JP4137961B2 - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Description

本発明はガスレーザ発振装置に関し、特には合流部を有するガス流路を備えたガスレーザ発振装置に関する。

レーザ媒体であるレーザガスを励起部に流し、放電や光、化学反応によりレーザ光を発生させる軸流型ガスレーザ発振装置においては、ガス流路に種々の工夫や改良がなされている。例えば特許文献１には、ガス流路の圧力損失を減らすためにレーザガスの導入部及び排出部にテーパを設ける構成が開示されている。また特許文献２には、励起部の前段のガス流路形状を工夫して放電の安定のために放電管内のレーザガス流を旋回流にする構成が開示されている。

またさらに、例えば特許文献３又は４に示すような、２つの励起部を同一レーザ光軸上に配置し、双方の励起部の間のガス合流部でガス流を正面衝突させて合流させる構成が採用されている。２つの励起部からのガス流を合流させることは、２つの流れを分離する場合に比べて、流路の部品数を削減できる、あるいは非励起部分の長さを短縮できるという長所を有する。流路の部品数が減ることによりレーザ発振器のコストを抑えることができ、また非励起部分の長さを短縮することにより損失を抑えて発振効率を高くすることができるという効果が得られる。

特開平６−３２６３７９号公報 特開平９−１９９７７２号公報 特開２００３−２８３００８号公報 特開２００４−２３５５１７号公報

図５及び図６は、特許文献３又は４に示すような軸流型ガスレーザ発振装置が有するガス合流部の構造を示す斜視図である。従来は、励起部１０３ａ及び１０３ｂと合流部１２３との間の対向する２つのテーパ状ガス流路、すなわちガス流路１６１ａ及び１６１ｂは、ガス合流部の中央点１５１を通りレーザ光軸１０４に垂直な対称軸１５２について互いに左右対称、換言すれば対称軸１５２を含みレーザ光軸１０４に垂直な平面について面対称の構造となっていた。

このため、２つのガス流は各ガス流路内を同様に（同流量、同線速で）流れ、中央点１５１近傍で正面衝突する。この場合、合流部１２３でのガス流の状態は不安定すなわち遷移しやすい。例えば、ある時刻ｔ１でのガス流が図５のようであるのに対し、別のある時刻ｔ２ではガス流が図６のように変化することがある。詳細には、図５では励起部３ａからのガス流１８０ａが−Ｘ方向寄りを通り、励起部３ｂからのガス流１８０ｂが＋Ｘ方向寄りを通って合流するのに対し、図６では励起部３ａからのガス流１８０ａは＋Ｘ方向寄りを通り、励起部３ｂからのガス流１８０ｂは−Ｘ方向寄りを通って合流している。なお図５及び図６に示すように、Ｘ方向はレーザ光軸に平行な軸（Ｙ軸）及び合流後のガス流路１６２の長手軸（Ｚ軸）の双方に垂直な軸方向とする。この例では、時刻ｔ１からｔ２の間にガス流の状態が遷移しており、ガス流が不安定であることを示している。以上のように、対向する２つのガス流路が互いに面対称の構造である場合にガス流が不安定になることは、ガス流の有限要素法による数値解析からも確認されている。

励起部を通って活性化されたレーザガスはレーザ光を吸収する性質を有するため、ガス流が不安定になるとレーザ出力やビームモード形状が変動することがあり、例えばレーザ加工における切断時の切断面質の悪化や光源に使用した場合の光量の変動、さらには物質の処理に用いた場合の処理品質の低下を招いていた。

上述の特許文献１又は２のように、ガス流路の改良を図る試みはいくつかなされているが、いずれも特許文献３又は４のような対向するガス流路を備えたガスレーザ発振装置においてガス流の正面衝突を避ける技術に関するものではない。

そこで本発明は、前記ガス合流部において、ガス流を安定させ、より安定したレーザ出力または経時変化の少ないレーザビームモード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。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ発振用の媒質ガスを流すための第１及び第２のガス流路と、前記第１及び第２のガス流路が合流するガス合流部と、前記第１及び第２のガス流路にそれぞれ設けられるとともに、同一のレーザ光軸に沿って配置されて前記媒質ガスを励起する第１励起部及び第２励起部と、を有するガスレーザ発振装置において、前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路と、前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路とが、互いに非面対称の構造を有し、前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路と、前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路とが、前記ガス合流部の中央点を通り前記レーザ光軸に垂直な中央軸を中心として、互いに１８０度の回転対称性を備えた構造を有することを特徴とする、ガスレーザ発振装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスレーザ発振装置において、前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路内、及び前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路内にそれぞれ、ガス流の方向を変える偏向子が配置されることを特徴とする、ガスレーザ発振装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のガスレーザ発振装置において、前記偏向子は板状の部材であることを特徴とする、ガスレーザ発振装置を提供する。

本発明に係るガスレーザ発振装置によれば、対向する２つのガス流路を互いに非面対称に構成することにより、対向する２つのガス流の主流を互いにずらして正面衝突を避けることができる。従って、ガス合流部でのガス流の不安定性が解消され、より安定したレーザ出力又は経時変化の少ないレーザビームモードが得られる。

また第１励起部からガス合流部までの第１ガス流路と、第２励起部からガス合流部までの第２ガス流路とを、ガス合流部の中央点を通りレーザ光軸に垂直な中央軸を中心として、互いに１８０度の回転対称性を備えた構造とを有することにより、レーザ発振器の製造に関して部品を共通化できるという利点が得られ、管理及びコストの面で有利となる。

非面対称性を実現する具体的構成としては、第１及び第２ガス流路内に設けられる板状部材等の偏向子、あるいはレーザ光軸について回転対称でない形状の第１及び第２ガス流路等が可能であり、いずれも簡易な構成で本願の目的を達することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係るガス合流部を備えたガスレーザ発振装置の概略構成を示す図である。炭酸ガス、窒素ガス等のレーザ媒体を含んだレーザ発振用の媒質ガス（以下、レーザガスと称する）は、送風機１１より送り出され、熱交換器１０ｄで冷却された後にガス分岐点２０にて二手に分岐する。ここで、この熱交換器１０ｄ及び後述する熱交換器１０ｃは、例えば、レーザガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器である。二手に分岐したガスの一方はガス流路６０ａに導かれて第１励起部３ａを通り、他方はガス流路６０ｂに導かれて第２励起部３ｂを通る。この第１励起部３ａ及び第２励起部３ｂを通過中に、レーザガスは励起されてレーザ活性状態となる。これらの励起部は例えば、レーザ電源３０より電力供給されレーザガスに放電する放電管であるが、光、化学反応による励起方式のものであってもよい。

第１励起部３ａ及び第２励起部３ｂは、出力鏡１とリア鏡２との間に挟まれて配置されているため、第１励起部３ａ及び第２励起部３ｂより生じた光は出力鏡１とリア鏡２との間で増幅され、レーザ発振し、発振器内レーザ光路４上にレーザ光が発生する。出力鏡１は部分透過鏡であり、出力鏡１を透過したレーザ光は出力レーザ光４０となって出力される。第１励起部３ａ及び第２励起部３ｂを通過したレーザガスは、それぞれテーパ状の第１及び第２ガス流路６１ａ及び６１ｂを通り、さらにガス合流部２３にて合流し、１つの流れとなってガス流路６２内に進み、その後熱交換器１０ｃで冷却され、送風機１１に戻る。

ここまで説明したガスレーザ発振装置の基本的構成は、従来と同様でよい。また、ガス流路中の送風機及び熱交換器は必須の要素ではない。さらに、図１のガスレーザ発振装置は２つの励起部及び１つの合流部を有するが、例えば４つの励起部及び２つの合流部を有するガスレーザ発振装置であっても本発明は適用可能である。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るガス流合流部２３近傍の拡大斜視図である。同図に示すように本発明は、第１励起部３ａとガス合流部２３との間の第１偏向子７０ａを含む第１ガス流路６１ａと、第２励起部とガス合流部２３との間の第２偏向子７０ｂを含む第２ガス流路６１ｂとが、ガス合流部２３の中央点５１を通りレーザ光軸４に垂直すなわちＺ軸方向に延びる中央軸５２について左右対称でなく、換言すれば中央軸５２を含みレーザ光軸４に垂直な平面について非面対称の構造とすることを特徴とする。

第１励起部３ａ及び第２励起部３ｂを通過したレーザガスは、それぞれテーパ状の第１及び第２ガス流路６１ａ及び６１ｂ内に導かれ、ガス合流部２３の中央点５１付近にて合流し、１つの流れとなってガス流路６２内に進む。ここで、励起部３ａからのガス流はガス流路６１ａ内の偏向子７０ａによって矢印８０ａのように偏向されてガス合流部２３内の−Ｘ方向寄りを通り、一方励起部３ｂからのガス流はガス流路６１ｂ内の偏向子７０ｂによって矢印８０ｂのように偏向されて＋Ｘ方向寄りを通る。なお図２に示すように、Ｘ方向はレーザ光軸に平行な軸（Ｙ軸）及び合流後のガス流路６２の長手軸（Ｚ軸）の双方に垂直な軸方向とする。このような構成によれば、対向するガス流路から流れてくるレーザガスが、従来のように合流部の中央点付近で正面衝突して不安定な遷移現象を起こすことがないので、結果として安定したレーザ光が得られる。

図３は、偏向子７０ａ及び７０ｂを上から（Ｚ軸方向に）見た図である。偏向子７０ａ及び７０ｂは、レーザガスの流れを変える例えば板状の要素であり、金属、セラミックス又は樹脂等から作製される。図２及び図３に示すように、偏向子７０ａ及び７０ｂは、レーザ光路４に干渉しない位置でかつ、互いに中央点５１を通りレーザ光軸４に垂直すなわちＺ軸方向に延びる中央軸５２について１８０度の回転対称性を有するように構成され配置される。また、各偏向子は公知の方法でガス流路内に取り付け可能であるが、偏向子７０ａ及び７０ｂはそれぞれ、ガス流路６１ａ及び６１ｂと一体の部品であってもよい。また本実施形態では偏向子は板状の部材として図示されているが、２つのガス流路の非面対称性を実現できるものであればどのような形状でもよい。

図２及び図３を用いて説明した実施形態のように、偏向子を含むガス流路６１ａ及び６１ｂが互いに対称軸５２を中心として１８０度の回転対称性を備えた構造を有することは、レーザ発振器の製造に関して部品共通化等の点で有利である。しかし本発明の主たる効果は、対向するガス流路が回転対称でなくとも、互いに非面対称の構造であれば得られることは明らかである。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るガス合流部２３近傍を上から（Ｚ軸方向に）見た図である。本実施形態では、図２及び図３に示すような偏向子が設けられず、代わりにガス流路６１ａ及び６１ｂがそれぞれやや歪なテーパ形状（すなわちレーザ光軸４についていくらか非回転対称）であり、かつ対称軸５２を中心として１８０度の回転対称性を有する。このような構成によっても対向するガス流路６１ａ及び６１ｂを互いに非面対称の構造とすることができ、それによりガス流は、ガス合流部６１ａ内ではいくらか−Ｘ方向に偏向され、逆にガス合流部６１ｂ内ではいくらか＋Ｘ方向に偏向される。従ってこの構成でも第１の実施形態と同様に、ガス合流部におけるガス流安定の効果が得られる。

以上のように、対向する流路が互いに非面対称の構造であると、面対称の構造である場合に比べてガス合流部でのガス流状態の遷移は少なくなりガス流が安定する。このことは、ガス流の有限要素法による数値解析によっても確認されている。

本発明に係るガスレーザ発振装置の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るガスレーザ発振装置のガス合流部近傍の拡大斜視図である。 図２のガス合流部近傍を上方からみた図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスレーザ発振装置のガス合流部近傍の拡大斜視図である。 従来のガスレーザ発振装置のガス合流部における、ある時点でのガス流を示す図である。 図５とは異なる時点でのガス流を示す図である。

符号の説明

１ 出力鏡
２ リア鏡
３ａ、３ｂ 励起部
４ レーザ光軸
２０ ガス分岐部
２３ ガス合流部
６１ａ、６１ｂ ガス流路
７０ａ、７０ｂ 偏向子
１０ｃ、１０ｄ 熱交換器
１１ 送風機

Claims (3)

1. レーザ発振用の媒質ガスを流すための第１及び第２のガス流路と、
   前記第１及び第２のガス流路が合流するガス合流部と、
   前記第１及び第２のガス流路にそれぞれ設けられるとともに、同一のレーザ光軸に沿って配置されて前記媒質ガスを励起する第１励起部及び第２励起部と、を有するガスレーザ発振装置において、
   前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路と、前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路とが、互いに非面対称の構造を有し、
   前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路と、前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路とが、前記ガス合流部の中央点を通り前記レーザ光軸に垂直な中央軸を中心として、互いに１８０度の回転対称性を備えた構造を有することを特徴とする、ガスレーザ発振装置。
2. 前記第１励起部から前記ガス合流部までの前記第１ガス流路内、及び前記第２励起部から前記ガス合流部までの前記第２ガス流路内にそれぞれ、ガス流の方向を変える偏向子が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記偏向子は板状の部材であることを特徴とする、請求項２に記載のガスレーザ発振装置。

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