JP2011253894A - Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で小型・安価に構成することができ、安定して長寿命に動作するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置を提供する。
【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と、その発振器に具備され、内部にＨｅガスを収蔵し、そのＨｅガスをレーザ管に補給することができる補給タンクとを有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、レーザ管（管孔１２）の内部空間と補給タンク６１の内部空間とをガラスの隔壁６４を隔てて隣接させ、レーザ管の内部のＨｅガスの分圧と補給タンク６１の内部のＨｅガスの分圧との差により、隔壁６４を透過して補給タンク６１からレーザ管へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量を発振器から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しくする。
【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６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ブロック１１内に三角形状の管孔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。ガラスブロック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７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７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６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ガラスブロック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、ガラスブロック１１は図６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はガラスブロック１１の内部空間（管孔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６及び７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８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９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８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９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９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９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、従来においては、
（１）レーザ管のガス圧低下を検出する手段
（２）レーザ管へのガス補給を操作もしくは制御する手段
を備えることが必要であった。

（１）の手段は図８では抵抗線３５、抵抗線３７が設けられた基準抵抗管３６、抵抗比較器３８であり、図９では圧力検知器４５である。（２）の手段は図８ではＨｅ透過壁３３、電熱線３４であり、図９では電磁弁４６である。

しかるに、このような（１），（２）の両手段を具備する構成は、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、従来より簡易な構成でレーザ管にＨｅガスを補給することができるようにし、よって小型化を図ることができ、かつ安価に構成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と、その発振器に具備され、内部にＨｅガスを収蔵し、そのＨｅガスをレーザ管に補給することのできる補給タンクとを有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置において、レーザ管の内部空間と補給タンクの内部空間とはガラスの隔壁を隔てて隣接され、レーザ管の内部のＨｅガスの分圧と補給タンクの内部のＨｅガスの分圧との差により、隔壁を透過して補給タンクからレーザ管へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量は、発振器から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しくされているものとされる。

請求項２の発明では請求項１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る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、隔壁はダイアフラムと同じ材料で構成され、隔壁を透過して補給タンクからレーザ管へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量は、ダイアフラムを透過して発振器から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しくされているものとされる。

請求項３の発明では請求項２の発明において、リングレーザ発振器のレーザ管はガラスブロックに形成された多角形状の管孔として構成され、補給タンクはガラスブロックの管孔に囲繞された中央部に形成された空洞として構成され、管孔と空洞とはガラスブロックに形成された連絡孔によって互いに接続され、連絡孔は隔壁によって遮断されているものとされる。

この発明によれば、従来のようにガス圧低下を検出する手段やガス補給を操作・制御する手段を用いることなく、Ｈｅガスの漏出に対し、簡易な構成で定常的にＨｅガスを補給することができる。

従って、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、かつそのようなＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置を小型・安価に構成することができる。

リングレーザ発振器にこの発明を適用した第１の実施例を示す断面図。 Ａは図１に示したリングレーザ発振器の斜視図、ＢはＡにおける補給タンクの取り付け構造を説明するための図。 リングレーザ発振器にこの発明を適用した第２の実施例を示す断面図。 図３に示したリングレーザ発振器の斜視図。 図４の一部分解斜視図。 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断面図。 図６におけるミラーアクチュエータの詳細を示す断面図。 ガスレーザ装置の従来構成例を示す図。 ガスレーザ装置（レーザ発振器）の他の従来構成例を示す図。

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及び２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第１の実施例を示したものである。リングレーザ発振器１０’は図６に示したリングレーザ発振器１０と同様の構成を有しており、図６と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この例ではリングレーザ発振器１０’は補給タンク６１を２つ備えている。補給タンク６１は図２Ｂに示したように一端が閉塞された円筒状をなし、閉塞された一端面にはパイプ６２が取り付けられている。補給タンク６１は例えばステンレス等の金属製とされる。

補給タンク６１の取り付けは、補給タンク６１の開放端面にインジウム等の接合材料よりなるリング６３を介してガラス材よりなる隔壁６４を接合して補給タンク６１の開放端面を蓋し、さらにリング６３と同様のインジウム等の接合材料よりなるリング６５を介して隔壁６４をリングレーザ発振器１０’のガラスブロック１１に接合することによって行われる。

ガラスブロック１１の補給タンク６１が取り付けられる部分にはレーザ管を構成している管孔１２と連通する開口６６が形成されており、管孔１２の内部空間と補給タンク６１の内部空間とはガラスの隔壁６４を隔てて隣接される。なお、補給タンク６１を取り付けるべく、この例ではガラスブロック１１に対するアノード１６，１７の取り付け位置はミラー１３側にずらされている。

補給タンク６１を取り付け、リングレーザ発振器１０’の組み立てが完了した後、補給タンク６１にはパイプ６２からＨｅガスが充填される。Ｈｅガスの充填後、パイプ６２は封じ切られる。パイプ６２の封じ切りは工具を用い、パイプ６２の途中を潰すことによって行われ、その後封じ切り部６２ａを切断して不要部分が分離除去される。なお、図１及び２では全てパイプ６２が封じ切られた状態を示している。

補給タンク６１の内部のＨｅガスの分圧（圧力）はＨｅ−Ｎｅガスが封入されている管孔１２の内部のＨｅガスの分圧より高くされ、管孔１２の内部のＨｅガスと補給タンク６１の内部のＨｅガスの分圧差により、この例では隔壁６４を透過して補給タンク６１から管孔１２へＨｅガスが補給されるものとなっている。

この補給タンク６１から管孔１２へのＨｅガスの補給は、隔壁６４の構成材料と面積・厚さ及び補給タンク６１内のＨｅ分圧を適当に選定することにより、隔壁６４を透過して補給タンク６１から管孔１２へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量と、リングレーザ発振器１０’から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量とが等しくなるようにされる。

具体的に言えば、リングレーザ発振器１０’のガラスブロック１１及びミラーアクチュエータ２０のミラー保持体２２（図７参照）の構成材料に熱膨張係数が小さく、Ｈｅガスの非透過性にも優れたガラスであるゼロデュア（登録商標）を用いる場合、リングレーザ発振器１０’からのＨｅガスの漏出はミラー保持体２２のダイアフラム２２ｃからの漏出が支配的となるため、補給タンク６１から管孔１２へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量は、ダイアフラム２２ｃを透過してリングレーザ発振器１０’から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しくされる。

上記のようにリングレーザ発振器１０’からのＨｅガスの漏出量とリングレーザ発振器１０’へのＨｅガスの供給量とを均衡させることにより、リングレーザ発振器１０’内に封入されているＨｅ−ＮｅガスのＨｅ分圧を一定に維持することができ、Ｈｅ−Ｎｅガスの成分変化を抑制することができる。

なお、Ｈｅガスの供給量（供給レート）は前述したように隔壁６４の構成材料と面積・厚さ及び補給タンク６１内のＨｅ分圧によって決まるが、例えば隔壁６４をダイアフラム２２ｃと同じ材料で構成すれば、ダイアフラム２２ｃと隔壁６４の構成材料の違いによるＨｅ透過率の差を考慮する必要はなくなり、Ｈｅガスの漏出量と供給量とを均衡させるためには他のパラメータ、即ち隔壁６４の面積・厚さ及び補給タンク６１内のＨｅ分圧を選定すればよく、その分Ｈｅガスの漏出量と供給量とを均衡させる設計が容易となる。また、ダイアフラム２２ｃと隔壁６４とを同じ材料で構成すれば、外部環境変化に対する熱膨張係数やＨｅ透過率の温度依存の影響も少ないものとなる。

さらに、例えば隔壁６４の面積及び厚さをダイアフラム２２ｃの面積及び厚さと同じにすれば、Ｈｅガスの漏出量と供給量とを均衡させるためには補給タンク６１内のＨｅ分圧を選定すればよいだけとなり、Ｈｅガスの漏出量と供給量とを均衡させる設計がさらに容易となる。加えて、このように選定すべき（決定すべき）パラメータを少なくすれば、その分パラメータの性能に対する影響が少なくなり、信頼性の高い設計が可能となる。

なお、このように隔壁６４の構成材料、面積・厚さをダイアフラム２２ｃの構成材料、面積・厚さと一致させた場合、補給タンク６１内のＨｅ分圧はリングレーザ発振器１０’の管孔１２内のＨｅ分圧の２倍に選定すればよい。これは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の分圧であり、補給タンク６１内のＨｅ分圧を管孔１２内のＨｅ分圧の２倍に選定すれば、管孔１２内とリングレーザ発振器１０’の外部の大気とのＨｅ分圧差と、補給タンク６１内と管孔１２内のＨｅ分圧差とが等しくなり、つまり透過量（透過レート）を一致させることができる。

次に、図３〜５に示したこの発明の第２の実施例について説明する。この第２の実施例は第１の実施例と同様、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ものである。

この例では第１の実施例のようにＨｅガスを収蔵した補給タンクをリングレーザ発振器に取り付けるのではなく、リングレーザ発振器のガラスブロック自体に補給タンクを形成するものとなっており、補給タンクはガラスブロックに形成された空洞によって構成される。

空洞７１はガラスブロック１１の三角形状をなす管孔１２に囲繞された中央部に形成される。空洞７１はこの例では円形の凹部とされる。ガラスブロック１１には図３に示したように連絡孔７２が形成され、この連絡孔７２によって空洞７１と管孔１２とが互いに接続される。連絡孔７２の管孔１２側の端部にはガラス材よりなる隔壁７３が設けられ、この隔壁７３によって連絡孔７２は管孔１２への開口が遮断されている。

空洞７１は円板状をなすステンレス等の金属製のキャップ７４によって蓋されるものとなっており、キャップ７４にはパイプ７５が取り付けられている。キャップ７４はインジウム等の接合材料よりなるリング７６を介してガラスブロック１１に接合され、これにより空洞７１が蓋されて補給タンクが構成される。空洞７１にはパイプ７５からＨｅガスが充填され、充填後、パイプ７５は第１の実施例におけるパイプ６２と同様に封じ切られる。図４及び５はパイプ７５が封じ切られた状態を示しており、７５ａは封じ切り部を示す。

空洞７１内のＨｅガスの分圧は管孔１２内のＨｅガスの分圧より高くされ、Ｈｅガスの分圧差により空洞７１から隔壁７３を透過して管孔１２へＨｅガスが補給されるものとなっている。

この第２の実施例のリングレーザ発振器１０’’においても、隔壁７３の構成材料と面積・厚さ及び補給タンクをなす空洞７１内のＨｅ分圧を適当に選定することにより、隔壁７３を透過して空洞７１から管孔１２へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量と、ミラーアクチュエータ２０の可動ミラー１４を支持するダイアフラム２２ｃ（図７参照）を透過してリングレーザ発振器１０’’から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量とを等しくすることができる。

なお、隔壁７３はダイアフラム２２ｃと同じ材料で構成するのが前述したように設計及び信頼性上望ましく、ガラスブロック１１とダイアフラム２２ｃ（ミラー保持体２２）が同一材料で作製される場合には、隔壁７３は別途作製してガラスブロック１１に接合するのではなく、ガラスブロック１１と一体形成するのが好ましい。

上述した第１及び第２の実施例によれば、いずれも従来のようにガス圧低下を検出する手段やガス補給を操作・制御する手段を用いることなく、Ｈｅガスの漏出に対し、簡易な構成で定常的にＨｅガスを補給することができるものとなっており、よって安定して長寿命に動作するリングレーザ発振器を小型・安価に構成することができる。

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ガラスブロックに、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ることも可能となる。

なお、上述した各実施例では補給タンク内にＨｅガスを収蔵しているが、Ｈｅガスを成分に持つ混合気体を収蔵してもよい。この場合には混合気体中のＨｅ分圧が所要の値に選定される。隔壁を透過するのはＨｅガスのみであって、混合気体中のＨｅガス以外の成分が隔壁を透過することはない。

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。

１０，１０’，１０’’ リングレーザ発振器 １１ ガラスブロック
１２ 管孔 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 補給タンク
６４ 隔壁 ７１ 空洞
７２ 連絡孔 ７３ 隔壁
７４ キャップ

Claims (3)

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と、その発振器に具備され、内部にＨｅガスを収蔵し、そのＨｅガスを前記レーザ管に補給することのできる補給タンクとを有するＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置であって、
   前記レーザ管の内部空間と前記補給タンクの内部空間とは、ガラスの隔壁を隔てて隣接され、
   前記レーザ管の内部のＨｅガスの分圧と前記補給タンクの内部のＨｅガスの分圧との差により、前記隔壁を透過して前記補給タンクから前記レーザ管へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量は、前記発振器から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しくされていることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。
2. 請求項１記載の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る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、
   前記隔壁は、前記ダイアフラムと同じ材料で構成され、
   前記隔壁を透過して前記補給タンクから前記レーザ管へ供給される単位時間当たりのＨｅガスの量は、前記ダイアフラムを透過して前記発振器から外部へ漏出する単位時間当たりのＨｅガスの量と等しく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、
   前記リングレーザ発振器の前記レーザ管は、ガラスブロックに形成された多角形状の管孔として構成され、
   前記補給タンクは、前記ガラスブロックの前記管孔に囲繞された中央部に形成された空洞として構成され、
   前記管孔と前記空洞とは、前記ガラスブロックに形成された連絡孔によって互いに接続され、
   前記連絡孔は、前記隔壁によって遮断されていることを特徴とするＨｅ−Ｎｅガスレーザ装置。

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