JPH02310978A

JPH02310978A - 金属蒸気レーザ装置

Info

Publication number: JPH02310978A
Application number: JP1131743A
Authority: JP
Inventors: Motoo Yamaguchi; 元男山口; Hiroyuki Sugawara; 宏之菅原; Akira Wada; 和田　昭; Toshiji Shirokura; 白倉　利治; Tsuneyoshi Ohashi; 大橋　常良; Toshimitsu Yoshikawa; 吉川　利満
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-05-25
Filing date: 1989-05-25
Publication date: 1990-12-26
Also published as: EP0399471A2; EP0399471A3; US4991180A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は金属蒸気レーザ装置に関し、特に、励起用金属
蒸気の損失量を低減して装置寿命を長くすると共にバッ
ファガスの消費量を低減し、かつ−安定な放電及び発振
を可能にすることによって安定性の高い出力を出す金属
蒸気レーザ装置に関する。

［従来の技術］従来の金属蒸気レーザ装置の一実施例を第５図に示す。

この実施例は特開昭６３−２２９７８２号の第３図に開
示された構成に基づいている。以下、第５図に基づき従
来装置の構成及び作用を概略的に説明する。金属蒸気レ
ーザ装置の各部の詳細な構成については、本発明の実施
例において説明する。

金属蒸気レーザ装置は全体的にほぼ円筒形の形状を有し
、１は放電管、２はバッファガスが充満された内部空間
、３ａ、３ｂは放電管１の両端の外側に配設されかつフ
ランジ部を有する筒状の電極、７は絶縁管である６放電
管１と絶縁管７との間には高温用断熱材６が配設されて
いる。９は容器で、導電性を有し、絶縁管７と容器９の
間には外側空間８が形成され、また容器９と電極３ａと
の間には他の容器用絶縁管５が配設される。４ａは第一
の電気端子、４ｂは第二の電気端子であり、これらの端
子の間には図示されない電源から高電圧パルスが印加さ
れる。上記絶縁管５によって２つの端子の間の絶縁状態
が保持される。端子４ａ。

４ｂに印加された電圧は、それぞれ、電＆３ａと、容器
９を経由してｔ［ｉ３ｂとに加わり、その結果放電管１
内の内部空間２にグロー放電が発生する。

また、上記外側空間８は、図示されない真空ポンプによ
って矢印１０に示す如く排出口９ａを介して排気が行わ
れ、高真空状態に保たれる。

グロー放電が生じると、内部空間２に配設された銅片１
１は、所要の温度になることを条件として銅蒸気を発生
し、内部空間２は所定気圧の銅蒸気を含むガスによって
充満される。更に、銅蒸気は上記グロー放電によって励
起され、レーザ発振が可能な状態となる。そこで、励起
状態にある内部空間２の両端の軸方向外側位置にそれぞ
れ全反射鏡１２と半透過鏡１３を配設し、これらによっ
て内部空間２を挟むようにする。そうすると、発生した
レーザ光１４は２枚の鏡１２．１３との間を往復し、そ
の間に増幅され、その一部が半透過鏡１３から外部に収
り出され、利用される。

上記構成を有する従来の金属蒸気レーザ装置では、レー
ザ発振時に、放電管１、を極３ａ、３ｂ、高温用断熱材
６、絶縁管７等の温度も上昇する。

その結果、繊維状のセラミックによって形成される高温
用断熱材６を成型するために使用された結合剤やセラミ
ックの一種である金属酸化物などが高温に晒され蒸発し
てガス状不純物１５を発生し、放電管１の外側周囲の絶
縁物にて放電が生じたり、その放＠ア一部が放電管１の
内部にも拡散して本来の放電を不安定にしたり、更に、
放電抵抗を低下させて放電による励起効率を低下させた
りするという不具合かあった。そこで、従来では、各電
極３ａ、３ｂと放電管１との間に隙間を設けて高温用断
熱材６で発生したガス状不純物１５を矢印１６に示ずよ
うに内部空間２に導き入れると共に、電極３ａ、３ｂの
それぞれの軸方向外側にガス導入口１７とカス排出口１
８を設け、バッファガスＧを常時供給して放電管１内に
流し、上記ガス状不純物を放電管１の外に排出するよう
に構成していた。

なお第５図において、１つはガス導入口１７を備える部
材、２０はガス排出口１８を備える部材であり、２１及
び２２は各部材１９．２０に設けられた半透過鏡である
。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記構成を有する従来の金属蒸気レーザ
装置によれば、バッファガスの消費量が多くなることに
加え、バッファガスによるガス状不純物の排気と一緒に
銅蒸気も多量に排出され除去されるという問題を提起す
る。そのため銅片１１の消耗を早め、金属蒸気レーザ装
置の装置寿命を短縮する。＃１片１１の量が少なくなっ
た場合には、銅を補給する必要があるが、銅片１１が設
けられている放電管１は約２０Ｋｖの高電圧でかつ約１
５００℃の高温であるので、レーザが発振している状態
で銅を補給するのは実際上困難である。

また銅を補給するためには、通常レーザ装置を解体して
銅を補給し、その後再度レーザ装置を組み立てる必要が
あり、極めて手間がかかるものであった。従って、金属
蒸気レーザ装置の装置寿命は実際上いかに銅片１１の消
耗量を減らすかということによって決まる。現在のとこ
ろの金属蒸気レーザ装置の寿命は約１００時間程度であ
る。この程度の寿命は、研究のためであれば十分である
が、ウラン濃縮処理等の実際の作業では昼夜連続で使用
されるものであるから、従来の金属蒸気レーザ装置では
実用化は不可能である。また、仮にレーザ装置を分解し
て銅を補充するように構成するとしても、ウラン濃縮に
は何百台という多数のレーザ装置を使用するので、数分
に一台の割合でレーザ装置を分解して銅片を補充をしな
ければならす、この構成よっても実用化は困難である。

このように、放電管１の内部空間２において金属蒸気を
発生させる銅片１１の補給或いはその消耗量の低減は、
金属蒸気レーザ装置の実用化において極めて重要な課題
である。

本発明の目的は、レーザ発振のため励起される金属蒸気
の損失量を低減することにより装置寿命を長くすると共
に、バッファガス自体の消費量を低減し、かつ放電管の
内部空間以外の箇所における放電を防止して安定な放電
及び発振を可能とし、安定性の高い出力を出す金属蒸気
レーザ装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］第１の本発明による金属蒸気レーザ装置は、放電が生じ
る内部空間を有する筒状の放電管と、この放電管の周囲
を包囲する断熱材と、放電管の両端部の位置に配設され
た、放電管と同軸の筒部を有する電極と、内部空間に設
けられたレーザ媒質用金属とを含み、金属の蒸気を含む
ガスを放電によって励起しレーザ発振を行わせる金属蒸
気レーザ装置であって、前記２つの電極の軸方向外側位
置のいずれか一方の箇所にバッファガスを内部に導入す
るためのガス導入口を形成し、断熱材の両端のそれぞれ
の近くにバッファガスを外部に排出するためのガスＩＦ
出口を形成し、放電管と各電極との間に内部空間側から
断熱材側ヘバッフγガスが流れる流路を形成するように
構成される。

また第２の本発明による金属蒸気レーザ装置は、放電が
生じる内部空間を有する筒状の放電管と、この放電管の
周囲を包囲する断熱材と、放電管の両端部の位置に配設
された４放電管と同軸であって放電管の内径とほぼ同一
の内径を有する筒部を備えた電極と、内部空間に設けら
れたレーザ媒質用金属とを含み、金属の蒸気を倉むカス
を放電によって励起しレーザ発振を行わせる金属蒸気レ
ーザ装置であって、放電管の両端に電極の前記筒部を包
囲する端管部を設け、２つの端管部の外端間距離を、う
つの電極の電極間距離よりも長くするように構成される
。

更に第３の本発明よる金属蒸気レーザ装置は、前記の第
１及び第２の本発明の構成を組み合わせて構成されるも
のである。

第４の本発明よる金属蒸気レーザ装置は、前記第２又は
第３の本発明による金属蒸気レーザ装置において、放電
管の両端側位置に弾性手段を配設し、両側の弾性手段に
よって放電管を前記２つの電瘉の間の中央位置に設置す
るように構成される。

第５の本発明による金属蒸気レーザ装置は、前記第２乃
至第４のいずれかの本発明による金属蒸気レーザ装置に
おいて、端管部と電極の筒部との間の隙間に、ガスが通
過し得る支持部材を配設するように構成される。

［作用］第１の本発明の構成によれば、断熱材から発生なガス状
不純物は、ガス導入口とガス排出口の位置関係及びガス
流路の形成位置に基づき、放電管の内部空間に入り込む
ことはなく、必ず外部に排出されると共に、金属蒸気の
排出に関与するバッファガスが低減したため、導入され
るバッファガスも少なくて済む。

第２の本発明の構成によれば、実質的に、断熱材の内部
の空間圧力と両端の端管部の外端部間距雛との積か、放
電管の内圧力と２つのｉＣＬの電極間距離との積よりも
大きくなることか保証されるので、放電管の内部空間以
外での放電の発生を防止できる。

第３の本発明の構成によれば、前記第１と第２の本発明
における各作用が併せて生じる。

第４の本発明の構成によれば、弾性手段は、放電管を両
＠側の電極の間の中央位置に常に配置し、放電管と各電
極との間の隙間を所定の距離に保つ。

第５の本発明の構成によれば、支持部材は、端管部と電
極の筒部とを常に同軸状態に保つ。

［実施例コ以下、本発明の実施例を添は図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る金属蒸気レーザ装置の第１実施例
を示す縦断面図である。第１図において、第５図で説明
した同一要素には同一符号を付すものとする。

この実施例による金属蒸気レーザ装置は全体的にほぼ円
筒形の形状を有する。３１はアルミナセラミック等で形
成された放電管であり、その内部空間２には圧力２０　
Ｔｏｒｒ程度のネオン等によるバッファガスが充満され
ている。放電管３１は、その両端に、その中央部分と同
軸であってかつ中央部分の内径よりも大きい内径の部分
を有する端管部３１ａを備えている。３ａ、３ｂは、そ
れぞれ放電管３１の両端の位置に配設されかつ筒部３２
とフランジ部３３とからなる電極であり、７は石英等に
よって形成された絶縁管である。電ｔｌｆｆｉ３ａ。

３ｂにおいて、筒部３２の内径は放電管３１の中央部分
の内径とほぼ等しく、その外径は端管部３１ａの大径部
の内径よりも小さく、フランジ部３３はカス排出口３３
ａを有している。そして、電Ｗ３ａ、３ｂの各筒部３２
は、その先部か端管部３１ａ内に挿入されるよう配置さ
れ、かつ放電管３１と同軸となるように配置されている
。この構成において更に、各ｔｆｉ３　ａ　、　３　ｂ
のフランジ部３３と放電管３１の両端管部３１ａとの間
にコイルバネ３４を配置している。この２つのコイルバ
イ・３４は放電管３１を両側から押す作用を有し、これ
によって放電管３１を２つの電ｉ３ａ、３ｂの間の中央
位置に保持し、電極３ａ、３ｂが放電管３１の一部に接
触するのを防止するようにしている。かかる構成によっ
て、電極３ａ、３ｂの筒部３２と端管部３１ａ（又は放
電管３１）との間において、軸方向及び径方向に、バッ
ファガスを常に有効に外部へ流し出すための所要寸法の
隙間か形成される。第１図中の矢印３５．３６は当該隙
間におけるバッファガスの流れを示す。

放電管３１と絶縁管７との間には繊維状セラミンク等を
成型して形成された高温用断熱材３６が充填状態で配設
されている。高温用断熱材３６は、放電管３１の形状に
対応して、両端の大内径部とその他の小内径部とから形
成されている。９は容器で、導電性を有し、絶縁管７と
容器９の間には外側空間８か形成され、また容器つと電
極３ａとの間には容器の一部をなす他の絶縁管５が配設
される。

４ａは第一の電気端子、４ｂは第二の電気端子であり、
これらの端子の間には図示されない電源から高電圧パル
スが印加される。前記絶縁管５によって二つの電気端子
の間の絶縁が保持される。

端子４ａ、４ｂに印加された電圧は、それぞれ、電極３
ａと、容器９を経由してｔ極３ｂとに加わり、その結果
放電管３１内の内部空間２にグロー放電が発生する。ま
た、上記外側空間８は、図示されない真空ポンプによっ
て矢印１０に示す如く排出口９ａを介して排出が行われ
、１０−　’　Ｔｏｒｒ程度の高真空に保たれる。

グロー放電が生じると、内部空間２に配設された２つの
銅片１１は加熱され、そのため１５００℃程度の温度に
なると０．ＩＴＯｒｒ程度の蒸気圧となって銅蒸気を発
生する。内部空間２はかかる気圧の銅蒸気を含むガスに
よって充満される。そして、銅蒸気は上記グロー放電に
よって励起され、レーザ発振が可能な状態となり、前述
した通り全反射鏡１２と半透過鏡１３を配設すると、レ
ーザ光１４は半透過鏡１３から外部に取り出される。

４０はガス導入口、４１はガス導入口４０を備える部材
である０部材４１は電極３ｂの外側位置に取り付けられ
、部材４１の端部には全反射鏡１２（＝対向する半透過
！１！２２を備える６部材４１の内部空間４１ａは放電
管３１の内部空間２に通じている６部材４２は電極３ａ
の外側に取り付けられ、半透過鏡１３に対向する半透過
鏡２１を備える９部材４２の内部空間４２ａは放電管３
１の内部空間２に通じている。

上記ガス導入口４０は配管４３を介してガス供給ボンベ
４４の吐出口に接続され、バッファガスＧが供給される
。また電極３ａ、３ｂの各フランジ部３３に設けられた
前記ガス排出口３３ａは配管４５を介して排出ブロア４
６に接続されている。

この構成によって、ガス供給ボンベ４４から供給された
バッファガスＧはガス導入口４０から内部に入り、排出
ブロア４６の作用によって放電管３１の両側に配置され
た各ガス排出口３３ａから排出される。前述した通り、
レーザ装置の内部において矢印３５．３６のようにバッ
ファガスが流れる。

上記構成において、ｔ４ｉ！３ｂのガス排出口３３ａか
ら排出されるバッファガスは、放電管３１の内部空間２
を通過しないので、レーザ媒質である銅片１１から放出
されたガス状不純物を排出させることはない、ｔ［＋３
ｂのガス排出口３３ａからは、矢印１５のように高温用
断熱材３６がら空間３７に放出されたガス状不純物のみ
がバッファガスと共に排出される。このようなガス排出
口３３ａの配置構成よって、空間３７に放出された高温
用断熱材３６からのガス状不純物は、放電管３１と電極
３ｂの筒部３２との間に形成された隙間を通って内部空
間２に入り込むの防止することができる。また、電極３
ｂの筒部３２と端管部３１ａとの間に形成された前記隙
間の寸法も、断熱材３６から生じたガス状不純物が放電
管３１の内部空間２に入り込むのを阻止するのに最適と
なるように決定されている。高温用断熱材３６から放出
されたガス不純物が放電管３１の内部空間２に入り込む
のを阻止する作用は、電ｉ３ａのフランジ部３３に設け
られたガス排出口３３ａによっても同様に生じる。すな
わち、空間３８に放出された高温用断熱材３６からのガ
ス状不純物は、放電管３１の内部空間２に入り込むこと
なく、ガス排出口３３ａからバッファガスと共に外部へ
排出される。

また電極３ａのガス排出口３３ａから排出されるガスに
は、放電管３１の内部空間２を通過するバッファガスが
含まれるので、当然のことながら銅片１１から発生した
銅蒸気も含まれることになる。しかしながら、銅蒸気の
排出量は、電極３ｂのガス排気口３３ａから排出される
バッファガスが銅蒸気の排出に全く関与しないため、従
来の排出量に比較して極めて低減される。また、電極３
ａ、３ｂに形成された各ガス排出口３３ａは５．断熱材
３６のガス状不純物が発生する箇所に近接して設けるよ
うにしたため、ガス導入口４０から導入されるバッファ
ガスを低減しても、安定なレーザ発振を行うことが可能
になった。この結果、本実施例による安定な発振に必要
なバッファガス導入量は、従来の量に比較しておよそ１
／１０程度になった。このことが、また、放電管３１の
内部空間２から排出される銅蒸気の量を低減させる理由
となっている。

放電管３１の両端に形成された端管部３１ａの形状によ
れば、電極３ａ、３ｂの各筒部３２との間において軸方
向の隙間を適切な大きさに調整し保持することができる
。これによって、単に高温用断熱材３６によって保持さ
れているに過ぎない放電管３１が、仮に加熱・冷却の繰
り返しによって伸縮し左右に多少移動したとしても、有
効な大きさの隙間を確保することができる。

更に、上記端管部３１ａは、絶縁材７の内側の断熱材３
６内の空間において外部放電が発生するのを防止する作
用を有する。すなわち、端管部３１ａの存在によって、
放電管３１の内部空間２における放電長さ、すなわちｔ
極３ａ、３ｂのｔｆｆ！間距離１よりも２つの端管部３
１ａ、３１ａの外端間距１１１１Ｌが長くなったので、
外部放電の発生を防止することができる。外部放電の発
生を防止する条件は、厳密には、断熱材３６内の空間圧
力と２つの端管部の外端間距離との積が、放電管３１の
内圧力と２つの電極の電極間距離との積よりも大きくな
ることである。

第２図は本発明の第２実施例を示す第１図と同様な図で
ある。この実施例では、端管部３１ａの外側に配設され
た２つの前記コイルバネ３４を省略している。このよう
に、コイルバネ３４は必ずしも必要ではない、その曲の
構成は第１図に示された構成と全く同じである。なお第
２図中、全反射鏡１２やガス供給ボンベ４４等の周辺の
装置は省略される。

第３図は本発明の第３実施例を示す第１図と同様な図で
ある。ただし、周辺装置の構成は省略されている。この
実施例では、放電管に、従来と同様な端管部を有しない
放電管１が用いられ、かつ第２実施例と同様にコイルバ
ネ３４が省略されている。そのため高温用断熱材も放電
管の形状に対応して従莱と同様な形状の断熱材６か使用
される。

ガス導入口４０、ガス排出口３３ａ等のその池の構成は
第１図で説明した構成と同じである。この実施例によれ
ば、放電管と高温用断熱材の形状を簡単化して製造の容
易化を図ることかできる。そして、ガス導入口４ｏ、ｔ
・ｆ＆３ａ、３ｂの各カス排出口３３ａ、電極３ａ、３
ｂの各筒部３２と放電管１の各端部との間の所定の隙間
等によって第１実施例と同様な（ヤ用、効果か生じる。

なお、放電管１の軸方向の長さか、第１実施例のものに
比較して短くなった分、断熱材６の端部に隣接されて形
成された空間３７．３８の容積は大きくなる。

第４図は本発明の第４実施例を示す第１図と同様な図で
ある。たたし、周辺装置の構成は省略している。この実
施例では、第１実施例で説明した構成において、放電管
３１の両端の端管部３１ａのそれぞれと電極３ａ、３ｂ
の各間部３２との間の隙間に、金網等のような多少の伸
縮性があり、かつガスを通過させ得る支持体５０を配設
している。この支持体５０によれば、端管部３１ａと各
電極の筒部３２との軸を一致させ、端管部３１ａと筒部
３２との隙間を一定に保持することができる。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、第１及び第３の本発明に
よれば、バンファガスの導入口及び排出口を所定の位置
に設け、これによってカス流路を設定することにより、
断熱材のガス状不純物が放電管内に流れ込むのを防止で
き、安定な放電及び安定なレーザ発振を行うことができ
る。更に排出される金属蒸気の量を低減させることによ
り、装置寿命を長くすることができる。

第２及び第３の本発明によれば、放電が生じる領域の長
さよりも放電管両端の端管部の外端間距離を大きくし、
もって上記内部空間以外の箇所で放電が発生するのを防
止することができる。このことも安定な放電及び安定な
レーザ発振に寄−リする。

第４の本発明によれば、特に、放電管の両側の弾性手段
によって放電管を常に所要の中央位置に設置する力を与
えることにより、放電管と各電極の間の隙間を所要のも
のとし、安定な放電、レーザ発振を可能にする。

第５の本発明によれば、端管部と電極との間の隙間を所
定の距離に保つことかでき、カスの流れが一様となり、
断熱材から生じるガス状不純物が放電管内に流れ込むの
を確実に阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による金属蒸気レーザ装置の第１実施例
を示す縦断面図、第２図は本発明の第２実施例を示す縦
断面図、第３図は本発明の第３実施例を示す縦断面図、
第４図は本発明の第４実施例を示す縦断面図、第５図は
従来の金属蒸気レーザ装置の構成例を示す縦断面図であ
る。［符号の説明コ１．３１・・・放電管、２・・・内部空間、３ａ、３ｂ
・・・を極、４ａ、４ｂ−−・電気端子、５．７・・・
絶縁管、６．３６・・・高温用断熱材、１１・・・銅片
、１２・・・全反射鏡、１３゜２１．２２・・・半透過
鏡、１５・・・ガス状不純物、３１ａ・・・端管部、３
２・・・筒部、３３・・・フランジ部、３３ａ・−・・
ガス排出口、３４・・・コイルバネ、３５．３６・・・
ガス流路、５０・・・支持部材、Ｇ・・・バッファガス
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）放電が生じる内部空間を有する筒状の放電管と、
この放電管の周囲を包囲する断熱材と、前記放電管の両
端部の位置に配設された、放電管と同軸の筒部を有する
電極と、前記内部空間に設けられたレーザ媒質用金属と
を含み、前記金属の蒸気を含むガスを前記放電によって
励起しレーザ発振を行わせる金属蒸気レーザ装置におい
て、前記２つの電極の軸方向外側位置のいずれか一方の
箇所にバッファガスを内部に導入するためのガス導入口
を形成し、前記断熱材の両端のそれぞれの近くに前記バ
ッファガスを外部に排出するためのガス排出口を形成し
、前記放電管と前記各電極との間に前記内部空間側から
前記断熱材側へバッファガスが流れる流路を形成するよ
うにしたことを特徴とする金属蒸気レーザ装置。
（２）放電が生じる内部空間を有する筒状の放電管と、
この放電管の周囲を包囲する断熱材と、前記放電管の両
端部の位置に配設された、放電管と同軸であって放電管
の内径とほぼ同一の内径を有する筒部備えた電極と、前
記内部空間に設けられたレーザ媒質用金属とを含み、前
記金属の蒸気を含むガスを前記放電によって励起しレー
ザ発振を行わせる金属蒸気レーザ装置において、前記放
電管の両端に前記電極の前記筒部を包囲する端管部を設
け、２つの前記端管部の外端間距離を、前記２つの電極
の電極間距離よりも長くする。ようにしたことを特徴と
する金属蒸気レーザ装置。
（３）請求項２に記載の金属蒸気レーザ装置において、
前記２つの電極の外側位置のいずれか一方の箇所にバッ
ファガスを内部に導入するためのガス導入口を形成し、
前記断熱材の両端のそれぞれの近くに前記バッファガス
を外部に排出するためのガス排出口を形成し、前記放電
管と前記各電極との間に前記内部空間側から前記断熱材
側へバッファガスが流れる流路を形成するようにしたこ
とを特徴とする金属蒸気レーザ装置。
（４）請求項２又は３に記載の金属蒸気レーザ装置にお
いて、前記放電管の両端側位置に弾性手段を配設し、両
側の弾性手段によって前記放電管を前記２つの電極の間
の中央位置に設置するようにしたことを特徴とする金属
蒸気レーザ装置。
（５）請求項２乃至４のいずれかに記載の金属蒸気レー
ザ装置において、前記端管部と前記電極の筒部との間の
隙間に、ガスが通過し得る支持部材を配設したことを特
徴とする金属蒸気レーザ装置。