JPH0818133A - 気体パルスレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高性能かつ小型の気体パルスレーザを提供す
る。 【構成】 レーザ媒質となる気体が入るための容器１
と、この気体を励起させるために容器１内に所定の空間
を隔てて配置された主電極１２０，１２１と、この空間
を隔てて対向して配置され共振器を構成するミラー６，
７と、主電極１２０，１２１と電気的に接続されてこの
主電極の近傍に配置された予備電離電極１１２，１１３
と、空間をのぞむような開口を有する開口電極１１４
と、長手方向が開口電極１１４の開口方向を向いて配置
された針状電極１１８が示されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭酸ガスレーザやエキ
シマレーザ、窒素レーザなどの気体パルスレーザに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的な気体パルスレーザは、いわゆる
横放電（ＴＥＡ放電）によって作動させられる。この気
体パルス放電は、通常、レーザ主電極間に生じるグロー
放電であり、このパルス放電は気体パルスレーザから出
射されるレーザ光の光軸に直交して行われる。放電に伴
ってレーザ主電極の表面はスパッタリングされ、つぎの
パルス放電までにレーザ主電極間に存在するガスにはス
パッタリングなどによる不純物が含まれることになる。
このガス中に存在する不純物は、レーザ光の出力特性を
劣化させる。パルス放電を繰り返し動作させるために、
通常、レーザ管内にはガス循環装置（クロスフローファ
ン）が設置されている。クロスフローファンはレーザ管
外のモーターと磁石などを利用した回転子を介して連結
されており、このモーターを高速（１０００〜３０００
ｒｐｍ）で回転駆動させると、クロスフローファンが回
転させられ電極内部の気体が循環する。したがって、主
電極間に存在するガスは常に清浄なガスに入れかえら
れ、気体パルスレーザから出力されるレーザ光の出力低
下は防止される。

【０００３】このようなファンを用いてガスを循環させ
るエキシマレーザ装置は、特開平５−２９９７２３号公
報に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ファンを用いた気体パルスレーザには、ファンを高速で
回転させることにより気体パルスレーザ自体にファンの
回転に伴う振動が伝わるので、この気体パルスレーザか
ら出力されるレーザ光の出射方向がずれてしまうという
問題点がある。また、このようなファンは気体パルスレ
ーザの大きさと同じ程度に大きく、さらに、このファン
を駆動するための装置は複雑である。したがって、従来
のエキシマレーザの装置の大きさは、全長１メートルに
も達っしている。本願発明者らは、気体パルスレーザの
全長が３０センチメートル程度であって、しかも、この
気体パルスレーザから出射されるレーザ光の出射方向が
高い精度で一定となる構造の気体パルスレーザの開発を
行ってきた。この開発において、気体パルスレーザの振
動の原因となり、また、気体パルスレーザの小形化の最
も障壁となるのはファンであった。しかしながら、この
ファンを取り除くと、前述のようにこの気体パルスレー
ザから出射されるレーザ光の出力が低下してしまう。

【０００５】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであり、全く新規な構造で小型化された気体パルス
レーザ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】本願発明者らは、上述の
課題を解決する新規な気体パルスレーザを開発した。こ
の気体パルスレーザはエキシマレーザであり、全長が３
０センチメートル程度であって、レーザ光の出射方向が
高い精度で一定となる構造を有している。これは、従来
の全長１メートルに及ぶレーザとは比較にならないほど
小型であって駆動時の音も静かである。この気体パルス
レーザは、レーザ媒質となる気体が入るための容器と、
この気体を励起させるために容器内に所定の空間を隔て
て配置された主電極と、この空間を隔てて対向して配置
され共振器を構成するミラーと、主電極と電気的に接続
されてこの主電極の近傍に配置された予備電離電極と、
予備電離電極と電気的に接続され、前記空間をのぞむよ
うな開口を有する開口電極と、長手方向が開口電極の開
口方向を向いて配置された針状電極とを具備する。な
お、本発明らが開発したエキシマレーザは、炭酸ガスレ
ーザなどの他の気体パルスレーザに適用することもでき
る。また、予備電離電極と開口電極とは一体化されるこ
ととしてもよい。

【０００７】この主電極を第１、第２の主電極とする
と、本発明は気体が入るための容器および前記容器内に
対向して配置された第１、第２の主電極を備えた気体パ
ルスレーザを対象とするものであり、針状電極は第１の
主電極と前記第２の主電極とで挟まれた空間に向かう方
向にその長手方向が向いて配置されていることとしても
よい。

【０００８】また、本発明は、気体が入るための容器お
よび容器内に対向して配置された第１、第２の主電極に
周期的な電圧を印加することにより気体を励起して発生
した光を共振させてレーザ光として出射する気体パルス
レーザを対象とするものでもあり、第１の周期において
第１の主電極と前記第２の主電極とで挟まれた空間に存
在する気体を次の周期の電圧の印加時間までに移動させ
るに十分な数の針状電極が容器内に配置されることとし
てもよい。

【０００９】

【作用】予備電離電極および主電極間には、周期的な電
圧が印加されて主電極で挟まれた空間に放電が生じる。
この放電により、容器内部の気体は励起され気体から発
生した光は、共振器を構成するミラーで反射されてレー
ザ光としてこの気体パルスレーザの外部に出射される。
開口電極は、主電極で挟まれた空間をのぞむような開口
を有しており、所定の電圧が針状電極に印加されること
により、この開口方向を向いた針状電極の先端近傍でイ
オン化した気体は、クーロン力によりこの開口方向へ移
動する。したがって、開口を通って気体がこの気体パル
スレーザの内部を循環することになるので、従来、必要
であったファンが不必要となる。すなわち、第１の周期
において第１の主電極と前記第２の主電極とで挟まれた
空間に存在する気体は、次の周期の電圧の印加時間まで
に針状電極により移動させられるので、従来のファンが
不必要となり、装置全体が小型化できる。

【００１０】この開口は、開口電極を開口電極から空間
方向へ貫通する貫通方向の揃った複数の貫通孔によって
規定される。このような開口の形状には、円形やハニカ
ム状の形状のものが列挙される。ここで、貫通孔の方向
は揃っているので、気流の指向性や均一性が高く、安定
したレーザ光を出射することができる。また、この開口
は、網目状の電極によって規定されることとしてもよ
い。網目状の電極は前述の貫通孔と比較して製造が容易
であり、本レーザの製造時間を短縮することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明に係る気体パルスレーザの実施
例について説明する。なお、説明において、同一要素に
は同一符号を用いることとし、重複する説明は省略す
る。

【００１２】図１は、本発明の実施例に係るエキシマレ
ーザを一部分解して示す斜視図であり、このエキシマレ
ーザの外観を示している。このエキシマレーザは、レー
ザ媒質となる気体が内部に入る金属またはガラス製の放
電管１の両端を金属製の封止板２，３で封止した容器を
備えている。放電管１と封止板２、３とは、放電管１を
間に挟むようにこの放電管１の両開口端に封止板２，３
を配置し、封止板３を貫通する固定ボルト４ａ〜４ｄを
封止板３にねじいれることにより固定されている。封止
板２の中央には貫通孔が形成され、この貫通孔の開口端
面を覆うように出力ミラー固定具５が取り付けられてい
る。固定具５は円筒形をしており、この固定具５の内壁
に出力ミラー６が嵌め込まれて固定されている。封止板
３には出力ミラー６に対向する位置に反射ミラー７が固
定されており、これらのミラー６，７はレーザの共振器
を構成しており、レーザ光は出力ミラー６から出射され
る。

【００１３】放電管の内部には、放電装置１００が設置
されている。封止板２，３にはそれぞれ電流導入端子
９，８がこの封止板２，３を貫通するように設置されて
いる。電流導入端子９には＋ＨＶの電圧が印加され、後
述する放電装置１００内の主電極や予備電離電極へ電流
を供給している。、また、電流導入端子８にも−ＨＶの
電圧が印加され、後述する放電装置１００内の針状電極
に電流を供給している。

【００１４】図２は、図１に示したエキシマレーザを同
図中の矢印Ａ方向からみた正面図であり、図３は、図２
に示したエキシマレーザを同図中のＢＢ線に沿って切っ
た側面断面図である。また、図４は図１に示したエキシ
マレーザを一部破断して要部である放電装置１００の構
成を示す斜視図である。なお、以下の説明において
「上」および「下」なる語は図２の上下に基づくものと
する。

【００１５】容器を構成する放電管１内には、放電装置
１００が設置されている。放電装置１００は、第１の主
電極１２０、第２の主電極１２１、予備電離電極１１
２，１１３；１０２，１０３、開口電極１０４，１１４
および針状電極１１８を備えている。放電管１の内部に
は、レーザ媒質となる気体が密封されている。

【００１６】封止板２には断面Ｌ字型の金属支持具１０
１の一つの面が固定されている。封止板３にも断面Ｌ字
型の金属支持具３０１が支持具１０１に対向して同様に
固定されている。支持具１０１の他方の面には、金属製
の支持板１０１ａが固定されており、この支持板１０１
ａは支持具３１０の他方の面に固定されている。したが
って、支持板１０１ａは放電管１の長手方向に沿って、
支持具１０１と３０１との間に横架されている。主電極
１２０は、支持板１０１ａの下面に固定されており、封
止板２および３に接続されている。

【００１７】主電極１２１は、主電極１２０に対向する
位置に配置されている。主電極１２１は金属板１０７に
固定されている。金属板１０７は放電管１の長手方向に
配置されている。この金属板１０７を挟むように金属板
１０７にはコンデンサ１０６，１１６が固定されてい
る。金属板１０７には、複数のコンデンサ１０６および
１１６のペアが放電管１の長手方向に整列して固定され
ている。コンデンサ１１６は、金属板１０７の両端に配
置されたそれぞれのコンデンサ１０６，１１６のペア
は、それぞれコンデンサ支持具１１５に固定されてい
る。それぞれの支持具１１５は、封止板２および封止板
３に固定されている。以上のように主電極１２０，１２
１およびコンデンサ１０６，１１６は、封止板２，３に
支持されており、主電極１２０，１２１は放電管１内の
気体を励起させるために所定の空間を隔てて配置されて
いることになる。

【００１８】開口電極１１４は、コンデンサ１１６と支
持具１１５との間に介在して固定されており、主電極１
２１と電気的に接続されている。開口電極１１４は主電
極１２１の近傍に配置されている。開口電極１１４の上
端は平板状の予備電離電極１１３が固定されている。支
持板１０１ａには平板状の予備電離電極１１２が固定さ
れており、予備電離電極１１２と予備電離電極１１３と
は僅かな間隙をあけて配置されている。したがって、開
口電極１１４に電圧を印加すると予備電離電極１１２と
予備電離電極１１３との間隙は狭いのでこれらの間で容
易に放電が生じ、主電極１２０，１２１間の放電を生じ
やすくしている。開口電極１１４は、主電極１２１およ
び主電極１２０で挟まれた空間をのぞむような開口１１
９を有している。この開口１１９は、開口電極１１４を
開口電極１１４からこの空間方向へ貫通する貫通孔１１
９によって規定される。開口電極１０４は、コンデンサ
１０６と支持具１０５との間に介在して固定されてお
り、主電極１２１と電気的に接続されている。開口電極
１０４の構成は、開口電極１１４の構成と同様である。

【００１９】金属板１０７は、封止板２を貫通する電流
導入端子９に接続されており、負の電位が与えられる。
電流導入端子９は封止板２を貫通しているが、封止板２
とは絶縁されている。また、主電極１２０は、筐体アー
スされている。一方、封止板２と封止板３との間には、
金属ロッド１１７が横架されている。金属ロッド１１７
は電流導入端子８に電気的に接続されている。電流導入
端子８は封止板３を貫通しているが、封止板２，３とは
絶縁されている。なお、電流導入端子８と金属ロッド１
１７とは一体化していてもよい。電流導入端子８には負
の電位が与えられて電流が供給される。金属ロッド１１
７には複数の針状電極１１８が固定されている。針状電
極１１８は、その長手方向が開口電極１１４の開口方向
を向いて配置されている。金属ロッド１１７には複数の
針状電極１１８が、それぞれ開口電極１１４の開口１１
９に対応して固定されている。

【００２０】次に、このエキシマレーザの動作および駆
動回路について説明する。図５は、図２に示したエキシ
マレーザの各要素の電気的な接続およびこれを駆動させ
るための駆動回路を示す説明図であり、同図中の白抜き
矢印はレーザ媒質となる気体の循環方向を示している。

【００２１】主電極１２０はグランドに接続されてお
り、主電極１２１には図示のようなＬＣ回路が接続され
て電流導入端子９を介して−ＨＶの電圧が印加される。
予備電離電極１０２，１１２；１０３，１１３および主
電極１２０，１２１間には周期的な電圧が印加され、主
電極１２０，１２１で挟まれた空間には放電が生じる。
この放電により、放電管１内部の気体は励起されて光を
発生する。この光は共振器を構成するミラー６，７で反
射されて共振し、レーザ光として出力ミラー６を介して
エキシマレーザの外部に出射される。換言すれば、予備
電離電極１１２，１１３；１０２，１０３と主電極（放
電電極）１２０，１２１は、レーザ放電回路として機能
する。端子９にパルス電圧が印加されることにより、コ
ンデンサ１０６，１１６にパルス充電された電気エネル
ギーにより主電極１２０，１２１間では周期が数十〜数
百ｎｓｅｃのグロ−放電が発生する。このグロー放電に
よりレーザ媒質となるレーザガスは励起される。このエ
キシマレーザは、繰り返し動作が可能である。パルス放
電によって発生したイオンや主電極１２０，１２１のス
パッタリングにより発生した残留生成物が主電極１２
０，１２１間にとどまっていると、この残留生成物のた
めに放電の局部的に空間的な均一性が次のパルス放電ま
で損なわれる。この放電は不安定なアーク放電に移行し
てパルスごとに不安定性を増していき、最終的にはレー
ザ発振が停止する。本実施例のエキシマレーザは次のパ
ルス放電が始まる前に主電極１２０，１２１間のガスを
排気し、残留物のないガスを針状電極１１８によって主
電極１２０，１２１間の空間に供給することができる。
この針状電極１１８は、針状電極１１８から主電極１２
０，１２１で挟まれた領域の方向へガスの流れを発生さ
せる。

【００２２】針状電極１１８には−ＨＶの電位が与えら
れ、針状電極１１８は開口１１９方向を向いているの
で、針状電極１１８の先端近傍でイオン化した気体はク
ーロン力によりこの開口１１９方向へ移動する。したが
って、開口１１９を通った気体は主電極１２０，１２１
で挟まれた空間を通過して開口１０９を通り、放電管１
内を循環することになる。これにより、第１の周期にお
いて主電極１２０と主電極１２１とで挟まれた空間に存
在する気体は、次の周期の電圧の印加時間までに移動さ
せられる。このガスの流れは、開口電極１１４の開口１
１９と針状電極１１８との間で生じるコロナ放電により
作り出される。これにより、イオンの流れが発生させら
れてガスを移動させる力が生み出される。開口電極１１
４は予備電離電極１１２，１１３を介して接地されてい
るので、針状電極１１８に負の電圧を印加すれば、針状
電極１１８と開口電極１１４との間で発生するコロナ放
電により生成されたマイナスイオンは針状電極１１８か
ら開口電極１１４方向へ移動する。また、針状電極１１
８に正の電圧を印加すれば、図５において時計回りの方
向のガス流を発生させることができる。

【００２３】本実施例のエキシマレーザでは、針状電極
１１８と開口電極１１４との間に形成される隙間（ギャ
ップ）距離、それぞれの電極１１４，１１８の形状や大
きさ高電圧の値などを適切に決めることにより所望の発
振繰り返し率（回／秒）に応じたガスの流速を設定する
ことができる。

【００２４】なお、針状電極１１８の軸は、開口１１９
の軸と一致していれば、開口電極１１４と針状電極１１
８との間に発生する電界強度はこの軸の回りに均一に分
布するので、コロナ放電のこの中心軸に対して均一に発
生する。しかし、針状電極１１８の形状や周囲の部材の
形状などによっては電界分布が変化し、またイオン流を
妨げることが実際には起こり得るため、必ずしもこの針
状電極をこの中心軸上に配置することが最も効果的であ
るとは限らない。

【００２５】本実施例のエキシマレーザによれば、針状
電極１１８を備えることにより従来のファンが不必要と
なり、装置全体の小型化を達成できるとともにファンに
よる振動も生じないので出射方向の安定したレーザ光を
出射することができる。

【００２６】なお、本発明は前述の実施例に限らず様々
な変形が可能である。

【００２７】図６は、本発明の他の実施例に係るエキシ
マレーザを一部破断して要部の構成を示す斜視図であ
り、ハニカム状の貫通孔の形成された開口電極２１４が
示されている。すなわち、本実施例では、図２に示した
開口１１９は貫通方向の揃った複数の貫通孔によって規
定される。この貫通方向は、開口電極２１４から主電極
１２０，１２１で挟まれた空間を望む方向である。この
ような構成とすることにより、気流の指向性や均一性を
高くすることができるので、安定したレーザ光を出射す
ることができる。

【００２８】図７は、本発明の他の実施例に係るエキシ
マレーザを一部破断して要部の構成を示す斜視図であ
り、金網の取り付けられて構成された開口電極３１４が
示されている。本実施例は、図２に示した開口１１９が
網目状の電極によって規定されるようにしたものであ
る。網目状の電極は図４に示した貫通孔１１９と比較し
て製造が容易であり、エキシマレーザの製造時間を短縮
することができる。なお、本発明らが開発したエキシマ
レーザは、炭酸ガスレーザなどの他の気体パルスレーザ
に適用することもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、従来のフ
ァンが不必要となり装置全体が小型化できる。エキシマ
レーザを試作した場合、その全長は３０センチメートル
程度である。これは、従来の全長１メートルに及ぶレー
ザとは比較にならないほど小形であって駆動時の音も静
かである。また、ファンを必要としないので、このファ
ンによる気体パルスレーザ自体の振動は著しく低減さ
れ、出射方向の安定したレーザ光を出射することがで
き、この振動を除去するためのデバイスも不要となる。
さらに、ファンを用いないので、このファンを駆動させ
るためのモーターも不要となり、この気体パルスレーザ
の消費電力を低減させることができる。すなわち、本発
明の気体パルスレーザのガス流発生機構は数ワットの消
費電力であり、ファンを用いた場合の１／１００の電力
消費量である。なお、この針状電極は静電集塵器として
も機能しうるので、本発明の気体パルスレーザは容器内
で発生した不純物がミラーなどに付着して出射されるレ
ーザ光の出力低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るエキシマレーザを一部分
解して示す斜視図であり、このエキシマレーザの外観を
示している。

【図２】図１に示したエキシマレーザを同図中の矢印Ａ
方向からみた正面図である。

【図３】図２に示したエキシマレーザを同図中のＢＢ線
に沿って切った側面断面図である。

【図４】図１に示したエキシマレーザを一部破断して要
部の構成を示す斜視図である。

【図５】図２に示したエキシマレーザの各要素の電気的
な接続およびこれを駆動させるための駆動回路を示す説
明図であり、同図中の白抜き矢印はレーザ媒質となる気
体の循環方向を示している。

【図６】本発明の他の実施例に係るエキシマレーザを一
部破断して要部の構成を示す斜視図であり、ハニカム状
の貫通孔の形成された予備電離電極が示されている。

【図７】本発明の他の実施例に係るエキシマレーザを一
部破断して要部の構成を示す斜視図であり、金網の取り
付けられて構成された予備電離電極が示されている。

【符号の説明】

１２０，１２１…主電極、１１２，１１３，１０２，１
０３…予備電離電極、１１４…開口電極、１１８…針状
電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/22 3/225 Ｈ０１Ｓ 3/03 Ｊ 3/22 Ｚ 3/223 Ｅ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質となる気体が入るための容器
   と、 この気体を励起させるために前記容器内に所定の空間を
   隔てて配置された主電極と、 前記空間を隔てて対向して配置され共振器を構成するミ
   ラーと、 前記主電極と電気的に接続されてこの主電極の近傍に配
   置された予備電離電極と、 前記予備電離電極に電気的に接続され、前記空間をのぞ
   むような開口を有する開口電極と、 長手方向が前記開口電極の前記開口方向を向いて配置さ
   れた針状電極と、を備えることを特徴とする気体パルス
   レーザ。
2. 【請求項２】 前記開口は、前記開口電極を前記開口電
   極から前記空間方向へ貫通する貫通方向の揃った複数の
   貫通孔によって規定されることを特徴とする請求項１に
   記載の気体パルスレーザ。
3. 【請求項３】 前記開口は、網目状の電極によって規定
   されることを特徴とする請求項１に記載の気体パルスレ
   ーザ。
4. 【請求項４】 気体が入るための容器および前記容器内
   に対向して配置された第１、第２の主電極を備えた気体
   パルスレーザにおいて、 前記第１の主電極と前記第２の主電極とで挟まれた空間
   に向かう方向にその長手方向が向いて配置された針状電
   極を備えることを特徴とする気体パルスレーザ。
5. 【請求項５】 気体が入るための容器および前記容器内
   に対向して配置された第１、第２の主電極に周期的な電
   圧を印加することにより前記気体を励起して発生した光
   を共振させてレーザ光として出射する気体パルスレーザ
   において、 第１の周期において前記第１の主電極と前記第２の主電
   極とで挟まれた空間に存在する前記気体を次の周期の電
   圧の印加時間までに移動させるに十分な数の針状電極が
   前記容器内に配置されることを特徴とする気体パルスレ
   ーザ。