DE69306424T2

DE69306424T2 - Laser-Apparat

Info

Publication number: DE69306424T2
Application number: DE69306424T
Authority: DE
Inventors: Masaki Kuzumoto; Jun-Ichi Nishimae; Yushi Takenaka; Takashi Yamamoto; Kenji Yoshizawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2013-01-20
Also published as: EP0553687B1; EP0553687A3; EP0553687A2; JP2000196168A; CA2087562C; US5373528A; US5479428A; DE69306424D1; CA2087562A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser-Apparat mit erhöhter Schwingungsleistung.
Fig. 42 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Kohlendioxidgaslaser-Apparats des Wellenleitertyps, welcher z. B. in R. Nowack und andere: "High Power CO&sub2; Wave Guide Laser of the 1 kW category", SPIE (Society of Photooptical Instrumentation Engineers), Band 1276, Abhandlungen, "CO&sub2; Lasers and Application", (1990), Seiten 18 - 28, Fig. 1, beschrieben ist. In Fig. 42 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 jeweils eine Entladungsanregungs-Metallelektrode. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Anregungsenergiequelle (hier eine Hochfreguenzenergiequelle), welche mit der Metallelektrode 1 verbunden ist. Die Bezugszeichen 10 und 20 bezeichnen dielektrische Platten, welche z. B. aus Keramikmaterialien hergestellt sind. Die dielektrischen Platten 10, 20 befinden sich zueinander in Gegenüberlage und werden jeweils im engen Kontakt mit den Metallelektroden 1 und 2 gehalten. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen zwischen den dielektrischen Platten 10 und 20 ausgebildeten Entladungsraum (gefüllt mit einer Gasmischung aus CO&sub2;-He-N&sub2;, welche als ein Lasermedium dient). Die Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnen Pfeilkennzeichen, welche jeweils die Richtungen des den Elektroden zuströmenden und von den Elektroden abströmenden Elektrodenkühlwassers kennzeichnen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Totalreflexionsspiegel (Resonatorspiegel). Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Ausgangskoppeleinrichtung (Resonatorspiegel). Das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Laserstrahl, und die Bezugszeichen 21a und 21b bezeichnen jeweils Zulauf- und Ablauföffnungen für das Elektrodenkühlwasser, welche an der Elektrode 1 angeordnet sind (ähnliche Zulauf- und Ablauföffnungen (nicht gezeigt) für Elektrodenkühlwasser sind ebenfalls an der Elektrode 2 angeordnet)
Anschließend wird die Operation des Apparats beschrieben. Wird die Metallelektrode 1 mit der HF-Energiequelle 3 und die andere Metallelektrode 2 mit der Masse verbunden, wird die HF-Entladung zur Anregung des Lasers im Entladungsraum 4 verursacht, welcher mit der vorstehend beschriebenen Gasmischung gefüllt ist. Somit wird die Entladungsenergie durch einen optischen Resonator in Lichtenergie umgewandelt, welcher durch den Totalreflexionsspiegel 7 und die Ausgangskoppeleinrichtung 8 gebildet wird, und wird als ein Laserstrahl 9 aus der Ausgangskoppeleinrichtung 8 ausgegeben.
Da in einem Kohlendioxidgaslaser-Apparat das Energieniveau bei einem niedrigen Niveau des Lasers niedrig ist, erhöht sich mit steigender Temperatur des Gases die Niedrigniveau- Konzentration, und die Laserschwingungsleistung geht zurück. Folglich ist die Kühlkapazität des Gaslasers ein wesentlicher Faktor, welcher die Laserschwingungsleistung bestimmt. Das Verhältnis w/d zwischen der Langseite (Länge w) und der Kurzseite (Spaltlänge d) eines Abschnitts des rechteckförmigen Entladungsraums 4 wird als Aspektverhältnis bezeichnet, und vom Gesichtspunkt der Kühlung des als ein Lasermedium dienenden Gases ist daraus zu schließen, daß bei gleichem Aspektverhältnis die Kühlkapazität ähnlich ist.
Insbesondere wenn dieselbe Energie eingespeist wird und wenn das Aspektverhältnis gleich ist, dann ist die Temperatur des Gases gleich. Um dementsprechend eine höhere Energie einzuspeisen und das Gas ausreichend zu kühlen, um die Laserschwingungsleistung zu erhöhen, sollte das Aspektverhältnis auf einen hohen Wert eingestellt werden: Außerdem sollte für die Laserschwingung, für welche eine hohe Energiedichte erforderlich ist, die Kurzseite d auf einen kleinen Wert eingestellt werden.
Die Kühlkapazität für das Gas mit Bezug auf die Länge d der Kurzseite des Abschnitts des rechteckförmigen Entladungsraums 4 ist in Fig. 43 gezeigt. In Fig. 43 kennzeichnet eine Vollinie eine Energiedichte, bei welcher die Temperatur des Gases 250 ºC beträgt und die Zusammensetzung des Gases aus He-N&sub2;-CO&sub2; = 80-10-10 (%; Volumenanteil, molare Fraktion) beträgt. Aus Fig. 43 ist ersichtlich, daß die Kühlkapazität für das Gas steigt, wenn die Kurzseite d kleiner wird.
Wenn andererseits die Kurzseite (Spaltlänge) d kurz eingestellt wird, erhöht sich der Verlust a beim Ausbreitungsprozeß des Laserlichts. Der Ausbreitungsverlust a des EHnm- Modus in dem rechteckförmigen Wellenleiter kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
wobei λ die Laserwellenlänge bezeichnet, &epsi; und &epsi;&sub0; bezeichnen die Dielektrizitätskonstante mit Bezug auf die Laserwellenlänge und die Dielektrizitätskonstante im Vakuum (0,8854 x 10&supmin;¹¹ CV&supmin;¹ m&supmin;¹), und unm bezeichnet den Koeffizient mit Bezug auf die Ordnung jedes Modus.
Fig. 44 zeigt das durch Berechnung anhand der vorstehenden Formel erhaltene Ergebnis, die Beziehung zwischen der Spaltlänge d und dem Ausbreitungsverlust a, wobei Al&sub2;O&sub3; (Aluminiumoxid) für ein dielektrisches Material eingesetzt wird, und eine Wellenlänge (10,6 µm) eines Kohlendioxidgaslasers als eine Laserwellenlänge verwendet wird. Demzufolge erhöht sich der Ausbreitungsverlust a proportional zur Spaltlänge d&supmin;³.
Der normale Wellenleitertyp des Kohlendioxidgaslaser-Apparats wird häufig in dem Bereich von 1,5 mm ≤ d ≤ 2,5 mm verwendet, unter Berücksichtigung der Kühlkapazität des Gases und des Ausbreitungsverlusts des Lichts. Wenn die Länge des Dielektrikums groß ist, nimmt natürlich infolge der hohen Ausgangsleistung der Ausbreitungsverlust zu. Daher ist es erforderlich, die Spaltlänge d zu erhöhen, um eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen.
Fig. 45 zeigt ein Ergebnis einer Untersuchung des Einflusses der Frequenz der Energiequelle der HF-Energiequelle 3 auf die Ausgangsleistung des Kohlendioxidgaslasers unter der Bedingung der Spaltlänge d = 2 mm. Es hat sich bestätigt, daß mit zunehmender Frequenz der Energiequelle die Laserausgangsleistung drastisch ansteigt. Der Grund dafür wird nachstehend erläutert.
Fig. 46 zeigt ein Ergebnis der Berechnung der Verteilung des elektrischen Felds in der Richtung des Spalts d unter Veränderung der Frequenz der Energiequelle unter der Bedingung des Gasdrucks von 80 Torr (1 Torr = 133 Pa). In Fig. 46 bezeichnet das Bezugszeichen Z einen Abstand in der Richtung des elektrischen Felds, und Z = 0 ist die Mitte des Spalts, während Z = 1,0 mm eine Grenze zu einer dielektrischen Platte darstellt. Wie aus Fig. 46 ersichtlich, wird bestätigt, daß mit zunehmender Frequenz der Energiequelle der Bereich, in welchem das elektrische Feld stark ist, abnimmt, während der Bereich des schwachen elektrischen Felds zunimmt, welcher für die Laserschwingung geeignet ist. Wird dementsprechend die Frequenz der Energiequelle erhöht, vergrößert sich der Bereich des schwachen elektrischen Felds, und die Wirksamkeit der Anregung des Lasers steigt, wie in Fig. 46 gezeigt ist.
Diese Veränderung der Verteilung des elektrischen Felds ist mit einem Entladungserhaltungsmechanismus erklärbar. Der Entladungserhaltungsmechanismus ist kurz gesagt die Beziehung zwischen der Laufzeit te der Elektronen durch den Spalt d und der Halbperiodendauer ts der Energiequelle. Da die Anzahl der Elektronen und der Energieverlust hoch sind, insbesondere in einem solchen Fall, in dem die zur Anode driftenden Elektronen mit der Anode (Elektrode) zusammenstoßen, muß das elektrische Feld die Energie zum Ausgleich des Verlusts bereitstellen. Demgemäß wird der Bereich des starken elektrischen Felds groß. Dies entspricht dem Fall, in welchem die Halbperiodendauer ts der Energiequelle länger ist als die Laufzeit te der Elektronen durch den Spalt. Ist im Gegensatz dazu die Veränderung des elektrischen Felds (Halbperiodendauer ts der Energiequelle) kürzer als die Laufzeit te der Elektronen, wird die Polarität der Elektrode umgekehrt (wird negativ), bevor die zur Anode driftenden Elektronen an der Anode ankommen, und folglich werden die Elektronen zurückgedrängt und stoßen nicht mit der Elektrodenwand zusammen. Demgemäß sind in diesem Beispiel der Verlust in der Zahl der Elektronen und der Energieverlust gering, und der Bereich des starken elektrischen Felds kann schmal ausgebildet werden.
Obgleich es abhängig von den Bedingungen unterschiedlich sein kann, in den in Verbindung mit Fig. 45 berechneten Bedingungen, da die Driftgeschwindigkeit der Elektronen fast 10&sup7; cm/s beträgt und die Laufzeit te der Elektronen durch den Spalt 0,2 cm (2 mm)/10&sup7; cm/s = 2 x 10&supmin;&sup8; s ist. Die kritische Frequenz, bei welcher die Laufzeit te einer Halbperiodendauer der HF-Energiequelle 3 entspricht, beträgt 100 MHz. Wenn demgemäß die Frequenz der HF-Energiequelle niedriger als 100 MHz ist, wird der Bereich des starken elektrischen Felds breit, wie in Fig. 46 gezeigt ist, und die niedrige Anregungswirksamkeit geht zurück, wie in Fig. 45 gezeigt ist.
Außerdem verwendet der in Fig. 42 gezeigte herkömmliche Kohlendioxidgaslaser-Apparat einen Hybridresonator, um einen Laserstrahl hoher Konvergenz im rechteckförmigen Entladungsraum 4 zu erzeugen. Der Hybridresonator arbeitet insbesondere in der Richtung der Kurzseite d des rechteckförmigen Entladungsraums 4, da ein Wellenleiterresonator, in welchem sich das Licht ausbreitet, während es durch die dielektrischen Platten 10 und 20 reflektiert wird, und arbeitet in der Richtung der Langseite als ein instabiler Resonator (ein Resonator des Typs, in welchem Licht nicht vollständig eingeschlossen ist).
In dem Fall, wenn ein Wellenleiter als Resonator verwendet wird, wenn der Abstand (Lwm) zwischen einem Ende eines Wellenleiters (dielektrische Platten 10 und 20) und ein Resonatorspiegel (Reflexionsspiegel 7 und Ausgangskoppeleinrichtung 8) auf einen großen Wert eingestellt ist, dann wird der Anteil hoch, in welchem das Licht aus dem Resonator entweicht, und folglich geht die Ausgangsleistung eines Laserstrahls zurück. Es ist bekannt, daß der Verlust durch das Entweichen von Licht proportional (Lwm)3/2 ansteigt. Um den Lichtverlust zu unterdrücken, ist es daher z. B. unter den Bedingungen der Wellenlänge von 10,6 µm (CO&sub2;-Laser) und der Spaltlänge von d = 2 mm erforderlich, Lwm auf einen kleinen Wert von 10 mm oder in der Größe einzustellen, um den Lichtverlust niedrig zu halten.
Wenn demgemäß die anliegende Spannung erhöht wird, um die Entladungsenergie zu erhöhen, tritt die Entladung nicht nur im Hauptentladungsraum 4 auf, sondern auch die Entladung 41 zur Ausgangskoppeleinrichtung 8 hin, wie in Fig. 47 gezeigt ist. Wenn in diesem Beispiel die Entladung zur Ausgangskoppeleinrichtung 8 eintritt, dann nimmt die dem Hauptentladungsraum 4 zugeführte Energie ab, und die Laseranregungsleistung geht zurück, wie aus Fig. 48 erkennbar ist. (In Fig. 48 bezeichnet ein Punkt Ps eine Entladungsanfangsenergie zum Spiegel.)
Wenn ferner die Ecken der dielektrischen Platten 10 und 20 in der Nähe der Endabschnitte der Metallelektroden 1 und 2 angeordnet sind, erhöht sich die elektrische Feldstärke an den Ecken der dielektrischen Platten 10 und 20 dann, wie in Fig. 49 gezeigt ist, wenn die anliegende Spannung steigt, und die Entladung 42 neigt zur Konzentration auf Stellen in der Nähe der Ecken.
Da der herkömmliche Laser-Apparat wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, ist es in dem Fall, wenn die Länge des Dielektrikums länger sein soll, um einen Wellenleitertyp-Laser hoher Ausgangsleistung zu erhalten, erforderlich, die Spaltlänge d im Hinblick auf die Kühlung kurz zu halten, wogegen es notwendig ist, die Spaltlänge d im Hinblick auf den Ausbreitungsverlust des Lichts lang einzustellen. Dieses ist exakt die gegensätzliche Anforderung, welche unmöglich realisierbar ist.
Wenn ferner die Dielektrizitätskonstante &epsi; aus den vorstehend beschriebenen Formeln (1) und (2) mit Bezug auf die Laserwellenlänge niedrig eingestellt ist, wird ein verminderter Ausbreitungsverlust a erwartet. Tatsächlich ist jedoch ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante schwer zu sintern und oft unmöglich zu bearbeiten.
Wie nachstehend beschrieben, wird von dem in diesem System verwendeten Dielektrikum nicht nur eine Beschaffenheit als eine Wellenleiterpfadoberfläche gefordert, sondern auch eine Funktion als eine Kapazität für die Entladung, wie z. B. die Spannungsfestigkeit. Aus diesem Grund sind die Materialien, welche diese Bedingungen erfüllen, äußerst beschränkt.
Ferner ist im Fall des herkömmlichen CO&sub2;-Laser-Apparats die optimale Frequenz der Laseranregung in der Nähe von 150 MHz. Da jedoch diese Frequenz für den Gebrauch nach dem Japanischen Rundfunkwellen-Gesetz eingeschränkt ist, bleibt ein großes Problem im Fall der Bereitstellung eines Mehrzweck Apparats. Weiterhin ist eine solche HF-Energiequelle teuer, und die Anpassung zwischen der HF-Energiequelle und einer Laserbelastung ist schwierig. Wie beschrieben ist, treten viele Probleme auf.
Folglich weist der herkömmliche Gaslaser-Apparat ferner ein Problem dahingehend auf, daß beim Erhöhen der angelegten Spannung zum Vergrößern der Entladungsenergie dann nicht nur die Entladung in dem Hauptentladungsraum auftritt, sondern auch die Entladung 41 zum Resonatorspiegel hin, und die auf die Ecken der dielektrischen Platten konzentrierte Entladung 42 wird verursacht, welche die Stabilität des Laser-Apparats verschlechtert.
Aus dem Dokument EP-A-0 392 485 ist ein Laser-Apparat mit Mikrowellen-Anregung bekannt. Ein Entladungsraum stellt ein Lasergehäuse in Form eines Steghohlleiters dar, und das Lasergehäuse ist vorzugsweise so dimensioniert, daß dessen kritische Wellenlänge λk geringer oder gleich der Mikrowel len-Wellenlänge λ&sub0; ist. In einem ungepulsten Betriebsmodus erzeugt dieser Laser-Apparat gemäß dem Stand der Technik eine homogene Plasmaentladung im gesamten Entladungsraum. Ein vorteilhaftes weiteres Homogenisieren der Plasmaentladung ist durch ein zusätzlich angelegtes Magnetfeld erreich bar.
Es ist das Ziel der Erfindung, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist ein Hauptziel der Erfindung, einen Laser-Apparat zu schaffen, welcher den Laser mit hoher Leistung anregen kann, selbst in einem Frequenzbereich, welcher z. B. nach dem Japanischen Rundfunkwellen-Gesetz genehmigt ist, oder in einem Bereich niedriger Frequenz, in dem eine Gegenmaßnahme gegen unerwünschte Rundfunkwellen-Abstrahlung einfach ist.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen Laser-Apparat zu schaffen, welcher die Entladung stetig einleiten kann.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen stabilisierten Laser-Apparat zu schaffen, welcher die Entladung zu einem optischen Resonatorspiegel unterdrücken kann, selbst bei Anwendung einer Hochspannung und der Konzentration der Entladung auf einen Eckenabschnitt eines Dielektrikums.
Es ist ein noch anderes Ziel der Erfindung, einen Laser- Apparat zu schaffen, welcher die lichtabsorbierende Wirkung in einem nichtangeregten und ungekühlten Raum minimieren kann, so daß ein Laser mit einer hohen Ausgangsleistung selbst in einem Bereich hoher Ausgangsleistung betrieben werden kann.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen Laser-Apparat zu schaffen, in welchem Laserlicht-Anregungsräume ausgebildet sind und eine Einrichtung vorgesehen ist, um Laserstrahlen voll zurückzuführen, wie z. B. ein Prisma, ein Haltespiegel usw., wobei in dem Fall, daß die Laserlicht-Anregungsräume in Reihe verbunden sind, die gleichen wirkungen erzielt werden und der Apparat miniaturisierbar und mit geringen Kosten herstellbar ist.
Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen Hochleistungslaser-Apparat zu schaffen, welcher den Ausbreitungsverlust des Lichts minimieren kann, während die Entladungsbedingungen erfüllt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Laserapparat aufgezeigt, welcher einen Entladungsraum zwischen dielektrischen Platten aufweist, welche in engem Kontakt mit Metallelektroden sind und einen Wellenleiter bilden, dessen Spalt in der Kurzseite eines rechteckförmigen Anregungsabschnitts für die hochfrequenzstimulierte Laseranregung angeordnet ist, das Verhältnis zwischen der Langseite und der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts 3 oder mehr beträgt und die Ausgabe eines Laserstrahls in der Richtung, welche den rechteckförmigen Abschnitt des Entladungsraums senkrecht schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung angeordnet ist, so daß die Entladung in dem rechteckförmigen Abschnitt des Entladungsraums schräg erzeugt wird.
Erfindungsgemäß ist wahlweise ein Laser-Apparat aufgezeigt, welcher einen Entladungsraum zwischen dielektrischen Platten aufweist, welche in engem Kontakt mit Metallelektroden sind und einen Wellenleiter bilden, dessen Spalt in der Kurzseite eines rechteckförmigen Erregungsabschnitts für die hochfrequenzstimulierte Lasererregung angeordnet ist, das Verhältnis zwischen der Langseite und der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts 3 oder mehr beträgt und ein Laserstrahl in die Richtung ausgegeben wird, welche den rechteckförmigen Abschnitt des Entladungsraums senkrecht schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung angeordnet ist, so daß die Entladung mit Bezug auf die Richtung einer optischen Achse, welche den rechteckförmigen Abschnitt in dem Entladungsraum senkrecht schneidet, schräg erzeugt wird.
Da mit dem erfindungsgemäßen Laser-Apparat die Entladung in Schrägrichtungen innerhalb des rechteckförmigen Abschnitts des Entladungsraums verursacht wird, kann die wirksame Länge des Spalts lang eingestellt werden, und aus diesem Grund ist ein Verhältnis eines Bereiches hoher elektrischer Feldstärke zur Erhaltung der Entladung vermindert, und eine durchschnittliche elektrische Feldstärke wird vermindert, um eine Laseranregungsleistung zu erhöhen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Kurvenbilder, welche jeweils eine Beziehung zwischen der Entladungsenergie und der Laserausgangsleistung des Gaslaser-Apparats in Fig. 1 darstellen,
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gaslaser- Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer vorläufigen Ausführungsform,
Fig. 10 zeigt ein Kurvenbild einer Beziehung zwischen der Entladungsenergie und der Laserausgangsleistung des Gaslaser-Apparats in Fig. 9,
Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser- Apparats gemäß einer vorläufigen Ausführungsform,
Fig. 12 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser- Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 13 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 14 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 15 zeigt ein Schaltschema eines dem Gaslaser-Apparat in Fig. 14 gleichwertigen elektrischen Stromkreises,
Fig. 16 zeigt ein Kurvenbild der Einschalt-Leistungskennlinie des Gaslaser-Apparats in Fig. 14,
Fig. 17 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser- Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 18 zeigt eine Seitenansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gaslaser- Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 20A zeigt eine Draufsicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 20B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 20A,
Fig. 21A zeigt eine Draufsicht eines Gaslaser-Apparats gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 21B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 21A,
Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser- Apparats gemäß einer Ausführungsform 17 der Erfindung,
Fig. 23 zeigt eine grafische Darstellung der Laserschwingungskennlinie des in Fig. 22 gezeigten Laser-Apparats,
Fig. 24 zeigt eine grafische Darstellung der Laserschwingungskennlinie eines herkömmlichen Laser-Apparats im Vergleich mit dem in Fig. 22 gezeigten Laser-Apparat,
Fig. 25 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lichtabsorptionskoeffizient des Kohlendioxids und der Gastemperatur in dem Laserapparat,
Fig. 26 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 18 der Erfindung,
Fig. 27 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 19 der Erfindung,
Fig. 28 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 20 der Erfindung,
Fig. 29 zeigt eine Ansicht eines Laserstrahl-Lichtpfads des in Fig. 28 gezeigten Laser-Apparats,
Fig. 30 zeigt eine Schnittansicht eines Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 21 der Erfindung,
Fig. 31 zeigt eine Ansicht eines Laserstrahl-Lichtpfads des in Fig. 30 gezeigten Laser-Apparats,
Fig. 32 zeigt. eine Schnittansicht des Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 22 der Erfindung,
Fig. 33 zeigt eine perspektivische Ansicht des in Fig. 32 gezeigten Laser-Apparats,
Fig. 34 zeigt eine Ansicht eines in Fig. 33 gezeigten Laserstrahl-Lichtpfads,
Fig. 35 zeigt eine Ansicht der Anordnung eines rechteckförmigen Entladungsraums des Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 23 der Erfindung,
Fig. 36 zeigt eine Ansicht eines in Fig. 35 gezeigten Laserstrahl-Lichtpfads,
Fig. 37 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 24 der Erfindung,
Fig. 38 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 25 der Erfindung,
Fig. 39 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 26 der Erfindung,
Fig. 40 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 27 der Erfindung,
Fig. 41 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß einer Ausführungsform 28 der Erfindung,
Fig. 42 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats,
Fig. 43 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Entladungsraum und dem Laseranregungskoeffizient in dem in Fig. 42 gezeigten CO&sub2;-Laser-Apparat,
Fig. 44 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Spaltlänge und der Kühlkapazität in dem in Fig. 42 gezeigten CO&sub2;-Laser-Apparat,
Fig. 45 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz der Anregungsenergiequelle und der Leistungsfähigkeit der Laseranregung in dem in Fig. 42 gezeigten Laser-Apparat,
Fig. 46 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Frequenz der Anregungsenergiequelle und der elektrischen Feldverteilung in dem in Fig. 42 gezeigten Laser- Apparat,
Fig.47 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Entladung in dem in Fig. 42 gezeigten Laser-Apparat zu einem Resonatorspiegel hin,
Fig. 48 zeigt eine Ansicht der Schwingungskennlinie in dem in Fig. 42 gezeigten Laser-Apparat zum Zeitpunkt des Auftretens der Entladung zum Resonatorspiegel hin, und
Fig. 49 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der am Ende eines Dielektrikums in dem in Fig. 42 gezeigten Laser-Apparat auftretenden Entladung.
Nachstehend werden die Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf Fig. 1 - 21 beschrieben. In diesen Figuren sind gleiche Elemente zu jenen nachstehend mit Bezug auf Fig. 22 - 28 beschriebenen mit gleichen Bezugszeichen und Zeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird hier ausgelassen.

Ausführungsform 1.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß der Ausführungsform 1 der Erfindung. Der Gaslaser-Apparat weist einen rechteckförmigen Abschnitt auf, wobei das Verhältnis zwischen der Länge der Langseite und der Länge der Kurzseite gleich 3 oder größer als 3 ist, und einen Laserstrahl in die Richtung senkrecht zu dem Abschnitt ausgibt. Auch in der vorliegenden Erfindung strömt das Kühlwasser durch die Elektroden 1 und 2, um das Lasermedium zu kühlen.
Während der Grundaufbau des Gaslaser-Apparats ähnlich dem in Fig. 42 gezeigten herkömmlichen Gaslaser-Apparat ist, sind in der vorliegenden Ausführungsform die dielektrischen Platten 10 und 20 mit einer Dickenverteilung versehen, um die elektrostatischen Kapazitäten der Elektroden mit einer Verteilung vorzusehen, um das Entladen in Schrägrichtungen in dem Abschnitt zu erzeugen.
Anschließend wird die Operation des Gaslaser-Apparats beschrieben. Wenn eine Wechselhochspannung zwischen den Metallelektroden 1 und 2 angelegt ist, wird die Entladung in dem Entladungsraum 4 erzeugt. Da in diesem Beispiel die Entladungsenergie im Verhältnis zu der elektrostatischen Kapazität zugeführt wird, wenn eine geeignete Verteilung der Dicken der dielektrischen Platten 10 und 20 vorgesehen ist, dann wird eine solche Entladung in Schrägrichtungen verursacht, wie in Fig. 1 durch das Bezugszeichen DC gekennzeichnet ist. Gemäß einem Experiment der Erfinder hat sich bestätigt, daß sich beim Vorsehen einer Dickenverteilung eines selben dielektrischen Materials die Entladung in Schrägrichtungen hauptsächlich verursacht wird, wenn das Verhältnis der Dicke zwischen einem dünneren Abschnitt und einem dickeren Abschnitt auf 1 : 3 oder mehr eingestellt ist.
Da gemäß dieser Ausführungsform eine gleichwertige Entladungsspaltlänge in Schragrichtung durch Auswahl des Abstands (Bezugszeichen p) an dünneren Abschnitten der dielektrischen Platten 10 und 20 beliebig einstellbar ist, kann eine Optimierung durch die Frequenz der Energiequelle erreicht werden.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen Ergebnisse einer Untersuchung der Abhängigkeit der Laserausgangsleistung von der Frequenz der Energiequelle, jeweils bei p = 5 mm und p = 15 mm, unter der Bedingung der Spaltlänge von 2 mm. Unter der Bedingung von p = 5 mm in Fig. 2 sind die Anregungsleistungen bei den Frequenzen der Energiequelle von 150 MHz und 13,56 MHz im wesentlichen zueinander gleich. Unter der Bedingung von p = 15 mm in Fig. 3 ist auch die Anregungsleistung bei 100 kHz fast gleich, und die Erhöhung der Laseranregungsleistung in einem Bereich niedriger Frequenz wird bestätigt. Demgemäß ist erkennbar, daß in dem Fall, wenn die in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehene gleichwertige Entladungsspaltlänge durch die Schrägentladung lang angenommen wird, die Laserschwingung mit einer hohen Leistung möglich ist, selbst wenn eine Energiequelle mit einer niedrigeren Frequenz verwendet wird.

Ausführungsform 2.

Es wurde bestätigt, daß in dem Fall, wenn die Metallelektroden 1 und 2 mit den dielektrischen Elementen 101 und 201 ausgebildet werden, welche eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, es dann möglich ist, eine höhere Spannung zwischen ihnen anzulegen, und eine Erhöhung der Ausgangsleistung wird realisiert.

Ausführungsform 3.

Selbst wenn unterschiedliche Dielektrika 102 und 202 jeweils auf den dielektrischen Platten 10 und 20 laminiert sind, um aufgesetzte dielektrische Schichten auszubilden, wie in Fig. 5 gezeigt ist, können ähnliche Wirkungen zu jenen im Ausführungsbeispiel 1 erreicht werden. Wenn in diesem Ausführungsbeispiel die Dielektrika 102 und 202 aus einem Material erzeugt werden, welches eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als jene der dielektrischen Platten 10 und 20 aufweist, dann ist es möglich, die Dicken der Dielektrika 102 und 202 zu vermindern, um die Wirkung der Wärmeleitung zur Kühlung der Gasmischung zu steigern.

Ausführungsform 4.

Wird der Neutralpunkt der Energiequelle auf Massepotential geschaltet, so daß Spannungen, welche zueinander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen (um 180º zueinander phasenverschobene Spannungen), an den Metallelektroden 1 und 2 angelegt sind, dann können die Isolationsabstände von den Elektroden 1 und 2 zur Masse kurz ausgebildet werden, und ein kompakter Laserschwingungsgenerator ist realisierbar.

Ausführungsform 5.

Während die Wirkungen der Schrägentladung in dem Abschnitt des Entladungsraums 4 senkrecht zu der optischen Achse in der Ausführungsform 1 beschrieben worden sind, sind ähnliche Wirkungen zu jenen der Ausführungsform 1 erreichbar, selbst wenn das Schrägentladen in der Richtung der optischen Achse eintritt, wie in Fig. 7 gezeigt ist.

Ausführungsform 6.

Während die Fälle, in denen die Entladung in Schrägrichtungen durch eine Verteilung der elektrostatischen Kapazität verursacht wird, in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erläutert sind, wird z. B. in dem Fall, wie in Fig. 8 gezeigt ist, wenn die Metallelektroden 1 und 2, welche zueinander in Gegenüberlage angeordnet sind, und ein anderes Paar von Metallelektroden 11 und 22, welche zueinander in Gegenüberlage angeordnet sind, durch die dielektrischen Elemente 10 und 20 kurzgeschlossen werden, während eine Hochspannung zwischen den benachbarten Metallelektroden 1 und 11 und den benachbarten Metallelektroden 2 und 22 angelegt ist, dann wird die Entladung zwischen den schräg in Gegenüberlage befindlichen Elektroden verursacht, welche un terschiedliche Potentiale aufweisen (kurz gesagt, zwischen den Elektroden 1 und 22 und zwischen den Elektroden 2 und 11) und zwischen benachbarten Elektroden (kurz gesagt, zwischen den Elektroden 1 und 11 und zwischen den Elektroden 2 und 22). Folglich werden ähnliche Wirkungen wie die vorste hend beschriebenen erreicht. Kurz gesagt, wenn die Entladung in Schrägrichtungen mit Bezug auf die dielektrischen Elemente 10 und 20 verursacht werden kann, dann ist die Laseranregung mit einer hohen Leistung möglich, selbst wenn eine Energiequelle mit einer niedrigen Frequenz verwendet wird.
Ausführungsform 7 (vorläufige Ausführungsform, welche nicht für die vorliegende Erfindung beispielhaft ist).
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß der vorläufigen Ausführungsform mit Bezug auf die Ausführungsform 7. Der Grundaufbau des Gaslaser-Apparats ist ähnlich jenem in Fig. 42 gezeigten. In der beispielhaften Ausführungsform sind jedoch die Entladungselektroden 1 und 2 in der Richtung der Langseite des Abschnitts des Entladungsraums 4 angeordnet, wie in Fig. 9 gezeigt ist, und die Entladung wird in die Richtung der Langseite des Entladungsraums 4 verursacht.
Da das Verhältnis zwischen der Langseite und der Kurzseite (d. h. das Aspektverhältnis) des Entladungsraums 4 gleich 3 oder größer als 3 eingestellt ist, ähnlich wie in der Ausführungsform 1, kann die Spaltlänge nur durch das Verändern der Richtung der Entladung aus der Richtung der Kurzseite zur Richtung der Langseite um das drei- oder mehrfache vergrößert werden. Folglich wird die vorstehend beschriebene Spaltlaufzeit te der Elektronen verlängert, und die elektrische Feldstärke wird auf ein Bedingungsoptimum für die Laserschwingung eingestellt, und die Laserschwingung mit einer hohen Leistung wird realisiert, selbst wenn die HF-Energiequelle 3 eine niedrige Frequenz mit einer vergleichsweise langen Energiequellen-Periodendauer ts aufweist.
Ein Ergebnis eines ähnlichen Schwingungsversuchs, welcher unter ähnlichen Bedingungen wie jene in Fig. 45 ausgeführt wurde, unter Verwendung des Gaslaser-Apparats der vorläufigen Ausführungsform ist in Fig. 10 gezeigt. Aus Fig. 10 ist erkennbar, daß die Laserschwingungsleistung in einem niedrigen Frequenzbereich erhöht ist. Wird das Aspektverhältnis weiter vergrößert, dann beruht die Laserschwingungsleistung ein wenig mehr auf der Frequenz der Energiequelle.
Ausführungsform 8 (vorläufige Ausführungsform, nicht beispielhaft für die vorliegende Erfindung).
In der vorläufigen Ausführungsform wird der Aufbau der vorstehend beschriebenen vorläufigen Ausführungsform 7 so abgewandelt, daß die Entladungselektroden 111 und 221 jeweils von den dielektrischen Elementen 103 und 203 aus Glas oder dergleichen umgeben sind. Auch mit diesem Aufbau sind ähnliche Wirkungen wie jene der vorläufigen Ausführungsform 7 aufzeigbar (gemeinsam mit der Ausführungsform 1, in der ein Paar von dielektrischen Elementen zwischen den Entladungselektroden angeordnet ist).

Ausführungsform 9.

In der vorliegenden Ausführungsform ist der Aufbau der vorstehend beschriebenen vorläufigen Ausführungsform 7 so abgewandelt, daß eine Gleichstrom-Energiequelle 31 angewendet wird, um den Laser durch die Gleichstrom-Glimmentladung anzuregen, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Die Gleichstrom-Energiequelle 31 ist mit einer Katodenstiftelektrode 112 und einer Anode 222 verbunden. Auch mit dem vorliegenden Aufbau sind ähnliche Wirkungen zu jenen der Ausführungsform 7 aufzeigbar.

Ausführungsform 10.

Die Ausführungsform weist einen solchen Aufbau auf, welcher eine Kombination jeweils des Aufbaus der Ausführungsformen 7 und 9 darstellt, und wie in Fig. 13 gezeigt ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Entladung zum Zuführen der Energie, welche niedriger als eine Hälfte der Energie in der Richtung der Langseite durch die Gleichstrom-Energiequelle 31 ist, in der Richtung der Kurzseite durch die HF-Energiequelle 3 verursacht. Durch diesen Aufbau wird die Entladung in der Richtung der Langseite erleichtert (um das Verursachen des Entladens ohne das Anlegen einer Überspannung zuzulassen). Ferner ist die Entladung stabilisierbar.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in dem Fall, wenn ein CO&sub2;-Laser als ein Ausführungsbeispiel in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, die vorliegende Erfindung auch auf solche anderen Gaslaser, wie z. B. einen CO-Laser, anwendbar ist, welche erforderlich sind, um die Anregung durch Elektronen niedriger Energie zu gewährleisten, ähnlich wie bei einem CO&sub2;-Laser.

Ausführungsform 11.

Fig. 14 zeigt eine Schnittansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß der Ausführungsform 11 der Erfindung. In Fig. 14 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 jeweils eine Metallelektrode, und die Bezugszeichen 13 und 23 bezeichnen jeweils ein Metallwinkelrohr (durch welches Kühlwasser umläuft). Eine Vielzahl von Metallelektroden 1 und 2 sind jeweils mit den dielektrischen Elementen 10 und 20 verbunden und sind mit der Wechselstrom-Energiequelle 3 verbunden. Die Metallelektroden 1 und 2 sind in wechselseitiger Beziehung auf den Seiten in Gegenüberlage des Entladungsraums 4 angeordnet.
Ferner ist ein Metallwinkelrohr 13 oder 23 in der elektrisch ungeerdeten Bedingung zwischen jeweils benachbarten Metallelektroden 1 oder 2 angeordnet. Die Metallelektroden 1, 2 und die Metallwinkelrohre 13, 23 werden einzeln gekühlt, und das Lasergas im Entladungsraum 4 wird über die dielektrischen Platten 10 und 20 gekühlt. Ferner sind dielektrische Materialien 15 und 25 ausgebildet, um die gesamten Elektroden 1, 2 und die Metallwinkelrohre 13, 23 zu bedecken, um die Kriechentladung zu verhindern.
Anschließend wird die Operation beschrieben. Wird eine Wechselhochspannung von der HF-Energiequelle 3 zwischen den Metallelektroden 1 und 2 angelegt, dann wird die Vorentladung 44 in der Richtung der Kurzseite des Entladungsraums 4 verursacht. Wird dann die Spannung weiter erhöht, wird die Hauptentladung 45 in den Schrägrichtungen verursacht.
Diese Erscheinung wird anhand einer gleichwertigen Schaltungseinrichtung eines in Fig. 15 gezeigten Elektrodensystems beschrieben. Die Hauptentladung (Plasmawiderstand R&sub1;) 45 ist einerseits über eine elektrostatische Kapazität C&sub1; der dielektrischen Platte 10 (von der Speiseelektrode 1) mit der Energiequelle 3 verbunden und ist andererseits über eine elektrostatische Kapazität C&sub1; der anderen dielektrischen Platte 20 (von der Speiseelektrode 2) mit der Energiequelle 3 verbunden.
Die vorläufige Entladung (Plasmawiderstand R&sub2;) 44 ist, wenn sie über das Metallwinkelrohr 13 mit der Speiseelektrode 1 verbunden ist, über die elektrostatische Kapazität C&sub1; der dielektrischen Platte 10, das Metallwinkelrohr 13 und eine elektrostatische Kapazität C&sub2; des dielektrischen Materials 15 mit der Speiseelektrode 1 verbunden. Wenn andererseits die vorläufige Entladung 44 über die Speiseelektrode 2 mit dem Metallwinkelrohr 23 verbunden ist, ist sie über die elektrostatische Kapazität C&sub1; der dielektrischen Platte 20 mit der Speiseelektrode 2 verbunden. Infolge dieser Verbindungskonfigurationen wird die vorläufige Entladung 44 zwischen dem Metallwinkelrohr 13 und der Speiseelektrode 2 und auf ähnliche Weise zwischen der Speiseelektrode 1 und dem Metallwinkelrohr 13 verursacht.
In der vorliegenden Ausführungsform beginnt die vorläufige Entladung bei einer sehr niedrigen Spannung, weil die gleichwertige Spaltlänge in der Richtung der Kurzseite gering ist. Dann wird das Entladungsfeld durch ultraviolette Strahlen oder durch geladene Teilchen, welche durch die vorläufige Entladung 44 erzeugt werden, in einen schwach ionisierten Zustand versetzt, und die Hauptentladung 45 wird bei einer vergleichsweise niedrigen Spannung ausgelöst.
Ein Unterschied in der Einschaltenergiekennlinie entsteht, je nachdem, ob die vorläufige Entladung vorliegt oder nicht, wie in Fig. 16 gezeigt ist. In Fig. 16 zeigt eine Vollinie EX. II eine Einschaltenergiekennlinie, wenn die vorläufige Entladung 44 vorliegt, und eine gestrichelte Linie zeigt eine andere Einschaltenergiekennlinie, wenn die vorläufige Entladung 44 fehlt. Wenn keine vorläufige Entladung vorliegt, wird die Hauptentladung 45 nicht gezündet, bis zu dem Zeitpunkt, nachdem eine Hochspannung (Überspannung) einmal angelegt ist, und die Hochenergie wird plötzlich in das Entladungsfeld eingespeist. Wenn jedoch ein vorläufiger Ionisationsmechanismus hinzukommt, um, wie in der vorliegenden Ausführungsform, die vorläufige Entladung 44 zu verursachen, wird die Hauptentladung 45 gleichmäßig gezündet, und ein nicht steuerbarer Bereich (Bereich bis zum Erreichen der Entladung), welcher in herkömmlichen Apparaten auftritt, ist ausschließbar.
Da übrigens die vorläufige Entladung 44 die Entladung ist, bei der die gleichwertige Spaltlänge gering ist, besteht ein Nachteil darin, daß in dem Fall, wenn die Hochenergie eingeschaltet wird, um die vorläufige Entladung 44 zu verstärken, dann vermindert sich, wie nachstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben wird, die Laseranregungsleistung bei einer niedrigen Frequenz der Energiequelle unter 100 MHz Die Erfinder haben bestätigt, daß in dem Fall, wenn die für die vorläufige Entladung 44 einzuspeisende Energie auf einen Wert gleich oder niedriger als 10 % der für die Hauptentladung 45 einzuspeisenden Energie eingestellt wird, die Rolle der vorläufigen Entladung ausreichend aufgezeigt werden kann, ohne die Anregungsleistung des Lasers durch (das vorläufige Entladen) + (die Hauptentladung) zu verschlechtern.
Wie in Fig. 15 erkennbar ist, wird in diesem Ausführungsbeispiel sowohl in der vorläufigen Entladung 44 als auch in der Hauptentladung 45 die Entladungsenergie (Leistung) jeweils proportional zu den elektrostatischen Kapazitäten C&sub1; und C&sub1; + C&sub2; der dielektrischen Elemente entsprechend der Entladung zugeführt. Demgemäß kann die für die vorläufige Entladung 44 zuzuführende Energie gleich 10 % oder auf weniger als 10 % der elektrischen Energie eingestellt werden, welche für die Hauptentladung 45 einzuspeisen ist, durch Einstellen der elektrostatischen Kapazität der dielektrischen Elemente entsprechend der vorläufigen Entladung 44 auf einen Wert gleich 10 % oder weniger als 10 % der elektrostatischen Kapazität für die Hauptentladung 45.

Ausführungsform 12.

Während in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 11 die Hauptentladung (Schrägentladung) 45 und die vorläufige Entladung 44 erläutert sind, daß sie in der Ebene senkrecht zu der optischen Achse des rechteckförmigen Entladungsraums 4 verursacht werden, können ähnliche Wirkungen zu denen der Ausführungsform 11 erreicht werden, selbst wenn die Hauptentladung 45 und die vorläufige Entladung 44 in der Richtung der optischen Achse verursacht werden, wie in der in Fig. 17 gezeigten vorliegenden Ausführungsform 12. In Fig. 17 ist jedoch nur die Hauptentladung 45 gezeigt, während die vorläufige Entladung 44 ausgelassen ist. Die dielektrischen Formelemente sind ebenfalls ausgelassen.

Ausführungsform 13.

Während ferner in den Ausführungsformen 11 und 12 die Energie für die vorläufige Entladung 44 und die Hauptentladung 45 von der gemeinsamen Energiequelle 3 zugeführt wird, sind ähnliche Wirkungen zu jenen der Ausführungsformen 11 und 12 erreichbar, selbst wenn die Energie für die vorläufige Entladung 44 und die Hauptentladung 45 von getrennten Energiequellen 3 und 32 jeweils einzeln zugeführt wird, wie in der in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform 13.

Ausführungsform 14.

Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gaslaser-Apparats gemäß der Ausführungsform 14 der Erfindung. Der Gaslaser-Apparat der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von dem in Fig. 42 gezeigten herkömmlichen Gaslaser- Apparat dadurch, daß die Längenabmessung und die Breitenabmessung der Metallelektroden 1 und 2 jeweils kürzer als die Längenabmessung und die Breitenabmessung der dielektrischen Platten 10 und 20 um 5 mm oder mehr kürzer eingestellt sind.
Da in der vorliegenden Ausführungsform die Längenabmessung und die Breitenabmessung der Metallelektroden 1 und 2 jeweils um 5 mm oder mehr kleiner als die Längenabmessung und die Breitenabmessung der dielektrischen Platten 10 und 20 sind, auch wenn die Entladungsenergie erhöht wird (wenn die anliegende Spannung erhöht wird), kann die Konzentration der Entladung 42 durch die Konzentration des elektrischen Felds an den Eckenabschnitten der dielektrischen Platten 10 und 20 (mit Bezug auf Fig. 49) verhindert werden.
Auch das Auftreten der Entladung 41 zu der Ausgangskoppeleinrichtung 8 hin, wie in Fig. 47 gezeigt ist, hängt sehr von der angelegten Spannung ab. Nachstehend wird die Entladung 41 beschrieben. In der Ausführungsform 14, in welcher die Spaltlänge durch d dargestellt wird, der Abstand zwischen den dielektrischen Platten 10, 20 und der Ausgangskoppeleinrichtung 8 durch Lwm, der Unterschied in der Länge zwischen den Metallelektroden 1, 2 und den dielektrischen Platten 10, 20 durch L, die Entladungsanfangsspannung durch V* und der anliegende Spannungsspitzenwert durch Vop, wird der Ausführungsstandard des Abstands (Lwm + L) zwischen der Ausgangskoppeleinrichtung 8 und den Metallelektroden 1, 2 gemäß der folgenden Gleichung (3) eingestellt:
L + Lwm > (Vop/V*)d...(3)
(Vop ist eine abgleichbare Variable, und V* und d sind Festwerte.)
Es wurde durch die Erfinder durch Untersuchungen nachgewiesen, daß unter den Bedingungen, welche die Gleichung (3) erfüllen, keine Entladung 41 zur Ausgangskoppeleinrichtung 8 hin verursacht wird. Ferner ergibt sich die Entladungsenergie Wd aus der Frequenz f der Energiequelle und der dielektrischen elektrostatischen Kapazität C des Entladungsabschnitts gemäß der folgenden Gleichung (4):
Wd = πfCV*(Vop2 - V*2)1/2...(4)
(C und f sind Festwerte.)
Wie aus den Gleichungen (3) und (4) deutlich wird, ist in dem Fall, wenn eine hohe Entladungsenergie Wd einzuspeisen ist, Vop, d. h. (Lwm + L) auf einen hohen Wert einzustellen.
Wenn folglich der Abstand (Lwm + L) zwischen der Ausgangskoppeleinrichtung 8 und den Metallelektroden 1, 2 auf einen hohen Wert eingestellt ist, dann kann selbst dann, wenn die angelegte Spannung erhöht wird, das Auftreten der Entladung 41 zum optischen Resonatorspiegel 5 hin verhindert werden.

Ausführungsform 15.

Wird weiterhin der Aufbau der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 14 so abgewandelt, daß die Breite W der Metallelektroden 1 und 2 im wesentlichen gleich der Breite eines zwischen ihnen hindurchgehenden Laserstrahls eingestellt wird, welche wie in der in Fig. 20A und Fig. 20B gezeigten vorliegenden Ausführungsform durch den optischen Resonator bestimmt ist, dann ist die Entladungsenergie verlustfrei in Licht umwandelbar.

Ausführungsform 16.

In der vorliegenden Ausführungsform, welche die Tatsache ausnutzt, daß die Breite der Metallelektroden 1 und 2 geringer ist als die Breite W der dielektrischen Platten 10 und 20, ist ein Paar von Distanzelementen 16 und 17 zwischen den dielektrischen Platten 10 und 20 angeordnet, zwischen denen die Metallelektroden 1 und 2 nicht vorliegen, wie in Fig. 21A und Fig. 21B gezeigt ist, so daß der Abstand zwischen den Oberflächen (lichtreflektierenden Vorderseiten) der dielektrischen Platten 10 und 20 fest eingestellt bleibt.
Folglich kann die Spaltbreite zwischen den dielektrischen Platten 10 und 20 fest eingestellt bleiben, ohne daß ein Einfluß auf die Entladung eines Laserstrahls vorliegt. Es ist darauf hinzuweisen, daß in dem Fall, wenn die Distanzelemente 16 und 17 aus einem Material ausgebildet sind, welches ein Laserstrahl nicht entflammen kann, dann verursachtein Laserstrahl, welcher in eine andere als in die Richtung der regelrechten optischen Achse erzeugt werden kann, durch gebeugtes Licht eines Laserstrahls oder durch Fehljustierung des Resonators, keine unerwünschte Wirkung.
Da ferner die Distanzelemente 16 und 17 aus einem isolierenden Material, wie z. B. Keramik, ausgebildet sind, haben sie keinerlei Einfluß auf die Entladung, und die angestrebten Ziele sind erreichbar.
Wenn ferner die Distanzelemente 16 und 17 aus einem Metall ausgebildet sind, können sie kostengünstig hergestellt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die etwas eingeschnürte Entladung an den Distanzelementabschnitten beobachtet. Es wurde jedoch durch die Erfinder bestätigt, daß die Entladung keinen Einfluß auf die Laserkennlinie aufweist.

Ausführungsform 17.

Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 17 der Erfindung. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 70 ein Laserstrahl-Ausgabefenster als das zur Atmosphäre abschirmende Fenster, welches auf der Seite der Ausgangskoppeleinrichtung 8 zum Ausgeben eines Laserstrahls angeordnet ist. Dieses Laserstrahl-Ausgabefenster 70 ist abseits von der Ausgangskoppeleinrichtung 8 angeordnet.
Demgemäß bildet ein Abschnitt zwischen der Ausgangskoppeleinrichtung 8 und dem Laserstrahl-Ausgabefenster 70 einen entladungsfreien Abschnitt (einen nicht angeregten Abschnitt), durch welchen ein Laserstrahl 9 hindurchgeht. In diesem entladungsfreien Abschnitt ist ein Kühlkanal 711 als eine Lasergas-Kühleinrichtung angeordnet.
Der Kühlkanal 711 weist im Mittelabschnitt eine rechteckförmige Öffnung auf. Die Länge der Langseite und der Kurzseite der rechteckförmigen Öffnung ist auf das dreifache oder weniger der Langseite und der Kurzseite des Laserstrahls eingestellt, welcher durch den Kühlkanal 711 hindurchgeht.
Ferner sind in der Ausführungsform 17 die Abmessungen der Längen der Metallelektroden 1 und 2 kürzer als die Abmessungen der Länge der dielektrischen Platten 10 und 20 eingestellt. Beide Längsenden der dielektrischen Platten 10 und 20 erstrecken sich von den Längsenden der Metallelektroden 1 und 2 zu den Reflexionsspiegeln 7 und 8 hin.
Demgemäß bildet auch ein Abschnitt zwischen den Metallelektroden 1, 2 und den Reflexionsspiegeln 7, 8 einen entladungsfreien Abschnitt (nicht angeregter Abschnitt). In diesen entladungsfreien Abschnitten sind eine Lasergas-Kühleinrichtung, Kühlrohre 712, 713 und 714, 715 angeordnet, welche eine Kühlfunktion aufweisen, und sind elektrisch nicht geerdet oder an Masse angeschlossen.
Da die Ausgangskoppeleinrichtung 8 und das Laserstrahl-Ausgabefenster 70 im wesentlichen voneinander beabstandet sind, kann sich der Laserstrahl naturgemäß ausbreiten, um einen Strahldurchmesser in der Position des Laserstrahl- Ausgabefensters 70 zu vergrößern.
In Fig. 22 sind die Ausgangskoppeleinrichtung 8 und das Laserstrahl-Ausgabefenster 70 nur wenig voneinander beabstandet angeordnet. Fig. 24 zeigt die Kennlinie der Laserschwingung eines herkömmlichen Laser-Apparats, welcher keine Lasergas-Kühleinrichtung aufweist.
Wie aus Fig. 24 ersichtlich ist, erstreckt sich eine Laserausgabe in Abhängigkeit von einer elektrischen Entladungsenergie in einen Niedrigausgabebereich geradlinig. In einer Position, in welcher die Laserausgabe etwa 500 W beträgt, wird jedoch einmal eine Sättigungserscheinung der Ausgabe beobachtet, und es hat sich bestätigt, daß sich mit einer Erhöhung der Eingabe eine Laserausgabe wieder erhöht. Es ist festgestellt worden, daß eine Neigung (Leistung) der Laserausgabe nach der Sättigung niedriger ist als jene vor der Sättigung. Es wurde deutlich, daß die Lichtintensität, bei der die Ausgabe gesättigt ist, im wesentlichen von der Konzentration des Kohlendioxids abhängt, und je geringer die Konzentration des Kohlendioxids ist, um so mehr tritt die Ausgabesättigung auf.
Im Ergebnis der eingehenden Untersuchung hat sich gezeigt, daß die vorstehend genannte Erscheinung die Sättigungserscheinung der Ausgabe infolge der Absorption des Laserlichts des Kohlendioxidgases im nicht angeregten und ungekühlten Raum ist. D. h., daß sich die Sättigungserscheinung der Ausgabe aus der Wirkung der Lichtabsorption in dem Raum ergibt, welcher nicht angeregt wird (in welchem die Umkehrverteilung nicht ausgebildet ist) und welcher nicht gekühlt wird, z. B. in dem Raum zwischen dem Entladungsraum 4 und den Reflexionsspiegeln 7, 8 oder zwischen der Ausgangskoppeleinrichtung 8 und dem Laserstrahl-Ausgabefenster 70.
Die Beziehung zwischen dem Lichtabsorptionskoeffizient des Kohlendioxidgases und der Gastemperatur ist in Fig. 25 gezeigt. Wie aus Fig. 25 ersichtlich, ist klar, daß sich mit dem Ansteigen der Gastemperatur der Lichtabsorptionskoeffizient erhöht und schließlich eine Sättigung eintritt. D. h., der Prozeß wird so wiederholt, daß in dem nichtangeregten Raum das Kohlendioxidgas die Energie des Laserstrahls absorbiert, um einen Anstieg der Gastemperatur hervorzurufen, und die Absorptionsmenge der Energie erhöht sich. Selbst wenn in diesem Prozeß die Eingabe erhöht wird, steigt die Absorptionsmenge des Lichts, und daher erhöht sich die Laserausgangsleistung nicht, und wenn die Gastemperatur ungefähr 600 K erreicht, steigt der Koeffizient der Lichtabsorption nicht mehr an.
Wie vorstehend beschrieben, bestehen die Probleme des herkömmlichen Laser-Apparats darin, daß die Wirkung der Lichtabsorption in dem nicht angeregten Raum und in dem nichtgekühlten Raum ansteigt, insbesondere zu dem Zeitpunkt, wenn die hohe Laserausgangsleistung ansteigt, und durch diese Wirkung der Lichtabsorption tritt die Sättigungserscheinung der Laserausgabe auf oder die Schwingungsleistung geht zurück.
In dieser Ausführungsform 17 ist jedoch die Lasergas-Kühleinrichtung (der Kühlkanal 711 und die Kühlrohre 712, 713, 714 und 715) in den Nichtentladungsabschnitten in dem Durchgang des Laserstrahls (zwischen der Ausgangskoppeleinrichtung 8 und dem Laserstrahl-Ausgabefenster 70 sowie zwischen den Metallelektroden 1, 2 und den Reflexionsspiegeln 7, 8) angeordnet, wobei in dem Nichtentladungsabschnitt (nicht angeregten Raum), wo keine Umkehrverteilung auftritt, die durch die Lichtabsorption verursachte Wärme vorliegt, doch die Kühlung wird ausreichend ausgeführt, so daß die Wirkung der Lichtabsorption minimierbar ist. Dadurch bleibt der Anstieg der Gastemperatur gering. Demgemäß wird der Koeffizient der Lichtabsorption auf einen niedrigen Wert gehalten, und die Laserausgabe mit einem hohen Wirkungsgrad wird möglich.
Fig. 23 zeigt eine Ansicht der Kennlinie der Laserschwingung gemäß Ausführungsform 17. Wie aus dieser Figur gemäß Ausführungsform 17 erkennbar ist, werden die Sättigungserscheinung der Laserausgabe und das Absinken der Schwingungsleistung, wie in Fig. 24 zu sehen ist, überhaupt nicht beobachtet, und der Laserapparat mit hohem Wirkungsgrad wird erhalten.
Fig. 26 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 18 der Erfindung. In der Ausführungsform 18 ist ein kleines Gebläse oder dergleichen als eine Gasströmungs-Erzeugungseinrichtung installiert, so daß die Gasströme 150, 160 zwangsweise erzeugt werden, wie durch den Pfeil im nicht angeregten Abschnitt gekennzeichnet ist, und der Temperaturanstieg des Lasergases im nicht angeregten Abschnitt wird durch die Gasströme 150, 160 unterdrückt. Dies führt auch zu der Wirkung ähnlich jener der Ausführungsform 17.

Ausführungsform 19.

Fig. 27 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Laserapparats gemäß Ausführungsform 19 der Erfindung. In dieser Ausführungsform 19 sind Seitenplatten 51 und 52 zum Verhindern eines Ausströmens des Lasergases auf beiden Seiten eines Entladungsraums 4 angeordnet, welcher zwischen den dielektrischen Platten 10 und 20 ausgebildet ist. Die Gasstromdurchlässe 51a und 52a (nur 51a ist gezeigt) sind in der Mitte der Seitenplatten 51 und 52 angeordnet. Ein Lasergas wird von den Gasstromdurchlässen 51a und 52a in den Entladungsraum 4 zugeführt, wie durch die Pfeile 170 und 180 gekennzeichnet ist, und das Gas wird immer durch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) ausgetragen, so daß der Gasdruck in dem Entladungsraum 4 gleichbleibend ist.
In dem vorstehend beschriebenen Aufbau liegt ein Gasstrom vom Mittelabschnitt des Entladungsraums 4 zu den Reflexionsspiegeln 7 und 8 vor, und die ähnliche Wirkung wird erreicht. In diesem Fall ist in dem Entladungsraum 4 das Kohlendioxidgas dem Elektronenzusammenstoß ausgesetzt und wird in Kohlenmonoxid und Sauerstoff dissoziiert, wie durch die folgende Formel dargestellt ist:
CO&sub2; + e T CO + O&sub2;/2.
Aus diesem Grund besteht eine vorteilhafte Wirkung zum Erlangen eines Idealzustands, wobei in dem Entladungsraum die Konzentration des Kohlendioxidgases hoch ist und in dem nicht angeregten Raum die Konzentration des Kohlendioxidgases niedrig ist. Unter dem Gesichtspunkt, wobei ein Gas niedriger Temperatur in den nicht angeregten Abschnitt strömt, kann der Lasergasstrom (Pfeile 170, 180) in Fig. 27 umgekehrt werden. D. h. es ist wesentlich, eine Anordnung vorzusehen, in welcher ein Lasergas von dem nicht angeregten Abschnitt in den Entladungsraum 4 eingeführt wird und ein Lasergas aus dem Mittelabschnitt der Elektrode (Gasstromdurchlässe 51a, 52a der Seitenplatten 51, 52) entladen wird.
Während in der Ausführungsform 19 der Fall beschrieben worden ist, in welchem die durch die Entladung verursachte Dissoziationserscheinung des Kohlendioxids verwendet wird, um einen Unterschied in der Konzentration des Kohlendioxids zwischen dem Anregungsraum und dem nicht angeregten Raum zu schaffen, ist kurz zu bemerken, daß in dem Fall, wenn die Konzentration des Kohlendioxids in dem nicht angeregten Raum niedrig gehalten ist, eine ähnliche Wirkung erzielt wird.

Ausführungsform 20.

Fig. 28 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 20 der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform 20 ist ein Paar von flachen, plattenförmigen Metallelektroden 1, 2 einander in Gegenüberlage angeordnet, und dielektrische Platten 10, 20, angeordnet in engem Kontakt mit den entgegengesetzten Oberflächen der Metallelektroden 1, 2, um einen Entladungsraum 4 zu bilden, weisen dazwischen einen rechteckförmigen Abschnitt auf, welcher eine Einheit bildet, und derartige vier Einheiten U1, U2, U3 und U4 sind in einer vieleckigen Form im Abschnitt angeordnet (eine quadratische Form im Abschnitt).
Bei einem solchen Aufbau, wie vorstehend beschrieben, ist jeder der vier Entladungsräume 4a bis 4d, welche in den vier Einheiten U1 bis U4 ausgebildet sind, in dem Zustand in einer Vieleckform angeordnet (eine quadratische Form im Abschnitt).
In der Ausführungsform 20 ist die eine Metallelektrode 1 jeder der Einheiten U1 bis U4 mit einer Anregungsenergiequelle (HF-Energiequelle) 3 verbunden, und die Entladungsräume 4a bis 4d sind mit einer Gasmischung gefüllt, ähnlich dem Stand der Technik.
Weiterhin sind in der Ausführungsform 20 Reflexionsspiegel 7, 8 in Gegenüberlage an den beiden Endöffnungen der Entladungsräume 4a bis 4d längs angeordnet, welche eine Reihe von gefalteten Spiegelplattenabschnitten 71, 72 und 81, 82 aufweisen, welche in einem geeigneten Winkel entlang der Faltlinien 7a, 8a gefaltet sind und deren Faltrichtungen so angeordnet sind, daß sie sich um 90º unterscheiden.
Fig. 29 zeigt in weiteren Einzelheiten einen Lichtstrahlpfad eines Laserstrahls des in Fig. 28 gezeigten Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats, wobei L1 und L2 zwei geradlinige symmetrische Achsen darstellen, welche einen Mittelpunkt eines Raumabschnitts durchlaufen, welcher von den Entladungsräumen 4a, 4b, 4c und 4d umgeben ist, um einen Lichtstrahlpfad auszubilden. Die Reflexionsspiegel 7 und 8 sind so angeordnet, daß eine der geradlinigen symmetrischen Achsen L1 und L2 mit den Faltlinien 7a, 8a der Reflexionsspiegel 7, 8 übereinstimmt und sich die Richtungen der Faltlinien 7a, 8a um 90º unterscheiden.
Die hier aufgeführten geradlinigen symmetrischen Linien L1 und L2 bedeuten, daß der Raumabschnitt mit Bezug auf eine bestimmte Linie symmetrisch nach links und rechts ist. In Fig. 29 ist z. B. in dem Fall, wenn die gestrichelten Linien in dem Abschnitt der Entladungsräume 4a, 4b, 4c und 4d angeordnet sind, wenn der Entladungsraumabschnitt in dem Abschnitt der geradlinigen symmetrischen Achse L1 oder L2 gefaltet ist, sind die gefalteten Entladungsraumabschnitte exakt überlappend, um eine übereinstimmende Linie auszubilden.
In den Reflexionsspiegeln 7 und 8, welche wie vorstehend beschrieben gefaltet sind, ist eine rechteckförmige Laserstrahl-Austrittöffnung 83 auf dem Reflexionsspiegel 8 auf der Laserstrahl-Austrittseite angeordnet, wie in Fig. 28 gezeigt ist.
In Fig. 29 bezeichnet das Bezugszeichen 9a einen Laserstrahl, welcher in den Entladungsräumen 4a, 4b, 4c und 4d vorliegt. In Fig. 28 bezeichnet das Bezugszeichen 39 einen Laserstrahl, welcher aus der Laserstrahl-Austrittöffnung 83 emittiert wird.
Die Operation wird nachstehend beschrieben.
In Fig. 29 wird der Laserstrahl 9a von einem schwarzen Punkt P eines oberen gefalteten Spiegelplattenabschnitts 81 in der Ausgangskoppeleinrichtung 8 nach unten in die Richtung des Pfeils reflektiert und bewegt sich vorwärts. Der Laserstrahl 9a wird zurückgelenkt und in die Richtung eines gefalteten Spiegelplattenabschnitts 71 des anderen Reflexionsspiegels 7 zu einem unteren gefalteten Spiegelplattenabschnitt 82 reflektiert. Dann wird der Laserstrahl zurückgeführt und fort während von dem gefalteten Spiegelplattenabschnitt 71 in die seitliche Richtung zum anderen gefalteten Spiegelplattenabschnitt 72 hin reflektiert, und danach wird der Laserstrahl zurückgeführt und zu dem unteren gefalteten Spiegelplattenabschnitt 82 des einen Reflexionsspiegels 8 zum gefalteten Spiegelplattenabschnitt 72 hin reflektiert. In dem unteren gefalteten Spiegelplattenabschnitt 82 wird der Lichtstrahl zurückgeführt und zum oberen gefalteten Spiegelplattenabschnitt 81 hin reflektiert. In dem unteren gefalteten Spiegelplattenabschnitt 81 wird der Laserstrahl zurückgeführt und in die Richtung des einen gefalteten Spiegelplattenabschnitts 72 (linke Seite in der Figur) des anderen Reflexionsspiegels 7 reflektiert. In diesem gefalteten Spiegelplattenabschnitt 72 wird der Laserstrahl zurückgeführt und in die Richtung des anderen gefalteten Spiegelplattenabschnitts 71 (rechte Seite in der Figur) reflektiert und danach zurückgeführt und reflektiert, um diesen zu dem schwarzen Punkt P des gefalteten Spiegelplattenabschnitts 71 zurückzuführen.
D. h., in der Ausgangskoppeleinrichtung 8 wird der von dem anderen Reflexionsspiegel 7 einfallende Laserstrahl 9a zurückgeführt und senkrecht reflektiert, und in dem anderen Reflexionsspiegel 7 wird der einfallende Laserstrahl 9a von der Ausgangskoppeleinrichtung 8 zurückgeführt und in die seitliche Richtung reflektiert.
Demgemäß wird der Lichtpfad des Laserstrahls 9a, welcher an dem einen Reflektionsspiegel 7 zurückgeführt wird und wieder in die Richtung der Ausgangskoppeleinrichtung 8 reflektiert wird, nicht umgekehrt entlang eines und desselben Lichtpfads zurückgeführt, im Unterschied zu dem Lichtpfad des Laserstrahls, bevor er zurückgeführt und reflektiert wird, wie vorstehend erwähnt ist.
Der zu dem einen Reflexionsspiegel 8 zurückgeführte Laserstrahl 9a ist in einer Position abseits von dem schwarzen Punkt P (der gefaltete Spiegelplattenabschnitt 81, welcher den schwarzen Punkt P aufweist, ist der gefaltete Spiegelplattenabschnitt 82), und der Laserstrahl 9a wird aus dieser Position wieder nach oben zurückgeführt (dem gefalteten Spiegelplattenabschnitt 81), und zurückgeführt und in die Richtung des gefalteten Spiegelplattenabschnitts 72 des anderen Reflexionsspiegels 7 reflektiert. Der Laserstrahl 9a, welcher den gefalteten Spiegelplattenabschnitt 72 erreicht hat, wird zurückgeführt und in die Richtung des gefalteten Spiegelplattenabschnitts 71 reflektiert, und dann wird der Laserstrahl zurückgelenkt und in die Richtung des gefalteten Spiegelplattenabschnitts 81 des anderen Reflexionsspiegels an dem gefalteten Spiegelplattenabschnitt 71 reflektiert und zu dem schwarzen Punkt P zurückgeführt.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Laserstrahl 9a als ein Einzelstrahl kontinuierlich, und vier Strahlpfade, welche zwischen den Reflexionsspiegeln 7 und 8 wechselseitig sind, werden durch die Entladungsräume 4a bis 4d ausgebildet, von denen jeder einen rechteckförmigen Abschnitt aufweist, durch welchen der Laserstrahl 9a zu verstärken ist.
Kurz gesagt, in dem Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparat gemäß der Ausführungsform 20 sind die rechteckförmigen Abschnitte der vier Entladungsräume 4a bis 4d in einer Quadratform angeordnet, und die Rückführungs-Reflexionsspiegel 7 und 8 werden verwendet, wobei der Laserstrahl 9a innerhalb des jeweiligen Entladungsraums 4a bis 4d verstärkt werden kann, und der so verstärkte Laserstrahl 9a kann voll als ein einziger Laserstrahl behandelt werden. Somit ist der Apparat miniaturisierbar, und die Keramikplatte kann als ein Maten al für die Dielektrika 10 und 20 für die Verwendung in jede Einheit U1 bis U4 eingeteilt werden, wodurch die Kosten verringert werden.

Ausführungsform 21.

Fig. 30 zeigt eine Schnittansicht eines Wellenleiterpfadtyp- CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 20 der vorliegenden Erfindung. Fig. 31 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strahlpfads eines in Fig. 30 gezeigten Laserstrahls.
In der Ausführungsform 20 sind vier Einheiten U1 bis U4 so angeordnet, daß die rechteckförmigen Abschnitte der jeweiligen Entladungsräume 4a bis 4d in der Quadratform sind, wobei in der Ausführungsform 31 fünf Einheiten U1 bis U5 verwendet werden, und die rechteckförmigen Abschnitte der Entladungsräume 4a bis 4e in einer Fünfeckform angeordnet sind.
Die Operation der Ausführungsfgrm 21 ist ähnlich jener der Ausführungsform 20, aber der Strahlpfad des Laserstrahls 9a ist ein Strahlpfad, welcher durch den Pfeil in Fig. 31 gezeigt ist, im Unterschied zu dem Fall der Ausführungsform 20. Die Operation und die Wirkungen sind ähnlich jenen im Fall der Ausführungsform 20.

Ausführungsform 22.

Fig. 32 zeigt eine Schnittansicht eines Wellenleiterpfadtyp- CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß der Ausführungsform 22 der Erfindung. Fig. 33 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strahlpfads eines in Fig. 34 gezeigten Laserstrahls.
In der Ausführungsform 22 werden sechs Einheiten U1 bis U6 verwendet, und die rechteckförmigen Abschnitte der Entladungsräume 4a bis 4f sind in Sechseckform angeordnet. Der Strahlpfad des Laserstrahls 9a ist ein Strahlpfad, welcher durch den Pfeil in Fig. 34 gekennzeichnet ist, und es werden die ähnliche Operation und die ähnlichen Wirkungen erreicht.
D. h., die Ausführungsformen 20, 21 und 22 sind dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Entladungsräumen in ei ner Vieleckform im Abschnitt angeordnet sind, von denen jeder einen rechteckförmigen Abschnitt aufweist, der Laserstrahl 9a zurückgeführt und durch die Rückführtyp-Reflexionsspiegel 7 und 8 reflektiert wird, um mehrmals wechselseitig zu verlaufen, und der zurückzuführende und zu reflektierende Laserstrahl durchläuft alle Entladungsräume und wird verstärkt, wobei er als ein Einzelstrahlpfad behandelt werden kann. Demgemäß genügen die Entladungsräume der Anzahl, welche in einer Vieleckform angeordnet werden können, und die Anzahl ist nicht begrenzt.

Ausführungsform 23.

Fig. 35 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 23 der vorliegenden Erfindung. Fig. 36 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strahlpfads eines in Fig. 35 gezeigten Laserstrahls.
In dieser Ausführungsform 23 sind rechteckförmige Abschnitte der vier Entladungsräume 4a bis 4d gleichbeabstandet um einen Schnittpunkt von zwei geradlinigen symmetrischen Achsen L1 und L2 angeordnet, welche einander senkrecht schneiden.
Mit diesem Aufbau wird ein Strahlpfad eines Laserstrahls 9a erhalten, welcher durch den Pfeil in Fig. 36 gekennzeichnet ist. Demgemäß werden die Operation und die Wirkungen ähnlich zu dem Fall der Ausführungsform 20 erreicht. Die geradlinigen symmetrischen Achsen L1 und L2 entsprechen der Tatsache, ähnlich zu der in Verbindung mit der Ausführungsform 20 (Fig. 29) erwähnten.

Ausführungsform 24.

Fig. 37 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 24 der Erfindung.
In der Ausführungsform 23 sind die rechteckförmigen Abschnitte der vier Entladungsräume 4a bis 4d in der Radialrichtung gleichbeabstandet angeordnet, wobei in dieser Ausführungsform 24 die rechteckförmigen Abschnitte der fünf Entladungsräume 4a bis 4e in gleichen Abständen radial angeordnet sind. Ein Strahlpfad eines in diesem Fall erzielten Laserstrahls ist ähnlich zu dem in Fig. 31 gezeigten. Demgemäß werden die ähnliche Operation und die ähnlichen Wirkungen erreicht.

Ausführungsform 25.

Fig. 28 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 25 der Erfindung.
In dieser Ausführungsform 25 sind die rechteckförmigen Abschnitte von sechs Entladungsräumen 4a bis 4f radial gleichbeabstandet angeordnet. Demgemäß werden auch in diesem Fall die ähnliche Operation und die ähnlichen Wirkungen erreicht.
Während in den vorstehend erwähnten Ausführungsformen 23 bis 25 der Fall beschrieben worden ist, in welchem vier bis sechs Entladungsräume radial angeordnet sind, ist darauf hinzuweisen, daß die Anzahl der Entladungsräume nicht begrenzt ist, sondern es können rechteckförmige Abschnitte einer Vielzahl von Entladungsräumen radial angeordnet werden, so daß mindestens zwei geradlinige symmetrische Achsen oder mehr erhalten werden können.

Ausführungsform 26.

Fig. 39 zeigt eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Wellenleiterpfadtyp-CO&sub2;-Laser-Apparats gemäß Ausführungsform 26 der Erfindung. Der Grundaufbau der Ausführungsform 26 ist ähnlich jenem des Beispiels des Standes der Technik (Fig. 42).
In dieser Ausführungsform 26 sind die dielektrischen Platten 10 und 20 aus zwei Arten von dielektrischen Schichten 611, 612 und 621, 622 ausgebildet, welche untereinander verschiedene Dielektrizitätskonstanten aufweisen.
Die zwei Arten von dielektrischen Schichten 611, 612 und 621, 622 können durch elektrisch isolierende Klebschichten oder durch leitfähige Materialien verbunden werden. In diesem Fall sind auf der Seite der Metallelektroden 1 und 2 Schichten 611, 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante angeordnet, welche aus einem Material mit hoher
Dielektrizitätskonstante (Dielektrizitätskonstante &epsi;H) erzeugt sind, und auf der Seite des Wellenleiterpfads (Entladungsseite) sind Schichten 611, 622 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante angeordnet, welche aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Dielektrizitätskonstante: &epsi;L) erzeugt sind.
Eine Dicke (tH) der Schichten 611, 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante wird dicker (tH > tL) als eine Dicke (tL) der Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante eingestellt.
Die Operation der Ausführungsform 26 ist grundlegend ähnlich zu dem Fall des in Fig. 42 gezeigten herkömmlichen Apparats. Wird eine Wechselspannung an die Metallelektroden 1 und 2 angelegt, wird die Laseranregung durch die in dem Entladungsraum 4 eintretende Entladung bewirkt. Da die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante auf der Wellenleiterpfadoberfläche ausgebildet sind, an welchen der Laserstrahl reflektiert wird, ist der Ausbreitungsverlust des Lichts minimierbar, wie aus der vorstehend beschriebenen Formel (1) zu erkennen ist.
Nachstehend werden die elektrischen Eigenschaften erwähnt. Wird eine Sinuswellenspannung angelegt, ist eine Energie : Entladungsenergie Wd, welche in den Entladungsraum 4 geladen wird, durch die folgende Formel (5) beschrieben:
Wd = fπCdV* V2op - V*2 (5)
wobei f die Frequenz der Energiequelle darstellt, V* die Entladungsspannung ist und Vop den Scheitelwert der angelegten Spannung darstellt. Cd ist die elektrostatische Kapazität der Dielektrika 10 und 20. In dem Fall, wenn die Dielektrika 10 und 20 aus einem Verbundmaterial (der elektrostatischen Kapazität: (CH,CL), wie in Fig. 59 gezeigt, ist die elektrostatische Kapazität wie folgt:
Ceff = CHCL/CH+CL (6)
Aus der Fläche S und der Dicke t der dielektrischen Platten 10 und 20 sowie der spezifischen Dielektrizitätskonstante &epsi; ergibt sich die elektrostatische Kapazität C wie folgt:
C = &epsi;&sub0;&epsi; S/t (7)
Wird somit die Dicke (tH) der Schichten 611 und 621 hoher Dielektrizitätskonstante ausreichend dicker (tH > tL) als die Dicke (tL) der Schichten 612 und 622 niedriger Dielektrizitätskonstante eingestellt, ergibt sich
CL » CH (8)
aus der Formel (7).
Aus den Formeln (6) und (8) ist erkennbar, daß die effektive elektrostatische Kapazität Ceff im wesentlichen mit der Kapazität CH der Schichten 611 und 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante übereinstimmt (CtH = CtL).
D. h., selbst wenn die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante auf den Schichten 611, 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante aufgetragen sind, wenn sich deren Dicke vergrößert, bleiben die elektrischen Eigenschaften unverändert, und die ähnlichen Entladungskennlinien werden erreicht.
In dem Wellenleiterpfadtyp-Laser-Apparat werden die von den Dielektrika 10 und 20 geforderten Funktionen, d. h. die elektrische Leistung mit Bezug auf die Entladung und die optische Leistung mit Bezug auf die Lichtausbreitung durch die Dielektrika 10 und 20, anteilig erbracht. Daher wird es möglich, die Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, welche schwer zu sintern sind und bisher für den Apparat dieser Art nicht verwendbar waren, und die Materialien, aus denen dicke Platten nicht herstellbar waren, infolge der schwachen Wärmeverformung, zu verwenden, um eine Toleranz der zu verwendenden Materialien extrem zu erweitern.

Ausführungsform 27.

In der vorstehenden Ausführungsform 26 wurde der Fall beschrieben, in welchem die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausreichend dünn ausgebildet sind. In dem Fall, wenn die verwendete Frequenz der Energiequelle ausreichend hoch ist, kann selbst eine extrem niedrige Spannung einer Hochspannung verwendet werden, wie aus der vorstehend erwähnten Formel (5) erkennbar ist. In diesem Fall sind keine hohen elektrischen Eigenschaften für die dielektrischen Platten 10 und 20 erforderlich. In dem Fall der vorstehend beschriebenen Bedingungen ist es nicht erforderlich, die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausreichend dünner als die Schichten 611, 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante auszubilden, sondern wie in Fig. 40 gezeigt, kann die Dicke der Schichten 611, 621 mit hoher Dielektrizitätskonstante im wesentlichen gleich der Dicke der Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausgebildet werden oder das Verhältnis der Dicke untereinander kann umgekehrt werden.

Ausführungsform 28.

In den Ausführungsformen 26 und 27 ist der Fall beschrieben worden, in welchem die zwei dielektrischen Materialien zur Verwendung übereinander angeordnet sind. Die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante können jedoch auf den Oberflächen der Schichten 611, 612 mit hoher Dielektrizitätskonstante durch Flammspritzen erzeugt werden, wie in Fig. 41 gezeigt ist. Die Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante können natürlich durch andere Prozesse als das Flammspritzen aufgetragen werden, um die ähnlichen Wirkungen zu erhalten.

Ausführungsform 29.

In dem Fall eines Kohlendioxidgaslasers der Wellenlänge von 10,6 µm werden als bevorzugte Materialien für die Schichten 612, 622 mit niedriger Dielektrizitätskonstante BeO oder AIN verwendet.

Ausführungsform 30.

In den Ausführungsformen 26 bis 29 ist der CO&sub2;-Laser-Apparat beschrieben worden, doch ist die Erfindung natürlich auch auf den Wellenleiterpfadtyp-Laser-Apparat anwendbar.

Claims

1. Laser-Apparat, welcher aufweist:

- einen Entladungsraum (4) zwischen dielektrischen Platten (10, 20), welche mit Metallelektroden (1, 2) in enger Berührung sind und einen Wellenleiter ausbilden, dessen Spalt in der Kurzseite eines rechteckförmigen Anregungsabschnitts für hochfrequenzstimulierte Laseranregung angeordnet ist, das Verhältnis zwischen der Langseite und der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts 3 oder mehr be trägt und das Ausgeben eines Laserstrahls in die Richtung, welche den rechteckförmigen Abschnitt des Entladungsraums (4) senkrecht schneidet,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung angeordnet ist, so daß die Entladung (DC) in dem rechteckformigen Abschnitt des Entladungsraums schräg erzeugt wird.

2. Laser-Apparät, welcher aufweist:

- einen Entladungsraum (4) zwischen dielektrischen Platten (10, 20), welche mit Metallelektroden (1, 2) in enger Berührung sind und einen Wellenleiter ausbilden, dessen Spalt in der Kurzseite eines rechteckförmigen Anregungsabschnitts für hochfrequenzstimulierte Laseranregung angeordnet ist, das Verhältnis zwischen der Langseite und der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts 3 oder mehr beträgt und das Ausgeben eines Laserstrahls in die Richtung, welche den rechteckförmigen Abschnitt des Entladungsraums (4) senkrecht schneidet,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung angeordnet ist, daß die Entladung (DC) mit Bezug auf die Richtung einer optischen Achse, welche den rechteckförmigen Abschnitt in dem Entladungsraum senkrecht schneidet, schräg erzeugt wird.

3. Laser-Apparat gemäß Anspruch 1, wobei die Elektrode (1, 2) zur Entladungsanregung angeordnet ist, und eine Verteilung der elektrostatischen Kapazität der Elektrode (1, 2) vorgesehene ist, um dadurch das Schrägentladen zu realisieren.

4. Laser-Apparat gemäß Anspruch 1, wobei eine heiße Strömung in die Richtung der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts zum Kühlen des Gases erzeugt wird, eine vorläufige Entladung (44) in die Richtung der Kurzseite in dem rechteckförmigen Abschnitt erzeugt wird und eine Hauptentladung (45) schräg erzeugt wird.

5. Laser-Apparat gemäß Anspruch 2, wobei eine heiße Strömung in die Richtung der Kurzseite des rechteckförmigen Abschnitts erzeugt wird, um das Gas zu kühlen, eine vorläufige Entladung (44) in die Richtung der Kurzseite an der Oberfläche erzeugt wird, welche senkrecht zu dem rechteckförmigen Abschnitt einschneidet, und eine Hauptentladung (45) schräg erzeugt wird.

6. Laser-Apparat gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die vorläufige Entladung (44) und die Hauptentladung (45) durch die Energie bewirkt werden, welche von ein und derselben Energiequelle (3) zugeführt wird, und die in die vorläufige Entladung (44) und die Hauptentladung (45) eingespeisten Energien durch eine elektrostatische Kapazität (C&sub1;(10), C&sub1;(20), C&sub2;) für die vorläufige Entladung und eine elektrostatische Kapazität (C&sub1;(10), C&sub1;(20)) für die Hauptentladung eingestellt werden.

7. Laser-Apparat gemäß Anspruch 6, wobei die elektrostatische Kapazität (C&sub1;(10), C&sub1;(20), C&sub2;) für die vorläufige Entladung (44) geringer als 1/10 der elektrostatischen Kapazität (C&sub1;(10), C&sub1;(20)) für die Hauptentladung (45) ist.

8. Laser-Apparat gemäß Anspruch 6, wobei die Hauptentladung (45) zwischen den Elektroden (1, 2) verursacht wird und die vorläufige Entladung (44) zwischen Leitelementen (13, 23) verursacht wird, welche mit den Elektroden (1, 2) durch dielektrische Materialien (10, 20) verbunden sind, um dadurch die Größen der elektrostatischen Kapazität für die Hauptentladung (45) und jene für die vorläufige Entladung (44) einzustellen.

9. Laser-Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Entladungsraum (4) durch zwei oder mehr in Gegenüberlage angeordnete flache Platten (10, 20; 10, 10a, 10b, 20, 20a, 20b; 10, 10c, 20, 20c) gebildet wird und die flachen Platten als Wellenleiterpfade für den Laserstrahl verwendet werden.

10. Laser-Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge und die Breite der Elektroden (1, 2) jeweils um 5 mm oder mehr kürzer als die Länge und die Breite der dielektrischen Platten (10, 20) eingestellt ist.

11. Laser-Apparat gemäß Anspruch 10, wobei die Breite W der Elektrode (1, 2) gleich der Breite des Laserstrahls eingestellt ist, welche durch einen optischen Resonator (7, 8) bestimmt wird.

12. Laser-Apparat gemäß Anspruch 11, wobei ein Distanzelement (16, 17) fest an dem Teil angeordnet ist, welcher sich von der Elektrode zwischen den lichtreflektierenden Oberflächen erstreckt, aus einem unentflammbaren Material mit Bezug auf den Laserstrahl ausgebildet ist, um den Abstand zwischen dem Paar von zueinander in Gegenüberlage angeordneten lichtreflektierenden Oberflächen gleichbleibend zu erhalten.

13. Laser-Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden (1, 2) zur Entladungsanregung mit einem flexiblen Isolationsmaterial (101, 201) ausgebildet sind.