JP2001068770A - マイクロ波励起ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のマイクロ波励起式のガスレーザ発振装置
は、小出力時のマイクロ波の安定性が悪く、レーザビー
ム出力が変動し、加工性能に悪影響を与えていた。 【解決手段】レーザビーム出力の調整を、一定のマイク
ロ波を出力する複数のマイクロ波発生装置１２の一部を
停止させ、運転するマイクロ波発生装置数を制御部１３
により変化させて制御を行い、小出力時のマイクロ波出
力の変動を抑制し、レーザビームの出力を安定化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波でレー
ザガスを励起させてレーザビームを得るマイクロ波励起
ガスレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波励起ガスレーザ発振装置の例
としては、文献 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ｌ
ＥＴＴＥＲ，３７（８），Ｐ６７３（１９８０）等が知
られている。

【０００３】上記のガスレーザ発振装置に基づき、本発
明者がこれまで検討してきたマイクロ波励起炭酸ガスレ
ーザ発振装置の構成概略図を図６に示す。

【０００４】図６において、１２はマイクロ波を発生さ
せるマグネトロンを含むマイクロ波発生装置、２５はマ
グネトロン駆動電源、２６はマグネトロン、１３はマイ
クロ波発生装置を制御する制御部、１１はガラス等の誘
電体で形成される放電管、１４はマイクロ波を放電管１
１内に供給する導波管である。放電管１１は導波管１４
を貫通しているので、放電管１１内のレーザガスは、マ
イクロ波で励起される。このレーザガスが励起される部
分が放電部１５である。放電管１１の端には全反射鏡１
６が、他端には部分反射鏡１７が配置され光共振器を形
成している。部分反射鏡１７からはレーザビーム１８が
出射される。放電管１１の両端には送気管１９が接続さ
れ、さらに放電管１１の中央部には吸気管２０が接続さ
れている。吸気管２０と送気管１９との間には、熱交換
器２１、２２と送風機２３が接続され、レーザガスを循
環させるようにしている。熱交換器２１、２２は放電部
１５の放電および送風機２３により温度上昇したレーザ
ガスを冷却させるために設けている。矢印２４はレーザ
ガスの流れる方向を示しており、図に示すガスレーザ発
振装置の中をレーザガスが循環している。

【０００５】以上のように構成された炭酸ガスレーザ発
振装置の動作について説明する。

【０００６】まず、制御部１３でマイクロ波発生装置１
２を制御し、マイクロ波を発生させる。導波管１４を通
じて放電管１１内の放電部１５にマイクロ波を印加し、
放電部１５にグロー放電を発生させる。放電部１５を通
過するレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起さ
れ、その励起されたレーザガスは全反射鏡１６と部分反
射鏡１７により形成された光共振器間で共振状態とな
り、部分反射鏡１７を透過してレーザビーム１８が出射
される。

【０００７】

【発明が解決しようする課題】このマイクロ波励起ガス
レーザ発振装置においてレーザビームの安定性が加工品
質に大きく影響し、特にＰ板加工などの微細加工では、
高度な安定性が要求される。しかし、マグネトロンのマ
イクロ波出力変動幅の絶対値は、マイクロ波出力に対し
てほぼ一定の値となるため、図７に示す通りマイクロ波
出力を下げて微小なレーザビーム出力を得ようとする場
合、マイクロ波出力の変動率が大きくなり、結果として
レーザビーム出力の変動率も大きくなる。

【０００８】又、マイクロ波の発生を断続させ、パルス
状のレーザビーム出力を発生させるパルス運転を行う場
合、マイクロ波により励起されたレーザガス分子の数
は、マイクロ波が停止すると、一定の時定数で減少す
る。ここで、パルス周波数が変化し、パルス間隔が変化
した場合、図８に示す通り前回パルスによるレーザガス
励起分子の残存量が変化するため、パルス立ち上がり時
の励起分子の数が変化し、レーザビーム出力が変動す
る。図８において、パルス開始時間１での励起分子残存
量は、パルス停止時間の長いパルス開始時間２よりも多
いため、パルス開始時に同一のマイクロ波を注入しても
パルス開始時間１の方が励起される分子の数量が多くな
る。

【０００９】又、マイクロ波の発生を断続させ、パルス
状のレーザビームの出力を発生させるパルス運転を行
い、パルス周波数の低い時の点弧性改善のため、パルス
停止期間もレーザ出力を発生させない程度の微弱な放電
を継続するようシマー電流を流す場合、現在行っている
主放電期間のみのフィードバックや主放電期間、停止期
間を平均したフィードバック制御では、シマー電流の変
動を抑えることが困難である。その結果、シマー電流が
大きく変化すると、放電の点弧ミス、シマー部分でのレ
ーザビーム出力の発生につながるが、より小さな変化で
もシマーによるパルス立ち上がり時の励起分子の数が変
化し、レーザビーム出力安定性が悪化する。

【００１０】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、マイクロ波出力を安定化し、高安定性のマ
イクロ波励起ガスレーザ発振装置を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のマイクロ
波励起ガスレーザ発振装置は、マイクロ波を発生させる
複数のマイクロ波発生装置と、このマイクロ波発生装置
からのマイクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを
励起させる放電部と、この放電部内で励起されたレーザ
ガスを共振させてレーザビームを発生させる光共振器
と、マイクロ波発生装置の動作を制御する制御部を備
え、制御部は、レーザビームの出力の調整をマイクロ波
発生装置数を変化させて制御するものである。

【００１２】請求項１記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、マイクロ波発生装置を最も低い変動
率で維持したまま、出力を段階的に変化させることが可
能となり、微少出力時のレーザビーム出力を安定化する
ことができる。

【００１３】請求項２記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置は、マイクロ波を発生させる複数のマイクロ波
発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波
をレーザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部
と、この放電部内で励起されたレーザガスを共振させて
レーザビームを発生させる光共振器と、マイクロ波発生
装置の動作を制御する制御部を備え、制御部は、レーザ
ビームの出力の微調整を各マイクロ波発生装置のマイク
ロ波出力を変化させて行い、粗調整はマイクロ波発生装
置の数を変化させて制御するものである。

【００１４】請求項２記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、マイクロ波発生装置をある程度低い
変動率で維持したまま、出力を連続的に変化させること
が可能となり、連続的な出力調整機能を持ちながら、微
少出力時のレーザビーム出力を安定化することができ
る。

【００１５】請求項３記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装
置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波をレー
ザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部と、こ
の放電部内で励起されたレーザガスを共振させてレーザ
ビームを発生させる光共振器と、マイクロ波発生装置の
動作を制御する制御部を備え、制御部は、マイクロ波の
発生を断続させパルス状のレーザビーム出力を発生させ
るパルス運転を行う場合、パルスの立ち上がり部分のマ
イクロ波発生量を前回パルス終了時からの時間により変
化させるよう制御するものである。

【００１６】請求項３記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、パルス立ち上がり時のレーザガス励
起分子残存量の変化を吸収することが可能となり、レー
ザビーム出力を安定することができる。

【００１７】請求項４記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生装
置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波をレー
ザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部と、こ
の放電部内で励起されたレーザガスを共振させてレーザ
ビームを発生させる光共振器と、マイクロ波発生装置の
動作を制御する制御部を備え、制御部は、マイクロ波の
発生を断続させパルス状のレーザ出力を発生させるパル
ス運転を行い、かつパルス停止期間もレーザビーム出力
を発生させない程度の微弱な放電を継続するようシマー
電流を流す場合、マイクロ波出力の内、シマー部分は主
放電期間とは独立にフィードバック制御を行うものであ
る。

【００１８】請求項４記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、安定したシマー電流を流すことが可
能で、レーザビーム出力を安定化することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１〜４を用いて説明する。

【００２０】（実施の形態１）図１は本発明の第１の実
施の形態の概略構成図であり、図１において、２８はマ
イクロ波発生装置数制御回路で、出力指令２７の値に対
して、複数のマイクロ波発生装置１２の運転／停止を判
断し、マイクロ波発生装置１２を制御するよう構成した
ものである。その他の構成は図６および図６の説明と同
様である。

【００２１】すなわち、第１の実施の形態は、例えばマ
グネトロンによりマイクロ波を発生させる複数のマイク
ロ波発生装置１２と、このマイクロ波発生装置１２から
のマイクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励起
させる放電部１５と、この放電部１５内で励起されたレ
ーザガスを共振させてレーザビームを発生させる光共振
器（１６、１７）と、マイクロ波発生装置１２の動作を
制御する制御部１３を備え、制御部１３は、レーザビー
ム出力の調整を一定のマイクロ波を出力する複数のマイ
クロ波発生装置１２の一部を停止させまたは運転するこ
とにより、マイクロ波発生装置数を変化させて制御を行
うものである。

【００２２】第１の実施の形態の制御方法により、図３
に示すようにマイクロ波発生装置を最も低い変動率で維
持したまま、出力を段階的に変化させることが可能とな
り、微少出力時のレーザビーム出力を安定化することが
できる。図３において、Ｂは従来の方式によるマイクロ
波変動率であり、Ｃは本装置により改善したマイクロ波
変動率である。

【００２３】したがって、大出力から微小出力まで低い
変動率を維持したままで、レーザビーム出力を得ること
が可能となる。

【００２４】（実施の形態２）図２は本発明の第２の実
施の形態の概略構成図であり、図２において、２９は出
力を微調するための出力指令補正回路で、マイクロ波発
生装置数制御回路２８で決めたマイクロ波発生装置１２
の運転数によって、出力指令を補正し、マイクロ波発生
装置１２を制御するよう構成したものである。その他の
構成は第１の実施の形態と同様である。

【００２５】すなわち、第２の実施の形態は、例えばマ
グネトロンによりマイクロ波を発生させる複数のマイク
ロ波発生装置１２と、このマイクロ波発生装置１２から
のマイクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励起
させる放電部１５と、この放電部１５内で励起されたレ
ーザガスを共振させてレーザビームを発生させる光共振
器（１６、１７）と、マイクロ波発生装置１２の動作を
制御する制御部１３を備え、制御部１３は、レーザビー
ムの出力の微調整を各マイクロ波発生装置１２のマイク
ロ波出力を変化させて行い、粗調整は、複数のマイクロ
波発生装置１２の一部を停止させ、運転することによ
り、マイクロ波発生装置数を変化させて制御を行うもの
である。

【００２６】第２の実施の形態の制御方法により、図３
に示すようにマイクロ波発生装置１２をある程度低い変
動率で維持したまま、出力を連続的に変化させることが
可能となり、連続的な出力調整機能を持ちながら、微少
出力時のレーザビーム出力を安定化することができる。
図３において、Ｂは、従来の方式によるマイクロ波変動
率であり、Ａは本装置により改善したマイクロ波変動率
である。

【００２７】（実施の形態３）図４は、本発明の第３の
実施の形態の制御部およびマイクロ波発生装置の概略ブ
ロック図であり、図４において、３０は主放電マイクロ
波指令値、３１はパルス停止時間カウンタ、３２は立ち
上がり部分マイクロ波指令値、３３は信号切替器、３４
はマイクロ波制御信号である。レーザ出力指令２７を変
換した主放電マイクロ波指令値３０と、一方パルス停止
期間カウンタ３１の値を変換したマイクロ波指令値３２
を信号切替器３３によりマイクロ波制御信号３４に合成
し、この制御部１３によりマイクロ波発生装置１２を制
御するよう構成したものである。その他の構成は図６お
よび図６の説明と同様である。

【００２８】すなわち、第３の実施の形態は、マグネト
ロンによりマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置
１２と、マイクロ波発生装置１２からのマイクロ波をレ
ーザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部１５
と、放電部１５内で励起されたレーザガスを共振させて
レーザビームを発生させる光共振器（１６、１７）と、
マイクロ波発生装置１２の動作を制御する制御部１３を
備え、制御部１３は、マイクロ波の発生を断続させパル
ス状のレーザビーム出力を発生させるパルス運転を行う
場合、パルスの立ち上がり部分のマイクロ波発生量を前
回パルス終了時からの時間により変化させるよう制御す
るものである。

【００２９】第３の実施の形態の制御方法により、パル
ス立ち上がり時のレーザガス励起分子残存量の変化を吸
収することが可能となり、レーザビーム出力を安定する
ことができる。

【００３０】したがって、パルス立ち上がり部分のレー
ザビーム出力変動を抑制して、加工品質の向上に効果が
得られる。

【００３１】なお、第３の実施の形態は第１の実施の形
態または第２の実施の形態と組合せることができる。

【００３２】（実施の形態４）図５は、本発明の第４の
実施の形態の制御部およびマイクロ波発生装置の概略ブ
ロック図であり、図５において、３５はマイクロ波出力
検出回路、３６はパルス信号、３７はシマー指令値、３
８シマー期間検出信号、３９はシマーフィードバック回
路、４０は主放電期間検出信号、４１は主放電フィード
バック回路である。マイクロ波出力検出回路３５は、パ
ルス信号３６で駆動された切替器３３により、主放電期
間検出信号４０とシマー期間検出信号３８に分けられ
る。主放電期間検出信号４０と主放電マイクロ波指令値
３０で、主放電フィードバック回路４１により主放電期
間のフィードバック制御を行う。一方シマー期間検出信
号３８とシマー指令値３７で、シマーフィードバック回
路３９により、シマー期間のフィードバック制御を主放
電期間フィードバックとは独立で行う。さらに主放電フ
ィードバック回路４１とシマーフィードバック回路３９
の出力信号をパルス信号３６で駆動された信号切替器３
３によりマイクロ波制御信号３４に合成し、この制御部
１３によりマイクロ波発生装置１２を制御するよう構成
したものである。その他の構成は図６および図６の説明
と同様である。

【００３３】すなわち、第４の実施の形態は、マグネト
ロンによりマイクロ波を発生させるマイクロ波発生装置
１２と、このマイクロ波発生装置１２からのマイクロ波
をレーザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部
１５と、この放電部１５内で励起されたレーザガスを共
振させてレーザビームを発生させる光共振器（１６、１
７）と、マイクロ波発生装置１２の動作を制御する制御
部１３を備え、制御部１３は、マイクロ波の発生を断続
させパルス状のレーザ出力を発生させるパルス運転を行
い、かつパルス停止期間もレーザビーム出力を発生させ
ない程度の微弱な放電を継続するようシマー電流を流す
場合、マイクロ波出力の内、シマー部分のみ切り出して
主放電期間とは独立にフィードバック制御を行うもので
ある。

【００３４】第４の実施の形態の制御方法により、安定
したシマー電流を流すことが可能で、レーザビーム出力
を安定化することができる。

【００３５】なお、第４の実施の形態は第１の実施の形
態、第２の実施の形態および第３の実施の形態の少なく
ともいずれかと組合せることができる。

【００３６】また、以上の説明では、軸流型のガスレー
ザ発振装置を用いたが、他の形式のガスレーザ発振装置
であっても効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１記載のマイクロ波励起ガスレー
ザ発振装置によれば、マイクロ波発生装置を最も低い変
動率で維持したまま、出力を段階的に変化させることが
可能となり、微少出力時のレーザビーム出力を安定化す
ることができる。

【００３８】請求項２記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、マイクロ波発生装置をある程度低い
変動率で維持したまま、出力を連続的に変化させること
が可能となり、連続的な出力調整機能を持ちながら、微
少出力時のレーザビーム出力を安定化することができ
る。

【００３９】請求項３記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、パルス立ち上がり時のレーザガス励
起分子残存量の変化を吸収することが可能となり、レー
ザビーム出力を安定することができる。

【００４０】請求項４記載のマイクロ波励起ガスレーザ
発振装置によれば、安定したシマー電流を流すことが可
能で、レーザビーム出力を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波
励起ガスレーザ発振装置の概略構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ波
励起ガスレーザ発振装置の概略構成図である。

【図３】マイクロ波発生装置のマイクロ波出力に対する
マイクロ波変動率を示すグラフである。

【図４】本発明の第３の実施の形態におけるマイクロ波
励起ガスレーザ発振装置の一部の概略ブロック図であ
る。

【図５】本発明の第４の実施の形態におけるマイクロ波
励起ガスレーザ発振装置の一部の概略ブロック図であ
る。

【図６】従来のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の概
略構成図である。

【図７】マイクロ波発生装置のマイクロ波出力に対する
マイクロ波変動率を示すグラフである。

【図８】パルス運転における励起分子数量の時間的変化
を示すグラフである。

【符号の説明】

１２ マイクロ波発生装置 １３ 制御部 １５ 放電部 １６ 全反射鏡 １７ 部分反射鏡 ２８ マイクロ波発生装置数制御回路 ２９ 出力指令補正回路 ３０ 主放電マイクロ波指令値 ３１ パルス停止時間カウンタ ３２ 立ち上がり部分マイクロ波指令値 ３３ 信号切替器 ３４ マイクロ波制御信号 ３９ シマーフィードバック回路 ４１ 主放電フィードバック回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波を発生させる複数のマイクロ
   波発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ
   波をレーザガスに供給して前記レーザガスを励起させる
   放電部と、この放電部内で励起された前記レーザガスを
   共振させてレーザビームを発生させる光共振器と、前記
   マイクロ波発生装置の動作を制御する制御部を備え、前
   記制御部は、前記レーザビームの出力の調整を前記マイ
   クロ波発生装置数を変化させて制御するマイクロ波励起
   ガスレーザ発振装置。
2. 【請求項２】 マイクロ波を発生させる複数のマイクロ
   波発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ
   波をレーザガスに供給して前記レーザガスを励起させる
   放電部と、この放電部内で励起された前記レーザガスを
   共振させてレーザビームを発生させる光共振器と、前記
   マイクロ波発生装置の動作を制御する制御部を備え、前
   記制御部は、前記レーザビームの出力の微調整を各マイ
   クロ波発生装置のマイクロ波出力を変化させて行い、粗
   調整は前記マイクロ波発生装置の数を変化させて制御す
   るマイクロ波励起ガスレーザ発振装置。
3. 【請求項３】 マイクロ波を発生させるマイクロ波発生
   装置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波をレ
   ーザガスに供給して前記レーザガスを励起させる放電部
   と、この放電部内で励起された前記レーザガスを共振さ
   せてレーザビームを発生させる光共振器と、前記マイク
   ロ波発生装置の動作を制御する制御部を備え、前記制御
   部は、前記マイクロ波の発生を断続させパルス状のレー
   ザビーム出力を発生させるパルス運転を行う場合、パル
   スの立ち上がり部分のマイクロ波発生量を前回パルス終
   了時からの時間により変化させるよう制御するマイクロ
   波励起ガスレーザ発振装置。
4. 【請求項４】 マイクロ波を発生させるマイクロ波発生
   装置と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波をレ
   ーザガスに供給して前記レーザガスを励起させる放電部
   と、この放電部内で励起された前記レーザガスを共振さ
   せてレーザビームを発生させる光共振器と、前記マイク
   ロ波発生装置の動作を制御する制御部を備え、前記制御
   部は、マイクロ波の発生を断続させパルス状のレーザ出
   力を発生させるパルス運転を行い、かつパルス停止期間
   もレーザビーム出力を発生させない程度の微弱な放電を
   継続するようシマー電流を流す場合、前記マイクロ波出
   力の内、前記シマー部分は主放電期間とは独立にフィー
   ドバック制御を行うマイクロ波励起ガスレーザ発振装
   置。