WO2012176253A1

WO2012176253A1 - ガスレーザ装置

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Publication number: WO2012176253A1
Application number: PCT/JP2011/064014
Authority: WO
Inventors: 陽一谷野; 西前　順一; 山本　達也; 藤川　周一
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-27
Also published as: KR101518164B1; US8885684B2; KR20140015552A; TWI495214B; DE112011105360T5; US20140112362A1; DE112011105360B4; TW201301694A

Abstract

　本発明に係るＣＯ_２ガスレーザ装置は、パルス幅１００ｎｓ以下の短パルスで繰り返し発振するＣＯ_２レーザ光を増幅するとともに、連続放電励起されるＣＯ_２レーザガスを強制対流により循環させることによって上記ＣＯ_２レーザガスの冷却を行うものであり、増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸とＣＯ_２レーザガスの強制対流の流れ方向とのなす角度θを、ＣＯ_２レーザガスが放電励起される空間の放電断面積と放電長とで決定する。　こうした構成によりパルスレーザの増幅率が大きくなり、平均出力が極めて大きいパルスレーザ光を実現できる。

Description

ガスレーザ装置

　本発明はＣＯ_２を含むレーザガスを用いたパルスレーザ技術に関するものである。

　パルス幅１００ｎｓ以下の短パルスＣＯ_２レーザの増幅器であって、連続（ＣＷ）放電励起されるＣＯ_２レーザガスを強制対流により冷却するＣＯ_２レーザ増幅器は、強制対流によるガス流の方向が増幅するレーザ光の光軸と実質的に同じ方向であった（例えば特許文献１参照）。すなわち、従来、炭酸ガスレーザには高速軸流型の炭酸ガスレーザが用いられていた（例えば、非特許文献１参照）。

　高速軸流型の炭酸ガスレーザにおいては、円筒形状の放電管の中でレーザガスが励起される。レーザガスは円筒管の片方の端から、もう一方の端へ流される。レーザ光の光軸も円筒管の中心軸に平行である。すなわちレーザガス流の方向と光軸が平行となる構成である。レーザガス流の方向とは、放電電極の形状によって決まる放電領域内に存在するレーザガスのうち、大部分のレーザガスが流れる方向のことを言う。以下、断りのない限り、ガス流の方向とはこの意味を表すこととする。

　炭酸ガスレーザを増幅器として用いるには、共振器ミラーをウィンドウに置きかえればよい。すなわち、発振器から出力されたレーザ光が、前記増幅器の中で励起されたレーザガスで増幅される。レーザガスはＣＯ_２レーザガスを強制対流により冷却し、強制対流によるガス流の方向は、増幅するレーザ光の光軸と実質的に同じ方向である。

　特許文献１においては、出力１０ＷのパルスＣＯ_２レーザを発振段に配置し、増幅段には、２台のＣＷ（連続波）－ＣＯ_２レーザを配置している。発振段のパルスＣＯ_２レーザは、高い繰り返し周波数（例えば、１００ｋＨｚ）でパルス光を発生することが可能である。この例においては、発振段のパルスＣＯ_２レーザが、横モードかつシングルモードで動作し、波長が１０μｍ近傍のレーザビームを発生する。発振段のパルスＣＯ_２レーザから増幅段のＣＷ－ＣＯ_２レーザに入射された低出力のパルス光は、炭酸ガスレーザ内を進行して増幅され、集光性が高くエネルギーも高いレーザビームが、増幅段のＣＷ－ＣＯ_２レーザから出力される。

　また、発振器として用いた場合の定格５ｋＷのレーザ２台と定格１５ｋＷのレーザ１台を直列に接続して増幅し、平均入力１０Ｗ、パルス幅１５ｎｓのパルスレーザを増幅したとき、増幅されたパルスの平均出力が約２ｋＷであると示されている（例えば、非特許文献２参照）。

特開２００３－９２１９９号公報特開昭６０－０２８２８８号公報

Igor V. Fomendov, et al., Proceedings of the SPIE, Volume6517, 65173J, 2007年, 第2節 Tatsuya Ariga, et al., Proceedings of the SPIE, Volume6151, 61513M, 2007年, 3.2節 M. Kuzumoto, et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No.3, p.471(1991)

　従来のＣＯ_２レーザ増幅器は、パルスレーザの増幅率が小さいという課題があった。本発明では、パルスレーザの増幅率が大きいＣＯ_２レーザ装置を提供することを課題とする。具体的には、発振器として用いた場合、定格５ｋＷの出力を有するＣＯ_２レーザ１台を用いて本発明の増幅器を構成し、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１０Ｗのパルスレーザ光を増幅したとき、増幅されたパルスの平均出力が２ｋＷを超えるものを提供することを課題とする。

　また、従来の増幅器において、レーザガス流が光軸とほぼ平行であるために、これに起因してレーザガスが放電領域の長辺に沿うように流れるため、レーザガスが加熱されやすいことを見出した。典型的な場合においては、約１００度のレーザガスの温度上昇がある。

　そこで本発明においては、上記レーザガスの温度上昇を抑制するため、パルス幅１００ｎｓ以下の短パルスで繰り返し発振するＣＯ_２レーザ光を増幅するＣＯ_２ガスレーザ装置であってＣＯ_２レーザガスの冷却を行うものにおいて、上記増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸と上記ＣＯ_２レーザガスの強制対流の流れ方向とのなす角度θ（但し、角度θは０度以上９０度以下で定義される）を、上記ＣＯ_２レーザガスが放電励起される空間の放電断面積と放電長とで決定する構成とした。

　特に、本発明においては、上記増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸と上記強制対流の流れの方向を上記放電断面積と上記放電長とで決まる所定の角度以上の異なる方向とすることによって、レーザガスが放電領域の短辺に沿って流れる（短辺に沿って流れることの目安は、レーザガスが放電領域を横切る長さが放電領域の体積の３乗根より小さいこと）ようにして、従来と比較してレーザガス温度の上昇を抑制する（温度上昇は数１０度と見積もられる）ものである。

　レーザ媒質の小信号利得（小信号利得とは入力が限りなく零に近いときの単位長さあたりの増幅率であり、例えば本文のように、ｋＷ級のレーザを用いて入力１０Ｗのレーザ光を増幅する場合、増幅率の大小は小信号利得の大小によって決まると考えて差し支えない。）は、媒質ガス温度が上昇するほど低下する。例えばＣＯ_２レーザにおいては媒質ガス温度の２．５乗に反比例する（非特許文献３のFig.2を参照）。ガスレーザにおいて、媒質ガスの温度上昇は小さい方が望ましい。

　本発明では上述のように、上記増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸と上記強制対流の流れの方向を上記放電断面積と上記放電長とで決まる所定の角度以上の異なる方向とすることによって、レーザガスの温度上昇を抑えることにより、増幅率が大きい（例えば発振器として用いた場合、定格５ｋＷの出力を有するＣＯ_２レーザ媒質を用いて本発明の増幅器を構成し、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１０Ｗのパルスレーザ光を増幅したとき、増幅されたパルスの平均出力が２ｋＷを超える）ＣＯ_２レーザ装置を提供することを目的とする。

　本発明によれば、パルスレーザの増幅率が大きい装置を提供することが可能となる。例えば、適切な共振器ミラーを取り付け、発振器として用いた場合、定格５ｋＷの出力を有するＣＯ_２レーザ媒質を用いて本発明の増幅器を構成し、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１０Ｗのパルスレーザ光を増幅したとき、増幅されたパルスの平均出力は２ｋＷを超えるものとすることができる効果がある。

本発明の実施の形態１のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の斜視図である。本発明の実施の形態１のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の機能部分説明図である。一般的なパルスＣＯ_２レーザ増幅器の一例を示す斜視図である。従来例と本発明のパルスＣＯ_２レーザ増幅器を用いた場合のレーザガス温度上昇の比較を示す図である。本発明の実施の形態２のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の斜視図である。本発明の実施の形態２のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の機能部分説明図である。本発明の実施の形態２のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の機能部分の別の説明図である。本発明の実施の形態３のパルスＣＯ_２レーザ増幅システムの一例を示すブロック図である。本発明の実施の形態４のパルスＣＯ_２レーザ増幅システムの一例を示すブロック図である。

実施の形態１．
　本発明のパルスＣＯ_２レーザ増幅器の斜視図を図１に示す。
　図１において、放電電極は上側の放電電極１１ａ、下側の放電電極１１ｂから構成されている。上側の放電電極１１ａ、下側の放電電極１１ｂに対して、ダクト兼ウィンドウホルダ１５ａ、１５ｂが取り付けられている。ダクト兼ウィンドウホルダ１５ｂにダクト１６ｂが、ダクト１６ｂに熱交換器１４が、熱交換器１４にブロワ１３が、ブロワ１３にダクト１６ａが取り付けられている。また、ダクト兼ウィンドウホルダ１５ａにパルス入力側のウィンドウ１２ａが、ダクト兼ウィンドウホルダ１５ｂにパルス出力側のウィンドウ１２ｂが取り付けられている。
　図１において、レーザガスは対になる放電電極１１ａ、１１ｂによって決まる放電領域Ｄにおいて実質的に連続（ＣＷ）に放電励起されている。放電励起は放電電極１１ａ、１１ｂ間に交流電圧を印加することによって行われる

　本実施例のパルスＣＯ_２レーザ増幅器は１０ｎｓオーダのパルス幅を持つパルスＣＯ_２レーザ光を増幅する。
　レーザガスは放電励起されると分子と電子の衝突等によって温度が上昇する。レーザが正常に動作するためには、レーザガスの温度をある温度以下に保つ必要がある。そのため、レーザガスはブロワ１３の働きで強制対流によって循環させ、熱交換器１４による冷却を行っている。強制対流の流路はダクト兼ウィンドウホルダ１５ａ、１５ｂ、および、ダクト１６ａ、１６ｂであり、ブロワ１３から送り出されたレーザガスがダクト１６ａの内部、ダクト兼ウィンドウホルダ１５ａ、放電電極１１ａ、１１ｂによって決まる放電領域、ダクト兼ウィンドウホルダ１５ｂ、ダクト１６ｂの内部、熱交換器１４を順に通ってブロワ１３に戻ってくる構造である。
　パルス入力側のウィンドウ１２ａはダクト兼ウィンドウホルダ１５ａに、パルス出力側のウィンドウ１２ｂはダクト兼ウィンドウホルダ１５ｂに、それぞれ保持されている。

　また、レーザガスはブロワ１３、熱交換器１４、放電電極１１ａ、１１ｂ、ダクト１６ａ、１６ｂ、ウィンドウホルダ１５ａ、１５ｂ、ウィンドウ１２ａ、１２ｂ、で閉じられた空間に圧力約５０Ｔｏｒｒで封じられている。
　本実施の形態では、放電励起空間中における強制対流のガス流Ｇの方向を、増幅レーザ光Ｂの光軸に対して異なる方向にしている。

　このように構成されたパルスＣＯ_２レーザ増幅器において、１０ｎｓオーダのパルス幅を持つパルスＣＯ_２レーザ光が、ウィンドウ１２ａを通じて放電電極１１ａ、１１ｂによって決まる放電領域Ｄに導入されている。パルスレーザ光Ｂは放電領域Ｄにて増幅されたのち、ウィンドウ１２ｂを通して取り出されている。

　さて、前記のとおり構成されたパルスＣＯ_２レーザ増幅器においては、従来の増幅器よりもレーザガス温度上昇を抑制することが可能である。この理由について以下に説明する。

　本発明の増幅器（図１参照）の放電領域周辺を図２に明示して、各長さ・面積の定義をする。すなわち、放電領域について、光軸方向の長さ（放電長）をＬ、光軸に垂直な断面積、すなわち放電断面の面積（放電断面積に同じ）をＳ_Ｄ、レーザビーム断面の面積をＳ_ｒ、レーザガス流のガス流路断面の面積をＳ、光軸とガス流（ここではレーザガス流の方向）とのなす角度をθとする（但し、角度θは０度以上９０度以下で定義される）。

　以下、本発明の構成と従来構成において、レーザビームが増幅される領域に同じ放電電力Ｗ_ｄｉを投入した場合のレーザガスの温度上昇を比較する。
　まず、本発明の構成の場合。図２において、レーザビームが増幅される領域（レーザビーム断面の面積Ｓ_ｒ×放電長Ｌの円柱の領域）にＷ_ｄｉの放電電力を投入することを考える。この図において、放電断面の形状をＤｃ、面積をＳ_Ｄ、ガス流路断面の形状をＧｃ、面積をＳとしている。できるだけ効率的なガス流路を確保するために、放電空間は直方体形状とし、放電電力を無駄にしない効率的な増幅を行うためのケースとして円形のレーザビームの直径が放電断面の辺の長さとほぼ等しい状態、すなわちレーザビーム断面積：Ｓ_ｒ≒（π／４）×放電断面積Ｓ_Ｄでの動作を考え、以下議論をすすめる。

　放電電力を無駄にしない効率的な増幅を行うためには、放電空間に占めるレーザビームの体積が１００％に近ければ近いほど、よい条件である。レーザビームを放電断面に一致する四角形とすれば、放電空間に占めるレーザビームの体積が１００％となり、放電電力を最も無駄にしない構成である。

　しかし、一方で、発振器から出射される円形のレーザビームを四角形にするために高価な光学系が必要であることから、四角形のレーザビームを増幅することは現実的ではない。そのため、前記のとおり、レーザビームが円形の条件で放電空間に占めるレーザビームの体積が最大となるような条件にて議論を進める。

　放電空間（放電断面積Ｓ_Ｄ×放電長Ｌの直方体）全体に供給される放電電力をＷ_ｄとすると、レーザ放電では放電空間内に均一な放電場が形成されていることから、
　　Ｗ_ｄｉ＝（π／４）×Ｗ_ｄ　　　　　　　　　　　…（式１）
である。

　また、ガスの流量をＱ［ｍ^３／ｓ］、ガスの体積比熱をＣ［Ｊ／ｍ^３Ｋ］、放電場を通り抜ける際のガスの温度上昇をΔＴ［Ｋ］とすると、一般に
　　Ｗ_ｄ＝Ｃ・Ｑ・ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　…（式２）
が成り立つ。

　さらに、ガス流量に関して
　　Ｑ＝Ｓ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式３）
が成り立つ（Ｓはガス流路の断面積［ｍ^２］、ｖはガスの流速［ｍ／ｓ］）。また、
　　Ｓ＝ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）・Ｌ・ｓｉｎθ　　　　　　…（式４）
である（ｓｑｒｔ（）は平方根、以下同様）。（式１）（式２）（式３）（式４）より、ガス温度上昇は
ΔＴ＝（４／π）Ｗ_ｄｉ／（Ｃ・ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）・Ｌ・ｖ・ｓｉｎθ）　…（式５）
である。

　一方、図３に示す従来の一般的な増幅器の例において、前記と同じくレーザビームが増幅される領域（レーザビーム断面積Ｓ_ｒ×放電長Ｌの円柱）にＷ_ｄｉの放電電力を投入することを考える。この図において、ガス流路断面（形状はＧｃ）の断面積Ｓは、放電断面（形状はＧｃ）の断面積Ｓ_Ｄに等しく、かつレーザビーム断面積Ｓ_ｒにほぼ等しい。

　できるだけ効率的な増幅を行うためのケースとして円形のレーザビームが実質的に放電断面に一致する状態、すなわちＳ_ｒ＝Ｓ_Ｄの状態を考え、以下議論をすすめる。
放電空間（放電断面積Ｓ_Ｄ×放電長Ｌの円柱）全体に供給される放電電力をＷ_ｄとすると、
　　Ｗ_ｄｉ＝Ｗ_ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式６）
である。

　また、
　　Ｗ_ｄ＝Ｃ・Ｑ・ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　…（式２）
は同様に成立し、ガス流量に関しては、レーザガス流が光軸とほぼ平行に放電管内を流れるため、
　　Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ_Ｄ・ｖ　　　　　　　　　　　　　…（式３ａ）
となる。

（式６）（式２）（式３ａ）より、ガス温度上昇は
　　ΔＴ＝Ｗ_ｄｉ／（Ｃ・Ｓ_Ｄ・ｖ）　　　　　　　　…（式７）
である。

　従来例のガス温度上昇（式７）および本発明のガス温度上昇（式５）を図４のグラフにまとめた。図４のグラフにおいて、横軸はレーザの光軸とガス流の方向がなす角度（単位：度）、縦軸はレーザガス温度上昇（任意尺度）である。ΔＴ_ａで示した破線が従来例の温度上昇を、ΔＴで示した実線が本発明の温度上昇を示す。従来例のガス温度上昇（式７）および本発明のガス温度上昇（式５）を比較すると、増幅レーザビームに対して、レーザガス流路を下記の（式８）で示す角度だけ異なる方向にすれば、従来例と同じ放電電力をレーザビームが増幅される領域に投入したときのレーザガス温度の上昇を従来例よりも小さくできる（図４参照）。
　　θ≧ａｒｃｓｉｎ（４／π×ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）／Ｌ）　　…（式８）
　角度の閾値である（式８）の右辺を図４ではθ_１として表示した。

　レーザ媒質の小信号利得は、媒質ガス温度が上昇するほど低下するので、本発明により、レーザ媒質の小信号利得の大きいパルスＣＯ_２レーザ増幅器を提供できる。本発明の構成では、小信号利得は約３（１／ｍ）である。

　一例として、発振器として用いた場合定格５ｋＷの出力を有するＣＯ_２レーザ媒質を用いて本発明の増幅器を構成し、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１０ｋＷのパルスレーザ光を増幅したとき、増幅器によって出力が４ｋＷ増加し、増幅されたパルスの平均出力は１４ｋＷである。

　なお、放電断面積Ｓ_Ｄ＝５ｃｍ×５ｃｍ、放電長Ｌ＝２０ｃｍの場合は、強制対流のガス流の方向と、増幅レーザ光の光軸がなす角θを１９度以上とすれば、従来技術よりも増幅性能に優れたパルスＣＯ_２レーザ増幅器となる。また、θを９０度としたときが、最も大きな効果を発揮する構成となる。

実施の形態２．
　実施の形態２について、図５を用いて以下説明する。
　本実施の形態２のパルスＣＯ_２レーザ増幅器は平均出力１０Ｗ、パルス幅１０ｎｓを持つパルスＣＯ_２レーザ光を増幅する。図５において、放電電極は上側の放電電極２１ａ、下側の放電電極２１ｂから構成されている。上側の放電電極２１ａ、下側の放電電極２１ｂに対して、ダクト兼ウィンドウホルダ２５ａ、２５ｂが取り付けられている。ダクト兼ウィンドウホルダ２５ｂにダクト２６ｂが、ダクト２６ｂに熱交換器２４が、熱交換器２４にブロワ２３が、ブロワ２３にダクト２６ａが取り付けられている。また、ダクト兼ウィンドウホルダ２５ａにパルス入力側のウィンドウ２２ａおよびミラー２７ａが、ダクト兼ウィンドウホルダ２５ｂにパルス出力側のウィンドウ２２ｂおよびミラー２７ｂが取り付けられている。

　図５において、放電電極２１ａ、２１ｂ、ウィンドウ２２ａ、２２ｂ、ブロワ２３、熱交換器２４、ダクト兼ウィンドウホルダ２５ａ、２５ｂ、ダクト２６ａ、２６ｂは前記実施の形態１と同様であるから説明を省略する。ミラー２７ａ、２７ｂは放電電極２１ａ、２１ｂ間の放電領域に導入されたパルスレーザ光Ｂの進路を折り返すために設置されている。
　本実施の形態２においても、強制対流のガス流Ｇの方向を、増幅レーザ光の光軸と異なる方向にしている。

　このように構成されたパルスＣＯ_２レーザ増幅器において、１０ｎｓオーダのパルス幅を持つパルスＣＯ_２レーザ光がウィンドウ２２ａを通じて放電領域に導入されている。パルスレーザ光Ｂはミラー２７ａ、２７ｂによって順次折り返され、Ｚ字の形をしたパスにそって進む。パルスＣＯ_２レーザ光がＺ型のパスにそって進む間に放電電極２１ａ、２１ｂ間の放電領域にて増幅され、そののち、ウィンドウ２２ｂを通して筐体外に取りだされている。

　図７に本発明の実施の形態２にかかる機能説明図を示す。上記の構成は、ウィンドウ２２ａからミラー２７ｂに至る光路１、ミラー２７ｂからミラー２７ａに至る光路２、および、ミラー２７ａからウィンドウ２２ｂに至る光路３を有する。図７において、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で示した太い破線あるいは太い実線は各光路中のレーザビームの中心線を、細い破線は各光路中のレーザビーム半径位置（レーザビーム領域の外縁）を示す。光路１と光路２とはハッチングの部分で同じ空間を共有しており、光路２と光路３も同様に同じ空間を共有する部分がある。光路１と光路３は同じ空間を共有していない。上記の構成においては、各光路中のハッチングした部分に対応する（ハッチング部分を占める）光路長は、ハッチングしていない部分に対応する（ハッチングしていない部分を占める）光路長よりも短くなっている。上記において、光路長とは各光路中のレーザビームの中心線の長さを意味する。

　このように構成されたパルスＣＯ_２レーザ増幅器においては、従来の増幅器よりもレーザガス温度上昇を抑制することが可能である。これを以下に説明する。
　本発明の増幅器（図５参照）の放電領域周辺を図６に明示して、各長さ・面積の定義をする。放電領域を光路に垂直な平面で切った断面を図６の左端に示し、放電断面（この放電断面の形状はＤｃ、面積はＳ_Ｄ）とレーザビーム断面（このレーザビーム断面の形状はＢｃ、面積はＳ_ｒ）とを描いた。

　本発明の増幅器（図６参照）において、レーザビームが増幅される領域（レーザビーム断面積Ｓ_ｒ×放電長Ｌの円柱×２）にＷ_ｄｉの放電電力を投入することを考える。安定した放電を行うために、放電断面（面積Ｓ_Ｄ）の形状は正方形とする。また、放電電力を無駄にしない効率的な増幅を行うためのケースとして、円形のレーザビームが実質的に放電断面の上下端に接する状態（図６参照）、すなわちレーザビーム断面積：Ｓ_ｒ≒π／８×放電断面積（放電断面の面積）Ｓ_Ｄでの動作を考え、以下議論をすすめる。

　放電空間（放電断面積Ｓ_Ｄ×放電長Ｌの直方体）全体に供給される放電電力をＷｄとすると、レーザ放電では放電空間内に均一な放電場が形成されていることから、
　　Ｗ_ｄｉ＝（π／８）×Ｗ_ｄ　　　　　　　　　　　　…（式１ａ）
である。また、ガスの流量をＱ［ｍ^３／ｓ］、ガスの体積比熱をＣ［Ｊ／ｍ^３Ｋ］、放電場を通り抜ける際のガスの温度上昇をΔＴ［Ｋ］とすると、一般に
　　Ｗ_ｄ＝Ｃ・Ｑ・ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　　…（式２）
が成り立つ。

　さらに、ガス流量に関して
　　Ｑ＝Ｓ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式３）
が成り立つ（Ｓはガス流路の断面積［ｍ^２］、ｖはガスの流速［ｍ／ｓ］）。また、
　　Ｓ＝ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）・Ｌ・ｓｉｎθ　　　　　　　…（式４）
である。（式１ａ）（式２）（式４）（式３）より、ガス温度上昇は
ΔＴ＝（８／π）Ｗ_ｄｉ／（Ｃ・ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）・Ｌ・ｖ・ｓｉｎθ）　…（式５ａ）
である。

　一方、従来の一般的な増幅器の例（図３参照）において、前記と同じくレーザビームが増幅される領域（レーザビーム断面積Ｓ_ｒ×放電長Ｌの円柱）にＷ_ｄｉの放電電力を投入することを考える。できるだけ効率的な増幅を行うためのケースとして円形のレーザビームが実質的に放電断面に一致する状態、すなわちＳ_ｒ＝Ｓ_Ｄの状態を考え、以下議論をすすめる。

　放電空間（放電断面積Ｓ_Ｄ×放電長Ｌの円柱）全体に供給される放電電力をＷ_ｄとすると、
　　Ｗ_ｄｉ＝Ｗ_ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（式６）
である。また、
　　Ｗ_ｄ＝Ｃ・Ｑ・ΔＴ　　　　　　　　　　　　　　　…（式２）
は同様に成立し、ガス流量に関しては、レーザガス流が光軸とほぼ平行に放電管内を流れるため、
　　Ｑ＝Ｓ・ｖ＝Ｓ_Ｄ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　…（式３ａ）
となる。

　（式６）（式２）（式４）（式３ａ）より、ガス温度上昇は
　　ΔＴ＝Ｗ_ｄｉ／（Ｃ・Ｓ_Ｄ・ｖ）　　　　　　　　　…（式７）
である。

　従来例のガス温度上昇（式７）および本項のガス温度上昇（式５ａ）を比較すると、本発明の構成においては、増幅レーザビームに対して、レーザガス流路を角度
　　θ≧ａｒｃｓｉｎ（８／π×ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）／Ｌ）　　…（式８ａ）
だけ異なる方向にすれば、従来例と同じ放電電力をレーザビームが増幅される領域に投入したときのレーザガス温度の上昇を小さくすることができる。

　レーザ媒質の小信号利得は媒質ガス温度が上昇するほど低下するので、本発明によりレーザ媒質の小信号利得の大きいパルスＣＯ_２レーザ増幅器を提供できる。

　例えば、発振器として用いた場合、定格５ｋＷの出力を有するＣＯ_２レーザ媒質を用いて本発明の増幅器を構成し、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、平均出力１０Ｗのパルスレーザ光を増幅したとき、増幅されたパルスの平均出力は約２ｋＷである。

　なお、放電断面積Ｓ_Ｄ＝５ｃｍ×５ｃｍ、放電長Ｌ＝２０ｃｍの場合、強制対流のガス流の方向と、増幅レーザ光の光軸がなす角θを４０度以上とすれば、従来技術よりも増幅性能に優れたパルスＣＯ_２レーザ増幅器となる。また、θを９０度としたときが、最も大きな効果を発揮する構成となる。
　また、パルス幅１０ｎｓオーダ、繰り返し周波数１００ｋＨｚにおいて平均出力１０Ｗオーダの比較的パワーの小さな入力では増幅器の利得はｇ_０（ｇ_０＝単位長さあたりの小信号利得）×（レーザビームと媒質の相互作用長）であるから、レーザビームが同一の媒質の異なる位置を２度以上通過することにより、レーザビームと媒質の相互作用長を長くすることができ、比較的パワーの小さなレーザビームを従来方式よりも高効率で増幅できる。
　すなわち、本発明の効果は、従来よりも大きい電力をレーザビームが増幅される領域に投入できる構成において、比較的パワーの小さなレーザビームを従来方式よりも高効率で増幅したことである。

　なお、上記の実施例ではパルスＣＯ_２レーザ光がＺ字形状のパスにそって増幅されているが、パルスＣＯ_２レーザがＺ字形状以外の形状の折り返しパスであってもよい。また、増幅器に入射する前に複数のパルスレーザビームとしておいて、それぞれのパルスレーザビームが増幅器において並列に増幅される構成であってもよい。前記の、Ｚ型以外の折り返しパスを用いた構成や増幅器において並列に増幅される構成であっても、本実施例と同様の効果を奏する。

実施の形態３．
　図８はこの発明の実施の形態３におけるパルスＣＯ_２レーザ増幅システムの一例を示す図である。図８において、パルス増幅器３１および３２は実施の形態２で述べたパルス増幅器であり、パルス増幅器３３、３４、３５は実施の形態１で述べたパルス増幅器を示す。
　平均出力１０Ｗ、パルス幅１０ｎｓを持つパルスＣＯ_２レーザ光がパルスＣＯ_２レーザ増幅器３１、レーザビーム整形光学系３６、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３２、レーザビーム整形光学系３７、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３３、レーザビーム整形光学系３８、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３４、レーザビーム整形光学系３９、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３５を順に通過して増幅され、最終的に平均出力２０ｋＷのＣＯ_２レーザ光を得る。レーザビーム整形光学系３６、３７、３８、３９は、それぞれ後に続くパルスＣＯ_２レーザ増幅器３２、３３、３４、３５に対して実施の形態１および実施の形態２で説明した最適な大きさのレーザビームを供給する役割を持つ。

　実施の形態３においては、各段に配置されたパルス増幅器３１、３２、３３、３４、３５の放電領域の寸法は等しい。したがって、前段に配置された実施の形態２（図５参照）のパルス増幅器と後段に配置された実施の形態１（図１参照）のパルス増幅器を比較すると、実施の形態２の装置が実施の形態１の装置にくらべて、レーザビームの断面積が１／４であり、レーザビームと媒質（放電励起レーザガス）の相互作用長が約３倍である。
　すなわち、仮に同じパワーのレーザビームを実施の形態１もしくは実施の形態２で増幅することを考えた場合、実施の形態２の装置が実施の形態１の装置にくらべて、レーザビームの光強度が４倍であり、レーザビームと媒質（放電励起レーザガス）の相互作用長が約３倍であることになる。

　実施の形態１および実施の形態２において、飽和強度は１ｋＷオーダとなるため、飽和強度よりも十分低い平均出力１０Ｗオーダのパルスを増幅する場合は、利得の飽和はほとんど無視できるため、実施の形態１の装置に比べて相互作用長が約３倍長い実施の形態２の装置の方が、増幅率が数倍高い。

　一方、飽和強度と等しいかそれよりもパワーの大きいレーザビームを増幅する場合は利得飽和の影響が有意に存在し、実施の形態１の装置の方が、増幅率が数倍高い。
　本実施の形態においては、出力数１０Ｗクラスのレーザビームの増幅性能に適した実施の形態２のパルス増幅器を前段に、出力数ｋＷクラスのレーザビームの増幅性能に適した実施の形態１のパルス増幅器を後段に配し、増幅システム全体を効率化している。

　なお、本実施の形態においては、５台の直列で増幅システムを構成したが、実施の形態１または実施の形態２の増幅器を含む２つ以上の増幅器を直列に接続して構成した増幅器ならば同様の効果を奏しうる。

実施の形態４．
　図９はこの発明の実施の形態４におけるパルスＣＯ_２レーザ増幅システムの一例を示す図である。図９において、パルス増幅器３１、３２、４１、４２は実施の形態２で述べたパルス増幅器であり、パルス増幅器３３、３４、３５、４３、４４、４５は実施の形態１で述べたパルス増幅器を示す。
　平均出力１０Ｗ、パルス幅１０ｎｓを持つパルスＣＯ_２レーザ光がビームスプリッタ３０に入射し、出力５Ｗの２本のレーザビームに分割されている。前記２本のレーザビームのうち１本のレーザビームはパルスＣＯ_２レーザ増幅器３１、レーザビーム整形光学系３６、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３２、レーザビーム整形光学系３７、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３３、レーザビーム整形光学系３８、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３４、レーザビーム整形光学系３９、パルスＣＯ_２レーザ増幅器３５を順に通過して増幅され、最終的に平均出力約２０ｋＷのＣＯ_２レーザ光を得る。前記２本のレーザビームのうち、もう１本のレーザビームはパルスＣＯ_２レーザ増幅器４１、レーザビーム整形光学系４６、パルスＣＯ_２レーザ増幅器４２、レーザビーム整形光学系４７、パルスＣＯ_２レーザ増幅器４３、レーザビーム整形光学系４８、パルスＣＯ_２レーザ増幅器４４、レーザビーム整形光学系４９、パルスＣＯ_２レーザ増幅器４５を順に通過して増幅され、最終的に平均出力約２０ｋＷのＣＯ_２レーザ光を得る。レーザビーム整形光学系３６、３７、３８、３９、４６、４７、４８、４９は、それぞれ後に続くパルスＣＯ_２レーザ増幅器３２、３３、３４、３５、４２、４３、４４、４５に対して実施の形態１および実施の形態２で説明した最適な径のレーザビームを供給する役割を持つ。

　実施の形態４においては、各段に配置されたパルス増幅器３１、３２、３３、３４、３５、４１、４２、４３、４４、４５の放電領域の寸法は等しい。したがって、前段に配置された実施の形態２（図５参照）のパルス増幅器と後段に配置された実施の形態１（図１参照）のパルス増幅器を比較すると、実施の形態２の装置が実施の形態１の装置にくらべて、レーザビームの断面積が１／４であり、レーザビームと媒質（放電励起レーザガス）の相互作用長が約３倍である。
　すなわち、仮に同じパワーのレーザビームを実施の形態１もしくは実施の形態２で増幅することを考えた場合、実施の形態２の装置が実施の形態１の装置にくらべて、レーザビームの光強度が４倍であり、レーザビームと媒質（放電励起レーザガス）の相互作用長が約３倍であることになる。

　また、本実施の形態においては、図９には描かれていないが、図９において増幅前のパルスレーザ光を発生する発振器１台のレーザビームを分割し、並列に増幅しており、発振器は１台である。一方、実施の形態３のシステムを２組用意した場合は、発振器を２台要する。本実施の形態は、実施の形態３のシステムを２つ用意したときと同様の出力、すなわち約２０ｋＷのレーザビーム２本を、実施の形態３のシステムを２つ用意したときとくらべて発振器が１台少ない構成で得ている。発振器は光学結晶を含むため増幅器に比べて高価である。本実施の形態では、実施の形態３のシステムを２つ用意したときとくらべて、安価なシステムを提供している。

　なお、本実施の形態においては、５台の直列×２並列で増幅システムを構成したが、実施の形態１または実施の形態２の増幅器を含む２つ以上の増幅器を直列または並列に接続して構成した増幅器ならば同様の効果を奏しうる。

　　１　放電管、６ａ、６ｂ　放電電極、１１ａ、１１ｂ　放電電極、１２ａ、１２ｂ　ウィンドウ、１３　ブロワ、１４　熱交換器、１５ａ、１５ｂ　ダクト兼ウィンドウホルダ、１６ａ、１６ｂ　ダクト、２１ａ、２１ｂ　放電電極、２２ａ、２２ｂ　ウィンドウ、２３　ブロワ、２４　熱交換器、２５ａ、２５ｂ　ダクト兼ウィンドウホルダ、２６ａ、２６ｂ　ダクト、２７ａ、２７ｂ　ミラー、２９ａ、２９ｂ　放電電極、３０　ビームスプリッタ、３１、３２、３３、３４、３５、４１、４２、４３、４４、４５　パルスＣＯ_２レーザ増幅器、３６、３７、３８、３９、４６、４７、４８、４９　レーザビーム整形光学系、　Ｂ　パルスレーザ光、　Ｂｃ　ビーム断面形状、　Ｄ　放電領域、　Ｄｃ　放電断面形状、　Ｇ　ガス流、　Ｇｃ　ガス流路断面形状、　Ｌ　放電長、　Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３　光路中のレーザビームの中心線。

Claims

　パルス幅１００ｎｓ以下の短パルスで繰り返し発振するＣＯ_２レーザ光を増幅するＣＯ_２ガスレーザ装置であって、連続放電励起されるＣＯ_２レーザガスを強制対流により循環させることによって上記ＣＯ_２レーザガスの冷却を行うものにおいて、
上記増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸と上記ＣＯ_２レーザガスの強制対流の流れ方向とのなす角度θ（０度≦θ≦９０度）を、上記ＣＯ_２レーザガスが放電励起される空間の放電断面積と放電長とで決定することを特徴とするＣＯ_２ガスレーザ装置。
　上記増幅するＣＯ_２レーザ光の光軸と上記強制対流の流れの方向を、上記放電断面積と上記放電長とで決まる所定の角度以上の異なる方向とすることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ_２ガスレーザ装置。
　上記所定の角度θは、上記放電断面積をＳ_Ｄ、上記放電長をＬとした場合、ａｒｃｓｉｎ（４／π×ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）／Ｌ）であることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ_２ガスレーザ装置。
　上記所定の角度θは、上記放電断面積をＳ_Ｄ、上記放電長をＬとした場合、ａｒｃｓｉｎ（８／π×ｓｑｒｔ（Ｓ_Ｄ）／Ｌ）であることを特徴とする請求項２に記載のＣＯ_２ガスレーザ装置。
　上記ＣＯ_２レーザ光が上記ＣＯ_２レーザガス中を２度以上通過し、当該レーザ光の光路は、他の光路と重なる光路長が重ならない光路長より短い、２つ以上の光路を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ_２ガスレーザ装置。
　２つ以上の増幅器を直列あるいは並列に接続し、または直列と並列との組み合わせで接続して構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ_２ガスレーザ装置。