JPH1126841A - レーザ発振方法およびレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ発振効率およびレーザ出力を向上させ
ることができるレーザ発振方法およびレーザ発振装置を
提供する。 【解決手段】 電磁波を発振する発振器１８を導波管１
７を介して連結した矩型の空胴共振器１６の内部に放電
管１１を同軸をなして設け、放電管１１の一端に全反射
ミラー１２を取り付け、放電管１１の他端に金属製の冷
却放電管１９の一端を同軸をなして連結し、冷却放電管
１９の外周面に冷却水の流通するウォータジャケット１
９ａを装備し、冷却放電管１９の他端に出力ミラー１３
を取り付け、放電管１１の一端側にレーザ媒質ガス１の
入口管１４を連結し、冷却放電管１９の他端側にレーザ
媒質ガス１の出口管１５を連結することにより、当該ガ
ス１の放電励起を当該ガス１の流通方向上流側で集中し
て行って、放電励起に際しての電力を必要最小限に抑え
ると共に、当該ガス１の流通方向下流側でレーザ媒質ガ
ス１を効率よく冷却することができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波領域の電磁
波によってレーザ媒質ガスを放電励起してレーザ光を発
振するレーザ発振方法およびレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波領域の電磁波によってレーザ媒質
ガスを放電励起してレーザ光を発振する従来のレーザ発
振装置を図４に示す。

【０００３】図４に示すように、電磁波を発振する発振
器１０８を導波管１０７を介して連結した円筒型の空胴
共振器１０６の内部には、放電管１０１が同軸をなして
設けられている。放電管１０１の一端には、全反射ミラ
ー１０２が取り付けられている。放電管１０１の他端に
は、出力ミラー１０３が取り付けられている。放電管１
０１の一端側には、レーザ媒質ガス１の入口管１０４が
連結されている。放電管１０１の他端側には、レーザ媒
質ガス１の出口管１０５が連結されている。

【０００４】このようなレーザ発振装置では、入口管１
０４から放電管１０１の内部にレーザ媒質ガス１を送給
すると共に、発振器１０８から電磁波を発振すると、当
該電磁波が導波管１０７内を伝搬して空胴共振器１０６
内に伝送され、放電管１０１内のレーザ媒質ガス１を電
界により放電励起して当該レーザ媒質ガス１から誘導放
電光を得て、全反射ミラー１０２と出力ミラー１０３と
の間を往復反射させて増幅した後に出力ミラー１０３を
透過させることにより、レーザ光２を発振するようにな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述したようにしてレ
ーザ媒質ガス１を電磁波で放電励起してレーザ光２を発
振する方法は、各種文献（例えば、Handy and Brandeli
k, J. Appl. Phys. Vol.49, p3753-3756 (1978) 等）に
より広く知られている。ところが、前述したようなレー
ザ発振装置では、放電管１０１内のレーザ媒質ガス１を
光軸上に対してできるだけ滞在させてレーザ出力を上げ
るように放電空間を構成しているため、放電管１０１の
全長にわたってレーザ媒質ガス１を放電励起しなければ
ならず、レーザ媒質ガス１の放電励起に際して多大な電
力が必要となってしまう。

【０００６】また、電界によって発生した放電プラズマ
が電力を吸収しやすく、レーザ媒質ガス１の温度が上昇
しやすいことから、当該レーザ媒質ガス１を冷却する必
要があるものの、直流放電方式や高周波放電方式などの
装置においては、放電管１０１に高電圧電極や高電流コ
イルを設置するため、低熱伝導性でありながらも絶縁性
を有するセラミックスからなる水冷二重管構造の放電管
１０１を用いなければならず、レーザ媒質ガス１を効率
よく冷却することができなかった。

【０００７】このため、前述したような従来のレーザ発
振装置では、レーザ発振効率やレーザ出力がよくなかっ
た。

【０００８】このようなことから、本発明は、レーザ発
振効率およびレーザ出力を向上させることができるレー
ザ発振方法およびレーザ発振装置を提供することを目的
とした。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ための、本発明によるレーザ発振方法は、レーザ媒質ガ
スを電界により励起してレーザ光を発振させるレーザ発
振方法であって、前記レーザ媒質ガスの流通方向上流側
に電界を形成して当該レーザ媒質ガスの励起を当該流通
方向上流側で行う一方、当該レーザ媒質ガスの流通方向
下流側で当該レーザ媒質ガスを冷却することを特徴とす
る。

【００１０】上述のレーザ発振方法において、前記レー
ザ媒質ガスの流通方向下流側の流れを乱すことを特徴と
する。

【００１１】前述した課題を解決するための、本発明に
よるレーザ発振装置は、レーザ媒質ガスを送給される放
電管と、電界を形成することにより前記放電管内の前記
レーザ媒質ガスを励起してレーザ光を発振させる励起手
段とを備えてなるレーザ発振装置であって、前記励起手
段を前記放電管の前記レーザ媒質ガスの流通方向上流側
に設ける一方、金属製の冷却放電管を前記放電管の前記
レーザ媒質ガスの送給方向下流側に同軸をなして連結す
ると共に、前記レーザ媒質ガスを冷却する冷却手段を前
記冷却放電管に設けたことを特徴とする。

【００１２】上述のレーザ発振装置において、前記レー
ザ媒質ガスの流れを乱す乱流化手段を前記冷却放電管の
内部に設けたことを特徴とする。

【００１３】上述のレーザ発振装置において、前記冷却
手段が前記冷却放電管の外周面に設けられ、冷却水を流
通させる冷却水流通手段であることを特徴とする。

【００１４】上述のレーザ発振装置において、前記冷却
手段が前記冷却放電管の内周面に設けられ、冷却水を流
通させる冷却水流通手段であることを特徴とする。

【００１５】上述のレーザ発振装置において、前記乱流
化手段が前記冷却放電管の内周面に同軸をなして設けら
れた環状をなすブロックリングであることを特徴とす
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明によるレーザ発振方法およ
びレーザ発振装置の第一番目の実施の形態を図１を用い
て説明する。なお、図１は、その装置の概略構成図であ
る。

【００１７】図１に示すように、電磁波を発振する発振
器１８を導波管１７を介して連結した矩型の空胴共振器
１６の内部には、放電管１１が同軸をなして設けられて
いる。放電管１１の一端には、全反射ミラー１２が取り
付けられている。放電管１１の他端には、金属製の冷却
放電管１９の一端が同軸をなして連結されている。冷却
放電管１９の外周面には、冷却水の流通する冷却水流通
手段であるウォータジャケット１９ａが冷却手段として
設けられている。冷却放電管１９の他端には、出力ミラ
ー１３が取り付けられている。放電管１１の一端側に
は、レーザ媒質ガス１の入口管１４が連結されている。
冷却放電管１９の他端側には、レーザ媒質ガス１の出口
管１５が連結されている。すなわち、レーザ媒質ガス１
の流通方向上流側に放電管１１、空胴共振器１６、導波
管１７、発振器１８などを配設し、レーザ媒質ガス１の
流通方向下流側に冷却放電管１９、ウォータジャケット
１９ａなどを配設したのである。なお、本実施の形態で
は、空胴共振器１６、導波管１７、発振器１８などによ
り励起手段が構成されている。

【００１８】このようなレーザ発振装置を用いたレーザ
発振方法を次に説明する。入口管１４から放電管１１お
よび冷却放電管１９の内部にレーザ媒質ガス１を送給す
ると共に、冷却放電管１９のウォータジャケット１９ａ
を作動させる一方、発振器１８から電磁波を発振する
と、当該電磁波が導波管１７内を伝搬して空胴共振器１
６内に伝送され、放電管１１内のレーザ媒質ガス１を電
界により放電励起し、当該放電励起により温度上昇した
レーザ媒質ガス１を冷却放電管１９のウォータジャケッ
ト１９ａで適切な温度に冷却することにより、当該レー
ザ媒質ガス１から誘導放電光を得、全反射ミラー１２と
出力ミラー１３との間を往復反射させて増幅した後に出
力ミラー１３を透過させることにより、レーザ光２が発
振される。

【００１９】つまり、レーザ媒質ガス１を電界により放
電励起してレーザ光２を発振するにあたって、上記ガス
１の流通方向上流側に電界を形成して当該ガス１の振動
励起を当該流通方向上流側で行う一方、当該ガス１の流
通方向下流側で当該ガス１を冷却するようにしたのであ
る。

【００２０】このため、レーザ媒質ガス１の放電励起が
当該ガス１の流通方向上流側で集中して行われるように
なるので、レーザ媒質ガス１の放電励起に際しての電力
を必要最小限に抑えることができる。

【００２１】また、直流放電方式や高周波放電方式など
のように高電圧電極や高電流コイルを放電管１１に設置
する場合であっても、当該設置がレーザ媒質ガス１の流
通方向上流側のみで済むようになるので、当該ガス１の
流通方向下流側で絶縁性を特に考慮する必要がなくな
り、高熱伝導性を有する金属材料からなる冷却放電管１
９をレーザ媒質ガス１の流通方向下流側へ設置すること
が可能となり、レーザ媒質ガス１を効率よく冷却するこ
とができるようになる。

【００２２】したがって、このようなレーザ発振方法お
よびレーザ発振装置によれば、レーザ発振効率およびレ
ーザ出力を大幅に向上させることができる。

【００２３】なお、本実施の形態では、冷却水流通手段
としてウォータジャケット１９ａを用いたが、冷却放電
管１９の外周面に水冷コイルを巻き付けることにより冷
却水流通手段を構成することも可能である。

【００２４】本発明によるレーザ発振方法およびレーザ
発振装置の第二番目の実施の形態を図２を用いて説明す
る。なお、図２は、その装置の概略構成図である。ただ
し、前述した第一番目の実施の形態の場合と同様な部材
については、前述した第一番目の実施の形態と同様な符
号を用いることにより、その説明を省略する。

【００２５】図２に示すように、冷却放電管１９の内周
面には、内部に冷却水の流通する冷却水流通手段である
水冷コイル２９ａが冷却手段として設けられている。

【００２６】つまり、前述した実施の形態では、冷却放
電管１９の外部からレーザ媒質ガス１を冷却するように
したが、本実施の形態では、冷却放電管１９の内部から
レーザ媒質ガス１を冷却するようにしたのである。

【００２７】このため、前述した実施の形態の場合より
もレーザ媒質ガス１を効率よく冷却することができる。

【００２８】したがって、本実施の形態によれば、前述
した実施の形態の場合よりもレーザ発振効率およびレー
ザ出力をさらに向上させることができる。

【００２９】本発明によるレーザ発振方法およびレーザ
発振装置の第三番目の実施の形態を図３を用いて説明す
る。なお、図３は、その装置の概略構成図である。ただ
し、前述した第一，二番目の実施の形態の場合と同様な
部材については、前述した第一，二番目の実施の形態と
同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。

【００３０】図３に示すように、ウォータジャケット１
９ａを外周面に有する冷却放電管１９の内周面には、金
属製の環状をなす乱流化手段であるブロックリング３９
ａが当該冷却放電管１９の軸心方向に沿って所定の間隔
で同軸をなして複数取り付けられている。

【００３１】つまり、本実施の形態は、前述した第一番
目の実施の形態に上記ブロックリング３９ａを設けたの
である。

【００３２】このようなレーザ発振装置では、冷却放電
管１９内を流通するレーザ媒質ガス１の流れを上記ブロ
ックリング３９ａが乱すので、レーザ媒質ガス１が冷却
放電管１９内で混合され、当該ガス１と冷却放電管１９
との熱交換効率が大幅に向上するようになる。

【００３３】したがって、本実施の形態によれば、前述
した実施の形態の場合よりもレーザ発振効率およびレー
ザ出力をさらに向上させることができる。

【００３４】

【実施例】本発明によるレーザ発振方法およびレーザ発
振装置の効果を確認するため、次のような確認実験を行
った。

【００３５】［実験例１］前述した第一番目の実施の形
態に基づいた装置を用いてレーザ光を発振した場合のレ
ーザ出力およびレーザ発振効率を求めた。なお、諸条件
は下記の通りである。

【００３６】 ＜条件＞ ・電磁波−波長：２．４５ＧＨｚ 入射パワー：１５００Ｗ ・レーザ媒質ガス−組成：ＣＯ₂ 、Ｎ₂ 、Ｈｅの混合ガス （炭酸ガスレーザ用のガス） 圧力：５０Ｔｏｒｒ ・空胴共振器−内径：８３ｍｍ 長さ：１００ｍｍ ・放電管−内径：２５ｍｍ ・冷却放電管−素材：アルミニウム 内径：３０ｍｍ 長さ：３００ｍｍ ＜結果＞結果を表１に示す。

【００３７】［実験例２］前述した第二番目の実施の形
態に基づいた装置を用いてレーザ光を発振した場合のレ
ーザ出力およびレーザ発振効率を求めた。なお、諸条件
は下記の通りである。ただし、実験例１と同様な部分に
ついては、その記載を省略する。

【００３８】＜条件＞ ・水冷コイル−外径：２ｍｍ ＜結果＞結果を表１に示す。

【００３９】［実験例３］前述した第三番目の実施の形
態に基づいた装置を用いてレーザ光を発振した場合のレ
ーザ出力およびレーザ発振効率を求めた。なお、諸条件
は下記の通りである。ただし、実験例１，２と同様な部
分については、その記載を省略する。

【００４０】＜条件＞ ・ブロックリング−素材：アルミニウム ＜結果＞結果を表１に示す。

【００４１】［比較例］比較のため、従来技術で説明し
た装置を用いてレーザ光を発振した場合のレーザ出力お
よびレーザ発振効率を求めた。なお、諸条件は下記の通
りである。ただし、実験例１〜３と同様な部分について
は、その記載を省略する。

【００４２】＜条件＞ ・放電管−素材：石英（水冷なし） ＜結果＞結果を表１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１からわかるように、比較例では、レー
ザ出力が１３０Ｗ、レーザ発振効率が９％であったのに
対し、実験例１では、レーザ出力が１７０Ｗ、レーザ発
振効率が１１％となり、レーザ媒質ガスの冷却効率を向
上させて、レーザ出力およびレーザ発振効率を大幅に向
上できることが確認できた。また、実験例２では、レー
ザ出力が２００Ｗ、発振効率が１３％となり、実験例１
よりも冷却効率をさらに向上させて、レーザ出力および
レーザ発振効率をさらに向上できることが確認できた。
また、実験例３では、レーザ出力が２５０Ｗ、レーザ発
振効率が１６％となり、実験例１，２よりも冷却効率を
さらに向上させて、レーザ出力およびレーザ発振効率を
さらに向上できることが確認できた。

【００４５】なお、本実施例では、電磁波として周波数
が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を適用したが、絶縁対策
等のさらなる工夫により、１３．５６ＭＨｚの高周波で
も適用でき、上述と同様な効果を得られると考えられ
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明によるレーザ発振方法は、レーザ
媒質ガスを電界により励起してレーザ光を発振させるレ
ーザ発振方法であって、前記レーザ媒質ガスの流通方向
上流側に電界を形成して当該レーザ媒質ガスの励起を当
該流通方向上流側で行う一方、当該レーザ媒質ガスの流
通方向下流側で当該レーザ媒質ガスを冷却することか
ら、レーザ媒質ガスの放電励起が当該ガスの流通方向上
流側で集中して行われるようになり、レーザ媒質ガスの
放電励起に際しての電力を必要最小限に抑えることがで
きると共に、直流放電方式や高周波放電方式などのよう
に高電圧電極や高電流コイルを放電管に設置する場合で
あっても、当該設置がレーザ媒質ガスの流通方向上流側
のみで済み、レーザ媒質ガスの流通方向下流側で絶縁性
を特に考慮する必要がなくなり、高熱伝導性を有する金
属材料からなる冷却放電管をレーザ媒質ガスの流通方向
下流側へ設置することが可能となり、レーザ媒質ガスを
効率よく冷却することができるようになるので、レーザ
発振効率およびレーザ出力を大幅に向上させることがで
きる。

【００４７】また、前記レーザ媒質ガスの流通方向下流
側の流れを乱すことから、温度上昇したレーザ媒質ガス
を混合することができ、当該ガスの冷却効率を大幅に向
上させることができるので、レーザ発振効率およびレー
ザ出力をさらに向上させることができる。

【００４８】本発明によるレーザ発振装置は、レーザ媒
質ガスを送給される放電管と、電界を形成することによ
り前記放電管内の前記レーザ媒質ガスを励起してレーザ
光を発振させる励起手段とを備えてなるレーザ発振装置
であって、前記励起手段を前記放電管の前記レーザ媒質
ガスの流通方向上流側に設ける一方、金属製の冷却放電
管を前記放電管の前記レーザ媒質ガスの送給方向下流側
に同軸をなして連結すると共に、前記レーザ媒質ガスを
冷却する冷却手段を前記冷却放電管に設けたことから、
レーザ媒質ガスの放電励起が当該ガスの流通方向上流側
で集中して行われるようになり、レーザ媒質ガスの放電
励起に際しての電力を必要最小限に抑えることができる
と共に、直流放電方式や高周波放電方式などのように高
電圧電極や高電流コイルを放電管に設置する場合であっ
ても、当該設置がレーザ媒質ガスの流通方向上流側のみ
で済み、レーザ媒質ガスの流通方向下流側で絶縁性を特
に考慮する必要がなくなり、高熱伝導性を有する金属材
料からなる冷却放電管の当該ガスの流通方向下流側への
設置が可能となり、レーザ媒質ガスを効率よく冷却する
ことができるようになるので、レーザ発振効率およびレ
ーザ出力を大幅に向上させることができる。

【００４９】また、前記レーザ媒質ガスの流れを乱す乱
流化手段を前記冷却放電管の内部に設けたことから、温
度上昇したレーザ媒質ガスを混合することができ、当該
ガスの冷却効率を大幅に向上させることができるので、
レーザ発振効率およびレーザ出力をさらに向上させるこ
とができる。

【００５０】また、前記冷却手段が前記冷却放電管の外
周面に設けられて冷却水を流通させる冷却水流通手段で
あれば、レーザ媒質ガスを効率よく冷却することがで
き、レーザ発振効率およびレーザ出力を大幅に向上させ
ることができる。

【００５１】また、前記冷却手段が前記冷却放電管の内
周面に設けられて冷却水を流通させる冷却水流通手段で
あれば、レーザ媒質ガスをさらに効率よく冷却すること
ができ、レーザ発振効率およびレーザ出力をさらに向上
させることができる。

【００５２】また、前記乱流化手段が前記冷却放電管の
内周面に同軸をなして設けられた環状をなすブロックリ
ングであれば、温度上昇したレーザ媒質ガスを簡単に混
合することができ、当該ガスの冷却効率を容易に向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ発振装置の第一番目の実施
の形態の概略構成図である。

【図２】本発明によるレーザ発振装置の第二番目の実施
の形態の概略構成図である。

【図３】本発明によるレーザ発振装置の第三番目の実施
の形態の概略構成図である。

【図４】従来のレーザ発振装置の一例の概略構成図であ
る。

【符号の説明】 １ レーザ媒質ガス ２ レーザ光 １１ 放電管 １２ 全反射ミラー １３ 出力ミラー １４ 入口管 １５ 出口管 １６ 空胴共振器 １７ 導波管 １８ 発振器 １９ 冷却放電管 １９ａ ウォータジャケット ２９ａ 冷却コイル ３９ａ ブロックリング

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質ガスを電界により励起してレ
   ーザ光を発振させるレーザ発振方法であって、前記レー
   ザ媒質ガスの流通方向上流側に電界を形成して当該レー
   ザ媒質ガスの励起を当該流通方向上流側で行う一方、当
   該レーザ媒質ガスの流通方向下流側で当該レーザ媒質ガ
   スを冷却することを特徴とするレーザ発振方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザ発振方法におい
   て、前記レーザ媒質ガスの流通方向下流側の流れを乱す
   ことを特徴とするレーザ発振方法。
3. 【請求項３】 レーザ媒質ガスを送給される放電管と、
   電界を形成することにより前記放電管内の前記レーザ媒
   質ガスを励起してレーザ光を発振させる励起手段とを備
   えてなるレーザ発振装置であって、前記励起手段を前記
   放電管の前記レーザ媒質ガスの流通方向上流側に設ける
   一方、金属製の冷却放電管を前記放電管の前記レーザ媒
   質ガスの送給方向下流側に同軸をなして連結すると共
   に、前記レーザ媒質ガスを冷却する冷却手段を前記冷却
   放電管に設けたことを特徴とするレーザ発振装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のレーザ発振装置におい
   て、前記レーザ媒質ガスの流れを乱す乱流化手段を前記
   冷却放電管の内部に設けたことを特徴とするレーザ発振
   装置。
5. 【請求項５】 請求項３に記載のレーザ発振装置におい
   て、前記冷却手段が前記冷却放電管の外周面に設けら
   れ、冷却水を流通させる冷却水流通手段であることを特
   徴とするレーザ発振装置。
6. 【請求項６】 請求項３に記載のレーザ発振装置におい
   て、前記冷却手段が前記冷却放電管の内周面に設けら
   れ、冷却水を流通させる冷却水流通手段であることを特
   徴とするレーザ発振装置。
7. 【請求項７】 請求項４に記載のレーザ発振装置におい
   て、前記乱流化手段が前記冷却放電管の内周面に同軸を
   なして設けられた環状をなすブロックリングであること
   を特徴とするレーザ発振装置。