JPH01293678A - ガスレーザ装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は加工用ＣＯ雪レーザなどの高出力のガスレーザ
装置の構成に関する。更に詳細にはガスレーザにおける
レーザガス冷却の改良技術に関する。

〔従来の技術〕

第２図に従来の高出力ガスレーザ並びにその放電管の原
理図を示す。放電管１は石英などの誘電体の円筒管から
なりその外壁上には金属膜の電極４．５が対向してメタ
ライズなどによって付けられており、電極間には高周波
電源６から高周波電圧が印加される。放電管１の両端に
は良く光学調整された出力結合鏡２と全反射鏡３が設け
られている。放電管内のレーザガスが高周波放電によっ
て励起されると、これらの光学部品で構成される共振器
内外にはそれぞれレーザビーム１３．１４が発生する。

ところが放電管発生熱によってレーザガスが加熱される
とレーザ発振利得はＴを絶対温度としてＴの（−３／２
）乗に比例して低下する。ルーツブロワ９ならびに熱交
換器７．８はその事態に対処するための放電管内のレー
ザガスの冷却が目的である。レーザガスはルーツブロワ
９の働きで矢印に示すガス流を作り放電管内から流出し
熱交換器８によって発生熱を除去される。さらに熱交換
器７によってブロワでの圧縮熱を除去してから再度放電
管１に流入する。

第２図にはさらに装置の排気用真空ポンプ１２及びガス
ボンベ１〇ニードルバルブ１１などが示されているがこ
れらの働きは周知であるので省略する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術によるガスレーザ装置には装置構成の簡素性な
らびに保全性などの長所があるが出力３ＫＷ以上の高出
力化が困難である。

高出力化のためにはガス流量を増大させなければならな
いが、放電管における同軸ガス流に対するコンダクタン
スは低いので圧力損失が増大してしまい送風機への負担
が実用レベル以上のものになってしまう。また、放電管
１内のガス流路が長いのでガスの放電管内停留時間が長
くガス冷却効果が十分でないという欠点があり、特に高
出力領域でこれは顕著になる。

これらの問題を解決し、高出力化するために従来直交型
ガスレーザがあったが、直交型ガスレーザでは送風機、
熱交換器等を真空チャンバー内に設ける必要があるので
、装置形寸法、重量が大きく、保守性が悪い。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、軸
流型と直交型の長所を有するガスレーザ装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するために、レーザ励起を行
う放電管、レーザ共振を行う共振器、該放電管内のレー
ザガスを強制送風させる送風装置、レーザガスを冷却す
る熱交換器を含むガスレーザ装置において、 少なくとも該放電管と該送風装置及び該熱交換器との間
を内部にレーザガスが流れるバイブによって接続し、 前記放電管が放電部を含む中央部と、該中央部に平行位
置関係に連結したガスの出入りを行う淀み部とからなり
、 前記中央部の非放電領域に熱交換器が設置されているこ
とを特徴とするガスレーザ装置が、提供される。

すなわち、放電管外の構成は軸流型とし、放電管内の放
電領域のガス流のみを直交型のものと同一にして、軸流
型と直交型の長所を取り入れている。特に、淀み部と放
電部との間の非放電領域に熱交換器を設けている。

〔作用〕

放電管内の放１！領域のガス流は共振器光軸に直交する
方向にして停留時間を短縮してガスの冷却効果を高め、
レーザ出力３ＫＷ以上の領域でも使用可能にする。

また、放電管外部でのガス流は従来の軸流型レーザ同様
真空パイプ内を流れるようにしており、軸流型レーザの
長所を有する。

特に、中央部の非放電領域に熱交換器を設け、熱交換器
によって放電部近傍のコンダクタンスを下げて、放電部
でのガス流が一様になるようにしている。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図（ａ）及び（ｂ）に本発明の放電管部分の一実施
例を示す、第１図（ａ）には共振器光軸から見た断面図
を、第１図（ｂ）には共振器光軸に平行な断面図を示す
。放電管以外の部分は第３図に示すような従来技術の軸
流型レーザ構成を用いる。この放電管は第１図（ａ）の
断面図に示すように中央の（びれた中央部１５の他に両
脇に中央部１５に比較して十分に断面積の大きな淀み部
１６．１７をともなっている。淀み部１６．１７内のＡ
及びＢで示す符号はガス流が紙面に垂直に手前から、奥
へ流れることを示している。

電極４．５は中央部１５の外側に対向する金属膜として
メタライズなどによって設けられる。画電極４．５間に
高周波電圧を印加するのは従来技術と同様である。共振
器は出力結合鏡２と全反射鏡３から構成されるがその位
置は放電領域のやや下流に設定して最大利得に対応させ
る。中央部１５ならびに淀み部１６．１７は同一の誘電
体材による一体構造が望ましいが、淀み部１６．１７の
みは金属性パイプなどを使用してもよく、両者の接合に
は周知技術である気密性接合を用いればよい。それには
ガラス−金属溶着、セラミックー金属溶着やパツキン接
合などがあり、高出力レーザの場合はパツキン接合が望
ましい。

第１図（ａ）ではレーザ発振器は単軸のものを示してい
るが同放電管部において多段折り返し構造にしてもよい
、その方が高出力化に適しているし、一方向のガス流下
でもＴＥＭ００モードが実現しやすい。

本発明で重要なことは第１図（ｂ）に示す様に（１）放
電部でのガス流を共振器光軸に直交にすること。

（ｉｉ）ガス流を放電部の一部だけでな（全域に及ばせ
ることである。

ガス流を共振器光軸に直行させるだけのためには淀み部
１６．１７でのガスの出入り口を第１図（ｂ）のように
ではな（同一の側から行わせれば良い。しかし、この時
放電部のガス流がガス出入り口に近い領域だけに局在し
てしまうおそれがある。その時は中央部１５の前後で生
じるガス圧損が淀み部１６．１７では管軸方向に生じる
ことになる。従ってこの様な事態の防止のためには淀み
部１６．１７の共振器軸方向の流れのコンダクタンスが
放電部の共振器軸に直交方向のコンダクタンスに比較し
て十分に大きければよい。

第１図（ｂ）に示す様に淀み部ガスの出入り口が逆方向
にある時には、ガス流を放電部の一部だけでなく全域に
及ばせることは、少なくとも上記のコンダクタンスの条
件が満足されているならば実現しやすい。

この場合にも上記のコンダクタンスの条件が満足される
必要がある。このコンダクタンスの条件を満足させるた
めには淀み部１６．１７の直径を十分に大きくする必要
があるがこれには事実上上限値がある。あるいは逆に中
央部１５の誘電体壁間距離を出来るだけ小さくする必要
があるがこれにも下限値がある。それは第一に共振器直
径値によって決められるし、第二に電子捕捉の条件を利
用してレーザ発振効率を増大させるためからも生じる。

このために上記のコンダクタンスの条件は実現が困難で
ある。本発明はこの困難を避けるためのものであって第
１図（ａ）に示す様に中央部１５の非放電領域にフィン
型熱交換器２０．２１を設置する方法である。熱交換器
２０．２１の働きは下記の３種のものがある。

第一にフィン間を流れるガスの抵抗によって前記した放
電領域における電極間距離が十分大きくても所望の放電
領域近傍のコンダクタンスを小さ（するという条件が満
足されることである。

第二にフィンの存在によって、ガスが共振器光軸に直交
方向にのみに流れるべく方向の制約を受けることである
。

第三には熱交換器本来の働きによってガス冷却が行われ
ることであって、特に放電後の高温ガスがガスダクｃ内
に存在しないことは、ガスダクトの材質選択の自由度が
増し、装置構成上便利である。

尚、ここで言う淀み部１６．１７は放電部に比較して流
速が小さいことを強調しての表現であって決してその内
部におけるガスが停留しているものではないことを強調
したい、淀み部といえども内部のガス流速は数十ｍ／ｓ
ｅｃ程度のものである。

上記の説明では、放電管外の熱交換器と放電管内の熱交
換器を有する構成で説明したが、内部に設けた熱交換器
が十分大きくできれば、外部の熱交換器は省略すること
ができる。

また、放電管外の放電による熱を冷却する熱交換器（第
２図の熱交換器８）を残し、ターボブロワの圧縮熱を冷
却する熱交換器（第２図の熱交換器７）のみを省略する
こともできる。これらの選択は、ガスレーザ装置の出力
、形状、熱交換器の容量等の条件から決定される。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、共振器内部は光軸とガ
ス流を直交させる構造としたので、ガス停留時間が短く
なり、３ＫＷ以上の出力領域でも使用でき、圧損が低い
のでガス送風器への負担が少なく一般のブロワが使用で
きる。

また、放電管外は真空パイプによるガス流であるので重
量、大型、高価格の真空チャンバーを必要とせず、かつ
部品の保全性もよい。

特に、共振器内部での放電部近傍のガス流を一様にする
ために、熱交換器を放電部の近傍に設けたので、コンダ
クタンスを低下させることと、熱交換器の作用が同時に
達成できる。

従って、従来の軸流型ガスレーザでは困難とされた３Ｋ
Ｗ以上の高出力のガスレーザにも、形状及び重量を大き
くせず、保守性を低下させることなく、適用することが
できる。勿論３ＫＷ以下のガスレーザにも適用できる。

すなわち、同一の型式で広範囲の出力可能なガスレーザ
を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明による放電管の共振器光軸から見
た断面図、 第１図（ｂ）は本発明による放電管の共振器光軸に平行
な断面図、 第２図は従来技術である軸流型レーザの構成例を示す図
である。 ｌ・−−一−−−−−−−・−・放電管２−−−−−−
−−−−−−−−一出力結合鏡３・−ｍ−−−−・・−
・−・−・−全反射鏡４．５−・−−−−−−−−−−
−−−・・電極６・−−−−一一−−−−−−−−−・
高周波電源７．８・−・−・−・−・熱交換器 ９・・−・・−−−−−−−−−・送風機１０・−・−
・−−−−−−−−−・ガスボンベ１１・−・−・−・
−−−−−−−−ニードルパルプ１２・・−・−−−−
一−−−−−−・真空ポンプ１３・−・−・・−・−−
−−一共振器内レーザビーム１４・・−−一−−−−−
−−−−・・・共振器外レーザビーム１５・・−−一−
−−−−−−−−−・・中央部１６．１７・−−一−−
−−−−・・−・淀み部１８．１９・−−−−−一−・
−・−・ガス出入り口２０．２１・−−一−−−−・−
−−−−−−・熱交換器特許出願人　ファナック株式会
社 代理人　　　弁理士　　服部毅巖 ■ 第１図（ｂ） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）レーザ励起を行う放電管、レーザ共振を行う共振
   器、該放電管内のレーザガスを強制送風させる送風装置
   、レーザガスを冷却する熱交換器を含むガスレーザ装置
   において、少なくとも該放電管と該送風装置及び該熱交
   換器との間を内部にレーザガスが流れるパイプによって
   接続し、 前記放電管が放電部を含む中央部と、該中央部に平行位
   置関係に連結したガスの出入りを行う淀み部とからなり
   、 前記中央部の非放電領域に熱交換器が設置されているこ
   とを特徴とするガスレーザ装置。（２）前記熱交換器が
   設置されている前記非放電領域の断面積が、前記放電領
   域の断面積より大であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のガスレーザ装置。 （３）前記熱交換器が前記非放電領域に設けられた熱交
   換器のみで構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のガスレーザ装置。 （４）前記外部の熱交換器が前記放電部で発生した熱を
   冷却する熱交換器のみであり、前記送風器での圧縮熱を
   冷却する熱交換器は前記非放電領域に設けられた熱交換
   器のみで構成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のガスレーザ装置。