JP7044954B1 - 発光封体及び光源装置 - Google Patents

Abstract

発光封体は、放電ガスを収容すると共に、第１光が第１光軸に沿って入射する第１開口、及び、第２光が第２光軸に沿って出射する第２開口が形成された筐体と、第１開口を気密に封止する第１窓部と、第２開口を気密に封止する第２窓部と、第１電極及び第２電極と、を備える。筐体は、第１光及び第２光を透過させない遮光性材料により形成されている。筐体、第１窓部及び第２窓部によって内部空間が画定されており、内部空間は、放電ガスによって満たされている。第１開口及び第２開口は、第１光軸と第２光軸とが互いに交わるように配置されている。

Description

本開示の一側面は、発光封体及び光源装置に関する。

放電ガス中に発生したプラズマがレーザ光の照射により維持され、プラズマからの光が出力光として出力される光源として、レーザ励起光源がある。特許文献１に記載されたレーザ励起光源は、放電ガスを収容する第１容器と、第１容器を収容する第２容器と、を備えている。第２容器には、レーザ光が透過する光透過窓と、出力光が透過する光透過窓とが設けられている。

米国特許第９８１４１２６号

上述したレーザ励起光源では、レーザ光及び出力光が光透過窓及び第１容器を透過する際に、光の損失が発生する。そのため、高効率化及び高出力化の観点において改善の余地がある。

本開示の一側面は、高効率化及び高出力化を図ることができる発光封体及び光源装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る発光封体は、放電ガスを収容すると共に、放電ガス中に発生したプラズマを維持するためのレーザ光である第１光が第１光軸に沿って入射する第１開口、及び、プラズマからの光である第２光が第２光軸に沿って出射する第２開口が形成された筐体と、第１開口を気密に封止し、第１光を透過させる第１窓部と、第２開口を気密に封止し、第２光を透過させる第２窓部と、第１光軸と第２光軸との交点を挟んで互いに向かい合う第１電極及び第２電極と、を備え、筐体は、第１光及び第２光を透過させない遮光性材料により形成されており、筐体、第１窓部及び第２窓部によって内部空間が画定されており、内部空間は、放電ガスによって満たされており、第１開口及び第２開口は、第１光軸と第２光軸とが互いに交わるように配置されている。

この発光封体では、第１光軸と第２光軸との交点を挟んで互いに向かい合う第１電極及び第２電極が設けられている。これにより、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することで、第１電極と第２電極との間にプラズマを発生させることができる。筐体が、第１光及び第２光を透過させない遮光性材料により形成されている。筐体、第１窓部及び第２窓部によって内部空間が画定されており、内部空間が放電ガスによって満たされている。これにより、第１光及び第２光が第１窓部及び第２窓部以外の部材を透過しないため、光の損失を低減することができる。その結果、高効率化及び高出力化を図ることができる。

第１窓部は、第１光を透過させる第１窓部材を有し、第２窓部は、第２光を透過させる第２窓部材を有していてもよい。この場合、第1窓部及び第２窓部に対して望まれる特性に応じた窓部材を設けることができる。

第１窓部材及び第２窓部材は、互いに同じ材料により形成されていてもよいし、互いに異なる材料により形成されていてもよい。この場合、所望の波長域に応じて、最適な材料を選択することができる。

第１窓部材及び第２窓部材の各々は、平板状に形成されていてもよい。この場合、非点収差を抑制することができる。

第１窓部材及び第２窓部材の各々は、ダイヤモンド、サファイア、石英、コバールガラス及びフッ化マグネシウムの少なくとも１つを含む材料により形成されていてもよい。この場合、例えば赤外領域のような波長の長い光が第１窓部材及び第２窓部材を透過することができる。

第１窓部は、筐体に気密に固定された第１枠部材を更に有し、第２窓部は、筐体に気密に固定された第２枠部材を更に有し、第１窓部材は、第１接合材により、第１枠部材に気密に接合されており、第２窓部材は、第２接合材により、第２枠部材に気密に接合されていてもよい。この場合、第１窓部材を第１枠部材に良好に接合することができると共に、第２窓部材を第２枠部材に良好に接合することができる。

第１接合材及び第２接合材の各々は、金属ロウ材であってもよく、より好ましくはチタンがドープされた銀ロウであってもよい。この場合、プラズマにより内部空間の温度が高温になった発光封体においても、確実に気密を保つことができる。

筐体は、金属材料により形成されていてもよい。この場合、放電ガスの封入圧力を一層高めることができる。また、機械加工により筐体を形成することができるため、製造公差を低減して製造精度を向上することができる。筐体は、絶縁性材料により形成されていてもよい。この場合、筐体に保持される構成同士を、容易に電気的に分離することができる。

第１電極は、絶縁部材を介して筐体に固定され、筐体から電気的に分離されていてもよい。この場合、第１電極に筐体の電位とは独立した電圧を印加することができる。

第１電極は、所定方向に沿って延在しており、所定方向における第１電極の一部である第１部分と、第１部分よりも第２電極の近くに位置する第２部分と、を有し、絶縁部材は、第１部分を保持し、所定方向に垂直な平面に沿って延在する表面を有する本体部と、本体部の表面から延在し、第２部分を囲む筒状部と、を有していてもよい。この場合、筒状部により、第２部分における耐電圧能を向上し、第１電極と筐体との間の放電を抑制することができる。

本体部の表面は、粗面化されていてもよい。この場合、本体部の表面部における耐電圧能を向上することができる。

本体部の表面には、第１電極及び筒状部の各々から離間するように凹部が形成されていてもよい。この場合、意図しない放電の発生を効果的に抑制することができる。

本体部の表面には、第１電極に接触する一方で筒状部から離間するように凹部が形成されていてもよい。この場合、意図しない放電の発生を効果的に抑制することができる。

第１電極は、所定方向に沿って延在しており、絶縁部材は、所定方向における第１電極の一部を囲む被覆部を有していてもよい。この場合、被覆部により、第１電極と筐体との間の放電を抑制することができる。

被覆部は、第２電極に近づくにつれて厚さが薄くなる形状を有していてもよい。この場合、第１電極から絶縁部材にかけての電界を滑らかに形成することができ、電界の乱れに起因する放電を抑制することができる。

被覆部の外周面は、粗面化されていてもよい。この場合、被覆部の耐電圧能が向上し、被覆部での沿面放電を抑制することができる。

第２電極は、筐体に電気的に接続されていてもよい。この場合、筐体との接続によって第２電極を接地電位とすることができ、接地電位とするための配線を省略することができる。

第１電極は、第１絶縁部材を介して筐体に固定され、筐体から電気的に分離されており、第２電極は、第２絶縁部材を介して筐体に固定され、筐体から電気的に分離されていてもよい。この場合、第１電極及び第２電極に個別に電圧を印加することができる。

本開示の一側面に係る光源装置は、上記発光封体と、第１光を第１光軸に沿って第１開口に入射させる光導入部と、を備える。この光源装置によれば、上述した理由により、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。

本開示の一側面によれば、高効率化及び高出力化を図ることができる発光封体及び光源装置を提供することが可能となる。

図１は、実施形態に係るレーザ励起光源の断面図である。 図２は、図１のII－II線に沿っての断面図である。 図３は、実施形態に係る発光封体の斜視図である。 図４は、図３のIV－IV線に沿っての断面図である。 図５は、図３のV－V線に沿っての断面図である。 図６（ａ）は、図５の一部拡大図である。図６（ｂ）は、第１変形例の一部拡大図である。 図７（ａ）は、図６（ａ）の構成において生じる電界分布の例を示す図である。図７（ｂ）は、図６（ｂ）の構成において生じる電界分布の例を示す図である。 図８（ａ）は、第２変形例の一部拡大図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の構成において生じる電界分布の例を示す図である。 図９（ａ）は、第３変形例の一部拡大図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の構成において生じる電界分布の例を示す図である。 図１０は、第４変形例の断面図である。 図１１は、第５変形例の断面図である。 図１２は、第６変形例の断面図である。 図１３は、第７変形例の断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［レーザ励起光源の構成］

図１～図５に示されるように、レーザ励起光源（光源装置）１は、発光封体２と、レーザ光源３と、ミラー４と、光学系５と、ケース（ランプハウス）６と、を備えている。発光封体２、レーザ光源３、ミラー４及び光学系５は、ケース６内に収容されている。発光封体２には、放電ガスＧ１が封入されている。放電ガスＧ１は、例えばキセノンガスである。レーザ励起光源１では、放電ガスＧ１中にプラズマが発生させられる。プラズマを維持するためのレーザ光である第１光Ｌ１が発光封体２に入射し、プラズマからの光である第２光Ｌ２が発光封体２から出力光として出射する。第１光は、例えば８００ｎｍ～１１００ｎｍ程度の波長を有する。第２光Ｌ２は、例えば、中赤外域の光であり、２μｍ～２０μｍ程度の波長を有する。発光封体２の詳細については後述する。

レーザ光源３は、例えばレーザダイオードであり、レーザ光である第１光Ｌ１を出力する。ミラー４は、レーザ光源３からの第１光Ｌ１を光学系５に向けて反射する。光学系５は、一又は複数のレンズを含んで構成されている。光学系５は、ミラー４からの第１光Ｌ１を集光しつつ発光封体２へ導光する。レーザ光源３、ミラー４及び光学系５は、第１光Ｌ１を第１光軸Ａ１に沿って第１開口１１に入射させる光導入部Ｒを構成している。第１開口１１及び第１光軸Ａ１については後述する。

ケース６は、本体部６１と、蓋部材６２と、を有している。本体部６１内には、収容空間Ｓ１が形成されており、収容空間Ｓ１内には、レーザ光源３、ミラー４及び光学系５が配置されている。本体部６１には凹部６１ａが形成されており、凹部６１ａの開口部が蓋部材６２によって塞がれることにより、収容空間Ｓ２が形成されている。収容空間Ｓ２内には、発光封体２が配置されている。本体部６１は、凹部６１ａを画定する一対の壁部６１１を有しており、各壁部６１１には、発光封体２から出射した第２光Ｌ２が通る開口６１１ａが形成されている。第２光Ｌ２は、開口６１１ａを通って外部に出射される。

本体部６１は、収容空間Ｓ１と凹部６１ａとの間を仕切る壁部６１２を有しており、壁部６１２によって、収容空間Ｓ１と収容空間Ｓ２とが仕切られている。また、壁部６１２には、開口６１２ａが形成されている。開口６１２ａ内には光学系５の一部が配置されており、第１光Ｌ１は開口６１２ａを通って発光封体２に入射する。

蓋部材６２内には、流路６３が形成されている。流路６３には、気体Ｇ２が流される。気体Ｇ２は、例えば、窒素等の不活性ガスである。流路６３は、開口６３ａを介して外部に接続されており、流路６３には、外部の気体供給装置（図示省略）から開口６３ａを介して気体Ｇ２が供給される。流路６３は、開口６３ｂを介して本体部６１の収容空間Ｓ２に接続されており、気体Ｇ２は、流路６３から開口６３ｂを介して収容空間Ｓ２に流入する。

気体Ｇ２は、本体部６１の壁部６１１，６１２と発光封体２との間、及び／又は、蓋部材６２と発光封体２との間を通り、通気口６１３ａから外部に排出される。通気口６１３ａは、収容空間Ｓ２に連通するように本体部６１の壁部６１３に形成された貫通孔である。壁部６１３は、一対の壁部６１１との境界部にそれぞれ形成された一対のテーパ面６１３ｂを有している。一対のテーパ面６１３ｂは、通気口６１３ａに近づくほど互いに近づくように傾斜している。各テーパ面６１３ｂは、通気口６１３ａに接続されている。テーパ面６１３ｂは、気体Ｇ２を通気口６１３ａに向けて案内する。本体部６１の壁部６１２には貫通孔６１２ｂが形成されており、流路６３から収容空間Ｓ２に流入した気体Ｇ２の一部は、貫通孔６１２ｂを通って収容空間Ｓ１に流入する。
［発光封体の構成］

発光封体２は、筐体１０と、第１窓部２０と、２つの第２窓部３０と、第１電極４０と、第２電極５０と、を備えている。

筐体１０は、金属材料により略箱状に形成され、放電ガスＧ１を収容している。より具体的には、筐体１０内には、密閉された内部空間Ｓ３が形成されており、内部空間Ｓ３が放電ガスＧ１で満たされている。筐体１０を構成する金属材料の例としては、ステンレス鋼が挙げられる。この場合、筐体１０は、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２に対して遮光性を有する。すなわち、筐体１０は、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２を透過させない遮光性材料により形成されている。

筐体１０には、第１開口１１と、２つの第２開口１２と、が形成されている。第１開口１１には、第１光Ｌ１が第１光軸Ａ１に沿って入射する。第１開口１１は、例えば、第１光軸Ａ１に平行な方向（以下、Ｚ軸方向ともいう）から見た場合に、円形状に形成されている。この例では、第１光軸Ａ１は、Ｚ軸方向から見た場合に、第１開口１１の中心を通っている。第１開口１１は、内側部分１１ａと、中間部分１１ｂと、外側部分１１ｃと、を含んでいる。内側部分１１ａは、内部空間Ｓ３に開口している。外側部分１１ｃは、外部に開口している。中間部分１１ｂは、内側部分１１ａ及び外側部分１１ｃに接続されている。内側部分１１ａ、中間部分１１ｂ及び外側部分１１ｃの各々は、例えば円筒形状を有している。中間部分１１ｂの直径（外形）は、内側部分１１ａの直径（外形）よりも大きく、外側部分１１ｃの直径（外形）は、中間部分１１ｂの直径（外形）よりも大きい。外側部分１１ｃには光学系５の一部が配置されている。

各第２開口１２からは、第２光Ｌ２が第２光軸Ａ２に沿って出射する。各第２開口１２は、例えば、第２光軸Ａ２に平行な方向（以下、Ｙ軸方向ともいう）から見た場合に、円形状に形成されている。この例では、第２光軸Ａ２は、Ｙ軸方向から見た場合に、第２開口１２の中心を通っている。各第２開口１２は、内側部分１２ａと、中間部分１２ｂと、外側部分１２ｃと、を含んでいる。内側部分１２ａは、内部空間Ｓ３に開口している。外側部分１２ｃは、外部に開口している。中間部分１２ｂは、内側部分１２ａ及び外側部分１２ｃに接続されている。内側部分１２ａ、中間部分１２ｂ及び外側部分１２ｃの各々は、例えば円筒形状を有している。中間部分１２ｂの直径（外形）は、内側部分１２ａの直径（外形）よりも大きく、外側部分１２ｃの直径（外形）は、中間部分１２ｂの直径（外形）よりも大きい。

第１光軸Ａ１は、内部空間Ｓ３内において第２光軸Ａ２と交わっている。すなわち、第１開口１１及び第２開口１２は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２とが互いに交わるように配置されている。第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃは、内部空間Ｓ３内に位置している。この例では、第１光軸Ａ１は、第２光軸Ａ２と垂直に交わっているが、第１光軸Ａ１は、直角以外の角度で第２光軸Ａ２と交わっていてもよい。第１光軸Ａ１は、第２光軸Ａ２と平行ではない。第１光軸Ａ１は、第２開口１２を通っておらず、第２光軸Ａ２は、第１開口１１を通っていない。

第１窓部２０は、第１開口１１を気密に封止している。第１窓部２０は、第１窓部材２１と、第１枠部材２２と、を有している。第１窓部材２１は、例えば、第１光Ｌ１を透過させる透光性材料により、円形平板状に形成されている。この例では、第１窓部材２１は、サファイアにより形成されており、５μｍ以下の波長の光を透過させる。

第１枠部材２２は、例えば、コバール金属により枠状に形成されている。第１枠部材２２は、全体として略円筒状に形成されている。第１枠部材２２は、円筒状の第１部分２２ａと、第１部分２２ａと一体的に形成された円筒状の第２部分２２ｂと、を有している。第２部分２２ｂの外形は、第１部分２２ａの外形よりも大きい。

第１窓部材２１は、第１部分２２ａ内に配置されている。具体的には、第１部分２２ａの内面と第２部分２２ｂの内面との間の境界部には、内側に向けて突出した円形リング状の突出部２２ｃが形成されており、第１窓部材２１は、突出部２２ｃに接触した状態で、第１部分２２ａ内に配置されている。この状態においては、第１窓部材２１の側面２１ａが、第１部分２２ａの内面に接触している。

第１窓部材２１の側面２１ａは、接合材（第１接合材）２３により、全周にわたって、第１部分２２ａの内面に気密に接合されている。これにより、第１窓部材２１と第１枠部材２２との間が気密に封止されている。接合材２３は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。チタンがドープされた銀ロウとは、例えば銀が７０％、銅が２８％、Ｔｉが２％という組成で構成されたロウ材であり、例えば東京ブレイズ株式会社のＴＢ－６０８Ｔである。

第２部分２２ｂの外面には、外側に向けて突出した円形リング状のフランジ部２２ｄが形成されている。第１枠部材２２は、フランジ部２２ｄが第１開口１１の中間部分１１ｂ内に配置された状態で、筐体１０に固定されている。この状態においては、第１枠部材２２の第１部分２２ａの一部が第１開口１１から突出している。第１窓部材２１は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃと向かい合うように配置されている。この例では、第１窓部材２１の光入射面及び光出射面は、Ｚ軸方向と垂直に延在する平坦面である。

第１枠部材２２は、レーザ溶接により、筐体に気密に固定されている。より具体的には、フランジ部２２ｄと第１開口１１の中間部分１１ｂの内面との間の接触部分に外側からレーザを照射して全周にわたって溶接することにより、第１枠部材２２が筐体１０に気密に接合されている。図４，５では、溶接箇所が符号Ｗで示されている。これにより、第１枠部材２２と筐体１０との間が気密に封止されている。このように、第１窓部材２１は、接合材２３により第１枠部材２２に気密に接合されており、第１枠部材２２を介して筐体１０に気密に固定されている。第１窓部材２１と筐体１０との間に第１枠部材２２が介在していることで、第１窓部材２１と筐体１０との間の熱膨張率の差に起因する不具合を抑制することができる。

各第２窓部３０は、第２開口１２を気密に封止している。各第２窓部３０は、第２窓部材３１と、第２枠部材３２と、を有している。第２窓部材３１は、例えば、第２光Ｌ２を透過させる透光性材料により、円形平板状に形成されている。この例では、第２窓部材３１は、ダイヤモンドにより形成されており、２０μｍ以下の波長の光を透過させる。

第２枠部材３２は、例えば、コバール金属により枠状に形成されている。第２枠部材３２は、全体として略円筒状に形成されている。第２枠部材３２は、円筒状の第１部分３２ａと、第１部分３２ａと一体的に形成された円筒状の第２部分３２ｂと、を有している。第２部分３２ｂの外形は、第１部分３２ａの外形よりも大きい。

第２窓部材３１は、第１部分３２ａ内に配置されている。具体的には、第１部分３２ａは、内部に配置部３２ｃを有しており、第２窓部材３１は、配置部３２ｃ内に配置されている。この状態においては、第２窓部材３１の側面３１ａにおける交点Ｃとは反対側の一部が、第１部分３２ａの内面に接触している。第２枠部材３２内の空間は、配置部３２ｃに接続された中間部分３２ｄと、中間部分３２ｄに接続された外側部分３２ｅと、を更に含んでいる。中間部分３２ｄは、外側に向かうにつれて直径（外形）が大きくなる円錐台形状を有している。外側部分３２ｅは、中間部分３２ｄよりも大きな直径（外形）を有する円筒形状に形成されている。

第２窓部材３１の側面３１ａは、接合材（第２接合材）３３により、全周にわたって、第１部分３２ａの内面に気密に接合されている。これにより、第２窓部材３１と第２枠部材３２との間が気密に封止されている。接合材３３は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。

第２部分３２ｂの外面には、外側に向けて突出した円形リング状のフランジ部３２ｆが形成されている。第２枠部材３２は、フランジ部３２ｆが第２開口１２の中間部分１２ｂ内に配置された状態で、筐体１０に固定されている。この状態においては、第２枠部材３２の第１部分３２ａの一部が第２開口１２から突出している。第２窓部材３１は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃと向かい合うように配置されている。この例では、第２窓部材３１の光入射面及び光出射面は、Ｙ軸方向と垂直に延在する平坦面である。

第２枠部材３２は、レーザ溶接により、筐体に気密に固定されている。より具体的には、フランジ部３２ｆと第２開口１２の中間部分１２ｂの内面との間の接触部分に外側からレーザを照射して全周にわたって溶接することにより、第２枠部材３２が筐体１０に気密に接合されている。これにより、第２枠部材３２と筐体１０との間が気密に封止されている。このように、第２窓部材３１は、接合材３３により第２枠部材３２に気密に接合されており、第２枠部材３２を介して筐体１０に気密に固定されている。第２窓部材３１と筐体１０との間に第２枠部材３２が介在していることで、第２窓部材３１と筐体１０との間の熱膨張率の差に起因する不具合を抑制することができる。

第１電極４０は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の双方に垂直なＸ軸方向（所定方向）に沿って延在している。第１電極４０は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃを挟んで第２電極５０と向かい合っている。Ｘ軸方向において、交点Ｃと第１電極４０の先端との間の距離は、交点Ｃと第２電極５０の先端との間の距離に等しい。第１電極４０は、例えばタングステン等の金属材料により形成されている。第１電極４０は、基端側において第１絶縁部材７を介して筐体１０に固定され、筐体１０から電気的に分離されている。第１電極４０は、全体として略棒状に形成されている。第１電極４０は、基端側の第１支持部（第１部分）４１と、第１支持部４１よりも第２電極５０の近くの先端側に位置する第１放電部（第２部分）４２と、を有している。第１放電部４２は、第１支持部４１よりも小径で、かつ尖頭形状を有している。第１支持部４１と第１放電部４２との間の境界部分には、テーパ部４２ｓが形成されている。テーパ部４２ｓは、第１支持部４１に近づくにつれて径が大きくなるように傾斜した表面を有している。テーパ部４２ｓは、後述する本体部７１の表面７１ａに対して窪みを形成するような位置関係で配置されている。テーパ部４２ｓのこのような配置により、後述するトリプルジャンクションＰにおいて発生した電子Ｅを窪みで捕らえることができる。第１支持部４１は、Ｘ軸方向における第１電極４０の中間部（一部）である。第１支持部４１における第１放電部４２とは反対側の基端側の端部４１ａは、端部４１ａ以外の部分と比べて太く形成されている。第１放電部４２は、棒状に形成され、筐体１０内（すなわち内部空間Ｓ３内）に配置されている。

第１絶縁部材７は、本体部７１と、筒状部７２と、を有している。第１絶縁部材７は、例えばアルミナ（酸化アルミニウム）又はセラミック等の絶縁性材料により形成されている。本体部７１は、例えば円柱状に形成され、第１電極４０の第１支持部４１を保持している。本体部７１は、Ｘ軸方向に垂直な表面７１ａを有している。表面７１ａは、内部空間Ｓ３に露出する表面である。表面７１ａには、Ｘ軸方向に沿って本体部７１を貫通する挿入孔７１ｂが形成されており、第１支持部４１は、挿入孔７１ｂ内に配置され、固定されている。筒状部７２は、本体部７１の表面７１ａからＸ軸方向に沿って延在するように円筒状に形成されており、第１放電部４２における第１支持部４１側（基端側）の一部を囲んでいる。

第１支持部４１の端部４１ａは、接合材４３により、全周にわたって、挿入孔７１ｂの内面に気密に接合されている。これにより、第１電極４０と第１絶縁部材７との間が気密に封止されている。接合材４３は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。

本体部７１の表面７１ａは粗面化されている。本実施形態においては、凹部７３が表面７１ａに形成されていることにより、表面７１ａが粗面化されている。凹部７３は、Ｘ軸方向から見た場合に、第１放電部４２を囲むように円形リング状に延在している。凹部７３は、第１電極４０及び筒状部７２の各々から離間するように配置されている。Ｘ軸方向に平行な断面における凹部７３の形状は、例えば矩形状である。

第１絶縁部材７は、接続部材８を介して筐体１０に気密に固定されている。第１絶縁部材７の本体部７１の外面には、外側に向けて突出した円形リング状のフランジ部７４が形成されている。接続部材８は、ステンレス鋼等の金属材料により形成されている。接続部材８は、円筒状の第１部分８１と、第１部分８１の第１端部８１ａから径方向の内側に向かって延びる円環平板状の第２部分８２と、を有している。第２部分８２の先端は、本体部７１の外面に接触している。フランジ部７４は、第１部分８１及び第２部分８２に接触している。

接続部材８の第２部分８２は、接合材８３により、全周にわたって、第１絶縁部材７の本体部７１の外面に気密に接合されている。これにより、接続部材８と第１絶縁部材７との間が気密に封止されている。接合材８３は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。

接続部材８は、レーザ溶接により、筐体１０に気密に固定されている。より具体的には、筐体１０には、第３開口１３が形成されている。第１絶縁部材７の筒状部７２は、第３開口１３内に第３開口１３から離間した状態で配置されている。接続部材８は、第１部分８１の第２端部８１ｂが第３開口１３の開口縁に接触するように配置されている。第１部分８１と第３開口１３の開口縁との間の接触部分に外側からレーザを照射して全周にわたって溶接することにより、接続部材８が筐体１０に気密に接合されている。これにより、接続部材８と筐体１０との間が気密に封止されている。このように、第１絶縁部材７は、接続部材８に気密に接合されており、接続部材８を介して筐体１０に気密に固定されている。この状態においては、第１電極４０が第３開口１３を貫通するように延在する。第３開口１３は、第１電極４０、第１絶縁部材７及び接続部材８によって気密に封止されている。接続部材８は、筐体１０の一部を構成しているとみなすこともできる。

第２電極５０は、Ｘ軸方向に沿って延在している。第２電極５０の先端は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃを挟んで第１電極４０と向かい合っている。第２電極５０は、例えばタングステン等の金属材料により形成されている。第２電極５０は、筐体１０に電気的に接続されている。第２電極５０は、全体として、第１電極４０よりも径の太い略棒状に形成されている。第２電極５０は、基端側の第２支持部５１と、第２支持部５１よりも第１電極４０の近くの先端側に位置し、尖頭形状を有する第２放電部５２と、を有している。第２支持部５１は、Ｘ軸方向における第２電極５０の中間部（一部）である。第２放電部５２は、棒状に形成され、筐体１０内（すなわち内部空間Ｓ３内）に配置されている。

筐体１０には、第４開口１４が形成されている。第２電極５０の第２支持部５１は、第２支持部５１の外面が第４開口１４の内面に接触するように、第４開口１４内に配置されている。第２支持部５１は、接合材５３により、全周にわたって、第４開口１４の内面に気密に接合されている。これにより、第２電極５０と筐体１０との間が気密に封止されている。接合材５３は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。

筐体１０には、内部空間Ｓ３に放電ガスＧ１を封入するための封入孔１５が形成されている。封入孔１５には、封入管１６が接続されている。封入管１６は、例えば銅等の金属材料により形成されている。封入管１６における封入孔１５とは反対側の端部１６ａは、封止されている。封入管１６には、封止された端部１６ａを覆うように保護部材１７が取り付けられている。保護部材１７は、例えばゴム等の樹脂材料により形成されている。

封入管１６の外面は、接合材１８により、全周にわたって、封入孔１５の内面に接合されている。これにより、封入管１６と筐体１０との間が気密に封止されている。接合材１８は、例えば、金属ロウ材であり、より具体的にはチタンがドープされた銀ロウである。放電ガスＧ１の封入時には、例えば、封入管１６を介して放電ガスＧ１を内部空間Ｓ３に導入した後に、封入管１６を潰しながら押し切る（切り取る）ことにより、封入管１６の端部１６ａが封止される。その後、封入管１６に保護部材１７が取り付けられる。このような直接封入手法は、液体窒素を用いたトラップ法と比べて次の点で有利である。すなわち、トラップ法では、発光封体を液体窒素内に配置した際に、窓部材が歪むおそれがある。直接封入手法では、そのような事態を抑制することができる。また、トラップ法では封入圧力にばらつきが生じるおそれがあるが、直接封入手法では、そのようなばらつきを抑制することができる。トラップ法は、ガラスバルブ内に放電ガスを封入する際に用いられることがある。

発光封体２では、筐体１０、第１窓部２０及び第２窓部３０によって内部空間Ｓ３が画定されている。発光封体２では、第１電極４０、第２電極５０、第１絶縁部材７、接続部材８及び封入管１６によっても、内部空間Ｓ３が画定されている。内部空間Ｓ３の全体は、放電ガスＧ１によって満たされている。すなわち、内部空間Ｓ３には、放電ガスＧ１が充填されている。放電ガスＧ１は、第１窓部材２１及び第１枠部材２２、並びに第２窓部材３１及び第２枠部材３２に接触している。放電ガスＧ１の封入圧力（最大封入圧力）は、例えば５ＭＰａ（５０気圧）程度である。発光封体２は、１５ＭＰａ以上の内圧に耐えることができる。
［レーザ励起光源の動作例］

レーザ励起光源１では、ケース６内に配置された電圧印加回路（電圧印加部）（図示省略）により、第２電極５０を接地電位として、第１電極４０に負の電圧パルスが印加される。これにより、第１電極４０から第２電極５０に向けて電子が放出される。その結果、アーク放電が発生し、第１電極４０と第２電極５０との間に（交点Ｃに）プラズマが発生する。このプラズマに、光導入部Ｒからの第１光Ｌ１が、第１窓部材２１を介して照射される。これにより、発生したプラズマが維持される。プラズマからの光である第２光Ｌ２は、出力光として、第２窓部材３１を介して外部に出射される。レーザ励起光源１では、２つの第２窓部材３１から、Ｙ軸方向の両側に向けて第２光Ｌ２が出射される。なお、第１電極４０には、プラズマを発生させるためのトリガ電圧として、正の電圧パルスが印加されてもよい。この場合、第２電極５０から第１電極４０に向けて電子が放出される。
［作用及び効果］

発光封体２では、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃを挟んで互いに向かい合う第１電極４０及び第２電極５０が設けられている。これにより、第１電極４０と第２電極５０との間に電圧を印加することで、第１電極４０と第２電極５０との間にプラズマを発生させることができる。筐体１０が、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２を透過させない遮光性材料により形成されている。筐体１０、第１窓部２０及び第２窓部３０によって内部空間Ｓ３が画定されており、内部空間Ｓ３が放電ガスＧ１によって満たされている。これにより、遮光性材料としては例えば金属材料等の比較的強度の高い材料を選択することができることから、放電ガスＧ１の封入圧力を高めることができる。その結果、高効率化及び高出力化を図ることができる。また、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２が第１窓部２０及び第２窓部３０以外の部材を透過しないため、光の損失を低減することができる。これによっても、高効率化及び高出力化を図ることができる。また、第１開口１１及び第２開口１２が、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２とが互いに交わるように配置されている。これにより、第１光Ｌ１が第２開口１２から出射して第２光Ｌ２に混入するのを抑制することができ、その結果、出力光の品質を高めることができる。よって、発光封体２によれば、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。

第１窓部材２１がサファイアにより形成されており、第２窓部材３１がダイヤモンドにより形成されている。これにより、例えば赤外領域のような波長の長い光が第１窓部材２１及び第２窓部材３１を透過することができる。

第１窓部材２１及び第２窓部材３１の各々が、平板状に形成されている。これにより、非点収差を抑制することができる。例えば、湾曲面を有するガラス筐体内に一対の電極が配置された発光封体においては、湾曲面をレーザ光及び出力光が透過することにより非点収差が発生するが、発光封体２では、そのような非点収差の発生を抑制することができる。

第１窓部材２１が、チタンがドープされた銀ロウにより、第１枠部材２２に気密に接合されており、第２窓部材３１が、チタンがドープされた銀ロウにより、第２枠部材３２に気密に接合されている。これにより、第１窓部材２１を第１枠部材２２に良好に接合することができると共に、第２窓部材３１を第２枠部材３２に良好に接合することができる。より具合的には、本発明者らは、チタンがドープされていない銀ロウによりダイヤモンドからなる窓部材をコバール金属からなる枠部材に接合した構成においては、銀ロウが弾かれ、馴染んでいない場合があることを見出した。本発明者らは、チタンがドープされた銀ロウにより窓部材を枠部材に接合することで、銀ロウが馴染み易くなり、窓部材を枠部材に良好に接合することができることを見出した。

筐体１０が金属材料により形成されている。これにより、放電ガスＧ１の封入圧力を一層高めることができる。また、機械加工により筐体１０を形成することができるため、製造公差を低減して製造精度を向上することができる。

第２電極５０が、筐体１０に電気的に接続されている。これにより、筐体１０との接続によって第２電極５０を接地電位とすることができ、接地電位とするための配線を省略することができる。

第１電極４０が、第１絶縁部材７を介して筐体１０に固定され、筐体１０から電気的に分離されている。これにより、第１電極４０に筐体１０の電位（接地電位）とは独立した電圧を印加することができる。

第１絶縁部材７が、第１電極４０の第１支持部４１を保持する本体部７１を有し、本体部７１の表面７１ａには、凹部７３が形成されている。放電ガスＧ１の封入圧力が高くなるほど、パッシェンの法則に従って放電開始電圧が高くなる。そのため、第１電極４０と第２電極５０との間に印加する電圧を大きくする必要がある。一方、印加電圧が大きい場合、放電ガスＧ１と第１絶縁部材７と第１電極４０とが互いに接するトリプルジャンクションの近傍において発生した電子に起因して、筐体１０の内部で意図しない放電が発生するおそれがある。この点、発光封体２では、第１絶縁部材７の本体部７１の表面７１ａに凹部７３が形成されている。これにより、トリプルジャンクションで発生した電子が表面７１ａに沿って移動して筒状部７２に至るのを抑制することができ、上述した意図しない放電の発生を抑制することができる。

この点について図６（ａ）～図７（ｂ）を参照しつつ更に説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、図６（ａ）及び図６（ｂ）の構成において生じる電界分布が等電位線により示されている。等電位線間においては、第１電極４０に近い等電位線ほど、電位が低い。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、図中下側のみが示されているが、上側についても同様の電界分布が生じる。これらの点は後述する図８（ｂ）及び図９（ｂ）についても同様である。

図６（ｂ）に示される第１変形例では、凹部７３が形成されておらず、本体部７１の表面７１ａが平坦である。放電ガスＧ１と第１絶縁部材７と第１電極４０とが互いに接するトリプルジャンクションＰの近傍においては、電子Ｅが発生し易い。電子Ｅは、図７（ｂ）に示されるように生じた電界により第１絶縁部材７の表面をホッピングして移動し、第１絶縁部材７の表面を正に帯電させる。この正の帯電に電子が引き寄せられることで、二次電子増倍が起こり得る。その結果、加速度的に増加した二次電子が第１絶縁部材７の表面上において放電ガスＧ１の分子と衝突し、分子を遊離させることで、沿面放電が起こり得る。

これに対し、図６（ａ）に示されるように、発光封体２では、第１絶縁部材７の本体部７１の表面７１ａに凹部７３が形成されている。これにより、トリプルジャンクションＰで発生した電子Ｅを凹部７３によって捕捉することができる。その結果、電子Ｅが表面７１ａに沿って移動して筒状部７２に至るのを抑制することができ、上述した意図しない放電の発生を抑制することができる。発光封体２では、図７（ａ）に示されるように電界が生じる。

また、発光封体２では、凹部７３が、第１電極４０及び筒状部７２の各々から離間するように配置されている。これにより、意図しない放電の発生を効果的に抑制することができる。
［変形例］

図８（ａ）に示される第２変形例では、凹部７３が、第１電極４０に接触する一方で筒状部７２から離間するように、配置されている。第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、トリプルジャンクションＰにおいて発生した電子Ｅを凹部７３によって捕捉することができ、意図しない放電の発生を効果的に抑制することができる。第２変形例では、図８（ｂ）に示されるように電界が生じる。

図９（ａ）に示される第３変形例では、第１絶縁部材７が、Ｘ軸方向における第１電極４０の基端側の一部を囲む被覆部７５を有している。被覆部７５の内周面７５ｂは、第１支持部４１の先端側の一部と、第１放電部４２の基端側の一部とを囲んでいる。内周面７５ｂと第１電極４０の外周面との間には、第１放電部４２の基端側のテーパ部４２ｓまで延在する隙間７５ｓが形成されている。被覆部７５は、第２電極５０に近づくにつれて厚さが薄くなる形状を有しており、被覆部７５の外周面７５ａはテーパ面となっている。被覆部７５の外周面７５ａは粗面化されている。第３変形例においては、第１電極４０周りに延在する複数の溝７６が外周面７５ａに形成されていることにより、外周面７５ａが粗面化されている。複数の溝７６は、Ｘ軸方向に沿って並んでいる。各溝７６は、第１電極４０を囲むように円形リング状に延在している。Ｘ軸方向に平行な断面における溝７６の形状は、例えば半円形状である。

第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、隙間７５ｓによってトリプルジャンクションＰで発生した電子が被覆部７５の外周面７５ａにまで到りにくくするとともに、複数の溝７６によって外周面７５ａに沿って電子が移動するのを抑制することができ、意図しない放電の発生を抑制することができる。すなわち、第３変形例では、図９（ｂ）に示されるように電界が生じる。電子は、等電位線が並ぶ方向に（電界に垂直に）移動し易く、等電位線に沿っては移動し難い。そのため、第３変形例では、トリプルジャンクションＰで発生した電子が、被覆部７５の外周面７５ａに沿って移動し難い。

図１０に示される第４変形例では、第２電極５０が、第２絶縁部材７Ａを介して筐体１０に固定され、筐体１０から電気的に分離されている。第２絶縁部材７Ａは、接続部材８Ａを介して筐体１０に気密に固定されている。第２絶縁部材７Ａは、第１絶縁部材７と同様に構成及び接続されており、接続部材８Ａは、接続部材８と同様に構成及び接続されている。

第４変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、第２電極５０が筐体１０から電気的に分離されているため、第１電極４０及び第２電極５０に個別に電圧を印加することができる。例えば、負の電圧パルスが第１電極４０に印加されるタイミングに合わせて、正の電圧パルスが第２電極５０に印加されてもよい。この場合、第１電極４０のみに負の電圧パルスを印加する場合と比べて、第１電極４０に印加される負の電圧パルス、及び第２電極５０に印加される正の電圧パルスの各々のピーク電圧の絶対値を低減することができる。その結果、例えば、負の電圧パルス及び正の電圧パルスを発生させる際に生じるノイズを低減することができる。

図１１に示される第５変形例では、筐体１０内にミラー９１が配置されている。ミラー９１は、第１光軸Ａ１と第２光軸Ａ２との交点Ｃを挟んで第１窓部材２１と向かい合っている。第５変形例では、第１窓部材２１からプラズマに照射された第１光Ｌ１のうち、プラズマを通り抜けた第１光Ｌ１が、ミラー９１により集光されつつプラズマに戻される。第５変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、プラズマを通り抜けた第１光Ｌ１をミラー９１によってプラズマに戻すことができるため、一層の高効率化及び高出力化を図ることができる。

図１２に示される第６変形例では、第１窓部材２１及び第２窓部材３１の各々がレンズ形状を有している。第６変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、第１窓部材２１及び第２窓部材３１にレンズ効果を持たせることができ、ビーム径を小さくすることができる。

図１３に示される第７変形例では、筐体１０内に、絶縁部材（空間制限部材）９３が配置されている。絶縁部材９３は、例えば、セラミック等の絶縁性材料によりブロック状に形成されている。絶縁部材９３は、内部空間Ｓ３のうち、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２の光路以外の領域を埋めるように、配置されている。図１３に示されるように、第１光Ｌ１は、集光されつつ交点Ｃに向かい、第２光Ｌ２は、拡がりつつ交点Ｃから外部へ向かう。絶縁部材９３は、第１光Ｌ１が入射する第１開口９３ａと、第２光Ｌ２が出射する２つの第２開口９３ｂと、を有している。第７変形例によっても、上記実施形態と同様に、高効率化及び高出力化を図ることができると共に、出力光の品質を高めることができる。また、筐体１０内でのリーク電流の発生を抑制することができる。また、内部空間Ｓ３が絶縁部材９３により埋められているため、内部空間Ｓ３における放電ガスＧ１による対流を抑制することができ、その結果、対流により発光点が揺れる事態を抑制することができる。

本開示は、上記実施形態及び変形例に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。第１開口１１及び第２開口１２の形状は、円形状に限らず、様々な形状とされてよい。第１窓部材２１及び第２窓部材３１の形状は、円形板状に限らず、様々な形状とされてよい。本体部７１の表面７１ａ及び／又は被覆部７５の外周面７５ａにおける粗面化は、凹部又は溝を形成することに限らず、凸部の形成又は凹凸部の形成により行われてもよい。本開示において、「Ａ及び／又はＢ」とは、「Ａ及びＢの少なくとも一方」を意味する。

接合材２３は、チタンがドープされていない銀ロウであってもよいし、チタンロウ又はニッケルロウであってもよい。この点は、接合材１８，３３，４３，５３，８３についても同様である。上記実施形態では２つの第２開口１２が形成されていたが、１つの第２開口１２のみが形成されていてもよいし、３つ以上の第２開口１２が形成されていてもよい。筐体１０を構成する材料は、第１光Ｌ１及び第２光Ｌ２を透過させない（遮る）遮光性材料であればよく、必ずしも金属材料でなくてもよく、絶縁性材料、例えばセラミック等であってもよい。第１電極４０及び第２電極５０は省略されてもよい。この場合でも、集光された第１光Ｌ１を放電ガスＧ１に照射することにより、焦点においてプラズマを発生させ得る。

第１窓部材２１がダイヤモンドにより形成され、第２窓部材３１がサファイアにより形成されてもよい。或いは、第１窓部材２１及び第２窓部材３１の双方がサファイア又はダイヤモンドにより形成されてもよい。紫外域の光を用いる場合には、第１窓部材２１及び／又は第２窓部材３１は、フッ化マグネシウム又は石英により形成されてもよい。第１窓部材２１及び／又は第２窓部材３１は、コバールガラスにより形成されてもよい。

レーザ光源３はレーザ励起光源１内に設けられていなくてもよい。例えば、レーザ励起光源１は、レーザ光源３に代えて、外部に配置された光源からの光をミラー４へ導光する光ファイバを備えていてもよい。この場合、光ファイバ、ミラー４及び光学系５により、第１光Ｌ１を第１光軸Ａ１に沿って第１開口１１に入射させる光導入部Ｒが構成される。

Claims (22)

1. 放電ガスを収容すると共に、前記放電ガス中に発生したプラズマを維持するためのレーザ光である第１光が第１光軸に沿って入射する第１開口、及び、前記プラズマからの光である第２光が第２光軸に沿って出射する第２開口が形成された筐体と、
   前記第１開口を気密に封止し、前記第１光を透過させる第１窓部と、
   前記第２開口を気密に封止し、前記第２光を透過させる第２窓部と、
   前記第１光軸と前記第２光軸との交点を挟んで互いに向かい合う第１電極及び第２電極と、を備え、
   前記筐体は、前記第１光及び前記第２光を透過させない遮光性材料により形成されており、
   前記筐体、前記第１窓部及び前記第２窓部によって内部空間が画定されており、前記内部空間は、前記放電ガスによって満たされており、
   前記第１開口及び前記第２開口は、前記第１光軸と前記第２光軸とが互いに交わるように配置されている、発光封体。
2. 前記第１窓部は、前記第１光を透過させる第１窓部材を有し、前記第２窓部は、前記第２光を透過させる第２窓部材を有している、請求項１に記載の発光封体。
3. 前記第１窓部材及び前記第２窓部材は、互いに同じ材料により形成されている、請求項２に記載の発光封体。
4. 前記第１窓部材及び前記第２窓部材は、互いに異なる材料により形成されている、請求項２に記載の発光封体。
5. 前記第１窓部材及び前記第２窓部材の各々は、平板状に形成されている、請求項２に記載の発光封体。
6. 前記第１窓部材及び前記第２窓部材の各々は、ダイヤモンド、サファイア、石英、コバールガラス及びフッ化マグネシウムの少なくとも１つを含む材料により形成されている、請求項２に記載の発光封体。
7. 前記第１窓部は、前記筐体に気密に固定された第１枠部材を更に有し、前記第２窓部は、前記筐体に気密に固定された第２枠部材を更に有し、
   前記第１窓部材は、第１接合材により、前記第１枠部材に気密に接合されており、前記第２窓部材は、第２接合材により、前記第２枠部材に気密に接合されている、請求項２に記載の発光封体。
8. 前記第１接合材及び前記第２接合材の各々は、金属ロウ材である、請求項７に記載の発光封体。
9. 前記金属ロウ材は、チタンがドープされた銀ロウである、請求項８に記載の発光封体。
10. 前記筐体は、金属材料により形成されている、請求項１に記載の発光封体。
11. 前記筐体は、絶縁性材料により形成されている、請求項１に記載の発光封体。
12. 前記第１電極は、絶縁部材を介して前記筐体に固定され、前記筐体から電気的に分離されている、請求項１０に記載の発光封体。
13. 前記第１電極は、所定方向に沿って延在しており、前記所定方向における前記第１電極の一部である第１部分と、前記第１部分よりも前記第２電極の近くに位置する第２部分と、を有し、
    前記絶縁部材は、前記第１部分を保持し、前記所定方向に垂直な平面に沿って延在する表面を有する本体部と、前記本体部の前記表面から延在し、前記第２部分を囲む筒状部と、を有している、請求項１２に記載の発光封体。
14. 前記本体部の前記表面は、粗面化されている、請求項１３に記載の発光封体。
15. 前記本体部の前記表面には、前記第１電極及び前記筒状部の各々から離間するように凹部が形成されている、請求項１４に記載の発光封体。
16. 前記本体部の前記表面には、前記第１電極に接触する一方で前記筒状部から離間するように凹部が形成されている、請求項１４に記載の発光封体。
17. 前記第１電極は、所定方向に沿って延在しており、
    前記絶縁部材は、前記所定方向における前記第１電極の一部を囲む被覆部を有している、請求項１２に記載の発光封体。
18. 前記被覆部は、前記第２電極に近づくにつれて厚さが薄くなる形状を有している、請求項１７に記載の発光封体。
19. 前記被覆部の外周面は、粗面化されている、請求項１８に記載の発光封体。
20. 前記第２電極は、前記筐体に電気的に接続されている、請求項１０に記載の発光封体。
21. 前記第１電極は、第１絶縁部材を介して前記筐体に固定され、前記筐体から電気的に分離されており、前記第２電極は、第２絶縁部材を介して前記筐体に固定され、前記筐体から電気的に分離されている、請求項１０に記載の発光封体。
22. 請求項１に記載の発光封体と、
    前記第１光を前記第１光軸に沿って前記第１開口に入射させる光導入部と、を備える光源装置。

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