CN113889826A - 激光振荡器 - Google Patents

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河村让一
田中研太
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Abstract

本发明提供一种能够抑制装置的大型化及成本上升且能够抑制光学谐振腔的光轴错开的激光振荡器。激光介质气体容纳于腔室中。放电电极在腔室内产生放电。具有通过放电电极产生放电的区域的光轴的光学谐振腔保持在配置于腔室内的谐振腔底座。激光振荡器设置有温度差减少结构，所述温度差减少结构减少谐振腔底座的表面中的面朝放电电极的方向的第1表面和面朝与放电电极相反一侧的方向的第2表面之间的温度差。

Description

激光振荡器
本申请主张基于2020年7月3日申请的日本专利申请第2020-115641号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考而援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种激光振荡器。
背景技术
激光振荡器中使用的光学谐振腔具有一对谐振腔反射镜，其将光封闭在谐振腔反射镜之间来产生受激发射。若一对谐振腔反射镜的光轴彼此错开，则激光的输出会下降。为了避免激光的输出下降，抑制一对谐振腔反射镜的光轴彼此错开是非常重要的。为了抑制光轴彼此错开，有时会采用将一对谐振腔反射镜固定于谐振腔底座的结构。
在下述专利文献1中公开了一种激光振荡器，其将容纳激光介质和光学谐振腔的容器配置于外侧的另一容器中并将外侧的容器与内侧的容器之间设为真空。通过采用该结构，能够减轻来自外部的热影响。
专利文献1：日本特开昭58-176985号公报
为了在将一对谐振腔反射镜支承于一个谐振腔底座的结构中抑制光轴错开，谐振腔底座优选使用不易变形的高刚性的部件。但是，若为了提高刚性而使用厚重且大型的部件作为谐振腔底座，则会导致装置大型化及成本的上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制装置的大型化及成本的上升并且能够抑制光学谐振腔的光轴错开的激光振荡器。
根据本发明的一种实施方式，提供一种激光振荡器，其具有：
放电电极，在容纳激光介质气体的腔室内产生放电；
谐振腔底座，配置于所述腔室内且保持具有通过所述放电电极产生放电的区域的光轴的光学谐振腔；及
温度差减少结构，减少所述谐振腔底座的表面中的面朝所述放电电极的方向的第1表面和面朝与所述放电电极相反一侧的方向的第2表面之间的温度差。
通过温度差减少结构，能够减少谐振腔底座的第1表面和第2表面的温度。由此，无需使用厚重且高刚性的部件作为谐振腔底座，即可抑制由温度差引起的翘曲变形。由于谐振腔底座不易产生变形，因此也不易产生光学谐振腔的光轴错开。由于无需使用厚重且高刚性的部件作为谐振腔底座，因此能够抑制装置的大型化及成本上升。
附图说明
图1是搭载有基于实施例的激光振荡器的激光装置及利用从激光振荡器输出的激光束来进行加工的加工装置的概略图。
图2是基于实施例的激光振荡器的包括光轴的剖视图。
图3是基于实施例的激光振荡器的与光轴垂直的剖视图。
图4中(A)是基于实施例的激光振荡器中使用的谐振腔底座的俯视图，图4中(B)及(C)分别为沿图4中(A)的单点划线4B-4B及单点划线4C-4C剖切的剖视图。
图5是基于另一实施例的激光振荡器的包括光轴的剖视图。
图6是基于又一实施例的激光振荡器的与光轴垂直的剖视图。
图中：10-激光装置，11-台架，12-激光振荡器，15-腔室，16-光学室，17-鼓风机室，18-上下隔板，18A、18B-开口，19-底板，20-光学谐振腔，20A-光轴，21-放电电极，21A-构成放电电极的一对导电部件，22-电极箱，23-电极支承部件，24-放电区域，25-光学谐振腔反射镜，26-谐振腔底座，26A-第1表面，26B-第2表面，27、27A、27B、27C、27D-光学谐振腔支承部件，28-透光窗，29-鼓风机，30-热屏蔽部件，31-螺栓，32-长孔，35-腔室的支承部位，40-隔板，41-第1气体流路，42-第2气体流路，43-热交换器，51-圆形孔，52-长孔，60-冷却流路，61-冷却水供给回收装置，62、63-隔壁接头，64、65-管路，66、67-接头，70-气体循环机构，80-加工装置，81-光束整形光学系统，82-工作台，90-加工对象物，100-共用底座。
具体实施方式
图1是搭载有基于实施例的激光振荡器12的激光装置10及利用从激光装置10输出的激光束来进行加工的加工装置80的概略图。激光装置10及加工装置80固定在共用底座100上。共用底座100例如为地面。
激光装置10包括固定于共用底座100上的台架11及支承于台架11上的激光振荡器12。加工装置80包括光束整形光学系统81及工作台82。加工对象物90保持在工作台82上。光束整形光学系统81及工作台82固定于共用底座100上。从激光振荡器12输出的激光束的光束分布被光束整形光学系统81整形后入射到加工对象物90上。
图2是激光振荡器12的包括光轴的剖视图。激光振荡器12包括容纳激光介质气体及光学谐振腔20等的腔室15。激光介质气体容纳于腔室15中。腔室15的内部空间被划分为相对位于上侧的光学室16及相对位于下侧的鼓风机室17。光学室16和鼓风机室17被上下隔板18隔开。另外，在上下隔板18上设置有使激光介质气体在光学室16与鼓风机室17之间流通的开口。光学室16的底板19从鼓风机室17的侧壁沿光学谐振腔20的光轴20A方向突出，光学室16的光轴方向上的长度比鼓风机室17的光轴方向上的长度更长。
腔室15的底板19利用四个支承部位35支承于台架11(图1)上。在俯视观察时，四个支承部位35配置于与长方形的四个顶点相对应的位置。
在光学室16内配置有放电电极21及光学谐振腔20。光学谐振腔20包括一对谐振腔反射镜25。放电电极21包括一对导电部件21A，一对导电部件21A分别固定于电极箱22上。一对电极箱22经由电极支承部件23支承于底板19。构成放电电极21的一对导电部件21A在上下方向上隔着间隔配置，在两者之间划定有放电区域24。放电电极21在放电区域24产生放电，由此激励激光介质气体。光学谐振腔20的光轴20A通过放电区域24。如在后面参考图3进行说明的那样，激光介质气体沿与图2的纸面垂直的方向流过放电区域24。
包括一对谐振腔反射镜25的光学谐振腔20固定于配置在光学室16内的1个谐振腔底座26上。谐振腔底座26为在光轴20A方向上长的板状的单一部件，其经由四个光学谐振腔支承部件27支承于底板19。热屏蔽部件30以能够沿光轴20A方向伸缩的方式保持于谐振腔底座26的上表面。热屏蔽部件30通过螺栓31保持于谐振腔底座26上以防止从谐振腔底座26脱落。在本说明书中，将谐振腔底座26的上下表面中的朝向放电电极21侧的表面(在图2中为上表面)称为第1表面26A，将朝向相反一侧的表面(在图2中为下表面)称为第2表面26B。
在将光学谐振腔20的光轴20A朝向一个方向(在图1中为左方向)延伸的延长线与光学室16的壁面交叉的部位，安装有使激光束透过的透光窗28。在光学谐振腔内被激励的激光束透过透光窗28朝向外部放射。
在鼓风机室17配置有鼓风机29。鼓风机29使激光介质气体在光学室16与鼓风机室17之间循环。
图3是基于实施例的激光振荡器12的与光轴20A(图2)垂直的剖视图。如参考图2进行说明的那样，腔室15的内部空间被上下隔板18划分为上方的光学室16与下方的鼓风机室17。在光学室16内配置有放电电极21、谐振腔底座26及热屏蔽部件30。构成放电电极21的一对导电部件21A分别固定于电极箱22上。电极箱22通过电极支承部件23支承于腔室15的底板19(图2)。在一对导电部件21A之间划定有放电区域24。谐振腔底座26通过光学谐振腔支承部件27支承于腔室15的底板19(图2)。由于电极支承部件23及光学谐振腔支承部件27配置于从图3所示的截面错开的位置，因此在图3中，用虚线来表示电极支承部件23及光学谐振腔支承部件27。
在光学室16内配置有隔板40。隔板40划定从设置于上下隔板18的开口18A至放电区域24为止的第1气体流路41及从放电区域24至设置于上下隔板18的另一开口18B为止的第2气体流路42。激光介质气体沿与光轴20A(图2)正交的方向流过放电区域24。放电方向与激光介质气体流过的方向及光轴20A这两者正交。由鼓风机室17、第1气体流路41、放电区域24及第2气体流路42构成激光介质气体循环的循环流路。鼓风机29产生箭头所示的激光介质气体流，以使激光介质气体在该循环流路中循环。
在鼓风机室17内的循环流路中容纳有热交换器43。在放电区域24被加热的激光介质气体通过热交换器43从而被冷却，被冷却的激光介质气体再次供给到放电区域24。
接着，参考图4中(A)～(C)，对谐振腔底座26及热屏蔽部件30的支承结构进行说明。
图4中(A)为谐振腔底座26及热屏蔽部件30的俯视图，图4中(B)及(C)分别为沿图4中(A)的单点划线4B-4B及单点划线4C-4C剖切的剖视图。在谐振腔底座26上搭载有热屏蔽部件30，且其被支承为能够沿光轴20A方向伸缩。谐振腔底座26为在光轴20A方向上长的平板。在谐振腔底座26的两端附近的第1表面26A上，固定有谐振腔反射镜25。
在俯视观察时，在谐振腔底座26所包含的位置上配置有四根光学谐振腔支承部件27A、27B、27C、27D。光学谐振腔支承部件27A、27B分别为带有台阶的销，在俯视观察时，其相对于光轴20A配置于同一侧。在俯视观察时，通过光学谐振腔支承部件27A、27B的中心的直线与光轴20A平行。其他两个光学谐振腔支承部件27C、27D为未设置有台阶的销，在俯视观察时，其分别配置在相对于光轴20A与光学谐振腔支承部件27A、27B线对称的位置。即，四个光学谐振腔支承部件27A～27D配置于与长方形的四个顶点相对应的位置。四个光学谐振腔支承部件27A～27D的下端埋入于底板19中而固定于底板19。
谐振腔底座26设置有圆形孔51及长孔52。在俯视观察时，圆形孔51及长孔52分别配置于与光学谐振腔支承部件27A、27B相对应的位置。在俯视观察时，长孔52具有在与光轴20A平行的方向上长的形状。光学谐振腔支承部件27A、27B的台阶上方部分分别插入于圆形孔51及长孔52中。谐振腔底座26通过光学谐振腔支承部件27A、27B的台阶部分及光学谐振腔支承部件27C、27D的上端面，在施加有荷载的方向上得以支承。
谐振腔底座26中的圆形孔51周围的部分的水平面内的位置相对于光学谐振腔支承部件27A受限。插入于长孔52中的光学谐振腔支承部件27B相对于谐振腔底座26能够沿与光轴20A平行的一维方向移动。光学谐振腔支承部件27C、27D相对于谐振腔底座26能够沿水平面内的两个方向移动。即，谐振腔底座26相对于腔室15的水平方向上的位置在一个部位中受限，而在其他三个部位中则并未受限。
热屏蔽部件30通过贯穿热屏蔽部件30的四根螺栓31支承于谐振腔底座26上，以防止从谐振腔底座26脱落。四根螺栓31中的两根螺栓31所贯穿的热屏蔽部件30的孔为长孔32，热屏蔽部件30相对于谐振腔底座26能够沿光轴20A方向伸缩。
接着，对上述实施例的优异效果进行说明。
在未配置有热屏蔽部件30的结构中，放电电极21及电极箱22中产生的热量会传递到谐振腔底座26，谐振腔底座26的第1表面26A的温度会变得高于第2表面26B的温度。若在谐振腔底座26的厚度方向上发生温度差，则谐振腔底座26的第1表面26A与第2表面26B热膨胀量会变得不同，谐振腔底座26可能会产生翘曲变形。若谐振腔底座26产生翘曲变形，则会导致一对谐振腔反射镜25的平行度下降。即，一对谐振腔反射镜25的光轴会错开。若一对谐振腔反射镜25的光轴错开，则激光输出会下降。为了减少谐振腔底座26的翘曲变形，不得不加厚谐振腔底座26来提高刚性。或者，谐振腔底座26不得不使用昂贵的低热膨胀部件。
相对于此，在上述实施例中，热屏蔽部件30抑制从放电电极21及电极箱22朝向谐振腔底座26的第1表面26A的、经由激光介质气体的热传递。热屏蔽部件30例如使用PTFE等导热系数小的材料。即使热屏蔽部件30的上表面被加热而温度上升，也可以抑制其下表面的温度上升。其结果，与热屏蔽部件30的下表面对置的谐振腔底座26的第1表面26A的温度上升也得到抑制。因此，谐振腔底座26的第1表面26A与第2表面26B之间不易产生温度差，从而不易产生基于温度差的翘曲变形。因此，能够使谐振腔底座26设为薄，从而能够抑制装置的大型化。而且，由于谐振腔底座26不需要使用高特性的低热膨胀部件，因此能够实现装置成本的降低。为了得到谐振腔底座26的第1表面26A与第2表面26B之间不易产生温度差的充分的效果，热屏蔽部件30优选使用导热系数比谐振腔底座26的导热系数更小的材料。
而且，由于热屏蔽部件30相对于谐振腔底座26能够沿光轴20A(图2)方向伸缩，因此，即使热屏蔽部件30本身热膨胀，谐振腔底座26也不会产生变形。
接着，对上述实施例的变形例进行说明。
在上述实施例中，热屏蔽部件30(图2及图3)使用了PTFE等导热系数小的材料，但也可以使用其他绝热材料。并且，也可以使用屏蔽从放电电极21及电极箱22朝向谐振腔底座26的放射热的隔热部件。在上述实施例中，热屏蔽部件30搭载于谐振腔底座26的第1表面26A上，但也可以采用将热屏蔽部件30支承在放电电极21与谐振腔底座26之间的空间的结构。
在上述实施例中，由一对谐振腔反射镜25构成光学谐振腔20，但也可以再追加一个以上的反射镜来构成折返光学谐振腔。此时，采用将构成光学谐振腔的一对谐振腔反射镜25和光学谐振腔中所含的其他反射镜支承于谐振腔底座26的结构即可。在该结构中，通过配置热屏蔽部件30，也能够抑制包括一对谐振腔反射镜25及其他反射镜在内的光学零件的光轴彼此错开。
接着，参考图5，对基于另一实施例的激光振荡器进行说明。以下，省略对与基于图1～图4中(C)所示的实施例的激光振荡器相同结构的说明。
图5是基于本实施例的激光振荡器的包括光轴20A的剖视图。在本实施例中，在谐振腔底座26的内部设置有冷却流路60从而代替热屏蔽部件30(图2及图3)。在腔室15的壁面安装有隔壁接头62、63。从冷却水供给回收装置61分别经由隔壁接头62、63朝向腔室15内导入有管路64、65。管路64、65分别经由接头66、67与谐振腔底座26内的冷却流路60连接。冷却水供给回收装置61通过其中一个管路64向冷却流路60供给冷却水，通过另一个管路65从冷却流路60回收冷却水。
冷却流路60设置于相比第2表面26B更靠近第1表面26A的位置。即，在厚度方向上配置于比中央更靠近放电电极21侧。
接着，对图5所示的实施例的优异效果进行说明。
在本实施例中，谐振腔底座26被流过冷却流路60的冷却水冷却。由于冷却流路60配置于第1表面26A侧，因此第1表面26A比第2表面26B更优先被冷却。由于温度相对容易变高的第1表面26A优先被冷却，因此能够减少谐振腔底座26的上下表面之间的温度差。因此，与图1～图4中(C)所示的实施例同样地，也能够获得谐振腔底座26不易因温度差而产生翘曲变形的优异效果。
接着，对本实施例的变形例进行说明。
在本实施例中，冷却流路60设置于谐振腔底座26的内部，但也可以将其设置于第1表面26A上。在本实施例中，在冷却流路60中流有冷却水，但也可以使其他冷却用流体流过。例如，作为流过冷却流路60的流体，也可以使用气体。
接着，参考图6，对又一实施例进行说明。以下，省略对与基于图1～图4中(C)所示的实施例的激光振荡器相同结构的说明。
图6是基于本实施例的激光振荡器的与光轴20A垂直的剖视图。在本实施例中，配置有气体循环机构70从而代替热屏蔽部件30(图2及图3)。气体循环机构70使激光介质气体在与谐振腔底座26的第1表面26A接触的空间和与第2表面26B接触的空间之间循环。气体循环机构70例如包括送风风扇。
气体循环机构70使与第1表面26A接触的空间内的激光介质气体朝向与光轴20A(图2)交叉的方向流动。沿着第1表面26A流动的激光介质气体在隔板40的跟前折返而流入与第2表面26B接触的空间。沿着第2表面26B流动的激光介质气体在相反的一侧的隔板40的跟前折返而返回到与第1表面26A接触的空间。
接着，对图6所示的实施例的优异效果进行说明。在本实施例中，经由在与第1表面26A接触的空间和与第2表面26B接触的空间之间循环的激光介质气体，在第1表面26A和第2表面26B之间进行热传递。其结果，第1表面26A和第2表面26B之间的温度差减少。因此，与图1～图4中(C)所示的实施例同样地，能够获得谐振腔底座26不易因温度差而产生翘曲变形的优异效果。
在上述的三个实施例中，激光振荡器均具有减少谐振腔底座26的第1表面26A与第2表面26B之间的温度差的温度差减少结构。在图1～图4中(C)所示的实施例中，温度差减少结构包括热屏蔽部件30(图2及图3)。在图5所示的实施例中，温度差减少结构包括冷却流路60(图5)等。在图6所示的实施例中，温度差减少结构包括气体循环机构70(图6)。温度差减少结构还可以包括热屏蔽部件30(图2及图3)、冷却流路60(图5)及气体循环机构70(图6)等多个结构。而且，作为温度差减少结构，也可以采用其他结构。
上述各实施例为示例，理所当然，在不同的实施例中示出的结构可以部分置换或组合。关于多个实施例的基于相同结构的相同的作用效果，不在每个实施例中逐一提及。而且，本发明并不只限于上述实施例。例如，本发明可以进行各种变更、改良、组合等，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种激光振荡器，其特征在于，具有：
放电电极，在容纳激光介质气体的腔室内产生放电；
谐振腔底座，配置于所述腔室内且保持具有通过所述放电电极产生放电的区域的光轴的光学谐振腔；及
温度差减少结构，减少所述谐振腔底座的表面中的面朝所述放电电极的方向的第1表面和面朝与所述放电电极相反一侧的方向的第2表面之间的温度差。
2.根据权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，
所述温度差减少结构包括配置于所述谐振腔底座与所述放电电极之间且进行绝热或隔热的热屏蔽部件。
3.根据权利要求2所述的激光振荡器，其特征在于，
所述热屏蔽部件以能够沿所述光学谐振腔的光轴方向伸缩的方式支承于所述谐振腔底座上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，
所述温度差减少结构包括冷却流路，所述冷却流路设置于所述第1表面上，或者设置于所述谐振腔底座内部的相比所述第2表面更靠近所述第1表面的位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光振荡器，其特征在于，
所述温度差减少结构包括气体循环机构，所述气体循环机构使激光介质气体在与所述第1表面接触的空间和与所述第2表面接触的空间之间循环。
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