JPS6350857Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 この考案はガスレーザ装置に係り、特にレーザ
の発振の横モード制御と装置全体の効率の改善に
関する。

〔考案の技術的背景〕

高速ガス流中に大電力のグロー放電を生じさせ
て得られるレーザ光は、一般に高エネルギーを持
ち、又、指向性の良い光なので、レンズにより集
光することにより、更に高密度なエネルギー密度
とすることができる。そのためガスレーサ装置
は、溶接、焼入れ、切断、孔明け等広範な加工分
野に用いられている。このときレーザ光はレンズ
により集光されるが、この際の最小ビーム径はそ
の初期のビーム径とそのビームの拡がり角により
決定される。

この初期のビーム径とそのビームの拡がり角
は、グロー放電を生じせしめた空間に設けられた
共振器とアパーチヤにより特徴づけられる。そし
て、２枚のミラーからなる共振器の場合、それぞ
れのミラーの曲率をR₁，R₂とし、ミラーの間隔
をＬとすれば、ビームウエスト半径ω₀が次のよ
うに定義される。

ω₀ ⁴＝（λ／π）² Ｌ（R₁−Ｌ）（R₂−Ｌ）（R₁＋R₂−Ｌ）／（R₁
＋R₂−2L） このビームウエスト半径ω₀は、以下述べるよ
うにその共振器の特性を表現するための重要な要
素である。そして、上記のミラー構成、ミラー間
隔において、実際にレーザ光として取出されるビ
ーム径は、共振器ミラー前に置かれたアパーチヤ
径によつて決定される。又、レーザ光はそのビー
ム内に、TEM波で表現されるエネルギー分布を
持ち、発振横モードと呼ばれTEM_noモードと表
現される。

このTEM_noモードはアパーチヤ内半径ａとビ
ームウエスト半径ω₀で決定づけられ、このアパ
ーチヤ内半径／ビームウエスト半径＝ａ／ω₀が
約1.4以下のときほぼTEM₀₀モード、約1.6〜1.9
のときTEM₀₁ ^*モード、約1.9〜2.2のときTEM₀₁
モード、それ以上のときTEM₀₀〜TEM_noの混合
モードとなる。このとき、TEM₀₀モードはフア
ンダメンタルモード（基本モード）と呼ばれ、混
合モードはマルチモード（高次混合モード）と呼
ばれる。

これらのビーム直径は、上記のアパーチヤ内半
径／ビームウエスト半径から推測されるように、
TEM₀₀モードの半径は約1.4ω₀、TEM₀₁ ^*モード
の半径は約1.9ω₀、TEM₁₀モードの半径は約
2.2ω₀、マルチモードのときはそれ以上となる。

このとき、同一の共振器からの出力ビームをレ
ンズにより集光した際、ビームスポツト径は出力
ビームのビーム径に比例すると考えてよい。即
ち、TEM₀₀モードほど集光性がよく、よく絞る
ことができ、TEM₁₀ ^*モード、TEM₁₀モードと
なるほど集光性が悪くなり、マツチモードが一番
集光性が悪い。そのため、レーザ光を加工に用い
る場合、微細な加工及び高エネルギー密度を必要
とする加工にはTEM₀₀モード、TEM₀₁ ^*モード
など低次のシングルモードがよいとされている。

しかしながら、レーザガスを高速にて循環さ
せ、そのガス流中に多数のピン電極と棒電極を設
け、その電極間に大電力のグロー放電を生ぜし
め、そのグロー放電の場に光共振器を設けてレー
ザ光を取出すガスレーザにおいては、光共振器の
うち、アパーチヤ径に規制された共振体積中を通
過するグロー放電により励起されたレーザ媒質の
量に比例する。そのため明らかに、アパーチヤ径
の大きなマルチモードの方が大きなエネルギーを
取出すことができ、大出力のレーザ光が得られ、
TEM₀₀モード、TEM₀₁ ^*モード、TEM₀₀モード
とアパーチヤ径が小さくなる程、取出せるエネル
ギーが少なくなり、小出力のレーザ光しか得られ
なかつた。

〔背景技術の問題点〕

従来のガスレーザ装置においては、上記の理由
により大出力エネルギーのレーザ光が欲しい時に
はマルチモードのレーザ装置が用いられ、小さな
スポツト径により微小な加工を行なう際には、シ
ングルモードのレーザ装置が用いられていた。こ
のため、大出力のレーザ加工と微細なレーザ加工
は、同一のレーザ装置では行なうことができなか
つた。又、場合によつてはマルチモードのレーザ
のアパーチヤを大きい径のものから小さいものに
交換し、シングルモードのレーザとして用いるこ
とはあつたが、上記のようにグロー放電のエネル
ギーは光共振器のアパーチヤで規制された共振体
積を通過するときのみ有効に利用されるため、マ
ルチモードのとき利用されていた部分のエネルギ
ーは無駄になり、装置の全体効率を非常に悪くし
ていた。

即ち、従来のガスレーザ装置は第１図乃至第３
図に示すように構成され、第１図は微細加工に向
くシングルモードのレーザ光を得るためのガスレ
ーザ装置である。第２図は大出力のマルチモード
のレーザ光を得るためのガスレーザ装置である。
第３図は第２図の大出力のマルチモードのガスレ
ーザ装置において、小さな内径のアパーチヤを用
いて、シングルモードのレーザ光を得るようにし
たガスレーザ装置である。ここで１はガスレーザ
装置の風洞、２はレーザガスを循環させるための
送風機、３は放電のためのピン電極、４は棒電
極、５は大電力放電によつて加熱されたレーザガ
スを冷却するための熱交換器、６は送風機からの
レーザガス流を示し、７は放電安定化のためのバ
ラスト抵抗、８は放電のための高圧直流電源、９
は微細加工に向くシングルモードのレーザ光のビ
ーム径、１０は大出力マルチモードのレーザ光の
ビーム径を示し、１１は大出力のマルチモードの
ガスレーザ装置に小さな内径のアパーチヤを用い
て得られたシングルモードのレーザ光のビーム径
を示す。

これらの図で明らかなように、大出力のマルチ
モードのレーザ光と、微細加工に向くシングルモ
ードのレーザ光を使い分けるためには、第１図乃
び第２図に見られるように、微細加工に用いるシ
ングルモードのガスレーザ装置と大出力のマルチ
モードのガスレーザ装置の２種類を揃えるか、大
出力のマルチモードのガスレーザ装置を小径のア
パーチヤを加えることによる微細加工に向くシン
グルモードを発生させて、装置の全体効率の低下
は認めて運用するしかなかつた。

〔考案の目的〕

この考案の目的は、大出力のマルチモードのレ
ーザ光と微細加工に適したシングルモードのレー
ザ光を、１台のガスレーザ装置で簡単な切換えに
より得られるようにし、更にそのシングルモード
のレーザ光の発振の際にも、装置の全体効率を悪
化させないマルチモード・シングルモードのモー
ド切換可能なガスレーザ装置を提供することであ
る。

〔考案の概要〕

この考案は、共振器ミラーの前のアパーチヤを
発振モードのセレクタとして、スライド式に移動
させ交換可能にすると共に、多数のピン電極と棒
電極に電力を供給する電気回路を複数に分割し、
モードセレクタの大きさに合わせてそのグロー放
電の形成領域を変化させることにより、マルチモ
ードのレーザ光とシングルモードのレーザ光を同
一の装置において得ると共に、そのときの装置の
全体効率を低下させないことを特徴としたガスレ
ーザ装置である。

〔考案の実施例〕

この考案による大出力のマルチモードのレーザ
光が得られるガスレーザ装置は、第４図及び第５
図に示すように構成され、従来例と同一箇所は同
一符号を付すことにする。

即ち、この考案では、多数のピン電極３と棒電
極４によつて生じさせられる大電力グロー放電の
部分に設けられた光共振器のミラー（図示せず）
の前に、スライド式のモードセレクタ１３が設け
られている。このモードセレクタ１３は、第５図
からも明らかなように、大径アパーチヤ１４と小
径アパーチヤ１５を有しており、水室を持つたア
ルミ材からなり、表面は黒色酸化アルマイト処理
されている。又、このモードセレクタ１３は側面
を２本のガイドレール１６で支えられており、外
部からの駆動によつて図面中の上下方向に移動す
る。そして、各アパーチヤ１４，１５は、その中
心位置が共振器の光軸の中心と一致するように、
±0.1mm以内の精度でストツパ１７が設けられて
おり、その位置に停止する。

更にこの考案では、多数のピン電極３に電力を
供給する電気回路を２分割している。即ち、多数
のピン電極３のうち、シングルモードのレーザ光
のビーム径に相当する中心（内側）の２列のピン
電極部分と、マルチモードのときのレーザ光のビ
ーム径のときに拡がる外側の２列のピン電極部分
と分離して電力を供給することができるような２
つの接続回路１２と２つの高圧電源８を備えてい
る。

この考案のガスレーザ装置は、上記以外は従来
例と同様構成ゆえ、同一箇所は同一符号を付して
詳細な説明を省略する。

〔考案の効果〕

この考案によれば、光共振器のミラーの前に大
小２つ以上の径のアパーチヤを有し、且つレーザ
発振横モードを制御するスライド式モードセレク
タを交換自在に設けると共に多数のピン電極と棒
電極に電力を供給する電気回路を複数に分割し、
モードセレクタのアパーチヤの大小の径に合せて
モードセレクタの大きさに合せてそのグロー放電
の形成領域を変化させることが可能なので、装置
の全体効率を低下させることなく、外部からの簡
便な操作によつて大出力のマルチモードのレーザ
光と微細加工に向くシングルモードのレーザ光を
切換えて得られる。この結果、１つのガスレーザ
装置の適用範囲が大幅に拡げられると共に、装置
全体の運転利用効率が向上する。更に、２台必要
なところが１台で済むため、設備費用の削減とス
ペースの有効利用を行なうことができる。

尚、第６図ａ〜ｄは多数のピン電極３に電力を
供給する電気回路の変形例を示したもので、上記
実施例と同様効果が得られる。上記実施例と同一
箇所は同一符号を付したが、図中の１８はシング
ルモードのレーザ光の径であり、１９は切換回路
である。

又、第７図ａ，ｂはモードセレクタの変形例を
示したもので、上記実施例と同様効果が得られ
る。上記実施例と同一箇所は同一符号を付した
が、図中の２０，２２，２３はいずれもモードセ
レクタ、２１は中径アパーチヤ、２４はスライド
レールである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の微細加工に向くシングルモード
のレーザ光を得るためのガスレーザ装置を示す概
略構成図、第２図は従来の大出力のマルチモード
のレーザ光を得るためのガスレーザ装置を示す概
略構成図、第３図は従来の大出力のマルチモード
のガスレーザ装置に小径のアパーチヤを使用する
ことによりシングルモードのレーザ光を得られる
ようにしたガスレーザ装置を示す概略構成図、第
４図はこの考案の一実施例に係るガスレーザ装置
を示す概略構成図、第５図はこの考案の装置に用
いるモードセレクタを示す平面図、第６図はこの
考案の装置に用いる電気回路の変形例を示す回路
構成図、第７図はこの考案の装置に用いるモード
セレクタの変形例を示す平面図である。 １……風洞、２……送風機、３……ピン電極、
４……棒電極、５……熱交換器、６……レーザガ
ス流、７……バラスト抵抗、８……高圧電源、９
……シングルモードのレーザ光の径、１０……マ
ルチモードのレーザ光の径、１１……シングルモ
ードのレーザ光の径、１２……接続回路、１３…
…モードセレクタ、１４……大径アパーチヤ、１
５……小径アパーチヤ、１６……ガイドレール、
１７……ストツパ、１８……シングルモードのレ
ーザ光の径、１９……切換回路、２０……モード
セレクタ、２１……中径アパーチヤ、２２……モ
ードセレクタ、２３……モードセレクタ、２４…
…スライドレール。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. レーザガスを高速にて循環させ、そのガス流中
   に電気回路より電力が供給される多数のピン電極
   と棒電極を設け、これら電極間に大電力のグロー
   放電を生じせしめ、そのグロー放電のエネルギー
   を２枚以上のミラーからなる光共振器によりレー
   ザ光として取出すガスレーザ装置において、前記
   光共振器のミラーの前に大小２つ以上の径のアパ
   ーチヤを有し、且つレーザ発振横モードを制御す
   るスライド式モードセレクタを交換自在に設ける
   と共に、前記多数のピン電極と棒電極に電力を供
   給する電気回路を複数に分割し、これら複数に分
   割された電気回路を前記モードセレクタのアパー
   チヤの大小の径に合せてグロー放電の領域を可変
   できるように入切する開閉手段を設けたことを特
   徴とするガスレーザ装置。