氣體雷射振蕩器的製作方法

2023-12-06 13:31:56 2

本發明涉及一種氣體雷射振蕩器，特別涉及一種具備輔助電極的氣體雷射振蕩器。

背景技術：

已知一種具備能夠向兩個雷射氣體循環路徑輸出相位相差180度的高頻電力的雷射電源的氣體雷射振蕩器(例如日本特開昭60-161687號公報。以下稱為「專利文獻1」。日本特開2013-247261號公報。以下稱為「專利文獻2」。)。這種氣體雷射振蕩器具備用於與放電負載(放電管、輔助電極、雷射氣體)取得阻抗匹配(進行諧振使得放電管電壓最大)的包括線圈和電容器的匹配單元。雷射電源經由匹配單元而向多個放電管和輔助電極供給高頻電力。

為了使放電管開始放電(主放電)，需要事先使輔助電極開始放電(輔助放電)。在以尚未開始輔助放電的狀態下提高了雷射電源的輸出的情況下，對放電管施加過大的電壓，過大的電流流過雷射電源，其結果，存在放電管、雷射電源損壞、或者發出警報並停止的擔憂。

在專利文獻1中公開了以下技術：在雷射氣體進行循環的放電管的上遊側具備輔助電極，在開始主放電前通過輔助放電來供給電子，由此穩定且可靠地開始主放電。然而，需要與放電管的個數對應的輔助電極，存在難以削減成本這樣的問題。

在專利文獻2中公開了以下技術：將貫通孔設置於放電管，增加輔助電極的個數，由此實現主放電的穩定化。然而，除了放電管自身的成本增加之外，還需要定期更換高價的放電管和輔助電極。並且，存在如下問題：雷射氣體從設置有輔助電極的地方(o形環)洩漏，導致因雷射功率的下降、電弧放電而引起放電管的損壞等重大的洩漏故障的風險增加。

這樣，在現有技術中，存在為了可靠且穩定地開始主放電而需要與放電管同等個數的輔助電極這樣的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種相比以往而言放電的啟動更快的氣體雷射振蕩器。

本發明的一個實施例所涉及的氣體雷射振蕩器的特徵在於，具有：多個雷射氣體循環路徑，該多個雷射氣體循環路徑包括第一路徑和第二路徑；第一放電管，其設置於第一路徑；第二放電管，其設置於第二路徑；雷射電源，其向第一放電管供給第一高頻電力，向第二放電管供給相位與第一高頻電力的相位不同的第二高頻電力；以及匹配單元，其包括用於與第一路徑中的放電負載取得阻抗匹配的第一線圈和第一電容器、以及用於與第二路徑中的放電負載取得阻抗匹配的第二線圈和第二電容器，其中，第一線圈、第一電容器、第二線圈以及第二電容器的各值是以使施加於第一放電管的電壓的峰值與施加於第二放電管的電壓的峰值之差處於規定範圍的方式決定的。

附圖說明

通過與附圖相關聯的以下的實施方式的說明，本發明的目的、特徵以及優點會變得更加明確。在該附圖中，

圖1是本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器的結構圖，

圖2是本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的結構圖，

圖3是本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的電路圖，

圖4是對第一路徑和第二路徑的各放電管施加相位相差180°的電壓的情況下的電壓波形的例子，

圖5是對第一路徑和第二路徑的各放電管施加相位相差180°且峰值電壓不同的電壓的情況下的電壓波形的例子，

圖6a是表示在對第一路徑和第二路徑的各放電管施加峰值相同的電壓的情況下從接通雷射電源起的電壓的隨時間經過的變化的圖，

圖6b是表示在對第一路徑和第二路徑的各放電管施加峰值不同的電壓的情況下從接通雷射電源起的電壓的隨時間經過的變化的圖，

圖7是本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器的結構圖，

圖8是本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的結構圖，以及

圖9是本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的電路圖。

具體實施方式

下面，參照附圖來說明本發明所涉及的氣體雷射振蕩器。

[實施例1]

首先，對本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器進行說明。圖1是本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器的結構圖。本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器101具有多個雷射氣體循環路徑(r1、r2)、第一放電管111、第二放電管121、雷射電源10以及匹配單元20。

在圖1所示的例子中，匹配單元20具備第一匹配單元21和第二匹配單元22。第一匹配單元21與第一放電管111及第二放電管121連接，第二匹配單元22與第三放電管211及第四放電管221連接。

本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器101還具備對氣體雷射振蕩器101的動作進行控制的cnc(computernumericalcontrol：計算機數值控制裝置)60、使作為雷射介質的氣體(雷射氣體)進行循環的氣體循環系統200、以及介於cnc60與雷射電源10之間的接口部50。在接口部50中設置有輸出指令部51，該指令部51對雷射電源10輸出電壓指令。

雷射電源10經由匹配單元20內的第一匹配單元21對形成氣體循環系統200的一部分的第一放電管111和第二放電管121供給電力。

氣體循環系統200具有經由連結保持件81而相互連結的第一放電管111和第三放電管211、以及經由合流部82而相互連結的第二放電管121和第四放電管221，第一放電管111及第三放電管211與第二放電管121及第四放電管221並聯連接。在第一放電管111的與連結保持件81相反的一側的端部設置有第一折返鏡71，該第一折返鏡71為全反射鏡。在第三放電管211的與連結保持件81相反的一側的端部設置有輸出鏡70，該輸出鏡70為部分反射鏡。在第二放電管121的與合流部82相反的一側的端部設置有第二折返鏡72，該第二折返鏡72為全反射鏡。在第四放電管221的與合流部82相反的一側的端部設置有後鏡73，該後鏡73為部分反射鏡。關於用於使雷射放大的光諧振器的結構，並不限定於圖示的例子。

多個雷射氣體循環路徑(r1、r2)包括第一路徑r1和第二路徑r2。第一路徑r1是沿著圖1中的箭頭a1、a4、c的路徑，第二路徑r2是沿著箭頭a1、a2、a3的路徑。第一放電管111設置於第一路徑r1，第二放電管121設置於第二路徑r2。此外，關於設置在隔著連結保持件81而與上述雷射氣體循環路徑相反的一側的雷射氣體循環路徑，也可以將圖1中的沿著箭頭b1、b4、c的路徑設為第一路徑r1，將沿著箭頭b1、b2、b3的路徑設為第二路徑。

在氣體循環系統200中充滿了作為雷射介質的雷射氣體，該雷射氣體具有被激勵而產生光的性質。氣體循環系統200具有渦輪鼓風機84。渦輪鼓風機84在吸引側經由連結保持件81或合流部82而與第一放電管～第四放電管111、121、211、221中的各放電管的一端連接，並且渦輪鼓風機84在吐出側與各放電管的另一端連接。通過該渦輪鼓風機84，雷射氣體如圖中的箭頭a1～a4、b1～b4所示那樣在氣體循環系統200內循環。在渦輪鼓風機84的吸引側和吐出側分別設置有使雷射氣體冷卻的第一熱交換器83和第二熱交換器85。第一熱交換器83及第二熱交換器85與供給冷卻水的冷卻水循環系統92連接。另外，氣體循環系統200與對雷射氣體的壓力進行控制的雷射氣體壓力控制系統91連接。

第一放電管111及第二放電管121經由第一匹配單元21而與雷射電源10內的第一雷射電源單元11連接。第三放電管211及第四放電管221經由第二匹配單元22而與雷射電源10內的第二雷射電源單元12連接。雷射電源10內的第一雷射電源單元11向第一放電管111供給第一高頻電力，向第二放電管121供給相位與第一高頻電力的相位不同的第二高頻電力。同樣地，雷射電源10內的第二雷射電源單元12向第三放電管211供給第一高頻電力，向第四放電管221供給相位與第一高頻電力的相位不同的第二高頻電力。

在圖2中示出本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的結構圖。設置於第一路徑r1的第一放電管也可以如圖2中示為111、112、113、……的那樣連接有多個。同樣地，設置於第二路徑r2的第二放電管也可以如圖2中示為121、122、123、……的那樣連接有多個。另外，在第一放電管111、112、113、……的附近分別形成有第一輔助電極311、312、313、……。同樣地，在第二放電管121、122、123、……的附近分別形成有第二輔助電極321、322、323、……。此外，如圖1所示，在設置在隔著連結保持件81而與第一放電管及第二放電管相反的一側的第三放電管211及第四放電管221的附近，分別設置有第三輔助電極411和第四輔助電極421。

在圖3中示出本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的電路圖。匹配單元20內的第一匹配單元21包括用於與第一路徑r1中的放電負載(氣體組成、氣體壓力、放電管)取得阻抗匹配(諧振)的第一線圈l11和第一電容器c11、以及用於與第二路徑r2中的放電負載取得阻抗匹配的第二線圈l12和第二電容器c12。此外，第一電容器c11與第二電容器c12在節點p處連接，節點p接地。

cnc60具有未圖示的cpu、ram、rom等硬體結構，執行各種運算處理，並且按照預先決定的動作程序來輸出對氣體雷射振蕩器101進行控制的控制指令。

向設置於第一路徑r1的第一放電管111施加的施加電壓的頻率與向設置於第二路徑r2的第二放電管121施加的施加電壓的頻率相同。與氣體雷射振蕩器101所需要的雷射功率相對應地設定氣體組成、氣體壓力。

本發明的實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器的特徵在於，第一線圈l11、第一電容器c11、第二線圈l12以及第二電容器c12的各值是以使施加於第一放電管111的電壓的峰值與施加於第二放電管121的電壓的峰值之差處於規定範圍的方式決定的。如果將根據第一線圈l11和第一電容器c11計算出的阻抗設為z1、將根據第二線圈l12和第二電容器c12計算出的阻抗設為z2，則z1≠z2。另外，使阻抗為零的諧振頻率f能夠利用來計算，但是很難計算放電管、雷射氣體的常數，因此優選通過測定來求出放電管、雷射氣體的常數。

現有技術中採用如下的設定：針對被施加的電壓的相位相差180度的兩個雷射氣體循環路徑，以等效的常數構成匹配單元，對作為各個負載的放電管施加最高效的等效的放電管電壓。在圖4中，示出對第一路徑和第二路徑的各放電管施加相位相差180°的電壓的情況下的電壓波形的例子。

在本發明中，與設置於某一方的雷射氣體循環路徑的放電管連接的線圈的電感值(匝數)或電容器的常數是如以往那樣以使放電管電壓最大的方式設定的，與設置於另一方的雷射氣體循環路徑的放電管連接的線圈和電容器的值設定成使放電管電壓比上述的放電管電壓低規定值。在圖5中，示出對第一路徑和第二路徑的各放電管施加相位相差180°且峰值電壓不同的電壓的情況下的電壓波形的例子。在圖5所示的例子中，示出了對第二路徑r2施加的電壓的峰值電壓比對第一路徑r1施加的電壓的峰值電壓低500[v]～1000[v]的例子。

在圖6中示出表示在對第一路徑r1和第二路徑r2的各放電管施加峰值相同的電壓的情況下(圖6a)以及施加峰值不同的電壓的情況下(圖6b)從接通雷射電源10起的電壓的隨時間經過的變化的圖。如圖6a所示，在對第一路徑r1的第一放電管111和第二路徑r2的第二放電管121施加峰值相同的電壓的情況下，在從接通雷射電源10起經過時間t1之後，在第一放電管111與第二放電管121中幾乎同時開始放電。將此時的放電管電壓峰值設為vp1。另一方面，如圖6b所示，如以往那樣設定第一路徑r1的第一放電管111的放電管電壓，並使第二路徑r2的第二放電管121的放電管電壓降低規定值。這樣，第一放電管111在時刻t1′(<t1)開始放電，第二放電管121在比時刻t1′晚規定時間的時刻t2開始放電。在第二放電管121放電前，第一放電管111正在放電，因此第一放電管111的放電成為火種(日語：種火)，第二放電管121即使在沒有輔助電極的放電的情況下也能夠以比以往的電壓低的電壓開始放電。以往需要使第一放電管111與第二放電管121同時放電，但是在本發明中，為了先僅使第一放電管111放電，而以比以往的電壓低的電壓vp1′(<vp1)使第一放電管111開始放電。其結果，放電的啟動從以往的t1提早為t1′。

作為一例，如圖5所示，在向放電管施加的最大施加電壓為4500[v]的情況下，優選對兩個路徑的放電管施加的電壓峰值之差為500[v]～1000[v]的範圍。若單方的路徑的下降幅度超過1000[v]，則需要第一路徑與第二路徑的絕緣距離確保為更大的距離，從而存在如下擔憂：產生單元尺寸變大、絕緣擊穿的風險變大這樣的缺點。另外，若使放電管施加電壓過度下降，則無法得到足夠的雷射功率。在電壓差小於500[v]的情況下，與現有技術同樣地，無法得到本申請發明的效果，放電管電壓低的一方的路徑需要輔助電極。

在以上的說明中，例示了將連接於第一路徑r1的匹配單元的線圈和電容器的值與連接於第二路徑r2的匹配單元的線圈和電容器的值設定為不同的值的情況，但是也能夠通過在雷射電源內部設置類似的結構的方法、改變電源內部的輸出變壓器的匝數等，來改變第一放電管和第二放電管的施加電壓的峰值。

[實施例2]

接著，對本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器進行說明。圖7是本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器的結構圖。本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器102與實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器101的不同之處在於，僅在第一放電管111和第二放電管121中的峰值高的一方的放電管的附近具備輔助電極。實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器102的其它結構與實施例1所涉及的氣體雷射振蕩器101的結構相同，因此省略詳細的說明。

在圖8中示出本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的結構圖。另外，在圖9中示出本發明的實施例2所涉及的氣體雷射振蕩器中的雷射電源、匹配單元、放電管以及輔助電極的電路圖。在圖9中，與第一路徑r1連接的第一匹配單元21的第一線圈l11及第一電容器c11的值是以使施加電壓的峰值最大的方式設定的。另一方面，與第二路徑r2連接的第一匹配單元21的第二線圈l12及第二電容器c12的值是以使施加電壓的峰值比第一路徑r1中的施加電壓的峰值小規定的值的方式設定的。其結果，如圖6所示，與實施例1同樣地，第一路徑r1中的放電成為火種，從而在第二路徑r2中進行放電。因此，在實施例2的氣體雷射振蕩器中，能夠省略第二路徑r2中的輔助電極。

在以上的說明中，示出了省略第二路徑r2中的輔助電極的例子，但是也可以是，使第一路徑r1的施加電壓小於第二路徑r2中的施加電壓，由此省略第一路徑r1中的輔助電極。

根據實施例2所涉及的發明，能夠將輔助電極的個數設為以往的一半，從而能夠實現減少裝置的成本、降低洩漏故障等的風險。另外，輔助電極與放電管(主電極)是獨立的結構，因此也能夠得到施加電壓低的輔助電極不需要定期更換(運行成本降低)這樣的效果。

根據本發明的實施例所涉及的氣體雷射振蕩器，能夠提供一種相比以往而言放電的啟動更快的氣體雷射振蕩器。