JP2005033040A - レーザー湿度調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザー光学共振器又はレーザー装置においてアライメント調節時と同様な定格出力を得られるような装置を提供する。
【解決手段】
誘電体多層膜が施された光学部品を用いたレーザー共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、気体供給部と、気体排出部とを有し、該レーザー共振器内に気体の供給又は排出を行うことにより湿度を所定の範囲内に維持する湿度管理装置を提供する。さらにレーザー光学共振器のアラインメント調節時と出力時で、レーザー光学共振器内の湿度を実質的に同一に維持することで定格出力を維持するレーザー装置の管理方法を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザー装置の湿度管理方法と装置に関し、より詳細にはレーザー装置内の光学共振器を収容した筐体内の温度と湿度を所定の基準に従って管理することによって、レーザー装置の安定動作と出力向上を達成する装置及び方法に関する。

レーザー装置内部は、半導体レーザー、電子機器、脱励起したレーザー光線、レーザー散乱光、高電圧、放電等により筐体内の温度が上昇する。温度変化により、湿度変化も誘発される。筐体内に収容された各種の装置は温度又は湿度の影響を受けやすいものがあり、湿度が高い場合は結露等の影響を受け、湿度が低すぎる場合、高電圧素子の絶縁が損なわれ短絡等が発生する危険性を有している。また過度の乾燥はアライメント調整のための機械的な部品の水分等を気化させ作動不良の原因となる。このため筐体内の温度を管理する方法として外部からパイプにより冷却水を循環させることにより筐体内を冷却することが行われてきた。

しかしながらこの方法ではパイプ外部に付着した水分や、パイプ内壁から透過してきた水分によって筐体内の湿度が上昇する問題が発生する。また筐体の外部から侵入した大気、あるいは筐体内壁や各部品表面からの水分発生によっても湿度が変化する。よってレーザー装置の動作が不安定になるため筐体内の温度と湿度を管理する必要性が従来知られていたが、筐体を冷却し、乾燥させることで十分であると考えられており、筐体内壁と機械部品等をベーキング処理や化学薬品処理等を行い、乾燥剤を設置するか又は乾燥ガスを導入することなどの対応が取られてきた。

このような方法でレーザー装置を管理し、各アライメント調整、特に反射鏡への光線入射角の調整を行っても尚、定格出力が得られない問題が生じていた。

本発明の発明者等は、この問題は適切な湿度管理が行われていないことが原因であることを発見した。これはレーザー共振器の内外に一般に用いられている波長依存性鏡や偏光子の特性と関連しており、特にこの製造工程に原因となる要素を含んでいる。誘電体多層膜鏡を製造する際、ガラス基板に屈折率の異なる２種類の層を交互に蒸着し多層構造を形成する。このとき各誘電体層間に多数の空隙が形成される。湿度変化によってこの空隙内の空気組成が変化し結果的に鏡の最適入射角度が変化する。従って、例えば湿度が３０％であるとき、無偏光レーザー光線に対する誘電体多層膜偏光子の透過率が５０％で、反射率が５０％であるところが、湿度６０％において透過率が５５％で反射率が４５％となることがわかった。この原因は、Ｓ偏光とＰ偏光の透過特性が変化したことによる。これによりレーザー発振特性が著しく劣化することを見出した。これにより、レーザー発振特性が劣化するだけでなく、出力後のビームの偏光状態にも悪影響を与え、下流に位置する波長変換素子に損傷を与えるなどの現象があった。また、共振器内部で用いる波長依存ミラー（２色ミラー、ダイクロイックミラー）は、例えば湿度４０％において５３２ｎｍを９９％透過し、１０６４ｎｍを９５％反射するものがある。レーザー共振器の原理により、１０６４ｎｍの反射率はこれ以上でもこれ以下でも出力低下が発生する。ところが湿度６０％の環境下では、５３２ｎｍが９８％透過し、１０６４ｎｍが９２％反射に変化することがあり、レーザー出力が５％以上低下し不安定になることを確認した。
米国特許公開公報 ２００３−７５３７号

以上のことからレーザー装置の最大出力又は定格出力を得るために、偏光子や波長依存性ミラーをレーザー光が最適入射角で照射するように調整した後、そのときの温度と湿度を維持するように制御することが必要である。

上記の問題に鑑み、本発明は誘電体多層膜が施された光学部品を用いたレーザー共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、気体供給部と、気体排出部とを有し、該レーザー共振器内に気体の供給又は排出を行うことにより湿度を所定の範囲内に維持する湿度管理装置を提供する。これによってレーザー光学共振器内の湿度を所定の範囲に保つことができる。

本発明はさらに、レーザー光学共振器内の湿度をアライメント調整時の湿度に実質的に等しい湿度に維持する装置を提供する。このことによってレーザー光学共振器内の湿度をほぼ定格で出力させることができる。

また、余剰気体の排気は、共振器内圧力が所定の値を上回ったとき、排気口に配置された圧力センサ又は差圧弁が作動することにより、自動的に行うことができる。従って装置を安全に動作させることができる。

本発明ではさらに、レーザー光学共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、気体循環部とを有し、湿度が所定値から一定値以上の変移があった場合、レーザー光学共振器内の気体循環部が動作し、内部気体をゼオライト、シリカゲル、飽和溶液等の湿度調整剤を通過させることにより、内部気体の湿度を所定値に維持する湿度管理装置を提供する。この装置もレーザー光学共振器内の湿度を所定の範囲に保つことに寄与する。

本発明ではさらに、レーザー光学共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、湿度調整機能とを有し、飽和溶液、シリカゲル、繊維、塗料などの吸水性と撥水性を両立する材料の特性を利用して、内部湿度を所定値に維持する湿度管理装置を提供する。これらの湿度調節装置は、湿度検出器と、湿度調整機能とを有するものであり、飽和溶液、シリカゲル、繊維、塗料などの吸水性と撥水性を両立する材料の特性を利用して内部湿度を所定値に維持する湿度管理装置である。

上記のような装置は光学共振器のみならず、レーザー装置にも使用することができ、特に誘電体多層膜偏光子あるいは波長依存性ミラー、Ｑスイッチレーザー共振器内に対して有効に使用することができる。またレーザー光学共振器のアライメント調整時と出力時でレーザー装置、特に光学共振器内の湿度を同等に調節してレーザーを出力する方法を提供できる。

以下に本発明の実施例を図を用いて説明する。図１は本発明の実施例の上面図である。該図に示されているように本装置はレーザー光学共振器内に気体を供給する気体供給部（１６）、及び該光学共振器内の気体を排出する気体排出部（１７）によって構成されている。気体供給部（１６）は、気体入口（８）、気体開閉弁（１）、流量検出器（３）及び気体出口（９）が直列に接続され構成されている。気体排出部（１７）は排気入口（１０）、排気開閉弁（５）、安全弁（６）、および排気出口（１１）が直列に接続され構成されている。また、前記気体供給部（１６）及び気体排出部（１７）の間には信号コネクタ（７）が設置され、外部電子装置との電気インターフェースをとる。さらに湿度検出器（４）が設置され光学共振器内の湿度を監視する。これらの装置は例えばアルミ製板金の上に据え付けられる。このような構成において本発明の装置の動作を以下に説明する。

湿度検出器（４）は、光学共振器内の気体が第１の所定の湿度（以後「第１の湿度」と称する）を超えたことを検出すると、気体供給部（１６）が動作し湿度調節のために前記光学共振器外部から気体を導入する。光学共振器内の湿度を前記第１の湿度以下に低下させるために気体開閉弁（１）が開き、気体入口（８）から窒素等の気体が導入される。このとき好適に使用できるガスは、例えばガス供給業者から供給されるガスであり、これは気体窒素の湿度が通常０．０１％ＲＨ以下であるため、本発明の装置により目的を達成するのに適している。しかしながら使用する気体は窒素に限定されるものではなく、十分な湿度を有する大気などを使用することができる。このような気体が気体入口（８）から入り気体開閉弁（１）を通過する。次に該気体は流量検出器（３）を通過した後気体出口（９）からレーザー光学共振器内に開放される。

このように気体供給部（１６）から気体が供給されると次に光学共振器内の気体を外部に排出しなければならない。これは次のようにして行われる。気体供給が行われると、図１に示した気体排出部（１７）が動作し光学共振器内の気体を外部に排出する。最初に排気開閉弁（５）が開き排気入口（１０）から気体が流入する。その後該気体は排気開閉弁（５）、安全弁（６）を通過し排気出口（１１）から排出される。

以上のように気体供給部（１６）及び気体排出部（１７）が動作してレーザー光学共振器内の湿度を制御する。このとき気体排出部（１７）では該光学共振器内の圧力が異常に上昇したときに安全弁（６）が作動し気体を外部に排出させる。

該気体排出部の側面図を図２に示した。図１と合わせて見ると安全弁（６）は排気開閉弁（５）と排気出口（１１）の間に位置していることがわかる。また図２に示されているように安全弁（６）にはもう１つの排気入口（１０）が設けられている。これは排気開閉弁（５）が閉じているときに何らかの原因で該光学共振器内の圧力が上昇したときに、排気開閉弁を動作させることなく安全弁の動作のみで気体を排出することができるためである。

以上、気体供給部（１６）及び気体排出部（１７）の動作を説明した。この動作において常に湿度検出器（４）は該光学共振器内の湿度を検出し、信号コネクタ（７）を通じて外部の電子回路にデータを送信する。該データは外部電子装置によって処理され処理結果に応じて気体開閉弁（１）、排気開閉弁（５）をそれぞれ制御する。このような電子装置の一例を図３に示す。

上記のような湿度調節ユニット（１５）が信号コネクタ（７）を通じて外部電子装置（３０）に接続している。湿度調節ユニット（１５）の湿度検出器（４）及び流量検出器（３）がそれぞれ信号コネクタ（７）を経由して信号比較器（１２）、及び信号表示器（１３）に接続する。信号比較器（１２）では湿度検出器（４）の信号と所定の値を比較して気体開閉弁（１）及び排気開閉弁（５）を制御することによって湿度調節を行う。また湿度及び気体の流量は信号表示器（１３）によって表示される。このような電子装置は実施例の１つであり、これに限定されるものではない。例えばコンピュータ等を接続してグラフィカルなユーザーインターフェースによって制御することもでき、さらにこれらのコンピュータをネットワーク等で接続し、複数のレーザー装置を他の場所で一元的に管理することもできる。

本発明による湿度調節装置の気体供給部、気体排出部、及び外部電子装置の動作を説明した。本発明はこのような装置を用いてレーザー光学共振器内の湿度を調節することができ、これはこれらの装置を適切に制御することによって高出力を達成することができる。次にその制御の実施例を図１、２及び３を用いて説明する。

本発明ではレーザー装置の出力をほぼ定格出力で動作するようにアライメント等を調節し、そのときの温度及び湿度を前記外部電子装置（３０）に入力する。次に該電子装置（３０）は湿度検出器（４）の値を処理し、該光学共振器内の湿度が第１の湿度より大きくなった場合に湿度調節ユニット（１５）を動作させ該光学共振器内に気体を導入し湿度を低下させる。一方該光学共振器内の湿度が下降しすぎて第２の所定の湿度を下回ったとき（以後「第２の湿度」と称する）は湿度調節ユニットによって該第２の湿度以上の湿度の気体を外部から該光学共振器内に導入する。従ってこれらの制御によって湿度を一定の範囲に保つことができる。また、アライメント調節時の温度及び湿度設定はセンサからの自動読み込みによって行うことができ、このときの各値を記録することができる。

あるいは所定の湿度と、変移可能な湿度範囲を設定し現在の湿度が所定値より一定値以上の変移が合った場合に前記記載の制御を行うことでも同様の効果を得ることができる。

このような湿度の制御において外部から気体を供給するだけでなく他の方法で湿度を制御することもできる。例えばレーザー光学共振器内に気体循環装置を設置し、該光学共振器内の気体を飽和溶液、シリカゲル、あるいは繊維、塗料などの吸水性と撥水性を両立する材料等に通過させるかまたは接触させることで湿度を調節することもできる。

レーザー筐体と、湿度制御装置と、気体の入出力の構成は、例えば図４に示されたようなものがある。図４（ａ）〜（ｅ）は前記湿度制御装置が筐体内部の湿度制御対象領域に設置されたものである。各図の斜線部分は湿度管理を行う対象領域である。（ａ）では筐体全体が対象領域であり該領域内に湿度制御装置（４２）が設置され、気体の交換は気体流路（４３）を通じて外部と行われる。（ｂ）では対象領域は筐体内の一部分であり、気体の交換は流路を通じて外部と行われる。次に（ｃ）は湿度管理対象領域は筐体全体であるが、気体交換は筐体内で行われる。従ってこの場合湿度管理には前記記載のように吸水性あるいは撥水性を有する材料等を用いて行われる。（ｄ）は（ｃ）と同様であるが湿度管理の対象領域が筐体内の一部分である。湿度制御は（ｃ）と同様にして行われる。（ｅ）では湿度管理対象領域が筐体内の一部であり、気体の交換は筐体内の非対象領域との間で行われる。

図５ではレーザー筐体、湿度制御装置と、気体の入出力の構成は、（ａ）〜（ｅ）に示されたように湿度制御装置（４２）が筐体外部に設置されている構成である。（ａ）では湿度制御対象領域が筐体全体であり、（ｂ）では筐体の一部分である。（ａ）、（ｂ）何れも湿度制御は気体流路（４３）を通じて外部との間で行われる。また（ｃ）では湿度制御対象領域が筐体全体、（ｄ）では筐体の一部分である。しかし湿度制御は図に示されているように湿度制御対象領域の気体が湿度制御装置を通じて循環しているのみである。したがって図４と同様に吸水性あるいは撥水性を有する材料等を用いて湿度制御を行う。（ｅ）では湿度制御対象領域が筐体内の一部分であるが、気体交換は筐体内の非対象領域との間で行われる。

このようにして湿度制御のための構成はいくつかの実施例が考えられ、適宜必要に応じて最適な構成を選ぶことができる。

以上のような装置及び方法によってレーザー光学共振器、又はレーザー装置をほぼ定格出力で動作させることができる。図６に本発明の湿度調節器を動作させた結果を示した。図の横軸は経過時間（単位：時間）及び縦軸はレーザー装置内部湿度（単位：％ＲＨ）である。図から明らかなように制御ユニットを用いない場合（４０）、経過時間に応じて湿度の変動が認められ、全体的に湿度は上昇している。しかしながら制御ユニットを用いた場合（４１）、湿度は一定の範囲内で変動しており湿度の平均値はほぼ一定であることがわかる。さらに図７にレーザー発振器の湿度依存性を示した。網掛け部分（４４）に示したように湿度管理がなされているときは、レーザー出力がそうでないときに比べて格段に安定することがわかる。具体的には湿度が３５〜４５％の範囲内ではレーザー出力が最も高くなっており、本実施例では約６５０Ｗ以上の出力が得られることがわかる。

図１は本発明の湿度調節装置の上面図である。 図２は本発明の気体排出部の側面図である。 図３は本発明の外部電子装置の配線図である。 図４は本発明の装置構成例である。 図５は本発明の装置の別の構成例である。 図６は本発明の湿度調節装置を使用した場合と使用しない場合のレーザー装置内の湿度を比較したグラフである。 図７はレーザー出力の湿度依存性を示したグラフである。網掛け部分は、本発明の湿度調節装置を使用して安定化した領域である。

符号の説明

１ 気体開閉弁
３ 流量検出器
４ 湿度検出器
５ 排気開閉弁
６ 安全弁
７ 信号コネクタ
８ 気体入口
９ 気体出口
１０ 排気入口
１１ 排気出口
１２ 信号比較器
１３ 信号表示器
１５ 湿度調節ユニット
１６ 気体供給部
１７ 気体排出部
３０ 外部電子装置
４０ 制御ユニットを使用しない場合の湿度変化
４１ 制御ユニットを使用した場合の湿度変化
４２ 湿度調節装置
４３ 気体流路
４４ 本発明を使用したときの特性

Claims (12)

1. 誘電体多層膜が施された光学部品を用いたレーザー共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、気体供給部と、気体排出部とを有し、該レーザー共振器内に気体の供給又は排出を行うことにより湿度を所定の範囲内に維持する湿度管理装置。
2. 前記記載の湿度管理装置は、レーザー光学共振器内の湿度をアライメント調整時の湿度に実質的に等しい湿度に維持する請求項１に記載の装置。
3. 余剰気体の排気は、共振器内圧力が所定の値を上回ったとき、排気口に配置された圧力センサ又は差圧弁が作動することにより、自動的に行うことができる請求項１又は２の何れかに記載の湿度管理装置。
4. レーザー光学共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、気体循環部とを有し、
   湿度が所定値から一定値以上の変移があった場合、レーザー光学共振器内の気体循環部が動作し、内部気体をゼオライト、シリカゲル、飽和溶液等の湿度調整剤を通過させることにより、内部気体の湿度を所定値に維持する湿度管理装置。
5. レーザー光学共振器内の湿度を管理する装置であって、湿度検出器と、湿度調整機能とを有し、飽和溶液、シリカゲル、繊維、塗料などの吸水性と撥水性を両立する材料の特性を利用して、該内部の湿度を所定値に維持する湿度管理装置。
6. レーザー光学共振器の温度を所定の温度に維持する温度調節手段を具備する請求項１ないし５の何れかに記載の湿度管理装置。
7. 前記請求項１ないし６の何れかに記載の湿度管理装置を備えたレーザー装置。
8. 誘電体多層膜偏光子又は波長依存性ミラーを用いたレーザー共振器内の湿度を管理する前記請求項１ないし７の何れかに記載の湿度管理装置。
9. 誘電体多層膜偏光子又は波長依存性ミラーを用いたＱスイッチレーザー共振器内の湿度を管理する前記請求項１ないし７の何れかに記載の湿度管理装置。
10. レーザー光学共振器内の湿度を所定の範囲に維持するレーザー装置の管理方法。
11. レーザー光学共振器のアラインメント調節時と出力時で、レーザー光学共振器内の湿度を実質的に同一に維持することで実質的に定格出力を維持するレーザー装置の管理方法。
12. レーザー光学共振器のアラインメント調節時と温度及び湿度を実質的に同一に維持して行うことを特徴とするレーザー装置の出力方法。

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