JPH1065236A

JPH1065236A - マルチチャンネルｒｆ励起ガス放電レーザ

Info

Publication number: JPH1065236A
Application number: JP9132716A
Authority: JP
Inventors: V Sutter Leroy; ヴィサッターリロイ
Original assignee: Domino Printing Sciences PLC
Current assignee: Domino Printing Sciences PLC
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-03-06
Anticipated expiration: 2017-04-17
Also published as: EP0802593A1; US5854806A; EP0802593B1; DE69707343D1; JP3841921B2; DE69707343T2; GB9607959D0

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】連続レーザビームを発生させるときの改善を
目的としたもので、単一のレーザビームを使用する装置
に比べて、より高速なマーキング速度を得る。【解決手段】マルチチャンネルＲＦ励起ガスレーザ装
置に関し、この装置は細長い管状誘電体ハウジング１を
有する。このハウジング１は、その内部に、誘電体ハウ
ジング１の内側表面に近接して設けた共通の細長い接地
電極２と、接地電極に沿って延伸し且つ当該接地電極の
内部に画定された複数のレーザチャンネル４と、を有す
る。レーザガスは、誘電体ハウジング１の内部に提供さ
れ、また、複数のＲＦ電極が誘電体ハウジング１の外側
表面に沿って延伸し且つ当該外側表面に近接して配置さ
れている。各々のＲＦ電極はレーザチャンネル４の１つ
に対して位置決めして配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチチャンネル
ＲＦ励起ガス放電レーザに係り、とくに、レーザマーキ
ング／コーディング装置に応用できるマルチチャンネル
ＲＦ励起ガス放電レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第４６１８９６１号において、
Sutterは、ガスレーザに使用するための電極の構成を教
示しており、これによれば、複数の電極を誘電体管の材
料の周囲に配置してレーザの横励起を可能にする種々の
構成を示している。この特許と同一の発明者による米国
特許第４８９１８１９号には、内側に折り曲げた共振器
を設け、スロットを形成した円筒状キャビティの中にＲ
Ｆ励起が外部から結合できるようにしたＲＦ励起レーザ
が示されている。固定反射手段を設けることにより、コ
ンパクトなガスレーザエネルギ源を提供することができ
る。また、米国特許第５０９５４９０号には、ＲＦ励起
ガスレーザの電極の非対称な構成が開示されている。こ
れは、大きな非対称の接地電極を狭く”ホット（ho
t）”なＲＦ電極とともに使用して円筒状の誘電体管に
ガスレーザを放電させるものである。

【０００３】米国特許第４６５２７２２号には、動く基
板の表面にマーキング印または耐久性のある変質をもた
らすために、固定反射器、ビーム管、および焦点レンズ
とともに複数のコヒーレントなレーザビームを使用する
という開示がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、連続レーザ
ビームを発生させるときの改善を目的としたもので、単
一のレーザビームを使用する装置に比べて、より高速な
マーキング速度を得ることができるようにしたものであ
る。

【０００５】上記特許明細書で参照されるタイプの外的
ＲＦ励起ガスレーザを使用したマルチチャンネル（デジ
タル）ガスレーザ・マーキング／コーディング装置を生
産するとき、その主要なコストは、小形でマルチの精密
に画定された光学的誘電体管の研磨およびそれらの誘電
体管を相互間で正確に位置決めする費用に関係する。本
発明はまた、この問題を解決することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によって提供され
るマルチチャンネルＲＦ励起ガスレーザ装置は、細長い
管状の誘電体ハウジングと、前記誘電体ハウジングの内
部に前記内側表面に近接して設けられた細長い接地電極
と、前記接地電極に沿って延伸し且つ当該接地電極の内
部に画定された複数のレーザチャンネルと、前記誘電体
ハウジングの内部に提供されたレーザガスと、前記誘電
体ハウジングの前記外側表面に沿って延伸し且つ当該外
側表面に近接して配置された複数のＲＦ電極であって、
各々のＲＦ電極が前記レーザチャンネルの各々のチャン
ネルに対して位置決めして配置されている複数のＲＦ電
極と、を備える。

【０００７】前記管状誘電体ハウジングは、その断面形
状として、多数の様々な断面形状、例えば円形状、矩形
状、およびその他の多角形の断面形状の中のいずれか一
つに形成できるが、好ましくは、誘電体ハウジングは実
質的にＤ字型の断面形状を有する。

【０００８】誘電体ハウジングにＤ字型の断面形状を採
用した場合、前記接地電極はハウジングの平面側面上に
備えられ、かつ、その接地電極の表面内部に機械加工さ
れた複数のレーザチャンネルを有し、この接地電極は高
周波の電気的接地機能を果たし、かつ、発生するレーザ
ビームのためのレーザチャンネルを提供する。かかる構
成によって、精度が保証され、再現可能な機械加工面を
確実に提供できるようになる。これによって、レーザビ
ーム出力のコンシステンシー（一貫性）が確保される。

【０００９】この光学的レーザチャンネルは接地電極の
内部に互いに平行に形成することができるが、好適に
は、誘電体ハウジングの一方の端部からもう一方の端部
にかけて相互に角度を有するように形成される。角度を
付ける構成は、とくに、レーザマーキング／コーディン
グ装置において、レーザビームを個別に集束することの
代替構成として有益であり、単一の焦点レンズを利用す
ることができるようになる。角度を付けたレーザチャン
ネルを用いると、レーザビームは直接、単一のビーム集
束システムによって集束させることができる。平行レー
ザチャンネルを使用すると、レーザビームを集束レンズ
に向け直すには、さらに、個別のミラーまたはレンズを
使用することが必要になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１Ａ〜Ｄのレーザ装置は誘電体
ハウジング１を有し、この誘電体ハウジング１は、図１
Ｂおよび１Ｃに最も良く表されるように実質的にＤ字型
の断面の壁１４を有する。別の構成によれば、このハウ
ジングの断面を矩形状にすることができる。誘電体ハウ
ジング１は、アルミナ（多結晶質のサファイア−Ａｌ₂
Ｏ₃）が好ましいが、強化ガラス（ＳｉＯ₂基材）、失透
ガラス（ガラスセラミックス）、または酸化金属（Ｂｅ
Ｏ、ＴｉＯ₂など）といったガス不透過性の誘電体材料
から形成される。ハウジング１の材料は、励起源として
使用されるＲＦエネルギの周波数に一致する１．０ＭＨ
ｚから１．０ＧＨｚの帯域（純アルミナを使った場合）
のＲＦエネルギに対して低損失を示すことが要求され
る。ここに示したハウジング１は、長さが５０ｃｍ、幅
が１０ｃｍ、そして深さが５ｃｍであり、公称壁厚が４
〜５ｍｍである。別の構成によれば、壁厚は実質的に上
記と同程度であることが好適であるが、壁の寸法を大き
く変えることも可能である。

【００１１】機械加工した金属製の接地電極２（この例
の場合、純アルミニウムまたはアルミニウム合金）が、
レーザハウジング１の壁または両端の２つのエンドプレ
ートの一方に接着により、または機械的に取り付けるこ
とで、平坦な内側表面３上に設けられている。この接地
電極２にはほかの金属を使用してもよく、それらの金属
には、銅、真鍮、または銅を真空めっきしたり、アルミ
ニウム、ニッケル、もしくは金をめっきした鋼鉄（例え
ばステンレス、インバー（Invar）またはコバー（Kova
r））などが含まれる。複数の細長い光学レーザチャン
ネル４は接地電極２の表面５に機械加工または鋳造さ
れ、この表面５はハウジング１の平坦な内側表面３に当
接している。図１Ａに最良に示されるように、レーザチ
ャンネル４は、半径が約２〜２．５ｍｍであり、およそ
０．５°の相対的な角形成にて互いに向けて角度が付け
られている。しかし、平行チャンネルを使った別の構成
を採用することもできる。上述よりも長い接地電極を備
えた別の構成の場合、レーザチャンネル間の角度を減ら
すことができ、チャンネルの最低半径は接地電極の長さ
の平方根に比例して拡大することができる。同様に、レ
ーザチャンネルが最も密に配置されている端部において
レーザチャンネルの間隔を適合させるために接地電極の
長さを長くした場合、接地電極の幅が増加するため、レ
ーザハウジングの幅も広げる必要があることもある。

【００１２】スペース６の内部には従来のレーザガス・
バラストが提供され、また、個々のＲＦ電極７は誘電体
ハウジング１の外部に沿って延伸し、そのハウジング１
の外側の平面状表面８上に、レーザチャンネル４に対し
て位置決めした状態で配置されている。一連の小さいな
孔（直径は１〜３ｍｍ）をレーザチャンネルの長さ方向
に沿って、２〜５ｃｍずつ離して設けることができ、こ
れにより、レーザチャンネルとバラスト容積との間のガ
スの換気が生じるようにしてもよい。これらの孔はガス
がバラスト容積からレーザチャンネルに流れることがで
きるように機能し、その結果、パルスモード動作でのレ
ーザ出力パワーを上げることができる。好適には、連続
発振の炭酸ガスレーザ出力中のレーザガスの混合割合
は、波長１０．６μｍで、概略、二酸化炭素が１２％、
窒素および／または一酸化炭素が１２％、キセノンが５
％、ヘリウム７１％である。二酸化炭素の割合を上げる
ことによりこの混合比を変えて、パルスレーザの動作に
最適なパフォーマンスを得ることができる。レーザガス
は、密封可能な管１６を通して導入され、この密封可能
な管１６を挟んで締め付けるか又は適当な弁１７によっ
て弁締めして、レーザハウジングが密封される。別の構
成としては、ハウジング１のもう一方の端に第２のガス
出口を付加し、装置内でガス流を使用できるようにする
ことができる。装置内でのガス圧は典型的には、６０ト
ル（Torr）であり、レーザチャンネルの半径に逆比例し
て変わる。

【００１３】ハウジング１の両方のエンドプレート１５
には、レーザ光学マウント９が従来の方法で取り付けら
れている。このエンドプレート１５の少なくとも一方は
電気的に接地電極２に結合されている。このエンドプレ
ート１５はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成
しているが、その代わりとしては、銅、真鍮、または銅
を真空めっきしたり、アルミニウム、ニッケル、もしく
は金をめっきした鋼鉄（例えばステンレス、インバー
（Invar）またはコバー（Kovar））で形成することがで
きる。このエンドプレート１５は、合成ゴム性のまたは
金属性のシール（図示せず）によりハウジング１に封止
される。好適には、これらエンドプレートはビトン（Vi
ton）（エラストマー）または金属インジウム合金で形
成される。この両エンドプレート１５は、適当なクラン
プデバイスまたは長く捩じ切りしたロッド（図示せず）
によってハウジング１にボルト締めされており、それら
のデバイスやロッドがハウジングに高い圧縮力を与え
て、確実にエンドプレートの密封を行う。その代わり
に、この両エンドプレート１５はニッケルメッキのコバ
ー（Kovar）で形成し、このプレートをアルミナ製のハ
ウジング１に高温でろう付けしてもよい。

【００１４】この両端の光学マウント９は反射ミラー１
０、１０’を有しており、この反射ミラーは装置の両端
で互いに異なるものである。一方の端の反射ミラーは、
レーザ照射に対して実質的に１００％の反射を呈するも
ので、例えば、所望の波長で反射率を最適化（波長１
０．６μｍで反射率が９９％より大）するために、反射
強化コーティング膜を有する研磨シリコンで形成される
一方、その大体の寸法は直径６ｍｍで、厚さ３ｍｍに形
成されている。このコーティング膜を変えて、一酸化炭
素ガスレーザおよび炭酸ガスレーザ用のほかの波長（５
〜１２μｍ）も最適化できる。もう一方の端に設けた別
の対向するミラーは、上述と同様のサイズに形成され、
所望の波長で部分反射し（反射率９０％〜９５％）、そ
して反射強化コーティング膜を有するセレン化亜鉛で形
成されている。ほかに適用可能な材料は、ゲルマニウ
ム、テルル化カドミウム、およびシリコンであり、全て
反射強化コーティング膜を備えるものである。これらの
ミラーはレーザアセンブリに取り付けられ、取付けねじ
（好適にはミラー毎に３または４個）を備える光学保持
装置を使って各レーザチャンネルに対して整列させる。
これらのミラー１０は、エラストマー性（例えばビトン
（Viton））または金属性（例えばインジウム金属合
金）のシールに圧縮され、各エンドプレート１５に気密
に接着されるマウント９上でこのシールが支持され、こ
れにより、反射器光学系の整列用の基準面が提供され
る。

【００１５】図１Ｅは、このレーザ装置のＲＦ励起を提
供する回路を示している。このＲＦ励起は、ＲＦ電極７
上の高周波、高電圧の電場を使って各レーザチャンネル
４に高電圧電場を生成することで得られ、かかる高周
波、高電圧の電場は、ＲＦ発生器１８で発生され、５０
オームＲＦケーブル１９を通して供給され、そして、整
合用ネットワークを介してその信号が高電圧電源に変換
されて成る２００〜２５０ワットのＲＦ信号によって与
えられる。その整合用ネットワークは、直列のインダク
タンス２１および並列のコンデンサ２２を備える。接地
電極２に接続されるエンドプレート１５は、整合ネット
ワークに接地される。

【００１６】図１Ａ〜１Ｅに示され且つ上述されたレー
ザ装置は、およそ１０．６μｍの波長で１０〜２０ワッ
トのレーザパワーを出力するように設計されている。

【００１７】図２および３は、誘電体ハウジングの別の
幾何学的形状を示しており、他のコンポーネントの構造
も対応して変更されている。同一の参照符号が用いられ
ているが、例えば、誘電体ハウジングが円形状である図
２では、接地電極２も同様に形状的に管状で、その円周
部分にわたって光学レーザチャンネル４が設けられ、ま
たは形成されていることが分かる。誘電体ハウジングが
矩形形状を示す図３の場合は図１Ａ〜Ｄのものにもっと
類似しており、接地電極２が、矩形状の誘電体ハウジン
グの長い側の壁の一方と境を接する一方の平面状表面に
形成されているレーザチャンネル４を有する。

【００１８】マーキング／コーディングに使用するマル
チチャンネル・レーザ装置の１つの重要な特徴は、ビー
ム集束装置を有していることである。図４は本発明にお
いて使用可能なビーム集束装置の１つの実施例を示して
おり、図５は別の実施例を示している。使用されている
レンズの幾何学的形状及び構成並びに焦点距離により、
レーザチャンネルから放射されたレーザが生成すること
ができるマークのドットサイズおよびドット間隔が決め
られ、また、ドットの分離は、集束レンズの位置におけ
るレーザビーム間の角度を変えることにより、個別に又
はグループ毎に調節することができる。図４は、対象物
１３に入射するマルチビーム１１を集束させるため、単
一の最終集束レンズ１２を使用した第１の構成を示して
いる。図５は、同一の目的を達成するために、複数の最
終集束レンズ１２を使用する例を示している。

【００１９】図６は、単一の最終集束レンズ（図４に従
う）を使用する幾何学的形状を示すもので、このレンズ
１２はレーザチャンネル４の光学的端部から距離Ｄ₁の
位置が焦点距離ｆであり、このレンズは集束レンズから
距離Ｄ₂の位置でほぼ面状の表面に一連の集束レーザス
ポットを形成する。

【００２０】図７は、図４および５の装置で提供される
ビームの内の１対の近接レーザビームについて、その光
学的構成を示すもので、回折効果を示している。図７に
おいて、レーザビームの隣接対は相互に角度φを有し、
最も接近した位置の中心間で距離Ｙだけ離れている。各
レーザ開口（内径Ｗ₁）を出射する各レーザビームはそ
の出射開口の遠視野中に角度θで広がり、焦点距離ｆの
レンズによって直径Ｗ ₂のスポットに集束され、隣接レ
ーザビーム１１によって形成された隣接スポットから距
離Ｓだけ離れる。

【００２１】この動作の理論を説明する。

【００２２】最も低次のガウス・レーザビームに関する
標準的な光学理論に従えば、以下のように計算できる。

【００２３】最初に、基礎的なレーザ理論から、ガウス
・ビームウエスト”Ｗ₁”を有するレーザ開口から出射
するレーザビームのレーザビーム拡り角が与えられ、そ
れは、

【数１】の関係によって与えられる。ここで、λは導波管を出射
する光の波長であり、πは３．１４１５９で近似される
物理定数である。

【００２４】レンズにより集束されるガウス・レーザビ
ームの場合、掲題の大抵の標準テキストで見ることがで
きる以下の関係式が容易に導出される。すなわち、Ｗ₂ ＝［（１／Ｗ₁ ²）（１−（Ｄ₁／ｆ））² ＋（１／（ｆθ））²］^-1/2 （式２）および、Ｄ₂＝ｆ＋［（Ｄ₁−ｆ）ｆ²］／［（Ｄ₁−ｆ）²＋（（πＷ₁ ²）／（４λ））²］（式３）である。

【００２５】最後に、レーザチャンネル間の角度が小さ
いという標準条件を導入すると、”tan（φ）”の値
は”φ”に等しいと近似でき、簡単な幾何学的関係

【数２】になる。

【００２６】したがって、これらの式の組から、幾何学
的関係のパラメータ（”Ｗ₁”，”Ｄ₁”，およびφ）な
らびに光学的パラメータ（”ｆ”および”λ”）の組が
与えれたとき、集束されたスポットサイズ”Ｗ₂”、ス
ポット分離”Ｓ”を導出することができる。

【００２７】計算例一例として、以下の値が与えられたとする。

【００２８】”λ” ＝１０．６×１０^-4（炭酸ガス
レーザの波長） ”ｆ” ＝５．０ｃｍ ”Ｗ₁”＝０．４０ｃｍ ”Ｄ₁”＝１３０ｃｍ ”φ” ＝０．０１ラジアンこのため、これらの値から以下の値を導出できる。

【００２９】 ”θ” ＝０．０３３７ラジアン（式１から） ”Ｗ₂”＝０．０１１６ｃｍ（式２から） ”Ｄ₂”＝５．１ｃｍ（式３から） ”Ｓ” ＝０．５１ｃｍ（式４から）上記値は、３．０ｍｍを僅かに越える７ドット文字の高
さに対して典型的な値であり、その場合、文字高さ”
Ｈ”は、Ｈ＝（Ｎ−１）Ｓ＋Ｗ₂ に等しい。ここで、”Ｎ”はマークの高さを成すドット
数である。

【００３０】図５に示す第２のビーム集束の実施例を説
明すると、送信されたマルチレーザビームはマルチ集束
用レンズ１２によって対象物１３上に集束させることが
できる。このレンズの幾何学的形状及び構成並びに焦点
距離により、対象物におけるマークのドットサイズおよ
びドット間隔が決まる。ドットの分離は、集束用レンズ
位置でのレーザチャンネルの角形成（アンギュレーショ
ン）を変化させることにより、個別にまたはグループ毎
に調整することができる。この実施例におけるスポット
サイズおよびスポット分離の計算は、ビーム集束の実施
例＃１（上述の式２および４参照）で既に説明した同一
の光学的理論に従って行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】好適な実施例に係るレーザ装置の側面図であ
る。

【図１Ｂ】好適な実施例に係るレーザ装置の左端断面図
である。

【図１Ｃ】好適な実施例に係るレーザ装置の右端断面図
である。

【図１Ｄ】好適な実施例に係るレーザ装置の左端面図で
ある。

【図１Ｅ】図１Ａ乃至図１Ｄに示すレーザ装置用のＲＦ
供給回路の概略構成図である。

【図２】円形状の断面をした装置の断面を示す図であ
る。

【図３】矩形状断面を有する装置を示す図である。

【図４】ビーム形成の実施例を示す図である。

【図５】ビーム形成の実施例を示す図である。

【図６】角度付けしたマルチレーザとそれらの焦束形成
との幾何学的関係を説明する図である。

【図７】角度付けしたマルチレーザとそれらの焦束形成
との幾何学的関係を説明する図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内側表面および外側表面を有する細長い
管状の誘電体ハウジングと、前記誘電体ハウジングの内部に、前記内側表面に近接し
て設けられた細長い接地電極と、前記接地電極に沿って延伸し且つ当該接地電極の内部に
画定された複数のレーザチャンネルと、前記誘電体ハウジングの内部に提供されたレーザガス
と、前記誘電体ハウジングの前記外側表面に沿って延伸し且
つ当該外側表面に近接して配置された複数のＲＦ電極で
あって、各々のＲＦ電極が前記レーザチャンネルの各々
のチャンネルに対して位置決めして配置されている複数
のＲＦ電極と、を備えたマルチチャンネルＲＦ励起ガス
レーザ装置。
【請求項２】前記管状誘電体ハウジングは多角形の断
面形状を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】前記管状誘電体ハウジングは矩形の断面
形状を有する請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】前記管状誘電体ハウジングは円形の断面
形状を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】前記管状誘電体ハウジングは、平面側面
と湾曲側面を有する実質的にＤ字型の断面形状を有する
請求項１記載のレーザ装置。
【請求項６】前記接地電極は、前記ハウジングの前記
平面側面上に備えられ、かつ、前記側面に機械加工され
た複数のレーザチャンネルを有し、前記接地電極は、高周波の電気的接地機能を有し、か
つ、発生するレーザビームのためのレーザチャンネルを
提供する請求項５記載のレーザ装置。
【請求項７】前記レーザチャンネルは、前記接地電極
の内部で互いに平行に配置される請求項１記載のレーザ
装置。
【請求項８】前記レーザチャンネルは、前記誘電体ハ
ウジングの一方の端部から他方の端部に向けて、相互に
角度をもって配置される請求項１記載のレーザ装置。