JPH09307158A - ガスレ−ザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は陽極で反射した反射光が正常に増
幅されたレ−ザ光と一緒に発振するのが防止できるガス
レ−ザ発振装置を提供することにある。 【解決手段】 ガスレ−ザ媒質が封入された気密容器１
１と、気密容器内に離間対向して配置された陰極２と陽
極１３とからなる一対の主電極と、主電極に電気エネル
ギを供給して陰極と陽極との間の放電空間部に主放電を
点弧させる電源１７と、陰極と陽極との間の主放電に先
立って放電空間部１５を予備電離するコロナ電極１６
と、放電空間部を挟んで対向して配置された高反射ミラ
−１９と出力ミラ−２０とからなる光共振器と、光共振
器内に配置され光共振器で形成されるレ−ザ光のモ−ド
ボリュウムを制限する所定の径の孔が形成されたアパ−
チャ２１とを具備し、アパ−チャは、その孔２１ａの中
心軸を放電空間部の機械的中心軸よりも所定量、陰極側
にずらして配置されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はガスレ−ザ媒質を
放電励起してレ−ザ光を発生させるガスレ−ザ発振装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスレ−ザ発振装置は図５
（ａ）に鎖線で示す気密容器１を備えている。この気密
容器１内にはガスレ−ザ媒質が収容されているととも
に、陰極２と陽極３とからなる一対の主電極が所定の間
隔で離間対向して配置されている。

【０００３】上記陰極２と陽極３とには電気エネルギが
供給され、それによってこれら電極の間の放電空間部４
には主放電が点弧される。この放電空間部４の一端側に
は高反射ミラ−５が配置され、他端側には上記高反射ミ
ラ−５とで光共振器を形成する出力ミラ−６が配置され
ている。

【０００４】上記構成のガスレ−ザ装置において、単一
横モ−ドを発振するための高反射ミラ−５と出力ミラ−
６との間のモ−ドボリュ−ムは、これらミラ−の曲率と
共振器長（２枚のミラ−の間隔）で決まり、たとえばリ
モ−トセンシング光源などに使用される比較的小型なガ
スレ−ザ発振装置では、高反射ミラ−５を凹面とし、そ
の曲率を１５ｍ、出力ミラ−６を平面、共振器長を５０
ｃｍ、放電断面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとすると、共振
するレ−ザ光のモ−ドは図２（ａ）に示すようになり、
その径は出力ミラ−６の付近で６．０３ｍｍ（１／ｅ
² ）となる。

【０００５】実際のレ−ザ発振が行われる場合には、上
記単一横モ−ドのモ−ドボリュ−ムより広い範囲で光共
振が行われ、発振されるレ−ザ光は、横モ−ドがマルチ
モ−ドとなる。これを単一横モ−ドで発振させようとす
る場合には、上記単一横モ−ドボリュ−ム径の１．３倍
程度の孔径のアパ−チャを共振器内の出力ミラ−６付近
に、モ−ドボリュ−ム中心軸と、アパ−チャの孔の中心
軸を一致させて配置し、光共振器内の損失を増して単一
横モ−ド発振させるようにしている。

【０００６】ここで、単一横モ−ドの発振光で、しかも
大きな出力を得ようとする場合、第２の横モ−ドが発生
しない範囲で最大径の孔を有するアパ−チャを用いるこ
とになる。

【０００７】上記レ−ザ発振装置において、放電空間部
４を主放電に先立って予備電離する予備電離手段として
コロナ放電を利用する場合、陰極２の表面にはガラス管
からなるコロナ電極が配設されるから、陰極２の表面で
レ−ザ光が反射することはほとんどない。

【０００８】これに対して陽極３の表面は平面で、なお
かつ主放電（グロ−放電）が均一に点弧されるように鏡
面研磨が施されている。また、陽極３の材質は高反射ミ
ラ−５に使用されるような反射率の高い金属、たとえば
銅、アルミニウム、真ちゅうなどが用いられている。

【０００９】このような構成のガスレ−ザ装置において
は以下のような問題が生じる。すなわち、レ−ザ発振が
行われているときに、光共振器の高反射ミラ−５と出力
ミラ−６とが高精度の平行度で対向しているときには上
述したごとく図５（ａ）に示すモ−ドボリュ−ムで共振
する。

【００１０】ところで、一対のミラ−の平行度がアライ
メント不良や温度変化による熱膨張などにより微小角で
も傾くと、図５（ｂ）に示すようにモ−ドボリュ−ムが
小さくなって出力が減少し、横モ−ドも偏平な形とな
る。したがって、アライメントは出力が最大になるよう
行えばよいことになる。このときの出力を図６に曲線Ａ
で示す。

【００１１】しかしながら、実際には陽極３の表面は高
反射面になっているから、図５（ｃ）に示すように陽極
３の表面で反射する光路が形成され、モ−ドボリュ−ム
が増えてマルチモ−ド発振となるばかりか、出力も増加
する。つまり、図６の曲線Ａからも分かるように、出力
ミラ−６が傾いている状態で出力が最大となる。

【００１２】このように、陽極３で反射することで出力
が増加したレ−ザ光は、光共振器によって増幅された光
と、陽極３で反射した反射光Ｒとが混じり合っているの
で、区別がつけられないばかりか、発振光全体の安定性
や品質が低下することになる。

【００１３】しかも上述したごとく光共振器で増幅され
たレ−ザ光Ｌと反射光Ｒとが混じり合っていると、光共
振器のアライメントは出力が最大になるよう調整するた
め、間違った調整となってしまうことがある。

【００１４】さらに、光共振器内に孔径５ｍｍのアパチ
ャ−を、その中心軸がモ−ドボリュ−ム中心軸と一致す
るよう設けても、図６に曲線Ｂで示すように出力は約半
分となってしまうばかりか、陽極３表面での反射光Ｒの
影響を無視できないということがある。このことは、出
力ミラ−６が所定角度傾いているときにレ−ザ出力が最
大となることからも明らかである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のガ
スレ−ザ発振装置においては、光共振器のミラ−が微小
角度傾いた場合に、陽極の表面で反射した光が光共振器
で増幅された光とともに発振出力される、いわゆる寄生
発振が生じるため、発振光の安定性や品質が低下すると
いうことがあり、また光共振器内に単にアパ−チャを設
けても、出力の低下を招き、反射光の影響を除くことが
できないということがあった。

【００１６】この発明は上記事情に基づきなされたもの
で、その目的とするところは、光共振器のミラ−が微小
角度傾いた場合に、出力の大幅な低下を招くことなく陽
極の表面で反射した反射光が寄生発振するのを防止でき
るようにしたガスレ−ザ発振装置を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１の発明は、ガスレ−ザ媒質を放電励起してレ
−ザ光を発生させるガスレ−ザ発振装置において、上記
ガスレ−ザ媒質が封入された気密容器と、この気密容器
内に離間対向して配置された陰極と陽極とからなる一対
の主電極と、この主電極に電気エネルギを供給して上記
陰極と陽極との間の放電空間部に主放電を点弧させる電
源と、上記陰極と陽極との間の主放電に先立って上記放
電空間部を予備電離する予備電離手段と、上記放電空間
部を挟んで対向して配置された高反射ミラ−と出力ミラ
−とからなる光共振器と、この光共振器内に配置されこ
の光共振器で形成されるレ−ザ光のモ−ドボリュウムを
制限する所定の径の孔が形成されたアパ−チャとを具備
し、上記アパ−チャは、その孔の中心軸を上記放電空間
部の機械的中心軸よりも所定量、陰極側にずらして配置
されることを特徴とする。

【００１８】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、上記アパ−チャの孔の中心軸の上記放電空間部の機
械的中心軸からのずらし量をδ、Ｌレ−ザ光のビ−ム径
をＤとした場合、上記ずらし量δは、 ０．１８Ｄ≦δ≦０．５Ｄ の範囲内に設定されることを特徴とする。

【００１９】請求項１の発明によれば、アパ−チャの孔
の中心軸が陰極側にずれていることで、光共振器のミラ
−の微小な傾きによって陽極の表面で発生する反射光が
寄生発振するのを、出力の大幅な低下を招くことなく阻
止ができる。請求項２の発明によれば、アパ−チャが寄
生発振を阻止するために、その孔の中心軸を放電空間部
の機械的中心軸からずらす量を定めることができる。

【００２０】

【実施形態】以下、この発明の実施形態を図面を参照し
て説明する。図１乃至図３はこの発明の一実施形態を示
し、図１に示すガスレ−ザ発振装置はガスレ−ザ媒質が
封入された気密容器１１を備えている。この気密容器１
１内には主電極を構成する陰極１２と陽極１３とが上下
方向に離間対向して配置されている。上記陰極１２の表
面には長手方向に沿って複数、この実施形態では３本の
溝１４が形成され、各溝１４には陰極１２と陽極１３と
の間の放電空間部１５を予備電離するためのコロナ電極
１６が配置されている。

【００２１】上記陰極１２、陽極１３および上記コロナ
電極１６は高圧電源１７に接続され、この高圧電源１６
から電気エネルギが供給されるようになっている。電気
エネルギが供給されると、まずコロナ電極１６と陰極１
２の表面との間でコロナ放電が点弧され、放電空間部１
５が予備電離される。放電空間部１５の予備電離が進行
すると、一対の主電極１２、１３間に主放電が点弧され
る。それによって、陰極１２と陽極１３との間の放電空
間部１５においてガスレ−ザ媒質が放電励起され、レ−
ザ光が発生するようになっている。

【００２２】上記気密容器１１には放電空間部１５の一
端側と他端側とに対向してそれぞれ気密構造のに閉塞さ
れた出射窓１８ａ、１８ｂが形成されている。一方の出
射窓１８ａには高反射ミラ−１９が対向して配置され、
他方の出射窓１８ｂには上記高反射ミラ−１９とで光共
振器を形成する出力ミラ−２０が対向して配置されてい
る。

【００２３】他方の出射窓１８ｂと出力ミラ−２０との
間にはアパ−チャ２１が配設されている。図２に示すよ
うに、アパ−チャ２１はその孔２１ａの中心軸Ｏ₁ を上
記放電空間部１５の機械的中心軸Ｏ₂ に対して所定寸
法、たとえばこの実施形態では１．５ｍｍ陰極１２側に
ずらして配置されている。そのずらし量をδとすると、
そのずらし量δは以下のごとく設定できる。

【００２４】すなわち、図３において、 Ｄ：レ−ザビ−ムスポット径 ｄ：アパ−チャの孔径 Ｌ：共振器長 Ｗ：電極間隔 Ｒ：全反射ミラ−（Ｍ₁ ）の曲率半径 δ：アパ−チャのずらし量 とすると、単一横モ−ド発振時のレ−ザビ−ムスポット
径Ｄ（１／ｅ² ）は次式で定められる。

【００２５】 Ｄ＝２｛（λ／π）［Ｌ（Ｒ−Ｌ）^1/2 ］^1/2 …（１）式 なお、式中λはレ−ザ光の波長である。ここで、アパ−
チャ２１の孔２１ａの径ｄは一般的にビ−ムスポット径
Ｄの１．３倍程度になる。すなわち、 ｄ＝１．３Ｄ …（２）式 また、電極間隔Ｗは広すぎると入力エネルギに対する変
換効率を悪化させ、狭すぎるとモ−ドボリュ−ムと干渉
を起こしてレ−ザ光の品質を悪化させるため、一般的に
つぎの値となる。

【００２６】 Ｗ＝２Ｄ …（３）式 ここで、アパ−チャ２１の孔２１ａのずらし量δの最適
値は、 （Ｗ−ｄ）／２＝０．７Ｄ／２＝０．３５Ｄ …（４）式 で与えられる。ずらし量δが最適値の１／２以下ではこ
の発明の効果は得られず、また、ずらし量δが （Ｗ−Ｄ）／２＝（２Ｄ−Ｄ）／２＝Ｄ／２ …（５）式 で求められる値よりも大きい場合はレ−ザビ−ムと電極
が干渉を起こして出力の低下を招くことになる。

【００２７】以上のことより、アパ−チャ２１の孔２１
ａのずらし量Ｌは次式で与えることができる。 ０．１８Ｄ≦δ≦０．５Ｄ …（６）式 この値を各部の寸法が従来例で述べたレ−ザ発振装置に
当てはめると、上記（１）式からＤは、 Ｄ＝２｛（λ／π）［０．５（１５−０．５）^1/2 ］^1/2 ＝６．０３ｍｍ となる。したがって、ずらし量δの範囲は、 １．０６ｍｍ≦δ≦３．０２ｍｍ となり、この実施形態の１．５ｍｍは効果の得られる範
囲内であることが分かる。

【００２８】このような構成のガスレ−ザ発振装置にお
いては、陰極１２と陽極１３との間で主放電を点弧さ
せ、放電空間部１５のガスレ−ザ媒質を放電励起する
と、高反射ミラ−１９と出力ミラ−２０とがなす共振器
長およびアパ−チャ２１に形成された孔２１ａの径によ
って規定されるモ−ドボリュ−ムで共振が起こり、レ−
ザ光Ｌが発生する。レ−ザ光Ｌは高反射ミラ−１９と出
力ミラ−２０とで反射を繰り返して増幅され、上記出力
ミラ−２０から発振出力されることになる。

【００２９】ところで、レ−ザ発振中に、種々の原因に
よって出力ミラ−１９が微小角度傾いた場合、放電空間
部１５で発生したレ−ザ光Ｌの一部は図５（ｃ）に示す
ように陽極１３の表面で反射する反射光Ｒとなり、その
反射光Ｒが光共振器で増幅されたレ−ザ光Ｌとともに発
振出力される寄生発振を招く虞がある。

【００３０】上記反射光Ｒによる寄生発振は陽極１３の
近傍を通る反射光Ｒによって生じる。そのため、出射窓
１８ｂと出力ミラ−２０との間に、アパ−チャ２１を孔
２１ａの軸心を陰極１２側へ所定のすらし量δ、つまり
上記（６）式で求められる範囲内ででずらして配置する
ことで、反射光Ｒのほとんどはアパ−チャ２１に遮ら
れ、その孔２１ａを通過しないため、寄生発振が発生す
るのを防止することができる。

【００３１】しかも、アパ−チャ２１の孔２１ａの軸心
を陰極１２寄りへずらすことで、反射光が上記孔２１ａ
を通って寄生発振するのを防止しているため、反射光だ
けが孔２１ａを通過するのが遮られ、正常なレ−ザ光Ｌ
はほとんど遮られない。そのため、出力ミラ−２０から
発振出力されるレ−ザ光Ｌの強度を大きく低下させるこ
とがない。

【００３２】この発明のレ−ザ光Ｌの出力を図６に曲線
Ｃで示す。この曲線Ｃはアパ−チャ２１の孔２１ａの軸
心Ｏ₁ を放電空間部１５の機械的軸心Ｏ₂ に対して陰極
１２寄りへ１．５ｍｍ偏らせた場合であって、寄生発振
がなくなるのは勿論のこと、出力損失は約２０％という
小さな値で、品質が高く、安定した単一横モ−ドのレ−
ザ発振光を得ることができた。

【００３３】図４はずらし量δとレ−ザ出力との関係を
示し、ずらし量が０．１８Ｄよりも小さいと寄生発振が
あり、０．５Ｄよりも大きくなるとレ−ザ出力が低下す
ることが分かる。

【００３４】この発明は上記一実施形態に限定されず、
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。上
記一実施形態では予備電離手段として陰極の表面にコロ
ナ電極が配置される場合について説明したが、予備電離
機構を陰極の表面でなく、裏面側に配置した場合、陰極
の表面はメッシュ状やパンチングメタル状となるから、
陰極表面ではレ−ザ光Ｌが反射することがなく、陽極表
面が鏡面状となっている。したがって、このような場合
にもこの発明を適用することができる。

【００３５】また、予備電離にア−ク放電を用いたＵＶ
予備電離方式では陰極表面は曲面状となっているが、陽
極表面は鏡面かつ平面状になっていることが多いから、
このような場合にもこの発明を適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように請求項１の発明は、ア
パ−チャを、その孔の中心軸を放電空間部の機械的中心
軸よりも所定量、陰極側にずらして配置するようにし
た。そのため、光共振器のミラ−がわずかに傾くことで
陽極の表面で反射する反射光が発生しても、その反射光
は上記アパ−チャが陰極寄りに配置されていることで、
その孔を通過しずらいため、上記反射光が光共振器で正
常に増幅されたレ−ザ光と一緒に発振出力されるのを防
止でき、それによってレ−ザ光のビ−ム品質が劣化した
り、不安定となるのを防止することができる。

【００３７】さらに、アパ−チャの孔を小さくせず、そ
の孔の中心軸を陰極側へ片寄らすことで陽極からの反射
光が発振するのを防止しているため、レ−ザ光の出力損
失を小さくすることができる。

【００３８】請求項２の発明によれば、反射光が発振す
ることがなく、しかもレ−ザ出力の低下を招くことのな
い、放電空間部の機械的中心軸に対するアパ−チャの孔
の中心軸のずらし量を確実に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態のガスレ−ザ発振装置の
構成図。

【図２】同じく放電空間部の中心軸とアパ−チャの孔の
中心軸の関係を説明する図。

【図３】同じくずらし量の範囲を求めるための各部分の
寸法を示す説明図。

【図４】同じくずらし量とレ−ザ出力との関係を示すグ
ラフ。

【図５】（ａ）は主電極および光共振器の位置関係とモ
−ドボリュ−ムの説明図、（ｂ）は共振器ミラ−が微小
角度傾いたときのモ−ドボリュ−ムの説明図、（ｃ）は
陽極の表面でレ−ザ光の反射がある場合のモ−ドボリュ
−ムの説明図。

【図６】従来とこの発明の共振器ミラ−の傾きに対する
レ−ザ光の出力特性を示す説明図。

【符号の説明】

１１…気密容器、１２…陰極、１３…陽極、１５…放電
空間部、１６…コロナ電極（予備電離手段）、１７…高
圧電源、１９…高反射ミラ−、２０…出力ミラ−、２１
…アパ−チャ、２１ａ…アパ−チャの孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスレ−ザ媒質を放電励起してレ−ザ光
   を発生させるガスレ−ザ発振装置において、 上記ガスレ−ザ媒質が封入された気密容器と、 この気密容器内に離間対向して配置された陰極と陽極と
   からなる一対の主電極と、 この主電極に電気エネルギを供給して上記陰極と陽極と
   の間の放電空間部に主放電を点弧させる電源と、 上記陰極と陽極との間の主放電に先立って上記放電空間
   部を予備電離する予備電離手段と、 上記放電空間部を挟んで対向して配置された高反射ミラ
   −と出力ミラ−とからなる光共振器と、 この光共振器内に配置されこの光共振器で形成されるレ
   −ザ光のモ−ドボリュウムを制限する所定の径の孔が形
   成されたアパ−チャとを具備し、 上記アパ−チャは、その孔の中心軸を上記放電空間部の
   機械的中心軸よりも所定量、陰極側にずらして配置され
   ることを特徴とするガスレ−ザ発振装置。
2. 【請求項２】 上記アパ−チャの孔の中心軸の上記放電
   空間部の機械的中心軸からのずらし量をσ、Ｌレ−ザ光
   のビ−ム径をＤとした場合、上記ずらし量σは、 ０．１８Ｄ≦δ≦０．５Ｄ の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１記載の
   ガスレ−ザ発振装置。