JPS6230715B2 - - Google Patents

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JPS6230715B2
JPS6230715B2 JP6094782A JP6094782A JPS6230715B2 JP S6230715 B2 JPS6230715 B2 JP S6230715B2 JP 6094782 A JP6094782 A JP 6094782A JP 6094782 A JP6094782 A JP 6094782A JP S6230715 B2 JPS6230715 B2 JP S6230715B2
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JP
Japan
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laser
tube
gas
laser gas
laser tube
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JP6094782A
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JPS58178577A (en
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Ryoji Koseki
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Amada Co Ltd
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Amada Co Ltd
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に同軸型の放電励起循環型炭酸
ガスレーザ発振器に関し、レーザ出力を向上した
レーザ発振装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates in particular to a coaxial discharge-excited circulating carbon dioxide laser oscillator, and more particularly to a laser oscillation device with improved laser output.

一般に、同軸型の放電励起循環型炭酸ガス
(CO2)レーザ発振器(以下単に「CO2レーザ発振
器」と呼ぶ)の効率は低く、そのため、レーザ発
振器長を増加する著しくは放電ビーム径を大きく
する等の対策によりレーザ体積を増加して、レー
ザ出力の向上を計つていた。
In general, the efficiency of coaxial discharge-excited circulating carbon dioxide (CO 2 ) laser oscillators (hereinafter simply referred to as "CO 2 laser oscillators") is low, and therefore it is necessary to increase the laser oscillator length or significantly increase the discharge beam diameter. Through these measures, the laser volume was increased and the laser output was improved.

しかしながら、従来のレーザ発振器の冷却につ
いては、レーザ管であるパイレツクスの水冷又は
オイルジヤケツトの採用により行なつていたが、
この方法では、レーザ出力向上のため、上述した
ような対策によりレーザ体積を増加した場合に
は、CO2ガスを含むレーザ気体の温度がCO2レー
ザ発振器内における放電領域の該レーザ気体の下
流側において上昇し、この温度上昇による熱のた
め、CO2分子が下位レーザ準位に励起されてしま
い、励起分子の反転分布率が低下するという問題
がある。
However, conventional laser oscillators have been cooled by water cooling or oil jackets for the Pyrex laser tube.
In this method, when the laser volume is increased by the measures described above in order to improve the laser output, the temperature of the laser gas containing CO 2 gas will drop to the downstream side of the laser gas in the discharge area within the CO 2 laser oscillator. There is a problem in that the CO 2 molecules are excited to the lower laser level due to the heat caused by this temperature rise, and the population inversion rate of the excited molecules decreases.

一方、前記CO2レーザ発振器では、本質的な問
題として上記放電領域において、 CO2CO+O なる化学式で示されるCO2分子の解離により、レ
ーザ出力が低下するという問題があり、これにつ
いては、CO2レーザ発振器内の放電領域中におけ
るCO2分子の温度を均一化することにより抑制す
ることができるが、上述したようにレーザ体積を
増加してレーザ出力を向上しようとする場合に
は、前述したような冷却方法によつては、上記
CO2分子の温度の均一化を計ることは困難である
という問題がある。
On the other hand, the essential problem with the CO 2 laser oscillator is that the laser output decreases in the discharge region due to the dissociation of CO 2 molecules represented by the chemical formula CO 2 CO + O. This can be suppressed by equalizing the temperature of CO 2 molecules in the discharge region in the laser oscillator, but when trying to increase the laser output by increasing the laser volume as described above, Depending on the cooling method, the above
There is a problem in that it is difficult to measure the uniformity of the temperature of CO 2 molecules.

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、同軸型の放電励起循環型
レーザ発振器の出力を向上することにある。
The present invention has been made in view of the above, and its purpose is to improve the output of a coaxial discharge-excited circulation laser oscillator.

以下、図面を用いて、この発明の実施列につい
て説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using the drawings.

第1図は、この発明の実施例を示すもので、
CO2レーザ発振器1は大別してリアミラー用ウオ
ータージヤケツト部5、アノードチエンバ部7、
スパイラルチユーブチエンバ部9、カソードチエ
ンバ部11、レーザ気体劣化防止手段を構成する
触媒室13、出力ミラー室15を有する構成であ
る。
FIG. 1 shows an embodiment of this invention.
The CO 2 laser oscillator 1 is roughly divided into a rear mirror water jacket part 5, an anode chamber part 7,
The structure includes a spiral tube chamber section 9, a cathode chamber section 11, a catalyst chamber 13 which constitutes a means for preventing laser gas deterioration, and an output mirror chamber 15.

リアミラー用ウオータージヤケツト部5は、
100%の光反射率を有するリアミラー17、ウオ
ータージヤケツト19、ベローズ21、該リアミ
ラー17の光軸調整用マイクロヘツド23を有す
る。
The water jacket part 5 for the rear mirror is
The rear mirror 17 has a 100% light reflectance, a water jacket 19, a bellows 21, and a micro head 23 for adjusting the optical axis of the rear mirror 17.

アノードチエンバ部7は、アノードリング2
5、該アノードリング25に給電するアノード給
電碍子(第2図参照)27、高抵抗で設置され上
記アノードリング25との間でグロー放電を発生
させてCO2ガスを含むレーザ気体(以下単に「レ
ーザ気体」と呼ぶ)の予備電離を行ない、上記ア
ノードリング25と後述するカソードリング47
間の相対的な絶縁耐圧を下げる働きをするトリガ
ー電極29、該トリガー電極29に電線を接続す
るためのトリガー電極接続碍子31、レーザ気体
導入口33とを有する。
The anode chamber part 7 includes an anode ring 2
5. An anode power insulator (see FIG. 2) 27 that supplies power to the anode ring 25 is installed with high resistance and generates a glow discharge between it and the anode ring 25 to generate a laser gas containing CO 2 gas (hereinafter simply " The anode ring 25 and the cathode ring 47 (described later) are pre-ionized.
It has a trigger electrode 29 that functions to lower the relative dielectric strength between the two, a trigger electrode connection insulator 31 for connecting an electric wire to the trigger electrode 29, and a laser gas inlet 33.

なお、前記アノードリング25はレーザ気体旋
回流発生手段を構成するもので、第3図に示す如
く、レーザ気体導入口33から(矢印方向)流入
してきたレーザ気体が通過後に旋回ガス流となる
ように、シリンダ状の本体にブレード35が形成
され、また内面部25−aに陽極が形成された構
成となつており、固定用ブラケツト37によつて
CO2レーザ発振器1本体に取り付け固定される。
また、前記アノード電極25は、内面部25−a
の陽極以外の部分については、絶縁のコーデイン
グ(第3図中×印の部分)が施されている。
The anode ring 25 constitutes a laser gas swirling flow generating means, and as shown in FIG. A blade 35 is formed on the cylindrical main body, and an anode is formed on the inner surface 25-a.
It is attached and fixed to the CO 2 laser oscillator 1 body.
Further, the anode electrode 25 has an inner surface 25-a
The parts other than the anode are provided with insulation coding (the part marked with an x in FIG. 3).

スパイラルチユーブチエンバ部9は、管壁部を
スパイラル状に形成された熱伝導率の高い金属材
からなるレーザ管39と、該レーザ管39の外周
に設けられた冷却管41とを有する(第5図参
照)。なお、上記冷却管41には、冷却用の絶縁
オイルの流入口43および流出口45が形成され
ている。
The spiral tube chamber part 9 has a laser tube 39 made of a metal material with high thermal conductivity and whose tube wall is formed in a spiral shape, and a cooling tube 41 provided on the outer periphery of the laser tube 39 (a cooling tube 41 is provided on the outer circumference of the laser tube 39). (See Figure 5). Note that the cooling pipe 41 is formed with an inlet 43 and an outlet 45 for insulating oil for cooling.

カソードチエンバ部11は、シリンダ状のカソ
ードリング47と、該カソードリング47に給電
する陰極用給電碍子48(第4図参照)とを有す
る。なお、該カソードリング47は、その内面部
47−aが陰極になつており、固定用ブラケツト
49によつてCO2レーザ発振器1本体に取り付け
固定されている(第6図参照)。なお、上記内面
部47−a以外は、絶縁のコーデイングが施され
ている。
The cathode chamber section 11 includes a cylindrical cathode ring 47 and a cathode power supply insulator 48 (see FIG. 4) that supplies power to the cathode ring 47. The cathode ring 47 has an inner surface 47-a serving as a cathode, and is fixed to the main body of the CO 2 laser oscillator 1 with a fixing bracket 49 (see FIG. 6). Note that the portions other than the inner surface portion 47-a are provided with insulation coding.

触媒室13は、レーザ気体排出口51部に形成
されており、レーザ管39内の放電領域を流れて
いるレーザ気体のうち、解離したCO2分子を触媒
により酸化・再結合し、CO2ガスの劣化を抑制す
る活性アルミナを内蔵する触媒部52を有する。
The catalyst chamber 13 is formed at the laser gas discharge port 51, and oxidizes and recombines dissociated CO 2 molecules in the laser gas flowing through the discharge area in the laser tube 39 using a catalyst, thereby generating CO 2 gas. It has a catalyst section 52 containing activated alumina that suppresses deterioration of the catalyst.

出力ミラー室15は、20%の光透過率を有する
レーザ出力ミラー53、ベローズ55、該レーザ
出力ミラー53の光軸調整用マイクロヘツドか5
7を有する。
The output mirror chamber 15 includes a laser output mirror 53 having a light transmittance of 20%, a bellows 55, and a micro head 5 for adjusting the optical axis of the laser output mirror 53.
It has 7.

なお、参照番号59は、グロー放電を発生させ
るために電極間に高電圧を印加した時の回路のワ
ンターンを切る為の絶縁カラーである。
Incidentally, reference number 59 is an insulating collar for cutting a single turn of the circuit when a high voltage is applied between the electrodes to generate a glow discharge.

次に、この実施例の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be explained.

まず、CO2レーザ発振器1の作動概要を述べる
と、レーザ気体は、レーザ気体導入口33→アノ
ードリング25→レーザ管39→カソードリング
47→触媒部52→レーザ気体排出口51→レー
ザ気体導入口33を1ループとして高速で循環し
ており、このレーザ気体の高速循環状態において
レーザ管39内でアノードリング25とカソード
リング47の間で放電を行なうと、リアミラー1
7とレーザ出力ミラー53の間で光増幅が行なわ
れ、該光増幅が所定の閾値を越えるとレーザ出力
が得られる。
First, to give an overview of the operation of the CO 2 laser oscillator 1, the laser gas is supplied as follows: laser gas inlet 33 → anode ring 25 → laser tube 39 → cathode ring 47 → catalyst section 52 → laser gas outlet 51 → laser gas inlet 33 as one loop and circulates at high speed, and when a discharge occurs between the anode ring 25 and the cathode ring 47 in the laser tube 39 in this high-speed circulating state of laser gas, the rear mirror 1
Optical amplification is performed between the output mirror 7 and the laser output mirror 53, and when the optical amplification exceeds a predetermined threshold, a laser output is obtained.

一方、上述したようなCO2レーザ発振器1の作
動中おいて、レーザ気体導入口33から導入され
たレーザ気体は、アノードリング25に形成され
たブレード35のひねり角度とひねり方向によつ
て、右旋回若しくは左旋回の旋回ガス流となつて
レーザ管39内に流出され、且つレーザ管39の
管壁がスパイラル形状となつているため、それら
の相乗作用により乱流状態となつて該レーザ管3
9内をカソードリング47に向つて高速で流れ
る。
On the other hand, during the operation of the CO 2 laser oscillator 1 as described above, the laser gas introduced from the laser gas inlet 33 is directed to the right depending on the twist angle and twist direction of the blade 35 formed on the anode ring 25. The gas flows out into the laser tube 39 as a swirling or left-handed swirling gas flow, and since the wall of the laser tube 39 has a spiral shape, the synergistic effect of these effects creates a turbulent flow and the laser tube 3
9 toward the cathode ring 47 at high speed.

一般に、レーザ気体のレーザ管内における流速
が低下すると共に熱抵抗が増加して、熱交換の効
率が下がるが、上述の如く、積極的にレーザ管3
9内にレーザ気体の乱流を発生させることによつ
て、レーザ気体とレーザ管39との相対速度が増
加し、且つレーザ管39と冷却管41との間を通
流する冷却用の絶縁オイルについてもレーザ管3
9のスパイラル形状のために乱流状態となつて、
やはりレーザ管39との相対速度が速くなるの
で、熱交換の効率が上がる。また、上述のごとき
レーザ気体の乱流状態においては、レーザ管39
内の光軸に沿つてレーザ気体の上流側から下流側
に至る断面いずれにおいても、上記レーザ気体の
乱流度は、ほぼ均一化されるので、放電領域中の
レーザ気体の温度も均一化することができる。
Generally, as the flow velocity of the laser gas in the laser tube decreases, the thermal resistance increases and the efficiency of heat exchange decreases.
By generating a turbulent flow of the laser gas in the laser tube 9 , the relative velocity between the laser gas and the laser tube 39 increases, and cooling insulating oil flowing between the laser tube 39 and the cooling tube 41 increases. Also about laser tube 3
Due to the spiral shape of 9, the flow becomes turbulent,
After all, the relative speed with the laser tube 39 becomes faster, so the efficiency of heat exchange increases. In addition, in the turbulent flow state of the laser gas as described above, the laser tube 39
Since the degree of turbulence of the laser gas is almost uniform in any cross section from the upstream side to the downstream side of the laser gas along the optical axis, the temperature of the laser gas in the discharge region is also uniform. be able to.

従つて、レーザ気体の温度が放電領域の下流側
において上昇することにより励起分子の反転分布
率の低下という問題に対しては、特にレーザ出力
の向上のためにレーザ体積を増加した場合でも、
前記反転分布の減少を抑制することができる。
Therefore, even if the laser volume is increased to improve the laser output, the problem of decreasing the population inversion rate of excited molecules due to the increase in the temperature of the laser gas downstream of the discharge region can be solved.
The decrease in population inversion can be suppressed.

一方、放電領域中のCO2分子の解離について
は、上述した放電領域中でのレーザ気体の乱流に
より、該レーザ気体温度の冷却効率向上および均
一化がなされるので、抑制することができるが、
さらに、触媒部52をレーザ気体排出口51に設
けたので、レーザ気体を温度が高い状態で通過さ
せることができ、従来のようにレーザ気体が放電
部を通過後、相当の距離において触媒部を設置し
ていたことにより温度の低いレーザ気体を通過さ
せていた場合に比べて、触媒効果率が高く、前記
解離をより効果的に抑制できる。
On the other hand, the dissociation of CO2 molecules in the discharge region can be suppressed because the turbulent flow of the laser gas in the discharge region improves the cooling efficiency and makes the temperature of the laser gas uniform. ,
Furthermore, since the catalyst section 52 is provided at the laser gas discharge port 51, the laser gas can be passed through at a high temperature. Because of the installation, the catalytic effect rate is higher than when low-temperature laser gas is passed through, and the dissociation can be suppressed more effectively.

なお、レーザ管39内のレーザ気体の乱流度
は、該レーザ管39に形成するスパイラル状の山
と谷の大きさ、山と山のピツチ、およびブレード
35の形状によつて変えることができることは、
言うまでもない。
Note that the degree of turbulence of the laser gas in the laser tube 39 can be changed by the size of the spiral peaks and valleys formed in the laser tube 39, the pitch of the peaks and peaks, and the shape of the blade 35. teeth,
Needless to say.

この実施例によれば、レーザ管をスパイラル形
状とし、レーザ気体および上記レーザ管と冷却管
との間を通流する絶縁オイルが乱流状態で流れる
ようにすることによつて、レーザ出力を向上する
ためにレーザ体積を増加した場合でも、放電領域
中のレーザ気体の温度を均一化できると共に、該
レーザ気体の冷却効率も向上できるので、放電領
域中における励起分子の反転分布率の低下が抑制
でき、また、放電領域中のCO2分子の解離につい
ては、レーザ気体を上述したように乱流状態で流
してCO2分子の温度を均一化にすると共に、解離
したCO2分子を触媒に通して再結合するようにし
たので、抑制することができる。
According to this embodiment, the laser output is improved by making the laser tube into a spiral shape so that the laser gas and the insulating oil flowing between the laser tube and the cooling tube flow in a turbulent state. Even when the laser volume is increased to increase the laser volume, the temperature of the laser gas in the discharge region can be made uniform, and the cooling efficiency of the laser gas can also be improved, suppressing a decrease in the population inversion rate of excited molecules in the discharge region. In addition, regarding the dissociation of CO 2 molecules in the discharge region, the temperature of the CO 2 molecules is made uniform by flowing the laser gas in a turbulent state as described above, and the dissociated CO 2 molecules are passed through the catalyst. This can be suppressed by recombining.

以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、要するにこの発明の要旨は、特許請求の範囲
に記載のとおりであるから、その記載より明らか
なように、本発明においては、冷却管の内部に配
置されたレーザ管の管壁部自体がスパイラル状に
形成されているものである。そして、上記レーザ
管へのレーザ気体の流入側に配置された陽極の外
周面には、レーザ管へ流入するレーザ気体に旋回
流を生じせしめるためのブレードが適数設けられ
ているものである。さらに、レーザ管からのレー
ザ気体の流出側には、解離したレーザ気体を再結
合するための触媒室が設けられているものであ
る。
As can be understood from the above description of the embodiments, the gist of the present invention is as set forth in the claims.As is clear from the description, the present invention provides The tube wall portion of the laser tube disposed in the laser tube itself is formed in a spiral shape. An appropriate number of blades are provided on the outer peripheral surface of the anode disposed on the inflow side of the laser gas into the laser tube to generate a swirling flow in the laser gas flowing into the laser tube. Furthermore, a catalyst chamber for recombining the dissociated laser gas is provided on the outflow side of the laser gas from the laser tube.

したがつて、本発明によれば、レーザ気体の解
離をより効果的に抑制できることは勿論である
が、レーザ管に流入するレーザ気体は陽極に備え
たブレードによつて旋回流とされ、かつレーザ管
の管壁がスパイラル状に形成されていることとが
相俟つて、レーザ気体は撹拌される態様となり乱
流となる。ために、レーザ管の内周面付近の境界
層の剥離作用が大きく、レーザ管の管壁とレーザ
気体との熱交換の効率が向上するものである。ま
た、レーザ管自体の管壁がスパイラル状になつて
いることにより、冷却管内を流通する流体も乱流
となり、冷却用の流体とレーザ管の管壁との熱交
換効率が向上するものである。すなわち本発明に
よれば、レーザ管の管壁がスパイラル状に形成さ
れていることにより、レーザ管の表面積が増加す
ることは勿論のこと、レーザ管内を流通するレー
ザ気体およびレーザ管の外側を流通する冷却用の
流体が共に乱流となり、レーザ気体の冷却を効率
よく行い得るものである。
Therefore, according to the present invention, not only can the dissociation of the laser gas be suppressed more effectively, but also the laser gas flowing into the laser tube is made into a swirling flow by the blade provided on the anode, and the laser gas is Coupled with the fact that the wall of the tube is formed in a spiral shape, the laser gas is stirred, resulting in a turbulent flow. Therefore, the separation effect of the boundary layer near the inner circumferential surface of the laser tube is large, and the efficiency of heat exchange between the wall of the laser tube and the laser gas is improved. Additionally, because the wall of the laser tube itself is spiral-shaped, the fluid flowing through the cooling tube also becomes turbulent, improving the heat exchange efficiency between the cooling fluid and the wall of the laser tube. . That is, according to the present invention, since the tube wall of the laser tube is formed in a spiral shape, not only the surface area of the laser tube increases, but also the laser gas flowing inside the laser tube and the laser gas flowing outside the laser tube. Both cooling fluids become turbulent, and the laser gas can be efficiently cooled.

なお、本発明は前述の実施例のみに限るもので
はなく、適宜の変更を行うことにより、その他の
態様でも実施し得るものである。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be implemented in other embodiments by making appropriate changes.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はCO2レーザ発振器の全体概要を示す断
面図、第2図は第1図中のA−A線断面図、第3
図はアノードリングの詳細図、第4図は第1図中
のB−B線断面図、第5図は第1図中のC−C線
断面図、第6図はカソードリングの詳細図を示す
ものである。 (図の主要な部分を表わす符号の説明)、1…
…CO2レーザ発振器、39……レーザ管、41…
…冷却管、25……アノードリング、52……触
媒部。
Figure 1 is a cross-sectional view showing the overall outline of a CO 2 laser oscillator, Figure 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in Figure 1,
The figure is a detailed view of the anode ring, Figure 4 is a sectional view taken along the line B-B in Figure 1, Figure 5 is a sectional view taken along the line C-C in Figure 1, and Figure 6 is a detailed view of the cathode ring. It shows. (Explanation of symbols representing main parts of the figure), 1...
... CO2 laser oscillator, 39...Laser tube, 41...
...Cooling pipe, 25...Anode ring, 52...Catalyst section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 冷却用の流体の流入口43と流出口45を備
えた冷却管41の内部に配置されたレーザ管39
の管壁部をスパイラル状に形成して設け、上記レ
ーザ管39へのレーザ気体の流入側に配置した円
筒形状の陽極の外周部に、レーザ気体に旋回流を
生じせしめるためのブレード35を適数設け、上
記レーザ管39からのレーザ気体の流出側に陰極
を配置して設けると共に、解離したレーザ気体を
再結合するための触媒室13を配置してなること
を特徴とするレーザ発振装置。
1. A laser tube 39 disposed inside a cooling pipe 41 having an inlet 43 and an outlet 45 for cooling fluid.
A blade 35 for generating a swirling flow in the laser gas is installed on the outer circumference of a cylindrical anode disposed on the inflow side of the laser gas into the laser tube 39. A laser oscillation device characterized in that a cathode is arranged on the outflow side of the laser gas from the laser tube 39, and a catalyst chamber 13 is arranged for recombining the dissociated laser gas.
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