JPS5840355B2 - 横方向励起型ガスレ−ザ装置 - Google Patents

横方向励起型ガスレ−ザ装置

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JPS5840355B2
JPS5840355B2 JP14873581A JP14873581A JPS5840355B2 JP S5840355 B2 JPS5840355 B2 JP S5840355B2 JP 14873581 A JP14873581 A JP 14873581A JP 14873581 A JP14873581 A JP 14873581A JP S5840355 B2 JPS5840355 B2 JP S5840355B2
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discharge
dielectric electrode
gas
laser
glow discharge
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JP14873581A
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JPS5851582A (ja
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治彦 永井
行雄 佐藤
正明 田中
則一 田畑
正夫 菱井
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/097Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser
    • H01S3/0977Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping by gas discharge of a gas laser having auxiliary ionisation means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は無声放電補助グロー放電励起ガスレーザ装置
に係わり、レーザガス流の中で無声放電による予備電離
がグロー放電の大電力密度化、均質化に効果的に作用す
る動作条件を規定したガス循環型の無声放電補助グロー
放電励起ガスレーザ装置に関する。
このレーザ装置は、発明者等により新規に開発されたも
のであり、レーザ装置の小型化とビームモードの改善が
実現されており、加工等に応用される連続発振の大出力
(レーザ出力≧1kW)レーザとして、従来の装置に較
べ格段に適したものである。
以下、この発明に係る無声放電補助グロー放電励起CO
2レーザ装置について説明する。
第1図はこの発明の一実施例の縦断面図、第2図はその
■−■線よりみた横断面図で、1は陽極、2は陰極、3
は無声放電のための誘電体電極、4は安定化抵抗、5は
絶縁性陰極基板、6は主放電としてのグロー放電を生成
させるための直流高圧電源、7は無声放電生成のための
高周波高圧電源、8は誘電体電極の冷却に用いられてい
る脱イオン水、9はレーザガスの流れ方向、10は無声
放電補助グロー放電励起媒質の断面形状、101は無声
放電を生成していないときのグ吊−放電励起媒質の断面
形状、11は全反射ミラー、12は部分反射ミラー、1
3はレーザ光軸、14はレーザビームを示す。
次に動作について説明する。
陽極1と陰極2との間の主放電ギャップの上流側に設置
された誘電体電極3とアースとの間に高周波電源7によ
り高周波高電圧を印加すると、誘電体電極3と陰極2お
よび陽極1との間に無声放電(以後、SDと略記する)
が生成される。
このSDにより予備電離されたレーザガス(CO2−N
2−He混合ガス)は流れの向き9に沿って主放電ギャ
ップ部に流入する。
SD補助放電によりレーザ光軸方向13に一様に予備電
離されたガス中で陽極1−陰極2間に直流高圧電源6に
より放電電力を投入すると、均質でかつ高電力密度の放
電励起媒質が生成される。
この放電励起媒質を挾み全反射ミラー11と適切な反射
率を有する部分反射ミラー12とを対向して配置させる
と、レーザ発振が生じ、部分反射ミラー12からレーザ
ビーム14が出射する。
CO2レーザを連続発振動作させるためには、よく知ら
れているように、放電励起部10のガス温度を低く維持
することが必要不可欠であるので、第1図と第2図に示
されているように、陰極2がレーザ光軸方向13に多数
配列され、かつレーザガスが10m/sec以上の速度
でガス流の向き9に送風循環されている。
誘電体電極3は、断面が円形の鉄製パイプにガラスライ
ニングした円筒状のもの、またはガラスパイプの内部に
給電のための金属細線を備えたものが用いられ、いずれ
も、その内部は脱イオン水8により冷却されている。
陽極1は一体の平板型金属電極であり、その材料は銅で
ある。
また、陰極2は分割型電極であり、10mm程度のピッ
チでレーザ光軸方向13に一列に並べられている。
それぞれの陰極は、先端が針状であり、その材料はモリ
ブデン、タングステン等である。
SDの予備電離効果を顕著に具現化されるための諸条件
を詳述する前に、第1図、第2図に示した一実施例とし
てのレーザの概略仕様について述べる。
主放電ギャップ長(陽極1−陰極2間距離)は75mm
1放電長は1m、陰極本数は100本、安定化抵抗4は
30にΩである。
誘電体電極3の直径りは7−30 mrnφ、誘電体と
してのガラスの肉厚は約1關、高周波高圧電源7の周波
数は1kH2−IMH2,電圧(0−ピーク値)は3−
10kVである。
レーザガスはC02−CC)−N2−Heの混合気体、
ガス圧力は30−300トール、ガス流速は20−10
0m/secである。
第3図にSD補助グロー放電の典型的な放電特性イと通
常のり゛ロー放電の特性口とが示されている。
両特性の差異はSD放電の有無によるもので、他の動作
条件は全く同一である。
主な標準放電条件は、誘電体電極直径:127nmφ、
電源周波数二10 kHzsガス圧カニ100)−ル、
ガス流速:40m/secである。
第3図から、SDの予備電離効果により、放電々圧が顕
著に低下すること、最大投入電力が約3倍に増大するこ
とが判る。
また、第2図に示したように、SD補助を加えた場合の
励起媒質の断面形状10がSD補助を加えない場合のそ
の断面形状101(図の斜線部分)より大きくかつ拡散
されている。
このように、SDの予備電離効果を顕著に具現化させる
ためには、誘電体電極3の配設位置とその直径、SDの
電力と電源周波数、ガス圧力、ガス流速などを最適化さ
せる必要がある。
第4図に、誘電体電極3の配設位置と最大グ陥−放電々
力との関係を示す。
図中、dは放電ギャップ長、lIはガス流方向の陰極2
−誘電体電極3間の距離、12は陽極1−誘電体電極3
間の距離である。
d=75mmの場合の最大グロー放電々力の等高純が描
かれている。
最大電力40kWが得られる領域は40 mvt< l
j 1≦60mm、かつ25≦12≦60關の範囲内で
ある。
この領域はギヤツブ長d1ガス流速などの変化により移
動する。
一般的な傾向として、ギャップ長dが小さくなると、最
適な11が減少し、かつ最適な12がほぼdに比例して
小さくなる。
また、ガス流速が増大すると最適な11が大きくなる。
第5図は、12を50間に設定し、かつ12をパラメー
タとした最大グ七−放電々力とSD定電力の関係を示す
特性図である。
この図から11が65關と大きくなると、11−50m
mの場合に比べ同等の予備電離効果を表わせしめるため
には、より大きなSD定電力必要となる。
11が150mmすなわち2dの場合になると、40k
Wの放電々力を投入するのに、1l−501n1nの場
合に比べ2倍以上のSD定電力必要となり、実用的でな
い。
これらの実験結果から、誘電体電極3の配置位置として
、概略O≦11≦2d、0≦12≦dの範囲内に選定す
るのが適していると伝える。
つまり、11,12を上記の範囲に設定すれば、SDの
予備電離効果が有効に働く。
なお、誘電体電極3を陰極2の下流側(第4図に斜線で
示されている)に設置した場合には、最大グロー放電々
力が、誘電体電極なしの場合に比べ顕著に減少する。
すなわちこの場合にはSDは逆にグロー放電に悪影響を
与える。
次に、誘電体電極3の断面直径りと最大グロー放電々力
との関係について述べる。
直径りをギャップ長dと同等程度に大きくすると、ガス
流が誘電体電極により強い擾乱を受け、最大グロー放電
電力が減少する。
また、Dが小さくなると電極表面積が小さくなり、すな
わちキャパシタンスが小さくなりSDD力投入が困難と
なる。
実用的な見地からDとして、3mrrL≦D < dの
範囲に設定すれ〜2 ば、効果的にSDの予備電離作用を働かせることができ
る。
第6図は、11−12−50間としたときのSD定電力
よる最大グロー放電々力の変化を示す特性図で、SD定
電力増大により最大グロー放電電力が増大している。
SD定電力グロー放電々力のわずか数多で顕著に予備電
離効果が表われ、実用上10%以下のSD定電力十分足
りることが判る。
SD電電力区、大路次の関係式に従う。
%式%) ここで、F(v)は電源電圧のゼロ−ピーク値Vの増大
関数、fは電源周波数、Cは誘電体電極のキャパシタン
スである。
SD電電力区支配するパラメータ、v、f、cをそれぞ
れ変化させる最大グロー放電々力とSD定電力の関係を
調べた結果、第5図に示したl=50mmの特性曲線上
に全ての測定点が並ぶことが判った。
つまり、SDの予備電離効果はSD定電力よってのみ規
定されている。
なお、実際に試験した電源周波数fの範囲は1kHzI
MHzであった。
第7図に、SD補助を付加した場合の最大グロー放電々
力のガス圧力依存性を示す。
30−300トールのガス圧力範囲で、最大グロー放電
々力がほぼ一定であることが判る。
用いられた混合ガスはC02−CO−Nz−He=2−
1−6−32である。
第8図に、最大グロー放電々力のガス流速依存性を示す
ガス流速が20−100 m/secの範囲で、最大グ
ロー放電々力が単調増大している。
これは、ガス流速によりSDの予備電離効果が大きくな
ったものではなく、SD補助なしのグロー放電そのもの
がガス流速増大により、その最大投入電力が増大するこ
とによるものである。
以上詳細に述べたように、SDの予備電離がグロー放電
の大電力密度化、均質化に効果的に作用するためには、
誘電体電極の設定位置およびその直径、SD定電力SD
D波数、ガス圧力、ガス流速などを適切に選ぶ必要があ
る。
逆に、これらのパラメータを適切に規定すれば、SDの
予備電離効果が顕著に具現化され、レーザ動作に適した
励起媒質が容易に得られる。
この発明はレーザガスの気流を挾んで相対向するように
配設され直流高電圧が印加されてグロー放電を生成する
陽極と陰極、および上記レーザガスの気流中であって上
記両電極よりは上流側に配設され高周波高電圧が印加さ
れて上記両電極との間で無声放電を生成する誘電体電極
を備えたものにおいて、上記両電極の放電ギャップ長を
d1上記誘電体電極と陰極とのガス流方向の距離を11
゜陽極との距離を12、上記誘電体電極の直径をDとす
ると、上記誘電体電極の直径りを3mm<D<生の範囲
内とし、かつ当該誘電体電極を0≦l、≦2dおよびO
≦12≦dの範囲内に配設せる構造としたことを特徴と
するものでSDの予備電離効果が最大限に得られるレー
ザ装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明に係る無声放電補助グ陥−放電励起ガ
スレーザ装置の縦断面図、第2図はその■−■線よりみ
た横断面図、第3図はグ吊−放電の電圧−電流特性を示
す図、第4図は誘電体電極の配設位置と最大グロー放電
々力との関係を説明するための図、第5図は誘電体電極
のガス流方向配設位置による放電特性の変化を示す特性
図、第6図は最大グロー放電々力と無声放電々力との関
係を示す特性図、第7図は最大グロー放電々力とガス圧
力との関係を示す特性図、第8図は最大グロー放電々力
とガス流速との関係を示す特性図である。 図において、1は陽極、2は陰極、3は誘電体電極、4
は安定化抵抗、5は絶縁性陰極基板、6は直流高圧電源
、7は高周波高圧電源、8は脱イオン水、9はレーザガ
スの流れ方向を示す矢印、10は無声放電補助グロー放
電励起媒質の断面形状、101はグ爾−放電励起媒質の
断面形状、11は全反射ミラー、12は部分反射ミラー
。 13はレーザ光軸、14はレーザビームである。 なお、図中同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 レーザガスの気流を挾んで相対向するように配設さ
    れ直流高電圧が印加されてグロー放電を生成する陽極と
    陰極、および上記レーザガスの気流中であって上記両電
    極よりは上流側に配設され高周波高電圧が印加されて上
    記両電極との間で無声放電を生成する誘電体電極を備え
    たものにおいて、上記両電極の放電ギャップ長をd、上
    記誘電体電極と陰極とのガス流方向の距離を11、陽極
    との距離を12、上記誘電体電極の直径をDとすると、
    上記誘電体電極の直径りを3 mm< D <−zの範
    囲内とし、かつ当該誘電体電極を0≦11≦2d、及び
    O≦12≦dの範囲内に配設せる構造としたことを特徴
    とする横方向励起型ガスレーザ装置。 2 誘電体電極に印加する高周波電圧の周波数が1kH
    2〜I MHzの範囲であ1バかつ無声放電電力がレー
    ザ励起放電電力の10%以下であることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の横方向励起型ガスレーザ装置
JP14873581A 1981-09-22 1981-09-22 横方向励起型ガスレ−ザ装置 Expired JPS5840355B2 (ja)

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