JPH1093162A - 金属蒸気レ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、長時間にわたり安定したレーザ出力
が得られる金属蒸気レ−ザ装置を提供することを目的と
する。 【解決手段】本発明の金属蒸気レ−ザ装置は、内側に金
属蒸気を生成する金属蒸気源１が設置されたセラミック
管２およびこのセラミック管の両端に一対の電極３，４
が設置された放電管５と、この放電管の外側にセラミッ
ク管の温度を維持するため設けられた断熱材１１とを具
備してなり、セラミック管と断熱材との間に、セラミッ
ク管の移動防止器２８が設けられてなることにより、上
記の目的を達成することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属蒸気レーザ装置
に係り、特に装置の運転開始、停止の操作によって生じ
るセラミック管の移動を防止する手段を設けた装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な金属蒸気レーザ装置は、
例えば図５に示すように構成されている。即ち、同図に
おいて、複数の金属蒸気源１が内部に設置された円筒状
のセラミック管２の両端には、接合部材２ａを介して陽
極３および陰極４が接続されて放電管５が形成されてい
る。この放電管５における陽極３および陰極４には、そ
れぞれ電極フランジ６が設けられている。この電極フラ
ンジ６は放電管５を包囲する胴体７および絶縁管８とブ
リュスタ管９との間に介在された電極支持フランジ１０
に取付け固定されている。陽極３および陰極４の各電極
は、電極フランジ６を介して電極支持フランジ１０に固
定されている。

【０００３】放電管５の外周面は断熱材１１で包囲さ
れ、断熱材１１の外部は胴体７および絶縁管フランジ１
２を有する絶縁管８で覆われている。それぞれの電極支
持フランジ１０には一対のブリュスタ管９が接続されて
おり、このブリュスタ管９の開口部にはそれぞれ窓１３
が取着され、これらの窓１３の外側には出力ミラー１４
と全反射ミラー１５が配置され共振器を形成している。

【０００４】図５において、左側に示されるブリュスタ
管９には、放電用バッファガス（以下、放電ガスと略
称）として例えばネオン（Ｎｅ）ガスを供給するガス供
給管１６が接続され、また右側に示されるブリュスタ管
９にはガス排気管１７が接続されている。ガス排気管１
７は、途中に圧力計１８が備えられているとともに、流
量調整弁１９を介して真空排気ポンプ２０に接続されて
いる。左側の電極支持フランジ１０と絶縁管フランジ１
２との間には、直流高電圧が印加される。

【０００５】なお、同図中、符号２１は充電コンデン
サ、２２は中間コンデンサ、２３は抵抗、２４はサイラ
トロン、２５はダイオードをそれぞれ示している。上記
の構成を有する金属蒸気レーザ装置では、次のようにし
てレーザを発振する。

【０００６】まず、金属蒸気源１が内部に配置された放
電管５内に、ガス供給管１６から放電ガス例えばネオン
ガスを供給する。次に、セラミック管２の両端に設けら
れた陽極３と陰極４との間に高電圧を印加して、放電プ
ラズマを形成する。すると、この放電プラズマによりセ
ラミック管２が高温に加熱されて、金属蒸気源１からレ
ーザ媒体となる蒸気化された金属粒子すなわち金属蒸気
が生成される。さらに、この金属蒸気はセラミック管２
内に拡散し、セラミック管２内の放電プラズマ中の自由
電子により励起される。この励起金属蒸気が低いエネル
ギー準位に遷移する際に、レーザ光を発振する。

【０００７】上述したようにレーザ発振は、放電ガス中
に高電圧放電させてセラミック管２を高温に加熱し、レ
ーザ発振停止時は放電を停止し、セラミック管２を冷却
する操作を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック管２は高温に加熱すると、材質固有の膨張係数（ア
ルミナセラミックの場合：７. ８×１０^-6）とセラミッ
ク管長と上昇温度の積で膨張し、冷却すると元の管長に
収縮する。このとき、セラミック管２は断熱材１１に設
置されており、セラミック管２の膨張、収縮は断熱材１
１の内側を滑ることで、破損等が発生することなく行わ
れる。しかし、セラミック管２の膨張、収縮が断熱材１
１に対して同位置で行われている場合は、セラミック管
２は軸方向に移動することがなく、レーザ出力等も正常
に行われるが、膨張と収縮の支点が異なりセラミック管
２が一方向に移動する現象が生じた場合は、レーザ出力
の変動等の問題が生じる。

【０００９】図６（ａ），（ｂ）に示すように、セラミ
ック管２内の温度分布は、セラミック管２の両端部が、
レーザ光を入出射するために開口され断熱材１１が設け
られていないため、端に行くにつれて急激に温度低下し
ている。なお、金属蒸気源１はセラミック管２の均一な
温度分布の最適位置に設置されている。

【００１０】セラミック管２が移動すると、金属蒸気源
１も共に、図６に示すように、温度の低下した位置に移
動してしまう。このため、金属蒸気発生容量が減少し、
レ−ザ出力が低下する。低温部に移動した金属例えば銅
はレーザ発振に寄与しないために、実質的な銅設置量に
比例する発振可能時間も低下する。本発明は上記事情に
鑑み、長時間にわたり安定したレーザ出力が得られる金
属蒸気レーザ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る金属蒸気レーザ装置は、内側に金属蒸
気を生成する金属蒸気源が設置されたセラミック管およ
びこのセラミック管の両端に一対の電極が設置された放
電管と、この放電管の外側にセラミック管の温度を維持
するため設けられた断熱材とを具備し、放電管内に放電
ガスを充填するとともに一対の電極間で放電加熱してレ
ーザ光を発生させる金属蒸気レーザ装置において、セラ
ミック管の温度膨張により発生するセラミック管の移動
を防止する手段を備えたものである。

【００１２】上記の構成を有する本発明によれば、セラ
ミック管は温度の上昇によって膨張するが、断熱材との
位置は一定に保たれるため、レーザ出力を安定に発振で
きる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
一実施の形態を詳細に説明する。本発明による金属蒸気
レ−ザ装置は図１に示すように構成され、従来例（図
５）と同一または対応する部分には同一の符号を用いて
説明する。

【００１４】図１において、複数の金属蒸気源１が内部
に設置された円筒状のセラミック管２の両端部には、接
続部材２ａを介して一対の電極である陽極３および陰極
４が対向して接続されて、放電管５が形成されている。
これらの陽極３および陰極４でパルス放電が行われる。
セラミック管２および陽極３、陰極４の外周には断熱材
１１が配置され、その外周には金属製の胴体７と絶縁管
８が配置されている。

【００１５】陽極３および陰極４の外側には一対のブリ
ュスタ管９が接続され、左側のブリュスタ管９にはガス
供給系に接続されたガス供給管１６が、また右側のブリ
ュスタ管９には放電ガス排気管１７がそれぞれ接続され
ている。

【００１６】また、放電管５内の放電ガス圧力を測定す
る圧力計１８が備えられているとともに、放電管５と真
空排気ポンプ２０とを結ぶガス排気管には、流量調節弁
１９と自動調整弁２６とが順次接続されている。さらに
圧力計１８からの信号によって自動調整弁２６を操作
し、これによって放電管５内の放電ガス圧力を制御する
制御器２７が備えられている。

【００１７】また、セラミック管２と断熱材１１の間で
長手方向の中央部には、セラミック管２の外周にセラミ
ック管２の軸方向への移動を防止する手段が設けられて
いる。この実施形態の移動防止器２８は、断熱材１１に
切り欠き２８ａが設けられ、これに嵌合するバンド２８
ｂがセラミック管２の外周に締結されたものである。

【００１８】ブリュスタ管９の窓１３の外側には、それ
ぞれ出力ミラー１４および全反射ミラー１５が配置さ
れ、これによってレーザ共振器が構成されている。前述
したパルス２極放電は、陽極３および陰極４を支持し、
これらに電流を流す電極支持フランジ１０に接続された
パルス高電圧電源によりなされる。パルス高電圧電源
は、充電コンデンサ２１、中間コンデンサ２２、抵抗２
３、サイラトロン２４およびダイオード２５等からなる
回路によって構成されている。

【００１９】このパルス高電圧電源は、充電コンデンサ
２１に充電された電荷が、サイラトロン２４を点弧する
ことにより、ほぼ１０^-7秒以下の立ち上り時間で放電電
流を発生するようにされている。サイラトロン２４は、
パルス放電スイッチング素子である。発生させるパルス
高電圧は、電圧が十数KV〜数十KV、繰り返し周波数が数
kHz 〜数十KHz である。

【００２０】なお、図中の記号Ａはアノード端子であ
り、Ｋはカソード端子であり、Ｇはトリガー信号導入端
子である。その他の構成は図５と同一であるので、その
説明を省略する。

【００２１】次に、上記の一実施の形態の作用を説明す
る。まず、排気ポンプ系２０を作動させて、放電管５内
を排気し、その排気後、ガス供給管１６から、ネオンガ
スを放電管５内に注入する。この時、放電ガス注入によ
り上昇した放電管５内ガス圧力は、圧力計１８によって
測定される。この測定値が予め設定された圧力値になる
ように、制御器２７によって自動調節弁２６が操作さ
れ、放電ガスの排出量が調整され、放電管５内の圧力が
設定値に制御される。

【００２２】次に、パルス高電圧電源を作動させて、セ
ラミック管２内にプラズマを生起させ、このプラズマに
よって金属蒸気源１が金属蒸気を生成し得る温度まで昇
温させる。レーザ発振に必要な温度は、例えば金属蒸気
源１が銅の場合には約1500℃である。この状態が保持さ
れることにより、セラミック管２内に金属蒸気が一様に
分布する。

【００２３】この金属蒸気にプラズマ中の自由電子が衝
突して金属蒸気が励起され、やがてセラミック管２内は
反転分布の状態となる。この状態では、励起された金属
蒸気が低エネルギー準位に遷移する際にレーザ光を発生
する。セラミック管２内で発生したレーザ光は窓１３を
通過し、レーザ共振器を構成する出力ミラー１４及び全
反射ミラー１５で反射する間に、その振幅が増加してパ
ワーアップし、やがて出力ミラー１４から取り出される
レーザ光が出力される。

【００２４】ここで、金属蒸気が充分発生する高温に加
熱されたセラミック管２の温度上昇による膨張は、セラ
ミック管２の中央部で移動防止器２８によって中央部は
固定され、移動防止器２８を中心に左右に膨張する。ま
た、レーザ発振停止時のセラミック管の収縮は、移動防
止器２８に左右から収縮する。このように、膨張、収縮
が常にセラミック管２の中央部を支点として生じるた
め、断熱材１１中でのセラミック管２の軸方向への移動
が発生することは無くなる。

【００２５】このように本実施形態によれば、セラミッ
ク管２はセラミック管２の中央部を中心に膨張、収縮す
るため、セラミック管２の移動が生じず、安定したレー
ザ出力が得られる。また、金属蒸気源１が全てレーザ発
振に使用されるため、長時間の安定なレーザ発振が可能
になる。

【００２６】（他の実施の形態）その他の実施の形態と
して、図３に示すように、セラミック管２の外径寸法を
中央部で太く両端部に行くに従って小さくすることで
も、膨張、収縮をセラミック管２の中央部を支点にする
ことが可能となり、軸方向片側への移動を防止すること
ができる。

【００２７】また、別のその他の実施の形態として、図
４に示すように、断熱材１１に打込んだくさびからなる
移動防止器２９を設置することによって、セラミック管
２の膨張を考慮した位置で軸方向への片寄った移動を制
限することが可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
セラミック管の温度上昇、下降による軸方向への移動を
防止可能であり、長時間にわたり安定なレーザ出力を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る金属蒸気レ−ザ装
置を示す断面図を含む回路構成図。

【図２】（ａ）は図１の金属蒸気レ−ザ装置の放電管付
近を示す断面図、（ｂ）は運転時のセラミック管が移動
したときの温度分布を説明する図。

【図３】本発明の他の実施の形態に係る金属蒸気レ−ザ
装置の放電管付近を示す断面図。

【図４】本発明の別の他の実施の形態に係る金属蒸気レ
−ザ装置の放電管付近を示す断面図。

【図５】従来の金属蒸気レ−ザ装置を示す断面図を含む
回路構成図。

【図６】（ａ）は図５の金属蒸気レ−ザ装置の放電管付
近を示す断面図、（ｂ）は運転時のセラミック管が移動
したときの温度分布を説明する図。

【符号の説明】

１…金属蒸気源、２…セラミック管、３…陽極、４…陰
極、５…放電管、６…電極フランジ、１０…電極支持フ
ランジ、１１…断熱材、１６…ガス供給管、１７…ガス
排気管、１８…圧力計、１９…流量調整弁、２０…真空
排気ポンプ、２７…制御器、２８，２９…移動防止器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内側に金属蒸気を生成する金属蒸気源が
   設置されたセラミック管およびこのセラミック管の両端
   に一対の電極が設置された放電管と、この放電管の外側
   に上記セラミック管の温度を維持するため設けられた断
   熱材とを具備し、上記放電管内に放電ガスを充填すると
   ともに一対の電極間で放電加熱してレーザ光を発生させ
   る金属蒸気レーザ装置において、 上記セラミック管と上記断熱材との間に、上記セラミッ
   ク管の移動防止手段が設けられてなることを特徴とする
   金属蒸気レーザ装置。
2. 【請求項２】 内側に金属蒸気を生成する金属蒸気源が
   設置されたセラミック管およびこのセラミック管の両端
   に一対の電極が設置された放電管と、この放電管の外側
   に上記セラミック管の温度を維持するため設けられた断
   熱材とを具備し、上記放電管内に放電ガスを充填すると
   ともに一対の電極間で放電加熱してレーザ光を発生させ
   る金属蒸気レーザ装置において、 上記セラミック管と上記一対の電極との間に、上記セラ
   ミック管の移動防止手段が設けられてなることを特徴と
   する金属蒸気レーザ装置。
3. 【請求項３】 内側に金属蒸気を生成する金属蒸気源が
   設置されたセラミック管およびこのセラミック管の両端
   に一対の電極が設置された放電管と、この放電管の外側
   に上記セラミック管の温度を維持するため設けられた断
   熱材とを具備し、上記放電管内に放電ガスを充填すると
   ともに一対の電極間で放電加熱してレーザ光を発生させ
   る金属蒸気レーザ装置において、 上記セラミック管の外径寸法が中央部で太く両端部に行
   くに従って小さくなっていることを特徴とする金属蒸気
   レーザ装置。