JPH08191164A - 固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】固体レーザ媒体側に励起光透過窓を備えた空洞
内に励起ランプが収納され、空洞内へ送り込まれた冷媒
の流れの中で励起ランプが冷却される構成の固体レーザ
を、励起ランプの端子電極部を効果的に冷却して過熱を
生じさせない冷却構造を備えたものとする。 【構成】励起ランプ８の両端子電極部をそれぞれ個別
に、あるいは一括に空隙１００を介して囲み、空洞１５
ａ内に流入した冷媒のうち、これらの空隙１００のいず
れをも通過しないで空洞１５ａから流出する冷媒を存在
させない流路ガイド１１を空洞１５ａ内に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ加工装置等に
用いるレーザであって、励起光の照射を受けてレーザ光
を生成，増幅するレーザ媒体に固体レーザ媒体が用いら
れ、この固体レーザ媒体を照射する励起ランプが、励起
光透過窓により閉鎖される開口をレーザ媒体側に備える
とともに冷媒の入口と出口とを有する空洞内に収納さ
れ、励起光照射中励起ランプが冷媒の流れの中で冷却さ
れる固体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の固体レーザでは、励起ラ
ンプに直管状のランプが用いられ、このランプを断面形
状が円弧状あるいは半楕円状の反射面をもつトンネル状
レフレクタの内側に配し、長手方向がランプの軸方向と
平行になるように置かれた，通常横断面形状方形の固体
レーザ媒体をランプからの直接光およびレフレクタから
の反射光で照射してレーザ媒体に光のエネルギーを吸収
させ、レーザ光を生成，増幅させる構造になっている。
励起ランプには、入力エネルギーに占める光エネルギー
の割合を多くするため、ＸｅやＫｒ等の発光用ガスが充
填されたガス放電式ランプが用いられるが、それでも消
費されるエネルギーの大部分は熱となるため、レフレク
タおよびランプを冷却するために、純水などの冷媒をラ
ンプの周囲とレフレクタ内面とに流して冷却が行われ
る。図３はレーザ光をパルス発振させるためのガス放電
式励起ランプの構造例を示すものであるが、石英ガラス
からなる直管状放電管１の軸方向両側の細径部にそれぞ
れ棒状の端子電極４および５が挿入され、これらの端子
電極４，５を外部へ引き出すアノード端子２およびカソ
ード端子３に放電管１の両端部を溶着させて放電管１内
部の気密が保たれている。端子電極４および５はそれぞ
れ電極冷却部４Ａ，５Ａと電極先端部４Ｂ，５Ｂとから
なるが、放電時には電極先端部４Ｂ，５Ｂでの発熱量が
多く、高温になるため、この熱を電極冷却部４Ａ，５Ａ
に伝導し、放電管１の細径部を通して冷媒中へ導出して
いる。励起ランプを冷媒の流れの中に置くために、励起
ランプとレフレクタとは、縦長の深い凹部が形成された
金属ブロックと，この凹部を閉鎖する蓋板とで形成され
る空洞内に収納される。この金属ブロックには冷媒導入
用の入口と冷媒導出用の出口とが形成されるとともに、
固体レーザ媒体側すなわち凹部の底面に開口が形成され
る。この開口は励起光透過窓で閉鎖され、この励起光透
過窓にレーザ光の生成に与らない波長の光を吸収させて
レーザ媒体を無用に加熱することのないようにするとと
もに、レーザ媒体側の冷媒と励起ランプ側の冷媒とを混
合させないようにする。

【０００３】このように構成される従来の固体レーザで
は、さらに、放電管１細径部からの熱導出を効果的に行
うため、図４に示すように、励起ランプを直管状の石英
ガラスからなるフローチューブ内に入れ、比較的低温の
上流側端子２まわりから流入した冷媒を上流側と下流側
との圧力差で励起ランプに近接させて流すことにより、
冷媒に熱を持ち去らさせるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、電極冷却
部を効果的に冷却するためにフローチューブを用いる従
来の方法には以下の問題点があった。 （イ）フローチューブと励起ランプとの間のリング状の
冷媒層の厚さがレフレクタの大きさの制約を受けて十分
大きくとれず、このため冷媒の温度が上昇しやすく、励
起ランプの下流側では冷媒の温度がかなり上昇し、下流
側電極冷却部との温度差が小さくなり、下流側電極冷却
部の冷却が効果的に行われず、一方、電極冷却部と放電
管細径部との間の隙間は、電極冷却部の熱を放電管細径
部を介して外部へ導出するために大きくとれず、このた
め、電極冷却部の熱膨張により隙間が無くなって放電管
細径部を押し広げる力がかかり、放電管が破壊しやすく
なる。

【０００５】（ロ）フローチューブに流入した冷媒が高
温の電極冷却部まわりで気化すると、冷媒の蒸気が下流
側のフローチューブ，励起ランプ間空間に励起ランプに
沿って存在し、かつこれが励起ランプにより加熱される
ため、フローチューブに流入する冷媒量が減り、特に下
流側電極部に対する冷却効果がさらに低下して放電管の
破壊がさらに起こりやすくなる。

【０００６】（ハ）フローチューブでの表面反射や吸収
があるため、固体レーザ媒体に照射される励起光エネル
ギーに約１０％の損失が生じ、レーザの発振効率が低下
する。 （ニ）フローチューブを入れるためにレフレクタの小形
化が制限される。 これらの問題点を解決する方法として、冷媒を送り出す
ポンプの吐出圧力を上げる方法が考えられるが、空洞の
耐圧力の問題や、ポンプの大型化によるコストアップの
問題がある。

【０００７】本発明の目的は、励起ランプ、特にその両
電極冷却部まわりに冷媒の温度上昇が問題にならないく
らい十分に冷媒を供給することのできる冷却構造をもつ
固体レーザを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、冒頭記載の構成による固体レー
ザ、すなわち、励起光の照射を受けてレーザ光を生成，
増幅する固体レーザ媒体を照射する励起ランプが、励起
光透過窓により閉鎖される開口をレーザ媒体側に備える
とともに冷媒の入口と出口とを有する空洞内に収納さ
れ、励起光照射中励起ランプが冷媒の流れの中で冷却さ
れる固体レーザを、請求項１に記載のごとく、前記空洞
内に、励起ランプの両端子電極部をそれぞれ個別に、あ
るいは一括に空隙を介して囲み、空洞の冷媒入口から空
洞内へ流入した冷媒のうち、前記空隙のいずれをも通過
しないで冷媒出口へ向かう冷媒を存在させない流路ガイ
ドが設けられたレーザとする。

【０００９】この場合、端子電極部と流路ガイドとの間
の空隙は、請求項２に記載のごとく、端子電極部の周方
向ほぼ一定するのがよい。また、端子電極部を空隙を介
して囲む流路ガイドの空隙部内周面の冷媒の流れ方向の
長さは、請求項３に記載のごとく、端子電極部の冷媒の
流れ方向の全長をカバーする長さとすれば好適である。

【００１０】

【作用】本発明は、冷媒の流れの中に被冷却物体を於い
てこれを冷却する際の冷却効果が、被冷却物体に沿って
流れる冷媒のマスフローによって決まるという冷却の基
本に着目し、空洞内へ送り出された冷媒を可及的多量に
端子電極部に沿って流しうる冷却構造の形成を目指した
ものである。本発明が対象とした冒頭記載の構成による
固体レーザでは、空洞内に送り込まれた冷媒は、励起ラ
ンプと，レーザ媒体の受光面を均一に照射するために必
然的に励起ランプと併用されるレフレクタとの両方の冷
却に用いられることになるが、本発明においては、励起
ランプが破壊するとレーザが機能を失うことから、送り
込まれた冷媒の全量が端子電極部の冷却に使用できる冷
却構造を目指した。冷媒の全量が最初に両端子電極部の
冷却に使用さたとしても、端子電極部は質量が小さく、
熱容量が小さいので、冷却後の冷媒の温度はさほど上昇
せず、励起ランプの放電管本体とレフレクタとを十分に
冷却することができる。そこで、この冷却構造を、請求
項１記載のごとく、空洞内に、励起ランプの両端子電極
部をそれぞれ個別に、あるいは一括に空隙を介して囲
み、空洞の冷媒入口から空洞内へ流入した冷媒のうち、
前記空隙のいずれをも通過しないで冷媒出口へ向かう冷
媒を存在させない流路ガイドが設けられた冷却構造とす
ると、励起ランプが直管状に形成され、空洞の冷媒入口
が励起ランプの長手方向一方の側に設けられているとき
には、冷媒は、上流側端子電極部−励起ランプ本体，レ
フレクタ−下流側端子電極部の順に、かつ両端子電極部
を全量で冷却する。また、空洞の冷媒入口を励起ランプ
の長手方向中間位置に設ける場合には、冷媒入口から流
入した冷媒は空洞内で２方向に分流し、それぞれ、励起
ランプ本体の長手方向約１／２の長さ、レフレクタの励
起ランプ長手方向約１／２の長さ−端子電極部の順に、
かつ両端子電極部をそれぞれ全量の１／２で、両端子電
極部合計では冷媒全量で端子電極部を冷却する。一方、
冷媒内の温度分布を見ると、レフレクタの長手方向範囲
内では、温度は常に励起ランプ側とレフレクタ反射面側
とで高く、中間では低く、温度分布が谷状となり、冷媒
の冷却順としてレフレクタがさきに冷却される冷媒の流
れの中でも、励起ランプの端子電極部まわりにもたらさ
れた冷媒は、空隙の径方向の幅が極端に小さくないかぎ
り、常に温度の谷へ向けて端子電極部の熱を伝達しよう
とするため、端子冷却部は効果的に冷却作用を受けるこ
とができる。また、励起ランプが、固体レーザ受光面の
均一照射を目的として、例えば対向２辺間隔の狭い，縦
長のＵ字状に形成されるような場合には、両端子電極部
が冷媒の流れの上流側に横一列に並ぶので、両端子電極
部を一括に冷媒全量で冷却することができる。

【００１１】そして、端子電極部の冷却構造を上記のよ
うに形成する場合、請求項２記載のように、端子電極部
と流路ガイドとの間の空隙を、端子電極部の周方向ほぼ
一定とすると、端子電極部まわりの冷媒層の厚みが均一
となり、端子電極部まわりの冷媒の流量が一定の場合、
端子電極部の冷却が最もよく行われる。また、請求項３
記載のように、端子電極部を空隙を介して囲む流路ガイ
ドの空隙部内周面の冷媒の流れ方向の長さを、端子電極
部の冷媒の流れ方向の全長をカバーする長さとすると、
冷媒の流れの速さが遅く、流れの慣性だけでは端子電極
部全長にわたり同一流路断面で流れを端子電極部に沿わ
せることのできない場合にも、冷媒を強制的に同一流路
断面で端子電極部に沿わせて冷却に与らせることがで
き、端子電極部を効果的に冷却することができる。

【００１２】

【実施例】図１に本発明の一実施例による励起ランプ端
子電極部の冷却構造を備えた固体レーザの構造例を示
す。なお、この実施例では、励起ランプを、レーザ光の
パルス発振を目的とした直管状のガス放電式励起ランプ
としている。レーザは、この例では、ＹＡＧ結晶からス
ラブ状に切り出してＮｄ³⁺を注入した固体レーザ媒体１
０と、スラブ状固体レーザ媒体１０の長手方向両側に配
されてレーザ媒体１０内で生成，増幅されたレーザ光を
紙面の上下方向に導く導光路１２と、これらレーザ媒体
１０，導光路１２を保持する，紙面の上下方向に長い角
溝状の凹部１５ａが形成されるとともに凹部１５ａの底
面に開口１５ｂが形成された金属ブロック１５と、開口
１５ｂを閉鎖する励起光透過窓９と、金属ブロック１５
の凹部１５ａを閉鎖して凹部１５ａを空洞空間化する蓋
板１４と、空洞空間１５ａ内に収納される励起ランプ８
と、空洞空間１５ａ内に収納され励起ランプ８の放射光
をレーザ媒体１０へ向けて反射するレフレクタ７と、本
発明による励起ランプの端子電極部冷却構造を作る流路
ガイド１１と、を主要構成要素として構成されている。
なお、蓋板１４には、励起ランプ８の端子を挟持して励
起ランプ８を空洞空間１５ａ内に保持する電流端子１３
が取り付けられている。

【００１３】レーザ光をパルス発振させる場合には、空
洞空間１５ａ内へ空洞空間１５ａの紙面上部に形成され
た図示されない冷媒入口から冷媒として純水を導入しな
がら、かつレーザ媒体１０が位置する冷媒流路にも純水
を導入しながら励起ランプ８のアノード端子２とカソー
ド端子３との間に所定の時間間隔でコンデンサ電圧を印
加して端子電極４，５（図３）の各先端部４Ｂ，５Ｂ間
に放電を生じさせ、これにより放電管１内の発光用ガス
を励起して光をパルス状に発生させる。この光は直接
に、またレフレクタで反射されて励起光透過窓９を透過
し、レーザ媒体１０を照射する。励起光透過窓９はフィ
ルタガラスで作られ、レーザ光の生成，増幅に与らない
紫外光を吸収してレーザ媒体１０の無用の加熱を防止す
る。レーザ媒体１０内に生成されたレーザ光は、媒体１
０内を、媒体１０の励起光受光面で全反射されながらジ
グザグに紙面の上下方向に進行し、下方へ進んだレーザ
光は下方の導光路１２を通って図示されない全反射ミラ
ーに到達し、ここで全反射され、再び導光路１２を通
り、レーザ媒体１０を通過し、通過の途中で増幅され、
上方の導光路１２を通って図示されない出力ミラーに到
達し、一部が出力ミラーを貫通して出力光として外部へ
射出され、残りが反射されて再び上方の導光路１２に入
る。

【００１４】励起ランプ８内の放電はパルス状に連続し
て発生するので、端子電極先端部（図３）に発生した熱
は次々に電極冷却部４Ａ，５Ａへ伝達され、電極冷却部
の温度を上昇させる。電極冷却部４Ａ，５Ａは図１およ
び図２に示すように、流路ガイド１１により空隙１００
を介して囲まれ、この空隙１００を、空洞空間１５ａ内
へ図の上部から送り込まれた冷却水の全量が通過する。
流路ガイド１１は、電極冷却部４Ａ，５Ａ（図３参照）
の長さに等しい厚みと、トンネル状レフレクタ７の横断
面形状と同一輪郭形状とを有する方形の金属板に、この
方形金属板をトンネル状レフレクタ７前後の端面に輪郭
を一致させて当接したときの励起ランプ８の中心軸位置
を中心とする円形の孔１１ａが形成されたもので、この
円形の孔１１ａを励起ランプ８の放電管１（図３）本体
の径よりも径の大きい孔として電極冷却部４Ａ，５Ａと
孔１１ａとの間に空隙１００を形成させている。

【００１５】この空隙１００を通過する純水（以下冷却
水と記す）はまず上部電極冷却部４Ａを冷却してレフレ
クタ７の内側へ入り、この内側空間で速度を落としてゆ
っくりと励起ランプ８の放電管１（図３）本体とレフレ
クタ７とを冷却し、再び冷却水の全量が下部電極冷却部
５Ａと流路ガイド１１の孔１１ａとの間の空隙１００を
通過し、下部電極冷却部５ａを冷却して空洞空間１５ａ
下部の出口から外部へ流出する。電極冷却部４Ａは電極
先端部からの熱伝達により高温に加熱されようとする
が、十分な量の冷却水により熱を持ち去られて加熱を免
れ、また、電極冷却部は寸法が小さく、熱容量が小さい
ので、上部電極冷却部４Ａまわりの空隙１００を通過し
た冷却水の温度はさほど上っておらず、かつこの冷却水
が励起ランプ８とレフレクタ７とを冷却する際には、励
起ランプ８側とレフレクタ７側とでは温度が上昇するが
中間では温度の上がり方が少ないため、冷却水の平均温
度はさほど高くならず、励起ランプ８側とレフレクタ７
側とへ広がった冷却水が再び集まって下部電極冷却部５
Ａまわりの空隙を通過するときの下部電極冷却部５Ａと
冷却水との温度差がさほど小さくならないため、下部電
極冷却部５Ａも上部電極冷却部４Ａと同等近くまで冷却
される。なお、図１において、２つの空洞空間１５ａ，
１５ａの各冷媒入口の流路断面はいずれも各冷媒出口の
流路断面よりも十分大きくして、両空洞空間１５ａ，１
５ａへの冷媒供給は並列に行い、両空間での冷媒流量を
等しくしている。また、空洞空間１５ａ，１５ａ内の冷
却とレーザ媒体１０の冷却とは別の流路で行っている。

【００１６】なお、図１には示していないが、流路ガイ
ド１１はレフレクタ７の紙面上下方向両端子にねじで固
定されている。従って励起ランプ８の両端子２，３（図
３）を電流端子１３（図１）に挿入して挟持させる場合
には、レフレクタ７と流路ガイド１１とをねじで一体化
した後、励起ランプ８を流路ガイド１１の孔１１ａを通
して電流端子１３への挿入，挟持が行われる。励起ラン
プ８の放電管１（図３）は石英ガラスで作られ、衝撃に
より破損しやすいので、レフレクタ７を、図１の紙面に
平行な平面を分割面とした２つ割り構造とし、励起ラン
プ８の両端子２，３（図３）をさきに電流端子１３（図
１）に挿入，挟持させ、励起ランプ８を両側から挟むよ
うにして空洞空間１５ａ内に組み込むようにしたい場合
は、流路ガイド１１も図１の紙面に平行な平面を分割面
とした２つの割り構造として、それぞれを２つ割り構造
のレフレクタ各片に一体化する。

【００１７】

【発明の効果】本発明では、冒頭記載の構成による固体
レーザを、請求項１に記載のごとく、空洞内に、励起ラ
ンプの両端子電極部をそれぞれ個別に、あるいは一括に
空隙を介して囲み、空洞の冷媒入口から空洞内へ流入し
た冷媒のうち、前記空隙のいずれをも通過しないで冷媒
出口へ向かう冷媒を存在させない流路ガイドを設けたも
のとしたので、空洞内に送り込まれた冷媒の全量で励起
ランプの端子電極部が冷却され、端子電極部の熱が冷媒
により多量に持ち去られるので端子電極部の過熱が生じ
なくなり、端子電極部の熱膨張による励起ランプの放電
管破壊が防止され、端子電極部が励起ランプの寿命を決
める要因にならなくなり、ランプ寿命が飛躍的に長くな
る。また、従来のフローチューブが不要となり、励起光
エネルギーの損失が低減され、レーザの発振効率が向上
した。さらに、レフレクタの小形化が可能となり、わず
かではあるがレーザの小形化が可能となった。

【００１８】そして、請求項２に記載のごとく、端子電
極部と流路ガイドとの間の空隙を端子電極部の周方向ほ
ぼ一定とすることにより、端子電極部まわりの冷媒層の
厚みが均一となり、端子電極部まわりの冷媒の流量が一
定の場合、端子電極部の冷却が最もよく行われるように
なるため、冷媒の利用効率が最大となる。また、請求項
３に記載のごとく、端子電極部を空隙を介して囲む流路
ガイドの空隙部内周面の冷媒の流れ方向の長さを、端子
電極部の冷媒の流れ方向の全長をカバーする長さとする
ことにより、端子電極部に沿う冷媒流の流速が小さく、
流れの慣性だけでは端子電極部の冷媒の流れ方向全長に
冷媒を同一流路断面で沿わせることができない場合に
も、端子電極部の冷媒の流れ方向全長に冷媒を同一流路
断面で沿わせることができ、冷媒の利用効率が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による励起ランプの端子電極部冷却構造
を備えた固体レーザ構造の一実施例を示す断面図

【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図

【図３】直管状励起ランプの構造例を示す断面図

【図４】直管状励起ランプの従来の冷却構造の一例を示
す断面図

【図５】直管状励起ランプに対する特別の冷却構造をも
たない従来一般の固体レーザにおける励起ランプの冷却
のされ方を説明するための要部断面図

【図６】図４に示した冷却構造をもつ固体レーザにおけ
る励起ランプの冷却のされ方を説明するための要部断面
図

【符号の説明】

１ 放電管 ２ アノード端子 ３ カソード端子 ４ 端子電極 ４Ａ 電極冷却部 ４Ｂ 電極先端部 ５ 端子電極 ５Ａ 電極冷却部 ５Ｂ 電極先端部 ７ レフレクタ ８ 励起ランプ ９ 励起光透過窓 １０ レーザ媒体 １１ 流路ガイド １１ａ 孔 １４ 蓋板 １５ 金属ブロック １５ａ 凹部（空洞空間，空洞） １５ｂ 開口 １００ 空隙

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】励起光の照射を受けてレーザ光を生成，増
   幅する固体レーザ媒体を照射する励起ランプが、励起光
   透過窓により閉鎖される開口をレーザ媒体側に備えると
   ともに冷媒の入口と出口とを有する空洞内に収納され、
   励起光照射中励起ランプが冷媒の流れの中で冷却される
   固体レーザにおいて、前記空洞内に、励起ランプの両端
   子電極部をそれぞれ個別に、あるいは一括に空隙を介し
   て囲み、空洞の冷媒入口から空洞内へ流入した冷媒のう
   ち、前記空隙のいずれをも通過しないで冷媒出口へ向か
   う冷媒を存在させない流路ガイドが設けられていること
   を特徴とする固体レーザ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、端子電極
   部と、これを囲む流路ガイドとの間の空隙は、端子電極
   部の周方向ほぼ一定とすることを特徴とする固体レー
   ザ。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載のものにおいて、
   端子電極部を空隙を介して囲む流路ガイドの空隙部内周
   面の冷媒の流れ方向の長さは、端子電極部の冷媒の流れ
   方向の全長をカバーする長さとすることを特徴とする固
   体レーザ。