JPH02129980A - マイクロ波レーザ装置 - Google Patents
マイクロ波レーザ装置Info
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- JPH02129980A JPH02129980A JP28245688A JP28245688A JPH02129980A JP H02129980 A JPH02129980 A JP H02129980A JP 28245688 A JP28245688 A JP 28245688A JP 28245688 A JP28245688 A JP 28245688A JP H02129980 A JPH02129980 A JP H02129980A
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
- H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
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- Electromagnetism (AREA)
- Lasers (AREA)
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- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
（産業上の利用分野）
本発明は、マイクロ波放電励起を行う大出力のコンパク
トなマイクロ波レーザ装置に関するものである。
トなマイクロ波レーザ装置に関するものである。
（従来の技術）
一般にレーザ発振を得る為には、レーザ媒質中で空間的
に均一な放電の発生を必要とするが、特にマイクロ波を
放電励起に用いる場合、このことは重要となる。即ち、
マイクロ波を通常のレーザ発振で用いられる圧力（２０
〜２００Ｔｏｒｒ）で用いると、マイクロ波が放電部に
入射する入口付近に放電が集中的に生じる。従って、こ
の部分に高密度のプラズマが形成され、インピーダンス
がこの部分で極端に低下する。その結果、入射マイクロ
波は放電部に入った途端に、殆ど１００％が反射されて
しまい、放電空間に有効に電気入力が供給されないこと
になる。
に均一な放電の発生を必要とするが、特にマイクロ波を
放電励起に用いる場合、このことは重要となる。即ち、
マイクロ波を通常のレーザ発振で用いられる圧力（２０
〜２００Ｔｏｒｒ）で用いると、マイクロ波が放電部に
入射する入口付近に放電が集中的に生じる。従って、こ
の部分に高密度のプラズマが形成され、インピーダンス
がこの部分で極端に低下する。その結果、入射マイクロ
波は放電部に入った途端に、殆ど１００％が反射されて
しまい、放電空間に有効に電気入力が供給されないこと
になる。
この対策として例えば文献（Ａｐｐｌｉ、Ｐｈｙｓ、Ｌ
ｅｔｔ、 。
ｅｔｔ、 。
３７（８）、ｐ６７３（１９８０））によれば、第３図
に示した様なものが有る。第３図に於いてレーザガス３
１は上部入口３２より高圧で供給され、誘電体で構成さ
れたノズル３３を通過すると共に高速となりガス圧力が
低下する。
に示した様なものが有る。第３図に於いてレーザガス３
１は上部入口３２より高圧で供給され、誘電体で構成さ
れたノズル３３を通過すると共に高速となりガス圧力が
低下する。
一方、マイクロ波３４は図で左方より導波管３５によっ
て供給されマイクロ波を透過する圧力隔壁３６を通して
レーザ放電部４１に供給される。レーザ放型部４１の空
間３７は高圧力であるから、ここでは放電は発生しない
。レーザガスは既に述べた様に誘電体ノズル３３に於い
て加速され、ガス圧力が低下するので、ノズル３３の下
流にマイクロ波放電３８が発生する。ここでの放電は低
ガス圧中での放電であるから一様となり、下流側に構成
した光共振器３９により、マイクロ波で励起されたレー
ザガス中を通るレーザ光が増幅発振される。排出ガス４
０は真空ポンプにより図の右方に排出されている。
て供給されマイクロ波を透過する圧力隔壁３６を通して
レーザ放電部４１に供給される。レーザ放型部４１の空
間３７は高圧力であるから、ここでは放電は発生しない
。レーザガスは既に述べた様に誘電体ノズル３３に於い
て加速され、ガス圧力が低下するので、ノズル３３の下
流にマイクロ波放電３８が発生する。ここでの放電は低
ガス圧中での放電であるから一様となり、下流側に構成
した光共振器３９により、マイクロ波で励起されたレー
ザガス中を通るレーザ光が増幅発振される。排出ガス４
０は真空ポンプにより図の右方に排出されている。
（発明が解決しようとする課Ｍ）
ところで、この方式の欠点の第１はノズルを通して断熱
膨張させる為に、レーザガスの全量を排気する真空ポン
プが必要となることで、真空ポンプの排気動力が多大と
なり、全体としてのレーザ発振効率が極端に低下してし
まうことである。
膨張させる為に、レーザガスの全量を排気する真空ポン
プが必要となることで、真空ポンプの排気動力が多大と
なり、全体としてのレーザ発振効率が極端に低下してし
まうことである。
第２の欠点は放電がノズルの出口付近に集中してしまう
ことである。即ち、ノズルから下流に向かっての圧力勾
配は、ノズル出口が最低で次第に高くなり、又、マイク
ロ波電界強度も絶縁物ノズルの作用で出口付近で最大な
ので、ノズルの出口付近に放電が集中することに成る。
ことである。即ち、ノズルから下流に向かっての圧力勾
配は、ノズル出口が最低で次第に高くなり、又、マイク
ロ波電界強度も絶縁物ノズルの作用で出口付近で最大な
ので、ノズルの出口付近に放電が集中することに成る。
さらには、放電が部分的に集中してしまい、ガス温度が
上昇して、レーザ励起効率が低下するだけでなく、アー
ク限界が低下してレーザ出力が低下してしまう不具合が
有った。従って、これらの改良が望まれていた。
上昇して、レーザ励起効率が低下するだけでなく、アー
ク限界が低下してレーザ出力が低下してしまう不具合が
有った。従って、これらの改良が望まれていた。
本発明は、通常のガス圧力（２０〜２００Ｔｏｒｒ）で
−様なグロー放電が可能である総合効率の良い、コンパ
クトなマイクロ波レーザ装置を提供することを目的とす
るものである。
−様なグロー放電が可能である総合効率の良い、コンパ
クトなマイクロ波レーザ装置を提供することを目的とす
るものである。
（１題を解決するための手段）
本発明のマイクロ波レーザ装置は、マイクロ波放電を導
波管の内部で直接にマイクロ波伝搬方向に行わせるもの
で、放電が導波管内放電部で容易に点弧するように、こ
の放電部の断面積を縮小している。さらに光軸と直交す
る方向にレーザガスを流すことに因り、グロー放電に於
いて発生する熱を効果的に放電部から外部に運びだし、
放電電力密度の高いコンパクトな大出力レーザを得るも
のである。
波管の内部で直接にマイクロ波伝搬方向に行わせるもの
で、放電が導波管内放電部で容易に点弧するように、こ
の放電部の断面積を縮小している。さらに光軸と直交す
る方向にレーザガスを流すことに因り、グロー放電に於
いて発生する熱を効果的に放電部から外部に運びだし、
放電電力密度の高いコンパクトな大出力レーザを得るも
のである。
（作用）
主放電電源たるマイクロ波電源が作動してマイクロ波が
放電部に供給されると、前記の様に放電部は伝搬方向に
延びており放電部の断面積が縮小されているので一様な
グロー放電が点弧し、効果的な放電励起が行われる。さ
らに光軸と直交する方向にグロー放電が点弧するので光
路に於けるレーザガスの滞留時間が短いので放電部への
注入電力密度を高く採ることが可能であり、レーザガス
を循環させるブロワ動力が多大となることが無く効果的
な冷却が出来、効率の良いレーザ装置となる。
放電部に供給されると、前記の様に放電部は伝搬方向に
延びており放電部の断面積が縮小されているので一様な
グロー放電が点弧し、効果的な放電励起が行われる。さ
らに光軸と直交する方向にグロー放電が点弧するので光
路に於けるレーザガスの滞留時間が短いので放電部への
注入電力密度を高く採ることが可能であり、レーザガス
を循環させるブロワ動力が多大となることが無く効果的
な冷却が出来、効率の良いレーザ装置となる。
（実施例）
第１図に本発明の実施例を示す。第１図に於いて１はマ
イクロ波発振器であり、マイクロ波電力２が導波管３内
に放射される。導波管３内には、圧力隔壁４があり、大
気側３ａ （マイクロ波発振器側）と真空容器側３ｂ
（マイクロ波放電管側）とに区画している。真空容器側
導波管３ｂには放電部５が接続されている。導波管放電
部５は、その短径が図の様に縮小されているので、第１
図に示す様にグロー放電６が一様に点弧する。放電管の
先端部は図示された様に（３ｂ、 ５ｂ）、広がってい
るので、グロー放電は導波管放電部５内に制限される。
イクロ波発振器であり、マイクロ波電力２が導波管３内
に放射される。導波管３内には、圧力隔壁４があり、大
気側３ａ （マイクロ波発振器側）と真空容器側３ｂ
（マイクロ波放電管側）とに区画している。真空容器側
導波管３ｂには放電部５が接続されている。導波管放電
部５は、その短径が図の様に縮小されているので、第１
図に示す様にグロー放電６が一様に点弧する。放電管の
先端部は図示された様に（３ｂ、 ５ｂ）、広がってい
るので、グロー放電は導波管放電部５内に制限される。
導波管放電部５の先は循環風洞７となって、真空容器１
６を構成しており、内部に熱交換器８と送風器９とが設
置されている。全体は真空ポンプ１０で排気された後、
レーザガスがボンベ１１より供給される。内部ガス圧力
はガス供給弁１２及び排気弁１３で制御されており、こ
れらの制御は制御器１４で行われている。
６を構成しており、内部に熱交換器８と送風器９とが設
置されている。全体は真空ポンプ１０で排気された後、
レーザガスがボンベ１１より供給される。内部ガス圧力
はガス供給弁１２及び排気弁１３で制御されており、こ
れらの制御は制御器１４で行われている。
１５はレーザ光路で図示されていないが外部に置かれた
光共振器によって、レーザ光が励起され外部に取出され
ている。
光共振器によって、レーザ光が励起され外部に取出され
ている。
第１図に示した様に、本発明では放電がマイクロ波導波
管内５で直接に発生するところが大いなる特徴である。
管内５で直接に発生するところが大いなる特徴である。
従来例の第３図で述べたマイクロ波の欠点であるプラズ
マ中に深く浸透しないという点は、本発明者の研究で次
の点にあることが明らかどなった。
マ中に深く浸透しないという点は、本発明者の研究で次
の点にあることが明らかどなった。
即ち、第３図の従来例にある様にノズル部３３はマイク
ロ波を透過する絶縁物で構成せざるを得ないが、放電は
図示の様にノズル部３３でも発生する。
ロ波を透過する絶縁物で構成せざるを得ないが、放電は
図示の様にノズル部３３でも発生する。
マイクロ波は空間を伝搬するというが、この為には壁面
電流が必ず流れなくてはならない、しかるに第３図の従
来例では、ノズル部３３の放電に対する壁面電流は導波
管５ではなくて、ノズル部３３の内面を流れなくてはな
らない、従ってこのノズル部３３内面に強力な内面電流
を流すに十分な濃密な電子密度を有するシースが形成さ
れる。これによって多大のマイクロ波電力の消費と共に
、マイクロ波の反射等が発生していた。
電流が必ず流れなくてはならない、しかるに第３図の従
来例では、ノズル部３３の放電に対する壁面電流は導波
管５ではなくて、ノズル部３３の内面を流れなくてはな
らない、従ってこのノズル部３３内面に強力な内面電流
を流すに十分な濃密な電子密度を有するシースが形成さ
れる。これによって多大のマイクロ波電力の消費と共に
、マイクロ波の反射等が発生していた。
ここでは、以上に鑑みて導波管３自体を放電管とし、さ
らにはレーザガス１７を光軸と直交する方向に流した。
らにはレーザガス１７を光軸と直交する方向に流した。
レーザ励起はレーザガスが光路内に存在する間（滞留時
間という）に行われるが、この場合の滞留時間τは、ビ
ー１１径をＤ、レーザガス速度をＶとすると、 τ〜Ｄ／Ｖ となる、レーザビームの直径は一般に２０φ程度と小さ
いから滞留時間では、例えば流速ＶがＶ＝４０（ｍ／ｓ
）と比較的低速でも、 τ〜２０ Ｘ １０−３／ ４０ ＝ ５ Ｘ １０−
’ （ｓ）と小さくなる。従って放電部へ例えば１０（
Ｖ／＋ｃ＋＋）のマイクロ波放電電力密度を与える様な
がなりの高い電力密度を与えても、レーザガスの温度上
昇Δθは Δθ＝すτ／ｃｐ／ ｐ ＝１０Ｘ５刈Ｐ／（０，０３
８ｘｔｏ−Ｘｏ、３６Ｘ４．２）＝８７（”Ｃ）と、レ
ーザ励起が十分に可能なガス温度であることが分る。こ
こでは代表的なガス定数として、ρ＝ ０．０３８ Ｘ
１０’″’（ｇ／ａｊ）、 ｃｐ＝０．３６（ｃｓｌ
／ｇ・℃） を採用した。
間という）に行われるが、この場合の滞留時間τは、ビ
ー１１径をＤ、レーザガス速度をＶとすると、 τ〜Ｄ／Ｖ となる、レーザビームの直径は一般に２０φ程度と小さ
いから滞留時間では、例えば流速ＶがＶ＝４０（ｍ／ｓ
）と比較的低速でも、 τ〜２０ Ｘ １０−３／ ４０ ＝ ５ Ｘ １０−
’ （ｓ）と小さくなる。従って放電部へ例えば１０（
Ｖ／＋ｃ＋＋）のマイクロ波放電電力密度を与える様な
がなりの高い電力密度を与えても、レーザガスの温度上
昇Δθは Δθ＝すτ／ｃｐ／ ｐ ＝１０Ｘ５刈Ｐ／（０，０３
８ｘｔｏ−Ｘｏ、３６Ｘ４．２）＝８７（”Ｃ）と、レ
ーザ励起が十分に可能なガス温度であることが分る。こ
こでは代表的なガス定数として、ρ＝ ０．０３８ Ｘ
１０’″’（ｇ／ａｊ）、 ｃｐ＝０．３６（ｃｓｌ
／ｇ・℃） を採用した。
この様に高い電力密度が得られるので、コンパクトで大
出力のレーザ装置が提供されることが分る。
出力のレーザ装置が提供されることが分る。
この様に本実施例によればマイクロ波のエネルギが効果
的に放電部５に注入され、−様なグロー放電を形成する
。さらには導波管そのものを放電管とした構造で有るか
ら、堅牢でコンパクトなものと成る。
的に放電部５に注入され、−様なグロー放電を形成する
。さらには導波管そのものを放電管とした構造で有るか
ら、堅牢でコンパクトなものと成る。
さらに光軸に対してレーザガスの流れが直交しているか
ら、放電電力密度を高く選定することが出来、コンパク
トで大出力のレーザ装置となる。
ら、放電電力密度を高く選定することが出来、コンパク
トで大出力のレーザ装置となる。
第２図（ａ） 、 （ｂ）に示したのは本発明の第２の
実施例である。即ち、マイクロ波２の伝搬方向と光軸と
が同一方向で、レーザガス１７の流れがこれに直交する
ものである。この場合の利点は、光路をマイクロ波２の
入力に応じて、いくらでも長く出来る点で、例え、小信
号利得の小さいレーザ媒質でも十分にレーザ発振が可能
となる点である。第２図では第１図と同一機能のものは
同一番号を付して説明を省略するが、放電部５で放電励
起されたレーザガスは図示されていないが、送風器によ
って循環駆動されており、一対の光共振器１８ａ。
実施例である。即ち、マイクロ波２の伝搬方向と光軸と
が同一方向で、レーザガス１７の流れがこれに直交する
ものである。この場合の利点は、光路をマイクロ波２の
入力に応じて、いくらでも長く出来る点で、例え、小信
号利得の小さいレーザ媒質でも十分にレーザ発振が可能
となる点である。第２図では第１図と同一機能のものは
同一番号を付して説明を省略するが、放電部５で放電励
起されたレーザガスは図示されていないが、送風器によ
って循環駆動されており、一対の光共振器１８ａ。
１８ｂによって構成された光路を通るときレーザ光を励
起し発振させる。又、２０はガイド板でレーザガス１７
の流れを放電部５内に制限しており、放電部５内のレー
ザガス入口と出口に設置された金属棒部２１及び２１′
はマイクロ波２を放電部５内に制限するものである。
起し発振させる。又、２０はガイド板でレーザガス１７
の流れを放電部５内に制限しており、放電部５内のレー
ザガス入口と出口に設置された金属棒部２１及び２１′
はマイクロ波２を放電部５内に制限するものである。
この様に本発明によれば、マイクロ波のエネルギが効果
的に放電部に注入され−様なグロー放電が形成され、さ
らに、いわゆる横流形のレーザ装置をマイクロ波によっ
て実現したので効果的なレーザ光の増幅発振が行われ、
総合効率の良好なマイクロ波レーザ発振となる。
的に放電部に注入され−様なグロー放電が形成され、さ
らに、いわゆる横流形のレーザ装置をマイクロ波によっ
て実現したので効果的なレーザ光の増幅発振が行われ、
総合効率の良好なマイクロ波レーザ発振となる。
さらにはマイクロ波の特徴として、空間電荷は放電空間
にトラップされるので、直流又は交流の通常のレーザと
違って、電子を供給する為の陰極降下部が不要となり、
放電によるレーザ光励起の効率が高くなる。
にトラップされるので、直流又は交流の通常のレーザと
違って、電子を供給する為の陰極降下部が不要となり、
放電によるレーザ光励起の効率が高くなる。
第１図は本発明のマイクロ波レーザ装置の断面図、第２
図は本発明の第２の実施例を示すもので、（ａ）は断面
斜視図、（ｂ）は要部拡大図、第３図は従来のレーザ装
置の主要部を示す断面図である。 １・・・マイクロ波発振器 ２・・・マイクロ波電力３
・・・導波管 ４・・・圧力隔壁５・・・放
電部 ６・・・グロー放電 ７・・・循環風洞 ８・・・熱交換器 ９・・・送風機 １７・・・レーザガスの流れ
図は本発明の第２の実施例を示すもので、（ａ）は断面
斜視図、（ｂ）は要部拡大図、第３図は従来のレーザ装
置の主要部を示す断面図である。 １・・・マイクロ波発振器 ２・・・マイクロ波電力３
・・・導波管 ４・・・圧力隔壁５・・・放
電部 ６・・・グロー放電 ７・・・循環風洞 ８・・・熱交換器 ９・・・送風機 １７・・・レーザガスの流れ
Claims (1)
- 真空容器内にＣＯ＿２等を含むレーザ媒質ガスを低ガス
圧で封入し、このガスを送風機で放電部に熱交換器を通
して循環させ、前記放電部の外部のマイクロ波電源より
マイクロ波を供給し、マイクロ波導波管内で直接にグロ
ー放電させてレーザ媒質ガスを励起するマイクロ波レー
ザ装置に於いて、レーザ光軸に対し、ガスの流れが直交
するようにしたことを特徴とするマイクロ波レーザ装置
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28245688A JPH02129980A (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | マイクロ波レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28245688A JPH02129980A (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | マイクロ波レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02129980A true JPH02129980A (ja) | 1990-05-18 |
Family
ID=17652661
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28245688A Pending JPH02129980A (ja) | 1988-11-10 | 1988-11-10 | マイクロ波レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02129980A (ja) |
-
1988
- 1988-11-10 JP JP28245688A patent/JPH02129980A/ja active Pending
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