JP2631480B2 - ガスレーザ装置 - Google Patents
ガスレーザ装置Info
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- JP2631480B2 JP2631480B2 JP62310072A JP31007287A JP2631480B2 JP 2631480 B2 JP2631480 B2 JP 2631480B2 JP 62310072 A JP62310072 A JP 62310072A JP 31007287 A JP31007287 A JP 31007287A JP 2631480 B2 JP2631480 B2 JP 2631480B2
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- discharge tube
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- electrodes
- electrode
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
- H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
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- Optics & Photonics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、CO2,N2,He等のレーザ媒質ガスが充填さ
れた誘電体放電管の内部に放電を起こしてレーザ光の発
振を誘起するガスレーザ装置に関する。
れた誘電体放電管の内部に放電を起こしてレーザ光の発
振を誘起するガスレーザ装置に関する。
従来、この種の装置として第10図および第11図に示す
ものがあった。第10図は従来の無声放電式ガスレーザ装
置を示す正面図、第11図は第10図のIV−IV′線に沿った
断面図である。
ものがあった。第10図は従来の無声放電式ガスレーザ装
置を示す正面図、第11図は第10図のIV−IV′線に沿った
断面図である。
図において、１は、通常パイレックスガラス等よりな
る円筒状の放電管で、内径13mm、厚さ1mm、長さ1m程度
のものである。２および３は、放電管１の外壁に密着す
る１対の電極、また４は高周波電源で、その出力線は電
極２および３に電気的に接続される。また、前記放電管
１の軸方向の両対向端にはそれぞれ全反射鏡５および部
分反射鏡６が取り付けられている。そして、この放電管
１は、内部に送風機９および熱交換器10を備えた送気管
７および８に接続されて循環的に連通されている。矢印
11はレーザ光を示す。
る円筒状の放電管で、内径13mm、厚さ1mm、長さ1m程度
のものである。２および３は、放電管１の外壁に密着す
る１対の電極、また４は高周波電源で、その出力線は電
極２および３に電気的に接続される。また、前記放電管
１の軸方向の両対向端にはそれぞれ全反射鏡５および部
分反射鏡６が取り付けられている。そして、この放電管
１は、内部に送風機９および熱交換器10を備えた送気管
７および８に接続されて循環的に連通されている。矢印
11はレーザ光を示す。
次に、CO2ガスレーザ装置を例にとり、動作説明す
る。
る。
放電管１内には、CO2,He,N2の混合ガスが数10〜200To
rrの圧力で充填されている。この放電管１において、電
極２および３に高周波電源４から例えば100kHz,8kV程度
の電圧が印加されると、第11図に示すように、電極２お
よび３間に無声放電が起り、その結果、放電によりCO2
分子が励起され、全反射鏡５と部分反射鏡６で構成され
る光共振器内でレーザ発振が起る。レーザ光の一部は、
矢印11で示されるように、部分反射鏡６を通じて外部に
取り出される。
rrの圧力で充填されている。この放電管１において、電
極２および３に高周波電源４から例えば100kHz,8kV程度
の電圧が印加されると、第11図に示すように、電極２お
よび３間に無声放電が起り、その結果、放電によりCO2
分子が励起され、全反射鏡５と部分反射鏡６で構成され
る光共振器内でレーザ発振が起る。レーザ光の一部は、
矢印11で示されるように、部分反射鏡６を通じて外部に
取り出される。
一方、放電によりガス温度が上昇するとレーザ出力が
低下するので、送風機９によりガスを循環させ、熱交換
器10を通じてこれを冷却するようにしている。これによ
り放電管１内のガス温度は所定値以下に保持されてい
る。
低下するので、送風機９によりガスを循環させ、熱交換
器10を通じてこれを冷却するようにしている。これによ
り放電管１内のガス温度は所定値以下に保持されてい
る。
ところで、かかる従来装置においては、放電管１は円
筒形状となっているため、上記電極2,3間の距離はその
中央部では長いが、両端部に近ずくにつれ短くなり、こ
の結果前記両端部で電流が集中的に流れるという問題が
ある。このため、前記従来装置では、放電が“中抜け”
状になり、ビームモードの中心強度の低下、加工時の切
断性能の低下、ビーム伝送時の伝送ロス（回折損失）の
原因となっていた。
筒形状となっているため、上記電極2,3間の距離はその
中央部では長いが、両端部に近ずくにつれ短くなり、こ
の結果前記両端部で電流が集中的に流れるという問題が
ある。このため、前記従来装置では、放電が“中抜け”
状になり、ビームモードの中心強度の低下、加工時の切
断性能の低下、ビーム伝送時の伝送ロス（回折損失）の
原因となっていた。
そこで、特開昭60−157277号公報、特開昭61−295681
号公報においては、放電管の厚みが電極の中心部では薄
く、かつ該中心より遠くなるにしたがい厚くなるような
放電管を構成するようにして、放電空間を均一にし、放
電電流密度を均一にするようにしている。
号公報においては、放電管の厚みが電極の中心部では薄
く、かつ該中心より遠くなるにしたがい厚くなるような
放電管を構成するようにして、放電空間を均一にし、放
電電流密度を均一にするようにしている。
〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、これらの従来技術は、放電電流密度分布を均
一にしようとするものであるため、切断や穴あけ加工に
適するシングルモードのレーザ発振を得ようとするとレ
ーザ放電管が大型化してしまうという問題を有してい
る。すなわち、均一な放電分布のレーザ媒質を挾んで対
向させた安定形共振系では、発振するモードは高次モー
ド（TEM10,TEM20…）との回折損失の割合で決まるた
め、集光性のよいシングルモード（TEM00）を得ようと
すると、謂ゆるフレネル（Fresnel）数Ｎ（＝a^2/Lλ、
^2は２乗の略記号）を小さく設定しなければならないと
いう制限がある。ここで、Ｌは共振器長、ａはビーム半
径、λは発振波長である。
一にしようとするものであるため、切断や穴あけ加工に
適するシングルモードのレーザ発振を得ようとするとレ
ーザ放電管が大型化してしまうという問題を有してい
る。すなわち、均一な放電分布のレーザ媒質を挾んで対
向させた安定形共振系では、発振するモードは高次モー
ド（TEM10,TEM20…）との回折損失の割合で決まるた
め、集光性のよいシングルモード（TEM00）を得ようと
すると、謂ゆるフレネル（Fresnel）数Ｎ（＝a^2/Lλ、
^2は２乗の略記号）を小さく設定しなければならないと
いう制限がある。ここで、Ｌは共振器長、ａはビーム半
径、λは発振波長である。
第12図は電流密度分布が均一な場合におけるフレネル
数と回折損失との関係を示すものであるが、フレネル数
Ｎが極めて小さい場合には、TEM00,TEM10,TEM20,…全部
の回折損失が大きくなり、この損失が共振器内部のゲイ
ンを上まってレーザ発振は起り得ない。フレネル数Ｎが
もう少し大きくなると、TEM00モードの回折損失のみが
共振器の内部ゲインを下まわり、シングルモードのレー
ザ発振が開始される。さらにフレネル数が大きくなる
と、次第に高次モードの発振も起り、高次モードの成分
割合が増大していく。
数と回折損失との関係を示すものであるが、フレネル数
Ｎが極めて小さい場合には、TEM00,TEM10,TEM20,…全部
の回折損失が大きくなり、この損失が共振器内部のゲイ
ンを上まってレーザ発振は起り得ない。フレネル数Ｎが
もう少し大きくなると、TEM00モードの回折損失のみが
共振器の内部ゲインを下まわり、シングルモードのレー
ザ発振が開始される。さらにフレネル数が大きくなる
と、次第に高次モードの発振も起り、高次モードの成分
割合が増大していく。
このように、前述した従来技術による均一ゲイン分布
方式では、TEM00モードのレーザ発振を得るためには、
共振器の設計パラメータを決めるフレネル数Ｎに上限が
存在し、フレネル数は小さく設定する必要があった。フ
レネル数Ｎ（＝a2/Lλ）を小さくするには、共振器長Ｌ
を大きくするか、ビーム半径ａを小さくするかしかない
が、放電電力をある程度注入するにはａを小さくするに
は実用的な下限があり、このため、従来方式において
は、TEM00モードを得るためには、共振器を折り返し構
造にしたりして、装置長（共振器長）Ｌを伸ばすように
しており、これが装置を小型化する際の障害となってい
た。
方式では、TEM00モードのレーザ発振を得るためには、
共振器の設計パラメータを決めるフレネル数Ｎに上限が
存在し、フレネル数は小さく設定する必要があった。フ
レネル数Ｎ（＝a2/Lλ）を小さくするには、共振器長Ｌ
を大きくするか、ビーム半径ａを小さくするかしかない
が、放電電力をある程度注入するにはａを小さくするに
は実用的な下限があり、このため、従来方式において
は、TEM00モードを得るためには、共振器を折り返し構
造にしたりして、装置長（共振器長）Ｌを伸ばすように
しており、これが装置を小型化する際の障害となってい
た。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、
前記従来の電流密度分布を均一にしようとする方式でネ
ックとなっていたフレネル数の上限値を大きく設定でき
るようにして、装置の小型、簡素化およびビームモード
の改善を図るガスレーザ装置を提供しようとするもので
ある。
前記従来の電流密度分布を均一にしようとする方式でネ
ックとなっていたフレネル数の上限値を大きく設定でき
るようにして、装置の小型、簡素化およびビームモード
の改善を図るガスレーザ装置を提供しようとするもので
ある。
そこでこの発明では、レーザ媒質ガスが充填され誘電
体により構成されるとともに、その内壁面の断面形状が
2n角形状（ｎ＝２、３、…）であり同外壁面の断面形状
が円形である放電管と、該放電管の管外面に密着して対
向配置される少なくとも一対の放電電極とを有し、前記
少なくとも一対の放電電極に所定の交流電流を印加して
前記放電管内に放電を起こすことによりレーザ媒質ガス
を励起しレーザ光を発生するガスレーザ装置において、 前記2n角形の対向する一組の頂点が前記少なくとも一
対の放電電極の幅方向中央部を結ぶ直線上にほぼ位置す
るよう前記放電電極を放電管外面に配設するとともに、
前記放電管の外径をD0とし、前記2n角形の対向する頂点
間の距離をDiとし、前記放電管での放電維持電圧に対す
る前記放電電極間の印加電圧の比をＫとしたとき、前記
放電電極の幅方向に電流密度の分布をとったとき、前記
放電電極の幅方向の中央部と放電電極の幅方向両端部と
の間にそれぞれ位置する２つの位置で電流密度の極小値
が存在するよう、（D0−Di）/Diおよび前記Ｋの各値を
設定するようにしている。
体により構成されるとともに、その内壁面の断面形状が
2n角形状（ｎ＝２、３、…）であり同外壁面の断面形状
が円形である放電管と、該放電管の管外面に密着して対
向配置される少なくとも一対の放電電極とを有し、前記
少なくとも一対の放電電極に所定の交流電流を印加して
前記放電管内に放電を起こすことによりレーザ媒質ガス
を励起しレーザ光を発生するガスレーザ装置において、 前記2n角形の対向する一組の頂点が前記少なくとも一
対の放電電極の幅方向中央部を結ぶ直線上にほぼ位置す
るよう前記放電電極を放電管外面に配設するとともに、
前記放電管の外径をD0とし、前記2n角形の対向する頂点
間の距離をDiとし、前記放電管での放電維持電圧に対す
る前記放電電極間の印加電圧の比をＫとしたとき、前記
放電電極の幅方向に電流密度の分布をとったとき、前記
放電電極の幅方向の中央部と放電電極の幅方向両端部と
の間にそれぞれ位置する２つの位置で電流密度の極小値
が存在するよう、（D0−Di）/Diおよび前記Ｋの各値を
設定するようにしている。
すなわち、発明者などの解析実験によれば、放電管内
の電流密度分布は内壁断面が2n角形で外壁断面が円であ
る放電管の断面形状を規定する（D0−Di）/Di値と印加
電圧を規定するＫ値との相対的な関係によって変動する
ことが判明した。
の電流密度分布は内壁断面が2n角形で外壁断面が円であ
る放電管の断面形状を規定する（D0−Di）/Di値と印加
電圧を規定するＫ値との相対的な関係によって変動する
ことが判明した。
そこで、この発明では、これら（D0−Di）/Di値およ
びＫ値を、放電電極の幅方向の中央部と放電電極の幅方
向両端部との間にそれぞれ位置する２つの位置で電流密
度の極小値が存在するように設定することにより、放電
管中央部での電流密度を積極的に高め、これによりビー
ムモードを損なうことなく、従来の均一電流密度分布方
式の限界を遥かに超えたフレネル数を設定できるように
している。
びＫ値を、放電電極の幅方向の中央部と放電電極の幅方
向両端部との間にそれぞれ位置する２つの位置で電流密
度の極小値が存在するように設定することにより、放電
管中央部での電流密度を積極的に高め、これによりビー
ムモードを損なうことなく、従来の均一電流密度分布方
式の限界を遥かに超えたフレネル数を設定できるように
している。
すなわち本件発明は、従来一般的に行われている放電
電流密度分布を均一にすると言う発想を捨て、放電電極
の幅方向の中央部と放電電極の幅方向両端部との間にそ
れぞれ位置する２つの位置で電流密度の極小値が存在す
るようにして、放電管中央部での電流密度を積極的に高
めることで、ビームモードを損なうことなく従来の均一
の電流密度分布方式の限界を遥かに超えたフレネル数を
設定できるようにしているのである。
電流密度分布を均一にすると言う発想を捨て、放電電極
の幅方向の中央部と放電電極の幅方向両端部との間にそ
れぞれ位置する２つの位置で電流密度の極小値が存在す
るようにして、放電管中央部での電流密度を積極的に高
めることで、ビームモードを損なうことなく従来の均一
の電流密度分布方式の限界を遥かに超えたフレネル数を
設定できるようにしているのである。
またこの発明では、放電電極の幅を、前記電流密度が
極小値をとる２つの位置の間のみに放電電極が存在する
ように制限することで、前記極小値をとる位置から放電
管側壁部までの放電管中央部での電流密度を高める上で
有害な領域での放電が発生しないようにしている。
極小値をとる２つの位置の間のみに放電電極が存在する
ように制限することで、前記極小値をとる位置から放電
管側壁部までの放電管中央部での電流密度を高める上で
有害な領域での放電が発生しないようにしている。
まず、第１図乃至第７図にしたがって、この発明の原
理、この発明の第１の実施例について説明する。
理、この発明の第１の実施例について説明する。
第２図は、不均一な放電ギャップを有する放電系のモ
デルを示し、第３図はこのモデルの等価回路を示すもの
であるが、発明者らの研究によれば、第２図に示すよう
な不均一な放電ギャップを有する高周波放電において
も、第２図にΔＳにて定義するような微小領域に着目す
れば、従来周知の平行平板系無声放電の関係式が成立す
ることが確認された。
デルを示し、第３図はこのモデルの等価回路を示すもの
であるが、発明者らの研究によれば、第２図に示すよう
な不均一な放電ギャップを有する高周波放電において
も、第２図にΔＳにて定義するような微小領域に着目す
れば、従来周知の平行平板系無声放電の関係式が成立す
ることが確認された。
すなわち、上記微小領域ΔＳ毎に分割したある部分ｊ
についての放電電流をiopj、放電維持電圧をＶ＊opj、
放電管容量をΔCgjとするとき、 ただし、 なる関係が成立する。なおここで、Vopは電極間印加電
圧、ｆは電源周波数、ε０は真空の誘電率、εｓは誘電
体（第２図における付点部分；放電管に相当）の比誘電
率、tjは該微小部分における誘電体（放電管）厚、Ｋ
＊opは定数、Ｐは誘電体間（放電管内）に充填されるガ
スのガス圧、xjは同微小部分ｊにおける放電距離（放電
管内径）をそれぞれ示す。
についての放電電流をiopj、放電維持電圧をＶ＊opj、
放電管容量をΔCgjとするとき、 ただし、 なる関係が成立する。なおここで、Vopは電極間印加電
圧、ｆは電源周波数、ε０は真空の誘電率、εｓは誘電
体（第２図における付点部分；放電管に相当）の比誘電
率、tjは該微小部分における誘電体（放電管）厚、Ｋ
＊opは定数、Ｐは誘電体間（放電管内）に充填されるガ
スのガス圧、xjは同微小部分ｊにおける放電距離（放電
管内径）をそれぞれ示す。
このように、不均一な放電ギャップを有する放電系で
あっても、これを第２図に示すような態様で微細化して
考察することにより、その構成は、平行平板ギャップに
相当する放電回路が並列接続された第３図に示すような
並列回路（各分岐回路がΔＳなる微小領域に対応する）
と見なすことができる。そしてこのことは、こうした不
均一な放電ギャップ間を流れる電流の密度も、これら各
微小部分での放電電流iop1〜iopnを各別に計算すること
で、定量的に評価することができるようになることを意
味する。
あっても、これを第２図に示すような態様で微細化して
考察することにより、その構成は、平行平板ギャップに
相当する放電回路が並列接続された第３図に示すような
並列回路（各分岐回路がΔＳなる微小領域に対応する）
と見なすことができる。そしてこのことは、こうした不
均一な放電ギャップ間を流れる電流の密度も、これら各
微小部分での放電電流iop1〜iopnを各別に計算すること
で、定量的に評価することができるようになることを意
味する。
因みにここで、上記（１），（２），（３）式を整理
すると、 となり、微小部分放電電流iopjの分布は、放電管の厚み
tjおよび放電ギャップxjの分布を変化させることによっ
て変化させることができる。
すると、 となり、微小部分放電電流iopjの分布は、放電管の厚み
tjおよび放電ギャップxjの分布を変化させることによっ
て変化させることができる。
こうした背景のもとに、この発明の第１の実施例で
は、第１図に示すような放電管20を採用し、ここに生じ
る無声放電について以下にその放電電流密度の評価を行
ってみる。すなわち、この放電管20は、外形の形状が円
柱状であり、この円柱に対し2n角柱（この場合六角形）
の孔を同軸に形成するようにしている。別言すれば、こ
の放電管20の断面形状は外壁が円であり、内壁が2n角形
となっている。なお同図において、30および40は、この
放電管20の外壁面に密着して対向配設される１対の電極
を示し、これら電極30,40に高周波電源50から高周波電
圧が印加される。
は、第１図に示すような放電管20を採用し、ここに生じ
る無声放電について以下にその放電電流密度の評価を行
ってみる。すなわち、この放電管20は、外形の形状が円
柱状であり、この円柱に対し2n角柱（この場合六角形）
の孔を同軸に形成するようにしている。別言すれば、こ
の放電管20の断面形状は外壁が円であり、内壁が2n角形
となっている。なお同図において、30および40は、この
放電管20の外壁面に密着して対向配設される１対の電極
を示し、これら電極30,40に高周波電源50から高周波電
圧が印加される。
さて、第１図に示すように、放電管20の管軸中心を通
り電極30,40の中心線に垂直な方向にｘ軸をとり、これ
に垂直な方向にｙ軸をとり、外側円柱径をD0、内部六角
柱が外接する仮想円の径をDiとし、電極30,40間に電圧V
opを印加したときのｘ軸上での電流密度分布を考える。
り電極30,40の中心線に垂直な方向にｘ軸をとり、これ
に垂直な方向にｙ軸をとり、外側円柱径をD0、内部六角
柱が外接する仮想円の径をDiとし、電極30,40間に電圧V
opを印加したときのｘ軸上での電流密度分布を考える。
図中の点（x,0）を流れる電流値iop（ｘ）は先の
（１）式によって となる。
（１）式によって となる。
ただし ｘ″＝ｘ＋Δx/2 ｘ′＝ｘ−Δx/2 Ｖ＊op（ｘ）＝ｋ＊op・Ｐ・2y である。
そして、上記各式を用いて（５）式を規格化、整理す
ると下記の（６）式のようになる。
ると下記の（６）式のようになる。
ただし、 ここで、上記Ｒとは、放電管20の形状を規定するパラ
メータであることから「形状パラメータ」といい、上記
Ｋとは同放電管20内での放電維持電圧に対する電極30お
よび40間印加電圧の比を示すパラメータであることか
ら、以下ではこれを「電圧パラメータ」ということとす
る。
メータであることから「形状パラメータ」といい、上記
Ｋとは同放電管20内での放電維持電圧に対する電極30お
よび40間印加電圧の比を示すパラメータであることか
ら、以下ではこれを「電圧パラメータ」ということとす
る。
すなわち、上記第（６）式によれば、第１図に示した
放電管20の電流密度分布は形状パラメータＲ、電圧パラ
メータＫおよび管内側の多角形状の孔の内角αのみによ
って規定されることがわかる。
放電管20の電流密度分布は形状パラメータＲ、電圧パラ
メータＫおよび管内側の多角形状の孔の内角αのみによ
って規定されることがわかる。
この（６）式について、電圧パラメータＫを一定とし
て形状パラメータＲおよび内角αを変化させた場合の電
流密度特性を第４図（ａ）〜（ｃ）に示す。
て形状パラメータＲおよび内角αを変化させた場合の電
流密度特性を第４図（ａ）〜（ｃ）に示す。
これら第４図（ａ）〜（ｃ）によれば、全般に、Ｒが
大きいと（Ｒ0.3、肉厚が厚い）、ρ′op（γ）は平
坦な特性となる。逆にＲが小さくなって、肉厚が薄くな
ればなる程中心部の電流密度は、急激に大きくなり、こ
れに伴ない中心部のエネルギー密度分布も大きくなる。
一方、αを大きくすると、直線と円弧で囲まれる誘電体
部分の肉厚が薄くなるため、これに伴い放電管の内壁面
に近い部分（γ≒１）での電流密度が増加するととも
に、多角形の一辺の距離が短くなるため、電流極小部と
中心部との距離が短くなることがわかる。
大きいと（Ｒ0.3、肉厚が厚い）、ρ′op（γ）は平
坦な特性となる。逆にＲが小さくなって、肉厚が薄くな
ればなる程中心部の電流密度は、急激に大きくなり、こ
れに伴ない中心部のエネルギー密度分布も大きくなる。
一方、αを大きくすると、直線と円弧で囲まれる誘電体
部分の肉厚が薄くなるため、これに伴い放電管の内壁面
に近い部分（γ≒１）での電流密度が増加するととも
に、多角形の一辺の距離が短くなるため、電流極小部と
中心部との距離が短くなることがわかる。
ところで、第４図によれば、第１図に示した放電管形
状の場合には、Ｒ0.2のとき電流密度分布に極小部が
存在していることが分る。すなわち、これらの電流密度
分布においては、ρ′op（γ）はγが０から増加するに
伴い、一旦極小値まで減少した後再度増加するようにな
っている。このような極小部から放電管側壁部にかけて
の電流密度が増加している部分は中央部のエネルギー密
度分布を高めるためには有害であるため、この実施例で
は、電極幅を制限するようにして、放電管中央部から極
小部までの領域でしか放電が発生しないようにしてい
る。
状の場合には、Ｒ0.2のとき電流密度分布に極小部が
存在していることが分る。すなわち、これらの電流密度
分布においては、ρ′op（γ）はγが０から増加するに
伴い、一旦極小値まで減少した後再度増加するようにな
っている。このような極小部から放電管側壁部にかけて
の電流密度が増加している部分は中央部のエネルギー密
度分布を高めるためには有害であるため、この実施例で
は、電極幅を制限するようにして、放電管中央部から極
小部までの領域でしか放電が発生しないようにしてい
る。
次に、第５図（ａ）〜（ｃ）は前記第（６）式につい
て、上記とは逆に形状パラメータＲを一定として（Ｒ＝
0.05）、電圧パラメータＫおよび内角αを変化させた場
合の電流密度特性を示すものである。これらの図におい
て、実線部分は電極が有る領域を示し、破線部分は電極
を省略した領域を示しており、かかる電極幅の制限によ
って放電管中央部から極小部までの領域でしか放電が起
こらないようにしている。これら第５図（ａ）〜（ｃ）
によれば、極小点の位置は電圧パラメータＫを大きくす
るに伴い外側に移動することがわかる。
て、上記とは逆に形状パラメータＲを一定として（Ｒ＝
0.05）、電圧パラメータＫおよび内角αを変化させた場
合の電流密度特性を示すものである。これらの図におい
て、実線部分は電極が有る領域を示し、破線部分は電極
を省略した領域を示しており、かかる電極幅の制限によ
って放電管中央部から極小部までの領域でしか放電が起
こらないようにしている。これら第５図（ａ）〜（ｃ）
によれば、極小点の位置は電圧パラメータＫを大きくす
るに伴い外側に移動することがわかる。
以上第４図および第５図の関係からもわかるように、
多角形状の孔を有する円柱放電管に対して、中央部のエ
ネルギー密度分布を高くするためには、形状パラメータ
Ｒと電極幅についての有効範囲が存在する。
多角形状の孔を有する円柱放電管に対して、中央部のエ
ネルギー密度分布を高くするためには、形状パラメータ
Ｒと電極幅についての有効範囲が存在する。
ここで、中央部集中の効果を定量的に評価するため
に、電流密度が極小となる点（ｒ＝Xpol）から中心部ま
での電流密度の平均値に対する中心部（ｒ＝０）での電
流密度の比Rpを下式の如く定義する（第６図参照）。
に、電流密度が極小となる点（ｒ＝Xpol）から中心部ま
での電流密度の平均値に対する中心部（ｒ＝０）での電
流密度の比Rpを下式の如く定義する（第６図参照）。
第７図（ａ）〜（ｃ）はこのRpを形状パラメータＲ、
電圧パラメータＫおよび内角αの関数として示したもの
である。
電圧パラメータＫおよび内角αの関数として示したもの
である。
第７図（ａ）に示す四角形の場合（α＝90゜）、電圧
パラメータＫの増大と共に、Rpが1.1以上ある有効なＲ
の範囲が増大し、結局Ｒ0.4でRp≧1.1を満足する。ま
た第７図（ｂ）、（ｃ）に示す六角形（α＝120゜）、
八角形（α＝135゜）の場合には、それぞれ曲線の傾き
は少し異なるものの、Ｋを大きくしたときに漸近するＲ
の限界値は、α＝120゜でＲ0.4、α＝135゜でＲ0.3
というように前記とほとんど変らない。
パラメータＫの増大と共に、Rpが1.1以上ある有効なＲ
の範囲が増大し、結局Ｒ0.4でRp≧1.1を満足する。ま
た第７図（ｂ）、（ｃ）に示す六角形（α＝120゜）、
八角形（α＝135゜）の場合には、それぞれ曲線の傾き
は少し異なるものの、Ｋを大きくしたときに漸近するＲ
の限界値は、α＝120゜でＲ0.4、α＝135゜でＲ0.3
というように前記とほとんど変らない。
したがって、形状パターンＲを を満足する適当な値に設定し、これに適当な印加電圧を
加えることにより、電流密度の中央部集中の効果を得る
ことができる。
加えることにより、電流密度の中央部集中の効果を得る
ことができる。
また、電極20,30は第５図に示す特性を考慮して、第
（６）式のρ′op（γ）の極小値が存在するｘ座標（γ
座標）近傍までに幅制限することにより、これら極小値
位置で挟まれた領域でしか放電が起こらないようにして
端部での電界増大作用による悪影響を防止するようにす
る。
（６）式のρ′op（γ）の極小値が存在するｘ座標（γ
座標）近傍までに幅制限することにより、これら極小値
位置で挟まれた領域でしか放電が起こらないようにして
端部での電界増大作用による悪影響を防止するようにす
る。
このように、この実施例では、放電管の内壁の断面形
状を2n角形状とし、かつ同外壁の断面形状を円形状とす
るとともに、形状パラメータＲがＲ＜0.4を満足するよ
う設定しかつ電極幅を制限することにより、Rp＞1.1を
得、これにより従来のフレネル数の限界を越える大口
径、短共振器長のレーザ共振器を実現するようにしてい
る。
状を2n角形状とし、かつ同外壁の断面形状を円形状とす
るとともに、形状パラメータＲがＲ＜0.4を満足するよ
う設定しかつ電極幅を制限することにより、Rp＞1.1を
得、これにより従来のフレネル数の限界を越える大口
径、短共振器長のレーザ共振器を実現するようにしてい
る。
第８図は、この発明の他の実施例を示すものであり、
この場合、放電官の稜部に沿って対向配置された電極60
を順次ずらせて配置するようにしている。
この場合、放電官の稜部に沿って対向配置された電極60
を順次ずらせて配置するようにしている。
すなわち、前述の実施例では、放電方向は一方向に固
定であるため、放電管中心部の電流密度が大きくなるの
は、放電方向に直角な方向についての断面のみであり、
放電方向に平行な断面では電流密度分布は一様になって
しまう。したがって、この実施例では、前記対向電極60
を順次ずらせて配置することによって、放電方向による
ビームの偏よりを実用上さしつかえない程度に緩和する
ようにしている。
定であるため、放電管中心部の電流密度が大きくなるの
は、放電方向に直角な方向についての断面のみであり、
放電方向に平行な断面では電流密度分布は一様になって
しまう。したがって、この実施例では、前記対向電極60
を順次ずらせて配置することによって、放電方向による
ビームの偏よりを実用上さしつかえない程度に緩和する
ようにしている。
さらに、第９図では放電管を連続的にねじった形状と
し、これにスパイラル状の電極60を配置することによ
り、ビームモードの対称性をさらに改善するようにして
いる。
し、これにスパイラル状の電極60を配置することによ
り、ビームモードの対称性をさらに改善するようにして
いる。
これら第８図および第９図の実施例においても、形状
パラメータＲはＲ＜0.4を満足し、かつ電極は適当な幅
制限を行なうことにより、放電管中央部の電流密度分布
を大きくするようにしている。
パラメータＲはＲ＜0.4を満足し、かつ電極は適当な幅
制限を行なうことにより、放電管中央部の電流密度分布
を大きくするようにしている。
以上説明したようにこの発明によれば、内壁断面が2n
角形状で外壁断面が円である放電管の形状パラメータお
よび放電電圧パラメータを適正な値に設定することによ
り放電管中央部の電流密度を他部に比べて積極的に大き
くするようにしたので、従来の均一電流密度分布方式に
よるフレネル数の限界を超える大口径、短共振器長のレ
ーザ共振器を実現することができる。すなわち、従来、
採られていた折り返し構造などの構造の複雑化を招くこ
となく、シングルモードによるレーザ光を小型かつ簡素
の装置構造で得ることができる。またこの発明では、放
電電極の幅を、前記電流密度が極小値をとる２つの位置
の間のみに放電電極が存在するように制限するようにし
たので、レーザ装置外にピンホールなどのビーム幅制限
手段を設けることなく、放電管側壁部付近での電解増大
作用による悪影響が防止され、これにより、より簡素な
構成で放電管中央部における電流密度増大効果を得るこ
とができる。
角形状で外壁断面が円である放電管の形状パラメータお
よび放電電圧パラメータを適正な値に設定することによ
り放電管中央部の電流密度を他部に比べて積極的に大き
くするようにしたので、従来の均一電流密度分布方式に
よるフレネル数の限界を超える大口径、短共振器長のレ
ーザ共振器を実現することができる。すなわち、従来、
採られていた折り返し構造などの構造の複雑化を招くこ
となく、シングルモードによるレーザ光を小型かつ簡素
の装置構造で得ることができる。またこの発明では、放
電電極の幅を、前記電流密度が極小値をとる２つの位置
の間のみに放電電極が存在するように制限するようにし
たので、レーザ装置外にピンホールなどのビーム幅制限
手段を設けることなく、放電管側壁部付近での電解増大
作用による悪影響が防止され、これにより、より簡素な
構成で放電管中央部における電流密度増大効果を得るこ
とができる。
第１図はこの発明にかかるガスレーザ発振装置の一実施
例についてその放電管断面に相当する放電管並びにその
計算モデルを示す略図、第２図は不均一な放電ギャップ
を有する放電系モデルを示す略図、第３図は第２図のモ
デルの等価回路、第４図は放電電流密度分布の形状パラ
メータＲによる影響を示す線図、第５図は放電電流密度
分布の電圧パラメータＫによる影響を示す線図、第６図
は値Rpを説明するための線図、第７図は電圧パラメータ
Ｋをパラメータとして形状パラメータＲとRpとの関係を
示すグラフ、第８図および第９図はそれぞれこの発明の
他の実施例を示す斜視図、第10図はガスレーザ発振装置
の一般構成を示す正面略図、第11図は第10図のIV−IV′
線部における断面構造を示す断面図、第12図は均一放電
分布におけるフレネル数Ｎと回折損失との関係を示すグ
ラフである。 1,20,……放電管、2,3,30,40,60,……電極、4,50……高
周波電源、５……全反射鏡、６……部分反射鏡、7,8…
…送気管、９……送風機、10…熱交換器。
例についてその放電管断面に相当する放電管並びにその
計算モデルを示す略図、第２図は不均一な放電ギャップ
を有する放電系モデルを示す略図、第３図は第２図のモ
デルの等価回路、第４図は放電電流密度分布の形状パラ
メータＲによる影響を示す線図、第５図は放電電流密度
分布の電圧パラメータＫによる影響を示す線図、第６図
は値Rpを説明するための線図、第７図は電圧パラメータ
Ｋをパラメータとして形状パラメータＲとRpとの関係を
示すグラフ、第８図および第９図はそれぞれこの発明の
他の実施例を示す斜視図、第10図はガスレーザ発振装置
の一般構成を示す正面略図、第11図は第10図のIV−IV′
線部における断面構造を示す断面図、第12図は均一放電
分布におけるフレネル数Ｎと回折損失との関係を示すグ
ラフである。 1,20,……放電管、2,3,30,40,60,……電極、4,50……高
周波電源、５……全反射鏡、６……部分反射鏡、7,8…
…送気管、９……送風機、10…熱交換器。
Claims (3)
- 【請求項１】レーザ媒質ガスが充填され誘電体により構
成されるとともに、その内壁面の断面形状が2n角形状
（ｎ＝２、３、…）であり同外壁面の断面形状が円形で
ある放電管と、 該放電管の管外面に密着して対向配置される少なくとも
一対の放電電極と、 を有し、前記少なくとも一対の放電電極に所定の交流電
流を印加して前記放電管内に放電を起こすことによりレ
ーザ媒質ガスを励起しレーザ光を発生するガスレーザ装
置において、 前記2n角形の対向する一組の頂点が前記少なくとも一対
の放電電極の幅方向中央部を結ぶ直線上にほぼ位置する
よう前記放電電極を放電管外面に配設するとともに、 前記放電管の外径をD0とし、前記2n角形の対向する頂点
間の距離をDiとし、前記放電管での放電維持電圧に対す
る前記放電電極間の印加電圧の比をＫとしたとき、 前記放電電極の幅方向に電流密度の分布をとったとき、
前記放電電極の幅方向の中央部と放電電極の幅方向両端
部との間にそれぞれ位置する２つの位置で電流密度の極
小値が存在するよう、（D0−Di）/Diおよび前記Ｋの各
値を設定するようにしたことを特徴とするガスレーザ装
置。 - 【請求項２】前記放電管の内壁断面と外壁断面とを同軸
としたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
のガスレーザ装置。 - 【請求項３】前記放電電極の幅を、前記電流密度が極小
値をとる２つの位置の間のみに放電電極が存在するよう
に制限するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
第（１）項記載のガスレーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62310072A JP2631480B2 (ja) | 1987-12-08 | 1987-12-08 | ガスレーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62310072A JP2631480B2 (ja) | 1987-12-08 | 1987-12-08 | ガスレーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01151280A JPH01151280A (ja) | 1989-06-14 |
| JP2631480B2 true JP2631480B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=18000834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62310072A Expired - Lifetime JP2631480B2 (ja) | 1987-12-08 | 1987-12-08 | ガスレーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2631480B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203039227U (zh) * | 2012-09-25 | 2013-07-03 | 成都微深科技有限公司 | 二氧化碳激光器及其用于该二氧化碳激光器的储气管 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60169178A (ja) * | 1984-02-13 | 1985-09-02 | Mitsubishi Electric Corp | ガスレ−ザ装置 |
| JPS61280689A (ja) * | 1985-06-05 | 1986-12-11 | Mitsubishi Electric Corp | ガスレ−ザ装置 |
-
1987
- 1987-12-08 JP JP62310072A patent/JP2631480B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01151280A (ja) | 1989-06-14 |
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