JPH11204895A - 金属蒸気レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、長時間安定に運転が可能で、且つレ
ーザ光の遮蔽が少ない金属蒸気レー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ーザ装置は、内部に金
属蒸気源２１を有するセラミック管２の両側にそれぞれ
陽極４および陰極５が設けられてなる放電管２２を、放
電加熱してレーザ光を発生させるが、金属蒸気源の高さ
がセラミック管の口径の２０％以内に設定されてなるこ
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、特に金属例えば銅
の補給による停止時間を減少させ、長時間安定に運転可
能にする金属蒸気レーザ装置の改良に関する。

【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４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４および陰極５が接
続されて放電管２０が形成されている。この放電管２０
における陽極４および陰極５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
２０を包囲する胴体９および絶縁管１０とブリュスタ管
１１との間に介在された電極支持フランジ７に取付け固
定されている。陽極４および陰極５の各電極は、電極フ
ランジ６を介して電極支持フランジ７に固定されてい
る。放電管２０の外周面は断熱材１３で包囲され、断熱
材１３の外部は胴体９および絶縁管フランジ１９を有す
る絶縁管１０で覆われている。それぞれの電極支持フラ
ンジ７には一対のブリュスタ管１１が接続されており、
このブリュスタ管１１の開口部にはそれぞれ窓１２が取
着され、これらの窓１２の外側には出力ミラー２３と全
反射ミラー１４が配置され共振器を形成している。

【０００３】図４において、左側に示されるブリュスタ
管１１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３が接続され、また右側に示されるブリュスタ管
１１にはガス排気管８が接続されている。左側の電極支
持フランジ７と絶縁管フランジ１９との間には、直流高
電圧が印加される。

【０００４】なお、図４中、符号１５は充電コンデンサ
Ｃ₁ 、１６は中間コンデンサＣ₂ 、１７は充電抵抗Ｒ、
１８はサイラトロン、２４はダイオードＤ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。まず、放電管２
０のセラミック管２内に、ガス供給管３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４と陰極５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。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。

【０００５】上述したようにレーザ媒体となる銅蒸気の
生成は、パルス高電圧源を起動させて両電極４，５間に
放電させ、このパルス二極放電のエネルギーをセラミッ
ク管２に付与して、このセラミック管２を加熱すること
により行なっているが、例えば金属蒸気源１として上記
のように銅を使用する場合は、セラミック管２を常温か
ら１５００℃まで加熱している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の金属蒸気レーザ装置では、セラミック管２内に形成し
た放電プラズマの熱によってセラミック管２内の金属蒸
気源１を加熱し、レーザ発振に適した金属蒸気量を発生
させている。

【０００７】ところで、金属蒸気レーザ装置を長時間運
転するためには、セラミック管２内の金属蒸気源１の金
属量を多くする必要がある。しかし、金属量を多くする
と、セラミック管２と金属蒸気源１の金属との濡れ性が
悪いため、溶けた金属が大きな球状になり発生するレー
ザ光を遮蔽するという問題点がある。

【０００８】そこで、金属量の少ない金属蒸気源１を数
多く設けると、設置総量が限定されるため、長時間の運
転は困難であった。本発明は上記事情を考慮してなされ
たもので、その目的とするところは、長時間安定に運転
が可能で、且つレーザ光の遮蔽が少ない金属蒸気レーザ
装置を提供することにある。

【０００９】

【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
気源を有するセラミック管の両側にそれぞれ陽極および
陰極が設けられてなる放電管を、放電加熱してレーザ光
を発生させるが、金属蒸気源の高さがセラミック管の口
径の２０％以内に設定されている。

【００１０】また、金属蒸気源は複数にして、その総延
長は陽極および陰極の電極間距離の５０％以内に設定さ
れている。さらに、複数の金属蒸気源の間隔は、セラミ
ック管の口径の１．５倍以上に設定されている。

【００１１】上記の構成を有する本発明によれば、放電
管に放電ガスを導入して放電を開始すると、プラズマが
生起されて放電管の温度は次第に上昇する。やがて、金
属蒸気源が金属蒸気を生成し得る温度に達すると、放電
管内に金属蒸気が一様に分布する。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、放電
管内は反転分布の状態になりレーザ光が発生する。

【００１２】この場合、本発明では上記の構成のため金
属蒸気源の金属量は少ないので、セラミック管と金属蒸
気源の金属との濡れ性は悪くならない。従って、溶けた
金属は球状にならずに、平面上になる。そのため、発振
したレーザ光は溶けた金属に遮蔽されずに高いレーザ出
力が得られる。さらに、長時間の安定運転も可能とな
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
レーザ装置は図１および図２に示すように構成され、図
１は全体を示し、図２は要部を拡大して示している。な
お、従来例（図４）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、金属蒸気例えば銅蒸気を生
成する複数の金属蒸気源２１（詳細については後述）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、
それぞれ接合部材２ａを介して陽極４および陰極５が接
続されて放電管２２が形成されている。そして、陽極４
および陰極５でパルス二次放電が行なわれる。セラミッ
ク管２の外周には断熱材１３が配置され、その外周には
金属製例えばアルミ製の胴体９および絶縁管１０が配置
されている。陽極４および陰極５には、一対のブリュス
タ管１１が接続されている。そして、左側のブリュスタ
管１１には、ガス供給系に接続されたガス供給管３が、
また右側のブリュスタ管１１には、ガス排気系に接続さ
れたガス排気管８がそれぞれ接続されている。ガス排気
管８は、セラミック管２内の放電ガス等を外部へ排出す
るものである。ブリュスタ管１１の窓１２の外側には、
それぞれ出力ミラー２３と全反射ミラー１４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。

【００１５】さて、前述したパルス２極放電は、陽極４
および陰極５を支持しこれらに電流を流す電極支持フラ
ンジ７に接続されたパルス高圧電源によりなされる。パ
ルス高圧電源は、充電コンデンサ１５、中間コンデンサ
１６、充電抵抗１７、サイラトロン１８、およびダイオ
ード２４等からなる回路によって構成されている。この
パルス高圧電源は、充電コンデンサ１５に充電された電
荷がサイラトロン１８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１８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】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４）と同一である
ので、その説明を省略する。

【００１７】さて、本発明の特徴である金属蒸気源２１
について詳述すると、多量に金属蒸気源を設置するに
は、１点当たりの金属蒸気源の金属を多くして金属蒸気
源の高さを増加することで可能となるが、この金属蒸気
源の高さを増加すると、前述のようにレーザ光を遮蔽し
てレーザ出力の低下を招く。そこで、レーザ光遮蔽率を
１５％以内にするためには、金属蒸気源２１の高さをレ
ーザ管口径の２０％以内にする必要がある。

【００１８】従って、本発明の一実施の形態では、金属
蒸気源２１の高さがセラミック管２の口径の２０％以内
に設定されている。金属蒸気源高さ／レーザ管口径に対
するレーザ光遮蔽率を図３に示す。

【００１９】さらに、多数の金属蒸気源２１を設置する
ためには、図２に示すように設置点数、１点当たりの設
置長さを増加する必要が生じる。この１点当たりの金属
蒸気源の長さと点数と設置間隔は、以下の式のような関
係がある。

【００２０】設置間隔＝（電極間距離−（金属蒸気源長
さ×設置点数））／（設置点数＋１） このような関係があるため、金属蒸気源２１の増加は設
置間隔の減少を招き、プラズマを形成するための電気放
電を誘導し、正常な放電を維持することが困難となる。
そこで、種々の試験を行なった結果、設置間隔はセラミ
ック管２の１．５倍以上離す必要があり、金属蒸気源長
さを設置点数加算した総延長は電極間距離の５０％以内
にする必要があることが判った。従って、本発明の一実
施の形態では、複数の金属蒸気源２１の設置間隔は、セ
ラミック管２の口径の１．５倍以上に設定され、複数の
金属蒸気源２１の総延長は、陽極４および陰極５の電極
間距離の５０％以内に設定されている。また、金属蒸気
源長さは、セラミック管２の口径の２倍以内が最適であ
ることが判った。なお、図２は模式図なので、金属蒸気
源２１の設置間隔はセラミック管２の１．５倍以上にな
っていないが、実際は上記の通りである。

【００２１】次に、上記の一実施の形態の作用を説明す
る。まず、真空排気系（図示省略）を作動させて、セラ
ミック管２内を排気し、この排気後にガス供給管３を経
由してネオンガス等の放電ガスを供給する。

【００２２】次に、パルス高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２１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２１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。

【００２３】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１２を通過
し、レーザ共振器を構成する出力ミラー２３及び全反射
ミラー１４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２３から取り出されるレーザ
光が十分な出力に達成する。

【００２４】このように本発明の実施形態によれば、金
属蒸気源２１の高さが制限されているので金属蒸気源２
１の金属量は少なく、セラミック管２と金属蒸気源２１
の金属との濡れ性は悪くならない。従って、溶けた金属
は球状にならずに、平面上になる。そのため、発振した
レーザ光は溶けた金属に遮蔽されずに高いレーザ出力が
得られる。さらに、移動等によるレーザ出力が不安定に
なるのを防止することも出来、長時間の安定運転も可能
となる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザの遮蔽によるレーザ出力の低下を招くことなく、
多量の金属蒸気源を設置することが出来、レーザ発振を
長時間安定して行なうことが出来る。

【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ーザ装
置を回路図を併用して示す断面図。

【図２】図１の要部を拡大して示す断面図。

【図３】金属蒸気源の高さとレーザ光遮蔽率との関係を
示す特性曲線図。

【図４】従来の金属蒸気レーザ装置を回路図を併用して
示す断面図。

【符号の説明】

２…セラミック管、４…陽極、５…陰極、２１…金属蒸
気源、２２…放電管。

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年７月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 誠 神奈川県川崎市川崎区日進町７番地１ 東 芝電子エンジニアリング株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に金属蒸気源を有するセラミック管
   の両側にそれぞれ陽極および陰極が設けられてなる放電
   管を、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、 上記金属蒸気源の高さが上記セラミック管の口径の２０
   ％以内に設定さ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】 上記金属蒸気源は複数にして、その総延
   長は上記陽極および陰極の電極間距離の５０％以内に設
   定されてなることを特徴とする請求項１記載の金属蒸気
   レーザ装置。
3. 【請求項３】 上記複数の金属蒸気源の設置間隔は、上
   記セラミック管の口径の１．５倍以上に設定されてなる
   ことを特徴とする請求項２記載の金属蒸気レーザ装置。