JP2015204348A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ出力指令に応じたレーザ媒質ガス給排気量の最適化機能を備えたレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】本発明のガスレーザ発振装置は、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励起装置を制御する制御装置と、光共振器内のレーザ媒質ガスを外部から給気し且つ外部へ排気するレーザ媒質ガス給排気装置を備え、レーザ出力測定器出力の時間に対するレーザ出力変化傾きを制御装置で算出し、レーザ出力値指令に応じたレーザ出力変化傾き基準と比較し、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に大きい場合は、レーザ媒質ガス給排気装置により光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を増やし、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に小さい場合は、レーザ媒質ガス給排気装置により光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を減らすようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ媒質のガスを循環させ高出力を得る流軸型炭酸ガスレーザ発振装置に関し、特に、レーザ媒質ガス給排気量を最適化する機能を備えたガスレーザ発振装置に関するものである。

炭酸ガスレーザ発振装置は、レーザ媒質ガスに二酸化炭素と窒素、およびヘリウムの混合ガスを使用し、励起装置により放電管の電極部に高電圧を印加して発生するグロー放電によりエネルギーを与えレーザ発振を行わせる。

このグロー放電により電極から放出された電子はレーザ媒質ガスに衝突するが、二酸化炭素に電子が衝突した場合は（１）式に示されるように一酸化炭素と酸素に解離する。

ＣＯ２ ←→ ＣＯ ＋ １／２（Ｏ２） ・・・ （１）
解離した酸素は酸化特性が強く、電極部の金属やレーザ媒質ガスの窒素と速やかに結びつき種々の酸化物を生成する。この結果、レーザ発振に必要な二酸化炭素量が減少し光共振器から得られるレーザ出力も低下する。これを防止するため既知の方法として、光共振器内のレーザ媒質ガスを一定量入れ替え解離したレーザ媒質ガスを排出し、新しいレーザ媒質ガスを給気する構成が採用されている。

また、上記の構成によるレーザ媒質ガスの消費を低減するため、光共振器内の一酸化炭素量を検出しレーザ媒質ガスの給排気量最適化する方法も考案されている（特許文献１を参照）。

特開昭６１−２８８４８２号公報

しかしながら、一定量レーザ媒質ガスを給排気する場合では、必要なレーザ媒質ガス交換量の最大値を一意的に設定するため、レーザ出力指令が小さな場合には無駄にレーザ媒質ガスを消費することになるという課題を有している。

また、レーザ媒質ガスは光共振器内部およびガス流路を拡散あるいは循環しているため一酸化炭素分布が時間的および空間的に一様ではなく、一酸化炭素検出器を付加してもレーザ媒質ガスの給排気量最適化が難しいという課題を有している。

そこで本発明はレーザ発振装置に具備されるレーザ出力測定器を応用し、新たな検出器を付加することなくレーザ媒質ガスの精度良い給排気量最適化ができる安価な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電力を与える励起装置と、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、前記励起装置を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、前記レーザ出力測定器出力の時間に対するレーザ出力変化傾きを前記制御装置で算出し、レーザ出力値指令に応じたレーザ出力変化傾き基準と比較し、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に大きい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を増やし、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に小さい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を減らすことにより、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電力を与える励起装置と、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、前記励起装置を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、前記レーザ出力測定器出力の時間に対するレーザ出力変化傾きを前記制御装置で算出し、レーザ出力値指令に応じたレーザ出力変化傾き基準と比較し、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に大きい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を増やし、レーザ出力変化傾きがレーザ出力変化傾き基準より負に小さい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を減らすことにより、レーザ媒質ガスの精度良い給排気量最適化ができる。

本発明のレーザ発振装置の実施の形態を示す構成図 レーザ発振装置のレーザ出力指令と励起電力の関係を示すグラフ レーザ発振装置のレーザ出力経時変化を示すグラフ 本発明のレーザ発振装置のレーザ媒質ガス給排気量によるレーザ出力の経時変動を示すグラフ 本発明のレーザ発振装置のレーザ出力指令とレーザ出力変化傾き量基準の関係を示すグラフ 本発明のレーザ発振装置のレーザ出力指令とレーザレーザ媒質ガス給排気量基準の関係を示すグラフ

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は本発明のレーザ発振装置の実施の形態を示す構成図である。

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に励起電力を供給する励起装置７と、レーザ出力値を測定するレーザ出力測定器８と、励起装置７を制御する制御装置９を具備する。

制御装置９は外部からのレーザ出力指令に応じ、レーザ発振装置から任意のレーザ出力を得るための励起電力Ｐを算出し励起装置７に指令を与える。前記の励起電力Ｐをレーザ出力指令から算出するにあたり図２に示す任意レーザ出力に対する励起電力の相関関係を事前に測定しておき参照すると演算がより短時間で行えて実用的である。

なお安定したレーザ出力を得たい場合は、レーザ出力指令とレーザ出力測定器８の出力を制御装置９で比較して逐次励起装置７に与える励起電力Ｐの指令を補正するレーザ出力のフィードバック制御が採用される。

二酸化炭酸や窒素、およびヘリウム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４０から、ソレノイドバルブ１３ｂ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１３ａを経由して真空ポンプ１４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、光共振器１およびガス流路５内部のレーザ媒質ガス給排気量を制御する。

光共振器１またはガス流路５の圧力が一定になるようにソレノイドバルブ１３ａおよび１３ｂはレーザ媒質ガス給排気装置１２により開閉頻度を制御される。前記のレーザ媒質ガスは送風機１０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１１ａは送風機１０の圧縮熱を除去し、熱交換器１１ｂ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による励起電力によって電極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８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。

励起装置７により電極６間でグロー放電が発生するに伴い、電極６から電子が放出されレーザ媒質ガスの二酸化炭素に衝突し一酸化炭素と酸素に解離する。

解離した酸素は電極６やガス流路５などの金属部およびレーザ媒質ガスの窒素などと酸化結合して減少し、二酸化炭素に再結合できない一酸化炭素の量が時間経過と共に増加する。

しかし、前記レーザ媒質ガス給排気装置１２により開閉されるソレノイドバルブ１３ａおよび１３ｂと真空ポンプ１４により一定量のレーザ媒質ガスを光共振器１およびガス流路５に給排気しているため、時間経過と共に一酸化炭素の量はバランスし一定となる。

この一酸化炭素量の変化によるレーザ出力経時変化を示したのが図３である。

励起装置７により電極６間のグロー放電開始初期は二酸化炭素量が十分あり一酸化炭素が少ないためレーザ出力は高い状態を保持するが、二酸化炭素に再結合できない一酸化炭素の量が時間経過と共に増加すると二酸化炭素量が減少しレーザ出力が低下し始める。酸素の酸化反応速度とレーザ媒質ガス給排気量によりレーザ出力が低下する傾きαは決定される。

その後、一酸化炭素の量が一定になるとレーザ出力も一定となるが、このレーザ出力は初期の出力より低い値となる。

ここで、励起電力の大小による上記レーザ出力経時変化への影響を考える。

なお、条件としてレーザ媒質ガス給排気量は同一で一定とする。

励起電力Ｐ１＞Ｐ２の関係が成り立つとき、時間当たりに解離する二酸化炭素の量は励起電力Ｐ１の方が多い。これは電極６から放出される電子の量が励起電力に比例して多くなるからである。

したがって、図３に示すようにレーザ出力が低下する傾きαも励起電力の大小によって（２）式の関係を有する。

｜傾きα（Ｐ１）｜ ＞ ｜傾きα（Ｐ２）｜ ・・・ （２）
（ここで、傾きα（Ｐ１）＜０、傾きα（Ｐ２）＜０、励起電力Ｐ１＞Ｐ２）
次にレーザ媒質ガス給排気量によるレーザ出力経時変化を示したのが図４である。

上記の一酸化炭素の影響によるレーザ出力経時変化の傾向は同じであるが、レーザ媒質ガス給排気量により一酸化炭素量が変化することを図４は示している。

なお、条件として励起電力は同一とする。

レーザ媒質ガスガス給排気量Ｌが、Ｌ１＜Ｌ２である場合一酸化炭素量が増加していく影響でレーザ出力が低下する傾きαも（３）式の関係を有する。

｜傾きα（Ｌ１）｜ ＞ ｜傾きα（Ｌ２）｜ ・・・ （３）
（ここで、傾きα（Ｌ１）＜０、傾きα（Ｌ２）＜０、レーザ媒質ガス給排気量Ｌ１＜Ｌ２）
また、一酸化炭素量が一定になった状態でのレーザ出力は（４）式の関係を有する。

レーザ出力（Ｌ１） ＜ レーザ出力（Ｌ２） ・・・ （４）
（ここで、レーザ媒質ガス給排気量Ｌ１＜Ｌ２）
一酸化炭素が一定になった状態で任意のレーザ出力指令値と同一となる場合、その時のレーザ媒質ガス給排気量をＬ基準とし、レーザ出力が低下する傾きα（Ｌ基準）としたならば、任意のレーザ出力指令に応じた傾きα（Ｌ基準）を得ることができ、かつ任意のレーザ出力指令に応じたレーザ媒質ガス給排気量（Ｌ基準）を得ることができる。

前記のレーザ出力指令値と傾きα（Ｌ基準）の関係を示したのが図５である。

前記のレーザ出力指令値とレーザ媒質ガス給排気量（Ｌ基準）の関係を示したのが図６である。

図５および図６の関係は事前に測定し取得してもよいが、図６のレーザ出力指令値とレーザ媒質ガス給排気量（Ｌ基準）の関係は、二酸化炭素が解離してできた酸素の酸化結合反応状況に左右され、電極６やガス流路５などの金属部の酸化状態は継時的に進行変化するため、事前に取得した関係と一致しなくなることが想定される。

したがって、本発明は継時的な影響も受けず安定した関係を有する図５のレーザ出力指令値と傾きα（Ｌ基準）の関係を制御装置９に事前に記憶させ制御に利用する。

レーザ媒質ガス給排気量の最適化を図るため、まずレーザ出力測定器８の出力の時間経過による変化量を制御装置９で計算しレーザ出力が低下する傾きαを求める。

なお、傾きαがゼロや正の値であった場合は以下の制御は行わない。傾きαがゼロの結果はレーザ発振を行っていない場合でも得られ、制御に使用する場合はより複雑なレーザ発振装置の状態による制御判断が必要となる。また傾きαが正の結果はレーザ媒質ガスの異常、例えばガス流路５に油分が混入したような異常時に発生する現象であり制御対象としては妥当ではない。

傾きαが負の値であった場合、制御装置９はその時のレーザ出力指令値に応じた傾きα（Ｌ基準）と比較する。

傾きαが傾きα（Ｌ基準）より負に大きい場合は、レーザ媒質ガス給排気装置１２によりソレノイドバルブ１３ａおよび１３ｂの開閉頻度を制御し、光共振器１内のレーザ媒質ガス給排気量を増やし、傾きαが傾きα（Ｌ基準）より負に小さい場合は、レーザ媒質ガス給排気装置１２によりソレノイドバルブ１３ａおよび１３ｂの開閉頻度を制御し、光共振器１内のレーザ媒質ガス給排気量を減らすように制御装置９により制御する。

この結果、一酸化炭素が安定した時のレーザ出力が、任意のレーザ指令値に等しくあるいは近似した値を得ることができる必要最小限のレーザ媒質ガス給排気量得る、つまりレーザ媒質ガス給排気量最適化が実現できる。

本発明のレーザ発振装置は、レーザ媒質ガス給排気量最適化を行うことにより希少なヘリウム使用量の低減を可能としたガス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 レーザ出力測定器
９ 制御装置
１０ 送風機
１１ａ、１１ｂ 熱交換器
１２ レーザ媒質ガス給排気装置
１３ａ、１３ｂ ソレノイドバルブ
１４ 真空ポンプ
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 (1)

1. 光共振器と、該光共振器内のレーザ媒質ガスに励起電力を与える励起装置と、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励起装置を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且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であって、
   前記レーザ出力測定器出力の時間に対するレーザ出力変化傾きを前記制御装置で算出し、
   前記レーザ出力値指令に応じたレーザ出力変化傾き基準と比較し、
   前記レーザ出力変化傾きが前記レーザ出力変化傾き基準より負に大きい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を増やし、
   前記レーザ出力変化傾きが前記レーザ出力変化傾き基準より負に小さい場合は、前記レーザ媒質ガス給排気装置により前記光共振器内のレーザ媒質ガス給排気量を減らすガスレーザ発振装置。
   

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