JPH04247675A - 陽極ステムの温度に基づくガスレーザ用圧力調整装置 - Google Patents

陽極ステムの温度に基づくガスレーザ用圧力調整装置

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JPH04247675A
JPH04247675A JP3254297A JP25429791A JPH04247675A JP H04247675 A JPH04247675 A JP H04247675A JP 3254297 A JP3254297 A JP 3254297A JP 25429791 A JP25429791 A JP 25429791A JP H04247675 A JPH04247675 A JP H04247675A
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JP
Japan
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anode
temperature
gas
laser
tube
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JP3254297A
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Benjamin H Cook
ベンジャミン・エイチ・クック
William P Kolb
ウィリアム・ピー・コルブ
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Coherent Inc
Original Assignee
Coherent Inc
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Publication date
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/041—Arrangements for thermal management for gas lasers
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    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガスレーザの分野に関す
る。特に、本発明は正しい放電管ガス圧力を維持する方
法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスレーザおよびその操作は周知のこと
である。そのようなガスレーザは参考としてこの明細書
に含まれる米国特許第４，６７４，０９２号、第４，７
３６，３７９号および第４，７３８，６００号の中で説
明されている。ガスレーザを操作する際、電圧および電
流はガス放電管内の陰極と陽極を適当に横切るように維
持される。正しいガス圧力で、レーザの最適な作動を確
実に維持することは重要である。更に重要なことは、ガ
スが極めて低圧になると、レーザ放電は不安定になり、
陽極は大損害になり得る過熱を生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】産業用イオン・レーザ
では、ガス圧力はしばしば間接的に測定される。例えば
ガス圧力は、陽極と陰極との間の電圧における種々の変
化の測定法によって監視することができる。ガス圧力が
減少するにつれて、電圧は予想されるように変化し、そ
の所望の作動レベルにガス圧力を戻すように操作員また
は自動ガス再充填装置に適当なガス量を充填させる。あ
いにく、陰極の低下および内部浸蝕のような他の要素は
、ガス圧力の減少と類似するように陰極から陽極までの
電力にも影響する。電圧がそれらの他の要素の１つによ
る変化を測定した場合、ガスは、最適なレーザ作動する
ように放電管内に高過ぎるガス圧力を有する結果になる
ように誤って充填される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、ガス圧力が減
少するにつれて放電位置は陽極を経て陽極ステム内に伸
びるという事実に基づく。これが生じると、陽極ステム
の温度は増加する。従ってステムの温度を監視すること
で、ガス圧力に関する情報を得ることができる。
【０００５】本発明によるガスレーザはレーザ用ガスを
収容するハウジングを有する。ガスを電気的に励起させ
るために、ハウジングの一端に取り付けられた陰極と他
端に取り付けられた陽極を有する装置が供給される。陽
極ステムの温度は監視され、測定される温度を表す制御
信号が発生される。自動ガス供給装置は、制御信号に応
じてハウジング内のガス圧力を変えるように作動する。 更に、測定される温度は、陽極ステムの温度を周囲の温
度による影響を防止するために正常化される。
【０００６】
【実施例】好適な実施例はガスレーザ１０の放電管内に
所定のガス圧力を維持するための方法および装置である
。図１は、本発明を実施することができるガスレーザの
１つの型を例示する。本発明が、いかなる種の市販で入
手し得るガスレーザに実施することができる点は重要視
される。
【０００７】レーザ１０は、薄い壁構造のセラミック管
２２、陽極組立体２４および陰極組立体２６を備える。 陰極電源リード２８と３０は陰極に電力を供給するよう
に陰極組立体２６に結合される。複数のタングステン円
板３１は軸Ｌを囲むレーサ１０の中心に放電管を収める
ように具備される。レーザ軸Ｌの一端に具備されたモネ
ルメタル製の開口支持管３２は、レーザを放電管から放
射させ、ミラー３６に当たるように開口組立体３５を備
える。レーザの他端において、封止されたミラー組立体
３９は密封封止されたミラー４１、ニッケル・鉄の合金
製ミラー・シート４３および密着フランジ４７に封止さ
れるステンレス鋼製蛇腹４５を備える。
【０００８】水冷ジャケット４０は、水の注入口４２と
吐出口４４を有する放電管を取り巻く。水は、放電管を
冷却するために水冷ジャケット４０を経て注入口と吐出
口を介して循環する。タングステン円板３１にブレイズ
（ｂｒａｉｓｅ）される複数の銅製カップ部材４６は、
放電管の軸Ｌから放電管の冷却されたセラミック壁体２
２まで熱移転するように具備される。
【０００９】真空封止カップ４８は放電管の封止された
内部と外部との間に１つの境界を形成する。放電管の中
の陽極組立体の陽極２４Ａ部分は、銅製陽極ステム２４
Ｂの内径と同径にしてある。放電管内部のカップ４６、
封止カップ４８および陽極２４Ａの位置まで供給される
冷却効果のために、水冷ジャケット４０を通して流れる
水によって供給それる冷却法は陽極ステム２４Ｂより陽
極２４Ａの温度に直接作用する。
【００１０】温度プローブ５２および温度関知用集積回
路５４を有する温度感知器５０は、真空封止カップ４８
によって陽極２４Ａに結合される。温度感知用集積回路
６０を有する第２温度感知器５６は銅製ステム・クラン
プ６２によって陽極ステム２４Ｂに結合される。陽極ス
テム２４Ｂは銅または他の高い熱伝導性の材料で作られ
ることが好ましい。そのような材料は、感知器からの、
広範囲の周辺温度または冷却水による温度範囲に関する
一様なデータを維持させる。温度関知用集積回路は製品
ＡＤ５９２−ＡＤであることが好ましい。第１および第
２感知器５０と５６は電子制御装置（図示しない）に結
合される。レーザ用ガス圧力はレーザ操作に影響する。 レーザ用ガス圧力は、放電管内部のスパタ済みの材料の
もとでガス原子を付着させる中穴型円板３１とカップ４
６をスパタすることにより減少することができる。ガス
圧力が降下するにつれて、ガス原子間の平均な自由通路
が増加されるが、若干の放電を陽極から陽極ステム内に
およぶまで延ばすことができ、そこでそれは終了する。 ステムは間接的に冷却されるだけなので、ステムはエネ
ルギを加えられるためにその指定された作動温度を越え
て過熱する。連続作動の際、一般のガスレーザは定期的
に少量のレーザ用ガスの充填を必要とする。つまり、合
理的なレーザの実行を得る圧力範囲内で、図４の通り、
ステム温度は放電管内のガス圧力の関数であることを示
す。
【００１１】図２は、本発明を含む装置のブロック図を
示す。分かり易いように、図１の構成部品に類似する構
成部品と同じ参照番号を付けてあることに注意されたい
。ガスレーザ１０は陽極２４Ａを備える。温度感知器５
０は陽極２４Ａの温度を測定する。感知器５０は温度プ
ローブ５２および温度感知用集積回路５４を備える。
【００１２】感知器５０は、感知器によって測定された
温度に比例する信号を作る。その信号は電子制御装置１
１０に結合される。電子制御装置は、市販で入手できる
どのような制御装置、コンピュータ、マイクロコントロ
ーラまたはマイクロコンピュータであっても構わない。 電子制御装置１１０はレーザ制御装置の一部になったり
、独立した電子装置となることができる。電子制御装置
１１０は自動ガス再充填装置１１２に結合される。自動
ガス再充填装置１１２は、電子制御装置１１０からの適
当な指令によってレーザ１０のガス圧力を調節するソレ
ノイド・バルブに結合される。
【００１３】陽極の温度は、レーザ放電による加熱と水
冷ジャケットによる冷却を含むレーザ放電のほかに種々
の要素によって制御される。レーザ作動の際に、冷却水
の温度がある温度まで変化する間、レーザ放電で生じる
熱の影響が常に一定であることは重要である。そのよう
な環境では、図２による装置は、誤って放電管にレーザ
用ガスを充填することがある。従って、陽極の温度を与
える周囲の温度を正常化するために、いくつかの装置を
提供することが望ましい。
【００１４】図３は、陽極ステム２４Ｂの温度感知用集
積回路６０およびプローブ６４を備える温度感知器５６
を追加した図２の装置を示す。陽極ステム２４Ｂが水冷
ジャケット４０による冷却作用の効果が少ないのは、間
接冷却のみだからである。電子制御装置１１０は、正常
化された温度△Ｔにするように陽極ステム２４Ｂの温度
から陽極２４Ａの温度を減じる。
【００１５】図４は、放電管内レーザ用ガス圧力に対す
る（上記の）正常化された温度△Ｔを比較する実験デー
タ点のグラフを示す。ここで見られる通り、ガス圧力が
減少するにつれて、正常化された温度は増加する。その
関係は直線でないことに注意されたい。正常化された温
度△Ｔはレーザ放電電流の関数にも作用する。△Ｔは、
増加された電力に対して放電電流が増加するにつれて増
加する。つまり、△Ｔとガス圧力との間の各放電電流に
対する関係は異なる。
【００１６】図５は、図３のブロック図で示す装置の作
動を表す流れ図を示す。そのアルゴリズムは開始ブロッ
ク５００で始まる。タイマーはブロック５０２でリセッ
トされ、開始される。陽極および陽極ステム用温度デー
タはブロック５０４のレーザから受信される。陽極温度
Ｔａｎｏｄｅ　、または陽極ステム温度Ｔｓｔｅｍが９
５℃以上または５℃以下、すなわちＴａｎｏｄｅ　、Ｔ
ｓｔｅｍ＞９５℃またはＴａｎｏｄｅ　、Ｔｓｔｅｍ＜
５℃であるならば判定ブロック５０６で示すように、シ
ステムは直にブロック５０８にシャット・ダウンする。 集積回路５４または６０に損傷が出始める上限として９
５℃が定められる。
【００１７】レーザは、決して５℃以下の温度条件では
作動しない。つまり、感知器の機能不良を示す温度とし
て５℃を下限として定める。
【００１８】陽極およびステムの温度が９５℃と５℃と
の間であるならば、それは次に陽極温度が判定ブロック
５１０において８５℃以上であるかどうかを定める。陽
極温度が８５℃以上ならば、オートフィル・シーケンス
は所定のガス量を充填するようにブロック５１２で開始
される。オートフィル・システムはそれからブロック５
１４の待機モードに進み、その場合にレーザは、８５℃
を越える温度の作動からレーザを回復させるように弱い
電流と最小出力モードで作動させ、またブロック５１６
の所定時間内で正常作動から遅延される。遅延後、タイ
マーは０にリセットされ、またカウンタはブロック５０
２で再び開始される。このシーケンスは熱逃避の防止が
望まれる。レーザ管が極めて弱い電流で若干の時間周期
の間に作動されるならば、ガスは消費されるがフィル・
シーケンスの基準を果たすことはできない。もしシステ
ム操作員が事実上電流を増加するならば、放電管はより
速くガスの充満を要求し、次に標準２４０秒の第２遅延
が許容される。８５℃のシーケンスは当該事象に対する
安全機構として活動する。
【００１９】陽極の温度が８５℃以下であるならば、そ
れは次に陽極ステムと陽極との温度差△Ｔがセット点の
温度差△Ｔｓｐ未満かどうかを確定される。すなわち、
陽極ステムと陽極との温度差が所定のセット点の温度差
未満であるならば、次にタイマはリセットされ、またカ
ウンタはブロック５０２で再開される。これはレーザの
正常作動である。セット点は、顧客に送る前に各レーザ
に対して経験的に定められる。セット点は、最適なガス
圧力で限定の放電電流の測定値△Ｔより１℃高くなるよ
うに定められることが理想的である。その値は各レーザ
の安全および最適な作動を保証するように定められる。 最適なセット点は放電電流によって変化するので、広い
作動電流範囲を有するレーザは、放電電流の関数として
変化するセット点を必要とする。
【００２０】それ以外に、もし△Ｔ＞△Ｔｓｐならば、
それは次にこの差がブロック５２０内で２４０秒より長
く維持されるかどうかが決定される。時間は２４０秒に
対して比較される。２４０秒の遅延は、放電電流の変化
によって起こされる変則な読み、データ・スパイク温度
、または一時的な温度に対するレーザ用ガスの充填を回
避するために望まれる。もし時間が２４０秒未満ならば
、温度情報はブロック５０４のレーザから再び受信され
、既に説明したアルゴリズム部分は繰り返される。もし
時間が２４０秒より長ければ、自動充填シーケンスはブ
ロック５２２に５ミリトル（ｍｉｌｌｉＴｏｒｒ　）の
ガスを充填し始め、こうして自動充填装置ブロック５２
４によって２００秒間の使用不能にされる。この遅延は
、追加のガスを充填することができる前に感知された温
度時間を安定させる。次にタイマは０にセットされ、カ
ウンタはブロック５０２から再開される。
【００２１】陽極の温度を正常化するもう１つの方法を
図６のブロック図に示す。本図は、図３の装置に水冷ジ
ャケット装置１２６（図１では４０）および温度感知器
１２８を付加した装置を示す。感知器１２８は水冷ジャ
ケット装置１２６の温度を測定し、その温度は陽極ステ
ム２４Ｂの作動温度を正常化させるのに用いられる。段
階のシーケンスは図５で示されたものとほぼ同じである
。しかし、セット点の温度は必然的に新しい値に調節さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例によるレーザの断面図で
ある。
【図２】本発明の一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の好適な実施例を表すブロック図である
。
【図４】陽極および陽極ステム間の温度差とレーザ用ガ
ス圧力との関係を示すグラフである。
【図５】好適な実施例を実行する段階のシーケンスを表
す流れ図である。
【図６】本発明の別の実施例を表すブロック図である。
【符号の説明】
１０　　ガスレーザ ２２　　セラミック壁体 ２４　　陽極組立体 ２４Ａ　　陽極 ２４Ｂ　　陽極ステム ２６　　陰極組立体 ２８　　電力供給リード ３０　　電力供給リード ３１　　タングステン円板 ３２　　開口支持管 ３５　　開口組立体 ３６　　ミラー ３９　　ミラー組立体 ４０　　水冷ジャケット ４１　　ミラー ４２　　注入口 ４３　　ニッケル・鉄合金製ミラー・シート４４　　吐
出口 ４５　　ステンレス鋼製蛇腹 ４６　　鋼製カップ部材 ４７　　フランジ ４８　　封止カップ ５０　　感知器 ５２　　温度プローブ ５４　　温度感知用集積回路 ５６　　感知器 ６０　　集積回路 ６２　　銅製ステム・クランプ １１０　　電子制御装置 １１２　　自動ガス充填装置 １２６　　水冷ジャケット １２８　　感知器 Ｌ　　放電管軸 ５００　　開始 ５０２　　セット・タイマ＝０　　カウンタ開始５０４
　　レーザからの情報温度 ５０６　　Ｔｓｔｅｍ、Ｔａｎｏｄｅ　＞９５℃または
Ｔｓｔｅｍ、Ｔａｎｏｄｅ　＜５℃ ５０８　　シャットダウン ５１０　　Ｔａｎｏｄｅ　＞８５℃ ５１２　　自動充填シーケンス開始 ５１４　　待機 ５１６　　遅延 ５１８　　△Ｔ＜△Ｔｓｐ ５２０　　時間＞２４０秒 ５２２　　自動充填シーケンス開始

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　レーザ用ガスを収容するハウジングと
    、ハウジングの一端に取り付けられた陰極とその他端に
    取り付けられた陽極を有し、ガスを電気的に励起させる
    装置と、前記陽極の温度を監視し、前記温度を表す制御
    信号を発生させる装置と、前記ハウジングに結合された
    ガス供給装置と、前記ハウジング内のガス圧力を変化さ
    せるために制御信号の変化に基づいて前記ガス供給装置
    を作動させる調整装置とから成ることを特徴とするガス
    レーザ。
  2. 【請求項２】　　陽極を有する前記ガスレーザのハウジ
    ング内のガス圧力を安定させる装置であり、前記装置は
    、前記ハウジング内のガス圧力の変化を測定すると共に
    、前記陽極の温度を測定する装置を有する装置と、レー
    ザを安定するように測定された変化に応じてハウジング
    内のガス量を変える装置とから成ることを特徴とする安
    定化装置。
  3. 【請求項３】　　ガス圧力の変化に対応するように測定
    された温度を正常化する装置を更に備えることを特徴と
    する請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】　　陽陰極を有するガス入り放電管と、陽
    極が作動する温度を感知する感知装置と、感知された温
    度が所定の作動温度を越えるときに放電管にガスを充填
    する装置とから成ることを特徴とするガスレーザ。
  5. 【請求項５】　　感知された温度は周囲の温度に影響さ
    れるので、感知装置は、陽極の作動温度を感知するよう
    に結合された第１温度感知器と、周囲の温度を感知する
    ように結合された第２温度感知器を更に備えることを特
    徴とする請求項３記載のガスレーザ。
  6. 【請求項６】　　陽極の周囲の温度を制御する水冷ジャ
    ケットを更に備えることを特徴とする請求項４記載のガ
    スレーザ。
  7. 【請求項７】　　所定の作動温度には、作動温度と感知
    された温度を正常化する周囲の温度との間には所定の差
    があることを特徴とする請求項５記載のガスレーザ。
  8. 【請求項８】　　ガス充填装置は、所定の作動温度が所
    定の持続時間内で維持するまではガスの充填を遅らせる
    遅延装置を更に備えることを特徴とする請求項４記載の
    ガスレーザ。
  9. 【請求項９】　　放電管を安定させるに足る時間、ガス
    が充填されると、ガス充填装置を停止させる装置を更に
    備えることを特徴とする請求項８記載のガスレーザ。
  10. 【請求項１０】　　第１温度が第１所定値を越える場合
    には、遅延装置を作動させない装置を更に備えることを
    特徴とする請求項８記載のガスレーザ。
  11. 【請求項１１】　　第１温度が第２所定値を越えるレー
    ザを活動させない装置を更に備えることを特徴とする請
    求項１０記載のガスレーザ。
  12. 【請求項１２】　　陽極ステムと、水温によって感知温
    度が影響されるように陽極に結合された水冷ドャケット
    とを更に備え、その上感知装置は陽極の作動温度を感知
    するように結合された第１温度感知器と、陽極ステムの
    作動温度を感知するように結合された第２温度感知器と
    を備えることを特徴とする請求項４記載のガスレーザ。
  13. 【請求項１３】　　所定の作動温度は感知された温度を
    正常化するように陽極と陽極ステムとの間の所定の作動
    温度差を有することを特徴とする請求項１２記載のガス
    レーザ。
  14. 【請求項１４】　　ガス充填装置は、所定の作動温度が
    所定の持続時間内で維持するまではガスの充填を遅らせ
    る遅延装置を更に備えることを特徴とする請求項４記載
    のガスレーザ。
  15. 【請求項１５】　　放電管を安定させるに足るように長
    時間ガスが充填されるとガス充填装置を停止させる装置
    を更に備えることを特徴とする請求項１４記載のガスレ
    ーザ。
  16. 【請求項１６】　　陽極または陽極ステムの作動温度が
    第１所定値を越える場合には、遅延装置を作動させない
    装置を更に備えることを特徴とする請求項１４記載のガ
    スレーザ。
  17. 【請求項１７】　　陽極または陽極ステムの作動温度が
    第２所定値を越える場合には、レーザを活動させない装
    置を更に備えることを特徴とする請求項１６記載のガス
    レーザ。
  18. 【請求項１８】ａ）　　中央軸を有するガス密閉管、ｂ
    ）　　各々が中央放電通路を形成するために管の軸と同
    軸配列された中央アパーチャを有する、管内に普通は管
    と直角に隔置された複数の円板、 ｃ）　　放電通路内で生じた熱を管に伝導するように円
    板および管に熱結合された複数の熱伝導部材、ｄ）　　
    管から熱を移動させるように結合された冷却装置、 ｅ）　　放電通路の第１端に結合された陰極、ｆ）　　
    放電通路の第２端に結合された陽極、ｇ）　　陽極の作
    動温度を測定する感知装置、ｈ）　　電気信号を受信す
    る感知装置に結合された制御装置、 ｉ）　　陽極が所定の作動温度を越えると、制御装置に
    よって活性化された管にガスを充填する装置、から成る
    ことを特徴とするガスレーザ。
  19. 【請求項１９】ａ）　　陽極の温度を感知する段階、ｂ
    ）　　温度が第１所定値を越える場合に、管にガスを自
    動的に充填する段階、から成ることを特徴とする陽極を
    有するガスレーザのガス密閉管内に所定のガス圧力を維
    持する方法。
  20. 【請求項２０】　　ガスの充填が第１所定値まで十分達
    したことを確認する前に遅延させる段階を更に有する請
    求項１９記載の方法。
  21. 【請求項２１】　　陽極は陽極ステムを有しかつ温度を
    感知する段階は、 ａ）　　陽極の温度を感知する段階、 ｂ）　　陽極ステムの温度を感知する段階、ｃ）　　陽
    極と陽極ステムとの間の温度差を計算する段階、を更に
    有することを特徴とする請求項１９記載の方法。
  22. 【請求項２２】　　陽極の温度が第２所定値を越える場
    合に遅延段階を停止する段階を更に有することを特徴と
    する請求項２０記載の方法。
  23. 【請求項２３】　　陽極の温度が第３所定値を越える場
    合にガスレーザを活動させない段階を更に有することを
    特徴とする請求項２０記載の方法。
JP3254297A 1990-10-25 1991-09-06 陽極ステムの温度に基づくガスレーザ用圧力調整装置 Pending JPH04247675A (ja)

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US07/603,128 US5117435A (en) 1990-10-25 1990-10-25 Pressure regulation system for gas laser based on temperature of anode stem

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