CN102334246A - 气体激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明的气体激光振荡器具有振荡器箱体、一对光学基台、一对波纹管及弹性构件，该一对光学基台设置在振荡器箱体的两侧，由在光轴方向延伸的多个支承杆相互平行地连接，分别对构成光共振器的光学部件进行支承；该一对波纹管及弹性构件连接一对光学基台与振荡器箱体之间，振荡器箱体具有主体部和盖部，该主体部由框状的金属材料构成，具有在光轴方向隔开间隔配置的一对侧板，以及分别连接侧板的上端之间与下端之间的在光轴方向延伸的上板(12)及下板(13)；该盖部由金属材料构成，具有外壁(31)和侧壁，并将主体部的各个开口闭塞，该外壁(31)在光轴方向延伸并且与光轴垂直的截面具有圆弧形状，该侧壁连接到外壁(31)的光轴方向的两端部；形成圆弧状的外壁(31)，以便当由固定构件将盖部固定于主体部时，在盖部的与主体部的连接部产生朝振荡器箱体的外侧的高度方向的力。

Description

气体激光振荡器

技术领域

本发明涉及将激光介质气体封入到密闭结构的振荡器箱体内进行激光振荡的气体激光振荡器。

背景技术

在以往的正交激励型气体激光振荡器中，具有封入了CO₂气体等激光介质气体的密闭结构的振荡器箱体，在振荡器箱体内具有激光介质气体放电激励用的放电电极、冷却激光介质气体的热交换器、及使激光介质气体循环的送风器。另外，在振荡器箱体的两端配置有构成气体激光振荡器的反射镜光学系统。在CO₂气体激光器等气体激光器中的连续振荡中，为了将放出激光的气体分子激励(泵激)到受激发射所需要的能级，一般使用由放电时的电子碰撞激励的放电激励。在该场合下，为了获得稳定的放电，需要使振荡器箱体内部为30～60Torr的真空状态，所以，气体激光振荡器的振荡器箱体需要具有能够保持真空状态的气密性能。

另外，由于需要定期地对配置在振荡器箱体的内部的放电电极、热交换器、送风器、及反射镜光学系统等进行维修，所以，最好维修作业者能够容易地从振荡器箱体的外部接触到它们。为此，一般在振荡器箱体上设有宽的开口部，并安装有用于闭塞该开口部的能够拆卸的盖构件。

从以上可以看出，最好气体激光振荡器的盖构件能够经得住使振荡器箱体的内部成为真空状态时的负荷，保持能够保持真空状态的气密性能，而且，以能够容易地维修振荡器箱体的内部设备的方式扩大开口部面积。另外，激光振荡器主要用于激光加工，为了提高加工能力，高输出化正在发展。为此，导入长的放电电极和大型热交换器及大型气体管道，由此使箱体特别是光轴方向长，高度宽度都大型化。另外，由于大型化使得表面积增大，由此使得在箱体及盖构件作用大的大气压力，为此，要求高的强度和刚性。

因此，以往，提出了这样的结构的激光振荡器(例如参照专利文献1)，该激光振荡器具有：搭载放电电极及反射镜等气体激光振荡器的构成设备的长方体状的箱体；为了抑制箱体的变形而设于箱体的肋及开口部支承构件；以及以闭塞箱体的开口部的方式配置的盖构件，其中，在盖构件上形成了向箱体的内侧部或外侧部隆起的曲面部。

现有技术文献

专利文献1

专利文献1：日本特开2007-294807号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在记载于专利文献1的激光振荡器中，由于箱体的结构具有长方体状，所以，随着激光振荡器的大型化，在箱体的上下的面作用由大气压力产生的弯曲应力，箱体的上下的面的中央部附近凹陷，产生大的弯曲应力。为此，需要使构成箱体的上下的面的板构件变厚，另外，如上述那样还需要加强用的肋。结果，存在激光振荡器的制造成本增大的问题。

本发明就是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种气体激光振荡器，在需要大型且重厚的压力容器的高输出的气体激光振荡器中，与以往相比，能够实现大幅度的轻质化，而且能够使制造成本降低。

用于解决问题的手段

为了达到上述目的，本发明的气体激光振荡器具有振荡器箱体、一对光学基台、一对波纹管及弹性构件，该振荡器箱体由金属材料构成；该一对光学基台设置在上述振荡器箱体的两侧，由在光轴方向延伸的至少3根支承杆相互平行地连接，分别对构成光共振器的光学部件进行支承；该一对波纹管及弹性构件连接上述一对光学基台与上述振荡器箱体之间，其特征在于：在设上述光共振器的光轴方向为X轴，设与上述光轴方向垂直的高度方向为Z轴，设与上述X轴及Z轴垂直的方向为Y轴的场合下，上述振荡器箱体具有主体部和盖部，该主体部由框状的金属材料构成，具有在X轴方向隔开间隔配置的一对侧板，以及分别连接上述侧板的Z轴方向的上端之间与下端之间的在X轴方向延伸的上板及下板；该盖部由金属材料构成，并具有外壁和侧壁，将上述主体部的各个开口闭塞，该外壁在X轴方向延伸并且与X轴垂直的截面具有圆弧形状，该侧壁连接到上述外壁的X轴方向的两端部，形成圆弧状的上述外壁，以便当由固定构件将上述盖部固定于上述主体部时，在上述盖部的与上述主体部的连接部产生Z轴方向的朝上述振荡器箱体的外侧的力。

发明效果

按照本发明，形成圆弧状的外壁，以便当由固定构件将盖部固定于主体部时在盖部的与主体部的连接部产生朝振荡器箱体的外侧的Z轴方向的力，所以，当在振荡器箱体作用了大气压力时，从盖部在上板和下板作用将上板和下板往高压侧推回的力。结果，产生于上板和下板的弯曲应力减轻，能够减小构成振荡器箱体的上板和下板的厚度，具有能够实现轻质化、低成本化的效果。

附图说明

图1为表示本发明实施方式1的气体激光振荡器的构成的一例的、拆下了一方的盖部的状态的立体图。

图2为拆下了图1的盖的状态的气体激光振荡器的侧视图。

图3为图2的A-A向视剖视图。

图4为示意地表示施加在气体激光振荡器的振荡器箱体的力的情况的图。

图5-1为表示ZX面内的振荡器箱体的情况的图。

图5-2为图5-1的B-B剖视图。

图6-1为表示ZX面内的振荡器箱体的情况的图。

图6-2为图6-1的C-C剖视图。

图7为表示本发明实施方式2的气体激光振荡器的构成的一例的、拆下了一方的盖部的状态的立体图。

图8为拆下了图7的盖的状态的气体激光振荡器的侧视图。

图9为图8的D-D向视剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的气体激光振荡器的优选实施方式。而且，本发明不由这些实施方式进行限定。

实施方式1

图1为表示本发明实施方式1的气体激光振荡器的构成的一例的、拆下了一方的盖部的状态的立体图，图2为拆下了图1的盖的状态的气体激光振荡器的侧视图，图3为图2的A-A向视剖视图。另外，图4为示意地表示施加在气体激光振荡器的振荡器箱体的力的情况的图。此外，图5-1～图5-2为示意地表示盖的截面为圆弧状的场合的、由作用在振荡器箱体的压力产生的变形的情况的图，图5-1为表示ZX面内的振荡器箱体的情况的图，图5-2为图5-1的B-B剖视图，为表示YZ面内的振荡器箱体的情况的图。另外，图6-1～图6-2为示意地表示长方体状的振荡器箱体的场合的、由作用在振荡器箱体的压力产生的变形的情况的图，图6-1为表示ZX面内的振荡器箱体的情况的图，图6-2为图6-1的C-C剖视图，为表示YZ面内的振荡器箱体的情况的图。而且，在以下的说明中，设激光的光轴方向为X轴，与该光轴垂直的高度方向为Z轴，与这些X轴及Z轴双方垂直的方向为Y轴。

振荡器箱体以具有气密结构的方式由螺栓和螺母等固定构件固定具有框状结构的主体部10和闭塞框状结构的两端的开口的盖部30。

主体部10具有框状构件和设于该框状构件的Y轴方向的两端部的凸缘板14，该框状构件通过在Z轴方向延伸的宽度W的一对侧板11、分别连接这些侧板11的上部的端部之间及下部的端部之间的在X轴方向延伸的宽度W的上板12及下板13形成为框状而构成。在凸缘板14设有O形密封圈槽15、设在O形密封圈槽15的外侧的用于由螺栓固定主体部10与盖部30的螺栓连接用的贯通孔16。这样的主体部10通过对由钢铁、不锈钢、铝等金属材料构成的上板12、下板13、侧板11及凸缘板14进行气密焊接而形成。

在主体部10内，设有产生激光用的放电电极21A、21B、冷却激光介质气体的热交换器22A、22B、使激光介质气体循环的送风器23A、以使激光介质气体循环的方式在放电电极21A、21B与送风器23A之间形成通道的气体管道24A、24B等。在这里，放电电极21A、21B的端部由电极安装台211固定于上板12，送风器23A的Y轴方向的端部由鼓风机安装板231固定于下板13。另外，热交换器22A和气体管道24A在放电电极21A与送风器23A之间固定。

另外，在该例中，分别设有2组放电电极21A、21B、热交换器22A、22B、送风器23A及气体管道24A、24B。具体地说，具有主体部10的X轴方向长度的大体一半的长度的放电电极21A、21B被配置于X轴方向，在这些放电电极21A、21B分别设置热交换器、送风器及气体管道。而且，此处以各个送风器的送风方向相向的方式配置。

在主体部10的光轴90方向的两侧，利用主体部10外侧的下部的1根、上部的2根共3根支承杆53A～53C相互平行地配置保持了全反射镜的后部光学基台51和在与全反射镜同一光轴上保持了部分反射镜的前部光学基台52。另外，保持全反射镜的后部光学基台51和保持部分反射镜的前部光学基台52构成光共振器。

光学基台51、52与主体部10的侧板11之间由波纹管61连接，激光在这些波纹管61中贯通。另外，光学基台51、52在主体部10的侧板11处通过板簧等弹性构件62固定。

盖部30具有外壁31、侧壁32、及凸缘板33，该外壁31在X轴方向延伸，与X轴垂直的方向的截面具有圆弧状；该侧壁32连接在该外壁31的Z轴方向的两端部；该凸缘板33经由O形密封圈与主体部10连接。在凸缘板33设有用于由螺栓等固定构件对在O形密封圈槽的外侧设置的主体部10与盖部30进行固定的螺栓连接用的贯通孔(图中未表示)。该螺栓连接用的贯通孔以与设于主体部10的凸缘板14的螺栓连接用的贯通孔16相同的间距设置。这样的盖部30通过对外壁31、凸缘板33及侧壁32进行气密焊接而形成，该外壁31通过对由铝、不锈钢、钢铁等金属钢材进行弯曲加工而获得，该凸缘板33及侧壁32由铝、不锈钢、钢铁等金属钢材构成。由于在外壁31的圆弧状部分，原理上不由大气压力产生弯曲应力，所以，与平板的盖相比，能够实现盖构件的大幅度的薄壁化。

在具有上述那样构成的主体部10的凸缘板14的O形密封圈槽15处配置O形密封圈，以螺栓连接用的贯通孔的位置一致的方式使主体部10的凸缘板14与盖部30的凸缘板33对位后，将螺栓嵌插在螺栓连接用的贯通孔中，用螺母固定，从而获得确保了气密性的由主体部10和盖部30构成的振荡器箱体。这样的振荡器箱体形成耐压容器。另外，将光学基台51、52安装于该振荡器箱体，获得气体激光振荡器。

安装了盖部30的振荡器箱体的与X轴方向垂直的截面如图3所示那样，具有在构成主体部10的上板12和下板13的直线部处连接构成盖部30的外壁的圆弧部的构成。当维修时，将螺栓和螺母等固定构件拆下，从而能够开闭主体部10和盖部30。

接着，参照图4说明盖部30的曲率半径R与Z轴方向的高度H的关系。这里，设主体部10的宽度(Y轴方向的长度)为W，大气压力为P，设外壁31(盖部30)中的弦的长度(外壁31的Z轴方向的高度)为H，设对上板12进行压缩的方向的力为F1，设向上将上板12抬起的方向(圆弧的弦的方向)的力为F2，设外壁31受到压缩的力(圆弧端部的切线方向的力)为F3，设圆弧端部的切线与圆弧的弦构成的角度为θ，设外壁31的圆弧的曲率半径为R。

首先，根据施加了大气压力P时的、在凸缘板14、33部分的作用反作用的原理，获得下式(1)～(4)。

P·H＝2·F1...(1)

F3·sinθ＝F1...(2)

F3·cosθ＝F2...(3)

R·sinθ＝H/2...(4)

这里，考虑外壁31(盖部30)为半圆截面形状，即R＝H/2的场合。在该场合下，θ为90°，所以，根据(3)式，向上将上板12抬起的方向的力F2为0。结果，如图5-1和图5-2所示那样，上板12及下板13在大气压力的作用下向内侧挠曲，不能够防止在上板12和下板13的YZ截面产生大的弯曲应力。另外，由施加在上板12及下板13的压力，会使振荡器箱体在Z轴方向被压垮，而在Y轴方向伸长地变形。在图5-1和图5-2中，双点划线表示振荡器箱体内也处于大气压的状态的场合的振荡器箱体的轮廓的位置。

因此，在该实施方式1中，以满足下式(5)的方式构成盖部30。

R＞H/2...(5)

即，根据(4)式和(5)式，使θ比90°更小，由此通过(3)式，能够在上板12和下板13产生向外侧(高压侧)使上板12和下板13扩张的力F2，能够减小产生在上板12和下板13的YZ截面的弯曲应力。结果，能够减小上板12和下板13的强度，因此，能够减小上板12和下板13的壁厚。另外，如板厚变小，则焊接部的焊脚长度变短，所以，焊接加工成本减少，焊接速度增大，还使焊接可靠性提高。

而且，虽然最好设θ比90°小，但理想情况下，最好施加在上板12(在下板13也相同)的大气压力P与盖部30向上将上板12抬起的力F2平衡。因此，使施加在上板12(下板13)的大气压力P与盖部30向上将上板12抬起的力F2平衡的条件为下式(6)。

P·W＝2·F2...(6)

使用(1)～(4)式和(6)式，消去F1、F2、F3及θ，获得下式(7)，最好满足该(7)式地选择曲率半径R。

R＝H/(2·sin(arcTan(H/W))...(7)

如上述那样，通过满足(5)式或(7)式地选择盖部30的曲率半径R，在上板12与下板13的YZ截面不产生弯曲应力。结果，能够使上板12和下板13大幅度薄壁化。特别是在YZ截面产生的弯曲应力与主体部10的光轴90方向的长度的平方成比例，所以，对于在光轴90方向变长的高输出的气体激光振荡器的主体部10有效。

接着，说明由大气压力作用于主体部10的上板12和下板13的XZ截面的弯曲应力。该应力与主体部10的宽度W的平方成比例，所以，宽度最好较窄。然而，如图6-1～图6-2那样，在振荡器箱体100为箱形结构的场合(例如参照日本特开昭60-254680号公报)，需要增大上板112和下板113的宽度。为此，会在上板112和下板113作用大的弯曲应力，振荡器箱体100产生变形。为了防止这一问题，如公开于日本特开2007-294807号公报中的那样，在上板112和下板113上需要在X方向按规定间隔配置的多个加强肋。

相对于此，在如该实施方式1那样与X轴方向垂直的截面形状为圆弧状的盖部30的场合下，盖部30在高度方向的中央部附近最向Y轴方向伸出，所以，能够使上板12和下板13的宽度W比上述箱形结构的振荡器箱体减小相应的量。根据该结构，能够排除以往需要的加强用肋，减少焊接组装费。

按照该实施方式1，将具有满足(5)式或(7)式的那样的圆弧状的盖部30固定在主体部10的侧面，所以，相对于振荡器箱体在Z轴方向受到的大气压力，在抵消大气压力的方向上作用紧固凸缘的力的反作用的Z轴方向的分量。这样，不在构成主体部10的上板12和下板13的YZ截面上产生弯曲应力，具有能够将上板12和下板13薄壁化的这样的效果。另外，能够使主体部10的上板12和下板13的宽度W比以往的箱型结构的振荡器箱体的场合减小，所以，具有对由大气压力作用在XZ截面上的弯曲应力的耐受性，具有不需要加强构件这样的效果。另外，由于在盖部30的圆弧状部分原理上不由大气压力产生弯曲应力，所以，还具有能够相比平板盖使盖部30大幅度薄壁化的效果。

实施方式2

图7为表示本发明实施方式2的气体激光振荡器的构成的一例的、拆下了一方的盖部的状态的立体图，图8为拆下了图7的盖的状态的气体激光振荡器的侧视图，图9为图8的D-D向视剖视图。而且，对与实施方式1相同的构成部分标注相同的符号，省略其说明。

在该实施方式2中，对于实施方式1的气体激光振荡器，以贯通主体部10的一对侧板11之间的方式设置支承杆53C，该支承杆53C配置在主体部10的外侧的下部。为此，接近下部的支承杆53C以连接一对侧板11之间的方式设置结构构件71。作为该结构构件71，最好为C型钢、H型钢等的弯曲刚性高的截面结构，但在图例中，使用截面为矩形的、具有筒型结构(中空结构)的方形钢，以不与周围接触的方式将下部的支承杆插入到中空部分中。该结构构件71被焊接在侧板11的中央部附近，以不与上板12、下板13及盖部30接触的方式配置。

另外，在该实施方式2中，由电极安装台211A将放电电极21A、21B定位固定于该结构构件71。另外，在通过主体部10的中央部附近的结构构件71上固定送风器23A、23B、热交换器22A、及连接放电电极21A、21B与送风器23A的气体管道24A、24B，送风器23A、热交换器22A及管道24A、24B以不与上板12、下板13及盖部30接触的方式配置。

在主体部10，例如需要设置用于固定冷却水配管、送风器23A、23B的电配线、干燥剂等部件的图中未表示的螺纹孔，但在该实施方式2中，也可将用于固定这些部件的所有螺纹孔设置于彼此连接侧板11和侧板11的结构构件71，在主体部10的上板12、下板13及盖部30上不固定任何部件，也都不形成螺纹孔。

另外，虽然也可使2根支承杆贯通于主体部10的内部，在主体部10的外侧配置1根支承杆，但在该场合，贯通于主体部10的内部的2根支承杆会与盖部30干涉，不能减小主体部10的宽度。为此，如上述那样，使连接光学基台51、52的3根支承杆53A～53C中的2根支承杆53A、53B通过主体部10的外侧，仅1根支承杆53C在主体部10的内部的方型钢(柱钢)27中通过，从而能够抑制支承杆53C与盖部30的干涉，减小主体部10的宽度W。

按照该实施方式2，形成为在主体部10的内部设置连接侧板11之间的结构构件71，在该结构构件71设置放电电极21A、21B的结构，所以，即使大气压使主体部10、盖变形，放电电极21A、21B的位置也不相对于光轴90变化，因此，能够进一步减小上板12和下板13的厚度。另外，能够减小考虑到由主体部10、盖部的变形导致的放电电极21A、21B的移动量而设计的放电间隙的余量。结果，能够减少受到了激励的气体未被激光振荡(受激发射)使用就流走了的损失，所以，激光的振荡效率提高。

另外，由于送风器、热交换器及连接它们的气体管道等重量物、需要组装精度的部件没有设于主体部10的上板12、下板13、盖，所以，能够减小构成上板12、下板13、盖的构件的厚度，并且具有能够放宽主体部10和盖的制造时的焊接组装尺寸精度、实现低成本化的效果。

另外，由于仅在侧板11和结构构件71设置对安装于气体激光振荡器的部件进行固定所需要的螺纹孔，所以，完全不需要对主体部10的上板12和下板13的机械加工。另外，由于没有螺纹孔，所以，能够排除根据螺纹牙的破损强度规定的最低壁厚的制约，将构件的厚度减薄到能够经得住压力的限度。

在上述说明中，表示了如下这样的场合，在该场合中，在主体部10内具有2个放电电极21A、21B，以相互朝着相反方向的方式对安装于一个放电电极21A的送风器和热交换器的朝向与安装于另一个放电电极21B的送风器和热交换器的朝向进行配置，使得气流相向。然而，在使分别安装于放电电极21A、21B的送风器和热交换器的朝向为相同方向，以气流不相向的方式配置的场合，也能够获得同样的效果。

产业上利用的可能性

如以上那样，本发明的气体激光振荡器对于在具有气密结构的振荡器箱体内使激光振荡的场合有用，特别是适合于在光轴方向长的高输出的气体激光振荡器。

符号的说明

10主体部

11侧板

12上板

13下板

14、33凸缘板

15O形密封圈槽

16贯通孔

21A、21B放电电极

22A、22B热交换器

23A、23B送风器

24A、24B气体管道

30盖部

31外壁

32侧壁

33凸缘板

51后部光学基台

52前部光学基台

53A、53B、53C支承杆

61波纹管

62弹性构件

71结构构件

Claims (7)

1.一种气体激光振荡器，具有振荡器箱体、一对光学基台、一对波纹管及弹性构件，该振荡器箱体由金属材料构成；该一对光学基台设置在上述振荡器箱体的两侧，由在光轴方向延伸的至少3根支承杆相互平行地连接，分别对构成光共振器的光学部件进行支承；该一对波纹管及弹性构件连接上述一对光学基台与上述振荡器箱体之间，其特征在于：

在设上述光共振器的光轴方向为X轴，设与上述光轴方向垂直的高度方向为Z轴，设与上述X轴及Z轴垂直的方向为Y轴的场合下，

上述振荡器箱体具有主体部和盖部，

该主体部由框状的金属材料构成，具有在X轴方向隔开间隔配置的一对侧板，以及分别连接上述侧板的Z轴方向的上端之间与下端之间的在X轴方向延伸的上板及下板；

该盖部由金属材料构成，具有外壁和侧壁，并将上述主体部的各个开口闭塞，该外壁在X轴方向延伸并且与X轴垂直的截面具有圆弧形状，该侧壁连接到上述外壁的X轴方向的两端部，

形成圆弧状的上述外壁，以便当由固定构件将上述盖部固定于上述主体部时，在上述盖部的与上述主体部的连接部产生朝上述振荡器箱体的外侧的Z轴方向的力。

2.根据权利要求1所述的气体激光振荡器，其特征在于：

在上述盖部的与X轴垂直的截面中，在设圆弧状的上述外壁的曲率半径为R，设弦的长度为H的场合下，

上述外壁满足R＞H/2。

3.根据权利要求2所述的气体激光振荡器，其特征在于：

在设上述主体部的宽度为W的场合下，上述外壁满足

R＝H/(2·sin(arcTan(H/W))。

4.根据权利要求1所述的气体激光振荡器，其特征在于：还具有结构构件，该结构构件连接上述主体部的上述侧板之间，并且不与上述上板和上述下板接触，

设于上述振荡器箱体内的放电电极以与上述上板、上述下板及上述盖部都不接触的方式固定于上述结构构件。

5.根据权利要求4所述的气体激光振荡器，其特征在于：上述结构构件为由中空的金属材料构成的方型材，

上述支承杆包括配置在上述振荡器箱体的外侧的上部的2根上部支承杆和以贯通上述主体部的中心附近的方式配置的1根下部支承杆，

上述下部支承杆以贯通上述方型材的内部的方式配置。

6.根据权利要求4所述的气体激光振荡器，其特征在于：设于上述振荡器箱体内的送风器、热交换器及气体管道以与上述上板、上述下板及上述盖部都不接触的方式固定于上述结构构件。

7.根据权利要求4所述的气体激光振荡器，其特征在于：被固定于上述振荡器箱体的部件被固定于上述侧板和/或上述结构构件。

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