JPS63228781A - 固体レ−ザ装置の冷却構造 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＹＡＧレーザで代表される固体レーザ装置の冷
却構造、より正確には、内周面が鏡面に形成された鏡筒
と該鏡筒の両端開口を閉鎖し鏡筒側の面が鏡面に形成さ
れた１対の側板体とにより光に対する１個の閉込空間を
画成し、該閉込空間内にそれぞれロッド状のレーザ発振
媒体と該媒体に対し励起光を発する励起光源とを鏡筒の
軸方向に挿通してなる固体レーザ装置に適する冷却構造
に関する。

〔従来の技術〕

よく知られているように固体レーザはキセノンランプ等
により光励起されるが、かかる励起光源に与えたエネル
ギの９０〜９５％までが熱として消費されてしまうので
、固体レーザ装宜を適温で運転しいわゆるオプティカル
ダメージ等のトラブルを避けなからレーザ光を高出力で
発振させるには装置をよく冷却してやることが望ましい
、この冷却には適当なレーザ発振媒体例えば純水を用い
る液冷方式が有効であり、従来技術によるこのための冷
却構造例を第３図に示す。

図においてＹＡＧ等のレーザ発振媒体２とそれに励起光
を与えるキセノンランプ等の励起光源３はいずれもロッ
ド状であって、密封構造のケース１内に互いに平行な配
置で収納される。レーザ発振媒体２はその両端を保持筒
２ｂを介してケース１の両端板により保持されており、
保持筒２ｂとケースｌとの間は密封用のパツキン８によ
りシールされている。励起光ａ３はその両端電極部をケ
ース１に固定された保持１を掻３ｂにより挟持され、該
保持電橋３１１を介して外部電源から給電される。レー
ザ発振媒体２と励起光ｉｌ［３を外側から囲む鏡筒４は
楕円断面の内孔を持ち、その内周面が鏡面に形成されて
おり、レーザ発振媒体２と励起光１［３はそれぞれその
軸心が前述の楕円がもつ２個の焦点と一致するように鏡
筒４の内孔内に配置されるので、励起光′ａ３から発し
られた励起光が鏡面により反射されてレーザ発振媒体２
に集光されるようになっている。鏡筒４の両端面にはそ
の内孔の両端開口を閉鎖するよう１対の側板体５．５が
当接されており、その鏡筒４の内孔側の面が鏡面に形成
されている。従って、鏡筒４の内孔はその内周鏡面と側
板体５．５の鏡面とで囲まれた励起光に対する１個の閉
込空間となっている。励起光′ａ３からの励起光を直接
にあるいは閉込空間を画成する鏡面からの反射により受
けるレーザ発振媒体３は、その例えば図の左側の端面が
反射率の高い鏡面になっており、図の右側の反射率の低
い端面からレーザ光を右側の保持筒２ｂの内孔を介して
図の右方に向けて発射する。

レーザ発振媒体２と励起光Ｂ３はそれらに対す為レーザ
発振媒体による冷却効果を上げるため、それぞれ透明な
フローチューブ２ａ、３ａによって囲まれており、＝亥
フローチューフ゛２ａ、３ａはそれぞれ１対の側板体５
，５によりそれらの両端をパツキン８を介して担持され
ている０図の右側の側板体５のフローチューブ２ａの保
持部にはその下半部を囲むように小孔の連通路５ａが、
また図の左側の側板体５のフローチューブ３ａの保持部
の周りには連通路５ｂがそれぞれ設けられている。また
、ケース１の左側の側板体５との間の仕切室は隔壁１ａ
により上下２段に仕切られており、ケース１の右側の側
板体５の間の仕切室は隔壁１ｂ、　ｌｃにより上中下３
段に仕切られており、その上段仕切室と中段仕切室との
間の隔壁１ｂには連通路１ｄが設けられている。

この従来の冷却構造においては、冷却媒体ＣＭは図の左
下部の導入管６から固体レーザ装置に導入され、固体レ
ーザ装置からは図の右下部の導出管７を介して導出され
るが、その固体レーザ装置内部の流れは流路Ｆの矢印で
示されている０図示のように、冷却媒体ＣＭは導入管６
から左下段の仕切室に入り、レーザ発振媒体２とそのフ
ローチューブ２ａとの間の狭い隙間を通ってレーザ発振
媒体２を冷却した上で右中段の仕切室に入り、さらに連
通路１ｄを遣って右上段の仕切室に入る。さらに、励起
光源３とそのフローチューブ３ａとの間の狭い隙間を通
って励起光源３を冷却した後に左上段の仕切室に入り、
さらに左側の側板体５の連通路５ｂを通って鏡筒４の内
孔に入って鏡筒４と側板体５゜５を内側から冷却する。

鏡筒４の内孔からは右側の側板体５の連通路５ａを通っ
て右下段の仕切室に入り、そこから導出管７を介して外
部に導出される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の従来技術による冷却構造は冷却がとくに必要なレ
ーザ発振媒体２．高温になりやすい励起光ｉ！ｇ３．ｍ
筒４の内孔の順に冷却媒体を順次通流させる点で合理的
であり、かつその冷却効果も高いが、実際に運転して見
るとレーザの発光効率が所期値よりも低下することがあ
る。この原因を透明なモデルを作って冷却媒体の通流実
験により調べて見ると、以外にも鏡筒の内孔内に気泡が
発生することがあり、励起光がそれによって散乱されて
レーザ発振媒体に到達しにくくなり、それによって効率
が落ちていることがわかった。この気泡の発生は、レー
ザ発掘媒体が第３図の左上段の仕切室から左側の側板体
５の細い連通路５ｂを遣って鏡筒４の広い内孔に入って
流路が急に拡がる個所において発生しやすく、一旦気泡
が発生すると鏡筒４の内孔から右側の側板体５の細い連
通路５ａを通って右下段の仕切室に抜けなければならな
いので、実際には気泡がほとんど抜けずに内孔内に滞留
してしまう。これを改良して気泡の発生を少なくしある
いは気泡が発生してもその抜けを良くするには、連通路
５ａ、５ｂを太くしてやればよいのであるが、連通路を
太くしただけ励起光の閉込空間である鏡筒の内孔から折
角の励起光が逸出してしまうから、今度はそのために励
起光の閉じ込めが不充分になって勘心のレーザの発光効
率が落ちてしまうことになる。

本発明はかかる問題点や矛盾を解消して励起光のレーザ
発振媒体への到達率と励起光の閉込空間への閉じ込め効
果とを高く維持することができる固体レーザ装！の冷却
構造を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上述の目的は本発明によれば、前述のように内周面が鏡
面に形成された鏡筒と該鏡筒の両端開口を閉鎖し鏡筒側
の面が鏡面に形成された１対の側板体とにより光に対す
る１個の閉込空間を画成し、該閉込空間内にそれぞれロ
フト状のレーザ発振媒体に対し励起光を発する励起光源
とを鏡筒の軸方向に挿通してなる固体レーザ装置に対す
る冷却構造として、鏡筒の内周面を外径側から取り囲む
ように側板体の鏡筒の端面に対向する面に設けられた環
状溝と、該環状溝と閉込空間とを鏡筒の内周のほぼ全周
に亘って径方向に連通ずるように鏡筒の端面とこれに対
向する側板体の面との間に設けられた細隙とを設け、閉
込空間に対する冷却媒体の導入ないしは導出が細隙を介
して環状溝と閉込空間との間でなされるようにすること
によって達成される。

〔作用〕

従来技術に関する記載かられかるように、気泡の発生や
その排出の困難性は連通路の孔径が細いことに原因があ
り、また励起光の閉じ込めの必要上この孔径を太くでき
なかったわけであるが、本発明ではこの連通路を小孔と
することをやめ、それを前記構成にいう環状溝と細隙と
によって置き換える。この細隙を流れる冷却媒体の方向
は径方向とし、かつこの細隙を鏡筒の内周面のほぼ全周
に亘って設ける。細隙の隙間寸法はもちろん小であるが
、その幅方向の寸法は前記の全周に亘るので、全体とし
て冷却媒体に対する流路の断面積は従来の限られた数の
連通小孔の断面積よりは大となり、かつ流路が細隙の隙
間方向についてだけしか絞られていないから、冷却媒体
の閉込空間への流入時の流路断面積の変化率が従来より
小でかつ流路形状の変化がより円滑になり、気泡の発生
する確率が低くなる。また冷却媒体の閉込空間からの流
出時には、上と同じ理由で逆に冷却媒体中に気泡が含ま
れていても環状溝に抜けやすくなり、環状溝に導かれた
気泡は簡単に外部に排出される。

この気泡発生の減少と閉込空間からの気泡の抜けやすさ
は、透明材料で作られたモデル実験によって確認されて
おり、細隙中の冷却媒体の流れ方向が径方向であること
も気泡の抜けを良くする上で非常に仔効である。

また本発明における環状溝は鏡筒の内周面よりは外径側
にそれを取り囲むように設けられているので、側板体の
閉込空間に面する鏡面には励起光の逸出路は存在せず、
細隙を介して環状溝の方に励起光が逸出しようとしても
上記の鏡面によりまず反射され、さらに細隙の両側の壁
によっても反射されるので大部分が閉込空間の方に返え
されてしまう、この意味では細隙の隙間寸法はもちろん
小なことが望ましいが、あまり小さくすると気泡の発生
防止と抜けの容易化の効果が減少するので、純水をレー
ザ発振媒体とする場合０．５鶴前後の値に選定するのが
最も好適である。この際の細隙の流路方向の長さは１鶴
以上に選ぶのがよい。

以上の構成とそのもつ作用により、励起光のレーザ発振
媒体への到達率が高められかつその閉込空間からの逸出
が防止されて所期の課題が解決される。

〔実施例〕

以下図を参照しなから本発明の詳細な説明する。第１図
＋ａ＋は本発明による冷却構造を実施・した固体レーザ
装置の縦断面図であり、そのＸ−Ｘ矢視断面である横断
面が同図（ｂｌに示されている。この第１図の前の第３
図と同じ部分には同符号が付されており、重複を避ける
ため同一部分の説明は省略する。

第１図の実施例では、ケース１は軸方向に２分割可能な
方形筒状のプラスチック成型品である。

閉込空間Ｓを画成する鏡筒１０と１対の側板体２０．２
０とはいずれも例えば黄銅製であって、鏡筒１０の楕円
状の内周面１１と側板体２０の閉込空間Ｓ側の平坦な内
面２１とはいずれも鏡面とされる。レーザ発振媒体２と
励起光源３とは両側板体２０に明けられた挿通孔２２．
２３にそれぞれ挿通され、それらを囲む例えばガラス管
であるフローチューブ２ａ、３ａ　も該挿通孔内で両側
板体２０により両端を密封的に担持されている９両側板
体２０の鏡筒と当接する面倒には環状溝３０が数醜角の
方形断面でそれぞれ切られており、該環状溝３０は第１
図中）に見られるように鏡筒の一点ｖＡ線で示された楕
円形の内周面１１を外径側から囲むように設けられ、こ
の実施例では円形状に形成されている。この環状１１１
３０を閉込空間Ｓと連通させる細隙４０は、鏡筒１０の
端面と側板体２０の内面２１との間に設けられた０、５
Ｈ程度の径方向の隙間である。また、図の左側の側板体
２０に設けられた環状溝３０は左上段の仕切室と連通路
３１を介して連通されており、この連通路３１は１個な
いしは同図ｆｂ）に見られるように複数個設けられる。

一方、右側の側板体２０の環状溝３０には従来と異なり
導出管７が直接に接続されており、その右側の仕切室は
単一の隔壁１ｂにより上下２段に仕切られている。

この実施例では流路Ｆの矢印で示されたように、冷却媒
体ＣＭはまず導入管６から左下段の仕切室に入り、そこ
からレーザ発振媒体２とそのフローチューブ２ａとの間
の２〜３鶴の隙間を数ｍ／秒程度の高速で流れてレーザ
発振媒体を有効に冷却した後に右下段の仕切室に入り、
さらに隔壁１ｂの連通路１ｄを通って右上段の仕切室に
入る。隔壁１ｄは以後に励起光１Ｉ１３の方への冷却媒
体の流入路を規制するのが主な役目であるが、場合によ
り省略しても差し支えない、励起光源３とそのフローチ
ューブ３ａとの間の前と同程度の隙間には、右上段の仕
切室から左上段の仕切室に向けて冷却媒体が高速で流さ
れて発熱量の多い励起光源３が有効に冷却される。冷却
媒体はさらに左上段の仕切室から連通路３１．左側の側
板体の環状溝３０および細隙４０を介して閉込空間Ｓに
流入して、鏡？Ｊ１０の内周面１１と側板体の内面２１
．２１とを冷却する。この閉込空間Ｓへの冷却媒体の流
入時は、従来よりは少ないものの若干の気泡が閉込空間
Ｓ内に発生することがあるが、多少の気泡が発生しても
冷却媒体とともに右側の側板体側の細隙３０を介してそ
の環状溝４０の方に容易に抜け、この環状溝４０からは
導出管７を介して冷却媒体とともに直ちに外部に排出さ
れる。

この固体レーザ装置を発振させるには、リード繍３ｄを
介して励起光源３に外部電源を接続して、連続ないしは
パルス点灯させる。励起光源３が発する励起光Ｆ！しは
第１図（ｂ）に示すように鏡筒１０の楕円状の内周面１
１に反射されてレーザ発振媒体２に集光され、これによ
って励起されたレーザ発振媒体２はレーザ光ＬＬを例え
ば図示のように右方に向けて発射する。もちろん、励起
光ｌ！しは側板体の内面２１にあっても反射され、その
ご（僅かしか細隙４０を介して外部に逸出しないからそ
の大部分は閉込空間Ｓ内に閉じ込められて結局はレーザ
発振媒体２の励起に利用される。この励起光の利用効率
を向上する上では、第１図ｔａ＋に示すように励起光源
３の発光部の長さを両側板体の内面２１間の軸方向寸法
よりは短か目に、レーザ発振媒体２の長さを逆に長目に
選定するのが有利である。

また公知のようにこの励起光の利用効率は、鏡筒１０の
内周面１１のもつ楕円の長径を２８とし励起光源３．の
もつ半径ｒとするとき、係数ｋ　＝　ａ　／　ｒを小さ
く取る程高くなる。本発明の場合、第３図と比較すれば
わかるように閉込空間Ｓに面する側板体２０の内面２１
に連通路を開口する必要がないので、その分だけ楕円の
長径を短くすることができ、従来よりも係数にの値を約
２０％小さくして励起光の利用効率をさらに向上するこ
とができる。

第２図は本発明の異なる実施例を示すもので、この例で
は冷却媒体の導入管と導出管はそれぞれ左右対称に２個
ずつ設けられ、これに応じて固体レーザｇ　Ｉ内の流路
も左右対称に設定されている。

冷却媒体囲は左右の導入管６ａ、６ｂから左右下段の仕
切室に入り、それらからレーザ発振媒体用とフローチュ
ーブ２ａとの隙間に左右両側から流入して、フローチュ
ーブ２ａの中央部に設けられた連通路２ｃを経て直ちに
閉込空間Ｓに入る。一方、左右下段の仕切室に入った冷
却媒体の約半分は隔壁１ａ、　ｌｂに設けられた連通路
１ｅ、　ｌｄを経て左右上段の仕切室にも入り、それら
から励起光ｉ［３とそのフローチューブ３ａとの隙間に
左右両側から流入して、フローチューブ３ａの中央部の
連通路３ｃから閉込空間Ｓに入る。閉込空間Ｓからの冷
却媒体は左右側板体側の細隙４０．４０と環状溝３０．
３０を介して左右の導出管７ａ、７ｂから外部に導出さ
れる。この実施例ではレーザ発振媒体２と励起光源３と
に対する冷却媒体の流路が並列になるので、両者への流
量配分に注５念を７するが、両者を同時に低温の冷却媒
体で冷却することができ、また本発明における環状溝と
細隙とが持つ効果は前の実施例と変わりがない。

以上説明した実施例のほか、本発明は仕切室の数や配置
あるいは冷却媒体の流路を種々選択することにより種々
の態様で実施をすることができる。

〔発明の効果〕

以上の記載から明らかなように、本発明による固体レー
ザ装置の冷却ｔｌｌ遣では鏡筒の内周面を外径側から取
り囲むように側板体のｔａ？ＪＩの端面に対向する面に
設けられた環状溝と、該環状溝と閉込空間とを鏡筒の内
周のほぼ全周に亘って径方向に連通ずるように鏡筒の端
面とこれに対向する側板体の面との間に設けられた細隙
声とを設けることにより、冷却媒体の閉込空間への流入
時に気泡を発生することが少なくなり、また多少の気泡
が発生しても冷却媒体の閉込空間からの流出とともに細
隙と環状溝とを通じて容易に外部に排出されてしまうの
で、励起光の閉込空間内に存在しうる気泡が従来の冷却
構造によるよりもずっと少なくなり、それによって励起
光が散乱されることがほとんどなくなるので励起光の利
用効率を高めることができる。また、本発明構造では閉
込空間に連通ずる細隙を通って励起光が逸出しようとし
ても大方は反射により閉込空間内に返えされてしまうの
で、励起光の閉込空間への閉じ込め効果が従来よりも高
い、また、側板体の閉じに面する内面に従来のように連
通路を設ける必要がなくなるので、その分だけ閉込空間
断面がもつ楕円形の長径を短縮することができ、前述の
係数ｋ　−ａ　／　ｒの値を小さく取って励起光の利用
効率を本質的に向上することができる。これらの効果は
相乗的に励起光の利用効率を上げ、レーザの発振効率を
向上させる最終効果を奏しうるちのである。

なお、実施例からもわかるように本発明の実施により冷
却構造はむしろ従来よりもむしろ簡単になり、固体レー
ザ装置の外形寸法も縮少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１［Ｆおよび第２図が本発明に関し、内筒１図は本発
明による固体レーザ装置の冷却構造を実施した固体レー
ザ装置の縦断面図および横断面図、第２図は本発明の異
なる実施例を示す固体レーザ装置の縦断面図である。第
３図は従来技術による冷却構造を採用した固体レーザ装
置の縦断面図である０図において、 ｌ：ケース、１ａ＋　ｌｂ、　ｌｃ　：ケースの隔壁、
ｌｄ、ｌｅ：隔壁に明けられた連通路、２：レーザ発振
媒体、２ａ：フローチューブ、２ｂ：保持筒、２Ｃ：フ
ローチューブの連通路、３：励起光源、３ａ：フローチ
ューブ、３ｂ：保持電極、３ｃ：フローチューブの連通
路、３ｄ：ｆｆ１ｌＪ起光源のリード線、６．６ａ、６
ｂ　：導入管、７．７ａ、７ｂ　：導出管、８：パノキ
ン、ｌｏ：！Ｉ筒、１１：鏡筒の内周面、２０：側板体
、２１：側板体の内面、２２．２３ｊ側板体の挿ｉｊ１
孔、３０：環状溝、３１：連通路、４０：細隙、ＣＭ：
冷却媒体、ＥＬ：ｆｆ１ＩＪ起光、Ｆ：レー１２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内周面が鏡面に形成された鏡筒と該鏡筒の両端開口
   を閉鎖し鏡筒側の面が鏡面に形成された１対の側板体と
   により光に対する１個の閉込空間を画成し、該閉込空間
   内にそれぞれロッド状のレーザ発振媒体と該媒体に対し
   励起光を発する励起光源とを鏡筒の軸方向に挿通してな
   る固体レーザ装置に対する冷却構造であって、鏡筒の内
   周面を外径側から取り囲むように側板体の鏡筒の端面に
   対向する面に設けられた環状溝と、該環状溝と閉込空間
   とを鏡筒の内周のほぼ全周に亘って径方向に連通するよ
   うに鏡筒の端面とこれに対向する側板体の面との間に設
   けられた細隙とを備え、閉込空間に対する冷却媒体の導
   入ないしは導出が細隙を介して環状溝と閉込空間との間
   でなされるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置
   の冷却構造。 ２）特許請求の範囲第１項記載の冷却構造において、レ
   ーザ発振媒体を一方の側板体の環状溝から細隙を介して
   閉込空間に、該閉込空間から細隙を介して他方の側板体
   の環状溝に通流させるようにしたことを特徴とする固体
   レーザ装置の冷却構造。