JPS62257777A - 交流放電式レ−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】 （産業上の利用分野） この発明は、交流放電式のガスレーザ装置、特に筒状放
電管の電極形状の改良に関する。

（従来技術） 第１図および第２図（ａ）、（ｂ）に従来のら旋状電極
を用いた交流放電式レーザの１例を示す。第１図は装置
の構成、第２図（ａ）は放電管の詳細、同図（ｂ）は同
図（ａ）のＩ‐Ｉ´線に沿った断面を示している（たと
えば、ＵＳ　ＰＡＴＥＮＴ　３，４２７，５６７号）。

第１図において、周波数ｆの交流電源（１）の出力が、
ら旋状電極（２）、（３）の間に印加されると、放電管
（４）の内部に、第２図（ｂ）に示すように交流放電（
９）が生じ、この放電は同管（４）内部に封入されてい
るレーザ媒質ガス（８）を励起する。この結果、全反射
鏡（５）と部分反射鏡（６）からなる光共振器の間でレ
ーザ発振が生起され、その発振光の一部がレーザ光とし
て、前記反射鏡（６）から矢印（７）で示されるように
外部に取出される。特に本発明では、電極（２）、（３
）が、ら旋状に形成されているため、第２図（ｂ）の放
電が放電管の断面内の全ての方向に均等に生じる結果、
得られるレーザ光は、強度分布の対称性に優れた良質の
ビームモードとなる。

上記交流放電は、ＤＣグロー放電のように電極面上にお
けるｒ（２次）機構を必要としないのでアーク放電への
転移の恐れがなく、安定に投入できる電力Ｗｄが大きく
、したがってレーザ出力の増大が期待できる。

レーザ出力Ｗｒと放電電力Ｗｄの関係は、レーザ発振を
生起するための最低限の放電電力をＷＴＨ（発振閾値電
力）とすると Ｗｒ＝η０（Ｗｄ−ＷＴＨ）…（１） ここに、η０；微分効率 と表わせる。さらに放電電力Ｗｄは下式により与えられ
る。

ここに、ｆ；印加電圧の周波数…（２）Ｃｄ；電極間の
放電管部分の静電容量 Ｖｄ；放電管内の放電電圧のピーク値 Ｖｍ；印加電圧のピーク値 Ｃｇ；電極間の放電空間の静電容量 ただし、（１）式のようにＷｒとＷｄの間に直線関係が
成立するためには、Ｗｄの増加に伴う放電管内のガス温
度の上昇が、レーザ出力の低下を引き起こさない程度に
ガスを高速で流す必要がある。

以下、高速でＣＯ２を含む媒質ガスを流す、高速軸流型
ＣＯ２レーザについて具体例を示す。

外径Ｄ（＝２Ｒ）＝３０ｍｍ、厚さｔ＝１．５ｍｍ、長
さＬ＝０．７ｍの石英ガラス管を放電管として用い、電
極は長さｌ≒０．８ｍ、幅Ｗ＝５ｍｍの銅テープを４．
５回巻き、電極間の最短距離はｄ＝３５ｍｍであった。

したがってＷ／ｄ≒０．１４となる。放電管内のガス流
速は約２００ｍ／ｓである。この装置に周波数ｆ＝５０
０ｋＨｚ、電圧Ｖｍ＝１２．５ｋＶｐの電圧を印加して
、放電電力Ｗｄ＝１．９ｋＷ、レーザ出力Ｗｒ＝２２０
Ｗが得られた。この性能は、従来のＤＣグロー放電式Ｃ
Ｏ２レーザに比して決して高い値ではなく、同等もしく
はそれ以下であり、前記した交流放電の特長が実現され
たとはいいがたい。

したがって、前記の（１）式および（２）式をもとに、
さらに出力を増大させるための種々の方法を試みた。

（１）式より、出力Ｗｒを増大させるには、放電電力Ｗ
ｄを増大させる必要があり、さらに（２）式よりＷｄを
増大させる方法として （Ｉ）印加電圧の周波数ｆを高くする。

（ＩＩ）電極間の放電管部分の静電容量Ｃｄを大きくす
る。

（ＩＩＩ）放電管内の放電電圧Ｖｄを大きくする。

（ＩＶ）印加電圧のピーク値Ｖｍを大きくする。

等が考えられる。まず（Ｉ）の周波数ｆは、実用的には
数１００ｋＨｚ程度が適当であり、ｆの増加とともに、
電源の価格の上昇、効率の低下等が増す。

（ＩＩ）の容量Ｃｄは、放電間の長さｔ、真空の誘電率
εｏ、放電管材料の比誘電率εｓ、電極幅Ｗ、電極長さ
ｌとの間に …（３） なる関係があり、電極形状Ｗ、ｌ、放電管材質εｓ、厚
さｔによって増大が可能である。しかし、材質εｓの大
きな、たとえば耐熱ガラスやアルミナにすると、実際に
は、前記のＶｍよりかなり低い値で、放電管自体の絶縁
破壊あるいは、放電管外壁表面上で電極間に放電が生じ
、放電電力の増大は図れなかった。これは、放電管の温
度上昇によって材料の絶縁耐圧が低下すること、および
、温度上昇による管壁からの出ガスあるいは放電管表面
の導電電流の増大によって、放電管外壁電極間の絶縁耐
圧が低下することが原因と考えられる。

さらにεｓの大きな材料でこの現象が顕著となるのは、
自己発熱（∝εｓ・ｔａｎδ：誘電損率）が大きいから
であると考えられる。実際には、同じ放電電力における
管材料の単位体積当りの発熱量ＷｌｏｓｓはＷｌｏｓｓ
∝ｔａｎδ／（εｓ・ｗ２・ｌ２）…（４）と表わせ、
やはり、前記のεｓの大きな材料の方が自己発熱による
温度上昇が大きいことが判明している。（石英ガラス；
ｔａｎδ／εｓ＝３×１０−５、アルミナ；ｔａｎδ／
εｓ≒１．４×１０−４〜１０−３）この温度の問題は
、放電管を冷却することによって解決することもできる
が、装置の複雑化、大型化、高価格化をまねき、特に高
速軸流型レーザでは、その特長が失われてしまう。ただ
し、（４）式から明らかなように、電極面積を拡大する
ことは非常に効果があると考えられる。また、厚さｔに
関しても、同じく絶縁耐圧と機械的強度から小さくする
ことは難しく、電極形状の改善のみが有効な手段となる
。次に（ＩＩＩ）のＶｄに関しては、ガス圧力、組成比
、流速、放電管径、電極形状で制御することができるが
、ガス条件はすでに最適化されており、管径の増大は装
置の大型化、ビームモードの質の低下をきたし、やはり
電極形状を改善する以外に方法はない。（ＩＶ）のＶｍ
に関しても、前記した絶縁耐圧の問題から、増加させる
ことは難しい。実際、前記の具体例におけるＶｍ＝１２
．５ｋＶｐという値は、管外壁電極間の絶縁耐圧の限界
値である。ただし、この限界値は、電極間最短距離ｄに
よって変化するため、電極形状の最適化のために考慮す
べき要因の１つとなる。

結局、最も有効な放電電力の増大方法は、電極形状の最
適化となる。

（発明が解決しようとする問題） 以上のように、従来の装置は、レーザ出力の増大を目的
として、投入放電電力を増大させようとすると、放電管
外壁の電極間で放電が生じる、あるいは、放電管自体が
絶縁破壊を起こしてしまうという問題があった。

（問題点を解決するための手段） この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、電極形状の最適値を求めることによって、高密度
の放電電力を実現し、コンパクトで大出力が可能な交流
放電式レーザを提供しようとするものである。

（作用） 発明者は、前記の従来装置を用いて、電極形状のパラメ
ータとなるＷ、ｄ、ｌ、の種々の値に対して実験を行い
、これらの実験的最適条件を見い出すとともに、その理
論的裏づけをも明らかにした。本発明はその理論に基づ
いて考案されたものであり、以下にその結果を示す。

第３図（ａ）および（ｂ）は種々のＷ、ｄの値に対する
同一装置での最大投入放電電力の関係を示している。プ
ロット点は実験データであり、実線は以下に示す理論式
による計算値である。すなわち、最大投入放電電力（放
電管外壁の電極間で放電が生じることなく、安定に投入
できる最大放電電力）Ｗｍａｘと、周波数ｆ、外壁での
電極間最短距離ｄとの間に次の関係式が成立することを
見い出した。まず、（１）式における各項に対して…（
５） Ｖｄ≒Ａｄ・ｄｇ　　　…（６） Ｖｍｍａｘ≒Ａｍ・ｄ　…（７） …（８） …（９） ここにＶｍｍａｘは、Ｖｍの最大値、つまり外壁電極間
での放電が生じない最 大の印加電圧である。さらに、 ｋｃ、ｋｒ、Ａｄ、Ａｍは比例定数であり、その数値は
実験的に求めた。

（１）式に代入して、 …（１０） ただし、εｏ；真空の誘電率（＝８．８５４×１０−１
２Ｆ／ｍ）　　　　εｓ；放電管材料の比誘電率 以上から明らかなように、電極形状に関する変数はＷお
よびｄの２つであるが、関数関係を理解しやすくするた
めに、次の２つの無次元数をあらたに変数として導入す
る。

…（１１） …（１２） ただし、０＜Ｋ＜１、Ｎ≧０ Ｋは、放電管外側表面における電極の占める面積の比率
、Ｎは、ら旋の巻数を示す。よって（１０）式は、 …（１３） となり、電極面積比Ｋに対して最大値を有すること、ら
旋巻数Ｎに対して単調に減少すること等が理解できる。

第４図（ａ）、（ｂ）は、実用的な範囲での種々の装置
構成に対して、正規化されたＷｄ、すなわちＷｄ／Ｗｄ
ｍａｘを計算しグラフ化したものである。同図より …（１４） …（１５） また、Ｎに関しては、最低限の放電の均一性を確保する
必要性から、Ｎ＝０．５が最適値となることから、０．
５≦Ｎ≦３　…（１６） の範囲で、最適値のほぼ７０％以上の放電電力がそれぞ
れ確保できる。

したがって、（１５）式と（１６）式が、電極形状の最
適化のための条件となる。

ただし、Ｎに関して、放電管の電極対が複数組配設され
ている場合、たとえば、短い放電管を複数本縦列に配設
して、１本の放電管を構成するような場合は、それら個
々の放電管での巻数Ｎの値が（１６）式を満す必要があ
る。なぜならば、レーザ出力の、できるだけ広い可変範
囲に渡って、その均一性を確保するためには、個々の放
電管において、最低限の均一性を確保する必要があるか
らである。

（実施例） 次に、前記（１５）式および（１６）式にもとづく本発
明の実施例について説明する。

前記の装置、すなわち外径＝３０ｍｍ、厚さｔ＝１．５
ｍｍ、長さＬ＝０．７ｍの石英ガラス管において、長さ
ｌ＝０．７８ｍ、幅Ｗ＝１７ｍｍの銅テープを電極とし
て放電管を製作した結果、周波数ｆ＝５００ｋＨｚ、電
圧Ｖｍ＝９．２ｋＶｐにおいて、放電電力Ｗｄ＝３．４
ｋＷ、レーザ出力Ｗｒ＝５２０Ｗ、および、最大出力の
１０％まで対称性に優れた良質のビームモードが得られ
、従来に比して飛躍的な性能向上が図れた。この時、Ｗ
／ｄ＝０．７、Ｎ＝２．５であった。

（効果） 以上の説明のように、本発明によれば、ら旋状電極を有
する交流放電式レーザにおいて、電極幅Ｗと電極間最短
距離ｄとの比を、Ｗ／ｄ＝０．２〜１．５、ら旋巻数Ｎ
を、Ｎ＝０．５〜３の範囲に設定することにより、放電
管の絶縁破壊や、放電管外壁面上での電極間絶縁破壊を
起すことなく大きな電力を投入でき、対称性に優れた大
出力のレーザ光と得ることが可能となる。また、印加電
圧も大幅に下げることが可能となり、したがって放電管
材料に要求される絶縁耐圧も低くなり、その厚さｔを小
さくすることができる。あるいは、耐熱ガラスやアルミ
ナ等の誘電率の高い材料の使用が可能となるなど、より
以上の放電電力の増大、すなわちレーザ出力の増大が期
待できる。さらに電源の耐圧、出力電圧も軽減でき、装
置の小型化低価格化も可能となり、コンパクトで性能の
高い大出力の交流放電式レーザを提供することができる
という極めて優れた効果を奏すものである。

また、本発明は、ＣＯ２レーザだけでなく、例えばＣＯ
、Ｈｅ‐Ｎｅ、Ａｒガスなどを用いる総ての交流放電式
ガスレーザに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のら旋状電極を有する交流放電式ガスレ
ーザ装置の構成図、第２図（ａ）（ｂ）は、それぞれ、
その放電管を示す正面図および断面図、第３図（ａ）（
ｂ）は、電極形状に対する放電電力特性に関する実験デ
ータとその理論値とを示したグラフ、第４図（ａ）（ｂ
）は、種々の装置構成における、電極形状に対する放電
電力特性の理論計算結果を示したグラフである。 １：交流電源、２、３：ら旋状電極、４：放電管７：レ
ーザ光、９：交流放電 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）誘電体で形成された筒状の放電管とその外壁に配
   設された少なくとも１対以上の電極とを備え、前記電極
   間に交流電圧を印加し、前記放電管内に生じる交流放電
   によってレーザ光と発振させるものにおいて、前記電極
   の形状を前記放電管の軸方向に伸びるら旋状とし前記放
   電管外壁表面上における、電極幅Ｗと電極間最短距離ｄ
   との比を、Ｗ／ｄ＝０．２〜１．５の範囲に設定したこ
   とを特徴とする交流放電式レーザ。
2. （２）ら旋状電極の巻数Ｎを、１対の電極において、Ｎ
   ＝０．５〜３の範囲に設定したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の交流放電式レーザ。