【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスレーザ発振装置に関するものであり、特に放電励起方式に高周波励起を使用したガスレーザ発振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスレーザ発振装置は、図９に示すものであった。この図において、１０１はガラスなどの誘電体よりなる放電管、１０２ａ，１０２ｂは放電管１０１の外部に設けられた金属電極、１０３は金属電極１０２に高周波を印加する高周波電源、１０４は放電管１０１内の放電空間、１０５は全反射鏡、１０６は部分反射鏡、この全反射鏡１０５と部分反射鏡１０６は放電空間１０４の両端に固定配置され、光共振器を形成している。１０７は部分反射鏡１０６より出力されるレーザビームである。
【０００３】
矢印１０８はレーザ媒質ガスの流れる方向を示しており、軸流形レーザ装置の中を循環している。１０９は送気管、１１０はレーザ媒質ガスを循環する送風機、１１１は放電空間１０４で温度上昇したレーザ媒質の温度を下げるためのレーザ媒質ガスを冷却する第１の熱交換器、１１２は送風機１１０の圧縮熱にて温度上昇したレーザ媒質ガスの温度を下げるためのレーザ媒質ガスを冷却する第２の熱交換器である。
【０００４】
以上が従来の軸流形レーザ装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００５】
まず電極１０２に高周波電源１０３より高周波電圧を印加することにより、放電空間１０４にグロー状の放電を発生させる。放電空間１０４を通過するレーザ媒質ガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザ媒質は全反射鏡１０５および部分反射鏡１０６により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡１０６からレーザビーム１０７が出力される。このレーザビーム１０７がレーザ加工等の用途に用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来の放電管部の断面構造を図１０に示す。電極１０２ａ，１０２ｂは図のように放電管１０１に配置されており、放電は図１０の斜線に示すように電極間に発生する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１６４０４２号公報（第２−３頁、第７図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の高周波励起ガスレーザ発振装置では、放電管１０１の断面方向に対して均一な放電が得られず、図１０のように放電が放電管１０１全体に拡がらず空間的に不均一となり、結果的にレーザ発振効率の低下や、最大出力の低下およびビーム品質の低下の原因となる。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するもので、高周波放電を空間的に均一化し、レーザ発振効率やビーム品質のの向上を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、高周波電源から発振される高周波により被励起ガス媒質を高エネルギー状態に励起させてレーザ発振を行うレーザ発振手段と、前記被励起ガス媒質を、電界振動方向が互いに異なる複数の高周波により励起する励起手段とを備え、前記の高周波が複数のパルス高周波で、これらのパルス高周波が時間的に重なるように被励起ガス媒質を励起したため、放電励起用の高周波の強度分布を均一化できる構成を有する高周波励起ガスレーザ発振装置を実現できる。
【００１１】
また、本発明は、放電管内部を通過する被励起ガス媒質の下流側に向かうに従って、前記被励起ガス媒質に対し、少なくとも１つの金属電極を遠ざける構成としたため、被励起ガス媒質を、ガス流れ方向に対して、空間的に均一な放電を行い、発振効率および電力注入を向上することができる。
【００１２】
また、本発明は、放電管の外周面に配設された複数の金属電極を絶縁層で覆う構成としたため、電極表面が直接大気に中に露出しないために絶縁破壊を防止しすることができる。
【００１３】
また、本発明は、放電管長手方向の複数の金属電極に対する給電位置をそれぞれずらした構成としたため、それぞれの給電部の間隔が長くなり、給電部での絶縁破壊を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明実施の形態について、図１〜図８を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。図２は、図１におけるｘ軸とｙ軸を含む平面で切った断面図である。
【００１６】
図１，図２において、１は放電管、２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは高周波を印加するための金属電極、４，５は高周波電源、６は全反射鏡、７は部分射鏡であり、８はレーザビーム、９はレーザ媒質ガスを示している。
【００１７】
次に図３（ａ）から図３（ｃ）は図２の放電管１の内部の放電状態を示す断面図である。なお、断面形状におけるハッチングは、後述の放電領域１３，１４における斜線部との対比で見難いので描いていない。
【００１８】
図３（ａ）は、ｙ方向電界のみを印加した場合場合の放電状態、図３（ｂ）および（ｃ）は、ｙ方向電界およびｘ方向電界の同時印加の放電状態であり、図３（ｂ）は、ｙ方向に電界が向いた瞬間を示し、図３（ｃ）は、ｘ方向に電界が向いた瞬間を示す。
【００１９】
図３において、１０，１１はｙ方向電束線、１２はｘ方向電束線、１３，１４の斜線部は放電状態にある放電領域である。
【００２０】
以上のように構成された高周波励起ガスレーザ発振装置において、特に、大出力が要求されるＣＯ２レーザ発振装置を想定して以下の動作の説明を行うが、レーザ媒質ガスを変えれば他の種類のガスレーザとしても機能することはいうまでもない。
【００２１】
例えば、ＣＯガスレーザ、Ｎ２ガスレーザ、金属蒸気レーザ、希ガスレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、イオンレーザ等にも適用可能である。
【００２２】
まず、図１および図２に示すように、高周波電源４，５から発生した高周波は、金属電極２ａ，２ｂならびに金属電極３ａ，３ｂにより放電管１に印加される。
【００２３】
そして、本実施の形態１の場合には、放電管１の位置において高周波電源４，５から発振された高周波の電界の振動方向（電界ベクトル方向）は互いに直交している。
【００２４】
このように直交する２つの高周波電界により、放電管１の中のレーザ媒質９を放電励起させ、全反射鏡７と部分反射鏡６より構成される光共振器から、レーザビーム８がｚ軸方向に出力される。
【００２５】
また、図１では明示されていないが、必要により、レーザ媒質ガス９は、放電管１から配管で引き出され、冷却後に再度ポンプで注入されるガス循環機構を設備することができる。
【００２６】
以下、更に、本実施の形態１における高周波の放電状態について、詳細に説明する。
【００２７】
図３（ａ）は、ｙ方向電界のみを印加した場合の放電状態で、一方向の電界の印加状態を示す。すなわち、図２において、高周波電源４のみを作動させ、放電管１にはｙ方向の電界のみが印加されている状態である。
【００２８】
このｙ方向の電界分布は、放電管中央部が強く、その左右の端は弱い。このため、放電１３は、図３（ａ）に示すように、中央部に縦長に細く放電し、レーザ媒質ガスの均一励起が達成できない。
【００２９】
しかし、この場合も、縦長の図中上下方向（ｙ方向）については、放電状態は均一である。この理由は、電束線１０がｙ方向に連続であるため、ｙ方向の電界強度の変化が少なくなっていると考えられるためである。
【００３０】
これに対して、図中左右方向（ｘ方向）においては、電束線の密度がｘ方向では大きく変化しているため、電界強度の変化が激しくなっている。
【００３１】
次に、図３（ｂ）および（ｃ）は、ｙ方向電界およびｘ方向電界同時印加時の合成電界が、それぞれｙ方向、ｘ方向を向いた瞬間の放電状態である。すなわち、図２において、高周波電源４，５が同時に作動し、放電管１にはｘ方向の電界およびｙ方向の電界が同時に印加されている状態を示している。
【００３２】
高周波電源４と５は、別個の高周波電源であるため、正確には同一の周波数では発振せず、数ｋＨｚ以上の発振周波数の差がある。このように、２つの電界の振動周波数が異なる場合、位相差は経時的に変化する。
【００３３】
この時、合成ベクトルの描く軌跡は位相差の変化に伴い、円−楕円−直線−楕円−円を繰り返す。この繰り返しの周波数が、２つの異なる発振周波数の差周波数に相当する。具体的には、合成電界は、該当する高周波の周波数で回転振動し、そして、この回転が、異なる２つの周波数の差周波数で状態変化していくのである。
【００３４】
よって、合成電界がｙ方向を向いた瞬間は図３（ｂ）の状態となり、合成電界がｘ方向を向いた瞬間は図３（ｃ）の状態となる。
【００３５】
そして、合成電界がｙ方向を向いた瞬間は、前述の説明のようにｙ方向に放電が均一化され、合成電界がｘ方向を向いた瞬間はｘ方向に放電が均一化される。さらに、実際は、発振周波数の差周波数に対応して、合成電界の方向は、２次元空間の全ての方向を向くため、放電領域は全体として２次元的に広がり、図３（ｂ）および（ｃ）のように実質的に断面が円形状の均一な放電領域が実現することになる。
【００３６】
また、本実施の形態１においては、高周波電源４，５から発振される高周波は、各々他の形態を有するものももちろん使用可能であるが、パルス高周波を用いた場合を説明する。これら２つのパルス高周波は、放電管１の位置において実質的に同時に印加される。図４に、放電管位置で観測した場合の２つのパルス高周波の模式図を示す。
【００３７】
ここで重要な点は、２つのパルスのＯＮ・ＯＦＦのタイミングが、一致していることである。
【００３８】
つまり、上述の均一な放電を実現するためには、レーザ出力光が連続光、パルス光であるにかかわらず、２つのパルスマイクロ波は、時間的に重なり合う必要がある。というのは、互いにタイミングがずれた場合、例えば高周波電源５が先にＯＦＦした場合、瞬間的に放電状態は図３（ａ）の状態になってしまい、本実施の形態の２つの異なる電界交差による効果が達成できないからである。
【００３９】
また、レーザ発振に寄与するＣＯ２分子の励起状態は約２００μｓでほぼ完全に失われるとされているから、レーザ光出力を連続した状態で取り出すには、最低でも、（１／２００μｓ）Ｈｚ、すなわち５ｋＨｚ程度の繰り返し周波数が必要となる。
【００４０】
しかし、５ｋＨｚそのままでは出力は強度変動率が１００％となってしまうので、レーザ光が連続していると見なせる±５％以内の強度変動を実現するには、２０ｋＨｚ程度の繰り返し周波数が最低でも必要だと考えることになる。
【００４１】
複数のパルス高周波のデューティ比については０．１〜０．３以内に制御されることが望ましく、複数のパルス高周波のデューティ比が各々異なる場合には発振開始のタイミングを合わせる。
【００４２】
以上まとめると、本実施の形態１においては、上述のようなｘ方向電界およびｙ方向電界の同時印加状態を創出することにより励起が極めて均一化になされる。すなわち、空間的に均一な放電を行い、発振効率、電力注入およびビーム品質を向上することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態１では、高周波電源および電極の数を２つの場合に代表させて説明したが、必要に応じ、３つ以上設けることも可能である。
【００４４】
また、高周波の電界振動方向については、放電管の光軸と最低限交差していれば必ずしも完全に直交していなくてもよく、互いに振動の相対方向も、最低限交差していれば必ずしも完全に直交していなくてもよい。
【００４５】
また、高周波の周波数が、２〜１００ＭＨｚであることが好適である。
【００４６】
（実施の形態２）
以下、本実施の形態２について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４７】
本実施の形態２は、実施の形態１と同じく高周波励起ガスレーザに関するものであるが、高周波励電源を２台使用せず１台の高周波電源を用い、結果的に、電界が直交する高周波の２方向からの印加を達成している構成例を示す。
【００４８】
図５は本実施の形態２を示す図であり、実施の形態１の図２に対応する。
【００４９】
図５において、図２と対応する部分は同一の番号を付したが、２１は１つの高周波電源、２２は位相シフターである。
【００５０】
以上のように構成された本実施の形態２の装置は、実施の形態１と異なり２方向の高周波の周波数は全く同一であるため差周波数が生ぜず、一般的には、放電管１部分での電界方向は、ｘ軸方向、ｙ軸方向を含む３６０度の空間全ての方向に対して、均一には向かない。
【００５１】
具体的には、２方向の高周波の時間的位相が９０度異なるときは、円偏波状態となり、ｘ軸方向、ｙ軸方向を含む３６０度の空間全ての方向を、瞬間的に向く。
【００５２】
また、位相差が上記以外の中途半端な角度である場合には、楕円偏波状態となり、全ての方向を均等に向かず、特定の方向が強くなって放電状態が均一化されない。
【００５３】
そこで、本実施の形態２では、実際に２方向の高周波の時間的位相が９０度異なる状態を実現するために、図５に示すように高周波の伝幡経路のうち少なくともどちらか一方に放電管１での時間的位相差が９０度となるような位相シフター２２を挿入している。
【００５４】
以上の構成により、放電管１での高周波電界の方向は、空間全ての方向を瞬間的に向くことになる。
【００５５】
また、実施の形態１では完全な円偏波状態のみを実現するのは不可能であり、楕円偏波や直線偏波状態を含まざるを得なかったが、本実施の形態２では、ほぼ完全な円偏波状態のみの実現が可能である。
【００５６】
２つの高周波電界の時間的位相差はちょうど９０度（完全な円偏波状態）であることが理想的には望ましいが、９０度±４．５度であれば、同様の効果が得られる。
【００５７】
なお、本実施の形態２では、高周波の分岐の数を２つの場合に代表させて説明したが、必要に応じ、３つ以上に分岐することも可能である。
【００５８】
また、高周波の電界振動方向については、放電管の光軸と最低限交差していれば必ずしも完全に直交していなくてもよく、互いに振動の相対方向も、最低限交差していれば必ずしも完全に直交していなくてもよい。
【００５９】
また、高周波の周波数が、２〜１００ＭＨｚであることが好適である。
【００６０】
また、前述した複数の高周波の周波数の差が、０．１ＭＨｚ以内であれば好適である。
【００６１】
（実施の形態３）
以下、本実施の形態３について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６２】
本実施の形態３は、実施の形態１と同じく高周波励起ガスレーザに関するが、特に、レーザ媒質ガス９は、放電管１から配管で引き出され、冷却後に再度ポンプで注入されるガス循環機構を設備するレーザ発振装置に関するものである。
【００６３】
図６は本発明の実施の形態を示す図であり、実施の形態１の図１に対応する。
【００６４】
図７は、図６におけるｙ軸とｚ軸を含む平面で切った断面図である。
【００６５】
図６、７において、図１と対応する部分は同一の番号を付し、詳細な説明を省略し、本実施の形態３の要旨となる部分について説明する。
【００６６】
放電管１内にはレーザ媒質ガス９が満たされていて、ガス循環機構により熱交換器を介して循環されるようになっている。矢印３１はレーザ媒質ガス９が流れる方向を示している。３２ａ、３２ｂは放電管１を挟んで対向するように配置された金属電極で、図７に示すように図示左端が最も放電管１の外周の表面に近接し、図示右端が最も放電管１の外周の表面から離れた形態となるように配置されている。
【００６７】
さらに詳しく説明する。
【００６８】
高周波電源４，５によって金属電極３２ａ，３２ｂならびに金属電極３３ａ，３３ｂに高周波電圧が印加されると、通常ガス流れの圧力損失によりガス圧が低下したガス流れの下流側に高周波エネルギーが注入され易くなる。このため図ｚ軸方向の放電が不均一になる。そこで、本実施の形態３においては、金属電極３３ａ，３３ｂと放電管１の距離を、上述した金属電極３２ａ，３２ｂと同様に配して、金属電極３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂを調整することにより、放電管１にかかる電界強度分布を制御し、ｚ軸方向の放電の均一化を図っている。電極間の電界強度分布は図示右側にとなるに従って弱くなる。したがって、レーザ媒質ガス９の流れの下流に向かうに従ってガス圧が低下し高周波エネルギーが注入されやすくなっても、それを補うように、下流側の電界強度を弱くしてやれば、ｚ軸方向は均一に放電することができる。
【００６９】
なお、本実施の形態３においては、全ての金属電極のガス流れの下流側が放電管１の外周の表面から離れている構造となっているが、１つ以上の金属電極、例えば金属電極３２ａのみのガス流れの下流部が外周の表面から離れている構造であってもかまわない。
【００７０】
以上のように、本実施の形態では、被励起ガス媒質を、ガス流れ方向に対して、空間的に均一な放電を行い、発振効率および電力注入を向上することができる。
【００７１】
（実施の形態４）
以下、本実施の形態４について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７２】
本実施の形態は、第１の実施の形態と同じく高周波励起ガスレーザに関するものである。
【００７３】
図８は本発明の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態の図１に対応する。
【００７４】
図８において、図１と対応する部分は同一の番号を付し、詳細な説明を省略し、本実施の形態４の要旨となる部分についてのみ説明する。
【００７５】
斜線部４１は放電管１の外周に配置される金属電極２ａ，２ｂならびに金属電極３ａ，３ｂの更に外周全域を覆う例えばセラミックス等の絶縁層で、金属電極金属電極２ａ，２ｂならびに金属電極３ａ，３ｂと高周波電源４，５とのコンタクト部分以外は金属電極が露出しないように被覆されている。
【００７６】
次に、上記構成の作用について説明する。
【００７７】
高周波電源４，５によって金属電極２ａ，２ｂならびに金属電極３ａ，３ｂに高周波電圧が印加されると、電極間に印加される電圧は数ｋＶに達する。そのため大気中における絶縁破壊を起こすという問題がある。本実施の形態４においては、それぞれの金属電極間には絶縁層が形成されているため、金属電極に高周波電圧が印加されても大気中における絶縁破壊は生ぜず、安定した放電が行われる。すなわち、電極表面が直接大気に中に露出しないために絶縁破壊を防止しすることができる。
【００７８】
なお、絶縁層４１としては金属電極２ａ，２ｂならびに金属電極３ａ，３ｂを含む放電管１を容器で覆いその中を絶縁性液体で満たす構造でも良く、この場合放電管１の絶縁層４１の隙間が完全になくなるために放電管外周部での沿面放電も防止できる。
【００７９】
また、放電管１と絶縁層４１を一体の構造物としても良く、この場合は絶縁性液体を満たすような複雑な構造にすることなく沿面放電を防止することができる。
【００８０】
さらに、高周波電源４，５と金属電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂとのコンタクト部分は大気に露出しているが、金属電極２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂそれぞれのコンタクト部分を放電管１のｚ軸方向にずらしてやれば、コンタクト部分の距離が離れてコンタクト部分での絶縁破壊を防ぐことができる。すなわち、それぞれの給電部の間隔が長くなり、給電部での絶縁破壊を防止することができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高周波放電を空間的に均一化できるとともに、電極間の絶縁破壊を防止することができ、効率およびビーム品質が良く、安定性の高い高周波励起ガスレーザ発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の構成図
【図２】同実施の形態１における放電管部の断面図
【図３】同実施の形態１における放電管の内部の放電状態を示す断面図
【図４】同実施の形態１における２つのパルス高周波の模式図
【図５】同実施の形態２における放電管部の断面図
【図６】同実施の形態３におけるガスレーザ発振装置の構成図
【図７】同実施の形態３における放電管部の断面図
【図８】同実施の形態４におけるガスレーザ発振装置の構成図
【図９】従来のガスレーザ発振装置の概略構成図
【図１０】従来のガスレーザ発振装置の放電管内部の放電状態を示す図
【符号の説明】
１ 放電管
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ 金属電極
４，５，２１ 高周波電源
９ レーザ媒質ガス
２２ 位相シフター
４１ 絶縁層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas laser oscillating device, and more particularly to a gas laser oscillating device using high-frequency excitation as a discharge excitation method.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 shows a conventional gas laser oscillation device. In this figure, 101 is a discharge tube made of a dielectric material such as glass, 102a and 102b are metal electrodes provided outside the discharge tube 101, 103 is a high frequency power supply for applying a high frequency to the metal electrode 102, and 104 is a discharge tube 101 , A total reflection mirror 105, a partial reflection mirror 106, and the total reflection mirror 105 and the partial reflection mirror 106 are fixedly disposed at both ends of the discharge space 104 to form an optical resonator. Reference numeral 107 denotes a laser beam output from the partial reflecting mirror 106.
[0003]
Arrow 108 indicates the direction in which the laser medium gas flows, and circulates in the axial flow laser device. 109 is an air supply pipe, 110 is a blower that circulates the laser medium gas, 111 is a first heat exchanger that cools the laser medium gas for lowering the temperature of the laser medium whose temperature has increased in the discharge space 104, and 112 is a fan of the blower 110. This is a second heat exchanger that cools the laser medium gas for lowering the temperature of the laser medium gas that has been heated by the compression heat.
[0004]
The above is the configuration of the conventional axial-flow laser device, and its operation will be described next.
[0005]
First, a glow-like discharge is generated in the discharge space 104 by applying a high-frequency voltage from the high-frequency power supply 103 to the electrode 102. The laser medium gas passing through the discharge space 104 is excited by obtaining the discharge energy, and the excited laser medium is resonated by the optical resonator formed by the total reflection mirror 105 and the partial reflection mirror 106, and is partially reflected. Laser beam 107 is output from mirror 106. This laser beam 107 is used for applications such as laser processing (for example, see Patent Document 1).
[0006]
FIG. 10 shows a sectional structure of a conventional discharge tube portion. The electrodes 102a and 102b are arranged in the discharge tube 101 as shown in the figure, and a discharge occurs between the electrodes as shown by oblique lines in FIG.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-6-164442 (pages 2-3, FIG. 7)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional high frequency excitation gas laser oscillation device as described above, a uniform discharge cannot be obtained in the sectional direction of the discharge tube 101, and the discharge does not spread over the entire discharge tube 101 as shown in FIG. As a result, the laser oscillation efficiency is reduced, the maximum output is reduced, and the beam quality is reduced.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to spatially uniformize a high-frequency discharge to improve laser oscillation efficiency and beam quality.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a laser oscillation unit that excites a gas medium to be excited to a high energy state by a high frequency oscillated from a high frequency power supply to perform laser oscillation; Excitation means for exciting with a plurality of high-frequency waves having directions different from each other, wherein the high-frequency waves are a plurality of pulse high-frequency waves, and the gas medium to be excited is excited so that these pulse high-frequency waves temporally overlap each other. A high-frequency excitation gas laser oscillation device having a configuration that can make the intensity distribution of the laser beam uniform can be realized.
[0011]
Further, according to the present invention, since at least one metal electrode is separated from the excited gas medium toward the downstream side of the excited gas medium passing through the inside of the discharge tube, the excited gas medium is subjected to gas flow. A spatially uniform discharge can be performed in the direction, and the oscillation efficiency and power injection can be improved.
[0012]
Further, according to the present invention, since the plurality of metal electrodes provided on the outer peripheral surface of the discharge tube are covered with the insulating layer, the electrode surface is not directly exposed to the atmosphere, so that dielectric breakdown can be prevented. .
[0013]
Further, in the present invention, since the power supply positions for the plurality of metal electrodes in the longitudinal direction of the discharge tube are shifted from each other, the interval between the power supply units is increased, and dielectric breakdown at the power supply units can be prevented.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0015]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram showing Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a plane including the x-axis and the y-axis in FIG.
[0016]
1 and 2, 1 is a discharge tube, 2a, 2b, 3a, 3b are metal electrodes for applying a high frequency, 4, 5 are high frequency power supplies, 6 is a total reflection mirror, 7 is a partial mirror, Reference numeral 8 denotes a laser beam, and 9 denotes a laser medium gas.
[0017]
Next, FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views showing a discharge state inside the discharge tube 1 of FIG. The hatching in the cross-sectional shape is not drawn because it is difficult to see the hatched portions in the discharge regions 13 and 14 described later.
[0018]
FIG. 3A shows a discharge state when only the y-direction electric field is applied, and FIGS. 3B and 3C show a discharge state when the y-direction electric field and the x-direction electric field are applied simultaneously. FIG. 3B shows the moment when the electric field is oriented in the y direction, and FIG. 3C shows the moment when the electric field is oriented in the x direction.
[0019]
3, reference numerals 10 and 11 denote y-direction electric flux lines, 12 denotes an x-direction electric flux line, and hatched portions 13 and 14 denote discharge regions in a discharge state.
[0020]
In the high-frequency excitation gas laser oscillator configured as described above, the following operation will be described, particularly assuming a CO2 laser oscillator that requires a large output. However, if the laser medium gas is changed, other types of gas lasers are used. It goes without saying that it also functions as
[0021]
For example, the present invention can be applied to a CO gas laser, a N2 gas laser, a metal vapor laser, a rare gas laser, a He—Ne laser, an ion laser, and the like.
[0022]
First, as shown in FIGS. 1 and 2, the high frequency generated from the high frequency power supplies 4 and 5 is applied to the discharge tube 1 by the metal electrodes 2a and 2b and the metal electrodes 3a and 3b.
[0023]
In the case of the first embodiment, the vibration directions (electric field vector directions) of the high-frequency electric fields oscillated from the high-frequency power supplies 4 and 5 at the position of the discharge tube 1 are orthogonal to each other.
[0024]
The laser medium 9 in the discharge tube 1 is discharged and excited by the two high-frequency electric fields orthogonal to each other, and the laser beam 8 is emitted from the optical resonator constituted by the total reflection mirror 7 and the partial reflection mirror 6 in the z-axis direction. Is output to
[0025]
Although not explicitly shown in FIG. 1, if necessary, a gas circulation mechanism in which the laser medium gas 9 is extracted from the discharge tube 1 by a pipe and injected again by a pump after cooling can be provided.
[0026]
Hereinafter, the high-frequency discharge state in the first embodiment will be further described in detail.
[0027]
FIG. 3A shows a discharge state when only the y-direction electric field is applied, and shows a state in which a unidirectional electric field is applied. That is, FIG. 2 shows a state in which only the high-frequency power supply 4 is operated and only the electric field in the y direction is applied to the discharge tube 1.
[0028]
The electric field distribution in the y direction is strong at the center of the discharge tube and weak at the left and right ends. For this reason, as shown in FIG. 3A, the discharge 13 discharges vertically and thinly at the center, and uniform excitation of the laser medium gas cannot be achieved.
[0029]
However, in this case as well, the discharge state is uniform in the vertical direction (y direction) in the vertically long drawing. The reason for this is that since the electric flux wire 10 is continuous in the y direction, the change in the electric field strength in the y direction is considered to be small.
[0030]
On the other hand, in the horizontal direction (x direction) in the figure, the density of the electric flux lines greatly changes in the x direction, so that the electric field intensity greatly changes.
[0031]
Next, FIGS. 3B and 3C show discharge states at the moment when the combined electric field when the y-direction electric field and the x-direction electric field are applied simultaneously is directed in the y-direction and the x-direction, respectively. That is, FIG. 2 shows a state in which the high-frequency power supplies 4 and 5 are operated simultaneously, and an electric field in the x direction and an electric field in the y direction are simultaneously applied to the discharge tube 1.
[0032]
Since the high-frequency power supplies 4 and 5 are separate high-frequency power supplies, they do not oscillate at exactly the same frequency, but have a difference in oscillation frequency of several kHz or more. Thus, when the vibration frequencies of the two electric fields are different, the phase difference changes over time.
[0033]
At this time, the trajectory drawn by the composite vector repeats a circle-ellipse-straight line-ellipse-circle as the phase difference changes. This repetition frequency corresponds to a difference frequency between two different oscillation frequencies. Specifically, the combined electric field oscillates at the corresponding high frequency, and this rotation changes state at the difference frequency between the two different frequencies.
[0034]
Therefore, the moment the combined electric field is directed in the y direction is as shown in FIG. 3B, and the moment the combined electric field is directed in the x direction is as shown in FIG. 3C.
[0035]
Then, at the moment when the combined electric field is directed in the y direction, the discharge is made uniform in the y direction as described above, and when the combined electric field is turned in the x direction, the discharge is made uniform in the x direction. Furthermore, in practice, the direction of the combined electric field extends in all directions in the two-dimensional space corresponding to the difference frequency of the oscillation frequency, so that the discharge region spreads two-dimensionally as a whole, and FIGS. As a result, a uniform discharge region having a substantially circular cross section is realized.
[0036]
Further, in the first embodiment, as the high-frequency waves oscillated from the high-frequency power supplies 4 and 5, those having other forms can of course be used, but the case where pulsed high-frequency waves are used will be described. These two pulse high frequencies are applied substantially simultaneously at the position of the discharge tube 1. FIG. 4 shows a schematic diagram of two pulse high frequencies observed at the position of the discharge tube.
[0037]
The important point here is that the ON / OFF timings of the two pulses match.
[0038]
That is, in order to realize the above-described uniform discharge, the two pulsed microwaves need to temporally overlap regardless of whether the laser output light is continuous light or pulsed light. That is, when the timing is shifted from each other, for example, when the high frequency power supply 5 is turned off first, the discharge state is instantaneously changed to the state shown in FIG. This is because the effect of the above cannot be achieved.
[0039]
Further, since the excited state of CO 2 molecules contributing to laser oscillation is said to be almost completely lost in about 200 μs, at least (1/200 μs) Hz, That is, a repetition frequency of about 5 kHz is required.
[0040]
However, if the output power is 5 kHz, the output will have an intensity variation rate of 100%. Therefore, in order to realize an intensity variation within ± 5% that can be regarded as continuous laser light, a repetition frequency of about 20 kHz is required even at the minimum. You will think that.
[0041]
It is desirable that the duty ratios of the plurality of high-frequency pulses are controlled within 0.1 to 0.3. When the duty ratios of the plurality of high-frequency pulses are different from each other, the timing of starting the oscillation is adjusted.
[0042]
In summary, in the first embodiment, the excitation is made extremely uniform by creating the simultaneous application state of the x-direction electric field and the y-direction electric field as described above. That is, a spatially uniform discharge can be performed, and the oscillation efficiency, power injection, and beam quality can be improved.
[0043]
In the first embodiment, the case where the number of the high-frequency power supply and the number of the electrodes is two has been described as a representative, but three or more may be provided as necessary.
[0044]
In addition, the direction of the high-frequency electric field vibration does not necessarily have to be completely orthogonal as long as it intersects at least with the optical axis of the discharge tube, and the direction of the vibration does not necessarily have to be completely intersect at least if it intersects at least. It does not need to be orthogonal to.
[0045]
Further, it is preferable that the high frequency is 2 to 100 MHz.
[0046]
(Embodiment 2)
Hereinafter, the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0047]
The second embodiment relates to a high-frequency excitation gas laser as in the first embodiment, but uses one high-frequency power supply instead of two high-frequency excitation power supplies. An example of a configuration that achieves application from a direction is shown.
[0048]
FIG. 5 is a diagram showing the second embodiment, and corresponds to FIG. 2 of the first embodiment.
[0049]
In FIG. 5, portions corresponding to those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, 21 is one high-frequency power source, and 22 is a phase shifter.
[0050]
The device of the second embodiment configured as described above differs from the first embodiment in that the high-frequency frequencies in the two directions are completely the same, so that no difference frequency is generated. Is not uniformly oriented in all directions of the 360-degree space including the x-axis direction and the y-axis direction.
[0051]
Specifically, when the temporal phases of the high-frequency waves in the two directions are different by 90 degrees, a circularly polarized state is established, and all directions in a 360-degree space including the x-axis direction and the y-axis direction are instantaneously turned.
[0052]
On the other hand, if the phase difference is a halfway angle other than the above, the state becomes an elliptical polarization state, the directions are not uniformly oriented in all directions, and a specific direction is strengthened, and the discharge state is not uniform.
[0053]
Therefore, in the second embodiment, in order to actually realize a state in which the temporal phases of the high-frequency waves in the two directions are different by 90 degrees, as shown in FIG. The phase shifter 22 is inserted such that the temporal phase difference at 1 is 90 degrees.
[0054]
With the above configuration, the direction of the high-frequency electric field in the discharge tube 1 instantaneously points in all directions in the space.
[0055]
Further, in the first embodiment, it is impossible to realize only a perfect circular polarization state, and it is inevitable to include an elliptical polarization state and a linear polarization state. It is possible to realize only a circularly polarized state.
[0056]
Ideally, the temporal phase difference between the two high-frequency electric fields is exactly 90 degrees (perfectly circularly polarized state), but if 90 degrees ± 4.5 degrees, a similar effect can be obtained.
[0057]
In the second embodiment, the case where the number of high-frequency branches is two has been described as a representative, but it is also possible to branch to three or more as necessary.
[0058]
In addition, the direction of the high-frequency electric field vibration does not necessarily have to be completely orthogonal as long as it intersects at least with the optical axis of the discharge tube, and the direction of the vibration does not necessarily have to be completely intersect at least if it intersects at least. It does not need to be orthogonal to.
[0059]
Further, it is preferable that the high frequency is 2 to 100 MHz.
[0060]
Further, it is preferable that the difference between the frequencies of the plurality of high frequencies is within 0.1 MHz.
[0061]
(Embodiment 3)
Hereinafter, the third embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0062]
The third embodiment relates to the high-frequency excitation gas laser as in the first embodiment. In particular, a gas circulation mechanism is provided in which the laser medium gas 9 is drawn out of the discharge tube 1 by a pipe, cooled, and then injected again by a pump. The present invention relates to a laser oscillation device.
[0063]
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 of the first embodiment.
[0064]
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along a plane including the y-axis and the z-axis in FIG.
[0065]
6 and 7, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and the part that is the gist of the third embodiment will be described.
[0066]
The discharge tube 1 is filled with a laser medium gas 9 and is circulated through a heat exchanger by a gas circulation mechanism. The arrow 31 indicates the direction in which the laser medium gas 9 flows. 32a and 32b are metal electrodes arranged so as to face each other with the discharge tube 1 interposed therebetween, and the left end in the figure is closest to the outer peripheral surface of the discharge tube 1 as shown in FIG. It is arranged so as to be separated from the outer peripheral surface.
[0067]
This will be described in more detail.
[0068]
When a high-frequency voltage is applied to the metal electrodes 32a and 32b and the metal electrodes 33a and 33b by the high-frequency power supplies 4 and 5, high-frequency energy is easily injected into the downstream side of the gas flow whose gas pressure has decreased due to the pressure loss of the gas flow. Become. For this reason, the discharge in the z-axis direction in the drawing becomes non-uniform. Therefore, in the third embodiment, the distance between the metal electrodes 33a, 33b and the discharge tube 1 is arranged in the same manner as the above-described metal electrodes 32a, 32b, and the metal electrodes 32a, 32b, 33a, 33b are adjusted. Thus, the electric field intensity distribution applied to the discharge tube 1 is controlled, and the discharge in the z-axis direction is made uniform. The electric field intensity distribution between the electrodes becomes weaker as it goes to the right side in the figure. Therefore, even if the gas pressure decreases toward the downstream of the flow of the laser medium gas 9 and high-frequency energy is easily injected, if the electric field strength on the downstream side is reduced so as to compensate for this, the z-axis direction becomes uniform. Can be discharged.
[0069]
In the third embodiment, the downstream side of the gas flow of all the metal electrodes has a structure separated from the outer peripheral surface of the discharge tube 1, but only one or more metal electrodes, for example, only the metal electrode 32a The downstream portion of the gas flow may be separated from the outer peripheral surface.
[0070]
As described above, in the present embodiment, it is possible to perform spatially uniform discharge of the gas medium to be excited in the gas flow direction, and to improve the oscillation efficiency and the power injection.
[0071]
(Embodiment 4)
Hereinafter, the fourth embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0072]
This embodiment relates to a high-frequency excitation gas laser as in the first embodiment.
[0073]
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of the present invention, and corresponds to FIG. 1 of the first embodiment.
[0074]
8, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and only the part that is the gist of the fourth embodiment will be described.
[0075]
The hatched portion 41 is an insulating layer made of, for example, ceramics, which covers the entire outer periphery of the metal electrodes 2a, 2b and the metal electrodes 3a, 3b arranged on the outer periphery of the discharge tube 1. The metal electrodes 2a, 2b and 3a, The portions other than the contact portions between 3b and the high-frequency power sources 4 and 5 are covered so that the metal electrodes are not exposed.
[0076]
Next, the operation of the above configuration will be described.
[0077]
When a high-frequency voltage is applied to the metal electrodes 2a and 2b and the metal electrodes 3a and 3b by the high-frequency power sources 4 and 5, the voltage applied between the electrodes reaches several kV. Therefore, there is a problem that dielectric breakdown occurs in the atmosphere. In the fourth embodiment, since an insulating layer is formed between the metal electrodes, even if a high-frequency voltage is applied to the metal electrodes, dielectric breakdown does not occur in the air, and stable discharge is performed. That is, since the electrode surface is not directly exposed to the atmosphere, dielectric breakdown can be prevented.
[0078]
The insulating layer 41 may have a structure in which the discharge tube 1 including the metal electrodes 2a and 2b and the metal electrodes 3a and 3b is covered with a container and the inside thereof is filled with an insulating liquid. Is completely eliminated, so that creeping discharge at the outer peripheral portion of the discharge tube can also be prevented.
[0079]
Further, the discharge tube 1 and the insulating layer 41 may be formed as an integral structure. In this case, creeping discharge can be prevented without having a complicated structure that fills the insulating liquid.
[0080]
Furthermore, the contact portions between the high-frequency power supplies 4 and 5 and the metal electrodes 2a, 2b, 3a and 3b are exposed to the atmosphere, but the contact portions of the metal electrodes 2a, 2b, 3a and 3b are connected to the z-axis of the discharge tube 1. If the contact portions are shifted in the direction, the distance of the contact portion is increased and the dielectric breakdown at the contact portion can be prevented. That is, the interval between the power supply units becomes longer, and dielectric breakdown at the power supply units can be prevented.
[0081]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to spatially uniformize a high-frequency discharge, prevent dielectric breakdown between electrodes, and provide a high-frequency excitation gas laser oscillation device with good efficiency and beam quality and high stability. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a gas laser oscillation device according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a cross-sectional view of a discharge tube portion according to the first embodiment; FIG. FIG. 4 is a schematic view of two pulse high-frequency waves according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view of a discharge tube part according to the second embodiment. FIG. 6 is a gas laser oscillation according to the third embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view of a discharge tube part according to the third embodiment. FIG. 8 is a configuration diagram of a gas laser oscillation device according to the fourth embodiment. FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a conventional gas laser oscillation device. FIG. 10 is a diagram showing a discharge state inside a discharge tube of a conventional gas laser oscillation device.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Discharge tube 2a, 2b, 3a, 3b, 32a, 32b, 33a, 33b Metal electrode 4,5,21 High frequency power supply 9 Laser medium gas 22 Phase shifter 41 Insulation layer
