JPH0832155A - 複数個チャンネル レーザーの励起装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 スラブ放電間隙の放射状配列と空洞共振器の
技術を利用して小型で大出力のガスレーザを提供する。 【構成】 水循環路１２を備えたくさび形断面を持つ電
極１０を放射状に配列して狭い空隙の放電域１４で形成
されたスラブ型増幅チャンネルのアレイを構成する。ま
た各増幅チャンネルに整合した空洞型の共振回路を使っ
て、レーザの活性媒体を励起するレーザ励起エネルギー
源をそれぞれの増幅チャンネルに結合する。また一方で
は放電域を挟む各電極対は送信線となり、電極の励起に
よって進行波が発生する。放電域１４内のガスが励起さ
れてレーザ発振が起こると、発生した熱は拡散により電
極に取り入れられ、この熱は電極内の水循環路１２を流
れる水に伝えられて冷却される。その結果、小型で大出
力のレーザが実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強出力及び弱出力のガ
ス放電励起レーザー装置と、複数個チャンネルのレーザ
ー アレイ、殊に放射状アレイ レーザー装置の為の、
励起及び光を取り出す装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高出力のレーザー技術の最近の傾向は、
縦または横方向の高速対流によって冷却されるガス輸送
装置から、対流を使わぬ拡散による冷却へと移ってい
る。対流から拡散へ転換すると、小型化、簡素化、とコ
ストの低下が可能になる利点がある。この意味で、科学
文献や商業文献に掲載されている最近の研究開発の成果
によると、面積を拡大し、空隙の狭い、拡散によって冷
却する放電構造を取り入れる事により、簡素な、そして
小型で、安価な新世代のＣＯ_２レーザー装置が実際に作
成できると報告している。最近の、ＲＦ波によって駆動
される一般にスラブ放電レザーとよばれている、単一ス
ロット装置の種類で、幅が広く、長い装置では、現在の
ガス輸送を使用した装置より一桁小型のスラブ空隙部を
密閉した装置で波長１０．６ミクロンの数ワットからｋ
Ｗのレベルまでの出力性能を証明した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、より幅の広い
単一スラブ型から、それ以上の出力を出すには問題があ
ることが証明された；インピーダンス整合が難しいだけ
でなく、そのような拡張された領域内の単一電極増幅媒
体中では、均一なＲＦ波出力は問題があるだけでなく、
超大幅のスラブには付き物の高密度の光束出力は、鏡や
窓では扱えなくなる。以上に加えて、超大幅スラブ装置
の問題であるコスト高は、この方式に付随した増幅チャ
ンネルの電極片側だけの加熱や冷却による熱変形の不安
定性である。このような非常に幅の広い放電構造をもつ
装置によくある逐次悪化する光束の不対称性と不均一性
も、切断、熔接などの精密な工業過程に使用されるレー
ザーの効果を低下する原因となる。上記の場合を鑑み
て、拡散冷却による超大幅単一スラブ装置では、数キロ
ワット レベルの良質のレーザー出力が不可能であるこ
とが明らかになった。幸いに、最近単一アレイによる励
起と光を取り出す構想を取り入れる事によって、スラブ
レーザー装置の出力の上限をなくする可能性が出来
た。複数個の増幅チャンネル方式の技術は、シングル
アレイの光学構成を狭い空隙の放電配置に取り入れるこ
とを特徴とする技術である。Ｎ個のレーザー チャンネ
ルからなるアレイから出る個々の小光束を束ねるか、又
は積み重ねて一本の光束にすると、平均出力のＮ倍の出
力が可能となる。此のようにすると、装置の大きさが一
ケタちいさくできるか、又は、単位体積のあたりの出力
を増加することが出来る。アレイ中の個々のレーザーを
一位相にロックできる場合には、焦点の合った複合光束
の強度または輝度はＮ^２に比例して増加する。

【０００４】ＲＦ励起位相ロックされたアレイ：従っ
て、狭い空隙部を拡散冷却する、ガス放電励起レーザー
技術の主な挑戦は、複数個のチャンネルのレーザー ア
レイによって効率の高いＲＦ波を出力をし、小光束重ね
合わせと、一位相ロックに矛盾しない配列デザインとな
る。線型一次元または二次元のアレイは最近研究されて
いるが、小光束重ね合わせと一位相ロックの問題は、出
力が望むものより弱い事が問題である。 放射状アレイ：しかし、このゾディアック（放射状アレ
イ）レーザー装置と呼ばれている、当発明者の米国特許
＃５、０２９、１７３中に説明してある、非常に性能の
良い複数個チャンネル アレイ方式の放射状レーザー装
置の方法は、作成、ＲＦ波出力、及び位相ロックが簡単
という面から見て期待できるものである。小型で、完全
対称型であると、ＲＦ波励起装置、および光エネルギー
を取り出す装置の熱による機械的不安定性を回避でき
る。理論証明のための小規模の実験では、切断作業への
応用が優秀な性能で出来た。位相ロック無しでも放射状
に光束が重ね合う現象により、出力光束の対称性を強化
し、焦点を小さくしたために、優秀な性能が出た。この
考えは、非常に高い平均パルス出力まで増大可能と信じ
られる。動く部品の無い、非常に小さい閉鎖型のもので
も、何百キロワットまでも可能であろう。 放射状アレイＲＦ励起：従って、ＲＦ波エネルギーの発
生、分割、インピーダンス整合全体の為の、殊に放射状
アレイ レーザー装置に典型的な放射状の型の、電磁共
振空洞技術を任意に配置されたレーザー アレイを形成
している複数個の電極に利用して、効率よく、コスト低
廉に、基本的な複数個のチャンネル アレイ構想を、強
出力レーザー装置の領域へ拡張することを指導するのが
この発明の目的である。 放射状アレイ式光エネルギー取り出し：この方式は、光
エネルギーを取り出す為の、回折的にカップリングされ
た安定型共振装置と混成型の共振装置を明細に決めるも
のである。これらの安定型共振装置による光を取出す新
しい技術は、伝達を導波管によるか否かにかかわらず、
またＣＯ_２、ＣＯ、エキサイマー等のいろいろなレーザ
ー用混合ガスを使った、単一チャンネル、又は複数個チ
ャンネルの増幅アレイを持つスラブ型ＲＦ波励起レーザ
ーにも利用できる。これらの光学概念は、フラッシュ
ランプ又はＬＥＤのアレイで励起される、液体及び固定
のレーザー増幅媒体にも応用可能である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の一局面である
各増幅チャンネルに整合した空洞型の共振回路を使っ
て、レーザーの活性媒体を励起するためのレーザー励起
エネルギー源が、それらの増幅チャンネルにカップリン
グされており、複数個のスラブ型増幅チャンネルで出来
ているレーザー装置を提供するものである。一つの実施
例に於いては、増幅チャンネルは一対の電極によって出
来た狭い空隙部を持つガス放電域内に密閉されており、
各電極対は送信線となる。もう一つの実施例において
は、複数個の増幅チャンネルが共通の中心軸をもつ放射
状のアレイを作り、共振回路は軸対称であり、対称軸は
共通の中心軸と一致している。共振回路は、内部と外部
の円柱型の導電体の間に共振空洞を作っても良い。この
ような実施例では、各放電チャンネルの一端で電気エネ
ルギーを空洞内へ戻す為にカップリングする手段と、電
極によってインピーダンス整合した送信線端を終結する
手段を装備するのが良い。この場合、電極の励起によっ
て進行波が出来る。より好ましいのは、共振空洞内に配
置されており、電気的に電極対に接続された磁気ループ
を使用して、空洞からエネルギーを電極へカップリング
するのがよい。更にもう一つの実施例では、共振回路は
複数個の導電体の小片から構成され、各小片はストリッ
プ ライン励起源を構成している。レーザー励起用エネ
ルギー源は出来れば同軸のリエントラントの一対の電気
容量的に負荷された同心の共振空洞から構成するのが良
い；一対の同軸でリエントラントな電気容量的に負荷し
た同心の共振空洞の内部に電気的に接続されている真空
管、これによって空洞型共振回路の一端、又は空洞型共
鳴回路の側面にＴ字型に取付けられているＲＦ波発振器
を形成する。このエネルギー源が空洞型共振回路の側面
に取付けられている場合には、この空洞型共振回路の側
面に取付けられた複数個の真空管で構成してもよい。更
にもう一つの実施例では、レーザー励起用エネルギー源
は空洞型共振回路の内部に取付けられ、放射状アレイの
円周上に拡張された、トロイド型真空管で構成してもよ
い。

【０００６】この発明の更にもう一つの実施例では、下
記の様な構成のレーザー装置を提供する：各対が狭い空
隙の放電チャンネルを形成する並列接続された複数個の
電極面対：一つの共通の中央軸から放射状に出るように
配置されていて、並列接続された複数対の電極面：この
電極面を拡散冷却するために、上記の電極面に取付けら
れた手段。このような電極は、出来れば金属製、又は熱
伝導性の高い材料で作られ、水冷却用循環路が、上記の
電極面の内部に直接埋められたものが良い：レーザー励
起用エネルギー源を各電極面対に供給するために、この
電極面に取付けられた手段で、複数個のレーザー増幅媒
体が電極間の狭い空隙のチャンネル間に作られる：この
ような複数個の空隙レーザーの励起用エネルギーは、出
力分割とインピーダンス変換、およびインピーダンス整
合装置から、励起用ＲＦエネルギーの形で供給されてい
る。この構成は共振同軸空洞の構造をもち、第一の共通
中心軸と一致したもう一つの共通中心軸を持ち、放射状
に配列された放電チャンネルの外側に共通の中心を持っ
て取付けられてある：ＲＦ波励起エネルギーを、外部の
強出力ＲＦ波発振源から、または単一化複数個のＲＦ波
増幅器か、又は前記の同軸のインピーダンスと出力変換
共振空洞装置とを一体として作られた自己励起空洞発振
器から、同軸の空洞インピーダンスを出力変換装置に供
給する手段：第一の共通中心軸と一致する三つめの中心
軸を持った、光エネルギーを取り出す手段であって、狭
い空隙部の増幅チャンネル全部を同時に、共通の共振器
様式に構成する目的で、並列電極面対のどちらかの一端
に取付けられてある。

【０００７】上記の光エネルギーを取り出す装置：複数
個の位相ロックされた帰還ループを備えていても、備え
ていなくてもよいが、または外部の主発振器からのイン
ジェクションを加えても良く、コヒーレントな、または
コヒーレントでない複数個の小光束出力を中心軸の近く
にカップリングするためのトーリック共振器、または：
在来の不安定型共振器で、コヒーレントなオーバーザエ
ッジ回折小光束出力カップリングを特徴とし、外部の主
発振器や、不安定型共振器の中心部に形成された発振器
主部から、インジェクション位相ロックを通じて形成さ
れる各々の出力小光束間でコヒーレントな状態を提供す
る手段を含む：此の発明のもう一つの実施例で光エネル
ギーを取り出す手段は、普通の安定型空洞様式で、位相
にコヒーレントで環状にカプリングされた凹凸型安定共
鳴器を含む：狭い空隙の各増幅チャンネルから光エネル
ギーを取り出す手段で、この手段は放射状の各増幅チャ
ンネル毎に一づつあり、更に、複数個の同型の小さな出
力窓が、複数の増幅チャンネルと同一線上に、放射線状
に円周上に配置され、各々位相ロッキングされた小光束
として、周辺の回折出力にカプリングされていることを
特徴とする：光エネルギーを取り出す為の、放射状に配
列された複数個の窓のヒートシンクの手段。アクシコン
を利用して複数個の小光束をひとつの光束に束ねる手
段、またはウオルター レンズの様な普通の焦点をあわ
せる装置を利用して、小光束全部を同時に共通の一点に
焦点をあわせる手段。

【０００８】この発明のもう一つの実施例では、放射状
の増幅チャンネルは、絞りにカプリングされた安定型の
トーリック光共振装置で、以下の特徴をもつ：構造の中
心線の近くにある環状の、コーヘレントに位相ロックさ
れた光エネルギーを取り出す手段。更に当発明のもう一
つの実施例中で、放射状増幅チャンネルは、光を取り出
すＭＯＰＡ装置に取付けられ、下記の特徴を持つ：中心
部に配置されている安定型主芯部である発振器は、共通
の中心をもつ複数個のウオーク オフ出力増幅器の増幅
部によって同心的に囲まれており、各々の出力増幅部
は、中心に取付けられた普通の主芯部の発振器から主発
振器に同時出力によって、位相ロックされた個々の小光
束を出す。

【０００９】当発明による出力のより低い小型の実施例
では、複数個のチャンネルレーザー励起は、インピーダ
ンス変換とインピーダンス整合により得られたＲＦ励起
エネルギーの形で発生される。複数のストリップ ライ
ンＲＦ共振装置は全部相互にカプリングされていて、第
一の共通中心軸と同軸の位置にあり、放射状放電チャン
ネルの外部、又はそれと同心的に配置された中心軸をも
っている：外部のＲＦ波発振装置、又は上記のインピー
ダンス変換共振ストリップ ライン装置とまとめて形成
されている、単一または複数個のＲＦ波増幅装置、また
は自己励起発振装置からＲＦ波エネルギーを、カプリン
グされたストリップ ライン共振装置へ励起する手段：
これらの手段は、位相ロックなしで複数個の小光束を取
り出す方式、または完全に位相ロックされていて複数個
の小光束を取り出す方式のどちらでもよいが、安定型、
不安定型または混成型等の普通の光共振器の様な、光エ
ネルギーを全ての増幅チャンネルから同時に取り出す手
段。後者は外部の主発振装置の自己出力操作によって発
生させるものである：当発明による、より高い出力の実
施例においては、複数個の放射状の多数チャンネル増幅
部分が、三つめの共通の光共振装置の共通中心軸と同心
的に配置されて、数百の各増幅チャンネルはその中心軸
のまわりに配置されており、同様の光出力モードに同時
に寄与出来る：拡散冷却をするためと、レーザー励起エ
ネルギーを各電極面対に供給するために電極面に接続さ
れている手段で、効率の良い複数個のレーザー増幅媒体
が、狭い空隙をもつ複数個の電極チャンネル内で作り出
されるようになっている：そのような複数個の狭い空隙
部によるレーザー励起エネルギーは、複数個の磁気ルー
プのインピーダンス変換及びインピーダンス整合装置よ
り発生されたＲＦ波励起エネルギーの形を取る；これは
第一の共通な中央軸と同軸なもう一つの中心軸を持つ共
振同軸空洞構造から出来ており、放射状の放電チャンネ
ルの外側に同心的に取付けられている：ＲＦ波出力が上
記のＲＦ空洞内で発振されるか、または増幅されるか
し、全体の装置が特有のＲＦ波共振周波数を持ち、複数
個の独立した磁気ループを通して後の工程で各電極部に
カップルされており、放射状に配列された空洞構造と一
括して、いくつかの強ＲＦ波出力三極真空管、または四
極真空管が装備されている事が特徴であるこの同軸ＲＦ
波空洞構造にＲＦ出力を供給する手段：

【００１０】位相ロック無しか、または完全位相ロック
された複数個の小光束を取り出す装置で、安定型、不安
定型または混成型などの共通の光共振器で構成されてい
る事が特徴である、光エネルギーを増幅チャンネル全部
から同時に取り出す手段。完全位相ロックされた複数個
の小光束を取り出す場合は、自己出力操作の外部の主発
振器からの出力によって得られる。

【００１１】

【実施例】この発明による基本的な複数個のチャンネル
と狭い空隙を持った、ＲＦ波駆動のレーザー励起装置
は、第一図の断面略図に示してある。本発明者の米国特
許５、０２９、１７３号に略述してある様に、この装置
は拡散によって冷却されている放射状アレイ型に配列さ
れた複数個の増幅チャンネルで構成されている。第１図
と第２図に示した典型的な複数個の増幅チャンネル装置
は、薄い楔型の電極部１０で作成されており、各電極の
内部には、すぐ隣り合った狭い空隙の放電域１４を効率
良く冷却する為の水循環路１２がいくつか設けられてい
る。これらの安価で、押し出し成型された電極は断熱性
支持環１６で密閉器１８内に設けられている。第２図の
複数個の増幅チャンネル装置１４を構成し維持する為に
必要な冷却水とＲＦ波出力は、別々の二本立ての冷却水
用とＲＦ波用の複数個のパイプ２０を通して供給され
る。

【００１２】ＲＦ駆動に関する考察：このようなレーザ
ー配置によって、コストの最大の恩恵を受け、最大の操
作パラメターをひきだすには、狭い空隙の特別の増幅チ
ャンネル１４を作成している各電極部品１０が、一つの
共通のＲＦ波出力源によって効率よく、別々に独立し
て、駆動されるのが良い。この特徴は、これらの高出力
レーザー装置の域の拡張された電極が低いインピーダン
ス（典型的な値は１０オーム以下である）示すという事
実に従うものである。従って、第１図と第２図に示した
２４個の増幅チャンネル放射状アレイ構造に於ては有効
並列荷重は１オーム以下に下がる。しかし、ＲＦ波エネ
ルギー源として使われる典型的な強出力発振真空管の出
力インピーダンスは１００オームから２００オームの間
である。従って、二桁のインピーダンスの不整合がＲＦ
波出力源荷重と並列放射状アレイ電極の荷重間にある。
従って、ＲＦ波エネルギーを効率の良く移転するには、
この出力源と荷重間の膨大なインピーダンスの不整合を
相殺しなければならぬ。ロスの低い整合回路を各電極毎
に設けなければならないので、この必要性を従来のイン
ピーダンス整合回路を使って満たす事が非常に難しい事
は経験から判っている。複数個のタップを有するＲＦ波
分割装置とインピーダンス整合変換回路がもし可能で
も、そのような装置は大変不効率で、高価で、煩雑であ
るので商業化は実用的でない。

【００１３】複数チャンネルＲＦ波出力の変換：特に、
インピーダンスの比が大きいのと、関係する出力が大き
いので効率の良いＲＦ波出力分割装置とインピーダンス
整合変換回路の内部散逸と放散ロスは非常に低くなけれ
ばならぬ。この意味で、同調されたＬＣ変換回路の性能
と効率はクオリティー ファクター、Ｑの値で定量する
のが最適である。このパラメータＱは一サイクルの保存
エネルギー、Ｅ_ｓｔｏｒと放出エネルギー、Ｅ_ｄｉｓの
比で表される。式は：

【数１】 ここでは下記の式で表される共振周波数であって下記の
様に与えられる：

【数２】 ここでＬとＣはそれぞれ装置の総インダクタンスと総キ
ャパシタンスである。ＲＦ波エネルギーは交流としてイ
ンダクタンスとキャパシタンスに貯蔵されているから、
そしてエネルギー放散は回路の抵抗Ｒ_Ｓ、に比例するの
で回路のクオリティー ファクター、Ｑは下記の様にな
る：

【数３】 これらの狭い空隙放電装置のここで話している励起周波
数において、総パラメータの回路に使用されるＬＣ要素
は小さいもので、従って低い内部放散抵抗Ｒ_Ｓを持た
ず、出力を取り扱う容力は拡張された領域即ち複数個の
チャンネル アレイと釣り合う。また、非常に大きな誘
導抵抗電流の下で膨大なインピーダンスの不整合の結果
を生じるインダクタンス漏れと放射ロスは過大なものと
なる。この装置の構成単位は、また有限の磁化インダク
タンス、スキンデプスの寄生的なキャパシタンス ロス
の問題があり、これらの全部は性能の低下をもたらす。
低エネルギー変換の効率は此のように難しいＲＦ波駆動
の問題では珍しくはない。幸いな事に、総要素が一括し
て整合された従来の回路の欠陥は、要素の纏まって構成
されていない共振空洞型のインピーダンス変換と、出力
分割の考えを取り入れる事によって無くする事が出来
る。

【００１４】共振ＲＦ空洞の考察 上記に示した様に、アレイレーザー装置の複数個のチャ
ンネル励起と関連のある問題は、安価に、複数個タップ
出力カップリングと非常に大きな出力を取り扱える容量
があり、非常に高能率の広周波数帯域インピーダンス変
換を提供する為に、共振空洞方法を取り入れて解決出来
る事がある。この考えは第３図から第５Ａ〜Ｈ図に順序
を迫って示した図によるとうまく説明できる。第３図に
示した様に、環状の共振空洞２３を定義している同軸の
送信線は、内部と外部の円筒形の伝導体２４と２６から
作られており、ＴＥＭ_ＯＯ基本的な電磁モードの伝播を
支持し、その伝播中に放射状の電場Ｅ_ｒと方位角の磁場
Ｈ_Ｏだけがゼロでない。此のような送信線のどちらかの
端が短い回路２８で終結していると、定在電磁波が出
来、これは空洞の全長Ｉ_{（ｒｅｓ）}が電磁放電の波長１
／２に等しい周波で共振する。この条件下では、短い回
路の同軸空洞構造中に配分された直径のインダクタンス
とシャント キャパシタンスが丁度釣り合う。

【００１５】狭い空隙を持ち、拡散冷却されるＣＯ_２レ
ーザー装置（典型的には１００ＭＨｚ）を操作するにち
ょうど良い周波数では、Ｉ_{（ｒｅｓ）}は１_ｏ，５ｍとな
り、これは小型のレーザー装置としては実用的には長す
ぎる。しかし共振空洞に必要な同軸空洞の長さは、第４
図に示した様に、一個又はそれ以上の外部のＲＦ波キャ
パシター２９を使用して“総括したキャパシターの荷
重”の方法でもっと短い便利の良い長さにできる。もし
総括したキャパシターＣ_Ｏの合計値を、装置構造中に配
分されたキャパシタンスよりずっと大きくすれば、それ
が装置を支配する事となる。そうするとこの総括したキ
ャパシター荷重Ｃ_Ｏが、二つのショートされた同軸送信
線の部分のどちらかの端にある、並列インダクタンスＬ
_１とＬ_２によってちょうどバランスされると、並列共振
が起こる。もし空洞の構造が対称なら、Ｌ_１＝Ｌ_２であ
り、性能は第５Ｄ〜Ｈ図同等の回路と共振式で充分説明
される。

【００１６】此のような条件下では、短くなった同軸で
ロスの少ない空洞が共振状態にある時の長さＩ
_{（ｒｅｓ）}は半波長よりも相当短くなり、次の式で与え
られる：

【数４】 ここでＣ_ｏは一括したキャパシタンス２９の全値であ
り、β＝２π／λは位相定数、λは波長、ωは共振波長
である。Ｚ_Ｏ＝［μ／ξ］１ｎ（Ｂ／Ａ）の項は短くな
った送信線の特性インピーダンスである。ＡとＢは第４
図に示した同軸構造の内径と外径で有る。μとξは空洞
内の媒体の磁気透過率と許容量（パーミッティヴィテ
ィ）である。これら二個のパラメータは通常

【数５】 の項で決まり、普通には、電磁波伝播媒体の“固有イン
ピーダンス”として知られている。

【００１７】もし空洞構造が対称でなく一本だけの短絡
された同軸送信線部を使用している場合には、回路と共
振条件は第５Ｂ図に示したようになる。または、もし空
洞が第１０図と第１１図に示した実験装置に使われてい
るようにＴの形をしておレば、適当な同等回路は第５Ｃ
図に示した様になる。両方の真っ直ぐなアームの並列イ
ンダクタンスは此の場合は横から出るアームＬ_３と直列
となるので、有効インダクタンスは：

【数６】 となる。空洞のデザインは単一スラブの場合にも同じく
適用できるが、ＲＦ波源を単一スラブに合わせる事はあ
まり問題ではないから、アレイ上の空洞を使用した場合
と比べてあまり利点はない。

【００１８】共振空洞インピーダンス変換：上記に説明
した共振同軸空洞構造型のＥＭ波動方程式の解では、放
射状電磁場と放射状方位磁場は、第３図の短い回路の面
から測った空洞軸に沿った位置（Ｘ）の関数となる。も
し壁と空洞内の誘電性ロスの両方が無視出来れば、これ
らの磁場は次の様な従属性を持つ：

【数７】 Ｅ_Ｏは空隙内の電場のピーク値で、ｒは空洞の中心線か
らの放射状に測った距離である。上記の式から放射状電
場は対称面（即ち

【数８】 である所）で最大となり、短絡された回路の端でゼロま
で減少する事がわかる。逆に方位磁場は端で最大とな
り、中央部では無視出来るようになる。ここで構造内の
ある特別の軸位置（Ｘ）から見た電場対磁場の比として
定義されている此の局部分のインピーダンスＺ
_{ｒｅｓ（ｘ）}、は共振状態では次式の様になる：

【数９】

【００１９】上式をよく見ると、中央部はインピーダン
スの非常に高い（ロスがゼロの場合は無限）域であり、
両端域はインピーダンスの非常に低い域である事があか
る。この電磁エネルギーを外部のインピーダンスの高い
真空管ＲＦ波出力源から、中央面に設けられた電気プロ
ーブ３０を通して空洞に供給する共振空洞の固有インピ
ーダンス変換の特徴は特別の用途がある。独立した複数
のチャンネルのインピーダンスの低い出力分割と、カッ
プリングは第４図に示すように、空洞端面内と周りにあ
る複数個の磁気ループ３２によってできる。上述で明ら
かになったが、ロスの無い共振空洞で求められるインピ
ーダンス変換比の理論値は無限値である可能性があるが
“実際”の場合ではそうではない；空洞ロスと外部荷重
はこの状況を著しく変える。従って、有効外部荷重Ｚ
_ｅｘｔからの？実際のインピーダンス変換比と非荷重の
空洞の中央面からみた共振インピーダンスＺ_ｒｅｓの比
は：

【数１０】 となる。ここでＱ_ＬとＱ_ｕは荷重をかけた時とかけない
時の共振空洞のＱである。重要なこれら二個のパラメタ
ーは後にもっと完全に討論する。数百と言う値のＱ_ｕ／
Ｑ_Ｌ比をもつ安価な空洞は、実際簡単に作成出来るの
で、この共振空洞インピーダンス変換の考えは典型的な
インピーダンスの高い、強出力のＲＦ波真空管を複数個
の幅の広いスラブ型放電チャンネルの非常に低いインピ
ーダンス荷重にあわせるには際だって実行可能なやり方
である。

【００２０】複数のチャンネル出力分割とインピーダン
ス整合 第４図に示した共振空洞装置の基本的な複数個のチャン
ネルのインピーダンス整合と出力分割の局面は小型で安
価な、そして第６図に示したような複数個のチャンネル
放射状アレイ レーザー構造の効率の高いＲＦ波励起方
法を提供する為に開発された。図からわかるように、こ
の整合と出力分割の同軸構造は、熔接密閉したレーザー
を囲う外壁の中にまとめて設定されているものである。
ひとつひとつの磁気カップリング ループ３４とそれら
に対応する空洞のＲＦ波電極３６をまとめて同時に水冷
却するには水の入口と出口の穴３８による。それぞれの
ＲＦ波出力分割と各電極部へのカップリングは、磁気ル
ープ３４から延びている延長管４０によってなされる。
電極面はスラブ型増幅チャンネルの端を定義し、増幅チ
ャンネル内に励起用材を閉じ込める役目をする。交互の
電極に必要なＲＦ波の極性は空洞の課像対称性による。
複数個のチャンネル放電装置のための、外部のＲＦ波出
力駆動はここでも電気プローブ３０を通して成就され
る。レーザー エネルギーは鏡４４と４６からなる共通
の光共振装置を通して、同時に別々に駆動される狭い空
隙の増幅チャンネルから取り出される。もしＲＦ波空洞
構造が第１０図の実際の組立略図に見られるように、一
つ一つ別々に、そしてレーザーの真空容器から電気的に
絶縁されておれば、電極は“浮遊”し、複数個の電極と
レーザーの金属容器との間に優秀な放電絶縁が出来る。
この局面はより高い圧とＲＦ波励起出力レベルのスラブ
レーザー装置で通常出くわすコロナからアースの問題を
最少にする。

【００２１】定在波と進行波のカップリング：各電極へ
のインピーダンス整合と出力の分割は、共振空洞内を巡
回している磁場に磁場ループを適当な角度でカップリン
グをする為に各ループ３４を回転する事によってなされ
る。それについて、水供給管は各電極の各端部に取付け
られ、両端のあるＲＦ波エネルギー駆動装置も使用する
事が可能である。通常“定在波カップリング”と言われ
ているこの型のＲＦ波カップリングは、定在波の拡長さ
れた電極の長さ方向の電圧変動を最少するために、普通
交互の電極要素に沿ってその電極要素間の戦略的な位置
にいくつかの小さなインダクターをまとめて取付ける事
が必要である。ここで“進行波カップリング”と呼んで
いるもう一つのＲＦ波カップリングをする方法は、交互
の電極の反対端にＲＦ波出力を供給する事によってなさ
れる。従ってＲＦ波エネルギーは、並列電極によって出
来た電気容量的にカップリングされた複数のストリップ
送信線を通して、共振空洞の一端から他の端へ連続して
往復励起される。この局面は周期的チューニングインダ
クターをレーザー装置内に電極に沿って設ける必要無
く、効率の良い、そして均一なＲＦエネルギーを各増幅
チャンネル内に供給する。このような方法は簡単に実行
可能なだけでなく、より広い周波数帯域の装置となる。

【００２２】もし、レーザー装置内の放電電極の長さが
ＲＦ波出力源の波長よりずっと短いか、または、ずっと
長ければ、有利な電圧二倍効果を持つ全振幅の二極性で
進行波型の一様な励起は各々の電極間の空隙の全長に亘
って可能となる。しかし、電極長さとＲＦ波の波長が同
じ位の長さであれば、少し条件が違う場合が出てくる。
これはここに使われている空洞のループカップリング技
術は“位相と合った”または“１８０度の位相の異なっ
た”ＲＦ波出力の供給を義務づけるからである。従っ
て、電極の長さ方向の加算された位相の食い違いは、反
対の極性の進行波の効果を減らす。しかしこの事実に拘
わらず、それでも、もし電極の長さをＲＦ波励起の半波
長となるように選べば、優秀な性能は成就できる。この
条件下では各電極の両端を駆動することが可能となる。
第５Ｄ〜Ｈ図のいくつかの回路略図は使用可能な典型的
なＲＦ駆動の組み合わせを説明している。もし電極が約
半波長の長さであれば、隣り合った電極が同様に駆動さ
れた場合、しかも第５Ｄ図から第５Ｆ図に示した様に、
すぐ隣の電極とは反対の極性で駆動される場合には、非
常に望まれる前記の電圧二倍増の効果が保たれる可能性
がある。第５Ｇ図の駆動装置の配列では電圧二倍増は出
来ないが、各放電スロット間に非常に望まれる電気絶縁
を提供する。これらの条件下では、一つのループは、並
列電極により出来ているストリップ送信線の非放散型の
インピーダンス整合との出力終結をする役目をする。従
ってこのループは未吸収のＲＦ波エネルギーを後にまた
利用するために共振空洞へ戻す役目をする。最高の性能
を発揮するには、カップリング ループのアース側はケ
ースのアースからは“浮遊”しているべきである。この
局面は金属性の真空容器へのコロナを無くする。

【００２３】電極の長さが波長の１／４の時にも充分な
性能は得られる。しかし、先の二重極性のＲＦ波駆動装
置によって供給された電圧二倍増の効果は得られない。
そのかわり、各電極は一端だけから駆動され、他の端は
ＲＦ波アースされている。しかし、すぐ隣あわせの電極
はそれでも反対の極性のＲＦ波供給源によって駆動され
ている。第５Ｈ図に示した磁気ループＲＦ波駆動は直接
には非駆動の中間の電極に接続しているが、短なる直列
要素としての役目をしている。この場合は必要な磁気ル
ープの数は半分となる。

【００２４】従って、まとめると、第６図に関係した操
作の順序は、ＲＦ波エネルギーが電気プローブ３０を通
して外部のＲＦ波出力源からレーザー ヘッドに供給さ
れる。冷却水のヘッダー３８とＲＦ出力は各電極部３６
に、磁気ループ３４と水供給管４０を通して同時に供給
される。磁気ループ３４の位置は正と負交互のＲＦ波電
圧を順に続いた各電極要素３６で供給する。各電極のル
ープにカップルされたＲＦ波エネルギーの実際量は各磁
気ループを回転することにより簡単に制御出来る。従っ
て、ＣＯ_２，ＣＯ，エキサイマーや他の型のレーザー用
の混合レーザーガスの中の隣り合った電極面３６の間
で、ガス放電増幅域またはスロットの多様性が出てく
る。全個体数の反転はＲＦ波励起によって個々の放電空
隙内で付随して発生し、それによって複数個のチャンネ
ルの放射状の増幅アレイを作りだす。レーザー エネル
ギーは、その構造から一次鏡４４と出力鏡４６からなる
共通の光共振装置を通して取り出される。密閉性と出力
光束をレーザー チャンバーから取り出すことを保証す
るための装置のそれ以上の機械的な局面は図には示して
いない。

【００２５】ＲＦ空洞の考察 − 空洞の無負荷Ｑ：以前に表現した整合回路の基本的なＱ
の定義は共振空洞にも当て嵌まるから、次のように定義
することもできる：

【数１１】 ここでωとＥ_ｓｔｏｒは共振周波数と空洞内に蓄えられ
たエネルギーである。Ｅ_{ｄｉｓ−ｃ}とＥ_{ｄｉｓ−ｅｘｔ}
はそれぞれの空洞抵抗Ｒ_ｃと外部回路Ｒ_ｅｘｔ内で放散
されるエネルギーであり、Ｅ_{ｄｉｓ−ｔｏｔ}は装置内で
放散される全エネルギーである。もし入力回路と出力回
路が整合しておれば：

【数１２】 であり、Ｒ_ＧとＲ_Ｌは発生器と負荷の抵抗である。

【００２６】マイクロ波の理論考察より次のようにも表
現出来る：

【数１３】 Ｑ_ｗａｌｌとＱ_ｄｉｅｌはそれぞれ蓄積されたエネルギ
ーと抵抗ロスＲ_ｃの比、蓄積されたエネルギーと壁と絶
縁体内の放電率ＤＦの比である。従って空洞のＱ_ｕは空
洞壁内ロスとその中の絶縁体の材料によって決まる。も
し空洞の内部が導電率の高い銀で鍍金してあれば、Ｒ_ｃ
はミリオーム以下に下がり、１０、０００と言うＱ
_ｗａｌｌの値は簡単に得られる。銅で作成してもこのパ
ラメータの値は２０００以上になる。もし空洞内の絶縁
体が空気であれば、空気の放散係数ＤＦ＝１／Ｑ
_ｄｉｅｌは本質的にゼロであるから、Ｑ_ｄｉｅｌも非常
に高い値となる。しかし非常に短い空洞では、使用され
る一括された負荷キャパシターは普通いくらかロスのあ
る絶縁体で作成されたいる。この事実にもかかわらず、
非常に低ロスのＲＦキャパシターはＱ_ｄｉｅ値１０、０
００のＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３またはテフロン等で作られ
る。まだそれ以上小さくて、ＤＦが０．１％のチタン化
ストロンチュームバリュームから作られる安価なＲＦ波
キャパシターは今日では手に入る。従って、１０００以
上のＱ_ｄｉｅは簡単に得られる。

【００２７】負荷された空洞のＱ：一方負荷されたＱ_Ｌ
は、空洞にカップリングしている外部から負荷の総計値
Ｒ_ｅｘｔに反比例する外部の によって元来決めら
れるのである。ここで考察中の放射状アレイ レーザー
の場合には、外部負荷は発生器の抵抗Ｒ_Ｇと複数個の増
幅チャンネルの並列抵抗を統合したものとを組み合わせ
て出来上がっている。典型的な放射状態では、Ｒ_Ｌは１
オームまたはそれより小さな値であり、発生器のインピ
ーダンスは５０オームという可能性がある。従ってＱ
_ｅｘｔは大体Ｑ_Ｌと同じ位の非常に小さな値となる。

【００２８】空洞エネルギー変換効率 − 共振空洞を使って複数個チャンネルの出力分割とインピ
ーダンス整合を成就するという構想は、第６図に示した
様に狭空隙ガス放電のアレイには有用であり、殊に放射
状アレイ レーザー励起には有用である。空洞に堆積さ
れたＲＦ波エネルギーは後に空洞内、または外部の回路
で放散される。外部の回路での放散は発生器抵抗Ｒ_Ｇと
外部抵抗Ｒ_Ｌからなり、次の様に書いてもよい：

【数１４】 前出のクオリティー ファクターの表現を使うと次式が
成り立つ：

【数１５】

【００２９】此処では、共振空洞のエネルギー変換効率
ｎ_ｃは、外部の負荷Ｅ_{ｄｉｓ−Ｌ}内で放散される有用な
エネルギーと装置内で放散される全エネルギーＥ
_{ｄｉｓ−ｔｏｔ}の比と定義される。エネルギー放散が発
生器内より負荷Ｒ_Ｌ内での方がずっと大であるような典
型的な出力大回路のカップリングでは、効率の式は：

【数１６】 前述の空洞の負荷をした場合と無負荷の場合のＱを検討
すると、次式は明らかになる：

【数１７】 ここで

【数１８】 である。上の空洞効率の式にこれらを代入すると下記の
簡単な関係が得られる。

【数１９】

【００３０】この式からもしＱ_ｕがＱ_Ｌの１００倍程の
値を持つようにデザイン出来れば、エネルギー変換効率
が１００％に近い値を成就することも可能であろう。一
例としてロスの低いキャパシターの負荷を考えて見よ
う。この条件下では空洞壁のロスＲ_ｃは無負荷のＱ_ｕ中
で一番重要な項となり、Ｑ_ｕ＝ωＬ／Ｒ_ｃとなる。そう
するとこの比は次式で近似できる：

【数２０】 銅製の空洞ではＲ_ｃは数ミリオーム（典型的な値として
は５ミリオーム）となり、一方複数個の電極で表される
総括した外部の負荷Ｒ_Ｌは大体半オームとなる。これら
の典型的な値を使うとＱ_Ｌ／Ｑ_ｕの項の値はうまく作成
された共振空洞では大体０．０１となる。このことはＲ
Ｆ波エネルギー変換ｎ_ｃが９９％にも達する可能性があ
る事を意味する。出力分割インピーダンス整合の過程
で、ＲＦ波エネルギーのほんの数％だけが失われるだけ
である事が明らかである。これは優秀な場合で、従来の
統括された整合回路の場合とは全く異なる。整合が非常
に悪く平均出力が高い条件のもとでは、この回路は非常
に大量のエネルギーを放散するので、個々のＬＣ要素を
水冷却する準備をしておかなければならぬ。

【００３１】ＲＦ波発生の考慮 拡張された複数個の値の高出力レーザー アレイ装置の
励起に必要な、平均出力が高い場合は従来のＲＦ発振増
幅装置をエネルギー発生源として使用するのはコスト効
果が良くない。発振器内でのロスを最少に出来る限り、
自己励起の“Ｃ級”のＲＦ発振器を利用して必要な効率
を出すのが良い。纏まったタンク回路： ＲＦ発生器のＣ級の操作は普通通
常タンク回路と呼ばれている並列ＬＣ回路を共振状態で
高インピーダンス要素として電極の“負のコンダクタン
ス”分路と共にＲＦ波振動エネルギーを発生するために
使われている事を意味する。従って、効率のよいＲＦエ
ネルギーを発生には、タンク回路の内部放散と放射ロス
は非常に低い事が必要である。先に考察したＲＦエネル
ギー変換の場合と同じく従来のまとまったＬＣ振動タン
ク回路の高出力のＲＦエネルギーを発生するに必要な効
率を出す為に充分高いＱ値を持たない。前記に概要を述
べたのと同じマイクロ波の技術を、配分“空洞”型の共
振タンク回路の概念で使うことによってこれらの欠陥は
打ち消すことが出来る。

【００３２】配分されたＲＦタンク回路 共振空洞ＲＦ波タンク回路の概念は第７図に示した略図
で詳しく説明されている。図は数百キロワットの出力を
幅の広い周波数域で発振可能な“自己励起空洞カップリ
ングされたＲＦ波出力源”を示したものである。活性エ
レクトロニクス装置５０は同心の導電円筒５１、５３と
５５の間および５３と５５の間に囲まれ、カップリング
された二つの共振タンク回路５２と５４の間にはめ込ま
れた高出力の“灯台”型のセラミックスの三極管又は四
極管である。 １／４波長の空洞：アノードからグリッド型のタンク回
路５２とグリッドからカソード型のタンク回路５４は両
方共、長さ１／４波長で、キャパシタンス効果によって
短くされており、同軸で、短絡された回路の送信線空洞
で出来ている。ロスの低いキャパシティーの負荷はここ
では真空管自身の電極間のキャパシタンスよって供給さ
れる。プローブ５６またはループ５８によるこれらの二
つのタンク回路間の正帰還カップリングが自己励起操作
をする。又は、互いに接続されているループ７０とルー
プ７２を通して正帰還を作る事も可能である。アノード
とグリッドのバイパス キャパシターは６０と６２の位
置に装備する。ヒーターのフィラメント電流は水冷却さ
れているケーブル６４を通して供給され、一方アノード
のＤＣ出力と冷却は独立した管６６を通して供給され
る。ＲＦ波エネルギーはアノード タンク回路から周り
に一様に配置されている複数個の磁気ループ６８のカッ
プリングを通して取り出される。タンク回路の部品全部
は銅とか、銀鍍金した青銅のようなロスの低い材料で作
成しても良い。広い表面積とこの二重の共振空洞ＲＦ波
タンク回路のデザインに付き物の高い無負荷Ｑ値によっ
て効率が良く、ＲＦ波のシールドが優秀で、非常に強出
力可能性を提供する。

【００３３】ＲＦエネルギー カップリング 第８図は便利で小型の方法を示す。ここで、第７図の自
己励起共振空洞ＲＦ波源の中でセラミックの真空管５０
からとり出されるＲＦエネルギーは、第６図の複数個チ
ャンネル レーザー装置にカップリングしても良い。非
常に高いＲＦ出力が必要な場合には、数個の磁気ループ
カップリングされた同軸ケーブル７４を使う。この配
列構造では、装置の周りに一様に配置された数個の出力
磁気ループ６８と、入力用電気プローブ３０を通してエ
ネルギーは移される。別な方法としては、全磁気ループ
カップリングされた出力移転をループ６９に接続して
いる何本かのケーブル７５を使ってやってもよい。水冷
却と複数個の成型された電極１０のＲＦ波駆動は、水冷
却のヘッダー３８と磁気ループ３４を通しても良い。光
エネルギーはＺｎＳｅ製の出力窓８８をとおって調節可
能な共振装置８６と８４から取り出される。もっと完全
にまとまったＲＦ波出力移転構成は第９図に示してあ
る。ここで磁気励起ＲＦ波空洞発振装置の真空管５０は
レーザー ヘッドの共振空洞の出力分割およびインピー
ダンス整合の装置内に直接組み込まれている。この構成
では導線が全然不必要で、更に小型化が可能となる。こ
の方法によると、アノードからグリッド型のタンク回路
は、単一の“Ｔ型共振空洞”７６の形で同軸ＲＦ波出力
分割とインピーダンス整合装置の一部となり、一つの共
振空洞を照射し、その製作は更に簡単なものとなる。グ
リッドからカソード型のタンク回路は、同様な同軸共振
空洞７８から構成されており、その空洞は都合よくレー
ザーの密閉器自身の周りに巻き付けてある。操作に使用
する周波数によって、また、もし真空管５０のアノード
からグリッド型の電極間の電気容量が充分高ければ、ま
とまった負荷キャパシター２９は不要な事もある。

【００３４】複数個チャンネル磁気ループ カップリン
グ：各電極部分へのＲＦ波エネルギーの独立駆動は、周
囲に配置された複数個の磁気ループ カップリング３４
を通してなされる。Ｔ構造の側腕が課する電磁境界の条
件の故に、直線部の方位性磁場は、方向が逆になる。そ
れで陰極性を得るには反対側の磁気ループを１８０度回
転しなければならぬ。ループを中空の銅管で作成し、ル
ープのアース側の端を、構造のどちらかの端にある水冷
却の入口と出口のヘッダー３８に接続することによっ
て、カップリング ループと電極の水冷却装置は作成さ
れる。水冷却されている出力鏡８４と第一次鏡８６と、
ＺｎＳｅ製の出力窓８８から構成されている光共振装置
によって、レーザー放射光は取り出される。第１０図は
実験用に作成された、１０ｋＷのチャンネル２４個の放
射状アレイレーザー装置の部分別に示した図である。各
電極を駆動する為の磁気カップリング ループ８０は研
究の為のデータ収集を容易くするために第９図に示した
装置を修正したものである。この配列では各電極の水冷
却装置はヘッダー３８からの複数個の絶縁された短い管
で作成されている。グリッドからカソード型のタンク回
路構成５４は第７図に示した通りであり、第９図のレー
ザー容器の周りではなく、真空管５０を巻包んでいる。
第１１図は第１０図と同様な実験用の空隙２４個のレー
ザー装置の断面図であるが、２０ｋＷのＣＷの光を出力
する為に、電極部分を広くしてある。

【００３５】他のＲＦ真空管とカップリング装置 複数個の真空管源：第９図から第１１図に示したまとま
ったＲＦ波発振装置の配列は単一のＲＦ波真空管を使っ
ているが、第１２図に示したように、いくつかの小さな
真空管を使って、もっと小型の装置を作成する事も出来
るこの方法は。独立して共振空洞装置に各々カップルし
てある真空管５０を４本使って示している。並列接続さ
れた残りのＲＦ波励起エネルギーを装置に供給出来るの
で、一つの真空管が故障してもレーザー操作が停止しな
いと言うもう一つの特徴を持っている。第１３Ａ，Ｂ図
は、第１２図のこの並列真空管を使った方法を修正した
もので、共振空洞装置と同軸的に配設した、いくつもの
より低い出力装置８２を使用したものである。この配置
では、まとまったレーザー装置全体の直径を、それ以上
小さく出来るという利点もある。 トロイド型真空管源：ＲＦ波のエレクトロニクス自体を
環状の配置構造にすることで、更に装置全体を簡単に
し、小さくする事が出来る。第１４Ａ図と第１４Ｂ図に
示したように、この方法では、レーザー部分が内蔵され
るようにトロイド型またはドーナッツ型の特別のＲＦ波
真空管９０を使う。この装置は、まとまった９１又は配
分されているアノードとグリッド バイパス キャパシ
ターを、出力配分装置の同軸共振空洞に直接カップリン
グする事も出来る。このようにしてＲＦ波真空管を作成
すると、大抵は最少のインダクタンスで、エレクトロニ
クス装置９０の各々のアノード９４、グリッド９６、カ
ソード９８の表面積は大きく出来るので、より優秀な周
波および出力性能を出すことが出来、高周波数で非常に
強出力の操作が出来る。

【００３６】ＲＦエネルギー発生と変換の効率 第９図から第１３Ａ，Ｂ図に説明をしてあるように、自
己励起、真空管、空洞にカップルされている発振器で、
複数個ループの共振空洞出力分割とインピーダンス整合
装置を持ったものを、まとめる事によって得られるＲＦ
エネルギー発生と変換全体の効率を確認する事は教訓に
なる。これは、前にマイクロ波について行ったような念
入りの分析をする事によって決定されるものである。振
動の定常状態を保つには、真空管の負のコンダクタンス
は外部の負荷（即ちｍｏｄＧ_{ｅｌｅｃｔ}＝ｍｏｄＧ
_ｅｘｔ）の正のコンダクタンスと同じ桁の大きさでなけ
ればならぬ。前出の空洞の変換効率方程式はここでも適
用されるので、真空管のエレクトロニクス変換効率ｎ
_{ｅｌｅｃｔ}を導入して、装置全体の効率ｎ
_{ｏｖｅｒａｌｌ}を決定するだけでよい。次の方程式とな
る。

【数２１】 適当なデザインで作成すれば、空洞変換効率ｎ_ｃは１０
０％に近づくが、エレクトロニクスの変換効率パラメー
タｎ_{ｅｌｅｃｔ}の場合はそうではない。しかしながら、
最も適当な負荷とＤＣ駆動の条件下では、黒鉛のアノー
ド、グリッドとディスペンサー カソードを特徴とする
高性能のセラミックスの真空管を使用すると、この項は
８０％を超える可能性がある。これらの討論から明らか
なように、この纏まった共振空洞ＲＦ波エネルギー源と
出力分割の考えによる、非常に効率の良い強出力で、非
常に小型のレーザー装置を、従来の発振−増幅型の装置
より一桁安く提供できる。上記の全体効率の方程式と前
記の空洞変換の方程式を調べてみると、最高の性能は、
非常に過剰にカップリングされた外部の負荷の条件下で
出る事が解かる。しかし、エレクトロニクスの装置で
は、ＲＦ波振動をはじめ、また保持するに必要な大きさ
の負のコンダクタンスを開発することには限りがあるの
で、実際にはかけ得る外部負荷の上限がある。しかし、
もし真空管が増幅のためにだけ使われるのなら、過剰な
カップリングは安定性を保つ為には良いことである。

【００３７】− 位相ロッキングの考察 − 前述の通り、科学文献で明らかにされているように、個
々位相ロッキングされたＮ個のレーザー光束のアレイ
は、重ね合わせた光束の数の根数に逆比例する大きさに
焦点をあわせても良い。こうすれば、複合光束の明るさ
は、重ね合わせた光束の数の二乗と比例して増加する。
この焦点が狭くなると言う有利な点を、それに伴った光
束の明るさを利用して、いろいろの、位相ロックされた
複数個のレーザーの技術が前進した。そのうちでもよく
見られるのは、光モード分担の、タルボー型空洞内空間
フィルター、非線型光カップリング、主発振出力増幅装
置への外部からの出力、またはＭＯＰＡの方法や、それ
らの取り入れられた光学系装置である。前記の技術を使
った実験の結果を検討してみると、アレイ中のレーザー
一つ一つの位相ロッキングは最大の明るさを得るには必
要な条件ではあるが、充分条件ではない事がわかる。特
に、各小光束が干渉し合って単一の共通の焦点にＮ^２の
明るさで寄与する為には、アレイ中の全レーザーは単一
の位相（即ち、完全に同じ位相）でなければならぬ。も
しそうでなければ、文献によく書かれているが、複数個
の焦点が出来る。これは非常に好ましくない状態であ
る。位相ロックされたレーザー アレイ装置の個々の増
幅チャンネル間の位相の違いは、ある程度は位相シフタ
ーや位相後退板等で調整できるようい示されているが、
この方法は煩雑で高価であるだけでなく、不必要な光学
系の整列と不安定性の問題を導入する。こういう意味
で、もっと望ましいやり方は、単一位相ロッキングを複
数個のチャンネルのアレイ構造の基本的デザインに付随
する様に構成する事である。放射状アレイ構造はそのよ
うなケースである。というのは、全部の小光束がその共
通の光共振装置と、光を取り出す装置を共有しているだ
けでなく、例外的な程同様で、対称形で、均一な、分配
された増幅媒体による複数個の増幅チャンネル全体に、
光学通路長が物理的に同じで長さの場合である。

【００３８】− 光エネルギーの取り出しに関する考察
− 不安定型共振装置 当発明者の前米国特許＃５０２９、１７３と欧州特許申
請＃９１３０２２９７に描写してあるが、レーザー エ
ネルギーを基本的な放射状アレイ構造から取り出すの
に、多数の光共振装置の配置構成が使われている。これ
には、第１５図の第一次鏡１００と第二次鏡１０２によ
って構成されている、従来の不安定型共振装置も含まれ
ている。小光束を密集させるアキシコン１０３、出力窓
１０４、内部出力の手段１０５、位相ロッキングする場
合には、複数個チャンネル増幅媒体１０６が、良質のコ
ーヘレントな平行出力光束１０７を取り出す為に使用さ
れている。 トーリック共振装置：第１６図の第一次鏡１０８と第二
次鏡１０９によって構成されている、位相ロックされた
ループのトーリック共振装置で出力は、内部帰還アキシ
コン１１０からオーバーザエッジで出力窓１０４を通し
て取り出される。複数個のスロット型増幅媒体１０６を
外部位相ロッキングする為の発振１０５は、第一次鏡の
中心線上の小さな穴を通して出力される。

【００３９】環状のカップリングされた安定型共振装
置：第１７、１８、１９図は、最近開発されたもうひと
つの光を取り出す装置を示しており、以前に使われた配
置構造より効率の良い自己出力、位相ロッキンをもつ装
置である。第１７図は“環状の、カップリングされた凸
型、または凹型の”光共振装置で、複数個チャンネルの
放射状アレイ配置構造を取り、複数個スロット放射状増
幅チャンネルに同時モードカップリングをする為の装置
である。この安定型共振装置は、元々大容量のＰＩＥレ
ーザーのモードの質を改善するために開発されたもので
ある。このやり方は第一次と第二次鏡１１１と１１２の
中に、ＴＥＭ_００とＴＥＭ_１０の二個の安定型のモード
を作りだす事に頼っている。後者のモードだけがオーバ
ーザエッジで小光束１１３を回折的カップリングしてい
る。この型の共振装置が放射状に設置された複数個の増
幅チャンネル１０６を使用する利点は、第一次の安定モ
ードＴＥＭ_００は共振装置の中央の空いた域内に設置出
来る事と、主芯の発振器として位相ロッキングされたエ
ネルギーを周りのスロットにＴＥＭ_１０モードとのカッ
プリングを通して出力出来る事である。正味の結果は、
非常に一様な、安定で良く位相ロックされた複数個の小
光束が得られる事である。便利な事に、この小光束はこ
の装置から抗反射剤を塗装した小型で安価なＺｎＳｅ窓
１１４からカップリングをして出力？出来、対象物へ第
１７図に示した様に、全部金属ウオルター レンズ１１
５を用いて容易に焦点をあわせる事が可能である。

【００４０】絞りにカップリングした安定型共振装置：
第１８図は、もう一つの放射状アレイ レーザーへの応
用に便利な光を取り出す装置を示している。ここに使わ
れた修正では、第一次と第二次鏡１１６と１１７からな
る、通常では不安定なトーリック型共振装置は、出力鏡
１１７とまとめて工作された正帰還の中央鏡１１８によ
って安定モード構造に換えられている事である。出力カ
ップリングの程度は環状カップリング絞り１１９の大き
さに左右される。この配列ではレーザー光束１０７はＺ
ｎＳｅ製の出力窓１０４から中央線の近くで環状に取り
出される。共振装置の利点は、共振装置の中央コア部分
を通して得られる高度な位相ロッキング モードの出力
である。 混成型ＭＯＰＡ共振装置：第１９図に描写されているよ
うに、もう一つの“混成型の安定−不安定、又はＭＯＰ
Ａ共振装置”と呼ばれる装置で、光束を取り出す装置で
放射状アレイ増幅装置と共に使用すると有益な装置であ
る。この配列構成は、前出の第１７図に示した装置と良
く似たもので、小型の出力カップリング窓を持つ第一次
と第二次鏡から出来ている。主な変更は、中央部を安定
型空洞モードに変換する為に、第二次鏡１２０が複数の
曲率を持つように換えられた事である。

【００４１】従って、主芯の共振部分は、従来の不安定
型鏡で可能な装置よりずっと大きくそして強力に作る可
能性のある事である。この主芯の部分は良く位相ロック
された放射光を周りの増幅スロットに出力するに使用で
きる。結果としてはここでもまた図に示されたように、
複数個の非常に位相コヒーレントな小光束が回折的にオ
ーバーザエッジで取り出される。此の意味で、第１９図
の光を取り出す為の配置構成は実際には“主発振器の出
力増幅器、またはＭＯＰＡ”装置である。第１７、１
８、１９図の三個の安定型光共振装置の配列構成はどれ
も同様に、導波管を使用、不使用にかかわらず、単一チ
ャンネル、狭空隙、広スロットのレーザー装置から、良
質の光エネルギーを取り出すのに適している。

【００４２】− 超高出力装置への他の実施例 − これまでに説明してきた放射状の電極配置から取り出す
事のできる光出力は、もっと多数の増幅チャンネルを使
って、各電極の幅を広くすれば増加出来る。この方法で
は電極を１００個持ち、幅１０ｃｍ長さ１ｍの放射状ア
レイ レーザーは直径４０ｃｍの大きさの装置から平均
２００ｋＷの光束を出力出来る事が予期出来る。しか
し、原理的には、放射状電極数個を単一の複合構造に取
り入れる事によって、この値よりもっと高いレーザー出
力を得る事が出来る。 複合放射状アレイ構造：此の考えは第２０図に“三重の
放射状アレイ”を以て説明してある。この略図を検討す
ると、半径たった１ｍの配置構成全体の内に、独立した
幅１０ｃｍの広い増幅スロット５００個がある事が解か
る。此の様に作成された複数個のチャンネル増幅装置は
第２１図に示したように、超高出力放射状アレイ レー
ザー装置を作成するために使う事が出来る。そのような
装置は信じられない様な約１ＭＷという平均光束を出力
可能である。この装置のＲＦ波励起エネルギーは、前記
の共通の共振空洞配分装置に設置された、強力セラミッ
クの三極管数本から簡単に得られる。この意味で、最近
の高出力真空管技術の進歩の結果、小型の各平均出力能
力が数メガワット級のエレクトロニクスの装置の世代に
移りかわったと言える。これらの装置でパルス型のもの
では、更に１０メガワット範囲のＲＦ波出力が可能であ
る。第２１図に示したように一般の方法で作成された、
複合型、または複数個の放射状アレイ装置部分は、防御
用の対ミサイル レーザー砲としても使用出来る。

【００４３】− 巨大パルス操作 − 前述の討論から、単にグリッド駆動条件から、高出力真
空管ＲＦ出力源にかえるだけで、いろいろな放射状のア
レイ構造が、ＣＷ型またはパルス型で操作出来ることが
明瞭である。最近“ディスペンサー”カソードを持つ、
これらのセラミックの真空管の作成により、主要な操作
の進歩が達成された。

【００４４】− 超高出力装置への他の実施例 − これまでに説明してきた放射状の電極配置から取り出す
事の出来る光出力は、もっと多数の増幅チャンネルを使
って、各電極の幅を広くすれば増加出来る。この方法で
は電極を１００個持ち、幅１０ｃｍ長さ１ｍの放射状ア
レイ レーザーは直径４０ｃｍの大きさの装置から平均
２００ｋＷの光束を出力出来る事が予期出来る。しか
し、原理的には、放射状電極数個を単一の複合構造に取
り入れる事によって、この値よりもっと高いレーザー出
力を得る事ができる。 複合放射状アレイ構造：此の考えは第２０図に“三重の
放射状アレイ”を以て説明してある。この略図を検討す
ると、半径たった１ｍの配置構成全体の内に、独立した
幅１０ｃｍの広い増幅スロット５００個がある事が解か
る。此の様に作成された複数個のチャンネル増幅装置は
第２１図に示したように、超高出力放射状アレイ レー
ザー装置を作成するために使う事が出来る。そのような
装置は信じられない様な約１ＭＷという平均光束を出力
可能である。この装置のＲＦ波励起エネルギーは、前記
の共通の共振空洞配分装置に設置された、強力セラミッ
クの三極管数本から簡単に得られる。この意味で、最近
の高出力真空管技術の進歩の結果、小型の各平均出力能
力が数メガワット級のエレクトロニクスの装置の世代に
移りかわったと言える。これらの装置でパルス型のもの
では、更に１０メガワット範囲のＲＦ波出力が可能であ
る。第２１図に示したように一般の方法で作成された、
複合型、または複数個の放射状アレイ装置部分は、防御
用の対ミサイル レーザー砲としても使用出来る。

【００４５】− 巨大パルス操作 − 単にグリッド駆動条件から、高出力真空管ＲＦは出力源
にかえるだけで、いろいろな放射状のアレイ構造が、Ｃ
Ｗ型またはパルス型で操作出来ることが前述の討論から
明瞭である。最近“ディスペンサー”カソードを持つ、
これらのセラミックの真空管の開発により主要な操作の
進歩が達成された。このタイプのカソードは、短いパル
スの条件下では２桁ほども高い電子流を供給する能力が
ある。平均出力１００ＫＷのパワー真空管は短パルス条
件下で数メガワットのピークＲＦ波エネルギーを出す事
が出来る。この事実の故に、平均出力と、ピーク出力の
能力によって、同時に高いパルス型放射状アレイ レー
ザーを開発する事が可能になる。これが意味するのは、
反復率が１０００ＰＰＳに近く、全体平均出力１０ＫＷ
の時、反復率が高く、ピーク光学出力が１メガワットに
近い巨大パルス放射状アレイ レーザーを今日建設する
事が可能になる事である；これら全部が長さたった１２
０ｃｍ、直径３５ｃｍ位の装置から出るのである。此の
ような装置は、世界中に保護塗料工業で広く使用されて
いる、害毒な鉛入りのペンキや他の発癌性塗料の除去に
環境に安全で優しく広く応用する事が出来る。

【００４６】− 放射状アレイ エキサイマーとＣＯレーザー − この新世代のセラミックのＲＦ波真空管が巨大パルス条
件下で放射状アレイ電極装置に使用可能になってから
は、エキサイマー レーザー ガス混合物を通常の一酸
化炭素混合物と取り替える事が可能になった。従って、
ほとんどそれ以上の努力なしに、“放射状アレイ エキ
サイマー レーザー”を作成する事が可能となった。原
理的にこの考え方は、ＣＯのような冷凍された装置を含
めて、どのようなガス放電励起レーザー装置にも応用可
能である。

【００４７】− もう一つの複合成型電極実施例 − 短いパルス励起条件下では、複数個の広い域の、狭い空
隙間の増幅チャンネル内でのＲＦ波によるレーザー プ
ラズマは個々のＲＦ供給がなくても非常に安定である事
が研究によって解明された。従って、パルス型放射状ア
レイレーザー装置の作成を加工業の押し出し成型技術を
取り入れることによって、大いに簡素化する事が可能と
なる。この“複合押し出し成型”の製作観念は、第２
２、２３、２４Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ図と第１５図に示してあ
る。第２２図で、水冷却されている円柱型の容器１３６
はレーザーの為の密閉容器として、また狭空隙放電用の
各々の交互の電極１３８としての役目をする。中間の電
極１４０は第一の電極１３８から高熱伝導性の電気絶縁
材で絶縁されており、絶縁材の棒で個設されている。薄
い電気絶縁材１４２の代用品としては、非常に狭いガス
の空隙を使用する事である。プラズマ物理でよく知られ
ている様に、もしこの空隙の幅が“最少パッシェン値”
より小さければ、電気的故障は起こらないので、このガ
スの空隙は適度の熱伝導性を持った電気絶縁材の役目を
する。非常に短パルスの操作では、第２２図の複合押し
出し成型の配列構造は、第２３、２４Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ図
に示すように、更に構造を簡単にし、コストを下げる為
に利用してもよい。ここで外側の電極１３６と内部の電
極１４６は、まとまった単一の水冷却された装置として
成型されている。複数個の狭い空隙放電チャンネル１４
を保つためには、ほんの数個の適当に配置された電気絶
縁体のスペーサーが必要なだけなので、この方法では装
置の構造は極めて簡単になる。もしレーザー装置を２ｍ
ｍというような非常に狭い放電空隙で作成すれば、第２
４Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ図の構造内の電極面積１平方センチあ
たりから２ワット／ｃｍ^２のＣＷレーザー力を取り出す
事が可能である。従って、図にあるスロット１２個の装
置では２５Ｗ／ｃｍ^２に近いレーザー力を出力する事が
可能であり、スロット２４個の装置では５０Ｗ／ｃｍ^２
の放電が可能である。この場合には、平均出力数キロワ
ットで高反復率のパルス レーザーを前記の複合押し出
し成型技術で作成したポータブルの装置で出力可能とな
る。

【００４８】− 小型レーザーの実施例 − 上記の小型の高出力レーザーが可能になる、放射状アレ
イ配置の特徴と作成技術は、またポータブルで使用可能
の装置に合う小型のレーザーにも利用できる。この意味
で、第２５Ａ図は直径４ｃｍ、長さ２０ｃｍのミニ放射
状アレイ レーザーを示す。出力２５０Ｗの、大変小型
の装置は医療界での応用が可能となる。 ストリップ ラインＲＦ共振装置：小型化された共振Ｒ
Ｆ波出力分割とインピダンス整合装置１５０を作成する
にあたって、高周波ストリップ ラインの技術が取り入
れられた。また電極１５１の冷却は、周りに付けられた
水のジャケット１５２の伝導にり、大型の装置に使われ
る電極内に直接押し出し成型された水冷却管ではなく、
アルミナやベリリアの様な熱伝導率の高い断熱材１５４
による。ストリップ ライン共振装置は、空洞型共振回
路という言葉の一般的な意味で使われている。複数個の
電極のＲＦ波駆動エネルギーは、各ストリップ ライン
共振装置内に直接纏めて取り入れられている複数個の高
周波数トランジスター１６４より出力されるか、または
離れた場所にあるが共通の真空管またはトランジスター
によるＲＦ波源に接続されている複数本のマイクロドッ
トＲＦ波ケーブルを通してもよい。第一次鏡１５６と出
力鏡１５８は直接に真空の箱１６０の中にまとめて入れ
てもよい。レーザーはＺｎＳｅの窓１６２を通して出力
される。この部分反射塗料を出力窓の中央線の近くに塗
った出力窓を複数本のチャンネルの位相ロッキングを増
す為に作成して、より高性能のレーザー装置は作成され
る。第２５Ａ図の小型の放射状アレイ レーザーの複数
個チャンネルのストリップライン共振ＲＦ波駆動装置の
デザインの考え方は、第２５Ｂ図の簡素化した等大図に
一層明瞭に示してある。図から明らかな様に、ＲＦ波共
振装置の構造は円柱型の金属で覆った絶縁セラミック回
路板上に作成された、複数個の１／４波長回路板から出
来ている。この回路は第２５図中の水冷却されているレ
ーザー真空容器１６０の外側の直径の上にある。このタ
イプのＲＦ波共振装置の構造の電気的な原理は一般に既
によく説明されている。

【００４９】− 出力光束に関する考察 − 狭い空隙の幅の広いスラブ レーザーからの出力光束の
プロフィルは、分岐が矩象で異なるので、特質上縦横比
は一でなく不均一である。此のような光束を良質の材料
加工に応用するのは、何かの型の光学上の補償が無いか
ぎり難しい。この問題は複数個のスラブ レーザー光束
を複合して全体の光束力を強化する場合には益々難しく
なる。

【００５０】− 放射状光束重ねあわせ − 放射状アレイ レーザーはまた狭空隙増幅チャンネルか
ら出る小光束が複数個である事と、それらが一本の光束
に纏まる事を特徴とするので、この装置には同じく光束
の不均一性と不対称性の問題がある。しかし、結果とし
ては、付随した放射状光束重ねあわせの補償の故、そう
でない事がわかる。この非常によい効果は第２６図から
第２８Ａ，Ｂ，Ｃ図で検討されている。不対称な縦横比
と、チャンネル８個の放射状アレイのテスト装置から出
る典型的な小光束間の強度の変化は、第２６図のプロフ
ィルから明らかである。このプロフィルは、実際に測定
して、最近開発された特別の光束プロフィル システム
を使ってコンピュータで再現したものである。偏光の測
定では各小光束は電極の面に平行方向に線型に偏光して
いる。位相ロッキングした状態では測定しなかった。近
界で重ね合わせると、第２７図のような単一の無偏光の
対称のプロフィルが観測された。焦点を合わせると、そ
れらの複合された小光束は、最低直径が個々の小光束の
回折限界よりかなり小さな単一の均一な点となった。こ
れらの位相ロッキングしていない小光束がこのように小
さな一点に焦点を合う機構は第２８Ａ，Ｂ，Ｃ図によっ
て理解出来る。方向性放射状アレイの配置構成と共通の
焦点を持つ共振装置では、全ての小光束は光学軸に平行
に伝播するので、それらの小光束の焦点は一つの共通の
点となる。しかし、縦横比の為、焦点の合った各小光束
は主軸がその近界のプロフィルに垂直な楕円形の点を形
成する。小光束は位相ロッキングしていないので、同方
向の小光束対は合流し、強度は加算され４５度ずつはな
れた重なり合った楕円形の点複合焦点を４個作る。其の
場合断面プロフィルはどの個々の小光束よりもっと対称
で均一となる。この複数（Ｎ）個の小光束の“放射状光
束重ね合わせ”現象の利点は第２８Ａ，Ｂ，Ｃ図のコン
プーターによるシミュレーションで大変明らかになる。
第２８Ａ図の上図は小光束二本（即ちＮ＝２）だけが互
いに平行に重ね合わせた場合を示している。図から解か
るように、複合強度プロフィルは非常に幅広く、縦横比
の大なスラブ装置の特徴である大きな方向不対称性をし
めす。しかし、放射状に唯４本の小光束が重ね合わせら
れた場合には、より対称で均一な強度プロフィルの得ら
れる事は第２８Ｂ図から明らかである。小光束を８本放
射状に重ね合わせた場合を示した第２８Ｃ図からは、滑
らかにする効果と、複数個の方向性が円周上で平均化さ
れている最終的な光束プロフィルを構成するのに随き物
の、より小さい光束の補償効果によって、複合光束の質
が小光束の数が増すにつれて急速に良くなる事を証明し
ている。

【００５１】焦点の狭化：また、放射状光束重ね合わせ
は、位相ロッキングしていない放射状アレイ レーザー
操作でも焦点強度のプロフィルを劇的に変化する事が、
第２８Ｂ，Ｃ図の複合強度図から明らかである。殊に縦
横比が一でない、コヒーレントでない光束の放射状の重
ね合わせた焦点は小さくなる。というのは強度の高い中
心域内では光束は加算されて、強度の低い外側域では加
算されないからである。これを検討すると、直観的に複
数個チャンネル位相ロッキングした放射状アレイ レー
ザーから出る多数の“コーヘレントな小光束”を放射状
に重ね合わせると、例外なほど均一で対称であるが、共
通の焦点で各小光束間の加算的な干渉により、もっと明
るさの強い複合された出力光束が得られる事がわかる。
このタイプの非常に明るい光束は質の高い材料加工応用
に理想的に適している。

【００５２】− 放射状アレイ配置構成の利点 − 多数の光束を放射状に重ね合わせる事から得られるもう
一つの重要な利点は、各小光束の不均一性は中央の焦点
域で平均され、角がくっきりしていて、例外的に滑らか
な焦点が得られる事である。操作中のちょっとした整列
の変化も平均によってその複合光束焦点のパラメータへ
の影響を無視できる位になる。こうすれば光学装置の作
成も操作もより簡単で安価となる。上記のシナリオか
ら、放射状アレイ配置では先天的に偏光性と強度プロフ
ィルに関して非常に対称な光束を出力する事が解かる。
従って、加工に特に望ましい方向性はない。上記の分析
から、位相ロッキングしていない放射状アレイ レーザ
ー構造も切断加工への対応で特に良い性能を発揮する。
第２６図に示す概念を証明するための複数個のチャンネ
ルのレーザー装置は５ｍｍの電極の空隙を持つように構
成されているが、最近の単一スラブ装置での実験の文献
によると、放電空隙が電極の空隙の１／２のときにはエ
ネルギーを更にうまく取り出す事が出来る。また、作成
と利用の点から考慮して、１ｍ以上の長い電極は実用的
でない。従ってもし相当の量の光出力を拡散によって冷
却される装置から取り出すには、単一スラブレーザー電
極を非常に幅広くするか、複数個のチャンネル方式を取
る必要がある。この意味で、またこの研究で得られた結
果から、対称性高くし焦点を小さくすると言う重要な事
が放射状小光束によってなされるので、幅広い単一のス
ラブ型よりも複数本のチャンネル放射状アレイ装置を利
用するほうが望ましいと思われる。また高出力のスラブ
レーザーの特徴である幅の広い電極は、同時に片側放
電による加熱のために光束の質が重大なはど低下するの
で熱によって変形しやすい。しかし、放射状アレイ構造
に付き物の円対称と両面放電は、このような問題を全部
取り除く。

【００５３】原理では、コヒーレントでない対称のいく
つもの独立したスラブレーザーからの光束を同様な放射
状に重ね合わせる事は可能である筈であり、これによっ
て放射状アレイ装置で見られるように、同様に輝度を強
化する事が可能である筈である。しかし、このやり方は
それ以上の光学装置が必要なだけでなく、もっと重要な
事に、そのような配分された装置では、複合された共線
性と安定性を同時に保つ事が難しいので実用的でない。
これに対して、放射状アレイ構造では放射状の配置構造
と共通の光を取り出す装置は同義であり、このように必
要な光束の重ね合わせの特徴を付随したものとして提供
する。レーザーを作成するにあたり、放射状アレイ配置
構成の有用さに関して考慮すべきもう一つ重要な因子
は、与えられた容積から取り出せるレーザー出力であ
る。特に放射状アレイ構造は、単一の幅広いスラブ装置
の場合の様に、直径を渡るただ単一の狭いスロットだけ
でなく、電極を内設する容器の全横断面を利用してい
る。断面の大きさ全体から一桁以上より強力なレーザー
の出力が得られる。此のように、固有の放射状アレイの
概念を利用してより小型のそしてより強力のレーザー出
力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】放電冷却を効率良くするためにいくつかの内部
水循環路を備えた、押し出し成型金属性電極を特徴とす
るスロット２４個を備えた、放射状アレイの電極装置の
断面図。

【図２】典型的な高出力レーザーの複数個チャンネル放
射状アレイ電極構造の一部の斜視図。

【図３】半波長同軸共振ＲＦ波空洞の斜視図。

【図４】中央平面上での高インピーダンスの電気プロー
ブの入力と反対側の端での、低インピーダンスの磁気ル
ープ カップリングを図解した、電気容量的に負荷した
短い共振同軸ＲＦ波空洞の斜視図。

【図５】Ａは電気容量的に負荷した１／２波長の共振Ｒ
Ｆ波空洞図。Ｂは電気容量的に負荷した１／４波長の共
振ＲＦ波空洞図。Ｃは電気容量的に負荷したＴ部共振Ｒ
Ｆ波空洞図。ＤからＨまではＲＦ波起動用の磁気ループ
構成の電気略図。

【図６】複数個のチャンネルの磁気ループ カップリン
グしたインピーダンス変換共振空洞のＲＦ波出力分割装
置の一部分開切した斜視図で、この装置は光を取り出す
装置を共有している複数個チャンネルの電極構造を励起
するための構造を示す。

【図７】共通の周波数にあわせてある１／４波長の同軸
共振空洞が自己励起用に正帰還を使用し、陰極とグリッ
ドのタンク回路の役目をしている事を特徴とした、強出
力セラミックス真空管を使った自己励起型の強力なＲＦ
波発振出力装置の略図。

【図８】複数個のチャンネル磁気ループ カップリング
されている放射状アレイ レーザー装置の略図で、この
レーザー装置は外部の自己励起共振空洞タンク回路ＲＦ
波発振出力装置によって駆動される構造を示す。

【図９】複数個のチャンネル磁気ループ カップリング
されている放射状アレイ レーザー装置の略図で、この
完全に一体となった自己励起型ＲＦ波出力発振器は、正
帰還カップリングを持った二重の同軸ＲＦ共振空洞内に
備えられた、強出力の真空管を特徴とし、このレーザー
装置は、この自己励起型ＲＦ波出力発振器によって駆動
される構造を示す。

【図１０】実験の為に開発された装置で、共振ＲＦ波空
洞の複数個のチャンネルＲＦ波出力分割装置とインピー
ダンス整合装置を持ち、まとまった自己励起ＲＦ波源を
特徴として、空隙２４個を持つ、１０ｋｗの放射状アレ
イ レーザーの組立略図。

【図１１】纏まった自己励起ＲＦ波出力源と共振ＲＦ波
空洞の複数個のチャンネルＲＦ波出力分割装置によって
駆動される、幅のより広い電極とインピーダンス整合装
置を特徴とする、空隙２４個を持った、２０ｋｗの放射
状アレイ レーザーの断面略図。

【図１２】まとまったＲＦ波駆動装置を持った、強出力
の放射状アレイ レーザー装置で、放射状に設けられ、
共通の共振空洞出力分割装置とインピーダンス整合装置
にＲＦ波エネルギーを供給するための、並列回路で操作
されるＲＦ波真空管４本を特徴とする装置の部分の開切
した斜視図。

【図１３】Ａは統合されたＲＦ波駆動装置を持った、強
出力の放射状アレイ レーザー装置で、並列回路で操作
され、空洞出力分割装置と同軸的に設けられた、多数の
小さな真空管を特徴とする装置の部分を開切した斜視
図。Ｂは多数の小さな真空管を特徴とし、まとまったＲ
Ｆ波駆動装置を持つ強出力の放射状アレイ レーザー装
置の断面略図。

【図１４】ＡはＲＦ波共振空洞構造内に直接備えられ、
特別のトロイド形の真空管を特徴とする、まとまったＲ
Ｆ波駆動装置を持った、強出力の放射状アレイのレーザ
ー装置の部分を切り出した斜視図。ＢはＲＦ波共振空洞
構造内に直接備えられているトロイド型の真空管を特徴
とする、まとまったＲＦ波駆動装置を持つ強出力の放射
状アレイ レーザー装置の断面略図。

【図１５】放射状アレイ放電装置と共に使用可能な外部
の出力装置のある、不安定型共振装置の略図。

【図１６】複数個の位相ロックされたループを備え、外
部の出力装置を持つ、トーリック型共振装置の略図。

【図１７】外部からの、または自己出力位相ロック性能
の為に環状にカップリングした凸凹安定型光共振装置を
特徴とする、放射状アレイ レーザー装置の略図。

【図１８】自己励起位相ロック性能のために絞りカップ
リングした、安定型トーリック共振装置を特徴とする、
放射状アレイ レーザー装置の略図。

【図１９】位相ロック性能のために、安定型−不安定型
の超回正な、ＭＯＰＡ光エネルギーを取り出す装置を特
徴とする、放射状アレイのレーザー装置の略図。

【図２０】別々の増幅チャンネル５００個を有する、三
重の放射状電極アレイの構造断面図。

【図２１】同軸ＲＦ波共振空洞出力分割装置と、複数個
の磁気ループ カップリング装置を通して、４メガワッ
ト級のＲＦ波真空管によって駆動される、三重の増幅チ
ャンネルの配列様式を特徴とする、複数個の超強出力放
射状アレイ レーザー装置の斜視図。

【図２２】共通の連続押し出し成型された外殻が電極系
統の一部となっている、強出力放射状アレイ レーザー
装置の断面図。

【図２３】内側と外側共通の電極部分を特徴とする、全
体押し出し成型された、放射状アレイ レーザー装置の
断面図。

【図２４】非常に小型の中出力放射状アレイ レーザー
装置に適応する、種々の複合押し出し成型した電極配列
の断面図。

【図２５】Ａは複数個チャンネルＲＦ波出力分割と、各
電極部分へのインピーダンス整合のためにストリップラ
イン共振装置を使用した、小型の放射状アレイ レーザ
ー装置の部分を開切した斜視図。Ｂは小型の放射状アレ
イ レーザー装置の一部分開切した、個々の電極部分を
駆動する複数個のトランジスターによって駆動されてい
るストリップ ライン共振装置の斜視図。

【図２６】空隙８個を持つ放射状アレイ レーザー装置
から出る小光束の測定値プロフィルをコンピュータで再
現した図。

【図２７】空隙８個を持つ放射状アレイ レーザー装置
から出る光束を合わせた測定値のプロフィルをコンピュ
ータで再現した図。

【図２８】放射状アレイ レーザー装置における放射状
光束の重ね合わせ現象の特性を、コンピュータによって
シミュレーションしたもので、当構造に付随する丸みを
帯びた焦点と狭化効果を示した図。

【符号の説明】

１０ 電極部 １２ 水循環路 １４ 放電域 １６ 断熱性支持環 １８ 密閉器 ２３ 共振空洞 ２４ 伝導体 ２６ 伝導体

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月１３日

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２４】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２６】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２７】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２８】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/041 3/07 Ｈ０１Ｓ 3/03 Ｚ 3/04 Ｇ

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー励起媒体に閉じ込められたスラ
   ブによって定義される複数個の増幅チャンネルを持ち；
   上記のレーザー励起媒体を冷却するための増幅チャンネ
   ルに設定された手段；光エネルギーを増幅チャンネルか
   ら取り出す為に各チャンネルに取付けられた手段；レー
   ザー励起媒体を励起する為のレーザー励起エネルギー
   源；とレーザー励起エネルギー源に接続され、各増幅チ
   ャンネルに電気的に整合されている空洞型の共振回路。
2. 【請求項２】 第１項の請求にあるレーザー装置で、増
   幅チャンネルが、狭い空隙のガス放電域を定義している
   何対もの電極で増幅チャンネルが装置内に設置され、各
   電極対が送信線を構成している。
3. 【請求項３】 第１項の請求にあるレーザー装置で、増
   幅チャンネルが一個だけのもの。
4. 【請求項４】 第１項の請求にあるレーザー装置で、複
   数個の増幅チャンネルが共通の中央軸を持った放射状ア
   レイを構成し、共振回路の軸が共通の中央軸と同軸の対
   称軸を持つ装置。
5. 【請求項５】 第２項の請求にあるレーザー装置で、共
   振回路が共振空洞を形成している。
6. 【請求項６】 第５項の請求にあるレーザー装置で、複
   数個の増幅チャンネルが放射状アレイを形成し、共振空
   洞が内側と外側の円柱形の電導体の間に設置されている
   装置。
7. 【請求項７】 第６項の請求にあるレーザー装置で、各
   放電チャンネルの端に設けられ、電気的エネルギーを空
   洞にカップルして、電極によって出来た送信線をインピ
   ーダンス整合して終結をするための手段を含めた装置
   で、電極の励起によって進行波ができる装置。
8. 【請求項８】 第６項の請求にあるレーザー装置で、増
   幅チャンネルが電極対の間に挟まれて、共振空洞内に付
   けられており、電極対に電気的に接続されている磁気ル
   ープを含んだ装置。
9. 【請求項９】 第１項の請求にあるレーザー装置で、共
   振回路が各々のストリップライン励起源から出来ている
   複数個の電導性の小片から出来ている装置。
10. 【請求項１０】 第２項の請求にあるレーザー装置で、
    共振空洞が内側と外側の円柱形の電導体の間に設置され
    ていて、複数個の増幅チャンネルが共振空洞内に設置さ
    れている放射状アレイを構成し、空洞内のレーザー励起
    エネルギー源は以下である：一対の同軸でリエントラン
    トの電気容量的に負荷された同心の共振空洞；とＲＦ発
    振器を構成している共振空洞で、同軸でリエントラント
    で電気容量的に負荷された同心の共振空洞の内部に電気
    的に接続されている電極。これらはＲＦ波発振器を構成
    している。
11. 【請求項１１】 第１０項の請求にあるレーザー装置
    で、レーザー励起エネルギー源が空洞型の共振回路の一
    端に設置されている。
12. 【請求項１２】 第１０項の請求にあるレーザー装置
    で、レーザー励起エネルギー源が空洞型の共振回路の側
    面にＴ字型に取付けられてある。
13. 【請求項１３】 レーザー励起エネルギー源が、空洞型
    の共振回路の側面に取付けられてある複数本の真空管で
    構成されている、第１２項の請求にあるレーザー装置。
14. 【請求項１４】 第２項の請求にあるレーザー装置で、
    共振空洞が内側と外側の円柱形の電導体の間に設置され
    ていて、複数個の増幅チャンネルが共振空洞の内部に取
    付けられた放射状アレイを構成する装置。この空洞内で
    レーザー励起エネルギー源は：空洞型の共振回路内に配
    置され、放射状アレイの円周上まで広がっているトロイ
    ド型の真空管で出来上がっている。
15. 【請求項１５】 単一の、または複数個の幅狭い空隙で
    あるが幅広い増幅チャンネルから構成されており、前述
    の増幅チャンネルにレーザー媒体を冷却し励起する目的
    で取付けられた手段と、各増幅チャンネルに取付けられ
    た光を取り出す手段で、アレイが複数の小光束を各増幅
    チャンネルから一本ずつ出るような手段と、外側の主発
    振器を通して単光束出力が集合的に寄与出来る様に複数
    個の小光束を複合するために取付けられた手段からなる
    レーザー装置。
16. 【請求項１６】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、前述の増幅チャンネル アレイが狭い空隙のガス放
    電域を定義している並列の電極対からなり、各電極面が
    ＲＦ波レーザー プラズマ励起の手段と拡散によって熱
    排除する手段を持っている装置。
17. 【請求項１７】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、前述の一次元または二次元のアレイ内の複数個の増
    幅チャンネルがＲＦ波共振空洞と複数個のチャンネル出
    力分配とインピーダンス整合の装置から出るレーザー励
    起エネルギーによってそれぞれ駆動される装置。
18. 【請求項１８】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、前述の複数の増幅アレイが放射状の断面を持ち、Ｒ
    Ｆ波によって駆動されており、絶縁体または金属製の複
    数対の電極が設定され、これらの電極は複数個の増幅チ
    ャンネルが方向均一に配分されて、ひとつの中心軸を共
    有しており、前記の複数対の電極は出来れば壁の薄い押
    し出し成型した材料で拡散熱除去の目的でまとまった冷
    却水管を持ち安価に作成された装置。
19. 【請求項１９】 第１８項の請求にあるレーザー装置
    で、放射状アレイの中の押し出し成型された各電極は金
    属製で、共通の中心軸が、放射状電極アレイの第一の共
    通な中心軸と同軸である、複数チャンネル同軸共振空洞
    装置から出るＲＦエネルギーで一つずつ駆動され、均一
    なＲＦ出力の分割と“定在波”または広バンドの“進行
    波”でインピーダンス整合の為に複数チャンネルの磁気
    ループカップリングを特徴とする同軸ＲＦ波共振空洞装
    置。
20. 【請求項２０】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、ＲＦ波励起される複数チャンネルの放射状増幅アレ
    イが、第一と第二の中心軸と同軸なもう一つの中心軸を
    持つ共通の光を取り出す装置内に設定されており、増幅
    チャンネルは全部が一体となって共通の空洞様式に寄与
    し、それによって個々の小光束を複数個作りだし、それ
    らの小光束は中央線の付近または外側の周囲で取り出さ
    れ、単一の光束として集合され、即ち“放射状に重ね合
    わされ”て光質と光力の優秀なレーザーとなる装置。
21. 【請求項２１】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、複数の増幅チャンネル励起に必要なＲＦ波エネルギ
    ーは空洞にカップリングされている自己励起の真空管発
    振器から引き出される。この発振器は電気容量的に負荷
    されているリエントラントの同軸共振空洞をアノードか
    らグリッドと、グリッドからカソードの発振タンク回路
    を両方に使用して、自己励起ＲＦ波発振を支持するに充
    分な正帰還カップリングを共通の共振タンク回路の周波
    数で持ち、出力エネルギーを請求１９項の同軸共振空洞
    ＲＦ波出力分割とインピーダンス整合装置に移動させる
    同軸の複数個のフィーダーラインからＲＦ波エネルギー
    を得る装置。
22. 【請求項２２】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、複数の増幅チャンネル励起に必要なＲＦ波エネルギ
    ーが、空洞にカップリングされて、自己励起する請求項
    ２１の真空管発振器から引き出される。この発振器は請
    求１９項の同軸共振空洞ＲＦ波出力分割とインピーダン
    ス整合装置に直接統合されている。アノードからグリッ
    ド発振タンク回路は、同軸複数個チャンネル磁気ループ
    にカップリングされたＲＦ波出力分配とインピーダンス
    整合の共通の共振を装置を共有している。一方グリッド
    からカソードの発振タンク回路は、前記の中央の軸と同
    軸の四つ目の中央軸を持つ同軸共振空洞から引き出さ
    れ、自己励起ＲＦ波発振を真空管内と、タンク回路とに
    共通の共振周波数で正帰還カップリングをする用意があ
    る。
23. 【請求項２３】 第２２項の請求にあるレーザー装置
    で、複数の増幅チャンネル励起に必要なＲＦ波エネルギ
    ーは空洞にカップリングされた、自己励起装置から得ら
    れる。この発振装置は均一に円周のまわりに設定され
    て、共通の共振タンク回路を共有して並列に操作される
    いくつかの小型の真空管によって特徴づけられている。
24. 【請求項２４】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、ＲＦ波エネルギーが前の軸と同軸の五つめの中央共
    通軸を持ち、同心的に同軸共振空洞のＲＦ波出力分割と
    インピーダンス整合装置内に直接設定出来るような内径
    の充分大きな透明なアパチュアを持つ特別のトロイド型
    真空管である。この装置は非常に小型の強力レーザー装
    置を提供する。
25. 【請求項２５】 第１８項の請求にあるレーザー装置
    で、光を取り出す装置は、外部励起または自己励起位相
    ロッキングし、複数個の小型で安価なＺｎＳｅの出力窓
    をとおして小光束をオーバーザエッジで取り出す装置を
    特徴とする不安定型共振器である。
26. 【請求項２６】 第１９項の請求にあるレーザー装置
    で、光を取り出す装置は、トーリック型の共振器で、小
    光束を中央線の付近で取り出し、外部の主発振器出力を
    有しても、有しなくても良く、複数個のチャンネル、位
    相ロッキングしたループの操作の用意のあることを特徴
    とする装置。
27. 【請求項２７】 第１８項の請求にあるレーザー装置
    で、光を取り出す装置は、環状にカップリングされた凸
    凹安定型共振器で、高度に位相ロッキングされた小光束
    を、円周上に設定されたＺｎＳｅの小さな出力窓から取
    り出す用意のある事を特徴とする。
28. 【請求項２８】 第１８項の請求にあるレーザー装置
    で、光を取り出す装置は、安定型絞りにカップリングさ
    れたトーリック型の共振器で、正帰還と複合された小光
    束を環状に共通の中央軸の付近で取り出す用意のある事
    を特徴とする装置。
29. 【請求項２９】 第１８項の請求にあるレーザー装置
    で、光を取り出す装置は、混成の安定型−不安定型ＭＯ
    ＰＡ共振器で、二次的な鏡が強力で大きな中央の容量の
    発振主部を提供するために、また複数個チャンネル位相
    ロッキングされた小光束を取り出す事を高揚するために
    二つ以上の曲率を持つことを特徴とする装置。
30. 【請求項３０】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、導波管を使用してもしなくてもよく、光を取り出す
    装置が環状にカップリングされた凸凹安定型共振器か、
    安定型絞りにカップリングされたトーリック型の共振器
    か、混成の安定型−不安定型ＭＯＰＡ共振器であって、
    その装置が外部出力をしてもしなくても、モードの質と
    安定性を高揚するために、単一の狭い空隙で幅広い放電
    装置から構成されている。
31. 【請求項３１】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、数百の個々の増幅チャンネルが、非常に小型の容器
    内に納められた相互に同軸の共通の軸を持ち、複数個の
    同心の放射状アレイで出来ている狭い空隙の増幅チャン
    ネルの数がより多い事を特徴としている。それらの増幅
    チャンネルは共通の共振器を共有しており、各々のチャ
    ンネルが個々の小光束を発生しており、位相ロッキング
    してあっても、してなくても、集団として取り出され集
    合されると非常に大な平均出力及びピーク出力を持つ単
    一レーザー光束を形成する。
32. 【請求項３２】 第３１項の請求にあるレーザー装置
    で、同心的に数個の放射状アレイを積み重ねて出来た多
    数の増幅チャンネルを励起するに必要な非常に大きなエ
    ネルギーを持つＲＦ波は、数メガワット レベルの強出
    力並列に操作されたセラミック真空管から得られ、これ
    らの真空管は第１９項の請求の共振同軸空洞チャンネル
    の出力分配とインピーダンス整合の装置に直接まとめて
    設置されている。
33. 【請求項３３】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、小型の複数個の増幅チャンネル アレイは部分的に
    押し出し成型された構造で構成されている。この構造内
    で交互の電極が水冷されている共通の外側の囲いを構成
    し、他の電極は均一のＲＦ波励起と効率の良い熱除去を
    可能にするために、電気絶縁体であるが熱伝導体で出来
    た界面材に設置されている。
34. 【請求項３４】 第３３項の請求にある小型の放射状ア
    レイ レーザー装置で、その中で独立した複数個チャン
    ネル レーザープラズマ励起に必要なＲＦ波エネルギー
    は、レーザーの共通の中央軸と同心的に設置されて、均
    一のＲＦ波出力分割と複数の電極にインピーダンス整合
    をするために、複数個の相互にカップリングされている
    ストリップライン共振器から出ている。
35. 【請求項３５】 第３３項の請求にある小型の放射状ア
    レイ レーザー装置で、第３０項の請求中で増幅チャン
    ネルのために説明したタイプの複数個の共通の共振器を
    持ち、放射状アレイは完全に位相ロックしてあり、これ
    によって単一の良質の出力光束を発生する。
36. 【請求項３６】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、複数個チャンネル増幅アレイが安価な押し出し成型
    された構造から出来ており、その構造中の交互の電極が
    水冷却されている共通の外側の囲いを形成し、一方真ん
    中に差し込まれた電極は電気的絶縁体で導熱体の界面材
    に取付けられている。
37. 【請求項３７】 第３６項の請求にあるレーザー装置
    で、その中で電気的絶縁体で熱導伝体の界面材が、セラ
    ミックまたは“パッシェン最低値”以下のプラズマ イ
    オン化突破の電圧で操作さる非常に狭い空隙からなりた
    っているグループの中から選ばれている。
38. 【請求項３８】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、その中で更に分配され均一な励起の手段がパルス条
    件下で、独立してＲＦ波エネルギーを、第１９項の請求
    と同様に、真ん中の挟まれた電極を同軸状に囲んでいる
    共振空洞ＲＦ波分配とインピーダンス整合装置の複数個
    の磁気ループを通してカップリングされている装置。
39. 【請求項３９】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、その中の複数個の増幅アレイが、安価な複合押し出
    し成型された構造から出来ており、その構造中交互の電
    極が水冷却されている共通の外側囲いを作り、一方真ん
    中に差し挟まれた電極も成型された内部の共通の構造を
    形成している。配分された均一な励起は、短いパルス条
    件下で、ＲＦ波エネルギーを内部と外部の複合電極構造
    に同時にカップリングして得られる。
40. 【請求項４０】 第１５項の請求にあるレーザー装置
    で、その中でＲＦ波励起装置は巨大パルス モードで操
    作出来るようにデザインされている。光出力放射は膨大
    なピーク出力を持っているが、短く反復率が高く平均出
    力の良い強力なパルスの連続トレインの形で得られる。
41. 【請求項４１】 第４０項の請求にあるパルス レーザ
    ー装置で、その装置中で活性増幅媒体が炭酸ガス レー
    ザー、一酸化炭素レーザー、窒素レーザー、塩化キセノ
    ン レーザー、フッ化クリプトン レーザー、またその
    他のレーザー装置を提供するに選ばれたいろいろな混合
    ガスであるもの。装置は巨大なパルスＲＦ波放電装置か
    ら出る強力のレーザー プラズマで効果良く励起され
    る。
42. 【請求項４２】 第１５項の請求にある複数個チャンネ
    ル レーザー装置で、その装置内で複数個の位相ロッキ
    ングしてあっても、してなかっても増幅チャンネルから
    出力される小光束が放射状光束重ね合いによって、複合
    されて、例外的に強い方向対称性と有効焦点の小さい均
    一な強度プロフィルを持った単一の光束を作る装置。