JP3712893B2 - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電管の軸方向と光軸方向が一致したガスレーザ発振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスレーザ発振装置は、図６に示すものであった。この図において、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管、２は放電管１の外部に設けられたマイクロ波空胴共振器、３は空胴共振器２にマイクロ波を出射するマグネトロン、４はマグネトロン３にエネルギを供給するマグネトロン電源、５はマイクロ波空胴共振器２で覆われた放電管１内の放電空間、６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、全反射鏡６と部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示しており、軸流形レーザ装置の中を循環している。１０は送気管、１１はレーザガス循環用送風機、１２は放電空間５にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器、１３はレーザガス循環用送風機１１の圧縮熱にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器である。１４は放電管１を保持するためのメインフランジ、１６はメインフランジ１４を保持するためのメインパイプである。矢印１８はメインパイプを流れる液体の流れる方向を示している。１９はメインパイプを流れる液体の配管、２０は液体タンク、２１は液体循環用ポンプ、２２は液体の温度を一定に保つためのヒータ、２３は液体の温度を測定する温度センサであり、ヒータ２２の制御に用いる。なお、液体にはオイルまたは水を用いている。
【０００３】
以上が従来の軸流形レーザ装置の構成であり、次にその動作について説明する。まずマグネトロン３から出射したマイクロ波がマイクロ波空胴共振器２内で定在波を形成し、放電空間５にグロー状の放電を発生させる。放電空間５を通過するレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射鏡６および部分反射鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００４】
また、配管１９，液体タンク２０，液体循環用ポンプ２１，ヒータ２２および温度センサ２３等により、メインパイプ１６の温度を制御する温度制御部を構成している。そして液体を一定温度に保つため、温度センサ２３の測定温度に基づきヒータ２２を制御するヒータ制御部（図示せず）が存在する。配管１９を介して液体タンク２０の液体を液体循環用ポンプ２１によりメインパイプ１６内に流しながら、温度センサ２３により測定される液体の温度が一定温度に保たれるようにヒータ２２で液体を加熱し、メインパイプ１６内に一定温度の液体が流れるようにしている。これにより、メインパイプ１６が一定温度に保たれるようにしてある。このようにメインパイプ１６を一定温度に保つことにより、光共振器の熱歪みを防止するようにしている。なお、ヒータ２２で液体を加熱するのは、液体温度を一定に保つためで、制御温度を光共振器内温度より高い値に設定しているためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のガスレーザ発振装置のメインパイプ１６は内管と外管で構成され、その内管と外管との間を液体が流れるが、そのメインパイプ１６を流れる円周方向の液体の流れにムラが生じ、メインパイプ１６の円周方向に温度差が生じる（すなわち円周方向の温度分布にばらつきが生じる）。そのため、熱膨張の差によりメインパイプ１６が歪み、光共振器に熱歪みが生じ、安定したレーザ出力を得られない。
【０００６】
本発明は上記従来の間題点を解決するもので、光共振器の熱歪みを防止し、安定したレーザ出力が得られるガスレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるガスレーザ発振装置においては、メインパイプ円周方向の温度分布の温度差をなくする構造を有したものである。
【０００８】
本発明によれば、メインパイプ円周方向に温度差が生じないので、光共振器の熱歪みを防止することができ、安定したレーザ出力を得ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、放電管の一端に全反射鏡を配置し他端に部分反射鏡を配置した光共振器と、放電管内を流れるレーザ媒質と、レーザ媒質を温度制御する第１の熱交換器と、放電管を保持する保持部と、保持部の温度を制御する温度制御部とを備え、保持部は液体が流れるメインパイプを有し、温度制御部は、メインパイプの両端に液体の流入口と流出口を設け、メインパイプの外部で流入口と流出口とを結ぶ液体の流路中に、液体を循環させるポンプと、液体の温度を測定する温度センサと、第１の熱交換器と、液体の温度を調整する第２の熱交換器とを配置し、温度センサの測定温度に基づき液体の温度を一定に保たれるように第２の熱交換器を制御する制御部を設けたことを特徴とするガスレーザ発振装置であり、液体の温度を一定に保つことによりメインパイプの温度を一定に保ち、光共振器の熱歪みを防止し、レーザ媒質の温度を一定に保つことにより、安定したレーザ出力を得られる作用を有するとともに、液体の熱源としてのヒータが不要となり低コスト化が可能である。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、第２の熱交換器は、その冷却源としてガスレーザ発振装置の冷却を行うチラーを用い、チラーからの冷却液の流量を制御部で制御する請求項１記載のガスレーザ発振装置であり、光共振器の熱歪みを防止し、レーザ媒質の温度を一定に保つことにより、安定したレーザ出力を得られる作用を有するとともに、液体の熱源としてのヒータが不要となり低コスト化が可能である。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、メインパイプを内管と外管で構成し、この内管と外管の間に液体を流すようにした請求項１または２記載のガスレーザ発振装置であり、光共振器の熱歪みを防止し、レーザ媒質の温度を一定に保つことにより、安定したレーザ出力を得られる作用を有するとともに、液体の熱源としてのヒータが不要となり低コスト化が可能である。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、内管と外管の間に螺旋状の仕切り部を設けた請求項３記載のガスレーザ発振装置であり、メインパイプ円周方向の液体の流れのムラが無くなるため、光共振器の熱歪みを防止され、レーザ媒質の温度を一定に保つことにより、安定したレーザ出力を得られる作用を有するとともに、液体の熱源としてのヒータが不要となり低コスト化が可能である。
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００３４】
（参考例１）
図１は本発明の参考例１におけるガスレーザ発振装置の構成を示す図である。
【００３５】
図１において、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管、２は放電管１の外部に設けられたマイクロ波空胴共振器、３は空胴共振器２にマイクロ波を出射するマグネトロン、４はマグネトロン３にエネルギを供給するマグネトロン電源、５はマイクロ波空胴共振器２で覆われた放電管１内の放電空間、６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、全反射鏡６と部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示しており、軸流形レーザ装置の中を循環している。１０は送気管、１１はレーザガス循環用送風機、１２は放電空間５にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器、１３はレーザガス循環用送風機１１の圧縮熱にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器である。１４は放電管１を保持するためのメインフランジ（保持部の一部）、１５ａはメインフランジ１４を保持するためのメインパイプ外管、１５ｂはメインパイプ外管１５ａ内に設けられたメインパイプ内管である。１７は液体をメインパイプ円周方向に流すためにメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂの間に設けた螺旋状の仕切り部であり、矢印１８はメインパイプを流れる液体の流れる方向を示しており、液体はメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとの間を流れている。１９はメインパイプを流れる液体の配管、２０は液体タンク、２１は液体循環用ポンプ、２２は液体の温度を調整するためのヒータ、２３は液体の温度を測定する温度センサであり、ヒータ２２の制御に用いる。
【００３６】
図１では、図６と同一機能部分には同一符号を付している。従来例でも述べたが、配管１９，液体タンク２０，液体循環用ポンプ２１，ヒータ２２および温度センサ２３等により、メインパイプの温度を制御する温度制御部を構成している。そして液体を一定温度に保つため、温度センサ２３の測定温度に基づきヒータ２２を制御するヒータ制御部（図示せず）が存在することも従来例で述べている。
【００３７】
本参考例の特徴は、メインパイプを、管の中心を同一となるように配置されたメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとで構成し、かつメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとの間に螺旋状の仕切り部１７を設けたことである。螺旋状の仕切り部１７は、メインパイプ外管１５ａの内周面から突起状に設けてメインパイプ内管１５ｂの外周面に達するようにしたものでもよいし、メインパイプ内管１５ｂの外周面から突起状に設けてメインパイプ外管１５ａの内周面に達するようにしたものでもよい。この螺旋状の仕切り部１７により、一定温度の液体がメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとの間を螺旋状に流れる。
【００３８】
本参考例によれば、メインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとの間に螺旋状の仕切り部１７を設けたことにより、一定温度に制御された液体がメインパイプ外管１５ａとメインパイプ内管１５ｂとの間を円周方向にかつ螺旋状に流れ、メインパイプ円周方向の液体の流れのムラが無くなり、メインパイプ円周方向の温度差が生じず、光共振器の熱歪みを防止することができ、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００３９】
なお、メインパイプ外管１５ａとメインパイプ内を流れる液体との接触面に（すなわちメインパイプ外管１５ａの内周面を覆うように）メインパイプ外管１５ａよりも熱伝導率が高い部材を設けることにより、レーザ出力を早く安定させることができる。
【００４０】
また、メインパイプ外管１５ａの外周面を覆うようにメインパイプ外管１５ａよりも熱伝導率の低い部材を設けることにより、レーザ発振装置雰囲気温度による外乱を防止することができる。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図２は本発明の請求項１に対応した第１の実施の形態におけるガスレーザ発振装置の構成を示す図である。
【００４２】
図２において、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管、２は放電管１の外部に設けられたマイクロ波空胴共振器、３は空胴共振器２にマイクロ波を出射するマグネトロン、４はマグネトロン３にエネルギを供給するマグネトロン電源、５はマイクロ波空胴共振器２で覆われた放電管１内の放電空間、６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、全反射鏡６と部分反射鏡７は放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。矢印９はレーザガスの流れる方向を示しており、軸流形レーザ装置の中を循環している。１０は送気管、１１はレーザガス循環用送風機、１２は放電空間５にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器、１３はレーザガス循環用送風機１１の圧縮熱にて温度上昇したレーザガスの温度を下げるためのレーザガス冷却用熱交換器（第１の熱交換器）である。１４は放電管１を保持するためのメインフランジ、１６はメインフランジ１４を保持するためのメインパイプである。矢印１８はメインパイプを流れる液体の流れる方向を示しており、メインパイプ内を流れている。１９はメインパイプを流れる液体の配管、２０は液体タンク、２１は液体循環用ポンプである。２４はレーザ発振装置を冷却するためのチラー、２５はチラー２４から冷却水を流すための配管、２６は配管２５に設けられた電磁弁、２３は液体の温度を測定する温度センサであり、電磁弁２６の制御に用いる。２７は液体の温度調整用熱交換器（第２の熱交換器）であり、温度センサ２３により、電磁弁２６を制御することにより、チラー２４からの冷却水の流量を調整して、メインパイプ１６を流れる液体の温度を一定に保つ。図２でも、図６と同一機能部分には同一符号を付している。
【００４３】
本実施の形態では、メインパイプ１６は従来例と同じものを用い、チラー２４から冷却水が供給される熱交換器２７と、熱交換器２７への冷却水の流量を調整するための電磁弁２６とを設け、メインパイプ１６を流れる液体が熱交換器１３および熱交換器２７内を流れるように配管１９を配している。電磁弁２６の制御は、温度センサ２３の測定温度に基づいて制御部（図示せず）が行う。熱交換器１３はレーザ媒質を冷却するための熱交換器で、熱交換器２７は光共振器内の液体を冷却するための熱交換器である。
【００４４】
本実施の形態によれば、メインパイプ１６を流れる液体は熱交換器１３により加熱されるため、従来用いていた液体の熱源としてのヒータ２２が不要となり、低コスト化を図ることができる。また、チラー２４から冷却水が供給され、その供給量が温度センサ２３の測定温度に基づいて制御される熱交換器２７によりメインパイプ１６を流れる液体の温度が上昇しすぎるのを防止でき、２つの熱交換器１３，２７内を流れることによりメインパイプ１６を流れる液体の温度が一定温度に保たれる。したがって、熱交換器１３の冷却液の温度も一定に保たれるため、レーザガスの温度も一定にすることができ、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００４５】
なお、メインパイプ１６とメインパイプを流れる液体との接触面にメインパイプ１６よりも熱伝導率が高い部材を設けることにより、レーザ出力を早く安定させることができる。また、メインパイプ１６の外周にメインパイプよりも熱伝導率の低い部材を設けることにより、レーザ発振装置雰囲気温度による外乱を防止することができる。
【００４６】
また、本実施の形態では、従来と同様のメインパイプ１６を用いたが、代わりに、参考例１で用いたメインパイプを用いることにより、メインパイプ円周方向の液体の流れのムラが無くなり、より安定したレーザ出力を得ることができる。
【００４７】
（参考例２）
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明の参考例２におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成を示す図である。
【００４８】
図３において、１６はメインパイプ、２８ａ〜２８ｄはメインパイプ１６を加熱するためのヒータ、２９ａ〜２９ｄは各ヒータ２８ａ〜２８ｄの近傍に配置されたメインパイプ１６の温度を測定する温度センサである。
【００４９】
本参考例におけるガスレーザ発振装置は、例えば図６の装置で、メインパイプ１６に代えて、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれかで示されたメインパイプ部を使用したものであり、図６中の配管１９，液体タンク２０，液体循環用ポンプ２１，液体加熱用のヒータ２２および液体温度測定用の温度センサ２３は不要であり、メインパイプ１６内に液体を流さない構成である。
【００５０】
本参考例では、メインパイプ１６の円周方向に温度差が生じないよう、特にメインパイプ１６の対面に温度差が生じないように、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）で示されるように、ヒータ２８ａ〜２８ｄおよび温度センサ２９ａ〜２９ｄを、それぞれメインパイプ１６の外周または内周上に対向させて配置し、例えば温度センサ２９ａ部より温度センサ２９ｃ部の温度が高い場合はヒータ２８ａで温めることにより温度センサ２９ａ部と温度センサ２９ｃ部の温度を同一に保つようにし、同様にして温度センサ２９ｂ部と温度センサ２９ｄ部の温度を同一に保つことにより、メインパイプ１６の円周方向に温度差が生じないようにしている。その結果、光共振器の熱歪みを防止することができ、安定したレーザ出力を得ることができる。なお、温度センサ２９ａ〜２９ｄの測定温度に基づきヒータ２８ａ〜２８ｄを制御するヒータ制御部は図示されていない。
【００５１】
各ヒータ２８ａ〜２８ｄは、２つのメインフランジ１４（図６）の間に配置されたメインパイプ１６の長さ方向においてその一端から他端に渡って配置され、各温度センサ２９ａ〜２９ｄは、各ヒータ２８ａ〜２８ｄの近傍に配置される。
【００５２】
なお、ヒータ２８ａ〜２８ｄと温度センサ２９ａ〜２９ｄは、図３（ａ）に示すようにメインパイプ１６の外周に配置してもよいし、図３（ｂ），図３（ｃ）のようにメインパイプ１６の外周および内周のどちらに配置してもよい。また、ヒータ２８ａ〜２８ｄと温度センサ２９ａ〜２９ｄはメインパイプ１６の円周上に対面配置するのであれば、どこに配置してもよく、また数はいくつでもかまわない。さらには、ヒータ２８ａ〜２８ｄと温度センサ２９ａ〜２９ｄはメインパイプ１６の円周上に対面配置されていなくても、メインパイプ１６の円周方向の温度分布を測定でき、その温度分布を均一にできるように配置されてあればよい。
【００５３】
（参考例３）
図４は本発明の参考例３におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成を示し、１６はメインパイプ、３０はメインパイプ１６を加熱するためのヒータである。
【００５４】
本参考例におけるガスレーザ発振装置は、例えば図６の装置で、メインパイプ１６に代えて、図４で示されたメインパイプ部を使用したものであり、図６中の配管１９，液体タンク２０，液体循環用ポンプ２１，液体加熱用のヒータ２２および液体温度測定用の温度センサ２３は不要であり、メインパイプ１６内に液体を流さない構成である。
【００５５】
本参考例では、ヒータ３０をメインパイプ１６の両端の間に渡って円周方向かつ螺旋状に配設することにより、メインパイプ１６の円周方向に温度差が生じない構成となっている。その結果、光共振器の熱歪みを防止することができ、安定したレーザ出力を得ることができる。
【００５６】
なお、図４ではヒータ３０をメインパイプ１６の外周面に配置した場合で説明したが、ヒータ３０をメインパイプ１６の内周面に配置しても同様の効果が得られる。
【００５７】
さらに、図４のようにヒータ３０をメインパイプ１６の外周に配置した場合にはヒータ３０の両端に引張り力をかける、すなわち螺旋状のヒータ３０をメインパイプ１６の長さ方向に伸ばす力をヒータ３０に加えることにより、また、ヒータ３０をメインパイプ１６の内周に配置した場合にはヒータ３０の両端に引張り力とは逆方向の力をかける、すなわち螺旋状のヒータ３０をメインパイプ１６の長さ方向に縮める力をヒータ３０に加えることにより、よりメインパイプ１６とヒータ３０との密着性を高め、ヒータ３０とメインパイプ１６の間の熱伝達を向上させ、メインパイプ１６の円周方向の温度分布をより均一にすることができる。
【００５８】
（参考例４）
図５は本発明の参考例４におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成を示し、１６はメインパイプ、３０はメインパイプ１６を加熱するためのヒータであり、３１はメインパイプ１６とヒータ３０を密着させるための袋状部材（袋部）であり、袋内部に充填材を充填している。
【００５９】
この参考例４は、参考例３の構成に袋状部材３１を追加した構成であり、これにより、メインパイプ１６とヒータ３０との密着性をより高め、ヒータ３０とメインパイプ１６の間の熱伝達を向上させ、メインパイプ１６の円周方向の温度分布をより均一にすることができる。
【００６０】
なお、図５は、図４同様、ヒータ３０をメインパイプ１６の外周に配置した場合で説明したが、ヒータ３０をメインパイプ１６の内周に配置した場合には、内部に充填材が充填された袋状部材をメインパイプ１６の内側に配置してメインパイプ１６とヒータ３０との密着性を高める構成とする。
【００６１】
また、ヒータ３０とメインパイプ１６との間に、鉛等の軟質金属を配置したり、空気より熱伝導率の高いペースト状の材料を配置することにより、よりメインパイプ１６とヒータ３０との密着性を高めることができる。軟質金属の場合はメインパイプ１６より熱伝導率の高いものを用いるのが好ましい。
【００６２】
以上の参考例４では、参考例３の構成をもとに説明したが、参考例２の構成をもとにしても、同様にして袋状部材や，ヒータ２８ａ〜２８ｄとメインパイプ１６との間に軟質金属あるいは空気より熱伝導率の高いペースト状の材料を配置することにより、同様の効果が得られる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、メインパイプ円周方向の温度差を無くすことにより、光共振器の熱歪みを防止することができ、安定したレーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例１におけるガスレーザ発振装置の構成図。
【図２】 本発明の第１の実施の形態におけるガスレーザ発振装置の構成図。
【図３】 （ａ），（ｂ），（ｃ）それぞれは本発明の参考例２におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成図。
【図４】 本発明の参考例３におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成図。
【図５】 本発明の参考例４におけるガスレーザ発振装置のメインパイプ部の構成図。
【図６】 従来のガスレーザ発振装置の構成図。
【符号の説明】
１ 放電管
２ マイクロ波空胴共振器
３ マグネトロン
４ マグネトロン電源
５ 放電空間
６ 全反射鏡
７ 部分反射鏡
８ レーザビーム
９ レーザガス流
１０ 送気管
１１ レーザガス循環用送風機
１２ レーザガス冷却用熱交換器
１３ レーザガス冷却用熱交換器
１４ メインフランジ
１５ａ メインパイプ外管
１５ｂ メインパイプ内管
１６ メインパイプ
１７ 螺旋状の仕切り部
１８ メインパイプ液流
１９ メインパイプ液配管
２０ メインパイプ液タンク
２１ メインパイプ液循環用ポンプ
２２ メインパイプ液温度調整用ヒータ
２３ メインパイプ液温度測定用温度センサ
２４ ガスレーザ発振装置冷却用チラー
２５ 冷却水配管
２６ 電磁弁
２７ メインパイプ液温度調整用熱交換器
２８ メインパイプ温度調整用ヒータ
２９ メインパイプ温度測定用温度センサ
３０ メインパイプ温度調整用ヒータ
３１ 袋状部材

Claims (4)

1. 放電管の一端に全反射鏡を配置し他端に部分反射鏡を配置した光共振器と、前記放電管内を流れるレーザ媒質と、前記レーザ媒質を温度制御する第１の熱交換器と、前記放電管を保持する保持部と、前記保持部の温度を制御する温度制御部とを備え、
   前記保持部は液体が流れるメインパイプを有し、前記温度制御部は、前記メインパイプの両端に前記液体の流入口と流出口を設け、前記メインパイプの外部で前記流入口と流出口とを結ぶ前記液体の流路中に、前記液体を循環させるポンプと、前記液体の温度を測定する温度センサと、前記第１の熱交換器と、前記液体の温度を調整する第２の熱交換器とを配置し、前記温度センサの測定温度に基づき前記液体の温度を一定に保たれるように前記第２の熱交換器を制御する制御部を設けたことを特徴とするガスレーザ発振装置。
2. 第２の熱交換器は、その冷却源としてガスレーザ発振装置の冷却を行うチラーを用い、前記チラーからの冷却液の流量を制御部で制御する請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. メインパイプを内管と外管で構成し、この内管と外管の間に液体を流すようにした請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
4. 内管と外管の間に螺旋状の仕切り部を設けた請求項３記載のガスレーザ発振装置。

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