JPH04259278A - Ｑスイッチｃｏ２ レーザ発振装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ同位体分離、遠
赤外レーザの励起用光源、特殊材料の加工等に要求され
る、波長可変、高尖頭出力、高パルス繰り返し率のパル
スＣＯ２　レーザ光を得るためのＱスイッチＣＯ２　レ
ーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＣＯ２　レーザ技術の飛躍的な進
歩に伴い、その応用分野は従来の単純な材料加工に留ま
らず新しい分野への展開が図られている。その代表的な
例としては、パルスＣＯ２　レーザ光による同位体分離
用の光源、遠赤外レーザの光励起用光源、銅やアルミニ
ウム等の従来ＣＯ２レーザでは加工が困難であった材料
の加工などがある。ＣＯ２　レーザのこのような分野へ
の適用には一般的には１０ｋＷを越える高尖頭出力、１
０ｋＨｚを越える高パルス繰り返し率による高平均出力
性が要求され、さらに光化学、遠赤外レーザ励起のよう
な特殊な用途においてはこれに加えて波長可変性が必要
となる。

【０００３】このような用途に対応するＣＯ２　レーザ
として、従来から横方向励起大気圧稼働のパルスＴＥＡ
レーザがある。ＴＥＡレーザにおいては、高電圧、高電
流パルス放電を大気圧のレーザガスに印加するので、１
０ＭＷ以上の高い尖頭出力を１００ｎｓｅｃ程度のパル
ス幅で容易に取り出すことができるが、パルス繰り返し
率は実用的には１０〜１００Ｈｚ程度であり、さらに短
時間に大電力パルス放電を行うためレーザ発振器の寿命
が短く、またその稼働に要するコストも増大するという
問題点があった。

【０００４】ＴＥＡレーザに対してパルスレーザ光を取
り出す方法として、連続波（以下ＣＷと呼ぶ）レーザの
放電励起にパルス変調をかける方法がある。この方法に
は、直流放電を用いる場合と、ラジオ波（以下ＲＦと呼
ぶ）領域での放電を用いる方式があるが、前者ではパル
ス放電の立ち下がり時定数が長くパルス繰り返し周波数
は１ｋＨｚ程度が限界となる。それに対してＲＦ放電で
は高速パルス変調が可能であり、最近では１００ｋＨｚ
程度のパルス繰り返し周波数が実現されている。しかし
ながら、いずれの場合においてもパルス尖頭出力はＣＷ
定格レベル近傍におさえられ、最大でも数ｋＷ程度であ
るため、前述の特殊用途への適用は不可能であった。

【０００５】このような問題点に対応するため、従来か
ら固体レーザによく用いられているＱスイッチング技術
をＣＯ２　レーザに適用する方法が各種提案されている
。 ＩＥＥＥＪ．　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ，　Ｖｏｌ．　ＱＥ−４，　ｐ７６２，　１９６８に
はＣＷ励起ＣＯ２　レーザの共振器内に損失を制御する
素子を挿入した各種のＱスイッチングの方法がまとめら
れている。レーザ共振器内に可飽和吸収体を挿入する受
動的Ｑスイッチングの方法（例えばＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．　１１，　ｐ
８８，　１９６７　）は、能動的な制御素子を必要とし
ない利点を有するが、そのパルス幅が広いため尖頭出力
は抑えられ、またパルス繰り返し周波数を制御できない
問題点がある。共振器内にＣｄＴｅ等の電気光学変調素
子を挿入する方法は、その制御性に優れるが数１０Ｗを
越える平均出力を取り出す場合には素子の耐久性の問題
が発生し、さらに高速で高電圧をスイッチできる電源が
必要になるためその信頼性の問題もある。回転ミラーを
共振器の中に入れる方法は高速でＱスイッチングができ
、またパルス繰り返し周波数の制御性も高いので比較的
よく用いられているが、ＣＯ２　レーザの複数の発振ラ
インの内、小信号利得の低いラインでは発振が困難であ
り、また微小な回転ミラーの軸ぶれが発振性能の不安定
性を引き起こす問題点がある。

【０００６】特開昭　６２−１６０７８３号公報や米国
特許　４１７４５０４号公報に開示されている各種のフ
ァブリペロエタロンを共振内に挿入する方法は、一般的
にはＱスイッチング速度は遅く、また前記米国特許に示
されているようにスイッチング速度を速くできる場合に
おいても、１００Ｗ以上の出力を取り出そうとするとエ
タロンの耐光強度に問題があり、長時間の安定稼働は不
可能である。回転チョッパーとテレスコープの組み合わ
せを用いる方法は、一般に前記回転ミラー方式に比べる
とスイッチング速度が劣る問題はあるが、その他の制御
性、安定性には秀でている。Ｇａｓ　Ｆｌｏｗ　ａｎｄ
　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｌａｓｅｒｓ　（ＧＣＬ）　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，　Ｖｉｅ
ｎａ　１９８８，　Ｖｏｌ．　１０３１，　ＳＰＩＥ，
　ｐ４８　には、ＣＷＣＯ２　レーザに回転チョッパー
方式によるＱスイッチングを組込み、パルスエネルギ２
７ｍＪ、パルス尖頭出力１５０ｋＷ、パルス繰り返し周
波数１０ｋＨｚの性能を実現した例が報告されている。 この例は高パルス繰り返し率、高平均出力を取り出す観
点で上述の問題点を解消しているが、そのパルス幅は約
２００ｎｓｅｃと理想的なＱスイッチパルスのそれの２
倍以上の値であり、同位体分離、遠赤外レーザの励起等
の用途に用いるには更にパルス幅を狭めパルス尖頭出力
を大きくすることが望ましい。

【０００７】この様な問題点に対応するため、ＣＯ２　
レーザを励起するための直流放電に回転チョッパーに同
期した高尖頭電気出力のパルス変調をかけることで大き
な小信号利得を得、かつ高速Ｑスイッチングを実現する
ことで小型の発振器からパルス幅１００ｎｓｅｃ程度の
Ｑスイッチパルスを取り出す例がＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕ
ａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｖｏｌ．　２
５，　ｐ１５９１，　１９８９　に報告されている。こ
の例では、ほぼ理想的なＱスイッチングが起きているが
、直流放電にパルス変調をかけているため、そのパルス
繰り返し周波数はパルス尖頭出力を確保しようとした場
合１ｋＨｚ程度に抑えられてしまう。

【０００８】ＣＯ２　レーザの励起に交流放電を用いる
例として、特開平　２−４５９８３号公報にマグネトロ
ンから出たマイクロ波を用い、マグネトロンの電源周波
数に同期し位相制御された機械チョッパーを設けること
でパルスを得る方式が開示されている。マグネトロンの
電源周波数は一般的に１ＧＨｚ以上であり、その周波数
に位相同期してチョッパーを開閉することは、高繰り返
しパルス列を取り出すことには有効であるが、Ｑスイッ
チングは発生しないので高尖頭出力を得ることは出来な
い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、レー
ザ同位体分離、遠赤外レーザの光励起、難加工材料の加
工等に要求される高繰り返し率で高尖頭出力を持った波
長可変パルスＣＯ２　レーザ光を得るために、装置を大
型化することが無く廉価に、かつ長時間の安定稼働に耐
え得る高い信頼性を持ったＱスイッチＣＯ２　レーザ発
振装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣＯ２　レー
ザより波長可変パルスレーザ光を発生させるための装置
において、レーザ共振器内に回転チョッパー方式による
機械的な高速Ｑスイッチ制御装置を設け、レーザ媒質は
ラジオ波領域の高周波放電により励起され、該放電は前
記回転チョッパーの開放タイミングと同期されたパルス
変調がかけられ、さらに放電パルスの尖頭電力が定常定
格電力の１．５倍以上となるように設定することにより
、ＣＷ動作時より高い小信号利得を得てその上で高速Ｑ
スイッチをかける構成とすることで、高パルス繰り返し
率で高尖頭出力、短パルス幅のＱスイッチＣＯ２　レー
ザ光を取り出し得る発振装置である。

【００１１】以下に本発明を詳細に説明する。図３は、
Ｑスイッチの原理と本発明の特徴を説明するためにレー
ザ媒質における反転分布とフォトン密度の時間変化に関
するレート方程式を解いたシミュレーション結果を示し
たものであり、反転分布量が少ない（すなわち小信号利
得が低い）状態でＱスイッチングの速度を速くしていっ
た場合の共振器内の損失、反転分布量、フォトン密度の
時間変化をそれぞれ描いたものであり、図４は同様にレ
ーザ媒質における反転分布とフォトン密度の時間変化に
関するレート方程式を解いたシミュレーション結果を示
したものであり、反転分布量が多い（すなわち小信号利
得が高い）状態でＱスイッチングの速度を速くしていっ
た場合の共振器内の損失、反転分布量、フォトン密度の
時間変化をそれぞれ描いたものである。図３において（
ａ）〜（ｃ）はＣＷ励起の場合に相当し、Ｑスイッチン
グ速度が遅い場合（ａ）、初期反転分布量が第一パルス
によって全部消費されないため所謂低尖頭出力のマルチ
パルス発振が発生し、スイッチング速度を同図（ｂ）〜
（ｃ）へと速くして行くと、単一パルス発振へと移行す
るがそのパルス波形は尖頭出力、パルス半値幅ともに遅
いスイッチング速度の段階で一定値に到達し、スイッチ
ング速度の増加に伴うパルス発振特性の改善はあまり見
られない。それに対して図４における（ａ）〜（ｃ）は
パルス励起の場合に相当し、Ｑスイッチング速度の遅い
（ａ）の条件では、図３（ａ）と同様にマルチパルス発
振が発生するが、スイッチング速度を図４（ｂ）〜（ｃ
）へと速くして行くと単一パルス発振へと移行すると共
に、その尖頭出力は単調的に増加しパルス半値幅は減少
するので、パルス発振特性は一様に改善される。

【００１２】これらの特性をより定量的に評価するため
、図５にＱスイッチングに用いる回転チョッパーの線速
度とパルス尖頭出力との関係をプロットしたものを示す
。図において明確に示されている如く、パルス尖頭出力
は高尖頭電気入力のパルス励起によって初期反転分布量
を大きくとり、かつＱスイッチング速度を速くすること
で、ＣＷ励起でＱスイッチをかけたものよりも大幅に大
きな値となり得ることがわかる。次に放電パルスの尖頭
電力値に要求される値を明確にするため図３，図４に示
されたものと同様なシュミレーションを各種の放電パル
ス尖頭出力値に対して行った。

【００１３】図６（ａ）は、ＣＷ励起時の放電定格電力
値Ｐ０　に対する放電パルスの尖頭出力値Ｐｐ　の定義
を説明したもので、直流励起の場合図中の外縁線となる
。ＲＦ励起の場合、図中のパルス幅の中にＲＦ周波数の
繰り返し周期波形が存在する形となるが、その電力実効
値の包絡線が図中の外縁線と一致する形でＰｐ　を定義
する。 図６（ｂ）は、このようなＰｐ　の定義の下にＱスイッ
チ発振パルス尖頭出力とＰｐ　との関係を典型的なレー
ザ共振器条件、ＣＷ定格電力条件においてシュミレーシ
ョンした結果を示したものであり、放電パルスの尖頭出
力値Ｐｐ　がＣＷ励起時の放電定格電力値Ｐ０　の１．
５倍以上であれば、ＣＷ励起に比べて明確な差のあるパ
ルス発振特性の改善を実現し得ることがわかった。パル
ス変調をかける放電電源は、従来技術で示した如く高速
パルス変調性能において直流放電よりもＲＦ放電の方が
はるかに秀でている。さらに、一般にＲＦ放電の場合、
放電電極は大気中におかれるので電極のスパッタリング
等に起因するレーザガスの劣化は無く、またレーザガス
組成の変更許容幅が広いという利点もある。

【００１４】ここでＱスイッチＣＯ２　レーザのパルス
繰り返し周波数として要求される範囲は、ＴＥＡレーザ
より高いという条件で下限が決定され１００Ｈｚ以上が
必要であり、上限は放電電源のパルス変調可能周波数と
ＣＯ２　レーザのＱスイッチ過程における光場の立ち上
がり速度の兼ね合い等で決定されるが一般に１００ｋＨ
ｚが限界値を与える。このようなパルス変調を実現する
ために要求されるＲＦ電源のキャリア周波数は、１ＭＨ
ｚ以上１ＧＨｚ以下のラジオ波領域の周波数であり、好
ましくは１０ＭＨｚ帯域のＲＦ周波数である。

【００１５】次に、共振器内に挿入するＱ値制御装置と
しては、従来技術で示した如く共焦点テレスコープと回
転チョッパーの組み合わせが、その制御性、安定性から
最も優れている。回転ミラー方式やファブリペロエタロ
ン方式は、可動部を持つそれら自体がレーザ共振系を構
成するものであるのに対し、回転チョッパーは共振系と
は独立であり共振器内の損失のみを制御するので、その
繰り返し率や時間変化の制御が自由でありかつ長時間運
転条件下でも高い安定性、信頼性が確保できるからであ
る。

【００１６】ここでＱスイッチング速度に要求される値
を図３，図４を用いて説明する。一般に共振器内に挿入
された共焦点テレスコープによって集光されるＣＯ２　
レーザビーム径は１００〜３００μｍである。図３及び
図４で、図３（ａ）・図４（ａ）、図３（ｂ）・図４（
ｂ）、図３（ｃ）・図４（ｃ）は回転チョッパーの線速
度がそれぞれ１０ｍ／ｓｅｃ、２００ｍ／ｓｅｃ、５０
０ｍ／ｓｅｃの場合のシュミレーション結果であり、そ
れらに対応してＱスイッチング時間はそれぞれ１５μｓ
ｅｃ、７５０ｎｓｅｃ、３００ｎｓｅｃに相当する。 したがってＱスイッチング時間が１５μｓｅｃ程度に長
い時には、大抵の場合、低尖頭出力のマルチパルス発振
となってしまうことがわかる。ここでこのＱスイッチン
グ時間の上限値は、初期反転分布量、共振器内の損失の
大きさ（例えば出力鏡結合率等）に依存して変化するが
、一般的に１０μｓｅｃ以下であればマルチパルス発振
が抑えられる。この値はチョッパーの線速度としてＣＯ
２　レーザ集光ビーム径が３００μｍの場合に３０ｍ／
ｓｅｃに相当する。ここで初期反転分布量が大きくとれ
る場合には図４（ｂ）（ｃ）から明らかなようにＱスイ
ッチング時間が短い方が良く、チョッパー線速度は大き
な値が要求される。チョッパー線速度の５００ｍ／ｓｅ
ｃという値は、例えば１６０ｍｍ直径の回転円板を６０
，０００ｒｐｍで回転させることに相当し、ターボモー
タ若しくは空気スピンドルを用いて実現できるものであ
る。

【００１７】

【実施例】図１（ａ）に本発明に係わるＱスイッチＣＯ
２　レーザ発振装置の実施例を示す。放電励起用電源１
はキャリア周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源であり、
ＣＷ励起時の定格出力電力は３．７５ｋＷの容量があり
、パルス変調時はその繰り返し周波数が２０ｋＨｚまで
可能でその尖頭値はデューティ２０％までの範囲で最大
１３．８ｋＷ出力可能なものである。放電電極３は内径
１８ｍｍのレーザ放電管２の外側の大気中に設置されガ
ラス壁を介してグロー放電の形態でレーザガスにエネル
ギーを注入する。レーザガスは図示されないルーツブロ
アによって２００ｍ／ｓｅｃの線速度でレーザ光軸方向
に循環し熱交換器によって冷却を受けた後、再度レーザ
放電管２に戻ってくる構成となっている。レーザ放電管
２は波長選択のための回折格子４とＺｎＳｅ製ブリュー
スターウィンドウ５によって大気と遮断されている。レ
ーザ共振器は回折格子４とＺｎＳｅ製部分透過鏡１１に
よって安定型共振器が構成され、ブリュースターウィン
ドウ５と部分透過鏡１１の間に共焦点テレスコープと回
転チョッパーを組み合わせたＱスイッチング装置６が設
置される。

【００１８】Ｑスイッチング装置６はターボモータ１０
に接続された回転チョッパー９が真空中で、回転するた
めの真空容器によって構成され、テレスコープ用ＺｎＳ
ｅレンズ７，８は共焦点条件に設置され共振器内レーザ
光の集光と真空容器の大気との遮断用の窓として兼用で
用いられている。回転チョッパー９は図１（ｂ）に示さ
れている如く周上に一定間隔で切り欠きを有する円板で
ありその直径は１６０ｍｍで、ターボモータによって最
大７０，０００ｒｐｍまでの速度で回転する。同期制御
信号検出装置１２は光電的な発光、受光素子の組み合わ
せによって構成されチョッパーの開放タイミングを検出
する。同期制御信号検出装置１２からの信号は、外部ト
リガパルス発生器で実現されるタイミング調整器１３に
供給され、その出力により放電励起用電源１のパルス変
調放電タイミングを制御する。図２は（ａ）放電パルス
、（ｂ）チョッパー開放タイミング、（ｃ）Ｑスイッチ
ＣＯ２　レーザ発振パルスの時間的な関係を表したタイ
ミングチャートであり、放電パルスからＱスイッチ開放
タイミングまでの遅延時間は、放電パルスの後に反転分
布量が最大になるタイミングでＱスイッチが開放される
ようにタイミング調整器１３によって調整される。

【００１９】以上の構成において、回転チョッパーの回
転速度をチョッパー線速度が４００ｍ／ｓｅｃ、パルス
繰り返し周波数が１０ｋＨｚになるように調整し、従来
法によるＣＷ励起時ならびに本発明によるチョッパーに
同期された放電パルス励起時のＱスイッチＣＯ２　レー
ザ発振波形を比較したものを図７に示す。図示の如く、
本発明を用いることにより１０ｋＨｚのパルス繰り返し
周波数において、パルス尖頭出力でＣＷ励起に比べて３
倍以上の出力を得ることができ、パルス半値幅をほぼ半
減させることができた。これらのパルス特性は、同位体
分離、遠赤外レーザ励起、難加工材料の加工などの応用
において非常に好適なものである。

【００２０】なお、本実施例においては、回転チョッパ
ーはターボモータに取りつけられ真空中で回転する例を
示したが、充分なチョッパー線速度が得られる限り例え
ば空気スピンドル等を用いた大気中での回転チョッパー
でもよく、また共焦点テレスコープ用のレンズ７，８は
レーザ放電管用のウィンドウ５や部分透過鏡１１と独立
なものとして示したが、共振器内での損失を軽減するた
めウィンドウ５と共焦点テレスコープ用のレンズ７を兼
用する構成や、部分透過鏡１１と共焦点テレスコープ用
のレンズ８を兼用する構成としてもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＱスイッ
チＣＯ２　レーザ発振装置によれば、高尖頭出力、短パ
ルス幅、高繰り返し率のＱスイッチＣＯ２　レーザ発振
を、比較的小型の発振器を用いて大容量の大型ＣＷ励起
ＣＯ２　レーザにＱスイッチをかけた場合と同等あるい
はそれ以上の特性で実現することができるので、廉価に
高性能の発振装置を構築できる利点を有する。また本発
明は高速回転チョッパーとＲＦパルス変調放電励起を組
み合わせた構成であることから、長時間運転に対する発
振性能の安定性、信頼性が高く、さらに耐久性に優れて
いる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明のＱスイッチＣＯ２　レーザ発
振装置の実施例を示す構成図、（ｂ）は回転チョッパー
円板の構成を示す模式図である。

【図２】本発明における（ａ）放電パルス、（ｂ）Ｑス
イッチ開放タイミング、（ｃ）ＱスイッチＣＯ２　レー
ザ発振パルスの時間的相互関係を示す説明図である。

【図３】Ｑスイッチの原理と本発明の特徴を説明するた
めにレーザ媒質における反転分布とフォトン密度の時間
変化に関するレート方程式を解いたシミュレーション結
果を示したものであり、反転分布量が少ない（すなわち
小信号利得が低い）状態でＱスイッチングの速度を速く
していった場合の共振器内の損失、反転分布量、フォト
ン密度の時間変化をそれぞれ描いたものである。

【図４】同様にレーザ媒質における反転分布とフォトン
密度の時間変化に関するレート方程式を解いたシミュレ
ーション結果を示したものであり、反転分布量が多い（
すなわち小信号利得が高い）状態でＱスイッチングの速
度を速くしていった場合の共振器内の損失、反転分布量
、フォトン密度の時間変化をそれぞれ描いたものである
。

【図５】パルス励起、ＣＷ励起双方に対する発振パルス
尖頭出力のチョッパー線速度依存性を表した説明図であ
る。

【図６】（ａ）は、ＣＷ励起時の放電定格電力値Ｐ０　
に対する放電パルス変調時の尖頭電力値Ｐｐ　の定義を
説明する模式図、（ｂ）は各種のＰｐ　の設定に対する
発振パルス尖頭出力のシュミレーション結果を示す説明
図である。

【図７】本発明によるＱスイッチパルス発振波形と従来
法による発振波形を同一の発振器条件で対比した説明図
である。

【符号の説明】

１　　　　放電励起用電源 ２　　　　レーザ放電管 ３　　　　放電電極 ４　　　　回折格子 ５　　　　ブリュースターウィンドウ ６　　　　Ｑスイッチング装置 ７，８　　　　テレスコープ用レンズ ９　　　　回転用チョッパー １０　　　　ターボモータ １１　　　　部分透過鏡 １２　　　　同期制御信号検出装置 １３　　　　タイミング調整器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＣＯ２　レーザより波長可変パルスレ
   ーザ光を発生させるための装置において、レーザ共振器
   内に回転チョッパー方式による機械的な高速Ｑスイッチ
   制御装置を設け、レーザ媒質はラジオ波領域の高周波放
   電により励起され、該放電は前記回転チョッパーの開放
   タイミングと同期されたパルス変調がかけられ、さらに
   放電パルスの尖頭電力が定常定格電力の１．５倍以上と
   なるように設定することにより高尖頭出力を有するパル
   スレーザ光を取り出すことを特徴とするＱスイッチＣＯ
   ２　レーザ発振装置。
2. 【請求項２】　　高速Ｑスイッチ制御装置は、共焦点テ
   レスコープの共焦点部分に周上に切り欠きを有する回転
   円板チョッパーを設置することにより構成され、その回
   転円板の線速度が３０ｍ／ｓｅｃ以上、Ｑスイッチング
   時間が１０μｓｅｃ以下になるよう、回転円板の直径、
   回転速度を設定する請求項１記載のＱスイッチＣＯ２　
   レーザ発振装置。
3. 【請求項３】　　レーザ媒質を励起するための高周波放
   電のキャリア周波数は１ＭＨｚ以上、１ＧＨｚ以下のラ
   ジオ波領域の周波数であり、高速Ｑスイッチ制御装置と
   同期したパルス変調周波数は１００Ｈｚ以上、１００ｋ
   Ｈｚ以下である請求項１記載のＱスイッチＣＯ２　レー
   ザ発振装置。
4. 【請求項４】　　高周波放電のパルス変調タイミングと
   チョッパー開放タイミングは一定の遅延時間を伴って同
   期制御され、同期制御信号はチョッパーから取り出し高
   周波放電電源のパルス変調周波数を制御する請求項１記
   載のＱスイッチＣＯ２　レーザ発振装置。