JPH08191163A - ガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は放電の繰り返し動作を高くして高
出力のレーザ光を得る場合に、主電極間でアーク放電が
発生するのを防止できるようにしたガスレーザ装置を提
供することにある。 【構成】 ガスレーザ媒質が封入された気密容器１１
と、上記ガスレーザ媒質を上記気密容器内で所定方向に
循環させる送風機１２と、上記ガスレーザ媒質の循環方
向に対して交差する方向に離間して設けられそれらの間
の空間部に上記ガスレーザ媒質を放電励起するための主
放電が点弧される一対の主電極１４ａ、１４ｂと、上記
空間部においてガスレーザ媒質の流速分布が上記一対の
主電極の離間方向においてほぼ同じになるよう調整する
流速調整手段となる熱交換器１５とを具備したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はガスレーザ媒質を強制
的に循環させながら放電励起するガスレーザ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスレーザ媒質を強制的に循環
させるガスレーザ装置においては、上記ガスレーザ媒質
が封入される気密容器を有する。この気密容器内には上
記ガスレーザ媒質を強制的に循環させるための送風機が
配置されているとともに、そのガスレーザ媒質の循環方
向と交差する方向に所定の間隔で離間して一対の主電極
が配設されている。

【０００３】上記一対の主電極間には所定のタイミング
で主放電が点弧される。それによって、一対の主電極間
の空間部に流入したガスレーザ媒質はその主放電によっ
て励起されてレーザ光を発生するようになっている。

【０００４】主電極間の空間部で発生したレーザ光は、
その主放電と交差する方向に配設された光共振器で反射
を繰り返すことで増幅され、所定の強度に達すると、上
記光共振器の出力ミラー側から発振出力される。また、
ガスレーザ媒質は放電励起されることで温度上昇する。
そこで、上記気密容器内には、温度上昇したガスレーザ
媒質を冷却するための熱交換器が配置されている。

【０００５】ところで、上記送風機によって強制的に循
環するガスレーザ媒質は、一対の主電極間の空間部にお
いて流速分布が均一にならないということがある。図８
に一対の主電極１、２間におけるガスレーザ媒質Ｇの流
速分布を示す。

【０００６】すなわち、一対の主電極１、２間の空間部
３を通過するガスレーザ媒質Ｇは、上記主電極１、２の
離間方向中央部分に比べて表面近傍の方が抵抗が大き
い。そのため、上記空間部３を流れるガスレーザ媒質Ｇ
の流速分布は、同図に曲線Ｘで示すように一対の主電極
１、２の離間方向中央部分が両端部分に比べて速くなる
ことが避けられない。

【０００７】上記放電空間部３におけるガスレーザ媒質
Ｇの流速分布が一対の主電極１、２の離間方向において
上述したごとく不均一となると、とくにレーザ発振の繰
り返し数を高くした場合、主電極１、２近傍ではガスレ
ーザ媒質Ｇが確実に置換されないことがある。つまり、
前回の主放電に寄与したガスレーザ媒質Ｇがつぎの主放
電時に空間部３に残留するということがある。

【０００８】一度、主放電に使われたガスレーザ媒質Ｇ
には放電生成物などの不純物が含まれる。そのため、そ
の不純物によって一対の主電極１、２間に点弧される主
放電（グロー放電）が不安定となってアーク放電の発生
を招き、出力の低下を招いたり、主電極１、２を早期に
損傷させるなどのことがある。

【０００９】一方、上記構成のガスレーザ装置におい
て、動作可能なパルス繰り返し数ｆは、放電の幅Ｌとガ
スレーザ媒質Ｇの流速ｖに対してつぎの関係を有する。 ｆ＝ｖ／（ＣＲ・Ｌ） …（１）式 図中ＣＲはクリアラアンスレシオと呼ばれ、装置固有の
値で、通常、２〜５程度である。したがって、パルス繰
り返し数ｆはガスレーザ媒質Ｇの流速ｖによって決定さ
れることになる。

【００１０】ガスレーザ媒質Ｇの流速を高めるために
は、上記送風機として静圧の大きい軸流型ファンが用い
られている。直径６０mm程度のファン１つでは最大静圧
が330Ｐａ程度であるから、比重量が0.43のガスレーザ
媒質では流速ｖは最大で６m/sとなり、ＣＲ＝２のと
き、放電幅30mmでは動作可能な繰り返し数は100ppsとな
る。

【００１１】したがって、これ以上のパルス繰り返し数
を得たいとき、つまりレーザ光の出力を高くしたいとき
には、２つの軸流ファンを直列に配置して静圧を増加さ
せ、ガスレーザ媒質の流速を速くすることが考えられ
る。しかしながら、２つの軸流ファンを単に直列に配置
したので、上流のファンによって回転が与えられたガス
レーザ媒質が下流のファンに流入することになるから、
ガスレーザ媒質を下流のファンで効率よく増圧できない
ということが生じる。

【００１２】一対の軸流ファンにより、ガスレーザ媒質
の静圧を効率よく増加させるためには、上流側のファン
によって回転が付与されたガスレーザ媒質を整流する整
流器を設置し、整流されたガスレーザ媒質を下流側のフ
ァンに流入させるということが考えられる。

【００１３】しかしながら、一対の軸流ファンの間に整
流器を設置するようにすると、そのためのコストがかか
るということがあり、しかも上記整流器によって装置の
大型化を招くということもある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のガ
スレーザ装置においては、第１に一対の主電極間の空間
部におけるガスレーザ媒質の流速分布が一様とならない
ため、パルス放電の繰り返し数を増大してレーザ光の出
力を大きくするということができないということがあっ
た。

【００１５】また、第２にガスレーザ媒質の静圧を増加
してパルス放電の繰り返し数を増加させるため、一対の
送風機を直列に配置するようにすると、上流側の送風機
によって流れが乱されたガスレーザ媒質が下流側の送風
機に吸引されるため、効率よく増圧することができず、
また増圧効果を高めるために一対の送風機の間に整流器
を設けるようにすると、コスト上昇や装置の大型化を招
くということがある。

【００１６】この発明の第１の目的は、一対の主電極間
の空間部におけるガスレーザ媒質の流速分布を一様にで
きるようにしたガスレーザ装置を提供することにある。
この発明の第２の目的は、装置の大型化やコスト上昇を
招くことなく一対の送風機を用いてガスレーザ媒質を増
圧することができるようにしたガスレーザ装置を提供す
ることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載されたこ
の発明は、ガスレーザ媒質が封入された気密容器と、上
記ガスレーザ媒質を上記気密容器内で所定方向に循環さ
せる送風機と、上記ガスレーザ媒質の循環方向に対して
交差する方向に離間して設けられそれらの間の空間部に
上記ガスレーザ媒質を放電励起するための主放電が点弧
される一対の主電極と、上記空間部においてガスレーザ
媒質の流速分布が上記一対の主電極の離間方向において
ほぼ同じになるよう調整する流速調整手段とを具備した
ことを特徴とする。

【００１８】請求項２に記載されたこの発明は、上記流
速調整手段は、上記送風機の吐出側と上記主電極との間
に配設され上記ガスレーザ媒質と熱交換する複数のフィ
ンを有する熱交換器であって、上記フィンは上記ガスレ
ーザ媒質をガイドするための複数の流路を上記主電極の
離間方向に対して区画形成するとともに、上記一対の主
電極の離間方向の上記空間部の中央部分に対応する流路
の流出側の面積は両端部分に対応する流路の流出側の面
積よりも大きく設定されてなることを特徴とする。

【００１９】請求項３に記載されたこの発明は、ガスレ
ーザ媒質が封入された気密容器と、この気密容器内に直
列に配置され上記ガスレーザ媒質を所定方向に循環させ
る一対の送風機と、上記ガスレーザ媒質の循環方向に対
して交差する方向に離間して設けられそれらの間の空間
部に上記ガスレーザ媒質を放電励起するための主放電が
点弧される一対の主電極と、上記一対の送風機間に配置
され上記ガスレーザ媒質と熱交換する複数のフィンを有
し、これらフィンが上流側の送風機で加圧されたガスレ
ーザ媒質を整流するよう所定間隔で平行に設けられた熱
交換器とを具備したことを特徴とする。

【００２０】

【作用】請求項１の発明によれば、流速調整手段によっ
て一対の主電極間の空間部を流れるガスレーザ媒質の流
速が上記一対の主電極の離間方向においてほぼ一様にな
るよう調整されることで、パルス繰り返し数を増大させ
て高出力のレーザ光を得ることができる。

【００２１】請求項２の発明によれば、流速調整手段と
して熱交換器を利用することで、装置の大型化やコスト
上昇を招くことなく、パルス繰り返し数を増大させるこ
とができる。

【００２２】請求項３に記載された発明によれば、一対
の送風機の間に熱交換器を設け、その熱交換器によって
ガスレーザ媒質を整流させるため、整流専用の整流器が
不要となる。

【００２３】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１と図２はこの発明の第１の実施例であっ
て、図１において１１はガスレーザ装置の気密容器を示
す。この気密容器１１の内部にはたとえばＣＯ₂ レーザ
用のガスやエキシマレーザ用のガスなどのガスレーザ媒
質Ｇが充填されている。このガスレーザ媒質Ｇは上記気
密容器１１内に配設された送風機１２によって矢印Ａ方
向に循環させられるようになっている。

【００２４】また、上記気密容器１１内には上記ガスレ
ーザ媒質Ｇの循環方向に対して直交する方向に所定の間
隔で離間対向した一対の取付板１３ａ、１３ｂが配設さ
れている。各取付板１３ａ、１３ｂはこれらの離間方向
と直交する方向に沿って細長い帯状をなしていて、互い
の対向する面にはそれぞれ細長い主電極１４ａ、１４ｂ
が取り付けられている。

【００２５】各主電極１４ａ、１４ｂは図示しない直流
高圧電源に同じく図示しない放電回路を介して接続され
ていて、上記電源から高電圧が供給されることで、これ
らの間の空間部Ｓにグロー放電を点弧し、そのグロー放
電によって上記空間部Ｓを流れるガスレーザ媒質Ｇを励
起するようになっている。

【００２６】ガスレーザ媒質が放電励起されると、上記
空間部Ｓにレーザ光が発生する。レーザ光Ｌは上記空間
部Ｓの放電方向と直交する方向、つまり一対の主電極１
４ａ、１４ｂの長手方向に沿って発生する。上記空間部
Ｓの長手方向両端側には光共振器を形成する高反射ミラ
ーと出力ミラー（図示せず）とがそれぞれ配設され、レ
ーザ光はこれらミラーで反射を繰り返すことで増幅さ
れ、上記出力ミラーから発振出力されるようになってい
る。

【００２７】上記送風機１２の吐出側と上記空間部Ｓと
の間には放電励起されることで温度上昇したガスレーザ
媒質Ｇを冷却するための、流速調整手段としての熱交換
器１５が配設されている。この熱交換器１５は複数のフ
ィン１６と、各フィン１６に取り付けられた、冷却媒体
が流通するチューブ１７とからなる。この実施例では、
４枚のフィン１６を有し、これらフィン１６はガスレー
ザ媒質Ｇの循環方向に沿って円弧状に曲成されていると
ともに、上記循環方向に対して交差する方向に所定間隔
で離間して配設されている。つまり、上記各フィン１６
は、隣り合う一対のフィン１６によってガスレーザ媒質
Ｇを上記送風機１２の吐出側から上記空間部Ｓにガイド
する３つの流路１８ａ〜１８ｃを形成している。

【００２８】３つの流路１８ａ〜１８ｃの上記送風機１
２の吐出側に対向する流入側の面積はほぼ同じに設定さ
れ、上記空間部Ｓに対向する流出側の面積は異なる大き
さに設定されている。つまり、流出側の面積は、３つの
流路１８ａ〜１８ｃのうち、上記空間部Ｓの上記一対の
主電極１４ａ、１４ｂの離間方向の中央部分に位置する
流路１８ｂの面積が両端部分に位置する一対の流路１８
ａ、１８ｃの面積よりも大きく設定されている。それに
よって、上記空間部Ｓの中央部分に向かって流出するガ
スレーザ媒質Ｇの速度が両端部分に向かって流出するガ
スレーザ媒質Ｇの流速よりも遅くなることになる。な
お、一対の両端側の一対の流路１８ａ、１８ｃの面積は
ほぼ同じに設定されている。

【００２９】このような構成のガスレーザ装置おいて、
レーザ光を発振出力させる場合には、送風機１２を作動
させ、ガスレーザ媒質Ｇを気密容器１１内で矢印Ａ方向
に循環させるとともに、一対の主電極１４ａ、１４ｂ間
に高電圧を印加してこれらの主電極間の空間部Ｓにグロ
ー放電を点弧する。それによって、上記空間部Ｓを流通
するガスレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。

【００３０】ところで、上記送風機１２から吐出された
ガスレーザ媒質Ｇは熱交換器１５のフィン１６によって
形成された流路１８ａ〜１８ｃを通って一対の主電極１
４ａ、１４ｂ間の空間部Ｓに流入する。上記各流路１８
ａ〜１８ｃは、流入側の面積はほぼ同じであるが、流出
側の面積は中央の流路１８ｂが両端の流路１８ａ、１８
ｃよりも大きく設定されている。そのため、中央の流路
１８ｂから上記空間部Ｓへ流入するガスレーザ媒質Ｇの
流速に比べ、両端の流路１８ａ、１８ｃから空間部Ｓへ
流入するガスレーザ媒質Ｇの流速の方が速くなる。

【００３１】しかしながら、両端の流路１８ａ、１８ｃ
から主電極１４ａ、１４ｂの表面に沿って空間部Ｓを通
過するガスレーザ媒質Ｇの抵抗は、中央の流路１８ｂか
ら流出して空間部Ｓを通過するガスレーザ媒質Ｇの抵抗
に比べて大きい。そのため、各流路１８ａ〜１８ｃから
流出して空間部Ｓを通過するガスレーザ媒質Ｇの流速
は、図２にＶ₁ 〜Ｖ₃ で示すようにほぼ同じになる。

【００３２】したがって、高出力のレーザ光を得るため
に、レーザ発振の繰り返し数を高くしても、一対の主電
極１４ａ、１４ｂ間の空間部Ｓにおいて、上記主電極１
４ａ、１４ｂの表面近傍に、前回の主放電によって励起
されたガスレーザ媒質Ｇが残留した状態でつぎの主放電
が点弧されるのをなくすことができるから、高出力のレ
ーザ光を得ることができるばかりか、アーク放電の発生
による出力の低下や主電極１４ａ、１４ｂが損傷するの
を防止することができる。

【００３３】図３はこの発明の第２の実施例を示す、こ
の第２の実施例は上記第１の実施例に示された熱交換器
１５のフィン１６によって形成される流路の変形例を示
す。つまり、この実施例の流路１８Ｄ〜１８Ｆは、空間
部Ｓに対向するガスレーザ媒質Ｇの流出側では、中央の
流路１８Ｅの面積が両端の流路１８Ｄ、１８Ｆの面積に
比べて大きく形成されているのは同じであるが、流入側
において、中央の流路１８Ｅの面積が両端の流路１８
Ｄ、１８Ｆの面積に比べて小さく形成されているという
点で異なる。

【００３４】このような構成によれば、ガスレーザ媒質
Ｇは中央の流路１８Ｅに流入しずらく、両端の流路１８
Ｄ、１８Ｆには流入し易いから、流量の多い両端の流路
１８Ｄ、１８Ｆのガスレーザ媒質Ｇの流速を速くするこ
とが容易である。

【００３５】図４乃至図６はこの発明の第３の実施例を
示す。この実施例のガスレーザ装置はガスレーザ媒質Ｇ
が封入された気密容器２１を有する。この気密容器２１
内には上記ガスレーザ媒質Ｇを矢印Ａ方向に循環させる
軸流型の第１の送風機２２と第２の送風機２３とが所定
間隔で直列に配設されている。

【００３６】上記送風機２２、２３の間には熱交換器２
４が設けられている。この熱交換器２４は図５と図６と
に示すように冷却媒体を流通させるためのＵ字状のパイ
プ２５を有し、このパイプ２５には矩形板状の多数のフ
ィン２６が所定間隔で取り付けられている。そして、熱
交換器２４の各フィン２６は板面を上記各送風機２２、
２３の軸方向に平行にして配置されている。

【００３７】上記第１の送風機２２で増圧されたガスレ
ーザ媒質Ｇは、上記熱交換器２４のフィン２６間を通る
ことで、熱交換されるとともに、第１の送風機２２によ
って付与された回転方向の流れが打ち消されて第２の送
風機２３に流入する。つまり、上記熱交換器２４のフィ
ン２６は第１の送風機２２で増圧されたガスレーザ媒質
Ｇ流れを整流して第２の送風機２３に流入させる整流器
としての機能を備えている。

【００３８】上記第２の送風機２３で増圧されたガスレ
ーザ媒質Ｇは、ガスレーザ媒質Ｇの循環方向に対して直
交する方向に所定の間隔で離間して配設された一対の主
電極２７ａ、２７ｂ間の空間部Ｓに流入する。上記各主
電極２７ａ、２７ｂはそれぞれ取付板２８ａ、２８ｂに
取り付けられている。これら主電極２７ａ、２７ｂはぞ
れぞれ図示しない放電回路を介して同じく図示しない直
流高圧電源に接続されている。主電極２７ａ、２７ｂ
に、上記電源から高電圧が供給されると、これらの間の
空間部Ｓにグロー放電が点弧し、そのグロー放電によっ
て上記空間部Ｓを流れるガスレーザ媒質Ｇが励起される
ようになっている。

【００３９】このように構成されたガスレーザ装置によ
れば、気密容器２１内を循環するガスレーザ媒質Ｇは、
直列に配設された第１の送風機２２と第２の送風機２３
によって増圧される。上記第１の送風機２２によって増
圧されたガスレーザ媒質Ｇは熱交換器２４のフィン２６
で回転方向の流れが整流されて第２の送風機２３に流入
する。そのため、第１の送風機２２で増圧されたガスレ
ーザ媒質Ｇは第２の送風機２３によって効率よく増圧さ
れることになるから、一対の主電極２７ａ、２７ｂ間の
空間部Ｓに流入するガスレーザ媒質Ｇの静圧を高めるこ
とができる。

【００４０】このようにガスレーザ媒質Ｇの静圧を高め
ることができれば、上記空間部Ｓを通過する流速ｖを高
めることができる。したがって、クリアランスレシオＣ
Ｒおよび放電の幅Ｌが同じであれば、上記（１）式よ
り、パルス繰り返し数ｆを大きくすることができる。つ
まり、高出力のレーザ光を得ることが可能となる。

【００４１】第１の送風機２２で増圧されたガスレーザ
媒質Ｇを整流するために、熱交換器２４を利用するよう
にしたことで、ガスレーザ媒質Ｇを整流するための専用
の整流器を必要としない。そのため、コストの上昇を招
いたり、装置の大型化を招くようなことがなく、さらに
はガスレーザ媒質Ｇの循環路全体の抵抗を増大させると
いうこともない。

【００４２】図７はこの発明の第４の実施例を示す。こ
の実施例は、整流器として用いられている静翼３１に冷
却媒体が流通するパイプ３２を取り付けて熱交換器とし
て利用するようにしたもので、このような構成において
も、熱交換器と整流器とを兼ねることができるから、上
記第３の実施例と同様の作用効果が得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように請求項１に記載された
発明は、一対の主電極間の空間部に流入するガスレーザ
媒質の流速分布が、上記一対の主電極の離間方向におい
てほぼ同じになるようにした。

【００４４】そのため、主電極の表面でガスレーザ媒質
が滞留するのを防止できるから、高出力のレーザ光を得
るためにパルスの繰り返し数を高くしても、主電極間で
点弧される放電が不安定となって、出力が低下するとい
うことがない。

【００４５】また、請求項２に記載された発明は、一対
の主電極間の空間部に流入するガスレーザ媒質の流速分
布を均一にする手段として、ガスレーザ装置に必要不可
欠の機器である熱交換器を用いることで、専用の機器を
必要としないから、装置の大型化やコスト上昇などを招
くということがない。

【００４６】また、請求項３に記載された発明は、ガス
レーザ媒質の静圧を高めて流速を高くすることで、高出
力のレーザ光を得る場合、一対の送風機を直列に配置す
るとともに、これら一対の送風機の間に、フィンが整流
板として機能するように熱交換器を設けるようにした。

【００４７】そのため、上流側の送風機で増圧されたガ
スレーザ媒質が上記フィンで整流されるため、下流側の
送風機によって効率よく増圧して流速を高めることがで
きるから、パルス繰り返し数を向上させ、レーザ光の出
力を高めることができる。しかも、熱交換器を整流器と
して利用するため、整流専用の機器が不要となるから、
装置の小形化やコストの低減を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示すガスレーザ装置
の全体構成図。

【図２】同じく放電空間部におけるガスレーザ媒質の流
速を説明するための図。

【図３】この発明の第２の実施例を示す熱交換器の説明
図。

【図４】この発明の第３の実施例を示すガスレーザ装置
の全体構成図。

【図５】同じく一対の送風機と熱交換器との配置状態の
平面図。

【図６】同じく熱交換器の斜視図。

【図７】この発明の第４の実施例を示す整流器の静翼を
熱交換器に利用した正面図。

【図８】従来の主電極間の空間部におけるガスレーザ媒
質の速度分布を示す説明図。

【符号の説明】

１１…気密容器、１２…送風機、１４ａ、１４ｂ…主電
極、１５…熱交換器（流速調整手段）、１６…フィン、
Ｇ…ガスレーザ媒質、Ｓ…空間部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスレーザ媒質が封入された気密容器
   と、 上記ガスレーザ媒質を上記気密容器内で所定方向に循環
   させる送風機と、 上記ガスレーザ媒質の循環方向に対して交差する方向に
   離間して設けられそれらの間の空間部に上記ガスレーザ
   媒質を放電励起するための主放電が点弧される一対の主
   電極と、 上記空間部においてガスレーザ媒質の流速分布が上記一
   対の主電極の離間方向においてほぼ同じになるよう調整
   する流速調整手段とを具備したことを特徴とするガスレ
   ーザ装置。
2. 【請求項２】 上記流速調整手段は、上記送風機の吐出
   側と上記主電極との間に配設され上記ガスレーザ媒質と
   熱交換する複数のフィンを有する熱交換器であって、 上記フィンは上記ガスレーザ媒質をガイドするための複
   数の流路を上記主電極の離間方向に対して区画形成する
   とともに、上記一対の主電極の離間方向の上記空間部の
   中央部分に対応する流路の流出側の面積は両端部分に対
   応する流路の流出側の面積よりも大きく設定されてなる
   ことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
3. 【請求項３】 ガスレーザ媒質が封入された気密容器
   と、 この気密容器内に直列に配置され上記ガスレーザ媒質を
   所定方向に循環させる一対の送風機と、 上記ガスレーザ媒質の循環方向に対して交差する方向に
   離間して設けられそれらの間の空間部に上記ガスレーザ
   媒質を放電励起するための主放電が点弧される一対の主
   電極と、 上記一対の送風機間に配置され上記ガスレーザ媒質と熱
   交換する複数のフィンを有し、これらフィンが上流側の
   送風機で加圧されたガスレーザ媒質を整流するよう所定
   間隔で平行に設けられた熱交換器とを具備したことを特
   徴とするガスレーザ装置。