(57)【要約】【課題】送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、スラブ方式でなく、安定型共振器によるレーザビーム生成実現のためのガス冷却手段の開発が大きな課題となっていた。【解決手段】レーザガスを励起する放電手段と、レーザガスを内部に配置して放電を行う放電管１と、放電管１を光軸方向に配置し対向する全反射鏡６、部分反射鏡７によって挟むことで形成された光共振器と、放電管１の円周上に複数個の電磁石１２を備え、放電管１に接する冷媒手段をもち、光軸と一致した回転軸を中心として回転可能な構造とし、電磁石１２と、冷媒を回転させる駆動手段を設け、この複数個の電磁石１２を順番にＯＮ・ＯＦＦすることにより放電管１内部のガス分子が移動し、冷媒により冷却される。【選択図】図１
2011129795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を内部に配置した放電管を備え、前記放電管の外周に沿って複数の磁石を配置し、前記複数の磁石による磁界を前記放電管に対して変化させる磁界変化手段を設けたガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記磁界変化手段として、前記複数の磁石を前記放電管の外周に沿って回転させる回転手段を設けた請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記複数の磁石として電磁石を用い、前記磁界変化手段として前記各電磁石への通電を制御する磁界制御手段を設けた請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記磁界制御手段は、前記各電磁石を前記放電管の外周に沿って磁極が直接または間接的に交互となり、かつ、その時極が切り替わるように通電を制御する請求項３記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
前記放電管と複数の磁石の間に、前記放電管の外周の少なくとも一部を覆うように冷媒通路を設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項６】
前記放電管を構成する管壁内に冷媒通路を設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスレーザ発振装置に関する物であり、送風機によるレーザガス循環を行わずに大出力かつ高い光品質を実現できるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の気体レーザ装置について図面とともに説明する。
【０００３】
図３（ａ）は従来の気体レーザ装置の斜視図、図３（ｂ）は同気体レーザ装置の概略平面図、図３（ｃ）は同従来の気体レーザ装置の概略側面図である。これは送風機によるガス循環冷却を行わずにガスレーザの大出力化を行う方法として一般的に用いられている、いわゆるスラブ式共振器を示しており、以下図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら従来のスラブ式ガスレーザ発振装置を説明する。
【０００４】
図３に示すように、従来の気体レーザ装置は、凹面鏡で構成された全反射鏡５０、同じく凹面鏡で構成された出口側の全反射鏡５１、および放電空間６７を有する。この放電空間６７はレーザ光軸方向に垂直な断面の縦Ａと横Ｂの寸法が異なる偏平なスラブ状に形成されている。また本図には省略されているが放電空間６７は２枚の電極で構成されており、この電極は水冷などの冷却手段も兼ね備えている。
【０００５】
そして放電空間６７を構成する電極間にあらかじめ封入されたレーザガスに対して放電が行われる。放電により励起されたレーザガスは全反射鏡５０，５１により増幅され、その一部がレーザビーム取り出し部５１ａよりレーザビーム８として取り出される。このレーザビーム８がレーザ加工等の用途に用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図４は従来のレーザ加工装置の概略構成の一例を示す。以下、図４を参照しながら従来のレーザ加工装置を説明する。
【０００７】
この図において、レーザビーム８は、反射鏡３１にて反射され、加工ワーク３２近傍へ導かれる。レーザビーム８は、トーチ３６内部に備えられた集光レンズ３５によって高密度のエネルギビームに集光され、加工ワーク３２に照射され、加工が行われる。
【０００８】
加工ワーク３２は加工テーブル３７上に固定されており、トーチ３６は、加工テーブル３７を移動させるＸ軸モータあるいはＹ軸モータなどの駆動部３３と数値制御装置３４によって、加工ワーク３２に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。
【０００９】
一般的な板金切断用ＣＯ２レーザにおいて、レーザ出力は数ｋＷクラスが良く用いられており、レーザ発振装置から取り出されるレーザビーム８のサイズは、約１５〜２５ｍｍ程度であり、形状は真円形状が求められている。ビーム形状が、真円で無い場合、ワーク加工時にＸ方向とＹ方向とで切断幅が異なる現象が発生する。この切断方向性の発生を避けるため、ビーム形状は真円であることが必須である。
【００１０】
レーザ発振を行うためには放電空間６７内のレーザガス温度が一定温度以下である必要がある。ＣＯ２レーザの場合はこの温度は２００℃であり、ガス温度が２００℃を越えると、電気入力に対するレーザ出力の比である発振効率が急激に低下し、所定のレーザ出力が得られなくなる。
【００１１】
上記不安定共振器の放電空間６７のギャップは１〜３ｍｍ程度となっていることが多い。これは、ガス冷却の限界のためである。放電開始前のレーザガス温度は約３０℃以下であるが、放電エネルギーによりレーザガス温度は上昇する。放電空間６７のレーザガスは分子運動により電極壁面に衝突し、いわゆる拡散冷却により熱交換が行われる。この熱交換により放電による温度ガスは約２００℃以上へ上がること無く、レーザ発振を維持することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平３−１５５６８４号公報（第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この様な従来のスラブ構造のガスレーザ発振装置は、下記課題を有している。
【００１４】
前述の通り、拡散冷却による熱交換は放電空間のギャップに制限があるためレーザの光の質低下という致命的な欠点がある。平行平板間の距離の１〜３ｍｍはすなわち共振空間が１〜３ｍｍであることを示し、前述の加工に最適な１５〜２５ｍｍの真円形状のレーザビームには程遠い。
【００１５】
これらを解決する手段として１〜３ｍｍのギャップを保ったまま円筒形にする手段もとられているが、ドーナツ状の中抜けのレーザビームとなることから、解決手段として有効なものになっていない。
【００１６】
レーザ光共振器の理想形は、基本的に向かい合った１対のミラー表面での反射で光の定在波を形成する方式であり、軸対象で真円形状の最も良質な光を取り出すことができる。いわゆる安定型共振器と呼ばれるものである。しかし板金切断用ＣＯ２レーザの数ｋＷクラスにおいて、安定型共振器を用いているものは送風機と熱交換器を用いたガスフロー型のみであるが、高額でかつ消費電力の大きい送風機を用いざるを得ないことから、イニシャルおよびランニングコスト面で課題を抱えている。すなわち送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、スラブ方式でなく、安定型共振器によるレーザビーム生成実現のためのガス冷却手段の開発が大きな課題となっていた。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するものであり、送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、安定型共振器のガス冷却手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するために、レーザガスを励起する放電手段と、前記レーザガスを内部に配置して放電を行う放電管と、前記放電管を光軸方向に配置し対向するミラーによって挟む事で形成された光共振器と、前記放電管の円周上に複数個の電磁石を備え、前記放電管に接する冷媒手段をもち、光軸と一致した回転軸を中心として回転可能な構造とし、前記電磁石と冷媒を回転させる駆動手段を設け、この複数個の電磁石を順番にＯＮ・ＯＦＦすることにより放電管内部のガス分子が移動し、冷媒により冷却されることを特徴としたガスレーザ発振装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、上記構成により送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、ガス分子を移動させることにより安定型共振器のガス冷却手段を供えたガスレーザ発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
【図２】本発明の実施の形態２におけるガスレーザ発振装置の構成図
【図３】（ａ）は従来の気体レーザ装置の斜視図、（ｂ）は同概略平面図、（ｃ）は同概略側面図
【図４】従来のレーザ加工装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置について図面とともに説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の構成図である。
【００２３】
図１において、放電管１にはレーザガスが封入され、その両端には電極２，３が設けられて電極２、３間に挟まれた放電管１内を放電空間５とし、電極２，３には電源４が接続されている。
【００２４】
放電管１に封入されたレーザガスのレーザガス圧は減圧され、１００〜２００Ｔｏｒｒ程度である。また、放電管１の内径は約１５〜２８ｍｍ程度である。
【００２５】
放電空間５の両両端には全反射鏡６および部分反射鏡７が固定配置され、光共振器を形成し、レーザビーム８は部分反射鏡７より出力される。
【００２６】
放電管１内にはポンプ９で循環させる冷媒が流路１０を介して流入し、放電管１は冷媒によって冷却される。冷媒は冷却効率を高めるために水冷が好ましいが、ドライエアなどの気体でもかまわない。
【００２７】
放電管１の端部に設けられた電極２，３間の電流の流れ１１は図示する方向であり、放電管１の外周にはＯＮ・ＯＦＦを制御する磁界制御手段２０に接続された複数個の電磁石１２が設けられている。
【００２８】
図１（ｂ）には、電磁石１２の磁力線１３、およびガス分子の移動方向１４を示している。
【００２９】
次に本装置の動作について説明する。
【００３０】
放電管１内部へ放電をさせた状態で、電磁石１２の１つに電力を与えると図１（ｂ）に示す磁力線１３のように磁力が発生する。すると放電励起されたプラズマ分子はローレンツ力により移動方向１４の方へ動作を開始し放電管１の壁面へ押し出される。
【００３１】
放電管１は冷媒により冷却されており、放電によって温度の上昇したレーザガスは放電管１の内壁との衝突により熱交換が行われ、レーザガスの冷却が行われる。次に先ほど動作させた電磁石１２の電力をＯＦＦとし、放電管１の中心を対称とした電磁石１２を磁界制御手段２０によりＯＮさせるとガス分子の移動方向１４は先ほどとは逆となり、レーザガスは反対側へ移動し、レーザ出力を得るために必要なガス温度となった分子は放電管中心部へ移動する。
【００３２】
それと同時に放電によって温度の上昇した放電管１の中心にあったレーザガスは反対側の放電管１の管壁へ押し出され、放電管１の内壁との衝突により熱交換が行われる。
【００３３】
以上のように電磁石１２のＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことにより、放電管１内のレーザガスは常に冷却され、送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、ガス分子を移動させることにより安定型共振器のガス冷却が可能となる。
【００３４】
また送風機によるガス循環冷却を行わないため、外部よりの常時レーザガス供給および排出を行わない、いわゆる封じ切り動作も可能である。この場合でも、従来のスラブ型同様に、放電によるレーザガス劣化分を補うために、一定周期毎にガスを入れ替える必要性はあるが、送風機を用いる場合に比べて、極めて少量のレーザガス消費量に抑えることが可能である。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるガスレーザ発振装置の構成図である。
【００３５】
実施の形態２におけるガスレーザ発振装置では、磁界を変化させる手段として実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の電磁石１２を永久磁石１８に置き換えて、ベアリングなどの回転機構１５に取り付けて回転させるものである。
【００３６】
図２に示すように、モータなどからなる回転力発生装置１６の回転をベルトなどからなる伝達手段１７を介して回転機構１５に伝えることによって、回転機構１５に装着された永久磁石１８が回転し、（実施の形態１）で述べたローレンツ力が発生し、実施の形態１におけるガスレーザ発振装置における電磁石１２および磁界制御手段２０と同様の作用を行なう。
【００３７】
なお、実施の形態２におけるガスレーザ発振装置では、放電管１の冷却手段として、放電管１の周囲に配置する冷却ジャケット１９も設けている。
【００３８】
以上のように永久磁石１８の回転を繰り返すことにより、放電管１内のレーザガスは常に冷却され、送風機によるガス循環冷却を行わないガスレーザ発振装置において、ガス分子を移動させることにより安定型共振器のガス冷却が可能となる。
【００３９】
また、実施の形態１におけるガスレーザ発振装置と同様に、送風機によるガス循環冷却を行わないため、外部よりの常時レーザガス供給および排出を行わない、いわゆる封じ切り動作も可能である。この場合でも、従来のスラブ型同様に、放電によるレーザガス劣化分を補うために、一定周期毎にガスを入れ替える必要性はあるが、送風機を用いる場合に比べて、極めて少量のレーザガス消費量に抑える事が可能である。
【００４０】
なお、実施の形態２におけるガスレーザ発振装置の構成において、永久磁石１８に代えて電磁石１２を設けることも可能でる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によって、従来不可能となっていた安定型共振器におけるガスレーザの冷却を容易に実現でき、送風機によるガス循環冷却を行わない発振器を可能とするため、産業上有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１    放電管
２，３    電極
４    電源
５    放電空間
６    全反射鏡
７    部分反射鏡
８    レーザビーム
９    ポンプ
１０    流路
１１    電流の方向
１２    電磁石
１３    磁力線
１４    移動方向
１５    回転機構
１６    回転力発生装置
１７    伝達手段
１８    永久磁石
１９    冷却ジャケット
２０    磁界制御手段
【図１】
2011129795.tif 000003
【図２】
2011129795.tif 000004
【図３】
2011129795.tif 000005
【図４】
2011129795.tif 000006