JP2004111673A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大幅なレーザ出力の増大を実現したガスレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【解決手段】レーザガス流方向９に対して、送風機１３の下流側のレーザガス流路１０を塞ぐ形で、メッシュ状の遮蔽板１５が設けられ、遮蔽板１５とレーザガス流路１０との間はシール部１６で接続することにより、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できる。
【選択図】 図１
【解決手段】レーザガス流方向９に対して、送風機１３の下流側のレーザガス流路１０を塞ぐ形で、メッシュ状の遮蔽板１５が設けられ、遮蔽板１５とレーザガス流路１０との間はシール部１６で接続することにより、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光軸方向とガス流方向とが一致した軸流型ガスレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。
【０００３】
以下、図１２を参照しながら従来の軸流型ガスレーザ発振装置を説明する。
【０００４】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３はそれぞれ放電管１の周辺に設けられた電極である。４は電極２，３に接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【０００５】
８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。９は図中の矢印で示され、レーザガスの流れる方向を示しており、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【０００６】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００７】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２，３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００８】
従来は、レーザガス流路中にガスを一旦貯めておくチャンバーを設けた構成があり、これはチャンバー内に一旦レーザガスを溜め込む事で、ガスの脈動を抑制し、均一化を試みたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、レーザガス中の疎密波の共振周波数が含まれるように設定された共鳴容器をレーザガス流路中に設け、疎密波の振動エネルギーを容器内面に張りつけた多孔質吸音材によって吸収させ、脈動を減衰させる試みも為されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−１４２７８７号公報
【特許文献２】
特開平２−２８５６８６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様な従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。
【００１２】
軸方向のガスレーザにおいては、放電管１内でのレーザガスの流れが安定している事が望ましい。ガス流が安定していれば放電状態が安定し、放電管に注入された電気入力に対して効率良くレーザ出力を取り出すことが出来るからである。もしレーザガス流に脈動、例えば数１０〜数１００Ｈｚ程度の時間的な圧力変化が存在した場合、放電状態は不安定になり、結果的にレーザ出力が低下する事になる。
【００１３】
軸流型ガスレーザ発振装置は、構成上必ず送風機１３が必要である。送風機１３は一般的に羽根車を数１００Ｈｚで回転させるガスを送る構造をとっている。このため数１００Ｈｚの羽根車の回転に連動したガス流の脈動、すなわち疎密波がどうしても発生してしまう問題があった。
【００１４】
これに対して、従来は、レーザガス流路中にガスを一旦貯めておくチャンバーを設けた構成ではチャンバー内に一旦レーザガスを溜め込む事で、ガスの脈動を抑制し、均一化を試みたものであるが、本構成では脈動をある程度低減する事は出来たが、充分な効果は得られていなかった。
【００１５】
また、レーザガス中の疎密波の共振周波数が含まれるように設定された共鳴容器をレーザガス流路中に設け、疎密波の振動エネルギーを容器内面に張りつけた多孔質吸音材によって吸収させ、脈動を減衰させる試みも、充分な効果を出す事が出来ていない。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、大幅なレーザ出力の増大を実現することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本願発明は、内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、前記レーザガス流路中にガス流方向に対して垂直方向にメッシュ状の遮蔽板を設置したもので、メッシュ状の遮蔽板によってレーザガス流路を塞ぐため、レーザガスの疎密波の波長や振幅が小さくなり、レーザガスの圧力変動が均一化される。
【００１８】
また、遮蔽板とレーザガス流路との接合部を弾性部材で接合したもので、弾性部材を用いたことで、遮蔽板の振動を抑えることができる。
【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面を用いて説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態を示すレーザ発振装置の構成図である。
【００２１】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３はそれぞれ放電管１の周辺に設けられた電極である。４は電極２，３に接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【００２２】
８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。９は図中の矢印で示され、レーザガスの流れる方向を示しており、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【００２３】
本実施の形態のポイントは、レーザガス流方向９に対して、送風機１３の下流側のレーザガス流路１０を塞ぐ形で、メッシュ状の遮蔽板１５が設けられ、遮蔽板１５とレーザガス流路１０との間はシール部１６で接続されていることである。
【００２４】
次に、その動作を説明する。
【００２５】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、メッシュ状の遮蔽板１５を通過し、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２，３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【００２６】
図２は遮蔽板のメッシュ開口部の詳細図で、矢印はレーザガス流方向９を示している。
【００２７】
ここでレーザガス流の脈動、すなわちガス中の疎密波の振幅は、レーザガス流の質量流量Ｑ［ｍ３／ｍｉｎ］およびレーザガス圧Ｐ［Ｐａ］によって規定される空力特性と相関があり、次式で示される範囲が好適である。
【００２８】
図３に示す質量流量Ｑとレーザガス圧Ｐとの積とメッシュ状の遮蔽板を通過後のレーザガスの疎密波振幅との相関図で、次式で示される場合に、疎密波振幅が小さく、レーザガス流の脈動が小さい。
【００２９】
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
レーザガスの質量流量、圧力、密度、循環経路および送風機の構造などにより、レーザガス中には、ある波長λ［ｍｍ］をもった疎密波が形成される。一般的なガスレーザ発振装置において、例えばレーザガス流の質量流量Ｑは１０〜５０ｍ３／ｍｉｎ程度、レーザガス圧Ｐは６〜３０ｋＰａ程度であり、疎密波の波長λは、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度である。
【００３０】
前記メッシュ状の遮蔽板の近傍におけるレーザガス流路の内径をＤ［ｍｍ］とすると前記疎密波の波長λ［ｍｍ］が以下の関係を満たしている時に、レーザガス流の脈動を抑制することができる。
【００３１】
Ｄ／λ ＜ １０
この時、図４に示すメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａと疎密波の波長λとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図より、前記メッシュ状の遮蔽板の開口径Ａは［ｍｍ］、疎密波の波長λ［ｍｍ］に対して以下の関係を満たすことが好適である。
【００３２】
Ａ／λ ＜ １０−２
また前記メッシュ状の遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、以下の関係を満たすようになっている。
【００３３】
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
次に本実施の形態の動作について説明する。
【００３４】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０内を通り、メッシュ状の遮蔽板１５近傍に到達する。送風機１３より送り出されたレーザガスには、送風機１３の羽根車の回転に対応した一定周期の脈動が乗っており、ある波長や振幅を持った疎密波が形成されている。
【００３５】
レーザガスが、図２に示すメッシュ状の遮蔽板１５のメッシュを通過する前後で、疎密波の波長や振幅は大きく変化し、波長や振幅ともメッシュ通過前より極端に小さくなり、レーザガスの圧力変動は均一化される。この働きは、質量流量Ｑとレーザガス圧力Ｐとの積であるＱ×Ｐと、メッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図３により、レーザガスの質量流量Ｑ［ｍ３／ｍｉｎ］、レーザガス圧力をＰ［Ｐａ］の積により表されるレーザガスの動的特性が、ある範囲内、すなわち
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
の場合に、疎密波振幅が小さく、レーザガス流の脈動が小さいことを前述したが、これは単位時間当たりにメッシュを通過するレーザガスが極端に少ない場合には、すなわちＱ×Ｐ ≦ １０８の場合においては、メッシュに疎密波が衝突したとしても、その波があまり乱されず、通過して行くためと考えられる。
【００３６】
また単位時間当たりにメッシュを通過するレーザガスが極端に多い場合、すなわち１０１２ ≦ Ｑ×Ｐの場合においては、メッシュに疎密波が衝突した時に、別の振動波が発生し、レーザガスの圧力変動均一化効果が薄れるためであると考えられる。
【００３７】
またメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａ［ｍｍ］は、疎密波の波長λ［ｍｍ］と比べ充分に小さくなければならない。単純にメッシュ状の遮蔽板１５を通過させただけでは、疎密波を減衰させる効果は薄いと考えられ、メッシュ状の遮蔽板の開口径Ａ［ｍｍ］と疎密波の波長［ｍｍ］λとの比、Ａ／λとメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図４において、次式で示される
Ａ／λ ＜ １０−２
が満たされる範囲において好適である。
【００３８】
これは実験により求められた臨界値であるが、理論的にはレーザガスが粘性流でなく、分子流としての挙動を示すようになる領域に近づく事と相関があると考えられる。疎密波がメッシュを通過する前後で、一旦波長の長く振幅の大きな疎密波の特性を失い、メッシュ通過後、改めて新たな波長の短い振幅の小さな疎密波が形成されると考えられる。新たに形成される疎密波は、メッシュ通過前に比べて、はるかに波長や振幅が小さいものになっており、マクロでとらえた時に圧力変動が極めて少ない状態になっている。
【００３９】
ここでＡ／λの関係は、前述したＱ×Ｐの関係と相関があり、任意の状態で成り立つものでは無いと考えられる。
【００４０】
これは実験により求められたものであるが、理論的にはレイノルズ数にて通常表現される流体の運動エネルギーと粘性との関連から規定される臨界値であると考えられる。
【００４１】
また上記のメカニズムを有効にするためには、メッシュを構成する細線がある程度の幅を持っている必要がある。メッシュを構成する細線が細過ぎると、レーザガス中の疎密波に影響を与える事が出来ず、ほとんどそのままの形で通過させてしまう。実証試験により求められた臨界値は、メッシュ状の遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、メッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂ［ｍｍ２］と総断面積Ｓ［ｍｍ２］との比、Ｂ／Ｓとメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図５で示されるように
Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
である。
【００４２】
一方、メッシュを構成する細線が太過ぎる時に懸案されるのは、レーザガスがメッシュを通過する際の圧力損失である。圧力損失が大きいと、送風機の流量特性が低下するため、結果的に放電管内を流れるレーザガスの質量流量が減少し、レーザ出力が低下するという本末転倒の結果となってしまう。圧力損失より規定される臨界値は、メッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂ［ｍｍ２］と総断面積Ｓ［ｍｍ２］との比、Ｂ／Ｓとメッシュ通過前後でのレーザガス圧力損失との相関を示した図６で示されるように
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ
である。
【００４３】
脈動の無くなった状態で放電管１へレーザガスは導入されるため、放電状態は安定し、レーザ出力は増大する。
【００４４】
図７は本実施の形態（実線で示す）および従来例（破線で示す）それぞれのレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図である。本実施の形態において、メッシュ状の遮蔽板１５によってガス圧脈動が減少し、従来例に比べ、非常にガス圧が安定している事がわかる。
【００４５】
図８は本実施の形態（実線で示す）および従来例（破線で示す）それぞれのレーザ出力を比較した図である。従来例に比べて、本実施の形態において、大幅なレーザ出力の増大が得られている事が判る。
【００４６】
またメッシュ状の遮蔽板１５とレーザガス流路１０とをゴムなどの弾性部材で接合したシール部１６を有することにより、レーザガスが通過する際のメッシュ状の遮蔽板１５自身の振動を抑制する事が出来るため、より効果的である。
【００４７】
図９はシール部１６を設けず直接、メッシュ状の遮蔽板１５をレーザガス流路１０に固定した場合と、ゴムなどの弾性部材で接続した場合とのそれぞれにおける、レーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図で、弾性部材で接続することにより、レーザガス脈動が小さくなることが判る。
【００４８】
また、図１０は同様にして、シール部１６を設けず直接、メッシュ状の遮蔽板１５をレーザガス流路１０に固定した場合と、ゴムなどの弾性部材で接続した場合とのそれぞれにおける、レーザ出力を比較した図で、弾性部材で接続することにより、レーザ出力が増大することが判る。
【００４９】
以上のことにより、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できる。
【００５０】
図１１は本実施の形態であり、レーザ発振装置の構成図である。メッシュ状の遮蔽板１５でなく、４０〜１００μｍ程度の複数の孔が開いた遮蔽板１７が設けられており、上述のメッシュ状の遮蔽板１５と同様の効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成図
【図２】同実施の形態における遮蔽板のメッシュ開口部の詳細図
【図３】同実施の形態における質量流量Ｑとレーザガス圧力Ｐとの積とメッシュ状の遮蔽板を通過後のレーザガスの疎密波振幅との相関図
【図４】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａと疎密波の波長λとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図
【図５】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂと総断面積Ｓとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図
【図６】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂと総断面積Ｓとの比とメッシュ通過前後でのレーザガス圧力損失との相関図
【図７】同実施の形態および従来例のそれぞれのレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図
【図８】同実施の形態および従来例のそれぞれのレーザ出力を比較した図
【図９】同実施の形態におけるレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図
【図１０】同実施の形態におけるレーザ出力を比較した図
【図１１】同実施の形態におけるレーザ発振装置の構成図
【図１２】従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図
【符号の説明】
１ 放電管
２，３ 電極
４ 電源
５ 放電空間
６ 全反射鏡
７ 部分反射鏡
８ レーザビーム
９ レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１，１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ レーザガス導入部
１５ メッシュ状の遮蔽板
１６ シール部
１７ 複数の孔のあいた遮板
【発明の属する技術分野】
本発明は光軸方向とガス流方向とが一致した軸流型ガスレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。
【０００３】
以下、図１２を参照しながら従来の軸流型ガスレーザ発振装置を説明する。
【０００４】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３はそれぞれ放電管１の周辺に設けられた電極である。４は電極２，３に接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【０００５】
８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。９は図中の矢印で示され、レーザガスの流れる方向を示しており、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【０００６】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００７】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２，３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００８】
従来は、レーザガス流路中にガスを一旦貯めておくチャンバーを設けた構成があり、これはチャンバー内に一旦レーザガスを溜め込む事で、ガスの脈動を抑制し、均一化を試みたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、レーザガス中の疎密波の共振周波数が含まれるように設定された共鳴容器をレーザガス流路中に設け、疎密波の振動エネルギーを容器内面に張りつけた多孔質吸音材によって吸収させ、脈動を減衰させる試みも為されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−１４２７８７号公報
【特許文献２】
特開平２−２８５６８６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様な従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。
【００１２】
軸方向のガスレーザにおいては、放電管１内でのレーザガスの流れが安定している事が望ましい。ガス流が安定していれば放電状態が安定し、放電管に注入された電気入力に対して効率良くレーザ出力を取り出すことが出来るからである。もしレーザガス流に脈動、例えば数１０〜数１００Ｈｚ程度の時間的な圧力変化が存在した場合、放電状態は不安定になり、結果的にレーザ出力が低下する事になる。
【００１３】
軸流型ガスレーザ発振装置は、構成上必ず送風機１３が必要である。送風機１３は一般的に羽根車を数１００Ｈｚで回転させるガスを送る構造をとっている。このため数１００Ｈｚの羽根車の回転に連動したガス流の脈動、すなわち疎密波がどうしても発生してしまう問題があった。
【００１４】
これに対して、従来は、レーザガス流路中にガスを一旦貯めておくチャンバーを設けた構成ではチャンバー内に一旦レーザガスを溜め込む事で、ガスの脈動を抑制し、均一化を試みたものであるが、本構成では脈動をある程度低減する事は出来たが、充分な効果は得られていなかった。
【００１５】
また、レーザガス中の疎密波の共振周波数が含まれるように設定された共鳴容器をレーザガス流路中に設け、疎密波の振動エネルギーを容器内面に張りつけた多孔質吸音材によって吸収させ、脈動を減衰させる試みも、充分な効果を出す事が出来ていない。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するもので、大幅なレーザ出力の増大を実現することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本願発明は、内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、前記レーザガス流路中にガス流方向に対して垂直方向にメッシュ状の遮蔽板を設置したもので、メッシュ状の遮蔽板によってレーザガス流路を塞ぐため、レーザガスの疎密波の波長や振幅が小さくなり、レーザガスの圧力変動が均一化される。
【００１８】
また、遮蔽板とレーザガス流路との接合部を弾性部材で接合したもので、弾性部材を用いたことで、遮蔽板の振動を抑えることができる。
【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面を用いて説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態を示すレーザ発振装置の構成図である。
【００２１】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３はそれぞれ放電管１の周辺に設けられた電極である。４は電極２，３に接続された電源である。５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【００２２】
８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。９は図中の矢印で示され、レーザガスの流れる方向を示しており、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【００２３】
本実施の形態のポイントは、レーザガス流方向９に対して、送風機１３の下流側のレーザガス流路１０を塞ぐ形で、メッシュ状の遮蔽板１５が設けられ、遮蔽板１５とレーザガス流路１０との間はシール部１６で接続されていることである。
【００２４】
次に、その動作を説明する。
【００２５】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、メッシュ状の遮蔽板１５を通過し、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２，３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【００２６】
図２は遮蔽板のメッシュ開口部の詳細図で、矢印はレーザガス流方向９を示している。
【００２７】
ここでレーザガス流の脈動、すなわちガス中の疎密波の振幅は、レーザガス流の質量流量Ｑ［ｍ３／ｍｉｎ］およびレーザガス圧Ｐ［Ｐａ］によって規定される空力特性と相関があり、次式で示される範囲が好適である。
【００２８】
図３に示す質量流量Ｑとレーザガス圧Ｐとの積とメッシュ状の遮蔽板を通過後のレーザガスの疎密波振幅との相関図で、次式で示される場合に、疎密波振幅が小さく、レーザガス流の脈動が小さい。
【００２９】
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
レーザガスの質量流量、圧力、密度、循環経路および送風機の構造などにより、レーザガス中には、ある波長λ［ｍｍ］をもった疎密波が形成される。一般的なガスレーザ発振装置において、例えばレーザガス流の質量流量Ｑは１０〜５０ｍ３／ｍｉｎ程度、レーザガス圧Ｐは６〜３０ｋＰａ程度であり、疎密波の波長λは、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍ程度である。
【００３０】
前記メッシュ状の遮蔽板の近傍におけるレーザガス流路の内径をＤ［ｍｍ］とすると前記疎密波の波長λ［ｍｍ］が以下の関係を満たしている時に、レーザガス流の脈動を抑制することができる。
【００３１】
Ｄ／λ ＜ １０
この時、図４に示すメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａと疎密波の波長λとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図より、前記メッシュ状の遮蔽板の開口径Ａは［ｍｍ］、疎密波の波長λ［ｍｍ］に対して以下の関係を満たすことが好適である。
【００３２】
Ａ／λ ＜ １０−２
また前記メッシュ状の遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、以下の関係を満たすようになっている。
【００３３】
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
次に本実施の形態の動作について説明する。
【００３４】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０内を通り、メッシュ状の遮蔽板１５近傍に到達する。送風機１３より送り出されたレーザガスには、送風機１３の羽根車の回転に対応した一定周期の脈動が乗っており、ある波長や振幅を持った疎密波が形成されている。
【００３５】
レーザガスが、図２に示すメッシュ状の遮蔽板１５のメッシュを通過する前後で、疎密波の波長や振幅は大きく変化し、波長や振幅ともメッシュ通過前より極端に小さくなり、レーザガスの圧力変動は均一化される。この働きは、質量流量Ｑとレーザガス圧力Ｐとの積であるＱ×Ｐと、メッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図３により、レーザガスの質量流量Ｑ［ｍ３／ｍｉｎ］、レーザガス圧力をＰ［Ｐａ］の積により表されるレーザガスの動的特性が、ある範囲内、すなわち
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
の場合に、疎密波振幅が小さく、レーザガス流の脈動が小さいことを前述したが、これは単位時間当たりにメッシュを通過するレーザガスが極端に少ない場合には、すなわちＱ×Ｐ ≦ １０８の場合においては、メッシュに疎密波が衝突したとしても、その波があまり乱されず、通過して行くためと考えられる。
【００３６】
また単位時間当たりにメッシュを通過するレーザガスが極端に多い場合、すなわち１０１２ ≦ Ｑ×Ｐの場合においては、メッシュに疎密波が衝突した時に、別の振動波が発生し、レーザガスの圧力変動均一化効果が薄れるためであると考えられる。
【００３７】
またメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａ［ｍｍ］は、疎密波の波長λ［ｍｍ］と比べ充分に小さくなければならない。単純にメッシュ状の遮蔽板１５を通過させただけでは、疎密波を減衰させる効果は薄いと考えられ、メッシュ状の遮蔽板の開口径Ａ［ｍｍ］と疎密波の波長［ｍｍ］λとの比、Ａ／λとメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図４において、次式で示される
Ａ／λ ＜ １０−２
が満たされる範囲において好適である。
【００３８】
これは実験により求められた臨界値であるが、理論的にはレーザガスが粘性流でなく、分子流としての挙動を示すようになる領域に近づく事と相関があると考えられる。疎密波がメッシュを通過する前後で、一旦波長の長く振幅の大きな疎密波の特性を失い、メッシュ通過後、改めて新たな波長の短い振幅の小さな疎密波が形成されると考えられる。新たに形成される疎密波は、メッシュ通過前に比べて、はるかに波長や振幅が小さいものになっており、マクロでとらえた時に圧力変動が極めて少ない状態になっている。
【００３９】
ここでＡ／λの関係は、前述したＱ×Ｐの関係と相関があり、任意の状態で成り立つものでは無いと考えられる。
【００４０】
これは実験により求められたものであるが、理論的にはレイノルズ数にて通常表現される流体の運動エネルギーと粘性との関連から規定される臨界値であると考えられる。
【００４１】
また上記のメカニズムを有効にするためには、メッシュを構成する細線がある程度の幅を持っている必要がある。メッシュを構成する細線が細過ぎると、レーザガス中の疎密波に影響を与える事が出来ず、ほとんどそのままの形で通過させてしまう。実証試験により求められた臨界値は、メッシュ状の遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、メッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂ［ｍｍ２］と総断面積Ｓ［ｍｍ２］との比、Ｂ／Ｓとメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅（放電管内ガス圧変動幅）との相関を示した図５で示されるように
Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
である。
【００４２】
一方、メッシュを構成する細線が太過ぎる時に懸案されるのは、レーザガスがメッシュを通過する際の圧力損失である。圧力損失が大きいと、送風機の流量特性が低下するため、結果的に放電管内を流れるレーザガスの質量流量が減少し、レーザ出力が低下するという本末転倒の結果となってしまう。圧力損失より規定される臨界値は、メッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂ［ｍｍ２］と総断面積Ｓ［ｍｍ２］との比、Ｂ／Ｓとメッシュ通過前後でのレーザガス圧力損失との相関を示した図６で示されるように
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ
である。
【００４３】
脈動の無くなった状態で放電管１へレーザガスは導入されるため、放電状態は安定し、レーザ出力は増大する。
【００４４】
図７は本実施の形態（実線で示す）および従来例（破線で示す）それぞれのレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図である。本実施の形態において、メッシュ状の遮蔽板１５によってガス圧脈動が減少し、従来例に比べ、非常にガス圧が安定している事がわかる。
【００４５】
図８は本実施の形態（実線で示す）および従来例（破線で示す）それぞれのレーザ出力を比較した図である。従来例に比べて、本実施の形態において、大幅なレーザ出力の増大が得られている事が判る。
【００４６】
またメッシュ状の遮蔽板１５とレーザガス流路１０とをゴムなどの弾性部材で接合したシール部１６を有することにより、レーザガスが通過する際のメッシュ状の遮蔽板１５自身の振動を抑制する事が出来るため、より効果的である。
【００４７】
図９はシール部１６を設けず直接、メッシュ状の遮蔽板１５をレーザガス流路１０に固定した場合と、ゴムなどの弾性部材で接続した場合とのそれぞれにおける、レーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図で、弾性部材で接続することにより、レーザガス脈動が小さくなることが判る。
【００４８】
また、図１０は同様にして、シール部１６を設けず直接、メッシュ状の遮蔽板１５をレーザガス流路１０に固定した場合と、ゴムなどの弾性部材で接続した場合とのそれぞれにおける、レーザ出力を比較した図で、弾性部材で接続することにより、レーザ出力が増大することが判る。
【００４９】
以上のことにより、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できる。
【００５０】
図１１は本実施の形態であり、レーザ発振装置の構成図である。メッシュ状の遮蔽板１５でなく、４０〜１００μｍ程度の複数の孔が開いた遮蔽板１７が設けられており、上述のメッシュ状の遮蔽板１５と同様の効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、放電管内のレーザガス脈動を抑制し、均一化することで、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成図
【図２】同実施の形態における遮蔽板のメッシュ開口部の詳細図
【図３】同実施の形態における質量流量Ｑとレーザガス圧力Ｐとの積とメッシュ状の遮蔽板を通過後のレーザガスの疎密波振幅との相関図
【図４】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の開口径Ａと疎密波の波長λとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図
【図５】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂと総断面積Ｓとの比とメッシュ通過後のレーザガス疎密波振幅との相関図
【図６】同実施の形態におけるメッシュ状の遮蔽板の総開口面積Ｂと総断面積Ｓとの比とメッシュ通過前後でのレーザガス圧力損失との相関図
【図７】同実施の形態および従来例のそれぞれのレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図
【図８】同実施の形態および従来例のそれぞれのレーザ出力を比較した図
【図９】同実施の形態におけるレーザガス循環経路の各部でのガス圧脈動を示した図
【図１０】同実施の形態におけるレーザ出力を比較した図
【図１１】同実施の形態におけるレーザ発振装置の構成図
【図１２】従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図
【符号の説明】
１ 放電管
２，３ 電極
４ 電源
５ 放電空間
６ 全反射鏡
７ 部分反射鏡
８ レーザビーム
９ レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１，１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ レーザガス導入部
１５ メッシュ状の遮蔽板
１６ シール部
１７ 複数の孔のあいた遮板
Claims (5)
- 内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、前記レーザガス流路中にガス流方向に対して垂直方向にメッシュ状の遮蔽板を設置したガスレーザ発振装置。
- レーザガスの質量流量をＱ［ｍ３／ｍｉｎ］、レーザガス圧力をＰ［Ｐａ］、レーザガス中の圧力変動による疎密波の波長をλ［ｍｍ］、メッシュ状の遮蔽板の近傍におけるレーザガス流路の内径をＤ［ｍｍ］、前記メッシュ状の遮蔽板の開口径をＡ［ｍｍ］、前記メッシュ状の遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、前記メッシュ状の遮蔽板の総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
Ｄ／λ ＜ １０
Ａ／λ ＜ １０−２
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
となる請求項１記載のガスレーザ発振装置。 - 内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、前記レーザガス流路中にガス流方向に対して垂直方向に複数の穴を設けた遮蔽板を設置したガスレーザ発振装置。
- レーザガスの質量流量をＱ［ｍ３／ｍｉｎ］、レーザガス圧力をＰ［Ｐａ］、レーザガス中の圧力変動による疎密波の波長をλ［ｍｍ］、遮蔽板の近傍におけるレーザガス流路の内径をＤ［ｍｍ］、前記遮蔽板の穴径Ａ［ｍｍ］を、前記遮蔽板の総断面積をＳ［ｍｍ２］、前記遮蔽板の総開口面積をＢ［ｍｍ２］とした時、
１０８ ＜ Ｑ×Ｐ ＜ １０１２
Ｄ／λ ＜ １０
Ａ／λ ＜ １０−２
０．２ ＜ Ｂ／Ｓ ＜ ０．７
となる請求項３記載のガスレーザ発振装置。 - 遮蔽板とレーザガス流路との接合部を弾性部材で接合した請求項１から４のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
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