JPH03190179A - パルスレーザ装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、パルスレーザ装置に係り、特に、その放電部
及び電源構成に改良を施したパルスレーザ装置に関する
ものである。

（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
ザを始めとするパルスレーザ装置では、レーザガス圧力
が大気圧以上であり、さらに、電子付着性の強いガス成
分を含んでいるため、上記グロー放電を均一に点弧する
ことは困難である。このため、グロー放電点弧に先立っ
て予備電離を行うと共に、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するのが一般的である。

第４図は、従来のパルスレーザ装置の放電部構成及び励
起電源回路の一例を示す図である。即ち、一対の主電極
１．２が対向して配設され、主電極１．２で囲まれた空
間内にレーザガスが充填されている。また、主電極２は
接地されている。一方、主電極１には予備電離電極３ａ
が接続され、両者は電気的に同電位になっている。この
予備電離電極３ａと予備電離電極３ｂとは、ギャップ４
を介してレーザガス中に対向して配設されている。また
、予備電離電極３ｂは主電極１と絶縁されてし−サ′ガ
ス中から引き出され、コンデンサＣｓ５に接続されてい
る。さらに、充電用インダクタンス６の一端は予備電離
電極３ｂとコンデンサＣｓ５に共通接続され、他端は接
地されている。また、コンデンサＣｓ５はスイッチ７を
介して接地されると共に、充電抵抗８を介して高圧電源
ＨＶ９に接続されている。さらに、主電極１．２間には
コンデンサＣｂｌＯが接続されている。そして、これら
のコンデンサ及びインダクタンス類は、一つもしくは複
数個が並列に接続されて構成されている。また、紙面に
垂直方向には光共振器（図示せず）が配設されている。

この様に構成された従来のパルスレーザ装置は、以下に
述べるように動作する。即ち、初期状態においては、ス
イッチ７は開いており、高圧電源Ｈｖ９−充電抵抗８−
コンデンサＣｓ５−充電用インダクタンス６−接地の経
路で、コンデンサＣｓ５は充電されている。一方、コン
デンサＣｂｌＯは充電されていないので、主電極１は接
地電位となっている。次いで、スイッチ７が閉じられる
と、コンデンサＣｓ５のスイッチ７側の電位は接地電位
となるので、コンデンサＣｓ５の予備電離電極３ｂ側の
電位は、コンデンサＣｓ５に充電された極性と逆の極性
で予備電離電極３ｂに加わる。

方、予備電離電極３ａは接地電位なので、ギャップ４に
は高電圧が加わり、ギャップ４でスパーク放電が発生す
る。このスパーク放電により発生する紫外線によって、
主電極１，２間のレーザガスが予備電離される。また、
コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷は、スイッチ７−コ
ンデンサＣｓ５−予備電離電極３ｂ−ギャップ４−子備
電離電極３ａ−主電極１−コンデンサＣｂｌＯの経路で
流れ、コンデンサＣｂｌＯが充電されていく。この様に
してコンデンサＣｂｌＯの電圧が」−昇して、主電極１
，２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１．２間にグロー放電１１が形成され
、レーザガスが励起され、図示していない光共振器の作
用でレーザ光が紙面垂直方向に出射される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、」１記の様な従来のパルスレーザ装置におい
ては、コンデンサＣｓ５を数１０ｋＶ以」二で充電し、
また、コンデンサＣｂｌＯを充電する速度を高めて、ギ
ャップ４で形成される予備電離放電の発生時間とグロー
放電１１が形成される時間間隔を短くすることが必要で
ある。このため、スイッチ７を流れる電流の最大値及び
時間変化率は非常に大きく、使用可能なスイッチの種類
が限定されるだけでなく、スイッチ７の寿命も短くなる
といった欠点があった。また、スイッチ７の特性で決ま
る許容電流最大値及び許容電流時間変化率以上には、充
電電圧やコンデンサＣｂｌＯの充電速度をあげることが
できなかった。

この様に、利用できるスイッチの動作範囲及び種類が限
定されるため、繰り返し運転や、長寿命運転の面で制限
され、また、レーザ運転の動作範囲の拡大、発振効率の
向上を実現することができなかった。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、スイッチの動作責務を大幅に低減し、
長寿命で、動作範囲が広いパルスレーザ装置を提供する
ことにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、対向して配置された一対の主電極間にコンデ
ンサを接続するパルスレーザ装置において、前記コンデ
ンサを直列に２分割し、一方のコンデンサを直流充電す
る電源回路に接続し、また、他方のコンデンサをパルス
充電する電源回路に接続し、さらに、前記主電極間の電
界方向と直交する方向に磁界を発生する磁界発生装置を
配設したことを特徴とするものである。

（作用） 本発明のパルスレーザ装置においては、主電極間に直列
に配置した２つのコンデンサのうち、グロー放電に供給
する全電気エネルギーの一定の部分が、直流充電した一
方のコンデンサから供給される。また、磁界発生装置に
より発生させた磁界の作用によって直流充電エネルギー
が増大され、さらに、グロー放電に供給する残りのエネ
ルギーが、パルス充電した他方のコンデンサから供給さ
れる。それにより、スイッチングエネルギーの低減か可
能となり、スイッチの寿命を長くすることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づいて
具体的に説明する。なお、第４図に示した従来型と同一
の部Ｈには同一の符号を付して、説明は省略する。

本実施例においては、第１図に示した様に、主電極１，
２間には、コンデンサＣｄ２ＯとコンデンサＣｐ２１と
が直列に接続され、両コンデンサの接続点は接地されて
いる。また、主電極１は充電抵抗２２を介して第２の高
圧電源ＨＶａ２３に接続されている。この高圧電源ＨＶ
ａ２３の電圧極性は、コンデンサＣｓ５に接続された第
１の高圧電源ＨＶ９の電圧極性と逆極性となっている。

さらに、以上のコンデンサ、抵抗及びインダクタンス類
は、一つもしくは複数個が・１１列に接続されて構成さ
れている。また、紙面垂直方向には、光共振器と共に磁
界発生装置（図示せず）が配設されている。

この様な構成をイ１する本実施例のパルスレーザ装置は
、以下に述べる様に作用する。即ち、第１図に示した様
に、初期状態ではスイッチ７は開いており、第１の高圧
電源ＨＶ９−充電抵抗８−コンデンサＣｓ５−充電用イ
ンダクタンス６−接地の経路で、コンデンサＣｓ５は充
電されている。

また、直列に接続されたコンデンサＣｄ２Ｏとコンデン
サＣｐ２１のうち、コンデンサＣｄ２Ｏは、第２の高圧
電源ＨＶａ２Ｂ−充電抵抗２２−コンデンサＣｄ２０−
接地の経路で充電され、主電画１．２間にはコンデンサ
Ｃｄ２Ｏの電圧が加わっている。

この時、主電極］、２間には放射線等外部の影響で電子
が発生し、この電子が主電極１，２間の電界２４によっ
て加速されるが、主電極１．２１Ｂ１には磁界発生装置
（図示せず）によって発生した磁界２５が紙面垂直方向
に働くため、前記電子の軌道２６は、第２図に示した様
に螺旋状となり、主電極１．２間から遠ざかるようにな
る。この様に、主電極１．２間に磁界２５を作用させる
と、主電極間の電子密度が低下するため、主電極１゜２
間に放電路が形成されにくくなり、コンデンサＣｄ２Ｏ
の充電電圧を磁界２５がない場合に比べて大きくするこ
とができる。

以上の過程ではコンデンサＣｐ２１は充電されていない
ので、主電極１は接地電位になっている。

ここで、スイッチ７が閉じられると、コンデンサＣｓ５
のスイッチ７側の電位は接地電位となるので、予備電離
型ｈ％　３　ｂに加わる電圧はコンデンサＣｓ５に充電
された電圧と逆極性となる。一方、Ｔ′−（ｉ電離電極
３ａは接地電位なので、ギャップ１１にはコンデンサＣ
ｓ５に充電された電圧が加わり、ギャップ４でスパーク
放電が発生する。このスパーク放電により発生ずる紫外
線によって主電極１゜２間のレーザガスが予備電離され
る。この時、コンデンサＣｓ５に蓄えられた電荷は、ス
イッチ７−コンデンサＣｓ５−予備電離電極３ｂ−ギャ
ップ４−子備電離電極３ａ−主電極１−コンデンサＣｐ
２１の経路で流れ、コンデンサＣｐ２１が充電されてい
（。この様にしてコンデンサＣｐ２１の電圧が上昇して
、コンデンサＣｐ２１とコンデンサＣｄ２Ｏの電圧の和
が、主電極１．２間の放電破壊電圧具」二に達すると、
主電極１，２間にグロー放電が形成され、レーザガスが
励起されて、図示していない光共振器の作用てレーザ光
が紙面垂直方向に出射される。

以下に、本実施例におけるスイッチ７のスイッチングエ
ネルギーの低減について説明する。なお、従来型との比
較が容易となるように、コンデンサＣｂｌＯの容量値と
、本発明になるコンデンサＣｄ２ＯとＣｐ２１の直列容
量値か等しく、また、主電極１，２間の放電破壊電圧（
ｖｂ）が、コンデンサＣｐ２１の電圧（Ｖｐ）とコンデ
ンサＣｄ２Ｏの電圧（Ｖｄ）の合旧値と等しい（ｖｂ＝
ｖｐ＋Ｖｄ）と仮定する。

即ち、従来型のスイッチングエネルギーをＥｂ＝１／２
・ＣｂＶｂ２ とし、本実施例のスイッチングエネルギーをＥ　ｐ　＝
　１　／　２・ＣｐＶｐ２ とすると、ＥｐとＥｂの関係は次式で表わされる。

Ｃｐ／Ｃｄ Ｅｐ＝　　　　　　　　　・Ｅｂ　　　・・・（１）１
　＋　Ｃｐ　／　Ｃｄ 例えば、コンデンサＣｐ２１とコンデンサＣｄ２Ｏの容
量値が等しい（Ｃｐ＝Ｃｄ）場合には、Ｅｐ＝１／２Ｅ
ｂとなり、スイッチングエネルギーは従来の５０％に低
下する。また、この時の電圧値Ｖｐは従来型の電圧値ｖ
ｂの１／２となり、動作７ｍ圧も１／２となる。この様
にスイッチ７の動作責務は大幅に軽減される。

また、Ｃｐ＜Ｃｄとし、直流光ｒｒｓ電圧を増加させる
動作条件でも、磁界２５の作用によって主電極１，２間
で放電路が形成されないため、さらにスイッチングエネ
ルギーを低下させることができる。

この様に、本実施例によれば、主電極間に直列に配置し
た２つのコンデンサのうち、グロー放電に供給する全電
気エネルギーの一定の部分を直流充電した一方のコンデ
ンサから供給し、さらに、磁界発生装置により発生させ
た磁界の作用によって直流充電エネルギーを増大させ、
グロー放電に供給する残りのエネルギーをパルス充電し
た他方のコンデンサから供給することができる。その結
果、スイッチングエネルギーを大幅に低減することがで
き、スイッチの長寿命化が可能となる。また、コンデン
サ容量及びパルス充電電圧を自由に組み合わせることが
できるので、スイッチング電流の波高値や変化率も自由
に選択でき、使用可能なスイッチ素子が大幅に増加し、
従来は使用できなかったスイッチ素子の使用も可能とな
る。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、紫外線予備電離方式以外のＸ線予備電離方式、コロ
ナ予備電離方式等のパルスレーザ装置に適用可能なこと
はいうまでもない。また、第３図に示した様に、主電極
１，２の背面近傍に永久磁石３０ａ、３０ｂを配設して
も良い。この永久磁石３０ａ、３０ｂの主電極１．２に
対する極性は同極性としている。この場合、主電極１゜
２によって形成される放電空間内の磁界３１の分布は第
３図の様になり、主電極間の電界方向２４と直交する成
分が生じる。このため、コンデンサＣｄ２Ｏの直流充電
電圧を増加させても、磁界３１の作用によって主電極１
，２間において放電路が形成されない。この磁界３１は
、スイッチ７が閉じられ、コンデンサＣｐ２１がパルス
的に充電されて、主電極１，２間の電圧が−に昇してい
く過程にあっても、主電極］、２間に放電が形成されに
くく作用する。しかし、電界強度がさらに増加すると、
磁界３１によって電子の軌道が主電極１゜２間より離れ
てい（効果は減じ、電界によって電子が主電極１．２の
対向する方向に加速される効果の方が１−分に大きくな
るため、主電極１，２間にグロー放電が点弧する。そし
て、グロー放電によりレーザガスが励起されると、光共
振器の作用によってレーザ光が紙面垂直方向に出射され
る。

し発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、対向して配置された
一対の主電極間に接続するコンデンサを直列に２分割し
、一方のコンデンサを直流充電する電源回路に接続し、
また、他方のコンデンサをパルス充電する電源回路に接
続し、さらに、前記主電極間の電界方向と直交する方向
に磁界を発生する磁界発生装置を配設することによって
、スイッチの動作責務を大幅に低減し、長寿命で、動作
範囲が広いパルスレーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパルスレーザ装置の一実施例を示す構
成図、第２図は第１図の要部拡大斜視図、第３図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第４図は従来のパルスレ
ーザ装置の一例を示す構成図である。 １．２・・・主電極、３ａ、３ｂ・・・予価電離電極、
４・・・ギャップ、５・・・コンデンサＣｓ、６・・・
充電用インダクタンス、７・・・スイッチ、８・・・充
電抵抗、９・・・高圧電源ＨＶ、１０・・・コンデンサ
Ｃｂ、１１・・・グロー放電、２０・・・コンデンサＣ
ｄ、２１・・・コンデンサＣｐ、２２・・・充電抵抗、
２３・・・高圧電源ＨＶ　ａ。 ２４・・・電界、 ２５・・・磁界、 ２６・・・電子の 軌道、 ３０ａ。 ３０ｂ・・・永久磁石、 ３１・・・磁界。 ！ 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 対向して配置された一対の主電極間にコンデンサを接続
   するパルスレーザ装置において、 前記コンデンサを直列に２分割し、一方のコンデンサを
   直流充電する電源回路に接続し、また、他方のコンデン
   サをパルス充電する電源回路に接続し、さらに、前記主
   電極間の電界方向と直交する方向に磁界を発生する磁界
   発生装置を配設したことを特徴とするパルスレーザ装置
   。