JPH0936498A - 金属蒸気レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放電管のインダクタンスを小さく保ち、耐熱
管の過度の温度上昇を防止すると共に、放電管内の軸方
向温度分布を均一に制御してレーザの有効発振領域を広
げることによって、高いレーザ出力でレーザ効率のよい
金属蒸気レーザ装置を得ることを目的とする。 【構成】 耐熱管１３の内周側であって、かつ、電極
１，２の周囲付近と放電管３の軸方向両端部から該放電
管３の軸方向中央部に向かって該放電管３内径の３倍程
度の範囲に電気ヒータ５を配設して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガス放電を利用した
金属蒸気レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のガス放電を利用したレーザ装置と
して、金属蒸気レーザ装置が知られている。以下、かか
る従来の金属蒸気レーザ装置を図について説明する。図
１８は、例えば、雑誌「レーザ フォーカス（Laser Fo
cus ）」の１９８２年７月号における「カッパー ベイ
パー レーザ カム オブ エイジ（Copper Vapor Las
ers Come of Age ）」等に記載された従来の銅蒸気レー
ザ放電管を示す断面図であり、図１９は従来の金属蒸気
レーザ装置の軸方向温度分布の一例を示すグラフ図であ
る。図において、１は放電管３内に放電を発生させるた
めの電圧を印加する一対の対向電極中の陰極、２は陰極
１と一対の電極として、対向して設けられた陽極、３は
銅粒６を収容しレーザ発振を生じさせる放電管、４は断
熱材、７はレーザ放電管の両端付近に設けられレーザ光
を外部に射出する窓、１１は陰極１及び陽極２に電気を
伝達する外筒、１２は外筒１１と断熱材４との間に設け
られた真空層、１３は真空気密を保つための耐熱管、１
４は陰極１と陽極２とを絶縁するブレーカである。

【０００３】次に動作について説明する。陽極２と陰極
１にパルス状の電圧を印加し、放電管３内にパルス放電
を生じさせる。放電管３内にパルス放電が繰り返し発生
すると、放電管３は断熱材４により断熱されているため
１５００℃程度の高温に加熱され、放電管３内に収容さ
れた銅粒６が溶融して銅蒸気となる。この状態で更にパ
ルス放電を継続させると、放電により銅原子が励起さ
れ、レーザ発振が生じる。

【０００４】発振したレーザは、窓７から放電管３の外
部に射出される。かかる銅蒸気レーザの出力は、一般
に、銅蒸気密度が一定値以上存在する領域長（以下、ア
クティブ長という）に比例する。このため、かかるアク
ティブ長をできるだけ長くすることによって、銅蒸気レ
ーザの出力を向上することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の金属蒸気レーザ
装置は以上のように構成されているので、放電管３は１
５００℃程度の高温に加熱され、熱輻射による熱移動が
支配的になる。特に放電管３の端部では、窓７からの熱
輻射により放熱され、図１９の破線で示すように急激に
温度が低下するために、その分だけアクティブ長が短く
なるという問題点があった。すなわち、図１９におい
て、所定値以上の銅蒸気密度を発生させる放電管３内の
温度として１４５０℃を仮定すると、長さＸ₀ がアクテ
ィブ長となり、放電管３の端部Ｘ₁ 及びＸ₂ の領域はレ
ーザ出力に寄与できないこととなる。これに対処すべ
く、放電管３への入力を増加させて当該端部の温度を１
４５０℃以上とすると、放電管３内の中央部の温度が上
昇し過ぎてしまい、銅蒸気密度がレーザ出力の最適値を
越えたり、放電管３が熱破壊する恐れが生じる。従っ
て、放電管３の軸方向の全領域において、銅蒸気密度を
レーザ出力の最適値となるようにすることができず、レ
ーザ出力及びレーザ効率が低下するという問題点があっ
た。さらに、放電管３の局所過熱により、装置寿命が短
くなるという問題点もあった。

【０００６】かかる問題点を解決するために、放電管の
軸方向温度分布を改善する手段として、例えば特開平６
−３７４０６号公報に示されるものも提供されている。
この手段は、断熱材の厚みを放電管の中央部と端部とで
変化させ放熱量を調節することによって、放電管の軸方
向温度分布を改善しようとするものである。

【０００７】また、この特開平６−３７４０６号公報に
は、放電管の周囲に真空層を形成するための耐熱ガラス
管を設け、その耐熱ガラス管の外周囲に電気的に絶縁さ
れた加熱源を設けることで、放電管の軸方向温度分布を
改善しようとする手段も提供されている。

【０００８】しかしながら、断熱材の厚みを変化させる
前者の手段にあっては、放電管端部の断熱材の厚みを増
加させた場合に、放電管に電気を伝達するための外筒の
外径が大きくなりすぎ、それに伴って放電回路のインダ
クタンスも大きくなり、放電管に電気が伝達されにくか
った。このため断熱材の厚みを増加させるには一定の限
界があり、放電管の軸方向温度分布の調整に限界が生じ
てしまうという問題点があった。

【０００９】また、後者の手段にあっては、耐熱ガラス
管の外周囲に加熱源を設けているため、耐熱管の温度が
上昇し過ぎるという問題点があった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、放電管のインダクタンスを小さ
く保ち、耐熱管の過度の温度上昇を防止すると共に、放
電管内の軸方向温度分布を均一に制御してレーザの有効
発振領域を広げることによって、高いレーザ出力でレー
ザ効率のよい金属蒸気レーザ装置を得ることを目的とす
る。

【００１１】また、放電管内の軸方向温度分布をさらに
容易かつ安価に制御できる金属蒸気レーザ装置を得るこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る金
属蒸気レーザ装置は、耐熱管の内周側であって、かつ、
電極の周囲付近と放電管の軸方向両端部から該放電管の
軸方向中央部に向かって該放電管内径の３倍程度の範囲
とのうち少なくとも一方に発熱体を配設して構成したも
のである。

【００１３】請求項２の発明に係る金属蒸気レーザ装置
は、請求項１の発明において、発熱体を線状若しくは面
状の抵抗体からなる電気ヒータとして形成して構成した
ものである。

【００１４】

【作用】請求項１の発明における金属蒸気レーザ装置
は、発熱体を加熱制御することにより、電極の周囲付近
若しくは放電管の軸方向両端部付近における輻射伝熱に
よる放熱を防止でき、該放電管の軸方向両端部付近での
金属蒸気密度を上昇させるので、レーザの有効発振領域
が広がり、放電管のレーザ出力及びレーザ効率を上げる
ことができる。

【００１５】請求項２の発明における金属蒸気レーザ装
置は、請求項１の発明と同様の作用を奏するほか、発熱
体を線状若しくは面状の抵抗体からなる電気ヒータとし
て形成したので、入熱制御が容易かつ安価となる。

【００１６】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例による金属蒸気レーザ
装置を示す断面図、図２はこの発明の一実施例による金
属蒸気レーザ装置によって得られる放電管内の軸方向温
度分布を示すグラフ図、図３は放電管の温度を軸方向に
均一にした場合の輻射による熱の散逸の一例を示すグラ
フ図、図４はこの発明の一実施例による金属蒸気レーザ
装置の電極周辺の構成を示す半断面図である。なお、従
来技術である図１８に示した相当部分には同一符号を付
しその説明を省略する。図において、５は銅粒（金属
粒）６の加熱源として、陰極（電極）１の外周囲及び放
電管３の軸方向両端部から放電管３の軸方向中央部に向
かって最大口径（Ｄ）の３倍程度の範囲（３Ｄ）に渡っ
て配設された電気ヒータ（発熱体）である。なお、説明
の便宜上、半断面図にあっては両電極のうち陰極１につ
いて説明しているが、陰極１と対向して配設された陽極
（電極）２についても同様の構成となっている。

【００１７】電気ヒータ５を上記の範囲に配設したの
は、図３に示すように、放電管３の口径の増大に応じて
熱の散逸領域が放電管３端部から放電管３中央部側に向
かって拡大しており、陰極１及び陽極２の端から口径の
３倍程度の領域に熱を入力する必要があるからである。

【００１８】９は陰極１及び陽極２と電気ヒータ５との
電気的絶縁を図るために、電気ヒータ５の内周に配設さ
れた絶縁性のヒータ保護筒である。

【００１９】次に動作について説明する。外筒１１を通
して一対の陰極１、陽極２にパルス電圧を印加しパルス
放電を生じさせると共に、放電管３内を電気ヒータ５に
よって加熱することで、レーザ発振源である銅粒６を加
熱して蒸気を発生させ、レーザ発振を誘起させる。この
場合において、電気ヒータ５の発熱量は該電気ヒータ５
中の抵抗体に供給される電流を調整することにより容易
に制御できると共に、放電管３の端部は、電気ヒータ５
からの熱伝導とこれによって加熱された陰極１からの輻
射とによって温度上昇する。すなわち、電気ヒータ５を
上記領域に配設したことにより、放電管３の端部を熱伝
導と輻射とによって効率よく加熱できるため、電気ヒー
タ５の単位体積当りの発熱量を上げることなく、所望の
加熱性能を得ることができる。

【００２０】以上に述べたように、この実施例によれ
ば、放電管３内の端部において窓７からの輻射によって
放熱する熱量を電気ヒータ５の加熱量を制御することで
補い、これによって放電管３端部の温度低下を防止し、
放電管３内の軸方向温度分布を均一にできる。従って、
放電管３の軸方向の全領域において、銅蒸気密度をレー
ザ出力の最適値となるようにすることができ、高いレー
ザ出力で効率のよい金属蒸気レーザ装置を得ることがで
きる。また、放電管３のインダクタンスを小さく保ち、
耐熱管１３の過度の温度上昇をも防止できる。

【００２１】実施例２．図５はこの発明の他の実施例に
よる金属蒸気レーザ装置の電極周辺の構成を示す半断面
図である。この実施例では、電気ヒータ５を陰極１及び
陽極２（図示せず）の外周囲のみに配設したものであ
り、ヒータ保護筒９は電気ヒータ５と陰極１及び陽極２
（図示せず）との間に配設されている。

【００２２】次に動作について説明する。電気ヒータ５
を加熱すると、その熱伝導により陰極１及び陽極２（図
示せず）も加熱され、両電極からの輻射伝熱によって放
電管３の両端部が加熱される。かかる場合、電気ヒータ
５が陰極１及び陽極２（図示せず）の外周囲に配設され
ているために、放電を誘起する印加電界による絶縁を考
慮する必要がない。なお、その他の動作例は、実施例１
の場合と同様であるので説明を省略するものとし、以下
の説明においても異なる点について説明する。

【００２３】実施例３．図６はこの発明の他の実施例に
よる金属蒸気レーザ装置の電極周辺の構成を示す半断面
図である。この実施例は、電気ヒータ５を放電管３端部
から放電管３中央部に向かって口径の３倍程度の範囲に
渡って配設したものであり、ヒータ保護筒９は電気ヒー
タ５と放電管３との間に配設されている。

【００２４】次に動作について説明する。電気ヒータ５
を加熱すると、その熱伝導により放電管３の両端部が加
熱され、放電管３の両端部付近における放熱による熱量
不足を補償することができる。かかる場合、陰極１及び
陽極２を直接的に加熱していないため、該陰極１等の温
度上昇を低く抑えられ、熱負荷が軽減できる。また、放
電管３の端部を直接加熱できるため効率よく熱を補償で
きる。

【００２５】実施例４．図７はこの発明の他の実施例に
よる金属蒸気レーザ装置の電極周辺の構成を示す半断面
図である。この実施例では、電気ヒータ５を陰極１及び
陽極２（図示せず）の反放電管３側の端部から反放電管
３側に配設したものである。また、陰極１及び陽極２
（図示せず）は、赤外線を高反射させる材料にて形成さ
れている。

【００２６】次に動作について説明する。加熱された電
気ヒータ５からの輻射熱は、陰極１等で反射され、放電
管３の両端部に到達する。これによって、放電管３の両
端部付近における放熱による熱量不足を補償することが
できる。また、電気ヒータ５と電極とを位置的に分離で
きるため、両者の電気絶縁が容易になり、組立も容易と
なる。

【００２７】実施例５．図８はこの発明の他の実施例に
よる金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視
図であり、図において、８はヒータ電極、１０ａはヒー
タ保護筒９の外周囲に放電管３の軸方向と平行に多数回
折り返して設けられ、その取り出し端をヒータ電極８と
接続された線状の線抵抗体（線状の抵抗体）である。な
お、この線抵抗体１０ａと陰極１及び陽極２（図示せ
ず）との絶縁は、ヒータ保護筒９で確保されている。

【００２８】次に動作について説明する。ヒータ電極８
からの電気入力により、線抵抗体１０ａが加熱される。
この場合において、線抵抗体１０ａが上記のように配設
されているので、その熱伝導により陰極１の放電管３の
軸に平行方向の熱分布が生じにくくなる。

【００２９】実施例６．図９はこの発明の他の実施例に
よる金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視
図である。この実施例は、線抵抗体１０ａを実施例５の
場合と異なる位置に配設したものである。すなわち線抵
抗体１０ａは、ヒータ保護筒９の外周囲に放電管３の軸
方向と垂直に多数回折り返して設けられている。

【００３０】次に動作について説明する。ヒータ電極８
からの電気入力により、線抵抗体１０ａが加熱される。
放電管３の軸方向温度分布は、線抵抗体１０ａの巻き線
密度を変えることで容易に操作することができ、より制
御性の高い加熱が行える。

【００３１】なお、ヒータ電極８の一端（図９では、ヒ
ータ保護筒９右端への導入側）を陰極１（若しくは図示
しない陽極２）に接触させてもよい。この場合、ヒータ
電極８の他端側は陰極１（若しくは図示しない陽極２）
に対して高電位となるが、線抵抗体１０ａの中でより高
電位側の領域は窓７側に近く、従って温度は低くなる。
すなわち、線抵抗体１０ａのうち放電が発生しやすい高
電位側の部材ほど低温であるため、耐電圧強度が増し、
線抵抗体１０ａ自身及びヒータ保護筒９の長寿命化を図
ることができる。

【００３２】実施例７．図１０はこの発明の他の実施例
による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す斜
視図である。この実施例は、多数本の線抵抗体１０ａを
電気的に並列となるように、円筒状のヒータ電極８を介
してヒータ保護筒９の表裏に、放電管３の軸と平行に配
設したものである。そして、ヒータ保護筒９の内側を通
る線抵抗体１０ａは、陰極１（若しくは図示しない陽極
２）に接触させてある。

【００３３】次に動作について説明する。線抵抗体１０
ａに電気入力すると、多数本の線抵抗体１０ａは電気的
に並列に設けられているので、各々独立した加熱源を構
成することとなる。従って、いずれかの線抵抗体１０ａ
が断線しても、装置全体として加熱不能となる事態を回
避することができる。また、構造的により簡略化されて
いるので、コスト低減も図れる。

【００３４】実施例８．図１１はこの発明の他の実施例
による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す斜
視図であり、図１２は図１１に示す電気ヒータの展開図
である。この実施例は、多数本の線抵抗体１０ａを電気
的に並列となるように、２本の棒状のヒータ電極８を介
して放電管３若しくは陰極１（若しくは図示しない陽極
２）の周囲に軸方向と垂直に巻いて配設したものであ
る。

【００３５】次に動作について説明する。線抵抗体１０
ａに電気入力すると、多数本の線抵抗体１０ａは電気的
に並列に設けられているので、各々独立した加熱源を構
成することとなる。従って、いずれかの線抵抗体１０ａ
が断線しても、装置全体として加熱不能となる事態を回
避することができる。また、放電管３の軸方向温度分布
は、線抵抗体１０ａの巻き線密度を変えることで容易に
操作することができ、より制御性の高い加熱が行える。

【００３６】実施例９．図１３はこの発明の他の実施例
による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す斜
視図である。この実施例は、実施例８と線抵抗体１０ａ
の構成を同じくし、異なる点は、一対の棒状のヒータ電
極８を線抵抗体１０ａの外周に螺旋状に配設した点であ
る。

【００３７】次に動作について説明する。実施例８と同
様の動作をするほか、熱源とならないヒータ電極８の配
置箇所にも線抵抗体１０ａが配設されているので、当該
部分の加熱不良を回避することができ、均一な加熱が可
能となる。

【００３８】実施例１０．図１４はこの発明の他の実施
例による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す
半断面図である。図において、１０ｂは高抵抗の面抵抗
体（面状の抵抗体）であり、陰極１（若しくは図示しな
い陽極２）と電気的に接するように該陰極１に巻き付け
られている。そしてさらに、この面抵抗体１０ｂの全外
周面には、面状のヒータ電極８が設けられている。

【００３９】次に動作について説明する。面抵抗体１０
ｂに電気入力すると、熱伝導により陰極１（若しくは図
示しない陽極２）が均一に加熱される。従って、前記実
施例において使用したヒータ保護筒９は不要となり、構
造の簡略化が図れる。

【００４０】実施例１１．図１５はこの発明の他の実施
例による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す
半断面図である。図において、１０ｂは高抵抗の面抵抗
体であり、ヒータ保護筒９により陰極１（若しくは図示
しない陽極２）と電気的に絶縁するように該陰極１の外
周囲に巻き付けられている。また、この面抵抗体１０ｂ
は一端を陰極１と接して形成してあり、他端をヒータ電
極８に接続してある。

【００４１】次に動作について説明する。面抵抗体１０
ｂに電気入力すると、熱伝導により陰極１（若しくは図
示しない陽極２）が均一に加熱される。

【００４２】実施例１２．図１６はこの発明の他の実施
例による金属蒸気レーザ装置の電気ヒータの構成を示す
斜視図であり、図１７は図１６の断面図である。図にお
いて、１０ｂは高抵抗の面抵抗体であり、ヒータ保護筒
９により陰極１（若しくは図示しない陽極２）と電気的
に絶縁するように該陰極１の外周囲に巻き付けられてい
る。また、この面抵抗体１０ｂは両端を、対向する２本
の棒状のヒータ電極８に接続されている。なお、このヒ
ータ電極８は、螺旋状に配設させてもよい。

【００４３】次に動作について説明する。面抵抗体１０
ｂに電気入力すると、熱伝導により陰極１（若しくは図
示しない陽極２）が均一に加熱される。また、この構成
によれば、陰極１周囲の組立が容易になる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、耐熱管の内周側であって、かつ、電極の周囲付近と
放電管の軸方向両端部から該放電管の軸方向中央部に向
かって該放電管内径の３倍程度の範囲とのうち少なくと
も一方に発熱体を配設して構成したので、放電管のイン
ダクタンスを小さく保ち、耐熱管の過度の温度上昇を防
止すると共に、放電管内の軸方向温度分布を均一に制御
してレーザの有効発振領域を広げることができ、高いレ
ーザ出力でレーザ効率のよい金属蒸気レーザ装置を得る
ことができる効果がある。

【００４５】請求項２の発明によれば、発熱体を線状若
しくは面状の抵抗体からなる電気ヒータとして形成して
構成したので、請求項１の発明と同様の効果を奏するほ
か、放電管内の軸方向温度分布をさらに容易かつ安価に
制御できる金属蒸気レーザ装置を得ることができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による金属蒸気レーザ装
置を示す断面図である。

【図２】 この発明の一実施例による金属蒸気レーザ装
置によって得られる放電管内の軸方向温度分布を示すグ
ラフ図である。

【図３】 放電管の温度を軸方向に均一にした場合の輻
射による熱の散逸の一例を示すグラフ図である。

【図４】 この発明の一実施例による金属蒸気レーザ装
置の電極周辺の構成を示す半断面図である。

【図５】 この発明の他の実施例による金属蒸気レーザ
装置の電極周辺の構成を示す半断面図である。

【図６】 この発明の他の実施例による金属蒸気レーザ
装置の電極周辺の構成を示す半断面図である。

【図７】 この発明の他の実施例による金属蒸気レーザ
装置の電極周辺の構成を示す半断面図である。

【図８】 この発明の他の実施例による金属蒸気レーザ
装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図９】 この発明の他の実施例による金属蒸気レーザ
装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図１０】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図１１】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図１２】 図１１に示す電気ヒータの展開図である。

【図１３】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図１４】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す半断面図である。

【図１５】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す半断面図である。

【図１６】 この発明の他の実施例による金属蒸気レー
ザ装置の電気ヒータの構成を示す斜視図である。

【図１７】 図１６の断面図である。

【図１８】 従来の銅蒸気レーザ放電管を示す断面図で
ある。

【図１９】 従来の金属蒸気レーザ装置の軸方向温度分
布の一例を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１ 陰極（電極）、２ 陽極（電極）、３ 放電管、４
断熱材、５ 電気ヒータ（発熱体）、６ 銅粒（金属
粒）、７ 窓、１０ａ 線抵抗体（線状の抵抗体）、１
０ｂ 面抵抗体（面状の抵抗体）、１１ 外筒、１２
真空層、１３耐熱管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 寛 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 殖栗 成夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属粒を収納する放電管と、該放電管内
   に放電を発生させるために該放電管の軸方向両端部付近
   にそれぞれ対向するように配設した少なくとも一対の電
   極と、前記放電管の外周に設けた断熱材と、該断熱材の
   外周に設けた耐熱管と、該耐熱管の外周に設けられ真空
   層を形成する外筒と、前記放電管内で発生させた放電に
   より励起されたレーザ光を該放電管外部に射出するため
   に該放電管の軸方向両端部付近に設けた窓とを有した金
   属蒸気レーザ装置において、前記耐熱管の内周側であっ
   て、かつ、前記電極の周囲付近と前記放電管の軸方向両
   端部から該放電管の軸方向中央部に向かって該放電管内
   径の３倍程度の範囲とのうち少なくとも一方に発熱体を
   配設したことを特徴とする金属蒸気レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記発熱体を線状若しくは面状の抵抗体
   からなる電気ヒータとして形成したことを特徴とする請
   求項１記載の金属蒸気レーザ装置。