JPS6060791A - レ−ザビ−ム用窓 - Google Patents

レ−ザビ−ム用窓

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Publication number
JPS6060791A
JPS6060791A JP16993083A JP16993083A JPS6060791A JP S6060791 A JPS6060791 A JP S6060791A JP 16993083 A JP16993083 A JP 16993083A JP 16993083 A JP16993083 A JP 16993083A JP S6060791 A JPS6060791 A JP S6060791A
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JP
Japan
Prior art keywords
optical element
laser beam
flange
outer periphery
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP16993083A
Other languages
English (en)
Inventor
Makoto Yano
眞 矢野
Hiroyuki Sugawara
宏之 菅原
Koji Kuwabara
桑原 晧二
Akira Wada
和田 昭
Sei Takemori
竹森 聖
Hiroharu Sasaki
弘治 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP16993083A priority Critical patent/JPS6060791A/ja
Publication of JPS6060791A publication Critical patent/JPS6060791A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/04Arrangements for thermal management
    • H01S3/041Arrangements for thermal management for gas lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はレーザビーム用窓に関するものである。
〔発明の背景〕
第1図にはレーザビーム用窓の従来例が示されている。
同図に示されているように中空円筒1上に設けられたフ
ランジ2にその端部が気密に乗置支持され、かつその中
央部からレーザビーム3を透過する光学素子4は、フラ
ンジ2に設けられた冷媒を流通させる冷媒路例えば水を
流通させる水路5と、フランジ2とこのフランジ2に対
向する光学素子4の端部のうちレーザビーム3の入射側
の底面6との両者間に跨って設けられた熱伝導の良い材
料7とで冷却されている。すなわち光学素子4はレーザ
ビーム3が透過する際にその中央部の内部で一部を吸収
発熱するので、光学素子4の底面6とフランジ2との間
の両者間に跨って設けられた熱伝導の良い材料7を通し
て水路5に導き、冷却している。そしてこの熱伝導の良
い材料7は冷却がよく行ガわれるように光学素子4の底
面6とこの底面6に対向するフランジ2との間の全域に
設けられていた。
このように構成されたレーザビーム用窓で光学素子4の
底面6の表面温度分布は、横軸に光学素子の中心から半
径方向の距離tをとり、縦軸に温度Tをとって中心から
の半径方向距離による温度変化が示されている第2図の
特性曲線aのように、中心部が最高で、熱伝導の良い材
料が設けられている端部側になるほど温興が低く、端部
すなわち外周が最低となっている。寿お同図においてT
は許容温度である。このため光学素子の中央部では温度
が高いので温度上昇により熱膨張するが、端部側は冷却
されていて温度がそれtAと上昇しないので中央部の熱
膨張による伸びが拘束され、端部側において熱応力が円
周方向の引張応力成分として発生し、しかもそれが端部
である外周で最大となっている。このように光学素子の
外周は熱膨張による伸びを抑制する温度的拘束が最も大
きく、円周方向の引張応力として働く大きな熱応力が外
周に発生するので外周から割れが発生するようになる。
このように熱応力が高出力レーザビーム透過時に問題と
匁っでいる光学素子の破壊の主要因となっているが、同
一構造ならば破壊限界D0は、光学素子の端面あらさ係
数をk、許容応力をm f (P)とすれば、 0°=2°m f (P l −(1)の関係式で衣わ
される。なお(1)式でmは冷却方法。
光学素子の形状などにより決まる係数、 f (P)は
透過レーザビームパワーにより決まる応力値である。(
1)式から破壊限界り、は光学素子の材質によって決定
され、一定であるので、構造が決まれば許柊レーザビー
ムパワーPが決壕ってしまう。
〔発明の目的〕
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、光学素子
の外周における熱応力の低減を可能としたレーザビーム
用窓を提供することを目的とするものである。
〔発明の概要〕
すなわち本発明は中空円筒上に設けられたフランジにそ
の端部が気密に乗置支持され、かつその中央部からレー
ザビームを透過する光学素子が。
フランジに設けられた冷媒を流通させる冷媒路と、フラ
ンジとこのフランジに対向する光学素子の端部のうちレ
ーザビームの入射側の底面との両者間に跨って設けられ
た熱伝導の良い材料とで冷却されるレーザビーム用窓に
おいて、熱伝導の良い材料を、光学素子の外周から内径
側の底面とフランジとの間に所定寸法の間隙を介して配
設したことを第1の特徴とし、中空円筒上に設けられた
フランジにその端部が気密に乗置支持され、かつその中
央部からレーザビームを透過する光学素子が、フランジ
に設けられた冷媒を流通させる冷媒路と、フランジとこ
のフランジに対向する光学素子の端部のうちレーザビー
ムの入射側の底面との両者間に跨って設けられた熱伝導
の良い材料とで冷却さレルレーザビーム用窓において、
熱伝導の良い材料を、光学素子の外周から内径側の底面
とフランジとの曲に所定寸法の間隙を介して配設すると
共に、光学素子の外周にこの外周側を加熱する加熱手段
を設けたことを第2の特徴とするものであり、これによ
って光学素子の外周は熱伝導の良い材料が設けられてい
る部分のそれよりも大きく温度上昇するようになる。
〔発明の実施例〕
以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
3図には本発明の一実施例が示されている。なお従来と
同じ部品には同じ符号を付したので説明を鳴略する。本
実施例では熱伝導の良い材料7を、光学素子4の外周か
ら内径側の底面6とフランジ2との間に所定寸法の間隙
Gを介して配設した。このようにすることにより光学素
子4の外周は熱伝導の良い材料7を設けて冷却した部分
より温度が上列するようになって、光学素子4の外周の
熱応力を低減することができる。
すなわち外周側は、空隙Gで熱伝導の良い材料7を設け
てないので冷却されず、熱伝導の良い材料7を設けて冷
却した部分よりも温度が上昇し、上述の第2図に記載し
である特性曲線すのように、光学素子の中心からの半径
方向距離による温度変化は中心部の温度が最も高く、こ
れより熱伝導の良い材料を設けた部分にゆくに従って温
度が低く、熱伝導の良い材料を設けた径方向端部部分の
温度が最低となり、これより外周側にゆくに従って温度
が大きくなっている。このため上述の第3図の光学素子
4の中央部の熱膨張による伸びが最も大きく拘束される
のは、温度が最低となって温度的拘束のkも大きな熱伝
導の良い材料7を設けた部分でおって、これより温度の
大きな外周は温度的拘束が緩和されて熱膨張による伸び
を熱伝導の良い材料7を設けた部分はど拘束しないよう
になる。
すなわち外周の熱応力が低減される。このように外周に
発生する熱応力を低減させることができたので、上述の
(1)式における許容レーザビームパワーf(P)を考
えだ場合に、係v!/、mが低減できたことになり、そ
の分許各し−サビームパワーPを増加させることができ
る。この点本実施例によれば従来に比べて外筒の熱応力
を30から50%低減テキ、レーザビームパワーPは3
0から50%向上て゛きた。なお熱伝導の良い材料7を
設けて冷却した部分に最も大きな熱応力が発生し、この
部分に周方向の犬き在引張応力が働くが、この部分と外
周との間には光学索子4を形成する材料があるので、こ
の部分から割れが発生する懸念はない。
この外周V(おける熱応力低減の効果は、外周側の熱伝
導の良い材料7を設けてないすなわち冷却し、ない部分
である間NGが大きいほど著しく、決められた大きさの
光学素子4の場合には、この冷却しない部分を大きくし
て熱伝導の良い羽料7を設けた冷却部分の大きさを減少
してゆくほど効果が太きい。しかし冷却部分を設けなけ
れば光学素子4の外周は温度的に拘束され力いので、光
学素子4の中央部の熱膨張による伸びが抑制されず熱応
力は発生しないが、光学素子4の温度は上昇し続ける。
これは上述の第2図において本実施例では冷却部分の大
きさが従来に比べて減少したので、それたけ温度が上っ
て特性曲線すのように従来例の特性曲線aより高温側に
移行していることからも明らかである。光学素子4とし
て用いられるセレン化亜鉛Zn5e、ゲルマニウムGe
、ガリウムヒ素Q a A S などの材料にはある温
度を越えると温度上昇につれてレーザビーム吸収率が増
加し、温度が急上昇所印熱暴走してしまう特性を有して
いる。すなわち縦軸に温度Tをとり、横軸に熱伝導の良
い材料70幅である冷却部の幅dをとって冷却部の幅と
温度との関係が示されている第4図のように、冷却部の
幅を減少するにつれて温度は上昇し、許容温度T、を越
える近傍で急激に上昇、すなわち熱暴走する。この許容
温度T、はケルマニウムGeが約40C,セレン化亜鉛
Zn5eおよびカリウムヒ素Q a A Sが共に約1
50Cであるか、熱暴走するとその高熱により光学素子
自身あるいld表面コーティング層が溶融損傷してし捷
う。従って冷却部の幅を減少させるには冷却熱量をQ。
、レーザビーム吸収による光学素子内部の発熱會をQo
とした場合に次の関係式を満たすと共に、光学索子の内
部温度が許容温度T。を越えないようにする必要がある
Q、、>Q、、 ・・・(2) 第51Flには本発明の他の実施例が示されている。
本実施例では熱伝導の良い材料(図示せず)を、光学素
子4の外周から内径側の底面とフランジ(共に図示せず
)との間に所定寸法の間隙を介して配設すると共に、光
学素子4の外周にこの外周側を加熱する加熱手段を設け
た。このようにすることにより光学素子4の外周の温度
を前述の場合よりも太きく上昇させることができるよう
になって、光学素子4の外周の熱応力を前述の場合より
も大きく低減させることができる。
すなわち加熱手段を光学素子4の外周上に配設した伝熱
材8と、この伝熱材8上に設けた発熱体9とで形成した
。このようにすることにより発熱体9で発生させた熱を
伝熱材8を介して外周側に伝導して外周側を加熱するこ
とができるようになって、前述の場合より外周の温度を
上昇させることができるようになり、外周における熱応
力を前述の場合よりも低減させることができる。この場
合に加熱手段による加熱量をQ、とじ、冷却熱量をQ、
、光学素子内部の発熱量をQ、とじた場合に次の関係式
を滴たすと共に、光学素子の内部温度が許容温度を越え
ないようにする必要があるっQ、〉Q。十Q、 ・・・
(3) 〔発明の効果〕 上述のように本発明は光学素子の外周の温度を最低とし
ないことができるようになって、外周における温度的拘
束が緩和されるようになり、光学素子の外周における熱
応力の低減を可能としたレーザビーム用窓を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のレーザビーム用窓の縦断側面図。 第2図はレーザビーム用窓の光学素子の底面の温度分布
図、第3図は本発明のレーザビーム用窓の一実施例の縦
断側面図、第4図はレーザビーム用窓の光学素子の冷却
部幅と温度との関係を示す特性図、第5図は本発明のレ
ーザビーム用窓の他の実施例の光学素子の縦断側面図で
ある。 1・・・中空円筒、2・・・フランジ、3・・・レーザ
ビーム、4・・・光学素子、5・・・水路(冷媒路)、
6・・・底面、7・・・熱伝導の良い材料、8・・・伝
熱材、9・・・発熱体。 (ほか1名)゛ 第1図 2 f!−え槃口っqrab、を錠、。綿。 第1頁の続き 0発 明 者 竹 森 を 日立市幸町3丁目所内 0発 明 者 佐 々木 弘治 日立市幸町3丁目所内

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 中空円筒上に設けられたフランジにその端部が気
    密に乗置支持され、かつその中央部からレーザビームを
    透過する光学素子が、前記7う/ジに設けられた冷媒を
    流通させる冷媒路と、前記フランジとこのフランジに対
    向する前記光学素子の前記端部のうち前記レーザビーム
    の入射側の底面との両者間に跨って設けられた熱伝導の
    良い材料とで冷却されるレーザビーム用窓において、前
    記熱伝導の良い材料を、前記光学素子の外周から内径側
    の前記底面と前記フランジとの間に所定寸法の間隙を介
    して配設したことを特徴とするレーザビーム用窓。 2、 中空円筒上に設けられたフランジにその端部が気
    密に乗置支持され、かつその中央部からレーザビームを
    透過する光学素子が、前記フランジに設けられた冷媒を
    流通させる冷媒路と、前記フランジとこのフランジに対
    向する前記光学素子の前記端部のうち前記レーザビーム
    の入射側の底面との両者間に跨って設けられた熱伝導の
    良い材料とで冷却されるレーザビーム用窓において、前
    記熱伝導の良い材料を、前記光学素子の外周から内径側
    の前記底面と前記フランジとの間に所定寸法の間隙を介
    して配設すると共に、前記光学素子の前記外周にこの外
    周側を加熱する加熱手段を設けたことを%徴とするレー
    ザビーム用窓。 3 前記加熱手段が、゛前記光学素子の外周上に配艮し
    た伝熱材と、この伝熱材上に設けた発熱体とで形成され
    たものである特許請求の範囲第2項記載のレーザビーム
    用窓。
JP16993083A 1983-09-13 1983-09-13 レ−ザビ−ム用窓 Pending JPS6060791A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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