JPH0318075A - 金属蒸気レーザ装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，金属蒸気レーザ装置，特にガス放電によっ
て金属を加熱，気化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。

〔従来の技術〕

第１ｌ図は、例えば「レーザー研究」、昭和５６年３月
号、第６０頁〜第６６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銅蒸気レーザ装置の
構戊を示す図である。

図において．１００は放電管であり、この放電管１００
はガス放電を生じさせる対向する電極上と、銅蒸気を発
生する銅粒子３が配置された内管２と，外筒４と、上記
電極ｌで生じた放電の熱の逃げを防ぐ断熱層５と、上記
電極王側に設けられているレーザ光を取り出す窓６と、
上記外筒４の中間部に高圧電圧を絶縁するために設けら
れている絶縁ブレイク７から構威されている．２００は
パルス発生回路であり、このパルス発生回路２００は放
電管１００の外ＷＪ４と接続線ａを介して接続される充
電用コンデンサ８と，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と、陽極が高圧電源１１
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１０と，上記充電用リアクトル９の一端
と上記高圧電源１ｌの一端との間に接続されているサイ
ラトロン１２と、上記充電用コンデンサ８の一端と上記
サイラトロンｌ２の一端との間に接続されるピーキング
コンデンサｌ４から構成されている。

また、高圧電ｇ１１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１２のグリッド
にはパルス制御回路ｌ３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からダイオード１０および充電用リアクトル
９を通して、かつビーキングコンデンサｌ４を通じて充
電用コンデンサ８に高圧電圧が充電される。

次に、パルス制御回路ｌ３によって駆動されるサイラト
ロン１２がオンすると，充電用コンデンサ８に充電され
た高圧電圧は外筒４を通じて対向する電極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の温度はガス放電
の繰返によって１５００℃程度の高温に上昇し、銅粒子
３を蒸気にすると共に内管２の中に銅蒸気を充満させる
。

対向する電ｊ＠ｌによって形成されたガス放電により放
電プラズマの電子を加速し、さらに電子は内管２の中に
充満された銅原子に衝突すると共に、銅原子の原子レベ
ルを第一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
或される。上準位にある銅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ｊ＆底準位にゆっくりと
緩和する。

以上の動作を数ＫＨｚで繰り返す。レーザ光は窓６を通
して取り出す６ 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μｓｅｃと長い。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の銅蒸気レーザ装置は以上のように構戊されている
ので、スイッチング素子としてのサイラトロンの特性変
化、電源電圧の変動などによって，投入電力が一定にな
らず、そのため，内管２の温度が変動し、異ｆ温度上昇
などによって内管２を破損したり、所望の色のレーザが
得られないという問題点があった。

また、下準位から基底準位に緩和する時間が数百μｓｅ
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，銅蒸気レー
ザの効率が低下するなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、投入電力を一定にして，放電管の温度を一定
に保持することのできる金ｙｔ蒸気レーザ装置を得るこ
とを目的とする。

また、この発明は各パルスの間で，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、パルス繰り返し数が高い場合で
も効率が高い金属蒸気レーザ装置を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１記載の発明に係る金屈蒸気レーザ装置は、放電
管にガス放電を発生させるパルス電圧を供給するパルス
発生回路と，前記放電管に流れる電流を検出する電流検
出器と該放電管に印加される電圧を検出する電圧検出器
との検出出力に基づいて投入電力を算出し、算出結果に
基づいて投入電力が一定となるように前記パルス発生回
路を制御する電力計算回路とを具備したものである。

また、請求項２記載の発明に係る金属蒸気レーザ装置は
、放電管にガス放電を発生させるパルス電圧を供給する
第１のパルス発生回路と、前記第１のパルス発生回路と
は別に設けられ、前記第工のパルス電圧より所定時間遅
延し該第工のパルス電圧より小さい第２のパルス電圧を
前記放電管に供給する第２のパルス発生回路と、前記放
電管に流れる電流を検出する電流検出器と該放電管に印
加される電圧を検出する電圧検出器またはピーキングコ
ンデンサに流入する電流を検出する電流検出器との検出
出力に基づいて投入電力を算出し、算出結果に基づいて
投入電力が一定となるように前記第１のパルス発生回路
または前記第２のパルス発生回路のいずれか一方あるい
はその双方を制御する電力計算回路とを具備したもので
ある．〔作用〕 請求項１記載の発明においては、放電管の投入電力を算
出した電力計算回路でパルス発生回路を制御し，放電管
に一定の投入電力を供給することにより、放電管内部の
温度を均一に保持することができ、異常温度上昇による
放電管の破損を防止し所望の色のレーザを安定出力する
ことができる．また、請求項２記載の発明においては、
第ｌのパルス発生回路から供給される第工のパルス電圧
間に第２のパルス発生回路から発生される第２のパルス
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，次のパルス電圧が印加される場合に反転分布がよ
り完全なものとなり、投入電力の一定化と相俟って高い
繰り返しにおいてもレーザ効率の低下を招かない。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は請求項１記載の発明の実施例を示すもので、前記第
１１図と同一部分には同一符号を符して重複説明を省略
する。第１図において，１５は放電管１００に流れる電
流を検出する電流検出器、ｌ６は放電管１００に印加さ
れる電圧を検出する電圧検出器、ｌ７は電流検出器１５
と電圧検出器１６の検出結果に基づいて、放電管１００
の投入電力を算出する電力計算回路である。

第２図は放電管１００の端子から該放電管を見た等価回
路図であり、 ■＝電圧検出器出力 ｉｄ　：＊流検出器出力 Ｃｓ　：放電管の容量 Ｌ：放電管のインダクタンス Ｒ：放電抵抗 ｉ５：容量ＣＳを流れる電流 ｉＴ：放電抵抗を流れる電流 ｖＴ：放電抵抗両端の電位差 とすると， ｄｖ ｄｖ ｄｔ ｄｔ　　　　　　　　　　　ｄｔ ・・・・・・（１） となる． 次に上記実施例の動作について説明する。高圧電ｇｌ１
からダイオード１０および充電用リアクトル９−罪鷺檎
＃を通じて充電用コンデンサ８に高圧電圧が充電される
。

この状態において、パルス制御回路１３によって駆動さ
れるサイラトロンエ２がオンすると、充電用コンデンサ
８に充電された高圧電圧は外筒４を通じて対向する電極
１に印加され、内管２の中にガス放電を形或する。

このとき、電流検出器ＩＳで検出された放電電７ 流および電圧検出器ｌ６で検出された電極↓の印加電圧
に基づいて、電力計算回路ｌ７で前記（１）式の演算を
行って放電電力を算出し、この放電電力と予め設定され
た基ｉ！ｉ！！電力と比較した結果により、パルス発生
回路２００の高圧電ｉｒｌＸ１１を制御して放ｗｔ力，
つまり投入電力の均一化を図るものである． 第３図は上記電力計算回路１７の１例を示すブロック図
であり，電圧検出器ｌ６の検出電圧Ｖをメモリｌ８に入
力し、電流検出器１５の検出ｉｉ流ｉｄをメモリ１９に
入力する。

微分回路２０で微分したメモリ１８の出力と容量設定器
２１に設定された容′ｌｔｔＣｓとを乗算器２２で乗算
し、この乗算結果をインバータ２３からｃ５ｉ　Ｍ　　
として出力する。この出力−ｃ　ｓ２　千とメモリ１９
の出力とを加算器２４で加算し，この加算器出力ｉｙを
微分回路２５で微分し、このｄｉ 微分回路２５の出力一丁１１とインダクタンス設定回路
２６の出力とを乗算器２７で乗算し、この乗算器２７の
出力Ｌ互１１にインバータ２８に入力ｄｔ する。

１ｊユ このインバータ２８の出力−Ｌ　　　と前記メｄｔ モリエ８の出力を加算器２９で加算し、この加算器２９
の出力Ｖ７と前記加算器２４の出力ｉγを乗算器３０で
乗算し、この乗算器３０の出力を積分器３１で積分する
ことにより前記（１）式による放ｉｌｔｉ電力が算出さ
れる。

次いで、この算出された放電電力と電力設定器３２に予
じめ設定された基準電力とを比較器３３で比較し、その
比較結果に応じて、両電力が等しくなるように高圧電源
ｌ１を制御する。

第４図はこの発明の他の実施例を示すブロック図であり
、前記第Ｉ図に示す実施例における電圧検出器ｌ６の代
りに、ピーキングコンデンサ１４に流入する電流ｉ，を
検出する電流検出器３４を設けたものである。３５は電
流検出器１５．３４の出力を入力とする電力計算回路で
ある。

第５図は第４図の実施例における放ｆｉ’ｌ？ｌｏＯの
端子から該放電管を見た等価回路図であり、前記第２図
に示す等価回路図と同じになり、従って、放１１！ｆｆ
ｉ力の演算式も前記（１）と同一となる。

第６図は第４図実施例における電力計算回路３５のｌ例
を示すブロック図であり、電流検出器３４の検出電流を
メモリ３６に入力し、電流検出器１５の検出電流をメモ
リ３７に入力する。

メモリ３６の出力ｉｔとインバータ３８を通したメモリ
３７の出力−ｉｄとを加算器３９で加算し、この加算器
３９の出力ｉｔ−ｉｄをｃｐ設定器４０の出力と割算器
４１で割算し、この割算器の出力を積分器４２で積分し
て出力ｖｐを得る。

また、上記ｃｐ設定器４０の出力は容量設定器４３の出
力Ｃｇと割算器４４で割算し、この割算器４４の出力Ｃ
ｓ／Ｃｐを上記加算器３９の出力ｉ，−ｉ４と乗算器４
５で乗算し、インバータ４６を通った乗算器４５の出力
とメモリ３７の出力を加算器４７で加算する． 次いで，微分回路４８で微分された加算器４７の出力と
インダクタンス設定器４９の出力Ｌを乗算器５ｏで乗算
し、インバータ５１を通った乗算器５０の出力一Ｌ汁と
上記積分器４２の出力Ｖρを加算器５２で加算する． この加算器５２の出力ｖ１−と上記加算器４７の出力ｉ
↑とを加算器５３で乗算し，この乗算器５３の出力を積
分器５４で積分することにより、１１右記（１）式によ
る放電電力が算出される。

以下、この算出された放電電力と電力設定器５５に予じ
め設定された基準電力とを比較器５６で比較し、その比
較結果に応じて、両電力が等しくなるように高圧電看，
↓１を制御することは、前記第工図に示す実施例と同じ
である。

第７図は請求項２記載の発明の実施例を示すもので、前
記第■図と同一部分には同一符号を符して重複説明を省
略する。第７図において，５７は遅延回路であり、この
遅延回路５７の入力側がパルス制御回路工３と接続され
、その出力側が第２のパルス発生回路３００と接続され
、パルス制御回路１３からの信号を受けて、所定時間だ
け遅延させる。また、第２のパルス発生回路３００は、
その出力側が放電管１００と接続され、遅延回路５７か
らの信号を受けて放電管１００に電圧を印加する． 第８図は第１−図の第２のパルス発生回路３００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５９を介して巻線比ｎ＝１のパルストランス
６０の二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６０の二次側の他端と接続されている
。フィルタコンデンサ６１はパルストランス６０の二次
側と並列に接続され、このフィルタコンデンサ６１とフ
ィルタリアクトル５９とで保護回路６２を構或している
。上記パルストランスの一次側の一端は、逆極性のダイ
オード６３およびパルス充電リアクトル６４を介して直
流電ｉ１ｆｉ６５の正極側と接続される共にパルス用コ
ンデンサ６６を介して自己泪弧型スイッチ６７の一端と
接続され、上記パルストランス６０の一次側の他端は、
パルス用リアクトル６８を介して上記自己消弧型スイッ
チ６７の他端と接続されている。また、直流電源６５の
負極側は自己消弧型スイッチ６７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イッチ６７と
接続されている． 第９図はこの発明の一実施例による放電管１００に印加
される電圧を表すタイムチャート図を示す図である。

上記のように構成された銅蒸気レーザ装置において，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５７がパルス制御回路１３の出力を所定の時間だ
け遅延した後、第２のパルス発生回路３００に信号を与
える。第２のパルス発生回路３００の自己消弧型スイッ
チ６７が遅延回路５７の信号を受けて導通すると、パル
ス用コンデンサ６６に蓄えられてた電圧は、パルストラ
ンス６０、パルス用リアクトル６８に印加される．パル
ストランス６０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６１、フィルタリアクト
ル５９を通して放電管１００にパルス電圧が印加される
。

第９図に接続線ａ−ｂ間に印加される電圧ｖａｂを時間
に対して示す。時刻１．３において，第１のパルス発生
回路２００からパルス電圧が放電管１００に印加されガ
ス放電を得る。時刻ｔ０から所定時間でだけ遅延され、
第２のパルス発生回路３０ｏからパルス電圧が印加され
、それを一定の繰り返しで行う。フィルタリアクトル５
９、フィルタコンデンサ６１は第王のパルス発生回路２
００からの電圧に対しては阻止するように働き、第２の
パルス発生回１３００からの電圧に対しては伝達するよ
うなローバスフィルタとなっている。第２のパルス発生
回路３００からの電圧パルス幅ＴＸは，パルス用リアク
トル６８のインダクタンスＬｘとパルス用コンデンサ６
Ｓの容ｔＣｘで決まり、 Ｔｘ＋７ｃ　Ｌｘ７Ｃｘ 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
なっている。

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電子
との超弾性衝突によって行われる。

つまり、 Ｃｕ串＋ｅ　（ＳＬＯＩＩ）→Ｃ　ｕ　＋　ｅ　（ｆａ
ｓｔ）ここで、Ｃｕ率は下準位原子 Ｃｕは基底準位原子 ｅ　（ＳＬＯＩＩ）は低速電子 ｅ　（ｆａｓｔ）は高速電子 となる。

第２のパルス発生回路３００から印加される電圧は，銅
原子を上準位に励起しない低い電圧であるが、電子の加
速は行われるた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、よっ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６５に蓄えら
れた電圧を放電管１００に印加したが直流電源６５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イッチａ７を用いた
が非自己消弧型スイッチでなくてもスイッチのオフ状態
が得られるものであればよい。

また、第７図の実施例においては、放電管↓ＯＯに対す
る投入電力の均一化を図るために，前記第（１）式の放
電電力を算出する電力計算回路ｌ７で第２のパルス回路
３００を制御する。

第１０図は他の実施例を示すもので、前記第４図と同様
に、ピーキングコンデンサエ４の流入電流を用いて、前
記（１）式の放電電力を算出する電力計算回路３５で第
２のパルス発生回路３００を制御するもので，他の動作
は前記第７図と同じであるので重複説明を省略する。

なお，第７図，第１０図の実施例において、第２のパル
ス発生回路３００の制御と共に第ｌのパルス発生回路２
００を制御する。あるいは前記第ｌ図，第４図の実施例
と同様に第１のパルス発生回路２００のみを制御して，
放電管１００への投入電力の均一化を図ってもよい． 〔発明の効果〕 以上のように、請求項１記載の発明によれば、放電管に
一定の投入電力を供給するように構成したので、放電管
内部の温度を均一に保持することができ、異常温度上昇
による放電管の破損を防止し所望の色のレーザを安定出
力することができる効果がある． また、請求項２記載の発明によれば、第１のパルス発生
回路と別に第２のパルス発生回路を設け、第１のパルス
発生回路からパルス電圧が印加された後，所定時間遅延
して第２のパルス発生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のパルス発生回路からの
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ある６

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載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２図は第１図の実施例における
放電管の等価回路図、第３図は第１図の実施例における
電力計算回路の１例を示すブロック図、第４図は他の実
施例を示す構成図，第５図は第４図の実施例における放
電管の等価回路図、第６図は第４図の実施例における電
力計算回路の１例を示すブロック図、第７図は請求項２
記載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８図は第７図の実施例における第２のパルス発生
回路の回路図、第９図は第７図の実施例における放電管
の印加電圧を示すタイムチャート図、第１０図は他の実
施例を示す構或図、第１１図は従来の金属蒸気レーザ装
置の構或図である。 １００は放電管．２００は第ｌのパルス発生回路．３０
０は第２のパルス発生回路．１５．３４は電流検出器，
１６は電圧検出器、１７．３５は電力計算回路。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す． ２００ 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス放電によって金属を加熱、気化させてレーザ
   出力を得る放電管と、前記放電管にガス放電を発生させ
   るパルス電圧を供給するパルス発生回路と、前記放電管
   に流れる電流を検出する電流検出器と、前記放電管に印
   加される電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器
   と前記電圧検出器との検出出力に基づいて前記放電管の
   投入電力を算出し、算出結果に基づいて投入電力が一定
   となるように前記パルス発生回路を制御する電力計算回
   路とを備えた金属蒸気レーザ装置。
2. （２）ガス放電によって金属を加熱、気化させてレーザ
   出力を得る放電管と、前記放電管にガス放電を発生させ
   るパルス電圧を供給する第１のパルス発生回路と、前記
   第１のパルス発生回路とは別に設けられ、前記第１のパ
   ルス電圧より所定時間遅延し該第１のパルス電圧より小
   さい第２のパルス電圧を前記放電管に供給する第２のパ
   ルス発生回路と、前記放電管に流れる電流を検出する電
   流検出器と、前記放電管に印加される電圧を検出する電
   圧検出器またはピーキングコンデンサに流入する電流を
   検出する電流検出器と、前記電流検出器と前記電圧検出
   器または電流検出器との検出出力に基づいて前記放電管
   の投入電力を算出し、算出結果に基づいて投入電力が一
   定となるように前記第１のパルス発生回路または前記第
   ２のパルス発生回路のいずれか一方あるいはその双方を
   制御する電力計算回路とを備えた金属蒸気レーザ装置。