JPH07105538B2 - 気体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、マイクロ波放電を利用してレーザ励起を行
う気体レーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第13図は本願出願人が昭和62年９月10に出願した従来の
気体レーザ装置（特願昭62-225224号）を示す斜視図、
第14図は第13図のXIV-XIV線断面図、第15図は第13図のX
V-XV線断面図である。

図において、２はマイクロ波放電によってレーザ気体に
プラズマを発生させ、レーザ励起を行うためのマイクロ
波回路の一種である、リッジ導波管型のマイクロ波空胴
構造をもつレーザヘッド部、３はマイクロ波発振器とし
てのマグネトロン、４はマグネトロン３の出力するマイ
クロ波をレーザヘッド部２へ導く導波管、６はこの導波
管４を前記レーザヘッド部２へ結合するマイクロ波結合
窓、５はレーザヘッド部２に取り付けられたレーザ発振
用の全反射鏡、７はレーザヘッド部２に取り付けられた
レーザ発振用の部分反射鏡である。また、20は前記レー
ザヘッド部２におけるマイクロ波結合窓６に続く空胴
壁、21及び22はこの空胴壁20の中央部に設けられ、それ
ぞれがマイクロ波回路の一部を構成しているリッジ、23
は一方のリッジ21に形成された導電体壁であり、この従
来例では前記リッジ21の上面に設けられた溝28の底壁面
が使用されている。24はこの導電体壁23に対向して設け
られてマイクロ波の入射窓として作用する、例えばアル
ミナ等による誘電体、25はこの誘電体24が前記リッジ21
上面の溝28を覆うことによって、前記導電体壁23と誘電
体24との間に形成され、炭酸ガスレーザ気体等のレーザ
気体が封入される放電空間である。

次に動作について説明する。マグネトロン３で発生した
マイクロ波は、導波管４を伝搬してマイクロ波結合窓６
でインピーダンスを整合させることにより、効率よくレ
ーザヘッド部２に結合される。このレーザヘッド部２は
図示の如くリッジ空胴状になっており、マイクロ波はそ
のリッジ21,22付近に集中して非常に強いマイクロ波電
磁界を発生させる。この強いマイクロ波電磁界により放
電空間25に封入されたレーザ気体が放電破壊し、プラズ
マが発生してレーザ媒質が励起される。ここで、冷却水
路27に冷却水を流して放電プラズマを冷却するととも
に、レーザ気体の圧力等の放電条件を適切に選択するこ
とによって、レーザ発振条件が得られ、第15図に示す部
分反射鏡７とそれに対向した全反射鏡５とでレーザ共振
器を形成することにより、レーザ発振光が得られる。

この時、マイクロ波回路の一部を構成しているリッジ21
に形成された導電体壁23と、この導電体壁23に対向して
配置され、マイクロ波の入射窓となる誘電体24との間に
形成される放電空間においてマイクロ波放電が行われ、
マイクロ波の入射はプラズマの一方の面からのみ行われ
ることになるため、プラズマを内導体とする同軸モード
のマイクロ波モードが支配的となる現象が発生するよう
なことはなく、所期のマイクロ波モードによる放電を行
わせることができる。また、図示のレーザヘッド部２の
リッジ空胴のように、マイクロ波回路が前記誘電体24と
プラズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波
モードを形成する場合、誘電体24と導電体壁23とは対向
しているため、導電体壁23に対しても垂直な電界成分を
有することとなりプラズマを貫く電界ができる。そのた
め、導電性を有するプラズマが発生しても、そのプラズ
マより数桁導電率の高い導電体壁23がマイクロ波入射窓
としての誘電体24に対向して配置されているので、入射
マイクロ波の終端電流はこの導電体壁23を流れ、導電体
壁23近傍の電界は強制的にこの導電体壁23の表面に対し
て垂直にされ、発生した前記プラズマを貫通する電界が
維持される。従って、マイクロ波がプラズマ中に浸透し
てプラズマを貫く電流が流れ、この電流の連続性から空
間的に一様な放電プラズマが発生する。このように、空
間的に均一な放電が得られるので、放電全体をレーザの
励起に適当な状態にすることが容易となる。また、マイ
クロ波回路であるレーザヘッド部２とマイクロ波伝送路
である導波管４とがレーザ光軸に沿う方向に並列配置さ
れ、このレーザヘッド部２の長手方向に設けた長尺のマ
イクロ波結合窓６を通じてマイクロ波を供給し、レーザ
ヘッド部２のリッジ21,22の全体に強いマイクロ波電磁
界を均一に発生せしめることができる。このため、装置
全体を大型化することなく、レーザ光軸方向に長く、均
一な放電が得られ、放電全体をレーザの励起に最適な状
態にすることができる。

［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、マイクロ波回
路であるレーザヘッド部２とマイクロ波伝送路である導
波管４とがレーザ光軸に沿う方向に並列配置され、この
レーザヘッド部２の長手方向に設けた長尺のマイクロ波
結合窓６を通じてマイクロ波を供給し、レーザヘッド部
２のリッジ21,22の全体に強いマイクロ波電磁界を均一
に発生せしめ、レーザ光軸方向に長く、均一な放電を可
能にし、放電空間においてより安定かつ均一なプラズマ
を発生できるようにしているが、マイクロ波結合窓６は
誘電体24と相対する位置に設けられているから、マイク
ロ波結合窓６から誘電体24へのマイクロ波の結合強度が
強く、そのため、放電空間25内の一部で放電を始める
と、その部分へのマイクロ波のエネルギー流入が多くな
り、他の部分へのエネルギー流入が少なくなる。

従って、長手方向の放電分布が不均一となって、放電空
間25においてプラズマが均一に発生しないおそれがある
という問題点があった。

また、マイクロ波結合窓６は導波管４の軸に平行に設け
られているから、導波管４からレーザヘッド部２へのマ
イクロ波エネルギーの結合度は長さ方向にわたって一定
であるが、マイクロ波エネルギーはマイクロ波発生装置
であるマグネトロン３側より供給され、徐々にレーザヘ
ッド部２へ結合吸収されるため、導電管４中のマイクロ
波エネルギーはマイクロ波発生源であるマグネトロン３
より遠ざかるに従い次第に小さくなる。従って、レーザ
ヘッド部２へ結合されるエネルギーも少なくなり、第15
図に示すように放電の各節の長さがマグネトロン３より
遠ざかるに従い次第に短くなってこの点からも放電空間
25においてプラズマが均一に発生しないおそれがあると
いう問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、発生するマイクロ波放電プラズマを安定で空
間的に一様なものとし、高効率、大出力のレーザ動作を
可能とする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、マイクロ波伝送路と
マイクロ波回路とをレーザ光軸に沿って並列設置し、マ
イクロ波伝送路とマイクロ波回路とを結合スリットを介
して結合し、結合スリットを誘電体と相対する位置から
ずらせて設けた構成としている。また、結合スリットの
結合強度がマイクロ波発振器に近づくに従い次第に弱く
なるように構成している。更に、結合スリットの結合強
度を、マイクロ波発振器に近づくに従い弱くするため
に、結合スリットの巾をマイクロ波発振器に近づくに従
い小さくするか、結合スリットをマイクロ波発振器に近
づくに従い誘電体と相対する位置から遠ざかるようにマ
イクロ波伝送路の軸に対して傾斜させて設けるようにし
てもよい。更にまた、結合スリットを構成するスリット
壁の厚みをマイクロ波発振器に近づくに従い厚くなるよ
うに構成している。

［作用］ この発明における気体レーザ装置は、マイクロ波伝送路
とマイクロ波回路とをレーザ光軸に沿って並列設置し、
誘電体と相対する位置からずらせて設けられた結合スリ
ットを介してマイクロ波伝送路とマイクロ波回路とを結
合させているから、結合スリットを通過したマイクロ波
は直接誘電体に到達せず、結合スリットから誘電体への
マイクロ波の結合が弱まり、マイクロ波エネルギーが放
電空間内の一部だけに多く流入する現象が弱まり、放電
空間における長手方向全体にわたって、マイクロ波エネ
ルギーによる放電分布が均一になる。

また、もう一つの発明における気体レーザ装置は、マイ
クロ波伝送路とマイクロ波伝送路とをレーザ光軸に沿っ
て並列設置し、マイクロ波伝送路とマイクロ波回路とを
結合スリットを介して結合し、結合スリットの長手方向
における各部位の結合強度を結合スリットの巾を変える
か、結合スリットをマイクロ波伝送路の軸に対して傾斜
させるか、結合スリットを構成するスリット壁の厚みを
変えるかしてマイクロ波発振器に近づくに従い弱くなる
ようにしたから、マイクロ波伝送路中のマイクロ波エネ
ルギーが強いマイクロ波発生源側では、結合スリットの
結合強度が弱く、マイクロ波エネルギーは弱められてマ
イクロ波回路に導入され、またマイクロ波伝送路中のマ
イクロ波エネルギーが弱いマイクロ波発生源から遠い位
置では、結合スリットの結合強度が強く、マイクロ波エ
ネルギーが弱められる程度が少なくなってマイクロ波回
路に導入される。従ってマイクロ波回路であるレーザヘ
ッド部に導入されるマイクロ波エネルギーは均一とな
り、放電空間における長手方向全体にわたってマイクロ
波エネルギーによる放電分布が均一になる。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示
す斜視図、第２図は第１図のII-II線断面図、第３図は
第１図のIII-III線断面図である。図において、従来例
と同一の構成は従来例と同一符号を付して重複した構成
の説明を省略する。

60は導波管５をレーザヘッド部２へ結合する結合スリッ
ト61を有するスリット壁である。この結合スリット61は
誘電体24と相対する位置からずらせて設けられている。

上記のように構成された気体レーザ装置においては、マ
イクロ波伝送路である導波管４とマイクロ波回路である
レーザヘッド部２とがレーザ光軸に沿う方向に並列配置
され、導波管４とレーザヘッド部２とが誘電体24と相対
する位置からずらせて設けられた結合スリット61を介し
て結合されているから、マイクロ波発振器であるマグネ
トロン３からのマイクロ波が導波管４を通してレーザヘ
ッド部２に伝送されるときに結合スリット61を通過した
マイクロ波は直接に誘電体24に到達せず、結合スリット
61から誘電体24へのマイクロ波の結合が弱められる。従
って、マイクロ波エネルギーが放電空間25の一部にだけ
多く流入する現象が弱まり、第３図に示すように放電空
間における長手方向全体にわたってマイクロ波エネルギ
ーによる放電分布が均一となるため、放電の各節の長さ
が均等になり、放電空間において安定かつ均一のプラズ
マが発生してレーザ出力を高効率、大出力レーザにて得
ることができる。

第４図はこの発明の他の実施例を示す斜視図、第５図は
第４図のＶ−Ｖ線断面図、第６図は第４図のVI-VI線断
面図である。この実施例では結合スリット611の構成が
前記実施例と異なる。即ち、この実施例の結合スリット
611はその巾がマグネトロン３に近づくに従い次第に小
さくなるように形成されている。

従って、結合スリット611の結合強度がマグネトロン３
に近づくに従い次第に弱くなっている。そのため、導波
管４中のマイクロ波エネルギーが強いマグネトロン３側
の位置では結合スリット611の結合強度が弱く、マイク
ロ波エネルギーは結合スリット611によって弱められて
レーザヘッド部２に導入され、他方、導波管４中のマイ
クロ波エネルギーが弱くなるマグネトロン３側より遠ざ
かる位置では結合スリット611の結合強度が強く、マイ
クロ波エネルギーが弱められる程度がマグネトロン３側
に比べて少なくなってレーザヘッド部２に導入される。
それ故、長手方向に伸びるレーザヘッド部２の各部位に
導入されるマイクロ波エネルギーは均一となり、放電空
間における長手方向全体にわたってマイクロ波エネルギ
ーによる放電分布が均一になり、放電空間において安定
し、かつ均一なプラズマが発生する。

第７図はこの発明のさらに他の実施例を示す斜視図、第
８図は第７図のVIII-VIII線断面図、第９図は第７図のI
X-IX線断面図である。この実施例も第６図に示す実施例
と同様に結合スリット612の結合強度がマグネトロン３
に近づくに従い次第に弱くなるように形成されているも
ので、その構成が第６図のものと異なる。即ち、この実
施例の結合スリット612はマグネトロン３に近づくに従
い誘電体24と相対する位置から次第に遠ざかるように導
波管４の軸に対して傾斜させて形成されている。従っ
て、結合スリット612のマグネトロン３側の位置では誘
電体24から離れているために結合強度が弱く、結合スリ
ット612のマグネトロン３側より遠ざかった位置では誘
電体24に近づいているために結合強度が強い。それ故、
長手方向に延びるレーザヘッド部２の各部位に導入され
るマイクロ波エネルギーは第４図に示す実施例のものと
同様に均一となる。

第10図はこの発明のさらに別の他の実施例を示す斜視
図、第11図は第10図のXI-XI線断面図、第12図は第10図
のXII-XII線断面図である。この実施例も第６図に示す
実施例と同様に結合スリット613の結合強度がマグネト
ロン３に近づくに従い次第に弱くなるように形成されて
いるもので、その構成が第６図のものと異なる。即ち、
この実施例では結合スリット613を構成するスリット壁6
01の厚みをマグネトロン３に近づくに従い次第に厚くな
るように形成されている。また、結合スリット613は誘
電体24と相対する位置に設けられている。このようにス
リット壁601厚みの違いによって結合スリット613の結合
強度が異なるのはスリット壁601を介してもマイクロ波
が伝送されており、スリット壁601が厚くなるとそれを
通過するマイクロ波エネルギーの減衰量が多くなり、そ
の分結合スリット613の結合強度が弱まると考えられる
からである。

従って、結合スリット613のマグネトロン３側ではスリ
ット壁601を厚くして結合強度を弱くし、結合スリット6
13のマグネトロン３側より遠ざかった位置ではスリット
壁603を薄くして結合強度を強くして、長手方向に延び
るレーザヘッド部２の各部位に導入されるマイクロ波エ
ネルギーを均一にしている。

上記第４図乃至第10図に示す実施例ではいずれも結合ス
リット611〜613の結合強度をその長手方向において連続
的に変化させるようにしているが、段階的に変化させる
ようにしてもよいことは勿論である。また、結合スリッ
ト61の構成は第４図乃至第10図に示す実施例を任意に組
み合わせたものであってもよいことは勿論である。

上記実施例では導電体壁23がプラズマに接するものにつ
いて説明したが、導電体表面に誘電体コーティング層の
ようにマイクロ波の波長に比し薄い誘電体層を設けて
も、この誘電体層はマイクロ波に対し低いインピーダン
スとしてしか働かず、マイクロ波の電界分布に大きな影
響を与えることはないから、上記効果が損なわれないの
は言うまでもない。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、マイクロ波伝送路とマ
イクロ波回路とをレーザ光軸に沿って並列設置し、マイ
クロ波伝送路とマイクロ波回路とを誘電体と相対する位
置からずらせて設けられた結合スリットを介して結合
し、結合スリットを通過したマイクロ波を直接誘電体に
到達しないようにして、結合スリットから誘電体へのマ
イクロ波の結合を弱めたので、マイクロ波エネルギーが
放電空間内の一部だけに多く流入する現象が弱まり、放
電空間における長手方向全体にわたってマイクロ波エネ
ルギーによる放電分布が均一になり、放電空間において
安定かつ均一のプラズマが発生してレーザ出力を高効
率、大出力にて得ることができるという効果を有する。

また、もう一つの発明はマイクロ波伝送路とマイクロ波
回路とをレーザ光軸に沿って並列設置し、マイクロ波伝
送路とマイクロ波回路とを結合スリットを介して結合
し、結合スリットの長手方向における各部位の結合強度
を、結合スリットの巾を変えるか、結合スリットをマイ
クロ波伝送路の軸に対して傾斜させるか、結合スリット
を構成するスリット壁の厚みを変えるかしてマイクロ波
発生器に近づくに従い弱くなるようにしたので、マイク
ロ波伝送路中のマイクロ波エネルギーが強いマイクロ波
発生源側の位置では結合スリットの結合強度が弱く、マ
イクロ波エネルギーは弱められてマイクロ波回路に導入
され、またマイクロ波伝送路中のマイクロ波エネルギー
が弱いマイクロ波発生源側から遠い位置では、結合スリ
ットの結合強度が強く、マイクロ波エネルギーが弱めら
れる程度が少なくなってマイクロ波回路に導入されるこ
ととなり、マイクロ波回路に導入されるマイクロ波エネ
ルギーは長手方向に均一となることによって放電空間に
おける長手方向全体にわたってマイクロ波エネルギーに
よる放電分布が均一になり、放電空間において安定かつ
均一のプラズマが発生してレーザ出力を高効率、大出力
にて得ることができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による気体レーザ装置を示
す斜視図、第２図は第１図のII-II線断面図、第３図は
第１図のIII-III線断面図、第４図はこの発明の他の実
施例を示す斜視図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線断面図、
第６図は第４図のVI-VI線断面図、第７図はこの発明の
さらに他の実施例を示す斜視図、第８図は第７図のVIII
-VIII線断面図、第９図は第７図のIX-IX線断面図、第10
図はこの発明のさらに別の他の実施例を示す斜視図、第
11図は第10図のXI-XI線断面図、第12図は第10図のXII-X
II線断面図、第13図は従来の気体レーザ装置を示す斜視
図、第14図は第13図のXIV-XIV線断面図、第15図は第13
図のXV-XV線断面図である。 ２……レーザヘッド部（マイクロ波回路）、３……マグ
ネトロン（マイクロ波発振器）、４……導波管（マイク
ロ波伝送路）、60……スリット壁、61……結合スリッ
ト。 なお、図中、同一符号２は同一、または相当部分を示
す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、マイク
   ロ波伝送路により伝送されたマイクロ波の放電によりレ
   ーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行うマイ
   クロ波回路とを備え、前記マイクロ波回路中に設けら
   れ、マイクロ波の入射窓となる誘電体を一面とする放電
   空間に前記レーザ気体を封入し、前記マイクロ波回路に
   よって前記誘電体とレーザ気体中に発生したプラズマと
   の境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モードを形
   成するようにしたマイクロ波励起方式の気体レーザ装置
   において、 マイクロ波伝送路とマイクロ波回路とをレーザ光軸に沿
   って並列設置し、マイクロ波伝送路とマイクロ波回路と
   を結合スリットを介して結合し、結合スリットを誘電体
   と相対する位置からずらせて設けたことを特徴とする気
   体レーザ装置。
2. 【請求項２】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路と、マイク
   ロ波伝送路により伝送されたマイクロ波の放電によりレ
   ーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行うマイ
   クロ波回路とを備え、前記マイクロ波回路中に設けら
   れ、マイクロ波の入射窓となる誘電体との間に形成され
   る放電空間に前記レーザ気体を封入し、前記マイクロ波
   回路によって前記誘電体とレーザ気体中に発生したプラ
   ズマとの境界に垂直な電界成分を有するマイクロ波モー
   ドを形成するようにしたマイクロ波励起方式の気体レー
   ザ装置において、 マイクロ波伝送路とマイクロ波回路とをレーザ光軸に沿
   って並列設置し、マイクロ波伝送路とマイクロ波回路と
   を結合スリットを介して結合し、結合スリットの長手方
   向における各部位の結合強度がマイクロ波発振器に近づ
   くに従い弱くなるように形成されていることを特徴とす
   る気体レーザ装置。
3. 【請求項３】結合スリットはその巾がマイクロ波発振器
   に近づくに従い小さくなるように形成されていることを
   特徴とする請求項１又は２記載の気体レーザ装置。
4. 【請求項４】結合スリットはマイクロ波発振器に近づく
   に従い、誘電体と相対する位置から遠ざかるようにマイ
   クロ波伝送路の軸に対して傾斜させて設けられているこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の気体レーザ装置。
5. 【請求項５】結合スリットを構成するスリット壁の厚み
   をマイクロ波発振器に近づくに従い厚くなるように形成
   されていることを特徴とする請求項１又は２記載の気体
   レーザ装置。