JPH0685355A - レーザー システム - Google Patents

レーザー システム

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JPH0685355A
JPH0685355A JP5164767A JP16476793A JPH0685355A JP H0685355 A JPH0685355 A JP H0685355A JP 5164767 A JP5164767 A JP 5164767A JP 16476793 A JP16476793 A JP 16476793A JP H0685355 A JPH0685355 A JP H0685355A
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JP
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lamp
laser system
power supply
current
laser
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JP5164767A
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Graham Burrows
バロウズ グラハム
David Gurwicz
ガーウィッツ デビッド
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Lumonics Ltd
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Lumonics Ltd
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    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
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    • H02M7/53846—Control circuits
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザーシステムの電源部を小型化し、のコ
ストを下げること。 【構成】 一つのポンピングセクションと、そのポンピ
ングセクションにパワーを供給するための手段を含んで
いるレーザーシステムであって、前記のポンピングセク
ションは、一つの固体または液体のレーザー媒体と、そ
のレーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給するた
めの少なくとも一つのランプを含んでいて、その少なく
とも一つのランプは、放電を助けるための物質と、少な
くとも二つの電極がランプ包囲体の内部に封入されてい
るというものであり、前記のパワー供給手段は、反復す
る波形の電流を５kHzよりも高い周波数でもって前記の
少なくとも一つのランプに供給するように構成されてい
る

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、連続モード、変調モー
ド、もしくは、パルスのモードで作動し得るレーザーシ
ステムに関し、特に、一つのポンピングセクションと、
該ポンピングセクションにパワーを供給するための手段
を有し、該ポンピングセクションは、一つの固体または
液体のレーザー媒体と、該レーザー媒体にポンピング用
エネルギーを供給するための少なくとも一つのランプを
有しているレーザーシステムに関する。
【０００２】本発明は、さらに、ランプシステムにも関
している。
【０００３】
【従来の技術】上述したような従来のレーザーシステム
においては、電源部が、連続かまたはパルスの直流電流
を供給する。ランプは負のインピーダンス特性を有して
いるため、その電源部はランプを通して流れる電流を制
御／制限するためにインダクタやキャパシタを含んでお
り、このため、電源部は大きくて高価なものとなってい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
ーシステムにおいては、電源部が大きく、また、高価で
あるという問題点がある。
【０００５】本発明の一つの目的は、上記の欠点を克服
または少なくしたレーザシステムを提供することにあ
る。
【０００６】したがって、本発明のもう一つの目的は、
これらの困難が少なくなるような新しい改善されたレー
ザーシステムを提供することにある。
【０００７】本発明のさらにある目的は、上記のような
有利な電源部を有するレーザーシステムを提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの局面によ
れば、一つのポンピングセクションと、そのポンピング
セクションにパワーを供給するための手段を含んでいる
レーザーシステムであって、前記のポンピングセクショ
ンは、一つの固体または液体のレーザー媒体と、そのレ
ーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給するための
少なくとも一つのランプを含んでいて、その少なくとも
一つのランプは、放電を助けるための物質と、少なくと
も二つの電極がランプ包囲体の内部に封入されていると
いうものであり、前記のパワー供給手段は、反復する波
形の電流を５kHzよりも高い周波数でもって前記の少な
くとも一つのランプに供給するように構成されている、
というレーザーシステムが提供される。
【０００９】本発明の第２の局面によれば、一つのポン
ピングセクションと、そのポンピングセクションにパワ
ーを供給するための手段を含んでいるレーザーシステム
であって、前記のポンピングセクションは、一つの固体
または液体のレーザー媒体と、そのレーザー媒体にポン
ピング用エネルギーを供給するための少なくとも一つの
ランプを含んでいて、その少なくとも一つのランプは、
放電を助けるための物質と、少なくとも二つの電極がラ
ンプ包囲体の内部に封入されているというものであり、
前記のパワー供給手段は、前記の少なくとも一つのラン
プにおける放電をトリガーするための手段と、前記の少
なくとも一つのランプにおける放電を維持するための手
段を含んでいて、前記のトリガー手段は交流電流を比較
的に高い電圧でもって前記の少なくとも一つのランプに
供給するように構成されており、前記の維持手段は電流
を比較的に低い電圧でもって前記の少なくとも一つのラ
ンプに供給するように構成されている、というレーザー
システムが提供される。
【００１０】本発明の第３の局面によれば、一つのポン
ピングセクションと、そのポンピングセクションにパワ
ーを供給するための手段を含んでいるレーザーシステム
であって、前記のポンピングセクションは、一つの固体
または液体のレーザー媒体と、そのレーザー媒体にポン
ピング用エネルギーを供給するための少なくとも一つの
ランプを含んでいて、その少なくとも一つのランプは、
放電を助けるための物質と、少なくとも二つの電極がラ
ンプ包囲体の内部に封入されているというものであり、
前記のパワー供給手段は、直流電流の電源を形成するた
めの少なくとも一つのブーストコンバーターと、一つの
インダクタと一つのキャパシタが直列に接続された形の
１対のリアクティブな要素を有していてそのリアクティ
ブな要素の一方のものに跨がるように前記の少なくとも
一つのランプが接続されているという一つの共振回路
と、直流電源から電流を一つの方向に共振回路を通して
導くように構成された第１のスイッチングデバイスと、
直流電源から電流を反対の方向に共振回路を通して導く
ように構成された第２のスイッチングデバイスと、それ
らスイッチングデバイスを交互に導通させるようにドラ
イブしてそれによって共振回路において交流電流が流れ
るようにするための手段を含んでいる、というレーザー
システムが提供される。
【００１１】本発明の第４の局面によれば、一つのポン
ピングセクションと、そのポンピングセクションにパワ
ーを供給するための手段を含んでいるレーザーシステム
であって、前記のポンピングシステムは、一つの固体ま
たは液体のレーザー媒体と、そのレーザー媒体にポンピ
ング用エネルギーを供給するための少なくとも一つのラ
ンプを含んでいて、その少なくとも一つのランプは、放
電を助けるための物質と、少なくとも二つの電極がラン
プ包囲体の内部に封入されているというものであり、前
記のパワー供給手段は、交流の電流を前記の少なくとも
一つのランプに供給するように構成されている、という
レーザーシステムが提供される。
【００１２】
【作用】電源部は依然としてインダクタやキャパシタを
必要としているが、それらは、比較的に高い周波数でも
って作動する故に、すべて、比較的に小さい。したがっ
て、このレーザーシステムにおいては、電源部のコスト
とサイズが、従来のレーザーシステムにおける電源部の
それらに比べて遥かに小さくなっている。ランプの時定
数が、５kHzよりも高い周波数においては顕著に働くよ
うになる故に、レーザーシステムの出力パワーにおける
リップルを平坦化する。レーザーシステムが加工片上の
材料加工作業のために用いられる場合には、その加工片
の熱容量がさらなる平坦化の働きをする。
【００１３】ランプの中において放電を開始させるため
には、そのランプを比較的に高い電圧でもってトリガー
しなければならない。放電が開始した後には、その放電
は比較的に低い電圧でもって維持され得る。ランプに、
それをトリガーするために直流電流を供給する場合、高
いトリガー電圧を供給する必要があることの結果とし
て、電源部とポンピングセクションの両者の設計におい
て困難が生ずる。それらの困難は、ランプのパワーの増
大と共に増大する。
【００１４】ランプを交流電流でもってトリガーする場
合に、放電をトリガーするために必要な電圧は、直流電
流を用いる場合に必要な電圧よりも遥かに低い。したが
って、電源部とポンピングセクションの両者の設計が簡
単になる。
【００１５】放電を助けるための物質を収容しているラ
ンプのインピーダンス特性が高度に非線形であることの
故に、そのようなランプのためには、電圧の源としてで
はなく電流の源として機能して、ランプのインピーダン
スに依存しない値の電流をランブに供給するような電源
部を設けることが有利である。
【００１６】ブーストコンバーターは、それの本来の特
色として、電圧の源ではなく電流の源として働かせられ
る。また、前述したように、前記の少なくとも一つのラ
ンプを、共振回路のインダクタまたはキャパシタを跨ぐ
ように接続することによって、前記の少なくとも一つの
ランプを通る電流は、そのランプのインピーダンスに依
存しないこととなる。
【００１７】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【００１８】図１は、本発明の実施例であるレーザーシ
ステムであって、一つの加工片１０上の材料加工作業を
行うために用いられているレーザーシステムを示す図で
ある。
【００１９】このレーザーシステムは、電源部１４から
パワーを供給されているオプチカルヘッド１２を含んで
いる。電源部１４は、コンピュータ１６によって制御さ
れている。
【００２０】オプチカルヘッド１２からの出力ビーム
は、レンズ１８によって光ファイバー２０の入力端の上
に集光される。光ファイバー２０からの出力ビームは、
レンズ２２によって加工片１０の上に集光される。材料
加工作業はセンサ２４によって監視されており、そのセ
ンサの出力はコンピュータ１６に供給されている。コン
ピュータ１６は、所望の加工作業が行われるようにオプ
チカルヘッド１２からの出力ビームを制御するが、それ
を達成することのために、センサ２４からの信号を用い
ている。
【００２１】図１に示されているレーザーシステムは、
平均のパワーが２kWの出力ビームを生成する能力があ
る。しかしながら本発明は、このようなパワーのレーザ
ーにのみ用いられるのではなく、一つまたはより多くの
ランプによって励起された、低パワーと高パワーのどち
らのレーザーのシステムにも用いられる。低パワーのレ
ーザーシステムには、ほんの数ワットの出力パワーのも
のもある。本発明を実施したレーザーシステムは、多種
の加工片上での多種の材料加工作業を行うことのほか、
他の用途にも適している。加工片は、固体、液体、また
は気体であってよく、また、人間や動物の組織であって
もよい。材料加工作業としては、溶接、ろう付け、切
断、穴明け、マーキング、熱処理、材料キュアリングが
あり、なお、人間または動物の組織について行われる治
療や診断の作業もある。その他の用途としては、光のシ
ョーの光源、ホログラフィー、色素レーザーのような他
のレーザーのポンピング、および種々の研究上の用途が
ある。
【００２２】コンピュータ１６は、ルモニクス社(Lumon
ics Ltd, Cosford Lane, Swift Valley, Rugby, Englan
d)が製造し、販売しているJK 704レーザーにおいて用い
られているコンピュータの形をなしていればよい。レー
ザーシステムにおいて用いられるコンピュータの設計に
ついては当業者ならばよく知っているので、コンピュー
タ１６をさらに詳しく説明することはしない。
【００２３】コンピュータ１６は、連続か変調かまたは
パルスかの出力ビームが発生するように、オプチカルヘ
ッド１２へパワーを供給する電源部１４を制御する。連
続した出力ビームの場合は、それの平均のパワーがコン
ピュータシステムのユーザーによってセットされる。パ
ルスになった出力ビームの場合は、各パルスの持続時
間、形状、およびエネルギーのほか、パルスの繰り返し
数（時間当たりの）が、ユーザーによってセットされ
る。
【００２４】ここで図２を見るならば、そこでは、オプ
チカルヘッド１２と電源部１４の、それらに関係してい
るコンピュータ１６をも含めたブロック線図が示されて
いる。
【００２５】オプチカルヘッド１２は、組み合って一つ
の光学的共振器を限界している１対のミラー３０，３２
を有している。この光学的共振器の内部には、四つの同
一型のポンピングセクションすなわちチャンバー３４が
ある。
【００２６】各ポンピングセクション３４は、ポンピン
グ用の光をレーザー素子３８に供給する１対の８kWの放
電ランプ３６を含んでいる。図３に示されているよう
に、各ポンピングチャンバー３４の中で、二つのランプ
３６とレーザー素子３８が、一つの反射器４０によって
包囲されている。やはり図３で見られるように、レーザ
ー素子３８は、水ジャケット４２によって包囲されてい
る。運転の際には、濾過され脱塩された冷却水がその水
ジャケット４２を通過する。
【００２７】レーザー素子３８は、レーザーの活性媒体
であり、重量比で0.9%の酸化ネオジムがドーピングされ
ているＹＡＧロッドである。よく知られているように、
Ｎｄ：ＹＡＧは、波長が1064nmの光を放射する。Ｎｄ：
ＹＡＧは、本発明の場合に用いられ得るレーザー活性媒
体の一つの例に過ぎない。さらに、ロッドは、レーザー
媒体で可能な形態の一つに過ぎない。1064nmという波長
は可視スペクトルの域外であるが、本発明は、可視スペ
クトルの域内・域外のどちらの光を放射するレーザーの
活性媒体にも用いられ得る。
【００２８】本発明は、また、レーザー媒体が、例えば
エタノール中のローダミン６Ｇや、オキシ塩化セレン
（ＳｅＯＣｌ2）の中のＮｄ3+のような液体であるレー
ザーにおいても用いられ得る。
【００２９】図４において示されているように、各ラン
プ３６は、石英製の外囲すなわちチューブ４８の内部に
封入された１対の同一型の電極４６を含んでいる。両電
極４６の間での放電を助けるために、その石英製のチュ
ーブ４８は、圧力が800torrのクリプトンガスを収容し
ている。より詳しくは後述するが、ランプ３６は、周波
数が25kHzの交流電流で作動状態にされる。800torrとい
う圧力は厳密でなくてよいが、ガスの圧力は、音響的共
鳴を避けるように選定されるべきである。本発明は、放
電を助けるためにクリプトン以外の物質を用いている放
電ランプの場合においても用いられ得る。なお、各ラン
プにおいて、例えば放電の開始を助けるために適当な追
加の電極が設けられてよい。
【００３０】ミラー３０，３２は、コーティングされた
石英で作られた面平行のミラーである。ミラー３０は、
光学的共振器の中央に向いた側において99%より大きい
反射率を有している。ミラー３２は、オプチカルヘッド
１２の出力ミラーであって、光学的共振器の中央に向い
た側において40%の反射率を有している。
【００３１】各ポンピングチャンバー３４において、一
方のランプの一方の電極４６が他方のランプの一方の電
極４６に接続されているので、両方のランプ３６は直列
に接続されている。電源部１４は、各々のランプ３６の
他方の電極４６に接続されている。したがって、電源部
１４は、各々のランプ３６の二つの電極４６に電流を供
給する。
【００３２】上述したように、電源部１４は、周波数が
25kHzの交流電流をランプに供給する。25kHzという周波
数においては、各ランプ３６は、正の並列共振インピー
ダンスを有している。電源部の作動周波数が高くなると
共に、それの中で用いられているインダクタ、キャパシ
タ、および変圧器のサイズが小さくなる。このため、パ
ワー供給能力が同じであって直流電流をランプに供給す
る電源部において用いられているものに比べて遥かに小
さいインダクタ、キャパシタ、および変圧器を用いて電
源部１４を設計することが可能になる。この、インダク
タ、キャパシタ、および変圧器のサイズが小さくなるこ
とにより、電源部のコストが大いに削減されることにも
なる。
【００３３】ランプ３６の各々への放電電流の供給を中
止したときには、放射される光は、40マイクロ秒のオー
ダーの時限で減衰する。その結果として、交流で励起す
ることに起因しての、オプチカルヘッド１２からの出力
パワーにおけるリップルは顕著でない。また、多くの加
工片は、十分に大きい熱容量を有するので、加工作業の
間、レーザービームにはある程度のリップルが許容され
る。
【００３４】本発明は、作動が25kHzより低い場合また
は高い場合のどちらの場合の電源部にも用いられ得る。
しかし、周波数が低くなると、インダクタ、キャパシ
タ、および変圧器のサイズが大きくなり、出力パワーに
おけるリップルは、さらに顕著になる。本発明は、作動
周波数が５kHzより低い電源部には用いないことにする
のが望ましい。５kHzと20kHzの間の周波数では、電源部
で発生される音が可聴である故に、レーザーシステムの
オペレーターにとって妨害になることがある。したがっ
て、20kHzに等しいか、またはそれより高い周波数を用
いることが望ましい。電源部は、半導体のスイッチング
デバイスを含んでいる。そのようなデバイスの開発の現
状においては、30kHzよりも高い周波数で損失が顕著に
なる。スイッチングデバイスにおける改善が続いて行く
ならば、将来においては100kHzまでの作動が可能になる
はずである。
【００３５】ここで図５を見るならば、そこでは、オプ
チカルヘッド１２、電源部１４、およびコンピュータ１
６のブロック線図が示されているが、この場合には、オ
プチカルヘッド１２が、コンピュータ１６によって操作
されている音響光学変調器６０を含むように変形されて
いる。よく知られているように、音響光学変調器を設け
ることにより、オプチカルヘッド１２をＱスイッチ使用
のモードで作動させることが可能になる。
【００３６】ここで図６を見るならば、そこでは、オプ
チカルヘッド１２、電源部１４、およびコンピュータ１
６の、別のブロック線図が示されていて、この場合に
は、オプチカルヘッド１２が、ミラー３２の外側の出力
ビームの中に位置した調波発生機７０を含むように変形
されている。調波発生機７０は、例えば重水素化された
燐酸二水素カリウム（ＤＫＤＰ）の、非線形の結晶であ
る。この結晶は、それを通過する出力ビームの一部分の
波長を半分にする働きをする。所望ならば、二つまたは
より多くの結晶を直列にして用いてもよい。さらに、一
つの代案の構造として、調波発生器７０を光学的共振器
の内部に設けてもよい。
【００３７】図２，５，および６においては、本発明
を、オプチカルヘッドは光学的共振器の中において四つ
のポンピングセクションを有するとして示したが、本発
明は、オプチカルヘッドがこのような構造のものである
場合に限られるのではない。四つのポンピングチャンバ
ー３４を用いることは、高い出力パワーを有するレーザ
ービームを得るための便利な方法ではあるが、このポン
ピングセクションの数には厳密性はない。ポンピングチ
ャンバーの数は、レーザのパワー、およびその他の要求
に応じて選定されてよいものであって、例えば一つだけ
のポンピングチャンバーもあり得る。本発明は、光学的
共振器としてではなくて増幅器として構成されているオ
プチカルヘッドにも用いられ得る。オプチカルヘッドが
増幅器として構成されている場合は、ミラーは除去され
ていて、レーザー媒体からの光の放射は、外部で発生さ
れた光のビームによって刺激される。したがって、ポン
ピングセクションのセットは、マルチセクションの発振
器、または発振器／増幅器システム、または増幅器のチ
ェーンとして構成され得る。
【００３８】ランプ３６を作動状態にするのに交流電流
を用いることにより、直流電流の場合と比べて、さらに
二つの利点が得られる。それは、第１には、ランプ３６
の視感度効率が増大することであり、第２には、各ラン
プの電極が同じ速さで消耗するためにランプの寿命が増
大することである。
【００３９】ここで図７を見るならば、そこでは、電源
部１４のブロック線図が示されている。電源部１４は、
一つのＡＣ／ＤＣ変換器８０と四つのＤＣ／ＡＣ変換器
８２を含んでいる。変換器８０は、三相幹線路の周波数
を直流に変換し、それをライン８４，８６で、700Vの電
圧で四つのＤＣ／ＡＣ変換器８２の入力部に供給する。
各々の変換器８２は、それが組み合っているポンピング
チャンバー３４のランプ３６を作動状態にするための交
流電流を送出する。つまり、各々のポンピングチャンバ
ー３４は、自身のＤＣ／ＡＣ変換器８２を有している。
【００４０】ここで図８を見るならば、ＡＣ／ＤＣ変換
器８０は、三つのブーストコンバーター９０を含んでい
て、それらは、出力電流をキャパシタ９１に供給してい
る。図８においては、電源（主幹路）とブーストコンバ
ーター９０の間の接続が示されていない。各ブーストコ
ンバーター９０は、個別の制御回路９２によって制御さ
れており、各制御回路９２は、クロック９４からクロッ
ク信号を受入れている。ブーストコンバーター９０の各
々は25kHzの周波数で作動し、制御回路９２がクロック
９４と共に働くことにより、三つのブーストコンバータ
ー９０は120°の位相差をもって作動する。この25kHzと
いう周波数には厳密性がなく、フーストコンバーター９
０の周波数は、ランプ３６に供給される交流電流の周波
数と同じである必要はない。
【００４１】ここで図９を見るに、そこでは、ブースト
コンバーター９０の一つと、それに組み合わされている
制御回路９２と、クロック９４の回路図が示されてい
る。ブーストコンバーター９０は、一つの三相整流器１
００を含んでいて、それが、入力端子１０２で三相電源
（主幹路）からの電流を受入れる。整流器１００の正の
出力は、インダクタ１０４とダイオード１０６を経て、
正の出力供給ライン８４に接続されている。整流器１０
０の負の出力は、負の出力供給ライン８６に接続されて
いる。インダクタ１０４とダイオード１０６の間の接続
点が、トランジスタ１０８を経て負の供給ラインに接続
されており、そのトランジスタのコレクタとエミッタの
間がダイオード１１０でブリッジされている。インダク
タ１０４を通って流れる電流は、ホール効果電流センサ
１１２によって検出される。
【００４２】制御回路９２においては、電流センサ１１
２からの出力信号が電流検出回路１２０に供給されてい
る。電流検出回路１２０の出力信号は、インダクタ１０
４を通って流れている電流のレベルを示す。電流検出器
１２０の出力は、差動増幅器１２２の反転入力部に接続
されている。差動増幅器１２２の非反転入力部は、コン
ピュータ１６からの電流デマンド信号を、端子１２４を
経て受入れている。増幅器１２２の出力部と非反転入力
部の間は、抵抗器１２６，１２８、およびキャパシタ１
３０を含んだ回路によって接続されている。つまり、増
幅器１２２は積算器として構成されている。増幅器１２
２からの出力は、パルス幅変調器１４０の一方の入力部
に接続されている。パルス幅変調器１４０の他方の入力
部は、クロック９４からの信号を受入れている。パルス
幅変調器１４０の出力は、トランジスタドライブ回路１
４２の入力部に接続されていて、そのトランジスタドラ
イブ回路は、それの入力と出力の間を電気的に絶縁する
ための光学的リンクを含んでいる。トランジスタドライ
ブ回路１４２の出力は、トランジスタ１０８のベースに
接続されている。
【００４３】作動の際には、トランジスタドライブ回路
１４２が、クロック９４によって確立された周波数と位
相の矩形波のドライブ信号をトランジスタ１０８に供給
する。この矩形波信号のパルス幅変調が、コンピュータ
１６が要求する電流が達成されるように調整される。こ
のようにして、ブーストコンバーター９０は一つの電流
の源として働き、それの出力電流は、それによって作動
状態にされる二つのランプ３６が要求する電流にマッチ
させられる。よく知られているように、ブーストコンバ
ーターの出力電圧は、それの入力電圧よりも高い。
【００４４】ここで図１０を見るならば、そこでは、Ｄ
Ｃ／ＡＣ変換器８２の一例のブロック線図が示されてい
る。図示するように、このＤＣ／ＡＣ変換器８２は、イ
ンバーター回路１５０と制御回路１５２を含んでいる。
インバーター回路１５０は、供給ライン８４，８６で直
流電流を受入れ、出力電流を、それと組み合ったポンピ
ングチャンバー３４の二つのランプ３６に供給する。Ｄ
Ｃ／ＡＣ変換器８２は、概しては、国際特許出願WO 91/
20172に記述されている原理に従って構成されている。
【００４５】ここで図１１を見るならば、そこでは、イ
ンバーター回路１５０の回路図が示されている。この回
路においては、両供給ライン８４，８６の間が、１対の
キャパシタ１６０，１６２によって、そしてさらに１対
のトランジスタ１６４，１６６によって接続されてい
る。トランジスタ１６４，１６６の各々のコレクタとエ
ミッタの間は、それぞれに、各一つ（１対）のダイオー
ド１６８，１７０によってブリッジされている。両キャ
パシタ１６０，１６２間の接続点と、トランジスタ１６
４のエミッタとトランジスタ１６６のコレクタの間の接
続点の間が、共振回路１７２によって接続されている。
この共振回路は、キャパシタ１７４，変圧器１７８の一
次巻線１７６，インダクタ１８０、および電流検出変圧
器１８４の一時巻線１８２が直列に接続されたものを含
んでいる。変圧器１７８の一時巻線１７６は、リレー接
点１７９によって短絡ブリッジされている。トランジス
タ１６４，１６６は、それぞれ、各一つ（１対）のトラ
ンジスタドライブ回路１８６，１８８によってドライブ
されている。それらドライブ回路１８６，１８８は、そ
れぞれ、各一つ（１対）のフォトトランジスタ１９０，
１９２から入力信号を受入れている。
【００４６】二つのランプ３６が直列回路を形成するよ
うに接続されている。この直列回路の一方の端は、変圧
器１７８の二次巻線２００、電流検出変圧器２０４の一
次巻線２０２、および電流検出変圧器２０８を経て、両
キャパシタ１６０，１７４の間の接続点と接続されてい
る。二次巻線２００は、リレー接点２１０によって短絡
ブリッジされている。二つのランプ３６で形成された直
列回路の他方の端は、キャパシタ２１０、および変圧器
１７８のもう一つの二次巻線２１２を経て、キャパシタ
１７４と変圧器１７８の間の接続点と接続されている。
二次巻線２１２は、リレー接点２１４によって短絡ブリ
ッジされている。電圧検出器２１６が、二つのランプ３
６によって形成された直列回路に跨がるように接続され
ている。
【００４７】作動の際には、トランジスタ１６４，１６
６は、共振回路１７２において交流電流が、その共振回
路１７２の固有振動数に対応する周波数でもって流れる
こととなるように、交互にスイッチオンされる。この固
有振動数は、主としてはキャパシタ１７４とインダクタ
１８０の各々の値によって決まる。この実施例において
は、全負荷設計周波数が25kHzの値に設定されている。
【００４８】ところで、トランジスタ１６４，１６６が
オンオフされる時間関係を、図１２で説明する。この図
は、共振回路１７２の中を流れる交流電流の１サイクル
のグラフである。作動の説明は、先ずは、トランジスタ
１６４、１６６が、電流の最大値が得られるようにスイ
ッチオン／オフされることとして始める。
【００４９】サイクルの開始点、すなわち、電流の値が
ゼロを通過するときの時刻Ｔ0において、トランジスタ
１６６がスイッチオンされる。それにより、電流が、
（正の）供給ライン８４からキャパシタ１６０を経て、
共振回路１７２を矢印２２０の方向に通り、それからト
ランジスタ１６６を経て負の供給ライン８６に至るよう
に流れる。その後の、電流（の値）が再びゼロを通過す
るときの時刻Ｔ1には、トランジスター１６６はスイッ
チオフされ、トランジスタ１６４がスイッチオンされ
る。それにより、電流は、正の供給ライン８４からトラ
ンジスタ１６４を経て、共振回路１７２を矢印２２２の
方向に通り、それからキャパシタ１６２を経て、負の供
給ライン８６に至るように流れる。サイクルの終点、す
なわち、電流（の値）が再びゼロを通過するときの時刻
Ｔ2には、トランジスタ１６４はスイッチオフされ、ト
ランジスタ１６６がスイッチオンされ、それからはサイ
クルの繰り返しとなる。このようにインバーター回路が
作動するときは、共振回路１７２の両端間の電圧と、そ
れを通って流れる電流が同相になるので、最大のパワー
がランプ３６に供給される。
【００５０】共振回路１７２を通って流れる電流を減ら
すためには、トランジスタ１６４，１６６の各々を、そ
れぞれの半サイクルの終点よりも前にスイッチオフす
る。つまり、図１２で説明するならば、前の半サイクル
においては、トランジスタ１６６が時刻Ｔ4においてス
イッチオフされ、それは、時刻Ｔ1よりも前であって、
位相角では、時間間隔（Ｔ1−Ｔ4）に相当するファイだ
け前である。トランジスタ１６６がこのようにスイッチ
オフされたときに、電流は、共振回路１７２を矢印２２
０の方向に通って流れ続けるが、このときの電流は、ト
ランジスタ１６６を通るのではなくダイオード１６８を
通って流れる。後の半サイクルにおいては、トランジス
タ１６４が時刻Ｔ5においてスイッチオフされ、それ
は、時刻Ｔ2よりも前であって、位相角ではファイだけ
前である。トランジスタ１６４がこのようにスイッチオ
フされたときに、電流は、共振回路１７２を矢印２２２
の方向に通って流れ続けるが、このときの電流は、共振
回路１７２の外部では、トランジスタ１６４を通るので
はなくダイオード１７０を通って流れる。インバーター
回路がこのように作動するときには、共振回路１７２を
通って流れる電流とそれの両端間の電圧の間に位相差フ
ァイがあることとなる。ランプ３６に供給される電流も
パワーも減少する。
【００５１】より詳しく言うならば、各トランジスタが
正確にそれぞれの半サイクルの終点でスイッチオフされ
る場合のランプ３６におけるピークの電流の値をＩmax
とするならば、スイッチオフの時刻が位相角でファイだ
け進められた場合にランプを通して流れるピークの電流
（の値）はＩmax・cosφで与えられる。つまり、ランプ
３６に供給される電流は、位相角ファイを調節すること
によつて制御され得る。
【００５２】ここで注意しておくべきであるのは、ラン
プ３６に供給される電流が、それらランプのインピーダ
ンスの値に依存しないことである。変形として、ランプ
３６を、キャパシタ１７４を跨ぐように接続する代わり
に、インダクタ１８０を跨ぐように接続することもでき
る。
【００５３】インバーター回路は、ランプ３６に25kHz
の比較的に高い電圧の交流電流を供給することによって
それらランプ内での放電をトリガーするための回路を含
んでいる。この実施例においては、各ランプは、電圧実
効値が３kVである交流電流でもってトリガーされる。
【００５４】トリガー回路は変圧器１７８を含んでい
る。ランプ３６での放電をトリガーするためには、リレ
ー接点１７９，２１０，２１４が開になっており、した
がって、比較的に高い電圧が二次巻線２００，２１２の
各々の両端間に発生される。ランプ３６を通して流れる
電流は、電流検出変圧器２０８によって検出される。図
１３に示されているように、この変圧器の二次巻線２３
０は、電流検出器２３２の入力部に接続されている。ラ
ンプ３６を通る電流が所期の値まで上昇したときに、電
流検出器２３２がソレノイドコイル２３４を作動状態に
し、そのソレノイドコイルがリレー接点１７９，２１
０，２１４を閉にする。それからは、ランプ３６での放
電は比較的に低い電圧で維持される。
【００５５】トリガー回路は、ランプ３６に、反復交番
するポテンシャルを供給する。交番する場の下でのイオ
ン化の進展の故に、放電が、従来の場合すなわち短い高
電圧のパルスが供給される場合よりも実質的に低い電圧
で確立されることになる。その結果、オプチカルヘッド
の電源部とポンピングセクションの両者の設計は、高い
電圧に耐える必要がないので、従来の構成すなわち高電
圧絶縁を必要とする構成よりも簡単であり、より信頼性
に富んでいる。
【００５６】電流検出器２３２は、インバーター回路１
５０のための制御回路１５２の一部分を形成している。
制御回路１５２のその他の部分については、以降に図１
４を参照しつつ説明する。
【００５７】制御回路１５２において、電流検出変圧器
２０４の二次巻線２５０が、電流検出器２５２の入力部
に接続されている。電流検出器２５２は、それの出力に
おいて、ランプ３６を通って流れる電流のレベルを表す
信号を生成する。この信号は掛け算器２５４の一方の入
力部に供給されており、その掛け算器の他方の入力部
は、電圧検出器２１６からの出力信号を受け入れてい
る。したがって、掛け算器２５４の出力においては、二
つのランプ３６の組み合ってのパワー出力を表す信号が
生成される。
【００５８】掛け算器２５４の出力は、差動増幅器２５
６の反転入力部に供給されている。増幅器２５６の非反
転入力部は、コンピュータ１６からのパワーデマンド信
号を、端子２５８を経て受け入れている。増幅器２５６
の出力は、自らの反転入力部に、抵抗器２６０，２６
２、およびキャパシタ２６４を経て接続されている。つ
まり、増幅器２５６は積算器として構成されている。
【００５９】上述したように、コンピュータ１６は、レ
ーザーシステムが、所望のパワーを有する連続の出力ビ
ームか、変調された連続のビームか、あるいは、各パル
スの持続時間・形状・エネルギーやパルスの繰り返し数
（時間当たりの）がそれぞれに所望の値であるようなパ
ルスになったビームか、のどれでも生成するように、レ
ーザーシステムを制御し得る。所望の特性を有する出力
ビームを得るためには、端子２５８に供給されるパワー
デマンド信号をコンピュータ１６によってしかるべく設
定する。つまり、ランプに供給される25kHzの交流電流
は、搬送波として見てよいものである。この搬送波が、
連続の出力ビームを得るために変調されずにか、変調さ
れた出力ビームを得るために少なくとも500Hzまでの間
で変調されてか、あるいはパルスの形でか、のどれでで
も、ランプに供給され得る。
【００６０】増幅器２５６の出力は、タイマー２７０の
一方の入力部に接続されている。電流検出変圧器１８４
の二次巻線２７２が電流検出器２７４の入力部に接続さ
れている。この電流検出器の出力は、共振回路１７２を
通って流れる電流のレベルを表す。電流検出器２７４の
出力は、タイマー２７０の他方の入力部に供給されてい
る。タイマー２７０は二つの出力信号を送出していて、
それら出力信号は、それぞれに、各一つ（合わせて二
つ）のフォトダイオードドライバー２７６，２７８に供
給されている。フォトダイオードドライバー２７６，２
７８は、それぞれ、各一つ（１対）のフォトダイオード
２８０、２８２を作動状態にするものであり、それらフ
ォトダイオードは、図１１に示されている光トランジス
タ１９０，１９２とカップルされている。
【００６１】制御回路１５２の作動を図１２に示された
グラフを参照しつつ説明しよう。共振回路１７２の中を
流れる交流電流の一つのサイクルの開始点すなわち時刻
Ｔ0において、タイマー２７０が、フォトダイオードド
ライバー２７８をして、それのフォトダイオード２８２
を作動状態にする。それによりトランジスタ１６６がス
イッチオンされる。その後に、時刻Ｔ4において、タイ
マー２７０が、フォトダイオードドライバー２７８をし
て、それのフォトダイオード２８２を不作動状態にし、
それによりトランジスタ１６６をスイッチオフする。つ
まり、トランジスタ１６６は、前の半サイクルの終点よ
りも位相角でファイだけ前にスイッチオフされる。位相
（角）ファイの値は、増幅器２５６からタイマー２７０
に供給される信号によって決められる。
後の半サイクルにおいて
は、時刻Ｔ1に、タイマー２７０が、フォトダイオード
ドライバー２７６をして、フォトダイオード２８０を作
動状態にし、それによりトランジスタ１６４をスイッチ
オンする。時刻Ｔ5に、タイマー２７０が、フォトダイ
オードドライバー２７６をして、それのフォトダイオー
ド２８０を不作動状態にし、それによりトランジスタ１
６４をスイッチオフする。
【００６２】したがって、ランプ３６の出力パワーは、
コンピュータ１６によって要求されたデマンドパワーに
対応する。
【００６３】ここで図１５を見るならば、そこでは、イ
ンバーター回路１５０の一つの変形が示されていて、そ
れは、一つの全波整流器３００がキャパシタ１７４とラ
ンプ３６の間に接続されているという変形である。この
変形の故に、ランプ３６には全波整流された電流が供給
される。ランプ３６の両端間にトリガー電圧を供給する
ための回路を完成させるために、一つのキャパシタ３０
２が整流器３００の出力の両端子間に接続されている。
キャパシタ３０２の値は、トリガー電流を流れさせるに
は十分であるべきであるが、全波整流された電流が顕著
に平滑化される程に大きくされるべきでない。図１５に
示した変形の場合、共振回路１７２の中での電流の周波
数は、やはり25kHzである。しかし、ランプ３６に供給
される全波整流された電流は、その値の２倍の周波数の
繰り返し波形を有する。図１１に示されたインバーター
回路と比較すれば、図１５に示されたインバーター回路
は、各ランプ３６において一方の電極が他方の電極より
も速く消耗してその故にランプの寿命が短かくなるとい
う欠点を有している。
【００６４】図１１と図１５において、キャパシタ１７
４を単一のキャパシタであるとして示したが、それは、
実際には８個のキャパシタのバンクで形成されているの
であり、図を簡単にするために単一のキャパシタとして
示したのである。インダクタ１８０は、実際に単一のイ
ンダクタであるが、もし所望ならば、所望のインダクタ
ンスを達成するために、それを、二つまたはより多くの
インダクタで置き換えることもできる。
【００６５】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、電源部のコストを下げ、サイズを小さくする
ことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工片上での材料加工作業を行っている、本発
明の実施例であるレーザーシステムのブロック線図であ
る。
【図２】図１のレーザーシステムの、オプチカルヘッ
ド、電源部、およびコンピュータのブロック線図であ
る。
【図３】図１のレーザーシステムのポンピングセクショ
ンの断面図である。
【図４】図１のレーザーシステムのポンピングセクショ
ンの一部分を構成している、ランプの側面図である。
【図５】図１のレーザーシステムの、Ｑスイッチが設け
られた場合の、オプチカルヘッド、電源部、およびコン
ピュータのブロック線図である。
【図６】図１のレーザーシステムの、調波発生器を含む
ように変形された場合の、オプチカルヘッド、電源部、
およびコンピュータのブロック線図である。
【図７】図１のレーザーシステムの電源部のブロック線
図である。
【図８】図７の電源部の一部分を構成している、ＡＣ／
ＤＣ変換器のブロック線図である。
【図９】図８のＡＣ／ＤＣ変換器の、ブーストコンバー
ターと、それに組み合った制御回路の、一つのものの回
路図である。
【図１０】図７に示したＤＣ／ＡＣ変換器の一つのもの
のブロック線図である。
【図１１】図１０のＤＣ／ＡＣ変換器の一部分を構成し
ている、インバーター回路の回路図である。
【図１２】図１１のインバーター回路の作動を説明する
グラフである。
【図１３】図１４とともに、図１０のＤＣ／ＡＣ変換器
の制御回路の回路図を示している図である。
【図１４】図１３とともに、図１０のＤＣ／ＡＣ変換器
の制御回路の回路図を示している図である。
【図１５】図１１のインバーター回路の一つの変形、す
なわち、ランプには整流された交流電流が供給されると
いう変形を示す回路図である。
【符号の説明】
１０ 加工片 １２ オプチカルヘッド １４ 電源部 １６ コンピュータ １８ レンズ ２０ 光ファイバー ２２ レンズ ２４ センサ ３０，３２ ミラー ３４ ポンピングセクション（ポンピングチャンバ
ー） ３６ 放電ランプ ３８ レーザー素子 ４０ 反射器 ４２ 水ジャケット ４６ 電極 ４８ 石英製の包囲体（チューブ） ６０ 音響光学変調器 ７０ 調波発生器 ８０ ＡＣ／ＤＣ変換器 ８２ ＤＣ／ＡＣ変換器 ８４，８６ ライン ９０ ブーストコンバーター ９１ キャパシタ ９２ 制御回路 ９４ クロック １００ 三相整流器 １０２ 入力端子（１００の） １０４ インダクタ １０６ ダイオード １０８ トランジスタ １１０ ダイオード １１２ ホール効果電流センサ １２０ 電流検出回路（電流検出器） １２２ 差動増幅器 １２４ 端子（１２２の） １２６，１２８ 抵抗器 １３０ キャパシタ １４０ パルス幅変調器 １４２ トランジスタドライブ回路 １５０ インバーター回路 １５２ 制御回路 １６０，１６２ キャパシタ １６４，１６６ トランジスタ １６８，１７０ ダイオード １７２ 共振回路 １７４ キャパシタ １７６ 一次巻線（１７８の） １７８ 変圧器 １７９ リレー接点 １８０ インダクタ １８２ 一次巻線（１８４の） １８４ 電流検出変圧器 １８６，１８８ トランジスタドライブ回路 １９０，１９２ 光トランジスタ ２００ 二次巻線（１７８の） ２０２ 一次巻線（２０４の） ２０４ 電流検出変圧器 ２０６ 一次巻線（２０８の） ２０８ 電流検出変圧器 ２１０ リレー接点 ２１０ ２１２ 二次巻線（１７８の） ２１４ リレー接点 ２１６ 電圧検出器 ２２０，２２２ 矢印 ２３０ 二次巻線（２０８の） ２３２ 電流検出器 ２３４ ソレノイドコイル ２５０ 二次巻線（２０４の） ２５２ 電流検出器 ２５４ 掛け算器 ２５６ 差動増幅器 ２５８ 端子（２５６の） ２６０，２６２ 抵抗器 ２６４ キャパシタ ２７０ タイマー ２７２ 二次巻線（１８４の） ２７４ 電流検出器 ２７６，２７８ フォトダイオードドライバー ２８０，２８２ フォトダイオード ３００ 全波整流器 ３０２ キャパシタ
フロントページの続き (72)発明者 デビッド ガーウィッツ イギリス国 エヌイー８ １ティーピー タイン アンド ウィア ゲイトシェド ホワイトホール ロード 140

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一つのポンピングセクションと、そのポ
    ンピングセクションにパワーを供給するための手段を含
    んでいるレーザーシステムであって、前記のポンピング
    セクションは、一つの固体または液体のレーザー媒体
    と、そのレーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給
    するための少なくとも一つのランプを含んでいて、その
    少なくとも一つのランプは、放電を助けるための物質
    と、少なくとも二つの電極がランプ包囲体の内部に封入
    されているというものであり、前記のパワー供給手段
    は、反復する波形の電流を５kHzよりも高い周波数でも
    って前記の少なくとも一つのランプに供給するように構
    成されている、というレーザーシステム。
  2. 【請求項２】 前記の少なくとも一つのランプの中にあ
    る放電を助けるための物質が気体である、請求項１記載
    のレーザーシステム。
  3. 【請求項３】 パワー供給手段が、周波数が５kHzより
    も高い交流電流を前記の少なくとも一つのランプに供給
    するように構成されている、請求項１または２記載のレ
    ーザシステム。
  4. 【請求項４】 パワー供給手段が、20kHzより高いかま
    たはそれに等しい周波数でもって交流電流を供給するよ
    うに構成されている、請求項３記載のレーザーシステ
    ム。
  5. 【請求項５】 パワー供給手段が、100kHzより低いかま
    たはそれに等しい周波数でもつて交流電流を供給するよ
    うに構成されている、請求項３または４記載のレーザー
    システム。
  6. 【請求項６】 パワー供給手段が、整流された交流電流
    を前記の少なくとも一つのランプに供給するように構成
    されていて、整流の前の交流電流の周波数が５kHzより
    も高い、請求項３記載のレーザーシステム。
  7. 【請求項７】 整流の前の交流電流の周波数が20kHzよ
    り高いかまたはそれに等しい、請求項６記載のレーザー
    システム。
  8. 【請求項８】 整流の前の交流電流の周波数が100kHzよ
    りも低いかまたはそれに等しい、請求項７記載のレーザ
    ーシステム。
  9. 【請求項９】 パワー供給手段が、前記の少なくとも一
    つのランプにおける放電をトリガーするための手段を含
    んでいて、そのトリガー手段が、交流電流を比較的に高
    い電圧でもって前記の少なくとも一つのランプに供給す
    るように構成されている、請求項１ないし８のいずれか
    １項に記載のレーザーシステム。
  10. 【請求項１０】 パワー供給手段が、一つのインダクタ
    と一つのキャパシタが直列に接続された形の１対のリア
    クティブな要素を有していてそのリアクティブな要素の
    一方のものに跨がるように前記の少なくとも一つのラン
    プが接続されているという一つの共振回路と、直流電源
    から電流を一つの方向に共振回路を通して導くように構
    成された第１のスイッチングデバイスと、直流電源から
    電流を反対の方向に共振回路を通して導くように構成さ
    れた第２のスイッチングデバイスと、それらスイッチン
    グデバイスを交互に導通させるようにドライブしてそれ
    によって共振回路において交流電流が流れるようにする
    ための手段を含んでいる、請求項１ないし９のいずれか
    １項に記載のレーザーシステム。
  11. 【請求項１１】 スイッチングデバイスをドライブする
    手段が、各々のスイッチングデバイスがオフにされると
    ころの位相を、交流電流と相対的に、デマンドの信号に
    応じて変えるように構成されている、請求項１０記載の
    レーザーシステム。
  12. 【請求項１２】 直流電源が、少なくとも一つのブース
    トコンバータである、請求項１０または１１に記載のレ
    ーザーシステム。
  13. 【請求項１３】 ポンピングセクションが、出力ビーム
    を発生させるように一つの光学的共振器の中に位置して
    いる、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレー
    ザーシステム。
  14. 【請求項１４】 少なくとも二つのポンピングセクショ
    ンが、光学的共振器に中に位置している、請求項１３記
    載のレーザーシステム。
  15. 【請求項１５】 光学的共振器の中に位置してＱスイッ
    チ使用のモードで作動するように構成された光学的変調
    器または他のスイッチングデバイスを含んでいる、請求
    項１３または１４に記載のレーザーシステム。
  16. 【請求項１６】 出力ビームの波長を短くするように光
    学的共振器に組み合わせられた調波発生器を含んでい
    る、請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載のレー
    ザーシステム。
  17. 【請求項１７】 レーザーシステムによって行われる材
    料加工の作業を監視するための手段と、その監視手段に
    応答してそれによりパワー供給手段を制御する制御手段
    を含んでいる、請求項１ないし１６のいずれか１項に記
    載のレーザーシステム。
  18. 【請求項１８】 一つのポンピングセクションと、その
    ポンピングセクションにパワーを供給するための手段を
    含んでいるレーザーシステムであって、前記のポンピン
    グセクションは、一つの固体または液体のレーザー媒体
    と、そのレーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給
    するための少なくとも一つのランプを含んでいて、その
    少なくとも一つのランプは、放電を助けるための物質
    と、少なくとも二つの電極がランプ包囲体の内部に封入
    されているというものであり、前記のパワー供給手段
    は、前記の少なくとも一つのランプにおける放電をトリ
    ガーするための手段と、前記の少なくとも一つのランプ
    における放電を維持するための手段を含んでいて、前記
    のトリガー手段は交流電流を比較的に高い電圧でもって
    前記の少なくとも一つのランプに供給するように構成さ
    れており、前記の維持手段は電流を比較的に低い電圧で
    もって前記の少なくとも一つのランプに供給するように
    構成されている、というレーザーシステム。
  19. 【請求項１９】 一つのポンピングセクションと、その
    ポンピングセクションにパワーを供給するための手段を
    含んでいるレーザーシステムであって、前記のポンピン
    グセクションは、一つの固体または液体のレーザー媒体
    と、そのレーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給
    するための少なくとも一つのランプを含んでいて、その
    少なくとも一つのランプは、放電を助けるための物質
    と、少なくとも二つの電極がランプ包囲体の内部に封入
    されているというものであり、前記のパワー供給手段
    は、直流電流の電源を形成するための少なくとも一つの
    ブーストコンバーターと、一つのインダクタと一つのキ
    ャパシタが直列に接続された形の１対のリアクティブな
    要素を有していてそのリアクティブな要素の一方のもの
    に跨がるように前記の少なくとも一つのランプが接続さ
    れているという一つの共振回路と、直流電源から電流を
    一つの方向に共振回路を通して導くように構成された第
    １のスイッチングデバイスと、直流電源から電流を反対
    の方向に共振回路を通して導くように構成された第２の
    スイッチングデバイスと、それらスイッチングデバイス
    を交互に導通させるようにドライブしてそれによって共
    振回路において交流電流が流れるようにするための手段
    を含んでいる、というレーザーシステム。
  20. 【請求項２０】 一つのポンピングセクションと、その
    ポンピングセクションにパワーを供給するための手段を
    含んでいるレーザーシステムであって、前記のポンピン
    グセクションは、一つの固体または液体のレーザー媒体
    と、そのレーザー媒体にポンピング用エネルギーを供給
    するための少なくとも一つのランプを含んでいて、その
    少なくとも一つのランプは、放電を助けるための物質
    と、少なくとも二つの電極がランプ包囲体の内部に封入
    されているというものであり、前記のパワー供給手段
    は、交流の電流を前記の少なくとも一つのランプに供給
    するように構成されている、というレーザーシステム。
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