JP6154955B2 - 寄生モードを抑制するレーザ共振器 - Google Patents
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Description
マルチ折り曲げレーザ共振器又は折り曲げ式レーザ共振器とも称されるマルチパスレーザ共振器は、共振器空洞の物理的な長さを短く維持しながら長い有効な利得経路を達成するため、レーザで一般に使用されている。ビーム経路の折り曲げは一次元、二次元又は三次元で生じ得るが、線形の折り曲げ式マルチパス共振器は、構築が比較的簡単であるという利点を有する。線形のマルチパス構成内では、完全な自由空間、完全な導波管又はハイブリッド式動作がビーム経路に交わる軸芯を定めることが可能である。導波管を折り曲げられた軸芯で使用することによりレーザ発振を１つのモードに制限することができる一方、自由空間でガウスビームを更に容易に達成し得るため、自由空間の伝搬を代わりに使用することが望ましい場合がある。
マルチパス光共振器とも称されるマルチパスレーザ共振器は、１つの安定型パス共振器を一又は複数のミラーを介して一又は複数回折り曲げることにより形成されてもよい。例えば、図1Aは、２つのミラー103, 105によって形成された１つの安定型パス共振器101 を示す。共振器101 内で電磁エネルギーの放射を生じさせて、その後高める利得媒質106 が２つのミラー103, 105間に設けられている。ミラー103, 105の高い反射率により、電磁エネルギーの大部分が共振器101 内に含まれ、その結果、空洞内レーザビーム107 が生成される。一般に出力カプラとも称されるミラー103 によって、電磁エネルギーのごく一部が出力レーザビーム109 の形態で共振器を出ることが可能になる。出力レーザビーム109 は、多くの異なる用途、例えばレーザ切断、溶接、マーキング又はあらゆる他の用途で使用され得る。
共振器101 のミラー103 及びミラー105 間に生じる空洞内レーザビーム107 は、共振器101 の基本モードとして知られているモードで発振し得る。共振器101 の基本モードは、横断方向、つまり空洞内レーザビーム107 の伝搬方向に垂直な方向における特定のビーム形状によってある程度特徴付けられてもよい。例えば、共振器101 の基本モードは、そのビーム形状がガウス強度分布に従うビームによって特徴付けられてもよい。本明細書で使用されているように、ガウスレーザビームの半径は、ビームの強度が1/e2だけ減少する（ビームのピーク強度の中心位置からの）距離であると定められている。更に、ガウスビームのビームウエストw1が、半径が最小のビームの長手方向の位置で生じる。例えば、距離L1離れている１つの平面ミラー103 及び１つの凹面ミラー105 を備えている図1Aに示されている安定型共振器では、空洞内ガウスレーザビーム107 のビームウエストw1が平面ミラー103 の表面で生じる。更にこの構成では、平面ミラー103 及び凹面ミラー105 の隔離が空洞内レーザビーム107 の経路の長さと称される寸法を定める。従って、図1Aに示されているインライン共振器の構成では、共振器の物理的な長さは経路の長さL1と等しい。
図1Bは、共振器の物理的な長さが空洞内レーザビーム107 の経路の長さより短くてもよい別の配置を示す。図1Bでは、空洞内に平面反射ミラー111 を含めることにより、空洞内レーザビーム107 の経路の長さを長くすることができる。平面反射ミラー111 の効果は、図1Aに示されている安定型共振器の性質を必ずしも変えることなく、空洞内レーザビーム107 の経路を折り曲げることである。例えば、図1Bに示されている折り曲げ式の構成では、共振器の物理的な長さL2が、空洞内レーザビーム107 の経路の長さL1のおよそ半分である。図1Bに示されているように、利得媒質106 を通るレーザビーム107 のパスは２つあり、第１のパスはレーザビーム107 の部分107aによって表され、第２のパスはレーザビーム107 の部分107bによって表わされている。利得媒質106 を通る空洞内レーザビームのパスが２つあるので、折り曲げ式の構成は、出力レーザビーム109 のより高い利得、従ってより高い出力エネルギーを達成し得る。
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レーザのための共振器を対象とする。共振器は、第１の共振器壁及び第２の共振器壁を備えている。第２の共振器壁は、第１の共振器壁から横断方向に隔離されており、第１の共振器壁及び第２の共振器壁間に間隙を定めて、間隙にレーザ媒質が設けられる。第１のミラーが、第１及び第２の共振器壁の第１の端部に配置されており、第２のミラーが、第１及び第２の共振器壁の第２の端部に配置されている。第１及び第２のミラーは、レーザ媒質を通って複数の経路に沿って空洞内レーザビームを折り曲げるべく協働する。複数の経路は共振器内に余分な領域の境界を定め、空洞内レーザビームは余分な領域を通過しない。第１のミラー及び第２のミラーは、寄生レーザモードのためのレーザ共振器を形成し、レーザ共振器の一部が余分な領域内に設けられている。寄生モード抑制体が、共振器の余分な領域内に、第１の共振器壁の第１の端部と第１のミラーとの間に配置されている。
本開示の例示的な実施形態はレーザのための共振器を対象とする。共振器は、厚さを有するレーザ媒質と、レーザ媒質の第１の端部に配置された第１のミラーと、レーザ媒質の第２の端部に配置された第２のミラーとを備えている。第１のミラー及び第２のミラーは、レーザ媒質を通って複数の経路に沿って空洞内レーザビームを折り曲げるべく協働し、共振器内に余分な領域の境界を定め、空洞内レーザビームは余分な領域を通過しない。第１のミラー及び第２のミラーは、寄生レーザモードのためのレーザ共振器を形成し、その一部が余分な領域内に設けられている。寄生モード抑制体が、共振器の余分な領域内に配置されている。
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。
寄生モードを抑制するレーザ共振器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、寄生モードを抑制するレーザ共振器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、本開示は寄生モードを抑制するレーザ共振器を対象とする。一又は複数の実施形態によれば、寄生モードの抑制は、固体状の利得媒質、一又は複数の延長面、延長部材及び遮蔽体に付着されるか又はこれらの一体化された部分である一又は複数の寄生モード抑制体によって達成される。このような寄生モード抑制体及び／又は延長面、延長部材及び遮蔽体は、共振器のミラーの近くに又は共振器のミラーに隣り合って設けられてもよい。本発明は、共振器内の隣り合うビームの空間的隔離が共振器の端部で最大であり、ミラーによって定められるという事実を利用している。寄生モードを抑制する構造体の配置が寄生発振を効果的に抑制すべく機能すると共に、所望のレーザ発振に実質的に影響を及ぼさないか又は干渉しないように、寄生発振のエリアにおける所望の発振のビームの空間的隔離が定められている。
一又は複数の実施形態によれば、寄生モードを抑制するレーザ共振器は、本明細書ではレーザ媒質とも称される多くの異なるタイプのレーザ利得媒質と共に用いられてもよい。例えば、共振器の一又は複数の実施形態が、ガス放電媒質及び／又は固体状の利得媒質内の寄生レーザ発振を抑制すべく作用してもよい。
図2Aは、一又は複数の実施形態に係る寄生モードを抑制するレーザ共振器、例えばマルチパスレーザ共振器が用いられたレーザの例を示す図である。寄生モードを抑制する構造の詳細な内容を述べる前に、図2Aに示されているレーザの一般的な要素を述べる。より具体的には、図2Aは、レーザ共振器、例えばマルチパススラブガスレーザ201 が用いら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、本開示の範囲から逸脱することなく用いられてもよい。更に、本明細書に記載されている例が、ある数のパス、例えば図3Aに示されているような５つのパスが用いられた共振器の設計を示している場合がある一方、あらゆる数のパスが用いられた共振器が本開示の範囲から逸脱することなく用いられてもよい。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206 が、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、長尺状の平面電極203, 205夫々の内面203a, 205a間の空間として画定されている。以下に更に詳細に記載されているように、内面203a, 205aは、放電領域を画定する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、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2Aに示されている例は平面電極203, 205が用いら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、多くの様々な電極の形状を開示しており、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2Aに示されているスラブレーザ201 は、出力結合ミラー211 と前方マルチ折り曲げミラー207 との間に形成された光共振器を更に備えている。例えば光共振器を通る空洞内レーザビームのビーム経路を含む光共振器の更なる詳細な内容が図3Aに示されており、より詳細に以下に記載されている。更に、残りの図面を参照してより詳細に以下に記載されているように、一又は複数の寄生モード抑制体（不図示）が光共振器内に配置されてもよい。一又は複数の実施形態によれば、前方マルチ折り曲げミラー207 及び後方マルチ折り曲げミラー209 に一対の球状の光学素子が使用されてもよく、出力結合ミラー211 に平面鏡が使用されてもよい。例として、後方の球状の光学素子の曲率半径が30cm〜５メートルの範囲内であってもよい一方、前方の光学素子の曲率半径が30cmであってもよく無限（つまり、平面）であってもよい。しかしながら、他の実施形態では、この範囲外の曲率半径が、本開示の範囲から逸脱することなく使用されてもよい。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、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共振器に使用されてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、光学素子は、真空を完全に維持する接続フランジ（不図示）に取り付けられると共に、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の適切な調整をもたらしてもよい。
図2Aに示されているスラブレーザの例では、共振器面203a, 205aによって画定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、長尺状の平面電極203, 205は電気共振器の一部であり（電気共振器の一部自体がレーザ共振器の一部である）。例えば、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１〜５mm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、この範囲外の寸法が、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、（一般に「RF」と称される）無線周波エネルギーが長尺状の平面電極203, 205を介してガスレーザ媒質に与えられると、ガス放電が電極間間隙206 内に生じる。以下に更に詳細に記載されているように、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で増大し、後方マルチ折り曲げミラー209 を介して出力結合ミラー211 と前方マルチ折り曲げミラー207 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211 を通って伝わって出力レーザビーム215 を生成する。更に、以下に更に詳細に記載されているように、光共振器内の一又は複数のミラー間で生じる場合がある一又は複数の望ましくないより高い高次レーザモード及び／又は寄生レーザモードが、戦略的に置かれた寄生モード抑制体の使用により抑制され得る。このようなレーザモードが続くことを許すと、寄生モード及び／又はより高い高次モードは、レーザの効率を下げるだけでなく、出力エネルギーを下げて更に出力レーザ空間モードの質に悪影響を及ぼす場合がある。
図2Aに示されている例示的な実施形態では、電気共振器の空洞、ひいてはガス放電エリアが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、環状又は他の電気共振器の空洞が用いられてもよい。共振器面203a, 205a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用いられてもよい。
図2Bは、一又は複数の実施形態に係る電気共振器の一例を示す。電気共振器は、一対の長尺状の平面電極203, 205間に設けられたセラミック体223 から形成されてもよい。セラミック体223 は、端部が開口した内部空洞219 を有しており、内部空洞内にレーザ利得媒質が設けられている。この例では、端部が開口した内部空洞219 は、長尺状の頂部壁206 を長尺状の底部壁208 につなぐ長尺状の側壁204a, 204bを含んでいる。図2Aを参照して上記に記載された処理と同様に、無線周波エネルギーが、長尺状の平面電極203, 205を介して端部が開口した内部空洞219 内のガスレーザ媒質に与えられてもよい。従って、レーザ利得媒質がガスである例では、ガス放電が半分閉じた内部空洞219 内で生じる。従って、この実施形態では、セラミックの内部空洞面219a, 219bは、放電領域を画定する２つの長尺状の共振器壁を形成し、ある実施形態では、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。
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、内部空洞領域）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（He）の混合物であってもよい。ガス圧力は、およそ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用いてもよいことが理解される。例えば、レーザ媒質の一例として、銅の蒸気、金の蒸気、ストロンチウムの蒸気、バリウムの蒸気、銅のハロゲン化物化合物の蒸気、金のハロゲン化物化合物の蒸気、ストロンチウムのハロゲン化物化合物の蒸気、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に示されている要素に特定されるが、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2Aに戻って、一又は複数の実施形態によれば、スラブレーザ201 は、第１及び第２の長尺状の平面電極203, 205夫々を介して電極間間隙206 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217 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215 の形態で電磁放射線を放射し、電磁放射線は、最終的に出力結合ミラー211 を介して光共振器を出る。エネルギー供給源217 と共に、第１及び第２の長尺状の平面電極203, 205に励起エネルギーを与える無線周波発生器217a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300 Ｗの出力エネルギーレベルで81 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エネルギ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203, 205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203, 205の他方における電圧位相に対して実質的に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、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一方のみが励起されるように、無線周波発生器は第１及び第２の長尺状の平面電極の一方に連結されてもよい。
図2Aに示されている実施形態におけるエネルギー供給源217 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。更に、追加の実施形態が、図2Cに示されているレーザ利得媒質と同様の光学的に励起される固体状のレーザ利得媒質を含む他の形態の励起を利用してもよい。この例では、固体状の材料225 が、フラッシュランプ（不図示）又はレーザダイオード（不図示）によって励起されてもよい。
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軸に沿った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203, 205の内面203a, 205aは夫々互いに十分近くに設けられている。従って、内面203a, 205a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、導波性が生じる。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性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、導波性の基準と完全な自由空間伝搬との間の電極間間隙を使用してもよい。
図3Aは、本発明の一又は複数の実施形態に係る図2Aを参照して上記に記載された光共振器として使用されてもよい安定型マルチパススラブ共振器301 を示す。マルチパススラブ共振器301 では、空洞内レーザビーム303 がレーザ媒質305 を複数回通過し、それによってマルチパス光共振器301 が形成される。一又は複数の実施形態によれば、マルチパス光共振器301 のために、出力結合ミラー307 、前方マルチ折り曲げミラー309 及び後方マルチ折り曲げミラー311 が使用されてもよい。前方マルチ折り曲げミラー309 及び後方マルチ折り曲げミラー311 は、レーザ媒質305 を通る空洞内レーザビーム303 のある数のパス、例えば図3Aに示されている例における５つのパスを引き起こすべく並べられてもよい。図3Aに示されているように、レーザ媒質305 は、一又は複数の利得生成領域304 及び一又は複数の余分な領域、例えば三角形の余分な領域313 を含む２以上の領域に分割されてもよい。本明細書に使用されているように、空洞内レーザビーム303 によって横切られるレーザ媒質305 のエリア、つまり領域が、利得生成領域304 であると定められ、空洞内レーザビーム303 によって横切られないエリア、つまり領域が余分な領域313 であると定められる。例えば、図3Aは、空洞内レーザビーム303 によって横切られず、従ってレーザ発光が生じる必要がないという意味で余分な領域である余分な領域313 を示す。
更に、図3Bに示されているように、前方マルチ折り曲げミラー309 及び後方マルチ折り曲げミラー311 は、相対的な配列に応じて、前方マルチ折り曲げミラー309 及び後方マルチ折り曲げミラー311 間に形成された安定型共振器の基本モードで発振する場合がある寄生レーザ発振315 の生成を支援する場合がある。例えば、図3Bに示されているように、前方マルチ折り曲げミラー309 及び後方マルチ折り曲げミラー311 の傾きの差が小さい場合、寄生レーザ発振315 が生じてレーザ媒質305 を通過する場合がある。ある配列では、寄生レーザ発振315 が生じて、空洞内レーザビーム303 によって横切られない一又は複数の余分な領域313 と重なる場合がある。従って、一又は複数の実施形態によれば、余分な領域313 内に配置された構造体を使用して、寄生レーザ発振315 を抑えて、寄生レーザ発振315 による利得媒質305 の寄生使用を最小限度に抑えるか又は除去することによりレーザ媒質305 の効率を高めてもよい。更に、余分な領域313 内に配置された構造体を使用して、光共振器のより高い高次モードを更に抑制してもよい。より高い高次モードのレーザ発振の抑制は、光共振器の基本モードにおける更なるレーザエネルギーの有益な濃縮をもたらし、光共振器の基本モードにおけるこのレーザ発振が、所望の空洞内ビーム303 を生じさせる。一又は複数の実施形態によれば、余分な領域313 を更に使用して、不必要な励起エリアを最小限度に抑えるか又は除去することによりレーザ媒質305 の効率を高めてもよい。更に、余分な領域313 を使用して、レーザ媒質305 内の電気的特性を調整する、例えば、図2A〜2Bを参照して上記に記載された電極間間隙のキャパシタンスを調整してもよい。
一又は複数の実施形態によれば、図4Aは、一又は複数の実施形態に係る寄生モードを抑制するマルチパス共振器401 を示す。図2A〜3Bを参照して上記に記載されているように、出力結合ミラー403 と前方マルチ折り曲げミラー405 との間に光共振器が形成されている。図3Aを参照して上記に記載されているように、余分な領域407 が寄生レーザモード409 の少なくとも一部と重なるように設けられてもよい。図4Aに示されている例では、余分な領域407 との寄生レーザモード409 の部分的な空間的重なりが、後方マルチ折り曲げミラー411 を角度θ傾けることにより達成される。図4Aに示されているマルチパス共振器401 では、寄生レーザモード409 の生成が、余分な領域407 の少なくとも一部の範囲内に寄生モード抑制体413 を設けることによって抑制される。例えば、寄生モード抑制体413 は余分な領域407 と実質的に同一の形状を有してもよく、例えば、寄生モード抑制体413 は実質的に三角形状を有してもよい。寄生モード抑制体は、アルミニウムのような金属材料、アルミナのようなセラミック材料、又はこれらのあらゆる組合せから形成されてもよい。更に、金属の寄生モード抑制体は陽極酸化処理されてもよく、陽極酸化処理されなくてもよい。一又は複数の実施形態によれば、反射材料から形成された寄生モード抑制体が、寄生発振を避けて光を反射するような形状を有してもよい。一般に、寄生モード抑制体に使用される一又は複数の材料は、適切なレーザ動作に干渉することなく、寄生モードに寄与する可能性のある光を吸収するか、散乱するか又はそらしてもよい。これらの空洞内寄生モード抑制体の複数の例が図5A〜8Bを参照して以下に記載される。
図4Bは、一又は複数の実施形態に係る寄生モードを抑制するマルチパス共振器401 の別の例を示す。図4Aを参照して上記に記載された共振器と一般的に同様に、マルチパス光共振器401 が、後方マルチ折り曲げミラー411 を介して出力結合ミラー403 と前方マルチ折り曲げミラー405 との間に形成されている。既に記載されているように、図4Bに示されている実施形態では、空洞内レーザビーム402 はレーザ利得媒質409 を何回も、例えば７回横切る。同様に、多くの余分な領域が設けられてもよく、例えば余分な領域407, 408が共振器に設けられ、従って寄生モードの抑制に使用されてもよい。しかしながら、上記の図4Aに示されているように、レーザ利得媒質409 内の余分なエリア407 の一部の範囲内に設けられた寄生モード抑制体を使用するのではなく、（図4Bに点線によって画定されているように示されている）寄生モード414 の生成は、レーザ利得媒質409 の外側に寄生モード抑制体413b, 413cを取り付けることにより、例えば、それ自体は例えば共振器壁の長手方向端部に取り付けられてもよい延長部材（不図示）に寄生モード抑制体を夫々取り付けることにより抑制される。この実施形態では２つの寄生モード抑制体が示されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、（１つのみを含む）あらゆる数の寄生モード抑制体が使用されてもよい。図2Aを参照して上記に示されているように、寄生モード抑制体413bは延長部材227 及び延長部材229 間に取り付けられてもよく、寄生モード抑制体413cは延長部材231 及び延長部材233 間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、延長部材及び寄生モード抑制体は、空洞内レーザビーム402 の横断寸法での導波性を生じさせてもよいし生じさせなくてもよい。寄生モード抑制体の他の複数の例が、図9A〜12I を参照して以下に更に詳細に記載される。
図4Cは、一又は複数の実施形態に係るマルチパス共振器401 の別の例を示す。このような配置では、レーザ利得媒質409 を通る空洞内レーザビーム402 のパスは合計４つになる。図4Cに示されている例は、２つの直列接続された折り曲げ式の安定型共振器401a, 401bを利用することにより形成されたマルチパス共振器である。折り曲げ式の安定型共振器401aは、出力結合ミラー403 と前方マルチ折り曲げミラー405 との間に形成されている。同様に、折り曲げ式の安定型共振器401bは、主の前方マルチ折り曲げミラー405 とサテライトミラー410 との間に形成されている。一又は複数の実施形態によれば、２つの折り曲げ式の安定型共振器401a, 401bは共通の後方マルチ折り曲げミラー411 を共有し、それによって光学配列処理の複雑さが減少し得る。一又は複数の実施形態によれば、空洞内レーザビーム402 は、安定型共振器401a, 401bの直列接続された配置によって形成された共振器の基本モードで発振してもよい。
一又は複数の実施形態によれば、マルチパス共振器全体の対称性を高めて不安定性を防ぐために、出力結合ミラー403 の曲率半径Ｒはサテライトミラー410 の曲率半径とおよそ等しいように選択されてもよい。例えば、例示的な一実施形態では、空洞内レーザビーム402 のビームウエストがマルチパス共振器の両端部で、つまり出力結合ミラー403 及びサテライト全反射器410 で生じるように、出力結合ミラー403 及びサテライト全反射器410 は両方共平坦である（Ｒ＝∞）。
一又は複数の実施形態によれば、共通の後方マルチ折り曲げミラー411 の使用により、二次安定型共振器が、主の前方マルチ折り曲げミラー405 と共通の後方マルチ折り曲げミラー411 との間に形成される。この二次安定型共振器によって、図4A〜4Bを参照して上記に記載された共振器と同様に、（図4Cに点線によって画定されている）寄生モード406 が生成される。図4A〜4Bを参照して上記に記載された共振器の場合もそうであったが、マルチパス共振器401 のミラーは、寄生モード406 が一又は複数の余分な領域412 と重なるように配置されている。図4Cに示されている例では、空洞内レーザビーム402 は、共通の反射ミラー411 の外側部分411a, 411bに当たるが、共通の反射ミラー411 の中央部分411c又は中央部分411cに近いレーザ利得媒質409 の余分な領域412 に当たらない。更に、この配置によって、共通の反射ミラーの中央部分411cが、寄生モード406 が生じる位置に正確に配置される。しかしながら、少なくとも空洞内レーザビーム402 に関して、共通の反射ミラーの中央部分411c及びレーザ媒質の余分な領域412 が余分な領域とみなされてもよい。その理由は、これらの余分な領域が、空洞内レーザビーム402 によって表される共振器の基本モードの適切な発振には不必要であるからである。
一又は複数の実施形態によれば、一又は複数の寄生モード抑制体423a, 423bが、レーザ利得媒質409 の内側及びレーザ利得媒質409 の外側に夫々設けられてもよい。例えば、寄生モード抑制体は、図5A〜12I を参照して以下に更に詳細に記載されているように電極間間隙の内側及び／又は外側に設けられてもよい。他の実施形態では、一又は複数の他のモード抑制体が、空洞内レーザビーム402 によって表される共振器の基本モードによって横切られないあらゆる余分な領域に設けられてもよく、従って、寄生モード抑制体の位置が寄生モードの位置に相当する位置に制限される必要がない。例えば、寄生モード抑制体は、図4Cに示されている余分な領域412 の内のいずれかの範囲内に設けられてもよい。
図4Dは、一又は複数の実施形態に係るマルチパス共振器401 の別の例を示す。このような配置では、レーザ利得媒質409 を通る空洞内レーザビーム402 のパスは合計６つになる。図4Dに示されている例は、図4Bに示されている例と同様であり、図4Dに示されている共振器は、図4Bの１つの後方マルチ折り曲げミラー411 の代わりに２つの後方マルチ折り曲げミラー411c, 411dを用いて形成されている点が変更されている。従って、マルチパス光共振器401 は、出力結合ミラー403 と前方マルチ折り曲げミラー405 との間に設けられている。既に記載されているように、空洞内レーザビーム402 はレーザ利得媒質409 を何回も、例えば図4Dに示されている実施形態では６回横切る。同様に、多くの余分な領域が設けられてもよく、例えば、余分な領域412 が共振器に設けられ、従って、例えばレーザ利得媒質409 の外側に寄生モード抑制体423 を置くことにより、例えば、それ自体は例えば共振器壁の長手方向端部に取り付けられてもよい延長部材（不図示）に寄生モード抑制体を夫々取り付けることにより、寄生モードの抑制に用いられてもよい。この実施形態では１つの寄生モード抑制体が示されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、あらゆる数の寄生モード抑制体が使用されてもよい。一又は複数の実施形態によれば、寄生モード抑制体423 は、図2Aを参照して上記に示されているように延長部材227 及び延長部材229 間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、延長部材及び寄生モード抑制体は、空洞内レーザビーム402 の横断寸法での導波性を生じさせてもよいし生じさせなくてもよい。寄生モード抑制体の他の複数の例が、図9A〜12I を参照して以下に更に詳細に記載される。
一又は複数の実施形態によれば、一又は複数の寄生モード抑制体が設けられていることにより、寄生モードに関する共振器の利得が抑制され、従って、基本モードに関するレーザ共振器の全体的な効率が高まる。更に、一又は複数の寄生モード抑制体が設けられていることにより、共振器のより高い高次モードが更に抑制され、それによってレーザ共振器の効率及び出力モード品質が高められる。更に、上記に記載されているように２つの長尺状の電極内に設けられている利得領域を有するガス放電レーザの場合、寄生モード抑制体を使用して、空洞内の所望の電気的特性を調整することにより、例えば共振器壁間のより高いキャパシタンスを達成してもよく、又はガス放電レーザでは放電を容易にするより高い電場のエリアを達成してもよい。
図5A〜8Bに関して以下に記載される全ての例では、寄生モード抑制体が、共振器の共振器壁の凹部及び／又は凸部によって形成されてもよい。例えば、寄生モード抑制体が設けられている壁は、図2Aに示されているものと同様に、電極間間隙を画定する第１及び第２の長尺状の平面電極の一又は複数の内面であってもよい。他の例では、寄生モード抑制体が設けられている共振器壁は、図2Bに示されているものと同様に、セラミック体の端部が開口した内部空洞を画定する一又は複数の内面であってもよい。固体状の利得媒質が使用されている他の実施形態では、寄生モード抑制体は、寄生モード抑制体の表面が一又は複数の共振器壁の表面と同一平面上にあるか否かに関わらず、固体状の媒質に埋め込まれてもよい。
図5Aは、共振器500 の壁に三角形状の凹部として形成された寄生モード抑制体501 を備えた共振器500 の平面図を示す。図5Aに示されている凹部は三角形状であるが、あらゆる形状が、本開示の範囲から逸脱することなく使用されてもよい。図5Bは、同一の凹部タイプの寄生モード抑制体501 の断面図を示す。図5Bに示されている例では、凹部タイプの寄生モード抑制体501 は共振器壁500aに形成されている。他の実施形態では、凹部が、対向する共振器壁、例えば共振器壁502aに代わりに形成されてもよい。
ガス状の利得媒質が使用されている実施形態では、例えばガス放電レーザの実施形態では、凹部タイプの寄生モード抑制体501 の深さD1は、凹部のエリアにおけるガス放電を実質的に減らすか、又は除去すべく選択されてもよい。言い換えれば、凹部タイプの寄生モード抑制体501 は、余分な領域、例えば図4Aに示されている余分な領域407 におけるガス放電を実質的に減らす、又は除去すべく機能する。ガス放電を抑えるために必要な最小の深さD1は、レーザ媒質の電気的な励起がどのようにもたらされるかに関する技術的な詳細によって決まり、放電領域内のレーザ媒質として使用されるガス状混合物のタイプ及び組成によって更に決まる。例えば、破壊電圧は間隙のサイズ及びガス圧力の積によって決められてもよく、一般にはパッシェン曲線として知られている曲線に従い、その例が図13に示されている。従って、所与のガス圧力では、最小の深さD1は、最小の深さD1を加えた電極間間隙の破壊電圧が共振器の構造で利用可能な励起電圧を常に超過するように選択されるべきである。例えば、あらゆる適切な深さが本開示の範囲から逸脱することなく選択されてもよいが、最小の深さD1は、電極間間隙に少なくとも等しいように選択されてもよく、それによって電極間間隙の少なくとも２倍である有効間隙が設けられる。例えば、電極間間隙が２mmである場合、４mmの全体間隙に関して２mmの最小の深さが選択されてもよい。
余分な領域におけるガス放電の実質的な削減及び／又は除去は、余分な領域における利得の対応する実質的な削減及び／又は除去をもたらす。従って、余分な領域における有効な利得媒質なしで、寄生発振、例えば図3Bに示されている寄生発振315 （又は図4Aに示されている寄生発振409 ）が共振器の内部で生じることが防止され得る。
一又は複数の実施形態によれば、凹部タイプの寄生モード抑制体501 は、所望の発振のより高い高次モードに利用可能な利得を除去するようなサイズを有してもよい。共振器壁に垂直なモードが実際には導波管であるガス放電レーザでは、凹部タイプの寄生モード抑制体501 が設けられていることにより、凹部タイプの寄生モード抑制体501 のエリアの上を通るあらゆる発振が分散し、それによって寄生発振及びあらゆるより高い高次モードに関する損失を更に増大させる。例えば、ガウスビームが矩形状の対称性で伝搬する場合、より高い高次モードのビーム半径は、sqrt(2m+1)だけ基本モードのビーム半径より大きく、ここで、ｍ＝１は第１のより高い高次モードであり、ｍ＝２は第２のより高い高次モードであり、後同様である。従って、あるより高い高次モード（ｍ＞１）を抑制するために、寄生モード抑制体のサイズは、基本モード（ｍ＝０）ではなくより高い高次モードのビーム半径を妨げるべく十分大きいように選択されるべきである。
一又は複数の実施形態によれば、寄生モード抑制体は、図5Cの断面図に示されているように共振器壁の凸部であってもよい。このような凸部タイプの寄生モード抑制体509 は、共振器壁500 の内面500aの一部として形成されてもよい。凸部タイプの寄生モード抑制体509 が電極、例えば図2Aに示されている長尺状の電極203, 205の表面の一部として直接形成されている実施形態では、電気的な短絡が電極間で生じるのを防ぐために、隔離距離D2によって、凸部タイプの寄生モード抑制体509 が共振器壁502 の対向する表面502aから隔てられてもよい。更に、図5Dに示されているように、電気絶縁材料の層511 が、凸部タイプの寄生モード抑制体509 と対向する表面502aとの間に設けられてもよい。他の実施形態では、図5Eに示されているように、電気絶縁材料の層513 が、対向する壁の凹部515 内に部分的に挿入されてもよい。
ガス放電レーザでは、図5C〜5Eに示されているような凸部タイプの寄生モード抑制体509 が、隔離距離D2がある値より小さい場合に好ましくないガス放電を抑制すべく更に機能してもよい。放電を抑制するために必要な最大の隔離距離D2は、レーザ媒質の励起によって決まる。図13に示されているパッシェン曲線を参照すると、最大の隔離距離D2は、パッシェン曲線の最小値の左側で生じる値として理解でき、パッシェン曲線の最小値より上で、破壊電圧が共振器の構造で利用可能な励起電圧を超過する。最大の隔離距離D2は、ガスプラズマ放電を囲むイオン鞘の組み合わされた厚さが隔離距離D2以上である距離として更に理解され得る。一又は複数の実施形態によれば、イオン鞘の厚さはレーザ媒質の励起周波数によって決まる。81 MHzの励起周波数では、0.3 mmの最大の隔離距離が典型的である。
上記の記載を考慮すると、図5A〜5Bを参照して上記に記載されているように、凸部タイプの寄生モード抑制体509 はレーザ効率を高め得る。更に、図5A〜5Cを参照して上記に更に記載されているように、ビーム品質の向上は、共振器壁と平行な横断方向でのより高い高次モードを抑制することにより達成されてもよい。更に、ガス放電レーザでは、凸部タイプの寄生モード抑制体509 を使用して、余分な領域の利得を減少させながら、絶縁破壊を高めるために高い電場の領域を導入することによりレーザ媒質の生成を容易にしてもよい。例えば、高い電場の領域が、寄生モード抑制体のあらゆる鋭い先端又は縁部の周りに、例えば90度の縁部又は角の近くに生じてもよい。高い電場のこれらの領域は、実質的に平面の共振器壁によって生成される電場の領域よりはるかに強力な電場の領域を生成することができ、それによって高い電場の領域を囲むエリア、つまり領域における絶縁破壊を高める。そのため、高められた絶縁破壊は、特にエネルギー抽出及び／又はレーザ性能を高める効果を奏し得る。
更に、エネルギー供給回路が２つの共振器壁間の接触によって破壊されないシステムでは、凸部タイプの寄生モード抑制体が第１及び第２の共振器壁間の間隔に完全に跨ってもよい。更に、凸部タイプ及び／又は凹部タイプの寄生モード抑制体が、第１及び第２の長尺状の平面電極203, 205間に所望のキャパシタンスを達成するような形状を有してもよい。例えば、寄生モード抑制体のキャパシタンスは、断面積Ａ又は間隙ｄを変えることにより調整されてもよく、この場合、キャパシタンスがＣ＝εr ε0 Ａ／ｄによって与えられ、ここでεr は間隙の比誘電率であり、ε0 は自由空間の誘電率であり、Ａは対向する共振器壁から距離ｄ離れた凸部の表面積である。このために、例えば図5D〜5Eに夫々示されているような層511 の電気絶縁材料又は層513 の電気絶縁材料は、余分な領域内の長尺状の平面電極間の間隙の誘電率を調整すべく使用される誘電体材料であってもよい。
図6A〜6Gは、一又は複数の実施形態に係る寄生モード抑制体を示す。寄生モード抑制体601 は、共振器壁603, 605とは別個の要素として示されているように、共振器壁603, 605の表面603a, 605aとは別個に形成され、その後これらの表面間に配置される挿入体609 であってもよく、挿入体タイプの寄生モード抑制体601 は、あらゆる適切な材料から形成されてもよいことが有利である。電気絶縁を必要とする挿入体の材料を選択するために、例えば挿入体を形成すべく金属を使用する場合、隔離距離D2によって、挿入体タイプの寄生モード抑制体601 が対向する共振器、例えば図6Aに示されている壁603aから隔離されてもよい。更に、図5A〜5Eを参照して上記に記載されている隔離距離と同様に、挿入体タイプの寄生モード抑制体601 の壁601aと対向する共振器壁の表面603aとの隔離距離D2がガス放電を抑制すべく選択されてもよく、それによって共振器の寄生モード及びより高い高次モードが抑制される。更に、必要に応じて隔離距離D2の間隙を使用して電極間のキャパシタンスを調整してもよい。更に、必要に応じて寄生モード抑制体の形状を使用してより高い電場の領域を導入してもよい。更に、図6Bに示されているように、電気絶縁材料602 が、図6Bに示されているような挿入体タイプの寄生モード抑制体の上面601aと対向する共振器壁603aとの間に設けられてもよい。同様に、電気絶縁材料602 は、本開示の範囲から逸脱することなく、挿入体タイプの寄生モード抑制体の下面601bと対向する共振器壁605aとの間に設けられてもよい。更に、壁間の電気絶縁が必要ではない場合、又は壁間の電気絶縁が必要であっても、挿入体自体が全体的に絶縁材料から形成されている場合、図6Cに示されているように、挿入体タイプの寄生モード抑制体601 は共振器603 の壁603a及び共振器605 の壁605a間の間隙全体に跨ってもよい。
図6D〜6Gは、挿入体タイプの寄生モード抑制体の他の実施形態を示す。これらの実施形態では、寄生モード抑制体は、別々に形成されて一又は複数の共振器壁の一又は複数の凹部607 に挿入される挿入体609 であってもよい。図6A〜6Cを参照して上記に記載されているように、挿入体の材料が電気絶縁を必要とする場合、例えば挿入体を形成すべく金属を使用する場合、隔離距離D2によって、挿入体タイプの寄生モード抑制体609 が対向する共振器壁、例えば図6Dに示されている壁603aから隔離されてもよい。更に、図6Eに示されているように、電気絶縁材料602 が、挿入体タイプの寄生モード抑制体の上面609aと対向する共振器壁603 の表面603aとの間に設けられてもよい。
同様に、電気絶縁材料602 が、挿入体タイプの寄生モード抑制体の下面609bと対向する共振器壁603 の表面603bとの間に設けられてもよい。同様に、図6Fに示されているように、電気絶縁材料602 が、挿入体タイプの寄生モード抑制体の上面（又は下面）609aと共振器壁の凹部、例えば共振器壁の表面603aの凹部615 の内部との間に設けられてもよい。更に、壁間の電気絶縁が必要ではない場合、又は壁間の電気絶縁が必要であっても、挿入体自体が全体的に絶縁材料から形成されている場合、図6Gに示されているように、挿入体タイプの寄生モード抑制体609 は共振器603 の壁603a及び共振器605 の壁605a間の間隙全体に跨ってもよく、共振器の壁603a及び壁605a内に夫々形成された凹部607, 615内に嵌合してもよい。
図7Aは、共振器700 に設けられた凹部内に配置されている壁701a, 701bから形成された中空の寄生モード抑制体701 を示す平面図である。図7Bは、同一の中空の寄生モード抑制体701 の断面図を示す。上記に記載されている実施形態と同様に、ガス放電レーザでは、凹部702 の深さD1は余分な領域内のガス放電を実質的に減らすか又は除去するように選択されてもよい。更に、図6A〜6Eを参照して上記に記載されているものと同様に、共振器壁703a, 705aが互いに絶縁される電気絶縁を必要とする場合、例えば挿入体の壁701a, 701bを形成すべく金属を使用する場合、隔離距離D2によって、挿入体タイプの寄生モード抑制体701 が対向する共振器壁、例えば図7Bに示されている壁703aから隔離されてもよい。更に、壁703a及び壁705a間の電気絶縁が必要ではない場合、又は壁間の電気絶縁が必要であっても、挿入体自体が全体的に絶縁材料から形成されている場合、図7Cに示されているように、挿入体タイプの寄生モード抑制体701 は壁703a及び壁705a間の間隙全体に跨ってもよく、及び／又は共振器壁705, 703内に夫々形成された凹部702, 707内に嵌合してもよい。
図8A〜8Bは、凸部タイプ又は挿入体タイプの寄生モード抑制体の平面図である。図8Aでは、凸部／挿入体タイプの寄生モード抑制体801 が、共振器壁の表面800 から直接形成されてもよく、又は別々に形成されて適切な接着剤を使用して共振器壁の表面800 に付着されてもよい。更に、凸部／挿入体タイプの寄生モード抑制体801 は、図8Bに示されているように付着されるか又は固定具／ピン801bによって配置されてもよい。更に、上記の全ての例では、ガス放電容積内に相対的に長い凸部／挿入体が設けられることにより、放電領域を通る全体的なガスの流れの制限によりレーザ媒質の生成に悪影響を及ぼす場合がある。従って、一又は複数のクロスチャネル805 を凸部／挿入体タイプの寄生モード抑制体801 に含めて、寄生モード抑制体の両側の領域間のガスの流れを可能にしてもよい。一又は複数の実施形態によれば、クロスチャネルはベントとして機能してもよく、更に共振器が使用されるレーザのパルス性能を向上させ得る。
一又は複数の実施形態によれば、図9A〜12I を参照して以下に記載されるように、寄生モード抑制体が、共振器壁の一又は複数の端部から直接形成されてもよく又は端部に付着されてもよく、更に一又は複数の延長部材から直接形成されてもよく又は延長部材に付着されてもよい。本明細書に記載されているように、延長タイプの寄生モード抑制体という用語は、共振器壁の一又は複数の端部から直接形成されているか又は端部に付着されている寄生モード抑制体、及び共振器壁の長手方向端部の近く又は長手方向端部に配置されている一又は複数の延長部材から直接形成されているか又は延長部材に付着されている寄生モード抑制体の両方を含んでいる。更に、以下に記載される実施形態では、共振器壁及び／又は延長部材の表面は導波管の壁を構成してもよいし構成しなくてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、寄生モード抑制体は、あらゆる反射材料、光吸収材料及び／又は光散乱材料から形成されてもよい。寄生モード抑制体は、アルミニウムのような金属材料、アルミナのようなセラミック材料、又はこれらのあらゆる組合せから形成されてもよい。更に、金属の寄生モード抑制体は陽極酸化処理されてもよく、陽極酸化処理されなくてもよい。一又は複数の実施形態によれば、反射材料から形成された寄生モード抑制体が、光を寄生発振を避けて反射するような形状を有してもよい。一般に、寄生モード抑制体に使用される一又は複数の材料は、適切なレーザ動作に干渉することなく、寄生モードに寄与する可能性のある光を吸収するか、散乱するか又はそらしてもよい。
図9A〜9Cは、本発明の一又は複数の実施形態に係る延長タイプの寄生モード抑制体を示す。寄生モード抑制体901a及び／又は寄生モード抑制体901bは、図2Aに示されているように、一対の延長部材、例えば一対の延長部材227, 229又は一対の延長部材231, 233内のレーザ利得媒質の外側に取り付けられてもよい。更に、これらの延長タイプの寄生モード抑制体は、図4Bに示されている寄生モード抑制体413b, 413cと同様に配置されてもよく、図4Cに示されている寄生モード抑制体423b及び図4Dに示されている寄生モード抑制体423 と同様に配置されてもよい。例えば、以下に記載される図10A 〜12I では、延長タイプの寄生モード抑制体は、長尺状の共振器壁の長手方向端部と、図2A〜4Dを参照して上記に記載されているマルチ折り曲げミラーのいずれかに相当してもよいミラー1001との間に配置されている。従って、これらの延長タイプの寄生モード抑制体は別々に使用されてもよく、又は、レーザ利得媒質内に配置された寄生モード抑制体、例えば図5A〜8Bを参照して上記に記載された寄生モード抑制体と組み合わせて使用されてもよい。更に、以下の実施形態では、一対の共振器壁及び／又は一対の延長部材の表面が更に設けられてもよい。これらの共振器壁及び／又は延長部材の表面は、横断方向における導波管の壁として機能してもよいし機能しなくてもよい。
図9A〜9Cに戻って、一又は複数の実施形態によれば、延長タイプの寄生モード抑制体901a及び／又は寄生モード抑制体901bは、寄生モード抑制体が設けられるあらゆる部分から直接形成されてもよい。例えば、図9Aに示されているように、延長タイプの寄生モード抑制体901aが同一の構造体から形成されてもよく、つまりＬ字形の延長部材903 の一体化された部分であってもよい。しかしながら、本発明の一又は複数の実施形態はＬ字形の延長部材に限定されず、あらゆる適切な形状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。更に、図9Aに示されているように、延長タイプの寄生モード抑制体901aは、延長部材903, 905の２つの対向する延長面903a, 905a間の間隙907 に亘って夫々延びてもよい。更に、一又は複数の実施形態によれば、延長タイプの寄生モード抑制体901aは、凹部、つまり延長面905a内に形成されたノッチ905b内に嵌合してもよい。更に、延長タイプの寄生モード抑制体901aは三角形の断面を有してもよく、従ってノッチ905bは同様の三角形のノッチであってもよい。しかしながら、延長タイプの寄生モード抑制体は、本開示の範囲から逸脱することなく、あらゆる断面形状及び長さを有してもよい。例えば、図9Cは、２つの延長面903a, 905a間に部分的にのみ延びている長さの寄生モード抑制体を示す。
或いは、一又は複数の実施形態によれば、延長タイプの寄生モード抑制体は、図9Bに示されているように挿入体901bとして別々に形成されて、その後固定具906 を用いて延長部材905 に付着されてもよく、又は接着剤、結合又は摩擦によって所定の位置に保持されてもよい。更に、図9A〜9Cは延長面の外部領域に配置された延長タイプの寄生モード抑制体を示しているが、延長タイプの寄生モード抑制体は、本開示の範囲から逸脱することなく、延長面のあらゆる領域に配置されてもよい。
図10A 〜10D は、延長タイプの寄生モード抑制体が取り付けられた延長部材を示す。夫々の例では、寄生モード抑制体1007を収容する延長部材1004, 1006が、長尺状の共振器壁1003, 1005の長手方向端部とミラー1001との間に配置されている。図10A に示されているように、延長部材1004, 1006は、延長部材1004, 1006に直接付着され得る少なくとも１つの寄生モード抑制体1007を有している。延長部材1004, 1006自体は、共振器壁1003, 1005の端部に直接固定されている。図10A に示されている例では寄生モード抑制体1007が、延長部材1004, 1006間に固定されてもよい別個の挿入体として示されているが、寄生モード抑制体1007は、代わりに図9Aに示されているように延長部材として同一の構造体から直接形成されてもよい。共振器がガス放電レーザ共振器の一部である実施形態に関して、ある実施形態では導電性の共振器壁1003, 1005が使用されてもよい。これらの場合には、延長部材1004, 1006が非導電性材料から形成されている場合、延長部材1004及び延長部材1006間のガス放電が抑制されてもよい。非導電性の共振器壁1003, 1005では、延長部材1004, 1006は非導電性材料又は導電性材料から形成されてもよい。
一又は複数の実施形態によれば、ガス放電レーザは電極の形態で導電性の共振器壁を有してもよい。従って、図10B 〜10D は、延長部材1004, 1006を電極から電気的に絶縁する課題に対処する例示的な実施形態を示す。図10B に示されている実施形態では、延長部材1004, 1006は、共振器壁1003, 1005の端部から距離D5の間隔をあけて夫々設けられている。更に、距離D5の間隙は電気絶縁材料層1009で充填されてもよい。既に記載されているように、少なくとも１つの寄生モード抑制体1007は延長部材1004及び延長部材1006間の間隙内に配置されてもよい。距離D5は、共振器壁1003, 1005の端部と延長部材1004, 1006との間に放電が生じることを防ぐように選択されてもよい。或いは、図10C 及び図10D に示されているように、延長部材1004, 1006は、ハウジング1008の一部から形成されて、共振器壁1003, 1005の端部から距離D5離れて保持されてもよい。従って、延長部材1004, 1006の電気絶縁が維持されてもよい。既に記載されているように、距離D5は放電を防ぐべく選択されてもよい。図10F は、延長部材1004, 1006がミラー取付部1010の一部から形成されて、共振器壁1003, 1005の端部から距離D5離れて保持されてもよい別の実施形態を示す。
図10E は、１つの共振器壁が接地された電極であるシステムの場合に用いられてもよい一実施形態を示す。この実施形態では、励起される共振器壁1003に付着された電気絶縁された延長部材1004、及び接地された共振器壁1005に直接付着された絶縁されない延長部材1006のあらゆる組合せが使用されてもよい。既に記載されているように、少なくとも１つの寄生モード抑制体1007は延長部材1004及び延長部材1006間の間隙内に配置されてもよい。
一又は複数の実施形態によれば、図面に示されている間隙は、電極又は延長部材の配置を制限することを意図しておらず、単なる例示として示されている。実際、延長部材1004及び延長部材1006間の間隔D3は、共振器壁1003及び共振器壁1005間の間隔D4より小さくてもよく、大きくてもよく、等しくてもよい。
図10G 〜10J は、固体状のレーザ媒質と共に使用するために用いられてもよい延長部材を示す。図10G に示されているように、延長部材1004, 1006は、少なくとも１つの寄生モード抑制体1007を有してもよく、固体状のレーザ媒質1011の長手方向端部から延びてもよい。一又は複数の実施形態によれば、延長部材1004, 1006は、固体状のレーザ媒質を密閉するハウジング、又は固体状のレーザ媒質1011の端部1011a によって支持されてもよい。例えば、図10I は、固体状のレーザ媒質1011を囲むハウジング1008によって支持されている寄生モード抑制体1007を示す。更に図10J は、固体結晶の一部として形成されている利得媒質部分並びに前方及び後方の延長部分を有する固体結晶が設けられている別の実施形態を示す。利得媒質部分は、例えばフラッシュランプ又はレーザダイオードを介した光ポンピングによって励起される固体結晶の唯一の部分である。そのため、寄生モード抑制体は、固体結晶の励起されない部分に埋め込まれているか、又は励起されない部分に付着されている。或いは、図10H に示されているように、固体状の材料1012の励起されない部分が、固体状のレーザ媒質1011の長手方向端部1011a に接してもよい。固体状の材料1012の励起されない部分自体は、少なくとも１つの寄生モード抑制体1007に接してもよく、又は含んでもよく、それによってモードを抑制する延長部分が形成される。例えば、励起されない延長部分は、隣接した非レーザ材料又は励起されない固体状の材料の部分を含んでもよく、従って利得媒質部分を構成しない。
図11A 〜11E は、一又は複数の実施形態に係る、共振器の表面の端部に取り付けられた寄生モード抑制体を示す。図11A は、共振器壁1103, 1105の長手方向端部内に夫々形成されているシェルフ1103a, 1105aの形態の延長面を示す。一又は複数の実施形態によれば、共振器壁1103, 1105は、図2Aを参照して上記に記載されている壁と同様の長尺状の平面電極の壁であってもよく、或いは図2Bに示されている壁と同様の端部が開口したセラミックの共振器空洞の内壁であってもよい。いずれの場合も、図11A に示されているように、シェルフ1103a, 1105aの内の少なくとも１つに、少なくとも１つの寄生モード抑制体1107が付着されている。一又は複数の実施形態によれば、シェルフ1103a, 1105aは、共振器壁1103, 1105の端部に直接形成されてもよい。ガス放電レーザの実施形態では、シェルフ1103a, 1105aは、シェルフ1103a, 1105a間の距離D6がガス放電を抑制すべく十分大きいような深さを有するように形成されてもよい。例えば、図４及び13を参照して上記に記載されているように、共振器壁間の２mmの間隙に関する励起準位では、距離D6として４mmが選択されてもよい。モード抑制体は、固定具、接着剤又は摩擦を用いて付着されてもよく、或いは延長面の一体化された部分であってもよく、又は延長面に結合されてもよい。或いは、放電が生じないことを必要としない場合、シェルフの延長面は、図11B に示されているように、突出しているシェルフ1103b, 1105bの形態を有してもよく、これらのシェルフの内の少なくとも１つに少なくとも1つの寄生モード抑制体1107が付着されている。
図11A 〜11B に示されているように、寄生モード抑制体1107と対向するシェルフとの電気絶縁が望まれている場合、距離D2によって、寄生モード抑制体1107の上面が対向するシェルフから隔離されてもよい。しかしながら、共振器壁間の電気絶縁が必要ではない場合、寄生モード抑制体1107は、シェルフ間の距離D6を完全に跨ってもよい。
図11C 〜11D は、一又は複数の実施形態に係る非導電性の共振器壁の形態のモードを抑制する延長面に関する配置を示す。図11C 及び図11D の両方で、非導電性の共振器壁1103, 1105は、電極1102, 1104の内面に夫々取り付けられている。図11C では、非導電性の共振器壁1103, 1105は夫々、電極1102, 1104の長手方向端部を越えて延びており、一対の延長面1103a, 1105aを形成する。一又は複数の実施形態によれば、図11D に示されているように、電極1102, 1104の長手方向端部にテーパ部分1102a, 1104aを含めることにより、延長面が配置されてもよい。従って、非導電性の共振器壁1103, 1105は、電極1102, 1104の端部領域のテーパ状の電極の壁と接するように、対応する相補的なテーパ部分の形状を有する。その結果、電極の表面間の間隙が大き過ぎるので、ガス放電が生じない共振器壁1103, 1105の領域がある。これらの実施形態では、寄生モード抑制体1107は、テーパ状の非導電性の共振器壁1103, 1105の端部の近くに取り付けられてもよい。従って、この例では、非導電性の共振器壁1103, 1105のテーパ状の領域は、少なくとも1つの寄生モード抑制体1107を収容するための非導電性の延長面を効果的に形成する。図11F に示されている別の実施形態では、寄生モード抑制体1107は、図11D に示されているような追加の非導電性の層を必要とすることなく、電極1102, 1104のテーパ状の端部の表面の内の１つ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、寄生モード抑制体が、図11E に示されているように、固体状の利得媒質と共に使用されてもよい。例えば、この場合、寄生モード抑制体1111は、固体状の利得媒質1109の端面1109b に取り付けられている。一又は複数の実施形態によれば、寄生モード抑制体1111は、図11G 及び図11H の平面図に示されているように、固体状の材料に埋め込まれてもよく、又は外側の端面1109b に配置されてもよい。図11G に示されている平面図では、寄生モード抑制体1111は、固体状の利得媒質1109の端部に埋め込まれている三角形の構造体である。上記に記載されているように、他の実施形態を参照すると、この埋め込まれた構造体は利得媒質自体に形成された凹部であってもよい。図11H では、寄生モード抑制体1111は利得媒質自体の非伝送領域から形成されており、このような領域は、例えば利得媒質1109のその部分をブリーチすることによって形成されてもよい。
図12A 〜12F は、一又は複数の実施形態に係るモードを抑制するモード抑制遮蔽体を示す。例えば、図12A 〜12B は、ミラー1001の近くに配置され、ハウジング1204によって支持されているか又はハウジング1204の一体化された部分であるモード抑制遮蔽体1201を示す。図12C 〜12D は、ミラー1001の近くに配置され、ミラー取付部1208によって支持されているか又はミラー取付部1208の一体化された部分であるモード抑制遮蔽体1201を示す。いずれの場合も、少なくとも１つの寄生モード抑制体1207はモード抑制遮蔽体1201の内縁部から延びており、それによって、所望のレーザ発振の伝送を可能にするための一又は複数の開口が形成される。例えば、図12E 〜12F は、円形のミラー1001の前に配置された、２つの異なるタイプのモード抑制遮蔽体1201のレーザビームの経路に沿った図を示す。モード抑制遮蔽体1201は、(図12E 及び図12F に点線の楕円及び円によって夫々表されている）所望のレーザ発振に相当するレーザビームを伝送するための開口1201a, 1201bを有している。例えば、開口1201a, 1201bの位置は、図4Cに示されているように、反射ミラー411 の外側部分411a, 411bに相当してもよい。同様に、寄生モード抑制体1207は、一又は複数の寄生モードの発生及び伝搬を阻止するようにミラー1001の一又は複数の部分の前に配置されてもよい。言い換えれば、寄生モード抑制体1207はミラー1001の一又は複数の部分の前に配置される一方、モード抑制遮蔽体1201の一部が、例えば図4A〜4Cを参照して上記に記載されているように一又は複数の余分な領域に設けられている。更に、寄生モード抑制体1207はモード抑制遮蔽体1201と一体化されているように図12E 〜12F に示されているが、他の構造配置が、本開示の範囲から逸脱することなく可能である。例えば、寄生モード抑制体1207は、モード抑制遮蔽体1201とは異なる材料から形成され、その後適切な接着剤及び／又は固定具を使用して遮蔽体に付着された別個の構造であってもよい。
更に、モード抑制遮蔽体1201は、図12G に示されているように、共振器壁の内の１つ、例えば共振器壁1205によって支持されてもよい。図12H は、モード抑制遮蔽体1201と共振器壁1203, 1205との間に配置されている電気絶縁材料の層1209が設けられている別の実施形態を示す。この実施形態では、延長部材1202a, 1202bが設けられており、従って、図9A〜12F を参照して上記に記載された延長部材の利点、及び上記に記載されているモード抑制遮蔽体の利点の両方がある。
図12I は、固体状の利得媒質1211と組み合わせて使用されるモード抑制遮蔽体1201の実施形態を示す。この固体状の利得媒質の実施形態では、モード抑制遮蔽体1201は、固体状の利得媒質1211の端部1211a の近くに設けられてもよい。モード抑制遮蔽体1201自体は、固体状の利得媒質1211の端部1211a によって支持されている。更に、レーザハウジング及び／又はミラー取付部に取り付けられているか、又はレーザハウジング及び／又はミラー取付部の一体化された部分である上記に記載されたモード抑制遮蔽体1201の内のいずれかは、本開示の範囲から逸脱することなく、固体状の利得媒質と組み合わせて使用されてもよい。
上記の全ての例では、寄生モード抑制体の形状、遮蔽部材の形状及びあらゆる開口の形状は、単に例示のために示されており、従って、これらの構造は、本開示の範囲から逸脱することなくあらゆる形状（例えば円形、矩形、楕円、三角形など）を有してもよい。更に、上記の寄生モード抑制体の実施形態がガス放電レーザ及び固体レーザに使用される安定型共振器に関連して示されているが、本明細書に開示されている寄生モード抑制体は、本開示の範囲から逸脱することなく、非安定型共振器を含むあらゆるレーザ共振器に使用されてもよい。
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理解する。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。
Claims (21)
- レーザのための共振器であって、
第１の共振器壁と、
該第１の共振器壁から横断方向に隔離され、前記第１の共振器壁及び第２の共振器壁間に間隙を定める第２の共振器壁と、
前記間隙に設けられたレーザ媒質と、
前記第１及び第２の共振器壁の第１の端部に配置された第１のミラーと、
前記第１及び第２の共振器壁の第２の端部に配置された第２のミラーと
を備えており、
前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、前記レーザ媒質を通って複数の経路に沿って空洞内レーザビームを折り曲げるべく協働し、
前記複数の経路は、前記共振器内の余分な領域の境界を定め、空洞内レーザビームが前記余分な領域を通過せず、
寄生モード抑制体が、前記共振器の余分な領域内に、前記第１の共振器壁の第１の端部と前記第１のミラーとの間に配置され、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に生じ得る寄生モードを少なくとも部分的に抑制することを特徴とする共振器。 - 前記寄生モード抑制体は、前記第１の共振器壁の第１の端部に設けられた凹状のシェルフの表面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記第１の共振器壁及び前記第２の共振器壁間の領域を越えて前記第１のミラーの方に前記間隙を延ばすように構成されている延長部材を更に備えており、
前記寄生モード抑制体は、前記間隙が延びている領域内の前記延長部材の表面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。 - 前記寄生モード抑制体は、遮蔽部材の表面に取り付けられており、該遮蔽部材は、前記第１のミラーの直近に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、金属材料及びセラミック材料から成る群から選択された材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、寄生モードのビーム経路を少なくとも部分的に阻止することを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記レーザ媒質は、ガスプラズマ放電媒質であることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記レーザ媒質は、一対の電極によって励起され、
該一対の電極の表面が前記第１の共振器壁及び前記第２の共振器壁を形成していることを特徴とする請求項７に記載の共振器。 - 前記寄生モード抑制体は、前記第１の共振器壁の第１の端部から形成され突出しているシェルフである延長面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記第１の共振器壁及び前記第２の共振器壁間の領域を越えて前記第１のミラーの方に前記間隙を延ばすように構成されている延長部材の表面に取り付けられており、
前記延長部材は、前記第１の共振器壁の第１の端部と前記第１のミラーとの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。 - 前記寄生モード抑制体は、前記第１のミラーのミラー面の直近に配置されている遮蔽部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記第１及び第２の共振器壁の第１の端部の一対のテーパ状の内面間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記第１及び第２の共振器壁の第１の端部の一対のテーパ状の内面間に配置されており、前記寄生モード抑制体は、前記第１の共振器壁の第１の端部のテーパ状の内面に接する非導電性の共振器壁を介して前記内面に取り付けられていることを特徴とする請求項１２に記載の共振器。
- レーザのための共振器であって、
厚さを有するレーザ媒質と、
該レーザ媒質の第１の端部に配置された第１のミラーと、
前記レーザ媒質の第２の端部に配置された第２のミラーと
を備えており、
前記第１のミラー及び前記第２のミラーは、前記レーザ媒質を通って複数の経路に沿って空洞内レーザビームを折り曲げるべく協働し、
前記複数の経路は、前記共振器内に余分な領域の境界を定め、空洞内レーザビームが前記余分な領域を通過せず、
寄生モード抑制体が、前記共振器の余分な領域内に配置され、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に生じ得る寄生モードを少なくとも部分的に抑制することを特徴とする共振器。 - 前記レーザ媒質は、固体状の材料であることを特徴とする請求項１４に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、固体状の利得媒質の端部内に埋め込まれており、前記固体状の材料内に形成された凹部であることを特徴とする請求項１５に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、固体状の利得媒質の端部内に埋め込まれており、前記固体状の材料内の非伝送領域から形成された凹部であることを特徴とする請求項１５に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記固体状の材料の端面に取り付けられていることを特徴とする請求項１５に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記レーザ媒質の第１の端部から前記第１のミラーの方に延びている延長部材の表面に取り付けられていることを特徴とする請求項１４に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、前記第１の共振器壁及び前記第２の共振器壁間の領域を越えて前記第１のミラーの方に前記間隙を延ばすように構成されている延長部材の表面に取り付けられており、該延長部材は、前記レーザ媒質の第１の端部の直近に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
- 前記寄生モード抑制体は、遮蔽部材の表面に取り付けられており、該遮蔽部材は、前記第１のミラーの直近に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の共振器。
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