JPH0724315B2 - 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10図は，例えば雑誌（Journal of Applied Physics V
ol.49,No.7,July 1978,P3753）に記載された従来の気体
レーザ装置を示す断面構成図，第11図は第10図における
B-B線断面図である。

図において，（３）はマイクロ波を伝送する導波管，
（31）はこの導波管の一部に設けられた導波管テーパ，
（32）はこの導波管テーパ部の空間に設置されたパイレ
ツクスガラス製のレーザ放電管，（33）はこのレーザ放
電管の端部に設けられたレーザガス導入口，（34）は同
じくレーザガス排出口，（35）は上記レーザ放電管（3
2）を包むように配設された冷却ガス送気管，（36）は
この冷却ガス送気管の端部に設けられた冷却ガス導入
口，（37）は同じく冷却ガス排出口，（38）は上記レー
ザ放電管（32）の両端に設けられたブリユースター窓，
（39）はDC放電用の陰極，（40）は同じく陽極である。

上記のような従来の気体レーザ装置において，レーザ放
電管（32）中にはレーザガス導入口（33）より例えばCO
₂レーザガスのようなレーザ気体が導入され，一方，導
波管（３）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（３）は内部に導波管テーパ（31）を
有し，レーザ放電管（32）の設置された位置で導波管
（３）の内径が最小となつているためこの位置でのマイ
クロ波の電界が最大となる。この強いマイクロ波電界に
よりレーザ放電管（32）中のレーザ気体が放電破壊し，
プラズマを発生してレーザ媒質が励起される。このと
き，冷却ガス送気管（35）中に例えば低温のN₂ガスなど
を高速で流し，レーザ放電管（32）を外部から冷却する
とともに，レーザ気体の圧力などの放電条件を適切に選
ぶことによつてレーザ発振条件が得られ，ブリュースタ
ー窓（38）の外部に図示のないレーザ発振用のミラーを
設けることによりレーザ発振が行われる。

〔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，閉じたレーザ
放電管（32）を使用しているために，導電性を持つプラ
ズマが発生するとレーザ放電管（32）中のプラズマを内
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
り，プラズマ中のマイクロ波電界はレーザ放電管（32）
の管壁に平行な成分を主成分とする電界となり，プラズ
マ中へ侵入するマイクロ波は実質的にレーザ放電管（3
2）の管壁つまりプラズマ境界に対して垂直に入射する
モードとなる。このようにプラズマ境界に対して垂直に
入射するマイクロ波によつて発生する放電においてはマ
イクロ波電界は放電管壁から内部に向けて減少するが，
放電プラズマが定電圧的な特性を持つために僅かな電界
の差異によつて電流密度が大きく変化し，結果として放
電管壁付近に集中した著しく不均一なプラズマが発生す
ることになる。従来のマイクロ波放電を利用した気体レ
ーザ装置においてはこのように不均一なプラズマが発生
するために放電全体をレーザ励起に適当な状態とするこ
とが困難となり，またレーザ共振器モードとプラズマが
オーバラツプせずレーザ出力や効率が極端に低いという
問題点があつた。

事実，第10図の装置では，マイクロ波として2.45GHzで,
132Hz,パルス巾１μs,ピーク電力2.6kWで動作させた時
に平均出力として15mWの出力しか得られず，またレーザ
パルスはマイクロ波パルスが終わつてから後のいわゆる
アフターグローの部分でしか得られなかつたと報告され
ている。即ち，パルス巾も短く，パルスピークも低いレ
ーザパルスしか得られていない。これは上記で説明した
放電の不均一性のため，パルス巾１μs,132Hzすなわち
約１万分の１という短いパルス巾と，非常に低いパルス
デユーテイでしか動作させることができなかつたからと
考えられる。

さらに，CO₂レーザでは，従来の例えばDC放電からMHzオ
ーダーまでの高周波放電を用いたものでのパルス発振に
あつては，パルスピークはせいぜい平均出力の２〜３倍
しかなくパルス巾はmsオーダーでこれより短いパルスに
するのは難しかつた。

また，いわゆるTEAレーザでは，パルス巾は１μｓ以下
の非常に短いパルスしか発振出来ない。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので，空間的に一様なマイクロ波放電プラズマを発
生させ,CW発振でもパルス発振でも，レーザ出力，効率
ともに高く，パルス発振では数μｓ〜msのパルス巾でパ
ルスピークも高いパルス発振が得られるレーザ装置を得
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，例えば導波管などの
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誘電体との間に形成される空
間にレーザ気体を封入すると共に，デユーテイー0.3以
下のパルスマイクロ波を上記マイクロ波回路内に励振す
るようにしたものである。

〔作用〕

この発明に係る気体レーザ装置においては，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性
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，プラズマ中には上記誘電体と
導電体壁の間を貫通する電流が流れることになり，プラ
ズマは壁面部に集中せず，空間的に一様なプラズマが発
生する。またマイクロ波放電であるからデユーテイーを
小さくして，瞬時の放電電力密度を高くしても，アーク
状の放電に移行する恐れが少なく，安定な放電が維持出
来る。また，放電維持電界以上になる領域が広くなるの
で，放電の長さ方向にも均一なプラズマが発生できる。

〔実施例〕

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
す概略斜視構成図であり，（１）はマイクロ波発振器で
あるマグネトロン，（２）は導波管，（４）はマイクロ
波結合窓，（５）はレーザ発振用のミラー，（６）はマ
イクロ波回路からなるレーザヘッド部であつて，第２図
はレーザヘツド部（６）の詳細を示す第１図A-A線での
断面図である。第２図に示されるようにレーザヘツド部
（６）はマイクロ波回路の一種であるリツジ導波管型の
マイクロ波空胴の構造を持つ。第２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）はこの空胴壁の断面の中央部に形成されたリツ
ジ，（64）はこの一方のリツジ（62）に形成された溝で
あり，（65）はマイクロ波放電回路の一部を構成する導
電体壁であつて，この実施例では溝（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，（67）はこの
誘電体（66）が上記溝（64）を覆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
であつて，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）はリツジ
（62）および（63）に形成された冷却水路である。

以上のように構成されたこの発明による気体レーザ装置
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）を通つてマイクロ波結合窓（４）でイン
ピーダンスマツチングをとることにより効率よくレーザ
ヘツド部（６）に結合される。レーザヘツド部（６）は
第２図に示されるようにリツジ空胴状になつており，マ
イクロ波はリツジ（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てプラズマを発生
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つ
てレーザ条件が得られ，第１図中のミラー（５）および
図示のないもう一枚のミラー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，
この発明による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，マイクロ波放電の入射窓と
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，所望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。また第２図に示され
るリツジ空胴のようにマイクロ波回路が上記誘電体（6
6）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
も垂直な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はこの導電体壁（65）
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。この様子を第３図
の拡大断面図に示す。図において（69）はマイクロ波電
界の電気力線，（70）は放電プラズマである。この発明
による気体レーザ装置によれば，第３図に示されるよう
な均一な放電が得られる。

一方，従来，マイクロ波放電用として，マグネトロンの
電源は，リツプルの少ない高圧DC電源，あるいは半波倍
電圧整流しただけの脈流電源が用いられ，マイクロ波は
CW,あるいはデユーテイー0.5程度で商用周波数（50また
は60Hz）の脈流パルスで発生されていた。この発明の実
施例ではさらに，マイクロ波を発生するマイクロ波発振
器であるマグネトロンの電源として，例えば第４図のも
のを用いる。高電圧電源（11）で発生された高電圧を高
圧スイツチング回路（12），例えば，スイツチング素子
としてFET Q1,Q2を用いてON-OFFして，この矩形のパル
ス高電圧をマグネトロン（１）に印加する。この電源で
駆動されたマグネトロンにより発生されるマイクロ波の
波形は第５図のようになる。すなわち，平均電力に対し
てピーク電力が３倍以上の断続されたパルスマイクロ波
が発生される。このパルスマイクロ波の周期やデユーテ
イーを変えることによりCW発振でもパルス発振でも可能
となる。

ここで，CO₂レーザを例にとつて説明する。第１図で示
される装置で放電空間にCO₂レーザガスを封入し，パル
スマイクロ波で放電させる場合,1パルス毎のマイクロ波
エネルギーでレーザガスの温度が200℃以上に上がらな
いようにすればレーザ発振させることができる。レーザ
ガスはガスの時定数，冷却速度，パルスマイクロ波の周
期により温度の変調がかかるが，パルス周期が短いほど
温度の変調は少なくなり，パルス周期が長いほど変調は
大きくなる。例えば，放電空間の厚みが2mmで，ガス圧5
0torrでパルス幅20μｓのパルスマイクロ波で放電させ
た場合，パルス周波数30kHzではガス温度は第６図
（ａ）のようにあまり変化しない。この時のレーザ出力
は第６図（ｂ）のようにほぼCWになる。また100Hzでは
第７図（ａ）のようにガス温度もパルス状に変化する。
この時のレーザ出力は第７図（ｂ）のようにパルスにな
る。周波数が1kHzでは，第８図（ａ）のように１パルス
で上昇したガス温度が次のパルスの立ち上がり時にはほ
ぼ常温まで冷却される。このような状態まで，即ち前の
パルスの影響がほぼなくなるぐらいの長さの周期まで
は,1パルスで，常温から200℃までガスを上昇させるだ
けのエネルギーを投入できる。すなわち，許容投入エネ
ルギーはガスの熱容量で決定される。この時のレーザ出
力は第８図（ｂ）のようにほぼ100Hzの時と同じパルス
波形になる。周波数が上昇するにつれガスが十分冷却さ
れないままでパルスエネルギーが投入されるようになる
ため,1パルスの許容投入エネルギーは小さくなるが，パ
ルスの繰り返し周波数が上がるとともに，時間当たりの
許容投入エネルギーは，平均的な冷却能力によつて決定
されるようになる。従つて，この条件では1kHz程度まで
は１パルスのエネルギーが大きいパルス発振,10kHz程度
以上ではCW発振となる。この間の周波数では，周波数が
増すに従つて１パルスのエネルギーは下がるが平均出力
は増加させることができ,CW発振に近付く。

レーザガスの冷却はこの実施例では，放電空間の壁面よ
り行われる。空間に対し表面積が大きいほど冷却効果が
ある。すなわち放電空間が薄いほうが冷却効果がある。
この発明のように放電空間を，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
た誘電体との間に形成される空間とした場合，容易に薄
い放電空間を形成できる。平均的な冷却が有効なCW発振
の場合，薄い放電空間により大きいレーザ出力が得られ
る。また，パルス発振の場合，薄い放電空間により冷却
がすばやくできるので繰り返し周波数を高くできる。

この構成の装置でレーザ発振させた例を示す。パルス幅
20μs,繰り返し周波数1kHz,ピーク約10kWのマイクロ波
で放電させた時，レーザ出力としてピーク約1kW,パルス
巾約30μs,平均出力約30Wが得られた。また，繰り返し
周波数20kHz,ピーク約10kW,平均約1kWのマイクロ波で放
電させた時，レーザ出力として平均約90WのほぼCWの出
力が得られた。このように，従来のマイクロ波放電では
考えられなかつた高効率で高出力のレーザ発振が得られ
た。また，パルス発振では,TEA CO₂レーザでも，通常の
CO₂レーザでも得られなかつた、数十μｓのパルス巾で
ピークが平均出力に対して約30倍のパルスレーザビーム
が得られた。

また，この発明ではパルスデユーテイーが0.3以下で従
来のマグネトロンの電源に比較して低いデユーテイー，
すなわち平均電力に対し３倍以上のピークのマイクロ波
で放電させている。ピークが高いマイクロ波で放電させ
ることにより，瞬時的な電界強度が強くなり，放電維持
電界以上になる領域が広くなるため，第２図の紙面に垂
直，すなわち放電の長さ方向のマイクロ波電磁界の節で
切れる長さが短かくなり，長さ方向にもより均一な放電
になることが本発明者らにより見いだされた。このよう
にこの発明では，いずれの方向にも均一な放電になり，
ガスが均一に温度上昇するため，従来の不均一な放電に
比較して非常に多くの放電エネルギーが投入できる。よ
つて，パルス発振では，ピークの大きいレーザ出力が得
られ,CW発振では平均出力の大きなものが得られる。

第９図はこの発明の他の実施例による気体レーザ装置を
示す要部断面図であり，放電空間（67）のガスを通気性
部材で形成される導電体壁（70）を通してブロワー（6
9）で循環させるように構成している。この実施例のも
のにあつては，熱交換機により冷却されたガスを放電空
間に送り込むことでガス冷却を行つている。このように
構成することで，薄い放電空間でなくとも，良好にガス
冷却でき，断面積の大きな放電空間ができ，放電空間内
のガスの熱容量を大きくできるので,1パルスの投入エネ
ルギーを大きくできるため，よりピークの高いレーザ出
力が得られる。この場合繰り返し周波数の上限はガスの
循環スピードによつて決定される。

上記実施例では導電体とプラズマが接するものについて
説明したが，導電体表面に誘電体コーテイング層のよう
にマイクロ波の波長に比し薄い誘電体層を設けても，こ
の誘電体層はマイクロ波に対し低いインピーダンスとし
てしか働かないから，マイクロ波の電界分布に大きな影
響を与えることはないから，上記効果が損なわれないの
は言うまでもない。

また，上記実施例では，CO₂レーザを例にとつて説明し
たが，エキシマレーザのような放電励起による他の気体
レーザでも，空間的に均一な放電が得られ，アークに移
行しにくく，高密度安定放電が達成されるので，特に従
来非常に短パルスでしか発振出来なかつた気体レーザを
比較的長いパルスで発振でき，しかも高い効率と大きな
出力が得られるのは同様である。

〔発明の効果〕

以上のように，この発明によれば，気体レーザ装置にお
いて，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誘電体との間に形成さ
れる空間にプラズマを発生するレーザ気体を封入すると
ともに，上記マイクロ波回路は，上記誘電体とプラズマ
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
形成し，デユーテイー0.3以下のパルスマイクロ波で放
電させるように構成したので，放電空間内のいずれの方
向にも均一な放電が得られ，レーザ出力及び効率を上げ
ることが可能になる効果がある。また比較的パルス巾が
広く，繰り返し周波数の高いパルス発振が可能となり，
従来効率が低く実用的なレーザは難しいと考えられてき
たマイクロ波放電によるレーザを，実用的な効率および
出力まで上げることができる画期的な効果がある。

【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
す略斜視構成図，第２図は第１図A-A線での断面図，第
３図はこの発明の一実施例に係る放電の様子を説明する
要部拡大断面図，第４図はこの発明の一実施例に係るマ
イクロ波発振器の電源回路図，第５図は第４図の電源を
用いて発生されるマイクロ波の波形を示す波形図，第６
図（ａ）第７図（ａ），第８図（ａ）はパルスマイクロ
波のパルス周波数を変化したときのCO₂レーザガスの温
度変化を示す曲線図，および第６図（ｂ），第７図
（ｂ），第８図（ｂ）はパルス周波数を変化させたとき
のマイクロ波電力とレーザ出力を示す特性図，第９図は
この発明の他の実施例による気体レーザ装置を示す断面
図，第10図はマイクロ波放電による従来の気体レーザ装
置を示す断面構成図，並びに第11図は第10図B-B線での
断面図である。 図において、（65）は導電体壁，（66）は誘電体，（6
7）は放電空間，（70）はプラズマである。 なお，図中，同一符号は同一または相当部分を示す。

フロントページの続き (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 (72)発明者 柳 正 神奈川県鎌倉市大船５丁目１番１号 三菱 電機株式会社大船製作所内 (56)参考文献 特公 昭63−58387（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波回路中のマイクロ波によりプラ
   ズマを発生し，レーザ励起を行う気体レーザ装置におい
   て，上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誘電体との間に形成
   される空間に，上記プラズマを発生するレーザ気体を封
   入するとともに，上記マイクロ波回路は，上記誘電体と
   上記プラズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイク
   ロ波モードを形成し，上記マイクロ波回路内にデューテ
   イー0.3以下のパルスマイクロ波を励振することを特徴
   とする気体レーザ装置。