JPH0311113B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光３原色を同時に発振できるホロー
陰極型金属イオンレーザに関し、特に、発振開始
までの立ち上りを良くし、また金属溜のレーザ活
性用金属（金属イオン発生材料）を長時間にわた
り有効に蒸気化して利用するとともに、ホロー陰
極内で生じたスパツタリング生成物を陰極外に放
出し、絶えず陰極内面をクリーニングし、そのレ
ーザ出力光の安定化とレーザ管の長寿命化を可能
としたホロー陰極型金属イオンレーザに関する。

従来の技術 近年、ホロー陰極放電を用いた金属イオンレー
ザが種々提案されている。この種のレーザは、そ
の励起の強さから多色発振が可能で、現在のとこ
ろたとえばHe−Cdイオンレーザでは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・緑が含まれているが、いまだ実用の域に達し
ていない。

本発明が解決しようとする問題点 その原因としては、ホロー陰極材料が放電によ
つてスパツタリングし、その金属が再び陰極内面
に蓄積するとき、局部的にボアの内径を狭めた
り、電気絶縁物の表面に付着して、その電気特性
を劣化させることにある。

また今までの多くの提案のように、金属溜を陰
極電極内の一部の空間に組み込むと、電極と金属
溜の焼き出しを別々に行なうことができず、金属
溜の中からレーザ活性用金属の蒸気が生じ、充分
に電極をクリーニングすることができない。さら
にレーザ出力を増すために、放電電流を増加する
と、金属溜の温度も上昇し、その蒸気圧を最適に
保つことがむずかしい。また構造上、ホロー陰極
材の厚みが大きく複雑な構造で熱容量が大きい
と、レーザ発振動作までの立ち上りに時間がかか
り、実用上好ましくないなどの多くの問題点があ
る。

発明の目的 この発明は、上記の問題点を鑑みなされたもの
で、放電によつて発生したスパツタ生成物をホロ
ー陰極外に蓄積させ、陰極ボア内に、最適な圧力
の金属蒸気を送り込むことができ、金属蒸気が陽
極に付着せず、単純な構造ながら長時間にわたつ
て安定なレーザ動作が確保できるホロー陰極型金
属イオンレーザを提供することを目的とする。

発明の要旨 したがつて、この目的を達成するためにこの発
明は、特許請求の範囲に記載のホロー陰極型金属
イオンレーザを要旨としている。

問題点を解決するための手段 第１図と第２図を参照する。

導電性パイプのホロー陰極３の側面には金属蒸
気を送り込む複数の穴４が設けられている。

ガス（実施例ではHeガス）を封入した外囲器
（実施例ではレーザ管１）には、レーザ活性用金
属（実施例ではCd）を収容する複数の金属溜７
が設けられている。各金属溜７は各穴４に対応し
て配置され、各穴４の付近には陽極（実施例では
主陽極５）と陽極の放電空間１１が配置されてい
る。

各金属溜７と放電空間１１は外部より追加的に
加熱可能となつている。（実施例ではヒータ９を
用いている） 陽極と放電空間１１は次のようなことが達成で
きるように配置されている。つまり金属溜７と放
電空間１１の加熱により金属蒸気を生じさせて、
放電空間１１における各陽極の陽光柱放電による
電気泳動効果により、金属蒸気を各金属溜７から
各穴４を通してホロー陰極３内に送り込むように
陽極５と放電空間１１が配置されている。

作 用 放電によつて発生するスパツタ生成膜１２をホ
ロー陰極３の外に蓄積させ、金属蒸気は、ヒータ
９による外部からの加熱により温度制御して、陰
極ボア３ａに対して放電空間１１の陽光柱放電の
電気泳動効果によつて最適の蒸気圧で送り込むこ
とができ、長い時間にわたつて安定なレーザ動作
が確保できる。

実施例 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図は本発明に係る金属イオンレーザの第１
の実施例を示す断面図、第２図は同レーザの要部
拡大断面図である。

これらの図において１は、Heガスを封入した
レーザ管、２はブリユースタ窓、３はホロー陰
極、４はホロー陰極３の側面の穴、５はレーザ活
性媒質励起用の主陽極、６はブリユースタ窓２の
内面をよごさないように金属蒸気をとじこめるた
めの吹き返し放電用の補助陽極、７はレーザ活性
用金属８の金属溜、９はヒータ、１０は保温材、
１１は主陽極５の放電空間、１２は付着したスパ
ツタ生成膜、１３は補助陽極６の電気絶縁物製の
放電通路である。

レーザ管１は、たとえばパイレツクスガラス製
であり、ブリユースタ窓２は石英ガラス製であ
る。このレーザ管１の両端部１ｂ，１ｃはその径
が大きくなつている。たとえばレーザ管１の細径
部１ａの内径は、10.8mmで、両端部１ｂ，１ｃの
内径は、20.0mm、そして細径部１ａの外径は14.0
mmに設定してある。

ホロー陰極３は、たとえばSUS304などの導電
性材料からなるパイプであり、寸法例をあげれば
外径10.0mm、内径4.0mm、軸方向長さ460mmに設定
してある。このホロー陰極３には、所定間隔をお
いて陰極ボア３ａに通じる前記穴４が設けてあ
る。実施例では、主陽極５は13本設定され、補助
陽極６は２本であり、ともにたとえばタングステ
ン製である。

レーザ活性用金属８は、たとえばCd金属が用
いられる、金属溜７は、絶縁材料たとえばガラス
あるいはセラミツク製である。主陽極５は金属溜
７から穴４付近に配設してある。金属溜７は、レ
ーザ管１の下側に所定間隔（たとえば30mmごと）
に下方に向けて設けられている。前記各穴４は、
この金属溜７の上方に位置されている。

さらに、金属溜７内には、主陽極５の上端をと
りまくように絶縁性の円筒壁７ａが設けてある。
この円筒壁７ａは、穴４に対向している。２０は
陰極給電部である。また、ヒータ９は、放電空間
１１の金属溜７を加熱でき、Cd金属が294℃（Cd
蒸気圧Pcd＝2.2×10^-2Torr）の到達温度にでき
る加熱能力を有しており、図示しない電源と温度
制御装置に接続されている。

さらに、各金属溜７内には、たとえば１ｇの
Cd金属が溜めてある。保温材１０はたとえばガ
ラステープを数回巻いたものである。

なお、主放電、吹き返し放電は、単一直流電源
にて行なう。

次に、このような構成におけるレーザ動作につ
いて説明する。ここでは、レーザ活性用金属８と
してCd金属を用いたHe−Cdイオンレーザの場合
について説明する。

たとえばHeガス圧を8Torrに設定し、主陽極
５、補助陽極６およびホロー陰極３との間にそれ
ぞれ1KΩの安定化用抵抗を介して所要電圧（た
とえば600V）を印加すると、室温時において放
電電流は、980ｍＡ（各ピン当り60ｍＡ）である
が、十分蒸気圧が上がつて白色動作する時は660
ｍＡ（各ピン当り44ｍＡ）になる。その時のレー
ザ管１の到達温度は350℃である。放電させると、
ホロー陰極３の陰極ボア３ａ内には、負グロー放
電が、さらに放電空間１１にはその陽光柱放電が
生ずる。

放電開始と同時に金属溜７に巻いたヒータ９に
電流を流し加熱する。しばらくして金属溜７の中
のレーザ活性用金属８（Cd）が蒸気化する。こ
のCd蒸気は放電空間１１に生じている陽光柱放
電内の電気泳動効果によつて、ホロー陰極３内に
生じている負グロー放電領域に送り込まれ、この
陰極ボア内で励起されたHe原子やHe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、レーザ発振が開始する。

レーザ発振はまず青色（441.6nｍ）、次に緑色
（537.8nｍ）、最後に赤色（636.0nｍ）が加わり、
この光３原色が同時に揃つて白色光レーザとな
る。

放電中、ホロー陰極３の内面は、Heイオンや
Cdイオンによつてスパツタされ、そのスパツタ
生成物はホロー陰極３の側面の穴４を通して外部
に放出されて放電空間１１の内壁にスパツタ生成
物膜１２として付着するが、ホロー陰極３の外で
あるので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、まず金属溜７の
ヒータ９の電流を切り、放電空間１１と金属溜７
の温度をレーザ管１の中で一番低い状態にする
と、陰極ボア３ａ内のCd蒸気は、すべて元の金
属溜７に戻つてくる。その結果、陰極ボア３ａ内
はHeガスのみの放電となり、ホロー陰極３の内
面もHeイオンのスパツタリングによつてきれい
になる。このとき、ホロー陰極３はいまだ放電熱
によつて熱せられているため、その幅射熱で主陽
極５の先端部分は焼かれ、Cd膜の付着はなく電
気絶縁は保たれる。なお、ブリユースタ窓２へ
Cd蒸気の拡散を防ぐために、放電通路１３内の
電気泳動効果によつて、その蒸気の吹き出しを抑
えている。

第２図に示すように、主陽極５の先端は電気絶
縁物の前記円筒壁７ａでおおわれ、放電が拡がる
ことを防ぐとともに、円筒壁７ａ内に生ずる陽光
柱放電によつて、その内面にCdやスパツタ生成
膜１２が付着するのを防いでいる。なお、レーザ
動作の立上がり時間は、金属溜７の大きさや保温
材１０の種類により変わる。

第３図は、本発明の第２の実施例を示してお
り、レーザ管が熱によつてその管軸がそるのを防
ぐために、金属溜１０７をレーザ管１０１の左右
に交互に配置した場合の横断面図である。なお、
第１の実施例と同様の箇所には、同じ符号の記
す。この場合、左右で均等に膨張するので、レー
ザ管１０１は反らない。

ところで、第１と第２の実施例において、ホロ
ー陰極３の肉厚は、真直な光軸を得るために反る
ことのないように最大限３mm程度確保すると好ま
しいが、ホロー陰極３の加熱立上り時間を短くす
ることを考慮すると３mmより薄くした方がよい。

ただ、あまり薄くしすぎると、穴４の周辺が加
熱してホロー陰極３の他の部分と穴４部分との間
に大きな温度勾配が生じて好ましくないので、こ
の点を踏まえてホロー陰極３の肉厚を決定する必
要がある。

上述したように、本発明に係るホロー陰極型金
属イオンレーザは、Heガスのスパツタリングに
よつてホロー陰極３の内面を絶えずきれい（クリ
ーニング）にしており、そのスパツタリング生成
物が陰極ボア３ａ内に蓄積することを防いでい
る。また、金属溜７の温度を外部より制御してレ
ーザ活性用金属８の蒸気圧を最適に設定し、その
蒸気圧はホロー陰極の温度とは独立に制御でき
る。なおレーザ動作を終了するときは、一度蒸発
させた金属蒸気をふたたび元の金属溜に回収で
き、レーザ活性用金属の拡散損失を極力抑えてい
る。

また主陽極５は金属溜７の上部に設け両者を同
時に加熱し、更にはその先端部分を放電の電気動
泳動効果にさらして焼けるので、レーザ動作中も
その終了時もその先端部分に金属が付着汚染する
ことはなく、電気絶縁は保たれる。

また、その材料の厚みをうすくして単に穴４を
設けるだけの構造なので、放電熱によつてすぐに
ホロー陰極３の温度が最適値に達することがで
き、レーザ発振までの所要時間は実用化されてい
る青色発光の陽光柱型He−Cdイオンレーザと同
程度である。

なおホロー陰極型の場合は青以外に更に緑と赤
を発振させることができる。また構造上さらに立
ち上り時間を早めることも可能である。

さらに、金属溜７をホロー陰極３の外で放電空
間の下に配置したため、レーザ管を組み立てた
後、陰極３と金属溜７に納めたレーザ活性用金属
８を別々に焼き出しすることができる。

ところで、封入励起ガスはHeガスを用いるが、
金属溜７内に入れるレーザ活性用金属８として
は、Cdの他にZn、Te、Seなどが採用できる。

発明の効果 以上説明したように、本発明に係るホロー陰極
型金属イオンレーザでは、スパツタ生成物はホロ
ー陰極外に蓄積させ、陰極ボア内に最適な蒸気圧
で金属蒸気を確実に送り込むことができ、ホロー
陰極に金属蒸気が付着せず、陽極にも金属蒸気が
付着しない。また動作中は、ホロー陰極内に電気
泳動効果を利用して、濃いCd蒸気密度を吹き溜
めることができる。しかもレーザ動作が終り、金
属溜と放電空間の追加的な加熱をやめると金属蒸
気はもとの金属溜にもどすことができる。したが
つて単純な構造でありながらレーザ活性用金属を
何度でも再利用でき長時間にわたり、光３原色の
安定なレーザ光が得られる従来にない優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属イオンレーザの第１
の実施例で、金属溜をレーザ管の下側に配列した
ときの断面図、第２図は同レーザ管の要部拡大断
面図、第３図は金属溜をレーザ管の左右交互に配
置した第２の実施例の横断面図である。 １，１０１……レーザ管、２……ブリユースタ
窓、３……ホロー陰極、４……ホロー陰極の側面
の穴、５……主陽極、６……補助陽極、７，１０
７……金属溜、８……レーザ活性用金属、９……
ヒータ、１０……保温材、１１……主陽極の放電
空間、１２……スパツタ生成膜、１３……補助陽
極の防電通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 外囲器内にホロー陰極を配置し、ホロー陰極
   内に金属蒸気を送り込んでホロー陰極内の負グロ
   ー放電を用いてレーザ光を発生させるホロー陰極
   型金属イオンレーザにおいて、導電性のパイプか
   らなるホロー陰極の側面に金属蒸気を送り込む複
   数の穴を設け、ガスを封入した外囲器にはレーザ
   活性用金属を収容する複数の金属溜を設け、各金
   属溜は各穴に対応して配置され、各金属溜と対応
   する各穴の付近には陽極とこの陽極によつて発生
   する放電空間を配置し、各金属溜と放電空間は外
   部より追加的に加熱可能になつており、各金属溜
   の加熱によりレーザ活性用金属から金属蒸気を生
   じさせかつ各陽極の放電空間内の陽光柱放電によ
   る電気泳動効果により、金属蒸気を各金属溜から
   各穴を通してホロー陰極内に送り込めるように陽
   極と放電空間が配置されている構成となることを
   特徴とするホロー陰極型金属イオンレーザ。