JPH0380582A - パルス放電励起レーザ装置 - 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、マイクロ波放電を予備電離源とするパルス
放電励起レーザ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

パルス放電励起レーザ装置としては、ＴＥＡ　（ｔｒａ
ｎｓｖｅｒｓｌｙｅｘｃｉｔｅｄ、ａｔｍｏｓｐｈｅｒ
ｉｃ　）　Ｃｏｔレーザ装置やエキシマレーザ装置など
があるが、装置構成は類似しているので、エキシマレー
ザ装置を例にとって説明する。

第３図は例えば株式会社シーエムシーから１９８６年３
月２５日に発行された、豊田浩−および村原正隆監修の
本「エキシマレーザ最先端応用技術、１の第４２〜４４
ページに掲載された従来の“アーク放電を用いたパ紫外
線予備電離方式エキシマレーザ装置の放電励起部の概念
図であり、第４図は同じ本の矢張り第４２〜４４ページ
に掲載された“コロナ放電を用いた”紫外線予備電離方
式エキシマレーザ装置の放電励起部の概念図であり、そ
して第５図は同じ本の第１９〜２０ページに掲載された
Ｘ線予備電離方式エキシマレーザ装置の放電励起部の概
念図である。いづれも、紙面に垂直な方向がレーザ光軸
方向であり、同軸と直交する断面を示したものである。

第３図において、（１）と（２）は相対向する１対の主
電極、（３）はこれら主電極間（主放電空間）に形成さ
れる主放電、（４）は土竜ｆｉ（１）と（２）の間に接
続され、主放電（３〉を起こさせるための電源、（５）
と（５＾）は予備電離源としてのアーク放電を起こすた
めに、主電離（１）および（２）の長手方向（レーザ光
軸方向）に沿って複数個設けられた予備電離用ビン電極
対、（６）はこのビン電極対間に形成されるアーク放電
、（７）はこのアーク放電から発生する紫外線である。

第４図において、（８）は開孔部を有する主電極、（９
）はこの主電極（８）の、主電極（１）とは反対側に設
けられた誘電体、（１０）はこの誘電体（９）の、主電
極（１）とは反対側に設けられた補助電極であって、電
極（４）に接続されている。（１１）は主電極（８）と
誘電体（９）の間に形成されるコロナ放電である。

第５図において、（１２）は後述するＸ線が通過できる
ように薄く配設された主電極であって、電源（４）に接
続されている。（１３）はＸ線源、（１４）はこのＸ線
源（１３）が発生したＸ線である。

次に動作について説明する。第３図のエキシマレーザ装
置においては、主電極（１）と（２）に高電圧が印加さ
れる前に、ビン電極対（５〉　と・（５＾〉間に電圧が
印加されてアーク放電（６）が起こる。このアーク放電
（６）から発生する紫外線（７）は主放電空間にあるガ
スを光解離し、主放電空間内に種電子を作り出す。次い
で電源（４）から主電極（１〉　と〈２）に印加される
高電圧が破壊電圧に達すると、上記種電子を契機として
主放電（３）が主電極（１）と（２）の間の全域で形成
される。もし種電子を主放電空間内にバラまく操作（予
備電離）をあらかじめ行わないと、主放電（３）は、主
電極（１）と（２）の間の全域に形成されず、ある１点
でカミテリ様のアーク放電が起こるのみであり、レーザ
ガス励起が有効に行われない。

第４図のエキシマレーザ装置は、」二記予備電離の操作
を、コロナ放電を用いて行うものである。

そこでは、まず開孔主型ｉ　（８）と補助室ｆｆｉ　（
１０）の間に電圧が印加され、誘電体（９）を介したコ
ロナ放電（１１）が形成されこのコロナ放電〈１１〉か
らの紫外線が開孔を通して主放電空間に達し、主放電空
間が予備電離される。また、コロナ放電（１１）から電
子が開孔を通して直接、主放電空間に引き出される効果
もある。このエキシマレーザ装置の、第３図に示したエ
キシマレーザ装置に比べた長所は、アーク放電に比べて
ソフトなコロナ放雷を予備電離源として使うため、レー
ザガスの劣化が少ない事である。

しかし、これらの放電を予備電離源とする方式では、次
の様な欠点があった。第３図のエキシマレーザ装置にお
いては、予備電離源としてのアーク放電が局所的である
ため、ビン電極対（５）（５＾〉の数を増しても主放電
空間内に作られる種電子の密度にムラが生じる。一方、
第４図のエキシマレーザ装置においても、全ての開孔部
に対応する部分で均等にコロナ放電を起こずことが難し
く、コロナ放電が強く起こっている開孔部やコロナ放電
が起こっていない開孔部が存在し、やはり粍を子密度に
は空間的にムラが生じてしまう。

空間的に、ムラなく、均一な種電子の分布を得る方法と
して、第５図に示すＸ線予備電離方式エキシマレーザ装
置がある。このエキシマレーザ装置はＸ線源（１３〉か
ら打ち出される均一なＸ線（１４）を、薄い金属製主電
極（１２）を通して主放電空間に打ち込む方法で、もと
もと均一なＸ線で予備電離を行うため、空間的に均一な
種電子の形成が実現できる。しかし、この方法は、レー
ザ発振器以外に、Ｘ線源（１３）を装置に付加しなけれ
ばならず、構造が複雑化する。また、Ｘ線源自体も、Ｘ
線を発生するために著しく高い電圧を必要とし、放電を
用いる予備電離のように１秒間に数百回といった速い繰
り返し動作が難しく、寿命も短いという欠点がある６ ｒ発明が解決しようとする課題〕 従来のパルス放電励起レーザ装同は以上のように構成さ
れているので、長寿命で速い繰り返し動作に対応したア
ーク放電やコロナ放電を予備ｆｆ１Ｍ源として用いると
、種電子密度分布にムラを生じ、主放電自体も不均一な
ものとなり、放電の安定性が低く、レーザ効率が低いと
いう問題点があった。

一方、均一な種電子密度分布を与えるＸ線予備電離方式
は、Ｘ線源の寿命が短く、速い繰り返し動作ができない
という問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、主放電空間に均一な種電子密度分布を与え
、かつ長寿命で速い繰り返し動作が可能な予備電離源を
有するパルス放電励起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〕

この発明に係るパルス放電励起レーザ装置は、主放電空
間に種電子をあらがしめ供給するための予備電離源とし
て、マイクロ波放電を生成するマイクロ波回路およびマ
イクロ波発生源を設けたものである。

〔作　用〕

この発明においては、マイクロ波放電を予ｍ電離源に用
いることにより、主放電空間に均一な種電子密度分布を
与え、これにより均一な主放電を得る。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を添付図面について説明する
。

第１図は、この発明の一実施例を示す断面図であり１図
において（１〉〜（４）は第３図について説明したもの
と全く同じものである。（１５）はマイクロ波発生源、
（１６〉はこのマイクロ波発生源（１５）と連結された
導波管、（１７）はこの導波管（１７）の端部に設けら
れたマイクロ波結合窓、（１８）はこのマイクロ波結合
窓〈１７〉に続く空胴壁、（１９）はこの空胴壁（１８
〉の中央部に設けられた凸部であるリッジ、（２０）は
マイクロ波回路の１部を構成する導電体壁であって、マ
イクロ波放電からの光もしくは電子を主放電部へ導くた
めの開孔部を有している。

（２１）は導電体！　＜２０）に対向して設けられた誘
電体、（２２）は導電体壁（２０）と誘電体（２１）の
間に形成される空間、（２３〉は導電体壁（２０〉と誘
電体（２１）の間に形成されるマイクロ波放電である。

この発明のパルス放電励起レーザ装置は上述したように
構成されており、以下にその動作を詳しく説明する。マ
イクロ波発生源（１５）で発生されたマイクロ波は、導
波管（１６）を伝搬し、マイクロ波結合窓（Ｉ７）でイ
ンピーダンスマツチングをとることによりリッジ（１９
〉を有する空胴壁（１８）に結合される。マイクロ波は
リッジ（１９）付近に集中し、非常に強いマイクロ波電
磁界を発生する。この強い電磁界により空間〈２２）に
あるレーザガスが放電破壊し、マイクロ波放電（２３）
が形成される。このマイクロ波放電（２３）から発生す
る光や電子は、開孔部を有する導電体壁〈２０〉を通し
て主放電部に導入され、この主放電部を予備電離する６
一方、主電極（１）および（２）には電源（４）からパ
ルス高電圧が印加され、上記予備電離により生成された
Ｍ電子を契機として主放電（３）が形成される。ここで
、上記マイクロ波放電（２３）について更に詳しく説明
する７本実施例にあるリッジ空胴のようにマイクロ波回
路が誘電体（２１）と放電プラズマの境界に垂直な電界
成分モードを形成する場合、誘電体（２１）と開孔部を
有する導電体壁（２０）は、相対向して設置されている
ので、導電体壁（２０）にも垂直な電界成分を有するこ
とになり、放電プラズマを貫く電界ができる。この時、
導電性をもつプラズマが発生しても、マイクロ波入射窓
である誘電体（２１）に対向してプラズマよりも数桁導
電性の高い導電体壁（２０〉があるため、マイクロ波の
終端電流はこの導電体壁（２０）を流れ、導電体壁（２
０）の近傍の電界は強制的に導電体壁（２０）の表面に
垂直にされ、上記プラズマを貫く電界が維持される。こ
のためマイクロ波がプラズマ中に浸透し、プラズマを貫
く電流が流れ、電流の連続性からプラズマの深さ方向に
ついて空間的に−様な放電プラズマが発生する。更に誘
電体（２１）中を自由に伝搬するマイクロ波は、誘電体
（２１）とプラズマの境界から均一にプラズマ中に侵入
し、マイクロ波放電が無電極放電であって本質的にアー
ク放電になり難いことや誘電体（２１）が容量性のバラ
スト効果をもつことがら、プラズマの横方向についても
空間的に−様な放電プラズマが得られ、これらの結果と
して、空間的に−様な体積放電が実現される。従って、
空間的に−様な予備電離源によって予備電離される主放
電空間には、極めて均一なＮ電子密度分布が形成される
ことになり、極めて均一で安定な主放電を起こすことが
できる。また、マイクロ波発生源（１５）はＸ線源のよ
うな約５０にＶ〜１００ＫＶの高電圧や１０’−’ｍｍ
１ｌＩ？以下の高真空を必要とせず、繰り返しもｋｔｌ
ｚ以上が可能であり、Ｘ線源に比べて桁違いに長寿命で
ある。

第２図は、この発明の他の実施例を示す断面図であり、
図において第１図に示したものと同一の符号は同一もし
くは相当部分を示す。

第２図に示した他の実施例では、相対向する主電極の一
方を開孔電極とし、第１図に示した一実施例の開孔部を
有する導電体壁（２０）の役目も兼ね備えるようにした
ものである。動作原理は上述した一実施例の場合と同様
であるが、以下の様な特徴を持つ。すなわち、一実施例
では、主電極の側面から予備電離作用を働かせているた
め、幅の広い主放電を形成する目的で幅広の主電極を作
ると、予備電離源からの光や電子の浸透能力の限界から
主電極中央まで十分な予備電離が行われず、中抜けの主
放電が形成されてしまう、一方、他の実施例では、主電
極の背後側から予備電離をかける方法であるため、幅広
の主電極の場合も中抜けでない主放電が形成される。も
ちろん、主電極間ギヤツブを長ギャップにした時には、
同ギャップ方向には、浸透能力の限界から、予備電離が
行われない所が生じるが、これは主放電形成過程のアバ
ランシェによって十分緩和される。

開孔径は、予備電離用の光や電子が十分通過できるよう
に大きくすることが望ましいが、一方では、マイクロ波
をマイクロ波放電空間にとじ込めるために、一定の大き
さ以下にしなければならない６実験の結果、開孔径は、
マイクロ波の波長の１／１０〜１／１００にすると良い
ことが分かった。

また、一実施例においては、片方の側面かへののみ予備
電離を行う例を説明したが、両方の側面から予備電離を
行ってもよい。他の実施例においては、一方の主電極を
開孔電極とすると説明したが、両主電極を開孔電極とし
、両主電極の背後から予備電離をかけても良い。

更に、マイクロ波放電部構造の一例としてリッジ空胴型
を説明したが、マイクロ波放電が形成され、このマイク
ロ波放電からの光や電子を、予備電離のために開孔を通
して取り出せる構造でありさえすれば、マイクロ波放電
形式やマイクロ波発生源の種類に何ら制限を設けるもの
ではない。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、この発明は、主放電空間に種電子
をあらかじめ供給するために予備電離源として、マイク
ロ波放電を生成するマイクロ波回路およびマイクロ波発
生源を備えているので、均一な予備電離用放電によって
主放電空間の種電子密度分布も均一となり、主放電自体
を均一化、安定化し、レーザ発振を高効率化、高禄り遅
し化、長寿命化する効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は、
この発明の他の実施例を示す断面図、第３図ないし第５
図は従来のパルス放電励起レーザ装置を示す断面図であ
る。 図において、（１）と（２〉は相対向する１対の主電極
、（３）は主放電、（４）は電源、（１５）はマイクロ
波発生源、（１６〉は導波管、（１７）はマイクロ波結
合窓、（１８）は空胴壁、（１９）はリッジ、（２０）
はマイクロ波回路の一部を構成する、開孔部を有する導
電体壁、（２１〉は誘電体、（２２）は導電体壁（２０
）と誘電体（２１）とで形成される空間、〈２３）はマ
イクロ波放電である。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）主放電空間にパルス電圧を印加し、パルス状の主
   放電を形成させ、この主放電によりレーザ媒質を励起し
   、レーザ発振を得るレーザ装置において、前記主放電空
   間に種電子をあらかじめ供給するための予備電離源とし
   て、マイクロ波放電を生成するマイクロ波回路およびマ
   イクロ波発生源を備えたことを特徴とするパルス放電励
   起レーザ装置。