WO1989000776A1 - R-f discharge-excited laser - Google Patents

Description

明 細 高周波放電励起レーザ装置 ， 技 術 分 野

本発明は金属などの切断加工用大出力用の高周波放電励起 レーザ装置に関し、 特に安定した高周波放電励起ができ る高 周波放電励起レーザ装置に関する。 背 景 技 術

高周波励起軸流 C 0 ₂ レーザは高出力でかつ安定した発振 が可能であり、 使用が拡がりつつある。

従来の軸流型高周波放電励起レーザ装置の例を第 9図に示 す。 図において、 1 は放電管であり、 図では 4本の放電管セ グメ ン 卜で構成した例を示している力 出力に応じて種々の 本数が使用される。 2 は全反射鏡、 3 は出力結合鏡であり、 2個の鏡は正確に位置が決められている。 4 はレーザ光を示 す。 放電管の各セグメ ン トにはガスの出入口が設けられてお り、 それは 1台のルーツブローヮ 7 に結合されている。 5及 び 6 ば冷却機であり、 放電及びルーツブ口ヮの圧縮作用で発 熱したレーザガスを冷却する。 放電管及びガス送風管内のガ ス流の方向は矢印で示してある。 8 a、 8 b〜 l l a、 1 1 b は電極であり、 それぞれの高周波電源 1 2、 1 3、 1 4及 び 1 5 に接続されている。 放電管 1 内のガス流は約 1 0 0 m ノ秒であり、 高周波電源 1 2〜 1 5からの高周波電圧によつ て放電が行われ、 レーザビームが発振増幅される。

従来の高周波放電励起:レーザ装置の放電管セグメ ン ト 1個 分の回路構成図を第 1 0図に示す。 図において、 1 2 は高周 波電源であり、 1 6 は高周波電源 1 2 と放電管 1 のイ ンピー ダンスマッチングをとるためのマッチング回路である。 高周 波電源 1 2の出力はマツチング面路 1 6を介して放電管 1 の 電極 8 a及び 8 に接続されている。 電極 8 b はアースされ ている。

し.かし、 このような高周波放電励起レーザ装置では、 レー ザ出'力が数へルツの程度の周期で変動する。 この レーザ出力 変動の状態を第 1 1図に示す。 図において、 横軸は時間であ り、 縦轉はレ一ザ出力である。 図に示すように、 約 8 0 0 W のレーザ出力に対して、 4 0 W程度の出力変動が生じる。 明 の 開 示

本発明は、 上記問題点を解決し、 安定した高周波放電励起 ができる高周波放電励起レーザ装置を提供すること目的とす るものである。

上記の問題点を解決するために、

第 1 の発明では、

レーザ管に高周波電圧を印加してレーザ発振を生起させる 高周波放電励起レーザ装置において、

前記高周波電圧を出力する高周波電源と、

該高周波電源と前記レーザ管とのィ ンピ一ダ ンス螯会を行 ' うマッチング面路とを具備し、 ― 該マツチング回路のリ ァクタ ンスの中点を高周波回路のァ ースに接地したこ とを特徴とする高周波放電励起レーザ装置 が、

提供される。

s 第 2 の発明では、

レーザ管に高周波電圧を印加してレーザ発振を生起させる 高周波放電励起レーザ装置において、

前記高周波電圧を出力する高周波電源と、

該高周波電源と前記レーザ管とのィ ンピーダンス整合を行 うマ ッチング回路とを具備し、 該マ ッチング回路は平衡回路 であり、

前記マッチング回路が直流的に前記高周波電源より絶緣さ れて、 高周波回路のアースに接地されていないことを特徴と する高周波放電励起レーザ装置が、

5 提供される。

上記の問題点の原因となるのは、 各放電管セグメ ン ト間の ガス流による相互電流と、 各放電管セグメ ン トの支持体によ る相互ィ ンピーダンスの影響による電流である。

第 1 の発明では、 これらの相互電流と相互イ ンピ.一ダンス ひ の影響をマッチング面路のリ ァクタ ンスの中点 アースする ことにより-、 な く することができる。

第 2 の発明では、 マ ッチング回路を高周波電源から直流的 に絶綠することにより、 これらの電流の影響をな く すことが できる。 図 面 の 簡 単 な 説 明

第 1 図は本発明の第 1 の実施例のブロ ッグ図、

第 2図ば本発明の第 2の実施例のブ口 ック図、

第 3図は本発明の第 3の実施例のブロ ック面、

第 4図は本発明の第 4の実施例のブロ ック図、

第 5図ば本発明の第 5 の実施例のブロ ック図、

第 6図は本発明の実施例による レーザ出力の変動を示す図. 第 7図は放電管セグメ ン ト間の電流を説明するための図、 第 8図は第 7図の等価西路図、

第 9図は従来の軸流型高周波放電励起レーザ装置の例を示 す図、

第 1 0図は従来の高周波放電励起レーザ装置の放電管セグ メ ン ト 1個分の画路搆成を示す図、

第 1 1図ば従来の高周波放電励起レーザ装置のレーザ出力 変動の扰態を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、 放電管セグメ ン ト間の干渉について述べる。 簡単の ため、 2個の電極の場合について説明する。 第. 7図に放電管 セグメ ン ト間の電流を説明するための図を示す。 1 a及び 1 ば放電管セグメ ン トであり、 それぞれ、 電極 8 a、 8 b及 び 9 a、 9 bの電極に高厨波電源 1 2及び 1 3から高周波電 圧が印加される。 Aは放電管セグメ ン ト 1 a と 1 b間でガス 流による枏互電流と、 放電管 1の支持体のイ ンピー ンスに よる相互千涉を示す。

第 7図の等価回路を第 8図に示す。 こ こで、 1 , は第 7図 の高周一一波電源 1 2側の回路電流であり、 1 ₂ は第 7図の高周 波電源 1 3側の回路電流であり、 I 。 は両回路の相互電流と する。 Z。 はガス流による電流及び放電管 1 の支持体のイ ン ピーダンスによる高周波電流の両者を舍めた相互ィ ンビーダ ンスである。 Z H、 Z _{1 2}は放電管セグメ ン ト l a のイ ンピー ダンスを上下で 2 当分したもの、 Z _{2 1}、 Z _{Z 2}も同様に放電管 セグメ ン ト 1 b のィ ンピーダンスを 2等分したものである。 こ こで、 高周波電源 1 2 の電圧を e 1、 角周波数を とし、 高周波電源 1 3 の電圧を e 2、 角周波数を ώ) ₂ とし、

e 1 = E 1 s i n <w 1 t

e 2 = Ε ζ s i n <w ₂ t

とすると、

I I = V Γ 1 ma) ² + I nb) ² + 2 1 ma I mbCOS (W ₃ t

X s i n { ω ₄ ί 十 tan—

但し、

ω 3 ω ω 2

ω 4 ω 十 ω _ζ ) / 2

k =

- e -

Z m ~ Z 12

Z ! = o Z 22

Z_m — Z lI-(- Z l2

Z p ⁼ Z I 2 "i~ Z 2 Z十 Z o

である。 o z

従つ:て、 e 1及び e 2の中点をァースすると、

I m b ⁼ ― 2 Z t 2 ( t 2 I ― ム 22 ) / [ Z 1

であり、 一般に z₂₁と Z_2Zは等しいので、

I mb = 0

となり、

I 1 = I ma s i n ω 1 t

I ma= Ει / ( Z ₁₅ + Z i₂)

が得られる。 従って、 e 1 2の中点をアースすることに より、 互いの放電管セグメン ト l a と 1 bの間の干涉を防止 できることが分かる。

また、 第 8図の等価回路から分かるように、 互いの相互電 流 I 。 は互いのアース回路が共通になつている.ことから流れ る。 従 ^て のアース回路を切り離せば、 栢互電流 I 。 は 流れ 。 これは放電管セグメ ン ト と高周波電源を直流的に 絶縁することによつて達成できる。

次に本発明の第 1 の実施例のブロ 'ン'ク図を第 1図に示す。 これは、 先に説明した高周波電源の中点をアースすることを 実現したものである。

図において、 1 2 は高周波電源であり、 1 6 は高周波電源

1 2 と放電管 1 のマッチングをとるためのマッチング回路で あり、 イ ンダクタ ンス L l、 L 2及びコ ンデンサ C l 、 C 2、 C 3から構成されている。 マ ッチング回路 1 6 は図から明ら かなように、 平衡回路である。 1 は放電管、 8 a及び 8 b は 電極である。

こ こで先に詳細を説明したように、 コ ンデンサ C 1 と C 2 の中点をアース している。 これによつて、 放電管セグメ ン ト 間の干渉を防ぐことができる。 特にマツチング回路 1 6 は平 衡回路であるので、 放電管 1から高周波電源 1 2 を見て、 ィ ンピーダンスが二分されれば、 どの点をアースしても同等の 効果を得ることができる。

第 2図は本発明の第 2 の実施例であり、 第 1 の実施例 （第 1図） と異なるのはマ ッチング回路 1 6 の出力側が 2個のコ ンデンサで構成されており、 このコ ンデンサ C 2、 C 3 の間 をアースしてい.る点である。 これは先に説明したように、 マ ツチング回路 1 6が平衡回路であるために、 マッチング回路 1 6 の入力、 出力いずれでもアースすることができるからで ある。 どちらで、 行うかは部品の実装条件等によって適宜変 更することができる。

第 3図に第 3 の実施例を示す。 図において、 1 2 は高周波 電源であり、 1 6 は高周波電源 1 2 と放電管 1 のマ ッチング をとるためのマッチング回路であり、 イ ンダクタ ンスし、 コ ンデンサ C l、 C 2、 C 3から構成されている。 1 は'放電管、 8 a及び 8 b は電極である。 第 1及び第 2 の実施例と同様に、 ユンデンサ .C 1 と C 2 の中点をアースしている。 これによつ て、 放電管セグメ ン ト間の干渉を防ぐことができる。 但し、 ここではマッチング回路は不均衡回路である。

第 4図は第 4 の実施例であり、 第 3 11と異なるのはマッチ チング回路 1 6が逆 L型になっている点のみであり、 それ以 外は第 3図と同じである。

第 5図に第 5の実施例を示す。 これば先に説明したマッチ ング回路を高周波電源から直流的に絶緣することを実現した 実施例である。 図において、 1 2 は高周波電源であり、 1 6 は高周波電源 1 2 と放電管 1 のマッチングをとるためのマツ チング面路であり、 ィ ンダクタンス L 1、 L 2及びコ ンデン サ C 1、 C 2、 C 3から構成されている。 T 1 は絶籙ト ラン スであり、 高周波電源 1 2 とマッチング回路 1 6を直流的に 絶緣している。 マッチング回路 1 6 は図から明らかなように、 平衡面路である。 1 は放電管、 8 a及び 8 b は電極であり、 電極 8— b はアースされていない。

この構成では、 第 8図で説明した相互電流 I 。 を流れるル ープがなく、 互いの放電管セグメ ン ト藺の電流の千渉を防止 することができる。

のような第 1図、 第 2図、 第 3図及び第 4図の構成によ るレーザ岀力のグラフを第 6図に示す。 図において、 模軸は If間であり、 縦軸はレーザ出力である。 図に示すように、 約 8 0 0 Wのレ一ザ出力に対して、 レーザ出力の変動は 1 0 W 以下どなり、 第 1 1図と比較して、 レーザ出力変動が改善さ れていることが分かる。

また.—、 第 5図の構成による実施例でも、 略第 6図の程度の 効果が得られる。

以上説明したように第 1 の発明では、 リ ア ク タ ンスの中点 をアースするように構成したので、 放電管セグメ ン ト間の干 涉がな く なり、 レーザ出力の変動が大幅に減少する。

また、 第 2 の発明では、 マッチング面路を高周波電源から 直流的に絶緣して、 放電管セグメ ン ト間での電流が流れない ように構成したので、 放電管セグメ ン ト間の干渉がな く なり、 第 1 の発明と同様の効果を有する。

Claims

請 求 の 範 面

1 . レーザ管に高周波電圧を印加してレーザ ¾振を:生起さ

• せる高周波放電励起レーザ装置において、

前記高周波電圧を出力する高周波電源と、 .

該高周波電源と前記レーザ管とのイ ンビ一ダンス整合を行 うマ ッ チ ング画路とを具備し、

該マッチング面路のリァクタ ンスの中点を高周波画路のァ ースに接地したこ とを特徴とする高周波放電励起レーザ装置 _c

2 . 前記マ ッ チ ング回路は平行面路であり、 前 Ϊ2放電管か らみた前記マッチング面路のリ アクタ ンスの中点を高周波面 路のアースに接地したことを特徵とする特許請求の範囲第 1 項記載の高周波放電励起レーザ装置。

3 . 前記リ アクタ ンス素子はコ ンデンサであることを特徴 とする特許請求の範囲第 1項記載の高周波放電励起レーザ装 置。

. レーザ管に高周波電圧を印加してレーザ発振を生起さ せる高周波放電励起レーザ装置において、

前記高周波電圧を出力する高周波電源と、

該高周波電源と前記レーザ管とのイ ンビーダンス整合を行 うマッチング面路とを具備し、 該マッチング面路ば平衡面路 であり、

前記マッチング画路が直流的に前記高周波電源より铯緣さ れて、 高周波回路のアースに接地されていないことを特徴と する高周波放電励起レーザ装置。

5 . 前記マ ッ チ ング面路が前記高周波電源から絶縁するの

Q

1 に、 高周波絶緣 ト ラ ンスを使用したことを特徴とする特許請 求の範囲第 4項記戴の高周波敖電励起レーザ装置。

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