微細ガラスマーキングの為の短パルス CO2 レーザーに関する研究
山梨大学大学院 医学工学総合研究部
助教 宇野和行（平成 21 年一般研究開発助成 AF-2009213）
キーワード：軸方向放電励起方式，CO2 レーザー，ガラスマーキング

１．研究の目的と背景

ハードシール可能なシンプルな放電管構造による完全ガス封じ

微細ガラスマーキングは，フラットディスプレイパネルや太切り動作，長い共振器長と小さい円形開口による高品質のビー

陽電池，スマートフォン，タブレット型情報端末などの普及や，ムモードを容易に与えることができる．結果として、軸方向放従来からの生活分野や光学研究分野の需要などに伴い，ガラス

電励起気体レーザーは、シンプル（少ない部品点数）
・ポータブ

基板製造工程からエンドユーザーの使用までのトレーサビリテ

ル（小型 He-Ne レーザーサイズ）
・低コスト（材料費 30 万円/台

ィや品質管理などを容易な確保するために，非常に重要である．

程度）・メンテナンスフリーの装置で高い性能を有する。

ガラスは CO2 レーザーの発振波長帯 9.2 – 11.4 m に高い吸収係

レーザーパルスに着目すると，軸方向放電における大きな放数をもち．CO2 レーザーはレーザーの中でも電気－光変換効率が電インピーダンスは長い放電の形成時間を引き起こすため，軸非常に高い．従って，CO2 レーザーでは，低入力・低出力エネル

方向放電励起 CO2 レーザーでは長パルス発振（文献 5 ではパルギーによる効果的な省エネガラスマーキングが可能となる．レス幅 3 ms）の要因となっていた 5,6)．これまでの我々の軸方向放ーザーガラスマーキングでは，レーザーパルス幅による熱影響

電励起 CO2 レーザーの研究では、エキシマレーザーで用いられにより，ガラス表面にクラックが生じる場合がある．ガラスマる高速放電回路である容量移行型回路により、TEA-CO2 レーザーキングを可能とする CO2 レーザーは，TEA-CO2 レーザーや Qーや Q スイッチ CO2 レーザーのようなパルス幅 100 ns の尖頭パスイッチCO2 レーザーのような100 – 200 ns の尖頭パルスと数sルスをもつ短パルス発振を可能とした 7)。のパルステールをもつ短パルス CO2 レーザーである 1-4)．
しかし，

本研究では，著者が開発した軸方向放電励起気体レーザーに

TEA-CO2 レーザーや Q スイッチ CO2 レーザーは，装置が複雑で適したダイレクトドライブ回路による軸方向放電励起 CO2 レー

大型，高コストとなるため，ユーザーフレンドリィな装置を目ザーの発振特性とパルステールの要因となる主放電後の低電流的とした産業装置（中小企業における工程毎のマーキングや研（後続電流）の除去のためのシャント抵抗の効果について調査

究室レベルでの光学サンプルの品質管理マーキングなど）に組した．また，パルステールフリー発振を実現するために，媒質み込むことは難しい．そこで，本研究では，シンプル・ポータ

ガスにピュア CO2 ガスを用いた実験も行った．

ブル・低コスト・メンテナンスフリーの装置による短パルス CO2レーザーを実現する可能性をもつ軸方向放電励起方式による短パルス CO2 レーザーの開発を行った．

３．実験装置
図 1 は，ダイレクトドライブ回路をもつ軸方向放電励起 CO2レーザー装置を示す．ダイレクトドライブ回路は，充電容量と２．軸方向放電励起方式スパークギャップで構成される．軸方向放電励起方式では，放軸方向放電励起方式では，励起放電とレーザー光軸が同じ方電長が長く放電インピーダンスが大きいために，放電を維持す向であり，電極間隔が広く小さな放電断面積をもつ．軸方向放るためのバッファ容量を用いなくても放電を十分に維持するこ

電励起 CO2 レーザーでは，長さ 30 – 60 cm 程度，内径 1 – 2 cmとができる．バッファ容量を用いないダイレクトドライブ回路

程度のセラミックスチューブが放電管に用いられる 5-9)．長い放により，放電の高速化やエネルギー損失の低減（高効率化），低電長は，10 kPa 以下の低ガス圧でも 20 kV 以上の高い絶縁破壊電容量化，回路のコンパクト化が可能となる．

圧を与える．低ガス圧放電のため，電子の平均自由行程が長く，サイリスタをもつパルス電源から―600 V が生成され，4.7 –均一放電が容易に得られる．加えて，放電長が長く放電断面積19.7 F程度の一次容量C1をもつイグニッションコイルにより昇が小さいため，放電後に残留電荷が生じていても，電子なだれ圧される．イグニッションコイルのインダクタンスが大きいたと光電離が組み合わされた微小なスパーク放電が放電空間を均め，不足制動により，逆極性の高電圧パルスも生成される．高一に拡散して進展するため（拡散ストリーマ放電），均一放電が電圧パルスは，ダイオードによりマイナス成分とプラス成分に得られる．従って，軸方向放電励起方式では，紫外線や X 線の分けられる．マイナス成分の高電圧パルスは，700 – 1300 pF 程

ような予備電離装置や高速ガスフローファンを用いなくても，度の二次容量 C2 に充電される．プラス成分の高電圧パルスは，均一な放電が形成できる．さらに，本方式は，予備電離やガス微小容量によりタイミングを遅らせ，スパークギャップのトリフローの装置性能に依存しないために可能な高繰り返し動作やガとして用いる．二次容量に高電圧が充電され，スパークギャー 201 ー

図 1 ダイレクトドライブ回路をもつ（a）出力エネルギー

軸方向放電励起短パルス CO2 レーザー装置
ップが点火すると，放電管に直接高電圧が印加される．放電空間が絶縁破壊電圧に達すると，放電管内で高速放電が生じる．
加えて，100 – 10 Mの抵抗Rが，放電管と並列に設置される．
低抵抗（シャント抵抗）の場合，主放電電流の後の低電流（後続電流）が，放電管内を流れず，抵抗を通ることとなる．これにより，放電電流の立下りを高速化し，レーザーパルスのパルステールを減少させることができる．
放電管は，内径 13 mm，外径 17 mm，長さ 45 cm のアルミナセラミックスとその両端の金属電極で構成される．放電管には，（b）尖頭パルスエネルギー

予備電離の為に部分的に金属シートが巻かれている．金属シー

図 2 レーザー出力のガス圧・抵抗特性

トが放電管の内壁表面にコロナ放電を生じさせ，放電空間が予備電離された後に，金属電極間で主放電が起きる．共振器は反射率 80%の ZnSe 出力鏡と曲率 20 m の全反射 Au コート Si 鏡で構成され，共振器長は 54 cm である．

４．実験結果CO2 レーザーでは，一般的に，CO2 と N2，He の混合ガスが媒質ガスとして使用される．
N2 ガスの効果は，N2 の上準位から CO2のレーザー上準位へのエネルギー移乗による，出力・効率の向上である．しかし，N2 の上準位の寿命が長いため，N2 ガスはパルステールの原因となる．He ガスの効果は，CO2 の下準位の熱的緩和を促進させることによる利得の向上と放電の均一化の促（a）レーザーパルス全体図進である．本研究では，ダイレクトドライブ回路による短パルス発振を目的とした混合ガス（CO2: N2: He= 1: 1: 2）を用いた実験とパルステールフリー発振を目的としたピュア CO2 ガスを用いた実験を行った．加えて，混合ガスの実験では，シャント抵抗の効果の検証を行った．
４・１ 混合ガス（CO2: N2: He= 1: 1: 2）
本節では，混合ガス（CO2: N2: He= 1: 1: 2）
及び一次容量19.7 F，二次容量 1300 pF による実験結果について示す．図 2 は，レーザー出力エネルギーのガス圧と抵抗に依存する特性を示す．抵抗10 M，ガス圧 5.8 kPa において，最大出力エネルギー43.0 mJ（b）尖頭パルス拡大図が得られる．最適ガス圧よりも低ガス圧では，励起ガス密度が

図 3 レーザーパルス波形と放電電圧波形低いため，出力エネルギーは低下する．最適ガス圧よりも高ガ

抵抗は 10 M，混合ガス圧は 3.0 kPa である．

ー 202 ース圧では，励起ガス密度は増加するが放電インピーダンスも増加し放電電流が低下するため，出力エネルギーは低下する．本装置でも，TEA-CO2 レーザーや Q スイッチ CO2 レーザーのように，尖頭パルスとパルステールをもつ短パルス発振が生じる．
図 3 は，抵抗 10 M，ガス圧 3.0 kPa におけるレーザーパルス波形と放電電圧を示す．放電開始電圧は―40.8 kV であり，放電形成時間（放電電圧の立下り時間）は 572 ns である．本実験と同一放電管と同一抵抗，同一ガスを用いた容量移行型回路における放電形成時間は 32.8 s であり，本励起回路で高速放電を実現した 7)．このような高速放電では，放電開始から徐々に利得が増加し，ゲイン Q スイッチによりレーザー発振を行う．このため，（a）放電形成時間

本条件では，放電開始から 1.2 s 遅れて，レーザーパルスが立ち上がる．このとき，主放電は終息し後続の低電流が流れているだけであるから，尖頭パルスが生じる．本条件では，尖頭パル
スのパルス幅は 125 ns であり，尖頭パルス部分のエネルギーは2.4 mJ である．本実験と同一放電管と同一抵抗，同一ガスを用いた容量移行型回路における尖頭パルスエネルギーは 1 mJ であり，本励起回路で高尖頭パルスを得られることを示した．尖頭パルス部分のエネルギーもガス圧に依存し，3 – 4 kPa のガス圧で最大となる（図 1）．尖頭パルスの形成後は，低い後続電流と寿命の長い N2 の上準位からエネルギー移乗によりパルステールが生じる．本条件では，パルステール長は 34.9 s であり，レーザーパルス全体の出力エネルギーは 22.3 mJ である．

（b）パルステールエネルギー

パルステール部分のエネルギーが，加工において，加工対象に熱影響を与えるため，パルステールの除去が重要となる．パルステールの原因の 1 つが，主放電後に流れる低電流である．
後続電流の除去のためのシャント抵抗の効果が図 4 に示される．
図 4（a）より，放電管に並列に低抵抗を接続することにより，放電形成時間が短くなることが明らかである．しかし，3.0 kPa以下の低ガス圧では，シャント抵抗の効果が小さく，放電形成時間は抵抗値に依存していない．一方，3.0 kPa 以上の高ガス圧では，シャント抵抗の効果が大きく，放電形成時間が大幅に短くなっている．シャント抵抗による放電形成時間の減少が，パルステール部分のエネルギーの減少を引き起こしていることが
図 4（b）から明らかである．また，パルステール部分のエネル（c）パルステール長ギーの減少に伴い，レーザーパルス全体の出力エネルギーも図 1（a）に示されるように減少している．しかし，パルステール長は，抵抗値に依存していない（シャント抵抗の影響を受けていない）ことが，図 4（c）に示されている．図 4（d）は，ガス圧5.0 kPa における，抵抗 10 Mと 1 kのレーザーパルス波形である．低抵抗の使用により，パルステール部分のエネルギーが減少していることが明らかである．
本研究と合わせて行った高尖頭パルスエネルギー・高出力エネルギーを得るための調査では，本研究と同一の放電管（内径13 mm，長さ 45 cm）に反射率 85%の出力鏡を用いて，一次容量16.4 F，二次容量 1300 pF，抵抗 10 Mのダイレクトドライブ回路でガス圧 3.0 kPa において，最大尖頭パルスエネルギー7.9 mJ（d）5.0 kPa におけるレーザーパルスの比較が観測されている．このとき，出力エネルギー38.0 mJ，尖頭パ

図 4 シャント抵抗の効果

ー 203 ールス幅 83 ns，パルステール長 45.2 s である．また，最大出力エ・バッファガスフリーのピュア CO2 ガスによるパルステールフ

ネルギーは，長さ 60 cm の放電管（同一内径の 13 mm）と反射リー発振

率 85%の出力鏡を用いて，一次容量 19.7 F，二次容量 1300 pF，以上の成果により，部品点数の少ない非常に簡便な軸方向放抵抗10 Mのダイレクトドライブ回路でガス圧4.2 kPa において，電励起短パルス CO2 レーザーにおいて，任意にレーザーパルス最大出力エネルギー87.8 mJ が観測されている．このとき，尖頭波形及び出力エネルギーを調整できるようになった．

パルスエネルギーは 1.0 mJ，尖頭パルス幅 136 ns，パルステール
長 126 s である．

著者は，現在，本研究で開発した短パルス CO2 レーザーによるガラスマーキング試験を行っている．熱膨張係数 87 の青板ガラス及び熱膨張係数 100 の白板ガラスにおいて，クラックのな４・２ ピュア CO2 ガスいマーキングを実現している．レーザーパルスの条件（パルス本節では，バッファガスフリーのピュア CO2 ガス及び一次容波形やフルエンス）をかえ，マーキングの評価を行っている．

量 10.2 F，二次容量 700 pF，抵抗 10 Mによる実験結果につい本研究と今後の研究展開により，シンプル・低コスト・ポータて示す．図 5 は，ガス圧 2.2 kPa におけるレーザーパルス波形とブル・メンテナンスフリーの短パルス CO2 レーザーによる省エ放電電圧波形を示す．放電開始電圧は―60.8 kV であり，その立ネ微細ガラスマーキング装置の開発に期待ができる．

下り時間は 1.9 s である．放電開始から 0.6 s 遅れて，レーザーパルスが立ち上がる．レーザーパルスには，パルステールがな

謝辞

く，スパイクパルスのみである．このとき，レーザーパルスの本研究をご支援いただいた公益財団法人天田財団に感謝申し上げます．また本研究の遂行を支えてくれた山梨大学の秋津哲

半値幅は 93 ns，出力エネルギーは 0.41 mJ である．

也教授，山岡政矢氏，奥田遼氏，土橋一磨氏，林紘之氏に感謝いたします．

参考文献
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図 5 レーザーパルス波形と放電電圧波形(1992).
5) H.-J. Chung, D.-H. Lee, J.-H. Hong, J.-H. Joung, Y.-M. Sung, S.- J.

５．結論

Park, and H.-J. Kim, Rev. Sci. Instrum. 73, 484 – 485 (2002).

本研究では，微細ガラスマーキングの為の短パルス CO2 レーザーに関する研究を行い，以下のことを明らかにした．

(1977).

・ダイレクトドライブ回路を用いた軸方向放電励起 CO2 レーザ
ーにおいて，放電の高速化とそれによる短パルス発振，及びそ

7) K. Uno, K. Nakamura, T. Goto, and T. Jitsuno, J. IR. mm. THz. Wave.
30, 1123 – 1130 (2009).
8) K. Uno, T. Jitsuno, and T. Akitsu, J. IR. mm. THz. Wave. 33, 485 –の発振特性・残留電流の除去の為のシャント抵抗によるパルステール部分のエネルギーの低減，及びシャント抵抗の効果

6) M. M. T. Loy and P. A. Roland, Rev. Sci. Instrum. 48, 554 – 556

490 (2012).
9) K. Uno, T. Akitsu, and T. Jitsuno, J. Eng. Tech. 2, 101 – 106 (2012).

ー 204 ー