JP5591398B2 - ガスレーザ及び当該ガスレーザの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、コーナケーシングを介して互いに接続されている複数の放電管であって、これらの放電管の夫々に、レーザビームのビーム案内をする少なくとも１つのミラーエレメント及び冷却液体を内に備える少なくとも１つの冷却通路が設けられている、複数の放電管と、各コーナケーシング内への進入前にレーザガスを冷却する冷却液体を内に備える少なくとも１つの冷却通路を備えた熱交換器とを有するガスレーザ、及びこのガスレーザのための運転方法に関する。

ガスレーザ、特にＣＯ_２ガスレーザは、折り返し型の、好ましくは正方形のレーザ共振器を有する。このレーザ共振器において、レーザビームは、一平面又は上下に平行な複数の平面において正方形に折り返される。このために、各平面には、一般的に４つのコーナケーシング内に収容されているミラーエレメントが配置されている。コーナケーシングの間には、レーザガスを励起するための電極を備えた放電管が配置されている。レーザガスは、例えばラジアル送風機として形成されていてよい圧力源から、供給管路を介してコーナケーシングに供給される。この構成において、供給管路内には一般的に、レーザガスを、コーナケーシング内、ひいてはビーム案内室への進入前に冷却する熱交換器の１つ又は複数の冷却通路が配置されている。レーザガス回路は吸気管路を介して接続され、この吸気管路を介して加熱されたレーザガスは放電管から吸引され、ラジアル送風機に供給される。

一般的にコーナケーシングは冷却される。このために、各コーナケーシングの本体に、冷却液体、一般的には水が貫流する１つ又は複数の冷却通路が取り付けられている。熱交換器の冷却通路は、通常、コーナケーシングの冷却通路に接続されていて、１つの共通の冷媒回路を形成する。

上記ガスレーザにおいて、特に共振器の長さが大きい場合には、レーザ共振器におけるレーザビームが、ビーム品質の悪化に繋がることになるレーザビーム方向（いわゆるビームポインティング）の不都合な変更を被る、という問題が発生していた。

発明の目的
本発明の目的は、冒頭で述べた形式のガスレーザ及び運転方法を改良して、形成されたレーザビームのレーザビーム方向の不都合な変化を可能な限り小さく保持することである。

発明の対象
上記目的は、レーザガスを冷却する付加的な冷却装置、及び／又は熱交換器の少なくとも１つの冷却通路内における冷却液体と、コーナケーシングの少なくとも１つの冷却通路の冷却液体との温度差を形成するための温度調節装置が設けられているガスレーザにより達成される。従来のガスレーザにおいて、流入する冷却されたレーザガスの温度は、典型的に約１０Ｋ（ケルビン）、コーナケーシングにおける冷却液体の温度を超えている。上述の手段により、コーナケーシング内への進入時に冷却されたレーザガスの温度と、コーナケーシングにおける冷却液体の温度との間の差は、５Ｋ（ケルビン）より小さく、好ましくは２Ｋより小さく、特に０．２Ｋより小さく調節可能である、ということを達成することができる。

発明者は、コーナケーシング内に配置されているミラーエレメントの傾動は、（通常対称的な）コーナケーシングの非対称的な膨張により引き起こされる、という認識に至った。非対称的な膨張は、コーナケーシング内に流入するレーザガスの温度と、コーナケーシングの冷却通路における冷媒の温度との温度変化率により形成される。各温度を差が５Ｋ又は５Ｋより小さくなるように合わせることにより、ミラーエレメントの傾動はほぼ完全に避けられるので、ビームポインティングを改良することができる。理想的には、レーザガスの温度及びコーナブロックにおける冷媒の温度は、温度差が（ほぼ）零であるように調整されると理解される。

温度調整装置による温度の調整は、熱交換器の冷却通路及びコーナケーシングの冷却通路が、２つの異なる冷媒回路に属していると特に有利である。この構成において、コーナブロックの冷却通路における冷却液体の温度は、熱交換器の冷却通路における冷却液体の温度から完全に独立して調節することができる。

有利な構成において、温度調節装置は、コーナケーシングの冷却通路に供給される冷却液体の加熱のための加熱装置を有する。択一的に又は付加的には、温度調節装置は、熱交換器の１つ若しくは複数の冷却通路に供給される冷媒を冷却する冷却装置を有していてもよい。異なる冷媒回路の使用時に、加熱又は冷却装置として、各冷媒回路の装置が働くことができる。

特に、１つの共通の冷媒回路が設けられている、つまりコーナケーシングの冷却通路が、熱交換器の冷却通路に接続されていて、両冷媒回路における冷却液体が、ほぼ同一の温度を有している場合、レーザガスが、付加的な冷却装置により直接的に冷却されると、冷却されたレーザガスの温度が、熱交換器の冷却液体の温度若しくはコーナケーシングの冷却液体の温度から独立して調節可能であるので有利である。レーザガスの付加的な冷却のために、種々異なる手段を設けることができる。

さらに別の構成において、付加的な冷却装置が、コーナケーシング内への進入時にレーザガスを断熱膨張させる膨張装置を有する。この構成において、供給管路がコーナケーシング内に通じる領域において、例えば、必要な場合に制御可能若しくは調整可能な膨張ノズルの形式の膨張装置が設けられる。この膨張装置は、コーナケーシング内に進入するレーザガスを冷却する。

さらに別の構成において、付加的な冷却装置は、付加的な低温のレーザガスを混合するための混合装置を有する。付加的に混合されたレーザガスは、ガスレーザのガス回路に既にあるレーザガスよりも低い温度を有する必要があると理解される。この構成において、供給されたレーザガスの量は、例えば制御可能な弁を介して、所望の冷却効果が達成されるように調節される。混合されたレーザガス用の入口若しくは制御可能な弁は、この構成において好ましくは熱交換器の出口に、つまりコーナケーシングに隣接して設けられている。

さらに別の構成において付加的な冷却装置は、レーザガスを冷却するためのペルチェ素子を有する。レーザガスは、この構成において熱交換器に対して付加的に直接ペルチェ素子を介して冷却される。これにより同様に、コーナケーシング内における冷却液体の温度への、レーザガスの温度の付加的な調整がもたらされる。

付加的な冷却装置は、同一の冷媒又は好ましくは他の冷媒によって運転される他の熱交換器を有することもでき、つまり、他の熱交換器の冷却通路には、第１の熱交換器の冷媒とは異なる他の冷媒が供給される。他の冷媒は、（第１の）熱交換器の冷却通路を通じて流れる冷媒の冷却液体を冷却するために働く、例えば冷却装置の冷媒であってよい。

温度に関して安定したコーナケーシング、ひいては良好なビームポインティングを得るために、さらに、他の熱源の影響が最小限に抑えられると有利であることがわかった。このことを達成するために、１つ若しくは複数のミラーエレメントと、コーナケーシング若しくはこのコーナケーシングの本体との間に熱絶縁部が設けられていてよく、これによりミラーエレメント若しくはこのミラーエレメントのミラーキャリアからコーナケーシングへの、ミラー熱の転移は十分に回避される。付加的に又は択一的には、コーナケーシング内のミラーエレメントを直接冷却するための他の冷却装置が設けられていてもよい。

ガスレーザの１つ若しくは全てのコーナケーシングが取り付けられている共振フレームが、コーナケーシングの冷却通路と共に１つの共通の冷媒回路を形成する少なくとも１つの冷却通路を有していると、コーナケーシングの温度安定性にとって有利でもある。共通の冷却により、コーナケーシング及び共振フレームは、ほぼ一定の同じ温度を有する、ということが達成できる。

本発明は、特に上述のように形成されているガスレーザの運転方法にも関する。ガスレーザにおいて、ガスレーザのコーナケーシングへの進入時に冷却されたレーザガスの温度と、コーナケーシングの少なくとも１つの冷却通路における冷却液体の温度との差が、５Ｋより小さい、好ましくは２Ｋより小さい、特に０．２Ｋより小さいように調節される。上述のようなガスレーザの運転は、特に長い（例えば５ｍより長い）共振器長さを備える共振器、又は長いビーム長さ（８ｍより長い）を備えるレーザ加工機械において特に有利であることが明らかになった。

折り返し型レーザ共振器を備えたＣＯ_２ガスレーザを断面にして示す平面図である。 図１に示したＣＯ_２ガスレーザの斜視図である。 図３ａは、分離した２つの冷媒回路を備えた、本発明に係るガスレーザを詳細に示す断面図であり、図３ｂは、レーザガスを冷却するための膨張ノズル及びペルチェ素子の形式の付加的な冷却装置を示す、図３ａに類似する図であり、図３ｃは、レーザガスを冷却するための混合装置及び付加的な熱交換器の形式の、付加的な冷却装置を示す、図３ｂに類似する図である。

本発明のさらなる利点は、明細書及び図面の記載から明らかになる。同様に上記特徴及び以下さらに説明する特徴は夫々、単独で又は複数の特徴を任意に組合せて使用することができる。図示及び記載の実施の形態は、限定列挙であるとは解されず、むしろ本発明の説明のための例示的な特徴を有している。

図１に示したＣＯ_２ガスレーザ１は、互いに接続している４つのレーザ放電管３を備えた正方形に折り返されたレーザ共振器（quadratisch gefalteter Laserresonator）２を有する。レーザ放電管３は、コーナケーシング４，５を介して互いに接続されている。レーザ放電管３の軸線の方向で延びているレーザビーム６は、一点鎖線で示してある。コーナケーシング４に設けられた偏向ミラー７は夫々、レーザビーム６を９０°偏向させるために働く。所定のコーナケーシング５には、リアミラー８及び部分透過性の出力ミラー９が配置されている。リアミラー８は、高反射性に形成されていて、レーザビーム６を１８０°反射するので、レーザ放電管３内を反対方向に改めて通過する。

レーザビーム６の一部分は、部分透過性の出力ミラー９において、レーザ共振器２から出力され、他の部分はレーザ共振器２内に留まり、レーザ放電管３内を改めて通過する。出力ミラー９を介してレーザ共振器２から出力されるレーザビームを、符号１０で示す。

折り返し型レーザ共振器２の中央には、レーザガスのための圧力源として、ラジアル送風機１１が配置されている。このラジアル送風機１１は、レーザガスのための供給管路１２を介してコーナケーシング４，５に接続している。吸引管路１３は、吸引ケーシング１４とラジアル送風機１１との間を延在している。レーザ放電管３の内部並びに供給管路１２及び吸引管路１３内におけるレーザガスの通流方向を、矢印で示した。レーザガスの励起は、レーザ放電管３に対して隣接配置されていて、ＨＦ発生器（図示せず）に接続されている電極１５を介して行われる。ＨＦ発生器として、例えば１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの励起周波数を備えた管状発振器を使用することができる。

図２，特に図３ａから看取できるように、供給管路１２に、冷却管としてらせん状若しくは層状の冷却通路１６が設けられている。冷却管を通って冷却液体１７、例えば水が流れる。冷却通路１６は冷却装置１８に接続されていて、この冷却装置１８と一緒に熱交換器回路１９を形成する。図３ａのコーナケーシング４に、さらに冷却孔として冷却通路２０が設けられている。この冷却通路２０は、コーナケーシング４の本体を通って延在していて、同様に冷却水２１によって貫流される。

しかしコーナケーシング４の冷却通路２０は、熱交換器回路１９の冷却装置１８に接続しているのではなく、冷却通路２０と一緒になって独自のケーシングブロック回路２３を形成する他の装置２２に接続している。図３ａにおいて閉じて記載されている熱交換器回路１９は、供給管路１２を抜けるだけではなく、ガスレーザ１の全ての供給管路及び全ての吸引管路１３を通って延在していると理解される。この実施の形態は一般的に、複数の熱交換器の並列接続である。これに応じて、ケーシングブロック回路２３も、ガスレーザ１の全てのコーナブロック４，５を通って延在している。

熱交換器回路１９及びケーシングブロック回路２３は、互いに独立しているので、温度調節装置として働く装置１８，２２が適切に調節されることにより、熱交換器回路１９の冷却液体１７の温度Ｔ_Ｗ,Ｗ、及びケーシングブロック回路２３の冷却液体２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂは夫々、互いに独立して調節可能である。このことは、コーナケーシング４への進入時の低温のレーザガスの温度Ｔ_Ｇ,Ｋを、コーナケーシング４の冷却通路２０における冷却液体２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂに合わせるために有利であり、その結果、温度差Ｔ_Ｇ,Ｋ−Ｔ_Ｗ,Ｂは可能な限り小さくなる。こうして、コーナケーシング４内に配置されている偏向ミラー７を傾動させ、ひいてはレーザビーム６の誤った位置決めをもたらす、温度変化がコーナケーシング４内に発生することを防ぐことができる。

例えば、約８０℃の温度Ｔ_Ｇ,Ｈを備えた高温のレーザガスが、ラジアル送風機１１から供給管路１２内に進入し、冷却管１６における冷却液体１７の温度Ｔ_Ｗ,Ｗが２５℃であるとすると、供給管路１２の出口における冷却されたレーザガスは、なお約３２℃の温度Ｔ_Ｇ,Ｋを有している。さらに、コーナケーシング４内の冷却液体２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂが、熱交換器の冷却液体１７の温度Ｔ_Ｗ,Ｗ（約２５℃）に相当するということを起点にすると、コーナケーシング４における低温のレーザガスと、コーナケーシング４における冷却液体２１との間に、約７Ｋの温度差Ｔ_Ｇ,Ｋ−Ｔ_Ｗ,Ｂがもたらされる。この温度差は、進出するレーザビーム１０のビーム方向の安定性に顕著に作用を及ぼす、偏向ミラー７の傾動をもたらすのに十分な大きさである。

温度差Ｔ_Ｇ,Ｋ−Ｔ_Ｗ,Ｂを減じるために、冷却管１６内の冷却水１７の温度が、コーナケーシング４の冷却孔２０における冷却水２１の温度よりも低く選択されることが必要である。このことを達成するために、この実施の形態においては装置２２により、コーナケーシング４における冷却水２１の温度を、例えば７ＫだけＴ_Ｗ,Ｂ＝３２℃に高めることができ、その結果、この温度は、進入するレーザガスの温度Ｔ_Ｇ,Ｋに一致する。択一的には、冷却装置１８により、冷却管１６における冷却水１７の温度Ｔ_Ｗ,Ｗを、例えば約１０ＫだけＴ_Ｗ,Ｗ＝１５℃に減じることができる。これによりコーナケーシング４内に進入する冷却されたレーザガスは、２５℃の温度Ｔ_Ｇ,Ｋまで冷却される、つまり、コーナブロック４における冷却水２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂに一致する。

両手段とも同時に実施することもできる、つまり、冷却管１６における冷却液体１７の温度Ｔ_Ｗ,Ｗが減じられ、かつコーナケーシング４における冷却液体２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂを相応に同時に高めるので、全体として、５Ｋより大きくない、好ましくは２Ｋより大きくない、特に０．２Ｋより大きくない温度差がもたらされる。所望の温度差を設定するために、装置１８，２２の始動制御は、共通の制御装置２４により実施することができる。場合によっては、上記温度差範囲に合わせた温度の制御を可能にする熱センサが設けられていてもよい、と理解される。

特に分かれた２つの熱回路１９，２３の代わりに、単に唯一の回路が設けられている、つまり図３ｂに示されているように、熱交換器１９の冷却管１６がコーナケーシング４の冷却通路２０に接続していると、レーザガスの付加的で、直接的な冷却が行われる場合に有利である。この目的のために、図３ｂにおいて、コーナケーシング４内への入口に配置されている膨張ノズル２５を有する付加的な冷却装置が設けられていてよい。膨張ノズル２５は、コーナケーシング４への進入時のレーザガスの断熱膨張をもたらし、ひいてはコーナケーシング４の冷却通路２０内の冷媒２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂに相当する、例えば２５℃の所望の温度Ｔ_Ｇ,Ｋまでの冷却をもたらす。膨張ノズル２５によるレーザガスの冷却に対して付加的に又は択一的に、冷却装置が、図３ｂに示した実施の形態において、供給管路１２の壁に取り付けられているペルチェ素子２６を有することもできる。

最後に図３ｃに、レーザガスの付加的な冷却のための２つの他の可能な手段を示す。つまり、１つは、ガスリザーバ２８から、ガスレーザ１のガス回路への付加的な低温のレーザガスの混合を行うことができる制御可能な弁２７を有する機械装置である冷却装置であって、混合されたガス量は、混合温度が、レーザガスの所望の温度に相当するように調節される。もう１つは、冷却管１６の冷却水１７の冷却のためにも働く冷却装置１８の冷却液体を直接的に提供する他の熱交換器２９の形式の冷却装置である。他の熱交換器２９も、混合されたレーザガスのためのガス出口若しくは弁２７も、この実施の形態において、レーザガスの流れ方向に関して熱交換器１９の下流に配置されていて、コーナブロック４内への進入前に、熱交換器１９によって冷却されたレーザガスの付加的な冷却のために働く。

図３ａ〜３ｃに示したガスレーザ１の実施の形態において、他の熱源の影響が最小限に抑えられると、コーナケーシング４，５における温度の安定化にとって有利である。このことを達成できるように、各ミラーエレメント７が、ミラーキャリア３０上に配置されている。このミラーキャリア３０には、ミラーエレメント７を直接的に冷却するために、内に冷媒を備えた冷却通路の形式の他の冷却装置３１が備え付けられている。ミラーキャリア３０は、各コーナケーシング４，５から熱絶縁されていて、この熱絶縁は、例えば各コーナケーシング４，５との面接触を回避しつつ鋼ねじを介して行われる。付加的には、図３ｃに示した、ガスレーザ１の全てのコーナケーシング４，５が取り付けられている、図３ｃに示した共振フレーム３３には、コーナケーシング４，５の冷却通路２０に接続されている冷却通路が設けられているので、共振フレーム３３及びコーナケーシング４，５は共通の冷媒回路を形成し、（近似的に）一定の温度に保持することができる。

上記全実施の形態においては、冷却水１７，２１がレーザガス若しくはコーナケーシング４，５の本体に接する夫々関連する領域において、冷却水１７，２１の温度が一定である、ということに基づいていた。冷却水の貫流量は、レーザガス若しくはコーナケーシングとの熱交換が、冷却水１７，２１の温度に本質的に作用を及ぼさないように選択されるので、上記近似は妥当である。

上述のように、各コーナケーシング４，５内に進入する冷却されたレーザガスの温度Ｔ_Ｇ,Ｋ、及びコーナケーシング４，５の冷却液体２１の温度Ｔ_Ｗ,Ｂは互いに調整することができるので、非対称的な温度変化率はコーナケーシング４，５においては発生せず、コーナケーシング４，５内に配置されているミラーエレメント７，８，９若しくはそのミラーキャリア３０は、意に反して傾動されない。したがって全体的に、レーザ共振器２におけるレーザビーム６の方向の不都合な変化を防ぐことができ、出力されたレーザビーム１０のビーム品質を高めることができる。

Claims (16)

1. コーナケーシング（４，５）を介して互いに接続されている複数の放電管（３）であって、前記コーナケーシング（４，５）の夫々に、レーザビーム（６，１０）のビーム案内用の少なくとも１つのミラーエレメント（７，８，９）、及び冷却液体（２１）を内に備える少なくとも１つの冷却通路（２０）が設けられている、複数の放電管（３）と、
   各コーナケーシング（４，５）内への進入前にレーザガスを冷却する冷却液体（１７）を内に備える少なくとも１つの冷却通路（１６）を備えた熱交換器（１９）と、を有するガスレーザ（１）であって、
   前記レーザガスを冷却する付加的な冷却装置（２５，２６，２７，２９）、及び、
   前記熱交換器（１９）の少なくとも１つの冷却通路（１６）における冷却液体（１７）と、前記コーナケーシング（４，５）の少なくとも１つの冷却通路（２０）の冷却液体（２１）との温度差（Ｔ_Ｗ,Ｗ−Ｔ_Ｗ,Ｂ）を形成する温度調節装置（１８，２２）の、両方又は一方が設けられていて、
   前記コーナケーシング（４，５）内への進入時の冷却されたレーザガスの温度（Ｔ_Ｇ,Ｋ）と、前記コーナケーシング（４，５）の冷却通路（２０）における冷却液体（２１）の温度（Ｔ_Ｗ,Ｂ）との差（Ｔ_Ｇ,Ｋ−Ｔ_Ｗ,Ｂ）が、５Ｋより小さく調節可能であることを特徴とする、ガスレーザ。
2. 前記温度差は、２Ｋより小さく調節可能であることを特徴とする、請求項１記載のガスレーザ。
3. 前記温度差は、０．２Ｋより小さく調節可能であることを特徴とする、請求項１記載のガスレーザ。
4. 前記熱交換器（１９）の冷却通路（１６）及び前記コーナケーシング（４，５）の冷却通路（２０）は、２つの異なる冷媒回路に属していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載のガスレーザ。
5. 前記温度調節装置（２２）は、前記コーナケーシング（４，５）の冷却通路（２０）に供給される冷却液体（２１）を加熱する加熱装置を有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載のガスレーザ。
6. 前記温度調節装置（１８）は、前記熱交換器（１９）の冷却通路（１６）に供給される冷却液体（１７）を冷却する冷却装置を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスレーザ。
7. 前記付加的な冷却装置は、前記コーナケーシング（４，５）内への進入時に前記レーザガスを断熱膨張させる膨張装置（２５）を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスレーザ。
8. 前記付加的な冷却装置は、付加的なレーザガスを混合する混合装置（２７，２８）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のガスレーザ。
9. 前記付加的な冷却装置は、前記レーザガスを冷却するペルチェ素子（２６）を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のガスレーザ。
10. 前記付加的な冷却装置は、他の冷媒でもって運転される他の熱交換器（２９）を有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスレーザ。
11. 前記ミラーエレメント（７，８，９）と前記コーナケーシング（４，５）との間に、熱絶縁部（３０）が設けられていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガスレーザ。
12. 前記ミラーエレメント（７，８，９）を直接的に冷却する他の冷却装置（３１）が設けられていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガスレーザ。
13. 前記コーナケーシング（４，５）の冷却通路（２０）と共に１つの共通の冷媒回路を形成する少なくとも１つの冷却通路を有する共振フレーム（３３）をさらに有することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガスレーザ。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載のガスレーザ（１）を運転するにあたり、前記ガスレーザ（１）のコーナケーシング（４，５）内への進入時の冷却されたレーザガスの温度（Ｔ_Ｇ,Ｋ）と、前記コーナケーシング（４，５）の少なくとも１つの冷却通路（２０）における冷却液体（２１）の温度（Ｔ_Ｗ,Ｂ）との差（Ｔ_Ｇ,Ｋ−Ｔ_Ｗ,Ｂ）を、該差が、５Ｋより小さいように調節する、ガスレーザの運転方法。
15. 前記温度差を、２Ｋより小さく調節することを特徴とする、請求項１４記載の方法。
16. 前記温度差を、０．２Ｋより小さく調節することを特徴とする、請求項１４記載の方法。

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