JPH043481A - ガスレーザ装置 - 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） この発明はガスレーザ媒質を放電励起してレーザ光を出
力させるガスレーザ装置に関する。

（従来の技術） ガスレーザ装置には種々のガスレーザ媒質が用いられて
おり、その１つにＮｅ（ネオン）、Ｋｒ（クリプトン）
およびＦ２　　（弗素）を混合した混合ガスを用いた、
ＫｒＦエキシマレーザが知られている。このＫｒＦエキ
シマレーザは、長時間運転すると、ガスレーザ媒質中の
弗素ガスが放電による電子の衝突で解離し、３種類の混
合ガス比が最適値からずれてくるため、レーザ発振効率
（レーザ出力／放電人力）が徐々に低下するという現象
が生じる。

このような現象によってレーザ出力が低下するのを防止
するため、従来はっぎのような手段が講じられていた。

つまり、ガスレーザ装置から発振されるレーザ光の出力
をセンサによってモニタし、レーザ発振効率の低下に合
わせて放電回路主コンデンサへの充電電圧を上げてレー
ザ入力エネルギを増大させ、それによってレーザ出力が
低下するのを防止するようにしていた。

一方、放電回路主コンデンサへの充電電圧が、電源自体
の上限値あるいは放電がアーク状態に移行しないために
制限される上限値に達したならば、新鮮な弗素ガスを注
入する。弗素ガスを注入すると、ガスレーザ媒質の混合
比は初期値に近付き、レーザ発振効率も初期値近くまで
復旧するから、それにともなって充電電圧を初期値程度
まで低下させることができる。このように、充電電圧の
上昇と、弗素ガスの補充とを繰り返すことで、レーザ出
力を所定値以上に保つことができる。

この状態を第４図に示す。同図中曲線Ｘはレーザ運転時
間とレーザ平均出力との関係を示し、曲線Ｙはレーザ運
転時間と充電電圧との関係を示す。

曲線Ｙにおいて矢印Ｆは弗素ガスを注入するタイミング
を示す。なお、弗素ガスの注入によってガスレーザ媒質
の寿命を長くすることは可能である。

しかしなから、弗素ガスの注入が効果を発揮する回数に
も限度があるから、弗素ガスの注入間隔は長い程よい。

ところで、レーザ発振効率は第５図に示すように充電電
圧に依存し、またガスレーザ媒質の寿命は第６図に示す
ように放電入力の逆数に比例する性質がある。そのため
、レーザ平均出力を一定に保つため、充電電圧を変化さ
せることは総合的見地からは発振効率の低下につながり
、ガスレーザ媒質の寿命を短くする結果となっていた。

つまり、電圧を上昇させることで出力の低下を防止する
と、ガスレーザ媒質が劣化してレーザ出力の制御が不能
となるまでの時間を十分に長くするということかできな
いということがあった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のガスレーザ装置においては、レーザ
光の出力が低下したならば、放電入力を増大させて出力
を上げるようにしていたので、ガスレーザ媒質が劣化し
てレーザ出力の制御が不能となるまでの時間を十分に長
くすることがてきないということがあった。

この発明は上記事情にもとずきなされたもので、その目
的とするところは、ガスレーザ媒質が劣化してレーザ出
力の制御が不能となるまでの時間を十分に長くすること
ができるようにしたガ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及び作用）上記課題を解決
するためにこの発明は、ガスレーザ媒質が封入されこの
ガスレーザ媒質を励起する励起手段が設けられた気密容
器と、この気密容器に上記ガスレーザ媒質の所定のガス
成分を供給する供給手段と、上記ガスレーザ媒質が上記
励起手段によって励起されることで発生するレーザ光を
増幅して発振させる光共振器と、この光共振器から発振
されたレーザ光の出力を検出する検出手段と、この検出
手段によって検出されるレーザ光の平均出力か一定とな
るようレーザ発振の繰返し周波数を制御する発振制御部
と、この発振制御部によるレーザ発振の繰返し周波数が
所定値以上となったときに上記供給手段から上記気密容
器へ所定のガス成分を供給する供給制御部とを具備した
ことを特徴とする。

このような構成によれば、レーザ発振の繰返し周波数を
変えることでレーザ光の平均出力を一定に維持できるか
ら、放電入力を増大させる場合に比ベガスレーザ媒質が
劣化するまでの時間を長くすることができる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を第１図を参照して説明する
。第１図はこの発明に係わるガスレーザ装置としてのＫ
ｒＦエキシマレーザ装置を示し、このレーザ装置は気密
容器２を備えている。この気密容器２内には励起手段と
しての放電励起部３が設けられている。この放電励起部
３は主電極と予備電離用電極（ともに図示せず）とを有
し、これらには電源４が接続されている。この電源４か
ら上記放電励起部３に電気エネルギが供給されると、ま
ず予備電離電極によって放電励起部３が予備電離される
。そして、予備電離が十分に進行すると、主電極間に主
放電が発生し、それによって放電励起部３内を後述する
ように循環するガスレザ媒質が励起されてレーザ光りが
発生する。

上記放電励起部３の軸方向一端側には出力ミラー５が配
置され、他端側には上記出力ミラー５とて光共振器を形
成する高反射ミラー６が配置されている。したがって、
放電励起部３で発生したレーザ光りは上記出力ミラー５
と高反射ミラー６との間で反射を繰返して増幅されたの
ち、上記出力ミラー５から発振されることなる。

上記気密容器２にはガス供給装置７が第１乃至第３の供
給ライン８ａ〜８Ｃを介して接続されている。つまり、
ガス供給装置７内には図示しないネオンガス供給源、ク
リプトンガス供給源および弗素ガス供給源が設けられて
いる。そして、これら供給源はそれぞれ上記各供給ライ
ン８ａ〜８Ｃを介して上記気密容器２に接続され、それ
によって各供給源から上記気密容器２ヘネオンガス、ク
リプトンガスおよび弗素ガスを所定の割合で供給できる
ようになっている。

上記放電励起部３に接続された電源４と上記ガス供給装
置７の各ガス供給源とは制御装置９によって制御される
。この制御装置９は発振制御部１１、ガス供給制御部１
２および比較設定部１３を備えている。発振制御部１１
とガス供給制御部１２とは比較設定部１３からの制御信
号によって上記電源４とガス供給装置７とにそれぞれ駆
動信号を出力するようになっている。つまり、上記発振
制御部１１は上記電源４に加えるトリガパルスの繰返し
周波数を制御し、上記ガス供給制御部１２は上記気密容
器２への弗素ガスの注入を制御するようになっている。

上記比較設定部１３には上記出力ミラー５から発振され
たレーザ光りの平均出力を検出する出力モニタ１４から
の信号が入力される。この出力モニタ１４には、上記出
力ミラー５から発振されたレーザ光りの一部がビームス
プリッタ１５て分割されて入力する。それによって、上
記出力モニタ１４がレーザ光りの平均出力を検出するよ
うになっている。

出力モニタ１３か検出するレーザ光りの平均出力か上記
比較設定部１３に設定された設定値と比較され、その比
較にもとずいて上記電源４とガス供給装置７とが上記発
振制御部１１とガス供給制御部１２とによって後述する
ごとく制御される。

つぎに、上記構成のＫｒＦエキシマレーザ装置の動作に
ついて説明する。まず、制御装置９によって放電励起部
３の放電回路主コンデンサの充電電圧が第５図に示すグ
ラフで最大の発振効率が得られる値である３３ＫＶにな
るよう設定する。この状態でＫｒＦエキシマレーザ装置
を作動させて放電励起部３に電気エネルギを供給すると
、放電励起部３が予備電離されて主放電が発生し、それ
によって気密容器２内のガスレーザ媒質が励起されてレ
ーザ光りが発生する。気密容器２で発生したレーザ光り
は光共振器で増幅され、その出力ミラー５から発振され
ることになる。

上記出力ミラー５から発振されたレーザ光りは一部がビ
ームスプリッタ１５で分割されて出力モニタ１４に入力
され、この出力モニタ１４によってレーザ光りの平均出
力が検出される。この検出信号は制御装置９の比較設定
部１３に入力される。

この比較設定部１３にはＫｒＦエキシマレーザ装置から
発振されるレーザ光りの最適出力か設定され、その設定
値と出力モニタ１４か検出したレーザ光りの平均出力と
が比較される。設定値と平均出力との間に差がある場合
には、その差に応じた制御信号か比較設定部１３から発
振制御部１１に出力される。それによって、発振制御部
１１により電源４を駆動するトリガパルスの繰返し周波
数が制御されて出力ミラー５から発振されるレーザ光り
の平均出力が設定値に近づくよう制御される。

つまり、出力モニタ１４が検出するレーザ光りの平均出
力が設定値よりも低く、そのことか比較設定部１３から
発振制御部１１に入力されると、この発振制御部１１に
よってトリガパルスの繰返し周波数が増加させられ、逆
にレーザ光りの平均出力が設定値よりも高い場合には、
トリガパルスの繰返し周波数が減少させられて平均出力
が設定値に近づくよう制御される。

ＫｒＦレーザ装置を長時間にわたって運転すると、ガス
レーザ媒質の劣化にともなう発振効率の低下を補うため
、繰返し周波数は徐々に増大させられる。そして、トリ
ガパルスの繰返し周波数が上限値に達すると、そのこと
が比較設定部１３からガス供給制御部１２に入力され、
このガス供給制御部１２からガス供給装置７に駆動信号
が出力される。この駆動信号によって弗素ガス供給源か
ら供給ライン８Ｃを通して弗素ガスが密閉容器２に注入
される。それによって、ガスレーザ媒質の混合比が初期
値に近づくから、トリガパルスの繰返し周波数を下げて
も、所定の平均出力を得ることができる。

このように、放電励起部３の放電回路主コンデンサに印
加する充電電圧を最大発振効率が得られる値で固定し、
トリガパルスの繰返し周波数を上げることで所定の平均
出力を得るようにすれば、充電電圧を上げて所定の平均
出力を維持する従来に比べてガスレーザ媒質に投入する
総電力を少なくすることができる。ガスレーザ媒質の寿
命は放電人力の逆数に比例するから、ガスレーザ媒質に
投入する総電力が少なくなれば、その分だけガスレーザ
媒質が劣化してレーザ出力の制御か不能となるまでの時
間を長くすることができる。つまり、ガスレーザ媒質の
長寿命化を計ることができる。

実験によると、トリガパルスの繰返し周波数を制御して
所定の平均出力を維持するようにすると、充電電圧を上
げて所定の平均出力を維持する従来に比べてガスレーザ
媒質が劣化して制御が不能となるまでの時間が約二割程
度増大することか確認された。

第２図はこの発明によるレーザ運転時間と、レーザ出力
およびレーザ繰返し周波数との関係を示す。図中曲線Ａ
はレーザ運転時間とレーザ繰返し周波数との関係を示し
、曲線Ｂはレーザ運転時間とレーザ出力との関係を示す
。つまり、レーザ出力は運転時間の経過とともにレーザ
繰返し周波数を上げることによって一定に保たれる。そ
して、レーザ繰返し周波数が上限値に達したところで図
中矢印Ｆで示すように弗素ガスを注入すれば、レーザ繰
返し周波数を下げても、レーザ出力が一定に保てること
か示されている。

なお、同図中破線で示す曲線Ｃは従来のレーザ出力で、
この発明に比べて寿命か短いことが分かる。

第３図はこの発明の他の実施例を示す。この実施例は制
御装置９に充電電圧制御部２１を設け、この充電電圧制
御部２１によって電源４を制御して放電励起部３に供給
される充電電圧が選択されるようにした。

つまり、上記一実施例では充電電圧を所定値に固定した
が、実際には発振繰返し周波数が変わると最大発振効率
が得られる充電電圧もわずかながら変化する。たとえば
、発振繰返し周波数が２００Ｈｚの場合は３０Ｋ　Ｖで
あり、１５０Ｈｚの場合は３０．５Ｋ　Ｖ、１００Ｈｚ
の場合は３１Ｋ　Ｖがそれぞれ最大発振効率が得られる
充電電圧である。したがって、制御装置９に上記充電電
圧制御部２１を設け、発振繰返し周波数の変化に応じて
充電電圧を制御すれば、発振繰返し周波数が上限値に達
するまでの時間を長くすることができるから、ガスレー
ザ媒質の寿命を上記一実施例よりもさらに長くすること
かできる。

なお、第３図に示す実施例において、第１図に示す実施
例と同一部分には同一記号を付して説明を省略する。

なお、この発明はその要旨を変更しない範囲で種々変形
可能である。たとえば、この発明のガスレーザ装置はＫ
ｒＦエキシマレーザたけに限定されるものでなく、たと
えば塩化水素（Ｈ（１）などの弗素ガス以外のハロゲン
ガスを使用するガスレーザ装置にも適用することができ
る。

［発明の効果コ 以上述べたようにこの発明は、レーザ光の平均出力か一
定となるようレーザ発振の繰り返し周波数を制御し、レ
ーザ発振の繰返し周波数が所定値以上となったときに気
密容器へ所定のガス成分を供給するようにした。つまり
、従来のように放電励起部への放電入力を増大させずに
レーザ光の平均出力を一定に維持できるから、放電入力
の逆数に比例するガスレーザ媒質の寿命を長くすること
かできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すＫｒＦレーザ装置の
概略的構成図、第２図はこの発明の制御方法を示すレー
ザ運転時間とレーザ平均出力およびレーザ繰返し周波数
の関係の説明図、第３図はこの発明の他の実施例を示す
ＫｒＦガスレーザ装置の概略的構成図、第４図は従来の
制御方法を示すレーザ運転時間とレーザ平均出力および
充電電圧の関係の説明図、第５図は充電電圧と発振効率
との関係のグラフ、第６図は放電入力の逆数とガスレー
ザ媒質の寿命との関係のグラフである。 ２・・・気密容器、３・・・放電励起部（励起手段）、
５・・・出力ミラー（光共振器）、６・・・高反射ミラ
ー（光共振器）　１１・・・発振制御部、１２・・・ガ
ス供給制御部、１４・・・出力モニタ（検出手段）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １発挿セ清（昏 第 レープ運奉云Ｑ耳間（ｈ） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ガスレーザ媒質が封入されこのガスレーザ媒質を励起
   する励起手段が設けられた気密容器と、この気密容器に
   上記ガスレーザ媒質の所定のガス成分を供給する供給手
   段と、上記ガスレーザ媒質が上記励起手段によって励起
   されることで発生するレーザ光を増幅して発振させる光
   共振器と、この光共振器から発振されたレーザ光の出力
   を検出する検出手段と、この検出手段によって検出され
   るレーザ光の平均出力が一定となるようレーザ発振の繰
   返し周波数を制御する発振制御部と、この発振制御部に
   よるレーザ発振の繰返し周波数が所定値以上となったと
   きに上記供給手段から上記気密容器へ上記所定のガス成
   分を供給する供給制御部とを具備したことを特徴とする
   ガスレーザ装置。