JP2013247261A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術においては、放電開始時の点弧特性を改善する補助電極機構が放電管の外周に、レーザ媒質と直接接触せずに設けられていたため、電界強度が弱く、放電開始電圧のばらつきが大きくなり放電が不安定になる問題があった。また補助電極とレーザ媒質間に放電管があり、電界がかかることにより短時間で放電管を交換する必要もあった。
【解決手段】放電管に複数の貫通穴を設け、複数の補助電極と電極間を高耐圧抵抗で接続し補助電極を直接レーザ媒質に接触させることで、電界強度を強め放電の安定化及び、注入電力を上げることができる。また放電管の経時劣化を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電管に封入したレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生し、放電開始電圧の絶対値及びばらつきを低減させるガスレーザ発振装置の技術に関するものである。

一般にガスレーザ発振器を用いた板金加工装置は薄板から厚板、または板材の種類、軟鋼、アルミニウム、ステンレス等、異なるものを無段取りで切断、溶接できることが望まれている。

図３に従来のガスレーザ発振装置の概略構成の一例として軸流型ガスレーザ装置の例を示す。以下、図３を参照しながら従来のガスレーザ発振装置を説明する。

この図に於いて、１３１、１４１はそれぞれガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、１３２、１３３、１４２，１４３はそれぞれ放電管１３１、１４１周辺に設けられた電極、斜線部１３４、１４４はそれぞれ電極１３２，１３３、１４２，１４３間に挟まれ放電空間である。

本図において放電空間１３４，１４４は放電管１３１、１４１と区別するために斜線にて表わしている。このように通常は電極にはさまれた放電管が複数本あり、放電管１３１、１４１は一点鎖線で表わしたレーザ光の光軸１９１に沿って配置される。

１０５はほぼ全反射する終段鏡、１０６は部分反射する出力鏡であり、この終段鏡１０５，出力鏡１０６は光軸（一点鎖線で表わしている）１９１上に配置された放電空間全体の両端に配置され、光共振器を形成している。また通常電極部は数１０ｋＶの高電圧が印加され、終段鏡、出力鏡は、電極との間にガラスなどの誘電体からなる無放電管１５１、１６１を設けて絶縁を行っている。

１２１，１２２の矢印はレーザガスの流れる方向を示している。１１１と１１２はそれぞれ放電管１３１，１４１にレーザ媒質ガスを分配して送り込む給気配管ブロック、１１３は放電管１３１，１４１から流れ出るレーザ媒質ガスを集める排気配管ブロックである。

１６１、１６２は放電電極に電圧を印加する高圧電源であり、図には示していないが、給気配管ブロック１１１，１１２、排気配管ブロック１１３に１０〜３０ｋＰａ程度の圧力でレーザ媒質ガスを冷却循環させる熱交換器および循環ポンプが設けられている。

以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。

給気配管ブロック１１１を通ったレーザ媒質ガス１２１は、放電管１３１内へ導入される。この状態で電極１４２，１４３から放電エネルギーを得て励起され放電空間１４４に放電が発生する。

放電空間１４４内のレーザ媒質ガスは、排気配管ブロック１１３に流れこみレーザ媒質ガス１２３となって前記循環ポンプへと戻っていく。このとき無放電管１５１にはガスの流れはなく、放電は発生せず放電空間１４４と終段鏡１０５との絶縁を保持している。また補助電極１６３を設けることにより放電開始時の点弧を確実に行っている。

同様にレーザ媒質ガス１２２は、それぞれ放電管１３１へ導入され放電管１４１と同様に放電空間１３４を形成する。

これら励起されたレーザ媒質ガスは出力鏡１０６および終段鏡１０５で形成される光共振器で共振状態となり、出力鏡１０６からレーザ光１０９が出力される。

特開平２−２６７９８２号公報

上記のような従来の技術を用いた場合、放電管１４１の外周にスパイラル状の補助電極１６３を設けているため、放電開始電圧のばらつきが大きく、場合によっては放電管１４１に放電せず無放電管１５１に放電する場合が発生する。

その場合、放電管１４１は放電しないためレーザ媒質に放電エネルギーを供給することができずレーザ出力の低下の発生および、場合によっては無放電管１５１に放電し、レーザ媒質が流れていないため無放電管１５１の温度上昇が発生し、無放電管１５１の溶融といった不具合が発生する。そこで放電管１４１に確実に放電空間１４４を形成するために、無放電管長を延ばし無放電管のインピーダンスをあげ発振器を大型化するか、放電管のガス圧を下げ放電管の開始電圧を下げレーザ出力を低減させなければならなかった。

また、放電管の外周に補助電極１６３を設けているため、誘電体からなる放電管を介し補助電極とレーザ媒質間に電界が発生するために、経時的に放電管が劣化し短時間で放電管を交換する必要があった。

本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、放電開始電圧の絶対値及びばらつきを低減し、小型で大出力のレーザ発振装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガスレーザ発振装置では、補助電極と電極間を高耐圧抵抗で接続し、放電管には貫通穴を開け補助電極とレーザ媒質を接触させる。また補助電極はＯリングなどのシール材でシールを行い、放電管への大気の流入を防止している。

これらの構成により、放電開始時に電極及び補助電極近傍に電離状態が容易に形成され、点弧が確実に行われる。また放電管を介して補助電極間とレーザ媒質間に電界がかからないため、放電管の劣化はほとんどなく短時間で交換する必要がない。これにより放電の安定したガスレーザ発振装置を実現することができる。

また補助電極を一本の放電管に複数設置することで、電離状態のレーザガスをより多く生成することができ点弧がよりしやすくなる。このことで、より放電管に高い電圧をかけることができるため、放電管への注入電力を上げることが可能となり、同じ放電管でも高出力のレーザ光を得られることができる。

また貫通穴を複数も受けることで電離状態のレーザガスが流れる断面で均一に生成されるためより放電が安定させることができ、レーザ出力の安定が図れる。

以上のように、本発明によると放電開始時の点弧は確実に行うことができ、径時的な放電管の補助電極部の劣化を低減することが可能である。これにより、より長期に安定したレーザ加工を提供するとともに、メンテナンス期間をより長くすることができる。

本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の概略構成図 本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の概略構成図 従来の技術におけるレーザ発振装置の概略構成図

以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１に発明の実施の形態を示す。

図１は本発明のガスレーザ発振装置の概略構成図であり以下、図１を参照しながら説明する。

この図に於いて、３１、４１はそれぞれガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、３２、３３、４２，４３はそれぞれ放電管３１、４１周辺に設けられた電極、斜線部３４、４４はそれぞれ電極３２，３３、４２，４３間に挟まれ放電空間である。本図において放電空間３４，４４は放電管３１、４１と区別するために斜線にて表わしている。このように通常は電極にはさまれた放電管が複数本あり、放電管３１、４１は一点鎖線で表わしたレーザ光の光軸９１に沿って配置される。

５はほぼ全反射する終段鏡、６は部分反射する出力鏡であり、この終段鏡５，出力鏡６は光軸（一点鎖線で表わしている）９１上に配置された放電空間全体の両端に配置され、光共振器を形成している。

また通常電極部は数１０ｋＶの高電圧が印加され、終段鏡、出力鏡は、電極との間にガラスなどの誘電体からなる無放電管５１、６１を設けて絶縁を行っている。２１，２２の矢印はレーザガスの流れる方向を示している。

１１と１２はそれぞれ放電管３１，４１にレーザ媒質ガスを分配して送り込む給気配管ブロック、１３は放電管３１，４１から流れ出るレーザ媒質ガスを集める排気配管ブロックである。

６１、６２は放電電極に電圧を印加する高圧電源であり、図には示していないが、給気配管ブロック１１，１２、排気配管ブロック１３に１０〜３０ｋＰａ程度の圧力でレーザ媒質ガスを冷却循環させる熱交換器および循環ポンプが設けられている。

以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。

給気配管ブロック１１を通ったレーザ媒質ガス２１は、放電管３１内へ導入される。この状態で電極４２，４３から放電エネルギーを得て励起され放電空間４４に放電が発生する。放電空間４４内のレーザ媒質ガスは、排気配管ブロック１３に流れこみレーザ媒質ガス２３となって前記循環ポンプへと戻っていく。このとき無放電管５１にはガスの流れはなく、放電は発生せず放電空間４４と終段鏡０５との絶縁を保持している。

同様にレーザ媒質ガス２２は、それぞれ放電管３１へ導入され放電管４１と同様に放電空間３４を形成する。

これら励起されたレーザ媒質ガスは出力鏡６および終段鏡５で形成される光共振器で共振状態となり、出力鏡６からレーザ光９が出力される。

また放電管４１には貫通穴１があいており、その外周に補助電極２を設置している。この補助電極は高耐圧抵抗８を介し電極４３と接続されている。また３はＯリング、４はＯリング押さえであり、Ｏリング３によりシールを行い放電管の貫通穴１からの大気の流入を防止している。

上述の様な構成をとることにより、補助電極とレーザ媒質間に放電管が存在せず、補助電極とレーザ媒質が直接接触しているので、補助電極近傍の電界強度は強くなり、放電開始電圧はより低く抑えることができばらつきも低減され安定した放電を達成することができる。

そして図１では１本の放電管につき２個の補助電極を用いているが、複数の補助電極を用いることにより電離したガスが増加させることが可能となり、より放電がつきやすくなる。

また図２には補助電極をガスの流れの方向から閉めいたものである。この図は貫通穴は４個設けているが、複数箇所設けることで、週方向に均一に電離したガスが分布するため放電の偏りがなく、ビーム品質の優れたレーザ光が得られる。上述の構成により、本発明の構成の成立が可能である。

本発明にかかるガスレーザ発振装置は、より長期に安定したレーザ加工を提供するとともに、メンテナンス期間をより長くすることができるものであり、ガスレーザ発振装置等において有用である。

５ 終段鏡
６ 出力鏡
９ レーザ光
２１、２２、２３ レーザ媒質の流れる方向
３１、４１ 放電管
３２，３３、４２，４３ 電極
３４、４４ 放電空間

Claims (7)

1. 放電管内のレーザ媒質を放電励起するための電源と、前記電源と接続された電極と、放電の点弧を補助する補助電極を備え、前記補助電極は放電管を介さず直接レーザガスに接触する位置に設けたガスレーザ発振装置。
2. 補助電極は電極と抵抗で接続された請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 補助電極は放電管１本に対し複数個設置した請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
4. 補助電極とレーザガスに接触させる位置を複数設けた請求項１から３に記載のガスレーザ発振装置。
5. 補助電極と電極間に接続された抵抗は放電管近傍に設置した請求項１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
6. 複数の補助電極はアノード側電極と接続された請求項１から４のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。
7. 補助電極材料として銅を使用した請求項１から５のいずれかに記載のガスレーザ発振装置。

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