JPH06164042A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

ガスレーザ発振装置

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JPH06164042A
JPH06164042A JP4244424A JP24442492A JPH06164042A JP H06164042 A JPH06164042 A JP H06164042A JP 4244424 A JP4244424 A JP 4244424A JP 24442492 A JP24442492 A JP 24442492A JP H06164042 A JPH06164042 A JP H06164042A
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gas
discharge
laser
cross
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JP4244424A
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Shigeki Yamane
茂樹 山根
Tsutomu Sugiyama
勤 杉山
Masashi Onishi
正史 大西
Katsumitsu Matsumoto
勝光 松本
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
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    • HELECTRICITY
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    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/07Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • H01S3/073Gas lasers comprising separate discharge sections in one cavity, e.g. hybrid lasers

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 放電管内のガス流に放電管断面方向の速度ベ
クトルをもたせたることにより放電管断面内の小信号利
得分布を均一にし、大出力で均一なレーザ出力ビームモ
ードを出射するガスレーザ装置を提供する。 【構成】 送風機13によりレーザガスを放電管1に流
し、光軸と同軸上に配置した放電管1の外部より高周波
電界または高周波磁界を電極2,3または導波管15に
より印加して放電を発生させ、放電管1の軸方向にレー
ザビーム8を放射するガスレーザ発振装置において、放
電管1内のガス流に放電管1の断面方向の速度ベクトル
を与える。この構成によれば放電の広がっていない状態
でも、ガウスモードに近いビームモードが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は放電管の軸方向と光軸方
向が一致したガスレーザ発振装置に関するものであり、
特に大出力で良好なビームモードを得られるガスレーザ
発振装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、大出力のガスレーザ発振装置が普
及し、金属,セラミックなど硬質で融点の高い材料の加
工に広く用いられている。従来のガスレーザ発振装置の
一例として、図7に高速軸流形炭酸ガスレーザ発振装置
の構成を示す。図7に示すように、放電管1はガラスな
どの誘電体で形成され、放電管1の外周面には一対の金
属電極2、3が対向して設けられている。電極2、3に
は高周波電源4が接続されていて、たとえば13.56M
Hz、2kVの電圧を両電極2、3間に印加している。
電極2、3間には放電管1内の放電空間5が設けられて
いる。放電管1の端面には全反射鏡6が、他端には部分
反射鏡7が配置され光共振器を形成している。部分反射
鏡7よりはレーザビーム8が出射される。放電管1の両
端には送気管10が接続され、さらに放電管1の中央部
にも吸気管が接続され放電空間5にて放電および送風機
により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱
交換器11,12と、レーザガスを循環させるための送
風機13が接続されている。矢印9はレーザガスの流れ
る方向を示しており、図7に示すガスレーザ発振装置の
中をレーザガスが循環している。
【0003】次に、以上のように構成された高速軸流型
炭酸ガスレーザ発振装置の動作について説明する。ま
ず、放電管1内の両放電空間5の外周に対向して取付け
られた一対の金属電極2、3に高周波電源4から高周波
高電圧を印加し、放電管1内のレーザ光軸に垂直に高周
波電界を加え、放電空間5にグロー放電を発生させる。
放電空間5を通過するレーザガスは、この放電エネルギ
ーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射
鏡6と部分反射鏡7により形成された光共振器間で共振
状態となり、部分反射鏡7を透過してレーザビーム8が
出射される。
【0004】図7に示す従来のレーザ発振装置で大出力
を取り出す方法として放電管1の内径を大きくとり、取
り出すレーザビーム8を太くすることがある。従来の高
周波電源で用いられている周波数は主に、27.12MH
z以下の周波数である。図7に示すように、金属電極
2、3間に高周波高電圧を印加して光軸に垂直に高周波
電界を加えて得られる放電空間5の放電状態(放電広が
り)は放電管の内径や肉厚と電極形状により変化する。
放電管の内径を太くすると図8に示すように、放電区間
5では放電管1の断面内で金属電極2、3を対向させた
方向に放電が集中する状態になる。また、別の電極構成
として、放電管1の両端に輪環状の電極を設けて高周波
電圧を加える方法や、500MHz以上の周波数の高周
波電源を用い、導波管により電力を伝送する方法で放電
管1内の光軸方向に電界を加えて放電させる方法などが
ある。この時の放電区間5の形状を図9に示すが、高周
波による表皮効果で放電管1内壁面に沿ってしか放電が
行なわれない。
【0005】さらに、図8,図9に示すような放電の広
がりと、DC放電のように一様に放電している時の放電
断面の小信号利得分布と、出力ビームモード形状を測定
した結果を図10(A)、(B)、(C)に示す。図に
示すように放電エネルギーの供給を受けている放電管内
の放電状態と同様な形状の小信号利得分布と、出力ビー
ムモードが発生することが判明した。
【0006】出射したレーザビーム8は集光されてレー
ザ加工などの用途に用いられるが、図10(C)に示す
ように一様に放電し、ガウスモードに近いビームモード
が最も望ましいが図10(A)、図10(B)に示すよ
うなビームモードのレーザビームを用いて切断加工を行
うと、切断面に方向性が生じ、集光性が低下する。
【0007】従来、DC放電では放電は容易に広がり、
特に注意を払う必要はなかった。しかし、高周波放電で
は、放電を広げることが困難であり、ビームモードをガ
ウスモードに近くするために、図11に示すように複数
の電極対を方向を変えて組み合わせて断面の放電を均一
化したり、図12に示すように放電の広がり幅tの2倍
に等しい直径を有する放電管を用いて放電の均一化を図
っていた。
【0008】また、特開平3−123089号公報に開
示されているように、放電管に流入する放電ガス流を乱
流させる手段を設けることにより、放電の均一化を図っ
た例も知られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来のレーザ発振装置では、放電管の形状(例えば、管
径、肉厚、材質)に合わせて電極形状を最適化させねば
ならない。しかし、電極形状を最適化しても方向を変え
て配置した各電極対の不均一による放電の不均一さが残
り、電極形状の修正や電源の調整に非常に長い時間を必
要とした。
【0010】また、放電管径を小さくすると、レーザガ
スの熱飽和が発生し易くなり、大出力機(kwレベル)
には適用できないという問題点があった。
【0011】本発明は、上記の課題を解決するもので、
簡易な電極形状、電力供給手段で任意の放電管径に対応
して均一に放電を発生し、かつ良好な出力ビームモード
で大出力のガスレーザ発振装置を提供することを目的と
するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、放電管内のガス流に放電管の断面方向に
速度ベクトルをもたせ、速度ベクトルをレーザ媒質の自
然緩和時間で除した値の速度を下限としたものである。
【0013】
【作用】上記の構成によれば、放電管内のレーザガス流
は放電管の断面方向に速度ベクトルを与える手段により
放電領域の小信号利得分布が均一化され、放電管内での
放電の集中が解消し、均一な放電状態を保ち、レーザ発
振効率が悪化することがない。そのため、注入電力の限
界が大幅に向上し、大出力のレーザビームを安定して放
射することができることとなる。
【0014】
【実施例】以下に本発明の一実施例のガスレーザ発振装
置について、図面を参照しながら説明する。なお、従来
例と同一構成部品には同じ符号を付し詳細な説明は省略
する。図1に本発明の第1の実施例の高速軸流形炭酸ガ
スレーザ発振装置の構成を示す。図1に示すように、1
4は放電管1のレーザガス流入口にレーザガスに放電管
断面方向に速度ベクトルを与える手段として、レーザ管
の軸方向に長穴の複数個のスリット状の結合通路を有す
る部材(以下、スリットという)である。
【0015】図2に本発明の第2の実施例のガスレーザ
発振装置の構成を示す。図に示すように、高周波電力を
放電管1に供給する導波管15を連通し、放電管1のレ
ーザガス流入口附近でレーザガスに放電管断面方向に速
度ベクトルを与えるためにスリット14を設ける。図3
に、レーザガスに放電管断面方向の速度ベクトルを与え
るためのスリット14の構成を示す。図4には、スリッ
ト14を設けた場合の放電管内のガス流速分布を示す。
また、図1および図2に示す実施例の構成で測定した、
放電管断面方向のガス流速を変化させた場合の放電管壁
の小信号利得値の変化を図5に示す。
【0016】ガス流速の方向成分は光軸方向の速度と、
放電管断面方向の速度に分けられる。この断面方向の速
度は円周方向の旋回流のみでなく中心方向に向かう成分
も含まれている。放電管断面方向の速度成分に断面方向
の小信号利得分布が影響されていることが分かる。
【0017】炭酸ガスレーザ発振装置のレーザ媒質であ
る二酸化炭素分子の自然放出の緩和時間は約2msであ
るが、レーザ共振器内では誘導放出により瞬時に下位レ
ベルに遷移すると考えられていた。しかし、図5に示す
ようにレーザガスを上記の緩和時間以内に放電の広がっ
ていない領域に拡散させれば、放電していない部分でも
誘導放出が起こり均一な放電分布が得られることが判明
した。すなわち、二酸化炭素分子の緩和時間である2m
sec以下から1msecまでの時間に放電管内面の直
径の約半分を移動できる速度があれば、小信号利得信号
は放電管断面で放電の広がりに影響されず均一化され、
出力ビームモードも同様に均一化されることが判明し
た。
【0018】図6は、ガスを放電管断面方向に速度成分
をもたせた図1の構成の対向させた金属電極を用いた1
3.56MHz、図2の構成の導波管を用いる2.45GH
zの周波数で放電させた場合の放電状態のレーザ出力ビ
ームモードである。
【0019】DC放電による励起方式では、例えば、特
開昭58−182888号公報に開示されているように
放電のアーク領域の生成を防止するためにガスを旋回流
にすることが考案されているが、本実施例のように高周
波励起におけるビームモードを向上させることを示唆す
るものではない。
【0020】上記のように、本実施例によれば放電管内
のガスを放電管断面方向に速度ベクトルをもたせること
により、放電領域を広げることなく良好な出力ビームモ
ードを有するレーザビームを得ることができる。特に、
励起周波数は高周波になるほど良好な結果が得られた。
【0021】
【発明の効果】以上の実施例の説明から明らかなように
本発明によれば、放電管内のガスを放電管断面方向に速
度ベクトルをもたせることにより、高周波励起において
放電領域を広げることなく良好なレーザ出力ビームモー
ドを得ることができ、大出力で均一なレーザビームを出
射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例のガスレーザ発振装置の
概略構成を示す図。
【図2】同第2の実施例のガスレーザ発振装置の概略構
成を示す図。
【図3】(a)は同スリットの構成を示す側面図。
(b)は同正面図。
【図4】同放電管内のガス流速分布を示す断面図。
【図5】(a)は放電管の断面方向のガス流速度分布と
小信号利得の関係を示す図。(b)は同流速測定点を示
す断面図。
【図6】同放電状態と出力ビームモードの関係を示す
図。
【図7】従来の炭酸ガスレーザ発振器の構成を示す図。
【図8】同炭酸ガスレーザ発振器の放電状態を示す断面
図。
【図9】同他の構成のレーザ発振装置の放電状態を示す
断面図。
【図10】(A)は図8の放電状態における小信号利得
とモード形状の関係を示す図。(B)は図9の放電状態
における小信号利得とモード形状の関係を示す図。
(C)は一様な放電状態における小信号利得とモード形
状の関係を示す図。
【図11】図7,図8に示すレーザ発振装置の電極配置
を変えた場合の放電状態を示す断面図。
【図12】従来のガスレーザ発振装置における放電管内
径が表皮効果厚さより小さい場合の放電状態を示す断面
図。
【符号の説明】
1 放電管 2、3 金属電極 4 高周波電源 5 放電空間 6 全反射鏡 7 部分反射鏡 8 レーザビーム 9 レーザガスの流れる方向 10 送気管 11、12 熱交換器 13 送風機 14 スリット 15 導波管
【手続補正書】
【提出日】平成5年12月22日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図10
【補正方法】変更
【補正内容】
【図10】 従来の炭酸ガスレーザ発振器または炭酸ガ
スレーザ発振装置の放置状態における小信号利得とモー
ド形状の関係を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 勝光 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】放電管を光軸と同軸上に配置し、前記放電
    管内を光軸方向に送風機によりレーザガスを流し、前記
    放電管の外部より高周波電界または高周波磁界を印加し
    て前記放電管内に放電を発生させ、前記放電をレーザ励
    起源として前記放電管の軸方向にレーザビームを発生す
    るガスレーザ発振装置において、前記放電管内のガス流
    が放電管の断面方向に速度ベクトルを有するガスレーザ
    発振装置。
  2. 【請求項2】放電管のガス流で放電管の断面方向の速度
    ベクトルを、前記放電管の内径をレーザ媒質の励起準位
    の自然緩和時間で除した値の速度を下限とする請求項1
    記載のガスレーザ発振装置。
  3. 【請求項3】高周波電界または高周波磁界は放電管に接
    続した導波管により供給され、かつ前記放電管内のガス
    流に放電管の断面方向の速度ベクトルを有する請求項1
    記載のガスレーザ発振装置。
  4. 【請求項4】放電管のガス流で放電管の断面方向の速度
    ベクトルを、前記放電管の内径をレーザ媒質の励起準位
    の自然緩和時間で除した値の速度を下限とする請求項3
    記載のガスレーザ発振装置。
  5. 【請求項5】放電管に印加する周波数を2.45GHzと
    する請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のガスレ
    ーザ発振装置。
  6. 【請求項6】放電管へのガス供給部にガス流に放電管断
    面方向の速度ベクトルを与える手段を備えた請求項1な
    いし請求項5のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
  7. 【請求項7】放電管へのガス供給部にガス流に放電管の
    断面方向に速度ベクトルを与える手段として、放電管の
    軸方向に複数のスリット状の結合通路を設けた請求項6
    記載のガスレーザ発振装置。
JP4244424A 1992-09-14 1992-09-14 ガスレーザ発振装置 Pending JPH06164042A (ja)

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