JPH04307980A - 気体レーザ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波放電によ
りレーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行う
マイクロ波励起方式の気体レーザ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図６及び図７は、例えば特開昭６４−６
９０７３号報に示された従来のマイク波放電によりレー
ザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行うマイク
ロ波励起方式の気体レーザ装置に関するものであり、図
において、１はマイクロ波を出力するマイクロ波発振器
で、マグネトロンによって構成されている。２はこのマ
イクロ波発振器からのマイクロ波を導くための導波管、
３はこの導波管の幅を広げるホーン導波管、４はこのホ
ーン導波管の拡開口に取り付けられたマイクロ波結合窓
である。

【０００３】５はこのマイクロ波結合窓に続く空洞壁、
６はこの空洞壁の中央部に設けられたリッジ、７は例え
ば炭酸ガスレーザ気体等のレーザ気体が封入される放電
空間８の一部を構成し、上記導波管２、ホーン導波管３
、マイクロ波結合窓４及び空洞壁５に導かれたマイクロ
波の上記放電空間８への入射窓として作用する誘電体で
、例えば、アルミナ等によって構成されているものであ
る。９は上記放電空間８の一部を構成し、上記誘電体７
と対向して設けられた導電体壁で、上記空洞壁に対向し
た平坦なＨ面が使用されている。

【０００４】１０、１１は上記放電空間８に対して設け
られ、マイクロ波を反射するレーザ気体を通過する一対
の第１及び第２の通気性部材で、例えば、金属製のハニ
カム構造体が用いられている。１２はこれら第１及び第
２の通気性部材を介して上記放電空間８内のレーザ気体
を、マイクロ波による放電方向と直交する方向に循環さ
せるための循環手段で、上記第１の通気性部材１０に一
端が連結された第１の送気管１２ａと、上記第２の通気
性部材１１に一端が連結された第２の送気管１２ｂと、
これら第１及び第２の送気管１２ａ、１２ｂの他端が連
結されたブロア１２ｃとによって構成されているもので
ある。

【０００５】１３は上記レーザ気体の気体流方向及び上
記放電方向と直交する光軸の両端側それぞれにおける上
記放電空間８に対て設けられた反射ミラーである。なお
、上記空洞壁５、リッジ６、誘電体７、導電体壁９、第
１及び第２の通気性部材１０、１１及び循環手段１２は
、マイクロ波回路の一種であるリッジ導波管型のマイク
ロ波空洞構造をもつレーザヘッド部を構成しているもの
である。

【０００６】次に、このように構成された気体レーザ装
置の動作について説明する。マイクロ波発振器１で発生
したマイクロ波は、導波管２を伝搬してホーン導波管３
で拡げられ、マイクロ総合窓４でインピーダンスを整合
せれて効率よくレーザヘッド部１４に結合される。この
レーザヘッド部１４はリッジ空洞状になっており、マイ
クロ波はそのリッジ６付近に集中して非常に強いマイク
ロ波電磁界により放電空間８に封入されたレーザ気体が
放電破壊してプラズマを発生させ、レーザ媒質が励起さ
れる。

【０００７】ここで、ブロア１２ｃを作動させて第１及
び第２の送気管１２ａ，１２ｂ並びに第１及び第２の通
気性部材１０、１１を介して放電空間８内のレーザ気体
を循環させて、放電プラズマを冷却させるとともに、レ
ーザ気体の圧力等の放電条件を適切に選択することによ
ってレーザ発振条件を得て、光軸の両端に対抗して設け
られた反射ミラー１３とでレーザ共振器を形成すること
によってレーザ発振光を得ているものである。なお、第
１及び第２の通気性部材１０、１１により、放電空間８
内のマイクロ波モードは影響されることなく、ブロア１
２ｃによるレーザ気体の強制循環が行われるものである
。

【０００８】また、放電管を利用した従来の気体レーザ
装置として図８及び図９に示すものが知られている。図
８及び図９は特開昭６３−１１０６８３号公報に示され
ているものであり、図において１５、１６はそれぞれ端
部に設けられた第１及び第２の気体流入ブロック、１７
はこれら第１及び第２の気体流入ブロックの中央部に設
けられた気体流出ブロック、１８はこれら第１及び第２
の気体流入ブロック１５、１６及びに気体流出ブロック
１７のそれぞれの間に架設された放電管で、上記第１及
び第２の気体流入ブロック１５、１６に位置する部分に
レーザ気体の気体流入口が、上記気体流出ブロック１７
に位置する部分にレーザ気体の気体流出口がそれぞれ形
成されているとともに、２本の平行な部分及び折り返し
部は有した光軸１９を形成するようにされている。

【０００９】１２は上記放電管１８内のレーザ気体を循
環させるための循環手段で、上記放電管１８の２つの気
体流入口に２つの一端が連結された第１の送気管１２ａ
と、上記放電管１８の流出口に一端が連結された第２の
送気管１２ｂと、これら第１及び第２の送気管１２ａ，
１２ｂの他端が連結されたブロア１２ｃと、上記第１の
送気管１２ａの他端と上記ブロア１２ｃとの間に設けら
れた第１の熱交換器１２ｄと、上記第２の送気管１２ｂ
の他端と上記ブロア１２ｃとの間に設けられた第２の熱
交換器１２ｅとによって構成されるのもである

【００１
０】２０は上記光軸１９の一端側である上記第１の気体
流入ブロック１５の一側に設けられた全反射ミラー、２
１は上記光軸１９の他端側である上記第１の気体流入ブ
ロック１５の他側に設けられた部分透過ミラー、２２、
２３は上記光軸１９の折り返し部である上記第２の気体
流入ブロック１６における上記放電管１８の屈曲部に設
けられた第１及び第２の折り返しミラーである。

【００１１】次に、このように構成された気体レーザ装
置の動作について説明する。レーザ気体はブロア１２ｃ
により第１の熱交換器１２ｄ及び第１の送気管１２ａを
介して放電管１８の２つの気体流入口から放電管１８内
に流入され、放電管１８の流出口から第２の送気管１２
ｂを通り、第２の熱交換器１２ｅにて冷却されて戻る。 放電管１８内では、レーザ気体は放電作用を受け、励起
されたレーザ気体の気体分子が全反射ミラー２０、第１
及び第２の折り返しミラー２２、２３並びに部分反射ミ
ラー２１により誘電放出を起こし、レーザ光を部分反射
ミラー２１から放出するものである。

【００１２】ところで、レーザ光は光軸１９に沿って僧
幅され、光軸１９内の全てが循環する気体の流路である
ために気体の停滞部分がなくなり、気体がレーザ光によ
って加熱されることなく、時間的なレーザ光の減哀が生
じずにレーザ光が得られるものである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、図６及び図
７にて示した従来のマイクロ波励起方式の気体レーザ装
置にあっては、レーザ出力を調整するときにマイクロ波
発振器１からマイクロ波のパルス周波数を変化させてレ
ーザ励起用の投入エネルギーを制御しているものである
が、レーザの連続出力及び高繰り返し出力を得るために
マイクロ波のパルス周波数を増大させて行くと、マイク
ロ波放電時に生じた荷電粒子がレーザ気体流で流されて
放電領域より充分に遠方に流し去られる前に次にのマイ
クロ波が到達してしまい、放電領域下流域の荷電粒子の
存在のために低インピーダンスとなった領域でも放電が
生じることになる。その結果、マイクロ波のパルス周波
数を増大させると放電領域が変化し、入力に対して所定
のレーザ出力が得られ難いという問題点を有していた。 また、図８及び図９にて示した従来の放電管方式の気体
レーザ装置にあっては、放電管１８の放電作用によって
レーザ出力を増幅させているため、放電管１８への投入
電力が限られているため、レーザ出力を増大させるには
放電管１８の全長を長くしなければならず、装置として
大型化してしまうという問題点を有していた。この発明
は、上記した点に鑑みてなされたものであり、マイクロ
波励起方式のものにおいて、マイクロ波の周波数の変化
にかかわらず、所定のレーザ出力が得られる気体レーザ
装置を得ることを目的としているものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる気体レ
ーザ装置にあっては、マイクロ波を出力するマイクロ波
発振器からのマイクロ波を導くための導波管と、レーザ
気体が封入される放電空間の一部を構成し、導波管に導
かれたマイクロ波の放電空間への入射窓となる誘電体と
、放電空間の一部を構成し、誘電体と対向して設けられ
た導電体壁と、放電空間に対して設けられ、マイクロ波
を反射するレーザ気体を通過する一対の第１及び第２の
通気性部材と、これら第１及び第２の通気性部材を介し
て放電空間内のレーザ気体を、マイクロ波による放電方
向と直交する方向に循環させるための循環手段と、レー
ザ気体の気体流方向及び放電方向と直交する光軸の端部
側における放電空間に対して設けられた全反射ミラーと
、光軸の端部側における放電空間に対して設けられた部
分透過ミラーと、光軸の折り返し部側における放電空間
に対して設けられ、全反射ミラー及び部分透過ミラーと
によってレーザ光路を形成する折り返しミラーとを設け
たものである。

【００１５】

【作用】この発明にあっては、全反射ミラー、部分透過
ミラー及び折り返しミラーが、マイクロ波放電領域の全
域にわたってレーザ光路を形成し、マイクロ波の周波数
の変化によるマイクロ波放電領域の変化にかかわらず、
常に所定のレーザ出力を出力せしめる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の一実施例であるマイクロ波
放電によりレーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励
起を行うマイクロ波方式の気体レーザ装置を図１ないし
図５に基づき説明すると、図において、１ａ〜１ｄはマ
イクロ波を出力するマイクロ波発振器で、マグネトロン
によって構成されているとともに、放熱用フィン２４が
設けられている。２ａ〜２ｄはこのマイクロ波発振器か
らのマイクロ波を導くための導波管、４はこの導波管の
開口部に設けられたマイクロ波結合窓である。

【００１７】５はこのマイクロ波結合窓に続く空洞壁、
６はこの空洞壁の中央部に設けられたリッジ、７は例え
ば炭酸ガスレーザ気体等のレーザ気体が封入される放電
空間８の一部を構成し、上記導波管２ａ〜２ｄ、マイク
ロ波結合窓４及び空洞壁５に導かれたレーザ気体が封入
される放電空間８の一部を構成し、上記導波管２ａ〜２
ｄに導かれたマイクロ波の上記放電空間８への入射窓と
なる誘電体で、例えば、アルミナ等によって構成されて
いるものである。２５は上記放電空間の一部を構成し、
上記誘電体７及び上記リッジ６と対向して設けられた導
電体壁、２６はこの導電体壁における上記リッジ６の対
向突出面に取り付けられた誘電体板で、上記リッジ６と
の間に放電プラズ２７ａが、リッジ６からずれたレーザ
気体の気体流下流側に位置する放電プラズ２７ｂが形成
されるものである。

【００１８】１０、１１は上記放電空間８に対してその
側面に設けられ、マイクロ波をはんしゃするレーザ気体
を通過する一対の第１及び第２の通気性部材で、例えば
、金属製のハニカム構造体が用いられている。１２はこ
れら第１及び第２の通気性部材１０、１１を介して上記
放電空間８内のレーザ気体を、マイクロ波による放電方
向、つまり上記リッジ６と上記誘電体板２６とを結ぶ方
向と直交する方向に循環させるための循環手段で、上記
第１の通気性部材１０から上記放電空間８へレーザ気体
を送る連通部１２ａと、上記第２の通気性部材１１に連
結された送気管１２ｂと、上記連通部１２ａ内に配置さ
れたブロア１２ｃと、送気管１２ｂと連結され、高温に
なったレーザ気体を冷却する熱交換器１２ｄとによって
構成されているものである。

【００１９】２８は上記レーザ気体の気体流方向、つま
り第１及び第２の通気性部材１０、１１を結ぶ方向及び
上記マイクロ波による放電方向と直交する光軸３１の端
部側における上記放電空間８に対して設けられた全反射
ミラー、２９は上記光軸３１の端部側における上記放電
空間８に対して設けられた部分透過ミラー、３０は上記
光軸３１の折り返し部側における上記放電空間８に対し
て設けられ、上記全反射ミラー２８及び部分透過ミラー
２９とによってレーザ光路を作成する折り返えしミラー
である。

【００２０】なお、上記空洞壁５、リッジ６、誘電体７
、導電体壁２５、誘電体板２６、第１及び第２通気性部
材１０、１１及び循環手段１２は、マイクロ波回路の一
種であるリッジ導波管型のマイクロ波空洞構造をもつレ
ーザヘッド部１４を構成しているものである。

【００２１】次に、このように構成された気体レーザ装
置の動作について説明する。マイクロ波発振器１ａ〜１
ｄで発生したマイクロ波は、導波管２ａ〜２ｄを伝搬し
てマイクロ結合窓４でインピーダンスを整合されて効率
よくレーザヘッド部１４に結合される。このレーザヘッ
ド部１４はリッジ空洞状になっており、マイクロ波はそ
のリッジ６付近に集中して非常に強いマイクロ波電磁界
を発生させる。この強いマイクロ波電磁界により放電空
間８に封入されたレーザ気体が放電破壊してプラズマを
発生させ、レーザ媒質が励起される。

【００２２】ここで、ブロア１２ｃを作動させて連通部
１２ａから第１の通気性部材１０を介して放置空間８内
のレーザ気体による放電プラズマを吹き飛ばし、放電空
間８に新しいレーザ気体を送りこみ、この新しいレーザ
気体が送り込まれるとマイクロ波が発生し、同様に放電
プラズマが発生してレーザ媒質が励起されるものである
。レーザ媒質が励起され、レーザ発振条件が得られると
、光軸３１の端部に設けられた全反射ミラー２８及び部
分透過ミラー２９並びに光軸３１の折り返し部に設けら
れた折り返しミラー３０とでレーザ共振器を形成するこ
とによってレーザ発振光を部分透過ミラー２９から得て
いるものである。なお、第１及び第２の通気性部材１０
、１１により、放電空間８内のマイクロ波モードは影響
されることなく、ブロア１２ｃによるレーザ気体の強制
循環が行われているものである。

【００２３】この時、放電空間８においてマイクロ放電
が行われており、マイクロ波の入射はプラズマの一方の
面からのみ、つまり誘電体７からのみ行われているので
、プラズマを内導体とする同軸モードのマイクロ波モー
ドが支配的となる現象が発生することがなく、所期のマ
イクロ波モードによる放電が行われているものである。

【００２４】また、このようにリッジ空洞によるものに
おいては、誘電体７とプラズマとの境界に垂直な電界成
分を有するマイクロ波モードを形成するものであり、上
記のように構成されたものにあっても、誘電体７と導電
体壁２５及び誘電体板２６とが対向しているため、誘電
体壁２５に体しても垂直な電界成分を有し、プラズマを
貫く電界が生じているものである。しかも、誘電性を有
するプラズマが発生しても、そのプラズマより数桁導電
率の高い導電体壁２５に入射マイクロ波の終端電流が流
れ、導電体壁２５の表面に対して垂直にされ、発生され
たプラズマを貫通する電界が維持されることになる。従
って、マイクロ波がプラズマ中に浸透してプラズマを貫
く電流が流れ、この電流連続性からプラズマの深さ方向
に、空間的に一様な放電プラズマが発生しているもので
ある。

【００２５】さらに、誘電体７中を自由に伝搬するマイ
クロ波は、誘電体７とプラズマとの境界から均一にプラ
ズマ中に侵入し、マイクロ波放電が無電極放電であるた
め、本質的にアーク放電にならず、しかも、誘電体７が
容量性の分布バラストとして作用し、プラズマの横方向
についても空間的に一様な放電プラズマが発生している
ものである。従って、プラズマの深さ方向及び横方向に
、空間的に非常に均一な放電プラズマが発生し、放電全
体をレーゾの励起に適当な状態にすることが容易になっ
ているものである。

【００２６】また、レーザ気体はブロア１２ｃによって
強制的に循環され、熱交換器１２ｄにより効率的に冷却
されるため、レーザ気体として炭酸ガスレーザ気体を用
いた場合に特に問題となる。レーザ気体の温度上昇によ
るレーザ出力の飽和をも防止できるものである。

【００２７】さらに、レーザ出力を増大させるために、
また、レーザの連続出力及び高繰返し出力を得るために
マイクロ波のパルス周波数を増大させて行くと、マイク
ロ波放電時に生じた荷電粒子がレーザ気体流で流されて
放電領域（放電プラズマ２７ａ）より充分に遠方に流し
去られる前に次のマイクロ波が到達して、リッジ６付近
に比べて弱い電界である部分においても荷電粒子の存在
のために低インピーダンスとなってその領域でも新たな
放電プラズマ２７ｂが生じることになり、レーザ媒質が
励起されるが、レーザ光路が全反射ミラー２８、部分透
過ミラー２９及び折り返しミラー３０によって折り返し
構成にしているので、リッジ６からずれた位置に存在す
る放電プラズマ２７ｂによって励起されたレーザ媒質も
レーザの光軸３１が通っているため、エネルギーを無駄
にすることなく、レーザの発振出力が得られ、マイクロ
波のパルス周波数を増大させることによって放電領域が
変化しても、入力に対して所定のレーザ出力が得られる
ものである。

【００２８】

【発明の効果】この発明は、以上に述べたように、マイ
クメロ波放電によりレーザ気体にプラズマを発生させて
レーザ励起を行うマイクロ波起方式の気体レーザ装置に
おいて、レーザ気体の気体流れ方向及び放電方向と直行
する光軸の端部側における放電空間に対して設けられた
全反射ミラーと、光軸の端部側における放電空間に対し
て設けられた部分透過ミラー、光軸の折り返し部側にお
ける放電空間に対して設けられ、全反射ミラー及び部分
透過ミラーとによってレーザ光路を形成する折り返しミ
ラーとを設けたものとしたので、レーザ出力の増減をマ
イクロ波のパルス周波数を変化させて行っても、このマ
イクロ波の周波数の変化による放電領域の変化にかかわ
らず、マイクロ波の励起エルネギーを損することなく、
所定の出力が得られるという効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】この発明の一実施例を示す正面図。

【図３】この発明の一実施例を示す平面図。

【図４】図１及び図３のＡ−Ａ断面図。

【図５】この発明の一実施例におけるレーザ気体の下流
方向への折り返し共振器を示すための斜視図。

【図６】従来のマイクロ波放電によりレーザ気体にプラ
ズマを発生させてレーザ励起を行うマイクロ波励起方式
の気体レーザ装置を示す断面図。

【図７】図６に示した気体レーザ装置における概略斜視
構成図。

【図８】従来の放電管方式の気体レーザ装置を示す平面
図。

【図９】図８に示した気体レーザ装置における正面図。

【符号の説明】

１ａ〜１ｄ　　マイクロ波発振器 ２ａ〜２ｄ　　導波管 ７　　　　　　　　　　誘電体 ８　　　　　　　　　　放電空間 １０、１１　　第１及び第２の通気性部材１２　　　　
　　　　循環手段 １４　　　　　　　　レーザヘッド部 ２５　　　　　　　　導電体壁 ２８　　　　　　　　全反射ミラー ２９　　　　　　　　部分透過ミラー ３０　　　　　　　　折り返しミラー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マイクロ波を出力するマイクロ波発振
   器、このマイクロ波発振器からのマイクロ波を導くため
   の導波管、レーザ気体が封入される放電空間の一部を構
   成し、上記導波管に導かれたマイクロ波の上記放電空間
   への入射窓となる誘導体、上記放電空間の一部を構成し
   、上記誘導体と対向して設けられた導電体壁、上記放電
   空間に対して設けられ、マイクロ波を反射するレーザ気
   体を通過する一対の第１及び第２の通気性部材、これら
   第１及び第２の通気性部材を介して上記放電空間内のレ
   ーザ気体を、マイクロ波による放電方向と直交する方向
   に循環させるための循環手段、上記レーザ気体の気体流
   方向及び上記放電方向と直交する光軸の端部側における
   上記放電空間に対して設けられた全反射ミラー、上記光
   軸の折り返し部側における上記放電空間に対して設けら
   れ、上記全反射ミラー及び部分透過ミラーとによってレ
   ーザ光路を形成する折り返しミラーを備えた気体レーザ
   装置。