JPH0445588A - Waveguide path type gas laser - Google Patents

Waveguide path type gas laser

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JPH0445588A
JPH0445588A JP15424190A JP15424190A JPH0445588A JP H0445588 A JPH0445588 A JP H0445588A JP 15424190 A JP15424190 A JP 15424190A JP 15424190 A JP15424190 A JP 15424190A JP H0445588 A JPH0445588 A JP H0445588A
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JP
Japan
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pair
laser
gas laser
pairs
absorption loss
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JP15424190A
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Japanese (ja)
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Akishi Hongo
晃史 本郷
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Hitachi Cable Ltd
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

PURPOSE:To improve cooling efficiency and to restrain thermal strain by forming a discharge path of a metallic material of good heat conductivity whose linear expansion coefficiency is approximately uniform. CONSTITUTION:A space enclosed with wallsides of two pairs of opposite metallic bodies is a dischage path of a waveguide path type gas laser. The wallsides of the two pairs of metallic bodies are further coated with a thin dielectric film. It is desirable that one pair of the opposite thin dielectric films are formed of a dielectric material of small absorption loss in oscillation wavelength band of laser light, and the other pair are formed of a dielectric material whose absorption loss is larger than that of the former. One pair of thin dielectric films of small absorption loss are selected among germanium, zinc selenide, zinc sulfide, potassium chloride, sodium chloride, KRS-5, cadmium telluride. silicon, lead fluoride and charlcogenide glass.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、マーキングやはんだ溶接等のレーザ加工、計
測、光通信などの分野に有用なレーザ、特に小型高効率
の導波路型気体レーザに関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a laser useful in fields such as laser processing such as marking and solder welding, measurement, and optical communication, and particularly relates to a small and highly efficient waveguide type gas laser. It is something.

[従来の技術] 近年、レーザ光が導波されうる中空導波路を放tF#1
として用いる導波路型気体レーザが、種々提案され、ま
た市販されている6例えば、米国特許明細書 第4,1
69,251号には、横方向に高周波を励起するための
対向する1対の金属電極と、ガラス、アルミナセラミッ
クなどの対向する1対の誘電体とで囲まれた矩形の空間
を放電路とする導波路型レーザが開示されている。
[Prior art] In recent years, hollow waveguides through which laser light can be guided have been developed.
Various waveguide type gas lasers have been proposed and are commercially available6, for example, U.S. Pat.
No. 69,251 discloses that a rectangular space surrounded by a pair of opposing metal electrodes for laterally exciting high frequencies and a pair of opposing dielectric materials such as glass or alumina ceramic is used as a discharge path. A waveguide laser is disclosed.

このような横方向高周波放電励起方式の導波路型レーザ
は、縦方向直流放電励起方式の導波路型レーザと比較し
て次のような特長をもつ。
Such a waveguide laser using a horizontal high-frequency discharge excitation method has the following features compared to a waveguide laser using a vertical DC discharge excitation method.

■小型高効率である。■Small and highly efficient.

■発振波長同調範囲が広い。■Wide oscillation wavelength tuning range.

■高電圧を必要としない。■Does not require high voltage.

■レーザガスの封止化が容易である。■Sealing of laser gas is easy.

一方、導波損失を小さくすることによってさらに小型高
効率の発振を実現するために、本発明者らは、第2図に
示す薄膜内装導波路型レーザを提案した(^、Hong
o、 H,Hiyagi、 Y、1ilalJatSu
lla andS、Nl5Fl!da、 ”Th1n 
F!lll−C0ai13d waveguitle 
 C02taser″IEEE J、QuantulE
Iectron、vol、QE−22゜P1604 、
1986) 、この薄膜内装導波路型レーザは、対向す
る1対の金属を極21.21と対向する1対の誘電体2
2.22とで囲まれた空間によって放電路20が形成さ
れる導波路型レーザにおいて、各金属電極21の表面に
、発振波長帯で吸収損失が小さな誘電体薄膜23をコー
ティングしたものである。
On the other hand, in order to realize even more compact and highly efficient oscillation by reducing waveguide loss, the present inventors proposed a thin-film internal waveguide type laser shown in Fig. 2 (^, Hong Kong
o, H, Hiyagi, Y, 1ilalJatSu
lla andS, Nl5Fl! da, ”Th1n
F! lll-C0ai13d waveguitle
C02taser″IEEE J, QuantulE
Iectron, vol, QE-22°P1604,
1986), this thin film internal waveguide type laser has a pair of opposing metal poles 21 and 21 and a pair of dielectric members 2 facing each other.
In a waveguide type laser in which a discharge path 20 is formed by a space surrounded by 2.22, the surface of each metal electrode 21 is coated with a dielectric thin film 23 having small absorption loss in the oscillation wavelength band.

[発明が解決しようとする課題] ところが、上述のような従来の金属−誘電体複合構造の
導波路型レーザにおいては、放電路を形成する材料とし
て、金属及び誘電体といった異種材料を用いている。そ
のため、これら材料で線膨張係数が大きく異なり、放電
路及び光学系に歪みを与え、発振特性を不安定なものに
するという問題があった。また、放電路内が高温となる
と発振利得が低下する。そのため、放電路は全て熱伝導
率の大きい材料で形成した方が有利であるが、般に誘電
体材料の熱伝導率は小さいので、発振利得上にも問題が
あった。ちなみに、金属材料としてアルミニウムを用い
た場合、その線膨張係数及び熱伝導率は、それぞれ2.
3x10−’/ deg 、0.49cal/(cm 
 sec  deg)である、これに対して、誘電体材
料としてアルミナセラミックを用いた場合、その線膨張
係数及び熱伝導率は、それぞれ0.67x10−5/ 
deg 、0.06 cal/(cm  sec  d
eg)であり、金属材料の値とは大きく興なっているの
がわかる。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional waveguide laser with a metal-dielectric composite structure as described above, different materials such as metal and dielectric are used as materials for forming the discharge path. . Therefore, the linear expansion coefficients of these materials differ greatly, which causes distortion in the discharge path and optical system, making the oscillation characteristics unstable. Furthermore, when the temperature inside the discharge path becomes high, the oscillation gain decreases. Therefore, it is advantageous to form all the discharge paths using materials with high thermal conductivity, but since the thermal conductivity of dielectric materials is generally low, there is also a problem in terms of oscillation gain. By the way, when aluminum is used as the metal material, its linear expansion coefficient and thermal conductivity are respectively 2.
3x10-'/deg, 0.49cal/(cm
On the other hand, when alumina ceramic is used as the dielectric material, its linear expansion coefficient and thermal conductivity are 0.67x10-5/
deg, 0.06 cal/(cm sec d
eg), and it can be seen that it is significantly different from the value for metal materials.

放電路を全て金属材料で形成すれば、冷却効果を高めか
つ熱的な歪みを抑制することができる。
If the discharge path is entirely made of metal material, the cooling effect can be enhanced and thermal distortion can be suppressed.

しかし、放電路内にプラズマ状態のレーザガスを封止す
る導波路型レーザにおいては、以下のような問題が生じ
る。すなわち、金属電極は活性なレーザガスにさらされ
ると酸化するので、封止型C02レーザの場合、CO,
が容易にCOと0とに分解され、短時間で出力が低下す
る。また、般に金属は誘電体よりもスパッタリング率が
かなり大きいため、プラズマ状態になっているレーザガ
スによって金属壁面がスパッタリングされると、導波損
失を増大させるばかりでなく、レーザガスをも汚染して
しまう、このようなことから、封止型め導波路型レーザ
において、金属面がレーザガスにさらされるのは好まし
い構成とは言えない。
However, the following problems occur in a waveguide laser in which a plasma laser gas is sealed in a discharge path. That is, since metal electrodes oxidize when exposed to active laser gas, in the case of sealed CO2 lasers, CO,
is easily decomposed into CO and 0, and the output decreases in a short time. In addition, metals generally have a much higher sputtering rate than dielectrics, so when a metal wall is sputtered by laser gas in a plasma state, it not only increases waveguide loss but also contaminates the laser gas. For these reasons, in a sealed waveguide laser, it is not a desirable configuration for the metal surface to be exposed to the laser gas.

本発明の目的は、小型高効率の導波路型気体レーザおい
て、前記した従来技術の問題点を解消し、より安定した
発振特性の得られる封止型の導波路型気体レーザを提供
することにある。
An object of the present invention is to provide a sealed waveguide gas laser that solves the problems of the prior art and provides more stable oscillation characteristics in a small and highly efficient waveguide gas laser. It is in.

[課題を解決するための手段] 本発明の要旨は、対向する2対の金属体の壁面で囲まれ
た空間を放電路とする導波路型気体レーザであって、前
記2対の金属体の壁面上に、さらに誘電体薄膜をコーテ
ィングしたものである。ここで、誘電体薄膜は、その対
向する1対がレーザ光の発振波長帯において吸収損失の
小さい誘電体材料からなり、他の1対がそれよりも吸収
損失の大きい誘電体材料からなるのが好ましい。
[Means for Solving the Problems] The gist of the present invention is a waveguide type gas laser whose discharge path is a space surrounded by walls of two pairs of metal bodies facing each other, The wall surface is further coated with a dielectric thin film. Here, in the dielectric thin film, one pair facing each other is made of a dielectric material with a small absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam, and the other pair is made of a dielectric material with a larger absorption loss. preferable.

[作用] 上記構成によれば、熱伝導性が良くかつ線膨張係数が略
均−の金属材料によって放電路を形成できるので、冷却
効果を高めると共に、熱的な歪みを抑制することができ
る。しかも、各金属体の壁面上に誘電体薄膜をコーティ
ングすることで、その壁面がプラズマ状態のレーザガス
にさらされなくなるので、ガスによる金属の酸化やスパ
ッタリングの影響を排することができる。
[Function] According to the above configuration, the discharge path can be formed of a metal material with good thermal conductivity and a substantially uniform coefficient of linear expansion, so that the cooling effect can be enhanced and thermal distortion can be suppressed. Moreover, by coating the wall surface of each metal body with a dielectric thin film, the wall surface is not exposed to the laser gas in the plasma state, so that the effects of oxidation and sputtering of the metal due to the gas can be eliminated.

対向する2対の金属体の多対ごとに吸収損失の興なる誘
電体薄膜をコーティングした態様では、従来の薄膜内装
型レーザと同様に導波損失を小さくできると共に、容易
に直線偏光のし〒ザ光を出力できる。
In an embodiment in which each of the two pairs of metal bodies facing each other is coated with a dielectric thin film that causes absorption loss, the waveguide loss can be reduced as in the conventional thin film internal type laser, and it is also possible to easily linearly polarize the light. It can output the light.

[実施例コ 以下本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明する
[Embodiments] Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明の一実施例である導波路型気体レーザ
の断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a waveguide type gas laser which is an embodiment of the present invention.

図示するように、放電路10は、対向する一対の金属体
11.11と別の対向する一対の金属体12.12とで
囲まれて形成されている。金属体11及び12は、相互
に非接触とされていると共に、熱伝導率の大きい銅やア
ルミニウムで形成されている。金属体11及び12の、
放電FN110を区画する壁面上には、全てに誘電体薄
膜がコーティングされている。このうち、1対の誘電体
薄膜13.13は、レーザ光の発振波長帯において吸収
損失の小さい誘電体材料からなり、金属体11゜11の
壁面上にコーティングされている。これに対し、他の1
対の誘電体薄膜14.14は、前記誘電体薄膜13より
も発振波長帯における吸収損失の大きい誘電体材料から
なり、金属体12゜12の壁面上にコーティングされて
いる。
As illustrated, the discharge path 10 is surrounded by a pair of opposing metal bodies 11.11 and another pair of opposing metal bodies 12.12. The metal bodies 11 and 12 are not in contact with each other and are made of copper or aluminum having high thermal conductivity. of the metal bodies 11 and 12,
All of the wall surfaces that partition the discharge FN 110 are coated with a dielectric thin film. Of these, a pair of dielectric thin films 13, 13 are made of a dielectric material with low absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam, and are coated on the walls of the metal bodies 11. In contrast, the other 1
The pair of dielectric thin films 14 and 14 is made of a dielectric material that has a larger absorption loss in the oscillation wavelength band than the dielectric thin film 13, and is coated on the wall surface of the metal body 12.

上記金属体11.11は、放を路10を形成する以外に
、横方向に高周波放電を行うt極としての働きをも兼ね
ており、整合回路(図示せず)を介して高周波電源RF
と接続されている。これにより、金属体11に高周波電
圧が印加され、放電路10内に封入されたレーザガスが
活性化されてプラズマ状態となり、所定波長帯のレーザ
ビームが発振される。
In addition to forming the radiation path 10, the metal body 11.11 also functions as a t-pole for performing high-frequency discharge in the lateral direction, and is connected to the high-frequency power source RF via a matching circuit (not shown).
is connected to. As a result, a high frequency voltage is applied to the metal body 11, the laser gas sealed in the discharge path 10 is activated and becomes a plasma state, and a laser beam in a predetermined wavelength band is oscillated.

通常、金属体11の壁面上にコーティングされる誘電体
薄膜13は、その消衰係数(複素屈折率の虚数部)が1
0−4以下で、かつ膜厚が1μm以下であるのが好まし
い、このような条件に設定すると、レーザビームが誘電
体薄膜13の内部に浸透し、誘電体薄膜13と金属体1
1との境界でも反射されることになり、金属体11の壁
面に対して電界が垂直な成分をもつモードについて、低
損失とすることができる。CO,レーザを考慮した場合
、その発振波長10.6μ(至)に対して、消衰係数が
10−4以下となる薄膜13の材料としては、ゲルマニ
ウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、塩化カリウム、塩化ナ
トリウム、KRS−5、テルル化カドミウム、シリコン
、ふつ化鉛、カルゴゲーナイドガラスが挙げられる。
Usually, the dielectric thin film 13 coated on the wall surface of the metal body 11 has an extinction coefficient (imaginary part of the complex refractive index) of 1.
0-4 or less and the film thickness is preferably 1 μm or less. When these conditions are set, the laser beam penetrates into the dielectric thin film 13 and the dielectric thin film 13 and the metal body 1 are separated.
Since the reflection occurs even at the boundary with the metal body 11, low loss can be achieved for a mode in which the electric field has a component perpendicular to the wall surface of the metal body 11. When CO and lasers are taken into consideration, materials for the thin film 13 that have an extinction coefficient of 10-4 or less for its oscillation wavelength of 10.6 μm include germanium, zinc selenide, zinc sulfide, potassium chloride, Examples include sodium chloride, KRS-5, cadmium telluride, silicon, lead fluoride, and chalcogenide glass.

一方、金属体12の壁面上にコーティングされる誘電体
薄膜14は、その消衰係数が小さくとも10−2以上で
、膜厚が数μ■であるのが好適である。このような薄J
114をコーティングすると、レーザビームが誘電体薄
膜14の内部深くまで浸透することなく、金属体12が
光学的に導波損失に関与しなくなる。このため、誘電体
重11114をコーティングした壁面に対して、電界が
平行な成分をもつモードよりも、垂直な成分をもつモー
ドの方が高損失となる。その結果、レーザビームは、誘
電体薄膜14をコーティングした壁面に対して電界が平
行な成分をもつモード、すなわち誘電体重!1j13を
コーティングした壁面に対して電界が垂直な成分をもつ
モードで発振する。なお、誘電体薄膜14の材料として
は、石英系ガラスやアルミナセラミックなどが好適であ
るが、特に金属体12の材料がアルミニウムの場合には
、陽極酸化法によって容易に酸化アルミニウムを形成で
きるので、酸化アルミニウムが最も実用的である。
On the other hand, it is preferable that the dielectric thin film 14 coated on the wall surface of the metal body 12 has an extinction coefficient of at least 10<-2> or more and a film thickness of several μm. Thin J like this
By coating 114, the laser beam does not penetrate deep into the dielectric thin film 14, and the metal body 12 does not optically contribute to waveguide loss. Therefore, a mode in which the electric field has a component perpendicular to the wall surface coated with the dielectric weight 11114 has a higher loss than a mode in which the electric field has a component parallel to the wall surface. As a result, the laser beam has a mode in which the electric field has a component parallel to the wall surface coated with the dielectric thin film 14, that is, the dielectric weight! The electric field oscillates in a mode with a component perpendicular to the wall surface coated with 1j13. Note that quartz-based glass, alumina ceramic, etc. are suitable as the material for the dielectric thin film 14, but especially when the material of the metal body 12 is aluminum, aluminum oxide can be easily formed by anodizing. Aluminum oxide is the most practical.

このようにして構成した気体レーザは、次のような長所
を有する。
The gas laser constructed in this manner has the following advantages.

第1に、各金属体11.12に誘電体薄膜13゜14を
コーティングすることで、金属体11゜12の壁面がレ
ーザガスに直接さらされなくなる。
First, by coating each metal body 11, 12 with a dielectric thin film 13, 14, the walls of the metal bodies 11, 12 are not directly exposed to the laser gas.

この結果、金属材料がレーザガスによる作用を受けず、
金属材料として種々のものを用いることができる0例え
ば、熱伝導性は良いが酸化されやすい銅などの材料をも
使用できるようになり、放電路10の放熱性を容易に向
上できる。
As a result, the metal material is not affected by the laser gas,
Various metal materials can be used.For example, materials such as copper, which has good thermal conductivity but is easily oxidized, can also be used, and the heat dissipation of the discharge path 10 can be easily improved.

第2に、金属体11.12を共に金属材料で形成するこ
とで、放電路10の熱的な歪みを解消できる。ここで、
金属体11.12を同一の金属で形成することが好まし
いが、金属はその性質上線膨張係数差が小さいため必ず
しも同一金属材料を用いる必要はない。
Second, by forming both the metal bodies 11 and 12 from a metal material, thermal distortion of the discharge path 10 can be eliminated. here,
Although it is preferable that the metal bodies 11 and 12 be made of the same metal, it is not necessarily necessary to use the same metal material because metals have a small difference in coefficient of linear expansion due to their nature.

第3に、金属体11と金属体12とにコーティングされ
る誘電体薄膜13.14の吸収損失を変えることで、従
来と同様、金属体11の壁面に対して垂直なモードと平
行なモードとに損失差を与えることができる。そのため
、容易に、ある一定の方向に偏波した直線偏光のレーザ
ビームを発振させることができるという利点を失わない
、これにより、ブリュースターの窓を用いなくともよく
なる。
Thirdly, by changing the absorption loss of the dielectric thin films 13 and 14 coated on the metal body 11 and the metal body 12, the mode perpendicular to the wall surface of the metal body 11 and the mode parallel to the wall surface of the metal body 12 can be changed as before. can give a difference in loss. Therefore, the advantage of being able to easily oscillate a linearly polarized laser beam polarized in a certain direction is not lost, and as a result, there is no need to use a Brewster's window.

以上の実施例では、吸収損失の小さい誘電体薄膜13が
コーティングされた金属体11を高周波を印加する電極
として使用したが、吸収損失の大きい誘電体薄膜14が
コーティングされた金属体12を電極として使用しても
、同等の効果を奏することができる。
In the above embodiments, the metal body 11 coated with the dielectric thin film 13 with low absorption loss was used as the electrode for applying high frequency waves, but the metal body 12 coated with the dielectric thin film 14 with high absorption loss was used as the electrode. Even if used, the same effect can be achieved.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、次のような票著
な効果が発揮される。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the following remarkable effects are exhibited.

(1)放電路が、線膨脹係数の等しい又はほとんど等し
い金属材料でほとんど形成できるので、放電路及び光学
系に歪みを与えることなく発振特性を安定なものにでき
る。
(1) Since the discharge path can be formed almost entirely of metal materials having the same or almost the same coefficient of linear expansion, the oscillation characteristics can be stabilized without causing distortion to the discharge path and the optical system.

(2)放電路が、熱伝導率の大きな金属材料でほとんど
形成できるので、放電路内を効果的に冷却し、熱による
発振利得の低下を抑制できる。
(2) Since most of the discharge path can be formed from a metal material with high thermal conductivity, the inside of the discharge path can be effectively cooled and a decrease in oscillation gain due to heat can be suppressed.

(3)金属体の壁面が放電路内部の活性なレーザガスに
接しないため、スパッタリングによって導波損失を増大
させることがなく、レーザガスを汚染することもない、
この結果、長寿命の封止型レーザが実現できる。
(3) Since the wall surface of the metal body does not come into contact with the active laser gas inside the discharge path, there is no increase in waveguide loss due to sputtering and no contamination of the laser gas.
As a result, a long-life sealed laser can be realized.

(4)異なる誘電体薄膜が、金属体対ごとにそれぞれコ
ーティングされているので、ブリュースターの窓を用い
なくとも、容易に直線偏光のレーザビームを発振させる
ことができる。
(4) Since each pair of metal bodies is coated with a different dielectric thin film, a linearly polarized laser beam can be easily oscillated without using a Brewster's window.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例である導波路型気体レーザの
断面説明図、第2図は従来の薄膜内装導波路型気体レー
ザの断面説明図である。 図中、10.20は放電路、11,12.21は金属体
、13 +’ 23は吸収損失の小さな誘電体薄膜、1
4は吸収損失の大きな誘電体薄膜、22は誘電体である
。 特許出願人  日立電線株式会社 代理人弁理士  絹 谷 信 雄
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a waveguide type gas laser which is an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of a conventional thin film-incorporated waveguide type gas laser. In the figure, 10.20 is a discharge path, 11 and 12.21 are metal bodies, 13 +' 23 is a dielectric thin film with small absorption loss, and 1
4 is a dielectric thin film with large absorption loss, and 22 is a dielectric. Patent applicant: Hitachi Cable Co., Ltd. Representative Patent Attorney Nobuo Kinutani

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、対向する2対の金属体の壁面で囲まれた空間を放電
路とする導波路型気体レーザであつて、さらに前記2対
の金属体の壁面上には、誘電体薄膜がコーティングされ
ていることを特徴とする導波路型気体レーザ。 2、前記2対の金属体のうち少なくとも1対の金属体の
壁面上にコーティングされている誘電体薄膜は、レーザ
光の発振波長帯において吸収損失の小さい材料であるこ
とを特徴とする請求項1記載の導波路型気体レーザ。 3、前記レーザ光の発振波長帯において吸収損失の小さ
い1対の誘電体薄膜は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、
硫化亜鉛、塩化カリウム、塩化ナトリウム、KRS−5
、テルル化カドミウム、シリコン、ふっ化鉛、カルゴゲ
ナイドガラスのいずれかから選ばれた材料からなり、他
の1対の薄膜は酸化アルミニウムよりなることを特徴と
する請求項2記載の導波路型気体レーザ。 4、前記対向する2対の金属体は、銅またはアルミニウ
ムよりなることを特徴とする請求項1記載の導波路型気
体レーザ。
[Scope of Claims] 1. A waveguide type gas laser whose discharge path is a space surrounded by the walls of two pairs of opposing metal bodies, further comprising a dielectric on the walls of the two pairs of metal bodies. A waveguide gas laser characterized by a thin film coating. 2. The dielectric thin film coated on the wall surface of at least one of the two pairs of metal bodies is a material with small absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam. 1. The waveguide gas laser according to 1. 3. The pair of dielectric thin films with small absorption loss in the oscillation wavelength band of the laser beam are made of germanium, zinc selenide,
Zinc sulfide, potassium chloride, sodium chloride, KRS-5
, cadmium telluride, silicon, lead fluoride, and chalcogenide glass, and the other pair of thin films are made of aluminum oxide. gas laser. 4. The waveguide type gas laser according to claim 1, wherein the two pairs of opposing metal bodies are made of copper or aluminum.
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