JP2008509556A - 誘電体結合二酸化炭素スラブレーザ - Google Patents

Abstract

スラブレーザは、離間し向かい合って配置された２つの細長い電極を含む。中実誘電性材料の１つ又は２つのスラブが電極間において電極の長さに渡って延伸する。電極ギャップは２つの電極のうちの１つと、１つの誘電スラブの間、あるいは、２つの誘電スラブの間に形成される。電極ギャップはレーザガスで満たされる。ギャップの長さに渡って延伸してレーザ共振器を画定するように構成された１組の鏡が配置されている。電極間にＲＦ電位を与えてギャップ中に気体放電を生成し共振器内を循環するレーザ放射を引き起こす。電極間に誘電性材料を挿入することにより、放電構造の抵抗キャパシタンス（ＲＣ）時定数は、誘電性材料がないときのＲＣ時定数と比べて増大する。これは放電におけるアーク生成を妨げ、誘電インサートが無い場合よりも可能であるより高い励起パワー、より高いレーザガス圧及びより高い出力パワーでレーザが作動することを可能にする。

Description

本発明は、一般に、二酸化炭素（ＣＯ_２）スラブレーザに関する。本発明は、特に、金属スラブ電極の間に誘電性結合要素を有するスラブレーザに関する。

ＣＯ_２レーザは、特に非金属材料における、切削又は穴をあけなどの操作に関する商業的製造に一般に使用される。そのような操作に適したＣＯ_２レーザの１つの形態は当該技術分野の実務者にとって「スラブ」レーザとして知られている。そのようなレーザは、離間して向かい合うように配置された細長いスラブ状の平面的な１組の電極であって、それらの間にギャップを画定する電極を含むアセンブリを有する。通常、電極は気密エンクロージャ内に含まれる。エンクロージャと、電極間のギャップはＣＯ_２を含むレイジングガス混合物で満たされる。電極間に無線周波（ＲＦ）電位が与えられて、ＣＯ_２レーザガス混合物中に放電を引き起こす。放電はＣＯ_２レイジングガスにエネルギを与える。レーザ共振器を形成するために１組の鏡を用い、各鏡は１組の電極の端部にそれぞれ配設される。好ましいタイプの共振器はハイブリッド導波路非安定共振器である。エネルギを与えられたＣＯ_２レイジングガスは光学的利得を与えて共振器にレーザ放射を作り出す。電極は、電極の面に垂直な共振器軸方向にレーザ放射のための導波路、即ち、光導路を形成する。これは共振器のレーザモードをその軸内に閉じ込める。鏡は電極の平面に平行な軸にレイジングモードを画定する。非安定共振器装置では、共振器鏡の１つを迂回させることによりレーザ放射を共振器から送出される（事実上、共振器からこぼれている）。

穿孔、切削他の機械工作に使用されるスラブレーザでは、高出力電力、例えば、約１０Ｗ（ワット）以上の電力と、最大可能効率が重要である。与えられたいかなるスラブレーザ構成において、利用可能な平均出力パワーは、平均ＲＦ入力電力が６００°Ｋを超えて気体放電を加熱しないならば、ガス圧とＲＦ入力電力の増加に従って、一般に増加する。さらに、パルスモードで作動するとき、ピークＲＦ入力電力の意義ある増加は、対応するピーク光出力パワーの増加が利用可能であれば、ガス圧の増加により可能である。このピークパワー増加は、前に説明したように、パルスデリバリデューティサイクルがＲＦ入力電力を制限するように提供される場合にだけ有効である。ガス圧が増加すると、放電における励起種の分子衝突率の対応する増加と、その結果のより上位に励起したレーザ準位の崩壊速度の増加により、（パルスの）より速い光学消長時間が生じる。

一般に、特定のデューティサイクルとパルス繰り返し周波数においてパルスモードで作動する特定のスラブレーザ構成に利用可能なピーク光出力パワーの上限は、ピークＲＦ入力電力が増大されるのに従って、ＲＦ放電自体の安定性によって定められる。ピークＲＦ電力が増大するに従い、ＲＦ放電が低電流形からパワー制限形まで崩壊し、さらにダメージングアークまで崩壊する。これはレーザのモード品質と効率に悪影響を与える。コンパクトなスラブレーザ光源から高ピーク光パワーを達成するために非常に高いピーク入力電力によりパルスモードで作動するスラブレーザにおける放電の安定性の改良を必要としている。

発明の概要

１態様では、本発明によるレーザはレイジングガスを入れるエンクロージャを含む。２つの細長い電極がエンクロージャ内に位置し、電極は離間し向かい合うように配置される。電極間に位置する１つ以上のスラブ形状の中実誘電性材料は電極の長さに渡って延伸する。中実誘電性材料は、電極間のスペーシング（電極の離間距離）より小さい総厚みを持ち、その結果、電極の１つと誘電性スラブの間、又は、２つの誘電性スラブの間に細長いギャップ形成する。ギャップはエンクロージャのレイジングガスで満たされる。ギャップを通って延伸するレーザ共振空胴を画定するように１組の鏡が構成され配置される。レーザ放射の共振空胴内での循環を引き起こすためにレーザガスを励起する励起手段を提供する。ギャップの高さは、ギャップの高さ方向のレーザ放射のための導波路をギャップが形成するように選択される。ギャップの幅は、空きスペースにおいてギャップの幅方向にレーザ放射の伝播が可能となるように選択され、伝播モードは鏡の構成と配置により決定される。

高周波（ＲＦ）電極間の誘電性インサートはＲＦ放電構造と直列接続された容量形インピーダンスを増加させると信じられている。このシリーズキャパシタンス増加は放電を安定させるように作用するので、放電の不安定性を開始させること無く、レーザへの必要なピークＲＦ入力電力を可能にしている。

明細書に添付されて明細書の一部を構成する図面は本発明の好ましい実施の形態を図示し、上に述べた発明の概要と、以下で説明する好ましいな実施の形態の詳細と共に、本発明の原理を説明する役目を成す。

発明の詳細な説明

ここで図に言及し、同様な構成要素に同様な参照番号を用いている。図１と図１Ａは、本発明によるＣＯ_２スラブレーザの好ましい１実施の形態１０を示す。レーザ１０は、離間し向かい合って配置された上スラブ電極１２と、下スラブ電極１４を含む。電極のスペーシングはねじ１８によって電極に取り付けられたセラミックのスペーサ１６によって維持される。セラミックスラブ（インサート）２０は電極の間に置かれ、スラブの表面２ＯＡが電極１２の表面１２Ｂに接するように前記セラミックスペーサによって保持される。望ましくは、セラミックスラブは電極の全長に渡って延伸する。スラブ２０のための好ましいセラミック材料はアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）、ベリリア（酸化ベリリウム：ＢｅＯ）、ジルコニア（二酸化ジルコニウム：ＺｒＯ_２）、アルミナとジルコニアの混合物を含む。

電極間のスペーシングと、セラミックスラブの中央部２２の厚さ（Ｔ）は、セラミックスラブ２０の中央部２２の平らな表面２ＯＢと電極１４の平らな表面１４Ａの間に高さＧのギャップ２６が形成されるように選択される。ギャップを画定するこれらの平面は互いに平行である。ギャップ２６は幅Ｗを有し、この幅はここでは電極１４の幅によって決定される。電極１２，１４とセラミックスラブ２０のアセンブリは、二酸化炭素を含むレイジングガス混合物で満たされたエンクロージャ（図示省略）内に納められている。レイジングガス混合物はギャップ２６を満たす。ＲＦ電位が電極１２，１４間に与えられる。ここでは、ＲＦ電位（これは、図１において、シンボルＲＦによって示すＲＦ発生機によって与えられる）は電極１２（「ホット」電極）に与えられ、電極１４（接地電極）は地電位に連結される。電極１２，１４はインダクタ３２によって誘導結合される。電極間にＲＦ電位を与えると、ギャップ２６内のレイジングガス中において放電が維持され（レーザガスにエネルギを与えて）レーザガスを励起する。電極１２，１４は放電により発生した熱を除去するため電極に冷却流体を通すチャンネル３４を含む。

ギャップ２６内の放電中のエネルギが付与さられたＣＯ_２分子はレーザ１０に利得媒質を供給する。レーザ１０は、マイクロ波共振器と非安定共振器３６を含んでなるハイブリッド共振器を含む。非安定共振器３６はミラーホルダ４０によって保持された凹面鏡３８と、ミラーホルダ４４によって保持された凹面鏡４２（図１において想像線で示す）によって形成される。両方の鏡３８と鏡４２は、望ましくは、レーザ波長で約９９．５％以上の反射率を有する。ギャップ２６の幅Ｗは、レーザ放射が空きスペースにおいて電極に平行な方向、すなわち、ギャップの幅方向に伝播されるように選択される。モード伝搬は、とりわけ、鏡のスペーシング曲率により決定される。

この例では、非安定共振器３６の鏡は、レーザ放射が破線４６で示すようにセラミックスラブ２０と電極１４の間のギャップ２６をジグザグに通って循環するように配置され構成される。レーザ放射は鏡４２の縁４２Ａの付近で共振器から出た後、ミラーホルダ４４の孔４８から出てくる。レーザ共振器の導波路部は、電極１２，１４と鏡３８，４２によって画定され、上の説明された非安定共振器部分に垂直である。ギャップ２６の高さＧは、電極１４の表面１４Ａとセラミックスラブ２０の表面２ＯＢが電極１２，１４の平面に垂直な方向、すなわち、ギャップの高さ方向のレーザ放射のための導波路を形成するように選択される。共振器の導波路部は鏡３８，４２によって完成される。レーザ放射伝播モードは、導波効果によって、その方向のみに制限される。

ギャップ２６における放電による鏡３８、４２の機能低下を防ぐために、電極１２，１４の端部から鏡を十分に離間することが望ましい。その距離は、望ましくは、約２０．０ｍｍ以上であるが、そのような距離は鏡によってギャップ２６にリダイレクトされるレーザ放射の光学損失に通じる。そのような光学損失を最小にする１つの手段を図１Ｂに示す。ここで、レーザ１０において、セラミックインサート２０は、ホット電極１２の両端を縦方向に超えて延伸する延長部２ＯＥを含む。接地電極１４の両端はセラミックの延長部２ＯＥの下で延伸する。電極１４のその延長部はセラミックインサート延長部２ＯＥの一部２１からギャップ高さＧだけ離間している。延長部２ＯＥと、その下に横たわる電極は、電極１２と１４によって与えられる導波効果と同様な（一軸）導波効果を提供する。延長部は鏡から約５．０ｍｍ以内の範囲まで延伸するかもしれない。

Ｇと、Ｗと、Ｔの好ましい値は、とりわけ、レイジングガス圧、必要なレーザ出力パワー及びＲＦ周波数に依存する。一例として、ガス圧が約８０．０〜２００．０Ｔｏｒｒ、ＲＦ周波数が約１００．０ＭＨｚ（メガヘルツ）、平均出力が約１００．０Ｗ（ワット）〜５００．０Ｗの場合、Ｇは好ましくは約１．０〜２．０ｍｍであり、Ｗは、電極の長さが約４０．０ｃｍ乃至８５．０ｃｍの場合で約２０．０ｍｍ乃至８０．０ｍｍである。セラミックスラブの厚みＴは、放電安定のため容量形インピーダンス素子を最大にするためにできるだけ薄いほうが望ましい。しかしながら、この厚さは少なくともスラブに機械的剛性を与えるように十分なものでなければならない。その厚さは望ましくは、少なくとも約０．５ｍｍである。

電極１２と１４の間のセラミックスラブ２６を発明として含むことにより、ギャップ２６における気体放電の点火を容易にする手段を与える利点があることが判明した。図１Ａに特に言及し、１つの好ましい手段は、セラミックスラブ２０の孔５２を通って該スラブ２０内へ延伸する１つ以上の点火電極５０を提供することである。電極１２に沿って配設された複数の点火電極５０の位置を図１に想像線で示す。点火電極は金属であり、また、望ましくは孔５２内に締り嵌めにされ、電気接触子（コンタクト）５４、例えば、バネ又は可鍛金属ディスクを介して孔の底部と電気的に接触している。点火電極はギャップ２６内の電場を局部的に増大させるので放電の点火を容易にする（２００３年７月２１日に出願された米国特許出願番号１０／６２４，４１１参照。この文献は参照のためにここに取り入れられる。）。

本発明の原理を理解するために必要なレーザ１０の詳細だけを上で説明していることに留意されたい。ＣＯ_２スラブレーザ構造のレイジングガスエンクロージャや、ＲＦ電力供給及びその接続などのＣＯ_２スラブレーザ構造の一般態様は本発明の当該技術分野でよく知られており、従って、詳細についてはここでは説明しない。スラブレーザの例の詳細な説明は米国特許Ｎｏ．５，１２３，０２８で与えられており、この文献の全開示は参照のためにここに取り入れられる（また、米国特許Ｎｏ．６,１９２,０６１と６,６９７,４０８参照。これらの文献もまた参照のためにここに取り入れられる。）。

電極１２，１４間にセラミックスラブ２０を配設する目的は、通常与えられるＲＦ電位によって経験されるインピーダンスの容量分を増大させ、また、特に、ギャップ２６での放電の点火と非点火状態におけるこのインピーダンスの差を制限することである。先行技術のスラブＣＯ_２レーザでは、スラブ電極間にはレイジングガスしかない。非点火状態では、事実上、このガスは誘電性であり、電極と、ガス充填ギャップはキャパシタとして振る舞う。点火状態では、ガスは誘電性であり、電極と、該電極間のギャップの容量効果は最小になる。本発明の原理による電極間のギャップ内にスラブ２０を含むことは、ギャップ２６における放電が点火された場合でさえ、電極インピーダンスの強い容量分を提供し、かつまた、点火と非点火状態の間の共振振動数差を最小にする。セラミックスラブによって提供されたキャパシタンスの増大は電極スラブ構造のＲＣ時定数の増大させる。これは放電におけるアーク生成を妨げ、かつ、レーザのサイズを大きくすることなく、レーザ出力パワーを増大させることができるＲＦ装填の増大と、より高いレイジングガス圧を可能にする。

図２と図２Ａは本発明によるスラブＣＯ_２レーザの別の実施の形態６０を示す。レーザ６０は、レーザ１０のセラミックスペーサ１６によって離間して保持された第１と第２の細長いスラブ電極１２，１４を含む。レーザ６０の電極１２と１４は同じ幅を有する。電極とスペーサは両方のレーザにおいて同じ機能を有し、電極とスペーサは同じ番号によって示されている。但し、レーザ６０における電極１４の幅は、レーザ１０のものより広く、スペーサが形がレーザ１０のものとは異なる。電極１２と１４の間に位置しているのはセラミックスラブ２１である。セラミックスラブ２１の表面２１Ａは電極１２の表面１２Ｂに接触している。スラブ２１は電極１４の表面１４Ａ上に支持された立上り縁部２３を有し、これらの縁部の間により薄い中央部２５を残している。これはスラブ２１の表面２１Ｂを電極１４の表面１４Ａから離間して維持して電極ギャップ２６を与える。中央部２５は、望ましくは、少なくとも０．５ｍｍの厚みを有する。ＲＦ放電は、上で図１のレーザ１０に関して説明したようにギャップ２６において生成される。ギャップ２６は幅Ｗを有し、ここでは、その幅は電極の幅よりも小さく、セラミックスラブ２１の中央部２５の幅に従って決定される。非安定共振器３６は、上で図１のレーザ１０に関して説明したように、凹面鏡３８と凹面鏡４２によって形成される。

スラブ２１と、その立上り縁２３は、望ましくは、スラブ電極の全長に渡って延伸する。スラブ２１は、電極１２と１４の縦縁を横方向に距離Ｄを超える長さで延伸する。望ましくは、Ｄは約２．０ｍｍ以上であり、より望ましくは約６．０ｍｍ以上である。スラブのこの横方向の広がりは、そのような広がりが無い場合に比べて、電極間のセラミックの面抵抗を増大させる。この増大された面抵抗は、ギャップ２６内での放電に代えて電極縁間で起こりうる表面放電の可能性を最小にする。

立上り縁２３を横方向に貫通して延伸する複数の開孔６２がラミックスラブ２１に沿って間隔を置いて設けられている。これはギャップ２６にレイジングガスを容易に流れ込ませ、高周波パルス化励起条件下でのギャップにおける音響共振を最小にする。スラブ２１の表面２１Ｓは、事実上、電極ギャップの横で延伸する側壁を形成する。これらの表面２１Ｓは、望ましくは、電極の平面に平行な平面におけるレーザモード挙動の決定における共振鏡３８，４２の機能に妥協を与えるかもしれないありうる案内作用を最小にするために粗くされる。表面２１Ｓは、図２に示すようにスロープとされ、即ち、斜角を付けることが好ましいが、これは本発明を制限するものとみなすべきでない。

セラミックスラブ２１の機能はレーザ１０のセラミックスラブ２０のものと同様である。しかしながら、電極の広げた幅の部分に結合されたセラミックスラブ２１の立上り縁は電極インピーダンスの容量分を増強させるので、点火と非点火状態の間のインピーダンス差を減少させる。しかしながら、これは、放電ギャップ２６へのガスの流れを容易にするためにセラミックスラブに開孔を設けることで達成される。

図３は本発明によるスラブＣＯ_２レーザ６０のさらに別の実施の形態７０を示す。レーザ７０は、レーザ６０と同じようにセラミックスペーサ１６によって離間され保持された第１と第２の細長いスラブ電極１２と１４を含む。ここでも同じく、電極とスペーサは両方のレーザにおいて同じ機能を有し、電極とスペーサは同じ番号によって示される、但し、レーザ７０では、電極１２，１４の幅ははレーザ６０のものより広く、スペーサの形も異なる。電極１２と１４の間に位置しているのはセラミックスラブ２７である。セラミックスラブ２７の表面２７Ａは電極１２の表面１２Ｂに接触している。スラブ２７はスラブの全長に渡って延伸する厚い部分２９と薄い部分３１を含む。望ましくは、薄い部分の厚さは１ｍｍ以上である。セラミックスラブの厚い部分２９は、上で図２のレーザ６０に関して説明した理由により、電極の縁を超えて、望ましくは電極の端部をも超えて延伸する。

セラミックスラブの厚い部分２９は、スラブの上面２７Ａが電極１２の表面１２Ｂに接触した状態で、両方の電極に接触している。これは、スラブ２７の薄い部分３１のスラブ表面２７Ｂを電極１４の表面１４Ａから隔てて維持するので、セラミックスラブ２７の部分２９と部分３１の厚みの差にほとんど等しい高さを有する電極ギャップ２６を提供する。ＲＦ放電は。上で図１のレーザ１０に関して説明したように、ギャップ２６で生成される。レーザ６０と同じく、ギャップ２６の幅が電極の幅より小さいので、非安定共振器３６は、上で図１のレーザ１０に関して説明したように、凹面鏡３８と凹面鏡４２によって形成される。

電極とセラミックスラブとのアセンブリのセラミックスラブの薄い部分３１に対応する側の一側において、スラブ電極ギャップ２６はアセンブリの長さに渡って開放されており、その部分セラミックスペーサ１６が占領する長さは短くなっている。これは、レイジングガスのギャップ２６内への流れ込みを容易にし、上で述べたように音響共振の可能性を最小にする。セラミックスラブ２７の薄い部分と厚い部分の合流点に形成された曲面２７Ｓは、事実上、電極ギャップの長さに渡って延伸する単一の側壁を形成する。

セラミックスラブ２７の機能はレーザ６０のセラミックスラブ２１のものと同様である。同様に、電極の幅広部分に結合されたセラミックスラブ２７の厚い部分２９は電極インピーダンスの容量分を増大し、点火と非点火状態の間のインピーダンス差を減少させる。電極アッセンブリの長さのほぼ全長に渡ってギャップ２６を開放させたことにより、レーザ６０のセラミックスラブ構造２１の場合よりもガスの放電ギャップへの導入をより良くし、かつ、セラミックスラブ構造２１に比べて、優れた上位光学的波動区別を提供することができる。

上で説明した本発明のスラブレーザの実施の形態では、スラブ電極、セラミックスペーサ及び電極間のセラミックインサートのアセンブリは、該アセンブリとレイジングガス混合物を内蔵するいかなるエンクロージャからも構造的に独立している。しかしながら、電極セラミックアセンブリをそのようなエンクロージャと統合（一体化）することは可能である。そのような統合構造の１例を図４と図５に関して以下に詳しく説明する。

図４は金属エンクロージャ８２と統合された本発明によるスラブＣＯ_２レーザの実施の形態８０を示す断面図である。図５は、部分的に破断して示すエンクロージャ８２と共にレーザ８０を概略的に示す斜視図である。エンクロージャ８２は、望ましくは、押し出しアルミニウム部材から形成され、地電位に電気的に連結されている。エンクロージャ８２の内部８４はポート８６を介してレイジングガスで満たされ、レイジングガス充填が一旦完了すると、ポートの先端８８を塞いでエンクロージャ８２の封をする。エンクロージャ８２のベース、側壁、及び上部に冷却チャネル３４が設けられている。冷却流体は吸込み口９０を介してチャンネル内に導入され、出口９２を通ってチャンネルを出る。

エンクロージャ８２の立上りベース部９４はスラブレーザ８０のための接地電極を形成する。該電極９４は幅Ｅを有する。別の上電極、即ち、「ホット」電極９６は、立上り縁１００を有するセラミックスラブ９８によって接地電極９４から離間されている。スラブ９８のこれらの縁部１００は幅Ｂを有し、接地電極の縁から長さＤだけオーバハングする。幅Ｂは、とりわけ、与えられたＷ、Ｇ及びＴの寸法と、ガス圧と、励起周波数に関して望まるキャパシタンス量に従って決定される。長さＤのオーバハングは、図２のレーザ６０に関して上で述べたように、電極間の面抵抗を増大する目的のために設けられる。

セラミックスラブ９８の薄い中央部１０２は幅Ｗと、厚さＴを有する。電極ギャップ２６は接地電極９４の上面９４Ａと、セラミックスラブ９８の薄い中央部１０２の下面１０２Ｂの間に形成される。放電はギャップ間に適用されたＲＦ電位によってギャップ２６において維持される。放電の発火を容易にするために点火器５０を提供する。ＲＦ電力はコネクタ１０８を介して電極９６に適用される。コネクタ１０８は絶縁型貫通接続子１１０を通ってエンクロージャ８２に入る。接地までの誘導路は、セラミック性断熱パッド１１４によって電極９６から隔てられ曲がりくねったインダクタ（誘導器）１１２によって与えられる。誘導器１１２は低インダクタンスの圧縮バネ１１６を介して、接地されたエンクロージャ８２に連結されている。ここにレーザハウジングに埋め込まれた冷却チャネル３４を示し、一方、電極９６が説明されるが、以下で説明される本発明のレーザの他の実施の形態において冷却チャネルのようなチャンネルを含まないものも、本発明の技術的使用と発明の範囲から逸脱することなく、含むことができることに留意されたい。

特に図５を参照し、レーザ８０のための共振器装置は本発明のレーザの上で説明された他の実施の形態のものと同様である。非安定共振器３６はミラーホルダ４０により保持された凹面鏡３８と、ミラーホルダ４４で保持された凹面鏡４２（想像線で示す）によって形成されている。非安定共振器は、レーザ放射がセラミックスラブ２０と電極の間のギャップ２６を通って循環し、鏡４２の縁のそばで出るように構成されている。望ましくは、セラミックスラブ９８の厚い部分１００の鉛直面１００Ｓは、電極の平面に平行な平面におけるレーザモード挙動の決定に関して共振器鏡３８，４２の機能に妥協を与えるかもしれないいかなる可能な導波作用も最小にするために、粗くされる。上で述べたようにレイジングガスの流れを容易にしかつ音響共振を最小にするために、セラミックスラブ９８の縁部１００の長さに渡って、該縁部を貫通して横方向に延伸する複数の開孔１０４が電極ギャップ２６に設けられる。

図６は、金属エンクロージャ８２と統合された本発明によるスラブＣＯ_２レーザの別の実施例９０を概略的に示す断面面である。図７は部分的に破断して示すエンクロージャ８２と共にレーザ９０を概略的に示す斜視図である。ここでもまた、エンクロージャ８２の立上りベース部分９４がスラブレーザ９０のための接地電極を形成する。セラミックスラブ１２０は、電極９４上に支持され電極の長さに渡って延伸する。接地電極９４は、電極間に位置するセラミックスペーサ１２４によってホット電極９６から離間されている。

スペーサ１２４は電極の端部だけに位置している。電極ギャップ２６はセラミックスラブ１２０の上面１２０Ａと電極９６の下面９６Ｂの間に形成される。電極ギャップ２６は、ここでは、セラミックスペーサ１２４によって覆われていない電極９６の下面９６Ｂの幅に相当する幅Ｗを有する。放電はギャップに適用されたＲＦ電位によってギャップ２６において維持される。放電の発火を容易にするために点火器５０を提供する。ＲＦ電力は、上で図４のレーザ８０に関して説明したように電極９６に適用される。

スペーサ１２４は電極９６のコーナのみに配設されている（図７参照）。これは、電極とセラミックスラブのアセンブリをその両サイドのほぼ全長に渡って開放し、電極ギャップ２６にレイジングガスが容易に流れ込むようにしている。スペーサ１２４は、望ましくは、電極９６の長さの１／８未満を占領する。レーザ９０は、上で図５のレーザ８０に関して説明したように配置された非安定共振器を含む。

上で説明した本発明のスラブＣＯ_２レーザの全ての実施の形態において、電極ギャップ２６の片面上にのみセラミックスラブが設けられている。しかしながら、本発明をそれらの実施の形態又は同様な実施の形態に制限するものと解釈すべきでない。それぞれの電極に接触するセラミックスラブを設け、これらのセラミックスラブ間に電極ギャップ２６を形成することによって容量の増大を達成できる。そのような１実施の形態を以下で図８に関して説明する。

図８は本発明によるスラブＣＯ_２レーザの実施の態様１３０を示す。レーザ１３０は図７のレーザ９０と同様である。但し、電極９４に接触したセラミックスラブ１２０に加えて、ホット電極９６に接触する同様のセラミックスラブ１２１が設けられている点で異なる。レーザ９０では、電極ギャップ２６はセラミックスラブ１２１の下面１２１Ｂとセラミックスラブ１２０の上面１２０Ａの間で形成される。

２つの誘電性スラブを含み、それらのスラブの間で電極ギャップを形成するレーザの１つの不都合な点は、レーザ出力が電極ギャップが誘電性スラブと金属電極の間で形成された本発明のレーザの実施の形態ほどには分極された平面にならないということである。分極出力が必要であるなら、別の偏光子（図８では図示省略）が共振器３６に含まれるべきである。

本発明によるスラブレーザの別のさらなる実施の形態１４０を図９に概略的に示す。レーザ１４０は図２のレーザ６０と同様であるが、レーザ６０のセラミックスラブ２１がホット電極１２に接触して保持されるスラブ１４２に取り替えられているという点で異なる。スラブ１４２は電極１２より幅広であり、スラブの縁部１４２Ｅは、上で説明した理由により、電極を横方向に超えて延伸する。保持構成の細部を図９Ａに示す。ここでは、ボルト１４４は頭１４６と軸部１４８を有し、その頭１４６は、スラブ１４２に配設された金属パッド１５０にはんだボンド１５２によって接着される。そのように接着された複数（ここでは４つ）のボルトはスラブ１４２の長さに渡って配置される。ボルトは電極１２の孔（図示省略）から突き出るように延伸する。ナット１５４とバネ座金１５６が前記軸部に取り付けられ（図９参照）、セラミックスラブをそれが電極に接するように保持する。バネ座金は、電極の平面に垂直な方向のスラブと電極の間の相対膨脹差を収容する。電極を貫通する孔は電極の平面に平行な方向のスラブと電極の間の膨脹差を収容できるくらい大きい直径を有する。この電極構成の１つの利点は、スラブが加工の際に複雑な機械工作を必要としない単純形状を有するということである。このことは、また、上で説明した発明のレーザの他の実施の形態のより複雑なスラブの厚みよりもいくらか薄い最小厚さのスラブを可能にする。しかしながら、この厚さは望ましくは、上で説明した本発明の他のすべての実施の形態における最小のスラブ厚のように０．５ｍｍ以上である。

レーザ６０、７０、８０、９０、１３０、及び１４０は、図１Ｂのレーザ１０に関して説明した電極と鏡の間のセラミック導波路延長部を有していないように表現されている。そのような延長部を設けることとしても良く、延長部２ＯＥと、図１Ａのレーザ１０の１９に関して上で説明したものと同様の構成で延長部を設けることが望ましい。当業者であれば、さらなる説明や図がなくても、そのような延長部を特定の実施の形態にどのようにして設けるとができるかを理解できる。

図３のレーザ７０の構成による誘電体結合スラブレーザに関する実験は、誘電体インサートなしのスラブレーザのものと比べて、性能がかなりの改良されていることを示した。実験されたレーザは、１４５Ｔｏｒｒガス圧で１３ｋＷのパルス化ＲＦピーク電力で作動できた。このパワー出力は、弧光の開始によるものではなく、むしろ、レーザを駆動するＲＦ電力供給の出力における基準限界値に達することによって制限された。誘電体インサートを持たない比較用のＣＯ_２スラブレーザは、弧光の発生の前に、１４０Ｔｏｒｒのガス圧で単に８．７ｋｗのピークパルス電力で作動できた。実験したレーザのパワー出力は、ほぼ同じくらいの寸法の先行技術のレーザよりも少なくとも４９％の性能増加を示した。

概略的に言えば、本発明は好ましい実施の形態や他の実施の形態に関して上で説明されているが、発明は説明され図示された実施の形態に制限されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって定まるものである。

図１は本発明によるＣＯ_２スラブレーザの好ましい１実施の形態を示す図であり、レーザは、離間し対向する第１及び第２の金属スラブ電極と、第１の電極に接し両電極間のスペースを部分的に占有する１つの誘電性スラブを含み、かつまた、電極間で延伸するオフアクシスＰ枝ハイブリッド導波路非安定共振器を形成する２つの鏡を含むものである。図１Ａは図１の１Ａ−１Ａ線断面図であり、図１のレーザの電極と誘電性スラブを詳細に示す図であり、誘電性スラブと第２の電極の間のギャップ内のレイジングガスにおいてガス放電の開始を容易にする放電開始装置の詳細を示すものである。図１Ｂは、電極の端部と鏡の間に位置するセラミック製のミラーシールドをさらに含む図１のレーザを概略的に示す図である。 図２は図１のレーザと同様な本発明によるＣＯ_２スラブレーザの別の好ましい実施の形態を概略的に示す図であり、セラミックスラブがその自体の立上り縁によって第２の電極に接して支持される態様のものである。図２Ａは図２の２Ａ−２Ａ線断面図であり、放電点火装置を含む図２のレーザの電極と誘電性スラブの詳細を示すものである。 図１のレーザと同様な本発明によるＣＯ_２スラブレーザのさらに別の好ましい実施の形態を示す図であり、セラミックスラブが電極の間のスペースを完全に埋める厚い部分を持つ形態に関するものである。 図５の４−４線断面図であり、図１のレーザと同様な本発明のＣＯ_２スラブレーザのさらに別の実施の形態を示す図であり、スラブ電極の１つが他の電極とセラミックスラブを囲む密封されたエンクロージャによって与えられる態様のものでる。 図４の電極とセラミックスラブ装置の詳細を示す斜視図である。 図７の６−６線断面図であり、図５のレーザと同様の本発明によるＣＯ_２スラブレーザのさらに別の実施の形態を示す図であり、図１のレーザのセラミックスラブ構成と同様のセラミックスラブ構成を含む態様のものである。 図６の電極とセラミックスラブ構成の詳細を概略的に示す斜視図である。 図７のレーザと同様な本発明によるＣＯ_２スラブレーザのさらなる実施の形態を概略的に示す斜視図であって、２つのセラミックスラブを含み、これらのセラミックスラブの間に放電ギャップが形成された態様のものである。 図９は図２のレーザと同様な本発明によるＣＯ_２スラブレーザのさらに別の実施の形態を示す斜視図であって、セラミックスラブが該スラブに接着され第１の電極を貫通して延伸するボルトによって第１の電極に固定される態様のものである。図９Ａは図９のセラミックスラブにボルトを接着する詳細を示す側面図である。

Claims (32)

1. レイジングガスを入れるエンクロージャと；
   前記エンクロージャ内に位置する第１及び第２の細長い電極であって、離間して対向する平面部を有する第１及び第２の電極と；
   前記電極間に位置し前記電極の長さに渡って延伸する１つの又は２以上のスラブ形状に設けられ前記電極間の距離よりも小さい合計厚みを有する中実の誘電性材料であって、前記電極間にギャップを残し、該ギャップは１つの電極と１つの誘電性スラブの間に設けられたもの、又は、２つの誘電性スラブの間に設けられたものであり、前記ギャップは高さと幅を有しかつ前記レイジングガスで満たされる誘電性材料と；
   前記細長いギャップを通って延伸するレーザ共振空胴を画定するように構成されかつ配置された１組の鏡と；
   前記ギャップ内の前記レイジングガスを励起して前記共振空胴内でレーザ放射循環を引き起こす励起手段と；
   を含んでなるレーザであって、前記ギャップが前記高さ方向における前記レーザ放射のための導波路を形成するように前記ギャップの前記高さが選択され、前記レーザ放射が前記鏡の前記構成及び配置によって制御されて空きスペースにおいて前記ギャップの前記幅方向に伝播できるように前記ギャップの幅が選択されたレーザ。
2. 請求項１のレーザであって、前記レーザガス励起手段は高周波発生機を含み、該高周波発生機の出力は前記電極の１つに接続されているレーザ。
3. 請求項１のレーザであって、前記レーザ共振器は前記ギャップの幅方向について非安定共振器であるレーザ。
4. 請求項１のレーザであって、前記ギャップを画定する前記誘電性スラブと前記電極の面は平面であり、かつ、互いに平行であるレーザ。
5. 請求項１のレーザであって、前記電極間にただ１つの誘電性スラブを設け、該誘電性スラブの１表面が前記第１の電極の表面に接触し、前記ギャップが前記１つの誘電性スラブと前記第２の電極の間に形成されているレーザ。
6. 請求項１のレーザであって、前記電極間に第１と第２の前記誘電性スラブを設け、前記第１の誘電性スラブの１つの表面は前記第１の電極の表面に接し、前記第２の誘電性スラブの１表面は前記第２の電極の表面に接し、前記ギャップが前記第１と第２の誘電性スラブの間に形成されているレーザ。
7. 請求項１のレーザであって、誘電性材料の前記１つのスラブは約０．５ミリメートル以上の厚みを持つレーザ。
8. 請求項１のレーザであって、前記ギャップの高さは約１ミリ乃至２ミリメートルであるレーザ。
9. 請求項１のレーザであって、前記ギャップの幅は約２０ミリ乃至８０ミリメートルであるレーザ。
10. 請求項１のレーザであって、前記エンクロージャは金属性エンクロージャであり、前記第２の誘電性スラブが前記エンクロージャに統合された前記エンクロージャの一部として形成されたレーザ。
11. 請求項１０のレーザであって、前記エンクロージャが地電位に連結されたレーザ。
12. 請求項１のレーザであって、誘電性材料の前記１つのスラブは、前記細長い電極の幅よりも大きな幅を有し前記２つの電極の対向縦縁を横方向に超えて延伸するように設けたレーザ。
13. 請求項１２のレーザであって、前記スラブは前記電極縁を少なくとも２．０ミリメートル超えて延伸するレーザ。
14. 請求項１のレーザであって、誘電性材料の前記１つのスラブは、前記スラブに接着され前記第１の電極を貫通して延伸する複数のボルトによって前記第１の電極に接するように保持されるレーザ。
15. レイジングガスを入れるエンクロージャと；
    前記エンクロージャ内に位置する第１及び第２の細長い電極であって、離間して対向する平面部を有する第１及び第２の電極と；
    前記電極間に位置し前記電極の長さに渡って延伸する中実の誘電性材料のスラブであって、前記電極間の距離よりも小さい厚みを有し、前記第１の電極に隣接して配設され、そのため前記スラブと前記第２の電極の間にギャップを残し、該ギャップは高さと幅を有しかつ前記レイジングガスで満たされるスラブと；
    前記細長いギャップを通って延伸するレーザ共振空胴を画定するように構成されかつ配置された１組の鏡と；
    前記ギャップ内の前記レイジングガスを励起して前記共振空胴内でレーザ放射循環を引き起こす励起手段と；
    を含んでなるレーザであって、前記ギャップが前記高さ方向における前記レーザ放射のための導波路を形成するように前記ギャップの前記高さが選択され、前記レーザ放射が前記鏡の前記構成及び配置によって制御されて空きスペースにおいて前記ギャップの前記幅方向に伝播できるように前記ギャップの幅が選択されたレーザ。
16. 請求項１５のレーザであって、前記レーザガス励起手段は高周波発生機を含み、該高周波発生機の出力は前記電極の１つに結合されているレーザ。
17. 請求項１５のレーザであって、前記レーザ共振器は前記ギャップの幅方向について非安定共振器であるレーザ。
18. 請求項１５のレーザであって、前記ギャップを確定する前記誘電性スラブと前記電極の表面は平面であり、かつ、互いに平行であるレーザ。
19. 請求項１５のレーザであって、誘電性材料の前記スラブは約１ミリメートル以上の厚みを持つレーザ。
20. 請求項１５のレーザであって、前記ギャップの高さは約１ミリ乃至２ミリメートルであるレーザ。
21. 請求項１５のレーザであって、前記ギャップの幅は約２０ミリ乃至８０ミリメートルであるレーザ。
22. 請求項１５のレーザであって、前記エンクロージャは金属エンクロージャであり、前記第２の電極が前記エンクロージャに統合された前記エンクロージャの一部として形成されたレーザ。
23. 請求項１５のレーザであって、誘電性材料の前記スラブは、それに沿って延伸する２つの立上り縁部であって、前記ギャップの両側部に位置する立上り縁部を有し、前記スラブの前記立上り縁部は前記電極の離間距離と等しい厚みを有するレーザ。
24. 請求項２３のレーザであって、誘電性材料の前記１つのスラブは前記細長い電極の幅より大きい幅を有し、かつ、該スラブの前記立上り縁部が前記電極の対向縦縁を横方向に超えて延伸するレーザ。
25. 請求項２４のレーザであって、前記スラブの前記立上り縁は前記電極縁を少なくとも２．０ミリメートル超えて延伸するレーザ。
26. 請求項２３のレーザであって、前記スラブの前記立上り縁部のうちの少なくとも１つはそれを貫通して横方向に延伸し前記レイジングガスの前記ギャップへの流れを容易にする複数の離間した開孔を持つレーザ。
27. レイジングガスを入れるエンクロージャと；
    前記エンクロージャ内に位置する第１及び第２の細長い電極であって、離間して対向する平面部を有する第１及び第２の電極と；
    前記電極間に位置し前記電極の長さに渡って延伸する中実の誘電性材料のスラブであって、前記電極の長さに渡って延伸する前記スラブの厚い部分と薄い部分を画定する段状の断面を有し、前記スラブの前記厚い部分は前記電極の離間距離に等しい厚みを有し、前記薄い部分は前記電極の離間距離より小さい厚みを有しかつ前記第１の電極に隣接して配設され、そのため前記スラブの前記薄い部分と前記第２の電極の間にギャップを残し、該ギャップは高さと幅を有しかつ前記レイジングガスで満たされるスラブと；
    前記細長いギャップを通って延伸するレーザ共振空胴を画定するように構成されかつ配置された１組の鏡と；
    前記ギャップ内の前記レイジングガスを励起して前記共振空胴内でレーザ放射循環を引き起こす励起手段と；
    を含んでなるレーザであって、前記ギャップが前記高さ方向における前記レーザ放射のための導波路を形成するように前記ギャップの前記高さが選択され、前記レーザ放射が前記鏡の前記構成及び配置によって制御されて空きスペースにおいて前記ギャップの前記幅方向に伝播できるように前記ギャップの幅が選択されたレーザ。
28. 請求項２７のレーザであって、前記レーザガス励起手段は高周波発生機を含み、該高周波発生機の出力は前記電極の１つに結合されているレーザ。
29. 請求項２７のレーザであって、前記レーザ共振器は前記ギャップの幅方向について非安定共振器であるレーザ。
30. 請求項２７のレーザであって、前記ギャップを画定する前記誘電性スラブと前記電極の表面は平面であり、かつ、互いに平行であるレーザ。
31. 請求項２７のレーザであって、誘電性材料の前記スラブの前記薄い部分は約１ミリメートル以上の厚みを持つレーザ。
32. 請求項２７のレーザであって、前記スラブの前記厚い部分は、それを貫通して横方向に延伸し前記レイジングガスが前記エンクロージャから前記ギャップへ容易に流れるようにする複数の離間した開孔を持つレーザ。

Images