JPH09331094A - Method for exciting gas laser by microwave discharge and microwave gas laser - Google Patents
Method for exciting gas laser by microwave discharge and microwave gas laserInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はマイクロ波領域の電
磁波によって放電励起されるレーザー発振器におけるレ
ーザーガスのマイクロ波放電励起方法及びマイクロ波気
体レーザー装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave discharge excitation method for a laser gas and a microwave gas laser device in a laser oscillator which is discharge-excited by an electromagnetic wave in the microwave region.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のマイクロ波気体レーザー装置を図
５を参照して説明する。図５（ａ）、（ｂ）は，従来の
マイクロ波気体レーザー装置の主要部であるＴ分岐矩型
空胴共振器を示す正面断面図及び側面断面図である。2. Description of the Related Art A conventional microwave gas laser device will be described with reference to FIG. 5A and 5B are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a conventional microwave gas laser device.
【０００３】同図に示すように、Ｔ分岐矩型空胴共振器
４の内部には、そのレーザー光軸に対して垂直に（図５
（ａ）において紙面と垂直に）レーザーガス媒質９を導
くための２枚の石英板１が配置され、空胴共振器４のレ
ーザー光軸上の両端には、光共振器を構成する全反射ミ
ラー５と出力ミラー６とが対向配置されている。また、
空胴共振器４の側端にはマイクロ波導波管３の一端が接
続されている。導波管３の他端側にはマグネトロン２が
接続されており、このマグネトロン２のアンテナ８は導
波管３内に位置している。As shown in FIG. 5, inside the T-branch rectangular cavity resonator 4 is perpendicular to the laser optical axis (see FIG. 5).
Two quartz plates 1 for guiding a laser gas medium 9 are arranged in (a) (perpendicular to the paper surface), and total reflections forming an optical resonator are formed at both ends of the cavity resonator 4 on the laser optical axis. The mirror 5 and the output mirror 6 are arranged to face each other. Also,
One end of the microwave waveguide 3 is connected to the side end of the cavity resonator 4. The magnetron 2 is connected to the other end of the waveguide 3, and the antenna 8 of the magnetron 2 is located inside the waveguide 3.
【０００４】従って、上記構成のマイクロ波気体レーザ
ー装置では、マグネトロン２から出力されたマイクロ波
が導波管３中を伝搬して空胴共振器４中に導入され、こ
の導入されたマイクロ波の電界により、２枚の石英板１
に挟まれた空間内のレーザーガス媒質９が放電励起され
る。これによって、プラズマ化したレーザーガス媒質９
からの誘導放出光を得ると共に、光共振器を構成する全
反射ミラー５と出力ミラー６との間の往復反射によって
増幅し、出力ミラー６を透過したレーザー光７を取り出
す。Therefore, in the microwave gas laser device having the above-mentioned structure, the microwave output from the magnetron 2 propagates through the waveguide 3 and is introduced into the cavity resonator 4, where the introduced microwave Two quartz plates 1 by electric field
The laser gas medium 9 in the space sandwiched between is discharge-excited. As a result, the laser gas medium 9 made into plasma is formed.
In addition to obtaining the stimulated emission light from, the laser light 7 is amplified by the reciprocal reflection between the total reflection mirror 5 and the output mirror 6 that form the optical resonator, and the laser light 7 transmitted through the output mirror 6 is extracted.
【０００５】なお、マイクロ波によるレーザーガス媒質
の放電励起方法は、Handy and Brandelic,J.Appl.Phys.
Vol.49,p3753-3756(1978) により既に公知である。The method of exciting a discharge of a laser gas medium by microwaves is described in Handy and Brandelic, J. Appl. Phys.
It is already known from Vol.49, p3753-3756 (1978).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、マイクロ波を
封入した空胴共振器を使った場合、レーザーガス媒質を
放電励起することは可能であるが、通常の空胴共振器内
部で形成し得るマイクロ波の定在波としては、ＴＭモー
ド（Transverse Magunetic Mode ）或いはＴＥモード
（Transvers Electric Mode ）として知られるように多
数のモードが混在ことと、導波管３と空胴共振器４との
結合部で電界強度の高い高次モードが発生する。レーザ
ーガス媒質９を放電させる場合、レーザーガス媒質９の
ガス流速が数ｍ／ｓでは、石英板間には空胴共振器内部
に形成する電界分布に一致したピンク色の放電プラズマ
（以下、これをピンク色プラズマともいう）１０が形成
される。一方、レーザーガス媒質９を放電部に流速約５
０ｍ／ｓで導入すると、マイクロ波入射側の石英板１の
表面近傍では、入射マイクロ波の電界強度が高いこと
と、レーザーガス媒質９の流速が非常に遅いことにより
放電が発生し易く、しかも、一旦放電を開始すると、ピ
ンク色の放電プラズマ１０は発生せず、白色化した放電
プラズマ（以下、これを白色プラズマともいう）１１に
なり易いという傾向がある。また、この現象は高圧力で
は更に顕著となる。However, when the cavity resonator enclosing the microwave is used, it is possible to discharge-excite the laser gas medium, but it can be formed inside a normal cavity resonator. As the standing wave of the microwave, a large number of modes are mixed as known as TM mode (Transverse Magunetic Mode) or TE mode (Transvers Electric Mode), and coupling between the waveguide 3 and the cavity resonator 4 is performed. A high-order mode with a high electric field strength is generated in the part. When the laser gas medium 9 is discharged, when the gas velocity of the laser gas medium 9 is several m / s, a pink discharge plasma (hereinafter, referred to as a plasma discharge plasma) matching the electric field distribution formed inside the cavity resonator between the quartz plates. (Also referred to as pink plasma) 10 is formed. On the other hand, the laser gas medium 9 is supplied to the discharge part at a flow velocity of about 5
When introduced at 0 m / s, near the surface of the quartz plate 1 on the microwave incident side, electric field strength of the incident microwave is high and the flow velocity of the laser gas medium 9 is very slow, so that discharge is likely to occur, and moreover, Once the discharge is started, the pink discharge plasma 10 does not occur, and there is a tendency that the discharge plasma becomes white (hereinafter, also referred to as white plasma) 11. Further, this phenomenon becomes more remarkable at high pressure.
【０００７】従って、従来のマイクロ波気体レーザー装
置ではレーザーガス媒質９の流速を上げることができな
かった。また、大出力化のために入射マイクロ波のパワ
ーを上げても、白色化した放電プラズマ１１の入射側石
英板１への張り付きのために、２枚の石英板１で挟まれ
た放電空間全体のレーザーガス媒質９を放電励起させる
ことができないことと、マイクロ波の励起エネルギーの
損失が多いことから、レーザー出力及び発振効率が低下
する等の欠点がある。Therefore, the conventional microwave gas laser device cannot increase the flow velocity of the laser gas medium 9. In addition, even if the power of the incident microwave is increased to increase the output, the entire discharge space sandwiched between the two quartz plates 1 due to the sticking of the whitened discharge plasma 11 to the incident-side quartz plate 1. Since the laser gas medium 9 cannot be discharge-excited and a large amount of microwave excitation energy is lost, there are drawbacks such as a decrease in laser output and oscillation efficiency.
【０００８】従って本発明は上記従来技術に鑑み、空胴
共振器内で放電プラズマを石英板に接触させることなく
この石英板で構成されるガス流路中央部に発生させ、こ
の放電プラズマをレーザーガス媒質が高流速でも、また
高流速、高圧力でも安定に維持することによって、空胴
共振器内のレーザーガス媒質を均一に放電励起させ、レ
ーザー出力及び発振効率を向上させることができる気体
レーザーのマイクロ波放電励起方法及びマイクロ波気体
レーザー装置を提供することを課題とする。Therefore, in view of the above-mentioned prior art, the present invention generates discharge plasma in the central portion of the gas flow path formed by the quartz plate without contacting the quartz plate in the cavity resonator, and the discharge plasma is generated by the laser. A gas laser capable of uniformly discharging and exciting a laser gas medium in a cavity resonator to improve laser output and oscillation efficiency by stably maintaining the gas medium at a high flow velocity, a high flow velocity and a high pressure. An object of the present invention is to provide a microwave discharge excitation method and a microwave gas laser device.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
の発明の気体レーザーのマイクロ波放電励起方法は、マ
イクロ波発振器から出力されたマイクロ波を空胴共振器
中に導入し、そのマイクロ波電界によって放電させるた
めのガス流路を構成する石英板と、全反射ミラー及び出
力ミラーからなる光共振器とを備えて構成されるレーザ
ー発振器において、前記空胴共振器内に形成したガス流
路中のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に誘電体を
設置することによって、前記マイクロ波電界によって発
生した放電プラズマを安定に維持させることを特徴とす
る。Means for Solving the Problems A first method for solving the above problems is described below.
The gas laser microwave discharge excitation method of the invention of, wherein a microwave output from a microwave oscillator is introduced into a cavity resonator, and a quartz plate constituting a gas flow path for discharging by a microwave electric field is formed. A laser oscillator including an optical resonator including a total reflection mirror and an output mirror, wherein a dielectric is provided upstream of a gas flow with respect to a laser optical axis in a gas passage formed in the cavity resonator. Is installed, so that the discharge plasma generated by the microwave electric field is stably maintained.
【００１０】また、第２の発明の気体レーザーのマイク
ロ波放電励起方法は、上記第１の発明の気体レーザーの
マイクロ波放電励起方法において、前記誘電体に孔を設
け、この孔から前記誘電体のガス流れ下流側に発生した
放電プラズマ中にレーザーガス媒質を混合することを特
徴とする。A gas laser microwave discharge excitation method according to a second aspect of the present invention is the same as the gas laser microwave discharge excitation method according to the first aspect, wherein a hole is formed in the dielectric material, and the dielectric material is provided through the hole. It is characterized in that the laser gas medium is mixed with the discharge plasma generated on the downstream side of the gas flow.
【００１１】また、第３の発明のマイクロ波気体レーザ
ー装置は、マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波
を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によって
放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全反射
ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて構成
されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内に形
成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス流れ
上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電プラ
ズマを安定に維持するための円柱型誘電体を備えたこと
を特徴とする。Further, the microwave gas laser device of the third invention comprises a gas flow path for introducing the microwave output from the microwave oscillator into the cavity resonator and discharging it by the microwave electric field. In a laser oscillator including a quartz plate and an optical resonator including a total reflection mirror and an output mirror, a gas flow with respect to a laser optical axis in the gas flow path formed in the cavity resonator. A cylindrical dielectric for stably maintaining discharge plasma generated by the microwave electric field is provided on the upstream side.
【００１２】また、第４の発明のマイクロ波気体レーザ
ー装置は、マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波
を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によって
放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全反射
ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて構成
されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内に形
成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス流れ
上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電プラ
ズマを安定に維持するためにガス流れに対してテーパを
有する三角柱型誘電体を備えたことを特徴とする。Further, the microwave gas laser device of the fourth invention comprises a gas flow path for introducing the microwave output from the microwave oscillator into the cavity resonator and discharging it by the microwave electric field. In a laser oscillator including a quartz plate and an optical resonator including a total reflection mirror and an output mirror, a gas flow with respect to a laser optical axis in the gas flow path formed in the cavity resonator. The upstream side is provided with a triangular prism type dielectric having a taper with respect to the gas flow in order to stably maintain the discharge plasma generated by the microwave electric field.
【００１３】また、第５の発明のマイクロ波気体レーザ
ー装置は、マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波
を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によって
放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全反射
ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて構成
されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内に形
成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス流れ
上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電プラ
ズマを安定に維持するための誘電体板を備えたことを特
徴とする。Further, the microwave gas laser device of the fifth invention comprises a gas flow path for introducing the microwave output from the microwave oscillator into the cavity resonator and discharging it by the microwave electric field. In a laser oscillator including a quartz plate and an optical resonator including a total reflection mirror and an output mirror, a gas flow with respect to a laser optical axis in the gas flow path formed in the cavity resonator. A dielectric plate for stably maintaining the discharge plasma generated by the microwave electric field is provided on the upstream side.
【００１４】また、第６の発明のマイクロ波気体レーザ
ー装置は、上記第３、第４又は第５の発明のマイクロ波
気体レーザー装置において、前記円柱型誘電体、三角柱
型誘電体又は誘電体板は、前記誘電体板のガス流れ下流
側に発生した放電プラズマ中にレーザーガス媒質を混合
するための孔を有すること特徴とする。A microwave gas laser device of a sixth invention is the microwave gas laser device of the third, fourth or fifth invention, wherein the cylindrical dielectric, triangular prism dielectric or dielectric plate is used. Has a hole for mixing the laser gas medium in the discharge plasma generated on the gas flow downstream side of the dielectric plate.
【００１５】従って、本発明によれば、マイクロ波発振
器から出力されたマイクロ波を空胴共振器の中に導入
し、そのマイクロ波の電界によって、放電を発生させる
空胴共振器内に設置された石英板で構成される放電空間
内のレーザーガス媒質を放電励起させてレーザー出力を
得るが、このとき、空胴共振器内に形成したガス流路中
のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に誘電体（円柱
型誘電体、三角柱型誘電体又は誘電体板等）を設置し
て、前記放電空間をコの字型としたため、この誘電体で
囲まれたコの字型の放電空間において誘電体直後の下流
側が減圧された乱流領域になることと、プラズマ中の電
子が誘電体側面に付着することによるチャージアップが
放電の着火点となることによって、発生した放電プラズ
マが石英板に挟まれたガス流路の中央部で安定に維持さ
れる。この放電空間をレーザー光軸に沿って構成するこ
とによりレーザー光軸方向に均一な放電を生じさせ、空
胴共振器内のレーザーガス媒質を効率よく放電励起させ
ることができる。Therefore, according to the present invention, the microwave output from the microwave oscillator is introduced into the cavity resonator, and the microwave is installed in the cavity resonator for generating the discharge by the electric field of the microwave. The laser gas medium in the discharge space consisting of the quartz plate is excited by the discharge to obtain the laser output. At this time, the gas flow upstream with respect to the laser optical axis in the gas flow path formed in the cavity resonator. Since a dielectric (cylindrical dielectric, triangular prism dielectric, dielectric plate, etc.) is installed on the side and the discharge space is U-shaped, a U-shaped discharge space surrounded by this dielectric is provided. In the turbulent flow region where the downstream side immediately after the dielectric is decompressed, and the charge-up due to the electrons in the plasma adhering to the side surface of the dielectric becomes the ignition point of the discharge, the generated discharge plasma is generated on the quartz plate. Sandwiched It is stably maintained in the central portion of the scan channels. By forming the discharge space along the laser optical axis, uniform discharge can be generated in the laser optical axis direction, and the laser gas medium in the cavity resonator can be efficiently discharge-excited.
【００１６】また、前記誘電体に孔（開口部）を設ける
ことにより、この孔を介して、発生した放電プラズマを
冷却することができるため、レーザーガス媒質の効率の
良い励起状態が達成できる。即ち、放電励起させたレー
ザーガス分子の発振エネルギー凖位の反転分布を効率的
に形成させることに必要な冷却を、ガス流路に設置する
誘電体に孔を設けることによって実現できることから、
レーザーガス媒質の効率の良い励起状態が達成できる。Further, by providing a hole (opening) in the dielectric, the generated discharge plasma can be cooled through this hole, so that an efficient excited state of the laser gas medium can be achieved. That is, since the cooling necessary for efficiently forming the population inversion of the oscillation energy level of the laser gas molecules excited by the discharge can be realized by providing the holes in the dielectric material installed in the gas flow path,
An efficient excited state of the laser gas medium can be achieved.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。なお、ここでは空胴共振器と
して矩型空胴共振器を用いる場合を例示しており、従来
（図５）と同一の部分には同一の符号を付した。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Here, a case where a rectangular cavity resonator is used as the cavity resonator is shown as an example, and the same parts as those of the conventional one (FIG. 5) are denoted by the same reference numerals.
【００１８】＜実施の形態１＞図１（ａ）、（ｂ）は本
発明の実施の形態１に係るマイクロ波気体レーザー装置
の主要部であるＴ分岐矩型空胴共振器を示す正面断面図
及び側面断面図である。同図に示すように、Ｔ分岐矩型
空胴共振器４の内部には、そのレーザー光軸に対して垂
直に（図１（ａ）において紙面と垂直に）レーザーガス
媒質９を導くための２枚の石英板１が配置され、空胴共
振器４のレーザー光軸上の両端には、光共振器を構成す
る全反射ミラー５と出力ミラー６とが対向配置されてい
る。また、空胴共振器４の側端にはマイクロ波導波管３
の一端が接続されている。導波管３の他端側にはマグネ
トロン２が接続されており、このマグネトロン２のアン
テナ８は導波管３内に位置している。そして、空胴共振
器４内には、マイクロ波電界によって発生した放電プラ
ズマを安定に維持させるために、石英板１で形成したガ
ス流路中のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に、誘
電体である円柱状の石英棒１２が設置されている。<First Embodiment> FIGS. 1A and 1B are front sectional views showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a first embodiment of the present invention. It is a figure and a side sectional view. As shown in the figure, for guiding the laser gas medium 9 inside the T-branch rectangular cavity resonator 4 perpendicularly to the laser optical axis (perpendicular to the paper surface in FIG. 1A). Two quartz plates 1 are arranged, and a total reflection mirror 5 and an output mirror 6 forming an optical resonator are arranged opposite to each other on both ends of the cavity resonator 4 on the laser optical axis. In addition, the microwave waveguide 3 is provided at the side end of the cavity resonator 4.
One end of is connected. The magnetron 2 is connected to the other end of the waveguide 3, and the antenna 8 of the magnetron 2 is located inside the waveguide 3. Then, in the cavity resonator 4, in order to stably maintain the discharge plasma generated by the microwave electric field, on the gas flow upstream side with respect to the laser optical axis in the gas flow path formed by the quartz plate 1, A cylindrical quartz rod 12, which is a dielectric, is installed.
【００１９】本実施の形態に係るマイクロ波気体レーザ
ー装置では、空胴共振器４の矩型断面の長辺を７０ｍ
ｍ、短辺を６０ｍｍ、レーザー光軸方向の長さを２００
ｍｍとした。そして、空胴共振器４内の石英板１で構成
されるガス流路中に種々の形状をなす誘電体を設置し
て、レーザー出力を測定した。測定条件は圧力４０Torr
（CO2 ／N2／He＝3/5/20) 、ガス流量５０kg/h（放電部
への流入速度＝約１００m/s ）で行った。In the microwave gas laser device according to the present embodiment, the long side of the rectangular cross section of the cavity resonator 4 is 70 m.
m, the short side is 60 mm, the length in the laser optical axis direction is 200
mm. Then, dielectric materials having various shapes were installed in the gas flow path constituted by the quartz plate 1 in the cavity resonator 4, and the laser output was measured. The measurement condition is pressure 40 Torr
(CO2 / N2 / He = 3/5/20) and a gas flow rate of 50 kg / h (flow rate into the discharge part = about 100 m / s).
【００２０】そして、本実施の形態１では、図１に示す
ように、石英棒（直径１５ｍｍ、２００ｍｍ長）１２を
空胴共振器中心からガス流れ上流側２０ｍｍの位置に設
置した。In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a quartz rod (diameter 15 mm, length 200 mm) 12 is installed at a position 20 mm upstream of the cavity resonator from the center of the cavity.
【００２１】その結果、 図１（ｂ）に示すように、石
英棒１２と石英板１との間の流路でレーザーガス媒質の
流速が上がり、従来のようなマイクロ波入射側の石英板
１に張り付いた白色プラズマは発生せず、ガス流路中央
に設置した石英棒１２のガス流れ下流側半分の位置から
放電は開始した。この場合、石英棒１２の表面には従来
のような白色プラズマが存在するように見受けられる
が、従来入射マイクロ波のパワーを上げていくとみられ
たようなマイクロ波入射側の石英板１に張り付くような
白色プラズマは発生せず、マイクロ波パワーの投入と共
にピンク色の放電プラズマ１０がガス流れ下流側に延び
て安定に維持された。As a result, as shown in FIG. 1 (b), the flow velocity of the laser gas medium increases in the flow path between the quartz rod 12 and the quartz plate 1, and the quartz plate 1 on the microwave incident side as in the conventional case. No white plasma clinging to was generated, and the discharge started from the position halfway downstream of the gas flow of the quartz rod 12 installed in the center of the gas flow path. In this case, it seems that white plasma as in the prior art exists on the surface of the quartz rod 12, but sticks to the quartz plate 1 on the microwave incident side, which has been considered to increase the power of the conventionally incident microwave. Such white plasma was not generated, and the pink discharge plasma 10 extended to the downstream side of the gas flow and was stably maintained with the input of microwave power.
【００２２】次に、ガス流路中（高さ２５ｍｍ）に設置
した石英棒１２の下流側のガス流れに与える影響を評価
するために、本実験条件下でガス流れの数値計算を行っ
た。その結果、石英棒１２とガス流路を形成する石英板
１との隙間でレーザーガス媒質の流速が上がり、マイク
ロ波入射側の石英板表面近傍でも約２００m/s の流速と
なることから、従来装置ではマイクロ波入射側に発生す
る白色プラズマの出現が、本装置では防止できたと考え
られる。この石英棒設置によるガス流れの乱れ度を表す
乱流エネルギーの値（ガス流速の平均値からの速度のず
れの２乗）を表１に示す。Next, in order to evaluate the influence on the gas flow on the downstream side of the quartz rod 12 installed in the gas flow path (height: 25 mm), a numerical calculation of the gas flow was performed under the experimental conditions. As a result, the flow velocity of the laser gas medium increases in the gap between the quartz rod 12 and the quartz plate 1 forming the gas flow passage, and the flow velocity of about 200 m / s is reached even near the surface of the quartz plate on the microwave incident side. It is considered that the appearance of white plasma generated on the microwave incident side of the device was prevented by this device. Table 1 shows the value of the turbulent flow energy (square of the deviation of the velocity from the average value of the gas flow velocity) representing the degree of turbulence of the gas flow due to the installation of the quartz rod.
【００２３】[0023]
【表１】 [Table 1]
【００２４】また、本実施の形態１での放電及びレーザ
ー発振試験によると、表２に示すようにレーザー出力１
２０Ｗ、効率５％を得た。この１２０Ｗという値は、表
２に示した石英棒のない条件でのレーザー出力３０Ｗと
比較して、遙に高い値であることがわかる。Further, according to the discharge and laser oscillation test in the first embodiment, as shown in Table 2, the laser output 1
20W and an efficiency of 5% were obtained. It can be seen that this value of 120 W is much higher than the laser output of 30 W under the condition without the quartz rod shown in Table 2.
【００２５】[0025]
【表２】 [Table 2]
【００２６】＜実施の形態２＞図２（ａ）、（ｂ）は本
発明の実施の形態２に係るマイクロ波気体レーザー装置
の主要部であるＴ分岐矩型空胴共振器を示す正面断面図
及び側面断面図である。同図に示すように、本実施の形
態２に係るマイクロ波気体レーザー装置では、空胴共振
器４内に、マイクロ波電界によって発生した放電プラズ
マを安定に維持させるために、石英板１で形成したガス
流路中のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に、ガス
流れに対してテーパを有するように誘電体である石英製
の三角柱（以下、これを石英三角柱という）１４が設置
されている。その他の構成は上記実施の形態１と同様で
あるため、ここでの説明は省略する。<Second Embodiment> FIGS. 2A and 2B are front sectional views showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a second embodiment of the present invention. It is a figure and a side sectional view. As shown in the figure, in the microwave gas laser device according to the second embodiment, the quartz plate 1 is formed in the cavity resonator 4 in order to stably maintain the discharge plasma generated by the microwave electric field. A quartz triangular prism (hereinafter referred to as a quartz triangular prism) 14 that is a dielectric and has a taper with respect to the gas flow is installed on the upstream side of the gas flow with respect to the laser optical axis in the gas flow path. There is. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted here.
【００２７】そして、本実施の形態２では、図２に示す
ように、石英三角柱（１辺１５ｍｍ、２００ｍｍ長）１
４を空胴共振器中心からガス流れ上流側２０ｍｍの位置
に設置した。In the second embodiment, as shown in FIG. 2, a quartz triangular prism (15 mm side, 200 mm long) 1
4 was installed at a position 20 mm upstream of the gas flow from the center of the cavity resonator.
【００２８】図２（ｂ）に示すように、放電プラズマ
は、ガス流路中に設置した石英三角柱１４のガス流れ下
流側の底面全体に従来のような白色プラズマと、その下
流側のガス流路全体にピンク色の放電プラズマ１０とが
発生した。このようにして発生したプラズマも流路壁面
の石英板には接触せず、入射マイクロ波のパワーを上げ
ても安定性に影響がなかった。本実施の形態２での石英
三角柱設置による乱流エネルギーの値を表１に示す。こ
の１７２０ｍ2/ｓ2 という値は上記の石英棒１２を設置
した場合の値９６０ｍ2/ｓ2 よりも高い。また別途実施
した放電及びレーザー発振試験によっても表２に示すよ
うに、上記の石英棒１２を設置した場合よりも高いレー
ザー出力１６０Ｗ、効率６％を得た。従って、乱流度
（乱流エネルギー）が高いほうがレーザー出力が高くな
りレーザーガス媒質の励起には有効であることがわか
る。As shown in FIG. 2 (b), the discharge plasma is a conventional white plasma over the entire bottom surface of the quartz triangular prism 14 installed in the gas flow passage on the downstream side of the gas flow, and the gas flow on the downstream side thereof. A pink discharge plasma 10 was generated on the entire path. The plasma thus generated did not contact the quartz plate on the wall surface of the flow channel, and the stability was not affected even when the power of the incident microwave was increased. Table 1 shows the values of the turbulent flow energy when the quartz triangular prism is installed in the second embodiment. The 1720m 2 / s 2 that the value is higher than the value 960m 2 / s 2 in the case of installing the quartz rod 12 described above. In addition, as shown in Table 2, the discharge and laser oscillation tests conducted separately provided a laser output of 160 W and an efficiency of 6%, which were higher than those when the quartz rod 12 was installed. Therefore, it is understood that the higher the turbulence degree (turbulence energy), the higher the laser output and the more effective the excitation of the laser gas medium.
【００２９】＜実施の形態３＞図３（ａ）、（ｂ）は本
発明の実施の形態３に係るマイクロ波気体レーザー装置
の主要部であるＴ分岐矩型空胴共振器を示す正面断面図
及び側面断面図である。同図に示すように、本実施の形
態３に係るマイクロ波気体レーザー装置では、空胴共振
器４内に、マイクロ波電界によって発生した放電プラズ
マを安定に維持させるために、石英板１で形成したガス
流路中のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に、誘電
体である石英板１５が設置されている。その他の構成は
上記実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省
略する。<Third Embodiment> FIGS. 3A and 3B are front sectional views showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a third embodiment of the present invention. It is a figure and a side sectional view. As shown in the figure, in the microwave gas laser device according to the third embodiment, the quartz plate 1 is formed in the cavity resonator 4 in order to stably maintain the discharge plasma generated by the microwave electric field. A quartz plate 15, which is a dielectric, is installed upstream of the gas flow with respect to the laser optical axis in the gas flow path. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted here.
【００３０】そして、本実施の形態３では、図３に示す
ように、石英板（高さ１５ｍｍ、厚み３ｍｍ、２００ｍ
ｍ長）１５を空胴共振器中心からガス流れ上流側２０ｍ
ｍの位置に設置した。Then, in the third embodiment, as shown in FIG. 3, a quartz plate (height: 15 mm, thickness: 3 mm, 200 m) is used.
m length) 15 from the cavity resonator center to the gas flow upstream side 20 m
It was installed at the m position.
【００３１】図３（ｂ）に示すように、 放電プラズマ
は、上記の石英棒１２を設置した場合や石英三角柱１４
を設置した場合と同様に、石英板１５のガス流れ下流側
の板面全体に従来のような白色プラズマと、その下流側
のガス流路全体にピンク色の放電プラズマ１０とが発生
した。このようにして発生したプラズマも流路壁面の石
英板に接触せず、入射マイクロ波のパワーを上げても安
定性には影響がなかった。本実施の形態３での石英板設
置による乱流エネルギーの値を表１に示す。この８４０
ｍ2/ｓ2 という値は上記の石英棒１２を設置した場合の
値とほぼ同等の値である。また別途実施した放電及びレ
ーザー発振試験によっても表２に示すように、上記の石
英棒１２を設置した場合とほぼ同等のレーザー出力１５
０Ｗ、効率５％を得た。As shown in FIG. 3B, the discharge plasma is generated when the above-mentioned quartz rod 12 is installed or the quartz triangular prism 14 is used.
In the same manner as in the case where the quartz plate 15 is installed, a conventional white plasma is generated on the entire plate surface of the quartz plate 15 on the downstream side of the gas flow, and a pink discharge plasma 10 is generated on the entire downstream gas flow path. The plasma thus generated did not come into contact with the quartz plate on the wall surface of the channel, and the stability was not affected even when the power of the incident microwave was increased. Table 1 shows the values of the turbulent flow energy when the quartz plate is installed in the third embodiment. This 840
The value of m 2 / s 2 is almost the same as the value when the quartz rod 12 is installed. Also, according to the discharge and laser oscillation test conducted separately, as shown in Table 2, the laser output 15 which is almost the same as the case where the quartz rod 12 is installed is set.
0 W and an efficiency of 5% were obtained.
【００３２】＜実施の形態４＞図４（ａ）、（ｂ）は本
発明の実施の形態４に係るマイクロ波気体レーザー装置
の主要部であるＴ分岐矩型空胴共振器を示す正面断面図
及び側面断面図である。同図に示すように、本実施の形
態４に係るマイクロ波気体レーザー装置では、空胴共振
器４内に、マイクロ波電界によって発生した放電プラズ
マを安定に維持させるために、石英板１で形成したガス
流路中のレーザー光軸に対してガス流れ上流側に、誘電
体である石英製の多孔板（以下、これを石英多孔板とい
う）１６が設置されている。この石英多孔板１６は、上
記の石英板１５と同じ石英板に多数の孔（開口部）１６
ａを形成したものである。その他の構成は上記実施の形
態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。<Fourth Embodiment> FIGS. 4A and 4B are front sectional views showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a fourth embodiment of the present invention. It is a figure and a side sectional view. As shown in the figure, in the microwave gas laser device according to the fourth embodiment, a quartz plate 1 is formed in the cavity resonator 4 in order to stably maintain the discharge plasma generated by the microwave electric field. A quartz perforated plate (hereinafter referred to as a quartz perforated plate) 16 that is a dielectric is installed on the upstream side of the gas flow with respect to the laser optical axis in the gas flow path. This perforated quartz plate 16 is the same quartz plate as the above-mentioned quartz plate 15 and has many holes (openings) 16 formed therein.
a is formed. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted here.
【００３３】そして、本実施の形態４では、上記実施の
形態３で示した石英板に直径３ｍｍの孔１６ａを２８個
開けた石英多孔板（高さ１５ｍｍ、厚み３ｍｍ、２００
ｍｍ長）１６を、上記実施の形態３の石英板１５と同位
置に設置した。In the fourth embodiment, a quartz perforated plate (height: 15 mm, thickness: 3 mm, 200) formed by opening 28 holes 16a having a diameter of 3 mm in the quartz plate shown in the third embodiment.
(mm length) 16 was installed at the same position as the quartz plate 15 of the third embodiment.
【００３４】図４（ｂ）に示すように、発生した放電プ
ラズマは、上記実施の形態３の場合とほとんど同一のも
のであった。本実施の形態４での石英多孔板設置による
乱流エネルギーの値を表１に示す。この１６５０ｍ2/ｓ
2 という値は上記の石英三角柱１４を設置した場合とほ
ぼ同等の高い値であり、しかも、別途実施した放電及び
レーザー発振試験では表２に示すように、上記の石英三
角柱１４を設置した場合よりも高いレーザー出力２００
Ｗ、効率８％を得た。この結果から、石英多孔板１６に
開けた孔１６ａからのフレッシュなレーザーガス媒質の
放電部への流入が、レーザー発振におけるエネルギー凖
位の反転分布形成に敵した温度上昇の抑制に効果的であ
ることがわかる。As shown in FIG. 4B, the generated discharge plasma was almost the same as that in the case of the third embodiment. Table 1 shows the values of the turbulent flow energy when the perforated quartz plate is installed in the fourth embodiment. This 1650m 2 / s
The value of 2 is almost the same as when the above-mentioned quartz triangular prism 14 is installed. Moreover, as shown in Table 2 in the separately conducted discharge and laser oscillation test, it is higher than when the above-mentioned quartz triangular prism 14 is installed. Higher laser output 200
W, an efficiency of 8% was obtained. From this result, the inflow of the fresh laser gas medium into the discharge portion through the holes 16a formed in the perforated quartz plate 16 is effective in suppressing the temperature rise that complies with the formation of the population inversion of the energy level in laser oscillation. I understand.
【００３５】まとめると、ここに示したような各実施の
形態におけるレーザー出力と発振効率を比較すると、ガ
ス流路中への誘電体の設置がレーザー出力及び発振効率
の向上に寄与していることがわかる。これは、ガス流路
中に誘電体を設置しない場合にはレーザー発振に不敵な
白色の放電プラズマしか発生しないのに対して、誘電体
のガス流路への設置によって、白色の放電プラズマの発
生が抑制され、レーザー発振に敵したピンク色の放電プ
ラズマが石英（誘電体）で囲まれた空間に安定に発生及
び維持されるためであると考えられる。この効果は、ガ
ス流路中への誘電体の設置がガス流れを乱すことによっ
て誘電体の下流側に放電開始のきっかけとなる渦等の低
温部の局在化等が放電の安定化に寄与していることを示
している。In summary, comparing the laser output and the oscillation efficiency in each of the embodiments shown here, the installation of the dielectric in the gas flow channel contributes to the improvement of the laser output and the oscillation efficiency. I understand. This is because when a dielectric is not installed in the gas flow passage, only white discharge plasma that is incompatible with laser oscillation is generated, whereas when a dielectric is installed in the gas flow passage, white discharge plasma is generated. It is considered that this is because the generation of the pink discharge plasma, which is suppressed from being generated and is suitable for the laser oscillation, is stably generated and maintained in the space surrounded by quartz (dielectric). This effect is that the installation of the dielectric in the gas flow path disturbs the gas flow, and the low-temperature part such as vortices that triggers the start of the discharge on the downstream side of the dielectric contributes to the stabilization of the discharge. It shows that it is doing.
【００３６】また、石英多孔板については、表２に示さ
れるように、レーザー出力の値は他のものよりも優れて
いた。。この結果については 石英板に開けた孔からの
放電プラズマ中へのレーザーガス媒質の流入があるため
に、プラズマ中のガス温度の冷却を促進し、ＣＯ２分子
のエネルギー凖位の反転分布を促す効果をもたらしたも
のと考えられる。Further, as shown in Table 2, the laser output value of the perforated quartz plate was superior to those of the others. . Regarding this result, since the laser gas medium flows into the discharge plasma through the holes formed in the quartz plate, the effect of promoting the cooling of the gas temperature in the plasma and promoting the population inversion of the energy level of CO2 molecules It is thought to have brought about.
【００３７】また、以上の実験結果を鑑みて、誘電体の
形状を更に乱流効果が上がるものにしたり、誘電率の異
なるアルミナ等のマイクロ波吸収、損失の低い誘電体を
ガス流路中に設置してコの字型の放電空間を形成するこ
とも、上記と同等以上の効果があると考えられる。Further, in view of the above experimental results, the shape of the dielectric is made to have a more turbulent effect, and a dielectric having a low dielectric constant such as alumina or the like having a low microwave absorption and loss is placed in the gas flow path. It can be considered that the installation of the U-shaped discharge space has an effect equal to or more than the above.
【００３８】[0038]
【発明の効果】以上発明の実施の形態と共に具体的に説
明したように、本発明によれば、気体レーザー装置にお
いて、そのレーザー光軸方向にレーザーの発振に敵した
放電プラズマをガス流れに対して安定に発生及び維持さ
せた状態でレーザーガス媒質を放電励起させることがで
きる。As described above in detail with the embodiments of the present invention, according to the present invention, in a gas laser device, discharge plasma that opposes the oscillation of the laser is directed to the gas flow in the laser optical axis direction. The laser gas medium can be discharge-excited while being stably generated and maintained.
【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態１に係る
マイクロ波気体レーザー装置の主要部であるＴ分岐矩型
空胴共振器を示す正面断面図及び側面断面図である。1A and 1B are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a first embodiment of the present invention. .
【図２】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２に係る
マイクロ波気体レーザー装置の主要部であるＴ分岐矩型
空胴共振器を示す正面断面図及び側面断面図である。2 (a) and 2 (b) are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of the microwave gas laser device according to the second embodiment of the present invention. .
【図３】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態３に係る
マイクロ波気体レーザー装置の主要部であるＴ分岐矩型
空胴共振器を示す正面断面図及び側面断面図である。3 (a) and 3 (b) are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a third embodiment of the present invention. .
【図４】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態４に係る
マイクロ波気体レーザー装置の主要部であるＴ分岐矩型
空胴共振器を示す正面断面図及び側面断面図である。4A and 4B are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a microwave gas laser device according to a fourth embodiment of the present invention. .
【図５】（ａ）、（ｂ）は従来のマイクロ波気体レーザ
ー装置の主要部であるＴ分岐矩型空胴共振器を示す正面
断面図及び側面断面図である。5 (a) and 5 (b) are a front sectional view and a side sectional view showing a T-branch rectangular cavity resonator which is a main part of a conventional microwave gas laser device.
１ 石英板 ２ マグネトロン ３ 導波管 ４ Ｔ分岐矩型空胴共振器 ５ 全反射ミラー ６ 出力ミラー ７ レーザー光 ８ アンテナ ９ レーザーガス媒質 １０ ピンク色プラズマ １１ 白色プラズマ １２ 石英棒 １４ 石英三角柱 １５ 石英板 １６ 石英多孔板 １６ａ 孔 1 Quartz plate 2 Magnetron 3 Waveguide 4 T-branch rectangular cavity resonator 5 Total reflection mirror 6 Output mirror 7 Laser light 8 Antenna 9 Laser gas medium 10 Pink plasma 11 White plasma 12 Quartz rod 14 Quartz triangular prism 15 Quartz plate 16 quartz perforated plate 16a hole
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茂中 俊明 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshiaki Monaka 1-8-1, Koura, Kanazawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Claims (6)
ロ波を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によ
って放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全
反射ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて
構成されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内
に形成したガス流路中のレーザー光軸に対してガス流れ
上流側に誘電体を設置することによって、前記マイクロ
波電界によって発生した放電プラズマを安定に維持させ
ることを特徴とする気体レーザーのマイクロ波放電励起
方法。1. A quartz plate forming a gas flow path for introducing a microwave output from a microwave oscillator into a cavity resonator and causing a discharge by the microwave electric field, a total reflection mirror and an output mirror. In the laser oscillator including the optical resonator, the micro resonator is provided by disposing a dielectric on the gas flow upstream side with respect to the laser optical axis in the gas flow path formed in the cavity resonator. A method for exciting a microwave discharge of a gas laser, characterized in that discharge plasma generated by a wave electric field is stably maintained.
クロ波放電励起方法において、 前記誘電体に孔を設け、この孔から前記誘電体のガス流
れ下流側に発生した放電プラズマ中にレーザーガス媒質
を混合することを特徴とする気体レーザーのマイクロ波
放電励起方法。2. The method of exciting a gas laser by a microwave discharge according to claim 1, wherein a hole is formed in the dielectric, and a laser gas medium is included in a discharge plasma generated from the hole downstream of a gas flow of the dielectric. A method for exciting a microwave discharge of a gas laser, characterized in that:
ロ波を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によ
って放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全
反射ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて
構成されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内
に形成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス
流れ上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電
プラズマを安定に維持するための円柱型誘電体を備えた
ことを特徴とするマイクロ波気体レーザー装置。3. A quartz plate forming a gas flow path for introducing a microwave output from a microwave oscillator into a cavity resonator and causing a discharge by the microwave electric field, a total reflection mirror and an output mirror. In the laser oscillator including the optical resonator, the discharge plasma generated by the microwave electric field on the gas flow upstream side with respect to the laser optical axis in the gas channel formed in the cavity resonator. A microwave gas laser device, which is provided with a cylindrical dielectric for stably maintaining the temperature.
ロ波を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によ
って放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全
反射ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて
構成されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内
に形成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス
流れ上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電
プラズマを安定に維持するためにガス流れに対してテー
パを有する三角柱型誘電体を備えたことを特徴とするマ
イクロ波気体レーザー装置。4. A quartz plate forming a gas flow path for introducing a microwave output from a microwave oscillator into a cavity resonator and causing a discharge by the microwave electric field, a total reflection mirror and an output mirror. In the laser oscillator including the optical resonator, the discharge plasma generated by the microwave electric field on the gas flow upstream side with respect to the laser optical axis in the gas channel formed in the cavity resonator. A microwave gas laser device comprising a triangular prism type dielectric having a taper with respect to a gas flow in order to keep the temperature stable.
ロ波を空胴共振器中に導入し、そのマイクロ波電界によ
って放電させるためのガス流路を構成する石英板と、全
反射ミラー及び出力ミラーからなる光共振器とを備えて
構成されるレーザー発振器において、前記空胴共振器内
に形成した前記ガス流路中のレーザー光軸に対してガス
流れ上流側に前記マイクロ波電界によって発生した放電
プラズマを安定に維持するための誘電体板を備えたこと
を特徴とするマイクロ波気体レーザー装置。5. A quartz plate forming a gas flow path for introducing a microwave output from a microwave oscillator into a cavity resonator and causing a discharge by the microwave electric field, a total reflection mirror and an output mirror. In the laser oscillator including the optical resonator, the discharge plasma generated by the microwave electric field on the gas flow upstream side with respect to the laser optical axis in the gas channel formed in the cavity resonator. A microwave gas laser device characterized by comprising a dielectric plate for stably maintaining the temperature.
波気体レーザー装置において、 前記円柱型誘電体、三角柱型誘電体又は誘電体板は、前
記誘電体板のガス流れ下流側に発生した放電プラズマ中
にレーザーガス媒質を混合するための孔を有することを
特徴とするマイクロ波気体レーザー装置。6. The microwave gas laser device according to claim 3, 4, or 5, wherein the cylindrical dielectric, the triangular prism dielectric, or the dielectric plate is generated on the gas flow downstream side of the dielectric plate. A microwave gas laser device having a hole for mixing a laser gas medium in discharge plasma.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15057796A JPH09331094A (en) | 1996-06-12 | 1996-06-12 | Method for exciting gas laser by microwave discharge and microwave gas laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15057796A JPH09331094A (en) | 1996-06-12 | 1996-06-12 | Method for exciting gas laser by microwave discharge and microwave gas laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09331094A true JPH09331094A (en) | 1997-12-22 |
Family
ID=15499932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15057796A Withdrawn JPH09331094A (en) | 1996-06-12 | 1996-06-12 | Method for exciting gas laser by microwave discharge and microwave gas laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09331094A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100458795B1 (en) * | 2000-05-19 | 2004-12-03 | 토모 후지오까 | Cylindrical straight type gas laser |
-
1996
- 1996-06-12 JP JP15057796A patent/JPH09331094A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100458795B1 (en) * | 2000-05-19 | 2004-12-03 | 토모 후지오까 | Cylindrical straight type gas laser |
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