JPS6028154B2 - レ−ザ発振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光励起レーザにおいて、ピーク出力を小さく抑
えると共に高速度に繰り返しパルス飯振させることので
きるレーザ発振装置に関する。

近時、フラッシュランプの閃光発光によりレーザ物質を
光励起してパルスレーザ光を得、同し−ザ光を集光した
金属のシーム溶接を行うことが広く行われるようになっ
た。この場合、良好な溶接を行う為にはしーザ光のピー
ク出力を低く抑えると共に、一方ではパルス繰り返し周
波数を高めればよいことが知られている。しかして一般
的にはフラッシュランプを高速度に繰り返し発光を行わ
せる為に、予め直流微４・電流でフラッシュランプを予
備放電させた状態で、スイッチ素子を介して主電源から
主放電を行わせる電流を供給するようにしている。とこ
ろがこの場合、上記主放電を供給する為の電源出力が予
備放電時のフラッシュランプ降下電圧より大〈ないと、
円滑に主放電に移行することができない。この為、主放
電を呈する電源出力を必然的に高く設定しなければなら
ず、従って放電出力が非常に大きくなる。またこれを高
速度に繰り返すと平均放電電流が増大し、フラッシュラ
ンプの許容電力を大幅に上廻ってしまう。故に繰り返し
周波数に制御を受ける不都合が生じた。またパルス放電
のパルス幅を狭くすることによって平均電流を小さくす
ることが考えられるが、この場合にはしーザ溶接におい
て十分な溶込み深さを得ることができなくなる欠点が生
じた。更に従来のパルスレーザ装置にあっては、励起開
始時にはしーザ物質（ロッド）が熱的に加熱されていな
い為、共振器ミラーに平面鏡を用いた場合にはその損失
が大きかった。故にパルス放電が進むに従って上記しー
ザ物質が加熱され、レーザ出力が徐々に増大して一定し
た出力を得ることが難しいと言う欠点を有していた。本
発明はこのような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、パルスレーザ発振出力のピークレ
ベルを低く抑えると共に、パルス持続時間（パルス幅）
を長くし、且つ高速繰り返し発振を可能とし、更にはパ
ルスレーザ光世力を常に略一定値に簡易にして保つこと
のできる簡単な構成のレーザ発振装置を実現し、提供す
ることにある。

以下、図面を参照して本発明装置の一実施例を説明する
。

第１図は同実施例の概略構成図で、１はしーザ物質、２
ａ，２ｂはしーザ物質１の両端に対向設置された共振器
ミラーである。

前記レーザ物質１にはフラッシュランプ３が対向設置さ
れ、図示しない反射鏡で前記レーザ物質１と共に囲緩さ
れている。またフラッシュランプ３のトリガー電極３ａ
はトリガー電源４に接続され、トリガーされるようにな
っている。このフラッシュランプ３にはバラスト抵抗５
を介して高インピーダンスの補助直流電源６から微小電
流が常時供給され、ランプ３は予備放電を行うように構
成されている。尚、前記バラスト抵抗５及び補助直流電
源６は補助電源Ｐ，として機能するものである。一方、
前記フラッシュランプ３にはスイッチング回路７からダ
イオード８、波形整形コイル９を直列に介して主電源Ｐ
２から主放電電流が印加されるようになっている。前記
ダイオード８は前記補助電源Ｐ，からの主電源花２への
電流の廻り込みを阻止するものである。そしてまた、ス
イッチング回路７はスイッチ制御回路１０‘こよってそ
の作動が制御されている。このスイッチング回路７は主
電源Ｐ２からのフラッシュランプ３への電流供給をＯＮ
−ＯＦＦ制御するものである。さて、主電源Ｐ２は次の
ように構成されている。

交流電源は交流ライン制御用スイッチ素子としてのＳＣ
ＲＩ １ａ，１１ｂを介して位相制御され、トランス１
２の一次端子に入力されている。このトランス１２の二
次端子はダイオード１３で形成されるブリッジ回路を介
して整流され、その出力は平滑コンデンサ１４に蓄積さ
れるようになっている。また平滑コンデンサ１４の両端
には高インピーダンスの直列接続された抵抗１５ａ，１
５ｂが並列に接続され、その出力電圧が分圧検出されて
いる。また１６は直流基準電源で、可変抵抗Ｉ７を介し
てレベル設定された基準電圧値は前記分圧検出電圧と共
に増幅器１８に入力され、その差分が求められている。
尚、抵抗ｒ，，ら‘ま増幅器１８の各入力抵抗でｒｆは
帰還抵抗である。この増幅器１８によって求められた差
分は、ゲートパルス発生回路１９に入力されている。こ
のゲートパルス発生回路１９は前記ＳＣＲＩ１ａ，１１
ｂを位相制御して点孤パルスを発生し、ゲート制御する
ものである。そして、前記コンデンサ１４の充電電圧が
一定値になるようにしている。このコンデンサ１４に蓄
積された電荷、即ち所定電圧出力はダイオード２０を介
して前記スイッチング回路７に供給されるようになって
いる。一方、図中Ｐ３は上記主電源平に対する定電圧直
流電源である。この電源Ｐ３はトランス２１を介して前
記交流電源を入力し、ダイオード２２，２３及びコンデ
ンサ２４，２５によって倍電圧整流し、その出力をコン
デンサ２５に蓄積している。この世力は前記ダイオード
２０のカソードと共通接続され、つまり主電源Ｐ２の出
力に重畳されて前記スイッチング回路７に供給されるよ
になっている。このように構成された装置の作用を第２
図を参照して以下に説明する。

補助電源Ｐ，がフラッシュランプ３に例えばｌｋＶの電
圧を印加した状態で、同ランプ３にトリガー電源４より
約球Ｖ程度のトリガ電圧を印加すると、フラッシュラン
プ３はＤＣ放電し、同放電を持続する。このとき電流−
電圧特性は第２図ａの０〜１５０（ｍＡ）の範囲に示す
ように負性抵抗を示す。この電圧がフラッシュランプ３
の両電極間に印加される。従って、この予備放電状態に
あるフラッシュランプ３に主電源Ｐ２からスイッチング
回路７を介して大電流を供給し、主放電を生起する為に
は、上記予備放電電圧以上の電圧を印加する必要がある
。一方、フラッシュランプ３の大電流放電領域（第２図
ａ中２０〜１２船）の特性は、例えば電圧１５０Ｖ時に
あって、約１２０Ａの主放電電流となる。故に、上記電
圧以下の放電電流で放電発生を行わせようとしても、フ
ラッシュランプ３は主放電には移行しない。そこで本装
置にあっては、主電源Ｐ２の出力電圧に倍電圧電源Ｐ３
の出力電圧を重畳することにより、放電開始時の電源電
圧を高くするようにしている。上記倍電圧電源Ｐ３は周
知のように出力インピーダンスが大きい為、一旦放電が
開始されるとその出力電圧は急激に低下する。従って、
電源Ｐ２，Ｐ３の重畳された出力の前記スイッチング回
路７に供給される電圧は、同回路７のＯＮ制御により例
えば第２図ｂに示すようになる。尚、この場合、前記フ
ラッシュランプ３の予備放電時の両端電圧をＶａとした
とき、その最大出力電圧ＶＭｏをＶＭｏ＞Ｖａなる関係
に前記電源Ｐ２の出力電圧を設定しておく。しかして今
、タイミングｔ，においてスイッチング回路７をＯＮ制
御すると、フラッシュランプ３には第２図ｃに示すよう
にＶＭｏなる電圧が印加される。この印加電圧によって
フラッシュランプ３は主放電発光に移行し、同図ｄに示
す如きランプ電流ＩＬが流れる。しかるのち、タイミン
グｔ２でスイッチング回路７をＯＦＦ制御すると、フラ
ッシュランプ３の両端電圧は波形整形コイル９の作用に
よって一旦十分低い電圧に下ったのち、徐々に第２図ｃ
中破線で示すようにその電圧上昇が生じる。満、この電
圧上昇は、本発明者らの実験においては約２０〜３０机
Ｓｅｃで元の電圧値、つまり補助電源Ｐ，の出力電圧Ｖ
ａに達することが確認された。しかして、今、上記電圧
が十分に上昇しない例えばタイミングｔ３において再び
スイッチング回路７をＯＮ制御すると、主電源Ｐ２から
の出力電圧は先の電圧ＶＭｏより低いＶＭ，となってい
るが円滑に主放電に移行する。即ちこの場合、フラッシ
ュランプ３の両端電圧に比して、十分高い状態にあり、
従って確実なフラッシュランプ３の放電が行われる。以
後、フラッシュランプ３の主放電、及びその停止の都度
フラッシュランプ３の両端電圧が十分低くなり、最終的
には主電源Ｐ２の出力電圧によって十分なる主放電が行
われるようになる。かくしてここに、フラッシュランプ
３の初期における主放電開始時は、予備放電時の管電圧
よりも十分高い主放電電圧による電流供給によって円滑
に主放電が行われる。しかるのち、徐々に低い電圧によ
る電流供給によって順次フラッシュランプ３の主放電が
行われる。故に、予備放電時のフラッシュランプ３の両
端電圧に関与することなく、十分低い主放電電圧によっ
て連続的にパルス放電させることが可能となる。しかも
その繰り返し周期は短い程効果的であり、また主放電電
圧を低くできる為にレーザ出力のピークパワーを低く抑
えることが可能である。従って、同レーザ出力を金属溶
接に利用する場合には十分なる溶け込み深さを保った良
好なシーム溶接が可能となり、絶大なる効果を発揮する
。ところで、フラッシュランプ３の予備放電時には同ラ
ンプ３は閃光発光せず、レーザ物質１は光励起されない
状態にある。

レーザロッド‘まパルス的に励起を開始すると光軸方向
に凹レンズ作用を示して、レーザ共振器（共振器ミラー
２ａ，２ｂ）によるェネルギ損失も大きい。従って前記
大きい印加電圧によって、より強い主放電が行われたと
しても、上記したェネルギ損失により、その出力が制限
される。しかるのち、順次繰り返しパルス的にフラッシ
ュランプ３の放電によるレーザ物質１の励起が行われる
と、同レーザ物質１は徐々に加熱される。この加熱によ
って同レーザ物質１は熱的歪を生じ、光学的に光軸方向
に凸レンズ作用をもち前記放電開始時の凹レンズ作用に
よるヱネルギ損失を相殺するように作用する。従ってレ
ーザ出力（Ｐｏｕｔ）は第２図ｅに示すように放電開始
時より励起強さが減少しながら定常態になっても略一定
レベルとなり、定常時には一定出力を得るようになる。
かくして本装置によれば初期放電開始時には高いレベル
での光励起を行い、続いて、そのレベルを徐々に低くし
て最終的には或る定められたレベルでレーザ物質１を光
励起するにもかかわらず、常に安定した略一定レベルの
レーザ出力を得ることができる。しかも、前記したよう
にレーザ光の出力ピークレベルを低く抑えることができ
、且つ繰り返しを早くすることができるので、レーザ溶
接に用いる場合には、特に絶大なる利点・効果を発揮す
る。さて、第３図は本発明装置の他の実施例を示す概略
構成図で、先の実施例と同一構成部分には同一符号を付
してその説明は省略する。

この実施例が先の実施例と異にするところは、主電源Ｐ
２の出力に電流検出抵抗２６を介在させ、同抵抗２６に
流れる放電電流を検出して増幅器１８に入力していると
ころである。そして、増幅器１８の帰還ループには抵抗
ｒｆに並列的にコンデンサ２７を持続している。このコ
ンデンサ２７はパルス放電電流を平滑化して、その平均
値を帰還する如く作用するものである。しかして、この
場合、先ず、主電源が２の出力電圧ＶＮをフラッシュラ
ンプ３の予備放電時の管電圧Ｖａよりも高く設定してお
き、スイッチング回路７のＯＮ制御によって主放電を行
わせる。しかるのち、この主放電の放電電流を抵抗２６
によって検出した、増幅器１８をもってゲートパルス発
生回路１９を制御し、コンデンサ１４の蓄積電圧を低く
する。そして、これを順次パルス的に繰り返すことによ
って、最終的にはコンデンサー４の出力、つまり主電源
Ｐ２の出力を低くし、一定レベルに保持する。このレベ
ル設定は可変抵抗１７によるレベル設定により容易に可
変設定が可能である。従って先の実施例と同様に作用す
る。このように本発明装置によれば、高速繰り返しで、
且つピーク出力の低いレーザ光を簡易な構成で容易に得
ることができる。

しかも、高速繰り返し‘こおいてフラッシュランプの許
容電力を越えることがなく、しかも同ランプの発光効率
の向上をはかることができ、高速度で高能率なしーザ溶
接作業を行うことができる。また従来、フラッシュラン
プの発光効率を高める為に、その封入ガス圧を高めるこ
とが行われたが、この場合、高速繰り返し発光ができな
くなる不都合があった。しかしながら本装置では主放電
電圧を低くすることができる為に従来のような不具合を
生じることなく、フラッシュランプの特性を十分に活か
した安定な高速繰り返し発光が可能である。即ち、ガス
圧を高くすると前記第２図ａに示す特性からも明らかな
ように予備放電時の管電圧が更に高くなり、予備放電か
ら主放電への移行には極めて高い電圧を要するが、この
ような場合にあっても容易に駆動が可能となる。かくし
てここに従来の問題点を解消した効果的な作用を呈する
レーザ発振装置を実現し、提供することができる。尚、
本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えばフラッシュランプの予備放電電圧、主放電電圧、
初期時の主放電電圧や、繰り返し周期等はフラッシュラ
ンプの仕様に基づいて定めればよいものである。また主
電源、及び補助電源の構成も仕様に基づいて定めればよ
いことは勿論のことである。また初期時における電圧の
重畳手段等も特に限定されず、また第３図に示したよう
に主電源自体の出力電圧を可変設定する手段も特に限定
されない。要するに本発明はその要旨を逸脱しない範囲
で種々変形した実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す概略構成図、第２
図は同装置の作用を示す信号波形図、第３図は本発明装
置の他の実施例を示す概略構成図である。 １・・・・・・レーザ物質、２ａ，２ｂ…・・・共振器
ミラー、３・・・・・・フラッシュランプ、６・・・・
・・補助直流電源、７・・・・・・スイッチング回路、
９・・・・・・波形整形コイル、１４……平滑コンデン
サ、１８……増幅器、２５・…・・平滑コンデンサ、２
６・・・・・・電流検出抵抗、Ｐ．・・・・・・補助電
源、Ｐ２…・・・主電源。 第１図第２図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ物質を光励起するフラツシユランプと、この
   フラツシユランプに常時直流微小電流を供給する高出力
   インピーダンスの補助電源と、前記フラツシユランプに
   スイツチング回路を介して接続された低出力インピーダ
   ンスの主電源と、この主電源の出力電圧を前記フラツシ
   ユランプの発光開始時において定常繰り返し発光時より
   高くする手段とを具備したとを特徴とするレーザ発振装
   置。 ２ 前記発光開始時の出力電圧を高くする手段は、定電
   圧直流電源の所定電圧を前記主電源の出力電圧に重畳し
   て得るものである特許請求の範囲第１項記載のレーザ発
   振装置。 ３ 前記主電源は、定電流制御型直流電源からなり、そ
   の平滑コンデンサに放電開始時には定常動作時より高い
   電圧を保持して放電させると共に、パルス放電開始後は
   定電流帰還動作により前記平滑コンデンサ充電電圧を低
   く抑えるようにしたものである特許請求の範囲第１項記
   載のレーザ発振装置。