JPH0432281A - マイクロ波励起気体レーザ装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、レーザガスをマイクロ波放電により励起して
レーザ発振を行なわせるマイクロ波励起気体レーザ装置
に関する。

（従来の技術） レーザガスを放電励起してレーザ発振を行なわせるレー
ザ装置には、エキシマレーザ、ハロゲンガスレーザ、Ｔ
ＥＡ−ＣＯ２レーザ、金属蒸気レーザ、ｃｗ−ｃｏ２レ
ーザ等がある。これらは出力効率が高いので、その応用
が急速に急速に発展しつつある。

ところで、レーザガスを励起するためにプラズマを発生
させる放電方法としては、コンデンサを電源として用い
る直流パルス放電法がよく知られている。しかし、この
直流パルス放電法では、長パルス放電や高繰り返し放電
を行なわせようとすると１、放電が不安定になりゃすい
。このため、現状のエキシマレーザではパルス幅が１０
０ｎｓ以下、繰り返し周波数が数１００Ｈｚ以下に抑え
られている。したがって、平均出力が高く、しかも高繰
り返しのレーザ発振が望まれるリソグラフィや光ＣＶＤ
等のような用途への適用を困難にしている。

放電を安定化させるには高周波放電を利用するのが好ま
しい。この方法で特に強い励起を行うにはＵ、Ｓ、Ｐａ
ｔ、Ｎｏ、４６３１７３２に示されているようにマイク
ロ波帯の電磁波を用いたマイクロ波放電が有効である。

第１２図にはマイクロ波励起を採用したエキシマレーザ
装置の概略構成が示されている。

この装置では、マイクロ波供給源２９を誘電体３０を介
してストリップライン３１の一端に接続し、このストリ
ップライン３１の他端に高電圧パルス供給源３２を接続
している。そして、ストリップライン３１と導体板３３
との間に誘電体で細い矩形状に形成されたレーザ管３４
を設置し、このレーザ管３４内にレーザガスを封入して
いる。

また、レーザ管３４の両端にそれぞれで共振器を構成す
る出力ミラー３５と全反射ミラー３６とを対向配置して
いる。

このように構成されたエキシマレーザ装置では、マイク
ロ波供給源２９から供給されたマイクロ波と高電圧パル
ス供給源３２から供給されたパルス電圧とで、ストリッ
プライン３１と導体板３３との間にマイクロ波放電を生
じさせ、この放電でレーザ管３４内にプラズマを発生さ
せ、レーザガスを励起して、レーザ発振を行なわせるよ
うにしている。

しかし、上記のように構成された装置では、マイクロ波
の伝搬路としてストリップライン３１を用いているため
、マイクロ波の伝搬エネルギー損失が大きくなり、レー
ザ管３４の設けられている場所へマイクロ波を効率よく
供給できない。また、この方式のレーザ装置で大出力の
放電を行なわせるには、マイクロ波放電に伴うレーザガ
スの加熱。

分解反応を防止するために放電部のレーザガスを素早く
交換する必要がる。しかし、上記構成のレザ装置では、
自然対流で光軸Ａの方向にしかレザガスを流すことがで
きない。このため、高繰り返しの動作が不可能となり、
小出力のものしか実現していない。したがって、上記構
造のレーザ装置も、リソグラフィや光ＣＶＤなどのよう
に高平均出力で、繰り返しの早いレーザ発振を要する用
途には使用できないという問題があった。

また、他のマイクロ波励起のパルスレーザ装置として、
特開昭６３−１８６４８３号公報に示されているように
、リッジ導波管でレーザ管を構成するようにしたものも
ある。

第１３図にはそのようなマイクロ波励起気体レザ装置に
用いられているレーザ管４０の断面図が示されている。

このレーザ管４０では、リッジ４１が設けられている内
壁面４２と対向する内壁面４３を誘電体層４４で覆うこ
とによって放電の安定化を図るようにしている。しかし
、このようなレーザ管４０では、放電電極の片側、つま
りリッジ４１の設けられている部分が金属を露出させた
構成となってるため、その部分で腐蝕が起こり、これが
原因して放電が不安定になり易い。また、この金属部分
に耐蝕性のメッキを施しても放電でメッキが剥がれ易く
、結局、長期間に亘って使用することはできない。特に
、ハロゲンガスを用いるエキシマレーザには不向きであ
る。また、この方式のレーザ装置も１ノーザガスを自然
対流で光軸方向にしか流すことができないので、放電部
においてのレーザガスの交換が遅くなり、大出力、鳥繰
り返しのパルスレーザを得るのが困難であった。

（発明が解決しようとする課題） 」二連の如く、従来のマイクロ波励起気体レーザ装置で
は、マイクロ波のエネルギを有効に利用できなかったり
、ガス交換を素早く行えなかったり、あるいはまた寿命
が短かったりし、これらが原因して長期に亘って、大出
力で高繰り返し運転が行なえないという問題があった。

そこで本発明は、高効率、長寿命であるとともに大出力
、高繰返し運転が可能で、しかも長パルス化が可能なマ
イクロ波励起気体レーザ装置を提供することを目的とし
ている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明に係るマイクロ波励
起気体レーザ装置は、対向する２つの内壁面の少なくと
も一方側にリッジ部を備えるとともに前記リッジ部の表
面を含む上記−刃側の内壁面およびこれに対向する他方
側の内壁面を誘電体層で覆ってなるリッジ導波管で構成
されたレーザ管と、このレーザ管内にレーザガスを強制
的に通流させるレーザガス供給手段と、前記レーザ管内
にマイクロ波を導入してマイクロ波放電を誘起させ、こ
の放電でプラズマを発生させてレーザガスを励起するマ
イクロ波供給手段と、前記レーザ管の両端開口部に装着
され、それぞれ前記マイクロ波の通過を阻止した状態で
レーザ光のみ通過させる孔を備えた一対の導体蓋と、前
記レーザ管の両端開口部より外側にそれぞれ配置されて
共振器を構成する一対のミラーとを備えている。

（作用） レーザ管内にレーザガスを通流している状態で、レーザ
管内にマイクロ波を導入すると、レーザ管内のりッジ部
付近に発生した強電界で安定した放電が誘起される。こ
の放電によってプラズマが発生し、このプラズマでレー
ザガスが励起されてレーザ発振が行なわれる。この場合
、レーザ管は、リッジ導波管で構成されており、しかも
リッジ部を有する内壁面およびこれに対向する内壁面が
誘電体層で覆われているので、レーザガスがハロゲンガ
スのように腐蝕性のガスの場合であっても、いわゆる電
極部が腐蝕されるようなことはない。したがって、放電
が不安定になることはないし、寿命が低下するようなこ
ともない。また、レーザ管の両端開口部にマイクロ波の
通過を阻止した状態でレーザ光のみ通過させる孔を備え
た導体蓋を設けているので、供給したマイクロ波のエネ
ルギを放電に有効利用できる。さらに、レーザ管内にレ
ーザガスを強制的に通流させているので、レーザガスの
交換を短時間で行なわせる。ことができ、結局、大出力
で高繰り返しのレーザ発振を行なわせることか可能とな
る。

（実施例） 以下、図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には本発明の一実施例に係るマイクロ波励起気体
レーザ装置の概略構成が示されている。

このレーザ装置は、大きく分けて、図中２点鎖線で示す
容器１と、この容器１内に配置されたレザ管２と、この
レーザ管２の両端開口部より外側に対向配置されて共振
器を構成する出力ミラー３および全反射ミラー４と、容
器１外に配置されたマイクロ波発生源としてのマグネト
ロン５と、このマグネトロン５で発生したマイクロ波を
レーザ管２内へ導くべく容器１の壁を気密に貫通して設
けられた導波管６と、容器１内に封入されたレーザガス
と、このレーザガスをレーザ管２と交差する図中太夫印
７で示す方向に強制循環させる図示しない送風機とで構
成されている。

レーザ管２は、第２図にその横断面を示すようにリッジ
導波管で構成されている。すなわち、レーザ管２は、金
属材で角筒状に形成されている。

このレーザ管２の図中上壁８の内面中央部および下壁９
の内面中央部には互いに、対向し、がっ互いに長手方向
に延びるリッジ部１０．１１が突設すれている。そして
、リッジ部１ｏの表面を含む上壁８の内面はセラミック
、４弗化エチレン、石英などを素材とした誘電体層１２
によって覆われている。同様にリッジ部１１の表面を含
む下壁９の内面も誘電体層１３によって覆われている。

また、誘電体層によって覆われていない他の２つの側壁
１４．１５で導波管６が接続されている部分以外の部分
には、前述したレーザガスをレーザ管２内を経由させて
通流させるための開口部１６が複数個ずつ設けられてい
る。各開口部１６は、この例では長方形に形成されてお
り、レーザ管２内がらマイクロ波が漏れ出すのを阻止で
きる大きさに形成されている。すなわち、使用するマイ
クロ波の周波数をｆ　［ｋＨｚ］　、開口部１６の長辺
の長さをａ　［ｍ］　、レーザ管２の側壁の厚さをｔ［
ｍ］としたとき、ｔとの関係において、次の式を満たす
ようにａが設定されている。

ｔ）＞１／（π（１／ａ）２−（２ｆ’／ｃ）２）　　
　−（１）ここで、Ｃは光速度を示す。

実用上、ｔは（１）式の右辺の３〜４倍の値にとれば十
分で、この範囲でガス流通抵抗を大きくしない範囲の値
にａが設定されている。なお、側壁を厚くする代わり、
（１）式を満たす長さの管を開口部１６に取り付けるこ
とも可能である。

レーザ管２の両端開口部には、それぞれ導体蓋１７が装
着されている。これら導体蓋１７の中央部分でレーザ管
２内における放電部に対応した位置には、マイクロ波の
通過を阻止した状態で、レーザ光のみ通過させる孔１８
が形成されており、その外側には光学窓１９が装着され
ている。

マグネトロン５は、基本モードのマイクロ波をパルス的
あるいは連続的に出力する。このマイクロ波は導波管６
を介してレーザ管２内に導かれる。

導波管６はレーザ管２に対してＴ型に結合されている。

導波管６とレーザ管２とは薄い誘電体膜によって隔離さ
れている。そして、導波管６内にはＳＦ、等の絶縁ガス
が封入されており、また途中にはインピーダンス整合器
２０が挿設されている。

このように構成されたマイクロ波励起気体レーザ装置で
は、マグネトロン５で発生したマイクロ波が導波管６を
介してレーザ管２に導入されると、このレーザ管２がマ
イクロ波に対し一種のキャビティとなっているので、リ
ッジ部１０．１１の近くに強い電界が発生する。その結
果、レーザ管２内でリッジ部１０．１１間に存在する空
間部に局部的集中の抑えられた空間的に一様で安定な放
電が誘起されてプラズマが発生し、このプラズマによっ
て多量のレーザガスが励起されてレーザ発振が行われる
。そして、レーザ光は共振器を構成している二枚のミラ
ー３，４の間を光軸Ｂに沿って往復して増幅され、出力
ミラー３を介して外に取り出される。

この場合、運転時には図示しない送風機が駆動され、こ
の送風機の送風作用によってレーザガスがレーザ管２の
一方の側壁１５に設けられた開口部１６を通してレーザ
管２内に流れ込んだ後、他方の側壁１４に設けられた開
口部１６を通して流れ出る関係に循環通流する。したが
って、レーザ管２内の放電部でレーザガスの交換が極め
て短時間に行なわれることになる。また、レーザ管２の
側壁１４．１５に設けられた開口部１６およびレーザ管
２の両端開口部を蓋する導体蓋１７に設けられた孔１８
はそれぞれマイクロ波を外部へ漏らさないように形成さ
れている。このため、供給されたマイクロ波のエネルギ
を放電のために有効に利用できることになる。このよう
にマイクロ波のエネルギを有効利用できることとレーザ
ガスの交換を迅速に行なえることとが相まって、効率よ
く、大出力のレーザ発振を高繰り返しで行なわせること
ができる。

また、レーザ管２は、放電面である対向する２面が共に
誘電体層１２．１３で覆われているので、１面のみが誘
電体層で覆われた場合に比べて放電をより安定化させる
ことができる。しかも、金属部での放電が無くなるため
電極部の消耗を飛躍的に少なくでき、電極の寿命を大幅
に向上させることができる。したがって、装置を長寿命
化できる。

第３図には本発明の別の実施例に係るマイクロ波励起気
体１／−ザ装置における要部が局部的に示されている。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、各導体
蓋１７に設けられたレーザ先取り出し用の孔１８の外縁
部に、これら孔１８とほぼ同じ径の金属性のベローズ２
１をフランジ２２を介しそれぞれ取り付け、これらベロ
ーズ２１の先端に出力ミラー３（全反射ミラー）を取り
付けたものとなっている。なお、出力ミラー３および全
反射ミラーは、支持枠２３に支持されており、この支持
枠２３は傾き調整用のネジ２４によって傾きが調整され
る。

このような構成であると、レーザ先取り出し用の孔１８
からのマイクロ波の放射損失をさらに抑えることができ
、しかも、光学部品の数を少なくできる。その結果、よ
り効率の良い、小型のマイクロ波励起気体レーザ装置を
得ることができる。

さらに、レーザガスをレーザ管内に通流させるためにレ
ーザ管の側壁に設けられる開口部は長方形に限らず、（
１）式を満たしていれば第４図に示すようにレーザ管２
ａの側壁に丸孔で形成された開口部１６ａを設けてもよ
い。また、第５図に示されるようにレーザ管２ｂの側壁
を兼ねるように、レーザガス管２ｂ内の波長よりも小さ
い間隔に導体棒２５をはしご状に取り付けることによっ
て開口部１６ｂを形成するようにしてもよい。要するに
、開口部は、マイクロ波の放射損失が小さく、且つレー
ザ管内のレーザガスを迅速に交換できるように設けられ
ていればよい。

また、上述した各例では、レーザ管の対向する２つの側
壁に開口部をそれぞれ設け、これら開口部を通し、かつ
レーザ管内を経由させてレーザガスを強制通流させてい
るが、第６図に示すように、レーザ管２Ｃにおける側ｇ
１１５の長手方向両端部にガス導入口２７．ガス排出口
２８を設けるとともに、これらガス導入口２７．ガス排
出口２８に案内パイプ２９．３０を接続し、これら案内
バイブ２９．３０を通し、かつレーザ管２ｃ内を経由さ
せてレーザガスを強制循環させるようにしてもよい。

小出力の場合には上記構成で十分に対応することができ
る。

また、レーザ管を構成しているリッジ導波管の断面形状
は第２図に示した形状に限られるものではなく、第７図
から第１１図に示すように種々変形することができる。

すなわち、第７図に示すように、対向する内壁面の一方
だけにリッジ部１０を設け、このリッジ部を含む一方の
内壁面を覆う誘電体層１２を台形に設け、さらに他方の
内壁面を覆う誘電体層１３の誘電体層１２に対向する面
を平坦に形成してもよい。また、第８図に示すように他
方の内壁面を覆う誘電体層１３を台形に設けてもよい。

また、第９図に示すように誘電体層１２．１３の対向面
を平坦に形成してもよい。また、第１０図に示すように
リッジ部１０．１１をフローテング形としてもよいし、
さらに第１１図に示すように一方のりッジ部１０だけを
フローテング形としてもよい。

また、レーザガスに触れるすべての金属部分にニッケル
メッキ、金メッキ、ロジウムメッキ、４弗化エチレンコ
ート、セラミックコートなどを施すと、耐蝕性を増すこ
とができ、さらに長寿命化を図ることができる。

また、本発明は、エギシマレーザ、ハロゲンガスレーザ
は勿論のこと、Ｔ　Ｅ　Ａ　−ＣＯ２レーザ。

金属蒸気レーザ、ＣＷ−ＣＯ２レーザ等の連続発振のマ
イクロ波励起気体レーザ装置にも適用できることは勿論
である。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、リッジ導波管で形成
されたレーザ管内に効率よく、しかも電極部の消耗を抑
制した状態で安定な放電を起こさせることができ、その
うえ放電部のレーザガスの交換を素早く行なうことがで
きるので、大出力化、高繰り返し発振化ならびに長寿命
化を実現できるマイクロ波励起気体レーザ装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るマイクロ波励起気体レ
ーザ装置の要部だけを取り出して示す概略構成図、第２
図は同マイクロ波励起気体レーザ装置に組込まれたレー
ザ管の横断面図、第３図は本発明の別の実施例に係るマ
イクロ波励起気体レーザ装置の要部だけを取り出して示
す局部的断面図、第４図、第５図および第６図は本発明
のさらに異なる実施例に係るマイクロ波励起気体レーザ
装置におけるレーザ管だけを局部的に取り出してそれぞ
れ示す外観図、第７図〜第１１図はレーザ管の変形例を
それぞれ示す横断面図、第１２図は従来のマイクロ波励
起気体レーザ装置の概略構成を示す図、第１３図はりッ
ジ導波管で構成された従来のレーザ管の断面図である。 １・・・容器、２　、　２　ａ　、　２　ｂ　、　　２
　ｃ−・−レーザ管、３・・・出力ミラー、４・・・全
反射ミラー　５・・・マグネトロン、６・・・導波管、
７・・・レーザガスの循環方向、８・・・上壁、９・・
・下壁、１０．１１・・・リッジ部、１２．１３・・・
誘電体層、１４．１５・・・側壁、１６．１６ｇ・・・
開口部、１７・・・導体蓋、１８・・・孔、１９・・・
光学窓、２０・・・インピーダンス整合器、２１・・・
ベローズ、２２・・・フランジ、２３・・・支持枠、２
４・・・ネジ、２５・・・導体棒、２７・・・ガス導入
口、２８・・・ガス排出口、２９．３０・・・案内ノく
イブ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する２つの内壁面の少なくとも一方側にリッ
   ジ部を備えるとともに前記リッジ部の表面を含む上記一
   方側の内壁面およびこれに対向する他方側の内壁面を誘
   電体層で覆ってなるリッジ導波管で構成されたレーザ管
   と、このレーザ管内にレーザガスを強制的に通流させる
   レーザガス供給手段と、前記レーザ管内にマイクロ波を
   導入してマイクロ波放電を誘起させ、この放電でプラズ
   マを発生させてレーザガスを励起するマイクロ波供給手
   段と、前記レーザ管の両端開口部に装着され、それぞれ
   前記マイクロ波の通過を阻止した状態でレーザ光のみ通
   過させる孔を備えた一対の導体蓋と、前記レーザ管の両
   端開口部より外側にそれぞれ配置されて共振器を構成す
   る一対のミラーとを具備してなることを特徴とするマイ
   クロ波励起気体レーザ装置。
2. （２）前記レーザガス供給手段は、前記レーザ管の前記
   誘電体層で覆われていない２つの対向側壁に前記マイク
   ロ波を通過させない条件にそれぞれ複数個ずつ設けられ
   た開口部と、これら開口部を通し、前記レーザ管内を経
   由させてレーザガスを強制循環させる手段とで構成され
   ていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励
   起気体レーザ装置。
3. （３）前記マイクロ波供給手段は、マイクロ波をパルス
   的に発生するマイクロ波発生源を備えていることを特徴
   とする請求項１に記載のマイクロ波励起気体レーザ装置
   。
4. （４）前記ガスレーザに触れる金属部分の表面は、ニッ
   ケルメッキ、金メッキ、ロジウムメッキ、アルミニウム
   メッキ、銅メッキ、４弗化エチレコート、セラミックコ
   ートのうちから選ばれたいずれかの層で覆われているこ
   とを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励起気体レ
   ーザ装置。