(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の細長い電極であって、これら電極間に放電領域を形成するように離隔されており、前記放電領域が広軸及び狭軸を持つスラブ配列を持つ一対の細長い電極と、
前記電極間に配置されたレーザガスと、
前記電極に電圧を与えて前記ガスを励起し、ガス放電を形成する手段と、
レーザビームを形成する共振器手段とを備え、
前記共振器手段は、前記電極の端部に少なくとも２つのミラーを含み、これらミラーは、前記電極の一端部に第１のミラー（30）及び第４のミラー（34）を、他端部に第２のミラー（32）及び第３のミラー（36）をそれぞれ含み、これら第１乃至第４のミラーは共焦点配列になるように、第１のミラー（30）と第２のミラー（32）との間の焦点F1、第２のミラー（32）と第３のミラー（36）との間の焦点F2、第３のミラー（36）と第４のミラー（34）との間の焦点F3を形成するように配置され、これらミラーが角度的方向及び曲率を有し前記狭軸内の電極間に導波管を形成すると共に前記広軸内に自由空間伝搬を画定することにより、前記ミラーが協力して前記ビームを前記広軸内の多数経路に沿って折り返し、前記各経路が前記電極の対向端部にあるミラー間に延在するようにされたガスレーザ。
【請求項２】
請求項１のレーザにおいて、不安定型共振器が前記広軸内に画定されるレーザ。
【請求項３】
請求項１のレーザにおいて、負枝不安定型共振器が前記広軸内に画定されるレーザ。
【請求項４】
請求項１のレーザにおいて、前記ビームは前記ミラーの１つの端部に沿って前記共振器手段の外と結合されているレーザ。
【請求項５】
請求項１のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広軸の側端部の近くで共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項６】
請求項５のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広軸の中間位置において共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項７】
請求項１のレーザにおいて、空間が前記電極の１つの端部にある前記ミラー間に画定されていて前記レーザビームを前記共振器の外と結合するレーザ。
【請求項８】
請求項１のレーザにおいて、前記電極の各端部に２つだけミラーがあって前記放電領域内に６通過ビーム伝搬パターンを画定するレーザ。
【請求項９】
請求項１のレーザにおいて、前記電極の各端部に３つのミラーがあって前記放電領域内に10通過ビーム伝搬パターンを画定するレーザ。
【請求項１０】
一対の細長い電極であって、これら電極間に放電領域を形成するように離隔されており、前記放電領域が広軸及び狭軸を持つスラブ配列を持つ一対の細長い電極と、
前記電極間に配置されたレーザガスと、
前記電極に電圧を与えて前記ガスを励起し、ガス放電を作る手段と、
レーザビームを形成する共振器手段とを備え、
前記共振器手段は、前記電極の端部に少なくとも２つのミラーを含み、これらミラーは、前記電極の一端部に第１のミラー（30）及び第４のミラー（34）を、他端部に第２のミラー（32）及び第３のミラー（36）をそれぞれ含み、これら第１乃至第４のミラーは共焦点配列になるように、第１のミラー（30）と第２のミラー（32）との間の焦点F1、第２のミラー（32）と第３のミラー（36）との間の焦点F2、第３のミラー（36）と第４のミラー（34）との間の焦点F3を形成するように配置され、これらミラーが角度的方向及び曲率を持っていて前記狭軸内で安定であり、且つ前記広軸内で不安定であるハイブリッド共振器を画定すると共に、前記ミラーが協力して前記ビームを前記広軸内の多数経路に沿って折り返すガスレーザ。
【請求項１１】
請求項１０のレーザにおいて、前記狭軸内の前記電極の空問は導波管を形成するように選択されるレーザ。
【請求項１２】
請求項１０のレーザにおいて、負枝不安定型共振器が前記広軸内に画定されるレーザ。
【請求項１３】
請求項１０のレーザにおいて、前記ビームは前記ミラーの１つの端部に沿って前記共振器手段の外と結合されるレーザ。
【請求項１４】
請求項１３のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広軸の側端部の近くで共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項１５】
請求項１３のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広軸の中間位置において共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項１６】
請求項１３のレーザにおいて、空間が前記電極の１つの端部にある前記ミラー間に画定されていて前記レーザビームを前記共振器の外と結合するレーザ。
【請求項１７】
請求項１３のレーザにおいて、前記電極の各端部に２つだけミラーがあって前記放電領域内に６通過ビーム伝搬パターンを面定するレーザ。
【請求項１８】
請求項１３のレーザにおいて、前記電極の各端部に３つのミラーがあって前記放電領域内に10通過ビーム伝搬パターンを画定するレーザ。
【請求項１９】
一対の細長い電極であって、前記電極間に放電領域を形成するように離隔されており、前記放電領域が広軸及び狭軸を持つスラブ配列を持つ一対の細長い電極と、
前記電極間に配置されたレーザガスと、
前記電極に電圧を与えて前記ガスを励起し、ガス放電を形成する手段と、
レーザビームを形成する共振器手段とを備え、
前記共振器手段は、前記電極の端部に少なくとも２つのミラーを含み、これらミラーは、前記電極の一端部に第１のミラー（30）及び第４のミラー（34）を、他端部に第２のミラー（32）及び第３のミラー（36）をそれぞれ含み、これら第１乃至第４のミラーは共焦点配列になるように、第１のミラー（30）と第２のミラー（32）との間の焦点F1、第２のミラー（32）と第３のミラー（36）との間の焦点F2、第３のミラー（36）と第４のミラー（34）との間の焦点F3を形成するように配置され、これらミラーが角度的方向及び曲率を有して前記狭軸内で安定であるハイブリッド共振器及び前記広軸内の負枝不安定型共振器を画定すると共に、前記ミラーが協力して前記ビームを前記広軸内の多数経路に沿って折り返すガスレーザ。
【請求項２０】
請求項１９のレーザにおいて、前記狭軸内の前記電極の空間が、導波管を形成するように選択されるレーザ。
【請求項２１】
請求項１９のレーザにおいて、前記ビームは前記ミラーの１つの端部に沿って前記共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項２２】
請求項２１のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広帖の側端部の近くにおいて共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項２３】
請求項２１のレーザにおいて、前記ビームは前記放電領域の前記広軸の中間位置において共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項２４】
請求項１９のレーザにおいて、空間が前記電極の１つの端部にある前記ミラー間に画定されていて前記レーザビームを前記共振器の外と結合するレーザ。
【請求項２５】
請求項１９のレーザにおいて、前記電極の各端部に２つだけミラーがあって前記放電領域内に６通過ビーム伝搬パターンを画定するレーザ。
【請求項２６】
請求項１９のレーザにおいて、前記電極の各端部に３つのミラーがあって前記放電領域内に10通過ビーム伝搬パターンを画定するレーザ。
【請求項２７】
広い及び狭い軸を持つスラブ形状のゲイン領域を持つレーザ手段と、
前記ゲイン媒体を付勢する手段と、
レーザビームを形成する共振器手段とを備え、
前記共振器手段は、前記スラブ形状のゲイン領域の対向端部に少なくとも２つのミラーを含み、これらミラーは、前記電極の一端部に第１のミラー（30）及び第４のミラー（34）を、他端部に第２のミラー（32）及び第３のミラー（36）をそれぞれ含み、これら第１乃至第４のミラーは共焦点配列になるように、第１のミラー（30）と第２のミラー（32）との間の焦点F1、第２のミラー（32）と第３のミラー（36）との間の焦点F2、第３のミラー（36）と第４のミラー（34）との間の焦点F3を形成するように配置され、これらミラーが方向及び曲率を有して前記狭軸内で安定であり、且つ前記広軸内で不安定であるハイブリッド共振器を画定すると共に、前記ミラーが協力して前記ビームを前記広軸内の多数経路に沿って折り返すガスレーザ。
【請求項２８】
請求項２７のレーザにおいて、負枝不安定型共振器が前記広軸内に画定されるレーザ。
【請求項２９】
請求項２７のレーザにおいて、前記ビームは前記ミラーの１つの端部に沿って前記共振器手段の外と結合するレーザ。
【請求項３０】
請求項２７のレーザにおいて、空間が前記放電領域の１つの端部にある前記ミラー間に画定されていて前記レーザビームを前記共振器の外に結合するレーザ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本願発明は複合の折り返された共振器構造を持つ高出力のガススラブ導波管レーザに関する。
発明の背景
ここ数年、ガススラブレーザ（ガス平板レーザ）の改良にかなりの関心が持たれている。米国特許第5,123,028号（本願出願人に譲渡されたものであり、参考としてここに組込む）に記載されているように、そのような種類のレーザは、一対の平面の方形の電極を備えており、その電極はスラブ放電領域を形成するように隔置されている。そのスラブ放電領域は電極間に延在する狭軸と電極表面と平行に延出する広軸とを持つ。望ましい実施例においては、その狭軸は電極間に導波管チャネルを形成する。
二酸化炭素のようなレーザガスが電極の間に配置される。その電極に電圧を引加して（電極を付勢して）そのガスを励起する手段が設けられている。図示された実施例においては、レーザガスはRF発生装置を用いて励起される。電極の各端部の近くにミラーが配置されていて共振器が構成されている。
スラブレーザの出力を最大にしかつ安定性を高めるために、「ハイブリッド」共振器を採用するのが望ましい。ハイブリッド共振器においては、一方の軸内の光の伝搬は他方の軸内の光の伝搬度とは異なる。上述の通り、狭軸においては、安定導波管共振器が画定されている。これに対し、広軸においては、自由空間共振器が画定されている。広軸の幅が数センチメータ又はそれより大きいときには、その自由空間共振器は不安定型共振器によって画定される。望ましい実施例においては、負枝不安定型共振器（negative branch unstable resonator）が用いられている。それに加えて、共振器の一方の端部ミラーが他方の端部ミラーよりもわずかに短いので、レーザビームは共振器の外に「エッジ結合」することができる。
本願の出願人は、医療システム（商標「Ultrapulse」で販売）及び産業上の応用（商標「Diamond」で販売）の両方に使用するために上掲の特許に従って設計されたレーザを好結果で販売している。さらにその製品を改良するために十分な研究活動が続けられている。
研究されている１つの分野はレーザ出力の安定に関する。上掲の特許に見られるように、共振器ミラーはシールされたレーザハウジングの端部に取り付けられている。レーザが作動するときに、ハウジングの長さ、つまり共振器の長さが変化する。共振器の長さが変わると、レーザの異なる縦モードがモード掃引（mode sweeping）と称される現象によって発振する。そのモード掃引現象の結果、10パーセント及び15パーセント程度を越える出力変動が生じる。その出力変動は医療及び産業の双方への応用にとって有害なものとなることがある。
従って、本願発明の目的は、二酸化炭素のスラブ導波管レーザの出力安定を十分に改善する改良された共振器構造を提供する点にある。
さらに、本願発明の目的は整合安定性（alignment stability）を改善する新たな共振器構造を提供する点にある。
本願発明の他の目的は、レーザが増加された縦モード数で作動できる新たな共振器構造を提供する点にある。
さらに、本願発明の目的は、単一波長作動用の高い同調性を提供する新たな共振器構造を提供する点にある。
さらに、本願発明の他の目的は、ビームが、一方の端部ではなくて、スラブ放電領域の中心から外れて結合できる新たな共振器構造を提供する点にある。
さらにまた、本願発明の目的は、放電領域の幅が拡張できる一方、ミラーによって引き起こされる球面収差を最小化できる改良された共振器構造を提供する点にある。
さらに、本願発明の他の目的は、固体スラブレーザのようなスラブ形状（平板形状）のゲイン領域を持つ他のレーザに用いるのに適した改良された共振器構造を提供する点にある。
本願発明の概要
これらの及び他の目的に従って、本願発明はビーム経路が、広い又は自由空間軸内で折り返されるような特異な共振器構造を提供する。基本的な実施例においては、２つのミラーが電極の各端部に配置されている。折り返された経路は、従来の設計において２回のみの場合と比べてビームが放電空間を６回横切るように画定されている。
放電領域内の経路長さを３の係数によって増加するとレーザ内で発振することができる縦モードの数も同様に増加する。発振できるモードの数を増加すると共振器の長さの変化に関連する出力の変動が実質的に減少する。最初の実験において、本願の共振器の出力の変動は、標準的な共振器構造に関する10乃至15パーセントに対し、１パーセントより小さかった。ビームがゲイン領域を通過する回数が３折り返し増加すると作動効率の増加にもつながる。
望ましい実施例においては、ミラーの曲率及び配向は複合共振器を構成するように選択され、そこでは各経路を境界付けるミラーは別々の共振器のような構造を形成する。従って、各ミラー対間の伝搬は狭軸において安定導波管を形成するとともに広軸において負枝不安定型構造を形成する。広軸においては、ミラーはミラー対間の焦点を作る焦点共有関係に配置されている。この特異な複合共振器は高められた整合安定性につながる。
本願発明の構造の他の利点はビームが端部ではなくレーザの中心を外れて結合することができる点にある。以下に説明する１つの実施例においては、空間が電極の一方の端部に設けられたミラー対の１つの間に提供される。この構成においては、レーザビームはミラー間の空間を経由して共振器の外と結合する。
本願の共振器は電極の各端部に３又は４以上のミラーを含むように変更することができ、これにより非常に多数の折り返しを作ることができる。折り返しの数を増加することによって、電極の幅を容易に増加することができ、これによってユニット長さごとの出力を増加することができる。従来の構造においては、電極の幅に実質的な制限があった。より詳しく述べると、電極の幅を増加したときにはミラー幅も増加しなければならなかった。ミラー幅を増加すると光学システムに不要な球面収差を導くことになった。共振器の各端部に多数のミラーを用いるとその球面収差を最小にすることができる。
本願発明のさらに他の目的及び利点は図面に関連する以下の詳細な説明から認識することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本願発明に係る複合共振器を含むRF励起のスラブ導波管共振器の概略斜視図である。
図２はレーザビームの折り返された経路の概略図であり、図2aは第１の２つの経路を示し、図2b及び図2cはそれぞれ第３及び第４の経路を示し、図2dは第４及び第５経路並びに共振器からのビームの外部結合を示す。
図３は図２に似た図で、すべてのビームの経路を単一の図で示す。
図４は４ミラー共振器を示す図で、そこではビーム経路は折り返されておらず直線状の進行を示す。
図５は図３に似た図であるが、ビームが放電領域の外側端部に沿って外と結合するように示されている点が異なる。
図６は６ミラー共振器構造におけるビーム経路を示す図であり、そこでは３つのミラーが放電領域の各端部に配置されており、さらに、ビームが外側のミラーの内方端部を通過して外部と結合する。
図７はビーム経路が折り返されていない状態の図６の共振器を示す。
図８は図６と同様の６ミラー共振器構造の図であり、そこではビームが内側ミラーの１つの端部を通過して外側と結合する。
図９は８ミラー共振器構造におけるビーム経路の図であり、そこでは４ミラーが放電領域の各端部に配置されている。
図10乃至15は一対のミラーを密封されたガスレーザ内の電極の端部に設けるための望ましい実施例を示す。
図10は上方電極の頂部に向かって見下ろした断面図である。
図11は図10の右側から見た立面図である。
図12は図10の左側から見た立面図である。
図13は図10の線13−13に沿って見た断面図である。
図14は図10の線14−14に沿って見た断面図である。
図15は図10に示す端部キャップ114の分解斜視図である。
望ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、一対の細長くて長方形の平面状の電極12及び14を持つレーザ10が示されている。その電極はスラブ（平板状のもの）又は長方形構造を持つ放電領域16を画定するように配置されている。図１からわかるように、電極間の空間Ｓは比較的狭く、導波管軸を画定する。その空間は典型的な例では2mmの大きさである。これに対し、電極の幅Ｗは非常に大きく、４乃至5cmの大きさである。
レーザガスが放電領域16内に置かれる。上掲の特許で触れられているように、市販用の装置においては電極は密封されたハウジング内に設けられており、ハウジングはレーザガスとしての二酸化炭素も収容する。そのガスはRF発生装置20によって励起され、その発生装置は適切な整合ネットワーク（図示せず）を介して電極に接続されている。このレーザの構造に関するより詳しい説明は米国特許第5,123,028号を参照することによって得ることができる。
上掲の特許で触れられているように、共振器は、第１のミラーを電極の一方の端部の近くに配置するとともに第２のミラーを電極の他方の端部の近くに配置することによって構成される。従来の構造では、ハイブリッド共振器を構成するように球面ミラーが選択されていた。より詳しく述べると、導波管共振器（そこでは、光の伝搬が電極表面によって制御されている）が狭軸内に画定されている。これに対し、負枝不安定型共振器（negative branch unstable resonator）（そこでは光伝搬がミラーのみによって制御されている）が広軸内に画定されている。そのハイブリッド構造の基本的な原理は本願発明の実施例において進展している。
図１からわかるように、本願発明に係る共振器構造においては、対のミラー30、34及び32、36が電極12、14の各端部に配置されている。電極の幅が従来の構造におけるものと同一であると仮定すると、各ミラー30−36の幅は従来のミラーの幅の概略半分ほどになる。そのミラーの曲率及び配向はビーム経路がレーザの広い又は自由空間軸内で折り返されるように決定される。その折り返しパターンは導波管軸内でビームを折り返すための他の従来の成果と対比することができる。
米国特許第5,123,028号に説明されている従来の構造においては、共振器内のビーム幅は２通過構造と考えることができる。これに対し、図１に示すように電極各端部に２つのミラーを用いると、ビームは放電領域を６回横切ることになって、効果的に３の係数によって経路長さを増加することができ、それは、以下に詳細に説明する多数の利点を提供する。
図2a乃至図2dは折り返されたビーム経路を示す。それらの図は図１に示されているレーザの頂部からの平面図で、自由空間軸内のビームの伝搬を示す。上述の通り、狭軸内をビームが導波管モードで伝搬する。これらの図においては、ミラーは平面に見えるが実際には球面である。
図2aにおいては、ビーム40がミラー30から出発して第１の方向に沿って移動し、第１焦点F1を通過してミラー32に達するように示されている。ビーム40はそれからミラー32から反射されてほぼ平行状態でミラー34に向かって下方に向けられる。ミラー32が上方に傾けられていて第２通過がミラー30に向かうとすると、ビーム伝達特性は従来の２ミラーの負枝不安定型共振器構造と同一になるという点は認識すべきである。各通過を通じて負枝不安定型共振器の特性を維持するミラー曲率及び配置位置を用いると、ビームが多重通過状態に折り返されたとしても、整合安定性は損なわれない。
図2bはミラー34からミラー36までのビームの第３の通過を示す。そのビームは点F2で第２焦点を通過する。図2cはミラー34に戻る平行にされたビームを示す。図2dにおいてはビームはミラー34からミラー32に向かって上方に戻る。この第５の通過に沿ってビームは点F3で収束される。ミラー32に到達するとビームは反射されてほぼ平行な状態でミラー34に向かって戻される。
このような種類の共振器構造について熟知されているように、ビームの幅はミラーの曲率によって与えられる倍率のために各通過のたびに増加する。従って、ビーム40が図2dに示すようにミラー30に到達したときにはその幅はそれが最初にそのミラー表面から出発したときよりも大きくなる。このため、そのビームは公知の端部結合方法によってミラーの端部に沿って共振器の外と結合することができる。
図２に示す実施例においては、ミラー30の長さＬは他のミラーの長さよりも短い。加えて、ミラー30は、そのミラー30と隣り合うミラー34との間に空間を形成するように配置されている。この構成によって、ビーム40は放電空間の端部ではなくて中心近くで共振器の外側と結合することができる。
放電空間の中心の側から結合することによっていくつかの実施上の利点を提供することができる。より詳しく述べると、レーザハウジングの中心の側から結合するビームのための光学システムを設計することは多くの場合容易である。加えて、放電の中心の近くの外側に結合することによってスラブの端部からの回折の影響を回避することができる。
中心結合方法を本願発明の共振器とともに用いることは特に望ましいが、それは、その方法がミラー30の取り付けを簡略化するのに役立つからである。より詳しく述べると、ビームがミラー30の端部の外側を通過して結合するように共振器を構成すると（以下に図５において説明するように）、ミラー30の内側及び外側端部の両方の配置の精度が不安定になる。ミラー30の外側端部はビームを適切に外側に結合するように正確に配置されなければならない。加えて、ミラー30の内側端部はミラー34に関して正確に配置されなければならない（図５参照）。
これに対し、中心結合配置においては、ミラー30の内側端部のみを正確に配置する必要がある。ミラー30の外側端部は（ミラー32、34及び36の外側端部のように）単に放電領域を越えるとともにビーム経路を越えて延在しており、つまり、外側端部の配置は重要ではない。
ここに開示した本願発明の折り返し共振器構造の１つの重要な利点は、多数のビーム経路が放電領域の寸法を増加することなく共振キャビティーの長さを増加する点にある。周知のように、発振によって保持することができる縦モードの数はそのキャビティーの長さに直接に比例する。従って、４ミラー構造を用いると、それはレーザの経路長さを３倍するので、発振できる縦モードの数も３倍される。
縦モードの数の増加はレーザの出力安定性をかなり改善する。より詳しく述べると、新たな構造では、発振モードの増加はすべての出力変動を最小化する傾向があり、その出力変動はキャビティーの長さが作動の間に変わることによるモード掃引のために発生することがあるものである。最初の試験において、新たな構造を用いると、出力の変動が１パーセントを越えないことがわかった。これは、出力が10乃至15パーセント程度まで変動する傾向があった従来の構造を越える大きな改良である。
レーザ内で発振することができる縦モードの数を増加することにより達成できる他の利点はより大きな出力周波数を得ることができる点にある。これは単一波長作動時のレーザの調整可能性を改良する。
本願発明の複合共振器構造も平坦な折り返しミラーを単に用いた従来の折り返された構造と対比されるべきである。それらの従来の構造もレーザ内の経路長さを増加するように機能するもので、重大な整合問題を持っている。より詳しく述べると、平坦な反射器が共振器内でビームを折り返すために用いられるときには、整合感度が増加するが、それは平坦なミラーのいかなる角度傾斜も反射されたビーム内に角度傾斜の変化を２度生じさせるからである。多数の平坦なミラーが単一の共通の台によって保持されている場合には、その台のどのような調整誤りも何度も増幅され、これにより、重大な整合誤差を生じさせる。これに対し、湾曲ミラーを用いるとともに各経路に沿って実質的に負枝不安定型共振器に似せて機能させると、レーザは非常に安定状態に維持される。上述の通り、この構造においては、１つの焦点がビームの経路を境界付ける各対のミラーの間に存在する。望ましい実施例においては、各ミラーの組によって画定される経路は整合安定性を最大化する焦点共有構造である。
多数ミラー構造の他の利点は、スラブ放電の幅を、球面収差に関連する問題に出会うことなく所望により拡大できる点にある。より詳しく述べると、上述のように、従来技術においては、電極幅が増大するときにはミラー幅も増加しなければならなかった。ミラー幅の増大により、不要な球面収差が光学システムに導かれていた。このような球面収差の増大によってスラブ放電領域の幅の最大化に制限が与えられていた。
これに対し、本願発明の構造においては、放電の幅を横切る多数のミラーを用いると、個々のミラーの幅を増大させる必要はない。むしろ、電極の幅を増大すると、各端部に用いるミラーの数を増大できるとともに球面収差を望ましい低いレベルに維持することができる。実際、多数のミラーを用いると個々のミラーの幅を減少させることができる。多数のミラー共振器を用いることによって、かなり広い放電領域を持つレーザを設計することが可能になる。このアプローチによって正方形の電極（つまり、電極の幅及び長さの両方ともが同一である）を持つレーザを設計することができる。正方形の電極を持つレーザにおいては、放電面積（幅×長さ）が所定の長さに対して最大化される。様々な６及び８ミラー構造を以下に図示するとともに説明する。
本願発明の複合共振器はスラブ放電領域を持つ他の種類のレーザに対して有用性を与えることができる。従って、図２に示すようなミラー間に固体スラブ材料を配置することができるようになる。この概念は1985年12月17日にチュン（Chun）に付与された米国特許第4,559,627号に説明された種類の固体レーザに用いられるハイブリッド共振器の拡張である。
図３は図２に似た図であり、そこでは、ビームのすべての経路が単一の図面内に重ねられた状態で示されている。図４においては、ビームの経路はビームの直線状の伝搬を示すために折り返されていない。
図５は図３と同様な図であるが、ビームがミラー30の外側端部に沿って外側で結合する点が異なる。この構造においては、ミラー30はミラー34に接近して配置されており、これにより、増幅されかつ拡張されたビームはミラー30の外側端部を通過して共振器の外側と結合することができる。
図６は６ミラー（M1−M6）共振器内のビーム経路を示す図であり、そこでは、３ミラーがスラブの各端部に設けられている。この実施例においては、ビームは共振器の外側と結合する前に放電空間を10回横切る。この実施例の出力結合はスラブ放電の端部に沿ってミラーM1を通過する。ミラーM1の位置を移動することによってビームをミラーM1とM3との間で共振器の外側と結合させることができる。図７はビーム経路を折り返さない状態での図６の共振器を示す。
図８は６ミラー（M1−M6）共振器構造の他の例示である。図６の実施例と同様にビームは放電領域を10回横切る。しかし、この実施例においては、異なるビームパターンを作るようにミラーの角度が選択されている。より詳しく述べると、この実施例においては、ビーム経路は中央ミラーM1から始まり、図２の４ミラーの実施例と同様な方法でミラーM4まで延びる。ミラーM4はビームが放電領域を斜めに横切ってミラーM5に達するようにそのビームを反射するように角度付けられている。ミラーM4及びM5は（ビーム経路を境界付ける他のすべてのミラー対と同様に）共焦点の負枝不安定型共振器構造の状態にある。
ミラーM5はビームをミラーM6に向ける。ビームはミラーM6に到達した後、ミラーM5、M4、M3及びM2をそれぞれ経由してミラーM1に戻るように反射される。そのビームはそれからミラーM1の端部を通過して共振器の外側と結合する。図８の実施例から認識できるように、本願発明に係る構造は多数の異なるビーム経路を提供して出力結合がいずれのミラーの端部をも通過できるようにする。
図９は８ミラー（M1−M8）の共振器構造を示しており、そこでは４ミラーが共振器の両端部に配置されている。この実施例においては、ビームは共振器を通じて14回通過するよう折り返されている。そのビームはミラーM1の内側端部を通過して共振器の外側と結合する。追加のミラー組の各々（つまり、共振器の各端部の１つの余分なミラー）ごとにビームが放電領域内を戻ったり進行したする回数が４ずつ増加する点を認識すべきである。
図10乃至15は望ましい１つの実施例のレーザを示しており、それは本願発明に係る共振器を用いるとともに、電極の端部に一対のミラーを取り付けるために用いることができる機器を備える。この実施例は改良されたミラー取り付けを除いて上掲の米国特許第5,123,028号に開示されたレーザとほぼ同じである。
最初に図10を参照すると、そこには一対の端部プレート112及び114によって真空密封されたアルミニウムのハウジング110が描かれている。一対の電極120（一方のみを示す）が運動学的にハウジングに取り付けられている。RFエネルギーが適当なフィードスルーを介してハウジングに結合される。二酸化炭素のレーザガスがハウジング内に密封されている。レーザ混合ガスは典型的な例としては3:1:1の比率でヘリウム、窒素及び二酸化炭素を含み、少しのキセノンを含むこともできる。
本願発明によると、共振器は電極の各端部に隣接されて配置された２つのミラー（30、32、34、36）によって画定される。米国特許第5,123,028号に開示されているように、球面ミラーの曲率は不安定型共振器軸内で望まれる倍率に基づいて決定される。その後、電極の端部とミラーとの間の空間が、ビームがミラーに到達するときのそのビームの波頭の曲率半径（狭軸における）がミラーの曲率半径に一致するように選択される。
ミラー取り付け機器は従来のと同様な機能を提供するもので、ミラーの角度を密封されたハウジングの外側から調整することができる。この目的を達成するために、各端部プレート112、114は一対の環状溝130、132、134及び136を含む。各溝は環状のたわみ領域140、142、144及び146を画定する程度の量まで端部プレートの内側表面に向かって延びる。溝はその溝の半径方法内部に配置され、軸線方向に延在する傾斜部材150、152、154及び156も画定する。
ミラー取り付け部160、162、164及び166が端部プレートの内側表面に接続されるとともに関連する傾斜部材と整列される。ミラー30、32、34及び36はその取り付け部によって保持されている。認識できるように、傾斜部材の角度を環状たわみ領域に関して調整することによってミラーの角度を調整することができる。
従来の構造と同様に、複数のねじ及びピンを用いて傾斜部材の角度を調節してミラーの角度を変更する。従来は、この結果は傾斜部材を直接偏倚するための４つの直交ピンを用いて達成された。この従来の構造は２つのミラーをハウジングの各端部に取り付けられるようにするために改造された。
その新たな構造を端部プレート114に関連して最初に説明する。図13及び図15に最も明瞭に示すように、端部プレート114には第１平面内にある６つのねじ切りされた開口（170、171、172、173、174及び175）が設けられている。各開口は偏倚ピン（190、191、192、193、194及び195）を持つねじ（180、181、182、183、184及び185）を受け入れる。ピンの軸線方向への位置はねじを回転することによって調整され、それによって関連する傾斜部材に偏倚力が及び、その結果、傾斜部材及び関連するミラーの角度を変更することができる。
明らかにわかるように、各ミラーに関連する３つの同一平面内のねじによってそのミラーを４つの必要な軸の内の３つに関して角度調整ができる。双方のミラーの調整のための残りの軸は端部プレート114上の他方のミラーによって占有されたラインに沿って存在するので単純に４番目の偏倚ピン及びねじを従来と同様な方法で用いることはできない。
従って、残りの４番目の軸に沿った調整を提供するために、逆偏倚ねじを用いる。より詳しく述べると、図14及び図15に最も良く示すように、各傾斜部材154、156にはさらにねじ切りされた開口210、212が設けられており、それはねじ切りされたねじ220、222及び関連するピン230、232を受け入れる。ねじ切りされていない孔240、242がねじ220、222に接近するために端部プレートに設けられている。ねじ切りされた開口210、212は１つの面内に位置しており、その面はねじ切りされた開口170−175の面と平行ではあるが隔置されていてねじ220、222への軸線に制限を与えない。ねじ220、222を回転することによって、ピン230、232は溝134、136の半径方向外側表面に対し偏倚し、これによってトルクを関連する傾斜部材に与える。各傾斜部材に関連する４つのねじを調整することによってミラーの所望の角度を密封されたハウジングの外側から得ることができる。
端部プレート112は、ビームが端部プレート112を介してハウジングの外側と結合する点において端部プレート114とは異なる。図10に見られるように、ミラー30の内側端部は開口を提供するように短くされており、それを介してビームが共振器の外側と結合することができる。端部プレート112はチャネル260を備えており、それを介してビームが通過することができる。透明窓270が10.6ミクロン放射線まで透過材料から作られていてチャネル260内に密閉される。
図10乃至15に示されたミラー取り付け構造は本願発明に係る構造の複合共振器構造を実行するための適切な手段を提供する。これらの技術に従って形成されたレーザを組み立てて試験を行った。そのレーザは電極の各端部に一対のミラー（30−36）を持ち、折り返されたビーム経路を作った。各ミラーは曲面で、曲率619mmを持つミラー30、34と曲率693mmを持つミラー32、36を備えていた。そのミラーは655mm離された。ミラー32及び34は共焦点共振器をそれらの間に形成するようにそれぞれに向かって傾けられた。傾斜角度は17ミリラジアンの大きさである。従来から周知のように、キャビティーを安定化しレーザ出力を最大化するために、組み立て時にいくつかの追加のわずかな角度の調整が各ミラーについて行われた。24時間の連続作動の間レーザの出力変動は１パーセントを越えなかった。
本願発明を望ましい実施例に関連して説明したが、様々な変更及び改変が、請求の範囲によって確定される本願発明の範囲及び意図を逸脱することなく、当業者は行うことができるであろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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