WO1999060676A1

WO1999060676A1 - Dispositif laser a gaz pulse

Info

Publication number: WO1999060676A1
Application number: PCT/JP1999/002584
Authority: WO
Inventors: Hironori Nakamuta
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 1999-11-25
Also published as: JP3808511B2; EP0999619A4; EP0999619A1; CN1272232A

Description

明細書パルスガスレーザ発生装置技術分野この発明は、ガスレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生させるパルスガスレーザ発生装置に関する。背景技術例えば窒素（N ₂ ) レーザやエキシマレーザなど、紫外域のパルスガスレーザ発生装置は、蛍光分析や、ガスの吸光等を用いたリモートセンシング装置、或いは光化学反応プロセス応用、さらには他のレーザ装置に利用されている。そして、このパルスガスレーザ発生装置としては、レーザ発振の光軸に沿った長い電極を用い、紫外光予備電離による横方向放電励起方式の装置が実用になっている。しかし、横方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置では、放電領域が均一に励起され難く、 1パルス毎のレーザ出力のゆらぎが発生し易い。また、この横方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置では、出力レーザビームの横断面形状が長方形等の非円形であるため、通常、円形である光ファイバにより伝送する場合に、レーザ装置としての伝送効率が低くなる。

このような不都合を解消する方式として、例えば特開平 1— 1 0 3 8 8 9号、特開平 4 一 2 5 1 8 7号、特開平 8— 3 1 6 5 5 0号、或いは特開平 9 - 8 3 0 4 2号公報等で知られるようなレーザ光軸方向すなわち縦方向の放電励起を利用する方式がある。縦方向放電励起方式自体は、例えば H e — N eレーザ管、アルゴンレーザ管、 C 0 ₂レーザ管などでも知られている。しかし、これらは、通常、印加電圧に高電圧パルスを重畳して放電を開始させている。

縦方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置は、図 1 9にその概略構成を示すように、ガスレーザ管 1 1 と、それに動作開始トリガ電圧及び動作電圧を供給するように電気的に接続された電源装置 1 2とを備えている。この電源装置 1 2は、高電圧発生器と高電圧トリガ電源を有し、ストレージコンデンサ 1 3を介してレ一ザ管 1 1に接続されている。

レーザ管 1 1は、真空容器である円筒状絶縁管 1 1 aの内部に、レーザ媒質 1 4として例えば窒素ガスが所定の圧力で封入されている。さらに絶縁管 1 1 aの両端部は出力ミラー 1 7及び高反射ミラ一 1 8で真空気密に閉じられ、且つこの近傍内部に一対の放電用電極となる円筒状の陰極 1 5及び陽極 1 6が設けられている。

このような窒素ガスレーザ装置は、高いトリガ電圧が電源装置 1 2内のトリガ回路から陽極と陰極間に供給され、このトリガ電圧の印加により陽極 1 6と陰極 1 5 との間の媒体ガスを通しての電気的絶縁破壊が起こり、ストレージコンデンサ 1 3に蓄えられていた電荷が陽極と陰極間を流れてレーザ媒質が活性化される。それにより、高反射ミラー 1 8と出力ミラ一 1 7との間で光共振が起こり、出力ミラー 1 7からレーザ光が出力されるようになっている。

上記のような縦方向放電励起方式のパルスガスレーザ発生装置は、断面円形の出力レーザ光が得られる利点がある。しかし、高繰返しのレーザ発振を安定的に行なわせるためには、相当に高いトリガ電圧および主放電電圧を陰極および陽極間に供給しなければならない。それによると、陰極或いは陽極に輝点と称される放電電流が局部集中する現象が発生し、陰極或いは陽極の材料がスパッ夕リングを起す場合がある。このスパッタリングは、ミラ一を汚染してレーザ発振効率を低下させたり、或いは主放電路を構成する絶縁管内面に付着して耐電圧性能を損なう等の不都合がある。

また、不十分な予備電離は、レーザビームを横断面でみて中央部分が十分に励起されないでドーナヅ状の強度分布やパルス毎の出力の不安定、不揃いを引き起こすなど、さらに改良の余地が残されている。

この発明は、主放電用電極に輝点を生じることなく高繰り返しのパルス発振が可能であるとともに横断面が円形で均一な強度分布の出力レーザビームが得られるパルスガスレーザ発生装置を提供することを目的とする。

この発明のパルスガスレーザ発生装置は、上記した目的を実現するために、第 1の主電極、主放電路を形成するための絶縁体製筒状放電管、および第 2の主電極の順に縦列配置され且つ内部に媒体ガスが収容され、これら第 1主電極および第 2主電極の外方に光共振器を構成する一対のミラーが配置され、さらに第 1主電極および第 2主電極の間に主放電用電圧を印加する電源装置を備えるパルスガスレーザ発生装置において、第 1主電極または第 2主電極の少なくとも一方の主電極の近傍に、筒状誘電体と該筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを有し、且つ動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように補助電極に電圧を印加する補助電極電圧印加手段を有している。図面の簡単な説明図 1は、この発明の一実施例を示す要部縦断面および結線図である。

図 2は、図 1の実施例の動作を説明する概略図および印加する電圧の大きさを説明するためのグラフ図ある。

図 3は、同じく図 1の実施例の動作を説明するグラフ図である。

図 4は、この発明の好適な実施範囲を説明するグラフ図である。

図 5は、この発明の他の実施例を示す要部縦断面図である。

図 6は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。

図 7は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。

図 8は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縱断面図である。

図 9は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図および結線図である。図 1 0は、図 9の実施例の動作を説明する概略の構造図である。

図 1 1は、この発明のさらに他の実施例を示す概略の構造図である。

図 1 2は、図 1 1の動作を説明する波形図である。

図 1 3は、この発明のさらに他の実施例を示す概略の構造図である。

図 1 4は、図 1 3の動作を説明する波形図である。

図 1 5は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。

図 1 6は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面図である。

図 1 7は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面および結線図である。図 1 8は、この発明のさらに他の実施例を示す要部縦断面および結線図である図 1 9は、従来例を説明するための概賂構成図である。発明の詳細な説明以下図面を参照してその実施例を説明する。なお、同一部分は同一符号で表わす。図 1に示す実施例は、パルスガスレーザ管の真空容器を構成する円筒状絶縁セラミックスからなる放電管 2 1の内部に、レーザ用の媒体ガスとして窒素ガスが所定の圧力で封入されている。この放電管 2 1の図示左側には出力ミラ一膜を内面に有するガラス板製の出力ミラ一 2 2が真空気密に接合され、図示右側には高反射ミラー膜を内面に有するガラス板製の高反射ミラ一 2 3がそれぞれ真空気密に接合されて、光共振器を構成している。

そして、主放電路を構成する放電管 2 1は、金属リングからなる中間電極 2 6 を間に挟んで同一内直径の絶縁セラミックス製の第 1円筒部 2 1 a、及び第 2円筒部 2 1 bがレーザ光軸方向に縦列配列され気密接合されている。両円筒部 2 1 a、 2 1 bの中間電極 2 6に接合された部分の内側には、金属円筒からなる中間電極円筒部 2 6 aが配置されている。また、中間電極 2 6には金属排気管 2 6 b が接続されている。

放電管の第 1円筒部 2 1 aの図示左方端部には、放電路に内面が露出した陰極 2 5が気密接合され、外周には陰極 2 5から延長された第 1の外導体 3 1が密に嵌合配置されている。この第 1外導体 3 1の他端部 3 1 bは、中間電極円筒部 2 6 aの端部の近くに対応する位置まで延長されている。

さらに、陰極 2 5の図示左方には、高誘電率のセラミヅタスからなる誘電体円筒 4 0が気密接合され、さらにその左端に金属リングからなる補助電極 4 1が気密接合され、この補助電極 4 1に出力ミラー 2 2が気密接合されている。これら陰極 2 5、補助電極 4 1およびこれらに挟まれた誘電体円筒 4 0は、後述するように、動作中に誘電体円筒 4 0の内面およびその内側領域にプラズマ陰極 2 5 a が生成される。こうして、内部で対向し合うプラズマ陰極 2 5 aと中間電極円筒部 2 6 aとの間に、第 1の放電路 2 0 aが構成される。また、放電管の第 2円筒部 2 1 bの図示右端には、金属リングからなる陽極 2 4が気密接合され、この陽極 2 4の先端に高反射ミラ一 2 3が気密接合されている。こうして、内部で対向し合う中間電極円筒部 2 6 aと陽極 2 4との間に第 2 の放電路 2 0 bが構成される。なお、これら第 1放電路 2 0 aと第 2放電路 2 0 bとの軸方向の長さの比率は、後に説明するように、所定の比率となるように設定されている。そして、放電管 2 1の内部は、排気管 2 6 bで排気されたうえで窒素ガスが所定の圧力となるように放電管内部に封入され、しかる後、排気管 2 6 bは封止切りされている。

さらに、放電管の第 2円筒部 2 1 bの外周には、同じく金属円筒からなる第 2 の外導体 3 2が密に嵌合配置されている。この第 2外導体 3 2の一端部 3 2 aは陽極 2 4に固定されていて電気的に短絡接続され、他端部 3 2 bは中間電極円筒部 2 6 aの端部の近くに対応する位置まで延長配置されている。

そして、放電管の第 2円筒部 2 1 b及び第 2外導体 3 2のまわりには、円筒状の同軸型のストレ一ジコンデンサ 3 0が同軸的に配置されている。この同軸型ストレ一ジコンデンサ 3 0は、高誘電率のセラミックスからなる円筒状誘電体 3 0 aの内周面及び外周面にそれぞれ内周電極 3 0 b、外周電極 3 0 cが接着されている。一方の内周電極 3 O bは、導電性及び機械的強度の高い導電体リング 3 4 により第 2外導体 3 2の図示左側の先端部 3 2 bに直接結合して電気的に短絡接続されている。他方の外周電極 3 0 cは、接地電極として第 1電源装置 2 7の負極とともに接地されている。さらに、同軸型コンデンサ 3 0の内周電極 3 0 bは、第 1電源装置 2 7の正極端子に電気的に接続されている。

こうして、主放電用の電荷を蓄積する同軸型ストレージコンデンサ 3 0の正極側は、導電体リング 3 4によってガスレーザ管の中間電極部に近接配置されている第 2外導体先端部 3 2 bの全外周に直結されて電気的に短絡接続されている。なお、導電体リング 3 4は同軸型コンデンサ 3 0をレーザ管に機械的に保持させる機能も兼ねており、また、同軸型コンデンサ 3 0は図示しない絶縁体樹脂で覆われている。

また、中間電極 2 6、および陰極側の補助電極 4 1には、第 2電源装置 2 8からトリガ電流制限用高抵抗素子 2 9 a , 2 9 bをそれそれ介してパルス状のトリガ電圧が供給されるように電気的に接続されている。この第 2電源装置 2 8は、パルスレーザ発振の繰返し周波数に対応する制御トリガパルス電圧を発生するものであり、内部電源やパルストランス等で構成されている。そしてこの第 2電源装置 2 8からトリガパルス電圧を中間電極 2 6に供給するように接続されている ₍ 次に、図 1に示すレーザ発生装置の駆動制御方法および動作例について、図 2 および図 3により説明する。図 2の（ a ) に示す距離 L aは、ガスレーザ管の陰極 2 5 と中間電極 2 6 との間の第 1放電路 2 0 aの軸方向の長さ、距離 bは中間電極 2 6 と陽極 2 4 との間の第 2放電路 2 0 bの軸方向の長さをあらわしており、この実施例での両者の比率（L b ： L a ) は、概ね（ 2 ： 1 ) に設定されている。なお、各放電管円筒部内に形成される各放電路の軸方向長さは、その放電路の直径即ち各放電管円筒部の内径寸法よりも十分大きい寸法になっている。それに対して、動作中に内面およびその内側領域にプラズマ陰極 2 5 aが生成される誘電体円筒 4 0の軸方向の長さは、第 1放電路 2 0 aの軸方向の長さ（L a ) の 2分の 1以下、より好ましくは 3分の 1以下に設定されている。

そこでまず、ガスレ一ザ管の主放電電極対であるところの陰極 2 5と陽極 2 4 との間には、第 1電源装置 2 7から、自己放電開始電圧以下の直流電圧すなわち陽極 2 4に正電圧（+ V o ) が印加される。図 1に示した構造から明らかなように、陽極 2 4は、第 2外導体 3 2、導電体リング 3 4および同軸型コンデンサ 3 0の内周電極 3 0 bを介して第 1電源装置 2 7の正極に接続されている。それに対して、陰極 2 5は、第 1外導体 3 1を介して接地されている。

これによつて、陰極と陽極との間の放電管 2 1内の電位勾配 E oは、概ね（E 0 = V o / ( L a + L b ) ) であり、同図の（b ) に直線 E oで示してある。この電位勾配 E oは、放電路中で自己放電を生じない値、即ち、放電路中のどこにもコロナ放電、予備電離領域が存在しない限りこの電位勾配では主放電を起こさない電位勾配である。

一方、中間電極 2 6には、第 2電源装置 2 8から抵抗 2 9 aを介して負のパルス状トリガ電圧（一 V t ) が印加される。また、補助電極 4 1には第 2電源装置 2 8から同様に抵抗 2 9 bを介して負のパルス状トリガ電圧（一 V t ) が印加される。これによつて、接地電位である陰極 2 5 と補助電極 4 1 との間に印加されるトリガ電圧（― V t ) により、誘電体円筒 4 0の内面およびその内側領域にプラズマ陰極 2 5 aが生成される。

各電極にこのような電圧が印加された時の各電極間の電位勾配は、同図の ( b ) に示すような関係になる。すなわち、陰極 2 5 と中間電極 2 6との間の第 1放電路即ち第 1円筒部 2 1 a内の電位勾配 E aの絶対値は、概ね（E a =— V t / L a ) であり、同図（b ) に直線 E aで示してある。また、中間電極 2 6と陽極 2 4との間の第 2放電路即ち第 2円筒部 2 1 b内の電位勾配 E bの絶対値は、概ね（E b二 ( I V o I + I V t I ) / L b ) であり、同図（b ) に直線 E bで示してある。同時にまた、プラズマ陰極 2 5 aを構成する陰極 2 5と補助電極 4 1 との間の電位勾配 E pの絶対値は、誘電体円筒 4 0の軸方向の長さが第 1放電路 2 0 aの軸方向の長さ（L a ) の 2分の 1以下、より好ましくは 3分の 1以下に設定されているので、第 1円筒部 2 1 a内の電位勾配 E aの 2倍以上の絶対値となる。

このような各電極間の電位勾配により、陰極 2 5と補助電極 4 1 との間の誘電体円筒 4 0の内側には、いち早くプラズマ陰極 2 5 aが生成されるとともに、中間電極 2 6へのトリガ電圧印加による電位勾配 E a， E bの絶対値は、第 1および第 2放電路中の中間電極 2 6の近傍領域 A、 Bのいずれにもコロナ放電、予備電離を生じて絶縁破壊を起こす電位勾配である。この実施例においては、各放電路長の比率（ L b ： L a ) が（ 2 ： 1 ) に設定されているので、各印加電圧の絶対値を等しく、即ち（ I V o I = I V t I ) にして印加すると、各放電路の電位勾配 E a， E bの絶対値は互いに等しくなり、この電位勾配 E a， £ヒで第 1ぉよび第 2放電路中に同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こる。このような関係に各印加電圧（ + V o， - V t ) を設定しておく。この主放電は、プラズマ陰極 2 5 aが主放電の電子供給源となってパルス状主放電が起る。なお、この主放電電流は、陰極 2 5と陽極 2 4との間に流れる。

こうして、補助電極 4 1および中間電極 2 6へのトリガ電圧の同時的な印加により、プラズマ陰極 2 5 aが生成されるとともに、中間電極 2 6 とこれに近接する陰極側外導体端部 3 1 b、陽極側外導体端部 3 2 b付近の放電路領域 A , Bにコロナ放電及び予備電離が生じ、各放電路で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こる。この絶縁破壊即ち陰極及び陽極間の絶縁抵抗の急激な低下が起こると、同軸型ストレージコンデンサ 3 0に貯えられていた電荷は、まず導電体リング 3 4を経て放電管を取巻く第 2外導体 3 2の端部 3 2 bに供給され、この外導体 3 2を経て陽極 2 4に伝わり、放電路に供給される。これにより両放電路を通して主放電が起こり、レーザ媒体が活性化され、パルスレ一ザ発振が生じる。

この実施例の動作態様を図 3によりさらに補足的に説明する。同図の（ a ) に示すように、陰極と陽極との間にはストレージコンデンサに蓄えられた電圧（+ V o ) が供給されている。そして、中間電極に、ある時刻 t 1から負の方向に増大するパルス状トリガ電圧（一 V t ) が加わり、時刻 t 2で放電路の絶縁破壊が起こる。

この絶縁破壊の時刻 t 2で、同図の（b ) に示すように、陽極と陰極との間に瞬時に大きい主放電電流 I dが流れる。この主放電電流 I dによって、同図の ( c ) に示すように、パルスレーザ発振が生じ、例えば 5ナノ秒（n— s e c ) 程度の狭いパルス幅のレーザ出力が得られる。なお、コンデンサの両端電圧即ち陽極と陰極との間の電圧は、主放電により瞬時に低下し、この主放電の終了の後に再び同軸型ストレ一ジコンデンサへのチヤ一ジにより上昇する。この動作は、パルスレーザ発振の繰返し周波数に対応するパルス状トリガ電圧の印加により、繰返される。

こうして、任意の繰返し周波数のパルスレーザ出力が得られる。そして、放電路の全域で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が起こり主放電が起こるので、高い発振効率が得られる。また、出力レーザビームは、横断面円形で且つ均一な強度分布となる。

なお、上述のように放電管のまわりに同軸コンデンサを配置することにより、電荷転送が全周で均一に行われ、且つ伝導路のィンピーダンスが小さくなるので、より高繰り返しのパルスレ一ザ発振が可能となる。

また、中間電極およびプラズマ陰極用の補助電極へのトリガ電圧供給回路のィンピーダンスを極めて高くしてあるので、中間電極および補助電極には主放電電流はもちろん流れず、トリガ電圧の印加による電流もきわめて微弱な電流であるので、中間電極および補助電極の材料がスパッ夕リング等を起こすおそれもない。なおまた、中間電極に印加するトリガ電圧（Vt ) は、上述の実施例のように. ストレージコンデンサから陰極又は陽極に供給する電圧の極性と逆極性にすれば、高電圧が印加される各部品の耐電圧性能をむやみに高くする必要がなく、実用上望ましい。しかし、各部品の耐電圧性能が必要十分であれば、中間電極に印加するトリガ電圧（V t ) とストレージコンデンサから陰極又は陽極に供給する電圧との極性を同じにして各放電路の電位勾配が同等又はほぼ同等となるように各電圧を設定してもよい。

ところで、上述の実施例は、中間電極を挟んで両側に設けられる各放電路の長さ（L b : L a) を約（ 2 : 1 ) に設定し、陰極と陽極との間に電圧（Vo) に対してパルス状トリガ電圧の尖頭値（V t ) を負の同等電圧とした例である。しかし各放電路長や印加電圧はそれに限らず、上述と類する動作が得られる範囲で任意に設定できる。

図 4にその目安となるグラフを示す。同図の横軸は各放電路長の比率（L b ： L a) をあらわし、縦軸は各印加電圧及び各放電路の電位勾配の比をあらわしている。なお、これら各印加電圧比、電位勾配比は、いずれも絶対値で計算した値をあらわしている。同図のグラフ中の曲線 Rは、各放電路の電位勾配（E a， E b ) が等しくなるトリガ電圧（一 Vt ) と陰極—陽極間電圧（Vo) との比（R = I V t I / I V o I ) の計算結果をあらわしている。また、曲線 Sは、その時の各放電路の電位勾配（E a， E b) と陰極—陽極間電圧（V o) による電位勾配（E o) との比（S = ( E a , 又は E b) /E o ) の計算結果をあらわしている。

したがって、このグラフから、各放電路長の比率（L b/L a) を、例えば 1. 5に設定した場合、各放電路の電位勾配が等しくなる各印加電圧の比 Rは、（R = | V t | / | V o | = 2 ) であり、その時の電位勾配比 Sは（ S二（E a, 又は E b) /E o = 5 ) であることを示している。また、各放電路長比を例えば 3 に設定した場合は、各放電路の電位勾配が等しくなる各印加電圧の比 Rは 0. 5 であり、その時の電位勾配比 Sは 2であることを示している。

このような関係から、各放電路長及び各印加電圧を適宜設定することができるが、実用に適する各放電路長の比率（L b/L a) は、概ね、 1. 5〜4. 0の範囲である。また、各印加電圧の比率は、各放電路での電位勾配が等しい条件においては、電位勾配比（S二 ( E a , 又は E b ) / E o ) が概ね 1 . 7〜 5 . 0 の範囲が適当である。但し、各放電路の電位勾配（E a , E b ) は必ずしも等しくなくてもほぼ同時に絶縁破壊が起こるので、両電位勾配の比率（E a / E b ) は、 1 . 0 ± 0 . 5、より好ましくは、 1 . 0 ± 0 . 3に定めるとよい。

図 5に示す実施例は、中間電極 2 6の近くまで延長配置した第 1外導体 3 1 、第 2外導体 3 2の各端部から、電界集中用の細い導電体リング 3 1 c , 3 2 cを複数本の導電体接続ワイヤ 3 1 d ， 3 2 dで突出させて配置したものである。これら細い導電体リング 3 1 c ， 3 2 cは、図示のように中間電極円筒部 2 6 aの両端部外周位置に重なるように配置してもよいし、又は重ならない近接位置に配置してもよい。また、いずれか一方の外導体にのみ設けてもよい。

この実施例によれば、各細い導電体リング 3 1 c , 3 2 cに電界が集中するので、トリガ電圧印加時のコロナ放電、それに伴なう予備電離がより効率よく生じ、良好なパルスレーザ発振動作が得られる。

図 6に示す実施例は、中間電極円筒部 2 6 aと各外導体各端部 3 1 b , 3 2 b とが、長さ方向に所定距離 m , nだけ重なるように配置したものである。この実施例によっても、相互に重なった領域付近の放電路中にコロナ放電、それに伴なう予備電離がより効率よく生じ、良好なパルスレーザ発振動作が得られる。

図 7に示す実施例は、第 1外導体端部 3 1 b、及び第 2外導体端部 3 2 bの内側の放電管内に、それそれ細い導電体リング 2 6 c , 2 6 dを配置し、これらを例えば 3本の接続ワイヤ 2 6 e , 2 6 f で電気的に中間電極の円筒部 2 6 aに接続し、機械的に支持したものである。

この実施例によれば、中間電極 2 6に接続された細い導電体リング 2 6 a , 2 6 bの付近にトリガ電圧印加による高い電界が発生するので、コロナ放電、それに伴なう予備電離が一層起こり易くなる。

図 8に示す実施例は、中間電極の円筒部 2 6 aと第 1外導体端部 3 1 b及び第 2外導体端部 3 2 bとの間の領域の放電管の内外両側に、細い外部導電体リング 3 1 c , 3 2 cと、細い内部導電体リング 2 6 c , 2 6 dとを相対向させて配置したものである。この実施例によれば、相対向する内外導電体リング付近に一層高いトリガ用電界が発生するので、コロナ放電、それに伴なう予備電離がさらに一層起こり易くなる。

本発明者は、このような縦方向励起のパルスレーザ発生装置において、出力レーザビームの横断面形状とその強度分布に関して、図 9および図 1 0に示すような関係を見出した。即ち、図 9はプラズマ陰極又はプラズマ陽極を生成する補助電極を省略した実施例であり、第 1電源装置 2 7から陰極 2 5と陽極 2 4との間に同軸型ストレ一ジコンデンサ 3 0を介して主放電用電圧を印加し、中間電極 2 6にトリガパルス電圧を印加して高繰返しバルスレーザ発振動作を行わせるようにした装置である。

そこで、図 1 0の（ a ) に示すように、同軸型ストレ一ジコンデンサ 3 0を接続する電極すなわち陽極側の放電管の外周に筒状の外導体を配置し、主放電路中の予備電離を誘起すべき中間電極 2 6に近接した所に位置する外導体端部 3 2 b に同軸型ストレ一ジコンデンサ 3 0を直結して短絡接続した場合には、同図の ( b ) に示すように、横断面で均一な強度分布の円形出力レーザビームが得られた。

それ対して外導体の反対側端部 3 2 a又はそれを接続した電極すなわち陽極 2 4自体にストレージコンデンサ 3 0を直結した場合には、同図の（ c ) に示すように、横断面の中央部にレーザ光がほとんどない強度分布のいわばドーナツ形状の出力レーザビームになってしまった。

なお、このように、中間電極 2 6の近くまで延長した外導体端部 3 2 bに同軸型ストレ一ジコンデンサ 3 0を直結して短絡接続すると横断面が均一な強度分布の円形出力レーザビームが得られる理由は、次のように考えられる。すなわち、同軸型ストレージコンデンサ 3 0に蓄積されていた電荷が、まず中間電極近くに位置する外導体端部 3 2 bに転送されてこれに近い放電路の領域 B , Aに予備電離を引起こすとともに、電荷がこの外導体端部 3 2 bからこの外導体 3 2の内外表面に沿ってほぼ光速に相当する速度で移動して陽極 2 4に導かれることにより、放電管内部に電子の電界放出を生じさせて主放電路の絶縁破壊を生じさせる。それにより、放電管内部に放電方向に沿って均一なプラズマが生成され、このブラズマ及び中間電極近傍のコロナ放電による予備電離により、放電管内に均一な主放電が生じるためであると考えられる。なお、陰極又は陽極の少なくとも一方にプラズマ電極を生成する手段があれば、さらに放電路の全体に均一な主放電の発生は助長される。

このように、放電路の絶縁破壊で放電管を取巻く第 2外導体の端部 3 2 bと中間電極の円筒部 2 6 aの端部との間の領域の放電路でコロナ放電、予備電離、電荷の移動で放電路内に均一に電子が放出され放電方向を垂線とする平面上に均一な放電が生じる。そのため、放電路を横断面でみた中央部でも強いレーザ発振が生じ、円形で且つ均一な強度分布の出力レーザビームが得られる。このようなレーザビームは、通常、円形断面の光ファイバにより効率よくレーザ光利用装置に伝送される。

図 1 1に示す実施例は、第 1電源装置 2 7及び第 2電源装置即ちトリガ電圧電源 2 8を、いずれも交流電源としたものである。そして、両交流電源は、図 1 2 に示すように、パルスレーザ発振の繰返し周波数に相当する周波数で、且つ丁度又はおよそ 1 8 0 ° の位相差を有し、同等の尖頭電圧となるように構成してあるなお、ストレ一ジコンデンサ 3 0に直列にダイオード 3 5を接続してある。この実施例によれば、同図の（ a ) に示すように、各交番電圧が放電管内で絶縁破壊を起こす電圧の位相ひ 1で主放電が発生し、同図の（b ) に示すように、パルスレーザ発振が起こる。なお、コンデンサ 3 0の電圧（V o ) は、もし主放電が発生しないと仮定すれば、符号 V pで示すようにコンデンサにチャージされたほぼ交流電源電圧の尖頭値のまま保持されるが、主放電即ちレーザ発振を繰り返すことにより同図に太い実線で示すように主放電により電圧低下、上昇を繰返す。

なお、主放電用電圧が直流充電であると、放電路での絶縁破壊が起こるトリガ電圧が低くなりレーザ出力が交流駆動と比較して小さくなる場合や、トリガ電圧の立ち上がり速度にばらつきが生じてレーザ発振が不安定になったり、ジッターを生じる場合があるが、この実施例のように交流駆動であると絶縁破壊のタイミングがずれることがほとんとなく、安定なレーザ発振が維持される。また、各電源素子やコンデンサ、絶縁体製部品等に印加される平均電圧が直流の場合よりも小さいため、各素子の劣化が少なく、レーザ発生装置の信頼性が高まる利点もある。

図 1 3に示す実施例は、単一のパルス電源 5 0を使用して駆動制御する装置である。すなわち、パルス電源 5 0からパルストランス 5 1を経てその出力電圧を各電極に供給するようにしてある。符号 D aはストレ一ジコンデンサ 3 0に主放電用の負の電荷を蓄積するダイオード、 D bおよび D cは中間電極 2 6および補助電極 4 1に正のトリガパルスを供給するためのダイォードである。

そして、この実施例の場合は、図示右側が陰極 2 5であり、図示左側が陽極 2 4、補助電極 4 1および誘電体円筒 4 0からなるプラズマ陽極 2 4 aを内側領域に生成して動作する構成である。すなわち、主放電電流はプラズマ陽極 2 4 aの陽イオンが供給源となる。

この実施例の動作においては、パルス電源 5 0から所定繰返し周波数の負のパルスピーク電圧が発生される。パルストランス 5 1の二次側の点 Fには、図 1 4 の（a ) に示すような波形があらわれる。これは、時間軸 tのある時刻 t 1、 t 2、 t 3の間で急激に変化する。中間電極 2 6および補助電極 4 1に接続された回路の点 Gでは、同図の（ b ) に示すように正のパルス電圧があらわれて印加される。それによつて、陽極 2 4と補助電極 4 1 とで挟まれた誘電体円筒 4 0の内側領域にプラズマ陽極 2 4 aが生成されるとともに、中間電極 2 6により両側の放電路の絶縁破壊による主放電が引起こされる。

一方、コンデンサ 3 0および陰極 2 5の回路の点 Hは、同図の（ c ) に示すような波形の電荷の蓄積、および時間軸の t 2から t 3における瞬時の主放電が起る。これによつて、時間軸の t 2から t 3の間に短いパルス幅のレーザビームが出力される。そして、このような動作が繰返される。この実施例によれば、キヤップスィツチが不要で、比較的高繰返しのパルスレーザ発振が可能である。なお、以上の説明からも明らかなように、陰極または陽極すなわち第 1主電極または第 2主電極の一方の主電極の近傍、或いは両方の主電極の近傍に、筒状誘電体とこの筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを設けて動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように構成することができる。

そしてこのようなプラズマ陰極やプラズマ陽極等のプラズマ電極は、筒状誘電体の内側の沿面コロナ放電とクリービング放電との複合作用の結果として生じているものと考えられる。

図 1 5に示す実施例は、プラズマ電極すなわちプラズマ陰極、またはプラズマ陽極の他の例である。これは、セラミックス誘電体円筒 4 0の中央部の薄肉円筒部を取り卷いてリング状の補助電極 4 1を配置し、その外側をさらにセラミックス絶縁円筒で取り巻いて実質的に内部に補助電極 4 0を埋め込んだものである。そして、誘電体円筒 4 0の両端部に陰極 2 5，リング状補助陰極 2 5 bを配置するとともに、これらを誘電体円筒 4 0の外周を覆うように配置した導体円筒 2 5 cによりこれら陰極 2 5およびリング状補助陰極 2 5 aを電気的に短絡接続してある。補助電極 4 1には、高抵抗素子 2 9 bを介して図示しないパルストリガ電源が接続されている。

これによつて、動作時には、陰極 2 5 (又は陽極 2 4 ) と補助電極 4 1 との間に印加される高電圧により、誘電体円筒 4 0の内面およびその内側領域にプラズマ電極 2 5 aが生成される。また、主放電電流が補助電極 4 1に流入することがより一層確実に防止され、スパッタリングの発生が防止される。

図 1 6に示す実施例は、誘電体円筒 4 0を複数個、例えば 2個に分割して併設し、それぞれの誘電体円筒 4 0の一部を取り巻いて補助電極 4 1を配置し、実質的に内部に埋め込んだものである。そして、隣合う誘電体円筒 4 0の間に、リング状の第 2の補助陰極 2 5 dを配置し、両端側の陰極 2 5、第 1補助陰極 2 5 b とともに導体円筒 2 5 cにより電気的に短絡接続してある。なお、各補助電極 4 1は、高抵抗素子 2 9 bを介して図示しないパルストリガ電源が接続されている。この実施例によれば、各誘電体円筒 4 0の内面および内側領域に一層容易にプラズマ電極が生成される。

図 1 7に示す実施例は、中間電極を省略したパルスガスレーザ発生装置である。同図の符号 2 1は単一の放電管、 2 4は陽極、 2 5 aはプラズマ陰極、 C pはピーキングコンデンサ、 Lはインダク夕、 Sはギャップスイッチ、 Rは保護抵抗をあらゎしている。

この実施例の装置の動作において、スィッチ Sがオフ（開）の間に、高電圧電源 2 7により、抵抗 Rおよびインダクタ Lを介してコンデンサ 3 0が充電される。ギャップスィッチ Sがオン（閉）されると、コンデンサ 3 0の電荷はピーキングコンデンサ C pに移行される。この時、誘電体円筒 4 0の内側にプラズマ陰極 2 5 aが生成されるとともに、陽極 2 4に至る放電路の絶縁破壊が生じ、レーザ媒質が活性化されてレーザ発振が生じる。なお、この実施例の場合は、主放電電流はプラズマ陰極 2 5 aの補助電極 4 1 と陽極 2 4との間に流れる。しかし、主放電電流の供給源はプラズマ陰極であるので、輝点や金属電極からのスパッ夕リングは発生せず、長時間にわたり安定なパルスレーザ発振が維持される。

図 1 8に示す実施例は、放電管 2 1の外周に円筒状の外導体 3 2を巻き付けるとともに、さらに同軸型のピ一キングコンデンサ C pを同軸的に配置したものである。同軸型コンデンサ C pの円筒状誘電体 3 0 aの内周に接着された内周電極

3 0 bは、電源装置 2 7に接続されたストレージコンデンサ 3 0に電気的に接続されるとともに、円筒状外導体 3 2の陰極 2 5の近傍まで延長された端部 3 2 b に導電体リング 3 4で全周が機械的および電気的に直結されている。一方、円筒状誘電体 3 0 aの外周に接着された外周電極 3 0 cは、陰極 2 5に電気的に接続されている。

この実施例によれば、動作時に、陰極 2 5 と補助電極 4 1 との間の誘電体円筒

4 0の内面およびその内側領域にプラズマ陰極 2 5 aが生成されるとともに、同軸型コンデンサ C pの両端電圧が陰極 2 5 と円筒状外導体 3 2 との間に印加されてその近傍の放電路領域 Bが予備電離され、主放電が誘起される。こうして、横断面が円形でほぼ均一な強度分布のパルスレーザビームが出力される。また、金属電極による輝点発生ゃスパッ夕リング発生が抑制され、長時間安定な動作が維持される。

なお、上述の図 1 7および図 1 8に示した実施例は、ギャップスイッチ等のスイッチによりレーザ発振を駆動する例であるが、ギヤップスィツチ等を用いないで、実質的に同様の動作をする高電圧パルス或いはトリガパルス発生回路を含む電源装置で置き換えてもよい。それによつて、安定で長寿命のパルスガスレーザ発生装置が得られる。

なおまた、この発明は、陰極または陽極のうちの一方側にプラズマ電極が生成されるように構成することに限られず、陰極および陽極の両方の電極近傍に筒状誘電体とそれに隣接して配置された補助電極とを備え、動作時に筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように補助電極に電圧を印加するように構成することもできる。それによつて、金属電極の輝点の発生やスパッタリングの発生がより一層抑制される。

なおこの発明は、紫外域のレーザ光を発生する窒素（N 2 ) レーザやエキシマレーザ発生装置に適用できるのみならず、 C 0 ₂レーザ、その他のパルスガスレーザ発生装置に広く適用できる。また、この発明は、レーザ媒質であるガスを放電管内に外部から循環させる方式にも適用できるが、特に前述の実施例のように放電管を封止切りするタイプに好適であり、その場合はほぼメインテナンスフリーとなる利点がある。

上記したように、この発明によれば、横断面が円形でほぼ均一な強度分布のパルスレーザ出力が高繰り返しで得られる。そして、金属電極に輝点が発生したりスパッ夕リングが発生することが抑制され、長時間安定な動作が維持される。

Claims

請求の範囲

1 . 第 1の主電極、主放電路を形成するための絶縁体製筒状放電管、および第 2の主電極の順に縦列配置され且つ内部に媒体ガスが収容され、前記第 1主電極および第 2主電極の外方に光共振器を構成する一対のミラーが配置され、上記第 1主電極および第 2主電極の間に主放電用電圧を印加する電源装置を備えるパルスガスレ一ザ発生装置において、

上記第 1主電極または第 2主電極の少なくとも一方の主電極の近傍に、筒状誘電体と該筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを有し、且つ動作時に前記筒状誘電体の内側領域にブラズマ電極が生成されるように前記補助電極に電圧を印加する補助電極電圧印加手段を有することを特徴とするパルスガスレーザ発生装置。

2 . 上記補助電極は、上記筒状誘電体の一部を取り巻いて配置されている請求項 1記載のパルスガスレーザ発生装置。

3 . 上記絶縁体製筒状放電管は該放電管の途中に中間電極が設けられて第 1 の放電路を形成する第 1絶縁円筒部と、第 2の放電路を形成する第 2絶縁円筒部とに分離され、上記第 1主電極と第 2主電極との間に自己放電開始電圧以下の電圧が印加され、上記中間電極に上記第 1放電路及び第 2放電路で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が生じるトリガ電圧が印加されてレーザ発振を生じさせるトリガ電源回路手段を有する請求項 1記載のパルスガスレーザ発生装置。

4 . 上記プラズマ電極生成用の補助電極及び上記中間電極に、上記トリガ電源回路手段から同期したパルストリガ電圧が印加される構成の請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

5 . 上記第 1絶縁円筒部および第 2絶縁円筒部の少なくとも一方の絶縁円筒部を取り巻いて筒状の導電体が配置され、前記筒状導電体の一端部が上記第 1主電極または第 2主電極に電気的に接続され、他端部が上記中間電極の近傍まで延長して配置されている請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

6 . 上記第 1放電路の軸方向長と第 2放電路の軸方向長とは、異なる長さである請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

7 . 上記第 1放電路及び第 2放電路は、短い方の軸方向長さに対して長い方の軸方向長さが、 1 . 5倍乃至 4 . 0倍の範囲である請求項 6記載のパルスガスレーザ発生装置。

8 . 上記中間電極へのトリガ電圧の印加による上記第 1放電路中の電位勾配の絶対値と、上記第 2放電路中の電位勾配の絶対値とは、同等、又はこれら両電位勾配の絶対値の比率が 1 . 0 ± 0 . 5の範囲にある請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

9 . 上記ブラズマ電極生成用補助電極の近傍の放電路中の電位勾配の絶対値は、上記第 1放電路又は第 2放電路の電位勾配の絶対値よりも大きい請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 0 . 上記中間電極とその近傍まで延長して配置された筒状外導体端部との少なくとも一方に細い導電体リングが電気的に接続され且つ軸方向に突出して設けられている請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 1 . 上記一方の主電極に対し他方の主電極に印加する電圧の極性と、上記中間電極に印加するトリガ電圧の極性とは逆極性である請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 2 . 上記一方の主電極に対し他方の主電極に印加する電圧と、上記中間電極に印加するトリガ電圧とは、同じ周波数で且つおよそ 1 8 0 ° の位相差の交流電圧である請求項 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 3 . 第 1の主電極、主放電路を形成するための絶縁体製筒状放電管、および第 2の主電極の順に縦列配置され且つ内部に媒体ガスが収容され、前記第 1主電極および第 2主電極の外方に光共振器を構成する一対のミラーが配置され、上記第 1主電極および第 2主電極間に主放電用電圧を印加する電源装置を備えるパルスガスレーザ発生装置において、

上記電源装置はコンデンサを含み、前記コンデンサは筒状をなし且つ上記絶縁体製筒状放電管を取り巻いて配置されていることを特徴とするパルスガスレーザ発生装置。

1 4 . 上記コンデンサは筒状の誘電体の内周壁に内周電極が接合され且つ外周壁に外周電極が接合され、前記内周電極が上記第 1主電極又は第 2主電極の一方並びに上記電源装置に電気的に接続されている請求項 1 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 5 . 上記絶縁体製筒状放電管の少なくとも一部を取り巻いて筒状の導電体が配置され、前記筒状導電体の一端部が上記第 1主電極または第 2主電極の一方に電気的に短絡接続され、他端部が他方の主電極の方向に延長されるとともに上記コンデンサの内周電極に電気的に短絡接続されている請求項 1 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 6 . 上記絶縁体製筒状放電管は該放電管の途中に中間電極が設けられて第 1の放電路を形成する第 1絶縁円筒部と、第 2の放電路を形成する第 2絶縁円筒部とに分離され、上記第 1主電極と第 2主電極との間に自己放電開始電圧以下の電圧が印加され、上記中間電極に上記第 1放電路及び第 2放電路で同時又はほぼ同時に絶縁破壊が生じるトリガ電圧が印加されてレーザ発振を生じさせるトリガ電源回路手段を有する請求項 1 3記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 7 . 上記第 1絶縁円筒部および第 2絶縁円筒部の少なくとも一方の絶縁円筒部を取り巻いて筒状の導電体が配置され、前記筒状導電体の一端部が上記第 1 主電極または第 2主電極に電気的に接続され、他端部が上記中間電極の近傍まで延長して配置され且つ上記コンデンサの内周電極に電気的に短絡接続されている請求項 1 6記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 8 . 上記第 1放電路の軸方向長と第 2放電路の軸方向長とは、異なる長さである請求項 1 6記載のパルスガスレーザ発生装置。

1 9 . 上記第 1放電路及び第 2放電路は、短い方の軸方向長さに対して長い方の軸方向長さが、 1 . 5倍乃至 4 · 0倍の範囲である請求項 1 8記載のパルスガスレーザ発生装置。

2 0 . 上記中間電極へのトリガ電圧の印加による上記第 1放電路中の電位勾配の絶対値と、上記第 2放電路中の電位勾配の絶対値とは、同等、又はこれら両電位勾配の絶対値の比率が 1 . 0 ± 0 . 5の範囲にある請求項 1 6記載のパルスガスレーザ発生装置。

2 1 . 上記第 1主電極または第 2主電極の少なくとも一方の電極の近傍に、筒状誘電体と該筒状誘電体に隣接して配置された補助電極とを有し、且つ動作時に前記筒状誘電体の内側領域にプラズマ電極が生成されるように前記補助電極に電圧を印加する補助電極電圧印加手段を有する請求項 1 3記載のパルスガスレーザ発生装置。