(57)【要約】【課題】スラブレーザーの高いＲＦパワーにおける不安定な放電を改良すること。【解決手段】スラブＣＯ2レーザーは空間を隔てた細長いスラブ電極を含む。レーザーガスは電極間の放電ギャップを満たす。ＲＦパワー供給は電極を通じて接続され、放電ギャップにおけるレーザーガス内で電気放電を持続する。一つまたは二つのセラミック挿入物が電極の幅部分を占有し、電極と接触する。セラミック挿入物の供給は、時定数の容量成分を増加させることによって電極インピーダンスの抵抗容量（ＲＣ）時定数を増大する。これは、放電中のアークの発生を妨げ、代わりに、本発明のレーザーを絶縁体挿入物なしで可能であるよりも、レーザーガス圧力を高くし励起パワーを高くして動作させることを可能とする。セラミック挿入物はまた、放電有り無しの電極インピーダンスの差を減少させる。これによって、良好な動作の放電および点火容易な放電が可能となる。【選択図】図１
2007520894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一および第二の細長い電極を含むレーザーであって、前記電極は電極間のギャップを決めるために間隙を隔てて相対しているとともに、前記ギャップはレーザーガスで満たされていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーは第一の固体誘電体挿入物、前記第一の挿入物の第二の部分、および前記第一の挿入物の第一の部分を含み、少なくとも前記第一の固体誘電体挿入物は前記電極の長さ方向に縦長に伸びていて、前記第一の挿入物は前記電極間に配置され、電極と接触していることを特徴とし、前記第一の挿入物の第二の部分は前記電極の対応する第一の外側のエッジを越えて横に伸びていて、前記第一の挿入物の第一の部分は前記電極の幅よりも狭い幅を持つことを特徴とし、
さらに、前記レーザーは一組のミラーを含み、前記一組のミラーは、前記の細長いギャップを通して伸びているレーザー共振器の空洞を決めるために、構成され、配置されていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーは、ガス放電を発生するために前記レーザーガスを励起するための手段、およびそれによって前記共振器空洞内でレーザー放射を循環させることを含むことを特徴とするとともに、
前記ギャップの高さは、前記ギャップが前記レーザー放射のための導波管を高さ方向において形成するように、選択され、並びに、前記ギャップの幅は、前記ミラーの前記形状および配置によってコントロールされる方法で、前記レーザー放射が自由空間において伝播することができるように、選択されていることを特徴とするレーザー。
【請求項２】
前記ガスを励起するための手段はRF発生器を含み、その出力は前記電極の一つに連結していることを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項３】
前記挿入物の第一の部分は、前記電極幅の約３０％以上で、前記電極幅の約７０％以下の幅を持つことを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項４】
前記挿入物の第二の部分は、前記電極の前記対応するエッジを超えて約２．０ミリメートル伸びていることを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項５】
前記電極間の前記第一の挿入物のエッジは凹面状の曲面を持ち、これによって前記電極の長さに沿って伸びている第一の凹面状の壁を形成し、その一つの面に前記ギャップを結合することを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項６】
さらに第二の固体挿入物を含み、前記第二の誘電体挿入物は前記電極の長さに沿って長手方向に伸び、前記第二の挿入物の第一の部分は前記電極間に配置されてそこで接触し、前記第二の挿入物の第二の部分は前記電極の対応する第二の外側のエッジを超えて横に伸びていて、前記挿入物の前記第一の部分は前記電極の幅よりも小さい幅を持つことを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項７】
前記誘電体挿入物の少なくとも１つは、前記ギャップと流体連通して横に伸びている少なくとも一つのアパーチャーを持つことを特徴とする、請求項６記載のレーザー。
【請求項８】
前記誘電体挿入物の少なくとも１つは、前記ギャップと流体連通して横に伸びている複数の空間間隙アパーチャーを持つことを特徴とする、請求項７記載のレーザー。
【請求項９】
前記電極間の前記第一の挿入物のエッジは凹面状曲面を持ち、前記電極間の第二の挿入物の端は凹面状曲面を持ち、これによって前記電極の長さに沿って伸び、その反対側で前記ギャップを結合していることを特徴とする、請求項６記載のレーザー。
【請求項１０】
前記第一および第二の誘電体挿入物の前記第一の部分は前記電極幅の約３０％以上で、前記電極幅の約７０％以下の全幅を持つことを特徴とする、請求項６記載のレーザー。
【請求項１１】
前記挿入物の各々の前記第二の部分は、前記電極の前記対応するエッジを超えて約２．０ミリメートル伸びていることを特徴とする、請求項６記載のレーザー。
【請求項１２】
前記第一の誘電体挿入物だけが存在し、前記ギャップは、前記電極間の第一の誘電体挿入物のエッジによってその一つの側面に沿って結合し、その反対側に沿って開放されていて、前記レーザーガスの流れを前記ギャップへ促進するために、前記電極の対応する第二のエッジに対応していることを特徴とする、請求項１記載のレーザー。
【請求項１３】
前記電極は、前記電極の前記の対応する第二のエッジに付着している少なくとも一つの絶縁性クランプによって相隔して保持されていることを特徴とする、請求項１２記載のレーザー。
【請求項１４】
前記の少なくとも一つおよびいずれかの絶縁性クランプは全体において、前記電極の長さの約２０％より少なく占有していることを特徴とする、請求項１３記載のレーザー。
【請求項１５】
第一および第二の細長い電極を含むレーザーであって、前記電極は一つのエッジでそれらの厚い部分および反対のエッジでそれらの薄い部分を有した段差付き断面を持っていて、前記電極は、相対したそれらの前記厚い部分と相対したそれらの前記薄い部分を有して相隔して配置されていることを特徴とし、
前記固体誘電体挿入物は、前記電極の長さに沿って長手方向に伸びていて、
前記第一の挿入物の第一の部分は、前記電極の対応する第一の外側エッジを越えて横に伸びている前記第一の挿入物の第二の部分、およびそれらと接触している前記電極の薄い部分の間に配置されていて、
前記挿入物の前記第一の部分は、前記電極の前記の厚い部分の幅に対応する幅を持ち、
細長いギャップは、前記電極の前記厚い部分の間に形成されていて、
前記ギャップは、レーザーガスで満たされていて
前記ギャップは高さと幅を持ち、前記ギャップの高さは前記セラミック挿入物の高さより小さく、
前記ギャップは、前記誘電体挿入物のエッジによってそれらの一つの側面で結合していて、およびそれらの厚い部分で前記電極のエッジに対応するそれらの反対側で開放している、
ことを特徴とし、
さらに、一組のミラーを含むレーザーであって、前記一組のミラーは前記細長いギャップを通して伸びているレーザー共振器空洞を決定するように、構成され配置されていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーガスを励起する手段を含むレーザーであって、前記手段はガス放電を発生するためにレーザーガスを励起し、これによって前記共振器空洞中で循環するためのレーザー放射を引き起こすことを特徴とし、
および、
前記ギャップの高さは、前記ギャップが高さ方向において前記レーザー放射のための前記導波管を形成するように選ばれ、
前記ギャップの幅は、前記ミラーの前記構成および配置によってコントロールされる方法で、前記ギャップの幅方向において自由空間に伝播することができるように選ばれることを特徴とする、レーザー。
【請求項１６】
ガスを励起するための前記手段はＲＦ発生器を含み、その出力は前記電極の一つと連結していることを特徴とする、請求項１５記載のレーザー。
【請求項１７】
前記挿入物の前記第一の部分は、前記電極幅の約３０％以上で、前記電極幅の約７０％以下の幅を持つことを特徴とする、請求項１５記載のレーザー。
【請求項１８】
前記挿入物の前記第二の部分は、前記電極の前記対応するエッジを超えて約２．０ミリメートル伸びていることを特徴とする、、請求項１７記載のレーザー。
【請求項１９】
前記ギャップに結合している前記挿入物の前記エッジは、凹面状の曲率を持つことを特徴とする、請求項１８記載のレーザー。
【請求項２０】
前記筐体に配置された第一および第二の細長い電極を含むレーザーであって、前記電極は
厚い部分に結合しているそれらの第一および第二の薄い部分を有して段差付き断面を持っていて、前記電極は相対したそれらの前記厚い部分と相対したそれらの前記薄い部分を有して相隔して配置されていることを特徴とし、
第一および第二の誘電体挿入物は、前記電極の長さに沿って長手方向に伸びていて、
前記第一の挿入物の第一の部分は、前記電極の対応する第一の外側エッジを越えて横に伸びている前記第一の挿入物の第二の部分およびそれらと接触している前記第一の電極の薄い部分の間に配置されていて、
前記第二の挿入物の第一の部分は、前記電極の対応する第二の外側エッジを越えて横に伸びている前記第二の挿入物の第二の部分およびそれらと接触している前記電極の前記第二の薄い部分の間に配置されていて、
前記挿入物の前記第一の部分は、前記電極の前記の薄い部分の幅に対応する幅を持ち、
細長いギャップは前記電極の前記厚い部分の間に形成されていて、
前記ギャップはレーザーガスで満たされていて
前記ギャップは高さと幅を持ち、前記ギャップの高さは前記セラミック挿入物の高さより小さく、
前記ギャップは、前記誘電体挿入物のエッジによってそれらの反対の側面で結合していて、
前記誘電体挿入物の少なくとも一つは、前記ギャップと流体連通してそこを通して伸びているアパーチャーを持つことを特徴とし、
さらに、一組のミラーを含むレーザーであって、前記一組のミラーは、前記細長いギャップを通して伸びているレーザー共振器空洞を決定するように、構成され配置されていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーガスを励起する手段を含むレーザーであって、前記手段はガス放電を発生するためにレーザーガスを励起し、これによって前記共振器空洞中で循環するためのレーザー放射を引き起こすことを特徴とし、
および、
前記ギャップの高さは、前記ギャップが高さ方向において前記レーザー放射のための前記導波管を形成するように選ばれ、
前記ギャップの幅は、前記ミラーの前記構成および配置によってコントロールされる方法で、前記ギャップの幅方向において自由空間に伝播することができるように選ばれることを特徴とする、レーザー。
【請求項２１】
ガスを励起するための前記手段はＲＦ発生器を含み、その出力は前記電極の一つと連結していることを特徴とする、請求項２０記載のレーザー。
【請求項２２】
前記挿入物の前記第一の部分は、前記電極幅の約３０％以上の幅で、前記電極幅の約７０％以下の幅を持つことを特徴とする、請求項２０記載のレーザー。
【請求項２３】
前記挿入物の前記第二の部分は、前記電極の前記対応するエッジを超えて約２．０ミリメートル伸びていることを特徴とする、請求項２２記載のレーザー。
【請求項２４】
前記ギャップと結合している前記挿入物の前記エッジの各々は、凹面状の曲率を持つことを特徴とする、請求項２３記載のレーザー。
【請求項２５】
第一および第二の細長い電極を含むレーザーであって、前記第一および第二の電極は各々、厚い部分および薄い部分を含む段差付き断面を持っていて、前記第一の電極の薄い部分は前記第二の電極の前記厚い部分よりも広く、前記電極はそれらの前記厚い部分と薄い部分の間の厚さの差によって決定される段差を持つことを特徴とし、
前記電極は、前記第二の電極の厚い部分と薄い部分にそれぞれ面していて、前記第一の電極の前記の薄い部分と厚い部分と、相隔してかつ相対して配置されていて、
前記電極間の間隔は、細長い放電ギャップが前記第一の電極の前記薄い部分および前記第二の電極の前記厚い部分の間に形成されるように、配置されていて、
前記放電ギャップは高さと幅を持ち、前記放電ギャップ幅は前記第二の電極の前記厚い部分の幅におおよそ等しく、前記放電ギャップはレーザーガスで満たされていることを特徴とし、
固体誘電体挿入物は、前記電極の長さに沿って長手方向に伸びていて、前記挿入物は前記段差よりも小さい高さを持ち、前記第一の電極の前記厚い部分および前記第二の電極の前記薄い部分の間に配置され、それらと接触していることを特徴とし、
さらに、一組のミラーを含むレーザーであって、前記一組のミラーは前記細長い放電ギャップを通して伸びているレーザー共振器空洞を決定するように、構成され配置されていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーガスを励起する手段を含むレーザーであって、前記手段は前記放電ギャップにおいてガス放電を発生するために前記レーザーガスを励起し、これによって前記共振器空洞中で循環するためのレーザー放射を引き起こすことを特徴とし、
および、
前記ギャップの高さは、前記ギャップが高さ方向において前記レーザー放射のための前記導波管を形成するように選ばれ、
前記ギャップの幅は、前記ミラーの前記構成および配置によってコントロールされる方法で、前記ギャップの幅方向において自由空間に伝播することができるように選ばれることを特徴とする、レーザー。
【請求項２６】
前記誘電体挿入物は、前記第二の電極の前記薄い部分の幅よりも大きな幅を持ち、前記第一および第二の電極の対応する外側エッジを越えて横に伸びていて、前記第二の電極の前記厚い部分の方へ前記第一の電極の前記厚い部分越えて横に伸びていることを特徴とする、請求項２５記載のレーザー。
【請求項２７】
前記誘電体挿入物は、前記第二の電極の前記厚い部分と接触していることを特徴とする、請求項２６記載のレーザー。
【請求項２８】
第一および第二の細長い電極を含むレーザーであって、前記第一および第二の電極は各々段差付き断面を持っていて、前記第一の電極は薄い部分を結合している２つの厚い部分を含み、前記第二の電極は厚い部分を結合している２つの薄い部分を含み、前記第一の電極の前記薄い部分は前記第二の電極の前記厚い部分より広く、前記電極はそれらの前記厚い部分と薄い部分の間の厚さの差によって決定される段差を持つことを特徴とし、
前記電極は、前記第二の電極の前記の厚い部分と薄い部分にそれぞれ面していて、前記第一の電極の前記の薄い部分と厚い部分と、相隔してかつ相対して配置されていて、
前記電極間の間隔は、細長い放電ギャップが、前記第一の電極の前記薄い部分および前記第二の電極の前記厚い部分の間に形成されるように、配置されていて、
前記放電ギャップは高さと幅を持ち、前記放電ギャップ幅は前記第二の電極の前記厚い部分の幅におおよそ等しく、前記放電ギャップはレーザーガスで満たされていることを特徴とし、
２つの固体誘電体挿入物は、前記電極の長さに沿って長手方向に伸びていて、前記挿入物は前記段差よりも少ない高さを持ち、それらのうちの一つは前記第一の電極の前記厚い部分および前記第二の電極の前記薄い部分の間に配置され、それらと接触していることを特徴とし、
さらに、一組のミラーを含むレーザーであって、前記一組のミラーは、前記細長いギャップを通して伸びているレーザー共振器空洞を決定するように、構成され配置されていることを特徴とし、
さらに、前記レーザーガスを励起する手段を含むレーザーであって、前記手段は、前記放電ギャップにおいてガス放電を発生するために前記レーザーガスを励起し、これによって前記共振器空洞中で循環するためのレーザー放射を引き起こすことを特徴とし、
および、
前記放電ギャップの高さは、前記ギャップが高さ方向において前記レーザー放射のための導波管を形成するように選ばれ、
前記ギャップの幅は、前記ミラーの前記構成および配置によってコントロールされる方法で、前記ギャップの幅方向において自由空間に伝播することができるように選ばれていることを特徴とする、レーザー。
【請求項２９】
前記誘電体挿入物の各々は、前記第二の電極の前記薄い部分の幅よりも大きな幅を持ち、前記第一および第二の電極の対応する外側エッジを越えて横に伸びていて、前記第二の電極の前記厚い部分の方へ前記第一の電極の前記厚い部分を越えて横に伸びていることを特徴とする、請求項２８記載のレーザー。
【請求項３０】
前記誘電体挿入物は、前記第二の電極の前記厚い部分と接触していることを特徴とする、請求項２９記載のレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に二酸化炭素(CO2)スラブレーザーに関する。本発明は特に金属スラブ電極間の誘電体結合素子を持つスラブレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
CO2レーザーは、特に非金属材料における切断または穴あけなどの商業的製造用作業において通常使用される。このような作業に適切なCO2レーザーの一つの形態は、技術専門家にとって「スラブ」レーザーとして知られている。このようなレーザーは、電極間のギャップを決めるために、一組の細長く、対面配置し、間隙を介したスラブ状平面電極を含む組立品を持つ。筐体および電極間のギャップはCO2を含むレーザー用混合気体で満たされる。高周波(RF)電位が電極間に印加され、CO2レーザー混合気体（ガス）において電気放電を引き起こす。放電はCO2レーザーガスを励起する。一組の鏡（ミラー）が配置され、電極組のそれぞれの終端で、それらの一つと一緒に、レーザー共振器を形成する。共振器の好適なタイプは不安定共振器である。励起用CO2レーザーガスは、レーザー放射が共振器中で発生することを可能とする光学利得を提供する。この電極は、電極面に垂直な一軸の共振器においてレーザー照射用の導波管またはライトガイド（光導波路）を形成する。これは、その軸における共振器のレーザーモードを決める。ミラーは、電極面に平行な軸におけるレーザーモードを決める。不安定共振器の配置において、レーザー放射は、共振器ミラーの一つを迂回することによって、共振器から出て行く（効果的に、放出される）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
穴あけ、切断、および他の機械加工に使用されるスラブレーザーにおいて、たとえば、約１００Ｗを超える高出力および最大可能効率が重要である。どんな所定のスラブレーザー構成においても、完全放電を保持するために充分なＲＦパワーが存在する場合には、利用可能な出力は一般にガス圧力とともに増大する。さらに、パルスモードで動作する時、パルス用に速いライズおよびフォールタイムは高圧の時に可能である。スラブレーザーの出力を制限する通常の問題は、ＲＦ放電の不安定性である。放電に対するＲＦパワー（ポンプパワー）が出力を増加するように増大するとき、放電は実際に不安定になりアークにつながる。これは逆にレーザーのモード品質と効率に影響を与える。この問題はガス圧力が高くなると深刻になる。ＲＦ励起スラブレーザーにおける別の問題は、電極間のＲＦインピーダンスから何の放電もない（「非点火（lit）」条件）時と放電がある（「点火（lit）」条件）時における、電極間のＲＦインピーダンスの実質的な差から生じる。このインピーダンスの差は、放電が点火される時、共振ＲＦ周波数における変化（ドロップ）を引き起こす。すなわち、レーザーは非点火から点火条件まで変化する。さらに、ガス圧力を増加させると放電の点火は、すなわち、レーザーを引き起こす時に、起こりにくくなる。高いピークパワースラブレーザーにおいて、放電の不安定性の改良の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（発明の概要）
一つの観点において、本発明によるレーザーは、間隙を介し相対して配置した第一および第二の細長い電極を含む。少なくとも一つの固体誘電体の挿入物が、前記電極に沿って長手方向に伸びる。挿入物の第一の部分はそれと接した電極間に配置され、挿入物の第二の部分は対応する電極端を越えて横方向に伸びる。挿入物の第一の部分は前記電極の幅より狭い幅を持ち、その結果前記電極間に細長いギャップ（間隙）ができる。このギャップはレーザーガス（レーザー用気体）で満たされる。一組のミラーが構成され配置され、前記の細長いギャップを通って伸びるレーザー共振空洞を作る。レーザーガスを励起する手段が提供され、気体放電を発生させ、この結果、レーザー放射を引き起こし共振空洞中で循環する。キャップの高さは、そのキャップが高さ方向においてレーザー放射用の導波管を形成するように選ばれる。前記ギャップの幅は、ミラーの構成および配置によって制御された方式で、そのギャップの幅方向においてレーザー放射が自由空間で伝播することができるように選ばれる。
【０００５】
誘電体挿入物は、時定数の容量成分を増大させることによって、電極インピーダンスの抵抗・容量(RC)時定数を増大する。これは、アーク放電の形成を抑え、次々に独創的なレーザーを発生させ、誘電体挿入物のない場合よりも、もっと励起パワーを高めたり、レーザーガス圧力を高めたりできる。セラミック挿入物も放電有り無しにおける電極のインピーダンスの差を減少させる。この結果、良好な挙動の放電となり光を出すために容易な放電となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
（図の説明）
添付図面、それは明細書の一部に組込まれ、また明細書の一部を構成し、本発明の好適な実施形態を模式的に説明する。また上述の一般的な説明および以下に記載される好適な実施形態の詳細な説明と一緒に、本発明の原理を説明するために役に立つ。
【０００７】
図１は、電極間に部分的に横方向に伸び、電極長さに沿って長手方向に伸びた、２つのセラミック挿入物によって、相対し間隙を有して配置した、第一および第二の細長い金属スラブ電極を含むとともに、電極間に伸びる1軸不安定共振器を形成する２つのミラーを含む、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの一つの好適な実施形態を模式的に示したものである。
【０００８】
図１Ａは、電極端とミラーとの間に配置したセラミック・ミラー・シールドをさらに含む図１のレーザーを模式的に示したものである。
【０００９】
図２は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの別の好適な実施形態を模式的に示したもので、図１のレーザーに類似するが、ここでは電極間に部分的に横方向に伸び、電極の長さに沿って伸びたセラミック挿入物が一つ存在するだけである。
【００１０】
図３は、図４の３−３方向において一般的に観察される断面図である。図２のレーザーに類似する本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの別の実施形態を模式的に示したものであるが、ここでは、スラブ電極の一つは、他の電極およびセラミック挿入物を囲んでいる密封した筐体によって提供される。
【００１１】
図４は、図３の電極およびセラミックスラブの配置状態の詳細を模式的に示した斜視図である。
【００１２】
図５は、図１のレーザーの例、図２のレーザーの例、およびセラミック挿入物が何もない類似した従来技術のレーザーに関する、電極への最大ＲＦピークパワー入力の測定値をレーザーガス圧力の関数として示したグラフである。
【００１３】
図６は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーのさらに別の好適な実施形態を模式的に示したもので、第一および第二の細長い金属スラブ電極を含み、これらの電極は、電極間に部分的に横方向に伸び、電極の長さに沿った長手方向に伸びた、セラミック挿入物を有して、相対して段付きで配置した単一段差の断面を持つとともに、電極の段差高さよりも小さい高さを持つ。
【００１４】
図７は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーのさらに好適な実施形態である。これは、第一および第二の細長い金属スラブ電極を含み、これらの電極は、電極間に部分的に横方向に伸び、電極の長さに沿った長手方向に伸びた、セラミック挿入物を有して、相対して段付きで配置した二重段差の断面を持ち、各々は電極の段差高さよりも小さい高さを持つ。
【００１５】
（発明の詳細な説明）
図に基づいて説明すると、図１は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの一つの好適な実施形態を模式的に示したものである。部品や要素は記号や数字で示されている。レーザー１０は、上部および下部の細長いスラブ電極１２および１４をそれぞれ含み、相対し間隙を有して配置されている。この電極は全幅Eを持つ。電極は、誘電体（セラミック）挿入物またはスペーサー１６によって隔てられている。この１６は、高さHを有し、横方向すなわち電極の幅方向に伸びていて、電極間の一部である。挿入物１６は好適にはまた、電極の長手方向の端１２Eおよび１４Eを少なくとも約2.0mm超えて横に伸びている。最適には、挿入物１６は電極より少なくとも5.0mm伸びている。ここで、挿入物１６はさらに電極の全長に沿って伸びている。セラミック挿入物１６の横の伸びは、セラミック挿入物を挟んだ電極１２から電極１４までの表面路程（表面光路長）を増大させ、これによって、電極端の間のアークまたは放電の可能性を最小化するためにセラミックを含んだ表面抵抗を増大させる。
【００１６】
電極および挿入物の組立ては、ネジ２０で電極１２および電極１４に密着したセラミッククランプ１８により一緒に保持される。挿入物１６の好適なセラミック材料は、アルミナ（アルミニウム酸化物Ａｌ2Ｏ3）、ベリリア（ベリリウム酸化物ＢｅＯ）、ジルコニア（ジルコニウム酸化物ＺｒＯ2）およびジルコニアとアルミナの酸化物を含む。アルミナはまた、セラミッククランプ１８の好適な材料である。
【００１７】
電極１２および電極１４の断面形状、並びに挿入物１６の厚みは、電極１２と１４の厚い中心部分１３および１５の間の高さＧを持つギャップ２６（放電ギャップ）が存在するように選ばれる。ギャップをつなぐ電極面１２Ｂおよび１４Ａはお互いに並行である。ギャップ２６は、電極の厚い部分の幅によって決定される幅Ｗを持つ。進路幅Ｗは電極の全幅Ｅよりも小さい。電極の段差断面形状は、ギャップ２６のどちらかの側で電極の厚い方の部分を有しているが、挿入物１６の高さＨは放電ギャップ２６の高さＧより大きくなりうるということを示す。これは、対応する電極端が、ギャップを形成する電極の電極表面１２Ｂおよび１４Ａよりさらに離れるということを示す。これは電極端の間で形成する放電の可能性を最小化する。セラミック挿入物を含む容量(Ｃx)は、次式によって一次的に近似することが可能である。
【式１】
【００１８】
2007520894.tif 000003
ここで、εはセラミックの誘電率であり、Lは電極長さである。セラミック(Ｐc)によって占有される電極間の空間（間隙）率は次式により近似される。
【式２】
【００１９】
2007520894.tif 000004
ここで、Ｐcは好適には少なくとも約３０％である。
【００２０】
電極１２と１４、セラミック挿入物、およびセラミッククランプ１８およびセラミックスラブ２０の組立ては、ＣＯ2を含むレーザー用混合ガスで満たされる筐体（示されていない）の中に含まれる。レーザー用混合ガスはギャップ２６を満たす。セラミック挿入物１６は、ギャップ２６へのレーザーガスの流れを促進するためにその部分に広がっているアパーチャー（開口部）１９を含む。ＲＦ電位が電極１２および１４に印加される。ここで、ＲＦ電位（図１において、記号で示されたＲＦジェネレーターで供給される）は電極１２に印加され、電極１４（グランド電極）はグランド電位につながれる。電極１２と１４はインダクタ３２により誘導結合される。電極間にＲＦ電位を印加することにより、ギャップ２６におけるレーザーガスの電気放電を持続する。電極１２と１４は、放電により発生した熱を除去するために電極を通る冷却液の通路となるチャネル３４を含む。
【００２１】
この冷却水通路は通常、冷却液として水が使われる時腐食しない材料、たとえば銅、ニッケル、または真ちゅうから構成される。冷却チャネルは、電極１２と１４の平坦度が温度勾配によってゆがまないように配置されるべきである。このような配置の例はＵＳ特許番号5,237,580に記載されていて、この完全な開示は参照することによりここに含まれる。
【００２２】
ギャップ２６において放電で励起されたＣＯ2分子はレーザー１０用の利得媒体を提供する。レーザー１０は導波管共振器および不安定共振器３６を含んで作られる複合共振器を含む。不安定共振器３６は、ミラーホルダー４０において保持された凹面ミラー３８、およびミラーホルダー４４において保持された凹面ミラー４２（図１において破線で示されている）によって形成される。両方のミラー３８と４２は好適には、レーザー波長域で約99.5％以上の反射率を持つ。ギャップ２６の幅Ｗは、レーザー放射が電極に対して平行方向に、すなわちギャップの幅方向に、自由空間中に伝播するように選ばれる。この伝播モードは、とりわけ、ミラーの間隔と曲率およびミラー４２の垂直端４２Ａの位置によって、決定される。
【００２３】
この例において、不安定共振器３６のミラーは、レーザー放射が破線４６で示されるように、電極１２と１４の間でジグザグ式にギャップ２６を通って循環するように配置され構成される。レーザー放射はミラー４２の端４２Aの周囲で共振器を出て、ミラーホルダー４４のアパーチャー（開口）４８を通って出て行く。セラミック挿入物の凹面曲状の壁１７は、その反対側でギャップ２６と隣接する。電極の幅方向におけるレーザーモードを決定する際にミラー３８および４２の機能と干渉しうる、これらの壁によっていずれの導波管挙動の可能性も回避するために、セラミック挿入物１６の凹面曲状の壁１７の表面を荒らすことは好都合である。壁１７の曲率はまた、上述したように、電極間のセラミック挿入物の表面抵抗を増大させるのに有用である。
【００２４】
レーザー共振器の導波管部分は、電極１２と１４およびミラー３８と４２によって決められ、上述の不安定共振器部分に垂直である。ギャップ２６の高さは、電極１２と１４の平行表面１２Bと１４Aに接するように選ばれ、また電極１２と１４の平面に垂直方向、すなわち、ギャップの高さ方向にレーザー放射用の導波管を効果的に形成するように選ばれる。共振器の導波管部分は、ミラー３８と４２によって完成する。レーザー放射伝播モードは、導波管効果によって、その方向だけ制限される。ギャップ２６の高さGはさらに、最大レーザー出力と結合して所望の遠視野ビームプロファイルを出すように選ばれる。
【００２５】
ギャップ２６における放電によってミラーが劣化しないように充分に、電極１２と１４の終端からある距離でミラー３８と４２を離すことは好適である。好適にはこの間隔は約20.0mm以上である。しかし、このような間隔は、ミラーによってギャップ２６の方へ向きを変えられるレーザー放射の光学損失につながりうる。このような光学損失を最小化する一つの手段は、図１Aに示されている。ここでレーザー１０は、電極１２のそれぞれの終端でセラミック（誘電体）拡張部２１を含む。拡張部２１は、セラミック拡張部を通って電極へ伸びている電極１２に、皿ビス１７によって密着している。電極１４はセラミック拡張部の下で拡張している。セラミック拡張部２１は好適には電極１２と同じ断面形状を持つ。セラミック拡張部と電極１４との間の間隔は電極１２と１４との間の間隔に近い。拡張部２１（対峙する電極１４と連携して）は、電極によって示されるものと同様の導波路効果を示す。この拡張部はミラーの約５mm内側まで拡張している。セラミック挿入物１６は対応して、拡張部の長さに沿って少なくとも部分的に拡張するために長くなっている。
【００２６】
好適な寸法G、E、WおよびHはレーザーガス圧、電極に印加されるRFパワーの周波数と出力負荷、およびレーザーの出力のような所望の動作パラメーターに依存する。一例として、約８０〜２０0Torrのガス圧力、約１００MHzのＲＦ周波数および約100.0〜500.0Ｗの出力に関して、Ｇは好適には約1.0mm〜2.0mmである。ギャップ幅Ｗは、40.0〜85.0cmの電極長さに関して、好適には約20.0〜80.0mmである。Ｐcは好適には約３０％〜７０％である。セラミック挿入物の高さＨは、とりわけ、誘電体材料の誘電定数（率）および所望の負荷容量によって決定される。高さＨはアルミナセラミックに関して約2.0mm〜6.0mmである。
【００２７】
本発明の理解可能な原理に関して充分なレーザー１０の詳細だけが上に記載されているということを強調したい。たとえばレーザーガス筐体、および供給されるＲＦパワーおよびそれらの組合わせなどのようなＣＯ2スラブレーザーの構成の概要は、本発明が関連し、従ってここに詳細に記載されていないものにも当業者においては周知である。スラブレーザーの例の詳細な説明は、ＵＳ特許番号5,123,028に示されていて、この完全な開示はここに参照することにより含まれる。
【００２８】
電極１２と１４の間にセラミック挿入物を配置する目的は、一般に印加されるＲＦ電位によって経験されるインピーダンスの容量成分を増大させること、および、特に、ギャップ２６における放電の点火有り無しの条件においてこのインピーダンスの差を制限することである。点火なしの条件において、このガスは事実上誘電体であり、電極とガスで充満したギャップは容量としてふるまう。点火条件においては、このギャップは電気的に導体であり、また電極およびそれらの間のギャップの容量効果は最小化される。本発明の原理による電極間のギャップに挿入物を含むことは、ギャップ２６における放電が点火される時でさえ、電極インピーダンスの強い容量成分を提供し、また点火有り無しの条件の間の容量差を最小化する。
【００２９】
好適にはセラミック挿入物は、電極の全面積の約30％以上、最適には上述したように電極の全面積の約30％〜70％の電極カバー面積を持つべきである。
【００３０】
もちろん、セラミック挿入物の比またはパーセンテージ面積を増大させると、電極インピーダンスの容量成分を決定する時においてスペーサーはますます支配的になり、点火有り無しの条件の間の容量差をますます小さくする。もし、セラミック挿入物の面積が電極の全面積の約70％を超える場合は、ＲＦサイクル中に容量を充電し放電するために必要な電流はレーザーの効率が妥協する所まで増加する。
【００３１】
図２は、本発明に従ったスラブＣＯ2レーザー６０の別の実施形態を模式的に説明したものである。レーザー６０は第一および第二の細長いスラブ電極６２と６４を含む。この電極はレーザー１０におけるようにセラミッククランプ１８によって間隙を介して保持されている。レーザー６０における電極６２と６４は同じ幅を持つ。電極間に部分的に横に伸びているセラミック挿入物６６は、薄い端部６２Ｅと６４Ｅの間で、電極６２と６４の間に、それぞれ配置されている。セラミックスペーサー６６は両方の電極と接触していて、電極の全長に沿って伸びている。スペーサー６６はまた、レーザー１０の挿入物を参照して上述した理由で、電極６２と６４の対応する端（エッジ）を越えて、好適には少なくとも2.0mm、最適には少なくとも5.0mm横に伸びている。電極の端部６３および６５は、とりわけ、チャネル３４を冷却する流体を挿入できるように厚くなっている。電極６２と６４の表面６２Bおよび６４Aはそれぞれ、厚くなった部分６３および６５において、それぞれ放電ギャップ２６を決定する。ＲＦ放電は、図１のレーザー１０を参照して上述したように、ギャップ２６で発生する。ギャップ２６はここで再び、電極の全幅Ｅより小さい幅Ｗを持つ。不安定共振器３６は、図１のレーザー１０を参照して上述したように、凹面ミラー３８と凹面ミラー４２によって形成される。
【００３２】
単一のセラミック挿入物６６の機能はレーザー１０の２つのセラミック挿入物の機能と同様である。一組の電極端だけに非対称に配置した単一の挿入物だけを使用することは、セラミッククランプ１８によって覆われる比較的小さな比率、好適には約２０％未満、を除いた反対の電極端に沿って放電ギャップ２６を開放した状態にする。これは放電ギャップ２６へレーザーガスの流れを促進する際に非常に有効であり、またパルス放電条件で音響共振の発生を防止するためにも非常に有効である。
【００３３】
上述した本発明のスラブレーザーの実施形態において、スラブ電極の組立部品、セラミックスペーサーおよび電極間のセラミック挿入物は、組立部品およびレーザー混合ガスを含むどんな筐体とも構造的に独立している。しかし、このような筐体へ電極セラミック組立部品を集積することは可能である。このような集積化構造の一つの例を図３および図４を参照して以下に説明する。
【００３４】
図３は、金属筐体８２へ集積化した本発明に従ったスラブＣＯ2レーザー７０の実施形態を示す断面図である。図４は、部分的にカットされている筐体８２を有するレーザー７０を説明する斜視図である。水冷した筐体へ集積化したレーザー７０は図１のレーザー１０と類似していると当業者は認識するであろう。従って、２つのレーザーにおいて共通の機能を持つ部品は、それらの間で少し違いがあったとしても、同じ数字で示されている。
【００３５】
電極８２は好適には、切削アルミニウム部品から作られ、グランド電位に電気的に接続されている。筐体８２の内部８４は、一度レーザーガスの充満が完成すると、筐体８２を密封するために封鎖可能なチップ８８、ポート８６を経由して、レーザーガスで満たされている。冷却チャネル３４は、筐体の底部（ベース）、側壁（サイドウォール）、および上部において提供される。冷却液は入口ポート９０を経由してチャネルへ導かれ、出口ポート９２を経由して出て行く。
【００３６】
電極８２の突状のベース部分９４は、スラブレーザー７０のグランド電極を形成する。分離した上部または「熱い（hot）」電極１２は、２つのセラミック挿入物１６によってグランド電極から間隙を介している。電極１２は全幅Ｅを持つ。ハウジング８２（グランド電極）の突状部分は幅Ｗを持つ。挿入物１６は電極１２および９４の間に、また電極全長に沿って、部分的に横に拡張している。放電ギャップ２６はグランド電極９４の上部表面９４Ａおよび電極１２の下部１２Ｂ表面の間に形成される。ギャップ間隔Ｇはセラミック挿入物１６によって決定される。ギャップ２６はハウジング８２の突状部分９４の幅によって決定されるＷを持つ。アパーチャー１９は、放電ギャップ２６と流体連通しセラミック挿入物を通して拡張している。
【００３７】
放電はギャップ間に印加されるＲＦ電位によってギャップ２６において保持される。ＲＦパワーは図１３においてシンボリックにのみ示されるＲＦ発生器によって供給される。この発生器はコネクター１０８につながっていて、このコネクター１０８は、絶縁されたフィードスルー１１０を経由して電極８２に入る。グランドへの誘導路は、セラミック絶縁パッド１１４によって電極９６からギャップを介して、サーペンタイン・インダクター１１２によって提供される。インダクター１１２は、低いインダクタンス、圧縮性スプリング１１６を経由して接地された筐体８２へつながっている。これらのスプリングはまた、セラミック挿入物１６と接触して電極を保持するクランプ１８を補助するための圧力を提供し、この結果ギャップ２６の間隔を維持する。
【００３８】
図４を特に参照すると、レーザー８０の共振器の配置は、本発明のレーザーの上述した他の実施形態のものと類似している。不安定共振器３６は、ミラーホルダー４０において保持された凹面ミラー３８、およびミラーホルダー４４に保持された凹面ミラー４２（図４において破線で示される）によって形成される。ミラーホルダー４４のアパーチャー４８を経由して共振器を出る前に破線４６によって示されるように、セラミックスラブ２０および電極の間でギャップ２６を通して、レーザー放射がジグザグ式に循環するように、不安定共振器は配置されている。
【００３９】
図５は一つのセラミック挿入物を持つ図２のレーザー１０に形状が類似するレーザー（実線曲線）、２つのセラミック挿入物を持つ図１のレーザーに類似するレーザー（長い破線）、および何のセラミック挿入物もない同様形状のレーザー（短い破線）の機能としてピークＲＦパワー測定値を示すグラフである。電極長さは約60.0cm、電極全幅は約44.0mm、およびギャップ高さは約1.4mmである。ミラー３８および４２は約64.0cmで間隙を介している。セラミック導波管拡張部分の長さ約15.0mmは電極の各々の終端までクランプされている。本発明のセラミック挿入物または挿入物を持つレーザーの場合には、それらの挿入物は電極幅の約４７％の全体を占める。レーザーガスは、比が3:1:1のヘリウム（He）、窒素（Ｎ2）、およびＣＯ2の混合物である。レーザーは、１２％デューティサイクルおよび700Hz〜10KHzのパルス繰り返し周波数で、ＲＦ超パルスモードにおいて動作する。
【００４０】
最大ＲＦピークパワーは、安定放電を持続することが可能な放電まで印加された最大ＲＦパワーである。より高いＲＦピークパワーで、放電は不安定になり、アークが放電中に形成し始める。図５のデータは、セラミック挿入物のない従来技術のレーザーの場合において、約１４０torrを超えるどんな圧力でも放電を保持することができなかったということを示している。２つのセラミック挿入物を持つ本発明のレーザーの場合において（図１のレーザー）、約１６０torrを超えるどんな圧力でも放電を保持することができなかった。しかし、10.8キロワット（KW）のピーク入力パワーは、従来技術のレーザーの最高圧力における8.7KWと比較して最高圧力で可能であった。一つのセラミック挿入物だけを持つ本発明のレーザーの場合において（図２のレーザー）、その一つの側面に沿って放電ギャップを開放したまま（拘束しないで）、放電は１８０torrの圧力で持続することができ、その圧力で12.6KWのピークＲＦ入力が可能であった。ここで、テストレーザーに電力を供給するために使われる利用可能なＲＦパワー供給の出力の上限に達するために、限界に達した。一般に、出力レーザーパワーは、ガス圧力および入力ＲＦパワーとともに増大する。
【００４１】
図６は、本発明に従ったスラブレーザーの別の実施形態１２０を示す。レーザー１２０は、上部および下部スラブ電極１２２および１２４を含み、それらの間にセラミック挿入物１２６を持つ。本発明のスラブレーザーの他の上述の実施形態として、不安定共振器３６は、電極間の放電ギャップ２６を通って循環するレーザー放射とともに凹面ミラー３８および凹面ミラー４２によって形成される。レーザー１２０において、電極およびセラミック挿入物は、放電ギャップ２６がその両方の側面に沿って開放されるように配置され、この結果、共振器ミラーによって決定されるレーザーモードを用いて、セラミック挿入物によって干渉される可能性はない。
【００４２】
電極１２２および１２４の各々は単一段差の断面を持つ。電極１２２（「熱い（hot）」電極）は薄い部分１２３および厚い部分１２５を持つ。電極１２４（「グランド」電極）は薄い部分１２７および厚い部分１２９を持つ。電極は、他の電極の厚い部分に面している一つの電極の薄い部分を有して、相対して配置されている。セラミック挿入物１２６は、電極１２２の厚い部分１２５と電極１２４の薄い部分１２７との間に配置され、それらと接触している。他の上述の実施形態として、セラミック挿入物は電極端（ここでは端（エッジ）１２２Ｅおよび１２４Ｅ）を越えて横に伸びていて、電極間のセラミック上で表面アークを発生する可能性を最小化する。この同じ理由のために、セラミック挿入物１２６はまた好適には、電極１２２の厚い部分１２５を超えて１２４の厚い部分１２９の方へ横に伸びている。最適には、セラミック挿入物の幅は、セラミック挿入物が電極１２４の厚い部分１２９と接触する場合よりも、電極１２４の薄い部分の幅より充分に大きい。
【００４３】
放電ギャップ２６は、電極１２４の厚い部分１２９と電極１２２の薄い部分１２３の間に形成される。電極１２２の厚い部分１２５は、複数のアパーチャー１３０を持ち、上述したように、放電ギャップ２６へレーザーガスの流れを促進するために、またパルス放電条件下で音響共振の発生を防止するために、そこを通して伸びている。ギャップ２６は、電極１２４の厚い部分１２９と電極１２２の薄い部分１２３によって形成される電極端に沿って開いている。電極間隔は、セラミッククランプ１８によって保持され、セラミッククランプ１８は、ネジ２０によって電極の端１２２Eおよび１２４Eに付着している。
【００４４】
電極１２２および１２４は段差Ｓを有して決められ、この段差Ｓは電極の薄い部分と厚い部分の厚さの差である。セラミック挿入物は厚さＣを持ち、この厚さＣは段差Ｓより小さい。好適にはセラミック挿入物Ｓの高さは、段差の約２５％〜７５％である。放電ギャップ２６は電極１２４の厚い部分１２９の幅によって決められる幅Ｗを持つ。電極の薄い部分の間の距離Ｙが存在し、この距離は段差Ｓと放電ギャップ２６高さとの和に等しい。全電極幅はＥである。電極１２２の薄い部分１２３は幅（Ｗ＋Ｘ）を持つ。ＸとＹの値は電極の薄い部分の間に発生する放電の可能性を最小化するように選ばれる。４００Ｗ出力の能力を持つレーザー１２０の一つの例において、電極１２２および１２４の電極長さは、82.5cmで、放電ギャップ２６の幅は55.0mmである。放電ギャップの高さ（Ｙ−Ｓ）は1.2mm、Ｓは3.8mm、Ｅは88.0mm、Ｙは5mm、Ｘは5.0mmである。誘電体挿入物１２６の厚さＣは1.0mmである。誘電体挿入物１２６の幅は29mmで、誘電体挿入物の長さはグランド電極の１２４の長さに等しい。所定の圧力に関して、レーザーの出力は放電幅（Ｗ）および電極長さとともに直接に増大する。最適放電ギャップ（Ｙ−Ｓ）の寸法は圧力に反比例して変化する。
【００４５】
図７は、本発明に従ったスラブレーザーのさらなる実施形態１４０を示す。レーザーは上述のレーザー１２０と原理的に類似であるが、二段の断面を持つスラブ電極１４２および１４４を含む。電極１４２（「熱い（hot）」電極）薄い部分１４３および２つの厚い部分１４１を持つ。電極１４４（「グランド」電極）は、２つの薄い部分１４５および厚い部分１４７を持つ。電極は相対して配置されていて、電極の１４４の厚い部分に面した電極１４２の薄い部分を持つ。セラミック挿入物１２６は電極１４２の厚い部分と電極１４４の薄い部分の間に配置される。図６のレーザー１２０を参照して上述したように、セラミック挿入物は、電極間のセラミック上の表面アークの可能性を最小化するために、電極エッジを超えて少なくとも伸びている。放電ギャップ２６は、電極の１４４の厚い部分１４７と電極１４２の薄い部分１４３の間に形成される。
【００４６】
アパーチャーが図７において一つの厚い部分のみで見えていたとしても、電極１４２の厚い部分１４１および各々の複数のアパーチャー１３０はこれらを通って伸びている。これらのアパーチャーは、上述したように、放電ギャップ２６へレーザーガス流れを促進するためであり、パルス放電下で音響共振を防止するためである。電極間間隔はセラミック１８によって保持される。セラミッククランプ１８は、ネジ２０によって電極の端１４２Eおよび１４４Eに付着している。レーザー１４０は電位的に、図６のレーザー１２０より、電極間容量を高くし、点火有り無しでの容量差を小さくする。しかし、これは、ギャップへガス流れを促進するために、一方の側の放電ギャップを完全には開いた状態にしないことで、達成される。この目的のために、ここで、リライアンスが、電極１４２の厚い部分においてポート３０上に最初に置かれる。
【００４７】
本発明が関係する当業者は、さらなる説明図がなくとも、レーザー６０、７０、１２０および１４０は、電極およびミラーの間のセラミック導波管を拡張しないで描いているが、このような拡張は、図１Aのレーザー１０の拡張部２１および２３を参照して上述したものと類似の形状に取り込まれることも可能であるし、好適でもあるということを理解するであろう。好適には、このようなレーザー６０および７０の拡張部はそれらが対応する電極と同じ断面形状を持つ。
【００４８】
本発明は好適なおよび他の実施形態に関して上述してきた。しかし、本発明において発明は上述の実施形態によって限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの一つの好適な実施形態を模式的に示したものである。
【図１Ａ】図１Ａは、電極端とミラーとの間に配置したセラミック・ミラー・シールドをさらに含む図１のレーザーを模式的に示したものである。
【図２】図２は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーの別の好適な実施形態を模式的に示したものである。
【図３】図３は、図４の３−３方向において一般的に観察される断面図である。
【図４】図４は、図３の電極およびセラミックスラブの配置状態の詳細を模式的に示した斜視図である。
【図５】図５は、図１のレーザーの例、図２のレーザーの例、およびセラミック挿入物が何もない類似した従来技術のレーザーに関する、電極への最大ＲＦピークパワー入力の測定値をレーザーガス圧力の関数として示したグラフである。
【図６】図６は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーのさらに別の好適な実施形態を模式的に示したものである。
【図７】図７は、本発明に従ったＣＯ2スラブレーザーのさらに好適な実施形態である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【国際調査報告】
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