JPH04261080A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、放電によりレーザ励
起を行う気体レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、例えば特開昭６３−１９２２８
５号公報に記載された従来の気体レーザ装置の概略断面
図、図４はこのレーザ装置の共振器の構成を示す概略平
面図である。図において、１１は７２ＭＨＺ　高周波発
生器、２１は電力整合回路、２２は高周波ケーブル、２
３は絶縁フィードスルー、７１、７２は電極、７３、７
４は電極の表面で光学反射面に研磨してある。７５は放
電用間隙、７６、７７は電極７１、７２を絶縁するスペ
ーサ、７８はＵ字形をした基部で、電極７１、７２とス
ペーサ７６、７７よりなる組立体が基部７８上に取り付
けられ、Ｕ字形の基部７８は蓋７９により閉じられ、セ
ラミック絶縁材８０が蓋７９と電極７１との間に配設さ
れている。また、レーザ共振器は図４に示すように、凹
面鏡の全反射ミラー５２と凸面鏡の全反射ミラー５３と
から構成されている。

【０００３】上記のように構成された従来の気体レーザ
装置においては高周波発生器１１により発生された高周
波は電力整合器２１を介して、ケーブル２２を通って電
極７１、７２間に印加される。電極７１、７２間の放電
用間隙７５にはレーザ気体が充填されており、電極７１
、７２間に印加された高周波によりレーザ気体が放電励
起される。このように、反射ミラー５２と５３とで構成
されるレーザ共振器内に、励起されたレーザ気体が存在
するため、レーザ発振が行われる。このとき、電極７１
、７２間を２ｍｍにし、電極７１、７２の縁と凹面鏡５
３の縁との間の距離を２ｍｍとすることで、一辺が約２
ｍｍの方形ビームが得られる。このビームはレーザ共振
器から一定距離伝搬すると方形から円形へと変化する。

【０００４】

【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、偏平な放電空間から円形のビームを
取り出すために、ビームの出射径を正方形にあわせてい
る。しかしながら、一方向は導波路型共振器、他の一方
向は不安定型共振器による複合共振器を構成しているた
め、単にビームの出射径を正方形にあわせるだけでは両
方向の発散角が等しくならない。したがって、ビームが
伝搬するにつれて両方向のビーム径が異なるようになり
真円からずれてくる。

【０００５】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、遠方へビームが伝搬してもビームが円
形で方向性のない真円度の高いビームを発生できる気体
レーザ装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【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、レーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法
が異なる放電空間を形成し、この放電空間にレーザ気体
を封入し、このレーザ気体を放電により励起する気体レ
ーザ装置において、全反射ミラーと出口全反射ミラーに
より形成されるレーザモード領域の最外部と、上記出口
全反射ミラーの端部の距離を、上記放電空間断面におけ
る短い方の寸法の０．５５ないし０．９倍とした。

【０００７】

【作用】全反射ミラーと出口全反射ミラーにより形成さ
れるレーザモード領域の最外部と上記出口全反射ミラー
の端部の距離を、上記放電空間断面における短い方の寸
法とほぼ等しくしたときに比べて、寸法の長い方向、す
なわち不安定共振器側のビームの出射径を小さくしたた
め、この方向のビームの発散角がより大きくなり、寸法
の短い方向、すなわち導波路側の発散角とほぼ等しくな
る。

【０００８】

【実施例】実施例１．図１（ａ）はこの発明の一実施例
における共振器を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）
に示す共振器の不安定型共振器側の概要を示す平面図、
図１（ｃ）は図１（ａ）に示す共振器の光導波路共振器
側の概要を示す側面図である。

【０００９】図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）において
、５０は全反射ミラーで、凹面鏡である。５１は出口全
反射ミラーで凹面鏡である。６７は放電空間で図４にお
ける放電空間６７に相当する。この放電空間６７は、レ
ーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法（ＡおよびＢ
）が異なる偏平なスラブ状に形成されており、寸法Ｂは
レーザ波長に対し光導波路の寸法としてある。

【００１０】以上のように構成された共振器は放電空間
断面における寸法の長い方の一次元については、つまり
図示のＡ方向については全反射ミラー５０、５１を組み
合わせた負枝の不安定型共振器となっており、放電空間
断面における寸法の短い方の一次元については、つまり
図示のＢ方向については、光導波路共振器となっている
。さらに、負枝不安定型共振器は、放電空間断面の寸法
が長い方の一端部６７１からのみレーザビーム８を取り
出すために、レーザ光軸を放電空間の中心軸よりずらし
てある。即ち、反射ミラー５０および５１の少なくとも
一方は放電空間の中心軸に対して傾けて配置してある。 また、反射ミラー５１は一部を切り欠いて直線状のアパ
ーチャを形成した端部５１１を有し、ここからレ−ザビ
ームを取り出す。なお、図においてＲＴ　は反射ミラー
５０の曲率半径、ＲＰ　は反射ミラー５１の曲率半径で
ある。

【００１１】次に不安定型共振器の動作について説明す
る。図１（ｂ）において、出口全反射ミラー５１の端部
Ｅで反射された光は全反射ミラー５０のＦで反射され、
線ｆを通ってＧ−Ｈから線ｈとなって外部へ放射される
。この線ｆ，ｈが全反射ミラー５０と出口全反射ミラー
５１で構成される不安定型共振器のモード領域の最外部
になる。すなわち、不安定型共振器内の光は線ｆとｈの
間に存在する。また、出口全反射ミラー５１の端部５１
１と線ｈの間の光がレーザビーム８となって出射される
。すなわち、幾何光学的にはｂ−ａの径のビームが出射
されることになる。

【００１２】次に光導波路共振器の動作について説明す
る。光導波路共振器では、図１（ｃ）に示すように、放
電空間の幅広い側の面６７４、６７５および全反射ミラ
ー５０、出口全反射ミラー５１とで反射されながらモー
ドが形成される。従ってこの方向の出射ビーム径は、光
導波路の厚さＢとなる。

【００１３】ここで、両方向のビーム径を合わせるため
には、ｂ−ａ＝Ｂとすれば良いと考えられる。例えば、
Ｂ＝２ｍｍ、ｂ＝２０ｍｍとしたときａ＝１８ｍｍとす
れば良い。ここで、共焦点の共振器で、共振器長ｌが４
３２ｍｍのとき、ＲＴ　＝４５６ｍｍ、ＲＰ　＝４１２
ｍｍと設計できる。すなわち、不安定型共振器の拡大率
Ｍ＝ＲＴ　／ＲＰ　＝１．１１とすればよいと考えられ
る。しかしながら、図２および図３で示されるようなマ
イクロ波放電を用いた炭酸ガスレーザ装置にこの設計の
共振器を適用し実験したところ、ビームが伝搬するにつ
れてビームが真円からずれたものになることが判明した
。

【００１４】図２において、１はマイクロ波発振器であ
るマグネトロン、２は導波管、４はマイクロ波結合窓、
６はレーザヘッド部であって、図３がレーザヘッド部６
の詳細を示す図２Ａ−Ａでの断面図である。図３に示さ
れるように、レーザヘッド部６は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の構造を持つ。 図３において、６１はマイクロ波結合窓４に続く空胴壁
、６２および６３はこの空胴壁の断面の一部に形成され
たリッジ、６４はこの一方のリッジ６２に形成された溝
であり、６５はマイクロ波回路の一部を構成する導電体
壁であって、この実施例では溝６４の壁面が使用される
。６６はこの導電体壁６５に対向して設けられた例えば
アルミナセラミックなどの誘電体であり、６７はこの誘
電体６６が上記溝６４を覆うことにより上記導電体壁６
５と誘電体６６との間に形成される放電空間であって、
この放電空間６７にＣＯ２　レーザガスが封入される。 また、６８はリッジ６２および６３に形成された冷却水
路である。以上の炭酸ガスレーザ装置において、マグネ
トロン１で発生されたマイクロ波は導波管２を通って、
マイクロ波結合窓４でインピーダンスマッチングをとる
ことにより効率良くレーザヘッド部６に結合される。レ
ーザヘッド部６は図３に示されるようにリッジ空胴状に
なっており、マイクロ波はリッジ６２、６３の間に集中
する。この集中したマイクロ波の強い電磁界により放電
空間６７に封入されたレーザ気体が放電破壊し、プラズ
マを発生し、レーザ媒質が励起される。この装置にあっ
ても、放電空間断面は偏平で縦と横の寸法が異なり、レ
−ザ共振器としては図１に示されるものが用いられる。 そこで前述の設計による共振器を試作し、実験したとこ
ろ、遠方で真円のビームが得られなかった。

【００１５】これは出力されるビーム径は、両方向で計
算上２ｍｍとなるが、一方向は導波路モ−ド、他の一方
向は不安定型モ−ドであるため方向により性質が異なり
、発散角が異なるモ−ドとなっているためで、ビームは
遠方へ伝搬するにつれて発散角の違いによる非等方性が
あらわれ、円形からずれたビームとなるからと考えられ
る。特に不安定型側は幾何光学により計算される径より
も大きな径のビームに対応した発散角となっていること
が判った。

【００１６】このように導波路側と不安定側の発散角を
両方同じにして遠方でのビームを真円にするためには、
不安定型側のビーム出射径は幾何光学で計算される径よ
りも小さな径にする必要があることが明らかになった。 実験の結果、Ｂ＝２ｍｍ、ｂ＝２０ｍｍとしたときａ＝
１８．６ｍｍのとき、すなわち計算上不安定型側の出射
ビーム径が１．４ｍｍで導波路側の径の０．７倍とした
とき、ほぼ両方向の発散角がそろって、遠方でのビーム
形状が真円となることが判った。ミラーの曲率でいえば
共振器長ｌが４５１ｍｍのとき、ＲＴ　＝４６７ｍｍ、
ＲＰ　＝４３５ｍｍ、不安定型共振器の拡大率Ｍ＝１．
０７４でこの条件が満足される。

【００１７】なお、実用上ビームの真円度は８０％以上
あればよいから、幾何光学計算上不安定型側の出射ビー
ム径が、導波路の厚みの０．５５倍から０．９倍となる
よう、共振器設計をすればよいことがわかる。ｂ＝２０
ｍｍ，Ｂ＝２ｍｍの上記実施例では、不安定型側の出射
ビ−ム径が１．１ｍｍないし１．８ｍｍ、拡大率Ｍで１
．０５８ないし１．０９９となる。

【００１８】実施例２ なお、上記実施例では放電エネルギ−としてマイクロ波
を用いたものについて説明したが、図４に示されるよう
なＲＦを用いたものでも、また、放電空間断面の縦と横
の寸法が異なるものであれば放電エネルギ−としてＤＣ
を用いたものでも同様であるのは言うまでもない。

【００１９】

【発明の効果】この発明は以上説明したとおり、レーザ
光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる放電空間
を形成し、この放電空間にレーザ気体を封入し、このレ
ーザ気体を放電により励起する気体レーザ装置において
、上記放電空間断面における寸法の短い方の１次元につ
いては光導波路として動作させ、寸法の長い方の１次元
については、全反射ミラーと出口全反射ミラーにより不
安定型共振器を構成し、上記出口全反射ミラー側の長い
方の一端部からレーザビームを取り出すようにするとと
もに、全反射ミラーと出口全反射ミラーにより形成され
る幾何光学計算上のレーザモード領域の最外部と上記出
口全反射ミラーの端部の距離を、上記放電空間断面にお
ける短い方の寸法の０．５５ないし０．９倍としたので
、出力ビームが遠方へ伝搬してもビームの対称性がくず
れることなく円形のビームで伝搬されるので、加工に適
した装置が提供できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はこの発明の一実施例における共振器を
示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す共振器の不安定共振
器側の概要を示す平面図、（ｃ）は（ａ）に示す共振器
の光導波路共振器側の概要を示す側面図である。

【図２】マイクロ波放電を利用した気体レーザ装置の概
略を示す外観図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。

【図４】従来の気体レーザ装置を示す斜視図である。

【図５】図４のＢ−Ｂ線における断面図である。

【符号の説明】

５０　　全反射ミラー ５１　　出口全反射ミラー ５１１　　出口全反射ミラ−の端部 ６７　　放電空間 ８　　レ−ザビーム Ａ　　放電空間断面における長い方の寸法Ｂ　　放電空
間断面における短い方の寸法ｈ　　レ−ザモ−ド領域の
最外部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横
   の寸法が異なる放電空間を形成し、この放電空間にレー
   ザ気体を封入し、このレーザ気体を放電により励起する
   気体レーザ装置において、上記放電空間断面における寸
   法の短い方の１次元については光導波路として動作させ
   、寸法の長い方の１次元については、全反射ミラーと出
   口全反射ミラーにより不安定型共振器を構成し、上記出
   口全反射ミラー側の長い方の一端部からレーザビームを
   取り出すようにするとともに、全反射ミラーと出口全反
   射ミラーにより形成される幾何光学計算上のレーザモー
   ド領域の最外部と上記出口全反射ミラーの端部の距離を
   、上記放電空間断面における短い方の寸法の０．５５な
   いし０．９倍としたことを特徴とする気体レーザ装置。