JPS6140076A

JPS6140076A - 金属蒸気レ−ザ

Info

Publication number: JPS6140076A
Application number: JP16103784A
Authority: JP
Inventors: Nobutada Aoki; 延忠青木; Hironobu Kimura; 博信木村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-07-31
Filing date: 1984-07-31
Publication date: 1986-02-26

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】〔発明の技術分野〕本発明は金属原子の励起を利用した金属蒸気レーザに係
り、特に可視域で発振し、高効率で高いレーザ出力が得
られる銅蒸気レーザ等の金属蒸気レーザに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来の金属蒸気レーザは金属原子を励起きせるために、
第５図（Ａ）に示されるように陰極（カソード）１およ
び一極（７ノード）２間に一生烹るアーク放電を利用し
た二極放電や、第５図（Ｂ）に示すように円筒陽極（ア
ノード）３とホロカソード４との間に補助アノード５を
介装してなるホローカソード放電を利用したものがある
。

一方、レーザ発振に必要な金属蒸気圧をレーザ発振管内
で得る方法として、アーク放電の際にレーザ発振管内に
発生する熱を利用する方法や、別個に設けられた電気炉
内で加熱された金属蒸気をレーザ発振管内に導入する方
法がある。後者の電気炉を使用する場合には、金属蒸気
加熱のために電力の消費が不可欠であるため、金属蒸気
レーザのエネルギ効率が低下する。また、いずれの方法
を採用した場合にも、レーザ発振管内はかなりの高温に
保たれるため、レーザ発振装置の構成部品の耐熱性が問
題となっている。

一般に、レーザ発振管から発振されるレーザ出力の増大
のための条件には、（ａ）レーザ発振管の管容積の増大
を図り、（ｂ）レーザ発振に必要でかつ充分な量の金属
蒸気と、金属原子励起のために高密度の高エネルギ電子
（プラズマ）がレーザ発振管内で得られ、（Ｃ）蒸気化
された金属原子の励起が早急に行なわれることである。

また、レーザ発振装置には、レーザ発振が安定的に行な
われるために、（ｄ）プラズマ−放゛′電管（レーザ発
振管）の接触による絶縁破壊を起しにくく、（ｅ）蒸気
化された金属の回収が容易であり、（ｆ）金属源の供給
が容易で、（ｇ）長寿命を保持できること等の条件具備
が望まれる。

従来の金属蒸気レーザにおいて、陰極および陽極間で発
生するアーク放電を利用する二極放電法では、アーク放
電が両電極のごく狭い局所領域でしか起こらない。この
ため、両電極の面積を広げても、一様なプラズマを得る
ことが困難であり、この金属蒸気レーザでは電極面積を
小さくして電極間を大きくとり、レーザ発振管の長さを
大きく守ることにより、上記（ａ）の条件を満たしてい
る。

また、二極放電法を採用した縦放電型金属蒸気レーザで
は、レーザ発振管内にセラミックチューブが収容され、
このセミツクチューブに金属源が入れられている。この
金属源はプラズマと接触しているときは蒸気化が充分に
行なわれ、所要量の蒸気化された金属原子が得られるが
、レーザ発振管内のプラズマが一様でない場合には、レ
ーザ発振管内の金属原子密度が不安定となって、レーザ
出力のゆらぎが大きく、レーザ出力が安定しない等の問
題があり、レーザ出力の増大に厳しい制約を受ける。

また、ホローカソード放電法を利用した金属蒸気レーザ
では、レーザ発振管内の放電が二極放電法より安定して
おり、自由電子温度の高いプラズマが得られるが、この
場合にも、レーザ出力を高めるために、電極面積を広げ
ると、一様なプラズマ分布が得、られず、二極放電法と
同じ問題を有する。

〔発明の目的）本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高い
電子温度を持つ高密度で一様なプラズマを生成するとと
もに１次放電によって生ずる熱エネルギを利用して高密
度の金属蒸気を安定的に生成し、高出力のレーザ発振が
安定して得られるようにした金属蒸気レーザを提供する
ことを目的とする。

本発明の他の目的は、蒸気化される金属原子の金属源の
交換を容易にし、メンテナンス性を改善した金属蒸気レ
ーザな提供することにある。

〔蝉明９概要〕上述した目的を達成するために、本発明に係る牟属蒸気
レーザは、レーザ発振管内の片側に、外部円→電極と内
部円筒電極とにより第１次放電のピンチプラズマを生じ
させる二重筒構造のプラズマフォーカス機構を形成する
とともに、上記内部円筒電極の先端に金属蒸気を発生可
能な金属源を装着（、前記内部円筒電極内に収容された
セラミック管の軸方向に対向するように前記金属源の反
対側装置に、第２陽極を設置し、この第２１１！極と内
部円筒電極との間に発生する第２次放電により、セラミ
ック管内に電子温度の高い高密度で一様なプラズマを生
じさ竺、このプラズマで、前記ピンチプラズマで蒸気化
されてセラミック管内を流れる金属原子を励起させ、レ
ーザ発振に必要な反転分布を得るようにしたことを特徴
とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る金属蒸気レーザの一実施例について
添付図面を参照して説明する。

第１図において、符号１０は金属蒸気レーザのレーザ発
振管を示す。このレーザ発振管１０は耐熱性に優れたセ
ラミックス製の管ボディ１１を有し、この管ボディ１１
は分割可能に一体的に構成され、内部が気密に保たれる
。レーザ発振管１０内には７ランジ付きの中間筒状体１
２．１３が軸方向に対向して左右両側に共通軸を有する
ように収容される。中間筒状体１２．１３の取付７ラン
ジ１２ａ、１３ａはレーザ発振管１０の中央部において
、管ボテイ１１のフランジに絶縁物１４゜１５．１６を
介して一体的にかつ気密に取付けられる。しかして、中
間筒状体１２．１３の筒状部は取付フランジ１２ａ、１
３ａから両側方に向かって延びており、その先端に金属
源１８と第２陽極１９とが着脱可能に装着される。この
うち一方の中間筒状体１２は第１＠極としての内部円筒
電極を構成しており、第２陽極１９は第１＠極１２より
＾い正電位が印加され、この結果、第１陽極１２は第１
＠極１２に対しては陰極となる。

第１陽極１２はタンタル、タングステンやモリブデン等
の高融点金属材料で円筒状に形成され、その先端に装着
される金属源は、カドニウム（ｃｄ）、亜鉛’（Ｚ　ｎ
　）　、セレン（Ｓｅ）、銅（ＣＵ）あるいはセシウム
（Ｃｓ）等で形成される。第１陽極を構成する内部円筒
電極１２は円筒状陰極としての外部円筒電極２０で覆わ
れ、二重筒構造の第１放電部としてのプラズマフォーカ
ス機構２１が構成される。外部円筒電極２０は管ボディ
１１と一体あるいは一体的に形成され、かつ第１放電部
には、ヘリウムガスやネオンガス、アルゴンガス等の希
ガスを供給するガス供給管２２が臨んでいる。

また、中間筒状体１２．１３内には耐熱性に優れたセラ
ミック管２３が同心状に収容されており、このセラミッ
ク管２３は第２次放電により生成されるプラズマとの接
触によりかなりの高温（〜１５００℃）にさらされるた
め、熱膨服を考慮して中間筒状体１２，１３との間にス
プリング状スペーサ２４が介装され、このスペーサ２４
により弾性保持される。

他方、レーザ発振管１０は管ボディ（外部真空容器）１
１がアース２５により接地電位に保持され、レーザ発振
管１０内に供給されたヘリウムガス等の希ガスと蒸気化
された金属原子は排気ボート２６により排気される。排
気ボート２６は、レーザ発振管１０の第２陽極側に偏位
して設けられる。

さらに、レーザ発振管１０の両端にはレーザ発振光を外
部に取り出すブリュースタ窓２７が取付けられ、このブ
リュースタ窓２７を介して平面偏光のレーザ光が出力さ
れる。

ところで、第１および第２１１極１２．１．９に高電圧
を印加する電気回路３０は放電供給用高圧電源３１を有
し、この高圧電源３１からの高電位はコイル３２と主コ
ンデンサ３３からなるＬＣ共振動回路３４経て充電され
、サイラトロン３５をトリガして放電電圧（〜３０ｋｖ
程度）が印加される。第１ｆｉ極１２には抵抗３６によ
１り低電位化されて印加され、１０〜２０ｋＶのパルス
高電圧が印加される。符号３７は補助コンデンサを、符
号３８は抵抗を示す。

次に、本発明の作用について説明する。

本発明はプラズマフォーカス機構２１による第１次放電
により、金属の蒸気化と第２次放電用としてプラズマの
トリガーを得るようにしたことに特徴がある。

Ｍ１次放電は、第２図の動作原理の（Ａ）に示したよう
に円筒状陰極（外部円筒電極）２０と第１電極（内部円
筒電極）１２との間にヘリウムガス等の希ガスを供給す
るとともに２極間に印加される１０〜２０ｋｖ程度のパ
ルス高電圧（パルス　　゛幅〜Ｉ　Ｑ　Ｑ　ｎ５ｅｃ）
、により、リング状プラズマ４０が生じる。このプラズ
マ４０はプラズマ電流Ｊと、プラズマ自身によって生じ
た磁界（磁束密度）Ｂとによりローレンツ電磁力（ＪＸ
Ｂ）が生じ、この電磁力によって発生したプラズマ４０
Ｇよ第１Ｎ極１２の軸方向先端部に向って加速され、第
１１！ｌ！極１２の先端部ではピンチ（収束）された高
密度のプラズマ４０となる。

一方、第１Ｎ極１２の先端部には蒸気化される金属源１
８が装着され、この金属源１８はピンチプラズマ４０の
熱負荷を受けて、第２図（Ｂ）に示すように蒸気化され
、蒸気化された金属原子４１の蒸気流はセラミック管内
を排気ボー１〜の方向に流れる。

第１陽極（内部円筒電極）の先端部が閉塞されたプラズ
マ・フォーカス機構は一般的に、最終端でプラズマ密度
が１０１９ｃＩＲ−３程痕にも達する超高密度プラズマ
が生成される。しかし、本発明のプラズマ・フォーカス
機構２１では第２次放電を１１なうため、第１陽極１２
の先端部は開放されており、このためプラズマ密度は、
閉塞されたものに比べてそれ程大きな値は望めないが、
第１陽極１２の先端に装着された金属源１８の蒸気化お
よび第２次放電用トリガーを得るに充分なプラズマ密度
と電子ｍ度のピンチプラズマが生成される。

次に、第１陽極１２の先端部に生じたプラズマをトリガ
ーとして、さらに高電圧あ第２陽極１９との間に第２次
放電が引き起される。一般に、第２次放電の起動に必要
な電子（プラズマ）が陰極（ここでいう陰極は第１陽極
１２である。）付近に充分な密度で存在する場合、対向
する陽極（第２陽極１９°）との間で生じる第２次放電
は、局所的な放電とならず、電極−面に広がる一様な放
電プラズマを形成できる。したがって、従来の二極放電
法やホローカソード放電法のように電極面積の拡大が極
端に制限されるという問題が生じない。

したがって、セラミック管２３内を流れる蒸気化された
金属原子４１は、セラミック管２３内で一様にかつ高密
度に分布された放電プラズマによって励起され、レーザ
発振に必要な反転分布が得られる（第２図（Ｃ）参照）
。

具体的には、放電プラズマ内で加速された自由電子が、
セラミック管２３内を流れる金属原子４１に衝突するこ
とにより、金属原子４１は自由電子のもつ運動エネルギ
を受けて励起され、励起単位が上昇する。この励起単位
の上昇により、レーザ発振に必要な反転分布が得られる
。

反転分布が達成されると、ある励起状態にある金属原子
が自然放射され、放射光が四方に拡がる３放射光が拡が
ると、同じ励起状態にある金属原子４１を次々に刺激し
、同位相のレーザ光がブリュ゛−スタ窓２７から放射さ
れる。このレーザ光は図示しない共振器（図示せず）間
で共振され、増幅作用を受け、高出力のレーザ光となっ
て発振される。

したがって、゛この金属蒸気レーザは、第１次および第
２次放電の２つの放電により、レーザ発振を得るように
したもので、第１次放電は、金属源′からの金属の蒸気
化と第２次放電のトリガとして機能し、第２次放電は第
１次放電により蒸気化された金属原子を励起させる機能
を有し、役割分担を図っている。　　　　− ところで、高出力のレーザ光を発振させるレーザ発振管
１０には、蒸気化された金属原子が通るレーザ発振管１
０内に充分な密度と高い電子温度を有するプラズマが生
成されることが必要である。

その際、プラズマの接触によるレーザ発振管１０の高温
損傷を極力少なくすることが必要であり、特に大出力の
レーザ光を得るために、大電流の放電を行なう場合、レ
ーザ発振管の管寿命対策上問題となる。

プラズマの接触による管壁の損傷を低減させるために、
ソレノイドコイルの中にレーザ発振管を挿入し、磁場に
よってプラズマを閉じ込める方法が考えられているが、
金属蒸気レーザの場合には、金属蒸気（蒸気化された金
属原子）がセラミック管に付着するのを防止するため、
セラミック管はある程度プラズマとの接触を保ち、高温
に保持する必要がある。

このセラミック管の管壁へのプラズマの接触を抑える方
法には、第４図（Ａ）および（Ｂ）に示すように耐熱性
のセラミック管２３の外壁にＣ０−８ｎ等からなる永久
磁石４４を多数配設してセラミック管２３内に磁石の反
発を利用したカスプ磁場配位を形成し、生成される放電
プラズマの閉じ込めと、レーザ発振管１０に加わる熱負
荷の低減を図るようにしてもよい。

また、第５図に示すように、セラミック管２３の周りに
ソレノイドコイル４５を配設してミラー磁場を作り、こ
の磁場により第４図に示す場合と同様の効果を持たせて
もよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る金属蒸気レーザは、プ
ラズマ−フォーカス機構による第１次放電のピンチプラ
ズマ（エネルギ）の一部を金属蒸気化にあてて蒸気化効
率の向上を図るとともに、セラミック管内に蒸気化され
た金属原子の充分な密度を確保し、この金属原子を第２
次放電によりセラミック管内に生成される一様で高密度
なプラズマで励起させ、レーザ発振に必要な反転分布を
得るようにしたから、高出力のレーザ光を安定的に発振
させることができる。

また、この金属蒸気レーザは、蒸気化用金属源が、内部
円筒電極の先端に装着されているため、金属源の交換を
簡単かつ容易に行なうことができ、メンテナンス性の向
上も図ることができる。

なお、金属蒸気レーザは大出力のレーザ発振を得るため
に、熱負荷の加わる電極等を水冷却し、寿命を向上させ
るようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属蒸気レーザの一実施例を示す
縦断面図、第２図（Ａ）〜（Ｃ）は金属蒸気レーザの動
作原理を示す図、第３図（Ａ＞および（Ｂ）は本発明に
係る金属蒸気レーザにおいて、プラズマ閉じ込め用原理
を示す図、第４図は第３図の変形例を示す図、第５図（
Ａ）および（Ｂ）は二極放電法およびホローカソード放
電法による従来の金属蒸気レーザを示す図である。１０・・・レーザ発振管、１２・・・内部円筒電極（第
１電極）、１８・・・金属源、１９・・・第２陽極、２
０・・・外部円筒電極（陰極）、２１・・・プラズマ−
フォーカスｊａｍ、２３・・・セラミック管、２６・・
・排気ボート、２７・・・ブリュースタ窓、４４・・・
永久磁石、４５・・・ソレノイドコイル。出願人代理人　　　波多野　　　久。第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、レーザ発振管内の片側に、外部円筒電極と内部円筒
電極とにより第１次放電のピンチプラズマを生じさせる
二重筒構造のプラズマフォーカス機構を形成するととも
に、上記内部円筒電極の先端に金属蒸気を発生可能な金
属源を装着し、前記内部円筒電極内に収容されたセラミ
ック管の軸方向に対向するように前記金属源の反対側位
置に、第２陽極を設置し、この第２陽極と内部円筒電極
との間に発生する第２次放電により、セラミック管内に
電子温度の高い高密度で一様なプラズマを生じさせ、こ
のプラズマで、前記ピンチプラズマで蒸気化されてセラ
ミック管内を流れる金属原子を励起させ、レーザ発振に
必要な反転分布を得るようにしたことを特徴とする金属
蒸気レーザ。２、プラズマフォーカス機構は、レーザ発振管の管ボデ
ィに設けられた陰極としての外部円筒電極と、この外部
円筒電極内に同心状に配設された陽極としての内部円筒
電極とを有する特許請求の範囲第１項に記載の金属蒸気
レーザ。３、内部円筒電極には絶縁部材を介して中間円筒体が共
通軸を有するように設置され、この中間円筒体の自由端
に第２陽極が設けられた特許請求の範囲第１項に記載の
金属蒸気レーザ。