WO1988002938A1 - High-frequency electric discharge excited laser - Google Patents

Description

明 細 書 高周波放電励起レーザ装置 技術分野

本発明はガス レーザ装置に関し、 特に高周波放電励起レー ザ装置に関する。

背景技-術

従来より この種のガス レーザたとえば、 炭酸ガス レーザ装 置においては、 所定の長さのガラス放電管の両端に 1 対の金 属電極が配設され、 該 1対の金属電極間に例えば 10 k V〜30 k V の直流高電圧を所定 φ直列抵抗 （放電特性上における動作点 を設定するための） を介して印加することによって該放電詧 内に存在する炭酸ガス （実際には Ν ₂ - H e - C0 ₂ の混合ガスが 用いられる） に所定のエネルギーが付与される。 このように して所定のエネルギー準位にまで励起されたガス分子の ネ ルギー準位が所定の下位のエネルギー準位に遷移する際、 所 定波長のレーザ光が発生され、 このようにして順次発生され る レーザ光を該放電管の両端に設けた反射鏡の間を往復させ て所定のレーザ発振が行われる。 なお該放電管内に存在する 上記ガス媒質は、 循環用のポンプおよび冷却用の熱交換器を 介して铯えず循環させられており、 更にその一部は排気され て新鮮なガスと置換される。

しかしかかる直流高電圧によつて駆動されるガス レーザ発 生装置においては、 該ガラス放電管の長手方向の両端に金属 電極が配置されるためギヤ ップ長が長くなって上遨したよう に高電圧を必要とし、 そのために電源装置自体の铯緣性の確 保が困難となり、 またそれに伴って電源装置が大型化するこ とになる。 また該高電圧の下においては、 放電電圧および放 電電流をレーザ出力安定化に必要な所定の値に制御するため の制御性も悪く なり、 上述したように放電特性を所定の動作 点に設定するために高抵抗の直列抵抗を必要とするためそれ によつて消費される損失も増大し、 更に該放電管内に設置さ れる金属電極の消耗やそのスパッタ リ ングに起因する放電管 の污れなどを生ずるなどの問題点がある。

一方、 かかる問題点を解 ¾する手段として上遨したような 直流電源に代えて周波数が数 100キ口へルツ以下、の交流電源 を用いる所請無声放電励起方式によるガス レーザ発生装置も 提案されている。 この場合には減圧された所定の気体中に例 えば数 1 0 am程度の間隔をおいて 1対の電極が配設され、 該 各電極の内側に誘電体が配設され、 該電極間に上記周波数範 囲の交流電圧が印加される。 すなわち具体的には例えば該誘 電体に対応するものとしてセラ ミ ック管が使用ざれ、 該セラ ミ ック誉の外表面上にその長さ方向に沿って 1対の金属電極 が互に対向するようにして配設され、 該 1対の金属電極間に 上記周波数範囲の交流電圧が印加される。 なお該セラ ミ ック 管 （レーザ管） の両端に反射鏡が設けられることおよび該レ -ザ管内のガス媒質 （上記と同様に N ₂— He— C0₂ ガスを用い る） が循環させられることなどは上記直流電源駆動によるも のと同様である。

この場合、 該ガス媒質内で電離されたイ オ ンあるいは電子 は所定極性の電極側に移勛してその内側に配設された絶縁物 上に堆積され、 該交流電圧の極性が切り換る毎に対向する電 極側に移動して、 そのような極性切り換り時にのみ間歇的に 電流が流れることになる。 したがって単位体積当りのガス媒 質に注入される電力は、 印加電圧を一定とした場合、 該交流 電圧の周波数が高く なるほど該電極間を流れる電流が増大す る （この点は、 該セラ ミ ツ ク管が該交流電圧に対して容量性 イ ン ーダンスとして作用し、 したがってその周波数が高く なるほどそのィ ンピーダンスが低下することからも説明でき る） ことによって増加し、 それに伴って出力パワーも増える (逆にいえば一定の出力パヮーをう るに必要な装置を小型化 できる） のである。 しかしながら上述したような無声放電が 生起する周波数の上限はせいぜい数 100キロへルツである。 更に該無声放電励起式のガス レーザ発生装置に用いられる セラ ミ ック管ば、 その誘電損失角 （ta n δ ) が大き く 、 その ため該交流電源の周波数が高く なるほどその誘電体損失が増 大してそれにより温度が上昇し、 遂には該セラ ミ ッ ク管の铯 緣破壊を起すことになり、 したがってレーザ管としてセラ ミ ック管を用いた場合には、 その耐圧上の制約からその電源周 波数をあまり増大させることができないという問題点がある。 もちろん、 この対策として石英管等の誘電体損失の低い誘電 体を用いることが考えられるが、 この場合、 該周波数範囲で は、 誘電体のイ ンピーダンスが高すぎ、 レーザ発生を生起し 得るに足る注入電力が得られなく なる。 したがって該無声放 電領域では、 誘電体として上記セラ ミ ック管等の使用が不可 欠となる。

更にまた、 該ガス レーザ発生装置の駆動電源として例えば 13. 56メ ガヘルツあるいは 2 7 メ ガヘルツあるいは更にそれ 以上の周波数の所謂無線周波数 （ラジオ周波数） を利用する ことも提案されている。 すなわちこのような高い周波数を用 いた場合には、 上述したような電圧極性の切り換る周期が極 めて短かく なるため、 その間に電離したイオンあるいは電子 が所定の電極まで到達することがな く、 電極間で絶えず振動 ， を繰り返し、 このような電荷移動の切り替りによって該電極 ' 間に連繞的な高周波電流 （印加される高周波電圧より位枏の 進んだ連続電流） が流れることになり-、 上述した藺歇的な放 電とは別の^態の放.電が行われる。 そしてこの場合には、 所 定の注入電力に対してガス媒質を所定の励起レベルにまで高 めうる割合が増加してレーザ光発生の効率が高められること になる。 しかし上記したよ な周波数領域では、 この種のレ -ザ光発生装置に必要な大岀カ電源 （特に高周波ィ ンバ—タ の部分） を例えばトランジスタな-どの 11体化された素子によ つて構成することは函難であって、 真空誉を使用する必要が あり、 結局電源周波数を高めて効率の上昇を図ったにも拘ら ず、 現実には該電源装置が大型化してしまう という別の問題 点が生ずる。

更にかかる無線周波数の駆動電源を用いた場合、 レーザ管 として誘電体損失の低い石英詧を用いることも行われている 力く、 かかる高周波のもとでは該石英管のィ ンピーダンスが低 く なりすぎ、 したがって該石英管の厚みを厚く しないと放電 電流が局部的な箇所に集中してしまう とともに、 その製作も 困難となり、 また放電空間とは別に該厚さの厚い管壁を通し ての電流が増大しそれによる損失も増すなどの問題点も生ず る。 またこれらの周波数領域では電波障害の問題も生じ、 そ の対策のためのシール ド等によるコス トア ップ、 装置の大型 化などを生ずるという問題点もある。 発明の開示 - 本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、 その目的は、 その駆動電源の周波数を上記無声放電励起方式 のガス レーザ発生装置に使用される電源の周波数より高く す る （無線周波数の範囲とする） ことによって、 注入電力に対 する レーザ光発生の効率を高め、 しかもこの種のガス レーザ 発生装置の電源 （特に高周波イ ンバータの部分） を固体化さ れた素子によって 成する （例えば MOS F E Tによって構成す る） こ とができるように、 該駆動電源の周波数範囲を選定し たし と ある。

更に本発明の他の目的は、 レーザ管として誘電体損失の低 い石英管 （石英ガラス管） を用いることによって、 上記所定 の周波数範囲のもとにおいてレーザ光発生に必要な放電を確 実に行わせ、 しかもその誘電体損失が上記セラ ミ ツク管に比 して遙かに少ないことにより、 該周波数の上异にもとづく铯 緣耐圧の制約をう けないようにし、 更に該石英管の厚みをそ れほど厚くする必要をもなくすことにある。

上記した S的を達成するために、 本発明においては、 レー ザ管の駆動電源の周波数が 1 メガヘルツから 1 0 メガヘルツ の範囲に選定されているガス レ一ザ装置が提供される。

上記構成によれば、 所定の注入電力に対するレーザ光発生 の ¾率が高まり、 所定のレーザ光出力をとり出すに必要なレ —ザ光発生装置の小型化が可能となる。 更に、 その電源装置 (特に高周波ィ ンバ一タの部分） を例えば M O S トラ ンジス タなどの固体化素子によつて構成することができるため、 該 電源装置の小型化をも達成することができる。 したがって所 定の注入電力に対する レーザ光の発生効率と、 電源装置を舍. めた装置全体の小型化とを併せて達成することが可能となる < またレーザ管として誘電体損失の低い石英管を甩いること によって、 所定の電圧の印加によって該周波数領域での放電 を良好に行わせ、 しかもその誘電体損失が低いことから上記 周波数領域においても上記セラ ミ ック管におけるような耐圧 上の制約をなく し、 更に上記周波数領域においてはその管厚 をそれほど厚くする必要もなく なる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明の 1実施例としてのガスレーザ発生装置 の全体構成を示す図、 - 第 2図 （ a ) および第 2図 （ b ) は、 第 1図の装置に用い られるレーザ管として、 石英管を用いた場合の特性をセラ ミ ック誉を用いた場合と比較して示す図である。 発明を実施するための最良の形態

第 1 図は本発明の 1実施例としてのガス レーザ発生装置の 構成を示すもので、 所定の制御回路からそれぞれ所定位相の ゲー ト信号が供給されるサイ リ スタ S ₁ 乃至 S ₆ からなる全 波整流回路によって、 3相交流電圧が L C回路を通して所定 の直流電圧に変換される。

I は高周波ィ ンバータであって、 プリ フ ジ結線された M 0 S ト ラ ンジスタ 乃至 G によって構成され、 所定の ドラ イ ブ回路から該ト ラ ンジスタ Q , および の各ゲー トには 所定周波数 （本件発明の場合 1 メガヘルツから 1 0メ ガヘル ッ） の制御信号 （ A相制御信号） が供給され、 一方残りの ト ラ ンジスタ Q ₂ および Q ₃ の各ゲー 卜には上記と同じ周波数 で 180 ' 位相を異にする制御信号 （B相制御信号） が供給さ れる。 これによつてレーザ管 T (上述したように所定の管厚 の石英管によって構成される） の各電極 , Ε ₂ 間に上記 周波数 （ 1 メガヘルツから 1 0 メ ガヘルツの範囲のラジオ周 波数） の領域の高周波電圧が印加され、 これによつて該レー ザ管内のガス媒質に所定の高周波放電が起り、 ガス分子が励 起されてレーザ光が発生される。

この場合、 本発明においては、 該駆動電源の周波数が上記 周波数範囲の無線周波数まで高められているので、 該電極間 には連続的な高周波電流が流れ、 所定の注入電力に対してレ —ザ光発生の効率が高まり、 また印加電圧を一定とした場合 の単位体積当りの注入電力も増加してその出力パワーが増加 し、 したがって一定の出力パワーを iり出すに必要なレーザ 光発生装置を小型化することができる。 なお周波数が高く な るにしたがってィ ンダクタンス性の素子 （コイルあるいは ト ラ ンス） および容量性の素子 （コ ンデンサ） などの各構成部 品を小型化しう ることは明らかである。

しかも本発明においてば上記駆動電源の周波数を 1 メガへ ルッから 1 0 メ ガヘルツの範囲に選定することによって、 電 源装置、 特に高周波ィ ンバータ部分 Iを固体化された素子 (特に MOS FBT Q i 乃至 C ) によって構成することができ るため、 該高周波ィ ンバータ'部分を真空眚で構成した場合に 比し、 該電源装置を遙かに小型化することができる。

更に駆動電源の周波数を上記した範囲に選定することによ つて、. レーザ管として石英誉を用い、 所定の電圧の印加によ つて良好な放電を行わせることが可能となり、 周波数上昇に 伴う耐圧上の制約をなくすことができるとともに、 その管厚 をそれ程厚くする必要もな く なる。 このよう にレて、 電力効 率の低下を抑制するこ とができ、 大幅な信頼性の向上が図れ る。 '

第 2図は、 レーザ管としてセラ ミ ック詧を用いた場合と石 英管を用いた場合の動诈特性を比較して示すもので、 第 2図 ( a ) は該レ—ザ管の周波数-温度特性を示し、 点線ばセラ ミ ック眚を用いた場合、 実線は石英誉を用いた場合を示す。 また第 2図 （ b ) ば該レ—ザ管の温度—耐圧特性を示すもの で、 点線はセラ ミ ック管を用いた場合、 実線は石英管を用い た場合を示す。

該第 2図に示されるようにセラ ミ 7ク管は上記誘雷体撗失 が高いため周波数上异と共に損失が增加して温度上昇を起し

(第 2図 （ a ) 参照） 、 それに伴って耐圧が低下する （第 2 図 （ b ) 参照） ため、 該耐圧の制約をう けて周波数上昇にも 拘らず十分な出力をとり出すことができな く なる。

一方、 本発明において用いられる石英管は比誘電率 s が低 い （上記セラ ミ ック管の約 1 ノ 3 ) ため、 低周波ではィ ンビ 一ダンスが高く 高電圧を印加しないと所定の放電を起すこと ができないが、 本発明で用いられるような高周波の領域では ィ ンビーダンスが低下して所定の電圧の印加により確実に所 定の放電を生起することができる。 しかも上記誘電体損失も 低いため、 周波数の上昇に拘らず、 その損失は殆んど一定で 温度上昇を起すことがな く （第 2図 （ a ) 参照） 、 したがつ て耐圧も殆んど低下することがな く （第 2図 （ b ) 参照） 、 上記セラ ミ ック管におけるような耐圧上の制約をう けること がない。

また上記従来技術で述べたように電源周波数を例えば 13 . 56 メ ガヘルツあるいはそれ以上の周波数にまで上昇させた場合 には、 該石英管のイ ンピーダンスが低く なりすぎ、 したがつ てその管厚を厚く しないと放電電流が局部的に集中したり管 壁を通って流れる電流が増大し電力効率の低下をまねいたり するが、 本発明におけるような周波数範囲では管厚をそれ程 厚く する必要がなく （例えば周波数が 1 メガヘルツの場合で 管厚を ΐ ™、 周波数が 1 0 メ ガヘルツの場合で眚厚を 1 0 ™ とする） 、 上記した従来技術における管厚の問題点をも解決 することができる。 なお石英管の管厚をあまり薄く するとィ ンピーダンスが低く なりすぎてその電流密度が上昇し発熱を 増すことになり、 更に所定の機械的強度を確保することも必 要であり、 したがって最低でも 1 «の管厚は必要である。

なお本発明は炭酸ガス レーザのみならず、 He— Ne、 CO (一 酸化炭素) 、 エキシマ等の他の全てのガス レーザに適用する ことが可能である。

本発明によれば、 所定の注入電力に対する レーザ光の発生 効率を高め、 所定の出力パヮ一をとり出すに必要なレーザ光 発生装置を小型化し、 しかもその電源装置 （特に高周波イ ン バ―タの部分） を固体化された素子によつて構成することに よって該電源装置自体の小型化をも達成することができる。 さらに、 電力損失の少ない石英詧を放電管 t料として用いる ことが可能となり、 装置の効率の増大、 信頼性の向上など極 めて有効な効果がもたらされる。

Claims

請 求 の 範 囲

1. レーザ管の駆動電源の周波数が 1 メ ガヘルツから 1 0 メ ガヘルツの範囲に選定されているこ とを特徴とする高周波 放電励起レーザ装置。

2. 該躯動電源が固体化された素子により構成されている 請求の範囲第 1項記載の高周波放電励起レーザ装置。

3. 該レーザ管が電極をそなえた石英管により構成され、 その管厚が i™から 1 O wの範囲に選定されている、 請求の 範囲第 1項記載の高周波放電励起レーザ装置。