JPH09246635A

JPH09246635A - マイクロ波励起ガスレーザ装置

Info

Publication number: JPH09246635A
Application number: JP5746696A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kato; 真加藤; Koichi Saito; 幸一斉藤; Minoru Kimura; 実木村; Hiroyoshi Yajima; 浩義矢島
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロ波励起を均一に行うことのできる構
成を有するマイクロ波励起ガスレーザ装置において、レ
ーザ管壁近辺への放電の集中現象を解決したマイクロ波
励起ガスレーザ装置の提供を目的とする。【解決手段】レーザ媒質ガス１０は、レーザ管１３へ
流入する際に断熱膨張により温度が低下し、レーザ管中
央部近辺よりもレーザ管壁近辺の方が温度が高くなる
が、レーザ媒質ガス１０をブロック１２内の温度分布制
御手段１９で適当に加熱することにより、中央部近辺の
ガス温度が管壁近辺よりも高温にすることができる。こ
れにより、放電１４は管中央部近辺に存在し、高効率・
高出力で、かつ安定なレーザ発振が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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構成ではない。

【０００７】そこで、図９、図１０に示すような直交型
導波管を構成を採用し、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例がある。

【０００８】図９は、直交型導波管の構成図、図１０
は、図９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９、図１０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９、図１０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±０．０５ＧＨｚ）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８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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】又、図９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、再度ポンプで注入されるガス循環機構を設備してお
り、以下では、レーザ媒質ガス９２９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。

【００２１】さて、図１０において、マイクロ波発振器
９１１及び９１２が同時に発振した場合、レーザ管９１
５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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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
現象が発生する場合がある。

【００２７】図１１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。

【００２８】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。

【００２９】図９（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。

【００３０】こ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。

【００３１】

【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場合があるとい
う課題を有していた。

【００３２】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、放電発生可能範囲内に温度分布が存在する場合に、
放電が高温部に集中する性質を利用して、レーザ管径方
向のレーザ媒質ガス温度分布を制御し、放電を管断面の
中央部近辺に存在させることで、レーザ出力及びレーザ
発振効率が大きく、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。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ波励起
ガスレーザ装置においては、レーザ管内を流れるレーザ
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、レ
ーザ管を含むガス流路中に、レーザ媒質ガス温度分布制
御手段を有する主構成を有する。

【００３４】そして、かかる構成により、放電は管断面
の中央部近辺に存在し、レーザ出力及びレーザ発振効率
が大きく、安定なマイクロ波励起ガスレーザ装置を実現
する。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態としては、請
求項１記載のように、レーザ管内を流れるレーザ媒質ガ
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、前記レー
ザ管を含むガス流路中に、レーザ媒質ガス温度分布制御
手段を有するマイクロ波励起ガスレーザ装置である。

【００３６】ここで、請求項２記載のように、前記レー
ザ媒質ガス温度分布制御手段によって、レーザ管断面の
中央部近辺のレーザ媒質ガス温度のほうが、管壁近辺の
レーザ媒質ガス温度よりも高くなるマイクロ波励起ガス
レーザ装置であってもよい。

【００３７】更に、請求項３記載のように、前記レーザ
媒質ガス温度分布制御手段は、放電箇所よりもレーザ媒
質ガス流の風上側でレーザ媒質ガスを熱することが好適
である。

【００３８】また、請求項４記載のように、前記レーザ
媒質ガス温度分布制御手段は、前記レーザ管の管壁か
ら、レーザ管内を流れるレーザ媒質ガスよりも低温のガ
スを、レーザ管内へ導入することであってもよい。

【００３９】そして、請求項５記載のように、前記レー
ザ媒質ガス温度分布制御手段は、前記放電箇所よりもレ
ーザ媒質ガス流の風上側に設けた熱交換器であることが
好適である。

【００４０】また、請求項６記載のように、温度分布制
御手段が、レーザ管を流れるレーザ媒質ガスの温度を検
出する温度検出手段を有し、前記温度検出手段で検出さ
れた温度に対応して温度分布制御をフィードバック制御
としてもよい。

【００４１】また、請求項７記載のように、温度分布制
御手段が、放電状態を撮像する撮像手段を有し、前記撮
像手段で得られた画像情報を用いて温度分布制御をフィ
ードバック制御としてもよい。

【００４２】また、請求項８記載のように、レーザ媒質
ガスがＣＯ2ガスを含むものであってもよい。

【００４３】そして、上記の実施の形態により、レーザ
管径方向の中央部近辺のレーザ媒質ガス温度が、他の領
域よりも高温になるような分布に制御し、放電が高温部
に集中する性質を利用して、放電を管断面の中央部近辺
に確実に存在せしめる。

【００４４】これにより、レーザ出力及びレーザ発振効
率が大きく、安定なマイクロ波励起ガスレーザ装置を実
現する。

【００４５】（実施の形態１）以下、本発明の第１の実
施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００４６】図１は、本実施の形態におけるガス流路中
にヒータを設置したときのマイクロ波励起ガスレーザ装
置の部分断面図である。

【００４７】図１において、下手からガス配管１１を経
て流れてきたレーザ媒質ガス１０（ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅの
混合ガスで比率は３：１５：８２、放電部圧力は６０Ｔ
ｏｒｒ程度）は、ブロック１２内で、ヒータ電源２０に
より駆動されるヒータ１９により加熱され、さらにレー
ザ管１３へと流入する。

【００４８】なお、レーザ管１３は導波管１８内を貫通
している。マイクロ波発振器１７にて発生したマイクロ
波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、導波管１８
を伝播し、レーザ管１３内のレーザ媒質ガス１０に吸収
され、放電１４を発生させる。

【００４９】また、放電１４で励起されたレーザ媒質ガ
ス１０と、出力鏡１５と、図示していないがレーザ管１
３のもう一端に存在する全反射鏡とにより構成されるレ
ーザ共振器から、レーザ出力１６が取り出される。

【００５０】以下、更に、本実施の形態におけるヒータ
１９の効果について、詳細に説明する。

【００５１】レーザ媒質ガス１０は、ブロック１２から
レーザ管１３へ流入するときに、圧力の降下を伴う。

【００５２】このとき、レーザ媒質ガス１０は断熱膨張
を起こし、レーザ管１３の入口でのガス温度Ｔ２は、ブ
ロック１２内でのガス温度Ｔ１よりも低くなる。

【００５３】つまり、断熱膨張が起こるときの圧力と温
度との関係は、ガスの比熱比κを用いて、以下の（数
１）で示される。

【００５４】

【数１】よって、実測値（ブロック１２内のガス圧力Ｐ１＝７０
［Ｔｏｒｒ］、及びガス温度Ｔ１＝３００［Ｋ］、また
レーザ管１３の入口でのガス圧力Ｐ２＝６５［Ｔｏｒ
ｒ］、比熱比κ＝０．４８）を代入して、管入口でのガ
ス温度Ｔ２を求めると、Ｔ２＝２９３［Ｋ］となり、断
熱膨張によってガス温度は７［Ｋ］低下したことにな
る。

【００５５】図２（ａ）は、このときのレーザ管径方向
のガス温度分布の概略図を示し、ｏは管央位置、ｐは管
壁位置をそれぞれ示している。

【００５６】図２（ａ）が示す通り、ガス温度は中央部
が最も低く、管壁に近づくに従ってガス温度は管壁温度
へと近づく。

【００５７】このような温度分布がある場合、マイクロ
波入力電力が１［ｋＷ］以下では、放電の管壁への集中
現象は起こらないが、マイクロ波入力電力が１［ｋＷ］
を越えると、放電は管壁へ集中してしまう。

【００５８】そこで、レーザ媒質ガス１０をヒータ１９
によって、断熱膨張による温度降下を考慮した加熱、す
なわちガス温度上昇が少なくとも７［Ｋ］を越えるよう
な加熱を行い、図２（ｂ）に示すようなガス温度分布を
作る。

【００５９】図２（ｂ）では、ガス温度は中央部が最も
高く、管壁に近づくに従ってガス温度は管壁温度へと近
づく。

【００６０】このような温度分布がある場合、放電は中
央部近辺で発生し、マイクロ波入力電力が１［ｋＷ］を
越えても放電が管壁に集中しない、レーザ発振に好適な
放電を得ることができる。

【００６１】また、ヒータ１９によるレーザ媒質ガス１
０の加熱の度合は、ヒータ電源２０により電気的に制御
することが可能であり、これによりガス温度分布を制御
することができ、同時に放電分布も制御することができ
る。

【００６２】なお、本実施の形態では、特に大出力を要
求されるＣＯ₂レーザ装置を想定して、動作の説明を行
ったが、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。

【００６３】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。

【００６４】さらに、本実施の形態では、レーザ媒質ガ
スの加熱手段として、ヒータ１９に代表される電気的な
熱源を用いたが、他の加熱手段として、レーザ光、ラン
プ光、発熱触媒、ペルチエ素子等を用いても同様な効果
が得られることは、いうまでもない。

【００６５】（実施の形態２）以下、本発明の第２の実
施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００６６】図３は、本実施の形態において、冷却され
たガスをレーザ管内へ導入する手段を設けたマイクロ波
励起ガスレーザ装置の部分断面図である。

【００６７】図３において、レーザ媒質ガス３０（ＣＯ
₂、Ｎ2、Ｈｅの混合ガスで比率は３：１５：８２、放電
部圧力は６０Ｔｏｒｒ程度）は、ブロック４２からレー
ザ管３１内へ流入し、図３内における右手方向に流れ
る。

【００６８】なお、レーザ管３１は導波管３４内を貫通
している。マイクロ波発振器３３にて発生したマイクロ
波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、導波管３４
を伝播し、レーザ管３１内のレーザ媒質ガス３０に吸収
され、放電３２を発生させる。

【００６９】また、放電３２で励起されたレーザ媒質ガ
ス３０と、図示していないがレーザ管３１の両端に存在
する全反射鏡と出力鏡とから構成されるレーザ共振器か
らは、レーザ出力が取り出される。

【００７０】一方、冷却ガス入口３６より冷却ガスチャ
ンバ３５内へ導入された、冷却されたレーザ媒質ガス３
７は、レーザ管３１に開けられた複数のガス導入穴３８
を通って、レーザ管内部へと流入する。

【００７１】なお、冷却ガスチャンバ３５は、レーザ管
３１の一部を取り巻くように設置されており、また導波
管３４よりも風上側に設置されている。

【００７２】以上のような構成において、冷却されたレ
ーザ媒質ガス３７の温度はレーザ管３１内を流れるレー
ザ媒質ガス３０よりも温度が低いため、レーザ管径方向
のガス温度分布は、中央部が最も高く、管壁に近づくに
従ってガス温度が徐々に低下するような分布となる。

【００７３】図４は、このときのレーザ管径方向のガス
温度分布の概略図であり、ｏは管央位置、ｐは管壁位置
をそれぞれ示している。

【００７４】図４に示すような温度分布がある場合、放
電は中央部近辺で発生し、マイクロ波入力電力が１［ｋ
Ｗ］を越えても放電が管壁に集中しない、レーザ発振に
好適な放電を得ることができる。

【００７５】また、冷却されたレーザ媒質ガス３７の温
度を適当に定めることにより、レーザ管径方向のガス温
度分布を制御することができ、同時に放電分布も制御す
ることができる。

【００７６】次に、導波管が冷却ガスチャンバを兼ねる
場合を図５に示す。冷却ガス入口４０より冷却ガスチャ
ンバ兼導波管３９内へ導入された、冷却されたレーザ媒
質ガス４１は、レーザ管３１に開けられた複数のガス導
入穴３８を通って、レーザ管内部へと流入する。

【００７７】マイクロ波発振器３３にて発生したマイク
ロ波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、冷却ガス
チャンバ兼導波管３９を伝播し、ブロック４２を経てレ
ーザ管３１内に流入したレーザ媒質ガス３０に吸収さ
れ、放電３２を発生させる。

【００７８】本構成においても、図３を用いて説明し
た、レーザ発振に好適な放電を得るガス温度分布が得ら
れることになる。

【００７９】なお、本実施の形態においても、特に大出
力を要求されるＣＯ₂レーザ装置を想定して、動作の説
明を行ったが、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。

【００８０】（実施の形態３）以下、本発明の第３の実
施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００８１】図６は、本実施の形態を示す、放電箇所よ
りもレーザ媒質ガス流の風上側に熱交換器を設けたマイ
クロ波励起ガスレーザ装置の部分断面図である。

【００８２】図６において、レーザ媒質ガス５０（ＣＯ
₂、Ｎ₂、Ｈｅの混合ガスで比率は３：１５：８２、放電
部圧力は６０Ｔｏｒｒ程度）は、ブロック５９からレー
ザ管５２内へ流入し、図６において右手方向に流れる。

【００８３】ここで、レーザ管５２は導波管５５を貫通
しており、また導波管５５よりも風上側には、金属製の
熱交換器５１が設置されている。

【００８４】また、熱交換器５１の内部には冷却水５６
が満たされており、この冷却水５６は、冷却水入口５７
より導入され、冷却水出口５８より排出される。

【００８５】マイクロ波発振器５４にて発生したマイク
ロ波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、導波管５
５を伝播し、レーザ管５２内のレーザ媒質ガス５０に吸
収され、放電５３を発生させる。

【００８６】そして、放電５３で励起されたレーザ媒質
ガス５０と、図示していないがレーザ管５２の両端に存
在する全反射鏡と出力鏡とから構成されるレーザ共振器
からは、レーザ出力が取り出される。

【００８７】以上のような構成において、管壁近辺のレ
ーザ媒質ガス５０の温度は、熱交換器５１により冷却さ
れ、レーザ管径方向のガス温度分布は、中央部が最も高
く、管壁に近づくに従ってガス温度が徐々に低下するよ
うな分布となる。

【００８８】このときのレーザ管径方向のガス温度分布
の概略は、図４と同様になる。そして、熱交換器５１内
部の冷却水５６の温度を、例えばチラー等を用いて適当
に定めることにより、レーザ管径方向のガス温度分布を
制御することができ、同時に放電分布も制御することが
できる。

【００８９】なお、本実施の形態においては、熱交換器
５１の材質は、金属を用いたが、セラミックス、ガラス
等の非金属材料を用いても、同様な効果が得られる。

【００９０】また、冷却方法も、水冷方式を用いたが、
油を用いる油冷方式や、空気を用いる空冷方式等を用い
ても、同様な効果が得られるのはもちろんである。

【００９１】また、本実施の形態でも、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。

【００９２】（実施の形態４）以下、本発明の第４の実
施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００９３】図７は、実施の形態２の冷却されたガスを
レーザ管内へ導入可能なマイクロ波励起ガスレーザ装置
に、さらにガス温度測定機能付き制御装置を付加した、
本実施の形態のガス温度分布の自動制御が可能なマイク
ロ波励起ガスレーザ装置の部分断面図であり、他の部分
の構成は実施の形態２と同様である。

【００９４】レーザ媒質ガス７０（ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅの
混合ガスで比率は３：１５：８２、放電部圧力は６０Ｔ
ｏｒｒ程度）は、ブロック７９からレーザ管７１内へ流
入し、図７内において右手方向に流れる。

【００９５】なお、レーザ管７１は導波管７４内を貫通
している。マイクロ波発振器７３にて発生したマイクロ
波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、導波管７４
を伝播し、レーザ管７１内のレーザ媒質ガス７０に吸収
され、放電７２を発生させる。

【００９６】また、図示していないがレーザ管７１の両
端のブロックに取り付けられた全反射鏡及び出力鏡と、
放電７２で励起されたレーザ媒質ガス７０とから構成さ
れるレーザ共振器からは、レーザ出力が取り出される。

【００９７】ガス入口７６より導入されたレーザ媒質ガ
スは、ガス冷却機能付きマスフロー装置７８にて冷却さ
れて、冷却されたレーザガス媒質７７となり、冷却ガス
チャンバ７５内へ流入する。

【００９８】そして、冷却されたレーザ媒質ガス７７
は、レーザ管７１に開けられた複数のガス導入穴８０を
通って、レーザ管内部へと流入する。

【００９９】ここで、冷却ガスチャンバ７５は、レーザ
管７１の一部を取り巻くように設置されており、また導
波管７４よりも風上側に設置されている。

【０１００】また、冷却ガスチャンバ７５と導波管７４
との中間には、ガス温度測定プローブ８３が設けられて
おり、レーザ管壁近辺のレーザ媒質ガス７０の温度をガ
ス温度測定機能付き制御装置８１にてモニタする構成と
なっている。

【０１０１】以上のような構成において、冷却されたレ
ーザ媒質ガス７７の温度はレーザ管７１内を流れるレー
ザ媒質ガス７０よりも温度が低いため、レーザ管径方向
のガス温度分布は、中央部が最も高く、管壁に近づくに
従ってガス温度が徐々に低下するような分布となること
は、実施の形態２で述べた通りである。

【０１０２】しかし、レーザ管径方向のガス温度分布
が、図４に示すような分布の場合は、中央部近辺に放電
が存在する好適なガス温度分布であるが、冷却されたレ
ーザ媒質ガス７７の流量が不十分な場合には、放電は初
期には管径方向に対して均一に分布するが、時間が経過
するに従い管壁部の温度は徐々に上昇し、最終的には放
電は管壁部にのみ存在することになる。

【０１０３】そこで、管壁部のレーザ媒質ガス７０の温
度の測定及び制御をガス温度測定機能付き制御装置８１
にて行い、放電の管壁部への集中を防ぐ。

【０１０４】具体的には、ガス温度測定プローブ８３に
て測定されたレーザ媒質ガス７０の温度は、ガス温度測
定機能付き制御装置８１にてモニタされ、ガス温度が所
定の好適な温度を保つように、ガス温度測定機能付き制
御装置８１はガス冷却機能付きマスフロー装置７８に対
して制御信号８２を送信する。

【０１０５】ガス冷却機能付きマスフロー装置７８は、
制御信号８２に基づき、流量の増減を行う。

【０１０６】この流量増減によるガス温度分布制御の方
法としては、ＰＩＤフィードバック制御等が好適であ
る。

【０１０７】こうして図４に示すような温度分布が確実
に実現され、放電は中央部近辺で発生し、マイクロ波入
力電力が１［ｋＷ］を越えても放電が管壁に集中しな
い、レーザ発振に好適な放電を得ることができる。

【０１０８】また、本実施の形態では、実施の形態２の
装置に、ガス温度測定機能付き制御装置を付加すること
により、ガス温度分布の自動制御が可能なマイクロ波励
起ガスレーザ装置を実現できることを示したが、実施の
形態１で説明した装置に同様なガス温度制御装置を付加
し、ヒータ電源の電力を制御してガス温度分布制御を行
うことも可能であり、また、第３の実施例で説明した装
置に同様なガス温度制御装置を付加し、冷却水の温度を
制御してガス温度分布制御を行うことも可能である。

【０１０９】（実施の形態５）以下本発明の実施の形態
５について、図面を参照にしながら詳細に説明する。

【０１１０】図８は、実施の形態２の冷却されたガスを
レーザ管内へ導入可能なマイクロ波励起ガスレーザ装置
と基本的には共通するが、さらに画像処理装置を付加す
ることにより、ガス温度分布の自動制御が可能である本
実施の形態のマイクロ波励起ガスレーザ装置の部分断面
図である。

【０１１１】レーザ媒質ガス９０（ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅの
混合ガスで比率は３：１５：８２、放電部圧力は６０Ｔ
ｏｒｒ程度）は、ブロック９９からレーザ管９１内へ流
入し、ブロック１０４を経てガス配管１０６へ流れる。

【０１１２】なお、レーザ管９１は導波管９４内を貫通
している。マイクロ波発振器９３にて発生したマイクロ
波（２．４５ＧＨｚ±０．０５ＧＨｚ）は、導波管９４
を伝播し、レーザ管９１内のレーザ媒質ガス９０に吸収
され、放電９２を発生させる。

【０１１３】また、ブロック９９に取り付けられた出力
鏡（図示していない）及びブロック１０４に取り付けら
れた全反射鏡１０５と、放電９２で励起されたレーザ媒
質ガス９０とから構成されるレーザ共振器からは、レー
ザ出力が取り出される。

【０１１４】ここで、ガス入口９６より導入されたレー
ザ媒質ガスは、ガス冷却機能付きマスフロー装置９８に
て冷却されて、冷却されたレーザガス媒質９７となり、
冷却ガスチャンバ９５内へ流入する。

【０１１５】そして、冷却されたレーザ媒質ガス９７
は、レーザ管９１に開けられた複数のガス導入穴１００
を通って、レーザ管内部へと流入する。

【０１１６】なお、冷却ガスチャンバ９５は、レーザ管
９１の一部を取り巻くように設置されており、また導波
管９４よりも風上側に設置されている。

【０１１７】また、全反射鏡１０５の裏側のレーザ光軸
上にはＣＣＤカメラ１０１が設置されており、放電９２
の発光輝度分布の様子を画像処理機能付き制御装置１０
２においてモニタする構成となっている。

【０１１８】なお、全反射鏡１０５の母材は、所望のレ
ーザ発振波長の光は全反射し、他の波長の光は透過する
ものが望ましい。

【０１１９】例えば、ＣＯ₂レーザ発振器の場合には、
ＣＯ₂レーザの発振波長である１０．６μｍ付近の光は
全反射し、一部の可視光は透過させるＺｎＳｅ（セレン
化亜鉛）等が好適である。

【０１２０】以上のような構成において、冷却されたレ
ーザ媒質ガス９７の温度はレーザ管９１内を流れるレー
ザ媒質ガス９０よりも温度が低いため、レーザ管径方向
のガス温度分布は、中央部が最も高く、管壁に近づくに
従ってガス温度が徐々に低下するような分布となること
は、実施の形態２にて述べた通りである。

【０１２１】しかし、レーザ管径方向のガス温度分布
が、図４に示すような分布の場合は、中央部近辺に放電
が存在する好適なガス温度分布であるが、冷却されたレ
ーザ媒質ガス７７の流量が不十分な場合には、放電は初
期には管径方向に対して均一に分布するが、時間が経過
するに従い管壁部の温度は徐々に上昇し、最終的には放
電は管壁部にのみ存在する場合も考えられる。

【０１２２】そこで、放電９２の径方向の輝度分布の観
察及び制御を、画像処理機能付き制御装置１０２にて行
い、放電の管壁部への集中を防ぐ。

【０１２３】具体的には、ＣＣＤカメラ１０１によって
画像機能付き制御装置１０２に取り込まれた放電９２の
輝度分布の様子は、画像機能付き制御装置１０２により
数値比較が可能なデータに処理され、レーザ管９１の径
方向の中心部の所定領域の平均輝度と管壁部の所定領域
の平均輝度との比較演算処理を行う。

【０１２４】そして、レーザ管中心部（中心点をレーザ
管９１と共有する半径５ｍｍの円の内部）の平均輝度
と、管壁部（レーザ管９１の内壁から５ｍｍ内側の円と
レーザ管９１の内壁とで囲まれた領域）の平均輝度との
比が、ある定められた比を保つように、あるいは、ある
定められた比を越えないように、画像機能付き制御装置
１０２は、ガス冷却機能付きマスフロー装置９８に対し
て、制御信号１０３を送信する。

【０１２５】ついで、ガス冷却機能付きマスフロー装置
９８は、制御信号１０３に基づき、流量の増減を行う。

【０１２６】なお、流量増減によるガス温度分布制御の
方法としては、ＰＩＤフィードバック制御等が好適であ
る。

【０１２７】こうして図４に示すような温度分布が確実
に実現されるので、放電は中央部近辺で発生し、マイク
ロ波入力電力が１［ｋＷ］を越えても放電が管壁に集中
しない、レーザ発振に好適な放電を得ることができる。

【０１２８】また、本実施の形態では、実施の形態２で
説明した装置に、ガス温度測定機能付き制御装置を付加
することにより、ガス温度分布の自動制御が可能なマイ
クロ波励起ガスレーザ装置を実現できることを示した
が、実施の形態１で説明した装置に同様なガス温度制御
装置を付加し、ヒータ電源の電力を制御してガス温度分
布制御を行うことも可能であり、また、実施の形態３で
説明した装置に同様なガス温度制御装置を付加し、冷却
水の温度を制御してガス温度分布制御を行うことも可能
である。

【０１２９】なお、以上のすべての実施の形態におい
て、マイクロ波伝送路として、導波管を用いて説明を行
ったが、ストリップラインや同軸ケーブル等を用いても
同様な効果が得られる。

【０１３０】また、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。

【０１３１】また、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。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。

【０１３２】また、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。また、レーザ媒質ガスは、Ｃ
Ｏ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。

【０１３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ管
を含むガス流路中に、レーザ管径方向のレーザ媒質ガス
温度分布制御手段を用いることで、レーザ管径方向の放
電分布を制御することが可能であり、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】本発明の実施の形態１のマイクロ波励起ガスレ
ーザ装置の部分断面図

【図２】同レーザ管径方向のガス温度分布の概略図

【図３】本発明の実施の形態２のマイクロ波励起ガスレ
ーザ装置の部分断面図

【図４】同レーザ管径方向のガス温度分布の概略図

【図５】同他の形態の部分断面図

【図６】本発明の実施の形態３のマイクロ波励起ガスレ
ーザ装置の部分断面図

【図７】本発明の実施の形態４のマイクロ波励起ガスレ
ーザ装置の部分断面図

【図８】本発明の実施の形態５のマイクロ波励起ガスレ
ーザ装置の部分断面図

【図９】従来のマイクロ波励起ガスレーザ装置の斜視図

【図１０】同断面図

【図１１】同レーザ管径方向放電輝度分布の概略図

【符号の説明】

１０レーザ媒質ガス１１ガス配管１２ブロック１３レーザ管１４放電１５出力鏡１６レーザ出力１７マイクロ波発振器１８導波管１９ヒータ２０ヒータ電源３０レーザ媒質ガス３１レーザ管３２放電３３マイクロ波発振器３４導波管３５冷却ガスチャンバ３６冷却ガス入口３７冷却されたレーザ媒質ガス３８ガス導入穴３９冷却ガスチャンバ機能付き導波管４０冷却ガス入口４１冷却されたレーザ媒質ガス４２ブロック５０レーザ媒質ガス５１熱交換器５２レーザ管５３放電５４マイクロ波発振器５５導波管５６冷却水５７冷却水入口５８冷却水出口５９ブロック７０レーザ媒質ガス７１レーザ管７２放電７３マイクロ波発振器７４導波管７５冷却ガスチャンバ７６ガス入口７７冷却されたレーザ媒質ガス７８ガス冷却機能付きマスフロー装置７９ブロック８０ガス導入穴８１ガス温度測定機能付き制御装置８２制御信号８３ガス温度測定プローブ９０レーザ媒質ガス９１レーザ管９２放電９３マイクロ波発振器９４導波管９５冷却ガスチャンバ９６ガス入口９７冷却されたレーザ媒質ガス９８ガス冷却機能付きマスフロー装置９９ブロック１００ガス導入穴１０１ＣＣＤカメラ１０２画像機能付き制御装置１０３制御信号１０４ブロック１０５全反射鏡１０６ガス配管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９２６ｙ方向電界強度分布９２７ｘ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９３３ｚ方向電界強度分布９３４放電ガス９３５ｚ方向電界強度分布９３６放電ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者矢島浩義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

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ管を流れるレーザ媒質ガスを、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、前記レーザ管を含
むガス流路中に、レーザ媒質ガスの温度分布を制御する
温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。
【請求項２】温度分布制御手段は、レーザ管の断面の
中央部近辺のレーザ媒質ガス温度を、前記レーザ管の管
壁の近辺のレーザ媒質ガス温度よりも高くするように制
御する請求項１記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
【請求項３】温度分布制御手段は、放電領域よりもレ
ーザ媒質ガスのガス流の風上側でレーザ媒質ガスを熱し
て温度分布を制御する請求項１または２記載のマイクロ
波励起ガスレーザ装置。
【請求項４】温度分布制御手段が、レーザ管を流れる
レーザ媒質ガスよりも低温のガスを、前記レーザ管の管
壁からレーザ管内へ導入して温度分布を制御する請求項
１または２記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
【請求項５】温度分布制御手段が、放電領域よりもレ
ーザ媒質ガス流の風上側に設けた熱交換器である請求項
１または２記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
【請求項６】さらに、温度分布制御手段が、レーザ管
を流れるレーザ媒質ガスの温度を検出する温度検出手段
を有し、前記温度検出手段で検出された温度に対応して
温度分布制御をフィードバック制御とする請求項１から
５のいずれか記載のマイクロ波励起ガスレーザ装置。
【請求項７】さらに、温度分布制御手段が、放電状態
を撮像する撮像手段を有し、前記撮像手段で得られた画
像情報を用いて温度分布制御をフィードバック制御とす
る請求項１から５のいずれか記載のマイクロ波励起ガス
レーザ装置。
【請求項８】レーザ媒質ガスがＣＯ₂ガスを含む請求
項１から７のいずれか記載のマイクロ波励起ガスレーザ
装置。