特許 6048968 レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6048968

(24)【登録日】2016年12月2日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/104 20060101AFI20161212BHJP

   H01S 3/081 20060101ALI20161212BHJP

   H01S 3/131 20060101ALI20161212BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/104

   H01S3/081

   H01S3/131

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-179501(P2013-179501)

(22)【出願日】2013年8月30日

(65)【公開番号】特開2015-50243(P2015-50243A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2015年10月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100122437

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 一宏

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100161115

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 智史

(74)【代理人】

【識別番号】100188329

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 義行

(72)【発明者】

【氏名】山本 達也

(72)【発明者】

【氏名】植松 正行

(72)【発明者】

【氏名】谷野 陽一

(72)【発明者】

【氏名】西前 順一

(72)【発明者】

【氏名】藤川 周一

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０７４４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１７００８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１３０９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０２２３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０５００８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０３５９５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５４０８４９０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４２８８７５８（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザガスを媒質として用いることでレーザ光を発生するとともに、前記レーザガスのガス流方向と、前記レーザガス中における前記レーザ光の光軸方向とが交差するレーザ装置であって、
前記レーザガスを励起する一対の電極と、
前記一対の電極間に形成される放電領域に配置され、前記レーザ光を発振する光共振器と、
前記一対の電極間に形成される放電領域に配置され、前記光共振器からの前記レーザ光を増幅する光増幅器と、を備え、
前記一対の電極間に形成される放電領域を、前記レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第１放電領域、第２放電領域および第３放電領域に分割した場合に、前記第２放電領域において、前記レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、前記第１放電領域において、前記レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、前記光共振器の光軸が、前記第２放電領域を通るように設けられており、かつ前記光増幅器の光軸が、前記第３放電領域を通るように設けられている
レーザ装置。

【請求項2】

前記第２放電領域は、前記レーザガスのガス流方向に均一な利得分布を有する
請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記第１放電領域に対する前記第２放電領域の平均化された放電電力密度の割合Ｄｒは、
Ｄｒ＝１−ｅｘｐ（−λ・Ｘｓ／υ）
表され、ここでλは前記レーザガスにおけるレーザ上準位の緩和速度、Ｘｓは前記第１放電領域における前記レーザガスのガス流方向の幅、υは前記レーザガスの流速を示す
請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記第２放電領域は、前記光共振器の光軸方向に、放電部と非放電部とを交互に繰り返す
請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記第２放電領域において、前記一対の電極についての放電領域側の誘電体の厚みが、前記第１放電領域における、前記一対の電極についての放電領域側の誘電体の厚みよりも厚い
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、レーザ媒質としてガスを用いることでレーザ光を発生するレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、第１方向に移動するレーザ媒質（レーザガス）と、レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、第１方向と交差する第２方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、光共振器のＱ値を周期的に変化させるためのＱスイッチ素子（光変調素子）とを備えたレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−７４４３４号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｍ．Ｋｕｚｕｍｏｔｏ他著，“Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｎ２ ｇａｓ ｉｎ ａ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｆｌｏｗ ＣＷ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ ｅｘｃｉｔｅｄ ｂｙ ｓｉｌｅｎｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２２（１９８９），ｐ．１８３５−１８３９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された従来のレーザ装置は、パルスレーザ光を発振する光共振器と、パルスレーザ光を増幅する光増幅器とで一体となった放電領域を有している。このとき、ガス流の上流側にある光共振器は、その位置によって利得の大きさが変化するので、設計自由度が低くなる。

【0006】

具体的には、放電領域を形成する電極間に励起されるレーザの利得は、ガス流上流端から、レーザガスが流れる方向に沿って徐々に増加し、電極のガス流下流端で最も大きく、その後徐々に減少するように、勾配をもって分布している。すなわち、特許文献１に示された光共振器の光軸は、利得分布に勾配を持つ領域に存在することになる。

【0007】

このような場合には、光共振器の光軸がガス流方向に変化すると、光軸位置における利得の大きさも変化し、光共振器内のレーザ光の光強度も変化することになる。このとき、例えば、光共振器の光軸位置が１ｍｍ変化しただけで、光共振器における光強度（以下、「共振器内光強度」と称する）が数１０％程度変化することがある。

【0008】

また、光共振器には、光変調素子が取り付けられており、これによりパルス変調をかけてレーザパルスを取り出す。ここで、光変調素子は、例えば材料にゲルマニウムを用いた音響光学素子等であり、高強度の光を入射すると光変調素子が破壊する恐れがある。例えば、一般的なゲルマニウムを用いた音響光学素子では、３ｋＷ／ｃｍ^２以下とする必要がある。

【0009】

これに対して、制御性がよく、立ち上がりの速いレーザパルスを取り出すためには、共振器内光強度は高いほどよい。したがって、光共振器の光軸位置は、光変調素子を破壊しない程度に高い光強度が得られる位置に、正確に定められなければならない。

【0010】

しかしながら、光共振器の光軸位置には、電極設置精度等の影響により、１〜２ｍｍ程度の誤差が存在する。そこで、従来は、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合における誤差の影響を見込んで、利得が小さく、光強度があまり高くならない位置に光共振器の光軸を設けている。

【0011】

そのため、従来のレーザ装置では、高出力のパルスレーザ光、すなわち、共振器内光強度が高く、かつ制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができないという問題がある。

【0012】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができるレーザ装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この発明に係るレーザ装置は、レーザガスを媒質として用いることでレーザ光を発生するとともに、レーザガスのガス流方向と、レーザガス中におけるレーザ光の光軸方向とが交差するレーザ装置であって、レーザガスを励起する一対の電極と、一対の電極間に形成される放電領域に配置され、レーザ光を発振する光共振器と、一対の電極間に形成される放電領域に配置され、光共振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、を備え、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第１放電領域、第２放電領域および第３放電領域に分割した場合に、第２放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第１放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第２放電領域を通るように設けられており、かつ光増幅器の光軸が、第３放電領域を通るように設けられているものである。

【発明の効果】

【0014】

この発明に係るレーザ装置によれば、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第１放電領域、第２放電領域および第３放電領域に分割した場合に、第２放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第１放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第２放電領域を通るように設けられている。
これにより、光共振器部分における利得分布を均一化することができる。
そのため、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一般的な三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置におけるガス流方向の放電電力密度分布を示す説明図である。

【図2】一般的な三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置におけるガス流方向の利得分布を示す説明図である。

【図3】一般的な三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置における光共振器の光軸位置と共振器内光強度との関係を示す説明図である。

【図4】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置を示す構成図である。

【図5】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【図6】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図である。

【図7】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図である。

【図8】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置におけるガス流方向の放電電力密度分布を示す説明図である。

【図9】この発明の実施の形態１に係るレーザ装置におけるガス流方向の利得分布を示す説明図である。

【図10】この発明の実施の形態２に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【図11】この発明の実施の形態２に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図である。

【図12】この発明の実施の形態３に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【図13】この発明の実施の形態３に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図である。

【図14】この発明の実施の形態４に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【図15】この発明の実施の形態５に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【図16】この発明の実施の形態５に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、この発明に係るレーザ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

【0017】

まず、特許文献１および非特許文献１を参照しながら、一般的な三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置におけるレーザの利得分布および共振器内光強度について具体的に説明する。例えば、特許文献１の図１に示されるような三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置の電極間に励起されるレーザの利得分布は、非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ ２．に示されるようになる。

【0018】

非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ ２．は、三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置において、利得分布と電極位置との関係を示した図であり、電極のガス流上流端から、レーザガスが流れる方向に沿って徐々に利得が増加し、電極のガス流下流端で利得が最も大きくなった後、徐々に利得が減少していることがわかる。

【0019】

ここで、レーザの利得分布の関数ｇ_０（Ｘ）は、次式（１）で表される。なお、次式（１）において、Ｘはガス流方向の座標、Ｘ_Ｄは電極幅、λはレーザ上準位の緩和速度、υはレーザガス流速、σは誘導放出断面積、ηは励起効率、ｗは放電電力密度、Ｖは放電電圧をそれぞれ示している。

【0020】

【数1】

【0021】

また、特許文献１に示されるような三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置の電極間における放電電力密度分布および利得分布を、図１、２にそれぞれ示す。図１、２において、横軸は、ガス流方向における電極のガス流上流端からの距離を示し、電極のガス流上流端が０である。また、図１の縦軸は、ガス流方向の電極幅が４０ｍｍの場合の放電電力密度分布を示し、図２の縦軸は、このときの利得分布を示している。

【0022】

すなわち、放電電力密度が、ガス流方向に均一に分布している場合には、図２または非特許文献１のＦｉｇｕｒｅ ２．に示されるように、利得分布がガス流方向に勾配を持つことがわかる。したがって、上述したように、特許文献１に示された光共振器の光軸は、利得分布に勾配を持つ領域に存在することになる。

【0023】

また、特許文献１に示されるような三軸直交型ＣＯ_２レーザ装置において、光共振器の光軸位置が変化した場合の、光軸位置と共振器内光強度との関係を図３に示す。図３において、横軸は、電極のガス流上流端から光軸位置までの距離を示し、縦軸は、共振器内光強度を示している。

【0024】

図３より、例えば、光共振器の光軸を、電極のガス流上流端から１５ｍｍの位置に設置する場合には、光軸位置が１ｍｍ変化しただけで、共振器内光強度が３０％程度変化することがわかる。

【0025】

実施の形態１．
図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置を示す構成図である。また、図５は、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置を上部から見た平面図である。図４、５において、このレーザ装置は、電極基板１、２、３、４と、電極５、６と、レーザガスＧと、ミラー２１、２２を有する光共振器と、光共振器内に設けられた光変調素子２６と、伝送ミラー５１、５２と、ミラー５３、５４、５５、５６を含む光増幅器とから構成されている。なお、図５において、上の電極基板１および電極５は、省略している。

【0026】

ここで、図の煩雑さを避けるために、図４、５において、電極基板３、４は、図示しておらず、後述する図６、７（レーザ装置の放電機構の構成を示す断面図）において、電極基板３、４を図示している。また、理解容易のために、レーザガスＧを供給する方向と平行な方向をＸ方向、レーザガスＧを励起する放電の方向をＹ方向、光共振器および光増幅器の光軸方向をＺ方向とする。

【0027】

図６は、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図５において、レーザ装置をＡ−Ａ線で切断した断面を、光軸方向（Ｚ方向）から見た図である。

【0028】

図６において、電極基板３は、アルミナ等の誘電体で形成されており、金属製の電極５が、メタライズやペースト等により接着されている。また、電極基板１は、アルミナ等の誘電体で形成されており、放電機構全体の機械的強度を十分なものとするために、電極基板３と接着されている。

【0029】

同様に、電極基板４は、アルミナ等の誘電体で形成されており、金属製の電極６が、メタライズやペースト等により接着されている。また、電極基板２は、アルミナ等の誘電体で形成されており、放電機構全体の機械的強度を十分なものとするために、電極基板４と接着されている。

【0030】

図７は、図６と同じくこの発明の実施の形態１に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図５において、レーザ装置をＢ−Ｂ線で切断した断面を、光軸方向（Ｚ方向）から見た図である。

【0031】

図７において、図６と異なるのは、電極５、６が、ガス流方向（Ｘ方向）の上流側と下流側とで分離されていることである。ただし、図５に示されるように、電極５、６は、Ａ−Ａ線の部分でつながっているので、全体としては一体となり、上流側と下流側とで同電位となる。

【0032】

このように構成された２つの電極基板１、２が、図６、７に示されるように、レーザガスＧを挟んで対向配置されており、高周波電源（図示せず）から電極５、６に対して交流電圧が印加されることにより、電極間で無声放電（オゾナイザ放電）が発生する。

【0033】

なお、これ以降、一対の電極５、６間に形成される放電領域を、図６、７に示されるように、ガス流方向（Ｘ方向）の上流側から第１放電領域１１、第２放電領域１２および第３放電領域１３の３つの領域に分けて説明する。ここで、第１放電領域１１のガス流方向の幅をＸｓとする。

【0034】

無声放電によってレーザガスＧ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスＧとして、ＣＯ_２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ_２分子の振動準位間の遷移により、波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。また、ミラー２１、２２の反射膜の設計によっては、波長９．３μｍ等、他の波長での発振も可能である。

【0035】

また、ここでは、レーザガスＧとしてＣＯ_２を使用した場合を例示するが、他のレーザガス、例えば、ＣＯ、Ｎ_２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＨＦ、Ａｒ＋、ＡｒＦ、ＫｒＦ、ＸｅＣｌ、ＸｅＦ等を使用した場合にも、この発明は適用可能である。

【0036】

この発明の実施の形態１に係るレーザ装置は、レーザガスＧを外気と遮断するための真空容器である筐体（図示せず）を備え、筐体内部には、熱交換器、ブロワ、ダクト等が設けられる。ブロワは、筐体内に封入されたレーザガスＧをダクト内の風洞に沿って循環させる。これにより、第１放電領域１１→第２放電領域１２→第３放電領域１３の順に、レーザガスＧがＸ方向に沿って供給される。

【0037】

第１〜第３放電領域１１、１２、１３を通過したレーザガスＧは、熱交換器で冷却され、再びブロワに戻る。第１〜第３放電領域１１、１２、１３では、大気圧よりも低い圧力に維持されており、レーザガスＧは、図４の矢印の方向に空間的に均一な速度分布、例えば、９０ｍ／ｓ程度の速度で移動する。

【0038】

ミラー２１、２２は、第２放電領域１２を挟んで互いに対向するように配置される。ミラー２１としては、例えば凹面または平面の全反射鏡が用いられ、ミラー２２としては、例えば凹面または平面の部分反射鏡が用いられ、２つのミラー２１、２２で、光共振器を構成している。

【0039】

光共振器は、レーザガスＧの移動方向（Ｘ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＺ方向に沿った光軸を有する。光共振器の光軸上には、レーザ光のビームモードを制御するためのアパーチャ（図示せず）が設けられる。

【0040】

光変調素子２６は、透過光の偏光、伝搬方向、透過率等を高速に制御する機能を有する。また、光変調素子２６は、光共振器のＱ値を高速に制御する機能を併せて有し、光共振器からパルス幅数１０〜数１００ｎｓのパルスレーザ光Ｂ０を発生させることができる。

【0041】

ここで、光変調素子２６としては、音響光学素子、電気光学素子、機械式シャッタ、チョッパ等が使用できる。光変調素子２６として音響光学素子を使用した場合には、数１０ＭＨｚの交流電圧を供給する駆動回路（図示せず）が接続される。

【0042】

伝送ミラー５１、５２は、光共振器からのレーザ光Ｂ０を、レーザ光Ｂ１として光増幅器である第３放電領域１３に入射させる折り返しミラーとして機能する。この発明の実施の形態１では、伝送ミラー５１として凸面の全反射ミラー、伝送ミラー５２として凹面の全反射ミラーが用いられ、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。

【0043】

具体的には、この発明の実施の形態１では、伝送ミラー５１、５２の働きにより、ミラー２２上でビーム半径３ｍｍ程度の大きさであるレーザ光Ｂ０を、第３放電領域１３に再入射する直前で、ビーム半径５ｍｍ程度の大きさのレーザ光Ｂ１になるようにビーム径を拡大し、コリメートしている。

【0044】

このような構成により、この発明の実施の形態１において、ミラー２１、２２を有する光共振器では、レーザ光のビーム径を小さくして、ビーム品質のよい低次横モード発振を確保するとともに、光増幅器では、ビーム径を大きくして、レーザ光の増幅効率を向上させている。

【0045】

ミラー５３、５４、５５、５６は、第３放電領域１３を挟むように配置され、光増幅器を構成している。伝送ミラー５１、５２で折り返されたレーザ光Ｂ１は、伝送ミラー５２→第３放電領域１３→ミラー５３→第３放電領域１３→ミラー５４→第３放電領域１３→ミラー５５→第３放電領域１３→ミラー５６→第３放電領域１３の順で進行する際に、励起されたレーザガスＧによって増幅される。

【0046】

この発明の実施の形態１では、伝送ミラー５１、５２で折り返されたレーザ光Ｂ１が、第３放電領域１３を５回通過することによって増幅され、最終的に平均出力１ｋＷのレーザ光Ｂ２が取り出される。

【0047】

光増幅器である第３放電領域１３は、レーザガスＧの移動方向（Ｘ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＺ方向に沿った複数（この発明の実施の形態１における例では、５本）の折り返し光軸を有する。これらの折り返し光軸がＹ方向に沿って配列されていることにより、各光軸で受けるレーザガスＧの利得が均等化され、その結果、安定した増幅動作を実現することができる。

【0048】

ミラー２１、２２、伝送ミラー５１、５２およびミラー５３、５４、５５、５６は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体等に取り付けられる。

【0049】

ここで、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の電極間における放電電力密度分布および利得分布を、図８、９にそれぞれ示す。図８、９において、横軸は、ガス流方向（Ｘ方向）における電極のガス流上流端からの距離を示し、電極のガス流上流端が０である。また、図８の縦軸は、ガス流方向の電極幅が４０ｍｍの場合の放電電力密度分布を示し、図９の縦軸は、このときの利得分布を示している。

【0050】

また、図８、９において、放電電力密度分布および利得分布は、光軸方向（Ｚ方向）に、電極全体に渡って積分した（光軸方向に平均化した）値を示している。この発明の実施の形態１に係るレーザ装置の電極構造とすると、放電電力密度分布には、図８に示されるように、放電電力の小さい部分が存在する。

【0051】

これは、図５のＡ−Ａ線の部分、Ｂ−Ｂ線の部分および図６、７に示されるように、電極５、６が、第２放電領域１２において、光軸方向（Ｚ方向）に放電部と非放電部とを交互に繰り返す電極パターンを有していることに起因している。

【0052】

すなわち、第２放電領域１２においては、光軸方向全体に渡って放電しているわけではなく、一部のみが放電しており、一方第１、第３放電領域１１、１３においては、光軸方向全体に渡って放電しているためである。また、このときの利得分布は、第２放電領域１２において、ガス流方向に均一になっている。

【0053】

なお、利得分布は、上記式（１）において、レーザ上準位の緩和速度λ、レーザガス流速υおよび第２放電領域１２の第１、第３放電領域１１、１３に対する割合を調整することによって均一にすることが可能となる。

【0054】

また、レーザ上準位の緩和速度λは、主にレーザガス組成およびガス圧によって決定される。また、図８では、レーザガス流速υが９０ｍ／ｓである場合に、第２放電領域１２の光軸方向（Ｚ方向）に渡って平均化した放電電力を、第１、第３放電領域１１、１３に対して約１７％とした場合を示している。つまり、これらのパラメータを適切に調整することにより、利得分布が一定の領域を作ることができる。

【0055】

ここで、第１、第３放電領域１１、１３に対する第２放電領域１２の平均化された放電電力密度の割合Ｄｒは、次式（２）のように決定すればよい。

【0056】

Ｄｒ＝１−ｅｘｐ（−λ・Ｘｓ／υ） （２）

【0057】

なお、一般的なＣＯ_２レーザでは、レーザ上準位の緩和速度λは、レーザガス組成およびガス圧によって、５００〜４０００毎秒程度で動作する。そのため、まず、レーザガス組成およびガス圧を決定し、この値に応じて第１放電領域１１のガス流方向（Ｘ方向）の幅Ｘｓ、および第２放電領域１２の放電電力密度の割合Ｄｒを決定すればよい。

【0058】

このようにすることで、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に１〜２ｍｍ程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。

【0059】

その結果、光共振器で発生するレーザ光のパワーに対する光学部品の耐光強度、光増幅器での光学部品の光パワー増幅能力等を勘案して、それぞれの光学部品の設計自由度を向上させることができる。

【0060】

また、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置では、従来のレーザ装置と同様に、ビーム品質のよいレーザ光Ｂ０を光共振器で発生させ、このレーザ光を増幅しているので、品質のよい大出力ビームを得ることができる。また、光共振器および光増幅器を同一筐体（真空容器）内に設けることにより、安価で組立設置の容易なレーザ装置を得ることができる。

【0061】

さらに、この発明の実施の形態１に係るレーザ装置では、誘電体製の１枚の電極基板に対して、金属製の電極をメタライズやペースト等により接着する構成を有している。そのため、１つの放電領域を生成するために、１つずつ電極基板や電極の構造体を用意する必要がなく、安価で高信頼な構成で複数の放電領域を生成することができる。

【0062】

以上のように、実施の形態１によれば、一対の電極間に形成される放電領域を、レーザガスのガス流方向の上流側からそれぞれ第１放電領域、第２放電領域および第３放電領域に分割した場合に、第２放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度が、第１放電領域において、レーザ光の光軸方向に平均化された放電電力密度よりも小さく、光共振器の光軸が、第２放電領域を通るように設けられている。
これにより、光共振器部分における利得分布を均一化することができる。
そのため、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向にずれた場合であっても、高出力で制御性がよく、高品質なパルスレーザ光を安定して得ることができる。

【0063】

実施の形態２．
上記実施の形態１では、第１、第３放電領域１１、１３に対する第２放電領域１２の放電電力の割合は、電極５、６の第２放電領域１２において、実際に放電する領域を間引くことによって調整していた。

【0064】

この発明の実施の形態２では、第２放電領域１２の誘電体の厚みを増すことによって、第１、第３放電領域１１、１３に対する第２放電領域１２の放電電力の割合を調整する構成について説明する。

【0065】

図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーザ装置を上部から見た平面図であり、上記実施の形態１の図５と同様に、上の電極基板１および電極５は、省略している。また、ミラー、光変調素子等、レーザ光が通る部分は、上記実施の形態１と同じなので、説明を省略する。

【0066】

また、図１１は、この発明の実施の形態２に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図１０において、レーザ装置の電極部分をガス流方向（Ｘ方向）に切断した断面を、光軸方向（Ｚ方向）から見た図である。

【0067】

図１０、１１において、第２放電領域１２の電極基板３、４の上に、誘電体７、８が接着されている。ここで、誘電体７、８の材質は、電極基板３、４と同等のものを用いることができる。

【0068】

このようにすることで、第２放電領域１２の電極の静電容量を、第１、第３放電領域１１、１３の電極の静電容量よりも小さくすることができる。また、放電電力密度は、放電部分の電極の静電容量に比例するので、第２放電領域１２の放電電力密度が小さくなり、結果的に、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

【0069】

つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に１〜２ｍｍ程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。

【0070】

なお、上記実施の形態２では、電極基板３、４の上に、新たに誘電体７、８を接着したが、これに限定されず、電極基板３および誘電体７、並びに電極基板４および誘電体８を、それぞれ段差を有する一体型のセラミック等で構成してもよい。この場合も、上記実施の形態２と同等の効果を得ることができる。

【0071】

実施の形態３．
上記実施の形態２では、第２放電領域１２の電極基板３、４の上に、誘電体７、８を接着することにより、第２放電領域１２の放電電力密度を小さくする構成を示したが、これに限定されず、金属製の電極の配置を工夫することにより、第２放電領域１２の放電電力密度を小さくすることもできる。

【0072】

図１２は、この発明の実施の形態３に係るレーザ装置を上部から見た平面図であり、上記実施の形態１の図５と同様に、上の電極基板１および電極５は、省略している。また、ミラー、光変調素子等、レーザ光が通る部分は、上記実施の形態１と同じなので、説明を省略する。

【0073】

また、図１３は、この発明の実施の形態３に係るレーザ装置の放電機構の構成を示す断面図であり、図１２において、レーザ装置の電極部分をガス流方向（Ｘ方向）に切断した断面を、光軸方向（Ｚ方向）から見た図である。

【0074】

図１２、１３において、電極基板１、２の第２放電領域１２とは反対側に、金属製の電極９、１０がそれぞれ配置されている。また、電極９は、電極５と電気的に接続され、電極１０は、電極６と電気的に接続されて、それぞれ同電位となっている。

【0075】

ここで、電極基板１、２は、電極基板３、４と同様に誘電体なので、このようにすることで、第２放電領域１２の電極の静電容量を、第１、第３放電領域１１、１３の電極の静電容量よりも小さくすることができる。その結果、第２放電領域１２の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

【0076】

つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に１〜２ｍｍ程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。

【0077】

実施の形態４．
第１、第３放電領域１１、１３に対する第２放電領域１２の放電電力の割合を調整するためには、上記実施の形態１〜３に記載された構成を組み合わせてもよい。

【0078】

すなわち、上記実施の形態１に示された、第２放電領域１２において、光軸方向（Ｚ方向）に放電部と非放電部とを交互に繰り返す電極５、６の電極パターンと、上記実施の形態２に示された、電極基板３、４への誘電体７、８の接着と、上記実施の形態３に示された、電極基板１、２への電極９、１０の配置とをそれぞれ選択的に組み合わせて、例えば図１４に示されるようにレーザ装置を構成してもよい。

【0079】

この場合も、第２放電領域１２の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に１〜２ｍｍ程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。

【0080】

実施の形態５．
上記実施の形態１では、電極５、６が、第２放電領域１２において、光軸方向（Ｚ方向）に放電部と非放電部とを交互に繰り返す単純な電極パターンを有しているが、これに限定されず、第２放電領域１２の電極部分の面積が、第１、第３放電領域１１、１３の電極部分の面積よりも小さくなっていれば、どのような形状であってもよい。

【0081】

具体的には、例えば図１５に示されるように、第２放電領域１２の電極部分が、斜めの電極パターンを有していてもよいし、図１６に示されるように、第２放電領域１２の電極部分が、網目状の電極パターンを有していてもよい。

【0082】

この場合も、第２放電領域１２の放電電力密度を小さくすることができ、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。つまり、光共振器部分における利得分布を均一化することができ、光共振器の光軸位置が電極に対してガス流方向に１〜２ｍｍ程度ずれた場合であっても、常に一定の利得が得られ、ミラーのアライメント誤差に対しても、共振器内光強度の変化を抑制することができる。

【符号の説明】

【0083】

１〜４ 電極基板、５〜６ 電極、７、８ 誘電体、９、１０ 電極、１１ 第１放電領域、１２ 第２放電領域、１３ 第３放電領域、２１、２２ ミラー、２６ 光変調素子、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２ レーザ光、５１、５２ 伝送ミラー、５３〜５６ ミラー、Ｇ レーザガス。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】