JPH0722714A - Laser gas and discharge excitation type co gas laser - Google Patents

Laser gas and discharge excitation type co gas laser

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JPH0722714A
JPH0722714A JP16488393A JP16488393A JPH0722714A JP H0722714 A JPH0722714 A JP H0722714A JP 16488393 A JP16488393 A JP 16488393A JP 16488393 A JP16488393 A JP 16488393A JP H0722714 A JPH0722714 A JP H0722714A
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JP
Japan
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laser
gas
discharge
concentration
amount
Prior art date
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JP16488393A
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Japanese (ja)
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Minoru Uehara
実 上原
Yuko Kanazawa
祐孝 金沢
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IHI Corp
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Abstract

PURPOSE:To stabilize composition and discharge of laser as at a discharge part and to obtain stable laser output by adding CO2 which is smaller than the specific amount of CO in terms of molar fraction to He, N2, and CO. CONSTITUTION:A laser pipe 2 is laid out in crossed state for a laser gas channel 1, electrodes 4A and 4B for discharge of the discharge part 3 are laid out at the crossed part of the laser gas channel 1 and the laser pipe 2, and then the internal air of the laser gas channel 1 is eliminated by actuation, etc., of a gas exhaust system 7. Then, considering the composition of residual air, laser gas G is set to a composition ratio of, for example, He: 78.3%, N2: 16%, CO: 5%, CO2: 0/5%, O2: 0.2% (molar fraction) but the amount of CO is set to be smaller than 25%, of the amount of CO. Therefore, while generation of C and CO2 on discharge excitation and that of CO and O2 which is its inverse reaction are balanced, a high-output laser oscillation can be achieved within a room temperature atmosphere.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザガス及び放電励
起型COガスレーザに係り、特に、放電部におけるレー
ザガスの組成及び放電を安定化して、一定なレーザ出力
を得るとともに、電極等への炭素の付着を防止する技術
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser gas and a discharge-excited CO gas laser, and in particular, stabilizes the composition and discharge of the laser gas in the discharge part to obtain a constant laser output and to prevent carbon emission to electrodes and the like. The present invention relates to a technique for preventing adhesion.

【0002】[0002]

【従来の技術】放電励起型COガスレーザにあっては、
He、N2 、O2 及びCOを主組成とするレーザガスを
亜音速で循環または超音速膨張させて、放電部における
自己持続放電によって、レーザガスを励起してレーザの
連続発振を行なうようにしている。
2. Description of the Related Art In a discharge excitation type CO gas laser,
A laser gas mainly composed of He, N 2 , O 2 and CO is circulated or supersonic expanded at a subsonic speed, and a self-sustained discharge in a discharge part excites the laser gas to continuously oscillate a laser. .

【0003】COガスレーザとしては、例えば特公平
1−33956号公報、実開平3−43755号公
報、実開平3−56165号公報、文献:S.Kr
ausand F.Maisenhaelder,Ap
pl.Physics,vol.22 421(198
0)、特公平4−58717号公報が提案されてい
る。
Examples of CO gas lasers include Japanese Patent Publication No. 1-33956, Japanese Utility Model Publication No. 3-43755, Japanese Utility Model Publication No. 3-56165, and reference: S. Kr
ausand F. Maisenhaelder, Ap
pl. Physics, vol. 22 421 (198
0) and Japanese Patent Publication No. 4-58717 are proposed.

【0004】また、COガスレーザは、励起機構上、低
温で作動させる方が高効率を得やすくなるものの、取り
扱い性の点で、冷却手段の簡素化を図ることや、例えば
室温に近い温度で作動させることが望ましい。
In addition, although the CO gas laser can easily obtain high efficiency when operated at a low temperature because of its excitation mechanism, in terms of handling, the cooling means can be simplified and operated at a temperature close to room temperature, for example. It is desirable to let

【0005】冷却手段に関して、の文献の開示技術で
は、レーザガスを超音速膨張させて冷却する方法を採用
しており、室温レーザ発振に関して、の公報の開示技
術では、COガスの濃度をN2 ガスの濃度に対して6倍
以上とする方法、の公報の開示技術では、O2 ガスを
付加してCO2 を除去する方法、の公報の開示技術で
は、酸素濃度をCO濃度の7〜25%とする方法、の
公報の開示技術では、Xeを添加する方法等が採用され
ている。
With respect to the cooling means, the technique disclosed in the above document adopts a method of cooling the laser gas by supersonic expansion, and the technique disclosed in the above document regarding room temperature laser oscillation has a CO gas concentration of N 2 gas. in the method according to 6 times or more with respect to the concentration, the publications of the disclosed technique, a method for removing CO 2 by adding O 2 gas, in the publication of the disclosed technique, the oxygen concentration of the CO concentration 7-25% In the disclosed technology of the above method, a method of adding Xe is adopted.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの技術
では、室温に近い温度で大きなレーザ出力を得る点や、
安定したレーザ発振を行なわせる点で改良の余地が残さ
れている。つまり、超音速膨張やその他の冷却手段は、
いずれも大掛かりでかつ取り扱い性が悪くなる傾向があ
り、COガスの濃度、O2 ガスの濃度を制御する方法で
は、レーザガスの品質維持に難点があり、そして、Xe
を添加する方法では、Xeが希ガスであるために高価と
なり、運転コストの面から実用性が損われる。なお、X
e以外に例えばHgを添加する場合には、Hgが液体で
あるために、レーザガス中への封入が技術的に困難であ
り、Hgが共振器や放電電極に付着する問題が生じ、実
用性が損われ易い。
However, in these techniques, a large laser output is obtained at a temperature close to room temperature, and
There is room for improvement in terms of stable laser oscillation. So, supersonic expansion and other cooling means
Both of them tend to be large-scale and poor in handleability, and the method of controlling the concentration of CO gas and the concentration of O 2 gas has a difficulty in maintaining the quality of laser gas, and Xe
In the method of adding X, since Xe is a rare gas, it becomes expensive and impractical in terms of operating cost. Note that X
When Hg is added in addition to e, it is technically difficult to encapsulate it in the laser gas because Hg is a liquid, and there is a problem that Hg adheres to the resonator and the discharge electrode, which is not practical. It is easily damaged.

【0007】本発明は、これらの事情に鑑がみてなされ
たもので、室温程度の温度雰囲気で高出力のレーザ発振
を行なうこと、レーザガスの組成、放電及びレーザ出力
の安定化を図ること、電極等への炭素の付着を防止する
ことを目的としている。
The present invention has been made in view of these circumstances, and performs high-power laser oscillation in a temperature atmosphere around room temperature, stabilizes the composition of laser gas, discharge, and laser output, and electrodes. The purpose is to prevent carbon from adhering to etc.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ために以下の提案をしている。第1の発明に係る放電励
起型COガスレーザ用レーザガスにあっては、He、N
2 及びCOに、モル分率でCO量の25%よりも少量の
CO2 を付加してなるものとしている。第2の発明に係
る放電励起型COガスレーザにあっては、レーザガスを
挿通させるレーザガス流路に対して交差状態にレーザ管
が配され、レーザガス流路及びレーザ管の交差箇所に放
電部が配されるとともに、レーザガスが、He、N2
びCOに、モル分率でCO量の25%よりも少量のCO
2 を付加してなる構成を採用している。第3の発明に係
る放電励起型COガスレーザにあっては、第1の発明及
び第2の発明に、レーザガスが、O2 を含む構成を付加
している。
[Means for Solving the Problems] The following proposals have been made to solve these problems. In the discharge-excited CO gas laser laser gas according to the first invention, He, N
It is assumed that CO 2 is added to 2 and CO in a mole fraction of less than 25% of the amount of CO. In the discharge-excited CO gas laser according to the second aspect of the present invention, the laser tube is arranged in an intersecting state with respect to the laser gas passage through which the laser gas is inserted, and the discharge portion is arranged at the intersection of the laser gas passage and the laser tube. At the same time, the laser gas is added to He, N 2 and CO in an amount less than 25% of the amount of CO in a mole fraction.
It adopts the configuration with 2 added. In the discharge-excited CO gas laser according to the third invention, a configuration in which the laser gas contains O 2 is added to the first invention and the second invention.

【0009】[0009]

【作用】放電励起型COガスレーザにおいて、He、N
2 及びCOを主組成とするレーザガス中で放電励起を行
なうと、次の反応が生じる。 2CO→CO2 +C …………(1) 2CO+O2 →2CO2 …………(2) この反応が主な原因となってCO2 分子が生成される
と、CO2 分子が励起状態にあるCO分子と衝突するこ
とにより、レーザ発振に必要なエネルギを奪ってしまう
ために、レーザ出力が低下する傾向を示す。O2 を添加
していないレーザガスでは、(1)の反応が支配的とな
り、CO2分子がCO分子のエネルギを奪うだけでな
く、生成された炭素が放電部の放電電極に付着して、放
電の不安定性を誘発したり、共振器を構成する光学部品
に付着してレーザ出力を著しく低下させる原因となる。
適当量のO2 を添加した場合には、(2)の反応が支配
的となり、生成されたCO2 分子が励起状態にあるCO
分子と衝突してエネルギを奪うため、レーザ発振を妨げ
る主要因となる。一方、モル分率でCO量の25%より
も少量のCO2 を付加することによって、CO2 濃度が
一定領域に保持されていると、CO2 の生成反応が飽和
状態となるとともに、レーザ出力が一定となる。この現
象は、次のような逆反応を考慮することで説明できる。 2CO2 →2CO+O2 …………(3) このとき、放電部では、放電によってCO2 分子がCO
分子とCO2 分子とに解離する反応も同時におきるた
め、反応(1)、(2)と(3)が平衡に達すれば、放
電部での組成変化は一定となり、レーザ出力が安定す
る。したがって、予め組成の平衡時の濃度に近いCO2
を添加しておくと、CO、O2 の減少及びCO2 の過剰
な生成を抑制して、レーザ出力の安定化を図ることがで
きる。
In the discharge-excited CO gas laser, He, N
When discharge excitation is carried out in a laser gas mainly composed of 2 and CO, the following reaction occurs. 2CO → CO 2 + C ...... (1) 2CO + O 2 → 2CO 2 …… (2) When CO 2 molecule is generated mainly due to this reaction, the CO 2 molecule is in an excited state. By colliding with CO molecules, the energy required for laser oscillation is taken away, and the laser output tends to decrease. In the laser gas to which O 2 is not added, the reaction (1) becomes dominant, and not only the CO 2 molecule absorbs the energy of the CO molecule, but also the generated carbon adheres to the discharge electrode of the discharge part to cause discharge. Instability is caused, or the laser output is remarkably reduced by adhering to the optical components constituting the resonator.
When an appropriate amount of O 2 is added, the reaction of (2) becomes dominant, and the generated CO 2 molecule is CO in an excited state.
Since it collides with molecules and robs energy, it is a main factor that hinders laser oscillation. On the other hand, if the CO 2 concentration is kept in a constant range by adding a smaller amount of CO 2 than 25% of the CO amount in terms of mole fraction, the CO 2 generation reaction becomes saturated and the laser output is increased. Is constant. This phenomenon can be explained by considering the following reverse reaction. 2CO 2 → 2CO + O 2 (3) At this time, in the discharge part, CO 2 molecules become CO 2 due to discharge.
Since a reaction for dissociating into molecules and CO 2 molecules also occurs at the same time, when the reactions (1), (2) and (3) reach equilibrium, the composition change in the discharge part becomes constant and the laser output becomes stable. Therefore, the CO 2 concentration close to the equilibrium concentration of the composition is previously set.
If added, the reduction of CO and O 2 and the excessive generation of CO 2 can be suppressed, and the laser output can be stabilized.

【0010】[0010]

【実施例】以下、レーザガスとこのレーザガスを使用し
た放電励起型COガスレーザの例について、図1ないし
図3に基づき説明する。なお、図3に示す放電励起型C
Oガスレーザにおいて、符号1はレーザガス流路(ガス
ダクト)、2はレーザ管、3は放電部、4A,4Bは放
電用電極、5は電源部、6はガス供給源、7はガス排気
系、8は送風機、9A,9Bは熱交換器、Gはレーザガ
スである。
EXAMPLES An example of a laser gas and a discharge-excited CO gas laser using this laser gas will be described below with reference to FIGS. 1 to 3. The discharge excitation type C shown in FIG.
In the O gas laser, reference numeral 1 is a laser gas flow path (gas duct), 2 is a laser tube, 3 is a discharge part, 4A and 4B are discharge electrodes, 5 is a power supply part, 6 is a gas supply source, 7 is a gas exhaust system, and 8 Is a blower, 9A and 9B are heat exchangers, and G is a laser gas.

【0011】図3例の放電励起型COガスレーザにあっ
ては、後述する所要組成のレーザガスGを挿通させる閉
ループ状態のレーザガス流路1に対してレーザ管2が交
差状態に配され、これらレーザガス流路1とレーザ管2
との交差箇所に放電部3の放電用電極4A,4Bが配さ
れ、該放電用電極4A,4Bに放電を生じさせるための
電源部5が接続され、さらに、レーザガス流路1には、
レーザガスGを供給するためのガス供給源6と、不要ガ
スを排出するためのガス排気系7と、レーザガスGを駆
動して矢印で示すように循環させるための送風機8と、
循環するレーザガスの冷却を行なうための熱交換器9
A,9Bとが配される。
In the discharge-excited CO gas laser of the example of FIG. 3, the laser tube 2 is arranged in an intersecting state with the laser gas flow path 1 in a closed loop state through which a laser gas G having a required composition described later is inserted, and these laser gas flows Path 1 and laser tube 2
Discharge electrodes 4A and 4B of the discharge unit 3 are arranged at intersections with and a power supply unit 5 for generating a discharge is connected to the discharge electrodes 4A and 4B.
A gas supply source 6 for supplying the laser gas G, a gas exhaust system 7 for discharging unnecessary gas, a blower 8 for driving the laser gas G to circulate as shown by an arrow,
Heat exchanger 9 for cooling the circulating laser gas
A and 9B are arranged.

【0012】前記レーザガスGにあっては、運転開始前
等において、ガス排気系7の作動等によって真空引きし
て、レーザガス流路1の内部空気を排除し、残留空気の
組成を勘案して、所要組成となるように調整される。該
レーザガスGは、例えばHe:78.3%,N2 :16
%,CO:5%,CO2 :0.5%,O2 :0.2%
(モル分率)の組成比に設定される。この場合にあっ
て、CO2 量は、CO量の25%よりも少量となるよう
に設定される。
Before starting the operation, the laser gas G is evacuated by the operation of the gas exhaust system 7 or the like to eliminate the internal air of the laser gas flow path 1 and take the composition of the residual air into consideration. It is adjusted so that the required composition is obtained. The laser gas G is, for example, He: 78.3%, N 2 : 16.
%, CO: 5%, CO 2 : 0.5%, O 2 : 0.2%
It is set to the composition ratio of (molar fraction). In this case, the CO 2 amount is set to be smaller than 25% of the CO amount.

【0013】〔COガスレーザの室温発振実験例1〕図
1は、COガスレーザを発振させた場合の入力電力とレ
ーザ出力との時間変化を示すものである。ただし、レー
ザ発振条件を下記のように設定した。 ガス組成(He/N2 /CO/CO2 /O2 ):78.8−
x/16/5/x/0.2 (モル分率) 動作ガス圧力:80hPa CO2 濃度(x):0.2〜1.0% 放電部入口温度:296K ここでは、放電開始時刻を0分としている。
[Example 1 of Room Temperature Oscillation Experiment of CO Gas Laser] FIG. 1 shows temporal changes in input power and laser output when a CO gas laser is oscillated. However, the laser oscillation conditions were set as follows. Gas composition (He / N 2 / CO / CO 2 / O 2): 78.8-
x / 16/5 / x / 0.2 (molar fraction) Operating gas pressure: 80 hPa CO 2 concentration (x): 0.2 to 1.0% Discharge section inlet temperature: 296 K Here, the discharge start time is 0 minutes. There is.

【0014】図1に示す実験結果において、 a) CO2 =0.3%(CO2 濃度が低い条件)で
は、放電開始とともにレーザ出力が徐々に減少するが、
3分程度で安定領域に入って以後一定出力となり、室温
条件で約175ワットの高出力が得られた。 b) CO2 =0.5%(最適なCO2 濃度条件)で
は、放電開始直後と20分経過後とのレーザ出力の変化
がほとんどなく、出力が安定しており、室温条件で約1
70ワットの高出力が得られた。 c) CO2 =1.0%(CO2 濃度が高い条件)で
は、放電開始とともにレーザ出力が徐々に上昇するが、
3分程度で安定領域に入って以後一定出力となり、室温
条件で約125ワットの高出力が得られた。しかし、C
2 濃度が高くなると、安定した領域での出力値が低く
なる傾向を示した。 d) CO2 濃度とレーザ出力との関係より、CO2
0.5%の近傍に最適条件が存在する。
In the experimental results shown in FIG. 1, a) When CO 2 = 0.3% (condition where CO 2 concentration is low), the laser output gradually decreases with the start of discharge,
After entering the stable region in about 3 minutes, the output became constant, and a high output of about 175 watts was obtained under room temperature conditions. b) When CO 2 = 0.5% (optimum CO 2 concentration condition), there is almost no change in the laser output immediately after the start of discharge and after 20 minutes have elapsed, and the output is stable.
A high output of 70 watts was obtained. c) When CO 2 = 1.0% (condition with high CO 2 concentration), the laser output gradually increases with the start of discharge,
After entering the stable region in about 3 minutes, the output became constant, and a high output of about 125 watts was obtained under room temperature conditions. But C
As the O 2 concentration increased, the output value in the stable region tended to decrease. d) From the relationship between the CO 2 concentration and the laser output, CO 2 =
Optimal conditions exist near 0.5%.

【0015】〔COガスレーザの室温発振実験例2〕図
2は、図1の実験と同一条件でCO2 濃度の時間経過を
質量分析計により測定したものである。図2に示す実験
結果において、 a) CO2 =0.3%(CO2 濃度が低い条件)で
は、放電開始とともに、CO2 濃度が徐々に増加する
が、1分程度で飽和状態となり、以後安定領域となる。 b) CO2 =0.5%(最適なCO2 濃度条件)で
は、放電開始直後と20分経過後のCO2 濃度の変化が
なく、組成が安定状態になっている。 c) CO2 =1.0%(CO2 濃度が高い条件)で
は、放電開始後にCO2 濃度が徐々に減少し、3分程度
で飽和状態となる。 d) 初期CO2 濃度が高い場合には、レーザガス組成
の安定領域におけるCO2 濃度の絶対値が高くなり、初
期CO2 濃度によって、運転開始後のCO2 濃度が左右
されるものの、いずれも短時間で安定領域に入る。
[Example 2 of CO Gas Laser Room Temperature Oscillation Experiment] FIG. 2 shows the time course of CO 2 concentration measured by a mass spectrometer under the same conditions as the experiment of FIG. In the experimental results shown in FIG. 2, a) When CO 2 = 0.3% (the condition where the CO 2 concentration is low), the CO 2 concentration gradually increases with the start of discharge, but the saturated state is reached in about 1 minute. It becomes a stable region. b) When CO 2 = 0.5% (optimum CO 2 concentration condition), there is no change in the CO 2 concentration immediately after the start of discharge and after 20 minutes, and the composition is in a stable state. c) Under CO 2 = 1.0% (the condition where the CO 2 concentration is high), the CO 2 concentration gradually decreases after the start of discharge, and becomes saturated in about 3 minutes. d) When the initial CO 2 concentration is high, the absolute value of the CO 2 concentration in the stable region of the laser gas composition becomes high, and the initial CO 2 concentration affects the CO 2 concentration after the start of operation, but both are short. Enter the stable area in time.

【0016】〔他の実施態様〕本発明にあっては、上述
した実施例に代えて、以下の技術を採用することができ
る。 組成の変化が平衡課程となっているため、ガス循環装
置を用いない封じ切り型のCOガスレーザに対して適用
すること。 Xeガスを添加したレーザガスに対して適用するこ
と。
[Other Embodiments] In the present invention, the following techniques can be adopted instead of the above-described embodiments. Applicable to a closed-type CO gas laser that does not use a gas circulation device because the composition change is in the equilibrium process. Applicable to laser gas added with Xe gas.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明に係るレーザガス及び放電励起型
COガスレーザによれば、以下のような効果を奏する。 (1) 放電励起型レーザにあって、CO量よりも少量
のCO2 を付加したレーザガスを使用することにより、
放電励起時のCやCO2 の生成と、その逆反応であるC
OやO2 の生成とを平衡させた状態にして、室温雰囲気
での高出力のレーザ発振を行なうことができる。 (2) CO2 濃度の安定化によりCの生成反応を抑制
し、電極等への炭素の付着による弊害の発生を低減する
ことができる。
The laser gas and discharge-excited CO gas laser according to the present invention have the following effects. (1) In the discharge excitation type laser, by using the laser gas added with a smaller amount of CO 2 than the CO amount,
Generation of C and CO 2 during discharge excitation and its reverse reaction, C
High-power laser oscillation in a room temperature atmosphere can be performed in a state where the production of O and O 2 is balanced. (2) By stabilizing the CO 2 concentration, it is possible to suppress the C generation reaction and reduce the occurrence of harmful effects due to the adhesion of carbon to electrodes and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るレーザガスによるCOガスレーザ
発振時のレーザ出力と経過時間との関係曲線図である。
FIG. 1 is a relationship curve diagram between laser output and elapsed time during CO gas laser oscillation by a laser gas according to the present invention.

【図2】本発明に係るレーザガスによるCOガスレーザ
発振時のCO2 濃度と経過時間との関係曲線図である。
FIG. 2 is a relationship curve diagram between CO 2 concentration and elapsed time during CO gas laser oscillation by the laser gas according to the present invention.

【図3】本発明に係る放電励起型COガスレーザの一実
施例を示すブロック図を併記した正断面図である。
FIG. 3 is a front sectional view with a block diagram also showing an embodiment of a discharge excitation type CO gas laser according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザガス流路(ガスダクト) 2 レーザ管 3 放電部 4A,4B 放電用電極 5 電源部 6 ガス供給源 7 ガス排気系 8 送風機 9A,9B 熱交換器 G レーザガス 1 laser gas flow path (gas duct) 2 laser tube 3 discharge part 4A, 4B discharge electrode 5 power supply part 6 gas supply source 7 gas exhaust system 8 blower 9A, 9B heat exchanger G laser gas

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 He、N2 及びCOに、モル分率でCO
量の25%よりも少量のCO2 を付加してなる放電励起
型COガスレーザ用レーザガス。
1. CO to He, N 2 and CO in a mole fraction
Laser gas for discharge-excited CO gas laser, which is obtained by adding a smaller amount of CO 2 than 25% of the amount.
【請求項2】 レーザガスを挿通させるレーザガス流路
に対して交差状態にレーザ管が配され、レーザガス流路
及びレーザ管の交差箇所に放電部が配される放電励起型
レーザであって、レーザガスが、He、N2 及びCO
に、モル分率でCO量の25%よりも少量のCO2 を付
加してなることを特徴とする放電励起型COガスレー
ザ。
2. A discharge excitation laser in which a laser tube is arranged in an intersecting state with respect to a laser gas passage through which a laser gas is inserted, and a discharge portion is arranged at an intersection of the laser gas passage and the laser tube, wherein the laser gas is , He, N 2 and CO
A discharge-excited CO gas laser, wherein CO 2 is added in a mole fraction of less than 25% of the amount of CO.
【請求項3】 レーザガスが、O2 を含むことを特徴と
する請求項1または2記載の放電励起型COガスレー
ザ。
3. The discharge-excited CO gas laser according to claim 1, wherein the laser gas contains O 2 .
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