JPH1093202A - 金属蒸気レ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】この発明は、低コストで且つ安定したレーザ出
力が得られる金属蒸気レ−ザ装置を提供することを目的
とする。 【解決手段】この発明の金属蒸気レ−ザ装置は、内部に
金属蒸気を生成する金属蒸気源１が設けられると共に放
電ガスが充填された放電管５内を放電加熱してレ−ザ光
を発生させる場合、放電ガスの注入系に、純ネオンガス
流量と純水素ガス流量とを制御してその混合割合を調整
する手段が設けられてなることにより、上記の目的を達
成することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属蒸気レーザ装置
に係り、特に放電管内に充填される放電用バッファガス
（以下、放電ガスと略記）のネオンガスと水素ガスの混
合比を制御する手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な金属蒸気レーザ装置は、
例えば図３に示すように構成されている。即ち、同図に
おいて、複数の金属蒸気源１が内部に設置された円筒状
のセラミック管２の両端には、接合部材２ａを介して陽
極３および陰極４が接続されて放電管５が形成されてい
る。この放電管５における陽極３および陰極４には、そ
れぞれ電極フランジ６が設けられている。この電極フラ
ンジ６は放電管５を包囲する胴体７および絶縁管８とブ
リュスタ管９との間に介在された電極支持フランジ１０
に取付け固定されている。陽極３および陰極４の各電極
は、電極フランジ６を介して電極支持フランジ１０に固
定されている。放電管５の外周面は断熱材１１で包囲さ
れ、断熱材１１の外部は胴体７および絶縁管フランジ１
２を有する絶縁管８で覆われている。それぞれの電極支
持フランジ１０には一対のブリュスタ管９が接続されて
おり、このブリュスタ管９の開口部にはそれぞれ窓１３
が取着され、これらの窓１３の外側には出力ミラー１４
と全反射ミラー１５が配置され共振器を形成している。

【０００３】図３において、左側に示されるブリュスタ
管９には、放電ガスとして、例えばネオン（Ｎｅ）ガス
を供給するガス供給管１６が接続され、また右側に示さ
れるブリュスタ管９にはガス排気管１７が接続されてい
る。ガス排気管１７は、途中に圧力計１８が備えられて
いるとともに、流量調整弁１９を介して真空排気ポンプ
２０に接続されている。左側の電極支持フランジ１０と
絶縁管フランジ１２との間には直流高電圧が印加され
る。

【０００４】なお、同図中、符号２１は充電コンデン
サ、２２は中間コンデンサ、２３は抵抗、２４はサイラ
トロン、２５はダイオードをそれぞれ示している。上記
の構成を有する金属蒸気レーザ装置では、次のようにし
てレーザを発振する。先ず、放電管５内に、ガス供給管
１６から放電ガス、例えばネオンガスを供給する。次
に、陽極３と陰極４との間に高電圧を印加して、放電プ
ラズマを形成する。すると、この放電プラズマによりセ
ラミック管２が高温に加熱されて、金属蒸気源１からレ
ーザ媒体となる蒸気化された金属粒子すなわち例えば銅
蒸気が生成される。さらに、この銅蒸気はセラミック管
２内に拡散し、セラミック管２内の放電プラズマ中の自
由電子により励起される。この励起銅蒸気が低いエネル
ギー準位に遷移する際にレーザ光を発振する。

【０００５】上述したようにレーザ発振は放電ガス中に
高電圧放電させて、プラズマを形成して行っているが、
この放電時の放電抵抗は発生した銅蒸気によって変化
し、レーザ出力を変動させるため、放電ガスとしてネオ
ンガスに水素ガスを０. ５〜２％程度混合した放電ガス
を用いている。しかし、水素ガスの濃度により放電抵抗
が変化するため、混合ガス比率を一定にする必要があ
る。

【０００６】このため、レーザ装置に供給する放電ガス
は、あらかじめ所定の濃度に混合した混合ガスボンベを
用いている。また、放電抵抗が大きな放電開始時は、純
ネオンガスのみを用いる構成とするために、弁を用いて
切り替えている。

【０００７】ここに、レーザ装置の運転開始時は、放電
管５等の構成物の温度が室温であり、レーザ発振運転時
に高温に上昇させて金属蒸気を生成させるため、放電ガ
スの放電抵抗が低下し、放電エネルギーが低下してレー
ザ出力が低下することが知られている。現在、その対策
として放電ガスに水素ガスを少量（０. １から２％）混
合する方法が用いられている。そこで、放電ガスを純ネ
オンガスと混合ガスを運転状態によって切り替える操作
を行っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
装置は、一般に多数の装置を組合わせて用いることが多
く、多量の高価な混合ガスが必要となる。さらに、レー
ザ装置の状態によって放電ガスを純ネオンガスから、ネ
オンガスと水素ガスの混合ガスに切り替える必要があ
る。図４に示すように、混合ガスとの切り替え時にある
容量を持った放電管５内の混合比が、所定の値になるの
に長時間を有することになる。この混合比の変化は、レ
ーザ出力の変動を招くため問題となっている。本発明は
上記事情に鑑み、低コストで且つ安定したレーザ出力が
得られる金属蒸気レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る金属蒸気レーザ装置は、内部に金属蒸
気を生成する金属蒸気源を設置するとともに放電ガスを
充填させた放電管内を放電加熱してレーザ光を発生させ
る金属蒸気レーザ装置において、放電管とこの内部に放
電ガスを注入する２系統のガス供給配管を設置し、１系
統は流量制御する装置を設けた純ネオンガス供給配管で
あり、他系統は流量制御する装置を設けた水素ガス供給
配管であり、さらに、放電ガス圧力を測定する測定器と
放電ガス圧力により放電ガスを供給する系統及び流量を
制御する制御手段を備えたものである。

【００１０】上記の構成を有する本発明によれば、放電
開始時の放電管内放電抵抗が大きいときは、純ネオンガ
スを供給し容易に放電を開始させる。次に、放電管内温
度が上昇し放電抵抗が減少したときは、純水素ガス、ま
たは、水素ガスの混合比が大きくなるように流量調節し
た純ネオンガスと水素ガスを供給し、放電管内の混合比
を短時間で所定の値に変更する。放電管内の混合比が所
定の濃度に達した後、純ネオンガスと水素ガスの混合比
が所定の混合比となるように、各々の流量を制御する。
このように、純ネオンガスと水素ガスを用いてレーザ装
置の運転条件に適した放電ガス条件を設定することがで
き、レーザ出力を安定に発振できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の一実施の形態を詳細に説明する。この発明による金属
蒸気レ−ザ装置は図１に示すように構成され、従来例
（図３）と同一または対応する部分には同一の符号を用
いて説明する。

【００１２】図１において、セラミック管２の両端部に
は接合部材２ａを介して陽極３および陰極４が対向して
接続されている。これらの陽極３および陰極４でパルス
放電が行われる。セラミック管２の外周には断熱材１１
が配置され、その外周には金属製の胴体７および絶縁管
８が配置されている。陽極３および陰極４には、一対の
ブリュスタ管９が接続されている。そして、左側のブリ
ュスタ管９には、ガス供給系に接続されたガス供給管１
６が、また右側のブリュスタ管９には、放電ガス排気管
１７がそれぞれ接続されている。ガス供給管１６には、
ガス供給系との仕切り弁２８を介して水素ガス供給配管
２９に接続された水素ガス流量測定調整弁３０とネオン
ガス供給配管３１に接続されたネオンガス流量測定調整
弁３２が併設されている。

【００１３】また、放電管５内の放電ガス圧力を測定す
る圧力計１８が備えられているとともに、放電管５と真
空排気ポンプ２０とを結ぶガス排気管には、流量調節弁
１９と自動調整弁２６とが順次接続されている。更に圧
力計１８からの信号によって自動調整弁２６を操作し、
これによって放電管５内の放電ガス圧力を制御する制御
器２７が備えられている。この制御器２７からの信号に
よって、水素ガス流量測定調整弁３０とネオンガス流量
測定調整弁３２の流量を制御する放電ガス制御装置３３
が備えられている。ガス供給管１６は、放電管５内にネ
オンガス等の放電ガスを供給するものであり、ガス排気
管１７は放電管５内の放電ガス等を外部へ排出するもの
である。ブリュスタ管９の窓１３の外側には、それぞれ
出力ミラー１４および全反射ミラー１５が配置され、こ
れによってレーザ共振器が構成されている。

【００１４】前述したパルス２極放電は、陽極３および
陰極４を支持しこれらに電流を流す電極支持フランジ１
０に接続されたパルス高圧電源によりなされる。パルス
高電圧電源は、充電コンデンサ２１、中間コンデンサ２
２、抵抗２３、サイラトロン２４およびダイオード２５
等からなる回路によって構成されている。このパルス高
電圧電源は、充電コンデンサ２１に充電された電荷が、
サイラトロン２４を点弧することにより、ほぼ１０^-7秒
以下の立ち上り時間で放電電流を発生するようになって
いる。なお、サイラトロン２４はパルス放電スイッチン
グ素子である。発生させるパルス高電圧は、電圧が十数
KV〜数十KV、繰返り周波数が数kHz 〜数10KHz である。

【００１５】なお、図中記号Ａはアノード端子であり、
Ｋはカソード端子であり、Ｇはトリガー信号導入端子で
ある。その他の構成は図３と同一であるので、その説明
を省略する。

【００１６】次に、上記の一実施の形態の作用を説明す
る。まず、真空排気ポンプ２０を作動させて放電管５内
を排気する。その排気後、図２に示すように、ガス供給
管１６から水素ガス流量測定調整弁３０を流量が０とな
るように閉止とし、ネオンガス流量測定調整弁３２によ
り所定の流量に制御して放電管５内に注入する。この
時、放電ガス注入により上昇した放電管５内のガス圧力
は、圧力計１８によって測定される。この測定値が予め
設定された圧力値になるように、制御器２７によって自
動調節弁２６が操作され、放電ガスの排出量が調整さ
れ、放電管５内の圧力が設定値に制御される。

【００１７】次に、パルス高電圧電源を作動させて、セ
ラミック管２内にプラズマを生起させ、このプラズマに
よって金属蒸気源１が金属蒸気を生成し得る温度まで昇
温させる。レーザ発振に必要な温度は、例えば金属蒸気
源１が銅の場合には約1500℃である。この状態が保持さ
れることにより、セラミック管２内に金属蒸気が一様に
分布する。

【００１８】この金属蒸気にプラズマ中の自由電子が衝
突して金属蒸気が励起され、やがてセラミック管２内は
反転分布の状態となる。この状態では、励起された金属
蒸気が低エネルギー準位に遷移する際にレーザ光を発生
する。セラミック管２内で発生したレーザ光は窓１３を
通過し、レーザ共振器を構成する出力ミラー２３及び全
反射ミラー１５で反射する間にその振幅が増加してパワ
ーアップし、やがて出力ミラー１４から取り出されるレ
ーザ光が出力される。

【００１９】しかし、金属蒸気の発生により放電時の電
気抵抗が低下して放電エネルギーが低下するため、レー
ザ出力が低下することが知られている。現在、その対策
として、放電ガスに水素ガスを少量（０. １から２％）
混合する方法が用いられている。この放電ガス中の水素
混合比を短時間に変化させるために、まず、ネオンガス
流量測定調整弁３２を流量が０となるように閉止とし、
水素ガス流量測定調整弁３０により放電管５内に水素ガ
スを圧力計１８の測定値が予め設定された圧力になるま
で放電ガス制御装置３３により注入される。次に、ネオ
ンガス流量測定調整弁３２と水素ガス流量測定調整弁３
０を所定の混合比になるように制御を行う。

【００２０】このように本実施形態によれば、短時間に
放電ガスのネオンガスと水素ガスの混合比が設定できる
ため、安定したレーザ出力が得られる。また、使用する
放電ガスとして、ネオンガスと水素ガスの２種類を用い
るため混合ガスに比較した安価になる。

【００２１】（他の実施の形態）その他の実施の形態と
して、まず、ネオンガス流量測定調整弁３２と水素ガス
流量調整弁３０を調整して、所定の混合比で設定放電ガ
ス圧力まで注入し、放電開始時に水素ガス流量を閉止
し、ネオンガスのみの注入を行い、放電開始時の放電抵
抗を低下させる運転方式にすることも可能である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放電管内の放電ガスの水素ガス混合比を短時間に変化す
ることが可能であり、レーザ出力を安定に得ることがで
きる。また、ネオンガス中に水素ガスを使用時に流量比
で混合して用いるため、予め混合したガスを用いる場合
に比較して、安価に構成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る金属蒸気レ−ザ−
装置を示す断面図を含む回路構成図。

【図２】本発明の金属蒸気レ−ザ−装置における動作時
の放電ガス圧力とネオンガスと水素ガス混合比の時間変
化を説明するグラフ。

【図３】従来の金属蒸気レ−ザ−装置を示す断面図を含
む回路構成図。

【図４】従来の金属蒸気レ−ザ−装置における動作時の
放電ガス圧力とネオンガスと水素ガス混合比の時間変化
を説明するグラフ。

【符号の説明】

１…金属蒸気源、５…放電管、１６…ガス供給管、１７
…ガス排気管、１８…圧力計、１９…流量調整弁、２７
…制御器、２８…仕切弁、２９…水素ガス供給管、３０
…水素ガス流量測定調整弁、３１…ネオンガス供給管、
３２…ネオンガス流量測定調整弁、３３…放電ガス制御
装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に金属蒸気を生成する金属蒸気源が
   設けられると共に放電ガスが充填された放電管内を放電
   加熱してレ−ザ光を発生させる金属蒸気レ−ザ装置にお
   いて、 上記放電ガスの注入系に、純ネオンガス流量と純水素ガ
   ス流量とを制御してその混合割合を調整する手段が設け
   られてなることを特徴とする金属蒸気レ−ザ装置。
2. 【請求項２】 上記純ネオンガス流量と純水素ガス流量
   とを、上記放電ガスの圧力を測定し個別に制御する制御
   装置が設けられてなることを特徴とする請求項１記載の
   金属蒸気レ−ザ装置。