JPH06105806B2

JPH06105806B2 - 導波路型レ−ザ

Info

Publication number: JPH06105806B2
Application number: JP60262270A
Authority: JP
Inventors: 晃史本郷; 恒夫塩田; 茂穂西田; 光信宮城
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1985-11-21
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPS62122186A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、溶接、切断などを行うレーザ加工分野や、コ
ヒーレント光通信、大気汚染物質の検出などの分野に有
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。

［従来の技術］横方向に高周波放電を励起するための対向する一対の金
属電極と、ガラス・アルミナなどの対向する一対の誘電
体とで囲まれた矩形の中空導波路からなる導波路型レー
ザが種々提案されている（米国特許第4,169,251号明細
書、米国特許第4,352,188号明細書）。

このような横方向RF放電励起導波路型レーザは、縦方向
DC放電励起導波路型レーザと比較して次のような特徴を
もつ。

小型である。

発振波長同調範囲が広い。

高効率である（正抵抗放電で安定抵抗を必要としな
い）。

高電圧を必要としない。

封止長寿命化が期待される。

一方、金属電極が導波路壁の一部を構成する金属−誘電
体複合導波路構造の導波路型レーザとは別に、全てをア
ルミナやガラスなどの誘電体で導波路を構成し、金属電
極と封入ガスとを非接触にしてRF放電を行う方式も検討
されている（C.P.Christenser,F.X.Powell,and N.Djeu,
IEEE J.Quantum Electron.,QE-16,949（1980））。

［発明が解決しようとする問題点］金属電極が導波路の一部を構成する導波路型レーザで
は、導波路幅が小さい程、あるいは導波路長が長い程、
導波損失が無視できなくなり、高効率のレーザ出力が得
られない。導波損失を小さくすべく、対向する電極間隔
を離して偏平の矩形導波路を構成し、電極は導波特性に
寄与しない構造とする試みもなされているが、長辺方向
に多モード発振したり、出射ビームが楕円になるという
問題が生じる。

導波路の全てを誘電体で構成した導波路型レーザでは、
放電が安定に行われ、スパッタリングや酸化による金属
電極の劣化がないという特徴を有するが、冷却効果とい
う点では有利でない。アルミナは比較的熱伝導が良好な
誘電体であるが、アルミニウムや銅などの金属ではさら
に熱伝導率が大きく、金属電極が導波路の一部を構成す
る構造の方がより大きな冷却効果が期待できる。ガラ
ス、アルミナ、アルミニウム、銅の熱伝導率はそれぞれ
3.2×10^-3cal/cm sec℃、0.06cal/cm sec℃、0.487cal/
cm sec℃、0.923cal/cm sec℃である。ベリリアは熱伝
導率が0.5cal/cm sec℃と高く、アルミナやガラスのか
わりに導波路を構成するには最良の材料であるが、有毒
物質であることから、レーザ製作上問題があり、導波路
型レーザの材料としては敬遠されている。

本発明は以上述べた従来技術の問題点を解決すべく創案
されたもので、効率の高い発振が可能であり、しかも冷
却効果に優れた導波路型レーザの提供を目的とするもの
である。

［問題点を解決するための手段］本発明では、対向する一対の金属電極および対向する一
対の誘電体とで中空導波路を形成する導波路型レーザに
おいて、対向する一対の金属電極の表面に発振波長での
吸収損失が小さな薄膜を形成し、導波路幅が小さくと
も、導波損失を小さくでき、高効率発振を実現できるよ
うにした。

金属電極に使用される材料としては、複素屈折率の絶対
値が誘電体のそれよりも十分大きいか、又は複素屈折率
の虚数部が実数部よりも十分大きい材料であり、例えば
Cu、Ag、Au、Alなどがあげられる。

波長10.6μｍにおけるこれらの各材料の複素屈折率は、
Cu:14.1−j64.5、Ag:13.5−j75.2、Au:17.2−j56.0、A
l:20.5−j58.6である。これらの材料は熱伝導率も高
く、大きな冷却効果をあげることができる。

誘電体に使用される材料としては、表面が滑らかなガラ
ス、熱伝導率が比較的良好なアルミナ等のセラミック、
ガスの封じ込めに適したふっ素樹脂等の高分子樹脂など
の用いられる。

金属電極の表面に形成する薄膜は発振波長帯において複
素屈折率の虚数部が実数部に比較して十分無視できる吸
収の小さな材料であり、例えば波長10.6μｍにおいては
ZnSe、Ge、NaCl、KCl、KRS−５、CdTe、Si、ZnS、PbF₂
などの他、カルコゲナイドガラスなどがあげられる。光
波帯では電磁波の重要な伝送媒体となりうるこのような
物質は全て誘導体としてふるまうが、金属表面に形成し
てもPR放電であるため安定に放電がなされる。

このように、金属電極が吸収の小さい薄膜でコーティン
グされることにより、単に電極の役目だけでなく、低損
失な導波路壁が構成され、さらに高い冷却効果を保ちな
がら電極表面の劣化を防止し、より小型で高効率の導波
路型レーザが得られる。

［実施例］第１図は本発明の一実施例の説明図であり、導波路型レ
ーザの導波路断面の概略を示したものである。

１は金属電極、２は誘電体、３は金属電極１の表面にコ
ーティングにより形成された薄膜、４は中空導波路であ
る。

金属電極１は整合回路を介してRF電源と接続され横方向
にRF放電を行う。金属電極１は例えば熱伝導率が良好な
銅が用いられる。

誘電体２は例えば表面が滑らかなガラスが用いられる。

薄膜３は例えばセレン化亜鉛（ZnSe）が用いられ、スパ
ッタリングや真空蒸着により容易に形成できる。ゲルマ
ニウム（Ge）を用いる場合にはめっきによっても容易に
形成できる。

レーザ放電路としての導波路４は、薄膜３がコーティン
グされた金属電極１と誘電体２とで囲まれ、出力強度分
布を円形分布に近づけるため断面が正方形状に近い（2a
2b）形状になっている。導波路４内には例えばガス圧
約100〜200torrのHe、CO₂、N₂などの混合ガスが封入さ
れる。導波路４の両端には平板あるいは凹面状の全反射
鏡と部分透過鏡がとりつけられ、レーザ光は部分透過鏡
を通して出力される。

導波路型レーザにおいて、レーザの出力Ｐは、と表される。

ここで、T₁、T₂は導波路両端の鏡における透過率であ
り、一方の鏡が全反射鏡（T₁＝０）のときT₂＝2Tであ
る。L_c1、L_c2は導波路両端の鏡における結合損失であ
り、平面鏡を導波路端に十分近接して置けば、Lc1.5
％とすることができる。１は導波路長であり、Ａはモー
ドの断面積で、導波路断面が正方形（2a＝2b）のとき、Ａ＝（0.49a）^２π （４）で与えちれる。g₀は小信号利得で、圧力拡がりのときの
相似則によれば、g₀は導波路幅に依存しない。Isは飽和
強度で、圧力ｐの２乗に比例し、導波路幅の２乗に反比
例する。Lwは導波損失である。第１図に示すような導波
路型レーザでは、このLwを従来のものより小さくするこ
とができるので小型高効率のレーザを得ることができ
る。矩形導波路における導波損失Lwは、２次元中空スラ
ブ導波路におけるTEモードとTMモードとの導波損失の和
によって評価される。

第２図に銅、ガラス、そしてセレン化亜鉛（ZnSe）をコ
ーティングした銅によって構成した各種中空スラブ導波
路のTMoモード（A,C,E）とTEoモード（B,D,F）の伝送損
失の計算値を示す。このように金属の表面に適当な膜厚
をもつ吸収の小さい薄膜がコーティングされた金属中空
導波路（E,F）では、TEモードとTMモードとの伝送損失
が逆転したり、あるいはともに誘電体中空導波路（C,
D）のTE、TMモードよりも低損失になることが示される
（M.Miyagi,A.Hongo,and S.Kawakami,IEEE J.Quantum E
lectron.,QE-19,136（1983））。

まず、従来の導波路型レーザ（第１図において薄膜３が
存在しない場合）の導波損失について検討する。

電界が金属電極１に対し平行な最低次モードを▲E^X ₁₁▼
モード、電界が金属電極に対し垂直成分をもつモードを
▲E^Y ₁₁▼モードを呼ぶことにする。

▲E^X ₁₁▼モードの伝送損失α（▲E^X ₁₁▼）は、と表される。ここで、λは波長でλ＝10.6μｍとしてい
る。n_m−jK_mは金属電極１の複素屈折率で銅を選びn_m−j
K_m＝14.1−j64.5としている。n_d−jK_dは金属電極１を絶
縁する誘電体２の複素屈折率で、ガラスを選びn_d−jK_d
＝2.1−j1.15としている。2aおよび2bはそれぞれ誘電体
2,2間、金属電極1,1間の導波路幅である。また、Reは複
素数の実数部を表している。式（５）の第１項は銅スラ
ブ導波路のTEoモードの導波損失、第２項はガラススラ
ブ導波路のTMoモードの導波損失に相当する。

一方、▲E^Y ₁₁▼モードの伝送損失α（▲E^Y ₁₁▼）は、と表される。式（６）の第１項は銅スラブ導波路のTMo
モードの導波損失、第２項はガラススラブ導波路のTEo
モードの導波損失に相当する。

以上より2a2bの従来の導波路型レーザでは、より低損
失な▲E^X ₁₁▼モードが伝搬モードとなりその損失は誘電
体スラブ導波路のTMモードの損失で主に評価される。

次に第１図に示すように薄膜３をコーティングした導波
路型レーザの導波損失を検討する。吸収の小さな薄膜を
コーティングした金属スラズ導波路のTE,TMモードの伝
送損失は、第２図に示してあるように薄膜の膜厚によっ
て周期的に変化する。薄膜の厚さｔが、を満足するとき、▲E^X ₁₁▼モードの伝送損失α（▲E^X ₁₁
▼）は、と表される。ここで、n_fは金属電極１にコーティングす
る薄膜３の屈折率であり、セレン化亜鉛を選びn_f＝2.4
としている。式（８）の第１項はセレン化亜鉛内装銅ス
ラブ導波路のTEoモードの導波損失、第２項はガラスス
ラブ導波路のTMoモードの導波損失に相当する。ただ
し、第２図よりわかるとおり、第１項はセレン化亜鉛の
膜厚に対し敏感に変動する。

一方、▲E^V ₁₁▼モードの伝送損失α（▲E^V ₁₁▼）は、と表される。式（９）の第１項はセレン化亜鉛内装銅ス
ラブ導波路のTMoモードの導波損失、第２項はガラスス
ラブ導波路のTEoモードの導波損失に相当する。

以上より、2a2bの薄膜コーティング導波路型レーザで
は、より低損失な▲E^V ₁₁▼モードが伝搬モードとなり、
その損失は誘電体スラブ導波路のTEモードの損失で主に
評価される。薄膜コーティング導波路型レーザにおい
て、薄膜３の膜厚に対する導波損失は極小値付近で変化
がゆるやかなので、膜厚が式（７）から多少ずれたとし
ても同様のことが言える。

金属電極の複素屈折率n_m−jK_mの絶対値が大きい程、あ
るいは複素屈折率の実数部n_mが虚数部K_mに対して十分小
さい程、式（９）の第１項は小さくなる。その意味では
銅よりも銀（Ag）を用いた方が有利である。しかし、銀
を用いて電極全体を構成することは経済的でない。従っ
て、銀を用いる場合には銅電極１と薄膜３との間に銀薄
膜を介在させることが経済的である。また、介在させる
金属薄膜材料には銀の他、化学的に安定な金（Au）の使
用も有効である。

また、金属電極１の表面上に、異なる屈折率をもった２
種類以上の吸収損失が小さい薄膜を交互に積層させるこ
とによって、さらに導波損失を小さくすることができ
る。この場合、各薄膜の厚さt_iは一層のときと同様、を満足するように選んだとき最も効果的に導波路の損失
を低減することができる。ここでn_fiは薄膜の屈折率で
ある。

一方、誘電体の複素屈折率n_d−jK_dの絶対値が大きい
程、あるいは複素屈折率の実数部n_dが虚数部K_dに比して
十分小さい程、式（９）の第２項は小さくなる。上記実
施例では表面が滑らかという理由でガラスを材料として
選んだが、表面が滑らかなその他の誘電体、あるいは比
較的熱伝導が良好な誘電体の表面にこれら誘電体よりも
複素屈折率の絶対値が大きいか、あるいは複素屈折率の
実数部が虚数部に比して十分小さい薄膜を誘電体２の表
面にコーティングしてもよい。

λ＝10.6μｍにおいて、従来の導波路型レーザでは式
（５）の第２項を小さくすべく、アルミナやベリリアの
使用も検討されているが、本発明の薄膜コーティング導
波路型レーザではn_d，K_dの小さな材料を選ぶ必要はな
く、電極間を絶対する誘電体材料の選択の自由度が大き
いのでガラスやふっ素樹脂なども使用することが可能と
なる。

第３図に出力鏡の透過率Ｔに対する出力パワーＰの計算
値を示す。ここで、2a＝2b＝1.5mm、１＝40cm、g_o＝0.0
05cm^-1、Is＝20kw/cm²としている（R.L.Abrams and W.
B.Bridges,IEEE J.Quantum Electron.,QE-9,940（197
3））。このとき式（５）より従来の導波路型レーザで
はLw３％、式（９）より本発明の薄膜コーティング導
波路型レーザではLw0.5％となる。第３図では、結合
損失Lcが０％と1.5％を仮定し、Lw＋Lc＝0.5、2,3,4.5
％のときの値を示した。

式（１）において、ЭP/AЭＴ＝すなわち、のとき出力パワーＰは最適出力P_optとなり、と表される。

出力鏡の透過率Ｔを式（11）を満足するようにしたとき
の導波路半幅ａ（2a＝2bとする）に対する最適出力を第
４図および第５図に示す。第４図はLc＝０％、第５図は
Lc＝1.5％のときである。また、飽和強度Isは圧力拡が
りにおける相似則によりIs＝11.25/a²kw/cm²とした。第
４図、第５図において破線は従来の導波路型レーザの最
適出力、実線は本発明による薄膜コーティング導波路型
レーザの最適出力である。本発明の効果は、導波路幅が
狭い程、また導波路長が長い程顕著に現れる。

［発明の効果］以上説明してきたように本発明によれば、従来の導波路
型レーザと比較して次のような顕著な作用効果が発揮さ
れる。

導波損失が小さいので、高出力発振が可能である。

熱伝導率の高い金属で導波路壁を構成するため、冷却
効果を大きくできる。

スパッタや酸化による金属電極の劣化を抑制できる。

電極間を絶縁する誘電体材料の選択の自由度が大き
い。

また、金属電極に対し電界が垂直成分をもつモードで発
振することも本発明の導波路型レーザの特徴の一つであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の横断面説明図、第２図は各
種中空スラブ導波路のTMoモード、TEoモードの導波損失
の計算値を表すグラフ、第３図は出力鏡の透過率に対す
る出力パワーの計算値を表すグラフ、第４図はLc＝０％
としたときの導波路幅に対する最適出力パワーの計算値
を表すグラフ、第５図はLc＝1.5％としたときの導波路
幅に対する最適出力パワーの計算値を表すグラフであ
る。 1:金属電極、2:誘電体、3:薄膜、4:中空導波路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−216481（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＱＥ−19，Ｎｏ．２（1983−２）（米）Ｐ. 136−145

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波放電を励起するための対向する一対
の金属電極および対向する一対の誘電体とで囲まれて中
空導波路が形成され、前記対向する一対の金属電極の表
面には発振波長での吸収損失が小さな薄膜が設けられ、
該薄膜の厚さｔは、を満足するように設定されていることを特徴とする導波
路型レーザ。ただし、λは発振波長、ｑは正の奇数（1,3,5・・
・）、n_fは薄膜の屈折率である。
【請求項２】前記金属電極間幅と前記誘電体間幅とはほ
ぼ等しく設定されている特許請求の範囲第１項記載の導
波路型レーザ。
【請求項３】前記金属電極はCu、Ag、AuまたはAlのいず
れかから選ばれた材料からなる特許請求の範囲第１項記
載の導波路型レーザ。
【請求項４】前記誘電体はガラス、セラミックまたは高
分子樹脂から選ばれた材料からなる特許請求の範囲第１
項記載の導波路型レーザ。
【請求項５】前記薄膜はZnSe、Ge、KCl、KRS−５、NaC
l、CdTe、Si、ZnS、PbF₂またはカルコゲナイドガラスの
いずれかから選ばれた材料からなる特許請求の範囲第１
項記載の導波路型レーザ。
【請求項６】前記金属電極と前記薄膜との間には、前記
金属電極よりも複素屈折率の絶対値が大きいかあるいは
複素屈折率の実数部が虚数部に比して十分小さい金属薄
膜が介在さている特許請求の範囲第１項記載の導波路型
レーザ。
【請求項７】前記誘電体の表面には前記誘電体よりも複
素屈折率の絶対値が大きいかあるいは複素屈折率の実数
部が虚数部に比して十分小さい薄膜が設けられている特
許請求の範囲第１項記載の導波路型レーザ。
【請求項８】高周波放電を励起するための対向する一対
の金属電極および対向する一対の誘電体とで囲まれて中
空導波路が形成され、前記対向する一対の金属電極の表
面にはそれぞれが異なる屈折率である発振波長での吸収
損失が小さな薄膜が多層に設けられ、該各薄膜の厚さt_i
は、を満足するように設定されていることを特徴とする導波
路型レーザ。ただし、λは発振波長、ｑは正の奇数（1,3,5・・
・）、n_fiは各薄膜の屈折率である。