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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaseroszillator, der in der Lage ist einen Gasaustausch in einer kurzen Zeit durchzuführen und ein Gasaustauschverfahren für den Gaslaseroszillator in einem Gaslaseroszillator, in dem Gas als Lasermedium verwendet wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Im Fall eines abgeschlossenen Gas (CO2) Laseroszillator ist es notwendig, wegen einer Degradation des Lasermediengases und einer Reduzierung der Gasreinheit wegen des Einströmens von Außenluft, die in das Gehäuse eintritt, in regelmäßigen Intervallen einen Gasaustausch durchzuführen. In dem konventionellen Gasaustausch für den abgeschlossenen Laseroszillator wird eine Evakuierung von dem zum Zeitpunkt der Oszillation eingestellten Druck, ungeachtet der Frequenz der Gasaustausche, bis auf 0,1 bis 0,01 Torr durchgeführt (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
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Zitatliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nummer 02-65187
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technische Problemstellung
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Jedoch wird gemäß der oben beschriebenen konventionellen Technologie, in einem Gasaustausch für den abgeschlossenen Laseroszillator ein Gasaustausch in regelmäßigen Intervallen ungeachtet der Zeit und des Datums des letzten Gasaustauschs und der Situation wie zum Beispiel, dass das Gehäuse während der Wartung unmittelbar vor einem Gasaustausch zur Atmosphäre hin geöffnet wird, durchgeführt, somit ist es erforderlich eine Evakuierung von dem, zum Zeitpunkt der Oszillation eingestellten Druck (zum Beispiel 55 Torr), bis auf 0,1 bis 0,01 Torr durchzuführen. Daher besteht ein Problem darin, dass es Zeit erfordert eine Evakuierung durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf das oben Genannte erzielt und hat als ein Ziel, einen Gaslaseroszillator, der in der Lage ist einen Gasaustausch in einer kurzen Zeit durchzuführen und ein Gasaustauschverfahren für den Gaslaseroszillator vorzusehen.
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Lösung des Problems
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Um die Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, ist ein Gaslaseroszillator gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, der ein abgeschlossener Gasoszillator ist, mit: einem luftdichten Behälter, einer Lasergasversorgungsquelle, die dem luftdichten Behälter ein Lasergas zuführt, und einer Vakuumpumpe, die mit dem luftdichten Behälter verbunden ist und in jedem vorbestimmten Intervall zwischen Lasergasaustauschen eine Evakuierung durchführt, bis ein Druck eines Inneren des luftdichten Behälters einen zu erreichenden Zieldruck erreicht hat, und der Laseroszillationen in einem Zustand durchführt, in dem der luftdichte Behälter mit dem Lasergas gefüllt ist, wobei der Gaslaseroszillator aufweist: eine Einheit, die den zu erreichenden Zieldruck auf Grundlage des Intervalls zwischen Lasergasaustauschen, einer Leckrate eines Verunreinigungsgases von einer Außenseite in den luftdichten Behälter nach der Evakuierung und eines zulässigen Verunreinigungsgasdrucks, bei dem der Gaslaseroszillator imstande ist betrieben zu werden, bestimmt.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Effekt erhalten, bei dem die Lasergasaustauschzeit für einen abgeschlossenen Gaslaseroszillator verkürzt wird.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Gaslaseroszillators in der ersten und der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
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2 ist ein Diagramm, das die zeitliche (Hr) Variation in der Menge eines Verunreinigungsgases (Torr) einschließlich der Zeit in der ein Gasaustausch durchgeführt wird, illustriert.
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3 ist ein Diagramm, das durch seitliches Verschieben des durchgezogenen Graphen für den Fall in dem das Gasaustauschintervall T kurz ist, und des gestrichelten Graphen für den Fall in dem das Gasaustauschintervall T in 2 lang ist, sodass die Evakuierungsstartzeit dieselbe wird, und durch Vergrößern der Graphen erhalten wird.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Lasergasaustauschverfahren gemäß der ersten Ausführungsform illustriert.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsformen eines Gaslaseroszillators und eines Gasaustauschverfahrens für den Gaslaseroszillator gemäß der vorliegenden Erfindung werden unten, mit Bezug auf die Figuren, im Detail beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Erste Ausführungsform
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1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Gaslaseroszillators 1 in der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert. Der Gaslaseroszillator 1 ist ein abgeschlossener Gaslaseroszillator und weist auf: eine Entladungselektrode 2, ein Gaszirkulationsgebläse 3, welches das Lasergas in dem Gaslaseroszillator 1 zirkuliert, einen Teilreflexionsspiegel 4, der einen Teil des Laserlichts 11 reflektiert und den Rest des Laserlichts 11 hindurch transmittiert, einen Totalreflexionsspiegel 5, der das Laserlicht 11 total reflektiert, und einen Wärmetauscher 6, der Wärme austauscht, um die Temperatur des Lasergases zu steuern.
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Das Gaszirkulationsgebläse 3, die Entladungselektrode 2 und der Wärmetauscher 6 sind in einem Vakuumbehälter 7 (luftdichter Behälter) des Gaslaseroszillators 1 vorgesehen. Wenn der Gaslaseroszillator 1 betrieben wird, wird der Vakuumbehälter 7 mit einem Lasergas, wie z. B. CO2, zum Beispiel mit 1/15 bis 1/10 Atmosphären (55 bis 65 Torr) gefüllt und Laseroszillationen treten in dem Vakuumbehälter 7 auf.
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Zudem weist der Gaslaseroszillator 1 eine Temperatursteuereinheit 8 auf, und die Temperatursteuereinheit 8 hat eine Steuerfunktion der Temperatur des Teilreflexionsspiegels 4, des Totalreflexionsspiegels 5, des Wärmetauschers 6, der Entladungselektrode 2 und desgleichen durch Leiten von Kühlwasser (Heizwasser) zu jeder Komponente.
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Außerdem weist der Gaslaseroszillator 1 ein Schaltfeld 9 in dem Ausrüstung (nicht gezeigt) aufgenommen ist, die bewirkt, dass die Entladungselektrode 2 eine Entladung erzeugt, Ausrüstung (nicht gezeigt), die das Gaszirkulationsgebläse steuert, eine Vakuumpumpe 14, die eine Evakuierungsfunktion des Vakuumbehälters 7, der mit einem Lasergas für Laseroszillation gefüllt ist, hat und desgleichen auf.
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Außerdem weist der Gaslaseroszillator 1 eine Lasergasversorgungsquelle 12 und einen Druckmesser 13 auf. Die Lasergasversorgungsquelle 12 ist zum Beispiel ein Gaszylinder, der dem Vakuumbehälter 7 ein Lasergas (zum Beispiel CO2) zuführt. Der Druckmesser 13 misst den Druck in dem Vakuumbehälter 7. Ventile 15, 16 und 17 sind zwischen dem Vakuumbehälter 7 und der Lasergasversorgungsquelle 12, dem Druckmesser 13 und der Vakuumpumpe 14 vorgesehen. Der Gaslaseroszillator 1 weist eine Steuereinheit 10 auf, die den Betrieb des Gaslaseroszillators 1 steuert. Die Steuereinheit 10 kann die Lasergasversorgungsquelle 12, die Vakuumpumpe 14, und desgleichen auf Grundlage der Messergebnisse von dem Druckmesser 13 oder desgleichen steuern. Außerdem ist ein Eingabegerät 18, das durch einen Benutzer bedient werden kann, mit der Steuereinheit 10 verbunden. Zudem ist eine Speichereinheit (nicht gezeigt) in der Steuereinheit 10 oder dem Eingabegerät 18 beinhaltet.
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In dem abgeschlossenen Gaslaseroszillator 1 kann ein Verunreinigungsgasdruck Pd in dem Gehäuse (dem Vakuumbehälter 7) unmittelbar vor einem Lasergasaustausch durch folgende Gleichung (1) repräsentiert werden: Pd = L × T + Pdl (1) wobei L (Torr/Hr) die Leckmenge des Verunreinigungsgases ist, das per Zeiteinheit von einer Außenseite in den Vakuumbehälter 7 eintritt, d. h. die Leckrate, T (Hr) ist das Intervall zwischen Lasergasaustauschen und Pdl (Torr) ist der durch Evakuierung durch die Vakuumpumpe 14 zu erreichenden Zieldruck, wenn ein Lasergasaustausch letztmalig durchgeführt wurde, das heißt der Druck des Verunreinigungsgases (hauptsächlich Luft), das nach der Evakuierung in dem Oszillatorgehäuse (dem Vakuumbehälter 7) verbleibt.
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Ein zulässiger Verunreinigungsgasdruck Pdth, der die zulässige Grenze eines Verunreinigungsgases ist, das die Charakteristika des Gaslaseroszillators 1 beeinflusst, wird in Abhängigkeit von der inneren Struktur des Vakuumbehälters 7, der Leistung des Laserlichts und desgleichen, die für jeden Gaslaseroszillator verschieden sind, bestimmt. Der zulässige Verunreinigungsgasdruck Pdth (Torr) ist der maximal zulässige Druck eines Verunreinigungsgases, bei dem der Gaslaseroszillator 1 betrieben werden kann. Die Leckrate L kann durch den Druckmesser 13 gemessen werden. Zudem kann der Verunreinigungsgasdruck Pdl in dem Vakuumbehälter 7 nach einer Evakuierung durch den Druckmesser 13 erhalten werden, um den erreichten Druck durch Evakuierung zum Zeitpunkt eines Lasergasaustauschs zu messen. Mit anderen Worten zeigt der Druckmesser 13 den Druck einschließlich restlichen Lasergases an, somit wird der Verunreinigungsgasdruck Pdl als ein Partialdruckwert desselben erhalten.
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Dementsprechend ist es möglich, unter der Bedingung dass Pd ≤ Pdth erfüllt ist, den höchsten zu erreichenden Zieldruck Pdl des Verunreinigungsgases zu bestimmen, wenn die Zeitspanne, für die der Gaslaseroszillator 1 durchgehend nach einem Lasergasaustausch verwendet wird, bestimmt ist und das kürzeste Intervall T zwischen Gasaustauschen in dem Bereich der oben beschriebenen Zeitspanne bestimmt ist. Folglich kann ein Gasaustausch in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden, ohne, dass die Leistung des Gaslaseroszillators 1 herabgesetzt wird.
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Die obere Beschreibung wird im Detail mit Bezug auf den in 2 illustrierten Graphen, der die zeitliche Variation (Hr) in der Menge eines Verunreinigungsgases (Torr) zeigt, erklärt. Wenn die Leckrate L in Gleichung 1 konstant ist, wie durch den gestrichelten Graph in 2 illustriert ist, wird, wenn das Gasaustauschintervall T lang ist, L × T groß. Somit ist es notwendig, damit Pd in Gleichung 1 Pd ≤ Pdth erfüllt, eine Evakuierung durch die Vakuumpumpe 14 durchführen zu lassen, bis der Druck in dem Vakuumbehälter 7 ungefähr 0,1 bis 0,01 Torr erreicht hat, um den zu erreichenden Zieldruck Pdl des Verunreinigungsgases nach der Evakuierung zu reduzieren. Typischerweise bedarf es ungefähr 30 Minuten, um diese Evakuierung durchzuführen.
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Allerdings kann in der vorliegenden Ausführungsform, wie durch den durchgezogenen Graph in 2 illustriert ist, L × T durch Einstellen des Gasaustauschintervalls T auf einen kleinen Wert verringert werden, wenn die Leckrate L (Gradient einer durchgezogenen Linie 20) die Gleiche ist wie im oberen Fall. Folglich ist es möglich, den zu erreichenden Zieldruck Pdl des Verunreinigungsgases nach einer Evakuierung bei dem Pd in Gleichung 1 Pd < Pdth erfüllt, zu erhöhen. Somit ist es nicht erforderlich eine Evakuierung des Vakuumbehälters 7 bis ganz hinunter auf 0,1 bis 0,01 Torr durchzuführen und somit kann die Evakuierungszeit verkürzt werden.
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Eine Verkürzung der Evakuierungszeit durch das Gasaustauschverfahren in der vorliegenden Ausführungsform wird mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Diagramm, das durch seitliches Verschieben des durchgezogenen Graphen für den Fall in dem das Gasaustauschintervall T kurz ist und des gestrichelten Graphen für den Fall in dem das Gasaustauschintervall T in 2 lang ist, sodass eine durchgezogene Linie 21 und eine gestrichelte Linie 22 (Evakuierungsstartzeit) überlappen, und durch Vergrößern der Graphen erhalten wird.
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Normalerweise verändert sich der erreichte Vakuumgrad, exponentiell bezüglich der Evakuierungszeit, wie in 3 illustriert ist, somit kann eine große Reduzierung der Evakuierungszeit (Gasaustauschzeit) von Texl zu Texs nur durch eine Veränderung des zu erreichenden Vakuumgrads zum Beispiel von 0,1 zu 1 Torr realisiert werden. In 3 zeigt die vertikale Achse den Verunreinigungsgasdruck an. Allerdings hat der Gesamtdruck in dem Vakuumbehälter 7 auch dieselbe Tendenz.
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Zudem verändert sich die Leckrate L normalerweise nicht, solange wie die Vakuumdichtfläche nicht während der Wartung oder desgleichen gebrochen wird, somit ist es nicht notwendig, die Leckrate L jedes Mal, wenn ein Lasergasaustausch durchgeführt wird, zu messen und der gemessene Wert nach der Wartung kann als ein abgeschätzter Wert verwendet werden.
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Das Lasergasaustauschverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird mit Bezug auf das Flussdiagramm, das in 4 illustriert ist, beschrieben. Erstens, das Intervall T zwischen Lasergasaustauschen wird so bestimmt, dass es gleich oder länger als die Zeitspanne für die der Gaslaseroszillator 1 durchgehend verwendet wird, ist und so kurz wie möglich ist (Schritt S41). Zum Beispiel wird das Intervall T zwischen Lasergasaustauschen durch einen Benutzer mittels des Eingabegerätes 18 eingegeben und wird in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) der Steuereinheit 10 gespeichert.
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Als nächstes wird die Leckrate L auf Grundlage des Messergebnisses des Druckmessers 13 oder des abgeschätzten Werts bestimmt (Schritt S42). Die Leckrate L von dem Druckmesser 13 oder dem Eingabegerät 18 wird auch, zum Beispiel in der Speichereinheit (nicht gezeigt) der Steuereinheit 10, gespeichert.
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Auf Grundlage des zulässigen Verunreinigungsgasdrucks Pdth, der, in einer ähnlichen Weise zu dem Intervall T und der Leckrate L, zusätzlich zu dem Intervall T zwischen Lasergasaustauschen und der Leckrate L, die bestimmt und in den oberen Schritten zum Beispiel in der Speichereinheit (nicht gezeigt) der Steuereinheit 10 gespeichert sind, gespeichert ist, bestimmt die Steuereinheit 10 den zu erreichenden Zieldruck Pdl des Verunreinigungsgases und den zu erreichenden Zieldruck in dem Vakuumbehälter 7 in Übereinstimmung damit (Schritt S43).
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Danach wiederholt die Steuereinheit 10, jedes Mal, wenn das Intervall T zwischen den Lasergasaustauschen verstreicht, eine Evakuierung durch die Vakuumpumpe 14 und eine Befüllung des Vakuumbehälters 7 mit dem Lasergas durch die Lasergasversorgungsquelle 12, solange bis der Verunreinigungsgasdruck Pdl erreicht ist (das Innere des Vakuumbehälters 7 erreicht den zu erreichenden Zieldruck) (Schritt S44). Als umgekehrte Betriebsweise betrachtet, ist es möglich das Intervall T zwischen Lasergasaustauschen so zu bestimmen, dass der zu erreichenden Zieldruck Pdl des Verunreinigungsgases in Übereinstimmung mit der Zeit für welche die Evakuierungszeit verkürzt werden muss, hoch wird.
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Wie oben beschrieben, ist es nicht notwendig, wenn sich die Lasergasverunreinigung aufgrund von Leckage von der Außenseite des Oszillatorgehäuses her vergrößert, eine Evakuierung des Inneren des Oszillatorgehäuses bis ganz hinunter auf 0,1 bis 0,01 Torr durchzuführen, wenn die verstrichene Zeit zu dem Lasergasaustausch kurz ist. Dementsprechend kann die Evakuierungszeit zum Zeitpunkt eines Gasaustauschs durch das Lasergasaustauschverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verkürzt werden, somit kann ein Gasaustausch in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden.
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Zweite Ausführungsform
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Der Aufbau des Gaslaseroszillators 1 in der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Gleiche wie der in 1. Wenn der Gaslaseroszillator 1 routinemäßig verwendet wird und ein Lasergasaustausch durchgeführt wird, wird die Beziehung der folgenden Gleichung (2) erfüllt, um zu bewirken dass die Menge des Verunreinigungsgases in dem Gehäuse (der Vakuumbehälter 7) nach jedem Lasergasaustausch gesättigt wird (um einen stationären Wert beizubehalten). Das ist die Beziehung, die auf der Basis des Verhältnisses des Verunreinigungsgasdrucks vor und nach einer Evakuierung zu dem Gesamtdruck, erforderlich ist. Pda = (Pda + L × T) × Pv/(Pl + L × T) (2) wobei Pda (Torr) der Verunreinigungsgasdruck nach einem Lasergasaustausch ist, Pl (Torr) der Gesamtdruck einschließlich eines Lasergases, mit dem das Gehäuse sofort nach einem Lasergasaustausch befüllt wird, ist und Pv (Torr) der erreichte Druck (Gesamtdruck) in dem Gehäuse nach einer Evakuierung ist.
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Außerdem muss die folgende Gleichung (3) erfüllt werden, um eine stabile Laseroszillation zu erhalten. Pdth ≥ Pda + L × T (3)
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Der zu erreichende Evakuierungsdruck Pv wird so durch Bestimmen der Lasergasaustauschzeit T geändert, dass er die Anforderung des Benutzers innerhalb der Bedingungen, welche die obere Gleichung (2) und Gleichung (3) erfüllen, erwidert, somit kann die Evakuierungszeit optimiert und verkürzt werden, während der Verunreinigungsgasdruck, bei dem eine stabile Laseroszillation erhalten werden kann, in einer ähnlichen Weise zur ersten Ausführungsform aufrechterhalten wird.
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Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oberen Ausführungsformen beschränkt und kann in der Durchführungsstufe vielfältig modifiziert werden ohne von deren Umfang abzuweichen. Zudem umfassen die oben beschriebenen Ausführungsformen Erfindungen in verschiedenen Stufen und verschiedene Erfindungen können auch durch angemessenes Kombinieren mehrerer offenbarter Komponenten extrahiert werden.
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Zum Beispiel, selbst wenn mehrere Komponenten von allen Komponenten, die in den oberen Ausführungsformen gezeigt sind, ausgelassen werden, kann ein Aufbau in dem die mehreren Komponenten ausgelassen sind als eine Erfindung extrahiert werden, solange wie das Problem, das in dem Abschnitt Technisches Problem beschrieben ist, gelöst werden kann und die Effekte, die in dem Abschnitt Vorteilhafte Effekte der Erfindung beschrieben sind, erhalten werden können. Außerdem können die Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen angemessen kombiniert werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie oben beschrieben, sind der Gaslaseroszillator und das Gasaustauschverfahren für den Gaslaseroszillator gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich für einen abgeschlossenen Gaslaseroszillator und besonders zum Verkürzen der Lasergasaustauschzeit geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gaslaseroszillator
- 2
- Entladungselektrode
- 3
- Gaszirkulationsgebläse
- 4
- Teilreflexionsspiegel
- 5
- Totalreflexionsspiegel
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Vakuumbehälter (luftdichter Behälter)
- 8
- Temperatursteuereinheit
- 9
- Schaltfeld
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Laserlicht
- 12
- Lasergasversorgungsquelle
- 13
- Druckmesser
- 14
- Vakuumpumpe
- 15, 16, 17
- Ventil
- 18
- Eingabegerät
- S41 bis S44
- Schritt