JPS63299287A - ガスレ−ザ発振装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Ｘ線、コロナ放電またはアーク放電によって
レーザ管内のレーザ媒質ガスを予備イオン化しつつ、放
電電極間に高電圧パルスを印加してレーザ媒質ガスを励
起しレーザ発振を行うガスレーザ発振装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 一般に、希ガスハライドエキシマレーザをアーク放電で
予備イオン化しつつ放電励起するガスレーザ発振装置に
は、第３図に示す自動予備電離方式のものが知られてい
る。

この図において、高圧電源（３１）からコイル（３２）
を介して第１コンデンサ（３３）に充電した電荷を、ト
リガー信号入力端子（３４）へのトリガー信号でサイラ
トロン（３５）をオンすることによって第２コンデンサ
（３６）へ移す。すると、レーザ管（７）内の予備電離
用ピン（３８）　（３８）のギャップ間に電流が流れて
アーク放電が発生し、このアーク放電で発生した紫外線
により放電電極（９ａ）　（９ｂ）間のレーザ媒質ガス
を予備イオン化する。そして、第２コンデンサ（３６）
に蓄積された電荷が放電電極（９ａ）　（９ｂ）を介し
てグロー放電しレーザ媒質ガスを励起してレーザ発振が
得られる。上述のような希ガスハライドエキシマレーザ
はレーザ媒質ガスへの短時間、大電力のエネルギー注入
によって高効率発振が得られるので、半導体の光ＣＶＤ
、表面処理、光りソグラフィまたは医療分野などの産業
上の利用が注目され、大口径化、大出力化が求められて
いるが。

大出力化（例えば５００１１−１０００１）を図ろうと
するとサイラトロン（３５）が過負荷になって寿命が短
がくなり、汎用のサイラトロンでは１００１出力が限界
であるといわれていた。

また、大口径化（例えば５〜１０ａｍφ）を図ろうとす
ると、放電電極（９ａ）　（９ｂ）間に通常（２１間隔
に対して２Ｏ−３６ＫＶ）　（７）約３倍の高圧（例え
ば６Ｏ−１００ＫＶ）を加えなければならず、汎用のサ
イラトロンの使用は不可能であった。

このため、従来はレーザ出力の大出力化を図るためにサ
イラトロンを並列使用する方式や第５図に示すような方
式が用いられ、レーザ出力の大口径化を図るためにはス
パークギャップを使用する方式などが用いられていた。

第４図に示したものは、サイラトロンの代わりにサイリ
スタ（４０）を用い、このサイリスタ（４０）に高電圧
を加えられないので高圧トランス（４１）を設け、サイ
リスタ（４０）の短パルススイッチ特性が劣ることを償
うため磁気パルス圧縮回路（４２）を設け、レーザ管（
７）の放電電極（９ａ）　（９ｂ）間のグロー放電でレ
ーザ発振を得ていた。

また、第５図に示したものは、まず一方の高圧スイッチ
（４３）をオンして主高圧電源（電圧Ｅ）　（４４）で
レーザ管（７）の放電電極（９ａ）（９ｂ）間をブレー
クダウンが生じない電圧レベルに充電し、ついで充電完
了時にＸ線などによって予備イオン化し、ついで、他方
の高圧スイッチ（４５）をオンしてプレパルス高圧電源
（４６）から放電電極（９ａ）　（９ｂ）間に３Ｅのプ
レパルス電圧を印加することによってグロー放電を生ぜ
しめレーザ発振を得ていた。Ｒ１、Ｒ２はインピーダン
ス調整用の高圧電源回路の等価抵抗である。

［発明が解決しようとする問題点コ しかしながら、サイラトロンを並列使用したものでは、
高価になり、また、スパークギャップスイッチ管は寿命
が短か〈産業用に向かないという問題点があった。

また、第４図に示すものでは、高圧スイッチとしてのサ
イリスタ（４０）は固体素子であるので、長寿命という
利点があるが、サイリスタ（４０）の特性上、磁気パル
ス圧縮回路（４２）や高圧トランス（４１）を設けなけ
ればならず、しかも磁気パルス圧縮回路（４２）は発熱
等で効率が悪く（例えばエネルギー転送効率約６０％）
、高出力化を阻害するという問題点があった。

また、第５図に示すプレパルス方式は、放電開始時と放
電安定時のレーザ媒質ガスのインピーダンスの違いによ
る高圧電源系のレーザ媒質への注入効率の低下をインピ
ーダンスの調整によって償い（例えばＲ，：３０Ｒ，に
調整することによって）、これによって注入効率を高め
高効率レーザ発振（例えば自動予備電離方式の１〜２％
の２倍以上の４％）を達成できる利点があるが、スイッ
チ系に必要な電圧が高くなるので電力スイッチ素子の寿
命が短か〈産業用に向かないという問題点があった。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたもので、スイッチ
素子に印加する電圧を特に高くすることなく、大出力、
大口径のレーザ光を発振出力できるガスレーザ発振装置
を得ることを目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、Ｘ線、コロナ放電またはアーク放電等によっ
てレーザ管内のレーザ媒質ガスを予備イオン化しつつ、
前記レーザ管内の対となる放電電極間に高電圧を印加す
ることによってレーザ媒質ガスを励起してレーザ発振を
行うガスレーザ発振装置において、前記レーザ管内の対
となる放電電極間にグリッド電極を設けてなることを特
徴とするものである。

［作用］ ｘｉ、コロナ放電またはアーク放電等によってレーザ管
内のレーザ媒質ガスが予備イオン化され、レーザ管内の
対となる放電電極間に高電圧を印加することによってレ
ーザ媒質ガスが励起されレーザ発振が起こる。このとき
、対となる放電電極間にグリッド電極が設けられている
ので、放電電極間の放電体積が大きくなる。このため、
レーザ出力の大出力化、大口径化が容易となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図および第２図に基づい
て説明する。第３図、第４図および第５図と同一部分は
同一符号とする。

第１図において、（７）はレーザ管で、とのレーザ管（
７）内には、１対の放電電極（９ａ）　（９ｂ）と、こ
れらの放電電極（９ａ）　（９ｂ）間に配置されたグリ
ッド電極（１）と、内部に封入されたレーザ媒質ガス（
例えば０．１１のＨ（１，１メのＸｓ、　９８．９％の
Ｎｏからなる４ａｔ鵬の混合ガス）を循環するためのブ
ロア（２）と、レーザ媒質ガスを冷却するための水冷装
置（３）とが互いに所定間隔をもって設けられている。

前記グリッド電極（１）は、電子および紫外線の通過が
可能な形状（例えば網目状）に形成されている。さらに
、前記レーザ管（７）には、全反射ミラーとレーザ光と
り出し用の出射ミラーとからなるレーザ共振器（図示せ
ず）が設けられている。

前記レーザ管（７）の底部には、レーザ媒質ガスに対し
て耐腐食性を有する絶縁膜（４）（例えば四フフ化エチ
レン樹脂）を内張すした絶縁板（５）が形成されている
。前記放電電極（９ａ）　（９ｂ）、グリッド電極（１
）は、それぞれ導電性の支持体（６ａ）　（６ｂ）、（
６ｃ）の−側に固着され、前記支持体（６ａ）　（６ｂ
）、（６ｃ）の他側は、シール材（８）　（８）　（８
）を介して前記絶縁膜（４）および絶縁板（５）を貫通
するとともに前記絶縁膜（４）および絶縁板（５）に気
密に固定され、その突出先端部はレーザ発振用高圧電源
回路（１０）、トリガー用高圧電源回路（１１）にそれ
ぞれ接続されている。前記レーザ発振用高圧電源回路（
１０）は、レーザ発振用高圧電源（１２）とコンデンサ
（１３）とからなり、放電電極（９ａ）　（９ｂ）間に
グロー放電開始に至らないレーザ発振用の高電圧パルス
ＥＱ（すなわチレーザ媒質ガスのブレークダウン電圧Ｅ
ｂ以下の高電圧パルス（例えば５〜８ＫＶ／ａｍ））を
供給するように形成されている。前記トリガー用高圧電
源回路（１１）は、トリガー用高圧電源（１４）と、ト
リガー信号入力端子（１５）へのトリガー信号入力の有
無に基づいてオン、オフするスイッチ素子としてのサイ
ラトロン（１６）と、コンデンサ（１７）　（１ｇ）と
コイル（１９）とからなり、前記グリッド電極（１）に
、前記レーザ発振用の高電圧Ｆ、Ｑと逆極性であって、
前記放電電極（９ａ）　（９ｂ）の一方の電極（９ａ）
との電位差がグロー放電開始可能な電圧（例えばブレー
クダウン電圧Ｅｂを越える電圧）となる高電圧パルスＥ
ｇを供給するように形成されている。

前記レーザ管（７）の−側部には、前記放電電極（９ａ
）　（９ｂ）に対向してＸ線入射窓（２ｏ）が形成され
ている。　（２１）は前記レーザ管（７）の外側部に固
着されたＸ線ボックスで、このＸ線ボックス（２１）内
にはＸ線管（２２）が設けられている。このＸ線管（２
２）内には、タングステン板（２３）を固着した陽極（
２４）と陰極（２５）とが設けられ、このＸ線管（２２
）から発生したＸ線は、厚さ５０〜２００μ園のカーボ
ン繊維の膜（２６）　（２６）を両面に固着した保護枠
（２７）を経、ついでレーザ媒質ガスに対する耐腐食性
を有する薄膜（２８）（例えば四フッ化エチレン樹脂）
を経、さらに前記Ｘ線入射窓（２０）を介して前記レー
ザ管（７）内に入射し、放電型ｔ＠　（９ａ）　（９ｂ
）間のレーザ媒質ガスを予備イオン化するように構成さ
れている。前記保護枠（２７）は、例えばハニカム構造
の小さな入射窓からなり、前記薄膜（２８）を破壊から
防止している。　（２９）はフランジ、　（２８ａ）は
前記薄膜（２８）の外周端部、（３０）は支持枠、　（
５１）（５１）はねじ、　（５２）は高圧電源ライン、
（８ａ）　（８ａ）　（８ｂ）　（８ｂ）はシール材、
（５３）は気圧調整用チューブである。

つぎに前記実施例の作用を第２図を併用して説明する。

（イ）　ｔｏ時に、レーザ発振用高圧電源（１２）から
高電圧パルスが出力すると、コンデンサ（１３）が充電
し、対となる放電電極（９ａ）　（９ｂ）の一方の電極
（９ａ）の電位ＥＱは第２図に示すように上昇する（他
方の電極（９ｂ）は零電位とする）。

（ロ）　ｔｏ時からコンデンサ（１３）の充電完了時間
より長い時間Ｔ０１（例えば１００μ５ｅｃ）経過した
ｔｉ時に、図示しない高電圧パルス回路から高圧電源ラ
イン（５２）を介してＸ線管（２２）の陽極（２４）と
陰極（２５）間に高電圧パルスを印加すると、Ｘ線管（
２２）から発生したＸ線は保護枠（２７）、薄膜（２８
）およびＸ線入射窓（２０）を介してレーザ管（７）内
に入射し、放電電極（９ａ）　（９ｂ）間のレーザ媒質
ガスを予備イオン化する。この予備イオン化状態におい
ても、前記（イ）によって放電電極（９ａ）　（９ｂ）
間に印加している電圧ＥＱは、第２図に示すように、レ
ーザ媒質ガスがグロー放電を開始するブレークダウン電
圧Ｅｂより小さく（例えば５〜８ＫＶ／備）設定されグ
ロー放電が開始しない。

（ハ）　ｔｘ時から所定時間”ｒ　−ｚ　（例えば１０
０−３００ｎｓｅｃ）経過したｔ２時に、トリガー信号
入力端子（１５）にトリガー信号が入力すると、サイラ
トロン（１６）がオンする。すると、トリガー用高圧電
源（１４）から一方のコンデンサ（１７）に予め充電さ
れていた電荷が他方のコンデンサ（１８）に転送し、グ
リッド電極（１）には、第２図に示すような負極性のト
リガー電圧Ｅｇ（例えば１０〜１５ＫＶ／ｍ）が印加す
る。このトリガー電圧Ｅｇは、その印加時において、対
となる放電電極（９ａ）　（９ｂ）の一方の電極（９ａ
）とグリッド電極（１）との電位差（ＩＥ　Ｑ　Ｉ＋ｌ
Ｅｇｌ）がブレークダウン電圧Ｅｂより大きくなるよう
に設定されているので、放電電極（９ａ）とグリッド電
極（１）との間でグロー放電が開始し、レーザ媒質ガス
が励起され、レーザ発振を開始する。

（ニ）ついで、前記（ハ）のグロー放電で生じた電子集
団はグリッド電極（１）の網目を介してグリッド電極（
１）と他方の放電電極（９ｂ）の間に侵入し。

さらに前記（ハ）のレーザ発振で生じた紫外線もグリッ
ド電極（１）の網目を介してグリッド電極（１）と他方
の放電電極（９ｂ）の間に入射するので、この部分にあ
るレーザ媒質ガスが励起され、レーザ発振を開始する。

なお、レーザ発振用高圧電源回路（１０）のコンデンサ
（１３）の容量を、トリガー用高圧電源回路（１１）の
コンデンサ（１８）の容量の５−１０倍に設定し、汎用
のサイラトロンを使用した場合従来の５〜１０倍のレー
ザ発振出力が得られる。

前記実施例では、レーザ発振用高圧電源回路は対となる
放電電極間にレーザ発振用の高電圧を印加し、トリガー
用高圧電源回路は、グリッド電極と放電電極の一方の電
極との間にレーザ発振用の高電圧と逆極性のトリガー用
の高電圧を印加するようにしたが、本発明はこれに限る
ものでなく、例えば第６図に示すように、レーザ発振用
高圧電源回路（１０）は対となる放電電極（９ａ）　（
９ｂ）の一方の電極（９ａ）とグリッド電極（１）との
間にレーザ発振用の高電圧ＥＱｇを印加し、トリガー用
高圧電源回路（１１）は接地側を介してグリッド電極（
１）と他方の電極（９ｂ）との間にトリガー用高電圧Ｅ
ｇＱを印加するようにしてもよい、このとき、ＥＱｇと
ＥＨ１１の経時変化特性は第７図の如くになり、ＩＥ　
Ｑ　ｇｌ＋ｌＥｇＱ１がブレークダウン電圧Ｅｂより大
きくなった時にグロー放電が開始し、レーザ媒質ガスが
励起されレーザ発振を開始する。

前記実施例では、Ｘ線によってレーザ管内のレーザ媒質
ガスを予備イオン化するようにしたが、本発明はこれに
限るものでなく、例えばコロナ放電またはアーク放電に
よってレーザ管内のレーザ媒質ガスを予備イオン化する
ものについても利用できる。

［発明の効果］ 本発明によるガスレーザ発振装置は、上記のように、対
となる放電電極間にグリッド電極を設けたので放電電極
間の放電体積を大きくすることができる。このため、レ
ーザ出力の大出力化、大口径化が容易になる。すなわち
、レーザ発振用の高電圧を供給するレーザ発振用高電圧
電源回路とレーザ発振用の高電圧と逆極性のトリガー用
の高電圧を供給するトリガー用高電圧電源回路とを設け
。

これらの回路から供給される高電圧の絶対値の和がブレ
ークダウン電圧を越えたときにグロー放電を開始し、レ
ーザ媒質ガスを励起してレーザ発振を開始するようにし
た場合には、Ｘ線、コロナ放電またはアーク放電によっ
て予備イオン化され、レーザ発振用高圧電源回路からの
高電圧パルスが放電電極間または一方の放電電極とグリ
ッド電極間に印加されただけではグロー電極が開始せず
。

トリガー用高圧電源回路からレーザ発振用の高電圧パル
スと逆極性の高電圧パルスがグリッド電極またはグリッ
ド電極と他方の放電電極間に印加されたときにグロー放
電が開始するので、トリガー用高圧電源回路のスイッチ
素子に加わる電圧を特別に高くしなくても、大出力、大
口径のレーザ光を発振出力できる。

例えば、レーザ管内に封入するレーザ媒質ガスが０．１
のＨＣ［と１％のＸｅと９８．９％のＮｏの混合ガスで
。

かつ３ａｔｍの気圧とし、Ｘ線で予備イオン化し、汎用
のサイラトロンを用いトリガー用の高電圧パルスを３５
ＫＶとすると、６０ＩＸ６３の大口径のレーザ光が得ら
れる。また、レーザ発振用高圧電源回路とトリガー用高
圧電源回路のレーザ媒質ガスに対するインピーダンスの
マツチングをとるようにした場合には、さらに高効率の
レーザ光を発振出力できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスレーザ発振装置の一実施例を
示す構成図、第２図は本発明の詳細な説明する特性図、
第３図、第４図および第５図は、それぞれ従来例を示す
構成図、第６図は他の実施例における部分構成図、第７
図は第６図の作用を説明する特性図である。 （１）・・・グリッド電極、（７）・・・レーザ管、（
９ａ）　（９ｂ）・・・対となる放電電極、　（１０）
・・・レーザ発振用高圧電源回路、（１１）・・・トリ
ガー用高圧電源回路、Ｅｂ・・・ブレークダウン電圧（
グロー放電開始電圧）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ線、コロナ放電またはアーク放電等によってレ
   ーザ管内のレーザ媒質ガスを予備イオン化しつつ、前記
   レーザ管内の対となる放電電極間に高電圧を印加するこ
   とによってレーザ媒質ガスを励起してレーザ発振を行う
   ガスレーザ発振装置において、前記レーザ管内の対とな
   る放電電極間にグリッド電極を設けてなることを特徴と
   するガスレーザ発振装置。
2. （２）対となる放電電極間にレーザ発振用の高電圧を印
   加するレーザ発振用高圧電源回路を設け、グリッド電極
   と前記対となる放電電極の一方の電極との間に前記レー
   ザ発振用の高電圧と逆極性のトリガー用の高電圧を印加
   するトリガー用高圧電源回路を設けてなる特許請求の範
   囲第１項記載のガスレーザ発振装置。
3. （３）対となる放電電極の一方の電極とグリッド電極と
   の間にレーザ発振用の高電圧を印加するレーザ発振用高
   圧電源回路を設け、前記対となる放電電極の他方の電極
   と前記グリッド電極との間に前記レーザ発振用の高電圧
   と逆極性のトリガー用の高電圧を印加するトリガー用高
   圧電源回路を設けてなる特許請求の範囲第１項記載のガ
   スレーザ発振装置。