JPH0311684A - マイクロ波レーザ装置 - 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】 ［発明の目的コ （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。

（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、この部分に窩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。

この様な問題点を解決するために、Ａｐｐ　１　ｉ。

Ｐｈｙｓ、Ｌｅ　ｔ　ｔ、、３７　（８）、ｐ６７３（
１９８０）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４１は放電部の上部人口４２より高圧で供給され、誘
電体から構成されたノズル４３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４４は、図中左方より導波管４５によって
供給され、マイクロ波を透過する圧力隔壁４６を通して
レーザ放電部５１に供給される。

ここで、レーザ放電部５１の空間の内、ノズル４３の前
方の空間４７は高圧力であるため、空間４７においては
放電は発生しない。一方、ノズル４３の後方の空間４８
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。

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５１の下流側に配設された光共振
器４つにより、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５０は
真空ポンプによって、図中右方へ排出されている。

（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。

即ち、高圧で供給されたレーザガス４１を、ノズル４３
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振効率が極端
に低下してしまうという欠点があった。

そこで、この様な欠点を解決するために、本出願人等は
、第５図に示す様なマイクロ波レザー装置を提案してい
る。即ち、マイクロ波発振器１が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３ａ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はその断面積が導入部５ａ及
び端部５ｃに比べて小さくなるように構成されている。

さらに、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
設されて光共振器が構成され、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。ま
た、前記放電部の端部５ｃにはレザガス循環配管１１が
接続され、その途中には送風機１２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。さらに、前記導波管放電部５ｂの周囲には複数個
の冷却管１５が配設されている。

しかしながら、この様な構成を有するマイクロ波レーザ
装置においては、マイクロ波のエネルギが効果的に導波
管放電部に注入されるので、様なグロー放電が形成され
、また、導波管そのものを放電管としたので、堅牢でコ
ンパクトなレザ装置が得られるという利点があるものの
、以下に述べる様な欠点があった。

即ち、一般に、マイクロ波をレーザ装置に応用する場合
、マイクロ波で放電を発生させると、放電部でのインピ
ーダンスが大きく変化するため、インピーダンス整合か
大きな問題となる。つまり、放電によって放電部に電離
ガス、即ち、プラズマが形成されると、このプラズマが
マイクロ波電界に対して等偏向に誘電体として作用し、
誘電率はプラズマの電子密度が大きくなると共に小さく
なる。特に、電子密度が大きくなって、そのプラズマ周
波数が入射マイクロ波の周波数に近づくと、誘電率は零
に近づく。

ところで、誘電体で満たされた導波管の特性インピーダ
ンスは、誘電体の透磁率をμとし、誘電率をεとすると
、ｆＴ７Ｔに比例する。従って、放電が発生すると、放
電部のインピーダンスが非常に大きくなり、マイクロ波
電源と負荷となる放電部とのインピーダンス整合が大き
く外れ、マイクロ波電源よりの入射電力のかなりの部分
が反射されてしまうことになる。逆に、放電状態でイン
ピーダンス整合が取れるように、導波管と放電部の寸法
を構成すると、放電していない場合のインピーダンス整
合が外れてしまい、反射が多くなって、放電部以外の部
分で放電が発生するといった欠点があった。

この様に、放電部の特性インピーダンスは放電状態、す
なわち、電離度によって大きく変化するため、動作点の
一点でインピーダンス整合をとっても、他の動作点では
不整合となるため、良好な放電状態の維持が非常に困難
であった。また、マイクロ波電源容量が多大となるだけ
でなく、放電部以外で放電を発生するといった欠点もあ
った。

本発明は、以上の様な従来技術の欠点を解消するために
提案されたもので、その目的は、インピーダンス不整合
を除去し、どの様な場合にもインピーダンス整合が取れ
る、精度の高いマイクロ波レーザ装置を提供することに
ある。

［発明の構成〕 （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、前記マイクロ波電源と放電部との間に、１
／４波長整合器を配設し、その整合部の寸法を、放電部
よりの反射波を最小とするように制御することを特徴と
するものである。

（作用） 本発明のマイクロ波レーザ装置によれば、マイクロ波電
源が作動して、マイクロ波が放電部に供給される場合、
放電以前に放電部とのインピーダンス整合が取られてい
るため、放電部に有効にマイクロ波電力が注入される。

また、放電が開始すると、放電部の特性インピーダンス
が変化し、インピーダンス不整合となるが、この時直ち
に１／４波長整合器の整合部の寸法が変化し、整合状態
を維持するように作用する。

（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。

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２１には、導波管２４ａを介して方向結合器２２
が接続され、また、この方向結合器２２には導波管２４
ｂ、２４ｃを介して放電部２３が接続されている。さら
に、方向結合器２２と放電部２３の間には圧力隔壁２５
が配設され、図中左方が大気側、右方が真空側となって
いる。

また、前記放電部２３内には、１／４波長整合器２６が
配設され、この整合部の寸法を変化させることによって
放電部２３とマイクロ波電源側とのインピーダンス整合
を取るように構成されている。

一方、前記方向結合器２２には、入射マイクロ波パワー
・メータ２７と、反射マイクロ波パワー・メータ２８が
接続され、それぞれの出力が制御器２９に供給されるよ
うに構成されている。なお、前記制御器２９は、入射パ
ワーに対する反射パワーの比を最小とするように、また
は、反射パワーを最小とするように制御するもので、こ
の制御出力が変換器３０によって前記１／４波長整合器
２６の駆動力に変換され、インピーダンス整合操作を行
うように構成されている。

次に、放電部２３に内蔵された１／４波長整合器の一例
を第２図に示した。即ち、マイクロ波導波管部２４ｃと
放電部２３との間に、１／４波長整合器２６が配設され
ている。また、１／４波長整合器２６は電極部２６ａと
駆動棒２６ｂとから構成され、駆動棒２６ｂの゛周囲に
は、容器内部の気密性を保持するために伸縮自在のベロ
ーズ３１が配設されている。なお、電極部２６ａの長さ
Ｌは、１／４波長に設定されている。

この様な構成を有する本実施例のマイクロ波レザ装置に
おいては、以下に述べるようにしてインピーダンス整合
操作が行われる。

即ち、一般に、矩形導波管の横寸法（長手）をａとし、
縦寸法（短手）をｂとし、導波管内媒質の透磁率をμ、
誘電率をεとすると、特性インピーダンスＺ。は次式で
与えられる。

Ｚｏ＝（π２　φｂ／８ａ）・Ｚ工 Ｚ１＝η・λｇ／λ η＝−ｆ７ｉワ７　　　　　　　　・・・（１）λｇ＝
管内波長 λ：マイクロ波波長 従って、放電していない場合、媒質変化はなく−様であ
るから、第２図において、導波管部２４Ｃの特性インピ
ーダンスをＺａとし、１／４波長部の特性インピーダン
スをＺｘとし、また、放電部の特性インピーダンスをｚ
ｂとすると、Ｚａ　ｏＣａ、Ｚｘ　ｏｃｘ、Ｚｂ　ｏｃ
ｂ　　−＝　（２）であり、インピーダンス整合条件は
、 Ｚｘ−ｆ丁「１丁であるから、 ｘ＝ｆ丁Ｔ下　　　　　　　・・・（３）となる。

一方、放電部２３において、放電が発生した場合には次
の様になる。放電発生により、放電部２３内は電離ガス
、即ち、プラズマで満たされることになるが、このプラ
ズマはマイクロ波電界に対して等偏向に誘電体と見なさ
れ、誘電率εは、ε＝ε、−ｎｅφｅ　２７ｍ　４ω２
　　　　　・°゛　（４つε。：真空の誘電率 ｎｅ：電子密度 ｅ：電子の電荷 ｍ：電子の質量 ω：マイクロ波の角周波数 １ となる。

従って、電子密度ｎｅが大きくなると誘電率εが小さく
なり、プラズマ周波数 ωｐ　　（−ｎｅ＊ｅ　　７ｍ　・ε０）が電源周波数
ωに近づくと、（４）式から誘電率εはゼロに近づき、
（１）式より、特性インピーダンスが無限大に近づくの
で、整合が外れてくることになる。

この様にしてインピーダンス不整合が生じると、それに
伴う反射電力は反射パワー・メータ２８によって検出さ
れ、制御器２つより制御信号が送出され、第１図に示し
た変換器３０を介して、整合部の寸法を調整する駆動力
が１／４波長整合器２６に与えられる。この駆動力は、
第２図に示した駆動棒２６ｂを上下動させて、マイクロ
波電源側とマイクロ波グロー放電プラズマ３２との整合
を取るものである。

この様に、本実施例によれば、マイクロ波のエネルギー
が効率的に放電部２３内に注入されるので、−様なグロ
ー放電が得られ、効果的なレーザ光の増幅発振が行われ
る。また、１／４波長整合２ 器２６には金属製ベローズ３１が配設されているので、
気密性が保持されるだけでなく、電波漏れも皆無となる
という利点もある。

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、１／４波長整合器２６を真空
容器の外部に配設しても良い。この場合、放電を放電部
２３内に制限するために、ａ＞ｂとすることが必要であ
る。また、１／４波長整合器の位置は、放電プラズマ部
３２からの反射波により生じる定在波が、最大または最
小となる距離りに設定されている。さらにこの場合には
、１／４波長整合器２６が大気側に配置されているので
、整合部を気密性とする必要はなく、その制御は容易な
ものとなる。

「発明の効果コ 以」−述べた様に、本発明によれば、マイクロ波電源と
放電部との間に、１／４波長整合器を配設し、その整合
部の寸法を、放電部よりの反射波を最小とするように制
御するという簡単な手段によって、インピーダンス不整
合を除去し、どの様な場合にもインピーダンス整合が取
れる、精度の高いマイクロ波レーザ装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

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１／４波長整合器の一例を示す断面図、第３図は本
発明の他の実施例を示す断面図、第４図は従来例の主要
部を示す断面図、第５図は従来のマイクロ波レーザ装置
の一例を示す構成図である。 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、５ｃ・・・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、１５
・・・冷却管、２１・・・マイクロ波発振器、２２・・
・方向結合器、２３・・・放電部、２４・・・導波管、
２５・・・圧力隔壁、２６・・・１／４波長整合器、２
６ａ・・・電極部、２６ｂ・・・駆動棒、２７・・・入
射マイクロ波パワー・メータ、２８・・・反射マイクロ
波パワー・メータ、２つ・・・制御器、３０・・・変換
器、３１・・・ベローズ、３２・・・マイクロ波グロー
放電プラズマ、４１・・・レーザガス、４２・・・」−
部入口、４３・・・ノズル、４４・・・マイクロ波、４
５・・・導波管、４６・・・圧力隔壁、４９・・・光共
振器、５０・・・排出ガス、５１・・・レーザ放電部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   、 前記マイクロ波電源と放電部との間に、１／４波長整合
   器を配設し、その整合部の寸法を、放電部よりの反射波
   を最小とするように制御することを特徴とするマイクロ
   波レーザ装置。