JPH1065241A - 気体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長い放電空間１５における放電の均一化を図
り、大出力のレーザ光を得るようにする。 【解決手段】 気体レーザ装置１はマイクロ波放電によ
りレーザ気体にプラズマを発生させてレーザ励起を行う
ためのマイクロ波電界を発生するマイクロ波回路７と、
このマイクロ波回路７にマイクロ波エネルギーを供給す
るマイクロ波源と、マイクロ波回路７を終端する導電体
壁２３を備える。この導電体壁２３に平行な誘電体２面
の間に放電空間１５が形成される。マイクロ波源とマイ
クロ波回路７を終端する導電体壁２３との間に、前記誘
電体とプラズマとの境界に平行な電界成分を有するマイ
クロ波モードが形成される。マイクロ波源の断面積を小
さくすることにより放電空間１５内には効率よく部分的
な放電が実現される。以上のマイクロ波回路７を光軸方
向に複数並べることにより光軸方向に細長く均一な放電
空間１５が形成され、高出力のレーザ光が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波放電を
利用してレーザ励起を行う気体レーザ装置に関し、特に
長い放電空間における放電の均一化を図り、大出力のレ
ーザ光が得られる気体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、気体レーザ装置１０１は、図６及
び図７を参照するに、マイクロ波の発振源であるマグネ
トロン１０３で発生したマイクロ波は、導波管１０５を
伝搬してホーン導波管１０７で広げられ、マイクロ波結
合窓１０９でインピーダンスを整合させることにより効
率よくレーザヘッド部１１１に結合される。このレーザ
ヘッド部１１１はリッジ空洞状になっており、マイクロ
波はリッジ１１３付近に集中して非常に強いマイクロ波
電界を発生させる。この強いマイクロ波電界により、誘
電体１１５と導電体壁１１７間で成る放電空間１１９に
封入された炭酸ガスレーザ気体等のレーザ気体が放電破
壊されてプラズマが発生し、レーザ媒質が励起され、プ
ラズマはレーザ発振用ミラー１２７により増幅されレー
ザ発振される。

【０００３】ここで、ブロワー１２１が作動して前記放
電空間１１９内のレーザ気体が循環され、放電プラズマ
が冷却される。導電体壁１１７にあけられている送風管
１２３の開口部には金属製ハニカム構造体による通気性
部材１２５が配置されているため、レーザ気体は通過し
てもマイクロ波は反射され放電空間１１９内のマイクロ
波モードが影響されることなくブロワー１２１によるレ
ーザ気体の強制循環が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の気体
レーザ装置１０１においては、マイクロ波源、つまりマ
グネトロン１０３は１つであった。したがって、レーザ
出力を大出力とするためには放電空間１１９の長さを長
くし、マイクロ波出力の大きいマグネトロン１０３を使
えば良い。しかし、細長い領域でマイクロ波放電を起こ
させると、１波長〜半波長程度毎に周期的に放電の節が
生じ、それぞれの節に均一にマイクロ波を結合すること
が難しいためレーザ出力を大きくすることが困難である
という問題があった。

【０００５】本発明は叙上の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、長い放電空間における放電の
均一化を図り、大出力のレーザ光が得られる気体レーザ
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１によるこの発明の気体レーザ装置は、マイク
ロ波放電によりレーザ気体にプラズマを発生させてレー
ザ励起を行うためのマイクロ波電界を発生するマイクロ
波回路と、このマイクロ波回路にマイクロ波エネルギー
を供給するマイクロ波源と、前記マイクロ波回路を終端
する導電体壁を備え、この導電体壁に平行して設けられ
た誘電体２面の間に形成される放電空間を備え、前記マ
イクロ波回路によって前記誘電体とプラズマとの境界に
平行な電界成分を有するマイクロ波モードが形成される
気体レーザ装置であって、前記マイクロ波回路とマイク
ロ波源を１対にして複数並べて配置すると共に１つ１つ
のマイクロ波回路は光軸のつながった放電空間のそれぞ
れ別の領域でプラズマを発生させることを特徴とするも
のである。

【０００７】したがって、マイクロ波源とマイクロ波回
路を終端する導電体壁との間で、マイクロ波電界が形成
される。しかも、前記導電体壁に平行な導電体を２つ設
けたので、前記マイクロ波電界は導電体とプラズマとの
境界に平行な電界成分を有するマイクロ波モードであ
る。而して、前記マイクロ波源の断面積を小さくするこ
とにより前記導電体２面間で形成される放電空間内には
効率よく部分的な放電が実現される。このマイクロ波回
路とマイクロ波源を１対にして光軸方向に複数並べるこ
とにより光軸方向に細長く均一な放電空間が形成され、
高出力のレーザ光が発生する。

【０００８】請求項２によるこの発明の気体レーザ装置
は、マイクロ波回路を終端する導電体壁と、前記誘電体
２面に挟まれた放電空間の中心との距離が導波管内のマ
イクロ波長の４分の１の奇数倍であることを特徴とする
ものである。

【０００９】したがって、マイクロ波の定在波における
導波管内のマイクロ波電界の最も強い部分が放電空間内
に位置するので、レーザ光の出力は効率よく向上する。

【００１０】請求項３によるこの発明の気体レーザ装置
は、マイクロ波回路とマイクロ波源を１対にして複数並
べて配置すると共に隣り合うマイクロ波回路を、マイク
ロ波源からのマイクロ波エネルギーが互いに反対方向か
ら供給されるよう配置してなることを特徴とするもので
ある。

【００１１】したがって、マイクロ波回路の放電空間の
放電出力を小さくするためにはマイクロ波源を構成する
導波管の断面積を小さくすることであるが、同じくマイ
クロ波源を構成するマグネトロンが導波管より大きいた
めにマグネトロンを隣り合わせると必然的に導波管を近
づけることができないので、隣り合うマイクロ波回路
を、マイクロ波源からのマイクロ波エネルギーが互いに
反対方向から供給されるように配置することによって、
各導波管は近づけられ非放電領域が小さくなる。

【００１２】請求項４によるこの発明の気体レーザ装置
は、マイクロ波回路とマイクロ波源を１対にして複数並
べて前記マイクロ波回路をマイクロ波源からのマイクロ
波エネルギーが同じ方向から供給するように配置すると
共にレーザ光軸方向に対してマイクロ波源を交互に上下
逆向きに配置してなることを特徴とするものである。

【００１３】したがって、マイクロ波回路をマイクロ波
源からのマイクロ波エネルギーを同じ方向から配置する
と共にレーザ光軸方向に対してマイクロ波源を交互に上
下逆向きに配置したことにより導波管は近づけられ非放
電領域が小さくなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の気体レーザ装置の
実施の形態の例を図面に基いて詳細に説明する。

【００１５】図１を参照するに、本実施例に係わる気体
レーザ装置１は、マイクロ波源としてのマグネトロン３
と導波管５とを備えている。つまり、マイクロ波の発信
源であるマグネトロン３が導波管５に接続されており、
この導波管５は前記マグネトロン３で発生されたマイク
ロ波を後述するマイクロ波回路７へ伝搬するものであ
る。マイクロ波回路７と前記導波管５との結合部付近に
はマイクロ波結合窓９が設けられており、このマイクロ
波結合窓９により導波管５内を伝搬されたマイクロ波の
インピーダンスが整合されて効率よくマイクロ波回路７
へ伝搬される。

【００１６】なお、前記導波管５は例えばＷＲＪ−４等
の小さな断面積（５８．１×２９．１ｍｍ）でなり、限
られた空間を放電するように設けられている。

【００１７】前記導波管５は真空容器でなるレーザヘッ
ド１１に連結されており、このレーザヘッド１１内には
マイクロ波放電によりレーザ気体にプラズマを発生させ
てレーザ励起を行うためのマイクロ波電界を発生するマ
イクロ波回路７と、このマイクロ波回路７の一部を構成
する２つの誘電体１３の２面の間で形成される放電空間
１５にレーザ気体を循環させるためのブロワー１７と、
高温になったレーザ気体を冷却する熱交換器１９が備え
られている。

【００１８】レーザヘッド１１内のほぼ中央にはレーザ
気体の流路を形成するためのガイド体２１が設けられて
おり、このガイド体２１にはマイクロ波回路７の終端す
る導電体壁２３が設けられている。

【００１９】本実施の形態の例では、導波管５のマイク
ロ波結合窓９と対向するガイド体２１に凹部が形成さ
れ、この凹部の底面が導電体壁２３となり、この導電体
壁２３がマグネトロン３で発生され導波管５内を伝搬し
たマイクロ波の終端となるのである。したがって、前記
導電体壁２３の位置を移動自在にすることによりマイク
ロ波の終端の位置を変化させるチューナ２５（図４）を
設けることができる。

【００２０】前記導電体壁２３とマイクロ波結合窓９と
の間には導電体壁２３に平行してアルミナ等でなる２つ
の誘電体１３が対向して設けられており、この誘電体１
３の対向する２面間で放電空間１５が形成される。

【００２１】したがって、前記マイクロ波源であるマグ
ネトロン３からのマイクロ波電界は導波管５と導電体壁
２３との間に前記放電空間１５を通過して発生され、放
電空間１５内に封入された炭酸ガスレーザ気体等のレー
ザ気体が前記マイクロ波電界により放電破壊されてプラ
ズマが発生し、レーザ媒質が励起される。

【００２２】なお、この実施の形態の例では導波管５の
断面積による限られた空間を放電することを目指して前
記放電空間１５だけを放電させるために放電空間１５内
のレーザ気体の圧力が低く押さえられている。

【００２３】さらに、図４を参照するに、導波管５内の
マイクロ波電界分布の定在波における最もマイクロ波電
界の強い部分を放電空間１５に位置させてプラズマの出
力効率を上げるために、チューナ２５により導電体壁２
３の位置が移動調整される。つまり、マイクロ波電界分
布の頂点（最大振幅部）が２つの誘電体１３の中央に位
置することがレーザ出力の最大効率を図ることになるの
で、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように導電体壁２
３から放電空間１５の中心（２つの誘電体１３の２面間
の中央位置）との距離がマイクロ波の波長λｇの１／４
の奇数倍となるよう導電体壁２３の位置が調整されてい
る。

【００２４】上述した１個のマイクロ波回路７において
は放電空間１５の対象となるのは導波管５の小さい断面
積（ＷＲＪ−４の導波管５では５８．１×２９．１ｍ
ｍ）だけであるので、レーザ光の光軸方向に細長い放電
空間１５ではない。

【００２５】図２〜図３を参照するに、上述したマイク
ロ波源とこのマイクロ波源に対応するマイクロ波回路７
が複数個、光軸方向に直列に並べて配置されている。し
かも、複数個の１つ１つのマイクロ波回路７の放電空間
１５は光軸Ｌｃがつながった状態で配置されており、１
つ１つの各マイクロ波回路７の放電空間１５でそれぞれ
がプラズマを発生するように構成されている。

【００２６】したがって、複数のマイクロ波回路７の１
つ１つの放電空間１５が光軸方向に直列に並べられるの
で、複数のマイクロ波回路７の全体で細長く均一な放電
空間１５が形成されることになり、前記複数のマイクロ
波回路７の全体的な放電空間１５における光軸方向の両
端には、レーザ発振用ミラー２７が設けられ、各マイク
ロ波回路７で発生されたプラズマにより光軸方向に細長
く均一な高出力のレーザ光が発生される。

【００２７】図５を参照するに、上述したマイクロ波源
とこのマイクロ波源に対応するマイクロ波回路７を複数
個を光軸方向に直列に並べて、しかもマイクロ波源から
のマイクロ波エネルギーを同じ方向から供給するように
配置するとしても、前記マイクロ波源のマグネトロン３
を交互に逆向きに配置するように構成することが望まし
い。

【００２８】その理由は、各マグネトロン３は実際には
内蔵する放熱フィン（図示省略）に向けて送風して冷却
する冷却用ファン（図示省略）を取り付けるスペースが
必要なためにマグネトロン３同志を隣接して近づけるこ
とが困難であるので、必然的に各マグネトロン３が連結
されている導波管５同志を近づけることが困難である。
したがって、導波管５の断面積により決定される放電領
域を近づけることが困難であるので隣り合う放電領域間
に生じる非放電領域が大きくなる。この非放電領域では
レーザ光の吸収が生じるためにレーザ出力が落ちるとい
う問題が発生しやすいものである。

【００２９】以上のことから、図５のようにマグネトロ
ン３を光軸方向に対して交互に逆向きに連結するよう配
置することにより、隣り合う導波管５を近づけることが
でき結果的に非放電領域を非常に小さくできる。

【００３０】上記の図５における実施例と同様の理由か
ら、上述したマイクロ波源とこのマイクロ波源に対応す
るマイクロ波回路７を複数個を光軸方向に直列に並べ、
しかもマイクロ波源からのマイクロ波エネルギーを互い
に反対方向から供給するように配置することは、隣り合
う導波管５同志を近づけることができるため非放電領域
を非常に小さくできるという点で対応可能である。

【００３１】なお、この発明は前述した実施の形態の例
に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりそ
の他の態様で実施し得るものである。本実施の形態の例
では気体レーザ装置としてマグネトロンや導波管でなる
マイクロ波源を備えた気体レーザ装置を例にとって説明
したがその他の気体レーザ装置あっても構わない。

【００３２】

【発明の効果】以上のごとき実施の形態の例から理解さ
れるように、請求項１の発明によれば、マイクロ波源の
断面積を小さくすることにより前記導電体２面間で形成
される放電空間内には効率よく部分的な放電を実現でき
る。このマイクロ波回路を光軸方向に複数並べることに
より光軸方向に細長く均一な放電空間を形成できるの
で、高出力のレーザ光を発生できる。

【００３３】請求項２の発明によれば、マイクロ波の定
在波における導波管内マイクロ波電界の最も強い部分を
放電空間内に位置できるので、レーザ光の出力を効率よ
く上げることができる。

【００３４】請求項３の発明によれば、マイクロ波回路
の放電空間の放電出力を小さくするためにはマイクロ波
源を構成する導波管の断面積を小さくすることである
が、同じくマイクロ波源を構成するマグネトロンが導波
管より大きいためにマグネトロンを隣り合わせると必然
的に導波管を近づけることができないので、隣り合うマ
イクロ波回路をマイクロ波源からのマイクロ波エネルギ
ーが互いに反対方向から供給されるように配置すること
によって、導波管を近づけることができ非放電領域を小
さくできる。

【００３５】請求項４の発明によれば、マイクロ波回路
をマイクロ波源からのマイクロ波エネルギーを同じ方向
から配置すると共にレーザ光軸方向に対してマイクロ波
源を交互に上下逆向きに配置したことにより、導波管を
近づけることができ非放電領域を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例を示すもので、気体レ
ーザ装置の正面の縦断面図である。

【図２】本発明の実施の形態の例を示すもので、気体レ
ーザ装置の平面図である。

【図３】図２における側面図である。

【図４】導波管内のマイクロ波電界の分布状態を示す説
明図で、（Ａ）はマイクロ波の波長が大きいときで、
（Ｂ）はマイクロ波の波長が小さいときである。

【図５】本発明の実施の形態の例を示すもので、マイク
ロ波回路の配置を変えた場合の気体レーザ装置の平面図
である。

【図６】従来例を示すもので、気体レーザ装置の縦断面
図である。

【図７】従来例を示すもので、気体レーザ装置の全体斜
視図である。

【符号の説明】

１ 気体レーザ装置 ３ マグネトロン ５ 導波管 ７ マイクロ波回路 １３ 誘電体 １５ 放電空間 ２３ 導電体壁 ２５ チューナ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波放電によりレーザ気体にプラ
   ズマを発生させてレーザ励起を行うためのマイクロ波電
   界を発生するマイクロ波回路と、このマイクロ波回路に
   マイクロ波エネルギーを供給するマイクロ波源と、前記
   マイクロ波回路を終端する導電体壁を備え、この導電体
   壁に平行して設けられた誘電体２面の間に形成される放
   電空間を備え、前記マイクロ波回路によって前記誘電体
   とプラズマとの境界に平行な電界成分を有するマイクロ
   波モードが形成される気体レーザ装置であって、 前記マイクロ波回路とマイクロ波源を１対にして複数並
   べて配置すると共に１つ１つのマイクロ波回路は光軸の
   つながった放電空間のそれぞれ別の領域でプラズマを発
   生させることを特徴とする気体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロ波回路を終端する導電体壁
   と、前記誘電体２面に挟まれた放電空間の中心との距離
   が導波管内のマイクロ波長の４分の１の奇数倍であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の気体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記マイクロ波回路とマイクロ波源を１
   対にして複数並べて配置すると共に隣り合うマイクロ波
   回路を、マイクロ波源からのマイクロ波エネルギーが互
   いに反対方向から供給されるよう配置してなることを特
   徴とする請求項１記載の気体レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記マイクロ波回路とマイクロ波源を１
   対にして複数並べて前記マイクロ波源からのマイクロ波
   エネルギーが同じ方向から供給するように配置すると共
   にレーザ光軸方向に対してマイクロ波源を交互に上下逆
   向きに配置してなることを特徴とする請求項１記載の気
   体レーザ装置。