TEAレーザー

TEA レーザーは、一般に大気圧以上の圧力のガス混合物内で高電圧放電によって励起されるガス レーザーです。最も一般的なタイプは二酸化炭素レーザーとエキシマ レーザーで、どちらも産業や研究で広く使用されています。窒素レーザーはあまり一般的ではありません。頭字語の「TEA」は、「transversely activated atatmosphere」の略です。

二酸化炭素 (CO ₂ ) TEA レーザーは、1960 年代後半にカナダのケベック州ヴァルカルティエにあるカナダ国防研究開発局に勤務していたジャック・ボーリューによって発明されました。開発は 1970 年に簡単な詳細が公開されるまで秘密にされていました。

1963年、ベル電話研究所に勤務していたC.クマール・N・パテルは、低圧RF励起CO2_ガス放電から10.6μmのレーザー出力を初めて実証しました。窒素とヘリウムを追加し、DC電気放電を使用することで、約100WのCW電力が達成されました。より高い電圧を使用して放電をパルス化するか、回転ミラーを使用してQスイッチを使用すると、実用的な限界として数キロワットのパルス電力が得られます。

_{より高いピーク出力は、励起されたCO2}分子の密度を増加させることによってのみ達成可能であった。ガスの単位体積あたりの蓄積エネルギー容量は密度、したがってガス圧とともに直線的に増加するが、ガスのブレークダウンを達成し、エネルギーを上位のレーザーレベルに結合するために必要な電圧も同じ割合で増加する。非常に高い電圧を避ける実際的な解決策は、電圧を光軸に対して横方向にパルス化し（低圧レーザーの場合のように縦方向ではなく）、ブレークダウン距離を数センチメートルに制限することであった。これにより、数十 kV の管理可能な電圧を使用できた。問題は、これらのはるかに高いガス圧で、放電が明るい高電流アークに退化することなくグロー放電を開始して安定化する方法と、これを有用なガス量で達成する方法であった。

ボーリューは、横方向に励起される大気圧 CO2 レーザーを報告しました_。アーク形成の問題に対する彼の解決策は、数センチの間隔で直線状のピン配列に面する導電バーを配置することでした。ピンにはそれぞれ抵抗器が取り付けられており、各ピンからの放電を低電流ブラシまたはグロー放電に誘導し、バーに向かって広がります。レーザーキャビティは、これらの放電を 100 ～ 200 回直列にプローブしてレーザーゲインを提供します。高速放電コンデンサは、スパークギャップまたはサイラトロンを使用してレーザー電極間で高速に切り替わり、高電圧パルスを提供します。

1 秒あたり約 1 パルスで動作するこれらの最初の「ピンバー」TEA レーザーは、構築が簡単で安価でした。大気圧で動作することで、複雑な真空およびガス処理システムを回避できました。これらのレーザーは、焦点距離の短いレンズで焦点を合わせると、空気を分解できるMWピーク パワーを数百ナノ秒持続して生成できました。欠点は、ゲインの対称性が低いこと、抵抗器での散逸、およびサイズでした。

最初の真の（ピンバーではない）TEA レーザーは、英国国防省バルドックの電子研究所で働いていたピアソンとランバートンによって実現されました。彼らは、1 センチメートルまたは 2 センチメートル離れた一対のロゴスキー プロファイル電極を使用しました。彼らの二重放電^{[明確化が必要]}設計では、放電エネルギーの一部を、電極の片側と平行に、かつ片側からオフセットして走る細いワイヤに結合しました。これにより、ガスが事前にイオン化され、均一な体積グロー放電が実現しました。事前イオン化と同様に重要なのは、放電を非常に高速にする必要性でした。エネルギーをガスに急速に放出することで、高電流アークが形成される時間がありませんでした。

ピアソンとランバートンは、一連の出来事を検証するためにストリークカメラを使用しました。電極間に電圧がかかったため、細いワイヤからの電界放出によって、ワイヤと陽極の間にシート放電が発生しました。その後の主な放電は陰極から始まったため、光電子放出が開始メカニズムであることが示唆されました。その後、他の研究者が予備イオン化を実現するための代替方法を実証しました。これには、誘電的に分離されたワイヤと電極、スライディングスパークアレイ、電子ビーム、コンデンサでインピーダンス負荷されたピンなどが含まれます。

オリジナルのピアソン・ランバートン TEA レーザーは、DC 電源から抵抗充電されたコンデンサを放電するスパークギャップに切り替えると、1 秒あたり約 1 パルスで動作できました。損失のないコンデンサ充電を使用し、スパークギャップをサイラトロンに置き換えて電極間でガスを循環させることにより、さまざまな設計の TEA レーザーで 1 秒あたり 1,000 パルスを超える繰り返し率が実現されました。

安定した高圧ガス放電を開始するために必要な二重放電法は、大気圧より低くても高くても使用でき、これらのデバイスも TEA レーザーと呼ばれます。紫外線で動作する市販のエキシマ レーザーは、CO ₂ TEA レーザーと非常によく似た二重放電方式を使用します。エキシマ レーザーは、ヘリウムで 2～3 気圧に 緩衝された塩化物またはフッ化物ガスであるクリプトン、アルゴン、キセノンを使用して、紫外線レーザー光のメガワット パルスを生成できます。

ほとんどの過電圧スパークギャップでは、電子の雪崩が陽極に向かって移動します。電子の数が増えると、クーロンの法則により、電界強度も増加します。強い電界は雪崩を加速します。電圧の立ち上がり時間が遅いため、電子は雪崩を発生させる前に陽極に向かって漂います。電子を捕らえる分子は、雪崩を発生させる前に電子を捕らえます。熱効果は均一な放電電子を不安定にし、イオン拡散はそれを安定させます。

TEA CO ₂レーザーは、製品のマーキングに広く使用されています。ロゴ、シリアル番号、賞味期限などをさまざまな包装材料にマーキングするには、レーザー光を情報を含むマスクに通し、マーキングする材料をアブレーションする強度まで焦点を絞る必要があります。また、TEA CO ₂レーザーは 1990 年代半ばから産業環境で表面処理にも使用されています。用途には次のものがあります。

• 選択的または完全な塗装剥離は、航空機のメンテナンスまたは修理の分野では選択的レーザーコーティング除去 (SLCR) として知られています。この選択的剥離プロセスは、OEM および航空機メンテナンス センターによって最初のレーザー剥離プロセスとして 2001 年に承認されました。
• 塗装や接着のために表面を活性化または洗浄すること。
• 接合または溶接の準備として、汚染物質またはコーティング層を除去します。
• タイヤ金型や自動車内装部品の表皮を製造する金型など、金型や工具の洗浄に使用できます。

この特定のレーザーの利点は、主に 10.6 μm の CO ₂特有の波長と、短いパルス (約 2 μs) の高エネルギー レベルの組み合わせです。

TEA レーザーの開発と、他の研究室でのその複製の構築は、社会学者ハリー・コリンズによって研究されました。彼は、研究者がレーザーを出版された情報源からのみ構築するのではなく、電話や研究室への直接訪問に頼って、機能する TEA レーザーの構築に必要なスキルを習得した方法を分析しました。しかし、科学者は、お互いに知識を共有するときに、研究室間の競争に関連があるとみなされる情報を隠していました (Collins 1974)。この 1974 年の論文は、社会学と科学史における 暗黙知の概念を再考した重要な論文と考えられています。

• 窒素レーザー

• Patel, CKN (1964-05-25). 「COM ₂光メーザー実験の解釈」. Physical Review Letters . 12 (21). アメリカ物理学会 (APS): 588–590. doi :10.1103/physrevlett.12.588. ISSN  0031-9007.
• Beaulieu, AJ (1970-06-15). 「横方向励起大気圧 CO ₂レーザー」.応用物理学レター. 16 (12). AIP 出版: 504–505. doi :10.1063/1.1653083. ISSN  0003-6951.
• Pearson, P.; Lamberton, H. (1972). 「単位体積あたり高出力エネルギーを与える大気圧 CO2 レーザー」IEEE Journal of Quantum Electronics . 8 (2). 電気電子技術者協会 (IEEE): 145–149. doi :10.1109/jqe.1972.1076905. ISSN  0018-9197.
• Levatter, Jeffrey I.; Lin, Shao‐Chi (1980). 「高ガス圧でのパルスアバランシェ放電の均一形成に必要な条件」。応用物理学ジャーナル。51 ( 1 ). AIP 出版: 210–222. doi :10.1063/1.327412. ISSN  0021-8979.
• コリンズ、HM（1974）。「TEAセット：暗黙知と科学的ネットワーク」。サイエンス研究。4 （2）：165-185。ISSN 0036-8539  。

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