JPH03119773A - Waveguide-type gas laser - Google Patents

Waveguide-type gas laser

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JPH03119773A
JPH03119773A JP25756689A JP25756689A JPH03119773A JP H03119773 A JPH03119773 A JP H03119773A JP 25756689 A JP25756689 A JP 25756689A JP 25756689 A JP25756689 A JP 25756689A JP H03119773 A JPH03119773 A JP H03119773A
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JP
Japan
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waveguide
laser
metal
coated
thin film
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Application number
JP25756689A
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Japanese (ja)
Inventor
Akishi Hongo
晃史 本郷
Mitsunobu Miyagi
光信 宮城
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Hitachi Cable Ltd
Original Assignee
Hitachi Cable Ltd
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Publication date
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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
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315Waveguide lasers

Landscapes

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

Abstract

PURPOSE:To execute a high-output oscillation whose waveguide loss is small and whose efficiency is high by a method wherein film thicknesses of coatings on wall faces of two pairs of opposite metal bodoes of a discharge path are made specific at each pair. CONSTITUTION:Out of opposite metal bodies 11, 12 which form a hollow region 10 to be used as a discharge path, one pair of metal bodies 11 are connected to a high-frequency power supply RF via a matching circuit and also function as electrodes for a high-frequency electric discharge in a transverse direction. A thickness d1 of thin films 13 which are coated on wall faces of the metal bodies and whose absorption loss is small at an oscillation wavelength band of a laser beam is set to nearly d1=lambdaq/(n -1)<1/2>. Wall faces of the other pair of metal bodies 12 are used as they are or are coated with thin films. When the films are coated, their thickness d2 is set to nearly d2=lambda(q-1)(n -1)<1/2>. In the formulas, lambda represents a wavelength of a laser beam, q represents a positive odd number and nf represents a refractive index of the coating film. Thereby, a high-output oscillation whose waveguide loss is small and whose efficiency is high can be executed.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野コ 本発明は、レーザ加工、医療、コヒーレント光応用シス
テム、大気汚染物質の検出、衛星間光通信などの分野に
有用なレーザ光源、特に極めて小型で高効率な導波路型
気体レーザに係わるものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a laser light source useful in fields such as laser processing, medical care, coherent optical application systems, detection of atmospheric pollutants, and inter-satellite optical communication. This invention relates to highly efficient waveguide gas lasers.

[従来の技術] 溶接、切断などのレーザ加工を目的としたkw級の大出
力気体レーザが開発され、レーザ光を熱エネルギーとし
て生産技術に利用する試みがなされている。
[Prior Art] A kW class high output gas laser has been developed for the purpose of laser processing such as welding and cutting, and attempts have been made to utilize laser light as thermal energy in production technology.

一方、これらの大出力気体レーザとは別に、小型で高効
率の導波路型気体レーザがレーザ加工ばかりでなく医療
、コヒーレント光応用システム、大気汚染物質の検出、
衛星間光通信など様々な分野において検討されている。
On the other hand, apart from these high-power gas lasers, small and highly efficient waveguide gas lasers are used not only for laser processing but also for medical treatment, coherent optical application systems, detection of atmospheric pollutants,
It is being considered in various fields such as inter-satellite optical communications.

導波路型気体レーザは、レーザ光を導波する中空導波路
を放電路とするレーザで、通常のミラ共振器型レーザと
比較して、次のような特徴がある。
A waveguide type gas laser is a laser whose discharge path is a hollow waveguide that guides laser light, and has the following characteristics compared to a normal Mira resonator type laser.

■放電路を細くできレーザガスの封止が容易であるので
、小型である。
■It is compact because the discharge path can be made narrower and the laser gas can be easily sealed.

■構造が簡単で熱伝導率の良い材料で放電路を形成でき
るので、空水冷による冷却効率が高い。
■Since the structure is simple and the discharge path can be formed from a material with good thermal conductivity, air-water cooling provides high cooling efficiency.

■横方向高周波励起が容易であるため、高効率で高電圧
を必要としない。
■Since lateral high-frequency excitation is easy, it is highly efficient and does not require high voltage.

■レーザガス圧を高くできるので、発振波長同調範囲が
広い。
■Since the laser gas pressure can be increased, the oscillation wavelength tuning range is wide.

■保守が容易で低価格である。■Easy to maintain and low cost.

以上のように様々な特長をもつため、これまでに種々の
構造の導波路型気体レーザが提案され、また市販されて
いる。
Because of the various features described above, waveguide gas lasers with various structures have been proposed and are commercially available.

第4図は横方向に高周波を励起するための型際となる対
向する1対の金属体41と、これを絶縁するガラス、セ
ラミックなどの対向する一対の誘電体42とで囲まれた
金属−誘電体複合構造の導波路型気体レーザである(米
国特許明細四箇4.169251号)。
FIG. 4 shows a metal body surrounded by a pair of opposing metal bodies 41, which serve as mold edges for laterally exciting high frequencies, and a pair of opposing dielectric bodies 42, such as glass or ceramic, that insulate them. This is a waveguide type gas laser with a dielectric composite structure (US Pat. No. 4,169,251).

また第5図は放電路となる中空導波路は金属体51.5
2によって構成される全金属構造の導波路型気体レーザ
で、これらの金属壁は互いに接触しておらず、対向する
一対の金属体51.51及び52.52を電極として高
周波が励起される(米国特許明細四箇4,805,18
2号)。
In addition, FIG. 5 shows that the hollow waveguide serving as the discharge path is made of a metal body 51.5.
2, these metal walls do not contact each other, and high-frequency waves are excited using a pair of opposing metal bodies 51.51 and 52.52 as electrodes ( U.S. Patent Specifications 4,805,18
No. 2).

[発明が解決しようとする課題] 一般に導波路型レーザにおいて、レーザの出力Pは と表される。ここでTは導波路両端に取付けられるミラ
ーの透過率の平均値で、Lcは導波路両端のミラーにお
ける結合損失である。一般の導波路型気体レーザでは、
平面の全反射鏡と平面の部分透過鏡が用いられる。1は
導波路長であり、Aは発振するレーザ光の横モードの断
面積で、導波路断面が一辺2aの正方形のとき A= (0,49a)2yr        L21で
与えられる。Isは飽和強度で、goは小信号利得であ
る。導波路型の炭酸カスレーザの場合では、2a=1.
511111のとき、Is=25kw/cal。
[Problems to be Solved by the Invention] Generally, in a waveguide laser, the laser output P is expressed as follows. Here, T is the average transmittance of the mirrors attached to both ends of the waveguide, and Lc is the coupling loss in the mirrors at both ends of the waveguide. In a general waveguide gas laser,
A flat totally reflecting mirror and a flat partially transmitting mirror are used. 1 is the waveguide length, and A is the cross-sectional area of the transverse mode of the oscillated laser beam, which is given by A=(0,49a)2yr L21 when the waveguide cross-section is a square with side 2a. Is is the saturation intensity and go is the small signal gain. In the case of a waveguide type carbon dioxide gas laser, 2a=1.
511111, Is=25kw/cal.

go =O101cra−’という値が報告されている
The value go =O101cra-' has been reported.

(R1[。Abrans  and  w、8.8ri
dges、  IEEE  J、QuanturaEl
ectron、、GE−9,940f1973)) 、
 Lwは導波損失で、導波路幅が小さい程、あるいは導
波路長が長い程大きくなる。レーザ出力Pは、一般に放
電路の長さが長い程それに比例して大きくなるが、導波
路型気体レーザにおいては、導波損失Lvが無視できな
くなりレーザ出力には限界がある。従って高効率、高出
力のレーザ出11を得るためには、導波損失LWをでき
る限り小さくしなζフhはならない。
(R1[. Abrans and w, 8.8ri
dges, IEEE J, QuanturaEl
ectron,,GE-9,940f1973)),
Lw is a waveguide loss, which increases as the waveguide width becomes smaller or as the waveguide length becomes longer. Generally, the longer the length of the discharge path, the larger the laser output P becomes in proportion to the length of the discharge path. However, in a waveguide type gas laser, the waveguide loss Lv cannot be ignored, and there is a limit to the laser output. Therefore, in order to obtain the laser output 11 with high efficiency and high power, the waveguide loss LW must be made as small as possible to avoid ζf.

ところで、一般に矩形の中空導波路の導波損失は、平行
平板型導波路の’f’ Eモー ドとT’ Mモードの
損失によって評価することができる。
By the way, in general, the waveguide loss of a rectangular hollow waveguide can be evaluated by the loss of 'f' E mode and T' M mode of a parallel plate waveguide.

まず始めに、第4図の金属−誘″5.体複合構造の導波
路型レーザの導波損失について検討する。
First, the waveguide loss of the waveguide type laser having the metal-dielectric composite structure shown in FIG. 4 will be considered.

第4図において、レーザ光の電界が金属体111の壁面
に対し平行な鼓低次モー ドをEごモード、電界が誘電
体42の壁面にえIL平行な剋低次モトをEにモードと
呼ぶことにする。
In FIG. 4, the electric field of the laser beam is parallel to the wall surface of the metal body 111 and the low-order mode is the E mode, and the electric field is parallel to the wall surface of the dielectric material 42 and the low-order mode is the E mode. I'll call you.

E fflモードの導波損失α(Eご)は3 (rrn) す a’ (111111 (dB/fO) (3] 上表される、ここでλは発振するレーザ光の波長で炭酸
ガスレーザの場合を考えλ=10.6.μmとしている
。n−a Jにシは金属体−11の複素屈折率で、二こ
て゛はアルミニウムを選びnMj /c、5=20.5
− j 5g、6としている。na−jKdは金属体4
1を絶縁する誘電体42の複素屈折率で、ここでは石英
ガラスを選びna  jにd=2.0− j 0.07
としている。2aおよび2bはそれぞれ誘電体42間、
金属体41間の導波路幅である。また、Reは複素数の
実数部を表している。
The waveguide loss α (E) in the E ffl mode is 3 (rrn) a' (111111 (dB/fO) (3) expressed above, where λ is the wavelength of the oscillated laser light and in the case of a carbon dioxide laser. Considering the following, λ = 10.6.μm. n-a J and C are the complex refractive index of the metal body-11, and the second iron is aluminum, nMj /c, 5 = 20.5
- j 5g, 6. na-jKd is metal body 4
The complex refractive index of the dielectric material 42 that insulates 1 is quartz glass, and d=2.0- j 0.07 for na j.
It is said that 2a and 2b are respectively between the dielectrics 42;
This is the waveguide width between the metal bodies 41. Further, Re represents the real part of a complex number.

式(3) n第1項はアルミニウム平行平板型スラブ導
波路のTEoモードの導波損失、第2項は石英ガラス平
行平板型導波路のTM、モードの導波損失に相当する。
Equation (3) The first term n corresponds to the waveguide loss of the TEo mode of the aluminum parallel plate type slab waveguide, and the second term corresponds to the waveguide loss of the TM mode of the silica glass parallel plate type waveguide.

一方、EXモードの導波損失α(E;’:)はと表され
る。式(4)の第1項はアルミニウム平行平板型導波路
のT M oモードの導波損失、第2項は石英ガラス平
行平板型導波路のTE、モードの導波損失に相当する。
On the other hand, the waveguide loss α(E;':) in EX mode is expressed as follows. The first term in equation (4) corresponds to the T Mo mode waveguide loss of the aluminum parallel plate waveguide, and the second term corresponds to the TE mode waveguide loss of the silica glass parallel plate waveguide.

式(3)と式(4)より、レーザの出力光の強度分布が
円形に近い2aシ2bの金属−誘電体複合構造の導波路
型気体レーザでは、より低損失なE fflモードすな
わちレーザ光の電界が金属体41の壁面に対して平行と
なるモードで発振し、その導波損失は石英ガラス平行平
板型導波路の7Mモードの導波損失(式(3)の第2項
)によって主に評価される。
From equations (3) and (4), it can be seen that in the waveguide gas lasers with the metal-dielectric composite structure of 2a and 2b, the intensity distribution of the output light of the laser is close to circular, the E ffl mode with lower loss, that is, the laser light The electric field oscillates in a mode parallel to the wall surface of the metal body 41, and the waveguide loss is mainly due to the waveguide loss of the 7M mode of the silica glass parallel plate waveguide (the second term in equation (3)). is evaluated.

次に、第5図に示すような全金属構造の導波路型レーザ
の導波損失について検討する。第4図の場合と同様に、
レーザ光の電界が一方の金属体51の壁面に対し平行な
最低次モードをE fflモード、電界が他方の金属体
52の壁面に対し平行な最低次モードをE rモードと
呼ぶことにする。
Next, the waveguide loss of a waveguide type laser having an all-metal structure as shown in FIG. 5 will be considered. As in the case of Figure 4,
The lowest order mode in which the electric field of the laser beam is parallel to the wall surface of one metal body 51 will be referred to as E ffl mode, and the lowest order mode in which the electric field is parallel to the wall surface of the other metal body 52 will be referred to as E r mode.

E nモードの導波損失α(En)は と表される。n lI、  J に、、、n、、−jK
、lはそれぞれ金属体51、金属体52の複合製屈折率
で、ここでは共にアルミニウムを運んでいる。2aおよ
び2bはそれぞれ金属体52間、金属体51間の導波路
幅である。同様にExXモード導波損失α(E二)は と表される。金属平行平板型導波路では、レーザ光の電
界が金属壁面に対して平行なTEモードについては極め
て低損失であるが、電界が金属壁面に対して垂直な成分
をもつ7Mモードについては極めて高損失になる。その
ため第5図に示す全金属構造の導波路型レーザの導波損
失は、どちらが一方の金属体の平行平板型導波路の7M
モードの導波損失によって主に評価される。
The waveguide loss α(En) of E n mode is expressed as follows. n lI, J , , n, , -jK
, l are the composite refractive indexes of the metal body 51 and the metal body 52, which both carry aluminum here. 2a and 2b are the waveguide widths between the metal bodies 52 and between the metal bodies 51, respectively. Similarly, the ExX mode waveguide loss α(E2) is expressed as follows. In a metal parallel plate waveguide, the loss is extremely low in the TE mode where the electric field of the laser beam is parallel to the metal wall surface, but the loss is extremely high in the 7M mode where the electric field has a component perpendicular to the metal wall surface. become. Therefore, the waveguide loss of the all-metal structure waveguide laser shown in FIG.
It is mainly evaluated by mode waveguide loss.

第4図の金属−誘電体複合構造の導波路型レザでは、E
 nモードとEπモードの導波損失の差が大きいので容
易にある一定方向に偏波した直線閣内の出力光が得られ
る。これに対し、第5図の全金属構造の導波路型レーザ
では、金属体51と52の材料が同じで、かつ2a=2
bのときはEπモードとEXモードの導波損失は同じに
なるので、一定方向の直線偏光が得られない、一定方向
に端波した直線偏光を得るなめには金属体51と52の
材料を異なる材料にするか、または導波路の断面形状を
長方形にするか、あるいはブリュースターの窓を使用す
る必要がある。また金属誘電体複合構造の導波路型レー
ザと全金属構造の導波路型レーザの導波損失について比
較すると、導波路幅が同じであるならば前者のほうが導
波損失は小さい。しかし全金属wi造の導波路型レーザ
においては、熱伝導率が良い金属体で全て放電路を構成
できるので高い冷却効率が得られる。また熱膨張係数が
等しい同一材料で放電路を構成できるので、熱による歪
を受けにくく強固で信頼性の高い安定した出力が得られ
るという特徴がある。
In the waveguide type laser with the metal-dielectric composite structure shown in Fig. 4, E
Since the difference in waveguide loss between n mode and Eπ mode is large, it is easy to obtain output light in a straight line polarized in a certain direction. On the other hand, in the all-metal structure waveguide laser shown in FIG. 5, the metal bodies 51 and 52 are made of the same material, and 2a=2
In the case of b, the waveguide loss of Eπ mode and EX mode is the same, so in order to obtain linearly polarized light with an end wave in a certain direction, it is necessary to change the material of the metal bodies 51 and 52. Either a different material, a rectangular waveguide cross-section, or a Brewster window must be used. Furthermore, when comparing the waveguide loss between a waveguide laser with a metal-dielectric composite structure and a waveguide laser with an all-metal structure, the former has smaller waveguide loss if the waveguide width is the same. However, in an all-metal waveguide laser, the discharge path can be constructed entirely of metal bodies with good thermal conductivity, so high cooling efficiency can be obtained. Furthermore, since the discharge path can be made of the same material with the same coefficient of thermal expansion, it has the characteristic that it is less susceptible to thermal distortion and can provide a strong, reliable, and stable output.

第4図、第5図の従来の導波路型レーザでは1対の金属
体が高周波を励起するための電極として使われており、
金属の壁面はプラズマ状態のレーザガスにさらされる。
In the conventional waveguide laser shown in Figures 4 and 5, a pair of metal bodies are used as electrodes to excite high frequency waves.
The metal wall surface is exposed to the laser gas in a plasma state.

そのためスパッタリングによって金属の壁面が劣化する
恐れがある。まな封止型のCO2レーザにおいては酸化
されやすい金属材料で放電路を構成すると、レーザガス
のCO□がCOと0に分岐され寿命の長いレーザが実現
できない4そのため従来の導波路型レーザでは、アルミ
ニウムが金属体として用いられており、銅は熱伝導率が
良好であるにもかかわらずスパッタリングおよび酸化を
受けやすいので封止型のCO□レーザには使われていな
い。
Therefore, the metal wall surface may deteriorate due to sputtering. In a sealed CO2 laser, if the discharge path is made of a metal material that is easily oxidized, the CO□ in the laser gas will be split into CO and 0, making it impossible to create a long-life laser. Although copper has good thermal conductivity, it is susceptible to sputtering and oxidation, so it is not used in sealed CO□ lasers.

本発明は、従来の導波路型気体レーザの問題点を解消し
、金属−誘電体複合構造と全金属構造の導波路型レーザ
のそれぞれがもつ特長を共に有する導波路型気体レーザ
を実現し、しかも従来のいかなる構造のレーザよりも導
波損失をさらに小さくすることができる、より高効率で
高出力の導波f/I型気体レーザを提供することを目的
とする。
The present invention solves the problems of conventional waveguide gas lasers, and realizes a waveguide gas laser that has both the features of waveguide lasers with a metal-dielectric composite structure and an all-metal structure. Moreover, it is an object of the present invention to provide a waveguide f/I type gas laser with higher efficiency and higher output, which can further reduce waveguide loss than any conventional laser structure.

[課題を解決するための手段] 本発明の要旨は、対向する2対の金属体の壁面で囲まれ
た空間を放電路とする導波路型気体レザにおいて、少な
くとも1対の金属体の壁面上にはレーザ光の発振波長帯
で吸収損失の少ない薄膜がコーティングされており、一
対の金属体の壁面と他の1対の金属体の壁面とは非接触
かまたは絶縁体を介在して接触され、かつ上記1対の金
属体の壁面上にコーティングされる一対の膜厚d、はを
満足し、他の1対の金属体の壁面は、そのままあるいは
薄膜をコーティングし、その薄膜の膜厚はd2は [但しここでλはレーザ光の発振波長、qは正の奇数(
1,3,5・・・)、nfは金属体の壁面上にコーティ
ングされる薄い膜の屈折率]を満足するものである。
[Means for Solving the Problems] The gist of the present invention is to provide a waveguide type gas laser in which a discharge path is a space surrounded by the walls of two pairs of opposing metal bodies. is coated with a thin film that has low absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam, and the wall surfaces of one pair of metal bodies and the wall surfaces of another pair of metal bodies are either non-contact or in contact with each other with an insulator interposed. , and the thickness of the film coated on the wall surfaces of the pair of metal bodies, d, satisfies the following, and the wall surfaces of the other pair of metal bodies are coated with a thin film as is or are coated with a thin film, and the thickness of the thin film is d2 is [where λ is the oscillation wavelength of the laser beam, and q is a positive odd number (
1, 3, 5...), nf is the refractive index of the thin film coated on the wall surface of the metal body].

5作 用7 上記構成によれば、少なくとも1対の金属壁面にレーザ
の発振波長帯で吸収損失の少ない薄膜がコーティングさ
れるため、導波損失が小さく高効率で高出力発振が可能
となる。
5. Effect 7. According to the above configuration, at least one pair of metal wall surfaces are coated with a thin film that has low absorption loss in the laser oscillation wavelength band, so that waveguide loss is small and high efficiency and high output oscillation is possible.

また、薄膜をコーティングすることによってプラズマ状
態の活性なレーザガスに金属壁面は、さらされなくなる
ので、スパッタリングや酸化の影響を受けに<<、長寿
命な封止型レーザが実現される。さらに熱伝導率の良好
な金属体が効率的に熱を外部に逃がすので冷却効率が高
く、安定した出力光を得ることができる。
Furthermore, by coating with a thin film, the metal wall surface is no longer exposed to the active laser gas in the plasma state, so a long-life sealed laser that is less susceptible to sputtering and oxidation can be realized. Furthermore, since the metal body with good thermal conductivity efficiently releases heat to the outside, cooling efficiency is high and stable output light can be obtained.

一般に金属の閉口平板導波路に吸収損失の小さな薄膜を
コーティングすると、薄膜の膜厚によってTEモード、
TMモードの導波損失は第4図のように周期的に変化す
る。第4図は導波18幅2rmrnのアルミニウム平行
平板型導波路において、アルミニウム壁面上にゲルマニ
ウム薄膜をコーティングしたときのゲルマニウム薄膜の
膜厚に対するTEモードとTMモードの導波損失を示し
たものである。
Generally, when a closed metal flat plate waveguide is coated with a thin film with low absorption loss, depending on the thickness of the thin film, the TE mode
The waveguide loss in the TM mode changes periodically as shown in FIG. Figure 4 shows the waveguide loss in the TE mode and TM mode with respect to the thickness of the germanium thin film when the aluminum wall surface is coated with a germanium thin film in an aluminum parallel plate waveguide with a waveguide width of 2 rmrn. .

この図かられかるように対向する2対の金属を而で囲ま
れた中空導波路において、相対する全屈壁面上に吸収損
失の少ない薄膜を適当な厚さだけコーティングすると、
ある方向に偏波した特定のモードについては極めて低損
失とすることができる。
As you can see from this figure, in a hollow waveguide surrounded by two pairs of opposing metals, if a thin film with low absorption loss is coated on the opposing fully curved wall surfaces to an appropriate thickness,
A specific mode polarized in a certain direction can have extremely low loss.

[実施例] 以下本発明の好適実施例を添(Lf図面に基いて説明す
る。
[Examples] Preferred embodiments of the present invention will be described below based on the attached drawings.

第1図において、11.12は放電路となる中空領域1
0を形成する対向する金属体である。
In Fig. 1, 11.12 is a hollow area 1 that becomes a discharge path.
These are opposing metal bodies forming 0.

13は金属体11の壁面状にコーティングされるレーザ
光の発振波長帯で吸収損失の少ない3WAである。金属
体11は、整合回路(図示せず)を介して高周波電源R
Fと接続され溝方向に高周波放電を行う電極の働きら兼
ねる。
Reference numeral 13 indicates 3WA, which has a small absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam coated on the wall surface of the metal body 11. The metal body 11 is connected to a high frequency power source R via a matching circuit (not shown).
It also serves as an electrode that is connected to F and performs high frequency discharge in the direction of the groove.

金属体11の壁面上にコーティングされる薄膜13の膜
厚d・は を満足するものとする。ここで9は正の奇数(1゜3 
ヲ・・・)、nfは薄膜の屈折率である。このときし−
ザ光の電界が金属体11の壁面に対し平行な最低次モー
ドをE Hモード、電界が金属体12の壁面に対し平行
な最低次モードをE ’Sモードと呼ぶことにすると、
本発明の構造におけるE fflモードの導波損失α(
En)およびEπモードの導波損失α(Eに)はそれぞ
れ と表される。ここでλ−10.6μmnとしている。ま
た11fi+−JAl’m+およびIIn+tJに、2
はそれぞれ金属体11.12の複素屈折率で従来の導波
路型レーザとの比較のため、ここでは共にアルミニウム
を選ぶものとする。また薄1]u13はここではゲルマ
ニウムを選びnt=4としている。ゲルマニラ11は炭
酸ガスレーザの発振波長帯で吸収損失の小さな材料であ
る。また2a及び2bはそれぞれ金属体12間、金属体
11間の導波路幅である。
The film thickness d· of the thin film 13 coated on the wall surface of the metal body 11 shall be satisfied. Here, 9 is a positive odd number (1°3
), nf is the refractive index of the thin film. At this time-
The lowest order mode in which the electric field of the light is parallel to the wall surface of the metal body 11 is called the EH mode, and the lowest order mode in which the electric field is parallel to the wall surface of the metal body 12 is called the E'S mode.
Waveguiding loss α(
The waveguiding loss α(E) of the En) and Eπ modes are respectively expressed as . Here, it is set to λ-10.6 μmn. In addition, 11fi+-JAl'm+ and IIn+tJ have 2
are the complex refractive indexes of the metal bodies 11 and 12, respectively, and for comparison with a conventional waveguide laser, aluminum is chosen for both here. Further, germanium is selected here for thin 1]u13 and nt=4. Gel manila 11 is a material with small absorption loss in the oscillation wavelength band of the carbon dioxide laser. Moreover, 2a and 2b are the waveguide widths between the metal bodies 12 and between the metal bodies 11, respectively.

式(8)と式(9)とを比較するとEにモードのほうが
低損失となり、本発明の導波路レーザではE3モードで
発振することがわかる6導波路幅2a及び2bが等しい
と仮定して従来の導波路型レーザと本発明の導波路型レ
ーザにおける導波損失を比較すると弐(3)、 (5)
、 (9)から第5図の金属−誘電体複合構造のレーザ
、第6図の全金属構造のレーザ、第1図の本発明による
レーザの導波損失の比は1.41x 10−’ : 1
.25 : 5.54x 10−’となり、本発明によ
るレーザの損失が最も小さいことがわかる。
Comparing equations (8) and (9), it can be seen that the E mode has lower loss, and the waveguide laser of the present invention oscillates in the E3 mode.6 Assuming that the waveguide widths 2a and 2b are equal, Comparing the waveguide losses in the conventional waveguide laser and the waveguide laser of the present invention, 2 (3), (5)
, (9) The ratio of the waveguide loss of the laser with the metal-dielectric composite structure shown in FIG. 5, the laser with the all-metal structure shown in FIG. 6, and the laser according to the present invention shown in FIG. 1 is 1.41x 10-': 1
.. 25: 5.54x 10-', which shows that the loss of the laser according to the present invention is the smallest.

上式の計算では、従来の導波路型レーザと本発明の導波
路型レーザとを比較するため、金属体の材料としては、
全てアルミニウムとしである。銅を材料として用いた場
合でも、従来の導波路型レザと本発明の導波路型レーザ
の銅は損失の大小関係はほとんどかわらない。本発明の
導波路型レーザでは、薄膜がコーティングされている金
属体11の壁面はレーザガスに直接さらされることがな
いので、熱伝導率が良好な銅を用いることができる。特
に、@酸素側は熱伝導率が極めて良好で冷却効率が高く
、熱による歪みを受けにくいので本発明の導波路型レー
ザにおける金属体の材料としては最適である。
In the above calculation, in order to compare the conventional waveguide laser and the waveguide laser of the present invention, the material of the metal body is
All made of aluminum. Even when copper is used as a material, there is almost no difference in the magnitude of loss between the conventional waveguide laser and the copper of the waveguide laser of the present invention. In the waveguide laser of the present invention, the wall surface of the metal body 11 coated with a thin film is not directly exposed to the laser gas, so copper having good thermal conductivity can be used. In particular, the @oxygen side has extremely good thermal conductivity, high cooling efficiency, and is resistant to distortion due to heat, so it is optimal as a material for the metal body in the waveguide laser of the present invention.

また金属体12の壁面上には薄膜13と同様な薄膜をコ
ーティングすることが可能である。但し、このときの金
属体12の壁面上にコーティングされる薄膜の膜厚d2
は を満足しなければならない0式(10)を満足するとき
第4図かられかるように、金属体12の壁面上にコーテ
ィングされる薄膜は銅は損失に影響を与えない、しかし
ながら薄膜コーティングすることによって、金属体12
の壁面はレーザガスに直接接することがなくなるので、
金属体12もまた熱伝導率が良好な銅を材料として用い
ることかできる。
Further, it is possible to coat the wall surface of the metal body 12 with a thin film similar to the thin film 13. However, the film thickness d2 of the thin film coated on the wall surface of the metal body 12 at this time is
As shown in Fig. 4, the thin film coated on the wall surface of the metal body 12 has no effect on the loss, but the thin film coating has no effect on the loss. By this, the metal body 12
Since the wall surface of is no longer in direct contact with the laser gas,
The metal body 12 may also be made of copper, which has good thermal conductivity.

なお金属体の壁面上にコーティングされる吸収損失の小
さい薄膜として、ゲルマニウムのほか、セレン化亜鉛、
フッ化カルシウム、KH2−5、カルコゲナトガラスな
どがある。これらの材料は真空蒸着、スパッタリングな
どによって容易にコティングが可能である。ゲルマニウ
ムの場合はさらに電気めっきによっても金属体の壁面上
にコティシグができる。
In addition to germanium, zinc selenide,
Examples include calcium fluoride, KH2-5, and chalcogenate glass. These materials can be easily coated by vacuum deposition, sputtering, or the like. In the case of germanium, electroplating can also produce cotissig on the wall surface of the metal body.

第2図は、本発明の他の実施例である。第1図の実施例
では1対の金属体11と外の1対の金属体12とは非接
触であるが、第2図の本実施例では、1対の金属体21
と他の1対の金属体22とは絶縁体24を介して接触さ
れている。これにより導波路は閉じた中空領域20とな
り、レーザガスを封止しやすくなる。また第1図の導波
路型レザよりもさらに機械的に強固な導波路型レーザを
得ることができる。絶縁体24の材料としてはフン化物
樹脂、ポリイミド樹脂などの高分子樹脂アルミナなどの
セラミック材、石英などのガラス材が絶縁性が良く熱に
強いので好適である。
FIG. 2 shows another embodiment of the invention. In the embodiment shown in FIG. 1, the pair of metal bodies 11 and the outer pair of metal bodies 12 are not in contact with each other, but in the embodiment shown in FIG.
and the other pair of metal bodies 22 are in contact with each other via an insulator 24. This makes the waveguide a closed hollow region 20, making it easier to seal in the laser gas. Furthermore, a waveguide laser which is mechanically stronger than the waveguide laser shown in FIG. 1 can be obtained. Suitable materials for the insulator 24 include fluoride resins, polymer resins such as polyimide resins, ceramic materials such as alumina, and glass materials such as quartz because they have good insulation properties and are resistant to heat.

ところで、本発明による導波路型レーザは導波損失か小
さいので、高出力のため放電路長を長くすることが可能
である。導波路型レーザは放電路を細径にできることが
特長であるが、細長いレーザは必ずしも小型のレーザと
は言短い、しかし本発明によれば第3図に示すように、
小型化のため放電路を折曲げることが可能である。
By the way, since the waveguide type laser according to the present invention has small waveguide loss, it is possible to increase the discharge path length for high output. A waveguide laser has a feature that the discharge path can be made small in diameter, but a long and thin laser is not necessarily a small laser and is short, but according to the present invention, as shown in FIG. 3,
The discharge path can be bent for miniaturization.

第3図において、式(7)を満足する薄膜33がコーテ
ィングされている金属体31は平板であるが、薄膜をコ
ーティングしていない金属体32の壁面は折れ曲りの面
をもっており、このため放電路を形成する中空領域30
が0字状に折返された構造となっている。また、金属体
32と薄TI!A33がコーティングされた金属体31
とは絶縁材34を介して接触されている。
In FIG. 3, the metal body 31 coated with a thin film 33 that satisfies equation (7) is a flat plate, but the wall surface of the metal body 32 that is not coated with the thin film has a bent surface, which causes discharge. Hollow region 30 forming a channel
It has a structure in which it is folded back into a 0-shape. Also, the metal body 32 and thin TI! Metal body 31 coated with A33
is in contact with via an insulating material 34.

第4図の従来の金属−誘電体複合構造の導波路型レーザ
と本発明による導波路型レーザの放電路を直角に曲げた
場合を考える。従来の金属−誘電体複合構造の導波路型
レーザの発振モードは、レザ光の電界が金属体41の壁
面に対して平行となり、誘電体42の壁面に対して垂直
成分をもつE nモードである。放電路を直角に曲げる
ため第3図と同じように誘電体42の壁面45°を傾け
る。45゛傾けられた誘電体42の壁面での反射率は、
誘電体壁面に斜め45°の方向から入射されるTM波の
反射率で評価することができる。
Consider the case where the discharge paths of the conventional waveguide laser having a metal-dielectric composite structure shown in FIG. 4 and the waveguide laser according to the present invention are bent at right angles. The oscillation mode of a conventional waveguide laser with a metal-dielectric composite structure is an E n mode in which the electric field of the laser light is parallel to the wall surface of the metal body 41 and has a component perpendicular to the wall surface of the dielectric body 42. be. In order to bend the discharge path at right angles, the wall surface of the dielectric 42 is tilted by 45° as in FIG. 3. The reflectance on the wall surface of the dielectric 42 tilted by 45° is:
It can be evaluated based on the reflectance of the TM wave incident on the dielectric wall surface from an angle of 45°.

一方、本発明による導波路型レーザの発振モトは、レー
ザ光の電界が式(7)を満足する薄膜33がコーティン
グされている金属体31の壁面に対して垂直成分をもち
、金属体32の壁面に対して平行となるEXモードであ
る。放電路を直角に曲げるため、金属体32の壁面45
°傾けられている。45°傾けられた金属体32の壁面
での反射率は、金属体壁面に斜め45°の方向から入射
されるTE波の反射率で評価することができる。
On the other hand, in the oscillation mode of the waveguide laser according to the present invention, the electric field of the laser beam has a component perpendicular to the wall surface of the metal body 31 coated with the thin film 33 that satisfies equation (7), and This is EX mode, which is parallel to the wall surface. In order to bend the discharge path at right angles, the wall surface 45 of the metal body 32
° Tilt. The reflectance on the wall surface of the metal body 32 tilted at 45 degrees can be evaluated by the reflectance of a TE wave incident on the metal body wall surface from a direction obliquely at 45 degrees.

誘電体壁面に斜め45°の方向から入射されるTM波の
反射率は、誘電体材料を石英としてわずかに4.2%で
ある。これに対し金属体壁面に斜め45°の方向から入
射されるTE波の反射率は、金属体をアルミニウムとし
て98.5%である。
The reflectance of a TM wave incident on a dielectric wall surface at an angle of 45 degrees is only 4.2% when the dielectric material is quartz. On the other hand, the reflectance of a TE wave incident on the wall surface of a metal body from an oblique direction of 45 degrees is 98.5% when the metal body is aluminum.

このように放電路を折曲げたことによりこうむる損失は
従来の金属−誘電体複合構造の導波路型レーザでは遥か
に大きく、小型化のため放電路を折曲げることは不可能
である。これに対し本発明による導波8型レーザの場合
は放電路を折曲げてらそれによる損失は極めて小さい。
The loss caused by bending the discharge path in this manner is much greater in conventional waveguide lasers having a metal-dielectric composite structure, and it is impossible to bend the discharge path for miniaturization. On the other hand, in the case of the waveguide type 8 laser according to the present invention, the loss caused by bending the discharge path is extremely small.

特に炭酸ガスレザでは、小信号利得g。が大きいため、
導波損失Lwが無視できる本発明の導波路型レーザにお
いて放電路長を長くすることによる出力増大の効果は大
きい、このなめ放電路を折曲げたことによる損失の影響
は小さく、高出力であるにもかかわらず極めてコンパク
トな導波路型気体レーザが実現できる。
Especially with carbon dioxide laser, the small signal gain g. is large, so
In the waveguide type laser of the present invention, in which the waveguide loss Lw can be ignored, the effect of increasing the output by lengthening the discharge path is large, and the effect of loss due to bending this slanted discharge path is small, resulting in high output. Nevertheless, an extremely compact waveguide gas laser can be realized.

なお、前述したように金属体32の壁面の酸化、スパッ
タリングの影響を防ぐために、金属体32の壁面上に薄
膜33と同様な材料をコーティングすることが可能であ
る。但しこの時の薄膜の膜厚は式(10)を満足しなけ
ればならない。
Note that, as described above, in order to prevent the influence of oxidation and sputtering on the wall surface of the metal body 32, it is possible to coat the wall surface of the metal body 32 with a material similar to the thin film 33. However, the thickness of the thin film at this time must satisfy equation (10).

また第3図では放電路を90’折曲げた場合を示したが
放電路の折曲げる角度は90°に限らない。
Further, although FIG. 3 shows a case where the discharge path is bent by 90', the angle at which the discharge path is bent is not limited to 90 degrees.

[発明の効果] 以上説明してきたように、本発明によれば次のような顕
著な効果が発揮される。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the following remarkable effects are exhibited.

(1)導波損失が小さいので、高効率で高出力発振が可
能である。
(1) Since waveguide loss is small, high efficiency and high output oscillation is possible.

(2)熱伝導率が良好な金属材料で放電路を構成できる
ので、冷却効果が高く安定した出力が得られる。
(2) Since the discharge path can be made of a metal material with good thermal conductivity, a high cooling effect and stable output can be obtained.

(3)放電路を折曲げることが可能なため、高出力発振
でも極めてコンパクトな構造にすることができる。
(3) Since the discharge path can be bent, an extremely compact structure can be achieved even during high-output oscillation.

(4)薄膜で金属壁面をコーティングしているため、金
属電極の劣化が少なく、またレーザガスの解離を抑制で
きるので長寿命の封止型レザが実現できる。
(4) Since the metal wall surface is coated with a thin film, there is little deterioration of the metal electrode, and dissociation of the laser gas can be suppressed, so a long-life sealed laser can be realized.

(5)ブリュースターの窓を用いなくても容易に一定方
向に偏波した直線偏光の出力光が得られる。
(5) Linearly polarized output light polarized in a fixed direction can be easily obtained without using a Brewster window.

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

第1図は本発明の一実施例である導波路型気体レーザの
放電路横断面を示す概略図、第2図は本発明の他の実施
例である導波路型気体レザの放電路横断面を示す概略図
、第3図は本発明のさらに他の実施例を示す導波路型気
体レザの概略斜視図、第4図は導波路幅2n+11のア
ルミニウム平行平板型導波路において、アルミニウム壁
面上にゲルマニウム薄膜をコーティングしたときのゲル
マニウム薄膜の膜厚に対するT Eモードと7Mモード
の導波損失の計算値を示す図、第5図は従来の金属誘電
体複合構造の導波路型気体レーザの放電路横断面を示す
概略図、第6図は従来の全金属構造の導波1i’B型気
体レーザの放電路横断面を示す概略図である。 図中、10,20.30は放電路となる中空領域、11
,12,21,22,31.32は金属体、13.23
.33は薄膜、24.34は絶縁体である。
Fig. 1 is a schematic diagram showing a cross section of a discharge path of a waveguide type gas laser which is an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a discharge path of a waveguide type gas laser which is another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic perspective view of a waveguide type gas laser showing still another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an aluminum parallel plate waveguide with a waveguide width of 2n+11. A diagram showing the calculated values of waveguide loss in TE mode and 7M mode with respect to the thickness of the germanium thin film when coated with a germanium thin film. Figure 5 shows the discharge path of a conventional waveguide-type gas laser with a metal-dielectric composite structure. FIG. 6 is a schematic diagram showing a cross section of a discharge path of a conventional waveguide 1i'B type gas laser having an all-metal structure. In the figure, 10, 20, and 30 are hollow areas that serve as discharge paths, and 11
, 12, 21, 22, 31.32 are metal bodies, 13.23
.. 33 is a thin film, and 24 and 34 are insulators.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、対向する2対の金属体の壁面で囲まれた空間を放電
路とする導波路型気体レーザにおいて、少なくとも1対
の金属体の壁面上にはレーザ光の発振波長帯で吸収損失
の少ない薄膜がコーティングされており、一対の金属体
の壁面と他の1対の金属体の壁面とは非接触かまたは絶
縁体を介在して接触され、かつ上記1対の金属体の壁面
上にコーティングされる一対の膜厚d_1は d_1≒λq/(√n_f^2−1) を満足し、他の1対の金属体の壁面は、そのまま、ある
いは薄膜をコーティングし、その薄膜の膜厚はd_2は d_2≒λ(q−1)/√(n_f^2−1)[但しこ
こで、λはレーザ光の発振波長、qは正の奇数(1、3
、5・・・)、n_fは金属体の壁面上にコーティング
される薄い膜の屈折率] を満足することを特徴とする導波路型気体レーザ。 2、膜厚d_2の薄膜がコーティングされる一対の金属
体の壁面は折れ曲りをもつ面からなることを特徴とする
請求項1記載の導波路型気体レーザ。 3、薄膜がコーティングされる金属体の材料は無酸素銅
からることを特徴とする請求項1記載の導波路型気体レ
ーザ。
[Claims] 1. In a waveguide gas laser whose discharge path is a space surrounded by two pairs of opposing metal body walls, the oscillation wavelength of the laser beam is located on at least one pair of metal body walls. The wall surfaces of one pair of metal bodies and the wall surfaces of another pair of metal bodies are either not in contact with each other or are in contact with each other with an insulator interposed therebetween; The thickness d_1 of a pair of films coated on the wall surfaces of the body satisfies d_1≒λq/(√n_f^2-1), and the wall surfaces of the other pair of metal bodies are coated with a thin film or are coated with a thin film. The thickness of the thin film d_2 is d_2≒λ(q-1)/√(n_f^2-1) [where, λ is the oscillation wavelength of the laser beam, and q is a positive odd number (1, 3
, 5...), n_f is the refractive index of a thin film coated on the wall surface of a metal body]. 2. The waveguide type gas laser according to claim 1, wherein the wall surfaces of the pair of metal bodies coated with the thin film having a thickness d_2 are curved surfaces. 3. The waveguide type gas laser according to claim 1, wherein the material of the metal body coated with the thin film is oxygen-free copper.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2005070160A3 (en) * 2004-01-12 2007-07-12 Litelaser L L C Multi-path laser system
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