JPH0357631B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高速ガス流をもつ、ガス輸送原理によ
る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、増幅およ
び効率はレーザガス中の温度上昇によつて減少す
る。出力の減少は、温度上昇と共に線幅が広が
り、励起エネルギが回転増加する線中に分散さ
れ、非活性衝突数が増加し、温度励起によるレー
ザ端レベルが増加し、逆転が減少することによる
ものである（K.Gu¨rs、“レーザ 75 オプトエレ
クトロニクス” コンフアランス、プロシーデイ
ングス 30〜37頁）。

この理由から、ガスの循環、冷却によつてレー
ザガスと共に熱を取り去る方法がすでに開発され
た。適当なレーザは、隣接または集成されたガス
が励起される、光学的共振器をもつ、活性領域
と、冷却器、ポンプをもつガス流通装置からなつ
ている。多量の熱を取り出すべきであるから、大
容量のガスをポンプで循環させなくてはならな
い。そのため公知のレーザは大形で高価であり、
かさばるためにその使用が制限されている。

この欠点は、特に長いガス通路を必要とする公
知のガス流レーザ装置にあらわれる。加うるに、
これらの通路は高い流れ抵抗の原因となる。この
ため装置の出力が低下し、または特別に大きなポ
ンプが必要となる。

横断流式装置では、レーザ発振器中の励起され
た活性分子の相互作用路が比較的小さい。レーザ
のパワー密度は飽和パワー以上ではないから、励
起エネルギがこの路で失なわれ、レーザは比較的
小さい効率、たとえば約10％以下になる。さらに
横断ガス流の励起は比較的不均一であり、そのた
め不利な放射特性となる。

公知のガス輸送または対流レーザの上記欠点は
レーザ室を冷却管として形成し、その中に共軸の
循環タービンを設けた装置（西ドイツ特許公開公
報3121372）によつてすでに除去されている。こ
れによつて、横断ガス流をもつ従来のガス輸送レ
ーザに対し進歩が得られた。しかし、このレーザ
を実現させるには多くの技術的努力が必要であ
る。

大規模に生産しても、次の４つの要素が特に高
価である。

−軸受け。 外側軸受けの直径が大で、高速回転
のため、固定部分に対する運動部分に非常な高
速を生じる。この問題はガス軸受けの設置によ
つて解決された。

−駆動。 中空の内部駆動部材をもつ高速装置
（400回／秒）では、エンジンが高価な特殊構造
である。

−羽根。 循環コンプレツサが同様に特殊構造で
ある。回転する外管に固定されるタービン羽根
は特殊で製作が困難である。ラジアルコンプレ
ツサを使用する場合でも、それに接続する複雑
なガス導管のため実質的に単純化できない。

−冷却システム。 対称円構造であり高度の冷却
効率を必要とするため、非常に高価な構成とな
る。

ところで、公知のガス流輸送レーザ装置には
種々のポンプやブロアが用いられており、たとえ
ば回転羽根ポンプ、ルーツブロア（K.Gu¨rs、“レ
ーザ 75 オプトエレクトニクス”協議会議事
録、30〜37頁、またはH.ヘルブリヒおよびB.デ
リト、西独特許公開公報第2925829）あるいは反
動ブロア（J.D.フオスター、米国特許第
4099143）、さらにはラジアルブロア（H.J.セグイ
ンおよびG.セドウイツク、アプライド、オプテ
イクス11、1972、745〜748またはK.ササキ等、
ヨーロツパ特許出願第80100870.7、公開第
0015003）等がある。いずれの場合も、種々の構
成部品はそのつど特定機能をもつ装置部分に適合
させなければならない。

したがつて本発明の目的は、非常にコンパクト
な構造で、あらゆる機能を完全に集成し、特定の
ガス通路の結合によつて非常に短かいガス通路が
実現できる高出力のレーザ装置を開発することで
ある。

この目的は本発明によるレーザ装置、すなわ
ち、ガス循環のための環状通路に隣接する接線ブ
ロアのランナ形の少なくとも１つの羽根車、羽根
車の環状通路中に接線で開口する少なくとも２つ
の直管または通路からなり、環状通路は直管の間
で中断されており、環状通路と直管とがレーザガ
スの循環区間を形成し、その際少なくとも１つの
直管がレーザ共振器として形成されていることを
特徴とするレーザ装置によつて解決される。

本発明のレーザ装置の有利な態様は特許請求の
範囲第２項ないし第１４項に記載されている。

第１図と第２図に示される実施例では、装置の
主要部分は、環状通路の２つのブロアのランナ１
からなり、これは矢印方向に回転する。

レーザガスは、同時に環状通路２中のランナ上
を流れる。環状通路２は、２つの直管３に開口
し、両環状環２とランナ上で互いに接線的に結合
する。ランナと直管との間の金属部材４はランナ
の開口部でストリツパとして役立ち、ガスを環状
通路２から、同時にレーザ管として役立つ直管３
中へ送りこむ。レーザガスはランナ間の直管の絶
縁部５で励起される。

ガス放電は直管の絶縁部内の高電圧環状電極６
とアース電位にある他の部分との間で行われる。
レーザ線は共振器内で端末の反射鏡７から反射鏡
９を経てアウトプツト鏡８に走り、そして引き返
す。その際通路１０はレーザ線の通路となるが、
そこでは重要なガス流は起らない。

全システムは水で冷却されうる。冷却面は平ら
な流路のとき200W以上のレーザ出力に十分であ
る。

環状通路と直管に長さ方向の溝を切ることによ
つて、表面と、したがつて冷却面とが拡大され、
それに応じてより高度のレーザ出力が得られる。

第３図に示す第２の例では、外環状通路１１は
当該回転軸側に拡大部１２が設けられ、同時にレ
ーザの逆転路として利用されるので、第１図、第
２図に示す付加的な連通路１０は省略できる。

第４図には、高出力が要求されるときに有利な
他の実施例として、羽根車１３がランナとして用
いられる場合が示されている。この場合、羽根車
１３の両側すなわち、環状通路の上半分１４と下
半分１５には第１図から第３図に示すような直管
１６が設けられる。そこで全システムは４つのレ
ーザスペースを含み、レーザ線は２個の反射鏡に
よつて一つのレベルから他のレベルへと方向転換
する。

第５図には特に簡単な実施例が示されている。
ここではランナ１７だけが必要で逆転通路１８は
レーザガスの特に効果的な冷却に利用される。

すべての実施態様では環状通路と直管は比較的
大きい直径で作られているため、流れの抵抗が非
常に少ない。直径40cmで回転速度が約4000回／分
のランナの場合レーザ管には毎時1000cm³のレーザ
ガスが循環される。４個のレーザ管をもつシステ
ムでは、これが1KW以上の出力に相当する。出
力は硬質（たとえばチタンからなる）ランナを高
速回転させ、数個の装置を並列または直列に結合
させると、マルテイキロワツト範囲に増加でき
る。

並列結合は、たとえば一つの軸に数個のランナ
を取り付けることで行われる。この並列結合は第
６図および第７図に示すように軸方向に延びたラ
ンナ１９を使用すれば実現できる。この場合環状
通路としては外環状通路２０が考慮され、直管２
１，２２は広い通路に拡大される。もつとも直管
２１，２２は再びレーザ管に分れるのが有利であ
る。反射鏡２３によつてレーザ線は１つの管から
隣りの管へ屈折される。

好ましい実施態様は16000回／分あるいはそれ
以上の高速で回転するランナが用いられる。レー
ザガスはランナ１９のある側だけで動かされ、他
の側の半環状通路２４を経てレーザ管２１中へ反
転される。

前進通路２２は広くなつて冷却器として形成さ
れる。レーザ通路の始まりには電極２５が設けら
れている。第６図はランナの回転軸を通る断面
図、第７図はレーザ通路の断面図である。

第８図に示す実施例のように２つの装置を互に
鏡像のように対向して継ぎ合せると出力をマルチ
KW−領域まで倍加できる。この場合ガスの流れ
は鏡から離れて両側に向けられ、ガス流中の粒子
による鏡の汚れが避けられるという付加的な利点
が得られる。

さらに、レーザを第６図、第７図に示すように
たとえば(a)、(b)と(c)部の構成にすると有利である
ことがわかつた。製作技術上の理由から羽根車ラ
ンナ付き駆動部（ａ部）を片側に、端末の方向転
換部（ｃ部）を他の側にして、冷却器付き中間部
（ｂ部）とレーザ管を別々に作り、それらをねじ
で真空気密に結合させるのが適当である。

これによつて、冷却器付き中間部（ｂ部）を絶
縁材料から作り、長大なレーザ管を放電管として
利用できるようになる。冷却器付き中間部（ｂ
部）の代りに、方向転換部の端末部（ｃ部）を絶
縁性材料から作ることもできる。

レーザ管の活性長をかなり制限する絶縁の問題
は、場合によつては分割できる実質的に環状の中
間電極を用いることによつて解決できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の装置の有利な実施
例を示すもので第１図、第３図は水平断面図、第
２図は縦断面図であつて、環状路はランナの上部
にある。第４図はガス循環用に用いられている本
発明の他の実施例の縦断面図である。第５図はガ
ス循環用に単一のランナをもつ本発明の１実施例
の水平断面図である。第６図と第７図は回転軸方
向に延びるランナを用いて数個のシステムが並列
に結合できる本発明の他の実施例を示すもので、
第６図は水平断面図、第７図は縦断面図である。
第８図は第６図、第７図に示す２つの装置を左右
逆に結合させた本発明の他の実施例の水平断面図
である。 １，１３，１９……羽根車（ランナ）、３，１
６，１８，２１，２２……直管、２，１１，２０
……環状通路、７，８，９……反射鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス循環のための環状通路に隣接する接線ブ
   ロワのランナ形の少なくとも１つの羽根車と、羽
   根車の環状通路中に接線で開口する少なくとも２
   つの直管（直通路）とからなり、環状通路は直管
   の間で中断されており、環状通路と直管とがレー
   ザガスの循環区間を形成し、その際少なくとも１
   つの直管がレーザ共振器とされていることを特徴
   とする高速ガス流をもつガス輸送原理によるレー
   ザ装置。 ２ 平行する２つの直管３が２つの羽根車１の環
   状通路２に接線で互いに結合していることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ装置。 ３ 少なくとも１つの直管１８，２２が冷却区間
   として形成さ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項記載のレーザ装置。 ４ ２つの直管３がレーザ共振器として形成さ
   れ、レーザ線通路を結合させるため、直管中に反
   射鏡７，８，９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項記載のレー
   ザ装置。 ５ 羽根車１が半環状断面であり、ラジアルウエ
   ブを具えていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第４項のいずれかの項に記載のレーザ
   装置。 ６ 羽根車としてランナ１３，１９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項から
   第４項のいずれかの項に記載のレーザ装置。 ７ 羽根車１３の上下側方に環状通路１４，１５
   が設けられ、その中へ２つの直管１６がそれぞれ
   ２つのレベルで開口していることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項記載のレーザ装置。 ８ 直管２１，２２によつて結合されている、環
   状通路２０が設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項記載のレーザ装置。 ９ 羽根付きランナ１９が回転軸方向に延び、そ
   れに応じて広がる直管２１，２２が外環状通路２
   ０内へ開口していることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項記載のレーザ装置。 １０ 少なくとも１つの広い直通路２１がレーザ
   管内で分割され、レーザ線通路結合のために反射
   鏡２３が設けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第９項記載のレーザ装置。 １１ 広い直通路２２が冷却区間として形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１０項
   記載のレーザ装置。 １２ ２つの装置が長さ方向で互いに鏡像的に結
   合され羽根車ランナ１９の回転方向は、ガス流が
   レーザ鏡から両側へ運び去られるように選ばれる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第１
   １項のいずれかの項に記載のレーザ装置。 １３ 羽根付きランナをもつ駆動部（ａ部）、レ
   ーザ管をもつ冷却部（ｂ部）および方向転換部
   （ｃ部）が別個の単位として真空気密に結合され
   てなることを特徴とする特許請求の範囲第１項か
   ら第１２項のいずれかの項に記載のレーザ装置。 １４ レーザ管をもつ冷却部（ｂ部）および／ま
   たは方向転換部（ｃ部）が絶縁材料からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１３項記載のレー
   ザ装置。