JP2648463B2 - スラブ状気体レーザ - Google Patents

スラブ状気体レーザ

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JP2648463B2 JP7006197A JP619795A JP2648463B2 JP 2648463 B2 JP2648463 B2 JP 2648463B2 JP 7006197 A JP7006197 A JP 7006197A JP 619795 A JP619795 A JP 619795A JP 2648463 B2 JP2648463 B2 JP 2648463B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザに係り、特に炭酸
ガススラブ状（板状）レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】固定ロッド（棒状）レーザの動作におい
ては棒から熱を散逸させるのに必要な温度勾配に起因す
る実際的な制約が存在する。あらゆるレーザ材料に共通
した基本的な熱に関する問題の一に光学的ひずみ及び複
屈折の問題がある。熱除去技術についての研究の結果一
般に円板状，板状及びジグザグレーザと称される様々な
設計及び構成が開発されている。これらの開発において
は一定体積のレーザ材料において冷却面積の増大が企て
られ、これにより内部温度を低くおさえたままパワー散
逸密度が増大され、同時に熱流の方向が調節されること
により熱流により生じる屈折率勾配がレーザビームに及
ぼす影響が最小化される。
【０００３】円板状レーザにおいては固体棒が光軸に対
して直角なあるいは所定角度の円板に分割されている。
個々の円板の表面は円板間の空間を通される適当な冷却
媒体により強制冷却される。かかる設計においては熱流
路は光軸に実質的に平行になり理想的な場合レーザビー
ムの半径方向ひずみを生じない。しかし、円板状レーザ
では縁部の冷却効果に起因する円板中の応力や光学的ひ
ずみ、表面での散乱および冷却媒質中における減衰に起
因する光学的損失また円板を相互にまたレーザ装置の光
軸に対して正確な関係に固定して保持する際の機械的な
問題点等のため固体レーザの性能に大した向上が認めら
れない。
【０００４】矩形板状レーザは大きな冷却表面を有し板
の厚さ方向に対して実質的に一次元の温度勾配を有して
いる。例えば典型的なＮｄＹＡＧレーザ棒は円筒形状で
あり棒表面が水冷される。ＮｄＹＡＧレーザ棒はクリプ
トンあるいはキセノン放電ランプにより光学的にポンピ
ングされるが、これらのランプから放出される光が棒内
で大なり小なり均等に吸収されることにより棒の中心な
いし軸部の温度が上昇しやすい。棒の中心部から外周部
に到る温度勾配は棒の直径方向に沿って光学的性質を漸
移的に変化させてしまう。この漸移的変化は良好なレー
ザ共振器の設計を困難にする。この光学的性質の漸移的
変化の問題に対する解決法の一はスラブ（板状）形状を
したレーザ棒を使用することでありこれは例えばケッチ
ナーによる「固体レーザ工学」のセクション７．３，３
９０−３９６ページ（Ｋｏｅｃｈｎｅｒ，“Ｓｏｌｉｄ
Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ”，Ｓｅｃｔｉｏｎ ７．３，ｐａｇｅｓ ３９０−
３９６）；チャン他による「単一モード面ポンプレーザ
の共鳴モード解析」，アプライド オプティックス，第
１６巻，第４号１９７７年４月，１０６７−１０６９頁
（Ｃｈｕｎ ｅｔ ａｌ．“Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｍｏｄ
ｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ
Ｆａｃｅ Ｐｕｍｐｅｄ Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ １６，Ｎｏ．
４，Ａｐｒｉｌ，１９７７，ｐａｇｅｓ １０６７−１
０６９）：及びジョーンズ他によるアイイーイーイー
ジャーナルオブ クオンタムエレクトロニクス，第７
巻，５３４−５３５頁（Ｊｏｎｅｓｅｔ ａｌ．ＩＥＥ
Ｅ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖ
ｏｌｕｍｅ ７，ｐａｇｅｓ５３４−５３５）に記載さ
れている。このスラブ状の棒を使用することによりレー
ザビームは変化面中をジグザグに伝播し温度勾配の影響
が打消される。
【０００５】一方、従来の炭酸ガスレーザは典型的に直
径が１ｃｍの放電管を使用し水冷却ジャケットにより冷
却される。ＣＯ2 ガスは冷却されている外壁部への熱伝
導により冷却される。この冷却効果を向上させるため高
出力炭酸ガスレーザではガスが流れるようにされており
ガスが放電管の境界に沿って移動する際熱がガスと共に
運ばれる。別の構成では例えばロックによる「大出力産
業用ＣＯ2 レーザ：概観」、高出力レーザ技術の産業へ
の応用，エスピーアイイー 第８６巻，１９７６年 ２
−１０頁（Ｌｏｃｋｅ“Ｍｕｌｔｉ−ｋｉｌｏｗａｔｔ
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ＣＯ2 Ｌａｓｅｒｓ：Ａ
Ｓｕｒｖｅｙ，ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｐｐｌｉｃａｔ
ｉｏｎｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．８６，１９
７６，ｐａｇｅｓ ２−１０）に記載のようにガスは解
放構成中を放電の方向を横切るように流される。
【０００６】導波管ガスレーザはレーザ光をレーザ励起
放電を閉じ込める作用もする中空導波管中を伝播させる
種類のレーザである。かかるレーザはラークマンの米国
特許第４，１６９，２５１号：ラシャンブル他による
「横方向ＲＦ励起ＣＯ2 導波管レーザ」アプライド フ
ィジックス レターズ 第３２巻，第１０号 １９７８
年５月 ６５２−６５３頁（Ｌａｃｈａｍｂｒｅ ｅｔ
ａｌ．“Ａ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ ＲＦ ｅｘ
ｃｉｔｅｄ ＣＯ2 Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｌａｓｅ
ｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１０，Ｍａｙ １５，１９７
８，ｐａｇｅｓ ６５２−６５３）：ラークマンによる
「導波管レーザの横方向ＲＦ励起」，レーザ国際会議報
告／１９７８年 ７４１−７４３ページ（Ｌａａｋｍａ
ｎｎ“Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ＲＦＥｘｃｉａｔｉｏｎ
Ｆｏｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｌａｓｅｒｓ”，Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ Ｌａｓｅｒｓ，１９７
８，ｐａｇｅｓ ７４１−７４３）：スミスによる「導
波管ガスレーザ」アプライド フィジックス レター
ズ，第１９巻 第５号，１９７１年９月１日，１３２−
１３４頁（Ｓｍｉｔｈ“Ａ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇａ
ｓ Ｌａｓｅｒ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．５，Ｓｅｐｔｅ
ｍｂｅｒ １，１９７１，ｐａｇｅｓ１３２−１３
４）；及びブリッジズ他による「ＣＯ2 導波管レーザ」
アプライドフィジックス レターズ 第２０巻，第１０
号，１９７２年５月１５日，４０３−４０５頁（Ｂｒｉ
ｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ，“ＣＯ2 Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
Ｌａｓｅｒｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１０，Ｍａｙ １
５，１９７２，ｐａｇｅｓ ４０３−４０５）に記載さ
れている。これらの文献は高周波放電によりポンピング
される導波管ＣＯ 2 レーザ及び直流電流によりポンピン
グされる導波管レーザについて一般的に記載している。
かかる装置では導波管壁の冷却は導波管の寸法が典型的
に数ミリメートル程度しかないため比較的効率よくされ
る。またこの種の装置は他のＣＯ2レーザと異なり一般
に開放状態になく光は一般に導波管空洞を導かれる。典
型的には共振器は鏡を導波管の両端に設けることにより
形成される。この種の装置は導波管が比較的小形である
ため小形にできる利点を有する。しかし、かかるシール
された炭酸ガス導波管レーザから取出せる出力は放電長
１ｃｍ当りたった０．５ワットにしかならないのが典型
的である。すなわち、レーザガスの冷却及び励起が能率
良くなされても、ガス体積が比較的小さいため正味の出
力においては大した利点が得られない。
【０００７】本発明はスラブ形状をガスレーザ技術と結
合することにより単位放電長当りの発生レーザ出力の大
きいレーザ構造を提供することを目的とする。また、本
発明によるレーザ構造は熱伝導による冷却により大きな
レーザ出力を発生することを可能にする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によるガススラブ
状レーザはＣＯ2 スラブ状レーザであるのが好ましく、
一対の平行な相互に対向して配設された冷却された金属
電極を含み、電極は電極面の間隔が典型的に約３ミリメ
ートル以下に制限された範囲で離間される。また電極の
幅は約１センチメートル以上とされる。電極面は良く研
摩され一対の反射率の高い反射面を形成する。電極間で
はレーザ作用を生じる高周波放電がなされる。電極間の
ガスの冷却は電極の金属面への熱伝導によってなされガ
スは電極の延在する方向を横切るように流される。従来
のガス流式のＣＯ2 レーザと異なり、本発明によるレー
ザでは電極が光を反射することにより光を電極間の間隔
に沿って案内して伝播させ、また伝導によりガスを冷却
する作用を行なう。
【０００９】
【作用】ガスを金属電極を介して熱伝導により冷却する
際の利点は実際にはレーザ共振器が位相のそろった干渉
性単一モード動作をする必要のため複雑になる。例えば
手術などのためレーザビームを回折限界スポットにまで
集束する必要がある場合、ビームはコヒーレントで位相
がそろっていなければならない。その他のビームでは焦
点スポットの大きさが大きくなってしまう。典型的には
共振器は適当な反射鏡を電極構成の両端に設けることで
形成される。例えば従来のＣＯ2 レーザでは単一モード
動作は非安定共振器あるいは適当な設計の安定共振器を
使って得られている。導波管レーザでは導波管の横方向
寸法はいずれも約３ミリメートル以下に制限されており
導波管空洞の両端に平面鏡が設けられた単一モード動作
がなされる。また導管波レーザでは発振モードは共振器
ではなく導波管の空洞により決定される。
【００１０】これに対し、ＣＯ2 スラブ状レーザ構成で
はレーザビームは一の面では導波されるが他の面が開放
されているためこの面では導波されず従ってビームは閉
じ込められない。導波管レーザと異なり、ビームの伝播
方向は共振器の鏡によって決定されレーザの幾何学的形
状にはならない。固体スラブ（板）の厚さは典型的には
１ｃｍでありビームは板に沿って板の軸に対して様々な
角度でジグザグに伝播し、これらの角度の各々が伝播モ
ードに対応する。従ってこのような固定板中におけるビ
ームは多モードになり位相もコヒーレントにならない。
かかるＣＯ2 スラブレーザでは放電スラブの厚さは典型
的には２ｍｍであり、このような条件下ではジグザグに
伝播するレーザビームのうち放電の軸に対して特定の角
度を有するものが有利になり結果的に導波面中において
単一の伝播モードが支配的になる。導波されない面では
レーザビームは電極の両端に設けられた共振器鏡による
反射により放電スラブ中に閉じ込められる。
【００１１】これに対し、本発明による気体スラブ状レ
ーザでは２つの共振器構造のいずれかを使用した場合に
単一モード動作が生じるのが見出された。電極幅が約１
ｃｍ以下である場合、安定共振器を使うことにより単一
モードレーザ出力ビームが得られる。例えば一端に半透
明平面鏡を使用し他端に全反射凹面鏡を使用することに
より、単一モードレーザ出力ビームが得られる。一方、
電極幅が１ｃｍを超える場合は非安定形共振器が必要で
ある。例えば、全反射凹面鏡と全反射凸面鏡を電極の両
端に３０ｃｍ離して配設することにより単一モード動作
を行なわせることができる。さらに、電極を間に２ミリ
メートルの隙間が形成されるように離して保持しまた電
極の縁と凸面鏡との間の距離を約２ミリメートルに保持
することにより一辺が約２ミリメートルの方形ビームが
得られる。このビームはレーザから一定距離離れると円
形になり、単一モード動作の場合と同じになる。
【００１２】このように、本発明は他の伝導冷却形気体
レーザ構造よりも大きな単位放電長当りの気体レーザ出
力を発生することができるスラブ状気体レーザを提供す
る。また、本発明では気体のスラブ状放電により単一モ
ードレーザビームを発生させることができる。これは手
術などレーザビーム径の大きさが重要な用途において有
利である。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を最良の実施態様について図面
を参照しながら説明する。図１は本発明の原理により構
成された符号１により一般的に示す炭酸ガス封入スラブ
状レーザを示す。レーザ１は一対の対向する細長い相互
に離間された導電性電極部材２及び３を含み、各々の電
極部材は平行にかつ離間して配設される面４及び５を有
する。面４及び５は光学的反射器構成を形成すべく良く
研摩ないし反射率の高い材料により被覆されている。面
４と５の間には細長い隙間６が画成されこの隙間６内に
レーザ励起放電が形成される。隙間６は約１ｍｍ〜約５
ｍｍの奥行きと少なくとも約２ｍｍの幅及び少なくとも
約５ｃｍの長さを有する。図１に示したレーザ放電用の
隙間６は矩形断面を有しているが他の断面形状例えば正
方形断面を有していてもよい。電極面４と５の間隔は光
の反射と導波に適当なように選択され、典型的には約３
ｍｍ以下に制限される。一例では隙間６は奥行きが約
２．２５ｍｍ，幅が約３ｃｍ（これは面４及び５の幅に
対応する）、また長さが約３０ｃｍである。
【００１４】電極部材２及び３はアルミニウム等の任意
の導電性材料でよく、あるいはアルミナ等の誘電性材料
より形成してもよい。誘電性材料を電極に使用する場合
は誘電性材料の背後に導電性面を形成する必要がある。
電極２と３とは絶縁スペーサ７，８により分離される。
また電極２と３とはスペーサ７，８に機械的にあるいは
適当な結合材料によって固定される。電極２，３及びス
ペーサ７，８よりなる組立体は一対の対向した直立壁１
０，１１により組立体の側面を囲むＵ字形をした筐体の
基部９上に取付けられる。基部９と側壁１０，１１は銅
の如き高い熱伝導率と構造的強度を有する材料より形成
するのが好ましい。熱除去を促進すべく基部９と側壁１
０，１１との接合部には一対の通路１２及び１３が形成
される。冷却水がこの通路１２，１３を通されて熱の除
去を促進する。Ｕ字形筐体は蓋１４により閉じられセラ
ミック絶縁材１５が蓋１４と電極２との間に配設され
る。
【００１５】放電用隙間６は任意のレーザガスで充填さ
れる。特定の例ではレーザガスとして標準的なＣＯ2 レ
ーザガス混合物すなわちヘリウム６５％、窒素２２％及
び炭酸ガス１３％をモル分率で含むガスが使われる。勿
論他のレーザガス及び混合ガスも使用できる。レーザガ
スの典型的な圧力は約１０ミリバールないし約４００ミ
リバールであるが好ましいのは約２００ミリバールであ
る。
【００１６】電極２及び３には例えば１キロワット出力
の７２メガヘルツ真空管高周波発生器の如き高周波発生
器１６が接続され、適当な周波数にてレーザガス中に望
ましいレーザ遷移に対応した十分なエネルギー準位上で
の反転分布を形成するに足る放電を形成する。高周波発
生器により形成される放電は約１０メガヘルツ〜約２０
０メガヘルツの周波数を有し、高周波発生器の出力を従
来一般に使われている電力整合回路１７を介して供給す
ることにより形成される。この電力整合回路は必要に応
じて任意のものを使用すればよい。回路１７より供給さ
れる高周波電流はケーブル１８を通って電極２及び３に
導かれる。ケーブル１８は適当な絶縁フィードスルー１
９により側壁１０に対して絶縁されている。
【００１７】レーザ１を発振器として使用して位相がコ
ヒーレントな単一モード動作を得たい場合は前記２種類
の共振器構造の一方を使って共振器を形成する。図２を
参照するに、電極２及び３が約１ｃｍ以下の幅である場
合は安定共振器を使用することにより単一モード出力レ
ーザビームを得ることができる。換言すれば、一対の整
列した反射器２０及び２１が電極２及び３の両端にすな
わち隙間６の長手軸方向上の両端に対向して配設され
る。反射器２０は半透明平面鏡であり反射器２１は１５
メートルの曲率半径を有するのが好ましい全反射球面状
凹面鏡である。このような条件下においては動作中単一
モード出力レーザビームが得られる。一方電極２及び３
の幅が約１ｃｍを超える場合は非安定形の共振器が必要
になる。図３を参照するに、電極２は幅が１ｃｍよりも
大きく、また一対の整列した鏡２２及び２３が電極の両
端に、すなわち隙間６の両端に対向して配設されてい
る。より詳細には、反射器２２は曲率半径が２０メート
ルであるのが好ましい球面を有する凹面鏡であり反射器
２３は曲率半径が１９メートルであるのが好ましい球面
を有する凸面鏡である。鏡２２と２３とは約３０ｃｍ離
して配置され、これによりレーザは単一モード動作を行
なう。例えば電極２と３とが隙間６が約２ｍｍになるよ
うに配置されておりまた電極２及び３の縁部と凹面鏡２
２との間の距離もまた約２ｍｍである場合は矢印２４で
示す一辺の長さが２ｍｍの正方形断面のレーザビームが
鏡２２の縁における光の回折の結果出力される。この正
方形断面を有するレーザビーム２４はファーフィールド
においては一次のガウス形円形ビームになる。これは単
一モード出力ビームと同じである。１キロワット出力の
７２メガヘルツ高周波発生器を３０ｃｍの放電長と組合
わせて使用した場合約１００ワットの出力が得られる。
これに対し、従来の封入管ＣＯ2 レーザあるいは導波管
レーザでは放電長が同一の長さであった場合典型的に１
５ワットのレーザ出力しか発生されない。
【００１８】レーザ１はまた増幅器としても使用でき
る。この場合は鏡２０〜２３のかわりに増幅したいレー
ザビームを隙間６に導入しまた隙間６から出力するため
に透明な窓が使用される。このように、本発明は他の封
入ＣＯ2 レーザあるいは導波管レーザよりも単位長さ放
電長当りの発生出力が大きいレーザ構造を提供する。レ
ーザ１はまたＣＯ 2 スラブ状放電構造から単一モードレ
ーザビームを発生できるレーザ共振器をも提供する。
【００１９】特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内
において発明を実施する様々な態様が可能である。要約
すると、本発明は約３ミリメートルより小さい隙間を形
成するように配設された一対の冷却された金属電極を含
む炭酸ガススラブレーザを提供する。隙間に面した電極
面は研摩されており非常に高い反射率を有する。電極間
には高周波電圧が加えられレーザ発振作用に適した隙間
内を充填するガス中に放電が形成される。電極間のガス
の冷却は電極の金属面を介して熱伝導によってなされ
る。従来のガス流式レーザと異なり、２つの電極はいず
れもレーザ光を反射しかつ導波すると同時にガスを熱伝
導によって冷却する作用を行なう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従って構成された炭酸ガススラ
ブ状レーザ装置を示す概略的断面図である。
【図２】単一モード動作を得るのに使われる図１レーザ
の共振器構成を示す概略的平面図である。
【図３】図１スラブ状レーザの単一モード動作を得るの
に使われる列の構成を示す図２と同様な図である。
【符号の説明】
１ レーザ ２，３ 電極 ４，５ 面 ６ 隙間 ７，８ スペーサ ９ 筐体基部 １０、１１ 筐体側壁 １２，１３ 冷却水通路 ２０〜２３ 反射器 ２４ レーザビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ｌ ＥＴＴＥＲＳ，40［１］（1982）Ｐ．13 −15 ”ＧＡＳ ＦＬＯＷ ＡＮＤ ＣＨＥ ＭＩＣＡＬ ＬＡＳＥＲＳ”ＰＲＯＣＥ ＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ６ＴＨ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰ ＯＳＩＵＭ Ｐ．252−257

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各々平面状光反射面を有し該光反射面に
    垂直な方向にのみ光導波路を形成すべく配設されまた間
    にガス放電用の隙間を形成する第１及び第２の細長い電
    極と； 該隙間中に充填されたレーザガスと； 該第１及び第２の電極の間に高周波電流を流してレーザ
    発振を励起する放電を形成する手段とよりなり、 該平面状光反射面間の距離は３ミリメートル以下であ
    り、該電極の幅は１センチメートル以上であるスラブ状
    気体レーザ。
  2. 【請求項２】 該隙間は幅が３センチメートル、長さが
    ３０センチメートルまた奥行きが２．００ミリメートル
    である請求項１記載のスラブ状気体レーザ。
  3. 【請求項３】 該レーザガスは圧力が１０ミリバールな
    いし４００ミリバールである請求項１記載のスラブ状気
    体レーザ。
  4. 【請求項４】 該レーザガスはＣＯ２，Ｈｅ及びＮ２の
    混合物である請求項１記載のスラブ状気体レーザ。
  5. 【請求項５】 該電流は周波数が１０メガヘルツないし
    ２００メガヘルツの範囲にある請求項１記載のスラブ状
    気体レーザ。
  6. 【請求項６】 さらに該電極を冷却する手段を含む請求
    項１記載のスラブ状気体レーザ。
  7. 【請求項７】 さらに該隙間の両端にレーザ共振器を設
    けた請求項１記載のスラブ状気体レーザ。
JP7006197A 1987-01-08 1995-01-19 スラブ状気体レーザ Expired - Lifetime JP2648463B2 (ja)

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US1572 1997-12-31

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