JPH01140786A - 金属イオンレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、金属蒸気を用いてレーザ光を得る金属イオン
レーザ装置に係わり、特に金属蒸気量の最適化に関する
。

（発明の技術的背景） 従来、Ｈｅ−Ｃｄ、　　Ｈｅ−９ｅ、　　Ｈｅ　−Ｔ　
ｎ等の、種々の金属イオンレーザ装置が知られている。

この種のレーザ装置は、その励起の強さから多色発振が
可能で、例えば、）（ｅ−Ｃｄレーザ装置では１２本の
発振線が観測されており、その中には光３原色の赤、青
、緑が含まれているので将来性を高く評価されている。

第２図は、従来の内部ミラー型のホロー陰極型のＨｅ−
Ｃｄ金属イオンレーザ装置の一例を示す図、第３図はレ
ーザ管の要部の断面図である。

そして、Ｈｅガスを封入したレーザ管ｌ内の両端部にそ
れぞれレーザミラー２を設け、管内のほぼ中央にホロー
陰極３を配設している。

レーザ管１は、例えばパーｒレックスガラス製である。

そして、ｌノーザ管１の中央部の内径は、たとえば６．
８ｍｍ、外径は１０．０ｍｍとしている。

ホロー陰極３は、たとえば、インコネルなどの導電製の
ｔオ科からなり内径４．０問、外径６．０ｍｍ、軸方向
の長さ４６０　ｍｍのバイブである。

上記ホロー陰極３の下面には複数、例えば２０個の透孔
４を所定の間隔で穿設し、この透孔４に対応してレーザ
管１の下面にそれぞれ金属溜５を設け、各金属溜５を貫
通して上記透孔４に達するレーザ活性媒質励起用の主陽
極６を設けている。

そし゛Ｃ５各金属溜５内には適量の金属、例えは１グラ
ムのカドミウム（Ｃｄ）７をそれぞれ溜めている。

そして、金属溜５の外周にヒータ８を巻回している。こ
のヒータ８は放電空間および金属溜５を加熱し、Ｃｄ金
属を２９４℃（Ｃｄ　７，６気圧Ｐｃｄ＝２．２　　Ｘ
１Ｏ−２Ｔｏｒｒ）以上に加熱できる能力を有している
。

さらに、レーザ管１内の両端近傍にはＣｄ蒸気を中央部
へ吹返してレーザミラー２が汚れるのを防止する補助陽
極９を配設している。

なお主陽極６及び２木の補助陽極９は、例えばタングス
テン製である。

そして、電源ｌＯの負極を陰極３に接続し、正極を抵抗
を介して主陽極６及び補助陽極゛９にＬ妾続している。

このような構成であれば、例えばＨｅのガス圧を９　Ｔ
　ｏ　ｒ　ｒに設定し、主陽極６および補助陽極９と陰
極３との間に所定の電圧、例えば３９０Ｖを印加する。

このようにすれば、室温時において主陽極６の放電電流
は各ピン当り３５ｍＡで合計７００ｍＡであるが、十分
に蒸気圧が上がって白色動作する場合は、主陽極６の放
電電流は、各ピン当り２６ｎｌＡで合計５２０＋ｎＡに
なる。

このときレーザ管ｌ内の温度は３５０℃に達する。そし
てホロー陰極３のボア１１内には負グロー放電、放電空
間１２には陽光柱放電を生じる。

このような放電の開始と同時に金属溜５に巻回したヒー
タ８に図示しない電源から電流を流して加熱する。しば
らくして金属溜５の中のＣｄが蒸気化する。このＣｄ蒸
気は放電空間ｌ〜に生じている陽光柱放電内の電気泳動
効果によって、ホロー陰極３内に生じている負グロー放
電領域に透孔ノーを介して送り込まれ、この陰極ボア内
で励起されたＨ　ｅ原子やトレ〕イオンとＣｄ原子が相
互作用してＣｄイオンのレベル間に反転粒子分布を生じ
、レーザ発振を開始する。

１／−サ発振は先ず青色（４４］、６ｎｍ）、次ここ緑
色（５３７，８ｎｍ）、最後に赤色（Ｇ３（３゜Ｏｎ　
ｍ　）が加わり、この３原色が同時にそろって白色レー
ザとなる。

放電中、ボロー陰極３の内面は、ＨｅイオンやＣ１１イ
オンによってスパッタされ、そのスパッタ生成物はボロ
ー陰極３の下面の透孔４を通して外％ 部にノ〃出されて放電空間１１の内壁にスパッタ生成膜
１３としＩて付着するが、ホロー陰極３の外であり放電
状態には影響を与えない。

レーザ動作を中止するときは、先ず金属溜δを加熱する
ヒータ８を切り、金属溜５の温度をレーザ管ｌで晟も低
い状態とすると、陰極３内のＣｄ蒸気は、全てもとの金
属溜５へ戻ってくる。

この結果、陰極３内はＨｅガスのみの放電となり、陰極
３の内面もＨｅイすンのスッパタリングによってきれい
になる。

この時、ホロー陰極３は、放電熱によって熱ぜられてい
るために、その輻射熱で主陽極６の先端部分は焼かれ、
Ｃｄが付着して膜が形成されることがなく電気的な絶縁
は保たれる。

ところで、このようなボロー陰極型金属−ｒオンレーザ
装置において、ホロー陰極内の金属蒸気遣を最適化する
方法としては、金属溜の温度を計測してその値に応じて
制（卸する第１の手法、主陽極電圧を測定してその値に
応じて制御する第２の手法、レーザ出力光を計）１すし
てその値に応じて制御する第３の手法等がある。

（従来技術の問題点） しかしながら、金属溜の温度を計測する第１の手法では
金属蒸気発生材料の純度が高いうちは正確な制御が可能
であるが、動作時間が長くなると金属の純度が低下し、
金属溜の温度が一定のままでは金属蒸気量が低下して最
適状態からずれてしまう問題があった。

また、主陽極の電圧によって制御する第２の手法では、
動作時間が長くなると各金属溜の金属残留ｌが不均一に
なり、各金属溜から発生する金属蒸気量にバラツキを生
じ、それによって各主陽極の電圧も不均一になる。この
ため主ドｇ極の電圧から金属蒸気量を制御することは難
しく最適状態からずれ易い問題がある。

この様子を第４図を参照して説明すると、金主陽極が電
源電圧Ｖ１で動作し、最適な励起ガス圧力と金属蒸気量
の放電状態として静特性がＬ　ｌになっているとする。

また、主陽極電圧の最適設定値は負荷線Ｒ１と静特性Ｌ
ｌの交点Ｐ１の値とする。

次に、レーザ出力を増加するために電源電圧なＶ２に増
加すると金属蒸気量が変わらなければその動作点は負荷
線Ｒ２と静特性Ｌ１の交点Ｐ２４Ａに移動する。しかし
ながら、この様な場合、上記主放電用の主陽極の電圧を
計測して制御するものでは主陽極電圧ＰＩを目標にして
制御するため、検出回路はヒータ駆動回路へ、ヒータの
ｆｉ流値を少なくするような制御信号をあたえることに
なり、この結果、金属蒸気量は減少して、その静特性は
Ｌ２の方へ移動する。　　このため、動作点はＰｌ合か
らＰ２へ移動し主陽極電圧をＰｌと同じ値とする。

すなわち、レーザ動作から見ると、金属蒸気量は最適値
からずれて過小となる。

逆に、電源電圧を低くずろと金属蒸気量は最適値からず
れて過多となる。

すなわち、可変電源に接続した主ｔＺ極電圧と金属蒸気
量は相互の関係が曖昧になるために、主陽極電圧にもと
ずいて金属蒸気量を計測することは困難である。

また、このようなことはレーザ出力光の強度から制御す
る第３の手法においても同様の結果となる。

さらに、従来の金属イオンレーザのホロー陰極給電部は
、多くの場合レーザ管の中心軸からみてレーザ用金属蒸
気発生材料を収納する金属溜の位置より外側にある。こ
のため、熱伝導工学的には、給電部の温度は金属溜の温
度よりも低温度となる。

そして金属溜の近くに、その温度よりも低い部分がある
と、そこに金属蒸気が流れ込んで付着するために、各金
属溜の金属残留量にバラツキを生じる。また１４着した
金属は給電部を構成する部材とは熱膨張係数が異なるた
め、温度が急激に変化して、そこに応力が加わると歪を
発生して破損することがある。従って、多くのレーザ装
置ではその給電部への金属蒸気の逃げ、付着等を防ぐた
めにレーザ動作中は、外部ヒータで絶えず給電部を加熱
し金属溜よりも高い温度になる様にしている。

また、このレーザ管の両端部にある金属蒸気の吹返し用
の補助陽極を包む内壁は、レー（ア管自体の容器内壁で
あったり、その部分に挿入された肉厚の電気絶縁物の中
空部材の内壁である。

この吹返し用の放電領域が接する内壁の温度は、レーザ
動作中の金属溜の温度よりも低くなり、このためホロー
陰極内から拡散した金属蒸気が付着しない様に、加熱、
保温している。

以上のようなことから、従来のホロー陰極型金属イオン
レーザでは最適動作状態で長時間多色発振ができない問
題があった。

（発明の目的） 本発明は、上記の事情に鑑みて成されたもので、最適動
作状態で長時間多色発振が可能なホ１．フー陰極型金属
イオンレーザ装（電を提供することを目的とするもので
ある。

（発明のｐＢ要） 本発明は、金属蒸気の吹返しｌ用の補助陽極を；ｎれる
電流（４−基づいて金属溜の温度を制御すること゛を特
君々とするもの′Ｃあ；５゜ （実施１１１１．り ν〕１下木下問発明・実施例を第１図に示す概略構成図
を参照り、て詳細に説明する。

なお、第５３図と同一部材には同一符号を付与してその
説明を省略する。

ずな４つち、し・−ザ管】の両端部に設けた金属蒸気の
吹返し用の補助１ａ極９に定電流！２１からバラスト抵
抗を介して直流を供給する。

そして、各補助陽極９の電圧、ｅ検出回路２２へ与えて
両方の電圧を平均化して予め設定した基準主１と比較す
る。

そして、この検出回路２２の比較出力をヒ・−タ駆動回
路２３に与えてヒータ８の通電電流を制御ζる１゜ このようにすれは、補助陽極９の電圧が一定であれは、
補助陽極を流れる電流は一定になる。したがって、上記
検出回路２２で検出した補助陽極９の電圧が基準電圧に
等しくなるようにヒータ８の通電電流を制御することに
より、レーザ管ｌ内の金属蒸気量を一定とするように蒸
発量を制御することができ最適動作状態で長間間動作が
可能である。

なお本考案は上記実施例に限定される壱のではなく、た
とえ（、【上記実施例では補助陽極９の電圧を一定にす
るように制御；）だが、補助陽極９を流れる電流が一定
に１よればよいので、定電流源２１に換えて定電圧源を
用いて、補助陽極９の電流を測定し、その１１１１が一
定になるようにしてもよい。

ま々上記実施例では外部ミラ・−型の装置を例とし・て
説明したが内部−ミラー型のＨｅにも適用できることは
勿論である。

（発明の効果） 以上のように、本発明によればｌ／−ザ管内の金属蒸気
量を常に最適状態に維持することかでき、それζこよっ
て長時間、多色発振が可能な金属イオンレーｆ　装（Ｗ
　や提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成Ｆ♂、第２図
は従来に金属イオンレーザ装置の一例を示す概略構成図
、 第３図は第２図に示す装置の要部の断面図、第４図は第
２図に示す装置の主陽極の電圧と電流の関係を示す悶で
ある。 ｌ・・・・レーザ管 ２・・―・し・−ザミラー ：３・　・　・　・陸梗 ５・・・・・金属溜 ６・・・・・主陽極 ７・・・・金属 ８　・　　・　　修　　・　１ニ　−　タ９・・・・補
助陽極 ｌＯ・・・電源 １２・・・放電変量 ２１・・・定電流源 ２２・・・・検出回路 ２３・・・ヒータ駆動回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属溜りを有する放電管と、 上記金属溜を加熱するヒータと、 上記放電管内に配設した主陽極及び陰極と、上記放電管
   内の両端部に設けた金属蒸気の吹返し用の補助陽極と、 上記放電管の両端に互いに対向して配設したレーザミラ
   ーと、 上記主陽極および補助陽極と陰極の間に直流電圧を印加
   する電源と、 上記補助陽極を流れる電流を検出する検出回路と、 この検出回路の検出出力を与えられて上記ヒータの発熱
   量を制御するヒータ制御回路と、を具備することを特徴
   とする金属イオンレーザ装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載のものにおいて、上
   記補助陽極の電源は定電流動作し、上記検出回路は補助
   陽極の電圧を検出することを特徴とする金属イオンレー
   ザ装置。