JPH0234196B2 - Gasureezasochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は不安定型共振器形のガスレーザ装置
に関するものである。

この種、ガスレーザ装置としては安定型共振器
及び不安定型共振器があり、集光特性の観点から
一般には安定型共振器が用いられている。しかし
ながら、安定型共振器はミラーの耐光強度の観点
からギヤツプ長を余り大きくできず出力の大きさ
に限界があるため、レーザー加工装置のように大
出力を要する場合にはこのような制限が小さい不
安定型共振器が一般に用いられている。

このような不安定型共振器形のガスレーザ装置
を以下に説明する。

まず従来の不安定共振器形レーザの構造を、不
安定共振器形直流放電式CO₂レーザを例にとつて
説明する。

第１図は従来の不安定共振器形レーザの構成を
示す縦断面図、第２図はその−線よりみた電
極部分の拡大断面図、第３図は第１図−線に
おける出力レーザ光のパターンを示す図、第４図
は第３図−線における出力レーザ光の半径方
向の強度分布図、第５図は出力レーザ光の遠方
（10ｍ以上）における半径方向の強度分布図であ
る。図において１は陰極ピン、２は安定化抵抗、
３は絶縁基板、４は直流電源、５は放電空間、６
は共振空間、７は金属板電極、８はガスガイド
板、９はガス流、１０は反射鏡（凹面）、１１は
反射鏡（凸面）、１２は透過窓、１３は容器、１
４は出力レーザ光である。電極ピン１は多数並列
に配置され、それぞれに安定化抵抗２が接続され
ている。直流電源４から数KVの負電圧が陰極ピ
ン１に印加されると、間隔ｄ（38mmなおこの（ ）
内の数値は１例を示す、以下同じ）の放電空間５
が形成され、レーザガス（CO₂、N₂、Heの混合
気体）を励起する。放電空間５において陰極ピン
１に近い部分５−１と金属板電極７に近い部分５
−３は中央部５−２に比べて輝度が非常に大き
い。放電空間５の形は第１図、第２図に示されて
いるように三角形に近く、数10ｍ・s^-1のガス流
９によつて下流側に引き伸ばされている。共振空
間６の中心は第２図に示されているように放電空
間５のガス流９のやや下流側に設定し、最大のレ
ーザを得るようにしてある。反射鏡１０の曲率半
径R₂（＋13.5ｍ）と直径D₁（25mm）の反射鏡１１
の曲率半径R₁（−9.9ｍ）と、それらの間隔Ｌ（1.8
ｍ）との間には （１−Ｌ／R₁）（１−Ｌ／R₂）＞１ の関係があり「正枝（Positive branch）に属す
る不安定共振器」が構成されている。さらに反射
鏡１０の焦点位置と凸面鏡１１の焦点位置は反射
鏡１０の後方（出力レーザ光１４の進行方向）
4.95ｍの点で一致している。それゆえ出力レーザ
光１４はほゞ平行ビームとなり透過窓１２より出
射されている。出力レーザ光１４のパターンは第
３図に示したように大体ドーナツ状で、その内径
は反射鏡１１の直径D₁（25mm）に等しく、その外
径は不安定共振器の光学定数（R₁、R₂、Ｌ、D₁）
で理論的に決定される値D₂（34mm）にほゞ等し
い。しかしながら、光強度の分布は第３図でハツ
チの密度の模式的に示したように、また第４図に
半径方向の強度分布で示したように、陰極ピン１
側の強度が他の部分に比べて小さく非対称であ
る。遠方（10ｍ以上）のビームパターン（以降遠
視野像と呼ぶ）はレーザ光１４の進行とともに回
折効果によりパターンが変化し第５図に示すプロ
フイルの強度分布となり、光は多少中央に寄つて
くるが対称的でなく、かつなかだかのプロフイル
になつていない。

ところで、遠視野像は出力レーザ光１４をレン
ズあるいは凹面鏡で集光したときその焦点にでき
るパターンと相似である。加工用のCO₂レーザを
例にあげるまでもなく、ビームの収束性がよいこ
と、すなわち焦点におけるビームの直径が小さく
対称的でかつなかだかの分布（ガウス分布に近い
分布）が得られることはレーザ光に対する重要な
要請となる。従つて収束性はレーザ装置にとつて
最大の性能指数の一つである。この面から言うと
第５図のような従来装置における出力レーザ光の
遠視野像は好ましくないものである。

さらにまた、放電電流を増大させ、放電電力し
たがつて発振出力を増大させる場合に、従来装置
では並列に配置された陰極ピン１のどれかにグロ
ー放電からアーク放電への転移が発生し、放電が
著るしく不安定となり、運転を一時停止せざるを
得ない事故がしばしば生じる。このように従来装
置には、放電の不安定性という欠点もあつた。

発明者らは出力レーザ光１４の遠視野像を改善
すべく多くの試みを繰り返した。その結果、解決
策の１つとして、共振空間６を陰極ピン１の近く
を避けて設定する、即ち共振空間６の直径を小さ
くすれば、遠視野像は良好なものになることを見
出しているが、これは放電空間５をレーザ励起に
有効に利用していないことになり、レーザの発振
エネルギー効率は相当犠牲にする必要があり、こ
れは良い解決策ではないと言わざるを得ない。発
明者は、従来装置の欠点が励起手段として利用し
た直流放電の本質的な現象に由来するものである
考えた。従来装置における直流放電をより詳しく
研究した結果発見した事実を以下にのべる。

放電空〓長ｄ＝30mm、CO₂−N₂−He混合気体
（モル分率５−45−50）、圧力50Torr、平均放電
電力密度ｗ＝10w・cm^-3（放電電力を［放電長
さ］×ｄ×１／2dで徐した値）の条件下における
放電空間５の気体分子温度Ｔを分光学的に測定し
た結果を第６図に示す。放電空間５においてＴは
一様でなく非常に大きな不均一性がある。陰極ピ
ン１から金属板電極７に向う距離ｘの関数として
Ｔをみると、Ｔは放電空間の陰極ピン１近傍（ｘ
＝０〜10mm）の部分５−１で500〓位の局部的高
温を示している。ガス流方向ｙには、ｙ＝０（陰
極ピン１の位置はｘ＝、ｙ＝０）から下流側に向
うにつれてＴは緩やかに上昇している。放電空間
の中央部５−２（ｘ＝13〜25mm）ではガス流方向
のＴの最大値400〓程度である。肉眼では陰極ピ
ン１の尖端部と金属板電極７の近傍が輝度が高
い。分光学的に求めた局所的な気体分子温度Ｔの
空間分布は肉眼による観測から類推し得るものと
は全く異なつており、ここで初めて明らかにされ
たものである。

気体分子温度Ｔが上昇すると、レーザ下位準位
にある分子数密度が上昇し、レーザ利得が減少す
る。従つて従来装置のパターン不良性は、放電空
間５に気体分子温度の局部的高温部分が存在した
ことに起因する本質的なものであることが判明し
た。

発明者らは、そこで、他の放電励起方法を研究
した結果無声放電が不安定共振器形レーザに最適
であることを見出した。以下その根拠となる実験
事実について述べる。

電極を従来装置における直流放電用の電極（陰
極ピン１と金属板電極７によつて構成された）の
かわりに無声放電用の曲（構造の一例はのちに第
８図で全体を、第９図でその断面を示すとし、交
流高電圧を印加し無声放電を発生させた場合の気
体分子温度Ｔの測定結果を第７図に示す。実験条
件は第６図に示したものと同様で、放電空〓長ｄ
＝30mm、圧力ｐ＝50Torr、放電電力密度ｗ＝
10w・cm^-3（放電電力を［放電部長さ］×ｄ×［電
極のガス流方向幅］で徐した値）である。気体分
子温度Ｔはガス流方向ｙにゆるやかに上昇し最大
400〓くらいになるものの、放電の方向ｘには完
全に一様で、無声放電空間には局所的高温分布は
全くないことが明らかにされた。肉眼による観測
では電極面の近傍が放電空間中央部よりはるかに
輝度が高いので、ここで明らかになつた無声放電
空間のＴ分布は全く予想を越えた発見であつた。
一方励起の特性は図には特に示されないが、総合
的には従来の直流放電による励起の特性と大体同
じである。ただし励起の大きさ（利得）の空間分
布は無声放電の場合の方がはるかに一様性におい
て優れている。

従つて、局所的な高温領域の存在しない均一な
放電と励起を領域を必要とする不安定共振器形レ
ーザの励起手段として無声放電を用いることは非
常に好都合であることが強く示唆された。無声放
電はさらに、のちに設するように、放電の安定性
の面で本質的に優れている。この発明は上記の新
知見に基づいてなされたもので、無声放電を不安
定共振器形レーザ光に適用することにより高信頼
性でビームの質（収束性）がよく、更に発振エネ
ルギー効率の高いレーザ装置を実現したものであ
る。

以下この発明の第１の実施例を第８図〜第１２
図に基づき説明する。第８図は全体構成を示す縦
断面図、第９図はその−線よりみた電極部分
の拡大断面図、第１０図は第８図の−線に於
ける出力レーザ光のパターンを示す図、第１１図
は第１０図−線よりみた出力レーザ光の
半径方向の強度分布を示す図、第１２図は出力レ
ーザ光１４の遠視野像の半径方向の強度分布を示
す図である。

図において２０は交流電源（50kHz、10KV）、
２１は電極、２２はその外面を被覆する誘電体
（ガラス、厚さ１mm）である。電極２１の端部は
光軸にほぼ一致しており、電極２１のガス流方向
の幅ｌは電極７の幅よりも狭く、その長さは40mm
である。放電空〓長ｄ及び反射鏡１０，１１の大
きさと曲率半径は従来例と等しくした。電極２１
は誘電体２２の熱的破損を防ぐために脱イオン冷
却水２３で冷却した。電極２１に交流電源２０か
ら交流高電圧が印加されると、放電空間５には無
声放電の呼ばれる安定な放電が生じる。この安定
性は誘電体２２の存在によつて保証されるもの
で、capacitive ballast効果と呼ばれる。放電の
様子は肉眼による観察と対応させて、第９図に示
したごとく、ガス流９の方向に少し引き伸ばされ
るが、矩形に近い一様帽な放電で、誘電体２２の
近傍（５mm以内）と金属板電極７の近傍（２mm以
内）が他の部分に比べて高い輝度で光つている。
上流側で放電により励起された分子は高速のガス
流９により下流側２流れこみ共振空間６に達する
ために有効に利用されている。得られた出力レー
ザ光１４の反射鏡１１位置におけるビームパター
ンは第１０図にハツチの密度で模式的に示した如
く、また第１１図の強度分布に示したように対称
性の良いものが得られた。ビームの内径は反射鏡
１１の直径D₁（25mm）に等しく外径は光学定数
R₁，R₂，Ｌ，D₁によつて理論的に計算される値
D₁とほゞ等しいことは従来例とは変らないビー
ムの遠視野像は第１２図に示すようにガウス分布
に近いなかだかでほゞ対称なものが得られ収束性
の良好な出力レーザ光１４が得られた。

なお、放電空間５に偶発的な局部的電流集中が
生じた場合、その部位を占める誘電体２２の表面
には、上記局部放電の電荷が堆積し局部的な逆電
界が発生するため、上記局部放電はより集中する
ことなく消滅する。この効果は誘電体２２で被覆
された放電面すべてに保証されている。

このようにこの発明によつて放電空〓長ｄと不
安定共振器の光学定数で決定されるビームの外径
D₂とをほゞ等しくなおかつ収束性のよいビーム
を安定に取出すことが可能となつた。換言すれば
放電空間５を全面的に発振に利用し、エネルギ効
率が高く、質のよいビームが得られる、信頼性の
高いレーザを実現することができた。

上記実施例では電極２１の流れ方向幅ｌ＝40
mm、放電空〓長ｄ＝38mmとしてｌ／ｄ≒１の構成
としたものを示した。ビームパターンの良好な不
安定共振器を作動させるために励起領域の幅（半
値全幅）Δxが共振空間５の幅φよりも大きいこ
とが必要で、発振エネルギー効率を良くするため
にはガス上流側の励起分子が分子間衝突によつて
無駄に減衰する前に下流側に共振空間６に流入す
ることが必要である。上記２つの要請がｌの下限
と上限を与え、ｌの範囲としては1/2ｄ〜（1/2ｄ
＋ガスの寿命距離、すなわち60mm）の範囲が最適
であると結論される。（たとえばCO₂−N₂−He
（モル分率５−45−50）の混合ガス、気体圧力ｐ
＝50Torr、ガス流９の流速40ｍ・s^-1の場合、Δx
≒2.1lでｌ＝１／2.1×ｄがｌの下限を与える。また 実測されたガス流方向のガス寿命距離は約60mmで
共振空間６は放電空間５の下流側にあるから60＋
38／２＝79mmがｌの上限を考える。）ｌを長く
（ｄ／２＋60mmまで）することにより（同一電源
周波数、同一印加電圧波高値のもとで放電電力は
ｌに比例して多く投入されるから）レーザの大出
力化が達成される。

なお、従来安定型共振器には、上記実施例にお
ける不安定型共振器の電極の幅ｌと類似した電極
の幅ｌを有するものがあつたが、電極の幅ｌのも
たらす作用が異なるので電極の幅ｌについて不安
定型共振器と安定型共振器とを同一次元上で比較
することはできないことを付記しておく。すなわ
ち、安定型共振器はレーザ光を共振器内に閉じ込
め、レーザ光の一部を部分透過鏡より漏らして出
力する方式であるため、出力されるビームの性能
は専ら共振器条件によつて決定され、励起領域の
幅Δxの影響ひいは電極の幅ｌの影響は少なく、
たとえば、励起領域の幅Δxbが共振空間の幅φよ
りも十分小さい場合であつても、レーザービーム
はあくまで共振器によつて決定されたものが得ら
れ、励起領域の幅Δxbと共振空間の幅φとの大小
関係によつてレーザービームが変化することはな
いのに対し、不安定型共振器は共振器軸上の良質
なビーム成分を単純に拡大して共振器外部に取り
出す解放性の強い方式のものであるため、励起領
域の幅Δxがレーザービームの品質に与える影響
は大きく、このため上記のように励起領域の幅
Δxが共振空間の幅φより大きいことが必要とな
り、ひいては電極の幅ｌを上記のように構成する
ことは非常に重要である。

第１３図はこの発明の第２の実施例の縦断面図
で、第８図で示した第１の実施例とはレーザ光出
口側のミラーを反射鏡３０（凹面曲率半径R₁＝
＋1.2ｍ）としたこと、他方の反射鏡１０を凹面
（曲率半径R₂＝＋2.4ｍ）としたことが異なる。こ
の場合、ミラー間隔Ｌ（1.8ｍ）に対し （１−Ｌ／R₁）（１−Ｌ／R₂）＜０ であるから「負枝（Negative branch）に属する
不安定共振器」となり、両ミラーの焦点６−４は
共振空間６内の反射鏡３０から0.6ｍの所に一致
しているから、出力レーザ光１４は第１の実施例
と同様に平行ビームで出射される。出力レーザ光
１４のパターンは第１の実施例と大体同様で、反
射鏡３０を出たところではほゞ対称なドーナツ形
であり、遠視野像もほゞ対称ななかだかのガウス
分布に近いものとなる。この第２の実施例が第１
の実施例と相違する点は、放電の安定性をより折
曲的に利用したことである。すなわち、共振空間
６内の焦点部分６−４は共振器内の発振光定在波
強度が強めて強くなるために、従来装置（直流放
電）では「負枝に属する不安定共振器」は採用し
ていない。なぜならば、もし採用した場合、従来
例においては放電空間５の焦点５−４に近い領域
では放電維持電圧が局部的に低くなり、それがグ
ロー放電からアーク放電への転移を誘発する事故
が生じるからである。無声放電では誘電体２２の
存在によつて、局部的放電の集中は速かに自律的
に阻止し得るので上記「負枝に属する不安定共振
器形」レーザは問題なく実現できる。

第１４図はこの発明の第３の実施例の電極部分
の拡大断面図で、金属板電極７に通水路７１を設
け、このなかに冷却水４０を流して冷却する構成
としたものである。電極７の金属面は放電による
スパツタリングにより局部的に加熱されイオン化
が活発になり、その結果放電領域がガスの下流側
に拡がり易くなつている。しかるにこの実施例で
は、金属板電極７は冷却されるので局部的に加熱
されることがなく、放電空間５の拡がりに抑制さ
れるので第１、第２の実施例に比べて放電領域を
狭くすることができる。その結果発振のしきい値
を与える放電電力がより少なくて足り、発振のエ
ネルギー効率が向上し、また金属イオンによるレ
ーザ媒質ガスの汚損が防げるのでレーザの長時間
安定性が増大する。

第１５図はこの発明の第４の実施例の電極部分
の拡大断面図で、接地側の電極７をも誘電体２２
で被覆しかつ両電極をほぼ同一の幅ｌとしたもの
である。この構成の結果、放電空間５は放電方向
に全く対称となり、収束性がさらに良好な出力レ
ーザ光１４が得られるようになる。また、金属面
が露出していないので金属イオンによるガスの汚
損は全くなくなり、第３の実施例のものよりもさ
らに長時間安定性に優れたレーザが得られる。

また、高電圧側２１及び低電圧側の電極７はそ
のガス流９方向の長さｌが放電空〓長ｄとの関連
で、２／ｄ＜ｌ＜ｄ／２＋60mmの範囲内にある限
りにおいて、電極製作上の要請から分割して構成
することができる。この実施例を第１６図に示し
た。図において高電圧側の電極２１及び低電圧側
の電極７はいずれもガス流９方向に隣接し平行に
並ぶように構成されている。

なお、以上説明した第１〜第４の実施例におい
て、電極の高電圧側、低電圧側を逆転させても同
様の効果が得られることは言うまでもない。

また、上記実施例ではすべて共焦点タイプの不
安定共振器形レーザを示したが、２つのミラーの
焦点位置が一致しないタイプの不安定共振器形レ
ーザにおいても、出力光をレンズ等により集光す
れば、その焦点においてやはり収束性のよいレー
ザ光が得られるので、この発明を適用して同様の
効果が得られる。

またこの発明はCO₂レーザのみならず、連続発
振の他の気体レーザ（CO、Ar、He−Neなど）
すべてに適用できる。

この発明は以上説明したように、誘電体と、こ
の誘電体に少なくとも一方の電極の電極面が覆わ
れるとともに共振器の光軸方向に延在しこの光軸
を挟んで相対向する一対の電極と、この一対の電
極間に高周波高電圧を印加して放電空間に無声放
電を生成うる交流電源と、上記放電空間を流れて
無声放電により励起されるガスとを備えた不安定
共振器形のガスレーザ装置において、上記一対の
電極のうち上記ガスが流れる方向の電極面の幅が
一方の電極の幅以下である他方の電極の端部を上
記光軸とほぼ一致させるとともにその幅をｄ／２
からｄ／２にガスの寿命距離を加算した値の範囲
内（但しｄは放電空〓長）としたので収束性のよ
い出力レーザ光を発振効率よく取り出すことがで
きるという効果を呈するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の不安定共振器形レーザの構成を
示す縦断面図、第２図はその−線よりみた電
極部分の拡大断面図、第３図は第１図の−線
における出力レーザ光のパターンを示す図、第４
図は第３図−線における出力レーザ光の半径
方向の強度分布図、第５図は出力レーザ光の遠視
野像における半径方向の強度分布図、第６図は直
流放電空間の気体分子温度とその空間分布を示す
図、第７図は無声放電空間の気体分子温度とその
空間分布を示す図、第８図はこの発明の第１の実
施例の構成を示す縦断面図、第９図はその−
線よりみた電極部分の拡大断面図、第１０図は第
８図−線における出力レーザ光のパターンを
示す図、第１１図は第１０図−線におけ
る出力レーザ光の半径方向の強度分布図、第１２
図は出力レーザ光の遠視野像における半径方向の
強度分布図、第１３図はこの発明の第２の実施例
の構成を示す縦断面図、第１４図はこの発明の第
３の実施例の電極部分の拡大断面図、第１５図お
よび第１６図はこの発明の第４および第５の実施
例の電極部分の拡大断面図である。 図において、５，５−１，５−２，５−３，５
−４は放電空間、６，６−４は共振空間、７は金
属板電極、９はガス流、１０，１１，３０は反射
鏡、１２は透過窓、１３は容器、１４は出力レー
ザ光、２０は交流電源、２１は電極、２２は誘電
体、２３，４０は冷却水、７１は通水路である。
なお図中、同一符号はそれぞれ同一または相当部
分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 誘電体と、 この誘電体に少なくとも一方の電極の電極面が
   覆われるとともに共振器の光軸方向に延在しこの
   光軸を挟んで相対向する一方の電極と、 この一対の電極間に高周波高電圧を印加して放
   電空間に無声放電を生成する交流電源と、 上記放電空間を流れて無声放電により励起され
   るガスとを備えた不安定共振器形のガスレーザ装
   置において、 上記一対の電極のうち上記ガスが流れる方向の
   電極面の幅が一方の電極の幅以下である他方の電
   極の端部を上記光軸とほぼ一致させるとともにそ
   の幅をｄ／２からｄ／２にガスの寿命距離を加算
   した値の範囲内（但しｄは放電空〓長）としたこ
   とを特徴とするガスレーザ装置。