WO2001093380A1

WO2001093380A1 - Dispositif d'oscillation laser

Info

Publication number: WO2001093380A1
Application number: PCT/JP2000/003447
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Hayashikawa; Hitoshi Hongu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2001-12-06
Also published as: JP3858695B2; DE60010757D1; US6944200B2; EP1248332A1; EP1248332B1; US20040066825A1; DE60010757T2; US6895030B1; EP1248332A4

Description

明細害レーザ発振装置技術分野

本発明はレーザ発振装置、特に光軸方向に放電管を配置した軸流型ガスレーザ発振装置に関する。背景技術

図 2 5に軸流型と呼ばれるガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す。以下、図 2 5を参照しながら軸流型ガスレーザ発振器（以降、単に A F G L 0と記す）を説明する。

図 2 5に示すように、 A F G L 0は、主にレーザ共振器と、電源部 4と、レーザガス循環部とから構成される。

上記レーザ共振器は、放電空間 5を有する放電管 1 と、終段鏡（以降、単に R Mと記す） 6と、出力鏡（以降、単に O P Mと記す） 7とからなる。放電管（以降、単に D Tと記す）〗は、ガラスなどの誘電体により構成され、その D T 1 の両端の近くに電極 2、 3が設けられている。上記電極 2、 3間に挟まれた D T 1 内に、放電空間（以降、単に D Aと記す） 5がある。複数の D A 5を挟むように、 R M 6と O.P M 7が配置されている。上記 R M 6は、 1 0 0 %に近い反射率を有する反射鏡である。上記 0 P M 7は部分反射鏡であり、レーザビーム 8は、上記 O P M 7より出力される。

また、上記電源部 4は、電極 2、 3に、上記 D A 5で放電するために接続している。 . また、レーザガス循環部（以降、単に L G C Pと記す）は、送風機 1 3と、熱交換機 1 1 、 1 2と、レーザガス流路 1 0と、上記複数の D T 1 の D A 5とからなる。レーザガスは、 A F G L 0を構成する上記 L G C Pを、矢印 9の方向に循環している。送風機 1 3は、そのレーザガスを循環させるためのものである。この送風機〗 3により、レーザガスの流速は、 D A 5にて約 1 0 0 m/ s e c程度である。また、上記 L G C Pの圧力は、 1 0 0~ 2 0 0 T o r r程度の圧力である。上記電極 2、 3に、上記電源部 4より所定の電圧が印加されると、上記 DA 5は放電する。その放電と送風機の運転により、レーザガスの温度は上昇する。熱交換機 1 1 および 1 2は、温度上昇したレーザガスを冷却するためのものである。

以上が従来の A F G L 0の構成であリ、次にその動作について説明する。

送風機 1 3より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路 1 0を通リ、 D T 1 内へ導入される。この状態で、上記電極 2、 3に、上記電源部 4より所定の電圧が印加されると、上記 D A 5は放電する。 DA 5内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起さる。その励起されたレーザガスは、 R M 6および 0 P M 7により形成されたレーザ共振器で共振状態となる。その結果、 0 P M 7からレーザビーム 8が出力される。この出力されたレーザビーム 8は、レーザ加工等の用途に用いられる。以下、上記した従来の A F G L 0の課題について記載する。

まず第 1 の課題について記述する。

図 2 6は、従来の A F G L 0の光学ベンチを含むレーザ共振器の概略構成を示す。 0 P M 7は出力ミラーホルダ 1 5 0 aによって、保持されている。また、 R M 6は終段ミラーホルダ 1 5 0 bによって、保持されている。一方、 D T 1 は放電管ホルダ（以降、単に D Tホルダと記す） 1 6 0を介し、光学ベンチである放電管ホルダベース（以降、単に D T ベースと記す） 1 7 0にて保持されている。 D Tベース 1 7 0の両端は、それぞれのミラ一ホルダ 1 5 0 a、 bと接続されている。ミラーホルダ 1 5 0 a、 bと D Tベース 1 7 0は、組立てられて、一体構造となっている。 D Tホルダ 1 6 0と各ミラーホルダ 1 5 0 a， bとは、摺動自在となるように両端を 0リングなどで保持した接続管 1 8 0でつながっている。

上記構成において、 R M 6の中心と O P M 7の中心を結ぶ軸と、 R M 6と O P M 7は、垂直になるように配置されている。すなわち、 R M 6 と O P M 7は、お互いに平行になるように配置されている。その平行度は、互いに数 m以下の精度になるように調整されている。また、 R M 6と 0 P M 7の中心を結ぶ軸と、 D T 1 の中心軸が一致するように、配置されている。

正常なレーザ出力を得る為には、

R M 6と 0 P M 7の平行度は Ί 0 _⁶ラジアン以下、且つミラーの成す軸と D Tの成す軸とは数 1 0ミクロン以下の精度が必要となる。この精度を保っため、それぞれのミラーホルダと D Tベースとは一体構造化した剛体を成している。

この様な従来のレーザ発振装置の持つ第 1 の課題について、以下に説明する。

上記 L G C P内部の真空度は、 1 0 0 ~ 2 0 0 T o r r程度である。 —方、その外側は大気（ 7 6 0 T 0 r r ) である。 L G C Pの内部と外部には、圧力差による応力（以降、単に真空力と記す）がかかる。通常、上記の D Tベース 1 7 0の両端は、支持構造物（図示せず）で支持されている。また、上記の L G C Pも、支持構造物（図示せず）で支持されている。したがって、図 2 5に示す中央部の D Tホルダ 1 6 0 cには、上気の圧力差により、下向きの応力が加わる。

この圧力差による応力により、 D Tベース 1 7 0は、曲がることの無い様に、鋼などの剛性の高い材料を用いている。また、剛性を維持するために、 D Tベース 1 7 0は、 D T 1 などの部品と比較すると、かなり大型な構造となっている。

しかし、剛性を上げるにしても、大きさに限界がある。したがって、上記真空力により、 D Tベース 1 7 0は、数 1 0 At m程度、曲がることが有りうる。上記のように、 D Tベース 1 7 0とミラーホルダ 1 5 0 a、 1 5 0 bは一体構造となっている。そのため、 D Tベース 1 7 0が数 1 0 n m曲がっただけで、ミラーホルダ 1 5 0 aとミラーホルダ 1 5 0 b の平行度が変化する。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。

また、 D Tベース 1 7 0は熱容量が大きいため、外気温が変化したときに、その温度変化に追随できない。外気温の変化により、 D Tベース 1 7 0各部で温度差が発生することがある（例えば図 2 6に示す、上部と下部の温度差、あるいは左側と右側の温度差）。温度差が生じると、熱膨張や熱収縮のため、 D Tベース 1 7 0が曲がる。その結果、 R M 6と 0 P M 7の平行度が保てなくなる。この平行度の変化により、レーザ出力が下がることがある。図 2 7は、外気温度に対するレーザ出力の変化を模式的に示している。

この問題を解決する為の従来の取り組みとしては、以下のようなものがあげられる。

真空力による D Tベース 1 7 0の曲がりにたいする対応策として、例えば内部と外部の圧力差による応力がバランスできるように、圧力差による応力をキャンセルするキャンセラを取りつける試みがなされた。しかし、キャンセラの取付けにより、かえって予想外の応力が発生し、悪影響を及ぼす結果となることがあった。

一方温度差による膨張 ·収縮に対する対応策としては、 D Tベース 1 7 0の温度を一定に制御する試みが成された。その試みは、 D Tベース 1 7 0の中に液体（例えば、水）を流し、その液体の温度を一定に制御する事である。しかし、 D Tベース 1 7 0の体積は、剛性をあげる為、大きい。したがって、 D Tベース 1 7 0の熱容量が大きくなリ、完全に温度差を解消する事は出来ていなかった。

また、従来の A F G L Oは、下記のような第 2の課題を有している。 D T 〗内でのレーザガスの流れは、 D T 1 内にガスが流入されてから排出されるまで、可能な限りガス流れ方向に対して均一である事が望ましい。ガス流が均一であれば放電状態が安定する。その結果、 D A 5に注入された電気入力に対するレーザ出力の効率が高まる（レーザ発振効率という）。しかし A F G L Oの構成上、 D T 1 に対してレーザガス導入部を同軸に設けることは構成上複雑になる。実際には、図 2 8のようにレーザガス導入部は. D T 1 に対して略直角に配置されるケースが一般的である。また、図 2 8と、図 2 9は、 D T 1 の内部のガスの流れを模式的に示している。図 2 9は、図 2 8における 2 9— 2 9での断面を示す図である。この構造により、図 2 8中に示すように、 D T 1 内の、特にレーザガス入り口 1 3 7近傍において、ガス流中に渦巻き 1 3 6が発生しゃすい。この渦巻き状のガス流にょリ、 D T内のガス流が乱れる。この結果、レーザ発振効率を高めることができなかった。図 3 0は、 D A 5への電気入力と、レーザ出力の関係を示している。これに対して公知の例（特開平 7— 1 4 2 7 8 7 ) として、ガスを一旦貯めておくチャンバ一を設け、これをレーザガス導入部と接続する構成が提案されている。これはレーザガス導入部へ入るレーザガスの方向性を無くすことによって、 D T内でのガス流の偏りを無くす事を目的としたものである。本発明の発明者らの検討によると、レーザ導入部から D T内へガスが入る際に、どうしてもガス流の偏りが発生し、各所に渦巻きが出来る。その結果、特開平 7 - 1 4 2 7 8 7に提案された構成では、レーザ発振効率をさらに高めることができなかった。

さらに、従来の A F G L 0は、下記のような第 3の課題を有している。 D T 1 の周辺に設けられた電極 2、 3間の電圧が、放電開始電圧に達すると放電が開始する。その放電開始の瞬間に、 D T 1 に大きな突入電流が流れる。放電電流が流れはじめると、 D Tのインピーダンスは低下し、やがて 2 0 K V程度の維持電圧に落ち着く。このような状態になると電流値も安定し、均一な放電が得られる。しかし放電開始の瞬間の突入電流により、一時的に放電が乱れる。安定した放電になるまでに、時間を要する。この突入電流の値は、放電開始電圧に比例する。そのため、放電安定化のために、放電開始電圧を下げることが大きな課題である。従来例としては図 3 1 に示すように、 D T 1 内部の、電極 2近傍に補助電極 1 5 6を配置し、補助電極 1 5 6と電極 3側を、数 M Ωの高抵抗 1 5 8で接続したものがあった。この場合、補助電極 1 5 6と電極 3との距離が大きすぎる為、補助電極 1 5 6と電極 2の間で、レーザガスを電離しても、電極 3に到達する前に、ほとんどが再結合する。したがつて、この構造では、放電開始電圧を低減するための大きな効果が、得られていない。

図 3 2はもう一つの代表的な従来例である。 D T 1 の外面に沿って、電極 2側から電極 3側に向かって導体 1 5 9を伸ばし、導体 1 5 9の電極 3寄りの端部に補助電極 1 5 6を取り付ける。この補助電極 1 5 6は、誘電体材料からなる絶縁シー卜 1 6 2を介して D T 1 の外周面に取付られている。放電開始を下げるために、誘電体の厚みを薄くする検討も実施したが、.微少放電により D T 1 の壁面に経時的に穴があくという問題があった。

上記のように従来の A F G L 0では、補助電極と呼ばれる機構を付加する事が通常行われている。これは何らかの機構により D T内の絶縁破壊電圧を下げ、放電が点弧し易くする事で、放電開始時の突入電流を下げるようとする試みである。この補助電極自体は発想として良い物であるが、性能および信頼性の面で、満足のいく構成を持つものは、従来実現できていなかった。

上記したように、従来の A F G L Oは、

1 ) L G C Pと大気圧である外部の圧力差により、共振器各部に、応力が生じる。その応力により、 D Tベース 1 7 0は、数

1 0 UL m程度、曲がることが有りうる。 D Tベース 1 7 0と一対のミラーホルダ 1 5 0は一体構造となっている為、 D Tベース 1 7 0が数 1 0 μ m曲がっただけで、一対のミラーホルダ 1 5 0 a と 1 5 0 b相互の角度が変化する。このことにより、レーザ出力の安定性をより高めることが困難であつた。

2 ) D T内でのレーザガス流が、 D Tの中心部あるいは外周部のどちらかに偏ってしまう傾向がある。そのため、均一なガス流は実現出来ていない。したがって、エネルギー効率をより高めることができなかった。

3 ) 電極 2、 3間が放電開始電圧に達し放電が開始する瞬間には、 D Tに大きな突入電流が流れる。この放電開始の瞬間の突入電流が流れたときは、大電流が流れる為一時的に放電が乱れる _t このため、放電が落ち着くのに時間を要し、その間は放電が不安定（すなわち、レーザ出力が不安定）となる。この放電の過渡的な不安定を短縮することができていない。

の課題が有った。発明の開示

本発明は上述のごとき問題を鑑みてなされたものである。

本発明の A F G L Oは、上記第 1 の課題を解決するために、

a) エネルギーを与えて内部に配置したレーザ媒質を励起する D 丁と、

b) 前記 D Tで励起されたレーザ媒質から放出されるレーザ光の光軸上に配置した少なくとも一対のミラーと、

c) 前記ミラーをそれぞれ保持する少なくとも一対のミラーホルダと、

d) 前記ミラーホルダ間を連結する複数のミラーホルダ連結棒と、 e) 前記 D Tを支持する D Tホルダと、

f) 前記 D Tホルダを支持する D Tベースと

を有し、

g) 前記一方のミラーホルダを前記 D Tベースに対してレーザ光軸方向およびレーザ光軸と垂直方向に固定し、且つ h) レーザ光軸方向を含む平面内においては回転方向に自由度を持ち、

i) 前記他方のミラ一ホルダを前記 D Tベースに対してレーザ光軸と垂直方向に固定し、レーザ光軸方向に摺動自在に、構成している。

また、本発明の A F G L Oは、上記第 2の課題を解決するために、 a) 内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる D 丁と、

b) 前記 D Tの両端近くに電極が設けられ、

c) 前記電極の少なくとも一方が前記 D Tのレーザガス入り口近傍に配置され、 '

め前記 D Tにレーザガスを供給するレーザガス流路と、を備え、

e) 前記 D Tのレーザガス入り口近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向および D T内のガス流方向に対して垂直方向の幅を Bとし、前記 D Tの内径を Aとした時、

1 . 1 A ぐ B < 1 . 7 A

に構成したレーザ発振装置である。

また、本発明の A F G L Oは、上記第 3の課題を解決するために、 a) D Tと、

b) 前記 D Tの両端近くに設けられた電極と、

c) 前記電極間に高電圧を印加する高電圧電源と、

を備え、

d) 前記 D Tに穴を開け、

e) 前記穴部に補助電極を配置し、

0 前記補助電極をどちらか一方の電極に高抵抗を介して接続する、

ように構成し、 g) D Tに設けられた穴の位置は、前記両電極間の距離を Lとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、 0. 4 L 〜0. 7 しの位置に設け、

h) 高抵抗の抵抗値は、 1 Μ Ω以上、 1 0 0 Μ Ω以下であるレーザ発振装置である。図面の簡単な説明

図 1 は、本発明の実施例 1 における軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図である。

図 2は、図 1 に示すレーザ発振装置の共振器部の構成である。

図 3 Aは、図 2に示す共振器部の左側面図である。

図 3 Bは、図 2に示す共振器部の右側面図である。

図 4は本実施例の他の構成を示すレーザ発振装置の、 O P Mホルダと D Tベース部との連結部分の三面図である。

図 5 Aは本実施例のさらに他の構成例を示すレーザ発振装置の光学ベンチの詳細図である。

図 5 Bは、図 5 Aに示す、ピロ一ボール構成部近傍の部分各台断面図である。

図 6は、図 5 Aに示す 6— 6から R M 6の方向を見た図である。図 7は本発明の実施例と従来例とでの、外気温変化に対するレーザ出力の差を示したものである。

図 8は、本発明の実施例 2を示すレーザ発振装置の構成を示す図である。

図 9は、本発明の実施例を示すレーザ発振装置の D T内およびレ一ザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図である。図 1 0は、図 9に示す 1 0— 1 0の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

図 1 1 は D Tのレーザガス入リロ近傍の幅 Bと、レーザ出力との相関を示した図である。

' 図 1 2は、 D T内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示している。

図 1 3は、図 1 2に示す 1 3— 3の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

図 1 4は D Tのレーザガス入リロ対向部に設けられた円柱状の突起部の、 D Tの中心からの高さ Cと、レーザ出力との相関を示した図である。

図 1 5は D Tのレーザガス入リロ対向部に設けられた円柱状の突起部の内径 Dと、レーザ出力との相関を示した図である。

図 1 6は、 D T近傍および D T内のレーザガスの流れを示す模式図である。

図 1 7は、図 1 6に示す 1 6— 1 6の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

図 1 8は、図 Ί 1 に示した幅 Bと、レーザ出力の相関図に、図 1 6 の構成をのレーザ出力を重ねて示したものである。

図 1 9は本発明の実施例と従来例とでの、 D Tへの電気入力に対するレーザ出力の差を示したものである。

図 2 0は、本発明の実施例 3のレーザ発振装置である。

図 2 1 は、図 2 0に示すレーザ発振装置における D T部の詳細な構成を示した模式図である。

図 2 2は、本発明の実施例 3の補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離と、放電開始電圧との関係を示した図である。図 2 3は、本発明の実施例 3の補助電極と電極間を結合している高抵抗の抵抗値と、放電開始電圧およびレーザ出力との関係を示した図である。

図 2 4は、本発明の実施例 3と従来例とでのレーザ出力の差を示した図である。

図 2 5は、従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成図である。図 2 6は、従来のレーザ発振装置の光学ベンチ部分の模式図である。図 2 7は、従来の軸流型ガスレーザ発振装置における出力安定性を示した図である。

図 2 8は、従来のレーザ発振装置の構成における D T部の詳細およびレーザガスの流れを示した模式図である。

図 2 9は、図 2 8に示す 2 9 — 2 9の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

図 3 0は、従来例の電気入力とレーザ出力の関係を示した図である。図 3 1 は、従来例における D T部の構成を示す模式図である。

図 3 2は、従来例における他の D T部の構成を示す模式図である。図 3 3は、従来例の電気入力とレーザ出力の関係を示した図である。発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1

以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図 1 は本発明の実施の形態 1 を示すレーザ発振装置である。図 2は、図 1 に示すレーザ発振装置の共振器部の構成である。図 3 Aは、図 2に示す共振器部の左側面図である。図 3 Bは、図 2に示す共振器部の右側面図である。図 2 . 5に示した、従来のレーザ発振装置と、同じ機能を持つ構成部分については、同一の符号を記し、その説明を省略する。

以下、図 1 、図 2、図 3 A、 Bを用いて説明する。

0 1/1ホルダ 1 5 &と、 R Mホルダ 1 5 bは、複数のミラーホルダ連結棒（以降、単に M H C Rと記す） 1 4によって、互いに平行になるように支持されている。回転支持部 2 0 0は、 O P Mホルダ 1 5 aを D T ベース 1 7に支持するために構成されている。 0 P Mホルダ 1 5 aがレ一ザ光軸に対して垂直になるように支持するための支持部 2 0 aが、 0 P Mホルダ 1 5 aの下部に配置されている。 D Tベース 1 7には、回転軸支持部 2 O bが、配置されている。上記の支持部 2 0 aと回転軸支持部 2 O bには、回転軸 1 9を挿入するための穴が開いている。回転軸 1 9は、上記の支持部 2 0 aと回転軸支持部 2 0 bに挿入することにより、 0 P Mホルダ 1 5 aと D Tベース 1 7は、組み合せられる。回転軸 1 9 と回転軸支持部 2 0 a、 bとの接触部分は、回転をスムーズにするため、摩擦が少なくなるようにスムーズな表面に仕上げている。もしくはポールベアリング（口一ラベアリングでもよい）などの回転に対して極めて摩擦の少ない部品が挿入されている。上記のように、回転軸 1 9、上記支持部 2 0 aと回転軸支持部 2 0 bは、 O P Mホルダ 1 5 aを D Tベ一ス 1 7に支持するために回転支持部 2 0 0を構成している。この回転支持部 2 0 0は、図 1 および図 2に示す矢印 2 0 2の回転方向に自由度を持つ。

一方、 R Mホルダ 1 5 bの下部には、. 支持棒 2 1 が取付けられている。

D Tベース 1 7側には、回転体 2 2と前記回転体 2 2を支持している回転体支持部 2 3が、上記支持棒 2 1 を支持するために構成されている。これらによって、光軸方向に摺動自在なスライダー構造 2 2 0が形成されている。このスライダー構造 2 2 0は、図 1 および図 2に示す矢印 3 0 2の光軸方向に自由度を持つ。

この構成によって、 0 ^1ホルダ 1 5 &と 0丁べース 1 7は、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される。しかし、 O P Mホルダ 1 5 aと D Tベース 1 7は、レーザ光軸方向を含む平面内において、回転方向にのみ自由度を持っている。これによつて、 O P M側のミラーホルダ 1 5 &と 0丁べース 1 7は、光軸のズレ無く結合することができる。一方、終段側ミラーホルダ〗 5 bと D Tベース 1 7とは、レーザ光軸方向と垂直方向に対して、固定される（ただし厳密には、上方向に対しては、フリーである）。すなわち、ミラ一ホルダ 1 5 bの持つ重量（自重）により、終段側ミラ一ホルダ 1 5 bと D Tベース 1 7は、固定されたものと考えられる。勿論、この構成は、光軸方向の摺動方向ならびに光軸方向を含む平面内の回転方向に、フリーである。これにより R M側のミラーホルダと D T支持部も、 0 P M側と同様に光軸のズレ無く結合される。

次に D Tベース 1 7が真空力や温度変化などにより変形した場合について考える。真空力により、 D Tベース 1 7が曲がった場合、ミラーホルダと D T支持部の結合部分に、光軸方向を含む平面内における回転が発生する。しかし、前述したようにこの部分は 0 P M側、 R M側共に回転方向に対してフリーである。このため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。また、 D T支持部が熱膨張もしくは熱収縮した場合、ミラ一ホルダとの結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生するが、 R Mホルダはこの方向に対してフリーであるため、ミラーホルダに、真空力や熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。本発明の構成の優れた点は、 O P Mホルダと D T支持部との結合部分にある。この方式は光軸方向を含む平面内における回転方向以外にも構造的に自由度をもっている。例えば、 0 P Mホルダ 1 5 aと R Mホルダ 1 5 bの下部毎に 2ケ所ずつピロ一ボールなどの自由度の高いものを介して結合する構成も考えられる。しかし、この方式は、上記の自由度を、 2点留めにより規制しょうとする。このため、真空力による、平行度が変化するような力が生じやすくなる。ミラーホルダ自身の熱膨張 ·収縮により、固定を行っている 2点間の距離が変化するため、そのための平行度が変化するような力も発生しやすい。

図 4は本実施例の他の構成を示すレーザ発振装置の、 O P Mホルダと D T支持部との連結部分の詳細図である。回転軸 1 9、支持部 2 0 aおよび回転軸支持部 2 0 bの組み合せ部分は、ガ夕の無い（隙間がない）ように構成されている。しかし、全く隙間がければ、摩擦のため、相互の回転はスムーズに出来なくる。前述したように、回転軸 1 9と支持部 2 0 aおよび、回転軸支持部 2 0 bとの接触部分にボールベアリングを挿入することで、光軸方向に対して平行方向についてはほとんどガタが無くなる。且つ、ミラーホルダ自身の自重で下に押し当てられるので、放電管の中心軸とミラーの光軸と、ミラーとミラーの間の相対位置はほとんど変わらず、安定している。しかし光軸に垂直な方向に関して、支持部 2 0 aと回転軸支持部 2 0 bとの間に、スムーズな回転のため、隙間が必要である。その隙間によるガタツキを防止するため、弾性力によリ、上部回転軸支持部 2 0 aが、下部回転軸支持部 2 0 bに、片側で押し当たるような構造を採る。図 4は、その構造の一例を示している。例えば、バネ材 2 4を回転軸を中心に対称に 2個配置することにより、バネ材 2 4の弾性力は、支持部 2 0 aに加わる。回転軸〗 9に取付けられたバネ押さえ 2 5と上部回転軸部材 2 0 aとの間に、前記バネ材 2 4を縮めた状態で挟み込む構成をとつている。またパネ押さえ 2 5およびバネ材 2 4が、回転方向の動きを阻害しないように、回転軸 1 9とパネ押さえ 2 5との連結部分には、ピロボール 2 6などの回転体を挿入している。

ただし R Mホルダ 1 5 bと D Tベース 1 7との連結に関しては、必ずしも上記実施例に挙げたように 1 点固定である必要が無い。 R Mホルダと D T支持部との固定に、ピロポールなどの自由度の高い連結部材を用いて、 2点で固定してもよい。その場合、 O P M側は本発明の実施例に示すようにし固定であれば、支障は無い。

図 5は本実施例のさらに他の構成例を示すレーザ発振装置の光学ベンチの詳細図である。

図 2に示す実施例と同様に、ミラーホルダ 1 5 &と 13は、互いに複数の M H C R 1 4によって結合されている。また、同様に、 0 P Mホルダ 1 5 aは、回転支持部 2 0 0により、 D Tベース 1 7に支持されている。一方、 R Mホルダ 1 5 bの下部には、ピロ一ポール 2 6が水平方向に 2 点配置されている。終段側ミラーホルダ 1 5 bは、前記ピロ一ボール 2 6を介して、 D Tベース 1 7と連結している。図 6は、図 5に示す 6— 6から R M 6の方向を見た図である。図 6に示すように、 D Tホルダ 1 6および D Tベース 1 7と、 M H C R 1 4とを連結する、リブ 2 7が 4 ケ所配置されている。リブ 2 7は、 M H C R 1 4の中央付近に配置されている。リブ 2 7と M H C R 1 4は、垂直方向へは若干のすべりが生じうるように構成している。

このリブ 2 7挿入による光学ベンチ安定化効果について、以下説明する。 D Tベース 1 7が真空力や温度変化などにより変形した場合、特に温度変化により伸縮した場合について考える。この時、ミラーホルダと D Tベース 1 7の結合部分には、光軸方向に直線方向の変位が発生する。しかし、ピロボールは、ピロポールとピロポールの中を通っている軸との間が滑るため、フリーに動くことができる。このため、 R Mホルダはこの方向に対してフリーである。したがって、このため、ミラーホルダに、熱応力による、平行度が変化するような力は掛からない。ただし、いくら構造的にフリーになるように摩擦を少なくしても、実際には摩擦力が 0になる訳ではない。終段側ミラーホルダ 1 5 bと D丁ベース 1 7 との連結部は、終段側ミラーホルダ 1 5 bの自重により重力方向（すわわち、図 5の下方向）に押し付けられる。このため、厳密には、その部分に摩擦力が発生する。そのため M H C R 1 4に対しても、光軸方向に引っ張りもしくは圧縮の力が働く。 M H C R 1 4は構造的に直径 5 0 m m程度、長さ〗 0 0 0〜 2 0 0 0 mm程度の円柱である。光軸方向（すなわち、 M H C R 1 4の長手方向）に引っ張りもしくは圧縮の力が働くと、 M H C R 1 4は、たわむ。この時、リブ 2 7が配置されていない場合、各 M H C R 1 4はそれぞれ好き勝手な方向へ曲がる。結果として、 0 P Mホルダ 1 5 aと R Mホルダ 1 5 bの平行度が崩れてしまう。

4本の M.H C R 1 4と、 D Tホルダ 1 6および D Tベース 1 7を連結するリブ 2 7が配置されていると、 M H C R 1 4の剛性が向上し、摩擦力によっても曲がることはすくない。したがって、ミラ一ホルダ同士の平行度は保たれる。

さらに、 M H C R 1 4が、全て中心方向あるいは全て外側方向に橈むようにすれば、 0 P Mホルダ 1 5 aと R Mホルダ 1 5 bとの平行度はよリ正確に保つことができる。

例えば、前記リブ 2 7により、 4本の M H C R 1 4をそれぞれ、 M H C R 1 4同士が成す中心方向へ数 m m程度、引き寄せた状態にする。ミラーホルダ連結材は、リブ 2 7によって中心方向へ数 m m程度引き寄せられることで、ごくわずかに湾曲した状態になっている。この状態から、 M H C R 1 4に引っ張りまたは圧縮の力が加わったとしても、 4本の M H C R 1 4は全て中心方向に撓む。このため、結果的に O P Mホルダ 1 5 aと R Mホルダ 1 5 bとの平行度は保たれる。

逆に、前記リブ 2 7によって 4本の M H C R 1 4を互いに反対方向へ湾曲させることでも、同様の効果が得られる。

上記のように、本発明の実施例においては、光学ベンチは非常に安定し、ミラ一同士の平行度を保つこと効果が極めて大きい。これによつて常に安定したレーザ発振を行うとが出来、大幅なレーザ出力安定化を実現できる。

図 7は本発明の実施例と従来例とでの、外気温変化に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に外気温、縦軸にレーザ出力を表している。本発明の実施例および従来例ともに、外気温 2 0 °Cにて、ミラーが平行になるように調整したものである。その状態から、外気温が低下、あるいは上昇した場合のレーザ出力変化を示している。図 7に示すように、従来例に比べ本発明の実施例においては、外気温変化に対して大幅なレーザ出力安定化が実現出来てい ¾。真空力などの外力に対しても、同様の効果が得られる。

本発明により、真空力などの外力および外気温変化に対する光学ベンチの安定性、すなわちミラー平行度の安定化を実現出来、常に安定したレーザ出力を得られるレーザ発振装置を提供することが出来る。

上記の、ミラーホルダ連結棒の連結棒は、パイプで構成してもよい。また、その連結棒または、パイプは、熱膨張係数の小さいものを使用すると、温度差による膨張の差が少なくて、本発明のような共振器には、有効である。実施の形態 2

以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。

図 8は、本発明の実施例 2を示すレーザ発振装置の構成を示す図である。図 9は、本発明の実施例を示すレーザ発振装置の D T内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを示す模式図である。図 1 0は、図 9に示す 1 0— 〗 0の断面のレーザガスの流れを示す模式國である。 D T 1 のレーザガス入リロ近傍 3 7の、ガスの流れる方向および D T内のガス流方向'に対して垂直方向の幅を Bとする。また、 D T内径を Aとする。図 9は、 Aと Bの関係が、

1 . 1 A < B < 1 . 7 A

となるような構成を採った時の、 D T内およびレーザガス流路内でのレ一ザガスの流れを示している。図 9において、幅 Bのレーザガス流路を矢印 9 b方向に流れてきたレーザガスは、 D Tの入り口近傍の幅 Bの部分に導入される。この部分から、レーザガスの流れは、 D丁の内径 Aに狭められる。その後、流れ方向が矢印 9 a方向に D T内を流れる。この時レーザガスは、 D T 1 の入り口近傍の広がった部分（すなわち、幅 B ) から緩い勾配をもって、 D T 1 の下流側へ流される。このため、ガスの流れは、 D T 1 入リロ部分 3 7から、下流側へと、なだらかな流線が形成される（すなわち、渦流は、発生しない）。 D T 1 内でのレーザガス流の分布は、ほぼ全体的に均一に形成される。この時、幅 Bが 1 . 1 Aより小さい場合（すなわち従来構成の場合）、 D T入り口部分に渦流が、発生する。また、幅 Bが 1 . 7 Aより大きい場合も、 D T入リロ部分に渦流が、発生する。その渦流により、 D T内のレーザガス流分布は乱れる。図 1 1 は D Tのレーザガス入リロ近傍の幅 Bと、レーザ出力との相関を示した図である。レーザガス入り口近傍の幅 Bが、

1 . 1 A く B < 1 . 7 A

の範囲で、レーザ出力が最大となっている事が判る。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

図 1 2は、他の D Tの形状を示している。 D Tのレーザガス入り口の対向部に、 D Tの中心からの高さ C、内径 Dの円柱状の突起部を設けている。前記 D Tの内径を Aとした時、

0. 5 A< C< 0. 9 A

0. 7 A<D< 0. 9 A

となるように構成している。また、図 1 2は、 D T内およびレーザガス流路内でのレーザガスの流れを模式的に示している。図 1 3は、図 1 2に示す 1 3 _ 1 3の断面のレーザガスの流れを示す模式図である < レーザガス流路を矢印 9 b方向に流れてきたレーザガスは、 D Tのレ一ザガス入リロから導入される。その後、 D Tのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部部分へ当たる。そのレーザガスは、さらに、下流側へ流される。このため、 D T入リロ部分から、下流側へと、なだらかな流線が形成される。この結果、 D T内でのレーザガス流分布はほぼ全体的に均一に形成される。

一方、円柱状の突起部が大きすぎると、 D T上部に渦流が出来、これが D T内の流線を乱してしまう。このように D Tの各部で渦流が生じると、 D T内のレーザガス流分布は極めて偏ったものとる。その結果、放電が乱れ、安定したレーザ発振が出来無くなる。図 1 4は D T のレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の、 D Tの中心からの高さじと、レーザ出力との相関を示した図である。

図 1 4に示すように、高さじが、

0 . 5 A < C < 0 . 9 A

の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

図 1 5は D Tのレーザガス入り口対向部に設けられた円柱状の突起部の内径 Dと、レーザ出力との相関を示した図である。

図 1 5に示すように、内径りが、

0 . 7 A < D < 0 . 9 A

, の範囲で、レーザ出力が最大となっている。この範囲で、放電が安定することによって、レーザ出力が最大となる。

また、 D Τのレーザガス入り口近傍には電極が設けられている。このため、対向部の円柱状の突起部は金属などの導体で構成されている場合は、電界が乱され、放電が乱れやすい。したがって、対向部は、 D Tと同様に誘電体材料で構成されなければならない。具体的には、 D Tと同じパイレックス、石英など、もしくはセラミックなどの誘電体材料が望ましい。

図 1 6は、 D Τ近傍および D Τ内のレーザガスの流れを示す模式図である。図 1 7は、図 1 6に示す 1 6— 1 6の断面のレーザガスの流れを示す模式図である。

前記 D Tのレーザガス入り口 3 7近傍の、ガス流方向に対して垂直方向の幅を Βとする。前記 D Τのレーザガス入リロ対向部に、 D Tの中心からの高さ Cとし、内径 Dの円柱状の突起部 3 8を設ける。

前記 D Τ 1 の内径を Αとした時、

1 . 1 A < B < 1 . 7 A 0 . 5 A < C < 0 . 9 A

0 . 7 A < D < 0 . 9 A

の関係が成り立つように構成されている。また、前記 D Tのレーザガス入り口対向部に設けられた、円柱状の突起部 3 8は、セラミックなどの誘電体より成っている。

以下 D T内のレーザ 'スの流れる方向を 9 a、レーザガス流路内のレ —ザガスの流れる方向を 9 bとする。

図 1 6は、図 9と図 1 2これらをまとめた構成である。本構成は、図 9と図 1 2の相乗効果により、一層の放電の安定化が実現でき、効果的である。図 1 8は、図 1 1 に示した幅 Bと、レーザ出力の相関図に、図 1 6の構成をのレーザ出力を重ねて示したものである。

図 1 9は本発明の実施例と従来例とでの、 D Tへの電気入力に対するレーザ出力の差を示したものである。横軸に放電電気入力、縦軸左にレ一ザ出力を表している。図 1 9に示すように、本発明の実施例においては、レーザガス流改善効果により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ている。

本発明により、 D T内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレ一ザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。実施の形態 3

以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図 2 0は、本発明の実施例 3のレーザ発振装置である。図 2 1 は、図 2 0に示すレーザ発振装置における D T部の詳細な構成を示した模式図である。

1 0 0〜 2 0 0 T o r r程度に減圧された D T 1 の壁面に、穴 5 5を開けている。その穴をふさぐ形で、銅やタングステンなどの導体からなる補助電極 5 6が取付けられている。補助電極 5 6と D T 1 との接合部近辺は、 0リングなどの真空パッキン 5 7で封止されている。補助電極 5 6が直接 D T 1 内のレーザガスに触れる事ができるようになつている _c 補助電極 5 6は数 M Ωの高抵抗 5 8を介し、電極 3に接続されている。電極 2と電極 3は電源 4に接続されている。

次にこの動作について説明する。補助電極 5 6は電極 3と高抵抗 5 8 を介し接続されている。このため、 D T 1 内に電流が流れていない間は、電極 3と補助電極 5 6は同電位である。

高電圧電源 4によって、電極 2、電極 3間の電圧を徐々に上昇させると、同時に電極 2、補助電極 5 6間の電圧も上昇していく。補助電極 5 6がない場合は、電極 2と電極 3の放電開始電圧は約 4 0 K Vに達する。しかし、補助電極 5 6は電極 2に近い位置にあるため、電極 2と補助電極 5 6の放電開始電圧は約 2 3〜2 4 K V程度である。すなわち電極 2、電極 3間の電位差が、 2 3〜2 4 k V程度に達した時、同じ電位差となつた電極 2と補助電極 5 6間にて、放電が開始する。この放電路（放電、空間 5 ) にあるレーザガスは電離される。電離したレーザガスはレーザガスの流れる方向 9に示すように、電極 3側へ流れる。この電離したレ一ザガスにより、 D T 1 内のインピーダンスが低下し、電極 2と電極 3 との間の D A 5に放電が開始する。一方、電極 2と補助電極 5 6との間での放電電流は、補助電極 5 6と電極 3との間に設けられた数 Μ Ωの高抵抗 5 8によって抑制される。このため、放電開始後は、ほとんど補助電極 5 6〜電極 3間に電流が流れる事は無い。

以上の動作によって、放電開始電圧を従来の 4 0 K Vから 2 3〜2 4 K Vまで低減できる。これによつて放電開始の瞬間の突入電流を抑制でき、安定した放電を実現できる。

前述のように、図 3 1 に示す従来例では、 D T 1 内部の、電極 2近傍に補助電極 1 5 6を配置し、補助電極 1 5 6と電極 3側を、数 Μ Ωの高抵抗で接続したものがあった。この場合、補助電極と陰極側との距離が大きすぎる為、せっかくレーザガスを電離しても、陰極に到達する前に、ほとんどが再結合してしまい、大きな効果が得られていない。

これに対し本発明では、前記両電極間の距離を Lとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、 0 . 4 し〜 0 . 7 Lの位置に補助電極を設けている。図 2 2は補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離と、放電開始電圧との関係を示した図である。この図に示すように、補助電極取り付け位置が 0 . 4 Lより小さい場合は、電離したレーザガスの再結合により、放電開始電圧を低減する効果は得られない。一方、 0 . 7 Lより大きいと、陽極と補助電極との距離が大きすぎるため、放電開始電圧が上がってしまう。これより、補助電極と接続されていない側の電極と補助電極との距離は、 0 . 4 し〜 0 . 7 Lが最適である事が判る。

図 3 2はもう一つの代表的な従来例である。 D T外面に沿って、電極 2側から電極 3側へ導体 1 5 9を伸ばしている。この導体 1 5 9の電極 3寄りの端部に補助電極 1 5 6を取り付ける。また、この補助電極 1 5 6を、誘電体材料からなる絶緣シー卜 1 6 2を介して、 D T 1 壁面に接合させている。補助電極 1 5 6と電極 3間とは、誘電体を介した容量結合である。この構成は、電流の通り道にあるレーザガスを電離し、放電開始電圧を下げるという試みであった。放電開始電圧を低減する効果を上げる為に、誘電体の厚みを薄くすることも試みたが、コロナ放電によリ D Tの壁面に経時的に穴があくという問題がぁづた。本発明は、放電開始の際の微少電流の通過用に、 D T 1 の補助電極 5 6取り付け部に穴 5 5を開けているため、経時的に穴が開くような問題は無く、長期的な信頼性にも優れている。，図 2 3は、補助電極 5 6と電極間を結合している高抵抗の抵抗値と、放電開始電圧およびレーザ出力との関係を示したものでる。高抵抗 5 8 の抵抗値が 1 M Ω未満の場合、補助電極部に電流が流れすぎ、 D A 5の放電が乱される。その結果、高いレーザ出力が得られない。一方、抵抗値が 1 0 0 Μ Ωより大きい場合、補助電極の効果が小さく、放電開始電圧を低減する効果が得られない。また、突入電流の為に放電が乱れ、レ一ザ出力が上昇する効果が得られない。したがって、高抵抗の抵抗値は、 1 Μ Ω以上、 1 0 0 M Ω以下が適切である。

以上のように従来例では、性能面および信頼性の面で問題のあった補助電極であるが、本発明によって放電開始電圧の大幅な低減によるレーザ出力の安定化が図れ、且つ長期に渡る信頼性も確保できる。

図 2 4は本発明の実施例と従来例との、 D Tへの電気入力に対する放電開始電圧およびレーザ出力を示したものであり、横軸に放電電気入力、縦軸にレーザ出力を表している。本図に示すように、 D Tへの電気入力が大きくなればなる程、本発明の実施例における効果は顕著に表れてきている。放電開始電圧低減による放電安定化により、従来例に比べ大幅なレーザ出力の増大が実現出来ていることがわかる。

本発明により、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。産業上の利用可能性

また、本発明により、 D T内のレーザガス流を均一化することで、大幅なレーザ発振効率の向上およびレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。

また、本発明により、放電開始電圧の大幅な低減による放電の安定化が図れ、大幅なレーザ出力の増大を実現できるレーザ発振装置を提供することが出来る。

Claims

請求の範囲

1 . レーザ発振装置であって、

a.エネルギーを与えて内部に配置したレーザ媒質を励起する放電管と、

b.前記放電管で励起されたレーザ媒質から放出されるレーザ光の光軸上に配置した第 1 のミラ一と、第 2 のミラー c前記第 1 のミラーと、第 2のミラーをそれぞれ保持する第 1のミラ一ホルダと、第 2のミラ一ホルダと、 d.前記第 1のミラーホルダと第 2のミラーホルダ間を連結する複数のミラ一ホルダ連結部材と、

e.前記放電管を支持する放電管支持部と、

f.前記第 1 のミラーホルダを放電管支持部に対してレーザ光軸方向およびレーザ光軸と垂直方向に固定し、且つレーザ光軸方向を含む平面内においては回転方向に自由度を持つ第 1の固定部と、

g.前記第 2のミラーホルダを放電管支持部に対してレーザ光軸と垂直方向に固定し、レーザ光軸方向に摺動自在な第 2の固定部と、

を有するレーザ発振装置。

2 . レーザ発振装置であって、

a.エネルギーを与えて内部に配置したレーザ媒質を励起する放電管と、 b.前記放電管で励起されたレーザ媒質から放出されるレーザ光の光軸上に配置した第 1のミラーと、第 2 のミラ一と、

c.前記第 1のミラーと、第 2 のミラーをそれぞれ保持する第 1のミラーホルダと、第 2のミラ一ホルダと、 d.前記第 1 のミラーホルダと第 2 のミラーホルダ間を連結する複数のミラーホルダ連結部材と、

e.前記放電管を支持する放電管支持部と、

f.前記複数のミラーホルダ連結部材を、ミラーホルダ以外の部分で、相互に連結する、もしくは放電管支持部と連結するリブと、

を備えたレーザ発振装置。

3 . 請求項 2記載のレーザ発振装置であって、前記リブは、複数のミラ —ホルダ連結部材を互いに求心する方向に付勢する構成としたレーザ発振装置。

4 . 請求項 2記載のレーザ発振装置であって、前記リブは、前記複数のミラーホルダ連結部材を互いに反対方向に付勢する構成としたレーザ発振装置。

5 . 請求項 1記載のレーザ発振装置であって、前記複数のミラ一ホルダ連結部材を、ミラーホルダ以外の部分で、相互に連結する、もしくは放電管支持部と連結するリブを備えたレーザ発振装置。

6 . 請求項 1 記載のレーザ発振装置であって、前記第 1 の固定部は、レ一ザ光軸に対して軸が垂直になるように配置された回転軸部材と、回転軸部材の軸に対して垂直平面内の回転方向の自由度を保ったまま、ミラ一ホルダと放電管ベースとからそれぞれ回転軸部材を支持する回転軸支持部とからなるレーザ発振装置。

7 . 請求項 1 記載のレーザ発振装置であって、前記固定具の回転軸方向に、弾性力をかけるレーザ発振装置。

8 . レーザ発振装置であって、

a. 内部にレーザガスを流すとともにレーザガスを励起させる放電管と、

b. 前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、

c 前記放電管のレーザガス入リロ近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向に対して垂直方向の幅を B、前記放電管の内径を Aとした時、

1 . 1 A < B < 1 . 7 A

とするレーザ発振装置。

9 . レーザ発振装置であって、

b. 前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、 c. 前記放電管のレーザガス入リロ対向部に、放電管中心からの高さ C、内径 Dの円柱状の突起部を設け、前記放電管の内径を Aとした時、

0 . 5 A < C < 0 . 9 A

0 . 7 A < D < 0 . 9 A

とするレーザ発振装置。

1 0 . レーザ発振装置であって、

b . 前記放電管にレーザガスを供給するレーザガス流路を備え、

c 前記放電管のレーザガス入リロ近傍の、前記レーザガス流路のガス流方向に対して垂直方向の幅を B、前記放電管のレーザガス入り口対向部に、放電管中心からの高さ C、内径 Dの円柱状の突起部を設け、前記放電管の内径を Aとした時、

1 . 1 A < B < 1 . 7 A

0 . 5 A < C < 0 . 9 A

0 . 7 A < D < 0 . 9 A

とするレーザ発振装置。

1 1 - 請求項 9記載のレーザ発振装置であって、前記放電管のレーザガス入リロ対向部に設けられた、放電管中心からの高さ C、内径 Dの円柱状の突起部は、誘電体より成るレーザ発振装置。

1 2 . 請求項 1 0記載のレーザ発振装置であって、前記放電管のレーザガス入リロ対向部に設けられた、放電管中心からの高さ C、内径 Dの円柱状の突起部は、誘電体より成るレーザ発振装置。

1 3 . レーザ発振装置であって、

a. レーザガスを満たした放電管と、

. 前記放電管の両端に設けられた電極と、

c 前記電極間に高電圧を印加する高電圧電源と、

を備え、

d. 前記放電管に穴を開け、前記穴部に補助電極を配置し、前記補助電極をどちらか一方の電極に高抵抗を介して接続した

レーザ発振装置。

1 4 . 請求項 1 3記載のレーザ発振装置であって、前記放電管に設けられた穴の位置は、前記両電極間の距離をしとした時、補助電極と接続されていない側の電極より、 0 . 4 し〜 0 . 7 Lの位置に設けたレーザ発

1 5 . 請求項 1 3記載のレーザ発振装置であって、前記高抵抗の抵抗値は、 1 Μ Ω以上、 1 0 0 M Ω以下であるレーザ発振装置。