JPS6212628B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ガス放電を用いてレーザ管内のバ
ツフアガスを高励起し、レーザ媒質として多色同
時発振を可能としたレーザ用励起放電管に関する
ものである。

〔従来の技術〕

ガス放電を利用したレーザ管内の電界強度は、
He―Neレーザなどの陽光柱放電のもので、数
10V／mm，Arイオンレーザにようにアーク放電の
もので数Ｖ／mm，現在開発中のホロー陰極型金属
イオンレーザで数100V／mmである。

陽光注放電、アーク放電ともに、放電電流の増
加とともにその内部抵抗は低くなるので、レーザ
用に電界を強くするために放電通路を細くし、プ
ラズマ粒子に対し管壁への拡散損失を増し、その
損失を補う意味で電界強度を上げ、高励起を行つ
ている。

ホロー陰極放電をレーザ用に使う場合は、第８
図のように真空保持容器１０１内に金属パイプか
らなるホロー陰極１０２（例えば、その内径４mm
φ）を備え、さらにこのホロー陰極１０２の側面
に穴１０３（例えば、その内径５mmφ）を管軸に
沿つて数cm間隔であけ、各穴１０３に対向してピ
ン陽極１０４を配置し、Heガスを内部に封入し
てレーザ用励起放電管とし、ホロー陰極１０２と
ピン陽極１０４間に高電圧を印加して放電させ、
ホロー陰極１０２内にプラズマ１０５を発生さ
せ、この領域をレーザ媒質として使う。なお、１
０６はブリユースター窓である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ホロー陰極放電を用いたレーザ用励起放電管は
陽光柱形のものより電界強度が高いため、多色発
振が可能である。しかし、ホロー陰極１０２内の
プラズマ１０５は異常グロー放電状態であり、ピ
ン陽極１０４に近いほど、ホロー陰極１０２内面
の電流密度は高くなるので、放電電流を増加しす
ぎると、ピン陽極１０４の近傍で、アーク放電に
移行してしまうという問題点があつた。

この発明は、前記の電界強度をさらに高くし
て、バツフア・ガスを一層高いエネルギー準位ま
で励起できる電極構造を得ることと、陰極表面で
の電流密度分布を従来のホロー陰極形よりも一様
にして、アーク放電に移行せずして高電界を得る
ことができるレーザ用励起放電管を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかるレーザ用励起放電管は、バツ
フア・ガスを封止した管体内に円筒状導体のパイ
プ陰極とこのパイプ陰極と同軸的に配置させた円
筒状導体のメツシユ陽極を備え、メツシユ陽極の
網目寸法は、その付近に生ずるプラズマのデバイ
長程度とし、かつパイプ陰極とメツシユ陽極の間
隔は、その放電の陰極暗部長程度に設定したもの
である。

〔作用〕

この発明においては、パイプ陰極とメツシユ陽
極間には例えば1000ボルト以上の電圧がかかり、
その電界（〓300V／mm）によつて加速された電
子は、メツシユ状円筒陽極を通り抜け、円筒陽極
の中心軸上に沿つて電離度の高いプラズマ領域を
一様に生成する。

この高速電子は、バツフア・ガス（例えばHe
ガス）を高いエネルギー準位まで励起するため、
その励起原子やイオンによつてレーザ用ガスのエ
ネルギー順位間には反転分布が構成され、レーザ
発振を生ずる。

〔実施例〕

この発明の実施例を説明する前に、この発明の
原理について説明する。

陰極と陽極の間に発光領域を発生させる多くの
電極構造では、陽光柱放電、アーク放電、ホロー
陰極電のいずれも電流の増加、すなわち電離度の
増加に伴い内部抵抗が低くなるため、電界強度の
みを強くすることはできない。しかし内部抵抗の
高い放電形態が得られれば、電界強度を上げるこ
とができる。そのためには陰極暗部内に陽極を配
置する阻止放電形態を利用すればよい。

阻止放電は第３図ａのように円板状の陽極２２
が円板状の陰極２１の陰極暗部領域内にあると、
陽極２２が板状であるため放電通路が短く放電自
続条件が満たされないため、放電電流はほとんど
流れないが第３図ｂのように陽極を板状のメツシ
ユ陽極２３のようにすると、メツシユを貫通した
電子によつて陽極の背後にプラズマ２４が生じ、
そのプラズマ２４はレーザ媒質に使える。

メツシユ陽極２３をあまり陰極２１に近づけた
場合、陰極２１から放出した電子は充分に加速さ
れないうちにメツシユ陽極２３に捕獲されたり、
メツシユ陽極２３の背後に達しても、封入ガスと
衝突した後、もはやその空間に加速電界がないた
め電離度も上がらず、電流は増えない。一方、メ
ツシユ陽極２３を陰極２１からさらに離して負グ
ロー領域内に入れると、電流の増加とともに電離
度が増し、内部抵抗は低下してしまう。結局、電
極間隔を封入ガスで決まる陰極暗部長ｌにしたと
き阻止放電としての高電界と電極間の電離なだれ
現象の両効果を最大に引き出すことができ、メツ
シユ陽極２３の背後に濃いプラズマ２４を得るこ
とができる。

実際には第３図ｂに示すプラズマ２４の状態で
はレーザ媒質として未だプラズマ密度が低いた
め、第４図ａ，ｂに斜視図と側面図で示すように
陰極２１とメツシユ陽極２３を円筒状にし、それ
らを同軸上に配置して、メツシユ陽極２３の背後
に生じたプラズマ２４の電離度を上げて、レーザ
用励起領域として利用している。

なお、実験結果として、Heガスを用いたとき
の陰極暗部長ｌは、陰極２１が平板のときｐ・ｌ
＝13［mm・Torr］であり、円筒状のときはｐ・
ｌ＝10［mm・Torr］となる。例えば、He圧力ｐ
＝10［Torr］のときｌ＝1.3または１［mm］であ
る。なお、ｌの値は放電電流値の増加とともに、
わずかに短くなる。

網目寸法Ｌは、第５図ａ，ｂに一部の拡大平面
図と側面図を示すように一本の導電性の網線２３
ａがその周辺に生じているプラズマに影響を与え
る距離の大きさλｃで表わすことができ、Ｌの値
が２λｃに等しいか、２λｃより小さなとき、網
線２３ａの電位によつて周辺プラズマを制御でき
る。

このλｃの大きさを表わすプラズマ内の物理量
として、電子の平均自由行程λｅと、プラズマの
電気的中性状態のくずれる領域の大きさを表わす
デバイ長λ_Dとがある。

Heガスの平均自由行程λｅは、 λｅ＝2.77×10^-4×（ｔ＋273）／ｐ［cm］ で表わされ、ｔはガス温度［℃］、ｐはHeガスの
圧力［Torr］である。例えば、ｔ＝200℃、ｐ＝
10［Torr］のとき、 λｅ＝1.3×10^-2［cm］ である。一方、デバイ長λ_Dはプラズマ内電子密
度ne［ケ／cm³］と電子の熱運動量に対応した電
子温度Te［゜Ｋ］によつて、 λ_D＝6.90×√［cm］ と表わせる。例えば、ne＝10¹²［ケ／cm³］，Te＝
３×10⁴［゜Ｋ］のとき、 λ_D＝1.2×10^-3［cm］ となる。

網線２３ａの電位が影響する距離λｃが、電子
の平均自由行程λｅなのかデバイ長λ_Dなのかを
判別する実験結果を第６図ａ，ｂに示す。ここで
用いた放電管は第４図の構造をもち、電極間隔と
して1.3mmと3.6mmのもの２本を用意した。この間
隔はHeガスの8.8［Torr］と3.5［Torr］におい
て陰極暗部長ｌと等しくなる。さらに、メツシユ
陽極２３の網目寸法Ｌを変えるのに、同一ピツチ
でステンレスの30番，100番，200番と太さを変え
て放電特性を測定した。このときの網目寸法Ｌは
0.68mm，0.15，0.075mmに相当する。第６図ａは平
均自由行程λｅとHeガス圧力の関係を示す。縦
軸に２λｅ、横軸にHeガス圧力［Torr］示し、
パラメータはガス温度ｔ［℃］である。第６図ｂ
はデバイ長λ_Dと電子密度neの関係を示す。縦軸
に２λ_D、横軸に電子密度neを示し、パラメータ
は電子温度Te［゜Ｋ］である。

６図ａ，ｂで縦軸の値に網目寸法Ｌの値を点線
で示した。実験の結果では100番と200番メツシユ
に定電流性が観測された。第６図ａの●印は定電
流性を示す観測点であり〇印は定電流性を示さな
い観測点である。定電流性はＬが２λｅより小さ
な値の領域にある。第６図ｂの横軸の電子密度
10¹⁰〜10¹²［ケ／cm³］は陽光柱放電やホロー陰極
放電で観測される密度範囲であり、パラメータの
電子温度も同様の範囲である。この第６図ｂより
定電流特性をもつ100番ないし200番メツシユを代
表する網目寸法Ｌは、２λ_Dまたはその数倍の値
の範囲である。したがつて、網目寸法Ｌを表わす
物理量としてデバイ長λ_Dを採用した。なお、プ
ラズマの制御範囲はデバイ長λ_D程度であること
が電気学会の放電ハンドブツク等にも述べられて
いる。

その一例として電極間隔1.6mm，メツシユ番号
100番における電圧、電流特性を第７図に示す。
Heガス圧力８〜8.5［Torr］において顕著な定電
流特性を示し、９〜14［Torr］において負性抵
抗特性を示すことがわかる。放電維持電圧は
1000V以上に達する。

放電特性として定電流性を示す放電の仕組み
は、放電開始した後、発生した電子雲がメツシユ
陽極２３の囲りに電子鞘を作り、陽極電圧の上昇
効果を外部的に打ち消すことである。

この網目寸法Ｌに設定すると、メツシユ陽極２
３は陰極・陽極間の電子加速空間とメツシユ陽極
２３背後のプラズマ空間を強く遮断する。メツシ
ユ陽極２３の背後に突入した電子は、その空間を
衝突電離しプラズマ２４を発生るが、発生したプ
ラズマ内のプラス・イオンはメツシユ陽極２３を
横切つて陰極２１に向うことができないため、円
筒状のメツシユ陽極２３の空間内で電子と再結合
し、中性ガスに戻る。すなわち、発生プラズマは
拡散プラズマである一方、加速空間で生じた電子
はメツシユ陽極２３を貫通しその背後でガスを電
離した後、エネルギーを失ない、メツシユ陽極２
３に向けて逆戻りする。そのときの電子群はメツ
シユ陽極２３の囲りに電子鞘を構成する。

プラズマ２４をレーザ媒質として使う場合の必
要条件は各粒子が高エネルギー準位に励起される
ことと同時に、励起された粒子数が多い必要があ
る。そのため、あまり定電流性が強いのでは粒子
密度を上げることができないため、レーザの場合
は電極間隔や網目寸法に対し、上記の設計値を目
安として、いくらか電流の流れ易い電極配置と寸
法にしてレーザ管を構成する。

この発明は上記の原理に基づくものである。以
下にこの発明の一実施例を詳細に説明する。

第１図はこの発明に係る金属イオンレーザの実
施例を示す断面略図と電気回路の接続を示す図で
ある。この図において、１はHeガスを封入した
管体、２はブリユースター窓、３は円筒状導体か
らなるパイプ陰極、４は円筒状のメツシユ陽極、
５は前記メツシユ陽極４をパイプ陰極３と同軸上
に設定するためのスペーサ、６は発生したプラズ
マ、７はレーザ・ミラー、８は主電源、９は安定
化抵抗器である。

管体１は、例えばパイレツクス・ガラス製であ
り、ブリユースター窓２は石英ガラス製である。
パイプ陰極３はステンレス製で、例えば、外径14
mmφ、厚さ１mmである。使用したメツシユは50番
で、内径４mmφ、外径５mmφとした。したがつ
て、電極間隔は3.5mmである。

第２図には、第１図のパイプ陰極３を80cmと
し、そのパイプの内表面にCd金属を置いて放電
熱で蒸気化し、He―Cdイオンレーザとしたとき
のレーザ出力特性を示す。このレーザは従来のホ
ロー陰極形レーザに比べ内部抵抗が高くなるた
め、その出力は放電電流のわずかな変化に対し急
激な立上りを示す。第２図はHe⁺とCd原子の電
荷交換効果によつてポンピングされた636.Onm
（赤）の発振線と、そのカスケード遷移による
537.8nm（緑）および635.5nm（図示せず）のカ
スケード遷移である533.7nm（緑）の発振線を示
す。この２色とも、陽光柱形Ee―Cdレーザでは
発振しないラインであり、高エネルギーまで励起
されていることが理解される。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、この発明に係るレ
ーザ励起用放電管は、パイプ陰極内に円筒状のメ
ツシユ陽極を同軸的に配置し、メツシユ陽極の網
目寸法を、その付近に生ずるプラズマのデバイ長
程度とし、陰、陽電極の間隔をその放電の陰極暗
部長程度としたので、メツシユ陽極の中央部にレ
ーザ励起用放電領域が管軸に沿つて生成され、一
様性が良く、放電維持電圧が高くできるため、レ
ーザ用バツフア・ガスを高エネルギーまで励起す
ることができ、従来のホロー陰極形より電極構造
を簡単にすることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面略図と
電気回路の接続を示す図、第２図はそのレーザの
出力特性図、第３図〜第７図はこの発明の原理を
説明するための図で、第３図ａ，ｂは阻止放電形
態の説明図、第４図ａ，ｂはこの発明の基本的構
造図、第５図ａ，ｂはメツシユ陽極の網目寸法の
説明図、第６図ａ，ｂは２λｅとHeガス圧の関
係図および２λ_Dと電子密度neとの関係図、第７
図は定電流性をもつ放電特性図、第８図はホロー
陰極形レーザ管の電極構造説明図である。 図において、１は管体、２はブリユースター
窓、３はパイプ陰極、４はメツシユ陽極、５はス
ペーサ、６は発生したプラズマ、７はレーザ・ミ
ラー、８は主電源、９は安定化抵抗器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ バツフア・ガスを封止した管体内に円筒状導
   体のパイプ陰極と、このパイプ陰極と同軸的に配
   置させた円筒状導体のメツシユ陽極を備え、前記
   メツシユ陽極の網目寸法は、その付近に生ずるプ
   ラズマのデバイ長程度とし、かつ前記パイプ陰極
   とメツシユ陽極の間隔は、その放電の陰極暗部長
   程度に設定したことを特徴とするレーザ用励起放
   電管。