JP4855374B2 - ガス流路に流量調整弁を備えたガスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスを励起媒体として使用するガスレーザ装置に関する。

図６は、従来のガスレーザ装置（以降、単にレーザ装置と称する）の基本構成例を示す機能ブロック図である。図６に示すレーザ装置は、出力鏡１、リア鏡２、及び出力鏡１とリア鏡２との間に挟まれて配置される放電管３を含むレーザ発振器と、放電管３に連通するガス流路２０と、放電管３に電力供給するレーザ電源７０とを有する。炭酸ガス、窒素ガス、アルゴン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、ガス圧調整装置５０によりガス流路２０内に供給される。このガス圧調整装置５０は、外部からレーザガスを供給したり、ポンプを用いてガス流路２０内のレーザガスを外部に排気したりして、ガス流路２０のガス圧を、一定の目標ガス圧値に近づくように制御するガス圧制御手段を備える。

ガス流路２０内のレーザガスは、送風機１１より送出される。送出される際に、レーザガスが圧縮されたために発生する圧縮熱と、送風機１１の摩擦熱等がレーザガスに排熱される効果のために、レーザガスの温度は、送風機１１に入る前に比べて上昇する。送出されたレーザガスは、第２熱交換器１０ｂにより冷却される。ここで、第２熱交換器１０ｂ及び後述する第１熱交換器１０ａは、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。

冷却水は冷却水槽３０に蓄えられており、冷却水ポンプ３１により送出される。冷却水は第２熱交換器１０ｂ、第１熱交換器１０ａ、出力鏡１及びリア鏡２等に供給されて、冷却水槽３０に戻る。

ガス流路２０内のレーザガスは、放電管３内に導かれる。この放電管３を通過中に、レーザガスは、例えば放電により励起されてレーザ活性状態となり、ガス温度も上昇する。レーザ電源７０より電力供給された放電管３はレーザガスに放電する励起部として作用する。

放電管３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、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９０となって出力される。放電管３を通過したレーザガスは、第２熱交換器１０ａで冷却され、送風機１１に戻る。制御部８０は送風機１１、ガス圧調整装置５０、レーザ電源７０等を制御する役割を持つ。

以上のような従来のガスレーザ装置において、レーザガスは、前述の通り、放電や圧縮等によって加熱されるので、運転中はガス温度の方が冷却水温より高い。一般に、レーザガスを循環させて使用するガスレーザ発振器において、レーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質は、ガス温度や共振器部品の温度に依存する。

その原因のひとつは、特に高周波放電により励起を行うガスレーザにおいては、放電のインピーダンスがガス温度によって変化することにある。そのため、例えば前記放電管内に常温のレーザガスが流れ込む状態で最適となるように装置を設計すると、レーザガスが常温より高すぎても低すぎても、放電のインピーダンスが最適値から離れて放電の電力が下がり、レーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質が損なわれることがある。

また、別の原因として、温度変化による部材の膨張または収縮のために生じる共振器の歪みが、出力鏡、リア鏡、励起部の相互位置関係を変える。そのため、同様に、常温のレーザガスが流れ込む状態で最適となるように装置を設計すると、レーザガスが常温より高すぎても低すぎても、レーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質が損なわれることがある。

このように性能が温度に依存するレーザ装置において、従来は、例えば低温環境での起動時に、性能が常温時並みまで回復するまでに時間がかかることがあった。例えば、冷却水とレーザガスを常に熱交換させる熱交換器を備えたレーザ装置では、熱交換が常に行われているため、レーザガス温度を上昇させるためには、冷却水温度も上昇させなければならない。低温環境での起動直後は冷却水も低温であるため、性能が常温時並みまで回復するまでに時間がかかっていた。そこで例えば特許文献１には、レーザガスの温度を上昇させるガス温度制御手段を備えたガスレーザ発振装置が開示されている。このガスレーザ発振装置では、熱交換器に供給する冷却水の流量を減少させたり、熱交換器に温水を供給したりすることによって、ガス温度を上昇させることができる。

特開平７−２８８３５０号公報

前述のように、性能が温度に依存するレーザ装置において、低温環境での起動時に性能が常温時並みに回復するまでの時間を短縮することが望まれている。しかし、例えば特許文献１に記載されているような冷却水用の電磁弁を設けた構成では、電磁弁が故障して閉状態になってしまった場合、管内の冷却水の過熱による膨張破裂等の深刻な障害を招く虞がある。また、レーザガス温度変化によるインピーダンスの低下は免れても、起動初期の共振器温度は低いため、温度変化による共振器の歪みによる性能低下が考えられる。

そこで本発明は、低温環境での起動直後でも、性能が常温時並みまで回復するまでに時間がかからないガスレーザ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、レーザガス中の光励起媒体を励起させるためのレーザ電源と、レーザガス中の光励起媒体によりレーザ光を発振する共振器と、レーザガスをガスレーザ装置内に密閉するガス流路と、該ガス流路内でレーザガスを循環させるための送風機と、前記ガス流路内のレーザガスを冷却するガス冷却装置とを備えたガスレーザ装置において、前記ガス冷却装置を迂回するガス迂回路と、該ガス迂回路を流れるレーザガスの流量を調整するガス流量調整弁とを、前記ガス流路に設け、前記ガス流量調整弁を前記ガス迂回路上に設け、前記ガス流路内のレーザガス温度を測定する温度測定器と、前記ガス流量調整弁を開閉させる制御部とを備え、前記制御部は、前記温度測定器の計測値の情報に基づいて前記ガス流量調整弁を開閉させることを特徴とする、ガスレーザ装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスレーザ装置において、前記ガス流路内のガス圧を一定の目標ガス圧値に近づくように調整するガス圧調整装置と、前記ガス流量調整弁の開閉量に従って目標ガス圧値を変化させる制御部とを備えることを特徴とする、ガスレーザ装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のガスレーザ装置において、前記ガス流量調整弁の開閉量に従って前記送風機の送風量を変化させる制御部を備えることを特徴とする、ガスレーザ装置を提供する。

本発明に係るガスレーザ装置によれば、冷却装置を経由せずにガス迂回路を流れるレーザガスの流量をガス流量調整弁によって調整することができるので、レーザ共振器内のレーザガスの温度を迅速に定常運転時に近づけることができ、早期に安定したレーザビーム品質を得ることができる。

ガス流量調整弁をガス迂回路上に設けることにより、ガス流量調整弁を開いたときはガス温度の上昇とともにガス流路内のガス流量を増加させることができ、レーザビーム品質の安定化が図られる。

またガス流量調整弁を、ガス迂回路と並列な前記ガス流路の部分に設けることによっても、迅速なガス温度上昇を図ることができる。

ガス流量調整弁の操作はオペレータが手動で行ってもよいが、ガス流路内のレーザガス温度を測定する温度測定器と、ガス流量調整弁を開閉させる制御部とにより、ガス流量調整弁を自動的に開閉させることができる。

また、レーザ電源の出力電圧及び出力電流の一方又は双方を測定する測定手段と、ガス流量調整弁を開閉させる制御部とによっても、ガス流量調整弁を自動的に開閉させることができる。

送風機の負荷増が懸念される場合には、ガス流路内のガス圧を一定の目標ガス圧値に近づくように調整するガス圧調整装置と、ガス流量調整弁の開閉量に従って目標ガス圧値が変化させる制御部とにより、目標ガス圧値を低くして送風機の負荷増を抑えることができる。

あるいは、ガス流量調整弁の開閉量に従って前記送風機の送風量を変化させる制御部によっても、送風機の負荷増を抑制することができる。

図１は、本発明に係るガスレーザ装置（以降、単にレーザ装置と称する）の第１の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。なお、以下に説明する実施形態の構成は、上記した図６に示す基本構成と一部共通するので、対応する構成要素には共通の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図１に示す第１の実施形態では、ガス流路２０に、第１熱交換器１０ａ及び第２熱交換器１０ｂをそれぞれ迂回するガス迂回路２５ａ、２５ｂが設けられる。さらに、ガス迂回路２５ａ、２５ｂ上にはそれぞれガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが設けられる。ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂは、制御部８０の指令を受けて開閉する。ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが閉じている場合は、それぞれガス迂回路２５ａ、２５ｂにはガスは流れない。流量調整弁４０ａ、４０ｂが開くと、その開度に応じた流量だけ、それぞれガス迂回路２５ａ、２５ｂにガスが流れ、放電管３を流れるレーザガスの流量が増加する。ガス迂回路２５ａ、２５ｂを経たガスは熱交換されていないので、結果として流量調整弁４０ａ、４０ｂが開くと、その開度に応じて放電管３に入るガス温度は上昇することになる。

前述のように、一般に、レーザガスを循環させて使用するガスレーザ発振器において、レーザ出力、出力安定性及びレーザビーム品質等の性能は、ガス温度や共振器部品の温度に依存する。その原因の一つは、特に高周波放電により励起を行うガスレーザにおいては、放電のインピーダンスがガス温度によって変化することにある。第１の実施形態のようなレーザガス装置は一般に、放電管３内に常温のレーザガスが流れ込む状態において最大の性能を発揮するように設計されているので、レーザガスが常温より高すぎても低すぎても、放電のインピーダンスが最適値から離れて放電の電力が下がり、レーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質が損なわれる。

第１の実施形態では、オペレータの操作によって流量調整弁４０ａ、４０ｂを開くように制御部８０が設定されている。ここで、例えば冷却水温が常温より低い場合、オペレータが流量調整弁４０ａ、４０ｂを開く操作を行うと、放電管３に入るガス温度は上昇し、放電のインピーダンスが最適値に近づき、レーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質が常温状態に近くなる。

また、流量調整弁４０ａ、４０ｂが開くと放電管３に入るレーザガスの流量は増える。一般に励起部を流れるレーザガスの流量が増えるとレーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質は向上するので、流量調整弁を開く操作によってもレーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質は向上する。すなわち、ガス迂回路にガスが流れることにより、ガス温上昇と、ガス流量増加の２つの効果が得られ、低温環境での起動直後のレーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質が向上する。また、起動後、十分に運転を行って冷却水温が上昇してきたら、ガス迂回路上の流量調整弁４０ａ、４０ｂを閉じれば、放電管３に流れ込むレーザガス温度が高すぎることによる不具合が生じることはない。

図２は、本発明に係るガスレーザ装置の第２の実施形態を示す。第２の実施形態では、ガス流路２０を流れるレーザガスの温度を計測し、制御部８０に伝えるためのガス温度測定器４１がガス流路２０に設けられる。ガス温度測定器４１からの情報を得た制御部８０は、放電管３に入るレーザガスが最適温度になるように、ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂを開閉させる。これにより、例えば低温環境からの起動直後のように冷却水が低温の場合であっても、低温環境での起動直後のレーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質を、より常温の状態に近付けることができる。すなわち、図１の実施形態において冷却水温に応じてオペレータが操作していたガス流量調整弁４０ａ、４０ｂの操作を、第２の実施形態では自動的に行うことができる。

あるいは図３に示す第３の実施形態のように、ガスレーザ装置は、レーザ電源７０の出力電圧及び出力電流の一方又は双方を測定する手段７１を備えることによっても、オペレータによるガス流量調整弁の操作を自動的に行うことができる。レーザ電源７０の出力電圧又は出力電流は放電管３に入るガス温度に依存するので、レーザ電源７０の出力電圧又は出力電流の測定情報に基づいてガス流量調整弁４０ａ、４０ｂを調節することにより、放電管３のインピーダンスを放電管３に常温のガスが入った場合のインピーダンスに近づけることができる。これにより、例えば低温環境からの起動直後のように冷却水が低温の場合であっても、低温環境での起動直後のレーザ出力や出力安定性やレーザビーム品質を、より常温の状態に近付けることができる。

前述のガス流量調整弁４０ａ、４０ｂは、必ずしもガス迂回路上になければならないわけではなく、ガス迂回路と並列なガス流路２０上の部分、例えば熱交換器の前段又は後段に設けてもレーザガスの温度調整は可能である。例えば図４に示す第４の実施形態では、ガス流量調整弁４０ｂを第２熱交換器１０ｂの後段すなわちレーザガスの流れ方向に関して熱交換器１０ｂの下流側に設けている。但しこの場合、ガス流量調整弁４０ｂが閉じれば放電管３に入るガス温度は上がり、開けば下がることになる。従って第４の実施形態でも、放電管３に入るガス温度を素早く上昇させることができる。

なお上述の実施形態において、送風機１１が限界の消費電力で使用されており、消費電力が増えると送風機１１や、送風機１１の電源供給装置に障害が発生する虞がある場合も考えられる。このような場合には、ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが開くにつれて、目標ガス圧値が低くなるようにガス圧調整装置５０を制御部８０が制御することが有効である。これにより、ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが開いても、目標ガス圧値が低くなることで送風機１１の負荷増を抑えることができるので、ガス流量増による送風機１１の消費電力の増大を防ぐことができる。

また送風機１１の負荷増を防止する構成としては、図５に示す第５の実施形態も有効である。第５の実施形態では、制御部８０が送風機１１の送風量を制御する機能を有する。具体的には、ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが開くにつれて、送風機１１の送風量が低くなるように制御部８０を設定する。これは例えば、送風機１１のインペラの回転数を下げることによって行う。これにより、ガス流量調整弁４０ａ、４０ｂが開いても、送風機１１の送風量が低くなることで送風機１１の負荷増を抑えることができるので、ガス流量増による送風機１１の消費電力の増大を防ぐことができる。

なお第１熱交換器１０ａ及び第２熱交換器１０ｂは、前述の「レーザガスを冷却するガス冷却装置」の好適な具体例である。従ってガス冷却装置は熱交換器である必要はなく、またガス冷却装置は１つでもよい。

本発明に係るガスレーザ装置の第１の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。 本発明に係るガスレーザ装置の第２の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。 本発明に係るガスレーザ装置の第３の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。 本発明に係るガスレーザ装置の第４の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。 本発明に係るガスレーザ装置の第５の実施形態の基本構成を示す機能ブロック図である。 従来のガスレーザ装置の基本構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 出力鏡
２ リア鏡
３ 放電管
１０ａ、１０ｂ 熱交換器
１１ 送風機
２０ ガス流路
２５ａ、２５ｂ 迂回ガス流路
３０ 冷却水槽
３１ 冷却水ポンプ
４０ａ、４０ｂ ガス流量調整弁
４１ ガス温度測定器
５０ ガス圧調整装置
７０ レーザ電源
７１ レーザ出力測定手段
８０ 制御部
９０ レーザ光

Claims (3)

1. レーザガス中の光励起媒体を励起させるためのレーザ電源と、レーザガス中の光励起媒体によりレーザ光を発振する共振器と、レーザガスをガスレーザ装置内に密閉するガス流路と、該ガス流路内でレーザガスを循環させるための送風機と、前記ガス流路内のレーザガスを冷却するガス冷却装置とを備えたガスレーザ装置において、
   前記ガス冷却装置を迂回するガス迂回路と、該ガス迂回路を流れるレーザガスの流量を調整するガス流量調整弁とを、前記ガス流路に設け、
   前記ガス流量調整弁を前記ガス迂回路上に設け、
   前記ガス流路内のレーザガス温度を測定する温度測定器と、前記ガス流量調整弁を開閉させる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記温度測定器の計測値の情報に基づいて前記ガス流量調整弁を開閉させることを特徴とする、ガスレーザ装置。
2. 前記ガス流路内のガス圧を一定の目標ガス圧値に近づくように調整するガス圧調整装置と、前記ガス流量調整弁の開閉量に従って目標ガス圧値を変化させる制御部とを備えることを特徴とする、請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記ガス流量調整弁の開閉量に従って前記送風機の送風量を変化させる制御部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のガスレーザ装置。

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