WO1989001713A1 - Metal vapor laser - Google Patents

Description

明 細 書

金属蒸気レーザ装置

技術分野

この発明は、 金属蒸気レーザ装置、 特にガス放電によ つて金属を加熱、 気化および励起させてレーザ出力を得 る金属蒸気レーザ装置に関する ものである。

技 ' J

第 1図は、 例えば 「レーザー研究」 、 昭和^{5 6}年 3 月号、 第 60頁〜第^{6 6}頁に記載されている 「銅蒸気レーザーの製 作」 に示されている従来の鋦蒸気レーザ装置の構成を示 す図である。 図において、 100 は放電管で、 ガス放電を 生じさせるための対向する一対の電極 1 ， 1、 鋦蒸気を 発生する鋦粒子 3が配置された内管 2、 外筒 4 、 上記一 対の電極 1 ， 1 で生じた放電の熱の逃げを防ぐ断熱層 5、 上記一対の電極 1 ， 1側に設け られている レーザ光を取 り出す窓 6、 上記外筒 4の中間部に設けられている絶縁 ブレイ ク 7から構成されている。 200 はパルス回路で、 放電管 100 の外筒 4 と接続線 a を介して接続される充電 用コ ンデンサ 8 、 この充電用コ ンデンサ 8 と直列に接続 される充電用 リ アク トル 9、 陽極が高圧電源 1 1の一端と 接続され、 陰極が充電用 リ アク トル 9 と接続されるダイ オー ド 1 0、 上記充電用 リ ア ク ト ル 9 と充電用コ ンデンサ 8 との接続部に接続されるサイ ラ ト ロ ン 1 2、 上記充電用 コ ンデンサ 8 と並列に接続される充電用抵抗 1 ⁴から構成 されている。 また、 高圧電源 1 1の他端は接続線 b を介し て外筒 ⁴ と接続されている。 さ らに、 サイ ラ. ト ロ ン I²の グリ ッ ドにはパルス制御回路 1 3が接続されている。

従来の金属蒸気レーザ装置は上記のよ うに構成され、 高圧電源 11から ダイォー ド 1 0および充電用 リ アク トル 9 及び充電用抵抗 I ⁴を通じて充竃用コ ンデンサ ⁸ に高圧電 圧が充電される。 次に、 パルス制御回路 I ³によってサイ ラ ト ロ ン 1 2が駆動されてオンする と、 充電用コンデンサ 8 に充電された高圧電圧は外筒 4 を通じて対向する一対 の電極 1 ， 1 に印加され、 内管 2の中にガス放電を形成 する。 この内管 2 の中に形成された放電の熱エネルギー は断熱層 5 によって保持されるため、 内管 2 の温度は

1 5 0 0 °G程度の高温に上昇し、 鋦粒子 3 を蒸気にすると 共に内管 2 の中に鋦蒸気を充満させる。 対向する一対の 電極 1 ， 1 によって形成されたガス放電によ り放電ブラ ズマの電子を加速し、 さ らに電子は内管 2の中に充満さ れた鋦騍子に衝突すると共に、 鋦原子の原子レベルを第 —共鳴準位である上準位に励起し、 準安定準位である下 準位へ励起される数は少ないため、 反転分布が形成され る 。 上準位にある鋦原子はレーザ発振を伴って下準位に 落ち、 さ らに下準位から基底準位にゆつく り と緩和する。 以上の動作を数 K H zで繰り返す。 レーザ光は窓 6 を通 して取り 出す。 また、 絶縁ブ レ イ ク 7は、 上記高圧電圧 を絶縁する。 ― 下準位から基底準位への緩和は内管 2の口径が小さい 場合は、 内管 2の壁と励起原子との衝突で行われ、 内管 2の口径が大きい場合は、 下準位原子と低速電子との超 弾性衝突にて行われ、 その寿命は数百 " s e c と長い。

上記のよ うな従来の鋦蒸気レーザ装《では、 下準位か ら基底準位に緩和する時間が数百 ^ s e c と非常に長いの で、 緩和が終了するのを待って次のパルスを印加すると パルス繰り返し数が小さ く な り、 またパルス繰り返し数 を高く するとパルス印加時の下準位の数が多く なるため 反転分布が不完全とな り鋦蒸気レーザの効率が低下する という問題点があった。

また、 従来のパルス レーザ装置は以上のよ う に搆成さ れているので、 繰り返し周波数を数 K H z まで上げるた めに リ アク ト ル 2 を小さ く した り、 放電負荷が変動した りすると、 サイ ラ ト ロ ン 7が回復する前に充電用 コ ン デ ンサ 3の電圧がサイ ラ ト ロ ン 7の保持電圧を越えてしま つてサイ ラ ト ロ ン 7が非導通とな り得ず、 高圧直流電源 1 からサイラ ト ロ ン 7 に短絡電流が流れて、 高圧直流電 源 1 を遮断させ、 パルス レーザの信頼性を著し く低下さ せるという問題点があった。

従って、 この発明の目的は、 かかる問題点を解決する ためになされた も ので 、 信頼性を著しく 向上させる と共 に、 各パルス の間で、 下準位から基底準位への緩和を促 進さ せ、 次のパルスでの反転分布をよ り完全な ものとす ることで、 パルス ^り返し数が高い場合でも効率が高い 金属蒸気レーザ装 Λを得る ことを目的とする。

発明の開示

この発明に係る金属蒸気レーザ装置は、 レーザ発振を させる第 1のパル ス電圧を発生する第 1 のパルス回路と、 この第 1 のパルス回路とは別に設けられ、 前記第 1 のパ ルス電圧を所定時間遅延させた第 2 のパルス電圧を発生 する第 2 のパルス回路とを備えた ものである。

この発明においては、 第 1 のパルス回路から供給され る パルス と ノヽ⁰ルス と の間に第- ² の パルス回路か ら発生さ れるパルス電圧を印加し、 下準位原子と低速電子との超 弾性衝突を強性的に生じさせ、 その結果、 下準位原子の 緩和が促進され、 サイ ラ ト ロ ンパルス回路力 > ら ノ ルスカ 印加される場合に反転分布がよ り完全なも のとなり 、 高 い繰り返しにおいても レーザ効率の低下を招かない。

図面の簡単な説明

第 1 図は従来の金属蒸気レーザ装置の構成図、 第 2図 は この発明の一実施例による金属蒸気レーザ装置の構成 図、 第 3 図は第 2 図の第 2のパルス発生回路 1 6の回路図、 第 4図は第 2図の放電管 100 に印加される電圧を示すタ ィ ムチ ャ ー ト 、 各部の波形を示すタ イ ム チ ャ ー ト 、 第 5 図は第 2図の第 1 のパルス発生回路 200 の回路図、 第 6 図は第 5図の各部の波形を示すタイ ム チヤー トである。 発明を実施するための最良の形態 この発明をよ り詳細に理解させるため、 以下、 添付図 面に従って説明する。

第 2 図は こ の発明の一実施例による銅蒸気レーザ装置 の構成を示すブ ロ ッ ク図である。 図において、 放電管 100 パル ス制御回路 13は、 従来のものと同様である。 200は 第 1 のパルス回路で、 ^ 1 図のパルス回路 200 に相当す る。 15は遅延回路で、 その入力側がパルス制御回路 I³に 接続されパルス制御回路 I³からの信号を受けて、 これを 所定時間だけ遅延させる 。 1⁶は第 ²のパルス回路で、 第 1 のパルス回路 200 と並列接続される と共に、 上記遅延 回.珞 I⁵の出力側に接続されている。 上記第 2 のパルス回 路 16は、 その出力側が放電管 100 と接続され、 遅延回路 15からの信号を受けて放電管 100に電圧を印加する。

第 3 図は第 2 図の第 2 のパルス回路 ISの詳細回路を示 す図である。 図において、 接続線 a はフ ィ ル タ リ アク ト ル 24を介して巻線比 n ： 1 のパルス ト ラ ンス 22の一次側 の一端と接続される と共に接続線 bは上記のパルス トラ ンス 22の一次側の他端と接続されている。 フ ィ ル タ コ ン デンサ 23は フ ィ ル タ リ ア ク ト ル 24と並列に接続され、 こ の フ イ ソレ タ コ ン デンサ 23と フ ィ ル タ リ ァ ク ト フレ 24とで保 護回路 26を構成している。 上記パルス ト ラ ンス の.一次側 の一端は、 逆極性のダイ ォー ド 20およびパルス充電リ ァ ク ト ル 19を介して直流電源 18の正極側と接続される共に ノ ルス用コ ンデンサ 17を介して自己消弧型スィ ツチ 25の 一端と接読され、 上記パルス ト ラ ンス²²の二次側の他端 は、 パル ス用リ アク ト ル 21を介して上記自己消弧型ス ィ ツチ 25の他端と接^されている。 ま 、 直流電源 ISの負 極側は自己消弧型ス ィ ツチ²⁵の一端と接続されている。 さ ら に、 接続線 Cは上記自己消弧型ス ィ ツチ²⁵と接続さ れている。

第 4 図はこの発明の一実施例による放電管 100に印加 される竃圧を表すタ イ ムチヤ一 トを示す図である。

次に動作を説明する。 上記のよ うに構成された鋦蒸気 レ一ザ装置において、 パルス制御回路 13から出力された 出力信号を受けて、 遅延回路 1⁵が所定の時間だけこれを 遅延し 後、 第 2 のパルス回路 16に信号を与える。 遅延 回路 I⁵から信号を受けた第 2 のパルス回路 ISは、 自己消 弧型ス ィ ッチ 25を導通し、 放電管 100 にパルスを印加し、 そして第 ³ 図に示す直流電源 18からパルス充電リ アク 卜 ル 19、 ダイ ォー ド 20を通してパルス用コ ンデンサ 17に直 流電圧を充電する。 即ち、 これを更に詳し く説明する と、 遅延回路 15の信号を受けて自己消弧型スィ ッチ 25が導通 する と 、 パルス用コ ンデンサ 17に蓄えられてた電圧は、 パルス ト ラ ンス 22、 ノヽ。 ノレス用 リ ア ク ト ゾレ 21に印カロされる。 パルス ト ランス 22の二次側には、 一次側に対し n倍の電 圧が発生し、 フ ィ ルタ コ ンデンサ 23、 フ ィ ゾレタ リ ァ ク ト ル 24を通して放電管 100にパル ス電圧が印加される。 第 4図に、 接続線 a - b閭に印加される電圧 Vabを時間に 対して示す。 時刻 t oにおいて、 ^ 1 のパルス回絡 200 か らパルス電圧が放電管 100 に印加されレーザ発振を Ϊ尋る。 時刻 t₀から所定時間 て だけ遅延され、 第 ² のパ ル ス回路 16からパルス竃圧が印加される。 それを一定の繰り返し で行う 。 フ ィ ルタ リ ア ク トル 24、 フ ィ ルタ コ ンデンサ 23 は第 1 のパルス回路 200 らの電圧に対しては阻止する よ うに働き、 第- ²のパルス回路 16からの電圧に対しては 伝達する よ う な 口一パス フ ィ ルタ と なつ Tい る。 第 ² の ノヽ⁰ルス発生回路 16力 らの電圧パルス幅 Τχ は、 ノヽ⁰ルス用 リ ア ク トル 21のイ ン ダク タ ンス L X と ノヽ⁰ルス用 コ ンデン サ 17の容量 C_x で決ま り 、

- T = π Lx · し x

となる。 電圧パルス幅 Tx の大き さは、 第 1 のパルス発 生回路 200 から出力される電圧パル スの幅よ り大き く な つている。

銅蒸気レーザ装置において、 下準位原子の基底準位へ の緩和は、 内管 2 の口径が大きい場合は下準位と低速竃 子との超弾性衝突によって行われる。 つま り 、

^Cu + e (_Si_0w)→Cu + e_{(fas t})

こ こで、 Cu は下準位原子

Cu は基底準位原子

e(_si_ow)は低速電子

e(fast) / ¾速 ¾

となる。 第 2 のパルス回路 ISから印加される電圧は、 銅 子を 上準位に励起しない低い電圧であるが、 竃子の加速は行 われる め電子と銅原子との衝突は激しく なる。 その結 果、 下準位原子と電子との超弾性衝突が活発になり 、 よ つて下準位の緩和が促進される。

なお、 上記実施例ではパルス用コ ンデンサ 17に蓄えら れた電圧を放電管 100 に印加したが直流電源 ISを直接チ ョッピングしても よい。

また、 上記実施例では自己消弧型スィ ツチ 25を用いた が非自己消弧型スィ ッチでなく て も スィ ッチのオフ状態 が得られれば溝わない。

次に、 第 5図は、 第 2図のこの発明の実^例における 第 1 のパルス回路 200 の一実施例を示すも のである。

図に於て、 27はィ ンバータ、 28はィ ンバータ 27よ り の 出力電圧を昇圧する昇圧用 卜 ラ ンス、 29はこの昇圧用 ト ランス 28の二次側の一端に接続された第 1 の リ アタ ト ル、 30は第 1 のリ アク トル 29を介して昇圧用 ト ラ ンス 28の 2 次側の一端に接^された第 1 のコ ンデンサで、 この第 1 の コ ンデンサ 30、 第 1 の リ ア ク ト ル 29、 昇圧用 ト ラ ンス ²⁸およびィ ンバータ 27によ り高圧電源 11が構成される。

31はこの高圧電源 11に並列接続された第 1 のダイオー ド、 32は高圧電源 I Iの一端に接続された第 2 の リ アク トルで、 上記第 1 の リ ァク トル²⁹の ィ ンダク タ ンス値は第 2 の リ ァク ト ゾレ 32のイ ンダク タ ン ス値の 1 / 2 とする。 33はこ の第 2 の リ アク トル 32を介して高圧電源 11に直列に接続 された第 2 のダイ オー ドで、 この第 2 のダイ オー ド 33の 陰極には第 2の充電用コ ンデンサ³⁴を介してレーザ用放 電管 100 の一端が接続されている。 そして、 上記第 ² の コ ンデンサ 34の容量は 1 のコ ンデンサ 30の容量の I/² とする。 35は高圧電源 11に並列に接続された非自己消去 型ス ィ ッチと してのサイ ラ ト ロ ン、 36は レーザ用放電管 100 に並列接続された抵抗で、 レーザ用放電管 100 の他 端は高圧電源 11の他端に接続されている。

次に動作について説明する。 第 ⁶ 図は第 ⁵ 図の各部の 波形のタ イ ムチャー トである。 時刻 t₀にィ ンバ一タ ²⁷が オンし、 第 6 図（a)のよ う な出力を発生する と、 第 1 の リ ァク トル 29と第 1 のコ ンデンサ 30とに第 1 のダイォー ド 31を通して電圧が印加され、 ^ 6 図（b)のよ うな正弦波の 電流 が流れる。 時刻 には第 1 の コ ンデンサ 30の電圧 は昇圧^ ト ラ ンス 28の 2次側電圧 V_Kの ²倍まで充電され る。 時刻 t!後にイ ンバータ 27の極性が反転する と、 第 1 のダイ オー ド 31はオフ し、 第 1 の リ アク ト ル 29、 第 2 の リ アク トル 32、 第 2 のダイ オー ド 33、 第 2 の充電用 コ ン デンサ 34および レーザ用放電管 100 と抵抗³.⁶との並列： 1 路に昇圧用 ト ラ ンス ²⁸の 2次側電圧 V ( この場合は ¼ = VK )および第 1 のコ ンデンサ 30に蓄えられた 2V_K電圧力 印加される。 第 1 のコ ンデンサ 30に蓄えられた電荷は第 1 および第 2 の リ アク トル 29 ， 32 と、 第 1 およ び第 2 の コンデンサ 3 0 ， S 4とによって決まる共振波形に従って抵 抗 36を通して第 6 図（c)のよ うに第 ²の充電用コ ンデンサ 34に充電される。 こ こで第 1 の コ ンデンサ 30の容量を d， 第 2 の充電用コ ンデンサ ^{3 4}の容量を C₂、 第 1 の リ ア ク ト ル 29、 第 2 の リ ア ク トル 3 2のイ ンダク タ ンス値をそれぞ れ ， とすれば、 t ₃時の V₀は d C₂

C! + C₂

3 'VK< 一 V で表される c よって、

Vo = 4 V_K

とな り 、 V₀は V_K の 4倍まで昇圧されることになる。 ま た L_rを L₂の 2倍に設定していれば、 共振周期の半分の時 閭丁₂は時間 Ί と等しく なり 、 イ ンバータ 27の正 . 負印加 時閭は等しく なり昇圧トランス 28が偏 する ことはない _c 時刻 t₃にて V₀が ⁴V_Kまで昇圧されると、 サイ ラ トロ ン 35がオンし、 第 2の充電用コ ンデンサ 34に蓄えられた電 荷はレーザ用放電管 100 に供給されることになる。 サイ ラ ト ロ ン 35がオンして T₃経過後再びィ ンバータ 27が動作 し、 以下同様の動作を繰り返す。 ここで時間 Τ₃は実際の 繰り返し周期を決定するパラ メータとなる。 また、 Τ₃の 期間と Ί の期間ではサイ ラ ト ロ ン^{3 5}は零バイァス状態で あり 、 Ί と Τ₃によ り サイラ ト 口 ン 35の回復時間は確保で きる。 例えば Τ₃を零として本方式の最大繰り返し周波数 を得た場合でも 、 一般的にサイ ラ ト ロ ン³⁵の回復時間は 大型のも のでも 10〜20 ^sec であ る 力ゝ ら 、 Tiを 10〜20 sec 以上に設定しておけば、 回復時間は確保でき、 こ のと き繰り返し周波数は数 lOKHzまで上げる こ とができ る

また、 昇圧用 トランス ²⁸の出力電圧 v_Kに対して第 ² の コ ンデンサ 34の充電電圧を リ ァ ク ト ル と コ ンデンサ との 共振を利用して 4倍まで上げる ことができ るため、 V_K が従来の高圧直流電源の出力の半分で済み、 昇圧用 トラ ンス 28の絶縁が容易とな り 、 昇圧 ト ラ ンス 28が小型にな ると共に高圧電源 11全体も小さ く なる。 すなわち、 充電 用コ ンデンサ電圧は通常 2倍の電源電圧 Voとなる 10〜²0 KV 程度であるから電源電圧 V₀も 5〜10KV程度必要であ り、 絶縁設計等の問題から、 従来の高圧直流電源が大型 になると と もに装置全体が大き く なるという問題点があ つたが充電電圧を 4 倍まで上げる こ とができたため、 絶 緣対策から大型化していた高圧電源を小型化でき、 よつ て装置も小型化でき る。 またィ ンバータ 10は基本的に電 流共振型で動作するため、 ィ ンバータ 10のス ィ ツチ ン グ スが少なく な り 、 イ ンバータ 10も小さ く で き る。

以上のよ うに、 この発明の実施例による 1 のパルス 回路 200 によれば、 高圧電源をイ ン バータで駆動される 昇圧用 ト ラ ンス と第 1 の リ アク ト ルと第 1 の コ ンデンサ と ダイ オー ドとによ り倍電圧整流するよ う に構成したの で、 非自己消去型ス ィ ツチの回 g時閭を確保でき信頼性 が著しく 向上するという効果がある 。

なお上記第 1 のパルス回路 200 の実施例では、 第 1 の リ アク ト ルおよび第 2 リ アク ト ルを昇圧用 ト ラ ンス の 2 次側に設置させたが、 昇圧用 ト ラ ンス の 1 次側に設置さ せて も 、 上記実施例と同様の効果を奏する。

また、 上記実施例では非自己消去型ス ィ ッ チと してサ イ ラ ト ロ ンを用いて説明したが、 サイ リ スタであっても よく 、 上記奐施例と同様の効果を奏する。

この発明は以上説明したとおり 、 第 1 のパルス回路と 別に第 ² のパルス回路を設け、 第 1 のパルス回路からパ ルス電圧が印加された後、 所定時閭遅延して第 2のパル ス回路から再びパルス電圧を印加するよ う にしたので、 下準位の原子が基底準位に緩和する時間が短縮され、 そ の結果第 1 のパルス回路からの次のパルス印加時に反転 分布がよ り完全なものとな り、 高繰り返しにおいても効 率の高い金属蒸気レーザ装置を得る ことができ る効果が ¾ Ό o

Claims

請 求 の 範 囲

(1) 放電管を有する金属蒸気レーザ装置において、 レー ザ発振をさせる第 1 のパルス電圧を発生する第 1 のパル ス回路と、 前記第 1 のパルス電圧を所定時間遅延させた 第 2 のパルス電圧を発生する第 2 のパルス回路とを備え、 前記第 1 のパルス電圧を前記放電管に印加した後、 第 ² のパルス電圧を前記放電管に印加する よ う に し、 前記第 2 のパルス回路の出力電圧は前記第 1 のパルス回路の出 力電圧よ り小さ く なるよ うにしたこ とを特徴とする金属 蒸気レーザ装置。

(2) 上記第 1 のパルス回路は、 イ ンバータによ り駆動さ れる昇圧用 ト ラ ンス と この昇圧用 ト ラ ンスの出力電圧を 倍電圧整流する第 1 のコ ンデンサおよびダイ ォー ドとで 構成される高圧電源と、 レーザ用放電管と、 このレーザ 用放電管に並列接続され、 上記高圧電源の出力電圧が供 給される第 2 の充電用コ ンデンサと 、 この第 ² の充電用 コ ンデンザの電圧を上記レーザ用放電管に供給する非自 己消去型ス ィ ッチ とを備えたことを特徴とする特許請求 の範囲第 1項記載の金属蒸気レーザ装置。

(3) 上記第 ² の充電用コ ンデンサは上記第 1 の コ ンデン ザの 1 Z 2の容量とするこ と を特徴とする特許請求の範 囲第 2項記載の金属蒸気レーザ装置。

(4) 上記非自己消去型スイ ッチをサイ ラ ト ロ ンによ り構 成したこ とを特徴とする特許請求の範囲第 2項記載の金 属蒸気レーザ装置。

(5) 上記非自己消去型ス ィ ッ チをサイ リ スタ によ り構成 したこ とを特徴とする特許請求の範囲第 2項記載の金属 蒸気レーザ装置。