JP2017216463A

JP2017216463A - 炭酸ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP2017216463A
Application number: JP2017134767A
Authority: JP
Inventors: 和幸米谷; Kazuyuki Yonetani; 俊治林; Toshiharu Hayashi; 渡辺　公彦; Kimihiko Watanabe; 公彦渡辺
Original assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Current assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: JP6405575B2

Abstract

【課題】尖頭パルスの照射エネルギーとして１０ｍＪを超えるような十分なエネルギーを得られると同時に、パルステールを無くした短パルスレーザを発生させること。
【解決手段】炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合し、パルステールが無く、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪ以上の短パルスレーザを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガスレーザ装置に関する。

従来から、炭酸ガス（二酸化炭素（ＣＯ₂））、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）の混合ガスを用いた炭酸ガスレーザ装置が知られている。炭酸ガスレーザ装置には、連続発振のレーザ装置とパルスレーザ装置がある。当該パルスレーザ装置、特にいわゆる短パルスレーザ装置は、薄板や紙などに照射して表面に溝や図形を彫るマーキングや孔あけ加工に用いられるが、（１）短パルスにおける尖頭パルスの照射エネルギーは、例えば３ｍＪ（ミリジュール）〜４ｍＪ程度というように小さい。（２）このように尖頭パルスの照射エネルギーが小さいため、薄板や紙などに照射して表面に溝を彫ったり、孔を開けたりする加工等ができない場合がある。（３）尖頭パルスの後半部分が尾を引くいわゆるパルステールがある。（４）このようなパルステールがあるために、例えば薄板や紙に短パルスを照射して孔が開いた場合でも、孔の周辺が焦げる等の問題があった。

図１５に一般的な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の概略構成図を示す。当該レーザ装置は、ガラスなどの絶縁体からなる放電管４内に、レーザ媒質として炭酸ガスと、窒素ガスと、ヘリウムガスを混合した励起媒質ガス（レーザガス）を封入している。放電管４には主電極８ａ、８ｂを設け、これら主電極８ａ、８ｂには主電源１０を接続して、放電管４内に放電を発生させるように構成している。この放電で生じた高速の電子が、Ｎ₂分子を励起して高エネルギー準位に上げ、この励起された窒素分子が、ＣＯ₂分子に衝突してＣＯ₂分子にエネルギーを与えて励起させ、エネルギー準位を上げる。その際、Ｎ₂分子はエネルギー準位が下がる。反転分布したＣＯ₂分子は放電管４の両端にそれぞれ対向するように配置した全反射鏡２と部分反射鏡３により共振器内で増幅されレーザ光を誘導放出し、部分反射鏡３から外部にレーザ光を出力する。

このような構成のレーザ装置をガラスマーキングに用いる方法が開示されている（特許文献１参照）。当該特許文献１では、図１６のように、レーザ光出力の立ち上がりを急峻とし、尖頭ピーク（尖頭パルス）の幅が狭くなるように制御し、尖頭ピークＰの高さの半分の位置における幅、すなわち半値幅は３〜１００ナノ秒（ｎｓｅｃ）、好ましくは３〜３０ナノ秒として、尖頭ピークＰの高さは、ピークＰから緩減衰へと移行する点Ｑのレーザ光出力の４倍以上、好ましくは５倍以上となるように制御し、点Ｑを過ぎた後はレーザ光出力がなくなる点Ｓまで緩減衰して移行すると記載している。この特許文献１のレーザ装置においては、発振ガス（励起媒質ガス）は、図１７（ａ）に示したように、炭酸ガス１容量部に対して、窒素を０．３〜２．０容量部、好ましくは０．８〜１．４容量部、ヘリウムが０．５〜５容量部、好ましくは１〜４容量部を含有した炭酸ガスが望ましいとしている。図１７（ｂ）は混合した励起媒質ガスをガスボンベ１に封入した状態を示しており、図１７（ｃ）は図１７（ｂ）のガスボンベから励起媒質ガスを放電管４内に移した状態を示している。特許文献１では、図１７（ａ）〜（ｃ）で示した混合比の励起媒質ガスを放電管４内に封入した状態で、最大パワー１パルス２０ｍＪのレーザビームを、５０μｓｅｃ（マイクロ秒）間、３０ｍｍ（ミリメートル）の距離からガラス材料に照射することで、照射エネルギー４ｍＪを得たと記載している。

ここで図１８を参照すると、レーザ全体の照射エネルギーは、レーザ強度を時間軸について積分した値であることから、尖頭パルス部分の線分より内側の面積とパルステール部分の線分より内側の面積を対比してわかる通り、レーザ全体の照射エネルギーが４ｍＪ得られたとしても、その半分（２ｍＪ）程度がパルステール部分のエネルギーであり、残る尖頭パルス部分のエネルギーは２ｍＪ程度である。

なお、特許文献１では、レーザ出力の尖頭ピークの半値幅を３〜１００ナノ秒（ｎｓｅｃ）、好ましくは３〜３０ナノ秒としているが、具体的な実現手段についての記載はない。半値幅を３〜３０ナノ秒とするのは実際には困難であり、現実的で実現可能な値としては、半値幅は１００ナノ秒前後である。そして、半値幅を１００ナノ秒として、尖頭パルス部分のエネルギーが２ｍＪとすると、尖頭パルスのピークとなるレーザ強度は２ｍＪ（Ｗ・ｓｅｃ）／１００ｎｓｅｃ＝２０ｋＷ程度となる。

尖頭パルスのレーザ強度が２０ｋＷ程度では、ピークパワーが小さいため、薄板や紙などに照射して表面に溝を彫ったり、孔を開けたりする加工等を十分に行うことができない場合がある。また、パルステール部分のエネルギーの影響により、薄板や紙に孔を開けたときに孔の周辺が焦げる等して、精密な加工を行うことできないという問題がある。
ちなみに、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する励起媒質ガスの望ましいとされている混合比について、他の例を調べると、図１９、図２０のようになっている。

使用目的によって望ましいとされる混合比は同一ではないが、例えば「予め最適な条件、例えばＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅの混合ガスであれば、２：１：７の割合（窒素分圧に換算して１０％）に混合されたガスを圧入したガスボンベから直管に供給する」（例えば、特許文献２参照）、「ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅの３種類のガス成分を含み、かつＣＯ₂のモル分率が１〜１０％かつＮ₂のモル分率が３５〜９０％の範囲（窒素分圧に換算して、３５％程度以上）の混合ガスを用いたことにより、大出力のレーザを実現させる」（例えば、特許文献３参照）、「実際の装置の例では、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅのモル比が１：１０：１．４（窒素分圧に換算して８１％程度）の混合ガスが放電管内に充填され」（例えば、特許文献４参照）というように、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅの混合比は、窒素分圧（濃度）に換算して概ね１０％から８０％の範囲内の混合比が良いというのが、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の技術分野における一般的技術常識の範囲であった。

また、パルステールを除去するように構成した軸方向励起超短波パルスガスレーザ装置として、励起回路に、パルスを発生するプライマリ一回路、昇圧トランス、蓄積キャパシター、高電圧スイッチ、並びにシャント回路を設けたものが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

特開２０００−３０１４７７号公報特開昭６２−４３８３号公報特開平２−１３２８７１号公報特開昭５６−８０１９１号公報特開２００６−１５６８１２号公報

薄板や紙に短パルスレーザを照射して、溝を彫ったり、孔を開けたりするには、短パルスレーザの尖頭パルスの照射エネルギーとして４ｍＪの数倍程度以上、例えば１０ｍＪを超えることが望ましい。従って、上記特許文献１のようにレーザの照射エネルギー全体として４ｍＪ、尖頭パルス部分のエネルギーとして２ｍＪでは、加工に十分なエネルギーを満たすことができない。これは、特許文献２〜４に記載されているような励起媒質ガスの混合比とした場合でも効率よく十分な尖頭パルスの照射エネルギーを得ることは困難である。

また、上記特許文献５においても、放電管の両端を１００Ω以下の小抵抗や１ｍＨ以下のインダクターなどでシャントすることによりパルステール部分を除去しているが、この方法ではパルステールを除去できても同時に尖頭パルスの照射エネルギーが減少するという問題がある。
尖頭ピークＰから急減衰させてパルステールを無くすことができ、且つ照射エネルギーが尖頭パルス部分に集中して尖頭パルスのレーザ強度のピークを高くすることができれば、例えば、レーザ光を照射した部分の周辺を焦がすことなく所定の孔を瞬時に開け、あるいは所定の溝を瞬時に彫る等、より精度の高い加工が実現可能となる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザの技術分野における一般的技術常識にない新しい条件を見出して、尖頭パルスの照射エネルギーとして１０ｍＪを超えるような十分なエネルギーを得られると同時に、パルステールを無くした短パルスレーザを発生させることのできる炭酸ガスレーザ装置を実現することを第一の目的としている。そして、このような炭酸ガスレーザ光を実現し、当該炭酸ガスレーザを板や紙などに照射して表面に溝や孔を加工するときに、孔や溝の周辺を焦がさず、瞬時に溝や孔を加工可能な高精度な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ発生方法と炭酸ガスレーザ装置、あるいは炭酸ガスレーザを用いたマーキング方法とマーキング装置を提供することを第二の目的としている。

上記した目的を達成するために、請求項１の炭酸ガスレーザ装置では、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスであって、ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合した炭酸ガスレーザの励起媒質ガスと、前記励起媒質ガスを封入した放電管と、前記放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、前記放電管の中間部外側に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源と、を備え、尖頭パルスの半値幅が７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲で、当該尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えており、当該尖頭パルスの照射エネルギーの９０％以上がパルス発生後１μｓｅｃ以内に含まれる短パルスレーザを発生させることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明によれば、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合するレーザ光の励起媒質ガスとして、ガスの混合比を容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合する。

そして本発明は、一般の炭酸ガスレーザ装置の放電管内にこの励起媒質ガスを封入してレーザ光を発生させることにより、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを越えると同時にパルステールの無い短パルスレーザを発生させる炭酸ガスレーザ装置を実現している。
このように、上記励起媒質ガスを用いることで、尖頭パルスのエネルギーが１０ｍＪを越えるような十分なエネルギーを得ることができると同時に、パルステールが無い短パルスレーザを発生させることができる。このことにより、短パルスを板や紙などに照射して表面に溝や孔を開けるときに、孔や溝の周辺を焦がすことなく溝や孔を瞬時に形成することができる。

（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスにおける混合比を視覚的に示した図、（ｂ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスにおける混合比をボンベに入れた状態で視覚的に示した図、（ｃ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスを放電管に封入した状態で示した図。本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザ装置の概略構成図。本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザ装置のレーザ出力の推移を示した図。本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザ装置のレーザ出力の推移の評価尺度を示した図。本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスにおける混合比の各条件に応じた評価結果を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件１（窒素分圧：０％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザ出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件２（窒素分圧：１．２％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザ出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件３（窒素分圧：２．４％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザ出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件４（窒素分圧：５．９％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザ出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件５（窒素分圧：１１．１％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザ出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件６（窒素分圧：２０．０％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザの出力状況を示した図。（ａ）本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比条件７（窒素分圧：３３．３％）でのレーザ出力状況を示した図、（ｂ）（ａ）の時間軸（Ｘ軸）を拡大してレーザの出力状況を示した図。本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザの励起媒質ガスの混合比に応じた尖頭パルスのエネルギーとパルステールの評価結果の関係を示した図。本発明の第二の実施の形態に係る炭酸ガスレーザを用いたマーキング装置の概略構成図。従来の一般的な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の概略構成図。従来の炭酸ガスレーザ装置のレーザ出力の推移を示した図。（ａ）従来の炭酸ガスレーザの励起媒質ガスにおける混合比を視覚的に示した図、（ｂ）従来の炭酸ガスレーザの励起媒質ガスにおける混合比をボンベに入れた状態で視覚的に示した図、（ｃ）従来の炭酸ガスレーザの励起媒質ガスを放電管に封入した状態で示した図。従来の炭酸ガスレーザ装置のレーザ出力の推移を示した図。従来の炭酸ガスレーザ装置における炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分とする励起媒質ガスとして望ましいとされていた混合比を示した図。従来の炭酸ガスレーザ装置における炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分とする励起媒質ガスとして望ましいとされていた混合比を窒素分圧に着目して示した図。

（本発明の第一の実施の形態）
本発明の特徴は、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスとして、ガスの混合比を容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合したことにある。炭酸ガスレーザ装置の構成は、一般的な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置に、本発明のガスの混合比の励起媒質ガスを用いることで、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃ（ナノ秒）を中心とした７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲（７０〜１５０ｎｓｅｃ）で、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えると同時に、パルステールの生じさせない炭酸ガスレーザ装置としている。以下、図面とともに説明する。

第一の実施の形態における炭酸ガスレーザの励起媒質ガスは、図１（ａ）に示すように、炭酸ガス、窒素、ヘリウムのガスを、容積比で２０：１：２０の割合で混合している。そして、図１（ｂ）に示すように、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：２０の割合で混合した励起媒質ガス（以下、混合ガスともいう）をガスボンベ１に封入し、当該ガスボンベ１は炭酸ガスレーザ装置の放電管へと混合ガスを充填するものである。当該図１（ｂ）のガスボンベから炭酸ガスレーザ装置の放電管に混合ガスを充填することで、図１（ｃ）に示すように、放電管４内に炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：２０の割合で混合された励起媒質ガスで満たされることとなる。

なお、炭酸ガス：窒素を容積比で２０：１とするのに対し、ヘリウムは放電管の長さや電源電圧等の他の条件によって得られる結果が異なるが、容積比で５〜４０の範囲であれば本発明の効果が得られる。
図２を参照すると、本発明の第一の実施の形態に係る炭酸ガスレーザ装置の概略構成図が示されており、同図に基づき本実施形態のレーザ発振管１５の構造と励起電源６の接続を説明する。なお、炭酸ガスレーザ装置の構成は基本的に図１５に示した一般的な炭酸ガスレーザ装置を流用することができ、図１５で示した構成と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

図２において、レーザ発振管１５は、放電管４の内部に図１で示した混合比の混合ガスが封入され、放電管４の両端には主電極８ａ、８ｂが配設されて縦方向励起方式のレーザ発振管として形成されている。このレーザ発振管１５は、混合ガスを管内に封止した管状のレーザ発振管とし、管の軸方向両端に対向するよう配設した一対の主電極８ａ、８ｂと、その中間部に副電極９を有し、管軸方向である縦方向に放電をさせる構造になっている。そして主電極８ａ、８ｂには主電源１０が、副電極９には副電源１１が接続されている。

このように構成されたレーザ発振管１５は、主電極間８ａ、８ｂに主電源１０から主パルス電圧を印加し一方の主電極８ａと副電極９との間に主パルス電圧とは逆極性の副パルス電圧を副電源１１から印加して副パルス電圧により発生するコロナ放電をトリガとして主電極８ａ、８ｂ間の発振媒体を励起してパルスレーザを出力させるものである。従って、当該レーザ発振管１５は、高電圧スイッチ等を必要とせず、副電極９の印加電圧を制御することにより尖頭パルスのピーク幅を狭く、任意の高周波数のパルスレーザ出力を得ることが可能である。

具体的には、図３、４に本実施形態の炭酸ガスレーザ装置のレーザ出力の推移を示したとおり、レーザ出力は、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃの範囲で、当該尖頭パルスのエネルギーが１０ｍＪを超え、パルステールが無いものが得られる。図３、４では、Ｘ軸を時間軸とし、Ｙ軸をレーザ強度とし、本発明のレーザ出力の推移を太い実線で示した。また、従来と対比するため、想像線（二点鎖線）で従来（特許文献１）の混合比の混合ガスを用いたときのレーザ出力波形を示した。

図３に示すように、太い実線で示した本発明の尖頭パルスのレーザ強度は、想像線で示した従来に比べて数倍の強さまで出力されている。また、従来であれば、レーザ強度がピーク（Ｐ点）から、その１／４から１／５程度のＱ点まで下がった後、Ｑ点からレーザ強度がゼロとなるＳ点まで緩減衰するパルステールがあるのに対し、本発明では、レーザ強度がピークＰから急減衰してパルステールが無くなっている。このように図３より、本発明の短パルスレーザの出力波形と、従来の短パルスレーザの出力波形の違いがある。

本発明では、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えるような十分なエネルギーの炭酸ガスレーザを照射するものである。これは尖頭パルスの半値幅を１００ｎｓｅｃとして計算するとレーザ強度は、下記式（１）より１００ｋＷ程度となる。尖頭パルスの半値幅としては７０〜１５０ｎｓｅｃが好ましく、その場合のレーザ強度は下記式（２）、（３）から６７ｋＷ〜１４３ｋＷとなる。
１Ｊ（ジュール）=１Ｗ・ｓｅｃ（ワット・秒）より、
１０ｍＪ=１０Ｗ・ｍｓｅｃ＝１０,０００,０００Ｗ・ｎｓｅｃ
１０,０００,０００Ｗ・ｎｓｅｃ／１００ｎｓｅｃ＝１００,０００Ｗ＝１００ｋＷ・・・（１）
１０,０００,０００Ｗ・ｎｓｅｃ／７０ｎｓｅｃ＝１４２,８５７Ｗ＝１４３ｋＷ・・・（２）
１０,０００,０００Ｗ・ｎｓｅｃ／１５０ｎｓｅｃ＝６６,６６６Ｗ＝６７ｋＷ・・・（３）

レーザ強度が１００ｋＷ程度あれば、薄板や紙などに照射して表面に瞬時に溝を彫ったり、孔を開けたりする加工等を良好に行うことができる。
また、パルステールがないため薄板や紙に短パルスレーザを照射して孔を開けたときに孔の周辺が焦げないという利点がある。
図４は、具体的にどの範囲の混合比まで本発明の効果が得られるかを実験する際の評価尺度を図示したもので、「尖頭パルスの評価」と「パルステールが無いこと」という２つの評価尺度を用いている。より具体的には、尖頭パルスの評価として、尖頭パルスが、半値幅７０〜１５０ｎｓｅｃで、エネルギーが１０ｍＪを超えていることを基準としている。また、パルステールが無いという評価として、尖頭パルスのパルス発生後、急減衰しており、パルス発生後１μｓｅｃ以内にエネルギーの９０％が含まれていることを基準としている。それぞれについて、達成度の高いほうから、◎、○、△、×と評価している。なお、これらの評価には、レーザ光の波形を検出する波形検出器と、照射されたレーザ光全体のエネルギーを測定するエネルギーメータとを用いている。波形検出器により得られた波形から半値幅の特定とパルステールの有無を判定し、エネルギーメータにより得られたレーザ光全体のエネルギーから尖頭パルス部分のエネルギーを割り出すことで評価を行っている。

尖頭パルスの評価については、半値幅が７０〜１５０ｎｓｅｃであって、照射エネルギーが１０ｍＪを十分に超えている場合（例えば１５ｍＪを超えている）に◎を、照射エネルギーが１０ｍＪを超えている場合（例えば１１ｍＪを超えて１５ｍＪまでの範囲）に○を、照射エネルギーが１０ｍＪ程度の場合（例えば１０ｍＪ以上１１ｍＪまでの範囲）に△を、照射エネルギーが１０ｍＪ未満の場合に×を、それぞれ付して達成レベルを評価した。なお、パルステールについては、パルステールが無い場合、具体的には、尖頭パルスのパルス発生後急減衰して、パルス発生後１μｓｅｃ以内にエネルギーの９０％が含まれている場合に◎又は○を、小さいパルステールが生じてパルス発生後１μｓｅｃ以内のエネルギーが全体の９０％に少し足りない場合に△を、大きいパルステールが生じてパルス発生後１μｓｅｃ以内のエネルギーが全体の９０％に明らかに足りない場合に×を、それぞれ付して、達成レベルを評価した。

放電管４としては内径１０〜１３ｍｍ、肉厚１〜２ｍｍ、軸長４５０〜６００ｍｍのセラミックス管が好ましく、図５は、放電管４として内径１３ｍｍ、肉厚２ｍ、軸長４５０ｍｍのセラミックス管を用い、放電管４内のガス圧力は３ＫＰａ、駆動はダイレクトドライブ方式とし、炭酸ガスとヘリウムの容積比（体積比）をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を０、１、２、５、１０、２０、４０と変化させた条件１から条件７までの尖頭パルスの照射エネルギーとパルステールの状態を評価した結果を一覧表にまとめたものである。

図５に示すように、尖頭パルスの照射エネルギーは、「条件３」の窒素分圧２．４％（容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝４０：２：４０）のときが最高である。そして、パルステールが無いといえるのは窒素分圧が「条件１」の０％（容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝４０：０：４０）、「条件２」の１．２％（容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝４０：１：４０）、「条件３」の２．４％（容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝４０：２：４０）、のときであり、図５における最も好ましい条件は条件３のときといえる。

まず、図６（ａ）は、「条件１」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を０、つまり窒素分圧を０％としたときのレーザ強度の時間軸（１目盛：１０μｓｅｃ）上の変化を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して時間軸の１目盛を１μｓｅｃとして示した図である。当該図６（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件１」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃである。そして、当該尖頭パルスの照射エネルギーは１０ｍＪ程度であり（評価結果：△）、パルステールは無い（評価結果：◎）。

図７（ａ）は、「条件２」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を１、つまり窒素分圧を１．２％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図７（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件２」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪを超えていた（評価結果：○）。そして、パルステールは無い（評価結果：◎）。

図８（ａ）は、「条件３」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を２、つまり窒素分圧を２．４％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図８（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件３」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪを大きく超えていた（評価結果：◎）。そして、パルステールは無い（評価結果：◎）。

図９（ａ）は、「条件４」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を５、つまり窒素分圧を５．９％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図９（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件４」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪを超えていた（評価結果：○）。一方、レーザ強度が尖頭パルス出力時の１／１５程度であるが、パルステールが生じている（評価結果：△）。

図１０（ａ）は、「条件５」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を１０、つまり窒素分圧を１１．１％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件５」では、尖頭パルスのピークの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪを超えていた（評価結果：○）。レーザ強度が尖頭パルス出力時の１／１５程度以下であるが、パルステールが生じている（評価結果：△）。

図１１（ａ）は、「条件６」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を２０、つまり窒素分圧を２０％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件６」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪを超えていた（評価結果：○）。一方、パルステールが生じている（評価結果：×）。

図１２（ａ）は、「条件７」の炭酸ガスとヘリウムの容積比をそれぞれ４０とし、窒素の容積比（体積比）を４０、つまり窒素分圧を３３．３％としたときのレーザ強度の時間軸上の変化を示している。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の時間軸を１０倍に拡大して示した図である。当該図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、「条件７」では、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃであるが、照射エネルギーが１０ｍＪ未満であった（評価結果：×）。また、パルステールが生じている（評価結果：×）。

以上、図６から図１２に示した、炭酸ガス、窒素、ヘリウムの混合比の「条件１」から「条件７」の実験結果からすると、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスとして、ガスの混合比を、容積比で、窒素分圧（濃度）が２．４％の割合で混合したとき、より具体的には、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝４０：２：４０（＝２０：１：２０）の割合で混合した図８の「条件３」のときに、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃを中心とした７０〜１５０ｎｓｅｃで照射エネルギーが１０ｍＪより最も大きく超えていることと、パルステールが無いことがわかる。

これらのことから本発明は、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の技術分野の一般的技術常識の範囲にない新しい範囲での設定条件を見出すため、実験を行った結果、ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合したときに、パルステールが無い状態で、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪより超えることを見出した。

図１３に、本発明の第一の実施の形態に係るレーザ光の励起媒質ガスの混合比（窒素分圧）と尖頭パルスとパルステールの評価結果の関係をそれぞれ示した。図１３では、窒素分圧をＸ軸（横軸）に、評価レベルをＹ軸（縦軸）に示した。当該図１３に示すように、尖頭パルスの評価とパルステールの評価の両方が高い領域、つまりパルステールが無く、尖頭パルスについて、半値幅７０〜１５０ｎｓｅｃで１０ｍＪを超える短パルスレーザを発生させることができる範囲は、「条件２」から「条件４」の範囲内、より好ましくは「条件３」である。

このことから、励起媒質ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０とすることで、パルステールが無く、ピークパワーが１０ｍＪを超える短パルスレーザを発生させることができるといえる。
この混合比の励起媒質ガスを図１（ｂ）のようにボンベ１に詰め、図１（ｃ）のように放電管４に移して封入し、図２のように、短パルスで励起することで、パルステールが無く、尖頭パルスの半値幅７０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃで１０ｍＪを超える十分なエネルギーの短パルスレーザを発生させる炭酸ガスレーザ装置を実現することができる。

当該炭酸ガスレーザ装置による短パルスのレーザ出力を板や紙などに照射すれば、溝や孔を開け加工したときに、孔や溝の周辺を焦がすことなく精度よく所望の溝や孔を形成することができる。また、本発明の混合比の励起媒質ガスを用いた軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ発生方法で、瞬時に薄板や紙に孔あけしたりすることができる。
また、炭酸ガスレーザの励起媒質ガスは繰り返し使用により性能が劣化するので、本発明の混合比の励起媒質ガスをボンベ１に封入したものを予め多数準備しておき、レーザの品質に応じて、放電管内４の劣化した励起媒質ガスを新規な励起媒質ガスと入れ替えていることで容易に且つ安定的に炭酸ガスレーザの品質を維持できる。また、放電管内４の励起媒質ガスを循環式として、劣化した励起媒質ガスを新規な励起媒質ガスに順次入れ替えるようにしてもよい。

（本発明の第二の実施の形態）
本発明の混合比の励起媒質ガスを用いて、加工の対象物であるガラス等の表面に溝を彫って任意の図形や文字等のマークを形成する軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザによるマーキング装置を作ることができる。本発明の第二の実施の形態として、本発明による軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザによるマーキング装置を説明する。

図１４に、本発明の第二の実施の形態に係る炭酸ガスレーザを用いたマーキング装置の概略構成図を示す。図１４のマーキング装置は、ベース３０の上に設置した多関節ロボット２０で、同じくベース３０の上に設置したワーク載置台４０上のガラス材料５０の表面に三次元的に変化する溝５１を彫るよう構成している。多関節ロボット２０は、駆動制御部２１から延びたロボットアーム２２を有し、当該ロボットアーム２２に取り付けたロボットアーム先端部２３内に、本発明のレーザ発振管１５、即ち励起媒質ガスの混合比が炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０である炭酸ガスレーザのレーザ発振管を組み込んでいる。多関節ロボット２０のロボットアーム２２は、図１４の紙面垂直方向にも動き、駆動制御部２１によって、ロボットアーム先端部２３をワーク載置台４０上に固定した立体的なガラス材料５０の表面に沿って移動させる。そして移動時にレーザ発振管１５から短パルスレーザを照射して、ガラス材料５０の表面に溝５１を彫ることで所定の図形や文字をマーキングする。

このように、本実施形態では、上記第一の実施の形態における炭酸ガスレーザのレーザ発振管をマーキング装置に組み込み、尖頭パルスの半値幅が７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲で、当該尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えており、当該尖頭パルスの照射エネルギーの９０％以上がパルス発生後１μｓｅｃ以内に含まれる短パルスレーザを発生させて対象物に対しマーキング加工を行う。これにより、十分なエネルギーのレーザ光で、且つ精度の良いマーキング加工を行うことができる。

なお、図１４では、レーザ発振管１５を多関節ロボット２０のロボットアーム先端部２３内に組み込んで立体的に動かし、ワーク載置台４０上に固定した立体的なガラス材料５０の表面に三次元に変化する溝５１を彫ってマーキングするマーキング装置を示したが、本発明では、炭酸ガスレーザ装置部分を小型にして、手に持ってレーザ光を照射するハンディタイプの炭酸ガスレーザ装置や、歯科治療用炭酸ガスレーザ装置等として用いることもできる。

また、本発明の混合比の励起媒質ガスを用いた軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザによるマーキング方法で、ガラス等の表面に溝を彫って任意のマークを形成したりすることができる。

本発明は、薄板、紙に孔を開ける炭酸ガスレーザ装置の他に、歯科治療用炭酸ガスレーザ装置に適用することができる。

１ボンベ
４放電管
５、１５レーザ発振管
６発振管の励起電源
７制御装置
８ａ、８ｂ主電極
９副電極
１０主電源
１１副電源
２０多関節ロボット
２１駆動制御部
２２ロボットアーム
２３ロボットアーム先端部
３０ベース
４０ワーク載置台
５０ガラス材料
５１溝

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザの技術分野における一般的技術常識にない新しい条件を見出して、尖頭パルスの照射エネルギーとして１０ｍＪを超えるような十分なエネルギーを得られること、又はパルステールを無くした短パルスレーザを発生させることのできる炭酸ガスレーザ装置を実現することを目的としている。そして、このような炭酸ガスレーザ光を実現し、当該炭酸ガスレーザを板や紙などに照射して表面に溝や孔を加工するときに、孔や溝の周辺を焦がさず、瞬時に溝や孔を加工可能な高精度な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ発生方法と炭酸ガスレーザ装置、あるいは炭酸ガスレーザを用いたマーキング方法とマーキング装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、請求項１の炭酸ガスレーザ装置では、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスであって、ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合した炭酸ガスレーザの励起媒質ガスと、前記励起媒質ガスを封入した放電管と、前記放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、前記放電管の中間部外側に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源と、を備え、尖頭パルスの半値幅が７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲で、当該尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えており、当該尖頭パルスの照射エネルギーの９０％以上がパルス発生後１μｓｅｃ以内に含まれる短パルスレーザを発生させることを特徴としている。
また、請求項２の炭酸ガスレーザ装置では、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスであって、ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合した炭酸ガスレーザの励起媒質ガスと、前記励起媒質ガスを封入した放電管と、前記放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、前記放電管の中間部外側に配置された副電極と、前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電源と、前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源と、を備え、尖頭パルスの半値幅が７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲で、当該尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えている短パルスレーザを発生させることを特徴としている。

そして本発明は、一般の炭酸ガスレーザ装置の放電管内にこの励起媒質ガスを封入してレーザ光を発生させることにより、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを越える短パルスレーザを発生させる炭酸ガスレーザ装置を実現している。
このように、上記励起媒質ガスを用いることで、尖頭パルスのエネルギーが１０ｍＪを越えるような十分なエネルギーを得ることができる短パルスレーザを発生させることができる。このことにより、短パルスを板や紙などに照射して表面に溝や孔を開けるときに、孔や溝の周辺を焦がすことなく溝や孔を瞬時に形成することができる。

（本発明の第一の実施の形態）
本発明の特徴は、炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスとして、ガスの混合比を容積比で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で、かつ、窒素分圧（濃度）が２．４％を中心として０％を超えて５．９％未満の範囲の割合で混合したことにある。炭酸ガスレーザ装置の構成は、一般的な軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置に、本発明のガスの混合比の励起媒質ガスを用いることで、尖頭パルスの半値幅が１００ｎｓｅｃ（ナノ秒）を中心とした７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲（７０〜１５０ｎｓｅｃ）で、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えると同時に、パルステールの生じさせない炭酸ガスレーザ装置としている。以下、図面とともに説明する。

これらのことから本発明は、軸方向励起短パルス炭酸ガスレーザ装置の技術分野の一般的技術常識の範囲にない新しい範囲での設定条件を見出すため、実験を行った結果、窒素分圧（濃度）で炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で、かつ、窒素分圧（濃度）が２．４％を中心として０％を超えて５．９％未満の範囲の割合、より好ましくは、窒素分圧（濃度）が２．４％を中心として１．２％から３．６％までの範囲の割合で混合したときに、パルステールが無い状態で、尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪより超えることを見出した。

図１３に、本発明の第一の実施の形態に係るレーザ光の励起媒質ガスの混合比（窒素分圧）と尖頭パルスとパルステールの評価結果の関係をそれぞれ示した。図１３では、窒素分圧をＸ軸（横軸）に、評価レベルをＹ軸（縦軸）に示した。当該図１３に示すように、尖頭パルスの評価とパルステールの評価の両方が高い領域、つまりパルステールが無く、尖頭パルスについて、半値幅７０〜１５０ｎｓｅｃで１０ｍＪを超える短パルスレーザを発生させることができる範囲は、窒素分圧で０％を超えて５．９％未満の範囲内、より好ましくは窒素分圧２．４％を中心として、１．２％〜３．６％の範囲内、更により確かなのは窒素分圧１．２％から２．４％の範囲内である。

このことから、励起媒質ガスの混合比を、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で、かつ、窒素分圧（濃度）で２．４％近傍とすることで、パルステールが無く、ピークパワーが１０ｍＪを超える短パルスレーザを発生させることができるといえる。この混合比の励起媒質ガスを図１（ｂ）のようにボンベ１に詰め、図１（ｃ）のように放電管４に移して封入し、図２のように、短パルスで励起することで、パルステールが無く、尖頭パルスの半値幅７０ｎｓｅｃ〜１５０ｎｓｅｃで１０ｍＪを超える十分なエネルギーの短パルスレーザを発生させる炭酸ガスレーザ装置を実現することができる。

図１４に、本発明の第二の実施の形態に係る炭酸ガスレーザを用いたマーキング装置の概略構成図を示す。図１４のマーキング装置は、ベース３０の上に設置した多関節ロボット２０で、同じくベース３０の上に設置したワーク載置台４０上のガラス材料５０の表面に三次元的に変化する溝５１を彫るよう構成している。多関節ロボット２０は、駆動制御部２１から延びたロボットアーム２２を有し、当該ロボットアーム２２に取り付けたロボットアーム先端部２３内に、本発明のレーザ発振管１５、即ち励起媒質ガスの混合比が炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０かつ、窒素分圧（濃度）で２．４％近傍である炭酸ガスレーザのレーザ発振管を組み込んでいる。多関節ロボット２０のロボットアーム２２は、図１４の紙面垂直方向にも動き、駆動制御部２１によって、ロボットアーム先端部２３をワーク載置台４０上に固定した立体的なガラス材料５０の表面に沿って移動させる。そして移動時にレーザ発振管１５から短パルスレーザを照射して、ガラス材料５０の表面に溝５１を彫ることで所定の図形や文字をマーキングする。

Claims

炭酸ガス、窒素、ヘリウムを主成分として混合する炭酸ガスレーザの励起媒質ガスであって、ガスの混合比を、容積比で、炭酸ガス：窒素：ヘリウム＝２０：１：５〜４０で混合した炭酸ガスレーザの励起媒質ガスと、
前記励起媒質ガスを封入した放電管と、
前記放電管の軸方向両端に対向配置された主電極と、
前記放電管の中間部外側に配置された副電極と、
前記主電極間に主パルス状電圧を印加する主電源と、
前記副電極と一方の主電極間に副パルス状電圧を印加する副電圧源と、を備え、
尖頭パルスの半値幅が７０ｎｓｅｃから１５０ｎｓｅｃまでの範囲で、当該尖頭パルスの照射エネルギーが１０ｍＪを超えており、当該尖頭パルスの照射エネルギーの９０％以上がパルス発生後１μｓｅｃ以内に含まれる短パルスレーザを発生させることを特徴とする炭酸ガスレーザ装置。