JP2007043020A - ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ媒質ガスの流れを制御して、良好な放電を得ることが可能であり、新規な構成を有するガスレーザ装置を提供する。
【解決手段】 ガスレーザ装置は、第１の方向に細長い第１の電極と、第１の方向と平行な方向に細長く、第１の電極と対向するように配置された第２の電極と、第１及び第２の電極に挟まれた空間にレーザ媒質ガスを送る送風装置と、送風装置により前記第１及び第２の電極に挟まれた空間に送られるレーザ媒質ガスの流れを、第１の方向、及び、第１及び第２の電極が相互に対向する第２の方向に関して、各々複数本の流れに分割するガス流分割部材とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスレーザ装置に関し、特に、レーザガス容器内でレーザ媒質ガスを循環させるガスレーザ装置に関する。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、特許文献１に開示されたガスレーザ装置について説明する。図２（Ａ）に示すように、レーザガス容器１０１の内部に、主放電電極１０２ａ、１０２ｂ、予備電離電極１０３ａ、１０３ｂ、及びガス循環用ファン１０４が配置されている。レーザ媒質ガスが、レーザガス容器１０１の内部に充填されている。主放電電極１０２ａ及び１０２ｂは、それぞれ一方向に細長く、互いに平行に配置される。主放電電極１０２ａ及び１０２ｂの長手方向が、図２（Ａ）の紙面に対して垂直である。

主放電電極１０２ａの近傍に、複数個の予備電離電極１０３ａが設けられている。予備電離電極１０３ａの各々は、主放電電極１０２ａ及び１０２ｂが相互に対向する方向に細長い。予備電離電極１０３ａは、主放電電極１０２ａの長手方向に沿う列状に配置されている。主放電電極１０２ａの両側に、それぞれ予備電離電極１０３ａの列が配置される。

主放電電極１０２ｂの近傍に、複数個の予備電離電極１０３ｂが設けられている。予備電離電極１０３ｂの各々は、主放電電極１０２ａ及び１０２ｂが相互に対向する方向に細長い。予備電離電極１０３ｂは、主放電電極１０２ｂの長手方向に沿う列状に配置されている。主放電電極１０２ｂの両側に、それぞれ予備電離電極１０３ｂの列が配置される。予備電離電極１０３ｂは、主放電電極１０２ｂが固定された導電板１０５に取り付けられている。予備電離電極１０３ａ及び１０３ｂの対応する電極同士が対向する。

予備電離電極１０３ａ、１０３ｂ及び主放電電極１０２ａ、１０２ｂに所定の電圧が印加される。これにより、予備電離電極１０３ａと１０３ｂとの間でスパーク放電が生じ、レーザ媒質ガスが予備電離される。予備電離に引き続き、主放電電極１０２ａと１０２ｂとの間で主放電が生じる。放電によりレーザ媒質ガスが励起され、レーザ媒質ガスから光が放出される。光共振器内を往復する光により誘導放出が生じ、レーザビームが出射する。ガス循環用ファン１０４が、主放電電極１０２ａ及び１０２ｂに挟まれた空間を横切るレーザ媒質ガスの流れを生成する。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った予備電離電極１０３ｂの断面図である。図２（Ｂ）に、予備電離電極１０３ｂの断面図と併せて、主放電電極１０２ｂ、導電板１０５も示されている。レーザ媒質ガスの流れは、予備電離電極１０３ｂ同士の隙間を通過した後に、主放電電極１０２ａ及び１０２ｂに挟まれた空間に流入する。

特許文献１のガスレーザ装置は、レーザ媒質ガスの流れの中に配置される予備電離電極１０３ｂの断面形状を、レーザ媒質ガスの流れの方向に細長くすることにより、予備電離電極１０３ｂに起因するガス流の乱れを低減している。予備電離電極１０３ａについても同様である。予備電離電極に起因するガス流の乱れを低減することにより、主放電の安定化が図られている。

特開２００１−３４５０００号公報

特許文献１のガスレーザ装置は、予備電離電極に起因して発生するガス流の乱れを低減する。

本発明の一目的は、レーザ媒質ガスの流れを制御して、良好な放電を得ることが可能であり、新規な構成を有するガスレーザ装置を提供することである。

第１の方向に細長い第１の電極と、前記第１の方向と平行な方向に細長く、前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極と、前記第１及び第２の電極に挟まれた空間にレーザ媒質ガスを送る送風装置と、前記送風装置により前記第１及び第２の電極に挟まれた空間に送られるレーザ媒質ガスの流れを、前記第１の方向、及び前記第１及び第２の電極が相互に対向する第２の方向に関して、各々複数本の流れに分割するガス流分割部材とを有するガスレーザ装置が提供される。

ガス流分割部材により、レーザ媒質ガスの流れが、第１及び第２の方向の双方に関して複数本に分割される。第１及び第２の方向に関して、レーザ媒質ガスの密度が均一に近づけられた流れが生成される。第１及び第２の電極間に電圧を印加して、レーザ媒質ガス中で良好な放電を生じさせることが可能となる。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）を参照して、本発明の実施例によるガスレーザ装置について説明する。図１（Ａ）に示すように、レーザガス容器１の内部に、主放電電極対２、予備電離電極３ａと３ｂ、送風装置４、及びガス流分割部材５が配置されている。レーザ媒質ガスが、レーザガス容器１の内部に充填されている。レーザ媒質ガスとして、ＸｅＣｌ、ＡｒＦ、ＫｒＦ等が用いられる。

主放電電極対２は、主放電電極２ａ及び２ｂから構成される。主放電電極２ａ及び２ｂの各々は、一方向に細長く、互いに平行に配置されている。両電極の長手方向に関する長さはほぼ等しい。主放電電極２ａ及び２ｂの長手方向の長さ、及び主放電電極２ａと主放電電極２ｂとの間隔は、ガスレーザ装置の仕様に応じて適宜設定される。図１（Ａ）において、主放電電極２ａ及び２ｂの長手方向（これを主放電電極対２の長手方向と呼ぶこととする）が図１（Ａ）の紙面に垂直である。

予備電離電極３ａが、例えば、誘電体からなる円筒状の部材の中空部に、ニッケル等からなる電極線を配置することにより形成される。予備電離電極３ｂも同様である。予備電離電極３ａは一方向に細長く、その長手方向が、主放電電極２ａの長手方向と平行である。予備電離電極３ｂは一方向に細長く、その長手方向が、主放電電極２ｂの長手方向と平行である。主放電電極２ａの両側に、それぞれ予備電離電極３ａが配置され、主放電電極２ｂの両側に、それぞれ予備電離電極３ｂが配置される。

例えば、主放電電極２ａ及び予備電離電極３ｂが接地電位にされ、主放電電極２ｂ及び予備電離電極３ａに所定の電圧が印加される。これにより、予備電離電極３ａと主放電電極２ａとの間、及び予備電離電極３ｂと主放電電極２ｂとの間で、それぞれ、コロナ放電が生じ、レーザ媒質ガスが予備電離される。予備電離に引き続き、主放電電極２ａと２ｂとに挟まれた空間１０（これを主放電空間１０と呼ぶこととする）で主放電が生じる。放電に伴い、レーザ媒質ガスが励起され、レーザ媒質ガスから光が放出される。

図１（Ｂ）は、主放電電極対２の長手方向及び主放電電極２ａと２ｂとが相互に対向する方向（これを主放電電極対２の対向方向と呼ぶこととする）の双方に直交する視線で見たレーザガス容器１の概略図であり、主放電電極対２の近傍の部分を示す。

主放電電極対２の長手方向に関して、レーザガス容器１の一端がウィンドウＷ１で閉じられ、他端がウィンドウＷ２で閉じられている。レーザガス容器１の外部において、ウィンドウＷ１の近傍に反射鏡Ｍ１が配置され、ウィンドウＷ２の近傍に部分反射鏡Ｍ２が配置されている。レーザガス容器１の内部からウィンドウＷ１を透過した光が、反射鏡Ｍ１に入射し、レーザガス容器１の内部からウィンドウＷ２を透過した光が、部分反射鏡Ｍ２に入射する。反射鏡Ｍ１と部分反射鏡Ｍ２とは、反射面が相互に対向するように配置されている。両反射鏡が、光共振器を構成する。光共振器内を往復する光によって誘導放出が生じ、部分反射鏡Ｍ２からレーザビームが出射する。主放電を所定の周期で繰り返すことにより、所定の繰り返し周波数を有するパルスレーザビームが得られる。

図１（Ａ）に戻って説明を続ける。送風装置４が、ファン４ａとガイド４ｂとを含んで構成される。ファン４ａを回転させることにより、レーザ媒質ガスの流れが発生する。ガイド４ｂが、主放電空間１０にレーザ媒質ガスが送られるように（ガイド４ｂの噴出し口から主放電空間１０に向かってレーザ媒質ガスが噴出されるように）、レーザ媒質ガスの流れを誘導する。送風装置４から送出されたレーザ媒質ガスの流れは、概ね、主放電電極の長手方向及び対向方向の双方に平行な面に対して垂直である。

送風装置４により、レーザ媒質ガスが主放電空間１０に供給されるとともに、放電が生じた直後のレーザ媒質ガスが主放電空間１０から除かれる。レーザガス容器１の内部に、主放電電極の長手方向に細長い絶縁体６が配置されている。主放電空間１０から除かれたレーザ媒質ガスは、レーザガス容器１の内壁と絶縁体６の表面との間に画定された空間内で、矢印Ｃで示すように、絶縁体６の周りを巡るように流れた後に送風装置４に流入し、再び主放電空間１０に供給される。なお、予備電離電極３ａ及び３ｂは、レーザ媒質ガスの流れの中には配置されない。

放電が生じた直後のレーザ媒質ガス中で再度放電を行うと、良好な放電が生じず、所望のパルスエネルギを持つレーザビームが得られない。送風装置４が生成するレーザ媒質ガスの流れにより、主放電空間１０内の放電を終えた直後のレーザ媒質ガスが、レーザガス容器１内を循環したレーザ媒質ガスに置換されるので、パルスごとのエネルギのばらつきが小さくなる。

送風装置４が有するガイド４ｂのガス流の噴出し口に、ガス流分割部材５が取り付けられている。ガス流分割部材５として、例えば、絶縁体製の網を用いることができる。なお、ガス流分割部材５の材料として絶縁体が適しているが、ガス流分割部材５の材料は絶縁体に限定されない。

図１（Ｃ）は、主放電電極対２の長手方向及び主放電電極対２の対向方向の双方に直交する視線で見たガス流分割部材５の概略図である。ガス流分割部材５は、行列状に並んだ複数の長方形の開口を有する。行方向（図中の左右方向）が、主放電電極対２の長手方向と平行であり、列方向（図中の上下方向）が、主放電電極対２の対向方向と平行である。ガス流分割部材５の、主放電電極対２の長手方向に関する長さは、例えば、主放電電極２ａ及び２ｂの長手方向の長さと同程度である。ガス流分割部材５の、主放電電極対２の対向方向に関する幅は、例えば、主放電電極２ａと２ｂの間隔と同程度である。

次に、ガス流分割部材５の作用について説明する。送風装置４のガイド４ｂ内を通ったレーザ媒質ガスの流れは、ガス流分割部材５の開口を通過することにより、各開口に対応する流れに分割される。すなわち、ガス流分割部材５により、レーザ媒質ガスの流れが、主放電電極対２の長手方向に関して複数の流れに分割されるとともに、主放電電極対２の対向方向に関しても複数の流れに分割される。

ファン４ａにより生成され、ガイド４ｂ内を通るガス流は、乱流である。ガス流分割部材５が無ければ、ガイド４ｂから送出され、主放電空間１０に達したガス流中に、ガイド４ｂの噴出し口の開口に対応する大きさの、相対的に大きな渦が存在し得る。ガス流中の渦の中心部分ではレーザ媒質ガスの密度が低く、渦の周辺部分ではレーザ媒質ガスの密度が高くなる。つまり、渦に起因してレーザ媒質ガスの密度の偏りが生じる。主放電空間１０内におけるレーザ媒質ガスの密度の偏りに起因して、主放電の空間的な均一性が損なわれる。放電が強い部分では、レーザビームを発生し難いアーク放電となる場合もある。また、渦の状態の時間的な変動に起因して（つまり、主放電空間１０内におけるレーザ媒質ガスの密度分布の時間的な変動に起因して）、パルスごとのエネルギがばらつく。

ガス流分割部材５は、主放電電極対２の長手方向及び対向方向の双方について、レーザ媒質ガスの流れを分割する。これにより、主放電空間１０に、高々ガス流分割部材５の開口に対応する大きさの、相対的に小さな渦しか存在しないようにできる。主放電空間１０内に、相対的に大きな渦が少数存在する場合よりも、相対的に小さな渦が多数存在する場合の方が、レーザ媒質ガスの密度分布が均一に近づくと考えられる。また、レーザ媒質ガスの密度分布が均一に近づくことにより、密度分布の時間的な変動が小さくなると考えられる。

以上説明したように、実施例のガスレーザ装置は、ガス流分割部材５が、レーザ媒質ガスの流れを主放電電極２の長手方向及び対向方向の双方について分割する。これにより、主放電空間１０におけるレーザ媒質ガスの密度分布が均一に近づけられて、主放電の空間的な均一性が向上するとともに、レーザ媒質ガスの密度分布の時間的変動が抑制されて、パルスごとのエネルギのばらつきが小さくなると考えられる。

なお、ガス流分割部材５の行方向（主放電電極対２の長手方向）に並ぶ開口の数は、複数であればよいが、少なすぎると渦を充分には小さくできないので、例えば９０以上とするのが好ましい。ガス流分割部材５のうち、相互に隣り合う開口同士の間の部分を隔壁と呼ぶこととする。隔壁はガス流に対する障害物となる。行方向に並ぶ開口の数が増えるほど、行方向に並ぶ隔壁の数も増えるので、ガス流を効率的に流すという観点から、ガス流分割部材５の行方向の開口の数は、例えば３００以下とするのが好ましい。

同様に、ガス流分割部材５の、列方向（主放電電極対２の対向方向）に並ぶ開口の数は、複数であればよいが、渦を充分に小さくするために、例えば３以上とするのが好ましく、ガス流を効率的に流すために、例えば１０以下とするのが好ましい。

ガス流分割部材５の有する複数の開口の形状及び大きさを、すべて等しくする必要はない。１つの開口の、主放電電極対２の長手方向に関する寸法は、例えば、主放電電極２ａ（または２ｂ）の長手方向の長さの１／９０〜１／３００とするのが好ましい。１つの開口の、主放電電極対２の対向方向に関する寸法は、例えば、主放電電極２ａ及び２ｂの対向方向に関する間隔の１／３〜１／１０とするのが好ましい。

上述の例では、ガス流分割部材の開口の形状が長方形であったが、他の形状、例えば正方形であってもよい。また、正方形や長方形以外の多角形、例えば三角形や六角形であってもよい。ガス流分割部材として、また例えば、板状の部材に複数の円形の開口を配置したようなものを用いることも可能である。なお、開口の形状として、正方形、長方形、正三角形、正六角形等、平面上に隙間なく配置できるような多角形を採用すれば、開口の隔壁を細くすることが容易になる。

上述のガスレーザ装置では、主放電電極との間でコロナ放電による予備電離放電を生じさせる方式の予備電離電極を用いたが、互いに対向する予備電離電極同士の間でスパーク放電を生じさせる方式の予備電離電極を用いることもできる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、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。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、本発明の実施例によるガスレーザ装置の概略図であり、図１（Ｃ）は、実施例によるガス流分割部材の平面図である。 図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、特許文献１が開示するガスレーザ装置の概略図である。

符号の説明

１ レーザガス容器
２ 主放電電極対
２ａ、２ｂ 主放電電極
３ａ、３ｂ 予備電離電極
４ 送風装置
４ａ ファン
４ｂ ガイド
５ ガス流分割部材
６ 絶縁体
１０ 主放電空間

Claims (5)

1. 第１の方向に細長い第１の電極と、
   前記第１の方向と平行な方向に細長く、前記第１の電極と対向するように配置された第２の電極と、
   前記第１及び第２の電極に挟まれた空間にレーザ媒質ガスを送る送風装置と、
   前記送風装置により前記第１及び第２の電極に挟まれた空間に送られるレーザ媒質ガスの流れを、前記第１の方向、及び前記第１及び第２の電極が相互に対向する第２の方向に関して、各々複数本の流れに分割するガス流分割部材と
   を有するガスレーザ装置。
2. 前記ガス流分割部材が、レーザ媒質ガスを通過させる複数の開口を有する請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記ガス流分割部材が、前記第２の方向に関して、レーザ媒質ガスの流れを３本以上に分割する請求項１または２に記載のガスレーザ装置。
4. 前記ガス流分割部材が、前記第１の方向に関して、レーザ媒質ガスの流れを９０本以上に分割する請求項１〜３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
5. 相互に対向する２つの電極を含む電極対と、
   レーザ媒質ガスの流れを生成するファン、及びレーザ媒質ガスが噴出し口から前記電極対の２つの電極に挟まれた空間に向かって噴出されるように、前記ファンにより生成されたレーザ媒質ガスの流れを誘導するガイドを含む送風装置と、
   前記ガイドの噴出し口に取り付けられ、該ガイドから噴出されるレーザ媒質ガスの流れを複数に分割するガス流分割部材と
   を有するガスレーザ装置。

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