JPH04335585A - レーザ装置のミラー冷却方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ装置のミラー
冷却方式の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は、例えばレーザハンドブック（オ
−ム社、昭和５７年）に記載された従来の安定型共振器
を用いたレ−ザ発振器を示す構成図である。図において
、１は光共振器を構成するミラーで、たとえば銅よりな
る全反射鏡、２は同じく、たとえばＺｎＳｅよりなる出
力鏡である。全反射鏡１、出力鏡２はそれぞれミラー冷
却板１１、２１およびミラー押え１２、２２に固定され
ている。５はレーザ媒質で、例えばＣＯ２　レ−ザ等の
ガスレ−ザの場合、放電などにより励起されたガス媒質
、ＹＡＧ　等の固体レ−ザの場合、フラッシュランプ等
により励起された固体媒質である。６はレ−ザビ−ム径
を制御するアパ−チャ、７は周囲を覆う箱体、８はレー
ザビームである。矢印は冷却水の導出入方向をあらわす
。

【０００３】次に動作について説明する。全反射鏡１、
出力鏡２は安定型共振器を構成しており、レ−ザビ−ム
８は全反射鏡１、出力鏡２の間を往復するうちにレ−ザ
媒質５により増幅されると共に、その一部が出力鏡２か
ら漏れ出て外部に取り出される。適当な径のアパーチャ
ー６が設置されている場合、取り出されたレ−ザビ−ム
８は位相の揃ったガウスモード（シングルモード）とな
る。ところで、一般にミラーはレーザ光に対し若干の吸
収率を有するため、図４に示すような構成の冷却方式が
採用される。この方式はミラー１、２の側面方向からミ
ラー冷却板１１、２１を介して冷却水により間接冷却す
る構造のものであり、このときのミラー径方向の温度分
布は図５（ａ）に示すような２乗分布になることが知ら
れている。図５（ａ）は従来の冷却法による出力鏡２の
径方向の温度分布を示す特性図で、同図（ｂ）は出力鏡
２部分を拡大して示す説明図である。縦軸は温度、横軸
は径方向の距離、ｒはレーザビームの半径を表わしてい
る。このためレーザ出力を増大すると、本来等位相で発
振するはずのレーザビームがこの２乗温度分布に起因す
るミラーの屈折率変化により、ミラー部で位相が変化し
、あるいはミラーの熱膨張のため本来のミラーの曲率か
らずれたものとなり、ビーム品質（集束性）の低下が確
認される。また、一般にミラーの冷却能力を向上する目
的で冷却水温度は室温以下の低い温度に設定される。 この場合、たとえば、湿度の高い時にはミラー表面に結
露が発生することが観測される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ装置は以
上のように構成されているので、ミラーの径方向の温度
は２乗分布となり、ミラーを通過するレーザビームの位
相を乱し、ビーム品質を低下させる。従って、高出力レ
ーザでは高品質なビームが得られない問題点があった。 また、ミラー冷却水と室温との温度差によりミラー表面
に結露が発生し、大気中のチリが付着しやすく、ミラー
破損の大きな原因の一つになっていた。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ミラー表面の結露を防止するだ
けでなく、ミラーの径方向の温度分布を一様にすること
でミラーを通過するレーザビームの位相を変化させず、
従って、高出力で高品質のレーザビームが取り出すこと
のできるレーザ装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるレーザ
装置のミラー冷却方法は、室温以上に設定した冷却水を
用いてミラーを冷却するとともに、ミラーを空気または
レーザガス媒質とも熱交換させ冷却するようにしたもの
である。

【０００７】

【作用】この発明におけるレーザ装置では、ミラーの冷
却水温度が室温以上に設定されているため、従来の低温
冷却方式に比較しミラーのベース温度は高くなる。この
ため室温の空気との温度差が大きくなり、空気とミラー
表面との熱交換（自然対流熱伝達）能力が増加する。こ
れは同時に冷却水によるミラー周辺からの冷却効果の低
下につながる。従って、ミラーの径方向の温度は一様分
布に近くなり、ミラーを通過するレーザビームの位相に
影響を与えなくなる。すなわち、高出力でかつ高品質な
レーザビームを取り出すことが可能となる。また、空気
またはレーザガス媒質をミラーに吹き付けると、ミラー
径方向の温度分布をより一様に近づけることができる。

【０００８】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の一実施例を示す断面図であ
り、基本構成は従来例（図４）と全く同様である。ただ
し、この発明では図に示すように、取り出しミラーの冷
却水系は他の冷却水系とは切り放され、また、冷却水温
度調整器９が付加されている。冷却水温調器９は温度検
出器９１と加熱用のヒータ９２より構成されている。

【０００９】出力鏡２用冷却水は、温度調整器９により
常に室温よりも約１０℃程度高く設定されている。この
ときのレーザ発振時におけるミラーの径方向の温度分布
を放射温度計で測定した結果を図２の特性図に実線で示
す。縦軸は温度、横軸は径方向の距離を表わす。同様の
条件において、従来同様室温より５℃低い冷却水でミラ
ーを冷却した場合の温度分布を比較のため図中点線で併
記した。図より明らかなように、従来方式では前述のよ
うに２乗分布の温度特性が得られている。一方、この発
明による温度分布はベース温度が１０数度高くなってい
るものの、ほぼフラットな温度特性が得られている。さ
らに、冷却水温度を室温よりも２０℃程度高く設定した
場合には、温度分布のミラー径方向依存性はほとんど観
測されなくなることが確認されている。このような現象
は次のような機構によるものと推察される。すなわち、
室温よりも低い温度の冷却水でミラーを側面から冷却し
た場合、ミラー材の熱伝導により、熱流束は完全にミラ
ー中心から側面にむかい、従って、フーリエの熱伝導方
程式にしたがった２乗分布の温度特性が観測される。一
方ミラー側面の冷却水温度が室温よりも高い場合、ミラ
ー母材温度が上昇し、ミラー表面と室温との温度差が大
きくなり、空気との自然対流熱伝達機構による熱移動量
が増し、側面冷却による熱伝導冷却の効果が減少したも
のと考えられる。冷却水温度の上昇とともに、ますます
その傾向は強まり、空気とミラー表面との対流熱伝達機
構が支配的になると、ミラーの径方向の温度は、ほぼ一
様分布となる。従って、ミラーを通過するレーザビーム
の位相に影響を与えないので、高出力で高品質のレーザ
ビームを取り出すことができる。また、冷却水の温度を
室温以上としているので、ミラー表面の結露を防止し、
ミラー破損の大きな原因の一つであるチリの付着を防止
できる。

【００１０】実施例２．なお、上記実施例では空気の自
然対流による熱交換の場合について示したが図３に示す
ようにガス噴射ノズル２２０を設け、外気を強制的にミ
ラー表面に吹き付けるように構成したものであれば、空
気との熱交換がより促進され、さらに、ミラーの径方向
の温度分布は一様になり、より効果的である。

【００１１】実施例３．また、ガスレーザの場合には、
ガス噴射ノズルを発振器側に設置し、発振器内のレーザ
ガス媒質をミラー表面に吹き付けるように構成としても
同様の効果が得られる。もちろん、実施例２と併用する
ことも有効である。

【００１２】

【発明の効果】以上のように、この発明によればレーザ
装置において、室温以上に設定した冷却水を用いて光共
振器を構成するミラーを冷却するとともに、上記ミラー
を空気または、レーザガス媒質とも熱交換させ冷却する
ように構成したので、ミラーの径方向温度分布が一様に
なり、高出力でも高品質なレーザビームが得られ、また
結露によるミラー破損を防止することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１に係わるレーザ装置を示す
断面構成図である。

【図２】この発明の一実施例の冷却方法によるミラーの
温度分布を従来例とともに示す特性図である。

【図３】この発明の実施例２に係わるミラー冷却手段を
示す断面構成図である。

【図４】従来のレーザ装置を示す断面構成図である。

【図５】従来の冷却方法によるミラーの温度分布を出力
鏡と対応して示す図である。

【符号の説明】

１　　全反射鏡 ２　　出力鏡 ５　　レーザ媒質 ９　　冷却水温度調整器 １１　　ミラー冷却板 ２１　　ミラー冷却板 ９１　　温度検出器 ９２　　加熱用のヒータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ミラーで構成される光共振器よりなる
   レーザ装置において、上記ミラーを冷却する冷却水の温
   度を室温より高く設定し、上記ミラーを空気またはレー
   ザガス媒質とも熱交換させ冷却するようにしたことを特
   徴とするレーザ装置のミラー冷却方法。