JPH0716063B2

JPH0716063B2 - マイクロ波励起ハイパワーレーザ

Info

Publication number: JPH0716063B2
Application number: JP2304224A
Authority: JP
Inventors: ゲカトフランク
Original assignee: ドイチェフォルシュングスアンシュタルトフュアルフトーウントラウムファールトエー．ファウ．
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: US5058122A; JPH03208385A; DE3937490A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はハイパワーレーザに関し、さらに詳記すれば、
共振器の軸方向に相互に対向して離間して配置したミラ
ー群と共振器の軸方向及びこれに直交する横断方向の双
方向に延びたビーム軌道とを有する共振器と、ビーム軌
道に透過されレーザガスを収容したガス放電容積部と、
共振器の軸方向及び横断方向に対して実質的平行に展開
しガス放電容積部を包囲してその境界を規定する対向壁
面とを具備したハイパワーレーザに関する。

〔従来の技術〕

この種のハイパワーレーザは公知である。しかしなが
ら、従来ガス放電容積部におけるレーザガスの励起は、
水平に広がるビーム軌道が通り抜ける容量区域内でのガ
ス放電容積部の励起として高周波により実施されてい
る。すなわち、共振器の軸方向とこれに直交する方向と
の双方向においてのみ、この種の励起が可能であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、レーザの高周波励起は、特に高出力であ
る場合に非常に費用がかかる問題があった。

したがって本発明の目的は、一般的な種類のレーザに対
し、より経済的な励起を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明によるハイパワーレ
ーザは、少くとも１つの壁面が絶縁壁によって形成さ
れ、ガス放電容積部内のレーザガスから分離しかつ絶縁
壁に面した開口を有して開口に対向したガス放電容積部
の容積区域内にレーザガスのマイクロ波励起を生じさせ
るマイクロ波共振構造を絶縁壁上に配置し、このマイク
ロ波共振構造にマイクロ波発生源からマイクロ波を誘導
可能であることを特徴とする。

本発明による解決法の有利点は、２つの対向面によって
のみ境界が規定されるため、両側面が開放状態となり、
共振器それ自体を形成出来ない２次元構造物を構成する
ガス放電容積部内で、マイクロ波励起が簡単に達成され
る点に見られる。

これは、マイクロ波による経済的な励起が可能となる、
本発明にかかわるハイパワーレーザーに帰着する。

複数のマイクロ波共振構造が絶縁壁上に配置されること
は、なかんずくガス放電容積部内で出来るだけ一様とな
るマイクロ波励起を得る上で、特に有益となる。これら
マイクロ波共振構造は、次に、その相互の間隔に関し、
容易に配列出来、これにより、ガス放電容積部内で出来
る限り一様となるマイクロ波励起を供することになる。

ガス放電容積部内で出来る限り一様となるマイクロ波励
起を、これが供するため、この関連で、マイクロ波共振
構造が、一定パターンで配列されることで、特に好都合
となるとの実証が為されている。

マイクロ波のビーム軌道への最適適合は、共振器軸方向
とこれに直交する両方向でのビーム軌道の範囲に対応す
る区域に配列されるマイクロ波共振構造により可能とな
る。特に、垂直方向において、即ち、２壁面による空間
方向において、出来る限り一様となるレーザガスのマイ
クロ波励起を達成するため、ガス放電容積部の両壁面間
でのマイクロ波励起がここまで及ぶ様にするため、対応
が為される。

上記実施態様において、マイクロ波共振構造が一方の壁
面上に設置されるとの仮定が行われた。この場合、この
壁面を支持する壁は、絶縁設計となり、もう一方の壁
は、絶縁設計でメタルコーテングを施されるか、あるい
は、完全なメタル製となる。

しかし、本発明にかかる解法の改善された実施態様にお
いて、双方の壁面が絶縁壁により構成され、少なくとも
１つの共振構造が、双方の壁面のそれぞれに設置され、
これにより、ガス放電容積部内でのガスレーザの励起
が、向かい合った両壁面から生ずる様にするため、対応
が為された。この場合、例えば、マイクロ波励起が両壁
面の間のガス放電容積部全体に及ばないこと、および例
えば、２つの対向する共振構造のマイクロ波励起が、相
互に補完し合うことも可能となる。

しかしガス放電容積部内で、出来る限り一様となる、レ
ーザガスの大部分の共振構造励起の配列による、特に単
純な方法での達成のため、共振構造が双方の絶縁壁中に
設置されることが、特に、有用となる。この関連におい
て、それぞれのマイクロ波共振構造に関連する容積区域
が、相互に一致しない様に、対向する壁上に配列される
共振構造が、相互に関連して、交互に配列されること
が、特に好都合となる。

さらに、共振構造が、対向する両者の間のギャップを埋
める様に、相互の関連で、共振構造が設置される対向す
る壁上に来るパターンで、マイクロ波共振構造が配列さ
れることが、好都合となる。

本発明の解法の範囲内で、各共振構造が、それ自体のマ
イクロ波源、これに関連する、出来ればマグネトロンを
有する実施態様が特に有用となると実証されている。こ
の場合、出来る限り一様となるガス放電容積部内でのレ
ーザガスの励起を達成することのほかに、ハイパワーレ
ーザを励起するため、如何にして、低出力の幾つかのマ
イクロ波源を、相互に結合させるべきかに関する問題
が、同時に解決される。例えば、最後に言及した場合に
おいて、マイクロ波源が相互に影響し合う、特に、相互
に干渉し合うため、幾つかのマイクロ波源のパワーを単
独ライン中に送るために必要な複雑な手段は、省略され
る。マイクロ波源の相互影響が、共振構造のために生じ
るため、各マイクロ波源に関連する共振構造を相互に切
り離すことにより、この問題は、完全に解決され、これ
により共振波源は、ガス放電容積部内でのレーザガスの
励起に対し、全パワーを振り向けることが出来る。

これにより、かかるレーザの励起用に、日常的応用より
知られる商業的に利用可能で、適当な価格のマグネトロ
ンの使用が可能となる。

上記実施態様において、共振構造の設計に関し、詳細は
一切示されていない。共振構造が、シリンダ共振器とな
ることが、特に好都合となる。共振構造が、矩形共振器
となることも望ましい。

シリンダ共振器が絶縁壁の先端面に設置される様に配列
されることが望ましい。

シリンダ共振器のガス放電容積部への最適結合を得るた
め、シリンダ共振器が、絶縁壁に面する端面で開状態と
なる様、最も簡単な状態で、対応が為されている。マイ
クロ波源と共振構造との間の接続は、マイクロ波源より
共振構造まで延びる同軸管による、特に簡単な方法で設
定可能となる。

上記実施態様において、ガス放電容積部の境界を定める
壁面に関し、詳細は一切示されない。本発明にかかわる
ハイパワーレーザの望ましい実施態様において、例え
ば、壁面が、基本的に共振器軸沿いに、ミラーとミラー
との間を占める導波管の導波面を光学的に反射する様
に、対応が為されている。この場合、本発明にかかるハ
イパワーレーザは、いわゆる導波管レーザーとなる。こ
れと併せて、共振器が不安定な共振器となることも好都
合となる。

この特に好ましい実施態様において、ガス放電容積部が
滞流レーザガスにより充填され、且つ、レーザガスがこ
のために、出来れば冷却される壁面との、単に相互作用
および拡散により冷却される様にも対応が為されてい
る。

この代案として、本発明にかかるレーザーの一層望まし
い実施態様において、レーザガスがガス放電容積部内を
流れる様に対応が為されている。この場合、レーザガス
が共振器を横断する方向に流れることが特に好都合とな
る。この場合、本発明にかかるハイパワーレーザは横断
流タイプレーザとなり、これは特に、両側が開状態とな
り、ガス放電容積部およびそれ故ガス放電チャンネルも
形成する両壁面により形成される２次元放電構造を必要
とする。

放電の正確な均一化は、横断流タイプレーザを使用する
場合、これらの容積区域内で励起されるガスレーザが、
光学式共振器へ到る途中の流れにより均一化される様
に、光学式共振器の上流側に配列される、マイクロ波励
起容積区域により、特に達成可能となる。この場合、こ
の区域が、マイクロ波励起容積区域と共振器との間のマ
イクロ波励起が妨げられない区域となることは、特に好
都合となる。

共振器は、折りたたみ共振器が望ましい。この場合、し
かし、共振器が不安定共振器となることも可能となる。
本発明にかかる解法のなお一層の利点および特性は、幾
つかの実施態様に関する、下記説明と添付図面中で見出
される。

〔実施例〕

第１図において、10で表示される本発明にかかるハイワ
ハーレーザーの第１実施例は、その間にガス放電容積部
18を収納する、２枚の平行する壁板14および16により形
成される12で表示される放電チャンネルより成る。ガス
放電容積部18に対向する壁板14および16の壁面24および
26に平行し、且つ、出来れば壁板14および16の幅広の側
端にも平行に延びる、横断方向22により、矢印20により
示される様に、このガス放電容積部18は、横断方向22
に、レーザガス流により透過される。レーザガス流20
は、ガス放電チャンネル12の長手方向の全範囲を通じ、
即ち、壁板14および16の長手方向の両側端30間で、ガス
放電容積部18中に入り、再度壁板14および16の反対側の
長手方向の両側端32間のガス放電チャンネルより外に出
る。

本発明にかかるハイパワーレーザの第１実施例による共
振器は、壁板14および16の対向する幅広の側端28での、
２組のミラー（それぞれ34および36）より成る。例え
ば、１組のミラー34は、相互に平行となる様に調整され
た、２枚の単独ミラー38および40より成り、一方、もう
一組のミラー36は、例えば、相互に向かい合い、これと
結合される、幅広い側端28に対し、45度の角度で配置さ
れる、２枚のミラー42および44より成る。

ガス放電容積部18内を透過する、レーザビーム48が、例
えば、共振器軸46の方向に、ミラー38より、ミラー42ま
で伸び、ミラー42によりミラー44上に反射され、そこよ
り、再度、ミラー４に向けて、共振軸46の方向に進む様
に、２組のミラー34および36は、長手方向の側端30およ
び32に平行に伸びる共振軸46を持つ共振器を形成する。
レーザビーム48の一部が、このレーザビーム50の様に、
ミラー40から切り離され、ミラー40を通して、共振器軸
46の方向に続く様に、ミラー40が部分的に伝送設計とな
ることが望ましい。

第１図に示される共振器は、横断流タイプハイパワーレ
ーザ向け共振器の１つの実施例のみを示す。現行レーザ
ビーム50同様、その一部が切り離されるまで、ガス放電
容積部18を透過する際に、レーザビーム48は、前後に数
回反射される様に、当然共振器も、数回折りたたまれ
る。共振器が、横断流タイプハイパワーレーザに対し、
光学的に不安定な共振器として設計されることも考えら
れる。

ガス放電容積部18内を流れるレーザガスを励起するた
め、壁板のうちの１つ以上、例えば、第１図中の壁板16
が、絶縁材料より成り、且つ共振器52の大部分がガス放
電容積部18に対向するその側面上に直接設置される。第
２図に示される様に、これら共振器はシリンダ共振器と
して設計されることが望ましく、シリンダ軸56に対し、
壁板16上に、出来れば垂直方向に設置されるシリンダ状
の共振器ハウジング54を有する。壁板16に向き合う共振
器ハウジング54の一方の端面58は、壁板16に対し、完全
に開状態となり、一方、もう一方の壁板16より離れて、
これに対向するもう一方の端面60は、共振器ハウジング
54のシリンダジャケット64と同様、メタル製のカバー62
により、閉状態となる。

本発明に基づき、同軸管66は、カバー62まで導かれ、そ
の外部導体68により、カバー62に接続され、一方、同軸
管66の内部導体70は、絶縁状態でカバー62中を通り、カ
バー62またはシリンダジャケット64への結合ループ74の
形で、共振器ハウジング54の内部72中に導かれる。

各共振器52の同軸管66はマイクス波源へ、出来れば、共
振器と結合されるマグネトロン76に導かれる。本発明の
範囲内で、１つのマイクロ波源76より、幾つかの共振器
にマイクロ波を供することが好都合となる。しかし共振
器のそれぞれが、マイクロ波源76 1個により、特に、マ
グネトロンによりマイクロ波を供されることが特に好都
合となる。本発明にかかるレーザーの励起に対し、経済
的価格で商業的に利用可能となり、且つ特にマグネトロ
ン76が相互に影響し合い、そしてその機能に関し相互に
干渉し合う場合等における複雑な措置を講ずる必要性が
一切無い。

本発明にかかる共振器52′の他の実施例は、第３図に示
される。共振器の部品が、第２図中の共振器52の部品と
一致する限り、各部品は同様の参照番号を冠し、これに
より、第２図中の共振器52に関する明細書に対する参照
も示される。

結合ループ74による絶縁結合の代わりに、内部導体70に
接続され、共振器ハウジング54より絶縁される結合ウェ
ブ78を介して、電気容量結合となる点においてのみ、共
振器52′は、共振器52より異なる。

開状態となる端面58により、共振器52および52′のそれ
ぞれは、端面58に対向するガス放電容積部18の容積区域
80に、マイクロ波励起をもたらす。容積区域80は基本的
にシリンダ状共振器52に似た、シリンダ状形状で、出来
れば、絶縁壁板16より対向する壁板14まで延びる方が望
ましく、これにより、ガス放電容積部18全体を垂直方向
83に充填する。

第１図に示される第１実施例において、複数の共振器
は、壁板16上で、予め規定されるパターン82で、配列さ
れる。パターン82が、基本的に横断方向22に、レーザビ
ーム48により透過される、ガス放電容積部18の区域を完
全にカバーししかも共振器46の方向で、出来るだけ広範
囲に及ぶ様に、パターン82は、この横断方向22に延びる
方が望ましい。

上記第１実施例において、壁板14は、絶縁材料製となっ
てもよく、メタルコーテングを施すことも望ましく、あ
るいは、壁板16より結合されるマイクロ波に対する反射
壁を形成するため、全体をメタル製としてもよい。

第４図および第５図に示される、第１実施例の変形の中
で、壁板14および16双方が絶縁材料製となり、且つ、共
振器52あるいは52′を支えるために、対応が為される。
この際、パターン82aの共振器52が、パターン82bの共振
器52間のギヤップを埋める時に、共振器52を、対向する
壁板14および16上で同一パターンに配列し、且つ、パタ
ーン82を相互に関連し、交互に配列する。それ故、ガス
放電容積部18内で、共振器52により、マイクロ波励起が
引き起こされる区域は、基本的に、相互に完全にオーバ
ーラップし、ガス放電容積部18内でほぼ完全なマイクロ
波励起が生じる。

第６図中に示される、本発明にかかるハイパワーレーザ
の２番目の実施例の中で、特に、急速なレーザガス流2
0′がガス放電容積部18を透過し、各部品が第１実施例
の場合の部品に一致する限り、これら部品は、同じ参照
番号を有し、これにより、これら部品の説明のため、第
１実施例に関する明細書に対し、参照が為される。

第１実施例の場合とは大きく異なり、レーザビーム48が
レーザガス流20′より下流に位置するガス放電容積部の
区域84中に延び、且つパターン82′が区域84から少くと
も上流まで延び、これにより、励起される容積区域80
が、区域84より少くとも上流に及び、場合により、区域
84中にも延びることが出来る様ち、共振器の設計が行わ
れる。

この結果、急速なレーザガス流20の場合は、特に共振器
により透過され、区域84に入る前の流れにより、および
レーザビーム48′により、レーザガスが完全に励起さ
れ、それ故可能な最大パワーによる干渉性放射が、区域
84内で生成可能となる。区域84中に入る前に、レーザガ
スが励起される強度および継続時間長は、横断方向22の
上流のパターン82′の範囲に依り、自由に選択可能とな
る。この範囲が、パターン82′の容積区域80と区域84と
の間のマイクロ波励起に障害の無い区域となることが、
特に望ましい。

第７図に示される本発明にかかる、ハイパワーレーザの
３番目の実施例において、第１実施例の場合の部品と一
致する部品は同じ参照番号が付き、これにより、これら
部品の説明のため、第１実施例に関する明細書に対し、
完全に、参照が為される。

第１実施例の場合とは大きく異なり、壁板14および16
は、ガス放電容積部18の境界を定めるためにのみ役立つ
だけでなく、同時にレーザビームを光学的に反射する壁
面24′および26′として供され、これにより、２枚の壁
板14および16が、壁面24′および26′により、導波管の
場合に通例となる相互間隔で、壁面24および26′の配列
される、特別必要条件に適合する、その全体110で表示
される、導波管を形成する。

さらに、共振器は幅広の側端28に関連する凸面鏡112お
よび幅広の側端28反対側に関連する凹面鏡14より成る、
光学的に不安定な共振器として設計される。凸面鏡112
および凹面鏡114はシリンダ状の設計となる、即ち、垂
直方向83で平坦となることが望ましく、対向する、出来
れば、同焦点ミラー表面116および118を有することが望
ましい。ミラー表面116および118の半分が、左右対象
で、不安定な共振器を形成する様に設計される、共振器
が特に望ましく、これにより、例えば、この不安定な共
振器の共振器軸120は、ミラー表面116および118を共振
器軸120に直交させ、共振器120との交点に設置すること
により、第７図中のミラー表面116の左側端より、例え
ば、ミラー表面の左側端まで伸びる。ミラー表面116お
よび118の設計によって、ビーム経路122が、前後の反射
を増大させることにより形成され、共振器軸120より右
側に、横断方向22に伝搬する。次に、ビーム経路は、凸
面鏡112に到る現行レーザービーム124上に及ぶ。凸面鏡
112は凹面鏡114よりも、横断方向22において、その範囲
が狭い。

ガス放電容積部18内を通る流れも一切無い方が望ましい
が、その代わり、ガス放電容積部18は、滞流するレーザ
ガスにより充填され、これにより、ガス放電容積部18内
の横断方向の流れを引き起こすための装置全てが、それ
無しで済まされることになる。

第１実施例き場合同様、共振器52が、対応する絶縁設計
となる壁板16上にのみ配列される様とするための、３番
目の実施例に関する最初の変形の範囲内で、対応が為さ
れ、一方壁板14は、この場合、メタル製あるいはメタル
コーテングを施した絶縁材料製の何れかとなる。

共振器が、共振器軸120内での共振をスタートさせるこ
とを可能とするため、パターン82は、少くとも、共振器
軸120をカバーする様、対応が為される。さらに、パタ
ーン82″は、横断方向22に出来る限り遠くまで及び、し
かも、出来るだけ完全に、横断方向22においても、ビー
ム経路122をカバーしなければならない。パターン82″
が、共振器軸120方向において、出来るだけ遠くまで及
ぶことも好都合となる。

なお一層の変形の中で、壁板14と壁板16双方が、対応し
て交互に配列されるパターン82aおよび82b中で、共振器
52を支える様に、第４図および第５図に示される通り、
対応を為し得る。

この特許出願の際の説明書は、1989年11月10日のドイツ
特許出願番号P3937490.4内で開示される主題に関連し、
この全体スペックは、参照としてこの説明書中に組み込
まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例の略斜視図、第２図は第１図の線２
−２に沿った断面図、第３図は第２図と同様の図で第１
実施例の変形例の断面図、第４図は第２図と同様の図で
第１実施例の他の変形例の断面図、第５図は第４図の他
の変形例の平面図、第６図は第１図と同様の図で第２実
施例の略斜視図、第７図は第１図と同様の図で第３実施
例の略斜視図である。 14,16……絶縁壁、18……ガス放電容積部、24,26……壁
面、48,122……ビーム軌道、52……マイクロ波共振構
造、66……同軸管、76……マイクロ波発生源、110……
導波管、80……容積区域。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器の軸方向に相互に対向して離間して
配置したミラー群と、該共振器の軸方向及び該軸方向に
直交した横断方向の双方向に延びるビーム軌道とを有す
る共振器と、レーザガスを収容し、前記ビーム軌道が透過するガス放
電容積部と、前記共振器の軸方向及び前記横断方向に対して実質的平
行に展開し、前記ガス放電容積部を包囲してその境界を
規定する対向した２つの壁面、とを具備するハイパワー
レーザにおいて、少なくとも１つの前記壁面（24,26）が絶縁壁（14,16）
によって形成され、前記ガス放電容積部（18）内の前記レーザガスから分離
したマイクロ波共振構造（52）を前記絶縁壁（14,16）
上に配置し、該マイクロ波共振構造（52）が該絶縁壁
（14,16）に面した開口を有して該開口に対向した該ガ
ス放電容積部（18）の容積区域（80）内に該レーザガス
のマイクロ波励起を生じさせ、前記マイクロ波共振構造（52）にマイクロ波発生源（7
6）からマイクロ波を誘導可能であること、を特徴とするハイパワーレーザ。
【請求項２】複数の前記マイクロ波共振構造（52）を前
記絶縁壁（14,16）上に配置することを特徴とする請求
項１記載のハイパワーレーザ。
【請求項３】前記複数のマイクロ波共振構造（52）を特
定の様式（82a,82b）に配置することを特徴とする請求
項２記載のハイパワーレーザ。
【請求項４】前記複数のマイクロ波共振構造（52）を、
前記共振器の軸方向（46,120）及び前記横断方向（22）
における前記ビーム軌道（48,122）の広がりに対応した
区域に配置することを特徴とする請求項２又は３記載の
ハイパワーレーザ。
【請求項５】前記マイクロ波励起は前記ガス放電容積部
（18）の前記２つの壁面（24,26）間に広がることを特
徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のハイパワー
レーザ。
【請求項６】前記２つの壁面（24,26）をいずれも絶縁
壁（14,16）によって形成し、少くとも１つのマイクロ
波共振構造（52）を該壁面の各々に配置することを特徴
する請求項１〜５のいずれか一項記載のハイパワーレー
ザ。
【請求項７】複数の前記マイクロ波共振構造（52）を前
記絶縁壁（14,16）の双方に配置することを特徴とする
請求項６記載のハイパワーレーザ。
【請求項８】対向する前記絶縁壁（14,16）に配置した
前記マイクロ波共振構造群（52）を相互にジグザグ状に
配置することを特徴とする請求項６又は７記載のハイパ
ワーレーザ。
【請求項９】前記マイクロ波共振構造（52）の各々をそ
れ自体のマイクロ波発生源（76）に連結することを特徴
とする請求項１〜８のいずれか一項記載のハイパワーレ
ーザ。
【請求項１０】前記マイクロ波共振構造（52）はシリン
ダ共振器であることを特徴とする請求項１〜９のいずれ
か一項記載のハイパワーレーザ。
【請求項１１】前記シリンダ共振器（52）を一端面（5
8）を以って前記絶縁壁（14,16）上に配置することを特
徴とする請求項10記載のハイパワーレーザ。
【請求項１２】前記シリンダ共振器（52）は前記絶縁壁
（14,16）に対面した前記端面（58）で開口することを
特徴とする請求項11記載のハイパワーレーザ。
【請求項１３】前記マイクロ波発生源から前記マイクロ
波共振構造まで同軸管（66）が連通することを特徴とす
る請求項１〜12のいずれか一項記載のハイパワーレー
ザ。
【請求項１４】前記壁面群（24′,26′）を、実質的に
前記共振器の軸（120）に沿って前記ミラー群（112,11
4）の間に延びる導波管（110）の光学的反射導波面とし
て形成することを特徴とする請求項１〜13のいずれか一
項記載のハイパワーレーザ。
【請求項１５】前記共振器は不安定共振器であることを
特徴とする請求項１〜14のいずれか一項記載のハイパワ
ーレーザ。
【請求項１６】レーザガスは前記ガス放電容積部（18）
を通って流れることを特徴とする請求項１〜15のいずれ
か一項記載のハイパワーレーザ。
【請求項１７】レーザガスは前記共振器を通って前記横
断方向（22）に流れることを特徴とする請求項16記載の
ハイパワーレーザ。
【請求項１８】マイクロ波励起した前記容積区域（80）
を前記共振器の上流に配置することを特徴とする請求項
16又は17記載のハイパワーレーザ。
【請求項１９】前記マイクロ波励起した前記容積区域
（80）と前記共振器との間に、マイクロ波励起を受けな
い区域があることを特徴とする請求項18記載のハイパワ
ーレーザ。
【請求項２０】前記共振器が折畳み式共振器であること
を特徴とする請求項１〜19のいずれか一項記載のハイパ
ワーレーザ。