(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記副電極の両端部に絶縁体を配置すると共に主電極から絶縁体まで筒状放電管を導体により被覆し、また、前記主電圧源及び／または副電圧源をリーケージトランスを備えた高インピーダンス電圧源として、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向に安定なレーザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ装置。
【請求項２】
発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記筒状放電管を２分割すると共に副電極を中間部に介装して両放電管を連結一体化し、また、前記前記主電圧源及び／または副電圧源をリーケージトランスを備えた高インピーダンス電圧源として、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向に安定なレーザ光を発振放射させる同軸ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス放電励起型ガスレーザの改良に係り、更に詳細には、発振媒体ガスのコロナ放電を利用して主放電のスイッチングを行うことにより高速大電流用スイッチを不要にすると共に、高インピーダンスの電圧源を用いて発振効率を高く維持し、しかも主放電方向をレーザ放射方向と同軸構造にした放電ムラ等が影響することのない安定な同軸ガスレーザ励起を可能とした同軸ガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、穴開け、切断、マーキングおよびレーダー等の分野に使用されるパルス放電励起型ガスレーザ、例えばエキシマレーザ、ＣＯ2 レーザ、Ｎ2 レーザ等においては、放電をスタートさせるためにスパークギャップやサイラトロン等の高電圧スイッチを使用してきた。この目的は、立上りの早い電圧パルスを発生させ、その電圧を主電極に印加して速やかな励起放電を作り出すことである。
【０００３】
また、従来のパルス放電励起型ガスレーザでは、均一な放電を形成し励起密度を上げるために、放電空間に高密度のプラズマを形成してきた。従って、大きな電流密度が得られる回路が好適と考えられ、放電を駆動する電源回路の内部インピーダンスをできるだけ低く設定することが求められてきた。
例えば、放電回路を構成するキャパシターも可能な限り低いインピーダンス、つまり小さなインピーダンスになるように放電回路に接続され、この結果電圧と電流の立ち上がりも急峻なものになる。
【０００４】
従来の典型的なパルス放電励起型ガスレーザの例として、光軸（レーザ放射方向）と直交する方向に放電電流が流れる横方向励起のＣＯ2 レーザの回路構成を図６に示す。
【０００５】
図６は、充電抵抗１、コンデンサー２、サイラトロン３、高電圧電源７からなる高電圧パルス発生回路Ａと、主電極４ａ・４ｂ、バッファキャパシター５、予備電離ギャップ６からなる自動予備電離放電回路Ｂ、送風ファン８および放電管９から構成されている。
【０００６】
この回路の作動を説明すると、高電圧電源７からの充電により充電抵抗１およびコンデンサー２により決まる時定数に従ってコンデンサー２が充電される。このコンデンサー２の電圧が一定値まで上昇するとサイラトロン３が働き主電極４ａ・４ｂ間に放電電圧が印加される。この電圧は予備電離ギャップ６にも作用し、この予備電離ギャップ６の放電により、放電管９内の媒体ガスが自動的に予備電離され、これをトリガーにして主電極４ａ・４ｂ間に主放電が生起する。
【０００７】
図７は図６の放電管内部の簡略斜視図である。
放電管９は筒状で、その軸方向に長尺の主電極４ａ・４ｂおよび送風ファン８が狭い空間内に配置されている。放電は矢印で示すように対向する主電極４ａ・４ｂ間の短区間で起り、励起レーザ光は波線で示すように軸方向に放射される。放電方向と放射方向が直交するため横方向励起と呼ばれる。
送風ファン８は放電空間内の残留イオンを均一にするため、放電空間内の媒体ガスを循環させるために設けられている。図６に矢印で示すように、媒体ガスは放電管９内を周方向に循環する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような予備電離型放電回路においては、レーザの出力効率を高めるため、主電極４ａ・４ｂ間に印加される放電電圧を可能な限り急峻なものとする必要がある。その理由は、主放電空間Ｃが放電電圧の印加と同時に既に予備電離されているため、電圧の立上りが緩慢であると放電電圧の低いところで主放電が開始することになり、入力エネルギーが無駄に消費されることになるからである。したがって、従来の予備電離型放電回路においては、主放電回路にサイラトロンやスパークギャップ等の高速大電流用のスイッチ機構を必要としていた。しかし、このサイラトロンは１０の８乗程度のショット数で劣化が生じ、高価なサイラトロンの短寿命性はレーザ装置全体の性能を大幅に制限し、保守コストの高騰を招いていた。
【０００９】
また、この従来の電源回路（放電回路も含めて）では、大きな電流密度を得るために内部インピーダンスが低く設定されていた。例えば、高電圧電源７の内部インピーダンスを低くし、コンデンサー２やバッファキャパシター５、５もインダクタンスが小さくなるように配置されていた。その結果、確かに放電時に大電流を流すことができるが、電圧降下が急速に生じて励起に必要な電位傾度（電界強度）が確保されず、電流が無駄に消費されてきた。
これを改善するために更に高電圧で電流を供給する必要が生じ、より低いインピーダンスの電源回路を求めるというジレンマに陥っていた。
この様な低インピーダンス化は放電回路や電源回路に無理を生じ、放電空間のインピーダンスも制御が困難な程小さくなっていた。
【００１０】
また、図７から分るように、主電極４ａ・４ｂは狭い放電空間を介して長区間対向しており、この長区間に均一な放電を生起することが安定で良好なレーザ励起の条件である。この均一性の確保のために、放電空間を均一に弱く電離して放電を助ける予備電離が必須であり、放電励起ガスレーザ装置の構造を複雑にしている。しかも、放電後、空間に残留するイオン量が均一でないと、次の放電が極在化して出力が低下する。それを防止するために送風ファン８の設置がどうしても必要であった。しかし、ファン８を配置するためには放電管を大きくしなければならず、しかも機械部品を導入するため、故障確率が高くなる欠点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであり、請求項１の発明は、発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記副電極の両端部に絶縁体を配置すると共に主電極から絶縁体まで筒状放電管を導体により被覆し、また、前記主電圧源及び／または副電圧源をリーケージトランスを備えた高インピーダンス電圧源として、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向に安定なレーザ光を発振放射させることを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
請求項２の発明は、発振媒体ガスを封入した筒状放電管と、この放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、この放電管の中間部に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電圧源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源とから成る同軸ガスレーザ装置に於いて、前記筒状放電管を２分割すると共に副電極を中間部に介装して両放電管を連結一体化し、また、前記前記主電圧源及び／または副電圧源をリーケージトランスを備えた高インピーダンス電圧源として、前記副電極と一方の主電極間に印加した副パルス状電圧により生起するコロナ放電をトリガーとして主電極間に主放電を発生させ、この主放電と同方向に安定なレーザ光を発振放射させることを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
従来のガスレーザ励起方法の有する欠点が横方向励起方式によることから、本発明者はこの欠点を全面的に解消するため同軸励起方法を想到するに到った。これは放電方向とレーザ光放射方向とを同方向とするもので、筒状放電管の軸方向両端に主電極を対向配置し、放電管の軸方向長さが放電長となる。
【００１５】
本発明では高電圧スイッチを使用せず、放電管自体をスイッチとして作動させるために、放電励起型のガスレーザ装置の長寿命化を達成でき、同時に低コスト化も実現できる。同軸励起方式を採用しているため放電長が長く、その放電空間における予備電離の一様性はほとんど問題にならない。仮に予備電離が不均一であったとしても、放電が始まれば全て一本の放電路内に存在し、電子なだれ機構およびストリーマ機構により一本の放電中に吸収されてしまうからである。
【００１６】
また、放電空間に残留イオンが残っていても、同軸放電の場合にはほとんど影響を与えない。これは、上述した予備電離の不均一性が影響を与えないのと全く同様に、放電が始まれば一本の放電中に不均一残留イオンが全て吸収されてしまうからである。
更に、放電長が長いから放電の形成遅れ時間が大きく、立上りの早い電圧パルスを用いる必要もなくなる。
立上りの遅い電圧パルスでも放電の形成遅れ時間に間に合えばよいからである。この理由からも高電圧スイッチが不要となる。
【００１７】
本発明では、従来の放電回路での放電電圧が低下する問題点を回避するため、放電空間のインピーダンスを下げ過ぎないように、電源回路のインピーダンスを高くする方法が採用される。電源回路のインピーダンスが高い場合には、放電空間に電流が流れると電圧が降下し、電子増倍の機構が抑制されてそれ以上の電流の増加が抑制され、適切な電圧が維持されて効率的な励起が可能となる。
【００１８】
電源のインピーダンスを上げる最も簡単な方法は、電源と負荷（放電管）の間に抵抗を挿入することであるが、この場合には電流が流れると抵抗での発熱が起こり、無駄なエネルギー損失を生じる。損失を生じないためには、電源回路そのものをインピーダンスの高いトランス、例えばリーケージトランス等にして、従来のキャパシターバンク方式では困難であった、電圧の発生と電流の制限を同時に行うことが望まれる。
【００１９】
インピーダンスの高いトランスを用いると、出力電圧が発生して放電が進展を始めると、電圧が降下し、放電空間のインピーダンスが下がり過ぎるのを抑制する。この結果、負荷には適正な高い電圧が印加されたまま放電電流が流れることになり、適正な電子温度を維持しながら放電入力を入れることが可能となるため、理想的なガスレーザの作動が可能となる。
【００２０】
本発明では、筒状放電管の両端に対向配置されている主電極間に主パルス状電圧を印加する。
この主パルス状電圧の値は封入されている所定圧力の発振媒体ガスを単独に放電できる電圧値より小さく設定されている。この状態で、中間部に配置されている副電極に副パルス状電圧を印加して、副電極近傍にコロナ放電を発生させる。このコロナ放電がトリガーとなって主電極間に主放電が生起され、レーザ発振が起る。
即ち、副電極の電圧を制御して放電管自体、換言すれば放電空間をスイッチとして動作できる。
【００２１】
【実施例】
図１は本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第１実施例の概略断面図である。筒状放電管１０の両端には主電極１２ａ・１２ｂが対向配置され、またその一端には反射鏡１４および他端には出力鏡１６が設けられている。筒状放電管１０の内部には発振媒体ガス１８が密封されており、用途に応じてガスを変更すればよい。２０はリング状の副電極、２２は主電圧源、２４は副電圧源で共に主電極１２ｂを接地している。両電源２２、２４ともに高インピーダンストランスからなるパルス状電源回路である。
高インピーダンスの電源回路を用いることによって、放電空間のインピーダンスを高く設定できる。Ｃは放電用キャパシターであり、放電発生の初期の電離量を制御するために用いられる。
【００２２】
次に、上記構成の作動を説明する。
主電圧源２２により主電極１２ａは負電極となり、主電極１２ｂに対し負電位に設定される。
同時に副電圧源２４により副電極２０はトリガー電極となり、主電極１２ｂに対し正または負電位に設定される。この副電極への電圧印加により放電管１０の内部では、副電極２０の近傍で発振媒体ガス１８がコロナ放電を開始する。
【００２３】
コロナ放電中の正イオンは主電極１２ａ・１２ｂに向って走り出し、次々と媒体ガスをイオン化して電子なだれ現象が生起する。又、再結合時に発する紫外線によるストリーマ機構によってもイオン化が加速し、主電極間に一気に主放電が発生する。
前述したように放電空間のインピーダンスは大きいから、放電空間に電流が流れると電圧が降下し、電子増倍の機構が抑制される。そのため、それ以上の電流増加が抑制され、高い放電電圧が維持されて効率的な媒質の励起が生じる。
この主放電により出力鏡１６から主放電方向と同じ軸方向にレーザ光が励起放射される。そしてパルス状電圧の連続的な繰り返しにより安定なレーザ発振が持続する。
【００２４】
図２は本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第２の実施例の概略断面図である。この実施例では高インピーダンスの電圧源２５により放電用キャパシタＣを介して主電極１２ａ、１２ｂ間にパルス状電圧が印加される。また、この電圧が副キャパシタＣｔと抵抗Ｒにより分割されて、副電極２０にトリガー電圧が印加される。この主電圧と副電圧が同極性である点が第１実施例と異なっている。従来は放電用キャパシターＣ以外にバッファキャパシターを設けて放電電流の立ち上がりを改善していたが、本実施例では不要である。これ以外の同一部分には同一番号を付して説明を省略する。
【００２５】
次に、この第２実施例の作動を説明する。
副電極２０へのパルス状電圧の印加により絶縁体壁を介してコロナ放電を生成させる。このコロナ放電によって放電管内が絶縁破壊し、放電用キャパシターＣに充電されたエネルギーがガスに注入されると共に、電源回路よりエネルギーが供給される。
このとき、電源回路のインピーダンスが高いために放電管１０のインピーダンスは低下せず、高いインピーダンスでの放電が維持される。この放電により、高い放電電圧が維持され、効率的な媒質の励起が生じる。この結果、放電管の両端に取り付けた共振器によりレーザ光が発光され、パルス状電圧の連続的な印加により安定なレーザ発振が維持される。
【００２６】
図３は第３実施例の概略断面図である。
発振媒体ガスをフロー式にしたもので、主電極１２ａ上にガス流入口２８ａおよび主電極１２ｂ上にガス流出口２８ｂを設けて、ガスを矢印方向に流動させる方式である。本発明の同軸構造では残留イオンの影響はほとんどないが、本実施例のようにガスをフローさせることによって、放電管内に発生する不純物の問題を完全に解消したものである。
【００２７】
図４は第４実施例の概略断面図である。
本実施例では筒状放電管１０を２分割し、放電管１０ａ・１０ｂとしている。この間に副電極２０を介装して両放電管１０ａ・１０ｂを一体化したものである。副電極２０が直接発振媒体ガスに露出しているので、コロナ放電を生起しやすい。
【００２８】
図５は第５実施例の概略断面図である。
本実施例では、筒状放電管１０の周りに副電極２０を巻装し、その両端に絶縁体３０ａ・３０ｂを配置する。主電極１２ａ・１２ｂに導通した状態から絶縁体３０ａ・３０ｂまで導体３２ａ・３２ｂを被覆する。導体３２ａ・３２ｂを被覆しておくと、放電管内面でコロナ放電が発生し、副電極２０によるコロナ放電と相乗して、主放電を安定して生起できる。
【００２９】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更等をその技術的範囲内に包含するものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により放電回路のスイッチが不要となり、スイッチ素子の寿命で制限を受けることなくレーザを作動させることができる。又、従来装置で比較的大きな容積を占めていたサイラトロン等のスイッチとその付属回路が不要となるため、装置の大幅な小型化と低価格化が実現できる。
【００３１】
また、本発明では電源回路の内部インピーダンスを高く設定しているため、放電空間のインピーダンスも高く維持でき、高い放電維持電圧を保持できるために、効率的なレーザ発振を安定的に持続できる。
【００３２】
又、本発明では同軸方式を採用したため、放電管の軸方向位置における残留イオンの不均一や放電のムラ等が無視でき、発振媒体ガスの循環用ファンも不要となる。更に、放電長が長いために、放電の形成遅れ時間も大きく、立上りの早い電圧パルスを用いる必要もない。加えて、放電管の構造が従来に比べて大幅に簡素化されるため、ガスを封じきって使用する密封式の場合には、高い気密性が得られ、長寿命の作動を実現できる。
【００３３】
このように、放電管の構造が簡単になることにより、共振器の安定性が増し、使用する部品数が大幅に減少し、封じきりが容易になることで作動寿命が延びる等、産業応用の面でも実用的なレーザ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第１実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る同軸ガスレーザ装置の第２実施例を示す概略断面図である。
【図３】第３実施例の概略断面図である。
【図４】第４実施例の概略断面図である。
【図５】第５実施例の概略断面図である。
【図６】従来例である横方向励起の回路構成図である。
【図７】従来例である放電管内部の簡略斜視図である。
【符号の説明】
１０・１０ａ・１０ｂ…筒状放電管、１２ａ・１２ｂ…主電極、１４…反射鏡、１６…出力鏡、１８…発振媒体ガス、２０…副電極、２２…主電圧源、２４…副電圧源、２５…電圧源、２６…放電用キャパシター、２８ａ…ガス流入口、２８ｂ…ガス流出口、３０ａ・３０ｂ…絶縁体、３２ａ・３２ｂ…導体、Ｃ…放電用キャパシター、Ｃｔ…副キャパシター、Ｒ…抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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