JPH03125485A - 気体レーザ装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明はマイクロ波放電を利用してレーザ励起を行な
う気体レーザ装置に関し、特に長さの長い放電が均一に
得られ、ささらに大出力が容易に得られる気体レーザ装
置に関するものである。

［従来の技術］ 第１２図は特開昭６４−［１９０７３号公報に示された
従来の気体レーザ装置を示す縦断面図、第１３図は同じ
く概略斜視構成図である。図において、（２）はマイク
ロ波放電によってレーザ気体にプラズマを発生させ、レ
ーザ励起を行なうためのマイクロ波回路の一種である、
リッジ導波管型のマイクロ波空胴構造をもつレーザヘッ
ド部、（３）はマイクロ波発振器としてのマグネトロン
、（４）はマグネトロン（３）の出力するマイクロ波を
レーザヘッド部（２）へ導く導波管、（５）はこの導波
管（４）の幅を拡げるホーン導波管、（６）はこのホー
ン導波管（５）をレーザヘッド部（２）へ結合するマイ
クロ波結合窓、（７）はレーザヘッド部（２）に取り付
けられたレーザ発振用の反射鏡である。また、（２０）
はレーザヘッド部（２）におけるマイクロ波結合窓（６
）に続く空胴壁、（２１）はこの空胴壁（２０）の中央
部に設けられたリッジ、（２２）はこのマイクロ波回路
の一部を構成する導電体壁であり、この例では前記リッ
ジ導波管型マイクロ波空胴構造のマイクロ波回路の空胴
壁（２０）に対向した平坦なＨ面が使用されている。（
２３）はこの導電体壁（２２）に対向して設けられてマ
イクロ波の入射窓として作用する、例えばアルミナ等に
よる誘電体、（２４）は導電体壁（２２）と誘電体（２
３）との間に形成されて、例えば炭酸ガスレーザ気体等
のレーザ気体が封入される放電空間、（２５）はこの放
電空間（２４）に連通する送気管、（２６）はこの送気
管（２５）の途中に設けられた循環手段としてのブロア
であり、（２７）は送気管（２６）の放電空間（２４）
への開口部に設けられたマイクロ波を反射する通気性部
材で、例えば金属性のハニカム構造体が用いられる。

次に動作について説明する。マグネトロン（３）で発生
したマイクロ波は、導波管（４）を伝搬してホーン導波
管（５〉で拡げられ、マイクロ波結合窓（６）でインピ
ーダンスを整合させることにより、効率よくレーザヘッ
ド部（２）に結合される。このレーザヘッド部（２）は
図示の如くリッジ空胴状になっており、マイクロ波はそ
のリッジ（２１）付近に集中して非常に強いマイクロ波
電磁界を発生させる。この強いマイクロ波電磁界により
放電空間（２４）に封入された炭酸ガスレーザ気体等の
レーザ気体が放電破壊してプラズマを発生させ、レーザ
媒質が励起される。ここで、ブロア（２６）を作動させ
て放電空間（２４）内のレーザ気体を循環させて放電プ
ラズマを冷却するとともに、レーザ気体の圧力等の放電
条件を適切に選択することによってレーザ発振条件が得
られ、第１３図に示す反射鏡（７）とそれに対向した図
面には現れない反射鏡とでレーザ共振器を形成すること
により、レーザ発振光が得られる。ここで、導電体壁（
２２）にあけられている送気管（２５）の開口部には、
金属製ハニカム構造体による通気性部材（２７）が配置
されているため、レーザ気体は通過してもマイクロ波は
反射され、放電空間（２４）内のマイクロ波モードが影
響されることなくブロア（２６）によるレーザ気体の強
制循環が可能となる。

この時、マイクロ波回路の一部を構成している導電体壁
（２２）と、この導電体壁（２２）に対向して配置され
、マイクロ波の入射窓となる誘電体（２３）との間に形
成される放電空間（２４）において、マイクロ波放電が
行われ、マイクロ波の入射はプラズマの一方の面からの
み行われることになるため、プラズマを内導体とする同
軸モードのマイクロ波モトが支配的となる現象が発生す
るようなことはなく、所期のマイクロ波モードによる放
電を行わせることができる。また、図示のレーザヘッド
部（２）のリッジ空胴のように、マイクロ波回路が誘電
体（２３）とプラズマとの境界に垂直な電界成分を有す
るマイクロ波モードを形成する場合、誘電体（２３）と
導電体壁（２２）とは対向しているため、導電体壁（２
２）に対しても垂直な電界成分を有することとなりプラ
ズマを貫く電界ができる。そのため、導電性を有するプ
ラズマが発生しても、そのプラズマより数桁導電率の高
い導電体壁（２２）がマイクロ波入射窓としての誘電体
（２３）に対向して配置されているので、入射マイクロ
波の終端電流はこの導電体壁（２２）を流れ、導電体壁
（２２）近傍の電界は強制的にこの導電体壁（２２）の
表面に対して垂直にされ、発生したプラズマを貫通する
電界が維持される。従って、マイクロ波がプラズマ中に
浸透してプラズマを貫く電流が流れ、この電流の連続性
からプラズマの深さ方向について、空間的に−様な放電
プラズマが発生する。さらに、誘電体（２３）中を自由
に伝搬するマイクロ波は、誘電体（２３）とプラズマと
の境界から均一にプラズマ中に侵入し、マイクロ波放電
が無電極放電であって本質的にアーク放電になりにくい
こと、及び、誘電体（２３）が容量性の分布バラストと
して作用することなどによって、プラズマの横方向につ
いても空間的に−様な放電プラズマが得られ、その結果
、空間的に非常に均一な放電が実現されることになる。

このように、空間的に均一な放電が得られるので、放電
全体をレーザの励起に適当な状態にすることが容易とな
る。また、レーザ気体はブロア（２６）によって強制的
に循環させられ、効率的に冷却されるため、レーザ気体
として炭酸ガスレーザ気体を用いた場合に特に問題とな
る、レーザ気体の温度上昇によるレーザ出力の飽和を防
止できる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の気体レーザ装置では、マイクロ波源
、つまりマグネトロンは一つであった。

従って、この従来装置ではレーザ出力を大出力とするた
めには、放電空間の長さを長くシ、マイクロ波出力の大
きいマグネトロンを使えばよいということになる。しか
し、細長い領域でマイクロ波放電を起させると、１波長
〜半波長程度毎周期的に放電の節が生じ、それぞれの節
に均一にマイクロ波を結合するのが難かしく、レーザ出
力を大きくすることが困難であるという問題点があった
。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、マイクロ波源を複数用い、一つ一つのマイクロ波源
は光軸のつながった放電空間のそれぞれ別の領域でマイ
クロ波放電を行なわせることにより、長い放電空間にお
ける放電の均一化を計り、大出力のレーザ光が容易に得
られる気体レーザ装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の第１発明に係る気体レーザ装置は、マイクロ
波放電によりレーザ気体にプラズマを発生させてレーザ
励起を行なうためのマイクロ波電界を発生するマイクロ
波回路と、このマイクロ波回路にマイクロ波エネルギを
供給するマイクロ波源と、マイクロ波回路の一部を構成
する導電体壁とこの導電体壁に対向して設けられた誘電
体との間に形成される放電空間とを備え、マイクロ波回
路によって誘電体とプラズマとの境界に垂直な電界成分
を有するマイクロ波モードが形成されるものにおいて、 マイクロ波源をマイクロ波回路に対し、複数並べて配置
し、一つ一つのマイクロ波源は光軸のつながった放電空
間のそれぞれ別の領域でプラズマを発生させるものであ
る。

この発明の第２発明に係る気体レーザ装置は、第１発明
において一つのマイクロ波源によりプラズマを発生させ
る放電空間の長さを２波長ないし１波長程度に設定した
ものである。

この発明の第３発明に係る気体レーザ装置は、第１発明
において一つのマイクロ波源によりプラズマが発生する
各領域の間に、マイクロ波周波数に対しカットオフとな
り、かつ光軸はさえぎらないカットオフ部材を設けたも
のである。

この発明の第４発明に係る気体レーザ装置は、第１発明
において隣り合うマイクロ波源を、マイクロ波回路に対
し互いに反対方向からマイクロ波エネルギを供給するよ
うに配置したものである。

この発明の第５発明に係る気体レーザ装置は、第１発明
において複数のマイクロ波源を、マイクロ波回路の同じ
側に配置し、さらに交互に上下逆向きに配置したもので
ある。

［作　用］ この発明の第１発明においては、マイクロ波源をマイク
ロ波回路に対し、複数並べて配置し、つ一つのマイクロ
波源は光軸のつながった放電空間のそれぞれ別の比較的
短い領域でプラズマを発生させるから、一つ一つの領域
では、均一でかつ全体として光軸方向に長い放電が得ら
れ、レーザ出力の大出力化が容易に達成できる。

この発明の第２発明においては、一つのマイクロ波源に
よりプラズマを発生させる放電空間の長さを２波長ない
し１波長程度に設定したから、放電を均一にしやすく、
また放電を均一にするための設計や調整が楽になる。

この発明の第３発明においては、一つのマイクロ波源に
よりプラズマが発生する各領域の間にカットオフ部材を
設けたから、放電が安定になると共に、一つ一つのマイ
クロ波源の相互干渉がなくなり電力の大きなマイクロ波
源を用いても動作が安定し、より大出力のレーザが得ら
れる。

この発明の第４発明においては、隣り合うマイクロ波源
を、マイクロ波回路に対し互に反対方向からマイクロ波
エネルギを供給するように配置したから、隣り合う放電
領域を近付けることができ、非放電領域でのレーザ光の
減衰が小さくなる。

この発明の第５発明においては、複数のマイクロ波源を
、マイクロ波回路の同じ側に配置し、さらに交互に上下
逆向きに配置したから、隣り合う放電領域を近付けるこ
とができると共に冷却ファン、ヒータトランス等の付属
部分を、第４発明より一部コンパクトに配置できる。

［実施例］ 第１図はこの発明の第１〜第３実施例を示す斜視図、第
２図は同じく正面図、第３図は同じく平面図、第４図は
同じく側面図、第５図は第１図及び第３図のＡ−Ａ線で
の断面図、第６図は第１図及び第３図のＢ−Ｂ線での断
面図、第７図は第１図及び第３図のＣ−Ｃ線での断面図
である。

第１図〜第７図において、第１２図及び第１３図と同一
符号の部分は同一部分を示すので説明を省略する。（３
ａ）　、　（３ｂ）　、（３ｃ）　、（３ｄ）はマグネ
トロン、（４ａ）　、　（４ｂ）　、　（４ｃ）　、　
（４ｄ）は導波管である。（１３）はレザチャンバで、
マイクロ波放電によりレーザ気体にプラズマを発生させ
てレーザ励起を行なうためのマイクロ波電界を発生する
マイクロ波回路と、このマイクロ波回路に含まれる放電
空間（２４）にレーザ気体を循環させるためのブロア（
２６）と高温になったレーザ気体を冷却する熱交換器（
２８）を取り付けたレーザ気体循環部とが一体に組立て
られて１ いる。（２７１）は通気性部材としての金属メツシュで
ある。（２９）は対向導電体で、誘電体（２３）を介し
てリッジ（２１）と対向した位置に配置されており、誘
電体（２３）と対向する面がマイクロ波回路の一部を構
成する導電体壁（２２）として作用するものである。（
１５ａ）　＝　（１５ｂ）　、　（１５ｃ）　、　（１
５ｄ）は放電プラズマである。（３１）はマグネトロン
に設けられている放熱用フィンである。

なお、以下の実施例では、マグネトロンと導波管とを含
めた部分を、マイクロ波回路にマイクロ波エネルギを供
給するマイクロ波源と称することにする。

次に、第１実施例について説明する。

この第１実施例では、レーザチャンバ（１３）つまりマ
イクロ波回路に対し、４つのマイクロ波源（３ａ）　、
　（３ｂ）　、（３ｃ）　、（３ｄ）が並べて配置され
ており、光軸のつながった放電空間（２４）のそれぞれ
別の領域でプラズマを発生させている。即ち、マイクロ
波源（３ａ）により放電プラズマ（１５ａ）を、マイク
ロ波源（３ｂ）により放電プラズマ（１５ｂ）を、マイ
クロ　２ 波源（３ｃ）により放電プラズマ（１５ｃ）を、マイク
ロ波源（３ｄ）により放電プラズマ（１５ｄ）を発生さ
せている。従って、一つのマイクロ波源で放電させる領
域は短いため、均一に放電させることが容易で、全体と
して長い均一放電が得られ、レーザ出力の大出力化が容
易に達成できる。

次に、第２実施例について説明する。

この第２の実施例は、一つのマイクロ波源によりプラズ
マ発生させる。放電空間の長さを２波長ないし１波長程
度に設定したものである。即ち、マイクロ波源（３ａ）
　、　（３ｂ）　、（３ｃ）　、　（３ｄ）のそれぞれ
の分担する放電空間の領域の長さを２波長以下、望まし
くは１波長程度に設定したものである。

従来、一つのマイクロ波源でプラズマを発生する放電空
間の長さは、２波長以上３〜４波長にしていた。−例と
して、マイクロ波源の周波数として、工業的に使用でき
る２、４５ＧＨｚのものを使用した場合波長は１２０龍
程度で、一つのマグネトロンで４００ｍｍ程度の放電空
間を放電させていた。しかし、細長い領域でマイクロ波
放電を起こさせると、１波長〜半波長毎に周期的に放電
の節が生じ、放電させる領域が長いほどそれぞれの節に
均一にマイクロ波を結合するのが難しく　、４００　＋
ｎｎ程度の放電空間でも結合方法や導波管内のマイクロ
波エネルギー分布に工夫を必要とした。

この第２実施例によれば、放電空間の長さを短くするこ
とで均一なマイクロ波結合が容易になる。

さらに、均一放電させるための設計が容易になる。

また、一つのマイクロ波源によりプラズマを発生させる
放電空間が１波長程度のものを複数個並べれば容易に大
出力化を達成でき、調整もらくになる。

次に、第３実施例について説明する。

この第３実施例は、カットオフ部材（１６）を、つのマ
イクロ波源によりプラズマが発生する各領域の間に、設
けたものである。このカットオフ部材（１６）は、第５
図及び第７図でわかるように、それぞれの領域の間に設
けられた金属壁であって、光軸をさえぎらず、かつマイ
クロ波周波数に対しカットオフとなる穴（１６１）を有
する部材である。

このカットオフ部材（１Ｂ）を設けることにより、それ
ぞれの領域間でマイクロ波の結合を防止できる。

従って、放電が安定になると共に、一つ一つのマイクロ
波源の相互干渉がなくなり、電力の大きなマイクロ波源
を用いても動作が安定し、より大出力のレーザが得られ
る。また、一つのマイクロ波源とマイクロ波回路を含め
て一つのユニットとし、このユニットを複数並べること
により複数骨の出力が得られるというユニット化による
設計ができる。

なお、第１及び第２実施例ではカットオフ部材（１６）
を設けてないから、第５図において、リッジ（２１）は
、対向導電体（２９）と同様、放電空間の全長にわたっ
て設けたものでもよい。

次に、第４実施例について説明する。

第８図はこの発明の第４実施例を示す斜視図、第９図は
同じく平面図である。この第４実施例は第８図及び第９
図かられかるように、隣り合うマイクロ波源を、マイク
ロ波回路に対し互に反対方向からマイクロ波エネルギを
供給するように配置５ したものである。この実施例によれば、隣り合う放電領
域を近付けることができ、非放電領域でのレーザ光の減
衰を小さくできる。

第１〜第３実施例のようにマイクロ波回路の同じ側にマ
イクロ波源を並べて配置した場合、図示はしていないが
各マグネトロンには、放熱フィン（３１）に向けて（第
３図の矢印（３２）で示す方向に）送風して冷却を行な
う冷却用ファンを取付けるスペースが必要なため、マグ
ネトロン（３ａ）と（３ｂ）、（３ｂ）と（３ｃ）、（
３ｃ）と（３ｄ）の間を近付けることが困難である。ま
た、マグネトロン自身の幅が一波長程度であるから、こ
れにファンを取付けたりすると幅が一波長以上になる。

従って隣り合う放電領域を近付は一波長程度にすること
が困難で、非放電領域ができやすい。従って、非放電領
域で光の吸収が生じ、レーザ出力が落ちるという問題が
発生しやすいが、第４実施例によれば、例えばマグネト
ロン（３ａ）と（３ｃ）との間にできる空間にファンな
どを収納できるから、上記問題点が改善され、大出力の
レーザ装置の小形化および高効率化が達　６ 成できる。

次に、第５実施例について説明する。

第１Ｏ図はこの発明の第５実施例を示す斜視図、第１１
図は第１０図のＤ−Ｄ線での断面図である。この第５実
施例は、マグネトロンと導波管からなる複数のマイクロ
波源を、マイクロ波回路の同じ側に配置し、さらに交互
に上下逆向きに配置したものである。即ち、図示のよう
に、マグネトロン（３ａ）　、　（３ｂ）　、　１．ｌ
ｃ）　、　（３ｄ）はレーザチャンバ（１３）の同じ側
に配置し、マグネトロン（３ａ）と（３ｂ）は、レーザ
チャンバ（Ｉ３）に対し上下逆向きに配置しである。

マグネトロン（３ｂ）と（８ｃ）についても、またマグ
ネトロン（３Ｃ）と（３ｄ）についても同じである。な
お、上下逆向きとは、第１Ｏ図の状態で見たとき、上下
を逆にして取付けることを言っている。導波管（４ａ）
　、　（４ｂ）　、　（４ｃ）　、　（４ｄ）について
は上下逆にしても導波管内の電磁界分布は同じであるか
ら、導波管から見ると、交互に一方の面と反対の面にマ
グネトロンが装着されていると言うこともできる。

この第５実施例によれば、隣り合う放電領域を近付ける
ことができると共に冷却ファン、ヒータトランス等をマ
グネトロン（３ａ）と（３ｃ）との間の空間に配置でき
、その下側にはマグネトロン（３ｂ）が配置されており
、第４実施例に比べさらにコンパクトな配置ができる。

なお、上記第１〜第５実施例は、レーザ気体を循環させ
るものについて述べたが、例えば特開昭Ｈ−１８６４８
３号公報に開示された、レーザ気体を封入したものにつ
いても同様に実施できる。

［発明の効果］ この発明の第１発明は以上説明したとおり、マイクロ波
源をマイクロ波回路に対し、複数並べて配置し、一つ一
つのマイクロ波源は光軸のつながった放電空間のそれぞ
れ別の領域でプラズマを発生させるから、均一で、かつ
光軸方向に長い放電が得られ、従って大出力のレーザ装
置が容易に得られる効果がある。

この発明の第２発明は以上説明したとおり、つのマイク
ロ波源によりプラズマを発生させる放電空間の長さを２
波長ないし１波長程度にしだから、第１発明の効果に加
え、さらに放電を均一にしやすく、また放電を均一にす
るための設計や調整が楽になる。

この発明の第３発明は以上説明したとおり、つのマイク
ロ波源によりプラズマが発生する各領域の間にカットオ
フ部材を設けたから、第１発明の効果に加え、さらに放
電が安定になると共に、一つ一つのマイクロ波源の相互
干渉がなくなり大電力のマイクロ波源を用いても動作が
安定し、より大出力のレーザが得られる。

この発明の第４発明は以上説明したとおり、隣り合うマ
イクロ波源を、マイクロ波回路に対し互に反対方向から
マイクロ波エネルギを供給するように配置したから、第
１発明の効果に加え、さらに隣り合う放電領域を近付け
ることができ、非放電領域でのレーザ光の減衰が小さく
なり、大出力のレーザ装置の小形化および高効率化が達
成できる。

この発明の第５発明は以上説明したとおり、複数のマイ
クロ波源を、マイクロ波回路の同じ側に　９ 配置し、さらに交互に上下逆向きに配置したから、第４
発明の効果に加え、さらに−層コンパクトに装置を組立
てることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１〜第３実施例を示す斜視図、第
２図は同じく正面図、第３図は同じく平面図、第４図は
同じく側面図、第５図は第１図及び第３図のＡ−Ａ線で
の断面図、第６図は第１図及び第３図のＢ−Ｂ線での断
面図、第７図は第１図及び第３図のＣ−Ｃ線での断面図
、第８図はこの発明の第４実施例を示す斜視図、第９図
は同じく平面図、第１０図はこの発明の第５実施例を示
す斜視図、第１１図は第１０図のＤ−Ｄ線での断面図、
第１２図は従来の気体レーザ装置を示す縦断面図、第１
３図は同じく概略斜視構成図である。 図において、（３）　、（３ａ）　、　（８ｂ）　、　
（３ｅ）　、　（８ｄ）はマグネトロン、（４）　、　
（４ａ）　、　（４ｂ）　、（４ｃ）　、　（４ｄ）　
、は導波管、（１３）＋；ｉレーザチャンバ（マイクロ
波回路）、（１５ａ）、（１５ｂ）、（１５ｅ）、（１
５ｄ）は放電プラズマ、（１６）はカットオフ部材、（
２２）は導電体壁、（２３）は０ 誘電体、（２４）は放電空間である。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波放電によりレーザ気体にプラズマを発
   生させてレーザ励起を行なうためのマイクロ波電界を発
   生するマイクロ波回路と、このマイクロ波回路にマイク
   ロ波エネルギを供給するマイクロ波源と、前記マイクロ
   波回路の一部を構成する導電体壁とこの導電体壁に対向
   して設けられた誘電体との間に形成される放電空間とを
   備え、前記マイクロ波回路によって前記誘電体とプラズ
   マとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モード
   が形成される気体レーザ装置において、 前記マイクロ波源を前記マイクロ波回路に対し、複数並
   べて配置し、一つ一つのマイクロ波源は光軸のつながっ
   た放電空間のそれぞれ別の領域でプラズマを発生させる
   ことを特徴とする気体レーザ装置。
2. （２）一つのマイクロ波源によりプラズマを発生させる
   放電空間の長さを２波長ないし１波長程度に設定したこ
   とを特徴とする請求項１記載の気体レーザ装置。
3. （３）一つのマイクロ波源によりプラズマが発生する各
   領域の間に、マイクロ波周波数に対しカットオフとなり
   、かつ光軸はさえぎらないカットオフ部材を設けたこと
   を特徴とする請求項１記載の気体レーザ装置。
4. （４）隣り合うマイクロ波源を、マイクロ波回路に対し
   互いに反対方向からマイクロ波エネルギを供給するよう
   に配置したことを特徴とする請求項１記載の気体レーザ
   装置。
5. （５）複数のマイクロ波源を、マイクロ波回路の同じ側
   に配置し、さらに交互に上下逆向きに配置したことを特
   徴とする請求項１記載の気体レーザ装置。