JPH10117027A - 放電励起ガスレーザー装置 - Google Patents

放電励起ガスレーザー装置

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JPH10117027A
JPH10117027A JP30342996A JP30342996A JPH10117027A JP H10117027 A JPH10117027 A JP H10117027A JP 30342996 A JP30342996 A JP 30342996A JP 30342996 A JP30342996 A JP 30342996A JP H10117027 A JPH10117027 A JP H10117027A
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main discharge
discharge
voltage
pair
electrodes
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JP30342996A
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Kenta Naito
健太 内藤
Shigeru Kato
茂 加藤
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Nissin Electric Co Ltd
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Nissin Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】装置サイズの小型化を図るとともに、エネルギ
ー効率の高い高電圧・高繰り返し・短パルス放電による
放電励起ガスレーザー装置を提供すること。 【解決手段】 一対の主放電電極間に高電圧・高繰り返
し・短パルス放電を発生させ、前記放電により前記一対
の主放電電極間のガスを励起してレーザ光を発生する放
電励起ガスレーザー装置において、前記短パルス放電の
インターバル中に前記一対の主放電電極２、３に補助電
圧発生器１１から絶縁破壊以下の電圧を印加し、この印
加電圧により前記一対の主放電電極２、３間の主放電に
より発生した残留電荷を除去する。これにより残留電荷
を除去するためのブロワ６や熱交換器を不要、若しくは
小容量にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放電励起エキシマ
レーザー等の高電圧・高繰り返し・短パルス放電により
ガスを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレーザ
ー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】放電励起エキシマレーザー等の高電圧・
短パルス放電ガスレーザー装置では、高出力を得るため
に数Ｈｚ〜数１００Ｈｚの高繰り返し運転が行われる。
図４はこのような高電圧・高繰り返し・短パルス放電に
よりガスを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレ
ーザー装置の構造の概略を示す図で、図において、１は
放電チャンバで、放電チャンバ１の内部に一対の主放電
電極２及び３、対からなる予備電離電極４及び５、ブロ
ワ６、熱交換器７を収納して構成されている。
【０００３】一対の主放電電極２及び３は、主放電パル
ス発生器１０に接続され、対の予備電離電極４及び５は
予備電離電源９に接続されている。レーザ発振時には、
対の予備電離電極４及び５間に予備電離電源９から放電
電圧を印加して予備放電を発生し、この放電により発生
する例えば紫外光を一対の主放電電極２及び３間のレー
ザガス８に照射して予備電離し、つづいて一対の主放電
電極２及び３間に主放電パルス発生器１０から高電圧・
短パルスの電圧が印加されて主放電を発生し、この放電
によって一対の主放電電極２及び３間のレーザガス８を
励起し、この励起により例えば紫外域のパルスレーザを
発振する。
【０００４】ところで、この１つの主放電パルスによっ
て主放電電極２及び３間には残留電荷が発生する。高繰
り返し運転時には、この主放電電極２及び３間の残留電
荷が連続する主放電パルスに影響を与え、数Ｈｚ以上で
は空間的に均一なグロー状のパルス放電が得られなくな
り、レーザー出力が低下することが知られている。高繰
り返し運転により高出力を得るためには主放電電極２及
び３間の残留電荷を除去する必要がある。この残留電荷
を除去するために主放電電極２及び３間のレーザーガス
８をブロワ６によってフローさせる（残留電荷を吹き流
す）ようにされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般的には主放電空間
は、主放電電極２及び３間距離が数ｃｍ電極長方向が１
０ｃｍ以上となっている。ガスフローの方向としては電
極幅方向が選ばれる。数１０Ｈｚの繰り返し運転とする
と数１０ｍｓのインターバル（パルス放電の空き時間）
中に、数１００Ｈｚの繰り返し運転とすると数ｍｓとい
うインターバル中に主放電空間体積のレーザーガスを吹
き流す必要がある。
【０００６】実際にはこのインターバル中に主放電空間
体積の３倍程度以上のガスフローが必要とされており、
必要なガス流量は１００ｍ３／ｈ以上にも及ぶ。このた
めに消費される電力は、この種のレーザー装置の全消費
電力に占める割合の数１０％にも及び、総合エネルギー
効率を低下させる要因となっている。
【０００７】また、レーザーガス８は主放電によっても
発熱して高温になるが、ブロワ６による高速フローでも
加熱されてさらに高温になる。一般にレーザーガス８は
高温になるとレーザー出力が低下する傾向がある。この
ため、高速フロー時にはより冷却能力の高い熱交換器７
が必要となる。その結果、高速ガスフローで主放電空間
から残留電荷を取り除く手法では、装置サイズは大型化
し、高価で、しかも総合エネルギー効率が悪いという問
題がある。
【０００８】本発明は、上記の問題に鑑みなされたもの
で、装置サイズの小型化を図るとともに、エネルギー効
率の高い高電圧・高繰り返し・短パルス放電による放電
励起ガスレーザー装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題が解決しようとする課題】本発明の目的は、一対
の主放電電極間に高電圧・高繰り返し・短パルス放電を
発生させ、前記放電により前記一対の主放電電極間のガ
スを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレーザー
装置において、前記短パルス放電のインターバル中に前
記一対の主放電電極に、絶縁破壊以下で前記一対の主放
電電極間の残留電荷の除去可能の電圧を印加してなるこ
とを特徴とする放電励起ガスレーザー装置とすることに
よって達成される。
【００１０】本発明の上記特徴によれば、短パルス放電
のインターバル中に一対の主放電電極間に印加される電
圧によって残留する電荷はスイープされて電極に吸収さ
れ、主放電電極間から除去されるので、放電チャンバ内
のブロワや熱交換器が不要、若しくは小容量のもので足
り、エネルギー効率が高く、コンパクトな高繰り返し・
高電圧・短パルスによる放電励起ガスレーザー装置が得
られる。
【００１１】高電圧・高繰り返し・短パルス放電励起ガ
スレーザーでは、一般に主放電用パルス電圧印加時間と
繰り返し周期の比Ｄは０．１％以下である。従って、数
１００Ｈｚの繰り返し率としても１ｍｓ程度以下のイン
ターバルで主放電電極間から残留電荷をスイープできれ
ばよいことになる。
【００１２】主放電電極間距離は一般に１〜３ｃｍ程度
であるので、残留電荷が１０３〜１０４ｃｍ／ｓ程度の
速度で駆動される電圧を印加すれば十分である。主放電
空間の換算電界強度が数Ｔｄ（タウゼント）（１Ｔｄ＝
１０−１７Ｖｃｍ２）であればイオンの駆動速度は１０
４ｃｍ／ｓ程度になる。ガス圧力は通常１〜３気圧程度
であるから、電圧は１〜３ｋＶ程度でよいことになる。
通常、主放電パルス電圧の最大値は数１０ＫＶ程度なの
で、この電圧値は主放電電圧値の１／１０程度で良いこ
とになる。なお、数Ｔｄの換算電界下では一般に電離係
数は小さく、１〜３ｃｍの電極間距離では電子増倍は起
こらず、主放電電極間は絶縁破壊しない。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る放電励起ガス
レーザー装置の実施の形態について図を参照して説明す
る。図１及び図２は本発明に係る実施の形態の放電励起
ガスレーザー装置の構造の概略を示す構成図、図３は図
１及び図２の放電励起ガスレーザー装置の動作説明図で
ある。なお、図４に示す従来の放電励起ガスレーザー装
置と同一部分及び対応する部分には同一の符号を付し、
重複する説明は省略する。
【００１４】本発明にしたがいこの実施の形態の放電励
起ガスレーザー装置では、補助電圧発生器１１が設けら
れ、ブロックリアクトル１２を介して一対の主放電電極
２及び３に接続されている。ブロックリアクトル１２
は、主放電パルス発生器１０の主放電パルス電圧が補助
電圧発生器１１側に進入しないようにするために設けら
れたものである。また、補助電圧発生器１１から主放電
パルス発生器１０への電流の流れ込みを避けたい場合は
図２に示すように主放電パルス発生器１０と主放電電極
２間にダイオード１３を挿入してもよい。
【００１５】このように構成された放電励起ガスレーザ
ー装置の一対の主放電電極２及び３に印加される電圧波
形の例を図３に示す。なお、主放電用パルス電圧印加時
間と繰り返し周期の比Ｄは０．１％以下であるが、理解
を助けるため図３では主放電パルス電圧部分の時間軸だ
けを拡大した形で模式的に表現してある。図３の（ａ）
は主放電パルス発生器１０の主放電電圧パルス波形、図
３の（ｂ）は補助電圧発生器１１の補助電圧波形、図３
の（ｃ）は主放電電極に印加される電圧波形である。
【００１６】レーザ光を発振させるとき、従来と同様
に、まず対の予備電離電極４及び５間に予備電離電源９
から放電電圧が印加されて予備放電を発生し、この放電
により発生する光を一対の主放電電極２及び３間のレー
ザガス８に照射して予備電離し、つづいて一対の主放電
電極２及び３間に主放電パルス発生器１０から高電圧・
短パルス（この実施形態では３０ＫＶ，１ＫＨｚ）の電
圧を印加して主放電を発生し、この放電によって一対の
主放電電極２及び３間のレーザガス８が励起され、この
励起によりパルスレーザ光を発生させる。
【００１７】一対の主放電電極２及び３間への主放電パ
ルス発生器１０からの高電圧・短パルスの電圧の印加が
なくなると、一対の主放電電極２及び３間に補助電圧発
生器１１から主放電パルス電圧の最大値の１／１０程度
（この実施形態では１ＫＶ）の補助電圧が印加される。
この電圧の印加により一対の主放電電極２及び３間に残
留する電子あるいはイオン等の荷電粒子はスイープさ
れ、その電荷は一対の主放電電極２及び３に吸収され、
一対の主放電電極２及び３間に残留する電荷が除去され
る。
【００１８】この主放電は、数Ｈｚ〜数１００Ｈｚで図
３の（ａ）に示すように繰り返し行われ、主放電のイン
ターバル中毎に補助電圧が、図３の（ｂ）に示すように
印加される。つまり、一対の主放電電極２及び３間に
は、レーザガス８を励起しレーザ光を発振するとき、図
３の（ｃ）に示すように、主放電パルス発生器１０から
の主放電電圧パルスと補助電圧発生器１１の補助電圧が
足しあわされた電圧が印加される。
【００１９】この実施形態では補助電圧として矩形状の
パルス電圧を使用しているが、補助電圧印加によって主
放電電極２及び３間から残留電荷をスイープして電極に
吸収できればよいので、矩形上である必要はなく、例え
ば単なる直流電圧であってもよいし、また、補助電圧の
極性が主放電電圧パルスと逆極性であってもよい。さら
に補助電圧は主放電のインターバル中に印加されていれ
ばよく、主放電電圧に重畳することも可能である。
【００２０】また、この実施形態では、放電チャンバ１
内にブロワ６と熱交換器７が設置されているが、主放電
そのものによるレーザーガスの加熱／温度上昇が問題に
なる場合を想定したものであって、この場合でも従来の
ような高速フローは必要なく、従来よりも容量の小さい
熱交換器、ブロワでよい。主放電そのものによるレーザ
ーガスの加熱／温度上昇が問題にならない場合は熱交換
器／ブロワを配置する必要はないことは勿論である。ま
た、補助電圧発生器１１としてはコンデンサとスイッチ
からなる単純なパルス発生器としても良い。
【０００７】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高繰り返し運転時の主放電電極間の残留電荷の除去を高
速フローなしに実施することができる。このため、放電
チャンバ内のブロワ／熱交換器が不要、もしくは従来よ
りも小容量でよい。このため、エネルギー効率が高く、
コンパクトな高繰り返し・高電圧・短パルス放電ガスレ
ーザー装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電励起ガスレーザー装置の構造
の概略を示す構成図である。
【図２】本発明に係る他の例の放電励起ガスレーザー装
置の構造の概略を示す構成図である。
【図３】図１及び図２の放電励起ガスレーザー装置の動
作説明図である。
【図４】従来の放電励起ガスレーザー装置の構造の概略
を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 放電チャンバ ２、３ 主放電電極 ４、５ 予備電離電極 ６ ブロワ ７ 熱交換器 ８ レーザガス ９ 予備電離電源 １０ 主放電パルス発生器 １１ 補助電圧発生器 １２ ブロックリアクトル １３ ダイオード
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年１０月１１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】追加
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放電励起エキシマ
レーザー等の高電圧・高繰り返し・短パルス放電により
ガスを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレーザ
ー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】放電励起エキシマレーザー等の高電圧・
短パルス放電ガスレーザー装置では、高出力を得るため
に数Ｈｚ〜数１００Ｈｚの高繰り返し運転が行われる。
図４はこのような高電圧・高繰り返し・短パルス放電に
よりガスを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレ
ーザー装置の構造の概略を示す図で、図において、１は
放電チャンバで、放電チャンバ１の内部に一対の主放電
電極２及び３、対からなる予備電離電極４及び５、ブロ
ワ６、熱交換器７を収納して構成されている。
【０００３】一対の主放電電極２及び３は、主放電パル
ス発生器１０に接続され、対の予備電離電極４及び５は
予備電離電源９に接続されている。レーザ発振時には、
対の予備電離電極４及び５間に予備電離電源９から放電
電圧を印加して予備放電を発生し、この放電により発生
する例えば紫外光を一対の主放電電極２及び３間のレー
ザガス８に照射して予備電離し、つづいて一対の主放電
電極２及び３間に主放電パルス発生器１０から高電圧・
短パルスの電圧が印加されて主放電を発生し、この放電
によって一対の主放電電極２及び３間のレーザガス８を
励起し、この励起により例えば紫外域のパルスレーザを
発振する。
【０００４】ところで、この１つの主放電パルスによっ
て主放電電極２及び３間には残留電荷が発生する。高繰
り返し運転時には、この主放電電極２及び３間の残留電
荷が連続する主放電パルスに影響を与え、数Ｈｚ以上で
は空間的に均一なグロー状のパルス放電が得られなくな
り、レーザー出力が低下することが知られている。高繰
り返し運転により高出力を得るためには主放電電極２及
び３間の残留電荷を除去する必要がある。この残留電荷
を除去するために主放電電極２及び３間のレーザーガス
８をブロワ６によってフローさせる（残留電荷を吹き流
す）ようにされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般的には主放電空間
は、主放電電極２及び３間距離が数ｃｍ電極長方向が１
０ｃｍ以上となっている。ガスフローの方向としては電
極幅方向が選ばれる。数１０Ｈｚの繰り返し運転とする
と数１０ｍｓのインターバル（パルス放電の空き時間）
中に、数１００Ｈｚの繰り返し運転とすると数ｍｓとい
うインターバル中に主放電空間体積のレーザーガスを吹
き流す必要がある。
【０００６】実際にはこのインターバル中に主放電空間
体積の３倍程度以上のガスフローが必要とされており、
必要なガス流量は１００ｍ３／ｈ以上にも及ぶ。このた
めに消費される電力は、この種のレーザー装置の全消費
電力に占める割合の数１０％にも及び、総合エネルギー
効率を低下させる要因となっている。
【０００７】また、レーザーガス８は主放電によっても
発熱して高温になるが、ブロワ６による高速フローでも
加熱されてさらに高温になる。一般にレーザーガス８は
高温になるとレーザー出力が低下する傾向がある。この
ため、高速フロー時にはより冷却能力の高い熱交換器７
が必要となる。その結果、高速ガスフローで主放電空間
から残留電荷を取り除く手法では、装置サイズは大型化
し、高価で、しかも総合エネルギー効率が悪いという問
題がある。
【０００８】本発明は、上記の問題に鑑みなされたもの
で、装置サイズの小型化を図るとともに、エネルギー効
率の高い高電圧・高繰り返し・短パルス放電による放電
励起ガスレーザー装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題が解決しようとする課題】本発明の目的は、一対
の主放電電極間に高電圧・高繰り返し・短パルス放電を
発生させ、前記放電により前記一対の主放電電極間のガ
スを励起してレーザ光を発生する放電励起ガスレーザー
装置において、前記短パルス放電のインターバル中に前
記一対の主放電電極に、絶縁破壊以下で前記一対の主放
電電極間の残留電荷の除去可能の電圧を印加してなるこ
とを特徴とする放電励起ガスレーザー装置とすることに
よって達成される。
【００１０】本発明の上記特徴によれば、短パルス放電
のインターバル中に一対の主放電電極間に印加される電
圧によって残留する電荷はスイープされて電極に吸収さ
れ、主放電電極間から除去されるので、放電チャンバ内
のブロワや熱交換器が不要、若しくは小容量のもので足
り、エネルギー効率が高く、コンパクトな高繰り返し・
高電圧・短パルスによる放電励起ガスレーザー装置が得
られる。
【００１１】高電圧・高繰り返し・短パルス放電励起ガ
スレーザーでは、一般に主放電用パルス電圧印加時間と
繰り返し周期の比Ｄは０．１％以下である。従って、数
１００Ｈｚの繰り返し率としても１ｍｓ程度以下のイン
ターバルで主放電電極間から残留電荷をスイープできれ
ばよいことになる。
【００１２】主放電電極間距離は一般に１〜３ｃｍ程度
であるので、残留電荷が１０３〜１０４ｃｍ／ｓ程度の
速度で駆動される電圧を印加すれば十分である。主放電
空間の換算電界強度が数Ｔｄ（タウゼント）（１Ｔｄ＝
１０−１７Ｖｃｍ２）であればイオンの駆動速度は１０
４ｃｍ／ｓ程度になる。ガス圧力は通常１〜３気圧程度
であるから、電圧は１〜３ｋＶ程度でよいことになる。
通常、主放電パルス電圧の最大値は数１０ＫＶ程度なの
で、この電圧値は主放電電圧値の１／１０程度で良いこ
とになる。なお、数Ｔｄの換算電界下では一般に電離係
数は小さく、１〜３ｃｍの電極間距離では電子増倍は起
こらず、主放電電極間は絶縁破壊しない。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る放電励起ガス
レーザー装置の実施の形態について図を参照して説明す
る。図１及び図２は本発明に係る実施の形態の放電励起
ガスレーザー装置の構造の概略を示す構成図、図３は図
１及び図２の放電励起ガスレーザー装置の動作説明図で
ある。なお、図４に示す従来の放電励起ガスレーザー装
置と同一部分及び対応する部分には同一の符号を付し、
重複する説明は省略する。
【００１４】本発明にしたがいこの実施の形態の放電励
起ガスレーザー装置では、補助電圧発生器１１が設けら
れ、ブロックリアクトル１２を介して一対の主放電電極
２及び３に接続されている。ブロックリアクトル１２
は、主放電パルス発生器１０の主放電パルス電圧が補助
電圧発生器１１側に進入しないようにするために設けら
れたものである。また、補助電圧発生器１１から主放電
パルス発生器１０への電流の流れ込みを避けたい場合は
図２に示すように主放電パルス発生器１０と主放電電極
２間にダイオード１３を挿入してもよい。
【００１５】このように構成された放電励起ガスレーザ
ー装置の一対の主放電電極２及び３に印加される電圧波
形の例を図３に示す。なお、主放電用パルス電圧印加時
間と繰り返し周期の比Ｄは０．１％以下であるが、理解
を助けるため図３では主放電パルス電圧部分の時間軸だ
けを拡大した形で模式的に表現してある。図３の（ａ）
は主放電パルス発生器１０の主放電電圧パルス波形、図
３の（ｂ）は補助電圧発生器１１の補助電圧波形、図３
の（ｃ）は主放電電極に印加される電圧波形である。
【００１６】レーザ光を発振させるとき、従来と同様
に、まず対の予備電離電極４及び５間に予備電離電源９
から放電電圧が印加されて予備放電を発生し、この放電
により発生する光を一対の主放電電極２及び３間のレー
ザガス８に照射して予備電離し、つづいて一対の主放電
電極２及び３間に主放電パルス発生器１０から高電圧・
短パルス（この実施形態では３０ＫＶ，１ＫＨｚ）の電
圧を印加して主放電を発生し、この放電によって一対の
主放電電極２及び３間のレーザガス８が励起され、この
励起によりパルスレーザ光を発生させる。
【００１７】一対の主放電電極２及び３間への主放電パ
ルス発生器１０からの高電圧・短パルスの電圧の印加が
なくなると、一対の主放電電極２及び３間に補助電圧発
生器１１から主放電パルス電圧の最大値の１／１０程度
（この実施形態では１ＫＶ）の補助電圧が印加される。
この電圧の印加により一対の主放電電極２及び３間に残
留する電子あるいはイオン等の荷電粒子はスイープさ
れ、その電荷は一対の主放電電極２及び３に吸収され、
一対の主放電電極２及び３間に残留する電荷が除去され
る。
【００１８】この主放電は、数Ｈｚ〜数１００Ｈｚで図
３の（ａ）に示すように繰り返し行われ、主放電のイン
ターバル中毎に補助電圧が、図３の（ｂ）に示すように
印加される。つまり、一対の主放電電極２及び３間に
は、レーザガス８を励起しレーザ光を発振するとき、図
３の（ｃ）に示すように、主放電パルス発生器１０から
の主放電電圧パルスと補助電圧発生器１１の補助電圧が
足しあわされた電圧が印加される。
【００１９】この実施形態では補助電圧として矩形状の
パルス電圧を使用しているが、補助電圧印加によって主
放電電極２及び３間から残留電荷をスイープして電極に
吸収できればよいので、矩形上である必要はなく、例え
ば単なる直流電圧であってもよいし、また、補助電圧の
極性が主放電電圧パルスと逆極性であってもよい。さら
に補助電圧は主放電のインターバル中に印加されていれ
ばよく、主放電電圧に重畳することも可能である。
【００２０】また、この実施形態では、放電チャンバ１
内にブロワ６と熱交換器７が設置されているが、主放電
そのものによるレーザーガスの加熱／温度上昇が問題に
なる場合を想定したものであって、この場合でも従来の
ような高速フローは必要なく、従来よりも容量の小さい
熱交換器、ブロワでよい。主放電そのものによるレーザ
ーガスの加熱／温度上昇が問題にならない場合は熱交換
器／ブロワを配置する必要はないことは勿論である。ま
た、補助電圧発生器１１としてはコンデンサとスイッチ
からなる単純なパルス発生器としても良い。
【００２１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
高繰り返し運転時の主放電電極間の残留電荷の除去を高
速フローなしに実施することができる。このため、放電
チャンバ内のブロワ／熱交換器が不要、もしくは従来よ
りも小容量でよい。このため、エネルギー効率が高く、
コンパクトな高繰り返し・高電圧・短パルス放電ガスレ
ーザー装置を提供することができる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一対の主放電電極間に高電圧・高繰り返
    し・短パルス放電を発生させ、前記放電により前記一対
    の主放電電極間のガスを励起してレーザ光を発生する放
    電励起ガスレーザー装置において、前記短パルス放電の
    インターバル中に前記一対の主放電電極に、絶縁破壊以
    下で前記一対の主放電電極間の残留電荷の除去可能の電
    圧を印加してなることを特徴とする放電励起ガスレーザ
    ー装置。
JP30342996A 1996-10-10 1996-10-10 放電励起ガスレーザー装置 Pending JPH10117027A (ja)

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