JPH08181366A - イオンレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス圧を誤って高く検出してしまう不都合を
回避できるようにして、レーザ管の劣化が加速されるの
を防止する。 【構成】 放電部９では、レーザ管１内に、アルゴンガ
スを放電励起するアーク放電用の電極（陽極４と陰極
５）と、アーク放電用の細管６と、一対のグロー放電用
電極１８が設けられる。グロー放電電圧を測定回路１６
によって測定し、この値が、正常なレーザ発振を行わせ
るに必要な最低ガス圧に対応する電圧に達したとき、ガ
ス補給回路１５は、ガス補給信号を出力して電磁弁１１
を一時的に開放してガスリザーバ１０中のガスをレーザ
管１内に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンレーザに関し、
特にレーザ媒質であるガスを補給する機能を備えたイオ
ンレーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオンレーザは気体レーザの一つで、ア
ルゴンレーザとクリプトンレーザに代表される。アルゴ
ンレーザは青から緑、クリプトンレーザは青から赤の可
視光線を連続発振する。特にアルゴンレーザレーザはシ
ングルモードで数十Ｗの出力が得られ取り扱いも容易な
ため、加工、医療、印刷、分光、ホログラフィ、ディス
プレイ、その他研究用光源として広く応用されてきた。

【０００３】イオンレーザはレーザ媒質であるアルゴン
やクリプトンを放電励起することによって反転分布を形
成しレーザ発振する。イオンレーザにおける励起はアー
ク放電によって行われ、これが他の気体レーザと異なる
大きな特徴となっている。イオンレーザの発振効率は大
変低く、高電流密度が必要になる。レーザ発振するに
は、直径１〜５ｍｍ放電路に１〜１００Ａの放電電流を
流す必要があり、放電路の径を小さくして放電電流を上
げるほど電流密度は上がり高出力が得られる。このよう
な高電流密度のアーク放電には、放電路や電極を構成す
る部品にプラズマに対し耐スパッタ性を有する材料の選
択と、スパッタによるガスの消耗への対策が重要にな
る。

【０００４】ガス補給機能を備えた従来のイオンレーザ
の構造を図６のブロック図を用いて説明する。ここで
は、アルゴンレーザについて説明するが、クリプトンレ
ーザについても構造は同様である。イオンレーザの模式
的ブロック図である図６に示すように、従来のアルゴン
レーザは、一対のミラー８ａ、８ｂと、ミラー８ａ、８
ｂとともに発振部を構成する放電部９と、放電部９にガ
ス供給するガス供給部１２と、を支持し内部に収容する
レーザ発振器２と、放電部９に電力を供給しその動作を
制御する電源・制御部３により構成されている。ここで
説明するのは外部ミラー型のアルゴンレーザであるが、
ブリュースタ窓７の代わりにミラー８ａ、８ｂを直接レ
ーザ管１の両端に設けた内部ミラー型のレーザ発振器も
知られている。

【０００５】放電部９は、電子が入射する陽極４と電子
が放射される陰極５と放電路となる細管６とレーザ光の
透過するブリュースタ窓７を備え、レーザ媒質であるア
ルゴンガスを封入したレーザ管１を含んで構成されてい
る。ガス補給部１２には、アルゴンガスの封入されたガ
スリザーバ１０とこの封入ガスの放出を制御する電磁弁
１１とが備えられている。また、電源・制御部３には、
陽極４−陰極５間に定電流を供給する定電流回路１４
と、陽極４−陰極５間の電圧を測定する放電電圧測定回
路１３と、電磁弁１１の開閉を制御するガス補給回路１
５とが収容されている。

【０００６】陽極４には、銅、ニッケルあるいはグラフ
ァイトを用いて円筒形に加工したものが、陰極５には、
ポーラスなタングステンにＢａＯ等をしみ込ませてコイ
ル状に加工した含浸型陰極が使用され、細管６は、グラ
ファイト、酸化ベリリュウム、タングステン、シリコン
カーバイドなどにより形成されている。このように、特
に陰極と細管は耐スパッタ性の材料により形成されてい
る。

【０００７】アーク放電では、上述した耐スパッタ材料
を使用しても周辺の部品はスパッタされ、そしてデポジ
ットされる際にアルゴンが取り込まれるため、アルゴン
ガスは次第に消耗していく。内部ガス圧が低い程ガスの
消耗は激しいため、レーザ管内のガス消耗は加速度的に
進む。そこで、安定に長時間動作させためにガス補給機
能が準備されている。これは、レーザ管１内のガス圧が
ある基準値まで低下した時に電磁弁１１を瞬間的に開放
しガスリザーバ１０からアルゴンガスを補給する機能で
ある。

【０００８】レーザ管１は初期時には０．１〜１０Ｔｏ
ｒｒの最も効率よくレーザ発振する最適なガス圧で封止
されている。この最適ガス圧はレーザ管１の構造と材料
により決定される。ガス溜め用のガスリザーバ１０がレ
ーザ管１に接続して配管されており、その配管の間には
通常は閉じられた電磁弁１１が設けられている。初期時
にはガスリザーバ１０内は放電部９よりも高圧のガス圧
で封止されている。

【０００９】ある放電電流Ｉｂ１にて放電した時の放電
電圧Ｅｂ１とレーザ管１内のガス圧との関係を図７の実
線の曲線に示す。ガス圧と放電電圧Ｅｂ１の関係は１対
１に対応するため放電電圧Ｅｂ１はガス圧の代用特性と
して用いることができる。動作上必要なガス圧Ｐ１での
放電電圧をガス補給電圧Ｅｇ１として設定し、動作中の
放電電圧Ｅｂ１をガス補給電圧Ｅｇ１と比較しガス補給
の要否を判断する。

【００１０】ある一定の放電電流Ｉｂ１にて放電した場
合の放電電圧Ｅｂ１の時間変化を図８に示す。実線はガ
ス補給機能を動作させている場合を、また一点鎖線はガ
ス補給機能を動作させない場合を示している。放電電流
Ｉｂ１にて動作すると時間の経過と共にガス圧が低下す
るため放電電圧Ｅｂ１は低下する。事前に設定されたガ
ス補給電圧Ｅｇ１を割った時、電源・制御部のガス補給
回路からガス補給信号が出力され電磁弁１１は瞬間的に
開放される。この電磁弁１１の開放によって、高圧のガ
スリザーバ１０から低圧のレーザ管１にガスが導入さ
れ、これによりレーザ管１内のガス圧は上昇し初期のガ
ス圧が再現される。この動作はガスリザーバ１０内のガ
スが減少しレーザ管１と同じガス圧になるまで繰り返さ
れ、最終的には放電を維持する最低のガス圧Ｐ３の放電
電圧Ｅｄに達し放電不可能となる。

【００１１】なお、ガスレーザに関する従来技術として
は、レーザ出力と放電入力とを測定して入出力特性を
演算し、これと予め定められた基準特性との比較に基づ
いてレーザガスのリフレッシュを行う（特開平１−１６
００７０号公報）、グロー放電を利用するガスレーザ
において、電源装置の出力状態を監視し、その状態変化
が所定値以上となったときガスレーザへの電力の供給を
抑制または停止させる（特開昭６２−１２００９１号公
報）、放電電圧と設定電圧との比と放電電流と設定電
流の比を演算し、二つの比の差の積分値に基づいてガス
圧力を制御する（特開平１−１８４９７０号公報）など
がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のイオン
レーザではガス圧の検出の代わりとして放電電圧Ｅｂ１
を用いているため、経時的に陽極４、陰極５、細管６等
の放電部９の部品が劣化していくと、真のガス圧と検出
値との間の誤差が大きくなるための動作上必要なガス圧
Ｐ１以下にガス圧が低下し短寿命になるという問題があ
った。

【００１３】アーク放電は陽極と陰極５の表面の酸化を
招き、また、陰極ではイオンボンバードによる局所的な
温度上昇によりタングステンの粒成長進むためバリウム
の表面への拡散が不十分となってエミッションが低下
し、さらに、細管でのスパッタとデポジションにより細
管の形状不良が起こり、レーザ管のインピーダンスを上
昇させる。インピーダンスが上昇したことによりガス圧
および放電電流Ｉｂ１が一定であっても放電電圧Ｅｂ１
は上昇する。そのまま動作を継続するとレーザ管１のガ
スは消耗し放電電圧Ｅｂ１はガス補給電圧Ｅｇ１に達す
る。しかしその時のガス圧と放電電圧Ｅｂ１の関係は図
７の点線の曲線になっており、初期のガス圧Ｐ１からＰ
２に低下している。

【００１４】このような劣化を伴う場合の、ある一定の
放電電流Ｉｂ１にて放電した場合の放電電圧Ｅｂ１とレ
ーザ管１内のガス圧の時間変化を図９に示す。この動作
を続けた場合、見かけ上のガス圧であるＥｂ１は一定の
範囲内にて動作するがガス供給が行われるガス圧は次第
に低下していく。そして、ガス圧が低いほどスパッタ量
が大きいため部品劣化は加速度的に進行し、放電不可能
となるガス圧Ｐ３に到達する時期が早まる。

【００１５】なお、上記の問題点を解決するために圧力
検出器を用いて直接放電管内のガス圧を測定することも
考えられる。しかし、イオンレーザのような小型のレー
ザではガス検出器を設けることはスペース的にもコスト
的にも現実的ではない。また、圧力検出器として一般的
なピラニーゲージを用いた場合、アーク放電による温度
上昇が大きいため、誤動作の危険が大きくなる。さら
に、１／１００Ｔｏｒｒオーダのガス圧の正確な測定は
困難である。

【００１６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、レーザ管の劣化によりガス
圧を現実のガス圧より高く検出してしまう不都合を解消
できるようにして、ガス圧低下によりスパッタが増加し
さらにガス圧が低下するという短寿命化への悪循環を防
止できるようにし、レーザ管を長寿命化を図ることであ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、レーザ媒質が封入され該レーザ媒
質を放電励起するための一対のアーク放電用電極（４、
５）が配置されているレーザ管（１）と、レーザ媒質で
あるガスが封入されたガスリザーバ（１０）と、前記ガ
スリザーバ中のレーザ媒質の前記レーザ管への流入を制
御する制御弁（１１）と、前記レーザ管内のガス圧が不
足している場合には前記制御弁を開放するためのガス補
給信号を出力するガス補給回路（１５）と、を有するイ
オンレーザにおいて、前記レーザ管内には前記一対のア
ーク放電用電極によって形成されるアーク放電路外に一
対のグロー放電用電極（１８）が配置され、前記ガス補
給回路は前記グロー放電用電極間の放電電圧を検出して
基準値以下の場合には前記制御弁を開放するためのガス
補給信号を出力することを特徴とするイオンレーザ、が
提供される。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例のイオ
ンレーザの模式的ブロック図である。同図に示されるよ
うに、イオンレーザは、放電部９とその外側に配置され
た一対のミラー８ａ、８ｂとガス供給部１２を有するレ
ーザ発振器２と、電源・制御部３によって構成されてい
る。

【００１９】放電部９では、レーザ管１内に、アルゴン
ガスを放電励起するアーク放電用の一対の電極、すなわ
ち中空円筒形の銅製の陽極４とコイル形の形状をした含
浸型の陰極５が配置され、その間に中空円柱形で高熱伝
導率のセラミック材料からなる細管６が配置され、これ
らによりアーク放電部が構成されている。このアーク放
電部の両端の延長線上には光学石英ガラスからなるブリ
ュースタ窓７が設けられている。放電部９に連なるガス
補給部１２では、ガスリザーバ１０内に数１０Ｔｏｒｒ
のアルゴンガスが封入されていて、電磁弁１１によって
封止されている。また、レーザ発振器２の両端の位置に
配置される、共振器を構成するミラー８ａ、８ｂは、光
学石英ガラスに誘電体多層膜を蒸着して形成されてい
る。

【００２０】レーザ管１内のアーク放電路にアーク放電
を生じさせるために陽極４−陰極５間に、定電流回路１
４により定電流が供給され、その放電電圧は放電電圧測
定回路１３により測定される。陽極４の外側（左側）に
はグロー放電を発生させるためのグロー放電用電極１８
が一対設けられている。これは陰極５の外側（右側）で
もよく、アーク放電の放電路外であれば特に位置は問わ
ない。このグロー放電用電極１８の両端間にグロー放電
定電流回路１７により定電流が供給されてグロー放電が
発生する。その放電電圧はグロー放電電圧測定回路１６
により測定される。

【００２１】この時のグロー放電用電極１８間のグロー
放電電圧Ｅｂ２とレーザ管１内の内部ガス圧は、図２に
示すように、図７に示すアーク放電の場合と同様に１対
１に対応している。動作上必要なガス圧Ｐ１に対応する
グロー放電電圧Ｅｇ２がガス補給電圧としてガス補給回
路１５に設定されている。グロー放電電圧Ｅｂ２とガス
補給電圧Ｅｇ２を比較し、Ｅｂ２≦Ｅｇ２なる関係にな
ったときガス補給回路１５からガス補給信号が出力され
て電磁弁１１は０．１ｍｓ以下の間開放する。これによ
ってガス圧とＥｂ２は初期値に回復する。

【００２２】図３に、この実施例での放電電圧（アーク
放電電圧）Ｅｂ１とガス圧の経時変化を示す。グロー放
電の放電電圧をガス圧の代わりに使用してガス補給する
ことは、従来技術のようなアーク放電による電極や細管
の劣化がないため、現実のガス圧を誤って高く検出して
しまうことがなく、ガス供給の度に常に初期のガス圧に
て動作させることができる。

【００２３】その結果、低ガス圧化によるスパッタ量の
増加とインピーダンスの上昇はなくなりガス消耗の速度
も抑えられるため長寿命化が達成される。また、グロー
放電は放電電圧が低くアーク放電に比べスパッタ量も小
さいためグロー放電路をレーザ管１内に設けたことによ
ってレーザ動作上や寿命に悪影響が及ぼされることはな
い。

【００２４】［第２の実施例］図４に、本発明の第２の
実施例の模式的ブロック図を陽極部のみの拡大図として
示す。それ以外の部分は第１の実施例と共通するため図
示を省略する。本実施例では、一方のグロー放電用電極
１８を、陽極４を支持する陽極支持部材１９に兼ねさせ
ている。陽極４にはアーク放電のスタート時に数ｋＶの
トリガー電圧が加わるため、グロー放電回路にそのため
の対策が必要となるものの、その他の構成、動作は第１
の実施例と同様である。

【００２５】［第３の実施例］図５に、本発明の第３の
実施例の模式的ブロック図を陰極部のみの拡大図として
示す。その他の部分は第１の実施例の部分と共通するた
め図示を省略する。本実施例では、一方のグロー放電用
電極１８を、陰極４を支持する陽極支持部材２０が兼ね
ている。その他の構成、動作は、上記第１の実施例の場
合と同様である。以上の第２、第３の実施例では部品点
数を減らすことができ、低価格の製品を供給することが
できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、ガス補
給機能を有するイオンレーザにおいて、レーザ励起用の
アーク放電の他にグロー放電を行わせ、その放電電圧を
検出してガス圧値として用いるものであるので、レーザ
管の劣化に伴ってガス圧を高く検出してしまうことがな
くなり、その結果、ガス補給が予定していたガス補給圧
より低い圧力となってから行われるという不都合を回避
することができる。したがって、本発明によれば、低ガ
ス圧化によるスパッタ量の増加とガス消耗の加速を抑え
ることができ、レーザ管の長寿命化を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の模式的ブロック図。

【図２】図１の実施例のガス圧に対するグロー放電電圧
Ｅｂ２の特性図。

【図３】図１の実施例のレーザ管内部のガス圧と放電電
圧Ｅｂ１の経時変化図。

【図４】本発明の第２の実施例の模式的ブロック図の陽
極部拡大図。

【図５】本発明の第３の実施例の模式的ブロック図の陰
極部拡大図。

【図６】従来例の模式的ブロック図。

【図７】従来例のガス圧に対する放電電圧Ｅｂ１の特性
図。

【図８】従来例の放電電圧Ｅｂ１の経時変化図。

【図９】従来例のレーザ管内部のガス圧と放電電圧Ｅｂ
１の経時変化図。

【符号の説明】

１ レーザ管 ２ レーザ発振器 ３ 電源・制御部 ４ 陽極 ５ 陰極 ６ 細管 ７ ブリュースタ窓 ８ａ、８ｂ ミラー ９ 放電部 １０ ガスリザーバ １１ 電磁弁 １２ ガス供給部 １３ 放電電圧測定回路 １４ 定電流回路 １５ ガス補給回路 １６ グロー放電電圧測定回路 １７ グロー放電定電流回路 １８ グロー放電用電極 １９ 陽極支持部材 ２０ 陰極支持部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質が封入され該レーザ媒質を放
   電励起するための一対のアーク放電用電極が配置されて
   いるレーザ管と、レーザ媒質であるガスが封入されたガ
   スリザーバと、前記ガスリザーバ中のレーザ媒質の前記
   レーザ管への流入を制御する制御弁と、前記レーザ管内
   のガス圧が不足している場合には前記制御弁を開放する
   ためのガス補給信号を出力するガス補給回路と、を有す
   るイオンレーザにおいて、 前記レーザ管内には前記一対のアーク放電用電極によっ
   て形成されるアーク放電路外に一対のグロー放電用電極
   が配置され、前記ガス補給回路は前記グロー放電用電極
   間の放電電圧を検出してこれが基準値以下の場合には前
   記制御弁を開放するためのガス補給信号を出力すること
   を特徴とするイオンレーザ。
2. 【請求項２】 前記一対のアーク放電用電極の一方の電
   極の支持部材が、前記一対のグロー放電用電極の一方を
   兼ねていることを特徴とする請求項１記載のイオンレー
   ザ。