JP5241963B2 - ガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法 - Google Patents

ガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスをレーザ媒質とするガスレーザ発振器において、短時間でガス交換が可能なガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法に関する。
封じ切りのガス（ＣＯ２）レーザ発振器の場合、レーザ媒質ガスの劣化や、筐体のリークによる外気の流入によってガス純度が落ちることにより、一定間隔でガス交換を実施する必要があった。封じ切りレーザ発振器における従来のガス交換では、ガス交換の頻度によらず、発振時の設定圧から０．１〜０．０１Ｔｏｒｒまでの真空引きが行われていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−６５１８７号公報
しかしながら上記従来の技術によれば、封じ切りのレーザ発振器におけるガス交換において、前回のガス交換日時や状況、例えば直前にメンテナンスで筐体を大気に開放した等の事情に関わらず、一定間隔でガス交換を実施していたため、発振時の設定圧(例えば５５Ｔｏｒｒ)から、０．１〜０．０１Ｔｏｒｒまで真空引きをする必要があり、真空引きに時間がかかってしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、短時間でガス交換が可能なガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、気密容器と、前記気密容器にレーザガスを供給するレーザガス供給源と、予め定めたレーザガス交換の間隔の度に前記気密容器内が目標到達圧力となるまで真空引きを行う前記気密容器に接続された真空ポンプとを有し、前記気密容器に前記レーザガスが充填された状態でレーザ発振する封じ切り型のガスレーザ発振器であって、前記レーザガス交換の間隔と真空引き後の前記気密容器への外部からの不純ガスのリーク速度とガスレーザ発振器が動作可能な許容不純ガス圧力に基づいて前記目標到達圧力を決定する手段を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、封じ切りタイプのガスレーザ発振器においてレーザガス交換時間の短縮という効果を奏する。
図１は、本発明にかかる実施の形態１および２のガスレーザ発振器の構成を示す図である。 図２は、ガス交換時を含む不純ガス量（Ｔｏｒｒ）の時間（Ｈｒ）変化を示す図である。 図３は、図２のガス交換間隔Ｔが短い場合の実線のグラフとガス交換間隔Ｔが長い場合の破線のグラフを真空引き開始時が一致するように横にずらして拡大した図である。 図４は、実施の形態１にかかるレーザガス交換方法を示したフローチャートある。
以下に、本発明にかかるガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、本発明にかかる実施の形態１のガスレーザ発振器１の構成を示す図である。ガスレーザ発振器１は封じ切りタイプのガスレーザ発振器であり、放電電極２、ガスレーザ発振器１内部のレーザガスを循環させるガス循環ブロア３、レーザ光１１の一部を反射し他を透過し得る部分反射鏡４、レーザ光１１を全反射する全反射鏡５、レーザガスの温度制御のための熱交換をする熱交換器６を備える。
ガス循環ブロア３、放電電極２、熱交換器６はガスレーザ発振器１の真空容器７（気密容器）の中に備えられている。真空容器７はガスレーザ発振器１の稼動時には例えば１／１５〜１／１０気圧程度（５５〜６５Ｔｏｒｒ）のＣＯ２などのレーザガスで満たされ、この中でレーザ発振が生ずる。
また、ガスレーザ発振器１は温度制御ユニット８を備えており、温度制御ユニット８は、部分反射鏡４、全反射鏡５、熱交換器６、放電電極２等に冷却水（加熱水）を送って、各部位を温度制御する機能を有する。
さらに、ガスレーザ発振器１は、放電電極部２に放電を発生させる機器（図示せず）、ガス循環ブロア３を制御する機器（図示せず）、レーザ発振のためのレーザガスを充填する真空容器７を真空に引く機能を有する真空ポンプ１４などが納められている電源盤９を備える。
さらに、ガスレーザ発振器１は、レーザガス供給源１２、圧力計１３を備える。レーザガス供給源１２は、真空容器７にレーザガス（例えば、ＣＯ２）を供給する例えばガスボンベである。圧力計１３は真空容器７内の圧力を測定する。真空容器７とレーザガス供給源１２、圧力計１３、真空ポンプ１４との間にはそれぞれ弁１５、１６、１７が備えられている。そしてガスレーザ発振器１の動作に関する制御を行う制御手段１０を備える。制御手段１０は、圧力計１３からの測定結果等に基づいて、レーザガス供給源１２、真空ポンプ１４などを制御することができる。さらに、制御手段１０にはユーザが操作可能な入力端末１８が接続されている。また、制御手段１０あるいは入力端末１８には記憶手段（図示せず）が備えられている。
封じ切りのガスレーザ発振器１において、筐体（真空容器７）内のレーザガス交換直前の不純ガス圧Ｐｄは、以下の（式１）ように表すことが出来る。
Ｐｄ＝Ｌ×Ｔ＋Ｐｄｌ・・・（式１）
ここで、Ｌ(Ｔｏｒｒ／Ｈｒ)は単位時間当たり不純ガスが外部から真空容器７へ浸入する漏れ量即ちリーク速度、Ｔ(Ｈｒ)はレーザガス交換の間隔、Ｐｄｌ(Ｔｏｒｒ)は前回レーザガス交換したときに真空ポンプ１４による真空引きによる目標到達圧力、即ち、真空引き後の発振器筐体（真空容器７）内に残った不純ガス（主として大気）の圧力である。
ガスレーザ発振器１の特性に影響を与える不純ガスの許容限界となる許容不純ガス圧力Ｐｄｔｈは、個々のガスレーザ発振器によって異なる真空容器７の内部の構造やレーザ光の出力等に依存して決定される。許容不純ガス圧力Ｐｄｔｈ(Ｔｏｒｒ)はガスレーザ発振器１が動作可能な許容最大の不純ガスの圧力である。リーク速度Ｌは圧力計１３で測定することができる。また、真空引き後の真空容器７内の不純ガス圧Ｐｄｌは、レーザガス交換時の真空引きの到達圧を圧力計１３で測定することで求められる。即ち、圧力計１３が示すのは残留レーザガスを含んだ圧力であるので、その分圧値として不純ガス圧Ｐｄｌが得られる。
従って、レーザガス交換後にガスレーザ発振器１を継続して使用する時間が決まっていれば、その時間が収まる範囲で出来るだけ短いガス交換の間隔Ｔを決定すれば、Ｐｄ≦Ｐｄｔｈが成り立つ条件下で出来るだけ高い不純ガスの目標到達圧力Ｐｄｌを決めることが出来る。これにより、ガスレーザ発振器１の性能を落とさずにより短時間でガス交換を行うことができる。
上述したことを図２に示した不純ガス量（Ｔｏｒｒ）の時間（Ｈｒ）変化のグラフを用いて詳述する。（式１）のリーク速度Ｌが一定であるとした場合、図２の破線のグラフに示すように、ガス交換間隔Ｔが長い場合はＬ×Ｔが大きくなり、（式１）のＰｄがＰｄ≦Ｐｄｔｈを満たすためには、真空引き後の不純ガスの目標到達圧力Ｐｄｌを低くするために真空容器７内が０．１〜０．０１Ｔｏｒｒくらいになるまで真空ポンプ１４による真空引きが必要となる。これには通常３０分程度の時間がかかる。
しかしながら本実施の形態においては、図２の実線のグラフが示すように、ガス交換間隔Ｔを短くとることにより、リーク速度Ｌ（実線２０の勾配）が上記の場合と同じだとするとＬ×Ｔを小さくできる。これにより（式１）のＰｄがＰｄ＜Ｐｄｔｈを満たすための真空引き後の不純ガスの目標到達圧力Ｐｄｌを高くすることができる。これにより、真空容器７内が０．１〜０．０１Ｔｏｒｒとなるまで真空引きすることが不要となり、真空引き時間の短縮が可能となる。
本実施の形態のガス交換方法による真空引き時間の短縮について、図３を用いて説明する。図３は、図２のガス交換間隔Ｔが短い場合の実線のグラフとガス交換間隔Ｔが長い場合の破線のグラフを実線２１と破線２２が（真空引き開始時が）一致するように横にずらして拡大した図である。
通常真空到達度は、真空引き時間に対して、図３に示すように指数関数的な振る舞いをするので、真空到達度が例えば０．１Ｔｏｒｒから１Ｔｏｒｒになるだけで、真空引き時間（ガス交換時間）はＴexlからＴexsへと大幅な時間削減が可能となる。図３は縦軸に不純ガス圧をとっているが、真空容器７の全圧についても同様な傾向となる。
また、リーク速度Ｌは通常メンテナンス等によって真空シール面を破らない限りは、変化することがないので、レーザガス交換ごとに毎回測定する必要はなく、メンテナンス後の測定値をそのまま推定値として使用しても良い。
本実施の形態にかかるレーザガス交換方法を図４に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ガスレーザ発振器１を継続して使用する時間以上でなるべく短い間隔にレーザガス交換の間隔Ｔを決定する（ステップＳ４１）。例えばレーザガス交換の間隔Ｔは入力端末１８を介してユーザが入力し、制御手段１０の記憶手段（図示せず）に記憶させる。
次に、圧力計１３からの測定結果あるいは推定値よりリーク速度Ｌを決定する（ステップＳ４２）。リーク速度Ｌも、例えば圧力計１３或いは入力端末１８から制御手段１０の記憶手段（図示せず）に記憶させる。
上記ステップで決定され、例えば制御手段１０の記憶手段（図示せず）に記憶されたレーザガス交換の間隔Ｔおよびリーク速度Ｌに加え、さらに同様に記憶されている許容不純ガス圧力Ｐｄｔｈに基づいて制御手段１０が不純ガスの目標到達圧力Ｐｄｌおよびそれに応じた真空容器７内の目標到達圧力を決定する（ステップＳ４３）。
その後は、制御手段１０がレーザガス交換の間隔Ｔを経る度に不純ガス圧がＰｄｌ（真空容器７内が目標到達圧力）となるまで真空ポンプ１４による真空引き及びレーザガス供給源１２によるレーザガスの充填を繰り返す（ステップＳ４４）。逆算的に考えれば、真空引き時間を短縮したい時間に応じて不純ガスの目標到達圧力Ｐｄｌが高くなるようにレーザガス交換の間隔Ｔを決定するようにしてもよい。
以上説明したように、発振器筐体外部からのリークによるレーザガス純度の低下が生じている場合は、前回のガス交換からの経過時間が短ければ、必ずしも発振器筐体内を０．１〜０．０１Ｔｏｒｒまで真空引きをする必要がない。従って、本実施の形態にかかるレーザガス交換方法によりガス交換時の真空引き時間を短縮でき短時間でガス交換を行うことが可能となる。
実施の形態２．
本発明にかかる実施の形態２のガスレーザ発振器１の構成も図１と同じである。日常的にガスレーザ発振器１を使用し、レーザガス交換を実施する場合は、毎回のレーザガス交換後の筐体（真空容器７）内の不純ガス量が飽和する（定常値を保つ）には以下の（式２）の関係が成り立っている。これは、真空引き前後の不純ガス圧の全圧に対する割合から要請される関係である。
Ｐｄａ＝（Ｐｄａ＋Ｌ×Ｔ）×Ｐｖ／（Ｐｌ＋Ｌ×Ｔ）・・・（式２）
ここで、Ｐｄａ(Ｔｏｒｒ)はレーザガス交換後の不純ガス圧、Ｐｌ(Ｔｏｒｒ)はレーザガス交換直後に筐体内に充填されたレーザガスを含めた全圧、Ｐｖ(Ｔｏｒｒ)は真空引き後の筐体内の到達圧力（全圧）である。
さらに、安定したレーザ発振を得るためには以下の（式３）が成り立っていなければならない。
Ｐｄｔｈ≧Ｐｄａ＋Ｌ×Ｔ・・・（式３）
上記（式２）および（式３）を満たす条件内であれば、利用者の要望に合わせてレーザガス交換時間Ｔを決めることによって、真空引き到達圧力Ｐｖを変化させることで、実施の形態１と同様に安定したレーザ発振が得られる不純ガス圧を維持しつつ、真空引き時間の最適化及び短縮化を図ることが出来る。
更に、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。
例えば、上記実施の形態それぞれに示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、上記実施の形態にわたる構成要件を適宜組み合わせてもよい。
以上のように、本発明にかかるガスレーザ発振器、及びガスレーザ発振器におけるガス交換方法は、封じ切り型のガスレーザ発振器に有用であり、特に、レーザガス交換時間の短縮に適している。
１ ガスレーザ発振器
２ 放電電極
３ ガス循環ブロア
４ 部分反射鏡
５ 全反射鏡
６ 熱交換器
７ 真空容器（気密容器）
８ 温度制御ユニット
９ 電源盤
１０ 制御手段
１１ レーザ光
１２ レーザガス供給源
１３ 圧力計
１４ 真空ポンプ
１５、１６、１７ 弁
１８ 入力端末
Ｓ４１〜Ｓ４４ ステップ

Claims (6)

  1. 気密容器と、
    前記気密容器にレーザガスを供給するレーザガス供給源と、
    予め定めたレーザガス交換の間隔の度に前記気密容器内が目標到達圧力となるまで真空引きを行う前記気密容器に接続された真空ポンプと
    を有し、前記気密容器に前記レーザガスが充填された状態でレーザ発振する封じ切り型のガスレーザ発振器であって、
    ガスレーザ発振器が動作可能な許容不純ガス圧力から前記レーザガス交換の間隔と真空引き後の前記気密容器への外部からの不純ガスのリーク速度の積を減じた値以下となるように前記目標到達圧力を決定する手段を
    備えたことを特徴とするガスレーザ発振器。
  2. 前記リーク速度に推定値を用いる
    ことを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振器。
  3. 前記気密容器内に圧力計を備え、
    前記リーク速度を前記圧力計の測定結果に基づいて求める
    ことを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振器。
  4. 気密容器と、当該気密容器にレーザガスを供給するレーザガス供給源と、当該気密容器に接続された真空ポンプとを有し、当該気密容器に当該レーザガスが充填された状態でレーザ発振する封じ切り型のガスレーザ発振器において、
    レーザガス交換の間隔を定める工程と、
    前記気密容器内の目標到達圧力を、ガスレーザ発振器が動作可能な許容不純ガス圧力から前記レーザガス交換の間隔と真空引き後の前記気密容器への外部からの不純ガスのリーク速度の積を減じた値以下となるように定める工程と、
    前記レーザガス交換の間隔を経る度に、前記不純ガスが前記目標到達圧力となるまで前記真空ポンプが前記気密容器に真空引きを行う真空引き工程と、
    前記真空引き工程にて前記不純ガスが前記目標到達圧力に達した後に前記レーザガス供給源が前記気密容器を前記レーザガスで充填する工程と
    を備えたことを特徴とするガスレーザ発振器におけるガス交換方法。
  5. 前記リーク速度に推定値を用いる
    ことを特徴とする請求項４に記載のガスレーザ発振器におけるガス交換方法。
  6. 前記気密容器内に圧力計を備え、
    前記リーク速度を前記圧力計の測定結果に基づいて求める
    ことを特徴とする請求項４に記載のガスレーザ発振器におけるガス交換方法。
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