JP2020526910A - 多層電極アセンブリ - Google Patents

Abstract

多層電極アセンブリのためのシステムと技術が一般に記載される。いくつかの例において、多層電極アセンブリは、第１の誘電体材料を備えることができる。いくつかの例において、第１の誘電体材料は、内面により定義されたチャネルを形成するように成形することができる。種々の例において、前記多層電極アセンブリは、第１の誘電体材料の外面の第１の部分に隣接して配置される。種々のさらなる例において、前記多層電極アセンブリは、第１の誘電体材料の外面の、第２の部分に隣接して配置された第２の金属層を備えることができる。いくつかの例において、第１の金属層は、第２の金属層と、第１の離間した関係で配置することができる。種々の例において、電圧が多層電極アセンブリに印加されると、実質的に均一な電界を、第１の誘電体材料のチャネルに発生することができる。
【選択図】図１

Description

この出願は、一般に、電極アセンブリに関し、特に、分子ガスレーザのような、均一な電界を発生する電極アセンブリに関する。

レーザガスの均一な励起は、オーバポンピングが、ガス内の光学利得の局部的劣化を導く可能性がある、ＣＯ_２およびＣＯレーザのような分子ガスレーザの場合に、特に重要である。さらに、一般的に、電気的にポンピングされたガスレーザは、高パルスエネルギ状態下で形成される不安定さに悩まされる可能性がある。電気的放電不安定性は、レーザ電極を破損する可能性がある、非常に強いアーク放電を招く可能性があるか、または非常にまれであるが、高モード品質のレーザビームを生成するための、ガス放電利得媒体の光学的品質を、使い物にならなくする可能性がある。ガス放電の不安定性の避けられない発現（onset）の前に、ガスに預託させる（deposited）ことができるエネルギ量を増大させるために、パルス化された高エネルギガスレーザに、高度の初期ガス放電不均一性が使用される可能性がある。

伝統的に、ガスレーザは、低ガス圧（約１０乃至１００トール）の連続波（ＣＷ）で動作するか、または高ガス圧（約３００乃至７６０トール）のパルスレーザとして動作していた。低ガス圧では、ガスレーザは、典型的に小さな、横方向のガス放電寸法（約１乃至４ｍｍ）を有し、レーザプラズマの両極性拡散の高レートに依存することにより、ある程度の放電均一性を産出している。さらに、追加のヘリウムが、低圧ガスレーザの混合ガスに追加されて、両極性拡散をさらに増強して、放電均一性を改善する。高ガス圧において、ガスレーザは、通常、大きすぎて両極性拡散を実用化できない、横方向の放電寸法を有する。高圧ガスレーザは、伝統的に、特別にプロファイルされた（profiled）電極をして、ガス放電を生じる非常に良好な均一の電界条件を達成してきた。

プロファイルされた（profiled）電極は、典型的に、中央領域に、非常に少量の、電界歪のみを導入しながら、中央領域の両側に、電界強度を漸次低減するように選択された、プロファイルされた電極領域とともに、平面で、並行する、電極形状（electrode geometry）を有した中央領域を利用する。プロファイルされた電極アセンブリ内のガス放電は、通常中央領域に制約され、正方形または長方形の断面を有する。残念なことに、レーザの最低次光学モードは、円形または楕円形の断面を、おそらく有し、プロファイルされた電極アセンブリの放電断面に、ふさわしくない。プロファイルされた電極アセンブリのガス放電に預託された、エネルギの約２０％が、レーザの光キャビティに存在せず、無駄に消費されるであろう。

エネルギを消費する平面電極よりは、むしろ、曲線状の電極を、円筒断面の周りに使用することができる。結果として得られる電界は、光学モード断面を充填するが、不幸なことに不均一である。高ガス圧において、曲線状の電極アセンブリの、レーザガスを介して流れるＲＦ電流は、光学モード断面の両側に、フォーカスされ、大部分が電極アセンブリの中央のガスをバイパスする。電界の不均一性は、またレーザアセンブリの効率性も低減させるであろう。

多層電極アセンブリのためのシステムと方法が提供される。この開示の実施形態に従って、多層電極アセンブリが一般に記載される。種々の例において、多層電極アセンブリは、外面と内面を有する第１の誘電材料を備えることができる。第１の誘電材料は、内面により定義されたチャネルを形成するように成形することができる。種々のさらなる例において、多層電極アセンブリは、第１の誘電材料の外面の、第１の部分に隣接して配置された、第１の金属層を備えることができる。いくつかのさらなる例において、多層電極アセンブリは、第１の誘電材料の外面の、第２の部分に隣接して配置された、第２の金属層を備えることができる。いくつかの例において、第１の金属層は、第２の金属層と、第１の離間した関係で、配置することができる。種々のさらなる例において、均一な電界は、電圧が駆動電極により、多層電極アセンブリに印加されるとき、第１の誘電材料のチャネルに生成することができる。ここに使用されるように、「実質的に」均一の電界は、少なくとも８５％の均一性がある電界を指す。

この開示のさらに他の実施形態は、ここに記載された種々の技術を実行することを考慮した最適モードで実施形態が説明される、以下の詳細な記述から当業者には明らかであろう。実現されるように、種々の実施形態は、他のおよび異なるインプリメンテーションが可能であり、ここに記載された種々の詳細は、この開示の精神と範囲を逸脱することなく、すべてが種々の観点で変更することが可能である。したがって、図面と詳細な記述は、本質的に例示としてみなされ、制限するものとみなされない。

図１は、この開示の種々の観点に従う多層電極アセンブリの断面図を描画する。 図２は、この開示の種々の実施形態に従う、１つまたは複数の電極アセンブリを備えるレーザシステムの斜視図を描画する。 図３は、この開示の種々の観点に従う、非均一に離間した金属層からなる多層電極アセンブリの一例を描画する。 図４Ａは、この開示の種々の観点に従う、θ座標に沿って、均一に離間した電極を有する、多層電極アセンブリ内の、金属電極層間のキャパシタンスの分散の例示シミュレーションを描画する。 図４Ｂは、この開示の種々の観点に従う、θ座標に沿って、均一に離間した電極を有する、多層電極アセンブリ内の、金属電極層間のキャパシタンスの分散の例示シミュレーションを描画する。 図５Ａは、この開示の種々の態様に従う、ｙ座標に沿って、均一に離間した電極を有した、多層電極アセンブリの、メタル電極層間のキャパシタンスの分散の例示シミュレーションを描画する。 図５Ｂは、この開示の種々の態様に従う、ｙ座標に沿って、均一に離間した電極を有した、多層電極アセンブリの、メタル電極層間のキャパシタンスの分散の例示シミュレーションを描画する。

以下の記述において、この開示のいくつかの実施形態を説明する添付図面に、参照符号が付される。他の実施形態を利用することができ、システムまたはプロセスの変更は、この開示の精神および範囲から逸脱することなく行うことができることに留意されたい。以下の詳細な記述は、限定する意味でなされたものではなく、この開示の実施形態の範囲は、交付済み特許の特許請求の範囲によってのみ定義される。図面は、必ずしも縮尺どおりではないことを理解されたい。

この開示の種々の実施形態は、多層電極アセンブリの、チャネル内の均一な電界のための、改良されたシステムと方法を提供する。これらの実施形態は、高品質ガスレーザの光学モードボリュームにおいて、または、均一な電界を必要とする、および／または均一な電界から利益を得る他のシステムにおいて、均一な電界を提供することができる。さらに、ここに記載した種々の技術は、レーザガスチャネルが、円筒状のチューブのような、および／または非方形状／非平行６面体の、形状および／または配置で、形成されるときに提起される、種々の技術的課題を克服する。均一な電界は、電界内の任意の２つのポイントにおける、同じ電界強度（大きさと方向の両方）を有する電界を指すことができる。電界は、変化する均一度を有することができ、例えば、９５％の均一性である電界は、電界が存在する空間体積の９５％が、全体的に同じ電界強度を有することができる

電界の均一性は、ここに記載されるように、測定することができる。種々の例において、電界をシミュレートすることができる、任意の有限要素解析（ＦＥＡ）ソフトウエアを、以下の技術に従って使用することができる。たとえば、ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを使用して、関心のある領域（ＲＯＩ）内の、電界の均一性を決定することができる。種々の例において、境界遷移と、フリンジ効果（boundary transitions and fringe effects)を正確に考慮することができる、エレメントサイズを選ぶことが重要である。さらに、以下の方法に対して、電極の長さは、利得媒体内部の電界のほとんどが、（例えば、レーザガスチャネル内の）ボア軸（bore axis）に沿って、不変であると考えることができるように、十分長いと仮定する。電極アセンブリと、レーザガスチャネル（たとえば、セラミックチューブ）の２次元モデルは、ＦＥＡシミュレーションソフトウエア内に、作ることができる。以下に詳述するように、アセンブリの異なる領域に対して、ＦＥＡシミュレーションソフトウエアに、適切な誘電特性を入力することができる。電位が、シミュレーション内の適切なロケーションに、印加される。次に、ＦＥＡシミュレーションソフトは、レーザガス放電ボア（例えば、セラミックチューブまたは他のレーザガスチャネル）内の電界を、計算することができる。

ＸおよびＹ軸（Ｚ軸は、レーザガスチャネルに沿っている）における電界の大きさは、データポイント毎に計算される。このデータセットからの、電界の大きさの最大値が、決定される。データセットは、最大値により分割される（例えば、データセットは、正規化される）。正規化されたデータセットの最小値は、均一である。例えば、最低値が最大値の５０％である場合、放電領域の電界の均一性は、５０％であると考えることができる。電気放電は、最も高いポイントで起こる。レーザガス放電領域において、大きさの大きな差分を有することは、不均一な放電を生じる。従って、レーザガス放電領域内（例えば、チャネル３内）の電界の均一性を最大にすることは、有利である。

図１は、この開示の種々の実施形態に従って、多層電極アセンブリ１０の断面図を描画する。種々の例において、多層電極アセンブリ１０は、誘電体材料６から形成されたチャネル３の容積（volume）全体にわたって、またはチャネル３の体積（bulk）の全体に、高度の電界均一性を達成することができる。種々の例において、チャネル３の内部に発生された電界の均一性は、８０％を超える、９０％を超える、９５％を超える等である。いくつかの例において、チャネル３の内部に生成された電界の均一性は、使用される層の数、種々のコンポーネントの形状（例えば、層のエッジ、チャネル断面の形状、および誘電体材料６の断面）、層の相対的厚み、誘電体材料６に隣接して配置された、層のエッジの形状等のような、種々のパラメータに依存することができる。

いくつかの例において、多層電極アセンブリ１０は、チャネル３内に位置する、ガスからの熱の流れを、大いに強化しながら、ガスレーザの、最も低いオーダの光学モデルに対して、高度の電界均一性を、チャネル３全体にわたって発生するように、使用することができる。多層電極アセンブリ１０は、誘電体材料６及びチャネル３を取り囲むように、熱伝導性金属、および誘電体材料６の複数の層を導入することにより、強化された熱の流れを達成することができる。たとえば、多層電極アセンブリ１０は、レーザの光学モードボリューム内のガスから、熱を転送するのに効果的であり得る。金属および誘電体材料の、交互の層は、レーザの光学モードボリューム内の、均一な電界の近似（a close approximation）を産出することができる、境界条件を課する。図１は、１０の誘電体層８でインターリーブされる（interleaved）、９つの金属層７の使用を説明する多層電極アセンブリ１０を、描画する。９つの金属層７と、１０の誘電体層８が、例示目的のために、図１に示されるけれども、金属層７と誘電体層８の種々の異なる数と構成を、この開示の種々の態様および実施形態に従って、使用することができることに留意されたい。さらに、少なくともいくつかの例において、金属層７、および／または誘電体層８の１つまたは複数は、互いに非平行であり得る。たとえば、少なくともいくつかの実施形態において、金属層７は、誘電体材料６の外面に、放射状に配置することができる。金属層７は、誘電材料６から熱を逃がすように、誘電材料６の外側と、密接に熱接触するように、配置することができる。誘電体層８の材料は、金属層７を互いに電気的に絶縁するように、機能する。図１に示すように、いくつかの例において、誘電体材料６は、楕円または円形の断面を有する管状構造を形成することがでる。誘電体材料６が円筒状、円形状、または管状形状に形成され、金属層７の遠心端（例えば、誘電体材料６より遠位に位置する、金属層７の端部）は、誘電体材料６の曲線形状により、互いにチャネル３の中心点から異なる距離に、延伸することができる。

図２は、この開示の種々の実施形態に従う、レーザシステム２００の斜視図を描画する。レーザシステム２００は、誘電体管２２６を共有する、２つの多層電極アセンブリを利用する。説明の目的のために、図２は、２つの多層電極アセンブリのみを描画するが、任意の数の電極アセンブリを、使用することができることが、理解される。

レーザシステム２００の多層電極アセンブリは、誘電体層と金属層を交互に配置するスタック２２５の対向側にある、金属電極２２４を含むことができる。種々の例において、スタック２２５の誘電体層は、キャパシタ、および／または空きスペースと交換可能である。誘電体管２２６は、多層電極アセンブリの一部と考えることができる。種々の例において、誘電体管２２６は、セラミック、および／または他の誘電体材料を含むことができる。種々の他の実施形態、および以下に、さらに詳細に記載するように、スタック２２５の代わりに、多層電極アセンブリは、誘電体管２２６の周りに、放射状に位置する、不均一に離間した、金属板を備えることができる。さらに、種々の他の実施形態において、誘電体管２２６の代わりに、異なる形状の誘電体材料を使用することができる。例えば、内部チャネルを定義する平行６面体構造を使用することができる。

いくつかの例において、多層電極アセンブリの金属電極２２４は、平面であり得る。いくつかの例において、金属電極２２４は、スタック２２５より短くすることができる。誘電体層と金属層の交互のスタック２２５は、誘電体電極アセンブリの各端部における誘電体管２２６の直径の、少なくとも半分の寸法だけ、金属電極２２４より、一般的に長くすることができる。金属電極２２４の端部を超えて、スタック２２５を延伸することにより、誘電体電極アセンブリの端部における電界歪は、最小化することができ、金属電極２２４間の電気的故障経路は、延伸することができる。同様に、スタック２２５はまた、誘電体電極アセンブリの、各側の金属電極２２４間の、電気的故障経路を延伸するために、金属電極２２４より広くすることができる。

高度の電界均一性（例えば、９０％以上の均一性）は、誘電体管２２６の、放電ボリュームの大部分に、生成することができる。電界の不均一性を最小化するために、スタック２２５の誘電体層は、金属電極２２４の端部を超えて、延伸することができる。いくつかの例において、スタック２２５は、スタック２２５の金属層の端部が、誘電体材料に埋め込まれた、多層印刷回路基板（ＰＣＢ）として組み立てることができる。多層ＰＣＢ構造の端部で、誘電体材料は、電界を、漸次低減するように機能する。さらに、ＰＣＢ構造の誘電体材料は、横方向に（例えば、誘電体管２２６の長軸に垂直の方向に）金属層のエッジを超えて、延伸することができる。ＰＣＢ構造の、誘電体材料の横方向の延伸は、金属電極２２４の、側面エッジ間の電気的故障を防止するための、ポッティング（potting）として機能する。

多層電極アセンブリは、事実上時間変化することができる、電源２１０により、励起することができる。電源２１０は、例えば、無線周波数（ＲＦ）サイン波源、または高速に立ち上がる、および／または立ち下がるエッジを有した方形波パルスから構成することができる。

いくつかの例では、本明細書に記載の多層電極アセンブリの、1つまたは複数を含むレーザ装置は、硬組織用途（hard tissue applications）で使用される歯科用レーザで使用することができる。そのような例において、電源２１０により提供される平均電力は、安全のために、約１ワット未満であり得る。そのようなアプリケーションでは、電源２１０のピーク電力は、約５００ワットから約２０００ワットまで変化することができる。種々の他の例において、ここに記載した多層電極アセンブリの、１つまたは複数を含むレーザデバイスは、骨の切削（cutting）および／掘削（drilling）のような、他の医用アプリケーションで使用することができる。そのような例では、電源２１０は、より高い、平均およびピーク電力を供給することができる。たとえば、電源２１０は、約１０−５０ワットの平均電力と、約５キロワットより高い、ピーク電力を供給することができる。

いくつかのさらなる例において、ここに記載した多層電極アセンブリの、１つまたは複数を含むレーザデバイスは、軟組織アプリケーション（soft tissue applications）（例えば、軟組織ＣＯ_２医用レーザ）に使用することができる。ここに記載された多層電極アセンブリは、軟組織医用レーザに組み込まれると、十分に高いピーク電力の、より短い光学パルスが、軟組織に対して、外科用メスと等価な、切削性能を生じさせる（たとえば、約１日の、相対的に短い治療時間を生じさせる）ことを可能にする。さらに、ここに記載されていない、種々の他の医用アプリケーションが可能である。ここに記載した、多層電極アセンブリを組み込んだ、種々の医用レーザの平均およびピーク電力は、所望のアプリケーションに従って、構成することができる。さらに、種々の他の例において、ここに記載された金属電極アセンブリは、高度に均一な電界の発生が有利である、他の非医用レーザデバイス、および／または非レーザデバイスに使用することができる。

多層電極アセンブリの、１つまたは両方に関して、レーザアセンブリ２００のフレーム２１３に隣接した、金属電極２２４の１つは、レーザアセンブリ２００のフレーム２１３に、電気的に接続することができる。他の例として、金属電極２２４は、レーザアセンブリ２００のフレーム２１３から、電気的に絶縁することができる。電源２１０を独立して動作させることが望ましいので、金属電極２１４は、電気的シールドとして作用するように、誘電体電極アセンブリ間に、位置することができる。金属パーティション（a metal partition）２１４は、誘電体管２２６が、多層電極アセンブリ間の結合から、最小量の電気的エネルギを維持しながら、金属パーティション２１４を通過可能にするのに十分な、丁度の大きさの、小さな開口を有することができる。誘電体管２２６の端部は、ガス密封によって、レーザミラーマウント２１１に接続される。レーザミラーマウント２１１は、誘電体管２２６の端部と、レーザミラー２１２との間の、遮るものが無い光学経路を提供する。明瞭性のために、唯一のレーザミラー２１２が示されている。図２で描画された図では、唯一のレーザミラー２１２が見えているが、レーザミラー２１２は、レーザミラーマウント２１１の面上で、誘電体管２２６の軸に垂直に取り付けられることが理解されなければならない。レーザミラーマウント２１１は、レーザミラー２１２を、互いに固定された位置に、堅固に保持するためにレーザアセンブリ２００のフレーム２１３に、取り付けられる。

ここに描画され、記載された多層電極アセンブリの代わりに、他の電極アセンブリは、高圧ガスレーザ（例えば、放電領域内のガス圧が、約１００トール乃至約３００トール、および／または約３００トール乃至約７６０トール）にプロファイルされた電極を使用することができる。他の例において、電極アセンブリは、放電領域内のガス圧が、約１０トールから約３００トールである、ガスレーザのプロファイルされた電極を使用することができる。ここでは、用語「約」は、種々の実施形態において、記載された値、または値の範囲から約＋／−１％、５％または１０％の許容値を指す。プロファイルされた電極は、典型的に、平面で平行な、電極形状を有した中央平面領域を、平面の中央領域の側面に対するプロファイルされた、電極エッジとともに利用する。この電極形状は、一般的に、最小量の電界歪のみを、中央領域に導入しながら、中央領域（すなわち、電極の平面部分間の領域）の両側の電界強度を、漸次低減するように選択される。プロファイルされた、電極アセンブリのガス放電は、典型的に、電極の平面部分間の中央領域に制約され、従って、正方形または長方形の断面を有するであろう。残念なことに、レーザの最も低いオーダの光学モードは、円形または楕円である断面を有する可能性があり、それゆえ、プロファイルされた電極アセンブリの放電断面に、ふさわしくない。したがって、プロファイルされた電極アセンブリが、円形または楕円の断面を有するレーザで使用される場合、プロファイルされた電極アセンブリのガス放電に預託された、エネルギの約２０％が、レーザの光学キャビティに存在せず、無駄に消費されるであろう。

代替的に、ここに描画し、記載した多層電極アセンブリの代わりに、電極を、誘電体チャネル（例えば、誘電体管、または他のレーザガスチャネル）の他の面に一致するように成形することができる。さらに、一例において、上部電極と下部電極は、誘電体管の上部外面と下部外面の周りに曲げることができる。そのような電極形状が、連続波モードで動作され、外部金属電極に印加された無線周波数（ＲＦ）電圧により励起される低圧ガスに使用される場合、結果として生じる電界は、電極間の誘電体管の内部を充填するが、不均一であろう。そのような電極形状が、高いガス圧で使用される場合、電極アセンブリのレーザガスを介して流れるＲＦ電流は、誘電体管の内部の両側に、フォーカスする傾向があり、大部分、ガスを誘電体管の中央にバイパスさせるであろう。さらに、これらの正確に成形された電極を製造するプロセスは、複雑で、高価であり得る。

レーザの、最も低いオーダモードの断面に一致する断面を有した、均一なガス放電を産出する、電極アセンブリの他の例は、誘電体管を埋め込む誘電体材料により分離された、一対の平面の平行な金属電極を備えることができる。相対的な誘電体定数の、特定の値が電極アセンブリに選択された場合、レーザの、誘電体管の断面の光学モードボリュームに、均一な電界が存在するであろう。電極アセンブリの、誘電体定数の特定の値は、誘電体管の誘電体定数並びに、誘電体管の、内部および外部の、直径に依存する。

再び、図１を参照すると、レーザガスチャネルに均一な電界を産出するように、特別の誘電体特性を有する誘電体材料が選択される、従前に記載した電極アセンブリとは異なり、多層電極アセンブリ１０の誘電体層８の材料は、誘電体材料６の、チャネル３全体にわたって、高度の電界の均一性を達成しながら、任意の所望の値の、相対的な誘電体定数を有することができる。さらに、金属層７の熱伝導性に加えて、誘電体層８の材料は、相対的誘電体定数に関係なく、最も高い可能な熱伝導性を有するように選択することができ、さらに、多層電極アセンブリ１０の熱伝導性をさらに改良する。しかしながら、多層電極アセンブリ１０の設計において、金属層７がｙ次元（例えば、電極４の平面に垂直な寸法）において均一に離間している場合、均一な電圧降下が、各誘電体層８にわたってもたらされる。したがって、任意の隣接する金属層７ペア間のキャパシタンスは、金属層７が、均一にｙ次元に離間しているとき、一定の値である。さらに、任意の隣接した金属層７ペア間のキャパシタンスは、任意の他の隣接する金属層７のペア間のキャパシタンスに、＋／−０．１％、＋／−１％、＋／−２％、＋／−３％、１０％の許容度、または、その他の適切な許容度内で、等価であり得る。したがって、図１の多層電極アセンブリ１０は、金属層７の各々の幅（ｘ方向における）が、金属層７の各ペア間のキャパシタンスが等価になることを保証するために、等しくなるように描画されている。この結果、多層電極アセンブリ１０の各側面は、管形状の誘電体材料６の外側の輪郭と、ほぼ同じ形状の丸い輪郭を有している。いくつかの他の例において、誘電体材料６は、異なる形状（例えば、楕円形、長方形、正方形、多角形等）のチャネルを形成するように形成することができる。

多層電極アセンブリ１０の電極４は、非常に高い電圧が、電極４間に印加されると、コロナ放電を消去するように、丸いエッジで描かれている。いくつかの例において、電極４には、チャネル３内に、均一の電界を発生するような電圧を供給することができる。そのような場合、電極４は「駆動電極」と呼ぶことができる。いくつかの他の例において、電極４は、図１に示すものとは別に、他の形状で設計することができる。たとえば、電極４は、コロナ放電が問題でなければ、誘電体材料６内部に、任意の電界摂動（electric field perturbation）を生じさせることなく、鋭角なコーナーで設計することができる。上述したように、この開示の多層の金属電極アセンブリの構成に使用される、金属層および誘電体層の数の選択は、変化することができることに留意する必要がある。多数の層を用いることは、誘電体材料６のチャネル３における電圧分布を、より均一にし、並びに、さらに良い熱伝導性を提供する利点を有することができる。しかしながら、あまりに多くの層を用いることは、コストおよび組み立ての容易性の観点から実用的ではないかもしれない。幸運なことに、誘電体材料６の壁の厚みは、高い電界の領域のみが、誘電体材料６のチャネル３内部に生じるように、十分大きくすることができる。したがって、電界は、誘電体材料６のチャネル３内に含まれるガス内では、均一であるであろう（例えば、９０％以上の均一性を有することができる）。

この開示の多層金属電極アセンブリの設計において、他の種々の態様は、金属層７の相対的厚み対誘電体層８の選択である。冷却を強化するために、金属層７を出来るだけ厚くすることが望ましい。しかしながら、誘電体層８は、少なくとも、電界強度を誘電体層８の材料の電圧破壊限界を、下回るように維持するのに、十分厚くなければならない。

図１は、ｙ次元における、均一に離間した、金属および誘電体層を描画するが、他の非均一に離間した実施形態が可能である。図３は、非均一に離間した金属層３７を備える多層電極アセンブリ３００の一例を描画する。図３に示す例では、 金属層３７は、誘電材料３６の周りに、均一な角度θで離間した放射状のプレートであるが、ｙ次元では、不均一に離間している。金属層３７間の角度間隔は、Δθである。正のｙ次元に沿って、金属層37と、誘電体材料36の外部の部分と、の公称接触位置は、次の式で与えられる。

ただし、Ｒ２は、誘電体管３６の外半径である。金属層３７の公称接触位置は、第１の金属層がｘ−ｚプレーンにあるとき、ｎ＝０から始まる番号が付けられる。しかしながら、ｘ−ｚプレーンが誘電体層に対応するとき、金属層接触位置は、ｎ＝１で始まる番号が付けられる。図１の多層金属電極アセンブリと異なり、図３に示す実施形態の場合、隣接金属電極層３７間のキャパシタンスは、値が等しくなり得ず、誘電体材料３６により形成されるチャネル内部に均一な電界を生じる。金属電極層３７間のキャパシタンスは、容量性リアクタンスＸｎの直列回路の組み合わせを形成し得る。Ｘ１は、ｘ−ｚプレーン（ｎ＝０）と、次の金属層（ｎ＝１）との間の容量性リアクタンスである。残りの容量性リアクタンスのすべては、以下の回帰公式で計算することができる。

キャパシタンスの等価式は、以下の式で与えられる。

多層電極アセンブリ３００において、誘電体層は、式３に従って計算され、選択された値を有するキャパシタデバイスにより交換されている。多層金属電極アセンブリが、ＲＦ周波数、ｆ_０で動作すると、金属層間のキャパシタンス値は、以下の式で与えられる。

図４Ａ−４Ｂは、この開示の種々の態様に従って、θ座標に沿って、均一に離間した電極を有する多層電極アセンブリにおける、金属電極間のキャパシタンスの分布の、例示シミュレーションを描画する。多層電極アセンブリのガス放電の形状は、関数ｆ（ｘ）による図４Ａ−４Ｂに描画されたシミュレーションにおいて特定される。ｆ（ｘ）の値は、座標（ｘ、ｙ）を有する、特定の電極層の端部に関する、ｙ座標を決定する。四辺形対称により、ただ一つの象限が特定される。図４Ａ−４Ｂに描画された例において、ｆ（ｘ）は、半径Ｒ（Ｒは、誘電体管の外径である）の円形ガス放電ボア（bore）を特定する。電極アセンブリは、図３に描画された例示実施形態と同様に、θ座標に沿って均一に分布された、Ｎ＋１層から構成される。インデックス、ｎは、ｙ＝０で始まり、そのときｘ＝Ｒであり、ｎ＝Ｎまでカウントする。ｘ軸は、多層電極アセンブリの対称の両側軸であり、それゆえ、ｘ＝Ｒにおける電極は、仮想接地電位である。ｘ＝０における電極は、多層電極アセンブリの駆動電極の１つである。

半径Ｒは、ここに図示され、記載された例における誘電体管の外径である。しかしながら、いくつかの他の例において、誘電体管の内径は、ここに図示され、記載された種々の実施形態に使用することができる。一般に、誘電体管の、放電ボアの、電界の均一性は、誘電体管の外径に対して、誘電体管の内径が小さくなるにつれ改良することができる。さらに、誘電体管の壁の厚さは、一般に、誘電体管の、放電孔内の電界均一性を改善するために、電極アセンブリ内の、隣接する金属層間の間隔以上でなければならない。

多層電極アセンブリは、アセンブリ（例えば、図１に描画された電極４）の対向側に一対の電極を備えることができる。電極４は、少なくとも２つの方法で駆動することができる。第１の例において、一方側の電極４は、駆動することができ、他方側の電極は、接地することができる。第１の例において、電極アセンブリは、「不平衡負荷」と呼ぶことができる。第２の例において、両電極４は、互いに１８０°位相をずらして、駆動することができ、電極アセンブリは、「平衡負荷」と呼ぶことができる。

多層電極アセンブリ内のプレート間のキャパシタンスＣ_ｎを計算するために、第１のキャパシタンスＣ_１値が選択される。キャパシタンスＣ_１は、（ｘ_１、ｙ_１）における電極と、（ｘ_０、ｙ_０）における電極との間のキャパシタンスであり、図４Ａ−４Ｂに描画された例示シミュレーションでは、Ｃ_１は２０ｐＦに選択されている。上記式３は、電極アセンブリのガス放電領域（例えば、レーザガスチャネルの内部）における最大均一電界を生じるであろうＣｎの残りの値を計算するために使用される。図４Ｂに示すように、電極は、ｙ次元に不均一に離間しているので（例えば、図４Ａ−４Ｂに描画されたシミュレーションにおける電極は、不均一に、θ座標に沿って離間している）不均一なキャパシタンスは、放射状に離間した電極に関して計算される。

図５Ａ−５Ｂは、この開示の種々の態様に従って、ｙ座標に沿って均一に離間した、多層電極アセンブリ内の、金属電層間のキャパシタンスの分布の、例示シミュレーションを描画する。多層電極アセンブリのガス放電領域の形状は、関数ｆ（ｙ）により、図５Ａ−５Ｂに描画されたシミューションにおいて特定される。ｆ（ｙ）の値は、座標（ｘ、ｙ）を有する、特定の電極の端部に関するｘ座標を決定する。四辺形の対称性により、1つの象限を指定する必要があるだけである。図５Ａ−５Ｂに描画された例において、ｆ（ｙ）は、半径Ｒ（Ｒは誘電体管の外径である）の円形ガス放電ボアを特定する。電極アセンブリは、ｙ座標に沿って均一に分布するＮ＋１層からなる。インデックス、ｎは、ｘ＝Ｒであるｙ＝０で始まり、ｎ＝Ｎまでカウントする。ｘ軸は、多層電極アセンブリの対称な両側軸であり、それゆえ、ｘ＝Ｒにおける電極は、仮想接地電位にある。電極ｘ＝０は、多層電極アセンブリの駆動電極の１つである。

多層電極アセンブリにおけるプレート間のキャパシタンスＣｎを計算するために、第１のキャパシタンスＣ_１の値が選択される。キャパシタンスＣ_１は、（ｘ_１、ｙ_１）における電極と（ｘ_０、ｙ_０）における電極との間のキャパシタンスであり、図５Ａ−５Ｂに描画される例示シミュレーションでは、Ｃ_１は２０ｐＦとして選択されている。上記式３は、電極アセンブリのガス放電領域（例えば、レーザガスチャネルの内部）における最大均一電界を生じるＣｎの残りの値を計算するために使用される。図５Ｂに示すように、電極は、ｙ次元で均一に離間している（例えば、図５Ａ−５Ｂに描画されるシミュレーションにおける電極は、ｙ座標に沿って不均一に離間している）ので、式３を用いて計算されたキャパシタンスも均一である。

種々の実施形態が、特定の例および説明図の観点から記載されたけれども、当業者は、この開示が記載された実施形態、または図に、限定されないことを理解するであろう。たとえば、上述した種々の実施形態において、多層電極アセンブリの特定の層の厚み（例えば、誘電体層および／または金属層の厚み）は、多層電極アセンブリの、各金属層間のキャパシタンスが、上記式３を満足する限り、多層電極アセンブリの、任意の他の層と、均一または不均一であるように選択することができる。さらに、上述したように、この開示の種々の態様に従って、任意の数の層と種々のタイプの材料を、多層電極アセンブリに使用することができる。少なくともいくつかの例において、金属層の数、および／または厚みは、所望の熱伝導性、および／または電界均一性の所望の度合いを達成するように調整することができる。同様に、誘電体材料層と、誘電体材料層の厚みは、所望の熱伝導性、および／または電界均一性の所望の度合いを達成するように、選択することができる。種々の層がｙ次元において不均一に離間している、少なくともいくつかの例において、キャパシタデバイスは、レーザガスチャネル（例えば、図１のチャネル３）内の均一な電界を発生するために、式３により決定された、金属層間のキャパシタンスを与えるための誘電体層として、使用することができる。さらに、本開示に従って設計された、様々な多層電極アセンブリは、均一な電界を生成するために、わずか1つの電極で駆動されてもよい。複数の異なる駆動信号で、複数の異なる電極を駆動する必要はない。

種々の例において、高品質ガスレーザシステムの光学モード量は、ここに記載した多層電極アセンブリにより、発生された高度の電界均一性から利益を得ることができる。いくつかの例では、本明細書に記載の多層電極アセンブリを含む高品質ガスレーザシステムは、歯科およびライダー（LIDAR）に用途がある。さらに、個々に記載した多層電極アセンブリは、一般にガスレーザの効率と機能性を改善することができる。いくつかの例において、ここに記載した多層電極アセンブリの非レーザアプリケーションは、例えば、ケミカルプロセス、および／または他の製造における流体の均一な工業用加熱を含むことができる。

ここに示される特定の例は、この開示に記載された実施形態の説明目的だけのものであり、この開示の種々の実施形態の原理的および概念的態様の最も有用で、即理解できる記述のために提供される。この点に関して、この開示のいくつかの形態を、どのように実際に具現化するかを、当業者に明らかにするために、図面および／または例と共に、種々の実施形態の基本的理解に、必要以上に開示の詳細を示すことは、意図していない。

ここに使用されるように、および、そうでないと示さない限り、用語「１つ（ａ）」と「１つ（ａｎ）」は、「１つ」、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味する。文脈で特に必要とされない限り、本明細書で使用される単数形の用語は、複数形を含み、複数形の用語は、単数形を含むものとする。

文脈がそうでないことを明確に要求しない限り、説明および特許請求の範囲を通して、「備える（comprise）」、「備える（comprising）」などの言葉は、排他的、または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味で解釈される。 つまり、「含むが、それに限定されない」という意味である。単数または複数を使用する用語は、またそれぞれ、複数および単数を含む。さらに、このアプリケーションで使用される場合、「本書（herein）」、「上（above）」、「下（below）」という言葉、および同様のインポート（import）の言葉は、アプリケーションの特定の部分ではなく、このアプリケーション全体を指す。

本開示の実施形態の説明は、網羅的であること、または開示を、開示された正確な形態に限定することを意図していない。本開示の特定の実施形態および実施例を例示の目的で本明細書に記載するが、当業者が認識するように、本開示の範囲内で様々な同等の修正が可能である。そのような修正は、開示された実施形態に示された寸法、および／または材料の変更を含み得るが、これらに限定されない。

任意の実施形態の特定の要素は、他の実施形態の要素と結合、または置換することができる。さらに、本開示の特定の実施形態に関連する利点をこれらの実施形態の文脈で説明したが、他の実施形態もそのような利点を示し、すべての実施形態が必ずしも本開示の範囲内に入る、利点を示す必要はない。

したがって、本開示の様々な実施形態は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内で修正および変更を加えて実施できることを理解されたい。説明は、網羅的であること、または開示を、開示された正確な形態に限定することを意図していない。様々な実施形態が、修正および変更を伴って実施可能であり、本開示は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ制限されることが理解されねばならない。

Claims (23)

1. 外面と内面を有する第１の誘電体材料であって、前記第１の誘電体材料は、前記内面により定義されたチャネルを形成するように成形される、第１の誘電体材料と、
   前記第１の誘電体材料の、前記外面の第１の部分に隣接して配置された、第１の金属層と、
   前記第１の誘電体材料の、前記外面の第２の部分に隣接して配置された、第２の金属層と、
   を備え、
   前記第１の金属層は、前記第２の金属層と第１の離間した関係に配置され、
   駆動電極によって、電圧が多層電極アセンブリに印加されると、電界が前記第１の誘電体材料の前記チャネルに発生される、多層電極アセンブリ。
2. 前記駆動電極により、前記多層電極アセンブリに、前記電圧が印加されると、前記第１の誘電体材料の前記チャネルに発生された前記電界は、少なくとも８０％の均一性を有する請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
3. 前記駆動電極により、前記電圧が、前記多層電極アセンブリに印加されると、前記第１の誘電体材料の前記チャネルに発生された前記電界は、少なくとも９０％の均一性を有する請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
4. 前記駆動電極により、前記電圧が、前記多層電極アセンブリに印加されると、前記第１の誘電体材料の、前記チャネルに発生された前記電界は、少なくとも９５％の均一性を有する請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
5. 前記第１の誘電体材料の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層であって、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置される、第３の金属層と、
   前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に配置された、第１の誘電体層と、
   前記第２の金属層と前記第３の金属層との間に配置された、第２の誘電体層と、を
   さらに備えた、請求項第１に記載の多層電極アセンブリ。
6. 前記第１の金属層は、前記第１の金属層が、前記第２の金属層と均一に離間するように、前記第２の金属層に対して平行である、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
7. 前記第１の誘電体材料の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層をさらに備え、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と第２の離間した関係で配置され、前記第１の金属層は、前記第２の金属層から均一に離間しており、前記第２の金属層は、前記第３の金属層から均一に離間しており、前記多層電極アセンブリに前記電圧が印加されると、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、第１のキャパシタンスを生じ、前記第２の金属層と前記第３の金属層との間に、第２のキャパシタンスを生じ、前記第１のキャパシタンスと、前記第２のキャパシタンスは、＋／−１０％内に等しい、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
8. 前記第１の誘電体材料の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層をさらに備え、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置され、
   前記第１の誘電体材料は、円形または楕円形の断面を有する管状の形状に形成され、前記第１の金属層、前記第２の金属層、前記第３の金属層は、前記第１の金属層と前記第２の金属層の間、および前記第２の金属層と前記第３の金属層の間が、角度θであるように前記第１の誘電体材料の外面の周りに、放射状に配置される、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
9. 前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間のキャパシタンスは、前記多層電極アセンブリに前記電圧が印加されると、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間のキャパシタンスは、Ｃ_ｎ＋１であり、
   ただし、
   

   

   であり、ｎは各金属層のインデックスを表し、ｙは前記第１の誘電体材料の、前記外面上の特定の金属層の位置を表す、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
10. 前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間に配置され、前記第１の金属層と前記第２の金属層に電気的に結合されたキャパシタをさらに備え、前記キャパシタのキャパシタンスは、Ｃ_ｎ＋１であり、ただし、
    

    

    であり、ｎは、各金属層のインデックスを表し、ｙは、前記第１の誘電体材料の前記外面の特定の金属層の位置を表す、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
11. 前記第１の誘電体材料は、円形の、または楕円形の断面を有する管状の形状に形成され、
    前記外面の、前記第１の部分から延伸する第１の方向における、前記第１の金属層の第１の長さは、前記第外面の、前記第２の部分から延伸する、前記第１の方向における、前記第２の金属層の第２の長さに等しく、前記第１の金属層の第１の遠心端は、前記第２の金属層の第２の遠心端に対して、前記チャネルの中心点からさらに延伸する、請求項１に記載の多層電極アセンブリ。
12. 電源と、
    前記電源と電気的に通信するように構成された駆動電極と、
    外面と内面を有する誘電体管であって、前記誘電体管は、前記内面により定義されたチャネルを形成するように形成される誘電体管と、
    前記誘電体管の端部に位置するミラーマウントと、
    前記誘電体管の、前記外面の第１の部分に隣接して配置された、第１の金属層と、
    前記誘電体管の、前記外面の第２の部分に隣接して配置された、第２の金属層であって、前記第１の金属層は、前記第２の金属層と第１の離間した関係で配置される第２の金属層と、
    を備え、
    前記電源により、電圧が前記駆動電極に印加されると、８５％を超える均一性を有した電界が前記誘電体管の前記チャネルに発生される、レーザシステム。
13. 前記誘電体管の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層であって、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置される、第３の金属層と、
    前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間に配置された第１の誘電体層と、
    前記第２の金属層と、前記第３の金属層との間に配置された第２の誘電体層と、
    をさらに備えた、請求項１２に記載のレーザシステム。
14. 前記第１の金属層が、前記第２の金属層から均一に離間するように、前記第１の金属層は、前記第２の金属層に対して平行である、請求項１２に記載のレーザシステム。
15. 前記誘電体管の前記外面の、第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層をさらに備え、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置され、前記第１の金属層は、前記第２の金属層から均一に離間され、前記第２の金属層は、前記第３の金属層から均一に離間され、、前記電圧が前記駆動電極に印加されると、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に、第１のキャパシタンスを生じ、前記第２の金属層と前記第３の金属層との間に、第２のキャパシタンスを生じ、前記第１のキャパシタンスと、前記第２のキャパシタンスは、＋／−１０％内に等しい、請求項１２に記載のレーザシステム。
16. 前記誘電体管の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層をさらに備え、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置され、
    前記誘電体管は、円形または楕円形の断面を備え、
    前記第１の金属層、前記第２の金属層、および前記第３の金属層は、前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間、および前記第２の金属層と前記第３の金属層との間が、角度θであるように、前記誘電体管の前記外面の周りに、放射状に配置される、請求項１２に記載のレーザシステム。
17. 前記電圧が、前記レーザシステムに印加されたとき、前記第１の金属層と前記第２の金属層との間のキャパシタンスは、Ｃ_ｎ＋１であり、
    ただし、
    

    

    であり、ｎは、各金属層のインデックスを表し、ｙは、前記誘電体管の、前記外面の特定の金属層の位置を表す、請求項１２に記載のレーザシステム。
18. 前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間に配置されると共に、前記第１の金属層と前記第２の金属層に電気的に結合されたキャパシタをさらに備え、前記キャパシタのキャパシタンスはＣ_ｎ＋１であり、
    ただし、
    

    

    であり、ｎは、各金属層のインデックスを表し、ｙは、前記誘電体管の、前記外面上の特定の金属層の位置を表す、請求項１２に記載のレーザシステム。
19. 前記誘電体管は、円形または楕円形の断面を備え、
    前記外面の、前記第１の部分から延伸する第１の方向における、前記第１の金属層の第１の長さは、前記外面の前記第２の部分から延伸する前記第１の方向における、前記第２の金属層の第２の長さにほぼ等しく、前記第１の金属層の第１の遠心端は、前記第２の金属層の第２の延伸端に対して、前記チャネルの中心点からさらに延伸する、請求項１２に記載のレーザシステム。
20. 多層電極アセンブリの駆動電極に、電圧を印加するステップを備え、前記多層電極アセンブリは、
    外面と内面を有する第１の誘電体材料であって、前記第１の誘電体材料は、前記内面により定義されたチャネルを形成するように成形される、第１の誘電体材料と、
    前記第１の誘電体材料の、前記外面の第１の部分に隣接して配置された、第１の金属層と、
    前記第１の誘電体材料の、前記外面の第２の部分に隣接して配置された、第２の金属層であって、前記第１の金属層は、前記第２の金属層と、第１の離間した関係で配置される、第２の金属層と、
    前記第１の誘電体材料の、前記外面の第３の部分に隣接して配置された、第３の金属層であって、前記第３の金属層は、前記第２の金属層と、第２の離間した関係で配置され、前記電圧は、前記第１の金属層と、前記第２の金属層との間に、第１のキャパシタンスを生成し、前記第２の金属層と、前記第３の金属層との間に、第２のキャパシタンスを生成するのに有効である、第３の金属層と、
    を備える、電界を発生する方法。、
21. 前記第１のキャパシタンスと、前記第２のキャパシタンスは、＋／−１０％内に等しい、請求項２０に記載の方法。
22. 前記チャネル内の圧力が、約１０乃至３００トールの間であるように、前記第１の誘電体材料の前記チャネルに、ガスを注入するステップと、
    前記チャネルから連続波レーザを放射するステップと、
    をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
23. 前記チャネル内の圧力が、３００乃至７６０トールの間であるように、前記第１の誘電体材料の前記チャネルに、ガスを注入するステップと、
    前記チャネルからパルスレーザを放射するステップと、
    をさらに備えた、請求項２０に記載の方法。
    
    

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