JPH04133377A - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、パルスレーザ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第８図は、例えば電気学会技術報告（■部）第２１７号
（短波長レーザの現状）第５頁（昭和６１年４月発行）
に示された従来のエキシマレーザの励起回路図である。

図において、１．２は相対する一対の主放電電極、３は
主放電電極１，２に並列に取付けられたピーキングコン
デンサ、４はパルス発生用コンデンサで、一方の端子は
主放電電極１に接続されている。また、５はパルス発生
用コンデンサ４の他端と主放電電極２との間に接続され
たスイッチで、この従来例ではサイラトロンが採用され
ている。６はピーキングコンデンサ３に並列に接続され
た充電用リアクトル、７は充電端子である。

次に動作について説明する。まず、充電端子７に正の高
電圧が印加されると、充電用リアクトル６を通じて充電
電流ｉ、が流れパルス発生用コンデンサ４が図示の極性
に充電される。ここで、ｔ＝ｊｏにおいてスイッチ５が
ＯＮするとパルス発生用コンデンサ４とピーキングコン
デンサ３の両端の電圧が第９図（ａ）　、　（ｂ）に示
すように変化する。

そしてパルス発生用コンデンサ４の充電電圧ＶＩは放電
を開始し、ピーキングコンデンサ３に電流１２が流れて
電荷の移行が行われる。

前記ｔ０≦Ｌ≦ｔ、において、パルス発生用コンデンサ
４に蓄えられた電荷がピーキングコンデンサ３に移行す
ると、１＝１．において引続き主放電電極１，２間で放
電が開始され放電電流ｉ３が矢印の方向に流れる。エキ
シマレーザではこの主放電に先立って実際には予備電離
放電が行われるが、このための電極及び回路は第８図の
場合省略しである。ｔ１≦Ｌ≦ｔ２においてピーキング
コンデンサ３からエネルギーが注入されると、主放電電
極１，２間で発生する主放電によりレーザが発振する。

エキシマレーザの如く放電抵抗の小さい（例えば０．２
Ω）レーザにおいては、ピーキングコンデンサ３の両端
の電圧Ｖ２は第９図＜ｂ＞の如く振動電圧波形となり、
逆極性の電圧が発生する（第９図（ｂ）、ｔ＝ｔｚ）。

振動がほぼ終了した時点において、パルス発生用コンデ
ンサ４の両端には、充電時とは逆極性の電圧（第９図（
ａ）の■、）が発生する。その逆極性の電圧Ｖｒが反転
電／Ａ１４となって流れる。

第１Ｏ図は他のパルスレーザ励起回路図である。

この場合には、パルス発生用コンデンサ４の電荷はスイ
ッチング的に作用する可飽和リアクトル８を通して充電
電流ｉｚｏとして流れ、ピーキングコンデンサ３に電荷
が移行する。この回路は一般にＭ　Ｐ　Ｃ（Ｍａｇｎｅ
ｔｉｃ　Ｐｕ１ｓｅ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）回路と
呼ばれるもので、スイッチ５でのスイッチングロスを低
減させるために、別のパルス発生用コンデンサ９と電流
抑制用リアクトル１０とを付加している。二〇ＭＰＣ回
路の動作波形を示したのが第１１１図（ａ）　、　（ｂ
）　、　（ｃ）であり、第８図で述べた従来例と同様に
１＝１．において主放電電極１．２間で放電が開始され
、その後、反転電流ｉ４は振動し、最終的にパルス発生
用コンデンサ４の両端には初期状態とは逆極性の電圧Ｖ
１が発生する。

（発明が解決しようとする課題） 従来のパルスレーザ装置は以上のように構成されている
ので、主放電電流が流れた後でパルス発生用コンデンサ
の両端に逆極性の逆電圧■、が発は主放電の発生したが
なり後（例えば、１μｓ程度後）に主放電電極間でアー
ク、もしくはストリーマとなって消費される。これはい
わゆるアフターカレントと呼ばれるもので、レーザ発振
に寄与せず、主放電電極を損傷し、電極寿命を短くする
という課題があった。また、アフターカレントが流れる
と高繰返し発振ができないという課題があった。

コノ発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、電極の損傷を防止して寿命を長くできると共に
、高繰返し発振が可能なパルスレーザ装置を得ることを
目的とする。

Ｃ８題を解決するための手段〕 この発明に係るパルスレーザ装置は、主放電によってレ
ーザを発生する主放電電極の片方の電極に一方の端子を
接続し、他方の端子を充電端子に接続したパルス発生用
コンデンサと、前記主放電電極に並列に接続されパルス
発生用コンデンサの電荷の移行を受けて前記レーザ出力
の主放電を行うピーキングコンデンサと、前記充電端子
と前記主放電電極の他方の端子との間に接続したスイッ
チと、前記王放電後に主放電電極にががる逆電圧に起因
する反転電流を回避する反転電流回避回路とを設けたも
のである。

〔作　用〕

この発明における反転電流回避回路は、主放電後に主放
電電極にかかる逆電圧が原因で生ずる反転電流を回避す
るために逆電圧の低減が可能な回路要所に接続したもの
で、パルス発生用コンデンサを含む回路に流れる逆電流
を抑止し、あるいは分流させて主放電電極間に逆電圧が
発生するのを防止する。

〔実施例〕 以下、この発明の一実施例を図について説明する。図中
、第８図ないし第１０図と同一の部分は同一の符号をも
って図示した第１図において、１１はダイオード、１２
は抵抗で、そのダイオード１１と抵抗１２の直列体はパ
ルス発生用コンデンサ４と並列に接続されている。また
ダイオード】１の向きは、充電端子７からの充電極性に
対しては非導通状態の向きになるように接続されている
。１３はパルス発生用コンデンサ４とサイラトロンから
成るスイッチ５の間に接続された可飽和リアクトルから
成るスイッチである。この場合、主放電電極１，２と並
列に、パルス発生用コンデンサ４、サイラトロンから成
るスイッチ５、及び可飽和リアクトルによるスイッチ１
３の直列体が接続されている。

ここで、ダイオード１１は抵抗１２とから形成される回
路を反転電流回避回路と呼称する。

次に動作について説明する。まず、パルス発生用コンデ
ンサ４に電流ｉ＋が流れて充電が行われると、１＝１．
において、サイラトロンからなるスイッチ５にトリガー
が印加され、先にパルス発生用コンデンサ４に充電され
た電荷が電流１２の如く放電する。この時可飽和リアク
トルによるスイッチ１３の電圧×時間積で決まる時間経
過後（第２図のｔ＝ｊｏ＋）、パルス発生用コンデンサ
４からピーキングコンデンサ３に電荷が移行する。

電圧波形を第２図に示す。次に１　＝　１　＋において
、主放電電極１．２間で主放電が開始して電流１３が流
れ、１＝１２においてピーキングコンデンサ３の電圧は
反転する。ｔ−Ｌ　ｚ以後、パルス発生用コンデンサ４
に逆電圧が発生しようとするが、パルス発生用コンデン
サ４には並列にダイオード１１と抵抗１２の反転電流回
避回路が接続されているので、バイパス電流ｉ４が流れ
、パルス発生用コンデンサ４に逆電圧は発生しない。よ
って、主放電後に振動の結果発生する余分なエネルギー
は抵抗１２で消費される。この結果、主放電電極１．２
間に流れるアフターカレント（反転電流）がなくなり、
アークもしくはストリーマは発生しなくなる。この実施
例において、可飽和リアクトルからなるスイッチ１３を
接続することにより、ダイオード１１に要求される応答
速度は多少遅くても良いというメリットが生ずる。これ
は以下の理由による。

第１図の可飽和リアクトルからなるスイッチ１３は、図
中に示す実線の矢印の方向に飽和しているので、いった
んパルス発生用コンデンサ４に逆電荷がたまると、この
可飽和リアクトルからなるスイッチ１３がブロック状態
となってその後の電荷の振動を止める。可飽和リアクト
ルからなるスイッチ１３が電圧をブロックしている比較
的長い時間（例えば、２００ｎｓ）内にダイオード１１
はゆっくりと逆電荷を抵抗１２を通して流せば良い。従
って、ダイオード１１の応答速度は遅くても良く、また
ピーク電流も小さくできる。よって、ダイオードは応答
速度を問わない安価なものでも使用可となる。

また、第１図とは異なり、高速、大電流ダイオードＩＩ
Ａを用いる場合の実施例を第３図に示した。この場合、
可飽和リアクトルからなるスイッチは使用しなくともダ
イオードの応答特性が速いので上記実施例と同様の効果
を奏する。

また、第４図は第１０図に示した従来例における反転電
流を回避するためになされたもので、主放電電極１，２
間に並列に可飽和リアクトルから成るスイッチ８とパル
ス発生用コンデンサ４の直列体が接続され、このパルス
発生用コンデンサ４と並列に、ダイオード１１と抵抗１
２との直列体（反転電流回避回路）が接続されている。

最初にパルス発生用コンデンサ９に充電電流１１が流れ
て充電された電荷はサイラトロンからなるスイッチ５に
よってパルス発生用コンデンサ４に容量移行（電流＋ｚ
）されるが、最初にパルス発生用コンデンサ４が充電さ
れる電流方向の極性に対してはダイオード１１は非導通
状態の向きに接続されているので、ピーキングコンデン
サ３に充電された反転電流の電荷は可飽和リアクトルに
よるスイッチ８のブロックが解かれると一挙に放電電流
ｉ４となってダイオード１１をバイパスする。よってこ
の場合も上記実施例と同様の効果を奏する。

なお、上記実施例ではピーキングコンデンサ３を用いる
場合について示したが、ピーキングコンデンサ３を用い
ない場合（例えば、第５図に示す実施例）でも上記実施
例と同様の効果を奏する。

この場合、ダイオードＩＩＡは高速、大容量ダイオード
であれば効果がなお大となる。

また、第６図はこの発明の他の実施例である。

ここでピーキングコンデンサ３及びパルス発生用コンデ
ンサ４及びスイッチ５からなる回路に直列にダイオード
１１が配置され、さらにこのダイオード１１に並列に抵
抗１２が接続されている。

この場合、充電端子７からパルス発生用コンデンサ４へ
の充電電流ｉ、は抵抗１２とインダクタンス６を通して
なされる。そして、スイッチ５が導通状態になると、パ
ルス発生用コンデンサ４に蓄えられた電荷はダイオード
１１、スイッチ５を通して放電部に並列に配置されたピ
ーキングコンデンサ３に移行（電流１２）される。移行
に伴い主放電電極１．２間の電圧が上昇し、やがて主放
電（電流ｉ３が流れる）が開始してレーザが発生する。

ところで、前記コンデンサ３，４に蓄えられた電荷の一
部は放電部で消費されず振動しようとする。このときの
電流の向きはレーザが発生するときとは逆電圧なので、
ダイオード１１で阻止するとともに、抵抗１２の値を十
分大きくしておけば１二で消費され、その結果、振動（
反転）電流値が抑止される。

この場合、ダイオード１１は高速性が要求されるため、
多数の高速ダイオードを直並列に用いているが、可飽和
リアクトル（ＭＰＣ）（図中１１（ａ）　）を用いも良
い。その場合には飽和すると振動抑止効果がなくなるが
、飽和する時間を調整し、その時間内に放電が消えるよ
うにすればよい。

また、可飽和リアクトルと低速ダイオードを組み合わせ
れば（図中１１（ｂ）Ｌ可飽和リアクトルの電圧ブロッ
クの効果とそのブロック開放時の大電流ダイオードの抵
抗分減少に伴う相乗効果によってさらによりよい効果が
得られる。

また、実施例においては充電回路にインダクタンス６を
用いてきたが、インダクタンスに蓄えられた工フルギー
が放電する際にアークになることもあり、インダクタン
スよりは抵抗６Ａを用いる方がよい。

第７図はこの発明の他の実施例である。この場合は反転
電流回避回路（振動抑止用）のダイオード１１がピーキ
ングコンデンサ３と主放電電極１２よりなる回路中に挿
入されている。ダイオード１１によって振動を抑止する
と、ピーキングコンデンサ３に残ったエネルギーは抵抗
６Ａによって消費される。

なお、上記実施例においてはダイオードや可飽和リアク
トルを用いた例について説明したが、電流を制御する働
きのある素子、例えば２極管やサイリスタ、バリスタ等
でもよい。また、抵抗１２はダイオード等の内部抵抗で
も代用できるきので、必ずしも挿入する必要はない。

また上記実施例では、スイッチ５としてサイラトロンを
用いた例について示したが、半導体スイッチ（サイリス
タ、ＳＩＴトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＥＴ等）の直並
列体でも良く、または火花ギャップ、レールスイッチの
ようなスイッチでも良い。また充電端子７からは正極性
で充電するとしたが、負極性でも良い。いずれにしても
上記実施例と同様の効果を奏する。

なお、上記実施例ではレーザとしてエキシマレーザにつ
いて説明したが、放電抵抗が小さく、放電電流の振動す
るようなレーザであればどのようなパルスレーザでも実
施可能であり、上記実施例と同様の効果を奏する。

なお、上記実施例のコンデンサの代わりに分布定数回路
であるパルス整形回路を用いても上記実施例と同様の効
果を奏する。

また、上記実施例を相互に組み合わせればさらにより大
きな効果が期待できる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、主放電終了後に主放電
電極にかかる逆電圧が原因で発生する反転電流を回避す
る反転電流回避回路を逆電圧の低減が可能な要所に設け
たので、逆電圧のエネルギーが消費され主放電電極間で
のアークやストリーマの発生が軽減されて主放電電極の
損傷をなくすことができる効果がある。

また、高繰返し発振が可能なことから、レーザの高効率
運転が実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるパルスレーザ装置の
回路構成図、第２図は第１図の動作を示す電圧波形図、
第３図ないし第７図はこの発明の他の実施例を示すパル
スレーザ装置の回路構成図、第８図は従来のパルスレー
ザ装置の回路構成図、第９図は第８図の動作を示す電圧
波形図、第１０図は従来の他のパルスレーザ装置の回路
構成図、第１１図は第１０図の動作を示す電圧波形図で
ある。 図において、１．２は主放電電極、３はピーキングコン
デンサ、４．９はパルス発生用コンデンサ、５はスイッ
チ、７は充電端子、１１はダイオード（反転電流回避回
路）、１２は抵抗（反転電流回避回路）。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主放電によってレーザを発生する主放電電極の片方の電
   極に一方の端子を接続し、他方の端子を充電端子に接続
   したパルス発生用コンデンサと、前記主放電電極に並列
   に接続されパルス発生用コンデンサの電荷の移行を受け
   て前記レーザ出力の主放電を行うピーキングコンデンサ
   と、前記充電端子と前記主放電電極の他方の端子との間
   に接続したスイッチと、前記主放電後に主放電電極にか
   かる逆電圧による反転電流を回避する反転電流回避回路
   とを備えたパルスレーザ装置。