JP2018207013A - レーザキャビティおよびレーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】寄生発振を抑制する。【解決手段】レーザキャビティは、レーザ管と放電電極とを備える気体レーザ用のレーザキャビティであって、レーザ管の放電電極の両極の間の放電部は、長軸に垂直な断面が一重の環状であり、長軸に垂直な断面の内径に関して、長軸の上の第1位置における第1内径、および第1位置とは異なる第2位置における第2内径は互いに異なる寸法である。【選択図】図1
Description
本発明は、レーザキャビティおよびレーザ装置に関する。
レーザ装置はレーザキャビティ内で起こるレーザ発振を利用してレーザビームを出射する。従来のレーザ装置では、レーザキャビティの内壁における光の反射により寄生発振が起こった結果、ビーム拡がり角が大きくなり、レーザキャビティの光軸方向に進む光のレーザ発振の効率が低くなる問題がある。寄生発振を抑制するための提案として、特許文献1には、光を放電領域内へと導くように第1および第2の折り返しミラーを互いに非平行に設置したガスレーザ増幅装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1のガスレーザ増幅装置では、ミラーを非平行に設置するためレーザキャビティの光路等に関する設計に制約が生じる。
本発明の好ましい実施形態によるレーザキャビティは、レーザ管と放電電極とを備える気体レーザ用のレーザキャビティであって、前記レーザ管の放電電極の両極の間の放電部は、長軸に垂直な断面が一重の環状であり、前記長軸に垂直な断面の内径に関して、前記長軸の上の第1位置における第1内径、および前記第1位置とは異なる第2位置における第2内径は互いに異なる寸法である。
さらに好ましい実施形態では、前記第1位置と前記第2位置との間の前記内径が前記第1内径と前記第2内径の間で変化する。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の長軸に沿った少なくとも一部の領域において、前記長軸に垂直な断面の内径が長軸方向に周期的に変化する。
さらに好ましい実施形態では、前記長軸に垂直な断面の内径が長軸に沿って変化する一部の領域では、断面形状が軸対称形状である。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の内壁に、凸形状および/または凹形状を有する。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部における、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値に対する前記長軸に垂直な断面の内径の最大値の比は4以下である。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の長軸に沿った一部は円筒状であり、前記円筒状の放電部の内径は、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値よりも大きい。
さらに好ましい実施形態では、前記放電電極は、前記レーザ管の長軸方向に電位を印加する。
さらに好ましい実施形態では、前記レーザ管は、ガラスまたはセラミックを含む。
本発明の好ましい実施形態によるレーザ装置は、上述のレーザキャビティを備える。
さらに好ましい実施形態では、前記第1位置と前記第2位置との間の前記内径が前記第1内径と前記第2内径の間で変化する。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の長軸に沿った少なくとも一部の領域において、前記長軸に垂直な断面の内径が長軸方向に周期的に変化する。
さらに好ましい実施形態では、前記長軸に垂直な断面の内径が長軸に沿って変化する一部の領域では、断面形状が軸対称形状である。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の内壁に、凸形状および/または凹形状を有する。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部における、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値に対する前記長軸に垂直な断面の内径の最大値の比は4以下である。
さらに好ましい実施形態では、前記放電部の長軸に沿った一部は円筒状であり、前記円筒状の放電部の内径は、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値よりも大きい。
さらに好ましい実施形態では、前記放電電極は、前記レーザ管の長軸方向に電位を印加する。
さらに好ましい実施形態では、前記レーザ管は、ガラスまたはセラミックを含む。
本発明の好ましい実施形態によるレーザ装置は、上述のレーザキャビティを備える。
本発明によれば、寄生発振を抑制することが可能となる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。以下の実施形態において、特に言及がない限り、「環状」の語は、円環状および楕円環状を含むものとする。また、以下の実施形態において、特に言及が無い限り、レーザ管の「内径」の語は、レーザ管の横断面の内壁の二点を結ぶ線分のうち、最も長い線分の長さを指すものとする。
図1は、本実施形態のレーザ装置1の概略構成を示す図である。レーザ装置1は、気体をレーザ媒質として用いる気体レーザであり、放電による励起を利用するものである。レーザ装置1は、レーザキャビティ10と、電力源30と、発振回路31とを備える。レーザキャビティ10は、レーザ管20と、放電電極11a,11bと、反射ミラー12と、出力ミラー13と、注入口14と、排気口15とを備える。図1では、レーザ管20の縦断面が模式的に示されている。レーザ管20は、長軸方向に伸びる光軸21を備え、レーザ管20の光軸21は、発振するレーザ光の光軸と一致する。
なお、反射ミラー12および出力ミラー13の角度および発振するレーザ光の光軸は適宜調節することができる。また、電力源30および発振回路31の構成は特に限定されない。
なお、反射ミラー12および出力ミラー13の角度および発振するレーザ光の光軸は適宜調節することができる。また、電力源30および発振回路31の構成は特に限定されない。
放電電極11aおよび11bは、レーザ管20の長軸方向に電圧を印加する。レーザ装置1は、縦放電式のレーザ装置として構成されている。
反射ミラー12は、レーザ管20の内部で励起された光(以下、単に光と呼ぶ)をレーザ管20の内部の方向に反射する。出力ミラー13は光をレーザ管20の内部の方向に反射するとともに、一部の光を透過させて外部に出力する。透過する光の量は、レーザ管20で光が増幅される効率等に基づいて適宜調節される。
なお、出力ミラー12と反射ミラー13との位置等の構成は特に限定されず、ブリュースタ窓等を介し、出力ミラー12および反射ミラー13がレーザ媒質となる気体が封入されている領域から分離して配置される外部ミラー形のレーザキャビティとしてもよい。
なお、出力ミラー12と反射ミラー13との位置等の構成は特に限定されず、ブリュースタ窓等を介し、出力ミラー12および反射ミラー13がレーザ媒質となる気体が封入されている領域から分離して配置される外部ミラー形のレーザキャビティとしてもよい。
レーザ媒質となる気体等は、注入口14から封入され、排気口15から排気される。注入口14および排気口15の態様は特に限定されない。レーザ媒質は特に限定されず、例えばヘリウム・ネオン混合気、窒素、アルゴン、一酸化炭素、二酸化炭素、金属蒸気等の任意の気体を用いることができる。レーザ装置1の種類は、特に限定されず、例えばHe−Neレーザ、Arレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ等である。
なお、レーザキャビティ10は、ガス封じ切り型として構成してもよい。
なお、レーザキャビティ10は、ガス封じ切り型として構成してもよい。
レーザ管20は、ガラスまたはセラミック等を主な材料として作製されるがこれらの材料に限定されない。レーザ管20の放電電極11aと放電電極11bの間の領域を放電部22と呼ぶ。
図2は、放電部22の概略構成を示す図である。放電部22は、図2で示されたレーザ管20の長軸23に垂直な断面が一重の環状であり、長軸方向では外壁と内壁に長軸23に沿って周期的な凹凸が形成された筒状と定義することもできる。長軸23の上の点P1の位置における、長軸23に垂直な断面の内径L1と、長軸23の上の点P2の位置における、長軸23に垂直な断面の内径L2とは互いに異なる。
図2に示されたように、放電部22の長軸23に垂直な断面の内径は内径L1と内径L2の間で連続的に変化し、当該変化を長軸方向に周期的に繰り返している。
なお、放電部22の長軸23に垂直な断面の内径は段階的に変化してもよい。また、放電部22の長軸23に沿った一部の領域のみで、当該内径が連続的若しくは段階的および/または周期的に変化してもよい。
なお、放電部22の長軸23に垂直な断面の内径は段階的に変化してもよい。また、放電部22の長軸23に沿った一部の領域のみで、当該内径が連続的若しくは段階的および/または周期的に変化してもよい。
図3(A)および図3(B)は、それぞれレーザ管20の放電部22の点P1および点P2におけるA−A端面およびB−B端面を示した図である。レーザ管22の放電部22は、図示されたP1およびP2における断面のように軸対称の形状を備えることが、レーザ光を均一にする観点から好ましい。
なお、寄生発振の抑制という観点からは、放電部22が軸対称に構成されている必要は無く、レーザ管22の断面の形状は楕円環状等の任意の形状に適宜設計することができる。
なお、寄生発振の抑制という観点からは、放電部22が軸対称に構成されている必要は無く、レーザ管22の断面の形状は楕円環状等の任意の形状に適宜設計することができる。
図2の放電部22において、長軸23に垂直な断面の内径は、点P1において最大値L1をとり、点P2において最小値L2をとる。長軸23に垂直な断面の内径の最大値Lmax=L1の、長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lmin=L2に対する比は、4以下であることが好ましい。上記比は、1を超え、4以下であることが好ましく、1.5以上3.5以下であることがさらに好ましい。上記比が1に近くなると、寄生発振を抑制する効果が低くなり、上記比が大き過ぎると、加工性やレーザキャビティのコンパクトさの観点から好ましくない。
上述の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22は、長軸23の上の第1位置P1における、長軸23に垂直な断面の内径を第1内径L1とし、長軸23の上の、第1位置P1とは異なる第2位置P2における、長軸23に垂直な断面の内径を第2内径L2としたとき、第1内径L1と第2内径L2とは異なる。これにより、寄生発振を抑制することができる。
換言すると、レーザキャビティ10の放電部22は、長軸23に垂直な断面の内径に関して、長軸23の上の第1位置P1における第1内径L1、および第1位置P1とは異なる第2位置P2における第2内径L2は互いに異なる寸法となるように構成されている。
(1)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22は、長軸23の上の第1位置P1における、長軸23に垂直な断面の内径を第1内径L1とし、長軸23の上の、第1位置P1とは異なる第2位置P2における、長軸23に垂直な断面の内径を第2内径L2としたとき、第1内径L1と第2内径L2とは異なる。これにより、寄生発振を抑制することができる。
換言すると、レーザキャビティ10の放電部22は、長軸23に垂直な断面の内径に関して、長軸23の上の第1位置P1における第1内径L1、および第1位置P1とは異なる第2位置P2における第2内径L2は互いに異なる寸法となるように構成されている。
(2)本実施形態のレーザキャビティ10において、第1位置P1と第2位置P2との間におけるレーザキャビティの長軸23に垂直な断面の内径が第1内径L1と第2内径L2の間で変化する。これにより、光を反射する方向を分散させ、寄生発振を一層抑制することができる。
(3)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22の長軸23に沿った少なくとも一部の領域において、長軸23に垂直な断面の内径が長軸方向に周期的に変化する。これにより、光を反射する方向を分散させ、寄生発振を一層抑制することができる。
(4)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22の長軸23に垂直な断面の内径が長軸23に沿って変化する一部の領域では、断面形状が軸対称形状である。これにより、発振するレーザ光の均一性を向上させることができる。
(5)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22の内壁に、凸形状および/または凹形状を有する。光を反射する方向を分散させ、寄生発振を一層抑制することができる。
(6)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電部22における、長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lminに対する長軸23に垂直な断面の内径の最大値Lmaxの比は4以下である。これにより、加工性および耐久性を向上させることができる。
(7)本実施形態のレーザキャビティ10において、放電電極11aおよび11bは、レーザ管20の長軸方向に電位を印加する。この縦放電式の構成の場合、上記(1)〜(6)の効果に加え、放電電極の両極間の沿面距離を増加させることができ、沿面付近での放電を低減してレーザ光の均一性を向上させることができる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、上述の実施形態と組み合わせることが可能である。以下の変形例において、上述の実施形態と同様の構造、機能を示す部位に関しては、同一の符号で参照し、適宜説明を省略する。以下の変形例において、レーザ管20の長軸に垂直な断面の形状は、円環状、楕円環状等、適宜設計することができる。また、図4では断面のハッチングを省略した。
(第1変形例)
図4(A)は、上述した実施形態の第1変形例を示す図である。第1変形例の放電部22aでは、長軸23の上の点P3の位置における、長軸23に垂直な断面の内径の最大値Lmaxと、長軸23の上の点P4の位置における、長軸23に垂直な断面の内径Lminとの比が上述の実施形態における当該比より小さい例を示した。この場合、寄生発振を抑制する効果は上述の実施形態よりも若干低くなる可能性が有るが、加工性やレーザ装置1のコンパクトさの観点から優れる。
(第1変形例)
図4(A)は、上述した実施形態の第1変形例を示す図である。第1変形例の放電部22aでは、長軸23の上の点P3の位置における、長軸23に垂直な断面の内径の最大値Lmaxと、長軸23の上の点P4の位置における、長軸23に垂直な断面の内径Lminとの比が上述の実施形態における当該比より小さい例を示した。この場合、寄生発振を抑制する効果は上述の実施形態よりも若干低くなる可能性が有るが、加工性やレーザ装置1のコンパクトさの観点から優れる。
(第2変形例)
図4(B)は、上述した実施形態の第2変形例を示す図である。上述した実施形態では放電部22の側方の内径が小さい部分から内径が大きくなるように変化しているが、第2変形例の放電部22bでは、放電部22bの側方の内径が大きい部分から内径が小さくなるように変化している。本変形例において、長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lminの値は特に制限されず、例えば後述の図4(C)における長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lminと同程度にすることもできる。本変形例の放電部22は、外壁と内壁に長軸23に沿って周期的な凹凸が形成された筒状となっているが、放電部22が細くなっている内径変化部(断面図において外壁が凹形状となっている部分)220は、ガラス管の対応する部分を細く絞る加工により形成される。従って、繰り返し形成された内径変化部220の数が少ない程、加工工数を少なくすることができる。
図4(B)は、上述した実施形態の第2変形例を示す図である。上述した実施形態では放電部22の側方の内径が小さい部分から内径が大きくなるように変化しているが、第2変形例の放電部22bでは、放電部22bの側方の内径が大きい部分から内径が小さくなるように変化している。本変形例において、長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lminの値は特に制限されず、例えば後述の図4(C)における長軸23に垂直な断面の内径の最小値Lminと同程度にすることもできる。本変形例の放電部22は、外壁と内壁に長軸23に沿って周期的な凹凸が形成された筒状となっているが、放電部22が細くなっている内径変化部(断面図において外壁が凹形状となっている部分)220は、ガラス管の対応する部分を細く絞る加工により形成される。従って、繰り返し形成された内径変化部220の数が少ない程、加工工数を少なくすることができる。
(第3変形例)
図4(C)は、上述した実施形態の第3変形例を示す図である。第3変形例の放電部22cは、円筒状の部分を備え、円筒状の部分の内径Lcは、長軸23に垂直な断面の内径の最小値、すなわち点P5における内径Lminよりも大きい。これにより、放電部22cは、縦断面において内壁を構成する線分が互いに平行になる円筒状の部分を備えるにもかかわらず、寄生発振を抑制することができる。
図4(C)は、上述した実施形態の第3変形例を示す図である。第3変形例の放電部22cは、円筒状の部分を備え、円筒状の部分の内径Lcは、長軸23に垂直な断面の内径の最小値、すなわち点P5における内径Lminよりも大きい。これにより、放電部22cは、縦断面において内壁を構成する線分が互いに平行になる円筒状の部分を備えるにもかかわらず、寄生発振を抑制することができる。
(第4変形例)
図4(D)は、上述した実施形態の第4変形例を示す図である。第4変形例の放電部22dは、長軸に垂直な断面の内径が小さくなっている部分において、内壁が円筒状になっているため、図4(C)の場合と比べて寄生発振が生じやすい可能性が有るが、このような場合にも、内径が変化する凸状の部分があるため、寄生発振を抑制する効果がある。
なお、内壁に傷をつける加工等を施すことを組み合わせることで、寄生発振をさらに抑制することができる。上述の実施形態でも適宜内壁に傷をつける加工を施してもよい。
図4(D)は、上述した実施形態の第4変形例を示す図である。第4変形例の放電部22dは、長軸に垂直な断面の内径が小さくなっている部分において、内壁が円筒状になっているため、図4(C)の場合と比べて寄生発振が生じやすい可能性が有るが、このような場合にも、内径が変化する凸状の部分があるため、寄生発振を抑制する効果がある。
なお、内壁に傷をつける加工等を施すことを組み合わせることで、寄生発振をさらに抑制することができる。上述の実施形態でも適宜内壁に傷をつける加工を施してもよい。
本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
1…レーザ装置、10…レーザキャビティ、11a,11b…放電電極、12…反射ミラー、13…出力ミラー、20…レーザ管、22,22a,22b,22c,22d…放電部。
Claims (10)
- レーザ管と放電電極とを備える気体レーザ用のレーザキャビティであって、
前記レーザ管の放電電極の両極の間の放電部は、
長軸に垂直な断面が一重の環状であり、
前記長軸に垂直な断面の内径に関して、前記長軸の上の第1位置における第1内径、および前記第1位置とは異なる第2位置における第2内径は互いに異なる寸法であるレーザキャビティ。 - 請求項1に記載のレーザキャビティにおいて、
前記第1位置と前記第2位置との間における前記内径が前記第1内径と前記第2内径の間で変化するレーザキャビティ。 - 請求項2に記載のレーザキャビティにおいて、
前記放電部の長軸に沿った少なくとも一部の領域において、前記長軸に垂直な断面の内径が長軸方向に周期的に変化するレーザキャビティ。 - 請求項2または3に記載のレーザキャビティにおいて、
前記長軸に垂直な断面の内径が長軸に沿って変化する一部の領域では、断面形状が軸対称形状であるレーザキャビティ。 - 請求項1から4までのいずれか一項に記載のレーザキャビティにおいて、
前記放電部の内壁に、凸形状および/または凹形状を有するレーザキャビティ。 - 請求項1から5までのいずれか一項に記載のレーザキャビティにおいて、
前記放電部における、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値に対する前記長軸に垂直な断面の内径の最大値の比は4以下であるレーザキャビティ。 - 請求項1から6までのいずれか一項に記載のレーザキャビティにおいて、
前記放電部の長軸に沿った一部は、円筒状であり、
前記円筒状の放電部の内径は、前記長軸に垂直な断面の内径の最小値よりも大きいレーザキャビティ。 - 請求項1から7までのいずれか一項に記載のレーザキャビティにおいて、
前記放電電極は、前記レーザ管の長軸方向に電位を印加するレーザキャビティ。 - 請求項1から8までのいずれか一項に記載のレーザキャビティにおいて、
前記レーザ管は、ガラスまたはセラミックを含むレーザキャビティ。 - 請求項1から9までのいずれか一項に記載のレーザキャビティを備えるレーザ装置。
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