(57)【要約】【課題】交流電源の周波数が１００ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲において使用電圧（ＶＲＭＳ）が実用的な５ｋＶ以下で使用できる安価な電源を用いた炭酸ガスレーザ発振器の提供。【解決手段】放電電極５（ａ，ｂ）の主放電面９に酸化チタン系セラミックス誘電体またはチタン酸バリウム系セラミックス誘電体被膜１１を設け、主放電面周辺および電極両側面に低誘電率を有するセラミックス被膜１３を設けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。【選択図】　　　図１
2004055982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電電極の主放電面に高誘電率を有するセラミックス誘電体被膜を設けると共に、主放電面周辺および電極両側面には低誘電率を有するセラミックス被膜を設けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の炭酸ガスレーザ発振器において、前記主放電面に設けたセラミックス誘電体被膜が酸化チタン系セラミックス誘電体またはチタン酸バリウム系セラミックス誘電体からなることを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭酸ガスレーザ発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流放電を使用する炭酸ガスレーザ発振器では、放電電極にガラスまたはアルミナセラミックスなどの誘電体で金属電極の放電面を被覆し、放電面以外の表面にはシリコン樹脂モールドなどで絶縁したものが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の炭酸ガスレーザ発振器の放電部のディメンション（放電ギャップＧ、放電電極におけるガス流方向の幅Ｗおよび光軸方向の長さＬ）は、光共振器に使用する標準的なミラーの口径（⇒ギャップＧに関係）、励起原子の緩和時間およびレーザガスの温度上昇（⇒幅Ｗに関係）、商品競争力のあるコンパクトな発振器（⇒長さＬに関係）などの制約条件のもとに決定されている。
【０００４】
そして、放電電極に被覆した誘電体部での電圧降下（ＶＣ）は上述のディメンションに依存する。また誘電体部での電圧降下（ＶＣ）の大きさは、次式（１）で表される。
【０００５】
【数１】
｜ＶＣ｜＝ｉＲＭＳ｜ｄ｜／｜２πｆε０εＳＳ｜…（１）
ここに、ｉＲＭＳ：　電流値、ｄ：　誘電体の厚み、ｆ：　交流電源の周波数、Ｓ：　誘電体の面積、ε０：　真空の誘電率８．８５×１０−１２［Ｆ］、εＳ：　誘電体の比誘電率。
【０００６】
例えばレーザ出力が約１，５００Ｗ，投入電力１５ｋＷの場合に、前記電圧降下（ＶＣ）を実用的な電圧降下である５ｋＶ以下にするためには、上述の数式（１）から、誘電体の厚みｄを小さくし、誘電体の面積Ｓと誘電体の比誘電率εＳとを大きくすればいいことが判るが、誘電体の厚みｄは耐電圧上あまり小さくすることができず、誘電体の面積Ｓは前述の如くディメンション上の制約がある。そして、誘電体の比誘電率εＳは使用している材質の最大値で規制される。
【０００７】
そのため、交流電源の周波数（ｆ）を１００ｋＨｚ以上にしなければ、交流電源の使用電圧（ＶＲＭＳ）を実用的な５ｋＶ以下に納めることができなかった。
【０００８】
また、電極の放電面以外を被覆しているシリコン樹脂が放電やレーザ光で劣化し易いという問題がある。
【０００９】
本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、交流電源の周波数が１００ｋＨｚ以下で、かつ使用電圧（ＶＲＭＳ）が実用的な５ｋＶ以下で使用できる炭酸ガスレーザ発振器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する手段として請求項１に記載の炭酸ガスレーザ発振器は、放電電極の主放電面に高誘電率を有するセラミックス誘電体被膜を設けると共に、主放電面周辺および電極両側面には低誘電率を有するセラミックス被膜を設けたことを要旨とするものである。
【００１１】
請求項２に記載の炭酸ガスレーザ発振器は、請求項１に記載の炭酸ガスレーザ発振器において、前記主放電面に設けたセラミックス誘電体被膜が酸化チタン系セラミックス誘電体またはチタン酸バリウム系セラミックス誘電体からなることを要旨とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００１３】
図１、図２は本発明に係わる炭酸ガスレーザ発振器の構成を示した図である。炭酸ガスレーザ発振器１は、高周波電源３に接続された一対の放電電極５（ａ，ｂ）を内蔵するチャンバー７を備えており、このチャンバー７内にレーザ媒質（ＣＯ２−Ｈｅ−Ｎ２からなる混合ガス）が充填してある。
【００１４】
前記放電電極５（ａ，ｂ）の主放電面９には、高誘電率を有するセラミックス被膜１１を設けると共に、前記主放電面周辺および電極両側面には低誘電率を有するセラミックス被膜１３を溶射によって形成してある。
【００１５】
なお、高誘電率を有するセラミックスとしては、例えば、チタン酸バリウム系セラミックス（εＳ＝５００〜５，０００）または酸化チタン系セラミックス（εＳ＝１０〜５００）がある。
【００１６】
また上述の放電電極５（ａ，ｂ）は、放電電極５（ａ，ｂ）の周囲を支持する適当な絶縁体からなる支持体１５を介して前記チャンバー７に適宜な放電空間（放電ギャップ）をもって固定してある。放電電極５（ａ，ｂ）の下方には、前記レーザ媒質を放電電極５（ａ，ｂ）の放電空間に循環供給させるためのブロワー１７が設けてあり、このブロワー１７の上流側には、放電空間を通過して高温になったレーザ媒質を適宜な温度に冷却するための熱交換器１９が設けてある。
【００１７】
また、前記放電空間の前後（図１において左右方向）には、放電空間で励起されたレーザ媒質から誘導放出されるレーザ光ＬＢを増幅する出力ミラーＭＯとリアミラーＭＲが配され、光共振器２１が形成されている。光共振器２１における出力レーザ光ＬＢの方向は、前記放電電極５（ａ，ｂ）間の放電方向と前記レーザ媒質の流れる方向とにほぼ直交するいわゆる３軸直交型である。
【００１８】
次に、上述の炭酸ガスレーザ発振器における放電電極５（ａ，ｂ）のディメンションを具体的に説明する。
【００１９】
レーザ出力１，５００Ｗ、投入電力１５ｋＷ程度を想定した場合、放電ギャップ（Ｇ）３０〜６０ｍｍ（ビーム直径：１５〜２５ｍｍ）、ガス流方向の幅（Ｗ）２０〜１００ｍｍ、光軸方向の長さ（Ｌ）２００〜３００ｍｍとなり、これらの数値から放電プラズマ部での電圧降下（ＶＲ）が約２ｋＶ〜３ｋＶが決定される。
【００２０】
したがって、放電プラズマ部での電圧降下（ＶＲ）を３ｋＶを採用すると、最大電流は１５ｋＷ／３ｋＶ＝５Ａとなる。一方、放電部における電流と電圧の関係において、放電プラズマ部での電圧降下（ＶＲ）は放電電流が大きく変化してもあまり大きく変化しない性質（低電圧特性）があるが、放電電流が増大すると放電電圧が低下する（負性抵抗）領域がある。
【００２１】
上述のような電圧−電流特性から、安定なプラズマを維持し、放電電力を正確にコントロールするためには、放電電極５ａの誘電体（セラミックス被覆部１３）部での電圧降下（ＶＣ１）と、放電電極５ｂの誘電体（セラミックス被覆部１３）部での電圧降下（ＶＣ２）とをそれぞれ０．５ｋＶ〜２ｋＶ程度にする必要がある。
【００２２】
なお、静電容量Ｃ１とＣ２の直列接続では、全静電容量に加えられた電位差Ｖは、各静電容量に逆比例して分割されるので、２個の静電容量Ｃ１とＣ２が等しい場合には電位差は１／２に分割されて各静電容量に加わる。すなわち、本実施例で全静電容量に加えられた電位差をＶＣとするときＶＣ１＝ＶＣ２＝ＶＣ／２であり、本実施例では、上述の理由からＶＣ／２＝２ｋＶに設定する。
【００２３】
この電圧（ＶＣ／２）が低すぎると、放電は負性抵抗による過電流、空間的不均一、時間的変動が大きくなって不安定となる。また、この電圧（ＶＣ／２）を高くし過ぎると、むやみに高い電源電圧が必要となり経済的でなくなる。
【００２４】
上述の条件から、放電電極５ａおよび５ｂの誘電体部のリアクタンスＺＣ１（＝ＺＣ２）は、
【数２】
ＺＣ１＝２ｋＶ／５Ａ＝４００Ω＝１／２πｆＣ…（２）
（２）式から、電源の周波数（ｆ）がそれぞれ、１００ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１０ｋＨｚ時における誘電体部の静電容量Ｃ［Ｆ］を計算して求めた結果、
【数３】
Ｃ（１００ｋＨｚ）＝３，９８０×１０−１２［Ｆ］　…（３）
Ｃ（５０ｋＨｚ）＝７，９６０×１０−１２［Ｆ］……（４）
Ｃ（１０ｋＨｚ）＝３９，８００×１０−１２［Ｆ］　…（５）
となる。
【００２５】
上記の静電容量（Ｃ）の値を前述のディメンションの下で実現すれば、セラミックス誘電体の比誘電率（εＳ）を決定することができる。ただし、セラミックス誘電体の厚みは、製造上の扱いやすさから約３ｍｍ以上、放電状態における表裏の温度差による熱応力の規制から約５ｍｍ以下という制約がある。
【００２６】
そこで、セラミックス誘電体のディメンションは、ガス流方向の幅（Ｗ）、光軸方向の主放電面９の長さ（Ｌ）および厚さ（ｄ）とを、それぞれ、Ｗ＝０．０５ｍ、Ｌ＝０．３０ｍ、ｄ＝０．００５ｍとすれば、主放電面９の表面積（ｓ）は、
【数４】
ｓ＝０．０５ｍ×０．３０ｍ＝０．０１５ｍ２…（６）
となり、静電容量（Ｃ）は、
【数５】
Ｃ＝Ｓε／ｄ＝Ｓε０εＳ／ｄ…（７）
から、
【数６】
Ｃ［Ｆ］＝０．０１５×８．８５×１０−１２×εＳ／０．００５＝２６．５５×１０−１２×εＳ…（８）
となり、この（８）式から、周波数がそれぞれ、１００ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１０ｋＨｚ時におけるセラミックス誘電体の比誘電率（εＳ）を求めれば、
【数７】
εＳ（１００ｋＨｚ）＝３，９８０×１０−１２［Ｆ］／２６．５５×１０−１２［Ｆ］＝１５０…（９）
εＳ（５０ｋＨｚ）＝７，９６０×１０−１２［Ｆ］／２６．５５×１０−１２［Ｆ］＝３００　…（１０）
εＳ（１０ｋＨｚ）＝３９，８００×１０−１２［Ｆ］／２６．５５×１０−１２［Ｆ］＝１，５００…（１１）
となり、周波数１００ｋＨｚから５０ｋＨｚの場合には、耐電圧１０ｋＶ、比誘電率（εＳ）が１０〜５００を有する酸化チタン系セラミックス誘電体が適していることが判る。また、周波数１０ｋＨｚの場合には、耐電圧１０ｋＶ、比誘電率（εＳ）が５００〜５，０００を有するチタン酸バリウム系セラミックス誘電体が適していることが判る。
【００２７】
なお、誘電体部（静電容量分）の電圧ＶＣは放電プラズマ部（純抵抗分）の電圧ＶＲに対して位相が９０度遅れるので、電圧ベクトルＶＲ（＝３ｋＶ）とＶＣ（＝４ｋＶ）との和である電源電圧（ＶＲＭＳ）は、ＶＲＭＳ＝√（３２＋４２）＝５ｋＶとなる。
【００２８】
したがって、上記構成の酸化チタン系セラミックス誘電体またはチタン酸バリウム系セラミックス誘電体を用いることにより、電源周波数が１００ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲において、電源電圧（ＶＲＭＳ）が実用的な５ｋＶ以下で使用できる炭酸ガスレーザ発振器を作ることができる。
【００２９】
また、主放電面周辺および電極両側面には低誘電率を有するセラミックス被覆１３を溶射によって被覆してあるので、放電面以外の主放電面周辺および電極両側面部が放電やレーザ光で劣化することがない。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１または請求項２の発明によれば、交流電源の周波数が１００ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲において使用電圧（ＶＲＭＳ）が実用的な５ｋＶ以下で使用できる安価な電源を用いた炭酸ガスレーザ発振器を製作することができる。
【００３１】
また、主放電面周辺および電極両側面部には、低誘電率を有するセラミックス被膜を形成したのでプラズマおよびレーザ回折光による電極の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる炭酸ガスレーザ発振器の構成、特に放電電極の構成の説明図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１　炭酸ガスレーザ発振器
３　高周波電源
５（ａ，ｂ）　放電電極
７　チャンバー
９　主放電面
１１、１３　セラミックス被膜
１５　支持体
１７　ブロワー
１９　熱交換器
２１　光共振器
ＬＢ　出力レーザ光
ＭＯ　出力ミラー
ＭＲ　リアミラー
【図１】
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【図２】
2004055982.tif 000004