JP3221347B2

JP3221347B2 - ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JP3221347B2
Application number: JP6034497A
Authority: JP
Inventors: 茂樹山根
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JPH10256626A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波放電励
起を行う小型で大出力のガスレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波を用いたガスレーザ装置の例
は、ＡＰＰＬＥＤＰＨＹＳＩＣＳＬＥＴＴＥＲ３
７（１９８０）Ｐ６７３に提案されて以来、多くのメリ
ットが期待できることから、実用化に向けての提案（た
とえば特開平１−２６２６８１）がなされているが、現
在のところ、一般産業用としてマイクロ波励起のガスレ
ーザ発振装置は実用化されていない。

【０００３】レーザ発振には放電管の断面方向に均一な
放電が必要であり、放電管の外部から電界を印加して放
電を発生させる外部放電の場合、放電管に加わる電界分
布を均一にすることが必要であるが、現在レーザ発振器
に採用されている百数十ＭＨｚまでの高周波放電では、
図１０に示すように、放電管５０と放電部５１の間にシ
ースと呼ばれる層５２が発生し、放電部５１に局所的に
変位電流が流れ、放電が集中しようとすれば、シースと
呼ばれる層５２が変位電流を妨げるバラスト抵抗の働き
をするため、多少電界強度分布が均一でなくても安定し
た放電が行えている。しかし、このシースと呼ばれる層
５２は周波数が高くなれば徐々に薄くなり、２百ＭＨｚ
以上では発生しなくなることが知られている。そのた
め、マイクロ波放電のような２４５０ＭＨｚでの周波数
ではシースと呼ばれる層はなく、より一層電界強度を均
一にしなければ、レーザ発振に必要な均一な放電が達成
できないことが知られている。このため、図１１に示す
マイクロ波放電部を用い、放電管６０に対して電界の振
動方向が異なる複数のマイクロ波６１を印加し、合成電
界強度ベクトルが高速に回転することを利用すれば、電
界強度をほぼ均一にできることが確認できている。な
お、６２はマグネトロン、６３は導波管である。このマ
イクロ波放電部を用いて検討したマイクロ波励起の炭酸
ガスレーザ発振装置の構成概略図を図１２に示す。

【０００４】７０はガラス等の誘電体で形成される放電
管、７１は電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を
発生、放電部へ供給する図１１に相当するマイクロ波放
電部である。放電管７０は前記マイクロ波放電部７１を
貫通している。７２は放電管７０内でマイクロ波放電部
７１からのエネルギを受け放電する放電空間である。７
３は放電管７０の端面に全反射鏡７４が、他端に部分反
射鏡７５が配置された光共振器で、部分反射鏡７５より
レーザビーム７６が出射される。なお、放電管７０の両
端には送気管７７が接続され、さらに放電管７０の中央
部にも吸気管が接続され、放電空間７２での放電ならび
にブロワ部７８により温度上昇したレーザガスの温度を
下げるための熱交換器７９、８０とレーザガスを循環さ
せる前記ブロワ部７８が接続されている。矢印Ｇはレー
ザガスの流れる方向を示しており、ガスレーザ発振装置
の中をレーザガスが循環している。以上のように構成さ
れた炭酸ガスレーザ発振装置の動作について説明する。

【０００５】まず、放電管７０内の両放電空間７２にマ
イクロ波放電部７１からマイクロ波電力を注入し、放電
空間７２にグロー放電を発生させる。放電空間７２を通
過するレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起さ
れ、その励起されたレーザガスは全反射鏡７４と部分反
射鏡７５により形成された光共振器７３で共振状態とな
り、部分反射鏡７５を透過してレーザビーム７６が出射
される。

【０００６】図１３は本構成から得られた放電部へのマ
イクロ波注入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性
図を示す。

【０００７】ガス流量２０００m³／hで、発振効率２０
％、最大出力１２００ｗ最大出力時発振効率１５％、注
入電力８ｋｗの結果を得ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のものは図１
３に示すように注入電力を増大していくと出力、発振効
率共点線から実線の曲線へと低下する。

【０００９】ガスレーザ発振ではガス温度が約２００゜
Ｃ（１７５ｄｅｇ）を越すと発振効率が著しく低下する
ことはよく知られているが、注入電力に対し平均ガス温
度的には約１４０゜Ｃであった。そこで、放電管断面方
向の放電広がりを確認したところ、やはり放電管内面近
傍の放電輝度が徐々に高くなり、局所加熱が発生してい
ることが確認できた。上記原因は、マイクロ波の透過
性、耐熱性から放電管にセラミック管を用いており、壁
面のガス流速が遅く加熱されやすい、かつセラミック管
の熱伝導性が悪く冷却できず、局所的な温度分布が発生
していると推定できた。マイクロ波放電は、放電断面方
向に何らかの理由で局所的な温度むらがあれば温度の高
い箇所に放電が集中する。そのため注入電力をこれ以上
大きくできず、大出力化するには装置を大型化しなけれ
ばならないという問題点があった。

【００１０】これを防止するため、特開平６−１６４０
４２号に示されるようにガス流の断面方向の速度成分を
持たせ注入電力を増大することも提案している。しか
し、これではブロア部を大きせねばならず、コスト増と
共にやはり全体として小型化できないという問題点があ
った。本発明は、上記問題点を解決するためになされた
もので、発振効率が高く、かつ小型で大出力化できるマ
イクロ波励起方式のガスレーザ発振装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明は（１）放電管を金属放電管とし、放電部に円周方向に複
数ヶ所のマイクロ波を透過する材料を充填したスリット
状の窓を設けた構成とし、前記放電管のスリット窓外部
から電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を印加す
るものである。（２）放電管を外周をマイクロ波を透過する材料とし、
中央部に表面に凹凸を設けた金属を配置し、前記放電管
の外部から電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を
印加するものである。（３）放電管を金属放電管とし、放電部に円周方向に複
数ヶ所のマイクロ波を透過する材料を充填したスリット
状の窓を設け、かつ放電管中央に表面に凹凸を設けた金
属部を配置し、前記放電管のスリット窓外部から電界の
振動方向が異なる複数のマイクロ波を印加するものであ
る。（４）放電管を金属放電管とし、放電部に円周方向に複
数ヶ所のマイクロ波を透過する材料を充填したスリット
状の窓を設け、かつ放電管中央に棒状の触媒を設けた構
成とし、前記放電管のスリット窓外部から電界の振動方
向が異なる複数のマイクロ波を印加するものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】上記構成によれば、次に説明する
ようにレーザ出力発振効率を向上でき、小型で大出力化
を達成することが可能になる。（１）金属放電管を用いるので放電管内面のガスを効率
よく冷却できる。（２）放電管中央部に金属を設けるので中央の電界が強
く、ガスを効率よく冷却できる。（３）金属放電管を用い、放電管中央部に金属を設ける
ので中央部の電界が強く、ガスを効率よく冷却できる。（４）金属放電管を用い、ガス温度の高い放電管中央部
に棒状の触媒を設けるので解離したＣＯ₂分子を効率よ
く還元でき、かつガスを効率よく冷却できる。

【００１３】以下本発明の第１の実施の形態について、
図面を参照しながら説明する。尚従来と同一のもの、又
は同等の部分には同一の記号を付け説明は省略する。

【００１４】図１は本発明の一実施の形態による炭酸ガ
スレーザ発振装置の概略構成図である。

【００１５】図２に放電管１の詳細図で第１の実施の形
態を示す。図２において、（ａ）は一部を切り欠いた斜
視図で、（ｂ）は断面図である。放電管１は内面を凹凸
にした銅パイプ２と前記銅パイプ２の導波管設置位置内
に円周方向に４ヶのマイクロ波を透過する材料を充填し
たスリット状の窓と、前記銅パイプ２を冷却する冷却ジ
ャケット４から構成される。導波管により電界の振動方
向の異なるマイクロ波６１は放電管１に直角に照射され
るため、銅パイプ２のスリット窓寸法の軸方向の長さが
マイクロ波の遮断周波数以上であれば円周方向の寸法に
関係せずマイクロ波は通過できる。通過したマイクロ波
は放電管内で合成電界強度ベクトルが高速に回転し均一
な放電が放電部５１に発生する。また銅パイプ２は内表
面を凹凸に処理してあるため、放電部５１と直接接触の
冷却効果以外に乱流による冷却効果の向上も確認でき、
注入電力増大時に管壁の放電集中改善の効果が見られ
た。この場合のマイクロ波注入電力に対するレーザ出
力、発振効率の特性図を図３に示す。発振効率２０％、
最大出力１５５０ｗ、最大出力時発振効率１５．５％、
注入電力１０ｋｗの結果を得た。

【００１６】図４は放電管１の詳細図で本発明の第２の
実施の形態を示すものである。図４において（ａ）は一
部を切り欠いた斜視図、（ｂ）は断面図である。放電管
１はマイクロ波を透過するセラミックパイプ５と前記セ
ラミックパイプ５の中央部に表面に凹凸を設け、かつ内
部に冷却水を流す銅パイプ冷却管６を設けた構成であ
る。導波管により電界の振動方向の異なるマイクロ波６
１が放電管に印加されれば同様に放電管内では合成電界
強度ベクトルが高速に回転し、放電が放電部５１に発生
するが、特に銅パイプ冷却管６付近に強い電界が発生
し、強い放電が銅パイプ６に発生し易くなるが、銅パイ
プ冷却管６は放電部５１と直接接触しており、かつ表面
に凹凸を設けていることから放電部ガスの乱流化により
冷却が得られ、安定した放電広がりが得られた。

【００１７】この場合のマイクロ波注入電力に対するレ
ーザ出力、発振効率の特性図を図５に示す。

【００１８】発振効率２０％、最大出力１５５０ｗ、最
大出力時発振効率１５．５％、注入電力１０ｋｗと同様
に良好な結果を得た。今回の場合、放電管中央にパイプ
を設けた構成で放電管径より大きなミラーを用いたた
め、出力ビームは中抜けの形状となるが放電管径と金属
パイプ径の半分から出力を取り出せばビーム径は小さく
なるが良好な出力ビーム形状となる。

【００１９】図６は放電管１の詳細図で本発明の第３の
実施の形態を示すものである。図６において（ａ）は一
部を切り欠いた斜視図、（ｂ）は断面図である。

【００２０】放電管１は内表面を凹凸にした銅パイプ放
電管８の導波管設置位置に円周方向に４ヶのマイクロ波
を透過するセラミック７を充填したスリット状の窓と、
前記銅パイプ放電管８を冷却する冷却部９、と前記銅パ
イプ放電管８の中央部に外表面に凹凸を設け、かつ内部
に冷却水を流す銅パイプ冷却管１０を設けた構成であ
る。導波管により電界の振動方向の異なるマイクロ波６
１が放電管に印加されれば同様に放電管内では合成電界
強度ベクトルが高速に回転し、放電が放電部５１に発生
する。放電部５１は放電管である銅パイプ放電管８と放
電管中央部の銅パイプ冷却管１０と直接接触しておりか
つ前記金属表面に凹凸を設けていることから放電部ガス
の乱流化による冷却が得られ、著しい安定した放電広が
りが得られた。この場合マイクロ波注入電力に対するレ
ーザ出力、発振効率の特性図を図７に示す。

【００２１】発振効率２０％、最大出力１９００ｗ、最
大出力時発振効率１９％、注入電力１０ｋｗと同様に良
好な結果を得た。出力モードに関しては同様である。

【００２２】図８は放電管１の詳細図で本発明の第４の
実施の形態を示すものである。図８において、（ａ）は
一部を切り欠いた斜視図、（ｂ）は断面図である。

【００２３】放電管１は内表面を凹凸にした銅パイプ放
電管１２の導波管設置位置に円周方向に４ヶのマイクロ
波を透過するセラミック１１を充填したスリット状の窓
と、前記銅パイプ放電管１２を冷却する冷却部１３と、
前記銅パイプ放電管１２の中央部に表面に凹凸を設けた
白金系の棒状の触媒１４を設けた構成である。

【００２４】導波管により電界の振動方向の異なるマイ
クロ波６１が放電管に印加されれば同様に放電管内では
合成電界強度ベクトルが高速に回転し、放電が放電部５
１に発生する。放電部５１は放電管である銅パイプ放電
管１２と直接接触しており、前記金属表面に凹凸を設け
ていることから放電部ガスの乱流化による冷却が得ら
れ、かつ高温となる放電部で触媒１４と接触できるため
放電により解離したＣＯ ₂を効率よく還元でき、著しい
安定した放電広がりがえられた。この場合のマイクロ波
注入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性図を図９
に示す。

【００２５】発振効率２０％、最大出力１９００ｗ、最
大出力時発振効率１９％、注入電力１０ｋｗと同様に良
好な結果を得た。出力モードに関しては同様である。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、電界の振動方向が異なるマイクロ波により光軸
外で均一に励起されたレーザガスを、冷却効果が図れる
金属放電管等を用いることにより、レーザ出力の発振効
率を向上し、小型で大出力化を達成することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ波励起ガスレーザ装置の一実
施の形態を示す構成概略図

【図２】本発明の第１の実施の形態を示す詳細図

【図３】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波注
入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性図

【図４】本発明の第２の実施の形態を示す詳細図

【図５】本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波注
入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性図

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す詳細図

【図７】本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波注
入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性図

【図８】本発明の第４の実施の形態を示す詳細図

【図９】本発明の第４の実施の形態によるマイクロ波注
入電力に対するレーザ出力、発振効率の特性図

【図１０】高周波放電での放電断面状態図

【図１１】電界の振動方向が異なるマイクロ波を発生す
るマイクロ波放電部の概略構成図

【図１２】従来のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の
概略構成図

【図１３】従来のマイクロ波注入電力に対するレーザ出
力、発振効率の特性図

【符号の説明】

１放電管２銅パイプ放電管３セラミックスリット窓４冷却部５セラミック放電管６銅パイプ冷却管７セラミックスリット窓８銅パイプ放電管９冷却部１０銅パイプ冷却管１１セラミックスリット窓１２銅パイプ放電管１３冷却部１４棒形状触媒６１電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸と同軸に配置し、内部にレーザガスを
満たす放電管と、前記放電管内に放電を発生させレーザ
ビームを発生するガスレーザ発振器であって、前記放電
管を金属放電管とし、前記放電管の放電部に円周方向に
複数ヶ所以上のマイクロ波を透過する材料を充填したス
リット状の窓を設け、前記放電管のスリット状窓外部か
ら電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を印加する
ガスレーザ発振装置。
【請求項２】光軸と同軸に配置し、内部にレーザガスを
満たす放電管と、前記放電管内に放電を発生させレーザ
ビームを発生するガスレーザ発振器であって、前記放電
管を外周をマイクロ波を透過する材料とし、中央部に表
面に凹凸を設けた金属部を配置し、前記放電管の外部か
ら電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を印加する
ガスレーザ発振装置。
【請求項３】光軸と同軸に配置し、内部にレーザガスを
満たす放電管と、前記放電管内に放電を発生させレーザ
ビームを発生するガスレーザ発振器であって、前記放電
管を金属放電管とし、前記放電管の放電部に円周方向に
複数ヶ所以上のマイクロ波を透過する材料を充填したス
リット状の窓を設け、かつ前記放電管中央に表面に凹凸
を設けた金属部を配置し、前記放電管のスリット窓外部
から電界の振動方向が異なる複数のマイクロ波を印可す
るガスレーザ発振装置。
【請求項４】光軸と同軸に配置し、内部にレーザガスを
満たす放電管と、前記放電管内に放電を発生させレーザ
ビームを発生するガスレーザ発振器であって、前記放電
管を金属放電管とし、前記放電管の放電部に円周方向に
複数ヶ所のマイクロ波を透過する材料で充填したスリッ
ト状の窓を設け、かつ前記放電管中央に棒状の触媒を設
けた構成とし、前記放電管のスリット窓外部から電界の
振動方向が異なる複数のマイクロ波を印加するガスレー
ザ発振装置。