JP2011119458A - Gas laser oscillator - Google Patents

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Masahiko Hasegawa
正彦 長谷川
Hideo Noda
秀夫 野田
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas laser oscillator for preventing the leakage of cooling liquid. <P>SOLUTION: This gas laser oscillator is provided with: a wind tunnel container 50 into which laser gas is encapsulated; a discharging electrode 100 formed so as to face the wind tunnel container 50 and equipped with a pair of dielectric electrodes 1a and 1b partially formed with electrodes; and cooling channels 8 embedded in the dielectric electrodes 1a and 1b, and is configured to generate discharging in a space between electrode formation parts by applying a voltage to the electrodes of a pair of dielectric electrodes 1a and 1b, and to cool the dielectric electrodes 1a and 1b by making a cooling liquid pass through the cooling channels 8, wherein the cooling channels 8 of the dielectric electrodes 1a and 1b are embedded in the dielectric parts of the electrode formation parts and the dielectric parts of the dielectric electrodes corresponding to the downstream side of laser gas from the discharging space between the electrode formation parts, and the cooling channels 8 are formed of resin or metal. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、レーザ加工機に用いられているガスレーザ発振装置に関するものであり、特にその放電電極の冷却構造に係るものである。   The present invention relates to a gas laser oscillation device used in a laser processing machine, and particularly relates to a cooling structure for the discharge electrode.

従来のガスレーザ発振装置として、誘電体電極の内部に少なくとも一部を誘電体と金属電極とにより構成した冷却路を設け、冷却液を流して、誘電体電極を直接冷却することで、誘電体電極の熱応力(部分的熱膨張)を抑え、誘電体電極の変形や破壊を防止する技術が示されている(例えば、特許文献1)。   As a conventional gas laser oscillating device, a dielectric path is provided by providing a cooling path at least partially comprising a dielectric and a metal electrode inside the dielectric electrode, and flowing the coolant to directly cool the dielectric electrode. A technique for suppressing the thermal stress (partial thermal expansion) and preventing deformation and destruction of the dielectric electrode is disclosed (for example, Patent Document 1).

実開平5−38931号公報(要約と図1)Japanese Utility Model Publication No. 5-38931 (summary and Fig. 1)

通常、ガスレーザ発振装置で使用される誘電体は、ガラスやセラミックスである。これらは、脆性材であるため、温度分布による熱応力で破壊に至ることがある。特許文献1では、誘電体電極の誘電体に冷却路を形成している。このため、誘電体は良く冷やされて熱応力の発生は少ない。
しかし、誤操作や故障で冷却液の流量が減ったり、冷却液の圧力が高くなったりすると、誘電体が破壊し、冷却液が漏洩する。ガスレーザ発振装置では、風洞容器(ガス容器)の中に放電電極を設置するが、この漏洩した冷却液は一部気化して、風洞容器内を満たす。
Usually, the dielectric used in the gas laser oscillation apparatus is glass or ceramics. Since these are brittle materials, they may be broken by thermal stress due to temperature distribution. In Patent Document 1, a cooling path is formed in the dielectric of the dielectric electrode. For this reason, the dielectric is well cooled and the generation of thermal stress is small.
However, if the coolant flow rate decreases or the coolant pressure increases due to an erroneous operation or failure, the dielectric breaks down and the coolant leaks. In the gas laser oscillation device, a discharge electrode is installed in a wind tunnel container (gas container). The leaked coolant is partially vaporized to fill the wind tunnel container.

これは著しい不具合となる。例えば、
(1)高電圧の放電電極の誘電体電極間がショートし、給電手段(レーザ電源)が故障する。
(2)風洞容器内の掃除・乾燥に多くの費用と時間を要する。
(3)風洞容器内部が腐食し、交換が必要になる。
(4)ガス交換用の真空ポンプに冷却液が侵入し、故障する。
などである。この誘電体の破壊は、その物性値(脆性、熱膨張係数、ヤング率、破壊強度、曲げ強度など)から回避できない。したがって、従来の電極では、この不具合(破壊)の発生を回避できない。
また、冷却路の断面形状において、コーナ部が鋭角になるため、脆性材である誘電体の亀裂進展基点となり、繰り返し疲労破壊又は遅れ破壊が発生することがある。さらに、レーザガス上流側に対応する誘電体部は、冷却液で冷却され、かつ冷えたレーザガスによって冷却されている。したがって、放電中は温度分布が大きくなるため、破壊確率を高くしている。
This is a significant problem. For example,
(1) The dielectric electrodes of the high-voltage discharge electrode are short-circuited, and the power supply means (laser power supply) fails.
(2) A lot of cost and time are required to clean and dry the wind tunnel container.
(3) The inside of the wind tunnel container is corroded and needs to be replaced.
(4) Coolant enters the vacuum pump for gas replacement and breaks down.
Etc. This dielectric breakdown cannot be avoided due to its physical properties (brittleness, thermal expansion coefficient, Young's modulus, fracture strength, bending strength, etc.). Therefore, the conventional electrode cannot avoid the occurrence of this defect (destruction).
In addition, since the corner portion has an acute angle in the cross-sectional shape of the cooling path, it becomes a crack propagation starting point of a dielectric that is a brittle material, and repeated fatigue failure or delayed failure may occur. Further, the dielectric portion corresponding to the upstream side of the laser gas is cooled by the coolant and is cooled by the cooled laser gas. Therefore, since the temperature distribution becomes large during discharge, the probability of destruction is increased.

この発明は前記のような課題を解消するためになされたもので、ガスレーザ発振装置の正常ではない運転状態などによって、たとえ誘電体電極が破壊に至る場合でも、冷却液の漏洩を防ぐことができるガスレーザ発振装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can prevent the leakage of the coolant even when the dielectric electrode is destroyed due to an abnormal operating state of the gas laser oscillation device. An object is to obtain a gas laser oscillation device.

この発明に係るガスレーザ発振装置は、内部にレーザガスが封入される風洞容器と、前記風洞容器内に対向して設けられ、一部に電極がそれぞれ形成された一対の誘電体電極を
有する放電電極と、前記一対の誘電体電極のそれぞれの電極間に電圧を印加する給電手段と、前記誘電体電極内部に埋設された冷却路とを備え、前記一対の誘電体電極の電極に電圧を印加してそれぞれの電極形成部間の空間に放電を発生させると共に、前記冷却路内に冷却液を通し前記誘電体電極を冷却するように構成するガスレーザ発振装置において、前記誘電体電極の冷却路は、電極形成部の誘電体部と、前記電極形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する前記誘電体電極の誘電体部とに、それぞれ埋設すると共に、前記冷却路を樹脂又は金属で形成したものである。
A gas laser oscillating device according to the present invention includes a wind tunnel container in which a laser gas is enclosed, a discharge electrode having a pair of dielectric electrodes provided facing each other in the wind tunnel container, each of which is formed with electrodes. A power supply means for applying a voltage between the electrodes of the pair of dielectric electrodes, and a cooling path embedded in the dielectric electrode, and applying a voltage to the electrodes of the pair of dielectric electrodes. In the gas laser oscillation device configured to generate a discharge in a space between each electrode forming portion and to cool the dielectric electrode by passing a cooling liquid in the cooling path, the cooling path for the dielectric electrode is an electrode. The dielectric portion of the forming portion and the dielectric portion of the dielectric electrode corresponding to the downstream side of the laser gas from the discharge space between the electrode forming portions are respectively embedded, and the cooling path is formed of resin or metal. One in which the.

この発明のガスレーザ発振装置によれば、ガスレーザ発振装置の正常ではない運転状態などによって、たとえ誘電体電極が破壊に至る場合でも、冷却液の漏洩を防ぐことができる。   According to the gas laser oscillation device of the present invention, leakage of the coolant can be prevented even when the dielectric electrode is destroyed due to an abnormal operating state of the gas laser oscillation device.

一般的なガスレーザ発振装置の概略断面構成図である。1 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a general gas laser oscillation device. 図1のガスレーザ発振装置の概略正面構成図である。It is a schematic front block diagram of the gas laser oscillation apparatus of FIG. この発明の実施の形態1における放電電極を示し、図4のA−A線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4, showing the discharge electrode according to Embodiment 1 of the present invention. 実施の形態1における誘電体電極を示し、図3のB−B線断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3, showing the dielectric electrode in the first embodiment. 実施の形態1における誘電体電極を示し、図3の上面図である。FIG. 4 is a top view of FIG. 3 showing the dielectric electrode in the first embodiment. 実施の形態1における冷却路の3面図である。3 is a three-side view of a cooling path in the first embodiment. 実施の形態2における誘電体電極を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in a second embodiment. FIG. 実施の形態3における誘電体電極を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in a third embodiment. 実施の形態4における誘電体電極を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in a fourth embodiment. 実施の形態5における誘電体電極を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in a fifth embodiment. 実施の形態6における誘電体電極を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in a sixth embodiment. 実施の形態7における誘電体電極を示す断面図である。FIG. 10 is a sectional view showing a dielectric electrode in a seventh embodiment.

実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図に基づいて説明する。図1は一般的なガスレーザ発振装置200を示す概略断面構成図である。図2は図1のガスレーザ発振装置200の概略正面構成図である。図1,図2と共に示すX,Y,Z軸により、図1に対する図2の位置関係が分かる。図1において、風洞容器50内には放電電極100が設置されている。この放電電極100は、放電空間55を介して互いに対向して設けられた第1,第2の誘電体電極1a、1bから構成される。放電空間55の前後には、レーザ共振用ミラー(図2の全反射鏡5,部分透過鏡6)が設けられている。また、給電手段である電源10から高周波高電圧が放電電極100に印加される。この高周波高電圧によって、レーザガスは放電空間55で放電励起される。この放電による発光を、レーザ共振用ミラー5,6で共振させて、部分透過鏡6よりレーザ光Lとして出力する。放電空間55で放電加熱された高温ガス流54はガスダクト51に導かれ熱交換器52で冷却され、冷却されたガス流56はブロア53で再び放電空間55に送られる。このガス循環冷却は、「レーザガス温度が高いと発振効率が低下する」ことを防いでいる。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional configuration diagram showing a general gas laser oscillation device 200. FIG. 2 is a schematic front view of the gas laser oscillator 200 of FIG. The positional relationship of FIG. 2 with respect to FIG. 1 can be understood from the X, Y, and Z axes shown together with FIGS. In FIG. 1, a discharge electrode 100 is installed in a wind tunnel container 50. The discharge electrode 100 includes first and second dielectric electrodes 1a and 1b provided to face each other with a discharge space 55 interposed therebetween. Before and after the discharge space 55, laser resonance mirrors (total reflection mirror 5 and partial transmission mirror 6 in FIG. 2) are provided. Further, a high frequency high voltage is applied to the discharge electrode 100 from the power source 10 which is a power supply means. The laser gas is excited in the discharge space 55 by this high frequency high voltage. The light emitted by this discharge is resonated by the laser resonance mirrors 5 and 6 and output as laser light L from the partial transmission mirror 6. The high-temperature gas flow 54 that has been discharge-heated in the discharge space 55 is guided to the gas duct 51 and cooled by the heat exchanger 52, and the cooled gas flow 56 is sent again to the discharge space 55 by the blower 53. This gas circulation cooling prevents “the oscillation efficiency decreases when the laser gas temperature is high”.

図3は実施の形態1における放電電極を示す断面図である。図4は図3の誘電体電極のB−B線断面図である。なお、図3は、図4のA―A線断面図である。また、図5は図3の誘電体電極の上面図である。図6は誘電体電極1aの冷却路8の3面図(平面図,右側面図,表側面図)である。なお、符号の添え字のa,bは、aが放電電極の上側の誘電体電極の部分を表し、bが放電電極の下側の誘電体電極の部分を表す。図3について放電電極100の説明をする。放電電極100は、放電空間55を介して互いに対向して設けら
れた第1,第2の誘電体電極1a、1bから構成される。金属電極2a,2bには、電源(給電手段)10から高周波高電圧が印加される。放電空間55は、100Torr程度のレーザ(発振用)ガスで満たされていて、電源からの電力エネルギは放電エネルギに有効に変換される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the discharge electrode in the first embodiment. 4 is a cross-sectional view of the dielectric electrode of FIG. 3 taken along the line BB. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 5 is a top view of the dielectric electrode of FIG. FIG. 6 is a three-side view (plan view, right side view, front side view) of the cooling path 8 of the dielectric electrode 1a. In addition, in the subscripts a and b, “a” represents a portion of the dielectric electrode on the upper side of the discharge electrode, and “b” represents a portion of the dielectric electrode on the lower side of the discharge electrode. The discharge electrode 100 will be described with reference to FIG. The discharge electrode 100 is composed of first and second dielectric electrodes 1a and 1b provided to face each other with a discharge space 55 interposed therebetween. A high frequency high voltage is applied to the metal electrodes 2a and 2b from a power source (feeding means) 10. The discharge space 55 is filled with a laser (oscillation) gas of about 100 Torr, and the power energy from the power source is effectively converted into discharge energy.

次に誘電体電極1aの構成を、図3から図6について説明する。誘電体電極1aの誘電体の内部には冷却路8aが埋設されている。この冷却路8aの放電空間55に対応する位
置の冷却路8(又は冷却路の内壁)は導電性材料である円形の金属管で成り、誘電体電極1aの放電空間55に対応する誘電体部に密着している。この金属管が金属電極2a(金属冷却路)となる。それ以外の冷却路8a(又は冷却路の内壁)は、円管状の樹脂(樹脂冷却路9a)で成り、誘電体電極1aの誘電体部に密着している。つまり、樹脂冷却路9a,9bは誘電体電極1a,1bの電極2a,2b形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する誘電体部に密着している。図5,図6に示すように、冷却液7は冷却路8の注入穴13へ流入し,冷却路8aを通過し、排出穴14から流出する。また、金属電極2aに電圧を印可するための給電部15があり、高周波高電圧を印可する電源10が接
続されている。
Next, the configuration of the dielectric electrode 1a will be described with reference to FIGS. A cooling path 8a is embedded in the dielectric of the dielectric electrode 1a. The cooling path 8 (or the inner wall of the cooling path) at a position corresponding to the discharge space 55 of the cooling path 8a is formed of a circular metal tube made of a conductive material, and a dielectric portion corresponding to the discharge space 55 of the dielectric electrode 1a. It is in close contact with. This metal tube becomes the metal electrode 2a (metal cooling path). The other cooling path 8a (or the inner wall of the cooling path) is made of a tubular resin (resin cooling path 9a) and is in close contact with the dielectric portion of the dielectric electrode 1a. That is, the resin cooling paths 9a and 9b are in close contact with the dielectric portion corresponding to the downstream side of the laser gas from the discharge space between the electrodes 2a and 2b forming portions of the dielectric electrodes 1a and 1b. As shown in FIGS. 5 and 6, the coolant 7 flows into the injection hole 13 of the cooling path 8, passes through the cooling path 8 a, and flows out from the discharge hole 14. Further, there is a power supply unit 15 for applying a voltage to the metal electrode 2a, and a power supply 10 for applying a high frequency high voltage is connected thereto.

次に、実施の形態1の作用について説明する。放電空間55にレーザガス56が流された状態で、電源10により金属電極2a,2b間に高周波高電圧が印加されると、誘電体
電極1a、1bを介して放電空間55に無声放電が生じる。無声放電が生じると、無声放
電の電界方向(Z方向)と直交する方向(X方向)について、図2に示す全反射鏡5と部分透過鏡6とで構成される共振用ミラー内でレーザ発振が起こり、部分透過鏡6よりレーザ光Lが出力される。また、無声放電が生じると、金属電極2aと2bとに接触している部分の誘電体電極1a,1bの誘電体部は無声放電および誘電損失により温度上昇する。
Next, the operation of the first embodiment will be described. When a high frequency high voltage is applied between the metal electrodes 2a and 2b by the power supply 10 with the laser gas 56 flowing in the discharge space 55, silent discharge occurs in the discharge space 55 via the dielectric electrodes 1a and 1b. When silent discharge occurs, laser oscillation occurs in a resonance mirror composed of the total reflection mirror 5 and the partial transmission mirror 6 shown in FIG. 2 in a direction (X direction) orthogonal to the electric field direction (Z direction) of the silent discharge. Occurs, and the laser beam L is output from the partial transmission mirror 6. When silent discharge occurs, the temperature of the dielectric portions of the dielectric electrodes 1a and 1b in contact with the metal electrodes 2a and 2b rises due to silent discharge and dielectric loss.

このとき、冷却路8の注入穴13に冷却液ポンプ(図示せず)より供給される冷却液7が冷却路8a,8bの内部へ供給されている。金属電極2a,2bは冷却液7により直接冷却される。また、無声放電空間に接する誘電体部は放電により高温になるが、冷却路である金属電極2a,2bによって間接冷却されることになる。さらに、無声放電空間よりレーザガス下流側の誘電体部は高温のレーザガス流54により高温になるが、樹脂冷却路9a,9bによって間接冷却されることになる。したがって、誘電体電極1a,1bのそ
の部分の誘電体は高温になることはなく、熱膨脹差で変形、破壊することはない。
At this time, the coolant 7 supplied from the coolant pump (not shown) to the injection hole 13 of the coolant path 8 is supplied to the inside of the coolant paths 8a and 8b. The metal electrodes 2 a and 2 b are directly cooled by the cooling liquid 7. Moreover, although the dielectric part which touches a silent discharge space becomes high temperature by discharge, it is indirectly cooled by the metal electrodes 2a and 2b which are cooling paths. Further, the dielectric portion downstream of the silent discharge space is heated by the high-temperature laser gas flow 54, but is indirectly cooled by the resin cooling paths 9a and 9b. Therefore, the dielectrics of the portions of the dielectric electrodes 1a and 1b do not become high temperature, and are not deformed or destroyed due to the difference in thermal expansion.

ここで、冷却液7の供給圧力が異常に上昇したり、又は、冷却液ポンプの故障で冷却液7の流れが止まった場合、温度分布による熱応力が発生して、誘電体電極1a,1bの誘
電体が、変形、破壊することがある。しかし、実施の形態1では、冷却路8又は冷却路内壁は、金属又は樹脂より構成されているので、脆性材である誘電体に比較して、金属材料や樹脂材料はその熱膨張係数とヤング率の関係から同一温度差において発生する応力は遥かに小さいので、破壊に至らない。例えば、誘電体としてアルミナセラミックス(熱膨張係数0.000008、ヤング率400GPa)、金属としてアルミニウム(熱膨張係数0.000023、
ヤング率70GPa)、樹脂としてポリカ(熱膨張係数0.000065、ヤング率2.3GPa)を
用いたとして、同一温度差で発生する応力は、熱膨張係数とヤング率の積で比較できる。よって、応力の概算比として「アルミナセラミックス」対「アルミニウム」対「ポリカ」は、「320」対「161」対「15」となる。
Here, when the supply pressure of the cooling liquid 7 rises abnormally or the flow of the cooling liquid 7 stops due to a failure of the cooling liquid pump, a thermal stress is generated due to the temperature distribution, and the dielectric electrodes 1a and 1b. The dielectric may be deformed or destroyed. However, in the first embodiment, the cooling path 8 or the inner wall of the cooling path is made of a metal or a resin, so that the metal material or the resin material has a coefficient of thermal expansion and a Young's coefficient compared to a dielectric material that is a brittle material. Since the stress generated at the same temperature difference is much smaller due to the rate relationship, it does not break. For example, alumina ceramics (thermal expansion coefficient 0.000008, Young's modulus 400 GPa) as a dielectric, aluminum (thermal expansion coefficient 0.000023,
The stress generated at the same temperature difference can be compared by the product of the thermal expansion coefficient and the Young's modulus, assuming that the modulus (Young's modulus is 70 GPa) and polycarbonate (thermal expansion coefficient is 0.000065, Young's modulus is 2.3 GPa). Therefore, as an approximate ratio of stress, “alumina ceramics” vs. “aluminum” vs. “polycarbonate” is “320” vs. “161” vs. “15”.

また、金属材には疲労限があり、決して破壊されない設計が可能であるので対し、脆性材である誘電体は破壊基点が確率的に分布しているため、いつか破壊する可能性がある。よって、誘電体の破壊は避けられないとして、同位置における温度分布でも破壊に至らない金属材や樹脂材を使用すれば、誘電体が破壊しても冷却液が漏れることはない。また、高周波高電圧が印可される金属電極2aの断面形状を円形とした。これによって、金属電
極2aに電界が集中する鋭角部がない。一方、電界集中部分では誘電損失による発熱・温度上昇の発生が多い。したがって、実施の形態1では、特許文献1の平板状金属電極に比
較して、電界集中に起因する熱応力による誘電体電極の破壊確率は低い。
In addition, since a metal material has a fatigue limit and can be designed so as not to be destroyed, a dielectric material, which is a brittle material, has a probability distribution of failure base points, and may possibly break someday. Therefore, it is assumed that dielectric breakdown is unavoidable. If a metal material or a resin material that does not cause breakdown even at a temperature distribution at the same position is used, the coolant does not leak even if the dielectric breaks. Further, the cross-sectional shape of the metal electrode 2a to which the high frequency high voltage is applied is circular. Thereby, there is no acute angle part where the electric field concentrates on the metal electrode 2a. On the other hand, heat generation and temperature rise are often caused by dielectric loss in the electric field concentration part. Therefore, in the first embodiment, compared to the flat metal electrode disclosed in Patent Document 1, the probability of breakdown of the dielectric electrode due to thermal stress caused by electric field concentration is low.

また、冷却路の断面形状を円形とした。これによって、応力が集中する鋭角部がない。一方、冷却路は温度分布が最も急激に変化する部分である。つまり、熱応力も大きい。しかし、実施の形態1では、破壊の基点となる応力集中部がないため、繰り返し疲労破壊や遅れ破壊の発生する可能性は低い。さらに、冷却路を誘電体の電極形成部間の放電空間よりレーザガスの上流側に対応する誘電体部には設けなかった。これにより、この部分の冷却はレーザガス流(冷却されたガス流)56のみにする。そのため、冷却液の冷却効果が作用する場合よりも温度は高い。一方、放電空間55よりレーザガス下流側に対応する誘電体部は加熱されたレーザガスに接触しているので高温になる。したがって、実施の形態1では、誘電体の温度分布が緩和できるため、熱応力による誘電体電極の破壊確率は低い。   Moreover, the cross-sectional shape of the cooling path was circular. As a result, there is no sharp corner where stress is concentrated. On the other hand, the cooling path is a portion where the temperature distribution changes most rapidly. That is, the thermal stress is large. However, in the first embodiment, since there is no stress concentration portion that becomes a base point of fracture, the possibility of repeated fatigue fracture or delayed fracture is low. Further, the cooling path is not provided in the dielectric portion corresponding to the upstream side of the laser gas from the discharge space between the dielectric electrode forming portions. Thereby, only the laser gas flow (cooled gas flow) 56 is cooled in this portion. Therefore, the temperature is higher than when the cooling effect of the coolant acts. On the other hand, since the dielectric part corresponding to the laser gas downstream side from the discharge space 55 is in contact with the heated laser gas, it becomes high temperature. Therefore, in the first embodiment, since the temperature distribution of the dielectric can be relaxed, the probability of destruction of the dielectric electrode due to thermal stress is low.

例えば、通常の2kwのCOレーザ発振器では、冷却液の温度が10°C、冷却されたガス流56の温度が20°C、高温ガス流54の温度は100°C、よって、レーザガス下流側の誘電体部の温度も100°Cが一般的な条件となる。ここで、レーザガス上流側の誘電体部を冷やさないと、レーザガス上流側の誘電体部は、ガス温度と同じ20°Cとなる。ところが、レーザガス上流側の誘電体部を冷却液で冷やすと、冷却されたガス流56の温度が低いため、吸熱量が少なく、ほぼ10°Cとなる。よって、誘電体の温度分布差は、前者が80°C、後者が90°Cなる。つまり、後者(レーザガス上流側の誘電体部を冷却液で冷やす場合)の破壊確率が高くなる。 For example, in a typical 2 kw CO 2 laser oscillator, the temperature of the coolant is 10 ° C., the temperature of the cooled gas stream 56 is 20 ° C., and the temperature of the hot gas stream 54 is 100 ° C. The temperature of the dielectric portion is generally 100 ° C. Here, if the dielectric part on the upstream side of the laser gas is not cooled, the dielectric part on the upstream side of the laser gas becomes 20 ° C., which is the same as the gas temperature. However, when the dielectric portion upstream of the laser gas is cooled with the cooling liquid, the temperature of the cooled gas flow 56 is low, so that the amount of heat absorption is small and is approximately 10 ° C. Therefore, the temperature distribution difference of the dielectric is 80 ° C. for the former and 90 ° C. for the latter. That is, the probability of destruction of the latter (in the case where the dielectric part upstream of the laser gas is cooled with the cooling liquid) is increased.

このようにレーザ加工機の運用にあたって、誘電体電極が破壊しても、被害が少なく、かつ、その破壊の確率も低いガスレーザ発振装置、つまり、品質の高いガスレーザ発振装置を実現することができる。また、例え誘電体に著しい応力が作用し脆性材である誘電体が破損しても、冷却液が風洞容器内に漏洩しない。つまり、ガスレーザ発振装置の故障を電極のみに限定できる。よって、電極を交換するのみでガスレーザ発振装置を復旧できるので、より早期の復旧が可能なガスレーザ発振装置を得ることができる。
また、電極形成部の誘電体部に埋設された冷却路を導電性材料で形成し、前記冷却路に前記給電手段から電圧を印加するようにすれば、平板状の電極のみの場合のような電界集中がないため、誘電損失による発熱を低く抑えられ、熱歪み破壊の確率を低減できる。
さらに、誘電体電極の放電空間よりレーザガス上流側に対応する誘電体部には冷却路を形成しないものである。そのため、誘電体を破壊に至らしめる応力を緩和でき、電極破壊の確率を低減できる。
As described above, in the operation of the laser processing machine, even if the dielectric electrode is broken, a gas laser oscillation device that is less damaged and has a low probability of destruction, that is, a high-quality gas laser oscillation device can be realized. Further, even if a significant stress acts on the dielectric material and the dielectric material, which is a brittle material, is damaged, the coolant does not leak into the wind tunnel container. That is, the failure of the gas laser oscillation device can be limited only to the electrodes. Therefore, since the gas laser oscillation device can be restored only by exchanging the electrodes, a gas laser oscillation device that can be restored earlier can be obtained.
Further, if the cooling path embedded in the dielectric part of the electrode forming part is formed of a conductive material and a voltage is applied to the cooling path from the power feeding means, as in the case of only a flat electrode. Since there is no electric field concentration, heat generation due to dielectric loss can be kept low, and the probability of thermal strain breakdown can be reduced.
Further, a cooling path is not formed in the dielectric portion corresponding to the laser gas upstream side of the discharge space of the dielectric electrode. Therefore, the stress that causes the dielectric to break can be relaxed, and the probability of electrode breakage can be reduced.

実施の形態2.
図7は実施の形態2における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極2aとして、平板状の電極を誘電体内に設け、円形の金属管と接触させることで、円形の金属管と平板状の電極に給電するものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間55の電界分布は、より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態2と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態2でも、冷却路8の円形の金属管にも給電をしているため、誘電体内部での電界の集中の緩和効果は有効に作用する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is a sectional view showing a dielectric electrode in the second embodiment. As the conductive electrode 2a, a flat electrode is provided in the dielectric, and is brought into contact with the circular metal tube to supply power to the circular metal tube and the flat electrode. In this way, if a flat electrode is used, the electric field distribution in the discharge space 55 becomes more uniform. For example, in order to reduce the spatial and temporal fluctuation of the laser light, the laser gas flow velocity distribution may be made uniform at the same time as the second embodiment. Also in the second embodiment, since the power is supplied to the circular metal tube of the cooling path 8, the effect of reducing the concentration of the electric field inside the dielectric works effectively.

実施の形態3.
図8は実施の形態3における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極2aとして、平板状の電極を誘電体内に設け、円形の金属管と非接触とし、金属管および平板状の電極に給電するものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間55の電界分布は、
より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態3と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態3でも、冷却路8の円形の金属管に給電をしているため、誘電体内部での電界の集中の緩和効果は有効に作用する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a sectional view showing a dielectric electrode in the third embodiment. As the conductive electrode 2a, a flat electrode is provided in the dielectric body, is not in contact with the circular metal tube, and supplies power to the metal tube and the flat electrode. Thus, if a flat electrode is used, the electric field distribution in the discharge space 55 is
It becomes more uniform. For example, in order to reduce the spatial and temporal fluctuations of the laser light, the laser gas flow velocity distribution may be made uniform simultaneously with the third embodiment. Also in the third embodiment, since the power is supplied to the circular metal tube of the cooling path 8, the effect of reducing the concentration of the electric field inside the dielectric works effectively.

実施の形態4.
図9は実施の形態4における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極2aとして、平板状の電極を誘電体内に設け、直接給電するもので、かつ、冷却路をすべて円管状の樹脂で形成したものである。このように平板状の電極を用いれば放電空間55の電界分布は、より均一になる。例えば、レーザ光の空間的、時間的変動を少なくするには、実施の形態4と同時に、レーザガス流速分布の均一化も合わせて実施すればよい。実施の形態4でも、冷却路の断面を円形にしているため、冷却路の熱応力集中の緩和効果は有効に作用する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in the fourth embodiment. As the conductive electrode 2a, a plate-like electrode is provided in a dielectric body and directly supplied with power, and the cooling path is entirely formed of a tubular resin. In this way, if a flat electrode is used, the electric field distribution in the discharge space 55 becomes more uniform. For example, in order to reduce the spatial and temporal fluctuations of the laser light, the laser gas flow velocity distribution may be made uniform simultaneously with the fourth embodiment. Also in Embodiment 4, since the cross section of the cooling path is circular, the effect of mitigating thermal stress concentration in the cooling path is effective.

実施の形態5.
図10は実施の形態5における誘電体電極を示す断面図である。導電性電極2aとして、誘電体板21の表面に平板状の電極を設け、誘電体電極1aの誘電体の表面との間に接着層22により接着し、平板状の電極に直接給電するもので、かつ、冷却路8をすべて円管状の樹脂で形成したものである。このように平板状の電極を用いれば、放電空間55の電界分布は、より均一になる。また、誘電体の内に電極を形成する工程が簡略化されるので、コストは低く抑えられる。実施の形態5でも、冷却路の断面を円形にしているため、冷却路の熱応力集中の緩和効果は有効に作用する。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 10 is a sectional view showing a dielectric electrode in the fifth embodiment. As the conductive electrode 2a, a plate-like electrode is provided on the surface of the dielectric plate 21, and is adhered to the surface of the dielectric of the dielectric electrode 1a by the adhesive layer 22, and power is supplied directly to the plate-like electrode. And all the cooling paths 8 are formed with the tubular resin. If flat electrodes are used in this way, the electric field distribution in the discharge space 55 becomes more uniform. Further, since the process of forming the electrode in the dielectric is simplified, the cost can be kept low. Also in Embodiment 5, since the cross section of the cooling path is circular, the effect of mitigating thermal stress concentration in the cooling path is effective.

実施の形態6.
図11は実施の形態6における誘電体電極を示す断面図である。冷却路8(導電性冷却路2及び樹脂冷却路9)の断面形状は角部が円弧状であることで、円形に限定しなくてもよい。図11に示すように、例えば、外形状は四角形様で内形状が円、外形状および内形状共に四角形様、又は、楕円形など、製作しやすい形状で、所望の冷却性能が得られればよい。なお、外形状又は内形状が四角形様の場合は、角部をできるだけ滑らかな円弧状に形成する。冷却路の断面形状のコーナ部を円弧形状にすることにより、加熱された誘電体と冷却路壁面の温度差に起因する熱応力において、角部の応力集中が緩和できる。したがって、熱歪み破壊の確率を低減することができる。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 11 is a sectional view showing a dielectric electrode in the sixth embodiment. The cross-sectional shape of the cooling path 8 (the conductive cooling path 2 and the resin cooling path 9) is not limited to a circular shape because the corners are arc-shaped. As shown in FIG. 11, for example, the outer shape is a square shape, the inner shape is a circle, the outer shape and the inner shape are both a square shape, or an oval shape, and the desired cooling performance may be obtained. . When the outer shape or the inner shape is a quadrilateral shape, the corners are formed as smoothly as possible. By making the corner portion of the cross-sectional shape of the cooling path into an arc shape, the stress concentration at the corners can be reduced in the thermal stress caused by the temperature difference between the heated dielectric and the cooling path wall surface. Therefore, the probability of thermal strain breakdown can be reduced.

実施の形態7.
図12は実施の形態7における誘電体電極を示す断面図である。実施の形態1では、冷却路8は1本であったが、実施の形態7のように、両端で多分岐構造としてもよい。この場合、各冷却路8の断面形状を変えて冷却液の流量を所望の冷却性能が得られるように設計可能である。よって、誘電体電極1aの温度分布をより緩和できる。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a dielectric electrode in the seventh embodiment. In the first embodiment, the number of the cooling paths 8 is one. However, as in the seventh embodiment, a multi-branch structure may be used at both ends. In this case, it is possible to design the cooling liquid flow rate by changing the cross-sectional shape of each cooling path 8 so as to obtain a desired cooling performance. Therefore, the temperature distribution of the dielectric electrode 1a can be more relaxed.

なお、実施の形態において、冷却路の配列間隔は、一定に規定するものではなく、誘電体電極1a,1bの温度分布を緩和するように設定すればよい。つまり、温度上昇が激しい誘電体電極1a,1bの部分の冷却路を密にし、それ以外の部分を疎にして冷却能力を変え、誘電体の温度上昇が均一になるようにすればよい。したがって、誘電体の熱変形が均一になり、発生熱応力が小さくなり、誘電体が熱膨脹差で変形、破壊することがないため、放電電極(ガスレーザ発振装置)の信頼性を向上できる。
なお、実施の形態においては、レーザガス流56の流れる方向と直交するように冷却路8を設けたが、平行してもよい。
In the embodiment, the arrangement interval of the cooling paths is not fixed, and may be set so as to relax the temperature distribution of the dielectric electrodes 1a and 1b. That is, it is only necessary to make the cooling path of the dielectric electrodes 1a and 1b where the temperature rises drastically dense and change the cooling capacity by making the other parts sparse so that the temperature rise of the dielectric becomes uniform. Therefore, the thermal deformation of the dielectric becomes uniform, the generated thermal stress is reduced, and the dielectric is not deformed or broken due to the difference in thermal expansion, so that the reliability of the discharge electrode (gas laser oscillation device) can be improved.
In the embodiment, the cooling path 8 is provided so as to be orthogonal to the direction in which the laser gas flow 56 flows.

1 誘電体電極、 2 導電性(金属)電極、
5 全反射鏡 6 部分透過鏡
7 冷却液 8 冷却路
9 樹脂冷却路 10 電源
13 注入穴 14 排出穴
15 給電部 21 誘電体板
22 接着層 50 風洞容器
51 ガスダクト 52 熱交換器
53 ブロア 54 高温ガス流
55 放電空間 56 冷却されたガス流
100 放電電極 200 ガスレーザ発振装置
1 dielectric electrode, 2 conductive (metal) electrode,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Total reflection mirror 6 Partial transmission mirror 7 Coolant 8 Cooling path 9 Resin cooling path 10 Power supply 13 Injection hole 14 Discharge hole 15 Feed part 21 Dielectric board 22 Adhesive layer 50 Wind tunnel container 51 Gas duct 52 Heat exchanger 53 Blower 54 Hot gas Flow 55 Discharge space 56 Cooled gas flow 100 Discharge electrode 200 Gas laser oscillator

Claims (6)

内部にレーザガスが封入される風洞容器と、
前記風洞容器内に対向して設けられ、一部に電極がそれぞれ形成された一対の誘電体電極を有する放電電極と、
前記一対の誘電体電極のそれぞれの電極間に電圧を印加する給電手段と、
前記誘電体電極内部に埋設された冷却路とを備え、
前記一対の誘電体電極の電極に電圧を印加してそれぞれの電極形成部間の空間に放電を発生させると共に、前記冷却路内に冷却液を通し前記誘電体電極を冷却するように構成するガスレーザ発振装置において、
前記誘電体電極の冷却路は、電極形成部の誘電体部と、前記電極形成部間の放電空間よりレーザガスの下流側に対応する前記誘電体電極の誘電体部とに、それぞれ埋設すると共に、前記冷却路を樹脂又は金属で形成したことを特徴とするガスレーザ発振装置。
A wind tunnel container filled with laser gas,
A discharge electrode having a pair of dielectric electrodes provided facing each other in the wind tunnel container, each of which is formed with an electrode;
Power supply means for applying a voltage between the electrodes of the pair of dielectric electrodes;
A cooling path embedded inside the dielectric electrode,
A gas laser configured to apply a voltage to the electrodes of the pair of dielectric electrodes to generate a discharge in a space between the respective electrode forming portions, and to cool the dielectric electrodes by passing a coolant through the cooling path. In the oscillation device,
The dielectric electrode cooling path is embedded in the dielectric part of the electrode forming part and the dielectric part of the dielectric electrode corresponding to the downstream side of the laser gas from the discharge space between the electrode forming parts, respectively. A gas laser oscillation device characterized in that the cooling path is formed of resin or metal.
前記電極形成部の誘電体部に埋設された冷却路を導電性材料で形成し、前記冷却路に前記給電手段から電圧を印加することを特徴とする請求項1記載のガスレーザ発振装置。   The gas laser oscillation apparatus according to claim 1, wherein a cooling path embedded in a dielectric part of the electrode forming part is formed of a conductive material, and a voltage is applied to the cooling path from the power feeding unit. 前記電極形成部の電極は、導電性材料の前記冷却路と平板状の電極とで構成されることを特徴とする請求項2記載のガスレーザ発振装置。   3. The gas laser oscillation device according to claim 2, wherein the electrode of the electrode forming portion includes the cooling path made of a conductive material and a flat electrode. 前記誘電体電極の冷却路は樹脂材料で構成し、前記電極形成部の電極は平板状の電極で構成されることを特徴とする請求項1記載のガスレーザ発振装置   2. The gas laser oscillation apparatus according to claim 1, wherein the cooling path of the dielectric electrode is made of a resin material, and the electrode of the electrode forming portion is made of a flat electrode. 前記冷却路の断面形状の角部を円弧形状にしたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のガスレーザ発振装置。   The gas laser oscillation device according to any one of claims 1 to 4, wherein a corner portion of a cross-sectional shape of the cooling path is formed in an arc shape. 前記電極形成部の放電空間よりレーザガスの上流側に対応する誘電体部には冷却路を設けないことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のガスレーザ発振装置。   6. The gas laser oscillation apparatus according to claim 1, wherein no cooling path is provided in the dielectric portion corresponding to the upstream side of the laser gas from the discharge space of the electrode forming portion.
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