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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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
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    • H01S3/0805Transverse or lateral modes by apertures, e.g. pin-holes or knife-edges
    • HELECTRICITY
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    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
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    • H01S3/076Folded-path lasers

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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

Family Applications (1)

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)

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

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