JPS6015159B2 - ガスレ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はしーザに係り特に横に励起される放電ガスレー
ザに係る。

本発明によれば、しーザ媒質として二酸化炭素を含む混
合ガスを有、炭酸ガス分子の高ェネルギレベルと低ェネ
ルギレベルとの間の出力レーザ遷移の中の低ェネルギレ
ベルの熱的ポピュレーションが減らされる様な温度にレ
ーザ煤質が冷却され、且つし‐‐ザ媒体がポピュレーシ
ョンの反転を生ずる様に最初に付勢されてレーザ遷移が
低ェネルギレベルの著しい熱的ポピュレーションが避け
られる様な割合となるレーザが提起される。

低ェネルギレベルが炭酸ガス分子の基底状態に近い場合
にはェネルギを炭酸ガス中へ過大に速く通過せしめ、炭
酸ガス分子の熱ェネルギを高めることになり、励起過程
中、２つの作動ェネルギレベル間の必要なポピュレーシ
ョン反転を失い易い。本発明は、この様な事が起こらな
い様にヱネルギ蓄積の割合を十分低くしてこの問題を解
決した。

これは低ェネルギレベルが炭酸ガス分子に必要とされる
熱ェネルギにより充足される事がないからである。本発
明の好ましい形態においては、本レーザはしーザ放射の
源として炭酸ガス分子の０〆０と０１１０との間の振動
ェネルギレベルの遷移を利用し、且つレーザ煤質が水素
、ヘリウム或いはアルゴンの１つ或いはそれ以上と窒素
炭酸ガスとの混合物である。

比Ｎ２／ＣＱはＺ９である様に選ばれるべきであり、こ
の比はレーザ煤質として炭酸ガスを用いたガスレーザに
従来から適用されていた比りも大きく、非対称Ｃ０２及
びＮ２の振動モードに対するＣＱ対称及びベインディン
グモードのポンピングを減少する。水素、ヘリウム、及
び或いはアルゴンの混和物は炭酸ガス分子の０１１０ェ
ネルギレベルを緩和する様に選ばれるがこれらガスの最
適の比率は０１１０，１び０，ＯＺＯ及び０〆０レベル
間の衝突結合による全圧力と共に変化し、且つ実際には
予めのイオン化の形態にまつわる加熱効果の如きものを
考慮して選ばれる。本発明の実施例を次に添付図面につ
いて説明する。

第１図を説明すると、炭酸ガス、窒素、及びヘリウム（
或し、は其の他の添加物）の混合体をレーザ煤質として
用いた横方向に付勢ごれるガスレーザは閉じたダクト系
１よりなり、このダクト系はしーザ放射が導出される平
行面或いは他の適当な面を有する領域２を含む。

ダクト系１は循環ポンプ３及び熱交換器４を含む。陽極
及び陰極電極５及び６は夫々付勢されているガス放出口
７がダクト系１の領域２に維持される様にする。この放
出口７はダクト系１のガス流８の方向及び放出されるレ
ーザ放射の方向を横切る様に保たれるが、この放出口７
はしーザ放射を発生するに用いられるェネルギ源である
。電極５，６の上流にはバッフル９があり、これは放出
領域２に流れ込むレーザ嬢質に均一な隣流状態を生じさ
せる。しーザ媒質は炭酸ガスＣＩ２０１６２、窒素及び
ヘリウムの混合物で容積比はほゞ１：９：１０である。
これは絶対圧力約０．１〜０．６，１４０〜２３ぴＫの
範囲の温度で放出領域２へ供給される、このレーザ煤質
は主貯蔵器（ポンプ）から雰囲気１夕当たり１５０乃至
２００Ｊのヱネルギ滞在を与える様に、２４０ＫｅＶま
でのェネルギを持った補助電子ビームを約１０仏秒間０
．０２５４柵（０．００１インチ）のチタンホイルを通
して通過させる事によってイオン化される。このホイル
も電子ビームも添付図面には示されていないが、勿論ホ
イルは電子ビームが主放出を制御するための適当なイオ
ン化源を与える事ができる様に位置されねばならない。
或いは又、トリメチルアミンの様な容易にイオン化され
る適当な有機添加物と共にパルス状の紫外線イオン化を
これと同じ目的に対して用いる事ができる。電極５及び
６は数拾マイクロ秒の電流パルス中を持った適当に調時
されたパルスモードで作動される。

（このパルス長は放電が炭酸ガス００１及び窒素ｖ＝１
振動ヱネルギレベルをポンプできる様にするに足る程長
いものであり、炭酸ガスの０〆０と０１１０との振動ェ
ネルギレベル間の次に続くポピュレーション反転が、熱
的にポピュレートされた様になる低ェネルギレベルによ
って失われない様に充分ゆっくりしている。）炭酸ガス
は付勢されると、（振動）ェネルギ遷移０び１から０〆
０及び０〆０から０１１０により各々生じる９．４乃至
９．６仏ｍ及び１６．２仏ｍの波長のコヒレント放射パ
ルスのほとんど同時の逐次射出と共に弛緩せしめられる
。９．４乃至９．６仏ｍのパルスは炭酸ガスの０び１か
ら０夕０への遷移を飽和し且つ１乃至３００ナノ秒の範
囲の中を有するのに充分な強さの補助ＴＥＡレーザによ
って与えられる事が必要である。

この方法は初期励起とそれに続く１６仏ｍ遷移での反転
とを個々に制御できる様にする。この時１６．２〃ｍ出
力パルスは小さな信号利得係数８。亥２×１０‐１，ｃ
の‐１を有し、そして最適条件の下では全効率が０．２
５％より大きい。一般に９．５仏ｍ及び１６．２山ｍパ
ルスはパルス中ミ（３０／Ｐ）ナノ秒を有する事が必要
であり、こ）でＰは雰囲気中の全圧力である。レーザ煤
質が比較的弱く則ちゆっくりとポンプされて０１１戊辰
動ェネルギレベルの熱的なポピュレーションを避ける事
ができる様にし（さもなくば必要なポピュレーション反
転を破壊する事になる）、且つ９．６払ｍパルス及びそ
れに続く１６．２ムｍパルス出力の遷移特性がポピレー
ション反転の衝突消勢を避ける事ができる様にするため
、レーザはパルスモードで作動される。こ）に述べた本
発明の実施例は広範なピーク出力及び平均出力で作動で
きる様に容易に調整可能である。

又、この実施例は少くとも１気圧の圧力で作動する事が
できる（少ないガス消費でもつて広帯域の増中器作動を
与える）。炭酸ガスの他の同位体（例えばＣＩ２び６ぴ
８，ＣＩ２０１８２又はＣＩ℃１も）の添加又は置換は
一般にレーザの同調レンジを拡張するが、特に振動性の
基底状態０び０、一般には他の低レベルの状態について
は回転マニホルドからの吸収がほゞ一致する機会がパラ
メータの適切な選択によって避けられねばならない。説
明上の例としては、ＣＩ３０１６２Ｒ（１３）レーザ遷
移に近い波長において、純粋なＣＩの１６２成分で作動
される増中器が、Ｐ（２６）基底状態の（０び０から０
１１ひ、の）遷移からの所望な吸収を避けるために、全
圧力ミ０．２気圧で且つ作動されね‘まならない。これ
と反対に、１気圧程度の圧力においては、好都合な運動
学的条件の下で０多０レベルの衝突ポピレーションによ
り０夕０から０１１０・の遷移からも利得が得られる。
狭帯域レーザ発振器として本装置は代表的に１０‐１乃
至１０２の大気圧範囲の圧力において、即ち発振が飽和
に対するノイズレベルから確立され得る様に遷移反転の
寿命（↑）が充分長い事を確保するに足る程低い圧力に
おいて、Ｃ０２の多数の同位体でもつて個別の回転−振
動遷移のレンジに基づいて効率的に作動する事ができ、
これを確保するためには積Ｑ。

Ｃ７がほゞ３０の係数を越えねばならず、こ）でＣは光
の速度である。０び０の基底状態からの吸収遷移とはゞ
一致する機会は全圧力に付加的な上限を与え；説明上の
例としては０〆０から０１１０へのＣＩ３０１６２Ｒ（
１３）の遷移が約１０‐１大気圧の全圧力において発生
され得るがＲ（１５）及びＲ（１７）遷移は相当に低い
圧力が必要となろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスレーザの略図、第２図は第１
図のレーザに用いられた相対的なェネルギ遷移の略図で
ある。 １・・・ダクト系、２・・・領域、３…循環ポンプ、４
・・・熱交換器、５・・・陽極電極、６・・・陰極電極
、７・・・放出口、８・・・ガス流、９・・・バッフル
。 々花〆々杉夕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 閉じたダクト系を具備したガスレーザであって、該
   ダクト系が、レーザ作用が行われる放出領域と、該放出
   領域からのレーザ放射を抽出するための手段と；レーザ
   媒質として炭酸ガスを含んだガス混合体を上記閉じたダ
   クト系を通して循環させる手段と；上記レーザ媒質を冷
   却する手段と；レーザ作用を与えるために上記レーザ媒
   質を付勢する手段とを備えている様なガスレーザにおい
   て、上記レーザ媒質は炭酸ガス分子の高エネルギレベル
   と低エネルギレベルの熱的ポピユレーシヨンが減少され
   る様な温度に冷却され、そして上記レーザ媒質は上記低
   エネルギレベルの著しい熱的ポピユレーシヨンが避けら
   れる様な割合の上記レーザ遷移を生じさせるポピユレー
   シヨン反転を作り出す様に初期的に付勢され、上記レー
   ザ遷移は炭酸ガス分子の０２＾００エネルギレベルと０
   １＾１０エネルギレベルとの間である事を特徴とするガ
   スレーザ。 ２ 上記レーザ媒質はほゞ１４０°乃至２３０°Ｋの範
   囲の温度に冷却される特許請求の範囲第１項に記載のレ
   ーザ。 ３ 上記レーザ媒質は炭酸ガスと；窒素と；水素、ヘリ
   ウム及びアルゴンのうちの１つ或いはそれ以上のガス；
   との混合体を含む特許請求の範囲第１項、又は第２項に
   記載のガスレーザ。 ４ 炭酸ガスに対する窒素の比は少くとも９である特許
   請求の範囲第３項記載のガスレーザ。 ５ 上記レーザ媒質は各々１：９：１０の割合の容積の
   炭酸ガスと、窒素と、ヘリウムとの混合体を含む特許請
   求の範囲第４項記載のガスレーザ。 ６ 上記レーザ媒質はパルス放電によって初期的に付勢
   され、そのパルス巾は数拾マイクロ秒程度である特許請
   求の範囲前記各項いずれかに記載のガスレーザ。 ７ 上記付勢されたレーザ媒体は９．４乃至９．６μｍ
   の範囲の波長と、炭酸ガス分子の００＾０１から０２＾
   ００への遷移を飽和するに充分な強さと、ナノ秒の上記
   レーザ媒質の全圧力をＰとすれば３０／Ｐナノ秒にほゞ
   等しいか又はそれより小さいパルス巾とを持ったパルス
   放射によって照射される特許請求の範囲の前記各項いず
   れかに記載のガスレーザ。 ８ 小さな信号利得をα＿０とし、光の速度をＣとし、
   そして上記レーザ遷移を生じる過渡的なポピユレーシヨ
   ン反転の寿命をγとすれば、上記レーザ媒質は積γ＿０
   Ｃγがほゞ３０の値を越える様な圧力である特許請求の
   範囲の前記各項いずれかに記載のガスレーザ。 ９ 上記レーザ媒質の全圧力は１気圧より小さい特許請
   求の範囲の前記各項いずれかに記載のガスレーザ。 １０ 上記レーザ遷移を与えるための上記レーザ媒質の
   付勢を容易にするため上記レーザ媒質をイオン化する手
   段が含まれている特許請求の範囲の前記各項いずれかに
   記載ガスレーザ。 １１ 上記レーザ媒質は天然の炭酸ガスの色々な同位体
   である分子を含んでいる特許請求の範囲の前記各項いず
   れかに記載のガスレーザ。 １２ 上記レーザ媒質が分子Ｃ＾１＾３Ｏ＾１＾５＿２
   を含みそして全ガス圧力が０．２気圧より小さい特許請
   求の範囲第１１項記載のガスレーザ。