JP4276182B2 - ハイブリッド不安定リングレゾネータを備えたレーザ - Google Patents

Description

１．発明の分野
本発明は、大量の非対称横断面レーザゲイン媒体から、一次又は低次横モードコヒーレント光を発生し、書込み回折結合出力ビームを生成することに関する。これはハイブリッド進行波不安定レゾネータを使用することによって達成される。一般に、対称横断面又は非対称横断面不安定レゾネータは安定定在波レゾネータと比較して優れた横モード識別特性を有することは公知である。ハイブリッド不安定リングレゾネータの利用は、この明細書では、ハイブリッド定在波不安定光キャビティを使用して得られない特徴を有するように示されている。例えば、ハイブリッド負分岐定在波不安定レゾネータは、凹面ミラー対の焦点面で生じる左右逆転（reversal of left-for-right）のため、エンドミラー不調整に対する高レベルの非感受性を独自に達成すると広く信じられている。実際には、これは、ハイブリッド負分岐定在波不安定キャビティは、あるレーザ用途で、レーザ正分岐定在波キャビティより好まれていると言われているためである。しかし、この明細書は、望ましいキャビティ内左右交換特性とキャビティ不調整に対する低感受性は、キャビティ内焦点面と関連した有害特性を有することなく、ハイブリッド進行波キャビティで達成することができることを示している。同様に、キャビティは進行波であるため、あるレーザ媒体における空間穴焼結（burning）効果が排除される。さらに、本発明は１面でのみ不安定であるレゾネータに制限され、二股導波管形状を利用せず、全反射光学を有するのが好ましいでの、ここに記載の概念は非常に高い平均レーザ出力に拡張可能である。従って、本発明の一般的な目的は、このような特徴の新規で改良された方法及び装置を提供することである。

２．不安定レゾネータの従来技術の一般的説明
１９６５年の文献への最初の紹介［１］及び最初の体系的な実験的及び分析的調査以来、不安定レゾネータは、紫外線から赤外線までのスペクトル領域を越えて放射するエキシマー、イオン、分子、個体状態、液体状態及び自由電子レーザ媒体に応用されてきた。この初期論文において、特別幾何的光学分析により、モード損失はレーザエンドミラーサイズとは無関係であり、キャビティ損失は実験により予想通り大きいことがわかり、回折出力結合は横モード制御に有益であるという思想が表現された。１９６７年、第２論文［２］は、１）不安定レゾネータは非常に短いレゾネータにおいても大きなモードボリュームを有することができる、２）不安定配置は調整可能な回折出力カップリングに容易に適合される、３）分析によると、不安定レゾネータは高次横モードに対して実質的に識別されるべきである、という不安定レゾネータの３つの一般的特性を列挙している。不安定レゾネータを備えたレーザにおける高い横モード識別の第１の実験的証明が［３］で報告された。これらの３つの特性は実験的、理論的に何回も確認された。１９６７年及び１９６９年には、定在波不安定レゾネータの概念は，いくつかの革新的な不安定リングレゾネータが始めて導入され［４］、「単指向性リングジェネレータを構築する新たな可能性」［５，ｐ１００２］を予想する論評について簡単に論議されたとき［５，６］に、共焦概念に拡大された。これらの文献［４−６］は、キャビティ内焦点領域を有する及び有しない不安定リングキャビティを初めて導入した。これらのリングジオメトリーはさらに探求され［５，６］、「反対方向に伝播するモードの損失が同一であっても、キャビティ内の実質的に異なるボリュームは単指向性生成に明らかに有利である」［５，ｐ１００２］ことが初めて分かった。

ＣＯ_２レーザ媒体は、不安定レゾネータシステムを適用する多数の候補の一つとして広く賞賛されたが、レゾネータシステムの詳細が１９６７年に報告され、不安定レゾネータ［１］が最初に紹介された後、約５年かかった。この仕事は、正分岐共焦点不安定レゾネータを使用して２２ワットの最大ｃｗ出力を発生することを報告し、環状カプラを利用して近場環（near field annulus）の形態でコリメートされた基礎出力モードを発生した。多数の円形ミラー定在波不安定レゾネータキャビティにおける最初の６つの最低損失モードまでの１９７０年の真の回折損失を取り扱う最初の出版から１年以内に、３０ｋＷのｃｗＣＯ_２出力を有する不安定レゾネータシステムが報告された［９］。

１９７２年、独特な共焦点リング不安定レゾネータの特許が出願された［１０］。また、この頃、定在波共焦点不安定レゾネータ［１１］、単指向性対称共焦点リングレゾネータ［１２］、非対称共焦点リング不安定レゾネータ［１３］、定在波及び進行波不安定キャビティにおける注入ロック及び再生増幅［１４］の非常に詳細な特性を探求する多数の実験的ＣＯ_２レーザ研究が出版された。例外なく、共焦点定在波不安定キャビティにおける測定回折損失の実験的研究［１１］は、正確な回折理論により予想される損失と完全に一致することが示された［８］。この一致は、最低の損失対称モードと次に低い損失モードの間の移行部の近傍でレゾネータ損失特性の詳細を含む［１１の図１７参照］。同様に、１９６８年の中頃に最初に提案された進行波不安定レゾネータにおける単指向性動作［４］は、進行波方向の好みの方向への不等な前進対逆進モードボリューム内のゲイン媒体［５］の設置にのみ基いて当初構想されたように、達成された［１２，１３］。さらに、進行波不安定レゾネータの有用性は、レーザ再生増幅の概念に適用する強力なレゾネータアプローチであることが示された［１４］。この場合、単指向性操作は、逆ミラー［１０の図２４の要素２４参照］として機能するインジェクションレーザ［１４の図３５参照］の出力ミラーによって、大いに向上することが示された。単指向性操作は、定在波不安定レゾネータと比べて、アイソレータを必要としないので、不安定光学リング再生増幅器において容易に達成されることが示された［１０の図２９参照］。

既に述べたように、最初の１０年以内に、初期の幾何学的光学アプローチから完全相互作用アプローチへ進行した不安定光学レゾネータの知識が紹介され分析された［８］。この１０年の理論的作業に加えて、ＣＯ_２出力は、初期定在波装置［７］における２０Ｗから、非対称リング不安定装置設計［１２，１３］で結局は数百ＫＷｃｗと推測されるｃｗ出力レベルに増加した。

歴史的に、１９６５年にシーグマン（Siegman）によって提案された不安定光学レゾネータ［１］の最初の概念がどの特許庁にも出願されなかったことを歴史的に留意することは興味深い。おそらく、これは、初期の論議と発展における不安定レゾネータに対する良好な回折分析モデルがなかったことによる。一方、共焦点不安定レゾネータの十分に実用的な有用性が１９６８年に断定され、１９６９年に［７］と［１５］で独立して実験的に論証された。これらの研究により、正分岐不安定共焦点（入れ子式）レゾネータの発明が１９６８年３月１８日の優先日でロシアで特許されたが［１６］、長い間、世界のレーザ業界で知られないままであった。リング不安定レゾネータの発明［４］は、１９６８年に提案されたが、１９７２年まで、どの特許庁にも出願されなかった。振り返ると、これは、キャビティにおける逆波がどのようにして完全に抑制することができるかの一般的な誤解によるものかもしれない。１０７２年に、不安定リングレゾネータは、そのようなレゾネータを備えたレーザの単指向性操作の十分な概念の発展により、［１０］において特許された。いずれにしても、その期間の不安定レゾネータ研究の現代の再検討は［６，１７］に見ることができ、この種のおよび他のタイプの不安定レゾネータの徹底的な議論は［１８，１９］に見ることができる。

安定リングレゾネータは１９６０年代後期のレーザ技術で公知であり、慣性重力場における物体の物理的回転の検出を必要とする利用分野に対してより早く紹介された［２０］。この分野では、前進及び逆進リング波の間の周波数差は、リングレーザシステムの角回転速度に比例することが分かった。不安定リングレゾネータは、前進及び逆進方向でのモード径が一般に不安定リングキャビティにおいて異なるが、安定リングでは同じであるということにおいて、安定リングレゾネータと識別することができる。これは、単指向性操作［５−６］はキャビティ内孔の使用を通じて達成することができるという一つの方法に基いている。また、対称［１２］又は非対称［６，１２，１３］の不安定リングレゾネータにおける１つの振動方向の抑制は、キャビティ内ゲイン媒体の思慮分別のある設置により達成することができる。これを達成するために、キャビティ内にゲイン媒体を設置し、ここで進行波の一つのモードボリュームは大きいが、他の搬送波は小さい「１７の図１６，１７」。近対称不安定リングキャビティにおいて、逆進波出力に対する前進の比はほとんど２０のファクターであることが測定された［１２の図１６］。単指向性操作の他の方法は、キャビティの外側に位置する逆転ミラー［１０の図２］を使用する。実際に、安定及び不安定非対称孔レゾネータにおける単指向性の特徴は、マスター振動子と再生増幅器の間に光学絶縁体を導入することなく、再生増幅達成することの概念に対する中心である［１４の図８，２９］。同様に、多様なプラズマ診断［２１］又はレーザスペクトル成分の分析［２２］のような適用分野において、リング形態は大いに有利であり、本質的である。これらの全ての利用分野、発明及び考案で、普遍的に例外なく、リング形態における伝播の方向について常にいくつかの議論がある。

明らかに、進行波光学形態において、対向する伝播方向は別個の独特な方向に光学装置を出るので、一つの伝播方向を議論することは光学問題の半分のみを議論することと均等である。実際には、そのような議論なしに、２つの逆伝播モードのいずれが出力に使用されるか、又はどの方向に出力が抽出されるかを正確に知ることは不可能である。逆にいえば、両伝播方向のそのような議論なしに、そのような発明又は考案は基本的に自然および応用において定在波であることを考慮しなければならない。

不安定リングレゾネータ対安定定在波レゾネータの間の最も識別特徴として見出した指向性の単純な概念以外は、不安定リングレゾネータと安定リングレゾネータの差は、多くて複雑である。例えば、安定リングレゾネータでは、レゾネータの任意の位置における前進および逆進波のモード径と、２つの波の合計モードボリュームは同じである。これと対照的に、不安定リングレゾネータの任意の位置における前進および逆進波のモード径と、２つの逆伝播波の合計モードボリュームは一般に同一ではない。

例証の目的で、不安定リングレゾネータは共焦点で非対称であると仮定する。この議論では、共焦点は、前進又は逆進波のいずれかがコリメートされた出力としてレゾネータから抽出されるように設計されている事実をいう。この場合の非対称は、ビーム拡張レンズ間の距離が周辺部の残りの部分より大きい（又は小さい）事実をいう。このような非対称共焦点の場合［１０］、レゾネータは一つのリング方向においてのみ共焦点である。再度説明するが、「この種の指向性非対称は［不安定］リングレゾネータにおいて達成することができる」［１９のｐ８３９、第２８，２９行目］。したがって、不安定リングレゾネータの形態上の特性を完全にかつ明白に説明するために、安定定在波、安定進行波レゾネータ、定在波不安定レゾネータから完全に別個に議論されなければならない。

したがって、種々のタイプの対称孔又はハイブリッド不安定レゾネータを利用することによって新規性を請求する発明に対しては、そのような発明は、特許それ自身が不安定リングモード方向の一つがどのように有効に抑制されるかについての議論を特に含まない限り、不安定リングレゾネータを含むということはできない。同様に、抑制されないままである場合、どのような形状の抑制されない進行モードがレーザゲイン媒体に相関し、抑制される場合、意味のあるレーザ出力が放電される方向を示すかについて、いくつかの議論がなされなければならない。これに関して、米国特許は第５０９７４７９号［２３］は、スラブタイプのＣＯ_２レーザ媒体とともに適用する２ミラー二股不安定リングレゾネータにおける進行波の抑制を記載していることにより、この概念に一致する。同様に、米国特許第３８２４４８７号［１０］は、逆進波と大量のゲイン媒体への抑制されない波の適応とを議論しているので、この要求に一致する。これに対して、米国特許第４７１９６３９号［２４］及び第５０４８０４８号は、これに関して欠落し、したがってそれらの有用性はハイブリッド定在波不安定レゾネータ形態のみに基本的に自己限定している。

ここに開示するように、１つの横寸法において進行波不安定レゾネータモードを有し、直角横寸法において導波管又は自由空間ガウスモードのいずれかを有するレーザは、細長い横断面を備えた任意のタイプのゲイン媒体に有効に連結するのに理想的に適している。もちろん、これは、不安定リング振動方向の一つが有効に抑制されると仮定している。そうであれば、この発明は、紫外線から赤外線までの空間範囲にわたって放射するエキシマー、イオン、分子、固体状態、液体状態、自由電子レーザ媒体に有利に適用することができる。このような媒体は、ＲＦ、ｄｃ、ｅ−電子、非コヒーレント光、コヒーレント光、又は自由電子源、又はこれらの源の任意の組み合わせによって汲み上げられてもよい。

３．ＲＦ導波管とスラブレーザの従来技術の説明
本発明は、その有用性において限定するものではないが、矩形放電形態を有する高電力ＣＯ又はＣＯ_２レーザへの適用に特に適している。一般に、矩形放電形態は、横放電断面が細長く、放電が短横寸法（スラブ装置）又は長横放電寸法（スライス装置）のいずれかにおいて最も典型的に達成されるものである。スライス装置に対して別個のケースが存在し、そこでは放電が細長い横孔に垂直に確立される。これらのケースにおいて、短横寸法に対する長横寸法の比が大きく、長寸法はこの長横寸法において進行波不安定レゾネータモードを支持することができる。細長横寸法のために、レーザは、２つの異なる横寸法において異なる機能的及び伝播特性を有する光学レゾネータを有利に使用することができる。初めて、［２６］において、そのような形態を有する光学レゾネータが、スラブタイプＮｄガラスレーザとともに、実験的に研究された。キャビティは１つの平坦なミラーと１つの凸円筒ミラーからなり、レゾネータはスラブ（２４０ｍｍ）の長横寸法に沿って安定し、短寸法（２０ｍｍ）においてファブリーペローレゾネータに等価である。その後、類似のレゾネータがハイブリッドと呼ばれた［２７］。このように、本発明が特に適用可能な２つのタイプのハイブリッドレゾネータは、短寸法における場がｉ）導波管モード、又はii）自由空間ガウスモードのいずれかにより記述されるが、長寸法では不安定レゾネータモードにより機能的に記述されるようなものである。

本発明の好ましい形態では、開示された光学形態は、‘６３９［２４］の「スラブ」放電形態及び’６６３［２８］の「スライス」放電形態に開示されているような高電力衝突冷却導波管ガスレーザにおいて有用性を見付けることができる。

横高周波放電により励起されるスラブ導波管レーザは、互いに対向し平行に配置された２つの細長い電極の反射面により形成された導波管からなる。電極はレーザ放射に対して高い反射性を有する材料で形成され、これにより導波管に低放射損失を保証している。電極間の隙間はガスゲイン媒体で満たされ、該ガスゲイン媒体は、高周波ポンプ力が電極に印加されたときに、ガス媒体に生成される横放電により励起される。定在波レーザレゾネータを形成するミラーは、細長い電極面により形成された導波管の両端近傍に配置されている。放電によりガスを励起し、光学導波管に対する上下壁として作用することに加えて、電極は冷却部材の役割を果たし、ゲイン媒体からの熱移動を与える。放電からの適切な衝突熱移動を保証するために、電極は高熱伝導度を有する材料で形成されている。さらに、電極間の隙間は、小さく、通常、数ｍｍを越えない。このような放電における電界は、冷却部材表面にほぼ垂直に向けられ、ゲイン媒体断面の高さにほぼ沿って配置されている。そのようなレーザの典型的な例は、高周波励起を備えたＣＯ_２［２９，３０］、ＣＯ［３１］及びＸｅ［３２］導波管レーザである。

‘６６３［２８］に開示された「スライス」レーザ放電形態は、さらに、高周波放電によって励起され、短い寸法と長い寸法を備えた細長い横断面を有するガスゲイン媒体により特徴付けられる。導波管レーザと区別して、放電領域は、短横寸法に垂直に確立される放電界を有することで形成される。スライスレーザでは、放電は１対の近接配置された非導電性冷却部材の間に制限される。これらの冷却部材は、互いに対向するように配置され、これにより、互いに対向するそれらの表面の間の隙間は、該隙間を充填するガスの衝突冷却を与えるのに十分に小さいだけでなく、非導電性表面の間にレーザ光を案内するのに適している。このように、ガス内の放電は、放電チャンバー内の電界が冷却部材の表面にほぼ平行であり、すなわち、ゲイン媒体断面の高さ（短い寸法）を横切るように向けられて配置された電極システムにより励起される。‘６６３［２８］に開示されているように、「スライス」レーザは、従来の導波管レーザに比較して多数の利点を有する。これらの利点は、数ある中で、独立した選択性、放電圧力の最適化、励起周波数、ＲＦとｄｃ放電励源の組み合わせた使用の可能性、電極近傍の境界層の減速効果である。スラブ装置と同様、スライス放電形態は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｘｅその他のガスレーザ媒体に関連している。

１９８０年に報告されたマイクロ波及びＲＦ形態［３３］と、１９８４年に報告されたストリップライン形態［３４］とともに、小孔横ＲＦ放電研究は、１９８７年初期におけるスラブ形態‘６３９［２４］の出願に先立つ。従来技術に基き、スラブレーザは、特許目的で、２つの横放電寸法のうち小さい方における導波管操作と、大寸法における不安定レゾネータ操作とに限定された。スラブ導波管形態では、対向する電極表面に沿って伝播する光のモードは、それらの表面とそれらの相互の配置によって完全に規定される。これに対し、’６６３［２８］と‘２５６［３５］のスライス形態は、初めて特許出願により開示されたとき、完全に新しい横放電配置であった。したがって、スライス配置は、ハイブリッドレゾネータタイプの広範なセットが適用されるものである。例えば、スライス形態［３２，３５］に対して、「スライス」レーザで使用されるような「導波管」は単なる導波管モードより広い意味を有する。このように、スライス形態における光伝播は、スラブ装置におけるような導波管、又はキャビティ内放射がスライスチャンバー側壁との相互作用なしに伝播するケースとすることができる。そのようなケースは、小横スライス寸法におけるキャビティ内モードが側壁に接触しない場合であり、機能性において自由空間ガウスモードとして記載されている。そのようなケースは、例えば、レーザビームがレゾネータミラーで閉じ込められ、導波管の側壁に接触しない安定レゾネータで生じる。側壁はこのタイプのキャビティ内形態伝播の境界条件ではないためである。

この明細書では、「導波管」の用語は、導波管モードからガウスビームの自由空間伝播への全てのモードの光伝播からなるということを考慮して、最も一般的な意味で使用されている。

従来の対称孔導波管レーザにおけるゲイン媒体の容量及びレーザ出力を増加するために、同時に小電極隙間を維持する間、電極隙間より相当大きい幅を有する面平行細長電極を備えた広孔導波管レーザが米国特許第４７１９６３９号で提案された［２４］。レーザ放射を反射する電極表面は、このレーザにおいて、大きな幅を有する光学導波管の上下壁を形成し、ここで電極間を伝播する放射はこの導波管により、電極面に垂直な方向にのみ閉じ込められる。導波管は電極面に平行な方向に開口し、したがって導波管に沿って伝播するレーザビームは，自由空間におけるように反対方向にこれらの方向に拡張することができる。正分岐定在波不安定レゾネータを形成する凸および凹共焦点ミラーは、Ｍ＞１の倍率を有し、導波管の両端近傍に配置されている。このレゾネータの１つのミラーから他のミラーへの通過において、レーザビームは２つの反対方向に約Ｍ倍拡張し、ここでビームは電極表面で閉じ込められず、自由空間であるように拡張する。そのようなレゾネータを備えたレーザにおける中実すなわち満たされた断面を有する１つの出力ビームのみを形成するために、ミラーは通常、それらにより形成された不安定レゾネータの軸を移動して電極隙間の一方の開口側の近傍を通過するように、配置される。出力レーザビームは、
電極隙間の他の側からレゾネータの外側で、すなわち、導波管断面の一部と重複する凸ミラーの縁の近傍で、結合される。このようなレゾネータの「二等分」形態は、大きい幅の電極でも、ほぼ矩形の中実断面のビームのレーザ出口で、２つの横方向の各々における回折制限発散に近似したフォーメーションを許容する。大きな電極幅は、大きなゲイン媒体容量とその結果の高い出力レーザパワーを有する励起を与える。

しかしながら、低倍率Ｍを有する正分岐不安定レゾネータを備えた細長い放電孔レーザは、同一面における楔形の光学非均質性に対してはもちろん、レゾネータミラーの調整不良、特に電極に平行な面におけるそれらの角度位置の変化に対して、非常に敏感である。このような非均質性は、通常、レーザゲイン媒体にアンダー放電ポンピングを形成する。これは、従来の不安定レゾネータについて初期に出版された研究［６，７］で予想されないし、与えられなかった。スラブ又はスライスＣＯ_２レーザでは、倍率Ｍは規則として１．２から１．５を越えない。したがって、構造の剛性を増加し、ゲイン媒体の光学的非均質性を向上するための特別の手段が講ぜられない場合、そのようなレーザのミラー調整不良、ゲイン媒体非均質性は、放射モード構造の実質的な変形に帰する。この結果、出力の急峻な低下、ビーム発散の劣化、出力ビームの角度移動を生じ、これらは大抵の分野で許容されない。これらの問題を解決する手段を講じる必要性は、レーザコストを増加する。

正分岐不安定レゾネータ軸の電極隙間の一方の側に移動することにより、フルレゾネータからハーフ形態へのレゾネータ形態の移行が生じることは、スラブレーザの当業者に公知である。しかしながら、移動した軸が存在する電極隙間の側で、あるキャビティ内放射線がレゾネータから逃げることは賞賛されるべきでない。このように、レゾネータ軸の移動により、２つの分離した出力ビームの代わりに、中実断面の出力ビームが形成される一方、この有利な特徴は、有用な出力ビームに組み合わせることができないレゾネータの側から放射を強制するコストで生じる。これは、キャビティへの放射の損失を伴い、全体のレーザ効率を低減する。悪い事に、そのような放射は偶然に、漂遊反射により望ましいキャビティ内モードに戻り、望ましくない高次モードを強要し、フルゲイン媒体容量およびレーザ出力と競争する。

これらの困難性を排除するために、米国特許第５０４８０４８号は、放電孔の広い寸法でＭ＜−１の倍率を有する負分岐線形不安定レゾネータの使用を開示した［２５］。開示された共焦点形態は、レゾネータの内側に共通の焦点を有し異なる曲率半径の２つの凹ミラーにより形成されている。共焦点負分岐形態は、２つの共焦点レゾネータミラーの共焦点面で生じる左右の逆転の結果、片側の満たされた出力ビームを生成することができる。焦点を通る各パスにおいて、負分岐不安定レゾネータのミラー間の導波管に沿って伝播するレーザビームは、断面で逆転され、これにより、焦点を通過した後、レゾネータ軸（両ミラーの表面に垂直である）の一方の側を伝播するビームは、この軸の他の側に現れる。レゾネータ磁気の一方と他方の側で交互に通過するレーザビームにより、電極に平行な面におけるレゾネータミラーの角度移動により生じる調整不良は、ゲイン媒体における楔形光学的非均質性が有効に補償されるように、１．２から１．５のオーダの｜Ｍ｜に対して有効に補償され、これによりそのような調整不良および光学的非均質性にレゾネータを敏感でなくする［６，７］。

‘０４８［２５］の負分岐ハイブリッド不安定レゾネータの放射出力の片側結合を提供するために、レゾネータミラーの一つのサイズは、レゾネータ軸から電極反射面に平行な面におけるこのミラーの対向縁までの距離は｜Ｍ｜倍以上異なるように、選択される。他のレゾネータミラーは、導波管内でビーム拡張を強要しないように十分に大きく選択される。レゾネータを通る次のパスで、放射線が結合される側に対向する軸の側でレゾネータに沿って伝播する放射は、ビームが存在する側に反射され、有用な出力ビームのように結合される。この結果、レーザ出力放射は中実断面ビームであり、２つの反対方向に自由にレゾネータ内で拡張するビームにかかわらず、その片側でのみ脱出する。負分岐不安定レゾネータにおける焦点くびれの存在が、正分岐半不安定レゾネータに比べて、レゾネータで生成される放射の通過損失を減少する。ここで、２つの反対方向におけるビームの拡張は、有用な出力ビームが結合されるものと対向する側で、レゾネータから不可避の正電力損失をもたらす。

しかしながら、高い局所ビームパワー密度のため、負分岐不安定レゾネータのゲイン媒体における焦点くびれの存在は、ゲイン媒体に望ましくない非線形効果を生じさせるとともに、特にハイパワーパルスレーザにガス破壊を生じさせる。加えて、そのようなレゾネータにおけるゲイン媒体の使用の効果は、ゲイン媒体がビームにより不均一に満たされているため、正分岐レゾネータよりも低い。追加のミラーによりレゾネータの光学軸を折り返すことにより通常達成されるレーザ寸法を減少させることは、この配置では困難である。なぜなら、その軸を折り返すために負分岐レゾネータに設置されるミラーが焦点くびれに近すぎてハイレーザパワーレベルで予期される厳しい照射に対抗することができないからである。さらに、負分岐不安定レゾネータのミラーは大きな曲率を有するべきである。実際には、それらの曲率半径はミラー間の距離のオーダーにすべきである。この結果、導波管の高さを越える、すなわち、電極表面に対する法線に沿う場分布上のこれらのミラーの曲率の効果を低減するために、米国特許第５１２３０２８号に示すように、２つの相互に垂直な方向に異なる曲率を有する複雑な形状のミラーを使用し、又は波面マッチングのための特別な手段を講じたりしなければならず、これによりレゾネータに付加的な損失を導入していた。加えて、電極幅が顕著に増加すれば、大曲率ミラーの幅の増加が球状収差の急速な成長により達成され、ビーム拡散の実質的な増加を伴い、ハイパワー導波管レーザの負分岐不安定レゾネータを使用する途中に傷害物を設置することになる。実際には、‘０４８［２５］の図４は負分岐形態に正分岐設計を超える利点があることを示しているが、パワーレベルは比較的小さいことに注意すべきである。現時点では、ＣＯ_２スラブレーザの数ｋＷの出力レベルで、共焦点ミラー対の共通焦点領域でのガス加熱又は他の非線形効果により生じる重大なビームステアリング（beam steering）があることを示唆している。

米国特許第５０９７４７９号［２３］は、正分岐リング不安定レゾネータを備え、該レゾネータで単指向性振動を強制する手段［２３、図１０、要素８０］を設けて完成された広孔導波管ガスレーザを提案した。導波管ガスレーザのこの実施形態は、一対の離れた電極の間に印加される高周波電力が供給される。開示されたリングレゾネータは、２つのキャビティ内ミラーのみを使用している。これは、完全なリングレゾネータのラウンドトリップ（round trip）が精密に湾曲した二股導波管構造における一連の分布した反射に依存しなければならない理由である。この複導波管構造では、不安定リング光学レゾネータは閉じた軸輪郭が形成され、中実断面を有する出力ビームの抽出を許容する。

‘４７９［２３］に記載されたリングレゾネータは、２つの隣接する光学導波管構造の２つの精密に湾曲した分岐を単一の光学ユニットに光学的に組み合わせることによって形成される。精密に湾曲した二股導波管構造の半分は、両端に配置された１対のミラーによって、光学的に互いに結合され、ミラーに衝突したレーザビームを１つの導波管分岐から他の導波管分岐に導くようになっている。この結果、各ミラーは、それに衝突するビームを、電極面を横切る面において曲げる。このように、１対のミラーと２つの湾曲した導波管分岐は、このレーザにおけるリングレゾネータを形成し、このリングレゾネータは、ほぼ直角に電極面を横切り導波管の開口側端と反対側に対向する面内に位置する閉じた軸輪郭を有する。この面にこのように形成されたリングレゾネータは、導波管分岐の高さが幅と長さに比べて小さいため、コンパクトなレーザデザインを提供する。しかしながら、２つのミラーのみを使用して任意の進行波レゾネータを形成することは不可能であるため、リングレゾネータ光学回路は、適切で精密な同一曲率の導波管分岐に依存しなければならない。明らかに、２つの湾曲した二股導波管分岐における連続反射は、相当なキャビティ内光学損失と機械的複雑性をレーザ製造工程に付加する。これは、ＲＦ励起スラブレーザにおける電極の一つが高いＲＦポテンシャルでなければならないことを思い起こすときに、特に明らかである。結局のところ、２つのキャビティ内リングミラーのみを使用する装置の単純性は、両方の湾曲導波管分岐に沿って非常に低い分布の光学反射損失を達成する要求から生じる複雑性に対して、考量されなければならない。この低分布損失は、高ポテンシャルＲＦ電極を接地ＲＦ電極に短絡させないようにすると同時に達成しなければならない。さらに、前記正分岐リング不安定レゾネータからの片側ビーム抽出を提供するために、このレゾネータの軸輪郭は、電極隙間の開口側の一つの近傍を通過するように、移動する。’４７９［２３］の光学図から分かるように、このハイブリッドリングレゾネータアプローチは、２つのキャビティ内光学要素のみを使用するので、単一面導波管又は単一面案内波構造には適用することはできない。さらに、二股導波管構造のために、リングレゾネータは非対称に作ることはできない。

‘４７９［２３］の進行波不安定レゾネータはキャビティの内側に焦点くびれを有しないため、レーザからの片側回折出力の抽出は、軸輪郭を電極隙間の開口側の一つに移動することによってのみ与えられる。その結果、このレーザは、正分岐、半線形不安定システムを備えたスラブレーザに関して議論した全ての欠点を被る。これらのうち欠点は、１つのビームの形態で有用な放射を抽出するときに生じ、レゾネータ軸輪郭が移動されるレゾネータ側の受動放射損失はもちろん、レゾネータミラー調整不良に対する高い感受性、ゲイン媒体のウェッジ型非均質性である。何かあるとしても、’４７９［２３］の二股導波管進行波不安定レゾネータシステムは、他の単一スラブハイブリッドレゾネータスラブ装置の複雑性を排除するというよりも付加する。

本発明の基本的な目的は、高電力、高周波励起、衝突冷却ガスレーザ装置に適用されるように、レーザレゾネータミラー調整不良及びゲイン媒体における楔形光学的非均質性に対する感受性が低く、中実断面を備えた一つのビームの形態でレゾネータからの放射を結合する受動電力損失が減少するハイブリッド不安定リングレゾネータシステムを提供することである。

この目的は、
高周波励起を備えた衝突冷却ガスレーザ装置において、
延長表面を有し、前記面の間の隙間に光学放射の伝搬のための導波管を形成するように対向する１対の冷却部材と、
前記隙間に配置され、前記ガスに供給される高周波電力により与えられる放電によって励起してレーザ放射を発生させるレーザガスと、
閉じた軸輪郭を備えた進行波リングレゾネータを形成し、前記導波管にレーザビームを生成するミラーとからなり、
前記ミラーは、前記レゾネータの軸輪郭が前記面内に本質的にあるように配置され、前記面は光学放射用の導波管を形成する前記冷却部材の表面間配置され、かつ、前記冷却部材の表面の両側と対向し、前記搬送波リングレゾネータは前記面内で不安定であり、これにより前記レゾネータ内で拡張するビームの一部がレーザの外側で中実断面の出力ビームとして結合され、前記ミラーの数と曲率は、前記ビームに属し前記レゾネータの軸輪郭の内側の前記導波管に沿って伝播する任意の光線がラウンドトリップ後に前記軸輪郭の外側で伝播し、前記ビームに属し前記レゾネータの軸輪郭の外側の前記導波管に沿って伝播する任意の光線がラウンドトリップ後に前記軸輪郭の内側で伝播するようになっている、衝突冷却ガスレーザ装置、
において達成される。

冷却部材の表面間にある面内に閉じたリングレゾネータ軸輪郭(axial contour)を配置することは、このリングレゾネータのミラーの各々がそれにより反射したビームを前記面内で旋回することを意味する。このような旋回の結果、閉じたレゾネータ軸輪郭の内側にある導波管に沿って伝搬したビームの一部は外側に現れ、逆も同じである。このような数と曲率が適切に選択された各ミラーによるビームの反転（inversion）により、レゾネータ軸輪郭の内側の導波管に沿って伝搬するレーザビームの任意の光線は、完全なレゾネータラウンドトリップ（round trip）の後、レゾネータ軸輪郭の外側に現れる。逆に、レゾネータ軸輪郭の外側の導波管に沿って伝搬するレーザビームの任意の光線は、レゾネータ軸輪郭の内側に現れ、すなわち、レゾネータ軸輪郭から一定距離で通過する任意の光線はレゾネータラウンドトリップの後、その面内で前記軸輪郭に対して反対の位置に切り変わり、その面内でビームは自由空間におけるように拡張（expand）する。

このように、提案された進行波リングレゾネータは、前記面内にあるレーザビーム光線がリングレゾネータ軸輪郭の両側を交互に通過することを提供する。冷却部材の表面間に位置する面内のリングレゾネータ軸輪郭の位置は、本質的にこの面内において、正分岐不安定リングレゾネータ（positive-branch unstable ring resonators）に対して、この面内にあるレゾネータの楔形摂動（wedge type perturbation）に対するレゾネータ感度を減少する必要条件である。レゾネータ軸輪郭が横断面内、すなわち、例えば米国特許第５０９７４７９［２３］により実施された不安定リングレゾネータを備えたレーザにおけるように、冷却部材表面に垂直な面内にある場合、レゾネータミラーからのビーム反射は、その自由拡張の面でビームの反転を提供しない。ビームの反転は、この面内の楔形摂動に対するレゾネータ感度を減少するのに必要である。

リングレゾネータ軸輪郭の両側に交互に通過するレーザビーム光線により、本発明により実施されるレーザ装置は、冷却部材の間にある面内のレゾネータミラーの角度変動により生じる調整不良を補償し、前記面内にあるゲイン媒体の楔形光学的非均質性を補償する。したがって、提案されたレーザ装置は、リング不安定レゾネータの軸輪郭が電極面に垂直な面にある公知の正分岐ハイブリッドレーザデザインに比べて、レゾネータミラー調整不良や光学的非均質性に対して鈍感（insensitive）であり、この結果、自由ビーム拡張の面における楔形摂動に対する感度は減少する。

加えて、リングレゾネータ軸輪郭の両側で交互に通過するレーザビーム構成により、提案されたレーザ装置の中実断面の出力ビームは、レゾネータでのビーム自由拡張が両横方向に生じるという事実に拘わらず、軸輪郭の一方の側でのみ結合され、電極表面に制限されない。例えば、内部レゾネータ縁、すなわち、軸輪郭の内側に沿って伝搬するレーザビームの一部は、完全なラウンドトリップの後、レゾネータ外側に現れ、そこで有用な出力ビームとして結合することができる。また、軸輪郭の内側の受動電力損失は、実際に排除される。このように、本発明により、レゾネータからの受動電力損失は、軸輪郭が電極面に垂直な面内にある公知の正分岐リング不安定レゾネータに比べて、減少され、この結果、電極面に沿った反対の２つの方向にビームの拡張は、中実断面の出力ビームが結合される縁と反対にある縁の近傍で、レゾネータからの受動電力損失をひき起こす。

負分岐線形不安定レゾネータを備えた従来のスラブ導波管レーザに比べて、
冷却部材の表面間を通る面内にある軸リング輪郭を有するリンク本発明により教示された正分岐進行波レゾネータを使用することは、軸輪郭の両側にビーム光線が交互に通過することを提供する。意味あることに、これはレゾネータに焦点くびれを必要とすることなく達成される。本発明により具現化されるレーザ装置は、焦点くびれを使用する必要がないので、このレーザ装置は、焦点くびれにより生じる望ましくない非線形効果やゲイン媒体の破損を被ることはない。さらに、本発明により教示されているように、ゲイン媒体は、
キャビティ内放射フラックスによる媒体のさらに均一な充填により、容量的に有効な方法で使用される。レーザレゾネータ光学軸を折り畳むことによるレーザ寸法の減少は、簡単になる。加えて、大きな曲率の球形ミラーを使用したり、導波管高さを超える場分布に関するこれらのミラーの有害な効果を減少する関係手段をとる必要がない。

提案したレーザ装置の好ましい実施形態では、前記リングレゾネータを形成する前記ミラーの数は奇数であり、それらの曲率は、前記導波管内を伝播するレーザビームがレゾネータ内に焦点くびれを有しないようになっている。レーザビームが焦点くびれを有しない場合、それが完全なラウンドトリップ後に反転されるようにするために、リングレゾネータを作成するミラーの数は奇数でなければならない。

本発明によれば、前記搬送波リングレゾネータを形成する前記ミラーの一つだけを凸面に形成して、不安定レゾネータの必要倍率を提供する必要がある。この実施形態では、レーザ構成を単純化しコストを低減するために、リングレゾネータを作る他のミラーは平面とすることができる。

本発明の他の実施形態では、前記不安定リングレゾネータの前記ミラーの１つは、凸面とすることができ、他は凹面、残りは平面とすることができる。少なくとも１つの凸面ミラーと一つの凹面ミラーを備えたリング不安定レゾネータを使用することにより、レーザ出力に所望の曲率の波面を容易に提供することができる。

’４７９［２３］の従来の技術により形成されたスラブレーザ装置と比べて、提案されたレーザ装置の好ましい実施形態では、前記冷却部材の表面は本質的に平坦であり、平行に配置されている。これは、湾曲した導波管分岐を含むレーザ装置に比べて、明らかにレーザデザインと製造を単純化し、その効率を高めることができる。これは明らかに、レーザ装置に湾曲導波管分岐を使用することにより、導波管モード場が凹面を備えた放電隙間と対向する電極に向かって増加するためであり、この結果、対向電極の近傍に位置する励起されたゲイン媒体の一部は非効率的に使用される。

提案された発明の好ましい実施形態では、前記レゾネータを形成する各ミラーの縁から前記ミラー面の前記軸輪郭との交点までの距離は、単一ビームの形態の前記レゾネータからの放射の外側で、中実断面を有し、前記ミラーの一つの縁の近傍に位置する結合を提供し、このようにしてレゾネータ内のビームの拡張を制限するようになっている。

しかしながら、本発明の他の可能な実施形態では、前記レゾネータは、レゾネータミラーにより形成されたビームの縁の近傍の放射の小部分を偏向させ、レゾネータの外側で前記一部分の結合を提供し、このようにして前記レゾネータ内のビームの拡張を制限する手段を有する。

提案されたレーザ装置の好ましい実施形態は、２つの可能な反対方向の一方に優勢的に前記リングレゾネータに沿って放射の伝播に有利な条件を与える手段を有する。このような手段は、進行波レーザレゾネータに本質的に単指向性レージングを与えることができ、これにより単一のコンパクトな出力ビームに最大の放射力を得る可能性を提供することができる。

前記２つの可能な反対方向の一方に優勢的に放射の伝播に有利な条件を与える手段は、フィードバック（逆転）ミラーからなり、該フィードバックミラーは、それがレゾネータ内を前記第１の方向に伝播する放射に本質的に影響を与えないが、前記第１の方向と反対の第２の方向にレゾネータ内を伝播する放射の少なくとも一部を反対方向に反射し、これにより前記放射の一部分が前記第１の方向にレゾネータ内を伝播するように配置されている。

本発明の他の可能な実施形態では、前記レゾネータミラーの一つは、孔を有し、その中心は前記ミラーの前記軸輪郭との交点に配置され、前記２つの可能な反対方向の一方に優勢的に放射の伝播に有利な条件を与える手段は、フィードバックミラーからなり、該フィードバックミラーは、前記孔の背後に設置され、これにより第２の方向に前記孔を通って伝播する放射の少なくとも一部を第１の方向に反射し、これにより前記放射の少なくとも一部は前記孔を通って戻り、レゾネータに沿って第１の方向に伝播する。

フィードバックミラーにより、２つの逆に進行する波の間の結合が確率され、この結果、これらの波の一つに追加の増幅が生じる。レージングの段階で、レゾネータ内のゲイン媒体に設定されるモード競争は、ビームに好ましい条件を形成し、第１の方向に優勢的に伝搬し、これによりレーザは本質的に単指向性進行波モードで操作を開始する。

本発明のさらに他の実施形態では、低電力レーザからの電力はさらに高い電力装置に注入され、これにより低電力装置からのコヒーレント光は高電力装置の波長を制御することができる。一つの配置では、低電力装置からの出力は、高電力出力結合ミラーで逆電力方向に注入することができる。また、他の配置では、低電力放射は、不安定リングレゾネータミラーの一つにある孔を通して、高電力キャビティに注入することができる。本発明のこれらの実施形態のいずれにおいても、低電力装置は高電力装置から抽出される如何なる電力からも指向的に隔離される。

前述した実施例の導波管のパラメータ及び導波管を伝搬する光のモードは、異ならせることができる。ある実施形態では、前記進行波リングレゾネータは前記軸輪郭の面に垂直な方向に安定であり、これによりビームは冷却部材表面によって実際には案内されない。

他の実施形態では、前記冷却部材は、それらが前記導波管内の光の導波管伝播モードを規定するように配置することができる。

図１に示す高周波横励起を有する衝突冷却ガスレーザは、隙間３で分離された１対の冷却部材１，２からなり、隙間３にはガス状のゲイン媒体（不図示）が設置され、例えば、導波管ＣＯ_２レーザの典型的なガス媒体で、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｈｅその他のガスを含む。従来のスラブ導波管レーザでは、冷却媒体は同時に電極として使用されている。「スライス」レーザにおける放電は追加の電極（不図示）により励起される。

対向して配置された冷却部材１，２の表面は、光学放射の伝播用の導波管を形成するのに十分に接近した間隔があけられている。電極はゲイン媒体に高周波ポンプ電力を供給する高周波発生器（不図示）に接続されている。冷却部材１，２は、冷却部材からの除熱を増大する冷却手段（不図示）によって達成されてもよい。

各冷却部材１，２の外形輪郭は、頂点が切り取られた三角形を有する。頂点の近傍で、隙間３の外縁の近傍に、ミラー４，５，６が配置されている。ミラー４，５，６は、正分岐（positive-branch）リング進行波不安定光学レゾネータを形成し、該レゾネータは、冷却部材１、２の面間を通過し、かつ、冷却部材１、２の両面と対向する面に横たわる閉じた軸輪郭（closed axial contour）を備えている。

図２に示すように、進行波リング光学レゾネータを形成するために、ミラー４，５，６が配置され、それらは三角形の軸輪郭（１点鎖線で示す）を囲んでいる。この三角形輪郭の角の二等分線はミラー面に同時に垂直であり、これにより、ミラー面での軸光線の入射角度は全てのミラーの反射角度に等しい。図１と２に示すレゾネータの軸輪郭は、導波管を形成する冷却部材１，２の対向面から等距離の中立面にある。

図１，２から分かるように、冷却部材の面間にある単一の面に、閉じたリングレゾネータ軸輪郭を配置することにより、従来の線形不安定レゾネータデザインに比較して、これらの部材の等しい領域に、よりコンパクトなデザインを提供することができる。また、冷却部材１，２の面間にある単一の面でのレ―ザビームの伝播は、何によっても閉じ込められないため、この面内で放射を付加的に曲げて、従来の湾曲した導波管の壁による意味のある分布をした反射損失を被る可能性は本質的にない。したがって、２つのミラーと、２つの複雑で精密に湾曲した導波管面と、４つの湾曲した導波管面に沿った分散反射（distributed reflection）とを使用して、リングキャビティを通る１つのラウンドトリップ（round trip）を完成する‘４７９に開示されたような従来技術と比較して、本発明は、３つのミラーと、一つの単純な軸レゾネータ輪郭とを使用して、キャビティラウンドトリップを完成する。２つの精密に湾曲した導波管面に沿った分散反射を除去し、それを単一のキャビティ内光学機器からの反射に置き換えることにより、本発明は、２ミラーの従来のリングレゾネータ概念よりも著しく低いキャビティ内損失を有する。さらに、３ミラーリングにおいても、本発明は、レゾネータのビーム拡張部分を例えば図２のミラー５，６で構成することができる。これにより、本発明のリングは共焦点非対称（confocal asymmetric）にすることができる。これは’４７９［２３］の従来技術の２ミラー対称配置では不可能である。最後に、本発明のキャビティ内放射の左右変換（inversion of left for right）は、従来の線形不安定キャビティで必要なキャビティ内焦点領域が無くても達成することができる。

図２に示す進行波リング光学レゾネータが正分岐不安定リングレゾネータであるために、本発明の実施形態の変形例におけるミラー４は、凸が選択され、ミラー５，６は平面である。凸ミラー４は、最適倍率Ｍの不安定レゾネータを提供するように選択された例えば曲率半径Ｒの球であってもよい。図２に示すリングレゾネータの倍率（このリングレゾネータのラウンドトリップで達成される導波管中立面における横ビーム寸法である）は、凸ミラーへの十分に小さいビーム入射角度に対して、次式で与えられる。

Ｍ＝（√（ＲＬ＋Ｌ^２）＋Ｌ）／（√（ＲＬ＋Ｌ^２）−Ｌ）
ここで、Ｌは、レゾネータ軸輪郭長さの二分の一である。不安定レゾネータの倍率Ｍは、通常、レーザゲイン媒体からのエネルギー抽出の最適効率を与えるように選択される。Ｍの最適値は、導波管ガスレーザにおける不安定レゾネータパラメータを計算するのに使用される公知の方法で決定することができる。例えば、電極隙間２ｍｍ、軸輪郭長さ３．５ｍｍ、ポンプ周波数（pump frequency）８１ＭＨｚを有する典型的な衝突冷却導波管ＣＯ_２レーザに対しては、Ｍの最適値は、約１．３−１．４である。

レゾネータを構成するミラー４，５，６の各々の表面とレゾネータ軸輪郭の交点からこれらのミラーの縁までの距離は、いずれか一つのミラーの縁、例えばミラー６の縁６ａの近傍で、中実断面の単一ビームの形態で、放射をレゾネータの外部と結合し、これによりビームの拡張をレゾネータ内に閉じ込めるように、選択される。

例えば、冷却部材の表面の垂線に沿ったミラー４，５，６の寸法は、ミラーの縁を越えてレーザパワーの漏れを防止するために、隙間の高さを実質的に越えている。前記垂線に垂直な方向のミラー６のサイズは、導波管中立面においてレゾネータ軸輪郭の交点からこのミラーの第１縁６ａまでの測定された距離がこのミラーの第２縁６ｂまでの距離よりＭ倍以上小さいように、選択される。他のミラー４，５の前記横方向の寸法は、レゾネータ内を伝播しこれらのミラーに入射するレーザビームがそれらの縁を通って漏れないように、すなわちこれらの縁がビームの拡張をレゾネータ内に閉じ込めないように、十分に大きい。

図１に示すレーザは、さらに、２つの可能な対向するレゾネータラウンドトリップ方向、この特別な例では時計回り方向に優勢的に放射を伝播させる手段を含む。この目的のために、小孔８（ＣＯ_２レーザに対しては孔径は典型的には１ｍｍ）がレゾネータ軸上のミラー４に設けられている。孔８は、ミラー５からミラー４に、すなわち反時計回りのレゾネータラウンドトリップの方向に通るレゾネータ軸の一部の延長線がこの孔を通るように、向けられている。前記レゾネータ軸の一部の延長線を遮り、かつ、それに垂直な小さな面のフィードバックミラー９が、ミラー４の反射面の反対側で孔８の背後に配置されている。ミラー９は、リングレゾネータに沿って反時計回りに伝播し孔８を通過する波がミラー９から反射し、孔８を再び伝播してレゾネータに戻り、レゾネータ内を時計回りに伝播する波に付加されるように、整列されている。

図１と２に示すレーザは、また、出力レーザビームを所望の方向に反射する手段を有し、該手段は平面ミラー１０と、所望の曲率をビーム波面に与える凹面ミラー１１とにより形成されている。

図１と２に示すレーザデザインは、例証としてのみの意味を有する。本発明の実施形態の他の変形例では、例えば、リングレゾネータを構成する１以上のミラーが凸面であってもよい。１又はそれ以上のレゾネータミラーは、出力ビームをコリメートし、ビーム波面に所望の曲率を与えるために、凹面で形成することができる。

本発明により構成されるレーザにおける進行波リングレゾネータを作成するミラーの数は、３以上であってもよい。例えば、図３に概略示す導波管ガスレーザでは、リングレゾネータを作成するミラーの数は４であり、ミラー１２と１３は凹面で、ミラー１４と１５は凸面である。

図６に概略示された衝突冷却ガスレーザでは、進行波リングレゾネータのミラーの数は５（ミラー２１から２５）である。ミラーの曲率及びサイズは、冷却部材の表面間にある面で不安定であるリングキャビティが必要な倍率Ｍを有し、レゾネータの内側の場分布（field distribution）がゲイン媒体２６の良好な充填を提供するように、選択される。
図６に示す変形例では、ミラー２１と２４は凸面で、ミラー２２，２３は凹面で、ミラー２５は平面である。

リングレゾネータを作成するミラーの少なくとも幾つかは、対応する図面に示すように、単一の要素ではなく、共通のミラー面の一部を構成してもよい。さらに、ミラーに加えて、リングレゾネータはそのようなレゾネータを形成するのに使用される他の公知の要素を含めてもよい。

冷却部材１，２は、必ずしも、平行平面である必要はない。例えば、冷却部材１，２の面は、導波管壁を横切り、軸輪郭の断面を通過する面内で、反対の曲率符号をもって、湾曲していてもよい。レゾネータの閉じた軸輪郭はこの場合、本発明の実施形態の前記変形例のように、本質的に一つの面内にある。この実施形態の他の変形例では、導波管の対象の中立面におけるビーム波面曲率を制御するために、冷却部材の間隔を横軸に依存して変化させてもよい。

また、進行波リングレゾネータの軸輪郭は、その偏差がレーザ出力パラメータを顕著に低下させない限り、冷却部材の面間を通る中立面からある範囲内で偏らせてもよいことは明らかである。

冷却部材は、分離した部分で形成してもよい。冷却部材が電極として使用されるとき、ＲＦ励起スラブ導波管又はスライス誘導波レーザの分野で公知であるように、ポンプ電力（pump power）はそれらの各々に別個に供給することができる。

図１から３に示すように、レーザパワーをレゾネータの外側で結合することは、ミラーの一つの縁の近傍で、必ずしも行う必要はない。例えば、本発明の原理に従って構成され、図４に概略示す衝突冷却ガスレーザでは、レゾネータは、該レゾネータ軸輪郭の外側に配置されたミラー１６の形態で、該レゾネータの外側にビームを結合する別個の手段が設けられている。

進行波リングレゾネータでの単指向性のレージングを提供するために、レゾネータミラーの孔は必ずしも必要とされない。例えば、図５ａ，５ｂに概略示す衝突冷却ガスレーザにおけるフィードバックミラー１７は、レゾネータ出力ミラーの背後であって、その縁の近傍で、レゾネータ内で時計回りに伝播する波に対して影領域に、配置されている。同時に、フィードバックミラー１７は、入レゾネータを通って反時計周り方向に伝播する入射波を反射して戻すように、整列されている。本発明の実施形態のこの変形例では、凸面ミラー４は、出力ミラーとして役立ち、その縁の近傍でビームはレゾネータの外側で結合される。

図６に概略示す実施形態の変形例では、フィードバックの他の可能なデザインを示し、フィードバック経路の中間ミラー２７と、ルーフ反射器２８とを備えている。図６に示すように、ミラー２１の研磨された横面はミラー２７として使用され、適切に配置されたルーフ反射器２８から反射した後、反時計回り入射放射２０をレゾネータに戻す。

図１，２に示す衝突冷却進行波リングレーザを操作するために、高周波ポンプ電力は、外部発電機から供給され、放電によりガスゲイン媒体を励起する。従来の導波管レーザの場合、導電性材料で形成され、電極の役割を演じる冷却部材１，２を介して行われる。キャビティ内放射により満たされていない領域をポンピングしないようにし、レーザ効率を増加するために、電極の一つにある凹部７は、該凹部７の領域での放電の励起を防止するために形成することができる。

図１，２に示す進行波リングレゾネータを備えた「スライス」レーザを操作するために、高周波ポンプ電力（又はｄｃ電力との組み合わせ）を追加の電極（不図示）に供給する。両ケースにおいて、励起時、ゲイン媒体は、冷却部材１，２の対向面間の形成された導波管（光導波路）内を伝搬する光学放射を発生する。伝搬の方向がリングレゾネータの軸輪郭と一致する放射は、閉軌道内でこの輪郭に沿って案内され、ゲイン媒体内で増幅され、この結果レゾネータ軸輪郭の近傍でレーザビームの自己励起が生じる。リング不安定レゾネータに沿って伝搬するとき、このレーザビームの幅は、凸面ミラーの湾曲により、冷却部材の中立面（図２に示す面）において、各レゾネータラウンドトリップでＭ倍増加する。すなわち、ビームは自由空間におけるように拡張する。冷却部材１，２の表面に垂直な方向におけるビーム拡張は、これらの表面により制限され、これにより導波管の高さに基づいて基本導波管又はガウスモードを形成する。

３つのレゾネータミラー４，５，６の各々は、電極間を通る導波管中立面においてレーザビーム断面を折り返す。各々で折り返した後、ビームの各光線はレゾネータ軸輪郭に対する位置を逆転する。ビームの反転はミラー４，５，６間では生じない。なぜなら、このレゾネータは凹面ミラーを含まないので、焦点くびれがないからである。このようなレゾネータのミラーの数は奇数であるため、レゾネータ軸輪郭の一方の側でレゾネータ内を伝搬する如何なる光線も、完全なレゾネータラウンドトリップの後、レゾネータ軸輪郭の他方の側で伝搬するようになる。この状態を説明すると、図２において、軸輪郭の内側に位置する点Ａを通りリングレゾネータに沿って時計回り方向に通過する光線は、ミラー５，６，４での連続的反射を含む完全なレゾネータラウンドトリップの後、軸輪郭の内側に位置する点Ｂに現れる。

図２に示すように、何回か通過した後、ビーム縁の一部がミラー６の縁６ａから漏れ出るまで、リング不安定レゾネータに沿って伝搬する近軸レーザビームの幅は、各レゾネータラウンドトリップにおいて中立面でＭ倍拡張する。しかしながら、軸輪郭から縁６ｂまでの距離は、軸輪郭から縁６ａまでの距離より、少なくともＭ倍大きいため、ビームはミラー６の他の縁６ｂからは漏れ出ない。レゾネータに沿った次のビームラウンドトリップで、レゾネータに残るビームの幅がＭ倍だけ増加した後、ミラー６の第２縁６ｂの近傍にあったレーザビームの一部は、本発明に従って構成されたリングレゾネータにおけるビーム逆転により、軸輪郭の他の側で伝搬し、ミラー６の第１縁６ａから漏れて、レゾネータの外側で結合される。このように、ミラー６の第１縁６ａの近傍でレゾネータからの放射の抽出は、両横方向へのさらなるビームの拡張を強制し、その方向にビームは自由空間であるように拡張する。同時に、他のミラー４，５の縁はレゾネータ軸輪郭から十分に遠いので、レゾネータ内を伝搬するビームはこれらのミラーの縁から漏れない。これにより、２以上のビームよりも１つのビームの形態でレゾネータから放射が抽出される。ミラー６の縁６ａから漏れた拡大ビームの一部は、ミラー１０、１１で連続して反射した後、矩形に近い中実断面を有する出力ビーム１８の形態で、レーザから離れる。凹面ミラー１１の湾曲は、横断面において出力ビームを平行にし、または必要なときには、リング不安定レゾネータを出る発散ビームを集光する。

本発明により作られたレーザの実施形態では、図１，２と同様、レゾネータからの単一側ビーム結合（single side beam coupling）は、レゾネータ軸輪郭の異なる側でレーザビームを作成する光線の交互の通過により有効とされる。これは、負分岐線形不安定レゾネータを備えた導波管レーザにおける単一側ビーム結合が線形レゾネータ軸の両側で交互に光線を通過させることにより達成される方法と類似している。この線形負分岐配置により、単一側ビーム結合を備えた正分岐半不安定レゾネータで生じるレゾネータからの正電力損失を回避することができる。同時に、従来の負分岐線形不安定レゾネータと対比して、本発明に従って構成されたここに開示のリングレゾネータにおけるビーム断面の逆転は、この目的の焦点くびれを必要とせず、冷却部材１，２の面間を通る面に配置されるリングレゾネータ軸輪郭と、リングレゾネータを形成するミラー４，５，６の適切に選択された数と曲率とにより、達成される。図１，２に示すレゾネータのビーム焦点くびれが無いことは、非常に均一なビーム強度分布、およびゲイン媒体容量の高効率の使用を提供し、望ましくない非線形効果とゲイン媒体の破壊を防止する。

本発明により構成されたリングレゾネータにおけるビームを形成し、軸輪郭の両側で交互に任意のミラー４，５４，６を打つ光線により、導波管中立面におけるこれらのミラーの要求された角度位置からの可能な角度偏差は、焦点くびれを備えた負分岐線形不安定レゾネータで生じる方法と同様に、取り消される。ゲイン媒体における光学的楔形非均質性は同様に取り消される。なぜなら、例えば導波管中立面に向けられたそのような楔の「厚い」側を伝搬する結果としてビームの外側の部分により一方のパスで得られる正の経路差は、次の通過で取り消されるからである。これは、ビームの同じ部分が次の通過で負の経路差を必要とする結果であり、ビームの外側部分が内側部分になり、同じ楔の「薄い」側を横切って伝搬するからである。これにより、リングレゾネータ軸輪郭の両側でレーザビームを形成する光線の交互の通過は、レゾネータを構成するミラー４から６の調整不良、及びゲイン媒体内の楔形光学的非均質性に対して、本発明に従って構成されたリングレゾネータの感度を実質的に低下させ、この目的のためにレゾネータの焦点くびれを使用する必要がない。

このように、進行はリングレゾネータを備えた衝突冷却レーザに適した本発明の一つの実施形態は、キャビティ内焦点領域が無い従来の線形正分岐ハイブリッド導波管レーザの利点と、角度不整合に対する低感度、楔形非均質性に対する低感度、片側充填出力ビーム結合のような従来の線形負分岐レーザの利点を組み合わせている。

前述の議論から分かるように、横断面で逆転を達成するために、本発明の教示により構成されるレーザは、好ましくは奇数（３，５，７等）のキャビティ内ミラーを使用すべきである。この配置により、ビーム断面は、キャビティ内焦点領域を通過することなく、長寸法内で逆転されるようになる。しかしながら、負分岐リングレーザをこの発明の教示に従って故意にキャビティ内焦点領域を有するように構成する場合、完全なラウンドトリップの後にビームの逆転を達成するために、リングキャビティ内のミラーの数は偶数でなければならない。代案として、本発明の教示に従って、偶数のキャビティ内ミラーを有するようにリングレゾネータを設計することができる。そのような状況では、図３に示すように、偶数のミラーを備えたリングキャビティにおいて左右の逆転が有利であると思われる場合、キャビティ内焦点領域は逆転を与えるように利用されなければならない。例えば、図３において、凹面ミラー１２により合焦されるビームにより形成されるくびれ１９はミラー１２と１３の間に配置される。しかしながら、負分岐線形不安定レゾネータを備えたレーザに比べて、リングレゾネータを備えたくびれ領域は、ポンプゲイン媒体から除去することができるため、前記くびれの存在は、有害な非線形効果により、キャビティ内レーザパラメータを実質的に低下させない。

レゾネータ内のビームの拡張がレゾネータミラー６により制限されない図２に示すキャビティ配置に比べて、図４に概略示すレーザでは、ビームは追加のミラー１６により制限される。この場合、ミラー１６は、光学レゾネータミラーにより形成されたレーザビームの縁に隣接し、レゾネータ軸輪郭の外側に位置するビームの一部を反射し結合するように、配置されている。ビームを偏向させてレゾネータの外側で結合するこの分離した手段を使用することは、レーザ光学システムの調整を単純化し、ミラー１６を横方向に適切に移動することにより出力ビーム幅を容易に制御することができる。

図１と２に示すフィードバックミラー９は、レゾネータ内のビームの時計回り方向の優先的な伝搬を可能にし、これにより本質的に単指向性レーザを提供する。ミラー４の孔８は、サイズが小さいため、レゾネータに沿って時計回りに案内される波に著しく影響しない。孔８を通過する波により搬送される電力の比較的小さい部分は、ミラー９によって偏向され、レゾネータには戻らない。同時に、レゾネータ内で半時計回りに伝搬する波の一部は孔８を通過し、ミラー９により反射され、孔８を通ってレゾネータに戻り、そこで時計回りに伝搬する。このように、２つの逆伝搬波の間に結合が導入され、これらの波の一方に付加的な増幅を与える。例を考えると、時計回りに伝搬する波が増幅される。レゾネータ内でのレーシングの開始の段階で形成するゲイン媒体内でのモード競争は、時計回りの伝搬波に対する好ましい条件を形成し、レーザは本質的に単指向性モードで動作を開始する。このような逆転ミラーは、ＹＡＧ又はＣＯ_２のような均質的に拡大されたゲイン媒体について特に有効である。本発明者により実行された計算及び実験により示すように、レゾネータ内での逆伝搬波間の比較的弱い結合の存在は、本質的に単指向性のレーザ操作を提供するのに十分である。

図５ａ，５ｂに概略示すキャビティの実施形態では、単指向性操作は、レゾネータミラー孔を使用することなく達成され、小さな電極隙間を有する導波管レーザにおけるその存在は、必ずしも望ましいとは限らない。図５ａは、レゾネータ内を時計回りに伝搬する有用なビーム１８を示し、図５ｂは、半時計回りの抑制されたビーム２０を示す。ミラー１７は、出力ミラー４の背後の影領域に配置されていることにより、時計回り伝搬ビーム１８に動揺を導入しない。同時に、反時計回りのビーム２０は、ビーム１８と異なる角度でレゾネータを出て、この結果、ミラー１７により遮られるようになる。ミラー１７に入射するビームは、該ミラー１７で反対方向に反射され、レゾネータ内を時計回りに伝搬するビームに付加される。この結果、図１，２に示すレーザのように、時計回りのビームに有利な条件が形成され、レーザは本質的に単指向性状態で操作を開始する。

図６に概略示すレーザでは、フィードバックデザインの他の変形例が示されている。ここで、反時計回り伝搬ビームは、フィードバック反射器２８で反射する前に、ミラー２１の側面２７で付加的に反射する。ミラー２７と２１の面間のそれらの共通縁２９の近傍の角度は、ビーム２０と１８の間の角度を増加するように適合することができる。この角度の増加は、フィードバック反射器２８による反時計回り伝搬ビーム２０の遮断と、リングレゾネータへの反射戻りとを単純化する。フィードバックミラー１７の代わりにルーフ反射器２８を使用することは、縁３０が縁２９に対して適切に配置されれば、フィードバック反射器の角度位置の精度に対する要求を著しく減少する。

本発明の最初の実施形態では、３５０Ｗのｃｗ出力電力は、３つの不安定リングレゾネータを備えたＣＯ_２スラブレーザから抽出された。ハイブリッドレゾネータの進行波不安定レゾネータ要素は、２つの平面ミラーと、１つの６０ｍの凸球面最大反射力キャビティ内ミラーとからなり、２Ｌ＝１．３ｍの外辺部と１．３倍の幾何学的倍率を有するキャビティを形成している。２ｍｍの放電隙間は、Ｈｅ−Ｎ_２−ＣＯ_２：１−１−６の７０Ｔｏｒｒに等しい全圧で運転した。図５ａに類似した形状のキャビティについて、逆電力を測定すると、３５０Ｗフォワードレーザ出力より低い１００又は２０ｄＢのファクターに抑制された。２ｍｍ×２ｍｍの断面を有する片側充填非対称出力ビームを測定すると、各出力寸法制限された回折に非常に近かった。

高周波励起衝突冷却ガスレーザの前記変形例は、例証のみのために紹介されている。本発明は、隙間を制限する要素、ミラー、ゲイン媒体、ポンピング手段、その他のそのような装置で普通に使用される要素の如何なる任意のタイプを使用しても実施することができる。当業者は、ミラーの代わりに、又はそれと同時に、光学ビームの必要な変換とそれらの向きの偏向を提供することができる任意の均等な光学手段を使用することができることは認めるであろう。したがって、好ましい実施例を図示し説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、これらの実施例に種々の修正や置換を行ってもよい。したがって、本発明は例証のためにのみ記載され、限定すべきものではないことを理解すべきである。

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この発明により構成された衝突冷却ガスレーザの実施形態の変形例の一つの斜視図。 図１に示す衝突冷却レーザの電極ギャップを通る断面の平面図。 この発明により構成された衝突冷却ガスレーザの実施形態の他の変形例を示す。 この発明により構成された衝突冷却ガスレーザの実施形態のさらに他の変形例を示す。 この発明により構成された衝突冷却ガスレーザにおける単指向性レージングを提供する可能な計画の一つを示す。 この発明により構成され５つのミラーを有する衝突冷却ガスレーザの実施形態のさらに他の変形例を示す。 本発明の概念をより明らかな方法で示すために、図はスケールなしで作成されている。

符号の説明

１ 冷却部材
２ 冷却部材
３ 隙間
４ ミラー
５ ミラー
６ ミラー
７ 凹部
８ 孔
９ フィードバックミラー
１０ 平面ミラー
１１ 凹面ミラー

Claims (12)

1. 高周波励起を備えた衝突冷却ガスレーザ装置において、
   延長表面を有し、前記面の間の隙間に光学放射の伝搬のための導波管を形成するように対向する１対の冷却部材と、
   前記隙間に配置され、前記ガスに供給される高周波電力により与えられる放電によって励起してレーザ放射を発生させるレーザガスと、
   閉じた軸輪郭を備えた進行波リングレゾネータを形成し、前記導波管にレーザビームを生成するミラーとからなり、
   前記ミラーは、前記レゾネータの軸輪郭が前記面内にあるように配置され、前記面は光学放射用の導波管を形成する前記冷却部材の表面間配置され、かつ、前記冷却部材の表面の両側と対向し、前記搬送波リングレゾネータは前記面内で不安定であり、これにより前記レゾネータ内で拡張するビームの一部がレーザの外側で中実断面の出力ビームとして結合され、前記ミラーの数と曲率は、前記ビームに属し前記レゾネータの軸輪郭の内側の前記導波管に沿って伝播する任意の光線がラウンドトリップ後に前記軸輪郭の外側で伝播し、前記ビームに属し前記レゾネータの軸輪郭の外側の前記導波管に沿って伝播する任意の光線がラウンドトリップ後に前記軸輪郭の内側で伝播するようになっている、衝突冷却ガスレーザ装置。
2. 前記リングレゾネータを形成する前記ミラーの数は奇数であり、それらの曲率は、前記導波管内を伝播するレーザビームがレゾネータ内に焦点くびれを有しないようになっている、請求項１に記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
3. 前記リングレゾネータの前記ミラーの少なくとも１つは、凸面で形成され、他のミラーは平面である、請求項１又は２に記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
4. 前記リングレゾネータの前記ミラーの少なくとも１つは、凸面で形成され、前記リングレゾネータの前記ミラーの少なくとも１つは、凹面で形成されている、請求項１又は２に記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
5. 前記冷却部材の表面は平坦であり、平行に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
6. 前記レゾネータを形成する各ミラーの縁から前記ミラー面の前記軸輪郭との交点までの距離は、単一ビームの形態の前記レゾネータからの放射の外側で、中実断面を有し、前記ミラーの一つの縁の近傍に位置する結合を提供し、このようにしてレゾネータ内のビームの拡張を制限するようになっている、請求項１から５のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
7. 前記レゾネータは、レゾネータミラーにより形成されたビームの縁の近傍の放射の小部分を偏向させ、レゾネータの外側で前記一部分の結合を提供し、このようにして前記レゾネータ内のビームの拡張を制限する手段を有する、請求項１から５のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
8. 前記レーザ装置は、２つの可能な反対方向の一方に優勢的に前記リングレゾネータに沿って放射の伝播に有利な条件を与える手段を有する請求項１から７のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
9. 前記２つの可能な反対方向の一方に優勢的に放射の伝播に有利な条件を与える手段は、フィードバックミラーからなり、
   該フィードバックミラーは、それがレゾネータ内を前記第１の方向に伝播する放射に本質的に影響を与えないが、前記第１の方向と反対の第２の方向にレゾネータ内を伝播する放射の少なくとも一部を反対方向に反射し、これにより前記放射の一部分が前記第１の方向にレゾネータ内を伝播するように配置されている、請求項８に記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
10. 前記レゾネータミラーの一つは、孔を有し、その中心は前記ミラーの前記軸輪郭との交点に配置され、
    前記２つの可能な反対方向の一方に優勢的に放射の伝播に有利な条件を与える手段は、フィードバックミラーからなり、
    該フィードバックミラーは、前記孔の背後に設置され、これにより第２の方向に前記孔を通って伝播する放射の少なくとも一部を第１の方向に反射し、これにより前記放射の少なくとも一部は前記孔を通って戻り、レゾネータに沿って第１の方向に伝播する、請求項８に記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
11. 前記進行波リングレゾネータは前記軸輪郭の面に垂直な方向に安定である、請求項１から１０のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。
12. 前記冷却部材の面は前記導波管内の光の導波管伝播モードを規定する、請求項１から１０のいずれかに記載の衝突冷却ガスレーザ装置。

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