JPS594090A - 再結合レ−ザ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の背景 本発明はプラズマ励起及び再結合レーザーの連続波動作
に係る。

アプライド・フィジックス・レターズ （Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）
　、第３６巻、第８号、６１５頁（１９８０）には、タ
ブリュ・ティー・シルスバスト、エル・エイチ・スツエ
ト（Ｗ−Ｔ−８ｉｌｆｖａｓｔ、Ｌ−Ｈ−８ｚｅｔｏ）
及びオー・アール・ウッド（ＯＲ−Ｗｏｏｄ　）　ＩＪ
が、分割されたブラスマ励起ｉ■４結合（ＳＰＥＲ）機
構により、多数の金属蒋気の原子スペクトルでレーザー
動作するように開発された新しい電気放電デバイスにつ
いて述べている。このレーザーは、隣接したストライプ
の者対の間に小さな間隙を残すように、絶縁性基板」二
に端と端をあわせて配置された（レーサー物質の）多数
の狭い金属ストライプを含む。ストライプは（好壕しく
け）緩衝気体又は真空を含むレーザー空胴中に置かれ、
典型的な場合、厚さ１ｍ、幅２論、長さ１０ｍ＋ｎであ
る。高電圧、高電流パルスがこの装置の端部ストライプ
に印加され、高密度金属蒸気イオンプラズマが各間隙中
に形成される。一度形成されると、（基本的に蒸発した
ストライプ金属から成る）これらのプラズマは、半球状
に広がり、低圧のバックグラウンドガス（たとえばヘリ
ウム）の存在下で冷却し、再結合する。これらのレーサ
ー構造を用いると、１１元素（Ａｇ、Ｂｉ、Ｃ％　Ｃａ
　％　Ｃｄ　、Ｃｕ　−、Ｉ　ｎ　ＸＭｇ、Ｐｂ　、　
Ｓｎ　、、Ｚｎ　）中の０．２９及び３．９５１１ｍ間
の７以」−の波長の近赤外で、パルスレーザ−動作が観
測された。

１１のうち３元素（吟、Ｚｎｚ　　Ｉｎ）では、中性ス
ペクトルではそれまで発振が観徂１されなかった。これ
らの結果のいくつかは、先に述べたＡＰＬの論文で報告
されており、他のものはタブリュ・ティー・シルツバス
ト（Ｗ、Ｔ。

５ｉｌｆ）らの論文、アプライド・フィジックス・レタ
ーズ（Ａｐｐｌｊｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅ
＋ｓ）第３９巻、第３号、２１２頁（１，９８１）及び
オプティクス・レタース（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ　）　、第７巻、第１号、３４頁（１９８２）Ｋ述べ
られている。

５ＰＥＲレーザーは構成が簡単で、長さ及び容積の計測
、が容易で、長寿命をもたせられることが示され、高効
率を有する可能性がある。

しかし、先の研究のすべてにおいて、５ＰＥＲレーザー
はパルスモードで動作した。すなわち、励起手段は比較
的短い（たとえば５ｍ５ｅｃ）持続時間の電気的パルス
を印加した。連続波動作に適した著しく長い持続時間の
電気的信号により、電極に過度の熱が発生し、最終的に
Ｑまそれらを溶かす３、もちろん電極が損傷を受けると
、レーザー動作はもはや不可能になる。

本発明の要約 本発明に従うと、連続ａｓｐＥＲレーザーは少くとも１
個の間隙を間に有し、少くとも１個の交互の放電路を形
成する少くとも２個の電極ストライプ、ストライプに電
気的ポンピング信号を供給する手段を含む。ストライプ
の少くとも一部はポンピング信号が印加されると、プラ
ズマに変換される材料で作られる。

そのプラズマは冷え、再結合してレーザー放射を発生す
る。本発明のレーザーはポンピング信号が連続波動作に
適［７、連続波動作中電極を冷却するために、電極間に
バックグラウンドカスを流す手段が備わっていることを
特徴とする。この技術はすでにパルス金属蒸気アークプ
ラズマで実現されている広範囲の可視及び赤外再結合レ
ーザー遷移に適用でき、イオンレーザ−にも拡張でき、
それにより可視及び恐らく紫外レーザー出力が得られる
。

詳細な記述 金属蒋気中で５ＰＥＲレーザーの連続波動作をさせるの
に用いられる本発明の一実施例が、第１図に示されてい
る。０．１−１．０ｍｍの厚さを有するたとえばカドミ
ウムの多数の金属ストライプが、隣接する各対間に小さ
な間隙（たとえば１．５−２　ｔｔａ　Ｊを残すように
、電気的に絶縁性の基板１２０１に、縦に並べて配置さ
れている。この電極構成は（それぞれ長さが３５ｃｒｎ
で内径１０Ｃｒｎの）縦管１２５及び横管１２から成る
Ｔ型ガスセル中に、とりつけられる。高電圧源１３０及
び低電圧源１３２がそれぞれスイッチ１３４及び１３６
全通して、最初１０１と最後１０６の電極間に、直列に
接続可能である。高電圧源は間隙をあらかじめイオン化
するために、典型的な場合（たとえば数ＫＶ、　２０−
５　（ｌ　ｍＡ　で１ｍ５ｅｃ間の）高パワーパルスを
供給し、その後低電圧源１３２が連続波動作に適した低
パワー信号を供給する。一般に、持続時間が数ミリセカ
ンドより長い信号が、連続波動作に適している。約１秒
より長い動作のためには、電極が過熱し、溶融するのを
防止するため、周知の冷却手段（図示されていない）を
導入すべきである３、この励起により、各間隙中に明る
い金属蒸気プラズマが発生する。第１図中の領域１４１
−１４５は間隙からバックグラウンドカス中に、本質的
に半円状に外方に延びた後の、プラズマの形を示す。

各ストライプの全体がプラズマに蒸発する材料で構成さ
れる必要はない。デバイスの動作条件下で、カソード端
がそのような材料で構成され、アノード端が非蒸発性利
料で構成されるならば、十分である。更に、多色源を生
じるように、異なる蒸発性拐料のストライプを単一のデ
バイス内に混ぜることができる。

レーザー放射に対する共振器を形成するために、所望の
レーザー波長において最大の反射率となるように、２個
の誘導体半球鏡１５０及び１５１が被覆される。たとえ
ば、これらの鏡は窓１２７及び１２８を含む縦管１２５
の端部付近にマウントされる。この共振器の光軸１６０
は電極と平行に、わずかにそれより」二に配置される。

この共振器からの出力は、矢印１７０で示されるように
、適当なフィル＼ 夕を通して（図示されていない）適当な光検出器上に焦
点があわされる。

絶縁性基板１２０はレーザーの動作に、本質的ではない
。事実、基板１２０はレーザー出力には太きｌ影響全力
えることなく、除去することができる。しかし、電極の
構造的支持として働き、プラズマの拡大方向′ｆ：ある
程度制御できる。たとえば、基板１２０は、（図示され
ていない）ロンド」二にマウントされ、ロッドは軸１６
０に対し電極の位置決めが可能なように、横管１２６の
一端の端部プレート１２６全通して、ずらせるようにマ
ウントされる。

ガス人力１７０及びガス出口１７２が横管１２６の相対
する端部における端部プレート１２９及び１３１にそれ
ぞれ備えられる。ヘリウムのようなバックグラウンドガ
スが入力１７０全通して、（図示されていない）源から
結合され、電極１０１−１０６−ｉ越え、出力１７２及
び（図示されていない）カスポンプへ、比較的速く、（
たとえば５００ｔ／ｒｎｚｎ）流される。矢印１７４は
電極を冷却し、連続波動作を可能にするガスの流れの方
向の例（たとえば、共振器軸１６０に対し垂直に）を示
す。一般に、ガス流の方向はプラズマ中の金属イオンが
間隙の領域におけるアーク放電から遠ざかるように、選
ぶべきである。

この効果を増すために、電極間すなわち間隙中の基板１
２０に開口１８０（たとえばスロット）を形成するのが
望才しい。バックグラウンドガスは基板１２０周囲のみ
でなく、それを貫いて流れ、それにより気体と電極の冷
却相互作用が増す。

本発明の別の実施例は、第５及び６図に示されるように
各間隙の少くとも１個の電気的に絶縁性の壁から成るプ
ラズマを包む手段を供給するものである。第５図におい
て、４個のそのような壁は各プラズマの底部を囲む長方
形の箱１９０を形成し、第６図において、単一・の壁が
円筒１９２に形成する。プラズマを含む手段の機能は３
通シある。第１は各間隙から各鏡への視察路を阻止する
ことによか、レーザー鏡」二にプラズマから粒子が堆積
する可能性を減すことである。第２は各プラズマを閉じ
込め、それによりそれをより高温に保ち、効率を改善す
ることである。第３は隣接したアークを電気的に分離す
ることである。

レーザー動作は基本的にＣｄ　Ｉ　　中の６ｐ３Ｐ−６
ｓ３Ｓ　　遷移について検討し、１．４０．１．４３及
び１．４４μｍ　で起った。しかし、１．６４μｍにお
ける４ｆ３Ｆ−５ｄ３Ｄ遷移も、連続波レーザー動作す
ることが観１１’ｌｌｌされた。これらの遷移の全部が
、パルス拡大プラズマ５ＰＥＲ型レーザーデバイス中で
再結合レーサー動作が起る前に観察された。ここで述べ
る主な研究結果は、１．４３　、＃ｍ　　における最も
強い遷移についてである。

最適のレーザー動作は５　ＴｏｒｒのＴＴｅ圧で起り、
従来技術の擬ＣＷアークジュツトレーザーが、ｋＡ　オ
ーダーの電流を必要としたのとは異り、最適電流は４−
６Ａであった。これらの条件下で、共振器の一端におけ
る高反射鏡１５０及び他端における１％伝送出力結合鏡
１５１を用いることにより、０．５ｍＷのレーザー出力
が測定された。電極最下部から共振軸１６０までの最適
高さＸは、Ｘ＝１０ｍｍであった。しかし、レーザー動
作はＸ　＝　６　ｍ＋ｎないし２０覇の範囲で起ること
が歓迎１された。

加えて、レーザー動作が起る圧力範囲は、３Ｔｏｒｒな
いし１０　Ｔｏｒｒであった。典型的なアーク電圧降下
は、３Ａの電流における２０Ｖから８Ａの電流における
］、　５　Ｖの範囲であった。５　Ｔｏｒｒ　　の最適
圧力において、Ｃｄ　　蒸気の質量流速は、基板１２０
から１．−２ｃｍの距離において、約２　３ｃｍ／ｍＳ
　　と測定された。

一般に、連続波動作を実現するためには、金属蒸気の質
量流量は、少くともこの大きさであることが望ましい。

第２図は約１秒の持続時間の場合のレーザー動作連続波
出力を示す。約１秒より長い動作のためには、ｃｄ　　
金属が比較的低融点（３２０℃）であるた−め、電極を
よく冷却できるようにする必要がある。

連続波アークは電極間隙領域中のその上に、直径約５Ｍ
の明るい核と、長さ約２ｍの弱い半球から成るようにみ
えた。放射強度の変化及びアークプラズマ中の各種物質
の密度の変化が基板面から垂直に測定された基板からの
距離の関数として測定された。第３図は１．５０８５μ
ｍ　における励起中性線１．．５３７８μｍにおける励
起Ｃｄ　　イオン線１．５８７５μｍにおける励起中性
Ｈｅ　線の放射を示す。Ｔｅ　　と記した曲線は、Ｘに
対する電子温度の変化を示す、　Ｃｄ　Ｉ　　遷移はこ
れよりエネルギーの著しく高いＣｄ１．ｌ　及びＨｅ　
Ｉ　遷移より、明らかに支配的であり、このことはアー
ク電子温度が比較的低い”ことを示している。この結果
は、典型的な場合５０００°にの範囲の温度を暗示する
アーク温度の他の測定と、矛盾しない。

第４図は基板１２０からの距離Ｘの関数として、Ｃｄ中
性及びＣｄイオン物質の変化を示す。測定はＨｅ　−ｃ
ｄ放電からの放射を、アークプラズマを通し、これら物
質の基底状態で停止する遷移での吸収ｆ：測測定ること
により、行った。第３図の結果は、比較的低い電子温度
度を示しているから、第４図Ｃｄ　　イオン密度Ｎ　（
Ｃｄ＋）は、電子密度ｎｅ　　と同じであると言うこと
ができる。Ｘとともに、Ｎ（Ｃｄ）とｎｅ　　の両方が
減少することは、これら物質の三次元半球状拡大により
、基本的に説明できる。このことは、再結合によるＮ（
Ｃｄ’ｌとｎ８　　の減少が、この実験で得られる流速
に対し、第２図のＸの範囲で無視できることが示される
という事実と一致する・ 定常状態モデルは基板１２０かもの距離の関数として、
レーサー上位レベルの密度を記述するために、作られた
。二つの励起機構を考えた。第１は下位レベルからの電
子衝突励起て、基本的には中性基底状態からの励起でア
ッタ。レーサー」二位レベルへの電子励起は、レーサー
」−位しヘルより十のレベルへの衝突がそれに続いても
、測定されたｎｅ　　及び第３図のデータで示された比
較的低い電子温度Ｔｅの場合、−００２５ｃｍ−’の比
較的高い利得を説明するのに不十分である。第２の励起
機構、すなわちＣｄ’−基底状態からレーザー」二位レ
ベルへの再結合と、それに伴う放射消滅は、実験結果と
より一致する結果全力えた。報告された再結合速度を用
い、Ｘ＝１０ｍｍで測定された利得及び、５０８５μｍ
における高励起Ｃｄ　　中性状態の放射（この放射はレ
ーザー」二位しペルへのそれと同程度のはずである。）
の変化をフィッティングすることにより、Ｘに対するＴ
ｅ　　の変化が、第３図に示されるように得られた。こ
の結果はＸ　＝　５　ｍｍにおいてＴｅ　　が４０００
°Ｋ　　で、Ｘ−＝　２０　ｍｍ　テ５００　’Ｋ　、
！：　イ５値に降下することを意味している。そのよう
な降下は、各電子及びＣｄ　　イオンが拡大中Ａ目互作
用し、冷却する約１０３Ｈｅ　原子を有し、これが起る
のに十分な時間があると考えられる時は、非現実的では
ない。その理由は、イオンが形成されるカソード表面か
ら移動し、基板から最適利得位置である１０咽の位置に
達するのには、３００−’５００μｓ　かかるからであ
る。再結合速度はＣｄ　　に対する値が得られてないた
め、計算された水素の値をモデルに用いた。しかし、も
しＣｄ　　の速度がわかり、それらを用いたとしても、
温度はわずかに上昇するだけであろう。その理由は、ｃ
ｄの再結合速度は水素のそれらより、わずかに太きいだ
けであると考えられるからである。

従って、再結合が連続波Ｃｄ５ＰＥＲレーザーの原因で
あることがわかる。イオンは恐らく基本的にはカソード
のスポット領域、すなわち蒸発の激しい典型的には１０
μｍ　の領域で形成され、放射はカソード表面の前面に
直接位置する。そのようなスポットは、盛んに研究され
たが、それらの正確な特性は、完全には理解されていな
い。高電界領域はスポット中に存在し、そこでは蒸発し
た電極材料の盛んなイオン化が起っていると、考えられ
ている。よりエネルギーの高いイオンは、スポットから
外へ追いやられ、エネルギーの低いイオンはカソードに
戻され、カソード表面を更に加熱され、更に・蒸発を起
させる。そのようなモデルは本研究での放射の眼側結果
と一致しておシ、その場合カソード表面における温存領
域ではなく、明るい放射領域は基本的には再結合による
。（励起及びイオン化はカソードスポット領域中の、カ
ソード表面近くで起った。）レーザー動作はＸ　＝　５
　ｍｍ又はそれより下では起らないと、考えられる。な
ぜならば、カソードにより近い所での電子密度は、」二
重を越え、それエリ上では上位及び下位レーザーレベル
の電子衝面平衡により、レーザー動作が起りつる。

Ｃｄ　　はＣＷアークレーザーが考えられる唯一の金属
であったが、５ＰＥＲ型プラズマ・アークデバイス中で
パルス再結合レーザー動作をすると出願人らが発表した
論文中で述べた１、９４１μｍないし５，４６μｍの波
長範囲の１３の金属における６１の中性遷移のほとんど
が＼ことで述べた型の構成で、連続波レーザー出力可能
であるはずである。可視及び紫外レーザー壕で生じるよ
うなイオン中の遷移にまで拡張することは、可能である
。しかし、単−及び二重イオン再結合レーザーが発生す
る二重及び三重イオンの著しい密度を生じるようアーク
温度を上げることが車重しい。

第５及び６図の閉じ込め電極及び電子密度が上限よりア
″！シ下らないように磁界を用いるといった技術は、レ
ーザーの効率を改善し、パワー出力を増すはずである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う連続波５ＰＥＲレーザーの実施例
の概略図、 第２図は連続波動作及び得られるレーザー光出力を示す
のに適したポンピング信号の例を示すグラフの図、 第３図は各種プラズマの相対的光強度対共振軸から電極
ストライプの距離の関係を示すグラフの図、 第４図は、Ｘの関数として中性及びイオンＣｄ　　の密
度の変化を示すグラフの図、第５及び６図はプラズマを
含むための電極間隙の付近における手段の２つの実施例
を示す図て′ある。 〔主要部分の符号の説明〕 １５０．１５１・・共振レーザ空胴 １０１．１０２・・・導電体ストライプ１３０．１３２
・電気信号印加手段 １７０．１７２・・・バックグラウンドガスを流す手段 １６０・・軸 １２０・・・基板 １８０・・・開口 １９０．１９２・・・壁手段 １３０・・・第１の手段 １３２・・・第２の手段 出　　願　　人　：　ウェスターン　エレクトｉノ゛ノ
クカムパニー、インコーポレーテツド 第１頁の続き ０発　明　者　オバート・リーヴス・ウッド・セカンド アメリカ合衆国１００１０ニユーヨ ーク・ニューヨークｅニューヨ ーク・レキシントン・アヴエニ ュー１ ４５０−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｊ、　レーザー放射を放出させるのに適した共振レーザ
   ー空胴と、その間に電気放電間隙を有する少くとも２個
   の導電体ストライプと、前記導電体ストライプ間に電気
   信号を印加するだめの手段と、 バックグラウンドカスと前記２個のストライプを含むセ
   ルとから成り、 前記導電体ストライプの１個の一部分は、前記電気信号
   を印加するとイオンのプラズマに変る材料で、このプラ
   ズマは冷え、再結合して前記レーザー放射を発生する再
   結合レーザーにおいて、 前記印加手段は前記レーザーの連続波動作に適した電気
   信号を供給するのに適し、前記バックグラウンドガスを
   前記２個のストライプ間に流すためのガス供給手段が設
   けられることを特徴とする再結合レーザ０ ２、特許請求の範囲第１項に記載された再結合レーザー
   において、 前記ガス供給手段は前記ガスを前記間隙の少くとも近く
   に流すことを特徴とする再結合レーザー。 ３、　特許請求の範囲第２項に記載された再結合レーザ
   ーにおいて、 前記ガス供給手段は前記イオンを少くとも約２−３　ｃ
   ｍ　／ｍｓの速度で、前記間隙から遠ざけるように流し
   去ることを特徴とする再結合レーザー。 ４、特許請求の範囲第１項に記載された再結合レーザー
   においで、 前記空胴は軸を有し、 前記２個のストライプは該軸に本質的に平行に並んで配
   置され、 前記ガス供給手段は前記ガス流を該軸と垂直に生じさせ
   るのに適していることを特徴とする再結合レーサー０ ５６　　特許請求の範囲第４項に記載された再結合レー
   ザーにおいて、 基板（たとえば１２０ンが含凍れ、その上に前記２個の
   ストライプがマウントされ、前記基板は該ガス流が貫い
   て流れる開口（たとえば１８０）を有することを特徴と
   する再結合レーザー。 ６、特許請求の範囲第５項に記載された再結合レーザー
   において、 前記開口は前記間隙中に配置されることを特徴とする再
   結合レーザー。 ７、特許請求の範囲第１．２．３又は４項いずれかに記
   載された再結合レーザーにおいて、 前記一部分ばＣｄ　から成り、前記放射は約１．４０，
   １．４３．１．４４又は１．６４　μｍの波長を有する
   ことを特徴とする再結合レーザー。 ８　特許請求の範囲第１項に記載された再結合レーザー
   において、 前記プラズマを含むため、前記間隙の近くに電気的に絶
   縁性の壁手段（たとえば１９０．１９２）を更に含むこ
   とを特徴とする再結合レーザー。 ９、　特許請求の範囲第１項に記載された再結合レーザ
   ーにおいて、 前記電気信号印加手段は、 前記間隙をあらかじめイオン化するため、高電圧−高電
   流を供給するための第１の手段（たとえば１３０）及び 前記パルスの後、連続波動作に適した低電圧−低電流を
   供給するための第２の手段（たとえば１３２）を含むこ
   とｆ：特徴とする再結合レーザー。 １０、特許請求の範囲第４項に記載された再結合レーザ
   ーにおいて、 前記一部分はＣｄ　　から成シ、前記軸と前記２個のス
   トライプ間の距離は、約６ないし２０＋ｍｎの範囲であ
   ることを特徴とする再結合し・−ザー。 １１、特許請求の範囲第１．２．３又は４項いずれかに
   記載された再結合レーザーにおいて、 前記ガスの圧力は約３ないし１０　Ｔｏｒｒの範囲であ
   ることを特徴とする再結合レーザー。