JPS597236B2 - キタイナ−ザ−ソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気体レーザ、特にダイナミック・ガス・レーザ
゛（ＤｙｎａｍｉｃＧａｓＬａｓｅｒ）の改良に関する
ものである。

気体レーザはレーザ物質である気体中には光学的な不均
一がほとんどないので、発振レーザ光は単色性にすぐれ
、空間的コヒーレンスが非常によく、この高い単色性を
持つていることが気体レーザの大きな特徴である。

気体レーザ装置は、レーザ物質である気体を封入又は流
動させるレーザ管と、このレーザ管から放出される光の
定在波をつくり、光の波長を１つ又はごく限られた波長
のモ・−ドに集中させ、レーザ発振を起させるための共
振器より成り、そしてレーザの励起方法は、レーザ物質
の気体をレーザ管に封入及至は静かに流動させる静止型
の所謂ガス・レーザに於ては、無電極で３０〜４０ＭＨ
ｚの高周波放電を起させるもの、レーザ管の両端に陰陽
極を挿入して直流放電を行なうようにしたもの、又パル
ス放電させるようにしたもの等があり、夫夫それなりの
発振効率を挙げているが、本発明の改良の対象であるダ
イナミック・ガス・レーザの励起方法は、レーザ管を数
気圧以上の高圧側と適度の真空及至は低圧側とに隔膜等
にて密封して区切り、高圧側にレーザ物質の気体を所定
高圧で充填及至は供給し得るようにすると共に排気され
る低圧側に気体の流れを横切るように共振器を挿設して
おき、上記隔膜等を破壊等して除去することにより低圧
側に気体の高速衝撃波流を形成させ、更に必要に応じ、
その際断熱膨脹等させることにより、気体分子の数の密
度分布反転による、即ち気体分子の振動エネルギ遷移に
伴いレーザ発振を生ぜしめるもので、通常瞬時的な発振
であるため発振効率が低く、又発振時間を延ばすことも
その励起原理からして難しかつた。

本発明は、このダイナミック・ガス・レーザの発振効率
の増大を目的としたもので、前記レーザ物質の気体の高
速衝撃波流路中子め放電間隙（電極間の可溶断ワイヤを
含む）を少なくとも一個以上設けておき、該放電間隙に
於て前記気体の高速衝撃波流によるダイナミック・ガス
・レーザ発振と所定の精密同期状態に於て放電を行なわ
せることにより、振動遷移レーザ発振を増大させようと
するもので、以下これを図面の一実施例により説明する
。

第１図に於て、１はレーザ管でレーザ物質の気体入カロ
ｌａには高圧ガスの供給管２が、又出力口ｌｂには真空
排気管３が接続されている。レーザ管１の入カロｌａ近
く：には狭窄部ｌｃが形成され、入力高圧ガスを一旦こ
こで圧縮して後述のレーザ発振放電部に急速膨脹させる
よう考慮されている。４ａはレーザ管１中を流動する気
体流通方向に直角に気体流路を間に挾んで対向した共振
器を構成する一対の円板ミラー、４ｂ，４ｃは前記ミラ
ー４ａと同様のミラーで気体流通方向に沿つて所定の間
隔を置いて並べてある。

５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、前記気体流通路に少なくと
も１個以上が該通路方向に所定の間隔を置いて順次に設
けられた対向電極より成る放電発生部で、゛各対向電極
間に放電用コンデンサ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが接続し
てある。

ｒはコンデンサの充電用電源、８は高圧ガス供給管２を
閉塞する膜で、これは衝撃電流で溶断する可溶断薄板で
できており、衝撃コンデンサ９の放電により破断して高
圧ガスバルブを開く。１０はその放電起動スイツチ、１
１ａは膜８の破断回路に破断片を挿入し；スイツチ電極
間隙をコンデンサ６ａの放電回路に挿入した放電起動用
プラスモード・スイツチである。

１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは各々前の放電によつてスイツ
チ作動するプラスモード・スイツチで、コンデンサ６ｂ
，６ｃ，６ｄの放電回路に挿入してある。

第２図は第１図の上断面図で、膜８は供給管２の一部を
完全に閉塞して高圧ガス供給側を遮断し、レーザ管１内
は他の排気管３に設けられる真空ポンプにより約１０−
３〜１０−５７！１Ｈ９程度の高真空排気せしめられる
。

第３図はプラスモード・スイツチの具体的説明図で、コ
ンデンサＣ１がスイツチＳのオンにより放電間隙Ｇ１に
放電すると、放電電流がプラスモード・スイツチのワイ
ヤＷに流れ、これを溶断放電し、発生するプラズマがス
イツチ間隙Ｅに作用して導通するから、コンデンサＣ２
が間隙Ｇ２に放電起動するようになるもので、プラスモ
ード・スイツチのワイヤＷと間隙Ｅとの間隙Ｄ調整によ
つて間隙Ｇ１に放電が発生してから、次の間隙Ｇ２に放
篭が起動するまでの遅延時間が比例制御されるものであ
る。

実験によれば、例えば、特開昭４８一２，４６２号公報
に開示されているように、間隙Ｄの変化により遅延時間
制御がほぼ０．１μｓの精度で制御できる。以上に於て
、レーザ物質として炭酸ガスを用いる場合、ＣＯ２とＮ
２とＨｅを約１：３：１６又は１：２：７等の比で混合
し、これをボンベとかコンプレツサ等に高圧縮して供給
管２に供給し得るようにしておく。

このとき供給管２にはガス流通を阻止する閉塞膜８が設
けてあり、レーザ管内は反対側の排気管３からの真空吸
引にて高真空に排気してある。そこで、今起動スイツチ
１０を閉じてコンデンサ９を放電させると、その衝撃電
流が閉塞膜８に流れてこれを瞬時に溶断***し、供給管
２に加圧供給されているＣＯ２等のガスは一挙に衝撃流
となつてレーザ管１内に流入し、衝撃加速されることに
よつてエネルギ・レベルを増大する。又この衝撃ガス流
は、レーザ管１の入口部に形成された狭窄部１ｃを通過
することにより、旦圧縮されて後急速に大容積部に開放
されて急激，な体積膨脹させられ、この断熱膨脹によつ
て、流入ガス分子は冷却されるが、共振器ミラー４ａ部
で共振してレーザ発振し、共振器の一方の側より外部に
取り出される。そしてこの気体の高速衝撃波流が、次の
共振器ミラー４ｂの位置に至つたときにも未だ高いエネ
ルギ準位を維持していれば、当該ミラー４ｂ部に於て共
振してレーザ発振を行なうことができ、この点以後のミ
ラー４ｃ・・・・・・・・・に於ても同様であるが、ミ
ラー４ａの位置に於て一旦レーザ発振した後は、それ以
後に該気体の高速衝撃波流に対する格別のエネルギ・ポ
ンピング等が行なわれない以上、ミラーｉ−４ｂ具後に
於てレーザ発振を励起し得ないのが通常である。最も、
従来通常のダイナミツク・ガス・レーザに於ては、前記
共振器ミラーは、気体の高速衝撃波流の方向に長尺の平
板ミラーー対を衝撃波流を上下又は左右等挾むように管
１内壁面に対向して設け、両ミラー間に於ける光反射を
衝撃流の方向に順次移動する如く繰り返えさせてレーザ
発振を生起させており、当該共振器以後の領域に於て、
再度レーザ発振を行ない得る状態は生じないのであるが
、本発明は、気体の高速衝撃波流の伝播経路中に放電間
隙５ａを設け、ダイナミツク・ガス・レーザの発振励起
と所定の同期状態を持つて上記放電間隙５ａで放霜１さ
せることによりエネルギ・ポンピングを行なつて振動遷
移レーザ発振を増大し、共振器ミラー４ａの衝撃波流伝
播経路方向の共振路を短くしてレーザ発振を可能とする
と共に、必要に応じて設ける後段の放電間隙５ｂにより
気体の高速衝撃波流にエネルギを再ポンピング励起して
当該部分の共振器ミラー４ｂに於てもレーザ発振を生じ
させようとするものである。

然して、このようにしてガス流入時にレーザ管１内に放
電を行なうが、この放電は前記コンデンサ９によるガス
閉塞膜８の溶断放電電流がプラスモード・スイツチ１１
ａに流れることにより、このスイツチ１１ａが作動して
レーザ管のガス流入口側に最も近い位置に配置した放電
間隙５ａに、前記気体の高速衝撃波流の先端が、共振器
ミラー４ａの位置に達して共振及至はレーザ発振が開始
されるのに同期するようにコンデンサ６ａによる放電を
起動する。この放電間隙５ａの放電起動は、プラスモー
ド・スイツチ１１ａの可溶断ワイヤとスイツチ間隙との
間隔調整によつて任意の遅延時間調整が出来るわけで、
これはちようど膜８破断により解放されたレーザ物質気
体の高速衝撃波の先端が、前述の如く第１の共振器ミラ
ー４ａの位置に所定以上達したころに放電起動するよう
に調整してある。

この放電間隙５ａのガス中放電によつて、ガス中のＣＯ
２，Ｎ２分子は励起された高エネルギ・レベルにポンプ
される。即ち、Ｎ２に衝突した自由電子はＮ２ガスを△
Ｅ：リ一０．２８９５（ＥＶ）に励起し、そのＮ２はＣ
Ｏ２分子に衝突してＮ２分子は基底レベルとなり、ＣＯ
２分子は△ＥＯＯｌ＝０．２９１２（ＥＶ）に励起され
る。そしてこのＣＯ２は△ＥｌＯＯ：リ一０．１７３０
（ＥＶ）、更に△ＥＯ２Ｏ，△ＥＯ，Ｏと低エネルギレ
ベルに遷移するか、△ＥＯＯｌから△Ｅ，ＯＯへ遷移す
るときの発光のみを取り出すように、放電間隙５ａの近
傍に一対のミラー４ａを設けておくことにより、波長が
約１０．６μのレーザ光を取り出すことができる。また
放電間隙５ａの放電によつて、コンデンサ６ｂの放電回
路に挿入してあるプラスモード・スイツチ１１ｂが作動
するので、所定の逐延時間後に隣接する放電間隙５ｂに
放電か発生する。

この放電によつても介在ガス分子の励起が行なわれ、前
記したように共振ミラー４ｂ或いは４ａより波長１０．
６μレーザを出力するが、この放電間隙５ｂでの放電は
これより前に放電した放電間隙５ａの放電により励起さ
れるガス分子に対しても影響を与え、エネルギを吸収さ
せる。即ち、放電間隙５ｂの放電によつてガス分子は励
起されてエネルギ準位を上げると同時に誘導放出等によ
り電磁波を放出するが、これが前の放電間隙５ａの放電
によつて励起された分子に作用し、励起準位を上げるよ
うにポンピングを行ない、レベル△ＥＯＯｌまで押し上
げた過剰の励起ガスを作り出す作用を行なう。こうして
△ＥＯＯｌレベルのＣＯ２分子密度を著しく増大させ、
共振ミラー４ａ，４ｂのレーザ出力を増大する。更にプ
ラスモード・スイツチ１１ｃにより次の放電間隙５ｃに
、又スイツチ１１ｄの作動により放電間隙５ｄに所定の
時間間隙で放電が行なわれ、吸収によるポンプが行なわ
れ、各ミラー４ａ，４ｂ，４ｃからは強力なレーザを出
力する。一つの放電間隙に放電する放電エネルギは、通
常１０３Ｊ０ｕ１ｅ程度のもので、複数の放電間隙相互
間に於ける放電起動の位相差を前の放電間隙に於ける放
電の最大値に達するまでに次の放電間隙で放電を起すよ
うに、これは放電エネルギ等放電状態によつで相違する
が少なくとも１０Ｉｔｓ程度以下、例えば実験によれば
約１．２μｓ程度に保つことによ一）て放出電磁波の吸
収が起り著しくレーザ発振効率を上げることができる。
このように２個以上の放電間隙５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ
に順次時間差をもつて放電を行なわせることによつて次
々と放出電磁波の吸収によるポンプ効果が期待でき、常
に高いレベル△ＥＯＯ，にあるＣＯ２の分子密度を高め
ることができ、又これは作用ガスを衝撃加速状態でレー
ザ管１に流入して生ずるダイナミツク・ガ２ス・レーザ
発振に対する付加であつてＣＯ２の△ＥＯＯ，レベル分
子密度は高まる。

一方前記のように供給ガスをレーザ管の狭窄部１ｃを通
過させて断熱膨脹を起させることによつて冷却された状
態で流通させ、従つて放電による励起と同時にＣＯ２分
子の冷却による反転分布が促進し、レーザの下位レベル
△ＥｌＯＯの分子密度を低減させ、且つこれはガス中に
Ｈｅを混合しておくことによつてもＣＯ２の温度上昇を
防止するから下位レベルの分子密度の低減が期待でき、
このようにＣＯ２の△ＥＯＯｌの分子密度を高め、△Ｅ
ｌＯＯの分子密度を減少することによつて強力なレーザ
゛出力を得ることができるものである。なお、各共振ミ
ラー４ａ，４ｂ，４ｃのレーザ出力し別々に利用しても
よいが、各出力を一点に集中又は集束させるようにすれ
ば強力レーザビームが出力しエネルギ効果を増大する。
例えば出力を一点に集中させるには各一対のミラーのレ
ーザ発振出力光軸の延長が一点に集中するよう各ミラー
４ａ，４ｂ，４ｃの光軸を傾斜して配置すればよく、又
各ミラー出力をレンズを用いて集中させるようにしても
よい。

第４図は複数の放電間隙５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを、レ
ーザ管１を流動するレーザ・ガスの流動方向と直角方向
に並列配置した例で、第１図と同符号は同一部分を示す
。

４は放電間隙の配置方向の両端に対向配置した共振器ミ
ラーである。

この実施例に於ても、レーザ物質のＣＯ２，Ｎ２，Ｈｅ
混合気がレーザ管１に高圧供給され、狭窄部１ｃを通過
して断熱膨脹により冷却された混合気の流動介在するレ
ーザ管部分に、スイツチ１０を閉じてコンデンサ６ａに
より放電間隙５ａに放電を行ない、次いでプラスモード
・スイツチ１１ａによりコンデンサ６ｂを放電間隙５ｂ
に放電させ、更にプラスモード・スイツチ１１ｂ，１１
ｃにより、順次所定の時間間隔でコンデンサ６ｃ，６ｄ
を対応問隙５ｃ，５ｄに放電させ、介在ガスを高エネル
ギ・レベル励起し、又隣接する放電間隙での時間差放電
によつてこの場合もエネルギの吸収効果が高まり、高い
レベル△ＥＯＯｌのＣＯ２分子密度を高め、これにより
共振器ミラー４より発振出力の著しい高いレーザを得る
ことができる。第５図は、第１図の電極を対向させた放
電間隙に代えて電極間に可溶断ワイヤ１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄを張設して、このワイヤの衝撃電流によ
る溶断放電で作動ガスを励起するようにしたもので、第
１図と同符号は同一部分を示す。

起動スイツチ１０の閉成によつて、レーザガスの高圧供
給側とレーザ管１の低圧側とを区切る閉塞膜８をコンデ
ンサ９による衝撃電流によつて溶断爆発せしめ、ガスを
レーザ管１内に衝流させながらプラスモード・スイツチ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄにより順次にワイヤ１
２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを所定の時間間隔で溶断
放電させて、第１図の放電間隙を利用した場合と同様、
エネルギを吸収させながらポンプしてレベル△ＥＯＯｌ
のＣＯ２分子密度を高めることができ、共振ミラー４に
よるレーザ発振効率を高め高出力レーザが得られるもの
である。１３は電界形成電極で、流入ガスに電界を作用
させて冷却効果の促進をはかつたもので、この冷却には
レーザ管１外部から冷却したり、又ガス中に冷却液を混
合すること等が考えられる。

第６図Ａ，Ｂは実験例の特性説明図で、前記第１図の装
置に於て、第１及び第２の放電電極５ａ，５ｂを気体の
高速衝撃波の流通方向に約１０ｍｍの間隔を置いて配置
し更にその後段側に約５ｍｍの間隔を置いて前記流通方
向に長尺の共振器ミラーを配置し、高圧側の気体は約８
気圧で、その組成を大凡ＣＯ２：Ｎ２：Ｈｅ＝１：３：
１６とし、Ａ１合金の閉塞膜８を放電爆発破壊して、前
記共振器ミラーから１０．６μｍ（７１）ＣＯ２ダイナ
ミツク・ガス・レーザ発振が得られる状態（第６図Ａ）
として、前記放電電極５ａ，５ｂに約５０ｔｔＦのコン
デンサを約５０ＫＶに充電した放電電源を夫々接続し、
閉塞膜８破壊による高速衝撃波流が共振器ミラーの位置
に達したところで放電電極５ａで前記電源による放電を
行なわせ、次いで５μｓ後に放電電極５ｂで放電させて
、共振器ミラーからレーザ発振を検出観測した所、第６
図Ｂに示す特性となり、各放電電極５ａ，５ｂでの放電
により、振動遷移レーザ発振が増大して出力しているこ
とが判つた。なお、上記放電電極５ａ，５ｂの放電発生
部の時間差放電起動は前記のようにプラスモード・スイ
ツチを用いるものに限らず、例えばリングカウンタによ
る放電起動等、諸種なスイツチが利用できることは勿論
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例装置の概略構成図、第２図は
その上断面図、第３図はその一部プラスモード・スイツ
チの原理説明図、第４図及び第５図は他の実施例図、第
６図Ａ，Ｂは実験例のレーザ発振出力の説明特性曲線図
である。 １・・・・・・レーザ管、２・・・・・・高圧ガス供給
管、３・・・・・・真空排気管、４ａ，４ｂ，４ｃ・・
・・・・共振器ミラー、５ａ，５ｂ，５ｃ・・・・・・
放篭間隙、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ・・・・・
・可溶断ワイヤ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ・・
・・・・放電発生同期手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ物質の気体の高圧供給部と、該供給部に連結
   される低圧部であつて排気により低圧に保持され、前記
   気体の高速衝撃波流路を形成すると共に前記流路方向と
   ほぼ直角方向の共振器を有するレーザ管に於て、前記共
   振器の前記高圧供給部側に対向電極又は可溶断ワイヤか
   らなる少なくとも１個以上の放電発生部を設けると共に
   前記レーザ管に対する前記気体の高圧供給部側からの高
   速衝撃波の流入に応ずる前記放電発生部での放電発生同
   期手段を備えて成ることを特徴とする気体レーザ装置。