JPH0130319B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ装置に係り、特にトランスバー
スRF放電（transverse rf discharge）によつて
励起される導波ガスレーザ装置に関する。

導波ガスレーザ技術における最近の発展には、
通常VHF乃至UHF帯域内のラジオ周波数（RF
周波数）でのトランスバース放電手段によりレー
ザを供給する技術が含まれている。この種のレー
ザ装置は、1979年９月25日にケイ．デイ．ラアツ
クマン（K.D.Laakmann）に付与されかつ当該
発明の譲渡人に譲渡された米国特許第4169251号
に開示されている。

近年、レーザ装置の全長を大きくすることによ
りレーザの出力電力を増加することが特に望まれ
ており、交流供給レーザに対しては、励起周波数
を高く設定することが好ましい。レーザの電気長
（electrical length）は励起周波数及びレーザ装
置の物理長の積に比例し、これら励起周波数及び
物理長の一方またはその両方の増加に従つて上記
レーザの電気長は長くなる。RF周波数を有する
トランスバース励起型導波レーザ装置の場合、上
記電気長が充分に増加されると、放電の一様性を
低下させる伝送ライン効果が発生し、動作効率及
び出力電力を低減させてしまう。

本発明の目的はレーザの物理長及び励起周波数
のいずれか一方又はその両方を増大させることが
でき、かつ動作効率が高いトランスバースRF放
電によつて励起される導波レーザ装置を提供する
にある。

本発明の他の目的は、唯１個の電源によつて駆
動され、回路構成が単純化されかつレーザの電気
長が長いトランスバースRF放電によつて励起さ
れる導波レーザ装置を提供するにある。

本発明の導波レーザ装置によると、レーザ光を
導びくために適切な断面寸法を有する空胴部内に
レーザガスが充満される。空胴部は、この空胴部
の対向する端部に互いに平行に配置される縦長状
の一対の電極を含んで構成される。30MHz以上の
周波数を有する交流励起電圧が上記電極間に印加
され、これによりレーザガス中にレーザ励起放電
が生成される。上記空胴部の外側から上記電極間
に所定の分路インダクタンスを設けるこにより、
励起電圧によつて空胴部内に形成される定常波電
圧の変化量は減少され、この結果レーザ励起放電
の一様性が改善される。

第１図に本発明の導波レーザ装置の一実施例を
示す。この導波レーザ装置は導電体材料によつて
形成された縦長状のベース部材１０を含んで構成
され、ベース部材１０には矩形断面形状の縦長の
隆起部１２が上方向に突起されて設けられてい
る。隆起部１２の各側面に隣接して上記ベース部
材１０上に、矩形断面形状を有する一対の縦長状
絶縁側部部材１４，１６が夫々配置され、絶縁側
部部材の高さは上記隆起部１２よりも実質的に大
きく設定されている。矩形断面形状を有する縦長
状導電部材１８は、側部部材１４，１５間でかつ
隆起部１２から隔間して設けられ、従つて上記部
材１２，１４，１６，１８の内部表面により縦長
状空胴部２０が形成されている。即ち導電部材１
８及び隆起部１２の対向する表面間にレーザ励起
放電が発生するように構成される。

上記空胴部即ちレーザ放電空胴部２０が矩形断
面形状をもつように図示されているが、円形断面
形状等の他の断面形状に設定されても良い。空胴
部２０の寸法は、レーザ光を導びくために適切
に、典型的には略0.25mm²乃至略7.5mm²の範囲に設
定される。第１図に示された一実施例において
は、例えば上記空胴部２０の正方形断面の各辺は
1.5mmに夫々設定されかつ全長は略21.6cmに設定
されている。

上記ベース部材１０及び導電部材１８は放電電
極としての機能を有し（以下放電電極と称する）、
例えばアルミニウム等の金属材料によつて形成さ
れているが、これに限定されず他の導電材料が用
いられても良い。側部部材１４，１６に用いられ
る好ましい絶縁材料はアルミナであるが、他の材
料例えばベリリア（beryllia）又はガラス等が用
いられることもできる。絶縁側部部材１４，１６
は機械的に又は所定の接着物質によつて導電性ベ
ース部材によつて形成される放電電極１０に固着
されている。

上記放電空胴部２０は、静的又は流動的な所望
のレーザガスによつて充満されている。第１図の
一実施例においては、このレーザガスは、例えば
ヘリウム、窒素及び２酸化炭素が夫々体積比
（volume ratio）３：１：１の割合で混合された
混合気体が用いられている。しかし他の構成のレ
ーザガス混合体及び他の体積比の混合体が用いら
れても良い。上記レーザガスの点火電位を低減す
るためには、例えば少量のキセノンを添加しても
良い。典型的なガスレーザ圧力は略20トール
（torr）乃至略1000トールの範囲に設定される。
当該実施例のレーザ装置においては、ヘリウム、
窒素及び２酸化炭素の混合ガスは、例えばキセノ
ンの10トールに加えて75トールの圧力に設定され
ている。

上記空胴部２０内にレーザガス混合体を充満す
るために、空胴部２０の両終端は図示しない所定
の窓若しくはミラーによつて密閉されるか、又は
この空胴部２０の両終端は第１図に示すように開
放状態に保持され、上記レーザガスを含む所定の
外囲器内に封入されたベース部材によつて形成さ
れる放電電極１０、側部部材１４，１６及び導電
部材によつて形成される放電電極１８の集合体に
よつて構成される。本発明に係るレーザ装置が発
振器として動作するように設定される場合、一方
が部分的に透過可能に作られた一対の整列された
反射器（図示せず）は、上記空胴部２０の長軸に
沿つた空胴部２０の対向端或いは、この対向端外
に配設される。

交流電圧源２２は上記放電電極部材１０及び１
８間に接続され、レーザガス中において所望のレ
ーザ遷移のエネルギレベル分布を反転させるに充
分な電気放電を発生させる所定の動作電圧が上記
交流電圧源２２により供給される。この交流電圧
源２２は、30MHz以上のRF周波数の交流電圧を
生成する。カツプリング回路２４は交流励起電圧
を上記電圧源２２から放電電極部材１０及び１８
に供給し、かつ放電空胴部形成体（即ち放電電極
部材１０，１８及び側部部材１４，１６）の無効
インピーダンスを消去するインピーダンス整合回
路として機能している。

上記カツプリング回路２４は、例えば交流電圧
源２２に直列に接続される第１可変キヤパシタ２
６と、交流電圧源２２及び第１可変キヤパシタ２
６の直列回路とに並列に接続される第２可変キヤ
パシタ２８を含んで構成されている。第２可変キ
ヤパシタ２８の一端は基準電位例えば接地電位に
保持され、一方同軸伝送ライン３０の内部導体は
第２可変キヤパシタ２８の他端と放電電極部材１
８の長手方向での中間点間に接続される。同軸伝
送ライン３０の外部導体は接地され、かつ電極部
材１０の長手方向での中間点に接続される。当該
実施例においては、同軸伝送ライン３０は例えば
50Ωの特性インピーダンスを有するRG213線が用
いられている。しかしながら、他のカツプリング
回路、伝送ライン及びインピーダンス値も同様に
用いられても良いのは勿論である。

前述したように、第１図に示されたレーザ装置
の電気長が充分に大きいとき、放電特性即ちレー
ザ装置の動作に影響を与える伝送ライン効果が発
生する。従来の伝送ライン解析法を用いると、第
１図のレーザ装置の長手方向に発生し後述する誘
導装荷が設けられないときの定常波電圧ＶはＶ＝
2V₊cosβzによつて与えられ、ここにおいてV₊は
上記電極部材１８及び１０間に印加される電圧正
方向波（voltage forward wave）の振幅値、β
は伝送ライン相定数、及びｚはレーザ装置の全長
ｄ方向の距離を夫々表わしている。上述した（非
補償）状態の定常波電圧パターンの一例が第２図
中曲線４０によつて示されている。第２図に示さ
れるように、定常波電圧Ｖは、レーザ装置の開放
端部（ｄ＝０）における最大値から、このレーザ
装置の全長ｄ方向の中間点であつて駆動電圧が印
加される点での最小値まで、実質的に減少する。
レーザ装置の終端において伝送ライン反射係数ρ
の値は一定であり、反射係数（＝−2βz）の位相
角は零である。反射係数ρの相はレーザ装置の全
長ｄ方向の中間点において最大負性値に達する。

本発明によると、分路インダクタンスはトラン
スバースRF供給型導波レーザ装置（transverse
rf pumped waveguide laser）に並列に接続さ
れ、レーザ装置の全長ｄ方向の伝送ライン反射係
数の位相角における変化を補償する負性アドミタ
ンスが与えられ、これにより上記定常波電圧にお
ける変化量は相応して減少される。

本発明に係る誘導装荷構成の一態様が第１図に
示されている。図中、複数のコイル４５は、レー
ザ放電空胴部２０の外方に設けられると共に、空
胴部２０の長さ方向に対応して所定間隔を保ちな
がら周期的に互いに離間して、上記放電電極部材
１０及び１８間に接続される。特に第１図におい
ては、全６個のコイル４５がレーザ装置の全長ｄ
方向に対応して各縦配置点ｚ＝０、ｄ／６、ｄ／
３、2d／３、5d／６及びｄに対応する部位に
夫々配設される。しかしながら上記個数とは異な
る個数のコイルがレーザ装置の全長ｄ方向に対応
して異なる配置点に夫々設けられても良いことは
容易に理解される。付言するに、個々のインダク
タンス・コイルが必ずしも必要では無く、更に
種々の均等物が組み込まれた回路コンポーネント
がレーザ装置の全長ｄ方向に対応する所定部位に
設けられても良いことは指摘されている。

上記分路コイル４５を含む第１図に示されたレ
ーザ装置の定常波電圧パターンは第３図に曲線５
０によつて示されている。第３図において、一連
の定常波電圧最小点は、複数のコイル４５の各接
続点、換言するにレーザ装置の全長ｄ方向に対応
して配列されかつ伝送ライン３０からの供給点
（ｚ＝０、ｄ／６、ｄ／３、ｄ／２、2d／３、
5d／６及びｄ）に夫々発生しており、また定常
波電圧最大点は互いに近接する一対の上記最小点
間の中間点に対応して発生している。最も重要な
ことであるが、レーザ装置の全長ｄ方向に対応し
て発生する定常波電圧変化量は付加された上記分
路インダクタンスにより極めて減少される。

本発明の誘導装荷構成のための特定設計例とし
て、インダクタンス値及びインダクタンスの個数
がどのように決定されるかを示すことにより説明
する。まず、所望のレーザ長ｄ及び励起周波数ｆ
に対して、特性伝送ラインインピーダンスZ₀及び
位相定数βが決定される。前述したように全長ｄ
＝21.6cmであつて励起周波数ｆ＝200MHzを使用
するレーザ装置の場合Z₀＝61.8Ω、β＝
0.0727rad／cmと夫々設定される。このように決
められたパラメータから、θ＝βdで規定される
電気長は120゜と計算される。

伝送ライン中の定常波電圧が上記βzのコサイ
ン値に応じて変化するという事実を考慮すると、
定常波電圧振幅の最大許容変化に要求されるβz
が決められる。例えば、このβzが定常波電圧の
振幅最大値の10％に設定される場合β≦26゜とな
り、定常波電圧の振幅最大値の６％の場合はβz
＝20゜となる。定常波電圧許容変化に要求される
インダクタンスの個数を決めるには、レーザ装置
の電気長θは上記最大許容値βzによつて除算さ
れ、この除算結果は丸められて整数とされる。従
つて上記インダクタンスの個数ｎは例えばｎ＝
θ／βz＝120゜／20゜＝６と与えられる。インダク
タンス間の電気長θiはθi＝θ／ｎによつて決定さ
れ、両端のインダクタンスを除いた全てのインダ
クタンス値は以下の式 Ｌ＝Z₀cotθ_i／4πf に従つて計算され、両端インダクタンス値Leは
Le＝2Lによつて与えられる。従つて当該実施例
においてはθi＝20゜、Ｌ＝67.6nh、及びLe＝
135.2nhと設定されている。

前述したように、本発明における誘導装荷構成
はレーザ装置の全長方向に対応する定常波電圧の
変化量を極めて低減させる。このような定形化さ
れた定常波電圧により電気放電が更に均質化され
かつレーザガスは更に効果的に供給される。この
結果、レーザ動作効率を向上し、出力電力をより
大きくすることができる。

本発明のレーザ装置によつて達成される出力電
力の増大は、第４図に示されている。第４図の曲
線６０は、本発明に係る誘導装荷が設けられてい
ないレーザ装置の入力電力の関数としてのレーザ
出力電力を示し、曲線７０は前述した特定例の誘
導装荷が設けられた同一のレーザ装置のレーザ出
力電力を示している。曲線６０により、非補償化
レーザ装置が160Wの入力電力時に3.5Wの最大出
力電力しか達成せずその効率は略2.2％にとどま
ることが理解される。これに対して本発明の誘導
装荷が設けられたレーザ装置によれば、曲線７０
で示されるように、80Wの入力電力時に8.1Wの
ピーク出力電力が得られ、その効率は10％以上と
なる。達成される最大効率は、40W入力電力時に
4.4W出力電力であるから11％となる。従つて、
出力電力は2.3倍に増大され、動作効率は５倍に
増大されることが本発明の一実施例によつて示さ
れている。

以上説明したように、本発明によれば、任意の
励起周波数に対して効率良く動作しかつ物理長が
長いRF周波数が供給されるトランスバース導波
レーザ装置が提供され、又は所定のレーザ長に用
いられる励起周波数を高めることができる。更に
供給電源は唯１個設けられれば良く、回路構成は
単純化される。

本発明は特定の実施例を参照して記載された
が、本発明に関連する技術分野における当業者に
とつて自明な種々の変形例及び変形態様は、本発
明に含まれることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は概略的回路構成を含んで示す本発明の
一実施例である導波レーザ装置の斜視図、第２図
は第１図のレーザ装置から誘導装荷を除いたとき
のレーザ装置の全長方向に対応する距離の関数と
しての電圧定常波パターンを示すグラフ図、第３
図は第１図に示されている本発明の誘導装荷が設
けられたレーザ装置の全長方向に対応する距離の
関数としての電圧定常波パターンを示すグラフ
図、そして第４図は本発明の誘導装荷の有無につ
いて第１図のレーザ装置の入力電力対出力電力の
特性を示すグラフ図である。 １０，１８……放電電極部材、１２……隆起
部、１４，１６……絶縁側部部材、２０……空胴
部、２２……交流電圧源、２４……カツプリング
回路、２６，２８……可変キヤパシタ、３０……
同軸伝送ライン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光を導くために適切な断面寸法をもつ
   縦長状空洞部を形成しかつこの空洞部の対向する
   端部に互いに平行に配置される縦長状の第一及び
   第二の電気的導電素子を含む手段と、前記空洞部
   内に充満されるレーザガスと、前記空洞部の長さ
   方向に対応して振幅が変化する定常波電圧を前記
   空洞部内に生成する交流励起電圧を30MHz以上の
   周波数で発生すると共に前記第一及び第二の導電
   素子間にこの交流励起電圧を印加して前記レーザ
   ガス中にレーザ励起放電を形成する手段と、前記
   第一及び第二の導電素子間に接続され前記空洞部
   の長手方向に沿つて発生する前記定常波電圧の変
   化を減少させる誘導手段とを具備し、前記誘導手
   段は前記第一及び第二の導電素子間に外的に接続
   されかつ前記第一及び第二の導電素子の長手方向
   に沿つて周期的に配列される複数の分路インダク
   タンスコイルにより構成されることを特徴とする
   導波レーザ装置。 ２ 前記励起電圧は前記第一及び第二の導電素子
   の略中間点において前記第一及び第二の導電素子
   に供給されることを特徴とする請求項１記載の導
   波レーザ装置。 ３ 前記誘導手段は、前記第一及び第二の導電素
   子の対向端に近接する部位において前記第一及び
   第二の導電素子間に接続される第一対のインダク
   タンスと、前記第一及び第二の導電素子の各中間
   部分位置において前記第一及び第二の導電素子間
   に接続される少なくともひとつの第二対のインダ
   クタンスとを含んで構成されることを特徴とする
   請求項２記載の導波レーザ装置。 ４ 前記第一対のインダクタンスの夫々によつて
   与えられるインダクタンス値は、前記第二対のイ
   ンダクタンスの夫々によつて与えられるインダク
   タンス値の略二倍に等しいことを特徴とする請求
   項３記載の導波レーザ装置。