JP3721337B2 - レーザ発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ加工、医学治療、照明や通信に用いられ、流動する気体をレーザ媒質とするレーザ発振器に関し、特に媒質ガス中の塵などの粒子状の異物を分離、収集し、発振器内の光学部品の汚染を低減する機能を備えたレーザ発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来例として、流動する気体をレーザ媒質とするレーザ発振器の一般的な構成を示したものである。同図において、符号１は放電励起用電源で、放電管２の電極（図示省略）にラジオ周波数領域の交流電圧を印加する。放電管で構成される放電部２は、光共振器を構成するリア鏡３及び出力鏡４の間に配置される。両ミラー３、４は、それぞれ保持機構（図示省略）によって保持されている。放電部２は、図示されているように、熱交換器５、７及びブロア６を含む循環路中に組み込まれ、この循環路を使って媒質ガス（レーザガス）８が高速で流される。
【０００３】
放電励起電源１が起動されて放電が発生し、媒質ガス８が励起されると、光共振器内でレーザ光が発生する。媒質ガス８は放電によって高温となるが、ブロア６の手前の熱交換器５で冷却されてブロア６に吸引される。ブロア６は媒質ガス８を圧力をかけて吐出側へ送り出す。この過程で圧縮による昇温が起るが、これをブロア６の吐出側の熱交換器７で再度冷却し、媒質ガス８の昇温を抑制する。ブロア６から送り出された媒質ガス８は、熱交換器７を通過後、放電部２に供給される。
【０００４】
このような装置においては、循環路内を流通するガス中に種々の要因により、塵等の粒子状の異物の混入が避けられない。例えば、メンテナンス時の塵の混入や部品の消耗による装置内での発塵などを完全になくすことは困難である。そして、一担装置内に混入した粉塵等の粒子状の異物は、除去されることなく媒質ガス８と共に共振器内を循環し、リア鏡３、出力鏡４などの光学部品に付着し、レーザ出力の低下や光学部品の劣化を引き起こす原因となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、レーザ出力が低下した場合には、ミラー３、４などの光学部品を取り外し清掃を行なっているが、光共振器を構成するミラー３、４の再装着時には光軸調整などに、習熟した技術と多大な時間が要求される。また、出力の大きなレーザでは、異物が付着したミラー３、４にレーザ光が照射されると局所的な昇温による応力歪で熱破損を起すこともある。この場合にも当然ミラーの交換が必要となり、労力と費用が更にかさむことになる。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、ミラー（リア鏡、出力鏡）などの光学部品の汚染防止が図られた信頼性の高い、また、光学部品の清掃頻度を低減させることが可能で、保守性の良い、レーザ発振器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源、熱源、放電あるいは化学反応により励起されてレーザ光を増幅する媒質ガス、および該媒質ガスを循環させるガス流路を備えたレーザ発振器に、前記媒質ガスの流れを旋回させ、旋回時に発生する遠心力により前記媒質ガス中に存在する塵などの粒子状の異物を分離するための旋回流路部を前記ガス流路に設け、さらに、前記分離された粒子状の異物を堆積させて収集する集塵部を前記旋回流路部の近傍に具備させることで上記課題を解決する。
【０００８】
ここで、前記媒質ガスの圧力は、分離、収集の対象となる異物の粒径及び／又は質量に応じて変更されて良い。また、前記媒質ガスの流れの旋回は、前記ガス流路に設けられた形状によって引き起こされるようにして良い。更に、収集された粒子状の異物の再拡散を防ぐためのスリットが、前記旋回流路部と前記集塵部の間に設けられることが好ましい。
【０００９】
このように、本発明は、化学レーザ、ガスレーザなど、流動する気体をレーザ媒質とするレーザ発振器において、媒質ガスが旋回するようなガス流路を設け、旋回時に発生する遠心力により、媒質ガス中に存在する粒子状の異物を分離・収集し、共振器内部への拡散防止を行なったものである。これにより、光学部品への異物の付着を防ぐことができ、光学部品の長寿命化が図れ、また、レーザ出力の低下を防ぐことができる。
【００１０】
本発明のレーザ発振器においては、塵などの粒子状の異物を含んだ媒質ガスがガス流路中に設けられたガス旋回部分に流入し、媒質ガスと粒子状の異物が共に強制的に旋回運動させられることになる。ここで、比重差による遠心分離の原理によって、媒質ガスより比重の大きい粒子状異物は、遠心力で旋回流の外側に分離される。なお、媒質ガスの出口は粒子状異物が集まらない部分（ガス旋回部の旋回軸の近く）に設けられ、そこから粒子状異物が分離された媒質ガスが送り出される。その結果、光共振器内へは粒子状異物が除去された媒質ガスが供給されることになり、上記従来技術の問題点が解決する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図２〜図６を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図１に示した従来例と共通した要素については、適宜共通した参照符号を付して図示及び説明を行なう。
【００１２】
先ず、図２は本発明に従った１つの実施形態に係るレーザ発振器の全体構成の概略を示した図である。同図の描示から明かなように、本実施形態は、媒質ガスの循環路中に旋回／集塵機構１８Ａ、１８Ｂが設けられる点を除けば、図１に示した従来構造と基本的に同様の構造を有している。
【００１３】
即ち、放電励起用電源１で駆動される放電管で構成される放電部２が、光共振器を構成するリア鏡３及び出力鏡４の間に配置される。両ミラー３、４は、それぞれ保持機構（図示省略）によって保持されている。放電部２は、図示されているように、熱交換器５、７及びブロア６を含む循環路中に組み込まれ、この循環路を使って媒質ガス８が高速で流される。
【００１４】
放電励起電源１が起動されて放電が発生し、媒質ガス８が励起されると、光共振器内でレーザ光が発生する。放電によって高温となった媒質ガス８はブロア６の手前の熱交換器５で冷却されてブロア６に吸引される。ブロア６は媒質ガス８を圧力をかけて吐出側へ送り出す。吐出された媒質ガス８は、熱交換器７で再度冷却され、放電部２へ供給される。
【００１５】
ここで、重要なことは、図１に示した従来構造とは異なり、ブロア６の吐出側の熱交換器７の下流側で分岐した２つの流路中に旋回／集塵機構１８Ａ、１８Ｂが設けられており、ブロア６から送り出された媒質ガス８は必ず旋回／集塵機構１８Ａ、１８Ｂのいずれかを通って放電部２へ供給されることである。集塵部１８Ａは、図３（ａ）、（ｂ）に示した概略構造を有している。なお、もう一方の集塵部１８Ｂは、媒質ガス８の出入口の配置関係から旋回／集塵機構１８Ａと鏡像関係の構造を有する点を除けば、作用を含めて実質的に等価なので、ここでは旋回／集塵機構１８Ａについて説明する。
【００１６】
先ず図３（ｂ）から参照すると、ガス旋回／集塵機構の垂直断面が表されている。そして、図３（ａ）には図３（ｂ）中のＡ−Ａに沿った水平断面が示されている。図３（ｂ）において、重力作用の向きを基準にした上下方向は図面上の上下方向と対応している。従って、旋回／集塵機構１８Ａは、媒質ガス８が上から下へと旋回しながら流れて行くように構成されている。なお、この点は旋回／集塵機構１８Ｂでも同じである。
【００１７】
媒質ガス入口配管１１は、上下方向に配置された旋回部配管１２に、垂直かつ中心軸が一致しないように配置されている。そして、旋回部配管１２の内側には、これとほぼ同軸に配置された配管１３が設けられている。この内部側に設けられた配管１３は、旋回部配管１２の上部に設けられた媒質ガス出口配管１４に繋がっている。配管１３は旋回部配管１２と同軸で、旋回部配管１２より小径であり、その入口が旋回部配管１２の中心軸付近に開口している。
【００１８】
また、旋回部配管１２の下側にはスリット１５が設けられており、分離された異物１６の拡散を防いでいる。スリット１５の下側には、集塵部として機能する空間１７が設けられており、この部分に異物が堆積する。即ち、媒質ガス入口配管１１から導入された塵などの粒子状の異物を含んだ媒質ガスは、矢印で示したように、旋回部配管１２内を上から下へ旋回しながら移動していく。この時、媒質ガスに比べ比重の大きい異物は遠心力で外側に分離され、下部に配置されたスリット１５を通して集塵部（空間）１７に落下して堆積する。
【００１９】
集塵部（空間）１７の入口にスリット１５が設けられているため、媒質ガスがかなり高速で流れても容易には集塵部（空間）１７には吹き込まない。従って、一旦、落下して堆積した異物が再拡散して媒質ガス中に戻ることは殆どない。このようにして、異物が分離、除去された媒質ガスは、旋回部配管１２の中心軸付近で開口している配管１３に導かれ、放電部２へ向かう出口配管１４に送り出される。ここで、配管１３が旋回部配管１２の中心軸付近で開口していることは、旋回運動により中心軸から遠い部分に集まった異物が、集塵部（空間）１７へ落下する前に配管１３に吸い込まれる現象を抑える上で有利である。
【００２０】
次に、図４は本発明に従った別の実施形態に係るレーザ発振器の全体構成の概略を示した図である。この実施形態では、旋回／集塵機構１８がブロア６の吐出側の熱交換器７の下流側で媒質ガス循環路が分岐する手前に、図５あるいは図６に概略構造を示した旋回／集塵機構１８が設けられている。それ以外の点については、図２に示した構造と特に変わりはなく、レーザ発振の動作等につても同様であるから、これら共通事項については繰り返し説明を省略する。
【００２１】
さて、先ず図５（ｂ）を参照すると、ガス旋回／集塵機構の垂直断面が表されている。一方、図５（ａ）には図５（ｂ）中のＢ−Ｂに沿った水平断面が示されている。図５（ｂ）において、重力作用の向きを基準にした上下方向は図面上の上下方向と対応している。従って、旋回／集塵機構１８は、媒質ガス８が水平方向の軸の周りで旋回しながら流れて行くように構成されている。
【００２２】
媒質ガス入口配管１１は、水平方向に配置された旋回部配管１２に、垂直かつ中心軸が一致しないように配置されている。そして、旋回部配管１２の内側には、これとほぼ同軸に配置された配管１３が設けられている。この内部側に設けられた配管１３は、旋回部配管１２の左側に設けられた媒質ガス出口配管１４の入口に繋がっている。
【００２３】
配管１３は旋回部配管１２と同軸で、旋回部配管１２より小径であり、その入口が旋回部配管１２の中心軸付近に開口している。また、旋回部配管１２の下側には、旋回部配管１２の中心軸と平行に延びるスリット１５が設けられており、分離された異物１６の拡散を防いでいる。スリット１５の下側には、集塵部として機能する空間１７が設けられており、この部分に異物が堆積する。
【００２４】
即ち、媒質ガス入口配管１１から導入された塵などの粒子状の異物を含んだ媒質ガスは、矢印で示したように、旋回部配管１２内をその中心軸の周りで旋回しながら水平方向（図中、左から右へ）に移動していく。この時、媒質ガスに比べ比重の大きい異物１６は遠心力で外側に分離され、下部に配置されたスリット１５を通して集塵部（空間）１７に落下して堆積する。
【００２５】
集塵部（空間）１７の入口にスリット１５が設けられているため、媒質ガスがかなり高速で流れても容易には集塵部（空間）１７には吹き込まない。従って、一旦、落下して堆積した異物が再拡散して媒質ガス中に戻ることは殆どない。このようにして、異物が分離、除去された媒質ガスは、旋回部配管１２の中心軸付近で開口している配管１３内に導かれ、放電部２へ向かう出口配管１４に送り出される。
【００２６】
ここで、配管１３が旋回部配管１２の中心軸付近で開口していることは、旋回運動により中心軸から遠い部分に集まった異物が、集塵部（空間）１７へ落下する前に配管１３に吸い込まれる現象を抑える上で有利である。
【００２７】
次に、図６（ａ）、（ｂ）には、図４に示したレーザ発振器で用いられるガス旋回／集塵機構１８の構造の別の例が示されている。図６（ｂ）はガス旋回／集塵機構の垂直断面を表わし、（ａ）は垂直断面図（ｂ）中のＣ−Ｃに沿った水平断面を表わしている。
【００２８】
これらの図の描示から直ちに判るように、異物を収集する空間を持つ旋回／集塵機構１８とその入口のスリット１５の配置態様を除けば、図５（ａ）、（ｂ）に示した構造と同じである。
【００２９】
即ち、本例においても、旋回／集塵機構１８は、媒質ガス８が水平方向の軸の周りで旋回しながら流れて行くように構成されている。媒質ガス入口配管１１は、水平方向に配置された旋回部配管１２に、垂直かつ中心軸が一致しないように配置されている。そして、旋回部配管１２の内側には、これとほぼ同軸に配置された配管１３が設けられている。この内部側に設けられた配管１３は、旋回部配管１２の左側に設けられた媒質ガス出口配管１４の入口に繋がっている。配管１３は旋回部配管１２と同軸で、旋回部配管１２より小径であり、その入口が旋回部配管１２の中心軸付近に開口している。
【００３０】
上記したように、集塵部１７とスリット１５の配置態様は、図５（ａ）、（ｂ）に示した例と異なっており、旋回部配管１２の右端部に集塵部１７を提供する空間（チャンバ）が設けられ、旋回部配管１２の右端上半部に径方向（上下方向）に延びるスリット１５が設けられている。
【００３１】
媒質ガス入口配管１１から導入された塵などの粒子状の異物を含んだ媒質ガスは、矢印で示したように、旋回部配管１２内をその中心軸の周りで旋回しながら水平方向（図中、左から右へ）に移動していく。この時、媒質ガスに比べ比重の大きい異物１６は遠心力で外側に分離され、旋回部配管１２の右端付近へ到達する。ここで、ガス流は配管１３へ吸い込まれる直前に方向転換される。即ち、左から右への運動量成分を持った状態から、水平方向の運動量成分を持たない状態を経て右から左への運動量成分を持った状態に急変する。この過程で、異物は媒質ガスより比重が大きく、従って慣性が大きいため、そのかなりの部分が媒質ガス流から分離され、スリット１５を通り、集塵部１７へ飛び込むことになる。
【００３２】
図３、図５の例と同様に、本例でもスリット１５の存在により、一旦、集塵部１７へ入った異物１６は堆積し、容易には集塵部１７外へは再拡散しない。このようにして、異物が分離、除去された媒質ガスは、旋回部配管１２の中心軸付近で開口している配管１３内に導かれ、放電部２へ向かう出口配管１４に送り出される。
【００３３】
なお、本例においても、配管１３が旋回部配管１２の中心軸付近で開口していることは、旋回運動により中心軸から遠い部分に集まった異物が、集塵部１７へ侵入する前に配管１３に吸い込まれる現象を抑える上で有利である。
【００３４】
最後に媒質ガス流の流れを作り出す圧力調整について説明しておく。周知のように、ブロア６には媒質ガス流の送り出し圧力調節機能（例えば圧力調節ダイアルによる調整、コントロールパネル上のキー操作等）がついていることが通例である。その詳細は周知故に詳しくは説明しないが、異物の径を考慮して媒質ガス流の送り出し圧力調節を行なうことも好ましいことである。この調整は、レーザ発振停止中（例えばその日の運転サイクルの開始時前）に行なうことが出来る。
【００３５】
即ち、送り出しの媒質ガス圧を高めれば媒質ガスの流速は大きくなり、径の大きな、あるいは重い異物の分離が効果的に行なわれる。一方、径の小さな、あるいは軽い異物の分離を効果的に行なうには、比較的低い送り出し圧力で媒質ガス圧を流せば良い。従って、例えば３段階の送り出しの媒質ガス圧を設定し、それぞれ所定時間の異物分離のための運転（レーザ発振なし）を行なうことで、種々の径や質量の異物を効果的に排除出来る。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ発振器の媒質ガス流路中に、媒質ガスが旋回する流路を設けることにより、媒質ガスに含まれた塵などの粒子状の異物を分離・収集することが可能となる。従って、装置内部のミラー等の光学部品に付着する塵などの粒子状の異物の量を大幅に低減することが可能なる。その結果、レーザパワーの低下、ミラーなどの光学部品の損傷を防止することが可能となり、信頼性の高い、また、光学部品の清掃頻度が少なくで済む保守性の良いレーザ発振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例として、流動する気体をレーザ媒質とするレーザ発振器の一般的な構成を示したものである。
【図２】本発明に従った１つの実施形態に係るレーザ発振器の全体構成の概略を示した図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）共に、図２に示したレーザ発振器で用いられるガス旋回／集塵機構の構造の一つの例について説明する断面図で、（ｂ）はガス旋回／集塵機構の垂直断面を表わし、（ａ）は垂直断面図（ｂ）中のＡ−Ａに沿った水平断面を表わしている。
【図４】本発明に従った別の実施形態に係るレーザ発振器の全体構成の概略を示した図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）共に、図４に示したレーザ発振器で用いられるガス旋回／集塵機構の構造の一つの例について説明する断面図で、（ｂ）はガス旋回／集塵機構の垂直断面を表わし、（ａ）は垂直断面図（ｂ）中のＢ−Ｂに沿った水平断面を表わしている。
【図６】（ａ）、（ｂ）共に、図４に示したレーザ発振器で用いられるガス旋回／集塵機構の構造の別の例について説明する断面図で、（ｂ）はガス旋回／集塵機構の垂直断面を表わし、（ａ）は垂直断面図（ｂ）中のＣ−Ｃに沿った水平断面を表わしている。
【符号の説明】
１ 放電励起電源
２ 放電部（放電管）
３ リア鏡
４ 出力鏡
５、７ 熱交換器
６ ブロア（送風機）
８ ガス流（ガス流路）
１１ 入口配管
１２ 旋回部配管
１３ 配管
１４ 出口配管
１５ スリット
１６ 塵などの粒子状の異物
１７ 集塵部（空間）
１８ 旋回／集塵機構

Claims (4)

1. 光源、熱源、放電あるいは化学反応により励起されてレーザ光を増幅する媒質ガス、および該媒質ガスを循環させるガス流路を備えたレーザ発振器において、
   前記媒質ガスの流れを旋回させ、旋回時に発生する遠心力により前記媒質ガス中に存在する塵などの粒子状の異物を分離するための旋回流路部を前記ガス流路に設け、
   さらに前記分離された粒子状の異物を堆積させて収集する集塵部を前記旋回流路部の近傍に備えたことを特徴とするレーザ発振器。
2. 分離、収集の対象となる異物の粒径及び／又は質量に応じて、前記媒質ガスの圧力を変更することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記媒質ガスの流れの旋回は、前記ガス流路に設けられた形状で引き起こされることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発振器。
4. 収集された粒子状の異物の再拡散を防ぐためのスリットを、前記旋回流路部と前記集塵部の間に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発振器。

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