JPH02116183A

JPH02116183A - パルスレーザ発振装置

Info

Publication number: JPH02116183A
Application number: JP26806288A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kaneko; 英治金子; Akira Ishii; 彰石井; Kenji Takahashi; 賢二高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1990-04-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、高出力パルスレーザ発振装置に関するもので
、特にその磁気パルス圧縮回路の動作を安定化しレーザ
出力の安定化を図るものである。

（従来の技術）近年、大出力ＴＥＡ、ＴＥＭＡ−ＣＯ２レーザを始め、
エキシマレーザ、銅蒸気レーザ等、各種パルスレーザの
産業への使用が検討されている。

これらのレーザには高速、大電流、パルス電源が要求さ
れるようになってきた。こうした電源では大電流を開閉
するスイッチ素子の電力負担が極めて大きいため、現在
用いられているスイッチ素子、例えばサイラトロン、サ
イリスタ等では開閉動作が不可能な場合が多い。また、
パルスレーザには動作遅れ時間が小さく（数十ｎ５ｅＣ
以下）、しかも長寿命（１０８シヨツト程度以上）であ
ることが要求されるので、実用となるスイッチ素子は殆
どない状況にある。

そこで、最近では、パルス圧縮回路を付加することによ
りスイッチ素子の電力負担を低減して、高速、大電流、
高出力パルス電源を実現する方法が試みられており、そ
の代表例として磁気パルス圧縮回路が存在している。こ
の磁気パルス圧縮回路は鉄心等の強磁性体の磁化の飽和
を利用したものである。（例えば、Ｊａｐａｎｅｓｅ　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ
　Ｖｏｌ、　Ｎａ１ｌ、　１９８５．　ｐｐＬ８５５−
Ｌ８５７゜”Ｐｕ１ｓｅｄ　　ＣＯ２Ｌａ５ｅｒ　　Ｐ
ｕｍｐｅｄ　　ｂｙ　　ａｎ　　Ａｌｌ　　５ｏｌｉｄ
−５ｔａｔｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｅｘｃｉｔａｒ”に
示された方式）第６図にこの様な磁気パルス圧縮回路の
回路例を示す。

第６図におい・て、充電電源１は充電抵抗２を介して第
１のコンデンサ３と接続され、第１のコンデンサ３には
第２．第３のコンデンサ４．５が並列に接続されている
。第１．第２のコンデンサ３゜４の間には、第１の可飽
和リアクトル６が直列に接続され、第２．第３のコンデ
ンサ４，５の間には、第２の可飽和リアクトル７が直列
に接続されている。第３のコンデンサ５には、第３の可
飽和リアクトル８が直列に接続され、これを介して、レ
ーザ放電部９が並列に接続されている。以上のような構
成により、第１のコンデンサ３から第１の可飽和リアク
トル６を介して第２のコンデンサ４に至る第１段のルー
プと、第２のコンデンサ４から第２の可飽和リアクトル
７を介して第３のコンデンサ５に至る第２段のループと
、第３のコンデンサ５から第３の可飽和リアクトル８を
介してレーザ放電部９に至る第３段のループとがそれぞ
れ形成されている。また、第１のコンデンサ３と第１の
可飽和リアクトル６との間には、スイッチ１０により開
閉自在とされている。この様な構成を有する第６図の回
路の動作は以下のようである。

先ず、充電電源１から充電抵抗２を介して第１のコンデ
ンサ３を充電する。ここでスイッチ１０を投入すると第
１のコンデンサ３の極間電圧は、第１の可飽和リアクト
ル６と第２のコンデンサ４の直列回路に加わる。このと
き、第２のコンデンサ４には電荷が蓄えられておちず、
第２のコンデンサ４の極間電圧はほぼ零であるため、第
１の可飽和リアクトル６の極間に第１のコンデンサ３の
極間電圧がほぼ全部加わり、この結果、第１の可飽和リ
アクトル６の極間に僅かな電流１２が流れる。

この電流１２は、第１の可飽和リアクトル６を励磁し、
ある値以上で第１の可飽和リアクトル６の鉄心内磁束密
度が飽和磁束密度以上になり、第１の可飽和リアクトル
６は飽和状態になる。すると、第１の可飽和リアクトル
６のインダクタンスが急激に低下するため、第１のコン
デンサ３から飽和状態の第１の可飽和リアクトル６を介
して電流１２が流れ、第２のコンデンサ４を充電する。

ここで、第１段のループを流れる電流１２の周波数は、
第１のコンデンサ３の容量値、飽和時の第１の可飽和リ
アクトル６のインダクタンス値、及び第２のコンデンサ
４の容量値でほぼ決まる。続いて、第２のコンデンサ４
の極間電圧゛が上昇すると共に、第２の可飽和リアクト
ル７の極間に電圧が加わって、第２の可飽和リアクトル
７に電流１３が流れ飽和に至る。このとき、第２のコン
デンサ４の電荷は第３のコンデンサ５に転移する。第３
の可飽和リアクトル８の動作も同様である。

ここで、各可飽和リアクトル６−７を流れる各段の電流
１２−１４の周波数を順に高めるために第１゜第２．第
３の可飽和リアクトル６−８の非飽和時及び飽和時のイ
ンダクタンスを順次小さくする方法が取られている。ま
た、各コンデンサに蓄えられたエネルギを効率よく後段
のコンデンサに伝達するために、各段のコンデンサ容量
を等しくし、可飽和リアクトル１２−１４の値を順次小
さくしていく方法がなされる。この方法では、各段のル
ープの電圧は一定であり、第７図（Ａ）ないしくＣ）に
示すように各段のループを流れる電流１２−１４の波高
値が順次増幅され、周波数が高められてゆく。そして、
磁気パルス圧縮された最終段のループの電流１４は、負
荷であるレーザ放電部９に流れ、レーザ発振を起こさせ
る。以上述べた可飽和リアク１−ルの飽和、非飽和の動
作過程を、第８図を用いて次に説明する。なお、第８図
は、可飽和リアクトルを構成する鉄心の磁化曲線を示す
グラフである。

まず、可飽和リアクトルの前段のコンデンサから励磁電
流が流れると、可飽和リアクトルの鉄心の動作点は、第
８図の中心０点から０点に向かって移動する。励磁電流
により動作点が０点に達すると可飽和リアクトルの鉄心
内の磁束密度が飽和磁束密度以上になり、可飽和リアク
トルは飽和状態となる。このとき、可飽和リアクトルの
インダクタンスが急激に低下するため、前段のコンデン
サから飽和状態にある可飽和リアクト−ルを介して、電
流が後段のコンデンサに流れ込み、これを充電する。こ
のように可飽和リアクトルが飽和している時の鉄心の動
作点は０点よりもはるかに磁化力Ｈの大きいところにあ
るが、電流の減少と共に磁化力Ｈの小さい方に移動して
■点に至り、鉄心は飽和状態から非飽和状態になる。こ
のとき、可飽和リアクトルのインダクタンスが急激に増
加するので、可飽和リアクトルを流れる電流は急激に減
少する。半周期後電流が零になったときの動作点は■点
になり、ここで停止して残留磁気が残ることになる。

ところで、■点に鉄心の動作点がある状態で再びスイッ
チ１０を投入すると、鉄心の動作点は、■から■の方向
に移動するが、この場合の磁束変化量は小さいため非飽
和時の可飽和リアクトルのインダクタンスが充分大きく
なり得す磁気パルス圧縮はほとんど行えなくなる。そこ
で、−旦磁気パルス圧縮を行った後は、鉄心の動作点を
第８図中の０点から■魚を介して再び中心点０点に戻す
、いわゆる磁気リセットを行い、再び同じレベルの磁気
パルス圧縮を行えるようにしている。即ち、従来の回路
では第６図中の１６−１．８に示すように上記のような
磁気リセットを行うリセット装置を設けている。磁気リ
セットにはいくつかの方法があるがもっとも簡単なもの
に直流電流を逆方向に鉄心の動作点が０点になるように
、流しておくものがある。この直流を流す方法によれば
磁気パルス圧縮動作を行った後に鉄心の動作点は■にな
るがこの状態でつぎの磁気パルス圧縮動作を行うと、磁
束変化は０点から行うよりも大きく取れるので圧縮率が
高くできるのでこの方法が採用されている。

（発明が解決しようとする課題）一般に電気回路を構成する素子には動作中に僅かではあ
るが電力損失を生じる。パルスレーザの磁気パルス圧縮
回路においても例外でなく幾らかの電力損失がありそれ
にともない回路素子そのものの温度上昇がもたらされる
場合がある。温度上昇があるとコンデンサ内に用いられ
ている誘電体にはその誘電率の変化するものがあり、そ
のために次ぎに述べるような不具合を生じる場合がある
。

例えばコンデンサの容量が温度の上昇にともない減少す
るようなことがあると、前述したように磁気パルス圧縮
回路中の各ループの電流周波数が高くなり、初期の状態
と回路の状態が異なってしまい各飽和リアクトルの動作
タイミングがずれてしまう危険性があった。またそれぞ
れの段毎に温度上昇の程度が異なったりするとエネルギ
の伝達損失が大きくなりレーザの運転に支障の生じる場
合があった。

本発明では、以上説明したような温度上昇に原因する不
具合を起こさない磁気パルス圧縮回路を備えた安定度の
高い高出力のパルスレーザ発振装置を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）以上述べた技
術的課題を分析した結果、これらを解決するためには磁
気パルス圧縮回路中の電力損失に原因する温度上昇によ
る回路素子の値の変化をおさえるか、値の変化を他の素
子の変化で補償するか、あるいは回路の動作条件を変え
るか。

また、あるいは温度上昇そのものを抑えることが必要で
あることが分かった。

（実施例）以下本発明の具体的な実施例について説明する。

第１図（Ａ）は実施例の回路図であり、第１図（Ｂ）は
実施例において用いるコンデンサの温度特性を説明する
図表である。本実施例では、第１図（Ａ）において装置
の各部に使用されているコンデンサが複数のコンデンサ
を直列に接続したものになっておりそのコンデンサのう
ち一部３’、　４’、　５’は第１図（Ｂ）に示すよう
に温度と共にその容量が増加するもの１９’、他の３’
、　４’、　５’は温度と共にその容量が減少するもの
１９′を組み合わせたものになっている。回路動作その
ものは基本的には従来技術の説明で述べたものと同一で
あるのでここでは詳細は省略する。

この様に磁気パルス圧縮回路を構成すると周辺の温度上
昇が生じても各ループにおいては等価的にコンデンサ容
量が変化しないので、磁気パルス圧縮回路の動作時にお
ける各ループの周波数は初期に設定した値のまま変化す
ることがなく常に同じ状態で運転することが可能となる
。

従って、レーザの運転状況が常に一定となり安定したレ
ーザ発振が得られることがわかる。

第２図（Ａ）は第２の実施例の回路図、第２図（Ｂ）は
実施例において用いるインダクタンス素子の温度特性の
説明をする図表、第２図（Ｃ）は具体的なインダクタン
スの構成例の一例である６本実施例では、第２図（Ａ）
において装置の各部に使用されている可飽和リアクトル
が可変インダクタンスを付加的に直列接続したものにな
っておりそのインダクタンスの６’、７’、８’は第２
図（Ｂ）に示すように温度と共にその値が増加するもの
２０となっている。回路動作そのものは従来技術の説明
で述べたものと基本的には同一であるのでここでは詳細
は省略する。第２図（Ｃ）に示した具体的なインダクタ
ンス素子の構造は伸縮自在に作られたインダクタンス素
子２１の両端を温度による伸び縮みする例えばバイメタ
ル様の材料によりできた部材２２による固定されており
インダクタンスの長さしが温度により自由に変化するも
のである。インダクタンスの長さしが変化するとインダ
クタンス構成コイルの差交磁束が変化しインダクタンス
の値が変化する。

この様に磁気パルス圧縮回路を構成すると周辺の温度上
昇が生じても各ループにおいてはコンデンサ容量が変化
した部分だけ付加しであるインダクタンスの値が変化し
、その結果、磁気パルス圧縮回路の動作時における各ル
ープの周波数は初期に設定した値のまま変化することが
なく常に同じ状態で運転することが可能となる。

第３図（Ａ）は第３の実施例の回路図、第３図（Ｂ）は
実施例において用いる可飽和リアクトルを構成する鉄心
の磁化特性曲線を示すグラフである。本実施例では、第
３図（Ａ）において装置の各部に使用されている可飽和
リアクトルのリセット用の回路１６．１７．１８が出力
電流を可変でき周囲温度の上昇に合わせて電流値を増加
するように構成しである。回路動作そのものは従来技術
の説明で述べたものと基本的には同一であるのでここで
は詳細は省略する。

第３図（Ｂ）においてリセット電流１２が増加してリセ
ット電流１２′になると可飽和リアクトルの動作点は■
から■′に移る。磁気パルス圧縮回路の動作時には■か
ら■に至り■を通り過ぎて可飽和リアクトルが飽和し動
作を行うが、スタートの■が■′　に変わることにより
動作時間を遅くすることができる。この様に磁気パルス
圧縮回路を構成すると周辺の温度上昇が生じて各ループ
においてコンデンサ容量が減少するように変化すると格
段のループの動作時間が早い方向に変化するがリセット
電流を調整することにより動作時間を調整できることが
分かる。その結果、磁気パルス圧縮回路の動作時におけ
る各ループの動作時間は初期に設定した値のまま変化す
ることがなく常に同じ状態で運転することが可能となる
。

第４の実施例を第４図に示す。本実施例においては磁気
パルス圧縮回路全体を冷却可能な絶縁油２３を満たした
タンク２４に収納しである。絶縁油２３は油循環ポンプ
２５により強制循環され磁気パルス圧縮回路で生じた熱
は熱交換器２６にて処理され絶縁油は冷却される。回路
動作そのものは従来技術の説明で述べたものと基本的に
は同一であるのでここでは詳細は省略する。

また、本発明の第５の具体的な実施例は第５図のように
タンク２４からの導出端子をブッシング２７により取り
出すことにより本発明の効果がより確実なものとなる。

この様に磁気パルス圧縮回路を油中に納め冷却すると電
力損失による温度上昇が生じても直ちに冷却されるので
各ループにおいてコンデンサ容量などの変化が生じるこ
とないので磁気パルス圧縮回路の動作時における各ルー
プの周波数は初期に設定した値のまま変化することがな
く常に同じ状態で運転することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、パルスレーザ発振
装置において、その磁気パルス圧縮回路の動作を安定化
しレーザ出力の安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は第１の実施例の回路図、第１図（Ｂ）は
第１の実施例において用いるコンデンサの温度特性の説
明をする図表、第２図（Ａ）は第２の実施例の回路図、
第２図（Ｂ）は第２の実施例において用いるインダクタ
ンス素子の温度特性の説明をする図表、第２図（Ｃ）は
具体的なインダクタンスの構成例の一例を示す斜視図、
第３図（Ａ）は第３の実施例の回路図、第３図（Ｂ）は
第３の実施例において用いる可飽和リアクトルを構成す
る鉄心の磁化特性曲線を示すグラフ、第４図は第４の実
施例を示す正面図、第５図は第５の実施例を示す正面図
、第６図→は従来の磁気パルス圧縮回路の回７　　　　
（＾）、　　（９ン、　　こＣ）路図、第→図←ｈ→→
〒−斗は磁気パルス圧縮回を路の動作を示す特性図、第争図は、可飽和リアクトルを
構成する鉄心の磁化曲線を示すグラフである。１・・・充電電源２・・・充電抵抗３・・・第１のコンデンサ４・・・第２のコンデンサ５・・・第３のコンデンサ６・・・第１の可飽和リアク７・・・第２の可飽和リアク８・・・第３の可飽和リアク９・・・レーザ放電部１０・・・スイッチ１２、１３．１４・・・電流

Claims

【特許請求の範囲】

コンデンサと、このコンデンサから入力された電流を、
その時間幅を圧縮して出力する可飽和リアクトルとから
なる磁気パルス圧縮回路を有するパルスレーザ発振装置
において磁気圧縮回路の回路要素の大きさを周辺の温度
に合わせて変化させたことを特徴とするパルスレーザ発
振装置。