JP3785877B2 - レーザ発振装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザガスを放電管内に流す軸流型のガスレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の要部を一部破断した概略構成の一例を示す。以下、図７を参照しながら従来例を説明する。
【０００３】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３は前記放電管１の周辺に設けられた電極である。４は前記電極２、３に接続された電源である。５は前記電極２、３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は前記放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は前記部分反射鏡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、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【０００４】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００５】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２、３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この様な従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、下記の課題を有している。
【０００７】
ガスレーザ装置においては、放電管１内でのレーザガスの流れは、放電管内にガスが導入されてから排出されるまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば、放電状態が安定し、放電管に注入された電気入力に対して、効率良くレーザ出力を取り出すことが出来るからである。しかし軸流型ガスレーザ発振装置の構成上、放電管１に対してレーザガス導入部１４を同軸に設けることは構成上複雑になるため、実際には要部を破断した図８（（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図）のようにレーザガス導入部１４は放電管１に対して略直角に配置されるケースが一般的である。このため図中に示すように、放電管１内の、特にガス導入部１４近傍において、ガス流中に渦巻き１８が発生してしまい、放電管１内のガス流が乱されてしまっていた。
【０００８】
これに対して例えば特開平７−１４２７８７には、ガスを一旦貯めておくチャンバーを設け、これをレーザガス導入部と接続する構成が示されており、これはレーザガス導入部へ入るレーザガスの方向性を無くすことによって、放電管内でのガス流の偏りを無くす事を狙ったものであるが、結局レーザ導入部から放電管内へガスが入る際に、どうしてもガス流の偏りが発生し、各所に渦巻きが出来てしまっていた。
【０００９】
またレーザガス導入部を、放電管に対して環状に配置する事で、レーザガス導入部を放電管を同軸に配置するという試みもなされたが、放電管内でのレーザガス流が、放電管の中心部あるいは外周部のどちらかに偏ってしまう傾向があり、結局均一なガス流は実現出来ていなかった。
【００１０】
また要部を破断した図９（（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図）に示すように放電管１とレーザガス導入部１４の間またはレーザガス導入部１４の放電管１との接続部分近傍にオリフィス１５を配置し、前記オリフィス１５をレーザガスの流れを阻害する部分とレーザガスを通す１個の穴から構成し、前記穴を中心からずらして配置する構成も取られた。この場合もガス導入部近傍における渦巻き発生の抑制に若干の効果はあったものの、結局は放電管内のガス流が乱されてしまっていた。
【００１１】
本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管に接続され、レーザガスを放電管へ導入するレーザガス導入部と、放電管とレーザガス導入部の間またはレーザガス導入部の放電管との接続部分近傍に配置されたオリフィスを備え、前記オリフィスをレーザガスの流れを阻害する部分とレーザガスを通す複数の穴から構成し、少なくとも２個の穴を前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して平行で、かつ前記オリフィスの中心からずれた位置に配置したものである。また、前記放電管から見てレーザガス流の上流側の穴を小さく、下流側の穴を大きくしたものである。また、前記オリフィスの中心からずれた位置で、かつ前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して垂直に２個の穴を追加配置したものである。
【００１３】
また複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積が放電管の断面積に対して０．５〜０．８の割合になるようにしたものを含む。
【００１４】
またオリフィスと複数の穴が共に円形で、かつオリフィスの半径よりも各穴の直径が小さいものも含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。なお、レーザ発振装置としての構成のうち、レーザガス導入部及びオリフィスの構成以外の部分については、図７に示す構成と同じなので、その説明を省略する。図１、図２、図３、図４は本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の特徴とする構成および放電管内のレーザガスの流れを示した図である。
【００１６】
図１（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図１においては、オリフィス１５ａに、中心からずれた位置に２個の穴１６ａがレーザガス流れ方向に平行に配置されており、各穴よりそれぞれ放電管１内へとレーザガスが導入される。この構成を取るとき、各穴を通過したレーザガスの流線は、互いの不均一を補完し合う形で合流し、結果的に放電管内で均一なガス流分布が得られる。
【００１７】
図２（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図２においては、図１の構成に加え、レーザガス流れ方向に垂直に２個の穴１６ｂが配置され、合計４個の穴がオリフィス１５ｂ上に設けられている。この構成においては、４個の穴それぞれより放電管１内へと導入されたレーザガスの流線がバランスを取り合うため、図１の構成にくらべより一層均一なガス流分布が得られる。
【００１８】
図３（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図３のように、オリフィス１５ｃ上に図１、図２に比べより多くの穴１６ｃを設けることで、より一層ガス流分布の均一化を図る事も可能である。
【００１９】
図４（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図４は図１の構成をアレンジしたもので、オリフィス１５ｄ上の２個の穴のうち、放電管１から見てレーザガス流の上流側の穴１６ｄを小さく、下流側の穴１６ｅを大きく取った構成となっている。
【００２０】
レーザガス流の上流側の穴１６ｄを通過するガス流の方が、下流側の穴１６ｅを通過するガス流に比べ、遠心力の影響で流速が速くなるため、その分穴径を小さくする事で、二つの穴の流量バランスをとることが出来、より一層ガス流分布の均一化を図ることが出来る。
【００２１】
図５は本発明の実施の形態例に関して、放電管の断面積に対する、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積の比率と、レーザ出力との相関を示した図である。放電管の断面積をＡ、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積をＢとした時、Ｂ／Ａが０．５から０．８の範囲において、安定したガス流が得られ、放電状態も良好であり、レーザ出力が増大する。この範囲を外れるとガス流が不安定になり、放電状態が悪化し、レーザ出力が低下する。よってＢ／Ａは、０．５〜０．８が最適値であることが判る。
【００２２】
また図１から図３の例において、それぞれの穴は、方形よりも円形の方が、よりガス流が安定する傾向が見られる。また円形の複数穴を設ける場合、オリフィスの半径よりも大きな穴と、それ以外の小さい穴を設けるよりも、むしろすべての穴直径がオリフィス半径より小さい場合の方が、ガス流の安定化に効果がある。
【００２３】
図６は本発明の実施の形態例と従来例とでの、放電管への電気入力に対して取り出されるレーザ出力の差を示したものであり、横軸に放電電気入力、縦軸にレーザ出力を表している。本図に示すように、本発明の実施の形態例においては、レーザガス流改善効果により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ている。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、放電管内のレーザガス流を均一化することができ、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図２】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図３】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図４】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図５】本発明の実施の形態例における放電管の断面積に対する、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積の比率と、レーザ出力との相関を示した図
【図６】本発明の実施の形態例と従来例とでのレーザ出力の差を示した図
【図７】従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図
【図８】従来例におけるレーザガス導入部および放電管の配置およびレーザガスの流れを示した図
【図９】従来例におけるレーザガス導入部、放電管およびオリフィスの配置およびレーザガスの流れを示した図
【符号の説明】
１ 放電管
２ 電極
３ 電極
４ 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 レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１ 熱交換器
１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ レーザガス導入部
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ オリフィス
１６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ 穴
１７ レーザガス流速分布
１８ ガス流中の渦巻き
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザガスを放電管内に流す軸流型のガスレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来の軸流型ガスレーザ発振装置の要部を一部破断した概略構成の一例を示す。以下、図７を参照しながら従来例を説明する。
【０００３】
この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２、３は前記放電管１の周辺に設けられた電極である。４は前記電極２、３に接続された電源である。５は前記電極２、３間に挟まれた放電管１内の放電空間である。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり、この全反射鏡６、部分反射鏡７は前記放電空間５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。８は前記部分反射鏡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、軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、１３はレーザガスを循環させるための送風機であり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【０００４】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００５】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２、３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この様な従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、下記の課題を有している。
【０００７】
ガスレーザ装置においては、放電管１内でのレーザガスの流れは、放電管内にガスが導入されてから排出されるまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば、放電状態が安定し、放電管に注入された電気入力に対して、効率良くレーザ出力を取り出すことが出来るからである。しかし軸流型ガスレーザ発振装置の構成上、放電管１に対してレーザガス導入部１４を同軸に設けることは構成上複雑になるため、実際には要部を破断した図８（（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図）のようにレーザガス導入部１４は放電管１に対して略直角に配置されるケースが一般的である。このため図中に示すように、放電管１内の、特にガス導入部１４近傍において、ガス流中に渦巻き１８が発生してしまい、放電管１内のガス流が乱されてしまっていた。
【０００８】
これに対して例えば特開平７−１４２７８７には、ガスを一旦貯めておくチャンバーを設け、これをレーザガス導入部と接続する構成が示されており、これはレーザガス導入部へ入るレーザガスの方向性を無くすことによって、放電管内でのガス流の偏りを無くす事を狙ったものであるが、結局レーザ導入部から放電管内へガスが入る際に、どうしてもガス流の偏りが発生し、各所に渦巻きが出来てしまっていた。
【０００９】
またレーザガス導入部を、放電管に対して環状に配置する事で、レーザガス導入部を放電管を同軸に配置するという試みもなされたが、放電管内でのレーザガス流が、放電管の中心部あるいは外周部のどちらかに偏ってしまう傾向があり、結局均一なガス流は実現出来ていなかった。
【００１０】
また要部を破断した図９（（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図）に示すように放電管１とレーザガス導入部１４の間またはレーザガス導入部１４の放電管１との接続部分近傍にオリフィス１５を配置し、前記オリフィス１５をレーザガスの流れを阻害する部分とレーザガスを通す１個の穴から構成し、前記穴を中心からずらして配置する構成も取られた。この場合もガス導入部近傍における渦巻き発生の抑制に若干の効果はあったものの、結局は放電管内のガス流が乱されてしまっていた。
【００１１】
本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管に接続され、レーザガスを放電管へ導入するレーザガス導入部と、放電管とレーザガス導入部の間またはレーザガス導入部の放電管との接続部分近傍に配置されたオリフィスを備え、前記オリフィスをレーザガスの流れを阻害する部分とレーザガスを通す複数の穴から構成し、少なくとも２個の穴を前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して平行で、かつ前記オリフィスの中心からずれた位置に配置したものである。また、前記放電管から見てレーザガス流の上流側の穴を小さく、下流側の穴を大きくしたものである。また、前記オリフィスの中心からずれた位置で、かつ前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して垂直に２個の穴を追加配置したものである。
【００１３】
また複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積が放電管の断面積に対して０．５〜０．８の割合になるようにしたものを含む。
【００１４】
またオリフィスと複数の穴が共に円形で、かつオリフィスの半径よりも各穴の直径が小さいものも含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。なお、レーザ発振装置としての構成のうち、レーザガス導入部及びオリフィスの構成以外の部分については、図７に示す構成と同じなので、その説明を省略する。図１、図２、図３、図４は本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の特徴とする構成および放電管内のレーザガスの流れを示した図である。
【００１６】
図１（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図１においては、オリフィス１５ａに、中心からずれた位置に２個の穴１６ａがレーザガス流れ方向に平行に配置されており、各穴よりそれぞれ放電管１内へとレーザガスが導入される。この構成を取るとき、各穴を通過したレーザガスの流線は、互いの不均一を補完し合う形で合流し、結果的に放電管内で均一なガス流分布が得られる。
【００１７】
図２（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図２においては、図１の構成に加え、レーザガス流れ方向に垂直に２個の穴１６ｂが配置され、合計４個の穴がオリフィス１５ｂ上に設けられている。この構成においては、４個の穴それぞれより放電管１内へと導入されたレーザガスの流線がバランスを取り合うため、図１の構成にくらべより一層均一なガス流分布が得られる。
【００１８】
図３（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図３のように、オリフィス１５ｃ上に図１、図２に比べより多くの穴１６ｃを設けることで、より一層ガス流分布の均一化を図る事も可能である。
【００１９】
図４（ａ）（ｂ）は放電管とレーザガス導入部及びオリフィスの要部を破断した図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ方向から見た図で、図４は図１の構成をアレンジしたもので、オリフィス１５ｄ上の２個の穴のうち、放電管１から見てレーザガス流の上流側の穴１６ｄを小さく、下流側の穴１６ｅを大きく取った構成となっている。
【００２０】
レーザガス流の上流側の穴１６ｄを通過するガス流の方が、下流側の穴１６ｅを通過するガス流に比べ、遠心力の影響で流速が速くなるため、その分穴径を小さくする事で、二つの穴の流量バランスをとることが出来、より一層ガス流分布の均一化を図ることが出来る。
【００２１】
図５は本発明の実施の形態例に関して、放電管の断面積に対する、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積の比率と、レーザ出力との相関を示した図である。放電管の断面積をＡ、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積をＢとした時、Ｂ／Ａが０．５から０．８の範囲において、安定したガス流が得られ、放電状態も良好であり、レーザ出力が増大する。この範囲を外れるとガス流が不安定になり、放電状態が悪化し、レーザ出力が低下する。よってＢ／Ａは、０．５〜０．８が最適値であることが判る。
【００２２】
また図１から図３の例において、それぞれの穴は、方形よりも円形の方が、よりガス流が安定する傾向が見られる。また円形の複数穴を設ける場合、オリフィスの半径よりも大きな穴と、それ以外の小さい穴を設けるよりも、むしろすべての穴直径がオリフィス半径より小さい場合の方が、ガス流の安定化に効果がある。
【００２３】
図６は本発明の実施の形態例と従来例とでの、放電管への電気入力に対して取り出されるレーザ出力の差を示したものであり、横軸に放電電気入力、縦軸にレーザ出力を表している。本図に示すように、本発明の実施の形態例においては、レーザガス流改善効果により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ている。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、放電管内のレーザガス流を均一化することができ、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図２】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図３】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図４】本発明の実施の形態例におけるレーザ発振装置の放電管近傍を破断してレーザガスの流れを示した図
【図５】本発明の実施の形態例における放電管の断面積に対する、オリフィスに設けられた複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積の比率と、レーザ出力との相関を示した図
【図６】本発明の実施の形態例と従来例とでのレーザ出力の差を示した図
【図７】従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図
【図８】従来例におけるレーザガス導入部および放電管の配置およびレーザガスの流れを示した図
【図９】従来例におけるレーザガス導入部、放電管およびオリフィスの配置およびレーザガスの流れを示した図
【符号の説明】
１ 放電管
２ 電極
３ 電極
４ 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 レーザガスの流れる方向
１０ レーザガス流路
１１ 熱交換器
１２ 熱交換器
１３ 送風機
１４ レーザガス導入部
１５ａ、ｂ、ｃ、ｄ オリフィス
１６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ 穴
１７ レーザガス流速分布
１８ ガス流中の渦巻き
Claims (4)
- 内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、前記放電管に接続され、レーザガスを放電管へ導入するレーザガス導入部と、放電管とレーザガス導入部の間またはレーザガス導入部の放電管との接続部分近傍に配置されたオリフィスを備え、前記オリフィスをレーザガスの流れを阻害する部分とレーザガスを通す複数の穴から構成し、少なくとも２個の穴を前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して平行で、かつ前記オリフィスの中心からずれた位置に配置したレーザ発振装置。
- 前記放電管から見てレーザガス流の上流側の穴を小さく、下流側の穴を大きくした請求項１記載のレーザ発振装置。
- 前記オリフィスの中心からずれた位置で、かつ前記放電管内のレーザガス流れ方向に対して垂直に２個の穴を追加配置した請求項１記載のレーザ発振装置。
- 複数の穴の面積を足し合わせた穴の総面積が放電管の断面積に対して０．５〜０．８の割合になる請求項１から３の何れかに記載のレーザ発振装置。
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2004111673A (ja) | 2002-09-19 | 2004-04-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ガスレーザ発振装置 |
-
1999
- 1999-10-12 JP JP28955099A patent/JP3785877B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
| JP2001111140A (ja) | 2001-04-20 |
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