JPH0728064B2

JPH0728064B2 - 気体放電パルスレーザシステム

Info

Publication number: JPH0728064B2
Application number: JP4507494A
Authority: JP
Inventors: ゲカト，フランク; クリンゲンベルグ，ハンス; クルティナ，ゲルハルト
Original assignee: DOITSUCHE FUORUSHUNKUSANSHUTARUTO FUYURU RUFUTO UNTO RAUMUFUAARUTO EE FUAU
Current assignee: DOITSUCHE FUORUSHUNKUSANSHUTARUTO FUYURU RUFUTO UNTO RAUMUFUAARUTO EE FUAU
Priority date: 1991-04-20
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH05507181A; WO1992019028A1; DE4112946A1; US5347530A; DE4112946C2

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、気体放電パルスレーザシステム、特にパルス
駆動のエキシマ・レーザシステムに関しており、そのレ
ーザシステムは、共振器と気体放電が励起されるレーザ
ガスにより充たされているガス体、少なくとも部分的に
気体放電を維持するためのそのガス体を取囲んだマイク
ロ波放電構造体、マイクロ波パルスを発生するためのマ
イクロ波発生源、および、マイクロ波発生源からマイク
ロ波放電構造体へ導くマイクロ波伝送線を備えている。

例えば米国特許4,802,183号により知られている、この
ような気体放電パルスレーザシステムにおいては、到達
可能なレーザパルスのパワーはマイクロ波ポンピングの
パワーに比例する。このため、マイクロ波によりポンピ
ングされる気体放電パルスレーザシステムはこれまで高
いパワーに到達することができなかった。

そこで、本発明が基礎とした目的は、マイクロ波ポンピ
ングによる気体放電パルスレーザシステムであって、レ
ーザパルスのパワーがポンピングのパワーの比例以上の
ものとなるように動作するシステムを提供することであ
る。

この目的は、冒頭に述べた種類の気体放電パルスレーザ
システムに関する本発明により達成され、そのために、
共振性のマイクロ波蓄積構造体が結合部材によりマイク
ロ波伝送路に結合され、マイクロ波蓄積構造体はガス体
に導かれ、かつ、少なくともその一部分がマイクロ波放
電構造体とマイクロ波伝送路との間に延在しており、そ
して、マイクロ波蓄積構造体は、それがマイクロ波発生
源から放出されるマイクロ波パルスからのエネルギー
を、気体放電の点弧まで蓄え、そして、気体放電が点弧
された後は、蓄えられたエネルギーにより気体放電を維
持するように、設計されており、かつ、そのような態様
で接合部材によりマイクロ波伝送路に結合される。

本発明の解決手段の利点は、マイクロ波パルスがいわば
「圧縮されて」おり、そして、それによりパワーがマイ
クロ波発生源のマイクロ波パルスのパワーを約10から約
1000のファクターで超えるような気体放電の維持のため
に有効なものとなるという事実にみることができる。そ
れ故、TEAポンプド・レーザに匹敵するレーザパルスパ
ワーを通常のマイクロ波発生源により実現することがで
きることとなる。

マイクロ波発生源を保護するためには、マイクロ波蓄積
構造体が、気体放電の点弧後に、マイクロ波伝送路中に
最大でマイクロ波パルスのマイクロ波パワーの２倍のマ
イクロ波パワーを帰還結合するように、設計され、か
つ、結合部材によりマイクロ波伝送路に結合されること
が特に有効であることが証明されている。このことは、
本発明の解決手段においては、気体放電が点弧されてい
ない時に、可能な限り多くのパワーがマイクロ波蓄積構
造体中に蓄積されるような最大限の態様で、マイクロ波
蓄積構造体が結合部材によりマイクロ波伝送路に結合す
るということが問題ではなく、気体放電が点弧されてい
る時に、マイクロ波伝送路中に帰還結合されるマイクロ
波パワーがマイクロ波発生源を破壊しないような態様
で、結合部材によりマイクロ波蓄積構造体を設計し、か
つ、結合することが問題であることを意味している。

マイクロ波蓄積構造体が、気体放電の点弧後に、最大で
マイクロ波パルスのマイクロ波パワーの1.5倍のマイク
ロ波パワーをマイクロ波伝送路中に結合することは、更
により有効であり、そして、帰還結合されるマイクロ波
パワーが最大でマイクロ波パルスのマイクロ波パワーに
一致することが特に有効である。

気体放電の維持のためのマイクロ波放電構造体中の最大
限の結合を達成するために、マイクロ波放電構造体中の
マイクロ波の電界ベクトルが共振器の光軸に垂直に向く
ように設定することが有効である。この方法によれば、
特に気体放電へのマイクロ波の結合を最大限のものとす
ることができる。

更に、気体放電の維持のためのマイクロ波の有効な結合
を達成するためには、マイクロ波放電構造体内の電界に
よって通過されるガス体の区域が、共振器の光軸の方向
にマイクロ波放電構造体のカットオフ波長の少なくとも
1.5倍の長さを有することが有効であり、それは、この
寸法が本発明による気体放電パルスレーザにおいて高パ
ワーを得るために特に有効な方法であるからである。

本発明による気体放電パルスレーザにおける気体放電の
継続期間を十分なものとするためには、マイクロ波蓄積
構造体がレーザパルスの期間中にマイクロ波が波及する
行路の約半分の長さを有するようにすることが、更に有
効であり、それにより、レーザパルスを発生するために
マイクロ波蓄積構造体中に蓄えられた全マイクロ波エネ
ルギーを利用することが可能となる。

可能な限り損失を少なくするために、マイクロ波蓄積構
造体を非誘電性に設計することが特に有効である。例え
ば、非誘電性のマイクロ波蓄積構造体は、導波管構造で
あり、すなわち、マイクロ波蓄積構造体全体が導波管部
材により製作される。

更に、マイクロ波放電構造体は、それがマイクロ波蓄積
構造体と簡単に適合しうることから、導波管構造である
ことが有効である。

有効な実施例の一つとして、マイクロ波蓄積構造体が蓄
積伝送路とマイクロ波放電構造体とを備える、すなわ
ち、マイクロ波放電構造体が、蓄積伝送路とともに、マ
イクロ波エネルギーを蓄えることができる共振構造を形
成するようにされる。

このケースにおいて、蓄積伝送路およびマイクロ波放電
構造体はともに、導波管部材により製作されることが有
効である。

本発明による解決手段においては、マイクロ波蓄積構造
体を異なる方法により製作することもできる。それによ
れば、マイクロ波蓄積構造体が細長い共振構造とするこ
とが一つの有効な代替手段として実施され、特に、この
細長い共振構造には折曲部が含まれ、そして、短絡プレ
ートにより有効に終端される。

他の代替手段として、マイクロ波蓄積構造体は閉じられ
たリング共振構造とされ、すなち、マイクロ波蓄積構造
体は定在波電界が形成されるリング状共振器の形態に製
作される。

以上の実施例の記載においては、気体放電が点弧される
方法については詳細な説明がなされていない。本発明に
よる最も簡単な実施例においては、ガス体中における気
体放電の点弧が自己点弧により生成されるようになさ
れ、すなわち、マイクロ波蓄積構造体内に存在する定在
波の電界強度がガス体内で気体放電の点弧が励起される
ような大きさとなるまで、マイクロ波蓄積構造体中にマ
イクロ波エネルギーが蓄えられるようにされる。続い
て、その蓄えられたマイクロ波エネルギーの全てが完全
にガス体中に結合されることとなる。

これに代わるものとしては、前期電離（preionizatio
n）により気体放電の点弧が生じるようにされる。前期
電離は、マイクロ波パルスの継続期間中およびその後に
おける特定の時点に設定することができ、かつ、マイク
ロ波蓄積構造体内にそれによるマイクロ波エネルギーが
ある程度蓄えられた後に気体放電の点弧が始まり、そし
て、気体放電に対する特定された時点での点弧は、ガス
体の圧力や温度の変動に依存することなく達成されうる
という利点を有している。

前期電離による気体放電の点弧のためには、種々の実現
手段がある。一つの実現手段としては、前期電離は電
界、特に高周波電界により生成される。

前期電離は、好ましくは、光軸を横切る電界であって、
好ましくは、結合されたマイクロ波エネルギーの電界に
平行となるように整列された電界により生成される態様
で実現される。

また、これに対する代替方法として、前期電離が光軸の
方向の電界により生成されるようにすることも可能であ
る。

原理的には、電界は一定のものでよい。しかしながら、
前期電離が高周波電界により生成されることが特に有効
であり、そして、この高周波電界は、好ましくは、付加
的なマイクロ波放電により生成されることも可能であ
る。

更に、この電界が電磁気放射によって発生されること
も、本発明の技術的範囲内のものであることは明らかで
ある。

前期電離に対する更に他の代替手段として光学的に実現
されるものがあり、このケースにおいては、レーザガス
ができる限り効果的にそれを電離することのできる放射
線により照射される。例えば、UV放射がここでは利用で
きるが、他の電離用放射、例えば、Ｘ線あるいはガンマ
放射線もまた有効である。

前期電離をガス体の異なった部分において引起すことが
できる。すなわち、一実施例としては、可能な限り一様
な気体放電の点弧を実現するために、マイクロ波放電構
造体内に前期電離が生成されるようにされる。このケー
スにおいて、電界が前期電離のために用いられるなら
ば、その電界は、マイクロ波放電構造体を経て結合され
る蓄積されたマイクロ波エネルギーの電界に平行となる
ように、整列されることが有効である。

本発明の解決手段の他の有効な実施例においては、前期
電離がマイクロ波放電構造体の外側に生じるようにされ
る。これは、マイクロ波放電構造体内の状態が、そして
それにより蓄積されたマイクロ波エネルギーの結合もま
た、乱されることがないという利点を有している。この
ケースにおいては、マイクロ波放電構造体の外側に位置
するガス体の部分的な区域に前期電離が生成されること
に利点がある。

更に他の有効な実施例においては、本発明の技術的範囲
内のものとして、マイクロ波蓄積構造体がマイクロ波伝
送路に結合された蓄積導波管を有するようにされ、それ
にスイッチ部材を介してマイクロ波放電構造体が結合さ
れる。これは、このケースにおいては、マイクロ波蓄積
構造体とマイクロ波放電構造体とが互いに完全に分離さ
れており、そして、マイクロ波エネルギーはまずマイク
ロ波蓄積構造体内に蓄えられて、スイッチ部材の作動後
にマイクロ波放電構造体中にのみ結合されることを意味
している。特に、これはマイクロ波放電構造体をマイク
ロ波蓄積構造体のために必要な共振条件において考慮に
入れる必要がないという利点を有しており、また、スイ
ッチ部材によりレーザガスに対する特定された点弧を達
成することができるという更なる利点を有している。

この実施例においては、また、マイクロ波蓄積構造体お
よびマイクロ波放電構造体は、結合部材とともに、好ま
しくは、スイッチ部材がオンにされた時に、マイクロ波
蓄積構造体がマイクロ波伝送路中へ、最大でマイクロ波
発生源から到来するマイクロ波パルスのマイクロ波パワ
ーの２倍、好ましくは1.5倍、あるいは同じでもよい、
に一致するマイクロ波パワーを帰還結合するように、相
互に調整されるようになされる。

スイッチ部材は、好ましくは、Ｈ−Ｔ部材、特にスイッ
チが組合わされたスイッチ導波管を含むものを有してい
る。

スイッチは、好ましくは、トリガーされ、あるいは、自
己トリガーされる高圧あるいは低圧の気体放電スイッチ
であり、すなわち、そのスイッチは、スイッチングのた
めに内部で気体放電が点弧されるようなガス体を含んで
いる。気体放電は、マイクロ波蓄積構造体内に十分に大
きい量のエネルギーが蓄積された時に自動的に点弧され
るか、あるいは、例えば前期電離により上述したような
態様で点弧される。ただし、これの代替手段として、電
子ビームもまたスイッチングとして可能なものである。

いずれのケースにおいても、スイッチのスイッチング動
作は、マイクロ波蓄積構造体中の定在波電界に導波管波
長の1/4ほどの変移をもたらし、そして、それにより、
Ｈ−Ｔ部材を介してその開口に接続されているマイクロ
波放電構造体を結合をもたらすことになる。

特に、そのような実施例においては、マイクロ波放電構
造体は、ガス体中に本質的に一定な電界を発生するよう
な形状を有するように、構成される。

最も簡単なケースとして、そのようなマイクロ波放電構
造体は、それを貫通しているガス体の区域において、蓄
積導波管からの離隔する距離とともに先細りしていくよ
うな側壁区域を有するように、構成されている。

本発明の更に他の特徴や利点は、以下の記載および数個
の実施例の図面から、明らかとなる事項である。

図は、それぞれ次のものを示している。

第１図：第１の実施例の透視図、第２図：第１図の線２−２に沿う断面図、第３図：マイクロ波発生源から到来するマイクロ波パワ
ーML、マイクロ波発生源に帰還結合されるマイクロ波パ
ワーMZおよびレーザパルスＬの経時変化を示す特性図、第４図：第２の実施例の部分的な概略構成図、第５図：第３の実施例の部分的な概略構成図、第６図：第５図の線６−６に沿う第３の実施例の断面
図、第７図：第４の実施例の部分的な概略構成図、第８図：第５の実施例の部分的な概略構成図、第９図：第６の実施例の第２図と同様な断面図、第10図：線図により示されている導波管を備えた第７の
実施例の概略構成図、第11図：第８の実施例の透視図、第12図：第９の実施例の透視図。

図１に示されている気体放電パルスレーザ１の第１の実
施例は、マイクロ波発生源10を有し、そこからマイクロ
波伝送路12が結合部材14まで案内しており、その結合部
材は、ここでは２重スタブラインとして設計されてい
て、マイクロ波伝送路12と全体を16で示されているマイ
クロ波蓄積構造体との間に結合を形成している。一方、
このマイクロ波蓄積構造体16は、２重スタブライン14と
直結された蓄積伝送路18とその蓄積伝送路18に接続され
たマイクロ波放電構造体20とを備えている。

蓄積伝送路18は蓄積導波管として示されており、マイク
ロ波放電構造体20は同様に導波管として示され、それは
蓄積導波管に接合する90゜折曲部22を有しており、そし
て、90゜折曲部22は反対側が短絡プレート26により終端
されている結合導波管24に接合している。

マイクロ波放電構造体20には気体放電管28が貫通してお
り、その気体放電管は、結合導波管24の管軸30と平行に
延び、好ましくは結合導波管24と同軸であり、マイクロ
波放電構造体20から、その一方の端部において90゜折曲
部22の区域の開孔32を通って、かつ、他方の端部におい
て短絡プレート26の開孔34を通って突抜け、そして、開
孔32から突出した第１の端部36と開孔34から突出した第
２の端部38を有するようにマイクロ波放電構造体20から
突き出ている。気体放電管28は第１の端部36を閉じ込め
るための第１のブルースター窓（Brewster window）40
と第２の端部38を閉じ込めるためのブルースター窓42を
有しており、それにより、気体放電管28は閉じ込められ
たガス体44を含むこととなり、その中にはレーザガス、
好ましくは、例えばXeClのようなエキスマレーザガス、
が存在する。

気体放電管28は全体がレーザ共振器内に配置されてお
り、そのレーザ共振器は、第１のブルースター窓40に対
向する第１の共振器ミラー46と、第２のブルースター窓
42に対向する第２の共振器ミラー48とにより形成されて
いる。共振器ミラー46,48の一方は送信ミラーを兼ねて
おり、そこからレーザ放射が放出される。

気体放電管28の結合導波管24に対する配置が第２図に拡
大して示されており、そこには、導波管のＸ−およびＹ
−方向と、導波管中を伝播するH₀₁波の方向とが示され
ている。第２図に示すように、共振器の光軸50は、好ま
しくは、放電管の管軸一致する。光軸50はまた結合導波
管24の管軸30にも一致し、そして、H₁₀波が伝播する方
向も同様に管軸30に平行となる。

そのような導波管中の電界ＥのベクトルはＹ−方向に平
行となるので、導波管の中心において好適に発生される
電界Ｅは、結合導波管24の光軸に垂直に延びることとな
る。それ故、マイクロ波放電構造体内に横たわるガス体
44の全領域は、光軸50に直交する電界Ｅにより透過され
る。マイクロ波放電構造体20内に横たわるガス体44にマ
イクロ波エネルギーを十分に結合させるようにするため
に、光軸50の方向に電界Ｅにより透過されるガス体44の
区域Ａは、好ましくは、それがマイクロ波放電構造体20
のカットオフ波長の少なくとも1.5倍までの大きさとな
るように、選定される。

第１図および２図の気体放電パルスレーザシステム中に
示されている第１の実施例が動作する態様が、第３図に
概略的に示されている。他方、第３図は、マイクロ波発
生源10により放出され、そして、約500nsecのパルス幅
を有するパルスを表わしているマイクロ波パワーMLの過
程を示している。第３図には、また、マイクロ波放電構
造体20および結合部材14から帰還結合されるマイクロ波
パワーMZが示されている。マイクロ波パルスの初期にお
いて、このパワーはマイクロ波パワーMLとともに、それ
と同じように、立上るが、マイクロ波蓄積構造体16にお
けるマイクロ波エネルギーの蓄積が増大するために、殆
んど零まで降下する、それ故、同時に、マイクロ波放電
構造体中の電界のサイズがその中に定在波が形成される
ような範囲まで増大し、そこでは、電界Ｅのベクトルの
大きさがこの定在波中に蓄えられるエネルギーが増大す
るにつれて増大する。十分に高い電界の強さＥに達する
と、ガス体44中に含まれているレーザガスの自己点弧が
発生し、そして、レーザパルスＬがミラー46および48を
備えた共振器中に形成される。ガス体44中のレーザガス
が点弧されると、この場合は、マイクオ波放電構造体20
が結合部材14と整合しなくなるという不整合が発生し、
そこで、帰還結合マイクロ波パワーMZがマイクロ波発生
源10によって生成されるマイクロ波パルスのマイクロ波
パワーMLに一致する値まで同様に増大する。好ましく
は、結合用開孔14はマイクロ波放電構造体20に適合する
ように選定されて、それにより、ガス体44中のレーザガ
スの点弧の際に帰還結合されるマイクロ波パワーMZがマ
イクロ波発生源により生成されるレーザパルスのマイク
ロ波パワーMLを超えないようにされ、マイクロ波発生源
10が損傷されないようにされている。

マイクロ波蓄積構造体16は、この実施例においては、蓄
積導波管18とマイクロ波放電構造体20とを備えており、
その長さは、好ましくは、それがレーザパルスの継続時
間の間にマイクロ波が進行する行路の約半分となるよう
に選定される。

上述の実施例においては、マイクロ波蓄積構造体16中の
高い共振器品質とそれによる大きい蓄積可能なマイクロ
波エネルギーを得るために、全ての導波部材は高導電率
の材質により構成されるのがよい。他の可能な構成とし
ては、電導性の内部コーティングを有する導波管があ
り、また、超電導コーティングを有する導波管あるいは
超電動体からなる導波管もこの発明の解決手段の変形と
して用いることができる。

とくに、導波管により製作されたマイクロ波蓄積構造体
16は、レーザガスのガス体を除き、誘電性の部材を含ま
ない。そして、特に好ましい実施例においては、それ
は、電界強度を増大し、それにより、蓄積可能なエネル
ギーを更に増大するために、真空にされるか、あるい
は、ある圧力に絶縁ガスを充たすかされる。

上述した第１の実施例においては、ガス体44中のレーザ
ガスは、十分に大きな量のエネルギーが蓄積された時
に、電界ベクトルＥのサイズにより自動的に点火するの
であり、そして、そのレーザガスの点弧をガス体44中に
おいてそのガスの圧力および温度の下で生じさせること
のできるエネルギーを設定することが可能である。

このような自己点弧するレーザガスを含む構造体は、本
発明の解決手段の最も簡単な形式を代表するものである
が、レーザガスがガス体44中で点弧する時点は精密には
固定化することができない。

このため、第４図に示されている第２の実施例において
は、ガス体中に存在するレーザガスが自動的に点弧する
のではなく、全体が60により示されている予め電離され
た放射源によって照射され、それによって前期電離（pr
eionized）される。そこで、マイクロ波蓄積構造体16中
に蓄えられたエネルギーの電界がガス体44中で気体放電
の自己点弧が生じる電界以下であっても、レーザガスの
気体放電が始まることとなる。

この予め電離された放射源60は、好ましくは、２つの共
振ミラー62および64とそれらの間に配置され、好ましく
は、レーザ活物質として同じようにポンピングされたガ
スを含んでいるガスレーザ管によって同様に形成された
レーザ活物質66とを有するレーザである。これによりレ
ーザビーム68が生成され、それはレンズ70により集束さ
れて第２の共振ミラー48を通り、好ましくは、光軸50に
平行にガス体44に入射し、そこで、光軸50に沿うガス体
44中のレーザガスの前期電離（preionidzation）が行わ
れることとなる。レーザビーム60の波長は、本発明によ
れば、紫外（UV）域となる。

第２の実施例におけるマイクロ波蓄積構造体16は、第１
の実施例におけるものと全く同じ設計であり、このマイ
クロ波蓄積構造体16の設計および概念については第１の
実施例において述べたことを参照することができる。

同様に、結合部材14、マイクロ波伝送路12およびマイク
ロ波発生源10も同じ設計であり、この点についても第１
の実施例において述べたことを参照することができる。

第５および６図に示されている本発明による気体放電パ
ルスレーザシステムの第３の実施例においては、マイク
ロ波蓄積構造体16は第１の実施例のものと同じ設計であ
る。

更に、結合部材14、マイクロ波伝送路12およびマイクロ
波発生源10もまた第１の実施例のものと同じ設計であ
る。それ故、これら全の部材について第１の実施例にお
いて述べたことが参照される。

第１の実施例と対照的に、第３の実施例においてもガス
体中のレーザガスの前期電離が行われるが、それは第２
の実施例における予め電離された放射源60に対するもの
ではなく、前期電離放電（preionization discharge）
である。

このために、特に第６図に示すように、２つの電極72お
よび74が気体放電管28の対向する側面に配置され、高周
波源80にリード線76および78に接続される。これらの電
極は、好ましくは、マイクロ波放電構造体20内に延在す
る気体放電管28の放電区域を覆うように延びている。

ガス体44中にこの２つの電極72および74により生成され
る電界EVは、マイクロ波蓄積構造体16中に蓄積されるマ
イクロ波エネルギーによって決定される電界Ｅのベクト
ルと平行に派生されるので、電界強度Ｅと電界強度EVと
は互いに重畳することとなる。

電極72および74に電圧を印加することにより、電界EVが
マイクロ波蓄積構造体16中に蓄えられるマイクロ波エネ
ルギーが派生される電界Ｅに加えられ、その結果、マイ
クロ波蓄積構造体16中に蓄えられるマイクロ波エネルギ
ーか派生される電界Ｅが気体放電の自己点弧が生じる電
界以下であっても、ガス体44中において気体放電が点弧
されることとなる。このようして、もしマイクロ波蓄積
構造体16中に十分なマイクロ波エネルギーが蓄積されて
おれば、マイクロ波パワーMLのマイクロ波発生源10から
到来するマイクロ波パルスの経時変化に関係する限定さ
れた時点において、電極72および74に電圧を印加するこ
とによりレーザパルスＬを励起することが可能となる。

第７図に示されている本発明による気体放電パルスレー
ザシステムの第４の実施例においては、マイクロ波蓄積
構造体16は第１の実施例におけるものと同じ設計であ
る。

しかしながら、第２および第３の実施例とは対照的に、
前期電離がマイクロ波放電構造体20内に存在するガス体
44の区域において生成されず、代わりに、第２の端部38
の区域において生成される。このために、第２の端部38
には、短絡プレート26からある間隔をおいて、リード線
84を介して電圧源86の一方の出力に接続されたリング電
極82が配設される。そして、電圧源86の他方の出力は、
リード線88を介して開孔34によって同様なリング電極と
いうことができる短絡プレート26に接続されており、そ
こで、マイクロ波放電構造体20に近接した箇所におい
て、気体放電管28が互いに間隔を置いて配列された２つ
のリング電極により囲まれることとなる。電圧源86から
の電圧印加は、第２の端部の区域において、光軸50に平
行な電界のために、気体放電管28中のその部分に存在す
るガス体の部分の前期電離を引き起すこととなり、そし
て、この前期電離は、レーザガスの自己点弧が生じる電
界強度以下の電界強度において、全ガス体中、特にマイ
クロ波放電構造体20内に存在するガス体44中に気体放電
を点弧するに十分なものである。

こうして、上述した実施例におけると同様にして、ま
ず、マイクロ波エネルギーがマイクロ波蓄積構造体16中
に蓄積され、次いで、所望の時点において、レーザガス
の前期電離によるリング電極28と短絡プレート26との間
の前期電離放電を経て、マイクロ波放電構造体20内の全
ガス体中において気体放電が点弧される。

マイクロ波放電構造体20の外側におけるレーザガスの前
期電離を行う他の手段が、本発明による気体放電パルス
レーザシステムの第５の実施例に関連して、第８図に示
されている。

第５の実施例においては、マイウロ波蓄積構造体16は、
上述の第１の実施例および他の全ての実施例のものと同
じ設計である。また、マイクロ波発生源10、マイクロ波
伝送路12および結合部材14も第１の実施例のものと同じ
設計である。それ故、これらの部材に関連して第１の実
施例において述べられたことが全て参照される。

第２の端部38の区域におけるレーザガスの前期電離が、
その第２の端部が、部分的に、マイクロ波伝送路92およ
び追加のマイクロ波発生源94を介して供給される結合導
波管部分90内に存在するという方法によって、達成され
る。この結合導波管部分90は光軸50と平行して延在し
て、短絡プレート26に載置された同様な短絡プレート96
を有しており、他方、それは折曲部98を介してマイクロ
波伝送路92につながっている。第２の端部38は、その折
曲部区域において、結合導波管部分90から突出してお
り、そこで、第２のブルースター窓42は結合導波管部分
90の外部に位置し、それにより、結合導波管部分90が共
振ミラー47および48によって形成される共振器内の全放
射行路を乱すことはない。

こうして、マイクロ波発生源94により発生されるマイク
ロ波パルスによって、全ガス体44内、特にマイクロ波放
電構造体20内に存在する部分における気体放電を点弧す
るに十分な前期電離を結合導波管部分90中に生成するこ
とが可能となり、そこで、それぞれ所望の時点におい
て、第４の実施例における電圧パルス、特に好ましくは
高周波の電圧パルスによるものと同様にして、マイクロ
波発生源94からのマイクロ波パルスにより全ガス体44中
に気体放電が点弧されることとなる。

第９図に部分的に示されている第６の実施例において
は、気体放電管28か、結合導波管24に関して、光軸50が
結合導波管24′の管軸30に直行するように延びるが、結
合導波管24′のＹ−方向に平行に形成される電界のベク
トルにも直行するような態様で、配置されている。この
実施例においては、それ故、光軸50が結合導波管24′の
Ｘ−方向に平行に延び、そして、同様に、結合導波管2
4′中においてそれを横断するように設けた気体放電管2
8を通って走行するH₁₀波の伝播方向に直交することとな
る。

その他の点については、第６の実施例は第１の実施例と
全く同じ態様で構成されており、そこで、この点に関す
る第１の実施例について述べたことおよびそれぞれの部
分についての記述が参照される。第１の実施例と対照的
な点としては、マイクロ波蓄積構造体16とともに結合部
材14が、ガス体44中のレーザガスが点弧された時にマイ
クロ波伝送路12中に帰還結合されるパワーがマイクロ波
発生源10から到来するマイクロ波パルスのパワーMLを超
えないような態様で、調整されなければならないことの
みがある。

第10図に示されている第７の実施例においては、第１の
実施例と同様な態様で設けられたマイクロ波発生源10が
マイクロ波蓄積構造体16′に、マイクロ波伝送路12およ
び結合部材14を経て、マイクロ波パルスを供給してい
る。第１の実施例と対照的な点としは、このマイクロ波
蓄積構造体16′が、短絡プレートによって閉じ込められ
た線状構造に設計されておらず、マイクロ波放電構造体
20として気体放電管18がその２つの端部36および38を突
出している２つの90゜折曲部112および114を両端に有す
る結合導波管110を備えたリング状構造となっているこ
とである。結合部材14としてのパワー結合器あるいはパ
ワー合成器を付加的に備えているＵ−形状に設計された
蓄積導波管116が、これら２つの90゜折曲部112および11
4を接合している。また、蓄積導波管116中にE/H調整部
材118が配設されており、その調整部材は、結合部材14
とともに、蓄積導波管116とマイクロ波放電構造体20′
とからなる全リング構造内における調整を可能とし、そ
れにより、マイクロ波エネルギーの共振蓄積（resonant
storage）がマイクロ波蓄積構造体16′全体にわたって
生成されることとなる。

結合部材14は、マイクロ波蓄積構造体16′とともに、気
体放電管28に気体放電が起きた時に、マイクロ波伝送路
12に帰還結合されるマイクロ波パワーがマイクロ波発生
源により発生されるマイクロ波パルスのパワーMLを超え
ないような態様に、調整されなければならない。

その他の点については、第７の実施例は、原理に関する
限り、第１の実施例と全く同じ態様で、すなわち、マイ
クロ波パルスがマイクロ波発生源10からマイクロ波伝送
路12および結合部材14を経てマイクロ波蓄積構造体16中
に結合されるように、動作し、更に詳しくは、パルスか
ら結合されている期間において、気体放電管28のガス体
44中に含まれているレーザガスが点弧するまでマイクロ
波蓄積構造体16内にマイクロ波エネルギーの蓄積が生成
され、そして、共振ミラー47および48を有する共振器内
の気体放電に依ってレーザ放射パルスＬが作成されるよ
うな態様で動作する。

ガス体44中のレーザガスの点弧は、第１の実施例におけ
るような自己点弧によるか、あるいは、第２乃至第５の
実施例において述べた全ての種類の前期電離によって、
生成され、そこで、この点に関して対応する実施例につ
いて述べたことが同様に参照される。

第11図に示されている本発明による気体放電パルスレー
ザシステムの第８の実施例においては、レーザパルスが
マイクロ波発生源10からマイクロ波伝送路12を経てマイ
クロ波蓄積構造体120中へ同様に導入され、更に詳しく
は、ここでは結合用開孔124をもったスクリーンにより
構成されている結合部材122によって同様に導入され
る。

マイクロ波蓄積構造体120は、結合部材122に近接して延
在し、かつ、Ｈ−Ｔ部材128に連接されている蓄積導波
管126を有しており、そのＨ−Ｔ部材に続いて、短絡プ
レート132により終端されているスイッチ導波管部分130
が配設されている。

Ｈ−Ｔ部材は、その部分として、導波管部分134を有し
ており、それは蓄積導波管126と同じ寸法であり、か
つ、それと同軸であり、同時に、マイクロ波蓄積構造体
120の管軸138に平行であるその導波管部分134の狭い側1
40に接合している折曲部136とも同軸となっている。結
合導波管142がその折曲部136に連続して配設されてお
り、それは折曲部136から遠くなるに従ってＹ−方向の
寸法が減少している。結合導波管142と折曲部136は、そ
れを貫通する気体放電管28を備え、全体を144により示
されているマイクロ波放電構造体144を形成している。
気体放電管は、一方において折曲部136の開孔146から突
出し、他方において結合導波管142の折曲部136に対向す
る側に配設された短絡プレート150の開孔148から突出し
ている。

第１の端部36および第２の端部38の双方は、第１の実施
例におけるように、それぞれ第１のブルースター窓40お
よび第２のブルースター窓42により終端されている。更
に、第１の共振ミラー46および第２の共振ミラー48が、
気体放電管28と同軸に延びる共振器軸50の延長上に配設
されている。

この第８の実施例においては、マイクロ波放電構造体14
4は、マイクロ波蓄積構造体120の一部となってはいな
い。

マイクロ波伝送路12からマイクロ波蓄積構造体120中に
結合されるマイクロ波パルスにより、マイクロ波エネル
ギーが結合部材122から短絡プレート132までの間に延在
するマイクロ波蓄積構造体120中に共振状態で蓄えられ
る。ここで、マイクロ波エネルギーがマイクロ波結合構
造体144の折曲部136中に過結合されることはない。

そのような過結合を実現するために、トリガーされ、あ
るいは、自己トリガーされる高圧あるいは低圧の気体放
電スイッチであるスイッチ152が、スイッチ導波管130内
に配設されている。このスイッチ152は、ガス体156を包
含する管154として設計されている。この管は、スイッ
チ導波管130のＹ−方向に平行であり、したがって、そ
の内部の電界Ｅと平行である管軸158を有して延在して
いる。スイッチ152は、短絡プレート132から1/4の導波
管波長ほど間隔をおいて配設されている。

スイッチ152は、管154内のガス体中に気体放電が生じて
いない時に開放、すなわち、スイッチオフされ、そこ
で、管154中のガス体はスイッチ導波管130を透過する定
在波電界に影響を与えない。しかし、管154内のガス体
中に気体放電が点弧されると、これがスイッチ導波管13
0中を伝播する定在波電界に影響を及ぼすこととなり、
スイッチ152が短絡プレート132から1/4導波管波長ほど
離隔しておれば、1/4導波管波長ほどそれを変移させる
こととなる。

ガス体156中の気体放電の点弧が、その気体放電の自己
点弧が生じるようなサイズである蓄積マイクロ波エネル
ギーの電界によるか、あるいは、そのガス体156中に生
じる前期電離によるかのいずれかによって、発生され、
そして、この電離は、第２乃至第５の実施例において説
明したものと全く同じ態様で実現される。

更に、Ｈ−Ｔ部材128は、スイッチ152がオフ、すなわ
ち、開孔160からマイクロ波蓄積構造体120中に蓄えられ
るマイクロ波エネルギーの過結合がない時に、その出口
３としても示されているその開孔160が折曲部136の方向
に減結合されるような態様に、配設されている。スイッ
チ152がオン、すなわち、気体放電が管154のガス体156
中に生じている時には、これは1/4導波管波長ほど変移
したマイクロ波蓄積構造体120中の定在波電界を有する
マイクロ波蓄積構造体120の離調を引起こすこととな
り、そこで、蓄積されたマイクロ波エネルギーが開孔16
0を経て折曲部136中、したがって、マイクロ波結合構造
体144中に結合されて、その中でそのマイクロ波エネル
ギーがガス体44中の気体放電を維持させるように作用す
ることとなる。

最も簡単化したケースとしては、第８の実施例におい
て、マイクロ波の終了直前、すなわち、結合されたマイ
クロ波エネルギーの電界がガス体156中のレーザガスが
自己点弧するほどのサイズとなった時点に、自己点弧に
よりガス体中の気体放電が生じるようにされる。

しかしながら、第２乃至第５の実施例におけると同じ態
様で、ガス体156中の前期電離により、マイクロ波パル
スの終了直前にスイッチ152を閉じるようにすることも
可能である。

マイクロ波結合構造体144中に結合されたマイクロ波エ
ネルギーにおける電解強度について可能な限り一様に減
少することを実現するために、結合導波管142は、それ
が折曲部136から短絡プレート150へ延びるにつれて、Ｙ
−孔へ先細りするように設計されており、それにより、
この方向に電解強度を減少させることが達成される。

第12図に示されている第９の実施例においては、同様
に、マイクロ波パルスがマイクロ波発生源10から、マイ
クロ波伝送路12および結合用開孔124を有するスクリー
ンにより同様に形成された結合部材122を経て、マイク
ロ波蓄積構造体120′中に結合される。このマイクロ波
蓄積構造体120′は、結合部材122に接合する第１の蓄積
導波管部分170と、その蓄積導波管部分170に結合する折
曲部172と、中央の蓄積導波管部分174と、それに続く折
曲部176と、第２の蓄積導波管部分178と、それに接合
し、短絡プレート180により終端されたスイッチ導波管1
80とを備えている。スイッチ導波管130と同様に、スイ
ッチ導波管180においては、スイッチ152と同様にスイッ
チ可能に設計されているスイッチ184が配設されてい
る。

更に、中央の蓄積導波管部分174には、マイクロ波結合
構造体144′をマイクロ波蓄積構造体120′に結合するた
めの数個の結合用スロット186が配設されている。この
マイクロ波結合構造体144′は、両端部において短絡プ
レート190および192により終端された直線状の導波管部
分188により形成されており、結合用スロット186を経て
マイクロ波蓄積構造体120′に結合されている。

結合用スロット186間の間隔は、導波管波長の半分とな
るように選定されており、更に、スイッチ184が開放さ
れている時には、マイクロ波蓄積構造体120′からマイ
クロ波結合構造体144′へマイクロ波エネルギーが結合
されないように配設されている。

スイッチ184が閉成されている時のみ、マイクロ波蓄積
構造体120内の定在波電電界が1/4導波管波長ほど変移さ
れ、それによって、エネルギーがマイクロ波蓄積構造体
120′からマイクロ波結合構造体144′中に結合される。

マイクロ波結合構造体144′は同様に気体放電管28によ
って貫通されており、短絡プレート190および192の開孔
194および196を通って突き出し、第１の端部36および第
２の端部38がそれぞれマイクロ波結合構造体から飛び出
している。２つの端部36,38には、既に詳細に述べた態
様で、ブルースター窓40および42が設けられており、ま
た、この共振ミラー46および48がそれぞれ互いに対向す
るように配設されている。

マイクロ波伝送路12を経てマイクロ波発生源10から結合
されるマイクロ波パルスについては、第８の実施例と同
じ態様によって、このマイクロ波パルスのエネルギーが
マイクロ波蓄積構造体120′に蓄えられる。スイッチ184
がマイクロ波パルスの終了直前において閉じられ、そこ
でマイクロ波蓄積構造体120′からマイクロ波結合構造
体144′へのマイクロ波エネルギーの結合が急激に生
じ、続いて、気体放電管28のガス体44中の気体放電がこ
のマイクロ波エネルギーによりそこに維持されることと
なる。

第８の実施例におけると同じ態様で気体放電を点弧する
ために、前期電離が与えられるか、あるいは、気体放電
が自己点弧により開始されるかのいずれかが行われる。

更に、第８および第９の実施例においては、マイクロ波
蓄積構造体120あるいは120′における定在波電界の少量
の変移によって、マイクロ波結合構造体144あるいは14
4′中に少量の過結合を実現しうる可能性もあり、それ
によって、マイクロ波結合構造体144あるいは144′中に
存在する範囲のガス体44中に前期電離を起こしうる「漏
洩電界（electric leakage field）」を得ることができ
るという可能性がある。そして、スイッチ152あるいは1
84がオンにされた後、マイクロ波蓄積構造体120あるい
は120′に蓄えられる全エネルギーがマイクロ波結合構
造体144あるいは144′中へ結合され、そこで、気体放電
がその結合されたマイクロ波エネルギーによって維持さ
れることとなる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体放電を点弧することのできるレーザガ
スで充たされた共振器およびガス体と、上記ガス体を包囲し、少なくとも部分的に気体放電を維
持するためのマイクロ波放電構造体と、マイクロ波パルスを発生するためのマイクロ波発生源
と、上記マイクロ波発生源から上記マイクロ波放電構造体へ
導くマイクロ波伝送路とを備えた特にエキシマパルスレーザシステムである気体
放電パルスレーザシステムにおいて、共振性のマイクロ波蓄積構造体（16,120）が、結合部材
（14,122）により上記マイクロ波伝送路（12）に結合さ
れており、かつ、上記ガス体（44）に導き、そして、少
なくともその一部分が上記マイクロ波放電構造体（20,1
44）および上記マイクロ波伝送路（12）の間に延在して
おり、および、上記マイクロ波蓄積構造体（16,120）が、気体放電の点
弧までの間に上記マイクロ波発生源（10）により放出さ
れたマイクロ波パルスからエネルギーを蓄積し、かつ、
気体放電の点弧後には蓄積されたエネルギーにより気体
放電を維持するように、設計され、かつ、上記結合部材
（14,122）によって上記マイクロ波伝送路（12）に結合
されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】第１項に記載された気体放電レーザシステ
ムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16,120）が、気体放電の点弧後
は、最大でマイクロ波パルスのマイクロ波パワーの２倍
のマイクロ波パワーをマイクロ波伝送路（12）中に帰還
結合するように、設計され、かつ、結合部材（14,122）
によってマイクロ波伝送路（12）に結合されていること
を特徴とするシステム。
【請求項３】第１項あるいは第２項に記載された気体放
電レーザシステムにおいて、マイクロ波放電構造体（20,144）内のマイクロ波の電界
ベクトル（Ｅ）が共振器の光軸（50）に垂直に向いてい
ることを特徴とするシステム。
【請求項４】第１項乃至第３項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波放電構造体（20,144）内における電界（Ｅ）
により透過されるガス体（44）の区域が、共振器の光軸
（50）の方向に該マイクロ波放電構造体（20,144）のカ
ットオフ波長の少なくとも1.5倍の長さを有しているこ
とを特徴とするシステム。
【請求項５】第１項乃至第４項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16,120）が、レーザパルスの継
続期間中にマイクロ波が進行する行路の約半分の長さを
有していることを特徴とするシステム。
【請求項６】第１項乃至第５項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16,120）が非誘導性の設計であ
ることを特徴とするシステム。
【請求項７】第１項乃至第６項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16）が、蓄積伝送路（18）およ
びマイクロ波放電構造体（20）を有することを特徴とす
るシステム。
【請求項８】第１項乃至第７項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16,120）が細長い共振構造体で
あることを特徴とするシステム。
【請求項９】第１項乃至第７項のいずれかに記載された
気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波蓄積構造体（16′）が閉じられたリング形状
の共振構造体であることを特徴とするシステム。
【請求項１０】第１項乃至第９項のいずれかに記載され
た気体放電レーザシステムにおいて、気体放電がガス体（44）中に自己点弧により点弧される
ことを特徴とするシステム。
【請求項１１】第１項乃至第９項のいずれかに記載され
た気体放電レーザシステムにおいて、気体放電が前期電離により点弧されることを特徴とする
システム。
【請求項１２】第11項に記載された気体放電レーザシス
テムにおいて、前期電離が電界（EV）により生成されることを特徴とす
るシステム。
【請求項１３】第12項に記載された気体放電レーザシス
テムにおいて、前期電離が電気的高周波電界により生成されることを特
徴とするシステム。
【請求項１４】第11項に記載された気体放電レーザシス
テムにおいて、前期電離が電磁気放射により生成されることを特徴とす
るシステム。
【請求項１５】第14項に記載された気体放電レーザシス
テムにおいて、前期電離が光学的に生成されることを特徴とするシステ
ム。
【請求項１６】第１項乃至第６項および第８項乃至第15
項のいずれかに記載された気体放電レーザシステムにお
いて、マイクロ波蓄積構造体（120）が、マイクロ波伝送路（1
2）に結合され、かつ、マイクロ波放電構造体（144）が
スイッチ部材（128,139）を介して結合されるようにな
っている蓄積導波管（126）を有していることを特徴と
するシステム。
【請求項１７】第16項に記載された気体放電レーザシス
テムにおいて、蓄積導波管（126）およびマイクロ波結合構造体が、ス
イッチ部材（128,130）がオンにされた時に、該蓄積導
波管（126）が最大でマイクロ波パルスのマイクロ波パ
ワーの２倍であるマイクロ波パワーをマイクロ波伝送路
（12）中に帰還結合するような態様で、相互に調整され
ていることを特徴とするシステム。
【請求項１８】第16項あるいは第17項に記載された気体
放電レーザシステムにおいて、スイッチ部材がＨ−Ｔ部材（128）を有することを特徴
とするシステム。
【請求項１９】第16項乃至第18項のいずれかに記載され
た気体放電レーザシステムにおいて、マイクロ波放電構造体（144）がガス体（44）中に本質
的に一定の電界（Ｅ）を発生する形状を有していること
を特徴とするシステム。