JP2018207013A - レーザキャビティおよびレーザ装置 - Google Patents

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。

国際公開第２０１２／１７６２５２号

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。

本発明によれば、寄生発振を抑制することが可能となる。

図１は、本実施の形態のレーザキャビティを含むレーザ装置の概略構成を示す図である。 図２は、本実施の形態のレーザキャビティの放電部の概略構成を示す図である。 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、本実施の形態のレーザキャビティの放電部の端面図である。 図４（Ａ）は、第１変形例の放電部を示す図であり、図４（Ｂ）は、第２変形例の放電部を示す図であり、図４（Ｃ）は、第３変形例の放電部を示す図であり、図４（Ｄ）は、第４変形例の放電部を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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