JP2015103762A - ガスレーザ増幅システム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光のポインティングにおいて、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得る。
【解決手段】励起したレーザガスを媒質として用いることで、レーザ光を増幅して出射するガスレーザ増幅システムであって、レーザ光を発振するレーザ発振器と、直列に配置され、レーザガスを励起する４組の放電電極と、を備え、４組の放電電極の各々における放電電極間に形成される放電領域において、レーザガスは、増幅するレーザ光の光軸を横断する向きに流れ、４組の放電電極の各々におけるレーザガスの流れの向きが、伝搬するレーザ光像を基準として、第１方向、第１方向とは反対向きの第２方向、第２方向、第１方向の順になるように配置されるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、放電電極によって励起したレーザガスを用いてレーザ光を増幅するガスレーザ増幅システムに関する。

従来、出力ビームを生成するレーザ発振器と、ＣＯ２を含むガス等の利得媒体を有し、出力ビームを増幅して第１の増幅ビームを生成する第１の増幅器と、ＣＯ２を含むガスとは異なる組成を有する利得媒体を有し、第１の増幅ビームを増幅して第２の増幅ビームを生成する第２の増幅器と、を備えたガスレーザ増幅装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００９−５４０６０７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
近年、レーザ光のハイパワー化に伴い、光路長の長いレーザ増幅システムが求められている。そのため、レーザガス増幅光路中のレーザ光の曲がりによるポインティング変動が、レーザの安定性を求めるうえで無視できなくなっている。

ここで、特許文献１に記載のガスレーザ増幅装置では、増幅されるレーザ光を横断するレーザガス流による温度勾配に起因して、レーザ光の曲がりが発生し、レーザ光のポインティングが不安定になる恐れがあるという問題がある。

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、レーザ光のポインティングにおいて、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることを目的とする。

この発明に係るガスレーザ増幅システムは、励起したレーザガスを媒質として用いることで、レーザ光を増幅して出射するガスレーザ増幅システムであって、レーザ光を発振するレーザ発振器と、直列に配置され、レーザガスを励起する４組の放電電極と、を備え、４組の放電電極の各々における放電電極間に形成される放電領域において、レーザガスは、増幅するレーザ光の光軸を横断する向きに流れ、４組の放電電極の各々におけるレーザガスの流れの向きが、伝搬するレーザ光像を基準として、第１方向、第１方向とは反対向きの第２方向、第２方向、第１方向の順になるように配置されるものである。

この発明に係るガスレーザ増幅システムによれば、４組の放電電極の各々における放電電極間に形成される放電領域において、レーザガスは、増幅するレーザ光の光軸を横断する向きに流れ、４組の放電電極の各々におけるレーザガスの流れの向きが、伝搬するレーザ光像を基準として、第１方向、第１方向とは反対向きの第２方向、第２方向、第１方向の順になるように配置される。
これにより、レーザ光の位置ずれが相殺され、レーザ光のポインティングにおいて、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの前段増幅器を詳細に示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの第１増幅器および第２増幅器への電力供給方法を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。 この発明の実施の形態４に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。 この発明の実施の形態５に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態７に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態８に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態９に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態９に係るガスレーザ増幅システムの一部の変形例を示す斜視図である。

以下、この発明に係るガスレーザ増幅システム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。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムを示す斜視図である。図１において、このガスレーザ増幅システムは、レーザ発振器９１、接続光学系９２、９３、前段増幅器１００ａ、第１増幅器１００ｂ、第２増幅器１００ｃおよびミラー６１、６２、６３、６４から構成されている。

図２は、この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの前段増幅器１００ａを詳細に示す斜視図である。図２において、前段増幅器１００ａは、電極基板１、２、３、４、放電電極１１、１２、１３、１４、ミラー支持部３１、３２、ウィンドウ４１、４２およびミラー５１、５２、５３、５４から構成されている。

ここで、図の煩雑さを避けるために、放電電極１２、１４は、図２には明示していない。実際には、電極基板１に対して放電電極１１が付いているのと同様に、電極基板２に対して放電電極１２が付いている。また、電極基板３に対して放電電極１３が付いているのと同様に、電極基板４に対して放電電極１４が付いている。

なお、図２において、理解容易のために、レーザガスＧの供給方向と平行な方向をＸ方向とし、放電方向と平行な方向をＹ方向とし、レーザ光の光軸と略平行な方向をＺ方向とする。

また、電極基板１、２、３、４は、アルミナ等の誘電体で形成されており、その表面上には、金属製の放電電極１１、１２、１３、１４が、メタライズやペースト等によりそれぞれ接着されている。放電電極を電極基板で支持する構造を採用することによって、放電機構全体の機械的強度を向上させることができる。

また、図２に示されるように、一対の電極基板１、２は、互いに対向するように設置されている。電極基板１、２の内面には、一対の放電電極１１、１２がそれぞれ設置されている。放電電極１１、１２に高周波電源（図示せず）からの交流電圧が印加されると、放電電極間に無声放電（オゾナイザ放電）が発生し、放電領域２１が形成される。この放電領域２１には、図２に示されるように、レーザガスＧが＋Ｘの向きに供給される。

同様に、図２に示されるように、一対の電極基板３、４は、互いに対向するように設置されている。電極基板３、４の内面には、一対の放電電極１３、１４がそれぞれ設置されている。放電電極１３、１４に高周波電源（図示せず）からの交流電圧が印加されると、放電電極間に無声放電（オゾナイザ放電）が発生し、放電領域２２が形成される。この放電領域２２には、図２に示されるように、レーザガスＧが−Ｘの向きに供給される。

ここで、一対の電極基板１、２および一対の電極基板３、４は、レーザ光の光軸に沿って縦列配置されている。放電電極１１、１２、１３、１４は、例えば金属部分が４ｃｍ×１００ｃｍ程度の表面を有し、放電領域２１、２２は、例えば４ｃｍ×５ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状である。

このとき、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には、ＣＯ２分子の振動準位間の遷移により、波長１０．６μｍのレーザ増幅が可能となる。また、ウィンドウ４１、４２の透過膜およびミラー５１、５２、５３、５４の反射膜の設計によっては、波長９．３μｍ、９．６μｍ、１０．２μｍ等、他の波長での増幅も可能である。

この実施の形態１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、他のレーザ媒質、例えばＣＯ、Ｎ２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＨＦ、Ａｒ^＋、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦ等を使用した場合あっても、この発明は適用可能である。

また、このガスレーザ増幅システムは、レーザガスＧを外気と遮断するための筐体（図示せず）を備え、筐体内部には、ブロワ、ダクト、熱交換器（ともに図示せず）等が設けられている。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、放電領域２１、２２の順に、レーザガスＧが矢印方向に沿って供給される。

放電領域２１、２２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。放電領域２１、２２では、レーザガスＧ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１の矢印の方向に、空間的に均一な速度分布、例えば１００ｍ／ｓ程度の速度で移動する。

このとき、放電領域２１へのレーザガスＧの供給方向と放電領域２２へのレーザガスＧの供給方向とが、互いに反対になるように構成することによって、各放電領域２１、２２の利得分布を重ね合わせた全体利得分布が対称になり、その結果、出力されるレーザビームの対称性を向上させることができる。

また、ウィンドウ４１、４２およびミラー５１、５２、５３、５４は、放電領域２１、２２を挟んで互いに対向するように配置されている。具体的には、ウィンドウ４１およびミラー５２、５４が、ミラー支持部３１を介して筐体に取り付けられ、ウィンドウ４２およびミラー５１、５３が、ミラー支持部３２を介して筐体に取り付けられている。

ウィンドウ４１、４２としては、例えばダイヤモンド基板に無反射コーティングを施したものが用いられる。ウィンドウ４１、４２は、ガスレーザ増幅システム内と外とのレーザ光の透過を許容し、レーザガスＧを外気と遮断する。ミラー５１、５２、５３、５４としては、例えば凹面や平面、凸面の全反射鏡が用いられ、ミラー５１、５２、５３、５４は、光増幅の経路を構成している。

すなわち、前段増幅器１００ａにおいては、ウィンドウ４１から入射されたレーザ光が、ミラー５１、ミラー５２、ミラー５３、ミラー５４によって順次反射され、ウィンドウ４２から出射される。つまり、前段増幅器１００ａ内でレーザ光をミラーによって４回折り返し、レーザ光の経路が５つ折りになっている。ここで、レーザ光は、放電領域２１、２２を通過する際に増幅される。

図１に戻って、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、互いに同じ構成を有する増幅器である。第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、前段増幅器１００ａと放電領域の構成が同じなので、放電領域形成のための構成説明は省略する。第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃに含まれる４つの放電領域の寸法は互いに等しく、供給されるガスの流速も互いに等しい。

一方、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、前段増幅器１００ａとウィンドウやミラーの構成が異なる。第１増幅器１００ｂにおいては、ウィンドウ４３ｂ、４４ｂが、放電領域を挟んで互いに対向するように配置されている。ウィンドウ４３ｂ、４４ｂは、ガスレーザ増幅システム内と外とのレーザ光の透過を許容し、レーザガスＧを外気と遮断する。なお、第２増幅器１００ｃにおけるウィンドウ４３ｃ、４４ｃも同様である。また、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、内部に折り返し用のミラーを持たない。

図１に示されるガスレーザ増幅システムにおいては、レーザ発振器９１から出射されたパルスレーザ光が、接続光学系９２、前段増幅器１００ａ、接続光学系９３、第１増幅器１００ｂを通過し、続いてミラー６１、６２、６３、６４で反射されて第２増幅器１００ｃを通過し、目標物７１に照射される。ここで、パルスレーザ光は、前段増幅器１００ａ、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃを通過する際に増幅される。

なお、目標物７１は、溶接・切断加工や改質の対象物である場合や、物理的または化学的反応により発光する物質である場合等が考えられる。第２増幅器１００ｃと目標物７１との間には、増幅されたレーザ光で目標物７１を適切に処理するための光学系（図示せず）が設置されうる。光学系としては、例えばレーザ光を目標物７１において集光させるための集光光学系が考えられる。

また、前段増幅器１００ａ、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃには、それぞれの放電電極を介して、放電領域に放電電力が供給される。特に、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃへの放電電力供給方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃへの電力供給方法を示す説明図である。

図３において、電源８１ｂから第１増幅器１００ｂの放電領域２１ｂ、２２ｂへ、電源８１ｃから第２増幅器１００ｃの放電領域２１ｃ、２２ｃへと放電電力が供給される。また、制御装置８２が電源８１ｂ、８１ｃに接続されている。制御装置８２は、レーザ光の出力を制御するために、放電電力を制御する。このとき、制御装置８２は、放電領域２１ｂ、２２ｂ、２１ｃ、２２ｃへの放電電力が等しくなるように、電源８１ｃ、８１ｂを制御する。

図１に戻って、接続光学系９２、９３は、それぞれ次に続く増幅器において、最大の増幅パワーが得られるようなビーム径となるように、レーザ光を調整する機能を持つ。ここで、レーザ光のビーム径調整には、レンズや曲率ミラーを用いる。

また、前段増幅器１００ａ、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃで増幅するレーザ光は、円偏光としている。このガスレーザ増幅システムにおいては、目標物７１や増幅器内の構造物に反射して戻ってくるレーザ光によって、発振器９１が損傷する恐れがある。そこで、レーザ光を円偏光とすることで、反射によって戻ってくるレーザ光を、リターダと偏光子との組み合わせによって分離できるので、発振器９１が損傷する可能性を減らすことができる。

なお、図１においても、理解容易のために、レーザガスＧの供給方向と平行な方向をＸ方向とし、放電方向と平行な方向をＹ方向とし、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃのレーザ光の光軸と略平行な方向をＺ方向とする。この実施の形態１では、第１増幅器１００ｂから出射されたレーザ光は、まずミラー６１で−Ｘ方向に反射され、ミラー６２で＋Ｙ方向に反射され、ミラー６３で＋Ｘ方向に反射され、ミラー６４で＋Ｚ方向に反射される。

また、ウィンドウ４３ｂ、４４ｂ、４４ｃ、４３ｃの有効直径は５ｃｍであり、ミラー６１とミラー６２との間のレーザ光よりも、ミラー６３とミラー６４との間のレーザ光のほうが、１０ｃｍ高くなるように構成される。これに伴い、第２増幅器１００ｃは、第１増幅器１００ｂよりも放電領域が１０ｃｍ高くなるように、増幅器全体が１０ｃｍ高く設置されている。

また、ミラー６１、６２、６３、６４は、Ｐ偏光とＳ偏光との位相差および反射率差がなく、反射の際に偏光状態が保存される反射膜が施されたミラー（ゼロシフトミラー）としている。すなわち、ミラー６１、６２が互いに同一のバッチで反射膜を施してあり、ミラー６３、６４が互いに同一のバッチで反射膜を施してある。

このような構成により、増幅されるレーザ光を横断するレーザガス流による温度勾配に起因するレーザ光の曲がりを相殺することができ、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。以下、図４を参照しながら、レーザ光の曲がりを相殺する原理について説明する。

図４は、この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。図４では、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃを抜粋して示している。図４において、一点鎖線は、レーザ光の曲がりを無視した場合の仮想の光軸である。第１増幅器１００ｂから出射されたレーザ光は、まずミラー６１で−Ｘ方向に反射され、ミラー６２で＋Ｙ方向に反射され、ミラー６３で＋Ｘ方向に反射され、ミラー６４で＋Ｚ方向に反射される。

このとき、放電電極間を流れるレーザガスＧは、密度勾配を持ち、上流側の密度が高く下流側が低い。そのため、上流側の屈折率が高い屈折率勾配を生じ、レーザガスＧ中を伝搬するレーザ光は、レーザガス流の上流側へ曲げられる。

第１増幅器１００ｂにおいて、２つの放電領域でレーザ光が順次レーザガス流の上流側へ曲げられた結果、第１増幅器１００ｂの出口において、レーザ光の光軸は、仮想の光軸（一点鎖線）と平行で、位置が異なっている。すなわち、２つの放電領域について、これらの領域に供給される放電電力およびレーザガス流速を等しくしているので、レーザ光の曲がり角は相殺され、位置ずれだけが残る。

また、第１増幅器１００ｂから出力されたレーザ光をミラー６１、６２、６３、６４で折り返した結果、第２増幅器１００ｃの入口においては、第１増幅器１００ｂの出口と同じだけずれた位置から、レーザ光が入射する。

また、第２増幅器１００ｃにおいて、２つの放電領域でレーザ光が順次レーザガス流の上流側へ曲げられた結果、第２増幅器１００ｃの出口において、レーザ光の光軸は、仮想の光軸（一点鎖線）と平行で、位置ずれも相殺されている。すなわち、第２増幅器１００ｃにおいても、２つの放電領域について、これらの領域に供給される放電電力およびレーザガス流速を等しくしているので、レーザ光の曲がり角は相殺されている。

また、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃを比較しても、同様にレーザ光の曲がりが等しくなっているのでレーザ光の位置ずれが相殺される。このようにして、４つの放電領域を用いて、レーザ光のポインティングずれを完全に相殺している。

この発明の４つの放電領域を用いたレーザ光のポインティングずれ相殺の原理は、レーザ光像の考え方を用いて、より一般的に理解できる。図１に戻って、ＬＦは、レーザ光の断面の像を模式的に表している。第１増幅器１００ｂに入射するときの像を基準として、進行方向に向かって上下左右を、それぞれＵ、Ｄ、Ｌ、Ｒ（Ｕｐ、Ｄｏｗｎ、Ｌｅｆｔ、Ｒｉｇｈｔ）で表す。なお、ミラーでの反射により、像は反転する。

この結果、この発明の実施の形態１に係るガスレーザ増幅システムでは、第１増幅器１００ｂに入射する際に、像は＋Ｘ方向がＲ、−Ｘ方向がＬ、＋Ｙ方向がＤ、−Ｙ方向がＵとなっている。また、この光像を基準とすると、レーザガスＧの流れの向きをレーザ光が伝搬する順に、Ｌ、Ｒ、Ｒ、Ｌ、すなわち左、右、右、左（第１方向、第２方向、第２方向、第１方向）となっている。

また、レーザ光の出力を制御するために、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃへの放電電力を制御する際も、４つの放電領域への投入電力を等しくすることで、レーザ光のポインティングずれを相殺している。

この実施の形態１の構成により、レーザ光のポインティングずれを相殺することができ、レーザ光のポインティングにおいて、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。また、増幅されるレーザ光の偏光を精度よく維持し、戻り光分離の消光比を高めることができる。

なお、ミラー６１、６２、６３、６４として用いたゼロシフトミラーの偏光状態保存は、必ずしも理想的ではなく、Ｓ偏光とＰ偏光との位相差の仕様は、例えば２度以内である。そのため、ゼロシフトミラーといえども、レーザ光の偏光状態を少し変えてしまう。

図１において、ミラー６１、６２、６３、６４におけるレーザ光の反射を考えると、レーザ光像ＬＦのＵ−Ｄ方向の偏光成分が、ミラー６１、６４でＳ偏光、ミラー６３、６４でＰ偏光となっている。一方、レーザ光像ＬＦのＲ−Ｌ方向の偏光成分が、ミラー６１、６４でＰ偏光、ミラー６３、６４でＳ偏光となっている。このように、Ｕ−Ｄ方向およびＲ−Ｌ方向の偏光成分の双方について、Ｓ偏光での反射およびＰ偏光での反射を同じ回数（ここでは２回ずつ）とすることで、ミラー固有の位相差を相殺することができる。

また、ミラーのＳ偏光とＰ偏光との位相差を決定するのは、ミラー表面に施された高反射コーティングの各層の膜厚である。そのため、同一バッチでコーティングされたミラーの位相差は、例えば１．１度±０．２度というように、小さい範囲の角度にそろいやすい。このことを利用して、レーザ光像ＬＦのＵ−Ｄ方向の偏光成分がＳ偏光になるミラーとＰ偏光になるミラーとの対を、同一バッチのコーティングとすることで、精度の高い位相差相殺を可能とする。

また、この実施の形態１では、増幅するレーザ光を円偏光としており、円偏光を精度よく維持して増幅するので、戻り光分離の消光比を高め、寄生発振の少ない、安定した増幅を実現することができる。

また、この実施の形態１では、放電領域および折り返し用のミラーの配置により、上述したレーザ光のポインティングを安定させる効果と、レーザ光の偏光を精度よく維持する効果とを両立している。具体的には、ミラー６１、６２、６３、６４による４回の折り返しのうち、２回の折り返しにおいて、第１の入射面と第２の入射面とを垂直にするように、ミラーが配置されている。

また、レーザ光進行方向に長くなる横ガス流型の増幅器を、ガス流方向に並べて配置する構成としたので、構築や改修の容易なガスレーザ増幅システムを得ることができる。また、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃに同じものを用いることにより、安価で、かつ構築が容易で、改修のための準備部品の少ないガスレーザ増幅システムを得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、４組の放電電極の各々における放電電極間に形成される放電領域において、レーザガスは、増幅するレーザ光の光軸を横断する向きに流れ、４組の放電電極の各々におけるレーザガスの流れの向きが、伝搬するレーザ光像を基準として、第１方向、第１方向とは反対向きの第２方向、第２方向、第１方向の順になるように配置される。
これにより、レーザ光の位置ずれが相殺され、レーザ光のポインティングにおいて、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃの２台の放電領域および折り返し用のミラーの配置により、レーザ光のポインティングを安定させる効果と、レーザ光の偏光を精度よく維持する効果とを両立しているが、この構成を前段増幅器１００ａおよび第１増幅器１００ｂの２台とその間の光学系９３とに適用しても、同様の効果を得ることができる。

すなわち、５つ折りの前段増幅器１００ａにおけるレーザ光の光軸位置ずれは、図４に示した増幅器１台と同様であることから、前段増幅器１００ａおよび第１増幅器１００ｂの２台でも、レーザ光のポインティングずれを低減することができる。

また、上記実施の形態１では、ミラー６２でレーザ光を＋Ｙ向きに反射したが、例えばこれを−Ｙ方向としても、同様の効果を得ることができる。また、同一構成の第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃをガス流方向に並べる構成によって、レーザ光のポインティングを安定させる効果と、レーザ光の偏光を精度よく維持する効果とを両立するための増幅器間ミラー枚数は、４枚が最小であるが、これよりもミラーを多く使っても、同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態１では、放電領域２つあたり増幅器１台としたが、全体で４つの放電領域を配置する構成において、放電領域１つあたり増幅器１台としてもよい。また、ガスレーザ増幅システム全体の構成は、この実施の形態１に限らず、４つの放電領域により、レーザ光の曲がりを相殺する機構を含んでいれば、ガスレーザ増幅システム全体として、レーザ光のポインティングずれを低減することができる。

さらに、上記実施の形態１では、レーザ光像の上下左右のとり方として、左、右、右、左を例に挙げたが、レーザ光像の上下左右のとり方は任意であり、右、左、左、右でもよいし、上、下、下、上でもよいし、下、上、上、下でもよい。すなわち、第１方向と、第１方向とは反対向きの第２方向とが、第１方向、第２方向、第２方向、第１方向の順になっていればよい。このことは、以下の各実施の形態においても同様である。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図５において、上述した実施の形態１との相違点は、第１増幅器１００ｂと第２増幅器１００ｃとの間の光学系である。第１増幅器１００ｂから出射されたレーザ光は、平面ミラー６１、６２、６３で順次反射されて、第２増幅器１００ｃで増幅される。

図６は、この発明の実施の形態２に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。図６において、上述した実施の形態１と同様に、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｒ、Ｌとしているので、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

このように、２つの放電領域を含む同一の増幅器２台をガス流方向に並べた構成で、折り返し用の平面ミラーを採用した場合に、最小のミラー枚数でレーザ光の曲がりを相殺している。そのため、ミラー反射でのロスが少なく、平面ミラーのため高信頼のガスレーザ増幅システムを得ることができる。

なお、この実施の形態２では、ミラー固有の偏光による位相差を相殺する機能はなく、レーザ光の偏光の維持は、ミラー６１、６２、６３の性能に頼っている。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。図７において、上述した実施の形態１との相違点は、第１増幅器１００ｂと第２増幅器１００ｃとの間の光学系である。ミラー６１、６２は、放物面ミラーであり、焦点距離は、ミラー６１とミラー６２との間の距離の０．５倍としている。第１増幅器１００ｂをコリメート状態で増幅されたレーザ光は、焦点ＦＰで集光される。

この構成では、ミラー６１からミラー６２への伝搬において、一旦集光することで、レーザ光像の上下と左右とを入れ替えている。したがって、上述した実施の形態２と同様に、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｒ、Ｌとしているので、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

このように、２つの放電領域を含む同一の増幅器２台をガス流方向に並べる構成における最小のミラー枚数で、レーザ光の曲がりを相殺している。そのため、ミラー反射でのロスが少ないガスレーザ増幅システムを得ることができる。また、焦点ＦＰにスペーシャルフィルタを設置することにより、上記の効果と同時に、コンパクトな構成でビーム品質を向上させることができる。

実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図９は、この発明の実施の形態４に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。図８、９においては、第２増幅器１０１ｃが第１増幅器１００ｂと鏡像の関係となっている。また、ミラー６１、６２は、平面ミラーである。

この構成においても、上述した実施の形態２と同様に、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｒ、Ｌとしているので、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

このように、２つの放電領域を含む増幅器２台をガス流方向に並べる構成における最小のミラー枚数で、レーザ光の曲がりを相殺している。そのため、ミラー反射でのロスが少ないガスレーザ増幅システムを得ることができる。また、平面ミラーのみの使用で構成できるので、高信頼のガスレーザ増幅システムを構築することができる。

実施の形態５．
図１０は、この発明の実施の形態５に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す平面図である。図１０において、このガスレーザ増幅システムは、それぞれ１つの放電領域を有する第１増幅器１０２ａ、第２増幅器１０２ｂ、第３増幅器１０２ｃ、第４増幅器１０２ｄを備えている。

この構成においても、４つの放電領域について、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｒ、Ｌとする配置なので、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

実施の形態６．
図１１は、この発明の実施の形態６に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図１１において、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、互いに同一の構成を有している。また、ビームの折り返しは、４枚の平面ミラー６１、６２、６３、６４による。

この構成では、４つの放電領域について、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｌ、Ｒとする配置なので、第２増幅器１００ｃから出射するレーザ光は、曲がりを無視した場合と平行であるが、位置がずれることになる。

一方、この実施の形態６の構成によれば、増幅されるレーザ光の偏光を精度よく維持し、戻り光分離の消光比を高めることができるという、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
図１２は、この発明の実施の形態７に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図１２においては、第２増幅器１０１ｃが第１増幅器１００ｂと鏡像の関係となっている。また、レーザ光は、２台の増幅器（４つの放電領域）により、折り返しなしで増幅される。

この構成においても、上述した実施の形態２と同様に、レーザ光像を基準として、レーザガスＧの流れの向きを、レーザ光が伝搬する順にＬ、Ｒ、Ｒ、Ｌとしているので、レーザ光のポインティングにおいて、従来技術では不可能な、高い安定性を有するガスレーザ増幅システムを得ることができる。

また、折り返し用のミラーがないので、増幅されるレーザ光の偏光を精度よく維持し、戻り光分離の消光比を高めることができるという、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、折り返し用のミラーによる反射ロスを回避し、高い増幅効率を得ることができる。なお、この実施の形態７は、光軸方向に長い設置場所を得られる場合に適した構成である。

実施の形態８．
図１３は、この発明の実施の形態８に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図１３において、このガスレーザ増幅システムは、４つの放電領域を有する１台の増幅器を備えており、実施の形態７と同様の効果を、１台の増幅器で得る構成となっている。

この構成では、ウィンドウにおけるレーザ光の反射ロスを低減し、高い増幅効率を得ることができる。また、この増幅器を単位とすれば、ガスレーザ増幅システムにおけるレーザ光のポインティングずれを意識することなく、自由度の高いガスレーザ増幅システムを構築することができる。

なお、この実施の形態８では、１台の増幅器が４つの放電領域を有しているが、中央の２つの放電領域を１つに合体し、１台の増幅器が３つの放電領域を有している構成としても、同様の効果を得ることができる。このとき、合体した１つの放電領域が、両端の放電領域に比べて２倍のレーザ光を曲げる効果を持つようにした場合が、最も完全にレーザ光のポインティングずれを相殺することができる。

実施の形態９．
図１４は、この発明の実施の形態９に係るガスレーザ増幅システムの一部を示す斜視図である。図１４において、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃは、互いに２つの放電領域を有する同一の構成であり、これら２台の増幅器を、ガス流方向ではなく放電方向に並べた構成を有している。

この構成では、２枚の折り返し用の平面ミラーで、レーザ光の曲がりを相殺している。そのため、ミラー反射でのロスが少なく、平面ミラーのため高信頼のガスレーザ増幅システムを得ることができる。また、この構成では、少ない設置面積で大出力のレーザ光に増幅することができる。

なお、この発明の実施の形態９に係るガスレーザ増幅システムの一部の変形例を示す斜視図である図１５に示されるように、第１増幅器１００ｂおよび第２増幅器１００ｃと、ミラー６１、６２とをまとめて倒した形で設置した場合であっても、２枚の平面折り返し用のミラーでレーザ光の曲がりを相殺することができる。

１〜４ 電極基板、１１〜１４ 放電電極、２１、２２ 放電領域、３１、３２ ミラー支持部、４１〜４４ ウィンドウ、５１〜５４、６１〜６４ ミラー、７１ 目標物、８１ｂ、８１ｃ 電源、８２ 制御装置、９１ 発振器、９２、９３ 接続光学系、１００ａ 前段増幅器、１００ｂ 第１増幅器、１００ｃ 第２増幅器、１０１ｃ 第２増幅器、１０２ａ 第１増幅器、１０２ｂ 第２増幅器、１０２ｃ 第３増幅器、１０２ｄ 第４増幅器、ＦＰ 焦点、Ｇ レーザガス、Ｌ０ レーザ光軸、ＬＦ レーザ光像、Ｌ、Ｒ、Ｕ、Ｄ レーザ光像における左、右、上、下を表す符号。

Claims (10)

1. 励起したレーザガスを媒質として用いることで、レーザ光を増幅して出射するガスレーザ増幅システムであって、
   前記レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   直列に配置され、前記レーザガスを励起する４組の放電電極と、を備え、
   前記４組の放電電極の各々における放電電極間に形成される放電領域において、前記レーザガスは、増幅する前記レーザ光の光軸を横断する向きに流れ、
   前記４組の放電電極の各々における前記レーザガスの流れの向きが、伝搬するレーザ光像を基準として、第１方向、前記第１方向とは反対向きの第２方向、前記第２方向、前記第１方向の順になるように配置される
   ガスレーザ増幅システム。
2. 前記４組の放電電極を構成する増幅器であって、それぞれ２組の放電電極を有する２つの増幅器をさらに備えた
   請求項１に記載のガスレーザ増幅システム。
3. 前記２つの増幅器において、前記レーザガスの流れの向きが、互いに同じ配置である
   請求項２に記載のガスレーザ増幅システム。
4. 前記２つの増幅器において、前記レーザガスの流れの向きが、互いに鏡像の関係になるように配置されている
   請求項２に記載のガスレーザ増幅システム。
5. 前記２つの増幅器の間に設けられた複数のミラーを備え、
   前記ミラーによって、前記レーザ光像の左右を反転させる
   請求項３に記載のガスレーザ増幅システム。
6. 前記２つの増幅器の間に設けられた複数のミラーを備え、
   一方の増幅器から出射したレーザ光像の左右を偶数回反転させて、他方の増幅器に入射させる
   請求項４に記載のガスレーザ増幅システム。
7. 前記レーザ光が前記４組の放電電極を通過する間、ミラーによる反射を行わない
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のガスレーザ増幅システム。
8. 前記２つの増幅器の間に設けられた複数のミラーを備え、
   前記レーザ光を、一方の増幅器に円偏光で入射し、
   前記ミラーによって、前記一方の増幅器から出射されたレーザ光を少なくとも４回折り返し、
   前記ミラーの反射面に、固有の位相シフトを４回折り返す際に、前記レーザ光の曲がりを相殺するように、前記ミラーが配置されている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のガスレーザ増幅システム。
9. 前記レーザ光の４回の折り返しのうち、２回の折り返しにおいて、第１の入射面と第２の入射面とを垂直にするように、ミラーが配置されている
   請求項８に記載のガスレーザ増幅システム。
10. 前記第１の入射面と前記第２の入射面とが、同一バッチでコーティングされた反射膜を有する
    請求項９に記載のガスレーザ増幅システム。

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