JP4387598B2

JP4387598B2 - レーザ装置

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Filing date: 2000-01-31
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Description

【０００１】
発明の背景
この発明はレーザ装置に関し、このレーザ装置は、レーザ活性物質と、光学軸を定める光学的共振システムと、前記レーザ活性物質を励起し前記レーザ活性物質からの励起放射の放出を可能とするための励起手段と、空間的に対向して離れる関係で配置された第１及び第２の冷却要素にしてその表面が相互に対向してなる冷却手段と、を有し、前記レーザ活性物質は、前記光学軸に沿って前記複数の冷却要素の間に設けてある。
【０００２】
上記したようなレーザ装置は、当該技術分野において一般的に知られている。基本的に、全ての種類のレーザ装置は熱放出の問題を処理しなければならない。例えば、固体ロッドレーザ装置においては、キセノンランプの如き励起用光学光源により励起されている前記ロッドの表面が冷却され、前記励起能力及び前記冷却手段の効率に依存するところの温度勾配が生成される。
【０００３】
前記ロッドの中の熱的効果が、温度分布に応じて変動する屈折率及び複屈折性の如き前記レーザ活性物質の光学的性質及び、球状共振ミラーの如き更なる光学要素の光学的性質にも強い影響を与える。レーザ作用の間に生成される熱量が、所望する出力の増加により増加する場合に、熱的な品質悪化と無関係な高性能のレーザシステムを設計することは困難で且つ費用を要することとなる。
【０００４】
結果的に種々のレーザ装置は、以下の複数の側面の両方を改良するように設計される。
【０００５】
(i) 活性レーザ物質の単位体積当たり高い出力を獲得するために熱拡散を増加させること。及び
(ii) レーザ装置の光学的性質への温度勾配の影響を最小化すること。
【０００６】
ＲＦ励起を用いるガスレーザの分野においては、スラブレーザあるいはジグザグレーザと呼ばれるものが開発されている。これらのレーザは、反射表面を有する矩形の板から形成される対向するＲＦ電極を有する。これらの電極は以下のように配置される。すなわちそれらの間に空間が形成され、結果として生ずる間隙（ギャップ）がレーザ活性ガスにより充満される。これらの電極の間の距離は典型的には、約２ｍｍ〜４ｍｍであり、更なるガス流が提供される場合には、１ｃｍまで増加される。しかし前記距離に直交する方向における前記ギャップの幅は数ｃｍのオーダーである。前記電極は冷却され、従って、前記熱は前記複数の電極の表面による伝導性冷却により前記レーザガスから散逸される。結果として、大きな冷却面積及び／従って大きな冷却パワーが得られる。
【０００７】
同時にこの構造は温度勾配を提供する。この温度勾配は、前記板の横方向の端部におけるひずみを別として、前記複数の電極の表面に単に直交する方向に向いている。前記構造は、前記温度勾配の効果を打ち消す傾向を有する。というのは前記レーザビームは前記温度変動の平面内でジグザグに進むからである。しかし、センチメートルの領域における比較的大きな前記複数の板の間の間隔は、この平面内における反射角の大きな変動範囲をもたらす。従って、結果としての放射のモードは、もはやシングルモードにはなるように前記球面状の共振器により決定されず、結果的に前記放射はマルチモード（多重モード）になる。しかしレーザ装置の多くの応用は、高い出力密度を達成するために前記レーザビームが正確な集束をすることを要求する。従ってマルチモードのビームは好ましくない。
【０００８】
更に、所謂「波案内(ウエイブ・ガイド（waiveguide）)」レーザ装置がこの技術分野において知られている。そこでは２つの横方向における放射フィールド（放射場）は高度に磨かれ高度な反射性を有する側面壁により制限されている。前記放射モードは前記波案内(ウエイブ・ガイド（waiveguide）)空洞により完全に決定される。そして共振器は、単に平板状の複数の鏡により構成される。波案内レーザから単一モード放射を得るために、波案内キャビティ（空洞）の複数の寸法は、ほんの数ｍｍ（２〜４ｍｍ）に限定されている。波案内レーザは優れた熱的性質を有するが、その出力パワーは前記小さな活性体積のために低い。
【０００９】
米国特許５，１２３，０２８はＣＯ2スラブレーザを開示し、それは一対の離間された板状電極で構成される波案内装置を備え、前記板状の電極は相互に対向する光反射表面を有する。前記電極表面に平行な平面の中に前記放射を閉じこめることは、負ブランチ不安定共振器（ネガティブ・ブランチ不安定共振器(negative branch unstable resonator)）により達成される。
【００１０】
ＷＯ９５／０２９０９は、ＣＯ2スラブ波案内レーザを記載する。ここに前記波案内表面に平行な平面における光伝搬通路は、球面ミラーにより折り曲げられる。
【００１１】
ＧＢ２２７６０３１は、固体レーザ装置を開示し、そのレーザ装置は、一対の光学的に滑らかな表面を有するスラブ形状のレーザ媒質を有する。前記スラブ形状のレーザ媒質の幅方向において不安定自由空間共振器が提供され、前記スラブ媒質の狭い間隔の厚さ方向においては前記放射の閉じこめは前記媒質の光学的に滑らかな表面により行われる。
【００１２】
米国特許第４，７１９，６３９においては、レーザ装置が開示され、そこでは１つの横方向において、５ｍｍよりも小さい間隔を有する高度に研磨され且つ高い反射率を有する電極により波案内条件が生成される。しかし他の横方向は開放状態にされ、すなわちこの方向において光学キャビティは球状共振ミラーにより制限される。上記開示に記載されるような構成は、波案内（ウェーブガイド）レーザに比べて活性領域の体積を増大することに成功している。そして一方において単一モード放射が実現されている。しかし、２つの電極の間隔は典型的には２〜３ｍｍに制限される。さらに、複数の電極は高い光学的性質を要求されると共に高い平行性が要求される。
【００１３】
発明の概要
前記従来技術の問題点及び不利益に鑑みてこの発明の目的は、コンパクトな構造のレーザ装置であって、より大きな光学的パワーを有し且つ精密に集束可能な放射を出力するレーザ装置を提供することである。
【００１４】
前記目的は以下の構成を有するレーザ装置により解決される。すなわちそのレーザ装置は、レーザ活性物質と、光学軸を定義する光学共振システムと、前記レーザ活性物質を励起し且つ前記レーザ活性物質から励起放射光の放出を可能とする励起手段と、第１及び第２の冷却要素であって相互に対向して離間された関係で配置され、その複数表面が相互に向かい合う第１及び第２の冷却要素を有する冷却手段と、を有し、前記レーザ活性物質は、前記光学的軸に沿って前記冷却要素（複数）の間に設けられる。前記レーザ装置は以下のように特徴付けられる。前記光学的共振システムにより規定される光学光路の中に配置された光学要素が提供され、その光学要素は、前記光学軸に沿い且つ前記複数表面に直交する第１の面内において屈折パワーを有し、その屈折パワーは、前記光学軸に沿い且つ前記第１の面に直交する第２の面内における屈折パワーと異なり、前記光学要素の前記第１面内における屈折パワーは、最低次数の放射モードの、前記第１（６１）及び第２（６２）の冷却要素の表面との相互作用を防止するように調整されている。
【００１５】
前記用語「屈折パワー」は、全ての種類の光学的要素、特に屈折的光学要素及び回折的光学要素及び反射的光学要素であって、光ビームを平行化（コリメート）しあるいは分散する能力を有する光学要素と関連する。
【００１６】
前記用語「光学軸に沿って」とは、前記光学軸に平行な面の全ての配置を含みあるいは前記光学軸が前記面の内部に存在することを含む。
【００１７】
前記「複数表面に直交する前記光学軸に沿う面」とは、複数の面を意味する。即ちそれらの面は、前記冷却要素の表面が平らである場合にはそれらは平行であり、それらは、前記表面が曲がっている場合には所定の角度範囲を含む。前記定義はまた次のような場合を含む。この場合、前記「複数の面」はもはや平らでなく、前記冷却要素の離間された関係に応じてある種の曲率を有する。例えば前記複数の冷却要素の表面が円筒形であり一致しない曲率の中心を持つ場合である。
【００１８】
この出願において用いられる放射モードの定義は関連する技術文献を参照して、以下のように理解されるべきである。
【００１９】
前記レーザビームの自由空間伝搬の場合には、ＴＥＭ_００モードがいわゆる基本的あるいは最低時のモードを構成し、その他の全てのモードは高次のモードを意味する。
【００２０】
矩形の波案内キャビティを有するレーザ装置については、ＥＨ₁₁モードが基本的あるいは最低時のモードと考えられ、全ての他のモードは高次モードとして扱われる。
【００２１】
スラブ状の波案内キャビティを有するレーザ装置については、非自由空間伝搬方向における前記横方向電波の分布が１つの最大値を有する放射モードが基本的モードあるいは最低時モードと考えられる。
【００２２】
この発明によれば、上記したレーザ装置において、活性領域内ですなわちレーザ活性物質内で生成される放射が、前記レーザ活性物質の場所を規定する前記冷却手段の前記第１及び第２の要素の表面に直交する前記面の内部において、前記光学要素により平行化されあるいは分散化される。そして、このコリメート化又は分散化が、前記各球面状共振ミラーの配置、すなわち前記共振ミラーの間隔及び、その曲率及び、前記光学要素の曲率と相俟って前記放射場をこの平面内において閉じこめる。前記冷却要素の複数の表面に直交する平面内における前記放射の角度範囲の制限が、前記レーザ放射を閉じこめるために以前に用いられてきた前記冷却要素（複数）のより大きな分離を、前記レーザ装置の単一横方向モードでの動作を保持しつつ可能とする。
【００２３】
この発明によるレーザ装置は、より大きな出力パワーを有し小さな寸法を有することの利益を利用する。より安い製造コストは以下の点から得られる。すなわち前記各冷却要素の表面が高度な光学的な特性を有する必要がないこと及び、前記レーザ活性物質を冷却するための周辺装置の数が従来技術のレーザ装置に比べて少なくなることである。更に、この発明によるレーザ装置の運転中の必要なメンテナンスの量が少なくなる。これは前記レーザ装置の種々の要素の熱的応力が、より大きな冷却効率によって削減されるからである。更に、熱膨張による前記冷却要素の整列のずれは、このレーザ装置の動作特性に対して無視し得る程度の影響しか与えない。これは、前記冷却要素の間隔及びそれらの平行性は臨界的なパラメータでは無いからである。更なる利点は前記改良された冷却効率から結果するところのより大きな寿命である。
【００２４】
この発明の更なる好適な実施例においては、前記光学経路に開口手段が設けてある。これらの開口手段は、前記複数冷却要素の複数表面の実効的開口距離を制限する絞りにより実現される。好適には、前記光学要素及び光学的共振手段及び開口手段の相互の配置は、前記開口手段における放射の損失が最小となるように最適化される。前記光学要素が前記放射の閉じこめを制御する前記平面内において単一モード動作を選択するために前記レーザ装置を最適化する工程は、これらの開口手段により著しく容易になる。
【００２５】
この発明の好適な実施例において、前記光学要素及び前記共振器システムは組合わさって前記冷却手段の前記表面に直交する面内において安定な共振器を構成する。結果的に、前記レーザビームは、この配置における前記冷却要素の表面に決して接触することがない。
【００２６】
好適には前記レーザ装置の光学軸は相互に角度をなす複数の部分に分割される。これによりレーザ装置の全体的な縦方向の長さが、大きな光学的活性領域を保持しながら縮小される。
【００２７】
好適には、前記光学要素は、前記光学軸を第１部分及び、少なくとも１つの更なる部分とへ分割するために反射表面を有する。これにより、前記レーザ装置において要求される光学的要素の数が縮減される。
【００２８】
平行化及び分散のための光学要素は好適には円筒形のミラーでありそれは比較的低コストで製造され得る。
【００２９】
好適には前記光学的共振システムのミラーの曲率は、それらが同時に光学要素として機能し、これにより必要となる光学構成要素の数が縮減されるように形成される。そのような設計のミラーは好適には二重円筒形（バイ・シリンドリカル（bi-cylindrical））であるのが好ましい。
【００３０】
この発明の更に好適な実施例においては、前記複数の表面の間の間隔は、この断面におけるビーム形状に応じて光学軸に沿って変動する。前記光学軸に沿ってのビーム直径の変動に対して前記冷却要素の形状を適合させることにより、冷却効率及び光学出力が最適化される。それは前記複数の表面の間隔が常にその最小限要求される値に止まるからである。
【００３１】
好適には前記冷却手段の第１及び第２の要素は、電気的に伝導性の材料で作られている。これにより当該要素を電極として用いる可能性がもたらされる。更に高い電気的伝導性は通常又は高い熱的伝導性を意味し、これは前記要素の表面にわたる一様な温度分布を意味し、従って一次元温度勾配を生成する。
【００３２】
この発明の好適な実施例においては、前記励起手段は、出力マッチング回路を含むラジオ周波数ソースであり、前記ラジオ周波数ソースは、前記冷却手段の前記第１及び第２の要素に電気的に接続される。この形態において前記冷却手段の前記複数の要素は２つの機能を有するため、レーザ装置の寸法が更に縮小される。
【００３３】
レーザ活性媒質は好適にはレーザガスである。ＲＦ電極としても作用する前記冷却手段の前記複数の要素と相俟って、前記レーザガスの前記伝導性冷却による効果的冷却が達成され、従って、レーザガスの内部で従来のレーザガスに比べて大きなレーザ活性領域を有する高い能力のガスレーザが提供される。
【００３４】
この発明の好適な実施例において、前記ガスは、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｈｅ及びＸｅを成分として含む。追加成分Ｘｅの使用は、ＣＯ_２及びＮ_２における分子振動を励起せしめる電子の速度スペクトルの変形により１２０〜３０％の出力パワーの増加をもたらす。
【００３５】
好適には、前記冷却要素は、冷却能力の増大及び劣化されたＣＯ2分子の交換のためのガスフローを可能とするために通路を有する。
【００３６】
好適には前記光学共振システムは、負ブランチ不安定共振システムであり、この負ブランチ不安定共振器は前記共振ミラーの間に焦点を有する不安定共振システムである。この場合、前記光学要素は放射場を閉じこめるためにコリメート効果を有しなければならない。このタイプの共振器の不良配置に対する感度は正ブランチ不安定共振器あるいは安定共振器のそれに比べてはるかに小さい。従って動作の間の配列不良（誤差）に繋がる熱的膨脹あるいは機械的応力の影響は従来の装置に比べて重要とはならない。
【００３７】
この発明のレーザ装置において、１つの装置の表面間隔は２ｍｍ〜１５ｍｍの領域における１つの値に選択されることができる。２ｍｍの値でも、伝搬するレーザ光は前記冷却要素の表面に接触することはない。さらに前記冷却要素を介しての追加の緩やかな流れのガス交換を使用することにより、前記レーザ装置の出力パワーは著しく向上されることができる（ガスフローがない場合の出力の数倍）。
【００３８】
この発明のさらに好適な実施例においては、前記光軸はいくつかの部分に分割され、当該いくつかの部分は共通の平面内に存在しない。活性領域を含むレーザ装置の種々の部分は従って３次元構造に配列され、小さな全体寸法を有する高出力パワー装置をもたらす。
【００３９】
この発明のさらに好適な実施例においては、前記冷却要素は相互に向かい合う平面的表面を有するように形成される。これによりレーザ装置の活性領域の単純な形状がもたらされ、従ってまた製造し易い光学要素をもたらすことができる。これは、光学要素がコリメートしあるいは分散させるところの複数の平面がそれぞれ平行だからである。従って、前記光学要素は例えば円筒状ミラーとして提供され得る。さらに好適な実施例は従属クレームから導かれる。
【００４０】
好適な実施例の詳細な説明
図１及び図２を参照して、この発明の好適な実施例が詳細に説明される。
【００４１】
図１の概略断面図はこの発明によるレーザ装置の第１実施例を示し、それは冷却手段６にして電気的及び熱的に伝導性の材料からなる冷却要素６１，６２，６３，６４を有するものを備える。光学的共振システムは、球面共振ミラー２及び球面共振ミラー３にしていずれも凹面的曲率を有するものを備える。前記共振ミラー２及び３は負ブランチ不安定共振システムを形成する。
【００４２】
前記冷却要素６１，６２，６３，６４の間にレーザガス１が提供されそれは成分Ｎ2，ＣＯ2，Ｈｅ，Ｘｅからなる。
【００４３】
このシステムは更に、円筒形ミラーとして提供される光学要素１０を有する。ここに前記光学要素１０の円筒軸は図面の平面に直交する。光学軸４は、光学的共振システムにより定義され、光学要素１０により２つの部分に分割される。
【００４４】
更に、絞り７，８，９からなる開口手段は、それぞれ前記光学軸に沿って提供される。ここに、絞り７は球面ミラー２と冷却要素６１及び６２の端部との間に設けられ、絞り９は球面ミラー３と冷却要素６３及び６４の端部との間に設けられ、絞り８は、光学要素１０と冷却要素６１，６２，６３，６４の他の端部との間に設けられる。
【００４５】
レーザ放射を放出すべく前記レーザガスを励起するための励起手段５は、この実施例によればパワーマッチング回路を含むラジオ周波数源である。このＲＦ源は、電極として作用する前記冷却手段に電気的接続子１１，１３，１５，１７，１９により接続されており、更に参照ポテンシャル２０に接続されている。
【００４６】
冷却要素６１，６２及び冷却要素６３，６４の各々の対は、それぞれレーザガス１を含む空間を形成する。励起手段５が電気的接続子１１，１３，１５，１７，１９を介して前記冷却要素６１，６２及び６３，６４の各々の対に対してＲＦ電流を供給するとき、レーザガス１は励起され、励起放出を放出する。放出された放射は負ブランチ不安定共振器である前記共振システムにより、図１の図面平面に直交する平面内において閉じこめられる。このタイプの共振器の特徴は、図２を参照して以下の節で説明される。この平面内で光学要素１０は前記共振システムの動作に影響を与えず、単に前記光学軸を２つの部分へ分割するのみである。
【００４７】
図１の図面平面において放射場は、前記共振システム及び前記開口手段及び光学要素１０により閉じこめられる。前記絞り７，８，９の開口寸法が、冷却要素６１，６２，及び６３，６４の対の各々の間の光学的実効距離を制限する。前記球面ミラー２及び３の曲率及び前記冷却要素６１，６２及び６３，６４の表面の間の間隔がそれぞれ与えられると、前記冷却要素のそれぞれの端部からの前記球面ミラー２及び３の距離及び、前記冷却要素の対応する端部からの前記光学要素１０の距離及び、前記光学要素１０の曲率及び前記絞り７，８，９の開口寸法が以下のように選択される。すなわち安定共振器が形成されるように、及び前記絞りにおける放射損失が最低になるように、及び同時に適切なる低次モードの放射が球面ミラー３においてこの共振システムから放出されるように選択される。
【００４８】
図２は、この発明の第１実施例の、図１の図面平面に直交する平面における概略断面図を示す。より良い理解のために、図２の表示においては図１の光学軸４は直線状に配置されている。
【００４９】
図２において前記球面ミラー２及び３からなる光学共振システムが示されている。ここに球面ミラー３の上方部分が切断され、前記レーザビームがこの共振システムから離れるための開口を提供している。球面ミラー３においてこの共振システムから離れるレーザビームは参照番号５０を有する。
【００５０】
図２において、レーザガス（図示せず）により放出される放射は、前記球面ミラー２及び３の間で数回反射され、球面ミラー３においてレーザビーム５０としてこの共振システムから離れる。図２の図面平面において、光学要素１０は前記共振システムの機能に影響を与えない。ミラー２及び３は凹面曲率を有し、負ブランチ不安定共振器を形成する。すなわちこの共振器は、前記球面ミラー（複数）の間に焦点を有する。そして放射は数回の反射のあと前記共振システムを離れる。前記複数の冷却手段の距離の方向において前記球面ミラー２及び３の間の活性領域の光学経路はこれらの冷却手段により限定される。従って前記レーザビームはこの方向において「再折り曲げ」されなければならない。従って前記光学要素１０はコリメート（平行化）タイプのものでなければならない。前記不安定共振器は相対的にミスアライメント（整列誤り）に関して相対的に敏感ではない。このタイプの共振器は更に、前記レーザ領域を高度に充満しつつ単一モード出力を提供するという利点を有する。
【００５１】
この発明の更に好適な実施例が図３を参照して説明される。図３は、ビーム伝搬の平面における、この発明によるレーザ装置の概略断面図である。
【００５２】
この第２実施例のレーザ装置は、球面ミラー３０２及び３０３を含む負ブランチ不安定タイプの光学共振器システムを備える。光学軸３０４は、光学要素３１０，３２０，３３０，３４０，３５０により幾つかの部分に分割され、前記光学要素３１０，３２０，３３０，３４０，３５０は円筒ミラーとして提供されることができる。
【００５３】
２つの冷却要素３６１，３６２を備える冷却手段３０６は、以下のように配置される。すなわち、それらの内側表面がレーザ活性媒質を包み、そして前記レーザ伝搬経路は、前記光学要素３１０，３２０，３３０，３４０，３５０により前後に折り曲げられる。
【００５４】
更に、絞り３７０〜３７６を備える開口手段が提供され、ここに絞り３７０，３７２，３７４，３７６は、冷却要素３６１，３６２の対の一方の端部と球面共振ミラー３０２及び光学要素３２０及び光学要素３４０及び球面共振ミラー３０３のそれぞれとの間に配置され、絞り３７１，３７３，３７５は、前記冷却要素３６１，３６２の対の他の端と光学要素３１０，３３０，３５０のそれぞれとの間に設けられる。前記絞り３７０〜３７６は、前記冷却要素３６１，３６２の光学的実効距離を制限する。この距離は、図３の図面平面に直交しており、従って前記絞りは図３において実線で表されている。
【００５５】
前記冷却要素３６１及び３６２の間のレーザ活性媒質（図示せず）が励起されるとき、前記励起されたレーザ活性媒質から放出される放射は、図３の図面平面において前記球面ミラー３０２及び３０３により横方向において閉じこめられる。この平面において前記光学要素（複数）は、前記光学軸を幾つかの部分へ分割するが、この共振システムの光学的閉じこめ動作に影響は与えない。前記図面平面に直交する方向において、前記放射の閉じこめは、球面ミラー３０２，３０３及び絞り３３０〜３７５及び、前記光学要素３１０〜３５０にしてそれは円筒形ミラーであり得るもの、により達成される。前記冷却要素３６１，３６２から前記光学要素３１０〜３５０までの距離及び、相互に向かい合う前記冷却要素の表面の光学的実効的距離を制限するためのあるいは規定するための絞り３７０〜３７５の開口寸法及び、前記光学要素３１０〜３５０の曲率は、この図面表面において安定共振器を形成し、且つ前記絞り３７０〜３７５における放射損失を最低化し、且つ適切なる低次オーダーの放射モードを選択するために最適化される。この実施形態によれば、以下の事実により極めてコンパクトなレーザ装置が実現され得る。すなわちそれは前記光学経路が複数の部分へ分割されること及びこの装置の縦方向の寸法が従って縮小されることである。更に、前記レーザ活性媒質が前記冷却要素と接触するところの前記平面内における温度分布は、比較的一定に保持されることができ、従って高出力パワーを有し且つ動作中に高い信頼性を実現することができる。
【００５６】
図４及び図５を参照して、この発明の第３実施例及びこれに良く類似する第４実施例が説明される。
【００５７】
図４は、概略断面図であり、ここに共振ミラー４０２及び４０３はそれぞれ図面平面に対して直交する平面内において負ブランチ不安定共振器を形成する。前記共振ミラー４０２及び４０３の間隔はＬで定義される。前記冷却要素４６１及び４６２の表面に直交する平面における前記共振ミラー４０２及び４０３それぞれの曲率４１０は、更に以下のように形成されている。すなわち、図４の図面平面に対応する平面内においてＲで定義されるそれらの半径は、前記共振器ミラーの距離Ｌよりも大きく従って安定共振器を形成する。開口手段４０７及び４０８が共振ミラー４０３及び４０２のそれぞれの前に置かれている。レーザガス４０１が冷却要素４６１と４６２のそれぞれの表面の間に提供される。前記冷却要素は電気的及び熱的伝導性の材料から形成され、冷却要素４６１は電気的接続子４１１を介してＲＦ電流源４０５へ接続され、冷却要素４６２は電気的接続子４１９により参照ポテンシャルあるいは標準ポテンシャル４２０に接続される。
【００５８】
前記共振ミラー４０３及び４０２の半径Ｒは、図４の図面平面において安定共振器を形成するために、Ｒ＞Ｌのように選択される。前記開口手段４０７及び４０８の寸法は、レーザビームが前記冷却要素の表面に接触しないように当該レーザビームを制限するように選択される。より好適には、前記冷却手段の表面は、図４の図面平面において光学軸に沿ってビーム断面の変動に類似するように実質的に形作られるように形成される。このようにして、冷却効率は一定の間隔を有する平面状冷却表面に比べて向上される。
【００５９】
図５は、図４に類似の構成を示し、それは変形された冷却要素５６１及び５６２を有する。この冷却要素５６１及び５６２は、このレーザ装置の冷却パワーをさらに増大させるために、周辺冷却手段（図示せず）により前記レーザガス５０１のガス交換を可能とするために通路５９０を有する。
【００６０】
図６はこの発明の第６実施例の断面図を示し、ここに光学軸は２つの部分に分割されている。
【００６１】
図６において平面反射表面を有するミラー手段６００が設けられそれはその前方に更なる開口手段６０９を有し、且つ光学軸６０４を２つの部分へ分割する。共振ミラー６０３及び６０２は、図６の図面平面に直交する平面内において負ブランチ不安定共振器（ネガティブ・ブランチ不安定共振器）を形成する。この共振ミラーは、図６の図面平面内において安定共振器を形成するために更なる曲率６１０を有し従ってそれは二重円筒ミラーである。前記共振ミラー６０３及び６０２の前方にそれぞれ開口手段６０７及び６０８が配置される。冷却要素６６１，６６２，６６３は、電気的及び熱的に伝導性材料から形成され、２つのレーザ活性領域を形成する。ＲＦ電流源６０５が電気的接続子６１１及び６１７を介して冷却要素６６１及び６６３へそれぞれ接続されている。冷却要素６６２は、参照ポテンシャルあるいは標準ポテンシャル６２０へ、電気的接続子６１９を介して接続される。
【００６２】
ミラー手段６００は、光学軸６０４を２つの部分へ分割し、従って対応する縦長配置において共振ミラーの間隔を規定する距離Ｌは、それぞれ長さＬ／２を有する２つの部分へ分離される。前記複数の共振ミラーは、図６の図面表面に直交する平面内において負ブランチ不安定共振器を形成し、且つ、追加の曲率６１０及び開口手段６０７，６０８，６０９により、図６の図面平面において安定共振器が形成されこの平面内において放射を閉じこめる。ミラー手段６００は、前記不安定共振システムにも前記安定共振システムにも影響を与えない。前記冷却手段の複数の表面の間隔は、前記光軸に沿っての変動するビーム断面に密接に適合されるように変動することもできる。
【００６３】
この発明の更に好適な実施例が図７及び図８を参照して説明される。
【００６４】
図７は、この発明によるレーザ装置の第６実施例の光軸に直交する概略断面図である。
【００６５】
図７におけるレーザは冷却手段を備え、その冷却手段は電気的及び熱的に伝導性の材料から作成される冷却要素７６１〜７６９を有する。ここに冷却要素７６９は中空円筒であり、円筒表面に沿って配置された円筒平面板７６１〜７６８により取り囲まれ、前記内側円筒７６９と前記円筒平面板７６１〜７６８との間にそれぞれのギャップあるいは間隙が形成される。前記円筒状平面板（複数）は相互に電気的接続子７１１〜７１８により接続され、且つ、ＲＦパワーソース（図示せず）に接続される。冷却要素７６９を形成する前記中空円筒は、電気的に参照ポテンシャルあるいは標準ポテンシャル（図示せず）に電気的に接続される。レーザガス７０１が前記間隙あるいはギャップへ提供される。
【００６６】
電極として機能する冷却要素７６１〜７６９へラジオ周波数電流が電気接続子７１１〜７１８を介して供給されるとき、前記中空円筒７６９と冷却要素７６１〜７６８との間のレーザガス７０１が励起され励起放射を放出する。放射場の閉じこめは図８を参照して以下の節で議論される。
【００６７】
図８は、この発明の第６実施例の図７に垂直な平面内において且つそこにおいて切断線VIII−VIIIで示される断面図である。
【００６８】
図８において、共振ミラー７０３，７０２及び７０４，７０５はそれぞれトーン（トーラス）タイプの曲率を有して提供される。すなわち前記共振ミラーの、前記冷却要素の表面に直交する面内における屈折力はそれに直交する横平面におけるものと比較して異なる。従って前記冷却要素７６８，７６９及び７６４，７６９のそれぞれにより形成される活性領域において、２つの横方向におけるレーザビームの閉じこめが達成される。共振ミラー７０２及び７０５は部分的に透過的である。更に、冷却要素７６８，７６９及び７６４は、その伝搬経路に沿ってレーザビームの断面と実質的に一致するように形作られている。前記レーザビームは前記半透過性ミラー７０２及び７０５のそれぞれにおいて出力される。この出力レーザビームはアクシコン（ａｘｉｃｏｎ）７２０へ円錐ミラー７３０により向けられる。
【００６９】
図９はこの発明の一実施例であって、図７及び図８を参照して説明されたそれと類似の実施例の断面図を示す。図７に示された実施例と比較して、追加の冷却要素９７１〜９７８が円筒形部分のリングを形成する。図９において図７の対応する要素と同一又は類似の要素は、対応する参照番号で同定されるが、その最初の数字として７の代わりに９が使用される。
【００７０】
図１０は図９の線Ｘ−Ｘに沿っての断面を示す。図１０の上の部分において光学キャビティあるいは光学路は、トーン（トーラス）タイプの共振ミラー９０３及び９０２と円錐ミラー９３１とにより形成される。図１０の下側部分において光学キャビティは、円環タイプあるいはトーラスタイプの共振ミラー９１３，９１２及び円錐ミラー９３２により形成される。前記半透過共振ミラー９０２及び９１３で出力されたレーザビームはそれぞれ円錐ミラー９３０によりアクシコン（ａｘｉｃｏｎ）９２０の方へ反射される。冷却要素９６８，９６９及び９７８，９６９は、前記共振ミラー９０３及び９０２の内部での前記伝搬通路に沿っての前記レーザビームの断面と実質的に一致するように形作られる。同じことが図１０の下側部分に示される冷却要素９７４，９６９及び９７４，９６９に適用される。より良い図示のために、冷却要素９６９の厚さは、任意にスケールされており図９のスケールとは一致しない。
【００７１】
図７，図８，図９，図１０を参照して記載された高出力パワーレーザ装置に対しては、装置の製造を簡単化するために円筒形状が選択された。以下の点に注意すべきである。すなわちレーザ活性物質と接触する前記冷却要素の表面は平らな平面に限定されないということはこの発明の重要な利点である。しかし、多角形の配置例えば四角形、六角形等々の如き異なる形状が可能である。
【００７２】
ＲＦ電流源により励起されるガスレーザを扱うところのこの発明の複数の実施例を記述する上記全ての図面において、電極として作用する冷却要素における電場の一様分布のための要求される補償インダクティビティは省略されている。好適には、前記光学軸の方向において冷却要素の距離が変動する場合には、前記冷却要素に沿っての一定のＲＦパワー入力を達成するためにインダクティビティが適正に調整されるべきである。
【００７３】
好適な実施例を参照して上記したこの発明の特徴は以下のようにまとめられる。
【００７４】
レーザ装置において必ずしも平面形状に限定されない冷却表面により向上された冷却領域が提供され、レーザガスは横方向（前記複数の表面が平らでない場合は各々の複数の方向）においてこれらの冷却表面により閉じこめられる。前記冷却表面を提供する冷却要素は、前記レーザ活性媒質へＲＦ電流を印加する電極として同時に機能するために電気的伝導性物質で作られる。より大きな寸法を有する他の横方向（複数もあり得る）において放射場は好適には負ブランチ不安定タイプの光学共振システムを形成する球面共振ミラーにより閉じこめられる。前記冷却要素により限定される前記横方向（複数もあり得る）において、共振システムの動作は以下の目的のために追加の光学的要素により補助されなければならない。すなわち、レーザビームのジグザグ運動を避けること及び／又は前記冷却表面への接触を避けること又は、小さな活性領域及び高度な特性の表面の必要性に帰結するところの最低次数モードにおけるレーザの動作のための冷却表面の間隔の減少を避けることである。上記した実施例において使用された不安定共振器によれば、この追加の光学要素は、前記冷却表面に直交する方向（複数もあり得る）における放射の平行化あるいはコリメションを行い、従って前記共振ミラーと共に共振システムを形成する。この共振システムは、閉じこめられた放射場の最低時モードが前記冷却表面と接触することを完全に防止し、最低横次数レーザビームの生成を可能とする。この最低次数モードの放射の選択の工程は開口手段により支持され得る。
【００７５】
しかし、この発明の実現はガスレーザに限定されない。例えば、適当に形作られたＹＡＧ結晶がレーザ活性媒質として使用され得る。更に、レーザ活性媒質の励起は光学的ポンピングあるいは外部的レーザビームにより実行され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の第１実施例の概略断面図を示す。
【図２】図２は図１の線II−IIに沿って見た前記第１実施例の、図１の図面の視点に直交する概略断面図を示す。
【図３】図３はこの発明によるレーザ装置の第２実施例の概略断面図を示す。
【図４】図４はこの発明の第３実施例の概略断面図を示す。
【図５】図５はこの発明の第４実施例の概略断面図を示す。
【図６】図６はこの発明の第５実施例の概略断面図を示す。
【図７】図７はこの発明によるレーザ装置の第６実施例の概略断面図を示す。
【図８】図８は図７において線VIII−VIIIに沿って見た図７と直交する平面におけるこの発明の第６実施例の断面図である。
【図９】図９はこの発明によるレーザ装置の更なる実施例の概略断面図を示す。
【図１０】図１０は図９における線Ｘ−Ｘに沿って見た図９に直交する平面におけるこの発明の第６実施例の断面図である。

Claims

レーザ装置にして、レーザ活性媒質（１）と、
光軸（４）を定義する光学的共振システム（２，３）と、
前記レーザ活性媒質を励起し前記レーザ活性媒質からの放射の励起放出を可能とする励起手段（５）と、
冷却手段（６）にして、離間された対向関係をもって配置された第１（６１）及び第２（６２）の冷却要素にして複数の表面が互いに向かい合っているものを備える冷却手段にして、前記レーザ活性媒質が前記光学軸に沿って前記各冷却要素の間に提供されているものと、
を備え、
光学要素（１０）を有し、それは前記光学的共振システムにより形成される光学経路の中に配置され、前記複数の表面に直交し且つ前記光軸に沿う第１の平面において屈折パワーを有し、その屈折パワーは前記第１平面に直交し且つ前記光学軸に沿う第２の平面における屈折パワーと異なり、前記光学要素の前記第１平面における前記屈折パワーは、最低次数の横レーザモードが前記第１（６１）及び第２（６２）冷却要素の表面と相互作用することを防止するように調整されている
ことを特徴とするレーザ装置。
前記第１（６１）及び第２（６２）冷却要素の実効的開口距離を制限する絞り（７，８，９）を有する
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
前記光学要素（１０）は前記光学システム（２，３）と共に、前記光学軸に沿う平面内において且つ前記冷却要素の前記表面と直交する平面内において安定共振器を形成する
ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載のレーザ装置。
前記表面の距離は前記レーザ断面の変動に応じて光学軸に沿って変動可能である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記光学軸に沿う前記距離の変動は、前記共振システム及び前記光学要素により生成されるビームの形状に類似する
ことを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
前記放射を反射させ、以て前記光学軸を第１及び少なくとも更なる１つの部分であって角度を形成するものとへ分割するミラー手段を有する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記光学要素は、前記ミラー手段を形成するための反射表面を有する
ことを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
前記光学要素（１０）は円筒状ミラー（１０）である
ことを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
前記光学共振システムは２つのミラー手段を有し、前記光学要素は前記ミラー手段の１つに組み込まれる
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記冷却手段（６）の前記第１及び第２の冷却要素は電気伝導性材料から作成される
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記励起手段（５）はパワーマッチング回路を有するラジオ周波数ソースであり、前記ラジオ周波数ソースは、前記冷却手段の前記第１及び第２冷却要素へ電気的に接続される
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記レーザ活性媒質はレーザガス（１）である。
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記ガスは、ＣＯ_２，Ｎ_２，Ｈｅ及びＸｅを成分として含む
ことを特徴とする請求項１２記載のレーザ装置。
前記冷却要素は、ガス流を可能とするための通路（５９０）を有する。
ことを特徴とする請求項１２、または、請求項１３記載のレーザ装置。
前記光学共振システムは負ブランチ不安定共振システムである。
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記冷却要素の複数の表面の間の距離は２〜１５ｍｍの間のレンジである
ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一に記載のレーザ装置。
前記光学軸の前記複数の部分は共通平面内に存在しない
ことを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
前記冷却要素は、内側環状冷却要素（９７１〜９７８）と少なくとも１つの外側冷却要素（９６９，９６１〜９６８）とにして、その中にレーザ活性媒質を含むためのギャップあるいは間隙を形成するように配置されたものを有し、前記光学軸の前記複数部分の少なくとも１つは前記管状内側冷却要素（９７１〜９７８）の軸と平行である
ことを特徴とする請求項１７記載のレーザ装置。
前記ミラー手段は、前記光学軸の前記複数の部分に沿ってレーザビームがそれぞれ伝搬するように光学的に結合するための反射表面（７２０，７４０，９２０，９３０，９３１，９３２）を有する
ことを特徴とする請求項１７、または、請求項１８記載のレーザ装置。
前記反射表面は円錐ミラー（７３０，９３０，９３１，９３２）及びアクシコン（ａｘｉｃｏｎ）（７２０，９２０）を形成する
ことを特徴とする請求項１９記載のレーザ装置。
前記複数の表面は平らな平面である
ことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一に記載のレーザ装置。