JPH0328839B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガス循環系と励起系をもつ、ガス輸
送または対流原理によつてつくられたレーザ装置
に関するものである。

分子レーザ、特にCO₂−レーザの出力、増幅度
および効率はレーザガスの温度上昇とともに低減
する。可能出力の低減は、温度上昇により線の幅
が拡大され、励起エネルギが循環線の増加する数
に分散され、不活性化された衝突の数が増加し、
熱的励起によるレーザ水準の占有の増加と、それ
による個々の移行転換の減少に基くものである。
（Ｋ・Gu¨rs、レーザ75、オプトエレクトロニク
ス、コンフアレンス プロシーデイングス、30〜
37頁）。

かかる理由から、ガスの循環と冷却によつてレ
ーザガスから熱を取去る方法がすでに開発されて
いる。適当なレーザは、隣接またはまとめられた
光学的共振器をもち、ガスが励起される活性領域
と、クーラおよびポンプを含むガス導入系からな
るものである。これは大きい熱量が発散されるた
め大量のガスをポンプで循環しなければならな
い。これに相応するレーザは大型で、費用がかか
るため使用範囲が限定される。

1kW以上の出力の市販のCO₂−レーザはすべて
ガス輸送または対流レーザの原理により作動す
る。これは最初、1969年にテイフアニイ、タルグ
およびフオスターによつて記載されている
（Appl.Phys.Letters15、91−95）。

通常のガス輸送レーザは急速なガス循環のため
に送気装置例えばベンチレータかルーツポンプを
用いる。レーザ共振器の配置の仕方とガス導通方
向によつて横断流レーザと軸流レーザの差異があ
る。両者は固有の長所と短所をもつている。横断
流レーザでは、流通断面が大きいため圧力損失が
比較的小さい。したがつて、必要な流速は軸流レ
ーザの場合よりも小さい送気装置で保持できる。
しかし、このタイプのレーザは基準モードで均一
な放電と放射を達成することが困難である。この
理由から軸流レーザの放射は一般に集束されるの
がよい。

対流レーザは、放電容器となるガラス管をガス
流が軸方向に導通されたもので、半径方向に対称
的なガス放電条件であるため、より良質な放射が
得られ、その放射は良く焦点に合わせられる。十
分な流速はレーザ管上に比較的高い圧力低下があ
る場合にのみ保持される。そのため管に沿う放電
条件は一様ではない。強、弱の送気装置（ルーツ
ポンプ）が必要である。

軸的対流レーザの改良は西ドイツ特許公開公報
2916408に記載されている。この実施態様では、
ガス混合物が放電管内に適応して作られた、ラセ
ン路上の水冷導板を通つて循環する。その際レー
ザの活性ゾーンをほんの短時間貫流し、次の循環
までに損失熱を放出するのに十分な時間がある。
らせん状の導板は一線上の位置に孔があけられて
いる。この孔を通してレーザ混合ガス励起のため
のガス放電が行われる。この装置は比較的わずか
の循環速度だけ必要であり、レーザ共振器の縦の
配置によつて良好なモード性が得られる利点があ
る。しかしガス放電がガス流によつて容易に共振
器空間から外へ吹出るためガス放電を一個所に保
持することが困難である。有利な操業条件はきわ
めて特定の放電パラメータのときのみ保持できる
ので、このレーザタイプの強度はうまく制御でき
ない。

本発明の基づく課題は、高出力レーザ放射を発
生させるため、レーザガスの温度上昇を効果的に
おさえ、必要な流速を高価な構成部分なしに保持
できる、ガス輸送−または対流レーザを開発する
ことである。

この課題は、限定されたレーザ機能をもつ部分
に分割され、各機能が完全にまとめられているレ
ーザ装置によつて解決されることが示された。こ
のような軸流レーザに該当する実施態様は特許請
求の範囲第２〜１２項に記載されている。

本発明により提案されるレーザ装置は、レーザ
ガスの実質的に大きな流速を許容する。それに応
じてより多くの熱がレーザガスと共に放出される
から、同じ大きさの場合は循環速度に比較してレ
ーザ出力が上昇する。出力容積と速度は３〜５フ
アクタ低減する。

本発明による装置では、例えばガスを運動させ
る構成部分は、もはやポンプとして同一視されな
い。まず、レーザの必要性が完全に考慮に入れら
れ、新技術が導入される。

次に本発明の実施態様を示す図面に基いて詳し
く説明する。図面は概略的に示してある。

本発明の装置は第１図に示すように、同軸のタ
ービン送気装置で囲まれた、水冷中央放電管１か
らなるものである。タービンのステータ翼２は放
電管１の外壁に固く結合しており、それによつて
良好な冷却が行われる。ロータ翼３は外から２個
のボールベアリング５で囲まれたタービン管４の
中に固定されている。ボールベアリング５の間に
はリングマグネツト６が設けられており、このマ
グネツトは対応するモータステータ７の回転磁界
によつてタービンロータを回転させる。

レーザ空間は、モータステータ７とロータとの
間の小さいスリツトのみが有効であるように、タ
ービン駆動範囲を薄壁にしたケース８で閉じられ
ている。ケース８は端板９，１０と固く結合して
いる。端板９と１０中にはレーザ共振器を形成す
る２つの鏡１１と１２が調整自在に、気密に取付
けられている。

レーザケースの別の実施態様では、タービン管
４をケース内にはめこんで、ロータとステータの
壁を無くすることができる。タービン管４を同時
にガス室の外壁として形成し、ベアリングとロー
タマグネツトを外室に入れることもできる。端板
９と１０に対するタービン管４の密閉はスライド
パツキンで行われる。このようなスライドパツキ
ンは、磁性液体例えば微細に分散した磁性物質を
含む油を用いて都合よく行われる。このパツキン
要素は、磁性液体を保持するＵ−形みぞをもつリ
ングマグネツトからなり、端板内に設けられる。
このみぞ内にタービン管４の端部が直接接触せず
に浸漬される。このような密閉の利点は摩擦が僅
かでパツキン効果の寿命が長いことである。

外部空間にもレーザガスが存在し外部空間とほ
んのわずか交換が行われると、パツキンなしでも
タービン管とステータ管（レーザ管）はレーザガ
ス導入系としての機能を満たすことができる。小
さいみぞの場合は、スライドパツキンを省略でき
るが、いずれにせよ、端板９と１０を結合し、循
環タービンを取り囲む、外ケースは設けなければ
ならない。

ガス循環路はレーザ管４と循環系のコンパクト
な配置によつて非常に短かい。レーザガスからの
熱発散はステータ翼２が直接冷やされるため、循
環タービン中で非常に効果的に行われる。二つの
端板９と１０内でガス流が最短路で方向転換され
るので、従来の対流レーザのように利用されない
ガス導通区間は実際上存在しない。

ガス放電は電極１３と１４の間で行われる。絶
縁上の理由から放電管１の内壁はセラミツクから
つくられる。電極１４には運転電圧がかけられ
る。電極１３は接地電位にある。電極間の距離は
放電管１の全長に比例して設定し、一方では放電
電圧を最低にし、他方では励起されたガス分子の
完全な非活性化が、励起ゾーン後の流動空間の流
通時に行われるようにする。

レーザガス流の方向転換は、端板９あるいは１
０中につくられている方向転換区間１５によつて
行われる。第１図に示される放電管１内に電極１
３と１４が設けられた実施態様では、ガス方向転
換区間は、それがタービン管４の２つのリング状
開口を中央放電管と結合するように形成される。

レーザの他の実施態様は、第２図に概略的に示
すように、ガス放電電極または方向転換区間の変
更に関する。この図では放電管のガス導入側の端
板１０は周囲に複数個の孔１６が設けられてお
り、この孔１６内に絶縁管１７を備えた棒電極１
８が挿入される。方向転換区間１５は、この領域
内で細分され、レーザガスはその全長が流動空間
として作用するレーザ管１内で複数の孔を通つて
流入される。棒電極１８の各々と孔１６の壁との
間で放電が励起される。この装置の利点はレーザ
管全体を金属で作れることである。レーザの励起
および共振室は厳密に分けられ、有利な操作パラ
メータを最良にすることができる。

個々のレーザ部分は、すでに第１図、第２図で
示したように、レーザとして作用する。得られる
出力は部分の寸法次第で100〜500ワツトである。
キロワツト−範囲の出力を得るためには第３図に
示すように、そのつど吸引側と圧力側には共にフ
ランジがつけられ、一例に結合される。このよう
に構成されたレーザ区分の数と設計次第で１から
10キロワツトあるいはそれ以上の出力が得られ
る。

その際個々のタービンロータの起動は、第４図
に示すように１つのモータ１９によりレーザに平
行な軸２０を介して行われる。この軸からタービ
ンロータ４まで伝導ベルト２１がかけられる。

第５図に示す実施態様では、レーザのガスは半
径方向に配置された翼２３をもつロータ部２２を
通つて移動する。ロータ２２はケース２４の内部
を広範囲ふさいである。ロータ翼２３は一方では
ケース壁まで延び、他方ではケース壁に沿つて設
けられた励起系２５まで延びている。

ケース壁は外から冷却２６から、さらにレーザ
ガスを良く冷却するための冷却リツプ２７をもつ
ている。この冷却リツプ２７はロータ軸に直角に
取付けられ、レーザガスの流通方向に延びてい
る。

第６図から見られるように、励起系は、ここで
は放電室２８の列からなり、中央電極２９とリン
グ状外部電極３０をもつている。ロータ２２によ
つて動かされる、冷却されたレーザガスは光学的
共振器内の励起の方へ流れ、そこでその励起エネ
ルギをレーザ振動に放射する。簡単な球面レーザ
鏡３１の代りに、屈折放射の鏡系も用いられる。

並列に配置された放電室２８はホルダ３２（ま
たは直接ケース壁）に固定され、その端部は流通
する空気力学原理にかなつた形状である。レーザ
ガスの場合によつては起る乱流を防止するため、
ロータ翼２３は、それが冷却リツプ間のガスを捕
え、そこでレーザガスを動かせるような切り口で
あるか、空所をもつので、レーザガスの効果的冷
却が保証される。ロータ翼の可能な実施態様は第
６図に明らかにされている。

この流通状況と冷却は、ロータ２２を中空につ
くり、レーザガスを、第５図から明らかなよう
に、ロータ中の小孔３３を通してケースの内部空
間に導入し、これをケース壁の小孔３４に通して
再び放出することによつて、さらに改良される。
ケースから出るレーザガスはついで軸方向にロー
タ２２内へ送還される。この循環は遠心力によつ
て保持され、ポンプを必要としない。

本発明によるレーザ装置の可能な変形は励起系
２５を放電室の２つまたはそれ以上の列につくる
ことである。放電室が２列ある場合は、これが例
えば、ケース壁に対向して設けられ、両列の間で
ロータが回転する。このような実施態様では、そ
の断面がだ円形につくられたケースが好ましい。
放電室は主軸の側に配置されるので、ロータ翼は
副軸の側でいつも冷却されたケース壁に隣接でき
る。

本発明によるレーザ系は例えば１ｍの長さであ
る。放電室の断面積は全体で0.05m²になる。放電
室内は流速が160ｍ／秒までになりうる。このこ
とは、８m³／秒のガス量が放電室を貫流すること
を意味する。適当なガス混合物の組成はCO₂：
N₂：He＝１：７：３である。好都合な圧力範囲
は50から数100トルである。これらの条件下で内
部ケースの長さ１ｍの系は出力8kWを提供する。
放電室が２列あるときか、系の寸法を大きくし、
また複数系を直列に接続するときには、より大き
な出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の軸流原理によるレーザ装置の
縦断面図、第２図は第１図に示すレーザ電極の可
能な配置を示す部分切欠断面図、第３図は第１図
の複数の独立したレーザ部分からなる装置の断面
図、第４図は第３図の装置の循環タービンの駆動
形態の説明図、第５図は本発明のレーザ装置と横
断流原理による可能な構成を示す横断面図、第６
図は第５図に示す実施態様の縦断面図である。 １……放電管、レーザ室、２……ステータ翼、
３……ロータ翼、４……タービン管、５……ベア
リング、６……リングマグネツト、７……モータ
ステータ、８……ケース、９，１０……端板、１
１，１２……鏡、１３，１４……電極、１５……
方向転換区間、１６……孔、１７……絶縁層、１
８……棒電極、１９……モータ、２１……伝導ベ
ルト、２５……励起系、２６……ケース壁、２８
……放電室、２９……中央電極、３０……外部電
極、３１……レーザ鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 限定されたレーザ機能をもつ部分に分割さ
   れ、各機能が完全にまとめられ、かつ電極がレー
   ザ室内またはレーザ室前のガス流方向に設けら
   れ、レーザ室が冷却管として作られ、循環タービ
   ン内に同心的に配置されていることを特徴とす
   る、ガス循環および励起系を収容するケースをも
   つ、ガス輸送または対流原理により作られたレー
   ザ装置。 ２ 循環タービンのステータ翼２がレーザ室１の
   外壁に結合されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の装置。 ３ レーザ室１と循環タービン４が端板９，１０
   で閉鎖され、端板９，１０の内側に方向転換区間
   １５が設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の装置。 ４ タービンロータの駆動のため、モータの回転
   磁界によつて動かされるマグネツト６、例えばリ
   ングマグネツトが設けられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   の項に記載の装置。 ５ タービンロータが円筒形ケース８の内側に回
   転可能に配置され、ケース８が端板９，１０間に
   延在していることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第４項のいずれかに記載の装置。 ６ タービンロータが端板９，１０内に回転可能
   に配置されスライドパツキンで軸受が密閉される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ４項のいずれかに記載の装置。 ７ スライドパツキンが磁性液体からなり、Ｕ形
   断面のマグネツト中に挿入され、これによつて保
   持されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項に記載の装置。 ８ レーザ室１の内壁が絶縁材料からなり、ガス
   導入側の電極１３が接地電位に、他の電極１４
   が、最初の電極から一定間隔で、運転電位にある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ７項のいずれかに記載の装置。 ９ 両電極１３，１４の間隔をレーザ室１の全長
   に比例して調整し、一方では最小の放電電圧が必
   要とされ、他方では励起ガスがレーザの放射界の
   励起ゾーンを出た後完全に不活性になるようにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載
   の装置。 １０ ガス導入側の端板１０周囲の動作電位にあ
   る複数の棒電極１８が孔１６内に設けられ、孔１
   ６内の方向転換区間１５内に導入され、ガスが孔
   １６を通つてレーザ室１内に流入し、その際孔の
   壁が電極として役立つことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の装
   置。 １１ 複数のレーザ装置が、吸引を−吸引側に圧
   力を−圧力側に接続されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれか
   に記載の装置。 １２ すべてのレーザ装置の循環タービンの駆動
   がモータ１９を用い、レーザに平行に走る軸２０
   とそのときどきのタービンの外筒上を走る歯付ベ
   ルト２１を経て行われることを特徴とする特許請
   求の範囲第１１項に記載の装置。