JP2700345B2

JP2700345B2 - 気体レーザ装置

Info

Publication number: JP2700345B2
Application number: JP2003550A
Authority: JP
Inventors: 順一西前; 憲治吉沢; 正和滝
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1998-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JPH03155684A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、レーザ気体の励起が行なわれる放電空間
が、偏平なスラブ状をしている気体レーザ装置に関し、
特にそのレーザ共振器の安定性の向上に関するものであ
る。

［従来の技術］第６図は特開昭63−192285号公報に示された従来の気
体レーザ装置の概略断面図、第７図はこのレーザ装置の
共振器の構成を示す概略平面図である。図において，
（11）は72MHz高周波発生器、（21）は電力整合回路、
（22）は高周波ケーブル、（23）は絶縁フィードスル
ー、（71），（72）は電極、（73），（74）は電極の表
面で光学反射面に研摩してある。（75）は放電用隙間、
（76），（77）は電極（71），（72）を絶縁するスペー
サ、（78）はＵ字形をした基部で、電極（71），（72）
とスペーサ（76），（77）よりなる組立体が基部（78）
上に取付けられ、Ｕ字形の基部（78）は蓋（79）により
閉じられ、セラミック絶縁材（80）が蓋（79）と電極
（71）との間に配設されている。また、レーザ共振器は
第７図に示すように、凹球面の全反射鏡（52）と凸球面
の全反射鏡（53）とから構成されている。

上記のように構成された従来の気体レーザ装置におい
ては、高周波発生器（11）により発生された高周波は電
力整合器（21）を介して、ケーブル（22）を通って電極
（71），（72）間に印加される。電極（71），（72）間
の放電用隙間（75）にはレーザ気体が充填されており、
電極（71），（72）間に印加された高周波によりレーザ
気体が放電励起される。このように、反射鏡（52）と
（53）とで構成されるレーザ共振器内に、励起されたレ
ーザ気体が存在するため、レーザ発振が行なわれる。こ
のとき、電極（71），（72）間を2mmにし、電極（7
1），（72）の縁と凸面鏡（53）の縁との間の距離を2mm
とすることにより一辺が、約2mmの方形ビームが得られ
る。このビームはレーザ共振器から一定距離離れるとガ
ウス型円形ビーム（８）となる。

［発明が解決しようとする課題］上記のような従来の気体レーザ装置では、レーザ共振
器が凹面鏡と凸面鏡の組み合わせの、いわゆる正ブラン
チ不安定型共振器となっているため、反射鏡の傾きに非
常に敏感で、反射鏡の傾きの調整が行ない難く、しかも
温度による変形等で調整が狂い易いため、共振器の安定
性の確保が難しいといった問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
もので、反射鏡の傾きに鈍感で、反射鏡の傾きの調整が
容易で、安定性の良い気体レーザ装置を得ることを目的
とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係る気体レーザ装置は、放電空間をレーザ
光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる偏平なス
ラブ状に形成し、この放電空間の両端に夫々レーザ共振
器ミラーを配置して、放電空間断面における寸法の長い
方の１次元については上記レーザ共振器ミラーをそれぞ
れ凹面と凹面に形成して負ブランチの不安定型共振器を
構成し、かつ前記各ミラーの少なくとも一方を、放電空
間の扁平面内で該放電空間の中心軸に対し傾けて設置
し、放電空間断面における寸法の長い方の一端部からレ
ーザビームを取り出すようにしたものである。

［作用］この発明においては、放電空間断面における寸法の長
い方の１次元について負ブランチの不安定型共振器を構
成しているから、共振器内に焦点はあるが、光が集中す
るのは一点でなくスラブ状放電空間の縦方向（スラブの
短尺側辺に沿う方向）の一線となり、通常の円筒軸対称
の共振器を負ブランチとした場合に比し光の集中の割合
が大きく低減され、光学損傷等光の集中による問題が生
じることなく、しかも負ブランチの不安定型共振器の反
射鏡の傾きに鈍感である特長が最大限に発揮される。ま
た、各ミラーの少なくとも一方を、放電空間の扁平面内
で該放電空間の中心軸に対し傾けて設置しているので、
放電空間断面における寸法の長い方の一端部からレーザ
ビームを取り出すことができる。

［実施例］第１図（ａ）はこの発明の一実施例における共振器を
示す斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示す共振器
の不安定型共振器側の概要を示す平面図、第１図（ｃ）
は第１図（ａ）に示す共振器の光導波路共振器側の概要
を示す側面図である。

第１図（ａ），（ｂ）及び（ｃ）において、（50）は
全反射ミラーで、凹面鏡である。（51）は出口全反射ミ
ラーで、凹面鏡である。（67）は放電空間で、第６図に
おける電極（71），（72）の表面で囲まれた放電用隙間
（75）に相当する空間である。この放電空間（67）は、
レーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法（Ｂ及び
Ａ）が異なる偏平なスラブ状に形成されており、寸法Ｂ
はレーザ波長に対し光導波路の寸法としてある。なお、
放電空間（67）の図示は簡略化して輪郭のみ示してあ
る。

以上のように構成された共振器は、放電空間断面にお
ける寸法の長い方の１次元については、つまり図示のＡ
方向についてはミラー（50），（51）を組み合わせた負
ブランチの不安定型共振器となっており、放電空間断面
における寸法の短い方の１次元については、つまり図示
のＢ方向については、光導波路共振器となっている。

さらに、負ブランチの不安定型共振器は、放電空間断
面の寸法が長い方の一端部（671）からのみレーザビー
ム（８）を取り出すために、レーザ光軸を放電空間の中
心軸よりずらしてある。即ち、ミラー（50）及び（51）
の少くとも一方は放電空間の中心軸に対し傾けて配置し
てある。また、ミラー（51）にはレーザビーム取り出し
部（511）が設けてある。このレーザービーム取り出し
部（511）は、この実施例ではミラー（51）の一部を切
欠いて直線状のアパーチャを形成したものである。

なお、図において、P_L0はミラー（51）から取り出さ
れるレーザ光強度分布を示しており、R_Tはミラー（50）
の曲率半径、R_Pはミラー（51）の曲率半径である。ま
た、ａ及びｂはミラーの有効長さを示している。

次に、不安定型共振器の機械的変動、つまりミラーの
傾き（以下、ミスアライメントと記す）に対する感度に
ついて説明する。

第２図は正ブランチ不安定型共振記のミスアライメン
ト感度を説明する説明図、第３図は負ブランチ不安定型
共振記のミスアライメント感度を説明する説明図であ
る。第２図及び第３図において、（１）及び（２）はミ
ラーで、第２図では第７図のミラー（52）及びミラー
（53）を示し、第３図では第１図のミラー（50）及びミ
ラー（51）を示している。ｅはミラー（２）の曲率中
心、ｆはもともとのミラー（１）の曲率中心、ｇはずれ
たミラー（１）の曲率中心、ｈは焦点、θはミラー
（１）のずれ角、φは光軸のずれ角である。なお、光軸
ｃは曲率中心を結んだ線、即ち両方のミラー面に垂直な
線で、ミラー（１）がずれた場合、即ちミラー（１）が
傾いた場合efからegへ変化する。ｄはずれた光軸を示し
ている。

不安定型共振器のミスアライメントに対する感度Ｍ
は、学会誌（IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,DE
CEMBER 1969,P.579）に記載されているように、下記
（１）〜（３）式で表わされる。

ここで、ｍは拡大率で共焦点（Confocal）共振器にお
いてはミラーの曲率比で考えられる。

R₁,R₂はミラー（１）及び（２）の曲率半径で、凸曲
率と凹曲率を±符号で区別しているため（５）式は負と
なる。

このｍは、幾何（光）学的にはエッジやアパーチャに
よって制限されたミラーの有効長さ（第１図、第７図に
示すａ及びｂ）の比になる。

なお、ミラーの有効長さとはエッジやアパーチャによ
り制限されて、実際に光の当っているミラーの部分であ
る。（軸対称の場合は有効径になる）即ち、拡大率と
は、共振器内における拡大される前のビームの大きさと
拡大後のビームの大きさの比である。

第１図に従って試作したCO₂レーザの例では、放電空
間長400mm、断面寸法２×20mmであり、適当な出力結合
率10％と出射ビームの対称性が両立するように拡大率ｍ
は1.1程度に設計されている。この場合M₊22、M_-１
となる。

従って、負ブランチのミスアライメント感度は正ブラ
ンチのミスアライメント感度の1/22となる。即ち、ミラ
ーが傾いたことによる光軸のずれは負ブランチの方がは
るかに少い。従って、共振器によって作られる光の場と
放電により励起された活性媒質とのずれもはるかに少な
く、共振器の安定性が向上する。

なお、この発明では、拡大率ｍは不安定側（断面寸法
Ａの方）のみで定義され、光導波路（断面寸法Ｂの方）
については関係がない。

ところで、負ブランチの不安定型共振器は、共振器内
に焦点があり、通常の円筒軸対称の共振器に用いると共
振器内に光が集中する一点が生じ光学損傷等の問題があ
るため、一般にはほとんど用いられていない。これに対
し、この発明は放電空間断面における寸法の短い方の１
次元は光導波路共振器を構成した通常の円筒軸対称でな
い共振器において、負ブランチの不安定側共振器を適用
したものである。このため、共振器内に焦点があるが、
光が集中するのは一点ではなく一線（第１図（ｂ）及び
（ｃ）におけるＬ）となり、通常の円筒軸対称の共振器
に適用した場合に比し光の集中の割合が大きく低減さ
れ、光学損傷等の光の集中による問題が生じることな
く、しかも負ブランチの不安定型の反射鏡の傾きに鈍感
である特長を最大限に発揮できるものとなる。前記の例
では第４図に示すように正ブランチにおいては出力25W
程度からミラーの歪によりモードがくずれ、出力が飽和
してしまうが負ブランチでは80W以上が得られた。

また、負ブランチの方がミラーの曲率半径が小さくな
るため、曲率としては大きくなり形状誤差に対する曲率
誤差が小となる。同じ形状誤差（精度）に対して曲率半
径の誤差（精度）は目標曲率半径に対してほぼ２乗で大
きくなり、ミラー製作上の精度の良さの点でも負ブラン
チの方が有利である。例えば、前記のCO₂レーザの例で
±0.5μｍの形状誤差でφ30mm程度のミラーを使用して
いるが、負ブランチの場合、不安定型の曲率は約400で
±0.5mmの誤差であるが、正ブランチの場合曲率が約900
0で±200mmの誤差となり、正ブランチでは共焦点からの
ずれが大きく拡大率も目標からずれ、光の制御が設計通
りいかなかった。

第５図（ａ），（ｂ）はいずれもこの発明の他の実施
例における共振器を示すもので、それぞれ第１図
（ｂ），（ｃ）相当図である。なお、図示しないがこの
実施例の共振器の斜め方向からみた構成は第１図（ａ）
と同様である。この実施例のものは、第５図（ａ）に示
すように、寸法の長い方の１次元は第１図（ｂ）と同様
に負ブランチの不安定型共振器になっているが、他の１
次元は光導波路共振器ではなく、第５図（ｂ）に示すよ
うな通常の開放型の共振器になっており、全反射ミラー
（52）と出口全反射ミラー（53）の放電空間断面の寸法
の長い方の一端部からレーザビーム（８）を取り出すよ
うになっている。

このような構成の共振器とするためには、寸法の長い
方の１次元については、第５図（ａ）に示すように、前
述と同様の負ブランチの不安定型共振器となるよう、両
ミラーの曲率半径R_T1,R_P1を適当にした凹面にする。他
の１次元は、第５図（ｂ）に示す如く、光が電極表面に
当らずにビーム径が放電空間断面の短い方の寸法B₂より
小さくなるように両ミラーの曲率半径R_T2,R_P2を適当に
した凹面にする。すなわち、共振器ミラーは放電空間断
面における寸法の長い方の１次元と短い方の１次元の両
方向で曲率が異なる、いわゆるトロイダルミラーとして
いる。

このように構成したものにあっても、第１図のものと
同様に、通常の円筒軸対称でない共振器において、負ブ
ランチの不安定型共振器を適用したものであるため、共
振器内に焦点があるが、光が集中するものは一点でなく
一線となるので、第１図のものと同様の効果を奏する。

なお、上述の各実施例ではこの発明を高周波電界によ
り放電を発生させレーザ気体を励起する気体レーザ装置
に用いたものを示したが、これを例えば特開昭63−1864
83号公報に開示されているような、マイクロ波回路の一
部を構成する導電体壁と、この導電体壁に対向して設け
られた誘電体との間にレーザ光軸方向に垂直な断面の縦
と横の寸法が異なる空間を形成し、この空間にレーザ気
体を封入すると共にマイクロ波電界により放電破壊させ
てプラズマを発生させレーザ気体を励起する気体レーザ
装置に適用しても同様の効果が得られる。

また、ミラー（51）のレーザビーム取り出し部（51
1）は、直線状のアパーチャを形成しているが、放電空
間断面の短い方の寸法より充分大きな直径のミラーであ
れば、円形ミラーを用いても問題ない。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、スラブ状放電空間断
面における寸法の長い方の１次元についてのみ負ブラン
チの不安定型共振器を構成し、かつ各ミラーの少なくと
も一方を、放電空間の扁平面内で該放電空間の中心軸に
対し傾けて設置したので、共振器内に焦点はあるが、光
が集中するのは一点ではなくスラブ状放電空間の縦方向
（スラブの短尺側辺に沿う方向）の一線となり、光学損
傷等光の集中による問題が生じることなく、負ブランチ
の不安定型共振器の凹面からなる各ミラーの傾きに鈍感
である特長が最大限に発揮され、共振器の安定性が向上
するとともに、放電空間断面における寸法の長い方の一
端部からレーザビームを取り出すことができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例における共振器を示
す斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示す共振器の
不安定型共振器側の概要を示す平面図、第１図（ｃ）は
第１図（ａ）に示す共振器の光導波路共振器側の概要を
示す側面図、第２図は正ブランチ不安定型共振器のミス
アライメント感度を説明する説明図、第３図は負ブラン
チ不安定型共振器のミスアライメント感度を説明する説
明図、第４図は正ブランチおよび負ブランチ不安定型共
振器によるCO₂レーザ共振器の特性を示すグラフ、第５
図（ａ）はこの発明の他の実施例による共振器の不安定
型共振器側の概要を示す平面図、第５図（ｂ）は同じく
共振器の開放型共振器側の概要を示す側面図、第６図は
従来の気体レーザ装置の概略断面図、第７図は第６図に
示す気体レーザ装置の共振器の構成を示す概略平面図で
ある。図において、（50），（52）は全反射ミラー（凹面
鏡）、（51），（53）は出口全反射ミラー（凹面鏡）、
（511），（531）はレーザビーム取り出し部、（67）は
放電空間、（８）はレーザビーム、A,A₂は放電空間断面
における長い方の寸法、B,B₂は放電空間断面における短
い方の寸法である。なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ気体の励起を放電により行う気体レ
ーザ装置において、放電によるレーザ気体の励起が行われる放電空間を、レ
ーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる扁平
なスラブ状に形成し、この放電空間の両端に夫々凹面からなるレーザ共振器ミ
ラーを配置し、放電空間断面における寸法の長い方の１
次元については負ブランチの不安定型共振器を構成し、かつ前記各ミラーの少なくとも一方を、放電空間の扁平
面内で該放電空間の中心軸に対し傾けて設置し、放電空
間断面における寸法の長い方の一端部からレーザビーム
を取り出すようにしたことを特徴とする気体レーザ装
置。