(57)【要約】      （修正有）【課題】  レーザ媒質が境界層内に分散することを抑制してレーザの発振効率の低下を防止することができるガスレーザ発生装置を提供する。【解決手段】  レーザ共振器４と、レーザ媒質を前記レーザ共振器４へ送出するダクト９と、当該ダクト９内の上流側に設けられた、非反応性ガスを噴射する噴射ノズル１４とを備えており、当該噴射ノズル１４の開口端部は、その軸中心線が前記ダクト９の下流側に向かって延びるように形成されるとともに、前記ダクト内壁面に沿って非反応性ガスを噴射すべく前記ダクト内壁面近傍に形成されるダクト９内の流れの境界層内に配置される。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器と、
レーザ媒質を前記レーザ共振器へ送出するダクトと、
当該ダクトに設けられた、非反応性ガスを噴射する噴射ノズルとを備えており、
当該噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記ダクトの下流側に向かって延びるように形成されるとともに、前記ダクト内壁面に沿って非反応性ガスを噴射すべく前記ダクト内壁面近傍に形成されるダクト内の流れの境界層内に配置されてなる、ガスレーザ発生装置。
【請求項２】
前記噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記ダクトの軸中心線に向けて傾斜して前記ダクト内壁面と第一の角度をなすように構成されており、
当該第一の角度が、前記噴射ノズルの開口端部から噴射された非反応性ガスの流れが前記ダクト内壁面から剥離しないようにかつダクト内壁面に衝突しないように設定されている、請求項１記載のガスレーザ発生装置。
【請求項３】
前記第一の角度が２度ないし３度である、請求項２記載のガスレーザ発生装置。
【請求項４】
前記噴射ノズルの開口端部から下流側のダクト内壁面にかけてコアンダ効果を生じさせるための斜面部をさらに備えており、
当該斜面部は、ダクトの上流側に配置され前記ダクトの内側に向けて当該ダクトの軸中心線と第二の角度をなす上流斜面部と、当該上流斜面部の下流側に連続するとともに前記ダクトの外側に向けて上流斜面部と所定の傾斜角をなす下流斜面部とを備えており、
前記噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記上流斜面部と第三の角度をなしており、
当該第三の角度は、前記噴射ノズルの開口端部の軸中心線が前記ダクトの軸中心線に向けて傾斜するように設定されている、請求項１記載のガスレーザ発生装置。
【請求項５】
前記第二の角度が７．５度以上１０度未満であり、
前記第三の角度が２度ないし３度である、請求項４記載のガスレーザ発生装置。
【請求項６】
前記噴射ノズルの開口端部のダクト内壁面側の部分と、前記ダクト内壁面との離隔距離が所定値以下である、請求項２または４記載のガスレーザ発生装置。
【請求項７】
前記所定値が０．３ｍｍである、請求項６記載のガスレーザ発生装置。
【請求項８】
前記噴射ノズルの開口端部から下流側のダクト内壁面にかけてコアンダ効果を生じさせるための湾曲部が形成されており、
当該湾曲部が、前記開口端部から噴射された非反応性ガスが当該湾曲部に沿って流れるように形成されている、請求項１記載のガスレーザ発生装置。
【請求項９】
前記レーザ媒質が前記ダクトの内部を超音速で流れる場合であって、
前記ダクトが前記レーザ媒質を加速するための拡大流路部をさらに備えており、
当該拡大流路部が前記噴射ノズルの開口端部または前記斜面部若しくは前記湾曲部の下流側に形成されてなる、請求項１、２、４、８のいずれかに記載のガスレーザ発生装置。
【請求項１０】
前記レーザ媒質が、ヨウ素、ＨＦ、ＤＦ、ＣＯ、ＣＯ２、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ−Ｎｅ、Ｎ２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆのいずれかを含んでおり、
前記非反応性ガスが、前記レーザ媒質に応じた、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、ＮＯ２のうちのいずれか１つのガス、または複数の混合ガスを含んでいる、請求項１ないし９のいずれかに記載のガスレーザ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ媒質がレーザ共振器内を流れるガスレーザ発生装置に関し、特にガスダイナミックレーザ、化学レーザなどのガスレーザ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ媒質がレーザ共振器内を流れるガスレーザ発生装置として、ガスダイナミックレーザ、化学レーザなどのガスレーザ発生装置を挙げることができる。
【０００３】
具体的にガスダイナミックレーザ発生装置は、高温高圧ガス発生器（燃焼方式等）、レーザ媒質加速用超音速ノズル、共振器、超音速ディフューザから構成されている。この装置では、前記超音速ノズルを出たレーザ媒質が反転分布状態となり光を発生し、この光を共振器での誘導放出によって増幅してレーザ光を出力する。ところがこの装置では、燃料の未燃分、すすなどを含んだレーザ媒質が共振器内の共振ミラーに付着する場合がある。その結果共振ミラー面が焼けて破壊され、レーザ出力が低下するという問題があった。そこでこれに対処するためこのような装置では、例えば特許文献１に示すように共振ミラーの表面に沿った超音速シールドガスを噴射するシールドガス用超音速ノズルを備える。そして超音速ノズル出口のシールドガスの圧力と流速とを適正に設定することにより、レーザ媒質の共振ミラーへの接触を防止している。
【０００４】
しかしながらこの装置では、レーザ媒質が燃料の未燃分、すすなどを含まなければ、シールドガスが不要となり、上記のような複雑な構成にする必要がないといえる。またこの装置では、超音速ノズル出口のシールドガスの圧力と流速とを適正に設定するために、超音速ノズルの膨張比およびシールドガスボンベの温度および圧力を制御しなければならないので、装置が複雑になる場合もある。
【０００５】
一方前記化学レーザ発生装置は、化学物質の反応を行う反応器と、レーザ共振器と、反応器で生成されたレーザ媒質をレーザ共振器へ送出するダクトとを備える。この化学レーザ発生装置では、反応を効率よく行うため反応器内のガス圧を数kPaにするとともに、レーザ媒質を膨張させて超音速に加速するため共振器内のガス圧力を数百Paに維持している。このようにレーザ媒質を膨張させて超音速に加速することにより、レーザ媒質の温度が下がり反転分布状態を得ることが可能になる。同時にレーザ媒質が共振器に至るまでの時間を短縮することができ、その間にレーザ媒質がレーザ発振に係わる反応を起こしてエネルギを失うことを抑制することが可能となる。
【０００６】
しかしながらこの化学レーザ発生装置では、レーザ媒質はダクト内を超音速で流れるが、レーザ媒質の粘性などの影響によりダクト内壁面近傍に境界層が形成される。すなわちダクト内を超音速で流れるレーザ媒質の主流の外周部に境界層が形成される。この境界層では、比較的急な速度勾配、つまりダクト内壁面で略零であり、ダクト内壁面から離れるにつれてレーザ媒質の流速が増加するような速度勾配を有する。この境界層の厚さは、境界層のレーザ媒質の流れのレイノルズ数（Re）は小さいほど大きく、例えば化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の場合、Re＜１０００以下で、境界層がダクトの流路断面積の２０％を超えることもある。
【０００７】
以上のように境界層の厚さが比較的厚く、またレーザ媒質の主流と境界層内の流れとの間の速度差が大きくなるため、レーザ媒質の主流と境界層内の流れとの間で温度差が生じる。ダクト内壁面近傍は主流と比べて温度が高く、レーザ媒質の失活反応（レーザを生じないまま、安定状態になる）が促進されるため、さらなる温度上昇が生じる。その結果、境界層内のレーザ媒質が反転分布状態になることなく共振器に至ることがある。また境界層内のレーザ媒質の流速はレーザ媒質の主流の流速（超音速）に比べて遅いので、境界層内を流れるレーザ媒質はレーザ媒質の主流に比べて共振器に至るまでに時間が掛かる。これによりレーザ媒質がレーザ発振に係わる反応を起こしてエネルギを失うことがある。このような場合、レーザの発振効率が低下する。
【０００８】
また化学レーザ発生装置には、前記ダクト内および共振器内のレーザ媒質の圧力を真空状態に維持する真空装置を小型化するためにエジェクタを利用したものもある（例えば特許文献２参照）。しかしながらこの装置は、エジェクタをエジェクタ効果とミキシング効果を得るためだけに利用しているので、上記と同様の現象が起こりうる。その結果、上記同様、レーザの発振効率が低下する。
【特許文献１】特許第３４０８５７３号  （第１図、段落番号（００１５）〜（００１７））
【特許文献２】特開平１１−１１８３９６号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、レーザ媒質が境界層内に分散することを抑制してレーザの発振効率の低下を防止することができるガスレーザ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るガスレーザ発生装置は、レーザ共振器と、レーザ媒質を前記レーザ共振器へ送出するダクトと、当該ダクトに設けられた、非反応性ガスを噴射する噴射ノズルとを備えており、当該噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記ダクトの下流側に向かって延びるように形成されるとともに、前記ダクト内壁面に沿って非反応性ガスを噴射すべく前記ダクト内壁面近傍に形成されるダクト内の流れの境界層内に配置されてなる。
【００１１】
ここで、ダクト内壁面とは、ダクトの内周壁面の全部または一部を意味し、ダクト内に設けられる構造部材の壁面などは含まない。またダクト内の流れの境界層とは、ダクト内を流れるレーザ媒質とダクト内壁面との間の摩擦や流体の粘性などによって、ダクト内壁面近傍に生じる、主にレーザ媒質の流速が急変する領域をいう。この境界層では、ダクト内壁面におけるレーザ媒質の流速が略零であり、ダクト内壁面から離れるに従ってレーザ媒質の流速が増加する。さらにこの境界層では、ダクト内壁面近傍のレーザ媒質の流速が遅いため、レーザ媒質の温度も高くなる傾向にある。本発明はこのような境界層に着目してなされたものである。
【００１２】
具体的には上記構成では、前記ダクト内壁面に沿って非反応性ガスを噴射するように前記噴射ノズルの開口端部が前記境界層内に配置されているので、非反応性ガスを当該境界層内に噴射することが可能となる。これにより境界層が非反応性ガスに満たされる。その結果、レーザ媒質が境界層に分散することが抑制される。すなわち、非反応性ガスを境界層に噴射することにより、当該境界層が非反応性ガスで形成され、レーザ媒質が境界層に分散することが抑制されうる。以上により、レーザ媒質が従来のように境界層においてエネルギを損失したり、反転分布状態が無くなくなったりすることが抑制される。その結果レーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００１３】
前記レーザ媒質は、ヨウ素、ＨＦ、ＤＦ、ＣＯ、ＣＯ２、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ−Ｎｅ、Ｎ２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆのいずれかを含んでおり、前記非反応性ガスは、前記レーザ媒質に応じた、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、ＮＯ２のうちのいずれか１つのガス、または複数の混合ガスを含んでいることが望ましい。
【００１４】
前記噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記ダクトの軸中心線に向けて傾斜するように第一の角度をなしており、当該第一の角度が、前記噴射ノズルの開口端部から噴射された非反応性ガスの流れが前記ダクト内壁面から剥離しないようにかつダクト内壁面に衝突しないように設定されていることが望ましい。
【００１５】
前記噴射ノズルの開口端部から噴射された非反応性ガスの流れがダクト内壁面から剥離すると、渦などが発生し流れが乱れることがある。これにより、非反応性ガス近傍のレーザ媒質が当該非反応性ガスに巻き込まれ易くなる。その結果、レーザ媒質が境界層に分散しやすくなる。逆に非反応性ガスの流れがダクト内壁面に衝突すると、上記同様非反応性ガスの流れに乱れが生じうる。その結果、上記と同様の理由により、レーザ媒質が境界層に分散し易くなる。また非反応性ガスがダクト内壁面に沿って略平行に噴射される場合でも、噴射された非反応性ガスの一部がダクト内壁面に衝突し、非反応性ガスの流れが乱れる。その結果、上記と同様の理由により、レーザ媒質が境界層に分散し易くなる。
【００１６】
そこで本発明では、前記噴射ノズルの開口端部の軸中心線が前記ダクトの軸中心線と第一の角度をなすようにしている。これにより、ダクト内に噴射された非反応性ガスの流れが乱れることを抑制することが可能となる。その結果、レーザ媒質が非反応性ガスに巻き込まれることが無くなり、レーザ媒質の境界層への分散を抑制することが可能となる。
【００１７】
前記第一の角度を２度ないし３度にすることが望ましい。これにより、上述したような前記噴射ノズルの開口端部から噴射された非反応性ガスの流れがダクト内壁面から剥離したり、ダクト内壁面に衝突したり、ダクト内壁面の状態によって影響を受けたりすることを回避することが可能となる。その結果、レーザ媒質の境界層への分散を抑制することが可能となる。
【００１８】
前記噴射ノズルの開口端部から下流側のダクト内壁面にかけてコアンダ効果を生じさせるための斜面部をさらに備えており、当該斜面部は、ダクトの上流側に配置され前記ダクトの内側に向けて当該ダクトの軸中心線と第二の角度をなす上流斜面部と、当該上流斜面部の下流側に連続するとともに前記ダクトの外側に向けて上流斜面部と所定の傾斜角をなす下流斜面部とを備えており、前記噴射ノズルの開口端部は、その軸中心線が前記上流斜面部と第三の角度をなしており、当該第三の角度は、前記噴射ノズルの開口端部の軸中心線が前記ダクトの軸中心線に向けて傾斜するように設定されていることが望ましい。
【００１９】
ここで、コアンダ効果（壁面効果）とは、流れの接する壁面の曲がる方向が流れの軸方向から離れていくときでも、壁面の曲線に沿って流れようとする効果をいう。
【００２０】
この構成によれば、上記同様、ダクト内に噴射された非反応性ガスの流れが乱れることを抑制することが可能となる。これにより、レーザ媒質の境界層への分散を抑制することが可能となる。
【００２１】
さらに上流斜面部に対して下流斜面部を所定の傾斜角で傾斜させることにより、上流斜面部から下流斜面部に至る屈曲部分においてコアンダ効果が生じる。これにより、噴射ノズルからダクトの内部に噴射された非反応性ガスは前記下流斜面部に沿って流れようとする。その結果、上記同様、下流斜面部でも、レーザ媒質の境界層への分散を抑制することが可能である。また噴射された非反応性ガスの流速を適切に設定することにより、非反応性ガスの一部が前記ダクトの軸中心に向かう。これにより、前記ダクト内を流れるレーザ媒質は前記非反応性ガスの一部から運動量を得て、レーザ媒質を加速することが可能となる。また上述の通り、下流斜面部がダクトの外側に向けて上流斜面部と所定の傾斜角をなすように傾斜しているので、境界層がダクトの下流にいくに従って成長し厚くなっても、レーザ媒質の流路が妨げられることはない。なお、前記コアンダ効果を利用しない場合は、大部分の非反応性ガスがダクト内壁面に沿って流れるため、境界層よりも厚い領域に当該非反応性ガスが分布し、レーザ媒質の流路が狭くなるので、レーザの発振効率はコアンダ効果を利用する場合に比べて低くなる。
【００２２】
以上により、コアンダ効果を用いる場合、下流斜面部でもレーザ媒質の境界層への分散を抑制することが可能となるとともに、非反応性ガスの一部の運動エネルギを用いてレーザ媒質を加速することが可能となる。その結果、レーザ媒質が下流斜面部近傍に形成される境界層で失活することを抑制し、レーザ媒質がレーザ共振器に至るまでの時間を短縮し、これにより無駄にエネルギを失うことを抑制することが可能となる。その結果、レーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００２３】
前記第二の角度が７．５度以上１０度未満であり、前記第三の角度が２度ないし３度であることが望ましい。つまり第二の角度が７．５度未満の場合、レーザ媒質の流れがチョークする可能性があるので好ましくない。また第二の角度が１０度以上の場合、前記コアンダ効果が生じにくくなりうるので好ましくない。一方前記第三の角度は３度より大きい場合、コアンダ効果が生じにくくなりうるので好ましくない。また第三の角度は２度より小さい場合、噴射される非反応性ガスが斜面部に衝突しうるので好ましくない。
【００２４】
前記噴射ノズルの開口端部のダクト内壁面側の部分と、前記ダクト内壁面との離隔距離が所定値以下であることが望ましい。これにより、噴射ノズルの開口端部から噴射される非反応性ガスの流れがダクト内壁面から剥離することを回避することが可能となる。その結果、上記と同様に理由により、レーザ媒質の境界層への分散を抑制してレーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００２５】
前記所定値が０．３ｍｍであることが望ましい。前記離隔距離が０．３ｍｍを超える場合、噴射ノズルの開口端部から噴射される非反応性ガスの流れがダクト内壁面または斜面部から剥離する可能性があるので好ましくない。
【００２６】
前記噴射ノズルの開口端部から下流側のダクト内壁面にかけてコアンダ効果を生じさせるための湾曲部が形成されており、当該湾曲部が、前記開口端部から噴射された非反応性ガスが当該湾曲部に沿って流れるように形成されていることが望ましい。これにより、上記と同様の理由により、レーザ媒質の境界層への分散を抑制するとともに、レーザ共振器に至るまでにレーザ発振に係わる反応を起こしてエネルギを失うことを抑制して、レーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００２７】
前記レーザ媒質が前記ダクトの内部を超音速で流れる場合であって、前記ダクトが前記レーザ媒質を加速するための拡大流路部をさらに備えており、当該拡大流路部が前記噴射ノズルの開口端部または前記斜面部若しくは前記湾曲部の下流側に形成されることが望ましい。
【００２８】
この構成によれば、ダクトが拡大流路部を備えることにより、流路断面がレーザ媒質の流れ方向に沿って漸次拡大される。これによりレーザ媒質は加速される。これは、流体が超音速で流れる場合、流路断面を流れ方向に沿って漸次拡大することにより、流体を加速させることができるという一般的な流体特性による。その結果、レーザ媒質がレーザ共振器に至るまでの時間が短縮される。同時に断熱膨張によりレーザ媒質の温度が低下する。これにより、レーザ共振器に至るまでにレーザ発振に係わる反応を起こしてエネルギを失うことを抑制して、レーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００２９】
さらにダクトに前記斜面部または湾曲部を設けてコアンダ効果を利用することにより、上記のとおり、境界層がダクトの下流側にいくに従って成長して厚くなっても、レーザ媒質の流路が狭められることなく、所定の流路断面を確保することが可能となる。これにより、レーザ媒質が減速することを防ぐことが可能となり、上記同様、レーザ媒質がレーザ共振器に至るまでの時間を短縮することができる。その結果、レーザの発振効率をコアンダ効果を利用しない場合に比べて向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、レーザ媒質が境界層内に分散することを抑制してレーザの発振効率の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置全体の外観を示す斜視図である。なお、ここでは、化学酸素ヨウ素レーザ発生装置をガスレーザ発生装置の一例として説明するが、レーザ媒質がレーザ共振器内を流れるタイプであればいかなるタイプのガスレーザ発生装置であってもよい。
【００３３】
図１に示すように、化学酸素ヨウ素レーザ発生装置１は、励起酸素発生装置２と、ヨウ素供給装置３と、レーザ共振器４と、排気装置５と、照射光学装置６とを備える。
【００３４】
図２は、化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の要部の構成を示す模式図である。図２に示すように、励起酸素発生装置２は、塩素ガスを供給する塩素ガス供給部２１と、ＢＨＰ（Basic Hydrogen Peroxide）を供給するＢＨＰ供給部２２と、励起酸素を生成する反応チャンバ２３と、使用済みのＢＨＰを貯液する貯液タンク２４を備える。以下、詳細に説明する。
【００３５】
前記反応チャンバ２３は、塩素ガス供給部２１およびＢＨＰ供給部２２にそれぞれ接続されている。これにより、塩素ガスと窒素の混合ガスである反応ガス７およびＢＨＰ８を反応チャンバ２３に供給することが可能となる。反応チャンバ２３とレーザ共振器４との間には、ダクト９が設けられており、これによって反応チャンバ２３およびレーザ共振器４が連通されている。なお、反応ガス７は、塩素の単体ガスであってもよい。
【００３６】
塩素ガス供給部２１から反応チャンバ２３に供給された反応ガス７は、反応チャンバ２３内でダクト９側へ送られる。反応チャンバ２３においては、前記反応ガス７の流路の途中を遮断するように、ＢＨＰ供給部２２から供給されたＢＨＰ８が多数の柱状に流下せしめられており、ここで反応ガス７とＢＨＰ８とが式（１）で示される化学反応を起こし、その結果励起酸素Ｏ2*（1Δ）が生成される。
（化１）
Ｈ2Ｏ2＋２ＫＯＨ＋Ｃｌ2→Ｏ2*（1Δ）＋２ＫＣｌ＋２Ｈ2Ｏ    （１）
この反応によって生成された励起酸素Ｏ2*（1Δ）は第一ガス流１０としてダクト９を通じてレーザ共振器４へ送出される。この第一ガス流１０は、圧力が高いほど励起酸素Ｏ2*（1Δ）のエネルギの損失が促進されるため、できるだけ低圧で迅速にレーザ共振器４へ送られることが望ましい。従って、ここでは第一ガス流１０は２．６ｋＰａ以下の圧力とされ、亜音速でダクト内を流れるようになっている。また励起酸素Ｏ2*（1Δ）の生成に供されたＢＨＰ８の使用済み液体は、貯液タンク２４に送られる。なお、使用済みの液体を貯液タンク２４に貯液する構成に限られるものではなく、例えば、使用済み液体から、未反応のＢＨＰ８を抽出し、これをＢＨＰ供給部２２へ戻し、残りの廃液を貯液する循環システムとしても良い。
【００３７】
前記ヨウ素供給装置３はダクト９に接続されており、ヨウ素および窒素の混合ガスを第二ガス流１１としてダクト９の内部に噴射することができるようになっている。ヨウ素供給装置３からダクト９の内部に噴射された第二ガス流１１は、前記第一ガス流１０と混合される。そしてこの混合により、次に示す式（２）、（３）、（４）で表される化学反応が起こる。
（化２）
Ｉ2＋２Ｏ2*（1Δ）→２Ｉ＋２Ｏ2（3Σ）                  （２）
（化３）
Ｉ（2Ｐ3/2）＋Ｏ2*（1Δ）→Ｉ*（2Ｐ1/2）＋Ｏ2（3Σ）    （３）
（化４）
Ｉ*（2Ｐ1/2）→Ｉ（2Ｐ3/2）＋ｈν（１．３１５μｍ）     （４）
このような式（４）の化学反応は、主としてレーザ共振器４の内部で発生し、これによってレーザ発振が生ずることになる。この場合、第一ガス流１０と第二ガス流１１とが混合されて生成されたものがレーザ媒質となる。
【００３８】
またダクト９には、主にダクト９の内壁面近傍にレーザ媒質が分散することを抑制するための非反応性ガスを供給する非反応性ガス供給装置１２が接続されている。この非反応性ガス供給装置１２は、非反応性ガスを分散抑制ガス流１３としてダクト９の内部に極超音速で噴射することができるようになっている。この非反応性ガス供給装置１２が非反応性ガスをダクト９の内部に噴射することによって、レーザ媒質が非反応性ガスの一部から運動量を得て亜音速から超音速まで加速されるようになっている。いわゆるエジェクタ効果を得ることができるようになっている。もちろんレーザ媒質の加速および／またはミキシングを主目的とする場合には、前記非反応性ガス供給装置１２に加えて別個に、レーザ媒質を加速および／またはミキシングするためのドライブガスを供給するドライブガス供給装置をダクト９に接続してもよい。その場合、ドライブガス供給装置を前記非反応性ガス供給装置１２の上流に設けるとよい。前記非反応性ガスとしては、例えば窒素を用いることができる。もちろんこれに限定するものではない。
【００３９】
上記ダクト９の内部構造についてさらに詳しく説明する。図３は、ダクトの内部構造を示す斜視図である。図４（ａ）はダクトの内部構造を示す側面断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）のＢ部部分拡大断面図である。なお、本実施形態についての説明では、図３の上下方向をダクト９の上下方向と呼び、図３の上下方向に対して垂直であってダクトの軸中心線に対して垂直な方向を幅方向と呼ぶ。
【００４０】
図３に示すように、ダクト９は角筒状に形成されており、ダクト９の上側壁面および下側壁面の途中には、ダクト９の軸中心線に対して上下両側に向けてそれぞれ略同じ急勾配で広がる第一の斜面９ａが設けられている。第一の斜面９ａのそれぞれには、分散抑制ガス流１３をダクト９の内部に噴射する複数の噴射ノズル１４が設けられている。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、各噴射ノズル１４は例えば公知の末広ノズルからなり、前記分散抑制ガス流１３をダクト９の軸中心線下流側に向けて噴射可能に構成されている。しかも各噴射ノズル１４の開口端部は、第一の斜面９ａ近傍に形成される流れの境界層１５に位置する。なお、ここでは噴射ノズル１４は末広ノズルからなるが、これに限定するものではない。
【００４１】
図３に示したように前記第一の斜面９ａのそれぞれに対応する噴射ノズル１４は、ダクト９の幅方向に直列に所定間隔で配置されている。具体的には図４（ｂ）に示すように、ダクト９の上側壁面の第一の斜面９ａに設けられた噴射ノズル１４は、ダクト９の下側壁面の第一の斜面９ａに設けられた複数の噴射ノズル１４のうちの隣同士の２つの噴射ノズル１４の中間位置に対向する位置に設けられている。同様にダクト９の下側壁面の第一の斜面９ａに設けられた噴射ノズル１４は、ダクト９の上側壁面の第一の斜面９ａに設けられた複数の噴射ノズル１４のうちの隣同士の２つの噴射ノズル１４の中間位置に対向する位置に設けられている。詳細は後述する。
【００４２】
また図３に示したようにダクト９の上側壁面および下側壁面には、前記各第一の斜面９ａの拡大された先端縁部分のそれぞれに連続する第二の斜面９ｂが設けられている。ダクト９の上側壁面および下側壁面にそれぞれに対応する第二の斜面９ｂは、ダクト９の軸方向下流に向かうにつれてダクト９の軸中心線に対して略同じ緩勾配で縮小するように形成されている。各第二の斜面９ｂの噴射ノズル１４に隣接する部分には、ヨウ素を含む第二ガス流１１をダクト９の内部に噴射する複数のインジェクタ１６が上下方向に延びるように設けられている。図４（ａ）に示すように各インジェクタ１６は、前記第二ガス流１１を前記第一ガス流１０の流れ方向と略直交する方向に噴射するように構成されている。これにより第一ガス流１０と第二ガス流１１とが混合される。なお、ここでは第二ガス流１１を第一ガス流１０の流れ方向と略直交する方向に噴射しているが、これに限定されるものではない。例えば、ダクト９の上側壁面の設けられたインジェクタ１６から、第二ガス流１１を第一ガス流１０の流れ方向に対して斜め下向き方向に噴射してもよい。またダクト９の下側壁面の設けられたインジェクタ１６から、第二ガス流１１を第一ガス流１０の流れ方向に対して斜め上向き方向に噴射してもよい。
【００４３】
また前記第二の斜面９ｂのそれぞれに対応するインジェクタ１６は、ダクト９の幅方向に直列に所定間隔で配置され、互いにダクト９の幅方向に所定ピッチずれた状態で向かい合っている。具体的には図４（ｂ）に示すように、ダクト９の上側壁面の第二の斜面９ｂに設けられた複数のインジェクタ１６は、ダクト９の上側壁面の第一の斜面９ａに設けられた複数の噴射ノズル１４のうちの隣同士の２つの噴射ノズル１４の中間位置に対向する位置にそれぞれ設けられている。ダクト９の下側壁面の第二の斜面９ｂに設けられた複数のインジェクタ１６は、ダクト９の下側壁面の第一の斜面９ａに設けられた複数の噴射ノズル１４のうちの隣同士の２つの噴射ノズル１４の中間位置に対向する位置にそれぞれ設けられている。
【００４４】
さらに図３に示すようにダクト９の上側壁面および下側壁面には、前記第二の斜面９ｂのそれぞれの下流側の部分に連続する第三の斜面９ｃがそれぞれ設けられている。ダクト９の上側壁面および下側壁面にそれぞれに対応する第三の斜面９ｃは、ダクト９の軸中心線下流方向に向かうにつれてダクト９の軸中心線に対して緩勾配（例えば、２度くらい）で広がるように形成されている。このように第二の斜面９ｂから第三の斜面９ｃに至る屈曲部分において、流れの接する壁面の曲がる方向が流れの軸方向から離れていくときでも、壁面の曲線に沿って流れようとするコアンダ効果（壁面効果）が生じる。また第三の斜面９ｃとこれに連続するダクト９の幅方向の両側壁面とによって囲まれる部分が、拡大管になっている。このような拡大管を設けることによって、この中を流れる流体を加速することが可能となる。その結果、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）がレーザ共振器４に至るまでの時間を短縮することが可能となる。これにより、レーザ共振器４に至るまでにレーザ発振に係わる反応を起こしてエネルギを失うことを抑制して、レーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。さらに斜面９ｃの下流に超音速ディフューザを配置することで、この中を流れる流体の圧力を回復させることが可能となり、超音速ディフューザの下流に連設される上記排気装置５（図１参照）の入口の流体の圧力を増加させることが可能となる。これにより排気装置５を小型化することが可能となる。なお、ここでは、超音速ディフューザを設けているが、ガスレーザ発生装置の種類によっては超音速ディフューザを設けなくても構わない。
【００４５】
さらに噴射ノズル１４近傍の構成について図４（ｃ）を用いて詳しく述べる。図４（ｃ）に示すように、前記第二の斜面９ｂは、ダクト９の軸中心線に向けて傾斜するようにダクト９の軸中心線に平行な仮想線ＣＬ２に対して第一の角度θａをなすように形成されている。また噴射ノズル１４は、その開口端部の軸中心線ＣＬ１がダクト９の軸中心線に平行な仮想線ＣＬ２に対して第二の角度θｂをなすように構成されている。この第二の角度θｂは、噴射ノズル１４の開口端部の軸中心線がダクト９の軸中心線に向けて傾斜するように設定される。
【００４６】
ここで、前記第一の角度θａは、７．５度以上１０度未満が望ましい。その理由は、第一の角度θａが７．５度未満の場合、第一ガス流１０がチョークする可能性があり好ましくなく、また第一の角度θａが１０度以上の場合、コアンダ効果が生じにくくなるからである。また前記第二の角度θｂは、第一の角度θａよりわずかに大きい角度であることが好ましい。θｂ＜θａの場合、分散抑制ガス流１３が第二の斜面９ｂに衝突して好ましくない速度ベクトルが生ずるからである。また前記第二の角度θｂは、第一の角度θａより大きくなりすぎると、コアンダ効果が生じにくくなり、分散抑制ガス流１３が第二の斜面９ｂから剥離するからである。いずれの場合も分散抑制ガス流１３の流れが乱れるため、分散抑制ガス流１３が第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）を巻き込む。その結果、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）が境界層１５に分散することを抑制することが難しくなる。以上より第二の角度θｂは、第一の角度θａとの差を２度ないし３度にするのが好ましい。なお、上記第一の角度θａおよび第二の角度θｂの数値は一例であり、これらの数値に限定されるものではない。
【００４７】
また前記噴射ノズル１４の開口端部と、前記ダクト９の第二の斜面９ｂとの離隔距離ｃが所定値以下であることが望ましい。これにより前記拡散抑制ガス流１３がダクト９の第二の斜面９ｂから剥離することを抑制することができる。具体的には、前記所定値が０．３ｍｍであることが望ましい。その結果、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）が境界層１５に分散することを抑制してレーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。
【００４８】
以上の構成により、噴射ノズル１４から噴射された分散抑制ガス流１３の大部分は、図４（ａ）に示すようにダクト９の第二の斜面９ａおよび第三の斜面９ｃに沿って流れる。その結果、図４（ａ）に示したような分散抑制ガス流１３の境界層１５が形成される。これにより、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）が境界層１５に分散することを抑制して、レーザの発振効率の低下を防止することができる。また図示されていないが、分散抑制ガス流１３の一部はダクト９の軸中心に向かう。これにより、上述したように、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）は分散抑制ガス流１３の一部から運動量を得て亜音速から超音速に加速される。さらに第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）は、上述したように前記拡大管によっても加速される。また噴射ノズル１４およびインジェクタ１６を上記のように配置（いわゆる千鳥配置）することにより、第二ガス流１１と拡散抑制ガス流１３との混合を防ぐとともに、第一ガス流に縦渦を発生させて第二ガス流１１との混合を促進しうる。
【００４９】
次に本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の作用効果を従来技術と比較して述べる。従来技術は、前記噴射ノズル１４の代わりにエジェクタ効果を得るためのドライバノズルを用いている。つまりドライバノズルから噴射されるドライバガスが、噴射ノズル１４から噴射される非反応性ガスよりダクト９の軸中心に向かって噴射されている。この点が相違するだけでその他の構成は略同等である。
【００５０】
図５は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面におけるヨウ素分子の濃度分布を濃淡表示しており、（ａ）は従来技術に対応するものであり、（ｂ）は本実施形態に対応するものである。ここでは、従来技術および本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の流れ場をモデル化し、ヨウ素分子濃度を知るために、公知の圧縮性ナビエ・ストークス方程式を離散的に計算している。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、従来技術の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の場合、ヨウ素分子がダクト９の上側壁面近傍および下側壁面近傍にも分布しており、ダクト９の上側壁面近傍および下側壁面近傍よりもダクト９の上側壁面および下側壁面の間の中間部分（図５の濃黒色の部分）におけるヨウ素分子濃度が低くなっていることが分かる。これに対して図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の場合、ヨウ素分子がダクト９の上側壁面および下側壁面の間の中間部分（図５の淡白色の部分）にのみ分布し、コアンダ効果によってダクト９の上側壁面近傍および下側壁面近傍に分布する分散抑制ガス流１３（図５の濃黒色の部分）によりダクト９の上側壁面近傍および下側壁面近傍に分散することを妨げていることが分かる。
【００５２】
図６は、本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置のダクト内の流れ場のマッハ数分布を示している。このダクト９内の流れ場のマッハ数分布は、上記計算によって求めた。図６に示すように、極超音速の分散抑制ガス流１３がコアンダ効果によってダクト９の上側壁面および下側壁面にそれぞれ沿って流れていることが分かる（図６の淡白色の部分）。またダクト９の上側壁面および下側壁面の間の中間部分であって噴射ノズル１４の下流側の部分おいて、エジェクタ効果によって第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）に分散抑制ガス流１３から運動量が与えられ加速されている。これは、図６のダクト９の上側壁面および下側壁面の間の中間部分であって噴射ノズル１４の下流側の部分が、ダクト９の上側壁面および下側壁面の間の中間部分であって噴射ノズル１４の上流側の部分よりも淡白色になっていることから容易に分かる。
【００５３】
図７は、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）をダクト側面より観察したものであり、（ａ）は従来技術に対応するものであり、（ｂ）は本実施形態に対応するものである。図中、明るい部分はヨウ素分子が酸素分子と解離反応を起こして蛍光を発する範囲、すなわちレーザ媒質の範囲を示している。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ダクト９の下流ではヨウ素分子はほぼ酸素分子と解離するので、蛍光は消滅している（図７の暗い部分）。図７（ａ）に示すように、従来技術の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の場合、ダクト９の上側壁面および下側壁面の間に略均一にヨウ素分子の蛍光が分布している。これに対して図７（ｂ）に示すように、本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の場合、ダクト９の上側壁面近傍および下側壁面近傍にはヨウ素分子の蛍光がみられない。これにより、本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の作用効果が実験的にも確認された。
【００５４】
さらに本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置のレーザ出力と、従来技術の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置のレーザ出力とを計測した。その結果、従来技術の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置に対してレーザ出力５０６Ｗが測定され、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置に対してレーザ出力５５７Ｗが測定された。これにより、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置を用いれば、レーザ出力を略１０％増加させることができることが確認された。この結果はほんの一例であり、この数値に限定されるものではない。
【００５５】
次に本実施形態の変形例について図８ないし図１０を用いて説明する。なお本実施形態と同等の部品には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５６】
図８は、本実施形態の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置ダクトの内部構造を示す側面断面図である。本変形例では、ダクト９の上側壁面および下側壁面の噴射ノズル１４の下流側の部分が相対向して略平行に配置されている。この点が上述した実施形態と相違する。その他の構成は略同一である。
【００５７】
この構成においても、上述した実施形態同様、分散抑制ガス流１３がダクト９の上側壁面および下側壁面のそれぞれの近傍に境界層が形成される。しかしこの場合、上述したコアンダ効果を生じない。その結果、分散抑制ガス流１３がダクト９の下流にいくに従って境界層が成長する。これにより、上述した実施例に比べて、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）の流路が狭くなり、その流速が若干低下する。しかしながら、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）がダクト９の上側壁面および下側壁面のそれぞれの近傍に分散することを抑制することができる。これによりレーザの発振効率の低下を防止することが可能となる。また構造が簡単であるので、製作しやすいという利点がある。
【００５８】
図９は、本実施形態の別の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置のダクトの内部構造を示す側面断面図である。本変形例は、噴射ノズル１４の開口端部がコアンダ効果を生じさせるための湾曲部１４ａを備える点、および、図４（ｂ）に示した第一の斜面９ａを有しない点で上記実施形態と相違する。その他の構成は略同じである。
【００５９】
図９に示すように、前記湾曲部１４ａは噴射ノズル１４の開口端部から下流側のダクト９の上側壁面および下側壁面にかけて湾曲して形成されている。この湾曲部１４ａの曲率半径は、コアンダ効果を生じるように予め設定される。さらにダクト９の上側壁面および下側壁面の噴射ノズル１４の下流側の部分には、上述した第三の斜面９ｃを備える。これにより、上述した実施形態同様、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）がダクト９の上側壁面および下側壁面のそれぞれの近傍に分散することを抑制することができる。また第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）の流路を狭めることはないので、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）を上記のように減速させることなく加速させることが可能となる。
【００６０】
図１０は、本実施形態のさらに別の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の構成を示しており、（ａ）はダクトの内部構造を示す側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。本変形例では、噴射ノズル１４の上流に第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合を促進するグリッドノズル１７を有する点が上記実施形態と相違する。その他の構成は略同じである。
【００６１】
図１０（ａ）に示すように、グリッドノズル１７はダクト９の上側壁面と下側壁面との間を渡すように設けられている。図１０（ｂ）に示すように、グリッドノズル１７は、軸方向に垂直な断面が略三角形状をなす複数のグリッド（格子）から構成されている。各グリッドは、この略三角形状の断面の頂点をダクト９の下流に向けて、ダクト９の幅方向に所定間隔を離隔して直列に配置されている。これによりグリッドノズル１７がいわゆる末広ノズルを構成する。以上のグリッドノズル１７を設けることによって、第一ガス流１０および第二ガス流１１を超音速に加速することができる。また本変形例はグリッドノズル１７を有すること以外は上述した実施形態と略同一の形態を有するので、第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）がダクト９の上側壁面および下側壁面のそれぞれの近傍に分散することを抑制することができることは言うまでもない。
【００６２】
またここでは化学酸素ヨウ素レーザ発生装置を一例として説明したのでレーザ媒質はヨウ素と酸素であるが、その他のガスレーザ発生装置の場合にも本実施形態の構成の全部または一部を適用することが可能である。そのようなガスレーザ発生装置のレーザ媒質として、ヨウ素、ＨＦ、ＤＦ、ＣＯ、ＣＯ２、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ−Ｎｅ、Ｎ２、Ｈｅ−Ｃｄ、ＸｅＣｌ、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆのいずれかを含んでおり、またこのレーザ媒質に応じた非反応性ガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、ＮＯ２のうちのいずれか１つのガス、または複数の混合ガスを含んでもよい。
【００６３】
なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置全体の外観を示す斜視図である。
【図２】化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の要部の構成を示す模式図である。
【図３】ダクトの内部構造を示す斜視図である。
【図４】ダクトの内部構造を示しており、（ａ）はダクトの内部構造を示す側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ部部分拡大断面図である。
【図５】図４（ａ）のＣ−Ｃ線断面におけるヨウ素分子の濃度分布を濃淡表示しており、（ａ）は従来技術に対応するものであり、（ｂ）は本実施形態に対応するものである。
【図６】本実施形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置のダクト内の流れ場のマッハ数分布を示している。
【図７】第一ガス流１０および第二ガス流１１の混合流（レーザ媒質）をダクト側面より観察したものであり、（ａ）は従来技術に対応するものであり、（ｂ）は本実施形態に対応するものである。
【図８】本実施形態の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置ダクトの内部構造を示す側面断面図である。
【図９】本実施形態の別の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置ダクトの内部構造を示す側面断面図である。
【図１０】本実施形態のさらに別の変形例にかかる化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の構成を示しており、（ａ）はダクトの内部構造を示す側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…化学酸素ヨウ素レーザ発生装置
２…励起酸素発生装置
３…ヨウ素供給装置
４…レーザ共振器
５…排気装置
６…照射光学装置
７…反応ガス
８…ＢＨＰ
９…ダクト
９ａ…第一の斜面
９ｂ…第二の斜面
９ｃ…第三の斜面
１０…第一ガス流
１１…第二ガス流
１２…非反応性ガス供給装置
１３…分散抑制ガス流
１４…噴射ノズル
１４ａ…湾曲部
１５…境界層
１６…インジェクタ
１７…グリッドノズル
２１…塩素ガス供給装置
２２…ＢＨＰ供給装置
２３…反応チャンバ
２４…貯液タンク
θａ…第一の角度
θｂ…第二の角度
【図１】
2006156790.tif 000003
【図２】
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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】
2006156790.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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