JPS62252979A - 金属イオンレ−ザ− - 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】 本発明金属イオンレーザ−を以下の項目に従って説明す
る。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ１発明の概要 Ｃ０従来技術［第１４図］ Ｂ９発明が解決しようとする問題点 Ｅ９問題点を解決するための手段 Ｆ、実施例［第１図乃至第１３図コ ａ、金属イオンレーザ−の概観 す、ホロー陰極 Ｃ０主陽極 ｄ、蒸発金属材料溜部 ｅ、補助陽極 ｆ、陰極 ｇ、冷却装置 り８作用 Ｇ４発明の効果 （Ａ、産業上の利用分野） 本発明は新規な金属イオンレーザ−に関する。

詳しくは、蒸発金属材料の溜部の形状を工夫することに
よりスパッター生成物が陽極近傍や蒸発金属材料に、あ
るいはまた、ブリュースター窓等に付着するのを防止し
て効率良くレーザー発振をすることができるようにした
新規な金属イオンレーザ−を提供しようとするものであ
る。

（Ｅ、発明の概要） 本発明金属イオンレーザ−は、ガラス管に凹部を形成し
、該凹部を蒸発金属材料の溜部とし、ホロー陰極の前記
溜部に対応した箇所に連通孔を形成し、これによって、
陰極ボア内に発生するスパッター生成物が連通孔を通っ
て扉発金属材料溜部とされた凹部内に入りその側壁面に
付着するようにして、スパッター生成物が陽極近傍に付
着したり蒸発金属材料上に堆積したりするのを防止し、
また、ブリュースター窓がスパッター生成物によって汚
損されるのを防止したものである。

（Ｃ，従来技術）［第１４図］ 近年負グロー放電を用いたホロー陰極型金属イオンレー
ザ−が種々提案されている。この種のレーザーはその励
起の強さから多色発振が可能であり、現在のところＨｅ
−Ｃｄイオンレーザ−では１２木の発振線が観測されて
おり、その中には光３原色の赤、宵、緑が含まれ、液体
レーザーや固体レーザーに見られない優れた特色を有し
ている。

第１４図にそのようなホロー陰極型金属イオンレーザ−
の−例を示す。尚、この金属イオンレーザ−は特願昭５
８−２３６０６０号で示されたものである。

ａはＨｅガスを封入したガラス管から成るレーザー管、
ｂ、ｃはブリュースター窓、ｄはホロー陰極、ｅｌ、ｅ
ｌ、ｅ３は主陽極、ｆｌ、ｆ２は補助陽極、ｇは絶縁体
、ｈｌ、ｈｌは茄発金属材料ｉ、ｆの溜部である。

上記の如き金属イオンレーザ−においては、主陽極ｅ１
、ｅｌ、ｅ３及び補助陽極ｆ１、ｆ２とホロー陰極ｄと
の間に所要の電圧を印加し、前記主陽極ｅ１、ｅｌ、ｅ
３と前記ホロー陰極６間に負グロー放電を発生させる。

ここで、蒸発金属材料ｉとしてＣｄを用いたＨｅ−Ｃｄ
レーザーの場合について説明すると、上記負グロー放電
の熱損によりＣｄ蒸気が発生し、これがＨｅイオンなど
の励起粒子によって高いエネルギー準位へ還移されレー
ザー発振が開始される。

（Ｄ、発明が解決しようとする問題点）ホロー陰極型金
属イオンレーザ−では陰極からのスパッターが多い。陰
極材料にはできるだけスパッターの発生の少ない材料を
使用するようにしているが、それでも、陰極からのスパ
ッターを完全に無くすことはできない。

以上のような理由で発生したスパッター生成物が陰極ボ
ア内から出て温度の低いブリュースター窓の方へと進ん
で行き、そにうちの大部分はブリュースター窓に到達す
るまでにレーザー管内の温度の低い部位に析出するが、
それでも、かなりの量のスパッター生成物がブリュース
ター窓に付着凝固して、ブリュースター窓の透明度を損
ね、ブリュースター窓での光損失を大きくして、レーザ
ー発振を困難ならしめるという問題がある。また、それ
に応じてレーザー管の寿命も短くかなってしまう。

また、スパッター生成物が陰極ボア内から陰極ボア外へ
出て行くのに時間がかかり、レーザー発振の光路上の光
損失が大きくなり、レーザー発振の効率が低下する。

更に、スパッター生成物が陽極ｅ１、ｅｌ、ｅ３の近傍
や蒸発金属材料ｉ、ｉ上に堆積したりするという問題も
ある。陽極ｅ１、ｅｌ、ｅ３の近傍にスパッター生成物
が付着すると、陽極ｅ１、ｅｌ、ｅ３とホロー陰極ｄと
の間がショートしたりする問題があり、また、スパッタ
ー生成物が蒸発金属材料ｉ、ｉ上に堆積したりすると、
蒸発金属材料の蒸発が阻害されたり、更には、スパッタ
ー生成物が再蒸発されたりする等の問題がある。

（Ｅ、問題点を解決するための手段） 本発明金属イオンレーザ−は、上記した問題点を解決す
るために、レーザー管の外殻を為すガラス管に凹部を形
成してＭ発金属材料溜部と為し、ホロー陰極の前記溜部
に対応した箇所に連通孔を形成したものである。

従って、本発明金属イオンレーザ−においては、スパッ
ター生成物はホロー陰極に形成された連通孔を通ってガ
ラス管に形成された凹部内に入り、該凹部の側壁面に付
着するので、スパッター生成物は速やかに陰極ボア内か
ら排出され、スパッター生成物のブリュースター窓等へ
の付着が少なく、また、スパッター生成物の陽極の近傍
への付着や蒸発金属材料上への堆積も抑制される。

これらによって、スパッター生成物によってレーザー発
振が阻害されることが無くなる。

（Ｆ、実施例）［第１図乃至第１３図］以下、本発明を
図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。

（ａ、金属イオンレーザ−の概観） レーザー管の縦断面図、第２図は同レーザー管の一部破
断斜視図、第３図は第１図の■−■線に沿う断面図であ
る。

これらの図において、１はガラス管から成りＨｅガスを
封入したレーザー管、２．３はブリュースター窓、４は
ホロー陰極、５ａ、５ｂ、５Ｃは主陽極、６ａ、６ｂは
補助陽極、７は陰極、８ａ、８ｂはＣｄ金属等の蒸発金
属材料９．９の溜部、ＩＯＡ、ＩＯＢはセラミックヒー
タ−（但し、第２図では図示を省略した。）、１１はＨ
ｅガス供給源、１２はレーザー管ｌ内の不純物を取り除
くためのゲッター、１３は陽光柱放電通路、１４はグロ
ー領域、１５は陰極暗部、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１
６ｄはインバー。

１７は基台、１８は各インバー１６＆、１６ｂ。

Ｌ６ｃ、１６ｄに取付けられレーザー管１を保持固定す
る調整ねじ、１９はカバーである。

（ｂ、ホロー陰極） 第１図は金属イオンレーザ−の−実施例を示すらなる導
電性の肉厚パイプで形成されて、その中心孔が前記グロ
ー領域１４が発生する陰極ポア２１を構成し、該ホロー
陰極４の両端部にはセラミックス等からなる筒状の絶縁
体２２ａ、２２ｂが嵌号固定され、また前記各主陽極５
ａ、５ｂ、５Ｃに対応する周面には透孔がそれぞれ形成
され、この透孔にはリング上の絶縁体２３ａ、２３ｂ、
２３ｃがそれぞれ嵌合固定されている。

このような絶縁体２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２
３ｃは、Ｈｅイオンによるスパッタリングによりホロー
陰極４の表面から飛び出した陰極物質（スパッター生成
物）が主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃに付着凝固したり、この
スパッター生成物によりホロー陰極４と主陽極５ａ、５
ｂ、５Ｃが短絡したりするを防止する上で有効とされる
。

（ｃ、主陽極） 前記各主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃはタングステン、モリブ
デン等によって形成され、第４図に示前記ホロー陰極４
は、例えば、ステンレス等かすようにレーザー管１に設
けられた筒状の取付部２７．２７．２７に挿入されてい
る。この場合、主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃは、その材質に
応じた封着用ガラス２８．２８．２８に封着され、この
ガラス２８．２８．２８が前記取付部２７．２７．２７
の開口端に溶着されている。また、各主陽極５ａ、５ｂ
、５Ｃの先端部は放電効果を高めると共に放電に伴う損
耗を防止するため略円錐状に形成され、前記絶縁体２３
ａ、２３ｂ、２３Ｃの外端面との間に僅かな間隔ｄ１が
設定されており、これによって、ホロー陰極４をレーザ
ー管１内に嵌合する際にホロー陰極４が主陽極５ａ、５
ｂ、５Ｃの先端部に当ってこれらを破損するのを防止し
ている。そして、主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃの配置間隔は
比較的狭く１例えば、活性長３０ｃｍ、ボア径（Ｄ）３
．５ｃｍの場合、２ｃｍ程度に設定されている。

（ｄ、蒸発金属材料溜部） 前記各溜部８ａ、８ｂは、レーザー管１の一部を外方へ
向って膨出させて凹部を形成することにより形成され、
前記ホロー陰極４に形成された連通孔３０ａ、３０ｂに
より前記グロー領域１４とそれぞれ連通している。また
、基発金属材料溜部８ａ、８ｂは、前記主陽極５ａ、５
ｂ、５Ｃ（７）配置ピッチとほぼ等しく、かつ主陽極５
ａ、５ｂ、５ｃとは半ピツチだけずれて設けられている
。即ち、溜部８ａは主陽極５ａと５ｂとの間に対応した
箇所に、また、溜部８ｂは主陽極５ｂと５０との間に対
応した箇所に位置されている。

（ｅ、補助陽極） 前記補助陽極６ａ、６ｂは前記ブリュースター窓２．３
を保護するためのもので、前記主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃ
と同様封着用ガラス３５．３５によってレーザー管１に
封着され、前記ホロー陰極４の両端に近接して位置して
いる。

（ｆ、陰極） 前記陰極７は、前記主陽極５ａ、５ｂ、５ｃ及び補助陽
極６ａ、６ｂと同様、レーザー管１に封着用ガラス３６
を介して配置されているが、その内端は前記ホロー陰極
４の外周面に直接接触して°いる。

（ｇ、冷却装置） 前記レーザー管１の両端部外周面には冷却装置４０．４
０がそれぞれ配設されている。各冷却装置４０．４０は
サーモモジュールからなり、第５図に示すように、前記
レーザー管１の上下に対向する如く一体づつ設けられて
いる。

（ｈ、作用） このような構成において、主陽極５ａ、５ｂ。

５Ｃ及び補助陽極６ａ、６ｂとホロー陰極４との間に所
要の電圧を印加すると、前記主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃと
前記ホロー陰極４との間に負グロー放電が発生する。

ここで、蒸発金属材料９．９としてＣｄを用いたＨｅ−
Ｃｄレーザーの場合について鋭、明すると、上記負グロ
ー放電の熱損によりＣｄ蒸気が発生し、これがＨｅイオ
ンなどの励起粒子によって高いエネルギー準位へ還移さ
れる。この場合、前記ホロー陰極４は肉厚パイプで形成
されているため、熱伝導及び熱容量が大きく、グロー領
域１４の温度分布を均一にするので、異常グロー放電か
らアーク放電への移行は防止される。

そして、Ｃｄ蒸気及びＨｅイオンによりスパッタリング
された陰極物質（スパッター生成物）の多くはホロー陰
極４に設けられた連通孔３０ａ、３０ｂを通ってガラス
管１に設けられた凹部、即ち、蒸発金属材料溜部８ａ、
８ｂ内に入り、そこで、他の部分に比して低温である開
口部近辺の内壁面に付着凝固４３．４３する、このため
、ブリュースター窓２．３の方へと向うスパック−生成
物は減少せしめられることになる。

しかしながら、全てのスパッター生成物が蒸発金属材料
溜部８ａ、８ｂの内壁面に付着凝固するわけではないの
で、いくらかのスパーツタ−生成物はブリュースター窓
２１，３の方へ向う。しかし、ブリュースター窓２，３
に近いレーザー管１の端部付近は、ホロー陰極が設けら
れている中央部に比べて温度が低く、かつ、レーザー管
１の端部に冷却装置４０．４０が配設され、これによっ
てレーザー管１の端部が冷却されるので、中央部よりブ
リュースター窓２．３方向に向うＣｄ蒸気及びスパッタ
ー生成物４３は、その手前でレーザー管１の内周面に付
着凝固し、前記ブリュースター窓２．３まで到達するこ
とができず、したがって該窓２．３が汚れず、安定した
レーザー発振を行う。

また、各主陽極５ａ、５ｂ、５ｃの内端をホロー陰極４
の外側に位置させておくと、該陰極４のレーザー管１内
への挿入を可能にするばかりか、スパッター生成物が主
陽極５ａ、５ｂ、５ｃの取付部２７．２７．２７内に侵
入し付着凝固するのを防止する。

すなわち、主陽極５ａ、５ｂ、５ｃの内端をホロー陰極
４の外側に位置させると、主陽極を絶縁体２３ａ、２３
ｂ、２３ｃの中心孔に挿入しその内端を陰極面、すなわ
ち陰極ポア１３の内周面と面一にした場合もしくは該ポ
ア１３内に突出させた場合に比べて、放電熱で前記取付
部２７．２７．２７の内面全体を焼き、周囲の陰極温度
より高くすると同時にＨｅイオンでスパッタリングする
ため、Ｃｄ蒸気及びスパッター生成物の付着が殆んど起
らず、また放電の背後（取付部２７．２７．２７の奥側
）に入り込もうとするＣｄ蒸気は、主陽極５ａ、５ｂ、
５Ｃの真下にある陽光柱放電の電気泳動効果によって吹
き返され、前記絶縁体２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、前記取
付部２７．２７．２７及び封着用ガラス２８．２８．２
８へのＣｄ蒸気の付着を防止する。したがって、主陽極
５ａ、５ｂ、５ｃとホロー陰極４とが短絡して同電位に
なることがなく、初期状態を良好に維持し、安定な放電
を得ることができる。尚、補助陽極６ａ、６ｂについて
も同様である。

また、主陽極５ａ、５ｂ、５Ｃはその間隔が狭く設定さ
れているので、ホロー陰極４の陰極面をＨｅイオンが絶
えずスパッタリングし、該陰極面の状態をきれいにする
。

また、陰極ポア２１と各溜部８ａ、８ｂとを連通孔３０
ａ、３０ｂで連通すると、該溜部８ａ、８ｂをグロー領
域１４から実質的に離すことができるので、プラズマが
各溜部８ａ、８ｂに入り込むのを防止する。したがって
、ＨｅイオンのスパッタリングによってＣｄ蒸気が過多
になることがなく、金属材料溜部の温度のみによってＣ
ｄ蒸気圧を制御できる利点を有している。

ここで、冷却装置４０としては種々の変更が可能で、例
えば、第６図乃至第１０図に示すようなものであっても
よい、すなわち、第６図はレーザー管１に金属等の熱伝
導度の高い材料からなるブロック５０を単に配設し、こ
のブロック５０を外気で冷やし、冷却装置としたもので
ある。第７図及び第８図はレーザー管１の端部外局に放
熱板５１を介してファン５２を配設したもの、第９図は
前述した冷却装置４０に加えて、レーザー管１の内部に
Ｃｄ蒸気及び陰極物質を捕捉する金網５４を配設したも
の、そして、第１０図は金属棒５５をレーザー管１内に
挿入し、その外端を外気で冷やすようにしたものである
。

さらに、前記レーザー管１は第２図に鎖線で示す排気フ
ァン６０によって強制風冷されている。

排気ファン６０はカバー１９の上面長手方向略中央部に
配設されている。一方、基台１７の中央にはその長手方
向に延在し、両端に大きな丸孔６３を有するスリット孔
６２が形成されている。排気ファン６０によってカバー
１９内の空気を排出すると、スリット孔６２から外気が
流入し、この空気流によってレーザー管１を冷却するが
、この時丸孔６３かも流入する空気の量はスリット孔６
２から流入する空気量に比べて多く、これによってレー
ザー管１の端部の冷却効果を高めている。

前記レーザー管１の材質としては通常パイレックスガラ
スが使用され、その取付部２７．２７．２７に第４図に
示したように封着用ガラス２８．２８．２８を介して主
陽極５ａ、５ｂ、５ｃ（補助陽極６ａ、６ｂも同様）を
配設したが、封着用ガラス２８．２８．２８としてはレ
ーザー管１の熱膨張係数と略等しい熱膨張係数を有する
ガラスが使用され、パイレックスガラスでレーザー管１
を形成し陽極５ａ、５ｂ、５ｃ、補助陽極６ａ、６ｂに
タングステンを用いた場合、タングステン溶封ガラスが
用いられる。また、封着用ガラス２８．２８．２８は第
４図に示す断面形状のものに限らず、第１１図に示すよ
うな単なる円筒状とし、レーザー管１の取付部２７．２
７．２７をあらかじめ鎖線で示す如く筒状に形成し、こ
れを加熱して先端開口部を前記封着用ガラス２８゜２８
．２８の外周面に圧着してもよい、さらに。

第１１図Ａに示すように、封着用ガラス２８．２８．２
８をパイレックスガラスのレーザー管１の側壁に直接溶
着してもよい。

レーザー管ｌとホロー陰ａｉ４とは熱膨張係数が異なり
、ホロー陰極４の方の熱膨張係数が大であるため、該陰
極４の膨張を吸収すべく該レーザー管１の内周面との間
に適宜な隙間を設けるとよい、その場合、第１２図に示
すように、レーザー管１の一部分、すなわちホロー陰極
４の端に嵌合された絶縁体２２ａ、２２ｂに対応する部
分に小径部７５を形成し、この小径部７５により前記絶
縁体２２ａ、２２ｂを固定保持するようにするとよい。

また、ホロー陰極４の軸方向の膨張は、ホロー陰極４と
絶縁体２２ａ、２２ｂとを相対移動自在に嵌合し、これ
ら両者の隙間７７．７８で吸収するようにするとよい、
尚、レーザー管１とホロー陰極４との間に形成された隙
間７９は、その両者が前記小径部７５と絶縁体２２ａ、
２２ｂとで塞がれているので、該隙間７９を通ってＣｄ
蒸気がブリュースター窓方向に行くことはない。

尚、本実施例においては、３本の主陽極５ａ、５ｂ、５
Ｃをレーザー管１の上面に横一列に配設したが、その数
に何ら限定されるものではなく、第１３図に示すように
上面より左右にずらし、横二列に配設したものであって
もよい、その場合、左右の主陽極は、千鳥状に配列され
、またこのような配列においては、主陽極間の隙間を一
層狭めることができ、レーザー管１の小型化と高出力化
が可能となる。

（Ｇ、発明の効果） 以上に記載したところから明らかなように、本発明金属
イオンレーザ−は、ガラス管の両端をブリュースター窓
で閉塞し、ガラス管の中にホロー陰極を配置し、ガラス
管に凹部を形成して、該凹部を蒸発金属材料の溜部とし
、ホロー陰極の前記蒸発金属材料溜部に対応した箇所に
連通孔を形成したことを特徴とする。

従って、本発明金属イオンレーザ−においては、スパッ
ター生成物はホロー陰極に形成された連通孔を通ってガ
ラス管に形成された凹部内に速やかに入り、該凹部の側
壁面に付着するので、スパッター生成物の陰極ボア内で
の滞留及びブリュースター窓等への付着が少なく、また
、スパッター生成物の陽極の近傍への付着や蒸発金属材
料上への堆積も抑制される。

これらによって、スパッター生成物によってレーザー発
振が阻害されることが無くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明金属イオンレーザ−の実施の
一例を示すもので、第１図はレーザー管の縦断面図、第
２図はレーザー管の一部破断斜視図、第３図は第１図の
■−■線に沿う断面図、第４図はレーザー管の要部の拡
大断面図、第５図は第１図のｖ−ｖ線に沿う断面図、第
６図乃至第１０図はそれぞれ冷却装置の他の例を示す断
面図であり、特に第８図は第７図の■−■線に沿う断面
図、第１１図及び第１１図Ａはそれぞれ主陽極の他の取
付構造を示す断面図、第１２図はホロー陰極の他の取付
は構造を示す断面図、第１３図はレーザー管の他の実施
例を示す断面図、第１４図は従来の金属イオンレーザ−
の−例を示す縦断面図である。 符号の説明 １・・・ガラス管、 ２・・会ブリュースター窓、 ３・・番ブリュースター窓、 ４・・・ホロー陰極、 ８・・拳蒸発金属材料の溜部、 ８ａ、８ｂ・・・蒸発金属材料、 ３０ａ、３０ｂ−、、連通孔 第３図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ガラス管の両端をブリュースター窓で閉塞し、 ガラス管の中にホロー陰極を配置し、 ガラス管に凹部を形成して、該凹部を蒸発金属材料の溜
   部とし、 ホロー陰極の前記蒸発金属材料溜部に対応した箇所に連
   通孔を形成した ことを特徴とする金属イオンレーザー