JPS6047755B2 - コヒ−レント放射ビ−ムを制御する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、囲いの作動領域でガス媒質から発生したコヒ
ーレント放射ビームを制御する方法に関する。

レーザ光線は、指向性の高いコヒーレント放射ビームで
あつて、長い距離にわたつて投射しても拡がりが少ない
。

レーザー光線は、空間コヒーレンスを持つているため、
小さな点に絞ることができる。それ故、極度にエネルギ
を集中させることができる。１９ｎ年１１月１４田こ許
された米国特許第３７０２９７３号（日本国特許第１０
１５６（６）号）には電子ビーム・レーザーが記載され
ている。

この特許は、比較的直径が大きくて圧力が高い放電式ガ
スダイナミック・レーザーを作動させる構造および方法
を記載しており、媒質としてＣＯ２を用いている。作動
領域において空間的に均一に制御した放電を行うために
、レーザーの光学的空胴共振器に壁を通して電離線（幅
の広い電子ビーム）を導入してガス媒質をイオン化する
ことによつてほぼ均一な所定密度を有する二次電子を発
生させると同時に、レーザーの作動領域全体にわたつて
均一であり、かつ所定の電子密度をほとんど増加させず
に作動領域における二次電子の平均エネルギを高めるよ
うに合わせた所定の電子温度を与える持続用電界を提供
する。支持用電界方向とレーザー光線方向とガス流方向
とは互に直交している。操作にあたつて、電子ビーム（
以下、単にＥビームと呼ぶことがある）発生器によつて
レーザー空胴共振器の外部で電離線が発生させられ、レ
ーザーの比較的大きな作動領域をカバーするに充分な断
面寸法を有する面積の大きい均一なビームを与える。

このような電子ビームを発生させるに適した構造が１９
７３年７月３１日付の米国特許第３７４９９６７号に記
載してある。電子ビームは、電子窓を通してレーザー空
胴共振器に、そして保持用電界で囲んだ作動領域に伝達
される。レーザー光学的空胴共振器の１部はその保持用
電界内に含まれている。前述の米国特許第３７０２９７
３号に記載されているような高エネルギ放電においては
、レーザー出力エネルギは保持区域への入力にほぼ比例
する。

保持区域はガス作動領域をはさんでアノード、カソード
を有し、レーザーの作動領域はこれらアノード、カソー
ドによつて構成される。レーザーを付勢するアノード、
カソード間ての放電は均一に維持されてレーザー作動に
必要なエネルギ状態の逆ポプユレーシヨンを与える。レ
ーザー出力が保持部への入力に比例するから、保持電圧
を制御することによつてこの出力を制御できる。この技
術は小型のガスレーザーに有効であつた。しかしなら、
大型のレーザー、特に出力を迅速に変えねばならないレ
ーザーではそれほどではない。比較的大きな電子ビーム
・レーザーでは、電極間の作動領域に投射された電子ビ
ームの密度は、電圧を一定に保ちながら制御される。し
たがつて、保持電流が変えられてレーザー出力を変える
。これは、順次、電離線によつて作動領域に生じたイオ
ン濃度に依存する。電離線はＥビーム・システムによつ
て発生させられるが、このシステムは電子窓を通してレ
ーザーの作動領域に投射される太めの電子ビームを発生
する外部電子加速装置である。

この装置では、カソードから発した電子がアノードによ
つて加速されて、レーザー作動領域に入る電子エネルギ
が加速用アノード電圧で決まる。普通、アノード電圧は
一定に保たれ、このアノードとカソードの間に設置した
制御グリッドの電圧が変えられる。このグリッドは、作
動領域に投射された電子ビームの密度を制御する。Ｅビ
ーム・システムでこの制御グリッドの電圧を急速に変え
ることによつてレーザー出力をかなり急速に変えること
ができる。したがつて、Ｅビーム装置と保持装置は四極
真空管に類似した要領で連動してレーザー出力を制御す
るのである。従来、上述のように構成され、そして作動
する電子ビーム式ＣＯ２レーザーは、零位式フィードバ
ック制御システムを包含している。

このシステムは、電子ビーム内の電流を検出し、これを
オペレータの予め設定した基準値と比較してその差に応
じた制御信号を発生する。この制御信号はＥビーム装置
の制御グリッドに与えられる。このフィードバック・シ
ステムは、特に電源電圧の変化等から生じる可能性のあ
る変動を補正するようになつているが、Ｅビーム電流の
振幅に影響を与える可能性のある電源の成分値その他の
要因で動揺する。その故、レーザー出力の動揺を正すこ
とがまつたくできず、レーザー出力光線を一定に保つて
乱れをほぼなくさなければならない場合とか、レーザー
光線を脈動させたりするなどで出力を急速に変化させね
ばならない場合とかには、思つたほど役に立たないので
ある。本発明によれば、囲いの作動領域においてガス媒
質から発生したコヒーレント放射ビームを制御する方法
が、囲いから出ようとするコヒーレント゛放射ビームを
阻止し、この放射ビームをそのエネルギに応じた電気フ
ィードバック信号に変換し、この信号を用いて囲い外部
から作動領域に導入された太い電子ビームを制御するこ
とによつてコヒーレント放射ビームの所望の制御を行う
ことから成り、太い電子ビームが媒質内で空間的に均一
な所定密度の二次電子を発生させ、かつこの電子ビーム
の平均エネルギが作動領域における電界によつて充分に
高められて前記所定の電子密度を高めることなくコヒー
レント放射ビームの放出を促すようになつている。

この方法は、光学系を用いてレーザー光線を周期的に阻
止し、この阻止された放射ビームを検出器に向けて光学
的減衰器を通して送ることによつて実施することができ
、この検出器は周期的に阻止されたレーザー光線のエネ
ルギに相当し、かつ阻止率に一致した一連のパルスから
成る電気信号を発生する。

これら連続したパルスはコンディショニング回路で組合
わせてもよく、レーザー光線のエネルギに比例した、実
質的に安定した信号レベルを生ずる。この信号レベルは
、オペレータの制御した基準信号レベルと比較して、Ｅ
ビーム装置を制御するのに用いる差信号を発生する。こ
の差信号は、増幅してＥビーム装置のグリッドに直接与
えてもよいし、あるいは、この信号を抽出するＥビーム
装置部分のところで遠隔送信機によつて遠隔受信機に伝
達して増幅し、Ｅビームのグリッドを制御してもよい。
本発明の方法を実施するための好ましい装置においては
、フィードバック●システムの光学部分−に関して、レ
ーザー光線はすべて回転輪の反射鏡部分によつて周期的
に採取される。

反射したレーザー光線は光学系においていくつかの大き
さの程度に減衰され、このエネルギに相当する信号を発
生する放射ビーム検出器に焦点を結ぶ、この光学．系に
は、鏡部分によつて反射させられた放射ビームのかなり
の部分を、レーザーの出力エネルギを示すパワーメータ
に向けるビーム◆スプリッタが設けてある。この好まし
い装置は、また、放射ビーム検出器。

からの信号を状態調整する信号状態調整用（コンディシ
ョニング）回路を包含する。一層詳しくは、検出器から
のパルス列は増幅器に容量結合され、その出力が全波整
流器に送られる。整流回路の出力部は濾波用コンデンサ
を有し、これは出力・信号をならしてほぼ安定した出力
レベルを発生させる。この出力レベルは、レーザー光線
の出力を示しており、レーザー光線に現われがちな電力
線周波数ハーモニツクスがほとんどない。次に、この出
力を基準信号レベルと比較してＥビーム装置を制御する
差信号を発生させる。このフィードバック制御システム
をレーザー光線の出力レベルの急激な変化（ビームを意
識的に脈動させる場合など）により迅速に応答させるた
めに、Ｅビーム装置から引き出されてそこの電流を代表
する信号は、好ましくは、微分し、平均化した信号に加
え、その総和を基準信号と比較する。

Ｅビーム電流の微分値をレーザー光線からの”平均化信
号に加える目的は、制御システムの過渡応答を改善する
ことにある。平均化過程が検出器よりも本来遅く、また
、平均化した信号がほぼ安定した作動の間レーザーを制
御するのにきわめて有効であるけれども、レーザー出力
エネルギの急激な変化に応答するには遅すぎるというこ
とに注意されたい。他方、Ｅビーム装置、一層詳しくは
Ｅビーム電流は直接レーザー光線を入切し、レーザー光
線よりもほんの少し先行しうるのである。それ故、Ｅビ
ーム電流の微分値と制御信号の総和はレーザー制御回路
を安定化し、実際に応答を迅速にする。本発明を充分に
理解できるように、以下添付図面で関連して説明する。
第１図のダイアグラムは、Ｅビーム発生器１と、保持装
置２と、レーザー作動領域２６と、それぞれ４，５で示
す光学的、電気的サブシステムを包含するフィードバッ
ク制御システム３と、Ｅビーム発生器に電力を供給する
高電圧電源６と、オペレータ操作入力部７と、フィード
バック・入力部組合わせ兼伝送回路８とを示している。

フィードバックとオペレータ操作入力部の目的は作動領
域２６のガス媒質を付勢するＥビーム発生器からの電子
ビームを制御するにある。入力部７からのオペレータに
よる入力信号および電気的フィードバック●サブシステ
ム５（以後、コンディショナ回路と呼ぶ）からの電気フ
ィードバック信号は回路８で組合わされてＥビーム・グ
リッド制御信号を発生させ、この制御信号はＥビームの
グリッドを制御するための高電圧電源６に送られる。第
１図に簡単に示したように、Ｅビーム発生器１は囲い１
０を包含し、この囲いは一端に真空バリア式電子窓１２
を有し、囲い内に発生した電子ビーム１３をこの窓から
放出させるようになつている。囲い内には、カソード１
４と、制御グリツド１５と、加速用アノード１６，１７
とが配置してある。これらには、シールド・ケーブル２
４内にある電線１９〜２２を経てＥビーム高電圧電源６
から電力が送られる。アノード１７は接地してあり、カ
ソード１４は地面に対して負であり、アノード１６の電
圧はこれらの間の或る値になつている。したがつて、カ
ソードから流出してアノード１６，１７間の加速用電界
に達した電子の密度は制御グリッド１５の電圧に依存す
る。アノード１６，１７間の加速電界によつて加速され
た電子は窓１２を突き抜けかなり均一なエネルギを持つ
た電子の太いビームとなる。このビームの密度はグリッ
ド電圧で決まる。電子ビームは、レーザーの作動圧力と
なつているガス状レーザー媒質を入れた短い空間２５を
横切つてドリフトする。

したがつて、電子ビームは囲い１０の真空からかなりの
ガス圧力の区域に出て、２６で示す作動領域に突入する
ことになる。この作動領域は保持用電極２７，２８間に
ある。これらの電極は、その間をレーザーガスが流れる
ように隔てられている。レーザーの光軸３０もこれらの
電極間にあり、レーザーのビーム方向、ガス流方向およ
びレーザー空胴共振器の光軸は相互に直交する。保持用
電極は保持用電源２９からの電圧を備えており、これら
の電極を横切つてほぼ一定の電圧が印加されており、こ
の電圧は入射電子ビームによつて作動領域で発生したイ
オン密度によつて決まるようなインピーダンスに依存す
る。Ｅビーム装置の制御グリッド１５の電圧は高電圧電
源６内に設置したグリッドバイアス制御回路３２で制御
する。

Ｅビームのカソード１４は、アースに対して負であり、
約７０ＫＶまたはこれ以上である。このカソードは高電
圧電源６内の７０ＫＶ電源３３の高電圧出力部に接続し
ている。Ｅビーム・グリッド１５も約７０ＫＶの負であ
り、グリッド制御回路３２で決まるグリッド電圧を与え
たり奪つたりする。カソードフィラメントはフィラメン
ト制御回路３４によつて制御され、加速用アノード１６
は回路３５によつて制御される。これら両回路は共に高
電圧電源６内にある。このように、グリッド、カソード
、カソードフィラメントおよびアノード加速を制御する
回路および７０ＫＶ電源はすべて高電圧電源の囲い３６
内に入つている。Ｅビーム制御グリッド電圧は、硬い銅
線を使わずに、グリッド制御回路に遠隔伝達される。

この目的のために、絶縁変圧器３７が囲い３６内の７０
ＫＶ電圧レベルとＥビーム発生器と外界との間に設けて
ある。レーザー光線３１のフィードバック●システムは
、光学的サブシステム４から始まる。

このサブシステムは、出力レーザー光線を間欠的に阻止
し、その阻止部分を光学的ビーム・スプリッタおよび減
衰器を通して光学式放射ビーム検出器に送る。この検出
器は電気信号パルスを発生し、各パルスは阻止されるレ
ーザー光線エネルギに比例する。放射ビーム検出器から
のパルスはフィードバック信号コンディショナ回路５に
送られる。

このコンディショナ回路は、これらのパルスに応答し、
本発明のいくつかの実施例では高電圧電源６からの他の
信号に応答してその出力部、すなわちライン５ａにほぼ
安定した電気信号レベルを発生する。このレベルはレー
ザー光線の安定したエネルギレベルに相当する。信号は
合成兼伝送回路８に送られて、オペレータ操作入力部７
のライン７ａからの信号と比較され、Ｅビーム・グリッ
ドを制御するのに用いる差信号を発生させる。合成兼伝
送回路８において、入力部７からのライン７ａの信号は
ＤＣ電源４１を制御し、これはオペレータの制御信号に
一致する基準制御信号をライン４１ａに発生する。

この基準信号は総合増゛幅器４２の作用によつてライン
５ａからの状態調整されたフィードバック信号と比較さ
れる。このようにして、総合増幅器の出力はフィードバ
ック信号と基準信号の差を反映する。この差信号は変調
器４３に送られ、オペレータ４４からの１０ＫＨ２信号
を増幅、変調するのに用いられる。変調された信号は増
幅器４５によつて増幅されてから、高電圧電源６内の絶
縁変圧器３７に伝送、あるいは直接与えられる。変調器
４３、増幅器４４および絶縁変圧器３７の一次側３７ｐ
は、遠隔送信器とｌ考えられる。この送信器の二次側３
７ｓに現われる１０ＫＨ，，変調信号はグリッドバイア
ス制御回路３２によつて復調されてからＥビーム制御グ
リッド１５に与えられる。回路３２において、変調１０
ＫＨ，，信号はブリッジ整流器によつて整流され、濾波
されてリプルを除かれ、Ｅビーム・グリッドに印加され
る７０ＫＶ電圧に加えられる。このようにして、閉回路
のフィードバック制御システムが形成され、レーザー光
線のエネルギをサンプルに採取してその信号を入力部７
の出力と比較し、差信号を発生する。次に、この差信号
がグリッド制御バイアス回路３２に送られて所望に応じ
てグリッド電圧を変え、レーザー出力を変えてこの差を
除く。電子ビーム・ガス流方向およびレーザー光学的空
胴共振器に関連した座標が第２図に示してある。

これらの方向はそれ相応に命名されている。ガス流と呼
ばれる方向へ装置を通つて流れるガス媒質は、たとえば
、適当な源（図示せず）から供給される１６％ＣＯ２、
３４％Ｎ２、５０％Ｈｅである。このガスは、レーザー
の鏡４６，４７によつて構成された光学的空胴共振器の
作動領域２６を通して送られる。レーザー、保持装置お
よびＥビーム発生器の詳細をさらに知りたければ、今ま
でに述べた特許を参照されたい。米国特許第３７０２９
７３号にも述べてあるように、Ｅビーム発生器囲い１の
内部は吸気されていてそこで太い電子ビーム１３が形成
され、制御される。

このビームは、窓１２の１部となつている綱状の導入プ
レート４８に投射される。プレート４８はステンレス鋼
等て作つてあつて、薄板４９で覆つてある。この薄板は
、囲い内部と区域２５の間の圧力差に耐えるに充分な構
造安定性を有し、しかも薄板を損傷するかも知れない余
分なエネルギ部分を吸収することなく電子を伝達する材
料で作つてある。窓１２から区域２５に出た電子ビーム
１３は綱状のカソードプレート２７を通過し、作動領域
２６に入る。

カソードプレート２７は金鋼で作つてある。この作動領
域において、電子エネルギは、対向したアノード、カソ
ードプレート２８，２７（保持用電源２９に接続してあ
る）の間の保持用電界によつて維持される。このように
して作動領域に進入した電離線は非常に低い電子温度の
二次電子源となり、前述の米国特許第３７０２９７３号
に充分に記載されているように放電による効率を高める
。

本発明によれば、電子ビームは、出力レーザー光線から
のフィードバックによつて制御され、順次これはレーザ
ー光線の出力エネルギを制御する。一層詳しくは、本発
明によれば、作動領域２６に侵入した太い電子ビームの
密度はＥビーム発生器１内で電気的に制御されるのであ
る。フィードバック閉回路は、オペレータ操作入力部の
信号によつて要求されたレベルで、レーザー光線のエネ
ルギを制御し、それを一定に保つように作用する。

フィードバック閉回路の光学的サブシステムは全出力ビ
ームを周期的に阻止してそれ”を放射ビーム検出器に送
ることによつてレーザー光線エネルギをサンプル採取し
、この検出器で発生した電気信号がフィードバック電気
信号を引き出し、それを入力信号と合成してレーザー出
力エネルギを制御する。この光学的サブシステムが第３
図に示してあり、これは１．８００ｒ″Ｐｍ同期モータ
５２で駆動されるスポーク輪５１から成る。この輪のス
ポーク５３に設けた鏡は、レーザー光線３１を阻止し、
その少しの部分、たとえば全出力エネルギの約３％を反
射する。この反射した光線部分５４は、すべて、ビーム
・スプリンタと同様に作用する孔明き鏡５５に送られる
。そのうちの少しの部分、たとえば、サンプル放射ビー
ム５４の約１％が鏡５５を通過して光線５４ａとなる。
この光線５４ａは、たとえば、最初のレーザー光線３１
のエネルギの３パーセントのさらに１パーセントであり
、綱状放射ビーム減衰器５６によつてさらに減衰され、
次にレンズ系５７によつてパイ口電気式放射ビーム検出
器５８に焦点を結ぶ。一方、レーザー光線サンプル５４
の大部分は多孔鏡５５によつて光線５４ｂとして示差熱
電対式パワーメータ５９に反射される。このパワーメー
タはレーザーのエネルギを観察するようになつており、
特に安定した平均値で作動していることを確かめるよう
になつている。ここで述べているような代表的な電子ビ
ーム式レーザーからのレーザー光線３１は環状である。

換言すれば、光線の横断面において、電磁線の強さは中
央で小さく、場合によつてはゼロであり、縁に向つて大
きくなる。さらに、代表的には、光線を横切る方向での
対応する点におけるエネルギ密度が異なつている可能性
がある。たとえば、光線の中央から環状縁に向つてエネ
ルギ密度が変わることもある。さらに、これらすべての
変化が一時的である可能性もある。したがつて、光線サ
ンブルが本当に全エネルギに相当するようにするために
、各サンプルは全光線を横断面に沿つて採取する。さら
に、全サンプルを多孔鏡５５の１部を通して送らねばな
らず、かつ鏡に均一に孔を明けて伝送部分５４ａがいか
なる場合にもサンプル５４の完全な代表となるようにし
なければならない。加えて、サンプルの伝送部分５４ａ
をスクリーン５６で均一に減衰し、残りの部分をすべて
パイロ電気式放射ビーム検出器５８の作動面に絞らねば
ならない。この検出器の表面積が数平方ミリメータ程度
の寸法となつていることに注意されたい。光学的サブシ
ステムについてのこれらの要件はサブシステムの概念お
よび実務分類においておよびシステムの各部分の設計時
にすべて考慮する。フィードバック閉回路全体において
考慮するもう１つの重要な要因は、パイロ電気式検出器
の作動面に当る放射ビーム５４ａの大きさが脈動変化し
、これらのパルスが二重こぶ形の波形を有するというこ
とである。

これはレーザー光線の横断面一が環状でありかつそれが
このようなパルスを発生させるようにサンプル採取され
るからである。したがつて、パイロ電気式検出器５８か
らの電気信号パルスは同じ二重こぶ形の波形を示す。検
出器５８からのパルスの二重こぶの理由が第５，６図に
示してある。

第５図はサンプル採取用輪のスポークの１つと出力レー
ザー光線３１の拡大図である。サンプル採取用車輪（第
４図にも示す）は１７！Ｘ，のスポークを有する。別の
言い方をすれば、開口６０のような１２個の等しい開口
を有する。車輪が回転すると、これらの開口を通してレ
ーザー光線３１が投射される。開口は、光線１３と一致
したときに、光線が完全に阻止されることなく通り抜け
るに充分な大きさとなつている。車輪のスポークすなわ
ち開口の数、車輪の回転速度およびレーザーの電気部分
を付勢する電力の周波数の関係を以下に述べる。第４，
５，６図を再び参照して、車輪の各スポークは放射ビー
ム反射器６１を支持している。

反射器はスポークにおいて半径方向に延びており、レー
ザー光線の波長の光を高度に反射する材料で作つてある
。たとえば、レーザー光線の波長が１０．６ミクロン程
度であれば、反射器を銅、銀、銅メッキ銅で作つてもよ
い。これらは、ほんの少しの適当な材料の例である。明
らかに、車輪全体をこの材料で作つてもよい。スポーク
は各々光線の１部を反射して光線５４とする。スポーク
上の反射器は、それが光線を横切つたときにその全寸法
にかかるに充分な長さとなつている。

たとえば、レーザー光線の反射角すなわち部分５４の変
位が９０度の場合、車輪はレーザー光線３１の方向に対
して４５度の角度で設定される。それ故、反射器はレー
ザー光線の光軸に対して４５度となり、反射器の長さが
レーザー光線の横断面寸法よりも大きくなり、放射器が
レーザー光線を横切つたときにそれによつてすべての光
線が阻止される。反射器は光学的に平らであつて鋭い縁
を持つていて、すべての反射光を光線部分５４の円錐形
の中に入れるようにしなければならない。

高電圧電源６を付勢する電力および保持用電源２９を付
勢する電力を６０サイクルの主電源から引いてある場合
には、スポーク輪が６０サイクルのサブハーモニックで
回転するのが好ましい。

たとえば、このスポーク輪は同期モータ５２によつて１
．８００ｒ′Ｐｍで駆動されうる。レーザー光線が電源
電圧周波数（電力線周波数とも呼ぶ）の成分を含んでい
るので、車輪速度が電源電圧周波数のサブハーモニック
であることが好ましい。車輪を駆動するモータ速度はサ
ブハーモニックでない場合、うなり周波数が反射光線５
４に現われる。多孔鏡５５は磨いた銅板であり、これに
孔を穿つて出力レーザー光線からのサンプル光線５４の
・或るものを通過させる。

この鏡を通れなかつた光は散乱するかあるいは吸収され
、または遅く作動する熱電対式検出器５９に反射される
。鏡５５の多孔銅板６５の断面図が第７図に示してある
。銅板はその磨いた面６６に対して４５度のサンプル光
門線５４を阻止する。銅板の孔は全体を通じて均一な寸
法および分布の削り孔６７である。明らかに、光線５４
ａとして銅板を通過する入射光線５４の線量は銅板が入
射光線となす角に依存し、さらには孔の密度および孔の
寸法に依存する。銅板ノは光学系にしつかりと装着して
あると好ましいが、寸法安定性を維持するために冷却し
てもよい。代表的には、入射光線５４の線量の約１パー
セントがこの銅板を通過し、同量が散乱し、約２パーセ
ントが吸収される。それ故、大部分が光線５４ｂとして
比較的遅く作動する熱電対式検出器に反射する。多孔鏡
を通過した光線５４ａは一続きの細かい目のスクリーン
５６によつてさらに減衰される。

このスクリーンは、たとえば、相互に周縁をはんだ付け
して２つの銅リング６３，６４の間にはさまれたステン
レス鋼の３枚のスクリーン５６ａ，５６ｂ，５６ｃから
成る。これら３枚のスクリーンの綱線は互に６０度回転
していてもモワレ模様の発生を防止している。銅リング
６３，６４を冷却してスクリーンの寸法安定性を確保し
てもよい。レーザー光線が約１０．６ミクロンの波長で
ある場合、スクリーン綱目はインチ当り５０本のワイア
があるものでよい。多孔鏡５５およびスクリーン５６は
約３つの大きさ順序で出力レーザー光線のサンプル５４
を減衰する。

たとえば、出力レーザー光線の力が２０ＫＷである場合
、その６ワット分を伝達する多孔鏡に衝突する。この６
ワットがスクリーン５６によつて約１ワットよりも減ら
されるので、パイ口電気式検出器５８に焦点を結ぶ光線
は約１ワットよりも少ない。凸レンズまたは平凸レンズ
５７が、多孔板５５およびスクリーン５６を通つてきた
光線をパイロ電気式検出器５８の面に集中させる。レン
ズを作つている材料は焦点を結ぶべきレーザー波長に対
して透明でなければならない。赤外線レーザーの場合、
セレン化亜鉛で作つたレンズでも役に立つ。検出器の作
用面積は約１呼方センチメートル、すなわち１紛の１平
方センチメートルである。それ故、検出器に達するエネ
ルギは．平方センチメートル当り約１０ワットである。
この場合、検出器の温度はその関数が非線形になる温度
以下に保たなければならない。そのために、検出器に冷
却フィン（図示せず）を取付けて空気流て冷却する。次
に第９図に目を転じて、ここにはフィードバック・シス
テムの電気的部分の概略を示す電気ブロックダイアグラ
ムが示してあり、これは第１図にも示すように信号コン
ディショナ回路５と入力合成兼伝送回路８の部分を包含
する。

これらの回く路は３つの入力に応答する。すなわち、第
１にパイロ電気式検出器５８からの入力、第２のレーザ
ー光線出力エネルギを設定するオペレータ操作入力部７
からの入力、第３にＥビーム電流に相当しかつ７０ＫＶ
電源３３から導入しうるＥビーム・システムから引き出
された信号である。これらの信号の性質およびそれらが
フィードバック・システムの電気的サブシステムによつ
て合成される方法を以下に説明する。検出器５８のイン
ピーダンスは高い。

検出器から他の回路構成要素までのケーブルがかなり長
く、ケーブル●キャパシタンスがかなりのものであつて
出力信号レベルを減じる検出器に負担をかフけることに
なるので、インピーダンスが高いことは重大である。こ
の問題を解決するために、検出器の出力はそれに接近し
た前置増幅器７１に直接送られる。この前置増幅器は検
出器と、検出された信号を搬送するケーブル７２の間に
バッファと７して作用する。それ故、このケーブルが検
出器に負担をかけてその信号レベルを低下させることが
ない。前置増幅器７１は、特性として高い入力インピー
ダンスおよび低い出力インピーダンスを有する普通の演
算増幅器てある。検出器からの信号ノは、スポーク反射
器６１がレーザー光線３１を横切るたびに１つずつ発生
する一連のパルスから成る。これらのパルスの形状は第
５，６図を参照すればわかる。レーザー光線が環状（多
少とも中空である）であるので、細長い鏡６１がレーザ
ー光線を横切るにつれて、線量が変り、反射したレーザ
ー光線５４はパルス状になり、これらのパルスが第６図
に示す特性形状となる。

一層詳しく言えば、これらのパルスはその最初に１つ、
終りに１つという具合に２つのこぶを持つことになる。
これは、パルスの初めと終りに鏡によつてより多くの光
線が阻止されるからである。さらに、光線の横方向の対
応する点でのエネルギ密度が異なつており、かつ変わる
からであり、またこの変化が一時的なものでもあるから
である。これら阻止されたレーザー光線、したがつて反
射光の特性についてはすでに説明した。その結果、検出
器５８の出力パルスが均一でなくかつ各パルスが対称的
でもないということになり、検出器からの代表的なパル
スシーケンスは第１０図に示すようなものとなる可能性
がある。これは、レーザー光線に１時的で空間的な強さ
の変動があつたにしてもレーザー光線エネルギが安定し
ているときには安定する。パルスからの信号を導びくこ
とになる。このために、普通の平均化回路７３が設けて
ある。この平均化回路７３の効果は第１０，１１図に示
してある。第１０図の点７２に波形がある。その平均電
圧は、出力増幅器７１が平均化回路７３にＡＣ結合して
あるので、ゼロである。増幅器７１には結合コンデンサ
（図示せず）が組込んである。この信号は、原想に近く
て平均化回路７３に組込んだ全波整流器に送られる。第
１１図は濾波コンデンサ（７３に組込んだ）を除いた場
合の平均化回路出力の波形である。

濾波コンデンサを取付けた場合には、かなりなめらかな
りＣレベルを得る。それ故、出力レーザー光線がＥビー
ム電流の変化に応じて上昇すると同時に、検出器５８か
らのパルスの大きさも上昇するので、平均化回路からの
出力ＤＣ信号レベルが上昇する。

平均化回路の応答はシステムの他の部分の応答に比べて
本来遅い。明らかに、平均化回路はシステムの他の部分
と同様の速さで反応できない。そうなつた場合、レーザ
ー光線が、検出器からのパルス列の定格周波数、あるい
はもつと高い周波数で振動するであろうからである。平
均化回路の目的の１つは、検出器からのパルスの定格周
波数を除くことにあるのである。平均化回路の応答速度
が比較的遅いということは、レーザー光線出力エネルギ
があるレベルから別のレベルに急激に変化したときに、
平均化回路からのＤＣ信号レベルがこの変化に直ちに従
はないということを意味する。

それ故、レーザー・システムの過渡的な動作の最中（レ
ーザーの出力レベル意識的にあるレベルから別のレベル
に変えられた場合等）には、平均化回路からのフィード
バック信号は不適当なものとなる。不適当なフィードバ
ック信号を総合増幅器４２によつて入力部７からの入力
制御信号と比較すれば、必要以上のＥビーム電流を要求
するＥビーム装置への制御信号を発生させることになり
、そうすれば、全システムが過負荷となつて、おそらく
はシステムの時定数に依存した安定状態に振り戻ること
になろう。レーザー出力エネルギの急激な変化によるこ
の過負荷傾向は、平均化回路７３の出力部にＥビーノ、
電流の微分値を加えることによつて補正される。このた
めに、Ｅビーム電流に担当する信号をＥビーム装置から
抜き出す。これは電源インピーダンス３３ａを横切つて
取り出す。第１図参照。このＥビーム信号はコンディシ
ョナ回路５の普通の非逆転式バッファ増幅器７５に送ら
れ、この増幅器の出力は図示したように簡単にコンデン
サ７７および抵抗器７８から成る普通の微分回路７６に
よつて微分される。たとえば、Ｅビーム電流が波形８１
を表わされる急激な変化を生じた場合、微分値は波形８
２で表わされる。その間、平均化回路７３からの出力信
号は波形８３のように現われることになる。明らかに、
微分信号（波形８２）は平均化回路からの信号の逆であ
り、したがつて、総合増幅器８５において２つの信号を
総合することによつて、過渡状態でＥビーム電流のステ
ップ関数（波形８１）に近く、光線の空間的一時的変動
の影響を受けない安定した作動状態のときの安定信号と
もなる状態調整されたフィードバック信号が生じる。こ
のフィードバック信号を発生する総合増幅器８５は、高
き入力インピーダンスと低いインピーダンスを有する普
通の演算増幅器でもよく、総合入力の相を逆にしたもの
であつてもよい。

これの出力は別の演算増幅器８６に送られて相を再び逆
転し、したがつて、平均化回路７３からの信号に相逆転
がないことになり、増幅器８６の出力が合成伝送回路８
の普通の総合増幅器４２の入力の１つに送られる。この
総合増幅器はいくつかの入力部を持ちうる。１つの入力
部は増幅器８６から入力抵抗器８７に送られる状態調整
剤のフィードバック信号のものであり、もう１つの入力
部は入力゛部７から入力抵抗器８８に送られるオペレー
タ操作による入力信号のものである。

他の入力部としては、可変ポテンショメータ８９から入
力抵抗器９１へのオフセット入力およびスタンバイ信号
発生器９２から入力抵抗器９３に送られるホールド・オ
フ信号のものがある。オフセット信号の目的は、他の入
力信号のいずれかに現われる望ましくない小さなりＣ電
圧を補正するにある。

スタンバイ信号の目的は、総合増幅器へのすべての信号
を抑えて高電圧電源６（第）１図参照）において制御回
路３２によつて発生したＥビーム装置のためのグリッド
バイアス制御電圧を遮断し、そこへまつたく電流が流れ
ないようにするためのものである。たとえば、レーザー
・システムが待機状態にあるときには、Ｅビーム電流を
除いてすべてのシステムが付勢されているのが望ましい
からである。次に、レーザーを始動させたとき、ホール
ドオフ信号が除かれ、オペレータ操作による入力信号に
よつて要求される値までＥビーム電流が増大する。明ら
かに、オフセット信号およびホールドオフ信号は本発明
を実施している特定のレーザー●システムの動作に付随
するものであり、或る場合には省略してもよい。インデ
イシヨナ回路５の任意部品として、演算増幅器９６ある
いは総合増幅器８５から増幅器８６へ状態調整済のフィ
ードバック信号を送るスイッチ９５がある。このスイッ
チは２つの位置、回路閉位置ＣＬと回路開位置０Ｌの２
つである。閉位置において、総合増幅器８５からの状態
調整済のフィードバック信号は総合増幅器４２に送られ
、前述したようにフィードバック●システムが完全に有
効となつてレーザー光線の制御を安定化する。スイッチ
が開位置にあるときには、光学的サブシステム４および
コンディショナ回路５を含むフィードバック●システム
はバイパスされ、Ｅビーム電流センサ（第１図に示すイ
ンピーダンス３３ａ）からの信号は増幅器８６を通して
直接総合増幅器４２に送られる。増幅器９６の目的はＥ
ビーム電流信号の二回目の逆転をなすにある。開いたフ
ィードバック回路はレーザー光線のエネルギを無視し、
Ｅビームシステムそのものからのフィードバックのみを
用いて系の真の出力にかかわりなく制御を行なおうとす
る。それ故、このときのフィードバックは閉じていると
きよりは効果が少ないが、閉じた回路系に故障があつた
場合バックアップ・フィードバック制御信号として与え
られうる。総合増幅器４２は普通の演算増幅器であつて
、第１２図に示すように少なくとも１つの増幅器９７に
行く前述の多数の入力インピーダンスを包含．する。

出力部は第１図に示すようにＥビーム装置のグリッド１
４のバイアスを直接制御する。すでに述べた理由のため
に、増幅器４２の出力部は、好ましくは、硬い銅線によ
つてはグリッドバイアス制御回路３２に接続していない
。この回路が高一電圧なので、それから絶縁してあると
好ましい。それ故、第１図に示したように、総合増幅器
４２の出力はそれぞれを１０ＫＨ７信号に変調する変調
器４３にまず送られ、変調した信号は増幅器４５によつ
て増幅されて変圧器３７の一次側巻線３７ｐを横切つて
与えられる。変圧器３７の二次側巻線３７ｓはグリッド
バイアス制御回路３２に直接接続し、総合増幅器４２か
らの出力信号に等しいグリッド電圧のバイアス信号を与
える。このようにして、状態調整したフィードバック信
号とオペレータ操作入力部信号の微分信号がＥビーム電
流密度を制御する。２つの信号が等しいとゼロが発生し
、これはレーザー光線が入力信号によつて要求”される
エネルギレベルにあることを意味する。

状態調整したフィードバック信号が入力信号を越えると
、微分信号がＥビーム密度を減じ、これは順次レーザー
光線出力エネルギを減じる。入力信号がフィードバック
信号を越えると、Ｅビーム密度が増大し、レーザー光線
出力エネルギをそれが入力信号の要求するレベルに達す
るまで増大させる。第１２図に注意を向けて、フィード
バック・システムの電気的部分の別の実施例をブロック
ダイ″アグラムで示してあり、これは第１図のコンディ
ショナ回路５および合成伝送回路８の部分を含んでいる
。

第９図と同様に、これらの回路は３つの入力、すなわち
、パイロ電気式検出器５８からのもの、レーザー光線出
力エネルギを設定するオペレータ操作入力部７からのも
のおよびＥビーム電流に相当するＥビーム●システムか
らの信号（７０ＫＶ電源３３からも導びきうる）の３つ
の入力信号に応答する。これらの信号の性質およびそれ
らをフィードバック●システムの電気的サブシステムに
よつて合成するやり方を以下に説明する。検出器５８が
高いインピーダンスを有しかつその出力信号を他の要素
に送るのにかなりの長さのケーブルを必要とするので、
検出器５８の出力信号は増幅器１０１に送られ、この増
幅器はバッファとして作用しかつ高い入力インピーダン
スおよび低い出力インピーダンスを有する。この増幅器
１０１の出力信号は比較回路１０２とサンプル・ホール
ド回路１０３の両方に送られる。任意の適当な源（図示
せず）からの別のゲート信号も比較回路１０２に送られ
、増幅器１０１からの出力信号が所定値以上の場合には
、サンプル・ホールド回路１３がオン状態になる。この
サンプル●ホールド回路１０３の出力信号は、ゲート信
号よりも２ほど大きい時定数の平均化回路１０４によつ
てなめらかになる。先に指摘したように、検出器５８の
出力は一連のパルスである。

しかしながら、サンプル・ホールド回路１０３の出力信
号は、本質的に、比較的急激に変化するＤＣ電圧であり
、これは各パルスの端に小さなたるみを有する一連の長
いパルスを包含する。このたるみは平均化回路１０４に
よつて減らされる。これらの長いパルスの各々はサンプ
ル採取時のレーザー光線エネルギを反映する。したがつ
て、サンプル・ホールド回路１０３の出力は、ほんの数
ミリ秒だけレーザー出力エネルギよりも遅れて続くレベ
ルのほとんど直接の電圧環境を表わしている。サンプル
・ホールド回路１０３の出力は、電源インピーダンス３
３ａからの信号およびオペレータ操作入力部からの信号
と共に、総合増幅器１０５に送られる。インピーダンス
３３ａからの信号は０．１秒よりも小さい時定数を持つ
た過渡的な信号であり、安定化に役立つと共にレーザー
の作動時に生じる可能性のある動力過渡現象を防ぐのに
効がある。平均化回路１０４によつて代表されるフィル
タは約２つのサンプル採取パルスにわたつて積分するに
充分に広くなつているのが好ましい。

制御回路の時定数が約０．％秒になつている場合、レー
ザーの電源に対する反応時間はほぼ最適なものとなり、
このような状態の下にレーザー出力エネルギはオペレー
タ制御回路て正確に制御できかつレーザー作動状態のド
リフトや主電源の変動と無関係に光学的エネルギによつ
て約０．１秒よりも少ない時間でオン・オフできる。制
御精度は約±３．０パーセントである。さらに、レーザ
ー光線出力エネルギはライン周波数がたとえ変化しても
一定となる。本発明の方法を、レーザー光線の出力エネ
ルギを検出するフィードバック●システムによつて電子
ビーム保持式レーザーの出力の制御に応用して説明した
。

ここで述べた電子ビーム保持式レーザーの詳細およびフ
ィードバック●システムの光学的および電気的構造の細
部は本発明の理解の助けとすべく例として示したもので
あり、本発明をこれに限定する意図はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する装置を示すダイアグラ
ム、第２図は電子ビーム式レーザーの作動領域における
電子発生方向、ガス流方向およびレーザー方向を説明す
る図、第３図はエネルギを検出してフィードバック信号
を発生せるためにレーザー光線の１部を阻止するフィー
ドバック●システムの１部となつている光学系を示す概
略図、第４図は光学系のスポーク式反射輪の正面図、第
５図は入射レーザー光線を示す車輪の反射スポークの拡
大図、第６図は光学系のパイロ電気式検出器によつて生
じた電気信号の波形を示す図、第７図は光学系の多孔鏡
の断面図、第８図はレーザー光線の強さをいくつかの段
階で減じるためのスクリーン式減衰器を示す部分断面図
、第９図はフィードバック●システムの１部である電気
システムのブロックダイアグラム、第１０図は検出器の
前置増幅器からの出力信号の波形を示す図、第１１図は
検出器からの信号を状態調整する電気システムの平均化
回路からの波形出力を示す図、第１２図は検出器信号を
伝送する別の電気回路のブロックダイアグラムである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 囲いの作動領域においてガス媒質から発生したコヒ
   ーレント放射ビームを制御する方法であつて、前記囲い
   から発するコヒーレント放射ビームを阻止し、この阻止
   した放射ビームをそのエネルギに相当する電気的なフィ
   ードバック信号に変換し、このフィードバック信号を用
   いて前記囲い外部から前記作動領域に導入された太い電
   子ビームのみを制御することによつて前記コヒーレント
   放射ビームの所望の制御を行うことから成り、前記太い
   電子ビームが前記媒質において空間的に均一な所定の密
   度の二次電子を発生し、この二次電子の平均エネルギが
   前記作動領域の電界によつて充分に増大させられて前記
   太い電子ビームによつて発生した前記所定の電子密度を
   高めることなく前記コヒーレント放射ビームの放出を促
   し、前記電子ビームが前記電界から独立して制御される
   ことを特徴とする方法。 ２ 前記電気的フィードバック信号が電気入力信号を組
   合わせて用いられて前記太い電子ビームを制御すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項の方法。 ３ 前記太い電子ビームが前記フィードバック、入力信
   号の差に従つて制御されることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項の方法。 ４ 前記電気的フィードバック信号が、前記コヒーレン
   ト放射ビームをほぼ規則的な間隔で阻止することによつ
   て発生したパルスから導かれることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項の方法。 ５ 前記コヒーレント放射ビーム全体が阻止されること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 前記コヒーレント放射ビームがその横断面積よりも
   かなり小さい面積を有する鏡によつて阻止され、前記コ
   ヒーレント放射ビームの横断面積のすべての部分が鏡に
   よつて阻止されることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項の方法。 ７ 阻止された放射ビームが、鏡によつて、そのエネル
   ギを前記フィードバック信号に変換する放射ビーム反応
   装置に反射させられることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項の方法。 ８ 放射ビームパルスから導かれる電気フィードバック
   信号が、当初、前記コヒーレント放射ビームの強さに一
   致するレベルでこのフィードバック信号をほぼ安定させ
   るように平均化された電気パルスから成ることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項の方法。 ９ 前記電気パルスの平均化が電気的な整流によつて行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第８項の方法
   。 １０ 整流の前に電気パルスから直流成分を電気的に除
   くことを特徴とする特許請求の範囲第９項の方法。 １１ 前記太い電子ビームのエネルギに相当する信号が
   時間に関して微分され、安定したフィードバック信号と
   組合わされて状態調整したフィードバック信号となり、
   この信号が入力信号と組合わされたフィードバック信号
   であることを特徴とする特許請求の範囲第８項の方法。 １２ 前記コヒーレント放射ビームの阻止が、規則的な
   間隔で、放射方向に対して傾斜した反射面を有する少な
   くとも１つの反射器によつて行なわれ、反射された放射
   ビームのすべてが光学的に阻止され、この阻止された反
   射放射ビームの空間的に均一な部分が電気信号変換器の
   放射ビーム反応部分に焦点を結ぶように送られ、の変換
   器が放射ビームのエネルギを前記コヒーレント放射ビー
   ムのエネルギに一致した第１の電気信号に変換し、この
   第１電気信号と前記太い電子ビームの強さの変化に対応
   する時間微分信号とが前記コヒーレント放射ビームの所
   望エネルギに相当する入力信号と合成されて第２の電気
   信号を発生し、この第２電気信号が前記入力信号と合成
   されて、前記コヒーレント放射ビームのエネルギを制御
   するのに用いる差信号を発生することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項の方法。１３ 前記反射器の反射面が
   前記コヒーレント放射ビームを横切つて移動して阻止中
   に前記コヒーレント放射ビームの横断面に沿つた各部分
   がこの反射面に衝突することを特徴とする特許請求の範
   囲第１２項の方法。 １４ 多数の反射器が均一な間隔で設けてありかつ空間
   的に駆動されてそれぞれの反射面が前記コヒーレント放
   射ビームを横切つて連続的に移動し、それを規則的な間
   隔で反射して前記変換器に焦点を結ばせることを特徴と
   する特許請求の範囲第１３項の方法。 １５ 前記反射器が車輪のスポークに設置してあり、あ
   る軸線のまわりに回転駆動され、これらの反射器がこの
   軸線に対して半径方向に向いており、反射器の回転速度
   および反射器の数が変換器に焦点を結ぶ放射ビームの間
   隔を決めることを特徴とする特許請求の範囲第１４項の
   方法。 １６ 第１電気信号が、前記軸線まわりに反射器の回転
   速度によつて決定されるパルス定格周波数を有するパル
   ス列として発生することを特徴とする特許請求の範囲第
   １５項の方法。 １７ 前記コヒーレント放射ビームを阻止するほぼ規則
   的な間隔が動力ライン周波数の正確な倍数となつている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項の方法。 １８ 変換器に焦点を結ぶ放射ビームのエネルギが阻止
   されたコヒーレント放射ビームのエネルギの少ないパー
   センテージとなつていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１６項の方法。 １９ 変換器としてパイロ電気式検出器が用いられ、そ
   こに焦点を結ぶ放射ビームのエネルギがこの検出器の過
   剰な加熱を生じさせない量であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１８項の方法。 ２０ 前記コヒーレント放射ビームが約１０＾−＾５メ
   ータの波長を有し、この波長の場合に透明なセレン化亜
   鉛のレンズを通して検出器に焦点を結ぶことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１９項の方法。 ２１ 前記コヒーレント放射ビームの制御エネルギが動
   力ライン周波数とほとんど無関係であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２０項の方法。