JPH05102564A

JPH05102564A - 高出力ＮｄＹＡＧレーザ

Info

Publication number: JPH05102564A
Application number: JP9793591A
Authority: JP
Inventors: Bishop Donald; ドナルド・ビシヨツプ
Original assignee: ELECTROX Inc
Current assignee: ELECTROX Inc
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1993-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高平均出力および高パルス繰返し
速度を有し、エネルギ変換効率が改善された光励起NdYA
G レーザ増幅器を提供する。【構成】本発明のレーザ増幅器は、励起空胴表面上に
励起波長における光に関して高反射性の被覆を採用し、
また励起波長の光の伝達性を向上させるためフラッシュ
ランプを取り巻くサマリウム被覆流管を用いた。２つの
ここのような増幅器を備えたレーザ装置は、切断部の縁
部にて金属の変色を伴うことなく航空宇宙産業用金属の
切断を含む金属の切断に適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光励起型レーザに関
し、特定すると、パルス化動作で高平均パワーを提供す
る工業上の利用に供されるNdYAG レーザに関する。

【０００２】

【従来技術、発明の課題】金属の溶接や切断を含む種々
の工業上の応用には、１キロワットまたはそれ以上の平
均出力のレーザ放射が所望される。特にレーザ用ガスと
してCO₂ を使用するガスレーザは、これらの高平均出力
の分野を席捲してきた。CO₂ レーザは、約10％またはそ
れ以上の比較的高いエネルギ変換効率で動作し、そして
エネルギの他は、通常の動作用消耗品としてレーザ発光
ガスしか有さない。けれども、CO₂レーザは、比較的大
きな機械的構造体を必要とし、大抵の金属で相当に反射
される10.6ミクロンの波長で放射線を生ずるという不利
益がある。この高反射率の結果、CO₂ レーザは、銅やア
ルミニウムやチタンやある種の鋼のような金属の比較的
厚い部片を切断するには不適当である。CO₂ レーザと対
照的に、光励起NdYAGレーザは、1.06ミクロン波長にて
レーザ放射線を生ずるが、この放射線は、CO₂レーザに
比してほぼ一桁の大きさ以上金属により吸収される。し
かしながら、周知の形式のNdYAG レーザは、約２〜３％
のエネルギ変換効率で動作し、励起用フラッシュランプ
は、印加されるエネルギにより決定される予測可能な寿
命を有する。それゆえ、フラッシュランプは、動作コス
トを決定するとき消耗品として考えられねばならない。

【０００３】さらに、周知のレーザにおけるフラッシュ
ランプの交換は、普通レーザヘッドの若干の分解を必要
とする。

【０００４】パルス化モードで動作するNdYAG レーザ
は、相当に低レベルの平均出力を維持しながら金属を処
理するのに望まれる高ピーク出力を生ずることができ
る。しかしながら、周知のNdYAG は、切断部を取り巻く
材料の酸化や応力と関連する変色を防ぐに十分の高速に
て航空機に使用されるような金属の薄い部片を切断する
に十分のパルス繰返し速度で十分のピーク出力を生じな
かった。それゆえ、周知のCO₂ レーザもNdYAG レーザ
も、エアフレームの部品を切断するための航空機製造者
には受け入れられなかった。それゆえ、高パルス繰返し
速度を有するNdYAG レーザで高平均出力動作を達成し、
同時にレーザフラッシュランプの動作寿命を長めること
が望まれる。一般に使用される寸法のNdYAG レーザロッ
ドに対する平均出力の理論的限界は、900 ワットである
が、実際の応用は、その動作が最大約400 ワットの平均
出力に限定される。３％以下の代表的動作効率の場合、
400 ワットの平均出力動作に必要とされる電力入力は、
16キロワットを越えている。ほぼ１キロワットの所望の
出力ーレベルを達成するためには、複式のレーザ増幅器
と40キロワットを越える電力入力が必要とされるだろ
う。さらに、必要とされる高エネルギレベルにおけるフ
ラッシュランプの動作は、ランプの動作寿命の低減をも
たらし、全動作コストを相当に増加させる。

【０００５】工業上の応用に供される周知のレーザのこ
の制約にかんがみて、本発明の目的は、相当に改良され
た効率で動作する、高平均出力動作用の光励起NdYAG レ
ーザを提供することである。

【０００６】本発明の特定の目的は、同じ動作条件に対
して従来のデバイスに比してフラッシュランプ寿命が増
大された高平均出力動作用の光励起NdYAGを提供するこ
とである。

【０００７】本発明の他の特定の目的は、パルス化動作
において少なくとも800 ワットの平均出力を提供する光
励起NdYAG レーザ装置を提供することである。

【０００８】本発明のさらに他の特定の目的は、好まし
いことに同じ応用ににおいてCO₂ レーザに対する動作コ
ストに匹敵する動作コストを有する高平均出力動作用の
光励起NdYAG レーザ装置を提供することである。

【０００９】本発明のさらに他の特定の目的は、比較的
厚い金属部片を切断することを含む高平均出力の応用に
供される光励起レーザ装置を提供することである。

【００１０】本発明のさらに他の特定の目的は、切断部
の周囲における変色を生ずることなく薄い金属部片の切
断を含む高平均出力の応用に供される光励起レーザ装置
を提供することである。本発明のこれらおよびその他の
目的は、以下の説明および図面から明かとなろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の上述の目的に従
い、約４％の総合動作効率を有する光励起用NdYAG レー
ザが提供される。貫通する光励起空胴を有する励起空胴
ブロックと、NdYAG ロッドを支持するブロックに固定さ
れた端板と、空胴内に機能的に離間された関係で配され
た複数のフラッシュランプ、ならびに空胴内に配された
フラッシュランプ部分を包囲するようにおよび端板に各
々支持された複数のサマリウム被覆ガラス管を備えるレ
ーザ増幅器が提供される。空胴表面は、励起波長にて高
光反射性に作られている。空胴および管の内部に液体冷
却材を出入れするための手段が設けられている。本発明
の他の側面においては、単一のレーザ発振器および少な
くとも１つのレーザ増幅器を備え、レーザ発振器および
レーザ増幅器の双方が本発明による１つのレーザヘッド
を備えるレーザ装置が提供される。

【００１２】

【実施例】以下図面を参照して、本発明を好ましい実施
例について説明する。本発明の例示の目的のため、好ま
しい実施例を構成するレーザ増幅器およびレーザ装置に
ついて以下に詳述する。好ましい実施例は、本発明の譲
受人であるInternational Laser Machines Corporation
から入手し得る。好ましい実施例は単に例示であり、本
発明の技術思想を制限するものではない。

【００１３】レーザ増幅器ないしヘッドアセンブリ１０
は、単一部片励起空胴ブロック１２と、これに固定され
た端板１４および１６を備えるものとして示されてい
る。本発明者は、ブロック１２の製造のための材料とし
てベリリウム銅を選んだ。励起空胴ブロックおよび端板
アセンブリは、前部マニホルド２０および後部マニホル
ド１８上に取り付けられている。フラッシュランプ２２
および２４ならびにNdYAG ロッド（第１図に図示せず）
は、ブロック１２の励起空胴内に離間関係で端板によっ
て支持されている。本発明者は、750 ないし900 ミクロ
ンの範囲にスペクトルピークを有し、放電電圧および放
電電流の関数として強度を生ずるクリプトンガス放電フ
ラッシュランプを選んだ。これらのランプは、約80％の
代表的エネルギ変換効率を有する。フラッシュランプ２
２および２４への電気的接続のための端子２８および３
０は、端板１４および１６および励起空胴ブロック１２
の外側にある。封止板３２および３４が、端板１４の外
側面に当接してかつフラッシュランプ２２および２４を
それぞれ囲んでＯ輪シールを保持している。同様に、封
止板３８は、端板１４に当接して円筒状ロッドホルダ９
０の外側の回りにＯリングを保持している。端板１４内
の流路は、フラッシュランプ２２および２４およびNdYA
G ロッドから熱を伝達するための液体冷却材を入れるた
めに、前部マニホルドブロック２０の通路と連通してい
る。液体冷却材は、ホース接続３６を介して前部マニホ
ルドに装入される。

【００１４】第２図を参照すると、流管６０および６２
が、端板１４および１６に支持されかつフラッシュラン
プ２２および２３をそれぞれ取り囲むものとして示され
ている。端板１６に固定された封止板４４、４６および
４８は、端板(16)にそれぞれ当接しかつフラッシュラン
プ２２および２４およびロッドホルダ９２をそれぞれ取
り囲むＯ輪５０、５１および５２を保持するものとして
示されている。同様に、封止板３２、３４および３８
は、端板１４に当接するＯ輪５３、５４および５５を保
持している。NdYAG ロッド２６は、ロッドホルダ９２お
よび９０によりそれぞれ端板１６および１４に支持され
ている。NdYAG ロッドは、所望のパワー出力に依存して
約0.9 % ないし約1.1%のネオジミウムドーピング濃度を
有するイットリウム−アルミニウム−ガーネットより成
る。ロッドは、直径約10ミリメートルそして長さ約150
ミリメートルの円筒状より成る。ロッドホルダ９０およ
び９２の使用は、NdYAG ロッド２６が、反射空胴外にお
いて支持されてその相当の部分を無駄にすることなく、
NdYAG ロッド２６が端板で支持されることを可能にす
る。端子４０および４２は、電力をフラッシュランプに
接続のため端板１６を越えて延び出るものとして示され
ている。流路６４および６６は、流管６０および６２の
内部とそれぞれ連通する端板１４内の凹所に冷却材を入
れる。第４図は、端板１４の流路６４および６６と前部
マニホルド２０の接続通路との連通を示している。例え
ば脱イオン化水のような液体冷却材が、流管６０および
６２の内部に沿って導かれ、端板１６の流路５８および
５６を通って排出される。追加の流路６８（第４図に図
示される）が、端板１４から、NdYAG ロッド２６および
流管６０および６２の外側を取り囲む空胴に液体冷却材
を入れる。この接続流路６８は、NdYAG ロッド２６の端
部を取り巻く凹所および前部マニホルド２０の入口流路
と連通している。同様な配置が、励起空胴から液体冷却
材を排出するため端板１６に後部マニホルド１８と共に
設けられている。

【００１５】第３図を参照すると、ブロック(13)の励起
空胴の断面図が、共通の焦点を有する二重楕円を形成す
るものとして示されている。NdYAG ロッド２６は、端板
１４および１６により支持されており、その長手方向中
心線は共通焦点と一致している。フラッシュランプ２４
および２４は端板１４および１６により支持されてお
り、その長手方向中心線は左および右極焦点と平行であ
る。この配置は、フラッシュランプにより発生される反
射および直接伝達される放射エネルギの最大の集中を受
ける空胴内位置にNdYAG ロッドを置く。流管６０および
６２は、サマリウムおよび増感剤イオンで被覆された高
透光性ガラスより成り、NdYAG 励起バンドを含むスペク
トルの波長を含むスペクトル内の光のほとんど97％を透
過させながら、不所望の紫外線および赤外線放射線を吸
収する。空胴の内表面は、NdYAG レーザロッドを励起す
るため関係する波長で高反射性である薄い金被覆を有す
る。金被覆は、「カラーバフ」されたニッケルメッキ上
に被着されるが、このニッケルメッキは、金被覆のため
の滑らかな基板表面を提供すると同時に、金が銅ブロッ
クに侵入するのを防ぐ障壁として働く。二重楕円は、流
管を通る全ての光に対して空胴の共通焦点へ至る光路を
形成する。サマリウム被覆流管を有するレーザ空胴の総
合動作効率は、4 〜4.5%の範囲である。周知のNdYAG レ
ーザに比してのこの動作効率の増加により、より少ない
入力電力で高平均出力動作が可能になる。したがって、
フラッシュランプは、低電力レベルで動作して、その動
作寿命を延長させることができる。

【００１６】第５図において、レーザ装置は、上述のよ
うな２つのレーザ増幅器８４および８６を採用するもの
として示されている。レーザ発振器を形成するために、
ほぼ完全に反射性の後部ミラー７６とレーザ放射部分反
射性の出力窓７８との間に、単一のレーザ増幅器８４が
配置されている。後部ミラー７６と出力窓７８とは、増
幅器８４のNdYAG ロッドを介して光学的なフィードバッ
クバックを提供する。出力窓７８からの出力ビームは、
後続のレーザ増幅器８６のNdYAG ロッドに入力される。
増幅器８４および８６、後部ミラー７６および出力窓７
８は、すべて基板８２により支持される光学レールまた
はベンチ８０上に取り付けられている。光学レイル８０
は、レーザ増幅器８４および８６、後部ミラー７６およ
び出力窓７８の取付けおよび整列に適当な支持体を提供
する。レーザ発振器に続いて、１または複数の増幅器を
取り付けることができるを理解されたい。さらに、ビー
ム方向づけミラーまたはプリズムを使用することによ
り、出力窓７８外のレーザ増幅器は、レーザ発振器に使
用されるレーザ増幅器と同じレイル上に取り付けられる
必要がないことが理解されよう。レーザ増幅器８４また
は８６のフラッシュランプをパルス作動するための電力
は、電源装置７４により供給される。電源装置７４に対
する入力で、レーザフラッシュランプに適用されるパル
スのパルス幅、繰返し速度およびエネルギレベルを決定
する。本願発明者は、各パルス中フラッシュランプに対
するエネルギ入力を制御するため、電流調整電源装置の
使用を選択した。増幅器８６の出力レーザ放射線は、ビ
ームのエネルギを作業点に向けて送るのに必要とされる
ところに従ってシャッタ、ビームパイプ、光ファイバお
よび集束素子を介して伝達される。

【００１７】本発明者は、直径10ミリメートル、長さ15
0 ミリメートル、そして1.1%のネオジミウムでドープさ
れたNdYAG ロッドを用い、クリプトンガス放電フラッシ
ュランプを使用して、13キロワットの入力電力で平均電
力500 ワットのレーザ増幅器の出力ビームを得ることが
できた。パルス化動作における平均出力は、パルス繰り
返し速度およびエネルギ／パルスの積として計算され
る。１キロワットレーザ装置は、２つの500 ワットレー
ザ増幅器、すなわちレーザ発振器に１つと後続の１つの
増幅器を必要とする。動作において、1000ワットNdYAG
レーザ装置は、フラッシュランプの交換費用を含め、15
00ワット規格のCO₂ レーザの動作費用にほぼ等しい動作
費用を有する。1000ワットNdYAG レーザ装置は、1500ワ
ットC0₂ レーザより厚い厚さの金属を切断、溶接でき、
その生産使用の前にウオームアップ時間を必要としな
い。さらにNdYAG 増幅器の追加により、CO₂ レーザに比
して、体積の低減およびエネルギ結合の改善を維持しな
がら、約２キロワット平均までの動作出力の増大を得る
ことができる。

【００１８】１キロワットの装置を用いての0.5 インチ
厚の銅の切断を、下記のパラメータおよび結果で達成し
た。

【００１９】

【表１】

【００２０】1.5 ミリメータ厚の３０４ステンレスステ
ィールおよび２ミリメータ厚のチタンを、下記のパラメ
ータおよび結果で切断縁部の変色をもたらすことなく達
成した。

【００２１】

【表２】

【００２２】他の金属切断試験を、以下に集約されるよ
うに１キロワットのレーザ装置を用いて遂行した。

【００２３】

【表３】

【００２４】本発明のフラッシュランプおよびサマリウ
ム被覆流管の配置は、フラッシュランプの破損の場合、
レーザ空胴の金被覆が、サマリウム被覆流管荷より引掻
きを阻止される。一般的に、フラッシュランプの交換
は、交換されるべきランプを保持する封止板の除去以上
にレーザ増幅器の解体の必要なしに容易に遂行される。

【００２５】

【発明の効果】本発明の光励起NdYAG レーザは、パルス
化動作において高平均出力を有し、エネルギ変換効率が
改善される。また、このレーザを使用したレーザ装置
は、航空宇宙用金属の切断を含む金属の切断の応用分野
において、切断部の縁部の変色を生ずることなく切断を
遂行することができる。

【００２６】以上本発明を詳細に説明したが、本発明の
技術思想はこのような詳細に限定されるものではない。
個々の部品に対する設計は、本発明の技術思想から逸脱
することなしに容易に変更し得るものであることを理解
されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うレーザヘッドの斜視図である。

【図２】図１の２−２線で切断したレーザヘッドの断面
図である。

【図３】図１の３−３線で切断したレーザヘッドの断面
図である。

【図４】図１の４−４線で切断したレーザヘッドの断面
図である。

【図５】本発明のレーザヘッドを採用したレーザ装置の
側面図である。

【符号の説明】

１０レーザヘッドアセンブリ又はレーザ増幅器１２単一部片励起空胴ブロック１４，１６端板１８後部マニホルド２０全部マニホルド２２，２４フラッシュランプ２６ NdYAG ロッド２８，３０端子３２，３４，３８，４４，４６，４８封止板５０，５１，５２、５３，５４，５５Ｏ輪６０，６２流管５６，５８，６４，６６，６８流路７６後部ミラー７８出力窓９０，９２ロッドホルダ

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【手続補正書】

【提出日】平成４年７月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項３

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項９

【補正方法】変更

【補正内容】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）所望の励起用波長の放射線に関し
て対して高反射性の表面を有する貫通空胴を備える励起
空洞ブロックと、（ｂ）前記空胴の両端部にてブロックに固定され、NdYA
G ロッドを支持する端板および空胴内に機能的に離間関
係で配された複数のフラッシュランプと、（ｃ）各々前記端板により支持され空胴内に配されたフ
ラッシュランプ部分を取り囲むサマリウム被覆透光管で
あって、所望の励起用波長にてフラッシュランプにより
放出される光に関して高透光性であり、望ましくない紫
外線および赤外線に関して吸収性である複数のサマリウ
ム被覆透光管と、（ｄ）前記空胴および前記管内部に、および空洞および
管内部から液体冷却材を装入、排出するための手段とを
備えることを特徴とする高平均電力パルス化動作用光励
起レーザ。
【請求項２】２つのフラッシュランプが設けられ、前
記空胴が共通の焦点を有する二重楕円を画定する断面を
有し、前記端面が、NdYAG ロッドを、その長手方向中心
線が共通の焦点と一致するように支持する請求項１記載
の光励起レーザ。
【請求項３】前記フラッシュランプおよびNdYAG ロッ
ドが、励起空胴外部に端板を越えて延び出ている請求項
２記載の光励起レーザ。
【請求項４】前記励起空胴ブロックが、固体のベリリ
ウム銅より成り、空胴の表面が金で被覆されている請求
項３記載の光励起レーザ。
【請求項５】（ａ）複数のレーザ増幅器をを備え、各
レーザ増幅器が、（Ｉ）所望の励起用波長の放射線に関して高反射性の表
面を有する貫通空胴を備える励起空洞ブロックと、（ＩＩ）前記空胴の両端部にて励起空胴ブロックに固定
され、NdYAG ロッドを支持する端板、および空胴内に機
能的に離間関係で配された複数のフラッシュランプと、（ＩＩＩ）各々、前記端板により支持されて空胴内に配
されたフラッシュランプ部分を取り囲むサマリウム被覆
透光性管であって、所望の励起用波長にてフラッシュラ
ンプにより放射される光に関して高透光性であり、望ま
しくない紫外線および赤外線に関して吸収性である複数
のサマリウム被覆透光管と、（ＩＶ）前記空胴および前記管内部に、および前記空洞
および管内部から液体冷却材を装入、排出するための手
段と、を備え、そしてさらに（ｂ）レーザ増幅器の１つ、および該レーザ増幅器に関
して、該レーザ増幅器により放出される光をNdYAG ロッ
ドを介して光学的にフィードバックするような関係で配
置された反射手段を具備するレーザ発振器を備えること
を特徴とするレーザ装置。
【請求項６】パルス化動作におけるレーザ発振器の出
力ビームの平均出力が、約400 ワット〜約500 ワットで
あり、レーザ発振器に続く各レーザ増幅器が、約400 ワ
ット〜約500 ワットだけビームの平均出力を増大させる
請求項５記載のレーザ装置。
【請求項７】前記各レーザ増幅器が、約4%の総合動作
効率を有する請求項５記載のレーザ装置。
【請求項８】前記各レーザ増幅器が２つのフラッシュ
ランプを有し、前記空胴が共通の焦点を有する二重楕円
を画定する断面を有し、前記端面が、NdYAGロッドを、
その長手方向中心線が共通の焦点と一致するように支持
する請求項５記載のレーザ装置。
【請求項９】前記フラッシュランプおよびNdYAG ロッ
ドが、前記励起空胴ブロックのハウジングの外部に前記
端板を越えて延び出ており、前記各端板が、前記端板お
よび励起空胴ブロックの外側で液体冷却材を封止するた
めの封止手段を備える請求項７記載のレーザ装置。
【請求項１０】前記励起空胴ブロックが、固体のベリ
リウム銅より成り、空胴の表面が金で被覆されている請
求項９記載のレーザ装置。
【請求項１１】レーザを使用する金属切断方法におい
て、1.06ミクロンの波長、約0.2 ミリ秒〜約４ミリ秒の
パルス幅、約10パルス／秒〜約400 パルス／秒のパルス
繰返し速度、約２ジュール〜約70ジュールのエネルギ／
パルスを有するパルス化レーザ放射ビームを発生するこ
とを含み、パルス繰返し速度およびエネルギ／パルスの
積が約50ワット〜約800 ワットとなるようになされたこ
とを特徴とする金属切断方法。
【請求項１２】被切断金属が銅であり、その切断点に
おける厚さが約0.5インチである請求項１１記載の金属
切断方法。
【請求項１３】被切断金属が、切断が行われるべきと
ころで約２ミリメートルの厚さを有するチタンであり、
切断が切断部に隣接する縁部にて金属の変色を生ぜずに
なされる請求項１１記載の金属切断方法。