TW419868B - Perpendicular type gas laser device - Google Patents

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嬅濟部智慧財產扃員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1) [技術領域] 本發明為有關一種直交型氣體雷射裝置乏改庚，更詳 言之，是關於内設有由1個局部反射銳及複數全反射銳所 構成振器/並可利用雷射光折射之構成，達成高敢能 輸出，節省能源及結構精簡化之直交型氣狡射裝置之改 良。 [技術背景] 第8圖所示為習知直交型氣體雷射裝置之構造圖β由 該圖可得知’ 1是雷射振盪器，2是設於雷射振盪器中之 放電電極’ 3是雷射振盪器内部之氣體循環通風機、4是 局部反射鏡’ 5為全反射鏡，6是熱交換器，7是冷卻裝 置’ 8為電源箱，9是控制裝置，ΐ(Γ為雷射媒質，π是由 雷射振盪器所放出之雷射光。局部反射銳4及 <反射每5 則構成难^器1_2^>冷卻裝置7是使用於冷卻局部反射銳4、 全反射鏡5及熱交換器6。至於電源箱8内則設有：在放 電電極2處產生放電之裝置、用以控制氣體循環通風機之 裝置及將雷射振盪器1抽成真空之裝置。 以下針對第8圈之直交型氣逋雷射裝置之動作加以說 明°首先依據來自控制裝置9之啟動信號以驅動電源箱8 内之氣體循環通風機3之控制裝置，使务體循環通專棟3 轉動’令填充於雷射振盪器丨内部之雷射媒質（例如炭酸 氣雷射時’媒質為CQ&氣體）循環。在此狀態下’控制裝 置9輪fij信號時’導致高電壓投入放電電極2，促使雷射 媒艘[〇因放電而受到激發，被激發之雷射媒質放出雷射 本紙張尺度適用中圉困家標準(CNS)A4規格Ul〇 X 297公楚） 310799 -------------裝 BH ^1 ^1 ϋ n n^-WJ I n E t t— I 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（2) 光’然後降至基本位準•放出的雷射光會在構成諧振器12 之局部反射銳4及全反射銳5間進行反射及放大。換言之， 雷射光之一部分由局部反射鏡4導至外部，其餘則由全反 射鏡5反射’並重覆進行反射及放大作用，另外導出於外 部之雷射光11則被控制在相當於控制裝置9之指令輸出。 第8圖之構成是因為雷射光π方向、放電方向及雷射媒 質10在放電電極2間之流動方向分別垂直之故，因此稱 為三軸直交型》由雷射振盪器I所導出之雷射光乃傳送至 雷射加工攥4L>而利用於裁切及熔接等加工作業及計測作 業等。 第9围為揭示於日本國特開昭60-127773號公報之直 交型氣體雷射裝置構造圖，該圖揭示由3個全反射銳使雷 射先在諧振器内折射之構成及反射銳及放電電極2之位置 關係β第9圖（a)是由雷射光11之光轴方向所觀察之雷射 振盪器斷面圖，而第9圖（b)是由雷射光11光軸之垂直方 向所觀察之雷射振盪器斷面圖，其中揭示了雷射光路徑。 由圖中可得知12為諧振器；12為局部反射鏡，14至16 為全反射鏡。17是配置於各反射鏡前方之光孔，具有決 定光束棋式形狀及雷射光放大導引功能β 18為放電空間》 其中，在局部反射銳13及全反射銳16之間的雷射光路徑 中配置有全反射鏡14、15。經由局部反射銳13反射之光 線透過全反射銳14、15、16之3次折射後’再循同一光 路折返。 第10圖為直交型氣體雷射裝置之放電效益分佈圖， t------- -----裝------訂--------•線 (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 2 310799 A7 A7 經 濟 部 智 •慧 財 產 局 貝 工 消 費 合 作 社 印 製 3 κν 五、發明說明（3 ) 其放電效益是依據雷射媒質流動方向之位置而變化β由第 10圖中得知，在放電區域申，在雷射媒質10流動方向下 游之效益較高，基於此項特性，在第9圈搆成中，也將雷 射光路徑配置於雷射媒質10流動方向之下游端。 接著依照雷射振盪理論式說明第9圖中由複數個反射 銑使雷射光在諧振器12内折射之理由» 首先，雷射光輸出Wr係由以下數學式所求得 Wr= ?? · (Wd-W0) (1) 其中’ :激發效率，Wd:放電輸入，WO為振重臨界值 激發效率7?可由以下數學式求得 7? =F · 7? 0 (2) 其中，F為放電空間使用率，do為雷射媒質之光線變換 效率。 再者’數學式（1)中的振盪臨界值W0係由下列數學 式求得。 W0=w0/m w0為由構成諧振器之局部反射銳透射率等整體諧振器損 失所引導出之參數》m是雷射光折射次數。 由計算式（1)可得知，激發效率7愈高時，而且諧振 臨界值wo愈低之條件下，雷射輸出Wr愈大β亦即雷 射光變換效率愈高•另外，依據計算式（2)、（3)可得出， 放電空間利用率F愈高時，激發效率π愈提升，而雷射 光折射次，振盪則愈降低。因此 可取得。户果目的在求得艘 本]紙張尺度適用令國國豕標準1 (CNS)A4規格（2ΐ〇 X 2^7公楚) 310799 ------------ -裝--------訂--------線 (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員Η消f合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4) 变精簡化並取得高效率之雷射光變率之氣體雷 射裝置，則可使用藉複，Γ値反射鏡使雷射光在諧l器内由b 射之歹式。 此種利用複數個反射鏡使雷射光折射以達到高效率之 特點為直交型之特有現象，其須使雷射光七邊同一放電 空間往返多次數，同時藉由放電激發作用方有可能達成。 亦即，例如日本國實開昭56-29969所揭示之軸流型氣趙 雷射裝置，其在一雷射管内部僅具1支光轴之構造將無法 達到上述目的。 以直交型氣體雷射裝置而言，雖然可以第9圖之構成 提高雷射光振盪效率β但為因應最近節省能源之要求，咸 望能更择高其效率，同時由節省空間之觀點而言，今後對 更森簡化/直交型氣艘雷射裝置之要求亦日益殷切。 如上所述，雖雷射光折射次數愈多，越可達致高效率 之目的，但是在第9圖之構成中，很難再提高折射次數β 其理由為放電電極之間隔會因產生穩定放電而受到限制》 一般間隔是在100mm以下。而且由於反射銳之配置及各 反射銳支持器上之限制，使得難以把全部光轴配置於雷射 媒質流動方向下游端。另外，由於雷射光折射會造成雷射 **· 光重疊、使得輸出雷射光的形狀對#例如使用該 輪出雷射光進行加工時，會產生加工方向性之問題》 [發明之概述] 本發明係基於解決上述問題而研發成功者，其目的在 提供一種適於提高輸出•節省能源及結構精簡之直交型氣 -----------III 裝---i—i 訂_!------線 (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210 X 297公釐） 4 310799 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 體雷射裝置。 本發明之直交型氣體雷射裝置，係在具備有雷射振盈 器’而該雷射振盪器内設有由1姻Γ射銳及複數個全 反射鏡構成之諧振器，其特徵在至少備有5個全反射銳。 上述反射鏡之配置包括：配置於諧振器一端之1個局 部反射鏡及2個全反射銳；配置於諧振器另一端之3個全 反射鏡，配置於諧振器各端之3個反射銳中，雷射光的中 心係構成三角形。 配置於諧振器各端之上述3個反射鏡中的2個反射鏡 係配設在雷射媒質流動方向之放電區域下游端或其附近。 再者，上述局部反射銳係配置在上述下游端或其附 近。 此外，上述局部反射鏡係配置於較上述下游端更上游 之位置，使照射到上述反射銳之雷射光徑得以擴大。 而且，上述反射鏡之配置方式係使上述反射鏡之雷射 光折射部分之重疊方向得以分散。 木發明依上述方式所構成，因此可達成以下效果》 本發明之直交型氣體雷射裝置適楚源提高輸出 及精簡結搆。 另外’亦戛抑'制局部反銳之熱應變。 此外，亦可我高輪出雷射光的形狀，對象性。 [圖面簡單;S] 第1 發明實施形態1之直交型氣體雷射裝置諧 振器部分Hi成m。 !!!!!--裝------ 訂*--·線 (請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中囷國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公麓） 5 310799

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射光折射重疊狀況及輪出雷射光之實例 說 Α7 Β7 五、發明說明（6) 第2圖為相對於折射次數之放電空間利用率變化圖 第3圖^輸出輸入特性圖。 第4 明圖。 第5 發明實施形態2之直交型氣體雷射裝置之 諧振器構成圖。 第6圖各光孔孔徑不同時，用以提高雷射光形狀對象 性之反射鏡配置方式說明圖。 第7 發明實施形態3之直交型氣體雷射裝置諧 搌器部分成圈。 第8 0^_$知直交型氣體雷射裝置構成圖。 第9 習知直交型氣體雷射裝置之反射銳及放電電 極之位置關係構成圖。 第10圖直交型氣體雷射裝之放電效益分佈圖。 [元件符號說明] 2 放電電極 10 雷射媒質 11 雷射光 12 諧振器 18 放電空間 19 局部反射鏡 20 至 24 全反射鏡 25 至 30 光孔 實施狀態1 [本發明之最佳實施狀態] 第1圖為本發明實施狀態1之直交型氣體雷射裝置諧 振器部分之構成圖》第1圈（a)為由雷射光11光抽方向觀 察之雷射振盪器斷面圖，第1圖（b)為雷射光路徑說明圖β 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公麓） !| —丨！ 裝ill —丨丨訂----I!丨線 (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 310799 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 ____B7__.…― 五、發明說明（7 ) 由圖中可得知，2為放電電極，10為雷射媒質，11為雷 射光，12為諧振器，18為放電空間，19為局部反射鏡 ， 20至24為全反射鏡，25至30為光孔》 以下說明其相關之動作。直交型氣體雷射裝置基本動 作和第8圖所示之習知技術相同。在放電空間18内被激 發之雷射媒質19係在諧振器12内部放大。在諧振器12 内部由局部反射鏡19所反射之一部分雷射光會進行折 射，自全反射鏡20依次以反射鏡21、22、23進行反射， 直到達全反射銳24。在全反射銳24反射之雷射光再次由 全反射鏡23、22、21、20反射，並到達局部反射銳19, 其中一部分以雷射光11輸出。在上述方式中，局部反射 鏡19及全反射鏡24之間之雷射光路徑中配置有全反射銳 20至23。由局部反射鏡19所反射之雷射光，經由全反射 鏡20至24折射5次後，再循同一光路折返。 以下說明上述折射構成之達成方法，由第10圖中所 示之習知技術可了解，在放電效益分佈上，雷射光路徑最 好能配置於放電區域之雷射媒質流動方向之下游端。但放 電電極2的間隔因必須產生穩定放電而受限制，通常在 100mm以下。因此要將所有光軸全部配置於上述下游端， 由於反射鏡配置及支持器構造上之限制，將有困難》另外， 在光雷射光導出之最终端處將光轴配置於上述之下游端 時，由於可使雷射光之放大率達到最大，故效率甚佳。由 此，如第1圖（a)所示’在下流端配置上述光孔25、26之 間的光軸及光孔27、28之間的光軸及/光孔26、27之間的 本紙張尺度適用中S國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) 310799 ----------—I — ·1111111 I I I I I --- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 8 A7 B7 五、發明說明（8 ) 光軸，其餘光軸則配置於較上述下游端更上流之位置，如 此可取得較高效率及穩定之雷射振蘯β 第2圈所示為依照折射次數不同所造成之放電空間利 用率變化。以本發明第1圖之構造而言，係相當於折射次 數5次之情況<»習知技術之第9圖之構造則相當於3次 折射次數。由第2圖中可知，本發明構成較習知技術更可 提高其放電空間利用率》另外亦可知，超過5次折射次數 時，其放電空間利用率並不會相對提高。因此，如果考量 提南放電空間利用率所產生之激發效率提升，及同時增加 反射鏡等零#所造成之成本增加，折射次數可說^ 最適宜β但如果考量更高輸出之目的時，則可再握^^折 射次數》 第3圖是針對輸出輪入特性，在相同尺寸及相同電源 輸入條件下，將第1圖之本發明構成和第9囷之習知技術 之比較圖。實線代表第1圖之本發明，虛線代表第9圖之 習知技術，在第1圖之本發明中，由於放電空間利用率之 提升及增加折射次數，使得輸出效率飛躍似地提高，約較 第9圈之習知技術提高！ 4倍的輪出效率。 因此可獲致適於提高輸出、節省能源及結構精簡之直 交型氣體雷射裝置。 實施形能2 於直交型氣體雷射裝置中，藉由複數個全反射鏡使雷 射光在塘振器中折射時，在反射放大過程當中在雷射光 <㈣轉Ji會產生重疊。例如以第1,圖中所示實施形態 务紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵Ο X 297公爱) -- 310799 I I 111---— I . — -----I 訂· I ------- <請先閱婧背面之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9) 之構成而言’雷射光之重疊部分（如第1圖中的光孔26位 置上，由光孔25射出之雷射光上側及面向光孔27之雷射 光下端）會造成由光孔25射出雷射光上側及面向光孔27 之雷射光下側互相爭奪同一放電空間的效益》設若整體的 效益為100%而言，該重疊部分會造成各自只能取得50% 效益β因此相對於雷射光不重疊部分，雷射光重疊坪分之 強度會減少一半，使得雷射光之形狀對象性降低》 第4圖（a)為表示雷射光折射重疊部分（第1圖（b)的 A至D部位）圖。對該等雷射光而言，輸出之雷射光等於 重疊部分之當射光總合《•第4围（b)所示為在上述情況下 輸出之雷射光狀況。以同樣的方式檢討在第9圖之習知技 術時，輸出雷射光只在上、下側產生重疊部分，使得輸出 雷射光之形狀對象性更為降低。如臬在雷射光的形狀對象 性降低，將於雷射加工上產生方向性。 第5圖為本發明實施形態2之直交型氣體雷射裝置諧 振器構成圈，同時揭示提高輸出雷射光的形狀對象性之構 成圓。在第5®上，和第1圖的實施形態1相同或是其相 當部分使用同一符號。第5圖（a)為由雷射光11光轴方向 觀察之諧振器斷面圖。第5圈（b)則為其雷射光路構成圖。 第5圖的反射鏡及光孔配置不同於第1圖之反射鏡及光孔 配置方式，其不同架構為以反射銳22及光孔28取代反射 鏡24及光孔30。第5圖（b)之雷射光折射部分之重壘方向 亦不同。在上述情況下，第5圖（c)相當於第4圈（a)，而 第5圖（d)則相當於第4圖（b)。藉由第5圖（a)及（b)之反射 - ---I I I I--n I I I----—訂-------f I <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公藿） 9 310799

鏡配置及雷射光路徑設計，將會如第5圖（c)使各反射鏡 上雷射光折射部分之重疊方向分散。如第5圖（d)所示， 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 由於雷射光重疊部分分散配置在輸出雷射光之大致全周 圍，故可提高輸出雷射光之形狀對象性。 在第1圈及第5圖之構成當中，係在諧振器的兩端各 配置3個反射鏡，諧振器端部之3個反射鏡之雷射光中心 乃形成二角形狀。這種配置方式相當於第i圖例中，光孔 25、27及29和光孔26、28、30等之三角形配置方式。 而在第5圖例中’相當於光孔25、27、29及光孔26、3〇、 28以三角形方式配置β以第5圖為例，在各光孔的孔徑 相等時’先孔25、27、29所形成之三角形係以光孔25、 27的中心連結線為底邊之等腰三角形，同樣地，光孔26、 30及28所形成之三角形也是以‘光孔26、30之中心連結 線為底邊之等腰三角形。如果第5圖之構成中，各光孔的 孔徑不同時’則如第6圖中所示，光孔25及光孔27中心 連結線，會和光孔25及光孔27外形構成2個交差點P.Q.。 如果連結Ρ點及Q點之PQ線之中點r與放電電極平行 地移動至雷射媒質流動方向上游側，並將光孔29之中心 配置在該移動位置時，將可提高輸岀雷射光的形狀對象 性。 f施形熊3 用以導出雷射光之局部反射鏡，會有太大的熱能被吸 入而引起熱應變等問題。因此為了緩和上述熱應變等問 題’而將照射至局部反射鏡之雷射光徑放大，減低每單位 本紙張尺度適用令囷國家標準（CNS>A4規格（210x 297公釐） 310799 lllll — ιιιιιί, · I I — I I I · — — — — — — — — (請先閱讀背面之注§項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明說明（η) 面積上的照入熱量，而這種方法亦是最有效果之方法β在 第1圖之實施形態i及第5圈之實施形態2’由於其反射 銳及光孔配置係在局部反射鏡19及光孔25上配置全反射 鏡21及光孔27之故，因此照射於局部反射鏡19上之雷 射光徑很難作物理性之擴大因此採用第7®的方式，將 局部反射鏡19及光孔25配置成其上方及下方沒有其他反 射鏡及光孔，故相較於第1圈及第5圖之情況，由於雷射 光導出的最终端乃由放電區域之雷射光媒質流動方向下游 端往上游側移動，因此雖會減低某些輸出，但藉由反射鏡 曲率之改變辫導致之諧振器變化，或是折射次數改變等 等’使得照射於局部反射鏡19上之雷射光徑得以擴大。 因此經由採用第7圓方式的反射銳配置.及雷射光路 徑’將可有效地抑制局部反射鏡的熱應變。 [產業之利用可能性] 由以上之說明可得知’本發明之直交型氣體雷射裝置 可達到提兩輸出、節省能源及結構精簡等效果。因此，該 直交置可利用於產~^，且可適用於加工及 計測等產業》 n n ϋ ϋ n n n u I I 1 I * n n n n ϋ «I I <請先閲讀背面之注意事項再填寫本！) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格<210 X 297公溲） 11 — 310799

Claims (1)

1. A8B8C8D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. 一種直交型氣體雷射裝置，係具備雷射振盪器，該振 盪器内設有由1個局部反射鏡及複數個全反射鏡組成 之諧振器，其特徵為至少倶備5個全反射鏡。 2. —種直交型氣體雷射裝置，係具備雷射振盪器，該振 盪器内設有由1個局部反射銳及複數個全反射鏡所組 成之諧振器，其特徵在該雷射裝置包括： 配置在該諧振器一端之1個局部反射鏡及2個全 反射鏡；及 配置在諧振器另一端之3個全反射銳； 而該反射鏡之配置方式係使該諧振器各端上所配 置之3個反射銳中，雷射光中心形成之角形形狀者。 3-如申請專利範圍第2項之直交型氣體雷射裝置，其中， 配置於上述諧振器各端之3·個反射銳中的2個係配設 於雷射媒質流動方向之放電區域下游端或其附近。 4. 如申請專利範圍第3項之直交型氣體雷射裝置，其t， 局部反射銳係配置於放電區域下游端或其附近。 5. 如申請專利範圍第3項之直交型氣體雷射裝置，其中， 局部反射鏡係配置於較上述下游端更上游之位置，俾 使照射於局部反射鏡之雷射光徑擴大。 6. 如申請專利範圍第丨至5項中任一項之直交型氣體雷 射裝置，其令，該反射鏡之配置方式係使反射銳之雷 射光折射部分之重疊方向分散》 — I — I — I! — — — — · * 111! I t · — 1 — (請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公迓） 12 310799