JPH0736458B2 - レ−ザ発振装置 - Google Patents

レ−ザ発振装置

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JPH0736458B2
JPH0736458B2 JP62107825A JP10782587A JPH0736458B2 JP H0736458 B2 JPH0736458 B2 JP H0736458B2 JP 62107825 A JP62107825 A JP 62107825A JP 10782587 A JP10782587 A JP 10782587A JP H0736458 B2 JPH0736458 B2 JP H0736458B2
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規夫 軽部
明 江川
悦雄 山崎
信明 家久
三男 真鍋
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フアナツク株式会社
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0975Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser using inductive or capacitive excitation

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属などの切断加工用大出力用のレーザ発振装
置に関する。より詳細には安定した高周波放電励起ので
きるレーザ発振装置に関する。
〔従来の技術〕
高周波励起軸流CO2レーザは高出力でかつ安定した発振
が可能であり、開発がすすめられており、出願人は特願
昭61-243212号を出願している。
従来の軸流型高周波放電励起レーザ発振装置の例を第10
図に示す。図において、1は放電管であり、図では4本
で構成した例を示しているが、出力に応じて種々の本数
が使用される。2は全反射鏡、3は出力結合鏡であり、
2個の鏡は正確に位置が決められている。4はレーザ光
を示す。放電管の各セグメントにはガスの出入口が設け
られており、それは1台のルーツブローワ7に結合され
ている。5及び6は冷却機であり、放電で発熱したレー
ザガスを冷却する。放電管及びガス送風管内のガス流の
方向は矢印で示してある。8a、8b〜11a、11bは電極であ
り、それぞれの高周波電源12、13、14及び15に接続され
ている。放電管1内のガス流は約100m/秒であり、高周
波電源12〜15からの高周波電圧によって放電が行われ、
レーザビームが発振増幅される。
従来の高周波電源の原理図を第11図に示す。図におい
て、16はDC電源である。17は高周波(RF)電源である。
DC電源16のDC出力は高周波電源17に出力される。高周波
電源17は4個のFET18〜21で構成されるブランチ回路、
昇圧トランス22、インピーダンス整合回路23で構成され
ている。その出力は放電管1に電極8a1、8a2を介して結
合されている。24はCTコイルであり、放電管1の電流を
検出する。25は電流帰還ラインであり、電流を帰還し放
電管1への電流が一定になるように制御している。
このような高周波励起レーザは通常のDC励起レーザに比
較して、 (i) 無電極放電のため電極材料変化にまつわる問題
がない。
(ii) バラスト抵抗が不要である。
(iii) 陰極降下がなく高エネルギー効率が得られ
る。
(iv) 低電圧動作が可能であり、オペレータにたいし
て安全である。
(v) CO2分子の解離率が低くランニングコストが低
い。
(vi) パルス特性が優れている。
(vii) 装置形状が小型にできる。
(viii) 周波数を充分高くすることにより、電子捕捉
現像が利用できる。
(ix) 放電材料の選択の自由度が高い。
等の数数の長所を有する。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、このような高周波レーザ発振装置ではプラズマ
結合にもとずく放電開始前後の電流及び電圧の振動現象
がある。第11図で示す構成で放電管1の放電電流のフィ
ードバック制御を行うとき、1〜10Hz程度の振動現象が
起きる。この結果、DC電源16に各種のアラームを発生し
たり、FET18〜21等が破壊する等の問題点があった。
本発明の目的は上記問題点を解決し、このような振動現
象によってDC電源にアラームを発生したり、FET等の素
子の破壊することのない高周波レーザ発振装置を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の問題点を解決するために、 第1の発明では、誘電体からなる複数の放電管に高周波
電圧を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わ
せるレーザ発振装置において、直流電源を高周波電源出
力に変換する高周波電源と、管内放電電流及び相互電流
を含む放電電流を検出できる位置に設置された電流検出
器と、前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源
の出力電流を帰還制御する出力電流制御手段と、を有す
ることを特徴とするレーザ発振装置が、提供される。
また、第2の発明では、誘電体からなる複数の放電管に
高周波電圧を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起
を行わせるレーザ発振装置において、直流電源を高周波
電源出力に変換する高周波電源と、前記各高周波電源を
駆動する共通信号源と、管内放電電流及び相互電流を含
む放電電流を検出できる位置に設置された電流検出器
と、前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源の
出力電流を帰還制御する出力電流制御手段と、を有する
ことを特徴とするレーザ発振装置が提供される。
さらに、第3の発明では、誘導体からなる複数の放電管
に高周波電圧を印加して高周波放電を行わせレーザ励起
を行わせるレーザ発振装置において、直流電源を高周波
電源出力に変換する高周波電源と、前記各高周波電源を
駆動する周波数の異なる信号源と、管内放電電流及び相
互電流を含む放電電流を検出できる位置に設置された電
流検出器と、前記放電電流の高周波成分を除去し、高周
波除去放電電流信号を出力するローパスフィルタと、前
記高周波除去放電電流信号を帰還信号として、前記高周
波電源の出力電流を帰還制御する出力電流制御手段と、
を有することを特徴とするレーザ発振装置が、提供され
る。
また、第4の発明では、誘電体からなる複数の放電管に
高周波電圧を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起
を行わせるレーザ発振装置において、直流電源を高周波
電源出力に変換する並列接続された高周波電源と、管内
放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる位置
に設置された電流検出器と、前記放電電流を帰還信号と
して、前記高周波電源の出力電流を帰還制御する出力電
流制御手段と、を有することを特徴とするレーザ発振装
置が、提供される。
さらに、第5の発明では、誘電体からなる複数の放電管
に高周波電圧を印加して高周波放電を行わせてレーザ励
起を行わせるレーザ発振装置において、直流電源を高周
波電源出力に変換する高周波電源と、管内放電電流及び
相互電流を含む放電電流を検出できる位置に設置された
電流検出器と、前記放電管の中間に設けられ、相互電流
を流すためにアースされた補助電極と、前記放電電流を
帰還信号として、前記高周波電源の出力電流を帰還制御
する出力電流制御手段と、を有することを特徴とするレ
ーザ発振装置が、提供される。
〔作用〕
上記の問題点は、各電極間の相互電流に起因する。簡単
のために2組の電極の場合について説明する。第2図に
電極間の電流を説明するための図を示す。1は放電管で
あり、それぞれ、電極8a1、8a2及び8b1、8b2の電極に高
周波電源26a及び26bから高周波電圧が印加される。ここ
で、 高周波電源26aの周波数がf1、電圧をe1位相をφ1、 高周波電源26bの周波数をf2、電圧をe2位相をφ2とす
る。図中ロゴスキーコイル(電流検出器)の位置として
CT1、CT2、CT3の3つの場合を考える。以下にこの3つ
のコイルの電流について述べる。放電管1の放電電流に
は次の3種類がある。
管内放電電流=Id 相互電流(管間結合電流)=Is 電流損失電流=Ir ここで、管内放電電流Idは放電電極8a1、8a2間のインピ
ーダンスをZとすると Id=e1/Z である。
相互電流(管間結合電流)Isは放電管の放電電極を装備
していない隣接する電極間で流れる電流であり、特にガ
スの下流で電離されたイオンが残存するので高周波で変
位電流として流れる。電極8a1および8b1の間のインピー
ダンスをzとすると、zは放電の不安定性にもとずき所
謂グロー放電からアーク放電に移行すると突然減少を示
すなどIsは制御が困難である。また、Isはe1、e2間の位
相差によっても変化する。
損失電流Irはここでは電源内部からアースに流失する電
流であり、アース点から回路に帰還し、一般に温度によ
って大きく左右される。
以上から各CTの電流を求めると以下のようになる。
〔CT1の電流I1〕 I1=Id+Is(e1とe2が同位相) I1=Id+3Is(e1とe2が逆位相) 一般的には、 I1=Id+{2−sin2π(f1−f2)t}Is =e/Z+e{2−sin2π(f1−f2)t}/Z 〔CT2の電流I2〕 I2=Id+Is(e1とe2が同位相) I2=Id (e1とe2が逆位相) 一般的には、 I1=Id+Is{1−sin2π(f1−f2)t}/2 =e/Z+e{1−sin2π(f1−f2)t}/2z(CT3の電
流I3〕 I3=I1+Ir これを、図に表すと第3図が得られる。図において、横
軸は電圧e1、e2の位相差、縦軸は各電流の値を示す。各
曲線はI1、I2、I3の値を示す。但し、I3は温度によって
変動するので図では帯状に示されている。
〔第1の発明の作用〕 第3図からI2の電流はe1とe2が同位相のときは最大値
(Id+Is)をとるが逆位相(位相差がπ)のとき最低値
(Id=I−Is)をとる。ここでIは電源から供給される
全電流である。前述したように、Isはアーク放電になる
ことがあり、このとき放電管間のインピーダンスzは著
しく減少するのでIsは全電流Iのかなりの部分をしめる
こととなり、Idは急激に減少する。この結果フィードバ
ック作用により高周波電源26aの電流が急激に増加し、
第11図に示すFET18〜21が破壊する等の現象が生じる。
従って、フィードバック電流としてI1(CT1)またはI3
(CT3)を使用すればよい。
但し、I1(CT1)を検出電流として使用するときは、CT1
は高電圧側にあるので、これに使用するロゴスキーコイ
ルは高電圧に耐えるものでなければならない。
〔第2の発明の作用〕 次に放電開始前は電圧の、開始後は電流の振動現象があ
る。前者は規定電圧を容易に超えることから電源の各種
アラームを発生させ装置を停止させたり、最悪時にはFE
T等を破壊する。後者はレーザ出力の不安定性の原因と
なる。これはどの電流をフィードバック電流としてもお
こるが、I1(CT1)を使用して述べる。
I1=Id(t)+Is{2−sin2π(f1−f2)t} であるが、フィードバック時にはI1(CT1)が一定値K
に維持されるのでId(t)は、 Id(t)=K−Is{2−sin2π(f1−f2)t} となって(f1−f2)の周期で変動する。使用している駆
動信号源の水晶発振器の精度は6桁程度であるので、
(f1−f2)の周期は1〜10Hz程度となる。放電開始前の
振動も略同様である。
従って、各電に印加される電圧の位相を同一にすること
により、振動を除去する。
〔第3の発明の作用〕 第2の発明と逆に各電源の周波数を大幅に異ならすこと
により、帰還電流信号AC成分をローパスフィルタで除去
することにより、振動分を除去する。
〔第4の発明の作用〕 放電管を共通の並列結合電源で駆動することにより、振
動を除去する。
〔第5の発明の作用〕 放電管の中間に電極を設け、相互電流の影響を除去す
る。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
〔第1実施例〕 第1図に第1の実施例の回路図を示す。図において、26
a及び26bは高周波電源、22a及び22bは昇圧トランス、23
a及び23bはインピーダンス整合回路、1は放電管であ
り、CT1a、CT1b、CT2a、CT2b、CT3a、CT3bはそれぞれ電
流検出器(ロゴスキーコイル)である。図から明らかな
ように、左右は同一の回路を構成しているので、左側の
回路で説明する。
ここで、〔作用〕の所で説明したように、CT1a又はCT3a
の検出電流を帰還電流として使用することにより、電極
管(8a1、8a2と8b1、8b2)との結合電流による電流暴走
を避けることができる。CT1aとCT3aのいずれを使用する
かは一長一短がある。CT1aを使用すれば電源損失電流Ir
(アース電流)の影響を受けないが、電圧が高い。逆
に、CT3aを使用すれば電源損失電流Irの影響を受ける
が、電圧は低く電流検出器として低電圧のものを使用で
きる。
〔第2実施例〕 第4図に第2実施例の回路図を示す。第1図と同一の構
成要素には同一の信号が付けられており、その説明は省
略する。本実施例では高周波電源26a及び26bを同一の信
号源(同一クロック)33で駆動すれば位相差による電極
間の影響による電圧及び電圧の不安定を解決することが
できる。信号源33は1個の水晶発振器を有し、この1個
の信号源によって高周波電源26a及び26bを駆動する。但
し、電極の数が増加するとフィードバック信号ライン34
a及び34bが長くなり、ノイズ対策を充分に施すことが必
要である。
〔第3実施例〕 第5図に第3実施例の回路図を示す。第1図及び第4図
と同一の構成要素には同一の符号が付けてあり、その説
明は省略する。図において16はCD電源であり、35はロー
パスフィルタである。この実施例では第2の実施例と逆
に各電源毎に駆動周波数を異ならせることであり、例え
ばf1=2MHz、f2=2.1MHzとすれば、このときI1(CT1)
の電流は、 I1=Id+2Is+AC(100KHz) となり、直流分とAC成分の和になる。これを、10KHzを
カットオフ周波数とするローパスフィルタを使用すれば
AC成分は除去されDC成分のみが残り、安定な電流制御が
可能となる。
同様に第1図のCT2、CT3の位置に電流検出器を設置した
場合の電流は、I2=Id+Is/2+AC(100KHz) I3=Id+
2Is+Ir+AC(100KHz)となり、どの位置に電流検出器
をおいても安定な電流制御を行うことができる。
〔第4実施例〕 第6図に第4の実施例の部分構成図を示す。図におい
て、第2図と同一の要素には同一の符号が付してあり、
その説明は省略する。ここでは高周波電源26を1個にし
て、1個の高周波電源26で電源を供給している。電極間
はリード線36で結合してある。図では2個の電極が結合
されているが、電源の容量、出力ワット数に応じて適宜
組合せ個数を選択することができる。
第7図にさらに4個の高周波電源26a〜26dを並列に接続
した例を示す。第4図及び第6図と同一の要素には同一
の符号が付けてあり、同一の部品の3番目及び4番目の
部品にはそれぞれ、c、dのサフィックスが付してあ
る。各電源にはバラスト用のインダクタンスL1〜L4が直
列に結合し、これを並列接続してある。さらに、平滑用
にコンデンサC1とL5が接続されている。
第8図に同一の高周波電源4個を並列に接続した例を示
す。この例では図示さていないが各電源の内部に10〜30
%程度の損失回路を有し、万一いずれかの高周波電源が
破壊してもその影響が他の高周波電源に影響しないよう
に安全を図っている。
〔第5実施例〕 第9図に第5の実施例の構成図を示す。図において、第
2図と同一の要素には同一の符号が付してあり、その説
明は省略する。但し、左側の回路の電流にはサフィック
スaを右側の電流にはサフィックスbを付けて区別して
ある。このサフィックスを取れば作用の個所で述べた電
流と一致する。この実施例では電極8a及び8bの中間に第
3の電極37を設け、これをアースに接続している。図に
示すようにこの電極37によって、相互電流Isa及びIsbが
流れることにより、相互電流によるプラズマ結合を防止
することができる。これは電気的には簡単な方法である
が、Isが電極37が無い場合に比べて増加するので、Isが
アーク放電に移行するのを防ぐために電極37と電極8a及
び8bの距離を放電管両電極管の約2倍程度とる必要があ
る。これは電極37に流入する時は一方の放電管壁による
Cバラストを受けないためである。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明では、電極管の相互電流を含
めた放電電流を帰還信号として高周波電源の出力電流を
制御するように構成したので、相互電流の変動に起因す
るフィードバックループの暴走による各種のアラームの
発生、FET等の半導体部品の破損等を防ぎ安定した電流
制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は第1の実施例の回路図、 第2図は電極相互間の電流の状態を示す図、 第3図は各電流検出器の電流を示す図、 第4図は第2実施例の回路図、 第5図は第3実施例の回路図、 第6図は第4実施例の回路図、 第7図は第4実施例の第1の変形の回路図、 第8図は第4実施例の第2の変形の回路図、 第9図は第5の実施例の構成図、 第10図は従来の軸流型RF放電励起レーザ発振装置の原理
図、 第11図は従来のレーザ励起用高周波電源回路の原理図で
ある。 1……放電管 2……全反射鏡 3……出力結合鏡 4−レーザ光 12〜15……高周波電源 16……DC電源 17……高周波電源 22……出力トランス 23……インピーダンス整合回路 24……電流検出器(ロゴスキーコイル) 26、26a、26b……高周波電源 33……共通信号源 35……ローパスフィルタ 37……共通電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 家久 信明 東京都日野市旭が丘3丁目5番地1 ファ ナック株式会社商品開発研究所内 (72)発明者 真鍋 三男 東京都日野市旭が丘3丁目5番地1 ファ ナック株式会社商品開発研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧
    を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる
    レーザ発振装置において、 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、 管内放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる
    位置に設置された電流検出器と、 前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源の出力
    電流を帰還制御する出力電流制御手段と、 を有することを特徴とするレーザ発振装置。
  2. 【請求項2】前記電流検出器は前記放電管の高圧側に設
    置されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    レーザ発振装置。
  3. 【請求項3】前記電流検出器は前記放電管のアース点と
    低電圧側間に設置されたことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載のレーザ発振装置。
  4. 【請求項4】誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧
    を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる
    レーザ発振装置において、 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、 前記各高周波電源を駆動する共通信号源と、 管内放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる
    位置に設置された電流検出器と、 前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源の出力
    電流を帰還制御する出力電流制御手段と、 を有することを特徴とするレーザ発振装置。
  5. 【請求項5】誘導体からなる複数の放電管に高周波電圧
    を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる
    レーザ発振装置において、 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、 前記各高周波電源を駆動する周波数の異なる信号源と、 管内放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる
    位置に設置された電流検出器と、 前記放電電流の高周波成分を除去し、高周波除去放電電
    流信号を出力するローパスフィルタと、 前記高周波除去放電電流信号を帰還信号として、前記高
    周波電源の出力電流を帰還制御する出力電流制御手段
    と、 有することを特徴とするレーザ発振装置。
  6. 【請求項6】誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧
    を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる
    レーザ発振装置において、 直流電源を高周波電源出力に変換する並列接続された高
    周波電源と、 管内放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる
    位置に設置された電流検出器と、 前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源の出力
    電流を帰還制御する出力電流制御手段と、 を有することを特徴とするレーザ発振装置。
  7. 【請求項7】誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧
    を印加して高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる
    レーザ発振装置において、 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、 管内放電電流及び相互電流を含む放電電流を検出できる
    位置に設置された電流検出器と、 前記放電管の中間に設けられ、相互電流を流すためにア
    ースされた補助電極と、 前記放電電流を帰還信号として、前記高周波電源の出力
    電流を帰還制御する出力電流制御手段と、 を有することを特徴とするレーザ発振装置。
JP62107825A 1987-04-30 1987-04-30 レ−ザ発振装置 Expired - Lifetime JPH0736458B2 (ja)

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EP88903939A EP0315691B1 (en) 1987-04-30 1988-04-28 Laser oszillator
DE8888903939T DE3879624T2 (de) 1987-04-30 1988-04-28 Laser oszillator.
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