JPH05299742A - ガスレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明は、内部をレーザ媒質であるガスが満
たす容器と、対向して設けられた少なくとも一対の放電
電極と、この放電電極に接続され、交流電圧を印加する
交流電源とを具備し、前記交流電源の周波数が700 ｋＨ
ｚ以上であり、前記交流電源に固体素子を用いてスイッ
チング動作をさせ、かつその１ユニットあたりの高周波
電力出力が４ｋＷ以上であることを特徴とする。 【効果】 本発明によれば、放電周波数700 ｋＨｚ以上
の交流電源を藻散ることにより放電電力をレーザ励起に
有効な領域に注入することができるので、レーザ発振効
率が高くでき、かつ電源容量を大きくできる固体素子ス
イッチング電源を用いているため、電源の大容量化と電
源効率の向上が実現でき、総合効率の高いコンパクトな
ガスレーザ発振器を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極間に交流電圧を印
加してレーザ光を発振させるガスレーザ発振器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種のガスレーザ発振器の従来構成の
一例を図５に示す。本構成はガス流が光軸と直交した、
いわゆる横流形レーザの例である。

【０００３】同図において、断面矩形状をなす外部風洞
１内には、断面略Ｕ字状のステンレス、鉄またはアルミ
ニウム製の内部風洞２が設けられている。外部風洞１の
上面中央部にはセラミックスなどからなる平板状の第１
の誘電体３ａが誘電体３ｂと所定の間隔をもって対向し
て気密に取付けられている。内部風洞２は誘電体３ｂに
より閉鎖されており、この内部風洞２は外気と連通して
いる。また、第１の誘電体３ａの上面中央部には第１の
電極４ａが取付けられ一方の誘電体電極を構成し、第２
の誘電体３ｂの下面中央部には第１の電極４ａと対をな
す第２の電極４ｂが取付けられ、他方の誘電体電極を構
成する。

【０００４】第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂは、交
流電源５に接続されている。そして、外部風洞１と内部
風洞２との間の空間部にはレーザ媒質としてのガスが封
入されており、そのガスは内部風洞２の下方に配設され
た送風機６により外部風洞１内を矢印Ａ方向に循環さ
れ、熱交換器７によって冷却されるようになっている。

【０００５】上記構成において、交流電源５により第１
及び第２の放電電極４ａ，４ｂ間に交流電圧が印加され
ると、第１及び第２の誘電体３ａ，３ｂを介してこれら
の間に交流放電が生じ、第１及び第２の誘電体３ａ，３
ｂ間に流れるガスが励起されてレーザ光８が紙面に対し
て垂直方向に発生する。

【０００６】ここで、交流電源５には素子として、発振
周波数が高い場合（例えば、13.56ＭＨｚ）には真空管
が、発振周波数が低い場合（例えば、100 ｋＨｚ）には
固体素子が用いられる。

【０００７】

【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レーザ装置においては、以下
に述べるような解決すべき課題があった。

【０００８】レーザ発振効率（放電入力からレーザ出力
への変換効率）を高くするために周波数を高くすると真
空管方式電源となり、その電源効率（200 Ｖ交流電力か
ら高周波電力への変換効率）はＣ級増幅方式でも最大70
％程度で、実際には55％程度となる。その結果、レーザ
発振器の総合効率（200 Ｖ交流電力からレーザ出力への
交換効率）が高くできない。また、真空管方式電源を用
いるため電源自体の大きさが大きくなる。

【０００９】逆に、電源効率を高め（最大90％程度）、
電源を小さくしようとすると固体素子を用いて低周波放
電（100 ｋＨｚ）を行なうと、レーザ発振効率が低下す
るため、結局、レーザ発振器の総合効率は高くならな
い。また、周波数が低いためレーザパルス特性も悪くな
る。

【００１０】そこで、本発明はこのような点を考慮して
なされたもので、小型で、総合効率が高く、レーザパル
ス特性が優れたガスレーザ発振器を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成する手段として、内部をレーザ媒質であるガスが満た
す容器と、対向して設けられた少なくとも一対の放電電
極と、この放電電極に接続され、交流電圧を印加する交
流電源を備え、前記交流電源の周波数が700 ｋＨｚ以上
であり、交流電源に固体素子を用いスイッチング動作を
させ、かつその１ユニットあたりの高周波電力出力が４
ｋＷ以上であるガスレーザ発振器を提供する。

【００１２】

【作用】放電の物理構造は、図４に示したように、大き
く陽光柱９と電極近傍の電極層10とからなる。陽光柱９
の注入された電力はレーザ励起に寄与するが、電極間10
に注入された電力はレーザ励起に寄与しない。交流放電
周波数が低い場合、電極層10の内部を流れる電流は変位
電流が主成分なので電力損失は少ない。しかし、交流放
電周波数が低い場合、電極層10の内部を流れる電流は変
位電流成分に伝導電流成分が加わり、電力損失が生じ
る。交流放電周波数が十分低いと電極層10の内部を流れ
る電流は伝導電流成分のみになり、大きな電力損失とな
る。また、電源出力容量が大きくなる固体素子を用いて
スイッチング動作を行なっているため電源効率も高いも
のが得られる。

【００１３】従って、交流電源の周波数を高くすること
により電極層10の領域の電力損失を少なくすることがで
き、かつ電源容量を大きくできる固体素子スイッチング
電源を用いているため電源効率も高くなり、総合効率の
高いレーザ発振器が実現できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２を参
照して説明する。尚、従来例と重複する部分の説明は省
略する。図１は、本発明に係るガスレーザ発振器の一例
を示すもので、交流電源（700ｋＨｚ以上）11が従来と
異なっている。

【００１５】図２は、交流電源11の概要を表した図であ
る。三相200 Ｖからの電力を直流電源部12を通してイン
バータ部13で周波数700 ｋＨｚ以上の高周波電力を発生
した後、整合器14を通して電極４ａ，４ｂに供給する。
直流電源部では、ＡＣ 200Ｖを整流平滑する回路とパル
ス幅変調（ＰＷＭ）形直流変換回路より構成されてお
り、電極４ａ，４ｂへ供給する出力高周波電力のレベル
及びパルス制御を行なう。インバータ部13は素子として
静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）より構成されスイッ
チング動作を行なっている。

【００１６】ところで、図中には示していないがインバ
ータ部からの出力電圧波形と出力電流波形をモニタして
周波数を可変させることにより、両波形の位相を一定に
して放電負荷が変動しても常に整合状態を保つＰＬＬ
（Phase Locked Loop ）制御を行なっている。これによ
り、高周波電力を効率良く放電負荷に注入することが可
能である。また、出力高周波電力を一定に保つためイン
バータ部からの出力電流と電圧をモニタして直流電源部
12に送ることによるフィードバック制御も行なってい
る。この様な構成を有する本実施例のレーザ装置におけ
る作用について以下に述べる。

【００１７】図３に実験により得られた本実施例のＣＯ
₂ レーザにおける放電周波数と電極層領域での損失の関
係を示す。図中、変位電流分を一定値ｊ₀ （ｍＡ／c
m² ）としている。

【００１８】図３より放電周波数100 ｋＨｚの場合、電
極層領域には伝導電流しか流れないためこの領域での損
失は100 ％となる。100 ｋＨｚの時、電極ギャップ幅を
15mm程度とすると、陽光柱と電極層領域に注入される高
周波電力の割合は70％と30％程度であり、放電入力の70
％しかレーザ励起に寄与しない。ところが、放電周波数
700 ｋＨｚ以上になると電極層領域に損失のない変位電
流が流れるため、この領域での損失がなくなりその分レ
ーザ励起に寄与させることができる。そして、放電周波
数10ＭＨｚを越えるとほとんど100 ％の放電入力がレー
ザ励起に寄与する。

【００１９】従って、放電周波数を700 ｋＨｚ以上にす
ることにより、レーザ励起効率を高める。すなわちレー
ザ発振効率（レーザ出力／放電入力）を高めることがで
きる。また、放電周波数が高いため、レーザパルス特性
も良くなる。次に、交流電源を小型化して、電源効率を
上げるためには、固体素子を用いてスイッチング動作を
行なわなければならない。

【００２０】従来、固体素子としてパワーＭＯＳ ＦＥ
Ｔを用いてきたが、上記放電周波数を満足する素子の１
個当りのパワー容量が小さいためスイッチング動作を行
なおうとするとブリッジ回路中の１つのアームに10個以
上の素子を使う必要があり、各素子間の動作のバラツキ
をなくすための施策が必要となる。その結果、ブリッジ
回路が複雑になり、大きくなる。また、多くの素子を用
いても電源の出力（ＣＷ動作時）は１ユニットあたり、
せいぜい１〜２ｋＷ程度である。

【００２１】レーザ用電源としては、レーザのパルス制
御特性をよくするためにできる限り分割数を減らして電
極に電力を供給したほうがよい。とりわけ、横流形レー
ザにおいては電極の分割数を多くすると各分割電極間の
異常放電を抑えるため電極間距離をとらなくてはならな
くなり、その分レーザ装置が大きくなり効率の低下にも
なる。従って、電源を１ユニットで構成し、電極へ供給
することが望ましい。

【００２２】一般に、加工用ＣＯ₂ レーザではレーザ出
力として500 Ｗ以上のものがよく使われる。レーザ発振
効率は12.5％程度であるから電源容量としては最低１ユ
ニット４ｋＷ（ＣＷ動作もしくは平均出力）が必要であ
る。この容量はパワーＭＯＳＦＥＴを用いては不可能な
値である。

【００２３】静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）を用い
た本実施例では、ブリッジ回路の各アームに１もしくは
２個の素子を置くことにより４ｋＷ以上の出力が可能で
ある。

【００２４】従って、ブリッジ回路の各アームに10個並
べれば、40ｋＷ程度以上の出力を得ることが可能であ
る。また、ＳＩＴは耐サージ特性が優れているのでガス
レーザ放電用素子として適している。

【００２５】このように、本実施例によれば、放電周波
数を700 ｋＨｚ以上にすることにより電極層領域での損
失を減らすことが可能になり、かつ大容量固体素子を用
いスイッチング動作を行なうことにより、総合効率が高
く、パルス性能の良い小型のガスレーザ発振器を得るこ
とができる。

【００２６】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、軸流形レーザ熱伝導冷却方式レーザで
もよい。この場合、１ユニットの電源より複数の放電管
に高周波電力を供給することによりパルス特性の優れた
レーザ光を得ることができる。

【００２７】また、一対の電極に１ユニットの交流電源
により高周波電力を供給する場合に、１ユニットの電源
が複数のサブユニットより構成されていてもよい。すな
わち、個々のサブユニットには１つのインバータ回路が
あり、そのブリッジ回路中には高容量の固体素子が使わ
れている。たとえば、個々のサブユニットでの高周波出
力が20ｋＷとすると、４つのサブユニットから構成され
た１ユニットの交流電源出力は80ｋＷと非常に高い高周
波出力が得られる。さらに、本実施例では高速、高容量
固体素子として、特に静電誘導型トランジスタ（ＳＩ
Ｔ）を用いたが、他の高速、高容量固体素子を用いても
よい。

【００２８】最後に、本実施例はガスレーザ発振器につ
いて述べたが、レーザ増幅器に適用しても同等の性能が
得られ、また、エキシマレーザ等、他のガスレーザにも
適用可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放電周波数700 ｋＨｚ以上の交流電源を藻散ることによ
り放電電力をレーザ励起に有効な領域に注入することが
できるので、レーザ発振効率が高くでき、かつ電源容量
を大きくできる固体素子スイッチング電源を用いている
ため、電源の大容量化と電源効率の向上が実現でき、総
合効率の高いコンパクトなガスレーザ発振器を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るガスレーザ発振器を示
す構成図。

【図２】本発明の一実施例に係る電源構成を示す概要構
成図。

【図３】本発明の作用と効果を示す説明図。

【図４】放電の物理構成を示す概略図。

【図５】従来のガスレーザ発振器を示す概要構成図。

【符号の説明】

１…外部風洞、２…内部風洞、４ａ，４ｂ…電極、10…
電極層、11…交流電源（700 ｋＨｚ以上）、１３…イン
バータ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 隆昭 三重県三重郡朝日町大字繩生2121番地 株 式会社東芝三重工場内 (72)発明者 鈴木 博勝 三重県三重郡朝日町大字繩生2121番地 株 式会社東芝三重工場内 (72)発明者 森口 晃 三重県三重郡朝日町大字繩生2121番地 株 式会社東芝三重工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部をレーザ媒質であるガスが満たす容
   器と、対向して設けられた少なくとも一対の放電電極
   と、この放電電極に接続され、交流電圧を印加する交流
   電源とを具備し、前記交流電源の周波数が700 ｋＨｚ以
   上であり、前記交流電源に固体素子を用いてスイッチン
   グ動作をさせ、かつその１ユニットあたりの高周波電力
   出力が４ｋＷ以上であることを特徴とするガスレーザ発
   振器。
2. 【請求項２】 前記固体素子として静電誘導型トランジ
   スタを用いたことを特徴とする請求項１記載のガスレー
   ザ発振器。