JP6129410B2

JP6129410B2 - バッフルを備えたレーザ管

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Publication number: JP6129410B2
Application number: JP2016514035A
Authority: JP
Inventors: ベセル，ジェイソン，ダブリュ．; リマ，メルヴィン，ジェイ．; リマノヴィッチ，ヤコヴ，エル．
Original assignee: Novanta Inc
Current assignee: Novanta Inc
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: KR20160005763A; SI2997631T1; DK2997631T5; DK2997631T3; HK1224091A1; US9197028B2; EP2997631B1; HRP20191829T1; US20140334510A1; JP2016518728A; EP2997631A1; LT2997631T; HUE045706T2; KR101766994B1; CN105580220B; CN105580220A; WO2014186372A1

Description

レーザは、（空洞共振器と称されることも多い）レーザ共振器内に光放射（光）を発生させる。光放射はレーザ共振器内で増大し、最終的にレーザ共振器の（出力結合器と称されることも多い）最後の光学面を通過してレーザを越えた空間に伝搬する。強力なレーザは、材料の切断、穿孔、溶接、マーキング又はエングレービングに使用され得る。特に、無線周波（RF）励起ガスレーザは、RFエネルギーを一対の電極間に加えることによりレーザ内のガス媒質が励起されるとレーザエネルギーを発生させる。ガスレーザの一例が二酸化炭素（CO₂ ）レーザである。

米国特許出願公開第2005／175054号明細書

レーザ、特にRF励起ガスレーザの性能パラメータは一般に、レーザパワー、パワー安定性及びビームモード品質によって特徴付けられ得る。これらの性能パラメータは夫々、レーザ自体内の一又は複数の条件によって影響を受ける場合がある。例えば、RF励起ガスレーザの電極内のガスの状態変化が、電極内のガス放電の均一性に影響を及ぼす場合がある。そのため、このような状況は、同一の波長での理想的なガウスビームのビームパラメータ積（BPP ）に対する実際のビームのビームパラメータ積の割合（例えば「ビーム品質因子」）として定義される（「エムスクエア」と称される）M²パラメータに影響を及ぼす。電極内のガスの状態変化は更に、楕円率及び／又は真円度のようなレーザビームの他の特徴に影響を及ぼす場合がある。特に非安定形共振器が使用されるパルスガスレーザでは、レーザ構造体内の音響共振が、電極内のこのような状態変化につながり、ひいてはビーム品質の低下及び／又はパワー安定性の低下につながり得る。従って、レーザが意図した用途を効率的に行う能力が損なわれることが多い。

この概要部分は、詳細な記載で以下に更に述べる複数の概念の選択を紹介するために記載されている。この概要部分は、権利を主張する主題の重要な又は必須の特徴を特定することを意図しておらず、権利を主張する主題の範囲を限定する際の補助として使用されることを意図していない。

本開示の例示的な実施形態はスラブレーザのための管を対象とする。管は、第１の電極内面を有する第１の電極と第２の電極内面を有する第２の電極とを備えている。第１の電極は第２の電極から第１の横断方向で隔てられており、それによって、第１の電極内面と第２の電極内面との間に間隙厚さを有する間隙領域を画定している。管は、長尺状の中央チャネルがその内面に夫々形成された第１及び第２の長尺状のバッフル部材を更に備えている。第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、第１及び第２の電極夫々の第１及び第２の長手縁部分に沿って間隙領域に夫々配置されている。第１の電極、第２の電極、第１のバッフル部材及び第２のバッフル部材の内面が間隙領域を囲むべく協働するように、第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、第１及び第２の長尺状のバッフル部材の内面が間隙領域に対向して配置されている。第１及び第２のバッフル部材の長尺状の中央チャネルは、長尺状の中央チャネルの奥行き分第２の横断方向に間隙領域を延ばし、第１及び第２のバッフル部材の長さに沿って長手方向に延びる中央チャネル内のスタンドオフ領域を画定している。

更に、本開示の様々な実施形態は、第１の電極内面を有する第１の電極と第２の電極内面を有する第２の電極とを備えたスラブレーザのための管を対象とする。第１の電極は第２の電極から第１の横断方向に隔てられ、第１の電極内面及び第２の電極内面間に間隙厚さを有する間隙領域を画定している。管は、長尺状の中央チャネルがその内面に夫々形成された第１及び第２の長尺状のバッフル部材を更に備えている。第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、第１及び第２の電極夫々の第１及び第２の長手縁部分に沿って間隙領域に夫々配置されている。第１の電極、第２の電極、第１のバッフル部材及び第２のバッフル部材の内面が間隙領域を囲むべく協働するように、第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、第１及び第２の長尺状のバッフル部材の内面が間隙領域に対向して配置されている。第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、第１及び第２の長尺状のバッフル部材の長さに沿って長手方向に配置された切り取り部分を夫々有している。

本発明の他の態様は以下の記載及び添付の特許請求の範囲から明らかになる。

スペーサが採用された先行技術のレーザの電極構造体を示す断面図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルによって隔てられたレーザ電極の構造を示す断面図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルによって隔てられたレーザ電極の構造を示す断面図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルによって隔てられたレーザ電極の構造を示す拡大斜視図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルによって隔てられたレーザ電極の構造を示す拡大斜視図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るレーザ共振器の構造を示す拡大斜視図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るレーザ共振器を示す平面図である。本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルを使用したときのレーザへの入力RFパルスの周波数（レーザパルス周波数）に対するレーザビームの位置（角度シフト）を示す図である。

バッフルを備えたレーザ管の特定の実施形態を、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。（図とも称される）様々な図面における同一の要素は、整合性のために同一の参照番号で示されている。

実施形態の以下の詳細な記載では、バッフルを備えたレーザ管のより完全な理解をもたらすべく、多くの具体的な詳細な内容が述べられている。しかしながら、このような実施形態がこのような具体的な詳細な内容無しで実施され得ることは当業者にとって明らかである。他の例では、公知の特徴は、不必要に複雑にする記載を避けるために詳細には述べられていない。

一般に、本開示は、無線周波（RF）励起ガス放電レーザ（例えばスラブレーザ）を対象とする。レーザは、レーザガスを含むハウジングを備えており、ハウジング内に一対の長尺状の平面電極がり、放電領域に相当する狭い間隙を画定すべく間隔を空けて配置されている。レーザ共振器は、電極の端部にミラーを置くことにより画定される。電極は、共振器の一軸芯に導波管、つまり導光器を形成し、電極の面に垂直な軸芯（導波管の軸芯）に共振器のレーザモードを制限する。ミラーは電極の面と平行な軸芯にレーザモードを定める。この種のミラー配置は、本技術分野ではスラブ放電領域の長軸で作動する非安定形共振器（又は非安定形空洞共振器）と称される。

一又は複数の実施形態によれば、レーザは特に穿孔、切断などのためにパルスモードで作動してもよい。パルス繰返し周波数（PRF ）及びパルスデューティサイクルは、行なわれる動作及び動作が行なわれる材料に応じて選択されてもよい（例えば、PRF は典型的には１キロヘルツ（kHz ）未満から100kHzを超える範囲内であってもよい）。上述したように、レーザ性能（例えば出力ビームの形状、放電安定性など）は音響共振によりある周波数で影響を受ける場合があり、このような状況は特に、ガス中の局所的な圧力変化によるガス放電体積の変動によって引き起こされ得る。

図１は、誘電体スペーサが採用された電極構造体を示し、誘電体スペーサは、放電領域を囲み放電領域と放電領域の外側の構造体との間の音響結合を低下させるために電極の縁部間又は電極の縁部に沿って配置されている。電極構造体101 は、放電領域107 を画定すべく（例えば厚さが１mm〜５mmの）小さな横断方向の間隙領域105 によって隔てられた一対の矩形状の平面電極103a, 103b（例えば、対向する「ホット」電極及び「接地」電極）を有している。電極103a, 103bは、他の材料が使用されてもよいが、アルミニウムから形成されてもよい。更に、誘電体スペーサ109a, 109bが、電極103a及び電極103b間の間隙領域105 内に設けられてもよい。誘電体スペーサ109a, 109bは、平行な電極の長さに沿って、つまり紙面内への方向（不図示）に沿って更に延びてもよい。誘電体スペーサ109a, 109bの内縁部は放電領域107 の外縁部まで延びており、電極103a, 103bの外縁部を越えて更に延びてもよい。誘電体スペーサ109a, 109bは、アルミナのようなセラミック又は他の非導電性材料から形成されてもよい。

図１に示されている構成では、構造体がRFエネルギー源（不図示）によって励起されると、励起放電が光共振器（不図示）内で共振して最後の光学面のみを通って抜けることが可能なレーザ光を生成する（出力放射として非安定形共振器を抜けるレーザ放射から生じる出力ビームを生成する）ように、電極103a, 103b及び誘電体スペーサ109a, 109bは放電体積部分を囲んでいる。一又は複数の実施形態に係るレーザ共振器を、図4A〜4Bを参照して以下により詳細に述べる。

図１に示されている構造体は音響共振の低下に有用であるかもしれないが、放電領域の外縁部が、誘電体スペーサ109a, 109bの内縁部110a, 110bと夫々相互に作用して、ビーム反射、レーザの不安定性及び誘電体スペーサの実際の燃焼のような他の問題を引き起こして、レーザの有効性及び寿命を低下させる。

図2Aは、本発明の一又は複数の実施形態に係るバッフルを備えたレーザ管を示す断面図である。電極構造体201 は一対の矩形状の平面電極203a, 203bを備えており、平面電極は夫々、窪んだ棚状の外端部分213a, 213b, 213c, 213dを有している。窪んだ棚状の外端部分213a, 213b, 213c, 213d内に、電極203a及び電極203bを隔てる一対のバッフル204a, 204bが配置されている。２つの平行な長尺状の電極203a, 203bは断面で示され、（例えば、採用されるRF周波数に応じて幅が0.5 mm〜６mmの）間隙207 によって定められた幅を有する放電領域205 によって隔てられている。

一又は複数の実施形態によれば、バッフル204a, 204bは、電極203a, 203bの長さ（不図示）に沿って延びている。バッフル204a, 204bは、夫々の内面に形成された中央チャネル209a, 209bを更に有している。中央チャネルはバッフル204a, 204bの長さに沿って夫々延びており、スタンドオフ領域210a, 210bを夫々画定している。スタンドオフ領域210a, 210bは、放電領域205 からのあらゆる逸れた放電及び／又は周方向のレーザ放射211 がバッフル204a, 204bの内面206a, 206bと接することを防止する。更に、スタンドオフ領域210a, 210bは、放電領域205 の縁部からスタンドオフ領域210a, 210b内に僅かに延びる場合がある周方向のレーザ放射211 によるバッフルからのかすめた反射を最小限度に抑える。このようなかすめた反射を防止することにより、空洞共振器内におけるより高い高次レーザモードの発生が防止される。一又は複数の実施形態によれば、中央チャネル209a, 209bのサイズは、中央チャネル209a, 209b及び／又はスタンドオフ領域210a, 210b内に放電がほとんど生じない又は全く生じない（及び逸れた電場がほとんどない又は全くない）ようなサイズであってもよい。一又は複数の実施形態によれば、光場の中央チャネルとのあらゆる相互作用が最小限度に抑えられるように、且つ放電領域205 内からの所望の光場がバッフル204a, 204bの存在によって影響を受けるのを防ぐために、中央チャネル209a, 209bの横断垂直方向のサイズ（つまりｙ方向の幅）は放電領域205 の間隙207 の幅以上であってもよい。中央チャネル209a, 209bの奥行きの（ｘ方向における）横断水平方向のサイズは、間隙207 の幅の分数又は倍数であってもよく、例えば2.5 mmの電極間の間隙に対して１mm〜５mmの範囲内であってもよい。

一又は複数の実施形態によれば、電極203a, 203bは、例えば図3A及び3Bに示されているようにねじでバッフルに固定されてもよく、ねじは、非導電性のショルダーワッシャ（不図示）によって電極から電気的に絶縁されてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、バッフルと電極との間の空間224 が約0.02インチ未満であるように、バッフル204a, 204bは非導電性のスペーサ225 によって電極203a, 203bの側から隔てられてもよい。一又は複数の実施形態によれば、スペーサの厚さは0.005 〜0.050 インチであってもよい。この大きさの小さな間隙224 は、電極203a, 203bとバッフル204a, 204bとの間に放電が生じるのを防ぐことができる一方、レーザ媒質に使用されるガスが放電領域205 を抜けるのを更に防ぐことができる。一又は複数の実施形態によれば、バッフル204a, 204bは、図2Aに示されているように非導電性のスペーサ225 によって両側で隔てられてもよい。しかしながら、１つの接地電極及びバッフル204a, 204bを採用する実施形態では、間隙領域は必ずしも必要ではなく、バッフル204a, 204bは接地電極と直接接してもよい。更に、図2Bに示されているように、一又は複数の実施形態によれば、バッフル204a, 204b及び電極203bは、本開示の範囲から逸脱することなく単一の一体化された要素として形成されてもよい。

図3Aは、本発明の一又は複数の実施形態に係る図2Aの電極構造体201 を示す部分分解斜視図である。特に、長尺状の矩形状の電極203a, 203bは、電極203a, 203bからレーザハウジング350 に熱を伝導するためのセラミックシート312 と共に示されている。更に、（例えば図2Aの空間224 の幅を設定するための）誘電性の（例えばセラミックの）円盤状のスペーサ338 を用いた実施例が、電極203a, 203bとバッフル204a, 204bとの間に示されている。図3Aに示されている実施形態では、バッフル204a, 204bは、厚さが均一で長尺状の矩形棒状の構造であり、夫々の内面に形成された中央チャネル210a, 210bを有している。中央チャネル210a, 210bは、バッフル204a, 204bの長手（ｚ）方向の長さに沿って更に延びている。更に、電極203a, 203bをバッフル204a, 204bに固定するためのねじ332 が、ワッシャ334 とバッフル204a, 204bを電極203a, 203bから電気的に絶縁するための対応する非導電性のショルダーワッシャ336 とを含めて示されている。尚、電極とバッフルとの機械的及び電気的な関係が本明細書に示されているが、貫通ボルトのような他の適切な手段が、本開示の範囲から逸脱することなく実施されてもよい。

更に、一定の電圧励起を保証して、それによって２つの電極の長さに沿って一定の放電励起を保証するために、インダクタ340 が、２つの電極203a, 203bの両側の長さに沿って間隔を空けて設けられ、２つの電極に亘って連結されてもよい。両方の電極への電気接触を可能にするために、インダクタ340 は、例えばねじ342 及びワッシャ344 を使用して連結されてもよい。一又は複数の実施形態によれば、レーザハウジング350 は一旦組み立てられるとレーザシステム全体を包み込む。

図3Bは、本発明の一又は複数の実施形態に係る図2Aの電極構造体201 を示す別の部分分解斜視図である。より具体的には、バッフル204a, 204bの形状を除いて、図3Bの要素は全て図3Aと同一である。図3Aのバッフルのように、これらのバッフルは長尺状の矩形棒として一般的に設計されており、各バッフルは夫々の内面の長さに沿って形成された中央チャネル210a, 210bを有している。図3Bのバッフルは、長さに沿って複数の切り取り部分308 、つまり空隙を有している点で図3Aのバッフルとは異なる。言い換えれば、図3Bのバッフル204a, 204bは、長尺状のブリッジ部材206 によって連結された２以上の矩形状のサブ部材205a, 205bから形成されている。図3Bに示されている実施形態では、バッフルは、８つのブリッジ部材によって連結された９つの矩形状のサブ部材から形成されている。しかしながら、あらゆる数及びあらゆる形状のサブ部材及びブリッジ部材が、本開示の範囲から逸脱することなく使用されてもよい。

一又は複数の実施形態によれば、図3Bの変更されたバッフルは、図3Aの幅が一定の固形体のバッフルによる音響共振を防止する利点を有するだけでなく、切り取り部分のサイズ及び形状に基づいて電極203a, 203b間のキャパシタンスの変更及び／又は同調をも可能にする。距離ｄ分隔てられた２つの電極間のキャパシタンスＣが、Ｃ＝ε_rε₀・Ａ／ｄ（ここで、ε_rはプレート間の材料の相対誘電率であり、ε₀は真空誘電率として公知の定数であり、Ａは２枚のプレートの重複面積である）によって与えられるので、バッフルに一又は複数の切り取り部分を加えることにより、電極間のキャパシタンスに影響を及ぼしてもよい。一般的に言えば、幅が一定のバッフルに一又は複数の切り取り部分308 を加えることによって、幅が一定のバッフルに対して電極間のより低いキャパシタンスが達成される。より低いキャパシタンスにより、一般にレーザのパルス性能が改善される。

レーザシステムの端部に設けられた光学部品（及び冷却要素のような他の特徴）が、図4A〜4Bを参照して以下に更に詳細に記載されるが、明瞭化のためにここには示されていない。更に、構成要素（例えばインダクタ、ねじなど）のサイズ、数及び位置は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定することを意図していない。

図4Aは、一又は複数の実施形態に係る（本明細書では空洞共振器とも称される）レーザ共振器が採用されたレーザの例を示す。より具体的には、図4Aは、レーザ共振器、例えばスラブガスレーザ401 が採用されたレーザの一例を示す。しかしながら、他のタイプのレーザ共振器が、本発明の範囲から逸脱することなく採用されてもよい。更に、本明細書に記載されている例があるタイプの共振器の設計を示しているが、あらゆる設計の共振器、例えば非安定形共振器が、本発明の範囲から逸脱することなく使用されてもよい。図３〜４を参照して上記に既に述べられているように、一又は複数の実施形態によれば、放電領域として機能する電極間間隙406 は、レーザ利得媒質で少なくとも部分的に充填されている。一又は複数の実施形態によれば、放電領域は、長尺状の電極403, 405夫々の内面403a, 405a間の空間として画定されている。一又は複数の実施形態によれば、内面403a, 405aは、放電領域を横断方向に制限する２つの長尺状の共振器壁として機能し、ある実施形態では、この横断方向（ｙ方向）における空洞内レーザビームのための導波面として機能してもよい。図4Aに示されている例は平面電極403, 405が採用されているスラブレーザであるが、あらゆる電極形状が、本開示の範囲から逸脱することなく可能である。例えば、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6603794 号明細書が、多くの様々な電極配置を開示しており、例えば、曲線状の電極、テーパ状の電極及び／又は環状の電極が使用されてもよい。

図4Aに示されているスラブレーザ401 は、示されているように空洞を折り返すために使用される折り返しミラー409 と共に、出力結合ミラー411 と前方空洞ミラー407 との間に形成された光共振器を更に備えている。一又は複数の実施形態によれば、前方空洞ミラー407 及び折り返しミラー409 に一対の球面鏡及び／又は円筒鏡が夫々使用されてもよく、一般に、出力結合ミラー411 に透過窓が使用されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなく、共振器に球状の光学素子、円筒状の光学素子、ドーナツ状の光学素子若しくは一般に非球面の光学素子、又はこれらのあらゆる組み合わせが使用されてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、光共振器を構成するミラーの最適な配置を可能にすべくミラーの傾斜を適切に調整することに加えて、光学素子が、真空を完全に維持する接続フランジ（不図示）に取り付けられてもよい。一又は複数の実施形態によれば、図3A〜3Bに示されているレーザハウジング350 のように、スラブレーザ組立体全体がハウジング内に設けられてもよい。

図4Aに示されているスラブレーザの例では、共振器面403a, 405aによって制限された電極間間隙がガスレーザ媒質のための放電領域として機能するように、長尺状の電極403, 405は電気共振器の一部であり（それ自体がレーザ共振器の一部である）。一又は複数の実施形態によれば、図２〜３を参照して上記に示され記載された管の設計が採用されてもよい。一又は複数の実施形態によれば、このような電極は、１メートルまでの長さ、0.5 メートルまでの幅及び0.5 〜６mm程度の電極間間隙を有してもよい。しかしながら、他の実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなくこの範囲外の寸法が使用されてもよい。一又は複数の実施形態によれば、（一般に「RF」と称される）無線周波エネルギーが長尺状の電極403, 405を介してガスレーザ媒質に供給されると、ガス放電が電極間間隙406 内に生じる。一又は複数の実施形態によれば、レーザエネルギーは、光共振器の基本モードを含む一又は複数のモード内で増大し、後方の折り返しミラー409 を介して出力結合ミラー411 と前方空洞ミラー407 との間で前後に移動する空洞内レーザビーム（不図示）を最終的に生成する。空洞内レーザビームの一部が、出力結合ミラー411 を通って伝わって出力レーザビーム415 を生成する。

図4Aに示されている例示的な実施形態では、電気空洞共振器、ひいてはガス放電領域は矩形状であってもよい。しかしながら、代替的な実施形態では、正方形状、環状又は他の電気空洞共振器が採用されてもよい。共振器面403a, 405aは露出した電極面であってもよく、又はめっきした電極面であってもよい。露出した電極面の実施形態のための適切な材料として、アルミニウムのような金属及び他の金属合金が含まれる。めっきした電極面の実施形態では、アルミナ又はベリリヤのようなセラミック材料が電極面に採用されてもよい。

上記に示唆したように、一又は複数の実施形態によれば、電極間間隙の領域（つまり、内側の空洞領域）はガスレーザ媒質で充填されてもよい。例えば、ガスレーザ媒質は、５%のキセノン（Xe）が添加された、１部の二酸化炭素（CO₂ ）、１部の窒素（N₂）及び３部のヘリウム（H₂）の混合物であってもよい。ガス圧力は、約30〜150 トルの範囲内、例えば90トルで維持されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなくより高い圧力を使用してもよい。本発明の他の実施形態では他のタイプのガスレーザを使用してもよく、その例が表１に示されている。

他のガス混合物を同様に使用してもよい。例えば、ある実施形態では、ネオン（Ne）、一酸化炭素（CO）、水素（H₂）、水（H₂O ）、クリプトン（Kr）、アルゴン（Ar）、フッ素（F ）、重水素又は酸素（O₂）、及びその例が上記の表１に示されている他のガスの一部を含むガス混合物又はその同位体を、様々な他のガス圧力、例えば30〜120 トル、例えば50トルで使用してもよい。しかしながら、他のガスレーザ媒質を更に採用してもよいことが認識される。例えば、レーザ媒質の一例として、銅、金、ストロンチウム、バリウム、銅のハロゲン化物化合物、金のハロゲン化物化合物、ストロンチウムのハロゲン化物化合物、バリウムのハロゲン化物化合物の蒸気、及びその例が上記の表１に特定されるが、これらに限定されるものではない他の蒸気の内の一又は複数が含まれる。

図4Aに戻って、一又は複数の実施形態によれば、スラブレーザ401 は、第１及び第２の長尺状の電極403, 405を介して電極間間隙406 内にあるガスレーザ媒質に励起エネルギーを供給するエネルギー供給源417 を備えている。従って、励起エネルギーを加えることによって、ガスレーザ媒質がレーザビーム415 の形態で電磁放射を発し、電磁放射は、最終的に出力結合窓、つまり光学素子411 を介して光共振器を出る。エネルギー供給源417 と共に、第１及び第２の長尺状の平面電極403, 405に与えられるべき励起エネルギーを生成する無線周波発生器417aが備えられている。一又は複数の実施形態によれば、無線周波発生器は、少なくとも3000Ｗの出力パワーレベルで40 MHzの周波数で作動してもよい。他の実施形態では、本開示の範囲から逸脱することなく、他の励起周波数及びパワーレベルが使用されてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、第１及び第２の長尺状の平面電極403, 405の内の一方における電圧位相が第１及び第２の長尺状の平面電極403, 405の内の他方における電圧位相に対して約180 度ずれているように、無線周波発生器は二位相形態で電極に連結されてもよい。二位相励起は、本技術分野で公知のあらゆる技術によって、例えば、両方共接地から絶縁されている第１及び第２の電極間にインダクタを配置することによって達成されてもよい。一又は複数の代替的な実施形態によれば、第１及び第２の長尺状の平面電極の内の一方のみが励起され、他方が電気的に接地されているように、無線周波発生器は第１及び第２の長尺状の平面電極の内の一方に連結されてもよい。

図4Aに示されている実施形態におけるエネルギー供給源417 によって供給される励起エネルギーは無線周波エネルギーであってもよいが、マイクロ波、パルス、持続波、直流、又はレーザ媒質を適切に刺激してレーザエネルギーを生成し得るあらゆる他のエネルギー源に関連付けられてもよい。

一又は複数の実施形態によれば、電極間間隙がレーザ放射のためにｙ軸に沿って導波管として機能するように、第１及び第２の長尺状の平面電極403, 405の内面403a, 405aは互いに十分近くに設けられている。従って、内面403a, 405aは、導波面として機能するときに横断方向（ｙ方向）の光共振器の表面として更に機能する。一又は複数の実施形態によれば、πＮ＜１であるときに導波路が形成される。ここで、Ｎ＝D²／（４λＬ）は導波路のフレネル数であり、Ｄは電極間の間隙の幅であり、Ｌは光共振器の長さであり、λはレーザ放射の波長である。CO₂レーザによって生成される共通の波長である約10.6ミクロンの波長では、40cmの導波管の長さに関して、電極間間隙が２mm未満である場合に導波路の基準が満たされる。しかしながら、他の実施形態では、電極間間隙はレーザビームのｙ方向における自由空間伝搬、例えばガウスビーム伝搬を可能にする程十分に大きい。従って、この自由空間構成では、これらの表面は、レーザ放射のための導波管として機能することなくガス放電領域の厚さを定めるべく機能する。他の実施形態では、導波路の基準と完全な自由空間伝搬との間の電極間間隙のサイズを使用してもよい。一又は複数の実施形態によれば、一又は複数の延長部材427, 429, 431, 433が、共振器壁403, 405の端部403b, 405b, 403c, 405cの近くに又は該端部に配置されている。更に、以下の実施形態では、共振器壁及び／又は延長部材の表面は導波管壁を構成してもよいし、構成しなくてもよく、従って、自由空間非安定形共振器及びハイブリッド形導波管共振器に使用してもよい。延長部材は、光学素子の破損の防止を容易にしてもよく、更にパワー損失を低下させてもよい。

図4Bは、図２〜３及び4Aを参照して上記に説明された光共振器として使用され得る非安定形スラブレーザ共振器を示す平面略図である。スラブ共振器401 では、（図4Bに陰影付領域によって示された）空洞内レーザビーム404 は、（示されていないが、上述したように、例えばCO₂ ガスであってもよい）レーザ媒質を複数回通過し、それによって光共振器を形成する。図２〜4Aを参照して上述したように、平面電極（図4Bでは底部側の電極405 のみが視認できる）は、電極の長手縁部分に設けられた２つの長尺状のバッフル部材204a, 204b（図2A〜2Bに示された断面図を更に参照）を挟持している。一又は複数の実施形態によれば、長尺状のバッフル部材は夫々長尺状の中央チャネル209a, 209bを更に有しており、各中央チャネルは、夫々のバッフル部材の内面に奥行きｄ分延びている（図2A〜2Bの断面図を更に参照）。従って、図2A〜2Bを参照して上述したように、長尺状の中央チャネル209a, 209bの体積部分は、放電領域をバッフル部材の内面から隔てるスタンドオフ領域を形成する。更に図2A〜2Bを参照して上述したように、放電領域が電極の中央領域433 に限定されるように、長尺状の平面電極が設計されており、例えば電極の中央部分が長手縁部分より厚く、図2A〜2Bに示されているように基本的にＴ字形の断面を有する。従って、ガスレーザ媒質が、中央チャネル204a, 204bに形成されたスタンドオフ領域に出入り可能である一方、電極の内面間の間隙が大き過ぎるので、レーザ発光又は放電がこれらのスタンドオフ領域で生じない。

バッフル部材の内面からの空洞内レーザビームのかすめた反射を最小限度に抑えることによって、スタンドオフ領域でガス放電が生じないことは、バッフル部材の内面の保護及びレーザモード品質の改善の両方に有用である。例えば、非安定形共振器の場合には、空洞内レーザビーム404 は、光共振器の体積部分全体に充填されてもよく、更に光共振器の外側に僅かに延びてもよい。従って、中央チャネルが設けられていないバッフル部材、ひいてはスタンドオフ領域が設けられていないバッフル部材は、バッフル部材の内面からの空洞内レーザビームの複数回のかすめた反射を可能にする。奥行きｄの中央チャネルを使用することにより、バッフル部材の内面が、光共振器の外側、更に空洞内レーザビームの周縁部分が存在する場合がある光共振器の周辺領域の外側に効率的に移ることが可能になる。従って、共振器の設計に応じて、長尺状の中央チャネルの奥行きｄは、長尺状のバッフル部材の内面が確実に空洞内レーザビームと相互作用しない（つまり、空洞内レーザビームを反射しない）程十分大きく選択される。例えば、奥行きｄの幅は１mm〜20mmであってもよいが、この範囲外の奥行きが、本開示の範囲から逸脱することなく使用されてもよい。

従って、本明細書に記載されているような本発明の実施形態が、レーザ性能を改善するために使用されてもよく、例えばレーザの動作周波数の関数としてのビームの移動量として定められるレーザビームのポイント安定性を改善して、更にビーム品質を改善するために使用されてもよい。図５は、一又は複数の実施形態に係るバッフルを備えたレーザの場合（例えば図２及び３）及びこのようなバッフルを備えていないレーザの場合（例えば図１）に関するビームのポイント安定性を示す比較図である。この比較図は、一又は複数の実施形態に係るバッフルが採用されたレーザでは、ビームの移動量が著しく（約２分の１）低下したことを明瞭に示している。更に、移動量を最小限度に抑えることにより、レーザビームの品質が更に改善され、ビームの移動量のレーザ使用用途へのあらゆる影響が最小限度に抑えられる。

更に、本明細書における実施形態では、製造が困難である可能性があり破損を受け易く（このような先行技術のレーザの製造コストを増加させる）図１に示されているスペーサ109a, 109bのような長く薄いセラミックスペーサを使用しない。更に、本明細書における電極の設計は、一般に平坦な表面（例えば、電極203a, 203bは一般にＴ字形の断面を有する）により効率的な表面研磨を可能にする。

本明細書に記載されている様々な非限定的な実施形態は、特定の用途のために別々に使用されてもよく、組み合わせられてもよく、又は選択的に組み合わせられてもよいことが注目される。更に、上記の非限定的な実施形態の様々な特徴の内の一部を使用して、記載された他の特徴を対応して使用することなく有用性を呈し得る。従って、上記の記載は、本発明の原理、教示及び例示的な実施形態を制限することなく単に示しているに過ぎないとみなされるべきである。上記の配置は本発明の原理の適用を単に例示しているに過ぎないことを理解すべきである。例えば、本明細書に示されている相対的な寸法は単に例示されているに過ぎず、所望のレーザパワーレベル、RF周波数、ガス組成、圧力などに基づいて変更されてもよい。

本発明が限られた数の実施形態に関して記載されているが、この開示の利点を有する当業者は、本明細書に開示されているような本発明の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ると認識する。従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

本出願は、米国特許法第119 条(e) に従って2013年５月13日付で出願された米国仮出願第61／822,562 号明細書の優先権を主張しており、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

スラブレーザのための管であって、
第１の電極内面を有する第１の電極と、
第２の電極内面を有する第２の電極と
を備えており、
前記第１の電極は前記第２の電極から第１の横断方向に隔てられ、前記第１の電極内面及び前記第２の電極内面間に間隙厚さを有する間隙領域を画定しており、
長尺状の中央チャネルがその内面に夫々形成された第１及び第２の長尺状のバッフル部材を更に備えており、
該第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、前記第１及び第２の電極夫々の第１及び第２の長手縁部分に沿って前記間隙領域に夫々配置されており、
前記第１の電極、前記第２の電極、前記第１のバッフル部材及び前記第２のバッフル部材の内面が前記間隙領域を囲むべく協働するように、前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、該第１及び第２の長尺状のバッフル部材の内面が前記間隙領域に対向して配置されており、
前記第１及び第２のバッフル部材の長尺状の中央チャネルは、該長尺状の中央チャネルの奥行き分第２の横断方向に前記間隙領域を延ばし、前記第１及び第２のバッフル部材の長さに沿って長手方向に延びるスタンドオフ領域を前記中央チャネル内に画定しており、
前記第１及び第２のバッフル部材の内面は、前記間隙領域内のガスレーザ媒質の音響振動を低下すべく協働し、
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材と前記第１及び第２の電極との間に、間隙が設けられていることを特徴とする管。
前記間隙領域の中央部分内に配置された放電領域を更に備えており、
前記スタンドオフ領域は、前記放電領域の外縁部と前記第１及び第２のバッフル部材の内面との間に設けられており、前記スタンドオフ領域はガス放電を補助しないことを特徴とする請求項１に記載の管。
前記スタンドオフ領域は、空洞内レーザビームの周縁部分と前記第１及び第２のバッフル部材の内面との間に設けられており、前記第１及び第２のバッフル部材の内面からのレーザ放射のかすめた反射を防止することを特徴とする請求項１に記載の管。
前記放電領域における長尺状の前記第１の電極の厚さは、前記第１及び第２の長手縁部分に沿った前記第１の電極の厚さより大きいことを特徴とする請求項２に記載の管。
前記放電領域における前記間隙領域の厚さは、前記第１及び第２の長手縁部分に沿った前記間隙領域の厚さより小さいことを特徴とする請求項４に記載の管。
長尺状の前記第１の電極の前記第１及び第２の長手縁部分は、窪んだ棚状の面であることを特徴とする請求項５に記載の管。
窪んだ前記棚状の面は、長尺状の前記第１の電極と長尺状の前記第２の電極との間に配置された前記第１及び第２のバッフル部材を受けるべく構成されていることを特徴とする請求項６に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材の前記第１の横断方向における厚さは、前記第１の長尺状のバッフル部材の前記長手方向における長さに沿って一定であることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材は、該第１のバッフル部材の長さに沿って前記長手方向に配置された切り取り部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材は、該第１のバッフル部材の長さに沿って前記長手方向に配置された複数の切り取り部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材は、複数のブリッジ部材によって相互に連結された複数の矩形状部材を有しており、
該複数の矩形状部材の前記第１の横断方向における厚さは、相互に連結する前記ブリッジ部材の前記第１の横断方向における厚さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材はアルミニウムから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材はセラミックから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、セラミックスペーサによって長尺状の前記第１及び第２の電極から隔てられていることを特徴とする請求項１３に記載の管。
スラブレーザのための管であって、
第１の電極内面を有する第１の電極と、
第２の電極内面を有する第２の電極と
を備えており、
前記第１の電極は前記第２の電極から第１の横断方向に隔てられ、前記第１の電極内面及び前記第２の電極内面間に間隙厚さを有する間隙領域を画定しており、
長尺状の中央チャネルがその内面に夫々形成された第１及び第２の長尺状のバッフル部材を更に備えており、
該第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、前記第１及び第２の電極夫々の第１及び第２の長手縁部分に沿って前記間隙領域に夫々配置されており、
前記第１の電極、前記第２の電極、前記第１のバッフル部材及び前記第２のバッフル部材の内面が前記間隙領域を囲むべく協働するように、前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、該第１及び第２の長尺状のバッフル部材の内面が前記間隙領域に対向して配置されており、
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、該第１及び第２の長尺状のバッフル部材の長さに沿って長手方向に配置された切り取り部分を夫々有しており、
前記第１及び第２のバッフル部材の内面は、前記間隙領域内のガスレーザ媒質の音響振動を低下すべく協働し、
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材と前記第１及び第２の電極との間に、間隙が設けられていることを特徴とする管。
前記第１及び第２のバッフル部材の長尺状の中央チャネルは、該長尺状の中央チャネルの奥行き分第２の横断方向に前記間隙領域を延ばし、前記第１及び第２のバッフル部材の長さに沿って前記長手方向に延びるスタンドオフ領域を前記中央チャネル内に画定していることを特徴とする請求項１６に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材は、該第１のバッフル部材の長さに沿って前記長手方向に配置された複数の切り取り部分を有していることを特徴とする請求項１７に記載の管。
前記第１の長尺状のバッフル部材は、複数のブリッジ部材によって相互に連結された複数の矩形状部材を有しており、
該複数の矩形状部材の前記第１の横断方向における厚さは、相互に連結する前記ブリッジ部材の前記第１の横断方向における厚さより大きいことを特徴とする請求項１８に記載の管。
中央部分に隣り合う前記間隙領域の厚さは、前記第１及び第２の長手縁部分に沿った前記間隙領域の厚さより小さいことを特徴とする請求項１６に記載の管。
長尺状の前記第１の電極の前記第１及び第２の長手縁部分は、窪んだ棚状の面であることを特徴とする請求項１７に記載の管。
窪んだ前記棚状の面は、長尺状の前記第１の電極と長尺状の前記第２の電極との間に配置された前記第１及び第２のバッフル部材を受けるべく構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は長尺状の前記第１の電極の一体化された部分であることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、絶縁性材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、絶縁性材料から形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の管。
前記第１及び第２の長尺状のバッフル部材は、導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の管。
前記第１及び第２のバッフル部材夫々の前記長尺状の中央チャネルは、前記複数のブリッジ部材の内面の長さに沿って延びており、
前記長尺状の中央チャネルの内面は、前記間隙領域内のガスレーザ媒質の音響振動を低下すべく協働することを特徴とする請求項１９に記載の管。
前記第１及び第２のバッフル部材夫々の前記長尺状の中央チャネルは、前記複数のブリッジ部材の内面の長さに沿って延びており、
前記長尺状の中央チャネルの内面は、前記間隙領域内のガスレーザ媒質の音響振動を低下すべく協働することを特徴とする請求項１１に記載の管。