JPH08116113A

JPH08116113A - レーザ共振器

Info

Publication number: JPH08116113A
Application number: JP24789994A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Murakami; 孝文村上; Mitsuo Manabe; 三男真鍋; Yasuyuki Morita; 泰之森田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1996-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】ガス出力側での温度上昇が、全体のアライメ
ントに影響を及ぼさないレーザ共振器を提供する。【構成】放電管２１〜２４を格納する筐体は、ロッド
７１、７２と、そのロッド７１、７２の両端を固定する
エンドプレート４１、４２で構成される。ガス出口側放
電管ホルダ６３、６４は、ロッド７２に固定され、放電
管２１〜２４の一端を支持するとともに、強制冷却機構
を有する。ガス分岐ブロック６５は、ガス出口側放電管
ホルダ６１、６２に対して摺動可能な状態で隣接して設
けられ、レーザガス流出口９３を有する。これにより、
ガス分岐ブロック６５を強制冷却することができ、且つ
ガス分岐ブロック６５が高温になっても良好なアライメ
ントが保たれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は放電管内のレーザガスを
励起してレーザ光を発生するレーザ共振器に関し、特に
高温部の強制冷却機構を有するレーザ共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガスレーザ等のガスレーザ装置は、
高いエネルギー効率で高出力を得ることができる。この
ようなガスレーザは、ビーム特性も良いため、数値制御
装置で制御することにより、複雑な形状を高速に加工す
ることができる。そのため、加工装置として広く利用さ
れている。

【０００３】図７は従来のレーザ共振器を示す図であ
る。レーザ共振器１００において、放電管１２１〜１２
４を格納する筐体は、２本のロッド１７１、１７２と、
その両端を固定するエンドプレート１４１、１４２で構
成されている。ロッド１７１、１７２は、線膨張係数の
小さい材料で作られている。２本のロッド１７１、１７
２は、ロッドクランプ１８１、１８２によって互いに固
定されている。

【０００４】エンドプレート１４１、１４２には、ガス
入口側放電管ホルダ１３１、１３２が固定されている。
ガス入口側放電管ホルダ１３１、１３２には、レーザガ
ス流入口１９１、１９２が設けられている。さらに、ガ
ス入口側放電管ホルダ１３１は放電管１２１、１２２の
一端を支持しており、ガス入口側放電管ホルダ１３２は
放電管１２３、１２４の一端を支持している。一方、各
放電管１２１〜１２４の他端は、ガス出口側放電管ホル
ダ１６１で支持されている。

【０００５】ガス出口側放電管ホルダ１６１は、ホルダ
クランプ１６３により、ロッド１７２に固定されてい
る。ホルダクランプ１６３内には、冷却水径路が設けら
れている。この冷却水径路内を冷却水が循環することに
より、ホルダクランプ１６３とともに、ガス出口側放電
管ホルダ１６１も冷やされる。さらに、ガス出口側放電
管ホルダ１６１には、レーザガス流出口１９３が設けら
れている。

【０００６】また、エンドプレート１４１には、全反射
鏡１５１が設けられている。一方、エンドプレート１４
２には、出力鏡１５２が設けられている。これにより、
ファブリペロー型共振器が構成されている。

【０００７】このような構成のレーザ共振器１００に送
り込まれるレーザガスは、放電管１２１〜１２４内をエ
ンドプレート１４１、１４２側からガス出口側放電管ホ
ルダ１６１側に向かって流れている。そして、放電管１
２１〜１２４内では、高周波放電により２００°Ｃ程度
に加熱される。従って、高温となったレーザガスによ
り、流路の下流側に設けられているガス出口側放電管ホ
ルダ１６１も非常に高温になる。

【０００８】放電管ホルダ１６１が加熱されると、熱膨
張が発生する。この熱膨張は、共振器全体のアライメン
トに誤差を生じさせる。アライメントの悪化は、出力ビ
ームのパワーの低下やビームモードも悪化の原因とな
る。この熱膨張をによるアライメントの悪化を防ぐため
に、クランプホルダ１６３内には冷却水路が設けられて
おり、冷却水が冷却水路内を循環することにより強制冷
却が行われる。つまり、放電管ホルダ１６１の熱はクラ
ンプホルダ１９３に伝わり、クランプホルダ１９３内の
冷却水によって冷やされる。

【０００９】なお、放電管ホルダ１６１の熱膨張をより
効率良く行うために、冷却水路を放電管ホルダ１６１内
部に設け、放電管ホルダ１６１を直に強制冷却すること
もできる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガスレーザ装
置をさらに高出力化するには、従来のように冷却水で高
温部を冷やすだけでは、アライメントの悪化を防ぐのに
不十分である。それは、以下のような技術的問題点があ
るためである。

【００１１】レーザ出力をさらに高出力化するには、光
路長を長くすることによる励起領域の拡大、レーザガス
流量の増加、あるいは出力ビーム径の増大化等により実
現できる。

【００１２】例として、励起領域を拡大させるために、
放電管の本数を増加した場合について説明する。放電管
の本数を増加すると、それと同時に放電管ホルダのサイ
ズも大きくしなければならない。放電管ホルダが大きく
なれば、放電管ホルダ全体を均一に冷却することが困難
となり、局所的に熱膨張が発生してしまう。従って、ア
ライメントが悪化する。

【００１３】一方、サイズの増大化により重量も増大す
る。ガス出力側の放電管ホルダはロッドにより支えられ
ているため、重量が増大化すると、支えているロッドに
かかる負荷が増える。これにより、ロッドに微量の歪み
を引き起こし、アライメントを悪化させる。

【００１４】なお、このような放電管ホルダの重量増加
を防ぐために、材料にアルミ鋳物を用いて軽量化するこ
ともできる。ただし、その放電管ホルダに冷却水を循環
させると、アルマイト等の表面処理を施しても、処理が
不十分な場所のピンホール部から腐食が発生する。腐食
が進行すると、錆が水路を塞ぎ、レーザ装置の機能低下
を招く。この問題は、アルミ鋳物の性質上解決が困難で
ある。従って、信頼性の上から、アルミ鋳物を材料とし
た放電管ホルダを強制冷却することはできない。

【００１５】他のレーザ出力の高出力化のための手段と
して、放電管の本数の増加による励起領域の拡大、送風
機のパワーアップや送風機数の増加によるレーザガス流
量の増加、または、ガス循環系の管径アップ等がある
が、いずれも放電管ホルダのサイズ及び重量の増大化を
招いてしまう。そのため、上記の例と同様に、アライメ
ントの悪化を防げないという問題が生じる。

【００１６】このように、ガスレーザ装置の高出力化
は、レーザガス流出口の有する部分での熱膨張を抑える
ことが困難であることが原因となり、レーザ共振器全体
のアライメントを悪化させてしまうという問題点があっ
た。

【００１７】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ガス出力側での温度上昇が、全体のアライメ
ントに影響を及ぼさないレーザ共振器を提供することを
目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、放電管内のレーザガスを励起してレーザ
光を発生するレーザ共振器において、前記放電管を格納
する筐体と、前記筐体に固定され、前記放電管の一端を
支持するとともに、強制冷却機構を有する放電管ホルダ
と、前記放電管ホルダに対して摺動可能な状態で隣接し
て設けられ、レーザガス流出口を有するガス分岐ブロッ
クと、を有することを特徴とするレーザ共振器が提供さ
れる。

【００１９】

【作用】レーザ共振器がレーザ光発振時は、レーザガス
流出口を有するガス分岐ブロックは高温になる。ガス分
岐ブロックの熱は、隣接して設けられている放電管ホル
ダに伝えられ、強制冷却される。一方、高温になったガ
ス分岐ブロックは膨張するが、ガス分岐ブロックと放電
管ホルダの間は摺動性を有しているため、放電管ホルダ
の位置に影響は及ばない。

【００２０】これにより、レーザガスの出口側で強制冷
却が行われ、且つレーザガス流出口付近が高温になって
も良好なアライメントが保たれる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明のレーザ共振器の第１の実施例を示
す図である。レーザ共振器１において、放電管２１〜２
４を格納する筐体は、２本のロッド７１、７２と、その
両端を固定するエンドプレート４１、４２で構成されて
いる。ロッド７１、７２は、線膨張係数の小さい材料で
作られている。２本のロッド７１、７２は、ロッドクラ
ンプ８１、８２によって互いに固定されている。

【００２２】エンドプレート４１、４２には、ガス入口
側放電管ホルダ３１、３２が固定されている。ガス入口
側放電管ホルダ３１、３２には、レーザガス流入口９
１、９２が設けられている。さらに、ガス入口側放電管
ホルダ３１は放電管２１、２２の一端を支持しており、
ガス入口側放電管ホルダ３２は放電管２３、２４の一端
を支持している。一方、放電管２１、２２の他端は、ガ
ス出口側放電管ホルダ６１で支持されており、放電管２
３、２４の他端は、ガス出口側放電管ホルダ６２で支持
されている。

【００２３】ガス出口側放電管ホルダ６１、６２は、そ
れぞれホルダクランプ６３、６４により、ロッド７２に
固定されている。ガス出口側放電管ホルダ６１、６２内
には、冷却水路が設けられている。この冷却水路内を冷
却水が循環することにより、ガス出口側放電管ホルダ６
１、６２が冷やされる。

【００２４】さらに、２つのガス出口側放電管ホルダ６
１、６２の間には、アルミ鋳物で作られたガス分岐ブロ
ック６５が設けられている。ガス分岐ブロック６５は、
ガス出口側放電管ホルダ６１、６２により、互いに滑ら
すことが可能な状態で結合されている。このガス分岐ブ
ロック６５により、放電管２１、２３が直列に接続さ
れ、放電管２２、２４も直列に接続されている。さら
に、ガス分岐ブロック６５には、レーザガス流出口９３
が設けられている。

【００２５】また、エンドプレート４１には、全反射鏡
５１が設けられている。一方、エンドプレート４２に
は、出力鏡５２が設けられている。これにより、ファブ
リペロー型共振器が構成されている。

【００２６】このような構成のレーザ共振器１におい
て、放電管２１〜２４内に送り込まれるべきレーザガス
は、先ずレーザ装置の送風機により圧縮された後、循環
系に送られる。循環系では、熱交換器により圧縮熱を取
り去り、レーザガスを任意の温度まで冷却する。この時
の温度は、ほぼ常温である。このように常に一定の温度
に保たれたレーザガスが、レーザ共振器１のレーザガス
流入口９１、９２から、放電管２１〜２４内部に送り込
まれる。

【００２７】レーザガスは、放電管２１〜２４内をガス
入口側放電管ホルダ３１、３２側からガス出口側放電管
ホルダ６１、６２側へ向かって流れている。そして、放
電管２１〜２４内では、励起用電源から高周波電圧が印
加されている。この高周波電圧により放電が生じて、レ
ーザガスが励起される。この時に、レーザガス分子から
一定波長のレーザ光が放出される。

【００２８】放電管２１〜２４内で発生したレーザ光
は、全反射鏡５１と出力鏡５２との間で共振し増幅され
る。そして、一部のレーザ光が、出力鏡５２から外部に
出力される。

【００２９】一方、レーザガスは、励起された後レーザ
ガス流出口９３から排出される。この時のレーザガス
は、高周波放電により２００°Ｃ程度に加熱されてい
る。従って、高温となったレーザガスにより、流路の下
流側に設けられているガス分岐ブロック６５も加熱され
る。なお、レーザガス流出口９３から排出されたレーザ
ガスは、熱交換器で冷却された後、送風機に戻される。
このようにして、レーザガスは循環を繰り返す。

【００３０】ガス分岐ブロック６５は、レーザガスの流
出口９３が設けられているため、最も高温になるが、ガ
ス出口側放電管ホルダ６１、６２と接して設けられてい
るため、熱をガス出口側放電管ホルダ６１、６２に伝え
ることができる。ガス出口側放電管ホルダ６１、６２は
内部に冷却水が循環しているため、十分に効率よく放熱
することができる。そのため、十分に冷却される。

【００３１】ガス分岐ブロック６５の温度が上昇し熱膨
張が発生した場合、ガス分岐ブロック６５と、ガス出口
側放電管ホルダ６１、６２との間は、摺動性を有してい
るため、ガス出口側放電管ホルダ６１、６２の位置が、
放電管２１〜２４と垂直な方向にずれることはない。な
お、放電管２１〜２４と並行な方向は、放電管２１〜２
４のガス出口側放電管ホルダ６１、６２側のガスシール
用Ｏリングの摺動により、光軸への影響はなく、アライ
メントがずれることはない。

【００３２】このように、ガス分岐ブロック６５が熱膨
張しても、レーザ共振器１全体のアライメントに誤差が
生じることはない。また、ガス分岐ブロック６５はアル
ミ鋳物で作られているため、非常に軽い。ガス分岐ブロ
ック６５を強制冷却する必要がないため、アルミ鋳物で
作っても、腐食する心配がない。従って、アライメント
の精度を上げることが容易となる。

【００３３】なお、冷却水路をホルダクランプ６３、６
４内部に設け、ホルダクランプ６３、６４を強制冷却す
ることもできる。図２はガス出口側放電管ホルダとガス
分岐ブロックとの結合部の第１の例を示す図である。ガ
ス出口側放電管ホルダ６１には、ボルト６６を通す孔６
１１が設けられている。この孔６１１は、ボルト６６の
径より僅かに大きい径を有している。ガス分岐ブロック
６５側にも、ボルト６６を通す孔６５１が設けられてい
る。この孔６５１の径は、孔６１１の径と同じである。
孔６５３は孔６５１の奥にあり、ボルト６６を通す。孔
６５３の径は、ボルト６６と同じである。

【００３４】従って、ガス出口側放電管ホルダ６１側か
ら、孔６５１を通して挿入されたボルト６６は、ガス分
岐ブロック６５には固定されるが、ガス出口側放電管ホ
ルダ６１に対しては、ガス分岐ブロック６５の方向に押
しつけるのみである。これにより、ガス出口側放電管ホ
ルダ６１とガス分岐ブロック６５とは、孔６１１の遊び
の分だけ摺動可能となる。

【００３５】図３はガス出口側放電管ホルダとガス分岐
ブロックとの結合部の第２の例を示す図である。ガス出
口側放電管ホルダ６１０には、ボルト６７を通す孔６１
２が設けられている。この孔６１２は、ボルト６７の径
より僅かに大きい径を有している。ガス分岐ブロック６
５０側にも、ボルト６７を通す孔６５２が設けられてい
る。この孔６５２の径は、ボルト６７の径と同じであ
る。

【００３６】そして、ボルト６７は、溝なしボールベア
リング６８とワッシャ６９を挟んで、ガス出口側放電管
ホルダ６１０の孔６１２に挿入され、ガス分岐ブロック
６５０の孔６５２に固定されている。

【００３７】このように、溝なしボールベアリング６８
とワッシャ６９を挟むことにより、ガス出口側放電管ホ
ルダ６１０とガス分岐ブロック６５０との摺動性がよく
なる。

【００３８】図４は本発明のレーザ共振器の第２の実施
例を示す図である。レーザ共振器１において、放電管２
１ａ〜２４ａを格納する筐体は、２本のロッド７１ａ、
７２ａと、その両端を固定するエンドプレート４１ａ、
４２ａで構成されている。ロッド７１ａ、７２ａは、線
膨張係数の小さい材料で作られている。

【００３９】エンドプレート４１ａ、４２ａには、ガス
入口側放電管ホルダ３１ａ、３２ａが固定されている。
ガス入口側放電管ホルダ３１ａ、３２ａには、レーザガ
ス流入口９１ａ、９２ａが設けられている。さらに、ガ
ス入口側放電管ホルダ３１ａは放電管２１ａ、２２ａの
一端を支持しており、ガス入口側放電管ホルダ３２ａは
放電管２３ａ、２４ａの一端を支持している。一方、放
電管２１ａ、２２ａの他端は、ガス出口側放電管ホルダ
６１ａで支持されており、放電管２３ａ、２４ａの他端
は、ガス出口側放電管ホルダ６２ａで支持されている。

【００４０】ガス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２ａ
は、それぞれホルダクランプ６３ａ、６４ａにより、ロ
ッド７２ａに固定されているとともに、ロッドクランプ
８１ａ、８２ａによりロッド７１ａに固定されている。
ガス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２ａ内には、冷却水
路が設けられている。この冷却水路内を冷却水が循環す
ることにより、ガス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２ａ
が冷やされる。

【００４１】さらに、２つのガス出口側放電管ホルダ６
１ａ、６２ａの間には、アルミ鋳物で作られたガス分岐
ブロック６５ａが設けられている。ガス分岐ブロック６
５ａは、ガス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２ａによ
り、互いに滑らすことが可能な状態で保持されている。
また、このガス分岐ブロック６５ａにより、放電管２１
ａ、２３ａが直列に接続されているとともに、放電管２
２ａ、２４ａも直列に接続されている。さらに、ガス分
岐ブロック６５ａには、レーザガス流出口９３ａが設け
られている。

【００４２】また、エンドプレート４１ａには、全反射
鏡５１ａが設けられている。一方、エンドプレート４２
ａには、出力鏡５２ａが設けられている。これにより、
ファブリペロー型共振器が構成されている。

【００４３】この例では、ガス出口側放電管ホルダ６１
ａ、６２ａは、２本のロッド７１ａ、７２ａに固定され
ている。従って、ガス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２
ａの位置を強固に保持することができる。そのため、ガ
ス出口側放電管ホルダ６１ａ、６２ａの位置がずれるの
を防止することができ、レーザ共振器１ａ全体のアライ
メントを良好に保つことができる。

【００４４】図５はレーザ共振器の動作時間とガス流出
口の温度との関係を示す図である。この図は、横軸がレ
ーザ共振器の動作時間であり、縦軸がガス流出口側の温
度である。レーザ共振器は、３ｋＷ連続発振を行った。
図中の実線２００は、図４に示すレーザ共振器１ａのガ
ス分岐ブロック６５ａの表面温度の測定結果であり、図
中の破線２０１は、図７に示す従来のレーザ共振器のガ
ス出口側放電管ホルダ１６１の表面温度の測定結果であ
る。なお、図４に示すガス分岐ブロック６５ａと図７に
示すガス出口側放電管ホルダ１６１は、いずれもアルミ
鋳物で作られている。

【００４５】レーザ共振器が動作しだすと、ある程度の
時間経過後に温度は一定となる。本発明によるレーザ共
振器の一定となる温度は、従来のレーザ共振器の場合に
くらべ３０°Ｃ程低い温度である。従って、冷却能力が
非常に高いことを示している。

【００４６】図６はビームモードの時間変化を示す図で
ある。図中の上段は、図７に示す従来のレーザ共振器１
００の測定結果であり、図中の下段は、図４に示すレー
ザ共振器１ａの測定結果である。レーザ共振器は、３ｋ
Ｗ連続発振を行った。なお、レーザ共振器１ａのガス分
岐ブロック６５ａとレーザ共振器１００のガス出口側放
電管ホルダ１６１は、いずれもアルミ鋳物で作られてい
る。

【００４７】レーザ共振器のガス流出口付近の温度は、
ある程度の時間経過後に一定温度になる。この図は、レ
ーザ共振器の動作開始直後の初期ビームモードと温度安
定後のビームモードを比較している。

【００４８】本発明によるレーザ共振器では、連続動作
後であってもビームモードは変わらないが、従来のレー
ザ共振器では、連続動作後はビームモードが乱れてい
る。これは、冷却の効果が十分でないことにより、アラ
イメントが悪化するからである。

【００４９】このように、レーザガス流出口をガス分岐
ブロックに設け、ガス流出口をガス分岐ブロックとガス
出口側放電管ホルダとが摺動できるようにしたため、ガ
ス流出口をガス分岐ブロックとガス出口側放電管ホルダ
とは、機械的に分離されている。そのため、レーザガス
流出口を有するガス分岐ブロックの熱膨張が全体のアラ
イメントを悪くすることがない。

【００５０】また、強制冷却は、ガス出口側放電管ホル
ダ側で行うことができるため、強制冷却を効率良く行え
るとともに、ガス分岐ブロックをアルミ鋳物で作り、非
常に軽量にすることができる。この軽量化により、アラ
イメントの精度がさらに良くなる。このように、強制冷
却の効率が良く、ガス分岐ブロックの軽量化が図れるた
め、レーザ共振器全体を極端に強固にする必要がなくな
る。従って、製造コストを軽減することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、レーザ
ガス流出口を有するガス分岐ブロックと、筐体に固定さ
れており強制冷却機構を有している放電管ホルダとが摺
動可能な状態で接しているため、レーザガスにより加熱
される部分と、放電管を支持するとともに加熱部の強制
冷却を行う部分とが機械的に分離される。その結果、レ
ーザガスの熱によるアライメントの悪化を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ共振器の第１の実施例を示す図
である。

【図２】ガス出口側放電管ホルダとガス分岐ブロックと
の結合部の第１の例を示す図である。

【図３】ガス出口側放電管ホルダとガス分岐ブロックと
の結合部の第２の例を示す図である。

【図４】本発明のレーザ共振器の第２の実施例を示す図
である。

【図５】レーザ共振器の動作時間とガス流出口の温度と
の関係を示す図である。

【図６】ビームモードの時間変化を示す図である。

【図７】従来のレーザ共振器を示す図である。

【符号の説明】

１レーザ共振器２１〜２４放電管３１、３２ガス入口側放電管ホルダ４１、４２エンドプレート６１、６２ガス出口側放電管ホルダ６５ガス分岐ブロック７１、７２ロッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電管内のレーザガスを励起してレーザ
光を発生するレーザ共振器において、前記放電管を格納する筐体と、前記筐体に固定され、前記放電管の一端を支持するとと
もに、強制冷却機構を有する放電管ホルダと、前記放電管ホルダに対して摺動可能な状態で隣接して設
けられ、レーザガス流出口を有するガス分岐ブロック
と、を有することを特徴とするレーザ共振器。
【請求項２】前記筐体は、前記放電管を格納する領域
の両側に設けられ前記放電管の一端を支持するエンドプ
レートと、前記エンドプレート間に前記放電管と並列に
設けられ前記ガス出口側放電管ホルダを固定するロッド
と、から構成されることを特徴とする請求項１記載のレ
ーザ共振器。
【請求項３】前記ロッドは、複数存在し、クランプに
より互いに固定されていることを特徴とする請求項２記
載のレーザ共振器。
【請求項４】前記放電管ホルダは、クランプにより複
数の前記ロッドに固定されていることを特徴とする請求
項２記載のレーザ共振器。
【請求項５】放電管内のレーザガスを励起してレーザ
光を発生するレーザ共振器において、前記放電管を格納する筐体と、前記筐体に固定され、前記放電管の一端を支持するとと
もに、ボルトを通す孔と強制冷却機構とを有する放電管
ホルダと、前記孔の径よりも小さい径をもつ前記ボルトにより、前
記放電管ホルダに摺動可能な状態で結合され、レーザガ
ス流出口を有するガス分岐ブロックと、を有することを特徴とするレーザ共振器。
【請求項６】前記ガス分岐ブロックは、前記ボルトと
前記放電管ホルダの間にベアリングを挟んだ状態で、前
記放電管ホルダと結合されていることを特徴とする請求
項５記載のレーザ共振器。
【請求項７】前記筐体は、前記放電管を格納する領域
の両側に設けられ前記放電管の一端を支持するエンドプ
レートと、前記エンドプレート間に前記放電管と並列に
設けられ前記ガス出口側放電管ホルダを固定するロッド
と、から構成されることを特徴とする請求項５記載のレ
ーザ共振器。
【請求項８】前記ロッドは、複数存在し、クランプに
より互いに固定されていることを特徴とする請求項７記
載のレーザ共振器。
【請求項９】前記放電管ホルダは、クランプにより複
数の前記ロッドに固定されていることを特徴とする請求
項７記載のレーザ共振器。