JPH0787255B2 - 高周波放電励起レ−ザ装置 - Google Patents
高周波放電励起レ−ザ装置Info
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- JPH0787255B2 JPH0787255B2 JP61305533A JP30553386A JPH0787255B2 JP H0787255 B2 JPH0787255 B2 JP H0787255B2 JP 61305533 A JP61305533 A JP 61305533A JP 30553386 A JP30553386 A JP 30553386A JP H0787255 B2 JPH0787255 B2 JP H0787255B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
- H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/038—Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition
-
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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- 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〕 本発明の高周波放電励起レーザ装置に関する。本発明に
よる装置は例えば、被加工物の微細加工用のレーザ光を
発生させる場合に用いられる。
よる装置は例えば、被加工物の微細加工用のレーザ光を
発生させる場合に用いられる。
一般に微細加工用レーザ光を発生させるためのレーザ装
置は第13図に示されるような構成のもので、放電管1、
電極21,22、高周波電源回路4、全反射ミラー71、ハー
フミラー72等を具備する。放電管1内を通流するHe,
N2,CO2等の気体6内に高周波放電が発生し、それによ
りレーザ光発振が行われる。この場合における電極間電
流Iに対する電極間電圧V1およびレーザ出力Wの特性は
第14図に示されるようになる。すなわち、電流Iの増大
にともない電圧は0からe′点を通り放電開始電圧Vs′
に対応するa′点にまで増大し、放電開始にともない
b′点へ急低下し、以後曲線経路b′−c′に沿い変化
する。電流Iの減少にともない電圧はc′−b′に沿い
変化し、b′点を経過してa′点に到達したとき放電消
滅し、e′点へ急上昇し、以後e′点から0点へと減少
させられる。
置は第13図に示されるような構成のもので、放電管1、
電極21,22、高周波電源回路4、全反射ミラー71、ハー
フミラー72等を具備する。放電管1内を通流するHe,
N2,CO2等の気体6内に高周波放電が発生し、それによ
りレーザ光発振が行われる。この場合における電極間電
流Iに対する電極間電圧V1およびレーザ出力Wの特性は
第14図に示されるようになる。すなわち、電流Iの増大
にともない電圧は0からe′点を通り放電開始電圧Vs′
に対応するa′点にまで増大し、放電開始にともない
b′点へ急低下し、以後曲線経路b′−c′に沿い変化
する。電流Iの減少にともない電圧はc′−b′に沿い
変化し、b′点を経過してa′点に到達したとき放電消
滅し、e′点へ急上昇し、以後e′点から0点へと減少
させられる。
この電圧Vの変化に対応して、第14図の下側に示される
ようなレーザ出力Wの特性が得られる。このレーザ出力
Wの特性に示されるように、電流Iを減少させてゆく過
程において、d′点においてレーザ出力が消滅すること
になる。すなわち、レーザ出力Wの特性において点d′
と点e′の間の範囲は電流Iによるレーザ出力の制御を
行うことができない。それにより、レーザ低出力時にお
ける安定なレーザ出力制御を行うことが困難であり、微
細加工のための要求に応ずることができないという問題
点がある。本発明は、前述の従来技術における問題点が
解決された、改良された高周波放電励起レーザ装置を得
ることを目的とする。
ようなレーザ出力Wの特性が得られる。このレーザ出力
Wの特性に示されるように、電流Iを減少させてゆく過
程において、d′点においてレーザ出力が消滅すること
になる。すなわち、レーザ出力Wの特性において点d′
と点e′の間の範囲は電流Iによるレーザ出力の制御を
行うことができない。それにより、レーザ低出力時にお
ける安定なレーザ出力制御を行うことが困難であり、微
細加工のための要求に応ずることができないという問題
点がある。本発明は、前述の従来技術における問題点が
解決された、改良された高周波放電励起レーザ装置を得
ることを目的とする。
本発明の一実施例としての高周波放電励起レーザ装置の
構成が第1図に示される。第1図装置の一部の斜視図が
第2図に、第1図装置における放電管の断面図が第3図
(A),(B)に示される。
構成が第1図に示される。第1図装置の一部の斜視図が
第2図に、第1図装置における放電管の断面図が第3図
(A),(B)に示される。
第1図に示されるように、高周波放電励起レーザ装置は
誘電体例えばガラス、セラミックス等から成り内部を通
流するHe,N2,CO2等の気体6内にレーザ光発振用放電を
発生させる筒状放電管1、該放電管の外周上に設けられ
た複数の主電極21,22、該放電管内にレーザ光発振用放
電を発生させるために該主電極21,22間に高周波電圧を
供給する電源回路4を具備する。また、レーザ光に対す
る全反射ミラー71およびハーフミラー72が設けられる。
主電極間に供給される電圧、周波数は種々の値を選ぶこ
とができるが、例えば電圧1KVないし3KV、周波数1MHzな
いし10MHzが実用的である。
誘電体例えばガラス、セラミックス等から成り内部を通
流するHe,N2,CO2等の気体6内にレーザ光発振用放電を
発生させる筒状放電管1、該放電管の外周上に設けられ
た複数の主電極21,22、該放電管内にレーザ光発振用放
電を発生させるために該主電極21,22間に高周波電圧を
供給する電源回路4を具備する。また、レーザ光に対す
る全反射ミラー71およびハーフミラー72が設けられる。
主電極間に供給される電圧、周波数は種々の値を選ぶこ
とができるが、例えば電圧1KVないし3KV、周波数1MHzな
いし10MHzが実用的である。
第1図に示されるように、高周波放電励起レーザ装置は
放電管1の外周上に主電極21に近接して補助電極3が設
けられる。主電極21,22間に発生する主放電に加えて、
主電極21と補助電極3の間に補助放電を発生させること
ができる。この補助放電は、供給高周波電圧が低電力状
態のときに、放電管内における高周波放電を維持させる
ために発生させられるものである。主電極と補助電極の
間隔は、主電極間の間隔より小であることが好適であ
る。
放電管1の外周上に主電極21に近接して補助電極3が設
けられる。主電極21,22間に発生する主放電に加えて、
主電極21と補助電極3の間に補助放電を発生させること
ができる。この補助放電は、供給高周波電圧が低電力状
態のときに、放電管内における高周波放電を維持させる
ために発生させられるものである。主電極と補助電極の
間隔は、主電極間の間隔より小であることが好適であ
る。
第1図の高周波放電励起レーザ装置における、電流Iに
対する電圧Vの特性および電流Iに対するレーザ出力W
の特性が第4図に示される。電流が0から直線状に上昇
し、放電開始電圧Vsに対応するa点に向う。a点におい
て放電開始し、電圧は急下降してb点に至り、曲線経路
b−cに沿い電流が増大させられる。c点から電流を減
少させると、曲線経路c−bに沿い推移し、b点を経過
しても電圧の跳躍現象はなく、電圧は徐々に減少しつつ
0点にまで下降する。この電流減少過程におけるb点か
らd点を経由しての0点への変化が、低電力状態におけ
る放電管内における高周波放電の維持をあらわしてい
る。
対する電圧Vの特性および電流Iに対するレーザ出力W
の特性が第4図に示される。電流が0から直線状に上昇
し、放電開始電圧Vsに対応するa点に向う。a点におい
て放電開始し、電圧は急下降してb点に至り、曲線経路
b−cに沿い電流が増大させられる。c点から電流を減
少させると、曲線経路c−bに沿い推移し、b点を経過
しても電圧の跳躍現象はなく、電圧は徐々に減少しつつ
0点にまで下降する。この電流減少過程におけるb点か
らd点を経由しての0点への変化が、低電力状態におけ
る放電管内における高周波放電の維持をあらわしてい
る。
電流Iに対するレーザ出力Wの特性は第4図の下方部に
示される。電流Iを0から上昇させると、X軸上のa点
から所定の電圧値に対応するb点へ急上昇してレーザ光
発振開始し、電流を増大させるに従いb−c経路に沿い
レーザ出力は増大する。電流をb−c経路に沿い減少さ
せるに従いレーザ出力は減少するが、b点を通過した後
もレーザ出力が0へ急下降することなくレーザ出力が維
持され電流の減少にともない経路dに沿い徐々にレーザ
出力が減少しつつレーザ出力0へ向う。このレーザ出力
減少過程におけるb点からdを経由しての0値への変化
が、低電力状態におけるレーザ発光の継続をあらわして
いる。
示される。電流Iを0から上昇させると、X軸上のa点
から所定の電圧値に対応するb点へ急上昇してレーザ光
発振開始し、電流を増大させるに従いb−c経路に沿い
レーザ出力は増大する。電流をb−c経路に沿い減少さ
せるに従いレーザ出力は減少するが、b点を通過した後
もレーザ出力が0へ急下降することなくレーザ出力が維
持され電流の減少にともない経路dに沿い徐々にレーザ
出力が減少しつつレーザ出力0へ向う。このレーザ出力
減少過程におけるb点からdを経由しての0値への変化
が、低電力状態におけるレーザ発光の継続をあらわして
いる。
第1図装置において第4図に示される高周波放電におけ
る電圧およびレーザ出力特性が得られる理由を第5図、
第15図および第16図を参照しつつ考察する。第1図装置
は電気回路的には、高周波電源から整合回路を介して放
電負荷への電力伝達回路であるとみられる。ここに、整
合回路は、第1図においては図示が省略されているが、
直列枝路におけるインダクタンスと該インダクタンスの
両端との接地の間に並列枝路として接続された2個のキ
ャパシタンスから成るπ形回路が一般に用いられる。放
電負荷のインピーダンスZdは放電管インピーダンスとし
てのキャパシタンスをC1放電路抵抗をRd1として であらわされ、電源側のインピーダンスはZoであらわさ
れるものとする。整合条件は、電源側インピーダンスZo
が放電負荷のインピーダンスRd1の共役値に等しいこと
である。
る電圧およびレーザ出力特性が得られる理由を第5図、
第15図および第16図を参照しつつ考察する。第1図装置
は電気回路的には、高周波電源から整合回路を介して放
電負荷への電力伝達回路であるとみられる。ここに、整
合回路は、第1図においては図示が省略されているが、
直列枝路におけるインダクタンスと該インダクタンスの
両端との接地の間に並列枝路として接続された2個のキ
ャパシタンスから成るπ形回路が一般に用いられる。放
電負荷のインピーダンスZdは放電管インピーダンスとし
てのキャパシタンスをC1放電路抵抗をRd1として であらわされ、電源側のインピーダンスはZoであらわさ
れるものとする。整合条件は、電源側インピーダンスZo
が放電負荷のインピーダンスRd1の共役値に等しいこと
である。
ところで、補助電極が無く、主放電のみが生成される場
合には、放電入力すなわちレーザ出力値の広い範囲にわ
たって整合条件を維持することが困難であり、電源電力
を放電負荷へ充分に伝達することが困難となる。その理
由は、電圧一定のもと、電流を減少させることにより放
電入力を減少させると抵抗Rd1が増大し、それにより放
電負荷インピーダンスが増大し、整合条件の維持が困難
になり、不整合状態となり、電力が放電負荷へ充分に到
達しなくなる。電力が放電負荷へ充分に到達しない結果
として突然放電が消滅するという現象が発生する。
合には、放電入力すなわちレーザ出力値の広い範囲にわ
たって整合条件を維持することが困難であり、電源電力
を放電負荷へ充分に伝達することが困難となる。その理
由は、電圧一定のもと、電流を減少させることにより放
電入力を減少させると抵抗Rd1が増大し、それにより放
電負荷インピーダンスが増大し、整合条件の維持が困難
になり、不整合状態となり、電力が放電負荷へ充分に到
達しなくなる。電力が放電負荷へ充分に到達しない結果
として突然放電が消滅するという現象が発生する。
この現象が発生を防止し、電力を放電負荷へ充分に到達
させるためには、放電負荷のインピーダンスを減少させ
ることが有効である。放電負荷のインピーダンスを減少
させる方法として補助放電による補助放電負荷Zd′を主
放電負荷Zdに並列に存在させることにより、合計インピ
ーダンスを低下させることを行う。そのために補助電極
が設けられている。補助電極により生成される放電負荷
は第5図の右側に示される等価回路において、放電管キ
ャパシタンスをC2および補助放電路抵抗Rd2の直列回路
であらわされる。補助放電負荷のインピーダンスZd′は であらわされる。
させるためには、放電負荷のインピーダンスを減少させ
ることが有効である。放電負荷のインピーダンスを減少
させる方法として補助放電による補助放電負荷Zd′を主
放電負荷Zdに並列に存在させることにより、合計インピ
ーダンスを低下させることを行う。そのために補助電極
が設けられている。補助電極により生成される放電負荷
は第5図の右側に示される等価回路において、放電管キ
ャパシタンスをC2および補助放電路抵抗Rd2の直列回路
であらわされる。補助放電負荷のインピーダンスZd′は であらわされる。
この時、補助放電インピーダンスZd′には下記の特性が
要求される。ZdとZd′との並列合成インピーダンスをZ
dpとおくと、 (1)放電入力が大きく、主放電インピーダンスZdが電
源と良整合状態にある場合には、 Zd′はZdの値に影響を与えないような適当に大きな値で
あること、つまり であることが必要となる。
要求される。ZdとZd′との並列合成インピーダンスをZ
dpとおくと、 (1)放電入力が大きく、主放電インピーダンスZdが電
源と良整合状態にある場合には、 Zd′はZdの値に影響を与えないような適当に大きな値で
あること、つまり であることが必要となる。
(2)放電入力が小さく、主放電インピーダンスZdが電
源と非整合状態になった場合には、主放電は消滅して、
Zdは非常に大きな値となり となるが、この場合 のみで電源との整合状態が維持される必要がある。よっ
て であることが必要となる。
源と非整合状態になった場合には、主放電は消滅して、
Zdは非常に大きな値となり となるが、この場合 のみで電源との整合状態が維持される必要がある。よっ
て であることが必要となる。
ここで、Zd minは主放電と電源が整合可能な主放電イン
ピーダンスの最小値、 Zd maxは主放電と電源が整合可能な主放電インピーダン
スの最大値である。
ピーダンスの最小値、 Zd maxは主放電と電源が整合可能な主放電インピーダン
スの最大値である。
以上の、放電入力に対する放電インピーダンスの変化を
第15図および第16図に示す。第15図において横軸は放電
入力、縦軸はインピーダンス絶対値|Z|をあらわす。
第15図および第16図に示す。第15図において横軸は放電
入力、縦軸はインピーダンス絶対値|Z|をあらわす。
これらから、補助放電インピーダンスZd′に関して以下
の条件が算出される。
の条件が算出される。
上記(1)項の場合 また、上記(2)項の場合 したがって、(7)式より、補助放電電極部の容量C2を
小さくする手段として補助電極3が設けられている部分
における放電管1の管壁の厚さを、第6図,第7図に示
されるように、主電極21,22が設けられる部分における
放電管1の管壁の厚さより大にすることが考えられる。
第6図は厚さ増大を管壁の膨大化により実現したもの、
第7図は管壁への誘電材料の積重ねにより実現したもの
である。
小さくする手段として補助電極3が設けられている部分
における放電管1の管壁の厚さを、第6図,第7図に示
されるように、主電極21,22が設けられる部分における
放電管1の管壁の厚さより大にすることが考えられる。
第6図は厚さ増大を管壁の膨大化により実現したもの、
第7図は管壁への誘電材料の積重ねにより実現したもの
である。
また、補助電極が設けられる部分における放電管誘電体
の誘電率が、第8図に示されるように、主電極が設けら
れる部分における放電管誘電体の誘電率より小であるよ
うに材料選定することが考えられる。
の誘電率が、第8図に示されるように、主電極が設けら
れる部分における放電管誘電体の誘電率より小であるよ
うに材料選定することが考えられる。
次に、(10)式を満足するためには、R2を可能な限り小
さくする必要があるが、これには、前述したように、主
放電電極と補助電極間の間隔を、主放電電極どうしの間
隔より小さくすることが有効である。
さくする必要があるが、これには、前述したように、主
放電電極と補助電極間の間隔を、主放電電極どうしの間
隔より小さくすることが有効である。
しかし、その主放電電極と補助放電電極間の間隔を小さ
くしすぎると、放電管外壁面上で絶縁破壊をおこすとい
う問題がある。
くしすぎると、放電管外壁面上で絶縁破壊をおこすとい
う問題がある。
その対策として、補助電極と主電極の間に障壁体を、第
9図に示されるように、設けることが極めて有効であ
る。
9図に示されるように、設けることが極めて有効であ
る。
このようにして適正化された補助放電負荷のインピーダ
ンスZd′が並列に接続された形となることにより合成イ
ンピーダンスが適正化され、広範囲に放電が維持される
ことによって低電力状態になっても放電管における放電
が安定に維持されることになる。これらは本発明者によ
る高周波放電特性に関する研究の成果として初めて明ら
かにされた事実であり、本発明はこの事実に基礎をおく
ものである。
ンスZd′が並列に接続された形となることにより合成イ
ンピーダンスが適正化され、広範囲に放電が維持される
ことによって低電力状態になっても放電管における放電
が安定に維持されることになる。これらは本発明者によ
る高周波放電特性に関する研究の成果として初めて明ら
かにされた事実であり、本発明はこの事実に基礎をおく
ものである。
本発明の実施にあたっては、前述の実施例のほか種々の
変化例が可能である。例えば、補助電極3を気体流6に
関し主電極21,22の下流側に位置させる代りに、主電極2
1,22の上流側に位置させることが可能である。
変化例が可能である。例えば、補助電極3を気体流6に
関し主電極21,22の下流側に位置させる代りに、主電極2
1,22の上流側に位置させることが可能である。
また、補助電極3が設けられている部分における放電管
1の管壁の厚さを、第6図,第7図に示されるように、
主電極21,22が設けられる部分における放電管1の管壁
の厚さより大にすることができる。第6図は厚さ増大を
管壁の膨大化により実現したもので、第7図は管壁への
誘電材料の積重ねにより実現したものである。
1の管壁の厚さを、第6図,第7図に示されるように、
主電極21,22が設けられる部分における放電管1の管壁
の厚さより大にすることができる。第6図は厚さ増大を
管壁の膨大化により実現したもので、第7図は管壁への
誘電材料の積重ねにより実現したものである。
また、補助電極が設けられる部分における放電管誘導体
の誘電率が、第8図に示されるように、主電極が設けら
れる部分における放電管誘電体の誘電率より小であるよ
うに材料選定することが可能である。
の誘電率が、第8図に示されるように、主電極が設けら
れる部分における放電管誘電体の誘電率より小であるよ
うに材料選定することが可能である。
また、補助電極と主電極の間に障壁体を、第9図に示さ
れるように、設けることが可能である。
れるように、設けることが可能である。
また、主電極,補助電極に対する電路接続を、第1図に
示されるものに代えて、第10図,第11図、または第12図
に示される電路接続とすることが可能である。第10図,
第11図,第12図の場合においては補助電極は放電管外周
の全周ではなく一部に設けられている。
示されるものに代えて、第10図,第11図、または第12図
に示される電路接続とすることが可能である。第10図,
第11図,第12図の場合においては補助電極は放電管外周
の全周ではなく一部に設けられている。
本発明によれば、主電極間に発生する主放電に加えて主
電極と補助電極間に補助放電が発生し、低電力状態にお
いても高周波放電が維持され、レーザ光発振が維持され
る。それによりレーザ光出力の範囲が広範囲となり、特
にレーザ光出力を用いて微細加工を行うにあたり、精度
の高い加工を安定に行うことが可能となり、加工に用い
られる高周波放電励起レーザ装置として極めて有用なも
のが実現される。
電極と補助電極間に補助放電が発生し、低電力状態にお
いても高周波放電が維持され、レーザ光発振が維持され
る。それによりレーザ光出力の範囲が広範囲となり、特
にレーザ光出力を用いて微細加工を行うにあたり、精度
の高い加工を安定に行うことが可能となり、加工に用い
られる高周波放電励起レーザ装置として極めて有用なも
のが実現される。
第1図は本発明の一実施例としての高周波放電励起レー
ザ装置の構成を示す図、 第2図は第1図装置の一部を示す斜視図、 第3図(A),(B)は第1図装置における放電管の断
面を示す断面図、 第4図は第1図装置における高周波放電の電圧およびレ
ーザ出力特性を示す特性図、 第5図は第1図装置における放電特性を解析して説明す
る図、 第6図から第14図まではいずれも本発明の実施における
変形例を示す図、 第15図および第16図はいずれも第1図装置における放電
特性を説明するための図である。 (符号の説明) 1…放電管、21,22…主電極、3…補助電極、4…電源
回路、6…気体流、71…全反射ミラー、72…ハーフミラ
ー。
ザ装置の構成を示す図、 第2図は第1図装置の一部を示す斜視図、 第3図(A),(B)は第1図装置における放電管の断
面を示す断面図、 第4図は第1図装置における高周波放電の電圧およびレ
ーザ出力特性を示す特性図、 第5図は第1図装置における放電特性を解析して説明す
る図、 第6図から第14図まではいずれも本発明の実施における
変形例を示す図、 第15図および第16図はいずれも第1図装置における放電
特性を説明するための図である。 (符号の説明) 1…放電管、21,22…主電極、3…補助電極、4…電源
回路、6…気体流、71…全反射ミラー、72…ハーフミラ
ー。
Claims (8)
- 【請求項1】誘電体から成り内部を通流する気体内にレ
ーザ光発振用放電を発生させる筒状放電管、 該放電管の外周上に設けられた複数の主電極、および、 該放電管内にレーザ光発振用放電を発生させるために該
主電極間に高周波電圧を供給する電源回路、 を有する高周波放電励起レーザ装置において、 該装置が該放電管の外周上に該主電極に近接して設けら
れた補助電極を具備し、 該主電極間に発生する主放電に加えて該主電極と該補助
電極間に補助放電が発生し得るようになっていることを
特徴とする高周波放電励起レーザ装置。 - 【請求項2】該補助電極が該気体流に関し該主電極の下
流側に位置する、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項3】該補助電極が該気体流に関し該主電極の上
流側に位置する、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項4】該主電極と該補助電極の間隔が該主電極間
の間隔より小である、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項5】該補助電極が設けられる部分における該放
電管の管壁の厚さが、該主電極が設けられる部分におけ
る該放電管の管壁の厚さより大である、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項6】該補助電極が設けられる部分における該放
電管誘電体の誘電率が、該主電極が設けられる部分にお
ける該放電管誘電体の誘電率より小である、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項7】該補助電極と該主電極の間に障壁体が設け
られる、 特許請求の範囲第1項記載の装置。 - 【請求項8】該補助電極が主電極の一つと電路接続さ
れ、該主電極の他の一つの近傍に配置される、 特許請求の範囲第1項記載の装置。
Priority Applications (5)
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