JPH0629602A - 金属蒸気レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ出力を増大し、かつ安定化させる金属
蒸気レーザ装置を得る。 【構成】 放電管にガスを供給し、上記放電管内にパル
ス放電を生じさせて上記ガスを励起もしくは電離させる
励起用の第１電源を備えた金属蒸気レーザ装置におい
て、バッファガスと金属蒸気ガス以外に放電制御用の添
加ガスを含み、かつ上記パルス放電の休止期間中に上記
放電管に予備電圧をパルス的に印加させる第２電源４０
０を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の蒸気を放電によ
り励起し、レーザを得る金属蒸気レーザ装置の回路構成
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属蒸気レーザの１例として、図１３は
例えば、昭和６１年度レーザ学会第６回年次大会講演予
稿集２１ａ，Ｂ３に示された、金属蒸気レーザに属する
従来の銅蒸気レーザ装置の構成図である。図において２
００は放電管、１は放電を形成するための放電内管、２
は陰極、３は陽極、４は外筒、５は陰極２を支えるフラ
ンジ、６は放電管の両側に設けられた窓、７は放電内管
１内にバッファガスを流すためのガス導入出口、８は断
熱部、６００は放電管２００から取り出されたレーザ
光、７００は銅粒である。また、１００は励起用の第１
電源、９ａは放電用の主コンデンサ、９ｂはピーキング
コンデンサ、１０は第１のスイッチ、１１は高圧電源、
１２はパルス発生器である。また、５００は放電管２０
０に流れ込む電流を測定する電流検出器、６８は充電用
抵抗である。

【０００３】次に動作について説明する。高圧電源１１
から充電用抵抗６８を通して放電用の主コンデンサ９ａ
に充電された高電圧は、パルス発生器１２からの信号に
従って動作する第１のスイッチ１０が導通することで、
ピーキングコンデンサ９ｂを経由して、放電管２００の
ｘ−ｙ端子に印加される。ｘ−ｙ端子に印加された高電
圧パルスは陰極フランジ５および外筒４を経由して陰極
２と陽極３間に伝達され、その結果、放電内管１内にパ
ルス放電を生じさせる。パルス放電はガス導入出口７に
より供給されているガス一般にはＮｅかＨｅが用いられ
るを媒体として生じて、放電内管１内に電力を注入す
る。放電内管１の外側には断熱部８が設けられているた
め、放電内管１内の温度はやがて１５００度近傍まで上
昇し、銅粒９００が蒸発して、放電内管１内に銅蒸気銅
原子が充満する。この状態でさらにパルス放電を続ける
と、放電によって得られた電子が銅原子と衝突し、銅原
子をレーザ発振線の上位準位に励起する。上位準位に励
起された銅原子がレーザ発振線の下位準位に遷移する際
に光を放出し、また、上位準位と下位準位に存在する銅
原子が量子力学的反転分布を伴った場合には、上位準位
から下位準位への遷移が誘導的に繰り返し生じて、いわ
ゆるレーザ発振生じることになる。一般にこの反転分布
が大きい場合には、レーザ出力が大きくなる。つまり銅
蒸気レーザの場合、上位準位に励起する銅原子の量を増
加させるほど、また、下位準位に存在する銅原子の数を
低下させるほど反転分布が大きくなり、より高いレーザ
出力が得られる。このような銅蒸気レーザにおいては、
電気入力もしくはパルス周波数の増加した場合には、放
電内管１内のガス温度が上昇し、また、放電空間の荷電
粒子が増加して、パルス放電が生じた際の放電抵抗が減
少する。その結果放電内にかかる電圧が低下して、放電
中の電子の速度が低下するため、銅原子を効率よく上位
準位に励起することができなくなっていた。また、同様
に電気入力または周波数を増加させた場合のガス温度の
増加は、統計的分布により決まるレーザ発振線の下位準
位粒子を増加させてしまっていた。つまり、上記の行為
はレーザ発振線の上位準位を低下させ、かつ下位準位を
増加させるため、反転分布が得にくくなり、レーザ出力
が低下するという問題を生じさせるものであった。この
問題を解決するための方法として、既に先の出願特願平
３−２９１３３４号明細書に図１４の様な装置が提案さ
れている。図１４において、３００はガス供給装置を示
すものであり、１３は主ガスのボンベ、１４は水の容
器、１５は温度調節用ヒータである。動作を説明すれ
ば、主ガスのボンベ１３から供給される主ガスは水の容
器１４を通って放電管２００に送られる。このとき、主
ガスは水に接触することによって水蒸気を含み、放電管
２００に主ガスと水蒸気との混合気体を提供することに
なる。また、先の出願特願平３−２９１３３４号明細書
では、主ガスはＮｅもしくはＨｅ等のガスに加えて新た
に水素ガスを添加することを提案している。このような
提案によれば、ＮｅもしくはＨｅに水蒸気や水素を単独
もしくは両者を混ぜて添加することで、上記添加ガスが
いち早く放電ガスを冷却し、またいち早く電荷を消滅さ
せて抵抗を回復させるため、パルス放電直前の下位準位
の銅原子数を低下させ、また、パルス放電期間中の放電
内にかかる電圧を増加させて、上位準位に励起される銅
原子数を増加させるように生じると説明されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先の出願特願平３−２
９１３３４号明細書に記載された方法に基づいて、水蒸
気を混入した場合の、銅蒸気レーザの出力と水蒸気との
混入率との関係を示したものである。また、水蒸気の代
わりに水素の混合率を増加させていった場合にも同様の
傾向が得られるが、ここでは水蒸気を例にとり説明を続
ける。水蒸気を混入していくとしない場合に比べて、レ
ーザ出力が増加していくが、混合率が３％を越えた当り
からやや飽和の傾向が見られてくる。そして、５％に達
するとほとんど飽和し、今度は放電の不安定性を生じ
て、レーザ出力に大きな変動が生じるようになる。この
原因としては、以下の通りである。まず、水素もしくは
水蒸気の添加ガスの効果としては、ガス温度の低下もし
くは電荷の消滅の促進があるが、添加ガスの混合率を増
加させていくと、両者共に効果が大きくなる。ガス温度
の低下に基づく下位準位の銅原子数の低下については、
それが促進されればされるほどパルス放電期間中のレー
ザ発振準位間での反転分布が大きくなり、レーザ出力も
大きくなる。従って、添加ガスの混合率を増加させてい
くほどガス温度は低下するため、下位準位の銅原子数を
低下させるという面では、混合率は高ければ高いほどよ
い。一方、電荷の消滅が促進されると、パルス放電期間
中の抵抗が増加して、放電中の電圧が増加していくが、
あまりにも抵抗が上がりすぎると、電流が流れにくくな
り、放電によって得られる電子の量が不足し、銅原子に
衝突する電子の総数が減少してしまう。その結果、上位
準位に励起される銅原子の総数も減少し、結果的に反転
分布が小さくなってしまう。以上のように、従来の銅蒸
気レーザでは水蒸気もしくは水素の添加ガスの混合率を
増加させすぎると、下位準位の銅原子数は単調に減少す
るが、上位準位の粒子数も結局減少し、レーザ出力は増
加せず、また、図１５に示されたように、水蒸気の混合
率が非常に高い場合には、パルス放電期間中の抵抗が高
くなりすぎ放電が極めて不安定になる等の問題があっ
た。

【０００５】この発明は、上記のような問題点を解消す
るするためになされたもので、水蒸気もしくは水素等の
添加ガスの混合率を増加していった場合にも、パルス放
電中の抵抗が必要以上に増加して、電子数が減少し、上
位準位への銅原子数の励起が減少することを防止し、混
合率が増加したことによる下位準位の銅原子数の低下に
より、レーザ発振準位間の反転分布が増加して、レーザ
出力が増加する金属蒸気レーザ装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る金属蒸気
レーザ装置は、バッファガスと金属蒸気ガス以外に放電
制御用の添加ガスを含んだ金属蒸気レーザ装置におい
て、上記第１電源１００からパルスが印加される休止期
間の間に放電管２００に予備電圧をパルス的に印加させ
る第２電源を備えたものである。

【０００７】また、上記の手段に加えて、上記第２電源
からの予備電圧が印加されるタイミングは、上記金属蒸
気レーザのレーザ出力値の増減に従って変化させるよう
にしたものである。

【０００８】また、上記の手段に加えて、上記第２電源
からの予備電圧のパルス幅は、上記金属蒸気レーザのレ
ーザ出力値の増減に従って変化させるようにしたもので
ある。

【０００９】また、上記の手段に加えて、上記第２電源
からの予備電圧の大きさは、上記金属蒸気レーザのレー
ザ出力値の増減に従って変化させるようにしたものであ
る。

【００１０】また、上記１項から４項までに記載の金属
蒸気レーザ装置において、上記添加ガスは水蒸気または
水素ガスまたは両者の混合ガスに限定したものである。

【００１１】

【作用】この発明における金属蒸気レーザ装置は、請求
項１では、第１電源１００からのパルス休止期間中に第
２電源から予備電圧パルスが印加されるため、添加ガス
の混合率を大幅に増加しても、予備電圧によって、放電
内管１中に微小放電が形成され電荷を補い、第１電源１
００からのパルス放電期間中の放電抵抗が必要以上に高
くならず、上位準位に励起される銅原子の数が減少しな
い

【００１２】また、請求項２では、上記の作用に加え
て、レーザ出力の増減により、予備電圧の発生タイミン
グを変化させたため、レーザ出力に変動が生じた場合、
予備電圧の発生タイミングをかえることで、第１電源１
００からのパルス放電中の抵抗を最適化して、レーザ出
力の変動を抑えるよう動作する。

【００１３】また、請求項３では、上記の作用に加え
て、レーザ出力の増減により、予備電圧パルスの幅を変
化させたため、レーザ出力に変動が生じた場合、予備電
圧パルス幅を変化させることで、第１電源１００からの
パルス放電中の抵抗を最適化して、レーザ出力の変動を
抑えるよう動作する。

【００１４】また、請求項４では、上記の作用に加え
て、レーザ出力の増減により、予備電圧の発生電圧の大
きさを変化させたため、レーザ出力に変動が生じた場
合、予備電圧の発生電圧の大きさをかえることで、第１
電源１００からのパルス放電中の抵抗を最適化して、レ
ーザ出力の変動を抑えるよう動作する。

【００１５】また、請求項５では、上記１項から４項の
添加ガスは、水蒸気もしくは水素また両者の混合ガスで
あるので、より有効となる。

【００１６】

【実施例】実施例１．図１は請求項１記載の発明の構成
を示すものであり、図１において、４００は放電管２０
０のｘ−ｙ端子に予備電圧を供給するための第２電源で
あり、図２ａにその１例が詳細に示されている。１６は
遅延回路、２０は直流電源、１７は直流電源２０を開閉
する第２のスイッチ、１９および１８はフィルタリアク
トルとフィルタコンデンサである。図１において第２電
源４００はパルス発生器１２からの信号Ｋを受けて、放
電管２００のｘ−ｙ端子に予備電圧を印加する。図２ａ
において、フィルタリアクトル１９とフィルタコンデン
サ１８とは、ローパスフィルタを構成しており、第１電
源１００からの電圧パルスがｘ−ｙ端子を通って、第２
電源４００内の部品を破壊するのを防止するものであ
る。遅延回路１６の１例が図３に示されており、図３に
おいて、２１は第１の単安定マルチバイブレータ、２２
は反転バッファ、２３は微分コンデンサ、２４は微分抵
抗、２５はバッファである。また、図４は図１、図２
ａ、図３の動作を示すタイムチャートである。図１から
図３において、Ｋ信号を受けた第１の単安定マルチバイ
ブレータ（２１は図４のＰ１信号に示されるように、一
定のパルス幅を出力する。反転バッファ２２、微分コン
デンサ２３、微分抵抗２４によって、Ｐ１信号のたち下
がり部分でＰ２信号にパルスを発生し、Ｊ信号として第
２のスイッチ１７に入力される。Ｊ信号のパルス幅は、
微分コンデンサ２３と微分抵抗２４との時定数によって
決まる。第２のスイッチ１７はＪ信号を受けると、Ｊ信
号がＨの期間中だけ導通するため、図４のＶｘ−ｙに示
されるように、放電管２００には第１電源１００からの
パルスの休止期間中に一定のパルス幅だけ直流電源２０
の電圧が印加されることになる。第２電源４００から発
生されるパルスは、ガス温度は増加することなく、電荷
を形成するための目的であるため 、Ｖｘ−ｙに印加さ
れる第２電源４００からの電圧は、第１電源１００から
のものよりも低く設定する必要があり、本実施例の場合
では、直流電源２０は高圧電源１１よりも低い電圧を発
生している。第２電源４００からのパルスにより、放電
内管１内に微小放電が形成され、このとき電荷が補われ
るため、たとえ添加ガスの混合率を増加し束合でも、第
１電源１００からのパルス放電期間中の放電抵抗が増加
し過ぎることがない。従って、添加ガスを増加していけ
ば、単調に下位準位の銅原子数が減少するため、単調に
レーザ出力が増加することになる。なお、第４の実施例
として図２ｂに示すように、スイッチ１７がない構成
で、単に直流電源２０から直流電圧をｘ−ｙ端子に供給
してもよい。

【００１７】実施例２．請求項２記載の発明では、請求
項１記載の発明に加えて、第２電源４００からの印加タ
イミングを変化させたものであり 、図５にその実施例
を、図６にその動作のタイムチャートを示している。図
５において、２６は第２の単安定マルチバイブレータ、
２７は第１の積分抵抗、２８は第１の積分コンデンサ、
２９は第１の比較器、３０は第３の単安定マルチバイブ
レータ、７００は第１の演算器、３１は遅延時間設定、
３２はレーザ出力モニター信号である。図５、図６にお
いて、Ｋ信号を受けた第２の単安定マルチバイブレータ
２６は、Ｐ３にＨ信号出力し、第１の積分抵抗２７と第
１の積分コンデンサ２８とで構成された積分回路ではＰ
４のような３角波信号を出力する。また、レーザ出力モ
ニター信号３２は遅延時間設定３１信号と演算され、第
１の比較器２９に入力される。第１の比較器２９にはに
は上記Ｐ４信号も入力されているため、Ｐ４信号が次第
に増加し、やがてＰ６信号を越えると、Ｐ５にＨが出力
され、第２の単安定マルチバイブレータ２６をリセット
する。このときＰ５がＨになったとき第３の単安定マル
チバイブレータ３０は動作し一定のパルス幅の信号をＪ
に出力する。以上のように構成されている図５では、レ
ーザ出力モニター信号３２が変化した場合には、Ｐ６の
大きさが変化し、遅延時間Ｔが変化するため 、第２電
源４００から放電管２００に印加されるタイミングが変
化することになる。例えば、レーザ出力モニター信号３
２が下がった場合には、Ｐ６が上がるため、Ｔは増加
し、第２電源４００からの電圧は次の第１電源１００か
らの励起パルスにより近い時間に発生される。よって、
第２電源４００からの放電によって得られた電荷のうち
次の第１電源１００からのパルス放電期間中まで残って
いるものが増加するため、パルス放電期間中の抵抗は小
さくなり、放電中の電子数が増加して、上位準位に励起
される銅原子の量が増加する。その結果、レーザ出力を
増加するように動作する。以上のように２項記載の発明
では、レーザ出力が安定になるように動作する。

【００１８】実施例３．請求項３の発明について説明す
る。図７において、３３は第２の積分抵抗、３４は第２
の積分コンデンサ、３５は第２の比較器、３７は第２の
演算器、３６は幅設定信号である。図８は図７の動作を
説明したタイムチャートである。図７、図８において、
遅延時間設定３１によって設定された遅延時間Ｔｘだけ
遅延したあと、第１の比較器２９がＨとなり第２の積分
抵抗３３と第２の積分コンデンサ３４とで形成された積
分回路と幅設定信号３６、レーザ出力モニター信号３
２、第２の比較器３５とによって、第１の比較器２９に
リセット信号を発生する。このような構成では、レーザ
出力モニター信号３２が変化するとＰ７が変化するた
め、第１の比較器２９からＨ信号を出力する時間τＸが
変化する。例えばレーザ出力モニター信号３２が下がっ
た場合には、Ｐ７が上がるため、τｘは増加し、第２電
源４００からの電圧のパルス幅は増加する。よって、第
２電源４００からの放電によって得られる電荷量が増加
するため、第１電源１００からのパルス放電期間中の抵
抗は小さくなり、放電中の電子数が増加して、上位準位
に励起される銅原子の量が増加する。その結果レーザ出
力を増加するように動作する。以上のように請求項３記
載の発明では、レーザ出力が安定になるように動作す
る。

【００１９】実施例４．請求項４の説明をする。図９に
おいて、３７は制御トランジスタ、３８はベース抵抗、
３９は第３の演算器、４０は電圧設定信号、４１は平滑
コンデンサである。制御トランジスタ３７０はベース抵
抗３８に流れる電流を受けて、平滑コンデンサ４１に蓄
える電圧を制御するため、レーザ出力モニター信号３２
と電圧設定信号４０とを演算する第３の演算器３９の出
力Ｐ８の大きさで、平滑コンデンサ４１の両端電圧Ｖｘ
が決定されることになる。例えばレーザ出力モニター信
号３２が下がった場合には、Ｐ８信号が増加するため、
Ｖｘが増加し、第２電源４００からの発生電圧が増加
し、放電管２００に供給される電圧が大きくなる。その
結果、放電内管１に第２電源４００によって補われる電
荷が増加し、次の第１電源１００からのパルス放電中の
抵抗を下げるように働く。その結果、放電中の電子数が
増加して、上位準位に励起される銅原子の量が増加す
る。その結果、レーザ出力を増加するように動作する。
以上のように請求項４記載の発明では、レーザ出力が安
定になるように動作する。

【００２０】実施例５．請求項５について説明する。上
記請求項１から請求項４記載のものにおいて、添加ガス
を水蒸気、水素、もしくはその混合ガスとした場合に
は、その効果がより明確となる。

【００２１】また、上記に説明されているレーザ出力モ
ニター信号３２としては、図１０、図１１、図１２の３
種類が考えられる。図１０において、４３は電圧検出ダ
イオード、４４は電圧検出コンデンサ、４２は第１の放
電用抵抗、８００は第４の演算器、４５は放電電圧設定
である。また、図１１において、４３は電流検出ダイオ
ード、４４は電流検出コンデンサ、４２は第２の放電用
抵抗である。また、図１２において、４９はパワーメー
タ、５０はビームスプリッタである。また、 図１０で
は、放電管２００のｘ−ｙ端子に印加される電圧にて、
放電電圧の最大値を検出し、それをレーザ出力モニター
信号３２としており、放電抵抗等の放電の状態を観測で
き、他の光学系などによるレーザ出力の変化に惑わされ
ることがない。例えば銅蒸気レーザの多段増幅装置の増
幅段等に用いる場合に有利である。図１１も同様の目的
であり、放電管２００に流れる電流を検出してレーザ出
力モニター信号３２としたものである。図１２は、レー
ザ光６００を一部切り出し、パワーメータによって直接
レーザ出力を検出し、レーザ出力モニター信号３２とし
たものである。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、添加ガスを加
えた金属蒸気レーザにおいて、第１電源１００からのパ
ルス休止期間中に第２電源４００からの予備電圧を加え
たので、添加ガスの混合率を増加させても、第１電源１
００からのパルス放電中の抵抗が下がりすぎ上位準位へ
の励起量が減ることはなく、レーザ出力が添加ガス混合
率に対して単調に増加する効果がある。

【００２３】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
効果に加えて、レーザ出力モニター信号３２によって、
放電管２００からのタイミングを変化させたので、レー
ザ出力が安定化される。

【００２４】請求項３記載の発明では、請求項１記載の
効果に加えて、レーザ出力モニター信号３２によって、
放電管２００からのパルス幅を変化させたので、レーザ
出力が安定化される。

【００２５】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
効果に加えて、レーザ出力モニター信号３２によって、
放電管２００からの印加電圧の大きさを変化させたの
で、レーザ出力が安定化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１記載の金属蒸気レーザ装置の
構成を示す図である。

【図２】本発明の請求項２（ａ）及び請求項４（ｂ）記
載の金属蒸気レーザ装置の第２電源を示す図である。

【図３】本発明の請求項１記載の金属蒸気レーザ装置の
第２電源内に設置された遅延回路を示す構成図である。

【図４】本発明の請求項１記載の金属蒸気レーザ装置の
動作を示すタイムチャートである。

【図５】本発明の請求項２記載の金属蒸気レーザ装置の
第２電源内に設置された遅延回路を示す構成図である。

【図６】本発明の請求項２記載の金属蒸気レーザ装置の
動作を示すタイムチャートである。

【図７】本発明の請求項３記載の金属蒸気レーザ装置の
第２電源内に設置された遅延回路を示す構成図である。

【図８】本発明の請求項３記載の金属蒸気レーザ装置の
動作を示すタイムチャートである。

【図９】本発明の請求項４記載の金属蒸気レーザ装置の
第２電源内に設置された遅延回路を示す構成図である。

【図１０】本発明のレーザ出力モニター信号の第１の実
施例である。

【図１１】本発明のレーザ出力モニター信号の第２の実
施例である。

【図１２】本発明のレーザ出力モニター信号の第３の実
施例である。

【図１３】従来の金属蒸気レーザ装置の構成を示す図で
ある。

【図１４】従来の金属蒸気レーザ装置におけるガス供給
系の構成を示す図である。

【図１５】従来の金属蒸気レーザ装置における水蒸気添
加濃度とレーザ出力比との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 放電内管 ２ 陰極 ３ 陽極 ４ 外筒 ５ フランジ ６ 窓 ７ ガス導入出口 ８ 断熱材 ９ａ 主コンデンサ ９ｂ ピーキングコンデンサ １０ 第１のスイッチ １１ 高圧電源 １２ パルス発生器 １６ 遅延回路 １７ 第２のスイッチ ２０ 直流電源 ６８ 充電抵抗 １００ 第１電源 ２００ 放電管 ４００ 第２電源 ５００ 電流検出器

フロントページの続き (72)発明者 殖栗 成夫 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電管にガスを供給し、上記放電管内に
   パルス放電を生じさせて上記ガスを励起もしくは電離さ
   せる励起用の第１電源を備えた金属蒸気レーザ装置にお
   いて、上記ガスはバッファガスと金属蒸気ガス以外に放
   電制御用の添加ガスを含み、かつ上記パルス放電の休止
   期間中に上記放電管に予備電圧をパルス的に印加させる
   第２電源を備えたことを特徴とする金属蒸気レーザ装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の第２電源からの予備電圧
   が印加されるタイミングは、請求項１記載の金属蒸気レ
   ーザのレーザ出力値の増減に従って変化させることを特
   徴とする請求項１記載の金属蒸気レーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の第２電源からの予備電圧
   のパルス幅は、請求項１記載の金属蒸気レーザのレーザ
   出力値の増減に従って変化させることを特徴とする請求
   項１記載の金属蒸気レーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の第２電源からの予備電圧
   の大きさは、請求項１記載の金属蒸気レーザのレーザ出
   力値の増減に従って変化させることを特徴とする請求項
   １記載の金属蒸気レーザ装置。
5. 【請求項５】 添加ガスは水蒸気または水素ガスまたは
   両者の混合ガスであることを特徴とする請求項１、請求
   項２ないし請求項記載の金属蒸気レーザ装置。