JP2000208838A - 色素レ―ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、比較的簡略な構成の色素溶液循
環装置或いは色素溶液温調装置により色素フローセルを
流れる色素溶液の温度を一定化制御可能とした色素レー
ザ装置を提供することを目的とする。 【解決手段】 この発明は、色素フローセル１５ａに色
素溶液２２を循環させるための色素溶液循環装置１８ａ
が２次側に接続された熱交換器２９ａを含む色素溶液温
調装置６０により、この熱交換器２９ａの１次側に循環
させる冷却水等の温調媒体２３の流量を変化させること
により、色素フローセル１５ａに循環させる色素溶液２
２の温度を一定化するように制御する色素レーザ装置で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、色素レーザ装置
に係わり、特にその色素溶液の温度調節装置の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】色素をレーザ媒質としてレーザ光を出力
する色素レーザ装置は、エタノール等に代表される媒質
に色素を溶かした色素溶液を、その循環流量や溶液温度
を色素溶液循環装置によって一定（本明細書では、許容
される範囲の変動を含んで「一定」と表現する）に保ち
ながらガラス製のフローセル内に循環させている。

【０００３】色素レーザＭＯＰＡ（Master Oscillator
Power Amplifier）装置は、循環している色素溶液に、
発振装置または前段増幅装置から出射されたレーザ光を
通過させると同時に、励起レーザ光である例えば銅蒸気
レーザ光を照射することによって、レーザ光出力を増幅
している。なお、レーザ光の波面特性や出力等を一定に
保つために、フローセル内を流れる色素溶液の温度は、
高い精度で一定に維持される必要がある。このため、色
素溶液循環装置によりフローセル内に案内される色素溶
液の温度は、冷却および加熱が可能な色素溶液温調装置
により、一定値となるように制御される。

【０００４】図４は、従来の色素レーザ装置のとくに色
素溶液循環装置１００や色素溶液温調装置２００を示す
概略構成図である。この色素溶液循環装置１００におけ
る色素溶液循環路１０８は、色素溶液１０１がこれを蓄
えるタンク１０２、色素溶液１０１を循環させる循環ポ
ンプ１０３、色素溶液内の不純物を濾過するフィルタ１
０４、色素溶液の温度を検知する温度センサ１０５、発
振装置を出射されたレーザ光または前段増幅装置を通過
して増幅および波面が整形されたレーザ光に対して励起
レーザ光を照射するレーザ照射部である色素フローセル
１０６、及び色素溶液１０１の温度を制御する色素溶液
用熱交換器１０７の２次側により構成されている。そし
て、色素溶液１０１は循環ポンプ１０３により流量およ
び流速が制御されて循環させられる。

【０００５】この色素溶液循環路１０８を循環する色素
溶液１０１の温度を一定に保つために、色素溶液用熱交
換器１０７の１次側から図示左側の色素溶液温調装置２
００により温度制御される。この色素溶液温調装置２０
０は、温調水すなわち温調媒体の循環ポンプ１０９、温
調媒体用熱交換器１１０の２次側および温調媒体タンク
１１１により構成される温調媒体循環路１１２を流れる
温調媒体１１３を用いて、色素溶液用熱交換器１０７の
２次側を色素溶液循環路１０８により流れる色素溶液１
０１の温度が一定になるよう制御される。このとき、温
調媒体用熱交換器１１０を流れる温調媒体１１３の温度
を、温調媒体用熱交換器１１０の１次側、コンプレッサ
１１４、温調媒体用熱交換器１１５の２次側および膨張
弁１１６により構成される温調媒体循環路１１７により
一定温度に制御された温調媒体１１８の温度が、色素溶
液循環路１０８の温度センサ１０５により検知された色
素溶液１０１の温度を制御装置１１９にて解析してコン
プレッサ１１４と膨張弁１１６にフィードバックするこ
とで設定される温調媒体１１８の循環量により可変され
ることで、温調媒体循環路１１２を通じて色素溶液用熱
交換器１０７の１次側に導かれる温調媒体１１３の温度
が変化されて、色素溶液用熱交換器１０７の２次側を流
れる色素溶液１０１の温度が一定に維持されるようにな
っている。なお、温調媒体１１８は、温調媒体用熱交換
器１１５の１次側に供給される工業用水である冷却水１
２０により冷却される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の色素レーザ装置に利用されている色素溶液循環装置１
００においては、色素溶液１０１の温度を一定に保つた
めに、複数段の色素溶液用熱交換器１０７，１１０を設
け、色素溶液用熱交換器１０７の１次側に流れる温調媒
体１１３の温度を、その前段の色素溶液用熱交換器１１
０の１次側循環路１１７を流れる温調媒体１１８の温度
を可変することで調整し、それによって色素溶液用熱交
換器１０７の２次側に流れる色素溶液１０１の温度を一
定に維持するようになっている。

【０００７】そのため、色素レーザ増幅装置１台につ
き、色素溶液用循環ポンプ、色素溶液用タンク、フィル
タ、色素溶液用熱交換器、温調媒体循環ポンプ、温調媒
体用熱交換器、コンプレッサおよび温調媒体用熱交換器
といった温調媒体の冷却系統が必要であり、装置が大型
化されるとともに、装置コストが増大する問題がある。
また、色素溶液の温度制御が間接的であるとともに２段
階以上も間接的であり、色素温度制御の追従性があまり
よいとは言えない構成になっている。

【０００８】この発明の目的は、以上の様な不都合を解
決するものであり、比較的簡略な構成の色素溶液循環装
置或いは色素溶液温調装置により比較的追従性のよい色
素溶液の温調を可能とした色素レーザ装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、色素フロー
セルに色素溶液を循環させる色素溶液循環装置の一部に
設けられた色素溶液温調装置の熱交換器の１次側に供給
する温調媒体の流量を変化させることにより上記色素溶
液の温度を一定化するように制御する構成の色素レーザ
装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を詳細に説明する。図１は、この発明が適用さ
れる色素レーザＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Am
plifier）システムの一例を説明する概略図である。

【００１１】図１に示されるように、色素レーザＭＯＰ
Ａシステム５０は、励起レーザ光１２を発振する例えば
銅蒸気レーザ装置のような励起レーザ光発生装置１０、
この励起レーザ光発生装置１０により発生され光学ミラ
ーや光ファイバのような導光系１１で導かれた励起レー
ザ光１２により励起されて色素レーザ光１３を発振する
色素レーザ発振装置１４、この色素レーザ発振装置１４
により発振された色素レーザ光１３を同じく励起レーザ
光発生装置１０からの励起レーザ光１２により増幅する
第1の色素レーザ増幅装置１５、この色素レーザ増幅装
置１５から出射された色素レーザ光１３を同様に増幅す
る第２の色素レーザ増幅装置１６、およびこの色素レー
ザ装置１６により増幅された色素レーザ光１３をさらに
増幅する第3の色素レーザ増幅装置１７を有する。各色
素レーザ装置には、それぞれ色素溶液が循環される色素
フローセル１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ がその主
要部として設けられている。

【００１２】なお、色素レーザ発振装置、各色素レーザ
増幅装置の間には、要求される出力レーザ光すなわち色
素レーザ光の強度や性能に応じて、複数の色素レーザ増
幅装置が直列に挿入されてもよい。また、各色素レーザ
増幅装置は、実質的に同様の構成の装置が利用されても
よいし、色素レーザ増幅装置の段数も任意に構成し得
る。

【００１３】色素レーザ発振装置１４、及び第１〜第３
の色素レーザ増幅装置１５，１６，１７のそれぞれに
は、後述する色素溶液を循環させる色素溶液循環装置１
８，１９，２０，２１が設けられている。なおこれら各
色素溶液循環装置１８，１９，２０，２１は、実質的に
同様の構成のものである。

【００１４】それぞれの色素溶液循環装置１８，１９，
２０，２１と、それぞれに接続された色素レーザ発振装
置１４、色素レーザ増幅装置１５，１６，１７の各色素
フローセル１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａとの間に
は、図２および図３を用いて後述する冷却機構すなわち
熱交換器により一定温度に制御された色素溶液が、色素
溶液循環路１８ａ，１９ａ，２０ａ，２１ａを通じて循
環される。

【００１５】それぞれの色素溶液循環装置１８，１９，
２０，２１には、色素溶液の温度を一定に調節するため
の温調媒体を供給する温調媒体循環装置２４，２５，２
６，２７が連結されている。なお、各温調媒体循環装置
２４，２５，２６，２７は、実質的に同様の構成のもの
が利用され、対応する色素溶液循環装置との間に、温調
媒体流路２４ａ，２５ａ，２６ａ，２７ａにより温調媒
体が循環される。

【００１６】また、各温調媒体循環装置２４，２５，２
６，２７には、温調媒体供給装置２８から温調媒体が循
環により供給されるようになっている。こうして色素溶
液温調装置６０が構成されている。

【００１７】図１において、色素レーザ発振装置１４、
及び色素レーザ増幅装置１５，１６，１７に供給される
色素溶液は、色素溶液循環装置１８，１９，２０，２１
によって、対応する色素レーザ発振装置１４、色素レー
ザ増幅装置器１５，１６，１７のそれぞれに設けられて
いる色素フローセル１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａを
循環する。

【００１８】励起レーザ光発生装置１０からの励起レー
ザ光１２は、上述のように、励起レーザ光導光系１１に
よって、色素レーザ発振装置１４および各色素レーザ増
幅装置１５，１６，１７に向けて案内され、それぞれ、
対応する色素フローセル１４ａ，１５ａ，１６ａ，１７
ａに入射される。

【００１９】従って、色素レーザ発振装置１４で発振さ
れた色素レーザ光１３は、各色素レーザ増幅装置１５，
１６，１７を通過するごとに、周波数精度および例えば
波面精度等に代表されるレーザ光品位が安定されるとと
もに増幅されて、色素レーザＭＯＰＡシステム５０から
のレーザ光１３ａとして、出射される。

【００２０】図２は、図１に示した色素レーザＭＯＰＡ
システム５０の色素レーザ発振装置及び色素レーザ増幅
装置のそれぞれの色素フローセル１４ａ，１５ａ，…，
１７ａに、所定温度の色素溶液を供給する色素溶液循環
装置のそれぞれに組み合わせられる色素溶液温調装置６
０の構成を示す概略図である。

【００２１】図２に示されるように、色素溶液温調装置
６０は、温調媒体供給装置２８として例えば工業用水の
ような温調媒体４８が１次側に供給される熱交換器３
０、その２次側とさらにその下流側の別の熱交換器３１
の１次側の循環路３４ａ、さらにこの熱交換器３１の２
次側の循環路３４ｂ中に設けられた温調媒体の共用タン
ク４２を備えている。この共用タンク４２には、後述す
る複数の色素溶液用熱交換器２９ａ，２９ｂ，…，２９
ｎの各１次側の温調媒体循環路３５ａ，３５ｂ，…，３
５ｎに循環、供給する温調媒体が一緒にプールされる。

【００２２】温調媒体循環路３４ａは、隣り合う交換器
３０，３１を接続する経路中に、コンプレッサ４６及び
膨張弁４７を備えている。また、熱交換器３１の２次側
の循環路３４ｂには、循環ポンプ４５及び温調媒体の流
量調整弁４３が設けられている。なお、温調媒体として
は、一般的には、水や、油、その他の適当な液体、或い
は空気や適当な成分のガス等の基体を使用し得る。

【００２３】こうして、共用タンク４２には、各熱交換
器によってある程度一定温度に制御された温調媒体２３
ａが循環され且つ一時的に貯留されるとともに、この共
用タンク４２から、上述のように、複数の色素溶液用熱
交換器２９ａ，２９ｂ，…，２９ｎの各１次側に温調媒
体の一部２３がそれぞれ独立して循環される。

【００２４】これら各色素溶液用熱交換器２９ａ，２９
ｂ，…，２９ｎの各１次側温調媒体循環路中には、温調
媒体循環用ポンプ４４ａ，４４ｂ，…，４４ｎがそれぞ
れ配置されている。これら各温調媒体循環用ポンプは、
例えばインバータ方式により制御されるモータで動作す
るポンプであって、制御装置４９からの各制御信号又は
制御電力によりそれぞれの温調媒体２３の循環量が独立
して自動制御されるようになっている。

【００２５】各色素溶液用熱交換器２９ａ，２９ｂ，
…，２９ｎの各２次側循環路１８ａ，１９ａ，２１ａに
は、それぞれ、色素フローセル１４ａ，１５ａ，…，１
７ａ、各フローセル中を流れる色素溶液２２の温度を検
出する温度センサ３６ａ，３６ｂ，…，３６ｎ、不純物
やゴミ等を除去するフィルタ３７ａ，３７ｂ，…，３７
ｎ、各対応する色素フローセルに向けて色素溶液２２を
所定の圧力又は流量で送出する色素溶液循環用ポンプ３
８ａ，３８ｂ，…，３８ｎ、色素溶液タンク４０ａ，４
０ｂ，…，４０ｎが設けられている。

【００２６】制御装置４９には、各温度センサ３６ａ，
３６ｂ，…，３６ｎの出力信号が供給されるように接続
されており、各温度信号の処理に応じて出力される制御
信号で各温調媒体循環用ポンプ４４ａ，４４ｂ，…，４
４ｎを駆動制御し、各色素溶液用熱交換器２９ａ，２９
ｂ，…，２９ｎの各１次側温調媒体量をそれぞれ独立的
に変化させて２次側の各色素フローセル中を循環する色
素溶液２２の温度を一定化するように動作する。これ
は、例えば各温調媒体循環用ポンプのモータに供給する
駆動電力を連続的又は任意のステップ数とし、各ポンプ
を駆動するモータの回転数を変更可能なインバータ回路
により高精度に且つ容易に制御するように構成できる。

【００２７】なお、色素溶液用熱交換器の２次側を流れ
る色素溶液の温度は、色素溶液用熱交換器に流入する色
素溶液が色素フローセルにおいて受け取った熱量である
入熱量Ｑと色素溶液用熱交換器における温調媒体との間
の熱交換で必要となる温調媒体流量Ｖは、熱交換で受け
る温調媒体の温度差をΔｔとするとき、 Ｖｗ ＝ Ｑ／（Δｔ×ρ×ｃ×η） ……（１） ただしＱ：色素溶液への入熱量（ｋｃａｌ／ｈ） Ｖｗ：温調媒体流量（Ｌ／ｍｉｎ） Δｔ：温調媒体に生じる温度差（°Ｃ） ρ：水の比重（ｋｇ／Ｌ）＝１ ｃ：水の比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ／°Ｃ）＝１ η：色素溶液用熱交換器の効率 により表わされる。

【００２８】ここで、（１）式は、温調媒体の流量を可
変することで、熱負荷が変動すなわち色素フローセルか
ら色素溶液用熱交換器に流入する色素溶液が色素フロー
セルにおいて受け取った熱を温調媒体により冷却される
ことで色素溶液が色素フローセルに再び流入されるため
に必要な所定の温度に戻すことができることを示してい
る。このことから、温度を一定に保った温調媒体の流量
を可変制御することのみで、色素フローセルに向けて送
出される色素溶液の温度を一定に保つことが可能であ
る。

【００２９】なお、温調媒体は、図２を用いて説明した
ように、温調供給装置の熱交換器等において、ほぼ一定
の適度な温度に維持されていることが望ましく、それに
より色素溶液用熱交換器の一次側に供給する温調媒体の
流量のみを制御することにより、色素溶液の温度をより
一層高精度に一定化制御することが可能である。

【００３０】これにより、色素溶液の温度が変動するこ
とに起因して生じる色素レーザ光出力および出力レーザ
光の波面特性の変動を低減できる。なお、温調媒体の流
量を変化させることは、周知の色素レーザ装置にみられ
るような温調媒体温度を変化させることに比較して、非
常に容易であり、またそのために要求される装置も簡単
で低コストのもので済む。また、色素溶液温度の変化を
感知してから溶液温度を制御する追従性にもすぐれてい
る。

【００３１】とくに、複数系列の色素フローセル、その
循環装置及び熱交換器を備える色素レーザ装置において
は、各熱交換器の１次側温調媒体を単一の共用タンクか
ら循環、供給するようにしているため、共用タンクの容
積を十分大きくして大量の温調媒体を貯留させることに
より、各熱交換器の１次側温調媒体の温度はほぼ同じで
且つ変化が少なくでき、各色素フローセル系列ごとの熱
交換器の１次側温調媒体流量を制御して色素フローセル
をながれる色素溶液の温度を精密に一定化制御できる。
一方、別の意味からすれば、各熱交換器の１次側温調媒
体の温度の制御はそれほど厳密性が要求されず、装置構
成が一層簡略化できることでもある。

【００３２】さて、例えば色素レーザＭＯＰＡシステム
の運転開始時等において、レーザ装置の設置環境によっ
ては、環境温度により各フローセルを流れる色素溶液の
温度が必要温度よりも相当低くなっている場合があり得
る。このように場合でも、各フローセルを流れる色素溶
液の温度を概ね最適な温度範囲に設定したうえで、上述
のような構成により色素溶液の微細な温度制御を可能に
することもできる。

【００３３】その実施例を図３に示す。これは、同図に
示すように、任意のフローセル５１の色素溶液循環路３
３の色素溶液タンク４０の内部に、加熱ヒータ等の色素
溶液加熱器４１を付加したものである。そして、制御装
置４９から適宜の加熱制御電力を色素溶液加熱器４１に
供給するようにしている。

【００３４】なお、図３の実施例では、色素溶液用熱交
換器２９の１次側循環路中に、ここを循環する温調媒体
の循環量の調整を可能とする流量調整弁４３を設けてい
る。そして、制御装置４９から適宜の制御電力によって
流量調整弁４３の開閉度合いを調整して温調媒体の循環
量を制御できるようになっている。それによれば、循環
ポンプ４４を駆動する図示しないインバータモータの回
転数を変化させても、或いは変化させなくても、色素溶
液の温度制御が可能である。また、流量調整弁４３と循
環ポンプ４４との両方を組合わせて、例えば粗い流量調
整と微細な流量調整とでより広範囲で且つ精密な温度調
整を行なうようにすることもできる。

【００３５】こうして、色素フローセルに送出される色
素溶液の温度信号は、温度センサから、制御装置にフィ
ードバックされる。制御装置は、色素溶液温度を一定化
すべき色素溶液用熱交換器の一次側温調媒体循環量を算
出してポンプを自動制御するように動作する。これによ
り、色素レーザ装置において、色素溶液の温度が変動す
ることに起因して生じる色素レーザ光出力および出力レ
ーザ光の波面特性の変動を低減できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
色素溶液用熱交換器の１次側を流れる温調媒体の流量を
可変することで、色素フローセルを流れる色素溶液の温
度を一定化するので、比較的簡略な装置構成でレーザ光
出力および出力レーザ光の波面特性の変動を低減でき
る。また、装置のコストもほとんど上昇しない。さらに
また、温度制御の追従性も十分満足できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の色素レーザ装置の一例を示す概略
図。

【図２】図１に示した色素レーザ装置の色素溶液循環系
および冷却系の一例を示す概略図。

【図３】図２に示した色素溶液循環系および冷却系の別
の例を示す概略図。

【図４】従来の色素レーザ装置の一例を示す概略図。

【符号の説明】

１０…励起レーザ光発生装置、 １１…導光系、 １２…励起レーザ光、 １４…色素レーザ発振装置、 １５、１６，１７…色素レーザ増幅装置、 １４ａ，１５ａ，１６ａ，１７ａ，５１…色素フローセ
ル、 ２８…温調媒体供給装置、 ２９、２９ａ，２９ｂ，２９ｎ…色素溶液用熱交換器、 ３６、３６ａ，３６ｂ，３６ｎ…温度センサ、 ４２、４２ａ…温調媒体共用タンク、 ４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｎ…温調媒体循環用ポン
プ、 ４９…制御装置、 ６０…色素溶液温調装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 深澤 輝一郎 栃木県大田原市下石上1385番の１ 株式会 社東芝那須電子管工場内 Ｆターム(参考） 5F072 AC02 JJ05 TT22 TT28

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 色素フローセルと、この色素フローセル
   に色素溶液を循環させる色素溶液循環装置と、この色素
   溶液循環装置により循環される上記色素溶液の温度を所
   定温度に制御する色素溶液温調装置とを備え、前記色素
   溶液温調装置は第１の熱交換器を含み且つ該第１熱交換
   器の２次側に上記色素溶液を循環させるとともに該第１
   熱交換器の１次側に温調媒体を供給させる構成の色素レ
   ーザ装置において、 上記色素溶液温調装置の第１熱交換器の１次側に供給さ
   せる温調媒体の流量を変化させることにより上記色素溶
   液の温度を調整するように構成したことを特徴とする色
   素レーザ装置。
2. 【請求項２】 上記色素溶液温調装置は、上記第１熱交
   換器の１次側温調媒体の供給路に第２の熱交換器を更に
   備え、前記第２熱交換器の２次側に上記第１熱交換器の
   １次側温調媒体を循環させ且つ該第２熱交換器の１次側
   に上記と別の温調媒体を供給する構成の請求項１記載の
   色素レーザ装置。
3. 【請求項３】 上記色素フローセル、色素溶液循環装置
   及び上記第１熱交換器を有する色素溶液温調装置は複数
   系列を備えており、これら複数系列の各第１熱交換器の
   各一次側に循環させられる温調媒体は、一緒にプールさ
   れた温調媒体タンクからそれぞれ独立して供給されると
   ともに各々独立して流量が変化させられる構成の請求項
   1記載の色素レーザ装置。
4. 【請求項４】 上記色素溶液温調装置の第１熱交換器の
   １次側の温調媒体の循環路中にインバータ回路により制
   御される循環ポンプが備えられ、該循環ポンプを制御す
   ることにより上記１次側の温調媒体の流量が変化させら
   れる請求項１記載の色素レーザ装置。
5. 【請求項５】 上記色素溶液温調装置の第１熱交換器の
   １次側の温調媒体の循環路中に流量調整弁が備えられ、
   該流量調整弁の開閉度合いの制御により上記１次側の温
   調媒体の流量が変化させられる請求項１記載の色素レー
   ザ装置。
6. 【請求項６】 上記色素溶液循環装置の色素溶液循環路
   中に上記色素溶液を加熱可能な色素溶液加熱装置が更に
   設けられている請求項１記載の色素レーザ装置。