JP3083390B2

JP3083390B2 - 金属蒸気レーザー装置

Info

Publication number: JP3083390B2
Application number: JP4490492A
Authority: JP
Inventors: 良雄平山; 博之益田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 2000-09-04
Anticipated expiration: 2015-09-04
Also published as: JPH05243642A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、放電によって加熱す
ることにより、金属媒体を気化及び励起させてレーザー
出力を得る金属蒸気レーザー装置、特に、内管の温度の
均一化を図ることができる金属蒸気レーザー装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は、特開昭６３−１４１３８１号公
報に示された従来の金属蒸気レーザー装置を示す模式図
である。図９において、１は負の電圧が印加される陰
極、２は正の電圧が印加される陽極、３、４は陰極１、
陽極２に電圧を印加するための陰極端子、陽極端子、５
は内部で放電が生じる円筒状の内管、６は内管５からの
径方向への熱損失を抑制するための断熱材、７は陰極
１、陽極２、内管５及び断熱材６等を内部に収納する容
器、８、９は容器７の両端に設けられレーザー光を取り
出すための窓、１０は容器７を取り囲むように配置され
内部が真空に保たれる金属外管である。１１は内管５内
に配置され金属蒸気を生成するための金属媒体であり、
銅ペレット等の固形のものである。１２は金属外管１０
内に配置された断熱層であり、容器７からの熱損失を抑
制するためのものである。

【０００３】次に、図９に示した従来の金属蒸気レーザ
ー装置の動作について説明する。陰極端子３及び陽極端
子４に電圧が印加されると、陰極１と陽極２との間にパ
ルス放電が発生し、内管５内に放電が生じる。この放電
の結果として生じる熱は、内管５に伝導し、断熱材６、
断熱層１２、及び金属外管１０内の真空層の効果によっ
て内管５の外部には逃げにくいので、内管５の温度が上
昇する。このため、内管５内に配置されている金属媒体
１１が熔融し、レーザー発振が起こるために必要な銅蒸
気等の金属蒸気が発生する。この状態で陰極端子３及び
陽極端子４にパルス電圧を印加すると金属蒸気が励起さ
れて反転分布が起こり、レーザー発振が開始されて、両
端の窓８、９を通してレーザー光が取り出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の金属蒸気レーザ
ー装置は、以上のように構成されており、内管５の端部
は窓８、９を通じて外気に開口しているので特に端部は
ふく射で熱が逃げやすく、内管５の温度は中央部で高く
端部で低くなって不均一となり、このためレーザー出力
を上げるのが困難であるという課題があった。また、温
度が不均一になったままの状態で、レーザー出力を大き
くするために内管５の温度を上げると、内管５の中央部
が異常に高温となって内管５が破損してしまうという課
題もあった。

【０００５】

【０００６】この発明は、上記のような課題を解消する
ためになされたもので、内管の温度の均一化を図ること
によってレーザー出力を上げることができる金属蒸気レ
ーザー装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る金属蒸気レーザー装置は、窓を内管から離して支持す
る窓フランジを備えるとともに、窓フランジの内周面
が、ふく射熱を反射する面性状であって、かつ、傾斜を
有しており、窓寄りの断面の方が内管寄りの断面よりも
小さくなっているものである。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【作用】この発明の請求項１に係る金属蒸気レーザー装
置においては、内管から入射するふく射熱のうち、窓フ
ランジの輻射熱を反射する面性状の傾斜内面によって反
射されて内管の方に戻されるものが多くなり、内管の温
度をより均一化する。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【実施例】参考例１．図１はこの発明の参考例１を示す断面図である。参考例
１の装置ではレーザー装置を２台接合した形態で示して
おり、図中の一点鎖線を中心線とする回転対称型になっ
ている。図１では中心線の下側は省略されている。図１
において、１１ａ、１１ｂは前述の金属媒体１１と同様
の金属媒体である。２１ａ、２１ｂは陽極２に相当する
端部電極、２２ａ、２２ｂは陰極１に相当する中央電極
であり、放電は端部電極２１ａと中央電極２２ａとの
間、及び端部電極２１ｂと中央電極２２ｂとの間で発生
する。中央電極２２ａ、２２ｂは一体にされている。ま
た、端部電極２１ａ付近の拡大図を図２に、中央電極２
２ａ、２２ｂ付近の拡大図を図３に示す。

【００１８】２３ａ、２３ｂは端部電極２１ａ、２１ｂ
と中央電極２２ａ、２２ｂとの間に配置され、内部が気
密に保たれてそこで放電が生じる内管、２４ａ、２４ｂ
は内管２３ａ、２３ｂの外側にこれを包むように配置さ
れる外管、２５ａ、２５ｂは内管２３ａ、２３ｂと外管
２４ａ、２４ｂとの間に設けられた断熱材である。内管
２３ａ、２３ｂ、外管２４ａ、２４ｂ及び断熱材２５
ａ、２５ｂによって管部が構成される。

【００１９】２６ａ、２６ｂは端部電極２１ａ、２１ｂ
を冷却する冷却片、２７ａ、２７ｂは中央電極２２ａ、
２２ｂを冷却するための冷却片、２８ａ〜３０ａ、２８
ｂ〜３０ｂは管部を冷却するための冷却片である。冷却
片２６ａ〜３０ａ、２６ｂ〜３０ｂの内部には水冷溝ｄ
が形成されている。冷却片２６ａ〜３０ａ、２６ｂ〜３
０ｂの熱は、冷却溝ｄを流れる水の顕熱、及び熱伝導に
よって放熱される。３２ａ、３２ｂは冷却片２７ａ、２
７ｂと冷却片３０ａ、３０ｂとの間を接続して中央電極
２２ａ、２２ｂとアースとの間を絶縁する絶縁片であ
る。

【００２０】３３ａ、３３ｂは、外管２４ａ、２４ｂに
接触するように冷却片２６ａ、２６ｂに取り付けられ、
真空層３５ａ、３５ｂ及び内管２３ａ、２３ｂの内部の
気密を保つためのシール部材としてのＯリングである。
また、３４ａ、３４ｂは同様のＯリングである。３６
ａ、３６ｂは、熱伝導率の高い材料で製作された接触片
であって、外管２４ａ、２４ｂに接触するようにＯリン
グ３３ａ、３３ｂの近傍に配置されている。３７ａ、３
７ｂも同様の接触片である。３８ａ、３８ｂは内管２３
ａ、２３ｂの内部で生じる放電の結果として発生するレ
ーザー光を取り出すための窓、３９ａ、３９ｂは窓３８
ａ、３８ｂを内管２３ａ、２３ｂから離して支持する窓
フランジである。窓フランジ３９ａ、３９ｂにも水冷溝
ｄが形成されている。４０ａ、４０ｂは窓フランジ３９
ａ、３９ｂの内側に設けられた突起物である。

【００２１】次に、図１に示したこの発明の参考例１の
動作について説明する。従来の場合と同様に、端部電極
２１ａ、２１ｂと中央電極２２ａ、２２ｂとの間に電圧
が印加されると、内管２３ａ、２３ｂ内に放電が生じ
る。この放電の結果として生じた熱は、内管２３ａ、２
３ｂに伝導し、断熱材２５ａ、２５ｂ、及び真空層３５
ａ、３５ｂの効果によって内管２３ａ、２３ｂの外部に
は逃げないので、内管２３ａ、２３ｂの温度が上昇す
る。このため、内管２３ａ、２３ｂ内に配置されている
金属媒体１１ａ、１１ｂが熔融し、レーザー発振が起こ
るために必要な金属蒸気が発生する。この状態で端部電
極２１ａ、２１ｂ及び中央電極２２ａ、２２ｂに電圧を
印加すると金属蒸気が励起されて反転分布が起こり、レ
ーザー発振が開始されて、両端の窓３８ａ、３８ｂを通
してレーザー光が取り出される。

【００２２】ところで、窓３８ａを通じて内管２３ａ、
２３ｂは外気に熱的に開口しているため、ふく射により
熱が逃げやすい。そこで、図１に示したように参考例１
では、窓３８ａ、３８ｂを、窓フランジ３９ａ、３９ｂ
によって内管２３ａ、２３ｂの端部から離して支持する
ことにより、内管２３ａ、２３ｂから見た外気への開口
の度合を小さくすることで、内管２３ａ、２３ｂの端部
の温度を下げるのを防止している。

【００２３】窓フランジ３９ａ、３９ｂの効果によって
内管２３ａ、２３ｂの温度が均一化するに従い、Ｏリン
グ３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂの近傍の温度は上昇
し、Ｏリング限界温度（約２００℃）を越える場合が起
こる。このような状態では、レーザー出力は大きくなる
が、Ｏリング３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂの寿命が
短くなって装置の運転可能時間が短くなる。さらに、Ｏ
リング３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂが焼損し、装置
が機能しなくなることもあり得る。これらの課題を解消
するためには、従来行われていたＯリング３３ａ、３３
ｂ、３４ａ、３４ｂの冷却方法（冷却片２６ａ、２６
ｂ、２７ａ、２７ｂへの熱伝導、外管２４ａ、２４ｂか
ら真空層３５ａ、３５ｂへの輻射、及び内管２１ａ、２
１ｂ内のガスを介する熱伝導）だけでは、熱抵抗が高過
ぎてＯリング限界温度以下に抑えることができない。

【００２４】そこで、図１に示したように参考例１で
は、Ｏリング３３ａ、３３ｂ及びＯリング３４ａ、３４
ｂの両側に近接させて、接触片３６ａ、３６ｂ及び接触
片３７ａ、３７ｂを設置することにより、Ｏリング３３
ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂの温度を抑えている。接触
片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂは、図４に示すよう
な断面を有し、一端がビス４３によって冷却片２６ａ、
２６ｂ、２７ａ、２７ｂに取り付けられ、他端が外管２
４ａ、２４ｂに圧接力Ｆで接触している。圧接力Ｆは、
接触片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂの形状及び材料
（しんちゅう等の弾性材料）によるものである。このよ
うに、外管２４ａ、２４ｂは接触片３６ａ、３６ｂ、３
７ａ、３７ｂと接触した状態で自由に摺動できるように
されているため、外管２４ａ、２４ｂが熱膨張して中心
軸方向に伸びても問題ない。

【００２５】図５は、円環状の接触片３６ａ、３６ｂ、
３７ａ、３７ｂの展開図であり、Ｗは円周長である。４
４は外管２４ａ、２４ｂに接触する接触子、４５はビス
４３が通り複数個設けられたビス穴である。接触子４４
が図示のように分割されるとともに、接触片３６ａ、３
６ｂ、３７ａ、３７ｂの高さｓは、外管２４ａ、２４ｂ
と冷却片２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂとの隙間の距
離ｔ（図４参照）に比べて若干大きくされているので、
適当な圧接力Ｆを生じさせることができる。接触子４４
の分割数、厚さ等を変化させることによって、外管２４
ａ、２４ｂと冷却片２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂと
の間の熱抵抗を変化させることができ、その結果、Ｏリ
ング３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂと接触する外管２
４ａ、２４ｂの温度を任意に調節することができる。

【００２６】図６は、接触片３６ａ、３６ｂ（端部電極
２１ａ、２１ｂ寄りの接触片）が有る場合と無い場合に
おける、内管２３ａ、２３ｂ及び外管２４ａ、２４ｂの
温度を示す説明図であり、横軸は内管２３ａ、２３ｂ及
び外管２４ａ、２４ｂの軸方向距離ｚを示している。縦
軸は、内管２３ａ、２３ｂ及び外管２４ａ、２４ｂの温
度の外気温からの上昇値△θを、内管２３ａ、２３ｂの
最高温度値を１００％として示したものである。ｚ_oは
Ｏリング３３ａ、３３ｂの位置におけるｚの値、ｚ_max
は、内管２３ａ、２３ｂが最高温度値をとる位置のｚの
値、θ_oはＯリング限界温度におけるθの値である。ま
た、β₁は接触片３６ａ、３６ｂが無い場合の内管２３
ａ、２３ｂのデータを、β₂は接触片３６ａ、３６ｂが
有る場合の内管２３ａ、２３ｂのデータを、β₃は接触
片３６ａ、３６ｂが無い場合の外管２４ａ、２４ｂのデ
ータを、β₄は接触片３６ａ、３６ｂが有る場合の外管
２４ａ、２４ｂのデータを示している。

【００２７】この説明図より、接触片３６ａ、３６ｂを
設けた（β₂、β₄）ことによる温度低下の効果は、外管
２４ａ、２４ｂの方（β₄）が内管２３ａ、２３ｂ
（β₂）より顕著であることが容易にわかる。特に、Ｏ
リング位置ｚ_oにおける外管２４ａ、２４ｂの温度は、
Ｏリング限界温度θ_o以下まで下がっている。

【００２８】図７は、接触片３７ａ、３７ｂ（中央電極
２２ａ、２２ｂ寄りの接触片）が有る場合における、内
管２３ａ、２３ｂ、外管２４ａ、２４ｂ、及び断熱材２
５ａ、２５ｂの温度を示す説明図であり、横軸は内管２
３ａ、２３ｂ等の軸方向距離ｚを示している。縦軸は、
内管２３ａ、２３ｂ等の温度の外気温からの上昇値△θ
を、内管２３ａ、２３ｂの最高温度値を１００％として
示したものである。ｚ_maxは、内管２３ａ、２３ｂが最
高温度値をとる位置のｚの値である。また、γ₁、γ₂、
γ₃は、接触片３７ａ、３７ｂが有る場合における、内
管２３ａ、２３ｂのデータ、断熱材２５ａ、２５ｂのデ
ータ、外管２４ａ、２４ｂのデータを示している。

【００２９】この説明図より、接触片３７ａ、３７ｂを
設けることによって、外管２４ａ、２４ｂの温度が、Ｏ
リング３４ａ、３４ｂが配置される中央電極２２ａ、２
２ｂの付近において、低下していることがわかる。

【００３０】ところで、参考例１の窓フランジ３９ａ、
３９ｂの内部には、突起物４０ａ、４０ｂが設けられて
いる（図１参照）。突起物４０ａ、４０ｂを設けた窓フ
ランジ３９ａ、３９ｂにおいては、突起物のない窓フラ
ンジ４６（図８(ａ)参照）に比べて、内管２３ａ、２３
ｂの温度がより均一になる。これは、内管２３ａ、２３
ｂから入射するふく射熱が、突起物４０ａ、４０ｂによ
って反射されて内管２３ａ、２３ｂの方に戻され、内管
２３ａ、２３ｂの端部の温度が上昇するためである。な
お、この参考例１の窓フランジ３９ａ，３９ｂは、その
内部に上記のような突起物４０ａ，４０ｂが設けられる
ため、構造が複雑になる。

【００３１】実施例１．本発明における実施例１は、上記参考例１における窓フ
ランジ３９ａ，３９ｂを、図８(ｃ)に示すような簡素化
された構造の窓フランジ４７に変更したものであって、
参考例１と同様に内管２３ａ，２３ｂの端部の温度を上
昇させるものである。なお、この窓フランジ３９ａ，３
９ｂ以外の他の構成は参考例１と同一であるので重ねて
の説明を省略する。実施例１において、窓フランジ４７
は、図８(ｃ)に示すように、その内周面５０を、ふく斜
熱を反射する面性状とするとともに一様に変化する傾斜
を付け、窓フランジ４７の窓寄りの断面４８の方が内管
寄りの断面４９よりも小さくなるように形成したもので
ある。従って、内管２３ａ、２３ｂから入射するふく射
熱のうち、内周面５０によって反射されたものは、窓３
８ａ、３８ｂに垂直に当たらなくなるため、窓３８ａ、
３８ｂを透過せずに内管２３ａ、２３ｂの方に戻される
ようになる。この結果、内管２３ａ、２３ｂの端部の温
度低下が防止され、内管２３ａ、２３ｂの温度の均一化
が促進され、レーザー出力が向上する。また、窓フラン
ジ４７の内周面５０は、参考例１のような突起物４０
ａ，４０ｂを有しない一様に変化する傾斜面とされてい
るので、窓フランジ４７の製作が容易となる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１に係
る金属蒸気レーザー装置によれば、内管から入射するイ
オンや熱電子のうち傾斜した内周面によって反射された
ものは、内管の方に戻されるものが多くなるので、内管
の温度の均一化が一層促進されて、レーザー出力を上げ
ることができるという効果がある。また、窓フランジの
構造が簡素化されたので、窓フランジの製作が容易とな
る効果がある。

【００３３】

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の参考例１を示す断面図である。

【図２】参考例１における端部電極付近の拡大図であ
る。

【図３】参考例１における中央電極付近の拡大図であ
る。

【図４】参考例１における接触片の断面図である。

【図５】参考例１における接触片の展開図である。

【図６】参考例１における内管及び外管の温度の説明図
である。

【図７】参考例１における内管、外管及び断熱材の温度
の説明図である。

【図８】種々の窓フランジの構成図であって、図８
（ａ）は突起物のない窓フランジ、図８（ｂ）は参考例
１に係る窓フランジ、図８（ｃ）は実施例１に係る窓フ
ランジである。

【図９】従来の金属蒸気レーザー装置を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

２１ａ、２１ｂ端部電極２２ａ、２２ｂ中央電極２３ａ、２３ｂ内管２４ａ、２４ｂ外管２５ａ、２５ｂ断熱材３３ａ、３３ｂＯリング３４ａ、３４ｂＯリング３６ａ、３６ｂ接触片３７ａ、３７ｂ接触片３８ａ、３８ｂ窓３９ａ、３９ｂ窓フランジ４０ａ、４０ｂ突起物４１加工部４６、４７窓フランジ４８窓寄りの断面４９内管寄りの断面５０内周面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−37077（ＪＰ，Ａ) 特開平２−194577（ＪＰ，Ａ) 特開平３−101178（ＪＰ，Ａ) 特開平３−116984（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−49287（ＪＰ，Ａ) 特開平３−237775（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−22063（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/03 - 3/038 H01S 3/097 - 3/0979 H01S 3/104 H01S 3/134 H01S 3/22 - 3/227

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部で放電が生じる内管と、前記内管の外周の外側に前記内管を包むように配置され
る外管と、前記内管及び前記外管の間に設けられた断熱材と、前記内管の外側に配置され、前記放電の結果として生じ
るレーザー光を取り出すための窓と、を備えた金属蒸気レーザー装置において、前記窓を前記内管から離して支持する窓フランジを備え
るとともに、この窓フランジの内周面が、ふく射熱を反
射する面性状であり、かつ、傾斜が付けられており、窓
寄りの断面の方が内管寄りの断面よりも小さくなってい
ることを特徴とする金属蒸気レーザー装置。