JPH0371683A - 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、レーザ気体の励起が行なわれる放電空間が
、偏平なスラブ状をしている気体レーザ装置に関し、特
にそのレーザ共振器の安定性の向上に関するものである
。

［従来の技術］ 第５図は特開昭８３−１９２２８５号公報に示された従
来の気体レーザ装置の概略断面図、第６図はこのレーザ
装置の共振器の構成を示す概略平面図である。図におい
て、　（１１）は７２ＭＨｚ高周波発生器、（２１）は
電力整合回路、（２２）は高周波ケーブル、（２３）は
絶縁フィードスルー　（７１）、（７２）は電極、（７
３）　、　（７４）は電極の表面で光学反射面に研摩し
である。（７５）は放電用隙間、（７Ｂ）、　（７７）
は電極（７１）。

（７７）を絶縁するスペーサ、〈７８〉はＵ字形をした
基部で、電極（７１）、（７２）とスペーサ（７［ｉ）
　、　（７７）よりなる組立体が基部（７８）上に取付
けられ、Ｕ字形の基部（７８）はＭ　（７９）により閉
じられ、セラミック絶縁材（８０）が蓋（７９〉と電極
（７１）との間に配設されている。また、レーザ共振器
は第６図に示すように、凹球面の全反射鏡（５２）ε凸
球面の全反射鏡（５３〉とから構成されている。

上記のように構成された従来の気体レーザ装置において
は、高周波発生器（ｔｌ）により発生された高周波は電
力整合器（２１）を介して、ケーブル（２２）を通って
電極（７１）　、　（７２）間に印加される。電極（７
１）、（７２）間の放電用隙間（７５）にはレーザ気体
が充填されており、電極（７１）、　（７２）間に印加
された高周波によりレーザ気体が放電励起される。この
ように、反射鏡（５２）と（５３）とで構成されるレー
ザ共振器内に、励起されたレーザ気体が存在するため、
レーザ発振が行なわれる。このとき、電極（７１）、（
７２）間を２　ａｍにし、電極（７１）、（７２）の縁
と凸面鏡（５３）の縁との間の距離を２　ｍｍこするこ
とにより一辺が、約２　ｍｍの方形ビームが得られる。

このビームはレーザ共振器から一定距離離れるとガウス
型円形ビームとなる。

［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、レーザ共振器
が凹面鏡と凸面鏡の組み合わせの、いわゆる正ブランチ
不安定型共振器となっているため、反射鏡の傾きに非常
に敏感で、反射鏡の傾きの調整が行ない難く、しかも温
度による変形等で調整が狂い易いため、共振器の安定性
の確保が難しいといった問題点があった。

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、反射鏡の傾きに鈍感で、反射鏡の傾きの調整が容
易で、安定性の良い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、放電空間を、レーザ
光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が異なる偏平なス
ラグ状に形成し、この放電空間の両端に夫々レーザ共振
器ミラーを配置すると共に少なくとも一方のミラーは一
方向に第１の曲率の反射面と、これと直交する方向には
第２の曲率の反射面とを持った非対称凹面鏡として、放
電空間断面における寸法の長い方の１次元については第
１の曲率の反射面を作用させて負ブランチの不安定型共
振器を構成し、放電空間断面における寸法の短い方の１
次元については第２の曲率の反射面を作用させて光導波
路共振器を構成し、さらに、放電空間断面における寸法
の長い方の一端部からレーザビームを取り出すものであ
る。

［作用］ この発明においては、放電空間断面における寸法の長い
方の１次元については、第１の曲率の反射面を作用させ
て負ブランチの不安定型共振器を構成し、放電空間断面
における寸法の短い方の１次元については第２の曲率の
反射面を作用させて光導波路共振器を構成しているから
、共振器内に焦点はあるが、光が集中するのは一点でな
く一線となり、通常の円筒軸対称の共振器を負ブランチ
とした場合に比し光の集中の割合が大きく低減され、光
学損傷等光の集中による問題が生じることなく、しかも
負ブランチの不安定型共振器の反射鏡の傾きに鈍感であ
る特長が最大限に発揮される。

さらに、光導波路共振器側についても良質のビームモー
ドが得られる。

［実施例］ 第１図（ａ）はこの発明の一実施例における共振器を示
す斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示す共振器の
不安定型共振器側の概要を示す平面図、第１図（Ｃ）は
第１図（ａ）に示す共振器の光導波路共振器側の概要を
示す側面図である。

第１図（ａ）　、　（ｂ）及び（ｅ）において、（５０
）は全反射ミラーである。この全反射ミラー（５０）は
不安定型共振器に最適な第１の曲率の反射面と光導波路
共振器に最適な第２の曲率の反射面とを持った非対称凹
面鏡で、この実施例ではトロイダルミラーである。（５
１〉は出口全反射ミラーである。この出口反射ミラー（
５１）もミラー（５０〉と同様の第１の曲率の反射面と
第２の曲率の反射面とを持った非対称凹面鏡で、この実
施例ではシリンドリカルミラーである。なお、上記の第
１の曲率と第２の曲率は互いに直交する方向における曲
率である。また、上記のような第１の曲率と第２の曲率
の反射面を持った凹面鏡をこの明細書では非対称凹面鏡
と称することにする。

（ＢＴ）は放電空間で、第５図における電極（７１）。

（７２）の表面で囲まれた放電用隙間（７５）に相当す
る空間である。この放電空間（Ｂ７）は、レーザ光軸方
向に垂直な断面の縦と横の寸法（Ａ及びＢ）が異なる偏
平なスラブ状に形成されており、寸法Ｂはレーザ波長に
対し光導波路の寸法としである。なお、放電空間（６７
）の図示は簡略化して輪郭のみ示しである。この放電空
間（Ｂ７〉に対し、ミラー（５０）。

（５１）は第１図（ａ）に示す平面図で見たとき、Ａ方
向の１次元に光を拡大するように、第１の曲率の反射面
同士を対向させて配置し、第１図（ｂ）に示すように第
１図（ａ）と直交する方向から見たとき、第２の曲率の
反射面同士を対向させて配置しである。

以上のように構成された共振器は、放電空間断面におけ
る寸法の長い方の１次元については、つまり図示のＡ方
向についてはミラー（５０）及び（５１）の第１の曲率
の反射面を組み合わせた負ブランチの不定定型共振器と
なっており、放電空間断面における寸法の短い方の１次
元については、つまり図示のＢ方向については、第２の
曲率の反射面による光導波路共振器になっている。

ところで、ミラー（５０）、　（５１）を不安定型共振
器に適した曲率を持った球面の凹面鏡を用いた場合、光
導波路共振器側については光導波路共振器に適した曲率
になっていないため、光導波路の高次モードが励振され
強いサイドロブが発生する恐れがあり、いわゆる最低次
のシングルモードになり難いのに対し、この共振器は、
Ｂ方向については曲率を変えて、放電空間断面における
寸法の短い方の一次元について、光導波路モードのうち
最低次のシングルードが効率良く励振される曲率にする
ため、高次の光導波路モードが励振され難く円形の良質
なモードでレーザ発振させることができる。

さらに、負ブランチの不安定型共振器は、放電空間断面
の寸法が長い方の一端部（８７１）からのみレーザビー
ム（８）を取り出すために、レーザ光軸を放電空間の中
心軸よりずらしである。即ち、ミラー（５０）及び（５
１）の少なくとも一方は放電空間の中心軸に対し傾けて
配置しである。また、ミラー（５１）にはビーム取り出
し部（５１１）が設けである。

このレーザビーム取り出し部（５１１）は、こノ実施例
ではミラー（５１）の一部を切欠いて直線状ノアバーチ
ャを形成したものである。

上記実施例では、ミラー（５０）にトロイダルミラミラ
ー（５１）にシリンドリカルミラーを用いているが、両
方共トロイダルミラーを用いてもよくまた、一方のみを
トロイダルミラー又はシリンドリカルミラーとし、もう
一方を球面の凹面鏡とした場合でも、両方とも球面の凹
面鏡を用いたものに比し、光導波路共振器側のモードを
良好なものにすることができる。

なお、図において、ＰＬＯはミラー（５１）から取り出
されるレーザ光強度分布を示しており、ＲＴｌ及びＲ１
□はミラー（５０）の第１及び第２曲率半径、Ｒ及びＲ
Ｐ２はミラー（５１）の第１及び第２の曲率１ 半径である。また、ａ及びｂはミラーの有効長さを示し
ている。

次に、不安定型共振器の機械的変動、つまりミラーの傾
き（以下、ミスアライメントと記す）に対する感度につ
いて説明する。

第２図は正ブランチ不安定型共振器のミスアライメント
感度を説明する説明図、第３図は負ブランチ不安定型共
振器のミスアライメント感度を説明する説明図である。

第２図及び第３図において、（１）及び〈２）はミラー
で、第２図では第５図のミラー（５２）及びミラー（５
３）を示し、第３図では第１−図のミラー（５０）及び
ミラー（５１）を示している。ｅはミラー（２〉の曲率
中心、ｆはもともとのミラー（１）の曲率中心、ｇはず
れたミラー（１）の曲率中心、θはミラー（１）のずれ
角、φは光軸のずれ角である。なお、光軸は曲率中心を
結んだ線、即ち両方のミラー面に垂直な線で、ミラー（
１）がずれた場合、即ちミラー（１）が傾いた場合ｅｆ
からｉへ変化する。ｄはずれた光軸を示している。

不安定型共振器のミスアライメントに対する感度は、学
会誌（ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＱＵＡＮＴＵ
ＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ８、ＤＥＣＥＭＢＥＲ１９１３
９，Ｐ、５７９）に記載されているように、下記（１〉
〜（３）式で表わされる。

Ｍ−− θ ・・・（Ｌ） ここで、ｍは拡大率で共焦点（Ｃｏｎ　ｆｏｅａ　Ｉ　
）共振器においてはミラーの曲率比で考えられる。

Ｒ，Ｒ２はミラー（１）及び（２）の曲率半径で、凸曲
率と凹曲率を士符号で区別しているため（５）式は負と
なる。

このｍは、幾何（光）学的にはエツジやアパーチャによ
って制限されたミラーの有効長さ（第１図、第６図に示
すａ及びｂ）の比になる。

ｍ＝　　　− ・・・（６） なお、ミラーの有効長さとはエツジやアパーチャにより
制限されて、実際に光の当っているミラーの部分である
。（軸対称の場合は有効径になる）即ち、拡大率とは、
共振器内における拡大される前のビームの大きさと拡大
後のビームの大きさの比である。

第１図に従って試作したＣＯｚレーザの例では、放電空
間長４００ｍｍ、断面寸法２Ｘ２０ｍｍであり、適当な
出力結合率１０％と出射ビームの対称性が両立するよう
に拡大率ｍは１．１程度に設計されている。

この場合Ｍ　二２２、Ｍ　二１となる。

＋ 従って、負ブランチのミスアライメント感度は正ブラン
チのミスアライメント感度の１／２２となる。

即ち、ミラーが傾いたことによる光軸のずれは負ブラン
チの方がはるかに少い。従って、共振器の安定性が向上
する。

なお、この発明では、拡大率ｍは不安定側（断面寸法Ａ
の方）のみで定義され、光導波路側（断面寸法Ｂの方）
については関係がない。

所で、負ブランチの不安定型共振器は、共振器内に焦点
があり、通常の円筒軸対称の共振器に用いると共振器内
に光が集中する一点が生じ光学損傷等の問題があるため
、一般にはほとんど用いられていない。これに対し、こ
の発明は放電空間断面における寸法の短い方の１次元は
光導波路共振器を構成した通常の円筒軸対称でない共振
器において、負ブランチの不安定型共振器を適用したも
のである。このため、共振器内に焦点があるが、光が集
中するのは一点でなく一線（第１図（ｂ）及び（Ｃ）に
おけるＬ）となり、通常の円筒軸対称の共振器に適用し
た場合に比し光の集中の割合が大きく低減され、光学損
傷等の光の集中による問題が生じることなく、しかも負
ブランチの不安定型の反射鏡の傾きに鈍感である特長を
最大限に発揮できるものとなる。

放電空間長４００ｍｍ、断面寸法２×２０關の例では、
第４図に示すように正ブランチの共振器では出力２５Ｗ
程度からミラーの歪によりモードがくずれ、出力が飽和
してしまうが、負ブランチの共振器では８０Ｗ以上が得
られた。負ブランチでも、ミラーに凹球面鏡を用いた場
合は、出力は８０Ｗ以上が得られたものの、光導波路方
向（寸法の短い方の１次元方向）に強いサイドロブが生
じ、円形のモードが得られなかったのに対し、ミラーを
トロイダルミラーにすることで、はぼ円形の良好なモー
ドが得られた。

また、負ブランチの方がミラーの曲率半径が小さくなる
ため、曲率としては大きくなり形状誤差に対する曲率誤
差が小となる。同じ形状誤差（精度）に対して曲率半径
の誤差（精度）は目標曲率半径に対してほぼ２乗で大き
くなり、ミラー製作上の精度の良さの点でも負ブランチ
の方が有利である。例えば、前記のＣＯ２レーザの例で
±０．５μ劇の形状誤差でφ３ｈｍ程度のミラーを使用
しているが、負ブランチの場合、不安定型の曲率は約４
００で±０．５關の誤差であるが、正ブランチの場合曲
率が約９０００で±２００＊＋ｍの誤差となり、正ブラ
ンチでは共焦点からのずれが大きく、拡大率も目標から
ずれ、光の制御が設計通りいかなかった。

上記実施例は、高周波電界により放電を発生させレーザ
気体を励起するものであるが、特開昭８３−１８６４８
３号公報に開示されているような、マイクロ波回路の一
部を構成する導電体壁と、この導電体壁に対向して設け
られた誘電体との間にレーザ光軸方向に垂直な断面の縦
と横の寸法が異なる空間を形成し、この空間にレーザ気
体を封入すると共にマイクロ波電界により放電破壊させ
てプラズマを発生させレーザ気体を励起する気体レーザ
装置に実施しても同様の効果が得られる。

また、ミラー（５１）のレーザビーム取り出し部（５１
１）は、直線状のアパーチャを形成しているが、放電空
間断面の短い方の寸法より充分大きな直径のミラーであ
れば、円形ミラーを用いても問題ない。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、放電空間断面における
寸法の長い方の１次元については不安定型共振器に最適
な第１の曲率の反射面を作用させて負ブランチの不安定
型共振器を構成し、放電空間断面における寸法の短い方
の１次元については光導波路共振器に最適な第２の曲率
の反射面を作用させて光導波路共振器を構成しているか
ら、共振器内に焦点はあるが、光が集中するのは一点で
なく一線となり、光学損傷等光の集中による問題が生じ
るこさなく、負ブランチの不安定型共振器の反射鏡の傾
きに鈍感である特長が最大限に発揮され、さらに光導波
路共振器側についても良質のビームモードが得られ、共
振器の安定性が総合的に向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例における共振器を示
す斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示す共振器の
不安定型共振器側の概要を示す平面図、第１図（Ｃ）は
第１図（ａ）に示す共振器の光導波路共振器側の概要を
示す側面図、第２図は正ブランチ不安定型共振器のミス
アライメント感度を説明する説明図、第３図は負ブラン
チ不安定型共振器のミスアライメント感度を説明する説
明図、第４図は正ブランチおよび負ブランチ不安定型共
振器によるＣＯ２レーザ発振器の特性を示すグラフ、第
５図は従来の気体レーザ装置の概略断面図、第６図は第
５図に示す気体レーザ装置の共振器の構成を示す概略平
面図である。 図において、（５０）は全反射ミラー（非対称凹面鏡）
　、（５１）は出口全反射ミラー（非対称凹面鏡）、（
５１１）はレーザビーム取り出し部、〈Ｂ７〉は放電空
間、（８）はレーザビーム、Ａは放電空間断面における
長い方の寸法、Ｂは放電空間断面における短い方の寸法
である。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ気体の励起を放電により行なう気体レーザ装置に
   おいて、放電によるレーザ気体の励起が行なわれる放電
   空間を、レーザ光軸方向に垂直な断面の縦と横の寸法が
   異なる偏平なスラブ状に形成し、この放電空間の両端に
   夫々レーザ共振器ミラーを配置すると共に少なくとも一
   方のミラーは一方向に第１の曲率の反射面とこれと直交
   する方向には第２の曲率の反射面とを持った非対称凹面
   鏡を用いて、放電空間断面における寸法の長い方の１次
   元については前記第１の曲率の反射面を作用させて、負
   ブランチの不安定型共振器を構成し、放電空間断面にお
   ける寸法の短い方については前記第２の曲率の反射面を
   作用させて光導波路共振器を構成し、さらに、放電空間
   断面における寸法の長い方の一端部からレーザビームを
   取り出すようにしたことを特徴とする気体レーザ装置。