WO1980000514A1 - Gas laser generating device - Google Patents

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WO1980000514A1
WO1980000514A1 PCT/JP1979/000224 JP7900224W WO8000514A1 WO 1980000514 A1 WO1980000514 A1 WO 1980000514A1 JP 7900224 W JP7900224 W JP 7900224W WO 8000514 A1 WO8000514 A1 WO 8000514A1
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gas
discharge
discharge tube
gas flow
laser
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PCT/JP1979/000224
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English (en)
French (fr)
Inventor
T Shirakura
S Takemori
H Sugawara
K Sasaki
K Kuwabara
Original Assignee
Hitachi Ltd
T Shirakura
S Takemori
H Sugawara
K Sasaki
K Kuwabara
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036—Means 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/038—Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition
    • H01S3/0385—Shape

Definitions

  • the present invention relates to a gas laser generator in which the structure of a gas flow upstream electrode is improved.
  • a gas laser generator generates glow discharge in a gas-filled tube to excite gas molecules, and a pair of resonators provided as resonators at both ends of the tube by induced emission.
  • the light that repeats reflection between the two mirrors is amplified to cause oscillation, and an oscillation output is obtained from the one mirror.
  • Helium is used as the gas to be filled in the discharge tube.
  • the discharge tube is provided with a cathode and a cathode along the tube and connected to an appropriate power supply.
  • the gas flow axis and the laser optical axis in the discharge tube coincide, so that the anode and cathode are cylindrical. Or a disk shape having a gas flow hole in the center.
  • the gas sent from the gas pumping device such as a probe or a bomb, flows into the discharge tube through the gas passage in the center of the cylindrical or disk-shaped anode and cathode, and discharges the gas. .
  • Spills out of the tube Discharge occurs while the gas flows between the two electrodes, and a glow is formed.
  • a laser beam is generated when the gas molecules are raised to a specific energy level at a sufficiently high rate by the glow discharge and in a reverse distribution state.
  • the glow generated between the anode and the cathode is pressed against the inner wall surface of the discharge tube by the gas flow flowing at a high speed, and the electrode is formed on the upstream side in the discharge tube.
  • the electrode is formed on the upstream side in the discharge tube.
  • a space in which no groves are formed occupies 20 to 30% of the total volume of the glow discharge section.
  • the extracted laser light has a weak concave intensity distribution at the center of the discharge tube and a strong concave distribution at the periphery, and a Gaussian distribution which is considered to be the desired intensity distribution.
  • An object of the present invention is to provide a gas laser generator having a high laser generation efficiency.
  • the feature of the present invention is that it is provided at the center of the gas upstream electrode.
  • a plurality of gas flow holes are provided on the outer peripheral side of the discharge gas flow hole, and the gas passing through the outer gas flow hole narrows the glow discharge portion in the discharge tube to the radial center.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an axial flow type gas laser generator to which the present invention is applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the basic structure of the gas laser generator shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where glow discharge is performed inside the discharge tube between the anode and the cathode.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the cathode shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the laser intensity distribution due to glow discharge in the discharge tube ⁇ , the broken line shows the laser intensity distribution when the cathode provided with the gas flow holes according to the present invention is not used, and the solid line shows the laser intensity distribution.
  • FIG. 6 shows a laser intensity distribution according to the present invention.
  • FIG. 6 is a graph comparing the laser output efficiency when the cathode according to the present invention is not used and when it is used.
  • FIGS. 1 to 6 One embodiment of an axial flow type gas laser generating apparatus to which a cathode according to the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • the discharge tube body 2 has two folding mirrors 4,
  • A, WIPO _ It has four discharge tubes 8a, 8, 8c, 8d connected in series via 6.
  • One end of the discharge tube main body 2 is provided with a total reflection mirror 10 for totally reflecting the generated laser light, and the other end is provided with a partial reflection mirror 12 for transmitting a part of the laser light.
  • Anodes are provided at both ends of each discharge tube 8a, 8, 8c, 8d.
  • 16b, 16c and 16d are installed. Between the cathodes 16a and 16b of the discharge tube body 2, a tube 20a connected to the discharge port of the blower 18a is open. Similarly, a tube 20b connected to the discharge port of the blower 1.8b is open between the cathodes 16c and 16d.
  • the tube connected to the heat exchangers 22a, 22b is located on the side opposite to the openings of the tubes 20a, 20b, sandwiching the discharge tubes 8a, 8b, 8c, 8d.
  • Tubes 26a and 26b are heat exchangers 22a and
  • blower 1 8 a by exhaled gases of the inlet Ru and connection is sent to the discharge tube body 2 in the arrow direction and two discharge tube 8 a, 8 b.
  • the gas flowing in the discharge tube 8b is cooled in the heat exchanger 22a and returns to the blower 18a.
  • the gas flowing in the discharge tube 8a enters the blower 18b via the heat exchanger 22b.
  • the gas discharged from the blower 18 b branches off to discharge tubes 8 c and 8 d, one of which is a heat exchanger
  • FIG. 2 schematically shows the basic structure of the gas laser generator shown in FIG. As described in FIG. 2 and in FIG. 1, gas is discharged from the blower 18 and piped.
  • discharge tube 8 After passing through 20, it enters the discharge tube 8, is cooled in the heat exchanger 22, passes through the tube 26, returns to the blower 18, and is reused.
  • Anode 14 and cathode provided at both ends of discharge tube 8
  • a DC power supply 28 and a stable resistor 30 are connected between 16.
  • the gas flow axis of the glow discharge and the laser optical axis coincide, so that the anode 14 and the cathode 16 have a disk shape and a cylindrical shape, respectively. It is used.
  • Figure 3 shows the anode 14 and cathode
  • FIG. 16 shows the structure of FIG. 16 and the state of the inside of the discharge tube 8 where the ⁇ -discharge is performed.
  • a discharge R £ A having a diameter substantially equal to the inside diameter of the discharge tube 8 is provided at the center of the cathode 16.
  • Gas flow holes 32 are provided. As shown in FIG. 4 in detail: 'As shown in FIG.
  • a plurality of gas flow holes 34 are provided uniformly over the circumference. Except for the inner peripheral surface 36 of the gas flow hole 32 for discharge, the cathode
  • the inner peripheral surface 3.6 is a discharge surface, it is covered with an insulating film 38.
  • the cathode surface on the downstream side of the gas sandwiched between the discharge gas flow hole 32 and the outer peripheral gas flow hole 34 may be used as the discharge surface.
  • the inner diameter of the discharge tube 8 is gradually reduced to form a tapered portion 40. According to the cover section 40
  • claw discharge occurs between 15 14 and cathode 16.
  • the gas flows in the direction of the arrow as shown in Fig. 3.
  • the gas flows into the discharge tube 8 through the discharge gas flow holes 32 and the outer peripheral gas flow holes 3.
  • the gas that has passed through the tapered portion 40 on the inner wall surface of the discharge tube 8 acts to narrow the glow discharge portion to the center, so that the laser intensity distribution is as shown by the solid line in FIG.
  • the broken line indicates the cathode without the outer gas flow holes 34.
  • FIG. 6 shows the efficiency of the laser output.
  • the vertical axis is the relative value of the laser output, and the vertical axis is the input value.
  • the solid line shows the cathode according to the present invention.
  • a laser generator can be obtained.
  • the intensity distribution of the laser beam can be changed. That is,
  • the effect of narrowing down the glow discharge is small, so that the laser intensity is almost constant over a wide range in the radial direction of the discharge tube.

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Description

明 細 書
ガス レーザ発生装置 技 術 分 野
本発明は、 ガス流の上流側電極の構造を改良したガス レーザ発生装置に関する。
背 景 技 術
一般に、 ガス レーザ発生装置は、 ガスを封入した管の 中でグロ一放電を行 わせてガス分子を励起し、 誘導放 出作用によ り前記管の両端部に共振器と して設けた一対 の反射鏡相互間'で反射をく 返す光を増幅し、 発振に至 らしめて、 前記一方の反射鏡から発振出力を取出すもの である。 上記放電管内に封入するガス と して、 ヘ リ ウ ム
( H e ) , ネオ ン （ N e ) 、 二酸化炭素 （ C 02 ) 、 窒 素 （ N2 ) 、 アルゴン （ A r ) 等が用いられる。 電気的 にガス分子を励起するために、 放電管には管にそって陽 極および陰極を.設け、 それらを適当る電源に接続してい る。 例えば特公昭 4 6— 2 0 4 6 5号に示すよ うに、 軸 流型レーザ発生装置では、 放電管内のガス流軸およびレ 一ザ光軸が一致して るので、 陽極および陰極は円筒あ るいは中心部にガス流通孔を有する円板状である。 プロ ァあるいはボンブのよ う ガス圧送装置から送られてく るガスは、 円筒状あるいは円板状 _の陽極および陰極の中 心部のガス通路を通って放電管内に流入 し、 そして放電 .
管外に流出する。 ガ^が両電極間を流れる間に放電が行 'るわれ、 グロ一が形成される。 グロ一放電によ り、 ガス 分子が特定のエネルギー準位まで十分に高率に高められ て逆転分布状態に ったときに、 レーザ光が発生する。
この種の形状の電極を使用した場合、 陽極と陰極の間 に発生したグロ一は、 高速で流れるガス流によって放電 管の内壁面に押しつけられるとと もに、 放電管内の上流 側で上記電極のガス流通孔の直下流側にグロ一が形成さ れ い空間が生じる。 この空間はグロ一放電部全体の体 積の 2 0 〜 3 0 %を占める。 このため、 取出されたレ一 ザ光は、 放電管の中央部で弱く、 周辺部で強い凹形の強 度分布に 、 望ま し 強度分布とされるガ ウス分布に
ら い。 従って、 高出力、 高効率のレーザ出力を得る ことが困難であるという欠点がある。 グロ一放電は、 ガ ス流速が大きければ大きい程、 安定にる り、 レーザ出力 が大き く なる。 そのため、 軸流型レーザ発生装置のガス 流速を大き く設定する傾向にあ り、 2 0 0 〜 3 00 mゾ sec にもおよんでいる。 従って、 上述のよ う 欠点が助長さ れることになる。
発 明 の 開 示
本発明の目的は、 レーザ発生効率の高いガス レーザ発 生装置を提供することである。
本発明の特徵は、 ガス上流側電極の中央部に設けられ
O PI た放電用ガス流通孔の外周側に、 さ らに複数個のガス流 通孔を設け、 外周側ガス流通孔を通るガスによって放電 管内のグロ一放電部を径方向中心部へ絞ることにある。
図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明を適用した軸流型ガスレーザ発生装 置を示す斜視図である。
第 2図ば、 第 1図に示すガス レーザ発生装置の基本構 造の概略を示す断面図である。
第 3図は、 陽極と陰極の間の放電管内部でグロ一放電 が行なわれて る状態を示す断面図である。
第 4図は、 第 3図に示す陰極の ΛΤ— W断面図である。
第 5図は、 放電管內におけるグロ一放電によるレーザ 強度分布を示すグラ フであり、 破線は本発明によるガス 流通孔を設けた陰極を使用 し い場合のレーザ強度分布 を示し、 実線は本発明によるレーザ強度分布を示してい 第 6図は、 本発明による陰極を使用しない場合と、 使 用した場合におけるレーザ出力効率を比較したグラ フで ¾>る。
発明を実施するた めの最良の形態
本発明による陰極を適用 した軸流型ガス レーザ発生装 置の一実施例を第 1 図ないし第 6図に基いて説明する。
第 1 図において、 放電管本体 2は、 2つの折返し鏡 4 ,
OMPI
A, WIPO _ 6を経て直列に接続された 4つの放電管 8 a， 8 , 8 c , 8 dを有している。 放電管本体 2の一端には、 発 生したレーザ光を全部反射する全反射鏡 1 0を設け、 他 端にはレーザ光の一部を透過する一部反射鏡 1 2を設け る。 各放電管 8 a， 8 , 8 c , 8 dの両端には陽極
1 4 a , 1 4 b , 1 c , 1 4 dおよび陰極 1 6 a ,
1 6 b , 1 6 c , 1 6 dが取付けられている。 放電管本 体 2の陰極 1 6 a , 1 6 b間には、 ブロ ア 1 8 aの吐出 口と接続している管 2 0 aが開口している。 同様に、 陰 極 1 6 c， 1 6 d間には、 ブロ ア 1· 8 bの吐出口と接続 している管 2 0 bが開口している。 放電管 8 a , 8 b , 8 c , 8 dをはさんで上記管 2 0 a， 2 0 bの開口部と 反対側には、 熱交換器 2 2 a , 2 2 b と接続した管
2 4 a， 2 4 , 2 c , 2 4 dが放電管本体 2に開口 している。 管 2 6 a , 2 6 bは、 熱交換器 2 2 a ,
2 2 b とブロア 1 8 a ; 1 8 bの吸入口を接続して る c ブロア 1 8 a よ 吐出されたガスは、 矢印方向に放電 管本体 2内に送られ、 さらに 2つの放電管 8 a , 8 bに 分岐して流れる。 放電管 8 b内を流れたガスは、 熱交換 器 2 2 a内で冷却されてブロア 1 8 aにもどる。 一方、 放電管 8 a内を流れたガスは、 熱交換器 2 2 bを経てブ ロア 1 8 bに入る。 同様に、 ブロア 1 8 bから吐出され たガスは、 放電管 8 c ， 8 dに分岐し、 一方は熱交換器
― ΟΜΡΙ 2 2 aを経てプロァ 1 8 aに入り、 他方は熱交換器
2 2 bを経てブロア 1 8 bに入る。
第 2図は、 第 1図に示すガス レーザ発生装置の基本的 構造の概略を示している。 第 2図に いて、 第 1図で説 明したよ うに、 ガスは、 ブロ ア 1 8から吐出されて管
2 0を経て放電管 8内に入り、 熱交換器 2 2内で冷却さ れ、 管 2 6を経て再びブロア 1 8にも ど 、 再使用され る。 放電管 8の両端に設けられた陽極 1 4 よび陰極
1 6間には、 直流電源 2 8および安定抵抗 3 0が接続さ れる。
両電極 1 4 ， 1 6間に直流電圧を印加することによつ
て、 電極 1 4 ， 1 6間にグ ロ 一放電のエネルギーが発生 する。 このエネルギーによってガスは逆転分布状態に ¾ り、 レーザ光を発生する。 このレーザ光は、 反射鏡 1 0 ， 1 2間で在復し、 その一部は、 一部反射鏡 1 2を透過し て外部に取出される。
軸流型ガス レーザ発生装置では、 グロ一放電のガス流 軸と、 レーザ光軸が一致しているので、 陽極 1 4および 陰極 1 6 としては、 それぞれ、 円板状および円筒状のも のが使用されている。 第 3図は、 陽極 1 4および陰極
1 6の構造と、 ク ' σ—放電が行るわれて る放電管 8内 部の状態を示している。 第 3図において、 陰極 1 6の中 心部には、 放電管 8の内径にほぼ等しい径を有する放電 R£A
O PI
ノ WIPO . 用ガス流通孔 3 2が設けられている。 第 4図に詳しく示 ： ' すよ うに、 この放電用ガス流通孔 3 2の外阇側には、 全
周にわたって均一に複数個のガス流通孔 3 4が設けられ δ 放電用ガス流通孔 3 2 の内周面 3 6を除いて、 陰極
1 6のすベての表面を絶緣性被膜 3 8でおおう。 この内 周面 3. 6は、 放電面であるため絶縁性被膜 3 8でおおわ ¾い。 放電用ガス流通孔 3 2 と外周側ガス流通孔 3 4に はさまれたガス下流側の陰極表面を放電面と しても よい。
10 放電管 8の陰極 1 6側端部の内壁面には、 陰極 1 6か
ら遠ざかるにつれて、 放電管 8の内径を次第に小さく し - たテ一バ部 4 0を形成している。 このテ一バ部 4 0によ
つて、 外周惻ガス流通孔 3 4を通ったガスが放電管 8 の 中心部に向かう流れを生じさせる。 放電管 8内の陽極
15 1 4 と陰極 1 6の間で前述のよ うに、 クロー放電が行
われている状態で、 第 3図に.示すよ うに、 ガスを矢印方 向に流す。 ガスは、 放電用ガス流通孔 3 2および外周側 ガス流通孔 3 を通って放電管 8内に流入する。 外周側 ガス流通孔 3 4を通ったガスは、 グ ロ一放電部の全周を
20 包囲するので、 グロ 一放電が外側に拡がろうとするのを
防止できる。 特に、 放電管 8の内壁面のテ一バ部 4 0を 通ったガスは、 グロ一放電部を中心部へ絞る作用をする ので、 レーザ強度分布は、 第 5図に実線で示すよ うに、
Ο ΡΙ WIPO . .
望ま しい強度分布とされるガウス分布になる。 第 5図に
お て、 破線は外周側ガス流通孔 3 4を有さない陰極を
使用した場合のレーザ強度分布を示している。
第 6図は、 レーザ出力の効率を、 （A)本発明による外阇
側ガス流通孔を有する陰極を使用した場合と、 （B)外周側
流通孔を有さ ¾い陰極を使用した場合とで比較したもの
である。 効率は、 グロ一放電を生じさせるために入力'さ
れたバヮ一に対するレーザ出力の比をもってあ らわされ
る。 縦軸は、 レーザ出力の相対値であ り、 模軸は、 入力
パワーの相対値である。 実線は、 本.発明による陰極を使
用した場合を示している。 このよ うに、 本発明によれば、 レーザ強度分布がガウス分布に ¾るので効率の高いガス
レーザ発生装置を得ることができる。
陰極に設けた放電用ガス流通孔 3 2 と外周側ガス流通
孔 3 4の面積比を変化させることによって、 取出される
レーザ光の強度分布を変えることができ る。 すなわち、
外周側ガス流通孔 3 4 の面積を比較的大き くすることに
よってグロ一放電を径方向中心部によ り強く絞ること力； でき るので、 中心部のレーザ強度が特に大とるる。 すな
わち、 レーザを熔接用に使用する場合に好ま しい強度分
布が得られる。 一方、 外周側ガス流通孔 3 4 の面積を比
較的小さ く すると、 グロ一放電を絞る作用が小さ ので、 レーザ強度が放電管の径方向に広 範囲にわたってほぼ
WIPO ^ 均一 強度のレーザを得ることができる。 すなわち、 レ
Figure imgf000010_0001
—ザを金属の表面処理用に使用する場合に好ま しい強度 分'布が得られる。
_ OMPI 一 WIPO

Claims

請 求 の 範 囲
1. ガス上流側電極の径方向中心部に放電用ガス流通孔
'を設け、、 上記放電用ガス流通孔の外周部で上記ガス上 流側電極に複数のガス流通孔を設けることによ ]?、 グ
° 一放電部を放電管内の径方向中心部へ絞るよ うにし たことを特徵とするガス レーザ発生装置。
2. 上記放電用ガス流通孔と上記外周側ガス流通孔の面
積比を.変化させることによ！)、 放電管の径方向のレ一
ザ光強度を変化させることを特徴とする請求の範囲第
1項記載のガス レーザ発生装置。
3. 上記放電用ガス流通孔の内周面が放電面であること
を特徵とする請求の範囲第 1項記載のガス レーザ発生
4 ガス上流側電極の上記放電用ガス流通孔と上記外周
側ガス流通孔の間で、 ガス下流側に面した上流側電極 表面が放電面であることを特徵とする請求の範囲第 1 項記載の'ガス レーザ発生装置。 .
5. ガス上流側電極近滂の放電管内壁に、 上記外周側ガ
ス流通孔を経て放電管内に流入したガスを放電管の径 方向中心部へ流すよ うに、 傾斜したテ一パ部を形成し たことを特徵とする請求の範囲第 1項記載のガス レー ザ発生装置。
ΟΜ?Ι· ん W WIIPPOO"
PCT/JP1979/000224 1978-08-25 1979-08-23 Gas laser generating device WO1980000514A1 (en)

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JP53102893A JPS5839396B2 (ja) 1978-08-25 1978-08-25 ガスレ−ザ発生装置
JP78/102893 1978-08-25

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EP (1) EP0015297B1 (ja)
JP (1) JPS5839396B2 (ja)
DE (1) DE2965920D1 (ja)
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