JPS6364069B2 - - Google Patents
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- JPS6364069B2 JPS6364069B2 JP21362984A JP21362984A JPS6364069B2 JP S6364069 B2 JPS6364069 B2 JP S6364069B2 JP 21362984 A JP21362984 A JP 21362984A JP 21362984 A JP21362984 A JP 21362984A JP S6364069 B2 JPS6364069 B2 JP S6364069B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
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Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、気体レーザのうち放電励起短パルス
レーザを対象とするものであつて、特にその電極
部冷却構造に関するものである。
レーザを対象とするものであつて、特にその電極
部冷却構造に関するものである。
第３図は従来の放電励起高くり返し短パルスレ
ーザ装置を示す断面図であり、短パルスレーザの
１つであるエキシマレーザを例としたものであ
る。図において、１は高電圧電源、２はキヤパシ
ター、３は高抵抗、４はスイツチ、５はキヤパシ
ター、６はコイル、７はキヤパシター、８は開孔
電極、９は電極、１０は補助電極、１１は開孔電
極８に直接々触している誘電体、１２は熱交換
器、１３は流体ガイド、１４はフアン、１５はレ
ーザ筐体、１６は絶縁物、１７は主放電空間、１
８はガス流である。
ーザ装置を示す断面図であり、短パルスレーザの
１つであるエキシマレーザを例としたものであ
る。図において、１は高電圧電源、２はキヤパシ
ター、３は高抵抗、４はスイツチ、５はキヤパシ
ター、６はコイル、７はキヤパシター、８は開孔
電極、９は電極、１０は補助電極、１１は開孔電
極８に直接々触している誘電体、１２は熱交換
器、１３は流体ガイド、１４はフアン、１５はレ
ーザ筐体、１６は絶縁物、１７は主放電空間、１
８はガス流である。
また第４図は、上記開孔電極８の主放電空間１
７に面する方向の様子を示したものであり、図に
おいて１９は開孔部、他の各符号は第３図と同じ
である。
７に面する方向の様子を示したものであり、図に
おいて１９は開孔部、他の各符号は第３図と同じ
である。
次に動作について説明する。まず回路系につい
て述べる。高電圧電源１から供給される電荷は、
まずキヤパシター２に蓄積される。次いでスイツ
チ４が導通状態になるとキヤパシター２からスイ
ツチ４、さらにアースラインを介してキヤパシタ
ー５、コイル６を経てキヤパシター２にもどると
いう電流ループによつて、キヤパシター２に蓄積
されていた電荷はキヤパシター５に移行される。
この迅速な電荷の移行にともなつて開孔電極８と
電極９の間（以下主放電々極間と呼ぶ）および開
孔電極８と補助電極１０との間（以下補助放電々
極間と呼ぶ）の電圧が急峻に上昇する。補助放電
の開始電圧は主放電の開始電圧より低いので、ま
ず開孔電極８に設けられた開孔部１９において誘
電体表面に補助放電（沿面放電）が起こる。該補
助放電で生成する電子の一部および該放電から発
生する紫外線光により光電離されて生成する電子
が、主放電をグロー状の均一な放電とするための
種となり、次いで主放電空間１７においてパルス
的に主放電が起こりレーザ媒質が励起され、その
結果レーザ光が取り出される。該レーザ光のパル
ス幅は主放電のパルス幅によるが一例をあげれ
ば、短パルスレーザの１つであるところのエキシ
マレーザにおいては数＋nsecである。スイツチ１
１としては通常サイラトロンが用いられ、上記の
レーザパルス発振が数Hzないし数ＫHz、通常は数
百Hzのくり返し速度でくり返し行なわれる。
て述べる。高電圧電源１から供給される電荷は、
まずキヤパシター２に蓄積される。次いでスイツ
チ４が導通状態になるとキヤパシター２からスイ
ツチ４、さらにアースラインを介してキヤパシタ
ー５、コイル６を経てキヤパシター２にもどると
いう電流ループによつて、キヤパシター２に蓄積
されていた電荷はキヤパシター５に移行される。
この迅速な電荷の移行にともなつて開孔電極８と
電極９の間（以下主放電々極間と呼ぶ）および開
孔電極８と補助電極１０との間（以下補助放電々
極間と呼ぶ）の電圧が急峻に上昇する。補助放電
の開始電圧は主放電の開始電圧より低いので、ま
ず開孔電極８に設けられた開孔部１９において誘
電体表面に補助放電（沿面放電）が起こる。該補
助放電で生成する電子の一部および該放電から発
生する紫外線光により光電離されて生成する電子
が、主放電をグロー状の均一な放電とするための
種となり、次いで主放電空間１７においてパルス
的に主放電が起こりレーザ媒質が励起され、その
結果レーザ光が取り出される。該レーザ光のパル
ス幅は主放電のパルス幅によるが一例をあげれ
ば、短パルスレーザの１つであるところのエキシ
マレーザにおいては数＋nsecである。スイツチ１
１としては通常サイラトロンが用いられ、上記の
レーザパルス発振が数Hzないし数ＫHz、通常は数
百Hzのくり返し速度でくり返し行なわれる。
次に流体系について述べる。一般にパルス的に
主放電が起こつた後は主放電空間１７は、熱的に
も電荷分布の点からも不均一な状態になつてお
り、次のパルス主放電がアークになり易いため、
次のパルス主放電が起こる前に主放電空間１７の
レーザガスを置き換えておく必要がある。このた
めフアン１４や流体ガイド１３および、レーザガ
スの放電による温度上昇を防ぐための熱交換器１
２が配設されており、通常主放電空間における流
速が毎秒数十ｍという高速なガス流１８が達成さ
れている。
主放電が起こつた後は主放電空間１７は、熱的に
も電荷分布の点からも不均一な状態になつてお
り、次のパルス主放電がアークになり易いため、
次のパルス主放電が起こる前に主放電空間１７の
レーザガスを置き換えておく必要がある。このた
めフアン１４や流体ガイド１３および、レーザガ
スの放電による温度上昇を防ぐための熱交換器１
２が配設されており、通常主放電空間における流
速が毎秒数十ｍという高速なガス流１８が達成さ
れている。
本従来例においては、開孔電極８および誘電体
１１の冷却は上記ガス流１８による乱流熱伝達と
背面の補助電極１０を介して、該背面空間で形成
される自然対流による熱伝達によつてしか行なわ
れない。しかも、開孔電極８側は沿面補助放電お
よび主放電が起つている間は逆に熱入力面とな
る。
１１の冷却は上記ガス流１８による乱流熱伝達と
背面の補助電極１０を介して、該背面空間で形成
される自然対流による熱伝達によつてしか行なわ
れない。しかも、開孔電極８側は沿面補助放電お
よび主放電が起つている間は逆に熱入力面とな
る。
エキシマレーザを例として熱入力のオーダを試
算してみると、レーザパルスエネルギー200（ｍ
ｊ／パルス）、くり返し速度1KHzで平均出力
200wの機種を考えると、通常レーザ発振効率は
１％であるから、キヤパシター２に蓄えられるエ
ネルギーは20kwとなる。回路系におけるオーミ
ツクな損失が半分とすれば、10kwがガスに投入
される。その内わずか数％が開孔電極部の加熱源
になるとしても数百ｗのオーダに達する。
算してみると、レーザパルスエネルギー200（ｍ
ｊ／パルス）、くり返し速度1KHzで平均出力
200wの機種を考えると、通常レーザ発振効率は
１％であるから、キヤパシター２に蓄えられるエ
ネルギーは20kwとなる。回路系におけるオーミ
ツクな損失が半分とすれば、10kwがガスに投入
される。その内わずか数％が開孔電極部の加熱源
になるとしても数百ｗのオーダに達する。
一方乱流熱伝達率を試算してみると、例えば
（甲藤好郎、伝熱概論、養賢堂版、116p（1982））
から、カルマンのアナロジ式を用いれば、ヌツセ
ルト数（NU xと記す）、レイノルズ数（Re xと記
す）、ブラントル数（Prと記す）、局所熱伝達率hx
と記す）、流体（一般のエキシマレーザのガス組
成はヘリウムが90％以上であるので、試算におい
てはヘリウムガスとする）の熱伝導率（λHeと記
す）、開孔電極のガス流上流側の端から、今局所
熱伝導率を試算しようとしている開孔電極上のあ
る部分までの距離（Ｘと記す）の諸変数を用いて NU x＝hx・Ｘ／λHe＝0.0296Rx0.8 e・Pr／｛１ ＋Ｂ（Rx-0.1 e）（Pr−１）｝ (1) Ｂ＝0.86（１＋lo〔（１＋5Pr）／６〕／（Pr−１））(
2) と書くことができる。
（甲藤好郎、伝熱概論、養賢堂版、116p（1982））
から、カルマンのアナロジ式を用いれば、ヌツセ
ルト数（NU xと記す）、レイノルズ数（Re xと記
す）、ブラントル数（Prと記す）、局所熱伝達率hx
と記す）、流体（一般のエキシマレーザのガス組
成はヘリウムが90％以上であるので、試算におい
てはヘリウムガスとする）の熱伝導率（λHeと記
す）、開孔電極のガス流上流側の端から、今局所
熱伝導率を試算しようとしている開孔電極上のあ
る部分までの距離（Ｘと記す）の諸変数を用いて NU x＝hx・Ｘ／λHe＝0.0296Rx0.8 e・Pr／｛１ ＋Ｂ（Rx-0.1 e）（Pr−１）｝ (1) Ｂ＝0.86（１＋lo〔（１＋5Pr）／６〕／（Pr−１））(
2) と書くことができる。
Heの圧力を通常のエキシマレーザの動作圧３
気圧とし、ガス流速をも通常のエキシマレーザで
の流速から20ｍ／secとし、開孔電極形状を幅
0.06ｍ、レーザ光軸方向の長さ0.6ｍとする。今、
距離ｘのポイントとして0.03ｍ、すなわち電極幅
の中央を設定すると、レイノルズ数（Re x）は1.6
×104となり、また気体のプラントル数は約0.7ヘ
リウムの熱伝導率は0.13Kcal／ｍhr℃であるか
ら、局所熱伝達係数hxは2.6×102kcal／m2hr℃と
算出される。
気圧とし、ガス流速をも通常のエキシマレーザで
の流速から20ｍ／secとし、開孔電極形状を幅
0.06ｍ、レーザ光軸方向の長さ0.6ｍとする。今、
距離ｘのポイントとして0.03ｍ、すなわち電極幅
の中央を設定すると、レイノルズ数（Re x）は1.6
×104となり、また気体のプラントル数は約0.7ヘ
リウムの熱伝導率は0.13Kcal／ｍhr℃であるか
ら、局所熱伝達係数hxは2.6×102kcal／m2hr℃と
算出される。
今、ヘリウム温度と開孔電極温度との差を20℃
とすると、取り去られる熱量は約200wとなり、
先述の熱入力と同等もしくはそれ以下にしか満た
ない。一方、上記設定温度差20℃においては、例
えば開孔電極がニツケル（エキシマレーザではも
つとも望ましい材料とされている）製であるとす
ると、その線膨張率0.15×10-4から開孔電極は0.2
mmも伸びる事になる。一般に開孔電極は誘電体に
密着させる構造がとられているので、誘電体上を
開孔電極がスムーズにすべらず上記の伸びは開孔
電極の“そり”となつて表われることが多い。
とすると、取り去られる熱量は約200wとなり、
先述の熱入力と同等もしくはそれ以下にしか満た
ない。一方、上記設定温度差20℃においては、例
えば開孔電極がニツケル（エキシマレーザではも
つとも望ましい材料とされている）製であるとす
ると、その線膨張率0.15×10-4から開孔電極は0.2
mmも伸びる事になる。一般に開孔電極は誘電体に
密着させる構造がとられているので、誘電体上を
開孔電極がスムーズにすべらず上記の伸びは開孔
電極の“そり”となつて表われることが多い。
従来の装置は以上のように構成されているの
で、レーザ平均出力を向上させるためにくり返し
速度を増すと、開孔電極や誘電体が加熱され熱応
力による誘電体の破損や開孔電極の反りによつて
主放電々極間のギヤツプ長が局部的に不ぞろいに
なり、主放電がアークになりやすいなどの問題点
があつた。
で、レーザ平均出力を向上させるためにくり返し
速度を増すと、開孔電極や誘電体が加熱され熱応
力による誘電体の破損や開孔電極の反りによつて
主放電々極間のギヤツプ長が局部的に不ぞろいに
なり、主放電がアークになりやすいなどの問題点
があつた。
この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、効率の良い方法で開孔電極お
よび誘電体を冷却し、これによつてレーザ発振の
くり返し速度を増しても安定に動作する放電励起
短パルスレーザ装置を得ることを目的とする。
になされたもので、効率の良い方法で開孔電極お
よび誘電体を冷却し、これによつてレーザ発振の
くり返し速度を増しても安定に動作する放電励起
短パルスレーザ装置を得ることを目的とする。
この発明に係る放電励起短パルスレーザ装置
は、誘電体を管構造とし、管内部に冷却用媒体を
封入するか、もしくは流すことにより開孔電極、
誘電体および補助電極の冷均をきわめて効率良く
行うようにしたものである。
は、誘電体を管構造とし、管内部に冷却用媒体を
封入するか、もしくは流すことにより開孔電極、
誘電体および補助電極の冷均をきわめて効率良く
行うようにしたものである。
開孔電極、誘電体および補助電極は、熱的には
三層積層板と見なすことができ、例えば開孔電極
および補助電極の材質をニツケルとし、誘電体の
材質をアルミナとすると、総括的な熱伝達率の値
は104Kcal／m2hr℃のオーダとなり先述の熱入力
のオーダより２桁も大きい。
三層積層板と見なすことができ、例えば開孔電極
および補助電極の材質をニツケルとし、誘電体の
材質をアルミナとすると、総括的な熱伝達率の値
は104Kcal／m2hr℃のオーダとなり先述の熱入力
のオーダより２桁も大きい。
したがつて誘電体を管構造とし、管内部に冷却
用媒質を封入もしくは流すことにより、補助電極
もしくは誘電体を直接冷却するようにすれば、開
孔電極も含めてきわめて迅速にかつ効率良く冷却
を行うことが可能となる。
用媒質を封入もしくは流すことにより、補助電極
もしくは誘電体を直接冷却するようにすれば、開
孔電極も含めてきわめて迅速にかつ効率良く冷却
を行うことが可能となる。
以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第１図において８は開孔電極、９は電極、１
１は誘電体、１７は主放電空間、２０は脱イオン
水である。
る。第１図において８は開孔電極、９は電極、１
１は誘電体、１７は主放電空間、２０は脱イオン
水である。
誘電体１１は管構造となつている。その内部に
補助電極１０が設置されており、かつ脱イオン水
２０が流され、該脱イオン水２０によつて補助電
極１０と誘電体１１の冷却およびこれらを介して
開孔陰極８の冷却が行なわれる。
補助電極１０が設置されており、かつ脱イオン水
２０が流され、該脱イオン水２０によつて補助電
極１０と誘電体１１の冷却およびこれらを介して
開孔陰極８の冷却が行なわれる。
脱イオン水と補助電極１０との間の熱伝達率は
103Kcal／m2hr℃以上であり、また補助電極１０、
誘電体１１および開孔陰極の三層積層構造部の熱
伝達率は、先述したように104Kcal／m2hr℃であ
るから、いづれも先述した熱入力のオーダと比較
すれば、上記三層積層構造部の温度を脱イオン水
の温度とほとんど等しく保つことが可能であるこ
とは明らかである。
103Kcal／m2hr℃以上であり、また補助電極１０、
誘電体１１および開孔陰極の三層積層構造部の熱
伝達率は、先述したように104Kcal／m2hr℃であ
るから、いづれも先述した熱入力のオーダと比較
すれば、上記三層積層構造部の温度を脱イオン水
の温度とほとんど等しく保つことが可能であるこ
とは明らかである。
第２図は本発明による他の実施例であり、図に
おいて２１は給電線、その他の符号は第１図と同
一である。本実施例では補助電極１０を排除し、
脱イオン水２０自身に冷却媒体とともに補助電極
としての役割をもたせ、該脱イオン水中に設けら
れた給電線により電圧供給をするようにしたもの
で、補助電極部をきわめて簡単な構造としたもの
である。
おいて２１は給電線、その他の符号は第１図と同
一である。本実施例では補助電極１０を排除し、
脱イオン水２０自身に冷却媒体とともに補助電極
としての役割をもたせ、該脱イオン水中に設けら
れた給電線により電圧供給をするようにしたもの
で、補助電極部をきわめて簡単な構造としたもの
である。
また、冷却媒体として脱イオン水２０以外にア
ンモニアやフツ化ハロゲン化炭化水素系冷媒など
を用いても良い。
ンモニアやフツ化ハロゲン化炭化水素系冷媒など
を用いても良い。
さらに、これらの冷却媒体を誘電体１１内に封
入し、ヒートパイプを形成するようにして冷却動
作を行なわせても良い。
入し、ヒートパイプを形成するようにして冷却動
作を行なわせても良い。
以上のように、この発明によれば誘電体を管構
造とし、該管内に冷却用媒体を封入もしくは流す
ように構成したので、開孔電極および誘電体の冷
却を効率良く行うことができ、したがつてレーザ
発振くり返し速度の高い、つまり平均出力の高い
かつ高速くり返し発振時にも安定動作可能な放電
励起短パルスレーザ装置を実現したものである。
造とし、該管内に冷却用媒体を封入もしくは流す
ように構成したので、開孔電極および誘電体の冷
却を効率良く行うことができ、したがつてレーザ
発振くり返し速度の高い、つまり平均出力の高い
かつ高速くり返し発振時にも安定動作可能な放電
励起短パルスレーザ装置を実現したものである。
第１図は、この発明の一実施例による放電励起
短パルスレーザ装置を示す断面図、第２図は、こ
の発明の他の実施例を示す断面図、第３図は従来
の放電励起短パルスレーザ装置を示す断面図、第
４図は誘電体および開孔電極の構成図である。 図において、８は開孔電極、９は電極、１０は
補助電極、１１は誘電体、２０は脱イオン水、２
１は給電線である。なお図中、同一符号は同一又
は相当部分を示す。
短パルスレーザ装置を示す断面図、第２図は、こ
の発明の他の実施例を示す断面図、第３図は従来
の放電励起短パルスレーザ装置を示す断面図、第
４図は誘電体および開孔電極の構成図である。 図において、８は開孔電極、９は電極、１０は
補助電極、１１は誘電体、２０は脱イオン水、２
１は給電線である。なお図中、同一符号は同一又
は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ レーザ光軸方向を長手方向とし、かつ相対向
するように配設された一対の電極で、該電極のう
ちいづれか一方が複数の開孔部を有している主放
電々極対、および該開孔電極の背面にあり、かつ
これに直接々触している誘電体部および該誘電体
部を狭むように、該誘電体部に直接々触している
補助電極とを有する電極系と、上記主放電々極間
にパルス電圧を印加するためのパルス回路およ
び、該パルス回路の一部を形成するかもしくは、
該パルス回路とは独立したものであつて、上記補
助電極と開孔電極との間に電圧を印加するための
回路とを有する回路系、とから構成される放電励
起短パルスレーザ装置において、上記誘電体部を
管構造とし、管内部で、かつ該管において開孔電
極と直接接触している面の背面に補助電極を直接
接触させるようにし、かつ、該管内部に冷却用媒
体を封入するかもしくは流通するようにしたこと
を特徴とする放電励起短パルスレーザ装置。 ２ 冷却用媒体として、脱イオン水を使用するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の放電
励起短パルスレーザ装置。 ３ 冷却用媒体として、脱イオン水を使用し、か
つ、上記補助電極を排除し、該脱イオン水自身を
補助電極とすることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の放電励起短パルスレーザ装置。 ４ 冷却用媒体として、アンモニアもしくはフツ
化ハロゲン化炭化水素系冷媒を用いることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の放電励起短パ
ルスレーザ装置。 ５ 冷却用媒体としてアンモニアもしくはフツ化
ハロゲン化炭化水素系冷媒を用い、かつこれらの
冷却用媒体を誘電体の管に封入し、ヒートパイプ
を構成するようにしたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の放電励起短パルスレーザ装
置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21362984A JPS6191983A (ja) | 1984-10-11 | 1984-10-11 | 放電励起短パルスレ−ザ装置 |
| US06/782,568 US4686682A (en) | 1984-10-09 | 1985-10-01 | Discharge excitation type short pulse laser device |
| DE3587852T DE3587852T2 (de) | 1984-10-09 | 1985-10-02 | Kurzpulslaservorrichtung vom Entladungsanregungstyp. |
| EP85112484A EP0177888B1 (en) | 1984-10-09 | 1985-10-02 | Discharge excitation type short pulse laser device |
| CA000492327A CA1259122A (en) | 1984-10-09 | 1985-10-04 | Discharge excitation type short pulse laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21362984A JPS6191983A (ja) | 1984-10-11 | 1984-10-11 | 放電励起短パルスレ−ザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6191983A JPS6191983A (ja) | 1986-05-10 |
| JPS6364069B2 true JPS6364069B2 (ja) | 1988-12-09 |
Family
ID=16642318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21362984A Granted JPS6191983A (ja) | 1984-10-09 | 1984-10-11 | 放電励起短パルスレ−ザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6191983A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0636448B2 (ja) * | 1987-03-17 | 1994-05-11 | 三菱電機株式会社 | 放電励起レ−ザ装置 |
| JPH01307284A (ja) * | 1988-06-06 | 1989-12-12 | Agency Of Ind Science & Technol | 放電電極 |
| CA2054756A1 (en) * | 1990-03-05 | 1991-09-06 | Shuntaro Watanabe | Discharge exciting excimer laser device |
| JP2734191B2 (ja) * | 1990-10-09 | 1998-03-30 | 日本電気株式会社 | レーザ装置 |
| CN102969645B (zh) * | 2012-11-21 | 2015-07-15 | 中国科学院光电研究院 | 双电极放电腔的导流装置及应用其的放电腔、准分子激光器 |
-
1984
- 1984-10-11 JP JP21362984A patent/JPS6191983A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6191983A (ja) | 1986-05-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |