JPS63197390A - パルスレ−ザ励起電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、高速繰り返しパルスレーザ励起電源に関し、
特にエキシマ−レーザ、ｍ蒸気Ｌｉ−サ、炭酸ガスレー
ザ等の高速繰り返し励起に使用され、半導体素子をスイ
ッチに用いたテスラ型昇圧器と可飽和インダクタによる
磁気パルス圧縮回路とを併用することにより長寿命、高
信頼性および低出力インピーダンスを実現したパルスレ
ーザ励起電源装置に関する。

［従来の技術］ ＡｒＦ、ＫｒＦ、Ｘｅ　ＣＪ２等のエキシマ−レーザお
よびその他のレーザの励起には、立上り時間が数１０ｎ
ｓｅｃ程度でかつパルス幅の短い高電圧パルスが必要で
あり、このようなレーザは高速放電レーザ（ｆａｓｔ　
ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　１ａｓｅｒｓ　）と言われている
。従来、この種の高速放電レーザを高速繰り返し駆動す
るための励起電源装置として、主にサイラトロンやスパ
ーク、ギャップスイッチを使用したＬ−Ｃ反転回路、ブ
ルームライン回路、パルス充電整形回路等が利用され、
前記レーザをかなり高速で繰り返し駆動することが可能
となっていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前記従来形の励起電源装置においては、
電流立上り時間が短く繰り返し速度が速い場合には、ス
イッチ素子での電力損失が大きくなり、かつこれが素子
自体の負担となるためスイッチ素子の寿命が極めて短く
なると共に、励起電源装置の大電力化が困難であるとい
う不都合があった。

このため、スイッチ素子として半導体素子を使用するこ
とも検討されたが、パルス幅を充分に短くしかつ出力イ
ンピーダンスを低くして充分に大きな尖どう出力電力を
得ることが不可能であったため、前記レーザを励起する
ことができなかった。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたもので、高
速繰り返し動作が可能でかつ低い出力インピーダンス特
性を有すると共に、究めて長寿命かつ高信頼性を有する
高出力パルスレーザ励起電源装置を提供することを目的
としている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る高速繰り返しパルスレーザ励起電源装置に
おいては、半導体素子をスイッチ素子としてテスラ型昇
圧器に接続すると共に、このテスラ型昇圧器の２次側に
強磁性体を磁心に持つ可飽和インダクタをエネルギ共振
回路のインダクタとして用いた磁気パルス圧縮回路を複
数段縦続接続する構成が用いられる。前記半導体素子と
しては例えばＳＣＲが使用され、また可飽和インダクタ
の磁心としては例えば非晶質金属磁性体薄膜を多層巻き
にしたものが使用される。

［作用］ 上述の構成においては、テスラ型昇圧器が空心であるた
め鉄損を初めとする損失が少なく構成部品も少ないため
高速繰り返し動作が可能であり、昇圧比を適当に決定す
ることにより、１次側スイッチとして半導体大電力素子
の使用が可能となり、長寿命、高信頼性および大電力の
励起電源装置の実現が可能となる。

しかしながら、半導体素子とテスラ型昇圧器のみではパ
ルス幅を充分に短くし、かつ出力インピーダンスを低す
ることが困難であるため、本発明においては、前述のよ
うにテスラ型昇圧器の２次側に磁気パルス圧縮回路を接
続することにより、効率良く高電圧パルスのパルス幅を
圧縮することにより、出力インピーダンスを低下させる
ことが可能となっている。すなわち、本発明においては
、半導体スイッチ素子、テスラ型昇圧器、および磁気パ
ルス圧縮回路を併用することにより、パルス幅の短い高
電圧パルスを効率良くかつ高い繰り返し速度で出力する
ことが可能となり、さらに出力インピーダンスも充分に
低くすることができる。

［実施例］ 以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の１実施例に係わる高速繰り返しパル
スレーザ励起電源装置の電気的構成を示す。同図の装置
は、直流電源ｐｓ、直流電源ｐｓに接続されたＳＣＲの
ような半導体スイッチ素子ＳＷ１エネルギ蓄積コンデン
サＣ１、逆電流ダイオードＤ１、半導体スイッチ素子Ｓ
Ｗの両端にコンデンサＣ１を介して１次コイルが接続さ
れたテスラ型昇圧器Ｔ１、該テスラ型昇圧器Ｔ１の２次
コイルに縦続接続された可飽和インダクタＳＬ１、ＳＬ
２．ＳＬ３およびコンデンサＣ２゜Ｃ３，Ｃ４を有する
エネルギ蓄積回路を具備している。なお、磁気パルス圧
縮回路の出力にはエキシマ−レーザのようなレーザ負荷
ＬＤが接続されている。

第２図は、第１図の装置に使用されているパルス圧縮回
路の具体的構成を示す。第２図に示されるように、パル
ス圧縮回路装置は、高電圧に対する安定性と低インダク
タンスを実現するために、高電圧導体板１を中央に置き
、これを２枚のアース導体板３ａ、３ｂによりはさみ込
む構造となつている。各コンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４は
例えばそれぞれ残留インダクタンスの小さいセラミック
コンデンサ等を複数個並列接続することにより構成され
る。なお、テスラ型昇圧器Ｔ１の１次コイル側に接続さ
れるエネルギ蓄積コンデンサＣ１としては例えばオイル
コンデンサ等が使用される。

また、各可飽和インダクタＳＬ１．ＳＬ２．ＳＬ３の近
辺には冷却ファン５ａ、５ｂ、５ｃがそれぞれ設けられ
ている。上記可飽和インダクタは液冷されても良い。

各々の可飽和インダクタＳＬＩ、ＳＬＹ。

ＳＬ３は例えば第３図に示す磁心にそれぞれ所定数のコ
イルを巻回することにより構成することができる。第３
図に示される磁心は、非晶質金属磁性体薄膜７と絶縁用
合成樹脂薄膜９とを重ね合わせ多層巻にして構成されて
いる。非晶質金属磁性体薄膜としては例えばＦｅ系ある
いはＣｏ系の非晶質金属を用いるのが好ましく、これに
より低損失、高透磁率、高磁束密度の磁心を形成するこ
とができる。また、絶縁用合成樹脂薄膜９としては、例
えばポリアミド系、ポリイミド系あるいはポリエステル
系合成樹脂を用いたものを使用することができる。また
薄膜としてセラミック等を用いることもできる。なお、
第３図に示される磁心としては、上述の他、非晶質金属
磁性体薄膜を多層巻にし、絶縁層としてシリコン系、エ
ポキシ系、アクリル酸エステル系等の樹脂を含浸させた
も＜７）、’　Ｓｉ　Ｏ２、Ｍｇ　Ｏ，パラキシレン、
セラミックス等の絶縁膜でコーティングした非晶質金属
磁性体薄膜を多層巻にしたもの、あるいはフェライトを
一体成型したもの等を用いるようにしてもよい。各可飽
和インダクタＳＬ１．ＳＬ２．ＳＬ３はこのような磁心
を各々所望の数だけ使用しかつコイルの巻線数を適切に
選択することにより、飽和時のインダクタンスＳＬ、ｔ
が例えば順次小さくなるように構成される。

以上のように構成された高速繰り返しパルスレーザ°励
起電源装置の動作を説明する。まず、エネルギ蓄積コン
デンサＣ１を高電圧の直流電源ＰｓでＶＣＩに充電して
おき、半導体スイッチＳＷのゲートを外部からトリガす
ることにより該半導体スイッチＳＷを導通させる。これ
により、コンデンサＣ１の電荷がテスラ型昇圧器Ｔ１を
介してコンデンサＣ２へ移乗し、いったんコンデンサＣ
２が正電圧に充電された後に、テスラ型昇圧器特有の重
共振モードによりコンデンサＣ２の電圧が負電圧に反転
し最大負電圧ＶＣ２□８に達する。

ここで、可飽和インダクタＳＬＩはこの間未飽和状態に
あり、高インダクタンスとなるため、コンデンサＣ２の
電荷はほとんどコンデンサＣ３へ流出することはない、
一方、コンデンサＣ２の電圧は最大負電圧ＶＣ２＋＋＋
□に達すると、可飽和インダクタＳＬＩは飽和状態にな
り急激にインダクタンスが低下するように設計されてい
る。これにより、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は、
コンデンサＣＩへ戻らず、コンデンサＣ２、可飽和イン
ダクタＳＬＩおよびコンデンサＣ３によって構成される
回路の時定数τ１に従ってコンデンサＣ３へ移乗し、１
１時間経過の後詰コンデンサＣ３の電圧が最大電圧■。

、□、に達する。この時、時定数で１は次式で表わされ
る。

τ１＝π　　１．、ｔｘ　　Ｃ１ｘ　Ｃ２ＣＩ＋　Ｃ２
ここで、ＳＬＩ＊ａｔは可飽和インダクタＳＬＩの飽和
インダクタンスである。上式で表わされる時定数で１の
時間の間、可飽和インダクタＳＬ２は未飽和状態にあり
、コンデンサＣ２に蓄積された電荷はコンデンサＣ４へ
流れ込まず、はとんどコンデンサＣ３へ移乗する。そし
て、コンデンサＣ３の電圧が■。５．□に達すると、可
飽和インダクタＳＬ２が急激に飽和するが、ここで可飽
和インダクタＳＬ２の飽和インダクタンスを可飽和イン
ダクタＳＬＩのそれより小さくしておくことにより、コ
ンデンサＣ３、可飽和インダクタＳＬ２、およびコンデ
ンサＣ４によって構成される回路の時定数τ２に従って
コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギを有効にコンデン
サＣ４へ移乗させると共に、パルス幅を圧縮することが
可能となる。この場合、時定数で２は次式で表わされる
。

τ２２　πＬ２ｓａｔＸ　　Ｃ３ｘ　Ｃ４（：４＋　Ｃ
４ここで、ＳＬｚｇａｔは可飽和インダクタＳＬ２の飽
和インダクタンスである。

同様に、コンデンサＣ３の電荷が完全にコンデンサＣ４
に移乗するまで可飽和インダクタＳＬ３が未飽和状態を
保ち、エネルギの移乗が行なわれコンデンサＣ４の電圧
が最大となった時点で可飽和インダクタＳＬ３が飽和し
、コンデンサｃ４に蓄積されたエネルギが負荷ＬＤへ流
れ込む。なお、電源装置の出力インピーダンス２゜ｕｔ
はＺｏｕｔ　＝　２　　　ｓ−ｔ　　Ｃ４−で表わされ
、可飽和インダクタＳＬ３の形状を考慮することにより
、その飽和インダクタンスＳＬｓ＊ａｔは数ＩＱｎＨと
小さくすることができるから出力インピーダンス２゜ｕ
ｔを１Ω以下にすることも可能である。

このように、エネルギ共振移乗回路を複数個直列に接続
し、回路中のインダクタとして可飽和インダクタを使用
しかつ可飽和インダクタの飽和インダクタンスを次第に
減少させることにより、磁気パルス圧縮装置を構成する
ことが可能となり、エネルギを有効に伝達させると共に
、パルス幅の圧縮が可能となる。さらに、パルス電源の
出力インピーダンスとエキシマ−レーザの放電インピー
ダンスとを整合させることができる。

また、初段のパルス発生装置に効率が良く、かつ大型化
が容易であるテスラ型昇圧器を用いることにより、直流
電源電圧を例えば数ＫＶと低くすることができ、絶縁が
容易になると共にパルススイッチとして半導体素子が使
用できることになる。これにより、長寿命かつ信頼性の
高い励起電源装置を構成することが可能となる。

なお、第１図の装置において、コンデンサｃ１の容量を
２．５　μＦ、　コンデンサＣ２，Ｃ３，Ｃ４の容量を
それぞれ１３．８ｎ　Ｆとし、レーザ負荷ＬＤの抵抗を
２．０Ωと設定した場合には、次のような結果が得られ
た。すなわち、コンデンサｃ１の充電電圧を３ＫＶとし
、半導体スイッチ素子ｓｗをトリガすることによりコン
デンサｃ２の電圧は１４μｓｅｃ後に３２ＫＶに達し、
その後１．３　μｓｅｃ経過後コンデンサＣ３の電圧は
３０ＫＶとなった。さらに３００ｎｓｅｃ経過後には、
コンデンサｃ４の電圧が２６ＫＶに達した後、負荷電流
４．４ＫＡ、電圧８．８ＫＶ、レーザ負荷への注入電力
約４０Ｍ　Ｗが得られた。また、この時の電流立上り時
間は４０ｎｓｅｃであり、パルス全幅は１２０ｎｓｅｃ
であった。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、半導体スイッチ素子、
テスラ型昇圧器および磁気パルス圧縮回路を組合せるこ
とにより、高速繰り返し動作が可能でかつ低い出力イン
ピーダンスを有するパルスレーザ励起電源装置が実現さ
れる。また、半導体スイッチ素子の使用が可能となるた
め、極めて長寿命かつ高信頼性を有する励起電源装置が
提供されると共に大電力の励起電源装置の実現も容易に
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に係わるパルスレーザ励起電
源装置の構成を示すブロック回路図、第２図は第１図の
装置に使用される磁気パルス圧縮回路装置の一例を示す
説明図、そして第３図は第２図の回路装置に使用される
可飽和インダクタの磁心の一例を示す説明図である。 ＰＳ：直流電源、 ＳＷ：半導体スイッチ素子、 Ｄｌ　：ダイオード、 ＣＩ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４：コンデンサ、Ｔ１：テスラ型
昇圧器、 ＳＬＩ、ＳＬ２．ＳＬ３：可飽和インダクタ、ＬＤ：レ
ーザ負荷、 ＬＬ：インダクタンス、 １：高電圧導体板、 ３ａ、３ｂ：接地導体板、 ５ａ、５ｂ：冷却ファン、 ７：非晶質金属強磁性体薄膜、 ９：絶縁用合成樹脂薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、テスラ型昇圧器、該テスラ型昇圧器にパルス電源を
   供給するためのパルススイッチ手段、および前記テスラ
   型昇圧器の出力に縦続的に接続され各々可飽和インダク
   タとエネルギ蓄積コンデンサとを有する複数のパルス圧
   縮回路を具備することを特徴とするパルスレーザ励起電
   源装置。 ２、前記パルススイッチ手段は半導体スイッチング素子
   を含む特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３、前記可飽和インダクタは非晶質金属磁性体薄膜を多
   層巻きにした磁心またはフェライト磁心を有する特許請
   求の範囲第１項または第２項に記載の装置。 ４、前記可飽和インダクタの磁性体薄膜はポリアミド系
   、ポリイミド系またはポリエステル系等の合成樹脂薄膜
   の絶縁材または合成樹脂含浸による絶縁層またはコーテ
   ィングによる絶縁膜を介して巻回されている特許請求の
   範囲第３項に記載の装置。