JP2005217090A - 板状体の冷却構造、及びレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ媒質ガスを収容するベッセル内からレーザ光を取り出す為に用いられるウインドウの熱応力に起因した破損の発生率を低減させる。
【解決手段】 箔状体１６が、ウインドウとしての板状体６の側面全面を全周にわたって覆っている。押付部材３１が、箔状体１６を介して板状体６の側面から熱を吸収する。バネ３３が、押付部材３１によって吸収された熱をバッファ板３４に伝える。ペルチェ素子３７が、外部から給電されて作動することにより、バッファ板３４を冷却する。ペルチェ素子３７の放熱面には、放熱フィン３８が設けられている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、板状体の冷却構造及びレーザ発振器に関し、特にレーザ媒質を収容する容器に形成された開口を塞ぐウインドウ等の板状体の冷却構造及びレーザ発振器に関する。

例えば、レーザ媒質ガスが収容される容器の外部に共振ミラーを配置した構成の外部ミラー型ガスレーザ発振器では、レーザ媒質ガスを励起することにより発生するレーザ光を容器内から取り出すために、そのレーザ光を透過させるウインドウによって容器の側壁の一部が構成される。即ち、容器本体にはその内部空洞を外部の空間と連通させる開口が形成されていて、ウインドウがその開口を塞ぐように配置される。ウインドウは、表裏２つの主表面を有する板状をなしており、一方の主表面が容器の内部と対面し、他方の主表面が容器の外部と対面した状態で配置される。容器内で発生したレーザ光が、ウインドウを透過して共振ミラーに入射する。

上記レーザ発振器の稼動時には、ウインドウの温度が上昇し、ウインドウ内に熱応力が生じる。そして、その熱応力によってウインドウが破損することがある。例えば、ウインドウの主表面に不純物が付着した場合、その不純物がレーザ光のエネルギを吸収して発熱する。すると、その不純物の発熱に伴なってウインドウの温度が急激に上昇する結果、熱応力でウインドウが破損してしまう。そこで、ウインドウの温度上昇を抑制する技術が望まれている。従来、ウインドウの、容器の外部と対面する方の主表面に冷却ガスを吹き付けることにより、ウインドウの温度上昇を抑制する技術が知られている（特許文献１及び２参照）。

特開平９−１７４２７４号公報（第１図） 特開平１０−９３１７９号公報（第１図）

発明者によれば、上記従来技術には次の課題が残されていると考えられる。即ち、容器の外側からウインドウに冷却ガスを吹き付ける場合、ウインドウの温度上昇を抑制することはできても、その両主表面間で温度差が生じることになる。従って、ウインドウの熱応力を充分に除去するのが難しい。

また、特にガスレーザ発振器では、容器内のガス圧が大気圧以上（例えば、大気圧の６倍）に保たれるため、ウインドウに大きな圧力が加わる。容器内のガス圧が高い程、ウインドウはより小さな熱応力によっても破損しやすくなる。そこで、ウインドウの熱応力を充分に除去する技術が望まれる。

本発明の目的は、ウインドウ等の板状体の熱応力に起因した破損の発生率を低減させることのできる技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、内部にレーザ媒質が収容される内部空洞を画定し、該内部空洞と外部の空間とを連通させる開口が形成された容器と、前記レーザ媒質を励起することにより発生するレーザ光を透過させる性質を有し、表裏２つの主表面及び側面が形成された板状体であって、前記容器に形成された開口を塞ぐように、一方の主表面を該容器の内部側に向け、他方の主表面を該容器の外部側に向けた状態で配置される板状体と、前記板状体の側面に接触した状態で、該側面を通して該板状体を冷却する吸熱構造体とを備えたレーザ発振器が提供される。

板状体の側面を通して板状体を冷却するので、板状体の両主表面間の温度差を拡大させることなく、板状体の温度を低下させることができる。これにより、熱応力に起因した板状体の破損の発生率を低減できる。

図１に、実施例によるエキシマレーザ発振器の概略図を示す。内部にＫｒ等の希ガス元素とＦ_２等のハロゲン元素とを含むレーザ媒質ガスが収容されるベッセル１の一端部（図１中、左側の端部）に、ゲート弁２を介してハウジング３が設けられ、さらにそのハウジング３を介して共振ミラー構造体４が設けられている。ベッセル１の他端部（図１中、右側の端部）にも同様に、ゲート弁２を介してハウジング３が設けられ、さらにそのハウジング３を介して共振ミラー構造体５が設けられている。ベッセル１の両端部の構造は概ね同様であるので、以下ベッセル１の一端部の構成について説明する。

図２に、ベッセル１の一端部の拡大図を示す。ベッセル１の側壁には、外部に通じる開口１ａが形成され、その開口１ａが形成された位置にゲート弁２が設けられている。ハウジング３内には、ゲート弁２及び開口１ａを介してベッセル１の内部空間と連通する空洞が画定されている。ゲート弁２が開かれているときに、ベッセル１の内部空間とハウジング３内の空洞とが連通する。このとき、ベッセル１とハウジング３とを含んで容器が構成され、その容器の内部がレーザ媒質ガスを収容する収容空間Ｓ（図１中、斜線を付した部分）となる。

ハウジング３は、板状体（ウインドウ）６を備えたウインドウ構造体７を着脱可能に受け入れる。板状体６は、紫外レーザ光Ｌを透過させる材料たる弗化マグネシウム又は合成石英（ＳｉＯ_２）からなり、表裏２つの主表面６ａ及び６ｂ並びに側面６ｃを有する。板状体６が、上記容器の側壁の一部を構成することにより、収容空間Ｓと、その外部の空間（以下、外部空間という。）との連通を阻止する。板状体６は、一方の主表面６ａを収容空間Ｓ側に向け、他方の主表面６ｂを上記外部空間側に向けた姿勢で配置されている。なお、ウインドウ構造体７を交換するとき等には、ゲート弁２を閉じることにより、ハウジング３内の空洞を、ベッセル１の内部空間から隔離できる。

図示しないが、ベッセル１の内部には、レーザ媒質ガスを励起してレーザ光Ｌを発生させる放電電極等が配置されている。ベッセル１内で発生したレーザ光Ｌは、開かれたゲート弁２を通過し、板状体６を透過して、共振ミラー構造体４に保持された全反射ミラー８に入射する。全反射ミラー８は、レーザ光Ｌを全反射してベッセル１内に戻す。即ち、図２には示さない他方の共振ミラー構造体５（図１参照）が部分反射ミラーを保持しており、その部分反射ミラーと上記全反射ミラー８とで光共振器が構成されている。

図３に、ウインドウ構造体７の、板状体６の主表面６ａ及び６ｂに垂直な断面図を示す。ウインドウ構造体７は、板状体６が板枠本体１０と押さえ１１とからなる板枠部材（支持部材）によって支持されて構成されている。板枠本体１０には、板状体６の一方の主表面６ａを露出させる第１の開口１２が形成され、押さえ１１には、板状体６の他方の主表面６ｂを露出させる第２の開口１３が形成されている。板状体６の一方の主表面６ａ上における第１の開口１２によって露出された領域が図２に示した収容空間Ｓと対面し、他方の主表面６ｂ上における第２の開口１３によって露出された領域が上記外部空間と対面する。なお、第１及び第２の開口１２及び１３並びに板状体６は、ともに平面視において円形をなしている。

押さえ１１は、平面視において円環状をなしており、その外周面に螺溝が形成されている。押さえ１１が、板枠本体１０と螺合し、両者によって板状体６を両主表面６ａ及び６ｂ側から挟み込むようにして支持している。これにより、板状体６の厚さ方向の位置が拘束される。一方、板枠本体１０と押さえ１１とからなる板枠部材は、板状体６の側面６ｃとの間に、側面６ｃ全面を全周にわたって取り囲む円環状の空隙Ｋを確保している。

なお、板枠本体１０と板状体６との圧接部分には、Ｏリング１４を介在させているため、図１に示した収容空間Ｓの気密を良好に保てる。また、押さえ１１と板状体６との圧接部分にもＯリング１５を介在させている。Ｏリング１４及び１５の素材としては、例えばフッ素樹脂やフッ素ゴム等が用いられる。

板状体６の側面６ｃには、銅からなる箔状体１６が貼り付けられている。箔状体１６の側面６ｃへの貼り付けには、熱伝導性を有する接着剤として機能するシリコングリスが用いられる。箔状体１６が、板状体６の側面６ｃを全周にわたって覆っている。また、箔状体１６の幅は、板状体６の厚さ（約１０ｍｍ）と等しい。なお、箔状体１６は、上記接着剤等を用いることなく、蒸着やメッキ等の方法によって側面６ｃに直接形成してもよい。また、箔状体１６の素材として、例えばグラファイト（黒鉛）を用いてもよい。

空隙Ｋには、側面６ｃに箔状体１６が貼り付けられた板状体６を挟んで、板状体６の径方向に対向するように、押付部材１７及び１８が配置されている。押付部材１７及び１８も銅からなる。押付部材１７及び１８は、それぞれ箔状体１６と接触しているため、箔状体１６を介して板状体６と熱的に結合する。押付部材１７及び１８の、板状体６の厚さ方向の長さは、板状体６の厚さと等しい。従って、押付部材１７及び１８が、箔状体１６を介して板状体６の側面６ｃからその厚さ方向に関して均一に熱を吸収できる。

ウインドウ構造体７は、押付部材１７と１８とのの対向方向に垂直で、開口１２及び１３の中央を通る仮想平面に関して、図３の上下方向に対称な構造をもつ。そこで以下、一方の押付部材１７まわりの構成について説明する。押付部材１７の、箔状体１６との接触面とは反対側の面に、バネ１９の一端が接続されている。バネ１９は、押付部材１７と１８との対向方向と平行な方向に延在しており、その他端が固定部材２０に接続されている。固定部材２０は、板状体６から離れた位置において板枠本体１０に固定されている。

バネ１９は、圧縮された状態で配置されているため、一端を固定部材２０に接続された固定端とするバネ１９の他端が、箔状体１６を板状体６の側面６ｃに向かって押し付ける弾性押付力を押付部材１７に付与している。これにより、板状体６の側面６ｃ、箔状体１６、及び押付部材１７がそれぞれ密接するようになり、これら三者の熱的な結合が良好になる。

バネ１９は金属からなり、熱伝導性を有する。従って、バネ１９が押付部材１７と固定部材２０とを熱的に結合させる。即ち、箔状体１６を介して押付部材１７に移動した板状体６の熱は、バネ１９を伝導して固定部材２０に至る。こうして板状体６の熱の一部が固定部材２０に移動するので、板状体６の温度上昇が抑制される。板状体６の側面６ｃから熱を吸収するので、両主表面６ａ及び６ｂ間の温度差を拡大させることなく、板状体６の温度上昇を抑制できる。従って、両主表面６ａ及び６ｂ間の温度差に起因した熱応力による板状体６の破損を防止できる。

図４に、ウインドウ構造体７の、板状体６の主表面６ａ及び６ｂに平行な断面図を示す。平面視において円形をなした板状体６の周囲に、板状体６の側面６ｃに貼り付けられた箔状体１６と接触する４つの押付部材１７、１８、３１、及び３２が等間隔をあけて均等に配置されている。このうち図４の上下方向に向かい合う押付部材１７及び１８は図３にも示した。左右方向に向かい合う押付部材３１及び３２も、押付部材１７及び１８と同様に銅からなり、その板状体６の厚さ方向の長さは板状体６の厚さと等しい。

これらの押付部材１７、１８、３１、及び３２は、板状体６の周囲に離散的に配置されているが、箔状体１６が板状体６の全周にわたる側面６ｃ全面を覆っているため、押付部材１７、１８、３１、及び３２が、箔状体１６を介して板状体６の全周にわたる側面６ｃ全面と熱的に結合できる。従って、箔状体１６が無い場合に比べると、押付部材１７、１８、３１、及び３２の各々の、側面６ｃからの吸熱領域を拡大することができ、側面６ｃの全域を通して板状体６の熱を吸収できる。

また、押付部材１７、１８、３１、及び３２の、箔状体１６との接触面は、板状体６の側面６ｃにならって湾曲させている。これにより、押付部材１７、１８、３１、及び３２の各々と箔状体１６との接触面積を広くとれるため、箔状体１６によって吸収された板状体６の熱が、押付部材１７、１８、３１、及び３２へ効率的に移動する。

ウインドウ構造体７は、押付部材３１と３２との対向方向に垂直で、開口１２及び１３の中央を通る仮想平面に関して、図４の左右方向に対称な構造をもつ。そこで以下、一方の押付部材３１が配置されている側の構成について説明する。押付部材３１の、箔状体１６との接触面とは反対側の面に、バネ３３の一端が接続されている。バネ３３は、押付部材３１と３２との対向方向に平行な方向に延在しており、その他端がバッファ板３４に接続されている。バッファ板３４は、断熱板３５を介して板枠本体１０に間接的に固定されている。

バネ３３は、圧縮された状態で配置されているため、一端をバッファ板３４に接続された固定端とするバネ３３の他端が、箔状体１６を板状体６の側面６ｃに向かって押し付ける弾性押付力を押付部材３１に付与している。これにより、板状体６、箔状体１６、及び押付部材３１が互いに密接するため、これら三者の熱的な結合が良好となる。

バネ３３は金属からなり、熱伝導性を有する。従って、バネ３３が、押付部材３１とバッファ板３４とを熱的に結合させる。即ち、箔状体１６を介して押付部材３１に移動した板状体６の熱は、バネ３３を伝導してバッファ板３４に至る。なお、バネ３３は、板枠本体１０内に確保された空隙（以下、バネ３３配置用空隙という。）に配置されており、バネ３３と板枠本体１０とは非接触である。

断熱板３５まわりの構成について詳細に説明する。板枠本体１０の側面に、凹部３６が形成されている。凹部３６の底面には、上記バネ３３配置用空隙の一端が開口している。凹部３６の底面に、断熱板３５が取り付けられている。断熱板３５の、凹部３６底面の開口に対応した位置に、貫通孔３５ａが形成されている。なお、断熱板３５は、断熱性に優れた材料、具体的には板枠本体１０よりも熱伝導性の低い材料であるセラミック樹脂からなる。断熱板３５の凹部３６底面への固定にも、セラミック樹脂等の断熱性に優れた材料からなるネジを用いるのが好ましい。

断熱板３５の表面に、バッファ板３４が配置されている。バッファ板３４は、接着剤を用いて断熱板３５の表面に貼り付けられている。断熱板３５に形成された貫通孔３５ａが、バッファ板３４の裏面の一部を上記バネ３３配置用空隙に露出させている。この貫通孔３５ａを通して、バネ３３の他端がバッファ板３４の裏面と接続されている。これにより、バッファ板３４と板枠本体１０との間には断熱板３５を介在させつつ、バッファ板３４と押付部材３１とをバネ３３によって熱的に結合させることができる。

バッファ板３４と板枠本体１０との間に断熱板３５を介在させたことにより、バッファ板３４が専らバネ３３から熱を吸収することができ、板枠本体１０から熱を吸収することを防止できる。また、上述したように、バネ３３と板枠本体１０とは非接触であるため、バッファ板３４がバネ３３を介して板枠本体１０から熱を吸収することが防止される。これにより、バッファ板３４が、専ら板状体６のみから熱を吸収できる。

バッファ板３４の表面には、ヒートポンプとしての板状のペルチェ素子３７が配置されている。ペルチェ素子３７の吸熱側の表面（吸熱面）が、熱伝導性を有する接着剤によってバッファ板３４の表面に貼り付けられている。ペルチェ素子３７の発熱側の表面（放熱面）には、ヒートシンクとしての放熱フィン３８が配置されている。放熱フィン３８も、熱伝導性を有する接着剤によってペルチェ素子３７の発熱側の表面に貼り付けられている。なお、ペルチェ素子３７と上記バッファ板３４とを含んで、固定部材が構成されている。

ペルチェ素子３７は、図示せぬ外部電源から給電されて作動することにより、バッファ板３４を冷却する。一方、放熱フィン３８は、ペルチェ素子３７からの発熱を大気に放熱する。このようにして、板状体６を強制的に冷却する。なお、ペルチェ素子３７及び放熱フィン３８は、それぞれ凹部３６の内壁とは非接触である。従って、ペルチェ素子３７の発熱面及び放熱フィン３８からの放熱によって、板枠本体１０が加熱されてしまうことを防止できる。

ところで、板状体６の温度上昇を抑制しても、板状体６の熱膨張を完全に防止することは困難である。この点、ウインドウ構造体７内には、板状体６の側面６ｃ全面を全周にわたって取り囲む円環状の空隙Ｋが確保されているから、板状体６の、主表面６ａ及び６ｂに平行な方向（径方向）の熱膨張が許容される。板状体６が熱膨張するときには、バネ３３が縮むことにより、押付部材３１が板状体６の径方向外方に移動する。なお、押付部材３１と板枠本体１０との間には、スペースが確保されているため、押付部材３１の移動は許容される。こうして板状体６の径方向の応力は開放されるため、板状体６の熱応力に起因した破損の発生率を低減できる。

一方、板状体６の温度が低下して収縮するときには、バネ３３が伸びることにより、押付部材３１が、箔状体１６に圧接したまま、板状体６の径方向内方に移動する。従って、板状体６、箔状体１６、及び押付部材３１の熱的な結合が損なわれることはない。

また、ウインドウ構造体７に、箔状体１６、押付部材１７、バネ３３、バッファ板３４、断熱板３５、ペルチェ素子３７、及び放熱フィン３８等によって構成される吸熱構造体を組み込み、ウインドウ構造体７が、板状体６と共にその吸熱構造体を保持するようにしたので、図２に示したハウジング３は、吸熱構造体を有しない従来のウインドウ構造体用のハウジングから設計変更を行わなくてよい。

図５は、他の実施例によるウインドウ構造体５０の断面図である。ウインドウ構造体５０の内部に、流体の流れる流路５１が形成されている。図示せぬ流体供給器が、流路５１に流体を供給する。流路５１は、板状体６の側面６ｃ全面を全周にわたって取り囲む上記空隙Ｋを含んで構成されている。従って、流路５１を流れる流体が、箔状体１６を介して板状体６の側面６ｃと熱的に結合する。これにより、板状体６を冷却できる。なお、流体としては気体、具体的には窒素等の不活性ガスやドライエアー等を用いるのが好ましい。また、流体として液体を用いてもよい。但し、流体としては、板状体６の素材である弗化マグネシウムを溶解させないものが用いられる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、箔状体１６、押付部材３１、及びバッファ板３４の素材は、特に銅やアルミニウムに限られず、銅やアルミニウム以外の金属、その他熱伝導性を有する材料を用いてよい。また、押付部材１７と１８との対向方向にも、押付部材３１と３２との対向方向に設けた吸熱構造と同様の吸熱構造を設けてもよい。また、箔状体１６を省略し、押付部材と板状体６の側面６ｃとを直接的に接触させるようにしてもよい。

また、押付部材の配置数は特に４つに限られず、１つでもよいし５つ以上でもよい。複数の押付部材を配置する場合は、全ての押付部材が板状体６をその求心方向に押し付けるように、板状体６の周囲に等間隔をあけて均等に配置するとよい。これにより、板状体６の据わりを良好にすることができる。また、流路５１は、流体が流れる銅管等の構造体をウインドウ構造体５０内に組み込んで実現してもよい。

また、実施例ではガスレーザ発振器のウインドウを冷却することとしたが、本発明は固体レーザ発振器等のウインドウの冷却にも適用できる。さらに、実施例ではウインドウとしての板状体６を冷却することとしたが、本発明は光共振器を構成する部分反射ミラー等の板状体の冷却にも広く適用できる。この他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

実施例によるガスレーザ発振器の構成を示す概略図である。 実施例によるガスレーザ発振器の部分拡大図である。 実施例によるウインドウ構造体の、板状体の主表面に垂直な断面図である。 実施例によるウインドウ構造体の、板状体の主表面に平行な断面図である。 他の実施例によるウインドウ構造体の、板状体の主表面に平行な断面図である。

符号の説明

１…ベッセル、２…ゲート弁、３…ハウジング、４,５…共振ミラー構造体、６…板状体、６ａ,６ｂ…主表面、６ｃ…側面、７…ウインドウ構造体、８…全反射ミラー、１０…板枠本体、１１…押さえ、１２…第１の開口、１３…第２の開口、１４,１５…Ｏリング、１６…箔状体、１７,１８,３１,３２…押付部材、１９,３３…バネ（弾性部材）、２０…固定部材、３４…バッファ板（固定部材）、３５…断熱板、３６…ペルチェ素子（ヒートポンプ）、３７…放熱フィン、５１…流路、Ｌ…レーザ光、Ｓ…収容空間（内部空洞）、Ｋ…空隙。

Claims (13)

1. 内部にレーザ媒質が収容される内部空洞を画定し、該内部空洞と外部の空間とを連通させる開口が形成された容器と、
   前記レーザ媒質を励起することにより発生するレーザ光を透過させる性質を有し、表裏２つの主表面及び該主表面間をつなぐ側面が形成された板状体であって、前記容器の開口を塞ぐように、一方の主表面を該容器の内部側に向け、他方の主表面を該容器の外部側に向けた状態で配置される板状体と、
   前記板状体の側面に接触した状態で配置され、該側面を通して該板状体を冷却する吸熱構造体と
   を備えたレーザ発振器。
2. 前記吸熱構造体が、前記板状体の側面に、該板状体の全厚さにわたって接触している請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記吸熱構造体が、前記板状体の側面に全周にわたって接触している請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
4. 前記吸熱構造体が、前記板状体の側面を覆う箔状体を含む請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ発振器。
5. 前記板状体が、支持部材によって支持された状態で、前記容器の開口を塞ぐように配置されており、
   前記吸熱構造体が、
   前記板状体の側面と熱的に結合した押付部材と、
   前記押付部材から離間した位置において、前記支持部材に直接的又は他の部材を介して間接的に固定された固定部材と、
   熱伝導性を有する材料からなり、一端が前記固定部材に接続され、他端が前記押付部材に接続されて、該押付部材を前記板状体の側面に向って押し付ける弾性部材と
   を含む請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ発振器。
6. 前記固定部材が、外部から給電されて作動することにより、前記弾性部材を冷却するヒートポンプを含む請求項５に記載のレーザ発振器。
7. 前記吸熱構造体が、流体の流れる流路であって、該流路を流れる流体が前記板状体の側面を通して該板状体と熱的に結合する流路を含む請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ発振器。
8. 前記支持部材が、前記板状体をその両主表面側から挟み込むことにより該板状体の厚さ方向の位置を拘束しており、かつ該板状体の側面との間に該側面全面を全周にわたって取り囲む空隙を確保している請求項５〜７のいずれかに記載のレーザ発振器。
9. 表裏２つの主表面及び側面が形成された板状体と、
   前記板状体を支持する板枠部材と、
   前記板枠部材によって支持された前記板状体の側面に接触した状態で配置され、該側面を通して該板状体を冷却する吸熱構造体と
   を備えた板状体の冷却構造。
10. 前記板枠部材が、前記板状体をその両主表面側から挟み込むことにより該板状体の厚さ方向の位置を拘束しており、かつ該板状体の側面との間に該側面全面を全周にわたって取り囲む空隙を確保している請求項９に記載の冷却構造。
11. 前記吸熱構造体が、
    前記空隙に配置され、前記板状体の側面と熱的に結合した押付部材と、
    前記押付部材から離間した位置において、前記板枠部材に直接的又は他の部材を介して間接的に固定された固定部材と、
    熱伝導性を有する材料からなり、一端が前記固定部材に接続され、他端が前記押付部材に接続されて、前記押付部材を前記板状体の側面に向って押し付ける弾性部材と
    を含む請求項１０に記載の冷却構造。
12. 前記吸熱構造体が、前記板枠部材に形成された流路であって、該流路を流れる流体が前記板状体の側面を通して該板状体と熱的に結合する流路を含む請求項９〜１１のいずれかに記載の冷却構造。
13. さらに、内部に空洞を画定するとともに該空洞を外部の空間と連通させる開口が形成された容器を備え、
    前記板状体及び板枠部材が、前記容器の開口を塞ぐように配置されている請求項９〜１２のいずれかに記載の冷却構造。

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