JPH0645711A - スラブレーザのアレイ - Google Patents

スラブレーザのアレイ

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JPH0645711A
JPH0645711A JP5004062A JP406293A JPH0645711A JP H0645711 A JPH0645711 A JP H0645711A JP 5004062 A JP5004062 A JP 5004062A JP 406293 A JP406293 A JP 406293A JP H0645711 A JPH0645711 A JP H0645711A
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JP
Japan
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array
laser
resonator
channel
slab
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JP5004062A
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Inventor
John Tulip
チューリップ ジョン
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BOREAL LASER Inc
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BOREAL LASER Inc
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315—Waveguide lasers

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  • Electromagnetism (AREA)
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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 スラブレーザの位相調整されたアレイが過度
の回折損をこうむらず、アレイ全域における出力が不変
であるように、各端にセグメントに分けられた平行平面
鏡を有する連続平行光反射電極を設けられたスラブレー
ザのアレイを提供する。 【構成】 スラブレーザのアレイは複数の平行開放共振
子を有し、各共振子はＣＯ2 スラブレーザから形成さ
れ、導波平行電極１８，２０がレーザ導波チャンネル１
０を画成し、安定共振子がチャンネル１０の近くに配置
される。一実施例において、開放共振子は１対の平行平
面鏡１２，１３から形成され、その一つは全反射性であ
りそして複数の共振子を画成するようにセグメント４６
に分けられる。他の実施例においては、開放共振子はチ
ャンネルの一端に在る複数の凹面鏡およびチャンネルの
他端に在る部分反射平面鏡１３から形成される。さらに
他の実施例では、コーナキューブ反射鏡が凹面鏡に代え
て使用される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は二酸化炭素（ＣＯ2 ）ス
ラブレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ＣＯ
2 スラブレーザは本発明の発明者に付与された米国特許
第４７１９６３９号において最初に開示された。ＣＯ2
スラブレーザは１対の平行する光反射電極と、第１の次
元に導波共振子をそして第２の次元に開放共振子を形成
するように配置された１対の共振子反射鏡とを以て構成
される。もし電極が約４ｍｍより小さいギャップを形成
するならば、レーザ内で伝播する光は電極によって導か
れる。開放共振子は安定または不安定であり、またはレ
ーザは単に増幅器として作用させられる。例えば低圧レ
ーズィングガス（ＣＯ2 ）、電極のための無線周波数電
磁励起の電源および電極を冷却する手段としてのＣＯ2
スラブレーザの通常の構造は当業者には十分に理解され
ており従って何ら詳細には説明されないであろう。
【０００３】これらレーザはコンパクトであり且つ強力
であり、そしてＣＯ2 スラブレーザは技術的に大きな進
歩を示しているが、これらレーザは幾つかの短所を有す
る。安定ＣＯ2 スラブレーザ共振子はフレネル番号約５
までは単一モードで振動する。レーザのためのフレネル
番号はＮF ＝ａ2 ／λｄによって定義され、ここでａは
開口次元の寸法（例えば電極幅の寸法）、λはレーザ内
で伝播する光の波長そしてｄはレーザの長さである。商
業目的のための合理的な長さのレーザの場合、これはビ
ーム幅を制限し、従って電極幅を１ｃｍ以下に制限す
る。安定共振子を有するＣＯ2 スラブレーザの特別の利
点は、出力ビームの質が良好であり、そしてこれはビー
ムが回折制限焦点に集中されることを可能にすることで
ある。しかし、電極幅の寸法制限は出力が制限されるこ
とを意味する。
【０００４】安定共振子を有するＣＯ2 スラブレーザの
出力を増加する問題に対する一つの可能な解決法は、レ
ーザ電極ギャップの幅を横切って伝播する光をジグザグ
に進行させることである。これは複雑な共振子ジオメト
リーであり従ってビーム折曲げ光学および共振子光学を
ともに要求する。
【０００５】レーザ技術において、ある場合、改良され
た出力を得るために連結されたレーザの配列即ちアレイ
を使用する試みがなされることは知られている。しかし
すべてのアレイが改善された出力を生じるとは限らず、
いかなる方法が効果的に働くか、どんな確度をもっても
予言され得ない。
【０００６】レーザのアレイにおいて、一レーザ内で伝
播する光の一部は他の一レーザに導入される。予言し難
い適正な条件下において、レーザは一レーザ内で伝播す
る光が他の一レーザ内で伝播する光に同位相で関連させ
られるように連結された状態になり得る。かくして、位
相関連導波レーザの幾つかの構成が提案された。位相は
同じである（共位相レーザ）か、または反対であり（反
位相レーザ）、後者においては相隣するレーザ内で伝播
する光は１８０°位相がずれている。レーザのアレイに
おけるレーザ光が共位相であるときは、これらレーザは
コヒーレントであると言われる。レーザアレイのコヒー
レント性は有利である。何故ならば、ｎ個のコヒーレン
トなレーザの遠域出力ビーム（そこでは出力が統合され
る）は単一レーザのｎ2 倍の強さを有するからである。
コヒーレントでないレーザの場合は、出力ビームは遠域
において直線的に増加する（一つのレーザのｎ倍の出
力）。レーザアレイの一論評がソビエト物理学Ｕｓｐ．
３３（３）、１９９０年３月号２２８−２５２頁のリカ
ンスキ外の論文“光学的に連結されたレーザによって射
出される放射線”において見つけられる。反位相アレイ
は位相に関係づけられるが、互いに散開する確度で伝播
する二つのレーザビームを生じさせれ。反位相ビームは
原則的に共位相に修正され得、そして有利であると考え
られる。
【０００７】前記文献において説明される導波レーザの
アレイとは異なり、個々のＣＯ2 スラブレーザの非導面
における回折効果は極めて強い。ＣＯ2 レーザの波長は
比較的大きいから数ｍｍの開口の平面−平面共振子は極
めて高い回折損を有する。従って一レーザ要素から次ぎ
のそれへの高い光連結度はアレイの外縁における高い回
折損度とともに期待され得る。これらの考慮はアレイの
中心におけるレーザ要素が最高出力を発生しそしてアレ
イの縁におけるレーザ要素が低い出力を発生することを
人に期待させる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】位相関連出力がＣＯ2 ス
ラブレーザのアレイから得られることと、各レーザ要素
からの出力は同じであることとを本発明者は思いがけな
く発見した。これはスラブレーザの位相調整されたアレ
イが過度の回折損をこうむらず、そしてアレイの全域に
おける出力が不変であるから有用である。特に、そのよ
うな結果は１対の連続平行光反射電極であって複数の共
振子を形成するように電極の各端にセグメントに分けら
れた平行する平面鏡を有するものによって得られる。個
々のレーザ共振子は平面鏡上に非反射線をエッチングす
ることによって形成され得る。
【０００９】より一般的に、少なくとも第１と第２の平
行する導波電極面であってそれらの間にチャンネルを画
成しそして第１の次元に導波器を画成するものと；電極
に電磁励起を提供する手段と；チャンネル内のレーザ持
続ガスと；第１の次元に対して垂直の第２の次元に開放
共振子を形成するようにチャンネルの近くに配置された
少なくとも１個の安定共振子と；複数の平行レーザ共振
子であっておのおの位相関連出力を生じるように他の一
共振子にレーザ連結されるものにチャンネルを分割する
手段とを有するスラブレーザのアレイが提案される。
【００１０】次ぎに、同一符号が同一要素を示す図面を
参照して、図解によって、本発明の好的実施例が説明さ
れるであろう。
【００１１】
【実施例】図面に示されるＣＯ2 レーザの基本特性は、
例えばオポワーの米国特許第４７１９６３９号または米
国特許第４３９９７３８号に説明されるごとき、当業者
に既知の諸原理に従って設計されることは理解されるで
あろう。本発明の構造の態様および操作の方法はここに
説明されるであろう。
【００１２】図１および図２を参照すると、ＣＯ2 レー
ザは１対の平行導波電極面１４および１６の間に形成さ
れたレーザ導波チャンネル１０を有する。レーザ導波チ
ャンネル１０はその一端に取付けられた全反射平面鏡１
２およびその他端の取付けられた部分反射平面鏡１３を
有する。これら２個の平面鏡１２および１３はチャンネ
ル１０の一次元、即ち平面鏡間に延びる電極面１４，１
６に平行する次元、に開放共振子を画成する。例えばア
ルミニウムから形成された第１および第２の平行導波電
極面１４および１６は誘電支持体１７によって分離され
てギャップを画成する。これら電極面間のギャップはチ
ャンネル１０の深さを画成し、一方、共振子平面鏡間の
電極面はチャンネル１０の長さを画成する。前記ギャッ
プ、即ち、チャンネル１０の深さは電極面が電極の平面
に垂直の平面に伝播する光を導くための導波面を画成す
るように選ばれる。導波限界はギャップを約４ｍｍの深
さに制限すると信じられる。しかし、図示実施例におい
てはギャップは約２．２５ｍｍである。電極１８，２０
の長さは２０ｃｍである。
【００１３】電極のための冷却水給源からの冷却水（２
３において示される）およびＲＦ電源２１（電力整合回
路網付き）からの７２ＭＨｚ電力は、電極１８および２
０に結合する中空のアルミニウムの柱２４を通じて供給
される。柱２４は鋼管２８の壁を通過する絶縁フィード
スルー２６内に取付けられる。フィードスルー２６は柱
２４に対して密閉係合された絶縁カラー２５およびこれ
らカラー２５を鋼管２８に結合するベローズ２５によっ
て形成される。２３において示されるごとき冷却水はＴ
継手および管３０を介して柱２４に流入しそしてそれか
ら流出する。管３０は電極１８および２０の長さの大部
分を通って延びている。鋼管２８の内部には、減圧され
た好適な永続性の持続ガスが収容される。
【００１４】平面鏡１２および１３はそれぞれ鋼管２８
の端部３４および３６において調整可能のフランジ３２
上に取付けられ、そしてチャンネル１０の端から約２ｍ
ｍ離される。調整可能のフランジ３２はピン３１によっ
て固定されそしてシール３３によって密閉される。チャ
ンネル１０から出現する光４０は平面鏡１３を通過しそ
してフランジ３２の窓３８を通過する。
【００１５】図３を参照すると、全反射平面鏡１２は複
数の平行する反射しないストリップ４２であってセグメ
ント４４のアレイを形成するものによって区分されまた
はセグメントに分けられる。これら反射しないストリッ
プ４２は例えば単に平面鏡の表面を引掻くことによって
または反射しない材料によって平面鏡を覆うことによっ
て形成され得る。反射しないストリップの幅は約０．２
ｍｍである。各セグメント４４の幅は約３．５ｍｍであ
り、従って約２２ｍｍの電極幅を有する図示実施例にお
いては、６個のレーザ共振子が形成される。しかし、本
発明はほぼ同じ個々の寸法を有するより大きい個数のセ
グメントによって同様に機能すると信じられる。代替的
に、図４に示されるように、平面鏡はギャップ４８によ
って分離された独立した平面鏡４６であり得る。しか
し、単一の平面鏡の使用は複数の平面鏡の整合を助け従
って好ましい。
【００１６】開放導波スラブＣＯ2 レーザにおける複数
の平面鏡セグメントは、それらのレーザビームが全く同
じである分離した複数のレーザを形成することが確認さ
れた。各レーザビームは、図３に示されるエッチングさ
れそしてセグメントに分けられた平面鏡１２によって図
１および図２に示されたレーザのアウトプットに配置さ
れる燐光板によって記録される光の強さの分布を示す図
５に示されるごとく、近域において単一モードガウスビ
ーム形状を有する。各スポットの幅Ｗは約３．５ｍｍ、
高さＨは約３ｍｍであり、そして全長Ｌは約２２ｍｍで
ある。各レーザビームは別々の共振子から出現しそして
概ね同等の強さである。さらに、図１、図２および図３
に図示されそしてここに説明されたタイプの開放導波ス
ラブレーザのアレイからの隣接平行レーザビームは同位
相で一共振子から次ぎの共振子に関連することが確認さ
れた。位相連結は回折損から生じると信じられそして強
く、そして共振子の幅を減じることによって増される。
【００１７】図１、図２および図３に示されたレーザ共
振子の遠域アウトプットの特性表示は図６に示される。
遠域像はレーザのアレイから出現する光を２ｍの焦点距
離のレンズを通過させることによって得られる。遠域像
は隣接共振子間の反位相関係の特性を表す二ローブ輪郭
を有する。ローブ間の離間距離Ｓは３ｍｒであり、それ
はアレイの期間が３．５ｍｍでありそして波長が１０．
６μｍである反位相アレイから予期される。各ローブは
大小両軸線を横切るガウス輪郭を有しそして２本のビー
ムはおのおの回折制限され且つコヒーレントである。
【００１８】改善された出力は図７に示されるごとくサ
ブストレート５０に取付けられそして交互共振子のアウ
トプットに位置される複数のπ位相板５２を導入するこ
とによって得られると信じられる。π位相板の効果は小
波５４および５６によって図解される。チャンネル１０
内で、小波５４および５６は反対位相を有する隣接共振
子に伝播する。π位相板を通過した後、小波５４は遅延
され従ってそれは小波５６と同位相である。もしπ位相
板が十分に精密に整合されているならば、生じる出力は
同位相、従ってコヒーレント、であると信じられる。同
じ位相遅延効果を有するその他の位相修正器が位相板に
代えて使用され得る。共位相アレイのアウトプットは、
割合ｄ／Ｄ、ここでｄは個々のレーザ開口の寸法（図
１、図２および図３に示されるアレイの場合においては
３．５ｍｍ）でありそしてＤは個々のレーザ間の心から
心までの距離（図１、図２および図３に示されるアレイ
の場合においては３．７ｍｍ）である、を以て中心ロー
ブと数個の側ローブとの間に分散される。従って、説明
されたアレイによれば、出力の高割合は中心ローブに存
在する。
【００１９】また、図８に示される実施例も位相関連出
力を発生すると信じられる。レーザの構造は図１および
図２に示されるそれと同じであるが、平面鏡１２は複数
の凹面鏡６２によって置換えられた。各凹面鏡６２は在
来設計の開放安定共振子を構成する。しかし、そこにお
いては共振子からの損失が最小にされる、当業界におけ
る通常の教えとは反対に、反射鏡の縁はガウス単一モー
ドレーザビームの縁が隣接共振子内にこぼれ落ちるよう
に選ばれる。一レーザ共振子から次ぎのそれへの光のこ
ぼれ落ちは、結果として共振子の連結およびレーザの位
相関連作用を生じさせると信じられる。各レーザ共振子
は一波長の端数内で同じ長さを有しなくてはならず従っ
て全反射鏡６２は注意深く選択されなくてはならない。
また、図１および図２に示されるＣＯ2 スラブレーザと
組合わされたコーナキューブ反射器６４（図９）は同じ
結果を得ると信じられる。
【００２０】約２０ｃｍの長さを有するレーザの場合、
レーザ平面−平面共振子のおのおのにおける電極の幅は
約３．５ｍｍより小さくされなくてはならず、制限要因
は前記幅が増されるに従って各個の共振子からのコヒー
レント出力の損失である。より長いレーザの場合、前記
幅は約５ｍｍまたはそれ以上まで増加され得る。
【００２１】セグメントに分けられた反射鏡および連続
する電極を有するレーザ共振子のアレイが説明された
が、同様の出力は、例えば隣接電極、各電極の幅は約
３．５ｍｍ、間に誘電材料のストリップを配置すること
によって、電極をセグメントに分けることによって得ら
れると信じられる。これらストリップは、また、頂底両
電極間のギャップ内に部分的に延び得るが、電極に平行
する平面における開放共振子モードが失われるような程
度までは延びない。しかし、好的実施例は安定共振子を
セグメントに分けそして電極の連続性を維持する。
【００２２】Ｘ−Ｙレーザアレイは本発明の諸原理に従
って構成され得ると信じられる。Ｘ−Ｙアレイにおいて
は、一連の平行レーザ共振子は図１０に示されるごとく
形成され、第１の電極６６は導波面６８を有しそして第
２の電極７２は導波面７４を有し、以て図１、図２およ
び図３に示された電極１８および２０に取って代わる。
次いで、第２の一連の平行レーザ共振子は、第３の電極
７６を第２の電極７２の下において第３の電極の上側７
８に導波面を画成するように配置することによって構成
される。次いで電極７２の下側８０および第３の電極の
上側７８は、第２のチャンネル８２を画成する１対の平
行する導波面を形成する。次いで第４の電極８４がスタ
ックを完成しそして第３のチャンネル８６を画成するよ
うに付加される。また、さらなる電極がレーザ共振子の
個数を増すようにスタックに追加され得る。各チャンネ
ルおよびその関連電極の構成は図１、図２および図３に
示されるそれと同様である。次いで複数のレーザ共振子
が第２および第３のチャンネルの近くに図１、図２およ
び図３に示されるごとき平面鏡を配置することによって
形成され得る。次いでさらなる電極を追加することによ
って、ｎ個の平行するレーザ共振子のスタックが形成さ
れ得る。反射しないストリップのグリッドによってセグ
メントに分けられた単一全反射平面鏡がレーザ共振子の
Ｘ−Ｙアレイのためのレーザ共振子を画成するために使
用され得る。電極の端面９０は研磨され、そして平面鏡
は電極端から（図１、図２および図３に示された実施例
のため好ましい２ｍｍの整定より）さらに後退される。
一チャンネル内において電極の縁上で回折する光は平面
鏡から隣接チャンネル内に反射し、そしてこのようにし
てチャンネルは連結されて一つの次元に導波レーザアレ
イを形成する。電極は各中心電極７２，７６が隣接チャ
ンネルのための電極として働くことを許すように直列に
放電するように配置される。
【００２３】説明された装置は本発明の作用の態様を例
証することと、レーザの異なる寸法およびレーザ共振子
の個数はレーザの意図された用途に依存して選択される
ことが理解されるであろう。
【００２４】当業者は本発明の本質から逸脱することな
しに本願において説明されそして特許請求された発明に
関して重要でない修正を加え得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＣＯ2 スラブレーザアレイの構造
を示す概略横断面図。
【図２】図１に示されたＣＯ2 スラブレーザアレイの実
施例の概略縦断面図。
【図３】図１に示されたＣＯ2 スラブレーザアレイと共
に使用する、セグメントに分けられた部分反射平面鏡の
概略斜視図。
【図４】図１に示されたＣＯ2 スラブレーザアレイのた
めの部分反射平面鏡のもう一つの実施例を示す概略斜視
図。
【図５】本発明によるレーザアレイの一実施例の近域ビ
ームパターンの概略図。
【図６】本発明によるレーザの反位相アレイの一実施例
の遠域ビームパターンの概略図。
【図７】本発明の一実施例と共に使用される位相修正器
を示す概略図。
【図８】本発明によるＣＯ2 スラブレーザアレイを画成
するため使用される可能レーザ共振子を示す概略図。
【図９】本発明によるＣＯ2 スラブレーザアレイを画成
するため使用されるもう一つの可能レーザ共振子を示す
概略図。
【図１０】平行レーザ共振子のＸ−Ｙアレイを示す概略
端面図。
【符号の説明】
１０ レーザ導波チャンネル １２ 全反射平面鏡 １３ 部分反射平面鏡 １４ 平行導波電極面 １６ 平行導波電極面 １８ 電極 ２０ 電極 ２１ ＲＦ電源 ２８ 鋼管 ３８ 窓 ４２ ストリップ ４４ セグメント ４６ 平面鏡 ４８ ギャップ ５０ サブストレート ５２ π位相板 ６２ 凹面鏡 ６６ 電極 ７２ 電極 ７６ 電極 ８２ チャンネル ８４ 電極 ８６ チャンネル

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも第１と第２の平行する導波電
    極面であってそれらの間にチャンネルを画成しそして第
    １の次元に導波器を画成するものと；電極に電磁励起を
    提供する手段と；チャンネル内のレーザ持続ガスと；第
    １の次元に対して垂直の第２の次元に開放共振子を形成
    するようにチャンネルの近くに配置された少なくとも１
    個の安定共振子と；複数の平行レーザ共振子であってお
    のおの位相関連出力を生じるように他の一共振子にレー
    ザ連結されるものにチャンネルを分割する手段とを有す
    るスラブレーザのアレイ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、安定共振子が１対の平行する平面鏡から
    形成されるスラブレーザのアレイ。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、平行する平面鏡がセグメントに分けられ
    そして複数の平行するレーザ共振子が複数のセグメント
    によって画成されるスラブレーザのアレイ。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、平行する平面鏡がそれらの上に配置され
    る反射しない複数のストリップによってセグメントに分
    けられるスラブレーザのアレイ。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、反射しないストリップが平面鏡をエッチ
    ングすることによって形成されるスラブレーザのアレ
    イ。
  6. 【請求項６】 請求項１、２または３に記載されるスラ
    ブレーザのアレイであって、第１と第２の平行導波電極
    面がおのおの連続しているスラブレーザのアレイ。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、安定共振子がチャンネルの一端に在る第
    １の平面鏡およびチャンネルの他端に在る複数の凹面鏡
    から形成されるスラブレーザのアレイ。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載されるスラブレーザのア
    レイであって、安定共振子がチャンネルの一端に在る第
    １の平面鏡およびチャンネルの他端に在る複数のコーナ
    キューブ反射器から形成されるスラブレーザのアレイ。
  9. 【請求項９】 請求項１、２または３に記載されるスラ
    ブレーザのアレイであって、各レーザ共振子が回折損に
    よって隣接共振子に連結されるスラブレーザのアレイ。
  10. 【請求項１０】 請求項１、２または３に記載されるス
    ラブレーザのアレイであって、各レーザ共振子が回折損
    によって隣接共振子に連結され、そしてπ位相修正器が
    交互するレーザ共振子の端に位置されるスラブレーザの
    アレイ。
JP5004062A 1992-01-14 1993-01-13 スラブレーザのアレイ Pending JPH0645711A (ja)

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