特許 6793750 誘電電極アセンブリおよびその製造方法

(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】6793750

(24)【登録日】2020年11月12日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】誘電電極アセンブリおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/038 20060101AFI20201119BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/038 B

【請求項の数】17

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-551764(P2018-551764)

(86)(22)【出願日】2017年4月21日

(65)【公表番号】特表2019-515486(P2019-515486A)

(43)【公表日】2019年6月6日

(86)【国際出願番号】US2017029002

(87)【国際公開番号】WO2017192285

(87)【国際公開日】20171109

【審査請求日】2018年11月20日

(31)【優先権主張番号】15/147,852

(32)【優先日】2016年5月5日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】518342722

【氏名又は名称】オーロマ テクノロジーズ カンパニー エルエルシー ディー／ビー／エー アクセス レーザー カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】マレー マイケル ダブリュー．

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−１５７２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２９５６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１１７４７７（ＪＰ，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】

誘電電極アセンブリの製造方法（６００）であって、
円形断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管（２２６）を提供し、前記誘電管（２２６）は、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされ、
相対誘電定数ε_３を有する構造誘電体（２２５）で前記誘電管（２２６）を取り囲み、
前記構造誘電体（２２５）の両側に金属電極（２２４）を配置し、前記金属電極（２２４）は、平坦断面形状を有し、
電力が前記金属電極（２２４）に印加されるとき、前記構造誘電体（２２５）、前記誘電管（２２６）、および前記ガスの相対誘電定数が、相互に関係され、かつ均一な電場が、前記誘電管（２２６）内に生成されるように、前記構造誘電体（２２５）向けの材料を選択することを含み、
前記構造誘電体（２２５）向けの材料を選択することは、
Ｒ_１が前記誘電管（２２６）の内径であり、
Ｒ_２が前記誘電管（２２６）の外径であり、
相対誘電定数が、

【数1】

である円筒管アセンブリ式によって関連されるように、前記構造誘電体（２２５）および前記誘電管（２２６）向けの材料を選択すること
を含む方法（６００）。

【請求項2】

前記金属電極（２２４）を配置することは、前記構造誘電体（２２５）上の前記誘電管（２２６）の縁部を越えた部分を有し、少なくとも１つの誘電管直径の寸法の電極幅を有する前記金属電極（２２４）を配置することを含む、請求項１に記載の方法（６００）。

【請求項3】

前記金属電極（２２４）を配置することは、前記誘電管（２２６）と直接接触する前記金属電極（２２４）を配置することを含む、請求項１に記載の方法（６００）。

【請求項4】

前記金属電極（２２４）を配置することは、前記構造誘電体（２２５）上であり、かつ前記誘電管（２２６）から離間される前記金属電極（２２４）を配置することを含む、請求項１に記載の方法（６００）。

【請求項5】

誘電電極アセンブリの製造方法（６００）であって、
楕円断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管（４２９）を提供し、前記誘電管（４２９）は、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされ、
相対誘電定数ε_３を有する構造誘電体（４２５）で前記誘電管（４２９）を取り囲み、
前記構造誘電体（４２５）の両側に金属電極（４２４）を配置し、前記金属電極（４２４）は、平坦断面形状を有し、
電力が前記金属電極（４２４）に印加されるとき、前記構造誘電体（４２５）、前記誘電管（４２９）、および前記ガスの相対誘電定数が、相互に関係され、かつ均一な電場が、前記誘電管（４２９）内に生成されるように、前記構造誘電体（４２５）向けの材料を選択することを含み、
前記構造誘電体（４２５）向けの材料を選択することは、
軌道長半径寸法Ａ_１および軌道短半径寸法Ｂ_１を有する前記誘電管（４２９）の内表面と、軌道長半径寸法Ａ_２および軌道短半径寸法Ｂ_２を有する前記誘電管（４２９）の外表面と、を含み、
前記ガスの相対誘電定数ε_１の値が１であり、
相対誘電定数が、

【数2】

である楕円管アセンブリ式によって関連されるように、前記構造誘電体（４２５）および前記誘電管（４２９）向けに材料を選択すること
を含む方法（６００）。

【請求項6】

円形断面および相対誘電定数ε_２を有する別の誘電管（５２６）を提供し、前記別の誘電管（５２６）は、相対誘電定数ε_１を有する別のガスで充填され、
前記別の誘電管（５２６）向けに材料を選択し、Ｒ_１は、前記別の誘電管（５２６）の内径であり、Ｒ_２は、前記別の誘電管（５２６）の外径であり、前記別の誘電管（５２６）および前記ガスの相対誘電定数は、円筒管アセンブリ式によって求められ、前記構造誘電体（５２５）の相対誘電定数は、前記円筒管アセンブリ式の結果と一致し、前記円筒管アセンブリ式は、

【数3】

である、
請求項５に記載の方法（６００）。

【請求項7】

前記金属電極（４２４）を配置することは、前記誘電管（４２９）と直接接触する前記金属電極（４２４）を配置することを含む、請求項５に記載の方法（６００）。

【請求項8】

前記金属電極（４２４）を配置することは、前記構造誘電体（４２５）上であり、かつ前記誘電管（４２９）から離間される前記金属電極（４２４）を配置することを含む、請求項５に記載の方法（６００）。

【請求項9】

誘電電極アセンブリであって、
円形断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管（２２６）であって、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされる、誘電管（２２６）と、
相対誘電定数ε_３を有し、前記誘電管（２２６）を取り囲む構造誘電体（２２５）と、
前記構造誘電体（２２５）の両側の金属電極（２２４）であって、平坦断面形状を有する、金属電極（２２４）と、
を備え、
電力が前記金属電極（２２４）に印加されるとき、前記構造誘電体（２２５）、前記誘電管（２２６）、および前記ガスの相対誘電定数が、相互に関係され、かつ均一な電場が、前記誘電管（２２６）内に生成されるように選択された材料から製造された前記構造誘電体（２２５）と、を備え、
Ｒ_１が前記誘電管（２２６）の内径であり、Ｒ_２が前記誘電管（２２６）の外径であり、前記構造誘電体（２２５）管（２２６）向けの材料は、前記構造誘電体（２２５）、前記誘電管（２２６）および前記ガスの相対誘電定数が、

【数4】

である円筒管アセンブリ式によって関連されるように、選択される
誘電電極アセンブリ。

【請求項10】

前記金属電極（２２４）は、前記誘電管（２２６）の縁部を越えた部分を有し、少なくとも１つの誘電管直径の寸法の電極幅を有し、前記金属電極（２２４）は、前記構造誘電体（２２５）上にある、請求項９に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項11】

前記金属電極（２２４）は、前記誘電管（２２６）と直接接触する、請求項９に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項12】

前記金属電極（３２４）は、前記構造誘電体（３２５）上にあり、前記誘電管（３２６）から離間される、請求項９に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項13】

前記構造誘電体（５２５）内の別の誘電管（５２９）をさらに備え、前記別の誘電管（５２９）は、楕円断面および相対誘電定数ε_２を有し、前記誘電管（５２９）は、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされ、
前記誘電管（５２９）の内表面は、軌道長半径寸法Ａ_１および軌道短半径寸法Ｂ_１を有し、
前記誘電管（５２９）の外表面は、軌道長半径寸法Ａ_２および軌道短半径寸法Ｂ_２を有し、
前記ガスの相対誘電定数ε_１の値は１であり、
前記構造誘電体（５２５）および前記誘電管（５２９）向けの材料は、相対誘電定数が、

【数5】

である楕円管アセンブリによって関連されるように、選択される、請求項９に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項14】

前記金属電極（５２４）は、前記別の誘電管（５２９）と直接接触する、請求項１３に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項15】

前記金属電極（５２４）は、前記構造誘電体（５２５）上にあり、前記別の誘電管（５２９）から離間される、請求項１３に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項16】

前記金属電極（５２４）は、丸みを帯びた縁部を有する、請求項１３に記載の誘電電極アセンブリ。

【請求項17】

前記金属電極（５２４）は、前記構造誘電体（５２５）の両側で互いに平行である、請求項１３に記載の誘電電極アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電電極アセンブリに関し、より詳細には、平坦な電極を有する誘電電極アセンブリのための装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザガスの均一な励起は、オーバーポンピングがガス中の光学利得の局所的な劣化をもたらす可能性があるＣＯ_２およびＣＯレーザなどの分子ガスレーザの場合に特に重要である。さらに、電気的にポンピングされるガスレーザは一般に、高パルスエネルギー条件下で形成される不安定性に苦しむことがある。放電の不安定性は、レーザ電極を損傷するか、または少なくともガス放電利得媒体の光学品質を高モード品質のレーザビームを生成するのに役に立たなくする強いアーク放電をもたらすことがある。非常に高い初期ガス放電均一化を確立することは、ガス放電不安定性の避けられない開始前にガスに堆積され得るエネルギー量を増加させるために、パルス高エネルギーガスレーザにとって最も重要である。

【0003】

従来、ガスレーザは、低いガス圧（１０〜１００ｔｏｒｒ）で連続波（ｃｗ）モードで、または高ガス圧（３００〜７６０ｔｏｒｒ）でパルスレーザとして動作されてきた。低ガス圧では、ガスレーザが典型的にはレーザプラズマにおける高率の両極性拡散に依存することによって、ある程度の放電均一化をもたらすために、小さな横方向ガス放電寸法（１〜４ｍｍ）を有する。さらに、低圧ガスレーザのガス混合物に余分なヘリウムを添加して、両極性拡散をさらに高めることによって放電の均一性を改善する。高いガス圧力では、ガスレーザは、通常、両極性拡散を実用的にするには大きすぎる横方向放電寸法を有する。高圧ガスレーザは、従来、ガス放電が起こる非常に良好な均一な電界条件を達成するために、特別な形状の電極を使用してきた。

【0004】

異形電極は、典型的には中央領域に最小量の電界歪みのみを導入しながら、中央領域の両側の電界強度を徐々に減少させるように選択された異形電極領域と共に、平坦かつ平行な電極形状を有する中央領域を利用する。異形電極アセンブリにおけるガス放電は、通常、中央領域に限定され、正方形または長方形の断面を有する。残念ながら、レーザの最低次光学モードは、円形または楕円形のいずれかの断面を有する可能性が最も高く、異形電極アセンブリの放電断面とよく一致しない。異形電極アセンブリのガス放電に蓄積されるエネルギの約２０％は、レーザの光学キャビティ内になく、浪費される。

【0005】

エネルギを浪費する平坦な電極ではなく、湾曲した電極を円筒断面の周囲に使用することができる。結果として生じる電界は、光学モード断面を満たすが、残念ながら不均一になる。高ガス圧では、湾曲した電極アセンブリのレーザガスを通って流れるＲＦ電流が光学モード断面の両側に集まり、電極アセンブリの中心のガスを大部分バイパスする。技術分野の不均一性はまた、レーザアセンブリの効果を低下させる。誘電体および電極の両方が注意深く成形される場合、レーザの最低次モードの断面に一致する断面を有する均一なガス放電を生成する電極アセンブリを作り出すことができることが知られている。しかし、このプロセスは、製造が非常に複雑になる可能性がある。

【0006】

したがって、効率的なレーザ電極アセンブリのより単純な製造方法が依然として必要とされている。エネルギ効率の高い高出力レーザの重要性が高まり、商業的競争圧力がますます高まり、消費者の期待が高まり、市場において有意義な製品差別化の機会が減少していることから、これらの課題に対する答えを見出すことが重要である。さらに、コストを削減し、効率性および性能を改善し、競争圧力を満たす必要性は、これらの課題に対する回答を見つけるための重要な必要性にさらに大きな緊急性を加える。

【0007】

これらの問題に対する解決策は長い間求められてきたが、従来の開発はいかなる解決策も教示も示唆もしておらず、したがって、これらの問題に対する解決策は長い間当業者には分かっていなかった。

【発明の概要】

【0008】

本発明は、誘電電極アセンブリの製造方法であって、円筒断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管を提供し、前記誘電管は、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされ、相対誘電定数ε_３を有する構造誘電体で前記誘電管を取り囲み、前記構造誘電体の両側に金属電極を配置し、前記金属電極は、平坦断面形状を有し、電力が前記金属電極に印加されるとき、前記構造誘電体、前記誘電管、および前記ガスの相対誘電定数が、相互に関係され、かつ均一な電場が、前記誘電管内に生成されるように、前記構造誘電体向けの材料を選択することを含む製造方法を提供する。

【0009】

本発明は、誘電電極アセンブリであって、円筒断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管であって、相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされる、誘電管と、相対誘電定数ε_３を有し、前記誘電管を取り囲む構造誘電体と、前記構造誘電体の両側の金属電極であって、平坦断面形状を有する、金属電極と、を含み、電力が前記金属電極に印加されるとき、前記構造誘電体、前記誘電管、および前記ガスの相対誘電定数が、相互に関係され、かつ均一な電場が、前記誘電管内に生成されるように選択された材料から製造された前記構造誘電体と、を含む誘電電極アセンブリを提供する。

【0010】

本発明の特定の実施形態は、上述したものに加えて、またはそれに代えて、他のステップまたは要素を有する。これらのステップまたは要素は添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、当業者には明らかになるのであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１実施形態におけるレーザアセンブリの斜視図である。

【図2】図２は、図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図である。

【図3】図３は、本発明の第２の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図である。

【図4】図４は、本発明の第３の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図である。

【図5】図５は、本発明の第４の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図である。

【図6】図６は、本発明のさらなる実施形態における誘電電極アセンブリの製作方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下の実施形態は、当業者が本発明を実施および使用できるように十分に詳細に説明される。他の実施形態は本開示に基づいて明らかであり、システム、プロセス、または機械的な変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができることを理解されたい。

【0013】

以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が与えられる。しかしながら、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施され得ることは明らかであろう。本発明を不明瞭にすることを避けるために、いくつかの周知の回路、システム構成、およびプロセスステップは、詳細には開示されていない。

【0014】

システムの実施形態を示す図面は、半図式的であり、一定の縮尺ではなく、特に、寸法のいくつかは、提示を明確にするためのものであり、図面において誇張して示されている。同様に、説明を容易にするための図面の視点は概して同様の向きを示すが、この図の描写は大部分が任意である。一般に、本発明は、任意の向きで操作することができる。

【0015】

いくつかの特徴を共通に有する複数の実施形態が開示され、説明される場合、その図示、説明、および理解を明確かつ容易にするために、同様の特徴は、通常、互いに同様の参照番号で説明される。実施形態は説明の便宜上、第１の実施形態、第２の実施形態などに番号が付けられており、本発明の他の重要性を持たせたり、本発明を限定したりすることを意図していない。

【0016】

説明の目的のために、本明細書で使用される「水平」という用語は、電極の向きにかかわらず、電極の平面または表面に平行な平面として定義される。用語「垂直」は、ちょうど定義された水平に対して直角な方向を指す。「上」、「下」、「底部」、「頂部」、「側」（「側壁」）、「高い」、「低い」、「上に」、および「下に」などの用語は図に示されるように、水平面に対して定義される。用語「オン（ｏｎ）」は、要素間に直接接触があることを意味する。「直接」という用語はある要素と別の要素との間に、介在する要素なしで直接接触があることを意味する。

【0017】

本明細書で使用される「処理」という用語は、材料またはフォトレジストの堆積、パターニング、露光、現像、エッチング、洗浄、および／または記載された構造を形成する際に必要とされる材料またはフォトレジストの除去を含む。

【0018】

図１を参照すると、本発明の第１の実施形態におけるレーザアセンブリ１００の斜視図が示されている。レーザアセンブリ１００は、誘電管１２６を共有する２つの誘電電極アセンブリを利用する。例示の目的で、この図面は、２つの誘電電極アセンブリのみを示しているが、任意の個数の誘電電極アセンブリが使用され得ることが理解される。例えば、３つ以上の誘電電極アセンブリを用いることができる。

【0019】

誘電電極アセンブリは、構造誘電体１２５の両側にある金属電極１２４を含む。誘電管１２６は、誘電電極アセンブリの一部とみなすことができる。金属電極１２４は、平坦である。金属電極１２４は、構造誘電体１２５より短い。構造誘電体１２５は、一般に、誘電電極アセンブリの両端の誘電管１２６の径の少なくとも２分の１の寸法だけ金属電極１２４よりも長い。構造誘電体１２５を金属電極１２４の端部を越えて延ばすことにより、誘電電極アセンブリの端部における電界歪みが最小限に抑えられ、金属電極１２４間の絶縁破壊経路が延長される。構造誘電体はまた、誘電電極アセンブリの両側の金属電極１２４間の絶縁破壊経路を延ばすために、金属電極１２４よりも広くてもよい。

【0020】

誘電電極アセンブリは、本質的に時変性であり得る電源１１０によって電源供給される。電源１１０は例えば、高周波（ＲＦ）正弦波源であってもよいし、高速の立ち上がりおよび／または立ち下がりエッジを有する方形パルスから構成されてもよい。レーザアセンブリ１００のフレーム１１３に近接した、誘電電極アセンブリの一方または両方に対する金属電極１２４の一方は、レーザアセンブリ１００のフレーム１１３に電気的に接続することができる。他の例として、金属電極１２４は、レーザアセンブリ１００のフレーム１１３から電気的に絶縁されてもよい。電源１１０を独立して動作させることが望ましい場合があるので、金属仕切り１１４が誘電電極アセンブリの間に配置され、電気遮蔽体として機能する。金属仕切り１１４は誘電電極アセンブリ間の結合からの電気エネルギーの量を最小限に抑えながら、誘電管１２６が金属仕切り１１４を通過できるだけの小さな開口を有することができる。誘電管１２６の端部は、気密シールによってレーザミラーマウント１１１に接続されている。レーザミラーマウント１１１は、誘電管１２６の端部とレーザミラー１１２との間に遮られない光路を提供する。レーザミラー１１２のうちの１つのみが、明確化のために示される。視認可能なレーザミラー１１２の一方は図の視認性および明確性のために軸から外れて配向されているが、レーザミラー１１２はレーザミラーマウント１１１の面上の誘電管１２６の軸に垂直になるように取り付けられていることが理解される。レーザミラーマウント１１１は、レーザアセンブリ１００のフレーム１１３に取り付けられて、レーザミラー１１２を互いに対して固定位置にしっかりと保持する。

【0021】

ここで図２を参照すると、図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図が示されている。この断面には、構造誘電体２２５に埋め込まれた誘電管２２６を有する構造誘電体２２５を取り囲む金属電極２２４が見える。誘電管２２６は金属電極２２４と直接接するように示されているが、これは単に例示の目的であることを理解されたい。別の実施形態では、構造誘電体２２５が誘電管２２６と金属電極２２４との間にあってもよい。

【0022】

金属電極２２４は、金属電極２２４の頂部と底部で平行かつ平坦な外形を有する。金属電極２２４がそれらの上面および底面で平行かつ平坦であり、さらに均一な電場を生成するために、構造誘電体２２５は相対誘電定数ε_３を有さなければならない。構造誘電体２２５は、金属電極２２４の間に位置する誘電管２２６を取り囲むことができる。誘電管２２６は、相対誘電定数ε_２の誘電体から形成される。レーザガスは、誘電管２２６の内部に含まれ、相対誘電定数ε_１を有する。金属電極２２４は平行かつ平坦であるので、誘電管２２６の内部区域は、この実施例では円形である光学モード断面２２３にも完全に適合する。誘電管２２６は、内側半径（Ｒ_１）および外側半径（Ｒ_２）を有する。内径は、誘電管２２６の中心から誘電管２２６の内壁までの間隔として定義される。外径は、誘電管２２６の中心と誘電管２２６の外縁との間の間隔として定義される。内側半径および外側半径は両方とも、断面図に関するものである。

【0023】

誘電管２２６が円筒形の断面形状を有し、金属電極２２４間に電圧が印加されたときに均一な電界を発生させることができる場合に、平坦な形状（すなわち、金属電極２２４の各々の頂部および底部で平坦）を有する金属電極２２４を使用するために、構造誘電体２２５は、円筒形の場合、

【数1】

について以下の数式１（円筒管アセンブリ式としても知られる）によって与えられる相対誘電定数ε_３を有さなければならない。

【0024】

円筒形断面形状の誘電管２２６と組み合わされた平坦な断面形状を有する金属電極２２４の適用は、それらのそれぞれの誘電率が数式１によって支配されるように、構造誘電体２２５の相対誘電定数と一致するとき、均一な電界を生成することが発見された。金属電極２２４、構造誘電体２２５、および誘電管２２６の相対誘電定数が数式１によって支配されるような適切な比率で互いに関連付けられる場合、均一な電場が生成され、電場は、レーザーガスが正確にどこにあるかを決定する誘電管２２６の内径と一致する光学モード断面２２３と一致するので、動力は失われない。これら全てを合わせると、非常に高いエネルギー効率を有するレーザが得られる。

【0025】

例示の目的で、金属電極２２４は、誘電管２２６と直接接するように示されている。この構成は金属電極２２４と誘電管２２６内部のレーザガスとの間の最も強い結合を提供し、これは通常好ましい。しかし、本発明は、金属電極２２４と誘電管２２６との直接接触を必要とせず、数式１によって指定される相対誘電定数を有する構造誘電体２２５が金属電極２２４と誘電管２２６との間の空間を満たすならば、同様に機能する。

【0026】

金属電極２２４および金属電極２２４の丸みを帯びた縁部を適切に選ぶことにより、誘電管２２６内の小さな電界の摂動が検出可能なレベル以下に保たれることが発見された。例えば、金属電極２２４の幅を誘電管２２６の外径の少なくとも３倍にするのが良い指針である。金属電極２２４に丸みを帯びた縁部を使用することは、誘電管２２６内部の電界摂動を最小限に抑えることにも寄与し、さらに、金属電極２２４間に非常に高電圧が印加されたときに生じる可能性があるコロナ放電を抑制するのに役立つ。

【0027】

また、金属電極２２４、構造誘電体２２５、および誘電管２２６の適切な誘電率の材料を、数式１によって支配される比で使用することにより、レーザー部品の製造を簡略化することおよびエネルギ効率のよいレーザアセンブリの製造することができることも発見された。数式１によれば、相対誘電定数が適正に合致するため、金属電極２２４の複雑な形状は不要であり、作製が容易な平面形状の電極を用いることができる。これは、コストを低減し、製造効率を改善する。誘電管２２６の製造が容易な円筒断面と組み合わされて、非常に少ない無駄なエネルギをもたらす均一な電界の生成を可能にし、同時に、いかなる重要な構成要素に対しても複雑な形状を回避することによって製造を簡略化する高効率レーザを作り出すことができる。

【0028】

図３を参照すると、本発明の第２の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図が示されている。例示の目的で、第１の誘電管３２６および第２の誘電管３２７が示されているが、１つの電極アセンブリにおいて使用され得る管の数に制限はないことが理解される。追加の誘電管での制約は、数式１において与えられる誘電値を使用するとき、アセンブリにおける他のすべての誘電管と同じ誘電率ε_３をもたらすパラメータ値の組合せを有することである。

【0029】

図２の断面図と同様に、金属電極３２４は、金属電極３２４の頂部と底部で平行かつ平坦な外形を有する。金属電極３２４は、縁部が丸みを帯びている。金属電極３２４がそれらの上面および底面で平行かつ平坦であるために、構造誘電体３２５は、相対誘電定数ε_３を有さなければならない。構造誘電体３２５は、金属電極３２４の間に位置する第１の誘電管３２６および第２の誘電管３２７を取り囲むことができる。

【0030】

図２の誘電管２２６と同様に、第１の誘電管３２６は、相対誘電定数ε_２の誘電体から形成される。レーザガスは、第１の誘電管３２６の内部に含まれ、相対誘電定数ε_１を有する。金属電極３２４は平行かつ平坦であるので、第１の誘電管３２６の内部区域も、この実施例では円形である光学モード断面３２３に完全に適合する。第１の誘電管３２６は、内側半径（Ｒ_１）および外側半径（Ｒ_２）を有する。内径は、第１の誘電管３２６の中心から第１の誘電管３２６の内壁までの間隔として定義される。外径は、第１の誘電管３２６の中心と第１の誘電管３２６の外縁との間の間隔として定義される。内側半径および外側半径は両方とも、断面図に関するものである。相対誘電定数は数式１に関連し、構造誘電体３２５の相対誘電定数ε_３に等しくなるように数式１に差し込むことができなければならない。

【0031】

同様に、第２の誘電管３２７に関して、内側管半径および外側管半径に対する値のセット、ならびに第２の誘電管３２７および液状誘電体冷却材３２８をそれぞれ構成する材料に対する相対誘電定数値ε_２およびε_１は、数式１において使用される場合、構造誘電体３２５に対して第１の誘電管３２６および第１の誘電管３２６内のレーザガスの誘電値と同じε_３をもたらす。この例では、第２の誘電管３２７の内部を液状誘電体冷却材３２８で満たしているが、第１の誘電管３２６と同様に第２の誘電管３２７にレーザガスを満たしてもよいことは言うまでもない。

【0032】

誘電管とそれぞれのレーザガスまたは誘電体冷却材の両方が同じ相対誘電定数、構造誘電体３２５のε_３に等しい場合、第１の誘電管３２６および第２の誘電管３２７の内側には、互いに対するそれらの相対位置に関係なく、均一な電界が存在することになる。したがって、第２の誘電管３２７および液状誘電体冷却材３２８の存在は、第１の誘電管３２６内の電界を歪ませない。例示の目的で、第１の誘電管３２６および第２の誘電管３２７は互いに間隔を置いて配置されるが、数式１を使用するときに構造誘電体３２５について同じε_３で終わる相対誘電定数値を有する材料を両方とも使用する例では第１の誘電管３２６および第２の誘電管３２７は、それぞれの管内の電界の均一性を変化させずに、直接接することができる。これは、管が同じ構造誘電体によって囲まれている限り、構造誘電体内にいくつの管があるかに関わらず、また管同士が接触しているかまたは接触していないかに関わらず、当てはまる。

【0033】

金属電極３２４および金属電極３２４の丸みを帯びた縁部を適切に選ぶことにより、第１の誘電管３２６または第２の誘電管３２７の内側の小さな電界摂動が検出可能なレベル以下に保たれることが発見された。例えば、電極幅の良好な指針は、金属電極３２４の幅を、誘電管がいくつ存在しても、最外誘電管の縁部を越えた少なくとも１つの管径にすることである。金属電極３２４上に丸みを帯びた縁部を使用することは、誘電管内部の電界摂動を最小限に抑えることにも寄与し、さらに、金属電極３２４間に非常に高電圧が印加されたときに生じる可能性があるコロナ放電を抑制するのに役立つ。

【0034】

図４を参照すると、本発明の第３の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図が示されている。この断面には、構造誘電体４２５に埋め込まれた誘電管４２９を有する構造誘電体４２５を取り囲む金属電極４２４が見える。誘電管４２９は金属電極４２４と直接接するように示されているが、これは例示目的のためだけであることが理解される。別の実施形態では、構造誘電体４２５は、誘電管４２９と金属電極４２４との間にあってもよい。

【0035】

金属電極４２４は、金属電極４２４の頂部と底部で平行かつ平坦な形状を有する。金属電極４２４がそれらの上面および底面で平行かつ平坦であり、さらに均一な電場を生成するために、構造誘電体４２５は相対誘電定数ε_３を有さなければならない。構造誘電体４２５は、金属電極４２４の間に位置する誘電管４２９を取り囲むことができる。誘電管４２９は、相対誘電定数ε_２の誘電体から形成される。レーザガスは、誘電管４２９の内部に含まれ、相対誘電定数ε_１を有する。金属電極４２４は平行かつ平坦であるので、誘電管４２９の内部区域は、この実施例では楕円形である光学モード断面４２３にも完全に適合する。

【0036】

この実施形態における誘電管４２９は、楕円形の断面形状を有する。誘電管４２９の内側楕円面および外側楕円面の断面は、同じ焦点を有する楕円である。誘電管４２９の内面の楕円形断面は、軌道長半径寸法Ａ_１および軌道短半径寸法Ｂ_１を有する。誘電管４２９の外面の楕円形断面は、軌道長半径寸法Ａ_２および軌道短半径寸法Ｂ_２を有する。内部および外部楕円断面の共通焦点は以下の数式

【数2】

または

【数3】

のいずれかによって与えられるように、±ａに位置する。

【0037】

円筒形の断面形状を有する図２の誘電管２２６のように、楕円形の断面形状を有する誘電管４２９の内側の区域は、上面および底面が平行かつ平坦な金属電極４２４間に電圧を印加したときに均一な電界を含む。さらに、誘電管４２９の内部区域も、この実施例では楕円形である光学モード断面４２３に完全に適合する。誘電管４２９が楕円形の断面形状を有する場合、平坦な形状の並列電極を使用するために、構造誘電体４２５は、楕円形の場合、

【数4】

について、以下の数式４（楕円形の管アセンブリ式としても知られる）によって与えられる誘電率ε_３を有さなければならない。

【0038】

数式４は、ε_１である管の内側の物質の相対誘電定数がガスレーザの場合のように、ほぼ１に等しいと仮定している。誘電管２２６の場合と同様に、図４に示す金属電極４２４は、誘電管４２９と接する金属電極４２４を示すことに留意されたい。金属電極４２４を誘電管４２９と接触させることにより、金属電極４２４と誘電管４２９内のガスとの間に最も強い電気的結合が提供される。しかし、本発明は、金属電極４２４と誘電管４２９との接点を必要とせず、構造誘電体４２５が数式４によって指定されるような相対誘電定数を有し、金属電極４２４と誘電管４２９との間の空間を満たすならば、同様に機能する。さらに、楕円形の断面形状を有する誘電管４２９の場合では、金属電極４２４は、平坦で互いに平行であるだけでよく、誘電管４２９の楕円形の断面の長軸または短軸のいずれかに必ずしも平行でなくてもよいことに留意されたい。誘電管４２９内部の電界は、金属電極４２４の向きにかかわらず、それらが平坦かつ平行であり、構造誘電体４２５の相対誘電定数が数式４によって生成される数値と一致する限り、均一である。

【0039】

金属電極４２４、構造誘電体４２５、および誘電管４２９に対して適切な誘電率の材料を、数式４によって支配される比で使用することにより、レーザコンポーネントの製造およびエネルギ効率のよいレーザアセンブリの製造を簡略化することができることが発見された。数式４によれば、相対誘電定数が適正に合致するので、金属電極４２４の複雑な形状は不要であり、簡単で製作が容易な平坦な形状の電極を用いることができる。これは、コストを低減し、製造効率を改善する。誘電管４２９の製造が容易な楕円形断面と組み合わされて、非常に少ない無駄なエネルギをもたらす均一な電場の生成を可能にし、同時に、いかなる重要な構成要素に対しても複雑な形状を回避することによって製造を簡略化する高効率のレーザを作り出すことができる。

【0040】

図５を参照すると、本発明の第４の実施形態における図１の誘電電極アセンブリの一部の断面図が示されている。図２の断面図と同様に、金属電極５２４は、金属電極５２４の頂部および底部において平行かつ平坦な形状を有する。金属電極５２４は、縁部が丸みを帯びている。金属電極５２４がそれらの上面および底面で平行かつ平坦であるために、金属電極５２４間の構造誘電体５２５は、相対誘電定数ε_３を有さなければならない。構造誘電体５２５は、金属電極５２４の間に位置する第１の誘電管５２６および第２の誘電管５２９を取り囲むことができる。

【0041】

例示の目的で、第１の誘電管５２６および第２の誘電管５２９のみが示されているが、１つの電極アセンブリにおいて使用され得る管の本数に制限はないことが理解される。追加の誘電管に対する唯一の制約は図３と同様に、構造誘電体５２５の誘電率ε_３が、アセンブリ内の他のすべての誘電管と同じになるようなパラメータ値の組合せを有することである。しかし、図３とは異なり、円筒断面を有する誘電管を取り囲む構造誘電体５２５と楕円形断面を有する誘電管とについて、誘電率ε_３の同じ値に達するように適切なパラメータ値を計算するために、様々な式を使用しなければならない。この例では、第１の誘電管５２６が円筒断面を有し、相対誘電定数ε_２を有し、数式１を用いた場合、構造誘電体５２５の誘電率ε_３に達するのに要する相対誘電定数ε_１を有するレーザガスまたは誘電性冷却材で満たされる。また、第２の誘電管５２９は、楕円形の断面を有し、相対誘電定数ε_２を有し、数式４を用いた場合、構造誘電体５２５の誘電率ε_３に達する相対誘電定数ε_１のレーザガスで満たされる。

【0042】

より詳細には、金属電極５２４が平行かつ平坦であるため、第１の誘電管５２６の内部区域も、第１の誘電管５２６の内側で円形である光学モード断面５２３に完全に適合する。第１の誘電管５２６は、内側半径（Ｒ_１）および外側半径（Ｒ_２）を有する。内径は、第１の誘電管５２６の中心から第１の誘電管５２６の内壁までの間隔として定義される。外径は、第１の誘電管５２６の中心と第１の誘電管５２６の外縁との間の間隔として定義される。内側半径および外側半径は両方とも、断面図に関するものである。相対誘電定数は、数式１に関連し、構造誘電体５２５の相対誘電定数ε_３に等しくなるように数式１に差し込むことができなければならない。

【0043】

第２の誘電管５２９は、楕円形の断面形状を有する。第２の誘電管５２９の内側楕円面および外側楕円面の断面は、同じ焦点を有する楕円である。第２の誘電管５２９の内面の楕円形断面は、軌道長半径寸法Ａ_１および軌道短半径寸法Ｂ_１を有する第２の誘電管５２９の外面の楕円形断面は、軌道長半径寸法Ａ_２および軌道短半径寸法Ｂ_２を有する。内部および外部楕円断面の共通焦点は、数式２および数式３によって与えられるように±ａに位置する。

【0044】

円筒形の断面形状を有する第１の誘電管５２６と同様に、楕円形の断面形状を有する第２の誘電管５２９の内側の区域は上面および底面が平行かつ平坦な金属電極５２４間に電圧を印加したときに均一な電界を含み、すべてのパラメータは数式４に従って適正に一致する。さらに、第２の誘電管５２９の内部区域も、第２の誘電管５２９の内側で楕円形である光学モード断面５２３に完全に一致する。第２の誘電管５２９が楕円形の断面形状を有する場合、平坦な形状の平行電極を使用するために、構造誘電体５２５は上述したように、数式４によって与えられる誘電率ε_３を有さなければならない。

【0045】

数式４は、ガスレーザの場合のように、管の内側の物質の相対誘電定数がほぼ１に等しいと仮定している。さらに、楕円形の断面形状を有する第２の誘電管５２９の場合では、金属電極５２４が平坦で互いに平行である必要があるだけであり、第２の誘電管５２９の楕円形の断面の長軸または短軸のいずれかに必ずしも平行である必要はないことに留意されたい。第２の誘電管５２９内部の電界は、金属電極５２４の向きにかかわらず、それらが平坦かつ平行であり、構造誘電体５２５の相対誘電定数が数式４によって生成される数値と一致する限り、均一である。言い換えれば、第２の誘電管５２９は、楕円形の断面を有するにもかかわらず、レーザの効率に影響を及ぼすことなく、または第２の誘電管５２９内部の電界の均一性を妨げることなく、任意の回転配向で配置することができる。

【0046】

金属電極５２４の幅と金属電極５２４の丸みを帯びた縁部を適切に選ぶことにより、第１の誘電管５２６または第２の誘電管５２９内部の小さな電界摂動が検出可能なレベル以下に保たれることが発見された。例えば、電極幅の良好な指針は、金属電極５２４の幅を、誘電管がいくつ存在しても、最外誘電管の縁部を越えた少なくとも１つの管径にすることである。金属電極５２４上に丸みを帯びた縁部を使用することは、誘電管内部の電界摂動を最小限に抑えることにも寄与し、さらに、金属電極５２４間に非常に高電圧が印加されたときに生じる可能性があるコロナ放電を抑制するのに役立つ。

【0047】

金属電極５２４、構造誘電体５２５、第１の誘電管５２６、および第２の誘電管５２９に対して適切な誘電率の材料を、数式１または数式４のいずれかによって支配される比率で使用することにより、レーザコンポーネントの製造およびエネルギ効率のよい誘電電極アセンブリの製造を簡略化することができることが発見された。数式１または数式４に従って、相対誘電定数の相関が適切に一致するため、金属電極５２４の複雑な形状形成は不必要であり、平らな幾何学的形状の電極を簡単に製作することができる。これは、コストを低減し、製造効率を改善する。第１の誘電管５２６および第２の誘電管５２９の製造が容易な円筒形および楕円形の断面と組み合わせて、非常に少ない無駄なエネルギをもたらす均一な電場の生成を可能にすると同時に、任意の重要な構成要素の複雑な形状を回避することによって製造を単純化する高効率のレーザを作り出すことができる。

【0048】

図６を参照すると、本発明のさらなる実施形態における誘電電極アセンブリの製造の方法６００のフローチャートが示されている。方法６００は、円筒断面および相対誘電定数ε_２を有する誘電管を提供することを含み、誘電管は、ブロック６０２において相対誘電定数ε_１を有するガスで満たされ、誘電管をブロック６０４において相対誘電定数ε_３を有する構造誘電体で囲み、構造誘電体の両側に金属電極を配置し、金属電極は、ブロック６０６において平坦な断面形状を有し、構造誘電体のためのデータを選択して、構造誘電体、誘電管、およびガスの相対誘電定数が相互に関係し、ブロック６０８において金属電極に電力が印加されると誘電管内に均一な電場が生成されるようにする。

【0049】

結果として得られる手法、方法、機器、制御装置、生成物、および／またはシステムは簡単で、費用対効果が高く、複雑でなく、非常に汎用性が高く、効果的であり、驚くべきことに、かつ明白でないことに、既知の技術を適応させることによって実施することができ、したがって、効率的かつ経済的に誘電電極アセンブリを製造するのに容易に適している。

【0050】

本発明の別の重要な態様はコストの低減、システムの簡素化、および性能の向上という歴史的な傾向を価値ある形でサポートし、サービスすることである。

【0051】

したがって、本発明のこれらおよび他の価値ある態様は、技術の状態を少なくとも次のレベルにまで高める。

【0052】

本発明を特定の最良の形態に関連して説明してきたが、多くの代替、修正、および変形が、前述の説明に照らして当業者には明らかとなることを理解されたい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るそのような代替、修正、および変形をすべて包含するものとする。本明細書でこれまでに説明され、または添付の図面に示されたすべての事項は、例示的で非限定的な意味で解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】