JP2017017194A - 炭酸ガスレーザ増幅器、炭酸ガスレーザ発振器および炭酸ガスレーザ発振−増幅システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明による炭酸ガスレーザ増幅器および炭酸ガスレーザ発振器は、励起空間（放電領域）を挟んだ部品の表面反射で自励発振が起きないようにすることを目的とする。【解決手段】励起空間から一直線でたどり着くことができる面にアルマイト処理を施すことで、レーザ光が吸収されるようにする。また、この面にレーザ光の波長と同程度の大きさの凹凸を付けることで、レーザ光が乱反射されるようにする。また、この面のうち、励起空間（放電領域）を挟んで対向している２面に対して、平行とならないように角度を付ける。また、この面のうち、隣り合った２面がコーナを作り出している部分に対して、２面のなす角度が９０°にならないように角度を付ける。【選択図】 図１２

Description

本発明は、炭酸ガスレーザ増幅器および炭酸ガスレーザ発振器における自励発振防止構造に関するものである。

図１３は従来の炭酸ガスレーザ発振器の概略構成の一例を示すものである。真空容器１には、各構成部品が取り付けられていると共に、中にはレーザ媒質２が３０〜３００Ｔｏｒｒ程度の圧力で入っている。レーザ媒質２はブロア３によって矢印のように整流ダクト４から電極５へと循環する。電極５には電源ユニット６から高電圧が供給され、それによって放電７が発生する。放電７によるエネルギーがレーザ媒質２に与えられることで、炭酸ガスが励起し、遷移の際に放出される光子をレーザ媒質２を挟んで対向して配置された光共振器ミラー（部分反射鏡８と全反射鏡９）で増幅させ、その一部が部分反射鏡８からレーザ光１０として出射される。出射されたレーザ光１０は、両端にフランジの付いた円筒状のビームダクト１１の中を通って外部へ伝搬されることで、人間が誤ってレーザ光１０に触れてしまうことを防いでいる。なお、ビームダクト１１は、真空容器１に近い側の内側ビームダクト１１ａと真空容器から遠い側の外側ビームダクト１１ｂから構成され、それぞれの一部が入れ子状になっており、外側ビームダクト１１ｂの一部が内側ビームダクト１１ａの内部に挿入されている。放電７によってエネルギーを与えられたレーザ媒質２は温度が上昇しているため、熱交換器１２によって冷却される。電極５と光共振器ミラー（部分反射鏡８と全反射鏡９）の間には中央にレーザ光１０が通過する穴の空いたドーナツ状のアパーチャ１３が配置され、横モード次数の決定、回折光、散乱光のカットといった役割を担っている。アパーチャ１３と電極５の間には、レーザ媒質２の光軸方向の流れを整えるための一方にフランジの付いた円筒状の内部ダクト１４が配置されている。真空容器１のリーク（外部からの大気混入）や構成部品の劣化によるアウトガスの発生のため、レーザ媒質２には徐々に不純物が混入してくるため、定期的に真空ポンプ１５によって排気し、新しいレーザ媒質２との入れ替えを行う。熱交換器１２や冷却が必要な部品には、冷却装置１６から冷却水が供給されている（図示省略）。一連の動作は制御装置１７によって制御される。炭酸ガスレーザ発振器の範囲は、一点鎖線１８で囲まれた部分である。
このような炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献１、特許文献２（特にビームダクト１１部分）に記載されている。

図１４は従来の炭酸ガスレーザ増幅器の概略構成の一例を示すものである。図１３と同一部分は同一符号を付して説明は省略する。炭酸ガスレーザ増幅器の範囲は、一点鎖線１９で囲まれた部分である。
レーザ発振器は自分自身でレーザ光を作り出す（発振させる）ことができるが、レーザ増幅器は、レーザ光を増幅させる装置であるので、増幅させる元となるレーザ光を装置に入射する必要がある。レーザ発振器２０から出たレーザ光２１は入射側ウィンドー２２を通って励起空間（放電７の領域）へと入り、そこで放電７によるエネルギーを受けることで、レーザ光出力が増幅される。増幅されたレーザ光２４は出射側ウィンドー２３を通って外部へ出射される。
このような炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献３に記載されている。

図１３と図１４を比べてわかるように、レーザ増幅器における入射側ウィンドー２２と出射側ウィンドー２３を、全反射鏡９と部分反射鏡８に置き換えたものがレーザ発振器であり、両者の基本的構造は同じである。
従って、以降の段落では、炭酸ガスレーザ増幅器について、「発明の概要」、「発明が解決しようとする課題」、「課題を解決するための手段」、「発明の効果」、「発明を実施するための形態」を述べるが（炭酸ガスレーザ発振器についての説明は省略するが）、全く同様のことが、炭酸ガスレーザ発振器についても言えるものとする。すなわち、本願発明は、炭酸ガスレーザ増幅器および炭酸ガスレーザ発振器についてのものである。

炭酸ガスレーザ増幅器における従来の自励発振防止構造としては、励起空間内へ導くように設置された折り返しミラーを互いに非平行に設置する（特許文献４）、励起空間内へ導くように設置された折り返しミラーの少なくとも１枚に凸面鏡を用いる（特許文献５）、といった技術が存在する。

特開平７−９４８１０号公報 特開平１０−２９４５０８号公報 特開２０１１−１５５１９３号公報 特開２０１１−１５９９３２号公報 特開平１１−８７８０７号公報

図１５は従来の炭酸ガスレーザ増幅器における自励発振の説明図である。図１４と同一部分は同一符号を付して説明は省略する。図１５では、内部ミラー２５、２６を用いることで、励起空間（放電７の領域）をレーザ光が通過する距離を長くし、増幅効果を高める構成としている。
レーザ発振器２０から出たレーザ光２１が入射側ウィンドー２２を通って励起空間（放電７の領域）へと入り、増幅されたのち、出射側ウィンドー２３を通って外部へ出射されるという本来の光軸２１、２４（意図したレーザ光軸）以外に、内部ミラー２５と内部ミラー２６の間で反射を繰り返すことで自励発振光２７が発生している。これにより、本来は入射したレーザ光２１の増幅に使われるべき励起エネルギーが、自励発振光２７を作り出すために使われてしまい、増幅性能が低下してしまう。
また、図１５を見てわかる通り、自励発振光２７は本来の光軸２１、２４とは異なる方向、すなわち、設計的に意図していない方向に照射されるため、自励発振光２７によって、レーザ増幅器内部の部品が損傷したり、レーザ増幅器外部に出射されればレーザ増幅器の周囲に損傷等の影響をもたらしたりする恐れがある。
これらの問題点を解決するための従来の方法が、前述した特許文献４、特許文献５の方法である。

これまでのレーザ増幅器では、励起エネルギーが比較的小さかったため、ミラーのような高い反射率を持つ表面同士でしか自励発振は起こらず、前述した特許文献４、特許文献５での対策で十分であった。しかしながら、例えば本願発明者らが現在取り組んでいるＥＵＶ光源用のレーザ増幅器では、必要とされる２０ｋＷ以上のレーザ光出力を得るために、増幅器１台あたり１００ｋＷもの励起エネルギーを投入している。このような高い励起エネルギーがレーザ媒質に与えられる場合には、反射率がミラーのように高くない通常の金属表面（アルミ、ステンレス、鉄、黄銅、亜鉛など）での反射であったとしても、反射率が高くないことによる光学的損失よりも励起エネルギーにより与えられる利得が勝ることになり、自励発振が起こることになる。この様子を図１６から図２１にて説明する。これまでの図と同一部分は同一符号を付して説明は省略する。
図１６は、励起空間の両側に配置された各内部ダクト１４間での表面反射で、自励発振光２７ａが起きている様子を示す。
図１７は、励起空間の両側に配置された各アパーチャ１３間での表面反射で、自励発振光２７ｂが起きている様子を示す。
図１８は、励起空間の両側に配置された各内部ミラー押さえ２８間での表面反射で、自励発振光２７ｃが起きている様子を示す。内部ミラー２５、２６を内部ミラー押さえ２８で保持し、内部ミラー２５、２６の裏面を冷却体２９で冷却する構造となっている。
図１９は、励起空間の両側に配置された各内部ミラー２５、２６と各内部ミラー押さえ２８間での表面反射で、自励発振光２７ｄが起きている様子を示す。なお、図１９（ａ）は全体図で、図１９（ｂ）は内部ミラー２５と内部ミラー押え２８での反射を拡大した図である。内部ミラー押さえ２８の反射は、内部ミラー２５の表面と接している面２８ｄでの反射である。
図２０は、励起空間の両側に配置された各ビームダクト１１と電極５間での表面反射で、自励発振光２７ｅが起きている様子を示す。ビームダクト１１での反射は、内側ビームダクト１１ａの内面と、外側ビームダクト１１ｂの端面との二面による反射である。
また、図２０とはビームダクト１１の入れ子の状態が入れ替わった場合には、図２０のような反射は起きない。しかし、特許文献３の図８、図９で示されているようにレーザ増幅器は直列に何台も連結して使用する場合もある。この場合、図２１に示したように、隣の増幅器のビームダクト１１の外側ビームダクト１１ｂの内面と内側ビームダクト１１ａの端面による表面反射で自励発振光２７ｆが発生する可能性がある。

本発明は、上述したような、励起空間（放電７の領域）を挟んだ物体の表面反射で自励発振が起きないようにすることを目的とする。

本発明は、励起空間（放電７の領域）から一直線でたどり着くことができる面、別の言い方をすれば、励起空間（放電７の領域）内から励起空間外を見たときに見える面（視野に入る面）を発明の対象とする。以降では、この対象とする面を“発明対象面”と記載する。
図２２および図２３は発明対象面の説明図である。レーザ増幅器１９ａの各部品に、一点鎖線および二点鎖線で発明対象面を記載した。一点鎖線は自分自身の増幅器（図２２におけるレーザ増幅器１９ａ）の励起空間から一直線でたどり着くことができる面、二点鎖線は隣の増幅器（図２２におけるレーザ増幅器１９ｂ）の励起空間から一直線でたどり着くことができる面であり、両者ともに本発明の発明対象面である。なお、図２２（ａ）は全体図で、図２２（ｂ）はレーザ増幅器１９ａの左側のビームダクト１１から内部ダクト１４までの拡大図で、図２２（ｃ）はレーザ増幅器１９ａの右側のビームダクト１１から内部ダクト１４までの拡大図である。
また、図２２および図２３は、レーザ増幅器内の全ての部品が記載されているわけではない。図２２および図２３に記載されていない部品であっても、その部品の面が、励起空間から一直線でたどり着くことができるのであれば、その面もまた、本発明の発明対象面とする。

手段１：発明対象面でレーザ光が吸収されるようにする。
自励発振は反射を繰り返し、何回も励起空間を通過する（すなわち、その経路で意図しない共振器が形成される）ことで起こるので、反射しなければ（すなわち吸収すれば）自励発振は起こらない。具体的には、発明対象面の素材をアルミニウムとし、表面にアルマイト処理を施すことでレーザ光が吸収されるようにする。アルマイト層の膜厚は５μｍでおよそ９０％の吸収率（垂直入射の場合）となるため５μｍあれば十分安心できる。
しかし、実際に自励発振が起こるかどうかは、励起空間に与えるエネルギーの大きさ、発明対象面への光の入射角度、反射の回数に左右されるため、膜厚が５μｍより小さくても自励発振を防止できる場合が多い。５μｍは十分安心できる一つの目安として示す値である。

手段２：発明対象面でレーザ光が乱反射されるようにする。
乱反射によりレーザ光強度［Ｗ／ｍ２］は極端に小さくなるため、自励発振は起こらなくなる。具体的には、発明対象面にレーザ光の波長（λ＝１０．６μｍ）と同程度の微小な凹凸を付ける。物理的な方法としては、ブラスト処理を施す、ペーパー掛けする、ヘアブラシで傷つける、などがあり、化学的な方法としては、アルカリや酸などでエッチングする、などがある。

手段３：発明対象面のうち、励起空間（放電７の領域）を挟んで対向している面に対して、平行とならないように角度を付ける。
励起空間を挟んで対向している面とは、例えば、図１６で自励発振光２７ａが発生している内部ダクト１４の表面同士や、図１７で自励発振光２７ｂが発生しているアパーチャ１３の表面同士や、図１８で自励発振光２７ｃが発生している内部ミラー押さえ２８の表面同士のことである。平行とならないように角度を付けることで、反射した光の方向が変わり、何回も反射を繰り返すことが無くなり（意図しない共振器が形成されなくなる）、自励発振が起こらなくなる。
平行からずらす角度は１°以上が望ましい。これは、１°未満の場合、部品の加工精度や組立精度が１°程度は存在する場合があり、それ以上に平行から角度をずらす必要があるためである。

手段４：隣り合った発明対象面同士でコーナを作り出している部分に対して、発明対象面同士のなす角度が９０°にならないように角度を付ける。
隣り合った面でコーナを作り出している部分とは、例えば、図１９で自励発振光２７ｄが反射している内部ミラー２５、２６の表面と、内部ミラー押さえ２８の内部ミラー２５，２６の表面と接している面２８ｄが作り出すコーナや、図２０で自励発振光２７ｅが反射している内側ビームダクト１１ａの内面と外側ビームダクト１１ｂの端面が作り出すコーナのことである。
図１９、図２０、図２１でのコーナ部分での自励発振光の反射の様子を見てわかる通り（特に図１９（ｂ）が明確である）、コーナ部分が９０°の場合、コーナをなす２つの面により２回反射されると、入射した光と全く同じ方向に出射した光が反射される。すなわち、反射が繰り返されることになり（意図しない共振器が形成される）、自励発振が起こる。発明対象面同士のなす角度が９０°にならないように角度を付けることで、入射した光とは別の方向に出射した光が反射されることになり、反射を繰り返すことが無くなる。すなわち、自励発振が起こらなくなる。
９０°からずらす角度は１°以上が望ましい。これは、１°未満の場合、部品の加工精度や組立精度の合計が１°程度は存在する場合があり、それ以上に９０°から角度をずらす必要があるためである。

上記、手段１から手段４を単独、もしくは組み合わせて適用することで、自励発振を防止する。

上述した本発明の手段により、自励発振を防止することができる。これにより、自励発振の発生による増幅性能の低下を防止し、装置が持つ最大の増幅性能を引き出すことが可能となる。また、上述したような、自励発振光によるレーザ発振器内部の部品の損傷や、レーザ発振器の周囲への損傷等の影響をもたらす恐れがなくなり、安全な装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１を示す構造図である。 本発明の実施の形態２を示す構造図である。 本発明の実施の形態３を示す構造図である。 本発明の実施の形態５を示す構造図である。 本発明の実施の形態６を示す構造図である。 本発明の実施の形態７を示す構造図である。 本発明の実施の形態８を示す構造図である。 本発明の実施の形態９を示す構造図である。 本発明の実施の形態１０を示す構造図である。 本発明の実施の形態１２を示す構造図である。 本発明の実施の形態１３を示す構造図である。 本発明の実施の形態１４を示す構造図である。 従来の炭酸ガスレーザ発振器を示す構造図である。 従来の炭酸ガスレーザ増幅器を示す構造図である。 従来の炭酸ガスレーザ増幅器における自励発振の説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明が解決しようとする課題を示す説明図である。 本発明の発明対象面の説明図である。 本発明の発明対象面の説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ダクト１４の表面反射による自励発振光２７ａの発生という課題（図１６）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段１によって解決する、具体的実施例である。
図１では、内部ダクト１４の素材をアルミニウムとし、表面にアルマイト層１４ａを形成するアルマイト処理を施している。アルマイト層１４ａの膜厚は５μｍとしたが、実機試験で自励発振が起きないことが確認できれば、これより薄くても良い。また、効果を得るには少なくとも発明対象面のみをアルマイト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをアルマイト処理するのは手間がかかるので（例えば、アルマイト処理しない面にマスキング処理が必要）、図１においては、内部ダクト１４の全面をアルマイト処理した例を示した。
これにより、内部ダクト１４の表面に入射したレーザ光は吸収されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ダクト１４の表面反射による自励発振光２７ａの発生という課題（図１６）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段２によって解決する、具体的実施例である。
図２では、内部ダクト１４の表面にブラスト処理によってレーザ光の波長（λ＝１０．６μｍ）と同程度の微小な凹凸１４ｂを付けている。同様の微小な凹凸を付ける方法は、ブラスト処理以外にも、ペーパー掛けする、ヘアブラシで傷つける、アルカリや酸でエッチングするなどがあり、これらの方法を用いても良い。また、効果を得るには少なくとも発明対象面のみをブラスト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをブラスト処理するのは手間がかかるので（例えば、ブラスト処理しない面にマスキング処理が必要）、図２においては、内部ダクト１４の全面をブラスト処理した例を示した。
これにより、内部ダクト１４の表面に入射したレーザ光は乱反射されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ダクト１４の表面反射による自励発振光２７ａの発生という課題（図１６）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段３によって解決する、具体的実施例である。
図３では、励起空間（放電７の領域）を挟んで対向している内部ダクト１４の励起空間側の端面１４ｃに、平行の状態から５°の角度を付けている。なお、平行からずらす角度は５°に限定するものではなく、対象とする部品の加工精度と組立精度の合計以上（おおむね１°以上）にずれていれば良い。
これにより、内部ダクト１４の端面１４ｃに入射したレーザ光は、入射した方向とは別方向に反射されるため、反射を繰り返すことがなくなり（意図しない共振器が形成されなくなる）、自励発振を防止することができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、前述した実施の形態１から実施の形態３の複数を組み合わせて適用した内部ダクト１４である。図示は省略する。
これにより、実施の形態１から実施の形態３を単独で用いるよりも、さらに自励発振を防止する効果を高めることができる。

実施の形態５．
図４は本発明の実施の形態５を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べたアパーチャ１３の表面反射による自励発振光２７ｂの発生という課題（図１７）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段１によって解決する、具体的実施例である。
図４では、アパーチャ１３の素材はアルミニウムとし、表面にアルマイト層１３ａを形成するアルマイト処理を施している。アルマイト層１３ａの膜厚は１０μｍとした。手段１の記載においては、アルマイト層の膜厚は５μｍで十分と述べたが、アパーチャはレーザ光の本来の光軸に最も近い位置にありレーザ光のパワーが非常に大きく、９０％程度の吸収率では自励発振が十分に防止出来ない恐れがある。よって、９５％以上の吸収率を得るため、膜厚を１０μｍとした。ただし、実機試験で自励発振が起きないことが確認できれば、これより小さくても良い。また、効果を得るには、少なくとも発明対象面のみをアルマイト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをアルマイト処理するのは手間がかかるので（例えば、アルマイト処理しない面にマスキング処理が必要）、図４においては、アパーチャ１３の全面をアルマイト処理した例を示した。また、アパーチャ１３は本来の光軸に非常に近い場所に配置される部品であるため、吸収したレーザ光による入熱量が大きい。そのため、部品内部に環状に水路１３ｂを設け、そこに冷却水を流す冷却構造とした。１３ｃは、アパーチャ１３に冷却水を供給するための継手である。継手１３ｃと環状の水路１３ｂは水路で接続されている。
これにより、アパーチャ１３の表面に入射したレーザ光は吸収されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態６．
図５は本発明の実施の形態６を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べたアパーチャ１３の表面反射による自励発振光２７ｂの発生という課題（図１７）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段１と手段３の組み合わせによって解決する、具体的実施例である。
前述したように、アパーチャ１３は本来の光軸に非常に近い場所に配置される部品であるため、自励発振を生じさせる原因場所となる可能性が非常に高い。そのため、実施の形態５のみでは自励発振を完全に防止できない可能性がある。そのため、図５では、励起空間（放電７の領域）を挟んで対向しているアパーチャ１３の面１３ｄは、アルミにアルマイト処理を１０μｍ施したレーザ光吸収面（アルマイト層が１３ａ）であると共に、平行な状態から２°の角度を付けている。なお、平行からずらす角度は２°に限定するものではなく、対象とする部品の加工精度と組立精度の合計以上（おおむね１°以上）にずれていれば良い。また、図５においては、アパーチャ１３のアルマイト処理を全面に施した図となっているが、発明対象面のみにアルマイト処理を行っても同様の効果を得られる。
これにより、アパーチャ１３の面１３ｄに入射したレーザ光は、大部分が吸収されるばかりでなく、残ったわずかな反射光も入射した方向とは別方向に反射されるため、自励発振を防止する非常に高い効果を得ることができる。

実施の形態７．
図６は本発明の実施の形態７を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ミラー押さえ２８の表面反射による自励発振光２７ｃの発生という課題（図１８）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段１によって解決する、具体的実施例である。
図６では、内部ミラー押さえ２８の素材はアルミニウムとし、表面にアルマイト層２８ａを形成するアルマイト処理を施している。アルマイト層２８ａの膜厚は５μｍとしたが、実機試験で自励発振が起きないことが確認できれば、これより小さくても良い。また、効果を得るには、少なくとも発明対象面のみをアルマイト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをアルマイト処理するのは手間がかかるので（例えば、アルマイト処理しない面にマスキング処理が必要）、図６においては、内部ミラー押さえ２８の全面をアルマイト処理した例を示した。
これにより、内部ミラー押さえ２８の表面に入射したレーザ光は吸収されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態８．
図７は本発明の実施の形態８を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ミラー押さえ２８の表面反射による自励発振光２７ｃの発生という課題（図１８）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段２によって解決する、具体的実施例である。
図７では、内部ミラー押さえ２８の表面にブラスト処理によってレーザ光の波長（λ＝１０．６μｍ）と同程度の微小な凹凸２８ｂを付けている。同様の微小な凹凸を付ける方法は、ブラスト処理以外にも、ペーパー掛けする、ヘアブラシで傷つける、アルカリや酸でエッチングするなどがあり、これらの方法を用いても良い。図７においては、内部ミラー押さえ２８の全面をブラスト処理すると、内部ミラー２５との接触面まで凹凸面となってしまうため、発明対象面のみをブラスト処理した。
これにより、内部ミラー押さえ２８の表面に入射したレーザ光は乱反射されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態９．
図８は本発明の実施の形態９を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ミラー押さえ２８の表面反射による自励発振光２７ｃの発生という課題（図１８）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段３によって解決する、具体的実施例である。
図８では、励起空間（放電７の領域）を挟んで対向している内部ミラー押さえ２８の面２８ｃに、平行な状態から１０°の角度を付けている。なお、平行からずらす角度は１０°に限定するものではなく、対象とする部品の加工精度と組立精度の合計以上（おおむね１°以上）にずれていれば良い。
これにより、内部ミラー押さえ２８の面２８ｃに入射したレーザ光は、入射した方向とは別方向に反射されるため、反射を繰り返すことがなくなり（意図しない共振器が形成されなくなる）、自励発振を防止することができる。

実施の形態１０．
図９は本発明の実施の形態１０を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べた内部ミラー２５、２６と内部ミラー押さえ２８の表面反射で、自励発振光２７ｄが発生するという課題（図１９）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段４によって解決する、具体的実施例である。
図９では、内部ミラー押さえ２８の内部ミラー２５の表面と接している面２８ｄに、内部ミラー２５の表面２５ａと直行する角度から２°の角度を付けることで、面２８ｄと面２５ａのなす角度が９０°ではなく、８８°になるようにしている。なお、９０°からずらす角度は２°に限定するものではなく、対象とする部品の加工精度と組立精度の合計以上（おおむね１°以上）にずれていれば良い。
これにより、内部ミラー２５に入射したレーザ光は内部ミラー押さえ２８の面２８ｄにて更に反射され、入射方向とは別方向に反射されるため、反射を繰り返すことがなくなり（意図しない共振器が形成されなくなる）、自励発振を防止することができる。

実施の形態１１．
実施の形態１１は、前述した実施の形態７から実施の形態１０の複数を組み合わせて適用した内部ミラー押さえ２８である。図示は省略する。
これにより、実施の形態７から実施の形態１０を単独で用いるよりも、さらに自励発振を防止する効果を高めることができる。

実施の形態１２．
図１０は本発明の実施の形態１２を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べたビームダクト１１と電極５の表面反射による自励発振光２７ｅの発生という課題（図２０）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段１によって解決する、具体的実施例である。
図１０では、ビームダクト１１の素材はアルミニウムとし、表面にアルマイト層１１ｃを形成するアルマイト処理を施している。アルマイト層１１ｃの膜厚は５μｍとしたが、実機試験で自励発振が起きないことが確認できれば、これより小さくても良い。また、効果を得るには、少なくとも発明対象面のみをアルマイト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをアルマイト処理するのは手間がかかるので（例えば、アルマイト処理しない面にマスキング処理が必要）、図１０においては、内部ダクト１１の全面をアルマイト処理した例を示した。また、図１０では外側ビームダクト１１ｂの表面のみにアルマイト処理を施しているが、内側ビームダクト１１ａの表面のみ、又は、外側ビームダクト１１ｂと内側ビームダクト１１ａの両方にアルマイト処理を施しても良い。
これにより、内部ダクト１１の表面に入射したレーザ光は吸収されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態１３．
図１１は本発明の実施の形態１３を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べたビームダクト１１と電極５の表面反射による自励発振光２７ｅの発生という課題（図２０）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段２によって解決する、具体的実施例である。
図１１では、ビームダクト１１の表面にブラスト処理によってレーザ光の波長（λ＝１０．６μｍ）と同程度の微小な凹凸１１ｄを付けている。同様の微小な凹凸を付ける方法は、ブラスト処理以外にも、ペーパー掛けする、ヘアブラシで傷つける、アルカリや酸でエッチングするなどがあり、これらの方法を用いても良い。また、効果を得るには、少なくとも発明対象面のみをブラスト処理すれば良い。しかし、部品の製作において、部品の一部の面のみをブラスト処理するのは手間がかかるので（例えば、ブラスト処理しない面にマスキング処理が必要）、図１１においては、外側ビームダクト１１ｂの全面をブラスト処理した例を示した。また、図１１では外側ビームダクト１１ｂの表面のみにブラスト処理を施しているが、内側ビームダクト１１ａの表面のみ、又は、外側ビームダクト１１ｂと内側ビームダクト１１ａの両方にブラスト処理を施しても良い。
これにより、ビームダクト１１の表面に入射したレーザ光は乱反射されるため、自励発振を防止することができる。

実施の形態１４．
図１２は本発明の実施の形態１４を示すものであり、段落「発明が解決しようとする課題」で述べたビームダクト１１と電極５の表面反射で、自励発振光２７ｅが発生するという課題（図２０）を、段落「課題を解決するための手段」で述べた手段４によって解決する、具体的実施例である。
図１２では、外側ビームダクト１１ｂの端面１１ｅに内側ダクト１１ａの内面１１ｆと直行する角度から２０°の角度を付けることで、面１１ｅと面１１ｆとのなす角度が９０°ではなく、１１０°になるようにしている。なお、９０°からずらす角度は２０°に限定するものではなく、対象とする部品の加工精度と組立精度の合計以上（おおむね１°以上）にずれていれば良い。また、図１２では外側ビームダクト１１ｂの端面１１ｅにのみ角度を付けているが、内側ビームダクト１１ａの内面１１ｆのみ、又は、面１１ｅと面１１ｆの両方に角度を付けても良い。
これにより、ビームダクト１１に入射したレーザ光は、２回反射後に入射方向とは別方向に反射されるため、反射を繰り返すことがなくなり（意図しない共振器が形成されなくなる）、自励発振を防止することができる。

実施の形態１５．
実施の形態１５は、前述した実施の形態１２から実施の形態１４の複数を組み合わせて適用したビームダクト１１である。図示は省略する。
これにより、実施の形態１２から実施の形態１４を単独で用いるよりも、さらに自励発振を防止する効果を高めることができる。

その他の実施の形態
上述した実施の形態１から実施の形態１５は、内部ダクト１４、アパーチャ１３、内部ミラー押さえ２８、ビームダクト１１の４つの部品について記載したものであるが、実際のレーザ増幅器およびレーザ発振器においては、発明対象面を有する部品は上記４つのみではない。つまり、上記４つ以外の部品であっても、発明対象面に段落「課題を解決するための手段」で記載した手段１から手段４を適用したものであれば、これもまた、本発明の実施の形態である。

１ 真空容器
２ レーザ媒質
３ ブロア
４ 整流ダクト
５ 電極
６ 電源ユニット
７ 放電
８ 部分反射鏡
９ 全反射鏡
１０ レーザ光
１１ ビームダクト
１２ 熱交換器
１３ アパーチャ
１４ 内部ダクト
１５ 真空ポンプ
１６ 冷却装置
１７ 制御装置
１８ 炭酸ガスレーザ発振器
１９ 炭酸ガスレーザ増幅器
２０ レーザ発振器
２１ レーザ光（増幅前）
２２ 入射側ウィンドー
２３ 出射側ウィンドー
２４ レーザ光（増幅後）
２５ 内部ミラー
２６ 内部ミラー
２７ 自励発振光
２８ 内部ミラー押さえ
２９ 冷却体

Claims (59)

1. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、ウィンドーを通ってその励起空間に入射したレーザ光を増幅してウィンドーから外部へ出射する炭酸ガスレーザ増幅器において、
   励起空間から一直線でたどり着くことができる面に対し、この面でレーザ光が吸収されるようにしたことを特徴とする炭酸ガスレーザ増幅器。
2. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、この面を有する部品の素材をアルミニウムとし、その表面にアルマイト層を形成した面である請求項１に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
3. 前記アルマイト層の膜厚は５μｍ以上である請求項２に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
4. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、ウィンドーを通ってその励起空間に入射したレーザ光を増幅してウィンドーから外部へ出射する炭酸ガスレーザ増幅器において、
   励起空間から一直線でたどり着くことができる面に対し、この面でレーザ光が乱反射されるようにしたことを特徴とする炭酸ガスレーザ増幅器。
5. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面とは、この面を有する部品の表面にレーザ光の波長と同程度の大きさの凹凸を付けた面である請求項４に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
6. 前記レーザ光の波長と同程度の大きさの凹凸を付ける方法は、ブラスト処理、ペーパー掛け、ブラシによる傷つけ、アルカリ・酸でのエッチングのいずれか、または複数の組合せである請求項５に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
7. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、ウィンドーを通ってその励起空間に入射したレーザ光を増幅してウィンドーから外部へ出射する炭酸ガスレーザ増幅器において、
   励起空間から一直線でたどり着くことができる面が、その励起空間を挟んで対向する２面である場合、この２面が平行とならないように角度を付けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ増幅器。
8. 前記２面を平行からずらす角度は１°以上である請求項７に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
9. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、ウィンドーを通ってその励起空間に入射したレーザ光を増幅してウィンドーから外部へ出射する炭酸ガスレーザ増幅器において、
   励起空間から一直線でたどり着くことができる面が、隣り合った２面である場合、この２面がなす角度が９０°とならないように角度を付けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ増幅器。
10. 前記２面がなす角度は９０°から１°以上ずらした角度である請求項９に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の構成と、請求項１から請求項１０のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
12. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、励起空間とアパーチャとの間に配置された内部ダクトの表面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
13. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、励起空間とアパーチャとの間に配置された内部ダクトの表面である請求項４から請求項６のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
14. 前記対向する２面は、励起空間の両側で励起空間とアパーチャとの間に配置された内部ダクトの表面である請求項７から請求項８のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
15. 請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の構成と、請求項１２から請求項１４のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
16. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、アパーチャの表面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
17. 前記アパーチャの内部に水路を設け、冷却水をこの水路に流す構造である請求項１６に記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
18. 前記対向する２面は、励起空間の両側に配置されたアパーチャの表面である請求項７から請求項８のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
19. 請求項１６から請求項１８のいずれかに記載の構成と、請求項１６から請求項１８のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
20. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、内部ミラー押さえの表面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
21. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、内部ミラー押さえの表面である請求項４から請求項６のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
22. 前記対向する２面は、励起空間の両側に配置された内部ミラー押さえの表面である請求項７から請求項８のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
23. 前記隣り合った２面は、内部ミラーの表面と内部ミラー押さえの面である請求項９から請求項１０のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
24. 請求項２０から請求項２３のいずれかに記載の構成と、請求項２０から請求項２３のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
25. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、ウィンドーと炭酸ガスレーザ増幅器の外部との間に配置されたビームダクトの表面である請求項１から請求項３のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
26. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、ウィンドーと炭酸ガスレーザ増幅器の外部との間に配置されたビームダクトの表面である請求項４から請求項６のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
27. 前記隣り合った２面は、ウィンドーと炭酸ガスレーザ増幅器の外部との間に配置された入れ子状となったビームダクトの、内側のビームダクトの端面と外側のビームダクトの内面である請求項９から請求項１０のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器。
28. 請求項２５から請求項２７のいずれかに記載の構成と、請求項２５から請求項２７のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
29. 請求項１２から請求項２８のいずれかに記載の構成と、請求項１２から請求項２８のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ増幅器。
30. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
    励起空間から一直線でたどり着くことができる面に対し、この面でレーザ光が吸収されるようにしたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
31. 前記レーザ光を吸収されるようにした面は、この面を有する部品の素材をアルミニウムとし、その表面にアルマイト層を形成した面である請求項３０に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
32. 前記アルマイト層の膜厚は５μｍ以上である請求項３１に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
33. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
    励起空間から一直線でたどり着くことができる面に対して、この面でレーザ光が乱反射されるようにしたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
34. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面とは、この面を有する部品の表面にレーザ光の波長と同程度の大きさの凹凸を付けた面である請求項３３に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
35. 前記レーザ光の波長と同程度の大きさの凹凸を付ける方法は、ブラスト処理、ペーパー掛け、ブラシによる傷つけ、アルカリ・酸でのエッチングのいずれか、または複数の組合せである請求項３４に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
36. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
    励起空間から一直線でたどり着くことができる面が、その励起空間を挟んで対向する２面である場合、この２面が平行とならないように角度を付けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
37. 前記２面を平行からずらす角度は１°以上である請求項３６に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
38. 真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
    励起空間から一直線でたどり着くことができる面が、隣り合った２面である場合、この２面がなす角度が９０°とならないように角度を付けたことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
39. 前記２面がなす角度は９０°から１°以上ずらした角度である請求項３８に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
40. 請求項３０から請求項３９のいずれかに記載の構成と、請求項３０から請求項３９のいずれかの他の請求項に記載の構成と複数を組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
41. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、励起空間とアパーチャとの間に配置された内部ダクトの表面である請求項３０から請求項３２のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
42. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、励起空間とアパーチャとの間に配置された内部ダクトの表面である請求項３３から請求項３５のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
43. 前記対向する２面は、励起空間の両側で励起空間とアパーチャの間に配置された内部ダクトの表面である請求項３６から請求項３７のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
44. 請求項４１から請求項４３のいずれかに記載の構成と、請求項４１から請求項４３のいずれかの他の請求項に記載の構成と複数を組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
45. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、アパーチャの表面である請求項３０から請求項３２のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
46. 前記アパーチャの内部に水路を設け、冷却水をこの水路に流す構造である請求項４５に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
47. 前記対向する２面は、励起空間の両側に配置されたアパーチャの表面である請求項３６から請求項３７のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
48. 請求項４５から請求項４７のいずれかに記載の構成と、請求項４５から請求項４７のいずれかの他の請求項に記載の構成と複数を組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
49. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、内部ミラー押さえの表面である請求項３０から請求項３２のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
50. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、内部ミラー押さえの表面である請求項３３から請求項３５のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
51. 前記対向する２面は、励起空間の両側に配置された内部ミラー押さえの表面である請求項３６から請求項３７のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
52. 前記隣り合った２面は、内部ミラーの表面と内部ミラー押さえの面である請求項３８から請求項３９のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
53. 請求項４９から請求項５２のいずれかに記載の構成と、請求項４９から請求項５２のいずれかの他の請求項に記載の構成と複数を組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
54. 前記レーザ光が吸収されるようにした面は、部分反射鏡と炭酸ガスレーザ発振器の外部との間に配置されたビームダクトの表面である請求項３０から請求項３２のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
55. 前記レーザ光が乱反射されるようにした面は、部分反射鏡と炭酸ガスレーザ発振器の外部との間に配置されたビームダクトの表面である請求項３３から請求項３５のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
56. 前記隣り合った２面は、部分反射鏡と炭酸ガスレーザ発振器の外部との間に配置された入れ子状となったビームダクトの、内側のビームダクトの端面と外側のビームダクトの内面である請求項３８から請求項３９のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
57. 請求項５４から請求項５６のいずれかに記載の構成と、請求項５４から請求項５６のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
58. 請求項４１から請求項５７のいずれかに記載の構成と、請求項４１から請求項５７のいずれかの他の請求項に記載の構成とを組み合せて適用した炭酸ガスレーザ発振器。
59. 請求項３０から請求項５８のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器を発振器として用い、そこから発振したレーザ光を、請求項１から請求項２９のいずれかに記載の炭酸ガスレーザ増幅器を用いて増幅する、炭酸ガスレーザ発振−増幅システム。

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