JPH0682876B2 - Gas laser device - Google Patents

Gas laser device

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JPH0682876B2
JPH0682876B2 JP22520287A JP22520287A JPH0682876B2 JP H0682876 B2 JPH0682876 B2 JP H0682876B2 JP 22520287 A JP22520287 A JP 22520287A JP 22520287 A JP22520287 A JP 22520287A JP H0682876 B2 JPH0682876 B2 JP H0682876B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、マイクロ波放電を利用してレーザ励起を行
う気体レーザ装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas laser device that performs laser excitation using microwave discharge.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第３図及び第４図は例えば1978年７月に発行されたジャ
ーナル オブ アプライド フィジックス（Jounal of
Applied Physics）Vol.49 No.7のP3753〜P3756に示され
た従来の気体レーザ装置を示す縦断正面図、及びそのＡ
−Ａ線断面図であり、図において、１はマイクロ波を伝
送する導波管、10はこの導波管１の一部に設けられた導
波管テーパ部、11はこの導波管テーパ部10の空間に設置
されたパイレックスガラス製のレーザ放電管、12aはこ
のレーザ放電管11の端部に設けられたレーザ気体導入
口、12bは同じくレーザ気体排出口、13は前記レーザ放
電管11を包むように配置された冷却ガス送気管、14aは
この冷却ガス送気管13の端部に設けられた冷却ガス導入
口、14bは同じく冷却ガス排出口、15は前記レーザ放電
管11の両端に設けられたブリュースタ窓、16aは直流放
電用の陰極、16bは同じく陽極である。Figures 3 and 4 show, for example, the Journal of Applied Physics, published in July 1978.
Applied Physics) Vol.49 No.7, P3753 to P3756, showing a conventional gas laser device in vertical section, and A
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A, in which 1 is a waveguide for transmitting microwaves, 10 is a waveguide tapered portion provided in a part of the waveguide 1, and 11 is a waveguide tapered portion. Laser discharge tube made of Pyrex glass installed in the space of 10, 12a is a laser gas inlet provided at the end of the laser discharge tube 11, 12b is the same laser gas outlet, 13 is the laser discharge tube 11 A cooling gas air supply pipe arranged so as to wrap, 14a is a cooling gas introduction port provided at the end of the cooling gas air supply pipe 13, 14b is a cooling gas discharge port, and 15 is provided at both ends of the laser discharge tube 11. Brewster window, 16a is a cathode for DC discharge, and 16b is also an anode.

次に動作について説明する。レーザ放電管11中にはレー
ザ気体導入口12aより、例えば炭酸ガスレーザ気体など
のレーザ気体が導入され、一方、導波管１中にはTE10モ
ードのマイクロ波が励起されている。この導波管１は内
部に導波管テーパ部10を備えており、レーザ放電管11が
設置された位置でその高さが最小となっているため、そ
の位置でマイクロ波の電界が最大となっている。レーザ
放電管11内のレーザ気体はこの強いマイクロ波電界によ
って放電破壊してプラズマを発生させ、レーザ媒質が励
起される。この時、冷却ガス送気管13中に、例えば低温
の窒素ガス等を高速で流し、レーザ放電管11を外部から
冷却するとともに、レーザ気体の圧力等の放電条件を適
切に選択することによってレーザ発振条件が得られ、ブ
リュースタ窓15の外部に、図示を省略したレーザ発振用
のミラーを設けることによってレーザ発振が行われる。Next, the operation will be described. A laser gas such as a carbon dioxide laser gas is introduced into the laser discharge tube 11 through a laser gas inlet 12a, while a TE 10 mode microwave is excited in the waveguide 1. Since this waveguide 1 has a waveguide taper portion 10 inside and the height thereof is minimum at the position where the laser discharge tube 11 is installed, the microwave electric field is maximized at that position. Has become. The laser gas in the laser discharge tube 11 is discharged and destroyed by the strong microwave electric field to generate plasma, and the laser medium is excited. At this time, a low-temperature nitrogen gas or the like is caused to flow through the cooling gas supply pipe 13 at a high speed to cool the laser discharge tube 11 from the outside, and laser oscillation is performed by appropriately selecting discharge conditions such as the pressure of the laser gas. The conditions are obtained, and laser oscillation is performed by providing a laser oscillation mirror (not shown) outside the Brewster window 15.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来の気体レーザ装置は以上のように構成されているの
で、閉じじたレーザ放電管11内に導電性をもつプラズマ
が発生すると、当該プラズマを内導体とする同軸モード
のマイクロ波モードが支配的となって、プラズマ中のマ
イクロ波電界は、レーザ放電管11の管壁に平行な成分を
主成分とする電界となり、発生するプラズマはレーザ放
電管11の管壁付近に集中した著しく不均一なものとなる
ため、レーザ放電管11全体をレーザ励起に適当な状態と
することが困難であるという問題点があった。Since the conventional gas laser device is configured as described above, when a plasma having conductivity is generated in the closed laser discharge tube 11, the microwave mode of the coaxial mode having the plasma as the inner conductor is dominant. Therefore, the microwave electric field in the plasma becomes an electric field whose main component is a component parallel to the tube wall of the laser discharge tube 11, and the generated plasma is remarkably nonuniform concentrated in the vicinity of the tube wall of the laser discharge tube 11. Therefore, there is a problem that it is difficult to put the entire laser discharge tube 11 into a state suitable for laser excitation.

この発明は上記のような問題点を解消するためになさた
もので、発生するマイクロ波放電プラズマを安定で空間
的に一様なものとし、放電空間の壁面を保護するととも
にレーザ気体の劣化を防止して、高能率、長寿命の気体
レーザ装置を得ることを目的とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and makes the generated microwave discharge plasma stable and spatially uniform to protect the wall surface of the discharge space and prevent the deterioration of the laser gas. The purpose is to obtain a gas laser device with high efficiency and long life.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

この発明に係る気体レーザ装置は、マイクロ波回路の一
部に形成された導電体壁と、この導電体壁に対向して設
けられた誘電体との間に空間を設けて、そこにレーザ気
体を封入し、前記誘電体をマイクロ波入射窓として、マ
イクロ波回路より誘電体とレーザ気体中に発生したプラ
ズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モー
ドを入射するとともに、前記レーザ気体の封入される空
間の導電体による壁面をセラミック層によってコーティ
ングしたものである。In the gas laser device according to the present invention, a space is provided between a conductor wall formed in a part of a microwave circuit and a dielectric member provided opposite to the conductor wall, and the laser gas is provided therein. And the dielectric is used as a microwave entrance window, and a microwave mode having an electric field component perpendicular to the boundary between the dielectric and plasma generated in the laser gas is input from the microwave circuit, and the laser gas The wall of the enclosed space made of a conductor is coated with a ceramic layer.

〔作用〕[Action]

この発明における気体レーザ装置は、マイクロ波入射窓
である誘電体に対向してプラズマよりも導電率の高い導
電体壁があるために、入射マイクロ波の終端電流はこの
導電体壁を流れ、プラズマ中には前記誘電体と導電体壁
の間を貫通する電流が流れることとなるため、レーザ気
体中には空間的に一様なプラズマが発生し、さらに、誘
電体との間でレーザ気体を封入する空間の導電体による
壁面をセラミック層によってコーティングすることで、
当該導電体の壁面を保護するとともにレーザ気体の劣化
を防止し、高能率で寿命の長いレーザ発振を可能とす
る。In the gas laser device according to the present invention, since there is a conductor wall having a higher conductivity than plasma facing the dielectric that is the microwave entrance window, the terminating current of the incident microwave flows through this conductor wall and the plasma Since a current that penetrates between the dielectric and the conductor wall flows inside, a spatially uniform plasma is generated in the laser gas, and the laser gas is further generated between the laser gas and the dielectric. By coating the wall of the enclosed space with a conductor with a ceramic layer,
The wall surface of the conductor is protected, the deterioration of the laser gas is prevented, and the laser oscillation with high efficiency and long life is enabled.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示す縦
断正面図、第２図はその外観図である。図において、２
はマイクロ波放電によってレーザ気体にプラズマを発生
させ、レーザ励起を行うための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構造をもつレー
ザヘッド部、３はマイクロ波発振器としてのマグネトロ
ン、４はマグネトロン３の出力するマイクロ波をレーザ
ヘッド部２へ導く導波管、５はこの導波管４の幅を拡げ
るホーン導波管、６はこのホーン導波管５を前記レーザ
ヘッド部２へ結合するマイクロ波結合窓、７はレーザヘ
ッド部２に取り付けられたレーザ発振用の反射鏡であ
る。また、20は前記レーザヘッド部２におけるマイクロ
波結合窓６に続く空胴壁、21及び22はこの空胴壁20の中
央部に設けられたリッジ、23は一方のリッジ21に形成さ
れた溝、24はマイクロ波回路の一部を形成する導電体壁
であり、この実施例では前記溝23の壁面が使用されてい
る。25はこの導電体壁24に対向して設けられてマイクロ
波の入射窓として作用する、例えばアルミナ等による誘
電体、26はこの誘電体25が前記溝23を覆うことによっ
て、前記導電体壁24と誘電体25との間に形成され、炭酸
ガスレーザ気体等のレーザ気体が封入される放電空間、
27はリッジ21及びリッジ22のそれぞれに形成された冷却
水路であり、28は前記導電体壁24を含めた放電空間26を
形成している導電体の壁面にコーティングされたセラミ
ック層である。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First
FIG. 1 is a vertical sectional front view showing a gas laser device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an external view thereof. In the figure, 2
Is a kind of microwave circuit for generating plasma in a laser gas by microwave discharge and performing laser excitation. A laser head part having a microwave cavity structure of a ridge waveguide type, 3 is a microwave oscillator , A waveguide 4 for guiding the microwave output from the magnetron 3 to the laser head portion 5, a horn waveguide 5 for expanding the width of the waveguide 4, and a horn waveguide 5 for the laser. A microwave coupling window coupled to the head portion 2 and a laser oscillation reflector 7 attached to the laser head portion 2. Further, 20 is a cavity wall continuing from the microwave coupling window 6 in the laser head portion 2, 21 and 22 are ridges provided at the center of the cavity wall 20, and 23 is a groove formed in one ridge 21. , 24 are conductor walls forming part of the microwave circuit, and the wall surface of the groove 23 is used in this embodiment. Reference numeral 25 denotes a dielectric provided by facing the conductor wall 24 and acting as a microwave entrance window, for example, a dielectric made of alumina or the like, and 26 denotes the dielectric wall 24 covered by the dielectric 25. And a dielectric 25, a discharge space in which a laser gas such as carbon dioxide laser gas is enclosed,
Reference numeral 27 is a cooling water channel formed in each of the ridge 21 and the ridge 22, and 28 is a ceramic layer coated on the wall surface of the conductor forming the discharge space 26 including the conductor wall 24.

次に動作について説明する。マグネトロン３で発生した
マイクロ波は、導波管４を伝搬してホーン導波管５で拡
げられ、マイクロ波結合窓６でインピーダンスを整合さ
せることにより、効率よくレーザヘッド部２に結合され
る。このレーザヘッド部２は図示の如くリッジ空胴状に
なっており、マイクロ波はそのリッジ21,22付近に集中
して非常に強いマイクロ波電磁界を発生させる。この強
いマイクロ波電磁界により放電空間26に封入されたレー
ザ気体が放電破壊し、プラズマが発生してレーザ媒質が
励起される。ここで、冷却水路27に冷却水を流して放電
プラズマを冷却するとともに、レーザ気体の圧力等の放
電条件を適切に選択することによって、レーザ発振条件
が得られ、第２図に示す反射鏡７とそれに対向した図面
には現れない反射鏡とでレーザ共振器を形成することに
より、レーザ発振光が得られる。Next, the operation will be described. The microwave generated by the magnetron 3 propagates through the waveguide 4 and is expanded by the horn waveguide 5, and the impedance is matched by the microwave coupling window 6, so that the microwave is efficiently coupled to the laser head 2. The laser head portion 2 has a ridge cavity shape as shown in the drawing, and microwaves are concentrated near the ridges 21 and 22 to generate a very strong microwave electromagnetic field. This strong microwave electromagnetic field discharges and destroys the laser gas enclosed in the discharge space 26, generating plasma and exciting the laser medium. Here, cooling water is caused to flow in the cooling water passage 27 to cool the discharge plasma, and the laser oscillation condition is obtained by appropriately selecting the discharge condition such as the pressure of the laser gas, and the reflecting mirror 7 shown in FIG. Laser oscillation light can be obtained by forming a laser resonator with a reflecting mirror that does not appear in the drawing and is opposed thereto.

この時、マイクロ波回路の一部を構成しているリッジ21
に形成された導電体壁24と、この導電体壁24に対向して
配置され、マイクロ波の入射窓となる誘電体25との間に
形成される放電空間26においてマイクロ波放電が行わ
れ、マイクロ波の入射はプラズマの一方の面からのみ行
われることになるため、プラズマを内導体とする同軸モ
ードのマイクロ波モードが支配的となる現象が発生する
ようなことはなく、所期のマイクロ波モードによる放電
を行わせることができる。また、図示のレーザヘッド部
２のリッジ空胴のように、マイクロ波回路が前記誘電体
25とプラズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイク
ロ波モードを形成する場合、誘電体25と導電体壁24とは
対向しているため、導電体壁24に対しても垂直な電界成
分を有することとなりプラズマを貫く電界ができる。そ
のため、導電性を有するプラズマが発生しても、そのプ
ラズマより数桁導電率の高い導電体壁24がマイクロ波入
射窓としての誘電体25に対向して配置されているので、
入射マイクロ波の終端電流はこの導電体壁24を流れ、導
電体壁24近傍の電界は強制的にこの導電体壁24の表面に
対して垂直にされ、発生した前記プラズマを貫通する電
界が維持される。従って、マイクロ波がプラズマ中に浸
透してプラズマを貫く電流が流れ、この電流の連続性か
ら空間的に一様な放電プラズマが発生する。このよう
に、空間的に均一な放電が得られるので、放電全体をレ
ーザの励起に適当な状態にすることが容易となる。At this time, the ridge 21 forming part of the microwave circuit
Microwave discharge is performed in a discharge space 26 formed between the conductor wall 24 formed in and the dielectric wall 25 that is arranged so as to face the conductor wall 24 and serves as a microwave entrance window. Since the microwave is incident only from one side of the plasma, the phenomenon that the microwave mode of the coaxial mode with the plasma as the inner conductor becomes dominant does not occur, and the desired microwave is not generated. Discharge in the wave mode can be performed. In addition, like the ridge cavity of the laser head unit 2 shown in the figure, the microwave circuit has the dielectric
When forming a microwave mode having an electric field component perpendicular to the boundary between 25 and plasma, since the dielectric 25 and the conductor wall 24 face each other, an electric field component perpendicular to the conductor wall 24 is also generated. It has an electric field that penetrates the plasma. Therefore, even if a plasma having conductivity is generated, the conductor wall 24 having a conductivity higher than that of the plasma by several orders of magnitude is disposed so as to face the dielectric 25 as the microwave entrance window.
The terminating current of the incident microwave flows through the conductor wall 24, and the electric field in the vicinity of the conductor wall 24 is forced to be perpendicular to the surface of the conductor wall 24, and the electric field penetrating the generated plasma is maintained. To be done. Therefore, the microwave penetrates into the plasma and a current flows through the plasma, and a spatially uniform discharge plasma is generated due to the continuity of the current. In this way, since a spatially uniform discharge can be obtained, it becomes easy to put the entire discharge in a state suitable for laser excitation.

また、放電空間26の導電体壁24を含んだ導電体による壁
面はセラミック層28でコーティングされているため、マ
イクロ波放電によって発生するプラズマが導電体壁24等
に直接接触することはなく、発生したプラズマは、スパ
ッタされにくく化学的にも不活性なセラミック層28及び
誘電体25で包まれることになる。従って、スパッタや化
学反応によるレーザ気体の劣化はほとんど起こらず、ま
た、放電空間26の導電体による壁面がスパツタされてダ
メージを受けるようなことはなく、高能率、長寿命のマ
イクロ波励起方式の気体レーザ装置が実現できる。Further, since the wall surface of the discharge space 26 made of a conductor including the conductor wall 24 is coated with the ceramic layer 28, the plasma generated by the microwave discharge does not directly contact the conductor wall 24, etc. The generated plasma is surrounded by the ceramic layer 28 and the dielectric 25 which are hard to be sputtered and are chemically inactive. Therefore, the deterioration of the laser gas due to sputtering or chemical reaction hardly occurs, and the wall surface of the discharge space 26 due to the conductor is not spattered and damaged, and the efficiency of the microwave excitation method is high. A gas laser device can be realized.

この時、空間的に一様な放電を安定に得るためには、前
述の如くマイクロ波をプラズマの一方の面からのみ入射
させることが必要であり、従って、前記セラミック層28
の厚さは誘電体25の厚さに対して充分薄いことが望まし
く、セラミック層28の厚さを誘電体25の厚さの1/10以下
とした場合に、プラズマの誘電体25の側からマイクロ波
エネルギーの大部分が注入されることが確認された。ま
た、入射マイクロ波の終端のインピーダンスがプラズマ
のインピーダンスより小さいことも必要であり、セラミ
ック層28の比誘電率をεｒ、セラミック層28の厚さを
ｄ、真空の波動インピーダンスをZo、プラズマの抵抗率
をρとした場合、 （d/εｒ）＜（ρ/Zo） の関係が成り立つことが条件となる。At this time, in order to stably obtain a spatially uniform discharge, it is necessary to make microwaves incident only from one surface of the plasma as described above, and thus the ceramic layer 28
Is preferably sufficiently thin with respect to the thickness of the dielectric 25. When the thickness of the ceramic layer 28 is 1/10 or less of the thickness of the dielectric 25, the thickness of the It was confirmed that most of the microwave energy was injected. It is also necessary that the impedance at the terminal end of the incident microwave be smaller than the impedance of the plasma. The relative permittivity of the ceramic layer 28 is εr, the thickness of the ceramic layer 28 is d, the wave impedance of vacuum is Zo, and the plasma resistance is When the ratio is ρ, the condition is (d / εr) <(ρ / Zo).

さらに、エキシマレーザ装置のように、化学的活性の高
いハロゲンガスを含むレーザ気体を用いるレーザ装置に
あっては、前記セラミック層28としてハロゲン族と反応
しない材料を使用すべきであることはいうまでもない。Further, it is needless to say that a material that does not react with a halogen group should be used as the ceramic layer 28 in a laser device that uses a laser gas containing a halogen gas having high chemical activity, such as an excimer laser device. Nor.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように、この発明によればマイクロ波回路の一部
に形成された導電体壁と、この導電体壁に対向して設け
られた誘電体との間に形成される空間に、マイクロ波放
電によってプラズマを発生するレーザ気体を封入し、レ
ーザ気体が封入される空間の導電体による壁面をセラミ
ック層でコーティングするとともに、前記マイクロ波回
路によって前記誘電体とプラズマとの境界に垂直な電界
分布を有するマイクロ波モードを形成するように構成し
たので、空間的に一様なプラズマが長時間にわたって安
定に維持され、前記空間の導電体による壁面が保護され
るとともにレーザ気体の劣化も防止され、高能率で寿命
の長い気体レーザ装置が得られる効果がある。As described above, according to the present invention, the microwave is provided in the space formed between the conductor wall formed in a part of the microwave circuit and the dielectric provided so as to face the conductor wall. An electric field distribution perpendicular to the boundary between the dielectric and plasma is encapsulated by the microwave circuit, which encloses a laser gas that generates plasma by electric discharge, coats the wall surface of the conductor in the space in which the laser gas is encased with a ceramic layer. Since it is configured to form a microwave mode having, a spatially uniform plasma is stably maintained for a long time, the wall surface of the space is protected by a conductor, and deterioration of the laser gas is prevented, There is an effect that a gas laser device with high efficiency and long life can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示
す縦断正面図、第２図はその外観図、第３図は従来の気
体レーザ装置を示す縦断正面図、第４図はそのＡ−Ａ線
断面図である。 ２はマイクロ波回路（レーザヘッド部）、24は導電体
壁、25は誘電体、26は空間（放電空間）、28はセラミッ
ク層。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。FIG. 1 is a vertical sectional front view showing a gas laser device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an external view thereof, FIG. 3 is a vertical sectional front view showing a conventional gas laser device, and FIG. It is an A line sectional view. 2 is a microwave circuit (laser head), 24 is a conductor wall, 25 is a dielectric, 26 is a space (discharge space), 28 is a ceramic layer. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

フロントページの続き (72)発明者 柳 正 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社応用機器研究所内 (72)発明者 植田 至宏 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三 菱電機株式会社応用機器研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−104084（ＪＰ，Ａ)Front page continuation (72) Inventor Tadashi Yanagi 8-1-1 Tsukaguchi Honcho, Amagasaki City, Hyogo Sanyo Electric Co., Ltd. Applied Equipment Laboratory (72) Inventor Yoshihiro Ueda 8-1-1 Tsukaguchi Honcho, Amagasaki City, Hyogo Prefecture No. 1 Sanritsu Electric Co., Ltd., Applied Equipment Research Laboratory (56) Reference JP-A-62-104084 (JP, A)

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】マイクロ波回路中のマイクロ波放電により
レーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行うマ
イクロ波励起方式の気体レーザ装置において、前記マイ
クロ波回路の一部を構成する導電体壁と、この導電体壁
に対向して設けられたマイクロ波の入射窓となる誘電体
との間に形成される空間に前記レーザ気体を封入し、前
記マイクロ波路によって前記誘電体と前記レーザ気体中
に発生したプラズマとの境界に垂直な電界成分を有する
マイクロ波モードを形成するとともに、前記空間の導電
体による壁面をセラミック層でコーティングしたことを
特徴とする気体レーザ装置。1. A gas laser device of a microwave excitation system, wherein plasma is generated in a laser gas by microwave discharge in a microwave circuit to perform laser excitation, and a conductor wall forming a part of the microwave circuit. , Enclosing the laser gas in a space formed between the dielectric and the dielectric that is provided as a microwave entrance window provided opposite to the conductor wall, and causes the dielectric gas and the laser gas to enter into the space by the microwaveguide. A gas laser device, characterized in that a microwave mode having an electric field component perpendicular to a boundary with the generated plasma is formed and a wall surface of the space made of a conductor is coated with a ceramic layer. 【請求項２】前記セラミック層の厚さが前記誘電体の厚
さの1/10以下であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の気体レーザ装置。2. The gas laser device according to claim 1, wherein the thickness of the ceramic layer is 1/10 or less of the thickness of the dielectric. 【請求項３】前記セラミック層の厚さを当該セラミック
層の誘電率で割った値が、前記プラズマの抵抗率を真空
の波動インピーダンスで割った値より小さいことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の気体レーザ装置。3. The thickness of the ceramic layer divided by the dielectric constant of the ceramic layer is smaller than the resistivity of the plasma divided by the wave impedance of the vacuum. The gas laser device according to item 1. 【請求項４】前記セラミック層がハロゲン族と反応しな
いものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の気体レーザ装置。4. The gas laser device according to claim 1, wherein the ceramic layer does not react with a halogen group.
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