JP5590741B2 - 高出力ｃｏ２スラブレーザーミラーの粒子による損傷の防止 - Google Patents

Description

この発明は高出力ＣＯ_２（ガス放電）スラブレーザーに関する。特にこの発明は、スラブレーザーの共振器ミラーをレーザーの使用中に生じる粒子による損傷から保護することに関する。

ＣＯ_２スラブレーザーは、比較的小さな間隔で互いに離間した２つの平行な矩形の電極を備えている。これらの電極は、二酸化炭素（ＣＯ_２）と、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、及びキセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスとを含有するレージングガス混合物を保有する筐体の中に設けられる。電極には高周波（ＲＦ）電圧が印加され、電極間の空間（放電領域）のレージングガス混合物中でガス放電が生じる。放電領域におけるイオン化されたガスが、レーザーのゲイン媒体となる。

電極を隔てる最適な距離は、レージングガス混合物の圧力及び組成、レーザーの波長、及びＲＦ（高周波）周波数に依存する。典型的な電極間距離は、ＲＦ電源周波数が約８０ＭＨｚ（メガメルツ）から１００ＭＨｚでレージングガス混合物の圧力が約５０から１２０Ｔｏｒｒのとき、約１．４ミリメートル（ｍｍ）から２．１ｍｍの範囲である。ＣＯ_２スラブレーザーの出力は、電極間における放電の面積に対応する。通常、出力は繰り返しパルスレーザー出力となる。

通常ＣＯ_２スラブレーザーは、ネガティブブランチ不安定共振器（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｂｒａｎｃｈ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を形成するように配置された２つの矩形の凹面鏡を備える。１の凹面鏡は、２つの矩形の電極の各端部の近くに配置され、１の凹面鏡（出力結合ミラー）は他方（リターンミラー（ｒｅｔｕｒｎ ｍｉｒｒｏｒ））より短い。ネガティブブランチ不安定共振器は、ハイブリッドモードの振動を有する。１のモードは、電極の対向する表面の間で電極の長さ方向に導かれる導波モードである。他方のモード成分は複数の凹面鏡で形成されるフリースペースモードであり、照射線が出力結合ミラーをバイパスすることにより共振器を出るまで、放電領域に亘って複数の凹面鏡の間をジグザグに進む。複数の凹面鏡の長さの違いにより、出力結合量が決まる。通常は、出力結合は１２から１５％である。

通常、共振器の鏡は金メッキされた銅（Ｃｕ）から作られる。反射面はＣＯ_２レーザー波長において高反射にするために被覆された薄膜である。ＣＯ_２レーザーの波長は通常１０．６マイクロメータ（μｍ）、１０．３μｍ、９．６μｍ、又は９．３μｍである。通常、金属製の鏡は、ＲＦの電気接地としても機能するレーザーの筐体のアルミ製エンドフランジに取り付けられる。金属製の鏡は鏡取付アレンジメントにより接地電位に置かれる。複数の電極の内の１つは通電又は「ホット」電極であり、筐体から絶縁されている。他方の電極は接地電極であり、筐体に接地されている。

複数の凹面鏡は、次のような可能性を避けるために、ホット電極から十分離れた位置になければならない：ホット電極と各凹面鏡との間での放電、放電により生成した活性化イオン種の凹面鏡への誘引、及び放電の際発生する強力なＵＶ光に対する凹面鏡の過剰暴露。これらの３つの可能性は全て凹面鏡にダメージを与え、レーザーの出力、ビームの品質、及び寿命の観点からレーザーの性能を低下させる。

通常、２つの電極は、その両縁部に沿って電極の長さ方向に沿って設けられたセラミック片スペーサにより離間され、互いに平行となる位置に保持される。電極間に設けられるセラミック片スペーサは、正しく配置されたときビーム指向性の安定性の向上に寄与する。このようなセラミック片スペーサの問題点は、レーザーの出力が十分高いとき、例えばピークが約３０００ワット（Ｗ）でパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）が１０００Ｈｚのとき、セラミック片スペーサの端部が迷光レーザー光により侵食されてセラミック粒子が発生し、このセラミック粒子が凹面鏡上に堆積することである。このような堆積により、その部位がさらにレーザー光により損傷される。

本願に参照として組み込む米国特許第５，２１６，６８９号に、放電において生じた酸化性物質によるダメージから共振器の凹面鏡を保護する方法が開示されている。この特許では、ホット電極の誘電付加によりホット電極の長さを延長することにより再結合表面（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ）が形成され、ホット電極と誘電延長部は、接地電極の長さに等しい。この誘電延長部を付加することにより、金属製電極間の導波領域が延長される。放電はホット金属電極が途切れる所で終わる。その結果、延長された導波領域にはゲインは生じない。また、第５，２１６，６８９号特許にはレージングモードを通過させる開口を有するシールドが開示されている。

第５，２１６，６８９号特許に開示された方法により、酸化性物質によるレーザーの鏡の損傷問題に有効に対処できるが、セラミックスペーサの侵食により生じた粒子による損傷の問題には対処できない。これは、侵食が生じるほどレーザー出力が高くなかったためである。信頼性が高く商業的に許容される寿命を有する高出力ＣＯ_２スラブレーザーを提供するためには、侵食の問題を解決する必要がある。

一態様では、ＲＦ電源駆動ガス放電レーザーは、垂直方向に離間し互いに平行な第１及び第２縦長平板放電電極を備える。これらの電極は互いに電気的に絶縁され、第１電極は通電電極として機能し、ＲＦ電圧をその電源から受電するように構成され、第２電極は接地電極として機能する。これらの放電電極は第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップで離間され、第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップは、第１及び第２対向端部を有するとともに第１及び第２電極の対向縁部に沿って設けられ、各スペーサストリップの内縁は横方向において第１距離だけ離間している。第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップは、通電及び接地電極の垂直方向の離間距離を決める高さを有する。第１及び第２ミラーが、第１及び第２放電電極の間で長手方向に延在するレーザー共振器を形成し、第１電極にＲＦ電圧が印加されて第１及び第２放電電極間のレージングガス中で放電を生じたとき、レーザー光がレーザー共振器内を往復する。平板補助電極が第１電極の両端部に第１電極から長手方向において離間して設けられ、平板補助電極は接地電極から垂直方向において離間しており、第２電極に電気的に接続される。補助電極はその表面に、高さがスペーサストリップの高さにほぼ等しい隆起部を２つ有し、２つの隆起部は横方向において第１距離よりも短い第２距離だけ離間している。補助電極の隆起部が、レーザー光による絶縁スペーサストリップの侵食を最小にする。

明細書の一部を構成し明細書に組み込まれる添付図面は、上記の一般的説明及び下記の好ましい実施形態に関する詳細な説明とともにこの発明の好ましい実施形態を模式的に表し、この発明の原理を説明するものである。

この発明の好ましい実施形態に係る放電電極アレンジメントを備えるＣＯ_２スラブレーザーを模式的に示す等角図である。 図１に示す放電電極アレンジメントを一部分解、切断して、その詳細を模式的に示す等角図である。

添付の図面では、同じ部材は同じ符号で示している。図１は、この発明に係る放電電極アセンブリ１２を備えるＣＯ_２スラブレーザー１０を模式的に表す図である。デカルト軸Ｘ，Ｙ及びＺを図示しており、Ｚは共振器の伝播軸、Ｘ及びＹはそれぞれフリースペース及び導波路軸である。レーザー１０は、それぞれ凹面反射面１８Ａ，１８Ｂを有するミラーアセンブリ１４，１６により１軸（Ｘ−軸）方向に形成されたネガティブブランチ不安定共振器を備える。反射面１８Ａは、不安定共振器のターニングミラー（ｔｕｒｎｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）面である。反射面１８ＢはＸ−軸方向において短く、図示するように出力照射光を共振器の外で結合させることができる。

この実施例では、ミラーアセンブリには、断面がＴ型で「Ｔ」の脚の基端部に形成された反射面を有する縦長のミラーボディが含まれる。「Ｔ」の頭部の裏側には、ボディとは異なる金属製の金属ストリップ２０がネジ２２により取り付けられている。ミラーボディは好ましくは金メッキされた銅製であり、ストリップ２０はステンレス製である。この２種の金属による構成の目的は、レーザーを使用している間に、ミラーが加熱されることにより生じる反射面の曲率変化を最小限にするためである。通常このミラーアセンブリはレーザーの筐体（図示せず）のエンドフランジに取り付けられる。筐体にはミラーアセンブリと電極が収納され、レージングガス混合物が保有されている。図１において、ミラー１６をエンドフランジ等に取り付けるためのブラケット１７が、Ｔ型のミラー１６の頭部の一部として加工されて設けられている。同様のブラケット（図では見えない）がミラーアセンブリ１４に設けられている（参照として本願に組み込む本願出願人の米国公開公報２００９／００３４５７７号参照）。

電極アセンブリ１２は、互いに平行に延びる矩形の放電電極２４，２６を含んで構成され、放電電極２４，２６はこれらの電極の両縁部に沿って設けられたセラミックストリップ２８（図１では１つしか見えない）で互いに隔てられている。放電電極２６は、ＲＦ電圧が印加される通電又は「ホット」電極である。放電電極２４は接地電極である。放電電極２４は放電電極２６より長く、その両端部が放電電極２６よりも張り出している。「ホット」放電電極２６の両端部に隣接して金属延長ブロック又は補助電極３２が設けられ、補助電極３２は、ギャップ３４及びセラミックスペーサ２８の延長部２９により、放電電極２６から電気的に絶縁されている。放電電極とセラミックスペーサは、ボルト３６で互いにボルト止めされている。金属延長ブロック３２、スペーサ延長部２９、及び接地放電電極２６も互いにボルト止めされており、これらとともに金属延長ブロック３２の隆起部３３もボルト止めされ、金属延長ブロック３２を接地放電電極に電気的に接続することにより接地する。この独創的な金属延長ブロック又は補助電極の物理的及び電気的配置により、セラミックスペーサがキャビティ内迷光レーザー光による侵食から保護され、これによりミラーアセンブリの反射面を粒子状物質による損傷から保護することができる。このような配置について、以下さらに詳しく説明する。

なお、ミラーアセンブリ１４，１６は、電極アレンジメント１２とともに用いることができるミラーアセンブリの一例に過ぎない。本明細書において、これらのミラーアセンブリは単にネガティブ不安定共振器の反射面と電極アセンブリとの関係を示すためのものである。この発明の要旨と範囲から逸脱することなく、同様又は異なる曲率を有する反射面を備えた別のミラーアセンブリを用いることができる。図示した放電電極は、説明を容易にするため、実用的な例と比較して幾分短めになっている。以下の説明において典型的な寸法を示す。

図２は、電極アセンブリ１２の一部を分解、切断して電極アセンブリ１２の詳細及び主要寸法を模式的に表す等角図である。電極アセンブリの一方の端部のみを図示している。他方の端部もこれと同様の構成になっている。以下の記載は、ある部材の長さ、幅、及び厚みの説明に関する。これらの用語は、それぞれＺ軸、Ｘ軸、及びＹ軸方向の寸法を意味する。

補助電極３２は長さＣを有し、「ホット」電極２６の端部からＺ軸方向又は長さ方向に距離Ｄだけ離間している。接地放電電極２４は厚みＡ，幅Ｂ及び長さを有し、長さは「ホット」放電電極２６の長さよりＪの２倍だけ長く、ここでＪはＣとＤの和である。各放電電極延長ブロックは、接地放電電極の端面と延長ブロックの端面とがＸ−Ｙ平面内において同一平面となるようにして、対称に配置される。

セラミックストリップ２８は放電電極の間にあって、最大幅Ｅ及び厚みＦを有する。２つのセラミックスペーサストリップ内縁の互いに向き合う面の間の距離はＷ２である。セラミックスペーサストリップの延長部２９は、幅Ｅの約２分の１に減少された幅Ｇを有する。延長ブロック３２の隆起部（台状部）３３は、好ましくはセラミックスペーサ２８の厚みＦより僅かに小さな値の高さＨを有する。これによりスペーサが通電及び接地電極の垂直方向の離間距離を決め、通電電極の電極表面２６Ａと補助電極の電極表面３２Ａが確実に同一平面となる。また、好ましくは延長ブロックの隆起部の前方内縁が面取り、すなわち（図２に示すように）角が削られており、この前方内縁部に照射されるキャビティ内レーザー光をミラーから遠ざかる方向に反射させる。これにより、迷光共振（ｓｔｒａｙ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じ得る不要反射光（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ）の共振器への侵入を防ぐことができる。通常この目的には約４５度の角度が適している。

延長ブロック３２の隆起部３３の幅Ｉは、セラミックスペーサの最大幅Ｅの２分の１より僅かに小さい。これは組み立てを容易にするためである。延長ブロックの隆起部３３の内面対向縁の間の距離Ｗ_１は、Ｗ_２より僅かに小さい。これにより、キャビティ内迷光レーザー光が誘電スペーサの末端部に当ることが防止され、従って誘電スペーサの末端部の侵食が防止される。

電極の厚みＡは、電極の幅Ｂ及び長さ方向において適切な剛性が得られるように選択される。また厚みＡは、電極内部に冷媒流路を設けるために十分な大きさになるように選択される。図面を分かりやすくするため、冷媒流路は図示していない。例えば１ｋＨｚの電源のＰＲＦにおいてパルス出力３ｋＷピーク出力となる電極の内部に冷媒流路を有するＣＯ_２スラブレーザーの場合、厚みＡは約２．６ｃｍである。このレーザーの例は、この明細書全体にわたってこの発明の電極アレンジメントにおける典型的寸法を説明するために用いられる。ＣＯ_２スラブレーザーの出力は放電面積に依存するため、電極の幅Ｂ及び長さはＣＯ_２スラブレーザーの平均出力に応じて決められる。この例では、電極の幅Ｂ及び長さは好ましくはそれぞれ約０．１メートル（ｍ）及び０．６ｍである。

セラミックスペーサストリップ２８の厚みＦは、上記のように電極間の距離を決める。電極間の距離の最適値は、目的とする出力の波長、ＲＦ周波数、ガス圧力及び組成によって決められる。この例では、厚みＦは好ましくは約１．５ｍｍである。セラミックスペーサストリップの幅Ｅは、好ましくは約１．４ｃｍである。故障の可能性を減らすために、各セラミックスペーサストリップを単一のストリップではなく、３分割で構成することが好ましい。好ましくは、セラミックスペーサの各区画の間に隙間を設け、本願の属する分野において公知の脈動型放電（ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）により生じる音響衝撃の圧力放出ポートとして機能させる。説明と図示を分かりやすくするため、図１では分割した各区画を図示していない。この例では、延長ブロック３２の隆起部３３の高さＨは約０．１５ｍｍである。好ましくはＦは０．１６ｍｍである。幅Ｉは好ましくは１．１９ｍｍである。

延長ブロック３２はホットＲＦ電極から距離Ｄだけ離間している。距離Ｄは、延長ブロック（接地電位にある）と「ホット」放電電極２６との間でガス放電が生じないように十分大きくなければならない。この例では、Ｄは好ましくは約６．４ｍｍである。延長ブロックの厚みは、構造上の強度を除き、さほど重要ではない。この例では、約８．４ｍｍの厚みが適切である。

セラミックスペーサ２８の各区画に好ましくは２つ設けられるボルト孔４０が、電極の長さ方向に沿った縁部、及びセラミックスペーサを貫通して設けられ、電極／セラミックスペーサアセンブリを一体にボルト止めするために用いられる。先ず誘電性円筒状チューブ４２を接地放電電極２４の上面に設けられた誘電性ワッシャ４４Ａに挿入し、「ホット」放電電極２６の下面に設けられた誘電ワッシャ４４Ｂに挿入する。これにより各放電電極は、ボルト３６を挿入し、ナット３７を締め付けて電極アセンブリを一体にしたとき、互いに電気的に絶縁される。接地放電電極２４、セラミックスペーサ延長部２９、及び延長ブロック３２を一体に締め付けるためにボルト３６を挿入するボルト孔４１には、セラミックチューブ及びワッシャは用いない。これにより、上記のように延長ブロックは接地電位になる。ここでは、絶縁スペーサストリップは絶縁の機能を有さず、電極間の離間距離を上記のように適合させるために用いられる。

延長ブロック３２に適した材料はアルミニウムである。しかし、延長ブロックの隆起部３３の少なくとも前部にアルミニウムを用いる場合、及び好ましくは延長ブロック全体にアルミニウムを用いる場合、ニッケル等の高い融点を有する相対的に不活性な材料でアルミニウムをメッキすることが重要である。これは、共振器が正確に位置合わせされていないとき、隆起部の前部がキャビティ内迷光レーザー光に曝されるためである。もし延長ブロックがニッケルめっきされていないと、アルミニウムの表面に自然に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が発生する。酸化アルミニウムが内迷光レーザー光により加熱されると、自然発生酸化アルミニウムと母材のアルミニウムとの熱膨張率の差により、自然発生酸化アルミニウム膜の「剥離」が生じる。このような「剥離」は、レーザー光で加熱されたとき高温の粒子を生じる。このような高温の粒子は、ミラーアセンブリの反射面の損傷の原因となる。

好ましい実施形態に基づいて、上記にこの発明について説明した。しかし、この発明は本願に説明し図示した実施形態に限定されない。この発明の範囲は、特許請求の範囲の記載により決められる。

Claims (14)

1. 高周波（ＲＦ）電源で駆動されるガス放電レーザーにおいて、
   垂直方向に離間し互いに平行な第１及び第２縦長平板放電電極であって、
   前記第１及び第２縦長平板放電電極が互いに電気的に絶縁され、前記第１縦長平板放電電極が通電電極として機能するとともにＲＦ電圧をその電源から受電するように構成され、前記第２縦長平板放電電極が接地電極として機能し、
   前記第１及び第２縦長平板放電電極が第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップで互いに離間され、
   前記第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップが、第１及び第２対向端部を有するとともに前記第１及び第２縦長平板放電電極の対向縁部に沿って設けられ、各電気的絶縁スペーサストリップの内縁は横方向において第１距離だけ離間しており、
   前記第１及び第２電気的絶縁スペーサストリップが、通電及び接地電極の垂直方向の離間距離を決める高さを有する、第１及び第２縦長平板放電電極と；
   前記第１及び第２縦長平板放電電極の両端部に沿って延在することでレーザー共振器を形成する第１及び第２ミラーであって、前記レーザー共振器は、前記第１及び第２縦長平板放電電極の間で長手方向に延在し、前記第１縦長平板放電電極にＲＦ電圧が印加されて前記第１及び第２縦長平板放電電極間のレージングガス中で放電を生じたとき、レーザー光が前記レーザー共振器内を往復するようなレーザー共振器を形成する、第１及び第２ミラーと；
   前記第１縦長平板放電電極の両端部に前記第１縦長平板放電電極から長手方向において離間して設けられる延長ブロックであって、
   前記延長ブロックは前記接地電極から垂直方向において離間し、前記第２縦長平板放電電極に電気的に接続され、
   前記延長ブロックはその表面に、高さが前記電気的絶縁スペーサストリップの高さにほぼ等しい隆起部を２つ有し、２つの前記隆起部は横方向において前記第１距離よりも短い第２距離だけ離間し、これによりレーザー光による前記電気的絶縁スペーサストリップの侵食を最小にする延長ブロックと；
   を備えるガス放電レーザー。
2. 前記第１縦長平板放電電極の長さが前記第２縦長平板放電電極より短く、前記第１縦長平板放電電極の長さ、前記延長ブロックの長さ、及び前記延長ブロックの離間距離の長さの合計が、前記第２縦長平板放電電極の長さにほぼ等しい、請求項１のガス放電レーザー。
3. 前記第１縦長平板放電電極と、前記延長ブロックが同一平面内に有る、請求項１のガス放電レーザー。
4. 前記共振器内で発生する迷光共振を妨げるために、前記延長ブロックの前記隆起部の対向端部がその先端部において面取りされている、請求項１のガス放電レーザー。
5. 前記延長ブロックと前記第１縦長平板放電電極との長手方向離間距離が、ガス放電レーザーの操作条件下において前記第１縦長平板放電電極と前記延長ブロックとの間のガス放電を防止するために十分な大きさである、請求項１のガス放電レーザー。
6. 前記電気的絶縁スペーサストリップがセラミック材のストリップである、請求項１のガス放電レーザー。
7. 前記電気的絶縁スペーサストリップが前記第１縦長平板放電電極を超えて長手方向に延在して前記延長ブロックと前記第２縦長平板放電電極との垂直方向離間距離を決め、前記第１縦長平板放電電極と前記延長ブロックとが同一平面内にある、請求項１のガス放電レーザー。
8. 前記電気的絶縁スペーサストリップの両端部の幅を減少させて、前記延長ブロックの隆起部に適合するように構成された、請求項７のガス放電レーザー。
9. 前記電気的絶縁スペーサストリップがセラミック材のストリップである、請求項８のガス放電レーザー。
10. レーザーガスを保有する筐体と；
    前記筐体内に互いに対向し離間して設けられ、一方の電極がホット電極として作動し、他方の電極が接地電極として作動する一対の縦長矩形平板電極と；
    前記一対の電極の両端部に沿って延在してレーザー共振器を画成する一対のミラーであって、前記ホット電極の長さの方が前記接地電極の長さより短くなっており、前記ミラーから前記ホット電極の両端部までの間隔の方が、前記ミラーから前記接地電極の両端部までの間隔より広くなるように配置されている一対のミラーと；
    前記ホット電極の両端部と、これらに向き合うミラーとの間にそれぞれ位置する一対の金属製の延長ブロックであって、ホット電極の端部からホット電極の長さ方向において離間するとともに前記接地電極と向かい合う延長ブロックとを備え、
    前記接地電極と前記延長ブロックとの間にレーザー放電が生じないように各前記延長ブロックが接地されている、スラブレーザー。
11. 前記延長ブロックと前記ホット電極の端部との離間距離が、前記ホット電極と前記接地電極との離間距離よりも大きい、請求項１０のスラブレーザー。
12. さらに前記一対の縦長矩形平板電極の間において前記電極の両縁部に沿って設けられ、前記一対の縦長矩形平板電極の間に空間を画成する一対の縦長誘電スペーサを備える、請求項１１のスラブレーザー。
13. 前記延長ブロックのそれぞれが、前記延長ブロックの表面に形成された一対の台状隆起部を備え、前記台状隆起部が前記接地電極の両縁部に位置して前記接地電極に対向する、請求項１２のスラブレーザー。
14. 互いに向き合う台状隆起部の対向縁間の横方向離間距離が、前記誘電スペーサの対向縁間の横方向離間距離よりも小さい、請求項１３のスラブレーザー。

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