JP3934190B2 - 金属蒸気レーザーデバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生成されるべきレーザー効果を伴う金属を含有するチューブセットを備えた金属蒸気レーザーデバイスの分野に関するものである。電極が、内部チューブの２つの端部に配置され、適切な電力供給により、パルス状電気放電がこれら電極間に引き起こされる。この放電は、電極間において媒質を加熱し、そして、注入された反応性ガスが、蒸発されるべき金属とともに、揮発性化合物を形成する。得られた原子状金属蒸気は、また、放電により励起され、レーザー効果を引き起こす数反転分布となる。
【０００２】
【従来の技術】
金属蒸気レーザーデバイスとしては、例えば、ハロゲン化金属レーザーとして、多数の例が公知である。
【０００３】
そのようなレーザーデバイスの１つは、文献ＧＢ−２ ２１９ １２８に開示されている。このデバイスは、２つの電極と、例えば銅または金からなる円筒状金属セグメントとを備えた容器を具備している。動作時においては、ハロゲンガス（例えば、ヘリウムバッファガスが混合された臭素）が、容器内を循環する。そして、ハロゲン化金属（例えば、ＣｕＢｒあるいはＣｕ₃Ｂｒ₃）が生成される。電極間において放電が起こったときには、ハロゲン化金属は、蒸発し、銅蒸気を形成するよう解離する。その後、銅蒸気は、数反転分布を生成するよう励起される。
【０００４】
他のデバイスが、文献ＵＳ−５ ３３９ ３２７に開示されている。このデバイスは、端部において２つの窓により閉塞されたレーザーチューブを具備しており、２つの電極が、レーザーチューブの内部に配置されている。１つあるいは複数のチャンバが、すなわち反応容器が、金属例えば粒状の形態の銅を含有するチューブの外側に配置されている。ネオンおよびハロゲンガスを、チャンバ内に導入することができる。コイルがチャンバを巻回しており、コイルは、チャンバ内に含有された金属を加熱する。ガスが導入されたときには、ハロゲン化金属が形成され、形成されたハロゲン化金属は、加熱により蒸発する。アセンブリは、その後、レーザーチューブ内に挿入される。そして、ハロゲン化金属が解離し、結果として生成物が数反転分布となる。
【０００５】
第３のデバイスが、D.R. JONES氏他によるIEEE Journal of Quantum Electro-nics, vol. 30, No. 10, p. 2385-2390, October 1994 における”A high-effi-ciency 200 W average power copper HgBrID laser”と題する文献に開示されている。
【０００６】
このデバイスは、内部にアルミナチューブが設けられたシリカチューブを具備している。共に円筒形とされた銅アノードおよびカソードが、このチューブの各側部において放電を生成する。ＮｅおよびＨＢｒの混合物が導入される。ガス導入口は、アノードの、アルミナチューブと対向する面とは反対側の面に配置されている。同様に、ガス排出口は、カソードの、アルミナチューブと対向する面とは反対側の面に配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
公知のデバイスにおいては、ガスは、レーザーが得られる前に混合され、反応性ガスは、通常、アノードとこれに最も近い窓との間に導入される。そして、放電後およびレーザー効果後に残るガスのすべては、反対側から、カソードとこれに最も近い窓との間において、排出される。結果として、内部チューブに入る前に、反応性ガスは、反応すなわち腐食が起こり得る高温領域を必然的に備える電極を通る。この結果、反応性ガスが多く消費され（上記第３の文献においては、標準状態換算で３〜４ｌ／ｈ）、部材の寿命、特に、反応性ガスに曝される電極の寿命が低減する。蒸気相の組成が変化してしまい、腐食物質による汚染さえも受けてしまう。
【０００８】
さらに、反応性ガスは、金属と反応する。したがって、反応性ガスの組成が内部チューブを通るにつれて変化する。結果として、ハロゲン化金属の濃度が、チューブ内において、長さ方向に大きな勾配を有するようになってしまう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
−密封容器と、
−この容器の内部に配置された電極と、
−これら電極間に配置された反応性金属または金属合金と、
−内部を挿通して２つの電極間に反応性ガスが導入されるとともに、１つまたは複数の孔が開けられている、あるいは、１つまたは複数の箇所において多孔質である長尺パイプと、
を具備する金属蒸気レーザーデバイスに関するものである。
【００１０】
これら孔または多孔質箇所は、前記ガスが注入されるべき場所に配置されている。この場合、反応性金属または金属合金は、これら孔または多孔質箇所の前に配置することができる。
【００１１】
本発明によるデバイスにおいては、反応性ガスは、選択された循環方向に応じて、アノードまたはカソードを超えて導入される。したがって、内部チューブ内に至る前に、反応性ガスがいずれの電極とも接触するようなことは、もはやない。反応、特に腐食反応は、もはや起こらない。結果として、より少量の反応性ガスで済む（使用されたガス流量が標準状態換算で１ｌ／ｈの程度であることが観測された）。さらに、他の部材の寿命は、反応性ガスに曝されることが低減されることに基づいて、増大される。実際には、蒸気相の組成は、変化する。しかしながら、腐食物質による汚染量は、比較的少ない。
【００１２】
不活性ガスを、電極の少なくとも一方に関してこの電極の金属または金属合金に対向する面とは反対側の面において、容器内へと導入することができる。
【００１３】
さらに、反応性金属または金属合金は、それ自身が２つの電極間に配置された内部チューブ内に配置することができる。
【００１４】
さらに、２つの電極間に、チューブの内部から反応性ガスを排気するための手段を設けることができる。この場合、第２電極との接触をも、また、回避することができる。よって、この第２電極の寿命を縮めるような反応が回避される。ガス排気手段は、ガスを排気するべき場所に孔または多孔質箇所が設けられた長尺パイプを備えることができる。
【００１５】
第２の形態においては、本発明の他の目的は、
−密封容器と、
−この容器の内部に配置された電極と、
−これら電極間に配置された反応性金属または金属合金と、
−２つの電極間に位置させて反応性金属または金属合金が内部に配置されるとともに、孔が開けられた内部チューブと、
を具備する金属蒸気レーザーデバイスである。反応性ガスは、内部チューブの孔を通して、チューブ内へと２つの電極間に、同時に導入することができる。
【００１６】
この形態においては、内部チューブ自身に、反応性ガス導入用の孔が開けられている。この場合には、反応性ガスを導入するためのあるいは排気するための長尺パイプは、もはや不要である。これにより、デバイスの構成を、特に電極に関して、単純化することができる。
【００１７】
さらに、このデバイスは、第１実施形態におけるデバイスと同じ利点（ガス・電極間の接触がなく、したがって、腐食反応が回避されること；反応性ガスの消費量が少ないこと；部材寿命が長いこと；蒸気相の汚染がより少ないこと）を有している。
【００１８】
すべての場合において、電極を、不活性材料からなる調整スリーブにより保護することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
いかなるケースにおいても、本発明の特徴点および利点は、以下の説明により明瞭となるであろう。説明は、添付図面を参照してなされ、本発明を何ら限定するものではなく例示の目的のための実施形態の例を通してなされる。
【００２０】
図１は、本発明によるデバイスの一実施形態を示す図である。
図２は、本発明によるデバイスの他の実施形態を示す図である。
図３は、電極間における反応性ガスの排気を伴ったデバイスを示す図である。
図４は、本発明による代替可能なデバイスを示す図である。
【００２１】
図１に示す実施形態の例においては、レーザーデバイスは、機械的構成として、シリカ製の外部チューブ２と、シリカ製またはアルミナ製の内部チューブ４とを備えて構成されている。内部チューブ４内には、反応性金属または金属合金６が含有されている。電極保持フランジ８、１０は、パルス状電力供給源１６に接続されることにより電気放電を生成するために使用されている電極１２、１４を支持している。シリカ製あるいはサファイア製の透明窓１８、２０は、光学的エネルギーを抽出し得るように、２つの端部に配置されている。透明窓は、フランジ８、１０が設けられたフランジ２２、２４により支持されている。
【００２２】
フランジ２２は、２つのガス導入用コネクタ２６、２８を有している。反応性ガス（例えばＨＢｒのようなハロゲン化合物と、ネオンのような希ガスと、の混合物）のための回路が、導入口２６に接続される。この回路は、圧力低減バルブ３０および流量レギュレータ３２から構成されている。
【００２３】
ネオンあるいはアルゴンのような不活性ガスにより電極１２を清浄化するための回路が、他の導入口２８に接続される。この回路は、圧力低減バルブ３４および流量レギュレータ３６から構成されている。
【００２４】
コネクタ２８に接続されたガスパイプ３８は、窓２０と電極１２との間において、レーザーデバイス内に導入される。
【００２５】
コネクタ２６に接続された反応性ガスパイプ４０は、電極１２と電極１４との間において、内部チューブ４内に導入される。
【００２６】
フランジ２４は、また、２つのコネクタ４２、４４を有している。清浄化用不活性ガスは、流量レギュレータ３６および圧力低減バルブ４６を通過した後、コネクタ４４を通して導入される。
【００２７】
導入されたガスは、圧力調節バルブ４８およびフィルター付ポンプ５０により、コネクタ４２を通して排気される。
【００２８】
コネクタ４２に接続されたガス排出パイプ５２は、電極１４と電極１２との間において、内部チューブ４内に導入されている。コネクタ４４に接続されたガスパイプ５４は、電極１４と窓１８との間に配置されたオリフィスを有している。
【００２９】
このデバイスの寸法および動作条件は、次のようなものである。
−内部レーザーチューブ４の長さ：約 ２ｍ、
−内部レーザーチューブ４の直径：約 ５ｃｍ、
−内部レーザーチューブの温度 ：約６００℃、
−総ガス圧力 ：約 ３０ｍｂａｒ、
−金属分圧 ：約 ０．１ｍｂａｒ、
−パルス電圧 ：約 ２０ｋＶ、
−パルス電圧保持時間 ：約１００ｎｓ、
−パルス繰り返し周波数 ：約 ２０ｋＨｚ。
【００３０】
使用されたガスは、電気的に負（electronegative） である。これにより、大きな繰り返し周波数（２０ｋＨｚ）における動作が可能であり、比較的低い温度（６００℃）で金属または合金（銅、金、セシウム、あるいは、銀、等）が、後に熱によりまたは放電によりチューブの中央部において解離し得るような、金属化合物を形成するための反応が起こることができる。それは、この反応性ガスが、ハロゲン化物であり、好ましくは、ＨＢｒまたはＨＣｌのタイプであることによる。反応性ガスは、希ガス（Ｎｅ、Ｈｅ、Ａｒ、等）との混合物の形態で、パイプ４０のようなパイプを通して、電極１２、１４を超えて導入される。よって、反応性ガスは、内部チューブ４内に存在する金属または合金（銅、金、セシウム、銀、等）のみと反応することとなる。
【００３１】
パイプ４０が電極１２近傍を通る領域においては、高温（典型的には、５００〜１０００℃）となる。しかも、レーザーの電気動作が妨げられないことが好ましい。したがって、パイプ４０として使用される材料は、好ましくは、高い動作温度に耐え得る電気絶縁体とすべきである。さらに、パイプ材料は、レーザービームを妨害しないように、内部壁のごく近傍を通る。溶融シリカまたはアルミナのような材料が、好適である。電極上の放電”開始”点がパイプから十分に離れていることを確保するような配慮が、また、なされる。
【００３２】
電極を放電エネルギーから保護するために、不活性材料（例えば、シリカ、アルミナ、等）から形成されたスリーブ５６を、電極の一方または双方に設けることができる。このスリーブに形成された開口５７は、電極１２上の放電開始点に局在しており、パイプ４０を放電開始点から十分に遠ざけた位置に保持している。
【００３３】
他の実施形態においては、２つの電極の極性を、逆とすることができる。そしてこの場合には、反応性ガスは、カソードを超えて注入されることとなる。
【００３４】
図１に示す例においては、パイプ４０は、内部チューブ４に対する導入口において開口している。パイプ４０は、また、このチューブのさらに内部にまで延在させることができる。例えば、金属体または金属合金体６の直上位置にまで延ばすことができる。
【００３５】
本発明の他の実施形態が、図２に示されている。この図において、図１と同一の参照符号は、同一部材あるいは等価部材を示すものとする。反応性ガスを導入するために使用されているパイプ５８は、内部チューブ４の長さ全体にわたって延在している。パイプ５８は、複数の孔６０、…、７２を有しており、反応性ガスは、これら孔を挿通して内部キャビティ４内へと流入することができる。金属または金属合金体６は、これら孔に対向して配置されていることが好ましい。その場合、ガスとの反応は、ガスがパイプ５８から出るとすぐに起こる。これは、ガスの使用量を最小化（あるいは最適化）し得るという利点がある。孔６０、…、７２は、パイプ５８に沿って配置された多孔質領域に置き換えることができる。この場合には、反応性ガスは、多孔質領域を挿通して、チューブ４の内部へと拡散する。チューブ５８に沿った孔または多孔質領域の構成に基づいて、反応性ガスは、チューブ内において一様に分散され、金属化合物６との反応が、より効率的に達成される。
【００３６】
他の実施形態について、図３を参照して説明する。図においては、反応性ガス導入パイプは、図示されていない。パイプ７４は、チューブ４の内部からガスを排気するための、ガス排気パイプである。このパイプには、図２に示すガス導入パイプの場合と同様に、１つあるいは複数の孔を開けることができる。同様に、これら孔は、内部キャビティ４からパイプ７４の内部へと反応性ガスを挿通さらには拡散させ得るような、１つあるいは複数の多孔質領域に置き換えることができる。この実施形態においては、ガス排気は、チューブ４の内部において行われる。これにより、反応性ガスと、反応性ガスが排気される側の電極と、の間のすべての接触が回避される。パイプ７４がチューブ４の長さ方向に複数の孔または多孔質領域を有している場合には、チューブの長さ全体にわたった一様な排気を達成することができる。
【００３７】
次に、他の実施形態について、図４を参照して説明する。この図においては、内部チューブ７６には、多数の孔７８、８０、８２、等が開けられており、内部チューブ７６が、反応性ガスを導入パイプ８４を通して内部チューブ内へと導入するために、かつ、排気パイプ８６を通してガスを排気するために、使用されている。排気パイプ８６は、また、出口側電極の前に配置することもできる。すなわち、２つの電極間に配置することができる。この場合、反応性ガスは、排気に際して、この電極に接触することはない。金属体または金属合金体は、孔７８、８０、８２、等の間に配置されている。ガスとの反応は、孔からガスが出るとすぐに起こる。この場合においても、ガス使用量が最適化され、反応性ガスは、チューブ内へと一様に拡散され、そして、金属化合物との反応は、より効率的になされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるデバイスの一実施形態を示す図である。
【図２】 本発明によるデバイスの他の実施形態を示す図である。
【図３】 電極間における反応性ガスの排気を伴ったデバイスを示す図である。
【図４】 本発明による代替可能なデバイスを示す図である。
【符号の説明】
２ 外部チューブ（密封容器）
４ 内部チューブ
６ 反応性金属または金属合金
１２ 電極
１４ 電極
４０ パイプ
５２ パイプ
５６ スリーブ
５８ パイプ
７４ パイプ
７６ 内部チューブ
６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２ 孔
７８、８０、８２ 孔

Claims (7)

1. −密封容器と、
   −この容器の内部に配置された電極と、
   −これら電極間に配置された反応性金属または金属合金と、
   −内部に前記反応性金属または金属合金が配置される内部チューブと、
   −内部を挿通して反応性ガスが導入されるとともに、１つまたは複数の孔が開けられている、あるいは、１つまたは複数の箇所において多孔質である長尺パイプであり、さらに、前記２つの電極間に配置された長尺パイプと、
   を具備することを特徴とする金属蒸気レーザーデバイス。
2. 前記電極の少なくとも一方に関して、該電極の前記金属または金属合金に対向する面とは反対側の面に、前記容器内へと不活性ガスを導入するための手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気レーザーデバイス。
3. 前記反応性金属または金属合金は、前記孔または前記多孔質箇所の前に配置されることを特徴とする請求項１または２記載のデバイス。
4. また、前記２つの電極間に前記内部チューブの内部からガスを排気するための手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
5. また、前記ガス排気手段は、ガスを排気するべき場所に孔または多孔質箇所が設けられた長尺パイプを備えていることを特徴とする請求項４記載のデバイス。
6. −密封容器と、
   −この容器の内部に配置された電極と、
   −これら電極間に配置された反応性金属または金属合金と、
   −前記反応性金属または金属合金が内部に配置されるとともに、反応性ガスの導入のための孔が開けられた内部チューブであり、さらに、前記２つの電極間に配置された内部チューブと、
   を具備することを特徴とする金属蒸気レーザーデバイス。
7. 前記電極は、不活性材料からなるスリーブにより保護されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のデバイス。

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