POWER AND STABILITY IMPROVEMENTS IN A BLUMLEIN TYPE TEA C02 LASER

POWER AND STABILITY IMPROVEMENTS IN A BLUMLEIN TYPE TEA C02 LASER

著者（英） Yoshio MIYAMORI, Iwao KITAZlMA journal or

publication title

福井大学工学部研究報告

volume 28

number 2

page range 301‑311

year 1980‑09

URL http://hdl.handle.net/10098/4401

福 井 大 学 工 学 部 研 究 報 告

第

2 8

巻 第

2

号 昭 和 田 年9月

ブルームライン型 TEA CO

2

レーザの出力向上と安定化

宮 守 良 夫 * ・ 北 島 巌料

P O W E R  AND STABILITY  I M P R O V E M E N T S   I N   A BLUMLEIN  T Y P E   T E A  C 0 2   L A S E R  

Yoshio MIYAMORI  and Iwao  KITAZlMA  (Received Ju1y 3 1 ，  1980) 

A compact  transverse1y‑excited atmospheric pressure  ( T E A )   C02  laser uti1izing a B1um1ein type main discharge and 1adder predischarge  technique has been constructed and operated at  repetition rate to  100 pps under gas recirculation.  First ，  the addition of small  amounts  of a seed gas  (tri‑n‑propylamine)  to a  C02  N2  He gas mixture  remarkab1y enhanced the  laser power with the aid of gas preionization  by ladder spark discharge.  The optimum de1ay time between ladder and  main B1umlein discharges was also studied to be up to  2μsec for a  COz  ‑N  2

・

He gas mixture with the seed gas.  I t   i s   found that  UV  photo‑excited  N2 gas is  favorab1e for Penning ionization of the seed  gas.  Second1y ，  in high‑repetition‑rate operation of 30 pps ，  gas  recirculation through a big gas tank  cooled by water makes  great  progress  in  stabilization of the output  power of a sealed‑off 1aser  over one hour;  as not expected ，  particularly without either the  addition ofa seed gas or ladder predischarge.  I t   is noticeable that  ladder  spark discharge and photo‑dissociated seed gas  seem very  harmful for electrodes and laser 

g~s

to strong1y suppress the  laser  power in a few minutes under  30 pps operation. 

1 序 論

1. 

1

緒 言

1970年 Beaulieu

1)によって提案された

TE  A  (Transversely Exci ted Atmospheric‑press‑

ure) 

CO2レ ー ザ は ， ガ ラ ス レ ー ザ に 匹 敵 す る レ ー ザ 活 性 媒 質 密 度 ( 二

1 0

一19

c m ‑ 3 )

ま で 放 電 ガ ス 圧 を高めるこξが で き る の で 大 出 力 レ ー ザ と し て 注 目 さ れ て い る 。 し か し ， 大 気 圧 ま た は そ れ 以 上 の 高 気 圧 レ ー ザ 媒 質 で 安 定 な グ ロ ー 放 電 を 維 持 す る こ と は 極 め て 困 難 で ， 放 電 体 積 全 体 に わ た っ て 均 一 に 予 備 電 離 を 行 な う 必 要 が あ る 。 こ の 代 表 的 な も の に ， (1)トリガー電極による予備放電を加える 方 法 2} (2)紫 外 線 に よ る 光 電 離 を 用 い る 方 法 3) (3)強 力 な 電 子 ビ ー ム を 用 い る 方 法4)等 が あ るO こ

キ 陥和

5 5

年

3

月，工学研究科修士課程(電子工学専攻)修了，現在，日立製作所勤務 付 電 子 工 学 科

の(1)と(2)を 組 み 合 せ た ラ ダ ー 放 電 は ， 比 較 的 簡 単 に 安 定 な レ ー ザ 動 作 を 得 る こ と が で き る 点 で 小 型 レーザ装置に適しているO5)また. u v光 を 容 易 に 吸 収 し て 光 電 離 す る 低 電 離 電 圧 の 有 機 物 分 子 を シ ー ド ガ ス と し て 添 加 す る こ と に よ っ て 安 定 な 大 気 圧 動 作 が 得 ら れ る よ う に な っ たO 6)しかし，ラ ダー放電により発生した

uv

光 と 電 子 が ど の よ う に レ ー ザ ガ ス (CO2)とその混合ガス(N2.He)に作 用するのか十分に説明されておらず，またシードガスの電離作用も明確ではないの

そこで本研究では T E A C02レーザの出力向上と安定化をめざしてラダー型予備放電のフごルーム ライン式TE A  CO2レーザを製作し，全ガス圧6O.  300， 760 tOrrについて He，N2ガスの最適混合 比 を 調 べ る と 共 に シ ー ド ガ ス 効 果 及 び ラ ダ ー 予 備 放 電 効 果 に つ い て 実 験 し たO さらに，長時間の繰 返 し 動 作 を 考 え る 場 合 ， ガ ス 封 じ 切 り の 動 作 特 性 を 調 べ る こ と は 高 価 な Heガ ス 節 約 の 意 味 で も 重 要である。ここでは30pps動 作 に お い て 上 に 述 べ た 効 果 が ど の よ う に 働 く か ， 叉 ガ ス の 内 部 循 環 お

よ び 冷 却 な ど 長 時 間 動 作 に 有 効 な 方 法 に つ い て も 検 討 し たO

1. 2.  出 力 向 上 と 安 定 化 の 方 法

横 方 向 放 電 に よ っ て レ ー ザ 媒 質 を 励 起 す る C匂 レ ー ザ で は ， そ の 高 効 率 ， 高 出 力 化 及 び 放 電 を 安 定化する方法として次のものが考えられている。

(I)  レーザ反転分布密度の増加 (1)  Nz， Heガスを混合するO

(2)  動 作 気 体 圧 力 を 高 く し て C02分子密度を増加させる。

(3)  プラズマパラメータ E/P(vOltS/cm. torr)を最適化する。

(田 レーザ媒質の有効体積の増加

(1)  放電長を長くし，大口径放電管を用いるの

( 2 )  

横方向放電の放電面積を増加し，電極間距離を拡げる。

(ml  放 電 の 安 定 化

(1)  レ ー ザ 媒 質 を 高 速 で 流 し ， 気 体 の 温 度 上 昇 を 防 ぐ と と も に 分 解 生 成 物 を 除 去 す るO

( 2 )  

予 備 放 電 や 紫 外 線 (

uv

光)によって予備電離を行なう。

(3)  有機化合物分子(トリ ‑ n ‑プ ロ ピ ル ア ミ ン 等 の 低 電 離 電 圧 の シ ー ド ガ ス ) の 添 加 に よ る 予 備電離効率の増大をはかる。

( 4 )  

高速放電回路(フ'ルームライン放電回路等)を使用するO

特に，混合ガスの働きについて述べると， N2ガスの効果については N2( v = 1 )の振動エネルギ

ーがCO2  ( 00⁰1 )レーザ上準位へ共鳴励起移乗することによってレーザ上準位の分布密度を増し，

反 転 分 布 の 形 成 が 容 易 に な る と 考 え ら れ て い る0 7 )また， Heガスの効果としては， (a)電 子 温 度 を 高 めてCO2分子の励起に影響を与え， レーザ上準位の分布密度を高める ⁸⁾ (b) C02 ( 10⁰0， 02⁰0)レ ーザ下準位の分布密度を減少させる，9)(c)ガス温度を低下させ，10)C02 ( 01⁰0 )下準位の緩和を促進す る等が考えられているO

次に，シードガスの添加効果としては， (a)ベニング効果によって放電電圧を下げること11)(b) U V   光 を 吸 収 し て 光 電 離 を 行 な う こ と 等 が 考 え ら れ て い る

f

ラダー予備放電効果として， (a) U V光 を 発 生 し て レ ー ザ 媒 質 を 光 電 離 す る こ と12)(b)スノミーク放電 に よ っ て 電 子 と イ オ ン を 発 生 さ せ る こ と の2つが考えられているO

ここでは， とれらの相互関係を調べ TEAC O2レーザの出力向上と安定化について検討する。

2 実 験 方 法 及 び 原 理 2.  1 実 験 装 置

自 作 し た ラ ダ ー 予 備 放 電 型 ブ ル ー ム ラ イ ン 式 TEA C02レーザ装置の概略を Fig.1に示すO主 放電回路は CS1，CSz及 び 主 放 電 電 極 聞 の レ ー ザ 励起放電路より構成されているo CS1， CSZは

1000pF30kV耐圧セラミシクコンデンサを光軸に

沿 っ て そ れ ぞ れ33個使用して，

P

1

‑H

間と

P

2

一

日間でブ、ルームライン放電回路を形成しているO

電 流 の 立 ち 上 り 時 間 を 速 く す る た め 回 路 内 の キ

うに， コ ン デ ン サ と 主 放 電 電 極 聞 の 距 離 及 びP1

‑11;と P2‑P3の 間 隔 を 最 小 に し て 配 置 し たo PI， 

pz. P3には厚さ O.5 mmの銅板を用いその間隔は 耐 圧 も 考 慮 し 約30mmとしたO

H.V (JOkY) 

R  R 

Fig.l  Schematic  diagram of TEA laser tube with  ladder s})ark  eユectrOdeL.  E ‑ electrod θfor main  (Blumlein)  dischargθC

，‑

capacitor.  1000  pF;  C..  C， ‑main capac工tors. 33  nF. G ‑spark gas;  R‑一

了 間istors. 200  ku; P. ，日 .P!.‑coppor thin pla tes. 

主放電電極には，厚さ 5 mmの 真 鍋 平 板 の 研 磨 面 に ノ コ 刃 を 取 り つ け たO電 極 間 距 離 は20m皿，放電 長は120cmである。

ラダー放電用コンデンサC1は， 1000 p Fセ ラ ミ ッ ク コ ン デ ン サ6個 で そ れ ぞ れ20cmの 長 さ の ラ ダ ー放電回路に接続されている。ラダー電極は， 20ι田両面プリント基板に電極長12mm， 電 極 間 距 離1

田皿の島型電極を12個ずつ2列 並 設 し て あ る 。 ラ ダ ー 電 極1つlつ が コ ン デ ン サ と し て 働 く た め ラ ダ ー(はしご)状の放電を形成できるO この島型電極間でスパーグ放電を起こすととにより U V光を 発 生 さ せ ， 主 放 電 電 極 の 悶 へ 約120cmの長さにわたって予備電離を行なうO

放 電 管 に は 光 軸 方 向 長134c凹，高さ1Ocm.幅10cmで厚さ20皿mの ア ク リ ル 板 を 使 用 し たO また， レ ーザ、窓にはNaC1板 (60 mm戸， 10血mt)を用い0リングではさみ固定したO

また， ラダー予備放電効果を詳しく調 べるため，ラダー放電から発生する

uv

光 だ け を 透 過 さ せ る 融 解 石 英 板 (S工O2 ; 

600四回lX50mmw_{X5mmt )}でラダー放電 部 と 主 放 電 部 を 分 装 し た レ ー ザ 装 置 も 製 作したO この場合の放電長は60cmである。

ラダー予備放電開始時間を変えるため F工

g . 2

に示す遅延放電回路を用いたO 遅 延時間の差は， ラダー放電トリガースパ ークギャツプS G1と主放電トリガースパ ークギャップSG2の 側 光 を 光 電 子 増 倍 管 (PM)で 観 測 す る こ と に よ り 求 め たO ラ

H~.1

HM2 

r?~~---

Fig.2  Schematic  diagram Of delay circuit between ladder  and main di目chargee. R.. R.， R.....reeistors.  100  kO; 

0" 02， O.一一capacitore a日the eame  in Fig.1.  α1. O. "'. epark gape.  0.， R. .... capac i tor and res istor  for delay line.  0‑1000 pF.  0‑1 kD. 

2 0 mA;  30 k V.  60 mA )で¥駅動し，

ダ ー 放 電 部 と 主 放 電 部 は ， そ れ ぞ れ 独 立 の 高 電 圧 電 源 (D. 0 

2 0 k V .  

遅延時間は.Rd.Odの値を変えて調整したO

次に用いた実験系の概略をFig.3

に示すO 共 振 器 に は ， 焦 点 距 離3m  のAu蒸着全反射ミラーと30

凹 〆

5

mm t Ge平 板 ( 両 面 反 射 :77. 9 

9

ら)で 構成し，共振器長は1.5 mであるO

応答速度1μsecの 飢 レーザ出力は，

: ユ(e赤 外 線 検 知 器 で 検 知 し100MHz  シンクロスコープで観測したO レーザ 媒質は，流速181ite% nの循環ポンプ で 内 部 循 環 さ せ ， ガ ス の 混 合 が 均 一

Fig.3  8chematic  diagram of experimental  arrangement for  measurement  of工aser output  by Au : Ge detector and delay  time between ladder and main spark gaps by ph口tomultiplier PM. 

繰 り 返 し放電の安定化のためにレーザ装置 になるように努めたO また，

(容積約4.5liter)の約1.7倍 の 容 積

吸 熱 板 を 装 着 し た 銅 管 に 水 を 流 し て ガ ス 冷 却 を 行 な のガスタンクを付設したのガスタンク内には，

ったO

動 作 原 理

2

.   2 

Fig.lに 示 し た レ ー ザ 装 置 の 動 作 原 理 を 述 べ る 。 最 初 に ト リ ガ ー 放 電 に よ っ て ス パ ー グ ギ ャ ッ プ その結果充電電圧の

2

倍 の 電 圧 が ラ ダ ー 放 電 電 極 及 び ( S.α)が導通すると OSIの電圧は反転し，

各 主放電電極に印加される。電極間距離はラダー電極の方が短いので，最初ラダー放電が起こり，

スパークは強力な紫外線と多数の電子・イオンを発生してレーザ媒質を予備電離する。

このラダー放電は自身の放電電流により 1000pFのむを充電するだけ持続するO この予備放電に 一 様 グ ロ ー 放 電 を 起 こ すO これによって 002分 子 の レ ー ザ 上 準 位 が 励 より主放電はトリガーされ，

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︿︺ h由EO晶H2

FSoh4曲師司品 川

起 さ れ ， 反 転 分 布 が 形 成 さ れ て レ ー ザ 発 振 が 起 こ るO

実 験 結 果 及 び 考 察 混 合 ガ ス 効 果

3 

3.  1 

全ガス 002ガスだけで動作させる場合は，

圧40torrを越えるとアーク放電となり発振し

ないO しかし， N2， 

He

カFスを混合することに より全ガス圧300七orrまでレーザ、動作が可能 になったo Fig. 4に全ガス圧60torrでガス 混 合 比 を バ ラ メ ー タ と し た 発 振 出 力 の 変 化 を 示 すO混 合 ガ ス 効 果 を 調 べ る た め 002分圧を

20 

Fig.4 工a日er ou七put vs.  charged voltage  of main  capacitor自 .CO2， N2 and He gases are mixed without  any seed gas as  indicated above and seal白d in laser  tube and gas七ank in  condition of constant  total  pressure (60 torr)  for internal circulation. 

10 

1 2

七oπ 一定として N2と

He

分圧比を変え て測定したO最適混合比は 002:N2: 

He=12: 

24: 2 4

， 最 適 印 加 電 圧

1 5 k V

であるo

N

2と

He

ガスを混合することにより 002ガスだけの場合(20torr最 適 ) の 約40倍 の 出 力 が 得 ら れ たoN₂ガス の効果は，励起された_N2 (v = 

1 

)分子から002(00⁰ 

1 

)準位への共鳴移乗によってレーザ出力を 増 加 さ せ る と 考 え ら れ るoしかし，本研究では N2ガス分圧を増加すると逆に出力は減少した_O こ

れは N2ガ ス が 電 子 温 度 を 下 げ 且 つ ガ ス 温 度 を 上 昇 さ せ る こ と に よ っ て ア ー ク 放 電 を 招 く た め と 推 論できるO 一方 ，Heガ ス の 効 果 は ， 電 子 温 度 を 主 げ ， ガ ス 温 度 を 低 下 さ せ て ア ー ク 放 電 を 抑 え る 働 き が あ る と 考 え ら れ る の で ， 全 ガ ス 圧 を 高 め る 場 合Heガスの混合は重要であるo

3 .   2 

シードガス効果13)

シードガスを少量添加することによって，

300torr以 上 で は ア ー ク 放 電 と な っ て い た レ ーザ媒質を大気圧下でも均一にグロー放電さ せることができた。このため， TEA 00₂レー ザ発振が実現し， レーザ出力は著しく向上し たO このように少量の気体の添加によって，

放 電 条 件 が 改 善 さ れ る 効 果 と し て ベ ニ ン グ 効 果¹⁴⁾が考えられるO

実験に用いたシードガス(トリーnープロ ピルアミン)は，電離電圧が7.23 eVと低く，

励 起 さ れ た レ ー ザ 媒 質 と の ベ ニ ン グ 効 果 に よ って容易に電離されているものと考えられるO

Fig. 5， 6に，シートガスとレーザ媒質と の関係を調べるため， 002‑N2混合と ^{002‑ He}  混 合 の 場 合 の 出 力 特 性 を 示 すO 全 ガ ス 圧60torr 

一定とし，横軸は 002‑N2，002‑He分圧比で あるo 002‑N2混 合 で は ， 最 適 分 圧 比0.4 ( 002 

N2 = 36 : 24 )でシードガスを添加することに よって出力が約8倍増加したO 一 方，002‑He  混合では， シードガス無添加の最適分圧比0.75

( 0 O2 : He = 15 : 45 )であるのが，シードガス を添加することでO.3 3 ( 0 O2 : He = 4 0 : 2 0 )と なり 002分 圧 が 増 し て 出 力 が 約1.5倍 と な っ たO

この結果よりシードガスを電離させる主気体は N2ガスであると推論できるO

Borst 15)によるとN₂分子中で低いエネルギー

i

0.2 

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0，2  1.0 

Fig.5  variat工on of laser  ou七put as a funct ion of  N， gas  compos i t ion  in 00， : N， mixture for fixed  energy input  Or charging vOltage  of 15  kV.  Total  gas  pressure  is  constant  of 60  torr， but with  and without日eed gas of 0.85  torr. 

。 ・

^{wwlitthhsoutee5}

・

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 ^1&5 dlas

o 

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^{」 」 イ/ 0 ¥}C?‑C?‑"....  0.2  0.4  0

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.6 0.8 

R&tio ‑...盟L COz+N2 

1.0 

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H咽 回2・

aL R4

︼h‑Be晶H2晶

MF SO LE

‑‑ w4

・

Fig.6  Var工ation of laser  output as a function  of He gas  compo8工tion in  00

，  : 

He mixture  in  the日ame as  in  Fig. 5. 

をもっ電子によって励起される準位は， A3 Z:;~， ^{a1π g}， E3 Z:;~だけである o N Z:;~準位は，エネ ルギーが約 6ev 左低いためシードガスを電離させるには不十分である O また E3 Z:;~は，励起電圧 (約

1

1.

9 

eV)が大きく衝突断面積も小さいためa1πg と比べると重要でないと考えられる_o従って 励 起 電 圧 が8.55 eVで あ り ， 輯 射 に よ る 寿 命 時 間 が 115μsec16)と長い a1πg準位がシードガスを電 離 す る 主 な 働 き を し て い る と 考 え ら れ る_oまた ，Reitsll)によるとシードガスを少量添加すること

によってかなり a'πg準位の寿命時間が縮まると報告されている。ゆえに， N2  ( a'πg)が シ ー ド ガ ス 分 子 (

s 

)との衝突によって次式のベニング効果を起こすと考えられる。

N2*  ( a1πg : 8.  55 eV ) + s 

→

N2+ゲ (7.  23 eV ) + e‑ 一・・(1) 3.  3  ラダー予備放電効果

ラダー予備放電の効果としては次の2つが考えられている。

(1)  U V光 に よ る 光 電 離 作 用

(2)  予 備 放 電 に よ る 電 子 ・ イ オ ン の 発 生

ラダー予備放電によヮて発生する UV光は， レーザ媒質のCO2，N 2， Heによってほとんど吸収さ れるo Mckenらの報告17)によれば， レーザ媒質(CO2 : N2  He = 1  8混合の大気圧ガス)中で のU V光は， 1200 A付近と 1750A付 近 に 透 過 帯 域 が あ る 以 外 ほ と ん ど 吸 収 さ れ て し ま うO特にレ ー ザ 媒質 を 直接光電離させるには CO2ガスの場合最低電離電圧が13.7 eVで あ る た め 約900A以 下の波長のU V光が必要であるO 同様に， N2ガスの場合15.6 eVで あ る た め 約800A以下のU V光 が必要であり， Heガスでは 24.4 eVと非常に高いため約500A以下の U V光 が 必 要 と な る 。 そ れ ゆ え，約900A以下のU V光 は ， 発 生 後 す ぐ に レ ー ザ 媒 質 に 吸 収 さ れ て し ま い ， 放 電 管 内 を 透 過 で き るU V光は 1200A帯と 1750A帯だけと推論されるoま た ， こ の 波 長 の 光 子 の 平 均 自 由 行 程 は ， 混 合 比CO2: N2 : He = 1  8大 気 圧 下 で 約10c回12)と長いので， この波長帯のU V光 を 吸 収 し て 光 電 離 す る 有 機 物 分 子 を 添 加 す る こ と は ， 高 気 圧 で ラ ダ ー 放 電 を 生 か し 均 一 な グ ロ ー 放 電 を さ せ る 上 で非常に有効な方法であるO そこで，電離電圧が低く，蒸気圧の高いベンゼン， トルエン，キシレ ン 等の シ ード ガ スが用いられている。実験で用いたトリーn プ ロ ピ ル ア ミ ン は ， 電 離 電 圧 が7.23 eV t:低く約1716A以下のU V光 を 吸 収 し て 光 電 離 す る こ と が で き る 。 そ の 過 程 を 次 式 へ 示 すC

s +凶 (1716A以 下 ) → ゲ (7.23eV)+e一 ・・ー・・(2)

現 在 ， シ ー ド ガ ス の 光 電 離 過 程 と し て 次 の2つの場合が考えられている。それは， (2)式に示すよ うに1個 の 光 子 に よ っ て 電 離 す る 一 段 階 電 離(One‑step photo‑工onization process)と2個の 光 子 に よ っ て 電 離 す る こ 段 階 電 離(two‑step photoionization process )であるO 二 段 階 電 離 を考えることで，光電離に寄与する波長範囲は広がる。しかし， どちらの過程が主に効いているか 明 確 で は な い っ 実 際 に は ， 高 い エ ネ ル ギ ー を

もっ1200A帯の UV光 で は 容 易 に シ ー ド ガ ス を一段階電離すると考えられ， 1750A帯のU V光は，二段階電離で働くものと推論される。

本 研 究 で は ， 初 め にFig.2の遅延回路を用 い て 最 適 主 放 電 遅 れ 時 間 を 求 め たO しかし，

ラダー放電を先に起こす場合，ガス圧が低い と主放電電極に充電した電荷が先に放電した ラダー電極へ放電してしまうO これを避け且 つラダー放電のU V光 に よ る 効 果 を 調 べ る た め 石 英 板 分 離 型 レ ー ザ 装 置 で 測 定 し たO その 結果をFig.7，こ示すO シードガス無添加の場 合， ラダー放電と主放電を同時に放電させる

0.8 

:5  0.6 

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o _{o  10  20  30  40  50} 

Delay Ti̲ of陶1"DI虹har

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{μsec:) Fig ・ laser outpu七as a function of delay time 

betweenユadder and main dischargss.  Laser  gas  composi tion  is  indicated ab口vs. Tri‑n‑propylゐmtne of 0.5  torr  is  used as  ssed gas.  Ladder and main  charging vol tagss ars  14  kV. 

の が 最 適 と 分 っ たO し か し ， シ ー ド ガ ス を 添 加 し た 場 合 は ， ラ ダ ー 放 電 を2μsecほ ど 先 に 放 電 さ せ る と 出 力 が 増 加 し たOこれは 1750A帯 のuv光 に よ っ て シ ー ド ガ ス が 一 段 階 電 離 さ れ た と 考 え る よ り も ， 他 の ガ ス ( た と え ばN₂ガ ス ) に 一 端 吸 収 さ れ て ， そ れ か ら 分 子 間 衝 突 ( ベ ニ ン グ 効 果 等 ) を 経 て シ ー ド ガ ス を 電 離 す る た め に2μ secの 時 間 を 要 し た も の と 考 え ら れ るO18) 

また Nz分 圧 の 高 い 混 合 の と き ，

u  v

光を 5μ間 以 上 先 に 照 射 す る と レ ー ザ 出 力 は か な り 減 少 す るOこれは， N2分 子 の 解 離 電 圧 が 7.37 eV (波長にすると 1682A)と 低 い 値 で あ る の で uv光 を 吸 収 し て 励 起 さ れ るN2分 子 の 一 部 が 解 離 し て 放 電 を 不 安 定 に す る た め と 考 え ら れ る 。 逆 に C02‑He  混 合 で は uV光 を 照 射 し て も レ ー ザ 出 力 の 変 化 は あ ま り み ら れ な い 。

次に， Fig.1の レ ー ザ 装 置 で 全 ガ ス 圧300 torr， 

R P

ちC02 : Nz : He = 60 : 30 : 210のと

2 

き の ラ ダ ー 予 備 放 電 効 果 を 調 べ た 結 果 をFig.

: 5 旬

8に 示 すO ラ ダ ー 予 備 放 電 だ け を 付 加 し た 場

2 

合， N2ガ ス の 解 離 な ど に よ っ て 出 刀 は 低 下 し む 実 た の し か し ， シ ー ド ガ ス を 添 加 す る こ と に よ っ て 高 印 加 電 圧 側 で も 発 振 が 起 こ り ， そ れ に ラ ダ ー 予 備 放 電 を 加 え る と 一 層 出 力 が 増 加 し たO こ の 結 果 よ り ラ ダ 一 予 備 放 電 は ， シ ー ド ガ ス を 光 電 離 さ せ る こ と に よ っ て レ ー ザ 出 力

16 喝

Charging Voltage  (kV) 

" 

を か な り 向 上 さ せ る こ と が で き る 。 し か し ， u V光 に よ る レ ー ザ 媒 質 の 光 電 離 作 用 や 電 子

Fig.8  La日er output of 002: N2 : He  (60 : 30 : 210  torr)  mixture with and without seed gas  an斗/or ladder  predischarge  indicated above as  a function of  衝 突 に よ る イ オ ン の 発 生 の 効 果 は 少 な い と 考

え ら れ る 。 ま た ， 石 英 板 分 離 型 レ ー ザ で 同 様 の 実 験 を 行 な っ た 結 果 ， 石 英 板 を 透 過 す る

1 7 5 0   A

帯 のUV光 だ け で は 十 分 に シ ー ド ガ ス

charging vOltage. 

• with seed gas and ladder discharge. 

• ; wi th seed gas.  ム;with ladder discharge. 

o  ; 

wi thout seed gas乱ndladder discharge. 

を 光 電 離 で き な い こ と が 分 っ たO ゆ え に ， シ ー ド ガ ス は ，

1200A

帯 のUV光 に よ る 一 段 階 電 離 に よ っ て 主 に 光 電 離 す る と 推 論 さ れ る 。

こ の ラ ダ ー 予 備 放 電 は ， 大 気 圧 下 で 用 い る と 放 電 の 均 一 化 の た め に 非 常 に 有 効 で あ り ， TEA CO2 

レ ー ザ の 大 出 力 化 を 可 能 に す る こ と が 分 っ たO また， ラ ダ ー 予 備 放 電 の 強 化 が 一 層 レ ー ザ 出 力 を 向 上 で き る と 期 待 さ れ る 。 現 在 ， 全 ガ ス 圧760torr ， 混 合 比CO2: N2 : He = 140  80: 540，  数

100 M W ( 推 定 )，ノ^ζル ス 幅 数μsec( 半 値 半 幅 ) が 得 ら れ て い る 。 3.  4 繰 り 返 し 動 作 特 性19)

TEA cO2レ ー ザ の レ ー ザ 出 力 の 安 定 性 を 調 べ る た め .30 pps繰 り 返 し 動 作 に お け る10⁵回 放 電 実 験 を 行 な っ たO

実 験 に は ，Fig.1の レ ー ザ 装 置 を 用 い 全 ガ ス 圧60，300， 76 Otorrに つ い て 混 合 ガ ス 効 果 ， シ ー ド ガス効果， ラ ダ ー 予 備 放 電 効 果 の 安 定 性 に つ い て 調 べ たO

Fig.9は ， 全 ガ ス 圧60torr封 じ 切 り 状 態 でCO2分 圧12七orr一 定 と し てN2，He分 圧 を 変 え た と き の 繰 り 返 し 動 作 特 性 を 調 べ た も の で あ るo He分 圧 の 高 い 混 合 の 場 合 安 定 性 が 良 い こ と が 分 るO 特 に C02 ‑He混合だ、けの場合は，放電開始から 10⁵回 放 電 後 ま で レ ー ザ 出 力 が 変 動 せ ず 安 定 に 動 作 し て

いることは非常に驚くべき結果であるO 放 電 によって 002分子が解離しているにもかかわ らず出力が変動しなかったことは 002の解 離と解離生成した 00とOとの再結合がある平 衡状態を保ったものと考えられるO

つまり， 002レーザの安定化のためには，

002分子の解離を抑え，さらに解離した 0 0 とOを再結合させる方法を考案する必要があ るO この点Heガスは，それ自身不活性ガスで 安定であるため，解離生成した 00やOと反 応することなく逆にガス温度を低下させるこ

とによって繰り返し放電によるガス温度上昇 を抑え再結合を促進する働きがあると考えら れるO 一方混合する h 分圧を高くしていくと 繰り返し数は減少しているO また，放電開始 直後は， レーザ出力が急激に減少しその後徐 々に増加して一定となり再び減少するという 特性を示している。これは， N₂分子が ^He原 子とは逆に電子温度を低下しガス温度の上昇 を招いて放電を不安定にするだけでなく，解 離生成したO原子と反応してN OやN20など の窒素酸化物を作りレーザ、媒質を劣化させる ためと思われる。

レーザ媒質の劣化を改善するために封じ切 り動作で比較的劣化の著しい混合002 : N2 

He=12: 36  12を用いてガス内部循環，ガ スタンク，ガス冷却の効果を調べた。その結 果をFig.101こ示すO レーザ媒質を内部循環し，

且つガスタンクを用いることにより繰り返し 数はそれぞれ約1.5 

x 

10'回程度増加しているO

さらに，水冷熱交換器によってガスを冷却す ると 10⁵回放電後もほとんど出力変動がなく 安定な発振が得られた_O この結果からガスを 内部循環させガスタンクを用いてガス冷却す ることによりレーザ媒質の劣化をかなり改善 できることが分った_O

次に，シードガス効果やラダー予備放電効 果の安定性について調べるため全ガス庄300

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Fig・9Varia t工on of laser output wi th number of  pU1S8S  or operation  time  in  30  pps  in CO， ‑N，‑

He p;a8 mixturss  ssaled off  in  laser  tube.  charp;ing  vol tage  is  13  kV. 

Reclrcu1ation， Gas tank， Water c回1inl

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F工g.10 variat工on of laS8r  ou七put wi th number of  puls 88  or opera tユロn tlme 工ロ 30 pps ユロa 12‑36‑12  torr  C02‑Nz‑He gas  mixture  in  various  condi tions  as  indicated  above.  Chargユngv口ltage is  13  kV. 

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Pulsed Oper・tionTI田 { ・1ft)

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8

Total楠aberof Pulses  ( )110. )  Fig・11 Varia tion口f laser  outpu t wi th number Of 

pulses  or operation time  in 30  pPS  in a 60‑30‑

210  torr CO，‑N，‑He  gas mixture with and without  seed gas  and/or ladder predischarge.  Charging  voltage  is  12  kV.  Thθlassr gas  is  internalユy cir巴ulated through  gas  tank wi th water cOOling. 

t o r r

，混合比 C02 : N2 : H θ =  

6 0   :  3 0   :  210

に つ い て 繰 り 返 し 動 作 特 性 を 調 べ たO レーザ媒質は内 部 循 環 し ， ガ ス タ ン ク ， ガ ス 冷 却 を 行 な っ て 用 い たO その結果をFig.llに示すO シードガス添加は，

単 パ ル ス 発 振 に お け る 出 力 向 上 に 欠 か せ な い が ， 繰 り 返 し 動 作 に お い て は 無 添 加 に 比 べ て 発 振 寿 命 を約半分に減少したO こ れ は ， シ ー ド ガ ス の 有 機 物 分 子 が 繰 り 返 し 放 電 の 熱 に よ っ て 熱 分 解 し レ ー ザ 管 壁 面 な ど に 付 着 し て 放 電 管 を 傷 め ， 且 つ レ ー ザ 媒 質 を 劣 化 さ せ る た め と 考 え ら れ る 。 こ の た め シ ー ド ガ ス の 添 加 は ， 長 時 間 動 作 の 場 合 避 け た 方 が よ い と 思 わ れ るO

ラ ダ ー 予 備 放 電 を 繰 り 返 し 動 作 で 用 い る 場 合 は ， 極 端 に 繰 り 返 し 数 が 減 少 し て い るO これは，ラ ダ ー 電 極 (cu)が ラ ダ ー 放 電 に よ る ス パ ッ タ 一 作 用 に よ っ て レ ー ザ 管 壁 面 や 主 放 電 電 極 表 面 に 膜 を つくり，これにC02分 子 が 吸 着 さ れ る と い う ， い わ ゆ る gas clean up 20)が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る。実験で使用したラ夕、一電極は両面プリント基板を用いているため電極の磨耗による損傷が大き く ， 今 後 は ラ ダ ー 電 極 を 強 度 の 高 い 安 定 な 材 質 に 改 良 し 形 状 も 工 夫 す れ ば 安 定 性 は か な り 改 善 で き るものと期待されるO

また，大気圧(7

60torr)

で も 同 様 の 実 験 を 行 か っ た が ， 大 気 圧 発 振 に は シ ー ド ガ ス 添 加 や ラ ダ ー 予 備 放 電 が 不 可 欠 で あ る た め 初 め の 数 十 回 だ け で 発 振 が 停 止 し たO こ の た め ， 大 気 圧 下 で 繰 り 返 し 動作をさせる場合は，入力エネルギーの大きい繰り返し放電となるためガスの解離も著しく， より 効 率 の 良 い 丈 夫 な ラ ダ ー 放 電 電 極 が 必 要 で あ る と 考 え ら れ る 。 ま た ， ガ ス 内 部 循 環 系 で の ガ ス 解 離 を 抑 え ， 放 電 生 成 物 を 除 去 す る フ ィ ル タ ー や 再 結 合 さ せ る た め の 酸 化 剤 等 の 触 媒 の 研 究 が 必 要 で あ ろう。

4

結 論

ラ ダ ー 放 電 を 紫 外 線 源 と す る 光 予 備 電 離TEAC02レーザにシードガスを添加することにより大気 圧で安定なレーザ発振が得られた。特に， トリーnー プ ロ ピ ル ア ミ ン を シ ー ド ガ ス と し て 少 量 添 加 するとN2分子とのベニング効果(1)式によって大気圧でも安定なグロー放電が得られたO また，ラダ ー 予 備 放 電 と シ ー ド ガ ス を 併 用 す る こ と に よ っ て 一 層 出 力 が 向 上 し た 。 こ れ は ， ラ ダ ー 予 備 放 電 の

u  v

光 に よ っ て シ ー ド ガ ス が 光 電 離

( 2 )

式によるためである。特に， レーザ媒質を透過する

1 2 u O ' A

帯 の

uv

光 に よ る 一 段 階 電 離 に よ っ て シ ー ド ガ ス か 光 電 離 す る と 考 え ら れ る 。 ま た ， ラ ダ ー 予 備 放 電 は 主 放 電 と ほ ぼ 同 時 に 行 な う の が 最 適 で あ る と 分 っ た が ， シ ー ド ガ ス を 添 加 す る と

2

助成以下の遅延 時 間 後 に 主 放 電 を 開 始 す る 方 が 良 い と 分 っ たO これは，

1750A

帯の

uv

光がN2分 子 等 を 励 起 し ， ベ ニ ン グ 効 果 等 の 分 子 間 衝 突 に よ っ て シ ー ド ガ ス を 電 離 さ せ る た め に 要 す る 時 聞 と 考 え ら れ るO また，

h

ガスはシードガスをペニング効果によって電離させる主気体として働くほか .N2  (v = 

1 

)から C 02 ( 

00

⁰

1 

)レーザ上準位への共鳴移乗によってレーザ出力を向上させる効果があるO しかし N2 ガスは電子温度を下げガス温度を上昇させる{動きのほか ，u v光や放電によヮて解離されるという 負の要因ももっているのまた， Heカスは電子温度の上昇やガス温度の低下などの働きのため安定化 に効果的であり，さらにアーク放電を抑えて大気圧動作のためには重要なバッファガスである。

ガス温度を下げ且つCO2分子の解離を抑えることは， レーザ出力の安定化のために重要であるO

特 に ， ガ ス 内 部 循 環 ， ガ ス タ ン ク ， ガ ス 冷 却 を 行 な う こ と に よ り 解 離 し た C OとOの再結合が促進 され繰り返し数も増加しているO しかし，大気圧下で繰り返し動作をさせる場合は，入力エネルギ ー の 大 き い 繰 り 返 し 放 電 と な る た め ガ ス の 解 離 が 著 し く ， 且 つ シ ー ド ガ ス の 熱 分 解 や ラ ダ ー 予 備 放

電によるスパッタ一作用等によってレーザ媒質の劣化は著しいのこのため， ラダー予備放電電械の 改良やガス内部循環系での解離ガスの再処理の研究が今後の課題であるO

謝 辞

本 研 究 を 遂 行 す る に あ た り 多 大 の 御 協 力 を い た だ い た 岩 津 宏 教 授 ， 並 び に 装 置 の 製 作 ， 測 定 に 協 力 さ れ た 岡 井 善 四 郎 技 官 ， 本 講 座 学 生 細 井 俊 英 ， 山 中 規 任 ， 中 川 伸 二 君 に 感 謝 の 意 を 表 す るO

尚 ， 本 研 究 の 一 部 は 文 部 省 科 学 研 究 補 助 金 (52年度一般研究D，53年度一般研究o)の交付により 実施させていただいたことを付記する。

参 考 文 献

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3)  J.  8.  Levine， A.  Javan; Observation of laser oscillation  in a l‑atm 002‑N2‑

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tion，" Appl.  phys.  Lett.  22  (1973) 5~

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， "

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Lett.  25 (1974) 31. 

4)  C.  A.  Fenstermacher， M.  J.  Mutter， W.  T.  Leland， K.  Boァer; Electron‑beam‑

controlled electr工cal di8charge a8  a method of pumping voユumes of 002 ¹ as θ了

madia at high pressure， " Appl. Phys.  Lett.  20 (1972)  56. 

5)的場幹央，大道博行，中井貞雄，山中千代衛， ラダー型予備放電フFルームライン式TEACO2  レ ー ザ ー 応 用 物 理

45 

(1 

9  7  6 )   8  7  O .  

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K.  J.  And.rews， R.  Bhatnagar， P.  E.  Dyer and G.  8alvetti; 8tudies  of a hi♂h  performance TEA C02  laser using ad.ditives;"  Opt.  Commun.  26 (1978)  228.  7) O.  K.  N.  Pa te

ユ ;

OW high power N2‑C02

ユ

aser，"Appl. Phys.  Lett.  7 (1965)  15.  8)  A.  A.  Offenber色目er，D.  J.  Rosei 叩oユes of Helium and Nitrogen  in  CO2 laser 

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9)  M.  J.  Weber， T.  F.  Deutsch; Pulsed. and.  stead.y‑state  infrared.  emission  stud工es of C02  laser  systems，" IEEE J.  Quantum Electron.  QE‑2  (1966) 36~

10)  A.  J.  Laderman， 8.  R.  Byron; Temperature  rise and.  radial  profiles  in CO2  lasers，" J.  Appl. Phys.  42 (1970)  3138. 

11) B.  J.  Reits; Penning ionization工n doped C02  TEA lasers，" J.  Appl.  Phys司 48

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12j横山昌弘; TE ，JC02レ ー ザ の 放 電 現 象 " 日 本 物 理 学 会 29 (1974)  761. 

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14)電 気 学 会 ; 放電ハンドブック 電 気 学 会 (1961) 152. 

15)  W.  L.  BOrs七; Excitation of several  important metastable  states  of N2 by  electron impact， " Phys.  Rev.  A5 (1972)  648. 

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18)宮 守 良 夫 ， 北 島 巌 ; TEA 002レ ー ザ の 添 加 ガ ス 効 果II，" 日 本 物 理 学 会 1979年 春 の 分 科 会 講 演 (3a‑GL‑7) •

19)宮 守 良 夫 ， 北 島 巌 ; TEA 002レ ー ザ の 出 力 向 上 と 安 定 化 第39回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 ( 3P‑N‑9) 1978年 11月.

20)霜 田 光 一 ， 矢 島 達 夫 ; 量 子 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 上 巻 裳 華 房 (1975) 339.