JPS6235278B2 - - Google Patents

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JPS6235278B2
JPS6235278B2 JP3878180A JP3878180A JPS6235278B2 JP S6235278 B2 JPS6235278 B2 JP S6235278B2 JP 3878180 A JP3878180 A JP 3878180A JP 3878180 A JP3878180 A JP 3878180A JP S6235278 B2 JPS6235278 B2 JP S6235278B2
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JP
Japan
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discharge
laser
tube
electrodes
gas
Prior art date
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Application number
JP3878180A
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Japanese (ja)
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JPS56134790A (en
Inventor
Haruhiko Nagai
Masao Hishii
Kunihisa Wakabayashi
Akio Nagai
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直流放電に無声放電を重畳させ、
装置の小形・高出力化を図らんとするレーザ装置
に関するものである。
[Detailed description of the invention] This invention superimposes silent discharge on direct current discharge,
This invention relates to a laser device that aims to make the device smaller and have higher output.

CO2レーザ装置には各種のタイプが提案され、
実用化されているが、通常最も良く知られている
タイプは、いわゆるガラス管といわれるもので、
光軸、放電、ガス流の方向が同一方向の構成をな
している。第1図にこの従来形CO2レーザの長さ
方向の断面図を示す。図において1は全反射鏡、
2は部分反射鏡、3はレーザ管、4は冷却水が流
される外套4aは冷却水の入口、4bはその出
口、5aはレーザガスの供給口、5bはその排気
口、6は陽極、7は陰極、8は放電安定化抵抗、
9は直流電源である。レーザ管3内には、通常
CO2、N2、Heから成る混合ガス供給口5aと排
気口5bをとおして常に供給され、10〜20torrの
ガス圧力に一定に保たれている。このガス流の中
で陽極6と陰極7の間でグロー放電が維持され、
レーザ発振の励起媒質として利用される。レーザ
共振器は2枚の反射鏡1,2で構成され、共振器
内の光束の一部が部分反射鏡2より出力ビームと
して取り出される。
Various types of CO 2 laser equipment have been proposed,
Although it has been put into practical use, the most well-known type is the so-called glass tube.
The optical axis, discharge, and gas flow directions are in the same direction. FIG. 1 shows a longitudinal cross-sectional view of this conventional CO 2 laser. In the figure, 1 is a total reflection mirror,
2 is a partial reflecting mirror, 3 is a laser tube, 4 is a jacket through which cooling water flows, 4a is an inlet for the cooling water, 4b is an outlet thereof, 5a is a laser gas supply port, 5b is an exhaust port, 6 is an anode, and 7 is a cathode, 8 is a discharge stabilization resistor,
9 is a DC power supply. Inside the laser tube 3, there is usually
A mixed gas consisting of CO 2 , N 2 , and He is constantly supplied through the supply port 5a and the exhaust port 5b, and the gas pressure is kept constant at 10 to 20 torr. A glow discharge is maintained between the anode 6 and the cathode 7 in this gas flow,
Used as an excitation medium for laser oscillation. The laser resonator is composed of two reflecting mirrors 1 and 2, and a part of the luminous flux within the resonator is extracted from the partial reflecting mirror 2 as an output beam.

通常のガラス管形CO2レーザでは、グロー放電
によるガス温度の上昇を抑えるため、2重管構造
とし、外套内には冷却水または冷却油が循環され
ている。このような通常のタイプのCO2レーザで
は、陽極―陰極間の放電長1mにつき50〜80Wの
出力しか得られず、1KW以上の出力を得るため
には、折り返し構造にしても全長20m近くの長さ
を必要とし、装置の長大化を免れない。
In order to suppress the rise in gas temperature due to glow discharge, a typical glass tube CO 2 laser has a double tube structure, and cooling water or oil is circulated within the outer jacket. With such a normal type of CO 2 laser, an output of only 50 to 80 W can be obtained per 1 m of discharge length between the anode and cathode, and in order to obtain an output of 1 KW or more, even with a folded structure, the total length of nearly 20 m is required. It requires a long length, which inevitably increases the length of the device.

単位放電長当りのレーザ出力を増大させるため
には、放電々流あるいは放電々圧の増大を図れば
良いが、前者は、放電々流の増大とともにガスの
温度が上昇し、レーザ出力の増加が飽和するの
で、この現象を抑制するためにガス冷却の効果を
高める方法を必要とする。前述した通常形では、
ガラス管3内を流れるガスの流速は1m/s以下
で、放電により解離されるCO2を補給する意味の
ものであるが、このガス流速を高め(>100m/
s)、冷却効果を上げることにより大出力を得る
方法も知られている。また、後者の放電々圧を高
めるためにはガス圧力を高くする必要があるが、
ガス圧力が高くなるとグロー放電がレーザ管3の
中心近傍に集束される傾向があり、中心部のガス
温度が上昇するとともに強い輝度のアーク放電に
移行しやすく、レーザ出力の減少あるいは停止を
招く。従つてガラス管形CO2レーザの場合、ガス
流速が1m/s以下の低流速の場合は20torr以下
のガス圧力で動作されており、100m/s以上の
高ガス流速の場合でも、高々40torrのガス圧力で
動作されるにすぎない。
In order to increase the laser output per unit discharge length, it is sufficient to increase the discharge current or the discharge pressure, but in the former case, the gas temperature rises as the discharge current increases, and the laser output increases. saturation, requiring a method to increase the effectiveness of gas cooling to suppress this phenomenon. In the normal form mentioned above,
The flow velocity of the gas flowing inside the glass tube 3 is 1 m/s or less, which is meant to replenish CO 2 dissociated by the discharge, but this gas flow velocity can be increased (>100 m/s).
s) A method of obtaining high output by increasing the cooling effect is also known. In addition, in order to increase the latter discharge pressure, it is necessary to increase the gas pressure.
When the gas pressure increases, the glow discharge tends to be focused near the center of the laser tube 3, and as the gas temperature in the center increases, it tends to shift to a strong brightness arc discharge, leading to a decrease or stop of the laser output. Therefore, in the case of a glass tube CO 2 laser, when the gas flow velocity is low (1 m/s or less), it is operated at a gas pressure of 20 torr or less, and even when the gas flow velocity is high (100 m/s or more), the gas pressure is 40 torr or less. It is only operated by gas pressure.

以上のように、従来のCO2レーザは、低ガス流
速はもちろん高ガス流速の場合でも、40torr以上
のガス圧力で動作させることが困難であり、この
問題により小形・高出力化が制限されていた。
As mentioned above, it is difficult for conventional CO 2 lasers to operate at gas pressures of 40 torr or more, not only at low gas flow rates but also at high gas flow rates, and this problem limits their ability to be made smaller and more powerful. Ta.

この発明は上記のような従来のものの難点を除
去するためになされたもので、従来の直流グロー
放電に交流の無声放電を重畳することにより、ガ
ス圧力50〜100torrの範囲で一様に拡散された安
定放電を維持し、もつて小形化および高出力化を
図つたCO2レーザ装置を提供することを目的とし
ている。
This invention was made in order to eliminate the drawbacks of the conventional ones as described above, and by superimposing an alternating current silent discharge on the conventional direct current glow discharge, it can be uniformly diffused in the gas pressure range of 50 to 100 torr. The purpose of the present invention is to provide a CO 2 laser device that maintains a stable discharge while achieving a smaller size and higher output.

第2図にこの発明の一実施例を示す。図におい
て、10a,10bは対向して配置された一対の
無声放電用電極であり、11はそのための交流電
源である。
FIG. 2 shows an embodiment of the present invention. In the figure, 10a and 10b are a pair of electrodes for silent discharge disposed opposite to each other, and 11 is an AC power source therefor.

第3図は第2図―線におけるレーザ管3の
断面図で、各電極10a,10bは金属電極であ
り、たとえばアルミニウムをガラス管3の外壁に
コーテイングしたものでも良い。無声放電は金属
電極間に誘電体を介した空間における交流放電で
あり、いわゆるオゾン発生用の放電としてよく知
られている。この放電は、局部的なパルス状放電
の集合であり、誘電体の存在により電流が制限さ
れるので、放電がアークに移行しない安定な放電
である。また、このパルス状放電は、誘電体を介
した金属電極面の全体に広がる特性をももつの
で、電極の表面積を変えることにより、放電空間
の広がりを制御することが可能である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the laser tube 3 taken along the line in FIG. Silent discharge is alternating current discharge in a space with a dielectric between metal electrodes, and is well known as a so-called discharge for ozone generation. This discharge is a collection of local pulsed discharges, and since the current is limited by the presence of the dielectric, it is a stable discharge that does not transition to an arc. Furthermore, since this pulsed discharge has the characteristic of spreading over the entire surface of the metal electrode via the dielectric, it is possible to control the spread of the discharge space by changing the surface area of the electrode.

このような特性を持つ無声放電を、直流放電と
組み合わせて使用することにより、前述したよう
な直流放電でのレーザ励起における欠点が克服さ
れる。すなわち、第3図aに示したように、直流
放電に直交する方向に無声放電を10a―10b
の金属電極間に、レーザ管3のガラス壁を介して
発生させ、光軸方向の直流放電に重畳させる。こ
のようにすると、直流放電のみでは20torr程度の
動作圧力でしかレーザ動作が困難であつたもの
が、50〜100torr動作圧力にまで高めることが可
能となり、レーザ出力の小形化・高出力化が実現
される。これは、直流放電のみではガス圧力が高
くなると、グロー放電がレーザ管3の中心軸に近
づくように収束し、レーザ出力が低下するうえ、
ひいてはフイラメント状のアーク放電に移行し、
レーザ発振が停止する現象を、管径方向に広がり
を持つ無声放電を重畳することにより、直流放電
を拡散させて、一様に広がつた直流放電を維持す
ることが可能になるためである。
By using a silent discharge having such characteristics in combination with a direct current discharge, the drawbacks of laser excitation using a direct current discharge as described above can be overcome. That is, as shown in FIG.
is generated between the metal electrodes of the laser tube 3 through the glass wall of the laser tube 3, and is superimposed on the DC discharge in the optical axis direction. In this way, it was difficult to operate the laser at an operating pressure of about 20 torr with only DC discharge, but it is now possible to increase the operating pressure to 50 to 100 torr, making it possible to achieve a smaller size and higher output laser output. be done. This is because when the gas pressure increases with only DC discharge, the glow discharge converges closer to the central axis of the laser tube 3, and the laser output decreases.
Eventually, it will shift to filament-like arc discharge,
This is because by superimposing the phenomenon of stopping laser oscillation with a silent discharge that spreads in the tube diameter direction, it becomes possible to diffuse the DC discharge and maintain a uniformly spread DC discharge.

第2図に示した実施例では一対の無声放電に極
を設けた例を示したが、直流放電を管径方向によ
り一層拡散させ、しかも軸対称な広がりの励起空
間を実現するためには、第4図に示すように2対
の電極10a〜10dを設けてもよく、更に複数
対の電極を設けて無声放電を重畳させた方が、よ
り完全なものとなる。これは特に、軸対称な励起
空間を必要とするTEMooモードの発生に適して
いる。
The embodiment shown in Fig. 2 shows an example in which a pair of silent discharges is provided with poles, but in order to further diffuse the DC discharge in the tube radial direction and to realize an axially symmetric excitation space, it is necessary to As shown in FIG. 4, two pairs of electrodes 10a to 10d may be provided, and if a plurality of pairs of electrodes are further provided to superimpose silent discharges, the result will be more complete. This is particularly suitable for the generation of TEMoo modes, which require an axisymmetric excitation space.

また、この発明によればガス圧力を高められる
のみならず、同一ガス圧力の状態で比較しても、
注入放電々流に対するレーザ出力の直線領域が拡
大され、効率の上昇が図られる。第5図はこの特
性の差を示した図である。図から明らかなよう
に、直流放電のみでは放電々流がIDc1より大き
くなるとレーザ出力が飽和する傾向を示すのに対
し、無声放電を重畳させることにより、IDc2
で出力増大の直線領域が拡大され、無声放電々力
に相当するレーザ出力を差し引いて考えても、効
率の上昇が実現されている。これは、放電をガラ
ス管壁方向に一様に拡散させる効果により、ガス
温度の上昇を空間的に均一化し、抑制した結果で
ある。
Moreover, according to this invention, not only can the gas pressure be increased, but even when compared at the same gas pressure,
The linear region of the laser output with respect to the injection discharge stream is expanded, and efficiency is increased. FIG. 5 is a diagram showing this difference in characteristics. As is clear from the figure, with only DC discharge, the laser output tends to be saturated when the discharge current becomes larger than I Dc1 , whereas by superimposing silent discharge, the linear region of output increase expands up to I Dc2 . Even after subtracting the laser output equivalent to the silent discharge power, an increase in efficiency is achieved. This is the result of spatially uniformizing and suppressing the increase in gas temperature due to the effect of uniformly diffusing the discharge in the direction of the glass tube wall.

以上述べたこの発明の効果は、通常の低ガス流
速の、いわゆる拡散冷却タイプのCO2レーザにも
もちろん有効であるが、高ガス流速の場合にはさ
らに高められる。すなわち、高ガス流速(>
100m/s)のガラス管形CO2レーザの場合、ガ
スの冷却は高速流だけに依存し、ガラス管壁での
冷却効果はほとんどない。したがつてガス温度の
上昇を抑制し、高出力を得るためには、ガス圧力
を高め、ガス流の質量流量を増大させることが有
効な手段である。しかし前述した様に、ガス圧力
を高めると直流グロー放電が中心軸方向に細く集
束し、ガス温度の上昇を招くため、通常ではあま
り出力の増大が望めないうえ、ガス圧力が40torr
近傍になるとアーク放電に移行しやすくなり、発
振が停止する場合すら生ずる。これに対して無声
放電を重畳させると、50〜100torrでの高ガス圧
力動作を高ガス流速の下で実現でき、低ガス流速
の場合よりもさらに、高電流、高ガス圧力領域で
レーザ発振が可能になり、装置の小形化・高出力
化が大きく図られる。
The effects of the present invention described above are of course effective for a so-called diffusion cooling type CO 2 laser with a normal low gas flow rate, but they are further enhanced in the case of a high gas flow rate. That is, high gas flow rate (>
In the case of a glass tube type CO 2 laser (100 m/s), gas cooling depends only on the high-speed flow, and there is almost no cooling effect on the glass tube wall. Therefore, in order to suppress the rise in gas temperature and obtain high output, it is effective to increase the gas pressure and the mass flow rate of the gas flow. However, as mentioned above, when the gas pressure is increased, the DC glow discharge is narrowly focused in the direction of the central axis, causing a rise in gas temperature.
If it is close to the current, arc discharge tends to occur, and oscillation may even stop. On the other hand, when silent discharge is superimposed, high gas pressure operation at 50 to 100 torr can be realized under high gas flow velocity, and laser oscillation is even more effective in the high current and high gas pressure region than in the case of low gas flow velocity. This makes it possible to significantly reduce the size and increase the output of the device.

この発明は両端部に配設された電極を有し、軸
方向にレーザ媒質ガスが通気されるとともに上記
両電極間に直流電圧を印加して直流グロー放電を
生成させるように構成された放電管と、当該放電
管の両側軸上に配設された全反射鏡と部分反射鏡
とによつて構成された光共振器とを備え、上記部
分反射鏡をとおしてレーザビームをとり出すよう
に構成されたものにおいて、上記放電管の管壁面
に上記直流グロー放電が生成されている空間を挾
んで相対向するように設けられた軸方向に延在す
る無声放電用の電極と、この電極間に交流電圧を
印加する交流電源とを備え、上記直流グロー放電
と交叉する向の無声放電を重畳して生成させるよ
うにしたことを特徴とするもので、ガス圧力の上
昇、大入力が可能となるので装置の小形化ないし
は高出力化が図れる。
This invention relates to a discharge tube having electrodes disposed at both ends, through which a laser medium gas is passed in the axial direction, and configured to apply a DC voltage between the two electrodes to generate a DC glow discharge. and an optical resonator constituted by a total reflection mirror and a partial reflection mirror disposed on both sides of the axis of the discharge tube, and configured to extract a laser beam through the partial reflection mirror. In the discharge tube, an electrode for silent discharge extending in the axial direction is provided on the tube wall surface of the discharge tube so as to face each other across the space in which the DC glow discharge is generated, and between the electrodes. It is characterized by being equipped with an AC power supply that applies an AC voltage, and generating a silent discharge in a direction crossing the DC glow discharge by superimposing it, making it possible to increase the gas pressure and input a large amount. Therefore, the device can be made smaller or have higher output.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のガラス管形CO2レーザ装置の縦
断面図、第2図はこの発明の一実施例を示す縦断
面図、第3図は第2図―線よりみた断面図、
第4図はこの発明の他の実施例の断面図、第5図
は放電々流とレーザ出力との関係を示す特性図で
ある。 図において、1は全反射鏡、2は部分反射鏡、
3はレーザ管、4は外套、5aはレーザガスの供
給口、5bは排気口、6は陽極、7は陰極、9は
直流電源、10a〜10dは無声放電用電極、1
1は交流電源である。なお図中同一符号はそれぞ
れ同一または相当部分を示す。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a conventional glass tube type CO 2 laser device, FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along the line of FIG.
FIG. 4 is a sectional view of another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between discharge current and laser output. In the figure, 1 is a total reflection mirror, 2 is a partial reflection mirror,
3 is a laser tube, 4 is a jacket, 5a is a laser gas supply port, 5b is an exhaust port, 6 is an anode, 7 is a cathode, 9 is a DC power supply, 10a to 10d are electrodes for silent discharge, 1
1 is an AC power supply. Note that the same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 両端部に配設された電極を有し、軸方向にレ
ーザ媒質ガスが通気されるとともに上記両電極間
に直流電圧を印加して直流グロー放電を生成させ
るように構成された放電管と、当該放電管の両側
軸上に配設された全反射鏡と部分反射鏡とによつ
て構成された光共振器とを備え、上記部分反射鏡
をとおしてレーザビームをとり出すように構成さ
れたものにおいて、上記放電管の管壁面に上記直
流グロー放電が生成されている空間を挾んで相対
向するように設けられた軸方向に延在する無声放
電用の電極と、この電極間に交流電圧を印加する
交流電源とを備え、上記直流グロー放電と交叉す
る向の無声放電を重畳して生成させるようにした
ことを特徴とするガスレーザ装置。 2 放電管がガラス管で形成されており、当該ガ
ラス管の外壁面に無声放電用の電極を設けた特許
請求の範囲第1項記載のガスレーザ装置。 3 複数対の無声放電用電極を備えた特許請求の
範囲第1項または第2項記載のガスレーザ装置。
[Claims] 1. A device having electrodes disposed at both ends, configured to allow laser medium gas to be vented in the axial direction, and to apply a DC voltage between the two electrodes to generate a DC glow discharge. an optical resonator configured with a total reflection mirror and a partial reflection mirror disposed on both sides of the axis of the discharge tube, and a laser beam is taken through the partial reflection mirror. electrodes for silent discharge extending in the axial direction and provided on the tube wall surface of the discharge tube so as to face each other across the space in which the DC glow discharge is generated; A gas laser device comprising: an AC power source that applies an AC voltage between the electrodes, and generates a silent discharge in a direction crossing the DC glow discharge by superimposing the same. 2. The gas laser device according to claim 1, wherein the discharge tube is formed of a glass tube, and an electrode for silent discharge is provided on the outer wall surface of the glass tube. 3. The gas laser device according to claim 1 or 2, comprising a plurality of pairs of silent discharge electrodes.
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JPS6358884A (en) * 1986-08-29 1988-03-14 Mitsubishi Electric Corp Silent discharge type gas laser device
JPS6358885A (en) * 1986-08-29 1988-03-14 Mitsubishi Electric Corp Silent discharge type gas laser device

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