Ｎ２／Ｈｅ　２．５　／　１２５　／　３５８
放電入７Ｉ（ｋＷ） 第４図 刀゛ス刀Ｌ　　　　　５０Ｔｏｒｒ ＣＯ２／Ｎｚ／Ｈｅ　　２Ｂ／　１２．５／　３５全放
Ｖ切（ｋＷ） 第　５　図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）グロー放電を誘起させるアノード電極と分割型カ
   ソード電極とを有する放電励起ガスレーザ装置において
   、前記カソード電極に直流電圧に重畳させて負極性パル
   スを繰返し印加する負極性パルス印加手段を備えたこと
   を特徴とする放電励起ガスレーザ装置。
2. （２）分割型カソード電極は主カソード電極と該主カソ
   ード電極よりガス流の上流側に設けられた補助カソード
   電極とを有し、前記負極性パルス印加手段は主カソード
   電極および補助カソード電極の少なくとも一方に負極性
   パルスを印加するものであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の放電励起ガスレーザ装置。
3. （３）アノード電極と補助カソード電極との間の距離が
   、アノード電極と主カソード電極との間の距離より小さ
   いことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の放電励
   起ガスレーザ装置。
4. （４）主カソード電極および補助カソード電極は同一直
   流電源にそれぞれ抵抗を介して接続され、補助カソード
   電極と該直流電源との間に挿入された抵抗の値が、主カ
   ソード電極と該直流電源との間に挿入された抵抗の値よ
   りも大きいことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の放電励起ガスレーザ装置。
5. （５）負極性パルス供給手段が発生する負極性パルスの
   繰返し周波数を１ｋＨｚ以上とし、パルス幅を１００μ
   ｓｅｃ以下としたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の放電励起ガスレーザ装置。