JPH06291397A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波励起式のガスレーザ発振装置にお
いて、発振効率およびレーザ出力の向上を図る。 【構成】 マグネトロン１３から放電部１５にマイクロ
波を供給し、放電部１５内のレーザガスを励起させ光共
振器によりレーザビームを得る。マグネトロン１３はマ
イクロ波電源２５によりマイクロ波を供給する。マイク
ロ波電源２５は制御部２６の駆動信号によって断続運転
させるが、駆動信号の周波数を２０ＫHz以上に設定して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波でレーザガス
を励起させてレーザビームを得るガスレーザ発振装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波でレーザガスを励起させるガ
スレーザ発振装置の一例として、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨ
ＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲ，３７［８］（１９８０）
Ｐ．６７３に示す構成のものがある。上記構成を図５に
より説明する。

【０００３】図５において、１はレーザ管で、レーザ管
１の上部にはレーザガス２を流し込む入り口３が形成さ
れている。レーザ管１の一端にはマイクロ波４をレーザ
管１内に供給する導波管５が取り付けられ、導波管５の
端部に取り付けた圧力隔壁６により導波管５とレーザ管
１とは仕切られている。レーザ管１の入り口３から供給
される高圧のレーザガス２はレーザ管１の途中に形成し
たノズル部７により流速が速められ、真空ポンプにより
矢印８の方向に排出される。９はノズル部７より下流側
に配設した光共振器である。

【０００４】次に、以上のように構成されたガスレーザ
発振装置の動作について説明する。まず、レーザガス２
は高圧で入口３からレーザ管１内に供給され、無放電空
間１１からノズル部３を通る。レーザガス２がノズル部
７を通ることで断熱膨張作用するので、ノズル部７より
下流の放電部１１ではガス圧は低くなり、ガス速度が速
くなる。マイクロ波４はマイクロ波を透過する圧力隔壁
１９を通じてレーザ管１内に供給される。レーザ管１内
の無放電空間１０は高圧力であるからここでは放電は発
生せず、ガス圧力の低い放電部１１で放電が発生する。
レーザ出力は、放電部１１の下流側に構成された光り共
振器９により、マイクロ波で励起されたレーザガスのほ
う電により取り出される。排出ガスは真空ポンプにより
矢印８方向に排出される。

【０００５】上記のようにマイクロ波でレーザビームを
取り出すことは電源装置のコスト面から非常に大きな期
待がなされているが、現実のところ、一般産業用として
のマイクロ波励起のガスレーザ発振装置は実用化されて
いない。

【０００６】上記のガスレーザ発振装置にもとづき、我
々が検討したマイクロ波励起の炭酸ガスレーザ発振装置
の構成概略図を図６に示す。

【０００７】図において、１２はガラス等の誘電体で形
成される放電管、１３はマイクロ波を発生させるマイク
ロ波発生装置であるマグネトロン、１４はマグネトロン
１３のマイクロ波を放電管１２内に供給する導波管であ
る。放電管１２は導波管１４を貫通しているので、放電
管１２内のレーザガスガスマイクロ波で励起される。こ
のレーザガスが励起される部分が放電部１５である。放
電管１２の端には全反射鏡１６が、他端には部分反射鏡
１７が配置され光共振器を形成している。部分反射鏡１
７からはレーザビーム１８が出射される。放電管１２の
両端には送気管１９が接続され、さらに放電管１の中央
部には吸気管０が接続されている。吸気管２０と送気管
１９との間には、熱交換器２１，２２と送風機２３が接
続され、レーザガスを循環させるようにしている。熱交
換器２１，２２は放電部１５の放電および送風機２３に
より温度上昇したレーザガスを冷却させるために設けて
いる。矢印２４はレーザガスの流れる方向を示してお
り、図に示すガスレーザ発振装置の中をレーザガスが循
環している。

【０００８】以上のように構成された炭酸ガスレーザ発
振装置の動作について説明する。まず、放電管１２内の
放電部１５にマグネトロン１３からマイクロ波を導波管
１４を通じて印加し、放電部１５にグロー放電を発生さ
せる。マグネトロン１３は連続して動作しているので図
７に示すマイクロ波出力となる。放電部１５を通過する
レーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、そ
の励起されたレーザガスは全反射鏡１６と部分反射鏡１
７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反
射鏡１７を透過してレーザビーム１８が出射される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、我々が検討し
た方式では、図８に示すように、レーザ出力Ａはマイク
ロ波注入電力が４００ｗを越すと低下し、またレーザ発
振効率Ｂは最大で５％と著しく低く、マイクロ波注入電
力が４００ｗを越すと著しく低下した。なお、マイクロ
波注入電力とは、マグネトロンから放電管に注入する電
力のことで、マグネトロンに印加する電圧を可変するこ
とで可変できる。

【００１０】上記理由につき考察する。上記装置をマイ
クロ波励起方式でなく高周波磁界印加方式に変更して実
験をしてみる。具体的には装置の基本構成を同一にし、
１３．５６ＭHzの高周波電源で高周波磁界を印加してレ
ーザ出力の特性を測定すれば図９に示すようになる。す
なわち、発振効率Ｂは注入電力が４００ｗを越すと１６
％と高く、また、レーザ出力Ａは直線的に増加し注入電
力１Ｋｗで出力１６０ｗが得られる。このようにマイク
ロ励起方式波放電を用いると特性が劣化するが、この原
因につき以下述べる。高周波放電に於いては周波数が高
くなるにつれ放電している空間体積が狭くなる、いわゆ
る表皮効果が知られているが、１３．５６ＭHzに比べマ
グネトロンからのマイクロ波は２．４５ＧHzと２００倍
の周波数であることから表皮効果が発生していると推測
できる。特に注入電力が増加すると表皮効果は著しくな
り、上述の様に注入電力は増加してもレーザ出力が低下
する場合が発生したと考える。

【００１１】以上のように、マイクロ波励起方式のガス
レーザ発振装置では、発振効率の低下が発生し、かつ注
入電力を増大してもレーザ出力が増加しないという問題
点があった。

【００１２】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、発振効率の高く、かつレーザ大出力の大
きいマイクロ波励起方式のガスレーザ発振装置を提供す
ることを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装
置と、前記マイクロ波発生装置からのマイクロ波をレー
ザガスに供給し、レーザガスを励起させる放電部と、前
記放電部内で励起されたレーザガスを共振させてレーザ
ビームを発生させる光共振器と、前記マイクロ波発生装
置の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は前記
マイクロ波発生装置を断続運転する駆動信号を出力し、
この駆動信号の周波数を２０ＫHz以上に設定したもので
ある。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、放電部にマイクロ波を断続
して供給するので、マイクロ波を供給し始めてから表皮
効果が確認されるまでにマイクロ波の供給を停止するこ
とができ、上記のようにマイクロ波の供給，停止を繰り
返すことで表皮効果を発生させずに均一な放電が得られ
る。また、マイクロ波を断続して供給するのでレーザビ
ームが振動するが、２０ＫHzの駆動信号としているので
振動も小さくすることができる。

【００１５】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。なお図１において図６と同一の構成
部品には同一の符号を付しその説明を省略する。

【００１６】図１において、２５はマイクロ波電源で、
マイクロ波発生装置であるマグネトロン１３に電力供給
する。２６はマイクロ波電源２５の動作を制御し、マグ
ネトロン１３を断続運転させるための駆動信号を供給す
る。マグネトロン１３を駆動する信号はパルス化された
信号で、その周波数を２０ＫHz以上としている。

【００１７】図２（Ａ）に注入電力を一定とし、駆動信
号の周波数を可変とし、マグネトロンの出力を連続（ｃ
ｗ）からパルス状に周波数を変化させた場合のマグネト
ロン出力パルス周波数と発振効率との関係を示す。
（Ｂ）はマグネトロン出力パルス周波数がゼロの時のマ
イクロ波出力を示す図、（Ｃ）はマグネトロン出力パル
ス周波数２０ＫHz時のマイクロ波出力を示す図である。

【００１８】図２から明らかなように駆動信号の同波数
を高めてマグネトロン出力パルス同周波数が高まれば発
振効率が向上する。また、マグネトロン出力周波数は高
ければ高いほど発振効率は向上することが判明した。特
に、マグネトロン出力パルス周波数を１５ＫHz時におけ
るマイクロ波注入電力とレーザ出力、発振効率との関係
を示す。発振効率Ｂは最大で１６％、マイクロ波注入電
力１Ｋｗ時に１５％である。またレーザ出力Ａはマイク
ロ波注入電力１Ｋｗ時に１５０ｗと著しく改善された。
なお、マイクロ波注入電力を可変する方法として、駆動
信号のオン期間とオフ期間との比を可変する方法があ
る。この場合、同波数を一定としていてもオンとオフ期
間は可変できる。

【００１９】上記改善された理由につき考案する。ま
ず、マイクロ波での放電挙動を過渡的に考案する。当初
放電は均一に広がり、ある時間を経過した後、放電はピ
ンチし表皮効果として確認される。従来のように連続し
てマイクロ波を供給すれば放電は最初広がるが、短時間
後に表皮効果により放電空間は狭められる。そこで今回
のように放電がピンチするより早くマイクロ波の供給を
停止するような、パルス状のマイクロ波を供給する事に
より連続して均一な放電が得られたと推測できる。

【００２０】また、レーザ出力は出力の時間安定性（振
動率（ｍ））が切断面精度に大きく影響及ぼすことが判
明しており、電力をパルス状で供給する際にはレーザビ
ームの振動率の検討が必要である。

【００２１】図４（Ａ）は測定したマグネトロン出力パ
ルス周波数とレーザ出力振動率との関係を示す図、
（Ｂ）はマグネトロン出力パルス周波数が３ＫHzのとき
のレーザ出力状態を示す図、（Ｃ）はマグネトロン出力
パルス周波数が６ＫHzのときのレーザ出力状態を示す
図、（Ｄ）はマグネトロン出力パルス周波数が２０ＫHz
の時のレーザ出力状態を示す図である。この図からマグ
ネトロン出力パルス周波数を大きくすることによりレー
ザビームの振動を抑制することができることが分かる。
特に２０ＫHz以上とすることでレーザビーム振動を無視
できることが判明した。

【００２２】上記のように、本実施例によれば、マイク
ロ波電源を駆動する信号の周波数を２０ＫHz以上のパル
ス状としているので、発振効率を高め、レーザ出力の増
大を図ることができる。また２０ＫHz以上としているの
で、レーザ出力の振動も無視することができる。

【００２３】なお、本実施例では軸流型のガスレーザ発
振装置を用いたが、他の形式のガスレーザ発振装置であ
っても効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は、マイクロ波発生
装置を２０ＫHz以上の周波数の駆動信号で断続運転して
いるので、発振効率を向上でき、レーザ出力の増大を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の高速軸流形炭酸ガスレーザ
発振装置の構成概略図

【図２】（Ａ）マグネトロン出力パルス周波数と発振効
率との関係を示す図 （Ｂ）マグネトロン出力パルス周波数ゼロ時のマイクロ
波出力を示す図 （Ｃ）マグネトロン出力パルス周波数２０ＫHz時のマイ
クロ波出力を示す図

【図３】マグネトロン出力パルス周波数１５ＫHz時のマ
イクロ波注入電力とレーザ出力ならびに発振効率との関
係を示す図である。

【図４】（Ａ）マグネトロン出力パルス周波数とレーザ
出力振動との関係を示す図 （Ｂ）マグネトロン出力パルス周波数３ＫHz時の出力挙
動を示す図 （Ｃ）マグネトロン出力パルス周波数６ＫHz時の出力挙
動を示す図 （Ｄ）マグネトロン出力パルス周波数２０ＫHz時の出力
挙動を示す図

【図５】従来のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の構
成図

【図６】発明者らが検討したマイクロ波励起の炭酸ガス
レーザ発振装置の構成概略図

【図７】同ガスレーザ発振装置のマイクロ波の出力状態
を示す図

【図８】同ガスレーザ発振装置のマイクロ波注入電力と
レーザ出力ならびに発振効率との関係を示す図

【図９】１３．５６ＭHzでの高波放電における注入電力
とレーザ出力ならびに発振効率との関係を示す図

【符号の説明】

１３ マグネトロン １５ 放電部 ２５ マイクロ波電源 ２６ 制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波を発生させるマイクロ波発生
   装置と、前記マイクロ波発生装置からのマイクロ波をレ
   ーザガスに供給し、レーザガスを励起させる放電部と、
   前記放電部内で励起されたレーザガスを共振させてレー
   ザビームを発生させる光共振器と、前記マイクロ波発生
   装置の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は前
   記マイクロ波発生装置を継続運転する駆動信号を出力
   し、この駆動信号の周波数を２０ＫHz以上に設定したガ
   スレーザ発振装置。