JPH084164B2 - 無線周波数励起気体レーザ - Google Patents

無線周波数励起気体レーザ

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JPH084164B2
JPH084164B2 JP61100820A JP10082086A JPH084164B2 JP H084164 B2 JPH084164 B2 JP H084164B2 JP 61100820 A JP61100820 A JP 61100820A JP 10082086 A JP10082086 A JP 10082086A JP H084164 B2 JPH084164 B2 JP H084164B2
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 （１）発明の分野 本発明は横方向気体放電によりRF（無線周波数）放電
により気体を励起するRF励起気体レーザーに係る。
（２）従来技術の説明 本発明は、その用途を限定されるものではないが、RF
励起気体レーザーと組合わせて使用するのに特に良く適
している。米国特許第4,169,251号、第4,352,188号、第
4,363,126号、第4,429,398号及び第4,443,877号明細書
には、二つの対向する導電性表面を使用し、それらの間
に横方向気体放電が発生されるRF励起気体レーザーが一
般的に開示されている。米国特許第4,169,251号明細書
には、放電電子と放電確立電極との無視し得る相互作用
を保証するべく十分に高いRF周波数に於いて横方向放電
により励起される導波管レーザーが開示されている。米
国特許第4,352,188号明細書には、少なくとも30MHzの周
波数に於ける横方向RF励起電圧がレーザー放電チャンバ
の両側の細長い電極の間に与えられるRF励起導波管レー
ザーが開示されている。複数個の分路インダクタンス
が、レーザー放電チャンバの長さに沿う伝送線反射係数
の位相角の変化を補償する負のアドミッタンスを生ずる
べくチャンバの長さに沿う周期的に間隔をおかれた位置
でチャンバの外部の対向電極の間に結合されている。そ
れにより、励起電圧により発生されるレーザーチャンバ
に沿う電圧定在波比（VSWR）の大きさの変化が減ぜられ
ている。
本願の発明者により発明された米国特許第4,363,126
号の明細書には、誘導性要素をレーザー放電チャンバの
抵抗及びキャパシタンスと並列に置くことにより放電チ
ャンバの複素インピーダンスの実数部が駆動発振器の出
力インピーダンスに整合されている共振周波数を有する
同調回路を使用するRF励起気体レーザーが開示されてい
る。インダクタンスの値は、誘導性要素の追加により生
ずる放電チャンバ同調回路の共振周波数がレーザーのRF
駆動周波数に対して予め定められた関係を有するように
選定されている。入力回路は放電チャンバのインピーダ
ンスの虚数部を補償する。
RF励起気体レーザーと組合わされる原理的な技術的問
題点は、レーザーの電気的長さ又はレーザーの励起周波
数の増大に起因する伝送線効果であり、レーザーの電気
的長さはレーザーの励起周波数及び物理的長さに比例し
ている。レーザーの電気的長さの増大は放電の均等性に
不利に影響する傾向があり、その結果としてレーザーの
作動効率及び得られる出力パワを減じ、レーザーの単位
長さあたりの出力パワの減少を招く。従来のRF励起気体
レーザーの他の原理的な欠点は、RF駆動源と気体放電と
の間の非効率的なパワ伝達である。
発明の概要 本発明の一般的な目的によれば、横方向RF励起気体レ
ーザーに使用するのに特に適した新規にして且つ改良さ
れたRF変成器は長手方向の放電の均等性の改良とRF気体
レーザー内の放電領域又は気体放電へのパワ伝達の改良
とにより従来技術の欠点の多くを克服する。RF変成器と
組合わされる診断技術はRF変成器の出力インピーダンス
レベル及びRF変成器に沿う長手方向の電圧変化に関する
情報を与える。この技術は気体放電チャンバに沿う相対
的電圧変化を決定するのに有用である。
簡潔に述べると、本発明は狭い細長い空胴を郭定する
RF変成器を含んでいる。好ましい実施例では、四つの細
長い導電性要素が空胴内に間隔をおいて配置されてい
る。第一及び第四の要素は接地されている。25MHzない
し1,000MHz範囲の電圧を生ずる電力源が第一及び第二の
導電性要素の間に与えられる。導電性要素の二つ、例え
ば第一及び第三の要素、の間の誘導性接続は第三及び第
四の導電性要素の間で測定される一層高い出力電圧の確
立を可能にする。出力電圧は空胴の長手方向軸線に沿っ
て実質的に変化しない大きさを有し、また第３及び第四
の導電性要素の間の領域に予め確立されたインピーダン
ス変換を与える。好ましい応用では、第三及び第四の要
素の間の領域はRF励起気体レーザーの横方向気体放電チ
ャンバを含んでおり、第一及び第二の導電性要素の間及
び第二及び第三の導電性要素の間の領域は好ましくは低
損失誘電性材料により実質的に占められている。
変成器内の出力インピーダンスレベル及び変成器に沿
う電圧変化を測定するための診断技術は、変成器出力間
隙内へ摂動物体を導入することにより成就される。摂動
物体は変成器出力間隙内に種々の位置で挿入され、また
入力VSWRレベルの対応する挿入された周波数シフトが所
望の絶対的又は相対的な場情報を与える。
好ましい実施例の詳細な説明 図面を参照すると、いつかの図面を通じて同一の部分
には同一の参照符号が付されており、本発明によるRF変
成器は全体として参照符号10を付されている。RF変成器
10はRF励起気体レーザー内の気体放電に励起電圧を供給
するのに使用するために特に良く適している。RF変成器
10の好ましい応用は導波管レーザーに於ける応用であ
る。しかし、本発明は、光共振器が自由空間安定又は非
安定モードをサポートするRF励起気体レーザーにも、RF
変成器を必要とする多くの他の応用にも使用され得る。
第１図を参照すると、RF変成器10の基本的な幾何学的
特性及び関係が示されている。細長い実質的に長方形の
ハウジング14が細長い長手方向に延びている空胴16を郭
定している。空胴16は均等な実質的に長方形の断面を有
する。細長い接地された導電性要素18がハウジング14の
壁に固定されて空胴16の頂に取付けられている。導電性
要素18はハウジング14の内壁と電気的に接続しており、
また一般的に空胴16の中心長手方向軸線に対して長手方
向に実質的に平行に延びている。導電性要素18は均等な
厚み及び均等な幅を有する。
細長い形態の第二の導電性要素20及び第三の導電性要
素22が間隔をおいて支持されており、また典型的に要素
18に対して実質的に平行に向けられている。導電性要素
20は要素18と20との間に配置されている。導電性要素20
及び22は実質的に均等な厚みを有する細長いセパレータ
ストリップ24により隔てられている。ストリップ24は
“テフロン”又はアルミニウム酸化物セラミックス材料
のような低損失誘電体材料から成っている。全体として
参照符号26を付されている銅線が要素18を要素22に電気
的に接続している。銅線26は変成器インダクタンスを形
成するべく多数のターン又は誘導性ユニットを形成する
べく構成されている。銅線26及び特に形成された誘導性
ユニットは実質的に、要素18と20との間に位置する空胴
16の領域を占めている。銅線26の図示されているターン
又は巻線はもちろん概要を示すものである。
細長い接地された板28もハウジング14に電気的に接続
されており、また典型的にハウジング14の底板に固定し
て取付けられている。板28は通常は要素22に対して平行
に向けられている。接地板28と要素22との間の領域は放
電空胴領域29を郭定する。変成器10がステップアップ変
成器として作用する時、要素18及び20は変成器に対する
入力端子として機能し、また要素22及び接地板28は出力
端子として機能する。ハウジング14は、ハウジングが変
成器インダクタンスに対して相対的に低いインダクタン
スを有するように選定された長方形、円筒形又は他の形
態であってよい。前記の変成器は好ましくは、要素22と
接地板28との間の放電空胴29が実質的にどの回路磁場か
らも自由であるように構成されている。第１図の変成器
はたとえば150MHzに於いて高電圧RF信号を発生するのに
使用され得る。
要素22と板28との間の間隔は、図示されていない手段
により要素29をそれよりも小さい又は大きい高さの要素
と置換することにより他の寸法に変更され得る。負荷キ
ャパシタンスの変化は変成器の作動周波数に影響するの
で、インダクタ26の長さはキャパシタンスの変化を補償
するべく変更されなければならない。所与の作動周波数
に対して、もし領域29の間隙が増大されるならば、イン
ダクタ線26の長さは長くされなければならず、もしく
は、もし小さい変化のみが必要とされるならば、インダ
クタ26を形成する線は同一の長さに保たれ、ただし一層
小さい直径の材料から形成されなければならない。
所与の作動周波数に対してインピーダンス変換比は要
素18及び22の位置に対して相対的に要素20の位置を動か
すことにより変更され得る。要素18は接地された要素で
あるから、要素24が一層厚く又は一層薄くされるべきか
を容易に決定する一つの方法は、要素18、20、22、24及
び26を単一ユニットとして逆にすることである。このこ
とは要素20を接地に近づくように効果的に移動させ、ま
た一層高い変成器インピーダンス比を発生する。しか
し、要素20及び22は、もし長手方向寸法に沿う一定のイ
ンピーダンス比が保たれるべきであれば、一定の間隔を
有さなければならない。
第２図を参照すると、RF励起レーザー内へ組入れるた
めに適した代替的なRF変成器の実施例が全体として参照
符号12を付して示されている。ハウジング30はアルミニ
ウムの立方体から形成されており、一つの実例では3in.
（7.54cm）の辺を有した。ここに説明する例では2.250i
n.（5.72cm）の直径を有する中心孔32はハウジングの両
側面を通って長手方向に延びている。要素18及び板28
は、第１図の実施例と同じく、接地されている。
光導波放電チャンバ34が要素22と接地板28との間に、
また（破線で示されている）誘電体スペーサ36及び38と
平行に郭定されている。要素22、28、36及び38は0.090i
n.2（0.58cm2）のオーダーの均等な横方向寸法と約2.51
in.（6.35cm）の図面の紙面に対して垂直な長さとを有
する光空胴を形成するべく間隔をおかれている。空胴は
さらにレーザー放射を共振させるため（図示されていな
い）通常の鏡により郭定され得る。RF発振器48は、内側
導電体46が導電性要素20に電気的に接続されている同軸
ケーブル45を介して電力を供給する。内側導電体46は、
要素20に向けて延ばされておりまた要素20に対してほぼ
垂直に配置されている筒形絶縁体44により包囲されてい
る。発振器48及び同軸ケーブル45は50Ωの標準的実出力
インピーダンスを有する。
RF変成器12に対する簡単化された複合等価回路が第３
図に示されている。縦伝送線効果は、変成器構成要素の
長さが0.03波長よりも短いので無視され得る。接地され
た導電性要素18と中間の接地されていない導電性要素20
との間の分布キャパシタンスはCAで示されている。接地
されていない導電性要素20と導電性要素22との間のキャ
パシタンスはCBで示されており、また要素18及び22を設
続する線26の直列インダクタンスはＬで示されている。
インダクタＬの等価分路損失はR0で示されている。変成
器ハウジング囲いのインウンクタンスはLWで示されてい
る。変成器が負荷されるべきキャパシタンスはCLで示さ
れている。変成器が負荷されるべき抵抗はRLで示されて
いる。
もし変成器インダクタンスＬが変成器に対する種周波
数領域内でハウジングのインダクタンスLWにくらべて大
きければ、負荷キャパシタンスCL及び負荷抵抗RLは変成
器構成要素と実効的に並列である。後者の関係に対する
等価複合回路は第４図に示されている。従って、変成器
の構成要素は幾何学的又は機械的に直列に配置されてい
るけれども、複合回路では変成器10の共振分割回路がそ
の無効性負荷と実効的に並列になっている。実際には変
成器インダクタンスがCA及CBキャパシタンスと並列であ
る必要はないけれども、第４図がRF変成器10の好ましい
特性を示すためのフレームワークを与える概念モデルで
あることは理解されよう。従って、若干の設計自由度が
変成器電圧の長手方向分布を変更するのに使用され得
る。
RF変成器12の一つの実施例では、変成器インダクタ26
は12in.（30.5cm）の長さ及び0.035in.（0.089cm）の直
径を有する銅線の単一片から形成された。領域18と20と
の間の領域は0.700（1.78cm）の厚みを有する“テフロ
ン”材料の層により占められた。ストリップ24も0.250i
n.（0.635cm）の厚みを有する“テフロン”材料から成
り、また導電性要素22と28との間の均等間隔は0.093in.
（0.236cm）であった。要素18、22、24及び28はすべて
0.700in.（1.78cm）と0.805in.（2.04cm）との間の幅で
あり、またストリップ20は0.420in.（1.07cm）の幅、1.
8in.（4.57cm）の厚み、1.8in.（4.57cm）の長さであ
り、144MHz付近での作動が意図された。
等価電気回路要素CA、CB、Ｌ及びR0を含む第４図の左
側部分を参照すると、変成器インダクタンスＬの等価分
路損失R0の一般的に大きな値が CB 2/（CA＋CB） に比例するステップダウン比を有するCA及びCBの容量性
分割器によりそれよりも低い値にステップダウンされ
る。
この関係は、実数（Re）成分及び虚数（Im）成分が Re＝〔R0w2L（CA＋CB）｛（w2LCB −１）−（w2LCT−１｝／〔｛w2 Ｌ（CA＋CB）｝２＋｛R0w（CA＋ CB）（w2LCT−１｝２〕 Im＝〔−（CA＋CB）｛wL（w2L）＋ｗ R0 2（w2LCB−１）（w2LCT− １）｝〕／〔｛w2L（CA＋CB）｝２ ＋｛R0w（CA＋CB）（w2LCT− １｝２〕 である変成器入力インピーダンスに対する一層完全な表
現から導き出され、また角周波数ｗ＝２πｆ及び CT＝CACB/（CA＋CB） が w2LCT＝１ により関係付けられるという条件を受ける。
インピーダンス座標内で、第５図に示されているよう
に、曲線50の変成器入力インピーダンス軌跡が、RLが無
限大であり且つこれらの座標に対する極中心が50Ωに正
規化されている時に上記の変成器パラメータに従って発
生される。曲線52は、5660ΩのDC抵抗を有する無誘導炭
素抵抗器が第２図の装置の要素18と22との間に接続され
た時に発生され、曲線50及び52の双方により140MHzない
し150MHzの周波数掃引にわたり11MHz周波数マーカーに
より一層完全に分解されている。
無負荷の変成器の場合には、R0のみが回路損失の主構
成要素であり、また変成器作動は、値がまだ決定されて
いないR0を50Ωに下げるのに変成比13が十分に大きいと
仮定することにより．される。もしこのことがが望まれ
たならば、CAは増大されなければならず、この場合には
第２図の要素18と20との間のの間隔が一層小さくされな
ければならないであろう。このことは例えば要素18、2
0、22、24及び26により定められる構造を全ユニットと
して逆にすることにより実現され得る。しかし、上記の
ように、変成比はR0の大きい値を50Ωに下げるのに十分
に大きくないので、変成器パラメータは明らかに分路損
失の一層小さい値を50Ωに下げるのに一層適している。
第５図の曲線52は前記のように5660Ω抵抗器を接続する
ことによりこの関係を示すべく発生された。
負荷された変成器の場合の入力インピーダンスが143M
Hzと144MHzとの間の狭い周波数にわたり約50Ωの終端と
して表され得ることは理解されよう。変成器入力ポート
から反射される入射パワの百分率はこの周波数領域内で
非常に小さく、従って反射されるパワと143MHzと144MHz
との間の周波数との関係を示すプロットはこの周波数間
隔内に深いノッチを有するものとして概念的に考えられ
得る。明らかに負荷キャパシタンスの少しの増大がこの
ノッチを少し低いほうの周波数に変位させる。このこと
は、要素22と板28との間の実際間隔を少し減少するこ
と、もしくは要素22と板28との間に形成されるキャパシ
タ内に小さい導電性摂動物体を挿入して要素22と板28と
の間の実効間隔を局部的に減少し、それにより導電性摂
動物体の体積からCLの電場内に蓄積されるエネルギーを
局部的に変位させることにより実現され得る。
等価回路60内の負荷抵抗Ｒが開いた回路を表す場合に
対しては、回路60を記述する三つのパラメータは共振周
波数f0と、回路の無負荷のＱであるQ0と、インダクタＬ
の等価分路損失R0と回路の負荷時のＱとの比R0/Q0とで
ある。回路60の負荷抵抗RLが開いた回路でない場合に
は、回路60を記述する三つのパラメータはf0と、回路の
負荷時のＱ（QL）と、全等価分路損失と回路の負荷時の
Ｑとの比（RT/QL）（ここで全等価分路損失はR0及びRL
の並列組合わせである）とである。
もし小さい導電性物体が領域34内に、又は負荷キャパ
シタンスCLの領域を郭定する要素22と板28との間の領域
内に導入されれば、導電性物体は導電性物体により占有
される負荷キャパシタンスの領域から局部電場を変位さ
せることにより電場エネルギー密度を少し増大する。回
路入力ポートが局部VSWR最小を有する共振周波数は、要
素22と板28との間の実効間隔の減少に対応する少し低い
ほうの周波数にシフトする。もし領域が磁場から自由で
あれば、低いほうの共振周波数へのシフトは磁場の摂動
に起因する高いほうの周波数への補償効果により伴われ
ない。もし負荷キャパシタンスCLの領域の内部の回路電
場がハウジング30の隣接囲い壁のフリンジング回路場に
くらべておおき大きいならば、またもし負荷キャパシタ
ンス領域34内の電場が変成器の導電性表面の間の誘電体
材料内の電場にくらべて大きいならば、下式の関係が適
用可能である。
R0/Q0＝−1K2（Ｓ）2df/ πe0K1（f0）2dv ここで、 Ｓは負荷キャパシタンスを郭定する導電性要素22と28
との間の間隔であり、 e0は要素22と28との間の自由空間の透磁率であり、 f0は回路の共振周波数であり、 dfは領域34内への小さい導電性物体の導入の結果とし
ての共振周波数の測定された周波数シフトであり、 dvはキャパシタンス領域内へ導入された小さい導電性
物体の体積であり、 K1は摂動物体の形状と物体が物体の周囲の局部電場に
対して整合される仕方との関数である定数であり、 K2は、もしCLの間隙が回路電場をすべてを本質的に含
んでいるならば、ほぼ１の値である定数である。
もし摂動領域が回路電場のすべてを実質的に含んでい
るならば、またもし摂動物体が間隔Ｓよりもはるかに小
さい高さを有する円筒状部材であり且つ物体の円形の端
が電場に垂直に整合するならば、K1/K2は近似的に１で
ある。この近似では、回路内の場の分布が回路損失に依
存せずに回路のジミメトリに依存するで、負荷時及び無
負荷時の双方に対して測定される周波数シフトは実質的
に同一である。
R/Qの測定された値は、下記の関係が保たれるので、
変成器の出力インピーダンスレベルを推定するべく、測
定された回路のＱと組合わされ得る。
Ｒ＝（R/Q）Ｑ 第２図に示されているようなRF変成器に対して、第１
表に示されているような高さＨ及び体積dvを有する円筒
状黄銅ボタンの形態の三つの分離した摂動物体が負荷キ
ャパシタの領域34内へ導入された。領域34は0.093in.
（0.236cm）の均等な高さ、0.750in.（1.91cm）の幅及
び2.51.（6.35cm）の長さを有した。
第１表 Ｈ〔in.（cm）〕 dv〔cm3〕 物体１ 0.031（0.078） 68.7 物体２ 0.020（0.051） 28.0 物体３ 0.020（0.051） 18.8 黄銅物体の長手方向軸線は要素22及び板28の平行な長
手方向軸線に垂直に整合された。第１表の三つの物体に
対して観察された周波数シフト及び測定された回路のＱ
は、透過回路60が負荷されない場合に対して第２表に示
されている。
第１表の三つの物体に対する周波数シフト及び測定さ
れた負荷された回路のＱ及び測定された負荷された回路
のＱは、等価回路60が5,660Ωで負荷されている場合に
対して第３表に示されている。
負荷されていない変成器の場合には、選択された変成
器パラメータ及びR0の大きい値を伴う不整合に起因して
VSWRがむしろ広いことは理解されよう。このような場合
には、18.8mm3の摂動物体により惹起される260kHzの周
波数シフトの分解を容易にするべく、第７図に示されて
いるような整合回路網70が掃引周波数RF源と変成器との
間に挿入され得る。
第１表、第２表及び第３表のデータと定数K1及びK2へ
のR/Qの依存性とに関するいくつかの観察がなされるべ
きである。一つは、等しい物体の周波数シフトは期待さ
れるように負荷時及び無負荷時の双方に於いて実質的に
同一であることである。もう一つは、第３表の高い分解
データでは摂動物体の単位体積あたりの周波数シフトは
同一の高さの二つの物体に対しては実質的に同一である
が、高さが高い物体に対しては著しく小さく、従って
K1、K2の役割とＨがＳにくらべてどのように大きいべき
かを示すことである。
例えば、4in.（10.2cm）幅、4in.（10.2cm）高さ、6i
n.（152cm）深さの外側寸法を有する1/8in.（0.318cm）
壁厚を有する若干大きい囲いのなかでは、変成器は1/4i
n.（0.635cm）直径の5.25in.（13.3cm）の長さの銅管か
ら製作された単一変成器インダクタにより0.250in.（0.
635cm）の高さの出力間隙を有するものとして構成され
た。223.10MHzの周波数に於いて851.3の無負荷時のＱが
達成され、また12.9mm3のボタンを使用する摂動技術に
より163.9のR/Qが測定された。この回路が15,200Ωの直
流抵抗を有する炭素抵抗器により負荷された時、負荷時
のＱ及びR/Qはそれぞれ96.0及び163.9であった。従っ
て、直流抵抗器は15,200Ωの期待される直流値に非常に
近い15,700Ωの負荷効果を有した。
変成器作用は、変成器入力及び出力の電場が強く結合
される時に発生される。こううして構成された変成器の
内部の場の摂動と組合わされる診断技術は、変成器の実
際出力インピーダンスレベルに関する詳細な描写が得ら
れることを示す。RF変成器12は、例えば、20WのRF源が
要素18及び20の両端の入力ポートに与えられる時、要素
22と要素28との間の間隙の両端に1,000Vを超えるピーク
−ピークRF電圧を発生し得る。
本発明によれば、高出力レーザーに有用なジオメトリ
を図解するのに適した電気的に細長くされたRF変成器が
第６図中に全体として参照符号80を付して示されてい
る。“テフロン”材料のストリップ82が要素22と28との
間に挿入されている。ストリップ82は、一つの実施例で
は、0.200in.（0.508cm）の高さ、0.900in.（2.286cm）
の幅、21.625in.（54.93cm）の長さであった。長方形の
スロット84がストリップ82の長手方向中心線に沿って対
称に機械加工されている。スロット84は0.310in.（0.78
7cm）の幅、0.140in.（0.356cm）の深さであった。0.75
9in.（1.91cm）の厚みを有する“テフロン”材料の第三
のストリップ90が要素20及び22を平行に間隔をおいた関
係に保つ。インダクタ92、94、96及び98は導電性要素18
と22との間に電気的に接続されている。上記のインダク
タは0.050in.（0.127cm）直径の銅線から製作されてい
る。誘導性線の各々の長さｌ〔in.（cm）〕及び端供給
点からの平均軸線方向位置Ｚは第４表に示されている。
第４表 ｌ〔in.（cm）〕 ｚ〔cm〕 インダクタ92 5.9（15.0） 10 インダクタ94 8.4（21.3） 11.5 インダクタ96 7.4（18.8） 34 インダクタ98 7.9（20.1） 48 さらに第６図を参照すると、接続の点、ターンの数及
び接続の仕方、すなわち入力ポートに対して相対的な接
地端の方向付けは各変成器形態に対するインダクタに対
して変更され得る。開示される実施例では、インダクタ
の各々が要素18に接続されている座標は、各インダクタ
が要素22に接続されている座標よりも小さい。すなわ
ち、接続点の垂直オフセットが存在する。予め確立され
たインダクタンス分布に対応する予め決定された電圧分
布を生ずるべく所望のように前記の関係が逆に又は交互
にされ得ることは理解されよう。実際には、駆動周波数
が選定され、またインダクタが製造される。インダクタ
は次いで以前の経験に基づいて初期接続点と接続され
る。次に、インダクタが所望の周波数を達成するべく変
更される。例えば、回路網アナライザが、VSWR最小が選
定された周波数に位置するか否かを判定するために使用
され、もし判定の結果が否であれば、インダクタが物理
的に変更される。その後に、本発明の測定技術が、スロ
ット84、例えばCLに沿う周波数シフトがすべての点に於
いて同一であるか否かを判定するために使用される。も
し周波数シフトが実質的に一定でなければ、インダクタ
が変更され且つ（又は）インダクタの接続の点が変更さ
れる。上記の過程は、所望の結果が達成されるまで、繰
り返して行われる。
第６図の変成器の内部の場は、薄い10lb.（4.53kg）
のテスト用単フィラメント・フィッシング線に摂動物体
を取付け、また摂動物体をスロット84に沿ってストリッ
プ82を通じて引くことによりアクセスされ得る。これら
の測定のために、高さ0.032in.（0.081cm）で体積39.0m
mの円筒状の摂動物体が使用された。
0.125in.（0.318cm）の空気間隙を生ずるようにスト
リップ87が除去された一つの場合に対して、鋭いVSWR最
小が138.900MHzに於いて生じ、また59kHzの平均周波数
シフトが、28.4のR0/Q0値を与える変成器構造に沿って
いくつかの位置Ｚで測定された。スロット付きストリッ
プ82が第６図に示されている位置にある時、VSWR最小が
148.600MHzに於いて生じ、また317.5の無負荷回路のQ0
が測定された。ボタンが軸線方向スロット84を移動する
につれて、平均R0は±15％の推定不確かさで約9,200Ω
であることが決定された。
第８図を参照すると、周波数シフト〔kHz〕と軸線に
沿う距離Ｚ〔cm〕との関係がグラフで示されている。曲
線100は0.032in.（0.081cm）の高さ及び39.0cm3の体積
を有する摂動ボタンに対してスロット84に沿う5cm間隔
での周波数シフトの測定結果を示す。148.8MHzのVSWR最
小が得られた。曲線104、106及び108は多数の異なる周
波数に於けるより大きい長方形摂動物体に対する場の均
等性を示す。高出力、144.5MHzに周波数を同調された7W
のRF源が特に強調されている。なぜならば、関心のある
領域内の任意に選択された周波数に於けるVSWRの分解を
強調するべく回路70のような外部整合回路を使用して14
0、160及び144.5MHzのVSWR最小がそれぞれ曲線104、106
及び108に対して得られたからである。
第８図の曲線110は、要素18及び22へのインダクタの
接続の点の座標を逆にすることにより変成器80が変更さ
れている場合に対して周波数シフトとスロット84に沿う
摂動物体の距離との関係を示す。
第９図に関して、曲線112は金属摂動物体に対して922
MHzに於いて自然に生ずるVSWR最小に対して周波数とス
ロット84に沿う距離との関係を示すプロットである。曲
線114はセラミックス摂動物体に対類似のプロットであ
る。上記のデータは正の周波数シフトが磁場に対するも
のであることを示す。なぜならば、曲線114の絶縁体は
電場内に蓄積されたエネルギーのみを摂動するからであ
る。
第９図のデータはRF源とRF変成器との間にインピーダ
ンス整合回路を使用せずに取られた。曲線104、106及び
108により表されるデータは第７図の回路のような整合
回路を使用して得られた。第９図のデータは、もし横方
向励起気体放電回路が関心のある周波数に於いて自然に
生ずるVSWR最小を有するならば、詳細な内部場情報が、
放電が望まれる容量性空間内への摂動物体の導入と組合
わされたVSWR最小を測定することにより得られることを
示す。第８図の曲線106は、たとい160MHzのプロービン
グ周波数が148.8MHzに於いて自然に生ずるVSWR最小の周
波数と一致しなくても、摂動物体により生ぜしめられる
VSWR最小のシフトが、もし外部整合回路が使用されるな
らば、分解され得ることを示す。外部回路がその自然に
生ずるVSWR最小から遠く離された高いＱ、例えばQ0＝31
7.5の放電回路に対しても使用される時、周波数の測定
された空間的変化は、観察された周波数シフトは消滅し
ているけれども、保たれている。こうして、単に相対的
場情報が望まれる時、小さい物体により誘起される周波
数シフトが外部回路の帯域に対して相対的に小さいかぎ
り、外部回路が小さい摂動物体の周波数シフトを分解す
るのに十分に深いノッチを発生するべく使用され得る。
摂動技術の明らかな効用は、構造を物理的又は機械的
に変更せずに、レーザーの内部場に関する相対的情報を
取り出すのに使用され得るいくつかの関連付けられる方
法が存在することである。電気的な立場から電圧もしく
は電流プローブの導入による二次効果又は二次補正が考
慮に入れられる必要がないことは理解され得る。
第８図の曲線108のデータは、放電励起源自体のよう
な一層高いパワのRF源もこの目的に使用され得ることを
示す。本技術が詳細に使用される時、種々の変成器回路
の実際出力インピーダンスレベルに関する絶対的情報が
数1,000Ωの出力レベルまで得られる。
本発明によれば、第２図のハウジング内に囲まれた第
６図の細長い変成器は、CO2レーザーとして使用される
時、下記の特性を有した。要素28は0.625in.（1.59cm）
幅、0.500in.（1.27cm）高さ、36.7cm長さのアルミニウ
ムから製作された。要素82は0.950in.（2.41cm）幅、0.
196in.（0.498m）高さ、38cm長さの二つの同一のアルミ
ナのストリップから製作され、その各々はその長手方向
中心線に沿って0.250in.（0.635m）幅の半円形溝（84）
を有し、こうして円筒状の気体放電体積が郭定された。
要素22は0.625in.（1.59cm）幅、0.250in.（0.635cm）
高さ、36.7cm長さのアルミニウムから製作された。要素
90は0.625in.（1.59cm）幅、0.525in.（1.334cm）高
さ、38cm長さのアルミナから製作され、変成器インダク
タンスのための線の通過を許すべく各々0.094in.（0.24
cm）の28個の孔を有した。要素20は0.400in.（1.02cm）
幅、36cm長さで0.020in.（0.051cm）厚みの黄銅シート
であった。要素88は電気的に、0.225in.（0.572cm）高
さ、0.625in.（1.59cm）幅、38cm長さのアルミナ“窓フ
レーム”ホルダーを有する0.400in.（1.02cm）幅、0.22
5in.（0.572cm）高さ、36cm長さの“テフロン”スペー
サであった。また要素18は0.625in.（1.59cm）幅、0.24
5in.（0.622cm）高さ、38cm長さのアルミニウム片であ
った。第２図の細長いハウジングは全長41.6cmであり、
146MHz付近での作動用であった。インダクタは第５表に
示されているとおりであった。
CO2レーザーとして作動する時、146.520MHzの周波数
に於いて170WのRFによりほぼ25Torrの圧力に於いて１−
１−6:CO2−空気−He気体混合物をポンピングすること
により6.35mm直径で37cm長さのゲイン媒体が発生され
た。平らな95％反射ZnSe出力カップラ及び平らな最大反
射率圧縮シリコン鏡から形成された光空胴が1.9のフレ
ネル数を有する光共振器の多モード出力パターン特性を
発生した。
以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例について
説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能
であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第一の実施例によるRF変成器を示す、
切欠かれた概略斜視図である。 第２図は本発明のRF変成器の第二の実施例の側立断面図
である。 第３図は第２図の変成器に対する簡単化された等価回路
の回路図である。 第４図は第２図の変成器に対する等価複合回路の回路図
である。 第５図は第３図の回路の測定された入力インピーダンス
と入力周波数との間の関係を示すグラフである。 第６図は本発明によるRF変成器の第三の実施例の切欠か
れた概略斜視図であり、第６図の変成器はそのなかに閉
じ込められた気体放電を発生させるべく構成されてい
る。 第７図は第６図の変成器と共に使用される整合回路の回
路図である。 第８図は第６図の変成器に対する相対的場分布を示すグ
ラフである。 第９図は第６図の変成器に対する他の場分布を示すグラ
フである。 10……RF変成器、14……ハウジング、16……空胴、18、
20、22……導電性要素、24……セパレータストリップ、
26……銅線（インダクタ）、28……接地板、29……放電
空胴、30……ハウジング、32……中心孔、34……放電チ
ャンバ、44……筒形絶縁体、45……同軸ケーブル、46…
…内部導体、48……発振器

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】RF励起気体レーザーにして、第一の接地さ
    れた導電性表面及び第三の接地されていない導電性表面
    とを有し、前記第一及び第三の導電性表面はそれらの間
    に内部キャパシタンスCXを郭定しており、前記第三の接
    地されていない導電性表面は地面に対し前記内部キャパ
    シタンスCXに対しては外側にあるキャパシタンスCLを有
    しており、更に前記レーザーは前記第一と第三の導電性
    表面の間に配置された第二の接地されていない導電性表
    面を含みこれによって前記内部キャパシタンスCXは直列
    に接続されたキャパシタンスCA及びキャパシタンスCBに
    分けられており、前記導電性表面の二つの間に少なくと
    も第一の誘電性手段が接続されており、前記第二及び第
    一の導電性表面の間にRF周波数の駆動電圧を供給する手
    段が設けられておりこれによって前記レーザーに電力が
    供給されており、前記電圧供給手段にはRF周波数駆動電
    圧を発生する手段が連結されており、前記キャパシタン
    スCLの容量性領域内には気体放電室を郭定する手段が設
    けられており、該気体放電室は光学的空洞を有する手段
    を郭定しており、前記室内には圧縮された気体が封入さ
    れているRF励起気体レーザー。
  2. 【請求項２】前記誘導性手段は前記第二及び第三の導電
    性表面の間に電気的に接続されている特許請求の範囲第
    １項のRF励起気体レーザー。
  3. 【請求項３】前記誘導性手段は前記第一と第二の導電性
    表面の間に電気的に接続されている特許請求の範囲第１
    項のRF励起気体レーザー。
  4. 【請求項４】前記誘導性手段は前記第三の導電性表面と
    地面との間に電気的に接続されている特許請求の範囲第
    １項のRF励起気体レーザー。
  5. 【請求項５】前記気体放電室は導波レーザーをなす手段
    を郭定している特許請求の範囲第１項のRF励起気体レー
    ザー。
  6. 【請求項６】RF励起気体レーザーにして、第一の接地さ
    れた導電性表面及び第三の接地されていない導電性表面
    とを有し、前記第一及び第三の導電性表面はそれらの間
    に内部キャパシタンスCXを郭定しており、前記第三の接
    地されていない導電性表面は地面に対し前記内部キャパ
    シタンスCXに対しては外側にあるキャパシタンスCLを有
    しており、更に前記レーザーは前記第一と第三の導電性
    表面の間に配置された第二の接地されていない導電性表
    面を含みこれによって前記内部キャパシタンスCXは直列
    に接続されたキャパシタンスCA及びキャパシタンスCBに
    分けられており、前記導電性表面の二つの間に少なくと
    も第一の誘電性手段が接続されており、前記第二及び第
    一の導電性表面の間にRF周波数の駆動電圧を供給する手
    段が設けられておりこれによって前記レーザーに電力が
    供給されており、前記電圧供給手段にはRF周波数駆動電
    圧を発生する手段が連結されており、前記キャパシタン
    スCLの容量性領域内には気体放電室を郭定する手段が設
    けられており、該気体放電室は光学的空洞を有する手段
    を郭定しており、前記室内には圧縮された気体が封入さ
    れており、更に第四の導電性表面が設けられており、該
    第四の導電性表面は前記第三の導電性表面により隔置さ
    れ且つ前記第三の導電性表面の前記第二の導電性表面と
    は反対の側に配置されており、前記キャピャシタンスCL
    は前記第三と第四の導電性表面の間の値であるRF励起気
    体レーザー。
  7. 【請求項７】前記誘導性手段は前記第三と第四の導電性
    表面の間に電気的に接続されている特許請求の範囲第６
    項のRF励起気体レーザー。
  8. 【請求項８】RF励起気体レーザーにして、 電気的に接地された導電性の第一の板と、 前記第一の板より隔置され電気的に接地された導電性の
    第二の板と、 前記第一と第二の板の間に配置されて前記第一の板との
    間にキャパシタンスCAと容量性手段とを有する導電性の
    第三の板と、 前記第二と第三の板の間に配置され前記第三の板との間
    にキャパシタンスCBと容量性手段とを有しこれによって
    前記第一の板との間にキャパシタンスCA及びCBを含むキ
    ャパシタンスCXを確立し又前記第二の板との間にキャパ
    シタンスCLを郭定する導電性の第四の板と、 前記第二と第四の板の間に配置され光学的空洞を含む気
    体放電室を郭定する手段と、 前記第三又は第四の板のいずれか一方と前記板の更に他
    の一つとの間に接続された回路インダクタンスを郭定す
    る手段と、 前記第三又は第四の板の一つに駆動電圧を供給しこれに
    よって前記空洞内の気体を励起するレーザーに電力を供
    給する手段と、 前記電力供給手段へ供給された電力のうちそれより反射
    される電力の最小値に実質的に相当する周波数のRF周波
    数駆動電力を発生しそれを前記電力供給手段に供給する
    手段と を含むRF励起気体レーザー。
  9. 【請求項９】前記インダクタンス郭定手段は前記第三の
    板と前記の接地された板の一つとの間に電気的に接続さ
    れたインダクタを含む特許請求の範囲第８項のRF励起気
    体レーザー。
  10. 【請求項１０】前記インダクタンス郭定手段は前記第四
    の板と前記の接地された板の一つとの間に電気的に接続
    されたインダクタを含む特許請求の範囲第８項のRF励起
    気体レーザー。
  11. 【請求項１１】前記インダクタンス郭定手段は前記第三
    と第四の板の間に電気的に接続されたインダクタを含む
    特許請求の範囲第８項のRF励起気体レーザー。
  12. 【請求項１２】前記第三及び第四の板は該板の全長に亙
    って一定の距離だけ互いに隔置されており、これら第三
    と第四の板の間の空間には低損失の固形誘導物質が満た
    されている特許請求の範囲第８項のRF励起気体レーザ
    ー。
  13. 【請求項１３】前記インダクタンス郭定手段は該インダ
    クタンス郭定手段内を流れる電力により生じた磁場から
    前記空洞を隔離するよう配置されている特許請求の範囲
    第12項のRF励起気体レーザー。
  14. 【請求項１４】前記インダクタンス郭定手段は前記第一
    と第三の板の間に電気的に接続されたインダクタを含む
    特許請求の範囲第13項のRF励起気体レーザー。
  15. 【請求項１５】前記インダクタンス郭定手段は前記第一
    と第四の板の間に電気的に接続されたインダクタを含む
    特許請求の範囲第13項のRF励起気体レーザー。
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