JPH047111B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は導波路形のガスレーザ装置に関するも
のである。

〔発明の技術的背景と問題点〕

導波路形ガスレーザ装置は近年、急速に開発さ
れるようになつて来た小型で高出力のレーザ装置
であり、特にCO₂（炭酸ガス）レーザとしての応
用が期待されている。

CO₂レーザの応用分野には大気伝搬を利用した
通信、計測、レーダ等がある。これらの分野への
応用においては広帯域のCW（連続発振）動作や
繰り返えしの早いパルス動作が要求されることが
多い。しかし通常のCO₂レーザでは増幅帯域はド
ツプラ幅による50MHz程度しかない。CO₂レーザ
を広帯域化するにはガス圧力を高くすることによ
る衝突拡がり（約5MHz／Torr）を利用すれば良
いのであるが、通常のCO₂レーザでは高圧力の放
電を得ることが非常に困難である。

このような問題の解決策として提案されたのが
導波路形ガスレーザ装置である。

導波路形ガスレーザ装置は放電管径が約１mmと
小さいため、高圧力連続放電が可能となり、最近
では1GHz程度の高帯域化されたCO₂レーザが得
られている。また、この導波路形ガスレーザ装置
は管径を小さくしたことにより通常形に比べて高
い利得が得られ、小型、高出力レーザ装置として
も期待されている。

従来の導波路形ガスレーザの大部分のものに使
用されている基本のレーザ励起方法はレーザ導波
路の両端近くに設けられた一対の電極間で装置の
長手方向に沿つて直流放電を生じさせることによ
り行つている。

このような装置では約10kV程度の比較的大き
な直流励起電圧並びにこのために必要な電圧源、
上記の電圧を発生させるための電気回路とを必要
とする。

また、前述の長手方向の電気的放電においては
カソード降下領域中で生ずる様々な効果がいくつ
かの問題をひき起こす。

即ち、第１にカソード・スパツタリングによつ
てカソードは損傷され、装置の寿命が短くなる点
であり、またカソード降下領域中での高電場はレ
ーザ・ガスを解離することである。

更にカソード降下電圧が比較的高いので投入電
力のかなりの部分を消費し、動作効率を低下させ
る。また、高圧電源、電流レギユレータ、安定抵
抗などのようなハードウエアも必要となるが、こ
れは放電維持電圧が高く、また、放電管のインピ
ーダンスが負になるためである。

一方、従来のパルス的横方向放電励起において
は励起パルス期間はアークの発生を防止するため
に十分短くしなければならず、また、大型で高価
なパルス発生用のネツトワークを必要とする欠点
があつた。

これらの難点を克服するため、レーザ発振の方
向と垂直な方向に電圧を印加して放電させる横方
向励起導波路形ガスレーザ装置がすでに考案され
ている。

この場合、陰極と陽極の間の距離が十分短かく
なるので、上述したような長手方向の放電のよう
な高電圧は不要となる。

一方、放電の形式も従来の直流放電やパルス放
電の他にRF（ラジオ周波数）放電励起方式のもの
も考案されている。

この方式では一般に30MHz〜3GHz程度の周波
数が用いられており、移動度の小さい陽イオンは
電界によつて移動することがほとんどなので、上
述のスパツタリングが起こらない。また、陽空間
電荷も生じないので、カソード降下による電力消
費もなく、高効率のレーザ放電が得られる。

ところで、一般にレーザ出力はレーザ媒質の長
さにほぼ比例する。

従つて、レーザ装置全体の長さをあまり長くす
ることなくその出力を更に大きくするためには、
複数の導波路を反射鏡で折り返えして直列に結ぶ
屈折形の方式が考えられている。

このような方式の一つとして第１図に示すよう
なＺ形放電がすでに考えられている。

即ち、Ｚ形に光路が屈折するように出力ミラー
１、全反射ミラー２、折り返えしミラー３を配設
し、これらミラーにより形成される反射光路部分
に導波路４を設けるもので、導波路４中に励起光
が与えられるとこの光は各ミラー間を反射されて
共振され、レーザが励起されて最後にハーフミラ
ーによる出力ミラー１を通つて外部へレーザ光５
が出力される仕組みとなつている。

しかしながら、この方法は空間の利用率が悪
く、従つて、冷却効率も悪くなるので、導波路形
レーザの特徴である小型、高効率と言うメリツト
を活かしきれない。

また、折り返えしミラー３の反射方向調整も難
しい。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて成されたもので、
RF放電横励起導波路形のものにおいて、小型堅
牢な構造を持ち、かつ大出力で高安定な、しかも
めんどうな調整も不安なガスレーザ装置を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

即ち、本発明は上記目的を達成するために冷却
手段を有するブロツク状の電極ベースの対向する
少なくとも一対の側壁面にそれぞれ電極板を離間
して配設すると共にこの電極板と前記側壁面との
間には適宜間隔で対向する誘電体板を設けて電極
ベース側壁面及び電極板及び誘電体板で包囲され
た両端部の開口される複数の導波路を形成し、こ
れら導波路の端部には反射光軸の一方をその導波
路の軸に一致させてそれぞれ反射鏡を設け、且つ
反射鏡を設け、且つ反射鏡の他方の反射光軸は結
ぶべき導波路の反射鏡に光軸を一致させて各導波
路を直列的に結びまた直列的に結ばれた導波路の
両端には一方に全反射鏡を、また、他方には半透
過鏡を設け、更に前記反射鏡は同一端部の対とな
るものを同一保持体に保持させて配設する構成と
し、各反射鏡の位置が狂いにくいようにし、また
冷却手段によつて冷却を行うことにより放電によ
る発熱の影響を受けにくくして高出力、高安定化
を図る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について第２図〜第８
図を参照しながら説明する。

第２図は本発明の一実施例におけるレーザ共振
器を構成するミラーの配置構造を示すものであ
り、本発明の中心的概念である折り返えし方法を
説明する分解斜視図である。

本装置においては各ミラーは仮想直方体の長手
側における各稜線の位置に互いに平行に配置され
る導波路内の光路L₁，L₂，L₃，L₄を直列に結合
するような配置関係となるよう前記各稜線の両端
部に設けられる。

即ち、図において２１はハーフミラー等による
出力ミラーであり、一部の光を反射し、一部の光
を通過させる。２２は全反射ミラーであり、これ
ら出力ミラー２１及び全反射ミラー２２は結ばれ
た導波路で形成される光路全体におけるその両端
に配設される。２３ａ，２３ｂ，２３ｃは折り返
えしミラーで、光路を屈折させるものであり、こ
れらのうち、２３ａは光路L₁とL₂とを結び、ま
た、２３ｂは光路L₂とL₃とを結び、２３ｃは光
路L₃とL₄とを結ぶように設けてある。この折り
返えしミラー２３ａ，２３ｂ，２３ｃは一対の反
射鏡を一体の保持台に互いに正確に直角を成すよ
うに固定してあり、反射鏡の位置は結ぶべき２つ
の光路の光軸位置としてある。

このような構成とすることにより導波路内の光
路中に励起光が与えられるとその光は各ミラーに
より反射されて出力ミラー２１と全反射ミラー２
２との間で共振され、レーザ光束LBとして出力
がミラー２１より外部へ出射される。

また、このような構成としたことにより光路は
直方体の各稜線位置を辿る形となるため、全体の
大きさが同じなら第１図で示したＺ形光路に比べ
光路はより長くとれ、しかも光路形成するために
占有する空間の利用率も高くなる。

第３図は本装置における導波路本体の構成を示
している。図において３１はアルミニウムなどの
金属ブロツクで形成された電極ベースであり、こ
の電極ベース３１は内部に長手方向に伸び且つ外
部へ連通する冷却水通水孔３１ａが設けてある。
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは電極ベース３
１の長手方向外面に所定間隙を持つて平行に配設
された電極板であり、この電極板３２ａ〜３２ｄ
は電極ベース３１と同材質の金属板体で形成され
ている。電極板は電極ベース３１の対向する側面
にそれぞれ二枚、互いに離間して配設され、電極
ベース３１との間にはセラミツクスなどのブロツ
ク状の誘電体板３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３
ｄ，３３ｅ，３３ｆを挾むことによつてこれら電
極ベース３１及び電極板３２ａ〜３２ｄ、誘電体
板３３ａ〜３３ｆにより包囲されて形成される四
本の方形の空間は導波路３４ａ，３４ｂ，３４
ｃ，３４ｄを形成する。この場合、この導波路３
４ａ〜３４ｄは断面が１平方ミリメートル程度で
あり、この導波路３４ａ〜３４ｄ内にレーザ媒質
であるガス例えばCO₂やアルゴン、ネオンなどが
充填される。また、導波路３４ａ〜３４ｄの内壁
は十分に研磨されており、場合によつてはレーザ
の利得を高めるために誘電体などの薄膜をコーテ
イングしても良い。

尚、各電極板３２ａ〜３２ｄにはその背面に
RF電界を加えるための電極コネクタ３５が設け
られている。

このような構成において放電を励起させるため
のRF電界は電極ベース３１と電極板３２ａ〜３
２ｄとの間に印加される。これにより上記４つの
導波路３４ａ〜３４ｄ内にRF放電が生じ、その
とき発生する光が導波路の端部に設けられた前述
の各ミラー２１〜２３ｄにより反射され導波路内
で共振されてレーザが励起され出力される。放電
により発生する熱により導波路本体構成部材は加
熱され、熱膨張によつてミラー２１〜２３ｄの各
光軸と導波路３４ａ〜３４ｄの中心軸とのずれが
生じたり、或いは共振器長が変化してレーザ出力
に変動が生ずる。

この変動を少なくするために本装置においては
電極ベース３１に冷却水通水孔３１ａを設け、こ
こに冷却水（他の冷媒でも良い）を通水させ、冷
却を行うようにしている。従つて、放電による熱
は効率良く奪われるため熱膨張は抑えられ、これ
によつて前記レーザ出力変動は抑制されるので、
高安定のレーザ出力が得られる。

第５図は第３図の構成から成る導波路本体をガ
ス封入用外筐４１に固定した場合の断面図を示し
たものである。

外筐４１の内部には100Torr程度のレーザ・ガ
スを封入する。特に封じ切り型ガス・レーザ装置
の場合、ガスの変質やクリーン・アツプなどによ
つて寿命が左右される。また、ガス封入容器の容
積が小さいと放電による発熱によつて内部の温度
が上昇し、レーザ管内部のガス密度分布が変化
し、出力の減少を招く。

このような影響を小さくするためにガス封入用
外筐４１は第５図の如くバツフア空間を大きくと
つてある。

上記の外筐４１に固定された第３図の如きレー
ザ導波路本体の両端に第４図に示す如く光路を屈
折させるミラーマウント４２，４３を装着したも
のが本装置の全体の構造となる。

ミラーマウント４２，４３内には第２図で示し
た如き光路上を反射して共振するように第２図で
説明した出力ミラー２１、全反射ミラー２２、折
返しミラー２３ａ，２３ｂ，２３ｃがマウントさ
れ、導波路３４ａ〜３４ｄ内の光路を光が反復し
て通過できるようにしてある。また、ミラーマウ
ント４２，４３にはそれぞれ適宜なる場所に通水
用の孔４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂを設けて
前記導波路本体の電極ベース３１に設けてある冷
却水通水孔３１ａと連結してあり、この通水用の
孔４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｃを介して電極
ベース３１に外部より冷却水を通水できるように
してある。

尚、ミラーマウント４２における４６はレーザ
光LBの出力孔であり、出力ミラー２１の光軸に
中心軸を一致させて形成してある。

このように構成したことにより本装置は空間利
用率の高い光路とすることができ、光路長も長く
とれて高出力レーザ光を得ることができる。

即ち、前述したように本装置においては主たる
光路を仮想直方体の４本の長手側稜線に沿う形と
し、ミラーにより各光路を結ぶようにしたため、
光路長は長くとれ、しかも占有する空間の利用率
も高くなる。

また、本装置では中間の光路をつなぐ折り返え
しミラーを一対の反射鏡を用いて対向面が90°の
開きとなる保持台の該対向面に固定させ、これを
ミラーマウント４２，４３に固定して設けるよう
にしたので、一度各ミラーと導波路との光軸を一
致させて取り付けると輸送中の振動などにより光
軸ずれが生ずるような心配がなくなり、後刻にお
ける光軸調整が不要となる他、導波路本体は冷媒
を通す孔を設けて冷媒を送り、これにより冷却を
行う構成であるため、放電等により生ずる発熱も
抑制されるので動作中に発生する熱による構造物
の膨張も抑えられ、これらに起因する光軸ずれも
抑制される。

また、導波路本体はとり得る光路長の割に小型
となるため、この導波路本体を包囲するガス封入
用の外筐４１は導波路本体に比べ比較的大きくし
ても装置が大きくなりすぎるなどの支障が生じな
いから、内部空間も大きくすることができ、レー
ザガスの密度分布等が変化しにくくなるため、レ
ーザ出力が安定するなど、堅牢な構造で安定した
大出力のレーザ光の得られるRF放電横励起導路
型ガスレーザ装置が得られる。

尚、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限
定することなく、その要旨を変更しない範囲内で
適宜変形して実施し得るものであり、例えば導波
路本体は第３図構成の他に第６図〜第８図の如き
構成としても良い。

即ち、第６図は第３図において別体となつてい
た電極板３２ａ，〜３２ｄをそれぞれ片側毎に一
体化し、幅広の電極板６１，６２で導波路３４
ａ，３４ｂと３４ｃ，３４ｄを覆うようにして構
造の簡単化を図るようにしたものである。また、
第７図は断面Ｌ字形の一対の電極ベース７１，７
２を用い、この電極ベース７１，７２を組んで方
形筒状に形成し、この方形筒状のものを電極ベー
ス本体７３とすると共にこの電極ベース本体７３
内側に導波路３４ａ，〜３４ｄを形成するように
したものである。電極ベース本体７３の内側対向
面にそれぞれ第３図の場合と同様適宜離間させて
電極板３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを配設
し、且つこれら電極板３２ａ，〜３２ｄと電極ベ
ース本体７３の内壁面との隙間を両脇から塞ぎ、
導波路３４ａ，〜３４ｄを形成すると共に電極板
３２ａ〜３２ｄと電極ベース本体７３とを電気的
に絶縁する誘電体板３３ａ〜３３ｆを設けてあ
る。

このような構成とする電極ベース本体７３は導
波路本体の外筐としての機能をも持たせることが
でき、一層構造が簡単となる。

尚、電極ベース７１，７２の接合部７４，７５
は密閉構造とする必要があり、そのために電子ビ
ーム溶接やレーザ溶接などを施こすと良い結果が
得られるが、これらの溶接方法の他にも材料内部
に熱ひずみが残らない接合方法を用いるようにし
ても良い。なお、７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２
ｂは冷媒を通す孔である。

第８図はある大きさの範囲で任意の半径を有す
る円周上に等分割角度で例えば60きざみの位置に
導波路を形成するようにした例である。

即ち、方形のブロツク状の電極ベース８１の長
手側面四面に電極ベース８１の中心軸より円を描
き60°刻みに円周を分割してその分割位置に導波
路が形成されるよう誘電体板８２と電極板８３を
設けたもので、基本的な構造においては第３図の
ものと変らない。

第８図の構成の場合、導波路の数は６本となる
ので更に折り返えしの多重化が成され、導波路の
長さは長くなる。なお８１ａは冷媒流通用の孔で
ある。

これら各方式により導波路本体は構造のより簡
略化或いは導波路長の伸延が可能となる。

尚、また上記実施例において電極ベースは冷却
水等の冷媒を流通させることにより行つている
が、ヒートパイプや半導体冷却素子などを用いた
冷却構造としても良い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明はガスレーザ装置に
おいて冷却手段を有するブロツク状の電極ベース
の対向する少なくとも一対の側壁面にそれぞれ電
極板を離間して配設すると共にこの電極板と前記
側壁面との間には適宜間隔で対向する誘電体板を
設けて電極ベース側壁面及び電極板及び誘電体板
で包囲された両端部の開口される複数の導波路を
形成し、これら導波路の端部には反射光軸の一方
をその導波路の軸に一致させてそれぞれ反射鏡を
設け且つ反射鏡の他方の反射光軸は結ぶべき導波
路の反射鏡に光軸を一致させて各導波路を直列的
に結び、また、直列的に結ばれた導波路の両端に
は一方に全反射鏡を、また他方には半透過鏡を設
け、且つ前記反射鏡は同一端部側の対となるもの
を同一保持体に保持させて配設する構成とし、前
記電極ベースと電極板との間には高い周波数の電
圧を印加して放電させることにより前記導波路内
に光を励起させ、レーザ光を発生させるようにし
たので、放電距離は短くしかも高周波であるから
放電には高電圧は不要であり、また、導波路は電
極ベースの少なくとも対向する二壁面に複数本設
け、これらを光学的に直列接続したため、装置長
が短くとも長い導波路長が得られ高出力が得られ
る他、空間の利用効率も高く、従つて従来と同出
力であればより小型化を図ることができ、また、
対を成す反射鏡は同一の保持体に固定されて配設
されるため、機械的振動に強く光軸がずれたりせ
ず、また、電極ベースは冷却される構成となつて
いるため、放電による発熱の影響を最小限にとど
め、装置の熱膨張による光軸と導波路中心軸の狂
いを抑制して高安定のレーザ光を得ることができ
るなど優れた特徴を有する導波路形のガスレーザ
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方式の光路構成を示す図、第２図
は本発明装置の光路構成とミラーの各配置及び構
造を説明するための図、第３図は本発明装置にお
ける導波路本体の構造を示す斜視図、第４図は本
発明の全体的構成を示す斜視図、第５図は第４図
の断面構造を示す図、第６図〜第８図は導波路本
体の他の構成例を示す断面図である。 １，２１……出力ミラー、２，２２……全反射
ミラー、３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ……折り返
えしミラー、３１，７１，７２，８１……電極ベ
ース、３１ａ，７１ａ，７１ｂ，７２ａ，７２
ｂ，８１ａ……孔、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３
２ｄ，６１，６２，８３……電極板、３３ａ，〜
３３ｆ，８２……誘電体板、４１……筐体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ガスレーザ装置において、冷却手段を有する
   ブロツク状の電極ベースの対向する少なくとも一
   対の側壁面にそれぞれ電極板を離間して配設する
   と共にこの電極板と前記側壁面との間には適宜間
   隔で対向する誘電体板を設けて電極ベース側壁面
   及び電極板及び誘電体板で包囲された両端部の開
   口される複数の導波路を形成し、これら導波路の
   端部には反射光軸の一方をその導波路の軸に一致
   させてそれぞれ反射鏡を設け、且つ反射鏡の他方
   の反射光軸は結ぶべき導波路の反射鏡に光軸を一
   致させることにより各導波路を直列的に結びま
   た、この直列的に結ばれた導波路の両端には一方
   に光を全反射させる全反射鏡を、また他方には半
   透過鏡を設け、且つ前記反射鏡は同一端部側の対
   となるものを同一保持体に保持させて配設する構
   成とし、前記電極ベースと電極板との間には高い
   周波数の電圧を印加して放電させることによりレ
   ーザ光の励起を行うようにしたことを特徴とする
   ガスレーザ装置。