JPH0631160U - 再結合レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案は、効率のよい再結合レーザを提供す
ることを目的とする。 【構成】 本考案の再結合レーザは、共振レーザ空胴
と、その空胴内に配置されるガス状レーザ材料と、レー
ザ空胴の軸にそった円筒状の領域に閉じ込められるプラ
ズマ放電を該レーザ材料中に発生させる手段とからな
る。ガス状材料中のプラズマは空胴の軸における円筒状
領域から半径方向に外向きに拡がり、隣接する非励起ガ
スと相互作用することにより冷却される。最大レーザ利
得は、最初の放電円筒状領域に隣接しかつこれをとり囲
む環状領域に与えられる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の背景】

本考案は再結合レーザの分野に係る。

【０００２】 これまで発見された数千の原子レーザ遷移のうち、わずか数個が１パーセント 以上の効率に達した。たとえば、６３２８ÅにおけるＨｅ−Ｎｅレーザは中性原 子レーザの恐らく最も周知の例であるが、その効率は０．１パーセント以下であ る。市販されているヘリウム−ネオンレーザは典型的な場合、６３２８Åにおけ る１ないし２mWのレーザパワーを得るのに、１０Ｗないしそれ以上の電力を必要 とする。恐らく１パーセント以上の効率を有するわずかの中性原子レーザである 銅レーザは、２パーセントの高い効率を有しているが、必要な密度の銅蒸気を発 生させることに含まれる困難さのため、そのような効率において長寿命を達成す ることに問題がある。加えて、短いパルス長及び高い利得が更に銅レーザの使用 を制限している。

【０００３】 電気放電により励起されるほとんどの中性原子レーザは、電気的放電により生 じる励起エネルギーが、多数の状態を励起し、各状態は多数の異なる減衰路を経 て減衰しうるため、効率が低い。

【０００４】

【考案の要約】

効率のよい再結合レーザはレーザ空胴、空胴中に配置された気体レーザ材料及 びレーザ材料中にプラズマ放電を作る手段から成り、プラズマ放電はレーザ空胴 の軸に沿った円筒領域に最初は閉じ込められる。気体レーザ材料中のプラズマは 、次に空胴の軸における円筒領域から半径方向に外向きに広がり、隣接した励起 されていないガスとの相互作用により冷える。最大レーザ利得は環状領域中で作 られ、環状領域は最初の放電円筒領域に隣接し、それを囲む。

【０００５】 本考案の一実施例において、プラズマ放電を作る手段は、空胴軸に沿ってレー ザ空胴中に延びる２個のピン型電極から成る。ピン型電極を用いるもう一つの実 施例においては、放射捕獲を最小にするため十分低く保たれ、放電を空胴軸に沿 ったわずかな中心領域にとじこめるのに十分であり、かつ最適レーザ利得を得る ようにプラズマ電子温度を下るのに十分なガス圧を作るために、バッファガスが 空胴に加えられる。バッファガスもまた拡大が許され、レーザ材料との相互作用 なしにプラズマの冷却が起り、空胴壁は励起状態を破壊する。ヘリウムはそのイ オン化ポテンシャルにより気体レーザ材料中でほとんどのプラズマ励起を起し、 その低質量によりプラズマ中の電子を急速に冷却させるため、よいバッファガス である。

【０００６】

【詳細な説明】

図１は本考案に従い製作されたプラズマ−再結合レーザの実施例の要素を示す 。鏡３及び４の軸を貫き長い大直径円筒状レーザ空胴中に延びる電極１及び２は 、ピン型電極である。電極１及び２間のパルス電気放電は、二つのピン型電極１ 及び２間に、パワ供給源５から高電圧、高電流パルスを印加することにより始め られる。これにより電極間に置かれた気体材料中にプラズマが生じ、このプラズ マは以下で述べる手段により、電流パルスの間、レーザ空胴の軸に沿った直径１ cm程度又はそれ以下の円筒領域中に閉じ込められる。次に、プラズマは半径方向 に外に向って広がる。プラズマが広がるにつれて、隣接した気体材料との相互作 用により冷却される。このレーザの最大利得は、環状領域１０中で生じ、環状領 域は最初のプラズマ放電領域１１に隣接しそれを囲む。レーザ放射は鏡３を通り 空胴からレーザビーム１２として現れる。

【０００７】 放射捕獲効果を最小にするため、レーザ材料の密度を十分近く保つ目的で、バ ッファガスをレーザ空胴に添加してもよい。バッファガスはプラズマ放電領域を レーザ空胴軸に沿った小さな中央部分に閉じ込めるため、十分高いガス圧で添加 してよい。バッファガスはまた、最適レーザ利得を得るために、衝突脱励起によ りプラズマ電子温度を下げる。バッファガスはまたレーザ材料と空胴壁が破壊し た励起状態間の相互作用なしに、プラズマの拡大と冷却を可能にする。選択され るバッファガスは電気放電によるバッファガスのイオン化に起因するエネルギー 損失を最小にするため、気体レーザ材料より高いイオン化電位をもつようにすべ きである。もし、バッファガスが気体レーザ材料より高いイオン化電位をもつな らば、バッファガスへのエネルギー損失は電荷移動及びペニングイオン化の物理 機構により部分的に打ち消され、この機構はバッファガス励起エネルギーを気体 レーザ材料に移すことを可能にする。ヘリウムはバッファガスとして選択するの に適している。その理由は、それが高いイオン化電位を有し、そのためほとんど の励起が気体レーザ材料中で起ることと、その質量が小さいために衝突脱励起に よるプラズマ電子の急速な冷却が起ることである。

【０００８】 図２は直径２インチ、長さ６インチの円筒状パイレックス・ガスセル１５０を 用いる本発明の実施例を示す。セルには端部が６−８cm離れている２個の銅ワイ ヤ電極１及び２を合わせた。最初のプラズマ１１は各種の圧力でＨｅ：Ｘｅの１ ０００：１の混合物中に、ＤＣ源５２により最初１８KVに充電される０．０１μ Ｆ容量５１を、３−電極スパークゲヤップ５３及びトリガパルス入力手段５４に より放電させることによって発生させた。これにより直径約１cmを有する可視プ ラズマ１１が生じた。 ガスセル１５０の端部には、ＫＣＬブリュースター角窓１５５及び１５６が設 けた。再結合レーザ共振空胴は２個の曲率半径６メータの金被覆凹面鏡３及び４ で形成された。鏡３は２．０２６μｍレーザビーム６０の場合に、直径１mmの中 央結合孔（図示されていない）を有した。このレーザ共振と円筒ガスセル間の距 離は、０（軸上）から±２．５cmまで連続的に調整された。

【０００９】 ２．０２６μｍにおけるレーザ動作が、７００Torrまでの全ガス圧においてあ る種の場合に観察された。しかし、レーザ強度対全圧力の関係は、典型的には第 ３図に示されるようなものである。最適ガス混合物は１０００：１のＨｅ：Ｘｅ 混合物であり、Ｘｅは活性物質、Ｈｅはバッファガスとして働く。

【００１０】 図４は全圧４０TorrにおけるＨｅ：Ｘｅの１０００：１の混合物中での２．０ ２６μｍ線の相対レーザ強度を、ガスセルの軸からの距離の関数としてプロット した図である。利得の領域は明らかに最初のプラズマ１１を越えて環状領域１０ 中で起る。

【００１１】 全圧２０Torrで動作するこのデバイスの一時的な動作のオシロスコープ写真の トレースが、第５図に示されている。レーザパルスの開始は電流パルスの終了か ら約２μsec 遅れているのがわかる。この遅れが再結合レーザの特徴である。レ ーザ動作ではいくつかの放射線が観測された。最も強いものはＸｅ中の２．０２ ６μm ５ｄ〔３／２〕゜−６ｐ〔３／２〕遷移であった。この遷移で観測された 最大小信号利得は、１０パーセント／cm以上であった。 このデバイスからの最高出力パワは約３００ワットピークであった。出力エネ ルギーは３００ワット×６μsec ＝１．８mJとなる。可能な最大入力エネルギー は、１８KVに充電された０．０１μＦ容量中に蓄積された１．６２Ｊのエネルギ ーである。従って、このデバイスの全体の効率は、少くとも０．１パーセントで あり、恐らくかなりそれより高かったであろう。なぜならば、パワは活性容量の わずかの部分からのみ導かれ、スパーク間隙中でのエネルギー損失は考慮されて いないからである。これらの結果はより大きなデバイスからの測定は含まず、そ のようなデバイスでは出力効率を最適化する意味のある試みを行うことができる 。

【００１２】 ガスセルの寸法に対する制限は第４及び５から得られる。衝撃波は最初のプラ ズマ領域１１からバッファガス中を、約５×１０⁵ cm／sec の速度で伝わること が知られている。ガスセル壁で反射された衝撃波がピーク利得中（図５参照）、 すなわち電流パルスの端部から６μsec の間、利得領域１０の均一性を乱さない ように、セルは少くとも半径が２．０cmでなければならない。図４はレーザ利得 がセルの軸から約２５mm延びていることを示している。従って、効率のよいレー ザの最小ガスセル直径は、約５cmである。最大ガスセル直径は所望のとおり大き くすることができる。もし、多数（Ｎ）の円筒状初期プラズマが同じガスセル中 に配置されるならば、ガスセルの断面積は必然的に単一のプラズマの面積のＮ倍 になるであろう。

【００１３】 ここでは電極間隙をとるが、効率のよい環状再結合レーザの長さに対する制限 もまた、かなり広い。最小の長さはレーザ遷移の小信号利得により設定される。 これまでの最高の報告は、２．０２６μｍにおいてＸｅ中で５５パーセント／cm である。窓及び鏡での避けられない損失すなわち約０．２パーセントを克服する ため、そのようなレーザの最小の長さは約１mmである。レーザの最大長は最初の 円筒状プラズマの直線性を維持することの実際的な困難さにより設定され、該直 線性を達成するためのいくつかの技術を以下で述べる。

【００１４】 多くの材料が効率のよい再結合レーザに適する可能性がある。表１に示された より可能性の高い元素のいくつかのものは、室温において気体ではない。そのよ うな元素を蒸発させるためには、たとえばオーブンで熱入力を加える必要がある 。従って、高い蒸気圧の材料が最も望ましいであろう。ある種のCu気体レーザ中 で行われるように、高いくり返し周期で動作する自己加熱セルは、効率のこの潜 在的な損失を除くことができる可能性がある。もう一つの可能性は、W. T. Silf vast（シルフバスト）、L. H. Szeto(ツエトー）及び O. R. Wood(ウッド）IIに よる“分割されたプラズマ励起を用いた簡単な金属−蒸気再結合レーザ”と題す る論文、Appl. Phys. Lett.(アプライド・フイジクス・レター）、第３６巻、第 ８号、１９８０年４月、６１５−６１７頁に示されているように、電気的放電に より電極から材料をスパッタすることによって、蒸気を生成することによって、 蒸気を生成することである。金属−蒸気を基本とした再結合レーザは、低い最適 バッファガス圧をもつことに、本発明の考案者らは気がついた。事実、ほとんど の場合、Ｈｅバッファガスの場合の最適圧力は約２．５Torrである。

【００１５】 図６は本考案の別の実施例の、基本的な要素を示す。絶縁体ロッド２５はピン 型電極１及び２間に支持されている。ピン型電極は鏡３及び４により形成される 空胴中に挿入される。パルス供給手段５からピン型電極１及び２に高電圧、高電 流パルスが印加された時、絶縁体ロッド２５の表面に沿って、コロナ放電が形成 される。コロナ放電は絶縁体ロッド２５付近の円筒状領域２６中で、レーザ材料 を予備イオン化する傾向があり、それを絶縁体ロッド２５付近のわずかな円筒状 領域を占めさせる。次に、領域２６中に形成されたプラズマは、環状利得領域２ ７中に広がり、そこで上に述べたようにレーザ動作が起る。放電の安定化という ことにより、空間的に均一に分布した放電が生成することを意味する。絶縁体は ガラス、セラミック又はカーボンあるいはグラファイトのようなある種の半導体 材料で製作してよい。 図６に示された形態を用いた更に別の実施例において、絶縁体ロッド２５は電 子の光放出を起させるため、ＵＶ光で照射してもよい。これらの光生成電子は規 定された気体容積を予備イオン化し、それによりピン型電極１及び２間に印加さ れた高電圧、高電流パルスにより生じた放電が安定化された。ＵＶ光を発生させ る手段は、当業者にはよく知られている。

【００１６】 図７は本考案の更に別の基本的要素を示す。ロッド３０は一連の金属部分１、 ３２、３４及び２と絶縁体ロッド部分３１、３３及び３５で作られる。手段５に より生じた高電圧、高電流パルスが電極１及び２に印加された時、安定化された 円筒状プラズマ領域４１、４２及び４３が生成される。金属３２及び３４はロッ ドに沿って隣接した各種位置中で放電を“短絡”し、それによりプラズマは絶縁 体ロッドに隣接した先に述べた領域に閉じこめられる。そのような分割したプラ ズマの励起をすることにより、冷却速度の増加、プラズマ再結合速度の増加をも たらし、従ってレーザ利得及び出力パワはより高くなる。

【００１７】 図８は本考案の別の実施例の基本的要素を示す。ガスを満したフラッシュラン プ５２がピン型電極１及び２間に配置されている。手段５１から電流パルスがフ ラッシュランプ５２に印加された時、ＵＶ光が出る。このＵＶ光はランプ付近の わずかなガス容積５３をイオン化する。フラッシュランプ５２付近のこの予備イ オン化は、ランプの付近又は外表面上のプラズマ形成を安定化する傾向がある。 この実施例のこれ以上の動作については、上に述べた。予備イオン化プロセスを 促進するため、フラッシュランプ５２を囲むガス容積には、周知の技術に従い、 ＵＶで容易に光イオン化し、かつ所望の再結合レーザ波長で吸収をしない材料を 種として加えてもよい。

【００１８】 図９は本考案の更に別の実施例の基本的な要素を示す。ＵＶレーザ源６３から 出るビーム１００は鏡１３０及び電極６１中のＵＶ透過窓６２を通過し、領域６ ５中の気体レーザ材料上に入射する。ＵＶ放射はガスセルの軸上の円筒状ガス容 積を予備イオン化する。手段５により生じた高電圧、高電流パルスが金属環状電 極６１及び金属ピン型電極６４に印加された時、安定化されたプラズマが円筒状 領域６７に生成される。この実施例のこれ以上の動作については、上に述べた。

【００１９】 図１０は本考案の別の実施例の基本的要素を示す。たとえば電子のような粒子 １１０のビームは、粒子源７５から出て鏡１３１及び金属箔電極７０を通り、フ ァラデーカップ電極７６上に入射する。ファラデーカップ７６は鏡１３２を含み 、この鏡は鏡１３１とともに共振レーザ空胴を形成する。鏡１３２はたとえば金 属鏡でもよい。粒子ビームは領域７１中のガスセルの軸上に、プラズマを発生さ せる。手段５により発生した高電圧、高電流パルスが金属電極７０及びファラデ ーカップ電極７６に印加された時、領域７１に安定化したプラズマが発生する。 この実施例のこれ以上の動作については、先に述べた。

【００２０】 図１１は本考案の更に別の実施例の基本的要素を示す。細いワイヤ８１がガス セルの軸上に配置されている。手段５からワイヤを通して十分な電流が流され、 それにより爆発的に気化が起る。これにより放電を細い円筒状領域に安定化させ るとともに、活性要素を形成させる。ワイヤの最初の寸法は、気化後活性要素の 最適濃度が得られるよう選択される。

【００２１】 上に述べた実施例は並行動作に用いてもよい。たとえば、多数の対のピン型電 極をガスセル中に置き、より大きな活性容積を作るため、同時にパルスを加える ことができる。

【００２２】 以下では本考案の実施例に関して更に考察する。レーザはイオン物質中でレー ザ動作を起させるために用いることができるが、簡単のため説明は中性原子レー ザに基本的に焦点を絞る。

【００２３】 理想的なプラズマ−再結合レーザは、以下のように動作する。ある種の元素Ｅ の原子はたとえば気体媒体内の電流パルスにより励起され、ある程度の部分は図 １２に示されるように、状態Ｅ^(Z+1)+にイオン化される。ここで、Ｚは元素Ｅの 任意の荷電状態である。適当な条件下で、元素Ｅの電子及びイオンの得られるプ ラズマは、広がり密度は減少する。広がるホットエレクトロンはそれを囲む冷却 ガスと相互作用し、冷却されそれにより、電子−イオン再結合速度を急速に増加 させる。電子及びイオンは再結合し、捕獲された電子は自由電子との衝突を経て 、高い状態に励起されたＥ^z+を通り、Ｅの荷電状態のエネルギーレベル中の著し い間隙に達するまで、エネルギー的に下方に動く。間隙を越えての衝突減衰速度 は減少し、狭い通路を生じ、この狭い通路は間隙のすぐ上のレベル中の電子密度 を上げる。次に、１ないしそれ以上の低いレベルに対し、ポピュレーションイン バージョンが生じ、低いレーザレベルへの高い減衰速度が存在するならば、間隙 を越えてレーザ動作が実現できる。

【００２４】 低レーザレベルに対する二つの可能な減衰形態が、図１３に示されている。タ イプＩ又はタイプIIの減衰機構は、原子の種類、その物質の荷電状態及び正確な プラズマ状態に依存して存在しうる。いずれの機構においても、下のレーザレベ ルにある電子を有する原子の数は、最小であることが望ましい。 イオン化の段階すなわちＥ^Z+中のＺの値は、再結合レーザを設計する上で重要 なパラメータである。Ｅ^Z+中の特定の遷移で動作する再結合レーザを作るために 、Ｅ^(Z+1)+中の最初の電子密度はできるだけ大きいことが必要である。その理由 は、これは再結合プロセス中の上部レーザレベルへの電子密度の源になるからで ある。低いイオン段階（Ｚ＝１、２、３）の場合、このことは最初のプラズマ密 度は、図１２に示されるように１０¹⁵−１０¹⁶cm^-3の範囲であることが必要であ る。具体的な最初の荷電状態（Ｚ＋１）は、プラズマ形成中の電子温度によって 決る。この最初の電子密度が比較的高い場合に対し、ポピュレーションインバー ジョンを生成するための最適プラズマ条件は、幾分低いプラズマ密度すなわち１ ０¹⁴cm^-3又はそれよりわずかに下であることがわかった。このやや低い密度は上 部レーザレベルの好ましくない衝突による密度減少を最小にするために必要であ る。これら二つの明らかに矛盾する密度に対する要求は、プラズマを比較的小さ な容積中に作り、次にそれをより大きな容積中に広げ、そこで密度の減少、再結 合従ってレーザ動作を起させるようにすることによって満すことができる。 再結合レーザの効率は三つの要因の積で決る。すなわち、イオン生成の効率、 イオンの上部レーザレベルでの再結合効率及びレーザの量子効率言いかえればイ オン化エネルギーでレーザ遷移エネルギーを割ったものである。ここでは低いレ ーザレベルは急速に空乏化すると仮定する。

【００２５】 第１にイオン生成効率について議論する。電気的な励起パルスにおいて、イオ ン生成中の主なエネルギー損失は、ａ）上のレーザレベルより下にある原子中の レベルの直接励起、ｂ）イオンの好ましくない励起状態への電子の励起、ｃ）電 子連続体中の自由−自由遷移による放射損失、及び、自由−束縛遷移、放射再結 合、ｄ）原子及びイオンの熱による加熱による。 損失（ａ）、低いレベルへの直接遷移による損失は、もし電子密度が速い速度 で展開するならば大きな損失ではない。なぜならば、多段階のイオン化は低い励 起レベルからのイオン化速度が、それらの放射減衰速度を上回ったときに起るか らである。捕獲されない放射速度が典型的には１０⁸ sec ^-1である原子の第１の 励起状態の場合、多段イオン化が起る電子密度は、１０¹⁵ないし１０¹⁶cm³ の範 囲である。もし基底状態の原子の密度が１０¹⁴cm^-3以上であるならば、放射捕獲 が放射減衰速度を下げ、それによって多段イオン化に必要な電子密度が下る。よ り高い励起状態の場合には、多段イオン化が捕獲されない放射減衰を上回る電子 密度は、１０¹³ないし１０¹⁴cm^-3の範囲である。

【００２６】 損失（ｂ）、イオンの好ましくない励起状態への電子の励起は、電子温度が低 く保たれている限り、著しいエネルギー損失ではない。具体的な条件は原子物質 が異ると変るが、以下で議論する他の制約と矛盾しない最高ガス圧及び最低降伏 電圧が、このエネルギー損失を最小にする。

【００２７】 損失（ｃ）、自由−自由及び自由−束縛遷移の形の放射損失は、電子密度が高 くなりすぎた時に非常に大きくなり、原子は励起電気パルスの間、励起機構を幾 度もくり返すようになる。これらの損失についての説明は、R. W. P. McWhirter 及び A. G. Hearnによる“プラズマ中の水素状イオンの励起レベルの瞬時におけ る電子密度の計算”と題する論文に述べられている。彼らの計算は、１μs 又は それ以下の持続時間の励起パルスの場合、これらの損失を最小にするためには、 １０¹⁶cm^-3という電子密度に対する上限が必要であることを示している。

【００２８】 比較的低い圧力及び電子密度における気体放電では、電子は１０⁴ ないし１０ ⁵ ゜Ｋ程度の温度に加熱されるが、原子及びイオンは５００−１０００゜Ｋのま まである。原子密度及びガス圧が増すにつれ、原子及びイオンの熱的な加熱すな わち損失（ｄ）が増し、従ってより多くのエネルギーが浪費される。熱的な加熱 は上部レーザレベル下のレベルの直接励起を最小にするために必要な条件と矛盾 しない最小の電子密度が維持される時、最小になることを見出した。アーク効果 を最小にするために、十分低いガス圧を用いる必要がある。

【００２９】 次に、励起エネルギーパルス終了後の上部レベルへの電子−イオン再結合効率 について議論する。電子密度に対する上に述べた１０¹⁶cm^-3という制限が満され たと仮定すると、プラズマ発生中のこの位相間のイオンの全減衰速度は、数式〔 数１〕によって表現できる。

【数１】

【数２】 はここで数式〔数２〕はイオン密度、Ｒｄ、Ｒｍ、Ｒｒ及びＲｃは両極性拡散損 失速度、分子形成損失速度、放射再結合損失速度及び衝突再結合損失速度である 。

【００３０】 長さが口径ｒよりはるかに大きな管の場合の拡散減衰速度は、次式で与えられ る。 Ｒｄ＝（Ｄａ／ｐ）（２．４／ｒ）² （２） ここで、Ｄａは典型的な場合８００cm² Torr sec^-1の両極性拡散係数、ｐはＴｏ
ｒｒ 単位でのガス圧である。口径３ｍｍ、圧力１Torrの場合、拡散減衰速度は約５×
１ ０⁴ sec^-1である。図２から明らかなように、この拡散減衰損失速度は、ガス圧 を最小にしかつ口径を増すことにより、最小にすることができる。

【００３１】 第２のイオン減衰機構は速度Ｒｍ又はＥ⁺ イオンのＥ₂ ⁺イオンへの変換を含む 。この機構はほとんどのイオンに対してよく知られていないが、レーザ発振物質 の密度が〜１０¹⁶cm^-3以下に保たれる限り、重要ではないと推測される。機構は 重要でないにしても、それは必ずしも原子再結合レーザの効率に損失は発生させ ない。なぜならば、Ｅ₂ ⁺の原子状態又は上のレーザレベルへの解離が起る可能性 は十分あるからである。従って、この機構のレーザの効率を減少させる効果は無 視できると仮定する。

【００３２】 放射再結合速度Ｒｒは単一イオンから中性原子への再結合の場合、次の式〔数 ３〕で近似できる。

【数３】 ここで、Ｎｅはcm^-3単位での電子密度、ＴｅはｅＶ単位の電子温度である。この 機構は中性原子の特定の状態すなわち励起状態又は基底状態にあるイオンに電子 を束縛し、同時にフォトンを放出することを含む。フォトンは自由電子エネルギ ーと束縛状態のエネルギー差に等しいエネルギーを有する。この機構は再結合レ ーザ励起の効率を下げることになる。なぜならば、上のレーザレベル下にある束 縛レベルに再結合する原子は、それらの続く減衰中上のレーザレベルを迂回する 。加えて、放射再結合が衝突再結合を上回る低プラズマ密度において、上のレー ザレベルの上にある励起状態にある原子もまた、放射減衰によりそのレベルを迂 回する。

【００３３】 衝突再結合速度Ｒｃは次式で近似される。 Ｒｃ＝１０^-20 Ｎｅ² Ｔｅ^-9/2cm^-3sec ^-1 （４） ＲｃはＮｅ及びＴｅの両方、従ってＲｒに、より敏感である。衝突再結合機構は 効率のよい再結合レーザを実現する最も効率のよいものである。なぜならば、こ の機構を通してＥ⁺ と再結合する各電子は、密度Ｎｅ及び温度Ｔｅを有する自由 電子との衝突により、エネルギーが下る方向に移動する。下方への動きの最高の 割合はエネルギー的に隣接したレベルへの動きである。すなわち、電子密度はエ ネルギー的に小さなステップで下に動く。再結合効率要因は１００パーセントに 近づかせうる。もし、ＲｃはＲｄ、Ｒｍ及びＲｒより大きく、適当なレベルを有 する原子物質が、すべてのエネルギーが刺激放射により上のレーザレベルから引 き出されるように、衝突再結合機構中に得られるならばである。

【００３４】 ＲｃがＲｒに等しくなるＮｅ及びＴｅの値は、第３及び第４式から得られ、次 式で与えられる。 Ｎｅ＝２×１０¹³Ｔｅ^3.75 （５） 図１３はこの式のグラフを示す。ＲｃがＲｒより支配的な線１００より上及び左 の領域は、効率のよい再結合レーザに必要な条件を示す。たとえば、もし電子温 度Ｔｅ＝２ｅＶ及び電子密度Ｎｅ＝１０¹⁵cm^-3の単一イオン化プラズマが形成さ れるならば、図１３におけるその最初の位置は、位置（１）であろう。そのよう な一組の最初の条件は、高い割合のイオン化の主として単一イオン化プラズマに は望ましくない。そのようなプラズマが進むにつれ、拡大及び冷却によりその電 子密度及び温度を減少させる。この進展は時間とともに図１３中のプラズマ位置 が移動することに対応する。そのような動きは“冷却軌道”を描く。期待される ように、ある種の冷却軌道は高利得及び高効率のレーザを導く。たとえば、図１ ３に示される軌道Ａは図１３に示された軌道Ｂより利得を高める。その理由は軌 道Ｂは放射再結合が著しくなる条件を導く。Ａのような冷却軌道を実現する一つ の方法は、プラズマを冷却用周辺ガス中に広げることである。これにより電子温 度Ｔｅは電子密度Ｎｅより速く降下する。そのような技術はＲｃを主な冷却機構 とし、従って再結合効率係数を１００パーセントに近づけるために使用できる。

【００３５】 イオン損失機構についての議論により、上のレーザレベルにある電子を有する 原子の数を最大にするため、Ｒｄ、Ｒｍ及びＲｒは最小にし、Ｒｃは最大にすべ きことが示される。もしレーザがタイプＩの減衰機構に基き、低いレーザレベル の放射減衰が中性原子の基底状態へ向うものであれば、遷移確立及び具体的な実 験装置に依存して、中性原子の密度が１０¹³ないし１０¹⁵cm^-3である時、減衰速 度は放射捕獲効果により減少し始める。より高いガス温度では、線幅の増加とと もに捕獲の減少により密度はより高くなり得るが、ガスの加熱により高いエネル ギーの損失を伴う。もし、低いレーザレベルの減衰が主として励起状態へ向うも のであり、続いて基底状態への減衰であるならば、上に述べた高い方にある中性 原子密度は、捕獲効果が低いレーザレベルの減衰速度を減す前に調整できる。

【００３６】 もし、レーザがタイプIIの減衰機構に基いているならば、低いレーザレベルの 減衰はＮｅ及びＴｅにより決る。ここで、電子密度が高いほどまた電子温度が低 いほど、低いレーザレベルの減衰過程はより効果的である。これらの条件はまた 衝突再結合に対する最適条件であるため、低いレーザレベルの空乏化は、低いレ ーザレベルが高いレベルである適当な一連のレベルをもつように原子系が選択さ れる時、自動的に作られる。電子密度は電子衝突間隙間脱励起を最小にするのに 十分低く保たれなければならない。この脱励起は上部レーザレベルの非放射空乏 化を生ずる。たとえば、水素においては１０¹⁵cm^-3の電子密度の場合、Ｎ＝３の レベルは１０⁸ sec^-1の電子衝突破壊速度をもち、この速度はそのレベルの捕獲 されない放射減衰に匹敵する。

【００３７】 次に要約すると、プラズマ生成に関する限り、低い励起状態への励起損失を最 小にするためには、１０¹⁵cm^-3以上の電子密度が必要である。数ｅＶオーダーの 比較的低いＴｅは、励起されたイオンレベルの電子密度を最小にする。電子密度 を１０¹⁶cm^-3以下に保つことにより、放射損は最小に維持され、比較的低いガス 圧（＜１００Torr) にすることにより、原子の熱的加熱は最小になる。プラズマ 再結合に関する限り、拡散損失は圧力を高くすることにより最小になり、放射再 結合は高いＮｅ及び低いＴｅにより最小になり、放射捕獲はレーザ発振物質を１ ０¹⁵オーダ又はそれ以下の密度にすることにより最小になる。 効率のよい原子再結合レーザを作るために、プラズマ条件はこれらすべての要 件を満足するようにしなければならない。１０¹⁵−１０¹⁶cm^-3の範囲の電子密度 は、Ｎｅに対するすべての要件を満足するであろう。しかし、（放射捕獲に対す る制約により）レーザ発振物質の基底状態に対する〜１０¹⁵cm^-3という上限のた め、電子密度には１０¹⁵cm^-3という上限がつけ加わる。なぜならば、各電子は中 性原子のイオン化から始るからである。（多段イオン化はイオン遷移を除いて望 ましくない）この低圧（〜１０^-1Torr) 条件により、Ｔｅを低く保つのは不可能 になり、また拡散損失を著しく増すことになるであろう。しかし、バッファガス を添加することにより、Ｔｅが減少し、壁への拡散損失速度は減少し、同時に冷 却軌道を最適化するために、プラズマが広がり冷却できるバックグラウンドガス を減少させる。バッファガスを添加することにより、励起の可能性とバッファガ ス物質にイオン化エネルギーを失わせる可能性を導く。しかし、たとえばＨｅの ような高イオン化ポテンシャルガスを用いると、ほとんどのイオン化エネルギー は低いイオン化ポテンシャルレーザ物質に移り、Ｈｅによりとられるイオン化エ ネルギーは、電荷の移動又はペニングイオン化を経て、レーザ物質に戻る可能性 がきわめて大きい。加えて、Ｈｅ原子の質量が低いことによって、プラズマが冷 却用周辺ガス中に広がるにつれ、理想的に速い冷却機構が電子に働くであろう。 これらの条件に内在しているのは、プラズマは使える容積のわずかの部分にのみ 生じ、それが後により大きな容積に広がり、冷却されるようにしなければならな いという事実である。

【００３８】 上に述べた考えに基くと、電気放電により動作する効率のよい再結合レーザに 最善の動作をさせるパラメータの範囲は、以下のとおりである。Ｈｅバックグラ ウンドガスは１０¹ ないし１０² Torrの範囲の圧力である。１cm直径の面積を流 す電流は、１０² ないし１０³ アンペアの範囲である。これは３０Torrのバック グラウンドＨｅ圧で、〜１０¹⁵cm^-3の初期Ｎｅを生じるようにという計算に基く 。実験データに基くと、これにより均一な放電が最初、直径の小さな円筒領域に 閉じ込められる。最後に、レーザ物質の圧力範囲は１０^-3ないし１０^-1Torrであ る。これは放射捕獲が低いレーザレベルの減衰を妨げる最大イオン密度に対する 条件に基く。 これらの条件は１ないし１０ｅＶの範囲のＴｅを生ずる。１ｅＶという下限は 、プラズマが十分広がり、Ｎｅが上で述べ図１２に示された値をもつまで、電子 −イオン再結合が阻止されるようにするために必要である。１０ｅＶという上限 はレーザ物質の二重イオン化の速度を低く保つために用いられる。この二重イオ ン化はレーザ効率を下げる。

【表１】

【００３９】 多数の中性原子（及び数種のイオン）の例が、上に述べた考察に基く可能性の あるレーザ効率とともに、〔表１〕に示してある。効率を増すために、遷移も示 してある。これらの具体的な元素はある程度任意に選ばれたが、ほとんどが比較 的低いイオン化ポテンシャルをもつことは例外である。なぜならば、励起状態の エネルギーレベル分布中の間隙は、多くの元素で見出せるからである。元素は第 １列に示してある。波長及び間隙遷移の指定は第２及び第３列に示してある。第 ４列はパーセントで量子効率すなわちイオン化ポテンシャルで割ったレーザ遷移 を示す。第５列は６５パーセントのイオン化効率及び上のレーザレベルへの１０ ０パーセントの衝突再結合に基く理論的レーザ効率を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピン型放電電極を用いる本考案の実施例の要素
を示す図である。

【図２】ピン型放電電極を用いる本考案の実施例を示す
図である。

【図３】図２に示された実施例のレーザ強度と全ガス圧
の関係をグラフで示す図である。

【図４】図２に示された実施例のピン型電極軸からのず
れに対するレーザ強度をグラフで示す図である。

【図５】図２に示された実施例の時間に対するレーザ強
度をグラフで示す図である。

【図６】放電プラズマの位置の安定化を助けるために絶
縁体ロッドを用いる本考案の実施例の要素を示す図であ
る。

【図７】一連の絶縁体ロッドを用いる本考案の実施例の
要素を示す図である。

【図８】放電プラズマを安定化させるのを助けるため
に、ＵＶフラッシュランプを用いた本考案の実施例の要
素を示す図である。

【図９】ＵＶレーザ予備イオン化を用いる本考案の実施
例の要素を示す図である。

【図１０】粒子ビーム予備イオン化を用いる本考案の実
施例の要素を示す図である。

【図１１】爆列ワイヤを用いた本考案の実施例の要素を
示す図である。

【図１２】再結合レーザの動作を示すエネルギーレベル
を示した図である。

【図１３】タイプＩ及びタイプII再結合レーザのエネル
ギーレベルを示す図である。

【図１４】衝突再結合機構と放射再結合機構が競合する
領域を示すプラズマ電子濃度対プラズマ電子温度をグラ
フで表す図である。

【符号の説明】

１、２ 電極 ３、４ 鏡 ５ パワー供給源 １０ 環状領域 １１ プラズマ放電領域 １２ レーザビーム

Claims (10)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 少くとも１つの共振レーザ空胴（３−
   ４）とレーザ材料から成るレーザ放射を発生する再結合
   レーザにおいて、 該レーザ材料中の円筒状領域（１１）に閉じ込められた
   少くとも１つのプラズマ放電を発生させるための励起手
   段（１、２、５）が含まれ、放電は第２の領域（１０）
   中に半径方向に広がるプラズマを発生し、該第２の領域
   の少くとも一部は、少くとも１つの該共振レーザ空胴中
   に配置され、それにより該プラズマ中での電子及びイオ
   ンの再結合によって該レーザ材料中にポピュレーション
   インバージョンが生じることを特徴とする再結合レー
   ザ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された再結合レーザにお
   いて、 該プラズマ放電中の電子を冷却するためのバックグラウ
   ンドガスを更に特徴とする再結合レーザ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された再結合レーザにお
   いて、 該バックグラウンドガスはＨｅであることを特徴とする
   再結合レーザ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載された再結合レーザにお
   いて、 該励起手段は少くとも１つの共振レーザ空胴の軸に本質
   的に平行に位置合わせされたピン型電極（１、２）及び
   該ピン型電極に高電圧、高電流パルスを供給する手段
   （５）から成ることを特徴とする再結合レーザ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載された再結合レーザにお
   いて、 該励起手段は更に該ピン型電極間に配置された絶縁体ロ
   ッド（２５）から成ることを特徴とする再結合レーザ。
6. 【請求項６】 請求項５に記載された再結合レーザにお
   いて、 該ピン型電極間に交互に配置された複数の絶縁体ロッド
   （３１、３３、３５）及び金属ロッド（３２、３４）か
   ら成ることを特徴とする再結合レーザ。
7. 【請求項７】 請求項４に記載された再結合レーザにお
   いて、 該励起手段は更に該ピン型電極間に配置されたＵＶ放射
   を生成するためのフラッシュランプ手段（５２）及び該
   フラッシュランプ手段をトリガする手段（５１）から成
   ることを特徴とする再結合レーザ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載された再結合レーザにお
   いて、 ＵＶ放射によりイオン化できる材料を含むことを特徴と
   する再結合レーザ。
9. 【請求項９】 請求項１に記載された再結合レーザにお
   いて、 少くとも１つの該共振レーザ空胴は鏡手段（１３０）を
   含み、その鏡手段は紫外放射を透過し、 該励起手段はピン型電極（６４）、紫外放射を透過させ
   るための開孔電極手段（６１）、該ピン型電極及び該開
   孔電極手段に高電圧、高電流パルスを供給するための手
   段（５）及びＵＶレーザ放射（１００）のビームを発生
   させるためのＵＶ放射のレーザ源（６３）から成り、放
   射は該鏡手段及び該開孔電極手段を、少くとも１つの該
   共振レーザ空胴の軸に本質的に平行な光路に沿って通過
   することを特徴とする再結合レーザ。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載された再結合レーザに
    おいて、 少くとも１つの該共振レーザ空胴は鏡手段（１３１）を
    含み、鏡手段は粒子の通過を許し、 該励起手段はファラデーカップ電極（７６）、粒子のビ
    ームを通過させるための開孔電極手段（７０）該ファラ
    デーカップ電極及び該開孔電極手段に高電圧、高電流パ
    ルスを印加するための手段及び粒子ビーム（１１０）を
    生成するための粒子ビーム源（７５）から成り、そのビ
    ームは該鏡手段及び開孔電極手段を、少くとも１つの該
    共振レーザ空胴の軸に本質的に平行な光路に沿って、該
    ファラデーカップ電極の方へ通過することを特徴とする
    再結合レーザ。