JPS60111487A - ガスレ−ザ発振器の露点検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はガスレーザ発、振器の露点検出方法。

とくに、露点検出のための露点センサを用いることなく
露点を検知できる方法に関するものである。

〔従来技術〕

ガスレーザ装置として代表的なものはレーザ光（１） 軸、直流グロー放電路、気体の流れ方向が互いにほぼ垂
直になっている三軸直交型ＣＯ２レーザであるので、こ
れについて従来例を説明する。第１図は従来の三軸直交
型ガスレーザ発振器の構造を示す構成図であり、同図（
ａ）は縦断面構成図、同図（１））は（ａ）図のＩ−Ｘ
線に沿った断面構成図である。図において（１）（２）
は相対向する電極で（１）は陽極、（２）は陰極、（３
）は陰極基板、（４）は安定化抵抗、（５）は直流高電
圧電源、（６）は放電励起部、（７）は全反射鏡、（８
）は部分反射鏡、（９）は筐体、（７）は熱交換器、Ｏ
Ｉ）はプロア、０２）はガス流、０３）はレーザ光であ
る。

次に動作について説明する。第１図で示すものは陽極（
１）と陰極（２）との間に通常ＣＯ２、Ｎ２．　Ｈｅ　
（７）混合ガスから成るレーザガスを毎秒数十ｍの流速
で矢印方向に流し再循環させる云わゆるガス封じ切９タ
イプである。この陽極（１）と陰極（２）との間に直流
高電圧を印加すると電極間にグロー放電と呼ばれるおだ
やかな放電が生じ放電励起部・（６）′を生成する。こ
の放電励起部（６）ではレーザガス中のＣＯ２分子の特
定の振動準位間に反転分布が生じ、放電励（２） 起部（６）との間に共振系すなわち全反射鏡（７）と適
切な反射率を有する部分反射鏡（８）とを対向させて配
置すると、レーザ発振が生じ１部分反射鏡（８）から約
１０．６μの波長のレーザ光が出てくる。レーザ出力は
放電電力を増すと増大するが１例えば第１図で示す陰極
（２）のピンの本数を一定とすると、放電電力の増大、
すなわち放電電流の増大は放電密度の増大と等価に７Ｔ
ｈる。レーザ発振器のコンパクト化、低コスト化の観点
からは放電密度を増大させればよいが、ある程度以上の
電流でグロー放電からアーク放電に移行してしまう。レ
ーザ励起は放電の電子温度のみが高い放電でありレーザ
励起が行なえる放電であるが、アーク放電に移行すると
分子温度も高くなり、もはやレーザ励起が行なわれなく
なり、この状態ではレーザ発振は停止する。

従っ、て、レーザ発振器は、アーク放電が発生する前の
電流で動作する様に設計されている。

一方、レーザの発振効率は、基本的には、放電条件およ
びレーザ発振器の構成が決まると、レーザガス組成によ
って決定されている。

（３） 第２図はＣ０２レーザ発振器用混合ガスの働きを示す説
明図であり９例えばＣ０２レーザガスはＣ０２とＮ２と
Ｈｅの混合ガスが使われており、第２図に示す様にＣＯ
２レーザの発振はＣＯ２の上位準位（００１）と下位準
位（１００）との間の主に１０６μｍの遷移で行なわれ
、Ｎ２はＣＯ２の（００１）上位準位へのエネルギー移
乗の役割をはだす。ＨｅはＣ０２か（００１）準位から
（０１０）準位をへて基底状態にいたる過程で（０１０
）から基底状態への緩和を促進させ、結果的に上述の１
０６μ帯間の反転分子音度を大きく保つ役割をはだし、
レーザ発振効率を増す働きをする。

従って９通常これらのガスが適量に混合されたものがレ
ーザガスとして用いられており、レーザ発振の効率（放
電電力に対するレーザ出力）の最適化が図られている。

ところで、これらのガスの他に水蒸気Ｈ２０のレーザ発
振に与える影響も従来調べられており。

Ｎ２０ガスがＣ０２の（０１０）準位から基底状態への
緩和を促進させることが知られている。この効果を利用
して、高価なＨｅガスの代わりにＮ２０を用いて（４） ＣＯ２，Ｎ２．Ｎ２０の混合ガスをレーザガスに用いた
例もある。しかし々がら、　Ｎ２０１ｄ　ＣＯ２の上位
準位（００１）を直接に基底状態に緩和させ、１０６μ
帯の反転分布密度を下げるマイナスの働きもあり、もと
゛もとＣＯ２を（０１０）準位から基底状態に効果的に
緩和させるＨｅが比較的多く存在する場合、すなわちＣ
Ｏ２−Ｎ２　、　Ｈｅ混合ガスにＮ２０を添加する場合
には上述のマイナスの効果が支配的となり、レーザ発振
効率を下げる結果となる。従ってＣＯ２１Ｎ２１Ｈｅ　
の混合ガスでは従来ではＮ２０混入濃小さくする様に，
レーザ筐体（９）の中に水分吸着剤例えばモレキーラー
シーブス３Ａなどを封入している。

次に，グロー・アーク転移の電流（電力）と水分濃度と
の関連性や水分のレーザ発振効率上の関連性を次に示す
。

水分が放電及びレーザ発振効率に与える影響の実験結果
を先づ示す。実験は第１図に示す構造のレーザ発振器を
用いてレーザガスの組成がＣ０２−Ｃｏ−Ｎ２　Ｈｅ＝
２　１　６　３２，ガス圧力６Ｏ−１２０（５） Ｔｏｒｒ　で行なっている。ここで、この実験の場合。

ＣＯが混入している所が前述の混合例と異る所であるが
，ＣＯはＣＯ２がＣＯと０。に解離するときのＣＯ２平
衡濃度を上げガス封じ切りを可能にするだめのものであ
り，放電の初期にはレーザ発振特性やＮ２０の影響はＣ
Ｏ２，　Ｎ２，　Ｈｅ混合ガスと同じである。

第３図は水分濃度（露点）と放電との関連を調べたもの
で９図中の縦軸Ｉｍａｘはグローからアーク放電に移行
子る直前の電流（最大放電電流）である。図の様に水分
が一７０℃（　２．６　ｐｐｍ　’）以下ではＩｍａｘ
は急激に低下する。すなわち、従来の様に単に水分吸着
用のモレキュラーシーブスを発振器筐体内に封入した場
合には，水分濃度が一８０℃以下にもなシうるので，　
Ｉｍａｘは大きく低下することもあり，その結果信頼性
のないものとなるため従来レーザ発振器を設計するとき
には，その最大定格電流（安定グロー放電）を−８０℃
程度のＩｍａｘとしていた。

しかしながら、レーザ発振器をコンパクトに設（６） 計する立場からは、第３図に示されている様に水分濃度
を増してＩｍａｘを増大（放電電力の増大）させるのが
好ましいことがわかる。

第４図はレーザ発振効率と水分濃度との関係を調べた実
験結果である。前述したようにレーザガス中にＨｅが比
較的多く混入されている場合には。

水分濃度の増大はレーザ発振に悪影響を与える。

第４図はこの影響が示されており、水分濃度が一３０℃
（３７ｓｐｐｍ）より大きくなるとレーザ発振効率は急
激に低下し、この濃度以下では、はぼ一定の値を示して
いる。

これら一連の水分に着目した実験の結果から。

放電の立場からは水分濃度は一７０℃（２，５ｐｐｍ　
）以上とすべきであり、またレーザ発振効率の立場から
は一３０℃（３７５ｐｐｍ）以下とすべきことが明確に
された。これより、レーザ発振器のレーザガスの露点を
一７０℃〜−３０℃の範囲に保つことはレーザ発振器の
コンパクト化（低コスト化）およびレーザ発振効率の最
適化の両者を満足させる効果をもたらすこととなる。

（７） この様にレーザガスの露点を所定の範囲に保つことは信
頼性のあるガスレーザ発振器を提供する上で非常に重要
であることがわかる。実際には。

水分吸着用の吸着剤例えばモレキュラーシーブス３Ａを
レーザ発振器の筐体（９）内に納入している。

しかしながら、レーザガスの露点が一７０℃以下になっ
たり一３０℃以上になったりして、放電の不安定性やレ
ーザ発振効率の低下のトラブルをまねくことがあり、そ
のために従来ではレーザ発振器に霧点計測用のセンサを
設置して露点を管理している。ここでレーザガスの適正
露点は一７０℃〜−３０℃の範囲にあり５日常の大気露
点に比べて、極めて小さい水分濃度であるため１通常の
温度計は、使えず、従来では以下に示す様な露点センサ
が使われている。

第５図は、従来用いられている露点センサの原理を示す
説明図であり酸化薄膜センサと呼ばれる種類のものであ
る。図中、０■は水蒸気の公刊ηが通過する導電膜、　
Ｑ！ｌｉ）は１０μｍ程度の厚さの酸化アルミニウムよ
り成る吸湿層、００はアルミニウムの（８） 基板である。吸湿層０のは雰囲気中の水蒸気圧と数十ｓ
ｅｃの応答で平衡し、１この層の水蒸気含有の量により
、導電膜α■とアルミニウム基板０６）との間の静電容
量が変化し、これにより露点が計測される。

第６図は他の原理の露点センサの説明図である。

図において、０Φはサーモモジュール、　Ｑ９）ｆｄロ
ジウムミラー、ＧＯは温度センサ、ｅ］）は光源、（２
２１は受光部で、　（２１）（２２）により光路計をな
す。測定原理はミラー０９）上の結露を信号認識するも
のであり、金属のベルチェ効果を利用したサーモモジュ
ール０８）により、ロジウムミラー０９）全冷却し９表
面で結露する瞬間の温度を図中に示される様な光路ｗ２
１）（イ）で認識し、この時の温度を温度センサ（イ）
で読みとシ。

露点を知るものである。

第７図は、これらの露点センサをガスレーザ発振器に設
置したときの構成図であり、レーザ発振器器内の露点セ
ンサ（ハ）の測定値が、−７０℃〜−３０℃の範囲外に
あるときは、電源及び制御部（２）に１告ランプが点灯
あるいは点灯と同時に電源の動作が停止するものである
。この様な状態になればガス（９） レーザ発振器の筐体（９）に微量の水分を入れるか。

あるいは水分吸着用の吸着剤を交換することになる。

これらの従来の露点センサ（ハ）を用いたガスレーザ発
振器は１次の様な欠点を有している。

すなわちレーザガス中には水分の他に９例えばＣＯ２レ
ーザではＣＯ２が解離されて生成される０３や、Ｎ２と
の反応により生ずるＮＯｘ　（窒素酸化物）などの腐食
性ガスが微量に含まれており、これらのセンサの表面を
酸化させたり、あるいは、ガス中に含まれる微少な塵埃
が表面に吸着したりしてその特性が変化してゆき、たび
たび校正しないと信頼性が得られない欠点を有している
。レーザガスの適正露点の様な比較的高露点では、セン
サを校正するときには、特殊な装置が必要であり、その
ために時間やコストが多大に必要となシ、高価なセンサ
を用いることによりガスレーザ発振器の価格が高くなる
ことだけでなく、そのメンテナンスの費用も多大となる
欠点を有していた。

〔発明の概要〕

（１０） この様々欠点は温度センサ等の露点センサを使うかぎり
必ず生じるものでありこの発明は、従来のこの様な欠点
を除去するためになされたものであり、適正露点範囲に
おける。ガスレーザ発振器内の相同電極間に加わる第１
印加電圧値をあらかじめめ、放電動作時に検出されるガ
スレーザ発振器の放電電流値に対する第４印加電圧値と
上記第１印加電圧値とを比較して露点を検出することに
よシ、露点センサを用いないでレーザガスの露点を管理
できるガスレーザ発振器の露点検出方法を提供しようと
するものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例について説明する。

この発明は、ガスレーザ発振器の放電特性を把握するた
めの実験から得られたもので、その知見を得た実験結果
を第８図に示す。実験条件は先に示した第３図、第４図
の場合と同一であり、放電電流、ガス圧力、電極間のギ
ャップ長、ガス組成は一定のもとで行った。第８図はカ
スレーザ発振器の露点と印加電圧Ｖとの関係を示したも
のであるが、放電電流一定の下でも■は放電の不安定性
が生じる露点である−７，０℃（２，５ｐｐｍ　）以下
（第３図参照）では急激に上昇じ、またレーザ発振効率
が急激に低下する一３０℃（ａ７５ｐｐｍ）以上（第４
図参照）ではＶは急激に低下する特性が得られ、この間
の露点では■は一定であるととが示されている。

第・９図は・ガスーレＩ＋−・ザ発振・器の１放電電流
回路を示す模式図であり印加電圧■は安定化抵抗（４）
と放電励起部（６）に分圧され、今、放電電流をＩ、安
定化抵抗の抵抗値をＲ９放電維持電圧をＶｄとすると。

オームの法則により Ｖ＝ＩＲ＋Ｖｄ が成立する。ここでＲは一定であるのでＩＩ；一定の下
で露点によｐｖが変化するのはＶｄが変化しているため
であることがわかる。これは、水蒸気は電気的に負性ガ
スと呼ばれるもので、電子やイオンを付着する性質を有
しており、これが電界あるいは放電励起部（６）で脱離
するために荷電粒子が放出され、露点が犬きくなるとＶ
ｄが下がると定性的には説明される現象である。従って
この様な現象は、この発明の中で説明している様な金属
電極間どうしの直流グロー放電のみの現象ではなく。

例えば誘電体を介した金属電極間に交流電圧を印加した
ときに生ずる無声放電をレーザ励起用放電として利用し
たものでも同様に生じるものである。

この様に露点により顕しく印加電圧が変化すると云う現
象を利用したものがこの発明である。すなわち例えばレ
ーザ発振器の構造やガス組成、ガス圧力が決まると放電
維持電圧Ｖｄはレーザガスの露点のみによって決まるこ
とが見い出された結果。

レーザ発振器として適正な露点−７０℃〜−３０℃の範
囲にあるときの■とＶｄとの関係をあらかじめめておき
これより両電極間の各電流における印加電圧値（第１印
加電圧値ｖ１と称す。）がＶ１＝ＩＲ＋Ｖｄによって得
られ、この第１印加電圧ｖ１と放電動作時に検出される
放電電流値ＩＫ対する印加電圧値（第２印加電圧値ｖ２
と称す。）とを比較し、■１＜■２ならばレーザガスの
露点は一７０℃（２，５ｐｐｍ　）よシも小さく、また
Ｖｌ＞Ｖ２ならば一３０℃（３７５ｐｐｍ）よりも大き
いことが認識され、異常露点として表示（１３） させることができる。さらにあらかじめ、露点とＶｄの
関係をめておけば第２印加電圧■２を検出することから
レーザガスの露点を逆にめることもできる。

第１０図は、この発明の一実施例に用いる各露点に対す
る電流工と第１印加電圧Ｖ１との関係を示す直線図、第
１１図は、この発明の一実施例によるガスレーザ発振器
の露点検出のための基本構成図である。図中、（ト）は
露点検知部で工・Ｖ検出部幹とメモリ（イ）よりなり放
電動作時のガスレーザ発振ａの放電電流値■及びこの■
に対する第２印加電圧■２を常に検出し、第１０図に示
される様な各露点に対する工とｖｌの関係をあらかじめ
メモリしているメモリ（イ）よシ、検出される放電電流
値Ｉに対するｖｌを読み出して■２とｖｌを比較し、露
点が正常の範囲（第１０図の斜線部分）からずれると制
御部（２）に異常信号を送る。

なお、上記実施例では、第１印加電圧値はＶｌ　＝　Ｉ
　Ｒ＋　Ｖｄとしたが、■１をＶｄとし、第２印加電圧
値■２を、放電動作時に検出される印加電圧より（１４
） ＩＲ，を引いたものとし、この■１と■２を比較１７て
露点の管理を行ってもよい。

〔発明の効果〕

以上のべたように、この発明によれば、適正露点範囲に
おける。ガスレーザ発振器の対向する電極間に加わる第
１印加電圧値をあらかじめめ。

放電動作時に検出される放電電流値に対する第２印加電
圧値と、上記第１印加電圧値とを比較して露点を検出し
たので、ガスレーザ発振器に露点計測用のセンサを設置
する必要は無くなシ、従ってメンテナンスも不要とな９
．マたガスレーザ発掘器の電源に付属してとりつけられ
ている印加電圧検出器を利用することができるので、露
点管理用の犬がかりな設備は不要になるなど、ガスレー
ザ発振器の低コスト化、及び高信頼性を同時にもたらす
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の三軸直交型ガスレーザ発振器の構造を示
す構成図、第２図はＣＯ２レーザ発振器用混合ガスの働
きを示す説明図、第３図はガスレーザ発振器における水
分濃度（露点）と最大放電電流との関係を示す曲線図、
第４図はガスレーザ発振器における水分濃度（露点）と
レーザ発振効率の関係を示す曲線図、第５図は従来のガ
スレーザ発振器に用いられている露点センサの原理を示
す説明図、第６図は従来のガスレーザ発振器に用いられ
ている他の原理の露点センサの説明図、第７図は露点セ
ンサをガスレーザ発振器に設置した時の構成図、第８図
はこの発明に係るガスレーザ発振器の水分濃度（露１点
）と印加電圧との関係を示す曲線図、第９図はガスレー
ザ発振器の放電電流回路を示す模式図、第１０図は、こ
の発明の一実施例に用いる各露点に対する電流と第１印
加電圧との関係を示す直線図、第１１図はこの発明の一
実施例によるガスレーザ発振器の露点検出のだめの基本
構成図である。 （１）・・・陽極、（２）・・・陰極、０３）・・・レ
ーザ光、Ｇ１５）・・・ガスレーザ発振器 なお１図中、同一符号は同−又は相当部分を示す・ 第２図 Ｃθ２Ａ１２ 第３図 第４図 “ム、シフ２．．；ｃ＜““ 第５図 ）坊飼齢・ １ （ｉｘ）　Ａ　Ｍ　’Ｃａ時 第１０図 電直 第１１図 手続補正書（自発） 昭和　５％　４月２７Ｂ 発明の名称 ガスレーザ発振器の露点検出方法 補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号名　称　
（６０１）三菱電機株式会社 代表者片由仁八部 ４、代理人 住　所　東京都千代田区丸の内二丁目２番３号氏　補正
の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 Ｇ　補正の内容 （１）明細書第１１頁第５行の「相同電極」を「対向電
極」に訂正する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相対向する電極間にレーザガスを流し、上記両電極間に
   電圧を印加して放電を起こし、レーザ光を発振させるガ
   スレーザ発振器において、適正露点範囲における。上記
   両電極間に加わる第１印加電圧値をあらかじめめ、放電
   動作時に検出される上記ガスレーザ発振器の放電電流値
   に対する第２印加電圧値と上記第１印加電圧値とを比較
   して露点を検出したことを特徴とするガスレーザ発振器
   の露点検出方法。