JPH0323685A - 気体レーザ装置 - 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】 【産業上の利用分野】 この発明は放電を利用してレーザ励起を行なう気体レー
ザ装置に関するものである。 ［従来の技術］ 第４図は特開昭８４−６９０８１１号に示された従来の
気体レーザ装置を示す概略斜視構成図であり、（１）は
マイクロ波発振器であるマグネトロン、《２〉は導波管
、（４〉はマイクロ波結合窓、（５〉はレーザ発振用の
ミラー、（Ｂ）はレーザヘッド部であって、第５図がレ
ーザヘッド部（６）の詳細を示す第４図Ａ−Ａ線での断
面図である。第５図に示されるようにレーザヘッド部（
６）はマイクロ波回路の一種であるリッジ導波管型のマ
イクロ波空胴の構造を持つ。第５図において、（６１）
はマイクロ波結合窓（４〉に続く空胴壁、（６２）およ
び（Ｂ３〉はこの空胴璧の断面の中央部に形成されたリ
ッジ、（６４）はこの一方のリッジ《Ｂ２〉に形成され
た溝であり、（６５）はマイクロ波放電回路の一部を構
成する導電体璧であって、この例では溝（Ｂ４〉の壁面
が使用される。 （６Ｂ〉はこの導電体璧（８５）に対向して設けられた
例えばアルミナなどの誘電体であり、（８７）はこの誘
電体（６６）が上記溝（６４〉を覆うことにより上記誘
電体壁（Ｂ５〉と誘電体（ａＢ）との間に形成される放
電空間であって、この放電空間（Ｂ７〉に例えばＣ　Ｏ
　２レ−ザガスなどのレーザ気体が封入される。また（
６８）はりッジ（Ｂ２〉および（８３〉に形威された冷
却水路である。 以上のように構成された気体レーザ装置において、マグ
ネトロン（１）で発生されたマイクロ波は導波管（２）
を通ってマイクロ波結合窓（４）でインピーダンスマッ
チングをとることにより効率よくレーザヘッド部（６）
に結合される。レーザヘッド部（８）は第５図に示され
るようにリッジ空胴状になっており、マイクロ波はりッ
ジ（６２）　，　（８Ｂ）の間に集中する。この集中し
たマイクロ波の強い電界により放電空間（６７〉に封入
されたレーザ気体が放電破壊してプラズマを発生し、レ
ーザ媒質が励起される。ここで、冷却水路（６８）に冷
却水を流し、放電プラズマを冷却するとともに、レーザ
気体の圧力などの放電条件を適切に選ぶことによってレ
ーザ条件が得られ、Ｍ４図中のミラー（５〉および図示
のないもう一枚のミラーによりレーザ共振器を形成する
ことでレーザ発振光を得ることができる。この時、この
気体レーザ装置においてはマイクロ波回路の一部を構成
する導電体壁（６５）と、この導電体壁（６５）に対向
して設けられ、マイクロ波の入射窓となる誘電体（６Ｂ
）との間に形成される放電空間（６７）においてマイク
ロ波放電を行なわせるため、マイクロ波の入射はプラズ
マの一面からのみ行なわれることになり、例えば雑誌（
Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ａｐｐｌ１ｅｄ　Ｐｙｈｓ１ｃｓ
　Ｖｏｌ．４９　．　１１ｋＬ７．　Ｊｕｌｙ　　１９
７ｇ．Ｐ３７５１）に記載された気体レーザ装置に表わ
れるような、プラズマを内導体とする同軸モードのマイ
クロ波モードが支配的となる現象は起こらず、所望のマ
イクロ波モードによる放電を行なわせることができる。 また第５図に示されるリッジ空胴のようにマイクロ波回
路が上記誘電体（６Ｂ）とプラズマの境界に垂直な電界
戊分を有するマイクロ波モードを形成する場合、誘電体
（６Ｂ）と導電体壁（６５）は対向して設置されている
ので、導電体壁（６５）にも垂直な電界成分を有するこ
とになり、プラズマを貫く電界ができる。この時、導電
性を持つプラズマが発生しても、マイクロ波入射窓であ
る誘電体（８Ｂ）に対向してプラズマよりも数桁導電性
の高い導電体壁（Ｂ５〉があるために入射マイクロ波の
終端電流はこの導電体壁（６５〉を流れ、導電体壁（６
５）近傍の電界は強制的に導電体壁（８５）の表面に垂
直にされ、上記のプラズマを貫く電界が維持される。 このためマイクロ波がプラズマ中に浸透し、プラズマを
貫く電流が流れ、電流の連続性から空間的に一様な放電
プラズマが得られ、る。この様子を第６図の拡大断面図
に示す。図において（６９）はマイクロ波電界の電気力
線、（７０）は放電プラズマである。この気体レーザ装
置によれば、第６図に示されるような均一な放電が得ら
れ、放電全体をレーザ励起に適当な条件にすることが可
能になり、レーザ共振器モードとのオーバラップも良好
となり飛躍的に高効率、大出力のレーザ発振が得られる
。 ［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の気体レーザ装置では、放電空間（６
７〉が偏平な放電空間であるため、レーザ発振させる場
合、良質のモードで発振させることが難しく、かつ集束
性の良いレーザビームを取り出すことが難しいという問
題点があった。 この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、偏平な放電空間からでも集束性の良いレーザビー
ムを取り出せる安価な気体レーザ装置を得ることを目的
とする。 ［課題を解決するための手段］ この発明に係る気体レーザ装置は、偏平な放電空間の両
端面に夫々配置されたレーザ共振器ミラーのうち一方の
ミラーの一部を切欠いて、この切欠部からレーザビーム
を取り出すと共に、レーザ気体封止用部材であるレーザ
ビーム取り出し窓をビームエキスパンダのレンズ群の中
のビーム入射レンズで兼用したものである。 ［作　用］ この発明においては、レーザ共振器ミラーのうち一方の
ミラーに設けた切欠部が、レーザ共振器内部で励起され
たレーザを分布の良いレーザビームとして射出する。さ
らに、射出されるレーザビームを集束性の良い太いレー
ザビームに変換するビームエキスパンダのレンズ群の中
のビーム入射レンズをレーザ気体封止用部材として使用
したため、装置を構成する部品の点数が減る。 ［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図である。第１
図Ｂ−Ｂ線での断面図は第３図のものと同じである。第
２図（ａ）は第１図のレーザ共振器の構成及び動作を説
明するための斜視図、第２図（ｂ）は同じく平面図、第
２図（Ｃ）は同じく側面図である。これらの図において
、（５０）は全反射ミラ＋、（５１）は一部を切り欠い
た出口全反射ミラー（５１１）は全反射ミラー（５ｌ）
の切欠部、（５３〉はレーザ気体封止用部材を兼ねたビ
ームエキスパンダのビーム入射レンズ、（５４）はビー
ムエキスパンダのビーム出射レンズ、（ｙｔ）はミラー
ホルダ、（７２）．（７３〉はミラー押えである。（８
）は射出されるレーザビームを示している。 放電空間（６７〉は幅広面の少なくとも一面が前述のよ
うに誘電体で構成されており、かつ縦と横の寸法が異な
る偏平な空間とすると共に扁平断面寸法ＡＸＢ　（Ａ＞
Ｂ）のとき、Ｂをレーザ波長に対し先導波路の寸法とす
る。すなわち波長１０．６−のＣ０２レーザであれば、
２１１１程度にする。又、レーザ共振器ミラーであるミ
ラー（５０）．（５１）は偏平空間の両端面のすぐ外に
配置されている。 以上のように構成することにより、少なくとも一面が誘
電体で構成した偏平な空間でマイクロ波放電を生じさせ
ることで、高電力密度の放電を安定に、しかも均一に生
じさせることができる。また、空間壁面より冷却も効率
良く行なえ、短い放電長で大きな出力を得ることができ
る。さらに、放電空間断面における寸法の短い方の１次
元を光導波路モードで光共振器を構成し、かつ放電空間
断面における寸法の長い方の１次元に光を拡大する１次
元不安定型共振器を用いることによりフルマルチと同等
の効率で品質の良いレーザビームを取り出すことができ
る。このとき、レーザ光軸を放電空間の中心軸からずら
し、ミラーの片側即ち放電断面の一端部からのみレーザ
光をとりだすと出力後の姿態変化がなくサイドローブの
ほとんどないビームが得られる。 ここで、放電空間（６７〉の厚みＢはレーザ波長に対し
先導波路の寸法とすることによって定まる。 また、冷却水路（Ｂ８）による冷却効果の点からも薄い
方がよく、一例として２ｎ程度であり、射出されるレー
ザビームの径も２１１ｍｌ程度で細い″ものとなる。さ
らに、放電空間０７）の両端は、レーザ気体を封止する
ため、言いかえると放電空間（６７）内の真空を保持す
るための密閉構造になっている。その構造の詳細を示し
たのが第１図であり、全反射ミラー（５０）側は全反射
ミラー（５０）とミラーホルダ−　（７１）および、ミ
ラー押え（７３）とでＯリングあるいは接着などによっ
て密閉構造にしている。他方の一部を切り欠いた出口全
反射ミラー（５ｌ）側も同様に密閉構造になっているが
、切欠部（５１１）があるためこの部分は、出口全反射
ミラー（５ｌ）のさらに外側にあるビーム取り出し窓を
兼ねたビームエキスパンダのビーム入射レンズ（５３）
をミラー押え（７２）に接着あるいは０リング取めとす
ることなどにより密閉構造にしている。 このようｔｌ構造の共振器に、さらにビーム入射レンズ
（５３〉と共焦点の位置にビーム出射レンズ（５４）を
配置すれば、良く知られているように、ビーム径を【ビ
ーム出射レンズ（５４）の焦点距離ｆ２＋ビーム入射レ
ンズ（５４）の焦点距離ｔ，３倍にすることができるた
め、ビーム径が大きい、すなわち集束性の良いビームが
得られる。例えば、ｆ２＋ｆ，−１０とすれば、前述の
２　ｍｍ程度のビーム径を２０ｍ程度にできる。このよ
うに、共振器の外部にビーム出射レンズ〈５４〉を設け
るだけでビーム径の大きい、集束性の良いビームを得る
ことができる。 なお、上記実施例では、ビーム取り出し窓を兼ねたビー
ム入射レンズ（５３）に凸レンズを用いたものについて
説明したが、凹レンズを用いて、この凹レンズの焦点と
共焦点となる位置にビーム出射レンズ（５４〉を配置す
れば同様の効果が得られるのは言うまでもない。 次に、第３図（ａ）はこの発明の他の実施例を示すレー
ザ共振器の斜視図、第３図（ｂ）は同じく平面図、第３
図（Ｃ）は同じく側面図である。 第３図（ａ）　．　（ｂ）　．　（ｅ）において、（５
０）は全反射ミラー　〈５ｌ〉は出口全反射ミラー　（
５１１）はミラー（５ｌ）の一部を切欠いた切矢部で、
この実施例では中央部に設けた円形の穴（以下、カップ
リングホールと記す）である。（８）は射出されるレー
ザピームである。 この実施例でも、偏平な放電空間（８７）の寸法の短い
方Ｂをレーザ波長に対し先導波路の寸法とする。すなわ
ち、波長１０．６ｓｌＩＩのＣ０２レーザであれば２關
程度にすれば、この一次元が先導波路として動作する。 このようにすることにより、一面誘電体の偏平空間でも
レーザ発振効率を良くでき光共振器内部で高次のレーザ
モードとなっていても、切欠部（５１１）より低次のビ
ームを取り出すことができる。 第３図（ｂ）及び（ｃ）に、ミラー（５ｌ）の内側のレ
ーザ光強度分布ＰＬｌ及びミラー（５１）から取り出さ
れるレーザ光強度分布ＰＬ０を示す。 光共振器内部では第３図（Ｃ）に示すように、幅が狭い
断面方向で先導波路モードの最低次モード、すなわちミ
ラー面でほぼ位相がそろったモードを形成し、第３図（
ｂ）に示すように、幅が広い断面方向では先導波路モー
ドではない通常の開放系で形成される高次モードを形成
している。カップリングホール（５１１）の寸法は先導
波路モード側はほぼ断面寸法と同じにし、高次モード側
は、高次モードのうち一節を取り出す寸法にすると、カ
ップリングホール部での光の位相がほぼそろったものと
なり、カップリングホール（５１１）から外へ放射され
るレーザビームは位相のそろった、いわゆるガウシアン
モードに近いモードにできる。 本発明者らの実験によれば、放電空間を断面１２１１１
１Ｘ２ｍ１１１１％長さ４００ｎとし、光共振器を構成
する片側のミラー（５０）を全反射ミラー、他方のミラ
ー（５ｌ）を、中央にφ２　ｍｍのカップリングホール
（５１１）を設けた全反射ミラーとし、このカップリン
グホール（５１１）よりレーザビームを取り出す構成に
したところ、ほぼ円形のレーザビームを取り出すことが
できた。 この実施例でも、第１図と同様、出口全反射ミラー（５
ｌ）の外側にレーザ気体を封止するビーム取り出し窓を
兼ねたビームエキスパンダのビーム入射レンズを配置す
る。このビーム入射レンズと共焦点の位置にビーム出射
レンズを配置すれば、同様に径の大きい集束性の良いビ
ームが得られる。 なお、上記説明では、レーザ気体を放電させるためのエ
ネルギーを供給するエネルギー源として、マイクロ波を
用いたものを示したが、例えば特開昭８３−１９２２８
５号公報に示される高周波のように、マイクロ波以外の
エネルギー源を用いたものにあっても本発明が適用でき
るのは明らかである。 〔発明の効果〕 この発明は以上説明したとおり、レーザ光軸方向に垂直
な断面の縦と横の寸法が異なる放電空間、この放電空間
に封入されたレーザ気体、このレーザ気体を放電させる
ためのエネルギーを供給するエネルギー源とを備えた気
体レーザ装置において、上記放電空間の両端面に夫々配
置されたレーザ共振器ミラーのうち一方のミラーの一郎
を切欠いて、この切欠部からレーザビームを取り出すと
共に、レーザ気体封止用部材であるレーザビーム取り出
し窓をビームエキスパンダのレンズ群の中のビーム入射
レンズで兼用したから、別にビームエキスパンダのビー
ム出射レンズを設けるだけでよく、安優に、単純な構成
で、分布が良く、かつ集束性の良いレーザビームを取り
出せる気体レーザ装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図（ａ
）は第１図のレーザ共振器の構成及び動作を説明するた
めの斜視図、第２図（ｂ）は同じく平面図、第２図（Ｃ
）は同じく側面図、第３図（ａ）はこの発明の他の実施
例を示すレーザ共振器の斜視図、第３図（ｂ）は同じく
平面図、第３図（Ｃ）は同じく側面図、第４図は従来の
気体レーザ装置を示す概略斜視構成図、第５図はｊＩ４
図のＡ−Ａ線での断面図、第６図は放電の様子を説明す
る要部拡大断面図である。 図において、（５Ｇ）．（５１）はミラー　（５１１）
はミラー（５ｌ）の一部を切欠いた切欠部、（５ｇ）は
ビームエキスパンダのビーム入射レンズ、（５４）はビ
ームエキスパンダのビーム出射レンズ、 （Ｂ７〉は放電空 間、 （８〉 はレーザビームである。 なお、 図中、 同一符号は同一又は相当部分を示 す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる放
   電空間、この放電空間に封入されたレーザ気体、このレ
   ーザ気体を放電させるためのエネルギーを供給するエネ
   ルギー源とを備えた気体レーザ装置において、上記放電
   空間の両端面に夫々配置されたレーザ共振器ミラーのう
   ち一方のミラーの一部を切欠いて、この切欠部からレー
   ザビームを取り出すと共にレーザ気体封止用部材である
   ビーム取り出し窓をビームエキスパンダのレンズ群の中
   のビーム入射レンズで兼用したことを特徴とする気体レ
   ーザ装置。