JP2014504028A - スラブ型レーザ - Google Patents

Abstract

スラブ型レーザにおいて、レーザ活性媒体としての二酸化炭素ＣＯ_２を含む混合ガスが、平坦面で互いに向かい合う２つのプレート状の金属電極（６，８）の間に形成される放電空間（１０）の中にある。放電空間の互いに反対側の端面（１２，１４）には、平坦面と平行に不安定共振器を形成する共振器ミラー（１６，１８）がそれぞれ配置されている。互いに向き合う平坦面の少なくとも一方は平坦面（２，４）全体に誘電性層（２０）を備えかつその厚みが少なくとも１つの部分面（２１）で平坦面（２，４）の残りの領域（２２）よりも厚いか、または、少なくとも１つの平坦面（２，４）は少なくとも１つの部分面（２１）にのみ誘電性層（２０）を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば特許文献１や特許文献２に開示されているようなスラブ型レーザに関する。

スラブ型レーザまたはスラブレーザとは、その共振器が、導波路共振器と、正分岐または負分岐の不安定（非安定）共振器との組み合わせであるようなレーザをいう。このようなスラブ型レーザでは、２つの平坦なプレート状の電極の間で形成される細い放電空間の中に、二酸化炭素ＣＯ_２を含む混合ガスが入っている。高周波の電磁場を印加することで、両電極の間にある混合ガスが励起される。このようにして形成される細い直方体の放電空間の各端面と向かい合うようにして、共振器ミラーがそれぞれ配置されている。これらの共振器ミラーは、放電空間の短辺と平行な方向で、自由な放射伝搬を有する共焦点の不安定共振器を形成する。この方向に対して横向きでは、放電空間の中で発生する電磁放射の伝搬条件は、各電極の導波路特性によって規定される。

このようなレーザでは、不安定軸の方向での、すなわち電極および放電空間の端面に対して平行の放射分布は、実質的に、共振器ミラーのジオメトリーによって規定される。不安定軸に対して直交する導波路軸では、導波路の仕切壁としての両電極の表面が、この方向での放射分布の形成に決定的な影響を及ぼす。表面の特性、すなわちその粗さ、電極を構成する素材、および各電極の相互間隔が、どの共振器モードがもっとも好都合な伝搬条件をもたらすかを規定する。

これらの電極は、金属または誘電性材料でできている。特許文献２では、電極の好適な素材として、アルミニウム等の導電性の金属、あるいは酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３等の誘電体が挙げられており、後者のケースでは、放電空間と反対の側に導電性の金属を配置しなければならない。

特許文献３には、アルミニウムからなる両電極の放電空間側の表面に、高次の導波路モードを減衰する役割の酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３からなる層を設けることが開示されている。しかし、光学特性に関して厳密に再現可能に定義された減衰層を形成することは、電極表面が拡張されたマルチキロワットクラスのスラブ型レーザにとっては問題が大きい。

放電空間側の電極表面の誘電性コーティングが、両電極により仕切られた中空スペース内で伝搬する導波路モードの減衰に及ぼす影響は、従来式の導波路型レーザについても、たとえば特許文献４にあるように知られている。

欧州特許出願公開ＥＰ０３０５８９３Ａ２ 米国特許ＵＳ４，７１９，６３９ 欧州特許出願公開ＥＰ０４４４４４２Ａ２ 米国特許ＵＳ４，８７５，２１８

本発明の課題は、上述の問題点がほぼ回避される、金属電極を備えたスラブ型レーザを提供することにある。

上記課題は、本発明に係る請求項１の特徴を備えたスラブ型レーザによって解決される。当該特徴を備えたスラブ型レーザにおいては、レーザ活性媒体として二酸化炭素ＣＯ_２を含む混合ガスが、各々の平坦面で互いに向かい合って放電空間を画定する２つのプレート状の金属電極の間に入っている。放電空間の互いに反対側の端面には、平坦面に対して平行に不安定共振器を形成する共振器ミラーがそれぞれ配置されている。互いに向かい合った平坦面のうち少なくとも１つは、少なくとも一部表面に誘電性層を備えているか、または、平坦面の全体に誘電性層を備えている。この場合、誘電性層の厚みが少なくとも１つの部分面で、平坦面の残りの領域よりも厚くなっている。

本発明は、望ましくないモードを抑制するためには、一方の電極の平坦面全体にではなく、互いに向かい合う平坦面のうち少なくとも１つにおける部分面だけに、厚い誘電性層を設けておき、その層厚が、平坦面全体に形成されて同一の減衰を惹起する誘電性層に必要なはずの厚みよりも厚ければ、原則として十分である、という知見に基づく。これに従って、誘電性層を部分面にのみ設ければ十分であり、当該部分面は面積が比較的狭いので、より簡単かつ正確に再現可能にして電極に形成することができる。このことは、部分面だけに誘電性層を設けることによって、すなわち、平坦面の残りの領域はコーティングしないことによって、実施することができる。ただし、特に高出力域では、電極間でのフラッシオーバを回避するために、平坦面の全体に誘電性コーティングを設けることが必要である。その場合には、より高次モードの効果的な抑制に必要であるはずの層の厚みよりも薄い誘電性層で平坦面をコーティングすれば十分であることが判明した。したがって本発明では、このようなケースにおいて、誘電性層を部分面でのみ、平坦面の残りの領域よりも厚くすることが意図される。

このように「部分面」という用語は、本件出願については、誘電性層が平坦面の残りの領域よりも厚くなっている面領域を意味するか、または、平坦面の唯一の領域として誘電性層を有している面領域を意味している。

実施にあたっては、約３μｍ〜７μｍがこのような部分面の好適な層厚であることが判明しており、これに対して残りの領域はコーティング無しか、または、ｋＷクラスの出力をもつ高出力レーザについては、層厚が２μｍ程度までである層が設けられる。誘電性層としては、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３または酸化ケイ素ＳｉＯ_２を使用するのが好ましい。

従属請求項に記載されている好ましい態様は、各電極の互いに向き合う平坦面に、複数の領域あるいは複数の部分面があり、これらは面全体の一部を占めているにすぎないが、それでも望ましくない導波路モードの減衰に平坦面の他の領域よりも大きな貢献を果たすという追加の技術思想に基づく。

共振器として、焦点が放電空間の中にある共焦点の負分岐共振器が設けられる場合には、少なくとも１つの部分面がこの焦点をカバーするので、この焦点は少なくとも１つの部分面の中にある。

本発明をさらに説明するために、次の図面に示されている実施形態を援用する。

少なくとも１つの電極における誘電性層を備える部分面がハッチングで強調された、スラブ型レーザまたはスラブレーザを示す模式的な平面図である。 電極の端面と平行な断面を示す、同じく模式的な原理図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザの別の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザのさらに別の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザのさらに別の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザのさらに別の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザのさらに別の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じくハッチングで強調されたコーティング部分面を備える、本発明に係るスラブ型レーザのさらに別の実施形態を示す模式的な平面図である。

図１と図２において、本発明によるスラブ型レーザあるいはスラブレーザは、平坦面２，４で互いに向かい合う２つのプレート状の金属電極６，８を含んでおり、これらの電極が長手方向９に広がる放電空間１０を画定し、この放電空間の中に、レーザ活性媒体としての二酸化炭素ＣＯ_２を含む混合ガスが入っている。放電空間１０の互いに反対側の端面１２，１４には、共振器ミラー１６，１８がそれぞれ配置されている。両方の共振器ミラー１６，１８は、電極６，８の平坦面と平行に向く平面で不安定共振器を形成する。図示した例は、共焦点の正分岐不安定共振器であり、その焦点は共振器の外部で、すなわち共振器ミラー１６，１８により画定される空間の外部で、長手方向に対して平行に延びる図示した共振器軸１９上にある。共振器ミラー１６，１８の間で伝搬するレーザ光線ＬＳは、両端面のうちの一方の側方の縁部のところで、本例では端面１４のところで、出力結合される。

電極６，８は、互いに向き合う平坦面２，４に誘電性層２０を備えており、この誘電性層は、図１にハッチングで強調する部分面２１で、残りの領域２２よりも厚くなっているとともに、側方の出力結合縁部２３にあり、すなわち、レーザ光線ＬＳが長手方向９と平行に放電空間１０から外に出ていく電極６，８の長辺の領域にあり、互いに反対側の端面１２，１４の間の全長に延びている。本例では、部分面２１は長方形状を有しており、その幅ｂは、出力結合されるレーザ光線ＬＳの幅にほぼ相当している。

本実施形態において、両方の電極６，８は、それぞれの面全体に誘電性層２０を備えており、かつ両方の電極６，８は、コーティングが残りの領域２２よりも厚い部分面２１を有している。基本的には、両方の電極の１つまたは複数の部分面である部分面２１だけがコーティングされている形態であるが、両方の電極がそれぞれの平坦面全体に誘電性層２０を備えておりかつ一方の電極だけがこのように厚くコーティングされた部分面２１を有している実施形態も可能である。

図３の実施形態では、凹面状に湾曲した２つの共振器ミラー１６，１８が設けられており、これにより負分岐の共焦点共振器が形成され、これらの共通の焦点Ｆは、共振器ミラー１６，１８で構成される共振器の内側に位置している。この焦点Ｆは、電極６，８の間で平坦面に対して垂直に延びる線形焦点である。このような共振器の中では、レーザ光線ＬＳは、主に、図３に示す周縁光線２４，２６で区画される領域Ｇ内で伝搬する。

図示した実施形態では、２つの部分面２１が、互いに向かい合う平坦面の端面側の縁部にあって、より厚い誘電性層を備えている。このような実施形態は、図１に示す正分岐共振器についても好適である。

この実施形態でも、同じく両方の電極６，８がそれぞれ、互いに反対側の端面にこのような厚い誘電性層を備えることができる。あるいは、出力の低いスラブ型レーザであれば、電極６，８のうち少なくとも一方の部分面２１にのみコーティングを設けることができる。

図４の実施形態では、負分岐共振器において、部分面２１が、内側に位置して焦点Ｆを取り囲む区域、すなわち電極６，８の側方の縁部領域から間隔をおいた区域にのみ存在している。

図５と図６の実施形態では、焦点Ｆをカバーし、横方向すなわち端面と平行に延びる細い帯状部として互いに反対側の長辺まで延びるか（図５）、または、長手方向に延びる細い帯状部として互いに反対側の端面の間に配置された（図６）、部分面２１が設けられている。

図７の実施形態では、部分面２１は三角形の領域に区画されており、主としてその中でレーザ光線ＬＳが共振器内を伝搬する。

図８は、共振器軸１９が延びている電極６，８の側方の縁部のところに部分面２１がある、正分岐共振器を備えた実施形態を示している。

図１、図２、図３、図５〜図７の実施形態に示す、それぞれ電極の縁部まで延びる部分面に代えて、基本的に縁部から間隔をおく部分面を設けるようにしてもよい。同様に、主に図示している長方形または三角形の形状から逸脱するトポロジー構造としてもよい。加えて、図１、図３〜図７と、図１、図３および図８とにそれぞれ示す実施形態を相互に組み合わせることもできる。

２，４ 平坦面
６，８ 電極
１０ 放電空間
１２，１４ 端面
１６，１８ 共振器ミラー
２０ 誘電性層
２１ 部分面
２２ 残りの領域

Claims (9)

1. 二酸化炭素ＣＯ_２を含む混合ガスをレーザ活性媒体として有するスラブ型レーザであって、
   平坦面で互いに向かい合った２つのプレート状の金属電極（６，８）の間に前記媒体が入っており、該電極により放電空間（１０）が画定され、
   前記放電空間の互いに反対側の端面（１２，１４）に共振器ミラー（１６，１８）がそれぞれ配置されており、該共振器ミラーにより前記平坦面と平行に不安定共振器が構成され、
   互いに向かい合った前記平坦面（２，４）の少なくとも１つが該平坦面全体に誘電性層（２０）を備えかつ該誘電性層の厚みが少なくとも１つの部分面（２１）で前記平坦面（２，４）の残りの領域（２２）よりも厚くなっているか、または、少なくとも１つの前記平坦面（２，４）が少なくとも１つの部分面（２１）にのみ誘電性層（２０）を備えている、スラブ型レーザ。
2. 前記少なくとも１つの部分面は、前記平坦面の端面側の縁部にある、請求項１に記載のスラブ型レーザ。
3. 前記部分面は、前記電極の互いに反対側の長辺まで延びている、請求項２に記載のスラブ型レーザ。
4. 前記少なくとも１つの部分面は、前記平坦面の出力結合縁部にある、請求項１に記載のスラブ型レーザ。
5. 前記部分面は、互いに反対側の端面まで延びている、請求項４に記載のスラブ型レーザ。
6. 前記共振器は、前記放電空間の中に焦点がある共焦点の負分岐共振器であり、該焦点が前記少なくとも１つの部分面内に位置している、請求項１に記載のスラブ型レーザ。
7. 前記部分面は、前記平坦面の内方に配置されている、請求項６に記載のスラブ型レーザ。
8. 前記部分面は、前記電極の互いに反対側の長辺まで延びている、請求項６に記載のスラブ型レーザ。
9. 前記部分面は、前記互いに反対側の端面まで延びている、請求項６に記載のスラブ型レーザ。

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