JP2616170B2 - 多段ロッドカスケード励起レーザ発振器の冷却機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は多段ロッドカスケード励起レーザ発振器の冷
却機構に関し、特に多段ロッドカスケード励起によるYA
Gレーザ発振器における各ロッド（ランプ）ハウスの冷
却水を循環させるための冷却方式に関する。

従来技術 従来、高出力のYAGレーザ発振器のロッドハウスに対
する冷却方法としては、第４図（ａ）に示すように、ミ
ラージンバル部9a,9bとともに光共振器を構成する各ロ
ッドハウス２−１〜２−６毎に夫々独立した１台ずつの
冷却器８−１〜８−６を設け、これらの冷却器８−１〜
８−６により各ロッドハウス２−１〜２−６を冷却する
方式か、あるいは、第４図（ｂ）に示すように、各ロッ
ドハウス２−１〜２−３を直列に接続し、１台の冷却器
８により各ロッドハウス２−１〜２−３を冷却する方式
を採るのが普通である。

前者の場合、ロッドハウス２−１〜２−６と冷却器８
−１〜８−６とを結ぶ配管には、通常内径20φ程度の網
入りブレードホースなどの柔軟性のあるチューブを利用
しており、この網入りブレードホースは冷却水の給水用
と排水用とで計12本必要となる。

高出力CW−YAGレーザの場合、各ロッドハウス２−１
〜２−６内のポンピングランプ（図示せず）には最大8K
Wの電力を注入しているので、各冷却器８−１〜８−６
は10KWの能力を必要とする。

ここで、10KWの冷却器（ガス冷媒で熱交換する電気入
力の冷却器）の大きさは循環ポンプなどを合わせれば、
普通2.5m（Ｈ）×1m（Ｗ）×1m（Ｌ）程度の大きさにな
る。

したがって、上記のような大きさの冷却器を６台もレ
ーザヘッドの近くに設置するのは困難なため、冷却ホー
スを5m〜20m程度延ばしたところに設置している。

後者の場合にも、上述と同様に、冷却器８をレーザヘ
ッドから離して使用していることが多い。

このような従来のYAGレーザ発振器の冷却方法では、
前者の場合、各ロッドハウス２−１〜２−６内のレーザ
ロッド（図示せず）をほぼ均一に冷却することができる
という長所を有する反面、レーザロッド数と同数の独立
した冷却器８−１〜８−６を必要とするためにコストが
かかるという問題がある。

また、各ロッドハウス２−１〜２−６に必ずインおよ
びアウトの最低２本ずつ配管が必要となるため、システ
ムが大変繁雑になるという問題がある。

さらに、各冷却器８−１〜８−６のポンプの能力に多
少のバラツキがあり、各配管系のコンダクタンスが必ず
異なることなどの理由から各ロッドハウス２−１〜２−
６への流量のバラツキが生じるとともに、各冷却器８−
１〜８−６の温度コントロールが独立しているので、温
度リップルが同期せず、ロッドハウスの数が増えた場
合、レーザ発振器全体の出力を考慮すれば平均化される
可能性があるものの、どうしても各ロッドハウス２−１
〜２−６への流量のバラツキと相伴って各レーザロッド
の冷却量が異なる。

その結果、各レーザロッドの平均温度が0.2〜0.3℃程
度異なり、レーザロッドの中心方向の温度勾配が変化す
るため、レーザロッドの熱レンズ効果（dn/dT）も大き
く変わり、レーザ共振器中を往復するレーザビームのレ
ーザロッド間の結合状態を狂わせ、ランプ注入電力対レ
ーザ出力特性の直線性を乱す要因になるという問題があ
る。

後者の場合、ロッドハウス２−１〜２−３の冷却系が
直列に連結されているため、各ロッドハウス２−１〜２
−３に流れる冷却水を完全に等しくできるという利点が
ある反面、ロッドハウスの数が多くなると、コンダクタ
ンスが悪くなるので、より高い冷却水圧力が必要にな
る。

その結果、大きな能力を有する排水ポンプが必要にな
るとともに、冷却水系において水漏れの発生の可能性が
高くなるという問題がある。

また、冷却器８の出力側に近いロッドハウス２−１か
ら８の入力側に近いロッドハウス２−３の方にいくにし
たがって徐々に温度が上がるので、ロッドハウスの数が
多くなると、その温度差が大きくなり、各ロッドハウス
２−１〜２−３毎にレーザのゲインおよびレーザロッド
の熱レンズ効果が異なり、レーザ発振器にとって好まし
くないという問題がある。

前者および後者、どちらの方式を採用するにしても、
ロッドハウスの数が多くなるにつれて大きな問題が生じ
ていた。

一方、従来のマルチロッド方式のレーザ発振器におい
ては、CW−YAGレーザの場合、１つのロッドハウス当り
最大約8KW以上のランプ電力を注入しているため、たと
えば2KW級のNd³⁺:YAGレーザ発振器の場合、６つのロッ
ドハウスを使用するため、合計48KWもの電力が注入され
ていることになる。

そのうち大部分の電力は冷却水に熱交換されている
が、どうしてもロッドハウスから漏れ出るランプ光など
の熱により数百Ｗ以上の熱がレーザ発振器中で発生して
いる。

また、高出力YAGレーザの場合、安全対策上、レーザ
発振器内のレーザ光が外部に漏れないようにするために
完璧なカバーが設けられているので、カバー内の共振器
部品の温度が10℃程度上がる。

よって、光共振器ベースは上記の熱変化に耐えるよう
に設計する必要があった。

発明の目的 本発明は上記のような従来のものの問題点を除去すべ
くなされたもので、冷却器自体の大きさおよびコストを
小さくすることができ、水漏れ等の発生する可能性を小
さくし、長時間にわたって安定したレーザ発振を得るこ
とができる多段ロッドカスケード励起レーザ発振器の冷
却機構の提供を目的とする。

発明の構成 本発明による多段ロッドカスケード励起レーザ発振器
の冷却機構は、レーザロッドを各々収納する複数のロッ
ドハウスと、前記レーザロッドを冷却するための冷媒を
供給する冷媒供給手段と、前記冷媒供給手段により供給
された前記冷媒を一時貯蔵し、前記複数のロッドハウス
各々に分配する第１の貯蔵手段と、前記複数のロッドハ
ウス各々に設けられ、前記第１の貯蔵手段からの前記冷
媒の流量を調整する複数の調整手段と、前記複数のロッ
ドハウス各々に設けられ、前記ロッドハウスから流出す
る前記冷媒の流出量を検出する複数の検出手段と、前記
複数のロッドハウス各々から流出した前記冷媒を一時貯
蔵し、前記冷媒を前記冷媒供給手段に送出する第２の貯
蔵手段と、前記複数の検出手段各々の検出結果に応じて
前記複数の調整手段により前記複数のロッドハウス各々
への前記冷媒の流入量が一定となるよう制御する制御手
段とを有することを特徴とする。

本発明による他の冷却機構は、本発明による冷却機構
の前記第１の貯蔵手段が前記複数のロッドハウスからな
る光共振器のベースの少なくとも一部をなすようにした
ことを特徴とする。

実施例 次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明に一実施例を示す構成図であり、第２
図は本発明の一実施例の組立て図である。これらの図に
おいて、レーザヘッド部１はロッドハウス２−ｉ（ｉ＝
1,2,……,n）からなり、各ロッドハウス２−ｉの純水冷
却水の流入側であるロッドハウス冷却水取入口２−iaに
は流量可変素子３−ｉが、純水冷却水の排出側であるロ
ッドハウス冷却水排出口２−ibには流量センサ４−ｉ
が、夫々接続されている。

流量可変素子は流量センサ４−ｉの検出結果に応じて
流量コントローラ５−ｉの制御によりオリフィス径が電
気的に可変され、ロッドハウス２−ｉへの純水冷却水の
流量を調整している。

冷却水イン側溜（チェンバ）６には冷却水取入口6aか
ら流入した純水冷却水８からの純水冷却水が一時貯水さ
れ、この純水冷却水が各流量可変素子３−ｉを介して各
ロッドハウス２−ｉのロッドハウス冷却水取入口２−ia
に分配される。

冷却水アウト側溜（チェンバ）７には各流量センサ４
−ｉを介して排出された各ロッドハウス２−ｉのロッド
ハウス冷却水排出口２−ibからの純水冷却水が一時貯水
され、この純水冷却水、すなわち各ロッドハウス２−ｉ
内で温まった純水冷却水が純水冷却水８に戻される。

また、冷却水イン側溜６上にはＯリングシール部10を
介して光共振器の光共振器ベース6bが固定されており、
この光共振器ベース6b上には各ロッドハウス２−ｉとレ
ーザミラージンバル部９とが載置されている。

ここで、光共振器はロッドハウス２−ｉとレーザミラ
ージンバル部９の反射ミラー（図示せず）とにより構成
されている。

これら第１図および第２図を用いて本発明の一実施例
の動作について説明する。

純水冷却器８から供給される純水冷却水は冷却水イン
側溜６に一時貯水され、冷却水イン側溜６から流量可変
素子３−ｉを介して各ロッドハウス２−ｉのロッドハウ
ス冷却水取入口２−iaから内部に分配される。

各ロッドハウス２−ｉ内部を冷却して温まった純水冷
却水は各ロッドハウス２−ｉのロッドハウス冷却水排出
口２−ibから排出され、流量センサ４−ｉを介して冷却
水アウト側溜７に一時貯水された後に純水冷却器８に戻
る。

流量可変素子３−ｉは各流量センサ４−ｉの出力値が
一定となるように流量コントローラ５−ｉによって絶え
ず制御されており、その結果、各ロッドハウス２−ｉを
通過する冷却水の流量が同じになる。

一方、純水冷却水の温度は純水冷却器８によって±0.
1℃程度の精度で温度コントロールされており、この温
度コントロールされた純水冷却水は冷却水取入口6aから
冷却水イン側溜６に入り各ロッドハウス２−ｉのロッド
ハウス冷却水取入口２−iaに同じ圧力で印加される。

各ロッドハウス２−ｉ中のランプ（図示せず）に注入
される電力は、定電流レーザ電源（図示せず）によりラ
ンプ負荷特性のバラツキから生じる±２〜３％以下の差
があるだけである。

また、各ロッドハウス２−ｉは全く同じ形状、同じ材
質を使用しているので、熱交換率を全く同じと考えるこ
とができ、各ロッドハウス２−ｉ内の純水冷却水が最終
的に落ち着く温度はほぼ一定となる。

各ロッドハウス２−ｉから排出されて流出センサ４−
ｉを通過した純水冷却水は背圧がかからぬように、また
は背圧が完全に等しくなるように冷却水アウト側溜７に
同時に集められた後に純水冷却器８に戻される。

これにより、各ロッドハウス２−ｉに対して冷却量を
完全に一致させることが可能となり、各ロッドハウス２
−ｉの熱レンズ効果の程度を一致させることができ、長
時間にわたって安定なレーザ発振を得ることができる。

また、ロッドハウス２−ｉが何個接続されても、純水
冷却器８からの配管が２本で済むので、レーザ装置のシ
ステムが大変シンプルになり、制作工数が相当軽減され
るとともに、水漏れなどの発生する可能性が少なくな
り、信頼性の高いレーザ冷却系を構築することができ
る。

さらに、１台の純水冷却器８により各ロッドハウス２
−ｉを冷却するため、総合的な容量を大幅に小さくする
ことができ、同時に冷却器のコストを安くすることがで
きる。

このレーザの光共振器は厳密に温度コントロールされ
た純水冷却水の温度で一定となっている光共振器ベース
6bの上に組まれているため、外部の温度変化に対するレ
ーザ出力の安定度が増す。

その結果、レーザヘッド部１の保護カバー（図示せ
ず）を付けたとき、および外したときのレーザ出力の変
化が少なくなり、またレーザ発振開始時の立上り時間が
短縮する。

第３図は本発明の他の実施例の断面図である。図にお
いて、本発明の他の実施例は各ロッドハウス２−ｉがロ
ッドハウス台13により光共振器ベース6bから浮いて設置
され、光共振器ベース6bに金属製のコの字型のチャネル
を用いている以外は本発明の一実施例と同様の構成とな
っており、同一部品には同一符号を付してある。また、
それら同一部品の動作も本発明の一実施例と同様であ
る。

各ロッドハウス２−ｉはレーザロッド部11およびポン
ピングランプ部12を有し、ロッドハウス台13により光共
振器ベース6bから浮いて設置されており、この浮いた空
間に流量可変素子３−ｉが取り付けられている。

光共振器ベース6bの金属製のコの字型のチャネルのほ
ぼ中央に、純水冷却器８により温度コントロールされた
純水冷却水を一時貯水する冷却水イン側溜６が溶接構造
にて組まれている。

各ロッドハウス２−ｉから排出された純水冷却水は光
共振器ベース6b上に開けられた穴を通して、光共振器ベ
ース6bに接触しないようにチャネルの内部に導かれ、流
量センサ４−ｉを介して冷却水アウト側溜７に接続され
る。

本実施例では光共振器ベース6bとして安価で軽量の金
属製チャネルを用いており、純水冷却器８から出た一定
温度に調整された純水冷却水が入る冷却水イン側溜６が
この光共振器ベース6bとしてのチャネルに溶接で付けら
れているため、熱伝導の良い金属製チャネルからなる光
共振器ベース6bは純水冷却器８の設定温度に厳密にコン
トロールされる。

また、ロッドハウス２−ｉから排出された冷却水流量
を測定する流量センサ４−ｉ、および冷却水アウト側溜
７も同時にチャネル内部に内蔵されるので、光共振器ベ
ース6b上部を簡単にすることができる。

ここで、ロッドハウス２−ｉおよびロッドハウス台13
には熱伝導の悪い絶縁樹脂を使用しているので、温度の
上がった純水冷却水の熱が光共振器ベース6bを暖めるこ
とのないように考慮されている。

これにより、光共振器ベース6bの軽量化および光共振
器ベース6b上部の簡素化と、コスト低減を図ることがで
きる。

尚、本実施例においても光共振器の温度が完全に純水
冷却器８の設定温度とすることができるので、レーザ出
力の安定度が下がることはない。

このように、純水冷却器８からの純水冷却水を冷却水
イン側溜６に一時貯水してから各ロッドハウス２−ｉに
分配し、各ロッドハウス２−ｉから排水された純水冷却
水を冷却水アウト側溜７に一時貯水してから純水冷却器
８に戻すようにするとともに、各ロッドハウス２−ｉか
ら排水された純水冷却水の流量を検出する流量センサ４
−ｉの出力値に応じて流量コントローラ５−ｉにより流
量可変素子３−ｉを制御して各ロッドハウス２−ｉに分
配される純水冷却水の流量を調整するようにすることに
よって、冷却器自体の大きさおよびコストを小さくする
ことができ、水洩れ等の発生する可能性を小さくし、長
時間にわたって安定したレーザ発振を得ることができ
る。

また、冷却水イン側溜６が光共振器ベース6bの少なく
とも一部をなすようにすることによって、光共振器ベー
ス6bの温度を厳密に温度コントロールされた純水冷却水
により一定とすることができ、外部の温度変化に対する
レーザ出力の安定度を増し、レーザヘッド部１の保護カ
バーを付けたとき、および外したときのレーザ出力の変
化を少なくしてレーザ発振開始時の立上り時間を短縮す
ることができる。

発明の効果 以上説明したように本発明の多段ロッドカスケード励
起レーザ発振器の冷却機構によれば、ロッドハウスを冷
却するための冷却器からの冷媒を一時貯蔵し、各ロッド
ハウスから排出される冷媒の流量に応じて各レーザロッ
ドに分配するとともに、各ロッドハウスから排出される
冷媒を一時貯蔵してから冷却器に戻すようにすることに
よって、冷却器自体の大きさおよびコストを小さくする
ことができ、水洩れ等の発生する可能性を小さくし、長
時間にわたって安定したレーザ発振を得ることができる
という効果がある。

また、本発明の他の多段ロッドカスケード励起レーザ
発振器の冷却機構によれば、本発明の冷却機構における
冷却器からの冷媒を一時貯蔵する貯蔵手段が複数のロッ
ドハウスからなる光共振器のベースの少なくとも一部を
なすようにすることによって、光共振器のベースの温度
を一定とすることができ、外部の温度変化に対するレー
ザ出力の安定度を増し、レーザ発振開始時の立上り時間
を短縮することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の一実施例の組立て図、第３図は本発明の他の実施例
の断面図、第４図（ａ）および第４図（ｂ）は従来例を
示す構成図である。 主要部分の符号の説明 １……レーザヘッド部 ２−１〜２−ｎ……ロッドハウス ３−１〜３−ｎ……流量可変素子 ４−１〜４−ｎ……流量センサ ５−１〜５−ｎ……流量コントローラ ６……冷却水イン側溜 6b……光共振器ベース ７……冷却水アウト側溜 ８……純水冷却器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザロッドを各々収納する複数のロッド
   ハウスと、前記レーザロッドを冷却するための冷媒を供
   給する冷媒供給手段と、前記冷媒供給手段により供給さ
   れた前記冷媒を一時貯蔵し、前記複数のロッドハウス各
   々に分配する第１の貯蔵手段と、前記複数のロッドハウ
   ス各々に設けられ、前記第１の貯蔵手段からの前記冷媒
   の流量を調整する複数の調整手段と、前記複数のロッド
   ハウス各々に設けられ、前記ロッドハウスから流出する
   前記冷媒の流出量を検出する複数の検出手段と、前記複
   数のロッドハウス各々から流出した前記冷媒を一時貯蔵
   し、前記冷媒を前記冷媒供給手段に送出する第２の貯蔵
   手段と、前記複数の検出手段各々の検出結果に応じて前
   記複数の調整手段により前記複数のロッドハウス各々へ
   の前記冷媒の流入量が一定となるよう制御する制御手段
   とを有することを特徴とする多段ロッドカスケード励起
   レーザ発振器の冷却機構。
2. 【請求項２】前記第１の貯蔵手段が前記複数のロッドハ
   ウスからなる光共振器のベースの少なくとも一部をなす
   ようにしたことを特徴とする請求項（１）記載の多段ロ
   ッドカスケード励起レーザ発振器の冷却機構。