JPH07254737A

JPH07254737A - 導波路形レーザー

Info

Publication number: JPH07254737A
Application number: JP5017160A
Authority: JP
Inventors: Rolf Nowack; ノーバックロルフ; Hans Opower; オポベルハンス
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1992-02-05
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1995-10-03
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: DE4203225C2; US5373525A; DE4203225A1; JP2758337B2

Abstract

(57)【要約】【目的】製作上構造が簡単で高価でない要素によって
高出力のレーザービームが外部結合出来る様に一般的な
導波路形レーザーを改良すること。【構成】２つの共振鏡の間に配列された導波路を具備
し、外側円筒導波路面と、内側円筒導波路面との２つの
面が導波路全体にわたってコヒーレントで本質的に軸方
向に拡がる放射を有する導波路を形成し、高周波励起さ
れ拡散冷却されるレーザーガスが導波路面の間に配置さ
れている導波路形レーザーを、構造が簡単で高価でない
要素で高出力のレーザービームを外部結合可能にするた
めに、第２の共振鏡が方位角方向に複数の連続した反射
部分を具備し、外部結合されるべきレーザー放射のため
の外部結合開口部を各反射部分の間に置き、導波路内に
拡がる全体の放射が方位角方向で回折結合する様にした
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】２つの共振鏡の間に配列された導
波路を具備し、外側円筒導波路面と、該外側面に対面
し、該外側面内に間を開けた関係で配列されている内側
円筒導波路面とを有し、前記の２つの面が共に導波路全
体にわたってコヒーレントであって本質的に軸方向に拡
がる放射を有する導波路を形成し、高周波励起され拡散
冷却されるレーザーガスが導波路面の間に配置されてい
る導波路形レーザーに関する。

【０００２】

【従来の技術】この型の導波路形レーザー、特に拡散冷
却されるＣＯ₂レーザーは、例えば、ドイツ連邦共和国
特許第ＰＳ２７３５２９９号によって公知である。

【０００３】この型の導波路形レーザーで、特に１０ｋ
Ｗを超える様な高容量のレーザーを製作することを可能
とするためには、円筒状の導波路面の径は２０ｃｍを超
える程度に選択されなければならず、結果的に共振鏡も
大きな径となる。この事は、この様な大きな鏡用の伝送
材料を使用する事がもはや経済的ではないために、特に
外部結合の鏡の製作に対して、大きな困難をもたらす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】それ故に、本発明の目
的は、製作上構造が簡単で高価でない要素によって高出
力のレーザービームが外部結合出来る様に一般的な導波
路形レーザーを改良することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的は、始めに述べ
た型の導波路形レーザーのための本発明によって達成さ
れる、そこでは第２の共振鏡が方位角方向に複数の連続
した反射部分を具備し、外部結合されるべきレーザー放
射のための外部結合開口部がそれぞれの反射部分の間に
備えられ、導波路内に拡がる全体の放射は方位角方向に
回折結合される。

【０００６】本発明による解決は、一方では導波路から
のレーザーの放射を簡単な方法によって外部結合する可
能性と、他方では回折結合によって特に方位角方向で導
波路全体を通してのコヒーレント性の保持とをもたら
す。

【０００７】本発明による解決の範囲において、回折結
合は導波路内部の回折要素の手段または、共振鏡の内の
１つによって得ることができる。しかしながら、反射部
分にとっては方位角方向の寸法の取り方によって回折結
合を果たすことが特に有利である。

【０００８】この観点から、反射部分が回折結合を果た
す回折格子を形成することが特に好都合である。

【０００９】最も簡単な場合には、これは反射部分と外
部結合開口部とを交互に周期的に取り替えることによっ
て実現される。

【００１０】すべての反射部分が方位角方向で同じ幅を
有することは特に有利である。

【００１１】さらに、またすべての外部結合開口部が方
位角方向で同じ幅を有することは有利である。

【００１２】反射要素は好ましくは、円筒軸に対して半
径方向に導波路面間の距離にわたって延びる様に作られ
る。

【００１３】同様に、外部結合開口部は半径方向に導波
路面間の距離にわたって延びていることが好ましい。

【００１４】反射部分はそれらの部分にとって、最も変
化した側部縁によって区画形成されることが可能であ
る。例えば、反射部分を円形鏡に、または外部結合開口
部を反射部部分の間の円形の穴に作ることが考えられ
る。

【００１５】しかしながら、反射部分にとっては導波路
面に直角に延びる側部縁を有することが特に有利であ
る。円形円筒の場合には、側部縁が円筒軸に対して半径
方向に整列されていることが好ましい。

【００１６】反射部分は、好ましくはレーザー放射を本
質的に完全に反射する様に作られる。

【００１７】始めに述べた方位角方向での回折結合は、
少なくとも次々と配置されている反射部分に衝突する放
射が回折によって結合される場合にはすでに得ることが
可能である。

【００１８】反射部分の方位角方向の平均の幅は好まし
くは以下の式の様にされている。２Ｌ×（λ／ｂｒ） ≧ ｂａ＋ｂｒここで、Ｌは導波路の長さ、λはレーザー光の波長、ｂ
ｒは反射部分の平均の幅、ｂａは外部結合開口部の平均
の幅である。

【００１９】さらに、好ましくは外部結合開口部の方位
角方向の平均の幅は以下の式の様にされる。２Ａ ≧ ｂａ＋１／２・Ａここで、ｂａは外部結合開口部の平均の幅、Ａは導波路
面の距離である。

【００２０】最終的には反射部分の平均の幅と外部結合
部の平均の幅とは、互いに関係づけられ、ここでＣＯ₂
レーザーに対しては好ましくは以下の式の様にされる。ｂａ／ｂｒ〜０．５から１

【００２１】特に有利な構造上の解決法では、第２の共
振鏡から出るレーザービームの束が、ビームを半径方向
に収斂させる光学的な手段によってより小さな径のレー
ザービームの束を形成する様に変換される。

【００２２】このビームを半径方向に収斂させる光学的
な手段は、好ましくはアキシコンとして作られる。

【００２３】特に有利なアキシコンの解決法では、これ
は内側鏡面に衝突するレーザービームを拡散し、それゆ
え、そこの負荷を軽減する結果となるので反射面として
トロイダル面を有する。

【００２４】さらに、有利な構造上の解決法では、外側
円筒導波路面と内側円筒導波路面とは、それぞれ円筒の
面である、ここでこれらの円筒は好ましくは金属の円筒
であって、高周波放電のための電極をなすものである。

【００２５】導波路面を互いに決められた距離に保持す
るために、導波路を支持する壁は、好ましくは、外部結
合開口部の間にある反射部分の領域内で、半径方向に延
びる支持体によって互いに関連した位置に固定される。
これは、壁を第２の共振鏡の領域内で半径方向に互いに
関連した位置に固定することが可能だということを意味
している。

【００２６】支持体は好ましくは、導波路から離れた方
の側で反射部分に結合する。

【００２７】色々な実施態様に関する説明の範囲の中で
は、反射鏡面の形については詳細は与えられていない。

【００２８】例えば、反射鏡面を半径方向で若干凹状に
曲げることは可能であろう。

【００２９】しかしながら、特に有利な実施態様におい
ては、第１の共振鏡は平らな反射鏡面を有する。

【００３０】さらに、簡単な、すなわち高価でなく製作
できる実施態様では第２の共振鏡は平らな反射鏡面を有
する。

【００３１】多少変更された実施態様では、方位角方向
での結合が、方位角方向で若干凸状に曲げられた反射鏡
面を有する第２の共振鏡によってさらに改善される。

【００３２】反射面は、好ましくは、半径方向に平行に
延びる様に整列される。

【００３３】この構造は、支持体が反射部分を支持し
て、その上に結合して、反射部分を導波路面を支持する
円筒に関連した位置に同時に固定することが可能である
様にされた場合には、より有利に開発することが可能で
ある。

【００３４】

【実施例】以下の説明及び一つの実施態様の図面によっ
て、発明的解決のさらなる形態と有利性について明らか
にされる。

【００３５】本発明によるレーザーの図１に示された１
つの実施態様は、外側円筒導波路面１２と内側円筒導波
路面１４を形成し、これら２つの面が円筒軸１６と同軸
上に配置され全体が１０で示される導波路を具備してい
る。

【００３６】この円筒状の光学的導波路は、レーザー放
射を、基本的に円筒軸１６の方向に、導波路１０の終端
面にそれぞれ配置されたレーザー共振器の第１の共振鏡
１８と第２の共振鏡２０との間を、前後に反射させるこ
とによって誘導する役をなすものである。

【００３７】第１の共振鏡１８は、第２の共振鏡２０が
外部結合ミラーを表し、そこからレーザービーム束２２
が円筒軸１６のまわりに円筒の形で出ていくのに対し
て、完全に反射をする。このレーザービーム束は、アキ
シコン２４によって集められ、円筒軸１６と同軸であっ
てレーザービーム束２２よりも小さな径のレーザービー
ム束２６を形成する。

【００３８】高周波電源２８は、導波路１０内に配置さ
れたレーザーガス、好ましくはＣＯ ₂ガス用の慣習的な
圧力のＣＯ₂ガスを、を励起する役をなす。この高周波
電源は、導波路１０内で、適切な電極の配列によって、
円筒軸１６に対して半径方向へのガスの放出という結果
を生ずる。レーザーガスはそこで循環はされないが、冷
却された導波路面１２と１４に衝突することによって単
に冷却されるだけである。

【００３９】図２に詳細が示される様に、外側の導波路
面１２は、外側円筒壁３０によって支えられており、そ
れは好ましくは線３２を介して高周波電源２８に直接的
に接続され外側電極の役をなす金属の円筒を表す。

【００４０】同様に、内側の導波路面１４は、内側円筒
壁３４によって支えられており、それは同じように、そ
の部分に、線３６を介して高周波電源２８に接続された
金属の円筒の壁である。

【００４１】図２にまた詳細が示されている様に、円筒
壁３０と３４の第１の端部３８と４０は、それぞれ面４
２に配列され導波路１０の第１の端面４４を形成する。

【００４２】リング状の反射領域４６を有する第１の共
振鏡１８は、この導波路１０の第１の端面４４に面し、
円筒状の導波路面１２と１４上で前後に反射させること
によって導波路１０でこの端面に対し誘導された放射の
全体の反射が第１の端面４４で得られる様にする。

【００４３】好ましくは第１の共振鏡１８は同様にリン
グ状の反射領域を支える担持材料で作られたリング４８
によって形成されている。

【００４４】外側円筒壁３０と内側円筒壁３４の第２の
端部５０と５２は、それぞれ、それぞれの第１の端部の
反対の位置に配置され、同様に導波路１０の第２の端面
５６が配置される面５４内に配列される。

【００４５】すでに述べた様に、第２の共振鏡２０が、
この第２の端面に面する様に配置され、図３に詳細に示
される様に、複数の反射部分６０を具備し、それらの間
に配置される外部結合開口部６２を有する。これらの外
部結合開口部は円筒軸１６に対して半径方向Ｒに、円筒
導波路面１２と１４の間の長さＡに亘たって延びてい
る。

【００４６】反射部分６０は、好ましくは円筒軸１６に
対して円状をなすリング部分であって、外部結合開口部
６２がそこで同様に円状のリング部分を表し、反射部分
の縁６４が円筒軸１６に対して半径方向Ｒに延びる様に
されている。

【００４７】外部結合開口部がそれぞれ幅ｂａを有する
のに対して、反射部分６０は幅ｂｒを有し、ここで幅ｂ
ｒとｂａは、円筒軸１６に対する方位角方向にある円状
の部分のそれぞれの平均値であると理解されるべきであ
る。

【００４８】反射部分６０は導波路１０の第２の端面５
６に対面する反射面６８を有し、これらの反射面は方位
角方向６６に沿って縁６４の間で、また半径方向Ｒに沿
って外側と内側の円筒導波路面１２と１４の間にわたっ
て延びている。

【００４９】反射面６８はここでは、本発明によって円
筒軸１６に対して直角に延びる面５４に平行である。

【００５０】さらに、第１の共振鏡１８のリング状の反
射領域４６もまた円筒軸１６に対して同様に直角な面４
２に平行に延びている。

【００５１】従って、導波路１０の全体は２つの鏡１８
と２０によって、その端部で完全に反射する鏡面、すな
わち反射領域４６と反射面６８とによって閉じられてい
る帯様領域７０に分割される、それは、それらと近接し
て配置されてただ一方の側、すなわち反射領域４６での
み完全に反射している様に閉じられて、他方の側は外部
結合開口部６２のために開放されている帯様領域７２に
分割されるのと同様である。

【００５２】全ての帯様領域７０と７２を互いに、コヒ
ーレントに結合するために、反射面６８の幅は、反射面
６８での回折現象のために、帯様領域７０と、それ故、
またそれらの間に配置された帯様領域７２が回折によっ
て相互に結合される様に選択される。

【００５３】これは、反射面６８の幅は、例えば、導波
路１０が１メートル以上の長さＬを有するＣＯ₂レーザ
ーの場合には、１乃至それ以上のミリメートルの程度で
あることを意味している。

【００５４】それゆえ反射面６８は、導波路１０の全体
にわたって帯様領域７０と７２を方位角の方向６６に完
全に結合する責任を負う環状の回折格子を形成する。

【００５５】外部結合開口部６２の幅ｂａは、好ましく
は、導波路１０が長い型のもので例えば約１．５メート
ルの長さである場合には、ほぼ幅ｂｒに等しく、そして
より短くて約１メートルの長さの場合には、例えばｂｒ
の２／３倍の大きさとなる様に選択される。

【００５６】さらに幅ｂａについては、外部結合開口部
６２を通過するレーザービーム束２２内部のレーザービ
ームが、方位角方向６６内で半径方向Ｒ内で本質的に大
きな範囲にわたって回折されることはあり得ないという
ことを考慮して、幅ｂａは円筒導波路面１２と１４の間
の距離Ａにほぼ等しいかより大きくなる様に選択される
べきである。

【００５７】外側円筒壁３０と内側円筒壁３４とを、互
いに距離Ａだけ離して定められた安定した方法で配置す
るために、本発明では支持リング８０が第１の端面に備
えられ、この支持リングは内側肩部８２と共に内側円筒
壁３４に対する合口を提供し、外側肩部８４と共に外側
円筒平気３０に対する合口を提供する。さらに、支持リ
ング８０は第１の共振鏡１８をそのために提供されてい
る凹部８６の中に支持する。

【００５８】第２の端部５０と５２では、円筒壁３０と
３４はＵ字型の支持体８８によって互いに関連する位置
に固定され、そこで支持体８８は側部腕９０と９２によ
って、それぞれ円筒壁３０と３４のそれぞれ内側と外側
とに結合され、また中央腕９４によって反射面６８から
離れた反射部分６０の後側の上に各々係合する。

【００５９】支持体８８は、また好ましくは反射部分６
０をしかるべき位置に固定する要素として作られ、それ
ゆえこれらを面５４に平行な反射面６８と共に支持す
る。

【００６０】レーザービームの束２２をレーザービーム
の束２６に変換するアキシコン２４は円筒軸１６と同軸
的に配列された外側の凸状のトロイダル面１００と、同
様に円筒軸１６と同軸的に配列された内側の凹状のトロ
イダル面１０２とを具備する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザーの斜視図である。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】図２の３−３線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１０…導波路１２…導波路面１４…導波路面１６…円筒軸１８…第１の共振鏡２０…第２の共振鏡２２…レーザービームの束２４…アキシコン２６…レーザービームの束６０…反射部分６２…外部結合開口部６６…方位角方向６８…反射面８８…支持体Ａ…導波路面１２と１４の間の距離ｂａ…外部結合部６２の平均の幅ｂｒ…反射部分６０の平均の幅Ｒ…半径方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの共振鏡の間に配列された導波路を
具備し、外側円筒導波路面と該外側面に対面し、該外側
面内に間を開けた関係で配列されている内側円筒導波路
面とを有し、前記の２つの面が共に導波路全体にわたっ
てコヒーレントであって本質的に軸方向に拡がる放射を
有する導波路を形成し、高周波励起され拡散冷却される
レーザーガスが導波路面の間に配置されている導波路形
レーザーであって、第２の共振鏡（２０）が、方位角方向（６６）に複数の
連続する反射部分（６０）を具備し、外部結合されるべ
きレーザー放射のための外部結合開口部（６２）がそれ
ぞれの反射部分（６０）の間に備えられ、導波路（１
０）の内部に拡がる全体の放射が方位角方向（６６）に
回折結合されていることを特徴とする導波路形レーザ
ー。
【請求項２】反射部分（６０）がそれらの方位角方向
での寸法の取り方によって回折結合を生じることを特徴
とする前記請求項１に記載の導波路形レーザー。
【請求項３】反射部分（６０）が回折結合を生じる回
折格子を形成することを特徴とする前記請求項２に記載
の導波路形レーザー。
【請求項４】反射部分（６０）と外部結合開口部（６
２）とが周期的に相互に入れ替わることを特徴とする前
記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項５】全ての反射部分（６０）が方位角方向
（６６）で等しい幅（ｂｒ）を有することを特徴とする
前記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レーザ
ー。
【請求項６】全ての外部結合開口部（６２）が方位角
方向（６６）で等しい幅（ｂａ）を有することを特徴と
する前記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レー
ザー。
【請求項７】反射部分（６０）が円筒軸（１６）に対
して半径方向（Ｒ）で、導波路面（１２、１４）の間の
距離（Ａ）にわたって延びるようにされていることを特
徴とする前記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形
レーザー。
【請求項８】外部結合開口部（６２）が半径方向
（Ｒ）で、導波路面（１２、１４）の間の距離（Ａ）に
わたって延びるようにされていることを特徴とする前記
請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項９】反射部分（６０）が導波路面（１２、１
４）に対して直角に延びる側部の縁を有することを特徴
とする前記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レ
ーザー。
【請求項１０】反射部分がレーザー放射を本質的には
完全に反射する様に作られていることを特徴とする前記
請求項中のいずれか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項１１】方位角方向（６６）における回折結合
が、少なくとも互いに次々と配置されている反射部分
（６０）に衝突する放射が回折結合されることによって
得ることが出来ることを特徴とする前記請求項中のいず
れか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項１２】反射部分（６０）の方位角方向（６
６）の平均の幅（ｂｒ）が、以下の式によっていること
を特徴とする前記請求項中のいずれか１項に記載の導波
路形レーザー。２Ｌ×（λ／ｂｒ） ≧ ｂａ＋ｂｒここで、Ｌは導波路の長さ、λはレーザー光の波長、ｂ
ｒは反射部分の平均の幅、ｂａは外部結合開口部（６
２）の平均の幅である。
【請求項１３】外部結合開口部（６２）の方位角方向
（６６）の平均の幅（ｂａ）が、以下の式によっている
ことを特徴とする前記請求項中のいずれか１項に記載の
導波路形レーザー。２Ａ ≧ ｂａ ≧ １／２・Ａここで、ｂａは外部結合開口部（６２）の平均の幅、Ａ
は導波路面（１２、１４）の距離である。
【請求項１４】反射部分（６０）の平均の幅（ｂｒ）
と外部結合部（６２）の平均の幅（ｂａ）とが、互いに
以下の式で関係付けられていることを特徴とする前記請
求項中のいずれか１項に記載の導波路形レーザー。ｂａ／ｂｒ〜０．５から１
【請求項１５】第２の共振鏡から出るレーザービーム
の束（２２）が、ビームを半径方向（Ｒ）に収斂させる
光学的な手段（２４）によってより小さな径のレーザー
ビームの束（２６）を形成する様に変換されることを特
徴とする前記請求項中のいずれか１項に記載の導波路形
レーザー。
【請求項１６】ビームを半径方向に収斂させる光学的
な手段がアキシコン（２４）であることを特徴とする前
記請求項１５に記載の導波路形レーザー。
【請求項１７】アキシコン（２４）が反射面としてト
ロイダル面（１００、１０２）を有することを特徴とす
る前記請求項１６に記載の導波路形レーザー。
【請求項１８】導波路面（１２、１４）を支持する壁
（３０、３４）が、外部結合開口部（６２）の間にある
反射部分（６０）の領域内で半径方向に延びる支持体
（８８）によって互いに関係する様な位置に固定されて
いることを特徴とする前記請求項中のいずれか１項に記
載の導波路形レーザー。
【請求項１９】支持体（８８）が、導波路（１０）と
離れた側で反射部分（６０）の上に結合していることを
特徴とする前記請求項１８に記載の導波路形レーザー。
【請求項２０】第１の共振鏡（１８）が平らな反射鏡
面（４６）を有することを特徴とする前記請求項中のい
ずれか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項２１】第２の共振鏡（２０）が平らな反射面
（６８）を有することを特徴とする前記請求項中のいず
れか１項に記載の導波路形レーザー。
【請求項２２】第２の共振鏡（２０）が方位角方向
（６６）に若干凸に曲がった反射面（６８）を有するこ
とを特徴とする前記請求項１から２０のいずれか１項に
記載の導波路形レーザー。
【請求項２３】反射面（６８）が、半径方向（Ｒ）に
平行に延びていることを特徴とする前記請求項２１か２
２のいずれか１項に記載の導波路形レーザー。