JP2019530220A - 波長区別スラブレーザ - Google Patents

Abstract

ＣＯ２ガス混合物の１つの発光帯のみのレーザ照射を生成するＣＯ２レーザ（１０）は、不安定共振器を形成する共振器鏡（１２、１４）と、共振器の光学軸（１８）上に位置する少なくとも１つのスペクトル選択要素（２４、２６）とを有する。少なくとも１つのスペクトル選択要素（２４、２６）は、１つ以上の突出表面または奥まった所に置かれた表面の形態であり得る。スペクトル選択性は、少なくとも１つのスペクトル選択要素（２４、２６）を含む安定共振器を光学軸（１８）に沿って形成することによって改良される。ＣＯ２レーザ（１０）は、少なくとも１つのスペクトル選択要素（２４、２６）を光学軸（１８）に沿って平行移動させることによって、発光帯間で調整可能である。

Description

（優先権）
本願は、ドイツ国特許出願第１０ ２０１６ １１６７７９．７号（２０１６年９月７日出願）に対する優先権を主張し、上記出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の技術分野）
本発明は、一般的に、レーザのスペクトル出力を制御することに関する。より具体的には、不安定共振器を有するレーザにおける利得媒質の発光帯を選択することに関する。

二酸化炭素（ＣＯ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）レーザは、励起されるガス混合物における分子の振動状態と回転状態との間の遷移を使用し、赤外線レーザ照射を生成する。ＣＯ_２レーザでは、ガス混合物は、ＣＯ_２と、ヘリウム（Ｈｅ）と、窒素（Ｎ_２）と、通常、より低濃度の水素（Ｈ_２）とを含む。ガス混合物は、電流または高周波（ＲＦ）場を２つの電極間に印加することによって励起（ポンピング）される。ＲＦポンピングは、より長い電極寿命の利点を有する。励起されたＣＯ_２ガス混合物は、９．３マイクロメートル（μｍ）、９．６μｍ、１０．２μｍ、および１０．６μｍ付近を中心とする複数の波長範囲にわたってレーザ照射を放射することができる。

スラブ構成では、ガス混合物が、２つの接近して間隔を置かれた電極の平坦な導波性表面間の体積において励起される。レーザ共振器は、２つの共振器鏡（当業者によって「出力結合器」または「前面鏡」および「高反射鏡」もしくは「背面鏡」として公知である）によって、励起されるガス混合物の周囲に形成される。ガス混合物は、電極間の小さい間隙による高さと、共振器鏡間の距離による長さと、共振器鏡の横幅による幅とにおいて画定される体積を占める。拡散冷却される構成では、ガス混合物は、典型的には、流動する液体冷却剤を含む導管を含む電極への熱拡散によって冷却される。高速流動構成では、冷却が、ガス混合物をガスリザーバと、レーザ共振器と、熱交換器とを含む回路内で急速に循環させることによって達成される。

スラブ構成では、共振器鏡は、典型的には、不安定レーザ共振器を形成する。共振器鏡によって向けられる自発的に放射される照射が、励起されたガス混合物を通した複数回の通過中の誘導放出によって増幅される。出力されたレーザ照射が、高反射鏡からの最終反射の後、ほぼコリメートされたビームとしてレーザ共振器から退出し、出力結合器内の孔を通過するか、または出力結合器の外側縁のそばを通り過ぎる。ビームが通過する孔または縁領域は、透明窓によって気密的にシールされる。

ＣＯ_２レーザは、主に、産業材料処理のために、特に、切断、スクライビング、マーキング、および溶接のために使用される。プラスチックおよび木材等の材料の切断は、典型的には、数１０〜数１００ワットの電力を要求するが、金属および金属合金の切断および溶接は、典型的には、ワークピースの厚さに応じて数キロワットの電力を要求する。特定の用途において好ましい発光帯は、処理されている材料の吸収スペクトルに依存する。例えば、１０．２μｍ帯域が、いくつかのタイプのプラスチックを切断するために好ましいが、９．３μｍ帯域が、歯科手技における硬質組織のアブレーションのために好ましいことが示された。

概して、ＣＯ_２レーザにおける共振器鏡は、最も一般的には銅である金属表面、または９μｍ〜１１μｍの全ての発光帯において反射性である広帯域コーティングを有する。ＣＯ_２レーザは、主要な１０．６μｍ帯域で動作する傾向にある。他の発光帯のうちの１つのいかなるスプリアス発射もなく、純粋に１つの発光帯のレーザ照射を生成することは、困難である。より小さい放射断面を有する純粋に９．３μｍ帯域または９．６μｍ帯域のレーザ照射を生成することは、特に困難である。

１つの発光帯のみのレーザ照射を生成するために、少なくとも１つの共振器鏡が、選択される発光帯に対して高反射性であり、他の発光帯に対して弱反射性である帯域選択コーティングでコーティングされ得る。他の発光帯のレーザ放出が、それによって、抑制される。そのような帯域選択コーティングは、広帯域コーティングより厚く、誘電材料から作られる多数の４分の１波長厚層を有する。鏡設計は、要求されるスペクトル選択性のために最適化されるが、そのような厚いコーティングは、誘電材料の比較的に低い熱伝導性に起因する粒子誘発光学損傷が生じやすい。コーティング表面上の粒子によるレーザ照射の吸収によって引き起こされる局所加熱が、壊滅的な損傷を誘発し得る。下層の基板材料と異なる熱膨張特性を有するそのような厚いコーティングは、層間剥離も生じやすい。帯域選択コーティングの別の欠点は、より単純な広帯域コーティングと比較して高いコストである。

ＳｉＯ_２の不動態化層を電極のうちの少なくとも１つの平坦な導波性表面に適用し、かつ電極間の距離を精密に設定することによって、より長い波長の１０．２μｍおよび１０．６μｍ帯域が抑制可能であることは、公知である。そのような配置は、米国特許第８，３３１，４１６号で説明され、９．３μｍ帯域のレーザ照射を生成するために行われることができるが、９．６μｍ帯域または１０．２μｍ帯域のみにおける安定した動作を提供しない。

製造するためにコスト効率がよく、かつ光学損傷を生じにくい、１つの選択される発光帯のみにおけるレーザ照射を確実に生成する高電力ＣＯ_２レーザの必要性が、存在する。好ましくは、そのようなＣＯ_２レーザは、出力発光帯がその製造および動作中に選択可能であり、９μｍ〜１１μｍの発光帯の任意のもののレーザ照射を純粋に生成することが可能であろう。

ある側面では、本発明によるレーザ装置は、複数の発光帯を有する利得媒質を備えている。第１および第２の共振器鏡が、提供される。各共振器鏡は、反射面を有する。共振器鏡は、利得媒質の周囲に配置され、光学軸を有する不安定レーザ共振器を形成する。共振器鏡のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの共振器鏡の反射面の３０％を下回る部分を占めるスペクトル選択要素を含む。スペクトル選択要素は、光学軸上に位置する。スペクトル選択要素は、所望される発光帯に対して約４％を下回る反射損失と、他の発光帯に対する１０％を上回る反射損失とを有する。利得媒質を励起することは、所望される発光帯において、他の発光帯におけるより高い電力を有するレーザ照射を不安定レーザ共振器から生成する。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する付随する図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に図示し、上で挙げられる一般的説明および以下に挙げられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を解説する役割を果たす。

図１Ａは、本発明による利得媒質の所望される発光帯におけるレーザ照射を生成するためのレーザ装置の好ましい実施形態を概略的に図示する断面における平面図であり、レーザ装置は、光学軸を有する不安定レーザ共振器を形成する２つの共振器鏡と、共振器鏡内に挿入され、光学軸上に位置する２つのスペクトル選択要素とを備えている。 図１Ｂは、図１Ａのレーザ装置を図式的に例証する断面における平面図である。 図１Ｃは、図１Ａのレーザ装置の追加の詳細を図式的に例証する断面における側面図である。 図２は、本発明による図１Ｃの実施形態に類似するが、光学軸に沿って平行移動可能である１つのスペクトル選択要素のみを備えているレーザ装置の別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。 図３は、ガス混合物であり、かつＣＯ_２を含む利得媒質を有する図２のレーザ装置の光学軸に沿った平行移動の関数としての４つの発光帯内の電力割合を図式的に例証するグラフである。 図４は、本発明による図１Ｃの実施形態に類似するが、光学軸上に位置する２つのスペクトル選択鏡を備えているレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。 図５Ａは、本発明による図１の実施形態に類似するが、光学軸と同心である複数の階段状表面の形態の１つのスペクトル選択要素のみを備えているレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。 図５Ｂは、図５Ａのレーザ装置の追加の詳細を図式的に例証する端面図であり、図５Ｃも、図５Ａのレーザ装置の追加の詳細を図式的に例証する断面における側面図である。 図６Ａは、本発明による図５Ａ−５Ｃの実施形態に類似するが、突出する長方形表面の形態のスペクトル選択要素を有するレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する端面図である。 図６Ｂも、本発明による図５Ａ−５Ｃの実施形態に類似するが、突出する長方形表面の形態のスペクトル選択要素を有するレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における側面図である。 図７Ａは、本発明による図６Ａおよび６Ｂの実施形態に類似するが、複数の平行な突出する長方形表面を有するレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する端面図である。 図７Ｂも、本発明による図６Ａおよび６Ｂの実施形態に類似するが、複数の平行な突出する長方形表面を有するレーザ装置のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における側面図である。 図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃは、従来技術レーザおよび本発明による２つのレーザに対するスペクトル選択性を比較する時間の関数としての４つの発光帯におけるモデル化された電力割合のグラフである。 図９は、図１Ａの不安定レーザ共振器内で増幅されている光線の伝搬を図式的に例証する横断面における平面図である。

ここで、図面を参照すると、同様の特徴が、同様の番号によって示され、図１Ａは、本発明によるレーザ装置の１つの好ましい実施形態１０を図式的に例証する断面における平面図である。レーザ１０は、光学軸１８を有するレーザ共振器１６を協同して形成する左側の共振器鏡１２と、右側の共振器鏡１４とを備えている。網掛けは、レーザ照射２０を描写し、レーザ照射２０は、励起されるガス状の利得媒質における誘導放出によって増幅され、出力ビーム２２に沿ってレーザ共振器から退出する。平面ＸＺにおいて、レーザ共振器は、不安定であり、増幅されている任意のビームが、レーザ照射のコリメートされたビームとしてそれから漏出するまで、蛇行経路を辿り、サイズを増加させる。利得媒質は、誘導放出によって増幅することが可能である複数の発光帯を有する。

左側の共振器鏡１２（出力結合器鏡である）は、左側のスペクトル選択要素２４を含む。右側の共振器鏡１４（高反射器鏡である）は、右側のスペクトル選択要素２６を含む。スペクトル選択要素２４および２６は、光学軸１８上に位置する。スペクトル選択要素の各々は、利得媒質の所望される発光帯に対して低反射損失を生成し、他の発光帯に対して高反射損失を生成する。本明細書では、「低反射損失」は、約４％を下回る損失または同等に約９６％を上回る反射率を意味する。「高反射損失」は、約１０％を上回る損失または同等に約９０％を下回る反射率を意味する。

図１Ｂは、光学軸１８を含む他の平面内のレーザ１０の断面における側面図である。電極２８および電極３０は、平面ＹＺ内にレーザ照射１６のための導波管を一緒に形成する。共振器鏡１２および１４は、平面ＹＺ内で平坦として描写されるが、それらは、代わりに、若干の凹面形状を有し、反射されるレーザ照射を最小限の回折損失で導波管の中に戻るように向かわせる。平面ＹＺにおいて、レーザ共振器は、事実上安定しており、増幅されている任意のビームが、導波管によって画定されるビーム経路に沿って複数の往復経路を作る。

利得媒質が、２つの共振器鏡と電極２８、３０との間の全体体積を充填する。ＲＦ周波数における電力が、その源によって生成され、電極を横断して印加され、利得媒質を励起する電極間にＲＦ場を作成する。ＲＦ電力の源、利得媒質、利得媒質の強制循環のための要素、および利得媒質を冷却するための要素は、例証の便宜上、図１Ａ、１Ｂには描写されていない。ＲＦ電力の源、強制循環のための手段、および利得媒質を冷却する手段の全ては、当技術分野において周知である。その説明は、本発明の原理の理解のためには必要ではない。

スペクトル選択要素２４および２６の各々は、レーザ照射２０によって照明される共振器鏡１２、１４の表面積の比較的に小さい部分を占める。小さい部分は、３０％を下回り、好ましくは、１５％を下回り、最も好ましくは、５％を下回る。平面ＹＺにおいて、共振器鏡の照明が、スペクトル選択要素に実質的に重なるが、平面ＸＺでは、わずかな照明のみがスペクトル選択要素上に入射する。

図１Ｃは、レーザ共振器１６の追加の詳細を示す断面における平面図である。光学軸１８は、例証の便宜上、図面において短縮されている。共振器鏡１２および１４の表面３２および３４は、所望される発光帯に対して高反射率を有し、それらは、利得媒質の他の発光帯に対しても反射性であり得る。スペクトル選択要素２４および２６が、それぞれ、共振器鏡１２および１４の中に挿入され、表面３２および３４から距離ｄ_１およびｄ_２突出する。スペクトル選択要素２４および２６は、それぞれ、表面３６および３８を有する。製造の便宜のために、表面３６および３８は、表面３２および３４と同一の材料から作られ得るが、選択される材料またはコーティングの全ては、所望される発光帯に対して反射性でなければならない。

距離ｄ_１およびｄ_２の各々は、表面３２および３６から反射されるレーザ照射と、表面３４および３８から同様に反射されるレーザ照射との間に建設的干渉が存在するように、所望される発光帯の中心波長の半整数とほぼ等しい。他の発光帯の放射に対して、表面３２および３６からの正反射と表面３４および３８からの正反射とは、位相を異にし、それによって、コヒーレントレーザ照射への増幅を妨げるであろう。事実上、他の発光帯に対して、表面３６および３８は、共振器鏡１２および１４における高損失孔として考えられる。対照的に、所望される発光帯に対して、共振器鏡は、継続的低反射損失を有する。スペクトル選択性は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、表面３６および３８を表面３２および３４から奥まった所に置くことによって達成されることもできる。本明細書では、そのような陥凹スペクトル選択要素は、負の距離ｄ_１およびｄ_２を有する。

例として、レーザ１０は、約９．３μｍ、９．６μｍ、１０．２μｍ、および１０．６μｍの中心波長における発光帯を有するＣＯ_２ガスを含む、利得媒質を有する。電極２８および３０は、約２ミリメートル（ｍｍ）分離される。左側の共振器鏡１２は、約１７０ｍｍの幅を有し、右側の共振器鏡１４は、約１９０ｍｍの幅を有する。左側の共振器鏡１２は、約４７０ｍｍの焦点距離を有し、右側の共振器鏡１４は、約５３０ｍｍの焦点距離を有する。共振器鏡は、約１，０００ｍｍ分離される。

例示的スペクトル選択要素２４および２６は、形状が円筒形であり、約４ｍｍの直径を有する。表面３２、３４、３６、および３８は、４つの発光帯全てに対して高反射率を有する。表面は、金、銀、銅、クロム、またはニッケル等の金属から作られ得る。代替として、表面は、誘電材料の４分の１波長層から作られる広い帯域幅コーティングで覆われ得る。出力レーザ照射のための所望される発光帯が、例示的ＣＯ_２レーザの製造中に距離ｄ_１およびｄ_２を設定することによって選択される。本発明のレーザは、所望される発光帯にかかわらず、全ての構成要素部分が、一般的であるという利点を有する。

レーザ１０は、両方の共振器鏡に含まれるスペクトル選択要素を有するように描写されるが、多くの事例では、十分なスペクトル選択性は、共振器鏡１２および１４のうちの１つのみに含まれるスペクトル選択要素を有することによって達成される。本発明者らは、共振器鏡が、他の発光帯を抑制することに対して異なって振る舞うことを決定した。本発明者らは、左側の共振器鏡１２上の突出表面３６が、右側の共振器鏡１４上の奥まった所に置かれた表面３８と同様に振る舞うことも決定した。

図２は、本発明によるレーザ装置４０の別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。レーザ４０は、ベクトルＴによって示されるように、左側の共振器鏡１２が光学軸１８に沿って平行移動可能であるスペクトル選択要素４２を含むということを除き、図１Ｃのレーザ１０に類似する。スペクトル選択要素４２は、利得媒質の複数の発光帯に対して反射性である表面４４を有する。

スペクトル選択要素４２を平行移動させることは、距離ｄ_３を変化させ、距離ｄ_３は、表面３２から突出する、またはそこから奥まった所に置かれる距離表面４４である。スペクトル選択要素４２は、手動で作動され得る、または電動式であり得る市販のマイクロメータによって平行移動させられ得る。代替として、スペクトル選択要素４２は、電位を印加することによって平行移動が制御される圧電性（ＰＺＴ）要素に取り付けられ得る。光学要素の精密な線形平行移動のための手段は、当技術分野において周知であり、そのさらなる説明は、本発明の原理の理解のためには必要ではない。距離ｄ_３は、レーザの製造中に設定される、またはレーザの動作中に設定され得る。

図３は、光学軸１８に沿った平行移動の関数として上で説明される例示的ＣＯ_２レーザの４つの発光帯におけるモデル化された電力割合を描写するグラフである。例示的スペクトル選択要素４２は、形状が円筒形であり、平坦な表面４４および約４ｍｍの直径を有する。表面３２、３４、および４４は、４つの発光帯全てに対して高反射性である。モデルは、９．３μｍにおいて６３０×１０^−１２ｍ^２、９．６μｍにおいて６５０×１０^−１２ｍ^２、１０．２μｍにおいて６７０×１０^−１２ｍ^２、および１０．６μｍにおいて７５０×１０^−１２ｍ^２の放射断面積を有する。１００％を超過するように見える電力割合は、グラフを生成するアーチファクトであり、実際、モデル内の約１００％の電力割合を示すことに留意されたい。グラフ内の平行移動に関する数値が、光学軸１８上の任意の場所からの変位であるが、これらの値が、比較的に小さい距離ｄ_３に対応することにも留意されたい。

距離ｄ_３が、４つの発光帯のうちの１つの中心波長の半整数にほぼ等しいときはいつでも、建設的干渉が、表面３２および４４から反射されるレーザ照射の間に生じる。この条件では、レーザ共振器１６からの出力レーザ照射が、主としてその発光帯内に存在する一方で、他の発光帯が、抑制される。例えば、出力電力の大部分が、約−４．５μｍおよび０．３μｍの平行移動において９．６μｍの発光帯にある。同様に、出力電力の大部分が、約−３．５μｍおよび１．６μｍの平行移動において１０．２μの発光帯にある。９．３μｍの発光帯は、最も低放射断面積を有し、この例では、電力割合の８０％を超過することは決してない。図３は、レーザ４０が、用途において要求されるとき、発光帯間で効果的に調節されることができることを実証する。

図４は、本発明によるレーザ装置５０のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。レーザ５０は、左側の共振器鏡１２が、スペクトル選択コーティング５４を有するスペクトル選択鏡５２を含み、かつ右側の共振器鏡１４が、スペクトル選択コーティング５８を有するスペクトル選択鏡５６を含むことを除き、図１Ｃのレーザ１０に類似する。スペクトル選択コーティング５４および５８は、所望される発光帯に対して低反射損失を有する。他の発光帯の各々に対して、スペクトル選択コーティングのうちの少なくとも１つは、高反射損失を有する。

スペクトル選択鏡５２および５６は、共振器鏡の表面３２および３４から突出またはそれから奥まった所に置かれることなく、他の発光帯を抑制する。しかしながら、それらは、他の実施形態として、スペクトル選択性を向上させるために突出するまたは奥まった所に置かれるようにも配置され得る。スペクトル選択鏡のコーティングされた表面と共振器鏡の表面との間の距離が、所望される発光帯に関する損失を最小化し、他の発光帯をさらに抑制するように選択される。

スペクトル選択鏡５２および５６は、描写されるような平坦な表面を有し得、それは、共振器鏡と同一の曲率または異なる表面曲率を有する表面を有し得る。表面曲率は、スペクトル選択鏡の間に安定レーザ共振器を形成するように選択され得る。安定レーザ共振器は、主として所望される発光帯におけるレーザ照射を生成し、それは、所共振器鏡１２、１４によって形成される不安定レーザ共振器の中への回折によって漏出するであろう。安定レーザ共振器は、それによって、事実上、所望される発光帯におけるレーザ照射を不安定レーザ共振器にシード（ｓｅｅｄ）する。

レーザ５０は、各共振器鏡の表面全体を覆うスペクトル選択コーティングを有する従来技術設計よりも信頼性がある。レーザ５０では、スペクトル選択鏡５２および５６は、レーザ照射によって照明される共振器鏡１２および１４の表面領域の比較的に小さい部分を占める。好ましくは、照射される表面積の小さい部分は、１５％を下回るべきであり、最も好ましくは、５％を下回るべきである。上で説明される例示的ＣＯ_２レーザに対して、例示的スペクトル選択鏡５２および５６は、約４ｍｍの直径を有する円形に成形される。スペクトル選択表面は、共振器鏡の総放射表面積の約２％を占め、それによって、従来技術設計と比較すると、粒子によって誘発される光学損傷に対するリスクをそれに応じて低減させる。共振器鏡表面の小さい部分上にのみスペクトル選択コーティングを有することの追加の利点は、より少ないその全体的加熱である。スペクトル選択コーティングは、より薄い広帯域幅コーティングより吸収性である。レーザ５０は、両方の共振器鏡に含まれるスペクトル選択要素を有するように描写されるが、多くの事例では、十分なスペクトル選択性は、共振器鏡のうちの１つにのみ含まれるスペクトル選択要素を有することによって達成され、それによって、光学損傷に対するコストおよびリスクをさらに低減させる。

図５Ａは、本発明によるレーザ装置６０のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する断面における平面図である。レーザ６０は、右側の共振器鏡１４が、光学軸１８と同心である、表面３４から突出する複数の（ここでは３つの）階段状表面を有するスペクトル選択構造６２を含むことを除き、図１Ｃのレーザ１０に類似する。表面６４ａは、距離ｄ_４突出し、表面６４ｂは、距離ｄ_５突出し、表面６４ｃは、距離ｄ_６突出する。距離ｄ_４、ｄ_５、およびｄ_６は、所望される発光帯の中心波長の異なる半整数にほぼ等しい。図５Ｂは、（表面３４に面する）端面図であり、図５Ｃは、レーザ６０のさらなる詳細を図式的に例証する（断面における）側面図である。

スペクトル選択構造６２の動作の原理は、図１Ｃのスペクトル選択要素２４および２６と同一であり、それによって、所望される発光帯に対して、表面３４、６４ａ、６４ｂ、および６４ｃから反射されるレーザ照射間に建設的干渉が存在する。他の発光帯の照射に対して、これらの表面からの正反射が、位相を異にするであろう。代わりに、反射照射は、光学軸１８から離れるように回折され、それによって、著しい増幅なくレーザ共振器１６から喪失される。スペクトル選択構造６２は、図１Ｃのスペクトル選択要素２４および２６より、他の発光帯の抑制において有効である。

スペクトル選択性は、表面３６および３８または階段状表面６４ａ、６４ｂ、および６４ｃ上にスペクトル選択コーティングを含むことによって、さらに改良され得る。距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_４、ｄ_５、およびｄ_６は、幾分小さく、例えば、１μｍ〜１０μｍの範囲内であり、従って、多層誘電コーティングを使用する設計は、コーティング自体の中へのレーザ照射の透過深度を考慮しなければならない。

スペクトル選択構造が、図５Ａ−５Ｃ内または左側の共振器鏡１２内に描写されるように、右側の共振器鏡１４に含まれ得る。スペクトル選択構造の階段状表面は、それぞれの共振器鏡の表面から突出するは、またはそこから奥まった所に置かれ得る。本発明者らは、左側の共振器鏡上に突出構造を有する構造は、所望される発光帯より波長が長い発光帯を抑制するために有利であると決定した。対照的に、左側の共振器鏡上に陥凹構造または右側の共振器鏡上に突出構造を有する構成は、より短い波長の発光帯の抑制に有利である。

図６Ａは、本発明によるレーザ装置７０のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する（表面３４に面する）端面図であり、図６Ｂは、（断面における）側面図である。レーザ７０は、図５Ａ−５Ｃのレーザ６０に類似するが、表面３４から距離ｄ_７突出する長方形表面７４の形態であるスペクトル選択構造７２を有する。スペクトル選択構造７２は、不安定レーザ共振器のＸＺ平面において、ＹＺ平面における高さよりはるかに幅広い。上で説明される例示的ＣＯ_２レーザに対して、例示的スペクトル選択構造７２は、約４ｍｍの幅および約０．２ｍｍの高さである。レーザ７０は、不安定レーザ共振器に対して、すなわち、Ｙ方向の軸の周りの回転に対して、整列に対してあまり敏感ではないという、レーザ６０に優る利点を有する。レーザ７０は、ベクトルＴによって示されるように、スペクトル選択構造７２を光学軸１８に沿って平行移動させることによって、発光帯間で調節されることができる。

図７Ａは、本発明によるレーザ装置８０のさらに別の実施形態の詳細を図式的に例証する（表面３４に対面する）端面図であり、図７Ｂは、（断面における）側面図である。レーザ８０は、図６Ａおよび６Ｂのレーザ７０に類似するが、表面３４から突出する複数の（ここでは３つの）平行な長方形表面の形態であるスペクトル選択構造８２を有する。表面８４ａ、８４ｂ、および８４ｃの全ては、表面３４から距離ｄ_８突出する。スペクトル選択構造８２は、図６Ａおよび６Ｂのスペクトル選択構造７２より、他の発光帯を抑制することにおいて有効である。レーザ７０および８０は、長方形の突出表面を有するが、不安定レーザ共振器に対する整列感度は、不安定レーザ共振器の平面内で向けられる他の細長い形状を有する突出表面を使用して低減されることができる。

本明細書に教示される原理から、当業者は、スペクトル選択構造の他の形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、提示される実施形態に対して代用され得ることを認識するであろう。例えば、別の形態は、長方形表面の各々から反射される所望の発光帯における照射の建設的干渉のために配置される階段状の長方形表面の配置である。

図８Ａ−８Ｃは、時間の関数としてのＣＯ_２ガス混合物の発光帯におけるモデル化された電力割合を描写するグラフである。図８Ａ−８Ｃの全ては、同じ時間尺度に描かれ、それは、レーザ共振器内の照射の数百回の往復に対応する。図８Ａは、ここでは９．３μｍの発光帯である所望される発光帯に対するスペクトル選択コーティングで完全にコーティングされた共振器鏡を有する従来技術設計に関する。両方の鏡が、９．３μｍにおいて１００％の反射率を有する。一方の共振器鏡コーティングが、９．６μｍにおいて７５％の反射率を有する。他方の共振器鏡コーティングが、１０．２μｍにおいて６０％の反射率および１０．６μｍにおいて４０％の反射率を有する。所望される９．３μｍの発光帯における安定した動作が、レーザ共振器内の少数回の往復の後、確立される。

図８Ｂは、スペクトル選択構造６２が、表面３４から突出する４つの階段状表面を有し、階段状表面が、所望される９．３μｍの発光帯を選択的に反射するように配置される図５Ａ−５Ｃのレーザ６０に関する。スペクトル選択構造の全体的直径は、約０．８７ｍｍである。これらの表面の全ては、発光帯の全てに対して高反射率を有する。図８Ｂは、レーザ６０が、いかなる高価かつ損傷されやすいスペクトル選択コーティングも有することなく、所望される発光帯内で実質的に排他的かつ安定した動作を行うことが可能であることを図示する。

図８Ｃは、高反射面３２および３４を有する図４のレーザ５０に関する。スペクトル選択鏡５２および５６は、各々、光学軸１８上に中心を置かれ、共振器鏡の照射面積の約２％に対応する４ｍｍの直径を有する。スペクトル選択コーティング５４および５８は、所望される９．３μｍの発光帯に対して１００％の反射率を有する。コーティング５４は、９．６μｍにおいて７５％の反射率、１０．２μｍにおいて１００％の反射率、および１０．６μｍにおいて１００％の反射率を有する。コーティング５８は、９．６μｍにおいて１００％の反射率、１０．２μｍにおいて６０％の反射率、および１０．６μｍにおいて４０％の反射率を有する。これらのコーティングの性質が、図８Ｃのレーザ５０と図８Ａの従来技術レーザとを直接比較可能にする。図８Ｃは、レーザ５０が、所望される発光帯において排他的かつ安定した動作を実施することが可能であることを図示するが、スペクトル選択コーティングは、レーザ照射によって照明される共振器鏡の表面積の小さい部分のみを覆う。

図９は、図１Ａのレーザ１０の不安定レーザ共振器内の光線９０の伝搬を図式的に例証する横断面における平面図である。レーザ１０は、当業者によって「負分岐不安定共振器」として公知である構成を有する。光線９０は、例証の明確化のため、本明細書では白色破線として描写されている光学軸１８に近接する場所において励起された利得媒質における自発放射によって生成される。光線９０は、最初、光学軸にほとんど平行に伝搬し、その後、共振器鏡１２と１４との間の蛇行経路を辿り、最終的に、ある場所から右側の共振器鏡１４の外側縁に向かった最終反射の後、レーザ共振器から退出する。光線９０は、励起された利得媒質を通した各通過中に誘導放出によって増幅される。矢印は、最後の数回の通過中の光線９０の伝搬方向を示す。

図９は、本発明に利用されるそのような不安定共振器の特性を図示し、光学軸に近接して生じる光線は、光学軸に近い高い反射密度を伴って各共振器鏡から何度も反射される。これらの光線は、非常に増幅される。対照的に、光学軸から離れて生じる光線は、レーザ共振器の数回の通過のみをもたらし、弱くしか増幅されないであろう。光学軸に近接した各共振器鏡上の小さいエリアは、したがって、レーザ共振器の挙動に大きい影響を有し、スペクトル選択要素、スペクトル選択コーティング、またはスペクトル選択構造に対して有利な場所である。

図３に戻ると、スペクトル選択要素４２の例示的平坦表面４４と共振器鏡１４の表面３４とが、上で説明される様式で、不安定レーザ共振器にシードする安定レーザ共振器を協同して形成する。描写される発光帯間の調整は、スペクトル選択要素の平行移動および安定レーザ共振器によって提供されるシードの両方の関数である。一般的に、不安定レーザ共振器の光学軸上に安定レーザ共振器を形成することは、提示されるスペクトル選択要素のいずれかを使用して得られる所望される発光帯におけるスペクトル純度を改良する。そのような安定共振器の動作は、各スペクトル選択要素の精密な表面形状に敏感である。実際に、スペクトル選択性は、不安定レーザ共振器の光学軸に近接する任意の反射面の精密な形状に敏感である。

１０％を上回る反射損失をもたらすスペクトル選択要素は、多くの事例において、利得媒質の他の発光帯におけるレーザ放出を抑制するために十分である。２０％を上回る反射損失が、所望される発光帯における最も信頼性のある連続動作のために好ましい。

本発明は、４．５μｍ〜６．０μｍのＣＯレーザ動作に適用されることができるが、ＣＯレーザ照射は、１つの広発光帯を有するカスケードプロセスを介しても生じる。ＣＯレーザに対する問題は、９μｍ〜１１μｍのＣＯ_２発光帯において生じる名目上ＣＯガス混合物内のＣＯ_２分子によるスプリアス発射である。帯域選択要素が、ＣＯレーザ内のＣＯ_２発光帯を抑制するために使用されることができる。

提示される実施形態は、共振器鏡の中に挿入される形態のスペクトル選択要素および構造を有するが、これらの構造は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、共振器鏡自体内に形成されることができる。例えば、構造は、その製作中、直接、共振器鏡の中に機械加工され得る。同様に、スペクトル選択コーティングが、直接、共振器鏡表面の一部上で成長させられ得る。

本発明は、好ましい実施形態および他の実施形態の観点から上で説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付される請求項によってのみ限定される。

Claims (39)

1. レーザ装置であって、前記レーザ装置は、
   複数の発光帯を有する利得媒質と、
   第１および第２の共振器鏡と
   を備え、
   各共振器鏡は、反射面を有し、前記共振器鏡は、前記利得媒質の周囲に配置され、不安定レーザ共振器を形成し、前記不安定レーザ共振器は、光学軸を有し、
   前記共振器鏡のうちの少なくとも１つは、スペクトル選択要素を含み、前記スペクトル選択要素は、前記少なくとも１つの共振器鏡の反射面の３０％を下回る部分を占め、前記スペクトル選択要素は、前記光学軸上に位置し、前記スペクトル選択要素は、所望される発光帯に対する約４％を下回る反射損失と、他の発光帯に対する１０％を上回る反射損失とを有し、
   前記利得媒質を励起することは、前記所望される発光帯において、前記他の発光帯におけるより高い電力を有するレーザ照射を前記不安定レーザ共振器から生成する、
   レーザ装置。
2. 前記利得媒質は、二酸化炭素を含むガス混合物である、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記利得媒質は、一酸化炭素を含むガス混合物である、請求項１に記載のレーザ。
4. 前記他の発光帯に対する前記反射損失は、約２０％を上回る、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ。
5. 前記スペクトル選択要素は、前記少なくとも１つの共振器鏡の前記反射面の約１５％を下回る部分を占める、請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ。
6. 前記スペクトル選択要素は、前記少なくとも１つの共振器鏡の前記反射面の５％を下回る部分を占める、請求項５に記載のレーザ。
7. 前記スペクトル選択要素は、前記反射面の他の部分から突出しているか、またはそれから奥まった所に置かれている、請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ。
8. 前記所望される発光帯は、スペクトル選択要素が突出する距離、または奥まった所に置かれる距離を設定することによって選択される、請求項７に記載のレーザ。
9. 前記所望される発光帯は、中心波長を有し、前記スペクトル選択要素が突出する距離、または奥まった所に置かれる距離は、前記中心波長の半整数にほぼ等しい、請求項８に記載のレーザ。
10. スペクトル選択要素が、前記光学軸に沿って平行移動させられ、前記スペクトル選択要素が突出する距離、または奥まった所に置かれる距離を変更し、それによって、前記発光帯間で前記レーザ照射を調整する、請求項８に記載のレーザ。
11. 前記スペクトル選択要素は、前記少なくとも１つの共振器鏡の中に挿入されている、請求項７〜１０のいずれかに記載のレーザ。
12. 前記スペクトル選択要素は、その製作中に前記少なくとも１つの共振器鏡の中に機械加工される、請求項７〜１０のいずれかに記載のレーザ。
13. スペクトル選択要素は、前記第１および第２の共振器鏡の各々に含まれる、請求項１〜１２のいずれかに記載のレーザ。
14. 前記第１の鏡と前記第２の鏡におけるスペクトル選択要素とは、安定レーザ共振器を形成し、前記安定レーザ共振器は、主として前記所望される発光帯におけるレーザ照射を生成し、前記安定共振器によって生成されたレーザ照射は、前記不安定レーザ共振器の中に漏出し、それによって、前記不安定レーザ共振器にシードする、請求項１〜１３のいずれかに記載のレーザ。
15. 前記第１の鏡におけるスペクトル選択要素と前記第２の鏡におけるスペクトル選択要素とは、安定レーザ共振器を形成し、前記安定レーザ共振器は、主として前記所望される発光帯におけるレーザ照射を生成し、前記安定共振器によって生成されたレーザ照射は、前記不安定レーザ共振器の中に漏出し、それによって、前記不安定レーザ共振器にシードする、請求項１〜１４のいずれかに記載のレーザ。
16. 前記スペクトル選択要素は、平坦な反射面を有する、請求項１〜１５のいずれかに記載のレーザ。
17. 前記スペクトル選択要素は、湾曲した反射面を有する、請求項１〜１５のいずれかに記載のレーザ。
18. 前記スペクトル選択要素は、スペクトル選択コーティングを有するスペクトル選択鏡である、請求項１〜１７のいずれかに記載のレーザ。
19. 前記スペクトル選択コーティングは、前記少なくとも１つの共振器鏡の３０％未満の部分上で成長させられるスペクトル選択コーティングである、請求項１８に記載のレーザ。
20. 前記スペクトル選択要素は、複数の階段状表面を有する構造である、請求項１〜１９のいずれかに記載のレーザ。
21. 前記階段状表面は、前記光学軸と同心である、請求項２０に記載のレーザ。
22. 前記階段状表面は、形状において長方形である、請求項２０に記載のレーザ。
23. 前記所望される発光帯は、中心波長を有し、前記階段状表面の各々は、前記反射面の他の部分からある距離突出するか、またはそれから奥まった所に置かれ、前記距離は、前記中心波長の半整数にほぼ等しい、請求項２０〜２２のいずれかに記載のレーザ。
24. 前記スペクトル選択要素は、前記反射面の他の部分から突出しているか、またはそれから奥まった所に置かれている細長い表面の形態である、請求項１〜２３のいずれかに記載のレーザ。
25. 前記細長い表面は、前記不安定レーザ共振器の平面内で向けられている、請求項２４に記載のレーザ。
26. 前記細長い表面は、形状において長方形である、請求項２４または請求項２５に記載のレーザ。
27. 前記スペクトル選択要素は、前記反射面の他の部分から突出しているか、またはそれから奥まった所に置かれている複数の平行な細長い表面の形態である、請求項１〜２６のいずれかに記載のレーザ。
28. 前記細長い表面は、前記不安定共振器の平面内で向けられている、請求項２７に記載のレーザ。
29. 前記不安定レーザ共振器は、負分岐不安定共振器である、請求項１〜２８のいずれかに記載のレーザ。
30. レーザ装置であって、前記レーザ装置は、
    複数の発光帯を有する利得媒質と、
    第１および第２の共振器鏡と
    を備え、
    各共振器鏡は、反射面を有し、前記共振器鏡は、前記利得媒質の周囲に配置され、不安定レーザ共振器を形成し、前記不安定レーザ共振器は、光学軸を有し、
    前記共振器鏡のうちの少なくとも１つは、前記反射面の他の部分から突出しているか、またはそれから奥まった所に置かれているスペクトル選択要素を含み、前記スペクトル選択要素は、前記少なくとも１つの共振器鏡の反射面の１５％を下回る部分を占め、前記スペクトル選択要素は、前記光学軸上に位置し、前記スペクトル選択要素は、前記所望される発光帯に対して、他の発光帯に対する反射損失を下回る前記反射損失を有し、
    前記利得媒質を励起することは、前記所望される発光帯において、前記他の発光帯におけるより高い電力を有するレーザ照射を前記不安定レーザ共振器から生成する、レーザ装置。
31. 前記利得媒質は、二酸化炭素を含むガス混合物である、請求項３０に記載のレーザ。
32. 前記発光帯は、約９．３μｍ、９．６μｍ、１０．２μｍ、および１０．６μｍの中心波長を有する、請求項３１に記載のレーザ。
33. 前記スペクトル選択要素は、前記所望される発光帯に対する４％を下回る反射損失と、前記他の発光帯に対する１０％を上回る反射損失とを有する、請求項３０〜３２のいずれかに記載のレーザ。
34. 前記スペクトル選択要素は、複数の階段状表面を有する構造である、請求項３０〜３３のいずれかに記載のレーザ。
35. レーザ装置であって、前記レーザ装置は、
    複数の発光帯を有する利得媒質と、
    第１および第２の共振器鏡と
    を備え、
    各共振器鏡は、反射面を有し、前記共振器鏡は、前記利得媒質の周囲に配置され、不安定レーザ共振器を形成し、前記不安定レーザ共振器は、光学軸を有し、
    前記共振器鏡のうちの少なくとも１つは、スペクトル選択要素を含み、前記スペクトル選択要素は、前記共振器の光学軸に沿って平行移動可能であり、
    前記スペクトル選択要素の表面は、スペクトル選択コーティングを提供され、前記スペクトル選択要素の前記コーティングされた表面は、前記少なくとも１つの共振器鏡の反射面の１５％を下回る部分を占め、
    前記スペクトル選択コーティングと、前記コーティングされた表面と前記反射面との間の距離とは、前記所望される発光帯に対して、他の発光帯に対する反射損失を下回る前記反射損失を生成するように選択され、
    前記利得媒質を励起することは、前記所望される発光帯において、前記他の発光帯におけるより高い電力を有するレーザ照射を前記不安定レーザ共振器から生成する、レーザ装置。
36. 前記利得媒質は、二酸化炭素を含むガス混合物である、請求項３５に記載のレーザ。
37. 前記発光帯は、約９．３μｍ、９．６μｍ、１０．２μｍ、および１０．６μｍの中心波長を有する、請求項３６に記載のレーザ。
38. 前記スペクトル選択要素は、前記所望される発光帯に対する４％を下回る反射損失と、前記他の発光帯に対する１０％を上回る反射損失とを有する、請求項３５〜３７のいずれかに記載のレーザ。
39. 前記反射損失は、前記他の発光帯に対して２０％を上回る、請求項３８に記載のレーザ。