JP2014513441A - 複数回折りたたまれた共振器を備えている導波管ｃｏ２レーザ - Google Patents

Abstract

ガス放電導波管ＣＯ_２レーザは、３つのセラミック管によって形成されたＺ字形状の折りたたまれた導波管を有する。隣接した管の端部は、一緒に成形されて、継ぎ合わされ、共通のアパーチャを形成する。管は、離されている平行な放電電極によって継ぎ合わされて一緒であるように保持されている。管を通って延びている長手方向軸を有するレーザ共振器を形成するために、４つのミラーが配列されている。セラミック管のうちの隣接したセラミック管の間の角度は、約２度と約１０度との間である。

Description

（本発明の技術分野）
本発明は、概して、導波管ＣＯ_２ガス放電レーザに関する。本発明は、特に、複数回折りたたまれた共振器を備えているＣＯ_２レーザに関する。

（背景技術の論議）
高いビーム品質が重要である、例えば、製品表示、彫刻および細密カッティングのような用途に対しては、約１００ワット（Ｗ）以下の出力電力を備えている導波管ＣＯ_２ガス放電レーザが、一般的に好まれる。そのようなレーザにおいては、レーザの共振器におけるレージングモードは、レージングモードを誘電性導波管内で相互に垂直な横軸で拘束することによって制御される。横軸のうちの１つの導波管の対向する側面上の電極に供給された無線周波（ＲＦ）電力は、導波管の中のレージングガス混合物の中でガス放電を引き起こす。ガス放電は、レージングガス混合物にエネルギーを与え、それによって、レーザ共振器に光学利得を提供する。レージングガス混合物は、通常、二酸化炭素（ＣＯ_２）と、例えば窒素およびヘリウムのような不活性ガスとの混合物である。

任意の所与のレージングガス混合物、および、電極に印加されるＲＦ電力に対して、レーザ共振器は、特定の、単位長さ当りの利得を有する。このために、レーザから送達されるビームにおける電力は、とりわけ、レーザ共振器の長さに直接的に依存する。

導波管ＣＯ_２レーザを好都合な空間または「フットプリント（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）」内に拘束するために、レーザ共振器は、通常、複数のミラーによって１回以上「折りたたまれ」る。そのような折りたたまれた共振器、導波管ＣＯ_２レーザについての詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１に提供され、その全開示は、本明細書に参考として援用されている。これらの導波管ＣＯ_２レーザの本質的特徴は、対応するように折りたたまれた導波管が、研摩加工によって、例えばアルミナのようなセラミック材料のブロックに機械加工される点である。これは、互いに対してある角度で隣接した導波管ブランチが、「折りたたみ部（ｆｏｌｄ）」においてオーバラップし、単一のアパーチャに合併することを可能にする。そのような機械加工された導波管ブランチの一利点は、導波管ブランチが、互いに対して正確に整列した状態で永久的に保持される点である。しかし、機械加工された導波管ブランチの不利益は、研摩作業が、時間がかかり、かつ、比較的に費用がかかる点である。例として、Ｚ字形状の３チャネル導波管のコストは、電力供給を備えている完全なレーザのコストの１７％にもなり得る。従って、費用のかかるセラミック機械加工または研摩作業を必要としない、比較可能な折りたたまれたセラミック導波管構成に対する必要性が存在する。

米国特許第６，１９２，０６１号明細書

本発明の一局面において、ガス放電レーザは、レージングガスを含むレーザ筐体を備えている。複数のセラミック管が、レーザ筐体の中に位置し、レージングガスで満たされている。セラミック管のうちの隣接したセラミック管は、互いに対して鋭角をなし、セラミック管のうちの隣接したセラミック管の端部は、一緒に成形されて、継ぎ合わされ、共通のアパーチャを提供する。第１および第２の電極が、レーザ筐体の中に位置し、電力が該電極に印加された場合、セラミック管の中のレージングガスの中でガス放電を引き起こすように配列されている。複数のセラミック管を貫通する長手方向軸を有するレーザ共振器を形成するために、複数のミラーが配列されている。

本発明の好ましい実施形態において、電極は、離されており、互いに対して平行であり、セラミック管は、対応する電極の溝において電極間に位置している。セラミック管は、電極を一緒に促すばね力によって継ぎ合わされて一緒であるように保持されている。

本明細書の中に組み込まれ、本明細書の一部分を構成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に示し、上記において与えられた一般的な説明および下記において与えられる好ましい実施形態の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明するために役立つ。
図１は、本発明による折りたたまれた導波管レーザ共振器の好ましい実施形態を概略的に示す平面図であり、折りたたまれた導波管は、３つのセラミック管のサブアセンブリを含む。 図１Ａは、概ね図１の１Ａ−１Ａ方向から見られた端部正面図であり、図１のセラミック管サブアセンブリのさらなる詳細を概略的に示している。 図２は、図１のサブアセンブリの個々のセラミック管の詳細を概略的に示している平面図である。 図３は、図１のセラミック管サブアセンブリと、セラミック管の中でガス放電を励起するための細長い放電電極とを含むアセンブリを概略的に示している分解立体図であり、これらの電極は、アセンブリにおいてセラミック管サブアセンブリを一緒に保持するように構成されている。 図４は、レーザ筐体の一例において、図３のセラミック管と電極とのアセンブリの詳細を概略的に示している断片的な立体図である。 図５は、図４のレーザ筐体に沿った中ほどにおいて見られる長手方向断面図であり、この長手方向断面図は、レーザ筐体の中のセラミック管と電極とのアセンブリのさらなる詳細を概略的に示している。

（本発明の詳細な説明）
ここで、同様なコンポーネントは同様な参照番号によって示されている図面を参照すると、図１および図１Ａは、本発明による折りたたまれた導波管レーザ共振器装置の好ましい実施形態１０を概略的に示している。装置１０は、実質的に折りたたまれた導波管を形成しているセラミック管（導波管）のサブアセンブリ１２を含む。サブアセンブリ１２において、第１の端部１４Ａと第２の端部１４Ｂとを有する２つの離された平行なセラミック管１４、および、第１の端部１６Ａと第２の端部１６Ｂとを有するトランスバースセラミック管１６が存在する。

トランスバース管１６の端部１６Ａは、一方のセラミック管１４の端部１４Ａと接触し（端部１４Ａと継がれ）、セラミック管１６の端部１６Ｂは、他方のセラミック管１４の端部１４Ｂと接触し、平行なセラミック管１４とトランスバースセラミック管１６との間に鋭角θを有する「Ｚ」形状をサブアセンブリに与える。管が組み合わされ、図１Ａに示されているような共通のアパーチャ１７を形成するように、セラミック管の接触した端部は切断される。

長手方向軸２０を有する折りたたまれたレーザ共振器は、端部ミラー２２および２４によって終端され、折りたたみミラー２６Ａおよび２６Ｂによって折りたたまれている。好ましくは、端部ミラー２２および２４のうちの一方は、レーザ共振器の基本波長において部分透過性にされ、出力結合ミラーとして働く。他方の端部ミラーおよび折りたたみミラーは、基本波長において最大限に反射性である。

セラミック管１４および１６の端部が接触している（継ぎ合わされている）場所では、セラミック管の長さは、切り戻され（ｃｕｔ ｂａｃｋ）、それによって、共通のアパーチャ１７は、細長い「ウエスト形の（ｗａｉｓｔｅｄ）」形態を有する。これは、共振器軸２０がセラミック管の長手方向軸と共線的であることを確実にすることによりレージング効率を最適化しながら、折りたたみミラー２６Ａおよび２６Ｂが、セラミック管の端部から離されることができることを提供する。ミラーの間隔は、とりわけ、セラミック管の中で励起される放電からミラーを遠く離しておくために、および、共振器におけるミラーの整列を可能にするために必要とされる。

セラミック管１４および１６として使用するために適した押し出しアルミナ毛細管は、とりわけ、カリフォルニア サクラメントのＯｒＴｅｃｈ Ｉｎｃ．、オハイオ ベリアのＳｅｎｔｒｏ Ｔｅｃｈ Ｃｏｒｐ．、およびコロラド ゴールデンのＣｏｏｒｓ Ｔｅｋから商業的に入手可能である。

図２は、図１のセラミック管サブアセンブリを分解された形態で概略示している平面図である。管１４において、各管の一端は、長さＬ_１を有し、この長さＬ_１にわたって管は、セラミック管の長手方向軸に対する角度θ／２で斜角をつけられるか、または面取りされる。セラミック管１６は、これに対応して面取りされ、それらの面取りされた端部が接触する場合、セラミック管間に角度θを提供する。長さＬ_２は、好ましくは、両方のセラミック管１４に対して同じであり、セラミック管１６は、（Ｌ_１＋Ｌ_２）／Ｃｏｓθの全長を有し、それによって、セラミック管の端部は、共通の平面に整列させられることができる。製造作業において、管に斜角をつけるか、または管を面取りすることは、バッチ研摩によってなされることができ、それによって、セラミック機械加工費を最小限にする。

管の全長Ｌ_１＋Ｌ_２は、所望されるレーザの長さに適合するように選択される。アーム（セラミック管）の数は、Ｖ字形状、Ｚ字形状、Ｍ字形状、または何らかのより複雑な形状で、２つのみであるか、または本明細書で例示される３つを上回ることができる。通常、導波管長さ１フィート当り、約１２．５ＷのＣＯ_２レーザ出力電力が取得されることができる。セラミック導波管の内径ｄは、高次モードを抑制するための小さなフレネル数（（ｄ／２）／Ｌλ）要件を満足するように選択される。ＣＯ_２レーザにおいて、λ（レーザ放射の波長）は、約１０．０マイクロメータ（μｍ）である。フレネル数に対する好ましい値は、約０．５である。

導波管サブアセンブリの角度θは、好ましくは、約２°と１０°との間である。より大きな角度θは、導波管構造の幅、および、対応するアセンブリのための筐体の幅を増大させる。より小さな角度θは、セラミック管１４および１６のオーバラップの長さＬ_２を増大させる。これは、オーバラップ領域における拡大された放電領域内の放電「ホットスポット（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）」につながり得る。このような放電ホットスポットは、低減されたレーザ効率につながり得る。セラミック管１４および１６を合併させて１つのアパーチャを形成することは、隣接する管における放電間での結合を提供し、両方の放電が、ほぼ同じ時間に発生することを確実にする。

セラミック管サブアセンブリ１２を形成することにおける特別な課題は、セラミック管１４およびセラミック管１６の端部を接着剤または結合剤によって接触状態に保持することは実用的ではないという点である。その一つの理由は、そのような接着剤または結合剤は、「ガスを放出」し、レージングガス混合物を汚染し得るからである。さらに、上記で論議された管の好ましい寸法およびセラミック材料のもろい性質は、セラミック管を幾分壊れやすくする。セラミック管が、それらの斜角を付けられた端部において接触状態にポジティブに（ｐｏｓｉｔｉｖｅｌｙ）保持され得ること、それらの長手方向軸が共振器の軸と整列した状態に維持されるように、互いに正しく整列した状態に保持され得ること、および、それらの屈曲または破損さえも引き起こし得る機械的応力を受けることを回避する手法で保持され得ることを確実にするアセンブリ方法を考案することが必要であった。一つの好ましいそのような方法の説明が、図３を参照して以下に述べられている。

ここで、分解された形態で示されているアセンブリ３０は、上部電極３２と下部電極３４とを含む。これらの電極は、もちろんセラミック管内にレージングガスがあり、ＲＦ電力が電極に印加された場合、セラミック管１４および１６において放電を引き起こすためのものである。この構成において、電極３２は、ライブまたは「ホット」であり、電極３４は、接地電極であることが意図されている。セラミックプレート４８は、レーザ筐体からのホット電極の絶縁を提供するが、これは、本明細書の以下において詳細にさらに論議される。

電極３２および３４は、セラミック管の形状および配向に対応する溝を提供されている。電極３４において、平行な溝３６は、セラミック管１４を受け取るように構成され、斜めの溝３８は、セラミック管１６を受け取るように構成されている。電極３２の高められた部分４０には、対応する溝（不可視）が存在する。

アセンブリ３０を完成する一方法において、セラミック管が、対応する電極３４の溝に配置され、電極３２が設置され、その溝は、セラミック管と接触し、次に、電極は、インダクタンス４２によって接合され、ねじ４４Ａは、電極３４のねじ穴４６Ａを係合し、ねじ４４Ｂは、電極３２のねじ穴４６Ｂを係合する。当該技術分野において知られているように、インダクタンス４２は、電極によって引き起こされた放電を均質化することを提供する。

セラミック管サブアセンブリは、電極３２に対して与えられたばね圧力によって、レーザ筐体の中に一緒に保持され、管は整列した状態で維持されることができ、電極３４は、筐体のベース上に着座している。あるいは、インダクタンス４２は、例えばリン青銅から作製されたコイルばねとして形成されることができる。これらのばねは、ばねを電極にねじ込んでいる間、伸ばされることができ、次に、これらのばねは、解放され、コイルばねの張力が、電極を互いの方に向かって促し、セラミック管アセンブリを把持することを可能にする。これは、電極およびセラミック管アセンブリの完成が、電極およびセラミック管を筐体の中に取り付ける作業から独立してなされることができるという利点を有する。

図４は、レーザ筐体５０の中に位置している、上述のセラミック管および電極アセンブリ３０の一例を概略的に示している。筐体５０は、対応する溝５１のガスケットまたはＯリング（図示されず）を介して端部プレート（図示されず）によって気密的に密閉可能である。端部プレートは、通常、共振器ミラーに対する気密的に密閉されたマウントを含む。そのようなミラーマウントの一例の説明は、上記で参照された米国特許第６，１９２，０６１号に提供されている。

図４において、溝４１が、対応する電極３４の高められた部分に見られることができる。高められた部分は、ＲＦ電力が電極に印加された場合の電極間の偽アーキングを防止するために、電極間に電極がセラミック管と接触しない十分な空間が存在することを提供する。好ましい高められた部分の高さは、約０．２インチと約０．４インチとの間である。

筐体５０のさらなる詳細が、図５の長手方向断面図に示されている。ここで、断面は、図４の筐体５０の長さに沿った中間点で取られ、それによって、電極３２の高められた部分４５において、セラミック管１６を受け取るための溝４３が可視である。溝および対応する高められた部分は、電極３２を対角線的に横断して延びている。

筐体５０は、２つの別個のコンパートメント５８および６０を含む。コンパートメント５８は、セラミック管および電極アセンブリならびにレーザ共振器を収容し、かつ、レージングガスを含み、レージングガスは、もちろん、セラミック管の中にも存在する。コンパートメント５８を取り囲む筐体のウェブ状または隔壁部分５１は、拡張差応力を調整するために、多少の柔軟性を筐体に提供する。筐体のこの局面についての詳細な説明は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公開第２００９／０２１３８８５号に提供されており、その全開示は、本明細書に参考として援用されている。筐体のバルク部分５２は、筐体の拡散冷却部材として働く。図５において、冷却部材５２は、冷却フィン５４を装備している。あるいは、拡散冷却部材は、水冷式であることができる。

セラミック管１４および１６のサブアセンブリは、ばね４９によって提供されるばね圧力によって一緒に保持されることができ、ばね４９は、筐体の冷却部材５２と、筐体からホット電極３２を絶縁するセラミックプレート４８との間で圧縮される。電極３４は、筐体のベース上に堅固に着座している。

さらに、筐体のコンパートメント５８が、約３０〜１００トルの、大気より低い圧力でレージングガス混合物を含むことにより、かつ、筐体の隔壁部分５１によって与えられる柔軟性により、筐体を取り囲む大気圧は、ばね４９によって提供されるばね圧力を増大し、電極を一緒に促し、それによって、セラミック管および電極アセンブリを一緒に堅固に保持する。隔壁区間５１の厚さおよび柔軟性次第で、電極を一緒に促すために、筐体の内側と外側との間の圧力差にのみ依存することが可能であり得る。

コンパートメント６０は、ＲＦ電力供給（ＲＦＰＳ）６２を収容している。ＲＦＰＳは、プレート７４上に取り付けられ、プレート７４は、冷却フィン７６を提供されている。短い接続部６４は、ＲＦＰＳを電気フィードスルー６６に接続している。フィードスルーのコネクタ６８は、コネクタの方を向いている電極３２の側面上のほぼ中間位置にＲＦ電力を移送する。

結論として、本発明は、好ましい実施形態を参照して記述されている。しかし、本発明は、記述および描写されている実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付されている請求項によって定義される。

Claims (18)

1. ガス放電レーザであって、該ガス放電レーザは、
   レージングガスを含むレーザ筐体と、
   該レーザ筐体の中に位置している複数のセラミック管であって、該複数のセラミック管は、該レージングガスで満たされ、該セラミック管のうちの隣接したセラミック管は、互いに対して鋭角をなし、該セラミック管のうちの隣接したセラミック管の端部は、一緒に成形されて、継ぎ合わされ、共通のアパーチャを提供する、複数のセラミック管と、
   該筐体の中に位置している第１および第２の電極であって、該第１および第２の電極は、電力が該電極に印加された場合、該セラミック管の中の該レージングガスの中でガス放電を引き起こすように配列されている、第１および第２の電極と、
   レーザ共振器を形成するように配列されている複数のミラーであって、該レーザ共振器は、該複数のセラミック管を通って延びている長手方向軸を有する、複数のミラーと
   を備えている、ガス放電レーザ。
2. 継ぎ合わされた前記複数のセラミック管において、Ｚ字形状で一緒に３つのセラミック管が存在する、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記セラミック管のうちの隣接したセラミック管の間の角度は、約２度と約１０度との間である、請求項２に記載のレーザ。
4. 前記電極は、離されており、互いに対して平行であり、前記セラミック管は、該電極の間にあり、該電極における対応する溝の中に位置している、請求項１に記載のレーザ。
5. 前記セラミック管は、前記電極を互いの方に向かって促すばね力によって継ぎ合わされて一緒に保持されている、請求項４に記載のレーザ。
6. 前記第２の電極は、前記筐体のベース上に載っており、前記ばね力は、前記第１の電極と該筐体との間で圧縮された１つ以上のばねによって上部電極に与えられる、請求項５に記載のレーザ。
7. 前記電極の対向する側面に沿い間隔をあけられた緊張されたばねの形態における複数のインダクタンスコイルがあり、該複数のインダクタンスコイルの各々は、該ばねの張力が、該電極を互いの方に促す前記ばね力を提供するように前記第１の電極を前記第２の電極に接続する、請求項５に記載のレーザ。
8. 前記筐体の内部は、圧力が大気圧より低く、該筐体および前記電極は、該筐体が、該筐体の外側の大気圧により該電極に圧力を与え、それによって、前記セラミック管が継ぎ合われて一緒であるように保持するように構成および配列されている、請求項４に記載のレーザ。
9. ガス放電レーザであって、該ガス放電レーザは、
   レージングガスを含むレーザ筐体と、
   該レーザ筐体の中に位置している複数のセラミック管であって、該複数のセラミック管は、該レージングガスで満たされ、該セラミック管のうちの隣接したセラミック管は、互いに対して鋭角をなしている、複数のセラミック管と、
   該筐体の中に位置している第１および第２の電極であって、該第１および第２の電極は、電力が該電極に印加された場合、該セラミック管の中の該レージングガスの中でガス放電を引き起こすように配列され、該電極は、該複数のセラミック管を互いに整列して保持するようにさらに配列されている、第１および第２の電極と、
   レーザ共振器を形成するように配列されている複数のミラーであって、該レーザ共振器は、該複数のセラミック管を通って延びている長手方向軸を有する、複数のミラーと
   を備えている、ガス放電レーザ。
10. 前記セラミック管のうちの隣接したセラミック管の端部は、一緒に成形されて、継ぎ合わされ、共通のアパーチャを提供する、請求項９に記載のレーザ。
11. 前記複数のセラミック管において、３つのセラミック管が存在し、該３つのセラミック管は、Ｚ字形状に配列されている、請求項９に記載のレーザ。
12. 前記セラミック管のうちの隣接したセラミック管の間の角度は、約２度と約１０度との間である、請求項１１に記載のレーザ。
13. 前記電極は、離されており、互いに対して平行であり、前記セラミック管は、該電極の間にあり、該電極における対応する溝の中に位置している、請求項９に記載のレーザ。
14. 前記セラミック管は、前記電極を互いの方に向かって促すばね力によって継ぎ合わされて一緒に保持されている、請求項１３に記載のレーザ。
15. ガスレーザであって、該ガスレーザは、
    ガス密筐体と、
    一対の間隔を開けられた細長い電極と、
    該電極間に位置決めされている折りたたまれた導波管であって、該導波管は、少なくとも３つの管状セラミックセグメントから形成され、該セグメントのうちの２つは、互いに対して平行に配向され、かつ、該電極の細長い側面エッジの近くに位置決めされ、該セグメントのうちの少なくとも１つは、該２つのセグメントに対して非垂直な角度で該２つのセグメントの間に位置している、導波管と、
    少なくとも２つの端部ミラーを含む複数のミラーによって画定されている光共振器とを備え、該端部ミラーのうちの一方は、該２つのセグメントのうちの一方の端部に隣接して位置決めされ、該端部ミラーのうちの他方は、該２つのセグメントのうちの他方の端部に隣接して位置決めされ、該光共振器は、少なくとも２つの折りたたみミラーを含み、該少なくとも２つの折りたたみミラーは、該１つのセグメントから発生するレーザ放射を折りたたみ、隣接するセグメントの中に戻すために、該少なくとも１つのセグメントの対向する端部に位置決めされている、ガスレーザ。
16. 前記電極のうちの一方は、前記管状セグメントを据え付けおよび整列させるための複数の溝を含む、請求項１５に記載のレーザ。
17. 前記電極のうちの他方は、複数の突出部を含み、各突出部は、前記管状セグメントを保持し、整列させるための溝を含む、請求項１６に記載のレーザ。
18. 前記隣接した管状セグメントの端部は、一緒に継ぎ合わされ、共通のアパーチャを画定する、請求項１５に記載のレーザ。

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