JPS5855653Y2

JPS5855653Y2 - ガスレ−ザ装置

Info

Publication number: JPS5855653Y2
Application number: JP4464779U
Authority: JP
Inventors: 皓二桑原; 弘治佐々本; 宏之菅原; 聖竹森; 利治白倉
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 1979-04-06
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1983-12-20
Also published as: JPS55145066U

Description

【考案の詳細な説明】本案は、ガスレーザ装置に係わり、特に、グロー放電を
励起源とするガスレーザ装置に使用するに好適な電極構
造に関する。

レーザガス媒体に負温度分布を発生させるために、グロ
ー放電を励起源とするガスレーザ装置において、そのレ
ーザ出力を向上させるにはまず放電電流を増し、放電入
力の増加を図ることが肝要である。

従って、電極材料に固有な電流密度に応じて所要の大き
さの放電電流が得られる程度に電極表面積を拡大する必
要がある。

しかし、一般にグロー放電は、放電管内の気圧が数Ｔｏ
ｒｒ以下の場合では、管内をほぼ一様に満たし陰極面全
域にわたって発生するが、管内気圧が数１０Ｔｏｒｒ
以上になると、放電路は細くなり陰極面の一部において
のみ放電が生じるようになる。

従って、レーザ出力を高めるために、レーザ管内圧力を
数Ｔｏｒｒ以上に保っているガスレーザ装置では、グロ
ー放電は広い陰極面積全域にわたって一様に拡散せず局
在する傾向がある。

このため、放電電流の増加に伴い、陰極の一部に生じた
グロー放電の電流密度が局部的に増加し、放電は不安定
となり終にはアーク放電へと移行することになる。

この結果、広い陰極面積を十分に活用できず、所要の大
きさの放電電流を得ることができない。

上記の欠点を解消するために、従来では、陰極自体を複
数個に分割する方法が用いられていた。

すなわち、陰極は互いに絶縁されて複数に分割された分
割陰極から戊り、この分割陰極にはそれぞれ安定抵抗が
直列に接続され、この抵抗により前記分割陰極の放電電
流を制限することによってグロー放電を安定させ、前記
陰極面に一様にグロー放電を拡散させる方法である。

しかし、上記従来方法では、放電は各分割陰極において
各安定抵抗を介し独立に発生するために、放電が生じな
い分割陰極が存在することがある。

このため、全ての分割陰極に確実に放電を発生させるに
は、多数の安定抵抗の抵抗値を個々に調節するという繁
雑な操作を行わなければならない。

また、複数個の分割陰極とこれと同数の安定抵抗を必要
とするために、必然的にガスレーザ装置の大型化と複雑
化を招くことになる。

さらに、一般にガスレーザ装置では、高電圧を電極間に
印加するために、放電人力の増加とともに前記安定抵抗
での消費電力も増大し、ガスレーザ装置の全効率を低下
させることになる。

本案の目的は、グロー放電を発生させるための陰極面全
域にわたってグロー放電を一様に拡散させ、大きな放電
電流を得ることのできる、簡単な構造の陰極を備えたガ
スレーザ装置を提供するにある。

本案は、グロー放電において、陰極直前の大きな電位差
すなわち陰極電位降下の差異によって放電維持電圧が異
なることに着目し、さらに、陰極面が十分に小さな場合
は、グロー放電は前記陰極面全域に拡散することに着目
し、広い陰極面を、陰極電位降下の異なる複数種の陰極
部材によって、複数区域に分割構成し、かつ前記区域の
それぞれの面積をグロー放電が一様に拡散する程度に限
定したことによって、前記目的を達成するようにしたも
のである。

以下、本案を実施するのに最も好適な実施例を図面によ
って説明する。

第１図は、本案の一実施例であるヘリウム・ネオンレー
ザ装置の構成図である。

レーザ作用を行うプラズマを発生させるレーザ管１の両
端に、ブリュースタ窓２，３が取り付けられ、このブリ
ュースタ窓２，３の外側に凹面反射鏡４および出力鏡５
が配置され、光共振器が構成される。

前記放電管１内には、レーザ媒体として混合比Ｈｅ：
Ｎｅ＝５：１、全ガス圧１ＴＯｒｒノ混合気体が
封入される。

また、レーザ出力６は、前記出力鏡５を一部透過して前
記光共振器外に出るレーザ光として得られる。

直流電源７の一出力端子には、安定抵抗８を介して陽極
９が、また他端子には陰極１０が接続され、前記放電管
１と共に放電回路が構成される。

この実施例では、陰極電位降下の異なる複数種の陰極部
材として、銅とアルミが用いられる。

第２図は、陰極１０の斜視図である。

まず、円筒状アルミ材を軸を含む平面により軸方向に沿
って１６等分し、このうち８個の分割アルミ材をアルミ
電極１１とする。

次に、円筒状鋼材の内面に、軸方向に沿って前記アルミ
電極１１を埋設できる溝を等間隔に８本形成したものを
銅電極１２とする。

この銅電極１２の前記溝中に、それぞれ、前記アルミ電
極１１を埋設して陰極１０が構成される。

従って、陰極１０の表面である円筒内面は、アルミ電極
１１からなる８区域１１１，１１２．・・・・・・、１
１８と銅電極１２からなる８区域１２１，１２２．・・
・・・・、１２８の計１６区域に等分割される。

ただし、第２図では、区域１１１．１１２および区域１
２１，１２２のみを符号にて示す。

また、前記１６区域のそれぞれの面積は、グロー放電が
前記各区域において一様に拡散する程度に制限されてい
る。

本案の一実施例によれば、次のようにして陰極１０の全
面にわたって確実にグロー放電が行われる。

Ｈｅ：Ｎｅ＝５：１で、全ガス圧ＩＴｏｒｒであるよ
うな混合気体中での銅とアルミの陰極電位降下は、ギュ
ンタシュルツエの式によればそれぞれ１８７Ｖ、１３３
Ｖとなる。

従って、直流電源７からの供給電圧を上昇させて、まず
アルミ電極１１の陰極電位降下１３３■が確立されれば
、前記陰極１０の表面のうち８区域１１１．１１２．・
・・・・・、１１８のみでグロー放電が維持される。

ここで、前記８区域１１１，１１２．・・・・・・、１
１８のそれぞれの面積は、グロー放電が一様に拡散する
程度に制限されているために、放電は前記８区域１１１
゜１１２、・・・・・・、１１８全てにわたって一様に
拡散する。

すなわち、陰極電位降下１３３Ｖが維持されている段
階では、グロー放電の対象となる電極面はアルミ電極１
１からなる８区域のみである。

しかも、この８区域は、銅電極１２からなる残りの８区
域１２１゜１２２、・・・・・・、１２８によって互い
に分離されているために、電気的には互いに連結されて
安定抵抗８に接続しているが、グロー放電に関しては陰
極グローはそれぞれ、分割された状態にある。

このため、前記８区域１１，１１２．・・・・・・、１
１８の面積を十分に制限しておけば、グロー放電は前記
８区域において確実に発生する。

この時、前記８区域での各放電電流は安定抵抗８によっ
て制限され、その結果、安定なグロー放電が得られる。

次に、さらに前記供給電圧を上昇させていくと、グロー
放電が維持されている前記８区域での陰極電位降下は次
第に増加し、ついに銅電極１２の陰極電位降下１８７
Ｖを越えるに到れば、残りの８区域１２１．１２２．・
・・・・・、１２８においてもグロー放電が維持される
。

ここで、残りの８区域のそれぞれの面積もまた、グロー
放電が一様に拡散する程度に制限されているので、放電
は残りの８区域全てにわたって一様に拡散する。

すなわち、陰極電位降下１８７■が維持されている段階
では、アルミ電極区域１１１゜１１２、・・・・・・、
１１８では既にグロー放電が維持され、がつ銅電極区域
１２１，１２２．・・・・・・、１２８では新たにグロ
ー放電が維持されようとしている状態である。

この時、銅電極区域がアルミ電極区域と接する所では、
既にアルミ電極区域側に陰極グローが存在しているので
、前記銅電極区域は陰極グローによって取り囲まれた状
態で放電を開始することになる。

このことは、前記銅電極区域で新たに放電が生じる際の
確実性を増すことになる。

上述の過程を経て、陰極１０の全面にわたって一様にグ
ロー放電が行われる。

上記した本案の一実施例によれば、陰極面を、陰極電位
降下の異なる部材すなわち銅とアルミで複数区域に分割
構成したために、供給電圧の上昇に伴い、グロー放電を
、陰極電位降下が１３３Ｖの時、そして１８７■の時と
いうように段階的に発生させることができる。

この時、各段階で選択された各陰極面は、それぞれグロ
ー放電が一端に拡散する程度に分割制限されているため
に、各陰極面全域に確実に放電が生じる。

また、前段階で発生した陰極グローが、次段階で生じる
グロー放電の陰極面へ拡散することにより、一層確実に
放電が行われることになる。

このように、分割された各陰極面で段階的に放電を発生
させることによって、広い陰極面に確実にグロー放電を
行わせることができるという効果がある。

また、上記従来例のような複数の分割陰極と安定抵抗を
不要とするので、ガスレーザ装置の小型化を可能にし、
かつ前記安定抵抗での消費電力が減少し、ガスレーザ装
置の全効率を上げることができるという効果がある。

さらに、分割されたアルミ電極区域はレーザ管１の管軸
に関してほぼ対称に配置されているために、前記アルミ
電極区域のみでグロー放電が発生しているような放電電
流が所要の大きさ以下の場合でも、前記グロー放電を常
にレーザ出力６の光軸すなわち前記管軸に関してほぼ対
称に発生させることができる。

このため、前記レーザ管１中のレーザガス媒体であるＨ
ｅ−Ｎｅ混合気体を空間的に一様に励起でき、放電効率
の向上や前記レーザ出力６のビーム質の向上を図ること
ができるという効果がある。

本案では、陰極部材の一部として陰極電位降下が無限大
である絶縁体を使用することもできる。

陰極の一部に絶縁体を用いた本案の他実施例を第３図に
示す。

同図は、高出力炭酸ガスレーザ装置の構成図であり、第
１図と同一符号は同一部分または相当部分を示す。

レーザ管１の両端部には円筒状アルミ陽極９および円筒
状陰極１０が配置され、前記放電管１、前記陽極９およ
び前記陰極１０は、絶縁管１３゜１４によってガスレー
ザ装置の他部分と電気的に絶縁されている。

レーザガス媒体として混合比ＣＯ２：Ｎ２：Ｈｅ−１：
８：２１で全ガス圧２０Ｔｏｒｒの混合気体が封入さ
れる。

レーザ出力６を高めるために、この炭酸ガスレーザ装置
では強制ガス循環方式がとられている。

すなわち、前記混合気体を送風機１５によって、連結管
１６を介し、光軸方向すなわち放電管１の管軸方向に２
００〜３００ｍ／ｓｅｃの速さで流し、グロー放電によ
って加熱された前記混合気体は、連結管１７を介し、熱
交換器１８を通して冷却され、さらに連結管１９を介し
前記送風機１５側に戻される。

前記円筒状陰極１０は、銅と絶縁体、例えばテフロンと
で構成される。

第４図は前記陰極１０の正面図、そして第５図はその断
面図であり、第２図と同一符号は同一部分または相当部
分を示す。

内径６５ｍｍ、外径７１ｍｍそして長さ５ｍｍの円筒状
テフロン材を、軸を含む平面によって軸方向に沿って７
２等分し、このうち３６個の分割テフロン材をテフロン
部１３とする。

次に、内径６５ｍｍ、外径７５ｍｍそして長さ５ｍｍの
円筒状鋼材の内面に、軸方向に沿って前記テフロン部１
３を埋設できる溝を等間隔に３６本形形成たものを銅電
極１２とする。

この銅電極１２の前記溝中にそれぞれ前記テフロン部１
３を埋設して陰極１０が構成される。

従って、この陰極１０の表面である円筒内面は、テフロ
ン部１３からなる３６区域１３０１，１３０２．・・・
・・・１３３６と銅電極１２からなる３６区域１２０１
，１２０２゜・・・・・・、１２３６の計７２区域に等
分割される。

ただし、第４図と第５図では、区域１３０１、１３０
２および区域１２０１、１２０２のみを符号にて示す
。

第２図と異なる点は、前記陰極１０面でのグロー放電領
域が前記３６区域１０２１、１２０２、・・・・・
・、１２３６のみに限定されたことにある。

ところで、この実施例では上記のように、レーザ出力６
を高めるためにレーザガス媒体である混合気体の圧力を
数１０Ｔｏｒｒまで高め、さらに前記混合気体を放電
管１内を亜音速で循環させている。

このような高圧高速流混合気体中では、放電路は細くな
り陰極面でのグロー放電局在化の傾向は一層顕著となる
。

また、前記高速流によって陰極点が移動し、レーザ管１
内部のグロー放電は不均一となり安定したレーザ出力が
得られない。

本案の他実施例によれば、放電領域である前記区域１２
０１．１２０２．・・・・・・、１２３６の分割数や面
積を調整することによって、グロー放電を一様に拡散さ
せることが可能である。

また、前記区域１３０１、１３０２。・・・・・・
、１３３６によって陰極点の移動を阻止することができ
るため、安定したグロー放電、すなわち安定したレーザ
出力６が得られるという効果が達成される。

第６図は、前記陰極１０によるグロー放電電流電圧曲線
図である。

縦軸と横軸は、それぞれ放電電圧と放電電流を示し、気
体混合比を一定として全ガス圧をパラメータとした。

点線曲線は、内径６５ｍｍ、外径７６ｍｍそして長さ５
ｍｍの円筒状銅陰極、すなわち前記陰極１０と同一形状
、寸法であるが、その陰極面に本案による加工を施さな
いままの円筒状銅陰極による特性を示す。

前記点線曲線終端の×印は、アーク放電への移行点を示
す。

第６図によって、分割された前記区域１２０１。

１２０２、・・・・・・、１２３６に一様にグロー放電
を拡散させることにより大きな放電電流を得ることがで
きるということが確認された。

さらに、本案の他実施例によれば、上記本案の一実施例
と同様に複数個の分割陰極を用いないために、ガスレー
ザ装置の小型化や全効率の向上という効果が達成される
。

以上が本案の実施例の説明であり、これらの実施例では
、それぞれ円筒状陰極の内面を二種の陰極部材によって
軸方向に分割した場合についてのみ述べたが、陰極形状
、陰極部材の種類と個数および陰極面の分割方法などに
より本案が限定されるもので゛ないことは明らかで゛あ
る。

本案によれば、陰極面において、供給電圧の上昇に伴い
グロー放電を段階的、選択的に発生させることにより、
広い陰極面全域にわたって確実に放電を行わせることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本案をヘリウム・ネオンレーザ装置に使用した
一実施例を示す構成図、第２図は一実施例の陰極の斜視
図、第３図は本案を高出力炭酸ガスレーザ装置に使用し
た他の実施例を示す構成図、第４図は他の実施例の陰極
の正面図、第５図は第４図の断面図、第６図は陰極のグ
ロー放電電圧。電流曲線図である。１・・・・・・レーザ管、４・・・・・・反射鏡、５・
・・・・・出力鏡、７・・・・・・直流電源、９・・・
・・・陽極、１０・・・・・・陰極、１１・・・・・・
アルミ電極、１１１，１１２・・・・・・区域、１２・
・・・・・銅電極、１２１゜１２２・・・・・・区域、
１２０１、１２０２・・・・・・区域、１３・・・・
・・テフロン部、１３０１、１３０２・・・・・・区
域。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

レーザガス媒体が充填されたレーザ管、このレーザ管の
両端部に配置された陰極と陽極、この陰極と陽極の間の
グロー放電を維持するための直流電源、および前記グロ
ー放電の少なくとも一部を内部に含むレーザ共振器を構
成する反射鏡と出力鏡を備えたガスレーザ装置において
、前記陰極面を、グロー放電陰極電位降下の異なる複数
種の陰極部材にて、複数区域に分割構成したことを特徴
とするガスレーザ装置。