JPH11220203A - ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放電管内のレーザガスの流速の半径方向にお
ける分布を均一化して安定した放電を実現し、これによ
りレーザ出力の増大および安定化を図る。 【解決手段】 レーザガスＦｇの流路の一部を構成する
放電管２と、該放電管２の長手軸方向にレーザガスＦｇ
を流すための送風機５と、放電管２と組み合わされてレ
ーザガスＦｇの循環路を構成する循環管体３とを備え、
上記放電管２内で放電を生じせしめることによってレー
ザガスＦｇの励起を行うようにしたガスレーザ発振装置
１であって、放電管２の直上流側においてレーザガスに
旋回方向の運動力を与える旋回流形成手段２０が設けら
れるとともに、該旋回流形成手段２０の上流側に、放電
管２の軸芯近傍の所定範囲におけるレーザガスＦｇの流
速を高める流速調節手段３０が設けられていることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスレーザ発振
装置、特に、レーザガスの流路の一部を構成する放電管
内での放電によってレーザガスの励起を行うようにした
ガスレーザ発振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザビームを出力するためのガ
スレーザ発振装置として、レーザガスの流路の一部を放
電管で構成し、この放電管内での放電によってレーザガ
スの励起を行うようにしたものは、一般に良く知られて
いる。図５は、かかるタイプのガスレーザ発振装置の従
来例（以下、これを従来例１という）の概略構成を表し
ている。この図に示すように、従来例１に係るガスレー
ザ発振装置１０１は、レーザガスＦｇの流路の一部を構
成する一対の放電管１０２と、これら放電管１０２の長
手軸方向にレーザガスＦｇを流すための送風機１０５
と、上記各放電管１０２と組み合わされてレーザガスＦ
ｇの循環路を構成する循環管体１０３とを備えている。
上記放電管１０２の両端側には一対の電極１１１,１１
２が配置され、これら電極１１１,１１２間に高電圧電
源装置１１３が配設されている。

【０００３】上記放電管１０２は誘電体で成り、高電圧
電源装置１１３を作動させることにより、放電管１０２
内において両電極１１１,１１２間に放電が生じる。そ
して、この放電によってレーザガスＦｇが励起され、全
反射鏡１０７および部分反射鏡１０８を介して装置１０
１の外部にレーザビームＬｂとして出力されるようにな
っている。この場合、より好ましくは、放電管１０２の
長手軸とレーザビームＬｂの光軸とは、その方向が一致
している。尚、符号１１４及び１１５は、循環路内（放
電管１０２および循環管体１０３の内部）において、放
電管１０２内での放電および送風機１０５の駆動エネル
ギ等により上昇したレーザガスＦｇの温度を下げるため
に設けられた熱交換機である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に放電管１０２内での放電によってレーザガスＦｇの励
起を行うようにしたガスレーザ発振装置１０１では、レ
ーザ出力の増大および安定化を図るためには、放電管１
０２内のレーザガスＦｇの流速の半径方向における分布
を均一化し安定した放電を実現することが極めて重要で
あることが知られている。しかしながら、レーザガスＦ
ｇを普通に放電管１０２内に流した場合、放電管１０２
内のレーザガス流Ｆｇの流速の半径方向における分布
は、流体の一般的な性質に従って、図６に示すように、
管壁付近で流速が低く、管中央付近で流速が高くなる。
流れのある流体中での放電は流速の低い部分に集中して
生じ易い特性を有しているので、この場合には、図７に
示すように、管壁側に偏った放電状態（図７における交
差状の斜線部分参照）になってしまう。このため、高出
力のガスレーザを安定して得ることは難しいという問題
がある。

【０００５】この問題に対して、放電管内のレーザガス
流を旋回流とすることにより、流速を均一化させること
が考えられている。図８および図９は、放電管内のレー
ザガス流を旋回流とするための旋回流形成手段を備えた
ガスレーザ発振装置（以下、これを従来例２という）の
放電管部を表している。この図に示すように、この従来
例２に係るガスレーザ発振装置では、放電管１０２の直
上流側に（具体的には、循環管体１０３の放電管１０２
へのレーザガス導入部１０３ｉに）、放電管１０２内の
レーザガス流Ｆｇを旋回流とするための旋回流形成手段
１２０が配置されている。

【０００６】この旋回流形成手段１２０は、図１０〜図
１２に示すように、全体としては所定内径の管状に形成
され、その長さは上記レーザガス導入部１０３ｉの長さ
に略等しく設定されている。そして、放電管１０２に近
い側の管壁に、旋回流形成手段１２０の内部と外部とを
連通させる複数個のスリット状の連通路１２０ｓが設け
られている。従って、より好ましくは、レーザガス導入
部１０３ｉに流入して来たレーザガスＦｇは、全てこの
旋回流形成手段１２０を通って放電管１０２内に向かう
ことになる。

【０００７】この連通路１２０ｓは、旋回流形成手段１
２０の軸心からずれた方向に向かって開口しており、こ
の連通路１２０ｓを通って内部に流入するレーザガスＦ
ｇには、図１０〜図１２において実線矢印で示されるよ
うに、その長手軸を中心にした旋回方向の運動力が与え
られるようになっている。上記旋回流形成手段１２０
は、より好ましくは放電管１０２の内径に等しいか若し
くはそれよりも小さい内径寸法を有し、レーザガス導入
部１０３ｉ内において該放電管１０２と同軸に配置され
ている。従って、この旋回流形成手段１２０を通って放
電管１０２内に流入するレーザガスＦｇは、放電管１０
２内を旋回しながら進行する。この結果、管壁付近の流
速が管中央側に比して高められることになる。

【０００８】上記旋回流形成手段１２０およびその連通
路１２０ｓは、放電管１０２内を流れるレーザガスＦｇ
の流速について、旋回流形成手段１２０が設けられてい
ない通常の場合におけるレーザガス流Ｆｇの流速分布
（図６参照）と打ち消し合うような流速分布を実現すべ
く、その寸法・形状等の選定が試みられるのであるが、
実際には、放電管１０２内のレーザガス流Ｆｇを旋回流
としたことによる流速分布特性が強く表れ過ぎて、レー
ザガスＦｇの流速を高精度で均一化することは極めて難
しいという難点があった。すなわち、旋回流形成手段１
２０を設けた場合には、放電管１０２内の流速の半径方
向における分布は、一般に、図８に示されるように、旋
回流形成手段１２０が設けられていない通常の場合とは
逆に、管壁付近が速くて管中央付近が遅くなり、その結
果、図９に示されるように、管中央側に放電が集中する
傾向が生じるのである。

【０００９】このため、旋回流形成手段１２０の連通路
１２０ｓの軸心からのズレ量や開口面積などを種々変更
してレーザ出力特性を調べるなど、旋回流の最適化を図
るべく様々の工夫が重ねられているが、やはり管壁付近
の流速が速くなり過ぎる傾向を是正することは難しく、
確かに、旋回流形成手段１２０が無い場合に比べれば、
放電は広がりレーザ出力のある程度の増大は認められる
ものの、十分な高出力を安定して得ることはできないの
が実情であった。

【００１０】この発明は、上記技術的課題に鑑みてなさ
れたもので、放電管内のレーザガスの流速の半径方向に
おける分布を高精度で均一化して安定した放電を実現
し、これによりレーザ出力の増大および安定化を図るこ
とができるガスレーザ発振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】このため、本願発明は、
レーザガスの流路の一部を構成する少なくとも一つの放
電管と、該放電管の長手軸方向にレーザガスを流すため
の送風機と、上記放電管と組み合わされてレーザガスの
循環路を構成する循環管体とを備え、上記放電管内で放
電を生じせしめることによってレーザガスの励起を行う
ようにしたガスレーザ発振装置であって、上記放電管の
直上流側またはその近傍においてレーザガスに放電管の
長手軸を中心にした旋回方向の運動力を与える旋回流形
成手段が設けられるとともに、該旋回流形成手段の上流
側に、上記放電管の軸芯近傍の所定範囲におけるレーザ
ガスの流速を高める流速調節手段が設けられていること
を特徴としたものである。かかる構成を採用することに
より、管中央より管壁に至るまで極めて高精度で均一な
流速分布を得ることができ、放電管内での放電も偏りの
ない均一なものとし、レーザ出力の増大および安定化を
実現することができる。

【００１２】この場合において、上記流速調節手段を、
中央部に所定内径の開口を有し、上記旋回流形成手段の
上流側で上記循環管体の流路を仕切る隔壁体で構成する
ことが好ましい。これにより、比較的簡単な構成で流速
調節手段を設けることができる。

【００１３】また、この場合において、流速調節手段が
設けられる循環管体の内径Ｄaと上記隔壁体の開口の内
径Ｄbとが、０.５＜Ｄb／Ｄa＜０.７の関係を満たすこ
とが好ましい。このようにＤb／Ｄaの値を設定すること
により、レーザ出力の増大を図るに際して特に著しい効
果を奏することができる。ここに、上記Ｄb／Ｄaの値を
０.７未満としたのは、Ｄb／Ｄaが０.７以上となると、
循環管体の内径Ｄａに対して流速調節手段の開口の内径
Ｄｂが大き過ぎ、管中央付近の流速を早める効果が薄く
なり、レーザガス流速の半径方向における分布の均一性
がその分だけ低くなり、放電の十分な均一化が実現でき
ず、レーザ出力の増大効果がそれだけ低くなるからであ
る。一方、上記Ｄb／Ｄaの値が０.５を越えるようにし
たのは、Ｄb／Ｄaが０.５以下になると、循環管体の内
径Ｄａに対して流速調節手段の開口の内径Ｄｂが小さ過
ぎ、管中央付近の流速が速くなり過ぎてしまい、やはり
レーザガス流速の半径方向における分布の均一性が低く
なり、放電の十分な均一化が実現できず、レーザ出力の
増大効果がそれだけ低くなるからである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態
に係るガスレーザ発振装置の全体構成を概略的に表す説
明図である。尚、このガスレーザ発振装置は、後述する
旋回流形成手段および流速調整手段が設けられている点
を除いては、上述の従来例１（図５参照）で説明したも
のと、基本的には同一の構成を有するものである。上記
図１に示すように、本実施の形態に係るガスレーザ発振
装置１（以下、適宜、単に装置と略称する。）は、レー
ザガスＦｇの流路の一部を構成する一対の放電管２と、
これら放電管２の長手軸方向にレーザガスＦｇを流すた
めの送風機５と、上記各放電管２と組み合わされてレー
ザガスＦｇの循環路を構成する循環管体３とを備えてい
る。該循環管体３は、全体として左右対称に形成され、
各放電管２の一端側に連結された一対の略Ｌ字状の管体
３Ａと、各放電管２の他端側に連結された中央の管体３
Ｂとで構成されており、上記送風機５は中央の管体３Ｂ
の途中部に配設されている。また、上記各放電管２の両
端側には一対の電極１１,１２が設けられ、これら電極
１１,１２間に高電圧電源装置１３が配設されている。

【００１５】上記放電管２は誘電体で成り、上記高電圧
電源装置１３を作動させることにより、放電管２内にお
いて両電極１１,１２間に放電が生じる。そして、この
放電によってレーザガスＦｇが励起され、全反射鏡７お
よび部分反射鏡８を介して装置１の外部にレーザビーム
Ｌｂとして出力されるようになっている。この場合、よ
り好ましくは、放電管２の長手軸とレーザビームＬｂの
光軸とは、その方向が一致している。尚、上記ガスレー
ザ発振装置１では、レーザガスの循環路内（放電管２お
よび循環管体３の内部）は、送風機５によってレーザガ
スが循環させられており、放電管２内での放電および送
風機５の駆動エネルギ等により上昇したレーザガスの温
度を下げるために、熱交換機４及び６が放電管２の下流
側および送風機５の下流側にそれぞれ配置されている。

【００１６】図２および図３に示すように、本実施の形
態に係るガスレーザ発振装置１では、上記各放電管２の
直上流側またはその近傍（具体的には、循環管体３の放
電管２へのレーザガス導入部３ｉ）においてレーザガス
Ｆｇに放電管２の長手軸を中心にした旋回方向の運動力
を与える旋回流形成手段２０が設けられている。そし
て、本実施の形態では、これに加えて、該旋回流形成手
段２０の上流側に、放電管２の軸芯近傍の所定範囲にお
けるレーザガスＦｇの流速を高める流速調節手段３０が
設けられている。

【００１７】上記旋回流形成手段２０は、従来例２（図
８〜図１２参照）において符号１２０で説明したものと
同様のもので、レーザガス導入部３ｉの長さと略等しい
長さを有し、放電管２に近い側には、旋回流形成手段２
０の軸心からずれた方向に向かって開口したスリット状
の連通路２０ｓが設けられている。そして、この連通路
２０ｓを通って内部に流入するレーザガスＦｇには、そ
の長手軸を中心にした旋回方向の運動力が与えられるよ
うになっている（図１０〜図１２における実線矢印参
照）。上記旋回流形成手段２０は、より好ましくは放電
管２の内径に等しいか若しくはそれよりも小さい内径寸
法を有し、レーザガス導入部３ｉ内において該放電管２
と同軸に配置されている。従って、この旋回流形成手段
２０を通って放電管２内に流入するレーザガスＦｇは、
放電管２内を旋回しながら進行する。この結果、管壁付
近の流速が管中央側に比して高められることになる。
尚、この旋回流形成手段２０の構成および作用は、上述
のように、従来例２で説明したもの（符号１２０）と同
一である。

【００１８】また、上記流速調節手段３０は、中央部に
所定内径Ｄｂの開口３０ｈを有し、上記旋回流形成手段
２０の上流側で循環管体３の流路を仕切る例えば円板状
の隔壁体３０Ｂで構成されている。すなわち、本実施の
形態では、中央に開口３０ｈを有する円板３０Ｂを循環
管体３の内部に取り付けるだけの簡単な構成で流速調節
手段３０を設けることができる。この流速調節手段３０
を設けることにより、開口３０ｈを通過するレーザガス
Ｆｇは、その流路が一旦狭められ、その後すぐに広げら
れることになる。これにより、流速調節手段３０通過直
後のレーザガスＦｇの流速分布は、隔壁体３０Ｂによっ
て遮られることのなく開口３０ｈを通る管中央付近は極
端に速く、一方、隔壁体３０Ｂによって遮られた管壁付
近は極端に遅くなる。

【００１９】次に、このような管中央付近の流速が極端
に速い流速分布の状態で、レーザガスＦｇが旋回流形成
手段２０へと導入されると、旋回方向の運動力を与えら
れたレーザガスＦｇの流速分布は、管壁付近の流速が早
められ、管中央付近の流速は遅くなるが、上流側の流速
調節手段３０で与えられた流速分布が、もともと管中央
の流速が極端に速い流速分布であったため、旋回流形成
手段２０で与えられる流速分布と打ち消し合って結果的
にバランスがとれ、管中央より管壁に至るまで、極めて
高精度で均一な流速分布を持つ流れが形成される。この
結果、放電管２内での放電も偏りのない均一なものとな
り、レーザ出力の増大および安定化を実現することがで
きるのである。

【００２０】上記のような流速分布の均一化およびそれ
に伴うレーザ出力の増大についてより高い効果を得るた
めに、上記流速調節手段３０の隔壁体３０Ｂの開口３０
ｈの内径Ｄbと上記循環管体３の内径Ｄaとを種々変更
し、両者の比（Ｄb／Ｄa）と得られるレーザ出力との相
関関係を調べた。その結果を図４に示す。この図４のグ
ラフにおいて、流速調節手段３０の隔壁体３０Ｂの開口
３０ｈの内径Ｄbと上記循環管体３の内径ＤaがＤb＝Ｄa
の場合は、流速調節手段３０が設けられていない従来例
に相当し、本発明により大幅なレーザ出力の増大が達成
されたことが分かる。また、図４のグラフから、流速調
節手段３０の隔壁体３０Ｂの開口３０ｈの内径Ｄbと上
記循環管体３の内径Ｄaが、０.５＜Ｄb／Ｄa＜０.７の
範囲にある場合には、レーザ出力の増大効果が際立って
高いことが分かった。

【００２１】すなわち、Ｄb／Ｄaが０.７以上となる
と、循環管体３の内径Ｄａに対して、流速調節手段３０
の開口３０ｈの内径Ｄｂが大き過ぎ、管中央付近の流速
を早める効果が薄くなり、レーザガス流速の半径方向に
おける分布の均一性がその分だけ低くなり、放電の十分
な均一化が実現できず、レーザ出力の増大効果がそれだ
け低くなる。一方、Ｄb／Ｄaが０.５以下になると、循
環管体３の内径Ｄａに対して、流速調節手段３０の開口
３０ｈの内径Ｄｂが小さ過ぎ、管中央付近の流速が速く
なり過ぎてしまい、やはりレーザガス流速の半径方向に
おける分布の均一性が低くなり、放電の十分な均一化が
実現できず、レーザ出力の増大効果がそれだけ低くな
る。従って、Ｄb／Ｄaの値は０.５〜０.７が最適範囲で
ある。

【００２２】尚、本発明は、以上の実施態様に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、
種々の改良あるいは設計上の変更等を加えることができ
るのは勿論のことである。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本願の
請求項１に係る発明によれば、レーザガスの流路の一部
を構成する放電管内で放電を生じせしめることによって
レーザガスの励起を行うようにしたガスレーザ発振装置
において、上記放電管の直上流側またはその近傍におい
てレーザガスに放電管の長手軸を中心にした旋回方向の
運動力を与える旋回流形成手段が設けられるとともに、
該旋回流形成手段の上流側に、上記放電管の軸芯近傍の
所定範囲におけるレーザガスの流速を高める流速調節手
段が設けられているので、上記放電管内のレーザガス流
速の半径方向における分布について、流速調節手段で与
えられる流速分布と旋回流形成手段で与えられる流速分
布と打ち消し合って結果的にバランスがとれ、管中央よ
り管壁に至るまで、極めて高精度で均一な流速分布が得
られる。この結果、放電管内での放電も偏りのない均一
なものとなり、レーザ出力の増大および安定化を実現す
ることができる。

【００２４】また、本願の請求項２に係る発明によれ
ば、基本的には上記請求項１に係る発明と同様の効果を
奏することができる。特に、上記流速調節手段は、具体
的には、中央部に所定内径の開口を有し、上記旋回流形
成手段の上流側で循環管体の流路を仕切る隔壁体で構成
されているので、中央部に開口を有する隔壁体を旋回流
形成手段の上流側に設けるだけの比較的簡単な構成で、
上記流速調節手段を設けることができる。

【００２５】更に、本願の請求項３に係る発明によれ
ば、基本的には上記請求項２に係る発明と同様の効果を
奏することができる。特に、隔壁体が設けられる循環管
体の内径Ｄaと上記隔壁体の開口の内径Ｄbとが、０.５
＜Ｄb／Ｄa＜０.７の関係を満たすことにより、レーザ
出力の増大を図るに際して特に著しい効果を奏すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態に係るガスレーザ発振装置の全
体構成を概略的に示す説明図である。

【図２】 上記ガスレーザ発振装置の旋回流形成手段お
よび流速調節手段ならびに放電管内の流速分布状態を示
す説明図である。

【図３】 上記ガスレーザ発振装置の旋回流形成手段お
よび流速調節手段ならびに放電管内の放電状態を示す説
明図である。

【図４】 上記流速調節手段の隔壁体開口の内径Ｄbと
循環管体の内径Ｄaの比Ｄb／Ｄaとレーザ出力との相関
関係を示す図である。

【図５】 従来例１に係るガスレーザ発振装置の全体構
成を概略的に示す説明図である。

【図６】 上記従来例１に係るガスレーザ発振装置の放
電管内の流速分布状態を示す説明図である。

【図７】 上記従来例１に係るガスレーザ発振装置の放
電管内の放電状態を示す説明図である。

【図８】 従来例２に係るガスレーザ発振装置の旋回流
形成手段および放電管内の流速分布状態を示す説明図で
ある。

【図９】 上記従来例２に係るガスレーザ発振装置の放
電管内の放電状態を示す説明図である。

【図１０】 上記従来例２に係る旋回流形成手段の作用
を示す説明図である。

【図１１】 上記従来例２に係る旋回流形成手段の構造
を示す縦断面説明図である。

【図１２】 上記従来例２に係る旋回流形成手段の図１
１におけるＹ−Ｙ方向からの矢視図である。

【符号の説明】

１…ガスレーザ発振装置 ２…放電管 ３…循環管体 ３ｉ…レーザガス導入部 ５…送風機 ２０…旋回流形成手段 ３０…流速調節手段 ３０Ｂ…隔壁体 ３０ｈ…隔壁体の開口 Ｄａ…循環管体の内径 Ｄｂ…隔壁体の開口の内径 Ｆｇ…レーザガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザガスの流路の一部を構成する少な
   くとも一つの放電管と、該放電管の長手軸方向にレーザ
   ガスを流すための送風機と、上記放電管と組み合わされ
   てレーザガスの循環路を構成する循環管体とを備え、上
   記放電管内で放電を生じせしめることによってレーザガ
   スの励起を行うようにしたガスレーザ発振装置であっ
   て、 上記放電管の直上流側またはその近傍においてレーザガ
   スに放電管の長手軸を中心にした旋回方向の運動力を与
   える旋回流形成手段が設けられるとともに、該旋回流形
   成手段の上流側に、上記放電管の軸芯近傍の所定範囲に
   おけるレーザガスの流速を高める流速調節手段が設けら
   れていることを特徴とするガスレーザ発振装置。
2. 【請求項２】 上記流速調節手段は、中央部に所定内径
   の開口を有し、上記旋回流形成手段の上流側で上記循環
   管体の流路を仕切る隔壁体で構成されていることを特徴
   とする請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 【請求項３】 上記循環管体の内径Ｄaと上記隔壁体の
   開口の内径Ｄbとが、０.５＜Ｄb／Ｄa＜０.７の関係を
   満たすことを特徴とする請求項２記載のガスレーザ発振
   装置。