JPH07183603A

JPH07183603A - パルスガスレーザ装置

Info

Publication number: JPH07183603A
Application number: JP32880193A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yasuoka; 康一安岡; Yuji Okita; 裕二沖田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba FA Systems Engineering Corp
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1993-12-24
Publication date: 1995-07-21

Abstract

(57)【要約】【目的】予備電離電極に流れる電流を低減し、予備電
離電極の長寿命化を図ったパルスガスレーザ装置を提供
する。【構成】レーザガスを気密充填した放電容器内に、主
電極１ａ、１ｂが対向して配設され、一方の主電極１ａ
は接地されている。また、他方の主電極１ｂは、予備電
離電極２ｂと同電位に接続されている。さらに、レーザ
ガス中には、前記予備電離電極２ｂに対向して、微小の
ギャップ３を介して、予備電離電極２ａが配設されてい
る。この予備電離電極２ａは、前記主電極１ｂを機械的
に支持する導体から電気的に絶縁されてレーザガス中か
ら引き出され、バラストインダクタンス４の一端に接続
されている。また、このバラストインダクタンス４の他
端は、予備電離用インダクタンス１２の一端に接続さ
れ、さらに、この予備電離用インダクタンス１２の他端
は、予備電離用抵抗１３を介して接地されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ励起回路の構成
に改良を施したパルスガスレーザ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】放電励起方式のガスレーザ装置では、レ
ーザガス中で空間的に均一なグロー放電を発生させてレ
ーザ発振を得ているが、横方向励起パルスＣＯ₂レーザ
やエキシマレーザを初めとするパルスレーザ装置では、
グロー放電を均一に点弧することは困難である。そのた
め、一般的には、高速のパルス電圧を放電部に印加して
グロー放電を形成している。

【０００３】図４は、従来のガスレーザ装置の放電部の
構成及び励起回路の一例を示したものである。即ち、レ
ーザガスを気密充填した図示していない容器内に、一対
の主電極１ａ、１ｂが対向して配設され、一方の主電極
１ａは接地されている。また、他方の主電極１ｂには、
予備電離電極２ｂとコンデンサＣｂが並列に接続され、
同電位となっている。なお、コンデンサＣｂの他端は接
地されている。

【０００４】さらに、レーザガス中には、前記予備電離
電極２ｂに対向して、微小のギャップ３を介して、予備
電離電極２ａが配置されている。この予備電離電極２ａ
は、前記主電極１ｂを機械的に支持する導体から電気的
に絶縁されてレーザガス中から引き出され、バラストイ
ンダクタンス４に接続され、さらに、充電用コンデンサ
Ｃ₁の一端に接続されると共に、充電用インダクタンス
６に接続されている。なお、充電用インダクタンス６の
他端は接地されている。また、前記充電用コンデンサＣ
₁の他端は、スイッチ７を介して接地されると共に、抵
抗８を介して高圧電源（Ｈ．Ｖ）９に接続されている。

【０００５】なお、以上のコンデンサ、抵抗及びインダ
クタンス類は単体で構成されるか、あるいは、複数個が
並列に接続されて構成されている。また、主電極１ａ、
１ｂの対向軸に直交する方向（紙面に対して垂直な方
向）には、光共振器（図示せず）が配設されている。

【０００６】以上の様に構成された従来のガスレーザ装
置の動作を以下に説明する。まず、スイッチ７が開いて
いる状態で、抵抗８を介して高圧電源９が充電用コンデ
ンサＣ₁を充電する。そして、スイッチ７が閉じると、
充電用コンデンサＣ₁のスイッチ７側の電位は接地電位
となり、予備電離電極２ａ側の電位は反転する。続い
て、ギャップ３を介してコンデンサＣｂに電位が移行
し、主電極１ａ、１ｂ間に加わる電圧が、レーザガスの
放電破壊電圧以上に達すると、主電極間１ａ、１ｂ間に
グロー放電１１が点弧する。そして、このグロー放電１
１によってレーザガスを励起してレーザを発生させ、図
示していない光共振器により、主電極１ａ、１ｂの対向
軸に直交する方向（紙面に対して垂直な方向）にレーザ
光が出射する。

【０００７】また、図５は、例えば J.Appl.Phys. 66
(1), 37 1.July 1989 に記載された従来のロングパル
スガスレーザ装置の放電部の構成及び励起回路の一例を
示したものである。即ち、レーザガスを気密充填した図
示していない容器内に、一対の主電極１ａ、１ｂが対向
して配設され、一方の主電極１ａは接地されている。ま
た、他方の主電極１ｂには予備電離電極２ｂが同電位に
接続されている。また、主電極１ｂは、移行用インダク
タンスＬ₀を介して、パルス整形回路中の充電用コンデ
ンサＣ₁の一端及び移行用インダクタンスＬ₁の一端に
接続され、また、充電用インダクタンス６の一端に接続
されている。なお、この充電用インダクタンス６の他端
は接地されている。また、前記移行用インダクタンスＬ
₀を介さずに、主電極１ｂを、パルス整形回路中の充電
用コンデンサＣ₁及び移行用インダクタンスＬ₁に接続
し、また、充電用インダクタンス６に接続しても良い。

【０００８】また、前記移行用インダクタンスＬ₁の他
端は、充電用コンデンサＣ₂の一端及び移行用インダク
タンスＬ₂の一端に接続され、さらに、この移行用イン
ダクタンスＬ₂の他端は、充電用コンデンサＣ₃の一端
及び移行用インダクタンスＬ₃の一端に接続されてい
る。また、同様に、前記移行用インダクタンスＬ₃の他
端は、充電用コンデンサＣ₄に接続されている。そし
て、これらの充電用コンデンサＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄
の他端は、それぞれ同電位に接続されており、スイッチ
７を介して接地されると共に、抵抗８を介して高圧電源
９に接続されている。

【０００９】なお、パルス整形回路を構成している充電
用コンデンサＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄及び移行用インダ
クタンスＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃の数は、３段、４段構成とは
限らず、１段もしくは２段以上の複数の構成で成り立っ
ている。この時、パルス整形回路中の充電用コンデンサ
Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄は、それぞれほぼ同じ容量であ
る。また、以上のコンデンサ、抵抗及びインダクタンス
類は単体で構成されるか、あるいは、複数個が並列に接
続されて構成されている。さらに、主電極１ａ、１ｂの
対向軸に直交する方向（紙面に対して垂直な方向）に
は、光共振器（図示せず）が配設されている。

【００１０】以上の様に構成された従来のロングパルス
ガスレーザ装置の動作を以下に説明する。まず、スイッ
チ７が開いている状態で、抵抗８を介して高圧電源９が
充電用コンデンサＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄を充電する。
そして、スイッチ７が閉じると、充電用コンデンサ
Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄のスイッチ７側の電位は接地電
位となり、予備電離電極２ｂ側の電位は、移行用インダ
クタンスＬ₀を介して反転する。続いて、ギャップ３を
介してコンデンサＣｂに電位が移行し、主電極１ａ、１
ｂ間に加わる電圧がレーザガスの放電破壊電圧以上に達
すると、主電極１ａ、１ｂ間にグロー放電１１が点弧す
る。そして、このグロー放電１１によってレーザガスを
励起してレーザを発生させ、図示していない光共振器に
より、主電極１ａ、１ｂの対向軸に直交する方向（紙面
に対して垂直な方向）にレーザ光が出射する。

【００１１】次に、従来のガスレーザ装置におけるレー
ザの出力波形について説明する。即ち、図６に示した様
に、レーザの出力波形は、初期に出力されるジャイアン
トパルス７１と、それに続いて出力されるテールパルス
７２とから成り立っているが、従来のガスレーザ装置を
用いた場合には、ジャイアントパルス７１のピーク出力
は大変高く、テールパルス７２のレーザ出力は非常に低
くなっている。また、ロングパルス化のために、Ｎ₂濃
度を増した場合には、ジャイアントパルス７１のピーク
出力は低下し、テールパルス７２のレーザ出力は上昇す
るものの、テールパルス７２のレーザ出力は、ジャイア
ントパルス７１に比べて非常に小さい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の様な
従来のガスレーザ装置には、以下に述べる様な問題点が
あった。即ち、図４に示した従来例においては、充電用
コンデンサＣ₁に蓄えられたエネルギーは、スイッチ７
が閉じた時に、バラストインダクタンス４を介して、予
備電離電極２ａ、２ｂ間のギャップ３を流れる。そし
て、コンデンサＣｂを充電し、コンデンサＣｂに加わる
電圧が主電極１ａ、１ｂ間の放電破壊電圧以上になると
グロー放電１１が点弧する。しかし、この場合、充電用
コンデンサＣ₁に蓄えられたエネルギーの全てが予備電
離電極２ａ、２ｂ間に流れ、グロー放電１１に費やされ
るため、予備電離電極２ａ、２ｂに多大の負荷がかか
り、予備電離電極２ａ、２ｂの寿命が短くなるといった
欠点があった。

【００１３】また、図５に示したロングパルスガスレー
ザ装置においては、パルス整形回路を用いているが、こ
の時のレーザの出力波形は、図６に示した様に、ジャイ
アントパルス７１のピーク出力が大変高くなるため、レ
ーザ光線を集光した場合に、集光点にプラズマを生じ、
このため、レーザ光線がプラズマに遮られてしまうとい
う問題が生じていた。

【００１４】本発明は、上述した様な従来技術の問題点
を解消するために提案されたもので、その第１の目的
は、予備電離電極に流れる電流を低減し、予備電離電極
の長寿命化を図ったパルスガスレーザ装置を提供するこ
とにある。また、第２の目的は、レーザ出力のジャイア
ントパルスのピーク出力を減少させることにより、集光
点でのプラズマの発生を防止することができるパルスガ
スレーザ装置を提供することにある。さらに、第３の目
的は、テールパルスをロングパルス化して、テールパル
スのピーク出力を増加することができるパルスガスレー
ザ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、上記第１の目的を達成するためのもので、レーザ媒
質中に一対の主電極を対向して配設し、その側方に対を
成す予備電離電極を複数個設け、これらの予備電離電極
の放電により発生する紫外光により、前記主電極間を予
備電離状態とするパルスガスレーザ装置において、前記
対を成す予備電離電極の一方に、バラストインダクタン
ス、予備電離用インダクタンス及び抵抗を直列に接続し
て、接地したことを特徴とするものである。

【００１６】また、請求項２に記載の発明も、上記第１
の目的を達成するためのもので、レーザ媒質中に一対の
主電極を対向して配設し、その側方に対を成す予備電離
電極を複数個設け、これらの予備電離電極の放電により
発生する紫外光により、前記主電極間を予備電離状態と
するパルスガスレーザ装置において、前記対を成す予備
電離電極の一方に、バラストインダクタンス及び予備電
離用インダクタンスを直列に接続して、接地したことを
特徴とするものである。

【００１７】さらに、請求項３に記載の発明は、上記第
２の目的を達成するためのもので、レーザ媒質中に一対
の主電極を対向して配設し、その側方に対を成す予備電
離電極を複数個設け、これらの予備電離電極の放電によ
り発生する紫外光により、前記主電極間を予備電離状態
とし、前記レーザ媒質を励起するためのレーザ励起回路
に、複数段の充電用コンデンサを有するパルス整形回路
を用いたパルスガスレーザ装置において、前記複数段の
パルス整形回路の内、主電極に最も近い充電用コンデン
サの容量を、全充電用コンデンサの容量の１５分の１以
下にしたことを特徴とするものである。

【００１８】また、請求項４に記載の発明は、上記第３
の目的を達成するためのもので、請求項１又は請求項２
又は請求項３に記載のパルスガスレーザ装置において、
レーザ媒質のガス成分の混合比を、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ
＝１：２．５：８としたことを特徴とするものである。

【００１９】

【作用】請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、
対を成す予備電離電極の一方にバラストインダクタン
ス、予備電離用インダクタンス、時には抵抗を直列に接
続して接地することにより、充電用コンデンサに蓄えら
れたエネルギーの一部のみが予備電離電極間に流れるた
め、予備電離電極の長寿命化を図ることができる。

【００２０】また、請求項３に記載の発明によれば、パ
ルス整形回路の主電極に最も近い充電用コンデンサの容
量を、全充電用コンデンサの容量の１５分の１以下にす
ることにより、レーザ出力のジャイアントパルスのピー
ク出力を減少させることができるので、レーザ光線を集
光させた場合においても、集光点でのプラズマの発生を
防止でき、これにより、レーザ光線がプラズマにより遮
られることを防止できる。

【００２１】さらに、請求項４に記載の発明によれば、
レーザ媒質のガス成分の混合比をＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝
１：２．５：８にすることにより、ジャイアントパルス
のピーク出力を減少させ、テールパルスをロングパルス
化し、テールパルスのピーク出力を増加することができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明によるパルスガスレーザ装置の
実施例を、図面を参照して具体的に説明する。なお、図
４及び図５に示した従来型と同一の部材には同一の符号
を付して、説明は省略する。

【００２３】（第１実施例）本実施例は、請求項１及び
請求項２に記載の発明に対応するものであって、上記第
１の目的を達成するためのものである。即ち、図１に示
した様に、レーザガスを気密充填した図示していない放
電容器内に、主電極１ａ、１ｂが対向して配設され、一
方の主電極１ａは接地されている。また、他方の主電極
１ｂは、予備電離電極２ｂと同電位に接続されている。
さらに、レーザガス中には、前記予備電離電極２ｂに対
向して、微小のギャップ３を介して、予備電離電極２ａ
が配設されている。この予備電離電極２ａは、前記主電
極１ｂを機械的に支持する導体から電気的に絶縁されて
レーザガス中から引き出され、バラストインダクタンス
４の一端に接続されている。また、このバラストインダ
クタンス４の他端は、予備電離用インダクタンス１２の
一端に接続され、さらに、この予備電離用インダクタン
ス１２の他端は、予備電離用抵抗１３を介して接地され
ている。なお、前記予備電離用インダクタンス１２は、
予備電離用抵抗１３を介さずに接地しても良い。

【００２４】また、主電極１ａ、１ｂ間には、コンデン
サＣｂが接続され、コンデンサＣｂの他端は接地されて
いる。さらに、主電極１ｂは、移行用インダクタンス４
０を介して、充電用コンデンサＣ₁の一端に接続される
と共に、充電用インダクタンス６の一端に接続されてい
る。この充電用インダクタンス６の他端は、充電用抵抗
１０を介して接地され、また、充電用コンデンサＣ₁の
他端は、スイッチ７を介して接地されると共に、抵抗８
を介して高圧電源９に接続されている。

【００２５】なお、前記移行用インダクタンス４０及び
充電用抵抗１０は、必須要件ではなく、移行用インダク
タンス４０を介さずに、主電極１ｂを、充電用コンデン
サＣ₁の一端と、充電用インダクタンス６の一端に接続
してもよいし、また、充電用抵抗１０を介さずに、充電
用インダクタンス６を接地しても良い。さらに、以上の
コンデンサ、抵抗、インダクタンス類は、単体で構成さ
れるか、あるいは、複数個が並列に接続されて構成され
ている。また、主電極１ａ，１ｂの対向軸に直交する方
向（紙面に対して垂直な方向）には、光共振器（図示せ
ず）が配設されている。また、充電用コンデンサＣ₁の
部分に、パルス整形回路を用いた場合にも適用可能であ
る。

【００２６】この様な構成を有する本実施例のパルスガ
スレーザ装置は、以下に述べる様に作用する。即ち、初
期状態においては、スイッチ７は開いており、充電用コ
ンデンサＣ₁は、高圧電源９−抵抗８−充電用コンデン
サＣ₁−充電用インダクタンス６−充電用抵抗１０−接
地という経路で充電される。続いて、スイッチ７が閉じ
ると、充電用コンデンサＣ₁のスイッチ７側の電位は接
地電位となり、予備電離電極２ｂ側の電位は反転する。
そして、コンデンサＣｂに電位が移行し、続いて予備電
離電極２ａ、２ｂ間のギャップ３でスパーク放電が起こ
り、このスパーク放電によって紫外線が発生する。この
紫外線により光電子が生成し、これにより、主電極１
ａ、１ｂ間が予備電離され、主電極１ａ、１ｂ間が放電
破壊電圧以上になると、グロー放電が形成される。そし
て、このグロー放電１１によってレーザガスを励起して
レーザを発生させ、図示していない光共振器により、主
電極１ａ、１ｂの対向軸に直交する方向（紙面に対して
垂直な方向）にレーザ光が出射する。

【００２７】なお、本実施例においては、予備電離電極
の一方を、バラストインダクタンス４、予備電離用イン
ダクタンス１２及び予備電離用抵抗１３を介して接地し
たことにより、予備電離電極２ａ、２ｂ間には、図２に
示した様に、充電用コンデンサＣ₁からの全電流の内の
一部のみが流れる。そのため、予備電離電極２ａ、２ｂ
に多大の負荷がかかることもなく、予備電離電極の長寿
命化を図ることができる。また、図２に示した様に、ス
パイク電流後も微小電流が流れているため、絶えず予備
電離を行うことができ、放電安定性が良くなるという利
点もある。

【００２８】（第２実施例）本実施例は、請求項３に記
載の発明に対応するものであって、上記第２の目的を達
成するためのものである。本発明者等は、鋭意検討を重
ねた結果、図５に示した様な数段構成から成るパルス整
形回路において、電気的に最も主電極に近い、第１段目
の充電用コンデンサＣ₁の容量を、全充電用コンデンサ
の容量の１５分の１以下にすることにより、レーザの出
力波形において、ジャイアントパルスのピーク出力を低
減することができることを見出だした。これにより、レ
ーザ光線を集光した場合でも、集光点にプラズマが発生
することを防止できるので、レーザ光線がプラズマに遮
られることがなくなる。

【００２９】（第３実施例）本実施例は、請求項４に記
載の発明に対応するものであって、上記第３の目的を達
成するためのものである。本発明者等は、また、レーザ
ガスの混合比を種々変化させ、それぞれの場合における
レーザ出力波形について鋭意検討を重ねた結果、レーザ
ガスの混合比を、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝１：２．５：８
とした場合に、最もレーザ出力が増加し、効率も良いこ
とを見出だした。即ち、図３は、レーザガスを上記の混
合比とした場合のレーザ出力波形を示したものである
が、図から明らかな様に、このガス成分にすることによ
り、ジャイアントパルス７１のレーザ出力が、図６に示
した従来型の場合に比べて減少する。その結果、レーザ
光線を集光した場合でも、集光点でのプラズマの発生を
防ぐことができる。また、テールパルス７２のレーザ出
力が増加するため、効率も上がり、全体の出力波形にお
いて、矩形のレーザ出力パルスが得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明においては、一
方の予備電離電極を接地電位とすることによって、予備
電離電極の長寿命化を図ることができ、放電の安定化が
可能となる。また、パルス整形回路において、主電極に
最も近い充電用コンデンサの容量を全充電用コンデンサ
の容量の１５分の１以下にすることにより、ジャイアン
トパルスのレーザ出力を低減でき、集光点でのプラズマ
の発生を防ぐことができる。さらに、レーザガスのガス
成分の混合比を、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝１：２．５：８
にすることにより、ジャイアントパルスのレーザ出力を
低減でき、テールパルスのレーザ出力を増加することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルスガスレーザ装置の第１実施例を
示す構成図

【図２】図１に示した本発明の第１実施例において、予
備電離電極に流れる電流を示す図

【図３】本発明の第３実施例におけるレーザ出力波形を
示す図

【図４】従来のパルスガスレーザ装置の一例を示す構成
図

【図５】従来のロングパルスガスレーザ装置の一例を示
す構成図

【図６】図５に示した従来のロングパルスガスレーザ装
置におけるレーザ出力波形を示す図

【符号の説明】

１ａ、１ｂ…主電極２ａ、２ｂ…予備電離電極３…ギャップ４…バラストインダクタンス６…充電用インダクタンス７…スイッチ８…抵抗９…高圧電源１０…充電用抵抗１１…グロー放電１２…予備電離用インダクタンス１３…予備電離用抵抗４０…移行用インダクタンス７１…ジャイアントパルス７２…テールパルスＣ₁、Ｃ₂、Ｃ₃、Ｃ₄…充電用コンデンサＣｂ…コンデンサＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…移行用インダクタンス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/097 Ａ (72)発明者沖田裕二東京都府中市晴見町２丁目24番地の１東芝エフエーシステムエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質中に一対の主電極を対向して
配設し、その側方に対を成す予備電離電極を複数個設
け、これらの予備電離電極の放電により発生する紫外光
により、前記主電極間を予備電離状態とするパルスガス
レーザ装置において、前記対を成す予備電離電極の一方に、バラストインダク
タンス、予備電離用インダクタンス及び抵抗を直列に接
続して、接地したことを特徴とするパルスガスレーザ装
置。
【請求項２】レーザ媒質中に一対の主電極を対向して
配設し、その側方に対を成す予備電離電極を複数個設
け、これらの予備電離電極の放電により発生する紫外光
により、前記主電極間を予備電離状態とするパルスガス
レーザ装置において、前記対を成す予備電離電極の一方に、バラストインダク
タンス及び予備電離用インダクタンスを直列に接続し
て、接地したことを特徴とするパルスガスレーザ装置。
【請求項３】レーザ媒質中に一対の主電極を対向して
配設し、その側方に対を成す予備電離電極を複数個設
け、これらの予備電離電極の放電により発生する紫外光
により、前記主電極間を予備電離状態とし、前記レーザ
媒質を励起するためのレーザ励起回路に、複数段の充電
用コンデンサを有するパルス整形回路を用いたパルスガ
スレーザ装置において、前記複数段のパルス整形回路の内、主電極に最も近い充
電用コンデンサの容量を、全充電用コンデンサの容量の
１５分の１以下にしたことを特徴とするパルスガスレー
ザ装置。
【請求項４】前記レーザ媒質のガス成分の混合比を、
ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝１：２．５：８としたことを特徴
とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載のパルス
ガスレーザ装置。