TW201301694A

TW201301694A - 氣體雷射裝置

Info

Publication number: TW201301694A
Application number: TW100125938A
Authority: TW
Inventors: Yoichi Tanino; Junichi Nishimae; Tatsuya Yamamoto; Shuichi Fujikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-01-01
Also published as: US8885684B2; KR20140015552A; DE112011105360B4; DE112011105360T5; US20140112362A1; TWI495214B; WO2012176253A1; KR101518164B1

Abstract

本發明之CO2氣體雷射裝置係將以脈衝寬度100ns以下的短脈衝進行重複振盪所得的CO2雷射光放大，並且利用強制對流使連續放電激發的CO2雷射氣體循環，藉以進行上述CO2雷射氣體的冷卻者，其中，放大的CO2雷射光的光軸與CO2雷射氣體的強制對流的流動方向所成的角度θ，係由供放電激發CO2雷射氣體的空間的放電剖面積與放電長度來決定。依此構成，脈衝雷射的放大率得以增大，而可實現平均輸出極大的脈衝雷射光。

Description

氣體雷射裝置

本發明係關於一種使用包含CO₂的雷射氣體(laser gas)的脈衝(pulse)雷射技術。

屬於脈衝寬度100ns以下的短脈衝CO₂雷射的放大器，且藉由強制對流將連續(CW)放電激發的CO₂雷射氣體來進行冷卻的CO₂雷射放大器中，因強制對流所形成的氣體流的方向，與所放大的雷射光的光軸為實質上相同的方向(參照例如專利文獻1)。亦即，習知技術中，二氧化碳氣體雷射係使用高速軸流型的二氧化碳氣體雷射(參照例如非專利文獻1)。

在高速軸流型的二氧化碳氣體雷射中，雷射氣體係在圓筒形狀的放電管中激發。雷射氣體則由圓筒管的其中一端流向另一端。雷射光的光軸亦與圓筒管的中心軸呈平行。亦即，係屬於雷射氣體流的方向與光軸呈平行的構成。所稱之雷射氣體流的方向，係指存在於由放電電極的形狀所決定的放電區域內的雷射氣體中大部分的雷射氣體的流動方向。以下只要沒有特別說明，所謂氣體流的方向即指該涵義。

將二氧化碳氣體雷射作為放大器使用時，只要將共振器鏡(mirror)置換成窗(window)即可。亦即，由振盪器所輸出的雷射光係在前述放大器中由所激發的雷射氣體予以放大。雷射氣體係藉由強制對流將CO₂雷射氣體進行冷卻，而藉由強制對流所形成的氣體流的方向，與所放大的雷射光的光軸為實質上相同的方向。

在專利文獻1中，係將輸出10W的脈衝CO₂雷射配置在振盪區，在放大區則配置有2台CW(連續波)-CO₂雷射。振盪區的脈衝CO₂雷射可以較高的重覆頻率(例如100kHz)產生脈衝光。在該例中，振盪區的脈衝CO₂雷射係以橫向模式(mode)且單一(single)模式進行動作，而產生波長為10μm左右的雷射光束(beam)。由振盪區的脈衝CO₂雷射射入至放大區的CW-CO₂雷射的低輸出脈衝光，則係在二氧化碳氣體雷射內行進而予以放大，聚光性高且能量(energy)亦高的雷射光束係由放大區的CW-CO₂雷射予以輸出。

此外，將作為振盪器使用時的額定5kW的雷射2台與額定15kW的雷射1台串聯連接提供放大效應，以將平均輸入10W、脈衝寬度15ns的脈衝雷射放大時，所放大的脈衝的平均輸出為約2kW的技術內容亦經公開揭示(參照例如非專利文獻2)。

(先前技術文獻) (專利文獻)

(專利文獻1)日本特開2003-92199號公報

(專利文獻2)日本特開昭60-028288號公報

(非專利文獻)

(非專利文獻1)Igor V. Fomendov,et al.,Proceedings of the SPIE,Volume 6517,65173J,2007年，第2節

(非專利文獻2)Tatsuya Ariga,et al.,Proceedings of the SPIE,Volume 6151,61513M,2007年，3.2節

(非專利文獻3)M. Kuzumoto,et al.,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol. 27,No. 3,p.471(1991)

習知的CO₂雷射放大器有脈衝雷射的放大率較小的課題。在本發明中，係以提供一種脈衝雷射的放大率較大的CO₂雷射裝置為課題。具體而言，本課題在提供一種當用作振盪器時，係使用具有額定5kW之輸出的CO₂雷射1台來構成本發明之放大器，在將脈衝寬度10ns級(order)、重複頻率100kHz、平均輸出10W的脈衝雷射光予以放大時，所放大的脈衝的平均輸出為超過2kW者。

此外，另發現在習知的放大器中，由於雷射氣體流係與光軸大致平行，因此雷射氣體沿著放電區域的長邊流動，故雷射氣體容易被加熱。在典型的情形下，會有約100度的雷射氣體的溫度上升的情形。

因此，在本發明中，為了抑制上述雷射氣體的溫度上升，而提供一種CO₂氣體雷射裝置，其係以脈衝寬度100ns以下的短脈衝進行重複振盪而將CO₂雷射光放大且將CO₂雷射氣體進行冷卻的CO₂氣體雷射裝置，其中，上述所放大的CO₂雷射光的光軸與上述CO₂雷射氣體的強制對流的流動方向所形成之角度θ(其中，角度θ係定義為0度以上、90度以下)，係由供放電激發上述CO₂雷射氣體的空間的放電剖面積與放電長度來決定。

尤其是，在本發明中，藉由將上述所放大的CO₂雷射光的光軸與上述強制對流的流動方向，設為由上述放電剖面積與上述放電長度所決定的預定角度以上的不同方向，而使雷射氣體沿著放電區域的短邊流動(沿著短邊流動的目標，係設在雷射氣體橫貫放電區域的長度小於放電區域的體積的立方根)與習知技術相比較，本發明得以抑制雷射氣體溫度的上升(溫度上升估計為數10度)。

雷射媒質的小訊號增益(小訊號增益係指輸入無限接近零時的每單位長度的放大率，例如本文所示，若使用kW級的雷射來將輸入10W的雷射光放大時，放大率的大小可考慮為依小訊號增益的大小來決定)，係媒質氣體溫度愈上升其值愈降低。例如在CO₂雷射中，係與媒質氣體溫度的2.5次方成反比(參照非專利文獻3的Fig.2)。在氣體雷射中，以媒質氣體的溫度上升較小者為宜。

如上所述，在本發明中，目的在藉由將上述所放大的CO₂雷射光的光軸與上述強制對流的流動方向設在由上述放電剖面積與上述放電長度所決定的預定角度以上的不同方向，來抑制雷射氣體的溫度上升，而提供一種放大率較大(例如使用作為振盪器時，使用具有額定5kW之輸出的CO₂雷射媒質來構成本發明之放大器，而在將脈衝寬度10ns級、重複頻率100kHz、平均輸出10W的脈衝雷射光予以放大時，經放大的脈衝的平均輸出會超過2kW)的CO₂雷射裝置。

藉由如此構成，可提供脈衝雷射的放大率較大的裝置。例如，安裝適當的共振器鏡作為振盪器來使用時，係使用具有額定5kW之輸出的CO₂雷射媒質來構成本發明之放大器，而將脈衝寬度10ns級、重複頻率100kHz、平均輸出10W的脈衝雷射光予以放大時，具有經放大的脈衝的平均輸出超過2kW的效果。

本申請案係以2011年6月20日在日本申請的國際專利申請案PCT/JP2011/064014號為優先權基礎案，其揭示內容已經參照並編入本案中。

以下參照圖示說明較佳實施形態。

(實施形態1)

第1圖係顯示本發明之脈衝CO₂雷射放大器的斜視圖。

在第1圖中，放電電極係由上側的放電電極11a、下側的放電電極11b所構成。對上側的放電電極11a、下側的放電電極11b安裝有導管(duct)兼窗保持具(holder)15a、15b。在導管兼窗保持具15b安裝有導管16b，在導管16b安裝有熱交換器14，在熱交換器14安裝有送風機(blower)13，在送風機13安裝有導管16a。此外，在導管兼窗保持具15a安裝有脈衝輸入側的窗12a，在導管兼窗保持具15b安裝有脈衝輸出側的窗12b。

在第1圖中，雷射氣體係在由成對的放電電極11a、11b所界定的放電區域D中，實質上連續(CW)地予以放電激發。放電激發係藉由在放電電極11a、11b間施加交流電壓來進行。

本實施例的脈衝CO₂雷射放大器係將具有10ns級的脈衝寬度的脈衝CO₂雷射光予以放大。

雷射氣體受到放電激發時，其溫度會因分子與電子的衝撞等而上升。為了使雷射正常地動作，必須將雷射氣體的溫度保持在某溫度以下。因此，雷射氣體要藉送風機13的作用而施以強制對流使之循環，並藉熱交換器14進行冷卻。強制對流的流路係導管兼窗保持具15a、15b、及導管16a、16b，而由送風機13所送出的雷射氣體則依序通過導管16a的內部、導管兼窗保持具15a、由放電電極11a、11b所界定的放電區域、導管兼窗保持具15b、導管16b的內部、熱交換器14，再返回至送風機13的結構。

分別使脈衝輸入側的窗12a保持在導管兼窗保持具15a，脈衝輸出側的窗12b則保持在導管兼窗保持具15b。

此外，雷射氣體係以壓力約50Torr密封在由送風機13、熱交換器14、放電電極11a、11b、導管16a、16b、窗保持具15a、15b、窗12a、12b所封閉的空間。

在本實施形態中，係使放電激發空間中的強制對流的氣體流G的方向，設為相對於放大雷射光B的光軸為不同的方向。

在如上所構成的脈衝CO₂雷射放大器中，具有10ns級之脈衝寬度的脈衝CO₂雷射光係通過窗12a而導入至由放電電極11a、11b所界定的放電區域D。脈衝雷射光B係在放電區域D予以放大之後，再通過窗12b予以取出。

在如前所述地構成的脈衝CO₂雷射放大器中，比起習知的放大器，可以抑制雷射氣體溫度上升，其理由說明如下。

在第2圖中已明示本發明之放大器(參照第1圖)放電區域周邊，且進行各長度/面積之定義。亦即，關於放電區域，係將光軸方向的長度(放電長)設為L，與光軸呈垂直的剖面積，亦即放電剖面面積(與放電剖面積相同)設為S_D，雷射光束剖面面積設為S_r，雷射氣體流的氣體流路剖面面積設為S，光軸與氣體流(在此係指雷射氣體流的方向)所成角度設為θ(其中，角度θ係定義在0度以上、90度以下)。

以下，在本發明之構成與習知構成中，將對雷射光束施行放大的區域投入相同的放電電力W_di時的雷射氣體的溫度上升程度作比較。

首先，說明本發明構成的情形。在第2圖中，考慮對雷射光束施行放大的區域(雷射光束剖面面積S_r×放電長度L的圓柱區域)投入W_di的放電電力之情形。在該圖中，係將放電剖面形狀設為D_c，面積設為S_D，氣體流路剖面形狀設為G_c，面積設為S。為了儘可能地確保有效率的氣體流路，放電空間係設成長方體形狀。茲就作為進行放電電力不會浪費的有效率放大所需的情況(case)，考量圓形雷射光束的直徑與放電剖面的邊長為大致相等的狀態，亦即在雷射光束剖面積：S_r≒(π/4)×放電剖面積S_D時的動作，並進行以下的探討。

為了進行放電電力不會浪費的有效率放大，係以雷射光束佔放電空間的體積愈接近100%愈佳為條件。若將雷射光束形成為與放電剖面相一致的四角形，則雷射光束佔放電空間的體積即成為100%，屬於最不會浪費放電電力的結構。

但是，另一方面，為了將由振盪器所射出的圓形雷射光束形成為四角形，必須要有昂貴的光學系統，因此將四角形的雷射光束予以放大並不切實際。因此，如前所述，以雷射光束為圓形的條件，以雷射光束佔放電空間的體積達到最大的條件來進行探討。

若將供給至放電空間(放電剖面積S_D×放電長L的長方體)整體的放電電力設為W_d時，雷射放電會在放電空間內形成均勻的放電場，因此

W_di=(π/4)×W_d　…(式1)。

此外，將氣體流量設為Q[m³/s]，氣體的體積比熱設為C[J/m³K]，穿過放電場時的氣體溫度上升設為ΔT[K]時，一般會成立下式(2)的關係：

W_d=C‧Q‧ΔT　…(式2)。

此外，關於氣體流量，會成立下式(3)的關係

Q=S‧v　…(式3)

(S係氣體流路的剖面積[m²]，v係氣體的流速[m/s])。此外，

S=Sqrt(S_D)‧L‧Sinθ　…(式4)

(Sqrt()為平方根，以下同)。由(式1)(式2)(式3)(式4)可得氣體溫度上升為

ΔT=(4/π)W_di/(C‧Sqrt(S_D)‧L‧v‧Sinθ)　…(式5)。

另一方面，在第3圖所示之習知的一般放大器之例中，與前述相同地，對供雷射光束放大的區域(雷射光束剖面積S_r×放電長度L的圓柱)投入W_di的放電電力的情形加以考慮。在該圖中，氣體流路剖面(形狀為G_c)的剖面積S係與放電剖面(形狀為G_c)的剖面積S_D相等，而且與雷射光束剖面積S_r大致相等。

以儘可能進行有效率放大的情況而言，可考慮圓形雷射光束在實質上與放電剖面相一致的狀態，亦即S_r=S_D的狀態，並進行以下的探討。

將供給至放電空間(放電剖面積S_D×放電長度L的圓柱)整體的放電電力設為W_d時，則

W_di=W_d　…(式6)。

此外，

W_d=C‧Q‧ΔT　…(式2)

係同樣地成立。關於氣體流量，由於雷射氣體流與光軸大致平行地在放電管內流動，因此成為

Q=S‧v=S_D‧v　…(式3a)。

由(式6)(式2)(式3a)可得氣體溫度上升為

ΔT=W_di/(C‧S_D‧v)　…(式7)。

將習知例之氣體溫度上升(式7)及本發明之氣體溫度上升(式5)歸納在第4圖的曲線圖(graph)。在第4圖之曲線圖中，橫軸係為雷射的光軸與氣體流的方向所成角度(單位：度)，縱軸係雷射氣體溫度上升(任意尺度)。以ΔT_a所示之虛線係表示習知例的溫度上升，以ΔT所示之實線則表示本發明之溫度上升。將習知例之氣體溫度上升(式7)及本發明之氣體溫度上升(式5)作比較時，相對於放大雷射光束，若將雷射氣體流路設成為與具有(式8)所示角度的不同方向，則可在相同於習知例的放電電力投入至供放大雷射光束的區域時，使雷射氣體溫度的上升小於習知例(參照第4圖)。

θ≧arcsin(4/π×Sqrt(S_D)/L)　…(式8)

在第4圖中，屬於角度臨限值的(式8)的右邊係以θ₁表示。

由於雷射媒質的小訊號增益係隨著媒質氣體溫度愈上升而愈降低，因此，藉由本發明，可提供一種雷射媒質之小訊號增益較大的脈衝CO₂雷射放大器。在本發明之構成中，小訊號增益為約3(1/m)。

茲舉一例，作為振盪器使用時，使用具有額定5kW之輸出的CO₂雷射媒質來構成本發明之放大器，並將脈衝寬度10ns級、重複頻率100kHz、平均輸出10kW的脈衝雷射光放大時，藉由該放大器，輸出增加了4kW，經放大的脈衝的平均輸出為14kW。

其中，放電剖面積S_D=5cm×5cm、放電長度L=20cm時，若將強制對流的氣體流的方向、與放大雷射光的光軸所成角度θ設成為19度以上，則可形成放大性能比習知技術更為優異的脈衝CO₂雷射放大器。此外，當將θ設為90度時，即成為發揮最大效果的結構。

(實施形態2)

使用第5圖說明實施形態2如下。

本實施形態2之脈衝CO₂雷射放大器係將具有平均輸出10W、脈衝寬度10ns的脈衝CO₂雷射光予以放大。在第5圖中，放電電極係由上側的放電電極21a、與下側的放電電極21b所構成，且對上側的放電電極21a、下側的放電電極21b安裝有導管兼窗保持具25a、25b。在導管兼窗保持具25b安裝有導管26b，在導管26b安裝有熱交換器24，在熱交換器24安裝有送風機23，在送風機23安裝有導管26a。此外，在導管兼窗保持具25a安裝有脈衝輸入側的窗22a及反射鏡27a，在導管兼窗保持具25b安裝有脈衝輸出側的窗22b及反射鏡27b。

在第5圖中，放電電極21a、21b、窗22a、22b、送風機23、熱交換器24、導管兼窗保持具25a、25b、導管26a、26b係與前述實施形態1相同，故省略相關的說明。反射鏡27a、27b係設置成用以使被導入至放電電極21a、21b間之放電區域的脈衝雷射光B的前進路徑折返。

在本實施形態2中，亦將強制對流的氣體流G的方向形成為與放大雷射光的光軸不同的方向。

在依此方式構成的脈衝CO₂雷射放大器中，具有10ns級之脈衝寬度的脈衝CO₂雷射光係通過窗22a而導入至放電區域。脈衝雷射光B係藉由反射鏡27a、27b依序折返，且沿著呈Z字形的路徑(path)前進。脈衝CO₂雷射光沿著Z型路徑前進的期間，會在放電電極21a、21b間的放電區域被放大，然後通過窗22b而取出至框體外。

第7圖係顯示本發明實施形態2之功能說明圖。上述構成係具有：由窗22a至反射鏡27b的光路1、由反射鏡27b至反射鏡27a的光路2、及由反射鏡27a至窗22b的光路3。在第7圖中，以P1、P2、P3所示之粗虛線或粗實線係表示各光路中的雷射光束的中心線，細虛線係表示各光路中的雷射光束半徑位置(雷射光束區域的外緣)。光路1與光路2係在陰影線(hatching)部分共有相同的空間，光路2與光路3亦同樣地具有共有相同空間的部分。光路1與光路3並未共有相同的空間。在上述構成中，與各光路中陰影線的部分相對應(佔有陰影線部分)的光路長度係比與未畫陰影線的部分相對應(佔有未畫陰影線的部分)的光路長為短。在上述中，光路長度係意指各光路中的雷射光束的中心線的長度。

在此種構成的脈衝CO₂雷射放大器中，可比習知的放大器更能抑制雷射氣體溫度上升。茲將其說明如下。

將本發明之放大器(參照第5圖)的放電區域周邊明示在第6圖，且定義各長度/面積。在第6圖的左端顯示以與光路呈垂直的平面將放電區域切開的剖面，並描繪出放電剖面(該放電剖面的形狀為D_c，面積為S_D)與雷射光束剖面(該雷射光束剖面的形狀為B_c，面積為S_r)。

茲考量在本發明之放大器(參照第6圖)中，對雷射光束被放大的區域(雷射光束剖面積S_r×放電長度L的圓柱×2)投入W_di的放電電力之情形。為了進行安定的放電，放電剖面(面積S_D)的形狀形成為正方形。此外，就作為用以進行放電電力不會浪費之有效率放大的情況，考量在圓形的雷射光束實質上與放電剖面的上下端相接的狀態(參照第6圖)，亦即在雷射光束剖面積：S_r≒π/8×放電剖面積(放電剖面面積)S_D下的動作，並進行以下之探討。

將供給至放電空間(放電剖面積S_D×放電長度L的長方體)整體的放電電力設為W_d時，在雷射放電中會在放電空間內形成有均勻的放電場，因此為

W_di=(π/8)×W_d　…(式1a)

。此外，若將氣體流量設為Q[m³/s]，氣體的體積比熱設為C[J/m³K]，穿過放電場時的氣體的溫度上升設為ΔT[K]時，一般會成立下式(2)之關係。

W_d=C‧Q‧ΔT　…(式2)。

此外，關於氣體流量，則會成立

Q=S‧v　…(式3)

(S為氣體流路的剖面積[m²)，v為氣體的流速[m/s))。此外，

S=Sqrt(S_D)‧L‧Sinθ　…(式4)

。由(式1a)(式2)(式4)(式3)可得氣體溫度上升為

ΔT=(8/π)W_di/(C‧Sqrt(S_D)‧L‧v‧Sinθ)　…(式5a)。

另一方面，在習知的一般放大器例(參照第3圖)中，考量與前述相同地對雷射光束的放大區域(雷射光束剖面積S_r×放電長度L的圓柱)投入W_di的放電電力。以儘可能進行有效率的放大情況而言，可考慮圓形的雷射光束在實質上與放電剖面相一致的狀態，亦即S_r=S_D的狀態，並進行以下的探討。

將供給至放電空間(放電剖面積S_D×放電長度L的圓柱)整體的放電電力設為W_d時，為

W_di=W_d　…(式6)

。此外，

W_d=C‧Q‧ΔT　…(式2)

會同樣成立，關於氣體流量，由於雷射氣體流係與光軸大致平行地在放電管內流動，因此成為

Q=S‧v=S_D‧v　…(式3a)。

由(式6)(式2)(式4)(式3a)可得氣體溫度上升為

ΔT=W_di/(C‧S_D‧v)　…(式7)。

將習知例的氣體溫度上升(式7)與本項的氣體溫度上升(式5a)作比較，在本發明之構成中，相對於放大雷射光束，若使雷射氣體流路形成為具有角度

θ≧arcsin(8/π×Sqrt(S_D)/L)　…(式8a)

的不同方向，將相同於習知例的放電電力投入在雷射光束的放大區域時，雷射氣體溫度的上升可得以減小。

由於媒質氣體溫度愈上升，則雷射媒質的小訊號增益愈降低，因此藉由本發明，可提供一種雷射媒質的小訊號增益較大的脈衝CO₂雷射放大器。

例如，使用作為振盪器時，使用具有額定5kW之輸出的CO₂雷射媒質來構成本發明之放大器，當將脈衝寬度10ns級、重複頻率100kHz、平均輸出10W的脈衝雷射光放大時，所放大的脈衝的平均輸出為約2kW。

其中，在放電剖面積S_D=5cm×5cm、放電長度L=20cm的情形中，若將強制對流的氣體流的方向、與放大雷射光的光軸所成角度θ形成為40度以上，即成為放大性能比習知技術更優異的脈衝CO₂雷射放大器。此外，若將θ設為90度時，即成為發揮最大效果的構成。

此外，在脈衝寬度10ns級、重複頻率100kHz的情形中，以平均輸出10W級之功率(Power)較小的輸入而言，由於放大器的增益為g₀(g₀=每單位長度的小訊號增益)×(雷射光束與媒質的相互作用長度)，故藉由使雷射光束在同一媒質的不同位置通過2次以上，即可使雷射光束與媒質的相互作用長度加長，且可使功率較小的雷射光束比習知方式更能高效率予以放大。

亦即，本發明之效果在於在可將比習知技術更大的電力投入在雷射光束被放大的區域的構成中，將功率較小的雷射光束以比習知方式更高的效率進行放大。

其中，在上述實施例中，脈衝CO₂雷射光係沿著Z字狀路徑予以放大，但是脈衝CO₂雷射亦可以Z字狀以外的折返路徑形狀來放大。此外，亦可為在入射至放大器之前，設為複數旳脈衝雷射光束，各個的脈衝雷射光束在放大器中並聯放大的構成。即使為前述之使用Z型以外的折返路徑的構成或在放大器中並聯放大的構成，亦可達成與本實施例相同的效果。

(實施形態3)

第8圖係顯示本發明實施形態3中的脈衝CO₂雷射放大系統例圖。在第8圖中，脈衝放大器31及32係在實施形態2中所述之脈衝放大器，脈衝放大器33、34、35係表示在實施形態1中所述之脈衝放大器。

使具有平均輸出10W、脈衝寬度10ns的脈衝CO₂雷射光依序通過：脈衝CO₂雷射放大器31、雷射光束整形光學系統36、脈衝CO₂雷射放大器32、雷射光束整形光學系統37、脈衝CO₂雷射放大器33、雷射光束整形光學系統38、脈衝CO₂雷射放大器34、雷射光束整形光學系統39、脈衝CO₂雷射放大器35而予以放大，最後獲得平均輸出20kW的CO₂雷射光。雷射光束整形光學系統36、37、38、39分別具有對後續的脈衝CO₂雷射放大器32、33、34、35供給實施形態1及實施形態2中所說明的最佳大小的雷射光束的作用。

在實施形態3中，各段所配置的脈衝放大器31、32、33、34、35的放電區域的尺寸為相等。因此，將前段所配置的實施形態2(參照第5圖)的脈衝放大器、與後段所配置的實施形態1(參照第1圖)的脈衝放大器作比較時，與實施形態1的裝置相比，實施形態2的裝置，其雷射光束的剖面積為1/4，雷射光束與媒質(放電激發雷射氣體)的相互作用長度為約3倍。

亦即，若考慮假設將相同功率的雷射光束以實施形態1或實施形態2進行放大時，與實施形態1的裝置相比，實施形態2的裝置之雷射光束的光強度為4倍，雷射光束與媒質(放電激發雷射氣體)的相互作用長度為約3倍。

在實施形態1及實施形態2中，飽和強度為1kW級，因此將比飽和強度更充分低的平均輸出10W級的脈衝予以放大時，增益的飽和幾乎可以忽略，因此與實施形態1的裝置相比，相互作用長度為約3倍的實施形態2的裝置，其放大率會高達數倍。

另一方面，在將功率等於或大於飽和強度的雷射光束進行放大時，增益飽和的影響會有意義地存在，而實施形態1的裝置的放大率會高達數倍。

在本實施形態中，將適於輸出數10W等級之雷射光束的放大性能的實施形態2的脈衝放大器配置在前段，將適於輸出數kW等級之雷射光束的放大性能的實施形態1的脈衝放大器配置在後段，可使放大系統整體效率化。

其中，在本實施形態中，係以5台串聯構成放大系統，但是若為將包含實施形態1或實施形態2的放大器2個以上放大器串聯連接所構成的放大器，亦可達成相同的效果。

(實施形態4)

第9圖係顯示本發明實施形態4中的脈衝CO₂雷射放大系統例圖。在第9圖中，脈衝放大器31、32、41、42係在實施形態2中所述之脈衝放大器，脈衝放大器33、34、35、43、44、45係表示實施形態1中所述之脈衝放大器。

具有平均輸出10W、脈衝寬度10ns的脈衝CO₂雷射光入射至分束器30，並分割成輸出5W的2條雷射光束。前述2條雷射光束中的1條雷射光束係依序通過脈衝CO₂雷射放大器31、雷射光束整形光學系統36、脈衝CO₂雷射放大器32、雷射光束整形光學系統37、脈衝CO₂雷射放大器33、雷射光束整形光學系統38、脈衝CO₂雷射放大器34、雷射光束整形光學系統39、脈衝CO₂雷射放大器35而予以放大，最後得獲得平均輸出約20kW的CO₂雷射光。前述2條雷射光束中的另1條雷射光束則依序通過脈衝CO₂雷射放大器41、雷射光束整形光學系統46、脈衝CO₂雷射放大器42、雷射光束整形光學系統47、脈衝CO₂雷射放大器43、雷射光束整形光學系統48、脈衝CO₂雷射放大器44、雷射光束整形光學系統49、脈衝CO₂雷射放大器45予以放大，最後則獲得平均輸出約20kW的CO₂雷射光。雷射光束整形光學系統36、37、38、39、46、47、48、49係具有分別對後續的脈衝CO₂雷射放大器32、33、34、35、42、43、44、45供給實施形態1及實施形態2中所說明的最佳直徑的雷射光束的作用。

在實施形態4中，各段所配置的脈衝放大器31、32、33、34、35、41、42、43、44、45的放電區域的尺寸為相等。因此，將配置於前段的實施形態2(參照第5圖)的脈衝放大器、與配置於後段的實施形態1(參照第1圖)的脈衝放大器作比較時，與實施形態1的裝置相比，實施形態2的裝置的雷射光束的剖面積為1/4，雷射光束與媒質(放電激發雷射氣體)的相互作用長度為約3倍。

亦即，若考慮假設將相同功率的雷射光束以實施形態1或實施形態2進行放大，與實施形態1的裝置相比，實施形態2的裝置，其雷射光束的光強度為4倍，雷射光束與媒質(放電激發雷射氣體)的相互作用長度為約3倍。

在實施形態1及實施形態2中，飽和強度為1kW級，因此在將比飽和強度更為充分低的平均輸出10W級的脈衝放大時，增益的飽和幾乎可以忽略，因此與實施形態1的裝置相比，相互作用長度為約3倍的實施形態2的裝置，其放大率會高達數倍。

另一方面，將功率等於或大於飽和強度的雷射光束予以放大時，增益飽和的影響會有意義地存在，而實施形態1的裝置之放大率則會高達數倍。

在本實施形態中，將適於輸出數10W等級(class)之雷射光束的放大性能的實施形態2的脈衝放大器配置在前段，將適於輸出數kW等級之雷射光束的放大性能的實施形態1的脈衝放大器配置在後段，可使放大系統整體效率化。

此外，在本實施形態中，雖振盪器未描繪在第9圖中，但在第9圖中，係將產生放大前脈衝雷射光的1台振盪器的雷射光束作分割，且並聯地放大，振盪器為1台。另一方面，實施形態3的系統準備2組時，需要2台振盪器。本實施形態中，其輸出係與準備了2組實施形態3的系統時為相同，亦即約20kW的雷射光束2條，故與準備2組實施形態3的系統時相比，可由少1台振盪器的構成獲得。振盪器由於包含光學結晶，因此比放大器更為昂貴。在本實施形態中，與準備了2組實施形態3的系統時相比，提供了較為廉價的系統。

其中，在本實施形態中，係以5台串聯×2並聯來構成放大系統，但若為將包含實施形態1或實施形態2的放大器的2台以上放大器串聯或並聯連接所構成的放大器，則可達成相同的效果。

1、2、3．．．光路

11a、11b、21a、21b．．．放電電極

12a、12b、22a、22b．．．窗

13、23．．．送風機

14、24．．．熱交換器

15a、15b、25a、25b．．．導管兼窗保持具

16a、16b、26a、26b．．．導管

27a、27b．．．反射鏡

30．．．分束器

31～35、41～45．．．脈衝CO₂雷射放大器

36～39、46～49．．．雷射光束整形光學系統

B．．．脈衝雷射光

B_c．．．雷射光束剖面形狀

D．．．放電區域

D_c．．．放電剖面形狀

G．．．氣體流

G_c．．．氣體流路剖面形狀

L．．．光軸方向的長度(放電長度)

θ．．．光軸與氣體流所成角度

第1圖係本發明實施形態1之脈衝CO₂雷射放大器的斜視圖。

第2圖係本發明實施形態1之脈衝CO₂雷射放大器的功能部分說明圖。

第3圖係顯示一般的脈衝CO₂雷射放大器例的斜視圖。

第4圖係顯示使用習知例與本發明之脈衝CO₂雷射放大器時的雷射氣體溫度上升的比較圖。

第5圖係本發明實施形態2之脈衝CO₂雷射放大器的斜視圖。

第6圖係本發明實施形態2之脈衝CO₂雷射放大器的功能部分說明圖。

第7圖係本發明實施形態2之脈衝CO₂雷射放大器的功能部分的其他說明圖。

第8圖係顯示本發明實施形態3之脈衝CO₂雷射放大系統(system)例的方塊(block)圖。

第9圖係本發明實施形態4之脈衝CO₂雷射放大系統例的方塊圖。

11a、11b．．．放電電極

12a、12b．．．窗

13．．．送風器

14．．．熱交換器

15a、15b．．．導管兼窗保持具

16a、16b．．．導管

B．．．脈衝雷射光

D．．．放電區域

G．．．氣體流

Claims

一種CO₂氣體雷射裝置，係將以脈衝寬度100ns以下的短脈衝進行重複振盪的CO₂雷射光予以放大的CO₂氣體雷射裝置，且藉由強制對流使連續放電激發的CO₂雷射氣體進行循環，藉以進行上述CO₂雷射氣體的冷卻者，其特徵為：上述所放大的CO₂雷射光的光軸與上述CO₂雷射氣體的強制對流的流動方向所成之角度θ(0度≦θ≦90度)，係由供放電激發上述CO₂雷射氣體的空間的放電剖面積與放電長度來決定。
如申請專利範圍第1項所述之CO₂氣體雷射裝置，其中，上述所放大的CO₂雷射光的光軸與上述強制對流的流動方向，係設為由上述放電剖面積與上述放電長度所決定之預定角度以上的不同方向。
如申請專利範圍第2項所述之CO₂氣體雷射裝置，其中，將上述放電剖面積設為S_D、上述放電長度設為L時，上述預定的角度θ為arcsin(4/π×Sqrt(S_D)/L)。
如申請專利範圍第2項所述之CO₂氣體雷射裝置，其中，將上述放電剖面積設為S_D、上述放電長度設為L時，上述預定的角度θ為arcsin(8/π×Sqrt(S_D)/L)。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之CO₂氣體雷射裝置，其中，上述CO₂雷射光係在上述CO₂雷射氣體中通過2次以上，該雷射光的光路係包含與其他光路相重疊的光路長度比不相重疊的光路長度為短的2個以上的光路。
如申請專利範圍第1項或第2項所述之CO₂氣體雷射裝置，其中，係將2個以上的放大器串聯或並聯連接、或以串聯與並聯的組合加以連接而構成。