JPS58173878A - 高出力基本モ−ドレ−ザ - Google Patents

高出力基本モ−ドレ−ザ

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JPS58173878A
JPS58173878A JP58040824A JP4082483A JPS58173878A JP S58173878 A JPS58173878 A JP S58173878A JP 58040824 A JP58040824 A JP 58040824A JP 4082483 A JP4082483 A JP 4082483A JP S58173878 A JPS58173878 A JP S58173878A
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
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    • H01S3/08018—Mode suppression
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高出力基本モードレーザに関する。
歴史上最初のガスレーザ、すなわちヘリウム−ネオンレ
ーザは比較的長いガラス管を用い、活性媒質を構成する
負圧の混合ガスを入れ、混合ガスを励起する数域を閉じ
込めた０この構成は４７１期の炭酸ガス（ＣＯ２）レー
ザにも用いられた。１９６４年ｉｃパテル（Ｃ，Ｋ、　
Ｎ、　Ｐａｔｅｌ　）によってつくられた最初のＣ（Ｊ
２レーザにおいては放電は土管の横の別のガラス管中で
行なわれた０この数域は王管内でＣＯ２と混合された窒
素を励起した。間もなく王管内の均質混合ガス中の放′
螺を用いるもつと簡単な構成が最良の性能を与えること
が認識された。
ガラス′Ｕを用いる装置の利点は、 １、光軸、ガス流軸、および電流＠を同軸にすることに
より、装置が簡単かつ経済的になること。
ガスと放′喧とはしたがって同じ空間内に閉じ込められ
るが、これは最大の効率のために常に望ましいことであ
る。
２、広範囲の寸法のガラス管が容易に得られること、お
よび典型的に同軸の成体冷却ジャケットおよび種々の連
結口を含む一体構造を容易につくることができること。
３、円形出力ビームを発生する好ましい条件を４入る構
造に設計できる。この構造によりすべての流体、熱、お
よび電流が光軸に関して基本的に対称である。
他の設計では元軸、ガス流軸、８よび励起軸がすべて同
軸とは限らない。典型的には１つ、２つ、またはすべて
の軸が互いに直角で、ガラス管は必ずしも装置の！要な
部分ではない。これらの設計によって活性領域からのも
つと迅速な対流による伝熱が行なわれ、そのためより短
い活性長さによってより高い出力が発生するが、製作に
もつと費用がかかり、典型的な場合円形に対称ではない
出力モードを示し、質が劣る。そのため、従来の同軸ガ
ラス管設計は重要で、特に１０００ワット未満の連続出
力のＣＯ□レーザには重要である。
好ましい対称条件のすべてとレーザ技術者の最大の努力
にもか力）わらず、２００ワット以上の出力レベルのＣ
Ｏ２レーザ°の基本モードすなわち出力ビームにおける
ガウス（ＴＥＭＯＯ）出力分布は達成されていない。設
計は一般に次のようにして行なわれる。
■、所望の出力を与える活性長さを選ぶ。必要な活性長
さを計算するのに７５ワット／メートル２、両端の反射
鏡の曲率半径は光字的キャビティが安定なように、すな
わちキャビティの軸の近くでそれにはとんど平行に進む
光線が反ＪＭ銚で任意の多数回反射した後もキャビティ
内にあるように選ぶ。また、鏡の曲率を鋭のところにお
けるモードサイズができるかきり等しくなるようＩＣ選
ぶ。
３、既知のキャビティの長さく活性長さ十反射鏡間に必
要な任意の余分の受量）および反ＪＲ誂の曲率半径で、
コンピュータで発生されたデータを参照し、できる７１
）ぎり小さい損失で撮動する′１゛Ｅ１ｙｌｏｏモード
を行なうキャビティのＰｉ定開口を選ぶが、それでも’
Ｉ’ＭＭｏｌξよびそれより高次のモートで＃ＲＩｎ　
Ｌ／　７’、、ｉ’いだけ十分損失が大きい。このよう
ぼ根拠の１つはアメリカ′域気電子技術者協公会報（Ｐ
ｒｏｃ、　１ｎＥｎ　）中のフォーゲルニック及びリ−
（ｔｌ、　Ｖｏｇｅｌｎｉｋ　ａｎｄ　’、［’ｉ　　
１．ｉ　）の論文（５４巻。
１３１２−１３２９ページ、１９６６年ｌＯ月）での菓
子は望ましくない波長をキャビティの外に偏向させるた
めのもので、発振は所望の波長においてだけで起こり、
管壁は望ましくないエネルギを発振するように反射しな
いことがＸ要である。このような波長選択法は約１００
ワツト未満のレーザにおいてだけ重要である。
管の直径を計算する上記の技法を用いて高出力ＣＯ□　
レーザそつくり、管内にリングをそう人して、管壁から
反射されるべき元を分散−・散乱させたとき、結果は満
足すべきものではなかった。
したがって本発明の目的は、改良された基本モードで働
く高出力カスレーザを得ることである。
本発明の他の目的は、高出力であるとともに満足すべき
ＴＥＭｏｏモードで働く改良炭酸ガスレーザを得ること
である。
本発明によれば、放電を閉じ込める管が間崗をとって内
向きに突き出た、管内で望ましくない反射光を分散させ
る環状の突起またはリングを持つ、炭酸ガスレーザのよ
うなガスレーザが得られる。
管とそれに連係した環状突起とは、管に沿って基本モー
ドの大きさに適合するように選ばれた直径を持つ。この
ことはたとえば盲に異なる直径の部分を持たせてその部
分のモードの大きさに適合させることによって達成され
る。
他の一芙施例に８いては、環状突起の内径を個々に選ん
でＴＥＭｏｏモードの直径に適合させることができる。
標準の光学共振器を持つＣＯ２レーザのモード直径に適
合させるために、環状突起の内径は一般にテーパ状にす
る。
次に図を用いて本発明の詳細な説明する。
第１図は折り貞ね型炭ばガス（Ｃ（Ｊ２）レーザαＱの
概略図である。折り重ね型レーザは所望の出力に応じて
任意数の部分を持つことができるが、図示の折り嵐ね型
レーザＱＱは４つの部分（１２，１４，１６゜１８）を
持つ。部分（１２，１４）はコーナミラー組立体（６１
で連結されている。同様に、コーナミラー組立体０は部
分（１４，１６）を接続し、コーナミラー組立体し４が
部分（１６，１８）を接続している。谷ミラー組立体（
２０，２２，２４）はそれぞれの接続部分を気密にシー
ルしている。さらに、１対の反射ｄ（２６，２８）（第
２図）が各ミラー組立体内に設けてあって、各部分を通
る内部反射レーザビームを「曲げる」すなわち反射させ
る。
折り曲げられた管部分の両端は、部分Ｕδの端部に設け
られた高反射率ミラー組立体間と、部分ｕ３の端部に設
けられた出力カップラミラー組立体Ｂ２とを含む光学共
振器装置によりキャンプされている。出力カップラミラ
ー組立体ｉ３３はレーザビームを通す。
管（１２，１４，１６，１８）内に同軸にあるプラズマ
管はレーザ媒質を含む。周知のようにＣＯ，ｌ／　　ｆ
（７）場合には、レーザ媒質は混合ガスすなわち炭酸ガ
ス、窒素、およびヘリウムの混合物でできている。
ガス状媒質は管部分の一端の一連の陰極（至）と、他端
の第２の一連の陰極（至）と、中央付近の一連の１−極
（４（Ｊとによってレーザ発振に必要な尚エネルギ状態
に励起される。電源（図示せず）によって陽極と陰極と
の間に適当な電圧をかける。
本発明によって、高出力Ｔｈｔ４ｏｏモードＣＯ□レー
ザは、一つの実施例では複数の管部分を含む中粱営すな
わちプラズマ管をＪＩＪする。これらの管部分は、そう
でなければ大きな入射角のとき反射されて管内に閉じ込
められる光を分散１敏乱させるように、周期的な直径減
少部を有する。プラズマ管を構成する個々の部分の直径
はその部分の基本モードの大きさにだいたい適合するよ
うに選ぶ。
このことをより詳細に第２−４図に示す。
第２．３図は６ｇ１図の折り重ね型レーザａ〔を構成す
るプラズマ管の４つの折り蒐ねられた部分を概略的に示
す０レーザ四を構成する各部分（１２゜１４、１６．１
８：）は同軸のプラズマ管すなわち中空管（４２，４４
，４６，４８）を含む。％宮には第４図に示すよに間隔
をとったリング状突起団がある。これらのリング状突起
はそうでなければ大きな入射角のとき反射されてプラズ
マ管内に閉じ込められる光を分散・散乱させる。
これらのプラズマ管の外面と各部分（１２，１４，１６
゜１８）の外壁との間の空間はプラズマ管内で発生した
熱を除去する冷却材の通路となる。部分（１４゜１６）
オよびそれぞれのプラズマ［（４４，４６）の直径は部
分（１２，１８）およびそれぞれのプラズマ管（４２４
８）の直径よりかなり小さく選ぶ。その理由は、折り重
ね型レーザＱ［１内で反射されるＴＭＭｏｏモードの元
ビームの直径はレーザＱＱの内部での方が元学共撮跳に
最も近い端部に２けるよりも小さいの１らである。
レーザＱ（Ｉの内部ｌこ直径の小さい放電閉じ込め管を
用いる理由は以下のと２りである。高出力レーザに対し
てはプラズマ管は典型的には数メートルかの長さで、Ｔ
ｆ！２Ｍ００モードはキャビティの中心部ではプラズマ
放電の起こる領域ｆＦ−満たすほど大きくない。たとえ
ば、実際の施では、モード直径はレーザの中心では約８
．４朋で、プラズマ管部分の両端では１６．５ＩＩＩｍ
である。プラズマ管の内径を、このレーザの全長にわた
って管の両端におけるモード直径によって決められる３
０＋ｕ＋とすることは、レーザの中心においてはビーム
の主要部４ｊ励起体積の１０％にも満たないことを意味
する。これによって出力と効率とが期待されたものより
小さくなる。このことは、現在のレーザに存在する導波
効果によって・多重反射と高次元のモードとにより全活
性領域がプラズマ管の全長にわたって満たされるので、
問題ではない。
第２−４図の実施例に８いては、谷プラズマ管（４２，
４４，４６，４８）の外径（５２）と各突起の内径（５
つとの差は同じである。すなわち谷リング状突起（至）
の高さは谷ケラズマ管において一定である。プラズマ管
がモード直径と一致するのは、内側のプラズマ管（４４
，４６）が外側のプラズマｆ（４２，４８）より直径が
小さいことによる。たとえば、実例ではプラズマ管（４
２，４８）の内径は３０ｎ＋で、管（４４，４６）のそ
れは２２龍である。
リング状突起団を設けることにより高出力′ｒＥＭＯＯ
モードＣＯ□レーザの設計は大いに異なるものとなり、
誤差や、なめらかな管では重要ではないプラズマ内の光
学的効果を無視することのｆｆ８範囲ははるかに小さく
なる。設計の第１歩は、キャビティ内の最も厳しく限定
される点における″１゛ＥＡ４ｏｏモードの大きさを決
定することである。最も簡単な場合には、光学的キャビ
ティは単一プラズマ管の両端における凹形反射鏡で構成
されている。したがってモードの大きさは共振器反射鏡
のところで最も大きく、管の両端のそばにつくられた一
〇によって最も紙しく制限される。・ｇの大きさは、基
本モードをひずませ、出力を大巾に低下させることなく
これらの開口が可能な最小の直径のものである。この直
径は以下の手順により決定される。
１、負レンズの効果の大きさを計算する０この効果は管
の直径の２乗に依存するので、最終的な直径を合理的に
呼側ｒることから出発しなければならない。また混合ガ
ス、ガス圧、およびプラズマ中で失なわれる電力を見積
らなければならない。
２、管の両端におけるレーザモードのｍｆｆ１（１／ｅ
ｚ強度点間の）８よび負レンズの効果を計算する。
端部の反射鏡の異なる曲率半径に対してこの計算を反復
して管の両端における最小のモードの大きさを与える反
射鏡の半径を決定する。
３、プラズマ管に必要な直径を犬めるＯｆを上記のよう
にして計算したモードの直径より１．９〜２、０　＋ｆ
！を大きくすると最良の結果が得られることがわθ）つ
た。この直径を用いてステップ１および２を繰り返す。
これらのステップを２．３回繰り返すと、このプロセス
は収束し、プラズマ管の最終的な直径が得られる。
４．　０６部分のある管に対してｑ！ｒ部分の直径をそ
の部分におけるモードの大きさに通合するように選ぶ。
第５．６図はプラズマ管（５０内の内−に延出するリン
グ状突起の詳Ｓを示す。第５図１こおいては、プラズマ
管（５υのガラス壁を紋ってリング状突起をつくる。第
６図に石いてはプラズマ管（５υの円面に円形バンドま
たはリング（５３）を設けてこの効果を与える。このリ
ング（５■はたとえばガラスのバンド、ワイヤのコイル
、または雀属シートのハンドでつくることができる。
第７図は出力カンプラミラ−（５８）と高反射率ミラー
（６のとを持つ単一部分炭酸ガスレーザを示す。
１力）られ力）るようにレーザビーム例は反射鏡（５８
゜６０）闇で反射するとだいたいテーパ状になる。本発
明の他の％徴によってプラズマ管（６２）の場合のリン
グ状突起の内径は、レーザがｆ＃ＥＪで変るときレーザ
のモードの直径と一致するように選ばれる。
したがって突起（６のは突起（６２）より内径が小さい
。
突起（６ωの内径は突起（６２）のそれより大きい。第
７図の１られかるように突起の内径は基本モードの直径
と一致してだいたいテーパ状となっている。
【図面の簡単な説明】
第１図は折り菫ね型炭酸ガスレーザの概略図、第２図は
本発明の段付き放電閉じ込め中空管を持つ折り重ね型Ｃ
Ｏ２レーザの概略図、ｌ１１ｇ３図は第２図の中空管の
矢印の方間に見た断面図、第４図は第２．３図のレーザ
の放電を閉じ込める個々の中空管の１つの縦断面図、第
５図は本発明の（ハ）回きに延びるリング状突起を持つ
放電閉じ込め中空管の一部の詳＃１断面図、第６図は本
発明の他のリング状突起を待つ中空管の詳ａＷｒ面図、
第７図はリング状突起がテーパ状になった本発明のガス
レーザの断面図である。 ｌＯ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・炭酸ガスレーザ１２、１４．１６．１８・・・・・・
　レーザ管部分３４・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・　レーザビーム３６．３８・・・・・
・・・・・・・・・・・・・陰極４０・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・陽極４２、４４．４
６．４８・・・・・・　プラズマ管（中空ｆ）特許出願
代理人 弁理士山崎行進

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １υ　ガスレーザ媒質を包む、放電閉じ込め中空・Ｕと
    、 １１５１Ｉ記中空管と整合した１対の光学共振器反射鏡
    と、 前記ガス媒質を励起するｔｊ、直と を備え、 前記放′域閉じ込め中空管にはその中に望ましくない反
    射光を分散させる周ＡＩＪＨ９なリンク状突起があり、
    前記リング状突起の内径はモード直径が前記中空管に沿
    って変るにつれてほぼ所望のモードに従って変わる ガスレーザ。 （２）各前記突起は前記中空ｆＶ′３のその点にεける
    所望モードの直径とほぼ適合する内径を持つ、特許請求
    の範囲第１項に記載のガスレーザ。 １３）＠記すング状突起の内径ははばテーパ状になって
    いる、特許請求の範囲第２項に記載のガスレーザ。 （４）　　前記リンク状突起の内径の変化は前記放′に
    閉じ込め中空管に少なくとも２つの異なる直径を付つ複
    数の部分を設けることによってなされる、特許請求の範
    囲第１項に記載のガスレーザ。 （５）互いに平行で、反ＩＲを抑制する装置を含む、炭
    酸ガスを含む混曾ガスを包むｍｅのガス閉じ込め中空管
    部分と１ 前記中空管部分を連結して光路を構成する連続的カス閉
    じ込めチャネルをつくる複数のコーナミラー組立体と、 ガス閉じ込めチャネルの一端における一反射率ミラーと
    他４における出力カップラミラーとで構成される光学共
    振器と、 前記混合ガスを励起する装置と、 谷中空せ部分の直径をその部分にεけるモードの大きさ
    と適合させることによりＴｎｍｏｏモ　′−ドを改善す
    る装置と を・薦えた折り厘ね型炭酸ガスレーザ。 （６）　　前記抑制装置は内向きのリング状突起を言む
    、特１ＩＦｆ請求の範囲第５項ｌこ記載の宜り厘４つ型
    炭酸ガスレーザ。 （力　前記リンク状突起は前記中空管部分における絞り
    を含む、　＃ｆｆ請求の範囲第６項に記載の折り厘ね型
    炭鍍カスレーザ。 （８）　　前記リング状突起は＠記中空間部分にそう人
    されたリング・ａ−含む、特許請求の範囲第７項に記載
    の祈り厘ね型炭酸ガスレーザ。 （９）　　炭ばカスを含む混合ガス／：ｉ−包６、放射
    方間に内向きに延びるｍ数の間隔を置いたリング状突起
    を含む複数のガス閉じ込め中空ｆ部分と、前記中空管部
    分を連結して元ｗ！ｒを構成する連続的ガス閉じ込めチ
    ャネルにするａｔのコーナミラー組立体と、 前ａ己カス閉じ込めチャネルの一端における筒反射率ミ
    ラーと他端に２ける出力カブノミラーとで構成される光
    学共儀器と、 前記混合ガスを励起する装置と を備え、 前記中空管部分の直径はその部分におけるモードにほぼ
    適合する 折り重ね型炭ばガスレーザ。 ０θ　前記リンク状突起は１ｌｔＩ紀中空＃部分におけ
    る絞りである゛、特許請求の範囲＠９項に記載の祈りム
    ね型炭酸ガスレーザ。 Ｕυ　ガス媒質を包む放電閉じ込め中空管と１前記中墾
    営と！１会した１対の光字共振器ミラーと、 前記ガス媒質を励起する装置と、 内径がだいたいテーパ状になって前記中空管内のＴｇＭ
    ｏｏモードの直径と適合する放射方間に内向きに延びる
    ４ｉ叙のリング状突起を設けることによりＴＥｌｖｉｏ
    ｏモードのレーザ出力を発生させる装置と を儂えたガスレーザ。
JP58040824A 1982-03-31 1983-03-14 高出力基本モ−ドレ−ザ Granted JPS58173878A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/363,843 US4500996A (en) 1982-03-31 1982-03-31 High power fundamental mode laser
US363843 1982-03-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS58173878A true JPS58173878A (ja) 1983-10-12
JPH0125236B2 JPH0125236B2 (ja) 1989-05-16

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ID=23431975

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP58040824A Granted JPS58173878A (ja) 1982-03-31 1983-03-14 高出力基本モ−ドレ−ザ

Country Status (5)

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US (1) US4500996A (ja)
JP (1) JPS58173878A (ja)
DE (1) DE3310598A1 (ja)
FR (1) FR2524727B1 (ja)
GB (1) GB2117558B (ja)

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