JPS63502471A - 大容積ガス放電装置の制御装置 - 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】 容積ガス放Ｓｉｉ装置の制御装置 技術分野 および信頼性がある。装置のレーザ作用は、ガスの満たされた容器またはチャネ ルに放電を生ぜしめることによって得られるーすなわち、放電によって発生する 電子が活性ガス分子に衝突して、それらを高エネルギー単位に励起し、それらの 分子はｉエネルギー準位から低エネルギー準位へ下がる時、過剰エネルギーを光 子すなわち光量子の形で放出する。光利得が得られるためには、高エネルギー単 位にある粒子のポピユレーション密度が低エネルギー単位にある粒子のポピユレ ーション密度より大でなくてはならない。反転分布は、自然状態とは逆になって いる。

放電体は、通常極めて矧い直径を有するが、そのわけは、放電体の相異なる部分 内の熱伝達速度が一様でなく、プラズマ柱の内側の圧力および密度が低くなるた めにプラズマ柱が圧縮されるからである。

本出願者による同時係民出願である、１９８６年２月３日付出願の特許出願用０ ６／８２５．１５２丹には、産業に応用するのに適した信頼性のあるレーザを形 成するための、大容積空洞を大きざまたは形状によらずに一様に満たす大断面積 の放電が示されている。

背県技術 レーザは現在、切断、溶接、穴あけ、熱処理、などを必要とする産業上の応用に おいて、製造経費を顕著に低減せしめるために使用されている。しかし、産業に 関する文献によれば、レーザの売上高は、工作機械産業においてわずか約３％を 占めるに過ぎない。レーザに対し本発明を用いると、諸材料または船舶などの乗 物から、除去されるべきペイント、スケール、さび、のような望ましくない被覆 を速やかに除去するなどの産業上の応用に最も役立つ。

本出願者の知る従来技術の特許には、次のものがある：ヒル（Ｈｉｌｌ）による 米国特許第３，４９１．３０９号、ヒル（旧１１）による米国特許第３．５８１ ．１４６号、ヒル（Ｉｔ　ｔ　Ｉ　ｌ　）による米国特許第３．７３５，２８４ 号、ヒル（旧１１）による米国特許第３．７９５．８３８号。

最初にあげたヒル（Ｈｉｌｌ）の特許には、高出力のＣＯ２パルスレーザが開示 されており、必要とされるパルス電圧は２００　ＫＶからＩＨＶの程度である。

本発明は、後述されるように、高出力ＣＯ２パルスレーザに用いられる回路を提 供し、上述の特許との相違点は、レーザ電極に低レベルのイオン化持続電圧を供 給し、この低レベルのイオン化持続電圧上に短時間の電圧パルスを重ね合わせる 点である。

後述される本発明においては、同じパルスプラズマ電流を発生させるのに要する パルス電圧が、上述の電圧範囲よりも著しく小さい。電圧の大きさのこの低下に より、回路の諸パラメータは、産業において容易に使用されうるものとなる。上 述の同時係属特許出願により与えられる一様に分布したイオン化は、より一様な パルスプラズマＮ流分布を与え、長いパルス周期にわたって安定している。これ によって、達成可能なパルス出力が大きくなると共に光モードの品質が最初にあ げた特許を用いて実現されうるレーザ装置より改善される。

２番目にあげたヒル（Ｈｉｌｌ）の特許は、複数の放電管が単一電源により励起 されるガス放１ａｆｆｉ管装置の安定化方法に関するものである。

３番目にあげた特許には、レーザ装置内における電荷の空間分布を制御して一様 なプラズマを得るために、空気力学的力を利用することが教示されている。

４番目にあげた特許にも、レーザ装置内に一様なプラズマを得るために、空気力 学力を利用することが開示されている。

上記特許のいずれも、ここに開示される本発明の内容については教示も示唆もし ていない。

ここに用いられる諸関係および諸定義については、下記文献を参照することがで きる。

応用力学ジャーナル（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃ ｓ　）　、１９５０年９月号、第２９９頁に所載のキーナン（Ｋｅｃｎａｎ）　 、ニューマン（ＮｅｕｌＩｌａｎｎ　）　、およびルストウエルク（Ｌｕｓｔｗ ｅｒｋ）著［分析及び実験にるエジェクタデザインの考察（Ａｎ　ｉｎｖｅｓｔ ｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥｊｅｃｔｏｒＤｅｓｉｇｎ　ｂｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ 　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　）　Ｊジェームス　ディー、コビン博士（Ｊ ａｍｅｓ　Ｄ、　ＣｏｂｉｎｅＰＨ，Ｄ、）著の［気体仏様体−理論と工業応用 （Ｇａ５ｅｏｕｓＣＯｎｄＵＣｔＯｒＳ　−Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎ ｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｐｌｉｃｔｉｏｎｓ　）　」トーハー出版社（Ｄｏｖｅｒ　 Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、　Ｉｎｃ、）　１９５８年出版。　・ サンホ／Ｌ／　ンＣ、ブラウン（Ｓａｎｂｏｒｎ　Ｃ，Ｂｒｏｗｎ）著「プラズ マ物理の基本データ（Ｂａｓｉｃ　Ｄａｔａ　ｏｆ　ＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃ ｓ　）　Ｊマサチューセッツ工科大学出版局１９５９年出版（Ｈ，１，Ｔ、　Ｐ ｒｅｓｓ　１９５９　Ｅｄｉｔｉｏｎ、　）発明の開示 前述の同時係属特許出願の実施例は、高山カレー・ザに関するものであったが、 本発明は、レーザの動作をゲートにより制御することにより、その動作を連続動 作から間欠すなわちパルス動作へ、またはその逆に、またはそれらの任意の組合 せ動作に変化せしめるための回路に関する。パルス動作は、クリーニング、ペイ ント除去、さび除去、などの作業を行なう産業面において有用である。

本発明は従って、レーザに対する制御回路を提供することを一般的目的とする。

本発明のもう１つの目的は、レーデの動作を連続モードからパルスモードへ、ま たはその逆に、選択的に変化せしめるためのレーザ用制御回路を提供することで ある。

本発明のさらにもう１つの目的は、レーザーに対し、並列をなす電源を選択的に 接続することにより、１動作モードから他の動作モードへのスイッチングを行な い、あるいは両動作モードを組合わせるための、レーザ制御回路を提供すること である。

本発明のさらにもう１つの目的は、短時間の電圧パルスの列を、低電力レベルの イオン発生用直流電流に重ね合わせることによって、高電力レーザパルスを発生 させるための、レーザパルス回路を提供することである。

明の最良の実施態様 図において、参照番号１０は、概略的に示されている多電極レーザ１２に対する 第１電源を示す。複数のレーザ陽極１４は、安定抵抗１６、電流調整器１８、お よびパルス閉止ダイオード２０を経て可変電圧電源１０の正端子に接続されてい る。複数の陰極２２は、安定抵抗２４を経て電源の負端子に接続されている。補 助電源２６の正端子は、電源１０の負端子と、接地とに接続され工いる。Ｎ源２ ６の目的は、陰極２２を接地に対して負に保ち、逆方向流を防止することである 。これによって第１ｆＩｉ源が完成される。

第２電源は上述の第１電源に並列に接続され、逓昇変圧器３ｏの１次側に接続さ れた全体が参照番号２８によって示されているパルス形成回路を含む。このパル ス形成回路は、サイラトロンスイッチ３６と共振充電装置３８との間に接続され た、複数の並列接続されたキャパシタ３２および直列接続されたインダクタンス コイル３４を含む。変圧器３０の２次側の１端は閉止ダイオード４０を経てレー ザ陽ｆｆｔ１４に、他端は阻止ダイオード４２を経てレーザ陰極２２に接続され ることによって回路を完成している。全体が参照番号５０によって示されている レーザ動作モードセレクタは、記号的に矢印で表示された連続可変電圧を有する 第１電源１ｏを制御しうるように、機械的または電気的に連結されている。この セレクタは、トリガ変圧器６０を経てサイラトロン３６のグリッドに電気的に接 続されているが、その目的については後述する。

レーザを連続相からパルス相へ変化ゼしめるための回路操作においては、レーザ 操作者はモードセレクタを操作して第１電源１０の出力電圧を低下させ、レーザ 内のイオン化がほぼ電圧グロー状態に保持されるような低レベルにし、電圧パル スが変圧器６ｏを経てサイラド０ン３６のグリッドに印加されるようにする。装 置の動作において実際の低下を与える場合、サイラトロン管の動作特性は、必要 な短い持続時間の高エネルギーパルスを制御するのに有用であることがわかった 。

ガス入り管は、イオン化を起こす電子・分子衝突によって電荷キャリヤが発生し 、それによつ°て、電子および陽イオンが反対向きに運動する電気的に中性なプ ラズマが生じる。導通は、Ｎ流のない場合には制御グリッドによりオフ状態に保 たれるがくいったんオン状態にスイッチされると、イオンは負になろうとするグ リッドの回りに空間電荷を形成するので、その制ｍ＋電界は打消されてしまう。

その結果、アークは制御不可となる。ガス入り管は、はとんど無制限に電流が流 れる状態にスイッチオンされる能力を有するが、再結合によってプラズマが消滅 するまで外部からターンオフしなくてはならない。その場合にのみ、υｊ御ダグ リッドオフ状態に保つ機能が再現される。ジッタに対する要求が厳しい場合、ま たはトリガからブレークダウンまでの時間が０．５ナノ秒またはそれ以下でなく てはならない場合には、統計的イオン化過程も重要になりうる。最近の、水素お よび接地グリ　゛ラド設゛計の使用は、従来のサイラトロンのイオン化およ、び 消イオン時間を短縮したが、水素のクリーンアップが問題となり、また管の寿命 にわたって適切な平衡動作圧力を保持しようとすると加熱貯溜器（ｈｅａｔｅｄ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ　）が必要となる。

サイラトロン３６が、モードセレクタ５０から制御グリッドへの電圧パルスによ って点弧されると、共振充電装置３８によって充電されたパルス形成回路２８は 方形波出力パルスを発生して、これを変圧器３０の１次側に印加する。変圧器３ ０の２次側は短時間の高電圧パルスを、レーザ１２の電極間に存在する前述の低 レベル直流電圧上に重ね合わせることにより、そのピークビーム出力を急激に増 大せしめる。換言すれば、レーザのプラズマが、イオン化を電圧グロー状態に保 つのに十分な低電力レベルで動作するように制御すなわち調節され、イオン密度 が伝導を維持するのに十分な大きさを有している場合には、短時間の電圧パルス をサイラドロン管回路を経て低レベル電圧上に重ね合わせることによって装置の 働きを制御することができ、パルス持続時間の間、電流および出力を多数倍増大 せしめることができる。この高電流状態の持続時間は、放電に不安定性を生ぜし めるほど長くない。例えば、このようにして動作せしめられる最大５ＫＷの連続 波レーザはＯから５ＫＷまでの平均出力を発生するが、ピーク出力はこの連続出 力の多数倍大きくなる。パルス幅は、１例をあげると、１０００パルス毎秒（１ ００ＯＰＰＳ）において約３０マイクロ秒になりうるが、そのときピーク出力は 恐らくは連続出力レベルの３００倍に達する。

パルス形成回路２８が変圧器３０を経て放電してしまうと、サイラトロン３６の グリッドは再び制御能力を回復し、パルスは消滅する。回路パラメータを適切に 設計すれば、パルス繰返速度は、パルス形成回路の充電時間およびサイラトロン のグリッドへのパルス印加速度の関数とすることができる。

電源１０は連続的に可変であるから、動作選択によって任意の動作モードの組合 わせが可能になる。すなわち、任意の与えられた産業上の作業を行ないうるよう に、パルス出力を連続出力上に重ね合わせることができる。

別の、恐らくは好適な、スイッチング装置が、１９８４年４月１０日公告の［プ ラズマスイッチＰｌａｓｍａＳｗｉｔｃｈ）　Ｊと題する、本出願者による米国 特許第４，４４２．３８３号に開示されている。

本装置においては、音波がガス流内に入りうるので、音響的ＩＩ撃は考慮せざる をえない。音波は反復応力によってレーザ装置の部品に損傷を与え、レーザビー ムの光学的品質を劣化゛させうるほどの影響力を有する。音の吸収構造は、ガス 復帰流空洞中に容易に組込みうる。例えば、音響トラップ（図示されていない） を効果的に利用することができる。

以上に開示されたレーザ制御回路は、高出力レーザの適応性および有用性を著し く増大せしめる。本技術分野に精通した者にとっては、請求の範囲によって定め られる本発明の範囲から逸脱することなく、上述の構造および諸部品の配置に対 し多くの改変を施しうろことは明らかなはずである。

図面の簡単な説明 単一の図は、モードセレクタを含んだレーザ装置の制御回路を概略的に示してお り、モードセレクタによって、レーザ操作者がレーザを連続モードまたはパルス モードまたは任意の組合せで選択的に動作せしめうる。第２電源が第１電源と並 列に接続されていることにより、短時間パルスの列が比較的低レベルの直流レー ザ電圧上に重ね合わされ、それによって通常の連続出力よりも多数倍大きい短時 間の反復するビークレーザ出力パルスが得られる。第１［Ｇｔは、パルス出力が 連続出力上に重ね合わされうるように、連続的に可変になっている。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくとも１対の電極を有するレーザの動作を制御し、該レーザの動作を１ 動作モードから他の動作モードへ選択的に変換するための、次の各項記載のもの を組合わせて含むレーザ制御回路。 （ａ）前記レーザ電極に接続された、出力電圧を変化させる装置を有する第１レ ーザ電源回路。 （ｂ）該第１レーザ電源回路に並列に接続され、かつ前記レーザ電極に接続され た、第２レーザ電源回路。 （ｃ）前記第１電源回路ど該第２電源回路とに接続され、該第１電源の出力電圧 を、プラズマのイオン化をグロー状態に単に保持するレベルまで低下せしめると 共に、短時間の高電圧パルスを前記レーザ電極に印加してプラズマ電流を急増せ しめることにより、短いバースト出力を有する出力ビームを発生せしめるスイツ チング装置。
2. ２．請求の範囲第１項において、前記第１電源回路と前記第２電源回路との間に 接続され、これらの２回路間の電圧帰還を阻止する複数の阻止ダイオードを含む 、レーザ制御回路。
3. ３．請求の範囲第２項において、前記第２レーザ電源回路が、スイツチング装置 に接続されたパルス形成回路を含み、該スイツチング装置の作動によって前記第 １電源の出力電圧が低下せしめられ、かつ高電圧レーザ出力パルスが反復発生せ しめられる、レーザ制御回路。
4. ４．請求の範囲第３項において、前記レーザ出力パルスを、レーザの連続出力上 に重ね合わせるレーザ制御回路。
5. ５．請求の範囲第４項において、前記スイツチング装置がサイラトロン管を含む 、レーザ制御回路。
6. ６．請求の範囲第５項において、レーザ空胴内に、前記レーザパルスにより発生 せしめられる高レベルの音波の影響を減少せしめるための音吸収装置が含まれて いる、レーザ制御回路。
7. ７．高出力ガスレーザに用いられ、該レーザをパルスモードで動作させるための 、次の各項記載のものを粗合わせて含むレーザ制御回路。 （ａ）イオン密度が伝導を維持するのに十分となるイオン化を持続しうる低電圧 レベルで前記レーザを動作せしめるための制御装置を有する、レーザ電極に接読 された第１電源。 （ｂ）阻止ダイオードを経て該第１電源に並列に接続され、前記イオン化持続低 レベル電圧上に短時間の電圧パルスの列を重ね合わせることによりレーザパルス 列を発生せしめる第２電源。
8. ８．請求の範囲第７項において、前記第２電源が、スイツチング装置に接続され たパルス形成回路を含み、該スイツチング装置の作動によつて前記イオン化持統 電圧上に短時間の電圧パルスが重ね合わされるようになつている、レーザ制御回 路。
9. ９．請求の範囲第８項において、前記スイツチング装置がプラズマスイツチを含 む、レーザ制御回路。
10. １０．請求の範囲第９項において、前記スイツチング装置がサイラトロンである 、レーザ制御装置。