JPS5890791A - 高速度の亜音速流中にレ−ザ−活性状態を形成する装置 - Google Patents

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】 本発明は流れのチャネルと、第１電極対と、第２電極対
とを有し、第１電極対は流れのチャネルの壁領域におい
て相互に対向して配置した第１誘導電極を崩し、第２電
極対の一つの電極は流れのチャネル中の放電領域の上流
に配置し、第２電極対の他の一極は流れのチャネルの放
電領域の下流に配置し、第１電極対の電極は高速度の亜
音速流中にレーザー活性状態を形成する第１高周波電源
に接続した装置に関する。

分子状ガスを励起してレーザー、特にＣＯ□レーザーを
発生する為にグロー放電が長い間使用された。ＣＯ２レ
ーザーの開発はガラス管中の長手方向の放電によって開
始された。この方法によると壁に向かってプラズマから
熱を放出するので、得られる出力ははは８０　Ｗ／ｍに
限定された。

放電管の長手方向の高速度の流れにおいて、対流による
放熱で比出力を増加させる。このことが乱流によって放
電を安定させ、５００　ｗ／ｍを達成させることが出来
る。流れの抵抗が大きいので、これを克服する為に高い
圧力差を必要とし、ガスを循環させる為に複雑なポンプ
系統を必要とする。

横方向の流れを有するレーザーは光軸に対して直角に流
れるので、放熱をかなり大きくすることが出来、出力も
かなり高くすることが出来る。放電を流れに対して直角
又は平行に重ねる。二つの方法は放電を安定させる為に
特殊な手段を必要とする。流れの方向に放電する時は収
縮する傾向がある。これは特に温度及び電子密度が不均
一となる為であって、これらは流れの中に配置した電極
によって決定される。このような位置に基づく不安定性
を抑制する為には強力な乱流になるように刺激すること
が必要であυ、これには装置に関する処置を講する必要
がおる（　Ｎｌｇｈａｎ　ａｔ　ａｌ　、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌ＠ｔｔ、４到、６３３．１９７４）。

放電が流れに対して直角である時は、流れの方向に放電
を伴なうことに反対する処置を講する必要がある。この
ような横方向の放電は種々な試験によってなされた。

（１）　　自己持続型の直流放電 この場合は電場の強度と荷電体の形成との間に直接的な
＋−Ａ係があり、即ちイオン化係数は電場の強度に者し
く依存するので、出力密度は安定な状態では限られた範
囲で得られるにすぎない。電極を多重に細分１ヒし、複
雑に冷却して補償抵抗のネットワークを設けることが放
電を安定化する為に必要とムる。

（２）核合放電 この放電の安定性は改善されており、出力密度もＭ人す
る。これは荷電体の形成と振動励起の機能とを分離する
ためである。分離した荷電体の形成方法は次の様に知ら
れている。

（１１ａ＋ルス発生器−持続器 プラズマをイオン化する為に低い電場強度Ｑ非自己持続
型の直流放電に、高い周波数の高電圧−母ルスを重ねる
。直流放電の電場強度は一般に自己持続型放電の場合よ
り低くて分子ガスの最適な振動励起に適当している。こ
の短い高電圧）’？ルスは一時的に著しく再結合する安
定なプラズマにおいて電子密度を高める。しかしこのよ
うな放電の改良には、複雑な出力供給装置が必要である
。この概念は、いわゆるＰＩＥ−放電に紫外線予備イオ
ン化を付加的に重ねあわせることによって更に発展した
（　Ｎａｍ　＠ｔ　ａｌ、　ＩＩＪＥ　Ｊ、　Ｑｕａｎ
ｔｕｍ　Ｅｌ＠ｃｔｒｏｎｉｃｓ。

ＱＥ　１５．４４．１９７９　）。

（ｂ）　　電子線イオン化による非自己持続型の直流放
電 この概念によれば最良の出力値を得ることが出来るが、
この装置は複雑であって取り扱いに注意を要する。電子
ビームは薄い金属箔を通して放電装置に連結される。こ
の箔が破れると操作上の重大な困難を生ずる。この操作
は問題があって高い電圧とＸ線に対する遮蔽とが必要で
ある。

（３）　　自己持続型の高周波放電 電場強度を時間に応じて変化させることによって、高周
波放電は短い自己持続型及び長い非自己持続型放電の二
つの相を交互に形成して、電子密度を時間的に一定にす
る。再結合しようとするプラズマにおいて体積的な不安
定よりも比出力密度を高くする。高い周波数の放電によ
ると、適当な周波数を選択することによって荷電体の損
失を減。

少させることか出来る。これは電子ドリフト運動の１−
を電極の間隔に対して小さく保つことによって行なわれ
る。高い周波数のエネルギーを金属電極によるか、又は
容量的に結合させることが出来る。（ヨーロッ・臂公開
特許第３．２８０号、米国特許第３７４８５９４号：　
Ｇａｖｒｉｌｙｕｋ　＠ｔ　ｍｌ、　Ｓｏｖ、　Ｊ　。

Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　、　９　、３２
６　、１９７９　：Ｃｈｒｌｓｔｅｎｍａｎａｔ　ｍｌ
、　ＩＥＥＥ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌ＠ｃｔｒｏｎｉｃ
ｍ、　ＱＥ　１６．９４’１１９８０）。

ｗｍを含む結合においては、直流放電よりもさらに利益
があり、極性の周期的父代によって各電極の陰極的機能
を時間的に短い時間周期的に中断し、この時間は、この
方法によらないときに陰極から起きるであろうところの
典型的な熱的不安定性の増大時間より、はるかに短い。

従って直流放６電に比べて高周波放電は細分化の粗い特
に簡単な構造の電極に結合する。更に高周波放電は正比
例する電流−電圧特性を有するので、これによって他の
場合に通常必要とするオーム抵抗の安定を必要としない
。（ドイツ特許第２９１７９９５号：５ｃｈｏｅｋ　ａ
ｔ　ｍｌ　、　ＬＡＳＥＲ＋　Ｅｌ＠ｅｋｔｒｏ　−０
ｐｔｉｋ、　２．７６　。

１９８１）。

又、流れの方向に平行する一定な電場に流れの方向を横
切る高周波電場を重ね、これによって放電の出力密度を
高めることが知られている（ＦＡｋｋｒ＠ｔｈａｔ　ａ
ｌ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙａ、　Ｌ＠ｔｔ、、　２１．
２５　、１９７２　）。高周波電場を重ねあわせること
によって、長手方向の直流放電を安定化する。しかしこ
の装置においては前と同じように困難があって、金属電
極をチャネルの断面に配置したので、出力密度を制限す
る不均一性の不利益を伴なう。

この公知の型の装置を改良して、高い出力密度の均一な
電気的励起が、高速度に流れるガスの中で、可能なよう
に開発することが望まれる。

本発明は上記型の装置、即ち第２電極対の電極を第２高
周波電源に接続し、第２電極対のＷ＊が複数の個別の誘
電電極からなり、これらの電極は全ての側において誘電
材料によって囲まれている金属コアを有する。

電場ベクトルを量と方向とにおいて変化させるには、第
２−極対を高周波電源に接続する。これによって得られ
る安定化は実質的に次の効果に基づく。

（息＞　　＊賽ベクトルの方向の変化は方向によって決
定される不安定性の増大を抑制する。

（ｂｌ　　電場ベクトルの量の変化によって自己持続型
と非自己持続型との放電相を交互に生ずる。プラズマは
非自己持続型相の間に再結合して安定化効果をもたらす
。

回転電場のベクトルが一定値を有するときは、直角方向
にｉ！場を重ねあわせて一時的な位相シフトがπｈであ
る特殊な場合である。

又、二つの高周波電源が、相を結合することなしに、異
なる周波数を発生することが好ましい。

もし、発振器の周波数が異なるときは、相結合がなくａ
１的な角速度と蓋との女調−を有する電場のベクトルが
形成される。

この関係について指摘されることは、実験において知ら
れているように、ガラス管の中で均一に回転する電場ベ
クトルによって放電が行なわれる（　Ｚｈｉｌｉｎｓｋ
ｉｉ　ａｔ　ａｌ、　Ｓｏｖ、　Ｐｈｙｓ、　Ｔ＊ａｈ
、　Ｐｈｙｓ、　２３　。

１２９３．１９７８　）。高周波出力はガラス管の外側
に配置した二つの電極対によって結合される。この間の
配置によると得られる出力密度は制限される。このこと
は結合された電気的出力密度が４Ｗ／、３であることか
ら知ることが出来る。

管の中の長手方向の流れを付加的に重ねあわせることに
よって出力を限定して、増大することもこの装置におい
て考えることが出来るが、本発明の第２の電極対を流れ
チャネルの中に設け、電極対を個々の電極に細分化する
ことによって高いガス速度を有する横方向の流れを重ね
合わせることが出来る。こうして放電における急速なガ
ス交換の利益に回転電場の利益を組み合わせることが出
来る。

しかし、個別の電極に細分化して放電領域の上流に配置
した電極は流れの点について効果があシ、即ちこれは放
電領域に入るガスの流れを均一化する。ｌｃ＋］様に個
別の′−極に細分化して下流に配置した電極は付加的な
効果を有し、即ちこれによって下流に配置した放電領域
の側に放電領域を限定し、こうして放電が流れの方向に
同伴されることを有効に防ぐ。

第２′−惨対の誘電材料で被覆した電極を使用すること
によって、電極に均一な電流を供給することが出来、そ
うでない場合には一方において電極を細分化する処置が
必要であり、又他方においてオーム抵抗の安定が必要と
なるが、これらの必要性を不用にする。高出力レーザー
の場合に特に複雑である冷却は必要ではない。更にガス
と金属とが直接接触することは誘電電極を使用すること
によって防ぐことが出来、その結果レーザーは長期間の
動作を改良することが出来る。

Ａｔ２０３はその１１ＩＬ気的性質、即ち誘電強度と一
電率との為に丑に誘電体として適当である。

個別の電極を板状に形成して相互に間隔をおいて流れの
方向に平行に配置することは特に有利でおる。放電領域
に入る時に流れを円滑にすることはこの装置によって得
られる特殊な利益である。

好ましい実施態様において、個別の電極は第１電極対の
直接前の上流において終り、個別の電極は第１電極対の
電極の直接後の下流において始する。これによって第１
′Ｗｔ極対の電極の間に放［領域を正確に規定すること
が出来る。

レーザーの使用において連続的、ノヤルス的又は−９ル
スをかけた状態で動作させることが出来る。

例えばもし二つの電極系の一つが連続的な高周波電圧を
印加し、他方において）４ルス電圧を印加すると・母ル
スを重ねあわせた連続的レーザーを放出するので、この
場合にＥ−ベクトル回転を使用することによって安定な
放電を得ることが出来る。

本発明の電極系の配置は流れに影会することと放電を制
限することの作用を部分的にではあるが行ない、これに
よって放電を流れの方向に同伴することなしに、ガス速
度をきわめて高めることが出来る。次の三つの処置を同
時に組みあわせて放電を安定化する目的を達成する。即
ち、（ａ）　　流れの高速度。

（ｂ）　　暖場の強さの量の変化。

（Ｃ）１１［場の強さのベクトルの方向の変化。

本発明の装置の利益は要約すると、次の特性によって表
わされる。即ち、 （ｉ）　　高い出力密度が得られるので、レーザーはコ
ン・譬りトな構造で単純な電極を有することができ、他
のｈ法で通常行なわれるような細分化及び予備イオン化
の必要がない。

（２）　　ｆｊｊ矢となるオーム抵抗の安定化がない。

（３）電極を冷却する必要がない。

（４）　　７ｍ　龜ｍ域においてプラズマと金属的に接
触しな−ので、レーザーを長期間発生させることが出来
る。

（５）　　＊極の配置によ；て・母ルスを重ねあわせた
連続的なレーデ−を発生させることが出来る。

この結果特に上記項目のうち（１）ないしく３）によっ
て、レーデ−系は技術的な複雑性が少ないのにもか＼わ
らず、その効率が高い。

次に添附図面を参照して本発明を例示の目的で涙明する
。添附図面は本発明のレーザー活性状態を形成する装置
の模式的な長手方向の断面図である。

電極４及び５は第１電極対を形成し、これらはチャネル
１の中に設けられている。このチャネルは直角な断面を
有することが好ましく、その側壁２及び３が向きあって
いる。扁平な電極４及び５はチャネルの側壁と同じ平面
を有し、それぞれが誘電体６からなり、この誘電体は損
失角が小さく、かつ後仰ｉを金属被覆層７によって被覆
している。

レーザー共鳴部は二つの電極４及び５の間の空間８に配
置する。

四に電極９及びｌＯは相互に第２電極対を形成して、空
間８の前方及び後方に配置する。二つの電極は個別の電
極１１及び１２によって形成され、図示のように板状で
あシ、チャネル１の断面にわたって流れの方向に平行し
て相互に間隔をおいて並べておる。個別の電極１１又は
１２はそれぞれ金属コア１３又は１４からなり、これら
はｍｔ醒極１５又は１６によってそれぞれ凹まれている
。

第１電極対の電極および第２電極対の電極は高部披見振
器２１．２２に、それぞれ誘電コイル１７゜１８および
１９．２０を介して接続されている。

これらの誘導コイルは電極の容量的リアクタンスを輛慣
して、発振器が放電抵抗のみを付加するようにする。

レーザー活性状態を形成するがスを装置に通し、矢印Ａ
の方向に流し、ガスの流れは空間８の上流における１固
別の電極によって平滑化され、かつ均一化される。ガス
を空間８に通して流し、方向と強さとを変化させること
が出来る電場によって、ガスの流れに放電をおこし、ガ
スの流れは空間８の全体にわたって流れの方向に対して
横方向に均一に広がり、開削の電極１２によって空間８
の上流側において限定される。本質的な因子として、放
電が平板状な表面の広い面積全体においておきるので、
通常の長手方向の直流放電とは異なシ、プラズマは放１
＃Ｌ領域において収縮しない。

上記装しによると、きわめて高い出力密度を得ることか
出来る。例えば出力密度は３５　ｋＷ／１１で均一に放
電するので、ＣＯ２レーザーは全体の効率が２０％であ
ることが、この型の装置を使用して連続的に動作させた
最初のテストにおいて判明した。放電容積は０．３５１
であった。セラミック板ｈｔ２ｏ、は厚みが２．５簡の
亀のを電極として使用員た。発振器の周波数は６　ＭＨ
！であった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明のレーザー発生装置の縦断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流れのチャネルと、第１電極対と、第２電極対とを
   有し、第１電極対は流れのチャネル（１）の壁領域に、
   相互に対向して配置した第１誘電電極（４，５）を有し
   、第２電極対の一つの電極（９）は流れのチャネル中の
   放電領域の上流に配置し、第２電極対の他の電極（１０
   ）は流れのチャネルの放電領域の下流に配置し、第１電
   極対の電極は第１高周波電源（２１）に接続したレーザ
   ー発生装置であって、第２電極対の電極（９，１０）は
   第２＾周波１１１源（２２）に接続し、第２電極対の電
   極（９，１０）Ｆｉ複数の個別の第２誘電電極（１１，
   １２）からな９、これら第２訪電電極（１１，１２）は
   流れのチャネル（１）の断面に“わたって分亜し、かつ
   その各電極は誘電材料によって竺側面を包んだ金属コア
   からなることを特徴とする、高速度の亜音速流中にレー
   ザー活性状感を形成子る装置。 ２、個別の電極（１１，１２）が平板状であって、流れ
   の方向に平行に、かつ相互に隔たって配置しである、特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、第１電極対の各電極（４，５）が誘電板からなり、
   この板の後側に金属板または金属層を付着させた、特許
   請求の範囲第１または第２項に記載の装置。 ４、個別の電極（１１）が第１電極対の電極（４，５）
   の直接前方の上流において終り、個別の電極（１２）が
   第１電極対の電極（４，５）の直接後方の下流において
   始まる、特許請求の範囲第１〜第３項のいずれかに記載
   の装置。 ５、第２高周波電源（２２）が第１高周波電源（２１）
   と同一な周波数を有する高周波電圧を発生し、これら二
   つの高周波電圧は位相が変位して固定した関係を有する
   、特許請求の範囲第１〜第４項のいずれかに記載の装置
   。 ６．２つの高周波電源（２１，２２）が、位相結合をす
   ることなしに異なる周波数を発生する、特許請求の範囲
   第１〜第４項のいずれかに記載の装置。