JPH08264868A - マイクロ波励起ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波励起ガスレーザ装置に関し、レー
ザ管径方向の放電のレーザ管壁への集中、レーザ管軸方
向の放電の位置的不安定性を解消すべく、レーザ管径方
向や管軸方向の電界強度分布の制御を行い、高効率、高
出力かつ安定な発振が可能なマイクロ波励起ガスレーザ
装置を提供することを目的とする。 【構成】 マイクロ波発振器１１、１２から発振される
マイクロ波によりレーザガス媒質２９を励起させてレー
ザ発振を行うマイクロ波励起ガスレーザ装置であって、
レーザ管１５の周囲に配置された導電部材３０により管
径方向、更には管軸方向の電界強度分布の制御を行うこ
とを特徴とするマイクロ波励起ガスレーザ装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスレーザ装置に関
し、特にマイクロ波励起ガスレーザ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、放電励起のガスレーザ装置にお
いては、レーザ媒質ガス中で空間的に均一なグロー放電
を発生させることが要求される。

【０００３】というのは、放電の不均一性が励起に適さ
ないアーク放電を誘発したり、部分的なガスの異常加熱
を生じさせたり、レーザ増幅率の空間的不均一性を発生
させたりして、総合的にはレーザ発振効率の低下や最大
出力の低下の原因となるからである。

【０００４】ところが、マイクロ波による放電励起で
は、マイクロ波の波長が十数センチメートルと短いた
め、広い範囲で均一な電界強度分布が得られず、励起が
空間的に不均一になる課題があるため、放電の空間的均
一化が特に困難である。

【０００５】この対策として、例えば、特開平２−１３
０９７５号公報によれば、マイクロ波の導波管の内部に
絶縁物を挿入し、マイクロ波の電界の空間均一性を改善
している。

【０００６】しかし、この構成では、放電領域の範囲を
絶縁物で制限し、電界の均一性の比較的良好な部分を使
用するという意味での改善に過ぎず、本質的に均一な電
界強度分布を作り出すための提案ではない。

【０００７】そこで、本出願人は、特願平７−２９４１
５号において、図８及び図９に示すような直交型導波管
を提案し、レーザ管の径方向に均一な電界強度分布を達
成することに成功した。

【０００８】図８は、直交型導波管の構成図、図９は、
図８におけるｘ軸とｙ軸を含む平面で切った断面図であ
る。

【０００９】図８、図９において、９１０は空洞共振
器、９１１、９１２はマイクロ波発振器、９１３、９１
４は導波管、９１５はレーザ管、９１６は出力鏡、９１
７は全反射鏡、９１８から９２１はプランジャ、９２
２、９２３は整合器で３つのスタブチューナを有する構
成である。

【００１０】更に、９２４、９２５はマイクロ波発振器
９１１、９１２のアンテナ、９２６はマイクロ波発振器
９１１が発生するｙ方向のマイクロ波の電界強度分布、
９２７はマイクロ波発振器９１２が発生するｘ方向のマ
イクロ波の電界強度分布、９２９はレーザ媒質ガスであ
る。

【００１１】まず、図８及び図９に示すように、マイク
ロ波発振器９１１，９１２から発生したマイクロ波（発
振周波数は各々２．４５ＧＨｚ±０．１ＧＨｚ）は、導
波管９１３，９１４を伝播し、整合器９２２、９２３で
整合を取られる。

【００１２】ここで、導波管９１３，９１４は、互いに
レーザ管９１５の位置において交差するが、特にここで
は直交している。

【００１３】そして、レーザ管９１５の位置においてマ
イクロ波発振器９１１とマイクロ波発振器９１２からの
マイクロ波は電界方向が直交している。

【００１４】よって、２つのマイクロ波発振器９１１，
９１２から発振されたマイクロ波は、進行方向が互いに
直交しており、かつそれらの電界の振動方向（電界ベク
トルの方向）も互いに直交している。

【００１５】このように直交する２つのマイクロ波電界
により、レーザ管９１５の中のレーザ媒質ガス９２９
（比率４：２４：７２のＣＯ2，Ｎ2，Ｈｅの混合ガスで
圧力は６０Ｔｏｒｒ程度）を放電励起させ、全反射鏡９
１７と出力鏡９１６より構成される光共振器から、レー
ザ光がｚ軸方向に出力される。

【００１６】ここで、マイクロ波については、図９のｙ
方向電界分布９２６とｘ方向電界分布９２７で示すよう
に、レーザ管９１５部分が定在波の腹の位置になるよう
にプランジャ９１８，９１９，９２０，９２１を移動さ
せて調整する。

【００１７】放電開始に必要とされる電界強度は約１ｋ
Ｖ／ｃｍとされているが、１ｋＷのマイクロ波の進行波
の場合、電界強度は最大でも約５００Ｖ／ｃｍ程度なの
で、放電開始には不充分である。そこでマイクロ波を定
在波とし、さらに電界強度の最も強い腹の位置がレーザ
管９１５部分に一致するように調整し、放電開始を行い
やすくする。

【００１８】そして、整合器９２２，９２３によりマイ
クロ波発振器９１１，９１２と放電負荷の最適マッチン
グ状態に調整されている。

【００１９】又、図８では明示していないが、レーザ媒
質ガス９２９は、レーザ管９１５から配管で引き出さ
れ、冷却後に再度ポンプで注入されるガス冷却循環機構
を設備しており、以下、ここでは、レーザ媒質ガス９２
９が高速でレーザ管９１５内を流れている場合の高速軸
流型レーザ装置に対して、説明を行う。

【００２０】さて、図９において、マイクロ波発振器９
１１及び９１２が同時に発振した場合、レーザ管９１５
にはｘ方向の電界およびｙ方向の電界が同時に印加され
る。

【００２１】マイクロ波発振器９１１と９１２は、別個
のマイクロ波発振器であるため、２．４５ＧＨｚで発振
しても正確には同一周波数では発振せず、数ＭＨｚ以上
の発振周波数の差がある。

【００２２】２つの電界の振動周波数が異なる場合、位
相差δは時間により変化する。この時、ｘ方向の電界ベ
クトルとｙ方向の電界ベクトルとの合成ベクトルの描く
軌跡は、δの変化に伴い、円−楕円−直線−楕円−円を
繰り返す。

【００２３】この繰り返しの周波数が２つの異なる発振
周波数の差周波数に相当する。すなわち、合成電界は該
当するマイクロ波の周波数（本実施例では２．４ＧＨｚ
から２．５ＧＨｚまで）で回転振動し、さらにこの回転
が異なる２つの周波数の差周波数（最大で０．１ＧＨ
ｚ）で状態変化する。

【００２４】そして、発振周波数の差周波数に対応し
て、合成電界の方向は、２次元空間の全ての方向を向く
ため、放電領域は全体として２次元的に広がり、実質的
に断面が円形状の均一な放電領域が実現する。

【００２５】しかし、このようにレーザ管の径方向の放
電の均一化を行うと、マイクロ波入力を増加させてゆく
に従い、放電が徐々にレーザ管９１５の管壁に集中する
現象が発生する。

【００２６】図１０は、レーザ管径方向輝度分布の概略
図を示し、マイクロ波入力の小さい順に（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）で示しており、ｏは管央位置、ｐは管壁
位置をそれぞれ示している。

【００２７】放電の管壁への集中は、レーザ管が誘電体
であるため、マイクロ波電界はレーザ管に集中しやす
く、マイクロ波入力が増加すると、さらにその傾向は強
められるからである。

【００２８】図１０（ｃ）は、この集中現象が最も進行
した状態を示し、放電は管壁にしか存在しない。

【００２９】このような状態では、充分なレーザ発振が
得られない。更に、軸方向の放電に対して、何らの制御
手段も有していないため、以下に説明するような放電の
不安定現象が発生する。

【００３０】図１１（ａ）は、導波管内のｚ方向のマイ
クロ波電界強度分布と、その時の放電ガスの位置を示す
図である。

【００３１】ここで、９３０はガス流の方向、９３１は
風上領域、９３２は風下領域、９３３はｚ方向の電界強
度分布、９３４は放電ガスを示す。

【００３２】この場合、電界のｚ方向の最大強度位置
は、導波管の中心部に位置し、結果、電界強度分布９３
０は、左右に対称な正弦波状の分布となる。

【００３３】そして、放電ガス９３４は、電界の最大強
度位置が存在する導波管の中心部付近に位置している。

【００３４】図１１（ｂ）は、図１１（ａ）が示すある
瞬間から一定時間Δｔが経った時の、ｚ方向のマイクロ
波電界強度分布と、放電ガスの位置を示す図である。

【００３５】ここで、９３５はｚ方向の電界強度分布、
９３６は放電ガスを示す。図１１（ｂ）を図１１（ａ）
と比較して、電界強度分布９３３は電界強度分布９３５
と全く同じであるが、時間Δｔが経過したことにより、
放電ガス９３４はガス流によって風下へと移動し、放電
ガス９３６となっていることがわかる。

【００３６】なお、通常放電ガス９３６は、移動する過
程で熱せられて膨脹しており、よりマイクロ波エネルギ
ーを吸収しやすい状態になっている。

【００３７】図１１（ｂ）の状態において、新たな放電
が発生する場合を考える。ここで、放電について考えて
みると、電界強度が最大となる位置にて放電は発生しよ
うとするが、電界強度最大位置よりも風下側近傍に、マ
イクロ波を吸収しやすい放電ガス９３６が存在してお
り、更にそこでの電界強度も比較的大きいことから、放
電が発生しやすい部分が２ヵ所存在することになり、新
たに発生する放電は、位置的に非常に不安定なものとな
るのである。

【００３８】以上のような放電状態の変化は、レーザ出
力の悪化につながり、高く安定したレーザ出力が求めら
れる場合には望ましくはないため、ユーザがより一層の
性能向上を望むのであれば、改善が求められる性質のも
のである。

【００３９】

【発明が解決しようとする課題】つまり、従来の構成で
は、レーザ管径方向の放電がレーザ管壁に集中してしま
い、レーザ発振の効率と出力が低下するという課題を有
していた。

【００４０】さらにはレーザ管軸方向の放電が位置的に
不安定なものであるため、レーザ出力も不安定になる課
題を有していた。

【００４１】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、レーザ管径方向並びに軸方向の電界の強度分布を制
御して、レーザ発振の効率及び出力が大きく、安定なマ
イクロ波励起ガスレーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００４２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、導波管内に設けた放電管中のレーザ媒質
ガスを、マイクロ波により放電励起して、レーザ発振を
おこなうマイクロ波励起ガスレーザ装置であって、前記
マイクロ波により発生した電界の強度分布を制御する電
界強度分布制御手段を有するマイクロ波励起ガスレーザ
装置である。

【００４３】更に、前記マイクロ波励起ガスレーザ装置
が、前記被励起ガス媒質がレーザ管内を高速に流れ得る
高速軸流型ガスレーザ装置であって、前記導波管内のレ
ーザ管を管軸方向に二等分したときのガス媒質流の風下
側の前記管軸方向の電界強度変化率が、前記電界強度分
布制御手段によって、前記レーザ管を管軸方向に二等分
したときのガス媒質流の風上側の前記管軸方向の電界強
度変化率よりも大きくなる箇所が少なくとも１箇所は存
在するマイクロ波励起ガスレーザ装置であってもよい。

【００４４】そして、前記マイクロ波励起ガスレーザ装
置が、前記被励起ガス媒質がレーザ管内を高速に流れ得
る高速軸流型ガスレーザ装置であって、電界強度分布制
御手段により、前記レーザ管軸方向の電界強度分布の最
大強度位置が、前記レーザ管を管軸方向に二等分したと
きのガス媒質流の風下側に位置することが好適である。

【００４５】この場合、前記電界強度分布制御手段が、
導電部材であってもよい。そして、前記導電部材は複数
であり、それらの電位が互いに実質的に等しいことが好
適である。

【００４６】一方で、前記電界強度分布制御手段は、前
記被励起ガス媒質が収納されたレーザ管内の放電に不要
な電界を除去することが好適である。

【００４７】この場合、前記電界強度分布制御手段が、
前記レーザ管を取り巻く形状を有する導電体筒であって
もよい。

【００４８】更に、前記マイクロ波を導波する導波管は
マイクロ波が交差する交差部を有する交差型導波管であ
って、前記被励起ガス媒質が収納されたレーザ管の径方
向の電界強度分布を、前記電界強度分布制御手段によっ
て制御することを特徴とするマイクロ波励起ガスレーザ
装置であってもよい。

【００４９】この場合、前記電界強度分布制御手段が、
導電部材であることが好適である。そして、前記導電部
材はで複数あり、それらの電位が互いに実質的に等しい
ことが好適である。

【００５０】また、前記レーザ媒質ガスが、ＣＯ2ガス
を含むマイクロ波励起ガスレーザ装置であってもよい。

【００５１】

【作用】以上の構成により、マイクロ波放電は、径方
向、軸方向ともに安定なものが得られ、高効率、高出力
で且つ安定なレーザ発振が得られる。

【００５２】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の第１の実施例について、図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００５３】図１は、本発明の第１の実施例を示す直交
型導波管の断面図である。図１において、１０は空洞共
振器、１１、１２はマイクロ波発振器、１３、１４は導
波管、１５はレーザ管、１８から２１はプランジャ、２
２、２３は整合器で３つのスタブチューナを有する構成
である。

【００５４】更に、２４、２５はマイクロ波発振器１
１、１２のアンテナ、２６はマイクロ波発振器１１が発
生するｙ方向のマイクロ波の電界強度分布、２７はマイ
クロ波発振器１２が発生するｘ方向のマイクロ波の電界
強度分布、２９はレーザ媒質ガスで、３０はレーザ管の
周囲に対称な配置とされながら、導波管底面及び側面と
電気的に接続され、電位が互いに実質的に等しく設置さ
れた導電部材である。

【００５５】図２は、図１中の導波管１３の内部を横方
向に投影した部分図である。図２において、図１と同じ
部分は同一の番号を付したが、３１は放電、３２は風上
領域、３３は風下領域、３４はガス流の方向、３９は導
電部材の長さ、４０は導電部材の厚さである。

【００５６】以上のように構成されたマイクロ波励起ガ
スレーザ装置において、特に大出力を要求されるＣＯ2
レーザ装置を想定して以下の動作の説明を行うが、レー
ザ媒質ガスを変えれば他の種類のガスレーザとしても機
能することはいうまでもない。 例えば、ＣＯガスレー
ザ、Ｎ2 ガスレーザ、希ガスレーザ、金属蒸気レーザ、
Ｈｅ−Ｎｅレーザ、イオンレーザ等にも適用可能であ
る。

【００５７】図１において、縦方向及び横方向の動作は
基本的に同一であるため、ここでは導波管１３にのみ注
目し、説明を行う。

【００５８】図１に示すように、マイクロ波発振器１１
から発生したマイクロ波（２．４５ＧＨｚ±０．０５Ｇ
Ｈｚ）は、アンテナ２４を経て導波管１３を伝播し、整
合器２２で整合をとられて、レーザ管１５の中のレーザ
媒質ガス２９（ＣＯ2，Ｎ2，Ｈｅの混合ガスで比率は
４：２４：７２の圧力６０Ｔｏｒｒ程度）を放電励起さ
せ、図示はしていないが、レーザ管１５の両端にそれぞ
れ存在する全反射鏡と出力鏡よりなる光共振器からレー
ザ光が出力される。

【００５９】また、レーザ媒質ガス２９は、図示はして
いないが、ファンによってレーザ管１５を含む閉管路内
を循環している。

【００６０】また、マイクロ波については、図１に示す
ように、レーザ管１５の部分にマイクロ波定在波の腹位
置が来るように、プランジャ１８、１９を調整する。

【００６１】更に、整合器２２は、マイクロ波発振器１
１からのマイクロ波出力が、レーザ管１５の負荷、及び
導電部材３０により制御された電界による放電３１の負
荷と最適マッチングできるように調整されている。

【００６２】そして、導電部材３０による電界強度分布
の制御の変化は、導電部材の長さ３９や厚さ４０の寸法
を変化させることにより行う。

【００６３】以下、更に、本実施例における導電部材３
０の効果について、詳細に説明する。

【００６４】図３（ａ）は、図２における、導波管内の
ｚ方向のマイクロ波電界強度分布と、その時の放電ガス
の位置を示す図である。

【００６５】ここで、３５はｚ方向電界強度分布、３６
は放電ガスを示す。導電部材３０が風下領域３３に位置
していることにより、電界の最大強度位置は風下側に移
動し、電界強度分布３５は、左右に非対称な、風下方向
へ倒れた分布形状となる。

【００６６】また、放電ガス３６は、電界の最大強度位
置が存在する風下領域３３に位置している。 図３
（ｂ）は、図３（ａ）が示すある瞬間から一定時間Δｔ
が経った時の、ｚ方向のマイクロ波電界強度分布と、放
電ガスの位置を示す図である。

【００６７】ここで、３７はｚ方向電界強度分布、３８
は放電ガスを示す。図３（ｂ）を図３（ａ）と比較し
て、電界強度分布３７は電界強度分布３５と全く同じで
あるが、時間Δｔが経過したことにより、放電ガス３６
はガス流によって風下へと移動し、放電ガス３８とな
る。

【００６８】図３（ｂ）においては、風下領域３３での
電界強度分布３７の傾斜が大きい、すなわち電界強度変
化率が大きいため、放電ガス３８が位置している部分の
電界強度は、従来例に述べた図１１（ｂ）における電界
強度９３５よりも小さく、放電ガス３８に及ぼされる電
界の影響は小さい。

【００６９】このような状態の時に、新たな放電が発生
する場合を考える。電界強度が最大となる位置にて放電
は発生しようとするが、電界強度最大位置よりも風下側
近傍に、マイクロ波を吸収しやすい放電ガス３８が存在
していることは、従来例と同じである。

【００７０】しかし、そこでの電界強度は、低減化され
ているために、新たな放電は電界強度最大位置にて確実
に発生することになり、位置的に安定な放電を得ること
ができる。

【００７１】このように、導電部材によるレーザ管軸方
向の電界強度分布の制御を行うことにより、安定な放電
を実現することが可能となった。

【００７２】以下、本発明者が行った確認実験の内容を
示す。導波管断面のｚ方向の寸法は９５ｍｍ、ｙ方向の
寸法は４５ｍｍである。

【００７３】導電部材３０の材質はアルミニウムで、長
さ４０は４０ｍｍ、厚さ３９は１０ｍｍのものを用い
た。

【００７４】また、レーザ管１５の内径は２５ｍｍ、外
径は２８ｍｍで、レーザ媒質ガスは管内を約３００ｍ／
ｓで流れている。

【００７５】この条件下でレーザ媒質ガスをマイクロ波
により放電励起して、レーザ発振を行ったところ、制御
を行わなかった場合、マイクロ波入力１０７０Ｗ（レー
ザ出力２０５Ｗ、発振効率１９．２％）にて出力が飽和
していたのが、導電部材により制御を行うことによっ
て、マイクロ波入力１４４５Ｗ（レーザ出力２７３Ｗ、
発振効率１８．９％）まで出力飽和入力値が向上した。

【００７６】ところで、導電部材の効果は、本実施例に
述べた軸方向の電界強度分布を制御するだけではなく、
後述するように、径方向の電界強度分布を制御する役割
も併せ持っている。

【００７７】よって、上記導電部材を用いたことによる
レーザ出力飽和値の向上は、実施例３に詳述する、導電
部材の径方向の電界強度分布制御との相乗効果であると
考えられる。

【００７８】なお、本実施例では、図１、図２に図示し
たように、レーザ管の周囲に対称な配置となるよう、斜
め４５度方向に４個の導電部材を用いたが、レーザ管の
周囲に非対称配置となる導電部材を用いても、本実施例
にて説明したものと同様な効果が得られることはもちろ
んである。

【００７９】さらに、導電部材の配置位置は、レーザ管
の上下左右に位置しても、本実施例にて説明したものと
同様な効果が得られることは、いうまでもない。

【００８０】さらに、導電部材の個数は、場合により１
個以上３個以下、または５個以上であっても、本実施例
にて説明したものと同様な効果が得られることはむろん
である。

【００８１】なお、本実施例では、直交型導波管を用い
て説明を行ったが、どのようなタイプの導波管の場合に
おいても同様な効果が得られることはもちろんである。

【００８２】そして、この導波管に関する効果に関して
は、以下に述べる実施例においても同様である。

【００８３】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００８４】図４は、本発明の第２の実施例を示す直交
型導波管の部分断面図であり、第１の実施例の図１に対
応する。

【００８５】図５は、図４中の導波管１３の内部を横方
向に投影した部分図であり、第１の実施例の図２に対応
する。

【００８６】図４、図５において、図１、図２と対応す
る部分は同一の番号を付したが、５０は導電体筒、５１
は放電、５８は導電体筒の長さ、５９は導電体筒の直径
である。

【００８７】また、本実施例では導電体筒の代表的な形
状として、直円筒を用いている。以上のように構成され
た本実施例の装置は、第１の実施例の装置とは、導電部
材３０の代わりに、導電体筒５０がレーザ管の周囲に配
置されただけで、その他の構成は全く同一である。

【００８８】そして、導電体筒５０による電界強度分布
の制御の変化は、導電体筒の長さ５８や直径５９の寸法
を変化させることにより行う。

【００８９】マイクロ波放電が発生するに至る基本的動
作は、実施例１に全く同一であるため、以下、本実施例
における導電体筒５０の効果について、詳細に説明す
る。

【００９０】図６（ａ）は、図５における、導波管内の
ｚ方向のマイクロ波電界強度分布と、その時の放電ガス
の位置を示す図である。

【００９１】ここで、５２は導電体筒内ｚ方向電界強度
分布、５３は導電体筒外ｚ方向電界強度分布、５４は放
電ガスを示す。

【００９２】導電体筒の外部の電界強度分布５３は、図
１１（ａ）、（ｂ）と同様に、ｚ方向の電界最大強度位
置が、導波管の中心部に位置し、左右に対称な正弦波状
の分布となる。

【００９３】一方、導電体筒の内部の電界強度分布５２
は、導電体筒の直径５９がマイクロ波のカットオフ波長
よりも短い場合、導電体筒５０の内部にはマイクロ波は
進入できないため、図示したように、導電体筒５０の入
口までは外部の電界強度と同一であり、内部では電界が
存在しない分布となる。

【００９４】また、放電ガス５４は、電界の最大強度位
置が存在する導波管の中心部付近に位置している。

【００９５】図６（ｂ）は、図６（ａ）が示すある瞬間
から一定時間Δｔが経った時の、ｚ方向のマイクロ波電
界強度分布と、放電ガスの位置を示す図である。

【００９６】ここで、５５は導電体筒内ｚ方向電界強度
分布、５６は導電体筒外ｚ方向電界強度分布、５７は放
電ガスを示す。

【００９７】図６（ｂ）を図６（ａ）と比較して、電界
強度分布５５、５６は電界強度分布５２、５３と全く同
じであるが、時間Δｔが経過したことにより、放電ガス
５４はガス流によって風下へと移動し、放電ガス５７と
なる。

【００９８】図６（ｂ）においては、導電体筒５０の入
口において、電界が不連続に消滅する（すなわち電界強
度変化率が無限大である。）ため、放電ガス５７には電
界の影響は、ほとんど及ぼされない。

【００９９】このような状態の時に、新たな放電が発生
する場合を考える。電界強度が最大となる位置にて放電
は発生しようとするが、電界強度最大位置よりも風下側
近傍に、マイクロ波を吸収しやすい放電ガス５７が存在
していることは、従来と同じである。

【０１００】しかし、放電ガス５７には電界の影響は、
ほとんど及ばされないため、新たな放電は、電界強度最
大位置にて確実に発生することになり、位置的に安定な
放電を得ることができる。

【０１０１】このように、導電体筒５０により、不要な
電界を除去することで、安定な放電を実現することが可
能である。

【０１０２】そこで、以下に示す条件下で実験を行い、
導電部材の効果を確認した。導波管断面のｚ方向の寸法
は実施例１に同じく、９５ｍｍ、ｙ方向の寸法は４５ｍ
ｍである。

【０１０３】導電体筒５０の材質はアルミニウムで、長
さ５８は３０ｍｍ、直径５９は３０ｍｍのものを用い
た。

【０１０４】また、レーザ管１５の内径は２５ｍｍ、外
径は２８ｍｍで、レーザ媒質ガスは管内を約３００ｍ／
ｓで流れている。

【０１０５】この条件下でレーザ媒質ガスをマイクロ波
により放電励起して、レーザ発振を行ったところ、制御
を行わなかった場合、マイクロ波入力１０７０Ｗ（レー
ザ出力２０５Ｗ、発振効率１９．２％）にて出力が飽和
していたのが、導電体筒により制御を行うことによっ
て、マイクロ波入力１２８２Ｗ（レーザ出力２４２Ｗ、
発振効率１８．９％）まで出力飽和入力値が向上した。

【０１０６】なお、本実施例では、導電体筒の形状とし
て、直円筒を用いたが、角筒、テーパ筒、直円筒とテー
パ筒とが合成された筒等であっても一向にかまわない。

【０１０７】なお、本実施例では、風下領域にのみ導電
体筒を設けた場合の説明を行ったが、不要な電界を除去
することを目的としているのであれば、場合により、風
上領域に導電体筒を設置しても、同様な効果が得られる
場合があることはいうまでもない。

【０１０８】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【０１０９】本実施例では、図１の構成を基本としなが
ら考察をする。第１の実施例では、導電部材３０の効果
として、導電部材によるレーザ管軸方向の電界強度分布
の制御を行うことにより、安定な放電を実現することに
ついて述べた。

【０１１０】ここでは、導電部材３０の所有する、別の
効果について、以下、詳細に説明する。

【０１１１】従来例において、導電部材がレーザ管の周
囲に存在しない図９が示す状態での放電は、基本的に断
面が円形状の均一な放電領域であることは既に述べたと
ころであるが、しかし、この場合、レーザ管が誘電体で
あるため、電界がレーザ管壁に集中し、その結果、放電
もレーザ管壁に集中してしまい、充分なレーザ発振が得
られない。

【０１１２】図７は、図１のレーザ管周辺部の部分拡大
図である。図７において、前述の図面と同じ部分は同一
の番号を付したが、６０は導電部材エッジ部、６１は放
電、６２は強い放電である。

【０１１３】さて、通常、電気力線は、鋭利な形状を持
つ部分に集中することが知られており、本実施例の場
合、マイクロ波電界は、導電部材３０のエッジ部６０に
集中する。

【０１１４】そのため、レーザ管１５の内部に与えられ
るマイクロ波電界は、レーザ管径方向平面の右上、右
下、左上、左下がそれぞれ強いものとなる。

【０１１５】それに従い、放電６１の内部には、電界強
度の強い位置に強い放電６２が発生することになる。

【０１１６】このような構成において、管壁の一部に強
い放電箇所を作り出すと、管壁全体への放電の集中が緩
和されることが確認された。

【０１１７】これは、以下のような理由によると考えら
れる。図１０（ｃ）が示すような断面を持つ放電状態、
すなわちレーザ管の壁面にしか放電が存在しない状態で
は、放電そのものが、実施例２に述べた導電体筒と同様
な役割を担ってしまい、マイクロ波電界は、レーザ管の
中央に達することができない。

【０１１８】この現象は、放電が管壁部に、均一に集中
するために発生する。そこで、管壁の一部にマイクロ波
電界が集中するような措置を施すと、放電は管壁部に均
一に発生するのではなく、電界が集中している箇所に偏
ることになる。

【０１１９】そして、マイクロ波電界は放電自身に妨げ
られる割合が低減され、レーザ管の中央まで達すること
ができる。

【０１２０】このように、導電部材によるレーザ管径方
向の電界強度分布の制御を行うことにより、放電の管壁
部への均一な集中を抑制することが可能である。

【０１２１】そこで、以下に示す条件下で実験を行い、
導電部材の効果を確認した。導電部材３０の材質はアル
ミニウムで、長さ４０は４０ｍｍ、厚さ３９は１０ｍｍ
のものを用いた。

【０１２２】また、レーザ管１５の内径は２５ｍｍ、外
径は２８ｍｍで、レーザ媒質ガスは管内を約３００ｍ／
ｓで流れている。

【０１２３】この条件下でレーザ媒質ガスをマイクロ波
により放電励起して、レーザ発振を行ったところ、制御
を行わなかった場合、マイクロ波入力１０７０Ｗ（レー
ザ出力２０５Ｗ、発振効率１９．２％）にて出力が飽和
していたのが、導電部材により制御を行うことによっ
て、マイクロ波入力１４４５Ｗ（レーザ出力２７３Ｗ、
発振効率１８．９％）まで出力飽和入力値が向上した。

【０１２４】なお、強い放電６２を制御する場合には、
導電部材の厚さ３９を変化させて、導電部材エッジ部６
０とレーザ管１５との距離を調節すればよい。

【０１２５】また、導電部材エッジ部６０が鋭利である
ほど、強い放電６２は強く、鈍くなるに従って、強い放
電６２は徐々に弱いものとなる。

【０１２６】なお、本実施例では、図１及び図７に図示
したように、レーザ管の周囲に対称な配置となるよう、
斜め４５度方向に４個の導電部材を用いたが、レーザ管
の周囲に非対称配置となる導電部材を用いても、本実施
例にて説明したものと同様な効果が得られることは、い
うまでもない。

【０１２７】さらに、導電部材の配置位置は、レーザ管
の上下左右に位置しても、本実施例にて説明したものと
同様な効果が得られることは、むろんである。

【０１２８】さらに、導電部材の個数は、場合により１
個以上３個以下、または５個以上であっても、本実施例
にて説明したものと同様な効果が得られることは、もち
ろんである。

【０１２９】なお、以上のすべての実施例において、導
波管は、矩形導波管であっても円筒導波管であってもい
ずれでも可能である。

【０１３０】そして、矩形導波管内を伝播するマイクロ
波は、ＴＥm0モードであり、円筒導波管内を伝播するマ
イクロ波は、ＴＥ11モードである。

【０１３１】また、以上の全実施例において、整合器は
２スタブチューナ、３スタブチューナ、ＥＨチューナの
いずれかの形態を取り得る。

【０１３２】また、以上の全実施例において、空洞共振
器は、金属導体を母材とすると好適である。

【０１３３】また、以上の全実施例において、レーザ管
が、マイクロ波を透過する誘電体を母材とすると好適で
ある。

【０１３４】そして、この誘電体には、石英ガラス、耐
熱強化ガラス、アルミナ等が使用し得る。

【０１３５】また、以上の全実施例において、マイクロ
波発振器として、マグネトロンを好適に使用し得る。

【０１３６】また、以上の全実施例において、レーザ媒
質ガスは、ＣＯガス、ＣＯ2 ガス、Ｎ2 ガス、金属蒸
気、希ガス、ハロゲンガスのうち少なくとも１つを含ん
でいることが可能である。

【０１３７】また、以上の全実施例において、レーザ媒
質ガスがレーザ管、ガス循環ポンプ、熱交換器、ガス配
管により構成されるガス循環器系により循環せしめられ
ることも可能である。

【０１３８】

【発明の効果】以上のように本発明は、導波管内部に設
置されたレーザ管周囲に、電界強度分布制御手段を用い
ることで、放電の安定化を実現できる。

【０１３９】この結果、高出力・高効率で安定なレーザ
発振が可能なマイクロ波励起ガスレーザ装置を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の断面図

【図２】同第１の実施例の導波管内部の部分投影図

【図３】同第１の実施例の導波管内部のマイクロ波電界
強度分布と放電ガス位置を示す図

【図４】同第２の実施例の断面図

【図５】同第２の実施例の導波管内部の部分投影図

【図６】同第２の実施例の導波管内部のマイクロ波電界
強度分布と放電ガス位置を示す図

【図７】同第３の実施例のレーザ管周辺部の拡大断面図

【図８】従来の装置の斜視図

【図９】従来の装置の断面図

【図１０】従来の技術のレーザ管径方向放電輝度分布の
概略図

【図１１】従来の技術の導波管内部のマイクロ波電界強
度分布と放電ガス位置を示す図

【符号の説明】

１０ 空洞共振器 １１ マイクロ波発振器 １２ マイクロ波発振器 １３ 導波管 １４ 導波管 １５ レーザ管 １８ プランジャ １９ プランジャ ２０ プランジャ ２１ プランジャ ２２ 整合器 ２３ 整合器 ２４ アンテナ ２５ アンテナ ２６ ｙ方向電界強度分布 ２７ ｘ方向電界強度分布 ２９ レーザ媒質ガス ３０ 導電部材 ３１ 放電 ３２ 風上領域 ３３ 風下領域 ３４ ガス流の方向 ３５ ｚ方向電界強度分布 ３６ 放電ガス ３７ ｚ方向電界強度分布 ３８ 放電ガス ５０ 導電体筒 ５１ 放電 ５２ 導電体筒内ｚ方向電界強度分布 ５３ 導電体筒外ｚ方向電界強度分布 ５４ 放電ガス ５５ 導電体筒内ｚ方向電界強度分布 ５６ 導電体筒外ｚ方向電界強度分布 ５７ 放電ガス ６０ 導電部材エッジ部 ６１ 放電 ６２ 強い放電 ９１０ 空洞共振器 ９１１ マイクロ波発振器 ９１２ マイクロ波発振器 ９１３ 導波管 ９１４ 導波管 ９１５ レーザ管 ９１６ 出力鏡 ９１７ 全反射鏡 ９１８ プランジャ ９１９ プランジャ ９２０ プランジャ ９２１ プランジャ ９２２ 整合器 ９２３ 整合器 ９２４ アンテナ ９２５ アンテナ ９２６ ｙ方向電界強度分布 ９２７ ｘ方向電界強度分布 ９２９ レーザ媒質ガス ９３０ ガス流の方向 ９３１ 風上領域 ９３２ 風下領域 ９３３ ｚ方向電界強度分布 ９３４ 放電ガス ９３５ ｚ方向電界強度分布 ９３６ 放電ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 実 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波管内に設けたレーザ管中のレーザ媒
   質ガスを、前記導波管に導入したマイクロ波により放電
   励起して、レーザ発振をおこなうマイクロ波励起ガスレ
   ーザ装置であって、前記マイクロ波により発生した電界
   の強度分布を制御する電界強度分布制御手段を有するマ
   イクロ波励起ガスレーザ装置。
2. 【請求項２】 マイクロ波励起ガスレーザ装置が、被励
   起ガス媒質がレーザ管内を高速に流れ得る高速軸流型ガ
   スレーザ装置であって、導波管内のレーザ管を管軸方向
   に二等分したときのガス媒質流の風下側の前記レーザ管
   の管軸方向の電界強度変化率が、電界強度分布制御手段
   によって、前記レーザ管を管軸方向に二等分したときの
   ガス媒質流の風上側の前記管軸方向の電界強度変化率よ
   りも大きくなる箇所が少なくとも１箇所は存在する請求
   項１記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
3. 【請求項３】 マイクロ波励起ガスレーザ装置が、被励
   起ガス媒質がレーザ管内を高速に流れ得る高速軸流型ガ
   スレーザ装置であって、電界強度分布制御手段により、
   前記レーザ管の管軸方向の電界強度分布の最大強度位置
   が、前記レーザ管を管軸方向に二等分したときのガス媒
   質流の風下側に位置する請求項１記載のマイクロ波励起
   ガスレーザ装置。
4. 【請求項４】 電界強度分布制御手段が、導電部材であ
   る請求項１から３のいずれか記載のマイクロ波励起ガス
   レーザ装置。
5. 【請求項５】 導電部材は複数であり、それらの電位が
   互いに実質的に等しい請求項４記載のマイクロ波励起ガ
   スレーザ装置。
6. 【請求項６】 電界強度分布制御手段は、被励起ガス媒
   質が収納されたレーザ管内の放電に不要な電界を除去す
   る請求項１記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
7. 【請求項７】 電界強度分布制御手段が、レーザ管を取
   り巻く形状を有する導電体筒である請求項６記載のマイ
   クロ波励起ガスレーザ装置。
8. 【請求項８】 マイクロ波を導波する導波管はマイクロ
   波が交差する交差部を有する交差型導波管であって、被
   励起ガス媒質が収納されたレーザ管の径方向の電界強度
   分布を、電界強度分布制御手段によって制御する請求項
   １記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
9. 【請求項９】 電界強度分布制御手段が、導電部材であ
   る請求項８記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
10. 【請求項１０】 導電部材は複数であり、それらの電位
    が互いに実質的に等しい請求項９記載のマイクロ波励起
    ガスレーザ装置。
11. 【請求項１１】 レーザ媒質ガスが、ＣＯ2ガスを含む
    請求項１から１０のいずれか記載のマイクロ波励起ガス
    レーザ装置。