JPS6114780A - ガスレ−ザ発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ガスレーザ発生器、特にグｏ　−ｈ１電を
レーザ発振励起源とするガフレーザに関ずろものである
。

従来例の構成とその問題点 ガス物質をレーザ媒質とするレーザ発生器において、媒
質に負温度分布を発ノ１するためにグロー放電を励起源
として利用することは一般に実施されている。

この場合、レーザ出力を増大するには、グロー放電とし
て注入される電気入力を増加することが重要になる。

一方、グロー放電における電気入力増大に伴って媒質温
度が上昇し、負温度分布発生を妨げることになる。

しかし、レーザ出力の増大には媒質温度の上昇を防ぎ、
グロー放電入力を増大することが肝要である。媒質の温
度上昇を防止するために、グロー放電領域（放電管内）
に媒質ガスの流れをつくり、媒質自身で強制的に冷却を
行うことはよく知られている。

ただし、媒質ガス流が小さい場合には、放電管内にグロ
ー放電をほぼ均一に満たずことができはするが、流量が
増大するに従って、放電路が細くなり、放電管内の一部
分のみにしか放電が生じないようになってしまう。その
結果、放電管内におけるレーザ発振に寄与する有効放電
体積が減少し、レーザ出力の低下を招く。この傾向はグ
ロー放電電電気入力を増すほど強くなりやすく、電気入
力増加が必ずしもレーザ出力を増大することにはならな
いことになる。

しかも、電気入力増大により、グロー放電の電流密度の
局部的な急増がゐられ、この場合に放電は不安定となり
、最終的にはアーク放電へ移行してしまうことになり、
レーザ発生が■害される。

以上の欠点を解消するため、従来、媒質ガスの流れを制
御する方法などが掃案されている（たとえば、特公昭５
８−２４０２５号公報「安定うず対流レーザ」）。

しかしながら、」―記のようなｍにガス流を制御する方
法では、放電そのものを直接制御することはできず、得
られる効果には限界がある。

すなわち、従来方法は、グロー放電における陽光柱をガ
ス流により安定化させることを目的としているが、グロ
ー放電を主として支配するのは、陰極における放電の形
態であってガス流ではない。

一般に、正常グロー放電においては電極材料とガスとに
固有な電流密度があり、放電電流の増大は陰極の放電発
生表面積の増加によって達成される。一方、ガス流の存
在や、ガス圧力が高くなると、実効的な放電発生表面積
を必要なだけ増加させられなくなり、レーザ出力を増大
するは、電流密度の増加すなわち放電の局部集中により
電流増大を図らざるを得す、この場合に放電の不安定化
そしてアーク放電への移行となってレーザ発生に支障を
きたすことになる。

発明の目的 この発明の目的は、かかる従来問題を十分な陰極放電面
の確保と陰極降下の抑制を通じて解消し、安定したグロ
ー放電を持続できるガスレーザ発生器を提供することで
ある。

発明の構成 この発明のガスレーザ発生器は、放電管の一端部外側に
おいてこの放電管と実質的に同軸状でかつ前記一端部に
気密的に連設された絶縁筒と、この絶縁筒の周壁に形成
した内外連通部と、前記絶縁筒の外側に設けた陰極と、
前記連通部および陰極を外部空間に対して気密的に隔離
し内側にガス室を有する絶縁包囲体と、前記陰極に対応
して前記絶縁包囲体の外側に設けた高周波電圧印加用電
極とを備えたものである。

この構成において、前記絶縁筒が放電管と同体の場合（
両者は当然に気密的に連設されている）と、絶縁筒と放
電管とが別体で両者が気密的に連設されている場合とを
含む。また、絶縁包囲体が絶縁筒および放電管と同体の
場合と、別体の場合との双方を含む。

上記したこの発明の構成は、グロー放電において、陰極
直前に発生ずる大きな電位差いわゆる陰極降下の状態が
放電の安定性に大きな影響を及ぼすことに着目して、陰
極降下部の電界集中を陰極全域に拡散する形をとること
で一上記目的を達成するようにしたものである。

この構成の作用は次のとおりである。すなわち、放電管
を流れるレーザガスは、絶縁筒に形成した連通部を通っ
てガス室に入り、陰極と接触する。

この接触により放電管に放電が発生する。その接触は放
電管中のレーザガス流との動的接触とは異なり、静的な
接触である。したがって、陰掘は、ガス流に発生する乱
流、衝突などによる局部的圧力変化を受けることが極め
て少なく、ガス流増大による放電の不安定化を防止でき
る。

このようなレーザガスの流れが殆どないガス室において
、高周波電圧印加用電極に高周波電圧を印加して起こし
た高周波放電は極めて安定したものとなり、かつ陰極表
面に広く均等に分布する。

すなわちレーザガス流の影響を受けない部分に放電源と
なる高周波電離を生じさせることができるため、陰極放
電面を安定して広い面積が確保できるのである。

一方、ガス流は放電管の方向に形成されており、流れの
方向における圧力すなわち動圧は流量を増大するほど高
くなる。その結果、レーザガスの温度上昇を防ぎ、グロ
ー放電入力を増大させる。しかも、放電管中の流れと直
角方向の圧力すなわちガス室内の静圧はこの流れのため
にベンチュリー効果によって低下する。ガス流量を増大
するほど静圧は低下し、陰極近傍の圧力は、放電管内の
動作圧力より低下することになる。

すなわち、陰極の動作圧力が低下するため、陰極の電界
集中を防止でき、陰極面における電流密度を低下させる
ことができる。

しかも、高周波放電に基づく電離により、電荷が供給さ
れるため、陰極降下による電荷供給の残少を抑制でき、
これによって、電流密度も低減できるのである。

さらに、前述のように、ガス流量が増大するほどガス室
の静圧が低下するため、電離層を陰極全面にわたり一層
均等に形成できる。この電離層の均等化により陰極降下
をさらに抑制して、低電流密度の状態での陰極放電面積
の増加により族１ｉｌｔ電流の増大を図ることができる
のである。そして、このことにより、ガス流量の増大に
もかかわらず、陰極部での電界集中、電流密度上昇をよ
り確実に抑制し、より安定した放電とすることが可能と
なる。

さらに、陰極面積は、レーザガス流に変化をｌｊえるこ
となく十分大きく設計できるため、放電電流を増したと
きに広い面積を実効的な放電発生表面積として活用でき
る。

以上、レーザガスの乱流等に起因した放電の不安定化の
防止、レーザガスの流量増加に伴う冷却、高周波放電お
よび電荷供給に基づく電界集中の防止（電流密度の低減
）および実効的な放電発生表面積の増大の相乗により、
グロー放電を大きな電気入力においても持続することが
可能となり、レーザ出力増大を安定的に達成することと
なる。

実施例の説明 この発明の一実施例を第１図および第２図に基づいて説
明する。第１図は、一実施例である炭酸ガスレーザ発生
器の構成図である。

レーザ増幅を行うグロー放電を発生させるためのガラス
など絶縁物で構成された放電管１は、この図では２本来
されている。陽極部２は両数電管１．１に共通しており
、陽極部２と対向して陰極部３，３が配置されている。

陰極部３，３にはガス流入口４．４が連通接続されてお
り、陽極部２にガス排出口５が設けられている。

放電管１．１をはさむように反射鏡６，７が配置され、
光学的共振器を構成している。レーザ出力を取り出す反
射鏡６は出力鏡と呼ばれ、他の反射鏡７は一般的には凹
面反射鏡である。

レーザ媒質ガスは、循環路８．８を１ｉｔｌシてブロワ
９などで循環され、放電管１．１の中に流れを形成する
。直流電源１０の正の出力端子は陽極部３に、負の出力
端子は安定化抵抗ＩＩ、Ｉ＋などを介して陰極部３．３
に接続されている。安定化抵抗１１．ＩＩの代わりに、
真空管などを用いて放電電流が一定に保持されるよう定
電流回路を構成することは、グロー放電の安定性を向１
−するうえで有効であることは言うまでもない。

以上の構成は、ガス流と放電方向と光ノ（振器中心軸が
同一である三軸同軸型レーザ発生器であり、基本モード
ＴＥＭｏｏモードを得やすい特徴があることはよく知ら
れている。

第２図は陰極部３の拡大断面図である。放電管１の一端
部外側においてこの放電管１と実質的に同軸状でかつ前
記一端部に連続一体（同体）となって気密的につながる
絶縁筒１３を連設してある。

絶縁筒１３の内径は放電管ｌの内径と実質的に等しい。

絶縁筒１３の外周面にはこれに密接する筒状の陰極１５
が嵌着されている。陰極１５は銅、ステンレス鋼などの
金属材料で構成されている。

絶縁筒１３の周壁には陰極１５を避ける位置に連通部１
２が形成されている。

絶縁包囲体１４は前記連通部１２および陰極１５を外部
空間に対して気密的に隔離するもので内側にガス室１６
を有する。このガス室１６が放電管１内部および絶縁筒
１３内部に対し連通部１２を介して連通している。

連通部１２には絶縁筒１３の筒軸に関して軸対称に複数
個、丸穴として形成されている。また、絶縁包囲体１４
は絶縁筒１３および放電管１と同体である。

絶縁包囲体１４の外周面には筒状の高周波電圧印加用電
極１７が密着して外嵌され、この電極１７に高周波電圧
電源１８を接続してある。

保持体１９は、ガス流入口４を連通接続するとともに、
反射鏡６，７に連通ずる光路２０を有している。

放電管１を流れるレーザガスは連ｊｍ部１２を通ってガ
ス室１６に入り、陰極１５と静的に接触する。したがっ
て、陰極１５はガス流に発生する乱流、衝突などによる
局部的圧力変化を受けることが極めて少なく、ガス流増
大による放電の不安定化を防止できる。

一方、ガス流の動圧は流量を増大するほど高くなる。そ
の結果、レーザガスの温度上昇を防ぎ、グロー放電入力
を増大させる。しかも、放電管１中の流れと直角方向の
圧力すなわらガス室１６内の静圧はこの流れのためにヘ
ンチュリー効果によって低下する。ガス流量を増大する
はど静圧は低下し、陰掘１５の動作圧力が低下するため
、陰極１５の電界集中を防止でき、陰極１５の表面にお
ける電流密度を低下さ〜Ｕることができる。

さらに、陰極１５の面積は、レーザガス流に変化を与え
ることなく十分大きく設３１できるため、放電電流を増
したときに広い面積を実効的な放電発生表面積として活
用できる。

このようなガス室１６において、高周波電圧印加用電極
１７に高周波電圧を印加して起こした高周波放電は極め
て安定したものとなり、かつ陰極１５の表面に広く均等
に分布する。すなわち、レーザガス流の影響を受けない
部分に放電源となる高周波電離を生じさせることができ
るため、陰極１５の放電面を安定して広い面積で確保で
きるのである。

しかも、電離によりガス室１６および放電管１内に電荷
が供給されるため、陰極降下による電荷供給の減少を抑
制でき、これによって、電流密度も低減できるのである
。

以上の相乗により、グロー放電を大きな電気入力におい
ても持続することが可能となり、レーザ出力増大を安定
的に達成することとなる。

また、放電管１の端部において連通部１２を形成してい
る絶縁筒１３の開口内径を、放電管１の内径とほぼ同一
とすることは、レーザガス流の流れが乱れることを防止
し、陰極１５の近傍の静圧低減に一層の効果がある。

なお、前記両内径は必ずしも同一である必要はない。ま
た、陰極１５を絶縁筒１３から離して設けてもよい。同
様に電極１７を絶縁包囲体１４から離してもうけてもよ
い、連通部１２は、丸穴以外、長方形、正方形、ダ円形
など任意の形状でよく、さらに、絶縁包囲体１４が絶縁
筒１３と放電管１を橋渡していることから、連通部１２
は全周にわたるスリットでもよい。

発明の効果 この発明によれば、レーザガスの乱流等に起因した高周
波放電の安定化、十分な陰極放電面積の確保および電離
による電荷供給に基づいた電流密度の低減、レーザガス
の流量増加に伴う冷却、電界集中の防止（電流密度の低
減）および実効的な放電発生表面積の増大の相乗により
、グロー放電を大きな電気入力においても持続すること
が可能となり、レーザ出力増大を安定的に達成すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例の全体構成図、第２図はそ
の要部の拡大断面図である。 １・・・放電管、１２・・・連通部、１３・・・絶縁筒
、１４・・・絶縁包囲体、１５・・・陰極、１６・・・
ガス室、１７・・・高周波電圧印加用電極 第１図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）放電管の一端部外側においてこの放電管と実質的
   に同軸状でかつ前記一端部に気密的に連設された絶縁筒
   と、この絶縁筒の周壁に形成した内外連通部と、前記絶
   縁筒の外側に設けた陰極と、前記連通部および陰極を外
   部空間に対して気密的に隔離し内側にガス室を有する絶
   縁包囲体と、前記陰極に対応して前記絶縁包囲体の外側
   に設けた高周波電圧印加用電極とを備えたガスレーザ発
   生器。
2. （２）前記陰極が筒状でかつ前記絶縁筒の外周面に密接
   している特許請求の範囲第（１）項記載のガスレーザ発
   生器。
3. （３）前記絶縁筒の内径が前記放電管の内径と実質的に
   等しい特許請求の範囲第（１）項記載のガスレーザ発生
   器。
4. （４）前記電極が筒状でかつ前記絶縁包囲体の外周面に
   密着している特許請求の範囲第（１）項記載のガスレー
   ザ発生器。
5. （５）前記絶縁筒および前記絶縁包囲体が前記放電管と
   同体である特許請求の範囲第（１）項記載のガスレーザ
   発生器。
6. （６）三軸同軸型に構成してある特許請求の範囲第（１
   ）項記載のガスレーザ発生器。
7. （７）前記絶縁実用新案登録請求の範囲軸に関して実質
   的に軸対称に形成されている特許請求の範囲第（１）項
   記載のガスレーザ発生器。