JPS63304681A - 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、より正確にいえば、内周面が鏡面に形成された
鏡筒と該鏡筒の両端開口を覆い鏡筒側の面が鏡面に形成
された１対の側板体とを冷却媒体が満たされる閉鎖容器
内に収納するとともに鏡筒と両側板体とにより光に対す
る閉込空間を画成し、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する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装置はキセノンラン
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％までが装置内で熱として消費され
てしまうので、固体レーザ装置を適温で運転してレーザ
発振媒体の損傷を避けなからレーザ光を高出力で発振さ
せるには装置を充分に冷却してやることが必要である。

この冷却には適当な冷却媒体例えば純水を用いる液冷方
式が有効であり、第４図は従来の固体レーザ装置に対す
るこの液冷構造の例を示すものである。

図において、ＹＡＧ等のレーザ発振媒体１とそれに励起
光を与えるキセノンランプ等の励起光源２はいずれもロ
ッド状であって、冷却媒体が内部に満たされる閉鎖容器
１０内に互いに平行な配置で収納される。レーザ発振媒
体１はその両端を保持筒１ａを介して閉鎖容器１０の両
端板により保持されており、保持筒１ａの閉鎖容器１０
との間はＯリング５により液密にシールされている。励
起光源２はその両端電極部を閉鎖容器１０に固定された
保持電極２ａにより挟持され、該保持電極２ａを介して
外部電源から給電される。レーザ発振媒体１と励起光源
２を外側から囲む鏡筒２０は楕円断面の内孔を持ち、そ
の内周面は鏡面に形成されていて、レーザ発振媒体１と
励起光源２はその軸心が楕円の２個の焦点とそれぞれ一
致するように配置されているので、励起光源２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１
に集光される。

鏡筒２０の両端面にはその内孔の両端開口を閉鎖するよ
うに１対の側板体３１．３２が当接されており、その鏡
筒２０の内孔側の面が鏡面に形成されている。

従って、鏡筒２０の内孔部はその内周鏡面と側板体３１
．３２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。励起光源２からの励起光を直接にある
いはこの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１は、図示しない共振系とともにレー
ザ発振してレーザ光を所定方向例えば図の右方に向けて
出射する。

レーザ発振媒体１と励起光源２を冷却媒体により充分に
冷却するため、それぞれが透明なフローチューブ３，４
により囲まれており、これらのフローチューブ３，４は
その両端が両側板体３１．３２により０リングを介して
担持されている９図の左側の側板体３１のフローチュー
ブ４の保持部のまわりには閉込空間を外側と連絡する小
孔の連通路８が、また図の右側の側板体３２のフローチ
ューブ３の保持部の図の下側のまわりには同様な小孔の
連通路９がそれぞ塾設けられている。また、閉鎖容器１
０の左側の端板と側板体３１との間の仕切室は隔壁１０
ａにより図の上下２段に仕切られており、また閉鎖容器
の右側の端板と側板体３２との間の仕切室は隔壁１０ｂ
、　１０ｃにより図の上中下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１０ｃには連通
路１０ｄが明けられている。

以上のように構成された従来の冷却構造では、冷却媒体
は図の左下に示された導入口６から入り、図の矢印の経
路を通った上で導出ロアから出る。

固体レーザ装置内部では冷却媒体はまず左下段の仕切室
に入り、レーザ発振媒体１とそのフローチューブ３との
間の隙間を通ってレーザ発振媒体ｌを冷却した上で右中
段の仕切室に入り、さらに連通路１０ｄを通って右上段
の仕切室に入る。ついで、冷却媒体は励起光源２とその
フローチューブ４との間の狭い隙間を通って励起光源２
を冷却した上で左上段の仕切室に入り、さらに左側の側
板体３１に明けられた連通路８を通って閉込空間Ｓに入
って鏡筒２０と側板体３１．３２を内側から冷却する。

冷却媒体はこの閉込空間Ｓから右側の側板体３２に明け
られた連通路９を通って右下段の仕切室に入り、この仕
切室から導出ロアを介して外部に導出される。

なお、この第４図は固体レーザ装置を上下二つに横に切
断した断面を上方から見た状態を示すもので、導入口６
と導出ロアとは便宜上この切断面上にあるものとして示
されているが、実際には冷却媒体は装置の下側の導入口
から流入し、装置の上側の導出口から流出するようにさ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来の冷却構造では、冷却媒体による冷却がまず
最も冷却が必要なレーザ発振媒体１．ついで最も高温に
なりやすい励起光源２．最後に閉込空間Ｓの順序でなさ
れる点で非常に合理な冷却構造といえるが、実際にこの
冷却構造を採用した固体レーザ装置を運転して見ると励
起光の利用効率があまり高くなく、従ってレーザの発光
効率があまり良くないことがわかった。励起光の利用効
率が落ちる原因は、連通路８，９を介して励起光が閉込
空間Ｓから外部に逸出しやすいことにある。

これらの連通路８，９はいずれも小孔であって、しかも
孔の方向が励起光源２からレーザ発振媒体１に直接光な
いしは反射光の形で与えられる励起光の主な向きとは直
角に向けられているのではあるが、閉込空間Ｓ内の励起
光強度が非常に高いので、かなりの光量がこれらの小孔
を介して外部に漏出してしまうのである。

さらに透明なモデルを作って冷却媒体の通流実験をして
見ると、意外にも閉込空間Ｓ内にかなりの気泡が発生し
てこの気泡が容易には閉込空間Ｓから排出されないこと
がわかった。閉込空間内にこのような気泡の発生と停留
が起こると励起光が気泡によって散乱されることになり
、励起光がレーザ発振媒体に到達するのを防げるととも
に前述の閉込空間からの逸出を一層助長することになる
。

この気泡の発生は冷却媒体が第４図の左上段の仕切室か
ら左側の側板体３１の細い連通路８を通って閉込空間Ｓ
に入る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閉込空間Ｓから右側の側板体３２の
細い連通路９を通って右下段の仕切室に抜けなければな
らないので、実際には気泡はほとんど抜けずに閉込空間
内に滞留してしまう。もちろん、この気泡の発生を極力
少な（しかつその抜けを良くするために連通路８．９を
太（したのでは、励起光の閉込空間からの逸出を助長し
てしまうことになる。

本発明は従来の冷却構造におけるこのような問題点を解
消して、励起光の利用効率が高（従って発光効率を高め
ることができる固体レーザ装置の冷却構造を得ることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は本発明によれば、内周面が鏡面に形成され
た鏡筒と該鏡筒の両端開口を覆い鏡筒側の面が鏡面に形
成された１対の側板体とを冷却媒体が満たされる閉鎖容
器内に収納するとともに鏡筒と両側板体とにより光に対
する閉込空間を画成し、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する励起光を発する励
起光源とを鏡筒の軸方向に挿通した固体レーザ装置に対
する冷却構造として、一方の側板体側から鏡筒の外周面
と閉鎖容器の内面との間を通って他方の側板体側に至る
外側通路と１両側板体側からそれぞれ狭隘路を介して閉
込空間に連通ずる内側通路とを冷却媒体に対する通路と
して互いに並列に設け、外側通路を流れる冷却媒体によ
り鏡筒を外周面側から冷却し、内側通路を介して閉込空
間内に満たされた冷却媒体が入れ換えられるようにする
ことによって達成される。

〔作用〕

固体レーザ装置に対する従来の冷却構造では鏡筒に対す
る冷却は、その内周面側から行なわれていたのであるが
、本発明においては上記の構成かられかるように鏡筒は
その外周面側から冷却される。外側通路はこの外周面側
からの冷却のためのもので、これにより冷却媒体を一方
の側板体側から鏡筒の外周面と閉鎖容器の内面との間を
通って他方の側板体側に向けて流される。内側通路はこ
の外側通路を流れる冷却媒体と並列に冷却媒体を流すも
のであるが、鏡筒がその外周面側から冷却されているの
で、従来のように多量の冷却媒体をこの内側通路に流し
て鏡筒を内周面から冷却してやる要はなく、このため内
側通路は両側板体側を閉込空間にそれぞれ狭隘路を介し
て連通させることによって形成される。この内側通路は
、鏡筒の内周面や側板体の閉込空間側の面を冷却する役
目も若干は果たすが、主には閉込空間内に何らかの原因
で気泡が発生したときそれを冷却媒体とともに閉込空間
外に排出する役目を持つ。従ってこの内側通路を流れる
冷却媒体の流量は外側通路中の冷却媒体の流量よりも少
なくてよく、その最低限としては閉込空間内に満たされ
た冷却媒体を気泡を排出できる程度に入れ換えるだけの
流量があればよい。また気泡が閉込空間外に排出されや
すいように、内側通路を流れる冷却媒体の出側の狭隘路
は閉込空間の頂上ないしは最高位点に開口させることが
望ましい。

内側通路内の狭隘路にもたせる断面積は固体レーザ装置
のレーザ出力によっても若干は異なるが、ふつう２〜３
ｍ”程度の小断面積であってよ（、従って閉込空間はこ
の狭隘路の僅かな断面開口を除いて鏡筒と１対の側板体
によってほぼ完全に励起光に対して閉鎖されるので、閉
込空間からの励起光の逸出が従来よりほぼ１桁受なくな
り、また閉込空間内に気泡が発生しても内側通路を流れ
る冷却媒体によって排出されるので、気泡により励起光
が散乱されてその逸出を助長されるようなこともな（な
る。このように本発明による冷却構造は閉込空間からの
励起光の逸出を有効に防止することができるので、励起
光の利用効率従ってレーザの発光効率が従来よりも高ま
って前述の所期の課題が解決される。

本発明の上記構成のもつ他の利点やその有利な実施態様
については、次項以下に述べるとおりである。

〔実施例〕

以下、第１図から第３図を参照しながら本発明の詳細な
説明する。第１図は本発明による冷却構造を実施した固
体レーザ装置を前の第４図と同様に水平方向に切った断
面図であり、第２図は鏡筒２０等を第１図のＡ−Ａ矢視
断面方向から見た斜視図であり、第３図は固体レーザ装
置を第１図の左方から見た側面図で、第１図は第３図の
Ｂ−Ｂ矢視断面に当たる。これらの図の前の第４図に対
応する部分には同符号が付されており、説明が重複する
部分は省略することとする。

この実施例では第１図に示すように、閉鎖容器１０は左
右２個の部分１１．１２からなり、左側の閉鎖容器部分
１１と左側の側板体３１との間の仕切室は隔壁１１ａに
より図の上下方向に２段に仕切られ、左下段の仕切室に
冷却媒体の導入口６が閉鎖容器の下側から開口している
。右側の閉鎖容器部分１２と右側の側板体３２との間の
仕切室も同様に隔壁１２ａにより上下２段に仕切られ、
上下の仕切室間を連絡する連通路１２ｂが隔壁１２ａに
設けられている。

冷却媒体は図の矢印で示すように、導入口６から左下段
の仕切室に入り、以後レーザ発振媒体１と励起光源２を
順次冷却した後左上段の仕切室に入り、ここから鏡筒２
０の外周面と閉鎖容器部分１２の内面との間を流れる外
側通路ＯＰと閉込空間Ｓを流れる内側通路ＩＰとに分流
し、最後に導出ロアか゛ら閉鎖容器１０外に導出される
。

この実施例における鏡筒２０には、第２図に示すように
その外周面から複数個の板状突起２１が設けられており
、これらの板状突起２１は図示のような方形輪郭をもち
その先端面が閉鎖容器部分１２の方形の内面に接するよ
うになっている。また、これらの板状突起には図の右下
のかど部と左上のかど部には切欠き２１ａが交互に設け
られており、図の手前から１番目の板状突起と２番目の
板状突起との間の通路部分には冷却媒体が右下の切欠き
から流入して左上の切欠きの方に流れ、図の２番目の板
状突起と３番目の板状突起との間の通路部分には左上の
切欠きから冷却媒体が流入して右下の切欠きに向けて流
れるようになっている。つまり、これらの板状突起相互
間に形成される通路部分には交互に反対方向に冷却媒体
が流され、これによって鏡筒２０はその外周面とそれか
ら突設された板状突起の表面から有効に冷却される。容
易にわかるように板状突起をこのように複数に分割して
設けるかわりに、１個の連続した螺線状の板状突起とし
て形成し冷却媒体が鏡筒２０のまわりを旋回しながらそ
の軸方向に流れるようにしてもよい。

第１図に戻って、左上段の仕切室からこの外側通路ＯＰ
に冷却媒体を導入するため、左側の側板体３１に孔３１
ａと凹み３１ｂが設けられ、鏡筒２０の図の左端の板状
突起２１の凹み３１ｂに対応する個所に孔２１ｂが設け
られている。この孔２１ｂは外側通路ＯＰと後述の内側
通路ＩＰへの冷却媒体の分流比をその孔径により調整す
るためのものである。一方、外側通路ＯＰの出側の導出
ロアと連通すべき場所では、図の右端の板状突起２１に
孔２１ｃが明けられ、右側の側板体３０のこれに対応す
る個所には凹み３２ａが設けられ、この凹み３２ａが図
示のように導出ロアに連通される。ただし、この導出ロ
アは実際には第１図のような水平断面部ではなく、第３
図に示すように閉鎖容器１０の上側に設けるのが望まし
いのであるが、第１図では図示の都合上水平断面部に描
いたものである。第３図にはこの導出ロアに対応する板
状突起２１の孔２１ｃと側板体３１の凹み３２ａの実際
の場所が示されている。

上記の外側通路ＯＰに並列に設けられる内側通路ＩＰへ
の入口は前述の左側の側板体３１の凹み３１ｂであって
、第３図に示すように該凹み３１ｂは孔３１ａの個所か
ら図の下側の方に部分環状に鏡筒２０の内孔である閉込
空間Ｓの下にまで延長されており、この凹み３１ｂの下
端から閉込空間に連通ずる狭隘路Ｇとして細溝が側板体
３１の鏡筒２０と接する面に設けられている。この狭隘
路Ｇの断面積は前述のようにふつう２〜３ｆｉ２程度と
される。このようにして冷却媒体は左上段の仕切室から
側板体３１の孔３１ａ、凹み３１ｂおよび狭隘路Ｇとし
ての細溝を通って閉込空間Ｓに左側の側板体３１の側か
ら入る。

内側通路ＩＰの閉込空間Ｓからの出側は右側の側板体３
２の側からであって、該側板体３２の鏡筒２０と接する
面の細溝である別の狭隘路Ｇを介して前述の凹み３２ａ
と連通される。従って閉込空間Ｓ内の冷却媒体の流れは
、第１図でいえば図の左側の側板体３１の側の閉込空間
Ｓの紙面の下方の最低位部から右側の側板体３２の側の
閉込空間Ｓの紙面の上方の最高位部へ向かうことになり
、これによって閉込空間Ｓ内に気泡が発生してもその最
高位部から右側の狭隘路Ｇ、凹み３２および導出ロアを
介して閉鎖容器外に排出される。

以上のようにして、外側通路ｏｐと内側通路ＩＰは冷却
媒体の流れに対して互いに並列に形成されるが、外側通
路ｏｒな流れる冷却媒体は鏡筒２０をその外周面側から
有効に冷却し、内側通路ＩＰを流れる冷却媒体は閉込空
間Ｓ内に満たされている冷却媒体を適宜な割合いで入れ
換えながらその内部の気泡を有効に外部に排出する。図
かられかるように閉込空間Ｓとしての鏡筒２０の内孔は
２個の狭隘路Ｇがもつ僅かな断面積を除いてその両端開
口を両側板体３１．３２によりほぼ完全に閉鎖されてい
るので、閉込空間Ｓからの励起光の逸出は最低に抑えら
れる。

ところで、鏡筒２０の内周面のように楕円状の反射面を
もつ閉込空間Ｓにおける励起光の利用効率は、よ（知ら
れているように該楕円の長径を２８とし励起光源２のも
つ半径をｒとするとき、比に＝ａ　／　ｒを小さくとる
程高くなる。本発明の冷却構造の場合、前の第４図と比
較すればわかるように、側板体３１．３２のレーザ発振
媒体１のフローチューブ３や励起光源２のフローチュー
ブ４の保持部のまわりに冷却媒体の閉込空間Ｓへの導出
入のための連通路を設ける要がないので、その分だけ鏡
筒２０の内周面の楕円の長径を小さくすることができる
。これにより上述の比にの値を従来より約２０％小さく
することができ、これによって励起光の利用効率をさら
に向上させることが可能になる。

以上説明した実施例のほか、本発明は種々の態様で実施
が可能である。例えば実施例では冷却媒体の外側通路や
内側通路への導出入はすべて側板体に設けた孔や凹みを
介するようにしたが、容易にわかるようにこの導出入に
は必ずしも側板体を介する必要があるわけではな（、閉
鎖容器の仕切室から直接にこれらの外側通路や内側通路
に冷却媒体を導出入することが可能である。

【発明の効果］ 以上説明したとおり本発明による固体レーザ装置の冷却
構造は、一方の側板体側から鏡筒の外周面と閉鎖容器の
内面との間を通って他方の側板体側に至る外側通路と９
両側板体側からそれぞれ狭隘路を介して閉込空間に連通
ずる内側通路とを冷却媒体に対する通路として互いに並
列に設け、外側通路を流れる冷却媒体により鏡筒を外周
面側から冷却し、内側通路を介して閉込空間内に満たさ
れた冷却媒体が入れ換えられるようにしたので、従来の
冷却構造に比較して次の特長ないし効果を有する。

第１に鏡筒冷却の主役を果たす外側通路を流れる冷却媒
体を閉込空間に流さないので、閉込空間への冷却媒体の
導出入のための開口は内側通路中の狭隘路がもつ僅かな
断面積だけですむことになり、この開口を介する励起光
の閉込空間からの逸出を最低に抑えることができるので
、励起光の利用効率が向上する。第２に閉込空間に気泡
が発生しても内側通路を流れる冷却媒体とともに有効に
排出されるので、閉込空間内での気泡による励起光の散
乱を防止することができ、これによっても励起光の利用
効率が向上される。第３に従来のように側板体を貫通す
る連通路を介して冷却媒体を閉込空間に導出入する構造
を採る要がなくなるので、連通路を省略した分だけ鏡筒
の内周面がもつ楕円の長径２ａを短くすることができる
ようになり、その励起光源の半径ｒとの比ｋ　＝　ａ　
／　ｒが小さくなるので、励起光の利用効率がこれによ
ってさらに向上される。第４には、鏡筒の冷却用の外側
通路は鏡筒の外周面と閉鎖容器の内面との間に設けられ
、励起光を反射させる鏡面機能をもつ必要とは無関係な
ので、鏡筒の外周面に板状突起などの凹凸面を設けて鏡
筒から冷却媒体への伝熱面積を大きくとることができる
ようになり、これによって鏡筒が効果的に冷却される。

もちろん、この外側通路内の冷却媒体中に気泡が発生す
るようなことがあっても、励起光がこれによって散乱さ
れるおそれはない。

このように、本発明による冷却構造によれば、鏡筒の冷
却を充分行ないながら、閉込空間内における励起光の利
用効率を従来より大幅に向上することができ、これによ
って固体レーザ装置の発光効率の改善を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までが本発明に関し、第１図は本発明
による冷却構造を実施した固体レーザ装置の水平断面図
、第２図は該固体レーザ装置内の鏡筒の斜視図、第３図
は該固体レーザの側面図である。第４図は従来の冷却構
造を採用した固体レーザ装置の水平断面図である。図に
おいて、１：レーザ発振媒体、１ａ：レーザ発振媒体の
保持筒、２：励起光源、２ａ：励起光源用保持電極、３
：レーザ発振媒体用フローチューブ、４：励起光源用フ
ローチューブ、５：０リング、６：冷却媒体の導入口、
７：冷却媒体の導出口、１０：閉鎖容器、１１．１２：
閉鎖容器部分、１０ａ　〜１０ｃ、ｌｌａ、１２ａ：隔
壁、１０ｄ、　１２ｂ：隔壁の連通路、２０：鏡筒、２
１：鏡筒の板状突起、２１ａ：外側通路の通路部分を連
通させる板状突起の切欠き、２１ｂ、　２１ｃ：孔、３
Ｌ３２：側板体、３１ａ：孔、３１ｂ、３２ａ：凹み、
Ｇ：狭隘路、ＩＰ：冷却媒体の内側通路、ＯＰ：冷却媒
体の外側通路、Ｓ：閉込空間、である。

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
   を覆い鏡筒側の面が鏡面に形成された１対の側板体とを
   冷却媒体が満たされる閉鎖容器内に収納するとともに鏡
   筒と両側板体とにより光に対する閉込空間を画成し、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
   体に対する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
   、一方の側板体側から鏡筒の外周面と閉鎖容器の内面と
   の間を通って他方の側板体側に至る外側通路と、両側板
   体側からそれぞれ狭隘路を介して閉込空間に連通する内
   側通路とを冷却媒体に対する通路として互いに並列に設
   け、外側通路を流れる冷却媒体により鏡筒を外周面側か
   ら冷却し、内側通路を介して閉込空間内に満たされた冷
   却媒体が入れ換えら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外側
   通路が鏡筒の外周面から突出して先端が閉鎖容器の内面
   に接する板状突起によって複数個の通路部分に分割され
   、該通路部分内では冷却媒体が周方向に流れるよう周方
   向に互いにずらせて設けられた連通路を介して通路部分
   が順次直列に連通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。 ３）特許請求の範囲第１項記載の冷却構造において、外
   側通路が鏡筒の外周面から突出する螺線板状突起によっ
   て冷却媒体が鏡筒のまわりを周回しながら流れる螺線状
   通路として形成されたことを特徴とする固体レーザ装置
   の冷却構造。 ４）特許請求の範囲第１項記載の冷却構造において、外
   側通路を流れる冷却媒体の流量が内側通路を流れる冷却
   媒体の流量よりも大に選定されたことを特徴とする固体
   レーザ装置の冷却構造。 ５）特許請求の範囲第１項記載の冷却構造において、内
   側通路の冷却媒体の出側の狭隘路が閉込空間の最高位点
   に開口されたことを特徴とする固体レーザ装置の冷却構
   造。