JPS6238873B2

JPS6238873B2 -

Info

Publication number: JPS6238873B2
Application number: JP53122724A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Hatsutori; Taka Kamiide; Katsumi Tokutome; Michio Ishikawa; Juji Hayashi
Original assignee: KINMON DENKI KK
Current assignee: KINMON DENKI KK
Priority date: 1978-10-06
Filing date: 1978-10-06
Publication date: 1987-08-20
Also published as: JPS5550678A; US4257014A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は放電気体の分子あるいは原子が励起
されレーザ上準位が作られるレーザ放電管の改良
に係り、特にレーザ上準位を含むレーザ能動媒体
が負グロー放電領域で生成される「負グロー」気
体レーザ放電管に関するものである。

通常負グロー放電は陰極面に近接し、これに沿
つて広がる性質を有し、またレーザとしては長く
伸びた能動媒体が生成されることが要求されてい
る。それ故、レーザ用の放電電極の構造として
は、陰極面がレーザ光軸に沿うことが望ましいと
されている。従つて、現在に至るまで提案された
負グローレーザはレーザ光軸に沿つて長い陰極面
を有するいわゆる横型放電レーザに分類されてい
る。この横型放電レーザの名称は放電電流の方向
が光軸を横切る方向であることから与えられたも
のである。

従来の負グローレーザのほとんどはまた、レー
ザ光軸に沿つて細い孔状陰極面をもつホローカソ
ードレーザに分類されている。例えば、IEEE
Journal of Quantum Electronics，vol，QE−６
（1969）574−575頁にW.K.Schuebelによつて述べ
られている「同軸ホローカソードレーザ」或は、
Japanese Journal of Applied Physics vol.9
（1970）588−589頁に管原と常盤によつて述べら
れている「分割陽極ホローカソードレーザ」又
は、Journal of Physics Ｄ：Applied Physics
vol，６（1973）400−407頁にJ.A.PiperとC.E.
Webbによつて述べられている同型レーザはいず
れもホローカソードレーザの代表的なものとして
知られている。

負グローレーザにおいて重要な負グロー放電領
域は、陰極表面に極めて近接しているが放電電流
に沿つて一定距離だけ陰極表面から離れた空間か
ら現れ始め、この負グロー放電領域までの距離
は、いわゆる、「陰極暗部長（cathodedark
space length）」と称せられ、放電気体陰極材料
ならびに陰極形状によつて決定されるものである
ことが判明している。

この「陰極暗部長」は通常高い電流密度の領域
で短縮することが知られている。また「陰極暗部
長」の短縮は、陰極表面が空間を囲み中空空間を
形成するような電極構造のとき、即ち、その空間
で発生される紫外線が陰極面に照射させて陰極表
面からの電子放出を確実に増加させる為に陰極暗
部空間を囲むような電極構造のときに顕著である
ことが判明している。陰極暗部長が短くなると、
当然のことながらそれに伴つて負グロー領域も陰
極に囲まれた空間中に取りこまれることになる。
このような現象はいわゆるホローカソード効果と
呼ばれ、ホローカソード構造がレーザ放電管にと
つて優れているかを説明する理由ともされてい
る。

通常横方向の電界のみをもつ放電管に縦方向電
界を部分的に導入するというホローカソードレー
ザの改良は特願昭50−30331号（特開昭51−
105290号）に提案されている。この改良において
は、ホローカソードとそれに対応する陽極とは数
段に分割され一つの段の陰極（ホローカソード）
は次の段の陽極に接続され、従つて両段の陰極間
には縦方向の電界が印加されるように構成されて
いる。この縦方向電界が重原子濃度の光軸方向分
布を均一化する効果があり、また陰極を数段に分
割する構成は放電がアーク化する確率を低下させ
る効果があるものである。

この発明の一つの目的は、陰極の単位表面積当
りの放電電流密度を増す代りにレーザ光軸の単位
長当りの放電電流密度を増すことによつて、レー
ザ光軸の単位長当りのレーザ利得を増すことにあ
る。この目的はホロー陰極の表面にひだをもう
け、或は光軸に垂直な方向に陰極の孔状の表面に
多数の溝を切り込むことによつて、光軸に沿つた
放電管の単位長当りの陰極表面積を増加すること
によつて達成せられる。陰極の表面積を増すこと
が有益であることは勿論であるが、陰極表面の溝
の中で有効にホローカソード効果が起きうるよう
にその溝を所望形状に作ることは大変効果がある
ことである。

このような陰極構造においては、溝中で発生す
る負グロー領域をレーザ光軸が直接通るものでは
ないが、光軸に沿つた陰極の溝に取り囲まれてい
る孔状部分の電子密度あるいは励起原子密度は電
流の増加とともに、同じ内径の溝のない陰極にお
けるものよりも十分高くなることとなる。ひだ付
陰極を有するレーザ放電管の効果は二つの異なつ
た具体的な場合に明白となつた。第一の、放電気
体として希ガスが用いられている場合には上述の
電極構造は非常に低い圧力間隙長積（ｐ−ｄ積）
に於ても安定に放電を維持することができ、従つ
て２個の希ガスイオンスペクトル線でレーザ発振
をさせるのに都合がよいと考えられる。第二の、
希ガス金属蒸気混合気体が放電気体として用いら
れている場合には、上述の電極構造は金属蒸気イ
オンレーザにとつて最も都合が良いと考えられて
いる。かなり高い金属蒸気圧において高い希ガス
イオン密度と中エネルギー電子密度を与えること
ができる。

この発明の他の目的は、ひだ付きホローカソー
ドの電極構造と隣接する電極段の間に縦方向電界
を有する「従属ホローカソード」の電極構造とを
組合わせることにある。両者を組合わせるに当つ
て、前述の特許に於て述べられた「従属ホローカ
ソード」の概念は幾分拡張されている。

上述した特許出願では、相次ぐ段の陰極間電圧
は、必然的に１段について陰陽極間の電圧に等し
かつた。然しながら、本願では相次ぐ段の陰極間
の電圧は必しも陽極−陰極間電圧に等しい必要は
なくただその整数分の１に等しければ良いことと
なる。この組合せ構造「多段襞付き陰極放電管」
は上述以外にもひだ付き構造の加工を容易にする
という利点がある。

この発明によれば、光軸に沿う孔の部分を有
し、その孔の内面には光軸を取り囲む深い溝が形
成され、そしてその陽極はその各溝内に露出され
た陽極表面を有しているレーザ用放電管の電極構
造が提示される。

上述の条件を満す三種の異つた形状の陽極が本
願では提示されている。第１のものは、光軸に平
行に配置され、溝が形成されている空間を貫通す
る棒状の陽極を有し、第２のものは、ピン状の先
端を多数有し、各ピンの先端が各溝内に挿入配置
されている陽極を有する。また、第３のものとし
て各溝の底部に置かれた円環からなる陽極を有す
るものが示されている。この発明は、上述のよう
な構造の陰極と陽極の対の複数個もち、各対の陰
極の孔の部分が次々に光軸に沿つて並置され、各
相次ぐ陰極の間には電圧が印加され、光軸に沿つ
て縦放電が生じる部分がある放電管が提供され
る。

以下図面を参照しながらこの発明のレーザ放電
管の実施例について説明する。

第１図は、棒状陽極を備えたこの発明の第１の
実施例に係るレーザ放電管の概略図である。結合
用凹面鏡１１と全反射凹面鏡１２とからなるレー
ザ共振器の光軸１０は両凹面鏡１１，１２の曲率
中心を結ぶ光路である。ガラス製放電容器２１は
光軸１０に沿つて二つのブリユースター窓２０を
備え、ガラス製放電容器２１の側壁には４組の陽
極ステム３０が設けられ各組の陽極ステム３０に
は光軸１０と平行に配置された金属製棒状陽極３
１が取付けられている。ガラス製放電容器２１の
側壁にはまた、陽極ステム３０に対応して４組の
陰極ステム４０が設けられ、各組の陰極ステム４
０にはひだ付陰極４が取付けられている。ひだ付
陰極４は光軸に平行な軸を有する陰極筒４１及び
直径Ｄの孔が穿けられ光軸１０に共軸な軸及び垂
直な面を備えしかもその周縁が陰極筒内に取付け
られた多数の孔穿き金属板４２とから構成されて
いる。金属板間は等しく巾ｗの溝が形成され、そ
の巾ｗは直径Ｄよりも小さくしかもｄ(j)＝（1.25／A.P）・ln〔１＋（１／reff(j)）〕 (1) で与えられる電流密度ｊに対する陰極暗部長ｄ(j)
の２倍よりも大きく定められている。

即ち、Ｄ＞ｗ＞２・ｄ(j) (2) に選定されている。式(1)において、Ａはタウンゼ
ンドのＡ係数、Ｐは放電気体の圧力、reffは電流
密度と陰極構造によつて定まる陰極面における電
荷発生係数を示している。

前記棒状陽極３１は前記孔穿き金属板４２各々
に同軸的に穿けられた陽極挿入孔４４に挿入され
るが、前記棒状陽極３１と各金属板４２との間に
は、式(1)で電流密度が低い領域のreff、即ち陽イ
オンのみの場合のｒ係数に対して与える陰極暗部
長ｄ（ｏ）より小さい間隙ｇ即ち、ｇ＞ｄ（ｏ） (3) だけ空けられている。図示するように陰極４と陽
極３１とが配置される結果、４組棒状陽極３１
各々に対して４組の襞付き陰極４の対応するもの
が１組の電極対を形成することとなる。

各電極対には、図示するように安定抵抗５１を
通して電圧源５０から電圧が印加されている。式
(2)を満す適切なｗを選定した結果として、各溝４
３内には顕著な負グロー６１が維持されることと
なる。即ち溝４３を取り囲む孔穿き金属板４２の
表面における光電子放出によつて溝４３内に効率
的なホローカソード効果が生じ、そこに大電流密
度の負グローが取り込まれることとなる。然しな
がら陽極孔の穿けられた電極間空間では放電は発
生しないこととなる。何故ならば、式(3)を満すよ
うな狭い間隙ｇでは連続放電を維持し得るような
十分な陽イオンは作り出し得ないからである。直
径Ｄの光軸に沿つた孔空間は、それを環状に取り
巻く負グローから電子或は正イオン又はその他の
励起原子が供給されることによつて形成される拡
散プラズマ６２で充満されるに至ることとなる。
このような放電形状が形成されれば、従来ホロー
カソード放電よりも十分大きなレーザ利得が得ら
れることが十分推測し得ることとなる。

第２図はピン状陽極をもつこの発明の第２の実
施例に係るレーザ放電管の概略図である。

この実施例においては、第１実施例の棒状陽極
３１は、ピン状陽極３１で置き換えられている。
ピン状陽極３１は、１対の陽極ステム３０に光軸
１０に平行に取り付けられたピン支持棒３２ａ
と、ひだ付き陰極４の溝４３の各々に、陰極筒４
１に穿けられた陽極孔４４に介して上述した間隙
ｇが陰極筒４１及び金属板４２との間に生ずるよ
うに挿入された一組のピン３２ｂとから成つてい
る。各ピン４３の先端に生ずる強い電界は放電開
始電圧を下げ、放電を安定に維持する作用があ
る。

第３図は環状陽極を用いたこの発明の第３の実
施例に係るレーザ放電管の概略図である。

この実施例においては、第１の実施例の棒状陽
極３１は、環状陽極３３で置き換えられている。
環状陽極３３は、１組の陽極ステム３０に光軸１
０に平行に取り付けられた支持棒３３ａ及び、
各々溝４３の周縁に配置され支持棒３３ａに取り
付けられている１組の陽極環３３ｂから成つてい
る。この支持棒３２ａは、上述した間隙ｇだけ空
けて各孔明き金属板４２の陽極孔４４に挿入され
各溝４３内に位置されている。各陽極環３３ｂは
相隣接する孔明き金属板４２との間および陰極筒
４１との間にやはり上述の間隙ｇを保つように配
置されている。陽極環４３ｂの内縁における強い
電界は第２実施例のピン３２ｂの先端と同様な効
果を示すとともに更に光学軸１０について陽極環
３３ｂが対称に配置されていることから放電の形
状がやはり対称に形成されることとなり、放電形
状が好ましいものとなる。

第４図および第５図は金属セラミツク製の放電
容器が用いられている実施例を示し、その第４の
実施例に係るレーザ放電管の概略図及びその電極
構造の詳細図を夫々示している。

この実施例においては、第１実施例のガラス製
放電容器２１が金属セラミツク製放電容器２２で
置き換えられている。金属−セラミツク製放電容
器２２はその外表面が２２０で示される陰極筒４
１、セラミツク性封止部２２１及び金属性封止環
２２２より成つている。セラミツク性封止部２２
１はメタライズ表面２２１ａ，２２１ｂを有し、
メタライズ表面２２１ａには陽極側封止環２２２
ａがメタライズ表面２２１ｂには陰極側封止環２
２２ｂが高温ハンダ付されている。封止環２２２
ｂの陰極側の面は陰極筒４１の外表面２２０の一
部である封止片２２０ａに熔接されている。二つ
の陽極側封止環２２２ａの対向面は陽極口出し環
３０ａに共に熔接されている。このように、四つ
のセラミツク封止部２２１と四つの陰極筒４１は
交互に封着され、さらにもう一つのセラミツク封
止部を封着して金属−セラミツク容器２２が形成
される。二つのブリユースター窓２０は端封止環
２２２ｃに気密封止され、上述のようにして作ら
れた金属−セラミツク容器の両端の金属封止環２
２２の端面に熔接されている。

第５図及び第６図には第４図に概略的に示され
ている電極並びに封止部とが丁度一段分だけ詳細
に示されている。

第６図には、第５図のＡ−Ａ断面とＢ−Ｂ断面
とが左右に示されている。光軸１０に対して対称
に配置された３本の棒陽極３１は陽極口出し環３
０ａに取り付けられ他端は絶縁キヤツプ３１ａで
支持されている。各棒陽極３１は、孔穿き金属環
にあけられた陽極孔４４を介して各溝４３内に位
置され、各穿明き金属板４２はスペーサ用環状板
４５を介し、組立てボルト４６で陰極筒４１に締
め付けられることによつて一体に組上げられてい
る。電極構成要素３１，３１ａ，４１，４２およ
び４５のすべての角の部分は閃絡を防ぐためにあ
る曲率半径の丸みが与えられている。絶縁部品２
２１および３１ａのすべての露出面は高い密度で
放電電流が流れ込んでいる陰極表面から直接見え
ないように蔽われていて、陰極のスパツクによつ
て生じた金属粒子によつて汚されることを防いで
いる。ガラス製の放電容器に対して金属−セラミ
ツク封止の放電容器が優れている点は、後者が各
電極で発生する熱を逃散させるに好適であること
である。

第７図は、各相次ぐ陰極間に縦電界放電の部分
を備えているこの発明の第５の実施例に係るレー
ザ放電管の概略図である。

この実施例では各電極対の中の構造と各部の作
用は第１の実施例のものと略同じであるが、それ
らの電極対に電圧を印加する方式が異なつてい
る。第１、第２、第３及び第４の電極段はそれぞ
れ、第１陽極３１−１と第１ひだ付き陰極４−
１、第２陽極３１−２と第２ひだ付き陰極４−
２、第３陽極３１−３と第３ひだ付き陰極４−
３、第４陽極３１−４と第４ひだ付き陰極４−４
とからできている。

第１段と第３段は従属に接続され、第２段と第
４段も従属に接続される。陽極バイアス抵抗５３
を第２陽極３１−２に接続し、陰極バイアス抵抗
５２を第３ひだ付き陰極４−３に接続してから、
両分枝を並列に接続しその共通端子に電圧源５０
から陰極共通抵抗５４を介して電圧を加える。両
バイアス抵抗５２及び５３に発生する電圧降下に
よつて、第２陽極３１−２の電位は第１陽極３１
−１の電位と第１ひだ付き陰極４−１の丁度中間
に設定される。このようにして結果的に相次ぐ二
つの陰極の間にはすべて陽陰極間電圧の半分の電
圧がかかることになる。

この実施例ではさらに二つの電極が付加されて
いる。ひとつは陽極側枝管２３の端に設けられた
カタフオレシス陽極３４でもうひとつは陰極側枝
管２４の端に設けられたカタフオレシス陰極４７
である。

カタフオレシス陽極３４と第１ひだ付き陰極４
−１との間には陽極共通抵抗５５を介して電圧が
印加され、陽極側枝管２３中には陽光柱６３が維
持される。陽極側枝管２３の途中でカタフオレシ
ス陽極３４から所定距離、離間して位置された金
属溜め２５内の金属を加熱することにより、陽光
柱６３に金属蒸気が送りこまれ、この金属蒸気は
カタフオレシス効果により第１ひだ付き陰極に移
送されることとなる。相次ぐ二つのひだ付き陰極
の間には内挿管２６が配置され、陰極間の縦電界
によつて維持されたカタフオレシス効果によつて
その中を金属蒸気が移送されることとなる。陰極
共通抵抗５４中の電位降下は第４のひだ付き陰極
４−４とカタフオレシス陰極４７との間に印加さ
れる電圧を与えることとなり、この電圧は陰極側
枝管２４中に陽光柱６３を維持することとなる。
移送された金属イオンは電子と再結合して中性原
子として金属受け２７に析出されることとなる。
尚、金属受け２７は陰極側枝管の途中に設けら
れ、金属蒸気圧を十分低く保ちうるよう冷却され
ている。

多段ホローカソード放電管でカタフオレシス効
果による金属蒸気の流れを維持するには、必ずし
も前段の陰極が次段の陽極に接続されていること
は、必ずしも必要がなく、このことは、上述の説
明から容易に理解し得ることである。

この第５の実施例は特に、He−Cdレーザのよ
うな希ガス金属蒸気レーザに適しているものであ
る。これらのレーザでは放電容器中の金属蒸気を
均一に保つことが重要である。

以上の各実施例の詳細な説明を通して、高いレ
ーザ利得と長い寿命を与える放電管が、ひだ付き
陰極構造によつて実現され、またこの電極構造
を、望ましい重い原子の流れを作り出すための縦
電界放電と組合すことができることが明らかとな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、棒状陽極を備えたこの発明の第１の
実施例に係るレーザ放電管を概略的に示す断面図
である。第２図は、ピン状陽極をもつこの発明の
第２の実施例に係るレーザ放電管の概略的に示す
断面図である。第３図は、環状陽極をもつこの発
明の第３の実施例に係るレーザ放電管を概略的に
示す断面図である。第４図は、金属−セラミツク
製放電容器が用いられているこの発明の第４の実
施例に係るレーザ放電管を概略的に示す断面図で
ある。第５図は、第４図における１段分の電極構
造を詳細に示す断面図である。第６図は、第５図
のＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面を同時に示す断面図であ
る。第７図は、相次ぐ陰極間に縦電界を具備する
この発明の第５の実施例に係るレーザ放電管を概
略的に示す断面図である。１０……光軸、１１……結合用凹面鏡、１２…
…全反射凹面鏡、２０……ブリユースター窓、２
１……ガラス製放電容器、２２……金属−セラミ
ツク製放電容器、２２０……４１の外表面、２２
０ａ……封止片、２２１……セラミツク封止節、
２２１ａ……メタライズ表面、２２２……金属封
止環、２２２ａ……陽極側封止環、２２２ｂ……
陰極側封止環、２２２ｃ……端封止管、２３……
陽極側枝管、２４……陰極側枝管、２５……金属
溜め、２６……段間管、２７……金属受け、３０
……陽極ステム、３０ａ……陽極口出し環、３１
……棒陽極、３１−１……第１陽極、３１−２…
…第２陽極、３１−３……第３陽極、３１−４…
…第４陽極、３２……ピン状陽極、３２ａ……ピ
ン支持棒、３２ｂ……ピン、３３……環陽極、３
３ａ……環支持棒、３３ｂ……陽極環、３４……
カタフオレシス陽極、４……襞付き陰極、４−１
……第１襞付き陰極、４−２……第２襞付き陰
極、４−３……第３襞付き陰極、４−４……第４
襞付き陰極、４０……陰極ステム、４１……陰極
筒、４２……孔穿き金属板、４３……溝、４４…
…陽極孔、４５……間隔板、４６……組立てボル
ト、４７……カタフオレシス陰極、５０……電圧
源、５１……安定抵抗、５２……陽極バイアス抵
抗、５３……陰極バイアス抵抗、５４……陰極共
通抵抗、５５……陽極共通抵抗、６１……負グロ
ー、６２……拡散プラズマ、６３……陽光柱。

Claims

【特許請求の範囲】１放電によつて励起された際にレーザ能動媒体
として機能する放電気体が充填されている放電容
器と、この放電容器内に配置され、レーザ光路がその
内に設けられた中空部と、この中空部内面から光
路の周囲にまで延び出した多数のひだ部とから成
り、ひだ部間に溝が形成されている放電陰極と、前記放電陰極の溝内に位置された陽極面を有す
る放電陽極と、及び前記放電陰極と前記放電陽極との間に電圧を印
加する電源と、から成るレーザ放電管。２前記放電陽極は金属製の棒状電極であつて、
前記放電陰極のひだ部に穿けられた陽極挿入孔を
介して前記レーザ光路に略平行に配置されている
特許請求の範囲第１項記載のレーザ放電管。３前記放電陽極は、金属製のピン状電極であつ
て、前記溝に連通する前記中空部に穿けられた陽
極挿入孔を介して前記溝内に配置されている特許
請求の範囲第１項記載のレーザ放電管。４前記放電陽極は、金属製の円環状のプレート
であつて、前記溝内に配置され、隣接する溝内に
配置された円環状陽極は、前記放電陰極に穿けら
れた陽極挿入孔を介して挿入された支持電極によ
つて支持され互に接続されている特許請求の範囲
第１項記載のレーザ放電管。５前記放電陽極のひだ部間の溝の幅ｗは中空部
の直径Ｄよりも小さく、ｄ(j)＝（1.25／A.P）・ln〔１＋（１／reff(j)）〕（Ａ：タウンゼントＡ係数、Ｐ：放電気体の圧
力、reff(j)：電荷発生係数、ｊ：電流密度）で表
わされる。陰極暗部長（ｄ(j)）の略２倍よりも大きく定め
られている特許請求の範囲第１項記載のレーザ放
電管。６前記放電陽極の表面から前記放電陰極の表面
までの間隔ｇは、ｄ（ｏ）＝（1.25／A.P）・ln〔１＋（１＋reff（ｏ））〕（Ａ：タウンゼント係数、Ｐ：放電気体の圧
力、reff：電荷発生係数）で表わされる陽極イオ
ンのみの場合のｒ係数に対して与えられる陰極暗
部長ｄ（ｏ）より小さく定められている特許請求
の範囲第１項記載のレーザ放電管。７前記電源から電圧が印加されている前記放電
電極と前記放電陰極とから１組の電極対が構成さ
れ、前記放電気体が充填されている前記放電容器
内に複数組の電極対が前記光路に沿つて配列され
ている特許請求の範囲第１項記載のレーザ放電
管。８前記放電気体は重原子蒸気を含む複合気体で
あつて、該重原子蒸気が前記放電容器の一端に設
けられた金属溜めから供給され、前記複数組の電
極対の各放電陰極には隣接する放電陰極との間に
電位差を生じるように前記電源から電圧が印加さ
れ、前記光路に沿う電界に基づくカタフオレシス
効果によつて前記重原子蒸気が陰極間を移送され
る特許請求の第７項記載のレーザ放電管。９前記放電容器はガラス製容器である特許請求
の範囲第１項記載のレーザ放電管。１０前記放電容器はセラミツク容器と金属容器
とを組み合わせた金属セラミツク容器である特許
請求の範囲第１項記載のレーザ放電管。