JPS6190485A - パルスレ−ザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は横方向励起型パルスレーザ発振器の改良に関
するものである。

［従来の技術］ 第６図は従来この種のものとして代表的な横方向励起型
パルスレーザ発振器で、特にエキシマレーザ（例えばＡ
ｒｋ’、　ＫｒＥ”、　ＸｅＦ、　Ｘｅｃｌ）、窒累レ
ーザ等で良く使われる装置の１例を示す縦断面図、第７
図は第６図１−■よりみた横断面図である。図において
、（１）は第１の主電極すなわちこの例では陰極、（２
）は陰極基板、（３）は第２の主電極すなわちこの例で
は陽極、（４）は陽極基板、（５ａ）、（５ｂ）はレー
ザ肋起用主放電回路の伝導路を兼ねる紫外光発光用予備
電離電極対、（６）は主放電を起こすためのピ−キング
コンデンサー、（７）は主放電によってレーザが励起さ
れる放電励起部、（８）は放電励起部（７）を主放電に
先立って予備電離する紫外光、（９）はレーザ発振光軸
、（１０）は紫外光（８）を発生する予備電離ギャップ
、（１１）はレーザガス流を示す矢印、（１２）はレー
ザガスを冷却する熱交換器、（１３）はレーザガスを循
環するブロワ−，（１４）はレーザガスの循環系を構成
するガスタクト、（１５）はレーザガスを封入するレー
ザ筐体、（１６）はピーキングコンデンサー（６）にパ
ルス充電するメインコンデンサー、（１７）はメインコ
ンデンサー（１６）を充電する高圧電源、（１８）　ｉ
メインコンデンサー（１７）の充電路を形成する充電用
インダクタンス、（１９）はレーザをスイッチングする
スイッチング素子（例えばギャップスイッチ、サイラト
ロン、半導体素子等）、（２Ｌ））はスイッチング素子
（１９）に流れるピー、り電流を制限し、かつピーキン
グコンデンサー（６〕に対して均等に電荷を充電するイ
ンダクタンス、（２１）は全反射鏡、（２２）は部分反
射鏡、　　（２３）はレーザ光である。

次に動作について説明する。１例としてＫｒＦし一デの
場合について説明する。レーザ筐体（１５）に封入され
、ガスダクト（１４）、プロワ−（１３）、４％交ｉ器
（１２）からなるガス循環系により、冷却された七とＦ
２とＨｅ（またはセかＮｅ）からなるレーザガスが陰極
（］）と陽極（３）の間に矢印の方向から流し込まれる
。高圧電源（１７）により、メインコンデンサー（１６
）が所定の電圧で充電される。スイッチング素子（１９
）がＯＮされると、メインコンデンサー（１６）に蓄え
られた電荷が、インダクタンス（２０）　、陰極基板（
２）、予備ｉｉｍ電極対（５ａ）　、　（５ｂ）陽極基
板（４）を通じて、ピーキングコンデンサー（６）をパ
ルス充電する。その際、予備電離ギャップ（１０）はア
ーク放電で接続され、紫外光（８）を発生する。これＫ
より、陰極（１）の近傍、ならびに放電励起部（７）の
全域に亘り、レーザガス（１１）が弱電離状態（電子密
度ｎｅ＝１０６〜１０’個／ｃｄ＞となる。ピーキング
コンデンサー（６）の充電によシ、陰極（１）と陽極（
３）の間の電圧が放電開始電圧に達すると、ピーキング
コンデンサー（６）に蓄えられた電荷は予備電離′電極
対（５ａ）、（５ｂ）を通じて一気に陰極（１）、陽極
（３）間に流れ、放電励起部（７）にパルス放電が形成
される。これは、あらかじめ放電励起部（ηが紫外光（
８）によって均一な予備電離状Ｊ８にされているため、
均一な放電となるものである。

この放電により形成された放電励起８’ｌＳ　（７）で
は、功起状悪のＫｒｌが生成され、反転分布が形成され
る。放電励起部（７）を挾み対向配置した全反射鏡（２
１）と部分反射ａ　（２２）から成る光共振器により、
レーザ発振が生じ、部分反射鏡（２２）からレーザビー
ム（２３）が出射する。

ところで最近、この種の横方向励起型パルスレーザの中
で、紫外頭′Ｈ，（１５ｔ）〜３５０ｓｍ）において高
出力、高効率な発振が得られるエキシマレーザ、特に希
ガス−ハロゲン系のエキシマレーザカ、ソの応用分野の
広さから注目を集め、実用的な装置の開発が望まれてい
る。実用的な装置の条件として、その用途によりさまざ
まな項目が挙げられるが、概して共通な条件として、 （イ）　高出力、高効率であること、 （ロ）　高速繰り反し発振（数百ｐｐａ〜政千ｐｐＥｌ
）が可能であり、なおかつ平均出力が嶋＜、出力が安定
していること、 ビ→　ガスの封じ切り寿命が長いこと、に）装置がコン
パクトで、また保守性が良いこと等が裟げられる。

エキシマレーザにおいては、逆転分布を形成するエキシ
マ分子（例えばＫｒｌ　、Ｘｅｃｌ”）の寿命が故国〜
改十菌と極めて短かい。そのため、（イ）の高出力化、
高効率化を実現するには、極めて立ち上がりが速く（故
ｎａ　）　、ピークパワーの高い（故Ｗ／７）！！力投
入が必要である。この条件は多分に玉数・１回路°（第
１図の例では、ピーキングコンデンサー（６）、予備電
離電極（５ａ）　、（５ｂ）　、陰極（１）、陽極（２
）で決まる回路）に浮遊するインダクタンス、すなわち
主放電回路で決まる折面槓で決定されζこれを小さく保
つことが重要である。また、予備電離用の紫外光（８）
の発光位置すなわち予備電離ギャップ（ｌＯ）の位置の
最適化を計り、放電の均質化、安定化を行なうことも重
要である。

（ロ）の条件に関し、高速繰返し発振を制限する要素と
して、スイッチング素子（１９）の仕様と共に、放電励
起部（７）における、主電極（１）、（３）と平行な方
向に流れるレーザガス中流速が重要な意味ｔ−持つ。

第８図に１つの実験結果としてレーザの繰返し周波数と
平均出力の関係を、放電！Ｉｉｈ起部（７）におけるガ
ス流速Ｖｇをパラメータとして表わしたものを示す。理
想的にｒｉ１パルス当りのレーザ出力が、繰返し周波数
に依存せず、一定に保たれることが望まれる。この１祭
、平均出力Ｆｉ繰返し同波故に比例して増加するが、第
８図に示すごとく、ガス流速が十分で々い時には、ある
同波数以上で、平均出力Ｆｉ飽和もしくは減少を始める
。すなわち、ガス流速が繰返し周波数に対して十分でな
い時は、前の放電によって発生した電離ガスが放電励起
部（７）に伐り、次の放電が起こつな時、放軍部でのイ
ンピーダンスがすてに極端に下がった状態にあり、電力
投入が効率的に行なわれない。またガス流速が極端に遅
い時には、伐留曙雌ガスの不均一性が放電に反映され、
集中したアーク放電となり、レーザ発振は厚比する。必
要なガス流速は装置の構造によっても異なるが、２００
ｐｐｓの繰返しに対して１０〜２０ｍ／ａ　　程度であ
る。

ｅ９の条件に関し、ガスの封じ切シ寿命を左右するもの
は、１つに予備電離の方式であり、いま１つはレーザを
構成する材料である。特に、希ガス−ハロゲン糸のエキ
シマレーザでは、腐食性の高いガス（Ｆ２、Ｈｃｌ他）
が使われるため、誤った材料を用いると、レーザ媒質が
消費される一方、反応生成物によってレーザ光の吸収や
レーザクインドーへの付着等の問題が起こり、レーザ出
力ｒｉ経時的に極端に減少することがある。望ましい構
成材料としては、缶部は科としてニッケル、絶縁物とし
てテフロン、セラミック等が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで実用的な装置という観点から従来の装置を見直す
と、 （ｉ）　　ピーキングコンデンサー（６）の形状、大き
さＫよシ予備電離ギャップ（１０）の位置が制限され、
紫外光（８）による予備電離の最適化が計れな匹。

α１）ピーキングコンデンサー（６）の外面はエポキシ
系のイ封ｌ盾である場合が多く、レーザガス中に設置す
る構成材料として不適当である。また、ピーキングコン
デンサー（６）の表面を、ハロゲンガスに対して強いテ
フロンで被うことも、ｗａ上Ｊｌｌａである。

などの問題点があった。第９図は上記（１１）の問題点
を克服するため、ピーキングコンデンサー（６）ヲレー
ザガスから遮蔽され次位置に設置した従来装置の他の１
例を示す縦断面図である。図において（１）〜（２０）
は第６図、第７図に示した例と同じものを示す。（２４
）　ｉピーキングコンデンサー（６）とレーザガス以外
の雰囲気、例えば大気中に設置するために設けられたレ
ーザ直体側蛍でろる。第９図の例では、第６図の−ｊと
回路的にも若干異なっているので、次に相異点を中心に
動作を説明する。

スイッチング素子（１９）がＯＮされると、メインコン
デンサー（１６）にＪ見られた電荷が、インダクタンス
（２０）、予備電離’、４ｍ対（５ａ）　、（５ｂ）、
陽極基板（２）、陽極基板（４）を通じて、ピーキング
コンデンサー（６）をパルス充電する。この過程におい
て、予備電離ギャップ（１０）からの紫外光（８）Ｋよ
多陰極（υの表面および放電励起部（７〕に亘り予備電
離が行なわれるのは先の例と同様である。さて、ピーキ
ングコンデンサー（６）のパルス充電により、陰極（１
）と陽極（３）の間の電圧が放電開始電圧に達すると、
ピーキングコンデンサー（６）の電荷は一気に陰１（１
）、陽極（３）間に流れ、放電励起部（７）にパルス放
電が形成される。この際、予備電離電極対（５ａ）　、
（５ｂ）が伝導路となっていない点が、先の例と異なる
点である。

さて、第１０図の例では、ピーキングコンデンサー（６
）がし〜ザガス雰囲気外に設置されたため、ピーキング
コンデンサー（６）の構成材料に起因するガス封じ切り
寿命の問題は低減されている。

しかしながら、このような装置構成では、高出力、高効
率化のために主放電回路の浮遊のインダクタンスを低減
することと、高速繰返しのために、放電励起部（７）に
おいて十分なガス流速を確保することとは、相反する問
題となる。すなわち、ある高速繰返し周波数（例えば２
００ｐｐ８）を設定して、それに必要なガス流速（放電
励起部（７）にｈ・いて例えばｌＯ〜２（１ｍ／ｓ）を
出そうとすると、現実的には放電励起部（７）前後に十
分なガス流路が確保されることが必要である。

ここで、ガス流速Ｖｇを決める要因について説明する。

ガス流速は、ガス循環系におけるガス流量をＱ　［ｒｒ
Ｉ／ｍ１ｎｌ、ガス流路における流れ方向の断面積をＡ
　［、ｔ　］とすれば、 Ｖｇ＝Ｑ／（６０・Ａ）［ｍ／ｓ］ で与えられる。ここで、ガス流ｆｔＱはプロワ−（１３
）固有の性能曲線（ガス流量Ｑ−静圧Ｈ８特性）とガス
循環系の圧力損失特性（ガス流量Ｑ−圧力損失ΔＰｔ特
性）の交点から求まる。系全体の圧力損失Δｐｔは、ガ
ス流路各部での圧力損失の和となり、また各部の圧力損
失は、そこでのガス流速ＶｇＶ、の２乗に比例する。す
なわち、 Σ　　αｉ Δｐｔ＝ΣαｉＶｇｖ２＝□・Ｑ”　［ｍｍＡｑｌｉ　
（６０・、＾コ、〕２ である。ここでα１はガス流路各部にふ・ける比例定数
、Ａｉは流れ方向のｋｆｒｉＯ積である。

市カスーハロゲン系のエキシマレーザでは、ハロゲンガ
スという非常に腐食性の強いガス分使う関係から、その
プロワ−として、一般にライン７０−ファンが使われて
いる。このプロワ−は、例、ｊｌｄ’３ａｔｍのエキシ
マレーザ媒質中（はとんどの場合Ｈａガスが大部分と占
めている）では、１０ゴ／ｍｉｎの流量を得ようとすれ
ば、例えばｌ　ＯｍｍＡｑ程度に系全体の圧力損失を押
さえねばならない。すなわち、ライン７０−ファンでは
高い静圧を得ることは期待できないわけである。ガス循
環系の中で圧力損失が大きいのは、管路が急故に拡大す
る部分（例えば放電部（７）の出口）、管路が急激に曲
がる部分（例えば小さな半径で９０°方回が変わる管路
）、細い流路、熱交換器部（１２）である。

ここで、第９図の従来例において、回路系の浮遊のイン
ダクタンスと必要最低限にしつつ、なおかつ１０〜２０
ｍ／ｓ　程度のガス流速（最大２００ｐｐｓ対応）が得
られるガス流路を考える。第９図では、放電励起部（７
）＠後において、ガス流路が細い管路でほぼ直角に曲げ
られておシ、これらの個所での圧力損失は非常に大であ
る。そこで、第１θ図に示すように、放電励起部（７）
の前後に、外壁曲率半径Ｒ１、内壁曲率半径Ｒ２，中心
半径Ｒの長方形断面０９０°ベンドを付けることが考え
られる。

このようなガス流路は最小の圧力損失を実現するもので
はないが、先の構造に比べればはるかに小さく、また、
光軸（９）とピーキングコンデンサー（６）との距離も
必要最低限とし、回路系の浮遊のインダクタンスを押さ
えようとした構造といえる。

ここで、長方形断面の短辺の長さをｂ　（＝Ｒ１−Ｒ２
）、主電極（１）、（３）部でのギャップ長をａ、主電
極（１）、（３）の幅をＷ、レーザ筺体（２４）の厚み
をＣとする。

現実的なレーザ装置を想定して ａ＝０．０２ｍ　、　ｂ＝＝０．０６ｍ　、　Ｒ／ｂ＝
＝１　、ｗ：＝０．０４ｍ％ｃ＝０．０２ｍＲ】＝０．
０７ｍ　１Ｒ２＝０．０３ｍ光軸（９）方向のダクト長
（長方形断面の長辺）０．６ｍとする。また、循環され
ているガスはＨｅ　３ａｔｍ（はぼエキシマレーザガス
３ａｔｍ相当）とする。

この時、第１０図の領域における圧力損失ΔＰは、ΔＰ
〜０．０５Ｑ　　　　　［ｍｍＡｑ　］で与えられる。

一方、熱交換器（１２）、その他の領域を含めた系全体
の圧力損失は、設計次第では１．４〜２．０倍に押さえ
られ、 ノＰｔ＝０．０７〜０．１ＯＱ２　　［ｍｍＡｑ］であ
る。

第１１図に市販されているライン７０−ファンの、Ｈｅ
ガス３ａｔｍ（エキシマレーザガス３ａｔｍ相当）にお
けるＱ−動特性、および前記のＱ−ＪＰｔ　特性を示す
。第１１図における二つの特性曲線の交点から、前記ラ
イン７０−ファンを用いた場合、Ｑ＝　ｌ　Ｏ〜ｌ　ｌ
　　　　［ｍＩ／ｍｉｎ　］のガス流量が得られること
がわかる。ここで、放電励起部（７）における流路の断
面Ａ＝０．０１２［＊］　より、ガス流速Ｖｇは、 Ｖｇ＝１４〜１５　　　　［ｍ／ｓ　］であり、最大２
００ｐｐｓの条件が得られる。

しかしながら、第１０図のガス流路系では、ガス流路確
保のために浮遊のインダクタンスと大きくしていること
は事実であり、レーザの高出力化、高効率化の観点から
好ましくない。また、同一ブロワ−（１３）でさらに高
いガス流速を得ようとして、理想的なガス流路に近づけ
ようとすると、浮遊のインダクタンスは単調に増化し、
現実的でなくなる。さらに、第１０図の構成では、浮遊
のインダクタンスと押える観点から、ピーキングコンデ
ンサー（６）の形状、特に直径に制限を受け、このこと
はピーキングコンデンサー（６）の容量を最適化できな
いという問題点につながる。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、高出力、高効率で高速繰返し特性も優れた実
用的なパルスレーザ発振器を得ることを目的としている
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るパルスレーザ発振器は、第１の圧電極の
背面に、レーザガス雰囲気とレーザガス雰囲気外とを分
離する絶縁性電極基板を備え、この絶縁性電極基板を介
して第１の主電極と反対側で第１の主電極の近くにコン
デンサーを配設したものである。

〔作用〕

この発明におけるコンデンサーは、レーザガス雰囲気外
で第１の主電極の近くに配設されているので、上記レー
ザガスによる上記コンデンサーの劣化が防止できる。ま
た、主放電回路の断面積を小さくできると共に主電極近
傍のレーザガス流路を確保できるので、高出力、高効率
で高速１繰返し特性にも優れた実用的なパルスレーザ発
振器を実現できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について図をもとに説明する
。第１図において、（２５）は第１の圧電極（１）に接
続された導電板、（２６）は第１の主電極（１）の背面
に設けられ、レーザガス雰囲気とレーザガス雰囲外とを
分離する絶縁性電極基板である。コンデンサー（６）は
絶縁性電極基板（２６）　を介して第１の主電極（１）
と反対則すなわちレーザガス雰囲気外で、第１の主電極
（１）の近くに配置されている。コンデンサー（６）の
一端は予備電離電極（５ａ）に、他端は導電板（２５）
を介して第１の圧電極（１）に電気的に接続されている
。

上記の実施例において、レーザ発振器としての基本的な
動作は、第６図に示した従来例と同一である。しかしな
がら、ピーキングコンデンサー（６）をレーザガス雰囲
気外に設置することにより、ピーキングコンデンサー（
６）の表面材質による、レーザガスの劣化の間粗は無く
なる。また、同様の理由でレーザ筐体（１へ構造が簡略
化され、保守性の面からも、ピーキングコンデンサー（
６）の交換は容易になる。

一方、主放電回路の断面は、ピーキングコンデンサー（
６）を・絶縁性電極基板（２６）を介して、第１の主電
極（１）の背後に密着するように配置したため、２００
ｐｐｓ以上の高速繰返し動作を必要とする時は、第９図
に示した従来の構造よりも本発明の方が、主放電回路に
浮遊するインダクタンスは小さくすることができる。

例えば、第１１図に示した特性のライン７０−ファンを
、第１０図に示すガス流路系に適用して、２００ｐｐ・
ｓの高速繰返しが可能な１４〜１５ｍ／ｓのガス流速が
得られているとする。

この際の第９図に示す従来例と第１図に示す本発明の一
実施例との浮遊のインダクタンスの比較と行なう。第２
図は第９図に相当する従来例と、本発明の例を、第１０
図に示したガス流路系に適用した例で、Ａ−Ａ側が従来
例を、Ｂ−Ｂ側が本発明を示す。

従来例では、光軸（９）とピーキングコンデンサー（６
）の距離Ｕと、陰極基板（２）と陽極基板（４）の距離
ｙとの積が、主放電回路の断面積Ｓｌを表わす。一方、
本発明では、光軸（９）から予備電離電極対（５ａ）、
（５ｂ）の中心軸までの距離Ｘと、陽極基板（４）から
導電板（２５）までの距離ｙの積が、主放電回路の＃Ｔ
面積Ｓ２を表わす。先に第１０図で仮定した寸法を適用
すると、 である。但し、ピーキングコンデンサー（６）の寸法は
、高さ０．０３ｍ、直径０．０３　ｍと仮定する。ここ
でＳｌ、８２は浮遊のインダクタンスにほぼ比例する量
であり、すなわち、従来のものと本発明を、ある程度高
速繰返が可能な同一ガス流路系において比較すると、 ８１／８２　＝１．４ の逮いがあることがわかる。さらに同一プロツーを用い
てガス流速を上プる必要が生じた時、本発明の構造では
主放電回路の浮遊のインダクタンスを増やすことなくガ
ス流路系の最適設計が可能である。従来例ではガス流路
系と最適化しようとするほど、浮遊のインダクタンスを
増加させることになる。

第３図はこの発明の他の実施例で、レーザの放電部向辺
のみを縦断面図で示している。この例ではピーキングコ
ンデンサー（６）は、絶縁性電極基板（２６）に対して
垂直で、なおかつ第１の主電極（１）に直接設置されて
いるが、ピーキングコンデンサー（６）の形状、大きさ
によっては主放電回路の浮遊のインダクタンスをさらに
小さくすることができる。

第４図は、第９図において示した従来例と同様の回路を
、本発明に適用した場合を示す縦断面図で、予備電離系
の回路構成が異なった場合でも同様の効果を得ることが
できる。

第５図は、更に他の実施例を示した縦断面図であり、図
において、（２７）は主電極（１）、（３）の上流部す
なわち放電励起部（７）のガス流入口に設置された漸次
細小路、（２８）は主電極（１）、（３）の下流部すな
わち放電励起部（７）のガス流出口に設置された斯次拡
大路である。このように放電！Ｉｉｈ起部（７）の前後
に漸次細小、拡大路（２７）　、（２８）　　の両方ま
たは一方を設けることにより、この領域での圧力損失分
さらに低減でき、同一のプロワ−（１３）でさらに高い
高速繰返しを実現できる。

なお、上記各実施例では主にエキシマレーザ媒質を封入
した場合について説明したが、Ｆ２レーザ、窒素レーザ
、Ｈ１ｉ″レーザ、ＣＯ２レーザなど、他のレーザ媒質
に適用しても同様の効果が得られるのはいうまでもない
。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、第１の主電極の背面
に、レーザガス雰囲気とレーザガス雰囲気外とを分離す
る絶縁性電極基板を備え、この絶縁性電極基板を介して
第１の主電極と反対側で第１の主電極の近くコンデンサ
ーを配設したので、高出力、高効率で高速繰返し特性も
優れた実用的なパルスレーザ発振器が得られる効果がめ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるパルスレーザ発振器
を示す縦断面図、第２図は従来の装置とこの発明の一実
施例による装置の主放電回路における浮遊のインダクタ
ンスを比較して示す説明図、第３図〜第５図はこの発明
の他の実施例によるパルスレーザ発振器の要部を示す縦
断面図、第６図は従来のパルスレーザ発振器の一例を示
す縦断面図、第７図は第６図のＶｌ−■線横断囲図、第
８図は繰返し同波数とレーザ出力の関係を示す特性図、
第９図は従来のパルスレーザ発振器の他の一例を示す縦
断面図、第１θ図は第９図に示す従来例を改良したもの
における主電極近傍を拡大して示す断面図、第１１図は
プロワ−の特性および圧力損失の特性を示す特性図であ
る。 図において、（１）は第１の主電極、（３）は第２の主
電極、（５ａ）　、（５ｂ）は予備電離電極、（６）は
コンデンサー、（７）は放電励起部、（８）は紫外光、
（９）はレーザ発振光軸、（２６）は絶縁性電極基板、
（２７）は漸次細小路、（２８）は両次拡大路である。 なお、各図中四−符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザガス中に対向して配設された第１および第
   ２の主電極と、上記主電極に並列に接続されたコンデン
   サーと、上記コンデンサーに電圧をパルス的に充電する
   回路と、上記主電極の近くに配設された予備電離電極と
   を備え、上記コンデンサーに充電された電荷の放出によ
   り上記主電極間にパルス状の放電を生成し、光共振器か
   らレーザ光を出射させるように構成するパルスレーザ発
   振器において、第１の主電極の背面に、上記レーザガス
   雰囲気とレーザガス雰囲気外とを分離する絶縁性電極基
   板を備え、この絶縁性電極基板を介して第１の主電極と
   反対側で第１の主電極の近くに上記コンデンサーを配設
   したことを特徴とするパルスレーザ発振器。
2. （２）レーザガスが主電極間に流入するように構成され
   、上記主電極の上流部に漸次縮小路を備えた特許請求の
   範囲第１項記載のパルスレーザ発振器。
3. （３）レーザガスが主電極間に流入するように構成され
   、上記主電極の下流部に漸次拡大路を備えた特許請求の
   範囲第１項または第２項記載のパルスレーザ発振器。