(57)【要約】【課題】  アーク放電の発生を抑制し、メンテナンスフリーのガスレーザ発振器を提供する。【解決手段】  レーザ容器１内の放電空間７にはレーザガスを介在させるとともに、上下一対の放電電極４，５を対向させて配置している。  両放電電極４、５は、渦巻き状に突出する複数のコイル部４Ａ、５Ａを備えており、それら上下位置の両電極４，５のコイル部４Ａ、５Ａは相互に対向させている。  かまぼこ型をした放電電極を用いていた従来と比較すると、アーク放電の発生を抑制して、かつメンテナンスフリーのパルスガスレーザ発振器を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザガスを介在させた放電空間に対向して配置した一対の放電電極を備え、上記両放電電極間に電圧を印可して放電させ、レーザガスを励起するようにしたガスレーザ発振器において、
上記両放電電極の少なくとも一方に、他方の放電電極に向けて突出する複数のコイル部を形成したことを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項２】
上記コイル部は、中央部分が最も高く突出した渦巻き状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスレーザ発振器。
【請求項３】
上記一方の放電電極は導電性材料からなる平板を備え、その平板の複数箇所に渦巻き状の切り込みを入れることで渦巻き状のコイル部を形成し、これらのコイル部の中央部を絶縁部材によって他方の放電電極側へ押し込んでコイル部を突出させたことを特徴とする請求項２に記載のガスレーザ発振器。
【請求項４】
上記両放電電極間にパルス電圧または交流電圧を印可することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のガスレーザ発振器。
【請求項５】
上記放電電極は円筒状をした外側電極とその内部に同心上に配置した円筒状の内側電極から構成されていることを特徴とする請求項４に記載のガスレーザ発振器。
【請求項６】
上記放電電極には、レーザガスが通過可能な通過部が設けられ、レーザガスの流れる方向に沿って一対の放電電極を配置したことを特徴とする請求項４に記載のガスレーザ発振器。
【請求項７】
上記両放電電極間の放電空間をレーザ光の共振器光路が複数回通過するように構成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のガスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスレーザ発振器に関し、より詳しくは、ガスレーザ発振器における放電電極の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザガスを介在させた放電空間に対向して配置した一対の放電電極を備え、上記両放電電極間に電圧を印可して放電させ、レーザガスを励起するようにしたガスレーザ発振器は知られている（例えば特許文献１）。こうした従来のガスレーザ発振器においては、上記一対の放電電極としてかまぼこ型のロゴスキー型やチャン型といわれる形状のものが使用されている。
また、従来、円筒状をした内外一対の放電電極を備えて、これら両電極間に電圧を印加して放電させレーザガスを励起するようにしたガスレーザ発振器も知られている（例えば特許文献２）。
いずれのレーザ発振器においても、一対の放電電極間の放電時の電界強度分布を均一にしようというものであった。
【特許文献１】特許第２９２４９４２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４４５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１のかまぼこ型をした従来の放電電極によって平均出力を高めることは困難であった。そこで、例えばパルスガスレーザ発振器において、平均出力を上げるためには、放電時間を長くとるようにすれば良い。しかしながら、放電時間を長くすると放電電極による放電はグロー放電からアーク放電に移行しやすくなる。特にＴＥＡ型ＣＯ２レーザ発振器の場合には、出力を高くするためにレーザガスの圧力を大気圧にしているが、大気圧下ではグロー放電を長時間維持させるのは困難である。そして、電極からの放電がグロー放電ではなくアーク放電になると、電極表面部分の損傷などによりメンテナンスインターバルが短くなるという問題があった。
また、上記特許文献２のようなガスレーザ発振器においても、電極の一部に電流が集中しやすいため、アーク放電になりやすいという欠点があった。
そこで、本発明の目的は、アーク放電の発生を抑制し、メンテナンスフリーのガスレーザ発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
このような事情に鑑み、本発明は、レーザガスを介在させた放電空間に対向して配置した一対の放電電極を備え、上記両放電電極間に電圧を印可して放電させ、レーザガスを励起するようにしたガスレーザ発振器において、
上記両放電電極の少なくとも一方に、他方の放電電極に向けて突出する複数のコイル部を形成したものである。
【発明の効果】
【０００５】
このような構成によれば、上記コイル部がパルス電圧や交流電圧に対してインダクタンスとなり、特定のコイル部に過大な電流を流さないようになる。また、放電電極に電圧を印加した際の放電はコイル部の先端部から根元に向けて広がるようになるので、電流が集中せず電流密度が低減するためアーク放電が起こることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、ＣＯ２レーザ発振器を構成する円筒状のレーザ容器１内にそれぞれ平板状をした２枚のベースプレートからなる放電電極４、５を上下に平行に配設してあり、それらの間に放電空間７を形成している。
上記放電電極４、５は導電性材料から製造してあり、各放電電極４、５には、それぞれ複数の渦巻き状をしたコイル部４Ａ、５Ａを相互に対向させるように設けている。
すなわち、図２ないし図３に示すように、上記放電電極４における複数箇所には同一寸法と同一形状で所定幅の渦巻き状の切り込み４Ｂを形成し、その切り込み４Ｂに沿って渦巻き状のコイル部４Ａを形成するようにしている。そして、各コイル部４Ａに対して一面側から他面側に向けて略半円形の絶縁ブラケット６を押し当てて、各絶縁ブラケット６の両端部を放電電極４の平面部に穿設した一対の係合孔４Ｃに固定している。
このように絶縁ブラケット６を放電電極４に固定することにより、各コイル部４Ａは、その中央部４Ａ’が最も突き出した四角錐の渦巻き状に維持されて、平面部から突出した状態となっている。
【０００７】
図２に示すように、各コイル部４Ａは、放電電極４の長手方向（図２の左右方向）において等ピッチＰ１で、かつ幅方向（図２の上下方向）において合計５列を等ピッチＰ２で千鳥状に配置している。
また、各コイル部４Ａを形成する各絶縁ブラケット６は、放電電極４の幅方向と平行に配置してあり、各コイル部４Ａの中央部４Ａ’の突出高さ（本来の放電電極４の平面部からの高さ）は、全て同じ高さとなるようにしている。
【０００８】
他方の放電電極５も上述した一方の放電電極４と同様に形成してあり、両方の放電電極４，５における各コイル部４Ａ、５Ａは相互に対向させて、かつ相手側のコイル部４Ａ、５Ａに向けて突出するように配置している。このように、本実施例においては、一対の放電電極４，５にそれぞれ渦巻き状の複数のコイル部４Ａ、５Ａを構成している。これらのコイル部４Ａ，５Ａは電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）に対して抵抗となるものである。
次に、図１に示すように、上記レーザ容器１の外部には、上記放電電極４、５間に電圧を印加して放電させる直流高圧パルス電源１１を設けている。
上記レーザ容器１は外側の金属製筒状部材１ａと内側の金属製筒状部材１ｂとから構成してあり、その内部に誘電体１２を封入することにより２重円筒形状の主コンデンサを形成している。
そして外側の金属製筒状部材１ａを上記電源１１と共通のアース側に接続してあり、内側の金属製筒状部材１ｂに絶縁部材を介して取り付けた下方の放電電極５は、内側の金属製筒状部材１ｂ及び誘電体１２を貫通させて設けた配線１３を介して外側の金属製筒状部材１ａに、したがってアース側に接続してある。
【０００９】
他方、内側の金属製筒状部材１ｂは配線１４を介して上方の放電電極４に接続してあり、また内側の金属製筒状部材１ｂは、誘電体１２及び外側の金属製筒状部材１ａを貫通させて設けた配線１５を介して直流高圧パルス電源１１に接続してある。
さらに、図２に示すように、放電空間７の右側方に出力鏡１９と第２ベンドミラー２１、第４ベンドミラー２３とを配置してあり、また放電空間７の左側方には第１ベンドミラー２０と第３ベンドミラー２２とリアミラー２４とを配置している。
これにより出力鏡１９とリアミラー２４との間で共振器を構成して共振器内のレーザ光路を、第１ベンドミラー２０〜第４ベンドミラー２３により反射し、放電電極４、５の間に形成される放電空間７に共振器光路が計５回通過するようにしている。
【００１０】
このとき、レーザ光Ｌは、幅方向のコイル部４Ａ（５Ａ）の各列に対して斜めに通過するようになっている。
上記各ベンドミラー２０〜２３およびリアミラー２４は上記レーザ容器１内に設けてあり、また出力鏡１９はレーザ容器１を密封しているが、レーザ光Ｌは該出力鏡１９からレーザ容器１の外部に放射できるようになっている。
【００１１】
さらに図１に示すように、上記レーザ容器１内には、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、一酸化炭素を所定の組成比率で混合したレーザガスを充填するとともに、該レーザガスをレーザ容器１内で循環させる送風手段２５を設けている。
上記送風手段２５は、両放電電極４、５の下方位置両側に配置した２つの循環ファン２６と、各循環ファン２６の下方に設けられて循環ファン２６によって放電空間を通って下方に向けて送り出されたレーザガスを金属製筒状部材１ｂの両側内面から上方に向けて案内するファンガイド２７と、放電空間７を通過したレーザガスを冷却するために２つの循環ファン２６の間に配置した熱交換器２８とを備えている。この送風手段２５によりレーザガスは上記放電電極に設けた切り込み４Ｂを通過して一対の放電電極の配置方向に放電空間７内を流通するようになっている。
なお、本実施例においては、レーザ容器１内のレーザガスの圧力を大気圧よりも低い約５００ｔｏｒｒとしてあるので、予備電離電極を設けない構成となっている。
【００１２】
以上の構成において、直流高圧パルス電源１１によってレーザ容器１からなる２重円筒形状の主コンデンサが充電された状態となると、互いに対向する各コイル部４Ａ、５Ａ間でそれぞれ放電が起こるようになる。
これにより放電空間７内のレーザガスが励起され、レーザ光Ｌが出力鏡１９とリアミラー２４との間で共振されて、レーザ光Ｌが出力鏡１９から外部に放射されるようになる。
この際、上記コイル部４Ａ、５Ａはそれぞれパルス電圧に対してインダクタンスとして作用するため、特定のコイル部４Ａ、５Ａに過大な電流が流れることがない。また、放電は各コイル部４Ａ、５Ａの先端部（突出端）となる中央部から根元側に向けて広がるようになるので、電流が各コイル部４Ａ、５Ａの一点に集中せず、広がりを持った安定したグロー放電となる。
その結果、アーク放電が抑制されるので、アーク放電による電極としてのコイル部４Ａ、５Ａの表面部分の損傷を防止してメンテナンスフリー化を果たすことができる。
また、レーザ容器１を２重円筒形状の主コンデンサとしているので、放電ループ長を短くすることができ、放電電極間に印可される電圧の立ち上がり立ち下がりが早くなってアーク放電の抑制と高繰り返し化を図ることができる。
【００１３】
さらに上記レーザガスは、各コイル部４Ａ、５Ａを形成した際の螺旋状の切り込み４Ｂからなる通過部を流通して、各コイル部４Ａ、５Ａの間からそれらの軸方向に流通されるので、放電空間７におけるレーザガスのクリアランスレシオを高く維持することができ、これによってもアーク放電の抑制と高繰り返し化を図ることができる。なお、レーザガスの流通をよくするために切り込み４Ｂ以外にも放電電極４，５の平面部にレーザガスの通過孔を穿設してもよい。
また、本実施例においては、放電電極４，５におけるコイル部４Ａ、５Ａは平板部材に螺旋状の切り込み４Ｂを入れた後、絶縁ブラケット６によって突出させて全体として角錐状に維持するようにしているため、上記コイル部４Ａ、５Ａは極めて合理的で簡略な構成となっており、製作が容易である。
なお、上記実施例における絶縁ブラケット６は、絶縁体であればどんな材料であっても良い。
【００１４】
また、上記実施例における一対の放電電極４、５における一方は、平板状の電極を用いても良い。つまり、一対の放電電極における一方だけに上述した渦巻き状のコイル部を形成してもよい。この場合には、レーザガスの流通方向が放電電極４、５間を横切る方向となるように、放電電極４，５および送風手段２５を配置する構成となる。
【００１５】
次に、図４〜図６は本発明を適用した第２実施例を示したものである。すなわち、レーザ容器１０１内部には、円筒状をした内側電極１０４とこれを囲繞する外側電極１０５とを備えて一対の放電電極を構成し、両電極１０４，１０５の間に断面がドーナツ状の放電空間１０７を形成している。この放電空間１０７内の軸方向にレーザガスを流通させるようにしている。
レーザ容器１０１内には、その内周面に近接させて円筒状の外側電極１０５を配置している。そして、この外側電極１０５には、軸方向および円周方向における所定ピッチで上記第１実施例と同様に、千鳥状の配列で複数のコイル部１０５Ａを形成している。各コイル部１０５Ａは、上記第１実施例と同様に半円形の絶縁ブラケット１０６によって内方側に位置する内側電極１０４に向けて渦巻き状に突出した状態に維持されるようになっている。なお、絶縁ブラケット１０６は軸方向と平行に固定され、レーザガスの通過の抵抗とならないようにしている。
上記レーザ容器１０１および外側電極１０５は配線１１５を介して直流高圧パルス電源１１１と共通のアース側に接続してあり、内側電極１０４は配線１１３を介して上記電源１１１に接続している。
【００１６】
次に、図５ないし図６に示すように、レーザ容器１０１における軸方向の一端の延長上に概略円板状の第１ベンドミラー１２０を配置するとともに、その隣接外方位置に出力鏡１１９を配置している。
また、レーザ容器１０１における軸方向の他端の延長上に概略円板状の第２ベンドミラー１２１を配置するとともに、その隣接外方位置にリアミラー１２４を配置している。
両ベンドミラー１２０、１２１における対向面の円周方向複数箇所には、レーザ光Ｌを反射させるための反射部１２０Ａ、１２１Ａを形成するとともに、円周方向の所定位置にレーザ光Ｌを通過させるための貫通孔１２０Ｂ、１２１Ｂを穿設している。
【００１７】
さらに、各ベンドミラー１２０，１２１の隣接内方側の位置には、円周方向及び中央部にレーザ光Ｌの通過を許容する貫通孔を設けた絶縁リング１２９，１２９を配置している。両絶縁リング１２９、１２９の外周部は外側電極１０５における内周面の軸方向両端部に嵌着してあり、内側電極１０４における外周面の軸方向両端部は両絶縁リング１２９、１２９の内周部に嵌着している。これにより、外側電極１０５の内方に内側電極１０４を同心上に支持している。
そして、上記出力鏡１１９とリアミラー１２４との間で共振器を構成して共振器内のレーザ光路を、両ベンドミラー１２０、１２１の反射部１２０Ａ、１２１Ａにより反射させて、放電空間１０７に共振器光路が複数回通過するようにしている。
以上の構成において、上記直流高圧パルス電源１１１によって両電極１０４，１０５間にパルス電圧が印加されると、内側電極１０４と外側電極１０５のコイル部１０５Ａ間で放電が起こって放電空間１０７内のレーザガスが励起される。そして、励起により発振されたレーザ光Ｌは、出力鏡１１９とリアミラー１２４との間で上記両ベンドミラー１２０，１２１の複数の反射部１２０Ａ、１２１Ａを介して順次何度も反射されてから共振されて、レーザ光Ｌが出力鏡１１９から外部に放射されるようになっている。
【００１８】
このような構成の第２実施例であっても上記第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。しかも、この第２実施例においては、両ベンドミラー１２０，１２１によって共振器光路を何回も反射させて共振器長を長くしているので、レーザ光Ｌの発振効率が良好であり、ビーム品質を良くすることができる。
なお、上記第２実施例においては、外側電極１０５に渦巻き状のコイル部１０５Ａを形成しているが、内側電極１０４にも渦巻き状のコイル部を形成しても良いし、さらに内側電極１０４だけに渦巻き状のコイル部を形成しても良い。
【００１９】
次に、図７および図８は、本発明の第３実施例を示したものであり、この第３実施例においては、主放電電極として上記第１実施例における渦巻き状のコイル部の代わりに全体として円筒形となる螺旋状のコイル部２０４Ａ，２０５Ａを採用するとともに、予備放電電極２０８および予備放電電源としてのトリガー用直流高圧パルス電源２０９を追加したものである。
すなわち、一対の主放電電極２０４、２０５は、平行に配設した２枚の導電性材料からなるベースプレート２０２、２０３にそれぞれ螺旋状のコイル部２０４Ａ、２０５Ａを立設したものである。上方側のベースプレート２０２には、所定位置に絶縁材からなる円柱状の支持部材２０６を下方に向けて立設してあり、各支持部材２０６の外周部に螺旋状のコイル部２０４Ａを巻回して取り付けている。ベースプレート２０２における各支持部材２０６の隣接位置には、レーザガスを通過させるための通過部としての貫通孔２０２Ｃを穿設している。
同様に、下方側のベースプレート２０３には、円柱状の支持部材２０６を上方に向けて立設させてあり、各支持部材２０６の外周部に螺旋状のコイル部２０５Ａを巻回して取り付けている。上述した上方側の各コイル部２０４Ａとこの下方側のコイル部２０５Ａとは同じ数だけ設けて相互に対向させている。ベースプレート２０３における各支持部材２０６の隣接位置にもレーザガスを通過させるための貫通孔２０３Ｃを穿設している。両ベースプレート２０２、２０３には、貫通孔２０２Ｃ、２０３Ｃを設けているので、レーザガスがこれらの貫通孔２０２Ｃ、２０３Ｃを介して上方側から下方側へ一対の放電電極を配置した方向と同じ方向に流通するようになっている。
本実施例においては、両ベースプレート２０２、２０３の間に放電空間２０７を形成してあり、上下で対向する両コイル部２０４Ａ、２０５Ａが上記放電空間２０７内に鉛直方向に突出状態に維持されている。
【００２０】
下方のベースプレート２０３には、上記主放電電極２０４、２０５との間の主放電に先立って各コイル部２０５Ａの間で予備電離を行なわせるための予備放電電極２０８を設けている。この予備放電電極２０８は、それぞれ互いに対向させて配設したコイル部２０４Ａ、２０５Ａのうち、アース側となる下方のコイル部２０５Ａ側に、かつ互いに対向する先端部から離れた基部側に、絶縁部材２１０を介してそれぞれ取付けている。
上記絶縁部材２１０はスリーブ状に形成してあり、各コイル部２０５Ａの基部を囲んでベースプレート２０３に固定されている。そして上記予備放電電極２０８はリング状に形成してあり、各コイル部２０５Ａ及びベースプレート２０３に対して絶縁した状態で各絶縁部材２１０の外周部に取付けられている。
上記各予備放電電極２０８は、内側の金属製筒状部材２０１ｂ、誘電体２１２及び外側の金属製筒状部材２０１ａを貫通させて設けた配線２１７を介してトリガー用直流高圧パルス電源２０９に接続してある。
図８に示すように、この第３実施例においては、コイル部２０４Ａ（２０５Ａ）の数を上記第１実施例のものよりも少なくしてあり、それに伴って、レーザ光Ｌを反射させるための反射鏡として第１ベンドミラー２２０と第２ベンドミラー２２１のみを設けている。その他の構成は第１実施例と同じであり、これら同一部分についての説明は省略する。なお、レーザ容器２０１内のレーザガスの圧力は大気圧にほぼ等しくなるようにしている。
【００２１】
以上の構成において、直流高圧パルス電源２１１によってレーザ容器２０１により構成された２重円筒形状の主コンデンサが充電された状態となると、トリガー用直流高圧パルス電源２０９によって直流高電圧が各予備放電電極２０８に印加される。これにより、各予備放電電極２０８とこれに近接するアース側の各コイル部２０５Ａとの間でそれぞれ予備電離が行なわれるようになる。
上記予備電離は、各予備放電電極２０８と各コイル部２０５Ａとの間で行なわれるので、放電空間２０７全域にわたって均一に行なわれるようになり、これが呼び水となって互いに対向する各コイル部２０４Ａ、２０５Ａ間でそれぞれ主放電が起こるようになる。
これによりレーザ容器１内のレーザガスが励起され、レーザ光Ｌが両ベンドミラー２２０，２２１を介して出力鏡２１９とリアミラー２２４との間で共振されて、レーザ光Ｌは出力鏡２１９から外部へ放射される。
このような構成の第３実施例であっても上述した第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。なお、この第３実施例における上方側の主放電電極２０４は、平板状の電極を用いても良い。
また、上述した各実施例はパルス発振の電源を用いているが、交流電源を採用して放電電極間に交流電圧を印加することによってコイル部が交流電流に対してインダクタンスとして作用するためＣＷ発振用のガスレーザ発振器にも適用することができる。
さらに、上記各実施例においてはガスレーザ発振器としてＣＯ２レーザ発振器について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、エキシマレーザやＣＯレーザ、或いは金属蒸気レーザなどのガスレーザ発振器にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施例を示す要部の断面図。
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う要部の断面図。
【図３】（ａ）はコイル部の拡大断面図であり、（ｂ）はコイル部の拡大平面図。
【図４】本発明の第２実施例を示す要部の断面図。
【図５】図４のＶ―Ｖ線に沿う要部の断面図。
【図６】図５に示した構成部材の配置状態を示す概略の斜視図。
【図７】本発明の第３実施例を示す断面図。
【図８】図７の要部の平面図。
【符号の説明】
【００２３】
４…放電電極                    ５…放電電極
４Ａ…コイル部                    ５Ａ…コイル部
１０４…放電電極                １０５…放電電極
１０５Ａ…コイル部                      Ｌ…レーザ光
２０４…主放電電極                ２０５…主放電電極
２０４Ａ…コイル部                ２０５Ａ…コイル部
【図１】
2006108558.tif 000003
【図２】
2006108558.tif 000004
【図３】
2006108558.tif 000005
【図４】
2006108558.tif 000006
【図５】
2006108558.tif 000007
【図６】
2006108558.tif 000008
【図７】
2006108558.tif 000009
【図８】
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