JP2015050243A - Laser apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザ媒質としてガスを用いることでレーザ光を発生するレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device that generates laser light by using a gas as a laser medium.
従来、第1方向に移動するレーザ媒質(レーザガス)と、レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、第1方向と交差する第2方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、光共振器のQ値を周期的に変化させるためのQスイッチ素子(光変調素子)とを備えたレーザ装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a laser medium (laser gas) that moves in a first direction, an optical resonator that includes an oscillation region that oscillates pulsed laser light in the laser medium, and an optical axis that extends along a second direction that intersects the first direction. An optical amplifier having an amplification region for amplifying pulsed laser light from the optical resonator in the laser medium, and a Q switch element (optical modulation element) for periodically changing the Q value of the optical resonator Is known (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献1に記載された従来のレーザ装置は、パルスレーザ光を発振する光共振器と、パルスレーザ光を増幅する光増幅器とで一体となった放電領域を有している。このとき、ガス流の上流側にある光共振器は、その位置によって利得の大きさが変化するので、設計自由度が低くなる。
However, the prior art has the following problems.
The conventional laser device described in
具体的には、放電領域を形成する電極間に励起されるレーザの利得は、ガス流上流端から、レーザガスが流れる方向に沿って徐々に増加し、電極のガス流下流端で最も大きく、その後徐々に減少するように、勾配をもって分布している。すなわち、特許文献1に示された光共振器の光軸は、利得分布に勾配を持つ領域に存在することになる。
Specifically, the gain of the laser excited between the electrodes forming the discharge region gradually increases from the upstream end of the gas flow along the direction in which the laser gas flows, and is greatest at the downstream end of the gas flow of the electrode. It is distributed with a gradient so that it gradually decreases. That is, the optical axis of the optical resonator disclosed in
このような場合には、光共振器の光軸がガス流方向に変化すると、光軸位置における利得の大きさも変化し、光共振器内のレーザ光の光強度も変化することになる。このとき、例えば、光共振器の光軸位置が1mm変化しただけで、光共振器における光強度(以下、「共振器内光強度」と称する)が数10%程度変化することがある。 In such a case, when the optical axis of the optical resonator changes in the gas flow direction, the magnitude of the gain at the optical axis position also changes, and the light intensity of the laser light in the optical resonator also changes. At this time, for example, even if the optical axis position of the optical resonator is changed by 1 mm, the optical intensity in the optical resonator (hereinafter referred to as “intracavity light intensity”) may change by several tens of percent.
また、光共振器には、光変調素子が取り付けられており、これによりパルス変調をかけてレーザパルスを取り出す。ここで、光変調素子は、例えば材料にゲルマニウムを用いた音響光学素子等であり、高強度の光を入射すると光変調素子が破壊する恐れがある。例えば、一般的なゲルマニウムを用いた音響光学素子では、3kW/cm2以下とする必要がある。 In addition, an optical modulator is attached to the optical resonator, thereby taking out a laser pulse by applying pulse modulation. Here, the light modulation element is, for example, an acousto-optic element using germanium as a material, and the light modulation element may be destroyed when high-intensity light is incident. For example, in an acoustooptic device using general germanium, it is necessary to set it to 3 kW / cm 2 or less.
これに対して、制御性がよく、立ち上がりの速いレーザパルスを取り出すためには、共振器内光強度は高いほどよい。したがって、光共振器の光軸位置は、光変調素子を破壊しない程度に高い光強度が得られる位置に、正確に定められなければならない。 On the other hand, in order to extract a laser pulse with good controllability and quick rise, the higher the light intensity in the resonator, the better. Therefore, the optical axis position of the optical resonator must be accurately determined at a position where a high light intensity is obtained to such an extent that the optical modulation element is not destroyed.
しかしながら、光共振器の光軸位置には、電極設置精度等の影響により、1〜2mm程度の誤差が存在する。そこで、従来は、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合における誤差の影響を見込んで、利得が小さく、光強度があまり高くならない位置に光共振器の光軸を設けている。 However, an error of about 1 to 2 mm exists in the optical axis position of the optical resonator due to the influence of the electrode installation accuracy and the like. Therefore, conventionally, the optical axis of the optical resonator is positioned at a position where the gain is small and the light intensity is not so high in consideration of the effect of error when the optical axis position of the optical resonator is shifted in the gas flow direction with respect to the electrode. Is provided.
そのため、従来のレーザ装置では、高出力のパルスレーザ光、すなわち、共振器内光強度が高く、かつ制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができないという問題がある。 For this reason, the conventional laser apparatus has a problem that high-power pulse laser light, that is, high light intensity in the resonator, high controllability, and high-quality pulse laser light cannot be obtained stably.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができるレーザ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when the optical axis position of the optical resonator is shifted in the gas flow direction with respect to the electrode, high output and controllability are achieved. The object is to obtain a laser device that can stably obtain high-quality pulsed laser light.
この発明に係るレーザ装置は、レーザガスを媒質として用いることでレーザ光を発生するとともに、レーザガスのガス流方向と、レーザガス中におけるレーザ光の光軸方向とが交差するレーザ装置であって、レーザガスを励起する一対の電極と、一対の電極間に形成される放電領域に配置され、レーザ光を発振する光共振器と、一対の電極間に形成される放電領域に配置され、光共振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、を備え、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第1放電領域、第2放電領域および第3放電領域に分割した場合に、第2放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第1放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第2放電領域を通るように設けられているものである。 A laser apparatus according to the present invention is a laser apparatus that generates laser light by using a laser gas as a medium, and in which the gas flow direction of the laser gas and the optical axis direction of the laser light in the laser gas intersect, A pair of electrodes to be excited, a discharge region that is formed between the pair of electrodes, an optical resonator that oscillates laser light, and a discharge region that is formed between the pair of electrodes. And an optical amplifier that amplifies the laser beam, and the discharge region formed between the pair of electrodes is divided into a first discharge region, a second discharge region, and a third discharge region from the upstream side in the gas flow direction of the laser gas, respectively. In this case, the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light in the second discharge region is the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light in the first discharge region. Remote small, the optical axis of the optical resonator, in which are provided so as to pass through a second discharge region.
この発明に係るレーザ装置によれば、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第1放電領域、第2放電領域および第3放電領域に分割した場合に、第2放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第1放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第2放電領域を通るように設けられている。
これにより、光共振器部分における利得分布を均一化することができる。
そのため、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができる。
According to the laser apparatus of the present invention, the discharge region formed between the pair of electrodes is divided into the first discharge region, the second discharge region, and the third discharge region from the upstream side in the gas flow direction of the laser gas, respectively. Furthermore, in the second discharge region, the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser beam is smaller than the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser beam in the first discharge region, and the optical resonance The optical axis of the vessel is provided to pass through the second discharge region.
Thereby, the gain distribution in the optical resonator portion can be made uniform.
Therefore, even when the optical axis position of the optical resonator is shifted in the gas flow direction with respect to the electrode, high output, good controllability, and high-quality pulsed laser light can be stably obtained.
以下、この発明に係るレーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the laser apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be described with the same reference numerals.
まず、特許文献1および非特許文献1を参照しながら、一般的な三軸直交型CO2レーザ装置におけるレーザの利得分布および共振器内光強度について具体的に説明する。例えば、特許文献1の図1に示されるような三軸直交型CO2レーザ装置の電極間に励起されるレーザの利得分布は、非特許文献1のFigure 2.に示されるようになる。
First, with reference to
非特許文献1のFigure 2.は、三軸直交型CO2レーザ装置において、利得分布と電極位置との関係を示した図であり、電極のガス流上流端から、レーザガスが流れる方向に沿って徐々に利得が増加し、電極のガス流下流端で利得が最も大きくなった後、徐々に利得が減少していることがわかる。
FIG. 1 of Non-Patent
ここで、レーザの利得分布の関数g0(X)は、次式(1)で表される。なお、次式(1)において、Xはガス流方向の座標、XDは電極幅、λはレーザ上準位の緩和速度、υはレーザガス流速、σは誘導放出断面積、ηは励起効率、wは放電電力密度、Vは放電電圧をそれぞれ示している。 Here, the function g 0 (X) of the laser gain distribution is expressed by the following equation (1). Note that in the following equation (1), X is the gas flow direction of the coordinates, X D is the electrode width, lambda is the relaxation rate of the laser high level, upsilon the laser gas flow rate, sigma is stimulated emission cross section, eta excitation efficiency, w represents the discharge power density, and V represents the discharge voltage.
また、特許文献1に示されるような三軸直交型CO2レーザ装置の電極間における放電電力密度分布および利得分布を、図1、2にそれぞれ示す。図1、2において、横軸は、ガス流方向における電極のガス流上流端からの距離を示し、電極のガス流上流端が0である。また、図1の縦軸は、ガス流方向の電極幅が40mmの場合の放電電力密度分布を示し、図2の縦軸は、このときの利得分布を示している。
1 and 2 show the discharge power density distribution and the gain distribution between the electrodes of the three-axis orthogonal CO 2 laser apparatus as disclosed in
すなわち、放電電力密度が、ガス流方向に均一に分布している場合には、図2または非特許文献1のFigure 2.に示されるように、利得分布がガス流方向に勾配を持つことがわかる。したがって、上述したように、特許文献1に示された光共振器の光軸は、利得分布に勾配を持つ領域に存在することになる。
That is, when the discharge power density is uniformly distributed in the gas flow direction, FIG. 2 or FIG. It can be seen that the gain distribution has a gradient in the gas flow direction. Therefore, as described above, the optical axis of the optical resonator disclosed in
また、特許文献1に示されるような三軸直交型CO2レーザ装置において、光共振器の光軸位置が変化した場合の、光軸位置と共振器内光強度との関係を図3に示す。図3において、横軸は、電極のガス流上流端から光軸位置までの距離を示し、縦軸は、共振器内光強度を示している。
FIG. 3 shows the relationship between the optical axis position and the light intensity in the resonator when the optical axis position of the optical resonator changes in the triaxial orthogonal CO 2 laser device disclosed in
図3より、例えば、光共振器の光軸を、電極のガス流上流端から15mmの位置に設置する場合には、光軸位置が1mm変化しただけで、共振器内光強度が30%程度変化することがわかる。 From FIG. 3, for example, when the optical axis of the optical resonator is installed at a position 15 mm from the gas flow upstream end of the electrode, the optical intensity in the resonator is about 30% even if the optical axis position is changed by 1 mm. You can see that it changes.
実施の形態1.
図4は、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置を示す構成図である。また、図5は、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。図4、5において、このレーザ装置は、電極基板1、2、3、4と、電極5、6と、レーザガスGと、ミラー21、22を有する光共振器と、光共振器内に設けられた光変調素子26と、伝送ミラー51、52と、ミラー53、54、55、56を含む光増幅器とから構成されている。なお、図5において、上の電極基板1および電極5は、省略している。
FIG. 4 is a block diagram showing the laser apparatus according to
ここで、図の煩雑さを避けるために、図4、5において、電極基板3、4は、図示しておらず、後述する図6、7(レーザ装置の放電機構の構成を示す断面図)において、電極基板3、4を図示している。また、理解容易のために、レーザガスGを供給する方向と平行な方向をX方向、レーザガスGを励起する放電の方向をY方向、光共振器および光増幅器の光軸方向をZ方向とする。
Here, in order to avoid the complexity of the drawings, the
図6は、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図5において、レーザ装置をA−A線で切断した断面を、光軸方向(Z方向)から見た図である。
6 is a cross-sectional view showing the configuration of the discharge mechanism of the laser apparatus according to
図6において、電極基板3は、アルミナ等の誘電体で形成されており、金属製の電極5が、メタライズやペースト等により接着されている。また、電極基板1は、アルミナ等の誘電体で形成されており、放電機構全体の機械的強度を十分なものとするために、電極基板3と接着されている。
In FIG. 6, the
同様に、電極基板4は、アルミナ等の誘電体で形成されており、金属製の電極6が、メタライズやペースト等により接着されている。また、電極基板2は、アルミナ等の誘電体で形成されており、放電機構全体の機械的強度を十分なものとするために、電極基板4と接着されている。
Similarly, the
図7は、図6と同じくこの発明の実施の形態1に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図5において、レーザ装置をB−B線で切断した断面を、光軸方向(Z方向)から見た図である。
7 is a cross-sectional view showing the configuration of the discharge mechanism of the laser device according to
図7において、図6と異なるのは、電極5、6が、ガス流方向(X方向)の上流側と下流側とで分離されていることである。ただし、図5に示されるように、電極5、6は、A−A線の部分でつながっているので、全体としては一体となり、上流側と下流側とで同電位となる。
7 is different from FIG. 6 in that the
このように構成された2つの電極基板1、2が、図6、7に示されるように、レーザガスGを挟んで対向配置されており、高周波電源(図示せず)から電極5、6に対して交流電圧が印加されることにより、電極間で無声放電(オゾナイザ放電)が発生する。
As shown in FIGS. 6 and 7, the two
なお、これ以降、一対の電極5、6間に形成される放電領域を、図6、7に示されるように、ガス流方向(X方向)の上流側から第1放電領域11、第2放電領域12および第3放電領域13の3つの領域に分けて説明する。ここで、第1放電領域11のガス流方向の幅をXsとする。
Hereinafter, the discharge region formed between the pair of
無声放電によってレーザガスG中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスGとして、CO2分子を含む混合ガスを使用した場合、CO2分子の振動準位間の遷移により、波長10.6μmのレーザ発振光が得られる。また、ミラー21、22の反射膜の設計によっては、波長9.3μm等、他の波長での発振も可能である。
When molecules or atoms in the laser gas G are excited to a laser upper level by silent discharge, the light amplification effect is exhibited. For example, when a mixed gas containing CO 2 molecules is used as the laser gas G, laser oscillation light having a wavelength of 10.6 μm is obtained due to the transition between vibration levels of the CO 2 molecules. Further, depending on the design of the reflective films of the
また、ここでは、レーザガスGとしてCO2を使用した場合を例示するが、他のレーザガス、例えば、CO、N2、He−Cd、HF、Ar+、ArF、KrF、XeCl、XeF等を使用した場合にも、この発明は適用可能である。 Here, the case where CO 2 is used as the laser gas G is illustrated, but other laser gases such as CO, N 2 , He—Cd, HF, Ar +, ArF, KrF, XeCl, XeF, etc. are used. In addition, the present invention is applicable.
この発明の実施の形態1に係るレーザ装置は、レーザガスGを外気と遮断するための真空容器である筐体(図示せず)を備え、筐体内部には、熱交換器、ブロワ、ダクト等が設けられる。ブロワは、筐体内に封入されたレーザガスGをダクト内の風洞に沿って循環させる。これにより、第1放電領域11→第2放電領域12→第3放電領域13の順に、レーザガスGがX方向に沿って供給される。
The laser apparatus according to
第1〜第3放電領域11、12、13を通過したレーザガスGは、熱交換器で冷却され、再びブロワに戻る。第1〜第3放電領域11、12、13では、大気圧よりも低い圧力に維持されており、レーザガスGは、図4の矢印の方向に空間的に均一な速度分布、例えば、90m/s程度の速度で移動する。
The laser gas G that has passed through the first to
ミラー21、22は、第2放電領域12を挟んで互いに対向するように配置される。ミラー21としては、例えば凹面または平面の全反射鏡が用いられ、ミラー22としては、例えば凹面または平面の部分反射鏡が用いられ、2つのミラー21、22で、光共振器を構成している。
The
光共振器は、レーザガスGの移動方向(X方向)と交差する方向、好ましくは直交するZ方向に沿った光軸を有する。光共振器の光軸上には、レーザ光のビームモードを制御するためのアパーチャ(図示せず)が設けられる。 The optical resonator has an optical axis along a direction that intersects the moving direction (X direction) of the laser gas G, preferably in the orthogonal Z direction. An aperture (not shown) for controlling the beam mode of the laser beam is provided on the optical axis of the optical resonator.
光変調素子26は、透過光の偏光、伝搬方向、透過率等を高速に制御する機能を有する。また、光変調素子26は、光共振器のQ値を高速に制御する機能を併せて有し、光共振器からパルス幅数10〜数100nsのパルスレーザ光B0を発生させることができる。
The
ここで、光変調素子26としては、音響光学素子、電気光学素子、機械式シャッタ、チョッパ等が使用できる。光変調素子26として音響光学素子を使用した場合には、数10MHzの交流電圧を供給する駆動回路(図示せず)が接続される。
Here, as the
伝送ミラー51、52は、光共振器からのレーザ光B0を、レーザ光B1として光増幅器である第3放電領域13に入射させる折り返しミラーとして機能する。この発明の実施の形態1では、伝送ミラー51として凸面の全反射ミラー、伝送ミラー52として凹面の全反射ミラーが用いられ、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。
The transmission mirrors 51 and 52 function as folding mirrors that allow the laser beam B0 from the optical resonator to enter the
具体的には、この発明の実施の形態1では、伝送ミラー51、52の働きにより、ミラー22上でビーム半径3mm程度の大きさであるレーザ光B0を、第3放電領域13に再入射する直前で、ビーム半径5mm程度の大きさのレーザ光B1になるようにビーム径を拡大し、コリメートしている。
Specifically, in the first embodiment of the present invention, the laser beam B0 having a beam radius of about 3 mm is reincident on the
このような構成により、この発明の実施の形態1において、ミラー21、22を有する光共振器では、レーザ光のビーム径を小さくして、ビーム品質のよい低次横モード発振を確保するとともに、光増幅器では、ビーム径を大きくして、レーザ光の増幅効率を向上させている。
With such a configuration, in the first embodiment of the present invention, in the optical resonator having the
ミラー53、54、55、56は、第3放電領域13を挟むように配置され、光増幅器を構成している。伝送ミラー51、52で折り返されたレーザ光B1は、伝送ミラー52→第3放電領域13→ミラー53→第3放電領域13→ミラー54→第3放電領域13→ミラー55→第3放電領域13→ミラー56→第3放電領域13の順で進行する際に、励起されたレーザガスGによって増幅される。
The
この発明の実施の形態1では、伝送ミラー51、52で折り返されたレーザ光B1が、第3放電領域13を5回通過することによって増幅され、最終的に平均出力1kWのレーザ光B2が取り出される。
In
光増幅器である第3放電領域13は、レーザガスGの移動方向(X方向)と交差する方向、好ましくは直交するZ方向に沿った複数(この発明の実施の形態1における例では、5本)の折り返し光軸を有する。これらの折り返し光軸がY方向に沿って配列されていることにより、各光軸で受けるレーザガスGの利得が均等化され、その結果、安定した増幅動作を実現することができる。
The
ミラー21、22、伝送ミラー51、52およびミラー53、54、55、56は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体等に取り付けられる。
The
ここで、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置の電極間における放電電力密度分布および利得分布を、図8、9にそれぞれ示す。図8、9において、横軸は、ガス流方向(X方向)における電極のガス流上流端からの距離を示し、電極のガス流上流端が0である。また、図8の縦軸は、ガス流方向の電極幅が40mmの場合の放電電力密度分布を示し、図9の縦軸は、このときの利得分布を示している。
Here, the discharge power density distribution and the gain distribution between the electrodes of the laser apparatus according to
また、図8、9において、放電電力密度分布および利得分布は、光軸方向(Z方向)に、電極全体に渡って積分した(光軸方向に平均化した)値を示している。この発明の実施の形態1に係るレーザ装置の電極構造とすると、放電電力密度分布には、図8に示されるように、放電電力の小さい部分が存在する。
8 and 9, the discharge power density distribution and the gain distribution show values integrated (averaged in the optical axis direction) over the entire electrode in the optical axis direction (Z direction). With the electrode structure of the laser device according to
これは、図5のA−A線の部分、B−B線の部分および図6、7に示されるように、電極5、6が、第2放電領域12において、光軸方向(Z方向)に放電部と非放電部とを交互に繰り返す電極パターンを有していることに起因している。
This is because the
すなわち、第2放電領域12においては、光軸方向全体に渡って放電しているわけではなく、一部のみが放電しており、一方第1、第3放電領域11、13においては、光軸方向全体に渡って放電しているためである。また、このときの利得分布は、第2放電領域12において、ガス流方向に均一になっている。
That is, the
なお、利得分布は、上記式(1)において、レーザ上準位の緩和速度λ、レーザガス流速υおよび第2放電領域12の第1、第3放電領域11、13に対する割合を調整することによって均一にすることが可能となる。
The gain distribution is uniform by adjusting the relaxation rate λ of the laser upper level, the laser gas flow velocity υ, and the ratio of the
また、レーザ上準位の緩和速度λは、主にレーザガス組成およびガス圧によって決定される。また、図8では、レーザガス流速υが90m/sである場合に、第2放電領域12の光軸方向(Z方向)に渡って平均化した放電電力を、第1、第3放電領域11、13に対して約17%とした場合を示している。つまり、これらのパラメータを適切に調整することにより、利得分布が一定の領域を作ることができる。
Further, the laser upper level relaxation rate λ is mainly determined by the laser gas composition and the gas pressure. In FIG. 8, when the laser gas flow velocity υ is 90 m / s, the discharge power averaged over the optical axis direction (Z direction) of the
ここで、第1、第3放電領域11、13に対する第2放電領域12の平均化された放電電力密度の割合Drは、次式(2)のように決定すればよい。
Here, the ratio Dr of the average discharge power density of the
Dr=1−exp(−λ・Xs/υ) (2) Dr = 1−exp (−λ · Xs / υ) (2)
なお、一般的なCO2レーザでは、レーザ上準位の緩和速度λは、レーザガス組成およびガス圧によって、500〜4000毎秒程度で動作する。そのため、まず、レーザガス組成およびガス圧を決定し、この値に応じて第1放電領域11のガス流方向(X方向)の幅Xs、および第2放電領域12の放電電力密度の割合Drを決定すればよい。
In a typical CO 2 laser, the laser upper level relaxation rate λ operates at about 500 to 4000 per second depending on the laser gas composition and gas pressure. Therefore, first, the laser gas composition and gas pressure are determined, and the width Xs of the
このようにすることで、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に1〜2mm程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。 By doing so, even when the optical axis position of the optical resonator is shifted by about 1 to 2 mm in the gas flow direction with respect to the electrode, a constant gain is always obtained, and the mirror alignment error can be obtained. In addition, it is possible to suppress a change in the light intensity in the resonator.
その結果、光共振器で発生するレーザ光のパワーに対する光学部品の耐光強度、光増幅器での光学部品の光パワー増幅能力等を勘案して、それぞれの光学部品の設計自由度を向上させることができる。 As a result, it is possible to improve the design freedom of each optical component in consideration of the light resistance strength of the optical component with respect to the power of the laser beam generated in the optical resonator, the optical power amplification capability of the optical component in the optical amplifier, etc. it can.
また、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置では、従来のレーザ装置と同様に、ビーム品質のよいレーザ光B0を光共振器で発生させ、このレーザ光を増幅しているので、品質のよい大出力ビームを得ることができる。また、光共振器および光増幅器を同一筐体(真空容器)内に設けることにより、安価で組立設置の容易なレーザ装置を得ることができる。 Further, in the laser device according to the first embodiment of the present invention, the laser beam B0 having a good beam quality is generated by the optical resonator and the laser beam is amplified, as in the conventional laser device. A good high power beam can be obtained. Further, by providing the optical resonator and the optical amplifier in the same housing (vacuum vessel), a laser apparatus that is inexpensive and easy to assemble and install can be obtained.
さらに、この発明の実施の形態1に係るレーザ装置では、誘電体製の1枚の電極基板に対して、金属製の電極をメタライズやペースト等により接着する構成を有している。そのため、1つの放電領域を生成するために、1つずつ電極基板や電極の構造体を用意する必要がなく、安価で高信頼な構成で複数の放電領域を生成することができる。
Furthermore, the laser apparatus according to
以上のように、実施の形態1によれば、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第1放電領域、第2放電領域および第3放電領域に分割した場合に、第2放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第1放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第2放電領域を通るように設けられている。
これにより、光共振器部分における利得分布を均一化することができる。
そのため、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができる。
As described above, according to the first embodiment, the discharge region formed between the pair of electrodes is changed from the upstream side in the gas flow direction of the laser gas to the first discharge region, the second discharge region, and the third discharge region, respectively. When divided, the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light in the second discharge region is smaller than the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light in the first discharge region. The optical axis of the optical resonator passes through the second discharge region.
Thereby, the gain distribution in the optical resonator portion can be made uniform.
Therefore, even when the optical axis position of the optical resonator is shifted in the gas flow direction with respect to the electrode, high output, good controllability, and high-quality pulsed laser light can be stably obtained.
実施の形態2.
上記実施の形態1では、第1、第3放電領域11、13に対する第2放電領域12の放電電力の割合は、電極5、6の第2放電領域12において、実際に放電する領域を間引くことによって調整していた。
In the first embodiment, the ratio of the discharge power of the
この発明の実施の形態2では、第2放電領域12の誘電体の厚みを増すことによって、第1、第3放電領域11、13に対する第2放電領域12の放電電力の割合を調整する構成について説明する。
In the second embodiment of the present invention, the ratio of the discharge power of the
図10は、この発明の実施の形態2に係るレーザ装置を上部から見た平面図であり、上記実施の形態1の図5と同様に、上の電極基板1および電極5は、省略している。また、ミラー、光変調素子等、レーザ光が通る部分は、上記実施の形態1と同じなので、説明を省略する。
FIG. 10 is a plan view of the laser device according to the second embodiment of the present invention as viewed from above, and the
また、図11は、この発明の実施の形態2に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図10において、レーザ装置の電極部分をガス流方向(X方向)に切断した断面を、光軸方向(Z方向)から見た図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the discharge mechanism of the laser apparatus according to
図10、11において、第2放電領域12の電極基板3、4の上に、誘電体7、8が接着されている。ここで、誘電体7、8の材質は、電極基板3、4と同等のものを用いることができる。
10 and 11,
このようにすることで、第2放電領域12の電極の静電容量を、第1、第3放電領域11、13の電極の静電容量よりも小さくすることができる。また、放電電力密度は、放電部分の電極の静電容量に比例するので、第2放電領域12の放電電力密度が小さくなり、結果的に、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
By doing in this way, the electrostatic capacitance of the electrode of the
つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に1〜2mm程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。 That is, the gain distribution in the optical resonator portion can be made uniform, and even when the optical axis position of the optical resonator is shifted by about 1 to 2 mm in the gas flow direction with respect to the electrode, a constant gain is always obtained. As a result, a change in the light intensity in the resonator can be suppressed even with respect to the alignment error of the mirror.
なお、上記実施の形態2では、電極基板3、4の上に、新たに誘電体7、8を接着したが、これに限定されず、電極基板3および誘電体7、並びに電極基板4および誘電体8を、それぞれ段差を有する一体型のセラミック等で構成してもよい。この場合も、上記実施の形態2と同等の効果を得ることができる。
In the second embodiment, the
実施の形態3.
上記実施の形態2では、第2放電領域12の電極基板3、4の上に、誘電体7、8を接着することにより、第2放電領域12の放電電力密度を小さくする構成を示したが、これに限定されず、金属製の電極の配置を工夫することにより、第2放電領域12の放電電力密度を小さくすることもできる。
In the second embodiment, the configuration in which the discharge power density in the
図12は、この発明の実施の形態3に係るレーザ装置を上部から見た平面図であり、上記実施の形態1の図5と同様に、上の電極基板1および電極5は、省略している。また、ミラー、光変調素子等、レーザ光が通る部分は、上記実施の形態1と同じなので、説明を省略する。
FIG. 12 is a plan view of the laser device according to the third embodiment of the present invention as viewed from above, and the
また、図13は、この発明の実施の形態3に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図12において、レーザ装置の電極部分をガス流方向(X方向)に切断した断面を、光軸方向(Z方向)から見た図である。
13 is a cross-sectional view showing the configuration of the discharge mechanism of the laser device according to
図12、13において、電極基板1、2の第2放電領域12とは反対側に、金属製の電極9、10がそれぞれ配置されている。また、電極9は、電極5と電気的に接続され、電極10は、電極6と電気的に接続されて、それぞれ同電位となっている。
12 and 13,
ここで、電極基板1、2は、電極基板3、4と同様に誘電体なので、このようにすることで、第2放電領域12の電極の静電容量を、第1、第3放電領域11、13の電極の静電容量よりも小さくすることができる。その結果、第2放電領域12の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
Here, since the
つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に1〜2mm程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。 That is, the gain distribution in the optical resonator portion can be made uniform, and even when the optical axis position of the optical resonator is shifted by about 1 to 2 mm in the gas flow direction with respect to the electrode, a constant gain is always obtained. As a result, a change in the light intensity in the resonator can be suppressed even with respect to the alignment error of the mirror.
実施の形態4.
第1、第3放電領域11、13に対する第2放電領域12の放電電力の割合を調整するためには、上記実施の形態1〜3に記載された構成を組み合わせてもよい。
In order to adjust the ratio of the discharge power of the
すなわち、上記実施の形態1に示された、第2放電領域12において、光軸方向(Z方向)に放電部と非放電部とを交互に繰り返す電極5、6の電極パターンと、上記実施の形態2に示された、電極基板3、4への誘電体7、8の接着と、上記実施の形態3に示された、電極基板1、2への電極9、10の配置とをそれぞれ選択的に組み合わせて、例えば図14に示されるようにレーザ装置を構成してもよい。
That is, in the
この場合も、第2放電領域12の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に1〜2mm程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。
Also in this case, the discharge power density of the
実施の形態5.
上記実施の形態1では、電極5、6が、第2放電領域12において、光軸方向(Z方向)に放電部と非放電部とを交互に繰り返す単純な電極パターンを有しているが、これに限定されず、第2放電領域12の電極部分の面積が、第1、第3放電領域11、13の電極部分の面積よりも小さくなっていれば、どのような形状であってもよい。
In the first embodiment, the
具体的には、例えば図15に示されるように、第2放電領域12の電極部分が、斜めの電極パターンを有していてもよいし、図16に示されるように、第2放電領域12の電極部分が、網目状の電極パターンを有していてもよい。
Specifically, for example, as shown in FIG. 15, the electrode portion of the
この場合も、第2放電領域12の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に1〜2mm程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。
Also in this case, the discharge power density of the
1〜4 電極基板、5〜6 電極、7、8 誘電体、9、10 電極、11 第1放電領域、12 第2放電領域、13 第3放電領域、21、22 ミラー、26 光変調素子、B0、B1、B2 レーザ光、51、52 伝送ミラー、53〜56 ミラー、G レーザガス。 1-4 electrode substrate, 5-6 electrode, 7, 8 dielectric, 9, 10 electrode, 11 first discharge region, 12 second discharge region, 13 third discharge region, 21, 22 mirror, 26 light modulation element, B0, B1, B2 Laser light, 51, 52 Transmission mirror, 53-56 mirror, G Laser gas.
Claims (5)
前記レーザガスを励起する一対の電極と、
前記一対の電極間に形成される放電領域に配置され、前記レーザ光を発振する光共振器と、
前記一対の電極間に形成される放電領域に配置され、前記光共振器からの前記レーザ光を増幅する光増幅器と、を備え、
前記一対の電極間に形成される放電領域を、前記レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第1放電領域、第2放電領域および第3放電領域に分割した場合に、前記第2放電領域において、前記レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、前記第1放電領域において、前記レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、前記光共振器の光軸が、前記第2放電領域を通るように設けられている
レーザ装置。 A laser device that generates laser light by using a laser gas as a medium, and that a gas flow direction of the laser gas intersects an optical axis direction of the laser light in the laser gas,
A pair of electrodes for exciting the laser gas;
An optical resonator disposed in a discharge region formed between the pair of electrodes and oscillating the laser beam;
An optical amplifier disposed in a discharge region formed between the pair of electrodes and amplifying the laser light from the optical resonator,
When the discharge region formed between the pair of electrodes is divided into a first discharge region, a second discharge region, and a third discharge region from the upstream side in the gas flow direction of the laser gas, respectively, in the second discharge region The discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light is smaller than the discharge power density averaged in the optical axis direction of the laser light in the first discharge region, and the light of the optical resonator A laser device, wherein an axis passes through the second discharge region.
請求項1に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1, wherein the second discharge region has a uniform gain distribution in a gas flow direction of the laser gas.
Dr=1−exp(−λ・Xs/υ)
表され、ここでλは前記レーザガスにおけるレーザ上準位の緩和速度、Xsは前記第1放電領域における前記レーザガスのガス流方向の幅、υは前記レーザガスの流速を示す
請求項1または請求項2に記載のレーザ装置。 The ratio Dr of the average discharge power density of the second discharge region to the first discharge region is:
Dr = 1−exp (−λ · Xs / υ)
3. λ is a laser upper level relaxation rate in the laser gas, Xs is a width in the gas flow direction of the laser gas in the first discharge region, and υ is a flow velocity of the laser gas. The laser device described in 1.
請求項1から請求項3までの何れか1項に記載のレーザ装置。 The laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the second discharge region alternately repeats a discharge portion and a non-discharge portion in the optical axis direction of the optical resonator.
請求項1から請求項4までの何れか1項に記載のレーザ装置。 The thickness of the dielectric on the discharge region side for the pair of electrodes in the second discharge region is larger than the thickness of the dielectric on the discharge region side for the pair of electrodes in the first discharge region. The laser device according to any one of claims 1 to 4.
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Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4288758A (en) * | 1979-06-14 | 1981-09-08 | Canadian Patents & Dev. Limited | High power laser and cathode structure thereof |
JPS6022390A (en) * | 1983-07-19 | 1985-02-04 | Komatsu Ltd | Control method for laser beam |
JPS61170083A (en) * | 1985-01-24 | 1986-07-31 | Amada Co Ltd | Gas laser device |
JPS6350082A (en) * | 1986-08-20 | 1988-03-02 | Toshiba Corp | Gas laser oscillator |
JPH02130973A (en) * | 1988-11-11 | 1990-05-18 | Toshiba Corp | Laser oscillator |
US5408490A (en) * | 1992-03-31 | 1995-04-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Gas laser device |
WO2012035953A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | 三菱電機株式会社 | Gas laser device and laser processing device |
JP2012074434A (en) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Mitsubishi Electric Corp | Laser device and laser processing device |
-
2013
- 2013-08-30 JP JP2013179501A patent/JP6048968B2/en active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4288758A (en) * | 1979-06-14 | 1981-09-08 | Canadian Patents & Dev. Limited | High power laser and cathode structure thereof |
JPS6022390A (en) * | 1983-07-19 | 1985-02-04 | Komatsu Ltd | Control method for laser beam |
JPS61170083A (en) * | 1985-01-24 | 1986-07-31 | Amada Co Ltd | Gas laser device |
JPS6350082A (en) * | 1986-08-20 | 1988-03-02 | Toshiba Corp | Gas laser oscillator |
JPH02130973A (en) * | 1988-11-11 | 1990-05-18 | Toshiba Corp | Laser oscillator |
US5408490A (en) * | 1992-03-31 | 1995-04-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Gas laser device |
WO2012035953A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | 三菱電機株式会社 | Gas laser device and laser processing device |
JP2012074434A (en) * | 2010-09-28 | 2012-04-12 | Mitsubishi Electric Corp | Laser device and laser processing device |
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