JPH077163U

JPH077163U - レーザ発振器

Info

Publication number: JPH077163U
Application number: JP4052193U
Authority: JP
Inventors: 靖宣枝広
Original assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Current assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ管の温度を、できるだけ低くし、かつ
安定させる。【構成】ガラス製のレーザ管１の両端部に、反射ミラ
ー２および出力ミラー３を設ける。レーザ管１内に、Ｃ
Ｏ₂ を含む混合ガスを流し、陽電極４と陰電極６との間
に高電圧を加える。すると、レーザ光が出力ミラー３か
ら放出される。レーザ管１の外周部に、吸熱部材１６，
１７を取付ける。吸熱部材１６，１７の外面に、ペルチ
ェ効果を利用した電子冷凍素子１９を取付ける。電子冷
凍素子１９の外面に放熱部材２０，２１を取付ける。電
子冷凍素子１９への給電電流を制御してレーザ管１を冷
却する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はレーザ発振器に係り、特にＣＯ₂ レーザ発振器におけるレーザ管の冷却構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、ＣＯ₂ を含む混合ガスをレーザ媒質として用いる同軸型のレーザ発振器においては、高出力化を図るため、レーザ管の管壁を冷却するようしており、従来この冷却方法としては、レーザ管の外周部にウォータジャケットを設け、このウォータジャケット内を流れる水により冷却する水冷式を採用している。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

前記従来のレーザ発振器においては、水を用いてレーザ管を冷却するようにしているため、冷却効率が悪いとともに、恒温制御が容易でなく、安定した高い出力が得られないという問題がある。

【０００４】これを解決する方法としては、低温水を大量に流してレーザ管を冷却することが考えられるが、この場合には、装置が複雑，大型となってコスト高となるとともに、ウォータジャケットの外面に結露が生じ、安定した放電が得られなくなるという問題がある。

【０００５】本考案は、かかる現況に鑑みなされたもので、レーザ管を効率よくしかも安定して冷却することができるとともに、装置構成を簡素化して小型化を図ることができ、また結露の発生を防止することができるレーザ発振器を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

本考案は、前記目的を達成する手段として、内部に放電部が形成されたレーザ管の両端部に、反射ミラーおよび出力ミラーをそれぞれ配置し、レーザ管内のレーザガス媒質を、放電により励起してレーザ出力を得るレーザ発振器において、前記レーザ管の外周部に、ペルチェ効果を利用した電子冷凍素子を任意数配置してレーザ管を冷却するようにしたことを特徴とする。

【０００７】そして、本考案においては、レーザ管が、円筒状をなすガラス管で形成されている場合には、電子冷凍素子を、レーザ管の外周面を覆う吸熱部材の外面平坦部に装着することが好ましい。

【０００８】また、レーザ管が、角筒状をなす金属製のハウジング内に導波型の放電部を設けて形成されている場合には、電子冷凍素子を、前記ハウジングの外面に装着することが好ましい。

【０００９】さらに、電子冷凍素子の外面側には、放熱部材を設けることがより好ましい。

【００１０】

【作用】

本考案に係るレーザ発振器においては、レーザ管が、その外周部に配置された電子冷凍素子により冷却される。この電子冷凍素子は、小型で取付けも容易であるので、装置構成を簡素化して小型にでき、しかも給電電流の制御により、冷却能力を高精度に制御できるので、低温冷却および恒温制御が容易となる。また、構造上結露の発生を防止して放電を安定させることが可能となる。

【００１１】そして、本考案において、レーザ管が円筒状をなすガラス管で形成されている場合に、電子冷凍素子を、レーザ管の外周面を覆う吸熱部材の外面平坦部に装着することにより、電子冷凍素子の配置状態に左右されることなく、レーザ管の外周面を均一に冷却することが可能となり、また吸熱部材により、レーザ管を外力から保護することが可能となる。

【００１２】また、レーザ管が、角筒状をなす金属製ハウジング内に導波型の放電部を設けて形成されている場合に、電子冷凍素子を、前記ハウジングの外面に装着することにより、ハウジングを吸熱部材として利用して装置構成の簡素化を図ることが可能となる。

【００１３】さらに，電子冷凍素子の外面側に放熱部材を設けることにより、放熱効率を向上させて冷却性能を安定させることが可能となる。

【００１４】

【実施例】

以下、本考案を図面を参照して説明する。図１は、本考案の第１実施例に係るレーザ発振器を示すもので、図中、符号１は円筒状のガラス管で形成されたレーザ管であり、このレーザ管１の一端部には、例えばステンレス綱や銅の研磨面に金を蒸着して形成される反射ミラー２が配設されているとともに、レーザ管１の他端部には、例えばセレン化亜鉛製の出力ミラー３が配設されている。

【００１５】前記レーザ管１にはまた、図１に示すように、出力ミラー３寄りの位置に、放電用の陽電極４を内蔵するガス導入管５が接続されているとともに、反射ミラー２寄りの位置に、放電用の陰電極６を内蔵するガス排出管７が接続されており、前記両電極４，６は、放電を持続するために必要な安定抵抗８を介して電源９に接続されている。そして、この電源９からの給電により、レーザ管１内に放電部が形成されるようになっている。

【００１６】前記ガス導入管５には、図１に示すように、流量計１０を有する流量コントローラ１１を介しボンベ１２が接続されており、また前記ガス排出管７には、気圧計１３を介しポンプ１４が接続されている。

【００１７】前記ボンベ１２には、例えばＣＯ₂ を５〜８％程度含むＣＯ₂ ，Ｎ₂ ，Ｈｅの混合ガスが充填されており、この混合ガスは、前記流量コントローラ１１およびポンプ１４の制御により、予め定められた最適流量でレーザ管１内を定速で流れるようになっている。そして使用済のガスは、ポンプ１４により大気放出されるようになっている。なお、この使用済のガスを再生し、再使用するようにしてもよい。

【００１８】一方、前記レーザ管の１の外周部には、図１および図２に示すように、レーザ管１の壁面を冷却するための冷却装置１５が設けられている。

【００１９】この冷却装置１５は、図１および図２に示すように、レーザ管１を上下に挾持して内包する一対の吸熱部材１６，１７を備えている。これら両吸熱部材１６，１７は、例えばアルミニウム等の熱伝導の良好な四角柱状の素材を二つ割りにして形成されており、その突合わせ部には、レーザ管１を内包するための円弧溝１８が設けられ、この円弧溝１８とレーザ管１との間には、図示しない充填剤が注入されて両者の密着性が確保されている。

【００２０】これら各吸熱部材１６，１７の上面および下面には、図１および図２に示すように、ペルチェ効果を利用した任意数の電子冷凍素子１９がそれぞれ配設されており、吸熱部材１６の電子冷凍素子１９の上面側および吸熱部材１７の電子冷凍素子１９の下面側には、例えばアルミニウム製等の放熱部材２０，２１がそれぞれ配置され、放熱効率の向上が図られている。

【００２１】前記各電子冷凍素子１９は、例えばＢｉ₂ Ｔｅ₃ 等を用いたｐ型半導体とｎ型半導体とを交互に接続して構成されており、電流がｎ型半導体からｐ型半導体に向かって流れる側で吸熱効果が、また電流がｐ型半導体からｎ型半導体に向かって流れる側で発熱効果がそれぞれ得られるようになっている。

【００２２】次に、本実施例の作用について説明する。レーザ管１内に、ＣＯ₂ ，Ｎ₂ ，Ｈｅの混合ガスを流した状態で、陽電極４と陰電極６との間に電圧を加えると、電子が飛出して、混合ガス中のＮ₂ 分子が放電により励起される。そして、基底状態にあるＣＯ₂ 分子に衝突してそのエネルギをすべてＣＯ₂ 分子に与え、ＣＯ₂ 分子は（００１）のエネルギ準位に励起される。

【００２３】（００１）のエネルギ準位にあるＣＯ₂ 分子は、光子（１０．６μｍ）を放出して（１００）準位に移り、さらに低いエネルギ準位（０１０）に移る。Ｈｅガスは、この（０１０）から元の（０００）の基底準位に落ち易くするために混入されている。

【００２４】このようにして生まれた１０．６μｍの光は、反射ミラー２，出力ミラー３の方向に向かったものだけが生き残るが、生き残った光が両ミラー２，３間を往復しながら他のＣＯ₂ 分子に近付くと、その分子から光子を誘い出す。そして、これが繰り返されるに従って光子が増加し、やがてレーザ光となって出力ミラー３から外部に放出される。

【００２５】ところで、ＣＯ₂ レーザの出力は、下位レベルの（１００）や（０１０）レベルの分子を、冷却により（０００）レベルに下げることによって増大するため、レーザ管１の壁面を冷却する必要がある。これは、レーザ管１を効率よく冷却できれば、レーザ出力を増大させることができ、またレーザ管１の温度を安定させることができれば、レーザ出力を安定させることができることを意味している。そこで本実施例においては、冷却装置１５を用いてレーザ管１を冷却するようにしている。

【００２６】すなわち、各電子冷凍素子１９に通電すると、その吸熱作用により吸熱部材１６，１７が冷却され、吸熱部材１６，１７を介してレーザ管１が冷却される。一方、各電子冷凍素子１９から発生した熱は、各放熱部材２０，２１を介して効率よく大気に放出され、結果として吸熱効率の向上が図られる。

【００２７】ところで、各電子冷凍素子１９は、各吸熱部材１６，１７の外周面に均等に配置されている訳ではないが、両吸熱部材１６，１７が熱伝導の良好な素材で形成されているので、両吸熱部材１６，１７の少なくとも円弧溝１８側の部分は、各所ほぼ同一の温度となる。このため、レーザ管１の壁面を均一に冷却することができる。また、電子冷凍素子１９は、給電電流の調整により冷却能力を制御できるので、低温冷却および恒温制御が容易である。このため、レーザ出力を増大させることができるとともに、レーザ出力を安定させることができる。また、冷却装置１５は構造が簡単で、複雑なガラス細工が不要であるので、製作が容易であるとともに、小型，軽量化を図ることができる。さらに、電子冷凍素子１９は、その構造上結露の発生を防止することができるので、放電を安定させることができる。

【００２８】本考案者等は、図１に示すレーザ発振器と水冷式の従来のレーザ発振器とを用い、放電電流に対するレーザパワーの変化を測定した。なお、混合ガスとしては、ＣＯ₂ ５．２９％，Ｎ₂ １６．８％，Ｈｅ７７．９１％の混合ガスを用い、その圧力は３０Ｔｏｒｒとした。

【００２９】図３は、その結果を示すもので、図中、グラフＡは本考案の場合を示し、またグラフＢは水冷式の従来の場合を示している。図３からも明らかなように、電子冷凍方式を採る本考案の方が、レーザパワーを大幅に増大させることができることが判る。これは、水冷式の場合には、結露等の問題で水温を１５〜２５℃程度までしか冷却できないのに対し、電子冷凍方式の場合には、２〜５℃程度まで冷却できるためであると考えられる。

【００３０】図４は、本考案の第２実施例を示すもので、前記吸熱部材１６，１７および両放熱部材２０，２１を、レーザ管１の軸方向に例えば３組のブロック１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃに分割し、各組のブロック１６ａ，１７ａ，２０ａ，２１ａ、１６ｂ，１７ｂ，２０ｂ，２１ｂ、１６ｃ，１７ｃ，２０ｃ，２１ｃに対応する３組の電子冷凍素子１９ａ，１９ｂ，１９ｃの給電電流を、相互に独立して制御するようにしたものである。なお、その他の点については、前記第１実施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００３１】しかして、３組の電子冷凍素子１９ａ，１９ｂ，１９ｃを相互に独立して制御することにより、レーザ管１の軸方向に温度勾配がある場合でも、これに合わせて冷却能力を制御することができ、レーザ管１をより均一温度に維持することができる。

【００３２】なお、前記両実施例においては、いずれも吸熱部材１６，１７が角筒状をなす場合について説明したが、少なくとも電子冷凍素子１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃが装着される部分が平坦面で充分な密着性が得られれば、吸熱部材１６，１７は、例えば円筒状をなしていてもよい。

【００３３】図５は、本考案の第３実施例を示すもので、ＲＦ励起の放電方式を採るレーザ管に適用したものである。すなわち、このレーザ管３１は、図５に示すように、アルミニウム等の金属材料を用いて角筒状に形成されたハウジング３２を備えており、このハウジング３２内には、図中上下に対向する一対のＲＦ電極３３，３４および図中左右に対向する一対のグランドスペーサ３５，３６がそれぞれ配置され、ＲＦ電極３３，３４およびグランドスペーサ３５，３６の内端で囲まれた部分には、導波型の放電部３７が形成されている。

【００３４】前記両ＲＦ電極３３，３４は、図５に示すように、ＲＦ共振器コイル３８を介して接続されており、また前記各グランドスペーサ３５，３６の外側部分には、ガスバラスト部３９が形成され、さらに前記ハウジング３２には、ＲＦフィールドスルーおよびガスフィルポート４０が設けられている。そして、このレーザ管３１は、ハウジング３２を吸熱部材とする冷却装置４１により冷却されるようになっている。

【００３５】すなわち、この冷却装置４１は、図５に示すようにハウジング３２の外面に直接配設された任意数の電子冷凍素子４２と、電子冷凍素子４２の外面側に配設された放熱部材４３とから構成されており、ハウジング３２を吸熱部材として利用してレーザ管１を冷却できるようになっている。なお、その他の点については、前記第１実施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００３６】しかして、ハウジング３２を冷却装置４１の吸熱部材として利用しているので、装置構成を簡素化して小型，軽量化を図ることができる。

【００３７】なお、前記各実施例においては、レーザ管１内にガスを流す方式のレーザ発振器を例に採って説明したが、レーザ管１内にガスを封入する方式のレーザ発振器にも適用できる。また、ＣＯ₂ レーザに限らず、Ｈｅ−Ｎｅレーザやアルゴンガスレーザ等の他の希ガスレーザにも同様に適用でき、また金属イオンレーザにも適用することができる。

【００３８】

【考案の効果】

以上説明したように本考案は、レーザ管を、ペルチェ効果を利用した電子冷凍素子で冷却するようにしているので、装置構成を簡素化して装置の小型，軽量化を図ることができる。また、給電電流の制御により、冷却能力を高精度に制御できるので、低温冷却および恒温制御が容易となり、レーザ出力の増大およびその安定化を図ることができる。また、構造上結露の発生を防止できるので、放電を安定させることができる。

【００３９】そして、本考案において、レーザ管が円筒状をなすガラス管で形成されている場合に、電子冷凍素子を、レーザ管の外周面を覆う吸熱部材の外面平坦部に装着することにより、電子冷凍素子の配置状態に左右されることなく、レーザ管の外周面を均一に冷却することができ、また吸熱部材により、レーザ管を外力から保護することができる。

【００４０】また、レーザ管が、角筒状をなす金属製ハウジング内に導波型の放電部を設けて形成されている場合に、電子冷凍素子を、前記ハウジングの外面に装着することにより、ハウジングを吸熱部材として利用して装置構成の簡素化を図ることができる。

【００４１】さらに、電子冷凍素子の外面側に放熱部材を設けることにより、放熱効率を向上させて冷却性能を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１実施例に係るレーザ発振器を示す
全体構成図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】電子冷凍素子を用いた場合の冷却効果を従来の
水冷式の場合と比較して示すグラフである。

【図４】本考案の第２実施例に係るレーザ発振器を示す
図１相当図である。

【図５】本考案の第３実施例に係るレーザ発振器を示す
図２相当図である。

【符号の説明】

１，３１レーザ管２反射ミラー３出力ミラー４陽電極５ガス導入管６陰電極７ガス排出管１５，４１冷却装置１６，１７吸熱部材１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，２
０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃブロ
ック１８円弧溝１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，４２電子冷凍素子２０，２１，４３放熱部材３２ハウジング３３，３４ＲＦ電極３５，３６グランドスペーサ３７放電部３８ＲＦ共振器コイル

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】内部に放電部が形成されたレーザ管の両
端部に、反射ミラーおよび出力ミラーをそれぞれ配置
し、レーザ管内のレーザガス媒質を、放電により励起し
てレーザ出力を得るレーザ発振器において、前記レーザ
管の外周部に、ペルチェ効果を利用した電子冷凍素子を
任意数配置してレーザ管を冷却することを特徴とするレ
ーザ発振器。
【請求項２】レーザ管は、円筒状をなすガラス管で形
成され、電子冷凍素子は、レーザ管の外周面を覆う吸熱
部材の外面平坦部に装着されていることを特徴とする請
求項１記載のレーザ発振器。
【請求項３】レーザ管は、角筒状をなす金属製のハウ
ジング内に導波型の放電部を設けて形成され、電子冷凍
素子は、前記ハウジングの外面に装着されていることを
特徴とする請求項１記載のレーザ発振器。
【請求項４】電子冷凍素子は、その外面側に放熱部材
を有していることを特徴とする請求項１，２または３記
載のレーザ発振器。