JPH07105539B2 - 気体レーザ装置 - Google Patents

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。

［従来の技術］ 第６図は従来の気体レーザ装置を示す斜視図、第７図は
気体レーザ装置の断面図、第８図は第６図のVIII-VIII
線断面図である。図において、（１）はマイクロ波発振
器であるマグネトロン、（２）はマイクロ波伝送路であ
る導波管、（３）は導波管（２）の巾を広げるホーン導
波管、（４）はマイクロ波結合窓、（５）はレーザ発振
用の部分反射ミラー、（６）はマイクロ波回路であるレ
ーザヘッド部、（７）はレーザ発振用の全反射ミラーで
ある。このレーザヘッド部（６）は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の構造を持
つ。第７図において、（61）はマイクロ波結合窓（４）
に続く空胴壁、（62）および（63）はこの空胴体壁の断
面の中央部に形成されたリッジ、（64）はこの一方のリ
ッジ（62）に形成された溝であり、（65）はマイクロ波
回路の一部を構成する導電体壁であって、溝（64）の壁
面が使用される。（66）はこの導電体壁（65）に対向し
て設けられた例えばアルミナなどの誘電体であり、（6
7）はこの誘電体（66）が上記溝（64）を蓋うことによ
り上記導電体壁（65）と誘電体（66）との間に形成され
る放電空間であって、この放電空間（67）に例えばCO₂
レーザガスなどのレーザ気体が封入される。また（68）
はリッジ（62）および（63）に形成された冷却水路であ
る。

上記のように構成された従来の気体レーザ装置におい
て、マグネトロン（１）で発生されたマイクロ波は導波
管（２）を通ってホーン導波管（３）で拡げられ、マイ
クロ波結合窓（４）でインピーダンスマッチングをとる
ことにより効率よくしレーザヘッド部（６）に結合され
る。レーザヘッド部（６）は第２図に示されるようにリ
ッジ空胴状になっており、マイクロ波はリッジ（62），
（63）の間に集中する。この集中したマイクロ波の強い
電磁界により放電空間（67）に封入されたレーザ気体が
放電破壊し、プラズマを発生し、レーザ媒質が励起され
る。ここで、冷却水路（68）に冷却水を流し、放電プラ
ズマを冷却するとともに、レーザ気体の圧力などの放電
条件を適切に選ぶことによってレーザ発振条件が得ら
れ、部分反射ミラー（５）および全反射ミラー（７）に
よりレーザ共振器を形成することでレーザ発振光を得る
ことができる。この時、気体レーザ装置においてはマイ
クロ波回路の一部を構成する導電体壁（65）と、この導
電体壁（65）に対向して設けられ、マイクロ波の入射窓
となる誘電体（66）との間に形成される放電空間（67）
においてマイクロ波放電を行なわせるため、マイクロ波
の入射はプラズマの一面からのみ行なわれることにな
り、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は起こらず、所期のマイクロ波
モードによる放電を行なわせることができる。また第７
図に示されるリッジ空胴のようにマイクロ波回路が上記
誘電体（66）とプラズマ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（66）と導
電体壁（65）は対向して設置されているので導電体壁
（65）にも垂直電界成分を有することになり、プラズマ
を貫く電界ができる。この時、導電性を持つプラズマが
発生してもマイクロ波入射窓である誘電体（66）に対向
してプラズマよりも数桁導電性の高い導電体壁（65）が
あるために入射マイクロ波の終端電流この導電体壁（6
5）を流れ、導電体壁（65）近傍の電界は強制的に導電
体壁（65）の表面に垂直にされ、上記のプラズマを貫く
電界が維持される。このため、マイクロ波がプラズマ中
に浸透し、プラズマを貫く電流が流れ、電流の連続性か
ら空間的に一様な放電プラズマが得られる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の気体レーザ装置では、マイクロ波回
路（６）の一部を構成する導電体壁（65）と、この導電
体壁（65）に対向して設けられた誘電体（66）との間に
形成される放電空間（67）にマイクロ波放電によるプラ
ズマを発生するレーザ気体を封入すると共にマイクロ波
回路（６）を誘電体（66）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ようにし
て空間的に一様なマイクロ波放電プラズマを発生させる
ようにしているが、マグネトロン（１）から発振された
マイクロ波が導波管（３）によって伝送され、マイクロ
波結合窓（４）を介して誘電体（66）に伝送される場合
の、レーザヘッド部（６）におけるマイクロ波の電磁界
分布は、第８図に示すようにレーザヘッド部（６）の設
計上からどうしても電界強度の強いところと弱いところ
が生ずるため、放電空間（67）の長手方向において強い
放電部分と弱い放電部分が部分的に生じ、長手方向の放
電分布が不均一となって放電空間（67）においてプラズ
マが均一に発生しないおそれがあるという問題点があっ
た。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、放電空間に発生するマイクロ波放電プラズマ
を長手方向において均一に安定したものとし、高効率，
大出力のレーザ動作を可能とする気体レーザ装置を得る
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る気体レーザ装置は、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
マイクロ波回路にマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送
路中にマイクロ波を反射する反射部材を少なくとも一つ
配設するように構成したものである。

［作用］ この発明における気体レーザ装置は、マイクロ波伝送路
中にマイクロ波を反射する反射部材を少なくとも一つ配
設しているから、マイクロ波発振器で発振されたマイク
ロ波がマイクロ波伝送路によって、マイクロ波回路に伝
送される途中でマイクロ波の一部が反射部材によって反
射され、マイクロ波回路中に電界が弱かった部分を強
く、強かった部分を弱くするようにマイクロ波伝送路中
のマイクロ波電磁界分布を変更する作用があり、マイク
ロ波回路におけるマイクロ波の電界分布は均一化され、
放電空間の長手方向における強い放電部分と弱い放電部
分が生じることが少なくなって、放電空間において長手
方向にプラズマが均一に発生する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例により気体レーザ装置を示
す斜視図、第２図は第１図のII-II線断面図、第３図は
第１図のＩ−Ｉ線断面図である。図において、従来と同
一の構成は従来例と同一符号を付して重複した構成の説
明を省略する。（30）はマイクロ波伝送路の一つである
ホーン導波管（３）の上部壁のレーザヘッド部（６）寄
り位置に適宜間隔をもって形成された三つのネジ穴、
（31）は各ネジ穴（30）に進退自在に螺合され、ホーン
導波管（３）中に配設されたマイクロ波を反射する反射
部材であるネジ状の導波管ポストで、導体で形成されて
いるが、誘電体であってもよい。

上記のように構成された気体レーザ装置においては、マ
イクロ波伝送路の一つであるホーン導波管（３）中にマ
イクロ波を反射する三つの導波管ポスト（31）が配設さ
れているから、マイクロ波発振器であるマグネトロン
（１）から発振されたマイクロ波が導波管（２）及びホ
ーン導波管（３）を伝搬してマイクロ波結合窓（４）で
インピーダンスを整合させてレーザヘッド部（６）に伝
送されるとき、マイクロ波がホーン導波管（３）内を伝
播してレーザヘッド部（６）に伝送される途中でマイク
ロ波の一部が導波管ポスト（31）によって反射され、ホ
ーン導波管（３）中のマイクロ波電磁界分布が変更され
る。この時、レーザヘッド部（６）の電界の弱い部分が
強く、強い部分が弱くなるよう三つの導波管ポスト（3
1）の挿入度合いを調整することにより、レーザヘッド
部（６）におけるマイクロ波の電界分布は均一化され
る。従って、放電空間（67）の長手方向における放電部
分の強いところと弱いところが少なくなって放電分布が
均一となり、第３図に示すように放電空間（67）におい
て安定且つ均一なプラズマが発生してレーザ出力を高効
率、大出力にて得ることができる。

また、この実施例では、マイクロ波の反射部材として導
波管ポスト（31）を三つ使用しているが、これに限るも
のではなく、導波管ポスト（31）の数を適宜に増減させ
てマイクロ波の電磁界分布を調整することも可能であ
る。

第４図はこの発明の他の実施例を示す斜視図である。図
において、（１）はマイクロ波発振器であるマグネトロ
ン、（２）はマイクロ波伝送路である導波管、（41）は
マイクロ波結合窓、（５）はレーザ発振用のミラー、
（６）はマイクロ波回路であるレーザヘッド部である。
この実施例では導波管（２）とレーザヘッド部（６）と
はレーザ光軸に沿う方向に並列配置されている。（31
1）は導波管（２）中に進退自在に配設されたマイクロ
波を反射する反射部材であるネジ状の四つの導波管ポス
トである。

この実施例では、レーザヘッド部（６）と並列配置の導
波管（２）中に四つの導波管ポスト（311）が配設され
ているから、マイクロ波結合窓（４）は導波管（２）軸
に平行となっており、導波管（２）におけるマグネトロ
ン（１）からのマイクロ波エネルギーはマグネトロン
（１）より遠ざかる位置にいくに従い次第に小さくな
り、レーザヘッド部（６）に結合されるマイクロ波のエ
ネルギーもマグネトロン（１）より遠い位置では少なく
なって、放電空間（67）の長手方向にわたって放電が不
均一になるのを、マイクロ波が導波管（２）内を伝播し
てレーザヘッド部（６）に伝送される途中でマイクロ波
の一部が導波管ポスト（311）によって反射され、マイ
クロ波伝送路中のマイクロ波電磁界分布が変更される。
この時、四つの導波管ポスト（311）の挿入度合いを調
整してマイクロ波伝送路中のマイクロ波電磁界分布をレ
ーザヘッド部（６）における電界分布が均一になるよう
にする。従って、放電空間（67）の長手方向において放
電部分の強いところと弱いところとが少なくなって放電
分布が均一になる。

第５図は、この発明のさらに他の実施例を示す斜視図で
ある。この実施例の気体レーザ装置は第４図に示す実施
例と同様に導波管（２）とレーザ部（６）とがレーザ光
軸に沿う方向に並列配置されているもので、マイクロ波
を反射する反射部材の構成が第４図に示す実施例と異な
るものである。

この実施例では、反射部材としていわゆる導波管の窓、
すなわち容量性窓（312）や誘導性窓（313）が設けられ
ている。この場合も、窓（312）や（313）は第４図の導
波管ポスト（311）と同様の働きをする。すなわち挿入
する窓の種類と位置や大きさを適宜選ぶことで、マイク
ロ波伝送路である導波管（２）中の電磁界分布を変更さ
せ、レーザヘッド部（６）における電磁界分布を均一に
することができ、放電分布を均一にできる。

なお、上記実施例ではマイクロ波伝送路中の反射部材と
して導波管ポストや窓を用いたものについて説明した
が、反射部材として例えば伝送路中に誘電体板を置いて
もよく、伝送中に伝送路のインピーダンスを変化させる
部材を設ければ上記実施例と同様の効果がある。

また、反射部材は第１図や第４図の実施例のように可動
にして調整できるようにしてもよいが、放電空間の長手
方向の放電の分布が均一になる条件をみいだせば、この
条件で固定して用い得る。したがって、例えば量産装置
のようにすべて同一条件で用いるものにあっては、反射
部材は必ずしも可動である必要はなく、固定したもので
あってもよい。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、マイクロ波伝送中にマ
イクロ波を反射する反射部材を少なくとも一つ配設し、
マイクロ波発振器で発振されたマイクロ波がマイクロ波
伝送路によって伝送される途中でマイクロ波の一部を反
射部材によって反射させ、マイクロ波回路中の電磁界分
布を変更させてマイクロ波回路に結合されるようにした
ので、マイクロ波回路におけるマイクロ波の電界分布は
均一化され、放電空間の長手方向における放電部分も強
弱が少なくなって、放電空間において長手方向にプラズ
マが均一に発生してレーザ出力を高効率、大出力にて得
ることができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

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
す斜視図、第２図は第１図のII-II線断面図、第３図は
第１図のＩ−Ｉ線断面図、第４図はこの発明の他の実施
例を示す斜視図、第５図はこの発明のさらに他の実施例
を示す斜視図、第６図は従来の気体レーザ装置を示す斜
視図、第７図は気体レーザ装置の断面図、第８図は第６
図のVIII-VIII線断面図である。 ３……ホーン導波管（マイクロ波伝送路）、311……導
波管ポスト（反射部材）。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、マイク
   ロ波伝送路により伝送されたマイクロ波の放電により、
   レーザ気体にプラズマを発生させて、レーザ励起を行う
   マイクロ波回路とを備え、前記マイクロ波回路中に設け
   られ、マイクロ波の入射窓となる誘電体を一面とする放
   電空間に前記レーザ気体を封入し、前記マイクロ波回路
   によって前記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
   形成するようにしたマイクロ波励起方式の気体レーザ装
   置において、前記マイクロ波伝送路中にマイクロ波を反
   射する反射部材を少なくとも一つ配設したことを特徴と
   する気体レーザ装置。