JPH0423375A

JPH0423375A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0423375A
Application number: JP12457090A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Iehisa; 信明家久; Norio Karube; 規夫軽部
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1990-05-15
Filing date: 1990-05-15
Publication date: 1992-01-27

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〕本発明は固体レーザ装置に関し、特に固体レーザを励起
する為に用いられる励起ランプの構造と放電方式に関す
る。

〔従来の技術〕

Ｎｄ　；ＹＡＧ　（ネオジムをドープしたイツトリウム
・アルミニウム・ガーネット、以下ＹＡＧと表す）レー
ザ装置は、発振波長が近赤外光（１゜０６μｉ）−であ
ることから光通信用に多く用いられている石英製ファイ
バを通してレーザ光を自由に導けること、レーザ加工対
象物となっている金属材料の光吸収率がＣＯ。レーザの
発振波長である１０．６μｉより数倍高いことから、レ
ーザ加工に近年ＹＡＧレーザ装置が多く使用されるよう
になってきた。

一般にＹＡＧレーザ装置では、励起ランプに励起電圧を
印加して、励起ランプの管壁内部の電極間の放電による
光によって、ＹＡＧロッドを励起して、レーザ光を出力
している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記したような励起ランプと励起電源の組み合
わせ構成では、放電方式が直流放電にしろ交流放電にし
ろ、励起ランプの管壁内部に挿入されている電極が放電
によりスパッタし、電極近傍の管壁に付着する。この付
着したスパッタ物質が放射光を吸収し局所的に温度が上
昇する。この結果、スパッタが付着した８分のみ歪みが
発生し、最悪の場合にはランプが破壊するという事故に
もつながる。また、スパッタ物質が励起ランプの内壁を
被うので発光効率も低下する。

従って、励起ランプの寿命が２００〜５００時間程度の
短時間で、励起ランプを新しいものと交換しなければな
らないという問題があった。すなわち、従来この励起ラ
ンプは消耗品とされていた。

また、励起ランプはレーザ出力が１〜２ＫＷタイプ１台
のＹＡＧレーザ装置で１０〜２０本程度使用する必要が
あり、１本当たりのコストも高く、ＹＡＧレーザ装置の
大きな問題となっている。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、励
起ランプの電極をチューブの外側に設け、励起ランプの
発光放電方式を高周波放電方式にした固体レーザ装置を
提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は高周波放電の電界周波数をイ
オントラップ現象あるいは電子トラップ現象が発生する
周波数とすることにより、より効率的な励起放電を得る
ようにした固体レーザ装置を提供することである。

〔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、希ガスが封入さ
れた励起ランプを放電により発光させ、発光された光に
より固体レーザ活性媒質を励起させレーザ発振を行うよ
うに構成された固体レーザ装置において、直流電圧を供
給する直流電源部と、前記直流電圧を高周波電圧に変換
するインバータと、前記高周波電圧が印加される電極部
をチューブの外部に設けた前記励起ランプと、を有する
ことを特徴とする固体レーザ装置が、提供される。

〔作用〕

インバータからの高周波電圧は励起ランプのチューブの
外側に設けられた電極に印加される。励起ランプの放電
はこの外側の電極に印加された高周波電圧によって放電
して、発光する。従って、スパッタやスパッタ物質によ
る悪影響が全くなくなる。この結果、励起ランプの寿命
が半永久的になる。

〔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図は本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ装置のレ
ーザ励起ランプ駆動用の高周波電源回路部とレーザ励起
ランプ部を示す図である。直流電源Ｂ１は商用電源を整
流し、安定化して直流電圧を高周波インバータ２に供給
する。高周波インバ−夕２は４個のスイッチング素子３
ａ、３ｂ、３Ｃ及び３ｄから構成されており、スイッチ
ング素子３ａと３ｄの組と、スイッチング素子３ｂと３
０の組が交互にオンすることにより、高周波電圧を出力
する。スイッチング素子３ａ〜３ｄにはＦＥＴ等が使用
される。高周波インバータ２の高周波電圧出力はトラン
ス４を通して、励起ランプ５に供給される。

励起ランプ５の両端電極１１及び１２があり、その外側
に電極サポート１３及び１４が設けられている。励起ラ
ンプ５内にはクリプトン、キセノン等の希ガスが封入さ
れている。

高周波電圧が電極サポート１３．１４を介して、電極１
１及び１２に印加されることにより、励起ランプ内で高
周波放電を行い、レーザ励起用の光を放出する。

第２図は励起ランプの構造の詳細を示す図である。なお
、励起ランプ５は対称な構造であるので、その片側の詳
細のみ示している。励起ランプ５のチューブ５ａは石英
等で構成され、その端部には電極１１がメタライズによ
って接着されている。

その外側には電極１１を冷却する水冷式の電極サポート
１３があり、電極サポートには高周波電圧を印加する電
線１８が接続されている。また、電極サポート１３には
冷却水用のパイプ１５及び１６が接続されており、冷却
水１７が供給されて、電極１１を冷却する構成となって
いる。

なお励起ランプは電極が接着されている端部での厚みは
０．１〜０．３ｍｍである。励起ランプ５のチューブ５
ａの長さ、すなわち放電路の長さは３０ｍｍ、内径は６
ｍｍで内部にＫｒ（クリプトン）が７６０Ｔｏ　ｒ　ｒ
の圧力で封入されている。

ここで、クリプトンイオン（Ｋｒ＋）の移動度μｉが０
℃、７６０Ｔｏ　ｒ　ｒにおいて、１７　（ｃｍ／ｓｅ
ｃ／ｖ／ｃｍ）である。

ここで、発光効率を上げるために、イオントラップを発
生させる。このためには、高周波インバータの出力周波
数ｆ１は以下の値以上にする必要がある。すなわち、μ
ｉをチューブ５ａ内のイオン速度、Ｅｍを電界強度、Ｌ
をチューブ５ａの放電距離、πを円周率として、イオン
トラップ条件を表す式、ｆ１≧〔（μｅ・Ｅつ）／（π・Ｌ）を満足する周波数ｆ１にする必要がある。

また、電子トラップの発生する周波数以上にすれば発光
効率はさらに上昇する。すなわち、μ８をチューブ５ａ
内の電子速度として式、ｆ２≧〔（μｅ・Ｅｍ）／（π
・Ｌ）を満足する周波数ｆ２を選べは電子トラップを発生させ
ることができる。

一般に、 μｅ〉μｉであるので、ｆ２＞ｆｌである。従って、ｆ　２＞ｆ＞ｆ　１の周波数ｆではイオントラップのみ発生し、ｆ＞ｆ　２の周波数ｆでは、イオントラップと、電子トラップの両
方を発生させることができる。これらのどちらを選択す
るかは、高周波インバータ２のスイッチング素子３ａ〜
３ｄの周波数特性等によって決定される。

次に動作について説明する。直流電源部１の直流出力電
圧を高周波インバータ２で２　Ｍ　Ｈｚにチョッピング
し、高周波電圧を発生させトランス４により励起ランプ
５の電気特性に合わせ３００Ｖ程度に昇圧する。ただし
、放電開始時においては２〜３ＫＶにまで昇圧させる。

ここで、昇圧された電圧が励起ランプ５の両端に設けら
れた電極１１．１２に電気的に結合された電極サポート
１３．１４に印加される。励起ランプ５の管壁厚み０．
１〜０．３ｍｍをキャパシティブな電気誘電体して励起
ランプ５のチューブ５ａの両端に設けられた一対の電極
１１１２間で十分な放電電流が流れると励起ランプ５が
発光し、ＹＡＧレーザロッドがこの励起光を吸収しＹＡ
Ｇレーザが発振する。

また、励起ランプ５に与える高周波電圧を制御すること
により、フラッシュランプまたはアークランプとして動
作させることができる。

次にＹＡＧレーザ装置の概略について説明する。

第３図はＹＡＧレーザ装置の概略の構成図である。

ＹＡＧレーザロッド２３の結晶の中心軸の延長線上の両
端に中心軸（光軸）と直角な面に光共振器を構成するリ
ア鏡２７および出力鏡２１が置かれている。ＹＡＧレー
ザロッド２３は、励起ランプ５で照射されてエネルギが
注入される。この時、励起用ランプ５のエネルギを効率
良＜ＹＡＧレーザロッド２３に吸収させるために、ＹＡ
Ｇレーザロッド２３と励起ランプ５とを囲んで図示され
ていない集光用の反射鏡が励起キャビティ３１の内部に
設けられている。

さらに、パルス発振を可能にするＱスイッチモジュール
２４、ランダム偏光を直線偏光にする直線偏光ユニット
と安全保護装置としてのメカニカルシャッタユニットを
一体にしたユニット２５、レーザ光の横モードを選択す
るモードセレクタ２６が設けられている。

また、第３図には描かれていないが、ＹＡＧレーザでは
励起ランプ５へ注入されたエネルギがレーザ光へ変換さ
れる効率が３〜４％程度であるので、励起ランプ５に注
入されるエネルギは相当大きな値になり、そこで消費さ
れる熱を効率よく冷却する必要がある。また、ＹＡＧレ
ーザロッド２３および励起キャビティ３１も水冷され、
レーザ出力の安定性を維持する為に冷却水の温度管理を
精度よく行う必要がある。

このように、励起ランプの外側に設けられた一対の電極
を介して高周波放電を形成し励起ランプ内に封入された
希ガスを励起し発光させることを実現した。この結果、
励起ランプの電極の消耗や、スパッタ物の管壁への付着
の問題が完全に解消され、半永久的な寿命を有する励起
ランプを提供できる。

また、励起ランプを構成する石英製チューブの外部に電
極をメタライズ製法により製作したが、電極を構成する
金属ロッドの表面に石英製チューブと材質の異なる物質
をコーティングした電極ロッドを石英チューブに接合さ
せて電極を構成することもできる。

また上記の説明では、ＹＡＧレーザ装置を例に説明した
が、他の励起ランプでレーザ励起する他の固体レーザ装
置にも適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、励起ランプの外側に電
極を設けて、高周波電圧を印加して、放電させるように
構成したので、電極のスパッタを防止でき、励起ランプ
の寿命を半永久的にすることができる。その結果、励起
ランプの交換が不要になり、費用も低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のＹＡＧレーザ装置のレーザ
励起ランプ駆動用の高周波インバータと励起ランプを示
す図、第２図は励起ランプの構造の詳細を示す図、第３図はＹ
ＡＧレーザ装置の概略の構成図である。直流電源部高周波インバータ励起ランプ電極電極電極サポート電極サポート

Claims

【特許請求の範囲】

（１）希ガスが封入された励起ランプを放電により発光
させ、発光された光により固体レーザ活性媒質を励起さ
せレーザ発振を行うように構成された固体レーザ装置に
おいて、直流電圧を供給する直流電源部と、前記直流電圧を高周波電圧に変換するインバータと、前記高周波電圧が印加される電極部をチューブの外部に
設けた前記励起ランプと、を有することを特徴とする固体レーザ装置。
（２）前記電極部は前記チューブ管壁にメタライズ製法
により固着されたことを特徴とする請求項１記載のレー
ザ制御装置。
（３）前記電極の外側に冷却用の電極サポートを設けた
ことを特徴とする請求項２記載の固体レーザ装置。
（４）前記インバータの電圧出力周波数は、μ＿ｉを前
記チューブ内のイオン速度、Ｅ＿ｍを電界強度、Ｌを前
記チューブの放電距離、πを円周率として、イオントラ
ップ条件を表す式、ｆ≧〔（μ＿ｉ・Ｅ＿ｍ）／（π・Ｌ）〕を満足する周波数であることを特徴とする請求項１記載
の固体レーザ装置。
（５）前記インバータの電圧出力周波数ｆは、μ＿ｅを
前記チューブ内の電子速度、Ｅ＿ｍを電界強度、Ｌを前
記チューブの放電距離、πを円周率として、電子トラッ
プ条件を表す式、ｆ≧〔（μ＿ｅ・Ｅ＿ｍ）／（π・Ｌ）〕を満足する周波数であることを特徴とする請求項１記載
の固体レーザ装置。
（６）前記励起ランプが、フラッシュランプまたはアー
クランプであることを特徴とする請求項１記載の固体レ
ーザ装置。