JPH02133974A - Microwave laser device - Google Patents

Microwave laser device

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JPH02133974A
JPH02133974A JP28676288A JP28676288A JPH02133974A JP H02133974 A JPH02133974 A JP H02133974A JP 28676288 A JP28676288 A JP 28676288A JP 28676288 A JP28676288 A JP 28676288A JP H02133974 A JPH02133974 A JP H02133974A
Authority
JP
Japan
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microwave
laser
discharge
discharger
waveguide
Prior art date
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Pending
Application number
JP28676288A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideomi Takahashi
秀臣 高橋
Kiyohisa Terai
清寿 寺井
Toru Tamagawa
徹 玉川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH02133974A publication Critical patent/JPH02133974A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a compact microwave laser device which can cause a uniform glow discharge with normal gas pressure with satisfactory total efficiency by operating a magnetic field at a discharger. CONSTITUTION:A microwave oscillator 11 radiates a microwave 12 to a waveguide 13, a radiated microwave 12 is transmitted to a discharger 7 through a pressure partition wall 14. A permanent magnet 10 is disposed out of the waveguide discharger 7 thereby to form a magnetic field perpendicular to a microwave electric field. Thus, a microwave discharge starting voltage is lowered to maintain a stable glow discharge. Here, an optical resonator 15 composed of a pair of mirrors is disposed out of the discharger 7, when laser gas excited by the microwave is passed through a part having the resonator 15, the laser light is amplified, oscillated to cause an effective laser oscillation. Accordingly, since the energy of the microwave is effectively injected to the discharger 7, a uniform glow discharge is formed, and a microwave laser oscillation having satisfactory total efficiency.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a high-output, compact microwave laser device that performs microwave discharge excitation.

(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。
(Prior Art) Generally, in order to obtain laser oscillation, it is necessary to generate a spatially uniform discharge in a laser medium, and this is particularly important when microwaves are used for discharge excitation. That is,
The pressure used in normal laser oscillation (20
~200 Torr), discharge occurs intensively near the entrance where the microwave enters the discharge section. Therefore, high-density plasma is formed in this portion, and impedance is extremely reduced in this portion. As a result, almost 100% of the incident microwave is reflected as soon as it enters the discharge section, and no electrical input is effectively supplied to the discharge space.

この対策として例えば文献(Appli、Phys、L
ett、 。
As a countermeasure against this, for example, literature (Appli, Phys, L
ett, .

37(8) 、p673(1980))によれば、第3
図に示した様なものが有る。第5図に於いてレーザガス
31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。
37(8), p.673 (1980)), the third
There are things like the one shown in the figure. In FIG. 5, laser gas 31 is supplied at high pressure from an upper inlet 32, and as it passes through a nozzle 33 made of a dielectric material, the gas speed increases and the gas pressure decreases.

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カ隔壁36を通して
レーザ放電部41に供給される。レーザ放電部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−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。
On the other hand, the microwave 34 is supplied from the left side in the figure by a waveguide 35 and is supplied to the laser discharge section 41 through a pressure partition wall 36 that transmits the microwave. Since the space 37 of the laser discharge section 41 is under high pressure, no discharge occurs here.As mentioned above, the laser gas is accelerated in the dielectric nozzle 33, and the gas pressure decreases, so that no discharge occurs downstream of the nozzle 33. A microwave discharge 38 is generated. Since the discharge here is a discharge in a low gas pressure, the laser beam passing through the laser gas excited by the microwave is amplified and oscillated by the optical resonator 39 configured on the downstream side. Exhaust gas 4
0 is discharged to the right of the figure by a vacuum pump.

(発明が解決しようとする課題) ところで、この方式の最大の欠点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。
(Problem to be Solved by the Invention) By the way, the biggest drawback of this method is that a vacuum pump is required to exhaust the entire amount of laser gas in order to adiabatically expand it through the nozzle, which requires a large amount of exhaust power for the vacuum pump. This results in an extremely low overall laser oscillation efficiency.

又、下流側のガス圧力、即ち、放電部のガス圧力が低い
ので電力密度を大きく採ることができず、装置が大形と
なり、又、レーザ出力も大きくは採れないという不具合
が有った。
Further, since the gas pressure on the downstream side, that is, the gas pressure in the discharge section is low, it is not possible to obtain a large power density, resulting in a large device, and there are also disadvantages in that a large laser output cannot be obtained.

従って、このようなガス圧力を大きく変化させることは
好ましくなく、通常のレーザと同じ運転条件で作動し得
るマイクロ波励起レーザの開発が望まれていた。
Therefore, it is not preferable to greatly change the gas pressure, and it has been desired to develop a microwave excitation laser that can operate under the same operating conditions as a normal laser.

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。
An object of the present invention is to provide a compact microwave laser device with good overall efficiency, which is capable of producing a glow discharge of a certain type at normal gas pressures (20 to 200 Torr).

〔発明の構成〕[Structure of the invention]

(課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、マイクロ波放電させ
るものであり、さらには放電部に磁界を作用させること
により安定なマイクロ波放電を生じさせ、−様なマイク
ロ波放電を行わせるものである。
(Means for Solving the Problems) The microwave laser device of the present invention generates microwave discharge, and furthermore, generates stable microwave discharge by applying a magnetic field to the discharge part, and generates microwaves such as - It causes wave discharge.

又、マイクロ波電界の伝搬方向に磁界を作用させること
によりマイクロ波放電を高電子密度で安定に、また−様
に放電させることを可能とするものである。
Furthermore, by applying a magnetic field in the propagation direction of the microwave electric field, it is possible to stably and uniformly discharge microwaves with high electron density.

(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、前記のように放電部は導波管
内を低圧力のレーザガスで満たした補遺であるから、マ
イクロ波の作用により、直ちに−様な電離が進行して空
間抵抗値が低下し、入射空間のインピーダンスとマツチ
ング出来る様に成っているのでマイクロ波エネルギがこ
こで有効に消費される。又、電界方向の磁界の作用によ
り安定、且つ−様なグロー放電が放電部に形成されレー
ザガスの最適励起が可能と成る。
(Function) When the microwave power source, which is the main discharge power source, is activated and microwaves are supplied to the discharge section, as mentioned above, the discharge section is an addendum in which the inside of the waveguide is filled with low-pressure laser gas. Due to the action of the waves, -like ionization immediately progresses and the spatial resistance value decreases, making it possible to match the impedance of the incident space, so that the microwave energy is effectively consumed here. Furthermore, a stable and -like glow discharge is formed in the discharge section by the action of the magnetic field in the direction of the electric field, making it possible to optimally excite the laser gas.

さらにはマイクロ波の伝搬方向の磁界が有る場合には、
マイクロ波の、いわゆるカットオフ周波数が低周波数側
に移行する。従って、マイクロ波は高電子密度のプラズ
マ中を透過出来ることに成るので安定な一様放電が可能
と成る。
Furthermore, if there is a magnetic field in the direction of microwave propagation,
The so-called cutoff frequency of microwaves shifts to the lower frequency side. Therefore, since microwaves can pass through plasma with high electron density, stable uniform discharge is possible.

(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は真
空容器であり、真空排気ポンプ2によってバルブ3を介
して真空に排気される。真空に排気された後、バルブ3
は閉じられバルブ4が開けられて、レーザガスボンベ5
よりレーザガスがこの真空容器内に一定圧力(例えば5
0Torr)まで注入された後バルブ4が閉じられる。
(Embodiment) An embodiment of the present invention is shown in FIG. 1. In FIG. 1, 1 is a vacuum container, which is evacuated to a vacuum via a valve 3 by an evacuation pump 2. After being evacuated, valve 3
is closed, valve 4 is opened, and laser gas cylinder 5 is opened.
The laser gas is kept at a constant pressure (for example, 5
After the water is injected to 0 Torr, the valve 4 is closed.

このガス供給は第1図で破線で示した様に通常はレーザ
ガス制御器6によって、バルブ3,4が制御されており
注入と排気が交互又は連続的に行われて、レーザガスが
常時少量ずつ入替えられている。導波管放電部1の外部
には、マイクロ波レーザ放電を安定化させる為の永久磁
石lOが配設されている。
As shown by the broken line in Figure 1, this gas supply is normally controlled by a laser gas controller 6 that controls valves 3 and 4, and injection and exhaust are performed alternately or continuously, and the laser gas is constantly replaced in small amounts. It is being A permanent magnet IO is provided outside the waveguide discharge section 1 to stabilize the microwave laser discharge.

11はマイクロ波発振器であり、マイクロ波12を導波
管13内に放射している。放射されたマイクロ波13は
圧力隔壁14を通って放電部7に送られる。
A microwave oscillator 11 radiates microwaves 12 into a waveguide 13. The radiated microwave 13 is sent to the discharge section 7 through the pressure partition 14.

レーザガスは、ルーツブロワ8によって矢印の様に循環
されており、導波管放電部7を出たガスはマイクロ波放
電による加熱効果により高温と成るので熱交換器9によ
り冷却される。
The laser gas is circulated by a Roots blower 8 in the direction of an arrow, and the gas leaving the waveguide discharge section 7 becomes high in temperature due to the heating effect of the microwave discharge, so it is cooled by a heat exchanger 9.

導波管放電部7の外部には永久磁石10が配設されてお
り、これによりマイクロ波電界と直交する磁界が形成さ
れているので、第2図に示した様にマイクロ波放電開始
電圧が低下するので安定なグロー放電の維持が可能とな
る。
A permanent magnet 10 is disposed outside the waveguide discharge section 7, and this creates a magnetic field perpendicular to the microwave electric field, so that the microwave discharge starting voltage increases as shown in FIG. This makes it possible to maintain stable glow discharge.

又、進行方向磁界の存在する場合には、さらに望ましい
効果が得られる。即ち、プラズマ物理学の入門教科書(
例えば、内田訳「プラズマ物理入門」など)によると、
電子質量m、電荷e、電子密度nとしてプラズマ周波数
ωpが ωp=(4πne/m) で与えられている。プラズマ周波数ωpより低い周波数
のマイクロ波はプラズマ中を伝搬出来ないことが分って
いる。
Furthermore, when a traveling direction magnetic field is present, even more desirable effects can be obtained. In other words, an introductory textbook on plasma physics (
For example, according to "Introduction to Plasma Physics" translated by Uchida, etc.
The plasma frequency ωp is given by ωp=(4πne/m), where the electron mass m, the charge e, and the electron density n. It is known that microwaves with a frequency lower than the plasma frequency ωp cannot propagate in the plasma.

ここに磁界Bが存在すると次式で定義されたサイクロト
ロン周波数ωC ωC=e−B/m を用いて、共鳴周波数ωh、二つのカットオフ周波数ω
R5ωLが次式で与えられる。
If magnetic field B exists here, using the cyclotron frequency ωC defined by the following equation ωC=e-B/m, the resonance frequency ωh and the two cutoff frequencies ω
R5ωL is given by the following equation.

ωh=vωP+ωC ωR=[ωC+(ωC+4ωP) 1/2ωL=[−ω
C十(ωC+4ωP’) l/2マイクロ波周波数ωに
対する位相速度Vφを前記の入門書に従って描くと第3
図と成る。
ωh=vωP+ωC ωR=[ωC+(ωC+4ωP) 1/2ωL=[-ω
C0(ωC+4ωP') l/2 If the phase velocity Vφ for the microwave frequency ω is drawn according to the introductory book mentioned above, the third
Figure shows.

ここで、第1図の導波管放電部7の外部には一対のミラ
ーで構成された光共振器15が放電部7の外に配置され
ているので、マイクロ波によって励起されたレーザガス
がこの光共振器15の有る部分を通るとき、レーザ光を
増幅発振させる。この様にして効果的なレーザ発振が行
われることが分る。
Here, an optical resonator 15 composed of a pair of mirrors is placed outside the waveguide discharge section 7 in FIG. When passing through a certain part of the optical resonator 15, the laser beam is amplified and oscillated. It can be seen that effective laser oscillation is performed in this manner.

磁界を発生させるには、第4図(a)に示した様に導波
管の外部にコイル17を置き、外部よりこれに電流を流
してマイクロ波の伝搬方向の磁界を発生させる。このマ
イクロ波伝搬方向の磁界は永久磁石の組合わせでも可能
となることはもちろんである。
To generate a magnetic field, a coil 17 is placed outside the waveguide as shown in FIG. 4(a), and a current is passed through it from the outside to generate a magnetic field in the direction of microwave propagation. Of course, this magnetic field in the direction of microwave propagation can also be achieved by a combination of permanent magnets.

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
的に導波管放電部7に注入されるので。
In this way, according to this embodiment, microwave energy is effectively injected into the waveguide discharge section 7.

−様なグロー放電と成り、効果的なレーザ光の増幅発振
が行われることが分る。
It can be seen that a glow discharge like - is formed, and effective amplification and oscillation of the laser beam is performed.

さらにはマイクロ波伝搬方向の磁界が作用すると、マイ
クロ波はプラズマ中にさらに深く浸透し、効果的な励起
によるエネルギ効率の良いマイクロ波レーザ発振器とな
ることが分る。
Furthermore, when a magnetic field acts in the direction of microwave propagation, the microwaves penetrate deeper into the plasma, resulting in an energy-efficient microwave laser oscillator due to effective excitation.

第4図(b)に示したのは本発明の第2の実施例である
。第4図(b)ではマイクロ波進行方向の磁界を永久磁
石で発生させるもので、永久磁石18と強磁性体19の
作用で第4図(b)に示した様に、有効な伝搬方向磁界
が発生する。従ってマイクロ波プラズマ中に浸透し、し
かも均一な、高密度のマイクロ波プラズマが生成するの
で、総合的なエネルギ効率が良好となる。
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. 4(b). In Fig. 4(b), a magnetic field in the microwave propagation direction is generated by a permanent magnet, and the effective magnetic field in the propagation direction is generated by the action of the permanent magnet 18 and the ferromagnetic material 19 as shown in Fig. 4(b). occurs. Therefore, the microwave plasma penetrates into the microwave plasma, and a uniform, high-density microwave plasma is generated, resulting in good overall energy efficiency.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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る
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。
As described above, according to the present invention, microwave energy is effectively injected into the discharge section and a --like glow discharge is formed, so that effective amplification and oscillation of laser light is performed, resulting in good overall efficiency. This results in microwave laser oscillation.

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。
Furthermore, a feature of microwaves is that space charges are trapped in the discharge space, so unlike normal DC or AC lasers, there is no need for a cathode fall section to supply electrons.
The efficiency of laser light excitation by discharge is increased.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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、第3図は本発明の効果を示す特性図、第4図(a)
、 (b)は夫々磁界発生装置を示す斜視図、第5図は
従来のレーザ装置の主要部を示す断面図である。 1・・・真空容器、     2・・・真空排気ポンプ
5・・・レーザガスボンベ 7・・・放電部8・・・ル
ーツブロワ   9・・・熱交換器10・・・永久磁石
     11・・・マイクロ波電源12・・・マイク
ロ波    13・・導波管14・・・圧力隔壁   
  15・・・光共振器16・・・導波管      
17・・・磁界発生用コイル18・・・縦磁界発生用永
久磁石 19・・・強磁性体 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同  第子丸 健 第 図 300(θ−3) 径界H 第 図 第 図
Figure 1 is a sectional view of the microwave laser device of the present invention, Figure 2 is a sectional view of the microwave laser device of the present invention;
Figure 3 is a characteristic diagram showing the effects of the present invention, Figure 4 (a)
, (b) are perspective views showing magnetic field generating devices, and FIG. 5 is a sectional view showing the main parts of a conventional laser device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Vacuum container, 2... Vacuum pump 5... Laser gas cylinder 7... Discharge part 8... Roots blower 9... Heat exchanger 10... Permanent magnet 11... Microwave Power source 12...Microwave 13...Waveguide 14...Pressure bulkhead
15... Optical resonator 16... Waveguide
17... Coil for magnetic field generation 18... Permanent magnet for longitudinal magnetic field generation 19... Ferromagnetic agent Patent attorney Nori Chika Ken Yudo Daishimaru Ken Diagram 300 (θ-3) Radial field H No. Figure diagram

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  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導波管放電部に熱交
換器を通して循環させ、前記放電部へ外部のマイクロ波
電源よりマイクロ波を供給して、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
ザ装置において、レーザ励起を行わせる導波管放電部に
外部より磁界を作用させるようにしたことを特徴とする
マイクロ波レーザ装置。
A laser medium gas containing CO_2, etc. is sealed in a vacuum container at low gas pressure, and this gas is circulated through a heat exchanger to the waveguide discharge section using a blower, and microwaves are applied to the discharge section from an external microwave power source. In a microwave laser device that excites a laser medium gas by direct glow discharge within a waveguide, a magnetic field is applied from the outside to a waveguide discharge section where laser excitation is performed. microwave laser equipment.
JP28676288A 1988-11-15 1988-11-15 Microwave laser device Pending JPH02133974A (en)

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