JPH0133956B2 - - Google Patents
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- JPH0133956B2 JPH0133956B2 JP56045790A JP4579081A JPH0133956B2 JP H0133956 B2 JPH0133956 B2 JP H0133956B2 JP 56045790 A JP56045790 A JP 56045790A JP 4579081 A JP4579081 A JP 4579081A JP H0133956 B2 JPH0133956 B2 JP H0133956B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- laser
- discharge
- excited
- concentration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
- H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
本発明は低温冷却を不要とした放電励起型CO
ガスレーザの励起方法およびそのレーザ装置に関
する。 放電励起型COガスレーザ（以下COガスレーザ
と称呼する）はCO混合ガスに対して電界を印加
し、CO分子を励起してレーザ光を取り出すもの
である。 すなわち、COガスレーザは、放電電子衡突に
よる励起過程と、CO分子同志の振動量子交換励
起過程（以下、単にＶ−Ｖ励起と呼ぶ）によつて
励起が行なわれる。通常のCOガスレーザでは、
電子衡突励起過程のみでは逆転分布が生成され
ず、逆転分布の生成はＶ−Ｖ励起過程に負うとこ
ろが大きい。このＶ−Ｖ励起過程は次の様に書き
表わすことができる。 CO（ｍ）＋CO（ｎ）kf krCO（ｍ−１） ＋CO（ｎ＋１）＋ΔE (1) 但し、ｎ、ｍは振動量子数であり、ｎの方がｍ
より大である。kf、krはそれぞれ順方向及び逆方
向の速度係数である。ΔEはCO分子の非調和性に
起因す余剰エネルギーである。kfとkrの間には次
に関係がある。 kf＝kr・exp（ΔE／kT） (2) ここで、Ｔは並進温度、ｋはボルツマン定数で
ある。式(2)によれば、kTΔEではkfとkrの値は
接近し、式(1)で表わされるＶ−Ｖ励起過程は無効
化される。従つて、Ｔが小さいほどＶ−Ｖ励起過
程の順方向速度係数は大きくなる。それゆえ、一
般にCOガスレーザでは効率良い動作のために低
温冷却が必要なのである。 通常のCOガスレーザは低温で動作させるため、
液体空気（LN2）などの冷媒による冷却法、或
いは、断熱膨張による冷却法などを行なつてい
る。 冷媒を用いた冷却は装置の大型化に伴う冷媒の
使用量の増加によつて実用的でないし、超音速ノ
ズルによる断熱膨張冷却も、超音速流中での励起
放電を行なうのが困難であつたり、閉ガスサイク
ル化が困難である。この低温冷却が必要な点が
COガスレーザを使用する際最も障害になつてい
る。 また、従来の自己持続型放電を用いた亜音速流
COガスレーザは、レーザ光軸、放電、ガス流が
同軸であつた。この同軸構造は、従来COガスレ
ーザでは低温冷却が不可欠であつたため、その冷
却を均一化するために、要求されていたものであ
る。上記同軸構造のため従来のCOガスレーザは、
電極間隔は比較的長く（50cm以上）そのためCO
混合ガスの圧力を高くできなかつた。これは一般
にCOガスレーザでは圧力と電極間隔の積は一定
だからである。また、上記同軸構造においては、
管壁を冷却していたためレーザ管内を流れるガス
の温度を均一にするために、レーザ管の内径が１
cm〜２cmと小とする必要があり、放電が両極性拡
散によつているため、圧力、N2濃度を同時に高
めることはできなかつた。このため、従来のレー
ザ装置では、低温冷却を行なわざるを得なかつ
た。 本発明は上記従来の欠点を鑑みて、低温冷却を
最小限に抑え動作温度を高温化したために複雑な
冷却方法や冷却装置を不要として、高効率、高特
性出力のCOガスレーザの励起方法およびレーザ
装置を提供することを目的とする。 本発明の特徴とするところは、COガスレーザ
において、放電およびガス流がレーザ光軸と直交
し、またCO混合ガスにおいて、N2ガスの濃度
（容量％、以下濃度は容量％を表わす）をCOガス
の濃度より６倍以上とし、また混合ガスの全圧を
20トール以上としたことである。さらに本発明の
他の特徴はカソード電極がレーザ管の内管壁より
所定距離だけガス主流路より離れるように構成し
たことである。 以下本発明を、図面を参照して説明する。 第１図において、アクリル樹脂からなる直方体
のレーザ管１は上管壁２と下管壁３と、その間に
形成された直方体の中空ダクト部４とからなる。
ガス流５はその端部に設けられたポンプ（図示せ
ず）によつて排気されることによつて前記中空ダ
クト部４内を矢印の方向に流れる。下管部３には
ステンレスからなる平板状のアノード電極６が埋
設される。上管壁２にはアルミナからなる絶縁物
体７が埋設され、絶縁体物７には第２図に示すよ
うに複数の円筒状の中空孔８が直線状に互いに離
設され、該中空孔８の内周には真ちゆうからなる
円筒状カソード電極９が接着されている。このカ
ソード電極９は上管壁の内壁すなわち中空ダクト
部４の上壁面より所定間隔例えば３mm離れて、中
空孔８の内側に埋設される。このとき、ここで、
カソード電極８はアノード電極５の真上にくるよ
うに配設される。複数個のカソード電極９は一枚
の平板状アノード電極６に対応する。直線状に並
んだカソード電極９とアノード電極６が設けられ
ている部分におけるレーザ管の両側面には、レー
ザ光を取り出すための各々開口窓１０，１１が設
けられる。開口窓１０，１１にはレーザ光伝播ダ
クト１２，１３が設けられ、このダクトの先には
レーザミラー１４，１５が嵌着されている。 上記のように構成されたレーザ管１において、
まず管内を真空化したあとガスを流入させ、電極
間に400V〜1kVの電圧を安定化抵抗を介して印
加することにより、レーザ光は矢印１６の方向す
なわちガス流および電極間を流れる放電電流の方
向と直交方向に発生して、三軸流型COガスレー
ザとして動作する。 上述のように、本発明にかかるCOガスレーザ
装置では、各カソード電極はたとえば直径３mmφ
の真ちゆう管をたとえば49本レーザ管の上管壁２
に直交する方向に帯状に設けられた絶縁物体７内
に埋め込んで、分割カソード電極を構成している
ので、各カソード電極９とアノード電極６間の電
界は、絶縁体物７の中空孔８の出口部で制限をさ
れるのでお互いの干渉が抑止でき、かつ良好な電
界分布が得られる。このため、N2の濃度を高め
ることができさらには高い放電入力密度を実現で
きた。 すなわち、第３図にはN2濃度を変化させた場
合のレーザ出力の変化を示す。N2の最適な組成
は30％である。これは他のCOガスレーザに比べ
て５倍以上大きい値である。そして、N2の濃度
はCOの濃度の６倍以上とする。 第４図には、N2濃度を変化させた場合の出力
スペクトルの変化を示すす。N2濃度は21.3％、
26.5％、31.7％、37.5％の４段階に変化させた。
N2濃度が増すと観測発振線が増している。この
ことは、N2が励起過程に寄与し、レーザ利得の
増大に効果のあることをしめす。また、N2濃度
が37.5％のときに、励起N2分子から振動量子交
換が考えられる振動量子数８以下の発振線が観測
されたことは、本発明の装置において、N2を経
由してCO分子に注入される励起エネルギが存在
することを示す。 このように、本装置では放電電極の改善により
N2濃度をCO濃度の６倍以上にしてCOガスレー
ザを動作させることにより、自続放電を用いて
N2をまず励起し、N2とCOの振動量子交換によつ
てCO分子を励起する励起過程が生じている。 また、本発明によれば、放電入力密度として
10w／cm3以上のものが実現できる。放電入力密度
を増加すると放電部の温度上昇が大きくなる。し
かし、上述した本発明の実施例では、強い対流冷
却効果をもつ３軸流型の放電配置を用いることに
より、温度上昇によつてエネルギーが内部消費さ
れてしまうことを防止している。 すなわち、上記実施例では、ガス流、放電電
流、レーザ光がともに直交する構成になつている
ので、ガス流の加熱は放電電流と直交する部分だ
けにとどまるので、温度上昇が抑制される。さら
に、電極間隔を小とできるのでガス圧力を大とで
き、放電出口で20トール以上のガス圧を用いるこ
とができる。 N2濃度とガス圧をともに増加できるので、ガ
スレーザ装置の特性出力エネルギおよび電気変換
効率をともに向上することができる。 本発明にかかる亜音速COガスレーザ装置の特
性と従来のCOガスレーザ装置の特性との比較を
下表に示めす。ここで用いた組成はCO／N2／
He＝3.8／31.8／64.4（いづれも容量％）である。
ガスレーザの励起方法およびそのレーザ装置に関
する。 放電励起型COガスレーザ（以下COガスレーザ
と称呼する）はCO混合ガスに対して電界を印加
し、CO分子を励起してレーザ光を取り出すもの
である。 すなわち、COガスレーザは、放電電子衡突に
よる励起過程と、CO分子同志の振動量子交換励
起過程（以下、単にＶ−Ｖ励起と呼ぶ）によつて
励起が行なわれる。通常のCOガスレーザでは、
電子衡突励起過程のみでは逆転分布が生成され
ず、逆転分布の生成はＶ−Ｖ励起過程に負うとこ
ろが大きい。このＶ−Ｖ励起過程は次の様に書き
表わすことができる。 CO（ｍ）＋CO（ｎ）kf krCO（ｍ−１） ＋CO（ｎ＋１）＋ΔE (1) 但し、ｎ、ｍは振動量子数であり、ｎの方がｍ
より大である。kf、krはそれぞれ順方向及び逆方
向の速度係数である。ΔEはCO分子の非調和性に
起因す余剰エネルギーである。kfとkrの間には次
に関係がある。 kf＝kr・exp（ΔE／kT） (2) ここで、Ｔは並進温度、ｋはボルツマン定数で
ある。式(2)によれば、kTΔEではkfとkrの値は
接近し、式(1)で表わされるＶ−Ｖ励起過程は無効
化される。従つて、Ｔが小さいほどＶ−Ｖ励起過
程の順方向速度係数は大きくなる。それゆえ、一
般にCOガスレーザでは効率良い動作のために低
温冷却が必要なのである。 通常のCOガスレーザは低温で動作させるため、
液体空気（LN2）などの冷媒による冷却法、或
いは、断熱膨張による冷却法などを行なつてい
る。 冷媒を用いた冷却は装置の大型化に伴う冷媒の
使用量の増加によつて実用的でないし、超音速ノ
ズルによる断熱膨張冷却も、超音速流中での励起
放電を行なうのが困難であつたり、閉ガスサイク
ル化が困難である。この低温冷却が必要な点が
COガスレーザを使用する際最も障害になつてい
る。 また、従来の自己持続型放電を用いた亜音速流
COガスレーザは、レーザ光軸、放電、ガス流が
同軸であつた。この同軸構造は、従来COガスレ
ーザでは低温冷却が不可欠であつたため、その冷
却を均一化するために、要求されていたものであ
る。上記同軸構造のため従来のCOガスレーザは、
電極間隔は比較的長く（50cm以上）そのためCO
混合ガスの圧力を高くできなかつた。これは一般
にCOガスレーザでは圧力と電極間隔の積は一定
だからである。また、上記同軸構造においては、
管壁を冷却していたためレーザ管内を流れるガス
の温度を均一にするために、レーザ管の内径が１
cm〜２cmと小とする必要があり、放電が両極性拡
散によつているため、圧力、N2濃度を同時に高
めることはできなかつた。このため、従来のレー
ザ装置では、低温冷却を行なわざるを得なかつ
た。 本発明は上記従来の欠点を鑑みて、低温冷却を
最小限に抑え動作温度を高温化したために複雑な
冷却方法や冷却装置を不要として、高効率、高特
性出力のCOガスレーザの励起方法およびレーザ
装置を提供することを目的とする。 本発明の特徴とするところは、COガスレーザ
において、放電およびガス流がレーザ光軸と直交
し、またCO混合ガスにおいて、N2ガスの濃度
（容量％、以下濃度は容量％を表わす）をCOガス
の濃度より６倍以上とし、また混合ガスの全圧を
20トール以上としたことである。さらに本発明の
他の特徴はカソード電極がレーザ管の内管壁より
所定距離だけガス主流路より離れるように構成し
たことである。 以下本発明を、図面を参照して説明する。 第１図において、アクリル樹脂からなる直方体
のレーザ管１は上管壁２と下管壁３と、その間に
形成された直方体の中空ダクト部４とからなる。
ガス流５はその端部に設けられたポンプ（図示せ
ず）によつて排気されることによつて前記中空ダ
クト部４内を矢印の方向に流れる。下管部３には
ステンレスからなる平板状のアノード電極６が埋
設される。上管壁２にはアルミナからなる絶縁物
体７が埋設され、絶縁体物７には第２図に示すよ
うに複数の円筒状の中空孔８が直線状に互いに離
設され、該中空孔８の内周には真ちゆうからなる
円筒状カソード電極９が接着されている。このカ
ソード電極９は上管壁の内壁すなわち中空ダクト
部４の上壁面より所定間隔例えば３mm離れて、中
空孔８の内側に埋設される。このとき、ここで、
カソード電極８はアノード電極５の真上にくるよ
うに配設される。複数個のカソード電極９は一枚
の平板状アノード電極６に対応する。直線状に並
んだカソード電極９とアノード電極６が設けられ
ている部分におけるレーザ管の両側面には、レー
ザ光を取り出すための各々開口窓１０，１１が設
けられる。開口窓１０，１１にはレーザ光伝播ダ
クト１２，１３が設けられ、このダクトの先には
レーザミラー１４，１５が嵌着されている。 上記のように構成されたレーザ管１において、
まず管内を真空化したあとガスを流入させ、電極
間に400V〜1kVの電圧を安定化抵抗を介して印
加することにより、レーザ光は矢印１６の方向す
なわちガス流および電極間を流れる放電電流の方
向と直交方向に発生して、三軸流型COガスレー
ザとして動作する。 上述のように、本発明にかかるCOガスレーザ
装置では、各カソード電極はたとえば直径３mmφ
の真ちゆう管をたとえば49本レーザ管の上管壁２
に直交する方向に帯状に設けられた絶縁物体７内
に埋め込んで、分割カソード電極を構成している
ので、各カソード電極９とアノード電極６間の電
界は、絶縁体物７の中空孔８の出口部で制限をさ
れるのでお互いの干渉が抑止でき、かつ良好な電
界分布が得られる。このため、N2の濃度を高め
ることができさらには高い放電入力密度を実現で
きた。 すなわち、第３図にはN2濃度を変化させた場
合のレーザ出力の変化を示す。N2の最適な組成
は30％である。これは他のCOガスレーザに比べ
て５倍以上大きい値である。そして、N2の濃度
はCOの濃度の６倍以上とする。 第４図には、N2濃度を変化させた場合の出力
スペクトルの変化を示すす。N2濃度は21.3％、
26.5％、31.7％、37.5％の４段階に変化させた。
N2濃度が増すと観測発振線が増している。この
ことは、N2が励起過程に寄与し、レーザ利得の
増大に効果のあることをしめす。また、N2濃度
が37.5％のときに、励起N2分子から振動量子交
換が考えられる振動量子数８以下の発振線が観測
されたことは、本発明の装置において、N2を経
由してCO分子に注入される励起エネルギが存在
することを示す。 このように、本装置では放電電極の改善により
N2濃度をCO濃度の６倍以上にしてCOガスレー
ザを動作させることにより、自続放電を用いて
N2をまず励起し、N2とCOの振動量子交換によつ
てCO分子を励起する励起過程が生じている。 また、本発明によれば、放電入力密度として
10w／cm3以上のものが実現できる。放電入力密度
を増加すると放電部の温度上昇が大きくなる。し
かし、上述した本発明の実施例では、強い対流冷
却効果をもつ３軸流型の放電配置を用いることに
より、温度上昇によつてエネルギーが内部消費さ
れてしまうことを防止している。 すなわち、上記実施例では、ガス流、放電電
流、レーザ光がともに直交する構成になつている
ので、ガス流の加熱は放電電流と直交する部分だ
けにとどまるので、温度上昇が抑制される。さら
に、電極間隔を小とできるのでガス圧力を大とで
き、放電出口で20トール以上のガス圧を用いるこ
とができる。 N2濃度とガス圧をともに増加できるので、ガ
スレーザ装置の特性出力エネルギおよび電気変換
効率をともに向上することができる。 本発明にかかる亜音速COガスレーザ装置の特
性と従来のCOガスレーザ装置の特性との比較を
下表に示めす。ここで用いた組成はCO／N2／
He＝3.8／31.8／64.4（いづれも容量％）である。
【表】
本装置は、比較的小型に構成できるが、ガス流
中心での性能も含せて示めしてある。ガス温度は
流れ中心での値を用いている。動作圧力は、いず
れも約30トールである。上表によれば、本装置は
簡単な自続放電を用い、かつXe、O2等の電離電
圧の低いガスを添加せずに、185Kから200Kとい
うCOガスレーザとしては高いガス温度で高効率、
高特性出力が得られることがわかる。 本発明によれば、上述したような特徴によつ
て、100K以上の高温で良好な亜音速自続放電CO
ガスレーザを実現できるから、従来のCOガスレ
ーザにおける障害であつた冷却方法および冷却装
置に複雑な手段を用いる必要性を除去できるとい
う顕著な効果を奏する。 上述したように、本発明によれば、COガスレ
ーザとしては高温で高効率、高特性出力を得られ
るので複雑かつ高価な冷却手段を不要とした亜音
速COガスレーザの励起方法およびレーザ装置を
提供できる。
中心での性能も含せて示めしてある。ガス温度は
流れ中心での値を用いている。動作圧力は、いず
れも約30トールである。上表によれば、本装置は
簡単な自続放電を用い、かつXe、O2等の電離電
圧の低いガスを添加せずに、185Kから200Kとい
うCOガスレーザとしては高いガス温度で高効率、
高特性出力が得られることがわかる。 本発明によれば、上述したような特徴によつ
て、100K以上の高温で良好な亜音速自続放電CO
ガスレーザを実現できるから、従来のCOガスレ
ーザにおける障害であつた冷却方法および冷却装
置に複雑な手段を用いる必要性を除去できるとい
う顕著な効果を奏する。 上述したように、本発明によれば、COガスレ
ーザとしては高温で高効率、高特性出力を得られ
るので複雑かつ高価な冷却手段を不要とした亜音
速COガスレーザの励起方法およびレーザ装置を
提供できる。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２
図は上記実施例の斜視図、第３図は本発明にかか
るレーザ装置のN2流量、N2濃度とレーザ出力の
関係を示す特性図、第４図はN2濃度に対する観
測発振線強度を示す図である。 １……レーザ管、２……上管壁、３……下管
壁、４……中空ダクト部、５……ガス流、６……
アノード電極、７……絶縁体物、８……中空孔、
９……カソード電極、１０……レーザ光。
図は上記実施例の斜視図、第３図は本発明にかか
るレーザ装置のN2流量、N2濃度とレーザ出力の
関係を示す特性図、第４図はN2濃度に対する観
測発振線強度を示す図である。 １……レーザ管、２……上管壁、３……下管
壁、４……中空ダクト部、５……ガス流、６……
アノード電極、７……絶縁体物、８……中空孔、
９……カソード電極、１０……レーザ光。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 放電励起型COガスレーザの動作方法におい
て、レーザ光の方向に対してガス流及び放電電流
の方向を直交させ、前記ガスを組成するN2ガス
の濃度（容量％）をCOガスの濃度（容量％）よ
り６倍以上として前記ガスの全圧は20トール以上
にしてなる放電励起型COガスレーザの励起方法。 ２ 前記ガスの流速は亜音速である特許請求の範
囲第１項記載の放電励起型COガスレーザの励起
方法。 ３ 前記COガスレーザは自己持続型である特許
請求の範囲第１項記載の放電励起型COガスレー
ザの励起方法。 ４ レーザ管内においてガス流と直交する方向に
放電電流が生じるように配設されたカソード電極
およびアノード電極を有し、前記ガス流および放
電電流に直交する方向にレーザ光を取り出す三軸
流型COガスレーザであつて、前記カソード電極
は中空状に形成されかつレーザ管の内装表面より
レーザ管壁の内部方向に離設されてなることを特
徴とする放電励起型COガスレーザ装置。 ５ レーザ管壁には絶縁体物が設けられ、前記カ
ソード電極は前記絶縁体物内に複数個互いに離設
しかつ埋設されることにより各カソード電極とア
ノード電極間の放電電界の干渉を抑止した特許請
求の範囲第４項記載の放電励起型COガスレーザ
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4579081A JPS57160185A (en) | 1981-03-28 | 1981-03-28 | Excitation method for discharge excitation type co gas laser and laser device thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4579081A JPS57160185A (en) | 1981-03-28 | 1981-03-28 | Excitation method for discharge excitation type co gas laser and laser device thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57160185A JPS57160185A (en) | 1982-10-02 |
| JPH0133956B2 true JPH0133956B2 (ja) | 1989-07-17 |
Family
ID=12729066
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4579081A Granted JPS57160185A (en) | 1981-03-28 | 1981-03-28 | Excitation method for discharge excitation type co gas laser and laser device thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57160185A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58100476A (ja) * | 1981-12-10 | 1983-06-15 | Toshiba Corp | ガス・レ−ザ装置 |
| JPS59188188A (ja) * | 1983-04-08 | 1984-10-25 | Tsunenori Arai | 同軸流型ｃｏレーザ装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3982205A (en) * | 1974-10-17 | 1976-09-21 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Method for producing a lasable gaseous mixture for use in and operation of electron beam-sustainer stabilized carbon dioxide lasers |
| US3970962A (en) * | 1974-11-07 | 1976-07-20 | Hughes Aircraft Company | High power electrically excited flowing gas laser |
| JPS5436197A (en) * | 1977-08-26 | 1979-03-16 | Hitachi Ltd | Waveguide type laser unit |
| JPS5498590A (en) * | 1978-01-23 | 1979-08-03 | Mitsubishi Electric Corp | Carbonic acid gas laser oscillator |
-
1981
- 1981-03-28 JP JP4579081A patent/JPS57160185A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57160185A (en) | 1982-10-02 |
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