JPS60219785A - ガスレーザーの出力を最大化するための方法及び装置 - 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】 従来技術 本発明はがスレーデーの出力を最大化するだめの方法及
び装置に関する。

本発明はヘリウム−ネオンがスレーデーに対して特別な
適用がある。

本発明が関する種類のがスレーデーは、２つの端部ミラ
ーの間に設けられた空胴を有し、′ミラーの１つがレー
ザービームの一部がミラーを透過するようにコーティン
グされている。

この種のｊスレーデーの空胴は、様々な振動モードで動
作され得る。

ある程度空胴の長さに依存して、ミラー間の振動には多
くの縦モードが存在し得る。

振動の縦モードに加えて、横モードが同時に持続され得
る。これらの横モードは、その場が空胴の軸線に対して
ほとんどノーマルなので、横電界及び磁界（ＴＥＭｍｎ
）モードとして知られている。

添字ｍ及びｎは現われているビームを横切る横方向の節
の線のインテグラルナンバー（Ｉｎｔｅｇｒａｌｎｕｍ
ｂｅｒ　）である。

最も単純なモードのＴＥＭｏ。は、はぼがウス分布であ
るビームの断面を横断する束密度を有する。

そして、他のモードにおいであるような、ビームを横断
する状態変化はない。

多くの応用に対して１．高次の横モードの発生を避ける
間、レーザーがＴ　Ｅ　Ｍｏ０モードにおいてのみ動作
することが望ましい。ＴＥＭ、、モードでないものを取
シ除くことの問題は、レーザーの長さが増すことにより
て強調される。

従来技術のレーザーにおいて高次の横モードを避ける１
つの方法は、〆アのアノｅ−チャの大きさを制限するこ
とＫよって高次のモードを制限することであった。これ
は、ＴＥＭｏｏモードの回折損よりも高次のモードの高
次の回折損を引き起こし、その結果、純粋なＴＥＭｏ０
モードの出力が得られた。

しかし、それは壕だレーデ−の出力をも減少させた。

本発明の重要な目的は、回折損による高次モードの制限
に依存することのない方法で高次横モードを抑制するこ
とである。

レーデ−動作の平衡状態で、飽和利得において各’Ｊ’
ＥＭｏｏモードＫ、高次モードの連続するレーザー発光
のために、空胴内に不十分なエネルギーが残るのに十分
足りる大きさの穴を焼かせる方法でミラーの透過率を構
成することによって、高次横モードを抑制することは、
関連した目的である。

レーデ−の出力を減じ得る別の要素は、縦モードのスイ
ーピング（ｓｗｅｅｐｉｎｇ　）である。縦モート。

のスイーピングは、熱効果によって引き起こされるミラ
ー間隔における変化から起こり得る。

スイーピングの問題は、レーデ−の長さが短かくなるに
従って、より深刻になる。例えば、４インチ（１０，１
６ａ＋＋）又はそれ以下の長さを有するヘリウム−ネオ
ンがスレーデーについては、空胴内にただ１つのモード
が存在するかもしれない。

もし、このモードを掃き入れれば、レーザー発光動作が
引き起こされ、レーザーは所望の出力を提供する。しか
し、もしモードを空胴の外へ掃き出せば、出力の１００
％の減少が起り得る。

温度変化によるミラーの間隔の変化を完全に取り除くこ
とは非常Ｋ１１ｌ＆かしいので、出力における減少は、
特に空胴の長さが比較的短いレーザーにおいては、従来
技術において問題となっていた。

空胴内でレーデ−発光可能で、それによって、モードス
イーピングによって引き起こされる出力における降下を
減少させる（よシ細い利得曲線の下で、よシ少ないモー
ドを有する等しい長さのレーデ−に関する出力における
降下と比較して）モードの数を利得曲線を広げることで
増加させること罠よって、がスレーデー内の縦モードス
イーピングを減じることは、本発明の重要な目的である
。

空胴内のガスの１つの同位体混合気を用いることＫよっ
て利得曲線を広げることは、本発明に関連した目的の１
つである。

ヘリウム−ネオンがスレーデーの出力の減少の一因とな
る別の要素は、不要な赤外線レーザー発光動作であった
。

０．６３２８ミクロンの赤色光子の遷移は、３．３９ミ
クロンの赤外線光子の遷移と同じ上位のレベル状態を分
かつので、２つの遷移は同じ共通の供給源を競合する。

もし、赤外線遷移の超放射が抑制されないならば、０．
６３２８ミクロンの遷移の出力は本質的に減少され得る
。この問題は、ヘリウム−ネオンレーザ−における利得
が増加すると共に特に厳しくなる。約１０ミリワツト又
はそれ以上の出力で３．３９ミクロンの遷移は強く出る
ことが可能釦なＪ、０．６３２８ミク゛ロンで１０ミリ
ワツト又はそれ以上の出力用に設計されたヘリウム−ネ
オンレーデ−内で多くの出力が３，３９ミクロンの赤外
線遷移によって吸収される。

従来技術においては、ゼーマン分裂を用いて３．３９ミ
クロンの遷移を抑制する目的のために、磁石がレーデ−
ダインチー−ブの近くに配置された。その磁場はネオン
ガスに働き、ゼーマン分裂を引き起こし、３．３９ミク
ロンでの遷移を広げる。

３．３９ミクロンの遷移を抑制するために磁石を使用す
ることは、同軸構造を有するレーザーへの応用には困難
である。なぜならば、磁石を同軸レーデ−内の〆アに接
近させて置くことは困難だからである。もし、同軸レー
デ−の外部チューブに磁石を取り付けるとすれば、その
磁石が効果的であるためＫは、磁石は非常に大きくなけ
ればならない。

磁石を必要とせずにヘリウム−ネオンガスレーザー内の
３．３９ミクロンの遷移を抑制することは、本発明の重
要な目的の１つである。

３．３９ミクロンの遷移の超放射を高度に抑制する量に
よって空胴内のピーク利得を減少させること、及び、ピ
ーク利得におけるこの減少を引き起こすためにネオンが
スの同位体混合気を用いることは、本発明に関連した目
的である。

関連する別の目的は、３．３９ミクロンの赤外線光子の
遷移の利得の抑制において、０．６３２８ミクロンの赤
色光子の遷移の利得が実質的に助力することを引き起こ
すのに十分低い景となるようにミラーの透過率を構成す
ることである。

ヘリウム−ネオンがスレーデーカラノスムーズな出力を
得ることにおける別の問題は、分散のため周波数オフセ
ットから引き起こされるビーティングノイズ（ｂｅａｔ
ｉｎｇ　ｎｏｉｓｅ　）を減少することである。

利得曲線の数を増やすことＫよってビーティングノイズ
を減少させること及び、この目的のためにネオンガスの
同位体の混合気を用いることは本発明の重要な目的であ
る。

発明の概要 本発明は、がスレーデー特にヘリウム−ネオンがスレー
ーーの出力を最大にするだめの方法及び装置を提供す♂
。

レーデ−の動作の平衡状態で、飽和利得における高次モ
ードの連続的レーザー発光のために空胴内に不十分なエ
ネルギーを残すに十分な大きさの穴を焼くための各ＴＥ
Ｍｏ、モードを引き起こすミラー透過率を用いることに
よって、高次横モードが抑制される。この減少したミラ
ーの透過率は（従来技術のミラー透過率に比較して）、
ある穆度人為的にＴＥＭｏ。モードによる穴を焼きあけ
るための空胴・母ワーを増幅するように働き、また、高
次のモードのアパーチャのチョッピングオフ（ｃｈｏｐ
ｐ−ｌｎｇ　ｏｆｆ　）又はチョッピング（ｃｈｏｋｉ
ｎｇ　）に頼る必要がなく高次モードを抑制するように
働く。

本発明の出力は（高次横モードを抑制するために、ア・
ぐ−チャのチョッピングによる回折損を用いるもので、
比較できる長さの従来技術のレーザーと比較して）全体
的に増加される。

従来技術と比較したときの縦モードのスイーピング及び
出力の揺らぎの減少は、空胴内のガスの１つの同位体混
合気によって利得曲線を広げることによってなされる。

この利得曲線を広げることは、同位体混合気なしにレー
デ−発光できるモードの数と比較して、空胴内でレーデ
−発光できるモードの数を増加させる。それはレーデ−
の長さが短かくなるときに著しい利益となる。なぜなら
ば、空胴の長さが短かくなるに従って、空胴内でレーデ
−発光できるモードが少なくなるからである。本発明は
４インチ（１０，１６１）の長さのヘリウム−ネオンレ
ーデ−が商業的使用のために発展させることを可能にし
た。

本発明は空胴？アの周囲に磁石を必要とせずに、ヘリウ
ム−ネオンガスレーデ−における不要な赤外線のレーザ
ー発光の活動を抑制している。本発明は３．３９ミクロ
ンの赤外線遷移の超放射を高度に抑制する量で空胴内の
ピーク利得を減縮させることによ１りて、このことを成
し遂げる。ピーク利得における減縮は、ネオンガスの同
位体混合気を用いることＫよって得られる。

本発明はまた、より低い透過率（従来技術のミラー透過
率に比較して）のミラーを利用する。そのミラーは、３
．３９ミクロンの赤外線光子の遷移の利得の抑制におい
て、０．６３２８ミクロンの赤色光子の遷移を実質的な
助力となさしめる。

本発明はネオンガスに代る同位体の混合気を用いること
によってヘリウム−ネオンガスレーデ−内の分散による
周波数オフセットから生じるビーティングノイズを減じ
る。同位体混合気は、単一のネオン同位体を含むネオン
がスによって提供される利得曲線の数と比較して、利得
曲線の数を効果的に増加させ、同位体混合気の利得は単
一の同位体から構成されるネオンガスによって発生した
ビーティングノイズを効果的に実質的にキャンセルする
減少された振幅を提供する。

本発明のそのほかの目的は、以下の記載及び特許請求の
範囲から明らかとなろう。またその目的は、添付図面に
おいて図示されている。その図面は実例として本発明の
好適実施例及びその原理及びこれらの原理を応用するた
めに企図された最良の方式と現在考えられるものを示し
ている。同様又は等しい原理を具体化する本発明の他の
実施例が用いられてもよく、また、本発明及び添付した
特許請求の範囲から離れることなく当業者によって必要
に従って構造的変化が加えられてもよい。

好適実施例 第１図でヘリウム−ネオンがスレーデーが参照数字３１
によって示されている。

ヘリウム−ネオンがスレーデー３１１；ｔ、、がスレー
デーの出力を最大にするために本発明の方法及び装置を
利用したがスレーデーの１つの実施例である。

本発明の方法及び装置は、次のことによって出力を最大
化する。（１）高次の横モードを抑制する、（２）同位
体混合気によって利得曲線を広げ、空胴内でレーザー光
を発することができるモードの数を増やし、それＫよっ
て、空胴の長さへの熱効果から生じる縦モードのスイー
ピングのために起る出力損失の減少をさせる、（３）不
要な赤外線レーデ−活動を抑制する、及び（４）発散の
ためＫよる周波数オフセットに起因するピーティングノ
イズ（ｂｅａｕ■ｎｏｉｓｅ　）を減少させる。

これらの各々の効果を達成する本発明の方法を、上記し
た順番に従って以下に記載する。

第１図に示されているように、ガスレーデ−は同軸レー
ザーであって、外部チューブ３３、内部ピアチューブ３
５、カソード３７、アノード３９、端部ミラー４１と４
３及び前記ミラー間の空胴を有する。

ミラー４３Ｆｉ、！ロック矢印４５によって示されるよ
うに、レーデ−ビームの一部がミラーを透過するように
コーティングされている。

第５図に最も良く図示されているよう罠、デアチューブ
３５は相対的に小さな内径の内部ピアを有し、それは、
レーデ−活動が現われるガス媒体を制限する。

従来技術のレーデ−においては、このピアチューブの内
径隘高次横モードの抑制を補助するための光学アノクー
チャ（以下で第４Ｂ図から第４Ｅ図を参照して、よシ詳
しく記述する）としても利用されていた。しかし、本発
明の方法及び装置は、ピアチューブのアノ４−チャの効
果によって生じる回折損による高次横モードの制限を当
てＫする必要をなしＫ、所望の高次横モードの抑制を達
成する。

第２及び２Ａ図に図示されているように、もし高次゛モ
ードが制限又は抑制されなければ、各ＴＥＭｏ０軸モー
ドと同時に多くの横モードが存在できる。

第３図は、ＴＥＭ、。モードのみにおけるレーデ−発振
に対するビームの断面にわたる光強度のガウス分布を示
している。第４Ａ図は第３図のｘｙ平面上の光強度の７
ツトグリン）　（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ　）を示す平面図
である。第４Ａ図はまた、本発明に従って組み立てられ
たレーデ−に対する同じＸＹ平面に関して、メアチュー
ゾ３５の内部径４７を破線で示している。第４Ａ図で示
すように、本発明の方法及び装置は、ピアチューブ３５
の内径４７による如何なるチョッピング（ｅｈｏｐｐｉ
ｎｇ　）もなくＴＥＭｏｏモードの最大の光強度が得ら
れることを可能にする。

高次横モードの抑制は、従来技術においては問題であっ
た。高次モードとＴＥＭ、、モードとの関には、ある意
味で競合があった。例えば、ＴＥＭｏＩモードの原子ｉ
ＴＥＭ０゜モードを作るのに有効なエネルギーを減少さ
せるのに近い周波数をもつ原子と相互作用をする。その
結果、もし、高次モードが制限又は抑制されなければ、
第４Ｂから４Ｅ図に示された１つ又はそれ以上のフット
プリント（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ　）を作り出すように１
つ又はそれ以上の高次モードがＴ　Ｅ　Ｍｏ０モードと
同時に振動するであろう。

従来技術は、ピアチューｆ３５の内部径４７をア・ぐ−
チャとして用い、高次モードにおける回折損を提供し、
それＫよって、純粋なＴＦＭｏ。モードを提供する。こ
の従来技術の１つの欠点は、純粋な回折損メカニズムが
、ある程度Ｔ　ＥＭｏ。モードをもそこない得るという
ことである。もう１つの欠点は、レーデ−の出力が許容
できない範囲に制限される点まで？ア内部径の大きさを
小さくするようにチ叢−キング（ｃｈｏｋｉｎｇ　）す
ることなく、単に回折損によっては、完全にはＴＥＭｏ
、モードを除去できないということである。そのように
、従来技術においては、　ＴＥＭ、、モードの存在はレ
ーザーの多くの応用にとって望ましくはないが、僅かな
ＴＥＭｏ＋　Ｂ　十分なレベルの出力・平フオーマンス
ヲ得るために容認された。

本発明は回折損技術に頼ることな（ＴＥＭｏ、モードを
除去する。

本発明に従って、空胴出力は増幅され、ＴＥＭｏ０モー
ドに、より高次のモードの連続的レーデ−発光のために
、空胴内に不十分なエネルギーが残るに足る十分な大き
さの穴を焼あけさせる。これは、第７図と第６図の比較
によって最良に図示されている。

第６図は従来のレーザー構造に関する飽和利得曲線と不
飽和利得曲線の関係を示す。

第７図は本発明に従って構成され、動作するレーデ−に
関する飽和利得曲線と不飽和利得曲線の関係を示す。

第７図に図示されているように、各ＴＥＭ０゜モードは
飽和利得曲線をＴＥＭｏ＋モードが同時には存在できな
いレベルまで引き降ろしている。ＴＥＭｏｏモードによ
る飽和利得曲線のこの引き降ろしは、レーデ−空胴出力
の増加によって果され（第７図参照）、従来技術のレー
デ−の空胴出力（第６図参照）に比較したレーザー空胴
出力の増加は、従来技術に比較具て窓４３（第１図参照
）の透過率を減少することによって達成される。レーダ
ー空胴出力を増加することによって、近くの原子のエネ
ルギーを利用するために、ＴＥＭｏ、モードが振動又は
レーデ−発光するに十分なエネルギーが得られない４イ
ンドに各ＴＥＭｏｏモードがよシ大きく、より深く、よ
シ広い穴を焼く。

このようにして、ミラーを透過した光の量を減少させ、
それによって空胴内の出力を増加させるためにミラー４
３のコーティングを変えることによシ、レーデ−の全出
力は増加され、純粋なＴＥＭｏ。

モードが飽和利得におけるレーデ−の動作の平衡状態で
の動作の間提供される。なぜならば高次モードが抑制さ
れるからである。

本発明の特徴的実施例において、ミラー４３の透過率は
波長２０インチ（５０，８ｃｙＲ）で１５ミリワツトの
ヘリウム−ネオンガスレーデ−に対して０．８チから１
．５チである。この透過率のノや一七ンテーノは実質的
に伝統的設計のアグローチよシも低い（約半分である）
。

以下により詳しく記載するようＫ、ミラー４３の透過率
の減少は、ヘリウム−ネオンがスレーデー中の不要な赤
外線レーデ−活動を抑制することにも利益がある。

第８から１２図は、ヘリウム−ネオンガスレーザー中の
赤外線遷移及びその遷移の抑制に関する。

第８図は３．３９ミクロンの赤外線光子の遷移が、如何
にして０．６３２８ミクロンの赤色光子の遷移と同じ上
位エネルギーレベル状態を共有し、両方の遷移が同じ共
通の供給源の供給を競合するかを示すエネルギーレベル
ダイアダラムである。

この競合は出力の揺らぎを引き起こすことができ、それ
は、スムーズな０．６３２８ミクロンの動作のために３
．３９ミク凸ンの遷移を抑制するのに必要である。この
３．３９ミクロンの赤外線遷移を抑制する必要は、ヘリ
ウム−ネオンがスレーデーが高出力を出すように構成さ
れるに従ってよシ重要になる。

３．３９ミクロンの遷移を減少させる普通の従来技術は
、磁石を使用する。

第９図に図示されているように、外部空胴レーザー内の
ゲアに近づけて磁石を配置することは比較的容易である
。

しかし、同゛軸ゲアレーデーに磁石を使用することは実
用的でない。なぜならば、磁石を内部ゲアチーープに近
づけて置くことは実用的ではなく、また、第１図に図示
された種類の同軸がスレーデーにおいて、外部チー−プ
３３の外側に磁石が置かれるとき、極めて大きな磁石が
必要であるからである。

第１０図は、単体の同位体Ｎｅ　に対して、３．３９ミ
クロンの遷移のドクグラー幅が約２５０メガヘルツであ
るととを示す。

第９図に示された磁石によって生じた磁場は、ゼーマン
分裂を引き起こし、また、第１１図に示された方法で３
．３９ミクロンの遷移を広げるからである。この従来技
術の技法は、ゼーマン分裂を用いることによって３．３
９ミクロンの遷移を抑制している。

第１２図は、本発明の１つの実施例において、Ｎｏ”と
Ｎａ２１の同位体混合気が如何にして効果的に遷移を広
げ、また、０．６３２８ミクロンの遷移と競合する３、
３９ミクロンの遷移を減少させる複合利得が提供される
かを図示している。第１２図に図示されているように、
Ｎｅｔ２同位体に対する利得曲線の中央部は、Ｎ、２０
図位体に対する利得曲線の中央部から十分に遠く離れて
偏っており、赤外線遷移の超放射を高度に抑制する量に
よって複合利得のピーク利得を減少させている。このよ
うに３．３９ミクロンの遷移を消去する仁とによって、
赤色光子の０．６３２８ミクロンの遷移の出力の全てを
得ることが可能である。

本発明の同位体混合気は、空胴〆アに近づけて磁石を設
置する必要がなく赤外線遷移の利得を抑制する。

上で簡単に記載したように、本発明は不要の赤外線超放
射を抑制するために、ミラー４３のコーティング及び透
過率をも制御する。ミラーの透過が減少することによっ
て、本発明は従来技術と比較して空胴出力が増加する。

これは、３．３９ミクロンの赤外線光子に関し０．６３
２８ミクロンの赤色光子の競合エツジを強めて、３．３
９ミクロンの遷移を抑制する。その結果、本発明に従っ
て作られた同軸レーザーは、磁石を使わずＶＣ１０ミリ
ワット以上の出力を提供する仁とができる。

従来技術のへリウムーネオンレーデーで所望の出力を得
ることには、熱的環境変化によるレーザーの膨張又は収
縮に従って、縦モードのスイーピングという別の問題が
持ち上がる。この問題は、もしレーザーが比較的短かい
長さを有するとき特に深刻になる。

第１３及び１４図に示されるように、Ｎｅ　同位体は、
６３２８　Ａ’遷移の付近で１．５ギがヘルツのドツプ
ラー幅を有する。もしレーデ−がモードとモードの間が
１．５ギがヘルツ以上ある短かいレーザーであるならば
、別のモート°を空胴内に入れることなく、単一のモー
ドを空胴から掃き出すので、レーデ−の長さの熱的膨張
又は収縮は、出力の上方への１００９１（の変化を引き
起こす原因となる（第１４図参照）。

この縦モードのスイーピングの問題は、レーザーの長さ
が長くなるに従ってよう小さな問題となる。なぜならば
、第１５図に示されるように、２つのレーザーが同じｆ
ス構成を有すると仮定すると、短かいレーザーよりも、
より長いレーザー発光がよシ多くの軸モードを有するか
らである。このような、より長いレーデ−において現わ
れる平均化効果のために、より長いレーザーにおいては
モードのスイーピングの問題は深刻ではないが、一方、
まだ出力における望ましくない大きな変化を生じさせ得
る（第１６図参照）。

本発明に従って、利得曲線を広げ、レーデ−の長さが如
何なるものにおいても単一のネオン同位体ガスに関して
現われるよりも多くの軸モードをレーザー発光させるた
めに、ネオンガスに対し同位体混合気が用いられる。

第１７図は、同位体Ｎｅ”　’及びＮｖの等しい混合気
の使用が、６３２８Ａ’の０．９ギがヘルツの同位体シ
フトのために、いかに２つ又はそれ以上の軸モードレー
ザー発光（レーデ−空胴の長さに依存する）が可能にな
されるかを示す。従来技術の短い長さのレーデ−（第１
３図参照）に関して提供される利得曲線に比較して、本
発明に従った短い長さのレーザーの利得曲線（第１７図
参照）を広げることによって、縦モードのスイーピング
のために出力損失の実質的減少が現れる（第１８図と第
１４図を比較することによって示される）。

第１９及び２０図は、第１５及び１６図に似ているよう
に見えるが、よシ多くの軸モードのレーデ−発光と結果
として起こる従来技術と比較したときの出力変化の減少
を得るために本発明に従ってＮｏ”、Ｎａ２”混合気を
用いることによってなされる利得曲線の拡張の効果を示
している。

第２１から２８図は、発散のための周波数オフセットが
原因のビーティングノイズ（ｂ＠ａｔｉｎｇｎｏｉｓ・
）及びそのビーティングノイズを減少させる本発明の方
法及び装置に関する。

第２１図は単一の同位体Ｎｅ！Ｏの利得曲線を示し、第
２２図は分散子がいかにしてモードに対する余計な相を
対応する周波数に置くかを示している。

第２３及び２４図は、分散がいかにして冷たい空胴値（
第２３図参照）からのモードの間隔の変化を起こしてい
るか、また、いかにしてモードのりなシが出力にノイズ
を提供するかを示している。

そしてそのノイズは従来技術において、単一同位体、ヘ
リウム−ネオンガスレーデ−で大ざっばに１チであり２
〜３キロヘルツで６る。

第２５図は、本発明のＮｅ２０及びＮｅ２２の同位体混
合気に対する複合利得を示す。

第２６図は、Ｎ、ｔｏとＮｅｔ２の等しい混合気が、い
かにして効果的に分散効果を減少させるか（単一の同位
体から起こる第２２図の分散と比較して）を示す。

第２７図は、分散（本発明の同位体混合気による）のた
めに周波数オフセットが、第２３図に示された周波数オ
フセットよりもいかに小さいかを図示している。第２８
図は、ノイズ及び出力が本発明の同位体混合気によって
いかに減じられているか（第２４図に示されたビーティ
ングノイズと比較して）を示している。

本発明の同位体混合気は、多くのキャンセリングをもた
らし、また、！ッシング及び！リングは非常に減少され
、基本的に、出力は単一のネオン同位体を用いる従来技
術の出力よシも安定している。

本発明の好適実施例を図示し記述してきたが、これらは
変化及び変更が可能であると理解されるべきであり、そ
れ故、記載した正確な説明に限定されることは望まない
。しかし、添付の特許請求の範囲に入るような変化及び
変更を利用することは望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ヘリウム−ネオンガスレーデ−の同軸チー−
ゾの側面図である。そして、構造の詳細を示す部分断面
図である。第１図に示されたヘリウム−ネオンがスレー
チーは、本発明の方法及び装置が用いられたガスレーザ
ーの１つの実施例である。 第２図は、第１図に示された種類のガスレーザーのレー
ザー空胴内での振動の横モードに対する周波数対強度の
グラフである。 第２Ａ図は（第２図から第２Ａ図に矢印を引いて示した
）第２図の一部分の拡大図である。第２Ａ図は、与えら
れた周波数の関連したＴＥＭｏ、モードに関する高次の
横電気及び磁気（ＴＥＭよモード）の関係を示す。 第３図は、ＴＥＭｏ０モードにおいて振動しているレー
ザーのビーム断面にわたる光の強度のガウス分布の等角
図である。 第４Ａ図は第３図に示されたｘｙ平面上の平面図であり
、第３図のＴＥＭｏ。モードからの光のフットシリンド
を示し、また、そのフットゲリントに関ｔ、てレーザー
ボアチューブの内径の関係を示す。 第４Ｂから４′ＦＪ図は、第４Ａ図と同様の図であるが
、それらの図面の各々に示されたＴＥＭモードにおける
レーザー振動に対するビーム断面に関する光の強度の７
ツトグリントを示す。第４Ｃから４Ｅ図は特に１デアＩ
Ｄによって形成されたア・ぐ−チャが、従来技術におい
ていかにして回折損による高次モードの抑制に利用され
てきたかを示す。 第５図は、第１図に示されたレーザーのボアチューブの
部分の部分図である。第５図において、チ１−プの内径
によってもたらされるア・ぐ−チャの効果を図示するた
めに、ボアチューブが縦方向に半分に切断されている。 第６図は、ＴＥＭ、。及びＴＥＭｏ、モードの関係を示
し、これら両方の横モードの振動で働くがスレーデー内
における不飽和及び飽−和利得の双方に関して示してい
る。 第７図は第６図と同様の図であるが、本発明に従って構
成され動作されるレーザーにおいて、ＴＥＭ、、及びよ
り高次のモードを完全に抑制するに十分な利得を、いか
にしてよシ高いレーデ−空胴出力が飽和するかを示す。 本発明のこの実施例において、ミラー透過率は、高次モ
ードの連続的レーデ−発光のために、各モードが空胴内
に不十分なエネルギーを残すために十分大きな穴をあけ
ることを引き起こす量に匹敵している。 第８から１２図は、ヘリウム−ネオンガスレーザーにお
ける赤外線遷移及びその遷移の抑制に関する。第８図は
、３．３９ミクロンの赤外線光子の遷移が如何にして０
．６３２８ミクロンの赤色光子の遷移と同じ上位レベル
を分配し、双方の遷移が同じ一般の供給源の供給に対し
て競合するかを示す。 この競合はへリウムーネオンレーザーが大きな出力を出
すように構成されるとき、出力の揺らぎを引き起こし得
て、スムーズな０．６３２８ミクロンの動作のために３
．３９ミクロンの遷移を抑制する必要がある。 第９図は、ゼーマン分裂によって３．３９ミクロンの遷
移を抑制するために、ｆインチューブのそげに磁石が置
かれた従来技術を示す。 第１０図は、単一の同位体Ｎｅ”に対する３、３９ミク
ロンの遷移のドロツノや幅が約２５０メガＨｚであるこ
とを図示するグラフである。 第１１図は、Ｎｅ”　Ｉｃ対して、従来の磁石技術によ
って３．３９ミクロンでどれ程磁場がゼーマン分裂を引
き起こし、また、遷移を広げるかを図示するグラフであ
る。 第１２図は、本発明の１つの実施例において、Ｎｅ”と
Ｎ、！１の同位体混合気が、効果的に遷移を広げ、また
、３．３９ミクロンの競合を減縮する複合利得を如何に
生じるかを図示するグラフである。 第１２図に図示されているように、Ｎｅ”同位体に対す
る利得曲線の中央部分は、赤外線の遷移の超放射を高度
に抑制する量によって複合利得のピーク利得を減縮する
のに十分なほど（約７０メガＦｉｚ）Ｎｅ２０に対する
利得曲線の中央部分から離れて片寄っている。 第１３から２０図は、縦モードのスイーピングに関し、
また、縦モードスイーピングによる出力変化の減縮のた
めに本発明に従って出力曲線を広げるだめの方法及び装
置に関する。 第１３図はＮｅ”の同位体がどれ程６３３８Ａ０の遷移
の近くに１．５ギがＨＥのドロツノ９幅を有するかを示
すグラフである。 第１４図は第１３図と関連して、もしレーデ−が短かい
レーザーで、モードとモードの叩が第１３図に示された
１、５ギガＨｚのドロツノ９幅よシも広いとき、（熱環
境の変化によるレーザーの拡大又は縮小に従って）いか
に出力が１００％の上昇の変化をするかを示す。 第１５図はだいたいにおいそ第１３図のグラフに似てい
るが、第１３図のレーデ−よりも長い長さのレーザーに
対するものである。第１５図はレーザーの長さが長くな
るに従って、レーデ−発光においてより多くの軸モード
がある（第１３図における単一のモードに比較して、５
つのモードが第１５図に図示されている。）ことを示し
ている。 第１６図は、第１５図に図示されたより長い長さのレー
ザーの空胴の長さにおける変化は、出力において僅か２
〜３・ぐ−セントの°変化を生じ、そのため、第１３図
に図示されたより短かい長さのレーデ−の空胴の長さに
おける変化（空胴の長さの変化が１００％の出力変化を
生じ得る）のように決定的ではない。 第１７図は第１３図及び第１４図に図示されているもの
と同じ短かい長さのレーデ−に対する第１３図と同様の
グラフであるが、第１７図は同じＮａＮ３とＮｅ”の同
位体の混合気が本発明に従って用いられたとき、どのよ
うにレーザー発光の付加的軸モードを生じるかを示す。 第１８図は、レーザーの長さにおける変化につれてレー
ザー発光する複数モード（第１３図に示された単一モー
ドレーデ−発光に対比して）を有する第１７図の同位体
混合気に対する出力変動の実質的減縮を示す。 第１９図は第１５図に示された同じ長さのレーデ−に用
いたときの本発明の同位体混合気を示す。 第１９図は同位体混合気が利得曲線を広げるので、いか
Ｋより多くのレーザー発光の軸モードが本発明の同位体
混合気（与えられたレーデ−のどのような長さにも）が
得られるかを示す。 第２０図は本発明の同位体混合気を用いることによって
、いかに結果として出力変動が更に減少するか（第１６
図の出力曲線と比較して）を示す。 第２１から２８図は、分散のための周波数オ７セットが
原因のビーティングノイズ及びそのビーティングノイズ
を減縮する本発明の方法及び装置に関する。 第２１図は、ヘリワムーネオンがスレーデーにおける単
一の同位体Ｎｅ２０がスに対する利得曲線を示す。 第２２図は、分散が対応する周波数に設置されたモード
に対して、いかに余計な位相となるかを図示する。 第２３図は、分散がいかに冷えた空胴値からのモード間
隔の変化を引き起こすかを示す。 第２４図は、モードのビーティングがいかに出力にノイ
ズを起こすかを図示する。 第２５図は、本発明のＮ、２０とＮｅ”の同位体混合気
に対する複合利得を示す。 第２６図は（第２２図の単一の同位体から起こる分散と
比較して）、Ｎｏ”、及びＮｏ”の同じ混合気がいかに
効果的に分散の影響を減縮するかを示す。 第２７図は（本発明の同位体混合気による）分散による
周波数オフセットが、いかＫ、第２３図に示す周波数オ
フセットよシも小さいかを図示する。 第２８図は（第２４図に示されるビーティングノイズと
比較して）出力におけるノイズが、本発明の同位体混合
気によって、いかに減縮されるかを示す。 主要符号の説明 ３１・・ヘリウム−ネオンガスレーデ−３３・・・外部
チューブ ３５・・・内部〆アチューブ ３７・・・カソード ３９・・・アノード ４１．４３・・・ミラー ４５・・・内部ゲア 特許出願人　ス４クトラーフィノックスーインコーポレ
イテッｒ ＦＩＧ２ ＦＩＧ９ ＦＩＧ　／３　ＦＩＧ　／４ ＦＩＧ４・Ａ　ＦＩＧ４−８ Ｆ／６６ ７６７ ＦＩＧ、　／２ Ｉｏ　９　９ ＼　＼ ｙ　ＬＬ　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　がスレーデーにおいて高次横モードを抑制する方
   法であって、そのガスレーザーは２つの端部ミラーの間
   に空胴を有し、ミラーの１つがレーデ−ビームの一部を
   透過するようにコーティングされており、前記方法が、 ａ）レーザー動作の平衡状態で飽和利得における高次モ
   ードの連続的レーザー発光のためＫ、各モードが空胴内
   に不十分なエネルギーを残すのに十分な大きさの穴を焼
   きあける量となるミラー透過率を構成し、 ｂ）回折損によって高次モードの制限をすることなくレ
   ーザー発光作用を提供する、 ことからなる方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された方法であって、 前記がスレーデーがヘリウム−ネオンガスレーザーであ
   り、ミラー透過率が０８％から１．５−の範囲内にあり
   、それが高出力（１０ｍＷ以上）のへリウムーネオンレ
   ーザーのための伝統的な装置の約半分であるところの方
   法。 ３．２つの端部ミラーの間に空胴を有する種類のガスレ
   ーデ−において、縦モードスイーピングのための出力変
   化を減じる方法であって、該方法が、 ａ）縦モードスイーピングによる出力変化を減じるため
   に利得曲線を広げることからなり、該利得曲線を広げる
   ことが、空胴内のがスの１つの同位体混合気を用いて、
   該同位体混合気を用いずに空胴内でレーザー発光可能な
   モードの数に比べて、レーザー発光可能なモードの数を
   増しているところの方法。 ４　特許請求の範囲第３項に記載された方法であって、 がスレーデーがヘリウム−ネオンがスレーデーであり、
   また、混合気がヘリウム及びＮｅ　２０とＮｏ”の同位
   体の混合気であるところの方法。 ５．特許請求の範囲第４項に記載された方法でちって、 Ｎ１３の量とＮｏ”の量とが実質的に等しいところの方
   法。 ６、特許請求の範囲第４項に記載された方法であって、 前記がスレーデーが４インチ（１０，１６ａ＋＋）の最
   大炎を有し、前記同位体混合気が空胴内で少なくとも２
   つのモードをレーデ−発光させるように組成されている
   ところの方法。 ７、　ヘリウム−ネオンガスレーザーにおいて不要な赤
   外線レーデ−発光動作を抑制する方法であって、そのレ
   ーデ−は２つの端部ミラー間に空胴を有し、ま九、ｏ、
   ６３ｚｓミクロンの赤色の光子の遷移が３．３９ミクロ
   ンの赤外線光子の遷移と同じ上位レベル状態を分かち、
   同じ共着の供給源からの供給を競合しておシ、前記方法
   が、１）０．６３２８ミクロンの赤色光子遷移の利得に
   レーデ−動作で飽和利得における３、３９（クロンの赤
   外線光子遷移の利得を抑制させる量となるミラー透過率
   を構成する、 ことから成る方法。 ８、特許請求の範囲第７項に記載された方法であって、 赤外線遷移の超放射を抑制するためにピーク利得を減じ
   る工程を有し、該ピーク利得を減じる工程が、ある割合
   でＮｅ２０及びＮｅ２ｆｆｉの同位体の混合気を用い、
   その割合けＮｅ”同位体に対する利得曲線の中央部のＮ
   、２０同位体に対する利得曲線の中央部からの実質的偏
   りが、高度に赤外線遷移の超放射を抑制する量によって
   ピーク利得を減じるところの方法。 ９、特許請求の範囲第７項に記載された方法であって、 前記カスレーデ−がヘリウム−ネオンガスレーデ−であ
   シ、また、ミラー透過率が高出力ヘリウム−ネオンレー
   ザ−装置に関してＯ，Ｓ＊か、ら１，５チの範囲である
   ところの方法。 １０、ヘリウム−ネオンガスレーザーにおいて不要な赤
   外線レーデ−発光動作を抑制する方法であって、そのレ
   ーザーＬ２つの端部ミラー間に空胴を有し、また、０．
   ６３２８ミクロンの赤色の光子の遷移が３．３９ミクロ
   ンの赤外線光子の遷移と同じ上位レベル状態を分から、
   同じ共有の供給源からの供給を競合して゛おυ、前記方
   法が、＆）３．３９ミクロンの赤外線光子遷移の超放射
   を高度に抑制する量によって空胴内のピーク利得を減じ
   る工程からなシ、 該ピーク利得を減じる工程がネオンガスの同位体混合気
   を利用することからなる方法。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
   て、 前記レーザーがｌＯミリワットを超す出力を発生させる
   に十分な長さを有し、同位体混合気が空胴〆アの周囲に
   磁石を必要とすることなく赤外線遷移の利得を抑制する
   ように組成されているところの方法。 １２、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
   て、 前記ネオンガスの同位体混合気が、大体等しい量のＮｅ
   ”とＮｅｔｔとから成るところの方法。 １３、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
   て、 ０．６３２８ミクロンの赤色光子遷移の利得Ｋ、３．３
   ９ミクロンの赤外線光子遷移の利得の抑制において、実
   質的な助けとならせるの（十分低い量にミラー透過率を
   構成する工程を有するところの方法。 １４．２つのミラー間に空胴を有する種類のヘリウム−
   ネオンゴスレーザーにおける分散による周波数オフセッ
   トに起因するビーティングノイズを減じる方法であって
   、該方法が、 単一の同位体から構成されるネオンガスによりて生じる
   ビーティングノイズを実質的に効果的に消去する減じら
   れた分散振幅を同位体混合気の複合利得が提供するよう
   Ｋ、単一のネオン同位体から構成されたネオンがスによ
   って生じた利得曲線の数に比較して、利得曲線の数を効
   早的に増加させる量だけ、ネオンがスの同位体の混合気
   を用いる工程から成るところの方法。 １５．空胴及び空胴の各端部に反射ミラーを有し、ミラ
   ーの１つがレーデ−ビームの一部を透過すせ、前記レー
   デ−が回折損によって高次横モードを制限することなく
   抑制するように構成されているレーデ−であって、 −＞　回折損による高次モードの制限を防ぐのに十分な
   大きさの直径と、 ｂ）レーデ−動作の平衡状態で飽和利得において、各Ｔ
   ＥＭ０゜モードに高次モードの連続的レーデ−発光のた
   めに空胴内に不十分なエネルギーを残すのに十分大きな
   穴を焼きあけさせる量の透過率に匹敵したミラー透過率
   、とから成るレーデ−０ １６、特許請求の範囲第１５項に記載された装置であっ
   て、 前記がスレーデーかへリウムーネオンガスレーザーであ
   り、前記ミラー透過率が０．８チから１．５−の範囲で
   あるところの装置。 １７、がスレーデーでありて、 ａ）空胴であって、その各端部に反射ミラーを備えた空
   胴と、 ｂ）レーザーの動作中に縦モードスイーピングによって
   起こる出力損失を、利得曲線を広げることによって減じ
   る手段であって、該手段は、空胴内のガスの１つの同位
   体混合気を用いて、該混合気を用いずに空胴内でレーデ
   −発光可能なモードの数に比べて、レーザー発光可能な
   モードの数を効果的に増加させる構成を有する手段、 とから成るがスレーデー。 １８、特許請求の範囲第１７項に記載された装置であっ
   て、 前記がスレーデーがヘリウム−ネオンレーザ−であシ、
   混合気がヘリウムとＮｅ２０及びＮｔｓ２ｔの同位体で
   あるところの装置。 １９、特許請求の範囲第１８項に記載された装置であっ
   て、 Ｎｏ”の量が大体Ｎ・２！の量に等しいところの装置０ ２、特許請求の範囲第１８項に記載された装置であって
   、 前記がスレーデーが４インチ（ＩＱ、１６３）の最大長
   を有し、前記同位体混合気が空胴内で少なくとも２つの
   モードをレーザー発光させるように組成されているとこ
   ろの装置。 ２１、　ヘリウム−ネオンガスレーデ−であって、０．
   ６３２８ミクロンの赤色光子の遷移が３．３９ミクロン
   の赤外線光子の遷移と同じ上位レベル状態を分かち、同
   じ共有の供給源からの供給を競合してお勺、前記レーザ
   ーが不要な赤外線レーザー発光動作を抑制するように構
   成されており、ａ）へリウムーネオン混合気で満たされ
   た空胴と、 ｂ）該空胴の各端部に備わり、そのうちの１つはレーデ
   −ビームの一部分が透過するようにコーティングされて
   いる反射ミラーと、Ｃ）レーザー動作の平衡状態で飽和
   利得において、０．６３２８ミクロンの赤色光子の遷移
   の利づ且１ｒ　Ｑ　ウ　ｎ　ｓ　ｈ　＋　−／　／ｒＳ
   出Ｍ　童由怠ヱｎ）１１４７１　ｔｒｓ　４ｉ得を抑制
   させる透過率の量に匹敵したミラー透過率と、 かう成るヘリウム−ネオンがスレーデー。 η、特許請求の範囲第２１項に記載された装置であって
   、 前記ネオンガスＮ、！０及びＮ、１１同位体のある割合
   の混合気であり、その割合は、Ｎｅ１１同位体に対する
   利得曲線の中央部のＮｅ１０同位体に対する利得曲線の
   中央部からの十分離れた偏りが、高度に赤外線遷移の超
   放射を抑制する量によってピーク利得を減じるものであ
   るところの装置。 ２、特許請求の範囲第２１項に記載された装置であって
   、 前記ガスレーザーがヘリウム−ネオンがスレーデーであ
   シ、ミラー透過率が０．８％から１．５チの範囲内にあ
   るところの装置。 ２４、ヘリウム−ネオンガスレーデ−であって、０．６
   ３２８ミクロンの赤色光子の遷移が３．３９ミクロンの
   赤外線光子の遷移と同じ上位レベル状能冬ｌ；＋φ為本
   　固１−北右の砒鉛層値１ちの砒鉛を鶴合しており、前
   記レーザーが不要な赤外線レーザー発光動作を抑制する
   ように構成されており、−）　へリウムーネオン混合気
   で満たされた空胴と、 ｂ）該空胴の各端部に備わり、そのうちの１つはレーデ
   −ビームの一部分が透過するようにコーティングされて
   いる反射ミラーと、ｃ）３．３９ミクロンの赤外線光子
   遷移の超放射を高度に抑制する量によって、空胴内のピ
   ーク利得を減じるだめの手段でアラて、ネオンがスの同
   位体混合気を有する手段と、 から成るヘリウム−ネオンガスレーザー。 ２、特許請求の範囲第２４項に記載された装置であって
   、 前記レーザーが１０ミリワツトを超す出力を発生させる
   に十分な長さを有し、同位体混合気が空胴ゲアの周囲に
   磁石を必要とすることなく赤外線遷移の利得を抑制する
   ように組成されているところの装置。 ２、特許請求の範囲第２４項に記載された装置でありて
   、 前記ネオンガスの同位体混合気が、大体等しい量のＮ＠
   ２０とＮｅｔ２とから成るところの装置。 ２、特許請求の範囲第２４項に記載された装置であって
   、 ０．６３２８ミクロンの赤色光子遷移の利得に、３．３
   ９ミクロンの赤外線光子遷移の利得の抑制において、実
   質的な助けとならせるのに十分低い量にミラー透過率を
   構成することから成る装置。 ２８、分散による周波数オフセットに起因するビーティ
   ングノイズを受ける種類のへリウムーネオンガスレーデ
   ーであって、 ａ）ヘリウム−ネオンガス混合気で満たされだ空胴と、 ｂ）該空胴の各端部に備わシ、そのうちの１つはレーザ
   ービームの一部分が透過するようにコーティングされて
   いる反射ミラーと、Ｃ）分散による周波数オフセットに
   起因するビーティングノイズを減じるための手段であっ
   て、単一の同位体から構成されるネオンガスによって生
   じるビーティングノイズを実質的に効果的に減じる減じ
   られた振幅を同位体混合気の複合利得が提供するように
   、単一のネオン同位体から構成されたネオンがスによっ
   て生じた利得曲線の数に比較して、利得曲線の数を効果
   的に増加させる量だけ、ネオンがスの同位体の混合気を
   用いることからなる手段と、 から成る装置。