JPH09214020A - ガスレーザ管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザ光（紫外線）による劣化が少なく、安定
で高出力のガスレーザ管を得る。 【解決手段】ブリュースタ窓と気密接合する円筒状のブ
リュースタバルブとを水晶から作り、一端面をブリュー
スタ角（３２．６６°）傾けて切断し、かつ、この面が
Ｘカット面（Ｚ軸に直交）となるようにする。一方、ブ
リュースタバルブの他端は、Ｘカット面と直交する面
（Ｚカット面）となるように切断する。Ｘカット面で
は、Ｚ軸とＹ軸があり、機械的強度、および熱膨張率が
互いに約２倍異なる。一方Ｚカット面では、ＸおよびＹ
軸を含むが、熱膨張率等はほぼ同一である。Ｘカット面
にＸカット水晶ブリュースタ窓を、Ｚカット面にはステ
ンレス，モネル，電磁軟鉄等の金属を夫々フリットガラ
スで気密接合すれば信頼度の高いガスレーザ管が製造で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスレーザ管、特に
ブリュースタ窓にＸカット水晶板を用いた場合のガスレ
ーザ管の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスレーザ管は、アルゴンやヘリウムお
よびネオン等の低圧気体を気密容器に封入したもので、
その発振光を利用した、医用機器，プリンター，実験用
光源，製版など近年、増々その用途を拡大してきてい
る。また、最近の傾向として高出力の紫外光（波長約３
５０ｎｍ以下）を利用する用途が増加している。

【０００３】こうしたガスレーザ管の代表的構造例を図
３に示す。ブリュースタ窓３２ａ，３２ｂ（以下窓と呼
ぶ）は、放電路細管３１，アノード、およびカソード３
６を内蔵する気密容器３０の両端に取付けたブリュース
タバルブ３３ａ，３３ｂの端部にガラス等で気密に接合
されている。ガスレーザ管の外部には反射ミラー３４お
よび出力ミラー３５が、夫々ブリュースタ窓３２ａ，３
２ｂに対向して配置されている。

【０００４】気密容器内には数１０Ｐａの希ガス、例え
ばアルゴン，クリプトンなどが封入されていて、カソー
ド３６とアノード３７の間に電圧を印加し、ガス放電を
起こさせる。その放電光は、ミラー３４と３５で構成さ
れる光共振器内を往復して発振し特定波長の光が増幅さ
れてレーザ光３８となり、出力ミラー３５側から放出さ
れる。

【０００５】ブリュースタ窓３２ａ，３２ｂは、一般に
は光学ガラスや石英ガラス素材から作られていて、光軸
に対してブリュースタ角（石英ガラスの場合、約３４
°）だけ傾けることによって光の位相角による反射ロス
に異方性が生じ、特定の位相成分の光の透過，増幅が起
り、直線偏光性の強いレーザ光を得ることができる。し
かるに、窓３２ａ，３２ｂは前述の高出力の紫外光の照
射を受けるため、これにより窓のガラスの光学的劣化が
起り、レーザ出力の低下や光モード不良をまねくことが
問題となって来た。

【０００６】この対策として、最近ガラスに比べ安定な
水晶（ＳｉＯ₂ の単結晶）を窓に用いる試みがなされて
いる。しかし、結晶材料である水晶は結晶軸方向により
機械的特性、すなわちヤング率，強度および熱膨張率な
どの物理特性が著しく異なる。図６に結晶軸と熱膨張の
関係を示す。このため窓をブリュースタバルブに接合す
る場合、種々の工夫が必要となる。例えば特開昭５８−
２２３３８４号では、従来の技法として用いて来たエポ
キシ樹脂接着剤による接着の気密接合の信頼性を高める
ことを目的として、ブリュースタバルブの窓接合面に、
金属酸化物層を順次蒸着して、最終的に接合用のガラス
成分組成比となる様な成分および厚さとしている。これ
に窓を重ねて加熱することでガラス接合層を極力薄くし
て、熱膨張差により発生する応力の影響を極力小さくす
る提案がなされている。

【０００７】また、図４は、米国特許４６７７６４０号
に見られるブリュースタ窓部分の構造を引用したもの
で、異方性の小さなＺカット水晶から成るブリュースタ
窓１１をＺカット面を持つブリュースタバルブ１２の一
端面にシールガラス１３で気密接合している。また、ブ
リュースタバルブの他端もＺカット面とし、これに金属
管状部品１４を別のシールガラス１５で気密接合してい
る。これ等をガスレーザ管の端部金属部品１６とろう付
等で接合し、ブリュースタ窓がガスレーザ管に取付けら
れる。

【０００８】図５は、Ｘカット水晶の窓を用いた他のガ
スレーザ管のブリュースタ窓付近の断面構造を示す図で
ある。ここでブリュースタ窓２１は、Ｘカット面を有す
る水晶製ブリュースタバルブ２２にシールガラス２３で
気密に接合されている。一方、ブリュースタバルブ２２
の他端はフランジ２２ａが形成され、その端面は図示の
ようにレーザ光（管）軸に垂直である。また、この端面
は光学研磨されていて、レーザ管の端部金属部品２６と
の間に円環状のインジウム（Ｉｎ）箔２７を介して機械
的に気密接合されている。部品２８ａ，２８ｂは相対す
る金属フランジでこれ等はボルト２８ｃで締付け、固定
されている。インジウム２７を気密接合材に用いる理由
は、端部金属部品２６と水晶フランジ（２２ａ）の熱膨
張関係の不一致を回避するためである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来の水
晶板をブリュースタ窓に用いたガスレーザ管の構造には
次の欠点があった。

【００１０】（１）Ｘカット水晶板は方向性があるため
接合する相手部品もＸカットとする等の制限がある。こ
れを無視すると割れ等の破損が生じやすい。

【００１１】（２）Ｚカット水晶板は面内熱膨張特性の
等方性は良いが、レーザ管の出力特性等の安定化に時間
がかかると云う実用上の問題があった。この現象の原因
は、まだ明らかではないが光学面板の板厚方向が熱膨張
率の大きいＺ軸方向であって、レーザ管自体やレーザ発
振器の温度ドリフトの影響を受け易いためと考えられ
る。

【００１２】（３）前述のインジウムを用いた機械的気
密接合では、接合構造の耐熱性がＩｎの融点（１５６
℃）で制限されガラスによる接合に比べ約２００℃以上
低い。この分、ガス出し加熱が不充分となって、管内ガ
スの清浄度が悪化し、自ずと短寿命となる不具合があっ
た。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、気密容器内に
放電路細管を備え、この放電路細管の管軸と同軸に配置
したブリュースタバルブおよびブリュースタ窓が、気密
容器の端部に気密に接合されているガスレーザ管におい
て、ブリュースタ窓がＸカット水晶板から成り、かつブ
リュースタバルブは水晶管状部材から作られていてお
り、そしてブリュースタバルブは、ブリュースタ窓との
接合面がＸカット面とされ、気密容器との接合面がＺカ
ット面とされていることを特徴とする。

【００１４】また、ブリュースタバルブのＺカット面と
気密容器との間に、熱膨張率がＺカット水晶のそれと近
似した金属管状部品を配置し、ブリュースタバルブとこ
の金属管状部品とをフリットガラスで気密に接合されて
いる。金属管状部品の材質としては、モネル，キュプロ
ニッケル，４２％Ｎｉ−６％Ｃｒ−残りＦｅ合金，ステ
ンレス鋼，電磁軟鉄，ニッケルなどが用いられる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態による
ガスレーザ管のブリュースタ窓部とその付近の断面図で
ある。１は長径１８ｍｍ，短径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍの
楕円形のＸカット水晶板から成るブリュースタ窓（以下
窓と呼ぶ）である。この窓１は、長径方向をＺ軸と平行
に取り、短径方向をＹ軸と平行（Ｘ軸およびＺ軸に垂
直）にされている。２は外径１２ｍｍ，内径７ｍｍの水
晶の円筒から成るブリュースタバルブで、管軸に対し一
端面は３２．６６°、および相対する他端面が１２２．
６６°に傾け切断し研磨されている。この時、前記３
２．６６°の面は結晶軸のＸ軸に垂直（Ｘカット）にな
るように選んだので、他端（１２２，６６°の面）は自
動的にＺ軸に垂直，Ｘ・Ｙ軸に平行（Ｚカット）となっ
ている。両面は平面度λ／１０以下になるように研磨し
た。

【００１６】次に、電磁軟鉄板をプレス加工して一端が
フランジ状の金属管状部品４ａを用意した。この部品
は、後工程でガスレーザ管本体の気密容器の一端部にあ
り、前記金属管状部品４ａのフランジと同じ寸法に作ら
れたコバール合金の端部金属部品６ａとＴＩＧ溶接７で
接合された。

【００１７】ブリュースタ窓１の組立と接合において
は、先ずブリュースタバルブ２のＺカット面（１２２．
６６°面）にシールガラス（＃７５７５、岩城ガラス
（株）製、熱膨張率：８９×１０^-7／℃）のペーストを
塗布する。同様にして、先端にこのシールガラスのペー
ストを塗布した金属管状部品４ａを同心的に突合せ治具
で固定（図示せず）する。このように組合わせたブリュ
ースタバルブ２と金属管状部品４ａを４５０℃で４０分
間加熱して＃７５７５シールガラス５を溶融および結晶
化し、その後冷却してブリュースタ窓組立を得た。

【００１８】次に、この組立体をＸカット面が水平とな
るよう傾けて保持する治具（図示せず）に固定する。こ
の組立体にＸカット水晶のブリュースタ窓１をブリュー
スタバルブ２のブリュースタ面（Ｘカット面）にのせ、
別のシールガラス３（ＬＳ−０１１１Ｍ，日本電気ガラ
ス（株）製，熱膨張率：５０×１０^-7／℃）から成る楕
円形で窓１に外接する寸法のガラス焼結体を窓１の周囲
に置く。これ等組立体を電気炉中で４６０℃で１０分間
加熱してシールガラス３を溶融し、その後冷却してブリ
ュースタ窓部を製造した。

【００１９】次に、以上のようにして製造したブリュー
スタ窓部は前述の別に製造してあるガスレーザ管の両端
に取付けられているコバール合金製のフランジ付の端部
金属部品６ａに、フランジ部を互に密着させて、その周
縁部をアルゴンアーク溶接で気密に接合した。ガスレー
ザ管の他端も同様にしてブリュースタ窓部を気密接合し
た。この工程によってガスレーザ管の密閉管が完成し、
その後は、従来と同じ工程を経て、排気、ガス入れの
後、排気管部を閉塞してガスレーザ管が完成した。

【００２０】図２は本発明の第２の実施の形態によるガ
スレーザ管のブリュースタ窓部とその付近の断面図であ
る。ブリュースタバルブ２は、前記第１の実施の形態と
同じで一端面がＸカット面、他端がＺカット面を有する
水晶製の管状部品である。このブリュースタバルブ２の
Ｚカット側に、この外周面と０．２ｍｍのクリアランス
でかん合する４２％Ｎｉ−６％Ｃｒ−Ｆｅ合金の金属管
状部品４ｂを＃７５７５シールガラス５で気密接合し
た。

【００２１】次に、金属管状部品４ｂの他端をガスレー
ザ管の端部金属部品６ｂに高周波誘導加熱ろう付装置で
銀−銅合金ろう（図示せず）を用いてろう付した。その
後、ブリュースタバルブ２、金属管状部品４ｂおよび気
密容器の端部金属部品６ｂの一部が入るように、かつ、
ブリュースタバルブ２のＸカット面が水平となるように
組立体を窒素雰囲気の電気炉内に設置した。次に、ブリ
ュースタ窓１をブリュースタバルブ２の上にのせ、その
周囲にＬＳ−０１１１Ｍシールガラス３から作ったガラ
ス焼結体を配置して、４６０℃で１０分間加熱してブリ
ュースタ窓１とブリュースタバルブ２とを気密に接合し
た。その後、第１の実施の形態で述べたのと同様にして
ガスレーザ管を完成した。

【００２２】

【発明の効果】以上のようにして製造したガスレーザ管
は、従来の構造に比べ次の点で優れていることが確認で
きた。（１）Ｘカット水晶を窓に用いることができ、レ
ーザ光出力の初期安定化時間が従来のＺカット窓のそれ
に比べ約１／３となった、（２）気密接合部にガラスに
よるハードシールが採用できるようになったのでシール
の信頼性が向上し、排気時のガス出し加熱を３００℃以
上に高めることができたため、管内放出ガスが減少し、
その分長寿命となった、（３）ブリュースタバルブに、
水晶結晶軸方向による熱膨張特性などの異方性を変換す
る機能を持たせたため、ガスレーザ管の設計が容易とな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のブリュースタ窓部
の断面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態のブリュースタ窓部
の断面図である。

【図３】従来のガスレーザ発振器の構成を示す模式図で
ある。

【図４】従来のガスレーザ管のブリュースタ窓部の断面
図である。

【図５】従来の他のガスレーザ管のブリュースタ窓部の
断面図である。

【図６】水晶のＸ・Ｙ軸およびＺ軸方向の熱膨張率の温
度変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ブリュースタ窓 ２ ブリュースタバルブ ３，５ シールガラス ４ａ，４ｂ 金属管状部品 ６ａ，６ｂ 端部金属部品

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密容器内に放電路細管を備え、この放
   電路細管の管軸と同軸に配置したブリュースタバルブお
   よびブリュースタ窓が、前記気密容器の少なくとも一方
   の端部に気密に接合されているガスレーザ管において、
   前記ブリュースタ窓がＸカット水晶板から成るとともに
   前記ブリュースタバルブは、水晶管状部材から作られて
   いて、このブリュースタバルブは前記ブリュースタ窓と
   の接合面がＸカット面、かつ前記気密容器との接合面が
   Ｚカット面とされていることを特徴とするガスレーザ
   管。
2. 【請求項２】 前記ブリュースタバルブのＺカット面と
   前記気密容器との間に、熱膨張率がＺカット水晶のそれ
   と近似した金属管状部品を配置し、前記ブリュースタバ
   ルブとこの金属管状部品とをフリットガラスで気密に接
   合したことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ管。
3. 【請求項３】 前記金属管状部品の材質がモネル、キュ
   プロニッケル、４２％Ｎｉ−６％Ｃｒ−残りＦｅ合金，
   １８％Ｃｒ−Ｆｅ合金，ステンレス鋼，電磁軟鉄および
   ニッケルの何れかである請求項２記載のガスレーザ管。