CN100470967C - 气体激光装置 - Google Patents

Abstract

一种气体激光装置，它装备具有介质气体在压力下流动的介质回路的激光振荡部、调整流过激光振荡部的介质回路的介质气体的组成的气体组成调整部。气体组成调整部具有：把组成不同的多种介质气体可调整各自流量地供给激光振荡部的介质回路的供气部、从激光振荡部的介质回路排出气体的排气部、遵照包含由激光振荡部振荡的激光光束的作用对象物体的属性以及作用精度的至少一方的振荡条件、控制供气部以及排气部、调整流过介质回路的介质气体的组成的控制部。

Description

气体激光装置

技术领域

本发明涉及把气体作为激光介质的气体激光装置。

背景技术

把气体作为激光介质的气体激光装置在加工、医疗、测量等领域中被广泛使用。构成气体激光装置的激光振荡器，一般具有激励作为激光介质的流动气体(在本申请中称为介质气体)的激励部(通过放电、光、热、化学反应等)、放大由激励部激励的介质气体的光能作为激光光束射出的光共振部(有一对镜子)、在激励部以及光共振部上连接的、形成介质气体在压力下流动的介质回路的循环路径、在循环路径上设置的、强制使介质气体在介质回路内高速循环的送风机构成。

在这种气体激光装置中，振荡的激光光束的特性(或者品质)受构成光共振部的一对镜子的曲率或反射率、作为构成激励部的一例的放电管的直径和电极的宽度、流过介质回路的介质气体的速度或者脉动状态等各种物理参数的影响。这里，现有的气体激光装置，一般对应使激光光束作用的对象物体的属性(材料、尺寸)或者要求的作用精度(例如加工精度)，预先固定地设定上述各种参数，以使能够振荡具有最佳特性(或品质)的激光光束。

另一方面，在现有的气体激光装置中，公知的有：以连续波(CW)型和脉冲型切换振荡形式、能够适当选择不同特性的激光光束进行振荡的产品(例如参照特开昭63—42188号公报(JP—A—63—42188))。在JP—A—63—42188中记载的气体激光装置中，在上述一般结构的激光振荡部之外，还具有为改变流过介质回路的介质气体的流动压力以及组成中至少一方的介质气体贮存部构成。介质气体贮存部具有高压罐和低压罐，两罐分别通过在由控制部控制下执行开闭动作的电磁阀与介质回路连接。在高压罐以及低压罐内，以规定的压力以及混合比分别贮存组成介质气体的多种成分气体(例如氦气(He)、氮气(N₂)、二氧化碳气(CO₂))。在以连续波(CW)型和脉冲型切换激光光束的振荡形式时，控制部通过打开高压罐以及低压罐的任何一方和介质回路之间的电磁阀，把介质回路内的介质气体的压力以及组成的至少一方调整为适合连续波(CW)型和脉冲型的振荡形式。

在使用气体激光装置的激光加工系统中，近年来，对于薄钢板的切断工序的高速化以及切断面的平坦化(亦即提高面光洁度)的要求提高。另外为推进多品种少量生产，要求使用共同的气体激光装置以任意顺序进行薄钢板和厚钢板的加工。在这样的状况下，希望能够伴随加工对象工件的属性(材料、尺寸等)或者要求的加工精度的变化，可适宜调整来使在一台气体激光装置中振荡的激光光束的特性(或品质)最优化。

例如，为执行薄钢板的高速切断，确保在加工点聚光的激光光束的能量密度十分重要，要求能够以大输出功率振荡聚光特性优良的激光光束。另外，为执行厚钢板的高速切断，确保通过足够量的辅助气体的切除宽度十分重要，要求能够以大输出功率振荡那样比较大的聚光直径的激光光束。与此相对，为执行能够获得平坦的切断面的高精度切断，激光光束的输出随时间变动小十分重要，为此目的，要求减低介质气体的层流化或脉动。但是，介质气体的层流化或脉动的减低是与激光光束的大输出功率相反的。

在现有的激光加工系统中，已经试行伴随加工对象工件的属性(材料、尺寸等)或者要求的加工精度的变更，或在光共振部内设置的切换孔的尺寸来控制光束模式、或使在加工机内的光束传播路径上设置的镜子的曲率可变、或可更换在加工喷嘴上设置的聚光透镜来控制焦点距离或聚光直径、或控制激光振荡器内的介质气体的流速、或者在激光振荡器内设置减低介质气体的脉动的整流器。但是，伴随工件的属性或者加工精度的变更，直接调整所使用的介质气体的组成，由此来使激光光束的特性(或品质)最优，还从来没有进行过。

在这一观点中，上述JP—A—63—42188中记载的技术，着眼于以连续波(CW)型和脉冲型切换激光光束的振荡形式，随机应变地对应工件的属性或者加工精度的变更使激光光束的特性(或品质)最优，是困难的。此外，不仅在激光加工系统中，就是在医疗用(例如诊断或治疗)等其他的激光系统中，也希望能够随机应变地对应激光光束的作用对象物体(例如皮肤)的属性或要求的作用(例如切开)的精度的变更。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体激光装置，它以气体作为激光介质，能够伴随使激光光束的作用对象物体的属性或要求的作用精度的变更，直接调整所使用的介质气体的组成，由此来使激光光束的特性最优。

为实现上述目的，本发明提供一种气体激光装置，装备具有介质气体在压力下流动的介质回路的激光振荡部、调整流过激光振荡部的介质回路的介质气体组成的气体组成调整部，气体组成调整部具有：把组成不同的多种介质气体可调整各自流量地供给激光振荡部的介质回路的供气部、从激光振荡部的介质回路排出气体的排气部、遵照包含由激光振荡部振荡的激光光束的加工对象物体的属性或加工精度的至少一方的振荡条件控制供气部以及排气部来调整流过介质回路的介质气体的组成的控制部，该控制部遵照包含振荡条件的激光加工程序中振荡条件的变更指示，在控制供气部停止供气的同时，控制排气部，在控制排气部从介质回路实质上排出了全部介质气体后，控制供气部，使遵照从多种介质气体得到的振荡条件的最佳组成的介质气体供给介质回路。

在上述气体激光装置中，进一步包括，在供气部和介质回路之间设置的、调整从供气部供给介质回路的遵照振荡条件的最佳组成的介质气体的供给压力的压力调整部。另外，供气部拆装自如地被连接到所述压力调整部。

供气部能够在控制部的控制下给介质回路供给各自以规定比混合多种成分气体形成的多种介质气体，或者能够在控制部的控制下给介质回路供给以规定比混合多种成分气体形成的至少一种介质气体和至少一种单成分介质气体。

供气部可以具有在控制部的控制下个别调整供给介质回路的多种直接气体的流量的多个流量调整单元。

附图说明

本发明的上述以及其他的目的、特征以及优点，通过对关联附图的下面的适合的实施形态的说明会更加明了。附图中，

图1是表示本发明的气体激光装置的基本结构的功能框图；

图2是以概念图表示根据本发明的第一实施形态的气体激光装置的结构的图；

图3是以概念图表示根据本发明的第二实施形态的气体激光装置的结构的图；以及

图4是以概念图表示根据本发明的第三实施形态的气体激光装置的结构的图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施形态。在附图中，给相同或者类似的构成单元赋予共同的参照符号。

参照附图，图1用功能框图表示本发明的气体激光装置10的基本结构。气体激光装置10，装备具有介质气体M在压力下流动的介质回路12的激光振荡部14、和调整流过激光振荡部14的介质回路12的介质气体M的组成的气体组成调整部16。气体组成调整部16，装备把组成不同的多种介质气体M(M1、M2…)以可调整各自的流量的方式供给激光振荡部14的介质回路12的供气部18、从激光振荡部14的介质回路12排出介质气体M的排气部20、遵照包含由激光振荡部14振荡的激光光束的作用对象物体的属性以及作用精度的至少一方的振荡条件C控制供气部18以及排气部20来调整流过介质回路12的介质气体M的组成的控制部22。

使用具有上述结构的气体激光装置10，在正在执行激光加工或者激光治疗等作业时，即使激光光束作用的对象物体(工件、皮肤等)的属性(材料、尺寸等)、或者所要求的作用精度(加工精度、切开精度等)变更了的场合，控制部22也能遵照那样变更了的内容的振荡条件C控制供气部18以及排气部20，为最优化调整流过介质回路12的介质气体M的组成。

介质气体M的组成改变的话，在介质回路12内的易流度或折射率变化，激光振荡部14中的激励状态变化。其结果，因为由激光振荡部14振荡的激光光束的模式次数、光束传播特性、时间轴的输出功率变动等变化，所以能够随机应变地对应作用对象物体的属性或者作用精度的变更，使激光光束的特性(或者品质)最优。因此，本发明的气体激光装置10可以用一台执行宽广范围的作业。

在上述的结构中，供气部18，能够在控制部22的控制下，调整组成不同的多种介质气体M1、M2…各自的流量，给介质回路12供给具有符合振荡条件C的最佳的成分比的介质气体。此时，控制部22构成为：首先控制排气部20，在从介质回路12实质上排出了全部介质气体M后，控制供气部18，给介质回路12供给遵照从多种介质气体M1、M2得到的上述振荡条件C的最佳的组成的介质气体，这是有利的。通过这样的结构，伴随振荡条件C的变更，能够实质上完全改换流过介质回路12的介质气体M。而且，因为仅通过控制供气部18中的流量便可以确保介质气体M所需要的成分比，所以能够容易而且正确地使激光光束的特性(或品质)最优。

在激光加工系统中采用上述气体激光装置10的场合，控制部22，可以构成为：根据包含振荡条件C的激光加工程序控制供气部18以及排气部20。通过这样的构成，作为在激光加工程序中记述的各种加工条件之一，预先记述振荡条件C，这样，就可以随时对应工件的属性或加工精度的变更，遵照加工程序执行最佳的激光加工。在这一场合，控制部22，也可以在功能上被装配在与气体激光装置10连接的激光加工装置(机械手，机床等)的动作控制部内。此外，在控制部22兼作激光加工装置的动作控制部的场合，作为激光加工程序，采用数值控制程序，这是有利的。或者，也可以构成为：不使用加工程序，通过操作员任意开关操作机械开关，控制部22遵照振荡条件C，来控制供气部18以及排气部20。

图2以概念图表示具有上述基本结构的根据本发明的第一实施形态的气体激光装置30的结构。此外，在气体激光装置30中，在与图1所示的基本结构单元对应的结构单元中赋予共同的参照符号，并省略其说明。

气体激光装置30的激光振荡部14，被构成为具有：激励介质气体M的激励部32；放大由激励部32激励的介质气体M的光能作为激光光束射出的光共振部34；连接激励部32以及光共振部34、形成介质气体M在压力下流动的介质回路12的循环路径36；和在循环路径36上设置的在介质回路12内强制使介质气体M高速循环的送风机38。激励部32作为具有在一对电源40上连接的电极对(未图示)的放电管形成。在激励部32的轴线方向两端分别通过保持机构固定保持构成光共振部34的后镜(全反射镜)34a和输出镜(部分透镜)34b。

激励部32的一对电源40，在对应的电极上施加射频区域的交流电压。这样的通常的振荡动作，通过未图示的控制装置执行的顺序控制起动。使电源40起动后发生放电，激励部32内的介质气体M被激励且由光共振部34放大后，从输出镜34b射出激光光束。激励部32内的介质气体M，接受放电成为高温，而由在送风机38的上流侧设置的热交换器42冷却后被吸引到送风机38。送风机38在压力下把介质气体M送出到喷出侧。通过该压缩过程升温的介质气体M，由在送风机38的下流侧设置的热交换器44再次冷却。从送风机38送出的介质气体M，在冷却后流过循环路径36，供给激励部32。

构成激光振荡部14的介质回路12的循环路径36，通过压力调整部46，连接到气体组成调整部16的供气部18。压力调整部46把从供气部18送出的任意组成的介质气体的压力调整为指定值，供给循环路径36，由此，总是将介质回路12内的介质气体M的压力维持为定植。另外，气体组成调整部16的排气部20，例如由排气泵构成，离开压力调整部46被连接到循环路径36。排气部20，在气体组成调整步骤之外，把介质回路12内的介质气体M的一部分继续向外部排出那样作用。

气体组成调整部16的供气部18，具有一对切换阀(亦即流量调整单元)48、50。这些切换阀48、50，分别通过流路56、58被连接到分别贮存了组成不同的两种介质气体M1、M2的一对储气瓶52、54，在控制部22的控制下个别调整供给介质回路12的这些介质气体M1、M2的流量。在储气瓶52、54内贮存的两种介质气体M1、M2，各自是以预先规定的比混合多种的成分气体形成的。在图示实施形态中，作为一例，使用以通常的混合比组成一般的碳酸气体激光的成分气体(氦气(He)、氮气(N₂)、二氧化碳气(CO₂))的介质气体M1、和以不同的(氦气浓度高)混合比组成与介质气体M1相同的成分气体的介质气体M2。

这里，由上述高速轴流型激光振荡部14振荡的碳酸气体激光，介质气体中的氦气浓度越高，激光光束的时间变动越小，结果，由实验判明例如工件的切断面变得平滑。另外，在构成光共振部34的后镜34a以及输出镜34b的曲率在相同的条件下，判明介质气体中的氦气浓度越高，振荡的光束模式维数越低。其反面是，氦气浓度升高的话，与通常浓度的场合比较，激光输出饱和快，有难于得到高效率大输出功率的倾向。

通过使光束模式低维化，缩小用透镜聚光激光光束时的焦点的斑点直径。焦点每单位面积的能密度，与斑点直径的平方成反比。因此，例如在切断薄钢板时，通过缩小斑点直径，能够减少对切断无用的能量，即使在低输出功率下也能增加切断速度。这样，通过把在激光振荡部14的介质回路12内收容的通常混合比的三种混合介质气体M1，置换为氦气浓度高的三种混合介质气体M2，就能够确实对应要求激光光束的时间变动小的高精度切断工序(提高切断面光洁度)、以及要求聚光性优良的低维模式的激光光束的薄板高速切断工序。

说明在图示的气体激光装置30中，在通过激光加工程序指示从一般的(亦即使用通常组成的介质气体)加工作业变更到重视切断面的薄板高速切断工序(亦即振荡条件C的变更)的场合下的各构成单元的动作。通常，在控制部22的控制下，在供气部18的切换阀48打开的同时切换阀50关闭，从储气瓶52将通常的成分比的介质气体M1送给激光振荡部14的介质回路12。此时，通过压力调整部46以及排气部20的动作，介质回路12内的介质气体M1一边维持一定压力，一边一点一点更新。

在激光加工程序中，如果指示变更振荡条件C，则在停止激光加工装置的加工作业动作后，停止激光振荡部14的激励部32中的放电，同时在控制部22的控制下关闭供气部18的切换阀48，停止介质气体M1的供给。此时，在控制部22的控制下，通过继续执行由排气部20进行的排气动作，把介质回路12内的压力从停止放电瞬间的数千Pa(数十Torr)降低到小于等于133Pa(1Torr)(亦即抽真空)。

在抽真空结束后，在控制部22的控制下，打开切换阀50，通过压力调整部46向介质回路12供给氦气的组成比高的介质气体M2。然后，通过压力调整部46的动作，在调整介质回路12内的压力的阶段，重新开始激光振荡部14的激励部32中的放电。由此，使用具有最佳特性的激光光束开始重视切断面的薄板高速切断工序。在以上的作业流程中，从放电停止到异种加工开始，实际仅需数十秒。

在上述结构中，气体组成调整部16的供气部18，可以在控制部22的控制下选择各自以规定比混合多种成分气体而形成的三种或三种以上的介质气体供给介质回路12。在这种场合，三个或者三个以上的切换阀(亦即流量调整单元)分别通过流路分别连接到分别贮存了三种或者三种以上的介质气体的三个或者三个以上的储气瓶。然后，例如在通过激光加工程序指令变更振荡条件C时，通过各个切换阀的动作，自动选择符合该振荡条件C的最佳组成的介质气体，供给介质回路12。

图3以概念图表示具有图1的基本结构的根据本发明的第二实施形态的气体激光装置60的结构。气体激光装置60，除气体组成调整部16的供气部18的结构以外，具有和第一实施形态的气体激光装置30实质上相同的结构，所以给对应的结构单元赋予共同的参照符号，并省略其说明。

气体激光装置60中的气体组成调整部16的供气部18，具有分别通过流路56、64连接到分别贮存组成不同的两种介质气体M1、M3的一对储气瓶52、62上的两组流量调整单元群。亦即，用于介质气体M1的流量调整单元群，具有气体阻断部66、恒压控制部68和流量调整部70，这些流量调整单元群对于压力控制部46被串联连接。另外，用于介质气体M2的流量调整单元群，具有气体阻断部72、恒压控制部74和流量调整部76，这些流量调整单元群对于压力控制部46被串联连接。这些流量调整单元群在控制部22的控制下个别调整供给介质回路12的介质气体M1、M3。具体说，在恒压控制部68、74中，在把两种介质气体M1、M3控制到同一压力后，流量调整部70、76把这些介质气体M1、M3的流量调整到指定流量比。由此，决定供给激光振荡部14的介质气体(介质气体M1、M3的混合气体)M的组成比。

储气瓶52、62中贮存的两种介质气体M1、M3，含有以规定比混合多种成分气体而形成的气体、和单一的成分的气体。在图示实施形态中，作为例子，使用以通常的混合比组成一般的碳酸气体激光的成分气体(氦气(He)、氮气(N₂)、二氧化碳气(CO₂))的介质气体M1、和仅含有与在介质气体M1中包含的任何一种成分气体同种类的成分气体(在图示实施形态中为氦气)的介质气体M3。

说明在图示的气体激光装置60中，在通过激光加工程序指示从一般的(亦即使用通常组成的介质气体)加工作业变更到重视切断面的薄板高速切断工序(亦即振荡条件C的变更)的场合下的各构成单元的动作。通常，在控制部22的控制下，在供气部18的气体阻断部66打开的同时气体阻断部72关闭，从储气瓶52将通常的成分比的介质气体M1，经由恒压控制部68以及流量调整部70，送给激光振荡部14的介质回路12。此时，通过压力调整部46以及排气部20的动作，介质回路12内的介质气体M1一边维持一定压力，一边一点一点更新。

在激光加工程序中，如果指示变更振荡条件C，则在停止激光加工装置的加工作业动作后，停止激光振荡部14的激励部32(图2)中的放电，同时在控制部22的控制下关闭供气部18的气体阻断部66，停止介质气体M1的供给。此时，在控制部22的控制下，通过继续执行由排气部20进行的排气动作，把介质回路12内的压力从停止放电瞬间的数千Pa(数十Torr)降低到小于等于133Pa(1Torr)(亦即抽真空)。

在抽真空结束后，在控制部22的控制下，打开一对气体阻断部66、72两方，以通过一对流量调整阀70、76决定的流量比混合通常成分比的介质气体M1和单成分(氦气)的介质气体M3，通过压力调整部46供给介质回路12。然后，通过压力调整部46的动作，在调整介质回路12内的压力的阶段，重新开始激光振荡部14的激励部32中的放电。由此，使用具有最佳特性的激光光束开始重视切断面的薄板高速切断工序。在以上的作业流程中，从放电停止到异种加工开始，实际仅需数十秒。

在上述结构中，气体组成调整部16的供气部18，能够在控制部22的控制下把以规定比混合多种成分气体而形成的气体和各自由单成分组成的两种或两种以上的介质气体调整为指定流量比互相混合，供给介质回路12。在这一场合，三组或三组以上的流量调整单元群(气体阻断部，恒压控制部，流量调整部)，分别通过流路个别连接到每个贮存三种或三种以上的介质气体的三个或三个以上的储气瓶。然后，例如在通过激光加工程序指令变更振荡条件C时，通过每个流量调整单元群的动作，混合生成符合该振荡条件C的最佳组成的介质气体，供给介质回路12。

另外，在上述结构中，对于以规定比混合多种成分气体形成的介质气体，也能够以指定流量比混合仅含有与在该介质气体中预先包含的成分气体不同种类的成分气体的介质气体。例如，对于一般的碳酸气体激光的三种混合介质气体，能够混合含有一氧化碳气的单成分介质气体，给介质回路12供给振荡特性不同的激光光束的四种混合介质气体。进而，也可以互相组合这几个变形例，来构成本发明的气体激光装置。

图4以概念图表示具有图1的基本结构的根据本发明的第三实施形态的气体激光装置80的结构。气体激光装置80，除将气体组成调整部16的供气部18对于激光振荡部14做成了拆装自如的构成外，具有和第一实施形态的气体激光装置30实质上相同的结构，所以给对应的结构单元赋予共同的参照符号，并省略其说明。

在气体激光装置80中，对于内置激光振荡部14、排气部20以及压力调整部46的框体82，供气部18，例如以内置在别的框体内的形态，拆装自如地连接到压力调整部46。通过这样的结构，对于没有介质气体的组成调整功能的现有一般的气体激光装置(具有激光振荡部、排气部以及压力调整部)，可以通过所谓的外置来设置本发明中的颇具特征的供气部18，追加功能。在这种场合，也可以变更现有的气体激光装置中的控制部的软件，只要能使其作为本发明中的控制部22起作用即可。

从上述说明可知，根据本发明，在执行激光加工或者激光资料治疗等的作业期间，即使在激光作用的对象物体(工件、皮肤等)的属性(材料、尺寸等)、或所要求的作用精度(加工精度、切开精度等)变更的场合，控制部也能够遵照那样的变更后的内容的振荡条件，控制供气部以及排气部，为最优化来调整流过介质回路的介质气体的组成。其结果，能够随机应变地对应作用对象物体的属性或作用精度的变更，使激光光束的特性(或者品质)最优。

以上，将本发明与其适合的实施形态关联起来进行了说明，但是业内人士定会理解，在不离开后述权利要求公开的范围的情况下可以进行各种各样的修正以及变更。例如，图示实施形态的气体激光装置30、60、80中的任何一个都可以用于医疗用途(例如诊断或治疗)等、激光加工系统以外的激光系统中。

Claims (8)

1.一种气体激光装置，其装备具有介质气体(M)在压力下流动的介质回路(12)的激光振荡部(14)、调整流过该激光振荡部的该介质回路的介质气体的组成的气体组成调整部(16)，其特征在于，

所述气体组成调整部具有：

把组成不同的多种介质气体(M1、M2…)可调整各自流量地供给所述激光振荡部的所述介质回路的供气部(18)，

从所述激光振荡部的所述介质回路排出介质气体的排气部(20)，

遵照包含由所述激光振荡部振荡的激光光束的加工对象物体的属性以及加工精度的至少一方的振荡条件(C)控制所述供气部以及所述排气部、调整流过所述介质回路的介质气体的组成的控制部(22)，该控制部遵照包含所述振荡条件的激光加工程序中所述振荡条件的变更指示，在控制所述供气部停止供气的同时，控制所述排气部，在控制所述排气部从所述介质回路实质上排出了全部介质气体后，控制所述供气部，使遵照从所述多种介质气体得到的所述振荡条件的最佳组成的介质气体供给所述介质回路。

2.根据权利要求1所述的气体激光装置，进一步包括，

在所述供气部和所述介质回路之间设置的、调整从所述供气部供给所述介质回路的遵照所述振荡条件的最佳组成的介质气体的供给压力的压力调整部(46)。

3.根据权利要求2所述的气体激光装置，其中，

所述供气部拆装自如地被连接到所述压力调整部。

4.根据权利要求1所述的气体激光装置，其中，

所述供气部，在所述控制部的控制下给所述介质回路供给各自以规定比混合多种成分气体而形成的所述多种介质气体。

5.根据权利要求1所述的气体激光装置，其中，

所述供气部，在所述控制部的控制下给所述介质回路供给以规定比混合多种成分气体而形成的至少一种介质气体、和至少一种单成分介质气体。

6.根据权利要求5所述的气体激光装置，其中，

所述至少一种单成分介质气体与在所述至少一种介质气体中预先包含的成分气体为同种类。

7.根据权利要求5所述的气体激光装置，其中，

所述至少一种单成分介质气体与在所述至少一种介质气体中预先包含的成分气体为不同种类。

8.根据权利要求1到7中任何一项所述的气体激光装置，其中，

所述供气部，具有在所述控制部的控制下个别调整供给所述介质回路的所述多种介质气体的流量的多个流量调整单元(48，50)。

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