JPH06140692A - レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザビーム品質が高く、かつ安定した優れ
た装置を得ることを目的とする。 【構成】 この発明に係わるレーザ発振器は、ミラー３
２周辺冷却のために循環させるレーザ媒質がミラーを汚
損しないようにするため、ミラー近傍において光軸に向
かって吹き出すレーザ媒質の流れ方向が、ミラーから離
れる軸方向成分を持つように規制する方向規制手段４６
ａを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振器の出力の
安定化に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は特開昭６０ー２５４６８３号公報
に示された従来のレーザ発振器の構成を示す斜視図であ
る。図において、１０はレーザ媒質（以下レーザガスと
記す）を封入する筺体、４は一対の放電電極、８は熱交
換器、６はブロア、３２は部分反射鏡、２６、２８、３
０、は全反射鏡、１２ａは部分反射鏡３２及び全反射鏡
２８を含むレーザビーム反射手段、１２ｂは全反射鏡３
０及び全反射鏡２６を含むレーザビーム反射手段、２
０、２２、２４はそれぞれ上記全反射鏡２６と２８、２
８と３０、全反射鏡３０と部分反射鏡３２間のレーザビ
ーム、２は外部へ取り出されるレーザビームである。１
８は上記一対の電極４ではさまれる空間に作られる励起
領域である。図７はレーザビーム反射手段１２ａの断面
図であり、５６は部分反射鏡３２及び全反射鏡２８の直
前に配置されたアパーチャである。３６はレーザビーム
反射手段１２ａを保持する光学基台、４４は筐体１０と
レーザ反射手段１２ａの光学基台３６を連結する連結
棒、５４は筺体１０と光学基台３６を真空気密を保持す
るように取り付けられたベローズ、４２は部分反射鏡３
２が取り付けられ、部分反射鏡３２の角度を調整するた
めの調整板、４０は角度調整ネジ、４８、５８、５８
ａ、５８ｂはダクトである。

【０００３】図８は特開昭６０ー２５４６８３号公報に
示された部分反射鏡３２の取付部を拡大して示したもの
である。図において３はサイドフローの流れ、４Ａは光
学基台３６に穿けられた穴である。５は空間である。図
８の構成は部分反射鏡３２を直接水で冷却する直接水冷
タイプで現在あまり用いられていない。図９には現在主
流となっている間接水冷タイフ゜の部分反射鏡３２の取
付部を拡大して示したものである。図８と図９の比較か
ら明らかなように、図８の直接水冷タイプはミラー支持
部の部品点数が多くなっていることがわかる。

【０００４】次に動作について説明する。筐体１０に
は、その間に放電を発生しレーザガスを励起する為の一
対の放電電極４と、レーザガスを循環させるブロア６
と、レーザガスを冷却する熱交換器８を有し、レーザガ
スは一対の放電電極４の間を通過しレーザ発振可能な状
態に励起された後、熱交換器８に入り冷却され、ブロア
６を通って矢印Ａの方向に循環する。筐体の長手方向に
配置された部分反射鏡３２及び全反射鏡２６、２８、３
０で構成される共振器ミラーにより作られるＺ字形状を
成す３本の光路は、放電によりレーザガスが励起状態と
なった励起領域１８を通過する。

【０００５】全反射鏡２６で反射されたレーザビームは
第１の光軸２０を通って全反射鏡２８に到達し反射され
る。全反射鏡２８で反射されたレーザビームは全反射鏡
２８がわずかに下向きに傾いているので、第１の光軸２
０よりわずかに下向きに傾いた第２の光軸２２を通って
全反射鏡３０に到達し反射される。全反射鏡３０で反射
されたレーザビームは全反射鏡３０がわずかに上向きに
傾いているので、レーザビームは第１の光軸２０と平行
な第３の光軸２４を通って部分反射鏡３２に到達する。
部分反射鏡３２に到達したレーザビームの一部はそのま
ま外部に出力され、残りは上記と逆のルートを通って全
反射鏡２６まで戻り、上記のプロセスが繰り返される。
レーザビームは上記のようにして励起領域１８を反復通
過する間に増幅され、部分反射鏡３２から外部に出力さ
れる。

【０００６】次に図７における部分反射鏡３２の角度調
整機構について説明する。部分反射鏡３２は調整板４２
に取り付けられている。角度調整ネジ４０を調整するこ
とにより調整板４２の角度を調整し、部分反射鏡３２の
角度調整を行う。

【０００７】一方、光学基台３６にはレーザビームの通
過する穴４Ａが設けられており、この穴４Ａには部分反
射鏡３２近傍のレーザガスに流れを起こすサイドフロー
を案内するダクト５８ａが差し込まれており、ダクト先
端は部分反射鏡３２近傍まで延びている。ダクト５８は
２本のダクト５８ｂと１本のダクト５８ａと底の無い箱
状の連通部材５９で構成されている。ダクト５８ｂは、
筐体１０に固定されたダクト４８に差し込まれている。

【０００８】放電電極４の間は高速でレーザガスが流れ
ているため他の部分に比べ負圧状態にあり、逆にダクト
４８は筐体１０のブロアによるガス流の無い圧力の高い
部分に固定されているため、レーザガスは図７のａのよ
うにダクト４８に吸い込まれ、ｂのように放電電極の方
に吸い出される。このレーザガスの流れをサイドフロー
と呼ぶ。

【０００９】この様なサイドフローが生ずるようにフロ
ー経路が形成してあるのは以下のような理由による。サ
イドフローが無い場合、レーザビーム２の光路中にある
レーザガスはミラー近傍において滞留する。レーザガス
はレーザビーム吸収体であり、レーザガス中を通過する
レーザビームのエネルギーの一部を熱に変え、滞留した
レーザガスの温度が上昇する。さらにレーザガスのレー
ザビーム吸収率は温度上昇とともに大きくなる為、さら
に大きな発熱が始まり、温度が上昇する。このため安定
したレーザ出力を維持することが困難となり、ついには
レーザ出力の確保ができなくなる。

【００１０】以上の理由から、ミラー近傍におけるレー
ザガスの温度上昇を防ぐためサイドフローが必要にな
る。図１０は部分反射鏡からの距離に対する、ダクトの
内側を流れるレーザガスの流量とレーザガスの温度を示
している。ダクトの外側を流れているときはレーザビー
ムの吸収がないため温度上昇がないが、ダクトの内側に
はいるとレーザビーム光路中を流れるためレーザビーム
の吸収により徐々に温度が上昇する。レーザビーム２の
光路中に有るレーザガスの最高温度Ｔｍａｘが安定した
レーザ出力を維持できなくなる温度（限界温度）を越え
ないような流量をもってサイドフローにより強制対流さ
せる必要がある。上記安定したレーザ出力を維持できな
くなる温度はレーザ発振器の出力、モードによっても異
なる。

【００１１】このように安定したレーザ出力を維持でき
るようにサイドフローを流すのであるが、レーザガス中
には僅かとはいえ組立時あるいはメンテナンス時に混入
した粉塵や筐体から発生するアウトガス成分等の汚染物
質が混入することは避けられない。この汚染物質がサイ
ドフローにより運ばれ部分反射鏡３２の表面に達し付着
すると、レーザビームにより部分反射鏡３２の表面に焼
き付く。このため部分反射鏡３２の吸収率は増大し、レ
ーザビームモードの変形等を生じさせるなどしてレーザ
ビーム品質を低下させる。

【００１２】特開昭６０ー２５４６８３号公報ではこの
問題を解決するために、図８および図９に示すような構
造を提案していたが、不十分であることが分かってき
た。図８および図９の構造においてはダクト５８ａの外
側を流れてきたレ−ザガスは流れの突き当たる部分に設
けられた空間５により流れの持つ動圧をいったん静圧に
変換される。静圧の高まったレ−ザガスは隙間δからレ
−ザビ−ムの光路に向かって吹き出すが、隙間δから吹
き出すレ−ザガスの方向を規制する手段がないため、サ
イドフローの流れが明確に部分反射鏡３２から遠ざかる
向きの流線のみとならず、部分反射鏡３２近傍まで渦巻
状の流れが発生する。この渦巻状のレーザガスの流れに
より、前記汚染物質が部分反射鏡３２の表面まで運ばれ
部分反射鏡３２を汚損する。これを防ぐため渦巻状の流
れが部分反射鏡３２まで達しないように、隙間δと部分
反射鏡３２の距離を大きくすると、部分反射鏡３２近傍
のレーザガスは滞留し、その部分の温度の上昇を招き、
出力不安定現象が生じる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ発振器は
以上のように構成されているので、ガス中の粉塵等によ
る汚染により部分反射鏡３２の吸収率が増大し、レーザ
ビーム品質が低下するという問題点があった。

【００１４】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、部分反射鏡の吸収率の増大を防
ぎ、レーザビーム品質が安定し、かつ優れた装置を得る
ことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係わるレー
ザ発振器は、ミラー開口部としての小径の穴およびミラ
ー近傍へレーザガスを案内する大径の穴から成る段付き
の穴を有する第１のレーザ媒質案内手段と、上記ミラー
開口部の径よりも大きく上記第１のレーザ媒質案内部の
径よりも小さい薄肉円筒形状でかつ上記第１のレーザ媒
質案内手段の段部と軸方向の隙間を持つように配置され
る第２のレーザ媒質案内手段とから成り、上記第１のレ
ーザ媒質案内手段の大径部と上記第２のレーザ媒質案内
手段間で形成される円筒部を往路としてミラーに向かう
軸方向にレーザガスが流れるとともに、上記第２のレー
ザ媒質案内手段の内部を帰路としてミラーから遠ざかる
軸方向にレーザガスが流れる循環経路にて構成されるレ
ーザ媒質循環経路において、上記第１のレーザ煤質案内
手段の大径部から小径部へ移る段部に軸方向断面形状が
折り返し形状をなす方向規制手段を備えるようにしたも
のである。

【００１６】第２の発明に係わるレーザ発振器は、上記
第２の発明のレーザ媒質循環経路において、第２のレー
ザ媒質案内手段のミラー側の端部が第１のレーザ媒質案
内手段の内径段部の折り返し形状内部に挿入された方向
規制手段を備えるようにしたものである。

【００１７】第３の発明に係わるレーザ発振器は、上記
第２または第３の発明のレーザ媒質循環経路において、
通気性を有し薄肉円筒形状をした第２のレ−ザ媒質案内
手段を有する方向規制手段を備えるようにしたものであ
る。

【００１８】第４の発明に係わるレーザ発振器は、共振
器ミラー近傍へレーザガスを循環するレーザ媒質循環経
路において、ミラー近傍にてレーザガスの流れ方向をミ
ラ−から遠ざかる方向に規制するようにしたものであ
る。

【００１９】

【作用】第１の発明に係わるレーザ発振器においては、
レーザ媒質案内手段の折り返し形状をなす方向規制手段
は、ミラー近傍にてミラー保持体の開口部の周囲からミ
ラー光軸に向かって流入するレーザガスに、ミラーから
遠ざかる方向の軸方向成分を与えるように作用する。

【００２０】第２の発明に係わるレーザ発振器において
は、第２のレーザ媒質案内手段のミラー側の端部が第１
のレーザ媒質案内手段の内径段部の折り返し形状内部に
挿入された方向規制手段は、ミラー近傍にてミラー保持
体の開口部の周囲からミラー光軸に向かって流入するレ
ーザガスに、ミラーから遠ざかる方向の軸方向成分を与
えるように作用する。

【００２１】第３の発明に係わるレーザ発振器において
は、通気性を有し薄肉円筒形状をした第２のレ−ザ媒質
案内手段を有する方向規制手段は、ミラー近傍にてミラ
ー保持体の開口部の周囲からミラー光軸に向かって流入
するレーザガスに、ミラーから遠ざかる方向の軸方向成
分を与えるとともに、ミラーに近付くほどレーザガスの
循環量を減少させるように作用する。

【００２２】第４の発明に係わるレーザ発振器において
は、ミラー近傍にてミラーから遠ざかる方向の軸方向成
分を持つレ−ザガスはミラ−を汚さぬように作用する。

【００２３】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。なお、図中、従来例と同一符号で示し
たものは、従来例のそれと同一もしくは同様なものを示
す。レーザ発振器全体の構成は図６で示す従来の装置と
同様であり、ここでは説明を省略する。

【００２４】図１はこの発明の一実施例によるレーザ発
振器のレーザビーム反射手段１２ａの断面図、図２は部
分反射鏡３２の取付部を拡大して示したものである。図
７、図８の従来のレーザ発振器と異なるのは調整板４２
の構造と、調整板４２とダクト５８ａの相対関係であ
る。４１はバネである。

【００２５】図２から明らかなようにダクト５８ａの径
は、調整板の部分反射鏡あたり面のビーム通過穴４５よ
り大きく構成されている。また、調整板４２の内面４６
はビーム通過穴４５にかけて折り返し形状をした流れ方
向転換部４６ａを有している。

【００２６】次に動作に付いて説明する。ダクト５８ａ
と調整板４２の内面４６の間を部分反射鏡の方向に流れ
てきたレーザガスは、流れ方向転換部４６ａによりその
流れ方向を逆向きに変えられる。流れ方向転換部４６ａ
は滑らかな面で構成されており、ダクト５８ａと調整板
４２の内面４６の間を部分反射鏡の方向に流れてきたレ
−ザガスは従来の装置のように動圧を静圧に変換するこ
となく、その動圧をほぼ保持したままスムーズに方向転
換できる。それゆえダクト５８内に流入してビーム２の
光路内に入ったときには、完全に部分反射鏡から離れる
方向の運動を有するようになる。

【００２７】この実施例によれば、ダクト５８ａと調整
板４２の内面４６の間を部分反射鏡の方向に流れてきた
レ−ザガスは、その動圧をほぼ保持したままスム−ズに
方向転換できるので、汚染物質が部分反射鏡３２の表面
まで運ばれることがなく、部分反射鏡３２の汚損を生じ
ない。またダクト内に流入するレーザガスの流線ベクト
ルを確実に部分反射鏡から遠ざかる方向に規制すること
により、レーザガス流を部分反射鏡３２の近傍にまで接
近させることができる。そのため部分反射鏡３２近傍の
レーザガスの温度上昇を抑え、出力不安定現象を引き起
こしにくい構成をとることができる。

【００２８】実施例２．以下、この発明の他の一実施例
を図について説明する。図３は部分反射鏡３２の取付部
を拡大して示したものである。実施例１のレーザ発振器
と異なるのは、調整板４２とダクト５８ａの相対関係で
ある。

【００２９】ダクト５８ａの径は、調整板の部分反射鏡
あたり面のビーム通過穴４５より大きく構成されてい
る。また、調整板４２の内面４６はビーム通過穴４５に
かけて流れ方向転換部４６ａを有しており、ダクト５８
はこの流れ方向転換部４６ａの中に距離ｄだけ差し込ま
れるように構成されている。

【００３０】次に動作に付いて説明する。ダクト５８ａ
と調整板４２の内面４６の間を部分反射鏡の方向に流れ
てきたレーザガスは、流れ方向転換部４６ａによりその
動圧をほぼ保持したままスム−ズに方向を逆向きに変え
られる。ダクト５８ａは流れ方向転換部４６ａに差し込
まれているため、レーザガスはダクト内に流入してビー
ム２の光路内に入ったときには完全に部分反射鏡から離
れる方向の運動を有するようになる。

【００３１】この実施例によれば、汚染物質が部分反射
鏡３２の表面まで運ばれることがなく、部分反射鏡３２
の汚損を生じない。またダクト内に流入するレーザガス
の流線ベクトルを確実に部分反射鏡から遠ざかる方向に
規制することにより、レーザガス流を部分反射鏡３２の
近傍にまで接近させることができる。そのため部分反射
鏡３２近傍のレーザガスの温度上昇を抑え、出力不安定
現象を引き起こしにくい構成をとることができる。

【００３２】実施例３．以下、この発明の一実施例を図
について説明する。図４は部分反射鏡３２の取付部を拡
大して示したものである。実施例１、実施例２のレーザ
発振器と異なるのは、ダクト５８ａの構造である。本実
施例においてはダクトにレーザガスが通過できるような
多数の開口５１が設けてあり、サイドフローの流れは図
中の矢印ｃのように流れる。このようにすれば、レーザ
ガスの流量は部分反射鏡３２の近くでは少なく、部分反
射鏡から遠ざかると共に多くなる。

【００３３】図５は実施例３において、部分反射鏡から
の距離に対し、レーザガスの流量とレーザガスの温度が
どのような変化をするかを示している。レーザガスはレ
ーザビームを吸収して温度上昇するが、部分反射鏡から
遠ざかるほど温度の低いレーザガスが供給されるのでレ
ーザ出力の不安定現象が起こり始める限界温度以上には
上昇しない。

【００３４】実施例３の構成によれば、レーザ出力の不
安定現象を起こす事無く部分反射鏡近傍を流れるレーザ
ガスの流量を大幅に低減する事が出来、部分反射鏡３２
の表面まで運ばれる汚染物質が減少するため、部分反射
鏡３２の汚損は実施例１、実施例２に比べさらに生じに
くくなる。

【００３５】本実施例においては、ダクトに穴状の開口
を設けたものについて説明したが、スリット状の開口で
もよく、またダクトをメッシュ状のものや多孔質状のも
ので構成しても効果がある。

【００３６】以上の実施例においては部分反射鏡部分に
ついて説明してきたが、例えば図６の全反射鏡２６部分
でも同様の効果がある。また流れ方向転換部４６ａは断
面形状が円弧をなすものについて説明したが、動圧をほ
ぼ一定に保ちながら保ちながらレ−ザガスが方向転換で
きればよく、円弧と直線の組み合せや任意の曲線、ある
いは任意の曲線と直線の組み合せでもよいことは明かで
ある。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、発振
器の光学部品を汚すことがなく反射鏡近傍を冷却可能と
したので、レーザビームの品質が高く、かつ安定した優
れた装置を得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例によるレーザ発振器のレ
ーザビーム反射手段１２ａの断面図である。

【図２】第１の発明の一実施例によるレーザ発振器の部
分反射鏡３２の取付部を拡大して示した図である。

【図３】第２の発明の一実施例によるレーザ発振器の部
分反射鏡３２の取付部を拡大して示した図である。

【図４】第３の発明の一実施例によるレーザ発振器の部
分反射鏡３２の取付部を拡大して示した図である。

【図５】第３の発明の一実施例によるレーザ発振器の部
分反射鏡からの距離に対する、レーザガスの流量とレー
ザガスの温度を示す図である。

【図６】レーザ発振器全体の構成を示す斜視図である。

【図７】従来のレーザ発振器のレーザビーム反射手段ａ
の断面図である。

【図８】従来のレーザ発振器の部分反射鏡３２の取付部
を拡大して示した図である。

【図９】従来のレ−ザ発振器の部分反射鏡３２の取付部
を拡大して示した図である。

【図１０】従来のレーザ発振器によるレーザ発振器の部
分反射鏡からの距離に対する、レーザガスの流量とレー
ザガスの温度を示した図である。

【符号の説明】

２ レーザビーム ３ サイドフローの流れ ４ 放電電極 ４Ａ 穴 １０ 筐体 １２ａ レーザ反射手段 １２ｂ レーザ反射手段 ２６ 全反射鏡 ２８ 全反射鏡 ３０ 全反射鏡 ３２ 部分反射鏡 ３６ 光学基台 ４０ 調整ネジ ４２ 調整板 ４４ 連結棒 ４５ ビーム通過穴 ４６ 内面 ４６ａ 流れ方向転換部 ４８ ダクト ５１ 開口 ５８ａ ダクト ５８ｂ ダクト

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する放電電極と、上記放電電極間を
   通る光軸上でかつ上記電極から上記光軸方向に所定の距
   離をおいて配置されたミラーと、上記放電電極間を上記
   光軸に直交した方向にレーザ媒質を流すための第１のレ
   ーザ媒質循環経路と、上記第１のレーザ媒質循環経路に
   沿ったレーザ媒質の循環によって生ずる上記対向電極間
   とその周辺部との圧力差を利用して上記ミラー近傍へ上
   記レーザ媒質を循環させる第２のレーザ媒質循環経路と
   を備えたレーザ発振器において、上記第２のレーザ媒質
   循環経路は、上記ミラーを保持するとともにレーザビー
   ム通過用開口部としての小径の内円筒面および上記ミラ
   ー近傍へ上記レーザ媒質を案内する大径の内円筒面と上
   記大径の内円筒面から上記小径の内円筒面に移る部分に
   段部を有する第１のレーザ媒質案内手段と、上記第１の
   レーザ媒質案内手段のミラー開口部の径よりも大きく上
   記第１のレーザ媒質案内手段の大径部の径よりも小さい
   径の薄肉円筒形状でかつ上記第１のレーザ媒質案内手段
   の段部と上記ミラー側にて上記光軸方向の隙間を持つよ
   うに配置される第２のレーザ媒質案内手段とを有し、上
   記第１のレーザ媒質案内手段の大径部の内円筒面と上記
   第２のレーザ媒質案内手段間で形成される円筒形状をし
   た隙間部を往路として上記光軸に沿って上記ミラーに向
   かう方向に上記レーザ媒質が流れるとともに、上記第２
   のレーザ媒質案内手段の内部を帰路として上記光軸に沿
   って上記ミラーから遠ざかる方向に上記レーザ媒質が流
   れる循環経路にて構成され、上記第１のレーザ媒質案内
   手段の上記光軸方向の断面形状が、大径部から小径部へ
   移る段部に流線密度変化が少くかつ折り返し形状をした
   方向転換部を有することを特徴とするレ−ザ発振器。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ発振器において、
   第２のレーザ媒質案内手段のミラー側端部が第１のレー
   ザ媒質案内手段の内径段部の折り返し形状内部に挿入さ
   れていることを特徴とするレ−ザ発振器。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のレーザ発
   振器において、通気性を有し薄肉円筒形状をした第２の
   レ−ザ媒質案内手段を有することを特徴とするレ−ザ発
   振器。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３の何れかに記載
   のレーザ発振器において、第１のレーザ媒質案内手段の
   方向転換部分と第２のレーザ媒質案内手段の軸方向の隙
   間から光軸に向かって流れるレーザ媒質が、ミラーから
   遠ざかる向きの光軸方向成分を持つことを特徴とするレ
   ーザ発振器。