JP5419739B2 - Gas laser device - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ発振器およびレーザ増幅器が縦列配置されたガスレーザ装置に関する。 The present invention relates to a gas laser device in which laser oscillators and laser amplifiers are arranged in cascade.
従来のガスレーザ装置（例えば、特許文献１）において、レーザ発振器にはレーザ光の取り出しのための出力鏡が設けられ、レーザ増幅器にはレーザ光の入射および出射のための光学窓が設けられる。レーザ発振器で発振したレーザ光は、出力鏡から取り出され、続いてレーザ増幅器の入射窓を通過し、レーザ増幅器で増幅された後、レーザ増幅器の出射窓を通過して外部に供給される。この場合、レーザ発振器とレーザ増幅器との間の空間またはレーザ増幅器間の空間は、外気に曝されており、外気と同じ大気圧である。 In a conventional gas laser device (for example, Patent Document 1), the laser oscillator is provided with an output mirror for extracting laser light, and the laser amplifier is provided with an optical window for entering and emitting laser light. The laser light oscillated by the laser oscillator is extracted from the output mirror, subsequently passes through the incident window of the laser amplifier, is amplified by the laser amplifier, and then is supplied to the outside through the emission window of the laser amplifier. In this case, the space between the laser oscillator and the laser amplifier or the space between the laser amplifiers is exposed to the outside air and has the same atmospheric pressure as the outside air.
従来の構造では、レーザ光がレーザ発振器からレーザ増幅器へ、あるいは複数のレーザ増幅器を伝播するごとに、一部反射鏡（一部透過鏡）あるいは全透過鏡を通過する必要がある。これらの透過鏡をレーザ光が通過するとき、透過鏡がレーザ光の一部を吸収して、透過鏡の中心部分の温度が上昇するため、透過鏡に不均一な温度分布が発生する。これにより透過鏡に屈折率分布を生じ、熱レンズ効果と呼ばれる現象が発生する。熱レンズは、レーザ光のビーム径が変動する原因となる。また、熱レンズの大きさは、透過鏡の吸収率によって変化するため、透過鏡の吸収率のばらつきや経時変化に起因して吸収率が変化すると、ビーム径の変動量が一定とならず、制御も困難である。 In the conventional structure, each time the laser light propagates from the laser oscillator to the laser amplifier or through a plurality of laser amplifiers, it is necessary to pass through a partial reflection mirror (partial transmission mirror) or a total transmission mirror. When the laser light passes through these transmission mirrors, the transmission mirror absorbs a part of the laser light and the temperature of the central portion of the transmission mirror rises, so that an uneven temperature distribution occurs in the transmission mirror. As a result, a refractive index distribution is generated in the transmission mirror, and a phenomenon called a thermal lens effect occurs. The thermal lens causes the beam diameter of the laser light to fluctuate. In addition, since the size of the thermal lens changes depending on the absorption rate of the transmission mirror, when the absorption rate changes due to variations in the absorption rate of the transmission mirror or changes over time, the amount of fluctuation in the beam diameter is not constant, Control is also difficult.
さらに、従来の構造では、レーザ発振器とレーザ増幅器との間の空間、あるいはレーザ増幅器間の空間は外気に曝されている。そのため外気の湿度が高いときや吸収性ガスが浮遊していたりすると、水蒸気やガスがレーザ光を吸収し、このことによりレーザ光が通過する大気に温度分布が発生して、屈折率が変化する。このためレーザ光のビーム径が変動したり、レーザ光軸が湾曲するガスレンズ効果と呼ばれる現象が発生する。 Further, in the conventional structure, the space between the laser oscillator and the laser amplifier or the space between the laser amplifiers is exposed to the outside air. For this reason, when the humidity of the outside air is high or the absorbing gas is floating, the water vapor or gas absorbs the laser beam, which causes a temperature distribution in the atmosphere through which the laser beam passes, and the refractive index changes. . For this reason, a phenomenon called a gas lens effect in which the beam diameter of the laser light fluctuates or the laser optical axis is curved occurs.
近年、高出力の炭酸ガスレーザを必要とするアプリケーションが注目され始めており、このためには炭酸ガスレーザを多段増幅器によって増幅する必要がある。この場合、透過鏡の材料として、一般的なＺｎＳｅを使用すると、上記熱レンズの影響が無視できないほど大きくなり、ビーム径の制御が著しく困難になる。 In recent years, an application requiring a high-power carbon dioxide laser has begun to attract attention, and for this purpose, the carbon dioxide laser needs to be amplified by a multistage amplifier. In this case, when general ZnSe is used as the material of the transmission mirror, the influence of the thermal lens becomes so large that it cannot be ignored, and the control of the beam diameter becomes extremely difficult.
一方、最近になって透過鏡の材料としてＣＶＤダイヤモンドが実用化され始めている。ＣＶＤダイヤモンドを使用すると上記熱レンズの影響を小さくできる。しかしながら、ＣＶＤダイヤモンドは非常に高価であるという難点がある。 On the other hand, CVD diamond has recently been put into practical use as a material for a transmission mirror. When CVD diamond is used, the influence of the thermal lens can be reduced. However, CVD diamond has the disadvantage that it is very expensive.
本発明の目的は、ガスレンズ効果の影響を低減でき、安定したビーム径および光軸を持つレーザ光を供給できるガスレーザ装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a gas laser device that can reduce the influence of the gas lens effect and can supply laser light having a stable beam diameter and optical axis.
上記目的を達成するために、本発明に係るガスレーザ装置は、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の後段に縦列配置された１つ以上のレーザ増幅器とを備え、
前記レーザ発振器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光を取り出すための出力鏡を有し、
前記レーザ増幅器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光の通過を許容するための入射窓および出力窓を有し、
前記レーザ発振器および前記レーザ増幅器に連結されたチャンバーであって、前記レーザ発振器の出力鏡、前記レーザ増幅器の入射窓および、該出力鏡から該入射窓までの空間を外気から隔離するチャンバーをさらに備え、
前記チャンバーの空間には、不活性ガスが封入されており、
前記チャンバーのガス圧と、前記レーザ発振器または前記レーザ増幅器のガス圧との圧力差が、１０Ｔｏｒｒ以下であり、
前記レーザ発振器または前記レーザ増幅器のガス圧が、５０〜３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a gas laser device according to the present invention includes a laser oscillator,
And a one or more laser amplifiers in cascade located downstream of the laser oscillator,
The laser oscillator has an output mirror for sealing a gaseous laser medium and extracting laser light,
The laser amplifier has an incident window and an output window for sealing a gaseous laser medium and allowing a laser beam to pass through,
A chamber connected to said laser oscillator and the laser amplifier, the output mirror of the laser oscillator, the entrance window of the laser amplifier and further comprising a chamber to isolate the space until the entrance window from the outside air from the output mirror ,
The space of the chamber, the inert gas is sealed,
The gas pressure of the chamber, the pressure difference between the laser oscillator or gas pressure of the laser amplifier, or less 10 Torr,
Gas pressure of the laser oscillator or the laser amplifier, characterized in that it is a 50～300Torr.
また本発明に係るガスレーザ装置は、レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の後段に縦列配置された２つ以上のレーザ増幅器とを備え、
前記レーザ増幅器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光の通過を許容するための入射窓および出力窓を有し、
隣接する２つの前記レーザ増幅器にそれぞれ連結されたチャンバーであって、前段のレーザ増幅器の出力窓、後段のレーザ増幅器の入射窓および、該出力窓から該入射窓までの空間を外気から隔離するチャンバーをさらに備え、
前記チャンバーの空間には、不活性ガスが封入されており、
前記チャンバーのガス圧と、前段のレーザ増幅器および後段のレーザ増幅器の少なくとも一方のガス圧との圧力差が、１０Ｔｏｒｒ以下であり、
前段または後段のレーザ増幅器のガス圧が、５０〜３００Ｔｏｒｒであることを特徴とする。
A gas laser device according to the present invention includes a laser oscillator,
And two or more laser amplifiers in cascade located downstream of the laser oscillator,
The laser amplifier has an incident window and an output window for sealing a gaseous laser medium and allowing a laser beam to pass through,
A respective concatenated chamber adjacent two of said laser amplifier, to isolate the output window of the front of the laser amplifier, the entrance window of the subsequent laser amplifier and, the space from the output window to the entrance window from the outside air chamber Further comprising
The space of the chamber, the inert gas is sealed,
The gas pressure of the chamber, the pressure difference between at least one of the gas pressure in the front of the laser amplifier and the subsequent laser amplifier, or less 10 Torr,
The gas pressure of the front stage or rear stage laser amplifier is 50 to 300 Torr.
本発明によれば、レーザ発振器とレーザ増幅器との間あるいはレーザ増幅器間に外気から隔離された空間を形成するためのチャンバーを設けて、チャンバー空間を不活性ガス封入状態に保つことによって、チャンバー空間におけるレーザ光の吸収を低減できる。その結果、ガスレンズ効果を抑制でき、レーザ光のビーム径および光軸を安定化することができる。
According to the present invention, provided with a chamber for forming a space that is isolated from the outside air in between or between the laser amplifier between the laser oscillator and the laser amplifier, by keeping the chamber space into the inert gas filled state, the chamber Absorption of laser light in space can be reduced. As a result, the gas lens effect can be suppressed, and the beam diameter and optical axis of the laser light can be stabilized.
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置は、レーザ発振器１と、レーザ発振器１の後段に縦列配置された複数のレーザ増幅器２，１２とを備える。ここでは、２つのレーザ増幅器を配置した例を説明するが、１つまたは３つ以上のレーザ増幅器を配置してもよい。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The laser device includes a laser oscillator 1 and a plurality of laser amplifiers 2 and 12 arranged in a tandem downstream of the laser oscillator 1. Here, an example in which two laser amplifiers are arranged will be described. However, one or three or more laser amplifiers may be arranged.
レーザ発振器１は、光共振器を構成する全反射鏡３および部分反射鏡４と、レーザガスを循環させるための送風機５と、レーザガス流６を放電励起するための一対の放電電極７と、レーザガスを封入するためのハウジングなどを備える。このハウジングには、レーザガスを供給するためのレーザガスボンベ１５と、レーザガス圧を計測するための圧力計１７が接続される。部分反射鏡４は、ハウジングに装着されてレーザガスを封止するとともに、レーザ光を取り出すための出力鏡として機能する。 The laser oscillator 1 includes a total reflection mirror 3 and a partial reflection mirror 4 constituting an optical resonator, a blower 5 for circulating a laser gas, a pair of discharge electrodes 7 for discharging and exciting a laser gas flow 6, and a laser gas. A housing for enclosing is provided. A laser gas cylinder 15 for supplying laser gas and a pressure gauge 17 for measuring laser gas pressure are connected to the housing. The partial reflecting mirror 4 is mounted on the housing to seal the laser gas and functions as an output mirror for taking out the laser light.
１段目のレーザ増幅器２は、レーザ光の入射側に配置された全透過鏡８と、レーザ光の射出側に配置された全透過鏡１３と、レーザガスを循環させるための送風機５と、レーザガス流６を放電励起するための一対の放電電極７と、レーザガスを封入するためのハウジングなどを備える。このハウジングには、レーザガスを供給するためのレーザガスボンベ１５と、レーザガス圧を計測するための圧力計１７が接続される。全透過鏡８は、ハウジングに装着されてレーザガスを封止するとともに、レーザ光の入射窓として機能する。全透過鏡１３もハウジングに装着されてレーザガスを封止するとともに、レーザ光の出力窓として機能する。 The first stage laser amplifier 2 includes a total transmission mirror 8 disposed on the laser beam incident side, a total transmission mirror 13 disposed on the laser beam emission side, a blower 5 for circulating the laser gas, and a laser gas. A pair of discharge electrodes 7 for exciting the flow 6 and a housing for enclosing the laser gas are provided. A laser gas cylinder 15 for supplying laser gas and a pressure gauge 17 for measuring laser gas pressure are connected to the housing. The total transmission mirror 8 is attached to the housing and seals the laser gas, and also functions as a laser light incident window. The total transmission mirror 13 is also mounted on the housing to seal the laser gas and function as a laser light output window.
２段目のレーザ増幅器１２も、レーザ増幅器２と同様な構成を有し、レーザ光の入射側に配置された全透過鏡８と、レーザ光の射出側に配置された全透過鏡１４と、レーザガスを循環させるための送風機５と、レーザガス流６を放電励起するための一対の放電電極７と、レーザガスを封入するためのハウジングなどを備える。このハウジングには、レーザガスを供給するためのレーザガスボンベ１５と、レーザガス圧を計測するための圧力計１７が接続される。全透過鏡８は、ハウジングに装着されてレーザガスを封止するとともに、レーザ光の入射窓として機能する。全透過鏡１４もハウジングに装着されてレーザガスを封止するとともに、レーザ光の出力窓として機能する。 The second-stage laser amplifier 12 also has the same configuration as the laser amplifier 2, and includes a total transmission mirror 8 disposed on the laser light incident side, a total transmission mirror 14 disposed on the laser light emission side, A blower 5 for circulating the laser gas, a pair of discharge electrodes 7 for discharging and exciting the laser gas flow 6, a housing for enclosing the laser gas, and the like are provided. A laser gas cylinder 15 for supplying laser gas and a pressure gauge 17 for measuring laser gas pressure are connected to the housing. The total transmission mirror 8 is attached to the housing and seals the laser gas, and also functions as a laser light incident window. The total transmission mirror 14 is also mounted on the housing to seal the laser gas and function as a laser light output window.
レーザ発振器１の部分反射鏡４と１段目のレーザ増幅器２の全透過鏡８との間には、外気から隔離された空間を形成するためのチャンバー９が設けられる。この１段目のチャンバー９には、不活性ガスを供給するための不活性ガスボンベ１６と、不活性ガス圧を計測するための圧力計１８とが接続され、さらにレーザ発振器１およびレーザ増幅器２の各ハウジングと連通するための配管がそれぞれ接続される。各配管の途中には開閉バルブ１１が設けられる。 A chamber 9 for forming a space isolated from the outside air is provided between the partial reflection mirror 4 of the laser oscillator 1 and the total transmission mirror 8 of the first stage laser amplifier 2. An inert gas cylinder 16 for supplying an inert gas and a pressure gauge 18 for measuring the inert gas pressure are connected to the first-stage chamber 9, and the laser oscillator 1 and the laser amplifier 2 are further connected. Piping for communicating with each housing is connected. An open / close valve 11 is provided in the middle of each pipe.
１段目のレーザ増幅器２の全透過鏡１３と２段目のレーザ増幅器１２の全透過鏡８との間にも、外気から隔離された空間を形成するためのチャンバー９が設けられる。この２段目のチャンバー９には、不活性ガスを供給するための不活性ガスボンベ１６と、不活性ガス圧を計測するための圧力計１８とが接続され、さらにレーザ増幅器２，１２の各ハウジングと連通するための配管がそれぞれ接続される。各配管の途中には開閉バルブ１１が設けられる。 A chamber 9 for forming a space isolated from the outside air is also provided between the total transmission mirror 13 of the first stage laser amplifier 2 and the total transmission mirror 8 of the second stage laser amplifier 12. An inert gas cylinder 16 for supplying an inert gas and a pressure gauge 18 for measuring an inert gas pressure are connected to the second-stage chamber 9, and each housing of the laser amplifiers 2 and 12 is further connected. Pipes for communicating with each other are connected. An open / close valve 11 is provided in the middle of each pipe.
２段目のレーザ増幅器１２の全透過鏡１４は、外気に露出しており、増幅されたレーザ光１０を外部に供給する。 The total transmission mirror 14 of the second stage laser amplifier 12 is exposed to the outside air and supplies the amplified laser beam 10 to the outside.
次に動作を説明する。レーザ発振器１においてレーザガスが放電電極７によって励起されると、光の増幅作用を示すようになる。光は全反射鏡３と部分反射鏡４の間を往復することによって増幅されて、レーザ光を発生し、その一部が部分反射鏡４を通過する。レーザ発振器１から出力されたレーザ光は、１段目のチャンバー９の内部空間を通過して、レーザ増幅器２の全透過鏡８に入射する。 Next, the operation will be described. When laser gas is excited by the discharge electrode 7 in the laser oscillator 1, the light amplification effect is exhibited. The light is amplified by reciprocating between the total reflection mirror 3 and the partial reflection mirror 4 to generate laser light, a part of which passes through the partial reflection mirror 4. The laser light output from the laser oscillator 1 passes through the internal space of the first stage chamber 9 and enters the total transmission mirror 8 of the laser amplifier 2.
レーザ増幅器２では、放電電極７によって励起されたレーザガスが光の増幅作用を示す。全透過鏡８を通過したレーザ光は、レーザガス中を進行する際に増幅され、全透過鏡１３を通過する。レーザ増幅器２から出力されたレーザ光は、２段目のチャンバー９の内部空間を通過して、２段目のレーザ増幅器１２の全透過鏡８に入射する。 In the laser amplifier 2, the laser gas excited by the discharge electrode 7 exhibits a light amplification effect. The laser light that has passed through the total transmission mirror 8 is amplified when traveling through the laser gas, and passes through the total transmission mirror 13. The laser light output from the laser amplifier 2 passes through the internal space of the second stage chamber 9 and enters the total transmission mirror 8 of the second stage laser amplifier 12.
レーザ増幅器１２でも同様に、放電電極７によって励起されたレーザガスが光の増幅作用を示す。全透過鏡８を通過したレーザ光は、レーザガス中を進行する際に増幅され、全透過鏡１４を通過する。レーザ増幅器１２から出力されたレーザ光１０は外部に供給される。 Similarly, in the laser amplifier 12, the laser gas excited by the discharge electrode 7 exhibits an optical amplification function. The laser light that has passed through the total transmission mirror 8 is amplified when traveling through the laser gas, and passes through the total transmission mirror 14. The laser beam 10 output from the laser amplifier 12 is supplied to the outside.
本実施形態では、各チャンバー９の内部空間には、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴンまたは乾燥空気など、レーザ光に対して不活性なガスを封入している。レーザガスとしてＣＯ２ガスを使用した場合、波長１０μｍ前後の遠赤外線レーザ光が得られ、これは水蒸気に吸収されやすい。 In the present embodiment, a gas inert to the laser light, such as nitrogen, helium, argon, or dry air, is enclosed in the internal space of each chamber 9. When CO 2 gas is used as the laser gas, far-infrared laser light having a wavelength of about 10 μm is obtained, which is easily absorbed by water vapor.
従来のようにレーザ発振器とレーザ増幅器の間の空間およびレーザ増幅器間の空間が外気に曝されていると、湿度によって光の吸収率が変化することになる。外気がレーザ光を吸収すると、その部分の温度が上昇して膨張する。このためレーザが通過する部分と通過しない部分との間で密度差ができ、これが屈折率分布となってガスレンズと呼ばれる現象が発生する。ガスレンズが発生すると、ガスレンズの大きさによってビーム径が変化することになり、ビーム径が不安定になる原因となる。 When the space between the laser oscillator and the laser amplifier and the space between the laser amplifiers are exposed to the outside air as in the prior art, the light absorption rate changes depending on the humidity. When the outside air absorbs the laser beam, the temperature of the portion rises and expands. For this reason, there is a density difference between the part through which the laser passes and the part through which the laser does not pass. When a gas lens is generated, the beam diameter changes depending on the size of the gas lens, which causes the beam diameter to become unstable.
本実施形態では、各チャンバー９の内部空間は外気から隔離されており、しかも上述のような不活性ガスを封入しているため、チャンバー９を通過するレーザ光は外気中の水蒸気（湿度）の影響を回避できる。そのためガスレンズ効果が発生せず、レーザ光のビーム径や光軸を安定させることができる。また、外気中に吸収性のガスや塵埃が浮遊していても、チャンバー空間は外気から隔離されているため、その影響を回避できる。 In the present embodiment, the internal space of each chamber 9 is isolated from the outside air, and the inert gas as described above is sealed, so that the laser light passing through the chamber 9 is the water vapor (humidity) in the outside air. The impact can be avoided. For this reason, the gas lens effect does not occur, and the beam diameter and optical axis of the laser light can be stabilized. Even if absorbent gas or dust floats in the outside air, the influence of the chamber space can be avoided because the chamber space is isolated from the outside air.
１段目のチャンバー９の内部圧力は、レーザ発振器１内のレーザガスのガス圧とほぼ等しいことが好ましく、さらにレーザ増幅器２内のレーザガスのガス圧とほぼ等しいことが好ましい。 The internal pressure of the first stage chamber 9 is preferably approximately equal to the gas pressure of the laser gas in the laser oscillator 1, and is preferably approximately equal to the gas pressure of the laser gas in the laser amplifier 2.
従来のように、レーザ発振器とレーザ増幅器の間の空間およびレーザ増幅器間の空間が外気に曝されていると、部分反射鏡４および全透過鏡８，１３，１４は、レーザガスのガス圧と大気圧との圧力差を受けることになる。このため、部分反射鏡および全透過鏡はこの圧力差に耐えうる厚みが必要となる。 As in the prior art, when the space between the laser oscillator and the laser amplifier and the space between the laser amplifiers are exposed to the outside air, the partial reflection mirror 4 and the total transmission mirrors 8, 13, 14 have a high gas pressure and a large laser gas pressure. You will receive a pressure difference from the atmospheric pressure. For this reason, the partial reflection mirror and the total transmission mirror need to be thick enough to withstand this pressure difference.
全透過鏡が圧力差によって破壊されない最小厚みは、下記式（１）によって求められる。例えば、全透過鏡８，１３，１４をＣＶＤダイヤモンドで形成する場合、ＣＶＤダイヤモンドの外径をφ２５．４ｍｍ、レーザガスのガス圧が５０Ｔｏｒｒとすると、全透過鏡厚みは０．４ｍｍ以上必要となる。また、全透過鏡の材料がＺｎＳｅの場合、圧力差によって破壊されない最小厚みは１．１ｍｍとなる。 The minimum thickness at which the total transmission mirror is not broken by the pressure difference is obtained by the following formula (1). For example, when the total transmission mirrors 8, 13, and 14 are formed of CVD diamond, if the outer diameter of the CVD diamond is φ25.4 mm and the gas pressure of the laser gas is 50 Torr, the total transmission mirror thickness needs to be 0.4 mm or more. Further, when the material of the total transmission mirror is ZnSe, the minimum thickness that is not destroyed by the pressure difference is 1.1 mm.
ここで、Ｐは、大気圧とレーザ発振器またはレーザ増幅器のガス圧との圧力差であり、ｒは全透過鏡の半径であり、Ｓは安全係数であって通常４が使われる。Ｍは、全透過鏡材料の破壊係数(Modulus of Rupture)であり、Ｔｍｉｎは、圧力によって破壊されない最小厚みである。 Here, P is the pressure difference between the atmospheric pressure and the gas pressure of the laser oscillator or laser amplifier, r is the radius of the total transmission mirror, S is a safety factor, and 4 is usually used. M is the Modulus of Rupture of the total transmission mirror material, and T min is the minimum thickness that is not destroyed by pressure.
一方、レーザ発振器１の部分反射鏡４は光共振器を構成しているため、圧力差によって鏡面の曲率が変化しないようにする必要がある。部分反射鏡４の曲率変化を０．５％以内に抑えるための厚みは、下記式（２）によって求められる。例えば、部分反射鏡４をＣＶＤダイヤモンドで形成する場合、ＣＶＤダイヤモンドの外径をφ２５．４ｍｍ、レーザガスのガス圧が５０Ｔｏｒｒとすると、部分反射鏡の厚みは１．７ｍｍ以上必要となる。 On the other hand, since the partial reflecting mirror 4 of the laser oscillator 1 constitutes an optical resonator, it is necessary to prevent the curvature of the mirror surface from changing due to a pressure difference. The thickness for suppressing the curvature change of the partial reflection mirror 4 to within 0.5% is obtained by the following formula (2). For example, when the partial reflector 4 is formed of CVD diamond, if the outer diameter of the CVD diamond is 25.4 mm and the gas pressure of the laser gas is 50 Torr, the thickness of the partial reflector is required to be 1.7 mm or more.
また、部分反射鏡４の材質がＺｎＳｅの場合、ＺｎＳｅの外径をφ２５．４ｍｍとし、レーザガスのガス圧が５０Ｔｏｒｒとすると、部分反射鏡の曲率変化を０．５％以内に抑えるための厚みは、同様に式（２）で求められ、４ｍｍ以上必要となる。 Further, when the material of the partial reflector 4 is ZnSe, when the outer diameter of ZnSe is φ25.4 mm and the gas pressure of the laser gas is 50 Torr, the thickness for suppressing the change in the curvature of the partial reflector within 0.5% is Similarly, it is obtained by the formula (2), and 4 mm or more is required.
ここで、Ｅｚは材料のヤング率、ｔは部分反射鏡の厚み、ｐは大気圧とレーザガス圧の圧力差、νは材料のポアソン比、ａは部分反射鏡の半径である。ΔＲは曲率半径の変化量であり、曲率変化はこの逆数となる。 Here, E z is the Young's modulus of the material, t is the thickness of the partial reflector, p is the pressure difference between the atmospheric pressure and the laser gas pressure, ν is the Poisson's ratio of the material, and a is the radius of the partial reflector. ΔR is the amount of change in the radius of curvature, and the change in curvature is the inverse of this.
一方、本実施形態では、チャンバー内のガス圧をレーザ発振器あるいはレーザ増幅器内のレーザガスのガス圧とほぼ等しくすることによって、圧力差による撓み変形は生じないため、部分反射鏡４あるいは全透過鏡８，１３，１４を極限にまで薄くすることができる。ただし、安全のため、ある程度のガス圧差を許容することが望ましい。従って、１段目のチャンバー９のガス圧と、レーザ発振器１またはレーザ増幅器２のガス圧との圧力差は、１０Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。また、２段目のチャンバー９のガス圧と、１段目のレーザ増幅器２または２段目のレーザ増幅器１２のガス圧との圧力差は、１０Ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。 On the other hand, in this embodiment, since the gas pressure in the chamber is made substantially equal to the gas pressure of the laser gas in the laser oscillator or laser amplifier, no bending deformation occurs due to the pressure difference. , 13, 14 can be made as thin as possible. However, it is desirable to allow a certain gas pressure difference for safety. Therefore, the pressure difference between the gas pressure in the first-stage chamber 9 and the gas pressure in the laser oscillator 1 or the laser amplifier 2 is preferably 10 Torr or less. The pressure difference between the gas pressure in the second-stage chamber 9 and the gas pressure in the first-stage laser amplifier 2 or the second-stage laser amplifier 12 is preferably 10 Torr or less.
このときのチャンバー９のガス圧は、レーザ発振器１あるいはレーザ増幅器２，１２のガス圧より高くても低くてもかまわない。この場合、レーザ増幅器の全透過鏡８，１３，１４の材質をＣＶＤダイヤモンドとし、外径をφ２５．４ｍｍとした場合、全透過鏡が圧力差によって破壊されない最小厚みは上記式（１）から求められ、０．０５ｍｍあればよい。全透過鏡８，１３，１４の材質がＺｎＳｅの場合は、同様の条件で圧力差によって破壊されない最小厚みは、０．１３ｍｍあればよい。 The gas pressure in the chamber 9 at this time may be higher or lower than the gas pressure in the laser oscillator 1 or the laser amplifiers 2 and 12. In this case, when the material of all the transmission mirrors 8, 13 and 14 of the laser amplifier is CVD diamond and the outer diameter is φ25.4 mm, the minimum thickness at which the transmission mirror is not broken by the pressure difference is obtained from the above formula (1). 0.05 mm is sufficient. When the material of all the transmission mirrors 8, 13, and 14 is ZnSe, the minimum thickness that is not destroyed by the pressure difference under the same conditions may be 0.13 mm.
さらに、レーザ発振器１の部分反射鏡４の材質をＣＶＤダイヤモンドとし、外径をφ２５．４ｍｍとした場合、部分反射鏡４の曲率変化を０．５％以内に抑えるための厚みは式（２）から求められ、０．４１ｍｍ以上あればよい。部分反射鏡４の材質がＺｎＳｅの場合は、ＺｎＳｅの外径をφ２５．４ｍｍとすると、部分反射鏡の曲率変化を０．５％以内に抑えるための厚みは１ｍｍ以上あればよい。ただし、チャンバー９が連結されていない全透過鏡１４および全反射鏡３は、大気圧との圧力差を許容する厚みが必要である。 Further, when the material of the partial reflection mirror 4 of the laser oscillator 1 is CVD diamond and the outer diameter is φ25.4 mm, the thickness for suppressing the curvature change of the partial reflection mirror 4 within 0.5% is expressed by the formula (2). It should just be 0.41 mm or more. When the material of the partial reflecting mirror 4 is ZnSe, if the outer diameter of ZnSe is φ25.4 mm, the thickness for suppressing the change in the curvature of the partial reflecting mirror within 0.5% may be 1 mm or more. However, the total transmission mirror 14 and the total reflection mirror 3 that are not connected to the chamber 9 need to have a thickness that allows a pressure difference from the atmospheric pressure.
次に、チャンバー９の圧力と、レーザ発振器１あるいはレーザ増幅器２，１２の圧力とが等しくなるように設定する方法を説明する。レーザガス交換時には、レーザ発振器１およびレーザ増幅器２，１２のハウジングに真空ポンプ（不図示）を接続し、開閉バルブ１１を開放した状態で各ハウジング内部およびチャンバー９の内部空間を同時に真空引きする。 Next, a method for setting the pressure in the chamber 9 and the pressure in the laser oscillator 1 or the laser amplifiers 2 and 12 to be equal will be described. When exchanging the laser gas, a vacuum pump (not shown) is connected to the housings of the laser oscillator 1 and the laser amplifiers 2 and 12, and the interior space of each housing and the chamber 9 is evacuated simultaneously with the open / close valve 11 opened.
真空引きした後、バルブ１１を閉じて、チャンバー９を各ハウジングから分離する。続いて、レーザガスボンベ１５のバルブを開いて、各ハウジングにレーザガスを注入する。このとき同時に、不活性ガスボンベ１６のバルブを開いて、チャンバー９に不活性ガスを注入することによって、チャンバーのガス圧とレーザ発振器またはレーザ増幅器のガス圧と間の圧力差を上記の許容範囲内に保つようにする。 After evacuation, the valve 11 is closed and the chamber 9 is separated from each housing. Subsequently, the valve of the laser gas cylinder 15 is opened to inject laser gas into each housing. At the same time, by opening the valve of the inert gas cylinder 16 and injecting the inert gas into the chamber 9, the pressure difference between the gas pressure of the chamber and the gas pressure of the laser oscillator or laser amplifier falls within the above-mentioned allowable range. To keep on.
各ハウジングのレーザガス圧が所望の値に達した時点で、レーザガスボンベ１５のバルブを閉じる。同様に、チャンバー９の不活性ガス圧が所望の値に達した時点で、不活性ガスボンベ１６のバルブを閉じる。その後、送風機５を起動し、放電電極７による放電を開始することによって、レーザ光の発振、増幅が可能になる。 When the laser gas pressure in each housing reaches a desired value, the valve of the laser gas cylinder 15 is closed. Similarly, when the inert gas pressure in the chamber 9 reaches a desired value, the valve of the inert gas cylinder 16 is closed. Thereafter, the blower 5 is started and the discharge by the discharge electrode 7 is started, whereby the laser light can be oscillated and amplified.
このようにレーザ発振器１とレーザ増幅器２との間あるいはレーザ増幅器２，１２間に、外気から隔離された空間を形成するためのチャンバー９を設けて、チャンバー空間を不活性ガスで封入することによって、チャンバー空間におけるレーザ光の吸収を低減できる。その結果、ガスレンズ効果を抑制でき、レーザ光のビーム径および光軸を安定化することができる。 Thus, by providing a chamber 9 for forming a space isolated from the outside air between the laser oscillator 1 and the laser amplifier 2 or between the laser amplifiers 2 and 12, and sealing the chamber space with an inert gas. The absorption of laser light in the chamber space can be reduced. As a result, the gas lens effect can be suppressed, and the beam diameter and optical axis of the laser light can be stabilized.
また、チャンバー９のガス圧と、レーザ発振器１またはレーザ増幅器２，１２のガス圧との圧力差を所定の値以下に保つことによって、圧力差に起因した出力鏡や入出力窓の撓み変形や破損を防止できる。そのため部分反射鏡４、全透過鏡８，１３，１４を、ＣＶＤダイヤモンド等の高価な材料で形成する場合、出力鏡や入出力窓の板厚を低減することができ、材料のコスト削減が図られる。 Further, by keeping the pressure difference between the gas pressure in the chamber 9 and the gas pressure in the laser oscillator 1 or the laser amplifiers 2 and 12 below a predetermined value, the output mirror and the input / output window are deformed and deformed due to the pressure difference. Damage can be prevented. Therefore, when the partial reflection mirror 4 and the total transmission mirrors 8, 13, and 14 are formed of an expensive material such as CVD diamond, the thickness of the output mirror and the input / output window can be reduced, thereby reducing the cost of the material. It is done.
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。本実施形態は、実施の形態１の構成において不活性ガスボンベ１６を省略したものであり、重複説明を省く。レーザ装置は、レーザ発振器１と、レーザ発振器１の後段に縦列配置された複数のレーザ増幅器２，１２とを備える。ここでは、２つのレーザ増幅器を配置した例を説明するが、１つまたは３つ以上のレーザ増幅器を配置してもよい。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 is a block diagram showing a laser apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the present embodiment, the inert gas cylinder 16 is omitted from the configuration of the first embodiment, and redundant description is omitted. The laser device includes a laser oscillator 1 and a plurality of laser amplifiers 2 and 12 arranged in a tandem downstream of the laser oscillator 1. Here, an example in which two laser amplifiers are arranged will be described. However, one or three or more laser amplifiers may be arranged.
本実施形態では、１段目のチャンバー９および２段目のチャンバー９が真空に保たれている。これによりチャンバー９を通過するレーザ光は水蒸気（湿度）の影響を回避できるとともに、ガスレンズ効果の解消によりレーザ光のビーム径や光軸を安定させることができる。また、外気中に吸収性のガスや塵埃が浮遊していても、チャンバー空間は外気から隔離されているため、その影響を回避できる。 In the present embodiment, the first-stage chamber 9 and the second-stage chamber 9 are kept in vacuum. As a result, the laser light passing through the chamber 9 can avoid the influence of water vapor (humidity) and can stabilize the beam diameter and optical axis of the laser light by eliminating the gas lens effect. Even if absorbent gas or dust floats in the outside air, the influence of the chamber space can be avoided because the chamber space is isolated from the outside air.
また本実施形態では、不活性ガスを用意する必要がないため、構成がより簡略化できる。ただし、チャンバー９の内部空間を真空にする場合、部分反射鏡４および全透過鏡８，１３，１４は、レーザ発振器１あるいはレーザ増幅器２，１２のガス圧との圧力差に耐える必要がある。 Moreover, in this embodiment, since it is not necessary to prepare an inert gas, a structure can be simplified more. However, when the internal space of the chamber 9 is evacuated, the partial reflection mirror 4 and the total transmission mirrors 8, 13, 14 need to withstand a pressure difference from the gas pressure of the laser oscillator 1 or the laser amplifiers 2, 12.
例えば、ＣＯ２レーザ装置のレーザガス圧は、通常５０〜３００Ｔｏｒｒ程度であり、部分反射鏡および全透過鏡は、この圧力差を許容する厚みにする。許容される厚みは、実施の形態１と同様に、圧力差によって破壊されない厚みは上記式（１）で求められる。例えば、全透過鏡８，１３，１４をＣＶＤダイヤモンドで形成する場合、ＣＶＤダイヤモンドの外径をφ２５．４ｍｍ、レーザガスのガス圧が３００Ｔｏｒｒとすると、全透過鏡の厚みは０．２８ｍｍあればよい。また、全透過鏡８，１３，１４をＺｎＳｅで形成する場合、同様の条件では、全透過鏡の厚みは０．７２ｍｍあればよい。 For example, the laser gas pressure of the CO 2 laser device is usually about 50 to 300 Torr, and the partial reflection mirror and the total transmission mirror have a thickness that allows this pressure difference. As in the case of the first embodiment, the allowable thickness is obtained by the above formula (1), which is not destroyed by the pressure difference. For example, when the total transmission mirrors 8, 13, and 14 are formed of CVD diamond, if the outer diameter of the CVD diamond is 25.4 mm and the gas pressure of the laser gas is 300 Torr, the thickness of the total transmission mirror may be 0.28 mm. When the total transmission mirrors 8, 13, and 14 are made of ZnSe, the thickness of the total transmission mirror may be 0.72 mm under the same conditions.
一方、レーザ発振器１の部分反射鏡４は光共振器を構成しているため、圧力差によって鏡面の曲率が変化しないようにする必要がある。部分反射鏡４の曲率変化を０．５％以内に抑えるための厚みは、上記式（２）で求められる。例えば、部分反射鏡４の材質をＣＶＤダイヤモンドとし、ＣＶＤダイヤモンドの外径をφ２５．４ｍｍ、レーザガスのガス圧が３００Ｔｏｒｒとすると、部分反射鏡の厚みは１．２５ｍｍ以上あればよい。部分反射鏡４をＺｎＳｅで形成する場合、同様の条件では、部分反射鏡の厚みは３．１ｍｍ以上あればよい。 On the other hand, since the partial reflecting mirror 4 of the laser oscillator 1 constitutes an optical resonator, it is necessary to prevent the curvature of the mirror surface from changing due to a pressure difference. The thickness for suppressing the curvature change of the partial reflection mirror 4 to within 0.5% is obtained by the above formula (2). For example, if the material of the partial reflector 4 is CVD diamond, the outer diameter of the CVD diamond is φ25.4 mm, and the gas pressure of the laser gas is 300 Torr, the thickness of the partial reflector may be 1.25 mm or more. When the partial reflection mirror 4 is formed of ZnSe, the thickness of the partial reflection mirror may be 3.1 mm or more under the same conditions.
次に、チャンバー９を真空状態に設定する方法を説明する。レーザガス交換時には、レーザ発振器１およびレーザ増幅器２，１２のハウジングに真空ポンプ（不図示）を接続し、開閉バルブ１１を開放した状態で各ハウジング内部およびチャンバー９の内部空間を同時に真空引きする。 Next, a method for setting the chamber 9 in a vacuum state will be described. When exchanging the laser gas, a vacuum pump (not shown) is connected to the housings of the laser oscillator 1 and the laser amplifiers 2 and 12, and the interior space of each housing and the chamber 9 is evacuated simultaneously with the open / close valve 11 opened.
真空引きした後、バルブ１１を閉じて、チャンバー９を各ハウジングから分離する。続いて、レーザガスボンベ１５のバルブを開いて、各ハウジングにレーザガスを注入する。このとき部分反射鏡または全透過鏡が破損しないように、レーザ発振器またはレーザ増幅器のガス圧を上記の許容範囲内に保つようにする。 After evacuation, the valve 11 is closed and the chamber 9 is separated from each housing. Subsequently, the valve of the laser gas cylinder 15 is opened to inject laser gas into each housing. At this time, the gas pressure of the laser oscillator or laser amplifier is kept within the above-mentioned allowable range so that the partial reflection mirror or the total transmission mirror is not damaged.
各ハウジングのレーザガス圧が所望の値に達した時点で、レーザガスボンベ１５のバルブを閉じる。その後、送風機５を起動し、放電電極７による放電を開始することによって、レーザ光の発振、増幅が可能になる。 When the laser gas pressure in each housing reaches a desired value, the valve of the laser gas cylinder 15 is closed. Thereafter, the blower 5 is started and the discharge by the discharge electrode 7 is started, whereby the laser light can be oscillated and amplified.
このようにレーザ発振器１とレーザ増幅器２との間あるいはレーザ増幅器２，１２間に、外気から隔離された空間を形成するためのチャンバー９を設けて、チャンバー空間を真空状態に保つことによって、チャンバー空間におけるレーザ光の吸収を低減できる。その結果、ガスレンズ効果を抑制でき、レーザ光のビーム径および光軸を安定化することができる。 Thus, by providing the chamber 9 for forming a space isolated from the outside air between the laser oscillator 1 and the laser amplifier 2 or between the laser amplifiers 2 and 12, the chamber space is kept in a vacuum state, thereby Absorption of laser light in space can be reduced. As a result, the gas lens effect can be suppressed, and the beam diameter and optical axis of the laser light can be stabilized.
また、レーザ発振器１またはレーザ増幅器２，１２のガス圧を所定の値以下に保つことによって、圧力差に起因した出力鏡や入出力窓の撓み変形や破損を防止できる。そのため部分反射鏡４、全透過鏡８，１３，１４を、ＣＶＤダイヤモンド等の高価な材料で形成する場合、出力鏡や入出力窓の板厚を低減することができ、材料のコスト削減が図られる。 Further, by keeping the gas pressure of the laser oscillator 1 or the laser amplifiers 2 and 12 below a predetermined value, it is possible to prevent the output mirror and the input / output window from being bent or deformed due to the pressure difference. Therefore, when the partial reflection mirror 4 and the total transmission mirrors 8, 13, and 14 are formed of an expensive material such as CVD diamond, the thickness of the output mirror and the input / output window can be reduced, thereby reducing the cost of the material. It is done.
以上、各実施形態において、レーザ発振器１、レーザ増幅器２，１２を３軸直交型ガスレーザ方式で構成した場合を説明したが、その他のガスレーザ方式、例えば、高速軸流型または拡散冷却方式についても本発明は同様に適用可能である。 As described above, in each embodiment, the case where the laser oscillator 1 and the laser amplifiers 2 and 12 are configured by the three-axis orthogonal gas laser method has been described. However, other gas laser methods such as a high-speed axial flow type or a diffusion cooling method are also described. The invention is equally applicable.
また、レーザ媒質としてＣＯ２ガスを使用した場合を説明したが、その他のレーザガス（例えば、ＣＯガス）を使用した場合も本発明は同様に適用可能である。 Further, although the case where CO 2 gas is used as the laser medium has been described, the present invention can be similarly applied when other laser gas (for example, CO gas) is used.
１ レーザ発振器、 ２，１２ レーザ増幅器、 ３ 全反射鏡、
４ 部分反射鏡、 ５ 送風機、 ６ レーザガス流、 ７ 放電電極、
８，１３，１４ 全透過鏡、 ９ チャンバー、 １０ レーザ光、
１１ 開閉バルブ、 １５ レーザガスボンベ、 １６ 不活性ガスボンベ、
１７，１８ 圧力計。
1 laser oscillator, 2,12 laser amplifier, 3 total reflection mirror,
4 partial reflector, 5 blower, 6 laser gas flow, 7 discharge electrode,
8, 13, 14 Total transmission mirror, 9 chamber, 10 laser light,
11 Opening / closing valve, 15 Laser gas cylinder, 16 Inert gas cylinder,
17, 18 Pressure gauge.
Claims (5)
前記レーザ発振器の後段に縦列配置された１つ以上のレーザ増幅器とを備え、
前記レーザ発振器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光を取り出すための出力鏡を有し、
前記レーザ増幅器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光の通過を許容するための入射窓および出力窓を有し、
前記レーザ発振器および前記レーザ増幅器に連結されたチャンバーであって、前記レーザ発振器の出力鏡、前記レーザ増幅器の入射窓および、該出力鏡から該入射窓までの空間を外気から隔離するチャンバーをさらに備え、
前記チャンバーの空間には、不活性ガスが封入されており、
前記チャンバーのガス圧と、前記レーザ発振器または前記レーザ増幅器のガス圧との圧力差が、１０Ｔｏｒｒ以下であり、
前記レーザ発振器または前記レーザ増幅器のガス圧が、５０〜３００Ｔｏｒｒであることを特徴とするガスレーザ装置。 A laser oscillator;
And a one or more laser amplifiers in cascade located downstream of the laser oscillator,
The laser oscillator has an output mirror for sealing a gaseous laser medium and extracting laser light,
The laser amplifier has an incident window and an output window for sealing a gaseous laser medium and allowing a laser beam to pass through,
A chamber connected to said laser oscillator and the laser amplifier, the output mirror of the laser oscillator, the entrance window of the laser amplifier and further comprising a chamber to isolate the space until the entrance window from the outside air from the output mirror ,
The space of the chamber, the inert gas is sealed,
The gas pressure of the chamber, the pressure difference between the laser oscillator or gas pressure of the laser amplifier, or less 10 Torr,
Gas pressure of the laser oscillator or the laser amplifier, gas laser device which is a 50～300Torr.
前記レーザ発振器の後段に縦列配置された２つ以上のレーザ増幅器とを備え、
前記レーザ増幅器は、ガス状のレーザ媒質を封止してレーザ光の通過を許容するための入射窓および出力窓を有し、
隣接する２つの前記レーザ増幅器にそれぞれ連結されたチャンバーであって、前段のレーザ増幅器の出力窓、後段のレーザ増幅器の入射窓および、該出力窓から該入射窓までの空間を外気から隔離するチャンバーをさらに備え、
前記チャンバーの空間には、不活性ガスが封入されており、
前記チャンバーのガス圧と、前段のレーザ増幅器および後段のレーザ増幅器の少なくとも一方のガス圧との圧力差が、１０Ｔｏｒｒ以下であり、
前段または後段のレーザ増幅器のガス圧が、５０〜３００Ｔｏｒｒであることを特徴とするガスレーザ装置。 A laser oscillator;
And two or more laser amplifiers in cascade located downstream of the laser oscillator,
The laser amplifier has an incident window and an output window for sealing a gaseous laser medium and allowing a laser beam to pass through,
A respective concatenated chamber adjacent two of said laser amplifier, to isolate the output window of the front of the laser amplifier, the entrance window of the subsequent laser amplifier and, the space from the output window to the entrance window from the outside air chamber Further comprising
The space of the chamber, the inert gas is sealed,
The gas pressure of the chamber, the pressure difference between at least one of the gas pressure in the front of the laser amplifier and the subsequent laser amplifier, or less 10 Torr,
A gas laser device, wherein a gas pressure of a laser amplifier at a front stage or a rear stage is 50 to 300 Torr.
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