JPH06283780A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、パルス放電の集中を無くしてパルス
レーザ発振の安定化を図れるとともにレーザ発振の効率
向上を図る。 【構成】レーザ管(10)内に配置された各分割電極(11a,1
1b, …13b)に対する各放電入力エネルギー密度をレーザ
ガスの流速分布に応じて制御、例えばレーザガス流速の
高速領域に対応する各分割電極(11a,11b) に高い放電エ
ネルギーを入力し、低速領域に対応する各分割電極(12
a,12b,13a,13b) に低い放電エネルギーを入力する。こ
れにより、高速領域の各分割電極(11a,11b) では安定し
たパルス放電が高い放電密度で発生し、又、低速領域の
各分割電極(12a,12b,13a,13b) では弱い放電励起の発生
により小さなレーザ増幅作用が行われ、かつ光吸収作用
が少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速繰り返しのパルス
レーザを発振するガスレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は横放電励起方式のガスレーザ発振
装置の構成図である。レーザ管１内には、１対の各主放
電電極２、３が対向配置され、かつこれら主放電電極
２、３に対して並列に複数のピーキングコンデンサ４及
び複数のスパークピン５、６が接続されている。なお、
これらスパークピン５、６間にはギャップ７が形成され
ている。又、このレーザ管１内には、レーザガスが封入
され、これが送風機により矢印（イ）方向に流れてい
る。

【０００３】一方、主放電電極２には主コンデンサ８が
接続され、この主コンデンサ８に図示しない充電電源か
ら充電が行われるようになっている。この主コンデンサ
８には、この主コンデンサ８の充放電用のスイッチ９が
接続されている。

【０００４】かかる構成であれば、主コンデンサ８に電
荷が蓄積された状態にスイッチ９がオンすると、この主
コンデンサ８に蓄えられた電荷は、各ピーキングコンデ
ンサ４に移行する。この電荷の移行により各スパークピ
ン５、６間の電圧が高くなり、これらスパークピン５、
６間でスパーク放電が発生し、各主放電電極２、３空間
のレーザガスが予備電離される。

【０００５】これに続いて各主放電電極２、３間の電圧
が高くなると、これら主放電電極２、３間にパルス放電
が発生し、このパルス放電の放電励起によりレーザ発振
が行われる。

【０００６】ところが、このようにレーザ発振における
パルス放電を高速で繰り返すと、各主放電電極２、３間
におけるパルス放電の集中（アーキング状態）が発生
し、レーザ励起が主放電電極２、３間の空間において均
一に行われなくなる。

【０００７】このパルス放電の集中は、先行パルス放電
により生じた生成成分が各主放電電極２、３間から流れ
去らないうちに、後続のパルス放電が発生するためで、
この後続パルス放電が先行パルス放電の生成成分に沿っ
て発生することにより起こる。

【０００８】このパルス放電の集中を解決するためにレ
ーザガスの流れを高速にすることが有効であるが、高速
のガス流を実現するためには、送風機を大型にしなけれ
ばならない。

【０００９】又、各主放電電極２、３の長手方向におけ
るレーザガス流速を高速で均一にするために、各主放電
電極２、３の長さを限定することが行われている。すな
わち、レーザ管１内に流れるレーザガス流速は、レーザ
管１の長手方向の中央部において均一となり、レーザ管
１の両端部において中央部の流速よりも低速な流れとな
る。従って、各主放電電極２、３の長さは、レーザガス
流速の均一な領域に入る長さに限定して形成することに
なる。

【００１０】一方、レーザ管１の両端部は、レーザ共振
器内の光路において光吸収部分となり、レーザ発振効率
を低下するところである。このため、この対策として、
レーザガスとは異なる希ガスを局部的に配置することが
行われるが、レーザ管１内の同一風胴内にガス成分の異
なる各部分を形成することは容易でない。

【００１１】又、レーザガス流速に応じて隣接する各ス
パークピン５、６の配置ピッチを変えることが行われて
いるが、これは予備電離を各主放電電極２、３の長手方
向で均一に行うもので、パルス放電の集中を解決するた
めの技術ではない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにレーザガ
スの流れを高速にするために送風機を大型にし、かつレ
ーザガス流速の均一な領域に入るように各主放電電極
２、３の長さを限定しなければならず、又、レーザ管１
の両端部における光吸収部分をなくす対策としてレーザ
ガスとは異なる希ガスを局部的に配置することが行われ
るが、これらガス成分を流す各部分を形成することは困
難である。

【００１３】そこで本発明は、パルス放電の集中を無く
してパルスレーザ発振の安定化を図れるとともにレーザ
発振の効率向上ができるガスレーザ発振装置を提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ管内に
１対の各主放電電極を対向配置させ、かつこのレーザ管
内にレーザガスを流した状態に、各主放電電極間に高繰
り返しで主放電を発生させてパルスレーザ発振を行うガ
スレーザ発振装置において、各主放電電極に対するレー
ザガスの流速分布に応じて各主放電電極の各部位への各
放電入力エネルギー密度を制御する放電制御手段を備え
て上記目的を達成しようといるガスレーザ発振装置であ
る。

【００１５】又、本発明は、レーザ管内にレーザ発振光
軸に沿って配置された複数対の分割電極から成る主放電
電極と、レーザ管内に流れるレーザガスの流速分布に応
じて各対の分割電極に対する各放電入力エネルギー密度
を制御する放電制御手段とを備えて上記目的を達成しよ
うといるガスレーザ発振装置である。

【００１６】この場合、上記各放電制御手段は、主放電
電極に対して並列接続された複数のピーキングコンデン
サの容量をレーザガスの流速分布に応じた値に設定する
ことであり、又、主放電電極に対して並列接続された複
数のスパークピンの配置ピッチをレーザガスの流速分布
に応じて設定することであり、又、主放電電極に対する
印加電圧をレーザガスの流速分布に応じて制御すること
である。

【００１７】

【作用】このような手段を備えたことにより、レーザ管
内に配置された各主放電電極の各部位に対する各放電入
力エネルギー密度が、放電制御手段よりレーザガスの流
速分布に応じて制御される。

【００１８】又、上記手段を備えたことにより、レーザ
管内に配置された主放電電極を構成する各分割電極に対
する各放電入力エネルギー密度が、放電制御手段よりレ
ーザガスの流速分布に応じて制御される。

【００１９】このような放電入力エネルギー密度の制御
により、例えばレーザガス流速の高速領域に対応する主
放電電極の部位又は分割電極には高い放電エネルギーが
入力し、低速領域に対応する主放電電極の部位又は分割
電極には低い放電エネルギーが入力する。これにより、
高速領域の主放電電極等では安定したパルス放電が高い
放電密度で発生し、又、低速領域の主放電電極等では弱
い放電励起の発生により小さなレーザ増幅作用を行い、
かつ光吸収作用が少なくなる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。

【００２１】図１はガスレーザ発振装置の構成図であ
る。レーザ管１０内には、主放電電極を構成する各対の
分割電極１１ａと１１ｂ、１２ａと１２ｂ、１３ａと１
３ｂがそれぞれ配置されている。これら各対の分割電極
１１ａ、１１ｂ、…１３ｂは、レーザ発振光軸が一致す
るように配置されている。

【００２２】又、これら分割電極１１ａ、１１ｂ、…１
３ｂの配置は、レーザ管１０内におけるレーザガスの流
速分布に対応している。すなわち、レーザ管１０の中央
部に送風機が配置されると、その流速分布はその下図に
示すように放電空間の中央部で流速ｖ₁ の高速ガス流
（高速領域）となり、その両端部で流速ｖ₁ よりも遅い
流速ｖ₂ の低速ガス流（低速領域）となる。

【００２３】このような流速分布は、レーザ管１０の風
胴の両端部には、風胴の隔壁を形成する壁やレーザ共振
器の高反射ミラー２０及び出力ミラー２１、又は窓が設
けられるため、これらによるガス流れ抵抗が大きくな
り、中央部で高速ガス流となり、その両端部で低速ガス
流となる。

【００２４】しかるに、１対の分割電極１１ａと１１ｂ
が高速領域に入るように配置され、他の各対の分割電極
１２ａと１２ｂ及び１３ａと１３ｂがそれぞれ両端部の
各低速領域に配置されている。

【００２５】又、分割電極１１ａと１１ｂには、複数の
ピーキングコンデンサ１４及び各スパークピン１５が並
列接続されている。又、これと同様に、分割電極１２ａ
と１２ｂには、複数のピーキングコンデンサ１６及び各
スパークピン１７が並列接続され、分割電極１３ａと１
３ｂには、複数のピーキングコンデンサ１８及び各スパ
ークピン１９が並列接続されている。

【００２６】これらピーキングコンデンサ１４、１６、
１８の容量は、各ピーキングコンデンサ１４の容量がピ
ーキングコンデンサ１６、１８の容量よりも大きく設定
され、分割電極１１ａと１１ｂに入力される放電エネル
ギーが各分割電極１２ａと１２ｂ、１３ａと１３ｂに入
力される放電エネルギー密度よりも大きくなるようにな
っている。又、レーザ管１０におけるレーザ発振光軸上
には、レーザ共振器を形成する高反射ミラー２０及び出
力ミラー２１が設けられている。

【００２７】一方、充電電源３０には、各ダイオード３
１、３２が並列接続され、これらダイオード３１、３２
のうちダイオード３１には充放電コンデンサ３３及び充
電用コイル３４が直列接続され、他方のダイオード３２
には充放電コンデンサ３５及び充電用コイル３６が直列
接続されている。

【００２８】このうち充放電コンデンサ３３及び充電用
コイル３４にはサイラトロン３７が並列接続され、かつ
充放電コンデンサ３３が分割電極１１ａに接続されてい
る。又、充放電コンデンサ３５及び充電用コイル３６に
はサイラトロン３８が並列接続され、かつ充放電コンデ
ンサ３５が各分割電極１２ａ、１３ａに接続されてい
る。

【００２９】これら充放電コンデンサ３３、３５の各容
量は、充放電コンデンサ３３の容量が充放電コンデンサ
３５の容量よりも大きく設定され、分割電極１１ａと１
１ｂに入力される放電エネルギーが各分割電極１２ａと
１２ｂ、１３ａと１３ｂに入力される単位体積当りの放
電エネルギーよりも大きくなるようになっている。

【００３０】各サイラトロン３７、３８の各グリッドに
は制御信号源３９が接続されている。この制御信号源３
９は、各分割電極１１ａと１１ｂ、…１３ｂにおけるパ
ルス放電のタイミングを指令するもので、各サイラトロ
ン３７、３８の各グリッドにトリガー信号を送出して点
弧するものとなっている。次に上記の如く構成された装
置の作用について説明する。

【００３１】充電電源３０からダイオード３１、充電用
コイル３４を通して充放電コンデンサ３３に電荷が蓄積
されるとともに、同電源３０からダイオード３２、充電
用コイル３６を通して充放電コンデンサ３５に電荷が蓄
積される。

【００３２】この状態に、制御信号源３９からトリガー
信号が出力されると、このトリガー信号は各サイラトロ
ン３７、３８の各グリッドに入力し、これにより各サイ
ラトロン３７、３８は同時に点弧する。

【００３３】このサイラトロン３７の点弧により充放電
コンデンサ３３に蓄えられた電荷は分割電極１１ａ、１
１ｂ及び各ピーキングコンデンサ１４に移行し、これと
同時にサイラトロン３８の点弧により充放電コンデンサ
３５に蓄えられた電荷は各分割電極１１ａと１１ｂ、１
２ａと１２ｂ及び各ピーキングコンデンサ１６、１８に
移行する。

【００３４】この電荷の移行により各スパークピン１５
及び１７、１９間の電圧が高くなり、これらスパークピ
ン１５及び１７、１９間でスパーク放電が発生し、この
スパーク放電により発生する紫外光により各分割電極１
１ａと１１ｂ、１２ａと１２ｂ及び１３ａと１３ｂの各
空間のレーザガスが予備電離される。

【００３５】これに続いて各分割電極１１ａと１１ｂ、
１２ａと１２ｂ及び１３ａと１３ｂ間の電圧が高くな
り、これら分割電極１１ａと１１ｂ、１２ａと１２ｂ及
び１３ａと１３ｂ間に、同時にパルス放電が発生し、こ
のパルス放電の放電励起によりレーザ発振が行われる。

【００３６】この場合、分割電極１１ａと１１ｂに入力
される放電エネルギーは、各分割電極１２ａと１２ｂ、
１３ａと１３ｂに入力される放電エネルギーよりも大き
くなっている。従って、レーザガス流速の高速領域に対
応する分割電極１１ａと１１ｂとの間では、安定なパル
ス放電が高い放電密度で発生する。

【００３７】一方、レーザガス流速の低速領域に対応す
る各分割電極１２ａと１２ｂ、１３ａと１３ｂとの間で
は、放電入力エネルギーが低く抑えられているので、不
安定なパルス放電を高い放電入力エネルギーで発生する
ことは回避される。又、低い放電入力エネルギーにより
安定したパルス放電が発生しなくても、弱い励起は発生
している。これにより、分割電極１２ａと１２ｂ、１３
ａと１３ｂの空間では、弱い放電励起により、小さなレ
ーザ増幅利得又は光吸収部分として作用したとしても、
その光損失が少なくなる。

【００３８】このように上記一実施例においては、各対
の分割電極１１ａ、１１ｂ、…１３ｂを配置し、レーザ
ガスの流速分布に応じてこれら分割電極１１ａ、１１
ｂ、…１３ｂへの放電入力エネルギーを制御するように
構成したので、レーザガスを高速で流し、かつ高繰り返
し数でパルスレーザを発振させても、レーザガス流速の
高速領域に対応する分割電極１１ａと１１ｂで安定で高
い放電密度のパルス放電を発生させ、レーザガス流速の
低速領域の各分割電極１２ａと１２ｂ、１３ａと１３ｂ
では、弱い励起により、小さなレーザ増幅利得又は光吸
収部分として作用したとしても、その光損失を少なくで
きる。

【００３９】従って、レーザ管１０内の風胴のレーザガ
ス流速の低速領域を、従来のようにレーザ発振光路とし
て使用する場合よりも、レーザ発振の損失が少なくな
り、レーザ発振効率を高くできる。

【００４０】又、各分割電極１１ａ、１１ｂ、…１３ｂ
に異なる放電入力エネルギーを与えるので、たとえレー
ザガス流速の低速領域でパルス放電が集中放電したとし
ても、高速領域では均一なパルス放電が発生できる。従
って、従来のような単一の主放電電極の低速領域に対応
する部位で集中放電が発生すると、全ピーキングコンデ
ンサの蓄積エネルギーがこの集中放電部位に局部的に集
中するが、本装置ではかかる集中放電が回避できる。こ
のような集中放電の回避によりレーザ出力は、大幅に低
下することはない。

【００４１】従って、本装置をレーザ材料処理等に応用
する場合、レーザ発振制御信号に忠実にパルスレーザを
発振でき、これにより例えば加工物を移動しながらパル
スレーザを照射して等間隔で穴あけ加工などを進める
際、パルスレーザの歯抜けによって穴あけピッチが不等
間隔になるなどの不度合が回避でき、信頼性の高い加工
ができる。なお、本発明は上記一実施例に限定されるも
のでなくその要旨を変更しない範囲で変形してもよい。

【００４２】(1) 上記一実施例では、各ピーキングコン
デンサ１４、１６、１８及び各充放電コンデンサ３３、
３５のうち、分割電極１１ａ，１１ｂに対応する各ピー
キングコンデンサ１４及び充放電コンデンサ３３の容量
を大きくして分割電極１１ａ，１１ｂへの放電入力エネ
ルギーを大きくしたが、この放電入力エネルギーを大き
くする技術としては、放電入力エネルギーを大きくする
部分に接続された各ピーキングコンデンサ又は各充放電
コンデンサの各容量を大きく設定するようにしてもよ
い。

【００４３】(2) 又、別の放電入力エネルギーを大きく
する技術としては、各充放電コンデンサ３３、３５に対
してそれぞれ別出力電圧の各充電電源を接続し、このう
ち充放電コンデンサ３３に接続する充電電源の出力電圧
を他方の充電電源の出力電圧よりも大きく設定するよう
にしてもよい。

【００４４】(3) さらに、別の放電入力エネルギーを大
きくする技術としては、各ピーキングコンデンサ１４の
各静電容量を同一のものを使う場合などは実装密度を高
くすることである。これは、各ピーキングコンデンサ１
４の取り付けられた近傍の分割電極１１ａ、１１ｂの空
間に放電する方が、遠方の電極に放電するより放電イン
ピーダンスが小さく、実装密度の高い部分により高い放
電エネルギーが注入されるからである。 (4) 又、放電入力エネルギーを大きくする技術として
は、各スパークピン１５の配置ピッチを小さくすること
である。

【００４５】(5) レーザガスの流速分布は、２台の送風
機を設けた場合、図２に示すように高速領域が２か所に
生じる。このような場合、レーザ管内には、各高速領域
及び各低速領域に対応して各分割電極が配置され、この
うち高速領域に対応する各分割電極への放電入力エネル
ギーが、低速領域に対応する各分割電極への放電入力エ
ネルギーよりも大きく設定される。従って、レーザガス
の流速分布に応じて各分割電極を配置し、その放電入力
エネルギーを制御すればよい。これにより、複数台の送
風機を配置した場合や風ガイドにより流速分布を制御す
る場合にも適用できる。

【００４６】(6) 又、レーザ管内に単一で１対の主放電
電極を配置した場合でも、高速領域に対応する主放電電
極の部位の各ピーキングコンデンサの容量を大きくした
り、又各ピーキングコンデンサの実装密度を高くした
り、さらに各スパークピンの配置ピッチを小さくするこ
とにより、高速領域に対応する主放電電極の部位の放電
入力エネルギーを大きくしても同様の効果を奏すること
ができる。

【００４７】(7) 適用するレーザとしては、エキシマレ
ーザやＴＥＡＣＯ₂ レーザなどの高気圧横励起ガスレー
ザに限らず、低圧ＣＯ₂ ガスレーザなどのガストランス
ホート形レーザにも適用できる。すなわち、レーザガス
流方向とレーザ発振光軸とが直交するＣＯ₂ レーザで
は、レーザガス流速に応じた放電入力条件になるように
ＲＦ励起電極間隔を変化させ、レーザガス流速の大きな
部位ほど電極間隔を小さくして相対的に大パワー入力を
実現することができる。

【００４８】又、分割電極の構成では、放電安定化抵抗
値をレーザガス流速に応じて変化させ、レーザガス流速
に応じた放電入力密度に制御することで、全体的に安定
な大放電電力密度を実現できる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、パ
ルス放電の集中を無くしてパルスレーザ発振の安定化を
図れるとともにレーザ発振の効率向上ができるガスレー
ザ発振装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるガスレーザ発振装置の一実施例
を示す構成図。

【図２】同装置の変形例を説明するための図。

【図３】従来装置の構成図。

【符号の説明】

１０…レーザ管、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１
３ａ，１３ｂ…分割電極、１４，１６，１８…ピーキン
グコンデンサ、１５，１７，１９…スパークピン、２０
…高反射ミラー、２１…出力ミラー、３０…充電電源、
３１，３２…ダイオード、３３，３５…充放電コンデン
サ、３５，３６…充電用コイル、３７，３８…サイラト
ロン、３９…制御信号源。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ管内に１対の各主放電電極を対向
   配置させ、かつこのレーザ管内にレーザガスを流した状
   態に、前記各主放電電極間に高繰り返しで主放電を発生
   させてパルスレーザ発振を行うガスレーザ発振装置にお
   いて、 前記各主放電電極に対するレーザガスの流速分布に応じ
   て前記各主放電電極の各部位への各放電入力エネルギー
   密度を制御する放電制御手段を備えたことを特徴とする
   ガスレーザ発振装置。
2. 【請求項２】 レーザ管内にレーザ発振光軸に沿って配
   置された複数対の分割電極から成る主放電電極と、前記
   レーザ管内に流れるレーザガスの流速分布に応じて前記
   各対の分割電極に対する各放電入力エネルギー密度を制
   御する放電制御手段とを備えたことを特徴とするガスレ
   ーザ発振装置。
3. 【請求項３】 放電制御手段は、前記主放電電極に対し
   て並列接続された複数のピーキングコンデンサの容量を
   レーザガスの流速分布に応じた値に設定することを特徴
   とする請求項１又は２記載のガスレーザ発振装置。
4. 【請求項４】 放電制御手段は、前記主放電電極に対し
   て並列接続された複数のスパークピンの配置ピッチをレ
   ーザガスの流速分布に応じて設定することを特徴とする
   請求項１又は２記載のガスレーザ発振装置。
5. 【請求項５】 放電制御手段は、前記主放電電極に対す
   る印加電圧をレーザガスの流速分布に応じて制御するこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載のガスレーザ発振装
   置。