JP4598852B2 - ガスレーザ発振器で補助放電の消滅を判別する方法およびガスレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザガスを放電励起してレーザ出力を得るガスレーザ発振器に関し、特に、レーザガス中に放電を点灯させやすくするために、補助放電を点灯させるガスレーザ発振器、および、その補助放電が点灯していたかどうかを判別する方法に関する。

ガスレーザ発振器においては、放電管に数ｋＶの電圧を印加することで放電状態が生成され、それによって励起されたレーザガスにより光が発生する。この際、放電が点灯していない状態から、投入電力を急峻に上昇させて最初に放電を成立させる時には、安定した放電状態となっている時よりも高い電圧が一時的に発生する。

これに対して、特許文献１には、レーザを発生させるための主放電を点灯させる主放電電極とは別に、より低い投入電力で補助放電を発生させる補助放電電極を設けたガスレーザ発振器が開示されている。このような補助放電電極を設けることによって、放電成立時の一時的な電圧ピークを低く抑えることができる。また、レーザの出力を下げても、補助放電として放電状態が維持されるようにして、低出力でもレーザ光を安定して制御することが可能となる。

特公平７−８７２５５号公報

従来、上記のようなガスレーザ発振器では、製造過程での試験時や保守時に、ガスレーザ発振器に設けられた保守点検用のパネルを開いて補助放電が良好に点灯するのが目視で確認されている。それによって、補助放電が点灯していない状態から主放電が点灯し、そのために一時的に高電圧が発生して、放電管やレーザ電源へ悪影響が生じるのが抑制され、ガスレーザ発振器の信頼性の向上が図られている。

しかし、補助放電が点灯していない状態で主放電が点灯するのを回避するためには、外的要因によるレーザガスの圧力や流量の変化などの不測の要因により補助放電が消滅した場合にも、それを判別できるようにすることが望まれる。すなわち、このような判別は、通常使用時に適宜実施されるのが望ましい。しかし、補助放電の良好な点灯を操作員により確認を行うことには、作業効率の低下を招き、操作員に専門の知識が必要となるなどの困難がある。また、操作員が補助放電の点灯を確認後、レーザ発振器のパネルを全て閉じることによって、レーザ電源の負荷の分布容量が変化することで補助放電が消滅し、確実な判別が困難となる場合があった。

そこで、本発明の目的は、補助放電電極を用いたガスレーザ発振器において、主放電の点灯前に補助放電が消滅していたかどうかを自動的に判別できるようにすることにある。

上述の目的を達成するため、本発明のガスレーザ発振器で補助放電の消滅を判別する方法は、レーザ電源と、レーザ電源によってレーザガスを放電励起するための主放電を点灯させる主放電電極と、レーザ電源の出力が、主放電が点灯する出力よりも低い状態でレーザ電源によって対の主放電電極の一方との間でレーザガス中に補助放電を点灯させる補助放電電極とを有するガスレーザ発振器で補助放電の消滅を判別する方法であって、補助放電が点灯し主放電が点灯していない状態から、所定の低出力までレーザ電源の出力を高めたときの、前記対の主放電電極間の電圧を正常な電圧値として記憶するステップと、その後、主放電が点灯していない状態から前記所定の出力までレーザ電源の出力が高められたときの、前記対の主放電電極間の電圧を検出するステップと、検出された電圧と、記憶された正常な電圧値とを比較し、検出された電圧が正常な電圧値より設定値以上大きい場合に、レーザ電源の出力を高める前に補助放電が消滅していたと判別し、設定値以上は大きくない場合、レーザ電源の出力を高める前に補助放電が点灯していたと判別するステップと、を有することを特徴とする。

この方法では、補助放電を点灯させてから主放電を点灯させると、一時的に放電管の電圧が高電圧になるのを抑制できるのに対して、補助放電が消滅している状態から主放電を点灯させようとした場合には、電極間の電圧が、補助放電が正常に点灯していた場合よりも高くなるのを利用している。すなわち、主放電を点灯させようとしたときの放電管の電圧によって、主放電の点灯前に補助放電が点灯していたかどうかを自動的に判別することができる。

補助放電電極を備えるガスレーザ発振器では、レーザ出力がゼロの時に、レーザ電源の出力が、主放電が点灯するよりも低く、補助放電が点灯する待機出力となる。そこで、電圧を検出する上述のステップでは、レーザ電源の出力を待機出力より低い所定の出力にして所定の時間経過した後に、レーザ電源の出力を高めたときの電圧を検出するようにしてもよい。それによって、待機出力よりも低い出力でも補助放電が維持され、それよりも高い待機出力では、安定して補助放電が維持されるのが期待できることを確認できる。

また、放電管電圧を検出する上述のステップでは、レーザ電源の出力を高めている間の最大の放電管電圧値を保持するピークホールド回路を介してレーザ電源の出力を高めているときの放電管電圧を検出するのが好ましい。補助放電が消滅している状態から主放電を点灯させようとしたときに発生する電圧上昇は、一時的なものなので、このようにピークホールド回路を用いることによって、電圧上昇を確実に捕らえることができる。

本発明によるガスレーザ発振器は、レーザ電源と、レーザ電源によってレーザガスを放電励起するための主放電を点灯させる主放電電極と、レーザ電源の出力が、主放電が発生するのよりも低い状態でレーザ電源によって対の主放電電極の一方との間でレーザガス中に補助放電を点灯させる補助放電電極と、放電管電圧を検出する電圧検出部と、レーザ電源の出力を制御し、電圧検出部の検出信号を受け取る制御装置と、を有し、制御装置は、補助放電が点灯し、主放電が点灯していない状態から、所定の低出力までレーザ電源の出力を高めたときの、前記対の主放電電極間の電圧を正常な電圧値として記憶する手段を有し、補助放電が点灯していない状態から前記所定の低出力までレーザ電源の出力を高めるときに、電圧検出部によって検出された電圧を正常な電圧値と比較し、検出された電圧が正常な電圧値より設定値以上大きい場合に、レーザ電源の出力を高める前に補助放電が消滅していたと判別し、設定値以上は大きくない場合、レーザ電源の出力を高める前に補助放電が点灯していたと判別することを特徴とする。

本発明によれば、主放電の点灯前に補助放電が消滅していたかどうかを自動的に判別することが可能となる。それによって、補助放電が点灯していない状態で主放電が点灯させられて放電管などに高電圧がかかるのを抑制し、ガスレーザ発振器の信頼性を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態のガスレーザ発振器の模式図である。

図１に示すガスレーザ発振器は、連結ホルダ２を介して連結された放電管１ａ，１ｂを有している。放電管１ａ，１ｂには、連結管ホルダ２とは反対側の端部に全反射鏡であるリア鏡３と、部分反射鏡である出力鏡４がそれぞれ取り付けられている。リア鏡３と出力鏡４は光共振器を構成している。

放電管１ａ，１ｂの側面には、互いに対向して配置された対の主放電電極５ａ，５ｂがそれぞれ取り付けられ、主放電電極５ａ，５ｂから放電管１ａ，１ｂの軸線方向にずれて補助放電電極６が取り付けられている。主放電電極５ａ，５ｂおよび補助放電電極６には、ＤＣ電源部１１とＲＦ電源部１２を有し所望の高周波電力を出力可能なレーザ電源１０がマッチングユニット１５を介して接続されている。

放電管１ａ，１ｂ中には、レーザ媒質であるレーザガス２０が満たされている。このレーザガス２０は、ガス循環システム２１によって循環させられるようになっている。すなわち、放電管１ａ，１ｂの、連結管ホルダ２側の端部に連結管ホルダ２および配管２２を介してターボブロワ２５の入力側が接続され、ターボブロワ２５の出力側は、配管２３ａ，２３ｂを介して放電管１ａ，１ｂの、連結管ホルダ２とは反対側の端部付近に接続されている。ターボブロワ２５の前後には、レーザガス２０を冷却するための冷却水循環システム２７が接続された熱交換器２６が配置されている。また、詳細には示さないが、レーザガス２０のガス循環システム２１には、レーザガス圧制御システム２８が接続されている。

レーザ電源１０には、内蔵するＣＰＵによりレーザ発振器の動作全般を制御するＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置）３０がインターフェイスユニット３１を介して接続されている。インターフェイスユニット３１は、ＣＮＣ３０の指令信号に応じてレーザ電源１０を動作させるための信号を出力したり、レーザ電源１０側からの信号などをＣＮＣ３０に伝達したりする働きをする通信ＩＣ（集積回路）３２を有している。

特に、本実施形態では、放電管電圧、すなわち、主放電電極５ａ，５ｂおよび補助放電電極６間に発生する電圧が、マッチングユニット１５に設けられた放電管電圧検出部１６によって検出されてインターフェイスユニット３１に入力されるようになっている。インターフェイスユニット３１には、後述するように、入力された放電管電圧の最大値を所定の期間にわたって保持し出力するピークホールド回路３５が設けられ、ピークホールド回路３５の出力が通信ＩＣ３２を介してＣＮＣ３０に入力されるようになっている。

本実施形態のガスレーザ発振器では、通常動作時には、ＣＮＣ３０からの指令に応じてインターフェイスユニット３１からレーザ電源１０にレーザ出力指令が出力される。すると、レーザ出力指令に応じてレーザ電源１０から出力される高周波電力によって、放電管１ａ，１ｂ内のレーザガス中で主放電電極５ａ，５ｂ間で放電が行われる。この放電によってレーザガスが励起されて光を発生し、リア鏡３と出力鏡４の間で共振が起こって誘導放出により光が増幅され、その一部が出力鏡４から取り出される。

ガスレーザ発振器の動作中、放電によって加熱されたレーザガス２０は、ガス循環システム２１において高速で循環させられ、その際、熱交換器２６によって冷却される。その結果、レーザガス２０は、全体として冷却水循環システム２７によって所定の温度に制御される。また、レーザガス２０は、レーザガス圧制御システム２８によって所定の圧力に保たれる。このために、冷却水循環システム２７やレーザガス圧制御システム２８は独自に制御を行う構成を有することができるが、レーザ出力などの運転状況に応じた制御を行うために、ＣＮＣ３０やインターフェイスユニット３１と接続されていてもよい。

上記のように、通常動作時には、主放電電極５ａ，５ｂ間で主放電が発生し、それによって、レーザガスが励起されるが、主放電電極５ａと補助放電電極６の間でも、補助放電が点灯する。この補助放電は、レーザガスの励起に直接には寄与しないが、レーザ出力がゼロになって、主放電が消滅しても維持されるようになっている。すなわち、レーザ出力がゼロの時にも、レーザ電源１０は、補助放電が維持される待機出力を維持する。このように補助放電が保たれる結果、その後、レーザ出力指令が高められても、放電管電圧の過大な上昇が生じるのを回避することができる。

このように、補助放電は、ガスレーザ発振器が完全に停止されない限り、点灯した状態を維持される。一方、ガスレーザ発振器が完全に停止された後、立ち上げられる時には、レーザが出力される前の準備段階において、レーザ電源１０は、主放電は点灯しないが補助放電が点灯する前述の待機出力の状態にされる。その結果、その後のレーザ出力時に、放電管電圧の過大な上昇が生じるのを回避することができる。

以上のように、本実施形態のガスレーザ発振器では、レーザの出力前には、補助放電が点灯した状態が確保され、それによって、主放電の成立時に放電管電圧の過大な上昇が発生するのが回避される。本実施形態のガスレーザ発振器では、主放電の点灯時の放電管電圧の過大な上昇が発生するのをさらに確実に抑制するために、ＣＮＣ３０が、補助放電が点灯した状態が確保されているかどうかを判別するようになっている。以下、このような判別方法について説明する。

まず、前段階として、レーザ電源１０を、主放電は点灯しないが補助放電が点灯する前述の待機出力にする。この状態から、所定のレーザ出力までレーザ電源１０へのレーザ出力指令を上昇させ、その間の放電管電圧を、放電管電圧検出部１６を介して検出する。そして、このようにして検出された放電管電圧を、主放電点灯時の正常な放電管電圧値としてＣＮＣ３０に備えられる記憶装置に記憶しておく。この際、補助放電が正常に点灯していた場合、主放電点灯時の放電管電圧の上昇はほとんど起こらない。

主放電点灯時の正常な放電管電圧値は、経年変化などを考慮して、定期的に行うのが好ましい。あるいは、実測によらずに理論値を用いてもよい。

その後、補助放電が点灯した状態からレーザ出力が上昇させられる際、上述のように主放電成立時の正常な放電管電圧値を検出した時の所定の低出力に上昇させられるまでの間の放電管電圧を、放電管電圧検出部１６を介して検出する。このようにして検出した放電管電圧が、上述のように記憶装置に記憶した、主放電点灯時の正常な放電管電圧値より、所定の設定値以上大きい場合、補助放電が消滅していたと判別することができる。

この際、補助放電が消滅している状態からレーザ出力の実用に供する急峻な上昇を行った時に発生する放電管電圧のピークは、かなり大きなものとなり、補助放電の消滅を判別するための上述の設定値は、例えば、５００Ｖとすることができる。このように大きな電圧ピークによって、補助放電の消滅を判別するため、レーザガス２０の組成の変動などによって放電管電圧の変動が生じたりしても、そのような変動の影響を抑制して、確実に補助放電の消滅を判別することができる。なお、補助放電の消滅が判別されるまでに、放電管電圧が大きくなりすぎないように、判別を完了するまでに上昇させるレーザ出力は、低めに設定するのが好ましい。

ただし、所定時間経過後に主放電が点灯する場合があり、そのため、放電管電圧が低下し、電圧ピークが生じるのは短時間であるので、この際の放電管電圧の検出は、ピークホールド回路３５を介して行うのが好ましい。それによって、短時間の放電管電圧の上昇も確実に捕らえて、レーザガスの微妙な組成の違いがあった場合にも、補助放電の消滅を確実に判別することができる。

補助放電が消滅していたことが判別された場合には、例えば、ガスレーザ発振器を停止させることができる。それによって、放電管１ａ，１ｂやレーザ電源１０などに高電圧が印加されるのを抑制し、ガスレーザ発振器の故障を未然に防止することができる。また、操作員が、レーザガスの圧力や流量の経年変化の是正などの措置をとって、ガスレーザ発振器の運転状態の改善を図るのを促すことができる。この際、ガスレーザ発振器を停止させることによって、操作員に異常の発生を知らせることができるが、停止させずに、警報を出力する構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、主放電の点灯前に補助放電が発生していたかどうかを自動的に判別することができる。それによって、補助放電が消滅している状態からのレーザ出力の上昇に伴って放電管で高電圧が発生するのを抑制し、また、補助放電が点灯するようにガスレーザ発振器を調整することを促すことができる。その結果、ガスレーザ発振器の信頼性を向上させることができる。

なお、上記の実施形態は本発明を例示するものであり、本発明は、上記の実施形態の詳細によって限定されるものではない。例えば、本発明を適用するガスレーザ発振器は、単一の放電管を有する構成であってもよい。

また、上記の実施形態では、レーザ出力がゼロで補助放電が維持された待機状態からレーザ出力が上昇させられる時の放電管電圧を監視する例を示した。補助放電電極を備えるガスレーザ発振器は、外的要因によりガス圧やガス流量が変化し、補助放電が消滅する場合がある。このような待機状態では、補助放電が安定して維持されるように構成される。すなわち、この待機状態の時のレーザ電源１０の前述の待機出力は、補助放電が消滅するのよりも高く、ある程度のマージンをとった出力に設定される。そこで、このマージンが十分に確保されて、レーザ出力がゼロの待機状態から安定してレーザ出力を上昇させることができる状態となっているのを確認するために、レーザ電源１０の出力を待機出力より低くした状態からレーザ出力を上昇させた時の放電管電圧の検出を行ってもよい。

すなわち、この場合、レーザ電源１０の出力を待機出力よりも低くし、その状態で所定時間経過した後、レーザ出力を上昇させる。このとき、上述の実施形態におけるのと同様に、放電管電圧が設定値以上大きい場合、補助放電が消滅していたと判別することができる。この際、レーザ電源１０の出力を待機出力より低くした状態で、所定時間保持することによって、その状態でも、安定して補助放電が維持されるかどうかを確認することができる。

図２は、上記のような放電管電圧の検出を行った場合の放電管電圧の変化の例を示している。図２に実線で示すように、補助放電が維持される場合、レーザ電源１０の出力を低くしてその状態を所定時間持続する期間Ａにおいても、その後、レーザ出力を所定の出力になるまで高くしていく期間Ｂにおいても、放電管電圧はほぼ一定に保たれる。一方、図２に破線で示すように、レーザ電源１０の出力を低くした時に補助放電が消滅した場合には、出力を上昇させていくと、放電管電圧は、通常の運転時の電圧を大きく越えて一旦上昇する。この放電管電圧の上昇を捕らえることによって、補助放電の消滅を判別することができる。

上述の実施形態における、レーザ電源１０の出力が待機出力の状態から高められるときの放電管電圧を監視する方法によれば、通常運転時に適宜、補助放電が正常に点灯しているかどうかを確認することができる。一方、レーザ電源１０の出力を待機出力より下げた状態から高めたときの放電管電圧の検出は、メインテナンス時などに定期的に実施することができる。

本発明の実施形態に係るガスレーザ発振器の模式図である。 レーザ電源の出力を低下させて所定時間保持した後、出力を上昇させて主放電を発生させた場合の放電管電圧の変化の例を示すグラフである。

符号の説明

１ ＣＮＣ（制御装置）
５ａ，５ｂ 主放電電極
６ 補助放電電極
１０ レーザ電源
２０ レーザガス

Claims (6)

1. レーザ電源と、該レーザ電源によってレーザガスを放電励起するための主放電を点灯させる対の主放電電極と、前記レーザ電源の出力が、前記主放電が点灯する出力よりも低い状態で前記レーザ電源によって前記対の主放電電極の一方との間で前記レーザガス中に補助放電を点灯させる補助放電電極とを有するガスレーザ発振器で前記補助放電の消滅を判別する方法であって、
   前記補助放電が点灯し前記主放電が点灯していない状態から、所定の低出力まで前記レーザ電源の出力を高めたときの、前記対の主放電電極間の電圧を正常な電圧値として記憶するステップと、
   その後、前記主放電が点灯していない状態から前記所定の低出力まで前記レーザ電源の出力が高められたときの、前記対の主放電電極間の電圧を検出するステップと、
   検出された電圧と、記憶された前記正常な電圧値とを比較し、前記検出された電圧が前記正常な電圧値より設定値以上大きい場合に、前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が消滅していたと判別し、該設定値以上は大きくない場合、前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が点灯していたと判別するステップと、
   を有する方法。
2. 前記ガスレーザ発振器は、レーザ出力がゼロの時に、前記レーザ電源の出力が、前記主放電が点灯する出力よりも低いが前記補助放電が点灯する待機出力にされ、
   電圧を検出する前記ステップで、前記レーザ電源の出力を前記待機出力より低い所定の出力にして所定の時間経過した後に、前記レーザ電源の出力を高めたときの電圧を検出する、請求項１に記載の方法。
3. 電圧を検出する前記ステップで、前記レーザ電源の出力を高めている間の最大の電圧値を保持するピークホールド回路を介して前記レーザ電源の出力を高めているときの電圧を検出する、請求項１または２に記載の方法。
4. レーザ電源と、
   前記レーザ電源によってレーザガスを放電励起するための主放電を点灯させる主放電電極と、
   前記レーザ電源の出力が、前記主放電が点灯する出力よりも低い状態で前記レーザ電源によって前記対の主放電電極の一方との間で前記レーザガス中に補助放電を点灯させる補助放電電極と、
   前記主放電電極および前記補助放電電極間の放電管の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記レーザ電源の出力を制御し、前記電圧検出部の検出信号を受け取る制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記補助放電が点灯し、前記主放電が点灯していない状態から、所定の低出力まで前記レーザ電源の出力を高めたときの、前記対の主放電電極間の電圧を正常な電圧値として記憶する手段を有し、
   前記主放電が点灯していない状態から前記所定の低出力まで前記レーザ電源の出力を高めるときに、前記電圧検出部によって検出された電圧を前記正常な電圧値と比較し、検出された電圧が前記正常な電圧値より設定値以上大きい場合に、前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が消滅していたと判別し、該設定値以上は大きくない場合、前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が点灯していたと判別する、
   ガスレーザ発振器。
5. 前記制御装置は、
   レーザ出力がゼロの時に、前記主放電が点灯するよりも低いが前記補助放電が点灯する待機出力に前記レーザ電源の出力を制御し、
   前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が点灯していたかどうかを判別する際に、前記レーザ電源の出力を前記待機出力より低い所定の出力にして所定の時間経過した後に、前記レーザ電源の出力を高めるときに、前記電圧検出部によって検出された電圧を前記正常な電圧値と比較する、請求項４に記載のガスレーザ発振器。
6. 前記電圧検出部に接続され、前記レーザ電源の出力を高めている間の最大の電圧値を保持するピークホールド回路をさらに有し、
   前記制御装置は、前記レーザ電源の出力を高める前に前記補助放電が消滅していたかどうかを判別する際に、前記ピークホールド回路を介して受け取った電圧値を前記正常な電圧値と比較する、請求項４または５に記載のガスレーザ発振器。

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