JPH02129979A - Microwave laser device - Google Patents

Microwave laser device

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JPH02129979A
JPH02129979A JP63281186A JP28118688A JPH02129979A JP H02129979 A JPH02129979 A JP H02129979A JP 63281186 A JP63281186 A JP 63281186A JP 28118688 A JP28118688 A JP 28118688A JP H02129979 A JPH02129979 A JP H02129979A
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JP
Japan
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discharge
microwave
discharge section
laser
gas
Prior art date
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Pending
Application number
JP63281186A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideomi Takahashi
秀臣 高橋
Kiyohisa Terai
清寿 寺井
Naoto Sano
直人 佐野
Toru Tamagawa
徹 玉川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH02129979A publication Critical patent/JPH02129979A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a uniform glow discharge by reducing the sectional area of a discharge part. CONSTITUTION:A microwave power 2 radiated from a microwave oscillator 1 is allowed to incide a discharge part 5 which is encapsulated with a low- voltage laser gas through a barrier 4, a glow discharge 6 is formed here, and then laser gas which is circulation-driven within the discharge part 5 is discharge-excited. In this case, the sectional area of a discharge part 5b of the waveguide 5 is small as compared with an introduction part 5c and an edge part 5c. Thus, a uniform glow discharge can be obtained by normal gas pressure.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、マイクロ波放電励起を行うマイクロ波レーザ
装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a microwave laser device that performs microwave discharge excitation.

(従来の技術) 一般に、レーザ発振を得るためには、レーザ媒質中で空
間的に均一な放電の生成を必要とするが、特にマイクロ
波を放電励起に用いる場合、このことは非常に重要とな
る。即ち、マイクロ波を通常のレーザ発振で用いられる
圧力(20〜200Torr)で用いると、放電維持電
圧、即ち、定常運転電圧に比べ、放電開始電圧が遥かに
高いため、放電を発生させるに充分な強度のマイクロ波
が放電部に入射すると、入口付近に放電が集中的に生じ
る。そのため、この部分に高密度のプラズマが形成され
、インピーダンスが極端に低下する。その結果、入射マ
イクロ波は放電部に入った途端にほとんど100%が反
射されてしまい、放電空間に有効に電気入力が供給され
ないことになる。
(Prior art) Generally, in order to obtain laser oscillation, it is necessary to generate a spatially uniform discharge in the laser medium, but this is particularly important when microwaves are used for discharge excitation. Become. That is, when microwaves are used at the pressure used in normal laser oscillation (20 to 200 Torr), the discharge starting voltage is much higher than the discharge sustaining voltage, that is, the steady-state operating voltage, so it is not enough to generate a discharge. When high-intensity microwaves enter the discharge section, discharge occurs intensively near the entrance. Therefore, high-density plasma is formed in this portion, and the impedance is extremely reduced. As a result, almost 100% of the incident microwave is reflected as soon as it enters the discharge section, and no electrical input is effectively supplied to the discharge space.

この様な問題点を解決するために、Appz。In order to solve these problems, Appz.

Phys、Lett、、37 (8)、p6y3(19
80)に、第4図に示した様なマイクロ波レーザ装置が
提案されている。即ち、第4図において、レーザガス3
1は放電部の上部人口32より高圧で供給され、誘電体
から構成されたノズル33を通過すると共に高速となり
、ガス圧力が低下する。一方、放電励起に用いられるマ
イクロ波34は、図中左方より導波管35によって供給
され、マイクロ波を透過する圧力隔壁36を通してレー
ザ放電部41に供給される。
Phys, Lett, 37 (8), p6y3 (19
80), a microwave laser device as shown in FIG. 4 has been proposed. That is, in FIG. 4, the laser gas 3
1 is supplied at high pressure from the upper part 32 of the discharge section, and as it passes through the nozzle 33 made of a dielectric material, the gas becomes high speed and the gas pressure decreases. On the other hand, microwaves 34 used for discharge excitation are supplied from the left side in the figure by a waveguide 35, and are supplied to the laser discharge section 41 through a pressure partition 36 that transmits microwaves.

ここで、レーザ放電部41の空間の内、ノズル33の前
方の空間37は高圧力であるため、空間37においては
放電は発生しない。一方、ノズル33の後方の空間38
においてはガス圧力が低下するので、この部分にマイク
ロ波放電が発生する。
Here, in the space of the laser discharge section 41, the space 37 in front of the nozzle 33 has a high pressure, so no discharge occurs in the space 37. On the other hand, the space 38 behind the nozzle 33
Since the gas pressure decreases in this area, microwave discharge occurs in this area.

この部分での放電は低ガス圧中での放電であるため一様
となり、レーザ放電部41の下流側に配設された光共振
器39により、マイクロ波で励起されたレーザガス中を
通るレーザ光が増幅発振される。また、排出ガス40は
真空ポンプによって、図中右方へ排出されている。
The discharge in this part is uniform because it is a discharge in a low gas pressure, and the laser beam passes through the laser gas excited by microwaves by the optical resonator 39 disposed downstream of the laser discharge section 41. is amplified and oscillated. Further, the exhaust gas 40 is discharged to the right in the figure by a vacuum pump.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記の様な構成を有する従来のマイクロ
波レーザ装置においては、以下に述べる様な解決すべき
課題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional microwave laser device having the above configuration, there were problems to be solved as described below.

即ち、高圧で供給されたレーザガス31を、ノズル33
を通して断熱膨張させ、そのガス圧力を低下させるため
、レーザガスの全量を排気するための真空ポンプが必要
となる。また、真空ポンプの排気動力が多大となり、装
置の大型化を招き、全体としてのレーザ発掘効率が極端
に低下してしまうという欠点がおった。
That is, the laser gas 31 supplied at high pressure is passed through the nozzle 33.
A vacuum pump is required to evacuate the entire amount of laser gas in order to adiabatically expand it through the laser gas and lower the gas pressure. In addition, the exhaust power of the vacuum pump becomes large, leading to an increase in the size of the device, resulting in an extremely low overall laser excavation efficiency.

また、ノズル33から下流に向かっての圧力勾配は、ノ
ズル出口が最低でその後次第に高くなり、また、マイク
ロ波電界強度も絶縁ノズルの作用でその出口付近で最大
となるため、ノズルの出口付近に放電が集中してしまう
といった欠点もあった。
In addition, the pressure gradient downstream from the nozzle 33 is lowest at the nozzle exit and gradually increases thereafter, and the microwave electric field strength also reaches its maximum near the exit due to the effect of the insulating nozzle. There was also a drawback that the discharge was concentrated.

この様に放電が部分的に集中すると、ガス温度が上昇し
てしまい、レーザ励起効率が低下するだけでなく、アー
ク限界が低下して、レーザ出力が低下するという欠点も
あった。
When the discharge is locally concentrated in this way, the gas temperature increases, which not only lowers the laser excitation efficiency but also lowers the arc limit and lowers the laser output.

本発明は以上の欠点を解消するために提案されたもので
、その目的は、通常のガス圧力(20〜200Torr
)で−様なグロー放電が得られる、効率的なマイクロ波
レーザ装置を提供することにある。
The present invention was proposed to eliminate the above-mentioned drawbacks, and its purpose is to
) An object of the present invention is to provide an efficient microwave laser device capable of producing a glow discharge of - type.

[発明の構成コ (課題を解決するための手段) 本発明は、真空容器内にレーザ媒質ガスを低ガス圧で封
入し、このガスを放電部に循環させ、前記放電部の外部
に配設したマイクロ波電源よりマイクロ波を供給して放
電させ、レーザ媒質ガスを励起するマイクロ波レーザ装
置において、前記放電部の断面積を縮小して構成したこ
とを特徴とするものでおる。
[Structure of the Invention (Means for Solving the Problems) The present invention is characterized in that a laser medium gas is sealed in a vacuum container at a low gas pressure, the gas is circulated through a discharge section, and the gas is disposed outside the discharge section. The present invention is a microwave laser device that excites a laser medium gas by supplying microwaves from a microwave power source to cause discharge and excite a laser medium gas, characterized in that the cross-sectional area of the discharge portion is reduced.

(作用) 本発明のマイクロ波レーザ装置によれば、放電部の断面
積を縮小して構成したことにより、放電部内におけるマ
イクロ波電界の強度を高めることができるので、−様な
グロー放電を得ることができる。
(Function) According to the microwave laser device of the present invention, by reducing the cross-sectional area of the discharge section, the strength of the microwave electric field within the discharge section can be increased, so that a --like glow discharge can be obtained. be able to.

(実施例) 以下、本発明の一実施例を第1図及び第2図に基づいて
具体的に説明する。
(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be specifically described based on FIGS. 1 and 2.

本実施例においては、第1図に示した様に、マイクロ波
発振器1から送出されたマイクロ波電力2が導波管3内
に放射されるように構成されている。この導波管3内に
は隔壁4が設けられ、導波管3をマイクロ波発振器側3
aと、マイクロ波放電管側3bとに区画している。また
、前記マイクロ波放電管側の導波管3bには、放電部5
が接続されている。この放電部5は導入部5a、導波管
放電部5b、端部5Cから構成され、前記導波管放電部
5bはその断面積Sが導入部5a及び端部5Gに比べて
小さくなるように構成されている。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the microwave power 2 sent out from the microwave oscillator 1 is radiated into the waveguide 3. A partition wall 4 is provided inside the waveguide 3, and the waveguide 3 is connected to the microwave oscillator side 3.
It is divided into a microwave discharge tube side 3b and a microwave discharge tube side 3b. Further, a discharge section 5 is provided in the waveguide 3b on the side of the microwave discharge tube.
is connected. This discharge section 5 is composed of an introduction section 5a, a waveguide discharge section 5b, and an end section 5C, and the waveguide discharge section 5b has a cross-sectional area S smaller than that of the introduction section 5a and the end section 5G. It is configured.

なお、前記導波管放電部5bの長さL及び断面積Sは、
それぞれ次式の範囲に設定されている。
Note that the length L and cross-sectional area S of the waveguide discharge section 5b are:
Each is set within the range of the following formula.

即ち、運転ガス条件で決まる放電部の最大電力密度をW
m、平均放電部所面積をSa、マイクロ波放電入力をP
とすると、 1−m<l−<4−1−m ただし、Lmは代表放電管長で、Lm=P/(Sa−W
m)で与えられる。
In other words, the maximum power density of the discharge section determined by the operating gas conditions is W
m, the average discharge area is Sa, and the microwave discharge input is P.
Then, 1-m<l-<4-1-m where Lm is the representative discharge tube length and Lm=P/(Sa-W
m) is given by

また、導波管放電部5bの断面積Sは、マイクロ波の放
電部入口よりの距@Xの関数として、次式で与えられる
値に設定されている。
Further, the cross-sectional area S of the waveguide discharge section 5b is set to a value given by the following equation as a function of the distance @X from the entrance of the microwave discharge section.

S= (P−We−8a −x−α)−に/E。S= (P-We-8a -x-α)-to/E.

X=放電部入口よりの距離 We:運転最適電力密度 Eo:放電部マイクロ波電界 α:電界の傾斜係数 ざらに、前記放電部5の両側には、マイクロ波シールド
管7,7′がレーザ光軸8と同軸に配設され、その端部
には全反射ミラー9a及び半透過ミラー9bが対向して
配設されて光共撮器が構成され、半透過ミラー9bの外
部にレーザ光10が放出されるように構成されている。
X = Distance from the entrance of the discharge section We: Optimum operating power density Eo: Discharge section microwave electric field α: Inclination coefficient of electric field Additionally, on both sides of the discharge section 5, microwave shield tubes 7 and 7' are installed to prevent laser beams. It is arranged coaxially with the shaft 8, and a total reflection mirror 9a and a semi-transmission mirror 9b are arranged facing each other at the end thereof to constitute an optical co-photographer, and a laser beam 10 is emitted to the outside of the semi-transmission mirror 9b. configured to be emitted.

また、前記放電部の端部5Cにはレーザガス循環配管1
1が接続され、その途中には送風機12及び熱交換器1
5が設けられ、レーザガスを矢印13の方向に循環駆動
するように構成されている。ざらに、前記導波管放電部
5bの周囲には複数個の冷却管14が配設されている。
Further, a laser gas circulation pipe 1 is provided at the end 5C of the discharge section.
1 is connected, and a blower 12 and a heat exchanger 1 are connected on the way.
5 is provided and is configured to drive the laser gas in circulation in the direction of the arrow 13. Roughly speaking, a plurality of cooling pipes 14 are arranged around the waveguide discharge section 5b.

この様な構成を有する本実施例のマイクロ波レーザ装置
においては、以下に述べるようにしてレーザガスが放電
励起される。即ち、マイクロ波発振器1より放射された
マイクロ波電力2は、隔壁4を介して通常数10To 
r r程度の低圧レーザガスの封入された放電部5に入
射し、ここでグロー放電6を形成し、放電部内部に循環
駆動されているレーザガスを放電励起する。このとき、
導波管放電部5bの断面積が小さく構成されているので
、−様なグロー放電が点弧される。この様にして放電励
起されたレーザガスによって、レーザ光10が増幅され
、出力される。
In the microwave laser device of this embodiment having such a configuration, the laser gas is excited by discharge as described below. That is, the microwave power 2 radiated from the microwave oscillator 1 is normally transmitted through the partition wall 4 by several tens of To
The laser beam enters the discharge section 5 in which a low-pressure laser gas of about r r is sealed, forms a glow discharge 6 there, and excites the laser gas circulating inside the discharge section. At this time,
Since the waveguide discharge section 5b has a small cross-sectional area, a --like glow discharge is ignited. Laser light 10 is amplified by the laser gas discharge-excited in this manner and output.

ところで、本発明のマイクロ波レーザ装置においては、
その放電部5bの長さし及び断面積Sが上述したように
設定されている。まず、放電部5bの長さLについては
、Lm<l<4・Lmの範囲に設定されることが望まし
い。これは、第2図に示した様に、放電部5bにおける
励起効率ηが、L/Lmの値が1〜4の範囲で最適であ
ることに起因している。
By the way, in the microwave laser device of the present invention,
The length and cross-sectional area S of the discharge portion 5b are set as described above. First, the length L of the discharge section 5b is desirably set in the range of Lm<l<4.Lm. This is because, as shown in FIG. 2, the excitation efficiency η in the discharge section 5b is optimal when the value of L/Lm is in the range of 1 to 4.

また、断面積Sについては、 S= (P−We−8a −x −tx> ・K/E。Also, regarding the cross-sectional area S, S= (P-We-8a -x -tx> ・K/E.

を満足する値に設定されることが望ましいが、これは、
以下に述べる様にして定式化されたものである。即ち、
断面積Sはマイクロ波の放電部入口よりの距離をXとし
て次式で与えられる値が望ましい。
It is desirable to set it to a value that satisfies
It was formulated as described below. That is,
The cross-sectional area S is preferably a value given by the following equation, where X is the distance from the entrance of the microwave discharge section.

S=S (x) = (P−fWe−8(x) ・dx)÷(Eo−α・
X)  ・・・■ ここで、weは運転最適電力密度で、レーザガス風速な
どの運転条件で決まる定数であり、Eoは放電部マイク
ロ波電界で、レーザガスの種類や励起条件で決まるもの
である。また、αは電界の傾斜係数で放電部のガスの温
度上昇による放電維持電圧の低減効果を配慮したもので
、 α=α(We >       ・・・■と、運転最適
電力密度Weの関数となる。
S=S (x) = (P-fWe-8(x) ・dx) ÷ (Eo-α・
X)...■ Here, we is the optimum power density for operation, which is a constant determined by operating conditions such as the laser gas wind speed, and Eo is the discharge section microwave electric field, which is determined by the type of laser gas and excitation conditions. In addition, α is the slope coefficient of the electric field, which takes into account the effect of reducing the discharge sustaining voltage due to the temperature rise of the gas in the discharge section, and α = α (We > ... ■), which is a function of the optimum operating power density We. .

そして、■式を実際の放電部及び運転条件から具体的に
定式化して0式に代入し、積分を天性してS= (P−
We −Sa −x −cx)・K/E。
Then, we concretely formulate the formula (■) from the actual discharge section and operating conditions, substitute it into the formula 0, calculate the integral naturally, and S = (P-
We −Sa −x −cx)・K/E.

と定式化し、定数に、αを実験データと合うように決め
たものである。
The constant α was determined to match the experimental data.

この様に、本実施例によれば、マイクロ波のエネルギー
が効果的に導波管放電部に注入され、−様なグロー放電
が形成される。また、導波管そのものを放電管としたの
で、堅牢でコンパクトなレーザ装置が得られる。
In this manner, according to this embodiment, microwave energy is effectively injected into the waveguide discharge section, and a --like glow discharge is formed. Furthermore, since the waveguide itself is a discharge tube, a robust and compact laser device can be obtained.

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、第3図に示した様に、第1図のマイクロ波放電管を
2本直結して構成しても良い。この場合、レーザ出力が
2倍となる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, but may be constructed by directly connecting two microwave discharge tubes shown in FIG. 1, as shown in FIG. 3. In this case, the laser output is doubled.

[発明の効果] 以上述べた様に、本発明によれば、放電部の断面積を縮
小して構成するという簡単な手段によって、通常のガス
圧力で−様なグロー放電が得られる、効率的なマイクロ
波レーザ装置を提供することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, an efficient glow discharge can be obtained at normal gas pressure by the simple means of reducing the cross-sectional area of the discharge section. It is possible to provide a microwave laser device.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明のマイクロ波レーザ装置の一実施例を示
す構成図、第2図は本発明のマイクロ波レーザ装置にお
ける放電部の長さの最適値を示す特性図、第3図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第4図は従来例の主要部
を示す断面図である。 1・・・マイクロ波発振器、2・・・マイクロ波電力、
3・・・導波管、4・・・隔壁、5・・・放電部、5a
・・・導入部、5b・・・導波管放電部、5G・・・端
部、6・・・グロー放電、7,7−・・・マイクロ波シ
ールド管、8・・・レーザ光軸、9a・・・全反射ミラ
ー、9b・・・半透過ミラー、10・・・レーザ光、1
1・・・レーザガス循環配管、12・・・送風機、14
・・・冷却管、15・・・熱交換器、31・・・レーザ
ガス、32・・・上部入口、33・・・ノズル、34・
・・マイクロ波、35・・・導波管、36・・・圧力隔
壁、39・・・光共振器、40・・・排出ガス、41・
・・レーザ放電部。
Fig. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the microwave laser device of the present invention, Fig. 2 is a characteristic diagram showing the optimum value of the length of the discharge part in the microwave laser device of the present invention, and Fig. 3 is a diagram showing the present invention. A configuration diagram showing another embodiment of the invention, and FIG. 4 is a sectional view showing the main parts of a conventional example. 1...Microwave oscillator, 2...Microwave power,
3... Waveguide, 4... Partition wall, 5... Discharge part, 5a
...Introduction part, 5b... Waveguide discharge part, 5G... End part, 6... Glow discharge, 7, 7-... Microwave shield tube, 8... Laser optical axis, 9a... Total reflection mirror, 9b... Half-transmission mirror, 10... Laser light, 1
1... Laser gas circulation piping, 12... Blower, 14
... Cooling pipe, 15 ... Heat exchanger, 31 ... Laser gas, 32 ... Upper inlet, 33 ... Nozzle, 34 ...
...Microwave, 35... Waveguide, 36... Pressure partition, 39... Optical resonator, 40... Exhaust gas, 41.
...Laser discharge section.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)真空容器内にレーザ媒質ガスを低ガス圧で封入し
、このガスを放電部に循環させ、前記放電部の外部に配
設したマイクロ波電源よりマイクロ波を供給して放電さ
せ、レーザ媒質ガスを励起するマイクロ波レーザ装置に
おいて、 前記放電部の断面積を縮小して構成したことを特徴とす
るマイクロ波レーザ装置。
(1) A laser medium gas is sealed in a vacuum container at low gas pressure, this gas is circulated through a discharge section, and a microwave is supplied from a microwave power source disposed outside the discharge section to cause a discharge. A microwave laser device for exciting a medium gas, characterized in that the discharge section is configured to have a reduced cross-sectional area.
(2)前記放電部の長さLが、放電入力をP、放電部の
平均断面積をSaとした場合に、 Lm<L<4・Lm (ただし、Lmは代表放電管長で、Lm=P/(Sa・
Wm)で与えられ、Wmは最大電力密度を示す)を満足
するように設定され、 また、放電部の断面積Sが、 S=(P−We・Sa・x・α)・K/E_0x:放電
部入口よりの距離 We:運転最適電力密度 E_0:放電部マイクロ波電界 α:電界の傾斜係数 を満足する値に設定されていることを特徴とする請求項
1記載のマイクロ波レーザ装置。
(2) The length L of the discharge section is Lm<L<4・Lm (where Lm is the representative discharge tube length and Lm=P /(Sa・
Wm), where Wm indicates the maximum power density), and the cross-sectional area S of the discharge section is set as follows: S=(P-We・Sa・x・α)・K/E_0x: 2. The microwave laser device according to claim 1, wherein the distance We from the entrance of the discharge section is set to a value that satisfies the optimum operating power density E_0: the discharge section microwave electric field α: the slope coefficient of the electric field.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06208487A (en) * 1992-10-23 1994-07-26 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Method for display and display system
JPH06214826A (en) * 1992-10-23 1994-08-05 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Method and system for permission of data change and comment
JP2007295003A (en) * 2007-07-23 2007-11-08 Tadahiro Omi Excimer laser oscillation apparatus and oscillation method, exposure apparatus and laser tube

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