JPH04139778A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、パルスレーザ装置に係り、特に電極部構造に
改良を施した大出力のパルスレーザ装置に関するもので
ある。

（従来の技術） レーザ技術における近年の著しい技術進歩に伴イ、各種
の産業分野において、大出力のパルスレザ装置が使用さ
れており、その−層の開発が要求されている。このよう
なパルスレーザ装置のうち、特に、ガスを媒介としたレ
ーザ装置において、良好なレーザ発振を得るためには、
レーザガス中で空間的に均一な放電の生成を必要とする
が、ＴＥＭＡ−ＣＯ２レーザやエキシマレーザなどの短
パルスレーザ光を発生させるパルスレーザ装置において
は、その動作ガス圧力が数気圧もの高圧力であり、さら
に、電子付着性の強いＣＯ２ガス或いはハロゲンガスを
含むため、放電が集中し、アーク放電になりやすい。こ
れを防止し、均一な放電を生成するために、主放電に先
立って予備電離を行うと同時に高速のパルス電圧を印°
加して、短時間に放電を生成させる方法が一般的に採用
されている。

また、主放電空間に安定したグロー放電を発生させるた
めに、主電極表面形状は、一般的に、主電極間の電界強
度が主電極中央部では一様に高く、且つ、主電極の端部
に向かうに従ってなだらかに低下していくような形状と
されてきた。（例えば、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　５ｅｒｉｅ
ｓ　ｉｎ　０ｐｔｌｃａｌ　５ｃｉｅｎｃｅｓ　５３”
Ｔｈｅ　Ｃｏ　２　Ｌａ５ｅｒ”、　Ｗ、Ｊ、ＷＩｔｔ
ｅｍａｎ、　ｐ、Ｉ７０などに示された方式） 第４図は、従来のパルスレーザ装置の主放電部の構造の
一例を示すものである。すなわち、レーザガス中におい
て、第１の主電極４に対向して第２の主電極５が配設さ
れ、各主電極４，５は、その中央部にて最も近接してお
り、この中央部から電極端部に向かってなだらかな曲率
を有して開離している。そして、このような形状を有す
ることにより、主電極４．５間の電界強度は、中央部か
ら端部に向かってなだらかに低下するようになっている
。

また、この主電極４，５の近傍には、図示していない複
数個のスパーク放電ギャップなどが配設されており、ス
パーク放電ギャップ間で発生するスパーク放電から出る
紫外線によって主電極間のレーザガスを予備電離するよ
うになっている。

さらに、主電極４，５の長手方向両端部には、光共振器
（図示せず）が配設されている。

このように構成された従来のパルスレーザ装置において
、その主電極４．５間に高速の高電圧パルスが印加され
ると、前記スパーク放電ギャップ間にスパーク放電が発
生し、主電極４．５間を予備電離した後、主電極４，５
間にグロー放電が発生する。

このグロー放電により、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で、光共振器の設置方向にレ
ーザ光が発生するが、このレーザ光の強度分布はグロー
放電の電流分布に影響される。この点について、第５図
を用いて以下に説明する。第５図は、主電極半面の断面
形状（ａ）、電界強度分布（ｂ）、及び電流分布（ｃ）
を定数Ｙｏ　　（主電極間の最短距離の１／２）で規格
化して示している。すなわち、第５図（ａ）乃至（Ｃ）
において、各横軸は、共に第４図における主電極の中央
の点（Ｘ＝０）を起点とし、この起点からの幅方向（Ｘ
軸方向）の距離（Ｘ／Ｙｏ）を示しており、第５図（ａ
）は、主電極間の距離の１／２をＹ　／　Ｙ　ｏで示し
ている。

このうち、第５図（ｂ）では、最大電界強度：Ｅ　　（
ここでは、主電極間中央のＸ／Ｙｏ＝Ｏａｘ の点の電界強度に相当する）で規格化した主電極間の電
界強度Ｅの分布を示しているが、一般にＥ／Ｅ　　の値
が最大電界強１７Ｅ　　　の９９％程度＠ａＸ　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｌａＸ以下に
低下した範囲にはグロー放電が発生しない。

このため、グロー放電の電流分布は、第５図（Ｃ）に示
すような分布となる。第５図（ｃ）では、最大電流：Ｉ
　　（ここでは、主電極間中央のＸ／■ａｘ Ｙｏ＝Ｏの点の電流に相当する）で規格化した主電極間
の電流Ｉの分布を示している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のような構成を有する従来のパルス
レーザ装置において、主電極間の電流分布は、第５図（
Ｃ）に示すように、中央から端部（Ｘ　／　Ｙ　ｏが大
の方向）に向かうに従って、電流がなだらかに減少して
いくため、発振するレーザ光の強度分布も電流の分布に
応じた形状となる。

そのため、パルスレーザ装置を増幅器として利用する場
合など、−様なレーザ光の強度分布が必要な場合は、有
効に利用できる空間が限られており、グロー放電の利用
効率が低下するという問題があった。特に、大体積の発
振空間を必要とする大出力レーザでは利用効率の低下が
大きくなり、パルスレーザ装置の動作効率を低下させて
いた。

さらに、グロー放電の電流密度を増加させてレザ発振強
度を増していった場合に、中央部の電流密度が安定した
グロー放電の許容電流密度を越えて、グロー放電が収縮
しアーク放電になるため、全体として評価した場合の許
容電流密度が低くなり、レーザ光の最大出力が低くなる
問題があった。

また、パルスレーザ装置で連続運転を実施する場合、放
電により放電部のレーザガスが加熱・分解されるため、
放電方向と電極長手方向に直交する方向にガスを流して
、ガスの冷却と置換を行うのが普通であるが、第４図に
示したような従来の主電極形状では、主電極中央部にお
いて、画電極が最も近接しているため、主電極中央部の
下流側で流路が広がることによる流速低下の他、特に電
極表面でのガス流速の低下が大きくなり、ガスの置換効
率が悪く、送風機の容量が大きくなる欠点もあった。

以上のように、従来のパルスレーザ装置においては、主
電極間を流れる電流は、主電極中央部で最大となり、中
央部を離れるに従って低下するため、−様な発振領域を
必要とする場合には、利用できないグロー放電空間が増
加してグロー放電の利用効率が低下するだけでなく、レ
ーザ発振出力の上限が、主電極中央部の局部的に高い電
流密度によって制限されるという問題があった。

また、電極表面でのガス流速の低下が大きいため、ガス
の置換効率が悪く、送風機の容量が大きくなる問題もあ
った。

本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するため
に提案されたものであり、その目的は、主電極間の電流
分布を一様にし、グロー放電の利用効率を向」ニし、レ
ーザ出力強度の限界値を向上させると共に、送風機の容
量を小さくできるような、大出力のパルスレーザ装置を
提供することである。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明のパルスレーザ装置は、一対の対向する主電極の
近傍に、主電極間の主放電空間を予備電離するスパーク
放電ギャップ列が配置されているパルスレーザ装置にお
いて、主電極が、中央部の直線と、端部の関数曲線とを
含む表面形状を有することを特徴としている。

（作用） 以上のような構成を有する本発明の作用は次の通りであ
る。

すなわち、主電極の表面形状が、中央部の直線と、端部
の関数曲線とを含むことにより、この直線の長さを長く
すれば、主電極間の最近接点が、直線の長さに応じて幅
広に連続して存在するため、この主電極間の最近接点に
対応して、電極強度の最大点が幅広に存在することにな
り、これらの最大点を中心としてグロー放電が発生する
ことになる。従って、直線の長さに応じた幅広の範囲で
電極間の電流分布を一様にでき、電極中央部の電流密度
を平坦にできるため、グロー放電の発生空間の利用範囲
が拡大し、グロー放電の利用効率を向上できる。

また、以上のように、電極間の電流分布を〜禄にできる
ことから、グロー放電の電流密度を増加させてレーザ発
振強度を増していった場合においても、主電極中央部の
電流密度が平坦であるため、安定したグロー放電を発生
する許容電流密度まで、グロー放電空間をほぼ一様に使
用できる。従って、全体として評価した場合の許容電流
密度を向上でき、レーザ出力強度の限界値を向上させる
ことが可能となる。

さらに、主電極の中央付近の電極形状を、直線としたこ
とにより、電極表面でのガス流速の低下を防止でき、ガ
スの置換効率を向上できるため、送風機の容量を小さく
できる利点もある。

（実施例） 以下に、本発明によるパルスレーザ装置の一実施例を、
第１図乃至第３図を参照して具体的に説明する。

まず、第１図は、本実施例のパルスレーザ装置の主電極
部構造を拡大して示す図である。この第１図に示すよう
に、レーザガス中において、第１の主電極１に対向して
第２の主電極２が配設され、各主電極１，２の表面形状
は、本発明に従って、中央部の直線Ａと端部の関数曲線
Ｂから構成されている。この場合、中央部の長尺な直線
Ａ及び端部の関数曲線Ｂからなる形状は、主電極１，２
の中央の軸Ｙに対して左右対称とされている。すなわち
、主電極１，２は、中央部付近では、長尺な直線Ａを描
くように、幅広の平面に形成されており、両端部付近で
は、それぞれ関数曲線Ｂを描くように、なだらかな曲率
を有する凸面に形成されている。この場合、直線Ａと両
側の関数曲線Ｂとの境界もなだらかにつながっている。

次に、第２図は、第１図の主電極を含むパルスレーザ装
置の電極部構造と励起電源回路を示す回路図である。す
なわち、放電部ａは、レーザガス中に配置され、対向配
置された第１、第２の主電極１，２の両側には、紙面垂
直方向に複数個のスパーク放電ギャップ３が配設されて
いる。

続いて、この第２図の励起電源回路構成を以下に説明す
る。まず、主電極１，２間には、スパク放電ギャップ３
を介して、コンデンサＣ２が接続されている。また、放
電部ａには、残留インダクタンスを含む回路インダクタ
ンスＬｄを介してコンデンサＣ１、スイッチＳ１が接続
され、このコンデンサＣ１の一端は、抵抗Ｒを介して図
示していない高圧電源Ｖｃに接続され、他端はインダク
タンスＬを介して接地されている。

さらに、第２図において、前記主電極１．２の長手方向
（紙面の垂直方向）両端部には、光共振器（図示せず）
が配置されている。

このように構成された本実施例のパルスレーザ装置の動
作を以下に説明する。すなわち、高電圧電源Ｖｃ−抵抗
抵抗ツーコンデンサ−インダクタンスＬの経路で、コン
デンサＣ１が充電される。

そして、スイッチＳ１が閉じられると、コンデンサＣ１
に充電された電圧が、主電極１，２間に印加される。ま
た、このときスパーク放電キャップ３には、コンデンサ
Ｃ１の電圧か加わるため、スパーク放電ギャップ３の一
部か放電する。そしてその後、一定の時間内に全てのス
パーク放電ギャップ３か放電し、このスパーク放電によ
って発生する紫外線により、対向する主電極１，２間の
レザガスが予備電離される。このようにしてスパーク放
電ギャップ３が放電すると、コンデンサＣ１の電荷はコ
ンデンサＣ２に移動する。コンデンサＣ２の電圧か上昇
してくると、主電極１．２間の電圧が高くなり、主電極
１．２間にり′ロー放電が点弧する。

以下にグロー放電の生成状況を第３図により説明する。

第３図（ａ）乃至（Ｃ）は、それぞれ主電極半面の断面
形状、電界強度分布、及び電流分布を定数Ｙｏ　　（主
電極間の最短距離の１／２）で規格化して示している。

すなわち、第３図（ａ）乃至（Ｃ）において、各横軸は
、共に第１図における主電極の中央の点（Ｘ＝０）を起
点とし、この起点からの幅方向（Ｘ軸方向）の距離（Ｘ
／Ｙｏ）を示しており、第３図（ａ）は、主電極間の距
離の１／２をＹ　／　Ｙ　ｏて示している。なお、本実
施例において、Ｘ／Ｙａ軸方向のプラス・マイナス両側
の断面形状、すなわち、Ｙ　／　Ｙ　ｏ軸を中心とする
左右の断面形状は、前述の通り対称であり、主電極１，
２は、中央部（Ｘ／Ｙｏ＝Ｏ）から電極端部に向かう直
線Ａにより、一定の位置まで等間隔に保たれた後、関数
曲線Ｂにより、電極端部に向かってなだらかな曲率を有
して開離している。

このうち、第３図（ｂ）では、最大電界強度：ＥＭＡＸ
で規格化した主電極間の電界強度Ｅの分布を示している
が、第５図に示した従来例とは異なり、電界強度が最大
となるのは、中央のＸ　／　Ｙ　。

＝０の点のみではなく、この点を中心とした幅広の範囲
となる。すなわち、本実施例では、第３図（ａ）に示す
ように、主電極の断面形状における最近接点が、中央部
（Ｘ／Ｙｏ　＝Ｏ）の１点だけではなく、中央を挟むＸ
　／　Ｙ　ｏ軸方向の両側（マイナス側は図示せず）に
幅広に連続して存在することから、この主電極間の最近
接点に対応して、Ｘ　／　Ｙ　ｏ軸方向の両側（マイナ
ス側は図示せず）に幅広に連続して電界強度の最大点が
存在するため、この幅広に連続した電界強度の最大点を
中心としてグロー放電が発生することになる。この場合
、グロー放電の電流分布は、第３図（Ｃ）に示すような
分布となる。第３図（Ｃ）では、最大電流：Ｉ　　で規
格化した主電極間の電流■の分布ＡＸ を示している。この第３図（Ｃ）に示すように、電流の
最大点はＸ／Ｙｏ＝Ｏの点を中心として幅広に連続して
存在し、はぼＸ／Ｙｏ＝１．５の点までは、はぼ同じ高
レベルに保持され、この後減少していく。図示していな
いＸ　／　Ｙ　ｏ軸方向のマイナス側においても、同様
に、Ｘ／Ｙｏ＝Ｏの点からほぼＸ／Ｙｏ＝−１，５の点
までは、はぼ同じ高レベルに保持され、この後減少して
いく。

以上説明した通り、電界強度の最大点は、第３図（ｂ）
に示すように、Ｘ／Ｙｏ＝０の点を中心として幅広に連
続して存在しているため、第３図（ｃ）に示すように、
電流の最大点も、Ｘ／Ｙ。

＝Ｏの点を中心として幅広に連続して存在している。

また、発振するレーザ光の強度分布は、電流の分布に応
じた形状となるため、電極中央部（はぼ−１，５＜Ｘ／
Ｙｏ　＜１．５の範囲）において電流の平坦部を有する
本実施例の場合、レーザ光の強度分布は、電極中央部で
平坦な分布となる。このため、パルスレーザ装置を増幅
器として利用する場合に一様なレーザ光の強度分布が得
られ、グロー放電空間を有効に利用でき、利用効率を高
くできる。特に、大体積の発振空間を必要とする大出力
レーザでは、利用効率の向上が顕著である。

さらに、グロー放電の電流密度を増加させてレーザ発振
強度を増していった場合でも、本実施例の装置において
は、主電極中央部の電流密度が平坦なため、安定したグ
ロー放電を発生する許容電流密度まで、グロー放電空間
をほぼ一様に使用できるため、全体として評価した場合
の許容電流密度を向上できる。よって、レーザ光の最大
出力を従来例よりも増大できる。

また、主電極の中央付近の電極形状が直線であるため、
電極中央部より下流側、特に電極表面でのガス流速の低
下を防止でき、有効にガスの置換を行うことができる利
点もある。

一方、要求されるレーザビーム形状として長方形が要求
される場合など、本実施例の装置においては主電極間の
電流密度分布が幅広に平坦であるため、ガス流の方向（
横方向）に細長いビームを取出すことができる利点もあ
る。

以上のように、本実施例によれば、主放電空間を流れる
電流分布が主電極中央部で平坦となり、−様な強度の発
振領域を得られるため、利用可能なグロー放電空間が増
加してグロー放電の利用効率が向上するだけでなく、レ
ーザ発振出力の上限を高くできる。また、ガスの置換が
有効に行えることから、送風機の容量を小さくすること
ができる。

［発明の効果］ 以上説明した通り、本発明のパルスレーザ装置において
は、主電極の表面形状の改良により、主電極間の電流分
布を一様にできるため、グロー放電が発生している空間
の利用範囲を拡大し、グロー放電の利用効率を向上し、
レーザ出力強度の限界値を向上させると共に、送風機の
容量を小さくすることのできるような、優れた大出力の
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図は本発明によるパルスレーザ装置の一実施例にお
ける主電極部構造を示す模式的拡大断面斜視図、第２図
は同実施例におけるパルスレーザ装置の電極部構造と励
起電源回路を示す回路図、第３図（Ｅｌ）乃至（ｃ）は
同実施例のパルスレーザ装置の特性を示す曲線図であり
、（ａ）は主電極半面の断面形状、（ｂ）は電界強度分
布、（Ｃ）は電流分布、第４図は従来のパルスレーザ装
置の主電極部構造を示す模式的拡大断面斜視図、第５図
（ａ）乃至（Ｃ）は従来のパルスレーザ装置の特性を示
す曲線図であり、（ａ）は主電極半面の断面形状、（ｂ
）は電界強度分布、（Ｃ）は電流分布を示している。 １．４・・・第１の主電極、２，５・・・第２の主電極
、３・・・スパーク放電ギャップ、Ａ・・・直線、Ｂ・
・・関数曲線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一対の対向する主電極の近傍に、主電極間の主放電空間
   を予備電離するスパーク放電ギャップ列が配置されてい
   るパルスレーザ装置において、前記主電極が、中央部の
   直線と、端部の関数曲線とを含む表面形状を有すること
   を特徴とするパルスレーザ装置。