JP2015023202A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振装置が長期間停止状態であっても、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量の適正化を実現するレーザ媒質ガス入れ替え機能を備えたレーザ発振装置を提供する。【解決手段】励起用電力分散＞分散上限となる場合に、レーザ媒質ガス給排気装置を作動させて光共振器内のレーザ媒質ガスを入れ替え、励起用電力分散≰分散上限となるまで、レーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを繰り返す。【選択図】図１

Description

本発明はガスレーザ発振装置に関し、特にレーザ媒質ガス入れ替え機能を備えたレーザ発振装置に関する。

ガスレーザ発振装置は、レーザ媒質ガスの品質であるところのガス種や複数ガスの混合比率が意図した状態ではない場合には、レーザ媒質を励起するエネルギーを注入してもレーザ光が十分得られない。

ガスレーザ発振装置の多くは大気圧より低い圧力環境でレーザ媒質ガスを励起するため、特にガスレーザ発振装置を使用せず停止状態で保管している期間においては、外部から微量な大気が光共振器内部のガス流路に流入し、ガス流路に格納されているレーザ媒質ガスおよびガス流路の部品に大気中のガスや水分が拡散し、ガスレーザ発振装置を再度動作させる場合に意図するレーザ出力が得られない場合がある。

このような状態から回復するためには、ガス流路に格納されているレーザ媒質ガスを外部に排出して正常なレーザ媒質ガスと入れ替え、かつ水分を排出するために励起エネルギー注入によってレーザ媒質ガスを高温とし水蒸気として継続的に外部に排出することが必要となる。

上記を実施する方法として、レーザ光強度を監視し意図するレーザ出力が得られるまで人的にレーザ媒質を複数回入れ替えたり、励起エネルギー注入を継続的に実施したりしている（例えば、特許文献１を参照）。

特公昭６２−０６０８３７号公報

しかしながら、この方法ではレーザ媒質ガスの入れ替え回数や、励起エネルギー注入時間が十分か定量的に判断することができないため、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量を適正化できないという課題を有している。

そこで本発明は操作者を時間的に拘束せず、かつレーザ媒質ガス量および励起エネルギー量の適正化による省エネルギーを実現することができる、レーザ媒質ガス入れ替え機能を備えたガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明のガスレーザ発振装置は、光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質ガスに励起エネルギーを与える励起装置と、励起装置の励起用電力を測定する励起用電力測定器と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器と、レーザ出力値指令を受けて、前記レーザ出力測定器により測定されたレーザ出力値がレーザ出力値指令と一致するように前記励起装置をフィードバック制御する制御装置と、前記光共振器内のレーザ媒質ガスを外部から給気し、かつ外部へ排気するレーザ媒質ガス給排気装置を備えたレーザ発振装置において、
前記励起用電力測定器により測定された励起用電力の分散を算出する、励起用電力分散演算器と、励起用電力の分散上限を設定する、励起用電力分散上限設定器と、前記励起用電力分散演算器の出力と、前記励起用電力分散上限設定器の出力を比較する、励起用電力分散上限比較器を具備し、
前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散＞分散上限となる場合に、前記レーザ媒質ガス給排気装置を作動させて前記光共振器内のレーザ媒質ガスを入れ替え、前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散≦分散上限となるまで、レーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを繰り返すことにより、所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質ガスに励起エネルギーを与える励起装置と、励起装置の励起用電力を測定する励起用電力測定器と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器と、レーザ出力値指令を受けて、前記レーザ出力測定器により測定されたレーザ出力値がレーザ出力値指令と一致するように前記励起装置をフィードバック制御する制御装置と、前記光共振器内のレーザ媒質ガスを外部から給気し、かつ外部へ排気するレーザ媒質ガス給排気装置を備えたレーザ発振装置において、
前記励起用電力測定器により測定された励起用電力の分散を算出する、励起用電力分散演算器と、励起用電力の分散上限を設定する、励起用電力分散上限設定器と、前記励起用電力分散演算器の出力と、前記励起用電力分散上限設定器の出力を比較する、励起用電力分散上限比較器を具備し、
前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散＞分散上限となる場合に、前記レーザ媒質ガス給排気装置を作動させて前記光共振器内のレーザ媒質ガスを入れ替え、前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散≦分散上限となるまで、レーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを繰り返すことにより、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量を適正化することができる。

本発明のレーザ発振装置の実施の形態を示す構成図 本発明のレーザ発振装置の励起用電力分散を示すグラフ 本発明のレーザ発振装置の励起電力指令値の経時変動を示すグラフ 従来技術に係るレーザ発振装置の構成図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施形態の一例について、図を用いて説明する。

図１において、レーザ発振装置３０は出力鏡２とリア鏡３との間に配置された放電管４を具備した光共振器１と、放電管４に接続されたガス流路５と、放電管４に配置された電極６に励起エネルギーを供給する励起装置７と、励起装置７の励起用電力を測定する励起用電力測定器８と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器９と、励起装置７を制御する制御装置１０を具備する。

一般的には、炭酸ガスや窒素ガス等を含んだレーザ媒質ガスはレーザ発振装置３０の外部に設置されたレーザ媒質ガス封入ボンベから、ソレノイドバルブ１４ｂを経由してガス流路５に給気され、およびガス流路５よりソレノイドバルブ１４ａを経由して真空ポンプ１５によって時間当たり一定量のレーザ媒質ガスを外部に排出し、ガス流路５内部のレーザ媒質ガスの乖離の影響を抑制しガス成分と複種類のガスの混合比を一定に保つ。ガス流路５の圧力が一定になるようにソレノイドバルブ１４ａおよび１４ｂはレーザ媒質ガス給排気装置１３により開閉を制御される。前記のレーザ媒質ガスは送風機１１により、ガス流路５および放電管４を循環する。ここで、熱交換器１２ａは送風機１１の圧縮熱を除去し、熱交換器１２ｂは放電管４通過後の放電時の熱を除去する。

放電管４を通過するレーザ媒質ガスは、励起装置７による励起エネルギーによって電極６間で放電励起される。この場合の放電は状態が安定しやすいグロー放電を主に使用する。

放電管４で放電励起したレーザ媒質ガスからは自然放出および誘導放出により特定波長の光が選択的に発生し、出力鏡２とリア鏡３との間で増幅され、部分透過鏡である出力鏡２よりレーザ発振装置３０の外部にレーザ光３１ａとして出力される。

レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器９は、部分透過鏡であるリア鏡３より光共振器１外部に取り出されたレーザ光３１ｂを、熱電対等の熱センサで受光することでレーザ光３１ｂに比例した電気信号に変換される。

励起用電力測定器８には、放電管４の印加電圧を測定する電圧測定器と、放電管４内の放電電流を測定する電流測定器を用い乗算する方法で実現できる。

レーザ発振装置３０を使用せず停止状態で保管している期間においては、外部から微量な大気が光共振器１内部のガス流路５に流入し、ガス流路５に格納されているレーザ媒質ガスおよびガス流路５の構成部品に大気中のガスや水分が拡散し、レーザ発振装置３０を再度動作させる場合に、レーザ媒質ガスの放電がグロー放電とアーク放電の状態変動を引き起こし、励起用電力測定器８により測定された励起用電力が一定にならず変動する。

この状態を示したのが図２（ａ）である。

任意時間Ｔａの期間、励起用電力測定器８により測定された励起用電力は、励起用電力分散演算器２０により、Ｔａの期間での平均から分散を求める。

なお、励起用電力は励起用電力測定器８をディジタル回路で構成し、離散値としてＡＤ変換器でサンプリングし、励起用電力分散演算器２０ではＣＰＵで前記励起用電力サンプリング値から分散を演算することで実現できる。

図２（ａ）の状態では、励起用電力分散演算器２０の出力分散値は大きく制御装置１０がフィードバック制御しても、一般的にレーザ光を用いた加工に影響を与えないとされているレーザ光３１ａの強度の経時的変動±１〜２％（定格レーザ出力に対する比率）以内に制御できない場合がある。

励起用電力分散上限設定器２１には、レーザ光３１ａの強度の経時的変動が±１〜２％（定格レーザ出力に対する比率）となる励起用電力分散が予め設定されている。なお、事前に実験などで具体的な励起用電力分散値を求めてこれに適用する。

レーザ発振装置３０を停止状態から起動し、放電励起を開始したタイミングで励起用電力分散演算器２０の出力と、励起用電力分散上限設定器２１の出力を、励起用電力分散上限比較器２２に入力し、図２（ｂ）に示すように比較結果が励起用電力分散＞分散上限である場合には、レーザ媒質ガス給排気装置１３によりソレノイドバルブ１４ａおよび１４ｂを開閉し、レーザ発振装置３０を停止すると共に、光共振器１およびガス流路５内のレーザ媒質ガスを入れ替えて、再度レーザ発振装置３０を起動する。

その後、前記と同様に放電励起を開始したタイミングで励起用電力分散演算器２０の出力と、図２（ｂ）に示すような励起用電力分散上限設定器２１の出力を、励起用電力分散上限比較器２２に入力し、比較結果が励起用電力分散≦分散上限である場合、つまりレーザ光３１ａの強度の経時的変動±１〜２％（定格レーザ出力に対する比率）以内に制御できる状態になるまで前記レーザ媒質ガスの入れ替えを自動的に繰り返す。

前記により、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量を適正化できる。

なお、レーザ発振装置３０を停止状態が長期間に渡ったり、周囲環境の湿度が高かったりした場合には、励起用電力分散≦分散上限を満足しても、ガス流路５の構成部品に拡散浸透した大気中のガスや水分が、経時的に徐々にガス流路５に放出されることがあり、この場合には励起電力指令値が経時的に上昇していく。これは、レーザ光３１ａの強度を一定に保とうと制御装置１０のフィードバック制御により、励起装置７に出力される励起電力指令値を上昇させ、ガス流路５に放出されるガスや水分の影響を補償する作用による。

この状態を示したのが図３（ａ）である。

制御装置１０の出力励起電力指令値を、励起電力指令値変動量演算器２３に入力し、任意時間Ｔｂの期間での励起電力指令値の経時的変動量を算出する。

なお任意時間Ｔｂは前記任意時間Ｔａよりも長く設定し、励起用電力分散上限比較器２２での励起用電力分散と分散上限の比較演算が確実に実行できるように保証する。

励起電力指令値変動量上限設定器２４には、レーザ光３１ａの強度の経時的変動が±１〜２％（定格レーザ出力に対する比率）となる励起電力指令値変動量が予め設定されている。なお、事前に実験などで具体的な励起電力指令値変動量を求めてこれに適用する。

前記の放電励起を開始したタイミングで励起用電力分散演算器２０の出力と、励起用電力分散上限設定器２１の出力を、励起用電力分散上限比較器２２に入力し、比較結果が励起用電力分散≦分散上限である場合に、励起電力指令値変動量演算器２３の出力と、励起電力指令値変動量上限設定器２４の出力を、励起電力指令値変動量上限比較器２５に入力し、比較結果が励起電力指令値変動量＞変動量上限となる場合に、前記レーザ媒質ガス給排気装置１３を作動させて前記光共振器１内のレーザ媒質ガスを入れ替え、前記励起電力指令値変動量上限比較器２５の出力結果が、図３（ｂ）に示すような励起電力指令値変動量≦変動量上限、つまりレーザ光３１ａの強度の経時的変動±１〜２％（定格レーザ出力に対する比率）以内に制御できる状態になるまでとなるまでレーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを自動的に繰り返す。

これにより、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量の最小化が実現できる。

本発明のレーザ発振装置は、レーザ発振装置が長期間停止状態であっても、操作者の時間的拘束やレーザ媒質ガスまたは励起エネルギー源であるところの電気量の適正化を実現するレーザ媒質ガス入れ替え機能を備えたレーザ発振装置を提供することでき、産業上有用である。

１ 光共振器
２ 出力鏡
３ リア鏡
４ 放電管
５ ガス流路
６ 電極
７ 励起装置
８ 励起用電力測定器
９ レーザ出力測定器
１０ 制御装置
１１ 送風機
１２ａ、１２ｂ 熱交換器
１３ レーザ媒質ガス給排気装置
１４ａ、１４ｂ ソレノイドバルブ
１５ 真空ポンプ
２０ 励起用電力分散演算器
２１ 励起用電力分散上限設定器
２２ 励起用電力分散上限比較器
２３ 励起電力指令値変動量演算器
２４ 励起電力指令値変動量上限設定器
２５ 励起電力指令値変動量上限比較器
３０ レーザ発振装置
３１ａ、３１ｂ レーザ光
４０ レーザ媒質ガス封入ボンベ（装置外）

Claims (2)

1. 光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質ガスに励起エネルギーを与える励起装置と、励起装置の励起用電力を測定する励起用電力測定器と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器と、レーザ出力値指令を受けて、前記レーザ出力測定器により測定されたレーザ出力値がレーザ出力値指令と一致するように前記励起装置をフィードバック制御する制御装置と、前記光共振器内のレーザ媒質ガスを外部から給気し、かつ外部へ排気するレーザ媒質ガス給排気装置を備えたレーザ発振装置において、
   前記励起用電力測定器により測定された励起用電力の分散を算出する、励起用電力分散演算器と、
   励起用電力の分散上限を設定する、励起用電力分散上限設定器と、
   前記励起用電力分散演算器の出力と、前記励起用電力分散上限設定器の出力を比較する、励起用電力分散上限比較器を具備し、
   前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散＞分散上限となる場合に、前記レーザ媒質ガス給排気装置を作動させて前記光共振器内のレーザ媒質ガスを入れ替え、
   前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散≦分散上限となるまで、レーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを繰り返すことを特徴とするガスレーザ発振装置。
2. 前記制御装置から前記励起装置に出力される励起電力指令値の経時的変動量を算出する励起電力指令値変動量演算器と、
   励起電力指令値の経時変動量上限を設定する、励起電力指令値経時変動量上限設定器と、
   前記励起電力指令値変動量演算器の出力と、前記励起電力指令値経時変動量上限設定器の出力を比較する、励起電力指令値変動量上限比較器を具備し、
   前記励起用電力分散上限比較器の出力結果が、励起用電力分散≦分散上限となった後、前記励起電力指令値変動量上限比較器の出力結果が、励起電力指令値変動量＞変動量上限となる場合に、前記レーザ媒質ガス給排気装置を作動させて前記光共振器内のレーザ媒質ガスを入れ替え、
   前記励起電力指令値変動量上限比較器の出力結果が、励起電力指令値変動量≦変動量上限となるまで、レーザ媒質ガスの励起と、レーザ媒質ガスの入れ替えを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振装置。

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