JP2006295227A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＡＦＧＬＯは、電極２、３間が放電開始電圧に達し放電が開始する瞬間には、ＤＴに大きな突入電流が流れる。この放電開始の瞬間の突入電流が流れたときは、大電流が流れる為一時的に放電が乱れる。このため、放電が落ち着くのに時間を要し、その間は放電が不安定（すなわち、レーザ出力が不安定）となる。この放電の過渡的な不安定を短縮することができていないという課題が有った。
【解決手段】 レーザ発振装置であって、レーザガスを満たした放電管と、前記放電管の両端に設けられた電極と、前記電極間に高電圧を印加する高電圧電源とを備え、前記放電管に穴を開け、前記穴部に補助電極を配置し、前記補助電極をどちらか一方の電極に高抵抗を介して接続したことにより放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、大幅なレーザ出力の増大を実現できできる。
【選択図】 図２０

Description

本発明はレーザ発振装置、特に光軸方向に放電管を配置した軸流型ガスレーザ発振装置に関する。

図２５に軸流型と呼ばれるガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図２５を参照しながら軸流型ガスレーザ発振器 （以降、単にＡＦＧＬＯと記す）を説明する。

図２５に示すように、ＡＦＧＬＯは、主にレーザ共振器と、電源部４と、レーザガス循環部とから構成される。

上記レーザ共振器は、放電空間５を有する放電管１と、終段鏡（以降、単にＲＭと記す）６と、出力鏡（以降、単にＯＰＭと記す）７とからなる。放電管（以降、単にＤＴと記す）１は、ガラスなどの誘電体により構成され、そのＤＴ１の両端の近くに電極２、３が設けられている。上記電極２、３間に挟まれたＤＴ１内に、放電空間（以降、単にＤＡと記す）５がある。複数のＤＡ５を挟むように、ＲＭ６とＯＰＭ７が配置されている。上記ＲＭ６は、１００％に近い反射率を有する反射鏡である。上記ＯＰＭ７は部分反射鏡であり、レーザビーム８は、上記ＯＰＭ７より出力される。

また、上記電源部４は、電極２、３に、上記ＤＡ５で放電するために接続している。

また、レーザガス循環部（以降、単にＬＧＣＰと記す）は、送風機１３と、熱交換機１１、１２と、レーザガス流路１０と、上記複数のＤＴ１のＤＡ５とからなる。レーザガスは、ＡＦＧＬＯを構成する上記ＬＧＣＰを、矢印９の方向に循環している。送風機１３は、そのレーザガスを循環させるためのものである。この送風機１３により、レーザガスの流速は、ＤＡ５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度である。また、上記ＬＧＣＰの圧力は、１００〜２００Ｔｏｒｒ程度の圧力であ
る。上記電極２、３に、上記電源部４より所定の電圧が印加されると、上記ＤＡ５は放電する。その放電と送風機の運転により、レーザガスの温度は上昇する。熱交換機１１および１２は、温度上昇したレーザガスを冷却するためのものである。

以上が従来のＡＦＧＬＯの構成であり、次にその動作について説明する。

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、ＤＴ１内へ導入される。この状態で、上記電極２、３に、上記電源部４より所定の電圧が印加されると、上記ＤＡ５は放電する。ＤＡ５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起さる。その励起されたレーザガスは、ＲＭ６およびＯＰＭ７により形成されたレーザ共振器で共振状態となる。その結果、ＯＰＭ７からレーザビーム８が出力される。この出力されたレーザビーム８は、レーザ加工等の用途に用いられる。

以下、上記した従来のＡＦＧＬＯの課題について記載する。

まず第１の課題について記述する。

図２６は、従来のＡＦＧＬＯの光学ベンチを含むレーザ共振器の概略構成を示す。ＯＰＭ７は出力ミラーホルダ１５０ａによって、保持されている。また、ＲＭ６は終段ミラーホルダ１５０ｂによって、保持されている。一方、ＤＴ１は放電管ホルダ（以降、単にＤＴホルダと記す）１６０を介し、光学ベンチである放電管ホルダベース（以降、単にＤＴベースと記す）１７０にて保持されている。ＤＴベース１７０の両端は、それぞれのミラーホルダ１５０ａ、ｂと接続されている。ミラーホルダ１５０ａ、ｂとＤＴベース１７０は、組立てられて、一体構造となっている。ＤＴホルダ１６０と各ミラーホルダ１５０ａ，ｂとは、摺動自在となるように両端をＯリングなどで保持した接続管１８０でつながっている。

上記構成において、ＲＭ６の中心とＯＰＭ７の中心を結ぶ軸と、ＲＭ６とＯＰＭ７は、垂直になるように配置されている。すなわち、ＲＭ６とＯＰＭ７は、お互いに平行になるように配置されている。その平行度は、互いに数μｍ以下の精度になるように調整されている。また、ＲＭ６とＯＰＭ７の中心を結ぶ軸と、ＤＴ１の中心軸が一致するように、配置されている。

正常なレーザ出力を得る為には、ＲＭ６とＯＰＭ７の平行度は１０^−６ラジアン以下、且つミラーの成す軸とＤＴの成す軸とは数１０ミクロン以下の精度が必要となる。この精度を保つため、それぞれのミラーホルダとＤＴベースとは一体構造化した剛体を成している。

この様な従来のレーザ発振装置の持つ第１の課題について、以下に説明する。

上記ＬＧＣＰ内部の真空度は、１００〜２００Ｔｏｒｒ程度である。一方、その外側は大気（７６０Ｔｏｒｒ）である。ＬＧＣＰの内部と外部には、圧力差による応力（以降、単に真空力と記す）がかかる。通常、上記のＤＴベース１７０の両端は、支持構造物（図示せず）で支持されている。また、上記のＬＧＣＰも、支持構造物（図示せず）で支持されている。したがって、図２５に示す中央部のＤＴホルダ１６０ｃには、上気の圧力差により、下向きの応力が加わる。

この圧力差による応力により、ＤＴベース１７０は、曲がることの無い様に、鋼などの剛性の高い材料を用いている。また、剛性を維持するために、ＤＴベース１７０は、ＤＴ１などの部品と比較すると、かなり大型な構造となっている。

しかし、剛性を上げるにしても、大きさに限界がある。したがって、上記真空力により、ＤＴベース１７０は、数１０μｍ程度、曲がることが有りうる。上記のように、ＤＴベース１７０とミラーホルダ１５０ａ、１５０ｂは一体構造となっている。そのため、ＤＴベース１７０が数１０μｍ曲がっただけで、ミラーホ
ルダ１５０ａとミラーホルダ１５０ｂの平行度が変化する。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。

また、ＤＴベース１７０は熱容量が大きいため、外気温が変化したときに、その温度変化に追随できない。外気温の変化により、ＤＴベース１７０各部で温度差が発生することがある（例えば図２６に示す、上部と下部の温度差、あるいは左側と右側の温度差）。温度差が生じると、熱膨張や熱収縮のため、ＤＴベース１７０が曲がる。その結果、ＲＭ６とＯＰＭ７の平行度が保てなくなる。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。図２７は、外気温度に対するレーザ出力の変化を模式的に示している。

この問題を解決する為の従来の取り組みとしては、以下のようなものがあげられる。

真空力によるＤＴベース１７０の曲がりにたいする対応策として、例えば内部と外部の圧力差による応力がバランスできるように、圧力差による応力をキャンセルするキャンセラを取りつける試みがなされた。しかし、キャンセラの取付けにより、かえって予想外の応力が発生し、悪影響を及ぼす結果となることがあった。

一方温度差による膨張・収縮に対する対応策としては、ＤＴベース１７０の温度を一定に制御する試みが成された。その試みは、ＤＴベース１７０の中に液体（例えば、水）を流し、その液体の温度を一定に制御する事である。しかし、ＤＴベース１７０の体積は、剛性をあげる為、大きい。したがって、ＤＴベース１７０の熱容量が大きくなり、完全に温度差を解消する事は出来ていなかった。

また、従来のＡＦＧＬＯは、下記のような第２の課題を有している。

ＤＴ１内でのレーザガスの流れは、ＤＴ１内にガスが流入されてから排出され
るまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば放電状態が安定する。その結果、ＤＡ５に注入された電気入力に対するレーザ出力の効率が高まる（レーザ発振効率という）。しかしＡＦＧＬＯの構成上、ＤＴ１に対してレーザガス導入部を同軸に設けることは構成上複雑になる。実際には、図２８のようにレーザガス導入部はＤＴ１に対して略直角に配置されるケースが一般的である。また、図２８と、図２９は、ＤＴ１の内部のガスの流れを模式的に示している。図２９は、図２８における２９−２９での断面を示す図である。この構造により、図２８中に示すように、ＤＴ１内の、特にレーザガス入り口１３７近傍において、ガス流中に渦巻き１３６が発生しやすい。この渦巻き状のガス流により、ＤＴ内のガス流が乱れる。この結果、レーザ発振効率を高めることができなかった。図３０は、ＤＡ５への電気入力と、レーザ出力の関係を示している。

これに対して公知の例（特開平７−１４２７８７号公報）として、ガスを一旦貯めておくチャンバーを設け、これをレーザガス導入部と接続する構成が提案されている。これはレーザガス導入部へ入るレーザガスの方向性を無くすことによって、ＤＴ内でのガス流の偏りを無くす事を目的としたものである。本発明の発明者らの検討によると、レーザ導入部からＤＴ内へガスが入る際に、どうしてもガス流の偏りが発生し、各所に渦巻きが出来る。その結果、特開平７−１４２７８７号公報に提案された構成では、レーザ発振効率をさらに高めることができなかった。

さらに、従来のＡＦＧＬＯは、下記のような第３の課題を有している。

ＤＴ１の周辺に設けられた電極２、３間の電圧が、放電開始電圧に達すると放電が開始する。その放電開始の瞬間に、ＤＴ１に大きな突入電流が流れる。放電電流が流れはじめると、ＤＴのインピーダンスは低下し、やがて２０ＫＶ程度の維持電圧に落ち着く。このような状態になると電流値も安定し、均一な放電が得られる。しかし放電開始の瞬間の突入電流により、一時的に放電が乱れる。安定
した放電になるまでに、時間を要する。この突入電流の値は、放電開始電圧に比例する。そのため、放電安定化のために、放電開始電圧を下げることが大きな課題である。

従来例としては図３１に示すように、ＤＴ１内部の、電極２近傍に補助電極１５６を配置し、補助電極１５６と電極３側を、数ＭΩの高抵抗１５８で接続したものがあった。この場合、補助電極１５６と電極３との距離が大きすぎる為、補助電極１５６と電極２の間で、レーザガスを電離しても、電極３に到達する前に、ほとんどが再結合する。したがって、この構造では、放電開始電圧を低減するための大きな効果が、得られていない。

図３２はもう一つの代表的な従来例である。ＤＴ１の外面に沿って、電極２側から電極３側に向かって導体１５９を伸ばし、導体１５９の電極３寄りの端部に補助電極１５６を取り付ける。この補助電極１５６は、誘電体材料からなる絶縁シート１６２を介してＤＴ１の外周面に取付られている。放電開始を下げるために、誘電体の厚みを薄くする検討も実施したが、微少放電によりＤＴ１の壁面に経時的に穴があくという問題があった。

上記のように従来のＡＦＧＬＯでは、補助電極と呼ばれる機構を付加する事が通常行われている。これは何らかの機構によりＤＴ内の絶縁破壊電圧を下げ、放電が点弧し易くする事で、放電開始時の突入電流を下げるようとする試みである。この補助電極自体は発想として良い物であるが、性能および信頼性の面で、満足のいく構成を持つものは、従来実現できていなかった。

上記したように、従来のＡＦＧＬＯは、電極２、３間が放電開始電圧に達し放電が開始する瞬間には、ＤＴに大きな突入電流が流れる。この放電開始の瞬間の突入電流が流れたときは、大電流が流れる為一時的に放電が乱れる。このため、放電が落ち着くのに時間を要し、その間は放電が不安定（すなわち、レーザ出力が不安定）となる。この放電の過渡的な不安定を短縮することができていないという課題が有った。

本発明のＡＦＧＬＯは、上記課題を解決するために、
ａ）ＤＴと、
ｂ）前記ＤＴの両端近くに設けられた電極と、
ｃ）前記電極間に高電圧を印加する高電圧電源と、
を備え、
ｄ）前記ＤＴに穴を開け、
ｅ）前記穴部に補助電極を配置し、
ｆ）前記補助電極をどちらか一方の電極に高抵抗を介して接続する、
ように構成し、
ｇ）ＤＴに設けられた穴の位置は、前記両電極間の距離をＬとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、０．４Ｌ〜０．７Ｌの位置に設け、
ｈ）高抵抗の抵抗値は、１ＭΩ以上、１００ＭΩ以下である
レーザ発振装置である。

本発明により、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、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出来る。

（参考例１）
以下に本発明の参考例を図面によって説明する。図１は本発明の参考例１を示すレーザ発振装置である。図２は、図１に示すレーザ発振装置の共振器部の構成である。図３Ａは、図２に示す共振器部の左側面図である。図３Ｂは、図２に示す共振器部の右側面図である。図２５に示した、従来のレーザ発振装置と、同じ機能を持つ構成部分については、同一の符号を記し、その説明を省略する。

以下、図１、図２、図３Ａ、Ｂを用いて説明する。

ＯＰＭホルダ１５ａと、ＲＭホルダ１５ｂは、複数のミラーホルダ連結棒（以降、単にＭＨＣＲと記す）１４によって、互いに平行になるように支持されている。回転支持部２００は、ＯＰＭホルダ１５ａをＤＴベース１７に支持するために構成されている。ＯＰＭホルダ１５ａがレーザ光軸に対して垂直になるように支持するための支持部２０ａが、ＯＰＭホルダ１５ａの下部に配置されている。ＤＴベース１７には、回転軸支持部２０ｂが、配置されている。上記の支持部２０ａと回転軸支持部２０ｂには、回転軸１９を挿入するための穴が開いている。回転軸１９は、上記の支持部２０ａと回転軸支持部２０ｂに挿入することにより、ＯＰＭホルダ１５ａとＤＴベース１７は、組み合せられる。回転軸１９と回転軸支持部２０ａ、ｂとの接触部分は、回転をスムーズにするため、摩擦が少なくなるようにスムーズな表面に仕上げている。もしくはボールベアリング（ローラベアリングでもよい）などの回転に対して極めて摩擦の少ない部品が挿入されている。上記のように、回転軸１９、上記支持部２０ａと回転軸支持部２０ｂは、ＯＰＭホルダ１５ａをＤＴベース１７に支持するために回転支持部２００を構成している。この回転支持部２００は、図１および図２に示す矢印２０２の回転方向に自由度を持つ。

一方、ＲＭホルダ１５ｂの下部には、支持棒２１が取付けられている。ＤＴベース１７側には、回転体２２と前記回転体２２を支持している回転体支持部２３が、上記支持棒２１を支持するために構成されている。これらによって、光軸方向に摺動自在なスライダー構造２２０が形成されている。このスライダー構造２２０は、図１および図２に示す矢印３０２の光軸方向に自由度を持つ。

この構成によって、ＯＰＭホルダ１５ａとＤＴベース１７は、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される。しかし、ＯＰＭホルダ１５ａとＤＴベース１７は、レーザ光軸方向を含む平面内において、回転方向にのみ自由度を持っている。これによって、ＯＰＭ側のミラーホルダ１５ａとＤＴベース１７は、光軸のズレ無く結合することができる。

一方、終段側ミラーホルダ１５ｂとＤＴベース１７とは、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される（ただし厳密には、上方向に対しては、フリーである）。すなわち、ミラーホルダ１５ｂの持つ重量（自重）により、終段側ミラーホルダ１５ｂとＤＴベース１７は、固定されたものと考えられる。勿論、この構成は、光軸方向の摺動方向ならびに光軸方向を含む平面内の回転方向に、フリーである。これによりＲＭ側のミラーホルダとＤＴ支持部も、ＯＰＭ側と同様に光軸のズレ無く結合される。

次にＤＴベース１７が真空力や温度変化などにより変形した場合について考える。真空力により、ＤＴベース１７が曲がった場合、ミラーホルダとＤＴ支持部の結合部分に、光軸方向を含む平面内における回転が発生する。しかし、前述したようにこの部分はＯＰＭ側、ＲＭ側共に回転方向に対してフリーである。このため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。また、ＤＴ支持部が熱膨張もしくは熱収縮した場合、ミラーホルダとの結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生するが、ＲＭホルダはこの方向に対してフリーであるため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。

本参考例の優れた点は、ＯＰＭホルダとＤＴ支持部との結合部分にある。この方式は光軸方向を含む平面内における回転方向以外にも構造的に自由度をもっている。例えば、ＯＰＭホルダ１５ａとＲＭホルダ１５ｂの下部毎に２ヶ所ずつピローボールなどの自由度の高いものを介して結合する構成も考えられる。しかし、この方式は、上記の自由度を、２点留めにより規制しようとする。このため、真空力による、平行度が変化するような力が生じやすくなる。ミラーホルダ自身の熱膨張・収縮により、固定を行っている２点間の距離が変化するため、そのための平行度が変化するような力も発生しやすい。

図４は本参考例の他の構成を示すレーザ発振装置の、ＯＰＭホルダとＤＴ支持部との連結部分の詳細図である。回転軸１９、支持部２０ａおよび回転軸支持部２０ｂの組み合せ部分は、ガタの無い（隙間がない）ように構成されている。しかし、全く隙間が無ければ、摩擦のため、相互の回転はスムーズに出来なくる。前述したように、回転軸１９と支持部２０ａおよび、回転軸支持部２０ｂとの接触部分にボールベアリングを挿入することで、光軸方向に対して平行方向についてはほとんどガタが無くなる。且つ、ミラーホルダ自身の自重で下に押し当てられるので、放電管の中心軸とミラーの光軸と、ミラーとミラーの間の相対位置はほとんど変わらず、安定している。しかし光軸に垂直な方向に関して、支持部２０ａと回転軸支持部２０ｂとの間に、スムーズな回転のため、隙間が必要である。その隙間によるガタツキを防止するため、弾性力により、上部回転軸支持部２０ａが、下部回転軸支持部２０ｂに、片側で押し当たるような構造を採る。図４は、その構造の一例を示している。例えば、バネ材２４を回転軸を中心に対称に２個配置することにより、バネ材２４の弾性力は、支持部２０ａに加わる。回転軸１９に取付けられたバネ押さえ２５と上部回転軸部材２０ａとの間に、前記バネ材２４を縮めた状態で挟み込む構成をとっている。またバネ押さえ２５およびバネ材２４が、回転方向の動きを阻害しないように、回転軸１９とバネ押さえ２５との連結部分には、ピロボール２６などの回転体を挿入している。

ただしＲＭホルダ１５ｂとＤＴベース１７との連結に関しては、必ずしも上記参考例に挙げたように１点固定である必要が無い。ＲＭホルダとＤＴ支持部との固定に、ピロボールなどの自由度の高い連結部材を用いて、２点で固定してもよい。その場合、ＯＰＭ側は本発明の実施例に示すように１点固定であれば、支障は無い。

図５は本参考例のさらに他の構成例を示すレーザ発振装置の光学ベンチの詳細図である。

図２に示す参考例と同様に、ミラーホルダ１５ａとｂは、互いに複数のＭＨＣＲ１４によって結合されている。また、同様に、ＯＰＭホルダ１５ａは、回転支持部２００により、ＤＴベース１７に支持されている。一方、ＲＭホルダ１５ｂの下部には、ピローボール２６が水平方向に２点配置されている。終段側ミラーホルダ１５ｂは、前記ピローボール２６を介して、ＤＴベース１７と連結している。図６は、図５に示す６−６からＲＭ６の方向を見た図である。図６に示すように、ＤＴホルダ１６およびＤＴベース１７と、ＭＨＣＲ１４とを連結する、リブ２７が４ヶ所配置されている。リブ２７は、ＭＨＣＲ１４の中央付近に配置されている。リブ２７とＭＨＣＲ１４は、垂直方向へは若干のすべりが生じうるように構成している。

このリブ２７挿入による光学ベンチ安定化効果について、以下説明する。ＤＴベース１７が真空力や温度変化などにより変形した場合、特に温度変化により伸縮した場合について考える。この時、ミラーホルダとＤＴベース１７の結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生する。しかし、ピロボールは、ピロボールとピロボールの中を通っている軸との間が滑るため、フリーに動くことができる。このため、ＲＭホルダはこの方向に対してフリーである。したがって、このため、ミラーホルダに、熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。ただし、いくら構造的にフリーになるように摩擦を少なくしても、実際には摩擦力が０になる訳ではない。終段側ミラーホルダ１５ｂとＤＴベース１７との連結部は、終段側ミラーホルダ１５ｂの自重により重力方向（すわわち、図５の下方向）に押し付けられる。このため、厳密には、その部分に摩擦力が発生する。そのためＭＨＣＲ１４に対しても、光軸方向に引っ張りもしくは圧縮の力が働く。ＭＨＣＲ１４は構造的に直径５０ｍｍ程度、長さ１０００〜２０００ｍｍ程度の円柱である。光軸方向（すなわち、ＭＨＣＲ１４の長手方向）に引っ張りもしくは圧縮の力が働くと、ＭＨＣＲ１４は、たわむ。この時、リブ２７が配置されていない場合、各ＭＨＣＲ１４はそれぞれ好き勝手な方向へ曲がる。結果として、ＯＰＭホルダ１５ａとＲＭホルダ１５ｂの平行度が崩れてしまう。

４本のＭＨＣＲ１４と、ＤＴホルダ１６およびＤＴベース１７を連結するリブ２７が配置されていると、ＭＨＣＲ１４の剛性が向上し、摩擦力によっても曲がることはすくない。したがって、ミラーホルダ同士の平行度は保たれる。

さらに、ＭＨＣＲ１４が、全て中心方向あるいは全て外側方向に撓むようにすれば、ＯＰＭホルダ１５ａとＲＭホルダ１５ｂとの平行度はより正確に保つことができる。

例えば、前記リブ２７により、４本のＭＨＣＲ１４をそれぞれ、ＭＨＣＲ１４同士が成す中心方向へ数ｍｍ程度、引き寄せた状態にする。ミラーホルダ連結材は、リブ２７によって中心方向へ数ｍｍ程度引き寄せられることで、ごくわずかに湾曲した状態になっている。この状態から、ＭＨＣＲ１４に引っ張りまたは圧縮の力が加わったとしても、４本のＭＨＣＲ１４は全て中心方向に撓む。このため、結果的にＯＰＭホルダ１５ａとＲＭホルダ１５ｂとの平行度は保たれる。

逆に、前記リブ２７によって４本のＭＨＣＲ１４を互いに反対方向へ湾曲させることでも、同様の効果が得られる。

上記のように、本発明の参考例１においては、光学ベンチは非常に安定し、ミラー同士の平行度を保つこと効果が極めて大きい。これによって常に安定したレーザ発振を行うとが出来、大幅なレーザ出力安定化を実現できる。

図７は本発明の参考例１と従来例とでの、外気温変化に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に外気温、縦軸にレーザ出力を表している。本発明の参考例１および従来例ともに、外気温２０℃にて、ミラーが平行になるように調整したものである。その状態から、外気温が低下、あるいは上昇した場合のレーザ出力変化を示している。図７に示すように、従来例に比べ本発明の参考例１においては、外気温変化に対して大幅なレーザ出力安定化が実現出来ている。真空力などの外力に対しても、同様の効果が得られる。

本参考例により、真空力などの外力および外気温変化に対する光学ベンチの安定性、すなわちミラー平行度の安定化を実現出来、常に安定したレーザ出力を得られるレーザ発振装置を提供することが出来る。

上記の、ミラーホルダ連結棒の連結棒は、パイプで構成してもよい。また、その連結棒または、パイプは、熱膨張係数の小さいものを使用すると、温度差による膨張の差が少なくて、本参考例のような共振器には、有効である。
（参考例２）
以下に本発明の参考例２を図面によって説明する。

図８は、本発明の参考例２を示すレーザ発振装置の構成を示す図である。図９は、本発明の参考例２を示すレーザ発振装置のＤＴ内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図である。図１０は、図９に示す１０−１０の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。ＤＴ１のレーザガス入り口近傍３７の、ガスの流れる方向およびＤＴ内のガス流方向に対して垂直方向の幅をＢとする。また、ＤＴ内径をＡとする。図９は、ＡとＢの関係が、
１．１Ａ ＜ Ｂ ＜ １．７Ａ
となるような構成を採った時の、ＤＴ内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示している。図９において、幅Ｂのレーザガス流路を矢印９ｂ方向に流れてきたレーザガスは、ＤＴの入り口近傍の幅Ｂの部分に導入される。この部分から、レーザガスの流れは、ＤＴの内径Ａに狭められる。その後、流れ方向が矢印９ａ方向にＤＴ内を流れる。この時レーザガスは、ＤＴ１の入り口近傍の広がった部分（すなわち、幅Ｂ）から緩い勾配をもって、ＤＴ１の下流側へ流される。このため、ガスの流れは、ＤＴ１入り口部分３７から、下流側へと、なだらかな流線が形成される（すなわち、渦流は、発生しない）。ＤＴ１内でのレーザガス流の分布は、ほぼ全体的に均一に形成される。この時、幅Ｂが１．１Ａより小さい場合（すなわち従来構成の場合）、ＤＴ入り口部分に渦流が、発生する。また、幅Ｂが１．７Ａより大きい場合も、ＤＴ入り口部分に渦流が、発生する。その渦流により、ＤＴ内のレーザガス流分布は乱れる。図１１はＤＴのレーザガス入り口近傍の幅Ｂと、レーザ出力との相関を示した図である。レーザガス入り口近傍の幅Ｂが、
１．１Ａ ＜ Ｂ ＜ １．７Ａ
の範囲で、レーザ出力が最大となっている事が判る。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

図１２は、他のＤＴの形状を示している。ＤＴのレーザガス入り口の対向部に、ＤＴの中心からの高さＣ、内径Ｄの円柱状の突起部を設けている。前記ＤＴの内径をＡとした時、
０．５Ａ＜Ｃ＜０．９Ａ
０．７Ａ＜Ｄ＜０．９Ａ
となるように構成している。また、図１２は、ＤＴ内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示している。図１３は、図１２に示す１３−１３の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。レーザガス流路を矢印９ｂ方向に流れてきたレーザガスは、ＤＴのレーザガス入り口から導入される。その後、ＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部部分へ当たる。そのレーザガスは、さらに、下流側へ流される。このため、ＤＴ入り口部分から、下流側へと、なだらかな流線が形成される。この結果、ＤＴ内でのレーザガス流分布はほぼ全体的に均一に形成される。

一方、円柱状の突起部が大きすぎると、ＤＴ上部に渦流が出来、これがＤＴ内の流線を乱してしまう。このようにＤＴの各部で渦流が生じると、ＤＴ内のレーザガス流分布は極めて偏ったものとる。その結果、放電が乱れ、安定したレーザ発振が出来無くなる。図１４はＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の、ＤＴの中心からの高さＣと、レーザ出力との相関を示した図である。

図１４に示すように、高さＣが、
０．５Ａ ＜ Ｃ ＜ ０．９Ａ
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

図１５はＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の内径Ｄと、レーザ出力との相関を示した図である。

図１５に示すように、内径Ｄが、
０．７Ａ ＜ Ｄ ＜ ０．９Ａ
の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

また、ＤＴのレーザガス入り口近傍には電極が設けられている。このため、対向部の円柱状の突起部は金属などの導体で構成されている場合は、電界が乱され、放電が乱れやすい。したがって、対向部は、ＤＴと同様に誘電体材料で構成されなければならない。具体的には、ＤＴと同じパイレックス（登録商標）、石英など、もしくはセラミックなどの誘電体材料が望ましい。

図１６は、ＤＴ近傍およびＤＴ内のレーザガスの流れを示す模式図である。図１７は、図１６に示す１６−１６の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

前記ＤＴのレーザガス入り口３７近傍の、ガス流方向に対して垂直方向の幅をＢとする。前記ＤＴのレーザガス入り口対向部に、ＤＴの中心からの高さＣとし、内径Ｄの円柱状の突起部３８を設ける。

前記ＤＴ１の内径をＡとした時、
１．１Ａ ＜ Ｂ ＜ １．７Ａ
０．５Ａ ＜ Ｃ ＜ ０．９Ａ
０．７Ａ ＜ Ｄ ＜ ０．９Ａ
の関係が成り立つように構成されている。また、前記ＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた、円柱状の突起部３８は、セラミックなどの誘電体より成っている。

以下ＤＴ内のレーザガスの流れる方向を９ａ、レーザガス流路内のレーザガスの流れる方向を９ｂとする。

図１６は、図９と図１２これらをまとめた構成である。本構成は、図９と図１２の相乗効果により、一層の放電の安定化が実現でき、効果的である。図１８は、図１１に示した幅Ｂと、レーザ出力の相関図に、図１６の構成をのレーザ出力を重ねて示したものである。

図１９は本発明の参考例２と従来例とでの、ＤＴへの電気入力に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に放電電気入力、縦軸左にレーザ出力を表している。図１９に示すように、本発明の参考例２においては、レーザガス流改善効果により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ている。

本参考例により、ＤＴ内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレーザ発振効率の向上および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出来る。
（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図２０は、本発明の実施の形態１のレーザ発振装置である。図２１は、図２０に示すレーザ発振装置におけるＤＴ部の詳細な構成を示した模式図である。

１００〜２００Ｔｏｒｒ程度に減圧されたＤＴ１の壁面に、穴５５を開けている。その穴をふさぐ形で、銅やタングステンなどの導体からなる補助電極５６が取付けられている。補助電極５６とＤＴ１との接合部近辺は、Ｏリングなどの真空パッキン５７で封止されている。補助電極５６が直接ＤＴ１内のレーザガスに触れる事ができるようになっている。補助電極５６は数ＭΩの高抵抗５８を介し、電極３に接続されている。電極２と電極３は電源４に接続されている。

次にこの動作について説明する。補助電極５６は電極３と高抵抗５８を介し接続されている。このため、ＤＴ１内に電流が流れていない間は、電極３と補助電極５６は同電位である。

高電圧電源４によって、電極２、電極３間の電圧を徐々に上昇させると、同時に電極２、補助電極５６間の電圧も上昇していく。補助電極５６がない場合は、電極２と電極３の放電開始電圧は約４０ＫＶに達する。しかし、補助電極５６は電極２に近い位置にあるため、電極２と補助電極５６の放電開始電圧は約２３〜２４ＫＶ程度である。すなわち電極２、電極３間の電位差が、２３〜２４ｋｖ程度に達した時、同じ電位差となった電極２と補助電極５６間にて、放電が開始する。この放電路（放電空間５）にあるレーザガスは電離される。電離したレーザガスはレーザガスの流れる方向９に示すように、電極３側へ流れる。この電離したレーザガスにより、ＤＴ１内のインピーダンスが低下し、電極２と電極３との間のＤＡ５に放電が開始する。一方、電極２と補助電極５６との間での放電電流は、補助電極５６と電極３との間に設けられた数ＭΩの高抵抗５８によって抑制される。このため、放電開始後は、ほとんど補助電極５６〜電極３間に電流が流れる事は無い。

以上の動作によって、放電開始電圧を従来の４０ＫＶから２３〜２４ＫＶまで低減できる。

これによって放電開始の瞬間の突入電流を抑制でき、安定した放電を実現できる。

前述のように、図３１に示す従来例では、ＤＴ１内部の、電極２近傍に補助電極１５６を配置し、補助電極１５６と電極３側を、数ＭΩの高抵抗で接続したものがあった。この場合、補助電極と陰極側との距離が大きすぎる為、せっかくレーザガスを電離しても、陰極に到達する前に、ほとんどが再結合してしまい、大きな効果が得られていない。

これに対し本発明では、前記両電極間の距離をＬとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、０．４Ｌ〜０．７Ｌの位置に補助電極を設けている。図２２は補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離と、放電開始電圧との関係を示した図である。この図に示すように、補助電極取り付け位置が０．４Ｌより小さい場合は、電離したレーザガスの再結合により、放電開始電圧を低減する効果は得られない。一方、０．７Ｌより大きいと、陽極と補助電極との距離が大きすぎるため、放電開始電圧が上がってしまう。これより、補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離は、０．４Ｌ〜０．７Ｌが最適である事が判る。

図３２はもう一つの代表的な従来例である。ＤＴ外面に沿って、電極２側から電極３側へ導体１５９を伸ばしている。この導体１５９の電極３寄りの端部に補
助電極１５６を取り付ける。また、この補助電極１５６を、誘電体材料からなる絶縁シート１６２を介して、ＤＴ１壁面に接合させている。補助電極１５６と電極３間とは、誘電体を介した容量結合である。この構成は、電流の通り道にあるレーザガスを電離し、放電開始電圧を下げるという試みであった。放電開始電圧を低減する効果を上げる為に、誘電体の厚みを薄くすることも試みたが、コロナ放電によりＤＴの壁面に経時的に穴があくという問題があった。本発明は、放電開始の際の微少電流の通過用に、ＤＴ１の補助電極５６取り付け部に穴５５を開けているため、経時的に穴が開くような問題は無く、長期的な信頼性にも優れている。

図２３は、補助電極５６と電極間を結合している高抵抗の抵抗値と、放電開始電圧およびレーザ出力との関係を示したものでる。高抵抗５８の抵抗値が１ＭΩ未満の場合、補助電極部に電流が流れすぎ、ＤＡ５の放電が乱される。その結果、高いレーザ出力が得られない。一方、抵抗値が１００ＭΩより大きい場合、補助電極の効果が小さく、放電開始電圧を低減する効果が得られない。また、突入電流の為に放電が乱れ、レーザ出力が上昇する効果が得られない。したがって、高抵抗の抵抗値は、１ＭΩ以上、１００ＭΩ以下が適切である。

以上のように従来例では、性能面および信頼性の面で問題のあった補助電極であるが、本発明によって放電開始電圧の大幅な低減によるレーザ出力の安定化が図れ、且つ長期に渡る信頼性も確保できる。

図２４は本発明の実施の形態と従来例との、ＤＴへの電気入力に対する放電開始電圧およびレーザ出力を示したものであり、横軸に放電電気入力、縦軸にレーザ出力を表している。本図に示すように、ＤＴへの電気入力が大きくなればなる程、本発明の実施の形態における効果は顕著に表れてきている。放電開始電圧低減による放電安定化により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ていることがわかる。

本発明により、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、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出来る。

本発明のレーザ発振装置によれば、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、大幅なレーザ出力の増大を実現でき、産業上有用である。

本発明の参考例１における軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図 図１に示すレーザ発振装置の共振器部の構成図 Ａは図２に示す共振器部の左側面図、Ｂは図２に示す共振器部の右側面図 本参考例１の他の構成を示すレーザ発振装置の、ＯＰＭホルダとＤＴベース部との連結部分の三面図 Ａは本参考例１のさらに他の構成例を示すレーザ発振装置の光学ベンチの詳細図、Ｂは図５Ａに示す、ピローボール構成部近傍の部分各台断面図 図５Ａに示す６−６からＲＭ６の方向を見た図 本参考例１と従来例とでの、外気温変化に対するレーザ出力の差を示した図 本発明の参考例２を示すレーザ発振装置の構成を示す図 本参考例２を示すレーザ発振装置のＤＴ内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図 図９に示す１０−１０の断面のレーザガスの流れを示す模式図 ＤＴのレーザガス入り口近傍の幅Ｂと、レーザ出力との相関を示した図 ＤＴ内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示した図 図１２に示す１３−１３の断面のレーザガスの流れを示す模式図 ＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の、ＤＴの中心からの高さＣと、レーザ出力との相関を示した図 ＤＴのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の内径Ｄと、レーザ出力との相関を示した図 ＤＴ近傍およびＤＴ内のレーザガスの流れを示す模式図 図１６に示す１６−１６の断面のレーザガスの流れを示す模式図 図１１に示した幅Ｂと、レーザ出力の相関図に、図１６の構成をのレーザ出力を重ねて示した図 本参考例２と従来例とでの、ＤＴへの電気入力に対するレーザ出力の差を示した図 本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置を示す図 図２０に示すレーザ発振装置におけるＤＴ部の詳細な構成を示した模式図 本発明の実施の形態の補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離と、放電開始電圧との関係を示した図 本発明の実施の形態の補助電極と電極間を結合している高抵抗の抵抗値と、放電開始電圧およびレーザ出力との関係を示した図 本発明の実施の形態と従来例とでのレーザ出力の差を示した図 従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図 従来のレーザ発振装置の光学ベンチ部分の模式図 従来の軸流型ガスレーザ発振装置における出力安定性を示した図 従来のレーザ発振装置の構成におけるＤＴ部の詳細およびレーザガスの流れを示した模式図 図２８に示す２９−２９の断面のレーザガスの流れを示す模式図 従来例の電気入力とレーザ出力の関係を示した図 従来例におけるＤＴ部の構成を示す模式図 従来例における他のＤＴ部の構成を示す模式図 従来例の電気入力とレーザ出力の関係を示した図

符号の説明

１ 放電管
２、３ 電極
４ 電源部
５ 放電空間
６ 終段鏡
７ 出力鏡
８ レーザビーム
９ ガス循環方向
１０ レーザガス流路
１１、１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ ミラーホルダ連結棒
１５ａ、１５０ａ 出力ミラーホルダ
１５ｂ、１５０ｂ 終段ミラーホルダ
１６、１６０ 放電管ホルダ
１７、１７０ 放電管ホルダベース
１８、１８０ 接続管
１９ 回転軸
２０ａ 支持部
２０ｂ 回転軸支持部
２１ 支持棒
２２ 回転体
２３ 回転体支持部
２００ 回転支持部
２２０ スライダー構造
２４ ばね材
２５ ばね押え
２６ ピローボール
２７ リブ
３６、１３６ 渦流
３７、１３７ レーザガス入り口
３８ 円柱状突起部
５５ 穴
５６、１５６ 補助電極
５７ Ｏリング
５８、１５８ 高抵抗
５９ レーザガスの流れる方向
１５９ 導体
１６２ 絶縁シート

Claims (3)

1. レーザ発振装置であって、
   ａ．レーザガスを満たした放電管と、
   ｂ．前記放電管の両端に設けられた電極と、
   ｃ．前記電極間に高電圧を印加する高電圧電源と、
   を備え、
   ｄ．前記放電管に穴を開け、前記穴部に補助電極を配置し、前記補助電極をどちらか一方の電極に高抵抗を介して接続した
   レーザ発振装置。
2. 前記放電管に設けられた穴の位置は、前記両電極間の距離をＬとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、０．４Ｌ〜０．７Ｌの位置に設けた請求項１記載のレーザ発振装置。
3. 前記高抵抗の抵抗値は、１ＭΩ以上、１００ＭΩ以下である請求項１記載のレーザ発振装置。

Images