JPH03256390A - パルス発振ガスレーザー装置 - 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、ＣＯ２レーザー等の放電によって活性媒質を
励起させ、レーザー発振を行うレーザーに関し、特に上
記の放電を断続させてノ４ルス発振を行うガスレーザー
装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、ＣＯ２レーザー等のがスレーザーに釦いて。

レーザー出力をパルス発振させる際には、一般に次の２
つの方式がある。

１）レーザー活性媒質のガスを連続放電させ。

共振器Ｑ値をコントロールして、−Ｊ？ルス発振させる
所謂Ｑスイッチノぞルス動作方式。

２）レーザー活性媒質のガスに注入する励起エネルギー
（放電）をコントロールしてパルス発振させる方式。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上述のＱスイッチＡ？ルス動作方式の場合、
レーザー出力の尖頭値及びパルス幅が共振器のＱ値と活
性媒質ガスの緩和時間（寿命）等でほぼ一意的に制限さ
れてしまい、さらにそのピークパワーは９発振させる周
波数によう大きく変化するため、この種のレーザーを加
工装置の光源として使用する際には、加工の条件が太き
く制限されるため加工用のレーザー光源としては不向き
である。

一方、励起エネルギーをコントロールする方式。

つ筐り、励起エネルギー源の放電入力をパルス化してレ
ーザー出力をパルス化する方式では、放電入力のｉ４ル
ス幅、放電入力の大きさを可変することによって自由に
レーザーパルス出力のパルス幅及び尖頭値を可変できる
。このため、工業用のノやルスレーザー光源として広く
用いられている。さらに、この方式では、・臂ルス幅の
占有率（ｄｕｔｙ　）が１〜２割程度と低い際には、ガ
スに注入する放電電流を通常の連続（ＣＷ）発振の放電
電流値（４０〜５０　ｍＡ　）の４〜５倍に高めること
によう。

レーザーパルスの尖頭値は連続発振時の出力の８〜１０
倍近くに高めることが可能である。この方式によう発生
させられたパルスは一般にエンハンスドパルス（Ｅｎｈ
ａｎｃｅｄ　ｐｕｌｓｅ　）と呼ばれている。

ところで、上記の励起エネルギーをコントロールする方
式の場合、レーザーのノ臂ルス出力を断続させて使用す
る際、レーザーをＯＦＦからＯＮにするのに約０．１ｕ
１−秒間かかつてしまう。このため。

レーザーパルスの尖頭値が定常値の約半分程度から徐々
に立ち上がるという現象が生じる。

この立上りの時間は９発振させるパルスの周波数によっ
て変わる。例えば、　ｌ　ｋＨｚの周波数では立上シ時
間は約０．１秒と比較的短いが、１００Ｈｚの場合では
約１秒近くかかる。この結果、１パルス１つの加工を行
なう様な用途の加工１例えばレーザースクライブ加工等
においては、レーザー活性媒質の数個のレーザーパルス
は使用できないという問題点がある。さらに詳しく述べ
ると、−般に、レーザーパルスの尖頭の立上す時間は、
レーザー管中に存在する浮遊容量ＣとインダクタンスＬ
に影響され、さらにレーザー管中の放電プラズマの生成
過程によう生じる放電管に注入するエネルギーが立上シ
特性を有していることが原因となっている。

つます、放電管にかいて、所定期間以上完全に放電を停
止させると、放電のためにイオン化されていたレーザー
ガスの分子が元の電気的に中性のガスに戻ってしまうた
めガスのインピーダンスは高くなる。さらにレーザーが
ス中にキャリアとしての電子あるいはイオンがなくなる
とレーザーガスの誘電率が高くなる。この際、放電を開
始させると、レーザー電源から放電管に注入される放電
電流は、このときのレジスタンス分Ｒと浮遊容量のＣ３
の積ＲＣ，を時定数としてこの割合で立上る放電電流に
なる。勿論、レーザー管中に存在するインダクタンス分
りも放電開始時、電流を防げようとする成分として働く
が、このＬの値は放電電極の構造材質そして、レーザー
ガスの混合比等によってほぼ決っており、レーザー放電
管によって一定の値を有するものである。

従って、放電電流を少しでも早く立上げるためにはレー
ザー管中の容量分Ｃか又はレジスタンス分Ｒを減らす必
要がある。

また、放電管に注入されるエネルギーとしての放電電流
の立上げの遅れから生じるレーザー出力の立上りの遅れ
は高々数μｓから数１０μ３程度であり、レーザーガス
ルスの第１目のパルスに関係スるのみである。さらに、
この他の遅れの要因としてはレーザー放電にようレーザ
ーガス温度が上がす。

温度が平衡状態になる筐での間レーザー出力が完全に立
上らない点がある。

レーザーの誘導放出の原理からは、レーザーガス温度は
低い方がレーザー出力が大きくなるはずであるが、レー
ザー管を放電させた直後のレーザーガスは２例えば、低
速軸流型ガスレーザーの場合放電管の中心から放電管壁
に向って温度が下っていく温度勾配を有して訃り、この
結果屈折率の大き々勾配ができ、レーザー共振器中を往
復するレーザー光は完全に成長することができない。こ
のため、レーザー出力が小さくビームモードがくずれた
レーザー光となる。

放電後時間が経過するに従いレーザーがスの温度が上昇
しレーザー管の内部と外側の温度勾配が徐々に少なくな
り、この熱的な平衡状態ができて始めてレーザー共振器
の出力鏡から取り出されるレーザー光は安定になる。こ
の時間は、レーザーガスのガスの種類又は混合比の違い
から生ずる比熱の差、ガス圧又はガスの流速の違いから
生ずる熱容量の差、放電電流の状態の違い、即ちパルス
周波数、パルス幅の占有￥−（ｄｕｔｙ　）を及び放電
電流の大きさ等によって変ってくる。

一般に比熱差及び熱容量の差はレーザー発振器によシ決
定され可変できないものである。従って放電電流に関係
する項目が調整可能である。

従来のレーザー発振器では、上述の点を考慮して放電開
始時のパルス出力の立上りの遅れを出さないためにレー
ザーは絶えず発振させてかき、共振器の外部にシャッタ
ーを設けるかあるいは高速のレーザーのＯＮ　／　ＯＦ
Ｆを必要とする場合にはその出力の立上りの遅れを少し
でも短くするためにシマー放電と呼ばれるレーザー発振
することのできる最低Ｑ間値電流（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
　ｃａｒｒａ　　）以下の微小な放電をさせることによ
って立上少時間を改善をしている。しかしながらこれら
の方法では高速にレーザーＯＮ　／　ＯＦＦを行うこと
が必要である加工はできず、また完全にレーザーパルス
の立上す時間を零にすることは不可能である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、出力鏡と全反射鏡で規定される共振器と、
該共振器内に配置され駆動電流によって駆動される複数
の放電管とを有し、前記出力鏡からレーザー光を得るが
スレーザー装置において。

所定の周期の第１のパルス電流を出力する第１のパルス
電流発生手段と、前記第１の１？ルスと１８０度位相が
ずれた第２のパルス電流を出力する第２のパルス電流発
生手段と、前記放電管に前記第１のパルス電流を前記駆
動電流として供給する第１の供給手段と、前記放電管の
うち予め定められた放電管に前記第１の・やルス電流を
前記駆動電流として供給し前記放電管のうち残９の放電
管に前記第２のパルス電流を前記駆動電流として供給す
る第２の供給手段と、前記第１及び前記第２の供給手段
を選択的に切り替える切替手段とを有することを特徴と
するパルス発振ガスレーザー装置が得られ、さらに、前
記出力鏡及び前記全反射鏡のうちいずれか一方に結合さ
れた電歪素子と、前記第２のパルス電流に同期した駆動
信号を発生する駆動信号発生手段とを有し、前配電歪素
子に前記駆動信号が与えられた際前記共振器長が所定の
長さ変化することが望ましい。

筐た前記共振器には予め定められた波長を選択する選択
手段を備えることが望筐しい。

さらに９本発明によれば、出力鏡と全反射鏡で規定され
る共振器と、該共振器内に配置され駆動電流によって駆
動される複数の放電管とを有し。

前記出力鏡からレーザー光を得るガスレーザー装置にお
いて、所定の周期の第１の）Ｊ？ルス電流を出力する第
１のパルス電流発生手段と、前記第１のパルス電流のレ
ベルが１／２にされた第２のパルス電流を発生する第２
のパルス電流発生手段と、前記第１の、４１ルス電流と
１８０度位相がずれレベルが１／２にされた第３のパル
ス電流を発生する第３のパルス電流を発生する第３の／
４’ルス電流発生手段と。

前記放電管に前記第１のパルス電流を前記駆動電流とし
て供給する第１の供給手段と、前記第２のノセルス電流
を前記予め定められた放電管に前記駆動電流として供給
し前記第３のパルス電流を前記残りの放電管に前記駆動
電流として供給する第２の供給手段と、前記第１及び前
記第２の供給手段を選択的に切り替える切替手段とを有
することを性徴とする）４？ルス発振ガスレーザー装置
が得られる。

〔作用〕 本発明では、レーザー放電のＯＦＦ時における放電電流
をレーザー発振ＯＮ時と同じノ４ルス周波数。

パルス幅占有率、及び平均放電電流値としておく。

このようにすることによってレーザー発振時にシいて放
電管内部の熱平衡の状態は全くくずれず。

さらにレーザーガス注入電力の変化も全くないので結果
的にレーザーパルス出力が徐々に立上るという現象は全
くない。

〔実施例〕

以下本発明について実施例によって説明する。

璽ず第１図を参照して第１の実施例を説明する。

出力鏡ｌ及び全反射鏡５で規定される共振器には第１乃
至第４の放電管（レーデ管）２ａ〜２ｄが所定の間隔で
配列されている。図示のように第１の放電管２ａのアノ
ード３ａ及びカソード４ｍと第３の放電管２ｃのアノー
ド３ｃ及びカソード４Ｃとは第１の／４’ルス用電源７
に接続されている。

同様にして第２の放電管２ｂのアノード３ｂ及びカソー
ド４ｂと第４の放電管２ｄのアノード３ｄ及びカソード
４ｄとは第２のパルス電源８に接続されている。第１の
パルス用電源７にはパルス発振器９が接続されており、
これによって第１のパルス用電源７には第２図（、）に
示す所定の周期の／４ルス信号が与えられる。さらに−
臂ルス発振器９はスイッチｌＯを介して第２のパルス用
電源８に接続されるとともに位相遅延器１１に接続され
ている。そしてこの位相遅延器１１は第２のノ４ルス用
電源に接続されている。スイッチ１ｏによってパルス発
生器９と位相遅延器１１とが連結されると（この際のス
イッチｌＯの状態をオフ状態とする）。

パルス発生器９からのパルス信号は位相遅延器１１で１
８００位相が遅延させられ第２図（ｂ）で示す第２０パ
ルス信号が第２のノ９ルス用電源８に与えられる。

第３図（、）も参照してｉスイッチ１０がオフ状態の際
には、第１のパルス信号によって第１の／４ルス用電源
７が駆動され、第２のノ４ルス信号によって第２のパル
ス用電源８が駆動される。この結果。

第１及び第２のノセルス用電源７及び８からの出力／Ｉ
Ｐルス電流は図示のように位相が１８０°ずれているか
ら第１乃至第４の放電管２ａ乃至２ｄが同時に励起され
ることがなく、レーザー発振は生じない〇 一方、スイッチ１０によってパルス発生器９と第２の／
？ルス用電源８とが連結されると、つ１９゜スイッチ１
０がオン状態となると第１のノ臂ルス信号が１ｓ２のノ
ヤルス用電源゛８にも加えられ、その結果、第３図（ｂ
）に示すように同一のタイミングで第１乃至第４の放電
管２ａ乃至２ｄが駆動されることになる。これによって
、共振器の損失（Ｌｏｓｓ　）に打ち勝ってレーザー発
振が生じ、レーザーパルス出力が得られる。

ところで、共振器中の損失が極めて少ない場合。

−４ルス発振周波数が高い場合、又はパルス幅の占有率
が大きい場合には、スイッチ１０がオフ状態と欧ってい
ても第３図（、Ｌ）に破線で示すように僅かにレーザー
パルスが出力されることがある。

例えば、炭酸ガスレーザーの場合にはガス圧が極めて低
い場合、共振器の長さが短い場合、又は励起のためのパ
ルス電流が休止されている期間（一番目のパルスと２番
目のパルスとの間隔）が１　ｍ５ｅｃよう極めて短い場
合には、上述のようなレーザーパルス出力が発生するこ
とがある。ＣＯ２レーザーの場合レーザー上側準位の緩
和時間が約１ｍ５ｅｃであるため、／＃ルス周波数が５
　ｋＨｚでパルス幅の占有率を５０多程度にするとノ４
ルスが送出されていない時間が１００μＩＩ＠ｅとなシ
、レーザーが弱く連続で発振する場合がある。

第４図を参照して９本発明の第２の実施例について説明
する。

第２の実施例では第１の実施例と同様の構成要素につい
ては同一の参照番号を付している。位相遅延器１１の出
力側は駆動用高圧電源１２に接続されている。全反射鏡
５には電歪素子（トランスデユーサ）としてのＰＺＴ　
６が結合されている。そして、とのＰＺＴ　６は駆動用
高圧電源１２に接続されている。

ＰＺＴ　６は駆動用高圧電源１２によって実線矢印で示
す方向に駆動され、これによって、共振器がレーザー波
長の半波長分ずれる。つｉす、駆動用高圧電源１２によ
ってＰＺＴ　６が駆動された際、共振器長はレーザー波
長の半波長分だけ短くなる。

従って、スイッチ１０がオフ状態の場合には、第１のノ
４ルス信号と第２のノ４ルス信号とは位相が１８０°ず
れているからＰＺＴ　６は第２０パルス信号に同期して
駆動されることになる。即ち、共振器長は＃Ｅ２のパル
ス信号に同期してその長さが変化することになる。

前述のようにスイッチ１０がオフ状態にある場合には、
第１及び第３の放電管２ａ及び２ｃは第１の／々ルス信
号に同期して駆動され、第２及び第４の放電管２ｂ及び
２ｄは第２のパルス信号に同期して駆動されるから、共
振器において所定の波長での損失が増大する。その結果
、スイッチ１０がオフ状態にある際の連続発振を防止す
ることができる。

ところで、炭酸ガスレーザーのようにレーザー利得のス
ペクトル幅が極めて大きい場合には所定の波長に対する
損失を増大しても隣の発振波長の利得が増大してこの波
長による発振が生ずる場合がある。

ここで、第５図を参照して本発明による第３の実施例に
ついて説明する。

第５図において、第４図と同一の構成要素については同
一の参照番号を付している。全反射鏡５は出力鏡１に対
して直交する向きに配置され、全反射鏡５の下側には出
力鏡ｌと同軸上に出力鏡１に対して４５″の角度をもっ
て回折格子（グレーティング）素子１３が配置されてい
る。このように回折格子素子を配置することによって所
定の波長のレーザーのみを選択することができ、その結
果。

利得が増大した波長の発振を押さえることができる。

次に、第６図を参照して本発明による第４の実施例につ
いて説明する。

第６図において第１図と同一の構成要素については同一
の参照番号を付している。この寒施例では、第１及び第
２のパルス用電源７及び８がそれぞれ放電電流制御回路
１４を有している。さらに。

スイッチ１０には位相遅延器１１の他に制御信号発生器
１５が接続されている。スイッチ１０がオフ状態となる
パルス発生器９から出力される第１のパルス信号に応答
して制御信号発生器１４は制御信号を出力する。放電電
流設定器１６はこの制御信号に応答して設定指令信号を
第１及び第２の／＃ルス用電源７及び８の放電電流制御
回路１４に与える。

第７図を参照しで、放電電流制御回路１４は設定指令信
号を受けない場合には出力パルス電流のレベルをレベル
２Ａとし、一方、設定指令信号を受けると出力／ぐルス
電流のレベルをレベルＡとする（つ１シレペルを％とす
る）。

このように、スイッチ１０がオフにある場合に出カッ９
ルス電流のレベルを半分とすることによって連続したレ
ーザー発振を押えることができる。

以上説明したことから明らかなように炭蒙ガスレーザー
に本発明を適用することによって２例えば、セラミック
基板等にスクライブ線を入れる際。

従来のようにワークに対して大きくオーバーランさせな
がらスクライプ開始をさせることは不要となる。さらに
、ワークに対して内部のみにスクライブ線を入れるとき
従来においては４乃至５個のレーザーノぞルス分（約５
　ｍ５ｅｃ）スクライプ穴が浅（々シ、ブレーク性に大
きな問題があったがこの点も解決することができる。

また、レーザーをランダムなタイミングで１シ百ツトの
み使用する場合、レーザー放電の不安定さ、つ１シ、レ
ーザーガスに注入されるエネルギーのばらつきによるレ
ーザーパルス出力の最大１００％程度ばらつきを１０％
以下のばらつきに抑えることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、レーザー出力ＯＦＦ時
にレーザー管内の放電を停止させるのではなく、レーザ
ー共振器内の所定のレーザー放電管の所定の周期の第１
のノ４ルス電流で駆動し、残シレーザー放電管を第１の
／？ルス電流に対して位相が１８０度ずれた第２のパル
ス電流で駆動し、レーザー出力ＯＮ時にすべての放電管
を第１のパルス電流で駆動しているからレーザーパルス
出力の立上ａＳ性を大きく改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパルス発振ガスレーザーの第１の
実施例を示す図、第２図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第
１図に示すパルス発振器から出力される第１のパルス信
号及び第１のパルス信号と１８０度位相がずれた第２の
パルス信号を示す図である。 第３図（、）は第１図に示すスイッチがオフ状態にある
際の駆動パルス電糺及びレーザーパルス出力を示す図、
第３図（ｂ）は第１図に示すスイッチがオン状態にある
際の駆動パルス電流及びレーザーパルス出力を示す図ｔ
　ｆａ　”ｉ図は本発明によるパルス発振ガスレーザー
の第２の実施例を示す図、第５図は本発明によるノ９ル
ス発振がスレーザーの第３の実施例を示す図、第６図は
本発明によるパルス発振ガスレーザーのＩｉ４の実施例
を示す図、第７図示すスイッチがオン状態であるときの
駆動パルス電流を示す図である。 １・・・出力鏡、２ａ〜２　ｄ−・・第１〜第４の放電
管。 ３ａ〜３ｄ−・・アノード、４ａ〜４ｄ−・・カソード
。 ５・・・全反射鏡、６・・・ＰＺＴ　、　７・・・第１
の７１ルス用電源、８・・・第２のパルス用電源、９・
・・パルス発生器。 １０・・・スイッチ、１１・・・位相遅延器、１２・・
・駆動用真正電源、１３・・・回折格子素子、１４・・
・放電電流制御回路、１５・・・制御信号発生器、１６
−・・放電電流設定器。 第２図 第３図（α） 第３図（ｂ） 第５図 第４図 第６区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、出力鏡と全反射鏡で規定される共振器と、該共振器
   内に配置され駆動電流によって駆動される複数の放電管
   とを有し、前記出力鏡からレーザー光を得るガスレーザ
   ー装置において、所定の周期の第１パルス電流を出力す
   る第１のパルス電流発生手段と、前記第１のパルスと１
   ８０度位相がずれた第２のパルス電流を出力する第２の
   パルス電流発生手段と、前記放電管に前記第１のパルス
   電流を前記駆動電流として供給する第１の供給手段と、
   前記放電管のうち予め定められた放電管に前記第１のパ
   ルス電流を前記駆動電流として供給し前記放電管のうち
   残りの放電管に前記第２のパルス電流を前記駆動電流と
   して供給する第２の供給手段と、前記第１及び前記第２
   の供給手段を選択的に切り替える切替手段とを有するこ
   とを特徴とするパルス発振ガスレーザー装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたパルス発振ガス
   レーザー装置において、前記出力鏡及び前記全反射鏡の
   うちいずれか一方に結合された電歪素子と、前記第２の
   パルス電流に同期した駆動信号を発生する駆動信号発生
   手段とを有し、前記電歪素子に前記駆動信号が与えられ
   た際前記共振器長が所定の長さ変化するようにしたこと
   を特徴とするパルス発振ガスレーザー装置。 ３、特許請求の範囲第２項に記載されたパルス発振ガス
   レーザー装置において、前記共振器には予め定められた
   波長を選択する選択手段が供えられていることを特徴と
   するパルス発振ガスレーザー装置。 ４、出力鏡と全反射鏡で規定される共振器と、該共振器
   内に配置され駆動電流によって駆動される複数の放電管
   とを有し、前記出力鏡からレーザー光を得るガスレーザ
   ー装置において、所定の周期の第１のパルス電流を出力
   する第１のパルス電流発生手段と、前記第１のパルス電
   流のレベルが１／２にされた第２のパルス電流を発生す
   る第２のパルス電流発生手段と、前記第１のパルス電流
   と１８０度位相がずれレベルが１／２にされた第３のパ
   ルス電流を発生する第３のパルス電流発生手段と、前記
   放電管に前記第１のパルス電流を前記駆動電流として供
   給する第１の供給手段と、前記第２のパルス電流を前記
   予め定められた放電管に前記駆動電流として供給し前記
   第３のパルス電流を前記残りの放電管に前記駆動電流と
   して供給する第２の供給手段と、前記第１及び前記第２
   の供給手段を選択的に切り替える切替手段とを有するこ
   とを特徴とするパルス発振ガスレーザー装置。