(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流放電ガスレーザ発振器において、該レーザ発振器容器内に相対向する一対の金属電極を設け、該一対の金属電極の相対向する対向表面のそれぞれに該金属電極の幅より広い誘電体を密着して設け、該誘電体の中央部に位置する放電部の面積を前記金属電極の対向表面の面積より小さく設けると共に、前記放電部周囲の厚さを放電部の厚さより薄くして設け、該放電部表面以外の前記誘電体の周囲と前記金属電極の周囲とを該板状誘電体の比誘電率より小さい比誘電率を有する絶縁体で密閉被覆して設けると共に、前記金属電極内に冷却水が循環可能に設けたことを特徴とする交流放電ガスレーザ発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の交流放電ガスレーザ発振器において、前記誘電体がセラミックスであり、前記絶縁体がシリコーンゴムであることを特徴とする交流放電ガスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流放電ガスレーザ発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の交流放電ガスレーザ発振器の放電電極の一例とその放電状態を示したものである。
【０００３】
ガスレーザ発振器内（図示省略）には、低圧の気体レーザ媒質（炭酸ガスレーザでは、ＣＯ2、Ｎ2、Ｈeの混合気体からなる）が封入してあり、このレーザ媒質を放電励起するための一対の放電電極２０（ａ，ｂ ）が適宜な間隔をもって相対向するように配置してある。なお、図４では上方の電極２０ａのみを示す。
【０００４】
上述の放電電極２０ａは、板状の誘電体２１の上面にこの誘電体２１の幅よりの狭い金属電極２２を配置し、誘電体２１の上面と金属電極２２の周囲とを絶縁体２３で被覆した構成となっている。また、前記金属電極２２内部には、金属電極２２、絶縁体２３および誘電体２１を冷却するための冷却水が循環する流路２４が設けてある。また、金属電極２２はレーザ発振器の外部に設けた高周波電源２５に接続してある。  図５はもう一つの従来例であり、この例では前記金属電極２２の下面面積以上に放電が広がるのを防止するために、金属電極２２下面に接触する部分以外の誘電体の厚さを厚くした誘電体２１′を設けたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き放電電極２０（ａ，ｂ）を含む放電部を電源から見た等価回路２７は簡易的には図６の様に表すことができる。なお、図６中の「Ｃ」は放電電極２０（ａ，ｂ ）間の静電容量を示し、「Ｒ」は、放電部の抵抗分のほかに電極構成部品の誘電損失も含めたものである。前記等価回路２７における放電中の静電容量Ｃは，Ｃ＝εＳ／ｄにより決定される。
【０００６】
ここに、ε：誘電体の誘電率、Ｓ：誘電体の有効面積、ｄ：誘電体の厚さである。なお、ε０  を真空の誘電率（８．８５×1０−１２）、εｒを誘電体の比誘電率とするとき、ε＝ε０εｒである。
【０００７】
さて、放電電極２０（ａ，ｂ）間における正常な放電であるグロー放電時には、前記誘電体２１の有効面積「Ｓ」部分に均一な電流が流れて欲しい。しかし、それ以外の面での放電が生じて電流が流れても、レーザ光の誘導放出には寄与しないので放電電流は流れて欲しくない。
【０００８】
ところで、誘電体２１の有効面積「Ｓ」は実際は一定ではなく、誘電体２１に電流「ｉ」が流れると、その両端には、Ｖｃ＝（１／ｊωＣ）*ｉ、なる電圧が発生し、電気力線は電圧が高い所ほど密になり、かつ広がる（ある一定以上の電圧がかかる空間が大きくなる）。なお、前記数式中において、ωは角周波数、Ｃは静電容量、ｊは虚数単位である。
【０００９】
従って、放電電流「ｉ」が大きくなるほど、電圧のかかる面積が「Ｓ」が広がり、誘電体２１の誘電率「ε」と厚さ「ｄ」とが同一であれば、放電する面積Ｓが大きくなる。すなわち、レーザ光の誘導放出には寄与しない面での放電が増加し、電力−光変換効率が低下する。
【００１０】
また、誘電体２１の放電部に面する側は、放電プラズマに接触する上、プラズマに表面をたたかれるので、一般的に耐熱性の高い無機質材料であるセラミックスやガラスが使用されるが、これらの無機質材料を使用しても満足する耐熱性や耐スパッタリング性を得るのが困難である。
【００１１】
そこで、前述の従来例の如く金属電極の中に冷却水を循環させているが、それでも前述のように放電電流が大きくなると、金属電極の面積以上に広い範囲で放電が起きるので冷却効果が十分に得られないことがある。冷却効果が不十分である場合、スパッタリングにより誘電体２１の表面に凹凸が生じ、ついには破損することもある。また、冷却されている部分とされていない部分との温度差に起因する熱応力によって破損することもある。
【００１２】
また、金属電極２２の大きさに対する誘電体２１の大きさが十分でないと、誘電体２１の外側の迂回経路Ｄｐを通る放電が生じる。この様な迂回放電はレーザ光の誘導放出に寄与しないばかりでなく、非常に高温な放電のために電極構成部品を破壊してしまう。
【００１３】
従って、図４に示す如く絶縁距離Ｄを大きくとる必要があり、誘電体２１の大きさを大きくしなければならない。しかし、セラミックスまたはガラス等の誘電体は、形状が大きくなると製造が困難となりかつ高価となる上、使用中に割れやすいなどの問題がある。
【００１４】
また、もう一つの従来例（図５）の場合においては、金属電極２２と誘電体２１′とを一体で製作できない限り、金属電極面と誘電体の厚い部分には間隙Ｇができるので、放電が広がるのを抑制する効果は不十分である。
【００１５】
本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、電力―光変換効率および冷却効率がよく、かつコンパクトで安価な放電電極を有する交流放電ガスレーザ発振器を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する手段として請求項１に記載の交流放電ガスレーザ発振器は、交流放電ガスレーザ発振器において、該レーザ発振器容器内に相対向する一対の金属電極を設け、該一対の金属電極の相対向する対向表面のそれぞれに該金属電極の幅より広い誘電体を密着して設け、該誘電体の中央部に位置する放電部の面積を前記金属電極の対向表面の面積より小さく設けると共に、前記放電部周囲の厚さを放電部の厚さより薄くして設け、該放電部表面以外の前記誘電体の周囲と前記金属電極の周囲とを該板状誘電体の比誘電率より小さい比誘電率を有する絶縁体で密閉被覆して設けると共に、前記金属電極内に冷却水が循環可能に設けたことを要旨とするものである。
【００１７】
請求項２に記載の交流放電ガスレーザ発振器は、請求項１に記載の交流放電ガスレーザ発振器において、前記誘電体がセラミックスであり、前記絶縁体がシリコーンゴムであることを要旨とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る３軸直交形の交流放電ガスレーザ発振器１の第１の実施の形態で放電電極部の構成と放電状態を示したものである。レーザ容器３内には低圧の気体レーザ媒質（炭酸ガスレーザでは、ＣＯ2、Ｎ2、Ｈeの混合気体）Ｇが封入してあり、このレーザ媒質を放電励起するための相対向する一対の放電電極５（ａ，ｂ）が設けてある。なお、放電電極５（ａ，ｂ）は上下対称形の構成であるので、図１においては上側の放電電極５ａのみを示してある。
【００２０】
上記放電電極５ａは次のように構成してある。図１に示すように、幅ＷＡ、厚さＴＡ、の長方形断面（ＴＡ×ＷＡ）を有する金属電極７が紙面に直交する方向に長さＬＡだけ延伸させて設けてある。この金属電極７の下面には、長さＬＢ１（ＬＢ１＞ＬＡ）、幅ＷＢ１の凸字形のセラミックスからなる板状誘電体９が、凸部９ａが下方になるように密着させて設けてある。なお、前記ＬＢ１は、「ＷＢ１−ＷＢ２」分だけＬＡより長く設定するようにしてもよい。
【００２１】
前記板状誘電体９の厚肉部である凸部９ａ（厚さＴＢ１）の幅ＷＢ２は、前記金属電極７の幅ＷＡより小さく設定し（ＷＢ２＜ＷＡ）、板状誘電体９の薄肉部９ｂ（厚さＴＢ２＜ＴＢ１）の幅ＷＢ１は前記金属電極７の幅ＷＡよりも大きく設定（ＷＢ１＞ＷＡ）してある。また、凸部９ａは板状誘電体９の中央部に位置し、この凸部の下面は放電部１１となる領域でその面積はＬＢ２×ＷＢ２である。
【００２２】
上述の板状誘電体９の薄肉部９ｂ周囲の段部および前記金属電極の周囲には、板状誘電体９の比誘電率より小さい比誘電率を有するシリコーンゴムなどの絶縁体１３で密閉被覆してある。
【００２３】
前記金属電極７内には冷却水が循環可能な水路１５が設けてあり、この水路１５にレーザ容器３外部の冷却水循環装置（図示省略）が接続してある。また前記金属電極７は導線１７を介してレーザ容器外部３に設置した高周波電源１９に接続してある。
【００２４】
前記レーザ媒質Ｇは循環装置（図示省略）によって、上下の放電電極５（ａ，ｂ）の間を矢印の方向（放電方向に直交する方向）へ流れるように設けてある。また、レーザ媒質Ｇの流れる方向と放電方向とに直交する方向（紙面に直交する方向）に複数のミラーによって構成される光共振器１８が設けてある。
【００２５】
上記構成の交流放電ガスレーザ発振器１において、上下の放電電極間に適宜な交流高電圧を印加して電極間に放電を発生させて気体のレーザ媒質Ｇを励起する。放電励起されたレーザ媒質Ｇから誘導放出されたレーザ光が前記光共振器１８により増幅されてレーザ光として出力される。
【００２６】
上記構成の放電電極５（ａ，ｂ）において、板状誘電体９の放電部１１の面積ＬＢ２×ＷＢ２ は、金属電極７の下面の面積ＬＡ×ＷＡより小さく、放電部１１は冷却水の循環により十分に冷却されている。一方、板状誘電体９の放電部１１以外の表面は、次の理由によって温度が上昇しにくくなっている。
【００２７】
例えば、板状誘電体９には比誘電率εｒが１００のセラミックスを使用し、絶縁体１３には比誘電率εｒが３のシリコーンゴムを使用し、放電部１１の面積をＳ（＝ＬＢ２×ＷＢ２）、放電部１１の厚さをｄ（＝ＴＢ１）、放電部周囲の薄肉部９ｂの厚さをｄ／２（ＴＢ１／２＝ＴＢ２）、薄肉部９ｂ下部の絶縁体１３の厚さをｄ／２（＝ＴＢ１／２）、および左右の薄肉部９ｂ下面の合計面積を放電部１１の面積Ｓに等しいとすると、板状誘電体９の放電部１１の静電容量Ｃ１と、薄肉部９ｂにおける静電容量Ｃ２は次の計算式（１）および（２）により求められる。
【００２８】
【数１】
Ｃ１＝８．８５×1０−１２×１００×（Ｓ／ｄ）……………………（１）
ここに、８．８５×1０−１２は真空の誘電率ε０である。
【００２９】
また、薄肉部９ｂの静電容量Ｃ２は、比誘電率１００と比誘電率３の誘電体の直列接続が並列されたものであるから、
【数２】
Ｃ２＝８．８５×1０−１２×（６００／１０３）×（Ｓ／ｄ）……（２）
となる。
【００３０】
従って、Ｃ１／Ｃ２≒１７．２となり、前述のＶｃ＝（１／ｊωＣ）*ｉの関係から、凸部９ａと左右の薄肉部９ｂとに同じ電圧Ｖｃがかかった場合、電流ｉは板状誘電体９の放電部１１の方が薄肉部９ｂよりも約１７倍も通り易いことが判る。
【００３１】
そのため、板状誘電体９の薄肉部９ｂ部分における放電電流による温度上昇が大きく抑制され、またプラズマの衝突による温度上昇や劣化も大きく減少する。すなわち、レーザ光の誘導放出には寄与しない面での放電を抑制し、電力−光変換効率を向上させることができる。
【００３２】
また、冷却されている金属電極７に直接接触していない板状誘電体９の薄肉部９ｂは、絶縁体１３で密閉被覆されており、対向する上下の放電電極５（ａ，ｂ）の間を循環する高温のレーザ媒質に直接接触しないので、薄肉部９ｂの温度上昇が非常に小さく抑えられる。従って、冷却されている金属電極７に直接接触する放電部１１が、放電停止後に冷却され続けた場合にも、厚肉部である放電部１１と薄肉部９ｂとの温度差が大きくならず板状誘電体９の熱応力による破損が抑えられる。
【００３３】
また、図４の従来例における絶縁距離Ｄは、絶縁体（２１）が十分な耐電圧を有する材料であるなら、その絶縁体（２１）の耐電圧に耐えられない異種材料との界面との距離がそれに相当する。
【００３４】
これに対し、上述の第１の実施形態においては、この界面の距離は板状誘電体９の薄肉部９ｂの上下で折り返されており、板状誘電体９が同じ大きさであればこの絶縁距離Ｄは２倍以上とれることになる。
【００３５】
逆に言えば、必要な絶縁距離Ｄを得るために要求される板状誘電体の大きさは従来の１／２以下（面積では金属電極接触面を除けば１／４以下）ですむことになる。すなわちその分、製造が容易になり安価で破損しにくい板状誘電体９とすることができる。
【００３６】
図３は第２の実施形態であり、前記放電電極５（ａ，ｂ）の構成における板状誘電体９の凸部９ａを金属電極側に向けて配置したものである。それ以外の構成は第１の実施形態と同一であるので同一の参照符号を付し説明を省略する。
【００３７】
上記第２の実施形態構成においても第１の実施形態の場合とほぼ同様な効果を得ることができる。しかし薄肉部９ｂが循環するレーザ媒質に接触することによる温度上昇に対しての抑制効果はない。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１、請求項２の発明によれれば、板状誘電体の薄肉部における温度上昇が大きく抑制され、またプラズマの衝突による温度上昇や劣化も大きく減少する。すなわち、レーザ光の誘導放出には寄与しない面での放電が抑制され電力−光変換効率を向上させることができる。
【００３９】
また、薄肉部は放電電極間を循環する高温のレーザ媒質に直接接触しないので薄肉部の温度上昇が小さく抑えられる。従って、冷却されている金属電極に接触する放電部が、放電停止後に冷却され続けた場合にも、厚肉部である放電部と薄肉部との温度差が大きくならず誘電体の熱応力による破損が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る交流放電ガスレーザ発振器の第１の実施の形態で放電電極部の構成と放電状態を示した図。
【図２】図１のＡ矢視図。
【図３】本発明に係る交流放電ガスレーザ発振器の第２の実施形態の説明図。
【図４】      従来の交流放電ガスレーザ発振器の放電電極の例とその放電状態を示した図。
【図５】従来の交流放電ガスレーザ発振器の放電電極のもう一つの例。
【図６】従来の交流放電ガスレーザ発振器の放電部を電源から見た等価回路図。
【符号の説明】
１  交流放電ガスレーザ発振器
３  レーザ容器
５（ａ，ｂ）  放電電極
７  金属電極
９  板状誘電体
１１  放電部
１３  絶縁体
１５  水路
１７  導線
１９  高周波電源
【図１】
0004450980.tif 000002
【図２】
0004450980.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004450980.tif 000005
【図５】
0004450980.tif 000006
【図６】
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