<Desc/Clms Page number 1>
"Oscillateur de laser à gaz" Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte à un oscillateur de laser à
EMI1.1
r r-tn+ I¯yo ort+inlso oc+ oSoro+t otrctro irror-+ ; ory o 9 +-he i"IFo de décharge, et plus particulièrement à un oscillateur de laser à gaz
EMI1.2
capable d'obtenir un faisceau laser de haute qualité.
La figure 4 est un schéma synoptique simplifié d'un oscillateur de laser à gaz classique. Sur la figure 4, la référence numérique 1 représente un tube de décharge constitué de verre ou autre matériau diélectrique, et l'intérieur du tube de décharge 1 est rempli d'un gaz de laser, ou bien le gaz du laser est mis en circulation par un dispositif de mise en circulation de gaz non représenté sur le dessin. Les références numériques 2 et 3 sont des électrodes disposées aux deux extrémités du tube de décharge 1,4 représente une source d'alimentation de tension reliée à l'électrode 2 et à l'électrode 3, et 5 représente un espace de décharge à l'intérieur du tube de décharge 1 situé entre l'électrode 2 et l'électrode 3.
La référence numérique 6 est un miroir totalement réfléchissant disposé en direction d'une ouverture de l'espace de décharge 5, et 7 représente un miroir partiellement réfléchissant disposé en direction de l'autre ouverture de l'espace de décharge 5, et le miroir totalement réfléchissant 6 ainsi que le miroir partiellement réfléchissant 7 forment un
<Desc/Clms Page number 2>
résonateur optique. La référence numérique 8 est un faisceau laser émis depuis le miroir partiellement réfléchissant 7.
Dans l'oscillateur de laser à gaz classique ainsi constitué, le fonctionnement est tel que décrit ci-dessous. La décharge se produit dans l'espace de décharge 5 entre l'électrode 2 et l'électrode 3 reliées à la source d'alimentation en haute tension 4. Grâce à cette décharge, le gaz du laser dans l'espace de décharge 5 est excité par l'énergie de décharge. Le gaz du laser excité est établi dans un état de résonance par le résonateur optique formé du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement
EMI2.1
réfléchissant 7, et est amplifié optiquement grâce à cette résonance, le faisceau laser 8 est émis à partir du miroir partiellement réfléchissant 7.
Ce
EMI2.2
La figure 5 (a) et la figure 5 (b) sont des schémas destinés à La figure 5 (a) et la figure 5 (b) sont des schémas destinés à
EMI2.3
expliquer le fonctionnement du résonateur optique dans l'oscillateur de laser à gaz, représentant plus particulièrement la structure de l'oscillateur de laser à gaz. Sur la figure 4, un seul tube de décharge est représenté, mais en général, comme indiqué sur la figure 5 (a) et la figure 5 (b), plusieurs tubes de décharge 1 sont disposés en série le long de l'axe optique.
Bien que de simples formes cylindriques soient représentées sur la figure 5 (a) et la figure 5 (b), comme pour le tube de décharge 1 de la figure 4, une électrode 2 et une électrode 3 sont disposées aux deux extrémités de chaque tube de décharge 1 et une source d'alimentation de haute tension 4 est reliée entre chaque paire d'électrodes, c'est-à-dire l'électrode 2 et l'électrode 3, et un espace de décharge est formé à l'intérieur de chaque tube de décharge 1.
Dans l'oscillateur de laser à gaz ainsi constitué, comme représenté sur la figure 5 (a) et la figure 5 (b), lorsqu'une décharge se produit dans l'espace de décharge 5 entre l'électrode 2 et l'électrode 3 reliées à la source d'alimentation à haute tension 4, une onde stationnaire 10 se forme en raison de la résonance optique dans l'espace de résonance 9 entre un
<Desc/Clms Page number 3>
miroir totalement réfléchissant 6 et un miroir partiellement réfléchissant 7. La propriété de cette onde stationnaire 10 est définie par la taille de l'espace de résonance 9 et la courbure du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7. Cette propriété d'onde stationnaire est connue sous le nom d'ordre de mode TEM (électromagnétique transversal).
En général, plus l'ordre du mode électromagnétique transversal est bas, meilleure est la convergence du laser, et il est connu que des performances de traitement supérieures sont obtenues. Par exemple, plus le diamètre intérieur du tube de décharge 1 est petit, plus
EMI3.1
l'espace de résonance est étroit, et de ce fait l'oscillation du mode électromagnétique transversal d'ordre élevée est supprimée, l'ordre du
EMI3.2
---1--t--4------- f à..--±-----1--q-1 -*---,. 1¯-----1-1lumière est renforcée, de sorte que l'on obtient un faisceau laser à performances de traitement élevées.
Par contre, dans l'oscillateur de laser à gaz présentant une conception ainsi expliquée, parmi l'énergie électrique fournie depuis la source d'alimentation à haute tension 4, toute l'énergie à l'exclusion de la partie convertie dans le faisceau laser 8 devient de la chaleur. De ce fait, pour conserver le parallélisme entre le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 en empêchant une déformation due à cette chaleur générée, il est nécessaire de refroidir le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 ainsi que les pièces périphériques qui les supportent.
En ce qui concerne le refroidissement du miroir totalement réfléchissant 6 et du miroir partiellement réfléchissant 7 et leurs pièces périphériques dans l'oscillateur de laser à gaz classique, tel que décrit dans le brevet japonais mis à la disposition du public nO 56-90588, la conception est telle que représentée sur la figure 8. Comme indiqué sur la figure 8, le miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7 destinés à la résonance sont respectivement maintenus par une bride 31 et
<Desc/Clms Page number 4>
une bride 32. En reliant ces brides 31 et 32 par l'intermédiaire d'un élément de support 33, le parallélisme du miroir totalement réfléchissant 6 et le miroir partiellement réfléchissant 7, nécessaires à l'oscillateur de laser, est convervé.
Un passage 35 est ménagé à l'intérieur de l'élément de support 33 et est destiné au refroidissement en faisant passer de l'huile ou autre agent de refroidissement dans ce passage 35. Dans l'oscillateur de laser à gaz classique, le passage 35 de l'agent de refroidissement à l'intérieur de l'élément de support 33 va directement de l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie de l'agent de refroidissement.
EMI4.1
La source d'alimentation à haute tension 4 est, comme indiqué sur la figure 8, composée d'une source d'alimentation à découpage
EMI4.2
A A 49--e q-1-A c :-X 41-- -- 1 & -1---1--------k-L-1lissage 46. En général, l'oscillateur de laser à gaz est composé de plusieurs
EMI4.3
tubes de décharge, et chaque tube de décharge nécessite un transformateur élévateur 45 et un circuit de redressement et de lissage 46. Dans une source d'alimentation à découpage 44, le côté primaire de plusieurs transformateurs élévateurs 45 peut être relié, et de ce fait une seule source d'alimentation à découpage 44 suffit pour plusieurs tubes de décharge.
Le transformateur élévateur 45 est composé d'un corps principal de transformateur élévateur 49 et d'un boîtier de transformateur 47 comme indiqué sur la figure 8 et le boîtier de transformateur 47 est rempli d'huile isolante 48, et le corps principal du transformateur élévateur 49 composé d'un bobinage et d'un noyau est immergé dans l'huile isolante 48. Une plaque supérieure 50 est disposée dans la partie supérieure du boîtier de transformateur 47, et un orifice d'alimentation en huile 51 disposé dans la plaque supérieure 50 est scellé avec un bouchon d'huile 52 sauf lorsque l'huile est alimentée, de sorte que le transformateur élévateur entier 44 est dans une structure étanche.
<Desc/Clms Page number 5>
L'oscillateur de laser à gaz classique ainsi constitué pose en particulier le problème suivant.
Pour abaisser l'ordre du mode électromagnétique transversal, dans le tube de décharge 1, représenté sur la figure 5 (a), lorsque le diamètre intérieur du tube de décharge 1 est réduit comme indiqué sur la figure 5 (b), un faisceau dispersé 8a est susceptible d'apparaître dans l'espace de résonance 9, et un faisceau dispersé 8a se mélange avec la sortie du laser. La figure 6 représente un mode de sortie dans un oscillateur de laser à gaz classique. L'axe des abscisses sur la figure 6 représente la
EMI5.1
distance en direction de l'extérieur depuis le centre du faisceau du laser de sortie, et la position 0 indique le centre.
L'axe des ordonnées représente la
EMI5.2
dispersé 8a est présent dans la région périphérique A du faisceau laser 8. dispersé 8a est présent dans la région périphérique A du faisceau laser 8.
EMI5.3
La découpe au laser en utilisant un tel faisceau laser provoque une augmentation des effets thermiques autour de la section de découpe due au faisceau dispersé 9a inclus dans la région périphérique, et diminue la qualité de la coupe. Comme expliqué ci-dessus, lorsque l'on tente d'améliorer la convergence de la lumière et de renforcer les performances de traitement en abaissant l'ordre du mode électromagnétique transversal (TEM), un faisceau dispersé se mélange dans le faisceau de sortie du laser au point d'augmenter la plage de l'effet thermique, ce qui conduit à un problème de dégradation de la qualité du traitement.
L'invention est envisagée pour résoudre ce problème, et c'est le but de celle-ci d'offrir un oscillateur de laser à gaz permettant d'obtenir un faisceau laser de haute qualité en supprimant l'occurrence d'un faisceau dispersé tout en abaissant l'ordre du mode électromagnétique transversal de sortie du laser.
L'oscillateur de laser à gaz tel qu'il est représenté dans la revendication de l'invention comprend :
<Desc/Clms Page number 6>
au moins trois tubes de décharge disposés en série le long de l'axe optique du faisceau du laser afin de former à l'intérieur un espace de décharge, un miroir totalement réfléchissant disposé en direction d'une ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir terminal, un miroir partiellement réfléchissant disposé en direction de l'autre ouverture de l'espace de décharge afin de composer un miroir de sortie, et une entretoise disposée entre le miroir partiellement
EMI6.1
réfléchissant et le tube de décharge le plus proche, présentant une ouverture au centre de l'axe optique du faisceau du laser,
EMI6.2
) .,., , :
t t.. ) A,, . .-]'. . -' t long de l'axe optique, la somme des longueurs d'une paire de tubes de
EMI6.3
décharge disposée aux deux extrémités suivant la direction de l'axe optique étant supposée être L le diamètre intérieur de ces tubes de décharge étant supposé être r1, la somme des longueurs des autres tubes de décharge dans la direction de l'axe optique étant supposée être L2, le diamètre intérieur de ces tubes de décharge étant supposé être r2, et le diamètre intérieur de l'ouverture de l'entretoise étant supposé être r3, satisfont les trois formules suivantes simultanément.
Formule 1 r1/r21. 0
Formule 2 L2/ (L1 + L2) 0,85
Formule 3 r3/r21, 4.
Conformément à l'oscillateur de laser à gaz selon la revendication, parmi la série de tubes de décharge agencés en série, l'espace de résonance formé dans les autres tubes de décharge autres qu'une paire de tubes de décharge disposée aux deux extrémités est relativement rétréci, l'ordre du mode électromagnétique transversal (TEM) du faisceau du laser est diminué. A côté de cela, du fait que le faisceau dispersé provoqué dans les tubes de décharge disposés aux extrémités est
<Desc/Clms Page number 7>
intercepté par l'entretoise et n'est pas livré vers l'extérieur, on empêche ainsi le mélange du faisceau dispersé dans le faisceau du laser.
L'ordre du mode électromagnétique transversal du faisceau du laser est diminué, la convergence de la lumière est améliorée, et le mélange du faisceau dispersé dans le faisceau du laser est empêché, de sorte qu'un excellent faisceau de laser à performances de traitement élevées et à effets thermiques faibles est obtenu dans la zone périphérique du traitement.
Brève description des dessins
La figure 1 est une vue en coupe représentant une conception d'un oscillateur de laser à gaz dans un mode de réalisation de l'invention.
EMI7.1
--r-,,- 1)--4.--1------j-,- -±'------L---t 1effets du tube de décharge et de la forme de l'entretoise sur la convergence du faisceau du laser dans l'oscillateur de laser à gaz d'un mode de réalisation de l'invention.
La figure 3 est un schéma de caractéristique représentant les effets de l'oscillateur de laser à gaz d'un mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 est une vue en coupe représentant la conception simplifiée d'un oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 5 est un schéma structurel expliquant le fonctionnement d'un résonateur optique dans l'oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 6 est un schéma de caractéristique représentant le mode de sortie du faisceau du laser dans l'oscillateur de laser à gaz classique.
La figure 7 est un schéma structurel expliquant le passage de l'agent de refroidissement de l'élément de support dans l'oscillateur de laser à gaz classique.
<Desc/Clms Page number 8>
La figure 8 est un schéma synoptique représentant la conception d'une source d'alimentation à haute tension utilisée dans un oscillateur de laser à gaz.
La figure 9 est une vue en coupe représentant une structure de transformateur élévateur d'un oscillateur de laser à gaz classique.
Description d'un mode de réalisation préféré
La figure 1 représente une conception d'un mode de réalisation d'un oscillateur de laser à gaz de l'invention. Les mêmes éléments que les éléments de la figure 4 et de la figure 5 sont identifiés avec les mêmes références numériques également sur la figure 1, et leurs
EMI8.1
-- q,--t ------L---*.---1-'r--A--t--------le----*Il-Lde laser à gaz et, sur la figure 1, la référence numérique 21 représente une entretoise comportant une ouverture d'un diamètre intérieur spécifié, dont le centre est sur l'axe optique d'un faisceau de laser 8, et les références 22 et 23 représentent une pluralité (6 sur la figure 1) de tubes de décharge disposés en série le long de l'axe optique du faisceau du laser,
et une paire de tubes de décharge 22 parmi ces tubes de décharge est disposée aux deux extrémités de l'axe optique, c'est-à-dire aux deux extrémités les plus proches d'un miroir totalement réfléchissant 6 et d'un miroir partiellement réfléchissant 7, alors que les autres tubes de décharge 23 sont disposés entre la paire de tubes de décharge 22.
Sur la figure 1, les tubes de décharge 22 et les tubes de décharge 23 sont représentés comme de simples corps tubulaires, mais dans les tubes de décharge individuels 22 et dans les tubes de décharge 23, comme pour les tubes de décharge 1 représentés sur la figure 4, une paire d'électrodes, équivalentes à l'électrode 2 et à l'électrode 3, sont disposées aux deux extrémités du corps tubulaire. Une source d'alimentation à haute tension est reliée entre chaque paire d'électrodes, et un espace de décharge est formé individuellement dans les tubes de
<Desc/Clms Page number 9>
décharge 22 et les tubes de décharge 23.
Cependant, une telle conception n'étant pas liée directement à la nature de l'invention, sur la figure 1, les tubes de décharge 22 et les tubes de décharge 23 sont représentés comme étant de simples corps tubulaires.
Supposons ici que le diamètre intérieur de la paire des tubes de décharge 22 disposée aux deux extrémités de l'axe optique soit r1, la somme des longueurs de la paire des tubes de décharge soit L 1 (= 11 + 12), le diamètre intérieur des autres tubes de décharge 23 à
EMI9.1
l'exception de la paire de tubes de décharge 22 soit r2, la somme des longueurs des autres tubes de décharge 23 à
EMI9.2
.-1-y 1 1--1 1 1. 1 L2 (= 13 + 14 + 15 + 16), et
EMI9.3
le diamètre intérieur de l'ouverture de l'entretoise soit r3, l'oscillateur de laser à gaz du premier mode de réalisation est composé de façon à satisfaire les trois formules suivantes simultanément.
Formule 1 r1/r21. 0
Formule 2 L2/ (L1 + L2) 0. 85
Formule 3 r3/r21, 4.
Ainsi, tant que les formes des tubes de décharge 22, des tubes de décharge 23 et de l'entretoise 21 satisfont simultanément les trois formules (formule 1, formule 2 et formule 3), le diamètre intérieur r2 des tubes de décharge 23 est plus petit que le diamètre intérieur r1 des tubes de décharge 22. Il en résulte que la partie interne des tubes de décharge 23 dans l'espace de résonance 3 est relativement plus étroite que la partie interne des tubes de décharge 22, et que l'ordre du mode électromagnétique transversal (TEM) du faisceau du laser 8 est diminué.
Par ailleurs, le diamètre intérieur r1 des tubes de décharge 22 disposés aux deux extrémités dans la direction de l'axe optique est plus grand que le diamètre intérieur des tubes de décharge 23 disposés au milieu, et de ce
<Desc/Clms Page number 10>
fait, lorsque le faisceau dispersé 8a généré dans l'espace de résonance 9 à l'intérieur des tubes de décharge 23 passe par l'intérieur des tubes de décharge 22, il diverge en direction de l'extérieur de l'espace de résonance en raison de la diffraction. Ce faisceau dispersé 8a divergeant en direction de l'extérieur est intercepté par l'entretoise 21, et n'est délivré qu'à l'extérieur, en empêchant ainsi le faisceau dispersé 8a de se mélanger dans le faisceau de sortie du laser 8.
La figure 2 (a), (b) et (c) constitue des schémas de caractéristique représentant les effets du diamètre intérieur et de la
EMI10.1
longueur des tubes de décharge 22 et des tubes de décharge 23 et du diamètre intérieur de l'entretoise 21 sur les performances de convergence
EMI10.2
' .-.'---. '-. r-\ -ti-.-.,-'t. -.'-L' à évaluer les performances de la convergence du faisceau du laser, la
EMI10.3
largeur de la zone affectée par la chaleur en découpant une plaque d'acier moyenne par un faisceau laser est utilisée. La largeur de la zone affectée par la chaleur est mesurée sur la base de la ligne de découpe.
La figure 2 (a) représente la relation entre la variation de r1/r2 et la largeur affectée par la chaleur, en supposant que L2/ (L1 + L2) soit 0,5 et que r3/r2 soit 1. Comme cela est évident d'après ce schéma, lorsque la valeur de r1/r2 est plus grande que 1, c'est-à-dire lorsque le diamètre intérieur r1 des tubes de décharges 22 disposés aux deux extrémités dans la direction de l'axe optique est plus grand que le diamètre intérieur r2 des tubes de décharge 23 disposés au milieu, l'apparition d'un faisceau dispersé 8a est supprimée, et la largeur affectée par la chaleur est plus petite. la figure 2 (b) représente la relation entre la variation de L2/ (L 1 + L2) et la largeur affectée par la chaleur, en supposant que r1/r2 soit 1,11 et que r3/r2 soit 1.
Comme cela est évident d'après ce schéma, lorsque la valeur de L2/ (L1 + L2) dépasse 0,85, la largeur affectée par la
<Desc/Clms Page number 11>
chaleur augmente soudainement, et de ce fait la valeur de L2/ (L1 + L2) peut être inférieure à 0,85.
La figure 2 (c) représente la relation entre la variation de r3/r2 et la largeur affectée par la chaleur, en supposant que r1/r2 soit 1,11 et que L2/ (L1 + L2) soit 0,5. Comme cela est évident d'après ce schéma, lorsque la valeur de r3/r2 dépasse 1,4, la largeur affectée par la chaleur augmente soudainement. De ce fait, la valeur de r3/r2 doit être établie à moins de 1,4. Ceci suggère que l'effet d'interception du faisceau dispersé 8a par l'entretoise 21 est réduit lorsque le diamètre intérieur r3 de l'ouverture de l'entretoise 21 est trop grand par comparaison au diamètre intérieur r2 des tubes de décharge 23. En d'autres termes, l'entretoise 21 comportant une
EMI11.1
faisceau dispersé 8a.
La figure 3 est un schéma de caractéristique destiné à expliquer l'effet d'un mode de réalisation de l'oscillateur de laser à gaz de l'invention. La figure 3 (a) représente le mode de sortie du faisceau de sortie du laser 8 de l'oscillateur de laser à gaz conforme à un mode de réalisation de l'invention. Comme cela est évident d'après la comparaison entre la figure 3 (a) et la figure 6, le faisceau laser émis à partir de l'oscillateur de laser à gaz de l'invention est dépourvu de faisceau dispersé dans la région périphérique A, et l'on obtient un faisceau laser de haute qualité.
La figure 3 (b) compare la largeur affectée par la chaleur lors de la découpe d'une plaque métallique moyenne, entre l'oscillateur de laser à gaz classique et l'oscillateur de laser à gaz du mode de réalisation de l'invention. Un mode de réalisation de l'invention et la technique antérieure sont comparés en représentant la largeur affectée par la chaleur sur l'axe des ordonnées. Comme cela est évident d'après la figure 3 (b), dans l'oscillateur de laser à gaz de l'invention, la largeur affectée par la chaleur peut être notablement diminuée par comparaison à l'oscillateur de laser à gaz classique.
<Desc/Clms Page number 12>
Comme on l'a expliqué ici, conformément à l'oscillateur de laser à gaz d'un mode de réalisation de l'invention, l'ordre du mode électromagnétique transversal du faisceau de sortie du laser peut être diminué, et le mélange du faisceau dispersé dans le faisceau de sortie du laser peut être empêché, de sorte que l'on peut obtenir un faisceau de sortie du laser à hautes performances de convergence et à hautes qualités.
De ce fait, en utilisant cet oscillateur de laser à gaz, on obtient des performances de traitement élevées et un traitement au laser de haute qualité est réalisé.