JP2009105408A - ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる外部補正を必要としない、円形の擬似回折限界ビームを生成する非対称複合型平面導波路共振器で動作するガスレーザ容器を提供する。
【解決手段】非対称複合型平面導波路共振器として、最小の曲率半径１８２を有している共振器ミラーと、最大の曲率半径を有する共振器ミラー１９２と、ミラー１９２に隣接して、放電に向き合う表面上に加工された球面凹形曲率半径を有している第３のミラー２１２があり、第３のミラー２１２の角度は、レーザ共振器Ｏの光軸に対して傾けられているレーザ共振器から出力を取り出すような角度であり、レーザ共振器Ｏの光軸に平行なガス放電の隣接する部分に沿って、出力ビーム２２２を折り戻し、放電２３２のこの部分は、このとき、追加の導波路ストリップとして働かせ、追加の導波路ストリップ２３２の出口の直後に、空間フィルタ２４２が配置されている。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、ガス放電レーザに関し、限定されるわけではないが特に、３〜１２ミクロンの波長領域で動作するＲＦ励起スラブ放電レーザ容器に関する。

図１（ａ）は、３〜１２ミクロンの長さのレーザ出力波長を生成するために使用され、特許文献１に示される従来技術と一致する、従来の長方形状非対称複合型平面導波路ガスレーザ装置１の斜視図である。共振器ミラー２，３間で形成されるレーザキャビティ内で利得を生成するために、電極間の寸法Ａの狭い隙間５内で無線周波数放電を励起することにより、多くの場合スラブと呼ばれる２つの金属平面電極４の間に無線周波数ガス放電が生成される。この技術の概要については、特許文献２を参照されたい。レーザは、互いに異なる鉛直方向の寸法Ａおよび水平方向の寸法Ｂ、並びにレーザ共振器ミラー２、３を有する。レーザ共振器ミラーは、凹型球面ミラーであり、より幅広の横の自由空間方向Ｂに負ブランチ不安定型共振器を形成し、ビームは、２つの共振器ミラーのうちの最も低い曲率半径を有するミラー３の硬質エッジ６を通過して出力結合される。幅の狭い交差方向Ａでは、共振器ミラー２、３は平面電極４とともに、導波路を形成する。レーザの平面図が、図１（ｂ）に与えられ、自由空間の不安定方向を示しており、断面図が、図１（ｃ）に示され、共振器の導波路方向を示している。以下の議論は、従来の補正方式が、非対称複合型平面導波路レーザ共振器からの出力ビームを、大部分のレーザ加工用途のための必要条件である、円形の回折限界ビームに整形することへの制約を概説している。

図１（ｂ）を参照し、内部共振器ビーム７は、共振器から、ミラー３の硬質エッジ６を通過して出力結合され、自由空間の不安定方向に、多くの場合トップハットと呼ばれる形状９を有するビーム８を生成する。この近視野ビームをその遠視野に適切に伝搬することが必要になり、その遠視野ビームの形状１０は、隣接するサイドローブとともに中央最大値を有し、次にそれらのサイドローブは、ガウス型の回折限界ビーム形状を得るために空間フィルタを使用して除去される。遠視野への伝搬は、ビームが自然に伝搬することを許容することにより、または、凹面ミラーまたは収束レンズを使用して集束を生成することにより作り出される。一般に、自由空間の不安定方向での共振器の選択は、種類において共焦点であり、出力結合されたビーム８がその方向に視準されることを指している。３〜１２ミクロンの範囲の選択された波長で動作するこの種類のレーザからの適切な出力結合を達成するために、視準されるビーム８が自然に遠視野に伝搬することを可能にするのに必要とされる距離は、数メートルの大きさのものであり、自由空間方向のビーム幅Ｃは、一般にそのような寸法のものである。これは、大概の設計について、自由空間方向の出力結合されたビーム８は、集束されなければならず、したがって、ビームの方向を変え、ガスレーザ放電容器の外部構造の長さに沿ってそのビームを折り戻すために、少なくとも２つの追加の外部ミラーを必要とすることを指す。この方法は、設計をできる限り小型に保ち、一方では、自由空間の遠視野を生成するために高集束出力光学機器を使用する必要性をさらに打ち消す。そこでは、フィルタをかけられたサイドローブ中に、強度の照射レベルが存在し、熱的な損傷を回避するように空間フィルタを備え付けるために、極めて高い程度の位置決め精度が必要とされるであろう。

共振器の導波路方向が、図１（ｃ）に表されている。上記のように、この方向は、共振器の自由空間の不安定方向に直交している。導波路ビーム１１は、１〜２ｍｍからの幅Ａを有する導波路の隙間５で生成され、現存の近視野導波路ビーム形状１２が、自由空間の不安定方向のより幅の広い視準されたビームと比べて極めて発散性であるが、自由空間の不安定ビームと異なり、近視野１２と遠視野１３の両方の断面形状が、ほぼガウス曲線であり、したがって空間フィルタリングを必要としないことを指す。一般に、既存の導波路ビーム１１は、ある距離を伝搬することを許され、そこでは、そのビームの寸法は、自由空間ビームの寸法に等しい。次に、導波路ビームの波面曲率半径（発散）は、円筒状ミラー／レンズまたは角度のある球面ミラーを使用して、自由空間ビームの曲率半径に整合するように補正され、この補正は、自由空間ビームが空間的にフィルタに通される前か、または、通された後に生じる。ガスレーザ放電容器の外部構造の長さに沿ってビームを折り戻すために使用される前述の２つの折りたたみ式ミラーを使用することは、通常の手順であり、導波路方向の若干の、または全ての補正を行う。しかし、レーザ放電容器の長さよりも長くは補正方式を保たないという制限内で、必要な補正を成し遂げるために、多くの場合、追加的なビームの折り畳みを利用することが必要とされる。上記の設計は、多くの場合、追加のフレームワークと光学的備え付けシステムを必要とし、費用と全体の構造の重量が嵩む。これらの問題に加えて、補正システムの光出力に対する、共振器ビーム特性と耐性の変動を許容することが必要あり、補正システムが、その構成補正光学機器の位置決めと入射角の両方について、ある程度調節可能でなければならないことを指す。
米国特許第５，３３５，２４２号明細書 米国特許第４，７１９，６３９号明細書 米国特許第５，０４８，０４８号明細書

したがって、本発明の目的は、従来の非対称複合型平面導波路装置の必要とされるビーム補正にともなう上記の障害と欠点を除くことである。より具体的には、本発明の目的は、さらなる外部補正を必要としない、円形の擬似回折限界ビームを生成する非対称複合型平面導波路共振器で動作するガスレーザ容器を提供することである。上記の装置は、従来の補正システムを有する非対称複合型平面導波路レーザと比べると、組み立てがより簡単であり、費用面でより安価で、重量でより軽くなる。

本発明によると、添付の請求の範囲で説明されるような、装置および方法が提供される。本発明の他の特徴は、従属請求項と次の説明から明らかになる。
本発明の第１の態様によると、ガスレーザ放電容器は、非対称複合型平面導波路共振器、光学集束システム／集束光学機器および追加の導波路ストリップ長で動作する。追加の導波路ストリップと集束システム／集束光学機器は、好ましくは、複合型平面導波路共振器からの出力ビームに作用し、自由空間の不安定方向に、導波路ストリップの出口でビームウェストを形成して、その導波路ストリップは、その位置で形成される直交導波路ビームウェストの寸法に整合し、円形の出力を生成する。さらに、自由空間の不安定ビームは、今、その遠視野と呼ばれる場所にあり、追加の導波路ストリップの出口の近くの点で、またはそのすぐ後に、空間的にフィルタに通され、円形の擬似回折限界ビームを生成し、そのビームが放電容器から出た後、さらなる外部補正を必要としない。

本発明の第２の態様によると、ガスレーザ放電容器は、非対称複合型平面導波路共振器、光学集束システム／集束光学機器および追加の導波路長で動作する。追加の導波路ストリップと集束システム／集束光学機器は、好ましくは、非対称複合型平面導波路共振器からの出力ビームに作用し、自由空間の不安定方向に、ビームが追加の導波路ストリップから伝搬された後に短距離で、ビームウェストを形成する。

自由空間のビームウェストの位置を、放電容器の内部または外部にあるように選択することができ、後の選択肢は、フィルタリングが、放電容器の組み立ておよび封止の後に付け加えられてもよいという利点を有している。ビームウェストの寸法と位置は、好ましくは、発散性導波路ビーム寸法が、その位置で、または自由空間ビームウェストが形成された後に短距離で整合するように設定されてもよい。次に、導波路ビーム発散度は、ビーム寸法が整合する場所に配置される円筒状ミラー／レンズを使用して、自由空間の不安定ビームの発散度と等しくなるように補正されることができ、円形ビームを生成する。自由空間のビームウェストの位置およびビームが円形である位置に応じて、補正円筒状ミラー／レンズが、放電容器の内部または外部に配置されてもよい。

本発明の第１および第２の態様について、非対称複合型平面導波路共振器の設計は、好ましくは、目的に合わせて準備され、共振器平面導波路放電と平行して隣接する追加の平面導波路ストリップの位置を定める。具体的には、レーザにより、非対称複合型平面導波路は、好ましくは、２面ミラー負ブランチ共振器として構成され、その共振器は、最大の曲率半径を有する共振器キャビティミラーを通過して、ビームを出力結合する。これは、次に好ましくは、集束システムが簡易で球状の凹面ミラーであることを可能にし、その集光システムは、出力結合されるビームに対してほぼ垂直の入射で機能し、共振器の平面導波路放電に平行して隣接する追加の平面導波路ストリップ内に、共振器出力ビームを入力結合する。さらに、上述のような非対称複合型平面導波路レーザ共振器は、共焦点共振器とみなされる点の近くの、または、まさにその点にある構成で動作し、それは、長方形状スラブ放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。共振器出力ビームのための有効な幾何学上の原点は、共振器の理論的な共焦点の近くであるか、またはその点に正確に一致する。

さらに、非対称複合型平面導波路共振器は、共振器のこの第２の態様において、好ましくは、凹面曲率半径を有する共振器キャビティミラーを通過して、ビームを出力結合する２面ミラー正ブランチ共振器として構成されている。これは、再び、集束システムが簡単な、球面凹ミラーであることを可能にし、出力結合されたビームにほぼ垂直な入射で動作し、共振器の平面導波路放電に平行して隣接する追加の平面導波路ストリップに、共振器出力ビームを入力結合する。再び、この共振器は、共焦点共振器とみなされる点の近くにあるか、または、まさにその点にある構成で動作することができ、それは、前の通り、長方形状スラブ放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。共振器出力ビームのための有効な幾何学上の原点は、共振器の理論的な共焦点の近くであるか、またはその点に正確に一致する。

好ましくは、導波路ストリップ長は、横方向の大きさを有し、その大きさは、第１の態様の平面導波路共振器からの出力ビームを効率的に入力結合するのに適した寸法である。
第１の態様の導波路ストリップは、その長さが集束システム／光学機器の出力と関連しており、好ましくは、自由空間の不安定方向に、導波路ストリップの端部で形成されるビームウェストの中央の突出部が、直交導波路ビームウェストの突出部と等しいように選択されることになる。

好ましくは、導波路ストリップ長は、導波路ストリップ出口の近くに、またはその直後に配置される空間的フィルタを含み、その空間フィルタは、自由空間の不安定方向のビームの第２のサイドローブを除去するように作用し、それにより、円形擬似回折限界ビームを与える。

好ましくは、第２の態様の導波路ストリップ長は、自由空間方向のビームウェストが、ビームが追加の導波路ストリップから伝搬した後に短距離で形成されるような、選択される集束システム／光学機器の出力と関連する長さを有し、好ましくは、ガスレーザ容器の内部か、または外部に含まれる。

ビームウェスト位置の近くの、または、その位置の自由空間の不安定ビームに属している第２のサイドローブの空間フィルタリングは、好ましくは、回折限界ビームを生成するように与えられる。

ビームウェストの寸法と位置は、好ましくは、発散性導波路ビームの寸法が、その位置で、または、自由空間のビームウェストが形成された後に短距離で整合するように、設定されてもよい。次に、導波路ビーム発散度は、ビーム寸法が整合する位置に配置される円筒状ミラー／レンズを使用して、自由空間の不安定ビームの発散度に等しくなるように補正されることができ、円形の回折限界ビームを生成する。

非対称複合型平面導波路共振器は、最大の曲率半径を有する共振器キャビティミラーを通過して、ビームを出力結合する２面ミラー負ブランチ共振器であってもよい。
非対称複合型平面導波路共振器は、凹面曲率半径を有する共振器キャビティミラーを通過して、ビームを出力結合する２面ミラー正ブランチ共振器であってもよい。

非対称複合型平面導波路共振器は、共焦点共振器とみなされる点の近くに、または正確にその点にある構成で動作するのに適合されていてもよく、それは、長方形状スラブ放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。出力ビームのための有効な幾何学上の原点は、好ましくは、共振器の理論的な共焦点の近くにあるか、または正確にその点に一致する。

集束システム／光学機器は、導波路ストリップ長手方向軸が、スラブ導波路放電の長手方向の軸と平行に配置されるように、角度調節可能なミラー面または表面を含んでもよい。

非対称複合型平面導波路共振器は、非対称複合型平面導波路共振器に属する共振ミラーのうちの１つとして働く単一の光学部品を組み込んでもよく、同じく、上記の集束システム／光学機器の一部または全体として作用する。

本発明の一態様によると、次を含んでいるガスレーザが提供される：
共振器ビームを集束させ、反射させるのに動作可能な導波路を形成している２つの実質的に平行な電極板と、
ガス放電を起こすために動作可能な励起手段と、
電極板の間で互いに向き合っている第１および第２の集束／反射手段と、
共振器ビームをガスレーザの出口に向けるために動作可能な第３の集束／反射手段とを含む。

共振器ビームは、好ましくは、電極板と第１および第２の集束／反射手段により生成される。利得は、ガス放電から得られ、光がガス放電を通過し、共振器ビームを引き起こす。

第１、第２および第３もしくは第２または第３の集束／反射手段は、好ましくは、湾曲した反射器である。
ガスレーザは、好ましくは、追加の導波路素子または導波路ストリップを含み、それらは、好ましくは、電極板により形成される導波路に隣接し、好ましくは、その導波路と同一平面上にある。第３の集束／反射手段は、好ましくは、既存の共振器ビームを集束させるために動作可能であり、好ましくは自由空間の不安定方向に、実質的には追加の導波路素子の出口またはその近くで、ビームウェストを形成する。ビームウェストは、追加の導波路素子を越えて形成されてもよい。

追加の導波路は、好ましくは、出力共振器ビームを導波路方向に束縛するために動作可能である。追加の導波路は、好ましくは、第３の集束／反射手段とガスレーザの出口との間に配置される。

第３の集束／反射手段は、好ましくは、出力共振器ビームを集束させるために動作可能であり、ビームウェストを実質的に導波路方向のビームウェストの寸法と同じ寸法に形成し、その寸法は、好ましくは、追加の導波路素子のプレートの分離距離である。第３の集束／反射手段が、角度調節可能であってもよい。第３の集束／反射手段は、第１または第２の集束／反射手段の一方の一部分であってもよい。

レーザは、好ましくは自由空間方向の、出力共振器ビームのサイドローブを除去するのに適合されている空間フィルタリング手段を含む。好ましくは、空間フィルタリング手段は、レーザの出口に、またはその近くに配置される。

レーザは、非対称平面導波路共振器レーザであってもよい。
レーザ放電のより幅の広い平面方向の第１および第２、もしくは第１または第２の集束／反射手段は、好ましくは、準共焦点または共焦点共振器を形成するために選択される。

本発明は、ガス放電レーザのための共振器に拡張され、前記共振器は、電極板と、先の態様の集束／反射手段を組み込んでいる。
本発明の別の態様によると、レーザ共振器ビームを生成する方法が提供され、前記方法は、
実質的に平行な電極板を用いて、ガスの無線周波数励起によりガス内に放電を起こす工程と、
第１および第２の集束／反射手段の間で放電を反射および集束させることにより生成される光から利得を引き出す工程と、
第３の集束／反射手段を用いて、前記共振器ビームを出口に案内する工程とを含む。

本明細書に記載されるすべての特徴は、上記の任意の態様と、任意の組み合わせで組み合わされてもよい。
本発明のさらなる理解のために、本発明のどの実施形態が実行されてもよいかを示すために、例として、付属の図面を参照する。

本発明の好ましい実施形態は、付属の図面、すなわち、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）を参照して、記載されることになる。図２（ａ）は、好ましい実施形態の光学および放電構造の斜視図を示す。ガス放電構造１４２は、２つの金属平板、長方形状電極１５２を含み、無線周波数励起ガス放電が、電極間の狭い間隙１６２内で実行される。隙間１６２の幅Ｄは、通常１〜２ｍｍからであり、隙間幅Ｄは、放電構造の全体にわたり１００ミクロン以内に保たれている。この均一な隙間は、電極の平らな金属表面とともに、共振器の狭い横方向軸Ｅにおいて、レーザ共振器のための導波路を形成する役割をする。スラブの幅Ｇ、または代わりに放電の端部に位置する共振器ミラーの幅により画定される共振器の広い平面方向自由空間軸Ｆにおいて、レーザ共振器は、この自由空間方向で、非対称不安定型共振器として動作し、レーザビームは、ミラーのうちの一方の硬質エッジを通過して出力結合される。共振器自由空間ビーム１７２の実線の光線軌跡が、図２（ａ）に示されている。

上記のように、放電構造のどちらの端部でも、共振器ミラーが配置されている。これらのミラーの両方は、ガス放電に向き合う表面上に加工された球状凹曲率半径を有し、平面方向自由空間軸Ｆにおいて準共焦点または共焦点負ブランチ、不安定光学システムを形成する。最小の曲率半径１８２を有している共振器ミラーは、ビームが放電構造とレーザ容器から出る放電端部に配置されている。放電の反対側の端部に、最大の曲率半径を有する共振器ミラー１９２があり、このミラー１９２は、硬質エッジ２０２を有し、共振器からのビームの出力結合を可能にしている。ミラー１９２に隣接して、放電に向き合う表面上に加工された球面凹形曲率半径を有している第３のミラー２１２がある。第３のミラー２１２の角度は、レーザ共振器Ｏの光軸に対して傾けられているレーザ共振器から出力を取り出すような角度であり、レーザ共振器Ｏの光軸に平行なガス放電の隣接する部分に沿って、出力ビーム２２２を折り戻す。放電２３２のこの部分は、このとき、追加の導波路ストリップとして働く。追加の導波路ストリップ２３２の出口の直後に、空間フィルタ２４２が、自由空間方向に出力結合されたビームを空間的にフィルタにかけるように、配置されている。一般に、空間フィルタは、反射性の装置であり、おそらく一般的に金属性であるが、必ずしもそうである必要はなく、導波路隙間寸法Ｄと類似した幅Ｈのスロット２６２が、その空間フィルタ内に加工される。それは、自由空間ビームの中央最大部が通過することを可能にし、一方ではさらに、主要なビームからの不必要な自由空間サイドローブを反射させる。導波路の出口から２、３センチメートル後退させて空間フィルタを配置することが望ましく、反射された自由空間サイドローブを共振器の光路から離れるように方向付けることができ、それにより光学「帰還」を止めて、さらに無線周波数励起放電からフィルタの金属構造への潜在的なフラッシュオーバーを回避している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に表される好ましい実施形態の平面図であり、広い平面方向自由空間の不安定方向の共振器と補正を示し、さらに放電容器２７２の輪郭と、出力ビームが放電容器から伝搬することを可能にする容器壁内の容器光学窓２８２とを含んでいる。共振器内の自由空間不安定ビーム１７２は、実線の光線軌跡として再び表されている。本発明では、出力ビーム２２２は、第３のミラー２１２により放電容器の長さに沿って折り返される前に、放電容器２７２の背面でレーザ共振器から出る。共振器は、共振器から離れるビーム２２２が発散性であり、放電センターの近くの仮想点光源３０２から始まるように、設計されている。第３のミラー２１２の曲率半径と共振器からの出力結合との程度の適切な選択を通じて、結果として生じるビーム２２２は、追加の導波路ストリップ２３２の出口３１２でビームウェストを有し、フィルタにかけられるとき、擬似回折限界の自由空間ビームを生成する。その自由空間ビームの寸法は、図２（ｃ）に示される追加の導波路ストリップ２３２の出口３１２での直交導波路ビームウェストの寸法に等しい。図２（ｃ）は、図２（ｂ）の軸線Ｐに沿って取られるレーザ放電容器の断面図である。このように、レーザ放電容器２７２から出ているビーム２２２は、円形で、フィルタにかけられており、さらなる補正を必要としない。図２（ｂ）に戻り、追加の導波路ストリップの出口２３２で自由空間ビームをフィルタにかけることができるのは、自由空間ビームが遠視野にあるとみなされているからであり、従来の先行技術の平面導波路レーザ共振器と従来の補正を用いる場合、この状況は、放電容器の内部に生成することはできず、本発明に背景を述べている部分で議論されてきた。注意する別の重要な点は、レーザ共振器から出ているビームが円形であるように、従来の非対称平面導波路レーザを構成することができることである。すなわち、出力自由空間不安定性ビーム寸法と導波路ビーム寸法は、同じであり、上記の構成は、マイクロ波励起ガス放電を詳述している特許文献３で示された。平面導波路共振器の出口からの現存の発散性ビームの伝搬の後、導波路ビームウェストの寸法とレーザが動作する選択された波長に応じて、ビームは、理論的には、自由空間方向に、導波路の出口から０．３ｍ未満の距離で空間的にフィルタにかけることができ、自由空間不安定ビームを集束させる必要はない。しかし、このアプローチは、２００ワット以下の出力で動作するレーザに限定されており、その実用的な用途が、平面導波路放電の許容平面方向の幅により制約されるからである。この制約の理由は、共振器のわずかな出力結合が、平面導波路放電の幅により分けられる出力ミラーの硬質エッジを通過して、共振器から出ている自由空間ビームの幅により、おおよそ与えられることである。理想的には、約０．０６〜０．２の微小な値が、一般に、３〜１２ミクロンの波長で動作するこれら種類の平面導波路ガス放電レーザ共振器から、最も効率的な出力抽出を与える。残念なことに、微小な値が０．０６以下に下がり始めると、出力抽出効率は、全く劇的に落ちる。この傾向は、２０〜３０ｍｍ以下の平面方向の幅を有し、通常１〜２ｍｍの範囲である選択される導波路隙間寸法に依存する平面導波路ガス放電へのこの先行技術のアプローチの実用的な用途を限定する。特許文献３に表されるような、この種類の平面導波路レーザからの放射レベルが、極めて高く、３〜１２ミクロン波長領域で機能する窓基板のために一般的に利用される材料を使用するとき、放電容器の光学窓の光学損傷に至ることがありえることに注意するべきである。これは、本発明の好ましい実施形態の事例でもあるようだが、本発明の場合、図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）に戻り、金属電極１５２が、長方形であるように示されており、それらの金属電極の全長にわたっている追加の導波路ストリップ２３２をともなっている。これは、すべてのデザインと出力レベルに対して、必ずしもこの事例である必要はない。平面導波路ガス放電レーザの出力が増えるにつれて、通常、面導波路電極増加の幅と長さは、より大きな範囲の利得を生成するために増加する。放電活性領域のこの領域のスケーリングは、平面導波路電極１５２の全長にわたらない追加の導波路ストリップ長になりやすい。このように、放電容器の光学窓２８２から十分な距離で、円形ビームを生成することができ、したがって、放電容器の光学窓２８２での発散性出力ビームの寸法は、放射レベルがもはや光損傷を起こさない値まで増加した。当然、この方式の実現は、空間フィルタ２４２の利用を必要とし、その空間フィルタは、追加の導波路ストリップ２３２の出口の近くに配置するために、無線周波数放電から電気的に絶縁されており、フィルタに通されたビームが光学的にレーザ共振器に「帰還」することができないように設計されている。

図３（ａ）は、本発明の好ましい実施形態の派生体のための平面図を示す。この異形では、第３のミラー２１３は、自由空間不安定方向に結果として生じる出力ビーム２２３が、好ましい実施形態の場合のような追加の導波路ストリップ２３３の出口３２３ではなく、ビームが追加の導波路ストリップから出た後の短距離の位置３３３でビームウェストを有するような曲率半径を有する。このアプローチは、設計がもはや追加の導波路ストリップの端部で等しいビーム寸法を有するように制約されないので、広い範囲のさまざまな共振器出力結合と追加の導波路ストリップ長が、考慮されることを可能にする。また、位置３３３が、放電容器の境界の内部または外部にあるように選択されることができることに注意するべきである。位置３３３を放電容器の境界の外部に設定することへの潜在的利点は、フィルタリングが、エンドユーザーに選択肢として提供されることができることである。これに対して、位置３３３を放電容器の境界の外部にすることへの不利な点は、本発明の二酸化炭素ガスレーザの異形についての平均的レーザ出力が２００Ｗ以下の値に限定されることであり、それは、窓基板のために一般に入手可能な材料を使用する場合に、放電容器の出力窓２８３について形成される許容放射レベルが制約されることに起因する。自由空間方向に擬似回折限界ビームを生成するように自由空間方向で機能する空間フィルタ２４３が、位置３３３に直接、配置される。空間フィルタの切れ込み幅は、自由空間ビームの中心最大値の３＊ｗ０にほぼ等しく、ここで、ｗ０は、従来の１／ｅ２ビーム半径である。図３（ｂ）に、図３（ａ）の線Ｐに沿って取られるレーザ放電容器の断面図が示されており、出力ビーム２２３が、追加の導波路ストリップ２３３から出るように、導波路方向に分かれていることを実証している。導波路発散が直交自由空間ビームウェストの発散に整合するように導波路発散を補正するために、円筒形レンズ３４３は、直交する方向でのビーム寸法が等しい所にある位置３５３に配置されている。円筒形レンズ３４３の焦点距離は、次に異なる発散が整合するように選択されており、円形回折限界ビームを生成する。自由空間方向に対して選択されるビームウェスト寸法と位置に応じて、位置３５３が、位置３３３またはより遠い距離のどちらかでありえることに注意するべきである。これは、位置３３３が放電容器の内部にある場合、この補正光学機器が、放電容器の内部にありえ、光学機器３４３と２８３が１つであり同じ光学機器であるように、装置を密封する役割を潜在的に果たしえることを指す。

本発明の共振器をより良く説明するために、本発明の非対称負ブランチ共振器の共焦点の異形が、自由空間方向の平面図として図４に示されている。本発明の補正用の第３のミラーは、図示されていない。自由空間方向では、共焦点または準共焦点非対称共振器が動作し、その共振器は、各ミラー上に曲率半径を形成している２つのミラー１８４と１９４との間で形成されている。形成された表面は、互いに向き合い、レーザ放電１４４を横断し、正面共振器を形成する。ミラー面の曲率半径は、共振器が自由空間方向で不安定性として描写されることができるように、最初に選択される。この不安定要件は、共振器自由空間幾何学形状パラメータ積（ｇ１＊ｇ２）が次の境界条件外にある場合に満たされる：
０≦ｇ１・ｇ２≦１
ここで、ｇ１＝１−Ｌ／Ｒ１、および、ｇ２＝１−Ｌ／Ｒ２であり、Ｌは、放電を横断するミラーの間隔であり、Ｒ１は、ミラー１８４に対する自由空間ミラー曲率半径であり、Ｒ２は、ミラー１９４に対する自由空間ミラー曲率半径である。自由空間共振器のための第２の要件は、ミラー１８４と１９４に属している自由空間曲率半径により形成される光軸が、ガス放電１４４の主軸Ｔに平行であることである。これは、ガス放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。自由空間共振器の光軸は、ミラー１８４と１９４に対する曲率半径の２つの中心を通り抜ける軸Ｏとして画定されている。図４では、ミラー１８４に対する曲率半径の中心は、位置３５４にあり、ミラー１９４に対する曲率半径の中心は、位置３６４にある。自由空間共振器のための第３の要件は、自由空間共振器が、共焦点または準共焦点であることであり、この要件は、ガス放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。この要件は、自由空間共振器ミラー１８４，１９４に属している焦点が互いに交差する場合に満たされる。図４では、共振器の共焦交点は、３０４であり、ミラー１８４と１９４の焦点は、それぞれ３７４と３８４であり、曲率半径の中心をそれらのミラー表面に連結させているそれぞれの線に沿っての中間である。

議論中のこの点まで、提唱される要件は、特許文献３と特許文献１の先行技術で示されているように、さらに従来の共焦点非対称負ブランチ共振器により共有されている。しかし、従来の設計から離脱して、本発明のレーザ共振器ビームは、自由空間不安定方向に最大の曲率半径で共振器ミラー１９４上に加工された硬質エッジ２０４を通過して出射し、従来の設計とは、正に反対である。これにより、自由空間不安定方向での励起ビーム２９４は、従来の非対称ブランチ共振器の場合のように視準されるよりはむしろ発散性になり、発散性ビームの幾何学的原点は、共振器の共焦交点３０４になる。共振器ミラー１８４と１９４により囲まれる自由空間方向での放電の理想的な幅Ｑは、以下の表記より、自由空間共振器の拡大率Ｍと放電幅Ｗに関連する：
Ｑ＝Ｗ／Ｍ
ここで、自由空間共振器の拡大率Ｍは、比Ｒ２／Ｒ１として定められる。最終的に、放電から利得を効果的に引き出すことを促進するために、自由空間共振器のための第５の要件は、自由空間共振器の光軸Ｏが放電主軸Ｔに対して変移することである。軸のこの変移は共振器ミラー１９４上に加工されている硬質エッジ２０４から離れた方向にある。自由空間不安定型共振器の光軸ＯのオフセットＳは、以下の表記により与えられる共振器ミラー１９４の硬質エッジ２０４に対して定められる：
Ｓ＝Ｗ／（Ｍ^２＋Ｍ）
図５は、本発明の正ブランチ共振器の等価な平面図を示しており、本発明の補正用第３のミラーは、図示されていない。再び、負ブランチ等価物についての場合であったように、５つの要件がある。自由空間方向では、２つのミラー１８５と１９５との間で形成される共焦点または準共焦点非対称共振器が動作し、曲率半径は、各々のミラー上で形成され、形成された表面は、レーザ放電１４５を横断して互いに向き合い、共振器を形成する。ミラー面の曲率半径は、共振器が自由空間方向において不安定性として描写されるように、最初に選択される。
この不安定要件は、共振器自由幾何学形状パラメータ積（ｇ１＊ｇ２）が、次の境界条件外にある場合に満たされる：
０≦ｇ１・ｇ２≦１
ここで、ｇ１＝１−Ｌ／Ｒ１、および、ｇ２＝１−Ｌ／Ｒ２であり、Ｌは、放電を横断するミラーの間隔であり、Ｒ１は、ミラー１８５に対する自由空間ミラー曲率半径であり、Ｒ２は、ミラー１９５に対する自由空間ミラー曲率半径である。この場合、１８５のミラー面は、凸面であり、負の値を有するＲ１になる。自由空間共振器のための第２の要件は、ミラー１８５と１９５に属している自由空間曲率半径により形成される光軸が、ガス放電１４５の主軸Ｔに平行であることである。これは、ガス放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。自由空間不安定型共振器の光軸は、ミラー１８５と１９５に対する曲率半径の２つの中心を通り抜ける軸Ｏとして定められる。図５では、ミラー１８５，１９５に対する曲率半径の中心は、図の左の位置にある。自由空間共振器のための第３の要件は、自由空間共振器が、焦点性または準共焦点であることであり、この要件は、さらに、ガス放電から利得を効果的に引き出すことを促進する。この要件は、自由空間不安定型共振器ミラー１８５と１９５に属している焦点が、互いに交差する場合に満たされる。図５において、共振器の共焦交点は３０５であり、ミラー１８５と１９５の焦点は、それぞれ３７５と３８５であり、曲率半径の中心をミラー面と連結しているそれぞれの線に沿って中間にある。

議論のこの点まで、提唱される要件は、特許文献２の先行技術で示されるような、従来の共焦点非対称正ブランチ共振器により、同じく共有されている。
しかし、従来の設計から離脱して、本発明のレーザ共振器ビームは、自由空間不安定方向において凹面曲率半径で共振器ミラー１９５上に加工されている硬質エッジ２０５を通過して出射しており、凸面曲率半径で共振器ミラー上に加工された硬質エッジを有する従来の設計とは、全く反対である。これにより、自由空間不安定方向での共振器からの出力ビーム２９５は、従来の非対称正ブランチ共振器の場合のように視準されているよりはむしろわずかに発散性になり、発散しているビームの幾何学的原点は、共振器の共焦交点３０５になる。共振器ミラー１８５と１９５により囲まれる自由空間方向での放電の理想的な幅Ｑは、以下の表記により、自由空間共振器の拡大率Ｍと放電幅Ｗに関連する：
Ｑ＝Ｗ／Ｍ
式中、自由空間共振器の拡大率Ｍは、比Ｒ２／Ｒ１として定められる。最終的に、放電から利益を効果的に引き出すことを促進するために、自由空間共振器のための第５の要件は、自由空間共振器の光軸０が放電主軸Ｔに対して変位することである。軸のこの変位は、共振器ミラー１９５上で加工されている硬質エッジ２０５から離れた方向にある。自由空間不安定型共振器の光軸ＯのオフセットＳは、光軸Ｏが、共振器ミラー１９５の硬質エッジ２０５から最も遠くにある放電長手方向エッジと同軸に通るようなものである。

この出願と関連している本明細書と並行して、または、その前に出願されているすべての書類と文書、そして、本明細書とともに一般審査のために公開されているすべての書類と文書に注意が向けられる。すべての上記の書類と文書は、参考として本明細書に組み込まれている。

本明細書（いずれの付属の請求項、要約および図面も含んでいる）で開示されるすべての特徴、およびそのように開示されるいずれの方法またはプロセスのすべての工程、もしくは本明細書（いずれの付属の請求項、要約および図面も含んでいる）で開示されるすべての特徴、またはそのように開示されるいずれの方法またはプロセスのすべての工程は、いずれの組み合わせで、組み合わされてもよいが、少なくともいくつかの上記の特徴および工程、もしくはいくつかの上記の特徴または工程が互いに相容れない組み合わせは除く。

本明細書（いずれの付属の請求項、要約および図面も含んでいる）で開示される各特徴は、明白に特に述べられない限り、同等な、等価な、または類似した目的に用いられる代わりの特徴に入れ替えられてもよい。このように、明白に特に述べられない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価なまたは類似した特徴の一例である。

本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（いずれの付属の請求項、要約および図面も含んでいる）で開示される特徴のうちのいずれの新たなもの、もしくは、いずれの新たな組み合わせにも、または、そのように開示されるいずれの方法またはプロセスの工程のうちのいずれの新たなもの、もしくは、いずれの新たな組み合わせにも拡張される。

図１（ａ）は、前記特許文献１に開示されているような、従来の先行技術の長方形状の非対称複合型平面導波路ガスレーザ装置の斜視図である。 図１（ｂ）は、図１（ａ）に表される先行技術のレーザの平面図であり、レーザ共振器の自由空間の不安定方向を示している。 図１（ｃ）は、図１（ａ）に表される先行技術のレーザの断面図であり、レーザ共振器の導波路方向を示している。 図２（ａ）は、好ましい実施形態の光学および放電構造の斜視図である。 図２（ｂ）は、図２（ａ）に表される好ましい実施形態の平面図である。 図２（ｃ）は、図２（ａ）に表される好ましい実施形態の断面図である。 図３（ａ）は、好ましい実施形態の派生体の平面図である。 図３（ｂ）は、好ましい実施形態の派生体の断面図である。 図４は、負ブランチ共焦点構成で動作している本発明の非対称複合型平面導波路共振器の平面図である。 図５は、正ブランチ共焦点構成で動作している本発明の非対称複合型平面導波路共振器の平面図である。

Claims (13)

1. レーザ共振器ビームを集束および反射させるように動作可能な導波路を形成する実質的に平行な２つの電極板（１５２）と、
   ガス放電を起こすように動作可能な励起手段と、
   共振器を形成するために、前記電極板（１５２）間で互いに対向する第１および第２の反射手段（１８２、１９２）であって、前記第１および第２の反射手段の各曲率半径および間隔は、前記電極板（１５２）に平行な自由空間面内の前記共振器が不安定共振器かつ実質的に共焦点共振器となるように設定されている第１および第２の反射手段と、
   前記共振器ビームを前記ガスレーザの出口（２８２）に向けるように動作可能な前記共振器の外部にある第３の反射手段（２１２）とを備えるガスレーザ装置において、
   前記共振器の外部にあり、前記第３の反射手段（２１２）と前記ガスレーザの前記出口（２８２）との間に配置される追加の導波路素子（２３２）を備え、前記第３の反射手段は前記共振器の一方の端部に隣接し、前記ガスレーザの前記出口（２８２）は前記共振器の反対側の端部に隣接していることを特徴とするガスレーザ装置。
2. 前記第２の反射手段（１９２）を通過した前記共振器ビーム（２９２）を出力結合するように適合され、前記第２の反射手段は、前記出力ビームが発散性であり、かつ前記不安定共振器の長手軸に対して所定の角度で出射するような曲率半径を有することを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記第３の反射手段（２１２）は、前記追加の導波路素子（２３２）の実質的に前記出口（３１２）において、前記共振器出力ビームを集束させるように動作可能であり、前記自由空間方向においてビームウェスト（３３３）を、直交する導波路の方向において形成されるビームウェストと実質的に同じ寸法に形成する請求項１または２に記載のガスレーザ装置。
4. 使用のためのビームを整形するように動作可能な空間フィルタリング手段（２４２）を備え、同空間フィルタリング手段は、前記追加の導波路素子（２３２）の実質的に前記出口（３１２）に配置され、かつ前記自由空間方向におけるサイドローブを除去するように適合され、それにより前記レーザガス装置の内部に、円形の回折限界ビームを生成する請求項３に記載のガスレーザ装置。
5. 前記第３の反射手段（２１３）は、前記自由空間方向において、前記追加の導波路素子（２３３）の前記出口（３２３）を越えて前記共振器出口ビームを集束させるように動作可能である請求項１または２に記載のガスレーザ装置。
6. 実質的に前記自由空間ビームウェスト（３３３）に配置された空間フィルタリング手段（２４３）を備え、同空間フィルタリング手段は、前記自由空間方向において前記ビームの前記サイドローブを除去するように適合され、それにより回折限界ビームを生成する請求項５に記載のガスレーザ装置。
7. 直交する自由空間および導波路のビームの寸法が実質的に同じである位置に配置された光学要素（３４３）を備え、同光学要素（３４３）は、直交する方向における前記異なる発散が実質的に同じであり（３５３）、それにより円形の回折限界ビームを生成する光出力を有する請求項５または６に記載のガスレーザ装置。
8. 前記空間フィルタ手段（２４３）および光学素子（３４３）は、前記レーザガス容器の内部または外部に配置される請求項５〜７の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
9. 前記追加の導波路素子（２３２／２３３）は、前記電極板（１５２）により形成される前記導波路に隣接し、かつ前記導波路と同一平面上にある請求項１〜８の何れか１項に記載の請求項に記載のガスレーザ装置。
10. 前記第３の反射手段（２１２／２１３）は角度調節可能である請求項１〜９の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
11. 前記第１および第２の反射手段（１８２／１８４／１８５、１９２／１９４／１９５）は曲率半径を有し、前記電極板（１５２）に平行な平面において、準共焦点共振器を形成する請求項１〜１０の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
12. 前記実質的に平行な電極板（１５２）間の間隙（１６２）内に含まれる前記ガスの無線周波数励起により、放電が生成される請求項１〜１１の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
13. ガス容器内でレーザ装置を製造する方法であって、
    ガスの無線周波数励起により実質的に平行な電極板の間でガス放電を起こす工程と、
    第１の反射手段（１８２）と第２の反射手段（１９２）との間で結果として生じる共振器ビームを反射させることにより、ガス放電から利得を引き出す工程と、
    前記共振器の外部にある第３の反射手段（２１２）を使用して、前記共振器ビームを出口に案内する工程とを備える方法において、
    前記ビームは、前記第３の反射手段（２８２）と前記ガスレーザの前記出口（２８２）との間に配置される追加の導波路素子（２３２）に沿って案内され、前記導波路素子（２３２）は前記共振器の外部にあり、前記第３の反射手段（２１２）は前記共振器の一方の端部に隣接し、前記ガスレーザの前記出口（２８２）は前記共振器の反対側の端部に隣接していることを特徴とする方法。

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