JP2006295226A - レーザ発振装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来のAFGLOは、DT内でのレーザガス流が、DTの中心部あるいは外周部のどちらかに偏ってしまう傾向がある。そのため、均一なガス流は実現出来ていない。したがって、エネルギー効率をより高めることができないという課題が有った。
【解決手段】 放電管のレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向に対して垂直方向の幅をB、前記放電管の内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
とすることにより、DT内のレーザガス流を均一化でき、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できる。
【選択図】 図8
【解決手段】 放電管のレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向に対して垂直方向の幅をB、前記放電管の内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
とすることにより、DT内のレーザガス流を均一化でき、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できる。
【選択図】 図8
Description
本発明はレーザ発振装置、特に光軸方向に放電管を配置した軸流型ガスレーザ発振装置に関する。
図25に軸流型と呼ばれるガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図25を参照しながら軸流型ガスレーザ発振器 (以降、単にAFGLOと記す)を説明する。
図25に示すように、AFGLOは、主にレーザ共振器と、電源部4と、レーザガス循環部とから構成される。
上記レーザ共振器は、放電空間5を有する放電管1と、終段鏡(以降、単にRMと記す)6と、出力鏡(以降、単にOPMと記す)7とからなる。放電管(以降、単にDTと記す)1は、ガラスなどの誘電体により構成され、そのDT1の両端の近くに電極2、3が設けられている。上記電極2、3間に挟まれたDT1内に、放電空間(以降、単にDAと記す)5がある。複数のDA5を挟むように、RM6とOPM7が配置されている。上記RM6は、100%に近い反射率を有する反射鏡である。上記OPM7は部分反射鏡であり、レーザビーム8は、上記OPM7より出力される。
また、上記電源部4は、電極2、3に、上記DA5で放電するために接続している。
また、レーザガス循環部(以降、単にLGCPと記す)は、送風機13と、熱交換機11、12と、レーザガス流路10と、上記複数のDT1のDA5とからなる。レーザガスは、AFGLOを構成する上記LGCPを、矢印9の方向に循環している。送風機13は、そのレーザガスを循環させるためのものである。この送風機13により、レーザガスの流速は、DA5にて約100m/sec程度である。また、上記LGCPの圧力は、100〜200Torr程度の圧力であ
る。上記電極2、3に、上記電源部4より所定の電圧が印加されると、上記DA5は放電する。その放電と送風機の運転により、レーザガスの温度は上昇する。熱交換機11および12は、温度上昇したレーザガスを冷却するためのものである。
る。上記電極2、3に、上記電源部4より所定の電圧が印加されると、上記DA5は放電する。その放電と送風機の運転により、レーザガスの温度は上昇する。熱交換機11および12は、温度上昇したレーザガスを冷却するためのものである。
以上が従来のAFGLOの構成であり、次にその動作について説明する。
送風機13より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路10を通り、DT1内へ導入される。この状態で、上記電極2、3に、上記電源部4より所定の電圧が印加されると、上記DA5は放電する。DA5内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起さる。その励起されたレーザガスは、RM6およびOPM7により形成されたレーザ共振器で共振状態となる。その結果、OPM7からレーザビーム8が出力される。この出力されたレーザビーム8は、レーザ加工等の用途に用いられる。
以下、上記した従来のAFGLOの課題について記載する。
まず第1の課題について記述する。
図26は、従来のAFGLOの光学ベンチを含むレーザ共振器の概略構成を示す。OPM7は出力ミラーホルダ150aによって、保持されている。また、RM6は終段ミラーホルダ150bによって、保持されている。一方、DT1は放電管ホルダ(以降、単にDTホルダと記す)160を介し、光学ベンチである放電管ホルダベース(以降、単にDTベースと記す)170にて保持されている。DTベース170の両端は、それぞれのミラーホルダ150a、bと接続されている。ミラーホルダ150a、bとDTベース170は、組立てられて、一体構造となっている。DTホルダ160と各ミラーホルダ150a,bとは、摺動自在となるように両端をOリングなどで保持した接続管180でつながっている。
上記構成において、RM6の中心とOPM7の中心を結ぶ軸と、RM6とOPM7は、垂直になるように配置されている。すなわち、RM6とOPM7は、お互いに平行になるように配置されている。その平行度は、互いに数μm以下の精度になるように調整されている。また、RM6とOPM7の中心を結ぶ軸と、DT1の中心軸が一致するように、配置されている。
正常なレーザ出力を得る為には、
RM6とOPM7の平行度は10−6ラジアン以下、且つミラーの成す軸とDTの成す軸とは数10ミクロン以下の
精度が必要となる。この精度を保つため、それぞれのミラーホルダとDTベースとは一体構造化した剛体を成している。
RM6とOPM7の平行度は10−6ラジアン以下、且つミラーの成す軸とDTの成す軸とは数10ミクロン以下の
精度が必要となる。この精度を保つため、それぞれのミラーホルダとDTベースとは一体構造化した剛体を成している。
この様な従来のレーザ発振装置の持つ第1の課題について、以下に説明する。
上記LGCP内部の真空度は、100〜200Torr程度である。一方、その外側は大気(760Torr)である。LGCPの内部と外部には、圧力差による応力(以降、単に真空力と記す)がかかる。通常、上記のDTベース170の両端は、支持構造物(図示せず)で支持されている。また、上記のLGCPも、支持構造物(図示せず)で支持されている。したがって、図25に示す中央部のDTホルダ160cには、上気の圧力差により、下向きの応力が加わる。
この圧力差による応力により、DTベース170は、曲がることの無い様に、鋼などの剛性の高い材料を用いている。また、剛性を維持するために、DTベース170は、DT1などの部品と比較すると、かなり大型な構造となっている。
しかし、剛性を上げるにしても、大きさに限界がある。したがって、上記真空力により、DTベース170は、数10μm程度、曲がることが有りうる。上記のように、DTベース170とミラーホルダ150a、150bは一体構造となっている。そのため、DTベース170が数10μm曲がっただけで、ミラーホ
ルダ150aとミラーホルダ150bの平行度が変化する。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。
ルダ150aとミラーホルダ150bの平行度が変化する。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。
また、DTベース170は熱容量が大きいため、外気温が変化したときに、その温度変化に追随できない。外気温の変化により、DTベース170各部で温度差が発生することがある(例えば図26に示す、上部と下部の温度差、あるいは左側と右側の温度差)。温度差が生じると、熱膨張や熱収縮のため、DTベース170が曲がる。その結果、RM6とOPM7の平行度が保てなくなる。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。図27は、外気温度に対するレーザ出力の変化を模式的に示している。
この問題を解決する為の従来の取り組みとしては、以下のようなものがあげられる。
真空力によるDTベース170の曲がりにたいする対応策として、例えば内部と外部の圧力差による応力がバランスできるように、圧力差による応力をキャンセルするキャンセラを取りつける試みがなされた。しかし、キャンセラの取付けにより、かえって予想外の応力が発生し、悪影響を及ぼす結果となることがあった。
一方温度差による膨張・収縮に対する対応策としては、DTベース170の温度を一定に制御する試みが成された。その試みは、DTベース170の中に液体(例えば、水)を流し、その液体の温度を一定に制御する事である。しかし、DTベース170の体積は、剛性をあげる為、大きい。したがって、DTベース170の熱容量が大きくなり、完全に温度差を解消する事は出来ていなかった。
また、従来のAFGLOは、下記のような第2の課題を有している。
DT1内でのレーザガスの流れは、DT1内にガスが流入されてから排出され
るまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば放電状態が安定する。その結果、DA5に注入された電気入力に対するレーザ出力の効率が高まる(レーザ発振効率という)。しかしAFGLOの構成上、DT1に対してレーザガス導入部を同軸に設けることは構成上複雑になる。実際には、図28のようにレーザガス導入部はDT1に対して略直角に配置されるケースが一般的である。また、図28と、図29は、DT1の内部のガスの流れを模式的に示している。図29は、図28における29−29での断面を示す図である。この構造により、図28中に示すように、DT1内の、特にレーザガス入り口137近傍において、ガス流中に渦巻き136が発生しやすい。この渦巻き状のガス流により、DT内のガス流が乱れる。この結果、レーザ発振効率を高めることができなかった。図30は、DA5への電気入力と、レーザ出力の関係を示している。
るまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば放電状態が安定する。その結果、DA5に注入された電気入力に対するレーザ出力の効率が高まる(レーザ発振効率という)。しかしAFGLOの構成上、DT1に対してレーザガス導入部を同軸に設けることは構成上複雑になる。実際には、図28のようにレーザガス導入部はDT1に対して略直角に配置されるケースが一般的である。また、図28と、図29は、DT1の内部のガスの流れを模式的に示している。図29は、図28における29−29での断面を示す図である。この構造により、図28中に示すように、DT1内の、特にレーザガス入り口137近傍において、ガス流中に渦巻き136が発生しやすい。この渦巻き状のガス流により、DT内のガス流が乱れる。この結果、レーザ発振効率を高めることができなかった。図30は、DA5への電気入力と、レーザ出力の関係を示している。
これに対して公知の例(特開平7−142787号公報)として、ガスを一旦貯めておくチャンバーを設け、これをレーザガス導入部と接続する構成が提案されている。これはレーザガス導入部へ入るレーザガスの方向性を無くすことによって、DT内でのガス流の偏りを無くす事を目的としたものである。本発明の発明者らの検討によると、レーザ導入部からDT内へガスが入る際に、どうしてもガス流の偏りが発生し、各所に渦巻きが出来る。その結果、特開平7−142787号公報に提案された構成では、レーザ発振効率をさらに高めることができなかった。
さらに、従来のAFGLOは、下記のような第3の課題を有している。
DT1の周辺に設けられた電極2、3間の電圧が、放電開始電圧に達すると放電が開始する。その放電開始の瞬間に、DT1に大きな突入電流が流れる。放電電流が流れはじめると、DTのインピーダンスは低下し、やがて20KV程度の維持電圧に落ち着く。このような状態になると電流値も安定し、均一な放電が得られる。しかし放電開始の瞬間の突入電流により、一時的に放電が乱れる。安定した放電になるまでに、時間を要する。この突入電流の値は、放電開始電圧に比例する。そのため、放電安定化のために、放電開始電圧を下げることが大きな課題である。
従来例としては図31に示すように、DT1内部の、電極2近傍に補助電極156を配置し、補助電極156と電極3側を、数MΩの高抵抗158で接続したものがあった。この場合、補助電極156と電極3との距離が大きすぎる為、補助電極156と電極2の間で、レーザガスを電離しても、電極3に到達する前に、ほとんどが再結合する。したがって、この構造では、放電開始電圧を低減するための大きな効果が、得られていない。
図32はもう一つの代表的な従来例である。DT1の外面に沿って、電極2側から電極3側に向かって導体159を伸ばし、導体159の電極3寄りの端部に補助電極156を取り付ける。この補助電極156は、誘電体材料からなる絶縁シート162を介してDT1の外周面に取付られている。放電開始を下げるために、誘電体の厚みを薄くする検討も実施したが、微少放電によりDT1の壁面に経時的に穴があくという問題があった。
上記のように従来のAFGLOでは、補助電極と呼ばれる機構を付加する事が通常行われている。これは何らかの機構によりDT内の絶縁破壊電圧を下げ、放電が点弧し易くする事で、放電開始時の突入電流を下げるようとする試みである。この補助電極自体は発想として良い物であるが、性能および信頼性の面で、満足のいく構成を持つものは、従来実現できていなかった。
上記したように、従来のAFGLOは、DT内でのレーザガス流が、DTの中心部あるいは外周部のどちらかに偏ってしまう傾向がある。そのため、均一なガス流は実現出来ていない。したがって、エネルギー効率をより高めることができないという課題が有った。
本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものである。
本発明のAFGLOは、上記課題を解決するために、
a)内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させるDTと、
b)前記DTの両端近くに電極が設けられ、
c)前記電極の少なくとも一方が前記DTのレーザガス入り口近傍に配置され、
d)前記DTにレーザガスを供給するレーザガス流路と、
を備え、
e)前記DTのレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向およびDT内のガス流方向に対して垂直方向の幅をBとし、前記DTの内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
に構成したレーザ発振装置である。
a)内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させるDTと、
b)前記DTの両端近くに電極が設けられ、
c)前記電極の少なくとも一方が前記DTのレーザガス入り口近傍に配置され、
d)前記DTにレーザガスを供給するレーザガス流路と、
を備え、
e)前記DTのレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向およびDT内のガス流方向に対して垂直方向の幅をBとし、前記DTの内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
に構成したレーザ発振装置である。
本発明により、DT内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。
(参考例1)
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図1は本発明の参考例1を示すレーザ発振装置である。図2は、図1に示すレーザ発振装置の共振器部の構成である。図3Aは、図2に示す共振器部の左側面図である。図3Bは、図2に示す共振器部の右側面図である。図25に示した、従来のレーザ発振装置と、同じ機能を持つ構成部分については、同一の符号を記し、その説明を省略する。
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図1は本発明の参考例1を示すレーザ発振装置である。図2は、図1に示すレーザ発振装置の共振器部の構成である。図3Aは、図2に示す共振器部の左側面図である。図3Bは、図2に示す共振器部の右側面図である。図25に示した、従来のレーザ発振装置と、同じ機能を持つ構成部分については、同一の符号を記し、その説明を省略する。
以下、図1、図2、図3A、Bを用いて説明する。
OPMホルダ15aと、RMホルダ15bは、複数のミラーホルダ連結棒(以降、単にMHCRと記す)14によって、互いに平行になるように支持されている。回転支持部200は、OPMホルダ15aをDTベース17に支持するために構成されている。OPMホルダ15aがレーザ光軸に対して垂直になるように支持するための支持部20aが、OPMホルダ15aの下部に配置されている。DTベース17には、回転軸支持部20bが、配置されている。上記の支持部20aと回転軸支持部20bには、回転軸19を挿入するための穴が開いている。回転軸19は、上記の支持部20aと回転軸支持部20bに挿入することにより、OPMホルダ15aとDTベース17は、組み合せられる。回転軸19と回転軸支持部20a、bとの接触部分は、回転をスムーズにするため、摩擦が少なくなるようにスムーズな表面に仕上げている。もしくはボールベアリング(ローラベアリングでもよい)などの回転に対して極めて摩擦の少ない部品が挿入されている。上記のように、回転軸19、上記支持部20aと回転軸支持部20bは、OPMホルダ15aをDTベース17に支持するために回転支持部200を構成している。この回転支持部200は、図1および図2に示す矢印202の回転方向に自由度を持つ。
一方、RMホルダ15bの下部には、支持棒21が取付けられている。DTベース17側には、回転体22と前記回転体22を支持している回転体支持部23が、上記支持棒21を支持するために構成されている。これらによって、光軸方向に摺動自在なスライダー構造220が形成されている。このスライダー構造220は、図1および図2に示す矢印302の光軸方向に自由度を持つ。
この構成によって、OPMホルダ15aとDTベース17は、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される。しかし、OPMホルダ15aとDTベース17は、レーザ光軸方向を含む平面内において、回転方向にのみ自由度を持っている。これによって、OPM側のミラーホルダ15aとDTベース17は、光軸のズレ無く結合することができる。
一方、終段側ミラーホルダ15bとDTベース17とは、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される(ただし厳密には、上方向に対しては、フリーである)。すなわち、ミラーホルダ15bの持つ重量(自重)により、終段側ミラーホルダ15bとDTベース17は、固定されたものと考えられる。勿論、この構成は、光軸方向の摺動方向ならびに光軸方向を含む平面内の回転方向に、フリーである。これによりRM側のミラーホルダとDT支持部も、OPM側と同様に光軸のズレ無く結合される。
次にDTベース17が真空力や温度変化などにより変形した場合について考える。真空力により、DTベース17が曲がった場合、ミラーホルダとDT支持部の結合部分に、光軸方向を含む平面内における回転が発生する。しかし、前述したようにこの部分はOPM側、RM側共に回転方向に対してフリーである。このため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。また、DT支持部が熱膨張もしくは熱収縮した場合、ミラーホルダとの結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生するが、RMホルダはこの方向に対してフリーであるため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。
この構成の優れた点は、OPMホルダとDT支持部との結合部分にある。この方式は光軸方向を含む平面内における回転方向以外にも構造的に自由度をもっている。例えば、OPMホルダ15aとRMホルダ15bの下部毎に2ヶ所ずつピローボールなどの自由度の高いものを介して結合する構成も考えられる。しかし、この方式は、上記の自由度を、2点留めにより規制しようとする。このため、真空力による、平行度が変化するような力が生じやすくなる。ミラーホルダ自身の熱膨張・収縮により、固定を行っている2点間の距離が変化するため、そのための平行度が変化するような力も発生しやすい。
図4は他の構成を示すレーザ発振装置の、OPMホルダとDT支持部との連結部分の詳細図である。回転軸19、支持部20aおよび回転軸支持部20bの組み合せ部分は、ガタの無い(隙間がない)ように構成されている。しかし、全く隙間が無ければ、摩擦のため、相互の回転はスムーズに出来なくる。前述したように、回転軸19と支持部20aおよび、回転軸支持部20bとの接触部分にボールベアリングを挿入することで、光軸方向に対して平行方向についてはほとんどガタが無くなる。且つ、ミラーホルダ自身の自重で下に押し当てられるので、放電管の中心軸とミラーの光軸と、ミラーとミラーの間の相対位置はほとんど変わらず、安定している。しかし光軸に垂直な方向に関して、支持部20aと回転軸支持部20bとの間に、スムーズな回転のため、隙間が必要である。その隙間によるガタツキを防止するため、弾性力により、上部回転軸支持部20aが、下部回転軸支持部20bに、片側で押し当たるような構造を採る。図4は、その構造の一例を示している。例えば、バネ材24を回転軸を中心に対称に2個配置することにより、バネ材24の弾性力は、支持部20aに加わる。回転軸19に取付けられたバネ押さえ25と上部回転軸部材20aとの間に、前記バネ材24を縮めた状態で挟み込む構成をとっている。またバネ押さえ25およびバネ材24が、回転方向の動きを阻害しないように、回転軸19とバネ押さえ25との連結部分には、ピロボール26などの回転体を挿入している。
ただしRMホルダ15bとDTベース17との連結に関しては、必ずしも上記例に挙げたように1点固定である必要が無い。RMホルダとDT支持部との固定に、ピロボールなどの自由度の高い連結部材を用いて、2点で固定してもよい。その場合、OPM側は本例に示すように1点固定であれば、支障は無い。
図5はさらに他の構成例を示すレーザ発振装置の光学ベンチの詳細図である。
図2に示す例と同様に、ミラーホルダ15aとbは、互いに複数のMHCR14によって結合されている。また、同様に、OPMホルダ15aは、回転支持部200により、DTベース17に支持されている。一方、RMホルダ15bの下部には、ピローボール26が水平方向に2点配置されている。終段側ミラーホルダ15bは、前記ピローボール26を介して、DTベース17と連結している。図6は、図5に示す6−6からRM6の方向を見た図である。図6に示すように、DTホルダ16およびDTベース17と、MHCR14とを連結する、リブ27が4ヶ所配置されている。リブ27は、MHCR14の中央付近に配置されている。リブ27とMHCR14は、垂直方向へは若干のすべりが生じうるように構成している。
このリブ27挿入による光学ベンチ安定化効果について、以下説明する。DTベース17が真空力や温度変化などにより変形した場合、特に温度変化により伸縮した場合について考える。この時、ミラーホルダとDTベース17の結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生する。しかし、ピロボールは、ピロボールとピロボールの中を通っている軸との間が滑るため、フリーに動くことができる。このため、RMホルダはこの方向に対してフリーである。したがって、このため、ミラーホルダに、熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。ただし、いくら構造的にフリーになるように摩擦を少なくしても、実際には摩擦力が0になる訳ではない。終段側ミラーホルダ15bとDTベース17との連結部は、終段側ミラーホルダ15bの自重により重力方向(すわわち、図5の下方向)に押し付けられる。このため、厳密には、その部分に摩擦力が発生する。そのためMHCR14に対しても、光軸方向に引っ張りもしくは圧縮の力が働く。MHCR14は構造的に直径50mm程度、長さ1000〜2000mm程度の円柱である。光軸方向(すなわち、MHCR14の長手方向)に引っ張りもしくは圧縮の力が働くと、MHCR14は、たわむ。この時、リブ27が配置されていない場合、各MHCR14はそれぞれ好き勝手な方向へ曲がる。結果として、OPMホルダ15aとRMホルダ15bの平行度が崩れてしまう。
4本のMHCR14と、DTホルダ16およびDTベース17を連結するリブ27が配置されていると、MHCR14の剛性が向上し、摩擦力によっても曲がることはすくない。したがって、ミラーホルダ同士の平行度は保たれる。
さらに、MHCR14が、全て中心方向あるいは全て外側方向に撓むようにすれば、OPMホルダ15aとRMホルダ15bとの平行度はより正確に保つことができる。
例えば、前記リブ27により、4本のMHCR14をそれぞれ、MHCR14同士が成す中心方向へ数mm程度、引き寄せた状態にする。ミラーホルダ連結材は、リブ27によって中心方向へ数mm程度引き寄せられることで、ごくわずかに湾曲した状態になっている。この状態から、MHCR14に引っ張りまたは圧縮の力が加わったとしても、4本のMHCR14は全て中心方向に撓む。このため、結果的にOPMホルダ15aとRMホルダ15bとの平行度は保たれる。
逆に、前記リブ27によって4本のMHCR14を互いに反対方向へ湾曲させることでも、同様の効果が得られる。
上記のように、本発明の実施例においては、光学ベンチは非常に安定し、ミラー同士の平行度を保つこと効果が極めて大きい。これによって常に安定したレーザ発振を行うとが出来、大幅なレーザ出力安定化を実現できる。
図7は本例と従来例とでの、外気温変化に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に外気温、縦軸にレーザ出力を表している。本発明の実施例および従来例ともに、外気温20℃にて、ミラーが平行になるように調整したものである。その状態から、外気温が低下、あるいは上昇した場合のレーザ出力変化を示している。図7に示すように、従来例に比べ本例においては、外気温変化に対して大幅なレーザ出力安定化が実現出来ている。真空力などの外力に対しても、同様の効果が得られる。
このように、真空力などの外力および外気温変化に対する光学ベンチの安定性、すなわちミラー平行度の安定化を実現出来、常に安定したレーザ出力を得られるレーザ発振装置を提供することが出来る。
上記の、ミラーホルダ連結棒の連結棒は、パイプで構成してもよい。また、その連結棒または、パイプは、熱膨張係数の小さいものを使用すると、温度差による膨張の差が少なくて、このような共振器には、有効である。
(実施の形態1)
図8は、本発明の実施の形態例を示すレーザ発振装置の構成を示す図である。図9は、本実施の形態例を示すレーザ発振装置のDT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図である。図10は、図9に示す10−10の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。DT1のレーザガス入り口近傍37の、ガスの流れる方向およびDT内のガス流方向に対して垂直方向の幅をBとする。また、DT内径をAとする。図9は、AとBの関係が、
1.1A < B < 1.7A
となるような構成を採った時の、DT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示している。図9において、幅Bのレーザガス流路を矢印9b方向に流れてきたレーザガスは、DTの入り口近傍の幅Bの部分に導入される。この部分から、レーザガスの流れは、DTの内径Aに狭められる。その後、流れ方向が矢印9a方向にDT内を流れる。この時レーザガスは、DT1の入り口近傍の広がった部分(すなわち、幅B)から緩い勾配をもって、DT1の下流側へ流される。このため、ガスの流れは、DT1入り口部分37から、下流側へと、なだらかな流線が形成される(すなわち、渦流は、発生しない)。DT1内でのレーザガス流の分布は、ほぼ全体的に均一に形成される。この時、幅Bが1.1Aより小さい場合(すなわち従来構成の場合)、DT入り口部分に渦流が、発生する。また、幅Bが1.7Aより大きい場合も、DT入り口部分に渦流が、発生する。その渦流により、DT内のレーザガス流分布は乱れる。図11はDTのレーザガス入り口近傍の幅Bと、レーザ出力との相関を示した図である。レーザガス入り口近傍の幅Bが、
1.1A < B < 1.7A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている事が判る。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
(実施の形態1)
図8は、本発明の実施の形態例を示すレーザ発振装置の構成を示す図である。図9は、本実施の形態例を示すレーザ発振装置のDT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図である。図10は、図9に示す10−10の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。DT1のレーザガス入り口近傍37の、ガスの流れる方向およびDT内のガス流方向に対して垂直方向の幅をBとする。また、DT内径をAとする。図9は、AとBの関係が、
1.1A < B < 1.7A
となるような構成を採った時の、DT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示している。図9において、幅Bのレーザガス流路を矢印9b方向に流れてきたレーザガスは、DTの入り口近傍の幅Bの部分に導入される。この部分から、レーザガスの流れは、DTの内径Aに狭められる。その後、流れ方向が矢印9a方向にDT内を流れる。この時レーザガスは、DT1の入り口近傍の広がった部分(すなわち、幅B)から緩い勾配をもって、DT1の下流側へ流される。このため、ガスの流れは、DT1入り口部分37から、下流側へと、なだらかな流線が形成される(すなわち、渦流は、発生しない)。DT1内でのレーザガス流の分布は、ほぼ全体的に均一に形成される。この時、幅Bが1.1Aより小さい場合(すなわち従来構成の場合)、DT入り口部分に渦流が、発生する。また、幅Bが1.7Aより大きい場合も、DT入り口部分に渦流が、発生する。その渦流により、DT内のレーザガス流分布は乱れる。図11はDTのレーザガス入り口近傍の幅Bと、レーザ出力との相関を示した図である。レーザガス入り口近傍の幅Bが、
1.1A < B < 1.7A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている事が判る。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
図12は、他のDTの形状を示している。DTのレーザガス入り口の対向部に、DTの中心からの高さC、内径Dの円柱状の突起部を設けている。前記DTの内径をAとした時、
0.5A<C<0.9A
0.7A<D<0.9A
となるように構成している。また、図12は、DT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示している。図13は、図12に示す13−13の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。レーザガス流路を矢印9b方向に流れてきたレーザガスは、DTのレーザガス入り口から導入される。その後、DTのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部部分へ当たる。そのレーザガスは、さらに、下流側へ流される。このため、DT入り口部分から、下
流側へと、なだらかな流線が形成される。この結果、DT内でのレーザガス流分布はほぼ全体的に均一に形成される。
0.5A<C<0.9A
0.7A<D<0.9A
となるように構成している。また、図12は、DT内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示している。図13は、図12に示す13−13の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。レーザガス流路を矢印9b方向に流れてきたレーザガスは、DTのレーザガス入り口から導入される。その後、DTのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部部分へ当たる。そのレーザガスは、さらに、下流側へ流される。このため、DT入り口部分から、下
流側へと、なだらかな流線が形成される。この結果、DT内でのレーザガス流分布はほぼ全体的に均一に形成される。
一方、円柱状の突起部が大きすぎると、DT上部に渦流が出来、これがDT内の流線を乱してしまう。このようにDTの各部で渦流が生じると、DT内のレーザガス流分布は極めて偏ったものとる。その結果、放電が乱れ、安定したレーザ発振が出来無くなる。図14はDTのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の、DTの中心からの高さCと、レーザ出力との相関を示した図である。
図14に示すように、高さCが、
0.5A < C < 0.9A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
0.5A < C < 0.9A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
図15はDTのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の内径Dと、レーザ出力との相関を示した図である。
図15に示すように、内径Dが、
0.7A < D < 0.9A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
0.7A < D < 0.9A
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。
また、DTのレーザガス入り口近傍には電極が設けられている。このため、対向部の円柱状の突起部は金属などの導体で構成されている場合は、電界が乱され、放電が乱れやすい。したがって、対向部は、DTと同様に誘電体材料で構成されなければならない。具体的には、DTと同じパイレックス(登録商標)、石英など、もしくはセラミックなどの誘電体材料が望ましい。
図16は、DT近傍およびDT内のレーザガスの流れを示す模式図である。図17は、図16に示す16−16の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。
前記DTのレーザガス入り口37近傍の、ガス流方向に対して垂直方向の幅をBとする。前記DTのレーザガス入り口対向部に、DTの中心からの高さCとし、内径Dの円柱状の突起部38を設ける。
前記DT1の内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
0.5A < C < 0.9A
0.7A < D < 0.9A
の関係が成り立つように構成されている。また、前記DTのレーザガス入り口対向部に設けられた、円柱状の突起部38は、セラミックなどの誘電体より成っている。
1.1A < B < 1.7A
0.5A < C < 0.9A
0.7A < D < 0.9A
の関係が成り立つように構成されている。また、前記DTのレーザガス入り口対向部に設けられた、円柱状の突起部38は、セラミックなどの誘電体より成っている。
以下DT内のレーザガスの流れる方向を9a、レーザガス流路内のレーザガスの流れる方向を9bとする。
図16は、図9と図12これらをまとめた構成である。本構成は、図9と図12の相乗効果により、一層の放電の安定化が実現でき、効果的である。図18は、図11に示した幅Bと、レーザ出力の相関図に、図16の構成をのレーザ出力を重ねて示したものである。
図19は本発明の実施の形態例と従来例とでの、DTへの電気入力に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に放電電気入力、縦軸左にレーザ出力を表している。図19に示すように、本発明の実施例においては、レーザガス流改善効果により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ている。
本発明により、DT内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。
(参考例2)
以下に参考例2を図面によって説明する。図20は、本例のレーザ発振装置である。図21は、図20に示すレーザ発振装置におけるDT部の詳細な構成を示した模式図である。
(参考例2)
以下に参考例2を図面によって説明する。図20は、本例のレーザ発振装置である。図21は、図20に示すレーザ発振装置におけるDT部の詳細な構成を示した模式図である。
100〜200Torr程度に減圧されたDT1の壁面に、穴55を開けている。その穴をふさぐ形で、銅やタングステンなどの導体からなる補助電極56が取付けられている。補助電極56とDT1との接合部近辺は、Oリングなどの真空パッキン57で封止されている。補助電極56が直接DT1内のレーザガスに触れる事ができるようになっている。補助電極56は数MΩの高抵抗58を介し、電極3に接続されている。電極2と電極3は電源4に接続されている。
次にこの動作について説明する。補助電極56は電極3と高抵抗58を介し接続されている。このため、DT1内に電流が流れていない間は、電極3と補助電極56は同電位である。
高電圧電源4によって、電極2、電極3間の電圧を徐々に上昇させると、同時に電極2、補助電極56間の電圧も上昇していく。補助電極56がない場合は、電極2と電極3の放電開始電圧は約40KVに達する。しかし、補助電極56は電極2に近い位置にあるため、電極2と補助電極56の放電開始電圧は約23〜24KV程度である。すなわち電極2、電極3間の電位差が、23〜24kv程度に達した時、同じ電位差となった電極2と補助電極56間にて、放電が開始する。この放電路(放電空間5)にあるレーザガスは電離される。電離したレーザガスはレーザガスの流れる方向9に示すように、電極3側へ流れる。この電離したレーザガスにより、DT1内のインピーダンスが低下し、電極2と電極3との間のDA5に放電が開始する。一方、電極2と補助電極56との間での放電電流は、補助電極56と電極3との間に設けられた数MΩの高抵抗58によって抑制される。このため、放電開始後は、ほとんど補助電極56〜電極3間に電流が流れる事は無い。
以上の動作によって、放電開始電圧を従来の40KVから23〜24KVまで低減できる。
これによって放電開始の瞬間の突入電流を抑制でき、安定した放電を実現できる。
前述のように、図31に示す従来例では、DT1内部の、電極2近傍に補助電極156を配置し、補助電極156と電極3側を、数MΩの高抵抗で接続したものがあった。この場合、補助電極と陰極側との距離が大きすぎる為、せっかくレーザガスを電離しても、陰極に到達する前に、ほとんどが再結合してしまい、大きな効果が得られていない。
これに対し本例では、前記両電極間の距離をLとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、0.4L〜0.7Lの位置に補助電極を設けている。図22は補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離と、放電開始電圧との関係を示した図である。この図に示すように、補助電極取り付け位置が0.4Lより小さい場合は、電離したレーザガスの再結合により、放電開始電圧を低減する効果は得られない。一方、0.7Lより大きいと、陽極と補助電極との距離が大きすぎるため、放電開始電圧が上がってしまう。これより、補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離は、0.4L〜0.7Lが最適である事が判る。
図32はもう一つの代表的な従来例である。DT外面に沿って、電極2側から電極3側へ導体159を伸ばしている。この導体159の電極3寄りの端部に補助電極156を取り付ける。また、この補助電極156を、誘電体材料からなる絶縁シート162を介して、DT1壁面に接合させている。補助電極156と電極3間とは、誘電体を介した容量結合である。この構成は、電流の通り道にあるレーザガスを電離し、放電開始電圧を下げるという試みであった。放電開始電圧を低減する効果を上げる為に、誘電体の厚みを薄くすることも試みたが、コロナ放電によりDTの壁面に経時的に穴があくという問題があった。本発明は、放電開始の際の微少電流の通過用に、DT1の補助電極56取り付け部に穴55を開けているため、経時的に穴が開くような問題は無く、長期的な信頼性にも優れている。
図23は、補助電極56と電極間を結合している高抵抗の抵抗値と、放電開始電圧およびレーザ出力との関係を示したものでる。高抵抗58の抵抗値が1MΩ未満の場合、補助電極部に電流が流れすぎ、DA5の放電が乱される。その結果、高いレーザ出力が得られない。一方、抵抗値が100MΩより大きい場合、補助電極の効果が小さく、放電開始電圧を低減する効果が得られない。また、突入電流の為に放電が乱れ、レーザ出力が上昇する効果が得られない。したがって、高抵抗の抵抗値は、1MΩ以上、100MΩ以下が適切である。
以上のように従来例では、性能面および信頼性の面で問題のあった補助電極であるが、本例によって放電開始電圧の大幅な低減によるレーザ出力の安定化が図れ、且つ長期に渡る信頼性も確保できる。
図24は本例と従来例との、DTへの電気入力に対する放電開始電圧およびレーザ出力を示したものであり、横軸に放電電気入力、縦軸にレーザ出力を表している。本図に示すように、DTへの電気入力が大きくなればなる程、本例における効果は顕著に表れてきている。放電開始電圧低減による放電安定化により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ていることがわかる。
これにより、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。
本発明のレーザ発振装置によれば、DT内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現でき、産業上有用である。
1 放電管
2、3 電極
4 電源部
5 放電空間
6 終段鏡
7 出力鏡
8 レーザビーム
9 ガス循環方向
10 レーザガス流路
11、12 熱交換器
13 送風機
14 ミラーホルダ連結棒
15a、150a 出力ミラーホルダ
15b、150b 終段ミラーホルダ
16、160 放電管ホルダ
17、170 放電管ホルダベース
18、180 接続管
19 回転軸
20a 支持部
20b 回転軸支持部
21 支持棒
22 回転体
23 回転体支持部
200 回転支持部
220 スライダー構造
24 ばね材
25 ばね押え
26 ピローボール
27 リブ
36、136 渦流
37、137 レーザガス入り口
38 円柱状突起部
55 穴
56、156 補助電極
57 Oリング
58、158 高抵抗
59 レーザガスの流れる方向
159 導体
162 絶縁シート
2、3 電極
4 電源部
5 放電空間
6 終段鏡
7 出力鏡
8 レーザビーム
9 ガス循環方向
10 レーザガス流路
11、12 熱交換器
13 送風機
14 ミラーホルダ連結棒
15a、150a 出力ミラーホルダ
15b、150b 終段ミラーホルダ
16、160 放電管ホルダ
17、170 放電管ホルダベース
18、180 接続管
19 回転軸
20a 支持部
20b 回転軸支持部
21 支持棒
22 回転体
23 回転体支持部
200 回転支持部
220 スライダー構造
24 ばね材
25 ばね押え
26 ピローボール
27 リブ
36、136 渦流
37、137 レーザガス入り口
38 円柱状突起部
55 穴
56、156 補助電極
57 Oリング
58、158 高抵抗
59 レーザガスの流れる方向
159 導体
162 絶縁シート
Claims (3)
- レーザ発振装置であって、
a.内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、
b.前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路
を備え、
c.前記放電管のレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向に対して垂直方向の幅をB、前記放電管の内径をAとした時、
1.1A < B < 1.7A
とするレーザ発振装置。 - 前記放電管のレーザガス入り口対向部に、放電管中心からの高さC、内径Dの円柱状の突起部を設け、前記放電管の内径をAとした時、
0.5A < C < 0.9A
0.7A < D < 0.9A
とする請求項1記載のレーザ発振装置。 - 前記放電管のレーザガス入り口対向部に設けられた、放電管中心からの高さC、内径Dの円柱状の突起部は、誘電体より成る請求項2記載のレーザ発振装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006209669A JP2006295226A (ja) | 2006-08-01 | 2006-08-01 | レーザ発振装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006209669A JP2006295226A (ja) | 2006-08-01 | 2006-08-01 | レーザ発振装置 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001542113A Division JP3858695B2 (ja) | 2000-05-30 | 2000-05-30 | レーザ発振装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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---|---|---|---|
JP2006209669A Pending JP2006295226A (ja) | 2006-08-01 | 2006-08-01 | レーザ発振装置 |
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JP (1) | JP2006295226A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7499627B2 (ja) | 2020-07-06 | 2024-06-14 | 住友重機械工業株式会社 | レーザ装置 |
-
2006
- 2006-08-01 JP JP2006209669A patent/JP2006295226A/ja active Pending
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20070227 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |