JP2011233723A - Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でレーザ管からのＨｅガスの透過・散逸を防止する。
【解決手段】ガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、発振器（リングレーザ発振器）１０をＨｅガス非透過性の気密筐体６１に収納し、気密筐体６１内部の発振器１０を取り囲む空間にレーザ管（ブロック１１内の通路１２）に封入されたＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい分圧を有するＨｅガスを成分に持つ混合気体を充填する。Ｈｅガスの透過自体が発生しない。
【選択図】図１

Description

この発明はガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガス（ヘリウム−ネオンガス）が封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置に関する。

Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置においてはＨｅガスの物質透過性が高いため、Ｈｅ−Ｎｅガスを封入するレーザ管構成部品の各接合部を十分気密に作製しても、経時的にＨｅ−Ｎｅガス中のＨｅガスがレーザ管を構成するガラス材料自体を徐々に透過して外部に散逸するため、発振器の性能が低下し、長寿命を実現することができないといった欠点がある。

図２はこのような発振器の一例として、リングレーザジャイロのリングレーザ発振器の構成を示したものである。この例ではレーザ管はガラス製のブロック１１内に三角形の通路１２が形成されて構成されており、三角形の各頂点にミラー１３〜１５がそれぞれ配置され、これらミラー１３〜１５により三角形のリング状光路が構成されている。ブロック１１にはレーザ光を発振させるためのアノード１６，１７及びカソード１８が取り付けられている。

このリングレーザ発振器１０では温度要因等によるリング状光路の光路長変化を補償して一定に維持するためにミラーアクチュエータ２０を備えており、３つのミラー１３〜１５のうち、ミラー１４はミラーアクチュエータ２０に保持されて可動ミラーとされている。

図３はミラーアクチュエータ２０の構成を示したものであり、ミラーアクチュエータ２０は圧電アクチュエータ２１と可動ミラー１４を保持したミラー保持体２２とがねじ２３で連結一体化されて構成されている。図３中、２４はスペーサを示し、２５はミラー保持体２２に保持されたナットを示す。

ミラー保持体２２は円筒状固定部２２ａとその軸心位置に位置する柱状可動部２２ｂとがダイアフラム２２ｃを介して連結一体化された構造とされ、ガラス製とされる。柱状可動部２２ｂには可動ミラー１４が配置されている。

圧電アクチュエータ２１は２枚の円板状圧電素子２１ａ，２１ｂを円板状電極２１ｃを介して重ね、さらに２枚の円板状圧電素子２１ａ，２１ｂの外側にそれぞれリング状電極２１ｄ，２１ｅを重ねて接合一体化することによって構成されており、電極２１ｃと電極２１ｄ，２１ｅとの間に直流電圧を印加すると、圧電素子２１ａ，２１ｂの中心部が法線方向に変位し、これにより可動ミラー１４が変位して図２におけるリング状光路の光路長が制御されるものとなっている。

上記のような構成を有するリングレーザ発振器１０においては、レーザ管を構成するブロック１１の構成材料には例えば熱膨張係数が小さく、かつＨｅガスの非透過性も優れたガラスであるゼロデュア（登録商標）が用いられ、ミラー保持体２２の構成材料にも同様にゼロデュアが用いられる。

しかるに、ブロック１１は図２に示す通り、比較的厚みがあるため、Ｈｅガスの非透過性に優れたゼロデュアを構成材料として用いることによりＨｅガスの透過を抑えることができるものの、ミラー保持体２２にはガラスの薄肉部であるダイアフラム２２ｃがあり、このダイアフラム２２ｃはブロック１１の内部空間（通路１２）と外部との境界で封止機能を兼ねているため、ダイアフラム２２ｃをゼロデュアで構成したとしても、このダイアフラム２２ｃをＨｅガスが図２及び３中に矢印Ａで示したように透過して散逸することを抑えることはできない。

さらに、リングレーザジャイロの小型化を図る場合、ダイアフラム２２ｃもさらに薄くする必要があり、Ｈｅガスの透過・散逸に対する対策が必要になる。

一方、一般的なガスレーザの分野においてはレーザ管からのガスの漏出に対し、減圧した分のガスを補給することが行われている。図４はそのようなガスを補給する手段を備えた特許文献１に記載されているガスレーザ装置の構成を示したものであり、図５は特許文献２に記載されているレーザ発振器の構成を示したものである。

図４ではＨｅガスが封入された密閉容器３１と、密閉容器３１内より圧力が高いＨｅガスが封入された容器（補給容器）３２とが石英ガラス製のＨｅ透過壁３３を介して接続されており、Ｈｅ透過壁３３を電熱線３４で加熱してＨｅガスの透過量を増大させることによりＨｅガスを容器３２から密閉容器３１に補給するものとなっている。

電熱線３４への電流は密閉容器３１内の抵抗線３５の抵抗値と、Ｈｅガスが封入された基準抵抗管３６内に設けられた抵抗線３７の抵抗値とを抵抗比較器３８で比較し、その抵抗比較器３８の出力を増幅器３９で増幅することによって生成される。

即ち、密閉容器３１内のＨｅガスが漏出し、ガス圧が低下すると、抵抗線３５の温度が上昇してその抵抗値が増大することにより抵抗比較器３８から出力が送出され、これにより電熱線３４に電流が流れるものとなっている。Ｈｅガスが容器３２から密閉容器３１に補給され、そのガス圧が増大すると、抵抗比較器３８の出力は消滅し、電熱線３４への電流が遮断され、これにより密閉容器３１内のＨｅガス圧をほぼ一定値に保持することができるものとなっている。

図５に示したレーザ発振器は発振器本体４１の周囲に外箱４２を設け、外箱４２と発振器本体４１間の空間４３を発振器本体４１内部のガス圧より低圧として、発振器本体４１内への外気の侵入を防止し、かつ発振器本体４１内からのガス４４の漏出によるガス圧の低下を防止することができるようにしたものである。

発振器本体４１内のガス圧低下を圧力検知器４５で検知すると、電磁弁４６を操作してガスボンベ４７からガスを発振器本体４１内に注入し、発振器本体４１内のガス圧を一定に保つものとなっている。図５中、４８は放電管を示す。部分透過鏡４９と全反射鏡５１間で増幅されたレーザ光は部分透過鏡４９からウインドウ５２を通って放出されるものとなっている。なお、図５中、５３は冷却器、５４は送風機を示す。また、５５は外箱４２と発振器本体４１間の空間４３の圧力を検知する圧力検知器を示し、５６は空間４３のガスを外部に排出する排気ポンプを示す。

特開昭５１−４４４９１号公報 特開昭５９−２１３１８６号公報

上述したように、レーザ管からのガスの漏出に対し、ガスを補給することが従来行われており、ガスを補給するために、
（１）レーザ管のガス圧低下を検出する手段
（２）レーザ管へガスを補給する手段
（３）ガスの補給手段を制御する手段
といった３つの手段を備えることが必要であった。

（１）の手段は図４では抵抗線３５であり、図５では圧力検知器４５である。（２）の手段は図４では容器３２、Ｈｅ透過壁３３、電熱線３４であり、図５ではガスボンベ４７である。また、（３）の手段は図４では基準抵抗管３６、抵抗比較器３８であり、図５では電磁弁４６である。

しかるに、このような（１）〜（３）の手段を具備する構成は、その分構成が複雑となり、また装置が大型化し、装置の小型化を図る上で大きな阻害要因となっていた。

この発明の目的はこの問題に鑑み、ガス圧低下を検出する手段やガスを補給・制御する手段を用いることなく、レーザ管からのＨｅガスの透過・散逸を防止することができるようにしたＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、ガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、発振器はＨｅガス非透過性の気密筐体に収納され、気密筐体内部の発振器を取り囲む空間にはレーザ管に封入されたＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい圧力を有するＨｅガスが充填される。

請求項２の発明によれば、ガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、発振器はＨｅガス非透過性の気密筐体に収納され、気密筐体内部の発振器を取り囲む空間にはレーザ管に封入されたＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい分圧を有するＨｅガスを成分に持つ混合気体が充填される。

請求項３の発明では請求項２の発明において、気密筐体内部に充填された混合気体は気密筐体の外部の大気圧と等しい総圧力を有する。

請求項４の発明では請求項２又は３の発明において、混合気体はＨｅガスとＮ_２ガスとを成分とする混合気体とされる。

請求項５の発明では請求項１乃至４の何れかの発明において、発振器はガラスの薄肉部でなるダイアフラムに支持された光路長制御用可動ミラーを具備するリングレーザ発振器とされる。

この発明では、発振器を気密筐体に収納して、その気密筐体にＨｅガスを充填し、発振器内外のＨｅガス圧を等しくする構成を採用したことにより、Ｈｅガスの透過自体が発生しないものとしている。よって、この発明によれば、長期に安定して動作するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置を実現することができ、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置の長寿命化を図ることができる。

また、Ｈｅガスを補給する従来例のように、ガス圧低下を検出する手段やガスを補給・制御する手段はこの発明では不要であり、よって構成の簡易化を図ることができ、その点でＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置の小型化を図ることが容易となる。

この発明の一実施例を説明するための図。 リングレーザジャイロのリングレーザ発振器の構成を示す図。 図２におけるミラーアクチュエータの構成を示す図。 ガスレーザ装置の従来構成の一例を示す図。 ガスレーザ装置（レーザ発振器）の従来構成の他の例を示す図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はリングレーザジャイロのリングレーザ発振器に、この発明を適用した実施例を示したものである。リングレーザ発振器１０の構成は図２に示したリングレーザ発振器１０の構成と同じであり、その詳細な説明は省略する。

この例ではリングレーザ発振器１０はＨｅガス非透過性の気密筐体６１に収納され、気密筐体６１内部のリングレーザ発振器１０を取り囲む空間にはＨｅガスとＮ_２ガス（窒素ガス）とを成分とする混合気体が充填される。混合気体中のＨｅガスの分圧はリングレーザ発振器１０においてブロック１１内に三角形の通路１２として構成されているレーザ管に封入されているＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しくされ、これによりこの例ではブロック１１やミラーアクチュエータ２０のミラー保持体２２（図３参照）を構成するガラスをＨｅガスが透過する現象自体が発生しないようにしている。

Ｈｅガスの透過は通常の漏れのようにレーザ管構成部品の接合部に隙間があることにより発生するわけではなく、ガラス材料自体をＨｅガスが透過するものであり、Ｈｅガス以外の他の気体は透過できない。そのため、Ｈｅガスの透過に関係するのは全体のガス圧ではなく、その中のＨｅの分圧である。そこで、リングレーザ発振器１０内部のＨｅ分圧と、リングレーザ発振器１０の外部である気密筐体６１内部のＨｅ分圧とを等しくすることにより、Ｈｅガスとしては圧力差が無くなるため、Ｈｅガスの透過は発生しないものとなる。

気密筐体６１はステンレス等の金属製とされ、気密筐体６１内部に充填されるＨｅガスとＮ_２ガスとよりなる混合気体の総圧力はこの例では気密筐体６１の外部の大気圧と等しくされる。

気密筐体６１内部への混合気体の充填は気密筐体６１内部を一旦真空にし、その後、所定の分圧となるまでＨｅガスを充填し、その後、大気圧となるまでＮ_２ガスを充填すればよい。気密筐体６１にはこのためにフランジ付配管６２が溶接されて取り付けられている。

フランジ付配管６２はこの例では配管コネクタ６３によりＮ_２ボンベ６４、Ｈｅボンベ６５及び真空ポンプ６６が接続された配管６７と接続されている。図１中、７１〜７３はバルブを示し、７４は圧力計を示す。フランジ付配管６２は気密筐体６１内部への混合気体の充填が完了した後、封じ切られる。

フランジ付配管６２の封じ切りは工具を用い、配管を圧着する（押しつぶす）ことによって行われる。図１は配管が封じ切られた状態を示しており、封じ切り部６２ａは封じ切り後、二点鎖線で示したように切断されて不要部分が分離除去される。なお、気密筐体６１には上述したフランジ付配管６２に加え、気密コネクタ７５，７６の一方が溶接されて取り付けられている。リングレーザジャイロに対する電源の供給、信号の入出力は図１では詳細な接続の図示を省略しているが、この気密コネクタ７５，７６を介して行われる。

以上説明したように、この例によれば従来のようにＨｅガスの漏出に対し、Ｈｅガスを補給するのではなく、リングレーザ発振器内部とリングレーザ発振器外部である気密筐体内部のＨｅ分圧を等しくすることで、リングレーザ発振器からのＨｅガスの透過自体が発生しないようにしている。

つまり、この例ではガス圧の平衡状態を利用して常時、自動的にリングレーザ発振器内部のＨｅガス圧が維持されるように構成されており、従来、ガスを補給するために必要であったガス圧低下を検出する手段やガスを補給・制御する手段は一切不要となる。よって、小型化を図ることが可能となり、小型でＨｅガスが透過・散逸することなく、安定して長寿命に動作するリングレーザ発振器を実現することができる。

また、従来のリングレーザ発振器においてはレーザ管を構成するブロックに、Ｈｅガスの非透過性に優れた高価なガラスであるゼロデュアを用いていたが、ゼロデュアに替え、例えばパイレックス（登録商標）のようなＨｅガスの透過性が比較的高い安価なガラスを用いても、安定して長寿命に動作するリングレーザ発振器を実現することができる。

なお、この例ではＨｅガスとＮ_２ガスとを成分とする混合気体を気密筐体内に充填しているが、例えばリングレーザ発振器に封入されているＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい圧力を有するＨｅガスのみを充填するようにしてもよく、この場合においても同様にレーザ発振器からのＨｅガスの透過・散逸を防止することができる。

但し、上述した例のように、気密筐体内に混合気体を充填し、混合気体の総圧力を気密筐体外部の大気圧と等しくすれば、気密筐体の強度等に対する特別な配慮は不要となり、その点で気密筐体の作製が容易となる。

以上、リングレーザジャイロのリングレーザ発振器を例にこの発明の実施例を説明したが、この発明はガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有する各種Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置に適用することができる。

なお、このようなＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、レーザ管構成部品の各接合部を十分気密に作製しても、Ｈｅガスがレーザ管を構成するガラス材料自体を透過して散逸することを解決課題としているのであって、つまりレーザ管構成部品の各接合部は十分気密に作製されなければならず、気密筐体内に例えばＨｅガスとＮ_２ガスとを成分とする混合気体を充填したとしてもＮ_２ガスがレーザ管内に侵入することはない。

１０ リングレーザ発振器 １１ ブロック
１２ 通路 １４ 可動ミラー
２０ ミラーアクチュエータ ２２ ミラー保持体
２２ｃ ダイアフラム ６１ 気密筐体

Claims (5)

1. ガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、
   前記発振器はＨｅガス非透過性の気密筐体に収納され、
   前記気密筐体内部の前記発振器を取り囲む空間には前記レーザ管に封入されたＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい圧力を有するＨｅガスが充填されていることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。
2. ガラスで構成されたレーザ管にＨｅ−Ｎｅガスが封入されてなる発振器を有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、
   前記発振器はＨｅガス非透過性の気密筐体に収納され、
   前記気密筐体内部の前記発振器を取り囲む空間には前記レーザ管に封入されたＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧と等しい分圧を有するＨｅガスを成分に持つ混合気体が充填されていることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。
3. 請求項２記載のＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、
   前記気密筐体内部に充填された前記混合気体は前記気密筐体の外部の大気圧と等しい総圧力を有することを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。
4. 請求項２又は３記載のＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、
   前記混合気体はＨｅガスとＮ_２ガスとを成分とする混合気体であることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。
5. 請求項１乃至４記載の何れかのＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、
   前記発振器はガラスの薄肉部でなるダイアフラムに支持された光路長制御用可動ミラーを具備するリングレーザ発振器であることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。

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