JPH0864896A - 高平均出力パルスｃｏ▲２▼レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス発振ＣＯ₂ レーザ装置において、相対
的に小型の装置から高効率でかつ数ｋＷ以上の高い平均
出力のパルスＣＯ₂ レーザ光を安定して得ることができ
る装置を提供する。 【構成】 パルス発振ＣＯ₂ レーザ装置において、パル
ス発振ＱスイッチＣＯ₂レーザ装置からなるマスターオ
シレータ１と、光アイソレータ８と、ビームコリメータ
１１と、不安定型共振器のＣＯ₂ レーザ装置よりなるパ
ワーアンプリファイア１２によって構成される高平均出
力パルスＣＯ₂ レーザ装置で、パワーアンプの不安定型
共振器を構成する一方の全反射鏡にビーム入射穴を設
け、この穴部分からマスターオシレータ１のパルス発振
ＣＯ₂ レーザ光を入射する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームに対して
高反射率を示すかもしくは熱伝導率が高い難加工性材料
などの特殊材料の加工や、レーザ同位体分離等のレーザ
光化学での応用で要求される高尖頭出力、高パルス繰り
返し率、高平均出力のパルスＣＯ₂ レーザ光を高効率、
かつ安定に得るための高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の連続波ＣＯ₂ レーザの飛躍的な大
出力化ならびにレーザビーム空間モードの高品質化に伴
い、その応用分野は各種の材料加工を中心として大きな
展開を見せている。さらに昨今、ＣＯ₂ レーザの発振形
態をパルス化することにより、新たな分野への展開も各
種報告がなされている。その代表的な例として、銅やア
ルミニウム等の従来のＣＯ₂ レーザでは加工が困難であ
った材料の切断・溶接加工や鋼材の超高速・精密加工、
赤外多光子励起を用いたレーザ同位体分離、遠赤外レー
ザの光励起などがある。ＣＯ₂ レーザのこの様な分野へ
の適用には一般的には１０ｋＷを越える高尖頭出力、１
０ｋＨｚ以上の高パルス繰り返し率、数ｋＷ以上の高平
均出力性が要求される。

【０００３】このような用途に対応するパルスＣＯ₂ レ
ーザとして、従来から横方向励起大気圧動作のパルスＴ
ＥＡレーザがある。ＴＥＡレーザでは高電圧・高電流パ
ルス放電を大気圧のレーザガスに印加し急速な反転分布
形成を実現するので、ゲインスイッチング現象により１
０ＭＷ以上の高い尖頭出力を１００ｎｓｅｃ程度のパル
ス幅で容易に取り出すことが出来るが、パルス繰り返し
周波数は実用的には１００Ｈｚ程度が限界であり、産業
応用のレベルから考えるとかなり低い値に抑えられてい
る。また、単一のシステムから取り出し得る平均出力と
しては１ｋＷレベルが上限となっている。さらに短時間
に大電力パルス放電を行うためレーザ発振器の寿命が短
く、またそのオペレーションに要するコストも増大する
という問題点があった。

【０００４】このような問題点に対応するため、従来か
ら固体レーザによく用いられているＱスイッチング技術
をＣＯ₂ レーザに適用する方法が各種提案されている。
IEEEJ. Quantum Electronics 誌 Vol. QE-4, p762, 19
68 にはＣＷ励起ＣＯ₂ レーザの共振器内に損失を制御
する素子を挿入した各種のＱスイッチング方法がまとめ
られている。Ｑスイッチングの方法には、共振器内に可
飽和吸収体を挿入する受動的Ｑスイッチング、電気光学
素子を用いる方法、回転ミラーを共振器内に組み込む方
法、テレスコープと回転チョッパの組合せからなるＱス
イッチ装置を共振器内に挿入する方法、さらには特開昭
62-160783 号公報に開示されているファブリペロエタロ
ンを共振器内に挿入する方法などが提案されている。中
でも回転チョッパとテレスコープを用いる方法は、Ｑス
イッチング速度を速くする課題があるが、その他の制御
性・安定性からこの方法が主流となっている。Gas Flow
&Chemical Lasers (GCL) Conference Proceedings, Vi
ena 1988, Vol. 1031, SPIE, p48 にはＣＷＣＯ₂ レー
ザに回転チョッパ方式によるＱスイッチを組み込み、パ
ルスエネルギ２７ｍＪ、パルス尖頭出力１５０ｋＷ、パ
ルス繰り返し周波数１０ｋＨｚ、平均出力２７０Ｗの性
能を実現した例が報告されており、さらに本願発明者ら
も各種の検討を進め、パルス尖頭出力の改善を図るため
に回転チョッパと同期したＲＦパルス放電を用いる方法
について特開平04-259278 号公報において出願してき
た。以上に示したＱスイッチＣＯ₂ レーザは何れも安定
型共振器に基づいたレーザ装置であり、レーザ出力は部
分反射鏡からなる出力鏡から取り出される。この部分反
射特性は一般に多層膜蒸着によって実現されるが、この
反射膜の耐光強度やミラー素材の熱レンズ化による制約
から、１台のシステムから得られる平均出力には上限が
存在し、現在までに報告されている例では１ｋＷ内外が
限界となっている。

【０００５】以上のような限界を打破するため、マスタ
ーオシレータから得られたレーザパルスをパワーアンプ
リファイアによって増幅する方式もいくつか提案がなさ
れている。Gas Flow & Chemical Lasers (GCL) Confere
nce Proceedings, Crete 1992, Vol. 1810, SPIE, p57
には、ＱスイッチＣＯ₂ レーザをマスターオシレータと
し、利得長７．２ｍ（装置全長１７．２ｍ）のマイクロ
波励起単一パス増幅器をパワーアンプリファイアとして
用いる構成によって、パルスエネルギ１５５ｍＪ、パル
ス尖頭出力７５０ｋＷ、パルス繰り返し周波数１０ｋＨ
ｚ、平均出力１．５５ｋＷの出力を得ていることが示さ
れている。このマスターオシレータ・パワーアンプリフ
ァイア方式には上記のような単一発振器構成による出力
制約が緩和される利点があるが、パワーアンプリファイ
アに単一パス増幅器を用いていることから、増幅器前半
部におけるエネルギ抽出効率が悪く、大出力を得るため
には上記のごとく装置が巨大になってしまい、装置コス
ト、ランニングコスト共に大幅に高くなってしまうとい
う問題点がある。

【０００６】増幅器をマルチパスで用いる方法に、fsec
〜psec領域の極短パルスを増幅するためによく用いられ
る再生増幅方式がある。この方式では外部から共振器内
に注入されたパルスを複数回利得領域を通過させること
で、エネルギ増幅率を大きくとることが出来るが、共振
器内へのパルスの注入ならびに共振器からのパルスの取
り出しを偏光回転によって実現するため、共振器中に偏
光選択機能を有する薄膜ポラライザならびに偏光回転機
能を有するポッケルスセルを導入しなくてはならない。
一方、ＣＯ₂ レーザの発振領域である波長１０μｍ近傍
で用い得るこれらの素子は、一般に耐光強度が低くｋＷ
レベルの平均出力に耐え得るものはない。

【０００７】一方、連続波ＣＯ₂ レーザのパワースケー
リングを実現するために、一般に共振器形態を安定型か
ら不安定型へ変更する手法が採用されている。不安定型
共振器は、レーザビームを共振器内の１往復毎に拡大
し、最終的にビームの外周部分を出力として取り出す方
式である。したがって、共振器構成ミラーは全反射鏡の
みで共振系を組めることから、安定型共振器のように部
分反射鏡を用いる制約が無く、かつレーザ共振中にビー
ムを徐々に拡大しつつ増幅することから利得領域を有効
に利用できる利点があるので、高出力取り出しに適合し
た形態である。しかしながら、不安定型共振器ではその
名のごとく共振器中のレーザビームの進行方向に従って
ビームの伝送挙動が発散ビームや平行ビーム特性の間で
変化してしまうため、単純に共振器中にテレスコープを
挿入すると、ビームの進行方向毎に集光位置が変化して
しまい回転チョッパタイプのＱスイッチを適用すること
はできない。

【０００８】また、本願発明者らは不安定型共振器を増
幅器として用いる方法として、IEEEJ. Quantum Electro
nics 誌, vol.24, p1571, 1988 に外部から長パルス色
素レーザ光を、短パルス電子ビーム励起エキシマレーザ
の不安定型共振器に注入し増幅する方法を提案した。こ
の方法では利得の持続時間の短いレーザ媒質に長パルス
をマスターオシレータから注入するので、ＣＯ₂ レーザ
で考えるならば、ＴＥＡレーザ媒質に対して不安定型共
振器を組み外部から長パルスないしは連続波レーザを注
入する方式に相当する。一方、ＴＥＡレーザでは前記の
ごとくパルス繰り返し周波数に制約があり、平均出力の
スケーリング性能には限界がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、パル
ス発振ＣＯ₂ レーザ装置において、従来技術欄に示した
ような安定型共振器に基づく従来方式での平均出力のス
ケーリング性の制約を打破し、さらに単一パス増幅器の
ように装置を巨大化することなく数ｋＷ以上の平均出力
を相対的に小型のシステムから得ることのできるＣＯ₂
レーザ装置を簡便な構成で実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、パルス発振Ｃ
Ｏ₂ レーザ装置において、パルス発振ＱスイッチＣＯ₂
レーザ装置からなるマスターオシレータと、光アイソレ
ータと、ビームコリメータと、不安定型共振器のＣＯ₂
レーザ装置よりなるパワーアンプリファイアによって構
成される高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置で、パワー
アンプの不安定型共振器を構成する一方の全反射鏡にビ
ーム入射穴を設け、この穴部分からマスターオシレータ
のパルス発振ＣＯ₂ レーザ光を入射することを特徴とす
る高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置である。

【００１１】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図１は本発明
に係わる高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置の構成を模
式的に示したものである。図において１は本発明のマス
ターオシレータに相当するＱスイッチＣＯ₂ レーザ装置
である。レーザ共振器はレーザ放電管４の一端に取り付
けられたリトロウ配置の回折格子２と部分反射鏡からな
る出力鏡５によって安定型共振器で構成される。レーザ
放電管４の他端に取り付けられたレンズ３ならびにレン
ズ３’は共焦点条件に配置されたテレスコープであり、
その焦点位置に回転チョッパ６が設置され、これによっ
てＱスイッチングが実現される。ここで回折格子２はＣ
Ｏ₂レーザの複数ある発振線の中から特定の発振線を選
択するための波長選択素子として動作する。放電励起は
連続波もしくは特開平04-259278 号公報に開示したよう
な回転チョッパと同期したパルス放電励起の何れかで行
われる。レーザ空間モード（横モード）は、後段でのパ
ワーアンプリファイアへの入射がなるべく容易なように
低次モードで発振が得られるように、放電管内径や共振
器構成鏡の曲率が決定され、また必要に応じて図示され
ない内部アパーチャが共振器内に挿入される。共振器を
構成している回折格子２は偏光選択機能を有するので、
マスターオシレータ１の出力は直線偏光となっている。
さらにレーザ周波数軸上でのモード（縦モード）が単一
のものを要求する応用に対しては、図１中では省略した
がエタロンなどの波長選択素子を共振器中に挿入し、単
一縦モード発振を得る。以上の構成によってマスターオ
シレータからは、縦横モード共に低次の直線偏光を有す
るＱスイッチＣＯ₂ レーザパルス列が得られる。以上の
構成においては、共振器の高反射側ミラーには波長選択
のため回折格子２を用いる例を示したが、波長選択の必
要の無い目的に対しては、通常の高反射鏡を用いフリー
ラン発振を得る構成としてもよい。また縦モード制御に
関してはエタロンを挿入する例を示したが、外部から単
一縦モード連続波レーザ光を注入しインジェクションロ
ックする方式を用いてもよい。さらにＱスイッチングの
方法としては、図１においては共焦点テレスコープと回
転チョッパの組合せからなるＱスイッチを用いる例を示
したが、電気光学変調素子や回転鏡等によって構成され
るＱスイッチを用いてもよい。

【００１２】図１中の８は光アイソレータであり、マス
ターオシレータからパワーアンプリファイアへのレーザ
ビームは高効率で通過させるが、パワーアンプリファイ
アから逆に戻ってくるレーザビームに対しては、ビーム
を遮断する機能を持つ。これはパワーアンプリファイア
１２から一部戻ってくるレーザビームが増幅されている
ため、この戻りビームによってマスターオシレータの発
振を不安定化したり、マスターオシレータそのものの損
傷を防止するためのものである。図に示した例において
は、偏光選択反射鏡９はｓ偏光に対しては高反射率を示
すが、ｐ偏光はその大半を吸収する特性を持ち、反射率
を偏光の向きによって変化させる素子である。次に位相
遅延反射鏡１０は、１／４波長の位相遅延を与える反射
鏡であり、直線偏光が入射した場合、反射光は円偏光と
なるものである。以上の構成において、マスターオシレ
ータからのレーザビーム７はｓ偏光を有するので偏光選
択反射鏡９によって反射された後、位相遅延反射鏡１０
によって円偏光に変化し、パワーアンプリファイア１２
へ入射する。パワーアンプリファイア１２から一部戻っ
てくるレーザビームは入射したビームと同じ円偏光を有
するので、位相遅延反射鏡１０によって反射されるとｐ
偏光に変換する。このｐ偏光は偏光選択反射鏡９によっ
てその大半のパワーが吸収されるので、マスターオシレ
ータ１へのビーム戻りが防止される。なお、以上の例に
おいては光アイソレータ８として最も簡単な構成を示し
たが、偏光子と位相遅延鏡の組合せの他、偏光によって
アイソレーション機能を持つものであれば、何れの方式
でもよい。

【００１３】図１中の１２はパワーアンプリファイアの
構成である。図においてパワーアンプリファイアとして
は正分枝共焦点不安定型共振器の例を示し、かつビーム
パスの挙動を併せて模式的に示した。光アイソレータ８
を通過したマスターオシレータのレーザビーム７は、ま
ず必要に応じて凸凹レンズ等の組合せによって構成され
るビームコリメータ１１でビーム径ならびにその発散角
が調整される。その上で、レーザビーム入射用全透過ウ
インドウ１７を介してパワーアンプリファイア１２へ投
入される。パワーアンプリファイア１２は不安定型共振
器を構成する凹面鏡１３、凸面鏡１４、ならびに取り出
し鏡１５からなる共振器部、および図示されない放電励
起部、ガス流通部および熱交換部からなる。凹面鏡１３
の中央にはマスターオシレータ１からのレーザビーム７
を通過させるための入射穴が設けられており、入射ビー
ムは凸面鏡１４の方向に入射し増幅を受ける。凸面鏡１
４によって反射されたレーザビームは拡大しつつ増幅さ
れ凹面鏡１３の方向へ戻る。ここで共振器中を１往復し
たビーム径は、不安定型共振器の拡大率Ｍ（共焦点条件
の場合、Ｍ＝凹面鏡曲率半径／凸面鏡曲率半径）にした
がって大きくなるので、凹面鏡１３へ戻ってきたパワー
の１／Ｍ² の成分は凹面鏡１３の入射穴から光アイソレ
ータ方向へ散逸するが、（１−１／Ｍ² ）の成分は不安
定型共振器中に残存することとなる。共振器中に残存し
たレーザパワーは、この後共振器中を往復することで、
ビーム径を広げつつ増幅を受け、ビーム外径が最終的に
取り出し鏡１５の内径より大きくなった段階でレーザビ
ーム取り出し用全透過ウインドウ１６から増幅出力とし
て取り出される。図２は不安定型共振器の反射折り返し
状況を展開して示し、入射レーザビームが拡大する様子
を模式的に示したものである。図中Ｃは凹面鏡、Ｘは凸
面鏡での反射を表し、入射レーザビーム７が平行光と仮
定すると、Ｘ→Ｃでビーム径がＭ倍に拡大し、Ｃ→Ｘで
は平行ビームで伝送しつつ増幅を受ける状況を示してい
る。

【００１４】次にパワーアンプリファイアとして不安定
型共振器を用いる利点ならびにその制約条件について以
下に説明する。不安定型共振器では図１、２に示したご
とくパワーアンプリファイア自体が共振器を構成してい
るので、入射レーザビーム７は共振器中を多重回数往復
することとなる。したがって、単一パスアンプのように
装置を巨大化することなくレーザビームを利得媒質中を
複数回往復させることができるので、小型の装置から高
平均出力を取り出せるという利点がある。また一般に連
続波励起ＣＯ₂ レーザ媒質の飽和強度は１００Ｗ／ｃｍ
² 内外であることから、単一パスアンプにおいては、増
幅段前半ではエネルギの抽出効率が悪く、後段では利得
飽和の影響を受けパルス時間波形が歪むという制約条件
があるが、不安定型共振器では図２に示したごとく自動
的にレーザビーム径を拡大しつつ増幅するので、レーザ
パワー密度をある程度一定に保つことができる。その結
果、利得飽和の影響が少ないので、高いエネルギ抽出効
率を保ったまま、かつパルス時間波形を歪ませることな
く、高平均出力を取り出すことができる。一方、本発明
の構成ではパワーアンプリファイア自体が共振器を構成
しているので、入射レーザビーム７が存在しなくても、
アンプ自体が自発発光を種として連続波発振に至ること
が可能となる。ここで各種の増幅実験を行って調査した
結果、入射レーザビーム７のピークパワー密度がレーザ
媒質の利得飽和強度以上の値を持てば、不安定型共振器
は自分自身が発振器として動作せず、外部からの入射光
の増幅器として動作することがわかった。したがってマ
スターオシレータから入射するレーザパルスのピークパ
ワー密度としては１００Ｗ／ｃｍ² 以上の強度が要求さ
れることになる。また、ＣＯ₂ レーザ媒質の上準位寿命
はその組成ならびに圧力に依存して変化するが、一般に
数１００μｓｅｃ程度であり、利得回復時間もこのレベ
ルであることから、マスターオシレータのパルス繰り返
し周波数が１０ｋＨｚ以上程度であれば問題ないが、１
ｋＨｚ程度まで極度に低くなると、パルス間隔の間で連
続波発振が立ち上がることがわかった。したがって、マ
スターオシレータの発振周波数が低い場合には、パワー
アンプ部の放電励起として連続波ではなく、マスターオ
シレータと時間的に同期したパルス放電励起を行う必要
がある。この場合、パワーアンプ部の放電励起は、その
終了時点近傍でマスターオシレータからのレーザパルス
が入射するように同期設定がなされるが、有効な利得蓄
積を実現し、有意な増幅を得るためには５０μｓｅｃ以
上のパルス幅で励起を行う必要があることがわかった。
なお、ＴＥＡレーザにおいてもパルス放電励起を行って
いるが、上記の条件は低密度、長パルス時間幅励起であ
り、ＴＥＡレーザによる励起プロセスとは全く異なる状
況である。

【００１５】以上の図１に示した不安定型共振器の構成
では、レーザビーム取り出し用全透過ウインドウ１６を
固体媒質として示したが、高平均出力性に対する耐力を
考慮して空気力学的な窓によって筐体内の低圧部分と大
気圧部分を遮断する構成をとることも可能である。ま
た、同様に正分枝共焦点不安定型共振器の例を示した
が、負分枝条件や共焦点条件でない不安定型共振器にも
本発明が適用可能であることは言うまでもない。さらに
一般に不安定型共振器ＣＯ₂ レーザでは直交流型（レー
ザ光軸と、放電・ガス流方向が直交する型）が用いられ
るが、放電励起媒質の空間的な不均一性や収差が入るこ
とが知られている。そこでこれらを補正するため、Rev.
Sci. Instrum.誌, vol.64, No.9, p2488, 1993 に紹介
されているような円錐台型ミラーやルーフプリズムによ
って共振器中でレーザビームを鏡像反転するような折り
返しミラーを共振器内に導入することも可能である。さ
らに、ここまでの説明においては、レーザ媒質をＣＯ₂
レーザに限定して述べてきたが、ＣＯレーザやヨウ素レ
ーザ等のその他のレーザに対しても本発明を適用するこ
とは可能である。

【００１６】

【実施例】作用欄で説明した構成に基づく実施例を以下
に示す。図１においてマスターオシレータ１は、直流放
電励起連続波ＣＯ₂ レーザ発振器を改造したＱスイッチ
ＣＯ₂ レーザ発振器である。回折格子２はリトロウタイ
プのグレーティングであり、１５０本／ｍｍでブレーズ
がなされており、波長９．５７μｍで発振が得られるよ
うにその角度が調節されている。放電管４は内径４ｍｍ
のガラス管であり、その中をレーザガスが低速循環する
と共に、図示されない放電電極間において直流放電がな
され、レーザガスを励起する。放電管４の他端に焦点距
離６３ｍｍの減反射コーティングが施されたＺｎＳｅレ
ンズ３が取り付けられ、大気と遮断している。さらにそ
の対向部に共焦点条件で同一仕様のＺｎＳｅレンズ３’
が設置され、その共焦点部分に回転チョッパ６が設置さ
れている。回転チョッパ６は周上に５０ケのスリットを
有する円板であり、これが１２，０００ｒｐｍで回転す
ることにより、パルス繰り返し周波数１０ｋＨｚのＱス
イッチ発振を実現する。出力鏡５は曲率半径５ｍの凹面
を有するＺｎＳｅ部分反射鏡であり、その反射率は５０
％である。以上の構成のマスターオシレータ１からパル
ス繰り返し周波数１０ｋＨｚ、パルスエネルギ２ｍＪ、
パルスピーク出力１５ｋＷ、平均出力２０Ｗ、レーザビ
ーム直径約５ｍｍのレーザビーム７が得られる。

【００１７】光アイソレータ８の内、偏光選択反射鏡９
はｓ偏光反射率が９８．５％以上、ｐ偏光反射率が１．
５％以下の性能を持つ反射鏡であり、マスターオシレー
タ１からのレーザビーム７を９８．５％以上の効率で反
射する。位相遅延反射鏡１０は、１／４波長の位相遅延
を与える反射鏡であり、入射レーザビーム７の直線偏光
を円偏光に変換して反射する。

【００１８】ビームコリメータ１１はガリレオタイプの
テレスコープによって構成されるビーム径の縮小器であ
り、減反射コーティングが施されたＺｎＳｅ製の凸レン
ズと凹レンズの組合せよりなる。これによって平行ビー
ム条件を保ったまま入射レーザビーム径を５ｍｍから２
ｍｍに縮小する。以上の構成からパワーアンプリファイ
ア１２に入射するマスターオシレータ出力パルスのピー
クパワー密度は、約４０ｋＷ／ｃｍ² である。

【００１９】パワーアンプリファイア１２は直流放電励
起連続波ＣＯ₂ レーザ装置で、正分枝不安定型共振器に
よって構成される。凹面鏡１３は銅ミラーに金コートを
施した全反射鏡であり、その曲率半径は８．１５ｍであ
り、中央部に直径２ｍｍの開口が設けられている。凸面
鏡１４は銅ミラーに金コートを施した全反射鏡であり、
その曲率半径は２．５５ｍであり、凸面鏡１４と凹面鏡
１３の間隔である共振器長は２．８ｍである。取り出し
鏡１５はその中央に４５゜傾いた開口が設けられた銅製
金コートミラーであり、光軸方向から見た開口直径は１
２ｍｍである。レーザ出力は両面に減反射コーティング
が施された平板ＺｎＳｅ製レーザビーム取り出し用全透
過ウインドウ１６から大気中に取り出される。以上の共
焦点不安定型共振器の拡大率は３．２であり、マスター
オシレータからレーザビーム７を入射させない場合、外
径約３９ｍｍの連続波発振出力レーザビームが得られ、
その出力は６ｋＷである。

【００２０】以上の構成において、前記マスターオシレ
ータ１からのレーザビーム７を両面に減反射コーティン
グが施された平板ＺｎＳｅ製レーザビーム入射用全透過
ウインドウ１７を介してパワーアンプリファイア１２に
入射させ、パルス増幅を行った。その結果、パルス繰り
返し周波数１０ｋＨｚ、パルスエネルギ３００ｍＪ、パ
ルスピーク出力１ＭＷ、平均出力３ｋＷの増幅出力が得
られ、エネルギ増幅率として１５０倍の値が得られた。
次に対比のために前記マスターオシレータ出力パルスを
単一パス増幅器によって増幅する実験を行った。増幅器
としては上記不安定型共振器とほぼ同一の出力仕様を有
する安定型共振器の共振器ミラーを全透過ウインドウに
変更したものを用いた。その結果、エネルギ増幅率は４
０倍と上記の本発明の実施例に比べて１／４程度の増幅
率しか得られなかった。さらに増幅器前後のパルス時間
波形をそれぞれの条件に対して観測した。図３はこれら
を対比した結果であり、（ａ）がマスターオシレータ１
の出力パルス時間波形、（ｂ）が本発明の不安定型共振
器をパワーアンプリファイアとして用いた場合の増幅器
出力のパルス時間波形、（ｃ）が従来技術による単一パ
ス増幅器によって増幅した際のパルス時間波形である。
なお、図の縦軸は同一の感度で示すと波形対比が困難に
なるため、最大振幅が同一になるように示した。図に示
されているごとく、増幅出力である（ｂ）、（ｃ）の波
形では、初期スパイク後のパルステール部の増幅が見受
けられるが、（ｂ）の本発明による波形に比べて（ｃ）
の従来法の波形ではエネルギ増幅率が低いにもかかわら
ず、パルステール部の増幅による波形歪が顕著である。
これは、作用欄において説明したように単一パス増幅器
では、レーザビーム径を拡大することなく増幅するの
で、増幅器前段でのエネルギ増幅率が大きくとれないこ
と、後段では利得飽和の影響を受けパルス時間波形が歪
む現象が発生していることを示しており、本発明の有効
性が明確に示された結果である。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明したごとく本発明による高平
均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置によれば、ＴＥＡレーザ
におけるパルス繰り返し周波数の制約を受けることな
く、安定型共振器ＱスイッチＣＯ₂ レーザにおける平均
出力のスケーリング性の制約を受けることなく、単一パ
ス増幅器のように装置を巨大化することなく、かつ増幅
パルス波形を歪ませることなく小型の装置から高効率で
高い平均出力のパルスＣＯ₂ レーザ光を安定して得るこ
とができるという実用上の大きな利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置の
構成を示す図である。

【図２】本発明の高平均出力パルスＣＯ₂ レーザ装置の
パワーアンプリファイア部である不安定型共振器中の入
射レーザビームの伝送挙動として反射鏡における反射を
展開して模式的に示した説明図である。

【図３】パワーアンプリファイア前後において観測され
たパルス時間波形を対比した結果であり、（ａ）はマス
ターオシレータ出力、（ｂ）は本発明による不安定型共
振器をパワーアンプリファイアとして用いた場合の増幅
出力、（ｃ）は従来法として単一パス増幅器をパワーア
ンプリファイアとして用いた場合の増幅出力、それぞれ
の場合のパルス時間波形を示した図である。

【符号の説明】

１ マスターオシレータ ２ 回折格子 ３ レンズ ３’ レンズ ４ レーザ放電管 ５ 出力鏡 ６ 回転チョッパ ７ レーザビーム ８ 光アイソレータ ９ 偏光選択反射鏡 １０ 位相遅延反射鏡 １１ ビームコリメータ １２ パワーアンプリファイア １３ 凹面鏡 １４ 凸面鏡 １５ 取り出し鏡 １６ レーザビーム取り出し用全透過ウインドウ １７ レーザビーム入射用全透過ウインドウ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス発振ＣＯ₂ レーザ装置において、
   パルス発振ＱスイッチＣＯ₂ レーザ装置からなるマスタ
   ーオシレータと、光アイソレータと、ビームコリメータ
   と、不安定型共振器のＣＯ₂ レーザ装置よりなるパワー
   アンプリファイアによって構成される高平均出力パルス
   ＣＯ₂ レーザ装置で、パワーアンプの不安定型共振器を
   構成する一方の全反射鏡にビーム入射穴を設け、この穴
   部分からマスターオシレータのパルス発振ＣＯ₂ レーザ
   光を入射することを特徴とする高平均出力パルスＣＯ₂
   レーザ装置。
2. 【請求項２】 パワーアンプ部の放電励起が連続波状も
   しくはマスターオシレータのパルス発振タイミングと同
   期した時間幅５０μsec 以上のパルスでパルス変調され
   たものであり、マスターオシレータからパワーアンプへ
   入射するＣＯ₂ レーザパルスのピークパワー密度が100W
   /cm²以上であることを特徴とする請求項１記載の高平均
   出力パルスＣＯ₂ レーザ装置。