JPH05503396A - 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】 レーザ装置 技術分野 本発明はレーザ装置に関し、更に詳しくは、金属蒸気がレーザ増幅媒体を形成す る装置に関する。

背、景技術 これと同等の蒸気圧を発生するのに必要な温度よりも低い温度で形成される。こ の種のレーザ装置は、金属ハロゲン化物低温（ＭＨＬＴ）レーザ装置と呼ぶこと ができる。放電パルスが金属ハロゲン化物の蒸気を通過すると、このハロゲン化 物は金属原子または分子及びハロゲン原子または分子に解離する。もし金属およ びハロゲン原子または分子が再結合することのできる前に次の放電パルスが通過 すれば、金属原子はＰＭＨＴレーザ装置で生じるのと同じエネルギー・レベルに 励起されることができる。例えば、銅蒸気レーザ装置では、銅臭化物を使用する ことができる。銅臭化物の場合、必要な分圧を作り出すには６００ないし７００ 度Ｃの範囲の温度で十分である。固体金属から金属蒸気を作り出すレーザ装置と 比較した場合、この温度は比較的低温ではあるが、レーザ管の周囲に大きい質Ｉ ど体積を有する断熱材を設け、システムを室温から動作温度迄加熱できるように し、また動作温度で、増幅媒体に加えた勧がレーザ・プロセスで使用可能になる ことを保証するのが、尚一般的な慣行である。

発明の開示 本発明は、高出力を実現することができる改良された金属蒸気レーザ装置を提供 することを目的とする。

本発明によれば、装置の動作中レーザ動作が発生するレーザ管とこの管に液体金 属冷却剤を供給する手段によって構成される金属蒸気装置が提供される。

発明者等は、これ迄必要であると考えられていた大量の断熱材を使用しなくても 、尚高温で効率の良いレーザ動作を達成することが可能であることに気付いた。

レーザ管を冷却することによって、より大きい入力を使用することができ、その 結果、レーザ出力がより高くなる。いずれのガス放電レーザを動作せる場合でも 、放電によってこのガスに与えられた電力がこのガスから取り除かれた勧と均衡 する定常状態が最終的に達成される。従来のレーザ装置では、設計者に多くの制 約が課せられている。放電軸上の温度は、レーザ動作に必要とされる最適値に近 い値に保持しなければならない。真空密閉装置の外部表面の温度の値は、使用す る材料の特性、熱的衝撃に対する耐性、および環境要件によって設定される最大 この真空密閉装置の外部表面から入力電力を伝達するのに必要な表面積もまた両 管が従来使用されている。これらの同心管の寸法と表面温度は、放電用に入力さ れる勧と選択した材料の熱伝導率によって、一番内側の温度と外部表面の温度の 中間温度に設定される。与えられた入力電力に見合うように寸法と材料が選ばれ ると、レーザ装置の入力電力を変更しようとする全ての試みはレーザ動作が最適 に行われないという結果をもたらすが、その理由は、これによって釉上の最適動 作温度が例外なく変化するからである。従って、温度勾配が大きく形状を固定し た従来の設計は、最適動作条件を狭い範囲に制約し柔軟性がない。

既知の金属蒸気レーザ装置と対比して、本発明を採用することによって、より広 い範囲の入力電力を利用することができ、しかも最適な動作温度を保持すること が可能になる。

液体金属冷却剤によって、大気圧で外気温からこの冷却剤の沸点化の範囲のいづ れの温度でも、約１度Ｃ内の均一な温度に保持することができる状況が効率的に 提供される。

熱交換媒体として、例えば、液体すずのような溶融金属を使用することによって 、１００ＫＷまたはそれ以上の入力電力で最高２０００度にの高い動作温度を保 持する場合に発生する多くの問題は、真空エンペロブの内部の問題からその外部 の問題に移行し、これらの問題の幾つか存在しなくなり、他は取扱いがはるかに 容易になる。レーザ装置用の冷却剤としての液体金属によって、レーザ装置の最 適動作条件と妥協することなく、入手可能な最大の入力電力密度を達成すること が可能になる。

冷却剤はすすが好ましい。すずは２３２度Ｃで溶融し、２２６０度Ｃで沸騰し、 レーザ閉じ込め容器として通常使用する金属または合金に対して比較的不活性で ある。しかし、他の冷却剤も適している。例えば、鉛またははんだのような低温 合金を使用することもできる。他の適当な材料はウッド金属であり、これは水の 沸点より下の温度で液体である。レーザ管に使用する材料は、熱伝導率、熱衝撃 に対する耐性、電気伝導率、潜在的に反応性を有する原子、分子、イオンおよび 遊離基が存在する中での不活性性、循環することができる温度範囲を考慮して、 選択する。レーザ管は、ＰＭＨＴレーザ装置の場合はべりリア、ＭＨＬＴレーザ 放され、またはこの薄層から吸収される。状態の変化を示す冷却剤を使用するこ とによって、熱を自己管理する方法が提供される。固体と液体の冷却剤の間のイ ンタフェースは、放電に与えられた勧に従ってその位置を変化させる。より高い 入力電力を使用するに従って、この境界は外（１１１ｉｄ多動してレーザ管内の 放電から遠ざかり、反対にもしより低い入力電力を使用すれば、この境界が管の 軸に向かって移動するに従って、境界層の体積は減少する。従って、熱の管理は 、温度勾配と固定された熱伝導率に大きく依存し、従ってこのような調整能力を 持たない従来の方法ではなく、溶解潜熱を利用することによって主に実現される 。

内蔵されたジャケットによって冷却剤を外部から加熱する手段を有するのが好ま しい。従来の加熱用の部品を使用して、放電加熱（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｈｅａ ｔｉｎｇ）を行うことなく、または放電加熱と組み合わせてレーザ動作温度を保 持することができる。外部から加熱することによって、必要とされる温度を比較 的早く得ることができ、これはまた放電加熱だけに使用する従来の方法よりも便 利である。

特に有利な実施例では、レーザ管の周囲に同軸に構成したジャケット内に冷却剤 を入札このジャケットの外部表面上に別の冷却剤を流す手段を有することが好ま しい。この別の冷却剤は水が便利である。

本発明の好適な実施例では、金属冷却剤は電流の帰還路として機能する。このよ うな構成は、特にインピーダンスが低く、ｒｌ／ｒ２の比によって５００ｎＨ／ ｍ未満であり、ここでｒ２は外部導体すなわち冷却剤の内径、ｒｌは放電の半径 である。放電と電流の帰還路の間は、数ミリメートルの厚さの壁が１枚しかない ので、放電回路のインダクタンスはｌ００ｎＨ／ｍ程度の低さであり、真空密閉 装置の壁の厚さによって、理論的限界である７８ｎＨ／ｍに近づけることができ る。従って、立ち上がり時間の短い電流パルスが得らＬ効率の向上に寄与する。

ＰＭＨＴ方式またはＭＨＬＴ方式いづれかで金属蒸気レーザ装置が動作する場合 、金属蒸気は、管内に位置する固体金属または金属ハロゲン化物から作ることが できる。例えば、銅臭化物は、管内の金属表面上にハロゲンΦガスを流すことに よってこの管内で形成することができる。レーザ増幅媒体の加熱は、管内に位置 する電極間で発生した放電を使用して行うことができる。外部表面上に冷却剤と しての液体金属を流すことによって、反復速度を速くすることができる。

図面の簡単な説明 添付図を参照し、例によって本発明を実行する一方法を説明する。

第１図は、本発明によるレーザ装置の概略縦断面図である。

第２図は、第１図に示すレーザ装置の概略横断面図である。

第３図は、説明図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図および第２図を参照して、銅蒸気レーザ装置はレーザ管ｌを有し、装置の 動作中この管内でレーザの増幅が行われる。このレーザ管１は水晶製であり、内 半径は１ｃｍ、壁の厚さは約２ｍｍである。この管は、半径の大きくなった端部 ２と３を有し、この部分に銅の電極４と５が位置している。水晶管１は、円筒形 のステンレス鋼のジャケット６によって軸方向に取り囲まね、このジャケット６ は入口ポート８と出口ポート９を各端部に有する。ジャケット６によって形成さ れる容積部分７とレーザ管１には、レーザ装置の動作中、金属冷却剤が充填され る。ヒータ部品１０がジャケット６の外周面に螺旋状に巻か托これは導管ｌｌで あり、冷却を必要とする場合、この導管１１を介して水が流れるように構成され る。岩綿で作られたガスケット１２゛と１３によって、シャケ・ソトから金属が 漏洩するのを防止する。

レーザ装置の動作に先立ち、特定の状態のすずがボート８と９を介して容積部分 ７内に導入される。レーザ出力が必要な場合、不活性ガスと混合させた臭化物ま たは水素臭化物をレーザ装置を介して流すことによって、管１内で銅臭化物が作 り出され、これは矢印によって示すように、銅電極４と５の内生なくとも１つの 加熱された表面上を通過する。ヒータ電流は部品１０を介してｍ容積部分７内の すずを溶融させてレーザ管Ｉの内部に熱を供給する。電極４と５の間で放電が発 生し、これによって熱を生じて銅臭化物を解離させ、その結果生した銅の蒸気が 励起される。

放８くレーザ管ｌを取り囲む溶融したすずよりも高い場合、この溶融したすすは 管ｌを冷却し、レーザ装置の動作中に放電に生じた全てのものを除去する。

動作温度に達すると、部品１０に流れるヒータ電流は停止され、水が導管ＩＩを 介して流される。このようにして行われるジャケット６の外部表面に対する冷却 効果によって、ジャケット６の内壁と接触するすずが凝固される。従って、容積 ７内のすすは２つの状態で存在する、即ち管ｌの外壁と隣接する部分では液体の 状態で存在し、ジャケット６の内壁と隣接する部分では固体の状態で存在する。

これらの２つの状態の間の円筒形のインタフェースは、破線ａによって第２図に 示す。もしレーザ装置からより高い電力出力を得ようとするなら、放電によって 供給される電力は増加する。この結果、容積７内の溶融すずの量が増加し、凝固 が発生する半径は第２図のｂで示すように増加する。

レーザ管Ｉを取り囲むすずの槽は、レーザ装置を始動する場合、ヒータとして作 用することができ、一方レーザが動作している間は冷却器として作用することが できる。更に、この槽はまた電気的に接続されて電流の帰還路を形成し、これは レーザ放電と同軸である。この構成のインダクタンスは、ｒ２／ｒｌの比によっ て決まり、第２図に示すように、ｒ２は外部導体の内半径、ｒｌは放電の半径で ある。

第３図は、水晶の場合のｒ２／ｒｌの関数としてのインピーダンスＺの関係を示 す図であり、これは約５の比誘電率ｋを有する。本発明のレーザ装置のｒ２／ｒ ｌの比の代表的な値は１．　ｌであり、これによりインピーダンスは５オームに なり、これによって、レーザ装置を駆動するパルス変調器の特徴的な低インピー ダンスとの良好なマツチングを達成することが可能になる。

溶解の潜熱を利用するために、液体と固体の両方の状態が存在する金属冷却剤を 使用することによって利点が生じるが、この構成は、金属冷却剤が溶融状態での み存在する場合でも、有１りに動作される。レーザ管１から急速に熱を伝導させ ることによって、使用する入力電力を高くすることができる。

容積部分７内の溶融金属は、自由対流によって動作させてもよいし、または複数 のポンプを使用してこの溶融金属を容積部分７を介してレーザ管１の外部表面を 適当な温度に保持するような速度で流してもよい。ジャケット６の外部表面に冷 却水を供給することによって、毎秒最高０．８リツトルの流速によって水温が３ ０度Ｃ上昇する間に最高１００ＫＷの入力電力を散逸させることができる。ジャ ケット６の内部表面と接触するすずは凝固し、その溶融潜熱を冷却水に対して発 生する。

第１図と第２図を参照して説明したレーザ装置は、金属ハロゲン化物の動作に基 づいている。しかし、本発明によるレーザ装置は、純粋な金属、例えば放電管内 で約１５５０度Ｃ以内の放電内の温度を必要とする銅を使用することもできる。

この場合、レーザ管としてサファイアまたはべりリアが適した材料である。

ｒ２／ｒ１ 要約書 金属蒸気レーザ装置は、小径のレーザ管（１）を有し、これは金属エンベロブ（ ６）によって取り囲まれる。レーザ装置の動作中、液体金属冷却剤、好ましくは すずが管（１）の外部表面に供給さねへ高出力電圧実現する。

Ｈ０１８３１０３ リス　スコツトランド　ケイワイ１３７ワイエ゛ソクス　テイサ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．金属蒸気レーザ装置において，上記の装置は；上記の装置の動作中レーザ動 作が発生するレーザ管；及び上記の管に液体金属冷却剤を供給する手段；によっ て構成されることを特徴とするレーザ装置。
2. ２．レーザ装置の動作中、上記の金属冷却剤が液体と固体の両方の状態で存在す ることを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
3. ３．上記の冷却剤がすずであることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項 記載の装置。
4. ４．上記の冷却剤が上記の管の外部表面上を流れるように構成したことを特徴と する請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の装置。
5. ５．上記の冷却剤が電流の帰還路として作用することを特徴とする上記のいずれ かの請求の範囲に記載の装置。
6. ６．実質的に円筒形のジャケットが上記のレーザ管の周囲にこれと同軸に構成さ れ、上記の冷却剤が上記のジャケットと上記のレーザ管の間に位置することを特 徴とする上記のいずれかの請求の範囲に記載の装置。
7. ７．上記のジャケットの外部表面上に別の冷却剤を流す手段を有することを特徴 とする請求の範囲第６項記載の装置。
8. ８．上記の冷却剤を含む上記のジャケットを外部から加熱する手段を有すること をことを特徴とする請求の範囲第６項と第７項記載の装置。
9. ９．レーザ動作を発生するためのレーザ増幅媒体の加熱は、上記の管内の電極の 間で発生する放電を使用して行われることを特徴とする上記のいずれかの請求の 範囲に記載の装置。
10. １０．上記の添付図に実質的に図示され、上記の添付図を参照して説明したレー ザ装置。