JP4193129B2 - Pulse gas laser oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、パルスガスレーザ発振器に関し、より詳しくは、パルスガスレーザ発振器の主放電電極の改良に関するものである。 The present invention relates to a pulse gas laser oscillator, and more particularly to improvement of a main discharge electrode of a pulse gas laser oscillator.
従来、パルスガスレーザ発振器として、レーザガスが充填されたレーザ容器と、該レーザ容器の内部に対向させて配設した主放電電極と、この主放電電極間に電圧を印加して放電させる直流高圧パルス電源とを備え、上記直流高圧パルス電源によって主放電電極間で放電させることによりレーザガスを励起してレーザ発振させるようにしたものが知られている(特許文献1、特許文献2)。
従来一般に、パルスガスレーザ発振器においては主放電電極としてかまぼこ型の主放電電極が使用されているが、このような形状の主放電電極では、平均出力を高めることは困難であった。例えば、レーザマーキングなどに好適なTEA型CO2レーザ発振器は、短パルス高ピーク発振が可能であるが、高平均出力化ができず、切断には不向きであった。
上記TEA型CO2レーザ発振器において平均出力を上げるためには、せいぜい数10Hz程度の繰り返し周波数を例えば数KHz程度に高くすればよい。しかしながら、繰り返し周波数を高くすると、主放電はグロー放電からアーク放電に移行し易くなる。特にTEA型CO2レーザ発振器は出力を高くするためにレーザガスを大気圧としているが、レーザガスの圧力が高いほどアーク放電になり易く、アーク放電となると、電極表面部分の損傷などによるメンテナンスインターバルが短くなるという問題があった。
本発明はそのような事情に鑑み、アーク放電の発生を抑制することにより、平均出力を上げることが可能で、しかもメンテナンスフリー化を果たすことが可能なパルスガスレーザ発振器を提供するものである。
Conventionally, in a pulse gas laser oscillator, a kamaboko type main discharge electrode is used as the main discharge electrode. However, it is difficult to increase the average output with such a main discharge electrode. For example, a TEA type CO 2 laser oscillator suitable for laser marking or the like is capable of short pulse high peak oscillation, but cannot achieve high average output, and is unsuitable for cutting.
In order to increase the average output in the TEA type CO 2 laser oscillator, the repetition frequency of about several tens Hz may be increased to, for example, about several KHz. However, when the repetition frequency is increased, the main discharge easily shifts from glow discharge to arc discharge. In particular, the TEA-type CO 2 laser oscillator uses the atmospheric pressure of the laser gas to increase the output. However, the higher the pressure of the laser gas, the more likely it is that arc discharge occurs, and when arc discharge occurs, the maintenance interval due to damage to the electrode surface portion is short. There was a problem of becoming.
In view of such circumstances, the present invention provides a pulse gas laser oscillator capable of increasing the average output by suppressing the occurrence of arc discharge and achieving maintenance-free.
すなわち本発明は、レーザガスが充填されたレーザ容器と、該レーザ容器の内部に対向させて配設した主放電電極と、この主放電電極間に電圧を印加して放電させる直流高圧パルス電源とを備え、上記直流高圧パルス電源によって主放電電極間で放電させることによりレーザガスを励起してレーザ発振させるようにしたパルスガスレーザ発振器において、
上記主放電電極を、それぞれ複数のコイル状電極から構成し、かつ各コイル状電極の先端部を互いに対向させて配設したことを特徴とするものである。
That is, the present invention comprises a laser container filled with a laser gas, a main discharge electrode disposed facing the inside of the laser container, and a direct-current high-voltage pulse power source that discharges by applying a voltage between the main discharge electrodes. In a pulsed gas laser oscillator that excites a laser gas by causing a discharge between main discharge electrodes by the DC high-voltage pulse power source to oscillate the laser,
The main discharge electrodes, is characterized in that it respectively to a coil-shaped electrode of the multiple, and was disposed to each other not face to the tip of the coiled electrode.
上記構成によれば、コイル状電極がパルス電流に対してインピーダンスとなるので、特定の電極に過大な電流が流れないようになり、また放電は電極の先端部から根元に向けて広がるようになるので、電流が集中せずに電流密度が低減する。これによりアーク放電が抑制されるようになるので、平均出力を上げることが容易となり、またアーク放電による電極表面部分の損傷を防止してメンテナンスフリー化が可能となる。 According to the above configuration, since the coiled electrode becomes an impedance with respect to the pulse current, an excessive current does not flow to the specific electrode, and the discharge spreads from the tip of the electrode toward the root. Therefore, current density is reduced without current concentration. As a result, arc discharge is suppressed, so that it is easy to increase the average output, and it is possible to prevent the electrode surface portion from being damaged by arc discharge and to be maintenance-free.
以下図示実施例について本発明を説明すると、図1において、TEA型CO2レーザ発振器を構成する円筒状のレーザ容器1内に2枚のベースプレート2、3を上下に平行に配設してあり、各ベースプレート2、3にそれぞれ主放電電極4、5を対向させて設けてある。
上記ベースプレート2、3はそれぞれ導電性材料から製造してあり、各ベースプレート2、3に設けた主放電電極4、5は、各ベースプレート2、3に立設固定したそれぞれ部材状の絶縁材からなる複数の支持部材4a、5aと、各支持部材4a、5aのそれぞれに巻回して形成した複数のコイル状電極4b、5bとを備えている。上記支持部材4a、5aは、コイル状電極4b、5bがふらふらしないように固定する役目をするもので、その形状はどんなものでもあってもよい。
The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiment. In FIG. 1, two
The
上方側のベースプレート2に設けた各支持部材4aと下方側のベースプレート3に設けた各支持部材5aとはそれぞれ互いに対向させて配設してあり、それによって各支持部材に巻回した上記複数のコイル状電極4b、5bを放電空間を挟んで互いに対向させて配設してある。
上記各コイル状電極4b、5bは、銅やステンレスなどの導電性材質から製造してあり、コイル状部分は相互に密着しないようにして、その基部側をそれぞれベースプレート2又は3に電気的に接続してある。このようなコイル状電極4b、5bは、電流の変化率(di/dt)に対して抵抗となるものである。
The
Each of the coiled
下方のベースプレート3には、上記主放電電極4、5との間の主放電に先立って、主放電電極5を構成する各コイル状電極5bとの間で予備電離を行なわせるための予備電離電極6を設けてある。この予備電離電極6は、それぞれ互いに対向させて配設したコイル状電極4b、5bのうち、アース側となる下方のコイル状電極5b側に、かつ互いに対向する先端部から離れた基部側に、絶縁部材7を介してそれぞれ取付けてある。
上記絶縁部材7はスリーブ状に形成してあり、各コイル状電極5bの基部を囲んでベースプレート3に固定してある。そして上記予備電離電極6はリング状に形成してあり、各コイル状電極5b及びベースプレート3に対して絶縁した状態で各絶縁部材7の外周部に取付けてある。
Prior to the main discharge between the main discharge electrodes 4 and 5, the
The insulating member 7 is formed in a sleeve shape, and is fixed to the
上記レーザ容器1の外部には、主放電電極4、5間に電圧を印加して放電させる直流高圧パルス電源11と、予備電離電極6に電圧を印加して予備電離させるトリガー用直流高圧パルス電源12とを設けてある。このように、トリガー用直流高圧パルス電源12を直流高圧パルス電源11と別の電源とすることにより、全体の回路構成を簡略化することができる。
これら電源11、12は、直流高圧パルス電源11をマスターとし、トリガー用直流高圧パルス電源12をスレーブとしたマスタースレーブ同期制御によって、電源11の充電終了から所定時間遅れて電源12によりトリガー電圧を発生させることができるようにしてある。
上記レーザ容器1は外側の金属製筒状部材1aと内側の金属製筒状部材1bとから構成してあり、その内部に誘電体13を封入することにより2重円筒形状の主コンデンサを形成している。そして外側の金属製筒状部材1aを上記各電源11、12と共通のアース側に接続してあり、内側の金属製筒状部材1bに図示しない絶縁部材を介して取り付けた下方のベースプレート3は、内側の金属製筒状部材1b及び誘電体13を貫通させて設けた配線14を介して外側の金属製筒状部材1aに、したがってアース側に接続してある。
Outside the laser container 1, a DC high-voltage
These
The laser container 1 is composed of an outer metallic
他方、内側の金属製筒状部材1bは配線15を介して上方のベースプレート2に接続してあり、また内側の金属製筒状部材1bは、誘電体13及び外側の金属製筒状部材1aを貫通させて設けた配線16を介して直流高圧パルス電源11に接続してある。
さらに上記各予備電離電極6は、内側の金属製筒状部材1b、誘電体13及び外側の金属製筒状部材1aを貫通させて設けた配線17を介してトリガー用直流高圧パルス電源12に接続してある。
On the other hand, the inner metallic
Further, each of the
上記各ベースプレート2、3は、図2に示すように長方形状に形成してあり、本実施例では、各支持部材4a、5aは各ベースプレート2、3の長手方向に一定の間隔で3列に配設固定してある。そして第1列目と第3列目の支持部材4a、5aの長手方向における配置位置をそれぞれ同一に設定し、中央の第2列目の支持部材4a、5aの長手方向における配置位置は、第1列目と第3列目の支持部材4a、5aの配置位置に対して、長手方向中間部位置に設定してある。
第1列目(図2の上側の列)の両端部には出力鏡21と第1ベンドミラー22とを配置してあり、また第3列目の両端部には第2ベンドミラー23とリアミラー24とを配置してある。
The
The
これにより出力鏡21とリアミラー24との間で、第1ベンドミラー22と第2ベンドミラー23とを介して、レーザを共振させることができるようにしてある。このとき、出力鏡21と第1ベンドミラー22との間では、レーザは直線上に配置された第1列目の各コイル状電極4b、5bの間をその直線上で通過し、また第2ベンドミラー23とリアミラー24との間においても、直線上に配置された第3列目の各コイル状電極4b、5bの間をその直線上で通過するようにしてある。そして第1ベンドミラー22と第2ベンドミラー23との間では、第3列目の各コイル状電極4b、5bの間をレーザが斜めに通過するようにしてある。
上記第1ベンドミラー22、第2ベンドミラー23及びリアミラー24は上記レーザ容器1内に設けてあり、また出力鏡21はレーザ容器1を密封しているが、レーザは該出力鏡21からレーザ容器1の外部に放射できるようになっている。
As a result, the laser can resonate between the
The
次に図1に示すように、上記レーザ容器1内には、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、一酸化炭素を所定の組成比率で混合したレーザガスを充填するとともに、該レーザガスをレーザ容器1内で循環させる送風手段25を設けてある。
上記送風手段25は、両ベースプレート2、3の下方位置両側に配置した2つの循環ファン26と、各循環ファン26の下方に設けられて循環ファン26によって放電空間を通って下方に向けて送り出されたレーザガスを金属製筒状部材1bの両側内面から上方に向けて案内するファンガイド27と、放電空間を通過したレーザガスを冷却するために2つの循環ファン26の間に配置した熱交換器28とを備えている。
そして上記各ベースプレート2、3には、図1、図2に示すように、各支持部材4a、5a及び各コイル状電極4b、5bに隣接させてそれらの中間位置に貫通孔4c、5cを穿設してあり、それによって金属製筒状部材1bの両側内面から上方に流れてきたレーザガスが、各貫通孔4c、5cを流通して、各コイル状電極4b、5bの間からコイル状電極の軸方向(支持部材4a、5aの軸方向)に流通させることができるようにしてある。
Next, as shown in FIG. 1, the laser container 1 is filled with a laser gas in which carbon dioxide, nitrogen, helium, and carbon monoxide are mixed at a predetermined composition ratio, and the laser gas is circulated in the laser container 1.
The blower means 25 is provided below the two
As shown in FIGS. 1 and 2, each of the
以上の構成において、直流高圧パルス電源11によってレーザ容器1により構成された2重円筒形状の主コンデンサが充電された状態となると、トリガー用直流高圧パルス電源12によって直流高電圧が各予備電離電極6に印加される。これにより、各予備電離電極6とこれに近接するアース側の各コイル状電極5bとの間でそれぞれ予備電離が行なわれるようになる。
上記予備電離は、各予備電離電極6と各コイル状電極5bとの間で行なわれるので、放電空間全域に渡って均一に行なわれるようになり、これが呼び水となって互いに対向する各コイル状電極4b、5b間でそれぞれ主放電が起こるようになる。
これによりレーザ容器1内のレーザガスが励起され、レーザが出力鏡21とリアミラー24との間で共振されて、レーザが出力鏡21から外部に放射されるようになる。
In the above configuration, when the double cylindrical main capacitor constituted by the laser container 1 is charged by the DC high voltage
Since the preionization is performed between the
As a result, the laser gas in the laser container 1 is excited, the laser is resonated between the
この際、上記コイル状電極4b、5bはそれぞれパルス電流に対してインピーダンスとして働くので、特定のコイル状電極4b、5bに過大な電流が流れることがない。また、放電は各コイル状電極4b、5bの先端部から根元側に向けて広がるようになるので、電流が各コイル状電極4b、5bの一点に集中せず、広がりを持った安定したグロー放電となる。
その結果、アーク放電が抑制されるので、アーク放電による電極表面部分の損傷を防止してメンテナンスフリー化を果たすことができる。
また、レーザ容器1を2重円筒形状の主コンデンサとしているので、放電ループ長を短くすることができ、放電電極間に印可される電圧の立ち上がり立ち下がりが早くなってアーク放電の抑制と高繰り返し化を図ることができる。
At this time, since the
As a result, since arc discharge is suppressed, damage to the electrode surface due to arc discharge can be prevented and maintenance-free can be achieved.
In addition, since the laser container 1 is a double-cylindrical main capacitor, the discharge loop length can be shortened, the rise and fall of the voltage applied between the discharge electrodes can be accelerated, and arc discharge can be suppressed and repeated at a high rate. Can be achieved.
さらに上記レーザガスは、各貫通孔4c、5cを流通して、各コイル状電極4b、5bの間からコイル状電極の軸方向に流通されるので、放電空間におけるレーザガスのクリアランスレシオを高く維持することができ、これによってもアーク放電の抑制と高繰り返し化を図ることができる。
すなわち、従来のかまぼこ型の主放電電極では、その構成上、互いに対向する主放電電極の一側から他側へレーザガスを流通させざるを得ない。この場合、主放電電極の一側では新鮮なレーザガスが提供されるが、該レーザガスは主放電電極の他側へ流通するに従って、主放電電極間の主放電により、オゾンや酸素濃度が上昇するようになるのでアーク放電になり易く、高繰り返し化が困難であった。
Furthermore, since the laser gas flows through the through
That is, in the conventional kamaboko type main discharge electrode, the laser gas must be circulated from one side of the main discharge electrode facing each other to the other side due to its configuration. In this case, fresh laser gas is provided on one side of the main discharge electrode, but as the laser gas flows to the other side of the main discharge electrode, the concentration of ozone and oxygen increases due to the main discharge between the main discharge electrodes. Therefore, arc discharge is likely to occur, and high repetition is difficult.
図3は本発明の第2実施例を示したもので、本実施例ではレーザ容器1内の中央部下方寄りの位置に水平に絶縁プレート31を設け、これに平行に配設した2枚のベースプレート2、3を立設固定したものである。すなわちこのベースプレート2、3は、図1に示したベースプレート2、3を反時計方向に90度回転させた配置構造となっている。
そして本実施例における送風手段25は、上記絶縁プレート31の下方に配置した1つの循環ファン26と、放電空間を通過したレーザガスを冷却するための熱交換器28とを備えており、上記循環ファン26を回転させた際には、レーザ容器1内のレーザガスをレーザ容器の内面に沿って時計方向に循環させることができるようにしてある。
つまり循環ファン26によって送り出されたレーザガスは、各ベースプレート2、3の貫通孔4c、5cを流通して、各コイル状電極4b、5bの間からコイル状電極の軸方向に流通するようになり、上記熱交換器28によって冷却されてから、再び循環ファン26によって送り出されるようになる。
その他の構成は上述した第1実施例と同様に構成してあり、第1実施例と同一若しくは相当部分には同一の符号を付して示してある。
本第2実施例においても、第1実施例と同等の作用効果が得られることは明らかである。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an insulating
The blower means 25 in this embodiment includes a
That is, the laser gas sent out by the
Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the same or corresponding parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
In the second embodiment, it is obvious that the same effect as the first embodiment can be obtained.
なお、上記各実施例では各ベースプレート2、3にそれぞれ各貫通孔4c、5cを穿設し、これを利用してレーザガスを複数のコイル状電極の間からコイル状電極の軸方向に流通させるようにしているが、これに限定されるものではない。例えば第1実施例に関していえば、ベースプレート2の下面に複数のエアダクトを設け、各エアダクトの開口を複数のコイル状電極の間に設けて、各開口からレーザガスをコイル状電極の軸方向に流通させるようにしてもよい。或いは、ベースプレートとして本来的に貫通孔を有するハニカム形状の金属プレートを用いてもよい。
さらに、上記各実施例ではパルスガスレーザ発振器としてTEA型CO2レーザ発振器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、エキシマレーザやCOレーザ、或いは金属蒸気レーザなどのパルスガスレーザ発振器にも適用することができる。
In each of the above embodiments, the through
Further, in each of the above embodiments, the TEA type CO 2 laser oscillator has been described as the pulse gas laser oscillator. However, the present invention is not limited to this, and the pulse gas laser oscillator such as an excimer laser, a CO laser, or a metal vapor laser is used. Can also be applied.
1 レーザ容器 2、3 ベースプレート
4、5 主放電電極 4a、5a 支持部材
4b、5b コイル状電極 4c、5c 貫通孔
6 予備電離電極 7 絶縁部材
11 直流高圧パルス電源 12 トリガー用直流高圧パルス電源
25 送風手段 26 循環ファン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
上記主放電電極を、それぞれ複数のコイル状電極から構成し、かつ各コイル状電極の先端部を互いに対向させて配設したことを特徴とするパルスガスレーザ発振器。 A laser container filled with a laser gas; a main discharge electrode disposed opposite to the inside of the laser container; and a DC high-voltage pulse power source for applying a voltage between the main discharge electrodes to discharge the battery, In a pulse gas laser oscillator in which a laser gas is excited to cause laser oscillation by discharging between main discharge electrodes by a pulse power source,
The main discharge electrodes, their respective and a coil-shaped electrode of the multiple, and pulsed gas laser oscillator of the distal ends of the coiled electrodes are opposed to each other, characterized in that the arranged.
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