JPH033382A - 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〕 この発明は、マイクロ波放電を利用してレーザ励起を行
う気体レーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は本願出願人が昭和８２年９月１０日に出願した
従来の気体レーザ装置（特願昭６２−２２５２２４号）
を示す斜視図、第７図は第６図のｖ−Ｖ線断面図である
。

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、６はこの導波
管４からマイクロ波を前記レーザヘッド部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は前記レ
ーザヘッド部２におけるマイクロ波結合窓６に続（空胴
壁、２１及び２２はこの空胴壁２０の中央部に設けられ
、それぞれがマイクロ波回路の一部を構成しているリッ
ジ、２３は一方のリッジ２１に形成された導電体壁であ
り、この従来例では前記リッジ２１の上面に設けられた
溝２８の底壁面が使用されている。２４はこの導電体壁
２３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、２５はこの誘
電体２４が前記リッジ２１上面の溝２８を覆うことによ
って、前記導電体壁２３と誘電体２４との間に形成され
、炭酸ガスレーザ気体等のレーザ気体が封入される放電
空間である。

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゜２２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２５に封入されたレーザ気体が放電破壊し、
プラズマが発生してレーザ媒質が励起される。ここで、
冷却水路２７に冷却水を流し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４図に
示す反射鏡７とそれに対向した図面上には現れない反射
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。

この時、マイクロ波回路の一部を構成しているリッジ２
１に形成された導電体壁２３と、この導電体壁２３に対
向して配置され、マイクロ波の入射窓となる誘電体２４
との間に形成される放電空間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ード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、マイクロ波回路が前記誘
電体２４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２４と導電体
壁２３とは対向しているため、導電体壁２３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２３
がマイクロ波入射窓としての誘電体２４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２３を流れ、導電体壁２３近傍の電界は強制的にこ
の導電体壁２３の表面に対して垂直にされ、発生した前
記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空間的に−様な
放電プラズマが発生する。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、マイクロ波回路で
あるレーザヘッド部２とマイクロ波伝送路である導波管
４とがし−ザ光軸に沿う方向に並列配置され、このレー
ザヘッド部２の長手方向に設けた長尺のマイクロ波結合
窓６を通じてマイクロ波を供給し、レーザヘッド部２の
リッジ２１．２２の全体に強いマイクロ波電磁界を均一
に発生せしめることができる。このため、装置全体を大
型化することなく、レーザ光軸方向に長（、均一な放電
が得られ、放電全体とレーザの励起に最適な状態にする
ことができる。

［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、マイクロ波回
路であるレーザヘッド部２とマイクロ波伝送路である導
波管４とがレーザ光軸に沿う方向に並列配置され、この
レーザヘッド部２の長手方向に設けた長尺のマイクロ波
結合窓６を通じてマイクロ波を供給し、レーザヘッド部
２のリッジ２１゜２２の全体に強いマイクロ波電磁界を
均一に発生せしめ、レーザ光軸方向に長く、均一な放電
を可能にし、放電空間においてより安定かつ均一なプラ
ズマを発生できるようにしているが、マイクロ波自体が
正弦関数的に変化しているから、誘電体２４における巾
方向の電界強度の分布は誘電体２４の中央部分の電界が
強くなる正弦波の分布となり、電界強度が所定値以上に
ならないと放電空間２５での放電が開始されない。従っ
て、放電空間２５の巾方向において放電が中央部分にし
か生ぜず、巾方向の放電分布が不均一となって、放電空
間２５においてプラズマが均一に発生しないおそれがあ
るという問題点があった。

かかる問題点を解消するには、マイクロ波エネルギーを
増大させることが考えられるが、例えばＣＯ２レーザガ
スを励起する場合、局部的にでもガス温度が上昇し過ぎ
ると効率が下がるため、局部的な放電電力密度には上限
値があり、放電空間２５の中央部における放電電力密度
が上限値に達するまでしか、マイクロ波エネルギーを増
大させることはできなかった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、放電空間において巾方向に均一に放電を生じ
させ、発生するマイクロ波放電プラズマを安定した空間
的に−様なものとし、高効率、大出力のレーザ動作を可
能とす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］ この発明に係る気体レーザ装置は放電空間となる溝に誘
電体を介して相対するりッジの少なくとも先端部の巾を
溝の巾より狭くなるように構成されている。更に、放電
空間となる溝に誘電体を介して相対するりッジの少なく
とも先端部の巾を溝より狭くし、誘電体接触部を少なく
とも中央に凹み部分を有して複数に分割して構成してい
る。

［作　用］ この発明における気体レーザ装置は放電空間となる溝に
誘電体を介して相対するリッジの少なくとも先端部の巾
を溝の巾より狭くなるように形成しているから、正弦関
数的に変化しているマイクロ波の誘電体における巾方向
の電界強度は、リッジの先端部の巾が溝の巾より狭いこ
とによりマイクロ波エネルギーが先端部の両側角部に集
束させるエツジ効果により、誘電体の巾方向における両
側部分が強くなり、それに伴い中央部が弱くなる。

このことは放電空間における電界強度の分布においても
同様である。従って、誘電体の中央部分の弱くなった電
界骨だけマイクロ波エネルギーを増大させることができ
、このエネルギーの増大によって、誘電体の巾方向にお
ける両側部分の電界強度が放電開始可能な所定値以上と
なり、誘電体即ち放電空間における放電可能な電界強度
領域が中央からさらに両側に広かった均一な電界強度の
分布となる。

また、放電空間となる溝に誘電体を介して相対するリッ
ジの先端部はその巾を溝の巾より狭くし、先端部を少な
くとも中央に凹み部分を有して複数に分割して形成して
いるから、マイクロ波の放電空間における巾方向の電界
強度は、リッジの先端部の巾が放電空間の巾より狭いこ
とと、その先端部が少なくとも中央に凹み部分を有して
分割されたことによるマイクロ波エネルギーが先端部の
両側角部と分割された先端部の角部の部分に集束される
エツジ効果により、誘電体の中方向における両側部分と
分割された先端部の角部に相当する部分が強くなると共
に少なくとも中央の凹み部分が弱くなる。従って、この
中央の凹み部分の弱くなった電界分だけマイクロ波エネ
ルギーを増大させることができ、このエネルギーの増大
によって誘電体の巾方向における中央部分以外の電界強
度が放電開始可能な所定値以上となり、誘電体即ち放電
空間における放電可能な電界領域が中央からさらに両側
に広がった均一な電界強度の分布となる。

［実施例コ 第１図はこの発明の一実施例である気体レーザ装置を示
す断面図である。図において、従来例と同一の構成は従
来例と同一符号を付して重複した構成の説明を省略する
。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及び２２は空胴壁２０の中央部に設
けられ、それぞれがマイクロ波回路の一部を構成してい
るリッジ、２３は一方のリッジ２１の上面に設けられた
溝２８の底壁面からなる導電体壁、２４は導電体壁２３
に対向して設けられた誘電体、２５は誘電体２４がリッ
ジ２１上面の溝２８を覆うことによって、導電体壁２３
と誘電体２４と間に形成された放電空間である。２２１
は溝２８に誘電体２４を介して相対する他方のリッジ２
２の先端部で、その巾は溝２８の巾より狭く形成されて
いる。

上記のように構成された気体レーザ装置においては、放
電空間２５となる溝２８に誘電体２４を介して相対する
リッジ２２の先端部２２１の巾は溝２８の巾より狭くな
るように形成されているから、マグネトロン３からの正
弦関数的に変化しているマイクロ波の誘電体２４におけ
る巾方向の電界強度はリッジ２２の先端部２２１の巾が
溝２８の巾より狭いことによるマイクロ波エネルギーが
先端部２２１の両側角部に集束されるエツジ効果により
、誘電体２４の巾方向において両側部分が強くなると共
に中央部分が弱くなる。このことは放電空間２５におけ
る電界強度の分布においても同様である。従って、誘電
体２４の中央部分の弱くなった電界分だけ、マイクロ波
エネルギーを増大させることができる。そのため、マグ
ネトロン３のマイクロ波エネルギーを増大させることに
より、誘電体２４の巾方向における両側部分の電界強度
が放電開始可能な所定値以上となり、誘電体２４即ち放
電空間２５における放電可能な電界強度領域が中央から
さらに両側に広がって第３図のグラフに示すように従来
例の電界強度分布曲線Ｃに比べてカーブの緩やかな電界
強度分布曲線Ｃとなり、均一な電界強度の分布となる。

それ故、放電空間２５における巾方向の全体にわたって
マイクロ波エネルギーによる放電分布が均一となり、放
電空間において安定かつ均一なプラズマが発生してレー
ザ出力を高効率、大出力にて得ることができる。

第２図はこの発明の他の実施例である気体レーザ装置の
断面図である。

この実施例では溝２８に誘電体２４を介して相対する他
方のリッジ２２の構成が前記実施例と異なる。

即ち、この実施例のリッジ２２の先端部２２２は、その
巾を溝２８の巾より狭くし、断面中央に凹み部分である
溝２２３を有して左右に分割して形成されている。従っ
て、マイクコ波の誘電体２４における巾方向の電界強度
は先端部２２２の巾が放電空間２５の巾より狭いことと
その先端部２２２が少なくとも中央に凹み部分である溝
２２３を有して左右に分割されたことによるマイクロ波
エネルギーが先端部の両側角部と分割された先端部の角
部の部分に集束されるエツジ効果により、誘電体２４の
巾方向において両側部分と、分割された先端部２２２の
角部に対応する部分が強くなると共に中央の溝２２３に
対応する凹み部分が弱くなる。従って、誘電体２４の中
央の凹み部分の弱くなった電界分だけマイクロ波エネル
ギーを増大させるることができる。そのため、マグネト
ロン３のマイクロ波エネルギーを増大させることにより
、誘電体２４の巾方向における中央部分以外の電界強度
が放電開始可能な所定値以上となり、誘電体２４即ち放
電空間２５における放電可能な電界領域が中央からさら
に両側に広がって第３図のグラフに示すように従来例の
電界強度分布曲線Ｃに比べてカーブが緩やかで中央がへ
こんだ電界強度分布曲線すとなり、均一な電界強度の分
布となる。それ故、放電空間２５における巾方向の全体
にわたってマイクロ波エネルギーによる放電分布が均一
となり、放電空間において安定かつ均一なプラズマが発
生する。

この実施例のりッジ２２の先端部２２２は断面中央に溝
２２３を有して左右の二つに分割して形成されているが
、断面中央の溝２２３の他に別の溝を設けて二つ以上に
分割するようにしてもよいことは勿論である。

また、上記実施例ではリッジ２２の先端部だけを溝２８
の巾より狭く形成したものについて説明したが、第４図
および第５図のこの発明のさらに他の実施例に示すよう
にリッジ２２全体を鳥２８の巾より狭くしたものでも同
様の効果を奏する。

さらに、上記実施例ではマイクロ波回路として断面形状
をいわゆるダブルリッジ状とし、一方のリッジに放電空
間２５を構成する溝２８を設けたものについて説明した
が、マイクロ波回路として、断面形状をいわゆるシング
ルリッジ状とし、リッジに対向する導電体壁面に溝２８
を設けものでもよいことは勿論である。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、放電空間となる溝に誘
電体を介して相対するリッジの少なくとも先端部の巾を
溝の巾より狭くなるように形成し、マイクロ波の放電空
間における巾方向の電界強度をマイクロ波エネルギーが
先端部の両側角部に集束されるエツジ効果により、誘電
体の巾方向における両側部分を強くし、それに伴い中央
部分を弱くするようにしたので、その中央部分の弱くな
った電界分だけマイクロ波エネルギーを増大させること
により、誘電体の両側部分の電界強度を放電開始可能な
所定値以上にして誘電体即ち放電空間における放電可能
な電界強度領域が中央から両側に広がった均一な電界強
度の分布とし、これによって放電空間における巾方向の
マイクロ波エネルギーによる放電分布が均一となって放
電空間において安定かつ均一のプラズマが発生してレー
ザ出力を高効率、大出力にて得ることができる効果を有
する。

また、もう一つの発明は巾が溝の巾より狭いリッジ先端
部を少なくとも中央に凹み部分を有して複数に分割して
形成し、マイクロ波の誘電体における巾方向の電界強度
をマイクロ波エネルギーが先端部の両側角部と分割され
た先端部の角部の部分に集束されるエツジ効果により、
誘電体の巾方向における両側部分と分割された先端部の
角部に相当する部分を強くすると共に少なくとも中央を
含む凹み部分を弱くするようにしたので、その中央部分
の弱くなった電界分だけマイクロ波エネルギーを増大さ
せることにより、誘電体の中央部分以外の電界強度を放
電開始可能な所定値以上にして誘電体即ち放電空間にお
ける放電可能な電界領域を中央から両側に広がった均一
な電界強度の分布とし、これによって放電空間における
巾方向のマイクロ波エネルギーによる放電分布が均一と
なって放電空間において安定かつ均一のプラズマが発生
してレーザ出力を高効率、大出力にて得ることができる
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である気体レーザ装置の断
面図、第２図はこの発明の他の実施例である気体レーザ
装置の断面図、第３図は誘電体の巾方向における従来例
と本願発明の電界強度分布を説明するためのグラフ、第
４図はこの発明のさらに他の実施例である気体レーザ装
置の断面図、第５図はこの発明のさらに他の実施例であ
る気体レーザ装置の断面図、第６図は従来の気体レーザ
装置を示す斜視図、第７図は第４図の■−ｖ線断面図で
ある。 ２１・・・リッジ、２２・・・リッジ、２３・・・導電
体壁、２４・・・誘電体、２５・・・放電空間、２８・
・・溝、２２１，２２２・・・先端部、２２３・・・凹
み部分。 なお、図中、同一符号は同一　または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、マイ
   クロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、マイクロ波伝送
   路により伝送されたマイクロ波の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うマイクロ波回
   路とを備え、前記マイクロ波回路を構成する導電体壁に
   溝を形成し、溝底部を構成する導電体壁に対向して溝を
   閉鎖するように設けられたマイクロ波の入射窓となる誘
   電体との間に形成される放電空間に前記レーザ気体を封
   入し、前記マイクロ波回路によって前記誘電体とレーザ
   気体中に発生した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ようにしたマイクロ
   波励起方式の気体レーザ装置において、 前記溝に誘電体を介して相対する導電体壁部分にリッジ
   を形成し、このリッジの少なくとも先端部の巾を溝の巾
   より狭く形成したことを特徴とする気体レーザ装置。
2. （２）マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、マイ
   クロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、マイクロ波伝送
   路により伝送されたマイクロ波の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うマイクロ波回
   路とを備え、前記マイクロ波回路を構成する導電体壁に
   溝を形成し、溝底部を構成する導電体壁に対向して溝を
   閉鎖するように設けられたマイクロ波の入射窓となる誘
   電体との間に形成される放電空間に前記レーザ気体を封
   入し、前記マイクロ波回路によって前記誘電体とレーザ
   気体中に発生した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ようにしたマイクロ
   波励起方式の気体レーザ装置において、 前記溝に誘電体を介して相対する導電体壁部分にリッジ
   を形成し、このリッジの少なくとも先端部の巾を溝の巾
   より狭くし、先端部を少なくとも中央に凹み部分を有し
   て複数に分割して形成したことを特徴とする気体レーザ
   装置。