JPH04215485A

JPH04215485A - 前期電離される横方向に励起されたレーザの方法とその装置

Info

Publication number: JPH04215485A
Application number: JP3050627A
Authority: JP
Inventors: Peter P Chenausky; ピーター・ピー・チェノースキー
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1991-02-22
Publication date: 1992-08-06
Also published as: US5097472A; DE4105053A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光を生成す
ることに係り、特に気体レーザに於ける改良に係る。よ
り詳細には、本発明は、低エネルギ源及び高エネルギ源
を用いる共電離（ｃｏ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を起こ
すことによって、パルス放電気体レーザ、特に横方向に
励起されたレーザの効率を高めることを教示するもので
ある。従って本発明の目的は、前記のような特性の新奇
なそして改良された方法及び装置を提供することである
。

【０００２】

【従来の技術】本発明の用途は上記の分野に限定される
ものではないが、本発明は特に横方向に励起されたレー
ザに使用すること及びそのものによく適したものである
。パルス発振モード或いはＣＷ（連続発振）モードにて
動作する横方向に励起された（ＴＥ）気体レーザは、こ
の分野に於てよく知られている。かかる公知のＴＥレー
ザが効果的に直流パルスによって付勢することができる
ようになる以前は、レーザ利得媒質となる領域を前期電
離（或いは、予備電離）（ｐｒｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ
）をしなければならない。またよく知られているように
、パルス繰返し周波数が毎秒数パルス程度を越えると、
アーク放電の生成を避けるために、励起に続いて気体の
再循環或いはレーザ媒質の置換を行わなければならない
。

【０００３】図１は、慣用されている紫外前期電離され
る、サイラトロン切換えの横方向に励起されたＣＯ２　
レーザの主な要素を模式的に示している。これらの要素
には一対の固体金属の主放電電極１及び２が含まれてお
り、電極の少なくとも一つは電極対の間の領域に於て一
様な電場を形成するように形作られている。加えて、従
来の技術のＴＥレーザ装置には、典型的に、気体の流れ
方向の下流に於て前記の電極間の放電が生じることとな
る空間に隣接した置かれた一組の前期電離用電極４が用
いられる。以下簡単に論ずると、前期電離は幾つかの異
なった方法によって達成される。一例としては、前期電
離用電極が一組の対向して置かれたピンとして配列され
る。典型的には、これらのピンの組はレーザ真空容器の
上方及び下方の内側表面から備えつけられている。これ
らのピンの間に高電圧パルスを印加すると、直線の強い
火花列が生成される。次にこれらの火花からの紫外光線
が火花列に隣接した空間に於て光電子を生成する。火花
の生成で消費されるエネルギは、典型的には、レーザ発
振を起すために主放電電極へ印加される全エネルギの凡
そ１０％である。

【０００４】図１に於て模式的に示された従来の技術に
ついて更に論ずると、直線の火花列を生成するエネルギ
は、例えばキャパシタＣｓ´の如き容量の中に蓄えられ
、容量は高電圧源Ｖｓ´からＬ´で示される如きインダ
クタンスを介して適当な電圧まで充電される。インダク
タンスＬ´は、パルス繰返し周波数を考慮に入れて、そ
のリアクタンスがレーザの各々のパルスの間に於て容量
Ｃｓ´が充電されることを妨げないように、同時に、火
花列から電流が逸れないようにリアクタンスが十分に高
くなるように、選択される。火花列に与えられる電圧パ
ルスは切換え装置ＳＷ１、例えば、サイラトロンを制御
することによって与えられる。かくして、図１に於て描
いた従来の技術のシステムに於て正のパルスをサイラト
ロンの制御格子へ与えることにより、負の方向へ進むパ
ルスが生成され、火花列へ与えられる。即ち、サイラト
ロンの陽極電圧が駆動され、数１０或いは数１００ナノ
秒のオーダーの期間に於てインピーダンスが接地から数
オームになる。紫外火花光子が吸収され続いて光電子が
生成されることにより、二つの主放電電極間の領域に於
て電離が最高レベルに達すると、充電されている主容量
Ｃｓから第二の電圧パルスがレーザの主放電電極の間に
印加される。容量Ｃｓから放電空間へ与えられるエネル
ギは、通常、前期電離のエネルギの１０倍のオーダーで
ある。容量Ｃｓからの利得空間へのエネルギの結合の制
御は、第二の切換装置ＳＷ２を用いることによって達成
される。第二の切換装置ＳＷ２はまたサイラトロンであ
ってよい。

【０００５】図１に於て模式的に描かれている回路につ
いての多くの変更及び改良が提案され実行されているが
、かかる改良は実質的には単に電極の構造をより複雑に
し、放電回路を複雑にして、与えられた装置空間からの
レーザ出力を改良しようとするだけのものである。かく
して、従来の技術に於ける前期電離パルスＴＥレーザは
全て、幾つかの共通の基本的な特性を有している。第一
に、最初の前期電離火花を生成する電圧パルスの強度は
、ピンの形状及びピンの間隔を考慮すると、レーザ気体
混合物の破壊レベルを越えた或るレベルでなければなら
ない。更に前期電離に適用される光電子の密度は高くな
く、前期電離回路のエネルギの少量ではあるがその一部
が最終的に紫外光子になるということにより、主容量Ｃ
ｓに蓄積されているエネルギによる電圧パルス（或いは
、容量Ｃｓに荷電されていなければならない電圧）は、
主放電電極の間隔を考慮すると、やはり気体破壊レベル
以上でなければならない。もし容量Ｃｓの電圧が破壊レ
ベル以上でなければ、この容量に蓄えられているエネル
ギは全て、主放電回路内の切換装置が駆動されたときに
充電インダクタＬ或いは切換装置ＳＷ２に流れてしまう
ことになろう。更に、実験的に示されていることである
が、放電繰返し周波数が毎秒１或いは２パルスを越える
と、従来のパルスＴＥ気体レーザは第二の連続的な放電
パルスに於ける放電アークを避けるために、或る種の真
空内部の気体再循環或いは気体流を必要とする。ここで
注意することは、気体再循環を必要とするということは
コロナ放電を用いて前期電離を達成することにより、或
いはＸ線源若しくは紫外領域での放射出力が大きいフラ
ッシュランプを用いて光電子を生成することにより回避
できるものではない、ということである。

【０００６】以上をまとめると、従来の技術に於ける紫
外或いはコロナ前期電離技術は全て、レーザ真空容器内
に於て二つ以上の電極を必要とし、典型的には物質の選
択、物質の互換性及び装置全体の設計に於て十分に複雑
であり、又これらの不具合を妥協しなければならないよ
うな実質的に多数の電極を必要とする。更に、従来の技
術の前期電離を生成する構成は全て、毎秒１或いは２パ
ルス以上のパルス繰返し周波数を確実に達成するために
真空内の気体流を必要とする。気体流を必要とするとい
うことは、装置体積を比較的大きくしなければならず、
また真空容器の内側に機械的な回転要素を必要とするこ
とにより、装置の寿命及び確実性が疑わしいものとなる
。加えて、従来の前期電離を生成する構成は主放電回路
内に少なくとも一つの能動切換装置を必要とするので、
回路が複雑になり寿命が限られたものとなる。

【０００７】更に従来の技術について論ずると、ＣＯ２
　横方向レーザ励起のための“パルサ”／“サステイナ
”システムがレイリー（Ｊ．Ｐ．Ｒｅｉｌｌｙ）による
「応用物理ジャーナル（Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　Ｖｏｌ．４３，
　Ｎｏ．８，　Ａｕｇｕｓｔ　１９７２　）」の中の記
事に論じられている。レイリーの記事に於て論じられて
いる技術は、低レベルのエネルギのパルス放電を用いて
切換えのないより強力な放電回路からエネルギの供給を
開始する電離を提供している。この記事で論じられてい
る手法は、高い過剰電圧のパルサ或いは前期電離する放
電パルスと、多数の互にてこ動作されるパルサ／サステ
イナ電極と、マッハ０．２の真空内気体グローとの組合
せを採用している。レイリーの記事に記載されている如
き動作原理は、フェンスタマッチヤ（Ｆｅｎｓｔｅｒｍ
ａｃｈｅｒ　ｅｔ　ａｒ　）及びストラトン（Ｓｔｒａ
ｔｔｏｎ　ｅｔ　ａｒ）により記載された電子ビーム制
御レーザ装置に非常によく似たものである。電子ビーム制御レーザ装置のパルサ部分は、「堅い」真
空チャンバ内に置かれた熱陰極電子銃を含んでいる。こ
のチャンバの一つの壁は少なくとも部分的に金属格子に
よって指示されたチタニウムフォイルによって郭定され
、フォイルは電子銃からの加速された電子に対して実質
的に透過性を示す。実際に実施する場合に於ては、電子
ビーム型イオナイザ／サステイナ装置は、電子ビームを
加速するのに非常に高い電圧が必要とされる点、電子銃
を駆動するために必要なスイッチの型式及びフォイル電
極が脆い特性を持つという点について見ると、信頼のな
いものである。加えて、レーザ真空容器内の壁の一つに
於ける電子銃の真空チャンバの位置はレーザを発してい
る気体から熱を除去することができない。かくして、考
えられることは、上記の紫外或いはコロナ前期電離を生
成する構成の場合、真空内気体流が毎秒１或いは２パル
スを越えるパルス繰返し周波数を達成するために必要と
なる。

【０００８】まとめると、パルスＥ−ビーム、紫外、フ
ラッシュランプ或いはコロナ前期電離ＴＥレーザは幾つ
かの前記の如きエネルギ源を時間的に（一つのエネルギ
源を駆動した後にもう一つを駆動する）或いは空間的に
（異なる電極対、異なる気体領域）重ねて用いることに
より一つ或いはそれ以上の前期電離と主放電励起を与え
るものである。

【０００９】パルス横方向気体レーザと同様に、密封さ
れた再循環を行わない装置に於て、二つのみの単に延在
した金属の電極間の横方向の直流励起は従来の技術に於
て実用的でない、ということが証明されている。気体流
あるいはその他の気体放電を変動する影響力、例えば荷
電粒子と磁場によって導入される力、による或る乱気流
がないと、レーザ媒質内の望ましいグロー放電は素早く
電極間の一つの小さな領域に極在し、望ましくないアー
クに変化する。これまでの横方向に励起されたＣＷ気体
レーザに於て二つの電極のみを使い、単純化及びレーザ
の費用を軽減するという好ましい特徴を得ようとする努
力は、かかる二つの電極のＣＷ放電をどのように生成す
るかということについて払われた。望ましいグロー放電
がアークへ変化しないようにするためには、アークの生
成を妨げる或る機構が必要である。かかる機構の一つと
して、真空内に対流する気体流を用いることがある。こ
れは、グローからアークへの遷移の初期段階にある高温
の気体を、隣接する気体領域へ輸送し、これによりアー
クの成長を抑制するというものである。もう一つの機構
として、外部より磁場を印加し、放電中の荷電粒子に力
を作用しアークを不安定なものにするというものがある
。これらの技術は全てより複雑でない装置を提供すると
いう希望に反するものである。過去１０年間の密封され
たレーザの進歩により、より基本的なレベルに於てグロ
ーからアークへの遷移の形成を妨げる機構が提供されて
いる。米国特許第４，１６９，２５１号に於ては、電場
を印加する電極によって放電電子の僅かな相互作用を確
実にするほど十分に高い励起周波数を用いることが必要
であることが教示されている。米国特許第４，３７３，
２０２号に示されているように、従来の技術の装置に於
ける横方向のＲＦ放電についての全レーザ効率は、もし
ＲＦ駆動周波数が望ましい値の最小値以下であると、低
レーザヘッド効率により損われる。米国特許第４，３７
３，２０２号はこの低効率を解決するために縦ＲＦ放電
励起の手法を用いることが必要であるということを教示
している。チェナウスキー（　Ｃｈｅｎａｕｓｋｙ）と
ニューマン（Ｎｅｗｍａｎ）は、レーザ　　’８２会議
にて示された「ＲＦ励起導波管ＣＯ２　レーザ技術」と
名付けられた手紙の中で、「横方向のＲＦ励起の原理的
な際立った特徴は、印加された放電電圧の遷移のもとと
なるものが典型的には２０メガヘルツから２００メガヘ
ルツの間の周波数を持つ極性が反転するＡＣ電場の形で
与えられる、ということである。」と指摘した。チェナ
ウスキーとニューマンはまた「唯一の適当だと思われる
一般的要件は、如何なる特別な放電のジオメトリ及び動
作条件に於ても、電場の反転する時間は望ましくないプ
ラズマ安定性の成長時間に比べて短くなければならない
というこである。」と報告している。横方向ＣＷ・ＲＦ
励起の利点は、米国特許第４，３６３，１２６号、同第
４，４３８，５１４号、同第４，４４３，８７７号、同
第４，７１９，６４０号に於て十分に論じられている。

【００１０】まとめると、従来の技術に於ける教示に基
くと、二つの延在する金属電極間の実質的な横方向直流
励起は、周波数が低すぎ、放電電極による僅かな相互作
用が起きないこと、或るいはアークの形成を阻止する、
例えば極性が反転する放電電場の過渡特性、等の或る変
動する機構が欠如しているという理由により失敗したも
のであるといえよう。かくして従来の技術は過渡状態に
おける横方向直流励起が少くとも空間的に及び時間的に
重ねられた前期電離手段により行われた場合のみ成功す
るということを教示している。

【００１１】

【発明の開示】本発明は、上述に於て簡単に述べた、ま
たは、その他の、従来の技術に於ける不備及び欠点を、
レーザの光空洞内に共空間的（　ｃｏ−ｖｏｌｕｍｅｔ
ｒｉｃ）に、共時間的（ｃｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ　）に
気体放電を達成する新奇な改良された技術を提供するこ
とによって解決する。本発明は、また、その新奇な技術
により動作し、従来の技術に比して効率が向上し、複雑
さが軽減されていることを特徴としている改良された気
体レーザを含む。本発明によるレーザシステムの特徴と
するところは、更に、真空内気体流を用いることなく、
二つの電極のみを使用し、パルスモードによる動作が比
較的高いパルス繰返し周波数にて達成し得るということ
である。また驚くべきことに、気体流或いはその他の複
雑な変動機構を用いることなくＣＷ励起を達成すること
ができる。

【００１２】本発明によれば、低エネルギ回路、即ち気
体放電に対して比較的少量のエネルギを与える回路が切
換作動のない（ｎｏｎ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ）　高いエネ
ルギ回路を転流動作する。これらの低、及び高エネルギ
回路は異った周波数で動作する。高エネルギ回路は、単
極性の直流源、或いは、整流されていない低域から中域
の周波数の交流源を含んでいる。低エネルギ回路は高い
周波数の交流源を含み、好ましい実施例によれば、それ
はＲＦ電力源或いはエネルギ源である。低エネルギ交流
源により与えられる電圧の強度は電圧の光空洞内の気体
の破壊電圧を超過するように選択されることとなる。高
エネルギ回路の最高電圧レベルはレーザ媒質の破壊電圧
以下になるように選択され、圧力に対する電場の比（Ｅ
／Ｐ）が、０からレーザの励起が最大になるのに、レー
ザ媒質の利得が最大になるのに、或いは、レーザの出力
が最大になるのに必要な値までの間の値なるように独立
に設定される。

【００１３】本発明の特に魅力のある特徴は、必要な電
極が粗野で簡単に冷却できる固体金属の一対の電極のみ
であり、かくしてレーザ真空容器内に置かれる構成部品
の数が最小となるということである。更に、本発明は、
低周波数の電圧、高電力或いは高エネルギ源の電圧を変
化させることにより簡単にレーザの出力を変化させるこ
とができる。更に、本発明の真空容器は金属で構成する
ことができ、これにより容器を簡単に冷却することがで
きる。

【００１４】

【実施例】図２及び図３を参照すると、本発明の好まし
い実施例によるレーザシステムが模式的に示されている
。図２及び図３に於てレーザ真空容器は概ね１０で示さ
れる。真空容器１０の中には、平坦な形状の接地された
電極１２、歪んだ形状を持つ第二の電極１４、セラミッ
クのスペーサ１６及び不導体のスペーサ１８が置かれて
いる。変型した電極１４は、典型的には曲面であり、高
圧パルスレーザのためのチャング（　Ｃｈａｎｇ）或い
はロゴスキー（Ｒｏｇｏｗｓｋｉ）型の形状であるが、
低圧ＣＷレーザに用いるものは殆ど平坦でよい。セラミ
ックのスペーサ１６は上方の電極１４と接地された下方
の電極１２の間の間隔を設定する。上方の電極１４には
望ましい高さの電位が与えられる。スペーサ１８は上方
の電極１４及びスペーサ１６を受入れ、支持している。電極１４への電気的接続が、真空容器１０の外側から典
型的には容器の壁に取付けられ容器に適切に密封されて
いる単一の伝導体のコネクタを介して設けられている。この容器１０内の電気的結合は、スペーサ１８を貫通す
る孔に適合させられるテフロン或いはセラミックの棒２
２の軸線方向に延在する伝導体２０を含んでいてよい。真空容器１０は典型的には金属からなり、図に示されて
いるように接地されている。開示されている実施例に於
て、電極１２と１４は、共働して内部容量Ｃ１と、横方
向の放電が生ずる領域とを郭定している。レーザ回路は
また第二の外部容量Ｃ２を含み、この外部容量Ｃ２は電
極１２に結合されている第一のプレートを有している。従ってキャパシタＣ２の第一のプレートは接地されてい
る。インダクタＬ１は電極１４とキャパシタＣ２の他方
のプレートの間に接続されている。かくして、キャパシ
タＣ２、インダクタＬ１及び内部容量Ｃ１は共働してパ
イ型インピーダンス整合回路を郭定している。キャパシ
タＣ２、インパルスＬ１、キャパシタＣ１は米国特許第
４，７５１，７１７号及び同第４，８０９，２８４号に
論じられているように動作周波数に於てＲＦエネルギに
対し低いインピーダンスを示す巻数比の固定されたＲＦ
変圧器として機能する。ＲＦエネルギ源は図２に於て２
４で示されている。ＲＦエネルギ源２４は、容量Ｃ３を
介して、巻数比の固定されたＲＦ変圧器Ｃ２、Ｌ１、Ｃ
１と接続されている。実際に実施される場合、図３に示
されているように前期電離放電の動作インピーダンスレ
ベルを決定する前から、キャパシタＣ４及びＣ５とイン
ダクタＬ２及びＬ３を含む可変インピーダンス整合回路
がＲＦエネルギ源２４とインピーダンス整合回路の間に
接続されている。従って、ＲＦエネルギ源のインピーダ
ンスを、種々のポンピング条件及び気体混合物に於て、
気体が付勢されつつあるとき、レーザのインピーダンス
と整合することが可能となる。より具体的に言えば、Ｒ
Ｆエネルギ源を２７．１２メガヘルツにて動作した際、
インダクタＬ１及び容量Ｃ１及びＣ２を含むインピーダ
ンス整合回路はレーザの放電インピーダンスレベルを概
ね５０オームに変換した。

【００１５】パルスＤＣエネルギは、直流源２６により
充電された容量Ｃ６を放電することによってレーザへ供
給される。選択的に、ＤＣ或いは整流されていない低周
波数のＡＣ電力がＤＣ源２６及び容量Ｃ６として置かれ
ている適当なエネルギ源からレーザへ与えられる。図２
に於てインダクタンスＬ４及びキャパシタＣ７によって
示されている、ＲＦ源２４の周波数に対して並列共振す
る適当なフィルタが、ＲＦエネルギがＡＣ／ＤＣ源へ伝
送することを阻止する。言換えれば、ＲＦトラップとし
て機能するフィルタは、ＲＦがＡＣ／ＤＣエネルギ或い
は電力源へ侵入しないようにＡＣ／ＤＣエネルギ或いは
電力源を遮断している。ＲＦエネルギ源２４はキャパシ
タＣ３によって低周波エネルギ源から保護され、即ち分
離されている。図３に於て示されているように、ＡＣ／
ＤＣエネルギ源２６からレーザ放電への電流の立上り時
間を初めに遅らせるために可変インダクタＬ５が低周波
数のＡＣ／ＤＣエネルギ源とレーザのインピーダンス整
合回路と直列に接続されてよい。言換えれば、インダク
タＬ５が用いられた場合、インダクタＬ５は、キャパシ
タＣ６（図２）から気体放電への直流電流の流れを初め
に送らせ、レーザ空洞内の気体が放電のための高エネル
ギ源からのエネルギが供給される前に実質的に十分に電
離することを確実にする。

【００１６】上記の構成部品は全て、高エネルギ源及び
低エネルギ源、即ち直流或いは整流されていない交流源
と、高周波数の前期電離エネルギ源２４を除いて、典型
的には密封されたエンクロージャ２８の中に取付けられ
、エンクロージャ２８は図３に於て破線にて示されてい
るように真空容器１０に接しており、典型的にはそれに
取付けられている。図３はＲＦ入力ポートを３０と、Ｄ
Ｃ入力ポートを３２と示している。

【００１７】勿論レーザは、一対の隔置した対向する鏡
によって部分的に郭定された光空洞を含んでいる。気体
放電は、これらの鏡の間と電極１２及び１４の間の領域
に於て生ずる。より具体的に言えば、両方の電極はアル
ミニウムから作られ、電極間の最小の間隔は１ｃｍであ
る。電極１２は平坦であり、電極１５は端点が僅かに丸
くなっており、電極間隔が僅かに増加している。パルス
ＲＦ／ＤＣレーザは３３トルの圧力で２００ヘルツを越
える繰返し周波数にて、如何なることがあっても気体再
循環を行わない完全に密封された状態で動作する。この
場合、縦横１ｃｍ長さ１７ｃｍのレーザ媒質からの全平
均出力は空洞の何れの端点に於ても反射率が９９％の鏡
を用いた完全には繋ぎ合されていない、フレネル数（Ｆ
ｒｅｓｎｅｌ　ｎｕｍｂｅｒ）９．１のガウス自由空間
安定空洞から０．４６ワットであった。これらの実験に
用いられたレーザの気体混合物はＣＯ２　−Ｎ２　−Ｈ
ｅ：４．５％−１３．５％−８２％であった。最大出力
は、直流電圧４００ボルト或いはＥ／Ｐが１２ボルト毎
ｃｍで得られた。

【００１８】もう一つの実施例に於ては、両方の電極は
ステンレススチールで作られ、平坦な電極１２は酸化ア
ルミニウムのスペーサ１６によって一定に１．０７ｃｍ
の間隔でｋ＝０．２を有する公称長さが１３．５ｃｍの
チャング形状の電極（チャングの「ＴＥＡレーザと高電
圧印加のための改良された一様な場を作る電極形状（Ｔ
．Ｙ．Ｃｈａｎｇ，”Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｕｎｉｆｏｒ
ｍ−Ｆｉｅｌｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　Ｐｒｏｆｉｌ
ｅｓ　ｆｏｒ　ＴＥＡＬａｓｅｒ　ａｎｄ　ＨｉｇｈＶ
ｏｌｔａｇｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｒｅｖｉ
ｅｗ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅ
ｎｔｓ，　Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ１９７
３，　ｐａｇｅ　４０５−４０７　））　、から保持さ
れた。１０ヘルツ以上のパルス繰返し周波数で７３ｍＪ
／パルスのレーザ出力エネルギが２５５トルの圧力にて
得られた。この時、２８キロワット、１マイクロ秒幅、
２７．１２メガヘルツのＲＦパルスが３４５０ボルトに
帯電された１０５ナノファラッドのキャパシタから６２
６ｍＪのエネルギを転流した。この場合、特に１４６Ｊ
／ＬＡの全レーザ入力エネルギは、１１．２％の効率で
レーザ出力に変換され、切換作動のない主（高）放電エ
ネルギ源（２６，Ｃ６）から６２６ｍＪのＤＣエネルギ
を滴定するために必要なＲＦエネルギは２８ｍＪであっ
た。これは、ＤＣ／ＲＦ転流比が２２：１となる。さら
にいくらか低い圧力で、７０：１の転流比が得られた。好ましい実施例によれば、真空容器は密封され触媒作用
を受けないＣＯ２　、Ｎ２　及びＨｅの混合物のみ使用
され、従って装置は循環を行わない、横方向に励起され
たレーザとなる。

【００１９】動作に於て、高周波数の交流源２４からの
エネルギはレーザ媒質を前期電離するために電極１２及
び１４の間に与えられる。交流源２４からの電力は弱い
気体放電が生成されるのに必要な値を越える電圧が印加
されるように電極１２及び１４の間に与えらなければな
らない。放電が低エネルギ源２４によって光空洞内に生
成されたとき、容量Ｃ６の放電のための電流路（或いは
適当なエネルギ源からの低周波で整流されていない交流
電流の電流路）が作られ、これにより、エネルギは高エ
ネルギ源から流れ、即ち低エネルギ源２４が高エネルギ
源２６、Ｃ６を転流動作する。

【００２０】本発明の一つの目的は、より小さいＲＦ電
力を用いることと、より高価でないＤＣ或いは整流され
ていないＡＣ電力を用いることによってＣＷレーザから
の出力を増加することである。

【００２１】本発明のもう一つの目的は、この分野に於
て励起するのに最も適した電圧は放電破壊の生ずる電圧
よりも低いということがよく知られているように、全放
電電力のうちの少量を用いて前期電離放電を行い、レー
ザの励起のために最も適した電圧にてエネルギ源２４か
ら残りのレーザ入力電力を導入することである。

【００２２】更に本発明のもう一つの目的は、ＲＦ源２
４に対するインピーダンス整合回路を調節しなければな
らないということなく、慣用されている横方向に励起さ
れたＲＦパルス、或いは、ＣＷレーザの出力を変化でき
る簡単な手段を持つことである。

【００２３】更に本発明のもう一つの目的は、低エネル
ギ源２４のエネルギに対する高エネルギ源２６、Ｃ６か
らの放電に与えられるエネルギの比を最高にすることで
ある。現在までの実験では、少くとも７０：１のエネル
ギの転流比が達成できている。

【００２４】高エネルギ源２６、Ｃ６により与えられる
実質的な励起を得るということは、経済的にも非常に重
要である。１００ワットのＣＷ・ＲＦ励起ＣＯ２　レー
ザについての典型的な放電効率は１０％程度であり、そ
れ故約１０００ワットのＲＦ電力がレーザ媒質に印加さ
れると、１００ワットの出力を生成する。もし横放電レ
ーザが約１ｃｍの電極間隔及び約２５トルの圧力を有し
ており、１０００ワットのうち５００が高エネルギ源２
６により供給されれば、この高エネルギ源の電圧レベル
は単に約５Ｖ／ｃｍＴ若しくは約１２５ボルトにすれば
よいであろう。１２５トルで動作する１／５ｃｍの放電
ギャップを有する導波管レーザは同程度の電圧が必要と
なる。ＲＦ電力の５００ワットは、５００ワット、１２
５ボルト直流源よりもワット当り２ドル多くかかる。ま
た１２５ボルト１００キロヘルツの矩形波源は更に安い
。何故なら、ＡＣは整流される必要はなく、これにより直
流電源のダイオード整流器及び瀘波キャパシタの両方を
取除くことができる。多くの場合、ＲＦ源の効率は、５
０％にすぎず、これより５００ワットのシステムのＲＦ
電力を減ずることは１０００ワットのシステムの元電力
を減ずることを意味する。かくして、本願発明による教
示に基けば、１９９０年の米国ドルに於て１００ワット
のＣＷレーザの製造費用が１０００ドル〜１５００ドル
低減することができる。

【００２５】１００ワットのＣＷレーザについて、もし
レーザの出力電力が１０ワットまで軽減すると、レーザ
入力電力は、レーザは低入力電力に於て通常より効果的
になるので、５０〜１００ワット低減されなければなら
ない。この入力電力の幅を越えると、放電インピーダン
スが変化し、オームの法則を使うと１０〜２０倍になる
。従って、自動的に固定されたＲＦ源のインピーダンス
とレーザの放電インピーダンスを整合する可変整合回路
が設けられなければならない。本発明の教示に基くと、
低周波数の整流されていないＡＣ或いはＤＣ電圧のレベ
ルを代えるだけでよく、このことは、可変インピーダン
ス整合回路を設けることと比較すると取るに足らないこ
とである。

【００２６】高い転流比が特に特に重要であるのは、そ
れがＲＦ前期電離エネルギ源に対する電力に於ける要求
を低減するからである。できる限り高い転流比を達成す
るという点については、もし短いパルスのＣＯ２　レー
ザから１０Ｊ／パルスの出力が望まれ、もしレーザが慣
用されている技術によって組立てられていれば、気体再
循環器、及び多重の電極配列が必要である。本発明の教
示するところによれば、放電効率１０％出力パルス幅１
マイクロ秒及び転流比５０：１について１００ジュール
／パルスの入力は９８Ｊ／パルスはエネルギを蓄積して
いるキャパシタから、２Ｊ／パルスはＲＦ前期電離源か
ら得られる。２０００ＫＷ、１マイクロ秒パルス幅、低
衝撃係数のＲＦ源は、気体再循環器を使わなければなら
ないことよりも好ましい。本発明によるかかるレーザシ
ステムの大きさは、従来の技術（図１参照）に於て通常
採用されている、サイラトロンの如き切換装置を取除く
ことによって最小とすることができる。本発明は、また
、レーザに於てその複雑さを低減することができ、電極
を二つのみしか使用していないにも拘らず、その信頼性
を向上することができる。

【００２７】まとめると、本発明において、励起する二
つのエネルギ源は特に空間的及び時間的に重合されてお
り、一方、これらの周波数は互に異なっている。言換え
れば、励起源は共時間的に及び共空間的にレーザ媒質を
共電離し、それらのキャリア周波数については多重化さ
れない。

【００２８】好ましい実施例について述べたが、種々の
改良及び代替が本発明の精神及び視点から逸脱すること
なく作られるであろう。従って本発明は例について述べ
たがこれに限定されるものではないうことが理解できる
であろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の技術による前期電離レーザの模式図。

【図２】本発明によるレーザ周波数の模式的なブロック
図。

【図３】図２に示されているレーザシステムのより詳細
な。

【符号の説明】

１，２…電極４…前期電離用電極１０…レーザ真空容器１２…平坦な接地された電極１４…変型した電極１６，１８…スペーサ２０…伝導体２２…ロッド２４…高周波のＲＦエネルギ源２６…直流エネルギ源或いは整流されていない低周波の
交源２８…シールドされたエンクロージャ３０…ＲＦ入力ポート３２…ＤＣ入力ポートＳＷ１，ＳＷ２…切換えスイッチ（サイダトロン）Ｖｓ
´…前期電離用電源Ｌ´…前期電離用インダクタＣｓ´…前期電離用容量Ｖｓ…主放電電源或いは電圧Ｌ…主放電用インダクタＣ…主放電用容量Ｃ１…内部容量Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７…固定キャパシタＣ４，Ｃ５…
可変キャパシタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…固定インダクタＬ５…可変イ
ンダクタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体レーザ媒質に於て、該レーザ媒質の前
期電離を惹起こすために該レーザ媒質へエネルギを供給
することなく、高エネルギ放電を生成することにより、
コヒーレント性の光を生成する方法であって、一対の隔
置された電極の間で第一の周波数にて第一の電力源から
電圧を印加する過程であって、前記電極がレーザの真空
容器内に置かれており、前記レーザ媒質が前記電極間に
置かれているレーザ発振する気体混合物を含み、前記第
一の電力源からのエネルギが前記レーザ媒質内にて生ず
る第一の放電内に与えられることにより前記第一の電力
源からの印加された電圧が前記第一の放電を生成する電
圧印加過程と、前記レーザ媒質内の前記第一の放電へ第
二の電力源からエネルギを供給する過程であって、前記
第二の電力源は前記第一の周波数と異なった周波数にて
電圧を供給し、前記第二の電力源は前記電極の間に前記
第一の電力源からの電圧が印加される前から前記電極間
に接続されており、前記第一の電力源が気体放電のため
の比較的少量のエネルギを供給し前記第一の電力源より
も多量の放電のためのエネルギを供給する切換作動され
ない前記第二の電力源を転流動作することにより、前記
レーザ媒質内の前記第一の放電が行われているところへ
前記第二の電力源からのエネルギと共に前記レーザ媒質
内の前記第一の放電へ前記第一の電力源からのエネルギ
を共供給するエネルギ供給過程と、を含むコヒーレント
光を生成する方法。
【請求項２】請求項１による方法であって、前記第一の
電力源がＣＷ源であるコヒーレント光を生成する方法。
【請求項３】請求項１による方法であって、前記第一の
電力源がパルス源であるコヒーレント光を生成する方法
。
【請求項４】請求項１による方法であって、前記第一の
電力源の周波数が前記第二の電力源の周波数より高いコ
ヒーレント光を生成する方法。
【請求項５】請求項１による方法であって、前記第一の
電力源の周波数が前記第二の電力源の周波数より低いコ
ヒーレント光を生成する方法。
【請求項６】請求項１による方法であって、前記第二の
電力源が切換作動のない容量性放電を介してレーザ媒質
内に電力を与えるコヒーレント光を生成する方法。
【請求項７】請求項１による方法であって、前記第二の
電力源によりレーザ媒質内へ供給される電力がインダク
タンスに蓄積されているコヒーレント光を生成する方法
。
【請求項８】請求項１による方法であって、前記第二の
電力源によりレーザ媒質内へ供給される電力が容量とイ
ンダクタンスの中に蓄積されているコヒーレント光を生
成する方法。
【請求項９】請求項１による方法であって、前記第二の
電力源が前記電極の間に整流されていない矩形波を印加
するコヒーレント光を生成する方法。
【請求項１０】請求項１による方法であって、前記第二
の電力源が前記電極の間に整流されていない正弦波を印
加するコヒーレント光を生成する方法。
【請求項１１】請求項１による方法であって、前記第二
の電力源の出力電圧が０ボルト以上に於て、それが０ボ
ルト以下の時の振れ幅より大きい振れ幅を有しているコ
ヒーレント光を生成する方法。
【請求項１２】請求項１による方法であって、前記第二
の電力源の出力電圧が０ボルト以上に於て、それが０ボ
ルト以下の時の振れ幅より小さい振れ幅を有しているコ
ヒーレント光を生成する方法。
【請求項１３】請求項１による方法であって、更に、放
電の生成の初期に於て前記第二の電力源からレーザ媒質
への電力の供給を遅延させる過程を含むコヒーレント光
を生成する方法。
【請求項１４】請求項１による方法であって、更に、前
記第一の電力源からのエネルギが前記第二の電力源へ帰
還することを防止する過程を含むコヒーレント光を生成
する方法。
【請求項１５】請求項１による方法であって、更に、前
記第二の電力源からの電力が前記第一の電力源へ供給さ
れることを防ぐ過程を含むコヒーレント光を生成する方
法。
【請求項１６】請求項１による方法であって、更に、前
記電極の長さが前記電極間の間隔を越えており、前記電
極間に電圧を印加することにより放電が横方向に励起さ
れるコヒーレント光を生成する方法。
【請求項１７】レーザであって、真空エンクロージャと
、互いに隔置された状態で前記真空エンクロージャ内に
支持されている一対の長く伸ばされた電極と、前記真空
エンクロージャ内にあって前記電極の間にある電離可能
の気体と、少くとも直列に接続されたインダクタンスと
容量を含み、前記隔置された電極の間に接続されたイン
ピーダンス整合回路と、前記隔置された電極の間に於て
前記気体を電離するのに十分な強度を有する交流電圧を
供給する第一の電力源と、前記交流電圧が前記電極の間
に印加され、これにより気体が電離され前記電極間に前
記気体を通って放電が生じ、前記放電内に前記第一の電
力源からエネルギが与えられるよう前記第一の電力源と
前記インピーダンス整合回路を結合する結合手段と、前
記電極の間の前記気体の破壊電圧を越えない強度を有す
る電圧を与える第二の電力源と前記第一の電力源により
気体放電が生成された時前記第二の電力源が前記第一の
電力源によって転流動作されエネルギが前記第一及び第
二の電力源の両方から供給されることとなる機構にて、
前記第二の電力源から前記インピーダンス整合回路へ電
流を流す連続的な電流路を生成する手段であって、前記
第一の電力源が気体放電へ比較的少量のエネルギを供給
し、前記第一の電力源よりも多量の放電のためのエネル
ギを与える切換作動のない前記第二の電力源を転流動作
する連続的な電流路を生成する手段と、を含むレーザ。
【請求項１８】請求項１８による方法であって、前記電
極の間の間隔が前記電極の長さを越えているコヒーレン
ト光を生成する方法。
【請求項１９】容量内に蓄積されているエネルギを負荷
インピーダンスへ切換える方法であって、一対の隔置さ
れた電極の間に第一の周波数にて第一の電力源から電圧
を印加する過程であって、前記電極が真空エンクロージ
ャ内に設置され、気体混合物が前記電極間に置かれ、前
記第一の電力源からのエネルギ源が前記気体内へ供給さ
れることにより前記混合物内へ前記第一の電力源からの
電圧が前記気体を電離する電圧印加過程と、前記電離さ
れた気体に第二の電力源からエネルギを与える過程であ
って、前記第二の電力源は前記第一の周波数と異なった
周波数にて電圧を与え、前記第二の電力源は前記第一の
電力源の電圧が前記電極間に印加される前から前記電極
の間で負荷インピーダンスと直列に接続されており、前
記第一の電力源が電離された気体へ比較的少量のエネル
ギを供給することにより、電離された気体へ、前記第一
の電力源よりも大きい量のエネルギを供給する切換作動
のない前記第二のエネルギ源を転流動作する機構にて、
前記電力源による電圧が印加されることにより生ずる前
記気体の電離が、前記第二の電力源からのエネルギを前
記電離された気体及び直列の負荷インピーダンスへ不均
等に供給し、前記第一及び第二の電力源からのエネルギ
が共に電離された気体へ共供給されるエネルギ供給過程
と、を含むエネルギを負荷インピーダンスへ切換える方
法。
【請求項２０】光を生成する方法であって、一対の隔置
された電極の間に或る周波数にて第一の電力源を接続す
る過程であって、気体が前記電極間に置かれ、前記第一
の周波数と異なる第二の電力源が前記電極間に前もって
接続されており、前記第二の電力源からのエネルギが前
記気体内へ前記第一の電力源からのエネルギと共に供給
され、前記第一の電力源が放電へ比較的少量のエネルギ
を供給し前記第一の電力源よりも大きい量の放電のため
のエネルギを与える切換作動のない前記第二電力源を転
流動作する機構にて、前記第一の電力源が単独で付勢さ
れていない気体を通して放電を起す前記第一の電力源を
接続する過程を含む光を生成する方法。
【請求項２１】一対の互いに隔置され実質的に平行な電
極の間の高圧気体媒質内に均一な高エネルギ放電を生成
する方法であって、前記隔置された電極の間の領域を気
体媒質で満す過程と、前記隔置された一対の電極に前記
気体媒質の破壊電圧より低い直流電位差をかける過程と
、前記一対の隔置された電極間の前記直流電位差からの
エネルギの流れが生じ、前記電極間の領域に共空間的及
び共時間的放電を開始する機構にて、前記媒質に前期電
離のためのエネルギを供給することなく前記一対の隔置
された電極間の領域に前記直流電位差からの高エネルギ
放電を転流するエネルギを供給する低エネルギ放電を生
成する過程と、を含む均一な高エネルギ放電を生成する
方法。
【請求項２２】請求項２１による方法であって、低エネ
ルギ放電を生成する過程が一対の隔置された電極の間に
交流源を結合することを含み、前記交流源により与えら
れた電圧の強度が前記が気体媒質の電離を惹起こすのに
十分である均一な高エネルギ放電を生成する方法。