JPH1117247A - マイクロ波励起ガスレーザ発振装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のマイクロ波励起式のガスレーザ発振装
置において、マグネトロンの寿命の短さがランニングコ
ストに大きく影響し、又、パルス運転時のパルス立ち上
がり速度が遅く、加工性能に悪影響を与えていた。 【解決手段】 マグネトロン電流をＤ＝（平均電流／ピ
ーク電流）×１００の値が４０％以上となるように制御
することにより、マグネトロンを長寿命化し、パルス運
転時のパルス立ち上がり速度を速くするために本発明
は、各パルスの立ち上がり部分のマグネトロン電流をパ
ルスの平坦部分よりも大きくし、ほぼ立ち上がり区間の
間、前記電流にて制御するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロ波でレーザ
ガスを励起させてレーザビームを得るガスレーザ発振装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波励起ガスレーザ発振装置の例
としては、文献 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ｌ
ＥＴＴＥＲ，３７（８），Ｐ６７３（１９８０）等が知
られている。

【０００３】上記のガスレーザ発振装置に基づき、本発
明者がこれまで検討してきたマイクロ波励起の炭酸ガス
レーザ発振装置の構成概略図を図５に示す。

【０００４】図５において、１２はマイクロ波を発生さ
せるマグネトロンを含むマイクロ波発生装置、１３はマ
イクロ波発生装置を制御する制御部、１１はガラス等の
誘電体で形成される放電管、１４はマイクロ波を放電管
１１内に供給する導波管である。放電管１１は導波管１
４を貫通しているので、放電管１１内のレーザガスは、
マイクロ波で励起される。このレーザガスが励起される
部分が放電部１５である。放電管１１の端には全反射鏡
１６が、他端には部分反射鏡１７が配置され光共振器を
形成している。部分反射鏡１７からはレーザビーム１８
が出射される。放電管１１の両端には送気管１９が接続
され、さらに放電管１１の中央部には吸気管２０が接続
されている。吸気管２０と送気管１９との間には、熱交
換器２１、２２と送風機２３が接続され、レーザガスを
循環させるようにしている。熱交換器２１、２２は放電
部１５の放電および送風機２３により温度上昇したレー
ザガスを冷却させるために設けている。矢印２４はレー
ザガスの流れる方向を示しており、図に示すガスレーザ
発振装置の中をレーザガスが循環している。

【０００５】以上のように構成された炭酸ガスレーザ発
振装置の動作について説明する。まず、制御部１３でマ
イクロ波発生装置１２を制御し、マイクロ波を発生させ
る。この時の、マイクロ波発生装置１２のマグネトロン
電流波形を図６に示す。導波管１４を通じて放電管１１
内の放電部１５にマイクロ波を印加し、放電部１５にグ
ロー放電を発生させる。放電部１５を通過するレーザガ
スは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起さ
れたレーザガスは全反射鏡１６と部分反射鏡１７により
形成された光共振器間で共振状態となり、部分反射鏡１
７を透過してレーザビーム１８が出射される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このマイクロ波励起ガ
スレーザ発振装置では、マイクロ波発生装置１２のマグ
ネトロンの劣化に従ってモーディングと呼ばれる現象が
発生しやすくなり、マイクロ波の出力が低下し、所定の
レーザ出力が得られなくなる。従って、モーディングが
発生したことによりマグネトロンの寿命が来たと判断
し、その際にはマグネトロンを交換する必要がある。し
かも図５に示す炭酸ガスレーザ発振装置では、通常複数
のマグネトロンを使用するため、マグネトロン寿命の短
さがレーザ発振装置全体のメンテナンス費用を増大する
結果となる。

【０００７】又、連続したパルス状のマイクロ波の発生
を繰り返し断続させ、パルス状のレーザ出力を発生させ
るパルス運転を行う場合、一定のマイクロ波の断続によ
るレーザ出力では、パルスの立ち上がり速度が遅く、加
工に悪影響を及ぼす。

【０００８】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、マグネトロンを長寿命化し、パルス運転時
のパルス立ち上がり速度を速くできるマイクロ波励起ガ
スレーザ発振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】上記課題を解決するため
に本発明の第１の手段は、マグネトロンによりマイクロ
波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波
発生装置からのマイクロ波をレーザガスに供給してレー
ザガスを励起させる放電部と、前記放電部内で励起され
たレーザガスを共振させてレーザビームを発生させる光
共振器と、前記マイクロ波発生装置の動作を制御する制
御部を備え、前記制御部はマグネトロン電流によりあら
わされるＤ＝（平均電流／ピーク電流）×１００ の値
を少なくともマグネトロン出力の最大時で、Ｄを４０以
上に設定したものである。

【００１０】本発明の第２の手段は、連続したパルス状
のマイクロ波の発生を繰り返し断続させパルス状のレー
ザ出力を発生させるパルス運転を行う場合、各パルスの
立ち上がり部分のマグネトロン電流をパルスの平坦部分
よりも大きくし、ほぼ立ち上がり区間の間、前記電流に
て制御するものである。

【００１１】本発明の第３の手段は、上記第２の手段に
おいて、パルス運転時、パルスの立ち上がり部分のマグ
ネトロン電流をパルスの平坦部分の１．５倍以上とし、
１５０μｓ以上前記電流にて制御するものである。

【００１２】本発明の第４の手段は、パルス運転時、パ
ルス立ち上がり部分のマグネトロン電流をパルス平坦部
より大きくしたエンハンス部分と、パルス平坦部分とを
独立に制御するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の第１の手段によれば、所
定のレーザ出力を確保しながら、マグネトロン電流のピ
ーク値を下げ、モーディングの発生を低減し、マグネト
ロン寿命を伸ばすことができる。

【００１４】上記理由について考察する。マグネトロン
劣化（使用時間）に対する、モーディング発生マグネト
ロン電流（瞬時値）の関係は、図３（Ａ）示すようにマ
グネトロンの劣化に伴って低下する。一方、マグネトロ
ン電流の平均値とレーザ出力との関係は、図３（Ｂ）に
示すようにほぼ比例関係にある。又、望まれるマグネト
ロン寿命に達した使用時間での前記Ｄの値と、レーザ出
力との関係は、図３（Ｃ）の通りとなり、Ｄの値が４０
以下の領域ではマグネトロンのモーディングが発生し、
レーザ出力が低下しているが、Ｄの値がほぼ４０以上で
モーディングが解消され、所定のレーザ出力が得られ
る。従って、所定のレーザ出力を確保しながら、モーデ
ィングを抑制するためには、マグネトロンを駆動するパ
ルス信号のｄｕｔｙを大きくし、マグネトロン電流の平
均値を保ちながら、ピーク値を下げれば良いこととな
り、望まれるマグネトロンの寿命で、マイクロ波出力を
得るためには、Ｄの値を４０以上とすることにより可能
となる。

【００１５】本発明の第２の手段によれば、パルス運転
時、高速にパルスを立ち上げることができる。

【００１６】本発明の第３の手段によれば、パルス立ち
上がり時間を５０μｓ以下にすることができる。

【００１７】本発明の第４の手段によれば、パルス立ち
上がり速度の改善をマイクロ波発生装置のばらつきや変
動等があっても、安定して行うことができる。

【００１８】上記理由について考察する。一定のマグネ
トロン電流を断続させた時のレーザ出力波形のパルス立
ち上がり時間は、図４（Ａ）に示すようにレーザ出力設
定を変えてもほぼ同一となる。従ってほぼパルス立ち上
がり時間の間、パルス平坦部分でのマグネトロン電流よ
りも大きな電流を流すことにより、図４（Ｂ）に示すよ
うに、立ち上がり速度を速くすることが可能となる。

【００１９】なお、図５に示す我々が検討したマイクロ
波励起の炭酸ガスレーザ発振装置では、図４（Ａ）に示
すパルス立ち上がり時間が約１５０μｓであり、目標と
する立ち上がり時間を５０μｓとすれば、図４（Ａ）に
示す通り、設定値の約１．５倍のマグネトロン電流を流
せば、ｔｒ’≒ｔｒ／３≒５０μｓとなる。従って、パ
ルスの立ち上がり部分のマグネトロン電流をパルスの平
坦部分の１．５倍以上とし、１５０μｓ以上の間前記電
流で制御すれば、目標である５０μｓの立ち上がり時間
を得ることが可能となる。

【００２０】以下、本発明の実施の形態について、図１
および図２を用いて説明する。 （実施の形態１）図１において、２５はマグネトロン駆
動回路で、マグネトロン２６と共にマイクロ波発生装置
１２を構成する。制御部１３からの信号により、マグネ
トロン駆動回路２５は、パルス状にマグネトロンを駆動
するものである。マグネトロン電流のｄｕｔｙを一定と
し、印加する電圧を変化させ、マグネトロン電流の Ｄ
＝（平均電流／ピーク電流）×１００ の値を常に４０
以上になるよう構成したものである。

【００２１】（実施の形態２）図１において、前記マグ
ネトロン駆動回路２５をＰＷＭ 又は、共振タイプ等の
駆動回路により構成し、制御部１３からの信号により、
マグネトロン電流のｄｕｔｙは、変化するが、最大出力
時には、マグネトロン電流のＤ＝（平均電流／ピーク電
流）×１００ の値を４０以上になるよう構成したもの
である。

【００２２】（実施の形態３）図２（Ａ）において、制
御部１３は、パルス運転時マグネトロン電流のパルス立
ち上がり部分のパルス平坦部より大きくしたエンハンス
部分の制御を行う制御回路２７と、前記マグネトロン電
流のパルス平坦部分の制御を行う制御回路２８、および
電流検出信号と制御信号を同期して切り替える切り替え
回路２９を構成要素として持っている。切り替え回路２
９は、図２（Ｂ）に示すマグネトロン電流を 図２
（Ｃ）に示す前記パルスのエンハンス部分と、図２
（Ｄ）に示す平坦部分で、電流検出信号と制御信号を同
期して切り替え、前記エンハンス部分と平坦部分を独立
に制御が可能となる構成としたものである。

【００２３】なお、以上の説明では、軸流型のガスレー
ザ発振装置を用いたが、他の形式のガスレーザ発振装置
であっても効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は、マグネトロン電
流のピーク値を下げ、モーディングの発生を低減し、マ
グネトロンの長寿命化が図れる。又、パルス運転時のパ
ルス立ち上がり速度を改善し、加工性能の向上に効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるマイクロ波励起
ガスレーザ発振装置の概略構成図

【図２】（Ａ）は本発明の一実施の形態におけるマイク
ロ波励起ガスレーザ発振装置の概略構成図 （Ｂ）はパルス運転時のマグネトロン電流波形を示す図 （Ｃ）はエンハンス部分のマグネトロン電流のみを選択
した電流波形を示す図 （Ｄ）はパルスの平坦部分のマグネトロン電流のみを選
択した電流波形を示す図

【図３】（Ａ）はマグネトロン劣化とモーディング発生
マグネトロン電流との関係を示す図 （Ｂ）はマグネトロン電流の平均値とレーザ出力との関
係を示す図 （Ｃ）は目標とするマグネトロン使用時間におけるＤの
値とレーザ出力との関係を示す図

【図４】（Ａ）はパルス運転時のレーザ出力波形を示す
図 （Ｂ）はエンハンス時のマグネトロン電流波形およびレ
ーザ出力波形を示す図

【図５】従来のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の概
略構成図

【図６】マグネトロン電流波形を示す図

【符号の説明】

１２ マイクロ波発生装置 １３ 制御部 １５ 放電部 ２５ マグネトロン駆動回路 ２６ マグネトロン ２７ パルスエンハンス部分用制御回路 ２８ パルス平坦部分用制御回路 ２９ 切り替え回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネトロンによりマイクロ波を発生さ
   せるマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置か
   らのマイクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励
   起させる放電部と、前記放電部内で励起されたレーザガ
   スを共振させてレーザビームを発生させる光共振器と、
   前記マイクロ波発生装置の動作を制御する制御部を備
   え、前記制御部はマグネトロン電流によりあらわされる
   Ｄ＝（平均電流／ピーク電流）×１００ の値を少なく
   ともマグネトロン出力の最大時で、Ｄを４０以上に設定
   したマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
2. 【請求項２】 マグネトロンにより連続したパルス状の
   マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置と、前記マ
   イクロ波発生装置からのマイクロ波をレーザガスに供給
   してレーザガスを励起させる放電部と、前記放電部内で
   励起されたレーザガスを共振させてレーザビームを発生
   させる光共振器と、前記マイクロ波発生装置の動作を制
   御する制御部を備え、前記制御部は、連続したパルス状
   のマイクロ波の発生を繰り返し断続させ、パルス状のレ
   ーザ出力を発生させるパルス運転を行う場合、各パルス
   の立ち上がり部分のマグネトロン電流をパルスの平坦部
   分よりも大きくし、ほぼ立ち上がり区間の間、前記電流
   にて制御するマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
3. 【請求項３】 パルス運転時、パルスの立ち上がり部分
   のマグネトロン電流をパルスの平坦部分の１．５倍以上
   とし、１５０μｓ以上前記電流にて制御する請求項２に
   記載のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
4. 【請求項４】 連続したパルス状のマイクロ波を発生さ
   せるマイクロ波発生装置の動作を制御する制御部を有
   し、前記制御部にて、パルス運転時、パルス立ち上がり
   部分のマグネトロン電流をパルス平坦部より大きくした
   エンハンス部分と、パルス平坦部分とを独立に制御する
   マイクロ波励起ガスレーザ発振装置の制御方法。