JPH0464475B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電子ビーム励起レーザ発振装置、特に
プラズマを陰極として用い、このプラズマ中の電
子を加速して形成される電子ビームをレーザ管の
軸に対して直角に入射してレーザ媒質を励起する
電子ビーム励起レーザ発振装置に関する。

（従来の技術） 高出力レーザを高効率で発生させるレーザ発振
装置として、レーザ管内に充填されたレーザ媒質
を外部から入射された電子ビームにより励起する
電子ビーム励起レーザ発振装置が知られている。
この電子ビーム励起レーザ発振装置はレーザ管外
部で形成された電子ビームを入射してレーザ媒質
を励起するので、高出力なレーザ発振を行うこと
ができる。より大きな出力で発振を行うためには
レーザ媒質を励起するのに最適なエネルギーを有
しかつ、電流がより大きな電子ビームをレーザ媒
質に入射するのが好ましい。このためには、レー
ザ媒質を励起する電子ビームを発生する電子ビー
ム発生手段としては、陰極としてプラズマを使用
した次のものを使用するのが、エネルギーと電流
とを独立に制御できて、所望のエネルギーを有す
る大電流の電子ビームを得ることができ好まし
い。即ち、陰極としてプラズマを使用し、このプ
ラズマから正電極によつて電子を引き出すととも
に、この引き出された電子によつて形成されたイ
オンを負電極によつてプラズマ側に引き寄せ、プ
ラズマの電子ビーム放出口において形成される空
間電荷による制限を受けることなく電子ビームを
放出するようにしたものを使用するのが好まし
い。この電子ビーム発生手段を利用した電子ビー
ム励起レーザ発振装置として、従来のレーザ管に
相当する全体が金属メツシユからなる内方加速電
極の外部に同軸状に同様に全体が金属メツシユか
らなる外方加速電極を配して、これら内方および
外方加速電極の間に電圧を印加することにより、
レーザ管の軸に対して横方向から電子ビームを入
射してレーザ媒質を励起するようにした電子ビー
ム励起レーザ発振装置を本出願人は提案した。こ
の電子ビーム励起レーザ発振装置においては、２
つのメツシユ電極によつて外方から、プラズマ領
域、加速領域、イオン発生領域が形成されてお
り、電子が空間電荷制限を受けることなく、レー
ザ媒質に注入される。また、この電子ビーム励起
レーザ発振装置は横方向から電子ビームを注入す
るようにしたので、レーザ発振装置の軸方向と一
致して電子ビームを注入するようにした場合と比
較して、レーザ媒質のガス圧が高い場合でも、励
起効率の良い低エネルギーの電子ビームでレーザ
媒質を励起できる。さらには、レーザ管の断面積
を大きくすることが可能となり、レーザ出力の増
大を達成しうるという利点を有している。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した、レーザ管の軸に対して直角に電子ビ
ームを注入する電子ビーム励起レーザ発振装置
は、潜在的には、極めて優れた利点を有してい
る。しかしながら、この電子ビーム励起レーザ発
振装置を定常運転させようとしたところ内方また
は外方のメツシユ電極の一部に電流が集中してし
まい、電極間の放電が生じついには電極が溶断し
たり、内方と外方のメツシユ電極とが溶融変形に
より短絡してしまい、装置を長時間にわたつて連
続的運転することができないという問題が生じて
いる。

このメツシユ電極の溶融の原因は次の様に考え
られる。この原因の一つとして、まず外方の電極
表面上の陽極点の発生が挙げられる。外方加速電
極を放電電極対の一方の電極（アノード電極）と
して用いると、プラズマ生成用の放電電流密度が
高くなるにつれ、外方加速電極表面上におけるプ
ラズマ密度分布が一様でなくなり、小数の陽極点
が生じる。陽極点が発生すると、この陽極点に電
流が集中して、電極が部分的に加熱されて溶融に
至る。

このようにして外方電極表面上の一部でもプラ
ズマ密度が高くなり過ぎると、外方電極としての
役割を果たし得なくなり、プラズマが内方電極に
到り、陰極と内方電極の間の直接放電に移行し
て、レーザ発振が安定して行われなくなつたり、
電子ビーム電流及び電子ビームエネルギーの上限
値を下げることにつながり、大きな問題である。

これとは異なる原因としては、加速電極の形状
が挙げられる。外方および内方加速電極は、多量
の電子をレーザ管に注入するためおよびレーザ媒
質を均一に励起することを目的とする自然な発想
に基づいて、金属メツシユによつて形成されてい
るが、レーザ発振装置の軸に直角な方向において
２つの電極の開口部分（網目）の位置が一致せ
ず、電子ビームの照射によつて内方の電極内に生
じたイオンが外方の電極に衝突する。電極は細い
金属線を編むことによつて形成された金属メツシ
ユであるので、熱伝動率がよくなく、イオンの衝
突によつて容易に加熱される。金属が高温に加温
されると、熱電子を放出するようになり、外方の
電極と内方の電極との間で放電が生じることにな
る。また、電極が金属メツシユから形成されてお
り、両電極間の距離が不均一であるので、この放
電は一様に起こりにくく、内外方の電極は局所的
に加熱される。メツシユの温度が高い部分ほど熱
電子は多く放出され、電極の部分的加熱は加速的
に行われ、メツシユの溶断又は電極の短絡が生ず
る。

（問題点を解決するための手段） 上記目的は、 内部にレーザ媒質が充填されるレーザ管、 このレーザ管の周面に設けられ、開口を有する
内方加速電極、 前記レーザ管の軸と直交する方向で前記内方加
速電極の開口と位置が一致する開口を有し、前記
レーザ管の外部に配される外方加速電極、 この外方加速電極の開口の外方に設けられたプ
ラズマ電位分布整形用電極、 前記外方加速電極の周囲にプラズマを保持する
プラズマ容器、および 前記外方加速電極と前記内方加速電極との間に
加速電圧を印加し、前記プラズマ中の電子を加速
し、前記レーザ管に直角に入射して前記レーザ媒
質を励起する電子ビームを形成する電源を備えて
なる本発明の電子ビーム励起レーザ発振装置によ
つて達成される。

本発明においては種々の変形態様が可能であ
る。外方加速電極の開口の外方に設けられたプラ
ズマ電位分布整形用電極としては、メツシユ状あ
るいはスリツト状の開口部を有する金属筒を使用
することができるが、外方加速電極の開口付近の
みに設置された電極を使用することができる。こ
のプラズマ電位分布整形用電極と外方加速電極と
の間の距離は１mmから２mm程度が好ましい。レー
ザ管として開口を有する金属管を用いると、内方
加速電極とレーザ管とを一体化することができ
る。内方加速電極はレーザ管の外周面に曲率を有
する板状の電極を張り付けることによつても形成
することができる。また、外方加速電極としても
レーザ管を包含する一個の金属筒を用いる外に、
レーザ管の周面に絶縁部分が存在する場合は、こ
の部分において分離され直列に配された複数の金
属筒からなるものを使用することもできる。さら
に、この外方加速電極はプラズマを発生するため
の放電電極対の一方の電極（アノード電極）とし
て用いることができる。外方加速電極が加熱され
ると、内方加速電極との間で放電が生じるので、
外方加速電極の表面積を可能な限り拡大して、冷
却手段により効率よく冷却が行われるようにする
のが好ましい。なお、電極の材質としては、熱伝
導性の良好な銅、ステンレスステイール等の金属
を用いるのが部分的な加熱を避けるため、さらに
は冷却の点から望ましいが、金属化合物等他の導
電材を使用することもできる。内方加速電極は外
方加速電極と比較して加熱の影響は小さいが、内
方加速電極の材料が蒸気となつてレーザ媒質に混
入することを極力避けるためにはレーザ管を冷却
する必要がある。このためにはレーザ管と外方加
速電極とを電気絶縁的であつてかつ熱伝導的に連
結して、外方加速電極を冷却することによつてレ
ーザ管即ち内方加速電極も冷却されるようにする
とよい。また、内方加速電極と外方加速電極との
間の距離は、これら電極間で放電が生じないよう
に、電極間におけるガス圧と電極間距離との積が
充分小さな値になる様に定められるが、例えば１
mmから0.5mm程度である。さらに内方加速電極と
外方加速電極に設けられる開口は、長方形、楕円
形、円形等の種々の形態を取り得るが、レーザ媒
質が一様に電子ビームの照射を受けるように、開
口は数多く設けることが望ましい。この開口の幅
が広いと電極間距離が近くとも低電圧で阻止放電
に移行する。逆に狭いと放電開始電圧は上昇し、
高エネルギーまで電子を加速できる様になるが、
電子ビームの加速効率の低下および電流密度の上
昇による加速電極の部分的な加熱にもつながるの
で適当な幅を選ぶことが必要である。例えば１mm
から0.3mm程度が好ましい。本発明においては、
外方加速電極と内方加速電極の少なくとも一方の
開口に金属メツシユを張り付けることにより、開
口の幅を実質的に1/2あるいは1/3と調整すること
ができるが、これはプラズマ電位分布整形用電極
によつて陽極点の発生が防止されるために可能と
なつたものと考えられる。即ち、特許請求の範囲
に記載される本発明には内方加速電極と外方加速
電極の開口に金属メツシユが張付けされた態様も
包含されるものとし、この場合においても、同様
あるいはそれ以上の効果を得ることが可能であ
る。

なお、円筒状ホロー陰極の内部に、これと同軸
状に円筒状陽極を配したホロー陰極放電型レーザ
発振装置が従来から知られているが、この装置に
おいてはホロー陰極と陽極との間で放電を起こす
ことによりレーザ発振を起こすものであり、本発
明とは異なるものである。また、このホロー陰極
放電型レーザ発振装置においては、陽極と陰極の
距離および陽極間隔を適当に選ぶことによつて放
電電圧を制御することが可能であるが、放電電
流、放電電圧及びガス圧等の重要なパラメータは
互いに独立ではなく、レーザ媒質の励起に適合す
るエネルギーの大電流電子ビームを得ることはで
きない。

（作用） 外方加速電極の周囲にさらに配置されたプラズ
マ電位分布整形用電極は外方加速電極表面付近の
プラズマ電位を強制的に一様化し、陽極点の様な
プラズマ電位の乱れの発生を防止する。

本発明においては、内方加速電極および外方加
速電極として金属メツシユの代わりに開口を有す
る筒状あるいは板状電極を用いたので、内方、外
方の両電極の開口の位置合わせを容易に行うこと
ができる。従つて、電子ビーム注入によつて生成
されたイオンが外方加速電極にあまり衝突するこ
となくレーザ管から放出されるので、外方加速電
極が高温に加熱されなくなる。また、加熱電極が
筒状あるいは板状の金属から形成されているの
で、熱伝導効率が高く、加速電極が局所的に加熱
されることがなくなるとともに、外方加速電極の
開口が設けられていない側壁に冷却パイプを密接
することができるので、外部加速電極を効率よく
冷却することができる。また、内部加速電極と外
部加速電極とが剛性の高い筒状体から形成されて
いると、内部加速電極と外部加速電極との間隔を
均一かつ正確にすることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明
する。第１図は本発明の電子ビーム励起レーザ発
振装置の側断面図であり、第２図は第１図の−
断面図である。

レーザ管１を兼ねる円筒状内方加速電極２は複
数のスリツト状開口３を有しており、この内方加
速電極２の外方には所定の間隔をあけて円筒状外
方加速電極４が同軸状に配されている。この外方
加速電極４には開口５が内方加速電極２の開口３
と位置を一致して設けられている。外方加速電極
４の端部と内方加速電極２の外周との間には絶縁
体のスペーサ６が介在されており、これによつて
外方加速電極４が内方加速電極２に固定されてい
る。外方加速電極４の外側には所定の間隔をあけ
てプラズマ電位分布整形用電極１５、さらにその
外側にはプラズマ容器７の一部を形成する円筒状
カソード電極８が設けられている。プラズマ電位
分布整形用電極１５および円筒状カソード電極８
はそれぞれスペーサ６′，９によつてそれぞれ外
方加速電極４から絶縁されて固定されている。レ
ーザ管１の端部には通常のガスレーザーと同様に
ブリユースターの窓１０，１０′が設けられてお
り、さらにレーザ管１の軸線上には完全反射型と
一部透過型の一対の外部鏡１１，１１′が設けら
れており、レーザ発振が行われて外部鏡１１から
レーザ光が放出されるようになつている。内方加
速電極２と外方加速電極４との間には電圧可変の
加速電源１２によつて電圧が印加される。外方加
速電極４とカソード電極８との間には放電電源１
３によつて電圧が印加され、プラズマ容器７中に
プラズマが生成される。このプラズマの内電子が
内方加速電極２によつて吸引されて開口５および
開口３を通過して内方加速電極２の内部に注入さ
れる。レーザ媒質が電子の照射を受けるとレーザ
媒質はイオンと電子とに分解されるが、この内イ
オンは外方加速電極４に吸引されるが、このイオ
ンによつて外方加速電極４の開口に形成される空
間電荷が除去される。従つて、電源１２によつて
与えられる加速電圧が低くても、電源１３の電流
を多くしてプラズマ容器７中の電子密度を高くす
ることにより大電流の電子ビームを内方加速電極
２（レーザ管１）の内部に注入することができ
る。プラズマ電位分布整形用電極１５は浮動電位
を有するが、この電極の位置する部分においてプ
ラズマ電位は一定となり陽極点は発生しない。ま
た、内方加速電極２の開口３と外方加速電極４の
開口５が一致していると、イオンが外方加速電極
４に衝突しないので、外方加速電極４は加熱され
難い。さらに、内方加速電極２と外方加速電極４
との間隔を全ての部分において等しくかつ小さく
することができるので、局所的な放電が発生する
ことはない。また、図示されるように外方加速電
極４の外周面に冷却パイプ１４が設けられている
と、外方加速電極４の昇温を完全に阻止すること
ができる。

なお、プラズマ電位分布整形用電極１５として
は外方加速電極４の全周を包囲するのでなく第３
図に示されるように外方加速電極４の開口５の外
方部分にのみ設け、その他の部分を絶縁物で覆う
ようにしてもよい。

プラズマ電位分布整形用電極１５は浮動電位を
有していてもよいし、外部から与えられた適当な
電位を有していてもよい。

第１図および第２図に示された構成において、
媒質としてHeを用い、加速電圧を200Vとし、ガ
ス圧を2.0Torrとし、電極の開口の大きさを３cm
×0.5cmとし、さらに外方加速電極の開口にこの
開口を0.25cm×0.5cmに分割するMo金属メツシユ
が設けられた場合における放電電流Idと加速電流
Ibとの関係を第４図に示す。第４図に示されるよ
うに放電電流Idが増加すると、即ちプラズマ密度
が上昇するとこれにともなつて加速電極間に流れ
る電流Ib、即ちレーザ管内に流入する電子ビーム
の電流が線形的に増大することが示されている。
即ち、加速電圧が一定であつても、空間電荷の制
限を受けていないので大電流の電子ビームによつ
てレーザ媒質を励起することができた。また、加
速電極が加熱によつて変形することもなかつた。

第５図は本発明の別の実施例を示す側断面図で
ある。本実施例においては、プラズマを形成する
カソード電極８はプラズマ容器７と別体にされて
おり、プラズマ容器７の外部に取りつけられてい
る。このカソード電極８を図示するようにタンタ
ル（Ta），LaB₆等からなるパイプ状あるいはデ
イスク状の形態にすると、放電がカソード電極８
の先端に集中するので低い電圧で放電を起こすこ
とができる。

カソード電極８としてはまた第６図に示される
ように加速電極２，４と軸を異にしてかつ平行に
配された側壁にスリツトが入れられた小径のパイ
プを用いることもできる。

第７図は本発明の更に別の実施例を示す側断面
図である。

本実施例においては、内方加速電極２はレーザ
管１と別体に形成されており、管状内方加速電極
２がレーザ管１に嵌合されている。この内方加速
電極２及び外方加速電極４は管状である必要はな
く、複数枚にわかれ、レーザ管１の周面に貼付さ
れたものであつてもよい。この時、レーザ管全長
にわたつて電子ビームの一様な照射を保証するた
め、外方加速電極片ごとに抵抗を結合して運転の
バランスをとることも重要である。また、本実施
例においては、プラズマを形成するカソード電極
８がプラズマ容器７と分離している。

第８図は本発明の更に別の実施例を示す側断面
図である。

本実施例においては、内方加速電極２、外方加
速電極４およびプラズマ容器７が全て短形状の断
面を有しており、また、プラズマ領域が２つに分
割されている。

第９図は第８図の更に変形例であり、組立てが
極めて容易な構成を有している。

（発明の効果） 本発明の電子ビーム励起レーザ発振装置におい
ては、外方加速電極の開口の外方にプラズマ電位
整形電極が設けられているので、陽極点の様なプ
ラズマ電位の乱れが発生することが防止され電流
密度が局所的に上昇することがない。また、内方
および外方加速電極に設けられた開口をレーザ管
の軸と直交する方向で容易に一致させることがで
きるので、外方加速電極にイオンが衝突して加熱
することが少ない。従つて、加速電極が局所的に
加熱されることがないので、電極が溶断したり、
内方と外方加速電極とが溶融変形により短絡する
ことがない。また、プラズマ電位分布整形用電極
の配置により、放電電流の高い領域まで外方加速
電極表面上のプラズマ密度分布が一様に保たれる
ので電子ビーム電流およびビームエネルギーの上
限値が大きく改善できる。

以上、詳述したように本発明によると大出力の
レーザを高利率で長時間にわたつて連続的に発振
出力することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子ビーム励起レーザ発振装
置の一実施例の側断面図、第２図は第１図の−
断面図、第３図は別の実施例における第１図の
−断面図、第４図は第１図および第３図に示
された実施例における放電電流と加速電流との関
係を示すグラフ、第５図は本発明の別の実施例の
側断面図、第６図は本発明の更に別の実施例の横
断面図、第７図は本発明の更に別の実施例の側断
面図、第８図及び第９図は断面形状が短形状であ
る場合の実施例の斜視図である。 １……レーザ管、２……内方加速電極、３……
開口、４……外方加速電極、５……開口、６，
６′……スペーサ、７……プラズマ容器、８……
カソード電極、９……スペーサ、１０，１０′…
…ブリユースターの窓、１１，１１′……外部鏡、
１２……加速電源、１３……放電電源、１４……
冷却パイプ、１５……プラズマ電位分布整形用電
極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内部にレーザ媒質が充填されるレーザ管、 このレーザ管の周面に設けられ、開口を有する
   内方加速電極、 前記レーザ管の軸と直交する方向で前記内方加
   速電極の開口と位置が一致する開口を有し、前記
   レーザ管の外部に配される外方加速電極、 この外方加速電極の開口の外方に設けられたプ
   ラズマ電位分布整形用電極、 前記外方加速電極の周囲にプラズマを保持する
   プラズマ容器、および 前記外方加速電極と前記内方加速電極との間に
   加速電圧を印加し、前記プラズマ中の電子を加速
   し、前記レーザ管の軸に直角に入射して前記レー
   ザ媒質を励起する電子ビームを形成する電源を備
   えてなる電子ビーム励起レーザ発振装置。 ２ 前記レーザ管が金属製であり、このレーザ管
   が前記内方加速電極を兼ねることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の電子ビーム励起レーザ
   発振装置。 ３ 前記電源が電圧可変電源であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の電子ビーム励起
   レーザ発振装置。 ４ 前記外方加速電極がプラズマを形成する放電
   電極の一方の電極を兼ねることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の電子ビーム励起レーザ発
   振装置。