DE112009004787T5

DE112009004787T5 - Gaslaseroszillator

Info

Publication number: DE112009004787T5
Application number: DE112009004787T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Hasegawa; Kazuo Sugihara; Kouji Funaoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: DE112009004787B4; US8416827B2; CN102334246A; JP5174959B2; US20110274132A1; CN102334246B; DE112009004787T8; WO2010134166A1; JPWO2010134166A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Oszillatorgehäuse, ein Paar optischer Grundkörper, die auf den beiden Seiten des Oszillatorgehäuses angeordnet und miteinander durch mehrere Stützpfosten parallel verbunden sind, die sich in der optischen Achsenrichtung erstrecken, um optische Bauteile abzustützen, die einen optischen Resonator bilden, und ein Paar Balge und elastische Teile, die das Paar optischer Grundkörper mit dem Oszillatorgehäuse verbinden. Das Oszillatorgehäuse umfasst eine Hauptkörpereinheit, die zu einem Rahmen geformt und aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist und ein Paar Seitenfelder umfasst, die in der optischen Achsenrichtung angeordnet und voneinander beabstandet sind, ein oberes Feld 12 und ein unteres Feld 13, die sich in der optischen Achsenrichtung erstrecken, um die oberen Enden und die unteren Enden der Seitenfelder miteinander zu verbinden, und eine aus einem Metallwerkstoff hergestellte Abdeckungseinheit zur Abdeckung von Öffnungen der Hauptkörpereinheit, die eine Außenwand 31, die einen Bogenquerschnitt senkrecht zur optischen Achse hat und sich in der optischen Achsenrichtung erstreckt, und Seitenwände aufweist, die in der optischen Achsenrichtung mit den beiden Enden der Außenwand 31 verbunden sind. Wenn die Abdeckungseinheit mit einem Befestigungsteil an der Hauptkörpereinheit befestigt ist, ist die Außenwand 31, die eine Bogenform hat, derart ausgelegt, dass eine Kraft in der Höhenrichtung zum Äußeren des Oszillatorgehäuses hin am Verbindungsabschnitt der Abdeckungseinheit mit der Hauptkörpereinheit erzeugt wird.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaseroszillator, der Laseroszillation mit Laser vermittelndem Gas zustande bringt, das in einem Oszillatorgehäuse eingeschlossen ist, das einen hermetisch abgedichteten Aufbau hat.
Hintergrund
Ein herkömmlicher Orthogonalanregungs-Gaslaseroszillator besitzt ein Oszillatorgehäuse mit einem hermetisch abgedichteten Aufbau, in dem ein Laser vermittelndes Gas wie etwa CO₂ eingeschlossen ist, und ist in dem Oszillatorgehäuse mit Entladungselektroden zum Entladen und Anregen des Laser vermittelnden Gases, Wärmetauschern zum Kühlen des Laser vermittelnden Gases und einem Gebläse zum Umwälzen des Laser vermittelnden Gases versehen. Darüber hinaus ist ein spiegeloptisches System, das einen Gaslaseroszillatorresonator bildet, in den beiden Seiten des Oszillatorgehäuses vorgesehen. Bei der Daueroszillation eines Gaslasers wie etwa eines CO₂-Gaslasers wird eine Entladungsanregung, bei der zum Entladungszeitpunkt eine Anregung durch Elektronenkollision stattfindet, allgemein dazu verwendet, Gasmoleküle, die Laserlicht emittieren, auf einen Energiepegel anzuregen (zu pumpen), der für eine Induktion und Entladung erforderlich ist. In einer solchen Situation muss zur Gewährleistung einer stabilen Entladung der Innenraum des Oszillatorgehäuses unter einem Vakuum von 30 bis 60 Torr gehalten werden, was bedeutet, dass das Oszillatorgehäuse des Gaslaseroszillators ein Abdichtungsvermögen haben muss, das den Vakuumzustand halten kann.
Weil darüber hinaus eine regelmäßige Wartung der Entladungselektroden, der Wärmetauscher, des Gebläses, des spiegeloptischen Systems u. dgl., die im Inneren des Oszillatorgehäuses angeordnet sind, durchgeführt werden muss, sollten diese vorzugsweise für eine Wartungsperson von außerhalb des Oszillatorgehäuses her leicht zugänglich sein. Aus diesem Grund ist im Allgemeinen eine große Öffnung im Oszillatorgehäuse vorgesehen, und eine abnehmbare Abdeckungseinheit ist zum Abdecken dieser Öffnung angeordnet.
Aufgrund des Vorstehenden sollte die Abdeckungseinheit des Gaslaseroszillators vorzugsweise so konstruiert sein, dass sie einer Belastung widersteht, die anliegt, wenn der Innenraum des Oszillators in einen Vakuumzustand versetzt wird, dass sie ein Luftdichtigkeitsvermögen hat, um den Vakuumzustand aufrechtzuerhalten, und dass sie auch eine Öffnung bereithält, deren Fläche groß genug ist, um die Wartung der innenliegenden Strukturteile des Oszillatorgehäuses zu erleichtern. Außerdem wurde der Laseroszillator, der hauptsächlich zur Laserbearbeitung verwendet wird, dazu entwickelt, eine höhere Leistung hervorzubringen, so dass die Bearbeitungskapazität verbessert werden kann. Aus diesem Grunde werden lange Entladungselektroden, große Wärmetauscher und große Gaskanäle eingebracht, und im Ergebnis wird das Gehäuse länger, insbesondere in der Richtung der optischen Achse, und auch seine Höhe und Breite nehmen zu. Weil darüber hinaus ein höherer Atmosphärendruck darauf wirkt, und zwar aufgrund der Oberfläche, die mit der Vergrößerung entsprechend zunimmt, sind gegen diesen eine größere Festigkeit und Stabilität für das Gehäuse und die Abdeckung erforderlich.
Deshalb wurden gemäß der herkömmlichen Technologie bei einem Laseroszillator, der ein rechteckiges Festkörpergehäuse umfasst, in dem strukturelle Vorrichtungen eines Gaslaseroszillators wie etwa Entladungselektroden und Spiegel, Rippen und die Öffnung stützende Strukturteile im Gehäuse angeordnet sind, um zu verhindern, dass sich das Gehäuse verformt, und eine Abdeckungseinheit angeordnet ist, um die Öffnung des Gehäuses abzudecken, eine Struktur, bei der sich eine gekrümmte Fläche, die sich entweder zum Inneren oder Äußeren des Gehäuses aufweitet, in der Abdeckungseinheit ausgebildet ist, vorgeschlagen (siehe z. B. Patentschrift 1).
Anführungsliste
Patentliteratur

Patentschrift 1: Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2007-294807

Zusammenfassung
Technisches Problem
Allerdings handelt es sich bei dem in der Patentschrift 1 beschriebenen Laseroszillator bei der Struktur des Gehäuses um einen rechteckigen Festkörper, und deshalb wird, wenn der Laseroszillator vergrößert wird, aufgrund des Atmosphärendrucks eine Biegespannung auf die Ober- und Unterseiten des Gehäuses ausgeübt. Dann sinken die Ober- und Unterseiten des Gehäuses um deren Mitte herum ein und dadurch entsteht eine große Biegespannung. Aus diesem Grunde müssen die Platteneinheiten für die Ober- und Unterseiten des Gehäuses verdickt werden, und es sind, wie vorstehend erwähnt, auch Verstärkungsrippen erforderlich. Dies ergibt insofern ein Problem, als die Herstellungskosten des Laseroszillators erhöht sind.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorstehenden gemacht. Ihr Zweck ist es, als einen Hochleistungsgaslaseroszillator, der ein großes und schweres Druckbehältnis braucht, einen Gaslaseroszillator zu erzielen, bei dem im Vergleich zur herkömmlichen Technologie eine signifikante Gewichtssenkung und auch eine Produktionskostensenkung erzielt werden kann.
Lösung für das Problem
Um das obige Ziel zu erreichen, umfasst ein Gaslaseroszillator nach der vorliegenden Erfindung ein Oszillatorgehäuse, das aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist; ein Paar optischer Grundkörper, die auf zwei Seiten des Oszillatorgehäuses angeordnet und durch mindestens drei Stützpfosten parallel verbunden sind, die sich in einer optischen Achsenrichtung erstrecken und jeweils optische Strukturteile stützen, die einen optischen Resonator bilden und ein Paar Balge und elastische Teile, die das Paar optischer Grundkörper mit dem Oszillatorgehäuse verbinden, wobei: wenn es sich bei der optischen Achsenrichtung des optischen Resonators um eine X-Achse handelt, eine zur optischen Achsenrichtung senkrechte Höhenrichtung eine Z-Achse ist, und eine zur X-Achse und Z-Achse senkrechte Richtung eine Y-Achse ist, das Oszillatorgehäuse umfasst: eine Hauptkörpereinheit, die aus einem zu einem Rahmen geformten Metallwerkstoff hergestellt ist und ein Paar Seitenfelder, die in der X-Achsenrichtung angeordnet und beabstandet sind, und ein oberes Feld und ein unteres Feld besitzt, die sich in der X-Achsenrichtung erstrecken, um die Seitenfelder an deren oberen Enden und unteren Enden in der Z-Achsenrichtung zu verbinden; und eine aus einem Metallwerkstoff hergestellte Abdeckungseinheit, um Öffnungen der Hauptkörpereinheit abzudecken, und die einen zur X-Achse senkrechten Bogenquerschnitt hat und eine Außenwand, die sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, und Seitenwände umfasst, die in der X-Achsenrichtung mit beiden Enden der Außenwand verbunden sind, und die Außenwand so gestaltet ist, dass sie eine Bogenform hat, so dass eine Kraft in der Z-Achsenrichtung zum Äußeren des Oszillatorgehäuses hin an einem Verbindungsabschnitt der Abdeckungseinheit mit der Hauptkörpereinheit erzeugt wird, wenn die Abdeckungseinheit mit einem Befestigungsteil an der Hauptkörpereinheit befestigt ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine bogenförmige Außenwand so ausgebildet, dass, wenn die Abdeckungseinheit mit einem Befestigungsteil am Hauptkörper befestigt ist, eine Kraft in der Z-Achsenrichtung zum Äußeren des Oszillatorgehäuses hin am Verbindungsabschnitt der Abdeckung mit dem Hauptkörper erzeugt wird. Somit wirkt, wenn Atmosphärendruck auf dem Oszillatorgehäuse lastet, eine Kraft auf das obere Feld und das untere Feld von der Abdeckungseinheit her und drückt das obere Feld und das untere Feld gegen den hohen Druck. Als Ergebnis wird die Spannungsbelastung gesenkt, die im oberen Feld und unteren Feld auftritt, und die Dicke des oberen Felds und des unteren Felds des Oszillatorgehäuses kann verringert werden. Von daher können eine Gewichtsreduktion und niedrige Kosten erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen beispielhaften Aufbau eines Gaslaseroszillators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine der Abdeckungseinheiten abgenommen ist.
2 ist eine Seitenansicht des Gaslaseroszillators von 1 mit abgenommener Abdeckung.
3 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang von Pfeilen A-A.
4 ist ein schematisches Schaubild, das die Kräfte zeigt, die auf dem Oszillatorgehäuse des Gaslaseroszillators lasten.
5-1 ist ein Schaubild, das das Oszillatorgehäuse in der Z-X-Ebene zeigt.
5-2 ist eine Querschnittsansicht von 5-1 entlang B-B.
6-1 ist ein Schaubild des Oszillatorgehäuses in der Z-X-Ebene.
6-2 ist eine Querschnittsansicht von 6-1 entlang C-C.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen beispielhaften Aufbau eines Gaslaseroszillators nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine der Abdeckungseinheiten abgenommen ist.
8 ist eine Seitenansicht des Gaslaseroszillators von 7 mit abgenommener Abdeckung.
9 ist eine Querschnittsansicht von 8 entlang von Pfeilen D-D.
Beschreibung der Ausführungsformen
Beispielhafte Ausführungsformen des Gaslaseroszillators nach der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Erste Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen beispielhaften Aufbau eines Gaslaseroszillators nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine der Abdeckungseinheiten abgenommen ist, 2 ist eine Seitenansicht des Gaslaseroszillators von 1 mit abgenommener Abdeckung, 3 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang von Pfeilen A-A. Darüber hinaus ist 4 ein schematisches Schaubild, das die Kräfte zeigt, die auf dem Oszillatorgehäuse des Gaslaseroszillators lasten. Zusätzlich sind 5-1 und 5-2 schematische Schaubilder, die eine Verformung zeigen, die durch den Druck verursacht wird, der auf das Oszillatorgehäuse wirkt, wenn der Querschnitt der Abdeckung zu einem Bogen geformt ist, wobei 5-1 ein Schaubild ist, das das Oszillatorgehäuse in der Z-X-Ebene zeigt, und 5-2 eine Querschnittsansicht von 5-1 entlang B-B ist, die das Oszillatorgehäuse in der Y-Z-Ebene zeigt. Ferner sind 6-1 und 6-2 schematische Schaubilder, die eine Verformung zeigen, die durch den Druck verursacht wird, der auf das Oszillatorgehäuse wirkt, wenn dieses ein rechteckiger Festkörper ist, wobei 6-1 ein Schaubild des Oszillatorgehäuses in der Z-X-Ebene und 6-2 eine Querschnittsansicht des Oszillatorgehäuses von 6-1 entlang C-C in der Y-Z-Ebene ist. In der folgenden Erklärung wird die optische Achsenrichtung des Laserlichts als X-Achse bezeichnet, die zu dieser optischen Achse senkrechte Höhenrichtung wird als Z-Achse bezeichnet, und die sowohl zur X-Achse als auch Z-Achse senkrechte Richtung wird als Y-Achse bezeichnet.
In dem Oszillatorgehäuse sind ein Hauptkörper 10, der eine rahmenartige Struktur hat, und Abdeckungseinheiten 30, die die Öffnungen in den beiden Seiten der Rahmenstruktur abdecken, mit Befestigungsteilen wie etwa Muttern und Schrauben aneinander befestigt, um eine hermetisch abgedichtete Struktur zu bilden.
Der Hauptkörper 10 umfasst ein rahmenartiges Teil, bei dem ein Paar Seitenfelder 11, die eine Breite W haben und sich in der Z-Achsenrichtung erstrecken; ein rahmenartiges Teil, bei dem ein oberes Feld 12 und ein unteres Feld 13 mit der Breite W, die sich in der X-Achsenrichtung erstrecken und die oberen Ende der Seitenfelder 11 miteinander verbinden und deren untere Enden miteinander verbinden, zu einem Rahmen geformt sind; und Flanschfelder 14, die an den beiden Enden dieses rahmenartigen Teils in der Y-Achsenrichtung angeordnet sind. Eine O-Ringauskehlung 15 und Durchgangsöffnungen 16, die außerhalb der O-Ringauskehlung 15 angeordnet sind und dazu verwendet werden, den Hauptkörper 10 und die Abdeckungseinheiten 30 mit Schrauben zu befestigen, sind im Flanschfeld 14 ausgebildet. Ein solcher Hauptkörper 10 wird dadurch hergestellt, dass das obere Feld 12, das untere Feld 13, die Seitenfelder 11 und das Flanschfeld 14, die aus einem Metallwerkstoff wie etwa Stahl, rostfreiem Stahl oder Aluminium hergestellt sind, hermetisch verschweißt werden.
Entladungselektroden 21A und 21B zur Laserlichtemission, Wärmetauscher 22A und 22B zum Kühlen des Laser vermittelndes Gases, Gebläse 23A zum Umwälzen des Laser vermittelnden Gases, Gaskanäle 24A und 24B, die Wege zwischen den Entladungselektroden 21A und 21B und den Gebläsen 23A zum Umwälzen des Laser vermittelnden Gases bilden, u. dgl. sind im Hauptkörper 10 vorgesehen. Hier sind die Seitenabschnitte der Entladungselektroden 21A und 21B durch eine Elektrodenmontageplatte 211 am oberen Feld 12 befestigt, und die Endabschnitte der Gebläse 23A sind in der Y-Achsenrichtung durch eine Gebläsemontageplatte 231 am unteren Feld 13 befestigt.
Darüber hinaus sind der Wärmetauscher 22A und der Gaskanal 24A zwischen der Entladungselektrode 21A und den Gebläsen 23A befestigt.
Außerdem sind in diesem Beispiel die Entladungselektroden 21A und 21B, die Wärmetauscher 22A und 22B, die Gebläse 23A und die Gaskanäle 24A und 24B paarweise angeordnet. Im Spezielleren sind die Entladungselektroden 21A und 21B, die in der X-Achsenrichtung ungefähr die halbe Länge des Hauptkörpers 10 haben, in der X-Achsenrichtung angeordnet, und ein Wärmetauscher, ein Gebläse und ein Gaskanal sind für jede dieser Entladungselektroden 21A und 21B vorgesehen. Hier sind die Gebläse so angeordnet, dass ihre Luftausblasrichtungen einander entgegengesetzt sind.
Auf den beiden Seiten des Hauptkörpers 10 sind in einer optischen Achse 90, ein hinterer optischer Grundkörper 51, der einen Totalreflexionsspiegel hält, und ein vorderer optischer Grundkörper 52, der einen Partialreflexionsspiegel hält, auf derselben optischen Achse wie der Totalreflexionsspiegel unter Verwendung der insgesamt drei Stützpfosten 53A bis 53C, einer unter und zwei über der Außenseite des Hauptkörpers 10, parallel zueinander angeordnet. Dann bilden der hintere optische Grundkörper 51, der den Totalreflexionsspiegel hält, und der vordere optische Grundkörper 52, der den Partialreflexionsspiegel hält, einen optischen Resonator.
Die optischen Grundkörper 51 und 52 sind durch Balge 61 mit den Seitenfeldern 11 des Hauptkörpers 10 verbunden, und Laserlicht dringt durch diese Balgen 61 hindurch. Darüber hinaus sind die optischen Grundkörper 51 und 52 über elastische Teile 62 wie etwa Blattfedern an den Seitenfeldern 11 des Hauptkörpers 10 befestigt.
Die Abdeckungseinheit 30 umfasst eine Außenwand 31, die einen bogenförmigen Querschnitt in einer zur X-Achse senkrechten Richtung hat und sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, Seitenwände 32, die mit den beiden Enden dieser Außenwand 31 in der Z-Achsenrichtung verbunden sind, und ein Flanschfeld 33, das mit O-Ringen mit dem Hauptkörper 10 verbunden ist. In dem Flanschfeld 33 sind (nicht gezeigte) außerhalb der O-Ringauskehlung angeordnete Durchgangsöffnungen ausgebildet, um den Hauptkörper 10 und die Abdeckungseinheit 30 mit Befestigungsteilen wie etwa Schrauben zu befestigen. Diese Schraubenbefestigungsdurchgangsöffnungen sind mit denselben Abständen versehen wie die Schraubenbefestigungsdurchgangsöffnungen 16, die im Flanschfeld 14 des Hauptkörpers 10 vorgesehen sind. Die Abdeckungseinheit 30 wird dadurch hergestellt, dass die Außenwand 31, die aus einem Metallwerkstoff wie etwa Aluminium, rostfreiem Stahl oder Stahl besteht und einem Biegeprozess unterzogen wird, mit dem Flanschfeld 33 und den Seitenwänden 32 hermetisch verschweißt wird, die aus einem Metallwerkstoff wie etwa Aluminium, rostfreiem Stahl oder Stahl bestehen. Im Prinzip lastet unter Atmosphärendruck keine Biegespannung auf dem bogenförmigen Abschnitt der Außenwand 31, und somit kann die Abdeckungseinheit im Vergleich zu einer flachen Abdeckung erheblich dünner ausgelegt werden.
O-Ringe sind in der O-Ringauskehlung 15 des Flanschfelds 14 des Hauptkörpers 10 mit dem obigen Aufbau angeordnet, und nachdem das Flanschfeld 14 des Hauptkörpers 10 und das Flanschfeld 33 der Abdeckungseinheit 30 so ausgerichtet wurden, dass die Positionen der Schraubenbefestigungsdurchgangsöffnungen miteinander übereinstimmen, werden Schrauben in die Schraubenbefestigungsdurchgangsöffnungen eingesetzt und mit Muttern fixiert. Dadurch kann ein Oszillatorgehäuse mit dem Hauptkörper 10 und der Abdeckungseinheit 30 erzielt werden, mit dem Luftdichtigkeit sichergestellt ist. Solch ein Oszillatorgehäuse bildet ein druckfestes Behältnis. Zusätzlich sind die optischen Grundkörper 51 und 52 am Oszillatorgehäuse angebracht, und so kann ein Gaslaseroszillator realisiert werden.
Wie in 3 dargestellt ist, hat das Oszillatorgehäuse mit der angebrachten Abdeckungseinheit 30 einen zur X-Achsenrichtung senkrechten Querschnitt, der zu Bogenabschnitten für die Außenwände der Abdeckungseinheiten 30 gestaltet ist, die sich in geraden Abschnitten für das obere Feld 12 und das untere Feld 13 des Hauptkörpers 10 fortsetzen. Wenn eine Wartung durchgeführt wird, werden die Befestigungsteile wie etwa Schrauben und Muttern entfernt, so dass der Hauptkörper 10 und die Abdeckungseinheit 30 geöffnet werden können.
Als Nächstes wird das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius R der Abdeckungseinheit 30 und ihrer Höhe H in der Z-Achsenrichtung mit Bezug auf 4 erklärt. Hier ist gezeigt, dass die Breite des Hauptkörpers 10 (die Länge in der Y-Achsenrichtung) W ist, der Atmosphärendruck P ist, die Sehnenlänge der Außenwand 31 (Abdeckungseinheit 30) (die Höhe der Außenwand 31 in der Z-Achsenrichtung) H ist, die Kraft in der Stauchrichtung des oberen Felds 12 F1 ist, die Kraft in der Schubrichtung des oberen Felds 12 nach oben (die Richtung der Sehne des Bogens) F2 ist, die auf die Außenwand 31 wirkende Stauchkraft (die Kraft in der Richtung der Tangentenlinie zum Bogenendabschnitt) F3 ist, der Winkel, der durch die Tangentenlinie des Bogenendabschnitts und die Sehne des Bogens gebildet ist, θ ist, und der Krümmungsradius des Bogens der Außenwand 31 R ist.
Zuerst werden die folgenden Gleichungen (1) bis (4) nach dem Prinzip von Aktion und Reaktion an den Flanschfeldern 14 und 33 unter einem Atmosphärendruck P ermittelt. P·H = 2·F1 (1) F3·sinθ = F1 (2) F3·cosθ = F2 (3) R·sinθ = H/2 (4)
Hier wird die Situation betrachtet, in der der Querschnitt der Außenwand 31 (Abdeckungseinheit 30) halbkreisförmig ist oder, mit anderen Worten, dass R = H/2 ist. In dieser Situation ist, weil θ 90° beträgt, die Kraft F2, die das obere Feld 12 nach oben schiebt, entsprechend Gleichung (3) 0. Dann geben das obere Feld 12 und das untere Feld 13 aufgrund des Atmosphärendrucks nach innen nach, wie in 5-1 und 5-2 gezeigt ist, und somit kann nicht verhindert werden, dass eine große Biegespannung auf die Y-Z-Abschnittsflächen des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 wirkt. Zusätzlich wird das Oszillatorgehäuses in der Z-Achsenrichtung aufgrund des auf das obere Feld 12 und das untere Feld 13 ausgeübten Drucks zusammengedrückt und in der Y-Achsenrichtung gestreckt verformt. In 5-1 und 5-2 geben die gestrichelt doppelpunktierten Linien die Position der Kontur des Oszillatorgehäuses an, wenn auch das Innere des Oszillatorgehäuses unter Atmosphärendruck steht.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Abdeckungseinheit 30 so gestaltet, dass die folgende Gleichung (5) erfüllt wird. R > H/2 (5)
Indem, anders ausgedrückt, entsprechend den Gleichungen (4) und (5) θ als kleiner als 90° bestimmt wird, kann die Kraft F2, die das obere Feld 12 und das untere Feld 13 nach außen schiebt (zur Hochdruckseite), im oberen Feld 12 und unteren Feld 13 entsprechend Gleichung (3) erzeugt werden, und somit kann die Biegespannung, die in den Y-Z-Abschnitten der oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 entsteht, reduziert werden. Als Ergebnis kann die Festigkeit des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 reduziert werden, und die Dicke des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 kann reduziert werden. Zusätzlich wird, wenn die Dicke der Felder reduziert wird, die Strecke der Schweißeinheit verkürzt, was den Schweißprozess verkürzt und die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Von daher wird die Schweißzuverlässigkeit weiter verbessert.
Es ist vorzuziehen, dass θ kleiner als 90° ist. Idealerweise ist es vorzuziehen, dass der Atmosphärendruck P am oberen Feld 12 (Gleiches gilt für das untere Feld 13) und die Kraft F2 der Abdeckungseinheit 30, die das obere Feld 12 nach oben schiebt, im Gleichgewicht sind. So lässt sich die Bedingung, den Atmosphärendruck P am oberen Feld 12 (das Gleiche gilt für das untere Feld 13) und die Kraft F2 der Abdeckungseinheit 30, die das obere Feld 12 nach oben schiebt, ins Gleichgewicht zu bringen, in der folgenden Gleichung (6) ausdrücken. P·W = 2·F2 (6)
Indem F1, F2, F3 und θ unter Verwendung der Gleichungen (1) bis (4) und (6) eliminiert werden, lässt sich die folgende Gleichung (7) erhalten, und der Krümmungsradius R wird vorzugsweise so gewählt, dass diese Gleichung (7) erfüllt wird. R = H/(2·sin(arcTan(H/W)) (7)
Indem, wie oben gezeigt, der Krümmungsradius R der Abdeckungseinheit 30 so bestimmt wird, dass die Gleichung (5) oder (7) erfüllt ist, entsteht keine Biegespannung an den Y-Z-Abschnittsflächen des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13. Im Ergebnis kann die Dicke des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 erheblich reduziert werden. Weil die an der Y-Z-Abschnittsfläche entstehende Biegespannung in der Richtung der optischen Achse 90 proportional zum Quadrat der Länge des Hauptkörpers 10 ist, ist es besonders wirksam, wenn sich der Hauptkörper 10 eines Hochleistungsgaslaseroszillators deutlich in der Richtung der optischen Achse 90 erstreckt.
Als Nächstes wird die Biegespannung erklärt, die unter Atmosphärendruck auf die Abschnitte X-Z des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 des Hauptkörpers 10 ausgeübt wird. Weil diese Spannung proportional zum Quadrat der Breite W des Hauptkörpers 10 ist, ist es besser, wenn eine kleine Breite vorliegt. Wenn das Oszillatorgehäuse 100 jedoch, wie in 6-1 und 6-2 gezeigt, zu einem Kasten geformt ist (siehe z. B. die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 60-254680 ), müssen das obere Feld 112 und das untere Feld 113 eine große Breite haben. Aus diesem Grund wird eine große Biegespannung auf das obere Feld 112 und das untere Feld 113 ausgeübt, wodurch das Oszillatorgehäuse 100 verformt wird. Um zu verhindern, dass dies auftritt, ist es, wie in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 2007-294807 offenbart, notwendig, mehrere Verstärkungsrippen in regelmäßigen Abständen in der X-Richtung am oberen Feld 112 und unteren Feld 113 anzuordnen.
Hat andererseits die Abdeckungseinheit 30 einen zur X-Achsenrichtung senkrechten Querschnitt, der entsprechend der ersten Ausführungsform zu einem Bogen geformt ist, wölbt sich die Abdeckungseinheit 30 am stärksten in der Mitte der Höhenrichtung in der Y-Achsenrichtung nach außen. Dies kann die Breite W des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 im Vergleich zu einem Oszillatorgehäuse mit einem kastenförmigen Aufbau verkleinern. Bei dem Aufbau können die Verstärkungsrippen weggelassen werden, die in der herkömmlichen Technologie erforderlich sind, und die Schweiß- und Montagekosten können gesenkt werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Abdeckungseinheit 30, die eine Bogenform hat, die die Gleichung (5) oder (7) erfüllt, an der Seitenfläche des Hauptkörpers 10 befestigt. Wenn der Atmosphärendruck durch das Oszillatorgehäuse in der Z-Achsenrichtung aufgenommen wird, wirken somit die Z-Achsenrichtungskomponenten der Reaktion auf die Kraft, die den Flansch spannt, in der Richtung, in der der Atmosphärendruck aufgehoben wird. Als Ergebnis tritt keine Biegespannung in den Y-Z-Abschnitten des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 des Hauptkörpers 10 auf, und somit kann die Dicke des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 vorteilhafter Weise gesenkt werden. Weil außerdem die Breite W des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 des Hauptkörpers 10 im Vergleich zum herkömmlichen Oszillatorgehäuse, das einen kastenförmigen Aufbau hat, reduziert werden kann, kann sich ein Widerstand gegen die Biegespannung entwickeln, die aufgrund des Atmosphärendrucks auf den X-Z-Abschnitt wirkt, was die Notwendigkeit von Verstärkungsteilen aus der Welt schafft. Weil zusätzlich unter Atmosphärendruck im Prinzip keine Biegespannung am Bogenabschnitt der Abdeckungseinheit 30 auftritt, kann die Abdeckungseinheit 30 im Vergleich zu einer flachen Abdeckung erheblich dünner ausgelegt werden.
Zweite Ausführungsform
7 ist eine perspektivische Ansicht, die einen beispielhaften Aufbau eines Gaslaseroszillators nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei eine der Abdeckungseinheiten abgenommen ist, 8 ist eine Seitenansicht des Gaslaseroszillators von 7 mit abgenommener Abdeckung und 9 ist eine Querschnittsansicht von 8 entlang von Pfeilen D-D. Die strukturellen Bestandteile, die gleich denjenigen der ersten Ausführungsform sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, und deren Erklärung wird hier weggelassen.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Stützpfosten 53, der unter der Außenseite des Hauptkörpers 10 im Gaslaseroszillator der ersten Ausführungsform angeordnet ist, so angeordnet, dass er das Paar Seitenfelder 11 des Hauptkörpers 10 durchdringt. Aus diesem Grund ist ein Strukturteil 71 in der Nähe des unteren Stützpfostens 53 angeordnet, um das Paar Seitenfelder 11 miteinander zu verbinden. Als Strukturteil 71 ist ein Aufbau mit einem Querschnitt vorzuziehen, der eine hohe Biegesteifigkeit hat wie etwa C-Stahl und H-Stahl. Wie jedoch im Beispiel der Zeichnung gezeigt ist, wurde Vierkantstahl mit einem rechteckigen Querschnitt und eine rohrförmige Struktur (Hohlstruktur) übernommen, so dass der untere Stützpfosten in den Hohlabschnitt eingesteckt werden kann, ohne den umgebenden Abschnitt zu berühren. Das Strukturteil 71 ist um die Mitte der Seitenfelder 11 herum angeschweißt und so angeordnet, dass es außer Kontakt mit dem oberen Feld 12, dem unteren Feld 13 und der Abdeckungseinheit 30 gehalten wird.
Darüber hinaus sind gemäß der zweiten Ausführungsform die Entladungselektroden 21A und 21B durch eine Elektrodenmontageplatte 211A positioniert und am Strukturteil 71 befestigt. Zusätzlich sind die Gebläse 23A und 23B, der Wärmetauscher 22A und die Gaskanäle 24A und 24B zum Verbinden der Entladungselektroden 21A und 21B mit dem Gebläse 23A am Strukturteil 71 befestigt, das in der Nähe der Mitte des Hauptkörpers 10 verläuft. Das Gebläse 23A, der Wärmetauscher 22A und die Gaskanäle 24A und 24B sind so angeordnet, dass sie außer Kontakt mit dem oberen Feld 12, dem unteren Feld 13 und der Abdeckungseinheit 30 gehalten sind.
Im Hauptkörper 10 müssen nicht gezeigte Schraubenlöcher gebildet werden, um Bestandteile wie etwa Kühlwasserrohre, elektrische Verdrahtung für die Gebläses 23A und 23B und ein Trocknungsmittel zu befestigen. Gemäß der zweiten Ausführungsform können alle Schraubenlöcher zum Befestigen dieser Bestandteile im Strukturteil 71 ausgebildet sein, das das Seitenfeld 11 mit dem Seitenfeld 11 verbindet, so dass keine Bestandteile am oberen Feld 12, unteren Feld 13 oder der Abdeckungseinheit 30 des Hauptkörpers 10 befestigt werden müssen bzw. kein Schraubenloch in diesen gebildet werden muss.
Zusätzlich kann der Aufbau dergestalt sein, dass zwei Stützpfosten in den Hauptkörper 10 eingesteckt sind und ein anderer Stützpfosten außerhalb des Hauptkörpers 10 vorgesehen ist. Jedoch würden in einem solchen Aufbau die beiden in den Hauptkörper 10 eingesteckten Stützpfosten die Abdeckungseinheit 30 beeinflussen, wodurch verhindert wird, dass die Breite des Hauptkörpers 10 verkleinert werden kann. Aus diesem Grunde können wie vorstehend erwähnt zwei Stützpfosten 53A und 53B von den drei Stützpfosten 53A bis 53C, die die optischen Grundkörper 51 und 52 miteinander verbinden, so angeordnet sein, dass sie außerhalb des Hauptkörpers 10 verlaufen, während nur der Stützpfosten 53 so angeordnet ist, dass er im Inneren des Vierkantstahls (der Stahlsäule) 27 im Hauptkörper 10 verläuft, so dass eine störende Beeinflussung zwischen dem Stützpfosten 53 und der Abdeckungseinheit 30 vermieden und die Breite W des Hauptkörpers 10 reduziert werden kann.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist das Strukturteil 71 im Inneren des Hauptkörpers 10 angeordnet, um die Seitenfelder 11 miteinander zu verbinden, und die Entladungselektroden 21A und 21B sind an diesem Strukturteil 71 angebracht. Mit einem solchen Aufbau würden sich, selbst wenn der Hauptkörper 10 und die Abdeckung unter Atmosphärendruck verformt werden, die Positionen der Entladungselektroden 21A und 21B in Bezug auf die optische Achse 90 nicht verändern, und so kann die Dicke des oberen Felds 12 und des unteren Felds 13 weiter reduziert werden. Zusätzlich wurde herkömmlicher Weise eine Toleranz für einen Entladungsspalt unter Berücksichtigung einer Verlagerung der Entladungselektroden 21A und 21B eingeplant, die entsprechend der Verformung des Hauptkörpers 10 und der Abdeckungseinheit auftreten kann, aber diese kann reduziert werden. Weil im Ergebnis die Verlustmenge an angeregtem Gas, das entweicht, ohne zur Laseroszillation (stimulierten Emission) verwendet zu werden, reduziert werden kann, kann der Laseroszillationswirkungsgrad verbessert werden.
Weil außerdem keine schweren Strukturteile wie Gebläse, Wärmetauscher und Gaskanäle, die diese Strukturteile verbinden, sowie Strukturteile, die einer hohen Montagepräzision bedürfen, im oberen Feld 12 und unteren Feld 13 des Hauptkörpers 10 oder der Abdeckung angeordnet sind, kann die Dicke der Strukturteile reduziert werden, die das obere Feld 12, das untere Feld 13 und die Abdeckung bilden. Zur selben Zeit kann die Schweiß- und Montagemaßgenauigkeit bei der Herstellung des Hauptkörpers 10 und der Abdeckung gelockert werden, während die Kostensenkung erzielt werden kann.
Darüber hinaus sind Schraubenlöcher nur in den Seitenfeldern 11 und dem Strukturteil 71 ausgebildet, um die Bestandteile, die am Gaslaseroszillator angebracht werden sollen, so zu befestigen, dass kein Bearbeitungsprozess für das obere Feld 12 und das untere Feld 13 des Hauptkörpers 10 erforderlich ist. Weil es zusätzlich keine Schraubenlöcher gibt, entfällt die Randbedingung der Mindestdicke, die durch die Bruchfestigkeit eines Schraubengewindes festgelegt wird, und die Dicke der Bestandteile kann bis zur Druckwiderstandsgrenze reduziert werden.
In der vorstehenden Erklärung sind zwei Entladungselektroden 21A und 21B in dem Hauptkörper 10 so angeordnet, dass die Ausrichtung des Gebläses und des Wärmetauschers, die an die Entladungselektrode 21A angeschlossen sind, der Ausrichtung des Gebläses und des Wärmetauschers entgegengesetzt ist, die an die andere Entladungselektrode 215 angeschlossen sind, so dass das Gas in entgegengesetzte Richtungen strömt. Alternativ können immer noch dieselben Wirkungen erzielt werden, auch wenn die Ausrichtungen der Gebläse und Wärmetauscher, die an die Entladungselektroden 21A und 21B angeschlossen sind, gleich ausgelegt sind, so dass das Gas nicht in entgegengesetzte Richtungen strömen würde.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorstehend aufgezeigt, ist der Gaslaseroszillator nach der vorliegenden Erfindung wirksam, wenn ein Laser im Oszillatorgehäuse zum Schwingen gebracht wird, das einen hermetisch abgedichteten Aufbau hat. Er eignet sich insbesondere für einen Hochleistungsgaslaseroszillator, der in der optischen Richtung lang ist.
Bezugszeichenliste

10: Hauptkörper
11: Seitenfelder
12: oberes Feld
13: unteres Feld
14, 33: Flanschfeld
15: O-Ringauskehlung
16: Durchgangsöffnungen
21A, 21B: Entladungselektroden
22A, 22B: Wärmetauscher
23A, 23B: Gebläse
24A, 24B: Gaskanäle
30: Abdeckungseinheit
31: Außenwand
32: Seitenwand
33: Flanschfeld
51: hinterer optischer Grundkörper
52: vorderer optischer Grundkörper
53A, 53B, 53C: Stützpfosten
61: Balge
62: Elastisches Teil
71: Strukturteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 60-254680 [0042]
JP 2007-294807 [0042]

Claims

Gaslaseroszillator, der ein Oszillatorgehäuse umfasst, das aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist; ein Paar optischer Grundkörper, die auf zwei Seiten des Oszillatorgehäuses angeordnet und durch mindestens drei Stützpfosten parallel verbunden sind, die sich in einer optischen Achsenrichtung erstrecken und jeweils optische Strukturteile stützen, die einen optischen Resonator bilden; und ein Paar Balge und elastische Teile, die das Paar optischer Grundkörper mit dem Oszillatorgehäuse verbinden, wobei: wenn es sich bei der optischen Achsenrichtung des optischen Resonators um eine X-Achse handelt, eine zur optischen Achsenrichtung senkrechte Höhenrichtung eine Z-Achse ist, und eine zur X-Achse und Z-Achse senkrechte Richtung eine Y-Achse ist, das Oszillatorgehäuse umfasst: eine Hauptkörpereinheit, die aus einem zu einem Rahmen geformten Metallwerkstoff hergestellt ist und ein Paar Seitenfelder, die in der X-Achsenrichtung angeordnet und beabstandet sind, und ein oberes Feld und ein unteres Feld besitzt, die sich in der X-Achsenrichtung erstrecken, um die Seitenfelder an deren oberen Enden und unteren Enden in der Z-Achsenrichtung zu verbinden; und eine aus einem Metallwerkstoff hergestellte Abdeckungseinheit, um Öffnungen der Hauptkörpereinheit abzudecken, und die einen zur X-Achse senkrechten Bogenquerschnitt hat und eine Außenwand, die sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, und Seitenwände umfasst, die in der X-Achsenrichtung mit beiden Enden der Außenwand verbunden sind, und die Außenwand so gestaltet ist, dass sie eine Bogenform hat, so dass eine Kraft in der Z-Achsenrichtung zum Äußeren des Oszillatorgehäuses hin an einem Verbindungsabschnitt der Abdeckungseinheit mit der Hauptkörpereinheit erzeugt wird, wenn die Abdeckungseinheit mit einem Befestigungsteil an der Hauptkörpereinheit befestigt ist.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 1, wobei wenn die Außenwand mit der Bogenform einen Krümmungsradius R und eine Sehnenlänge H in einem Querschnitt der Abdeckungseinheit senkrecht zur X-Achse hat, die Außenwand: R > H/2 erfüllt.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 2, wobei wenn die Hauptkörpereinheit eine Breite W hat, die Außenwand: R = H/(2·sin(arcTan(H/W)) erfüllt.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend: ein Strukturteil, das die Seitenfelder der Hauptkörpereinheit miteinander verbindet und mit dem oberen Feld und dem unteren Feld nicht in Kontakt ist, wobei eine im Oszillatorgehäuse angeordnete Entladungselektrode so am Strukturteil befestigt ist, dass sie außer Kontakt mit dem oberen Feld, dem unteren Feld und der Abdeckungseinheit gehalten ist.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Strukturteil um ein aus einem Metallwerkstoff hergestelltes Hohlquaderbauteil handelt, die Stützpfosten zwei obere Stützpfosten, die über der Außenseite des Oszillatorgehäuses angeordnet sind, und einen unteren Stützpfosten umfassen, der so angeordnet ist, dass er die Hauptkörpereinheit nahe deren Mitte durchdringt; und der untere Stützpfosten im Inneren des zu durchdringenden Quaderbauteils angeordnet ist.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 4, wobei ein Gebläse, ein Wärmetauscher und ein Gaskanal, die im Inneren des Oszillatorgehäuses angeordnet sind, so am Strukturteil befestigt sind, dass sie außer Kontakt mit dem oberen Feld, dem unteren Feld und der Abdeckungseinheit gehalten sind.
Gaslaseroszillator nach Anspruch 4, wobei alle am Oszillatorgehäuse befestigten Bauteile an den Seitenwänden und/oder dem Strukturteil befestigt sind.