KR960009301B1 - 가스레이저장치 - Google Patents

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Description

가스레이저장치

제1도는 종래의 가스레이저장치를 나타낸 도면.

제2도는 방전 갭(gap)내의 방전의 물리적 구조의 개략도.

제3도는 증래의 가스레이저장치의 a·c 전원출력과 레이저 출력간의 관계를 나타낸 도면.

제4도는 본 발명의 일실시예에 의한 가스레이저장치를 나타낸 도면.

제 5도는 본 발명의 일실시예에 의한 a·c 전원을 나타낸 개략도.

제6도는 경계층 영역내의 손실 특성 그래프.

제7도는 상기 동작을 설명하기 위한 특성 그래프.

제8도는 본 발명의 일실시예에 의한 a·c 전원을 나타낸 도면.

제9도는상기 가스레이저장치의 전극들간의 갭내의 전자트래핑(trapping) 현상의 설명도.

제10도는 본 발명의 실시예의 a·c 전원출력과 레이저 출력간의 관계를 나타낸 도면.

본 발명은 가스레이저장치, 더 구체적으로는 전기방전을 일으키기 위하여 전극들에 고주파전압을 걸어줌으로써 레이저 광이 발생하는 가스레이저장치에 관한 것이다.

제1도는, 가스흐름이 출력광축에 대해 직교하는소위 직교류(cross-flow)형 가스레이저장치의 길이방향 횡단면도를 나타낸다. 제1도에서, 예를들어 스텐레스강, 철 또는 알미늄으로 된, U자형 횡단면을 갖는 금속 내측 바람통(flume)(2)이, 예를들어 스텐레스강, 철 또는 알미늄으로 된 장방형 힁단면을 갖는 외측 바람통(1) 내측에 설치돼 있다. 세라믹으로 된 제1판상 유전제(3a)가, 상기 외측 바람통(1)의 상표면내의 중앙부에 밀봉 부착돼 있다. 제2판상 유전체(4a)가, 상표면내의 구멍을 밀페시키면서 상기 내측 바람통(2)에 밀봉 부착돼 있다. 또한, 소정 간격을 갖는 방전 갭(5)이 상기 유전체(3a)와 (4a)간에 존재하도록 구성돼 있다. 또한, 상기 제1유전체(3a)의 상표면내의 중앙부에 제1전극(3b)이 부착되어, 제1유전전극(3)을 형성하고 있다. 또한, 상기 제2유전체(4a)의 저면의 중앙부에는 제2전극(4b)이 부착되어, 상기 제1유전전극(3)과 쌍을 이루는 제2유전전극(4)을 형성하고 있다. 또한 상기 제1전극(3b)과 제2전극(4b)은 a·c 전원(6)에 접속돼 있다.

상기 외측 바람통(1)과 내측 바람통(2)간의 갭내에는 레이저 가스가 소정압력으로 밀페돼 있다. 레이저가스를 화살표 A방향으로 순환시키는 송풍기(blower)(7)와, 상기 방전 갭(5)을 통과한 레이저 가스를 냉각하는 열교환기가 상기 외부 바람통(1)의 내측상의 저부에 설치돼 있다.

상기 a·c 전원(6)으로부터의 a·c 전압이 상기 구성을 갖는 레이저장치의 제1전극(3b)과 제2전극(4b)간에 걸리면, 상기 제1유전체(3a)와 제2유전체(4a)를 통하여, 상기 방전 갭(5)내에a·c 방전이 일어나며, 상기 방전 갭(5)내에 흐르는 레이저 가스가 여기화되고, 지면에 수직한 방향으로 레이저 광(9)이 발생된다.

제2도의 모델형태에 도시된 바와같이, 상기 방전 갭(5)내의 방전을 위한 물리적 구성은, 상기 제1과 제2유전전극(3,4) 근방에, 포지티브 컬럼(posivtive column)(10)과 경계층(11)을 구비하고 있다. 상기 경계층(11)의 동태는 방전 주파수에 의존한다.

다음은, 레이저 발진효울(방전 입력으로부터 레이저 출력으로의 변환효율)을 높이기 위해서 상기 a·c·전원의 주파수를 높여야 한다. 이 경우, 진공관형의 a·c 전원이 사용된다. C급 증폭형의 경우, 상기 a·c 전원의 효울(200V a·c 입력으로부터 고주파 출력으로의 변환효율)은 70% 이하, 통상 55%이다. 그결과, 상기 가스레이저장치의 전체 호율(200V a·c·입력으로부터 레이저 출력으로의 변환효율)을 높일 수 없다. 또한, 상기 진공관형의 전원을 사용하기 때문에, a·c·전원의 사이즈가 커진다.

이와 반대로, 상기 전원효율을 높이기 위하여(최대 약 90%), 그리고 상기 a·c·전원의 사이즈를 감소시키기 위하여, 상기 a· c·전원에서는 고체소자를 사용하고, a·c 전원의 주파수를 낮게(100KHz)할 필요가 있다. 이 경우, 레이저 발진효율이 감소되고, 그 결과 상기 가스레이저장치의 전제 호율이 높아지지 않는다.

즉, 상기 포지티브 컬럼(10)에 공급된 전력은, 레이저 여기화에 기여하나, 상기 경계층(11)에 공급된 전력은 레이저 여기화에 기여하지 않는다. 그러나, 종래 구성의 가스레이저장치들은, 상기 경계층들(11)의 영역에서의 전력손실을 고려안한 것이다. 따라서 상기 경계층(11) 영역에서의 전력손실이 상기 입력된 전체방전의 대부분에 상당하므로 레이저 발진효율이 낮다는 문제가 있다.

또한, 출력주파수가 낮기 때문에, 전자 트래핑 현상을 일으키지 않으며, 점화전압을 높게 만든다. 그 결과, 레이저 펄스특성 또한 불량하다. 상기한 종래의 가스레이저장치는 상기와 같은 문제점이 있다.

다음은, 상기 a·c·전원(6)의 동작을 설명한다. 이 a· c·전원(6)은, 연속(CW)동작과 펄스동작을 행한다. 펄스동작을 위한 방전점화 특성을 개량하기 위하여, 레이저 펄스가 오프(off)되더라도 심머(Simmer)방전등의 예비 이온화 수단에 의하여 방전이 점화된다. 그러므로 제3도에 도시된 상기 a·c 전원(6)에서 출력된 전원은 심머 방전기간 T1과 주방전기간 T2를 교호로 갖는다.

따라서, 상기 a·c 전원(6)에 의해 발생된 심머 방전기간 T1중의 전압과 방전기간 T2중의 전압간의 차이를 감소시켜서, 레이저 펄스동작을 행하면 상기 a·c 전원(6)에 대한 부하가 감소된다.

그러나, 상기의 구성을 갖는 종래의 가스레이저장치는 하기의 문제점이 있다.

상기 장치가 심머방전을 갖기 때문에, 레이저 펄스동작이 실행되지 않을때도, 상기 방전을 항상 점화해야 하므로, 효율이 감소된다.

따라서 본 발명의 한 목적은, 상기 레이저 발진효율을 개선할 수 있는 가스레이저장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전원조건, 또는, 전극구성, 레이저 가스압력등의 방전조건들을 적절히 설정해줌으로써 레이저 발진효율을 개선할 수 있는 가스레이저장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 소형이고, 전체 효울이 늪고 레이저 펄스 특성이 우수한 가스레이저장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, a·c 출력전압을 발생하는 a·c 전원과, 레이저 가스가 유통순환되는 방전 갭을 사이에 두고 설치된 l쌍의 전극을 구비한, 가스레이저장치에 의해 달성된다. 상기 전극쌍은, a·c 전압을 공급받아 상기 방전 갭내에서 방전을 일으켜 포지티브 컬럼 영역과 경계층 영역을 형성항으로써, 레이저 광을 발생하도록 a·c 전원에 접속되어 있다.

상기 포지티브 컬럼 영역은 방전 갭내에 형성돼 있고, 그 영역내에 공급된 a·c 전력은 레이저 여기화에 기여한다.

상기 경계층 영역들은, 상기 전극쌍중 하나의 근방에 형성돼 있고, 그 영역내에 공급된 a·c·전력은 레이저 여기화에 기여하지 않는다 상기 a·c 전원의 주파수는 700KHz 이상으로 설정되고 상기 a·c· 전원의 a·c·출력전압은, 상기 포지티브 킬럼 영역내의 전압이 상기 경계층 영역내의 부담전압보다 더 크게되는 레벨로 설정돼 있다.

상기 가스레이저장치에서, 상기 전극쌍간의 거리 d와 상기 레이저 가스의 압력 P가, 하기식(A)의 관계를 갖도록 설정되어 있다.

그 결과, 상기 방전 갭내에서의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력 전력이 전제 입력 전력의 50% 이상이다.

본 발명의 보다 완전한 이해와 기타의 많은 이점은, 첨부도면을 참조한 하기 설명을 참조함으로써 더욱 명백해질 것이다.

본 발명의 제1실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 제4도는, 가스흐름이 상기 출력 광축에 직교하는 소위 직교류형 가스레이저장치의 길이방향 횡단면 구조를 나타내며 그 구성은 제1도에 도시된 종래의 구성과 거의 동일하므로, 동일부분들에는 동일 참조부호를 부기하고 그에 대한 설명을 생략한다. 다시 말해서, 제4도와 증래의 구성간의 차이는, a·c 전원(6) 대신에 a·c 전원(12)이 사용된 점이다.

제5도는 a·c 전원(12)의 개요를 나타내고 있다. 제5도의 구성은, 3상 200V a·c· 입력이 d·c·전원(13)을 통해서 인버터(14)에 공급됨으로써, 700KHz 이상의 주파수를 갖는 고주파전압이 상기 인버터(14)로부터 출력되도록 구성돼 있고, 상기 고주파 출력은 정합기(15)를 통하여, 제1과 제2유전전극(3,4)의 전극(3b,4b)에 공급되도록 접속돼 있다. 또한, 상기 인버터(14)로부터의 출력전압은, 제2도에 도시된 포지티브 컬럼(10)의 전압 Vc가, 레이저 여기화에 기여하지 않는 경계층(11) 영역내의 부담전압(통상, r·m·s치 450V)보다 더 큰 레벨, 예를들어, 1,350V(r·m·s치)의 레벨에 설정돼 있으며, 상기 레벨은, 상기 포지티브 컬럼(10)의 전압 Vc가 상기 경계층(11)의 영역내의 부담전압의 3배인 레벨이다.

또한, 상기d·c 전원(l3)은, 상기a·c·입력을 정류 및 평활화하는 회로와, 펄스폭변조d·c 변환회로를 포함하고 있어, 상기 전극들(3b,4b)에 공급된 고주파 전력의 레벨 및 펄스가 제어된다. 또한, 상기 인버터(14)는, 스위칭을 위한 주회로 소자로서 정전유도형 트랜지스터(SIT)를 사용한다. 상기 a·c 전원(12)의 세부구성은 후술한다.

제6도는 대표적인 CO₂레이저에서, 전원주파수(방전주파수)와, 경계충(11) 영역내에서의 손실간의 관계를 나타낸다. 제6도에서, 이동 전류성분은 일정하게(5mA/㎠) 결정돼 있다.

상기 a·c 전원(12)으로부터, 상기 전극쌍(3b,4b)에 a·c·전압이 걸리면, 상기 전극(3b)와 (4b)간에 a·c 방전이 발생되고, 따라서, 상기 방전 갭(5)을 통해 순환되는 레이저 가스가 여기화되고, 레이저 광이 발생된다. 제2도에 도시된 바와같이, 상기 상태에서의 전극(3b)와 (4b)간의 방전의 구성은 포지티브 컬럼(10)과 경계층들(11)로 구성된 상태를 포함하고 있다. 여기서, 상기 a·c 전원(12)의 주파수가 낮으면, 상기 경계층(11) 영역을 통해 흐르는 전류는, 상기 이동 전류성분에 가해지는 전도 전튜성분이므로, 전력손실이 증가된다. 본 실시예의 경우에는, 상기 a·c·전원(12)의 주파수가 700KHz 이상에 설정돼 있으므로, 상기 경계층(11)의 영역내에 흐르는 전류의 일부가 상기 이동전류이므로, 전력손실들이 감소되고, 레이저 필스특성이 개선된다.

본 실시예와 같이, 상기 포지티브 컬럼(10)의 전압 Vc가 상기 경계층(11)의 영역내의 부담전압의 3배 이상이 되는 레벨로 상기 인버터(14)의 출력전압이 설정되는 구성을 채용하면, 상기 방전 갭(5)에서의 레이저여기화를 위해 공급된 입력 전력은, 전제 입력 전력의 75% 이상이고, 레이저 발진효율이 통상 개선된다.

또한, 상기 인버터(14)의 출력전압은, 상기 경계층(11)의 영역내의 부담전압(r·m·s치로 통상 450V)보다 상기 포지티브 컬럼(10)의 전압이 더 큰 레벨이어야 하며, 이러한 레벨로 설정되면, 방전 갭(5)내에서의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력 전력이 전체 입력 전력의 50%가 됨으로써 레이저 발진효율을 실용적 레벨까지 높일 수 있다.

다음은, 본 발명의 제2실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 제4도의 실시예에서는 제1유전전극(3)과 제2유전전극(4)간의 거리 d와, 외측 바람통(1)과 내측 바람통(2)간의 간격내에 밀폐된 레이저 가스의 압력 P간의 관계는 하기식과 같이 설정된다.

p × d ≥ 103torr ·cm

상기와 같은 판계가 성립된 경우에는, 상기 방전 갬(5)내의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력파워는, 제1실시예와 동일하게 전체 입력파워의 75% 이상이 될 수 있고, 그 이유는 하기와 같다.

제7도에서는, CO₂, N₂및 He의 혼합가스를 레이저 가스로서 사용하는 통상의 CO₂레이저에 관하여 포지티브 컬럼(10)(전원주파수 700KHz)내의 분자당 변환전계 E/N과 N₂비율간의 관계가 실험적으로 밝혀져있다.

예를들어, N₂농도가 60%일때, E/N=4.1×10^-16(V·㎠)이다. 레이저 가스압이 50torr, 온도 T가 300^oK인 상태에서 이상기체의 상태 방정식을 사용하여 하기와 같이, 단위체적당 분자수가 구해진다.

N=P/kT(k는 볼쯔만 정수)

= 50 × 133.3/ (1 38 × 10^-23× 300)

=1.61×10¹⁸(/㎤)

상기 실시예에서 1,350V 이상의 포지티브 컬럼 전압 Vc를 얻기 위하여는, 하기식만 만족되면 된다.

Vc=d× (E/N) ×N≥1,350

다시 말해서, d×4.1×10^-16×1.61×10¹⁸≥1,350의 관계식만 만족하기만 하면 되며, 그럼으로써 d≥2 05cm가 얻어진다. 상기 레이저 가스의 압력 P가 50torr이므로, p×d≥103torr의 관계식이 만족되면, 상기 방전갠(5)내의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력 전력은 결국 전제 입력 전력의 75% 이상이 될 수 있고, 상기 제1실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 N₂농도가 60% 이하이면, E/N이 제7도에 도시된 바와같이 감소하는 경향이 있고, 이것은 d를 증가시킴으로써 상쇄할 수 있고, 그 결과, p×d≥103torr·cm를 만족시킴으로써 개량된다.

또한, 포지티브 컬럼전압 Vc를, 상기 경계층(11) 영역내의 부담전압(r·m·s치로 통상 450V)보다 더 크게 하기 위하여는, d×(E/N)×N≥450만을 만족시켜, d≥0.68cm를 얻는다. 그 결과, 하기식(A)의 관계를 만족시키는 구성을 채용함으로써, 상기 방전 갭(5)내의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력 전력이 전체 입력 전력의 50% 이상이 될 수 있고, 이 경우에도 레이저 발진효율을 적정하게 개량할 수 있다.

상기 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명의 제1실시예는, 전원전압 조건을 설정하고, 즉 방전전력을 공급하기 위한 a·c 전원의 주파수를 700KHz 이상으로 설정하고, 또한 상기 a·c·전원의 출력전압을, 상기 방전 갠내에 발생된 포지티브 컬럼 전압이 상기 경계충 영역내의 부담전압보다 더 크게 되는 레벨에 설정하기만 함으로써, 또는 전극구조와 레이저 가스 압력등의 방전조건들을 설정하고, 즉, 상기 a·c·전원의 주파수를 700KHz 이상으로 설정하고, 상기 전극쌍간의 거리 d와 레이저 가스압력 P간의 관계를 p×d≥34torr·cm로 설정하기만 함으로써, 고레이저 발진효율을 얻을 수 있는 현저한차이점을 제공한다.

다음은, 본 발명의 제3실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

제8도는, 상기 제3실시예에 의한 a·c·전원을 명시한 도면이다. 제8도에서는, 3상 200V a·c·입력이 d·c·전원(13)을 통해 인버터(14)에 공급됨으로써, 700KHz 이상 주파수의 고주파전압이 상기 인버터(l4)로부터 출력된다. 상기 고주파출력은, 정합기(15)를 통해서, 제1과 제2유전전극(3,4)의 전극(3b,4b)에 공급된다. 상기 d·c·전원(13)은, 200V a·c·입력을 정류 및 평활화하는 회로(31)와 펄스폭 변조(PWM) d·c·변환회로(32)를 구비하고 있고, 상기 전극들(3b,4b)에 공급된 고주파 전력의 레벨 및 펄스를 제어한다. 또한, 상기 인버터(14)는, 스위칭을 위한 주회로요소로서 정전 유도형 트랜지스터(SIT)를 사용한다.

상기 a·c·전원(12)은, 위상 록크 루우프(phase locked loop : PLL)회로(20)와 자동전력조정기(APR)회로(21)를 더 구비하고 있다. 상기 PLL회로(20)는, 상기 인버터(14)의 출력의 전압과 전류의 파형을 감시하여, 출력 주파수를 변경한다. 그 결과, 상기 PLL회로(20)는, 상기 두 파형의 위상들이 일정하도록 제어하고, 방전부하 변경시에 정합상태를 유지한다. 이것은, 상기 방전부하에 고주파 전력을 고효율로 부여하는 것을 용이하게 한다. 상기 APR회로(21)는 상기 인버터(14)의 출력의 전압과 전류를 감시함으로써 피드백제어를 행하여 고주파 출력 전력을 일정히 유지하고, 그 출력을 d ·c·전원(13)에 공급한다. 상기 각 회로의 구성은, 본 기술분야의 숙련자에게 주지된 것이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

상기한 바와같이, 방전주파수를 700kHz 이상으로 설정함으로써, 레이저 여기화 효율을 높일 수 있다. 따라서, 레이저 발진효율(레이저 출력/방전입력)을 높일 수 있다. 또한, 방진주파수가, 높으므로, 레이저 펄스특성도 개량된다.

통상, 상기 방진주파수가 높은 경우, 진공관형 a·c 전원이 사용돼 왔다. 그러나, 이것은, a·c 전원의 사이즈가 크고, 가스레이저장치의 전체 효율을 높일 수 없는 문제가 있다.

상기 a·c 전원의 사이즈를 감소시키고, 전원효율을 높이기 위해서, 상기 a·c 전원에 스위칭용 고체소자를 사용해야 한다.

통상적으로 상기 a·c 전원에서 과워 MOSFET가 상기 고체소자로서 사용돼 왔다 그러나, 장치당 전력용량이 상기 방전주파수에서 낮기 때문에, 상기 a·c 전원에서 브릿지회로의 1아암에서의 스위칭을 위해 10개 이상의 소자를 사용해야 한다. 또한, 소자들의 동작특성간의 변이를 보상하기 위해서 부가적 수단이 필요하다. 그 결과, 상기 브릿지회로의 구성이 복잡해지고, 사이즈가 커졌다.

상기 a·c. 전원에서 많은 소자를 사용하더라도, 상기 a·c 전원 소자당 출력 전력은 면속동작의 경우, 최대 1∼2kW이다.

상기 가스레이저장치의 a·c 전원에 대해서, 레이저 펄스특성을 개량키 위해서, 가능한한 소자의 수를 감소시켜서, 전극들에 전력을 공급하는 a·c 전원을 구성하는 것이 더욱 좋다. 특히, 상기 직교류형 가스레이저장치의 경우, 상기 전극들이 다수의 분할 전극들로 구성되면, 상기 분할전극들간의 이상방전을 억제하기 위해서 전극간에 소정거리가 필요하기 때문에, 가스레이저장치가 커지고, 그 효율이 감소된다. 따라서, 1소자로 상기 a·c 전원을 구성하여 상기 전극들에 전력을 공급하는 것이 바람직하다.

통상, 5OOW 이상의 출력파워를 갖는 가스레이저장치가, CO₂레이저용으로 자주 실용된다. 상기 장치의 레이저 발진효율이 약 12.5%이므로, 상기 a·c 전원의 소자당 출력파워 용량으로, 적어도 4kV CCW 동작중의 전력, 또는 펄스동작중 평균출력)가 필요하다. 상기와 같은 값의 용량을 갖는 파워 MOS-FET으로 a·c 전원을 구성할수 없다.

본 발명의 실시예에 의한 정전유도형 트랜지스터(SIT)를 갖는 a·c 전원에서는, 브릿지회로의 각 아암을 1 또는 2의 SIT로 구성함으로써, 4kW 이상의 용량을 갓는 a·c 전원을 구성할 수 있다.

따라서, 상기 브릿지회로의 각 아암을 10SIT로써 구성함으르써,40kW 이상의 용량을 갖는 a·c 전원을 실현할 수 있다. 또한, SIT는, 내 서어지(surge) 특성이 우수하기 때문에, 가스레이저 방전용 고체소자로서 적합하다.

상기 설명한 바와같이, 본 실시예에 의하면 경계충 영역내의 손실은, 상기 방전주파수를 700kHz 이상으로 설정함으로써 감소되므로, 레이져 발진효율이 상승된다. 또한, 상기 a·c. 전원에서 스위칭을 위해서 대용량 고체소자가 사용되며, 이것은 a·c 전원의 용량을 크게 할수있고, a·c 전원의 효율을 높인다. 따라서, 본 실시예는, 전체 효율이 높고, 소형이며 레이저 펄스특성이 뛰어단 가스레이저장치를 제공할수있다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않고 축류형 레이저 또는 열전도 냉각형 레이저에도 적용할 수 있다

이 경우, 1소자를 구비한 a·c·전원으로부터 고주파 전력을 복수의 방전판에 공급함으로써 레이저 광을 얻을 수 있다.

1소자를 갖는 a·c 전원으로 고주파전력을 1쌍의 전극에 공급되는 경우에, 복수의 보조소자로써 1소자를 구성할 수 있다. 즉, 각 보조소자는 인버터회로와 브릿지회로등으로서 이 회로들은, 대용량 고체소자들로 구성돼 있다. 각 보조소자의 고주파출력을 20kW라고 가정하면, 4개의 보조소자로 구성된 1소자를 갖는 a·c 전원이, 80kW등의 극대의 고주파 출력을 발생할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 고속, 대용량 고체소자용으로 SIT가 사용된다. 그러나, 기타의 고속, 대용량 고체소자를 SIT 대신에 사용할 수 있다.

다음은, 본 발명의 제4실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예는, 가스레이저장치가 또한, 상기 방전전극들의 고주파 a·c 전압을 온,오프 전환시킴으로써 방전전극들간의 방전 갠내의 전자 트래굉 현상을 일으켜 레이저 펄스동작을 행하는 a·c 전원을 갖고 있음을 특징으로 한다.

상기 a. c 전원에 의해 방전 전극들에 고주파 a·c. 전압이 걸리면, 전자 트래핑 현상이 발생한다. 전자 트래핑 현상은, 하기의 조건하에서 발생한다.

제9도는, 방전전극들간의 간격내의 전자 트래핑 현상을 설명하는 도면이다. 상기 방전전극들에 걸린 고주파 a·c 전압의 주파수인, 방전주파수 f에서는, 상기 방전 갭내에 존재하는 방전되는 전자의 진폭 α₀(m)은 하기식으로 나타낼 수 있다.

통상의 가스레이저장치에서는, 전자유동속도 Vd(m/s)가 가스혼합비에 의하여 변하기는 하나 Vd≥3×10⁴이며, 이것을 식(1)에 대입하여 하기식을 얻을 수 있다.

여기서 방전 갭 길이를 d(m)로 하면, 상기 방전 갭 길이가 제9도에 도시된 바와 같이 전자의 진폭 범위보다 더 길기 때문에 하기식이 만족될때는, 전자 트래핑 현상이 일어남으로씨, 상기 방전 갭내에 항상 전자가 존재한다.

전자 트래굉의 현상이 일어나는 조건에 대한 식(2)와 (3)으로부터 하기식을 유도할 수 있다.

상기 방전 깝내에 항상 전자들이 있으므로, 전자 트래핑 현상이 일어나면, 방전점화가 용이하게 되고, 상기 방전점화전압이 감소되므로, 심머방전등의 예비 이온화수단이 불필요하다. 이러한 효과는, 상기 방전주파수가 높을 수록 더욱 현저하다.

그러므로, 본 발명의 실시예는, 상기 작용을 충분히 이용하므로, 전체 효울이 높고, 상기 a·c 전원을 온,오프시키는 것만으로써 제10도에 도시된 바의 레이저 출력을 얻을 수 있는 레이저 펄스동작을 실현하는 탁월한 레이저 펄스특성을 갖는 가스레이저장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 하기에 설명한다. 종래기술의 실시예의 것들과 중복되는 부분들은 설명을 생략한다. 제4도는 본 발명의 실시예에 의한 가스레이저장치의 구성을 나타내며, 여기서, 상기 방전 갭 d=9.5(mm)이고, a·c·전원(12)의 출력주파수 f=1MHz이다.

상기 수치는 하기 연산으로부터 산출된 것이다.

상기 a·c·전원의 출력주파수 f=1MHz인 것으로 가정하고, 이 수치를 전자 트래굉 현상이 일어나는 조건에 대한 식(4)에 대입하면, 그 결과는 하기와 같다.

레이저 여기화에서, 상기 방전전극의 경계층 영역내의 전력손실을 감소시킬 수 있는 방전주파수는 700kHz 이상이다. 그러므로, 본 실시예에서 a·c·전원(9)의 출력주파수 f를 1MHz에 설정했다. 따라서, 상기 a·c·전원(12)의 방전 갭 거리 d와 출력주파수 f는 전자 트래핑 현상을 발생하도록 설정한다. 상기 구성을 갖는 일실시예의 가스레이저장치의 동작을 하기에 설명한다.

a·c·전원(12)의 방전 갭 거리와 출력주파수가 상기와 같이 설정되기 때문에, 상기 방전 갠에 전자 트래핑 현상이 일어난다. 그러므로 방전점화가 용이하게 되고, 상기 방전 갭내에 항상 전자들이 있으므로, 상기 방전점화 전압이 저하되므로, 심머방전 또는 트리거방전 등의 예비 이온화수단 없이도 상기 a·c·전원(12)을 직접 온,오프시키는 것만으로 레이저 펄스동작을 얻을 수 있다.

상기 a·c·전원(12)의 출력주파수f가, 상기 방전전극들의 전극층 영역내의 전력손실을 감소시킬 수 있는 레벨인 700kHz 이상의 방전주파수인 1MHz에 설정돼 있으므로, 레이저 여기화 효율을 증가시킬 수 있다

본 발명은 또한, a·c 전원내의 고체소자를 사용하여 스위칭동작을 행하므로, 레이저장치의 크기 감소와 효율의 증가가 가능하다. 고체소자를 사용하면, 방전점화중 초기방전전압이 통상의 동작치보다 더 높으므로 상기 고체소자는 높은 내서어지 특성을 갖어야 한다. 방전주파수를 1MHz로 가정하면, 방전점화중 고체소자중에 흐르는 순서 전류는 방전중의 것보다 2∼2.5배이다. 이것을 고려하면, 정전유도형 트랜지스터(SIT)가 이상적이다. 또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 축류 레이저에 적용할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는, 주파수를 가변적으로 함으로써 상기 a·c·전원과 레이저 부하간에 임피던스 정합이 얻어졌으나, 상기 정합기에 대한 상수를 최대출력동안의 값에 근사하게 조정하고, 10kHz 이상의 펄스주파수에 대한 펄스듀티를 가변적으로 만듦으로써 레이저 출력을 제어할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 높은 내서어지 특성을 갖는 고체소자로서 정전유도형 트랜지스터(SIT)를 사용했으나, 기타의 고체소자를 사용할 수도 있다.

본 실시예는, 고주파 전원을 온,오프시키는 것만으로써 레이저 펄스동작을 행하여, 전체 효율이 높고, 레이저 펄스특성이 뛰어난 소형 가스레이저장치를 제공한다.

최종적으로, 상기 실시예들을 가스레이저장치에 적용하여 설명했다. 그러나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며 레이저 증폭기에 적용해도 등가의 성능이 얻어지며, 또한 CO 레이저와 엑시머 레이저등의 기타 가스레이저에도 본 발명을 적용할 수 있다.

본 발명에서는 상술한 기술에 기초하여 다수의 변형이 가능하므로 첨부된 청구범위내에서 다양하게 변형 실시할 수 있다.

Claims (10)

1. a. c·출력전압을 발생시키기 위한 a·c·전원수단과, 레이저 가스가 유통순환되는 방전 갭을 사이에 두고 배치된 1쌍의 전극을 구비하며 , 상기 전극쌍은, a·c 전압을 공급받아 상기 방전 갭내에서 방전을 일으켜 포지티브 컬럼 영역과 경계충 영역을 형성함으로써, 레이저 광을 발생하도록 a·c·전압을 걸어주는 상기 a·c·전원수단에 접속되며, 상기 포지티브 컬럼 영역을 상기 방전 갭내에 형성돼 있고, 그 내부에 공급된 a·c·전력은 레이저 여기화에 기여하며, 상기 경계층 영역들은 상기 전극쌍중 하나의 근방

   에 각각 형성돼 있고, 그 내부에 공급된 a·c·전력은 레이저 여기화에 기여하지 않으며, 상기 a·c·전원수단의 주파수는 700kHz 이상에 설정돼 있으며, 상기 a·c.전원의 a·c.출력전압은, 상기 포지티브 컬럼 영역내의 전압이 상기 경계층 영역들내의 부담전압보다 더 크게 되는 레벨에 설정돼 있는 것을 특징으로 하는 가스레이저장치.
2. a·c·출력전압을 발생시키기 위한a·c·전원수단과, 레이저 가스가 유통순화되는 방전 갭을 사이에 두고 배치된 1쌍의 전극을 구비하며 , 상기 전극쌍은, a·c·전압을 공급받아 상기 방전 갭내에서 방전을 일으켜 포지티브 컬럼영역과 경계층 영역을 형섬함으로써, 래이저 광을 발생하도록 a·c 전압을 걸어주는 상기 a·c 전원수단에 접속되며, 상기 프지티브 컬럼 영역은 상기 방전 갭내에 형성돼 있고, 그 내부에 공급된 a·c 전력은 레이저 여기화에 기여하며, 상기 경계층 영역들은 상기 전극쌍중 하나의 근방에 각각 형성대 있고, 그 내부에 공급된 a·c·전력은 래이저 여기화에 기여하지 않으며, 상기 a·c·전원수단의 주파수는 700kHz 이상에 설정돼 있으며 , 상기 전극쌍간의 거리 d와 상기 레이저 가스의 압력 P를 하기식(A)의 관계로 설정함으로써, 상기 방전 갭내의 레이저 여기화를 위해 공급된 입력전압이 전체 입력 전력의 5% 이상인 것이 특징인 가스레이저장치.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은 복수의 전원부로 되고, 상기 전원부당 출력된 고주파 전력이 4kW 이상인 것이 특징인 가스레이저장치.
4. 제1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은 스위칭장치용 고체소자를 포함하는 것이 특징인 가스레이저장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은, 상기 고체소자용 정전유형 트랜지스터를 포함하는 것이 특징인 가스레이저장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은, 상기 전극들에서의 상기 a·c 출력전압을 온,오프시켜, 상기 방전 갭내에 전자 트래핑 현상을 일으킴으로써 레이저 펄스동작을 행하는 것이 특징인 가스레이저장치.
7. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전극쌍간의 방전 갭의 길이 d(m)는

   d≥3×104/πf(f 방전주파수)이고,

   상기 a·c·전원은, 상기 전극들의 a·c·출력전압을 온,오프시키는 것만으로써 레이저 펄스동작을 행하는 것이 특징인 가스레이저장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은, 고체소자 또는 스위칭장치를 포함하는 것이 특징인 가스레이저장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 a·c·전원수단은 스위칭장치용 고체소자를 포함하는 것이 특징인 가스레이저장치.
10. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스는 CO₂가스이고 , 상기 가스레이저 장치는 직교류형인 것이 특징인 가스레이저장치.