JPH04174576A - 金属蒸気レーザ装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は金属蒸気レーザ装置に係り、特に大出力により
使用することが可能であると共に装置の寿命を延長する
ことができる金属蒸気レーザ装置に関する。

（従来の技術） 主に、レーザ加工、光反応プロセス、同位体原子の励起
イオン化等に使用される金属蒸気レーザ装置のレーザ管
は、第２図に示すように、セラミック管１の外周を断熱
材２で覆った上にガラス管３を被せた放電管４が、その
両端に配置された０リング５を介して外管６の内部に設
置される。

外管６の両端には、それぞれ窓７および励起電圧印加用
の電極８が設けられる。セラミック管１の内側には金属
片９が配置され、管内にはバッファガスが充填される。

このように構成されたレーザ管１０は、電極８に図示し
ない外部の電源から高電圧を印加し、バッファガス中で
放電させて金属片９を溶かし、レーザ光を発生させる。

（発明が解決しようとする課題） 上記金属蒸気レーザ装置は、例えばセラミック管１内に
配置される金属片９に銅を用いた場合には、銅蒸気レー
ザと呼ばれる。銅蒸気レーザにおいて、放電によって金
属片（銅）９を溶かしてレーザ光を発生させるためには
、セラミック管１の温度を１５００℃以上に保つ必要が
ある。レーザ出力は、セラミック管１内の１５００℃以
上の高温領域（ホットエリア）の長さにほぼ比例する。

しかし、１５００℃程度の高温では、熱が輻射によって
逃げていくことが支配的であるため、セラミック管１の
窓７０近くでは、放射冷却によって温度が低下していた
。したかって、大出力レーザの開発のためには、長いセ
ラミック管１を用いて長い高温領域を作る必要があった
。

しかしながら、セラミック管１は長いものを製造するこ
とが技術的に困難で、製造することができてもコストが
高く、また曲がり等の精度上の問題がある。さらに、長
いセラミック管１は熱伸縮か大きく、運転を繰り返すと
断熱材２等に負荷が掛り、寿命が短くなる。これらのこ
とから、レーザ出力の向上には限界があった。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、装置の
大８力化を因ることができると共に、レーザ管の寿命を
延長することができる金属蒸気レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、セラミック管の外周を断熱材で包囲し、この
断熱材の外側に外管を設け、上記セラミック管の内壁に
金属片を配置してレーザ管ユニットを構成し、このレー
ザ管ユニットを軸方向１：直列に連結して両性管を相互
に接合し、さらに各外管の外端部を閉じて外管内を気密
とし、両セラミック管の内側にバッファガスを供給する
ガス供給装置を設ける一方、両セラミック管の間に高圧
電極を介在させ、各セラミック管の外端部にアース電極
を設け、上記高圧電極に高電圧を印加させる電圧印加装
置を設けたものである。

（作用） セラミック管の内側にガス供給装置からバッファガスを
導入し、゛高圧電極に電圧印加装置により放電電圧を印
加すると、バッファガス中で放電が起る。この放電は両
セラミック管の間に介在された高圧電極と各セラミック
管の外端部に設けられたアース電極との間で起る。放電
により次第に温度が上昇すると、やがて金属片が融解し
て金属蒸気を発生し、この金属が放電プラズマ中の電子
によって励起され、レーザ発振が起る。本発明では、レ
ーザ管ユニットを軸方向に直列に連結したから、長いレ
ーザ管とすることができ、長い高温領域を作ることがで
きる。また、レーザ圧力が高温領域の長さにほぼ比例す
ることから、レーザ圧力を大幅に増大させることが可能
となる。また、セラミック管は各レーザ管ユニット毎に
分割されているため、長いセラミック管を設ける必要が
ない。したがって、熱伸縮を小さく抑えることができ、
断熱材等への影響を抑えることにより装置の長寿命化を
図ることができる。

（実施例） 本発明に係る金属蒸気レーザ装置の一実施例について第
１図を参照して説明する。

金属蒸気レーザ装置には、一対のレーザ管ユニット１２
Ａ、１２Ｂが設けられ、これらのレーサ管ユニッｈ１２
Ａ、１２Ｂが軸方向に直列に連結される。レーザ管ユニ
ッｈ１２Ａはほぼ円筒形状で両端部にフランジ１３ａ、
、１３ｂが形成された外管１４Ａ内に放電管１５Ａが収
容される。放電管１５Ａは両端部において０リング１６
ａ、１６ｂを介して外管１４Ａ内に気密に保持される。

放電管１５Ａはセラミック管１７Ａの外周が断熱材１８
Ａで包囲され、この断熱材１８Ａの外周をガラス管１９
Ａで覆って構成される。

セラミック管１７Ａの両側にはパルス状の高電圧が印加
される高圧電極２ｏおよびアース電極２１Ａが配設され
、セラミック管１７Ａの内壁には、例えば鋼材から成る
複数の金属片２２が分散配置される。外管１４Ａのアー
ス電極２１Ａ側の端部には縮径部２３Ａがフランジ２４
ａ、１３ａを介して接合され、この縮径部２３Ａの端部
にはレーザ光線を放８するためのレーザ窓２５Ａが設け
られる。

他方のレーザ管ユニッ）１２Ｂも同様の構造を有するた
め、同様の符号を付して重複説明を省略する。

両レーザ管ユニット１２Ａ、１２Ｂのセラミック管１７
Ａ、１７Ｂはその間に高圧電極２０を介在させて配設さ
れる。また、両レーザ管ユニット１２Ａ、１２Ｂの外管
１４Ａ、１４Ｂは、フランジ１３ｂ、１３ｃを介して相
互に接合され、内部が気密に保持される。なお符号２６
Ａ、２６Ｂは高電圧側と接地側を隔離するために外管１
４Ａ。

１４Ｂの胴部に設けられた絶縁ブレークを示す。

また、外管１４Ａ、１４Ｂの外側には、セラミック管１
７Ａ、１７Ｂから断熱材１８Ａ、１８Ｂを通過して外部
へ漏洩する熱を吸収して冷却する図示しない水冷装置が
備えられる。

このように構成されたレーザ管１２には、セラミック管
１７Ａ、１７Ｂの内側にバッファガス（通常ネオン（Ｎ
ｅ）ガス）を供給するガス供給装置２８が接続される。

ガス供給装置２８にはバッファガスを貯蔵したガスボン
ベ２９が備えられにこのガスボンベ２９から延びるガス
供給配管３０に圧力調整用の減圧弁３１およびニードル
バルブ３２が介装され、そのガス供給配管３０の末端が
両外管１４Ａ、１４Ｂのフランジ１３ｂ、１３ｃの間を
通ってセラミック管１７Ａ、１７Ｂの内側ヘバッファガ
スを供給可能にレーザ管１２に接続される。また、両線
径部２３Ａ、２３Ｂには、排気ニードルバルブ３３Ａ、
３３Ｂを介装した排気管３４を介して真空ポンプ３５が
接続される。

また、レーザ管１２には高圧電極２０にパルス状の高電
圧を印加するための電圧印加装置３７が接続される。す
なわち、高圧電極２０および両アース電極２１Ａ、２１
Ｂ間にはピーキングコンデンサ３８Ａ、３８Ｂおよび充
電抵抗３９Ａ、３９Ｂを並列としたものが導電性の外管
１４Ａ、１４Ｂを介して電気的に接続される。そして、
高圧電極２０には充電コンデンサ４０を介してホールド
オフダイオード４１、共振充電チョーク４２の直列回路
を経て、高圧直流電源（例えば６〜１２ＫＶ程度）の正
側に接続される。高圧直流電源の負側は、接地線として
他方のアース電極２１Ａ、２１Ｂに直接接続される。

ここで、充電コンデンサ４０の容量は、通常４〜２０ｎ
Ｆ程度が用いられ、ピーキングコンデンサ３８Ａ、３８
Ｂの容量は、その１／２〜１１５程度とされる。さらに
、サイラトロン４３のアノードがホールドオフダイオー
ド４１と充電コンデンサ４０の接続点に接続され、カソ
ードが接地線に接続される。

次に、上記実施例の作用について説明する。

レーザ管１２に満されるバッファガスは、ガスボンベ２
９から減圧弁３１によって減圧された後、さらにニード
ルバルブ３２の絞りにより調整されてレーザ管１２に供
給されると同時に、レーザ管１２のバッファガスを真空
ポンプ３５によって吸引し、排気ニードルバルブ３３Ａ
、３３Ｂの調整によりガス圧が１０〜６０Ｔｏｒｒ程度
、流量が０．０１〜５０１　／ｈ程度になるように制御
される。

次に、高圧電流電源（図示せず）を始動し、トリガ回路
（図示せず）から１〜１０ＫＨｚの繰返し周波数を持つ
トリガ信号をサイラトロン４３のグリッドに加えると、
共振充電チョーク４２とホールドオフダイオード４１に
よって、高圧直流電源の電圧の２倍の電圧に充電された
充電コンデンサ４０の電荷が、サイラトロン４３が導通
を繰り返す度毎に高圧電極２０およびアース電極２１Ａ
。

２１Ｂを通じてレーザ管１２内に印加され、放電が行な
われる。なお、ピーキングコンデンサ３８Ａ、３８Ｂは
サイラトロン４３の立上りを早める作用をしている。

この放電が繰り返されることにより、断熱材１８Ａ、１
８Ｂに囲まれたセラミック管１７Ａ、１７Ｂの温度が上
昇し、やがて金属片２２が融解して金属蒸気か発生する
。金属片２２として銅材を用いる場合には、銅の蒸気圧
はセラミック管１７Ａ、１７Ｂの温度が１５００℃程度
のときに最もよい条件となり、放電プラズマ中の電子に
よってこの銅が励起され、逆転分布を生じる結果、レー
ザ発振が行なわれる。

この場合、各レーザ管ユニット１２Ａ、１２Ｂの両セラ
ミック管１７Ａ、１７Ｂは、高圧電極２０とアース電極
２１Ａ、２１Ｂとの間の放電により共に高温度になり、
両レーザ管ユニット１２Ａ。

１２Ｂが互いに接合されているため、セラミック管１７
Ａ、１７Ｂの高温領域（ホットエリア）の長さを従来に
比較して倍増することができる。その結果、レーザ出力
は飛躍的に向上する。また、両し−サ管ユニット１２Ａ
、１２Ｂのセラミック管１７Ａ、１７Ｂは相互に分割さ
れているため、セラミック管１７Ａ、１７Ｂの熱伸縮に
よる断熱材１８Ａ、１８Ｂ等への影響を抑制することが
でき、装置の長寿命化を図ることができる。

なお、上記実施例においては、金属片２２に銅材を用い
た場合について説明したが、その他の金属を用いた場合
についても同様に適用することができる。

〔発明の効果〕

本発明に係る金属蒸気レーザ装置は、レーザ管ユニット
を軸方向に直列に連結したから、セラミック管を軸方向
に直列に配設し、高温領域の長さを大幅に増大させるこ
とができる。したがって、レーザ出力の大出力化を図る
ことができる。また、両レーザ管ユニットのセラミック
管か相互に分割されているため、セラミック管の熱伸縮
による断熱材等への影響を抑制し、装置の長寿命化を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る金属蒸気レーザ装置の一実施例を
示す構成図、第２図は従来の金属蒸気レーザ装置のレー
ザ管を示す構成図である。 １２Ａ、１２Ｂ・・・レーザ管ユニット、１４Ａ。 １４Ｂ・・・外管、１５Ａ、１５Ｂ・・・ガラス管、１
７Ａ、１７Ｂ・・・セラミック管、１８Ａ、１８Ｂ・・
・断熱材、２０・・・高圧電極、２１Ａ、２１Ｂ・・・
アース電極、２２・・・金属片、２８・・・ガス供給装
置、３７・・・電圧印加装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミック管の外周を断熱材で包囲し、この断熱材の外
   側に外管を設け、上記セラミック管の内壁に金属片を配
   置してレーザ管ユニットを構成し、このレーザ管ユニッ
   トを軸方向に直列に連結して外管を相互に接合し、さら
   に各外管の外端部を閉じて外管内を気密とし、両セラミ
   ック管の内側にバッファガスを供給するガス供給装置を
   設ける一方、両セラミック管の間に高圧電極を介在させ
   、各セラミック管の外端部にアース電極を設け、上記高
   圧電極に高電圧を印加させる電圧印加装置を設けたこと
   を特徴とする金属蒸気レーザ装置。