JPH09172214A

JPH09172214A - 矩形放出ガスレーザ

Info

Publication number: JPH09172214A
Application number: JP8353432A
Authority: JP
Inventors: Peter Chenausky; ペーター・チェナウスキー
Original assignee: QSource Inc
Current assignee: QSource Inc
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1997-06-30
Also published as: DE69624447T2; EP0776073A1; DE69624447D1; EP0776073B1; ATE226766T1

Abstract

(57)【要約】【課題】矩形放出を有する斬新で改良型の横方向ＲＦ励
起ガスレ−ザ、特には電極が空洞内光照射を誘導するよ
うに機能しない矩形放出ガスレ−ザを提供する。【解決手段】横ＲＦポンピング・ガス・レ−ザは全ての
平面図でおおむね長方形の形状である大面積放電を有す
る。断面では、放電の幾何形状は長い寸法と短い寸法と
を有し、長い寸法はＲＦ電力が供給される電極間の寸法
で、短い寸法は、レ−ザ光の誘導に適し、セラミック製
側壁で規定される寸法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光の
生成、特に横方向に励起したガスレーザの体積効率の増
加に関する。さらに詳しく述べると、本発明は、長方形
放出を有する、斬新で改良型の横方向ＲＦ励起ガスレー
ザ、特に電極が空洞内光照射を誘導するよう機能しない
デバイスに関する。したがって、本発明の一般的な目的
は、このような特性の斬新で改良型の方法および装置を
提供することである。

【０００２】

【従来の技術】本発明は、密封ＣＯ₂レーザへの応用に
特に適しているが、それに用途を限定されるものではな
い。密封ＣＯ₂レーザは、軽量および重量双方の材料が
処理される医学および産業用途に、幅広い用途を有す
る。これらの多用な使用領域で長年、一般的に所望され
てきたのは、レーザ出力のワット当たりの費用を削減し
ながら、同時にワット当たりのサイズを小さくすること
である。コンパクトさ、妥当な製造費、および比較的高
い放出効率を達成したいというこのような一般的希望に
より、ＣＯ₂ レーザ技術が発展した。このようにＣＯ₂
レーザは、放出がガラス管内発生するようにした低圧直
流励起デバイスから、より高圧の横ＲＦ励起導波管また
は非導波管デバイスへと発展した。横ＲＦ励起デバイス
における最も最近の革新は、「スラブ」レーザ、つまり
間隔が狭い１対の電極間で１つの寸法が規定された光学
導波管から成る放出空洞を有するデバイスである。

【０００３】ガラス管内の縦方向直流励起を利用するＣ
Ｏ₂ レーザは、費用効果が高いが、経済的に光を折り返
すことができず、したがってこのようなデバイスは、製
造費を低くしながらコンパクトであるという所望の目的
を達成することができない。したがって、横ＲＦ励起デ
バイスは、光を容易に折り曲げて、コンパクトなパッケ
ージで益々高い出力を得られるので、ＲＦをポンピング
したデバイスは、多くの商業的用途のために基本的にガ
ラス管デバイスを交換する。開発された横ＲＦ励起レー
ザのうち、スラブ構成の放電を特徴とするこのような
デバイスは、２枚ミラーの光共振器を使用して高出力を
達成し、したがって折り曲げた光の共振器を必要とする
従来の横ＲＦ励起デバイスより利点がある。この利点
は、一部は、バキューム内／空洞内の光ステーションを
削除し、その結果、大幅に費用削減した結果である。し
たがって、「スラブ」放電するデバイスは、以前に考案
された従来の横ＲＦポンピング・レーザを、論理的に置
換するものである。

【０００４】先行技術の直流ガラス管レーザ技術を簡潔
に説明するために、強制排気した名目直径４ないし１０
ｍｍのガラス・プラズマ管に沿ってその中間に、高圧電
極を配置した。電気的に接地した、あるいはほぼ接地し
た電極は、通常は管のいずれかの端部に配置されてい
た。管は、ＣＯ₂−Ｎ₂−Ｈｅレーザ混合気で充填し、励
起電圧を印加すると、プラズマ中にＣＯ₂ 利得媒質が生
成された。レーザ作用は、１対の相互に位置合わせした
鏡をプラズマ放電管の対向する端部に配置することによ
って達成した。このようなデバイスでは、励起が、１対
の相互に位置合わせした鏡間に規定された光共振器の軸
に沿っていたので、このようなデバイスでは、励起は縦
方向と呼ばれた、他の要因を等しくすると、このような
ＣＯ₂ レーザ・デバイスの出力は、放電の長さの関数で
ある。つまり、高いレーザ出力と長い長さとは同義語で
ある。上述したように、ガラス管は光の「折り曲げ」が
非常に悪いので、さらに長いガラス管を作成するという
代償を払わなければ「高い」光出力を達成できず、した
がって、このようなデバイスの使用には、その長さが不
都合であった。

【０００５】横ＲＦ励起、つまり１対の狭い間隔の延長
電極間に配置された、通常は正方形の光導波管断面放電
領域の励起が、米国特許第4,169,251 号で示されてい
る。この特許で描かれているタイプのレーザでは、励起
は光共振器の縦軸に対して横方向である。横ＲＦ励起
は、比較的コンパクトな密封デバイスからの放電長さ１
単位ごとに、高いレーザ出力を生成した。また、放電チ
ャンバの小さい横方向の寸法に気体放電を確立するのに
必要なＲＦ電圧が比較的小さいために、このようなレー
ザの真空エンベロープは、金属で製造することができ
る。真空の完全さおよびデバイスの軽量に関連した理由
から、このようなレーザの真空エンベロープは、通常は
アルミニウム製である。したがって、このような横ＲＦ
励起レーザは、縦直流励起ガラス管レーザと比較する
と、機械的および熱的に頑丈である。

【０００６】特許第4,363,126 号を参照すると、１対の
延長金属電極が１対のセラミック製スペーサによって分
離される横励起ＲＦレーザが描かれている。電極とスペ
ーサとを真空エンベロープ内に配置し、これにＣＯ₂−
Ｎ₂−Ｈｅの適切な混合気を充して、「上部」電極にＲ
Ｆ源を接続すると、「上部」電極と対向の接地電極との
間に、光共振器の軸に対して横方向の放電を生成するこ
とができる。特許第4,363,126 のデバイスを使用する場
合、気体放電領域が１ないし３ｍｍ² の範囲であるな
ら、最高レーザ出力のＲＦポンプ周波数は３００ないし
７００ＮＨｚにならねばならず、これより小さい放電寸
法は、１５０ないし３００ＭＨｚの励起の使用に都合が
良い。

【０００７】ＣＯ₂ レーザ光の場合、断面積が１ないし
３ｍｍの範囲の円形または正方形の放電は、中空の光導
波管を形成し、したがってこのようなデバイスの光共振
器は、光導波管の理論に従って機能する。比較的大きい
放電寸法、つまり４ないし１０ｍｍ範囲の放電寸法も、
横ＲＦ励起できるが、横の放電寸法が増加するにつれ、
ｃｗ励起で放電の安定性を維持するために、放電圧を低
下させなければならない。このような比較的大きい横放
電寸法の場合は、光共振器のフレネル数に応じて、自由
空間が安定または非安定になるよう光共振器を選択して
もよい。横寸法が比較的大きいＲＦ励起ＣＯ₂ レーザの
一つの利点は、比較的低い周波数、特に４０．６８、２
７．１２または１３．５６ＭＨｚという国際的に認めら
れたＩＡＭ（産業、科学または医学）周波数のいずれか
一つと一致する周波数のＲＦ源で、効率的な放電励起が
得られることである。これらの周波数は、合法的な通信
にとって有害な干渉を引き起こす装置からの偶発的なＲ
Ｆのリークの可能性を低下させるよう、調波関連する。
したがって、これらのレーザ・デバイスは、低レベルの
偶発的照射がないばかりでなく、低周波数ＲＦ源は製造
費が低いために、費用的にも利点がある。

【０００８】特許第4,169,251 号によって例証された先
行技術を参照すると、ＲＦ発生源と気体放電との間のイ
ンピーダンスの整合は、放電構造の長さ、したがって放
電構造の容量を増大させるにつれ、困難になる。この問
題は、特許第4,363,126 号によって教示された分路イン
ダクタで放電構造のキャパシタンスを共振させることに
よって、克服することができる。調整したＲＦ回路を使
用することにより、放電構造の容量が基本的に不適切と
なり、小型で短いＲＦポンピングＣＯ₂ レーザの出力電
力を増大させることができた。

【０００９】レーザの利得長を増大させることによっ
て、取得可能な出力電力を増大させようとすると、ＲＦ
定在波の効果によって、放電構造に沿って縦方向に電圧
が変動するという問題に陥った。非接地電極の長さに沿
ったこの縦方向の電圧変動は、セラミック製スペーサの
高い比誘電率とＲＦ励起源の高い周波数とが結合した効
果によるものである。縦方向の電圧変動という問題の解
決策は、特許第4,443,877 号で見られるように、放電構
造に沿って幾つかの分路インダクタを配置することであ
る。この「分散共振」の概念によって、金属ボディのＣ
Ｏ₂ レーザから取得可能な出力電力を極めて増大させる
ことができ、したがって非常にコンパクトでエネルギー
量が大きいが、高価なＣＯ₂ レーザ・パッケージとな
る。分散共振の概念を具体化するこのようなコンパクト
なレーザの一例を、特許第4,787,090号で見ることがで
きる。

【００１０】上記で簡単に述べたように、１対の露出し
た拡張電極間に横ＲＦ放電を生成するためには、平行な
共振回路および分散した平行な共振回路を使用する以外
に、単一の複合ＲＦ回路を使用して、放電インピーダン
スを電源インピーダンスに変換することもできる。後者
の技術は、特許第4,751,717 号で開示されている。単一
の複合インピーダンス整合回路でＲＦレーザに電圧を加
えることは、変換器によって生成された電界を、回路損
失が最小限になるよう制限するという利点を有し、全体
的なレーザのサイズも小さくすることができる。特許第
4,751,717 号の技術は、マイクロ波領域までのＲＦ源
を、励起のために体系的に使用することもできる。マイ
クロ波周波数が、電子レンジで一般に使用する周波数に
なるよう選択すると、電子レンジの共振器マグネトロン
によって電圧印加した金属ボディのＣＯ₂ レーザを組み
合わせて、非常に費用効率の高いレーザ・デバイスを生
成することができる。というのは、増幅器を使用する高
周波ＲＦ源は通常は極めて費用がかかるが、このような
電子レンジのマグネトロン発振器は、費用がかからない
よう大量生産できる比較的単純な単一の電子管だからで
ある。特許第4,751,717 号は、さらに、横励起ＲＦレー
ザの対向する電極間の放電領域を、高度に非対称にでき
ることを教示する。つまり、この特許は、異なる水平お
よび垂直フレネル数を有して、自由空間導波管の光共振
器と、自由空間の非安定光共振器と、導波管の非安定光
共振器とのあらゆる組合せにまたがるレーザ放電構造に
ついて述べる。

【００１１】最大出力電力が１キロワットのレベルの、
コンパクトな密封ＣＯ₂ レーザは、間隔の狭い１対の大
面積水冷電極間に制限されたＣＯ₂ レーザ放電、つまり
上述した「スラブ」放電に、横ＲＦ励起を適用すること
によって達成された。いわゆる「スラブ」レーザの例
は、特許第4,719,639 号、第4,939,738 号および第5,12
3,038 号に見られる。「スラブ」ＣＯ₂ 放電デバイスで
は、長さＬおよび幅Ｗを有する大面積金属電極は、一般
に１ないし３ｍｍしかない距離Ｄだけ間隔があき、した
がって横方向の断面Ｗ×ＤがＷ≫Ｄになる放電を生成す
る。あらゆるスラブ放電デバイスの横ＲＦ放電電界は、
短い方向Ｄにあり、Ｗに対して直角である。電極間の間
隔が狭く、さらに電極の面積が大きいため、レーザ媒質
から冷却電極への効率的な熱伝導が促進され、その結
果、レーザ出力電力が、同じ断面積Ｄ×Ｗを有する対照
的なアパーチャの場合よりはるかに大きい。それと同時
に、電極間の狭い間隔は、寸法Ｄの空洞内モード光導波
管の役割も果たす。たとえば、上記で参照した特許の好
ましい実施例では、スラブ放電領域のフレネル数は、以
下で定義するように、Ｎ_D ＝０．４（’６３９）、０．
０８８（’７３８）および０．１４４（’０２８）であ
る。

【００１２】実際の使用時には、大面積レーザ放電の形
状は、同心円状シリンダ間に生成された管状の放電領域
か、１対の高度に研磨され平坦な金属質電極間に生成さ
れた平面状放電領域であった。R.J. Morely その他が論
文「Enhancement of coherent laser radar performanc
e by predetection （早期検出によるコヒーレント・レ
ーザ・レーダ・パフォーマンスの向上) 」(Appl Opt.,
Vol.33, No.18, pp.3951-63, 1994 年６月２０日）およ
びD.R.HallおよびH.J. Bakerが論文「Area scaling boo
tsts CO₂-laser performance( エリア・スケーリングが
ＣＯ₂ レーザのパフォーマンスを向上させる) 」(Laser
Focus World, pp.77-80, 1989年１０月) が検討した結
果から分かるように、管状のＣＯ₂ レーザ形状と、平面
・平面の形状との間として、平面・平面の形状が、最も
成功したことが実証された。

【００１３】このようなレーザのスラブ・レーザのＷ≫
Ｄ、フレネル数Ｎ_D およびＮ_W は、極めて異なるので、
異なるタイプの共振器モードの往復空洞損失も、同様に
極めて異なる。結局、これらの損失は、いずれのタイプ
の空洞モードがレーザ共振の閾値を上回る可能性を有す
るか決定する根拠となる。波長λの光が伝搬するＷまた
はＤの直線アパーチャ寸法を有する長さＬの空洞または
領域のフレネル数について、標準の定義を使用すると、
フレネル数Ｎ_W およびＮ_D はそれぞれ、Ｗ² ／４Ｌ
（λ）およびＤ² ／４Ｌ（λ）と定義することができ、
Ｗ≫Ｄなので、Ｎ_W≫Ｎ_D となる。

【００１４】１未満のフレネル数Ｎ_D で動作するスラブ
ＣＯ₂ レーザの場合、「Handbook of Molecular Lasers
( 分子レーザのハンドブック) 」(P.K. Cheo, Editor,
Section 302, pp.169, Copyright Marcel Dekker Inc.,
1987)で検討しているように、有意の導波管が生じ得
る。Ｎ_D ＜１の非安定共振器モードまたは安定な自由空
間ガウス・モードの往復空洞損失は、一般に導波管モー
ドの往復空洞損失よりはるかに大きいが、低いｇ値の安
定な空洞の場合は、常にそうとは限らない。したがっ
て、導波管モードとは、利得競争効果の結果、共振のた
めに均質に広がったＣＯ₂ レーザ媒質が選択されるモー
ドである。

【００１５】スラブ・レーザの比較的大きい横放電寸法
Ｗでは、フレネル数Ｎ_W が１より多少大きくなるか、は
るかに大きい範囲になる。Ｎ_W がほぼ１のオーダー、つ
まり１ないし４の範囲の場合は、非安定共振器タイプ・
モードは、一般に、安定した自由空間ガウス・モードよ
り往復空洞の回折損失がさらに大きくなり、したがって
一般に、ガウス・タイプのモードが、モードの選択およ
び利得競争のプロセスで生き残る。A.E. Siegmanが論文
「Stabilizing output with unstable resonators(不安
定共振器を使用した出力の安定化) 」(Laser Focus, p
p.42-47, 1971年５月) で検討したように、Ｎ_W が１よ
りはるかに大きい場合は、非安定共振器モードも、安定
した自由空間ガウス・タイプ・モードも、かなり低い、
または中位の往復空洞損失を有し、空洞の鏡の曲率およ
び空洞の長さに応じて、いずれのモード・タイプも、共
振の閾値を上回るようにすることができる。

【００１６】残念ながら、フレネル数が約１よりはるか
に大きい場合は、安定した自由空間ガウス共振器の低い
方のオーダーと高い方のオーダーとの横モード間の往復
空洞損失は、比較的小さく、数パーセント以下の範囲で
ある。その結果、往復利得が１よりはるかに大きいレー
ザは、共振閾値をはるかに上回り、より大きいオーダー
の幾つかのモードのうちいずれか１つは共振することが
でき、時には異なるＣＯ₂ 遷移で同時に共振することが
できる。このタイプの多ライン、多重モード出力は、小
さいスポットに焦点を絞ることができず、したがって特
定のタイプの切削およびドリル掘削用途には、使用が制
限される。

【００１７】高いフレネル数の非安定共振器の魅力は、
より高いオーダーのモードが往復回折損失に有意の差を
有し、したがって、このようなレーザの出力を、横方向
単一モードで共振するようにできることである。非安定
共振器の最低損失モードは、必ずしも最低オーダーのモ
ードとは限らないが、これは安定な共振器のモードなの
で、利得媒質自体が空間的に高度に不均質でない場合
は、非安定共振器からの出力が、アパーチャで比較的単
相になり得る。したがって、非安定共振器からの出力
は、小さいスポットに焦点を絞るには非常に適し、した
がって様々な材料処理またはレーダの用途に有用であ
る。

【００１８】通常、非安定共振器からの出力は、共振器
の外縁での回折による空洞から結合した回折であるが、
米国特許第3,969,685 号が述べたように、中心に配置さ
れた穴からの部分的な透過と回折の結合も、可能な出力
結合の方式である。

【００１９】上記で参照した特許で描かれたタイプの
「スラブ」レーザから取得可能な出力電力は、電極間の
距離、つまり導波管の間隔が増加するにつれ、劇的に低
下することが分かっている。したがって、C.J. Shackle
ton その他が「Lateral and Transverse Mode Properti
es of CO₂ Slab Waveguide Lasers(ＣＯ₂ スラブ導波管
の縦および横モード特性) 」(Opt. Comm. 89 (1992), p
p.423-428)のテキストで報告したように、１２５ＭＨｚ
周波数のＲＦ励起源を使用すると、長さ３９ｃｍで幅
１．８ｃｍの水冷放電領域を有する高さ１ｍｍの導波管
を使用して、効率１１％で２１０ワットの出力が達成さ
れた。しかし、電極の間隔が３ｍｍの範囲になると、出
力電力は、１ないし１．５ｍｍの導波管寸法と比較し
て、２分の１に減少した。これは一般に、１／Ｄの電力
スケーリングと呼ばれる。

【００２０】要するに、当業者は、スラブ・レーザが電
極の幅よりはるかに小さい電極間隔を有するという前提
を受け入れている。この非常に小さい電極間隔は、放電
の不安定性を回避する場合、および高い放電効率で高レ
ーザ力を取り出すべき場合は、非常に高い放電励起周波
数を使用することになる。

【００２１】スラブ・レーザに高周波数励起を使用する
ことは、P.P. Vitruk その他が「Similarity and Scali
ng in Diffusion-Cooled RF-Excited Carbon Dioxide L
asers(拡散冷却ＲＦ励起炭酸ガス・レーザの相似性およ
びスケーリング) 」(IEEE JQE, Vol.30, No.7, 1994 年
７月,pp.1623-34)で報告したような１組の相似点とスケ
ーリングの関係で形式化されている。この論文で検討し
ているように、最適な励起のためには、電極間隔Ｄ（ｍ
ｍ）と励起周波数ｆ（ＭＨｚ）との積が、ｆＤ＝２８８
ｍｍ−ＭＨｚ程度であるとよい。それと同時に、最適な
ポンピングのためには、放電圧力ｐ（Ｔｏｒｒ）と電極
間隔Ｄ（ｍｍ）との積が、ｐＤ＝１３３Ｔｏｒｒ−ｍｍ
であるとよい。したがって、このような相似点の関係
は、ｐ、ｆおよびｄが結合している、つまり最適なポン
ピングのために、低周波数励起には、低い放電圧力を使
用する必要がある。言い換えると、ｐ、Ｄおよびｆは、
放電ポンピングのプロセスに甚だしい損害を与えずに分
離することはできない。

【００２２】この認められた操作上の制約は、D. Hall
およびC. Hill が「RF-Discharge-Excited CO₂ Lasers
(ＲＦ放電で励起したＣｏ₂レーザ) 」(Handbook of Mol
ecular Lasers, P.K. Cheo, Editor, copyright 1987 b
y Marcell Dekker, Inc., pp.165-258) で検討したよう
に、間隔が狭い電極を有する正方形または丸いＲＦポン
ピング導波管ＣＯ₂ レーザの当業者には、周知である。
電極の表面上、またはそのすぐ近傍で常に形成されるプ
ラズマ・シースは、固定した電極間隔の励起周波数が増
加するにつれて収縮するので、高周波数励起が必要であ
る。横「ＲＦ」励起ＣＯ₂ レーザ、特に２５ないし２４
５０ＭＨｚの励起周波数を使用した数平方ミリメートル
ないし１０ｍｍ² の名目上対称形の放電断面を有する場
合の操作上の制約は、P. Chenauskyその他が論文「Radi
o-frequency and Microwave Excitation of CO₂ Lasers
( ＣＯ₂ レーザのラジオ波およびマイクロ波励起) 」(T
uKKy, CLEOS 1980, San Diego, CA)の要約で検討したよ
うに、早くから認識されていた。一定の電極間隔で、比
較的低い周波数放電励起を試みると、シース領域は、電
極間の間隔の有意の部分になるまで成長する。次に、励
起の周波数が下がるにつれ、電極の近傍に形成されるプ
ラズマ・シースが必然的に、ＲＦ電界の方向で放電「長
さ」の比較的大きい部分になる。これが起きると、放電
圧力および混合比と電子透過時間と電極間隔との組合せ
の影響により、高放電入力の蓄積が防止される一方、安
定したαタイプのＲＦ放電が維持される。

【００２３】技術が徐々に進化するにつれ、より高周波
数の励起が有利であることが判明した。したがって、周
波数が、ごく初期の低いフレネル数の導波管ＣＯ₂ レー
ザにおける２１ＭＨｚから徐々に増加し、パワーも増大
した。それと同時に、放電チャンバ、空洞のフレネル数
およびミラー曲率は、ほぼ例外なく、導波管レーザを開
発するようにした。たとえば、J. Lachambreその他は、
その論文「A transversely rf-excited CO₂ waveguide
laser(横ＲＦ励起ＣＯ₂ 導波管レーザ) 」(Appl Phys L
ett, 32(10), 1978 年５月１５日, pp.652-653) で、流
れるＣＯ₂ 利得媒質の（２ｍｍ）² 、長さ１５ｃｍの部
分に、２１ＭＨｚのＲＦ源で通電した。出力を最大にす
るための、彼らのレーザ空洞および励起パラメータは、
ｐＤ＝２００Ｔ−ｍｍ、ｆＤ＝４２ｍｍ−ＭＨｚ、およ
びＮ_D ＝０．５８であった。同様に、Gabai 、Hertzbeg
およびYatsivは、４．５ｍｍ間隔で配置した１対の幅
２．５ｃｍ、長さ７３ｃｍの電極間のスラブ領域を３０
ＭＨｚで励起し、「弱く光る中心部分しか、効率的に励
起されない」と報告した。電極の間隔が減少すると、そ
の幅は急速に減少する。Gabai その他が使用した空洞お
よび励起のパラメータは、ｐＤ＝２７０Ｔ−ｍｍ、ｆＤ
＝１３５ｍｍ−ＭＨｚ、Ｎ_W ＝１９．１およびＮ_D ＝
０．６２であった。したがって、より高いＲＦ周波数を
有る導波管構造での励起を指向する「傾向」は、１９８
０年よりかなり前に始まり、その過程で、横ＲＦ励起導
波管レーザが定例となるか、高周波数励起と同義語とな
った。実際、上記で参照したVitrukその他の研究から分
かるように、さらに以下で詳細に検討するように、励起
周波数≫３０ＭＨｚを使用する「傾向」が、基本的に体
系化された。

【００２４】シース領域の厚さを最小限に抑えることが
望ましいことが、実験的に理解されたので、ＲＦ励起周
波数が増加するのと同時に、先行技術の注目は、電極間
隔の寸法内で、導波管である高圧レーザを密封操作する
ことに集中した。導波管空洞の特性により必然的に、モ
ード・サイズが、ＲＦポンピング導波管ＣＯ₂ レーザの
電極間隔またはボア寸法と等しくなることは、よく理解
されている。また、横ＲＦ放電の特性により必然的に、
プラズマ・シースが電極上になるか、それに非常に近く
なる、あるいは金属電極を絶縁材で覆った場合には、導
波管のボアに密着することが、よく理解されている。し
かし、ＲＦ導波管レーザの出力ビーム構造を非常に慎重
かつ詳細に検査しないと、シースが出力ビームの質に及
ぼすマイナス（またはプラス）の影響を明らかにできな
いことは、よく理解されていない。先行技術の検査で
は、スラブ・レーザ・ビームの質に重要な影響を及ぼし
得るプラズマ・シース領域の特徴を解明するのに、十分
に詳細な測定が実施された場合があるか、明らかでな
い。

【００２５】横方向に対称形のＲＦ励起放電でも、スラ
ブＲＦ励起放電でも、Vitrukその他が上記で参照した１
９９４年の論文で検討したように、プラズマ・シースの
厚さは１／ｆで成長し、励起周波数の逆数として、電極
間の間隔に対する割合が大きくなる。それと同時に、プ
ラズマ・シースに蓄積されるパワーは、１／ｆ² で増加
する。約４０ないし１６０ＭＨｚの励起領域に適用し
て、この理論の適用性を考え、１００ないし１６０ＭＨ
ｚの範囲の励起で動作するレーザの放電特性を測定し、
この理論の多くの重要な要素を確認した。たとえば、電
極間隔が１０ｍｍのスラブ放電の場合、ｆＤをほぼ２８
８ｍｍ−ＭＨｚに、ｐＤをほぼ１３３Ｔｏｒｒ−ｍｍに
維持するのに適切なＲＦ励起周波数はほぼ２８ＭＨｚ
で、適切な圧力は１３Ｔｏｒｒとなる。この結合関係
は、ＲＦで励起したデバイスの基本的性質を協調する。
つまり１０ｍｍのボアを使用すると、ｆＤ＝２８８ｍｍ
−ＭＨｚでもｆＤ＝２４，５００ｍｍ−ＭＨｚでも、最
適圧力は低くなる。たとえば、上記で参照した論文Ｔｕ
ＫＫＲ（１９８０年）の要約でChenausky その他が報告
したように、「従来通りの共振器の形状および２４５０
ＭＨｚの励起を用いると・・・」、多重モード出力が＞
１０Ｗで長さ３４ｃｍの放電を、７％の放電効率で生成
することができるが、「放電ギャップが１ｃｍと比較的
広いので、合計気圧は１０Ｔｏｒｒの範囲が好ましい・
・・」。

【００２６】Vitrukその他の報告したもう一つの相似関
係は、プラズマ・シートの厚さをｆＤ_S ＝４２ｍｍ−Ｍ
Ｈｚと述べている。したがって、２７ＭＨｚのＲＦで励
起する従来通りのスラブ・デバイスは、約１．５ｍｍの
シース厚さを有すると予想されたが、この周波数は理論
の有効性の周波数限界に近い。Vitrukその他の理論は、
３０ＭＨｚで励起したスラブ・デバイスでは、放電入力
の５０％以上が抵抗損失としてイオン・シース内に蓄積
され、シース電圧が所望のαタイプのＲＦ放電を維持す
るには高すぎることも、予想している。したがって、低
周波数ＲＦで励起したスラブ・レーザ・デバイスは、低
い特定の入力では、望ましくない高電流タイプのγタイ
プ放電に遷移すると予測されてきた。

【００２７】上記で参照したVitrukその他の理論的分析
は、同様に上記で参照したChenausky その他およびGaba
i その他の観察結果と非常によく適合するばかりでな
く、S.Yatsiv が論文「Conductively Cooled Capacitiv
ely Coupled RF Excited CO₂Lasers( 伝導冷却し容量結
合したＲＦ励起ＣＯ₂ レーザ) 」(Proc. 6^TH Internati
onal Symposium, Gas flow and Chemical Lasers, copy
right Springer-Verlag, 1987 年２月) で述べた結果
を、非常に正確に説明する。この論文で、Yatsivは３ｍ
ｍの間隔をあけた１対の幅３ｃｍ、長さ７８ｃｍの研磨
した電極間に３０ＭＦｚのＲＦで励起したスラブＣＯ₂
放電領域の生成について検討した。Yatsivが報告したよ
うに、このスラブ領域はＮ_D ＝０．２７という電極間隔
の寸法内にフレネル数を有し、一般に使用されているア
ルミニウム電極で６．２％の放電効率を達成した。した
がって、上記で参照した１９９４年のVitrukその他の理
論は、従来の対称形およびスラブのＲＦ励起ＣＯ₂ 放電
レーザの当業者によって十分認められてきたものを、効
果的に分類している。つまり、ａ）電極間隔が広い場合
は、励起周波数が高くても、低い圧力を用いる必要があ
る、ｂ）高圧操作が望ましい場合は、短い電極間隔と高
周波数励起との両方が必要である。逆に、低い励起周波
数、中位から短い電極間隔、および高い媒質圧力を選択
すると、低い出力や低い放電効率など、基本的に望まし
くない放電特性が生じる可能性がある。以下で検討する
ように、アパーチャおよび圧力が増加するにつれて、放
電領域に望ましくない不安定性を持ち込まないよう、Ｃ
Ｏ₂ レーザ・デバイスの単純な電気励起を増大させ、あ
る種の明白な、または重大な「高度化」を導入しなけれ
ばならない。不安定性が優勢になると、ＣＯ₂ レーザの
出力の生成にとって不適切な放電になる。

【００２８】上記の検討は、密封しエリア冷却した従来
通りの電極間隔が狭いコンパクトなスラブ放電ＣＯ₂ レ
ーザを、低周波数励起で操作すると、効率が低く、低い
放電圧に制限させる、という当業者の理論的予想を実証
する。世界中の様々な研究者が収集したデータは、例外
なくこの理論に一致する。したがって、中位または高い
放電圧および放電効率で動作する、電極間隔が狭いコン
パクトなデバイスで、高い平均パワーが得られるエリア
冷却の利点と、低周波数励起の利点とは、互いに両立し
ない。発表されているスラブ放電の物理的特性に関する
最も包括的かつ最善の理論によると、低いＲＦ励起周波
数と、＞１３３Ｔｏｒｒ−ｍｍというｐＤの積とを組み
合わせて使用し、さらにＣＯ₂ レーザのポンピングを増
大させるために直流を使用するのは、非常にまずい組合
せである。というのは、シース内の出力の蓄積が非常に
高くなり、一方または両方のシースの電圧が外部の直流
電界によって増加して、放電を強制的に不安定にし、望
ましくない高電流γタイプのＲＦ放電モードに否応なく
切り替わるからである。

【００２９】また、プラズマ・シース領域は、有害なプ
ラズマ反応がＣＯ₂ レーザ動作種を分離させる場所であ
ることが知られているので、シースが占有する放電体積
の割合を増加させると、密封レーザの動作寿命にマイナ
ス影響を及ぼすと予想できる。

【００３０】レーザの出力を増加させ、レーザの寿命を
改善するために、放電で動作する金触媒材料の使用が示
唆されていることに留意されたい。このような触媒は、
特許第4,756,000 号で開示されている。しかし、この材
料が電極表面に付着しないよう、このような触媒材料
は、放電チャンバの側壁を規定するセラミック製スペー
サにのみ適用することが最善で、先行技術の長方形レー
ザでは、間隔の狭い電極の面積が大きいので、このため
のセラミック材料の使用は最低限に抑えられている。

【００３１】上記で参照した特許第4,939,738 号のスラ
ブ・レーザは、放電寸法が広いプラス・ブランチの非安
定共振器と狭い寸法の導波管共振器とを特徴とする。こ
の特許で描かれたデバイスは、空洞の外側で、レンズを
使用して長方形ビームを正方形ビームに変換する。

【００３２】要するに、以前に報告され、効率的に励起
された「スラブ」放電の形状は、０．７ないし２．２５
ｍｍの範囲の電極間隔、１．３５ｃｍないし４．５ｃｍ
の範囲の電極の幅、最適な放電励起のために少なくとも
１００ないし２２５ＭＨｚの範囲の励起周波数、約３０
ないし７７ｃｍの範囲の電極の長さ、およびＮ_D ＜１お
よびＮ_W ≫１のフレネル数を特徴とする。したがって、
以前のスラブ・レーザに共通の特徴は、電極の幅が電極
の間隔よりはるかに大きく、導波管モードが常に、２枚
の間隔の狭い研磨平面状電極間に延びる小さい放電寸法
内に指示されることである。

【００３３】上述したように、多くの医学および軽産業
の用途に必要な出力を達成し、それと同時にレーザ放電
効率の許容可能なレベルを有するために、現在入手でき
るスラブＣＯ₂ レーザは高励起周波数、つまり通常は８
０〜２００ＭＨｚの範囲の周波数を使用する。高周波数
ＲＦ源は、より低い周波数源より費用がかかるので、こ
れらのレーザは、大きな費用メリットがある。

【００３４】さらに、このような高励起周波数を使用す
ると、バキューム内の構造が複雑になり、レーザの費用
も高くなる。というのは、このようなデバイスは、たと
えば特許第4,352,188 号、第4,443,877 号および第4,75
1,717 号で教示されたように、放電電極構造に沿った定
在波誘導電圧の変動を打ち消すために、放電チャンバに
通常１０〜２０のバキューム内ＲＦ回路誘導子を必要と
する、高放電容量を有するからである。このような誘導
要素がないと、ＲＦ励起の定在波効果のために、放電チ
ャンバの長さに沿った必要な均一の電圧分布が維持でき
ず、その結果、レーザ出力が低くなり、レーザ放電効率
が低くなるからである。製造上の観点からは、このよう
な誘導要素をレーザ真空エンベロープの外側にすること
が望ましいが、効率的な高力ＣＯ₂ レーザ出力を生成す
るには、これらの要素を、電気的に電極構造に可能な限
り近づけて配置する必要がある。このような配置にする
と、デバイスの費用が増大する。

【００３５】１３．５６、２７．１２、または４０．６
８ＭＨｚというＩＳＭ周波数のいずれか１つ以外のポン
ピング周波数でスラブ・レーザを操作すると、このよう
なデバイスに何らかの偶発的なＲＦのリークがあった場
合に、救急用通信、航空機の通信、または公共放送サー
ビスとの違法かつ有害な干渉を生じるという問題が起き
る。米国では、このようなＦＣＣ認可のサービスが、４
０〜２００ＭＨｚの全ＲＦスペクトル全体に配置されて
いる。したがって、現在提示されているスラブ・レーザ
は、通信に適用するには、高価かつ複雑なＲＦシールド
が必要である。

【００３６】先行技術の長方形放電レーザのもう一つの
欠点として、電極は、導波のために正確に平坦に形成し
なければならない。このため、特許第5,097,472 号で教
示されているような、レーザ出力を増大するために直流
電力とＲＦ励起とを同時適用することができない。とい
うのは、当技術分野では、均一な直流放電電界を生成、
または維持するには、平坦な表面は望ましくないこと
が、よく知られているからである。

【００３７】また、以前に提示されたスラブ・レーザの
大面積の電極は、電極に対して直角の次元で空洞内モー
ドを導波する役割を果たすので、非接地電極自体は、光
導波損失を空洞共振器に取り込まない限り、容易に分割
できないことも、認めなければならない。したがって、
電極の面積を増大させ、放電入力を増大させることによ
って、より高いレーザ出力を求めると、単一の電極の放
電入力インピーダンスは、オームの法則により、一般に
使用される５０Ωの高力ＲＦ源とレーザ自体との間のイ
ンピーダンスの一致が益々困難になるレベルにまで落ち
る。

【００３８】たとえば、A. Lapucciその他が「On the L
ongitudinal Voltage Distributionin RF-Discharged C
O₂ Lasers with Large-Area Electrodes(大面積の電極
を有するＲＦ放電ＣＯ₂ レーザの縦方向の電圧分布につ
いて) 」(IEEE JQE Vol.QE31, No.8, 1995年８月) で検
討しているように、長さ７０ｃｍで幅１０ｃｍ、つまり
７００ｃｍ² で電極間隔が２ｍｍのスラブ・レーザ・デ
バイスは、周波数１００ＭＨｚで１０ｋＷのＲＦ入力電
力を通電すると、陽光柱放電インピーダンスがわずか
０．４Ωで、容量シース・インピーダンスがマイナス２
ｊΩと予想される。明らかに、５０Ωの出力インピーダ
ンスを有する１０ｋＷ、１００ＭＨｚの電源で０．４−
２ｊΩのインピーダンスを駆動することは、低い回路損
失を維持する場合には、巧妙な仕事ではない。この低さ
の放電入力インピーダンスに実際に遭遇することを確認
するために、Lapucci その他は、長さ７０ｃｍ、幅２．
５ｃｍで間隔が２ｍｍの１対の電極を有するスラブ・レ
ーザを製造し、実験によるインピーダンス測定で、予想
を検証した。

【００３９】さらに、上記の７０ｃｍ×２．５ｃｍのス
ラブの低い駆動インピーダンスを確認するために、Lapu
cci その他は、この構造の容量が、非放電時の４００ｐ
Ｆから放電時の６２０ｐＦまで増加する、つまりプラズ
マ・シースの容量が非放電時の０ｐＦから放電時の２２
０ｐＦに増加することを観察した。このように、レーザ
放電チャンバの容量が、１．５５倍に増加すると、レー
ザ・ヘッドの共振周波数が１／［１．５５］^1/2 だけ移
行するか、周波数が１００ＭＨｚから８０．３ＭＨｚに
移行することが明白である。これは、放電整合ネットワ
ークの設計を非常に困難にする。というのは、ネットワ
ークは５０Ωという１００ＭＨｚのＲＦ源インピーダン
スを、約２−８ｊΩに効率的に変換しなければならない
だけでなく、ネットワークは、このレーザの共振周波数
２０ＭＨｚの変化を、レーザ放電が開始するのに要する
数マイクロ秒内に納めなければならないからである。こ
の問題は、コンパクトで、損失が小さい、塊状要素の高
変換率整合回路の設計および製造が困難な５０ＭＨｚを
上回る周波数範囲で、さらに厳しくなる。

【００４０】ＲＦ励起デバイスの先行技術に関する上記
の検討は、第１ＲＦ横励起導波管・導波管ＣＯ₂ レーザ
から始まる増分ベースのアプローチであった。より世界
的であるが、同様に有効な先行技術の小型対称アパーチ
ャまたはスラブ・デバイスの検討を、非常に大きいアパ
ーチャ・デバイスの始点から始めることができる。

【００４１】概して、完全に密封した高圧非フロー放電
チャンバに制限された、大型対称アパーチャＣＯ₂ ガス
レーザ媒質の、高い平均比出力の単純な放電励起は、先
行技術では知られていない。このようなデバイスを操作
できない理由は、基本的なことである。つまり、気体は
熱伝導率が非常に悪く、熱を除去する何らかの手段がな
いと、気体放電は劣化して、レーザ出力の生成に不適切
な励起プロセスになる。基本的な対称形の大型アパーチ
ャに制限された放電チャンバに、ある種の追加的な「高
度化」または「妥協」を加えると、大型アパーチャ・デ
バイスの、高い特定の電気的励起が実現できる。したが
って、たとえば、大型アパーチャ・デバイスの、紫外線
または電子ビームで補助した電気的励起を利用した高速
パルスの放電ポンピングが可能である。これらのタイプ
のデバイスで行う高度化とは、紫外線または電子ビーム
手段によってガス・ボリューム内に最初に十分な電子を
生成させて、その後の放電アークの生成を防止し、これ
を高速の主放電励起パルスの遷移性質と組み合わせる。
このようにして、大型アパーチャに通電することができ
る。というのは、最終的に、望ましくない放電の非安定
性が生じる前に、励起が停止するからである。限られた
チャンバに取り入れる追加の高度化または妥協が、縦ま
たは横方向のガス・フローである場合は、大型アパーチ
ャの高い平均パワー（つまり高いＰＲＦ）の紫外線また
は電子ビームで電気的に励起したデバイスが、現実にな
る。このようなデバイスでは、放電の熱が、連続する放
電パルス間に対流で除去されるので、ガス媒質の温度
は、放電の安定性が破壊されるほど高くならない。

【００４２】電気的に励起した対称形の大型アパーチャ
・デバイスに、重大な妥協を行う場合は、比較的巧妙な
タイプの高度化を用いて、密封した非フロー放電チャン
バ内の高い平均比出力励起も現実にすることができる。
たとえば、対称形アパーチャを小型化することができ、
この場合は、細い導波管領域の縦方向の直流励起のみを
用いて、高圧で高い比出力励起を実現することができ
る。この場合、「高度化」とは、距離数ミリメートルの
ボアで冷却し、損失が比較的大きくて安定したガウス自
由空間空洞ではなく、導波管空洞を使用することであ
る。しかし、この「限られている」が非常に望ましい結
果を達成するには、小型アパーチャという形で一般的な
高力励起に非常に重大な妥協を行う必要があることは明
白である。小型アパーチャの妥協は、望ましい利点を生
じるが、上記の小型ボアの妥協は、それだけでは縦直流
励起ではなく横直流励起を支持するのに十分ではない。
さらに、対称形の小型アパーチャの妥協の範囲内で、Ｒ
Ｆ励起などの追加の高度化を用いると、高圧導波管領域
の横励起が実現できるばかりでなく、ＲＦ励起スラブ・
ガス・レーザ・デバイスに関して前述したように、アパ
ーチャを電極の幅の方向、つまり放電電界に直角に大き
くすることができる。この場合、間隔の狭い電極間の横
ＲＦ励起電界の遷移性質に提供される追加の高度化は、
狭い間隔の電極による放電の冷却であり、これによって
高い入力を実現でき、したがって高いレーザ出力を実現
することができる。このように、ＲＦにより提供される
高度化は、巧妙であり、しかも非常に厳格である。しか
し、それと同時に、ｃｗ横ＲＦ励起による高度化は、そ
れほど厳格ではないので、低圧のｐＤ＝一定タイプの妥
協を受け入れなくても、対称形の大型アパーチャ・デバ
イスに適用することができる。

【００４３】横ＲＦ励起による高度化の基本的限界およ
び厳格さを調べるには、Vitrukその他が展開し、上記で
参照したようなＲＦ励起スラブおよび対称形放電の理論
を用いることができ、非常に有利である。基本的に、こ
の理論は、電極間隔がＤの場合に、ｆＤ＝一定のＣ₁
（＝２８８ｍｍ−ＭＨｚ）およびｐＤ＝一定のＣ₂ （＝
１３３ｍｍ−Ｔｏｒｒ）という２つの関係が適用可能で
あることを示し、これに従えば、対称形の大型アパーチ
ャの低圧直流励起気体放電レーザに、重大な改良を実現
できる。その改良点には、比体積入力が７５Ｗ／ｃｍ³
で、対応する面積ベースの比入力が２２．５Ｗ／ｃｍ²
の、間隔の狭い水冷電極間に、非常に安定した放電を維
持する能力がある。

【００４４】最近の理論から見ると、Laakmannに帰され
る上記で参照した米国特許第4,169,251 号は、横ＲＦ電
界を使用して、円形、正方形または長方形の放電チャン
バに通電すれば、チャンバがレーザ光の誘導に適してい
る場合のみ、直流の大口径低圧ガス・レーザに対して、
重大な利点を得ることができると教示する。これで得ら
れる利点とは、高圧、コンパクト、堅牢、および単純な
デバイスからの出力を改善することである。このような
利点が実現できるのは、導波管空洞が従来通りの安定し
た自由空間ガウス共振器の理論に依存せず、中空口径の
導波管共振器理論に依存し、したがって、損失の少ない
空洞を改良型放電デバイスと組み合わせることができる
からである。Laakmannの教示では、ｆの選択が適切であ
れば、Ｄが減少するとｐが増加することができ、そうす
ることによって、サイズ、レーザ発振の利得帯域、およ
びレーザの出力が改良される。Vitrukその他の教示を、
特許第4,169,251 号で開示された実施例に適用すると、
ｆＤ＝２００ｍｍ−ＭＨｚおよびｐＤが２００Ｔ−ｍｍ
であることが判明した。したがって、何らかの理論が利
用できるようになるより１６年前にLaakmannが用いた最
適化プロセスは、理論的にほぼ最適であることが判明し
た。特許第4,169,251 号は、放電チャンバ自体がレーザ
光の誘導に適している場合にのみ利点が生じると教示し
ているが、結局、多くの研究者により様々なレベルの革
新が加えられると、Laakmannが開始した密封パワー・レ
ベルはワット単位からキロワット単位に上昇した。たと
えば、特許第4,363,126 号でChenausky その他が教示し
たように、特許第4,169,251 号で開示されたデバイスの
導波管領域の励起を改良し、第'251号の導波管領域を均
一に励起するために、特許第4,443,877 号でChenausky
およびNewmanが開示したようなさらなる手段を実施する
と、圧力９０Ｔで作動し、１４８ＭＨｚで通電した
（２．２５ｍｍ）² で長さ３７ｃｍの密封放電チャンバ
から、単一導波管モードの３１Ｗの出力を励起すること
ができる。これらのデバイスに関連する放電動作パラメ
ータは、Chenausky およびNewmanの「RF Excited Waveg
uide CO₂ LaserTechnology(ＲＦで励起した導波管ＣＯ₂
レーザ・テクノロジー) 」(Invited Paper, Lasers 19
82, New Orleans, LA) およびNewmanおよびHartの「Rec
ent R&DAdvances in Sealed-off CO₂ Lasers( 密封ＣＯ
₂ レーザの最近の研究開発の進歩) 」(Laser Focus/Ele
ctro-Optics, pp.80-91, 1987 年６月) の報告による
と、ｆＤ＝３３３ｍｍ−ＭＨｚ、ｐＤ＝２０３Ｔ−ｍ
ｍ、Ｐ_i ／ｖｏｌ＝１６０Ｗ／ｃｍ³ 、Ｐ₀ ／Ｌ＝８４
Ｗ／ｍおよびＮ_D ＝０．３１である。Vitrukその他が検
討したように、側面が４つある放電チャンバによって非
常に効果的な冷却が提供されるため、上述の特定入力、
ｐＤおよびｆＤの積が、スラブ・デバイスの値より多少
高いことは、注目に値する。

【００４５】Vitrukその他の分析を備えると、先行技術
の結果の多くは、より容易に理解し、分類することがで
きる。たとえば、J. Xinその他が論文「rf-exited all-
metal waveguide CO₂ laser(ＲＦ励起全金属導波管ＣＯ
₂ レーザ) 」(Appl Ply Sett, 59, (26), 23 1991 年１
２月, pp.3363-65) で検討しているように、ＲＦ励起レ
ーザの放電チャンバに対して所与の修正のメリットが得
られる。Xin その他の教示によると、２．５×２．３ｍ
ｍ2 、３．５×３．３ｍｍ² または４．５×４．３ｍｍ
² で長さ３０ｃｍの領域を横ＲＦ励起することができ、
いずれの場合もアルミニウム製電極の間隔Ｄは横方向の
２つの寸法のうち大きい方で、いずれの場合も、陽極酸
化処理したアルミニウムの側壁は、陽極酸化処理した
「金属」側壁と金属の電極との間に．１ｍｍの空隙があ
るように間隔をあける。したがって、最大Ｄ／Ｗ＝１．
０９となる。Xin その他が検討した３つのチャンバの励
起が、ｆＤおよびｐＤについて、それぞれ２４８ｍｍ−
ＭＨｚおよび２２８Ｔ−ｍｍ、３７５ｍｍ−ＭＨｚおよ
び２１４Ｔ−ｍｍ、３７４ｍｍ−ＭＨｚおよび２１５Ｔ
−ｍｍであると、約４３Ｗ／ｃｍ³ の入力の場合、この
ような密封レーザから、約４７Ｗ／ｍの単一導波管ＥＨ
₁₁モードの最大出力を得ることができる。Vitrukその他
の文脈では、ｆＤとｐＤの積は最適値を多少上回り、出
力は、同様にポンピングした正方形導波管チャンバで得
られる最高パワーの約５５％に過ぎない。その教示は明
白である。つまり、ＤおよびＷの導波管モードで動作
し、側壁に対してＤ／Ｗ＜１．０９の電極を有するすべ
ての金属ＲＦ放電チャンバは、最適な状態でＲＦ励起し
たＤ／Ｗ＝１の対称形導波管アパーチャ・レーザで得ら
れる出力に比べて、５０％の出力損失を生じ、したがっ
てＤ／Ｅ＞１を用いるのは有利ではない。

【００４６】S. Lovold およびG. Wang の「Ten-atmosp
heres high repetition rate rf-excited CO₂ waveguid
e laser(１０気圧の高い反復率のＲＦ励起ＣＯ₂ 導波管
レーザ) 」(Appl Phy Lett 40, (1) 1982 年１月１日,
pp.13-15) およびC. Christensenその他の「Transverse
Electrodeless RF Discharge Excitation of High-pre
ssure Laser Gas Mixtures( 高圧レーザ混合気の無電極
横ＲＦ放電励起) 」(IEEE JQE, QE-16 (9), 1980年９
月, pp.949-954) は、間隔をあけた電極が側壁のない導
波管を形成する放電チャンバの横ＲＦ励起の使用につい
て報告し、両方のデバイスは、「高度化」として横方向
の気体フローを使用して、高圧で高い特定入力励起を達
成する。LovoldおよびWangの場合は、１．５ｍｍ（Ｎ_D
＝０．３５）の間隔の電極間の４０．６８ＭＨｚの励起
を、１ｋＨｚのＰＲＦで大３８００Ｔｏｒｒまで使用す
ることができ、Christensen その他の場合は、２ｍｍ
（Ｎ_D＝０．５９）の間隔の電極間の３０ＭＨｚの励起
を、５００ＨｚのＰＲＦで最大９００Ｔｏｒｒの圧力ま
で使用することができた。LovoldおよびWandのデバイス
では、２ｋＷのＲＦパルスが、１．５ｍｍの電極間隔を
用いて、６１ｍｍ−ＭＨｚおよび５７００Ｔ−ｍｍのｆ
ＤおよびｐＤを生成し、Christensen その他のデバイス
では、９ｋＷのＲＦパルスが、２ｍｍの電極間隔を用い
て、６０ｍｍ−ＭＨｚおよび１８００Ｔ−ｍｍのｆＤお
よびｐＤを生成した。Christiansenは、比入力７１Ｊ／
ＬＡでその０．９ｃｍ² の放電ボリュームポンピング
し、約７．４％の変換効率を実現した。両方のデバイス
で、放電チャンバには側壁がないので、導波は２枚の電
極間にのみ生じることができた。両方のデバイスで、光
共振器は、ＲＦ放電電界に直角の放電次元で安定した自
由空間のガウス共振器で、両方のデバイスで、生成され
た放電は、薄いＡｌ₂ Ｏ₃ の細片の背後に配置された１
対の金属電極によっておおよそ規定された。また両方の
デバイスで、ｆＤは最適なポンピングに必要な２８８ｍ
ｍ−ＭＨｚよりはるかに低く、ｐＤは最適なスラブ励起
で特定された１３３ｍｍ−ＭＨｚよりはるかに高かっ
た。

【００４７】Vitrukその他、Laakmannの特許第4,169,25
1 号、および非最適ポンピング状態で高い平均比入力を
達成することに付随する小型アパーチャの妥協を考慮し
て、当業者なら、LovoldおよびWangおよびChristensen
その他の教示が、最適値にほど遠いｆＤおよびｐＤでＲ
Ｆ励起を使用しても、高い比入力が実現できるものであ
ることが理解される。しかし、このような高レベルの励
起において安定した放電を維持するため、１対の導波管
の間隔をあけた電極間に、横ＲＦ励起を越えて、励起方
式に対する２つの強力かつ十分な高度化を取り入れなけ
ればならない。第１に、気体フローを取り入れねばなら
ず、これは横気体フローであることが好ましい。これ
は、導波を１次元に制限するが、基本的な放電自体は、
基本的に断面が対称形で、電極間の放電寸法は、幅より
多少小さい（Ｗ＞Ｄ）。第２に、放電の不安定さが発生
する前に放電を停止できるよう、励起はパルス状にしな
ければならない。全体として、横ＲＦ励起による高度化
は、巧妙かつ厳格であるが、それほど厳格ではないの
で、重大な横気体フローを導入せずに、まったく最適で
ないｆＤおよびｐＤでの高レベル・ポンピングを許容
し、放電を安定化させて、最適でないポンピングを補償
することができる。

【００４８】ｆＤの積がVitrukその他によって予想され
た最適値とかけ離れた導波管領域の低周波数励起が、横
ＲＦ励起で得られる実現可能出力を制限できる場合は、
より最適な励起が、有利な結果を生じるはずである。実
際、R. Brownその他が論文「Large-Volume Pulsed-RF E
xcited Waveguide CO₂ Lasers(大容量パルス状ＲＦ励起
導波管ＣＯ₂ レーザ) 」(IEEE JQE QE 28, No.2, pp.40
4-407, 1992 年２月)で報告したように、放電パルス幅
を、放電の非安定性が形成されないほど小さくすれば、
対称形の横ＲＦ励起導波管放電領域の高い比入力ポンピ
ングは、非フロー放電チャンバ内に、良好な変換効率お
よび高い出力を生じることができる。名目３．９ｋＷ、
１５２ＭＨｚの励起光源を使用して、圧力１１４Ｔｏｒ
ｒの比入力１８０Ｊ／ＬＡで、５ｍｍの円形ボア導波管
レーザをポンピングすると、５０ｕｓ、３％のデューテ
ィ・サイクルのポンピングで、１２％の放電効率が実現
された。この場合、放電ｆＤは７６０ｍｍ−ＭＨｚ、ｐ
Ｄは５７０Ｔ−ｍｍで、空洞のフレネル数Ｎ＝１．２８
であった。ほぼ平面状の光共振器を使用すると、安定し
た自由空間ガウスＴＥＭ₀₀モードの回折による往復損失
は、１０％の範囲で、つまり誘導波ＥＨモードの範囲よ
り高く、したがって、共振器を１より多少大きいフレネ
ル数で動作させると、５ｍｍ内径のデバイスが、導波管
レーザとして動作する。完全に密封したデバイスを使用
すると、放電長の出力３９．２Ｗ／ｍに対応する６００
ＨｚのＰＲＦで、内径５ｍｍ、長さ３７ｃｍの利得長レ
ーザの最大平均出力が達成された。上記で検討したよう
に、Christiansenその他の報告した研究と比較すると、
Brown その他のデバイスは、より穏当であるが、なお最
適値のｐＤの積より高い値で動作する、極めて大きいア
パーチャを有する放電チャンバ内で、１２倍以上大きい
ｆＤの積を使用した。この状態では、高い特定入力ポン
ピングによるシース領域の不安定化特性は、はるかに厳
格でなくなり、気体フローに頼らずにＲＦパワーからレ
ーザ・パワーへの変換効率の改良が実現された。したが
って、Brown その他の教示によると、励起プロセスに導
入される高度化のタイプが、放電パルスの長さを制限し
て、放電の不安定性の形成を防止し、放電が所望のαタ
イプの放電から望ましくないγタイプのＲＦ放電へと移
行しないようにするタイプである場合は、高い特定入力
で、最適なｐＤの積より高い値で、対称形の導波管放電
チャンバを動作させることができる。

【００４９】A. Hongoその他の「Thin film-Coated Wav
eguide CO₂ Laser( 薄膜塗布の導波管ＣＯ₂ レーザ) 」
(IEEE JQE, QE-22, (9) 1986年９月, pp.1604-1608)
は、２ｍｍ離した側壁を有して３ｍｍ間隔の１対の金属
電極間に形成されたＲＦ励起長方形導波管放電チャンバ
（Ｄ／Ｗ＝１．５）は、電極にゲルマニウムを塗布する
と、電極に何も塗布しない場合より損失が少ない、とい
う理論を展開した。Hongo その他は、Ｎ_D ＝０．５３お
よびＮ_W ＝０．２４のフレネル数を有する長４０ｃｍの
横ＲＦ励起利得媒質を構築し、ｆＤ＝１５０ｍｍ−ＭＨ
ｚおよびｐＤ＝１１４Ｔ−ｍｍという放電を使用して、
塗膜しない電極では、２．５％の効率で１Ｗの出力を獲
得し、塗膜した電極では５％の効率で２Ｗ、つまりＰ₀
／Ｌ＝５Ｗ／ｍを獲得した。Hongo その他は、塗膜した
電極を使用すると、塗膜しない電極の場合より、電極間
隔を５０％長くした断面の放電チャンバから、より多く
のレーザ・パワーが引き出せることを立証した。しか
し、理論的にも経験上でも、Ｄ／Ｗ＝１．５のチャンバ
の出力は、Ｄ／Ｗ＝１のチャンバで最適なポンピングで
実現可能な出力よりはるかに下に落ちるので、Hongo そ
の他の教示は、電極間隔が側壁の間隔より大きい導波管
・導波管ＣＯ₂ レーザで、さらに少々低いｆＤで励起す
ることは有利ではない、ということである。

【００５０】Hongo その他と同様、米国特許第4,651,32
5 号のWangその他、「Radio Frequency Pumped Mid-Inf
rared Waveguide Lasers( 無線周波数でポンピングした
中赤外線導波管レーザ) 」(IEEE JQE, QE-20, (3) 1984
年３月, pp.276-283) のWangその他、および「RF-Pumpe
d Infrared Laser Using Transverse Gas Flow( 横気体
フローを使用したＲＦポンピング赤外線レーザ) 」(IEE
E JQE QE-20, (3) 1984 年３月, pp.284-28)のWangその
他は、幅が２ｍｍであるが間隔が３ｍｍの電極を有する
導波管放電チャンバへ、横ＲＦ励起を使用した。特許第
4,651,325 号のデバイス、およびWangその他の論文に記
載されたデバイスでは、Ｎ_D ＝１．０２で、横方向の気
体フローが使用されていたので、導波管の壁はなかっ
た。Wangその他では、３ｍｍ×２ｍｍの導波管（Ｎ_D ＝
１．０２、Ｎ_W ＝０．４３）構造を通る縦方向の気体フ
ローを使用したが、ＣＯ₂ のデータは報告されていな
い。したがって、実験は、３ｍｍ間隔で幅２ｍｍ、長さ
２０ｃｍの電極のＷａｎｇその他による横励起を使用
し、ｆＤ＝４８０ｍｍ−ＭＨｚおよびｐＤ＝１５０Ｔ
−ｍｍの放電を生成した。２００Ｗ（１６７Ｗ／ｃｍ³
）のＲＦ入力で、効率８％の利得長２０ｃｍから、１
６Ｗ（８０Ｗ／ｍ）のＣＯ₂ レーザ出力を得た。これ
は、電極間隔３ｍｍの導波管レーザとして動作すると仮
定されたデバイスで実施し、特許第４，６５１，３２５
号の図３で描かれた出力対減結合透過の分析（Ｒｉｇ
ｒｏｄの分析）と、非常に良好に合致した。Ｖｉｔｒｕ
ｋその他の分析に関しては、励起すると、ｆＤが最適値
より高くなり、ｐＤはほぼ最適値となった。入力が１６
７Ｗ／ｃｍ³ の場合、Ｗａｎｇその他のレーザは、Ｖ
ｉｔｒｕｋその他がＷ≫１の密封した非フロー水冷スラ
ブ電極デバイスで使用した７５Ｗ／ｃｍ³ より著しく
高い特定入力で作動した。それと同時に、Ｄ／Ｗ＜１．
５が１６０Ｗ／ｃｍ³ より少々大きいだけの横方向フ
ロー放電領域に１６７Ｗ／ｃｍ³ のＲＦ入力が、Ｈａ
ｒｔおよびＮｅｗｍａｎによって、Ｄ／Ｗ＝１の完全に
密封した（２．２５ｍｍ）² の放電チャンバ内で実現
した。さらに、１６７Ｗ／ｃｍ³ の入力で放電の安定
性を維持するために、横方向の気体フローの助けを受け
ても、放電長のわずか８０Ｗ／ｍの出力は、Ｗａｎｇそ
の他に多少類似したｆＤおよびｐｄの積を使用してＨａ
ｒｔおよびＮｅｗｍａｎが報告した、密封した（２．２
５ｍｍ）² の対称形ボア導波管レーザで実現した８４
Ｗ／ｍより、明らかに低い。Ｗａｎｇその他の教示によ
ると、横方向の気体フローを使用してレーザ媒質を対流
冷却し、これがγタイプの放電に退化しないようにする
と、Ｄ／Ｗ＜１．５のデバイスでは、１６７Ｗ／ｃｍ³
の入力で、安定したＲＦα放電を維持することができ
る。Ｗａｎｇその他の教示では、横方向でＲＦ励起した
Ｄ／Ｗ＜１．５のＣＯ² レーザの横方向の気体フロー
を使用して、入力を、密封したＤ／Ｗ＝１のレーザで達
成できる入力よりわずかに高く維持することができる。
しかし、この状態では、非対称形断面の放電からの出力
は、（２．２５ｍｍ）² の対称形のアパーチャ・デバイ
スより低く、これは、気体フローおよび好ましいｐＤお
よびｆＤの励起パラメータを使用しても、Ｄ／Ｗ＜１．
５タイプの放電領域は有利ではないことを示す。

【００５１】M. Machen に帰される米国特許第4,755,99
9 号は、１５×４５ｃｍ² の放電表面に直角に、十分な
強度の磁界を与えれば、幅１ｃｍ、高さ１５ｃｍ、長さ
４５ｃｍのチャンバ内で、１５ｃｍ離れた一連の安定器
付きピン電極間に、長方形の断面のＣＯ² 直流放電を確
立できる、と開示している。このＣＯ² の利得領域は、
電極間隔が１５０ｍｍで、１４ないし１８Ｔｏｒｒの圧
力範囲で動作し、Ｐ_i＝１８００Ｗの入力を有するもの
として開示され、したがってその様々な動作パラメータ
は、Ｐ_i ／ｖｏｌ＝２．７Ｗ／ｃｍ³ 、Ｐ_i ／Ａ＝２．
７Ｗ／ｃｍ² 、ｐＤ＝２１００ないし２７００Ｔ−ｍ
ｍ、電極間隔の方向のフレネル数Ｎ_D ＝１１８０、およ
び側壁間隔の方向はＮ_W ＝５．４である。側壁間隔が大
きく、フレネル数が５．４なので、この次元では放電が
極めて多重モードになるので、導波管空洞を使用する利
点がないのは明白である。同様に、放電のエリア冷却の
利点は、大きい側壁間隔のために損なわれる。特に、パ
フォーマンスのレベルが何も開示されていない。

【００５２】Vitrukその他の理論は、Ｗ／Ｄ＜１および
ｆ＝１なので、特許第4,755,999 号のデバイスの直流励
起形状には適用されない。しかし、このデバイスの高い
フレネル数および高い動作ｐＤの積とを考慮に入れる
と、デバイスは、全体的な放電の安定を維持するには何
らかのタイプの高度化が必要なほど大きいＣＯ₂ レーザ
・アパーチャの属性を、少なくとも幾つかは有する。た
とえば、容積および面積ベースのその入力は、Vitrukそ
の他が使用した入力よりはるかに低いが、動作ｐＤの積
は非常に大きいので、放電の安定性を維持する手段とし
て横気体フローを使用したLovoldその他のデバイスも、
Christensen その他のデバイスも、撤回される。これに
基づき、磁界は、別個の直流放電の均質化を促進し、そ
れが合体して一連のアークに崩壊するのを防止する高度
化の手段として、明快に識別される。この点において、
Buczek、Freiberg、Chenausky およびWayne による「Ma
gnetic Stabilization of the Plasma Column in flowi
ng Molecular Lasers(流動する分子レーザのプラズマ柱
の磁気安定化) 」(Proc. IEEE on Atomic and Molecula
r Plasmas, Vol.59, No.4, 1971 年４月, pp.659-667)
で教示されているように、流動するＣＯ₂ レーザの直流
放電形状の直流放電と磁界との相互作用が、関連する。
特許第4,755,999 号で教示するように、（第４段３３〜
３８行）「平坦なプレートを使用し、放電に追加の高度
化を行わないレーザを生成しようとすると、そのレーザ
の出力は、冷却管中の放電で達成される出力より、長さ
１ｍ当たりの値が実際に小さくなり」、（第１２段６０
〜６４行）「掃引放電を達成するには、幾つかの要素が
協力しなければならないことを理解することが重要であ
る。その要素とは、放電に関連する空洞の形状、気体、
磁界、および電界である」。したがって、外部から加え
た磁界は、Ｎ_W≫１かつＤ／Ｗ≫１の場合に、この交流
放電方式の極めて基本的な要素として、特に教示されて
いる。

【００５３】電極間隔対側壁間隔が１．５：１というHo
ngo その他の教示、電極間隔対側壁間隔が１．５：１と
いうWangその他の教示、および電極間隔対側壁間隔の比
率が１５：１と開示したMachenの教示が当業者に与えた
正味の影響は、電極寸法を延ばした放電方式は好ましく
なく、病理学的に極めて望ましくなくて、放電を安定さ
せるために何らかの形の厳格な高度化を取り入れない限
り、高い比出力励起の候補者となる、ということであっ
た。

【００５４】Lauderslagerその他は、特許第4,088,965
号で、高電圧パルスの前期電離源とパルス状主放電源と
を高さ１．０ｃｍ、幅．６ｃｍ、長さ６４ｃｍのチャン
バ内で互いに直角で横向きに配置すると、４２７．８ｍ
ｍＮ²⁺の電荷移動ガス・レーザの高圧パルス状放電動作
が実現できることを教示する。Lauderslagerその他の開
示した実施例では、主放電電極は、１．９ｃｍの間隔
で、３０ｋＶ、２５ｎｓ、１．１ジュールのパルスで通
電され、前期電離電極は、０．６ｃｍの隔で、非開示の
１００ｋＶのパルス状エネルギー源で通電する。４気圧
の動作圧力およびＣＯ₂ の１／２５の動作波長で、放電
チャンバのパラメータは４２８ｎｍの光に対して、ｐＤ
＝５７，７６０Ｔ−ｍｍ、Ｎ_D1＝３３０、Ｎ_D2＝３２．
９であった。古典的な高圧で非常に大型のアパーチャ・
レーザ・システムの場合、放電を安定状態に維持するの
に必要な高度化の手段は、パルス幅が５０ｎｍ以下の直
交方向の放電電源である。同等の波長および圧力スケー
ルのＣＯ₂ レーザは、電極間隔が４７．５ｃｍ、側壁間
隔１５ｃｍで、１２１．６Ｔの圧力で作動し、ｐＤの積
が２３１０Ｔ−ｍｍで、電子ビームまたは他の何らかの
タイプのパルス状励起の候補者となる。光学的に、アパ
ーチャは非常に大きいので、エリア冷却および導波管共
振器には、効果も用途もない。特許第4,088,965 号で開
示されたレーザ・デバイスが、ＣＯ₂ レーザとして作動
するという指摘はなく、これまでに教示もない。

【００５５】要するに、電極の幅を広げることによって
小さい放電アパーチャのサイズを拡大するか、電極の間
隔を拡大するかの間に、何らかの同値があるかについ
て、先行技術からは有用なＣＯ₂ レーザ放電の２つの異
なったイメージが生じた。放電幅を増加させて、Ｗ／Ｄ
が大きいスラブ放電を生成することは、ＣＯ₂ レーザの
有用性を改善するのに非常に効果的であることが示され
ている。フレネル数は、通常、ＷではＮ_W ≫１、Ｄでは
Ｎ_D ＜１なので、空洞の選択は、小さいフレネル数で高
いアパーチャの損失に対応し、大きいフレネル数のモー
ド弁別を提供する選択でなければならない。Ｗ／Ｄ≫１
のＲＦ放電チャンバについては先行技術が存在するのに
対して、Ｄ／Ｗ≫１には先行技術が存在しないが、Ｄ／
Ｗ＜１．５の場合は、このような間隔が極めて不利であ
ることが示されているのみである。したがって、Ｄ／Ｗ
≫１の放電アパーチャ体系のＣＯ₂ レーザの光共振器に
ついて、先行技術は存在しない。

【００５６】対称形の小型放電アパーチャを、Ｗ／Ｄ≫
１となるよう電極幅の方向に拡大すると、先行技術のＲ
Ｆ励起を放電アパーチャに適用して、電極の幅方向でフ
レネル数Ｎ_W ≫１を有する高比力放電領域を実現するこ
とができるが、これは、電極間隔の横放電領域のフレネ
ル数Ｎ_D が１未満、または約１以下である場合に限る。
Ｗのフレネル数はＮ_W ≫１であるので、非安定光共振器
が、より高次モードの回折損失で有意の差を有する空洞
の唯一の選択肢であり、これらの共振器のタイプは、１
以下の電極間隔のフレネル数によるアパーチャ損失に対
応するため、導波管共振器と組み合わせると、多重モー
ドではない出力を実現するのに効果的な共振器の組合せ
であることが示されている。このタイプの先行技術の励
起形状および空洞システムの利点は、間隔が狭く面積が
大きい水冷ＲＦ電極によって提供される冷却のために、
非常に安定した放電を維持しながら、非常に望ましい単
位体積当たりの高い比入力を達成できることである。Ｗ
／Ｄ＞１の出力は、有利なエリア冷却のために、Ｗ／Ｄ
＝１のデバイスの８４Ｗ／ｍを上回ることが示された。
放電幅対電極間隔の縦横比Ｗ／Ｄが２０以上の場合、同
様にエリア冷却のために、密封デバイスで１０００Ｗ／
ｍを上回る利得長の出力が実現された。電極の間隔が狭
く、長方形の断面の形状のＲＦ放電について、最近展開
した理論により、任意の混合気で、幅Ｗ、間隔Ｄおよび
縦横比Ｗ／Ｄ≫１の電極の場合、放電領域は、２８８ｍ
ｍ−ＭＨｚおよび１３３Ｔ−ｍｍの範囲のｆＤおよびｐ
Ｄの積でポンピングするとよいことが判明した。

【００５７】対称形の小型アパーチャを、電極間隔の方
向に拡大すると、ＣＯ₂ レーザの横ＲＦ励起は不利であ
ることが示されている。１辺が２ｍｍないし３ｍｍの正
方形のＲＦ励起導波管を、電極間隔の方向に、Ｄ／Ｗ＝
１．５になるまで拡張すると、先行技術により、例外な
く、これらのＤ／Ｗ＜１．５のＲＦ励起導波管デバイス
からのレーザ出力が、Ｄ／Ｗ＝１のＲＦ励起導波管デバ
イスで得られるレーザ出力より著しく少なくなることが
分かっている。場合によっては、完全に密封したＤ／Ｗ
＝１のデバイスの場合よりわずかしか大きくない比入力
で放電の安定性を維持するために、Ｄ／Ｗ＜１．５のＲ
Ｆ励起導波管デバイスは、横方向の気体フローを必要と
した。名目Ｄ／Ｗが１．５未満、Ｎ_D およびＮ_W の両方
が約１以下の何らかの先行技術がある非対称形ＲＦ励起
放電アパーチャの体系では、先行技術の光共振器は、す
べてがＤおよびＷの両方で導波管で、したがって、Ｄ／
Ｗ≫１、およびＮ_W ＜１およびＮ_D ≫１、またはＮ_W ＞
１およびＮ_D ＞１のＲＦ励起アパーチャに関する先行技
術はない。

【００５８】直流で励起し、電極間隔と側壁間隔との割
合がＤ／Ｗ＝１５で、Ｎ_D ＝１１８０およびＮ_W ＞５の
フレネル数を用いた、はるかに大型の長方形アパーチャ
の場合、低速の縦方向の気体フローが存在しても、発射
電極、安定器付きピン電極のアレイおよび強力な横磁界
を、すべて放電チャンバの内部に配置しないと、安定し
たＣＯ₂ 放電動作は達成できない。この先行技術は、圧
力とチャンバの縦横比と磁界強度との間には、微妙な相
互作用があることを教示する。この形状で、直流の代わ
りに交流で動作すると、追加の発射電極を加え、磁界を
維持しなければ安定した放電が得られないことが教示さ
れる。

【００５９】断面が長方形のＲＦ励起放電領域を、電極
間隔の方向にＤ／Ｗの割合が１．５になるよう拡張する
が、いずれの次元でもなお導波管である放電領域は、先
行技術から、本質的に望ましくない励起体系であるよう
である。また、直流で励起し断面が長方形のＤ／Ｗ＝１
５の放電領域を、電極間隔の方向に大幅に拡張し、側壁
間隔がＮ_W ＞５、電極間隔がＮ_D ＞１１００のフレネル
数で動作させると、交流または直流の励起で放電の安定
性を維持するために、縦方向の気体フロー、強力な横方
向の磁界、複数の安定器付き電極、および複雑な発射電
極が必要である、と先行技術は教示する。このタイプの
放電アパーチャについて、特に記述されたり示唆された
りする先行技術の光学大系はない。

【００６０】先行技術に関する上記の検討は、幾つかの
異なる技術的展望から見たもので、先行技術で知られて
いる様々な要素を組み合わることによる、横ＲＦ励起Ｃ
Ｏ₂レーザの分野の一般的な進歩について説明した。上
記で検討した利用可能な先行技術の横ＲＦ励起ＣＯ₂ レ
ーザ技術はすべて、電極の分離距離がＤで、Ｄ≪Ｗまた
はＤ≦１．５Ｗの導波管共振器を扱う。Ｄ≫Ｗで、寸法
Ｄの非安定共振器または自由空間ガウス共振器を有する
限られた横ＲＦ励起デバイスについて、先行技術はな
い。同様に、縦横比が高く、限られたRF放電チャンバ内
で１次元導波管共振器を使用し、放電の熱の除去および
誘導を、プラズマ・シースが存在しない寸法Ｗ、つまり
放電電界に直角な寸法で実施することについて、先行技
術はない。むしろ、先行技術の縦横比が高い横ＲＦ放電
形状は、すべて、放電電界の方向の導波管空洞を意図的
に使用している。

【００６１】先行技術は、密封したＤ／Ｗ≪１のＣＯ₂
レーザにＲＦ励起を適用することは、有利であると教示
する。しかし、先行技術は、光共振器が寸法Ｄの導波管
の場合に、１．０９＜Ｄ／Ｗ＜１．５のＣＯ₂ レーザに
ＲＦ励起を適用することは、有利ではなく、放電の安定
性を維持するために気体フローを必要とすることもあ
る、と教示する。先行技術はさらに、Ｄ／Ｗ＝１５で交
流または直流の励起は、放電の安定性を維持するため
に、多ピンの安定器付き電極、強力な横方向の磁界、発
射電極、および気体フローが必要なことも教示する。し
たがって、先行技術は、Ｄ／Ｗ＞１．５で寸法Ｄが導波
管のチャンバの励起は、有利な結果をもたらさないこと
も、当業者に教示する。

【００６２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記および
その他の先行技術の欠点および短所を克服し、そうする
ことによって、軽量でバキューム内の部品が少なく、製
造費がかからず、放電および容積効率が比較的高く、低
い放電励起周波数を使用し、ｆＤ、ｐＤの積の関係を分
解して、放電圧力および励起周波数を別個に選択して最
適化できるｆＤ、ｐＷの積の関係にし、横軸が放電電界
に平行な非安定１次元共振器を使用し、放電電界に平行
に延びて放電の熱を除去する放電側壁を使用することを
特徴とする、斬新で改良型のＲＦポンピングＣＯ₂ ガス
・レーザを提供する。本発明によるレーザは、ＲＦと直
流の放電励起を組み合わせて使用する能力を有し、横方
向に輪郭を描く電極を使用して、直流増強ＲＦ励起を使
用することができ、縦方向に輪郭を描く電極を使用し
て、バキューム内またはバキューム外の誘導要素を使用
せずに縦方向の放電の均一性を促進することができ、低
容量構造で高い放電インピーダンスを生成することがで
き、ＲＦ／ＲＦまたはＲＦ／直流の励起を組み合わせて
使用し、アパーチャの多様性を達成することができ、セ
ラミック製側壁に触媒材料を使用して、レーザの寿命を
延長するよう対応でき、効果的な超真空強制空冷を利用
することができる。

【００６３】上述した特徴以外に、本発明の電極形状
は、望ましいαタイプのＲＦ放電から望ましくないγタ
イプの放電への遷移を本質的に抑制することが、思いが
けなく判明した。また、本発明によるレーザの動作は、
横軸が放電電界に平行な、ユニークな１次元の非安定共
振器を使用し、先行技術のスラブ・デバイスのプラズマ
・シースが、媒質の重大な不均等性を引き起こし、それ
によって出力ビームの質を大幅に劣化させて、時には５
０％ないし１００％劣化させる可能性があることを、思
いがけず明らかにした。

【００６４】

【課題を解決するための手段】本発明によると、すべて
の平面の図がほぼ長方形の大面積放電は、ＩＳＭ励起周
波数、特に２７．１２ＭＨｚまたは１３．５６ＭＨｚの
ＩＳＭ周波数を使用して生成することができる。断面で
は、この放電形状は長い寸法と短い寸法を有し、長い方
は寸法Ｄで分離された電極間の寸法で、短い方の寸法
は、空洞内レーザ光の誘導と放電へのエリア冷却の提供
との両方に適し、距離Ｗで分離された１対のセラミック
製側壁間の寸法である。この放電チャンバでは、ＲＦ放
電電界は、長い横方向の寸法で、Ｗに対して直角に維持
される。１対のミラーが、長方形の断面の放電チャンバ
の両端またはその付近に配置され、チャンバは間隔を広
くあけた電極および間隔が狭い側壁によって制限され
て、このミラーはこの非対称形断面のＲＦ励起ＣＯ₂ 媒
質の光共振器を構成する。このように形成されたレーザ
空洞は、それぞれ寸法Ｄおよび寸法Ｗに関連する非常に
異なった２つのフレネル数を有し、２つのフレネル数の
うち大きい方は、安定した自由空間ガウス共振器または
非安定共振器モードに比例し、２つのフレネル数のうち
小さい方は、空洞内レーザ光の誘導に比例する。したが
って、本発明の横放電寸法ＤおよびＷに関連する空洞の
フレネル数が、以前に規定した通りの場合は、Ｄ≫Ｗな
のでＮ_D ≫Ｎ_W であり、空洞は、放電電界に直角な短い
方の寸法Ｗの自由空間ガウスまたは導波およびＤによっ
て規定された大きい方の断面寸法の非安定または安定な
自由空間ガウスであることが好ましい。

【００６５】本発明は、放電の安定化のために横方向の
磁界を使用せずに、長方形の断面の放電チャンバ内で安
定したＲＦ放電を生成する。本発明は、レーザ発振器と
して動作する場合は、側壁間隔に導波管モード、電極間
隔に不安定なモードを有する光発振器、または側壁間隔
に導波管モード、電極間隔に自由空間ガウス・モードを
有する光発振器、または側壁間隔に自由空間ガウス・モ
ード、電界間隔に不安定モードを有する光発振器も使用
する。

【００６６】本発明は、電極間隔と側壁間隔との割合が
Ｄ／Ｗ＞１でエリア冷却される、長方形の断面のＲＦ放
電を生成する。

【００６７】本発明は、放電電界に平行に延びる表面に
よって冷却される放電領域または壁も有する。

【００６８】本発明は、電極間隔と側壁間隔との割合が
Ｄ／Ｗ＞１で、側壁の冷却がＤ／Ｗの割合である、ほぼ
長方形断面のＲＦ放電を生成する。

【００６９】本発明は、さらに、プラズマ・シースが、
長い横方向の放電寸法の全長よりかなり短く延びる、長
方形断面のＲＦ放電を生成する。

【００７０】本発明は、Ｄ／Ｗ＞１で、１次元のみで非
安定発振器モードを支持するのに適したチャンバ内で、
長方形断面のＲＦ放電を追加的に生成する。

【００７１】本発明は、Ｗが一定ではなく、Ｄ／Ｗ＞１
のチャンバ内で、ＲＦ放電も生成することがあり、チャ
ンバは、１次元のみで非安定発振器を支持するのに適す
る。

【００７２】本発明は、Ｄ／Ｗ＞１のエリア冷却チャン
バ内で長方形断面のＲＦ放電を生成することもでき、Ｄ
またはＷで、１次元の安定した自由空間ガウス・モード
を支持するのに適している。

【００７３】本発明は、放電電界が１次元の非安定発振
器モードの横軸に平行な、長方形断面のＲＦ放電も生成
することができる。

【００７４】本発明は、放電電界が１次元の非安定発振
器の横軸に平行な、長方形断面のＲＦ放電も生成するこ
とができる。

【００７５】本発明は、一方の電極付近にしか配置され
ない縁部から出力が結合された場合に、非安定１次元発
振器とともに使用する長方形断面のＲＦ放電も生成する
ことができる。

【００７６】本発明によるレーザは、プラズマ・シース
領域が、空洞の出力結合モードまたは空洞内モードの有
意の部分に結合されない、長方形断面の放電領域を特徴
とする。

【００７７】本発明によると、電極間隔の次元の非安定
発振器が使用され、プラズマ・シースが支配する領域を
通る回折結合出力の部分は、モードの縁部からの結合に
よって最小化され、電極におけるシース領域との相互作
用を最小にする。

【００７８】本発明は、電極を分離する次元で非安定共
振器を使用し、アパーチャの中心部分からの結合によっ
てプラズマ・シースが形成される領域を通る出力に回折
結合する部分を最小にする。

【００７９】本発明は、１次元の非安定共振器から結合
した縁部または中心のアパーチャも使用して、出力ビー
ムがシース領域をほとんど通過しない長方形の放電領域
からパワーを取り出すこともできる。

【００８０】本発明は、１次元で低倍率の部分透過非安
定共振器を追加で使用し、電極の次元で単一モード、お
よび側壁間隔で単一モードの、高い縦横比の出力ビーム
形状を取り出すことができる。

【００８１】本発明は、電極間隔の方向でのみ、マイナ
スまたはプラスのブランチ非安定共振器も使用すること
ができる。

【００８２】本発明は、プラズマ・シースが非安定共振
器の横軸にほぼ直角にのみ延びる、１次元のマイナスま
たはプラスのブランチ非安定共振器も使用することがで
きる。

【００８３】本発明は、さらに、プラズマ・シースが、
ほぼ非安定共振器の縦軸の方向にのみ延びる媒質におい
て、１次元のマイナスまたはプラスのブランチ非安定共
振器を使用することができる。

【００８４】本発明は、プラズマ・シースが、ほぼ非安
定共振器の横軸にのみ延びるＲＦ励起気体媒質におい
て、マイナスまたはプラスのブランチ非安定共振器を使
用する能力も有する。

【００８５】本発明は、電極間隔が４．５ｍｍを上回
る、エリア冷却した長方形断面のＣＯ₂ 放電を活用する
能力を有する。

【００８６】本発明は、電極間隔の方向でのみ、マイナ
スまたはプラスのブランチ非安定共振器を使用し、ＣＯ
₂ プラズマ・シースの幅が６ｍｍ未満のアパーチャか
ら、単一モードの出力を生成することもできる。

【００８７】本発明は、電極対側壁の間隔の割合がＤ／
Ｗ＞１．５の放電チャンバ内で、ほぼ長方形の断面のＲ
Ｆ放電を生成する。

【００８８】本発明は、側壁の間隔が一定でなくても、
電極間隔と側壁間隔との割合が少なくともＤ／Ｗ＞１で
あるＲＦ放電を生成する。

【００８９】本発明は、別の実施例で、電極間隔と側壁
間隔との割合がＤ／Ｗ＞１で、奇数の電極を使用する、
ほぼ長方形の断面のＲＦ放電を生成する。

【００９０】本発明は、電極間隔のフレネル数がＮ_D ＞
１．６である、長方形断面のＲＦ放電を生成することが
できる。

【００９１】本発明は、４．５ｍｍより大きい間隔をあ
けた電極間に、長方形断面のＲＦ放電を生成することが
できる。

【００９２】本発明は、１つの実施例で、湾曲した電極
を使用して放電の均質性を促進する。本発明によるレー
ザの光共振器は、寸法Ｄで導波管ではないので、電極は
デカルト平面である必要はなく、長さＬに沿って輪郭を
描けることが好ましい。これによって、電極間の間隔が
放電の各終点で大きくなり、電極終点のＲＦ電圧が電極
の中心より大きくなるような定在波効果を補償する。

【００９３】本発明は、幅Ｗの電極に、湾曲した輪郭を
使用することができる。方向Ｗで輪郭を湾曲させると、
放電を不安定にせずに、直流をＲＦ放電に同時に加える
ことができる。

【００９４】本発明は、低価格の低周波数ＲＦ電源、特
に１３．５６および２７．１２ＭＨｚのＩＳＭ帯域のＲ
Ｆ源の使用を活用することができる。これは、本発明で
達成することができる。というのは、空洞の導波機能
が、電極間隔ではなく、小さい側壁間隔Ｗによって提供
されるからである。したがって、非常に効果的な壁冷却
またはエリア冷却が活用されても、本発明により製造さ
れるレーザには、高周波励起を使用する必要がない。

【００９５】本発明は、エリア冷却、中位から高い圧力
の動作、および低周波励起の利点を、同時に活用するこ
ともできる。これが達成できるのは、電極間隔Ｄが大き
くても、低い放電圧力を使用する必要がないからであ
る。したがって、圧力の影響に関係なく励起の周波数を
選択することができ、周波数の選択に適した電極間隔Ｄ
は、容易に生成される。周波数および電極間隔を選択し
たら、側壁スペーサの分離を調整して、望ましい励起状
態のために安定な放電を維持するのに必要な冷却を提供
することによって、放電圧力を別個に選択することがで
きる。たとえば、おおよそのガイドとしてｆＤの積を２
８８ｍｍ−ＭＨｚとすると、１３．５６ＭＨｚの励起に
は２１ｍｍの電極間隔が適切で、１ＭＨｚの励起には、
２９ｃｍの電極間隔が適切である。１ＭＨｚの励起で
は、「ＲＦ」放電電界の反転が、５００ｎｓｅｃごとに
生じるが、これは一般に使用するＣＯ₂ 混合気内でプラ
ズマの不安定性が蓄積する時間と、それほど異ならな
い。明らかに、間隔の狭い側壁は、放電の非安定化プロ
セスに対して、非常に大きい安定化効果を及ぼすことが
できる。

【００９６】本発明は、励起周波数と導波管寸法との積
が＜１００ｍｍ−ＭＨｚとなる、長方形断面の放電を、
追加で活用することができる。

【００９７】本発明は、励起周波数と電極間隔との積が
＞２８８ｍｍ−ＭＨｚであるが、周波数が４１ＭＨｚ未
満であるエリア冷却の長方形断面の放電を、追加で活用
することができる。

【００９８】本発明は、１つの実施例で、異なる横方向
放電セグメントを別個に、しかし切替可能な状態で動作
させ、アパーチャを多様化させてレーザ出力を角度走査
する。

【００９９】本発明の別の態様によると、分割放電が低
周波数励起を活用する。低周波数励起の使用は、低コス
トのレーザ・システムに特に関係がある。というのは、
高力の１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源自体の製造費が低い
からである。

【０１００】本発明の別の態様によると、分割放電を使
用すると、放電インピーダンスが２００Ωの領域に下が
り、ここで５０ΩのＲＦ源インピーダンスと放電インピ
ーダンスとの整合は、効率的でコンパクトで広帯域のト
ロイダル変圧器回路で達成することができる。

【０１０１】本発明は、分割放電動作を利用して、レー
ザ放電インピーダンスが５０Ωなどの望ましい値に低下
するよう調整することもできる。

【０１０２】本発明は、分割放電動作の活用時に、バキ
ューム外の強制対流空冷で効率的に維持できる側壁の冷
却も達成する。

【０１０３】本発明は、プラズマ・シース容量の生成を
最小にし、それによって放電の開始と放電整合ネットワ
ークの設計とに役立つ長方形断面の放電を生成する。と
いうのは、このようなネットワークは、放電開始時に大
きい放電回路容量の変化を補償する必要がないからであ
る。

【０１０４】本発明は、電極容量が小さい構造で、エリ
ア冷却した放電を生成することも特徴とする。電極容量
が小さいと、金属電極の使用時に、大きいｆＤの積を得
て、高いピークＲＦ入力でより安定した放電を提供する
のに役立つ。

【０１０５】本発明の第１の実施例によるレーザは、第
１、つまり非接地または「上部」ＲＦ電極、および対向
して配置された「下部」接地電極で構成される。これら
の電極は、空間的にずれて非導電性の１対のスペーサで
分離され、スペーサは、好ましい実施例ではセラミック
から成る。この第１の実施例では、スペーサは細長く、
電極上に重なる。この幾何形状の結果、２本の細長い電
極が、放電チャンバの２つの壁を構成する。上部電極
は、第３の非導電性スペーサによって接地電位から絶縁
される。この５つの構成要素、つまり２本の電極および
３枚のスペーサは、金属真空エンベロープ内に配置され
る。密封デバイスでは、放電のエリア冷却の重大な利点
を得るために、放電チャンバは、対称形の断面からかな
り離れていなければならない。つまり電極間の距離は、
前記電極と協力して放電チャンバの断面を規定する２枚
のセラミック。スペーサ間の間隙より大きくなければな
らない。また、レーザのエリア冷却を活用して、単一の
横方向安定自由空間ガウス・モードまたは非安定共振器
モードで高い出力を達成するため、電極間で規定された
放電チャンバの寸法は、１０Ｐ２０のＣＯ₂ レーザ光の
場合は少なくとも４ｍｍになるか、長さ３５ｃｍ以下の
チャンバでは、１より大きいフレネル数を持たなくては
ならない。

【０１０６】ＲＦ電力を第１の実施例の非接地上部電極
に加えると、電極間に均一の横ＲＦ放電が生成され、こ
れはセラミック製スペーサの間の領域に限定される。電
極は、この放電によって生成される空洞内光放射の誘導
に関する機能は有さず、非デカルト平面でよく、その幅
および長さにわたって湾曲を有するギャップを規定し
て、均一な励起放電を促進することができる。

【０１０７】本発明によるレーザでは、限られたＲＦ放
電が１対の広い間隔の電極間に生成されるが、ほぼ非導
電性の壁との衝突によって安定化する。広い電極間隔を
有する幾つかの先行技術のデバイスと異なり、安定して
中位から大きいアパーチャの高縦横比の放電を生成する
のに、磁界および発射電極または互いに直角なパルスの
放電源などの追加の高度化は不要である。また、表面プ
ラズマ・シートが常に見られる間隔の広い電極で放電を
衝突冷却する他の以前のデバイスと異なり、本発明で
は、電極によるエリア効果は最小にされ、冷却機能はプ
ラズマ・シースが形成されない壁によって提供される。
開示された実施例の１つの態様では、利得長３２ｃｍの
デバイスで、９５４Ｔ−ｍｍという高いｐＤの積、およ
び４５５ｍｍ−ＭＨｚという高いｆＤの積を使用し、２
７．１２ＭＨｚの励起を用いた様々なパルス及びｃｗ放
電条件で、放電構造に誘導エレメントがなく、誘導壁の
間隔が１．８ｍｍという狭さで、＞１０％の効率の放電
動作を生成することができる。同等のスラブ・デバイス
を使用すると、５３０Ｔｏｒｒの圧力で２５０ＭＨｚの
励起を必要とし、この圧力では放電構造に沿って多数の
誘導エレメントを使用しない限り、放電動作が不安定に
なる可能性がある。開示された実施例の別の態様では、
誘導壁間の間隔がわずか１．３ｍｍ、横方向放電の縦横
比が１２：１で、均一な高い比放電入力を使用し、２
７．１２ＭＨｚの励起の両方の放電次元で、単一の横モ
ード動作を得た。このような動作は、先行技術の放電技
術では不可能であった。

【０１０８】さらに、本発明は、励起周波数が比較的低
くても放電圧と電極間隔との積が高い動作体系で、安定
なαタイプのＲＦ放電を生成できる密封放電の幾何形状
を提供する。

【０１０９】本発明は、レーザのパフォーマンスと費用
とを妥協せずに、２７．１２ＭＨｚのＩＳＭのＲＦ励起
周波数を使用して、コンパクトかつ複雑でない構造か
ら、放電の単位面積当たり高い出力を生成できる幾何形
状も提供する。

【０１１０】さらに、本発明によるレーザでは、放電の
幾何形状により、電極構造に沿った定在波の効果が本質
的に小さくなる。というのは、励起周波数が小さいから
である。さらに、電極構造の電気容量も小さくできるの
で、定在波電圧の変動の効果を克服するために必要な誘
導エレメントの数を最小にすることができ、使用する励
起周波数が十分低ければ、これを除くこともできる。

【０１１１】本発明によるレーザの電極は、導波には必
要ないので、これらの電極はデカルト平面である必要は
ない。実際、本発明は、非デカルト平面の形状の電極に
対応できる放電形状を含み、高いピーク電力パルスでｃ
ｗのＲＦ−ＤＣ入力で、放電の安定性を促進する。

【０１１２】導波管に電極を使用しないことのさらなる
利点として、本発明の放電の幾何形状は、電極の長さ
を、共振器モードを誘導する構造の長さと独立させ、放
電をエリア冷却することができる。この方法で、ミラー
・マウント自体への放電エネルギーをまったく逸らさず
に、接地した空洞の鏡を放電チャンバの端部付近に配置
することができる。

【０１１３】本発明のさらなる利点は、導波管構造とし
てＲＦ電極を使用しないことから波及したもので、この
導波側壁にプラズマ・シースが形成されないので、誘導
壁付近に放電媒質の不均質性が見られないことである。
また、細く面積が小さい電極上に形成されるプラズマ・
シースは、共振器から回折した出力とも共振器内で循環
するモードとも、干渉が最小になるよう取り扱われてき
た。したがって、本発明によるデバイスの空洞内モード
は、先行技術のデバイスにおける空洞内モードとは異な
り、光学的に非常に不均質なシース領域を通過せずにす
み、レーザ・ビームの品質の大きな改良が実現できる。
たとえば、本発明の放電の横方向の先端では、エッジ回
折結合した非安定共振器モードが、出力ビームを取り出
す放電側のシース領域を通過しないよう、容易に配置構
成することができる。導波管・非安定共振器を使用した
結果、本発明は、プラズマ・シースが形成されない表面
間で導波を実現するという、予想外の利点を提供する。
これらの予想外の利点は、部分反射する空洞光学系で導
波管・非安定共振器の空洞内循環モードを観察すること
により、本発明の実施例で判明したもので、本明細書の
教示に従って作成した導波管・非安定空洞を有するＲＦ
励起の長方形断面放電ガス・レーザで独自に活用するこ
とができ、優れた回折特性を有するレーザ出力が得られ
る。

【０１１４】本発明のさらに別の利点は、プラズマ・シ
ース放電ボリュームを最小にした間隔の狭い側壁で、強
化されたエリア冷却を活用できることである。たとえ
ば、２枚の電極の幾何形状で２ｍｍ×４４ｍｍの断面領
域を、４０．６８ＭＨｚで励起すると、本発明ではシー
スの厚さが合計で約１ｍｍになり、したがってシースの
体積は、放電体積の約２％にすぎない。先行技術を用い
て、同じ２×４ｍｍの領域を４０．６８ＭＨｚで励起す
ると、シースの厚さは合計で約１ｍｍになり、したがっ
てシースの体積は、放電体積の約５０％になった。

【０１１５】本発明のさらに別の利点は、ＲＦ電極と同
じ電極で直流を供給し、所定の混合気および圧力の励起
に対して、合計の放電Ｅ／ｐを最適に調節できることで
ある。

【０１１６】本発明のさらに別の利点は、プラズマ・シ
ース領域に影響を与えずに、ＲＦ放電の陽光柱の放電Ｅ
／ｐを変更しただけの電極で、直流を供給できることで
ある。

【０１１７】思いがけなく、本発明の教示を用いると、
図１の実施例で示すように、比較的非効率的な伝熱特性
を有する放電側壁および非冷却電極で、γ放電を生成せ
ずに、６０Ｗ／ｃｍ³ もの高い平均入力を維持すること
ができる。この有利なタイプのＲＦ放電挙動は、以前に
は見られず、ＲＦ放電電界の方向の縦方向放電断面の高
い縦横比と、電極付近のプラズマ・シースの形状と、電
極の面積が小さいことによる２次放出の減少と、ＲＦ放
電を含む絶縁側壁によって提供される衝突の安定性と、
側壁の放出特性を最小にする放電電界の位置合わせとの
組合せによるものと考えられる。

【０１１８】また、思いがけず、本明細書の教示により
生成された放電のプラズマ・シース領域は、単一モード
の非安定共振器次元の寸法におけるレーザ出力に対し
て、一部しか寄与しないことが判明し、したがって、非
安定共振器を使用したＲＦ励起導波管ＣＯ₂ レーザで、
空洞内の輝度プロフィールの「テーパ」が初めて観察さ
れた。シース領域によるこの輝度プロフィールのテーパ
は、ハイブリッド導波管および非安定共振器を使用した
先行技術のＲＦ励起スラブ・デバイスが、回折で限定さ
れた動作から４０％ないし１００％外れた理由と考えら
れる。先行技術のデバイスでは、プラズマ・シース領域
と空洞内モードとが基本的かつ完全に重複したので、こ
れが観察できなかった。

【０１１９】

【実施例】図１を参照すると、本発明の第１実施例によ
るレーザの放電の幾何形状が、全体として１０で指示さ
れた真空エンベロープ内に配置された５個の個々のセラ
ミックおよび金属の構成要素によって規定されている。
実施に際しての一変形では、真空エンベロープ１０は肉
厚３／８”のアルミニウムで構成されていた。エンベロ
ープ１０内に配置された構成要素は、接地していない上
部ＲＦ電極１２を含む。上部電極１２は、左右のセラミ
ック・スペーサ・ピース１６および１８によって、接地
された下部電極１４から間隔があいている。開示された
実施例では、セラミック・スペーサ１６および１８は、
Ａｌ₂ Ｏ₃ で構成されていた。スペーサは、少なくとも
部分的に、電極と重複し、電極と協力して長方形の細長
い空洞を規定する。セラミック・スペーサが電極と重複
するので、空洞の反対側に配置された側面は、導電材で
構成され、細長い。図１に示したレーザの光軸に沿って
見ると、この間隔をあけた狭い電極の配置構成は、レー
ザ媒質を垂直方向の長方形領域に制限する。つまり、第
１方向で空洞を測定した電極間の距離Ｄは、空洞の幅Ｗ
より大きい。つまり、第１方向に対して横方向の第２方
向で測定したセラミック・スペーサ１６と１８との間の
間隔は、電極間隔より小さい。電極間隔Ｄは、少なくと
も前記横方向より大きく、しかも少なくとも自由空間ガ
ウス共振器モードを支えるのに十分な大きさである。

【０１２０】横ＲＦ励起ガス・レーザの当業者にとっ
て、図１のレーザの実施例は、縦方向の光軸を有し、放
電空間はＲＦ電界によって励起される。放電空間は、縦
方向の光軸に対して垂直の断面を有する。放電空間は、
１対の間隔をあけた非導電側壁によって規定され、前記
非導電側壁はこれに対してほぼ平行に確立された電界を
有し、前記放電空間は、平均すると短い方の寸法および
前記短い方の寸法に対して横方向の、平均すると長い方
の寸法によって特徴付けられた断面を有する。さらに、
短い方の寸法は、前記側壁の間の寸法で、前記長い方の
寸法は、非安定共振器モードの横軸またはガウス自由空
間共振器モードの横軸に平行な方向である。短い方の寸
法は、さらに、導波管モードまたは自由空間ガウス・モ
ードの横軸に平行とも言える。したがって、本明細書で
教示する長方形断面の放電空間にとって好ましい共振器
のタイプは、まず第１に長い方の断面寸法、第２に短い
方の断面寸法で呼ぶと、非安定と導波管、非安定と自由
空間ガウス、自由空間ガウスと導波管、および自由空間
ガウスと自由空間ガウスである。

【０１２１】上部電極１２は、細長い空洞内で受け、し
たがって第３セラミック・スペーサ２０の第１表面で受
ける。ラジオ周波数出力は、ＩＳＭ周波数であることが
望ましく、エンベロープ１０のアパーチャおよび対応す
るセラミック・スペーサ２０の穴を通して延びる導体２
２を介して電極１２に分配される。インピーダンスの整
合は、図示されていない単一直列インダクタを使用した
上記の特許第4,751,717 号で開示された方法で達成する
ことが好ましい。ＲＦエネルギーを非接地電極１２に供
給すると、電極１２および１４およびスペーサ１６およ
び１８によって規定された長方形の放電チャンバ内の気
体にエネルギーが与えられる。スペーサ１６と１８との
間の距離は、ＣＯ₂ レーザを制約する役割を果たし、１
次元導波管レーザが望ましい場合は、短い水平次元で空
洞内光モードを誘導することもできる。

【０１２２】図１に図示したバキューム内構成要素は５
個とも、図示のように除去可能なカバー・ピース２４を
介して、あるいは接地された下部電極１４に組み込まれ
た金属のくさび構成によって、圧縮状態に保持すること
ができる。真空チャンバ１０のカバー２４は、たとえば
図示のViton のＯリングのような適切な密封材によっ
て、チャンバに密封される。同様の密封構成が図示され
ていない端部プレートにも設けられ、端部プレートは、
長方形の放電空洞の対向する端部に隣接して配置された
空洞の鏡を保持する。

【０１２３】本発明によるレーザの動作に関する以下の
検討では、電極の長さによって決定された放電の縦方向
の範囲をＬ_E とし、非導電性側壁スペーサ間で測定され
た放電領域の寸法をＷとし、電極間で測定された放電領
域をＤとし、Ｄの方向の放電アパーチャのフレネル数は
Ｎ_D、Ｗの方向の放電アパーチャのフレネル数はＮ_Wで、
空洞の鏡の距離はＬで、励起の周波数はｆとし、動作の
圧力はｐとし、放電電界は、放電電圧対電極間隔との割
合で規定され、Ｅとし、電界対圧力の割合をＥ／ｐとす
る。

【０１２４】図１に示した本発明の実施例を実施する１
つの変形では、セラミック・スペーサ１６および１８の
それぞれの全長は３７．７ｃｍで、一連の実施の変形で
は、上部電極の長さは３２．６ｃｍないし３５ｃｍと変
動した。また、この実施の変形では、Ｄ＝１５．９ｍｍ
という電極距離は、６０Ｔの圧力で１０％を上回るＣＯ
₂ レーザ放電効率を生成して、ｐＤの積がほぼ１０００
Ｔ−ｍｍになることが判明し、これは上述したVitrukそ
の他の研究によって教示された最適なｐＤの積とはほど
遠い。少なくとも１８０Ｔｏｒｒの圧力までは、放電を
開始する困難は認められなかった。本発明によるレーザ
のｐＤの積は、先行技術の教示を用いて通常報告される
ｐＤ＝１３３Ｔ−ｍｍという積より何倍も大きいと認識
できる。

【０１２５】先行技術のスラブ・レーザとは正反対に、
本発明によるレーザの電極１２および１４は、高度に研
磨する必要がない。電極１０および１２は、デカルト平
面として図示されているが、半円筒形または当業者に均
等な電界の電極として知られているその他のより複雑な
形状から形成してもよい。様々なタイプの接地電極を探
求するため、図１の下部電極に、一方端のミラー・マウ
ントを取り外した後にレーザの一方端から取り外すこと
ができる、より小さい金属インサート１４’を含めた。
その位置で、所望の形状を有する新しい金属インサート
を、下部電極のアセンブリ・ブロックに挿入し直すこと
ができた。図１に示した実施例の一連の実施の変形で、
一方の電極の表面を、セラミック材で部分的に覆い、別
の変形では接地電極として長さ３５ｃｍのねじを切った
６−３２の真鍮棒を使用し、別の変形では、直径３ｍｍ
のセラミック棒を使用した。さらに別のプロトタイプで
は、接地電極を凹角構造に作成し、さらに別のモデルは
単純な平面の表面を使用した。ＲＦのみの励起では、平
面状の電極は、最高のパフォーマンスを提供するようで
ある。しかし、横方向に湾曲したセラミック電極も、高
い平均比出力およびパルス出力で縦方向および横方向に
均等な放電を生成するのに、非常に有効であることが分
かっている。

【０１２６】図１に示した装置は、横ＲＦで励起した長
方形放電ガス・レーザとして機能する。このエリア冷却
レーザは、放電が、１対の間隔をあけ、空洞内光照射の
誘導に関連する機能を持たない細長い電極によって生成
されることによって、先行技術の電極エリアＣＯ₂ レー
ザ・デバイスと区別される。また、先行技術のＲＦ励起
デバイスと正反対に、ＲＦ放電電極間の間隔は、放電の
幅よりはるかに大きく、したがってレーザの光軸に沿っ
て見ると、放電の断面は長方形で、ＲＦ放電電気が長い
横方向の寸法Ｄと整列し、短い寸法Ｗに対して直角であ
る。

【０１２７】言い換えると、本発明によるレーザの動作
で生成された大面積の放電は、長辺と短辺とを有し、長
辺は電極間で、少なくとも短辺の横寸法の１．５倍であ
る。図１に示した本発明によるＣＯ₂ レーザの場合、セ
ラミック・スペーサ１６と１８との間の距離Ｗ、つまり
短い方の放電空洞の光誘導側の寸法は、１ないし４ｍｍ
の範囲である。

【０１２８】図１に示した実施例では、所与の所望の空
洞長およびデザインについて、放電媒質の幅は、セラミ
ック・スペーサ１６、１８間の間隔を調節することによ
って制御することができる。放電の最終的な幅を選択す
る前に、上部電極自体の幅を変更せずに、単にスペーサ
１６、１８間の距離を変更することにより、放電の寸法
を微調整することができる。スペーサ１６および１８の
高さを利用して、上部および下部電極１２および１４の
形状と共に、垂直次元の空洞のフレネル数を設定するこ
とができる。

【０１２９】本発明の横放電寸法ＤおよびＷに関連した
空洞のフレネル数を、先行技術に関して検討した通りに
規定すると、本発明により作成したレーザは、Ｄ＞Ｗな
のでＮ_D ≫Ｎ_W を有し、空洞は安定な自由空間ガウス
か、または大きい方の断面寸法Ｄが不安定で、短い方の
寸法Ｗが導波または自由空間ガウスであることが好まし
い。本発明は、寸法Ｄで規定された導波管共振器を持た
ない結果、極めて不均質なシースをまったく含まない領
域を通して、非安定共振器から回折結合した出力を取り
出すことができる。したがって、本発明は、先行技術と
比較すると、レーザの出力ビームの質が大幅に改善され
る。また、先行技術のスラブ・デバイスと正反対に、自
由交換ガウス・モードを寸法Ｄに確立することができ、
これによってプラズマ・シース領域の空洞内モードとの
干渉を最小にし、したがって出力ビームの質を上げるこ
とができる。これは、Ｎ_D が約２であるがＤが２５ｍｍ
もあるような長い空洞を有するデバイスで、特に有用で
ある。

【０１３０】寸法Ｄの導波管の光共振器が望ましい場合
で、レーザ種がＣＯ₂ と仮定すると、スペーサ１６、１
８間の距離は、１ないし３ｍｍの範囲であることが好ま
しい。ＣＯ₂ 導波管レーザの当業者に周知のように、１
次元の導波共振器構造が望ましい場合、放電に隣接する
セラミック表面は、当業者に評価され、よく知られた公
差まで、ダイアモンドを装填した研磨ホィールで平坦に
研磨しなければならない。セラミック・スペーサ１６、
１８および空洞端部のミラーの端部間の距離は、導波管
ＣＯ₂ レーザの当業者に周知の理論および実践による寸
法Ｗのケース１、２または３タイプの導波管空洞に合わ
せて同様に設定される。

【０１３１】図１の実施例に対する実践の一連の変形に
おいて、１０Ｍの凹面（ｃｃ）高反射率ミラーと平面の
９５％反射ＺｎＳｅ出力カプラとは、３８．５ｃｍ離
れ、それぞれ、電極間隔１５．９ｍｍおよび側壁間隔
２．３ｍｍで電極長３２．５５ｃｍの放電チャンバの、
対向する端部に配置された。１０Ｐ２９の光の場合、こ
のようにして生成したフレネル数Ｎ_D およびＮ_W は、そ
れぞれ１５．４８および．３３であった。予想通りに、
Ｎ_D が１よりはるかに大きく、共振器が寸法Ｄの安定な
自由空間ガウス共振器なので、寸法Ｄに、より高次元モ
ードの出力が得られた。同様に予想通り、出力は寸法Ｗ
では単一モードであることが観察され、したがって
（ａ）Ｎ_W が１よりはるかに小さく、（ｂ）空洞の鏡が
ほぼ平面で、（ｃ）ＴＥＭ₀₀の損失が、寸法Ｗで自由空
間ガウス・モードを支持するには高すぎるので、有意な
空洞内導波が発生していた。

【０１３２】図１の実施例に対する実践の別の変形にお
いて、１対の球面曲率の鏡を使用した低倍率で部分的に
透過するマイナスのブランチ非安定共振器を使用し、
２．５×１５．９ｍｍの放電アパーチャ全体と結合し
て、ここから単一で均一強度の出力ビームを取り出し
た。図１の実施例の実践に対するさらに別の変形では、
米国特許第3,969,685 号で教示されたような軸回折結合
を使用した５０３ｍｍの凹面鏡と４９７ｍｍの球面曲率
の凹面鏡で形成された低倍率でマイナスのブランチ非安
定共振器を使用し、Ｄ＝１５．９ｍｍおよびＷ＝２．３
５ｍｍに対応するフレネル数Ｎ_D ＝１１．９およびＮ_W
＝０．２６を使用した対称形出力ビームに、単一モード
出力を生成した。この実践の変形では、側壁のスペーサ
は長さが３７．７ｍｍ、出力アパーチャの直径が２．２
８ｍｍで、アパーチャを曲率半径の小さい方の鏡の中心
に配置した。この実施例の非安定共振器の長さから、球
形の共振器の鏡は、セラミックの側壁スペーサの各端か
ら６ｃｍに配置すると便利であったことが分かる。

【０１３３】ＲＦ励起ＣＯ₂ レーザの当業者には、ＲＦ
励起、長方形断面のスラブの利得媒質は、空の空間領域
に他ならないことがよく理解される。たとえば、励起周
波数と電極の間隔とは完全に独立せず、形成されるプラ
ズマ・シース領域は、電極付近の放電動力学の複雑な性
質の現れであり、プラズマ・シース領域は、媒質の利
得、媒質の温度および媒質の均質性が最大勾配を呈する
領域であることがよく知られ、理解される。また、先行
技術の好ましい導波管・非安定スラブの光共振器からの
出力のうちの相当な割合、おそらく２５％〜５０％が、
シース領域の１００％を通過する。これが、このような
先行技術のスラブ・デバイスからのビームの発散が、回
折で制限された動作から４０％ないし１００％外れるこ
との理由であろう。したがって、先行技術のスラブ・レ
ーザの非安定共振器はいずれも、空洞間モードか回折結
合した出力を、光学的に不均質で望ましくないシース領
域の１００％には結合しないよう配置できるよう工夫で
きなかったことが、同業者には理解される。

【０１３４】たとえば、片面の倍率２６％（Ｍ＝１．２
６）のマイナス・ブランチ非安定共振器を使用した先行
技術のスラブ・レーザを、２ｍｍ間隔の幅４４ｍｍ、長
さ６ｃｍの１対の電極で規定された８２ＭＨｚのＲＦ励
起スラブ放電領域の空洞とするよう選択すると、特許第
5,123,028 号によって例証された先行技術で述べたよう
に、エッジ結合出力ビームは、２ｍｍ×９．０８ｍｍの
形状を有する。上記で参照したVitrukその他が定式化し
たスラブ放電の理論によると、プラズマ・シースの厚さ
はｆＤ_S ＝４２ｍｍ−ＭＨｚで与えられ、８２ＭＨｚの
ＲＦ励起では、プラズマ・シースの厚さは合計で２ｍｍ
の電極間隔の約０．５ｍｍを占めるか、寸法２ｍｍの空
洞モードの２５％を占めることが指示される。したがっ
て、２ｍｍ×３４．９２ｍｍの空洞間循環モードの２５
％、および２ｍｍ×９．０８ｍｍの出力ビームの２５％
も、電極間隔によって規定された導波管寸法のシース領
域の１００％を通過する。１６０〜２８０ｍｍ−ＭＨｚ
の範囲でｆＤの積でポンピングされたスラブＣＯ₂ レー
ザは、約１２〜１５％の最適化効率を有し、回折限界を
超過する５０％ないし１００％の範囲の出力ビームの質
を有する。

【０１３５】比較のために、図１の実施例の実践の変形
では、２７．１２ＭＨｚの励起で、シースの厚さは約
１．４ｍｍであった。したがって、電極間隔を４４ｍｍ
にし、本明細書の教示により２ｍｍ×４４ｍｍ×６２ｃ
ｍの放電領域にエネルギーを与えると、この領域は、２
７．１２ＭＨｚの励起で約１．４ｍｍのプラズマ・シー
スの厚さを有すると予想できた。倍率２６％のマイナス
・ブランチ非安定共振器を、このタイプの放電領域に適
用すると、２７ＭＨｚの励起でも、エッジ結合回折出力
ビームの８％、つまり１．４ｍｍ／９．０８ｍｍの約半
分しか、プラズマ・シース部分を通過できない。したが
って、本発明による長方形断面の放電レーザでは、２ｍ
ｍ×９．０８ｍｍの出力ビームの８％しか、一方の電極
付近のシース領域の１００％を通過しない。したがっ
て、本発明により生成した長方形断面の放電は、先行技
術のスラブ放電の利得媒質の、最も望ましくなく、最も
不均質な領域を通過する出力ビームの部分を、３分の１
以上減少させる。プラズマ・シース領域は、ＣＯ₂ レー
ザ光を吸収し、この領域を実質的に調整し、防止するい
かなる手段も、非生産的にポンピングされた放電体積の
一部を減少させ、テーパが大きい空間内モードのプロフ
ィールではなく、テーパが小さいプロフィールを促進す
る。

【０１３６】理解されるように、本発明では、共振器の
倍率によって、また一方の電極付近のプラズマ・シース
の厚さによって、レーザの出力を取り出す鏡（つまり曲
率が最も小さい鏡）を寸法Ｗより小さくすると、片側導
波管非安定共振器の出力ビームのいかなる部分も、いか
なるシース領域も通過する必要がない。したがって、シ
ース領域を通過させることによって、出力に増幅を加え
ることがない限り、および媒質の光学的均質性の観点か
ら、シース領域が望ましくない限り、本発明による長方
形断面の放電レーザには、先行技術のスラブ・デバイス
と比較して、出力ビームの質に改善が見られる。

【０１３７】R. Freiberg 、P. ChenauskyおよびC. Buc
zek が論文「An Experiment Studyof Confocal CO₂ Res
onators( 共焦ＣＯ₂ 共振器の実験研究) 」(IEEE JQE V
ol.QE8, No.12, pp.882-892, 1972年12月) で報告し
た、フレネル数が大きい対称形の直流励起アパーチャに
わたって均一な利得プロフィールを有する非安定共振器
を有するＣＯ₂ レーザの、ほぼ回折限界の動作の測定値
と比較して、１次元非安定共振器を使用する先行技術の
スラブ・レーザの電極・シース領域の利得媒質の非均質
な性質は、懸念の種となる。たとえば、特許第5,123,02
8 号で開示されたタイプの先行技術のスラブ非安定共振
器で実施した実験は、１次元のマイナス・ブランチ非安
定共振器の出力が、回折限界より少なくとも４０％少な
いことを示し、同様に上記で参照したJackson は、その
出力が回折限界から４０ないし７５％外れることを示
す。いずれの場合も、プレクシグラスの燃焼パターンの
１／ｅ² ポイントを用いて、回折限界動作からのスラブ
・レーザ出力の相対的違いを測定した。これに対して、
Freibergその他は、出力輝度プロフィールで３０個の別
個のデータ・ポイントを使用して、非安定共振器の回折
特性を調査した。対称形のアパーチャの非安定共振器に
関する、共振器の循環光束の輝度プロフィールなどの詳
細な測定値は、半径方向にテーパリングした空洞内輝度
プロフィールが、均質または非半径方向にテーパリング
した空洞内輝度プロフィールと比較して、出力ビームの
質に望ましくない影響を及ぼし得ることを明らかにし
た。これに関して、以前に参照したColleyその他は、基
本的に、ピンホールにわたって出力を走査し、感度の高
いＩＲ検出器で結果を観察することによって、１ｋＷの
スラブＣＯ₂ レーザの出力プロフィールを、さらに詳細
に測定した。このスキャナ測定によって、導波管モード
の横軸およびプラス・ブランチ非安定共振器の横軸にお
けるレーザ種留翼のプロフィールに対応するオシロスコ
ープのトレースが生成された。出力プロフィールの、こ
のより詳細な測定値は、導波管寸法の回折限界からの違
いは３０％で、非安定共振器寸法の回折限界からの違い
は少なくとも１００％であることを明らかにした。ＲＦ
プラズマ・シースのＣＯ₂ 利得は、陽光柱の場合と異な
り、電極付近に空間的な利得プロフィールが生成される
ことが明白である。最低でも、プラズマ・シース、循環
光束、回折出力ビーム、およびモード形状が先行技術の
ＲＦ励起スラブ・レーザと重複する程度が、理想的な自
由空間からのスラブ媒質の違いを強調する。

【０１３８】図１の実施例を用いて、本発明により作成
したレーザの空洞内循環モードの輝度プロフィールの基
本的性質を、部分的に透過し倍率が非常に低いマイナス
・ブランチ非安定共振器を使用して調査した。調査した
放電領域は、電極間隔をＤ＝１５．９ｍｍにし、２７．
１２ＭＨｚのＲＦ源で励起した。３つの異なるＷの値、
つまりＷ＝２．５７、１．８および１．３５ｍｍを用
い、Ｄは固定した。共振器は、５０３ｍｍのＣＣの球面
全反射鏡と、４９７ｍｍのＣＣの球面で９５％反射する
ＺｎＳｅの鏡とを、互いから５００ｍｍ間隔をあけて構
成した。したがって、鏡の曲率公差内で、空洞はＭ＝
１．０２の共焦で、上記のFreibergがおおむね検討した
ような、マイナス・ブランチ非安定共振器であった。Ｗ
のそれぞれのケースで、４９７ｍｍのＣＣのＺｎＳｅ出
力鏡の真ん前１ｃｍで出力を観察し、その背面は、１
０．６μｍの使用のために、ＡＲで被覆した４９７ｍｍ
のＣＸ表面であった。球面の鏡は、左右のセラミック・
スペーサ部片の端部から、６ｃｍの間隔をあけた。すべ
てのＷのケースで、ＵＶ照明した赤外線観察プレート上
で見られるモードの強度は、出力モード形状全体で均等
であった。１５．９ｍｍの電極間隔に近いモードの両縁
で、出力輝度は電極間の中間で見られるのと同じ輝度で
あるのが観察された。すべてのＷのケースで、Ｗのモー
ドのサイズは、側壁間隔と対応することが観察され、Ｗ
にわたって均一であることが観察された。しかし、モー
ドは予想通り、Ｄで極めて均一であることが観察された
が、モード・パターンは、電極間隔より約１．４ｍｍ短
いことが、一貫して観察された。これは予想外であっ
た。ほぼ平面な光学系で形成された単一モード導波管の
多重モード安定自由空間ガウス共振器で、寸法Ｄのモー
ド・サイズの同じ違いが観察され、あらゆるケースで、
ミラー・マウントでの、あるいはミラー・マウントによ
るアパーチャは起きなかった。これらの結果に基づき、
図１の実施例に対する実施を変形したその後の様々な空
洞の分析で、電極表面またはその付近でレーザの出力が
ないのは、電極寸法に小さいモード・サイズを有する安
定な空洞を使用したせいではないことが指示された。し
たがって、電極間隔の寸法で測定した出力ビームの形状
に基づき、プラズマ・シース領域は、レーザの出力の一
部にしか寄与しないことが観察される。この観察結果お
よび結論は、非常に重要である。というのは、これまで
シース領域が部分的に吸収することが知られていなかっ
たからである。また、プラズマ・シース領域は吸収性な
ので、Ｄ／Ｗ≫１の放電幾何形状を生成して長い陽光柱
を生成し、それによってシース領域内で失われる全放電
出力の相対的な量を減少させ、全体的な放電効率および
ビームの質を改善することは明瞭である。

【０１３９】先行技術のＲＦスラブ・レーザの導波管・
非安定共振器の空洞内モードは、プラズマ・シースの存
在によって光の擾乱が生じる表面、または擾乱に隣接す
る表面と直接接触する。したがって、先行技術のスラブ
・デバイスでは、導波寸法からシースを削除またはその
他のやり方で除去する方法がないことは明白である。同
様に、先行技術の幾何形状で、シース領域をＷの縁部ま
たは先端部付近に集中させる方法もない。プラズマ・シ
ースが先行技術のレーザのモード特性に影響する程度を
正確に測定するには、プラズマ・シースに平行および直
角に伝播する導波管非安定モードの空洞内輝度プロフィ
ールを比較する必要がある。この作業を遂行できる単純
な分析操作はなく、所望のタイプの比較伝播をモデル化
できる光軸を、単純に実験的に再配置または回転するこ
とはできないので、先行技術のデバイスでは、所望の比
較ができなかった。本発明により作成したデバイスで、
部分的に透過する導波管非安定共振器を使用すること
が、これまでに予想しなかったＲＦ励起放電の特徴を実
現できることを明らかにする唯一の方法のようである。
というのは、唯一、Ｄ／Ｗ≫１の幾何形状のみで、非安
定共振器の横軸が、電極表面に対して優先的に直角にな
り、先行技術のＷ／Ｄ≫１のスラブ・デバイスのように
電極表面に対して平行とはならないからである。この配
置構成を、非安定共振器の特性と組み合わせて、横軸の
サイズが光学系の制限アパーチャに延びるモードを生成
すると、電極付近のシース領域の光学的特性を、空洞内
光束で厳密に調べることができる。そのプラズマ・シー
スは、光学的に良性どころではないが、先行技術のスラ
ブ・デバイスでは検討または観察されなかった。という
のは、循環モードは、シースが存在する表面に接触し、
それによって電極間隔に指定されるモード・サイズを放
出しなければならないからである。プラズマ・シースが
良性でないという証拠は、これまでなかったので、この
領域が、上部プラズマ・シースと下部プラズマ・シース
が合体する箇所で、４枚壁の冷却から２枚壁の冷却へと
まだ移行中の箇所でもあるのに、先行技術のスラブ領域
では、先端付近のエッジ結合非安定共振器からの出力を
取り出すことは回避されなかった。

【０１４０】本発明に従って作成したデバイスととも
に、部分的に透過する導波管非安定共振器を予備的に使
用すると、全反射の光学系を有する導波管非安定共振器
の導波表面が、優先的にプラズマ・シースのない表面で
あるか、あるいはプラズマ・シースのある領域があって
も、シースを優先的に回避するなら、予想外の利点を実
現することができることが判明した。したがって、現在
では、プラズマ・シースは非安定共振器モードの輝度プ
ロフィールをテーパリングできることが、極めて明白で
あるので、シースが、導波管モードの輝度プロフィール
をテーパリングできることは明白である。先行技術のス
ラブ・レーザでは、プラズマ・シースは出力ビーム上の
輝度プロフィールを強制的にテーパリングすることがで
きるが、前記で参照したFreibergその他が指摘したよう
に、レーザ出力の発散が増加し、したがって先行技術の
デバイスにおける回折限界からの逸脱の源を、特定する
ことができたこともある。その場合は、導波管非安定空
洞の出力ビームの質を４０％ないし１００％改善でき、
これは、従来通りのスラブＣＯ₂ レーザ・デバイスが回
折限界動作から外れることが観察された範囲である。

【０１４１】特許第5,048,048 号は、マイクロ波励起の
倍率１０％のマイナス・ブランチ非安定導波管共振器を
使用したスラブＣＯ₂ レーザの生成について教示してい
る。この先行技術のデバイスでは、マイクロ波ＲＦ源に
よるリッジ導波管回路内で生成した放電電界は、光導波
表面Ｗに対して直角で、いつものようにＷ／Ｄ≫１であ
る。共振器のエッジ結合により、８５Ｗの出力と１２％
の放電効率が実現された。８５Ｗの出力を実現するた
め、７００Ｗを使用して、長さ４０ｃｍの水冷放電領域
にエネルギーを与え、ここでＤ＝２ｍｍ、Ｗ＝２０ｍｍ
で、放電のｐＤは指定しなかった。一般に使用されてい
るＳバンドの電子レンジのマグネトロンの場合、ＩＳＭ
周波数は２４５０ＭＨｚであるので、特許第5,048,048
号のデバイスの放電ｆＤは、４９００ｍｍ−ＭＨｚと計
算される。４３ｃｍという空洞長、放電長およびアパー
チャに基づいて、マイクロ波スラブ・レーザはＮ_D ＝
０．２１９、Ｎ_W ＝２１．９、Ｐ_i ＝４３．８Ｗ／ｃｍ
³ およびＰ₀ ＝１．０６Ｗ／ｃｍ² で動作した。

【０１４２】Jackson その他の「CO2 large-area disch
arge laser using an unstable-waveguide hybrid reso
nator(非安定導波管ハイブリッド共振器を使用したＣＯ
₂ 大面積放電レーザ) 」(Appl Phy Lett, 54(20), 1989
年5 月15日, pp.1950-52) で教示されるように、１２５
ＭＨｚ電源から長さ３８ｃｍ、幅４．５ｃｍ、間隔２．
２５ｍｍの１対の水冷電極間の放電領域に、２０００Ｗ
のＲＦを入力すると、放電効率１２％で、２４０Ｗのレ
ーザ出力を生成することができる。倍率１８．５％でマ
イナス・ブランチ非安定導波管空洞を使用したこのデバ
イスでは、ｐＤは１３５Ｔ−ｍｍ、ｆＤは２８１ｍｍ−
ＭＨｚ、Ｎ_D は．３１、Ｎ_W は１２３．７、Ｐ_i は５
１．９Ｗ／ｃｍ³ 、Ｐ₀ は１．４Ｗ／ｃｍ² であった。

【０１４３】上記で参照したShackletonその他による教
示のように、長さ３８．６ｃｍ、幅１．８ｃｍ、間隔
２．２５ｍｍの１対の水冷電極間で、１２５ＭＨｚで励
起したスラブ放電領域から、１４％の放電効率で、１３
３Ｗの多重モード出力を取り出すことができる。このデ
バイスでは、ｐＤは１７０Ｔ−ｍｍ、ｆＤは２８１ｍｍ
−ＭＨｚ、Ｎ_D は０．３０６、Ｎ_W は１９．６、Ｐ_i ／
ｖｏｌは６Ｗ／ｃｍ³ 、Ｐ₀ は１．９Ｗ／ｃｍ² であっ
た。

【０１４４】特許第5,123,028 号は、倍率２６％のマイ
ナス・ブランチ非安定共振器を使用して、幅４．４ｃ
ｍ、長さ６１．５ｃｍ、間隔２ｍｍの１対の水冷電極間
で、８１．４ＭＨｚの励起を使用したスラブ放電領域か
ら、１２％の放電効率で、２２０Ｗの出力を取り出すこ
とができる、と教示している。このデバイスでは、ｐＤ
は１６０Ｔ−ｍｍ、ｆＤは１６３ｍｍ−ＭＨｚ、Ｎ_D
は．１４４、Ｎ_W は６９．７、Ｐ_i は３３，３Ｗ／ｃｍ
³ 、Ｐ₀ は．８Ｗ／ｃｍ² であった。

【０１４５】特許第5,048,048 号のマイクロ波励起スラ
ブ・レーザのマイナス・ブランチ非安定導波管共振器の
出力、プラス・ブランチ非安定導波管共振器を使用した
Jackson その他のデバイスの出力、マイナス・ブランチ
非安定導波管空洞を使用した特許第5,123,028 号のデバ
イスの出力、およびShackletonその他のデバイスは、す
べて、同等の出力効率を有することが分かる。合わせて
考えると、このデータは、ｆＤを１６３ｍｍ−ＭＨｚに
しても、２８１ｍｍ−ＭＨｚにしても、あるいは４９０
０ｍｍ−ＭＨｚという高い値にしても、従来のスラブＣ
Ｏ₂ レーザの放電効率には比較的変化がないことを教示
する。

【０１４６】Vitrukその他は、約８０ＭＨｚから４００
ＭＨｚを超える範囲の周波数範囲で、プラズマ・シース
領域の出力損失は、約１２％から約３％と、１／ｆ² で
下落すると教示する。特許第5,048,048 号および第5,12
3,028 号のデバイス、Jackson その他のデバイス、およ
びShackletonその他のデバイスの効率は、Vitrukその他
の理論によって説明できる。つまり、シース損失が、上
記の周波数範囲では高くないので、放電効率に大きな差
がないのである。

【０１４７】Vitrukその他は、同様のαタイプのＲＦ放
電パラメータの励起の周波数が８０から２５ＭＨｚへと
低下すると、シース損失が放電入力の５０％以上に増加
する、と教示している。それと同時に、シース電圧が約
６８５Ｖへと増加すると予想でき、これは、１０ないし
２０ｍｍ範囲の電極間隔を有する２５ＭＨｚの同様のα
タイプのＲＦ放電では、αからγへの遷移電圧を超える
と予想される。したがって、理論は、ＲＦ周波数を８０
ＭＨｚから２５ＭＨｚへ減少させることにより、プラズ
マ・シースの損失が４倍以上増加し、したがってレーザ
放電効率が突然減少すると予想する。同様に、２５ＭＨ
ｚの横ＲＦ放電は、γタイプの放電への遷移が基本的に
不可避なほど高いシース電圧を有する。

【０１４８】名目２５ＭＨｚの励起に関するVitrukその
他の予想に基づき、図１の実施例に対する一連の変形
は、水冷でない電極を使用し、１２ないし１５％の範囲
の多重モード放電効率を生じないと予想される。このレ
ベルの放電効率は、１０％の範囲のシース損失に相当す
るが、シース損失が５０％以上へ増加すると、説明でき
ない。同様に、２５ＭＨｚの励起で生成されるプラズマ
・シースの電圧は、高すぎて放電の安定性を維持できな
い、という予想は、αタイプの放電からγタイプの放電
への遷移が、冷却しない電極の放電領域へのＰ_i ＝６０
Ｗ／ｃｍ³ でも観察されなかった理由を、説明すること
ができない。従来通りのスラブ放電理論を考慮すると、
本発明の教示を利用したα放電の厳格な性質は、説明で
きず、予想外である。

【０１４９】従来のスラブ放電の理論は、高いシース電
圧と非常に低い放電効率とは、低い励起周波数の使用を
伴うと予想するので、少なくとも一部の先行技術のスラ
ブ理論が、Ｄ／Ｗ≫１の放電幾何形状に当てはまらない
のは明白である。本発明を用いた放電が、２７ＭＨｚの
励起で明らかに非常に安定しているという事実は、Ｄ／
Ｗ≫１の放電の陽光柱の長さをさらに長くすると、放電
効率が高くなることを示す。この結果は、陽光柱の長さ
が増加するとともに陽光柱の電圧は増加するが、シース
電圧は変化しないままであるという事実に従う。

【０１５０】導波管非安定共振器を有する先行技術のス
ラブＣＯ₂ レーザで、本明細書で開示した３６．６ＭＨ
ｚの実施例とほぼ同じ程度低い導波管周波数の積を示す
ものはない。実際、このような先行技術のデバイスは、
１２．２ＭＨｚで励起し、電極間隔３ｍｍのデバイスに
相当するので、このような先行技術のデバイスがレーザ
を発することは、非常に疑わしい。したがって、本明細
書の教示で示した動作の基本的範囲は、Ｄ／Ｗ≫１の放
電領域とＤ／Ｗ≪１の先行技術の放電領域との基本的差
を強調する。本発明の低いｆＷの積と低い周波数動作と
の組合せは、P.Vitruk その他の「High power continuo
us wave atomic Xe laser with radiofrequency excita
tion( ラジオ周波数で励起した高出力連続波原子Ｘｅレ
ーザ)」(Appl Phys Lett, 67(10), 1995 年9 月4 日, p
p.1366-68) が述べた低周波数励起の使用に有利な赤外
線レーザの、新しく現れたクラスに、特に関係がある。

【０１５１】放電のエリア冷却と非安定導波管共振器と
を組み合わせた、本発明に従って設計したレーザの実験
的測定および観察に基づき、先行技術のレーザ・デバイ
スのプラズマ・シースの性質に関する非常に基本的な特
性は、以前の仮定とは大幅に異なることが判明した。以
前は、Ｗ／Ｄ≫１のデバイスのシース領域は、基本的に
良性であると仮定されていた。しかし、図１で描いたよ
うなＤ／Ｗ≫１のレーザの動作は、シース領域が良性で
ないことが予想外に明白に判明した。シース領域が良性
でなく、電極間隔対ガイド幅間隔Ｄ／Ｗ≫１の長方形断
面のＲＦ放電チャンバでのレーザ出力に完全には寄与し
ていないので、Ｗ／Ｄ≫１の先行技術のデバイスでは、
輝度プロフィールのテーパリングが発生することが予期
される。この輝度プロフィールのテーパリングは、先行
技術では観察されていない。というのは、導波がシース
領域で起こり、従ってシース領域の特性が隠蔽されるか
らである。本発明の教示を用い、上記で検討した予想外
の発見に基づいて、非安定導波管空洞からのエッジ結合
出力モードと空洞内循環モードとが、シース領域と最小
限の干渉しかしないよう放電アパーチャ内でプラズマ・
シース領域の位置を単に操作することによって、Ｄ／Ｗ
≫１のＲＦ励起放電幾何形状の意図的な利点が得られ
る。シース領域の修正のための、より洗練された戦略に
は、ＲＦ電界に直流のバイアスをかけ、所定のシース領
域を拡縮することが含まれる。シース領域をほぼ回避で
きる場合は、循環光束のテーパリングが小さくなり、先
行技術のデバイスに対して、回折ビームの品質を最大１
００％改善できる可能性がある。

【０１５２】横ＲＦ励起対称導波管およびＲＦ励起スラ
ブ導波管放電レーザの当業者には、本発明に従って作成
したレーザの有利な態様が、放電電界を光導波管壁に対
して直角に確立したデバイスでは実現されないことが、
容易に理解される。あらゆるタイプの先行技術の放電チ
ャンバにおいて、放電の陽光柱内の電子に与えられた平
均ドリフト速度は、放電チャンバの短い寸法の方向であ
る。プラズマ動力学によると、ＲＦ放電チャンバの広い
壁に対して直角の方向に平均ドリフト速度およびドリフ
ト方向を有するのは、高電流、低インピーダンスのプラ
ズマの特徴であり、広い壁の放射に対する寄与を最小で
はなく、最大にする。先行技術のデバイスでは、短い電
極間隔と高周波数の励起を結合するので、低周波数励起
の利点が得られない。たとえば、最適に励起した先行技
術のスラブ・レーザのサイクル逆転時間は、数１０^-9秒
の範囲で、プラズマ非安定化の蓄積時間より２ないし３
桁速い。したがって、Ｄ／Ｗ≫１の放電幾何形状では、
励起周波数の大幅な減少が可能な一方、それと同時にプ
ラズマ・シースの厚さに対して長い陽光柱を生成して、
レーザ・ビームの質および放電効率の改善を探求する。

【０１５３】したがって、本発明による長方形断面の放
電レーザでは、放電アパーチャの一部が、アパーチャの
隣接した部分とは異なる放電Ｅ／ｐで動作する実施例が
望ましい。１つの可能性は、１つのＲＦ周波数での放電
励起を、たとえば、これより低いＲＦ周波数のような別
の励起で増大して、単一励起源を使用した自給式のＲＦ
放電のシース領域が、２つの別個に制御した励起源を使
用した、イオン化装置と持続器とを組み合わせたタイプ
の放電を有する放電のシース領域とは異なるか判別する
ことである。

【０１５４】パルス状ＲＦ励起レーザの当業者には、本
発明の教示により、セラミックの誘導壁間の間隔Ｗを多
少大きくしながら、高い縦横比の長方形の断面を維持
し、所定の放電長およびアパーチャのためのより大きい
放電体積に対応できることが理解される。このような制
約を受けながら、より大きい放電体積が必要な場合は、
光共振器を、寸法Ｗの安定な自由空間ガウスおよび寸法
Ｄの非安定に設計することができる。たとえば、Ｗは６
ｍｍの範囲にすることができ、これは、５０ｃｍの空洞
長の場合、Ｎ_W が１．７の範囲になり、寸法Ｄが等しけ
れば、Ｗ＝２ｍｍのデバイスの３倍の放電体積を有す
る。エリア冷却ＣＯ₂ レーザの当業者には、このような
デバイスの平均出力能力は、側壁によるエリア冷却が１
／Ｗの従属性を有するので、２ｍｍの誘導壁間隔に対し
て減少することが認識される。０．５Ｗ／ｃｍ² の比
出力を使用すると、Ｄ＝２．５ｃｍ、Ｗ＝０．６ｃｍお
よびＤ／Ｗ＝４．１７で長さ５０ｃｍのレーザは、６
２．５Ｗの密封平均出力能力を有し、Ｎ_D＝２９．５、
Ｎ_W＝１．７のＣＯ₂フレネル数で作動し、Ｗの安定な自
由空間ガウス空洞およびＤの１次元非安定共振器にとっ
て理想的である。５０Ｔの圧力で動作し、３０ｋＷの１
３．５６ＭＨｚのＲＦ電源で６００Ｊ／ＬＡでポンピン
グすると、１０％効率のレーザは、約２００ＨｚのＰＲ
Ｆに、３００ｍＪ／パルスを放射することができる。し
たがって、０．５Ｗ／ｃｍ²の比エリア冷却はそれほど
高くなく、このようなデバイスの高いピーク出力および
高いパルス単位の出力エネルギー能力は、所定のマーキ
ング・プロセスまたはセンサ・ミッションのためにパル
ス・エネルギーおよびＰＲＦを最適化できるマーキング
またはレーザ・レーダーのような多種多様な用途におい
て、非常に有利であることが証明できる。このように、
本発明によるデバイスでは、電極間隔の非安定共振器モ
ードと、側壁間隔の自由空間ガウス・モードとは、パル
ス間の期間を長くして、より広い側壁間隔のエリア冷却
能力に入るようにすると、高い比ピークおよび平均入力
で操作できた。

【０１５５】図１に示した実施例を使用した実施の一連
の変形において、１２．７ｍｍおよび１５．９ｍｍの電
極間隔Ｄを、様々な組合せの１．８ｍｍから４ｍｍ以上
の側壁間隔とともに使用した。特に、共通の電極間隔１
２．７ｍｍを、それぞれ３．２ｍｍおよび４ｍｍの放電
幅とともに使用した。左右のセラミック・スペーサの長
さは、３７．７ｃｍに固定し、空洞の端部の鏡を、それ
ぞれセラミック・スペーサの端部からさらに１．５ｃｍ
外側に配置した。したがって、放電空洞は、全長が４
０．７ｃｍであった。３．２ｍｍの放電幅の場合、空洞
のフレネル数Ｎ_Wは０．５９で、空洞のフレネル数Ｎ_D
は９．３であった。空洞共振器は、第１端部を、１０Ｐ
２０のＣＯ₂ レーザ光用の、２ｍの凹球面を有し、背面
にＡＲを塗布した反射率９５％のＺｎＳｅの鏡で区切っ
た。空洞共振器の他方の端部は、４ｍの凹球面を有する
最大反射率のシリコン鏡で区切った。したがって、安定
な光共振器ｇの値は、１から鏡の間隔と鏡の曲率との割
合を引いた値として定義され、空洞の鏡と対応し、それ
ぞれ０．８および０．９で、レーザ出力は、Ｄの方向で
多重モードの安定であった。２７．１２ＭＨｚの励起を
使用する別の一連の変形では、電極と幅の間隔Ｄ／Ｗ＝
１の電極を使用した出力、つまりｆＤ＝１７９ｍｍ−Ｍ
Ｈｚの対称形断面の放電を使用した出力は、放電電極お
よび側壁をＤ／Ｗ＝７．３およびｆＤ＝４３１ｍｍ−Ｍ
Ｈｚのようにすると、４３％増加して３３Ｗとなった。
出力は、Ｗで単一モード導波管であることが観察され、
寸法Ｄでは約９個の個々のモード・スポットを有してい
た。この実施の変形は、空洞光学系を、Ｗを規定するセ
ラミック・スペーサ・ピースの端部の付近に配置でき
る、１組のミラー・マウントを使用する必要があった。
セラミックの側壁スペーサの端部から約２ｍｍに配置し
たほぼ平面・平面の共振器光学系を使用した放電長３
２．５ｃｍからの平均出力が３３Ｗの場合、最適化され
ていない比出力は＞１０１Ｗ／ｍであった。この出力
は、寸法Ｄ、つまり導波管・自由空間ガウス空洞でのみ
多重モードの出力ビームで実現された。

【０１５６】上述した実施の変形に関する試験は、６：
１：１の割合のＨｅ−Ｎ₂ −ＣＯ₂の混合気に５％のキ
セノンを添加し、２７．１２ＭＨｚの周波数でエネルギ
ーを与えると、最大出力が、放電幅４ｍｍ時の３７．５
Ｔｏｒｒから放電幅３．２ｍｍ使用時の５０Ｔｏｒｒに
増加することを実証した。この試験は、可変出力のＲＦ
電源を使用し、電源出力を、５００ＨｚのＰＲＦで名目
１．１ｍｓｅｃの放電パルスにゲートで制御して実施し
た。特許第4,908,585 号で教示されたような、単一の直
列インダクタＲＦ変圧器を使用し、放電インピーダンス
を５０Ω出力インピーダンスのソリッド・ステートまた
はパワー・グリッドＲＦ電源のインピーダンスに整合さ
せた。

【０１５７】上記で検討した試験では、スペーサ１６と
１８との間隔を３．２ｍｍにすると、４ｍｍの間隔と比
較して高い出力が観察された。この結果は、放電を狭く
しても、平均入力を高くすれば、幾分高い圧力で操作で
きることに帰される。しかし、放電幅３．２ｍｍのレー
ザの全体的な効率は、空洞内放射の波面曲率と空洞の鏡
との整合低下による光学的損失のため、つまり鏡とセラ
ミックの側壁スペーサの端部との間があきすぎたため
に、放電幅４ｍｍのレーザより低かった。

【０１５８】図１に図示した本発明の実施例では、低い
デューティ・サイクル、高いデューティ・サイクル、お
よびｃｗポンピングで一連の実験を実施し、様々な励起
状態での出力を測定した。データ・ランごとに、レーザ
を＜１×１０^-6Ｔｏｒｒまでガス抜きしてから、事前に
混合した組成のガスで再度充填した。完全に密封した非
フローの実験からのデータを、図２にまとめた。平均入
力を約１００Ｗ以下にして、１０ないし１２％の放電効
率が容易に達成された。これは、パルス状入力のデュー
ティ・サイクルを下げて平均入力を維持し、したがって
媒質の温度を低く維持しながら、高いピーク入力で放電
をポンピングして生成した媒質の飽和特性、およびｃｗ
より高い小信号利得によるものである。しかし、平均入
力が約２８０Ｗを上回ると、様々な組合せの気圧（３５
〜６０Ｔｏｒｒ）、ガス組成（通常は、１：６：６のＣ
Ｏ₂ −Ｎ₂ −Ｈｅに５％のＸｅを添加）、出力鏡の反射
率および曲率９０ないし９５％、ほぼ平面）、ガイド幅
（２．３または２．６ｍｍ）を使用しても、１０％を上
回り放電効率は達成されなかった。使用したＲＦ電力増
幅器の限界である約２８０Ｗないし７１５Ｗ以上までの
平均入力では、放電効率が低下し、最終的には４．５％
に達した。これらの試験では、真空エンベロープのＯＤ
の空冷のみ使用した。この冷却では、レーザ真空エンベ
ロープのＯＤの温度測定で、１０ないし１５分の動作
で、ＯＤの表面温度が４６℃にも到達することが判明し
た。図２の７１５Ｗという最高の平均入力では、放電チ
ャンバのサイズは、Ｄ＝１５．９ｍｍ、Ｗ＝２．３ｍｍ
で、放電長Ｌ_dis ＝３２．６ｃｍであり、その結果、放
電体積は１１．９ｃｍ³，放電面積は５１．８ｃｍ²とな
った。上記の条件で、放電に対する比体積入力は５９．
７Ｗ／ｃｍ³で、冷却面積に基づく比入力は１３．８Ｗ
／ｃｍ²であった。このような励起条件では、レーザの
比多重モード出力は０．６４Ｗ／ｃｍ² であった。

【０１５９】図１の実施例を用いると、３２．６ｃｍ放
電長からの比出力は＞１０１Ｗ／ｍであり、名目室温、
正方形ボアの横励起ＲＦ放電レーザでこれまでに観察さ
れた８４Ｗ／ｍよりはるかに高かった。これに関して
は、上記で検討したNewmanおよびHartの研究を参照しな
ければならない。したがって、電極間隔が側壁間隔を上
回る横ＲＦ励起放電チャンバ、つまりＤ／Ｗ＞１の放電
チャンバで初めて、エリア冷却が明白に実証されたのは
明らかである。さらに、特許第4,755,990 号の開示によ
って例証されたような先行技術のレーザと比較して、放
電を安定に保つために強力な横方向の電界や複雑な安定
器付き電極構造のように何らかの高度化手段の恩恵を受
けずに、単純な２個の電極構造を使用して、Ｄ／Ｗの割
合がほぼ９という高品質の放電が観察された。

【０１６０】図２のデータでは、劇的なレーザ放電効率
の低下が見られず、上記の実験でγ放電を生成できなか
ったので、より効率的なレーザ動作を維持するには、特
に入力が約２８０Ｗ以上に増加する場合に、媒質の温度
が高すぎると疑われる。ある意味で、図１の実施例は、
２５０Ｗをはるかに上回る入力では熱的に飽和してい
る。レーザにはいかなる種類の水冷も使用しなかったと
いう事実を考え、さらにセラミック側壁スペーサの外面
とレーザの金属製真空エンベロープ１０の内側との広い
名目１４．５ｍｍのスペースにわたり、熱伝導が非常に
悪いことを考えると、図１の実施例には、長方形断面の
放電領域の温度を緩和するための効果的な熱伝達手段が
ない。さらに、プレクシグラスの端壁が空洞のミラー・
マウントに置換された場合に見られるように、限られた
放電チャンバの断面を放電が完全に満たしているのが観
察されるので、γ放電が形成されると、放電アパーチャ
が完全に曖昧になってしまう。この高損失領域は、同様
の側壁間隔を有する対称形のＲＦ励起導波管レーザの場
合と同様、ＣＯ₂ レーザの動作には致命的である。平均
入力７１５Ｗまでは、レーザ出力にこのような突然の低
下が発生しないことは、高電流γ放電モードへの遷移が
抑圧されていることを示す。図１の本発明の実施例にお
ける電極付近の領域では、プラズマ・シースが、電極自
体によって、および両方のセラミック側壁によって冷却
される。側壁が非常に近接していることは、高い比入力
でシース領域の形状を変化させるように見え、したがっ
て望ましいαタイプの放電から望ましくないγタイプの
放電への遷移を効果的に妨げる追加の衝突による安定化
および冷却を提供するように見える。この結果は予想外
であり、以前に観察あるいは発表されていないと考えら
れる。上記で参照したYatsivその他の論文に記載の空冷
デバイスは、２１．４Ｗ／ｃｍ³ の入力で．４Ｗ／ｃｍ
² の出力を達成したが、それと比較して、６０Ｗ／ｃｍ
³ の入力で．６４Ｗ／ｃｍ² の出力は競争的どころでは
なく、特に、図１の実施例で実施した試験で使用した２
７．１２ＭＨｚという励起周波数が、実際にYatsivその
他が使用した周波数より低いことを考慮すると、なおさ
らである。

【０１６１】先行技術のスラブ・デバイスでは、側壁に
は基本的に何のエリア冷却も設けない。本発明の放電幾
何形状では、側壁の冷却により、ｆＤの積は従来のｐＤ
の積と完全に切り離される。たとえば、ｆＷ＝３６．７
ｍｍ−ＭＨｚで、体積入力および出力が高い安定な放電
領域を実現でき、このｆＷの積は、先行技術のスラブ・
レーザのシース領域のみの４２ｍｍ−ＭＨｚというｆＤ
_S の積より小さい。したがって、距離Ｗ＝数ｍｍ以内の
短い側壁間隔は、放電を衝突または壁によって安定させ
るのに、主要な役割を果たしている。名目６．６ｍｍの
対称形の放電チャンバの場合は、長方形断面の幾何形状
で実現できる６０Ｗ／ｃｍ³ 付近の入力で、安定な放電
動作を維持できない。さらに、このような高い比入力レ
ベルでは、８００〜１０００Ｔ−ｍｍでのｐＤの積は、
Ｄ／Ｗ≫１の長方形の放電チャンバで容易に実現され
る。これらのｐＤの積は、先行技術のスラブ・デバイス
を最適ポンピングする理論で示唆された積より、はるか
に大きい。実際、先行技術は、この条件で不安定な放電
を予想している。上記で参照したVitrukその他のデバイ
スで最高の比入力は、７５Ｗ／ｃｍ³ と２２．５Ｗ／ｃ
ｍ² であり、水冷電極を使用した比較的成熟したデバイ
ス技術で達成された。本明細書で開示した教示および実
施例に従って作成されたデバイスは、Vitrukその他が報
告したレベルおよびそれ以上の比入力を達成できると予
想できる。

【０１６２】Vitrukその他の理論は、ＤとＷの独立した
役割、およびプラズマ・シースの配置構成のために、本
発明の幾何形状には、自信を持って適用できない。先行
技術の誘導で、２７．１２ＭＨｚよりはるかに低い励起
周波数への使用に適用できるものはないのである。たと
えば、電極の間隔がＤ＝５０ｍｍの場合、励起周波数を
５ＭＨｚとすると、ｆＤの積は２５０ｍｍ−ＭＨｚとな
る。同様に、側壁の間隔をＷ＝２ｍｍとすると、６０Ｔ
の圧力でｐＷの積は１２０Ｔ−ｍｍとなる。したがっ
て、２５０ｍｍ−ＭＨｚおよび１２０Ｔ−ｍｍというｆ
ＤおよびｐＤが望ましく、従来のＷ／Ｄ＝２５のスラブ
放電デバイスにほぼ最適のパラメータであるが、このよ
うなＤ／Ｗ＝２５のデバイスの動作特性は、完全に未知
である。しかし、２７ＭＨｚの予想外の結果に基づき、
ｆＤ、ｐW の積の独立した性質を探求して、このような
低周波数、高縦横比のＤ／Ｗデバイスの励起プロセスを
最適化できると考えられる。

【０１６３】図３に示すデータを参照すると、高レベル
のピーク出力ＲＦポンピングの場合に、図１で開示され
た実施例に従って確立された長方形の放電領域は、２０
μｓｅｃないし４０００μｓｅｃの範囲の放電パルス幅
でおおむね１０％以上の放電効率を達成できる。図３の
最低の２本の曲線では、放電デューティ・サイクルが２
０％で一定に維持され、レーザへのピーク入力がそれぞ
れ４０８および５１３Ｗで一定に維持される一方、放電
パルス幅は増加し、放電ＰＲＦは低下して、一定のデュ
ーティ・サイクルを維持する。０．２（４０９）＝８
１．８Ｗという平均入力で示されるように、ＲＦからＣ
Ｏ₂ 光への約１０％という変換効率が一定に維持され
る一方、放電パルス幅は１００ずつ増加した。予想され
るように、８１．８Ｗは、図２に関して検討した名目２
７５Ｗの熱飽和レベルよりはるかに低いので、わずかな
レーザ出力の低下は、所定の放電パルス内での何らかの
加熱が、長い放電パルス幅で発生していることを示す。
平均入力が０．２（５１３）＝１０２．６Ｗの場合、４
０９Ｗのピーク入力を使用して示される傾向は、わずか
により明白なだけである。ＰＲＦを１００Ｈｚで一定に
し、パルス幅を１００μｓｅｃから４００μｓｅｃへ増
加させて、ピーク入力９３５Ｗでのパルス状レーザ出力
を測定した。これは、多数の医療用および歯科用レーザ
用途に関係があるパルス幅の範囲である。この範囲で、
放電デューティ・サイクルが１％から４％に増加するに
つれ、放電効率は１１％以上から約１０％へ多少低下し
た。このレベルで、ピーク比入力および出力は、それぞ
れ１７．６Ｗ／ｃｍ² およびほぼ２Ｗ／ｃｍ² であっ
た。側壁冷却手段をさらに効率的にすれば、ｃｗ励起
で、この動作状態をさらに拡張することができる。ピー
ク入力４０９、５１３および９３５Ｗでのデータを、約
７１５Ｔ−ｍｍの放電ｐＤでとった。これはVitrukその
他が検討した最適値より、はるかに高いｐＤである。励
起周波数、誘導幅の積が＜４９ｍｍ−ＭＨｚで生成でき
る非常に均質な放電は、本発明の斬新さと効用を強調す
る。１００ＨｚのＰＲＦ（１％のデューティ・サイク
ル）で１６１２Ｗのピーク入力で得た単一のデータ・ポ
イントは、非常に高レベルのポンピングで１１％の放電
効率が達成できることを示し、ＰＲＦを５００Ｈｚ（１
％のデューティ・サイクル）に増加しても、出力への効
果はほとんど観察されなかった。１６００Ｗより幾分低
いピーク入力を用いて、１４．４％のピーク放電効率が
観察され、入力ピークを幾分高くすると、１０％を超え
る放電効率で１８０Ｗというピーク出力が達成された。
この後者の＞１６００Ｗという入力は、電極対側壁の割
合が６．１：１または６．９：１の長方形の放電断面
が、放電利得長にわたって非常に均等にポンピングされ
ることを示す。Ｄ／Ｗの割合が６．９：１の場合、５０
０ＨｚのＰＲＦで６２０Ｊ／ＬＡの比入力が実現され、
これは１５０ＭＨｚの領域の励起周波数を使用する従来
のスラブ放電幾何形状で報告された値より、はるかに高
い。図３のデータのフレネル数は、Ｎ_D＝１５．７およ
びＮ_W ＝０．３３または．４２で、出力はすべて、Ｄが
多重モードの安定な自由空間ガウスで、Ｗは単一導波管
モードであった。約１８００Ｗのピーク入力は、γ放電
によって制限されたのではなく、図１の上部ＲＦ電極か
ら、セラミック側壁スペーサの端部から２ｍｍしか間隔
をあけていないミラー・マウントへ発生した寄生放電に
よって制限されたことが分かる。６５Ｊ／ＬＡのポンピ
ング・レベルで実現されたＤ／Ｗの割合が６．１：１の
デバイスからの最高平均出力は、４０μｓｅｃ放電パル
ス幅を使用して５０００Ｈｚで、５６．７Ｗ／ｍであっ
た。したがって、ポンピング・レベルは上記で参照した
Brown その他のレベルより低かったが、達成したＰＲＦ
は８倍以上高かった。Ｄ／Ｗ＝６．１の長方形断面の放
電デバイスの５６．７Ｗ／ｍという出力は、高レベルの
パルスで励起した対称形のアパーチャ導波管でこれまで
に報告された最高の出力レベルの３９．２Ｗ／ｍより高
いので、本発明の教示に従って作成したデバイスのセラ
ミック製側壁によるエリア冷却は、このタイプの励起で
も明白に実証された。

【０１６４】セラミック・スペーサ間の間隔を広げる
と、これより狭い放電の場合ほど効果的な壁面冷却での
放電が得られず、対称形のボアから、電極間隔１５．９
ｍｍおよび側壁間隔２．３ｍｍのチャンバへの傾向が、
レーザの出力を増加させたことに留意されたい。また、
図１の構成では、セラミック側壁スペーサ１６および１
８は、レーザの金属製真空エンベロープ１０の内部とま
ったく接触しないことにも留意されたい。図１に示した
幾何形状でのエリア冷却は、以下で検討するように、非
常に改善された。さらに、セラミック側壁スペーサの外
側とレーザの真空エンベロープの内側との間の領域に、
望ましくない放電または寄生放電が観察された。この放
電領域は、共振器のモード体積に入らないので、測定さ
れたレーザ放電効率は、この放電領域に非導電材が充満
し、このような望ましくない放電の形成を防止した場合
より、明らかに低い。したがって、より広い放電及びレ
ーザ効率を実現すると、空洞損失は少なくなるが、より
大きいＷで許容できる最大入力が低くなり、したがって
最大出力も小さくなる。この結果は、何らかの寄生放電
領域が偶発的に生成されるというその後の観察結果に、
部分的に帰することができる。

【０１６５】要するに、本発明によるエリア冷却レーザ
の放電効率のレベルは、少なくとも、先行技術のデバイ
スで達成できるのと同程度に良好で、この同等の体積効
率は、比較的低い放電励起周波数、およびはるかに単純
で、したがって費用のかからないデバイスを使用して達
成できる。

【０１６６】図１に示す本発明の実施例に従ってエリア
冷却したレーザから得られる出力を増大させるのは、セ
ラミック・スペーサ１６、１８間の距離を小さくして放
電幅を狭くし、５０〜８０Ｔｏｒｒの範囲のレーザ圧力
媒質を使用し、放電に隣接するセラミック壁に、放電駆
動の金の触媒を使用し、放電入力を増大させ、放電を制
限する側壁スペーサと金属製真空エンベロープとの間に
伝熱性の高い路を設け、側壁材料に純度９４％ではなく
純度９９．５％のアルミナを使用して側壁の伝熱性を改
善して放電温度を下げ、放電電極の間隔と長さとの両方
を増大させることによって可能である。

【０１６７】図４を参照すると、短辺と長辺を有する長
方形断面のＲＦ放電が、間隔Ｗを有する１対のセラミッ
ク側壁１６、１８と、間隔Ｄが側壁によってＤ／Ｗ≫１
に維持され、Ｗが１〜４ｍｍの範囲であることが好まし
い１対の電極１２、１４との間に確立されている。前記
と同様、放電電界は導波管の壁と平行で、電極は、電極
による放電への壁またはエリア冷却の影響が最小になる
よう配備される。上部ＲＦ電極は、第３のセラミック・
スペーサ２０によって地面から絶縁される。この実施例
では、３個の基本的なセラミック・ブロック、つまり上
部スペーサ２０および２個の側壁スペーサ１６、１８
は、基本的に断面が等しい。上部ピースは、ＲＦフィー
ドスルーを挿入する穴がある点で、２個の側壁ピースと
異なる。２個の側壁ピースは、互いに等しいが、上部電
極１２の下方部分が配置される小さい切り目がある点
で、上部ピースと異なる。アルミナ製スペーサの共通性
によって、レーザの生産量が比較的少なくても、セラミ
ック・ピースの量による費用削減が達成できる。図４に
示す実施例の外側の真空エンベロープ１０は、外形寸法
が１．００”×２．００”、肉厚が．０６５”の、普通
に入手可能な酸素を含まない高導電性の（ＯＦＨＣ）Ｗ
Ｒ１８７の銅製のマイクロ波導波管で作成されている。
このタイプの真空エンベロープは、比較的安価で、容易
にトーチまたは炉でステンレス鋼の端部フランジにロウ
付けし、そこに様々なタイプの光共振器の空洞ミラー・
マウントを取り付けることができる。図４の実施例に従
って作成したデバイスの気体を抜くと、薄い銅製の導波
管の壁がわずかに反り（約．０１０”）、これによって
側壁スペーサ１６、１８と真空エンベロープ１０自体と
の間に、強制的に低い熱損失の接触を生じる。当業者に
は周知のように、炉でロウ付けする場合は、銅の調質度
を完全に失わないよう注意しなければならない。図４で
開示した構造のヘリウムのリークを詳細に検査すると、
統合されたヘリウムのリーク速度は、５×１０^-10 大気
圧cm³/sec 未満が実現でき、これは気体触媒を使用し
て、放電中のＣＯ₂ の電離を防止するなら、数年以上の
レーザ寿命を保証するのに十分である。

【０１６８】図４に示す実施例では、３個のセラミック
・スペーサを、ほぼ等しい断面で作成すれば、ＷＲ１８
７導波管で１９ｍｍの電極間隔に容易に対応できる。こ
の電極間隔は、直径１”の空洞鏡のクリアなアパーチャ
に使用するのに適している。当業者には、普通に入手可
能な９９．５％濃度のＡｌ₂ Ｏ₃ のセラミック側壁を使
用して、放電を比較的低温で維持できることが理解され
る。０．９９５のアルミナの伝熱性を既知の０．３６
［Ｗ／ｃｍ²][ ℃／ｃｍ］とすると、アルミナの側壁が
１１．９℃しか温度上昇しなければ、放電冷却面積の電
力伝達が４．５Ｗ／ｃｍ² になることが、容易に判断
できる。４．５Ｗ／ｃｍ² という放電冷却面積の値
は、放電への合計入力が１０Ｗ／ｃｍ² であることを
示し、その放電効率はわずか１０％で、１Ｗ／ｃｍ²
のレーザ出力に相当する。Ｄｉｅｒｂｅｒｇｅｒその他
の「ＬｏｗＣｏｓｔ１０００Ｗ．３００Ｖｏｌ
ｔＲＦＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒ１
３．５６ＭＨｚｓ（１３．５６ＭＨｚのための１０
００Ｗ、３００ボルトの低価格ＲＦ電力増幅器）」
（ＡｄｖａｎｃｅｄＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ，ＲＦＤｅｓｉｇｎ，１９９５年８月，
ｐｐ．４６−５２）に記載された新しいＭＯＳＦＥＴ
のＲＦ電源技術を使用すると、完全にｋＷ平均出力のＲ
Ｆ電源の費用は、３００Ｖｄｃの電源の費用を含めて
も、＄５００未満、つまり０．５＄／Ｗ未満と予想され
る。先行技術のスラブＣＯ ₂ レーザの、１９９５年に
おける典型的な費用は２７５＄／Ｗで、８２ＭＨｚのＲ
Ｆ電源の費用は５＄／Ｗである。したがって、本発明に
従って作成した単純なＲＦ励起空冷ＣＯ₂ レーザによ
る相対的な経済性は明白である。

【０１６９】図４に示す実施例に関して、複数の平行な
ＲＦ励起の対称形導波管ＣＯ₂ レーザの発振器および増
幅器の当業者には、図４のような幾つかの放電アパーチ
ャは、電気的に並列に配置できて有利であることが理解
される。たとえば、ｗ＝２．５ｍｍ、Ｄ＝２．５ｃｍ
で、それぞれ長さが２５ｃｍの２５の領域を、幅７．５
ｍｍ、高さ２．５ｃｍ、長さ約２５ｃｍのセラミック側
壁で分離すると、それぞれがＤ／Ｗ＝１０の２５の放電
領域を有する非常にコンパクトなエリア冷却デバイスを
作成できる。この放電によって得られる冷却面積は、合
計で１５６２．５ｃｍ² となる。領域は並んで配置され
るので、長方形断面の放電の２５の領域全体を、名目サ
イズが２５ｃｍ×２５ｃｍの単一の高いＲＦ電位電極で
容易に通電でき、レーザ・デバイス全体を、約３”×１
２”×１２”（７．６ｃｍ×３０ｃｍ×３０ｃｍ）より
それほど大きくない真空エンベロープに、適切に収容す
ることができた。折り返し光共振器の当業者には認識さ
れるように、長さ２５ｃｍの個々の放電の両端にある折
り返し鏡は、隣接する幅２．５ｍｍ、高さ２．５ｃｍの
放電領域を光学的に接続するコーナー反射鏡の形で作成
し、フレネル数Ｎ_D が２．４より多少小さい幅２．５ｍ
ｍ、高さ２．５ｃｍ、長さ６２５ｃｍの同等の放電領域
を形成することができる。したがって、Ｄ／Ｗの割合が
１０．１と認識されても、媒質が長いので、このような
デバイスのフレネル数は大きくならない。Ｄに自由空間
ガウス空洞、Ｗに導波管空洞を有するＣＯ₂レーザ発振
器として構成されたこのようなデバイスは、非常に高エ
ネルギーでコンパクトになる可能性がある。たとえば、
比出力が放電冷却面積の０．５Ｗ／ｃｍ² でも、５００
０Ｗの入力で７５０Ｗの合計出力を予想することができ
る。圧力４０Ｔで、１３．５６ＭＨｚの合計入力を５０
００Ｗにして、放電インピーダンスを予備的に見積もる
と、約１４５Ωとなる。１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源の
直流部分とＲＦ部分とを組み合わせた費用は、＄１５０
０の範囲となる。このようなデバイスは、利得長６２５
ｃｍのレーザ出力増幅器としても構成することができ
る。このような増幅器の構成では、小信号利得が、５０
Ｗの範囲ではＣＯ光入力でほぼ飽和し、３５０Ｗの範
囲の出力を生成するが、これは高いレーザ出力およびラ
インの調節性を必要とする用途には理想的である。高力
ＣＯレーザの当業者には、このようなコンパクトなレ
ーザ構造には、液体から気体への熱交換システムによる
冷却が必要であるが、先行技術のスラブ技術では、この
ようにコンパクトかつ高力で、ラインを調節できるＣＯ
レーザ増幅器は不可能であることが理解される。

【０１７０】図４の実施例の様々な眺めを描いた図５お
よび６を参照すると、先行技術のスラブ技術で達成でき
なかった幾つかの特徴が見られる。たとえば、１〜３ｍ
ｍの導波構造および１３．５６ＭＨｚの励起が、２５８
ｍｍ−ＭＨｚというｆＤの積と両立できることがわか
り、２７ＭＨｚで図１の実施例で行った実験に基づき、
プラズマ・シースが、低い放電効率から得られるほど厚
くないことが予想される。図４の電極およびスペーサを
使用して、電極構造の容量は５０ｐＦと測定された。こ
の電極容量の測定値に基づき、長さ５０ｃｍのＷＲ−１
８７マイクロ波導波管本体内で、電極間隔３．５ｃｍで
生成した１７５ｃｍ² の冷却面積を有する放電領域の容
量は、約７０ｐＦとなり、これに対して、上記で参照し
たようにLapucci その他が検討した同等の大きさのスラ
ブ・デバイスでは、４００ｐＦである。図４の実施例の
長さ５０ｃｍタイプのシース容量は、はるかに小さい電
極面積および低い周波数に合わせて計算で調節され、非
常に小さい。したがって、図４の実施例に整合ネットワ
ーク（図示せず）を使用することにより、放電シースの
生成によるレーザ回路容量の増加には、ほとんど対応し
ない。図４ないし６の実施例によって熱除去が改良され
たので、銅製レーザ本体の強制空気対流冷却は効果的で
費用のかからない冷却手段であり、これによって、先行
技術のスラブ技術の使用時に通常必要とされる液体から
空気への熱交換機が不必要となる。内部のセラミック・
ピース１６、１８および２０は、熱膨張が小さい「背
骨」としても働き、レーザが通電されて温度が上昇して
も、空洞共振器の位置合わせを維持する。また、放電容
量が低く、その上１３．５６ＭＨｚの励起を使用するこ
とで、先行技術のスラブ・デバイスで必要とされる無数
の分岐共振インダクタなしで動作できることも理解され
る。実際、図５で最もよく分かる、縦方向に輪郭を有す
る下部電極１４”を使用すると、分岐インダクタを使用
しなくても、レーザ放電をさらに長くすることができ
る。さらに、放電チャンバを適宜、台形の断面を有する
ように作成できることを理解されたい。また、図５およ
び６で図示するように、ミラー・マウント２６、２８、
およびミラー・マウントの位置は、非安定または安定な
自由空間ガウス共振器で側壁間隔Ｗに規定され、電極間
隔Ｄに規定されたケース１、２または３の１次元導波管
空洞のあらゆる組合せに対応することを理解されたい。

【０１７１】図７を参照すると、分割ＲＦ放電レーザを
生成する電極配置を使用する、本発明の実施例の顕著な
特徴が図示されている。このようにして生成した放電
は、断面が長方形で、長辺と短辺とを有する。前述のよ
うに、放電の短辺は１対の側壁の間隔によって決定さ
れ、その間隔Ｗは、１〜４ｍｍの範囲であることが好ま
しく、電極１２、３０、３２の間の間隔ＤをＤ≫Ｗに維
持する。長方形断面の放電の長辺は、側壁間隔Ｗおよび
空洞の光軸に対して互いに垂直であるが、放電の電界に
は平行である。セラミックの側壁スペーサ１６、１８
は、大面積の放電冷却手段、および空洞内導波管モード
を支持する手段の両方の働きをする。空洞のモードは、
寸法Ｗでは導波管モード、寸法ｎＤでは安定な自由空間
ガウス・モードまたは非安定モードであることが好まし
く、ここでｎは横方向の放電セグメントの数である。理
解されるように、このタイプの配置構成は、セラミック
側壁１６、１８と厚肉真空エンベロープ１０との間の熱
損失の小さい接触に関連する改良点と、低容量の分割電
極１２、３０および３２の使用とを組み込む。１対の接
地電極３０、３２を真空エンベロープ１０の内部に接続
する無数の方法は、当業者には明白であるので、本明細
書では示さない。しかし、セラミックの基板に厚さ１ミ
リメートル未満の金属を被覆し、当業者にはＲＦ周波数
の平方根と反比例することが分かるＲＦ表皮効果によっ
て所定の領域の電流を制限する安定器手段として効果的
に作用させ、接地電極を作成できることを指摘してお
く。さらに理解されるように、セラミックの側壁スペー
サ１６、１８は、鏡をレーザ本体の両端に取り付ける前
に、エンベロープの端部から真空エンベロープに挿入す
ることができる。インジウム線を圧縮することによって
密封に適したＯリング溝で、ミラー・マウントをレーザ
本体に密封できる方法の詳細は、金属製真空エンベロー
プでガス・レーザを密封する当業者に理解され、よく知
られている。バキューム内ピースを金属本体に挿入した
後、レーザのガスを抜くと、真空エンベロープの外側に
深い連続溝または壕を機械加工することによって作成し
た金属ウェブを曲げることができ、大気圧によって与え
られた力が、バキューム内の要素を所定の位置にしっか
り維持し、さらにセラミック側壁と金属製エンベロープ
の壁との間の熱損失の少ない接触を保証する。十分に大
きい電極間隔Ｄの場合は、ＡＭ波タイプのＲＦ増幅器技
術を用いて、本明細書の教示に従って作成したレーザに
エネルギーを与えることができた。ＲＦ放電技術の当業
者には理解されるように、プラズマが安定するのに要す
る時間は、エリア冷却したＣＯ₂ レーザに関連する圧
力、混合気および側壁間隔については、マイクロ秒の範
囲になり得る。したがって、約３００μｓｅｃのサイク
ル反転時間を有する１．５ＭＨｚ電源は、高力レーザの
使用に容易に適合できるＲＦ電源技術を示す。また、図
７の実施例は、真空エンベロープの内部に、レーザ・デ
バイスに費用的に有意の影響を与える基本的に等しいバ
キューム内要素が２個しかないことも理解されたい。プ
ラズマ・シースに関する前記の検討に基づき、横ＲＦ放
電デバイスの当業者には、図７の分割放電実施例の中央
のＲＦ電極１２は、一方のセラミック側壁の表面に１ｍ
ｍないし２ｍｍの窪みを形成して作成できることが理解
される。電極１２を窪みに入れることによって、活性の
共振器体積からプラズマ・シース領域を除去し、これに
よってこの領域の空洞内循環光束を改善することができ
る。

【０１７２】図８を参照すると、図７と同様の単一分割
のＲＦ放電実施例の動作を強化するために、直流電源ま
たはエネルギー源を適用する様子が描かれている。図８
の実施例では、その間の放電を制限して、導波表面とし
て作用するセラミック・スペーサ１６、１８は、等し
く、その間にＷの間隔を有し、Ｄ≫Ｗの電極間隔が維持
されている。レーザ・ガスの直流絶縁破壊を生じるのに
必要な値より低い電位まで充電するエネルギー保存コン
デンサ中央の直流電極３４にあらかじめ接続されている
場合は、特許第5,097,472 号がその図４の励起方式で教
示したように、ＲＦ電力を電極３６に印加してＲＦ放電
が開始すると、このエネルギーがＲＦ放電に切り替わ
る。したがって、図８の実施例では、電力レベルＰ₁ の
ＲＦを、中心の１個の電極で直流と同時に供給し、別の
電力レベルＰ₂ を他方の中心の電極３６で、非同時的に
供給することができる。パルス状ＲＦ放電を使用したレ
ーザの当業者に認識されるように、図８の実施例では、
わずか２個の別個の電力入力ポートから、３つの非常に
異なる電力レベル、つまりＰ₁ 、Ｐ₂ およびＰ₂ ＋ｄｃ
（およびパルス幅）で媒質をポンピングすることができ
る。このタイプの励起構成では、整合ネットワークを動
的に調節して、３つの異なるＲＦ電力レベルに対応する
必要がない。この動的調節が正しくないと、放電から反
射したＲＦ電力によって、ＲＦ電源を損なうことがあ
る。非常に異なる入力電力で放電インピーダンスに動的
インピーダンスを整合させることは、横ＲＦ励起ＣＯ₂
レーザの当業者には、非常に困難であることがこれまで
認識されていた。

【０１７３】図８の実施例を二重に分割した放電の実施
態様を、図９に示す。前記で教示したように、セラミッ
ク・スペーサは距離Ｗだけ間隔があき、電極も同様に距
離Ｄだけ間隔をあけ、ここではＤ≫Ｗである。この実施
例では、電力レベルが異なることもある２つの別個のＲ
Ｆ周波数ＲＦ₁ およびＲＦ₂ におけるＲＦ励起を、概略
的に示す。米国特許第5,097,472 号で教示されているよ
うに、直流を使用してＲＦレーザの動作を強化した２電
極のＲＦデバイスを用いた以前の実験で、ＲＦ放電に直
流を加えると、一方のＲＦ電極に隣接するプラズマ・シ
ース領域が収縮し、対向する電極におけるシース領域が
拡張することが分かっている。直流の極性を反転する
と、以前は収縮したシース領域が拡張し、以前に拡張し
た領域が収縮する。２７ＭＨｚで励起すると、電極付近
の放電の発光効率に基づき、直流の同時供給によるシー
ス厚さの見かけの誘導拡縮は、１００％未満である。こ
のような観察結果から、自給式ＲＦ放電のプラズマ・シ
ースの厚さは、励起周波数に反比例する一方、別個の第
２の低周波数でＲＦを、第１のより高い周波数でＲＦ電
源が既に開始し維持している放電へ加えても、同時に励
起されたＲＦ放電のプラズマ・シースの厚さが、第２の
放電電源の周波数と反対に増加するとは限らないことが
理解される。したがって、図９では、高い方の周波数Ｒ
Ｆ₂ のＲＦを使用して、電極４０と３０、４０と３６、
４２と３２、および４２と３６との間に第１系列の放電
を起動する。第２電源ＲＦ2 は、中央に配置された下部
電極３６を介してすべての放電セグメントに追加の電力
を供給する。あるいは、ある周波数Ｆ₂ のＲＦを使用し
て、２つの外側の放電セグメント、つまり電極対３０、
４０および３２、４２の間に１対の放電を起動し、別の
周波数Ｆ₁ のＲＦを使用して、２つの内側の放電セグメ
ント、つまり電極対３６、４０および３６、４２の間に
放電を起動することができる。多重周波数励起方式のさ
らに別の変形は、３つの別個のＲＦ励起周波数を使用し
て別個の横方向のセクションにエネルギーを与え、アパ
ーチャの多様性を獲得し、レーザ出力を走査することが
できた。

【０１７４】図１０を参照すると、ＲＦ−ＤＣ操作に合
わせて改造した図９の実施例を示す。この実施例では、
単一の電源５０からのＲＦを２個の上部真空フィードス
ルー・コネクタ５２、５４に供給し、４つの放電セグメ
ントすべてを起動する。起動すると、下部真空電力コネ
クタ５６を通して予め供給された直流が、エネルギー保
存手段５８（つまりコンデンサ）から地面までの２つの
放電セグメントのそれぞれに流れ込む。理解されるよう
に、この構成は最高の直流電圧を使用して媒質をパルス
励起し、それと同時にＲＦを使用して、電気的に並列に
動作する４つのＲＦ放電に効果的にエネルギーを与え
る。間隔の広い電極３６、３０および３６、３２の分割
放電対に、比較的高い直流電圧を使用すると、所定の保
存エネルギーに対して比較的低い値の保存容量を使用す
るのに役立ち、さらに、放電パルスを高速化し、ピーク
・レーザ出力を増大するのに役立つ。先行技術の長方形
断面のＲＦスラブ放電に直流を追加することが望ましい
場合は、プラズマ・シースの１つが否応なく収縮して放
電が不安定になる前に適応できる直流のレベルが、非常
に限られることが理解される。さらに、所定のエネルギ
ー保存について、必要な容量は比較的大きく、したがっ
て高速の放電パルスには好ましくない。横ＲＦ励起ＣＯ
₂ レーザの当業者には、電極の分離および放電セグメン
トの数を用い、広帯域トロイダルＲＦ変圧器を使用する
ことによって、本発明の実施例に従って作成したレーザ
の一体放電インピーダンスを、特定のタイプの整合回路
にとって最適のレベルに調整することができることも理
解される。この点で、ＲＦ放電の当業者には、地面と直
流入力ポートとの間に接続されたＲＦ短絡回路の機能
は、直流ポートをＲＦ接地することであるのが理解され
る。このようなＲＦ短絡回路は、ＲＦ励起周波数で共振
する直列ＬＣ回路で構成することができる。

【０１７５】図１１を参照すると、ＤＣを増大した動作
に合わせて改造した図９の実施例を示す。ここで、反復
パルスＲＦ電源６０を、単一の中心の電極３６に供給
し、２つの外側の接地電極３０、３２間に規定されたレ
ーザのアパーチャ全体に連結された２つの長い放電を起
動する。レーザのアパーチャの中心、つまり電極４０、
４２間に連結された単一の中心の放電にのみ直流を切り
換えるよう、ＲＦパルス間に選択した既定の時間で、予
め接続したエネルギー源コンデンサを、所望の電圧まで
コマンド充電することができる。このようなアパーチャ
が多様な方式は、レーザの角指向性を変更することな
く、レーザの発散を変更することが望ましいレーザへ適
用するのに有用である。

【０１７６】図９、１０または１１で実施されるような
多電極方式を用いて、全共振器アパーチャの一部にのみ
連結する媒質を生成することができ、この方式を用いて
レーザの出力を変更したり、レーザの出力フレネル数を
変更したり、レーザの出力の発散を変更したり、あるい
はレーザの出力を角度で走査したりすることができるこ
とが理解される。このような多重方式を使用して、ＲＦ
出力結合回路に伴う出力損失を回避できることも認識さ
れる。

【０１７７】長方形断面の放電を生成する構成を、金属
真空エンベロープを除き、２個の外側の電極４０、４２
を地面に接続せずに図１２に示す。この実施例では、空
洞の光軸６２は、図７〜１１の実施例で図示した薄い電
極に平行ではなく垂直に延びるよう、概略的に示す。こ
の実施例では、空洞の光軸に対して横方向に、長方形断
面の放電が生成され、前記放電は、短辺と長辺とを有す
る。前記放電の短辺は、Ｗで表され、１ないし４ｍｍの
範囲であることが好ましく、光導波管構造の壁として働
くと同時に放電をエリア冷却する手段としても働くセラ
ミック製側壁スペーサの間隔によって規定される。電極
３６、４０’および３６、４２’間の間隔Ｄは等しく、
セラミック製側壁スペーサによってＤ≫Ｗとなるよう維
持される。この構成は、上述したすべての実施例と同
様、側壁に平行な放電電界を生成する。前記長方形断面
の放電の長辺は、前記放電短辺および光共振器の軸に対
して互いに垂直であり、電極の長さによってほぼ決定さ
れ、安定な自由空間ガウス・モードまたは非安定共振器
モードをこの寸法で指示するのに適した寸法を有する。
本明細書の教示に従い、中心の電極３６にエネルギーを
与え、２つの外部電極４０、４２を接地することによっ
て生成した放電は、セラミック側壁間に制約され、間隔
Ｄの電極間に確立され、このように側壁に平行な放電電
界が生成される。

【０１７８】横ＲＦ励起ガス・レーザの当業者にとっ
て、図１２のレーザの実施例は、縦方向の光軸を有し、
放電空間がＲＦ電界で励起され、前記放電空間は、縦方
向の光軸に対して垂直の断面を有する。放電電界を有す
る１対の間隔をあけた非導電側壁から成る前記放電空間
は、前記非導電性側壁に対してほぼ平行に確立され、前
記放電空間は、短い方の平均寸法と前記短い方の寸法に
対して横方向の長い方の平均寸法によって特徴付けられ
た断面を有する。また、短い方の寸法は、前記側壁の間
であり、前記長い方の寸法は、非安定共振器モードの横
軸またはガウス自由空間共振器モードの横軸に平行な方
向である。短い方の寸法は、さらに、導波管モードまた
は自由空間ガウス・モードの横軸に対して平行な方向と
も言える。したがって、本明細書で教示する長方形断面
の放電空間にとって好ましい共振器のタイプは、まず第
１に長い方の断面寸法、第２に短い方の断面寸法で呼ぶ
と、非安定と導波管、非安定と自由空間ガウス、自由空
間ガウスと導波管、および自由空間ガウスと自由空間ガ
ウスである。

【０１７９】当業者には、図１２の実施例の放電領域は
共振器の光軸を固定し、放電をエリア冷却する導波表面
に対して垂直に延びる軸を中心に、放電構造を９０°回
転させることによって、図７〜１１の実施例にほぼ等し
いような外観にすることができることが認識される。長
方形断面の放電および導波管・非安定または導波管・安
定共振器の幾何形状の当業者には、この２つの好ましい
共振器タイプの空洞内モードも出力モードも、下部電極
付近に形成されたプラズマ・シース領域の１００％を通
過することも理解される。しかし、それと同時に、空洞
の循環光束が通過できるプラズマ・シースの全体積は、
エリア冷却したレーザを図１２の実施例に従って作成す
ると、ＲＦ励起周波数を賢明に選択することにより、非
常に小さくできることも、当業者には理解される。図１
２のデバイスの幾何形状は、先行技術のスラブ放電デバ
イスのｆＤとｐＤの積の関係の反結合による利点を受け
る。図１２の幾何形状によって提供されるもう一つの利
点は、典型的に接地された空洞ミラー・マウントと高い
電位のＲＦ電極との間の距離を最小にできることである
ことも、さらに理解される。

【０１８０】本明細書で開示した実施例とは反対に、本
発明に従って生成した長方形断面の放電領域の独特の特
徴をモデル化したり保存したりする放電領域を示すこと
ができる、先行技術のＲＦ励起スラブ放電の幾何形状を
分析または実験のために回転できる軸はないことが理解
される。

【０１８１】好ましい実施例について図示し、述べてき
たが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、
本発明に様々な修正および代用ができる。したがって、
本発明について例証によって述べたもので、制限するも
のではないことが理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による長方形放電レーザ
の、概略断面立面図である。

【図２】本発明に従って構築したレーザの様々な励起パ
ルス幅とピーク・レーザ出力のプロット図である。

【図３】本発明に従って構築したレーザの平均ＲＦ入力
の関数としての、平均レーザ出力のプロット図である。

【図４】横方向に輪郭を描いた下部電極、ＲＦ−ＤＣ励
起、および薄肉真空エンベロープに対する強化した伝導
冷却を示す、本発明の第２の実施例による長方形放電レ
ーザの概略断面立面図である。

【図５】図４に示した長方形放電レーザを、図４の横方
向で切り取った断面側面図で、空洞鏡と誇張して縦方向
に輪郭を描いた下部電極とを概略的に示す。

【図６】図４および５の長方形放電レーザの縦方向の上
面断面図で、長方形の空洞鏡の使用を概略的に示す。

【図７】分割放電、真空屈曲スロット、薄肉真空エンベ
ロープへの強化伝導冷却、およびＲＦのみの励起の使用
を組み込んだ、本発明の第３の実施例による長方形放電
レーザの概略断面立面図である。

【図８】ＲＦ−ＤＣ励起の使用を示す、本発明の第４の
実施例による長方形放電レーザの概略断面立面図であ
る。

【図９】２つの異なった周波数でのＲＦ励起の使用を概
略的に示す、レーザの第５の実施例による長方形放電レ
ーザの概略断面立面図である。

【図１０】ＲＦ−ＤＣ励起の使用を概略的に示す、レー
ザの第５の実施例による長方形放電レーザの概略断面立
面図である。

【図１１】べつのＲＦ−ＤＣ励起手段を概略的に示す、
レーザの第５の実施例による長方形放電レーザの概略断
面立面図である。

【図１２】本発明の第６の実施例による、伝熱性および
導電性真空エンベロープのない長方形放電レーザの、部
分的に透視した概略図で、縦方向の長方形断面のＲＦ励
起のために配置構成された分割放電を組み込む。

【符号の説明】

１０真空エンベロ−プ１２上部電極１４下部電極１６セラミック・スペ−サ・ピ−ス３０分割電極３６電極４０電極５０電源５２フィ−ルドスル−・コネクタ

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１２月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【ＦｌＧ・２】

【ＦｌＧ・３】

【ＦｌＧ・１】

【ＦｌＧ・４】

【ＦｌＧ・５】

【ＦｌＧ・６】

【ＦｌＧ・７】

【ＦｌＧ・８】

【ＦｌＧ・９】

【ＦｌＧ・１１】

【ＦｌＧ・１０】

【ＦｌＧ・１２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縦方向の光軸と放電空間とを有するＲＦ
励起ガス・レーザ・デバイスであって、前記放電空間
は、おおむね長方形で前記縦方向光軸に対して垂直方向
の断面を有し、１対の間隔をあけた非導電性側壁を備え、前記放電断面
は、一部が前記側壁によって規定され、平均すると短い
方の寸法および前記短い方の寸法に対して横方向の平均
して長い方の寸法を特徴とし、前記短い方の寸法は、前
記非導電性側面の間にあり、前記短い方の寸法はレーザ
光の誘導に適し、さらに前記放電空間の各端部に配置さ
れたレーザ共振器ミラーと、前記放電空間に配置されたレーザ・ガスと、前記放電空間内に少なくとも１０ｋＨｚの周波数を有す
る励起電界を確立する手段とを備え、前記電界確立手段
によって、前記励起電界が偶数のセグメント内に確立さ
れ、前記励起電界セグメントが、前記放電空間の断面の
前記短い方の寸法に対してほぼ垂直の方向である、前記
デバイス。
【請求項２】前記励起電界確立手段が、さらに、前記
第１および第２電極の近傍に配置された少なくとも１つ
の第３電極を含み、最も距離がある前記電極間の間隔
が、前記非安定な共振器動作モードを支持する、請求項
１記載のレーザ・デバイス。
【請求項３】縦方向の光軸と、第２電界および少なく
とも１０ｋＨｚの周波数を有する第１電界によって同時
励起される放電空間とを有するガス・レーザ・デバイス
であって、少なくとも第１、第２および第３の間隔をあけた細長い
電極と、１対の間隔をあけた非導電性側壁とを備え、前記側壁
は、一部が気体放電領域を規定し、前記放電領域は、前
記縦方向光軸に対して垂直の断面を有し、前記放電領域
の断面は、平均して短い方の寸法と平均して長い方の寸
法とによって特徴付けられ、前記長い方の寸法は、前記
短い方の寸法に対して横方向で、励起電界が前記短い方
の寸法に対しておおむね横方向に確立され、前記短い方
の寸法が、前記側壁の間で、これに対してほぼ横方向
で、前記短い方の寸法はレーザ光の誘導に適し、さら
に、前記放電空間の各端部に配置されたレーザ共振器ミラー
を備え、前記ミラーは共同して前記縦方向光軸を規定
し、さらに、前記放電空間に配置されたレーザ・ガスと、前記励起電界を確立する手段とを備え、前記電界確立手
段はＲＦエネルギーの電源を含み、前記電界確立手段は、前記電極間に、その間隔を最小に
して前記第１電界を確立し、前記第３電極とその他の前
記電極のうち少なくとも１つとの間に第２電界を確立す
る、前記デバイス。
【請求項４】前記短い方の寸法が、安定な放電を維持
するレーザ光発生の間に、前記放電領域から前記側壁へ
の熱伝達率に比例する、請求項１および３記載のレーザ
・デバイス。
【請求項５】放電領域の圧力Ｐが、前記短い方の寸法
と比例する、請求項１および３に記載のレーザ。
【請求項６】前記長い方の寸法が、ＲＦ励起周波数ｆ
と比例する、請求項１、３および５に記載のレーザ。
【請求項７】前記長い方の寸法が、少なくとも１より
大きいフレネル数を有するレーザ光の放電アパーチャを
規定する、請求項１、３、５および６記載のレーザ。