JPH08508365A - 密閉系の気体冷却構造を有する固体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固体レーザは、レーザの光学素子を包囲するための本体部分を有するハウジングを備える。光学素子をハウジングに直接取り付けるための、取り付け手段が設けられる。ハウジングは、光学素子を空間的に及び角度的に位置決めするに十分な剛性を有している。冷却手段が、予め選択された気体をハウジングの中で循環させることにより、光学素子からハウジングへ熱を移送する。

Description

【発明の詳細な説明】 密閉系の気体冷却構造を有する固体レーザ 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、医療用、機械加工用、及び、軍用のレーザシステムに関し、より詳 細には、コンパクトで、長期間の使用に対して信頼性があり、且つ現場で容易に 交換できる固体レーザに関する。２．従来技術の説明 固体レーザは、利得媒質が、通常は細長い円筒形のロッド（棒）の形態を有す る固体材料であるようなレーザである。一般に、上記ロッドは、Ｎｄ³⁺又はＣｒ³⁺ の如き活性イオンでドープされた結晶質材料、ガラス、又は、プラスチックか ら構成されており、一対の鏡によって形成されるレーザ共振器においてレーザ作 用をもたらす。このようなレーザにおいては、固体レーザロッドは、フラッシュ ランプからの光線に露呈された時に、レーザ利得をもたらす準備が整った活性状 態に到達する。 上述のタイプの固体レーザには、幾つかの問題がある。そのような問題の１つ は、レーザ共振器の光学素子（optics and components）の正確なアライメント （整合）を維持することが困難であることである。機械的に及び熱的に安定な実 験室で使用されてきたレーザは、物理的な振動、あるいは、温度変化により光学 素子のアライメントが損なわれるような機械工場のフロア又は個人病院で使用さ れた場合には、適正に作動しないことが多い。固体レーザに関する他の問題は、 そのコストが比較的高いことである。固体レーザの高いコストに寄与している要 因としては、（１）光学系を整合した状態に維持するために、重量のあるフレー ムを必要とすること、（２）ある種のダストに対して防塵性を有するが、通常は 気密ではない別個のハウジングを必要とすること、及び、（３）高価な熱交換器 ／熱除去システムを必要とすることが挙げられる。通常、熱は、フラッシュラン プの周囲、並びに、固体レーザロッドの周囲を循環する水によって、レーザから 取り除かれるが、そのような水は、フィルタを用いて清浄に維持しなければなら ず、そのフィルタは、システムを高価にする。レーザロッドの周囲に水を使用す ることにより呈示される別の問題は、そのような水を動作条件まで加熱するため に時間がかかることである。 レーザロッドから熱を取り除くためのその他の構造は、ロッドを固体材料と熱 的に接触させることにより、動作させるものである。このような構造では、大き な質量を動作温度まで加熱する必要があり、その結果として、熱の除去が不均一 なものとなり、レーザロッドに光学的な歪を生じさせる。 発明の摘要 本発明は、軽量且つ小型で、廉価に製造でき、更に、作動における安定性が極 めて高いレーザを提供する。一般的に言えば、そのようなレーザは、該レーザの 光学素子を包囲するための本体部分を有する、ハウジングを備える。上記光学素 子をハウジングに直接取り付けるための取り付け手段が設けられる。上記ハウジ ングは、光学素子を空間的に及び角度的に位置決めするために十分な剛性を有し ている。予め選択された気体を上記ハウジングの中で循環させることにより、冷 却手段が、光学素子からハウジングへ熱を移送させる。 レーザの光学素子を包囲すると共に、直接取り付けられた光学素子を空間的に 且つ角度的に位置決めするに十分な剛性を有する、ハウジングを用いることによ り、レーザシステムの信頼性が顕著に増大する。レーザの素子の数、ひいては、 レーザの寸法及び重量が、大幅に低減される。レーザロッド、フラッシュランプ 、及び、システムのその他の素子から発生する熱は、均一に且つ効率的にハウジ ングへ移送され、これにより、レーザロッドの光学的な歪が防止される。循環す る気体が、ハウジングにおける温度勾配を小さく維持し、アライメントすなわち 整合の変化を極力少なくする。ハウジングの中の光学素子は、外部汚染されない ように、予め選択された気体の中で容易にシールされる。熱除去効率は、上記ハ ウジング及び上記予め選択された気体に接触する熱交換手段によって、更に増大 させることができる。レーザロッドは、該レーザロッドに隣接して設けられた加 熱手段によって、加熱される。レーザをウォームアップするに必要なパワー及び 時間が減少し、迅速なファイアリング（最初のレーザ発振（ｌａｓｅｒｉｎｇ） ま での極めて短いウォームアップ時間）が達成される。 図面の簡単な説明 以下の詳細な説明、及び、添付の図面を参照することにより、本発明をより良 く理解することができ、別の利点が明らかとなるであろうが、図面において、 図１は、本発明の素子を含むレーザの斜視図であり、 図２は、図１の平面２−２に沿う側方断面図である。 発明の詳細な説明 図面の図１及び図２を参照すると、本発明のレーザ共振器を含むレーザシステ ムが、符号１でその全体を示されている。レーザ１は、本体部分を有するハウジ ング１０を備えており、上記本体部分は、符号１５でその全体が示され、より詳 細には、符号２２、３５、３７、４５で示されるレーザの光学素子を包囲してい る。符号１７でその全体が示され、より詳細には、符号３０、３４、３８、４６ で示される、取り付け手段が設けられており、該取り付け手段は、光学素子１５ をハウジング１０に直接取り付けている。ハウジング１０は、光学素子１５を空 間的及び角度的に位置決めするに十分な剛性を有している。符号１９でその全体 が示される冷却手段が、予め選択された気体をハウジング１０の中で循環させる ことにより、光学素子１５からハウジング１０へ、熱を移送する。また、冷却手 段１９は、レーザ１のその他の内部素子からハウジング1０へ、熱を移送する。 冷却手段１９によって、ハウジング１０へ、その熱が移送される光学素子は、固 体レーザロッド２２と、Ｑスイッチ３５と、高反射体３７と、出力カプラ４５で ある。冷却手段１９によって、ハウジング１０へ、その熱が移送されるそ他の素 子は、ヒータワイヤ（ヒータ電線）２４と、反射体２８と、ロッドホルダ３０と 、ソラリゼーション防止用（solarization）プレート３２と、ランプホルダ３４ と、ファン４２と、高反射体アセンブリ３８と、出力カプラ・アセンブリ４６と 、シャッタ４４である。 より詳細に言えば、ハウジング１０は、図１及び図２に示すように、ボックス １１と、側部プレート１２とを備えており、これらボックス及び側部プレートは 、レーザ１の本体部分を集合的に含んでいる。シャッタ制御システム２３、フラ ッシュランプの電源２０、Ｑスイッチ制御システム１８、及び、ヒータ電流２３ に 対して、電気的なフィードスルーが使用されている。出力ビームは、窓１６を通 過する。外部の水熱交換器１４が、ハウジング１０の側部カバー１２に取り付け られている。第２の水熱交換器（（図示せず））が、ハウジング１０の反対側の 側部に取り付けられている。 図２を参照すると、レーザ１の内部素子が示されている。ハウジング１０に関 連して設けられるシール手段１３が、上記ハウジングの内側の光学系を、ハウジ ング１０の外側の汚染物からシールしている。光学素子は、レーザ１の中に利得 を発生させるための、固体レーザロッド２２を含んでいる。熱絶縁材料から構成 される複数のロッドホルダ３０が、最初のレーザ発振を行う前のレーザのウォー ムアップの間の、ロッド２２からハウジング１０への熱移送を極力少なくする。 また、レーザ１は、ロッド２２に隣接して加熱手段２４も設けておくことがで きる。該加熱手段は、上記ロッド２２を加熱して、レーザのウォームアップに必 要な時間及びパワーを減少させる。図示のように、ロッド２２は、ロッドの外周 に複数回巻かれた電線２４によって、加熱される。ロッドの温度は、必要に応じ て、電線の抵抗、及び、該電線へのパルス電流を監視することによって、制御さ れる。電線ヒータ方法は、僅か約２分間のウォームアップ時間の後に、第１のレ ーザパルスをフルエネルギにする。 ハウジング１０に取り付けられる光学素子は、反射体２８、及び、フラッシュ ランプ２６の如きランプを更に備えることができる。反射体２８は、真空蒸着さ れた銀のコーティングを有しており、該コーティングは、二酸化ケイ素の層によ って保護されている。リフレクタの両端部は、熱を均一に除去するために、開放 されており且つ対称形である。フラッシュランプ２６は、石英から形成されてお り、Ｘｅ（キセノン）ガスが充填されている。フラッシュランプは、後に説明す るように、強制空気によって冷却されるので、寿命が長い。 取り付け手段１７は、予め選択された気体の循環を極力阻害しないように、構 成されている。循環手段４２は、予め選択された気体を、レーザロッドに平行な 方向に動かす。ロッドホルダ３０は、上記気体の運動方向における断面積を極力 小さくするように、構成されている。 より詳細に言えば、ロッドホルダ３０は、幾つかの目的を果たす。ロッドホル ダの設計は、空気流の中のホルダの断面積を極力小さくする。ロッドホルダ３０ は、ステンレス鋼の如き、熱伝導率の小さな材料から構成され、熱の流れを少な くするために、薄い輪郭を有している。ロッドホルダ３０は、ロッドを保持する ジルコニアリング（図示せず）を拘束している。この構造は、熱の流れを大幅に 減少させる。ロッドホルダ３０はまた、該ロッド３０の回転を阻止するＯリング を圧縮し、ソラリゼーション防止用プレート３２を保持し、電線ヒータ２４用の フィードスルーの役割を果たす。 取り付け手段は更に、複数のランプホルダ３４を備えることができる。各々の ランプホルダ３４は、気体の運動方向において、極力小さな断面積を有しており 、これにより、そのようなランプホルダの存在により生ずる反射体の中の空気の 流量の減少は、極めて小さい。 Ｑスイッチ・ハウジング３６の中のＱスイッチ３５は、電界によって作動され るもので、反射を減少させるゾル／ゲル・コーティングを有している。このタイ プのコーティングは、湿度に敏感なので、このようなパージされ且つシールされ たハウジングにおいてのみ使用することができる。 高反射体アセンブリ３８は、符号２１でその全体を示すレーザ共振器の反射鏡 ３７を整合させるものであり、バネ鋼のフレックス・マウントを使用している。 光学系は、適所に接合され、レーザロッドの向きに悪影響を与える、応力の複屈 折を減少させる。 冷却手段１９は、ハウジング１０に隣接して該ハウジングの中に設けられる、 熱交換手段４０を備えることができ、該熱交換手段は、予め選択された気体から ハウジング１０へ熱を移送する。すなわち、熱交換器４０は、高速の空気流から 熱を伝導して、該熱をハウジング１０へ移送し、その熱は、上記ハウジングにお いて、空気又は水の熱交換器１４によって除去される。この構成は、熱的に最も 敏感であるファンの温度を低下させる。熱交換手段４０は、複数の金属プレート を備えており、これら金属プレートは、予め選択された気体に接触して、該気体 からハウジング１０への熱交換を促進するよう、大きな表面積を有するように配 列されている。冷却手段１９を構成するファン４２は、ハウジング１０を通して 空気を非常に迅速に動かす高ＲＰＭ（高速回転）ユニットであるのが好ましい。 ファン４２は、動作中のボックスの中の高い温度において、光学系を汚染しよう とする排出ガスを殆ど発生しない。空気は、ファン４２から、反射体２８を通っ て、熱交換器４０へ流れる。ファン４２は、ボックス内の温度とフラッシュラン プの衝撃係数（ｄｕｔｙ ｃｙｃｌｅ）をサンプリングすることにより、オン・ オフされる。上記ファンは、ウォームアップ期間には、オフ（運転停止）となり 、光学系が１００％の衝撃係数で動作している時には、連続的にオン（運転）と なる。 ファン４２の代わりに、あるいは、該ファンに加えて、レーザ１は、第２のす なわち二次的な冷却手段として、ハウジング１０と熱的に関連して水ジャケット １４を設けることができる。シャッタ４４は、バランスの取れた２プレート型の ビームブロックを回転させて、共振器内のレーザ発振を禁止する、ソレノイドで ある。出力カプラ４６は、ガス放出の少ない、弾性的な接合用化合物を用いて、 金属キャリア（金属の台）に接合されている。上記キャリアは、ハウジング１０ に対してボルト止めされている。波長のぶれ（ゆれうごき）を極力小さくするた めに、出力カプラには、狭帯域反射コーティングを設けることができる。 図１に箱型すなわちボックス型のケーシングとして示すハウジング１０は、可 能な限り小さくし、空気の流速を高く維持する。レーザ共振器は、ハウジング１ ０の一部であるので、総ての材料は、熱膨張を等しくするために、同じ金属合金 から形成される。ハウジング１０の寸法が小さければ、アライメントを維持する に十分な剛性が得られる。光学素子は、熱交換器４０から離れた下方部分に設け られ、これにより、温度勾配により生ずるハウジング１０の曲がりに起因するレ ーザ共振器のミスアライメント（不整合）を極力小さくする。ハウジング１０の 両端部の温度差に起因するレーザ共振器２１のミスアライメントは、熱交換器４ ０をハウジング１０の中心（長手方向における）付近に位置させることにより、 極めて小さくなる。高速ファン４２は、ハウジングの中の温度勾配を小さい状態 に維持し、アライメントの変化を極力小さくする。ハウジング１０は、シュレー ダ弁（Ｓｃｈｒａｄｅｒ ｖａｌｖｅ）４８、及び、リリーフ弁（調整弁）５０ を介して、乾燥窒素でパージ（洗浄）されて、乾燥した環境を生ずるとともに、 フラッシュランプの点火パルスに対して、高いアーク電気抵抗の利益を有する。 レーザロッド２２が、アレキサンドライトから構成されているレーザ共振器２ １の実施例においては、光学素子は更に、ハウジング１０に取り付けられた、光 学プレート３２を備えることができ、該光学プレートは、ハウジング１０の中の ランプ２６とレーザロッド２２との間に設けられている。光学プレート３２は、 ３５０ｎｍよりも低い波長を有する光線の透過を阻止し、これにより、アレキサ ンドライトのソラリゼーションを防止するように、作用する。図示の実施例にお いては、ソラリゼーション防止用プレート３２には、透過ロスを低くするように 、増透膜すなわち反射防止膜がコーティングされている。上記プレートの厚みは 、気体の流れを極力妨げないように、僅かに約０．５１ｍｍ（０．０２０インチ ）である。 上に説明したレーザ１は、勿論、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の 態様で変更することができる。図示のように、ハウジング１０は、レーザの基本 的な素子を包囲し、冷却手段１９によって該ハウジングに伝達された熱を受け取 る、ヒートシンク（吸熱器）として作用する。上記基本的な素子は、レーザ共振 器２１と、励起システム２５と、熱管理システム１９とを含む。上述のように、 レーザ共振器２１は、レーザロッド２２、Ｑスイッチ３５、高反射体２８、鏡３ ７、及び、出力カプラ４５を含む、複数の素子を備える。励起システム２５を構 成する素子は、ヒータワイヤ２４と、フラッシュランプ２６と、反射体２８と、 ソラリゼーション防止用プレート３２とを含む。熱管理システム１９は、その素 子として、ハウジング１０と、水熱交換器１４と、反射体２８と、熱交換器４０ と、ファン４２とを備える。（反射体２８は、フラッシュランプ２６からの光線 を集めて、該光線をレーザロッド２２へ導くので、励起システム２５の素子であ る。また、反射体２８は、気体の流れをフラッシュランプ２６及びレーザロッド ２２の周囲に導くので、熱管理システムの素子の役割も果たす。）レーザ共振器 ２１、励起システム２５、及び、熱管理システム１９の素子が変化したり、ある いは、ハウジング１０の中におけるその配列が変更される、レーザ１のその他の 実施例も、本発明の範囲内にある。例えば、ハウジング１０は、円筒形の形態を 有することができる。ハウジング１０の中の気体の流れは、同軸状にすることが できる。ダブルチャンバ型のハウジング１０を用いて、より大きなファンの使用 、 並びに、より大きな気体の流れを許容することができる。レーザ共振器２１は、 別のキャビティ内素子を設けることができるように、延長することができる。フ ラッシュランプ２６は、ダイオード又はダイオードレーザで置き換えることがで きる。高反射鏡３７、及び、高反射鏡アセンブリ３８は、プリズム、あるいは、 鏡及びプリズムによって、置き換えることができる。そのような変更は、請求の 範囲によって決定される本発明の範囲内のものである。 作動の際には、電線ヒータ２４に電圧を与えて、レーザロッド２２を加熱する （必要であれば）。所定の短い時間間隔の後に、電流パルスが、ランプ２６に与 えられ、ロッド２２によって吸収される光パルスが発生する。レーザロッド２２ がほぼ励起される時に、Ｑスイッチ３６への電圧を切り換え、レーザ発振を行わ せる。レーザ発振は、レーザ共振器において、高反射体アセンブリ３８の高反射 体３７と出力カプラ・アセンブリ４６の出力カプラ４５との間で、発生する。数 回のレーザパルスの後に、あるいは、必要に応じて、ファン４２を運転して、ハ ウジング１０の中で気体を循環させ、ランプ２６、ロッド２２、及び、反射体２ ８、並びに、熱が発生している他の素子から熱を奪って、熱交換器４０に熱を与 える。熱交換器４０は、上記熱をハウジング１０へ移送し、その熱は、外部の水 熱交換器１４によって、除去される。 以上に、本発明を詳細に説明したが、そのような細部に厳密に拘泥されること はなく、請求の範囲に入る総ての変形例及び変更例は、当業者には自明であろう 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レスリー，ケンリック・アール アメリカ合衆国ニュージャージー州07950, モーリス・プレインズ，ルート 10 2467，ビルディング 22，アパートメント ３ビー (72)発明者 ヘイドラー，シオドーア・ティー アメリカ合衆国ニュージャージー州07645, モントベイル，ウッドランド・ロード 45 (72)発明者 ブラマート，ラバル・ブイ アメリカ合衆国ニュージャージー州07748, ミドルタウン，マービン・ロード 169

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザシステムであって、レーザ共振器が、 （ａ）レーザの光学素子を包囲するための本体部分を有するハウジングと、 （ｂ）前記レーザの光学素子を前記ハウジングに直接取り付けるための取り付 け手段とを備え、 （ｃ）前記ハウジングは、前記光学素子を空間的及び角度的に位置決めするの に十分な剛性を有しており、更に、 （ｄ）予め選択された気体を前記ハウジングの中で強制的に循環させることに より、前記光学素子から前記ハウジングヘ熱を移送するための冷却手段とを備え ることを特徴とするレーザシステム。 ２．請求項１のレーザシステムにおいて、前記光学素子は、前記共振器の中に 利得を発生させるためのレーザロッドを含み、前記取り付け手段は、熱絶縁材料 から構成された複数のロッドホルダを含み、該ロッドホルダは、最初のレーザ発 振を行う前の当該レーザシステムのウォームアップの間に、前記ロッドから前記 ハウジングへの熱移送を極力少なくするものであることを特徴とするレーザシス テム。 ３．請求項２のレーザシステムにおいて、前記ロッドに隣接して設けられる加 熱手段を更に備え、該加熱手段は、前記ロッドを加熱して、当該レーザシステム のウォームアップに必要な時間及びパワーを減少させるものであることを特徴と するレーザシステム。 ４．請求項３のレーザシステムにおいて、前記加熱手段は、前記ロッドの周囲 に螺旋状に巻かれた、抵抗電線を含むことを特徴とするレーザシステム。 ５．請求項１のレーザシステムにおいて、前記取り付け手段は、前記予め選択 された気体の循環を極力阻害しないように構成されていることを特徴とするレー ザシステム。 ６．請求項２のレーザシステムにおいて、前記冷却手段は、前記予め選択され た気体を、前記レーザロッドに平行な方向に動かし、また、前記ロッドホルダは 、前記気体の運動方向において、極めて小さな断面積を有するものであることを 特 徴とするレーザシステム。 ７．請求項２のレーザシステムにおいて、前記光学素子が反射体及びランプを 更に含み、前記取り付け手段が複数のランプホルダを更に含み、前記反射体及び 前記ランプホルダの各々が、前記気体の運動方向において、極めて小さな断面積 を有するものであることを特徴とするレーザシステム。 ８．請求項１のレーザシステムにおいて、前記レーザロッドが、その活性イオ ンとしてクロムを利用するレーザ発振用材料から構成されるものであることを特 徴とするレーザシステム。 ９．請求項２のレーザシステムにおいて、前記レーザロッドが、アレキサンド ライトから構成されるものであることを特徴とするレーザシステム。 １０．請求項１のレーザシステムにおいて、前記冷却手段が熱交換手段を更に含 み、該熱交換手段が、前記ハウジングに隣接して該ハウジングの中に設けられ、 前記予め選択された気体から前記ハウジングへ熱を移送するものであることを特 徴とするレーザシステム。