JPH02125481A - 気体レーザ装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明はマイクロ波放電を利用してレーザ励起を行う
気体レーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は、例えば雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ａｐ
ｐＨｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、４９．　Ｎｏ、７．
　Ｊｕｌｙ　１９７Ｂ、Ｐ、３７５３）に記載された従
来の気体レーザ装置を示す断面構成図、第７図は第６図
におけるＢ−Ｂ線断面図である。

図において、（３）はマイクロ波を伝送する導波管、（
３１）はこの導波管の一部に設けられた導波管テーパ、
（３２）はこの導波管テーバ部の空間に設置されたパイ
レックスガラス製のレーザ放電管、（３３）はこのレー
ザ放電管の端部に設けられたレーザガス導入口、（３４
）は同じくレーザガス排出口、（３５）は上記レーザ放
電管（３２）を包むように配設された冷却ガス送気管ζ
（３６）はこめ冷却ガス送気管の端部に設けられた冷却
ガス導入口、（３７）は同じく冷却ガス排出口、（３８
）は上記レーザ放電管（３２）の両端に設けられたブリ
コースタ−窓、（３９）はＤＣ放電用の陰極、（４Ｇ）
は同じく陽極である。

上記のような従来の気体レーザ装置において、レーザ放
電管（３２）中にはレーザガス導入口（３３）より例え
ばＣＯ□レーザガスのようなレーザ気体が導入され、一
方、導波管（３）中にはＴ　Ｅ　ｔｏモードのマイクロ
波が励起されている。この導波管（３）は内部に導波管
テーパ（３１）を有し、レーザ放電管（３２）の設置さ
れた位置で導波管（３）の内径が最小となっているため
この位置でのマイクロ波の電界が最大となる。この強い
マイクロ波電界によりレーザ放電管（３２）中のレーザ
気体が放電破壊し、プラズマを発生してレーザ媒質が励
起される。このとき、冷却ガス送気管（３５）中に例え
ば低温のＮ２ガスなどを高速で流し、レーザ放電管（３
２）を外部から冷却するとともに、レーザ気体の圧力な
どの放電条件を適切に選ぶことによってレーザ発振条件
が得られ、ブリュースター窓（３８）の外部に図示のな
いレーザ発振用のミラーを設けることによりレーザ発振
が行われる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の気体レーザ装置では、閉じたレーザ
放電管（３２）を使用しているために、導電性を持つプ
ラズマが発生するとレーザ放電管（３２）中のプラズマ
を内導体とする同軸モードのマイクロ波モードが支配的
となり、プラズマ中のマイクロ波電界はレーザ放電管（
３２）の管壁に平行な成分を主成分とする電界となり、
プラズマ中へ侵入するマイクロ波は実質的にレーザ放電
管（３２）の管壁つまりプラズマ境界に対して垂直に入
射するモードとなる。このようにプラズマ境界に対して
垂直に入射するマイクロ波によって発生する放電におい
てはマイクロ波電界は放電管壁から内部に向けて減少す
るが、放電プラズマが定電圧的な特性を持つために僅か
な電界の差異によって電流密度が大きく変化し、結果と
して放電管壁付近に集中した著しく不均一なプラズマが
発生することになる。

従来のマイクロ波放電を利用した気体レーザ装置におい
てはこのように不均一なプラズマが発生するために放電
全体をレーザ励起に適当な状態とすることが困難となり
、またレーザ共振器モードとプラズマがオーバラップせ
ずレーザ出力や効率が極端に低いという問題点があった
。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、レーザ出力、効率が高く、装置がコンパクト
で、かつレーザビームの品質の良い気体レーザ装置を得
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る気体レーザ装置は、例えば導波管などの
マイクロ波回路の一部を構成する導電体壁と、この導電
体壁に対向して設けられた誘電体との間にレーザ光軸方
向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる空間を形成し、
この空間に上記プラズマを発生するレーザ気体を封入す
ると共に、マイクロ波回路により、上記誘電体とプラズ
マとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モード
を形成してプラズマを発生させ、かつ上記空間の両端面
に夫々配置されたレーザ共振器ミラーのうち一方のミラ
ーの一部を切欠いて、この切欠部からレーザビームを取
り出すようにしたものである。

［作　用］ この発明に係る気体レーザ装置においては、マイクロ波
入射窓である誘電体に対向して、プラズマよりも導電性
の高い導電体壁があるために、入射マイクロ波の終端電
流はこの導電体壁を流れ、プラズマ中には上記誘電体と
導電体壁の間を貫通する電流が流れることになり、空間
的に−様なプラズマが発生する。またレーザ光軸方向に
垂直な断面において、放電空間は縦と横の寸法が異なる
偏平な空間であるために冷却効果が高く、さらに一方の
ミラーに設けた切欠部は、レーザ共振器内部で励起され
たレーザを低次のレーザビームとして射出する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示
す概略斜視構成図であり、（１）はマイクロ波発振器で
あるマグネトロン、（２）は導波管、（４）はマイクロ
波結合窓、（５）はレーザ発振用のミラー、（Ｂ）はレ
ーザヘッド部であって、第２図がレーザヘッド部（６）
の詳細を示す第１図Ａ−Ａ線での断面図である。第２図
に示されるようにレーザヘッド部（８）はマイクロ波回
路の一種であるリッジ導波管型のマイクロ波空胴の構造
を持つ。

第２図において、（Ｂ１）はマイクロ波結合窓（４）に
続く空胴壁、（６２）および（Ｂ３）はこの空胴壁の断
面の中央部に形成されたりッジ、（８４）はこの一方の
リッジ（Ｂ２）に形成された溝であり、（６５）はマイ
クロ波放電回路の一部を構成する導電体壁であって、こ
の実施例では溝（Ｂ４）の壁面が使用される。（６Ｂ）
はこの導電体！ｉ２　（６５）に対向して設けられた例
えばアルミナなどの誘電体であり、（６７）はこの誘電
体（６Ｂ）が上記溝（６４）を奪うことにより上記導電
体壁（６５）と誘電体（６Ｂ）との間に形成される放電
空間であって、この放電空間（６７）に例えばＣＯ２レ
ーザガスなどのレーザ気体が封入される。また（６８）
はリッジ（８２）および（Ｂ３）に形成された冷却水路
である。

以上のように構成されたこの発明による気体レーザ装置
において、マグネトロン（１）で発生されたマイクロ波
は導波管（２）を通ってマイクロ波結合窓（４）でイン
ピーダンスマツチングをとることにより効率よくレーザ
ヘッド部（８）に結合される。

レーザヘッド部（６）は第２図に示されるようにリッジ
空胴状になっており、マイクロ波はりッジ（８２）、　
（６３）の空間に集中する。この集中したマイクロ波の
強い電界により放電空間（６７）に封入されたレーザ気
体が放電破壊してプラズマを発生し、レーザ媒質が励起
される。ここで、冷却水路（６８）に冷却水を流し、放
電プラズマを冷却するとともに、レーザ気体の圧力など
の放電条件を適切に選ぶことによってレーザ条件が得ら
れ、第１図中のミラー（５）および図示のないもう一枚
のミラーによりレーザ共振器を形成することでレーザ発
振光を得ることができる。この時、この発明による気体
レーザ装置においてはマイクロ波回路の一部を構成する
導電体壁（６５）と、この導電体壁（６５）に対向して
設けられ、マイクロ波の入射窓となる誘電体（６Ｂ）と
の間に形成される放電空間（６７）においてマイクロ波
放電を行わせるため、マイクロ波の入射はプラズマの一
面からのみ行われることになり、プラズマを内導体とす
る同軸モードのマイクロ波モードが支配的となる現象は
起こらず、所望のマイクロ波モードによる放電を行わせ
ることができる。また第２図に示されるリッジ空胴のよ
うにマイクロ波回路が上記誘電体（６Ｂ）−とプラズマ
の境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モードを形
成する場合、誘電体（６Ｂ）と導電体壁（Ｂ５）は対向
して設置されているので、導電体壁（６５）にも垂直な
電界成分を有することになり、プラズマを貫く電界がで
きる。この時、導電性を持つプラズマが発生しても、マ
イクロ波入射窓である誘電体（６Ｂ）に対向してプラズ
マよりも数桁導電性の高い導電体壁（Ｂ５）があるため
に入射マイクロ波の終端電流はこの導電体壁（６５）を
流れ、導電体壁（６５）近傍の電界は強制的に導電体壁
（６５）の表面に垂直にされ、上記のプラズマを貫く電
界が維持される。こ、のためマイクロ波がブラズ→中に
浸透し、プラズマを貫く電流が流れ、電流の連続性から
空間的に−様な放電プラズマが得られる。この様子を第
３図の拡大断面図に示す。図において（６９）はマイク
ロ波電界の電気力線、（７０）は放電プラズマである。

この発明による気体レーザ装置によれば、第３図に示さ
れるような均一な放電が得られ、放電全体をレーザ励起
に適当な条件にすることが可能になり、レーザ共振器モ
ードとのオーバラップも良好となり従来例に比べて飛躍
的に高効率、大出力のレーザ発振が得られる。

また、レーザ装置の安定性や寿命のためには装置全体の
冷却が必要であるが、多くのレーザでは効率的なレーザ
発振のためにレーザガス自体の冷却が重要であり、下位
準位が基底準位に近く熱励起されやすいＣＯ２やＣｏレ
ーザなどはその代表的なものである。ＣＯ２レーザを例
にとると、放電空間の壁面への熱伝導でレーザガスの冷
却を行う場合、円形断面などの対称な断面の放電管を使
用すると、冷却能力の制限のため放電管１ｍ当たり５０
Ｗ程度の出力しか得られず、大出力を得るためには大型
の装置が必要となる。これに対しこの実施例では第４図
に示されるようにレーザ光軸方向に垂直な放電空間断面
の縦横の寸法を異ならせ偏平な空間とし、放電空間の体
積に対して表面積を大きくし、熱伝導による冷却能力を
高めることにより単位長当たりの放電入力を大きくする
ことができる。例えば放電長４０ｃｍのコンパクトな装
置で９０Ｗと通常の数倍のレーザ出力を得ることができ
る。

次に、扁平な空間から質の良いレーザビームを取り出す
方法について説明する。

第４図（ａ）はレーザビームを取り出す構成を説明する
ための斜視図、第４図（ｂ）は同じく平面図、第４図（
Ｃ）は同じく側面図である。

第４図（ａ）　、　（ｂ）　、（ｃ）において、（５０
）は全反射ミラー　（５１）は出口全反射ミラー　（５
１１）はミラー（５１）の一部を切欠いた切欠部で、こ
の実施例では中央部に設けた円形の穴（以下、カップリ
ングホールと記す）である。（８）は射出されるレーザ
ビームである。

放電空間（Ｂ７）は幅広面の少なくとも一面が前述のよ
うに誘電体で構成されており、かつ縦と横の寸法が異な
る偏平な空間とすると共に偏平断面寸法ＡＸＢ　（Ａ＞
Ｂ）のとき、Ｂをレーザ波長に対し光導波路の寸法とす
る。又、レーザ共振器ミラーであるミラー（５０）、　
（５１）は偏平空間の両端面のすぐ外に配置されている
。

以上のように構成することにより、少なくとも一面が誘
電体で構成した偏平な空間でマイクロ波放電を生じさせ
ることで、高電力密度の放電を安定に、しかも均一に生
じさせることができる。また、空間壁面より冷却も効率
良く行なえ、短い放電長で大きな出力を得ることができ
る。さらに、寸法の小さい側を先導波路モードで光共振
器を構成することで、−面誘電体の偏平空間でもレーザ
発振効率を良くでき光共振器内部で高次のレーザモード
となっていても、切欠きより低次のビームを取り出すこ
とができる。

第４図（ｂ）及び（ｃ）に、ミラー（５１）の内側のレ
ーザ光強度分布ＰＬ１及びミラー（５１）から取り出さ
れるレーザ光強度分布ＰＬｏを示す。

光共振器内部では第４図（Ｃ）に示すように、幅が狭い
断面方向で先導波路モードの最低次モード、すなわちミ
ラー面でほぼ位相がそろったモードを形成し、第４図（
ｂ）に示すように、幅が広い断面方向では光導波路モー
ドではない通常の開放系で形成される高次モードを形成
している。カップリングホール（５１１）の寸法は光導
波路モード側はほぼ断面寸法と同じにし、高次モード側
は、高次モードのうち一節を取り出す寸法にすると、カ
ップリングホール部での光の位相がほぼそろったものと
なり、カップリングホール（５１１）から外へ放射され
るレーザビームは位相のそろった、いわゆるガウシアン
モードに近いモードにできる。

本発明者らの実験によれば、放電空間を断面１２＋ｕ　
Ｘ　２　ｍ■、長さ４００ｍｍとし、光共振器を構成す
る片側のミラー（５０）を全反射ミラー、他方のミラー
（５１）を、中央にφ２　ｍ＋ｓのカップリングホール
（５１１）を設けた全反射ミラーとし、このカップリン
グホール（５１１）よりレーザビームを取り出す構成に
したところ、はぼ円形のレーザビームを取り出すことが
できた。

次に、他の実施例について説明する。

第５図（ａ）はレーザビームを取り出す構成の他の例を
説明するための斜視図、第５図（ｂ）は同じく平面図、
第５図（Ｃ）は同じ（側面図である。

第５図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）において、（５０）
は全反射ミラー　（５１）は出口全反射ミラー　（５１
２）はミラー（５１）に設けた切欠部で、この実施例で
は出口全反射ミラー（５１）の一部を切欠いて直線状の
アパーチャを形成したものである。（８）は射出される
レーザビームである。

この例では、第５図（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）に示さ
れるように、放電空間断面における寸法の長い方の１次
元に光を拡大する１次元不安定型共振器を用いることに
よりフルマルチと同等の効率で品質の良いレーザビーム
を取り出すことが出来る。このとき、レーザ光軸を放電
空間の中心軸からずらし、ミラーの片側即ち放電断面の
一端部からのみレーザ光をとり、だすと出力後の姿態変
化がなくサイドローブのほとんどないビームが得られる
。

さらに、上記実施例において拡大率を適当に選ぶことに
より、出口におけるビームの縦横を揃えると、ファーフ
ィールドにおいては円形のガウシアンに等価なビームが
得られる。

さらに、放電断面の寸法比と放電長（トータルゲイン）
を適当に選ぶことにより、最適結合条件と対称ビーム出
力条件を合わせることができる。

また、１次元拡大のためには製作の困難なシリンドリカ
ルミラーやトロイダルミラーが必要と思われるが、放電
空間の断面寸法の短い方の管壁を光導波路として用い、
光を安定に閉じ込めることにより通常のスフエリカルミ
ラーを用いることができることが確かめられた。

第５図に示した実施例では出力側のミラーの一部を切り
欠いて直線状のアパーチャを形成しているか、放電空間
断面の短い方の寸法より充分大きな直径のミラーであれ
ば、円形ミラーを用いても問題ない。また、第５図の実
施例ではポジティブブランチを用いているが、ネガティ
ブブランチを用いてもよい。また、製作上の問題はある
ものの、トロイダルミラーやシリンドリカルミラーを用
いれば、より安定性やモード制御性に優れた共振器を構
成することが出来る。

また、この発明に係る気体レーザ装置はマイクロ波放電
を用いるために、パルス変調特性などに従来にない高機
能を有し、さらに電源を含めた製造コストも低くできる
。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、気体レーザ装置にお
いて、マイクロ波回路の一部を構成する導電体壁と、こ
の導電体壁に対向して設けられた誘電体との間にレーザ
光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる空間を形
成し、この空間に上記プラズマを発生するレーザ気体を
封入すると共に、上記マイクロ波回路により、上記誘電
体とプラズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイク
ロ波モードを形成してプラズマを発生させ、かつ上記空
間の両端面に夫々配置されたレーザ共振器ミラーのうち
一方のミラーの一部を切欠いて、この切欠部分からレー
ザビームを取り出しているから、装置がコンパクトで高
効率、高出力、高機能、低コストかつビーム品質の良い
気体レーザ装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示
す概略斜視構成図、第２図は第１図のＡ−Ａ線での断面
図、第３図はこの発明の一実施例に係る放電の様子を説
明する要部拡大断面図、第４図（ａ）はレーザビームを
取り出す構成を説明するための斜視図、第４図（ｂ）は
同じく平面図、第４図（Ｃ）は同じく側面図□、第５・
図（ａ）はレーザビームを取り出す構成の他の例を説明
するための斜視図、第５図（ｂ）は同じく平面図、第５
図（ｃ）は同じく側面図、第６図はマイクロ波放電によ
る従来の気体レーザ装置を示す断面構成図、第７図は第
６図のＢ−Ｂ線での断面図である。 図において、（５）、　（５０）　、　（５１）はミラ
ー　（５１１）。 （５１２）はミラー（５１）の一部を切欠いた切欠部、
（６）はレーザヘッド部、（Ｂ５）は導電体壁、（６６
）は誘電体、（Ｂ７）は放電空間、（７０）はプラズマ
、（８）はレーザビームである。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　弁理士　佐々木　宗　治 第 図 （Ｇ） 第 図 第 図 第 図 第 ア 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マイクロ波回路中のマイクロ波によりプラズマを発生し
   、レーザ励起を行なう気体レーザ装置において、上記マ
   イクロ波回路の一部を構成する導電体壁と、この導電体
   壁に対向して設けられた誘電体との間にレーザ光軸方向
   に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる空間を形成し、こ
   の空間に上記プラズマを発生するレーザ気体を封入する
   と共に、上記マイクロ波回路により、上記誘電体と上記
   プラズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波
   モードを形成して上記プラズマを発生させ、かつ上記空
   間の両端面に夫々配置されたレーザ共振器ミラーのうち
   一方のミラーの一部を切欠いて、この切欠部からレーザ
   ビームを取り出すことを特徴とした気体レーザ装置。