JPH1093203A - 金属蒸気レ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、低コストで且つ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、内部に金
属蒸気を生成する金属蒸気源１が設けられると共に放電
ガスが充填された放電管５内をコンデンサ２１に充電し
た電力により放電加熱してレ−ザ光を発生させる場合、
コンデンサの温度を制御して放電電力を一定にする手段
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、特に室温や冷却材の温度の変化に対して生じる
レ−ザ出力の変動を抑制する手段に関する。

【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２に示すように構成されている。即ち、同図に
おいて、金属蒸気例えば銅蒸気を生成する複数の金属蒸
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。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１２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。

【０００３】図２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
１７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
１２との間には、直流高圧電源２８から供給される直流
高速高電圧が印加される。

【０００４】直流高圧電源２８と電極支持フランジ１０
と絶縁管フランジ１２との間には、冷却容器３１内に収
納されたダイオード２５、サイラトロン２４、充電コン
デンサ２１、移行用コンデンサ２２、充電抵抗２３、圧
縮用コイル２９、保護用コイル３０とサイラトロン２４
で構成された放電回路が、冷却材３２によって冷却され
るように設置されている。

【０００５】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。まず、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、陽極３と陰極４との間に直流高速高
電圧を印加して、放電プラズマを形成する。直流高速高
電圧は、直流高圧電源２８から充電抵抗２３、圧縮用コ
イル２９とダイオード２５、保護用コイル３０によって
充電コンデンサ２１に直流電圧が充電され、サイラトロ
ン２４によって高速スイッチされ、移行用コンデンサ２
２を経由して印加される。金属蒸気レーザ装置では、こ
の直流高速高電圧の印加を１秒間に数千回繰り返してレ
−ザ出力を得る。

【０００６】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、例えば銅粒子すなわち
銅蒸気が生成される。さらに、この銅蒸気はセラミック
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。この励起銅蒸気が低いエネ
ルギー準位に遷移する際にレーザ光を発振する。

【０００７】このとき、放電回路は、主に圧縮用コイル
２９と保護用コイル３０で発生するヒステリシス損失や
渦電流損失や、サイラトロン２４、ダイオード２５の内
部抵抗の損失等による熱を冷却材３２で冷却して除去す
るための冷却容器３１内に収納し、冷却して保護してい
る。冷却によって温度上昇した冷却材３２は、循環ポン
プ３３によって熱交換器３４に移送され、ク−リングタ
ワ−水３５によって冷却され、冷却容器３１へ循環す
る。

【０００８】上述したようにレーザ発振時に発生した放
電回路での損失熱は、ク−リングタワ−水３５によって
冷却された冷却材３２により除熱される。ここに冷却材
３２の温度は、冷却材配管、容器構造材の耐熱設計と、
コンデンサ、ダイオ−ド、コイル等の電気部品の耐熱性
から決定しており、約５０℃以下になるように設計、製
作されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この放
電回路に用いる高電圧用セラミックコンデンサのコンデ
ンサ容量は、温度上昇に反比例して低下することが明ら
かになっており、充電コンデンサの容量が冷却材の温度
変化によって変化し、放電管５に注入される電力が次式
のように減少する。 注入電力＝（１／２）×充電コンデンサ容量×（充電電
圧）² ×繰り返し周波数 この充電コンデンサ容量が低下し、注入電力が低下して
レ−ザ出力に影響を与えることが明らかになり、問題と
なっている。本発明は上記事情に鑑み、低コストで且つ
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。

【００１０】

【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、内部に金属蒸
気を生成する金属蒸気源を設置するとともに放電ガスを
充填させた放電管内を放電回路によって高速高電圧放電
させることで加熱して、レーザ光を発生させる金属蒸気
レーザ装置において、放電回路の特に充電コンデンサの
温度を一定に制御するための温度計と、その温度を冷却
材の温度あるいは流量で制御する手段を備えたものであ
る。上記の構成を有する本発明によれば、放電回路の充
電コンデンサの容量が一定に維持されるため、一定なレ
−ザ出力が得られる。

【００１１】

【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
２）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。

【００１２】図１において、セラミック管２の両端部に
は接合部材２ａを介して陽極３および陰極４が対向して
接続されている。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の外周には断熱材１１
が配置され、その外周には金属製例えばアルミ製の胴体
７および絶縁管８が配置されている。陽極３および陰極
４には、一対のブリュスタ管９が接続されている。そし
て、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。ガス供
給管１６には、ネオンガス供給系が設置されている。

【００１３】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１７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。更
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。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。

【００１４】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１
０に接続された放電回路によりなされる。放電回路は、
２組の充電コンデンサ２１、移行用コンデンサ２２、圧
縮用コイル２９、充電抵抗２３およびサイラトロン２
４、保護用コイル３０、ダイオード２５等からなる回路
によって構成されている。

【００１５】この放電回路は、直流高圧電源２８から充
電コンデンサ２１に充電された電荷が、サイラトロン２
４を点弧することにより、ほぼ１０^-7秒以下の立上り時
間で放電電流を発生させるように構成されている。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。

【００１６】このような放電回路は、発生した損失熱を
冷却除去するための冷却容器３１内に収納され、循環ポ
ンプ３３とク−リングタワ−水３５と熱交換器３４で冷
却され循環する冷却材３２で満たされている。ここで、
温度をコンデンサ容量が変化する充電コンデンサは独立
した冷却とし、温度計３６と温度を一定にする温度制御
弁３７と温度制御器３８で常に一定の温度に制御する構
造である。

【００１７】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。その他の構成は従来例（図２）と同一である
ので、その説明を省略する。

【００１８】次に、上記の一実施の形態の作用を説明す
る。まず、真空排気ポンプ２０を作動させて、放電管５
内を排気する。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内のガス圧力は、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。

【００１９】次に、放電回路を作動させて、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、例えば銅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内に銅蒸気が一
様に分布する。

【００２０】この銅蒸気にプラズマ中の自由電子が衝突
して銅蒸気が励起され、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、励起された銅蒸気が
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。

【００２１】しかし、気温等により変動するク−リング
タワ−水３５を用いて、熱交換器３４によって冷却され
る放電回路であるが、充電コンデンサ２１の温度は温度
計３６と温度制御弁３７、温度制御器３８によって一定
に制御されるため、充電コンデンサ容量は一定になる。
また、冷却材３２の流量を移行用コンデンサ２２と圧縮
用コイル２９の区域と、充電コンデンサ２１の区域と、
サイラトロン２４、保護用コイル３０とダイオード２５
の区域に３分割し、発熱量の多い圧縮用コイル２９とサ
イラトロン２４と別区域としたため、温度変化量、つま
り充電コンデンサ容量の変化量も減少する。

【００２２】このように本発明の実施形態によれば、充
電コンデンサ温度を一定に制御可能になり、安定したレ
−ザ出力が得られる。 （他の実施の形態）その他の実施の形態として、循環ポ
ンプ３３の回転数を温度で制御する方法等もある。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
放電回路の充電コンデンサの容量を一定に制御するた
め、安定したレ−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】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。

【符号の説明】

１…金属蒸気源、５…放電管、２１…コンデンサ、２７
…制御器、２８…直流高圧電源、２９…圧縮用コイル、
３０…保護用コイル、３２…冷却材（絶縁材）、３４…
熱交換器、３５…ク−リングタワ−水、３６…温度計、
３７…温度制御弁、３８…温度制御器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に金属蒸気を生成する金属蒸気源が
   設けられると共に放電ガスが充填された放電管内をコン
   デンサに充電した電力により放電加熱してレ−ザ光を発
   生させる金属蒸気レ−ザ装置において、 上記コンデンサの温度を制御して放電電力を一定にする
   手段が設けられてなることを特徴とする金属蒸気レ−ザ
   装置。
2. 【請求項２】 上記コンデンサ温度の制御に、上記コン
   デンサを冷却する冷却材流量または冷却材温度が用いら
   れることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気レ−ザ装
   置。
3. 【請求項３】 上記コンデンサの冷却手段が他の発熱素
   子部と別系統に設定されていることを特徴とする請求項
   １記載の金属蒸気レ−ザ装置。
4. 【請求項４】 レ−ザ出力を測定しレ−ザ出力を安定化
   するために、上記コンデンサ温度を上記冷却材流量また
   は冷却材温度により制御することを特徴とする請求項１
   記載の金属蒸気レ−ザ装置。