(57)【要約】【課題】低コストで、レーザ発振効率のよいガスレーザ装置を得る。【解決手段】レーザガス流方向と放電の電界方向とが直交するとともに、レーザ光出力方向がレーザガス流方向と電界方向とにほぼ直交する３軸直交形のガスレーザ装置において、光学空洞内に一組の電極対を設けるものとし、レーザガス流方向における、レーザ光出力方向に沿うレーザ光軸（レーザ光の配置を１０で示す。）と、レーザ光軸に対して平行に配置される上記電極対の平板状電極のレーザ光軸に近い側の長辺（２０２）との距離Ｄが、レーザ光軸におけるレーザガス流速の大きさに応じた値となるように、平板状電極（下電極２）の長辺（２０２）を曲線形状に形成して同装置内に配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザガス流方向と放電の電界方向とが直交するとともに、レーザ光出力方向がレーザガス流方向と電界方向とにほぼ直交する３軸直交形のガスレーザ装置において、光学空洞内に一組の電極対を設け、レーザガス流方向における、レーザ光出力方向に沿うレーザ光軸と、レーザ光軸に対して平行に配置される上記電極対の平板状電極のレーザ光軸に近い側の長辺との距離が、レーザ光軸におけるレーザガス流速の大きさに応じた値となるように、上記平板状電極が配置形成されたことを特徴とするガスレーザ装置。
【請求項２】
上記平板状電極のレーザ光軸に近い側の長辺と、レーザ光軸とのレーザガス流方向における距離が、レーザガスの励起時間に応じた値となるように、かつ、レーザガス流速とレーザガスの励起時間との積にほぼ等しくなるように、上記平板状電極が配置形成されたことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
【請求項３】
上記平板状電極のレーザガス流方向における電極幅と、レーザ光軸におけるレーザガス流速との比がほぼ等しくなるように、上記平板状電極が配置形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のガスレーザ装置。
【請求項４】
上記平板状電極の長辺が曲線形状に形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項記載のガスレーザ装置。
【請求項５】
上記平板状電極は、レーザガス流方向とレーザ光出力方向とがなす面に対して平行な面内において広がりを持ち、レーザ光出力方向に依存するレーザ光軸におけるレーザガス流速の分布が、中央部において大きく、両端部において小さい場合、上記平板状電極の長辺の両端部がレーザ光軸に近く、上記平板状電極の長辺の中央部がレーザ光軸から遠くなるように、かつ、上記平板状電極の電極幅が、レーザガス流方向における中央部で大きく、両端部で小さくなるように、平面形状が弓形となるように形成されたことを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ用ガスを放電によって励起する電極を備えたガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスレーザ装置である３軸直交形炭酸ガスレーザ発振器では、レーザビームの強度を軸対称（等方的）な強度分布にするため、複数組の電極対を設け、この複数組の電極対の各対を光学空洞から異なる位置に設けて、光学空洞の断面内の増幅率および屈折率をほぼ均一にしている。（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１２９９４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなガスレーザ装置にあっては、電極が複数対になるため、１台の電源で並列接続して給電すると、１対の電極のみに放電が集中するという問題点があった。
この原因および具体的不具合を説明する。図１３の回路模式図に示すように、３対の電極対１ａ〜１ｃに対し、電源４から電力が供給される装置では、電極対１ａ〜１ｃのそれぞれの電極間は、放電前は絶縁状態（抵抗値は無限大）である。ここで電極対に電源４より給電が始まると、通常、給電の瞬間には、図１４に示すように、複数の電極対のうち、一対の電極対１ａのみが、電源の電圧により絶縁破壊され放電を開始し、この電極対１ａの電極間の空間は放電によりレーザガスが電離される。電離ガスは導体である。そして、導体に電流を流し出すと電源４の電圧は低下し、他の電極対１ｂまたは１ｃにおける電極間の絶縁を破壊する電圧には至らなくなる。つまり、その電極対１ａの電極間の抵抗値が下がり、他の２個の電極対１ｂ、１ｃの電極間抵抗は無限大のままである。したがって、放電が開始された電極対１ａに電流が集中し、この放電が持続され、他の電極対１ｂ、１ｃは（絶縁破壊されず）放電しない。なお、極まれに、複数の電極対が同時に放電を開始することはある。
【０００５】
このように複数の電極対に給電する予定の電流（電力）を、１対の電極対にのみ給電することになり、レーザガスは異常に活性化する。これにより、レーザ発振に適した空間的に安定なグロー放電から、空間的に不安定な火花放電に移行してしまい、レーザガスを効率的に活性化できなくなる。このため、レーザの発振効率は著しく低下し、さらに悪いことに火花放電等に移行すれば、電極が過剰に発熱し、損傷を受けたり、最終的には破壊する。つまり、複数の電極対に１個の電源から給電すると、１つの電極対に放電が集中し、レーザ発振効率が低下する不具合が発生していた。
【０００６】
一方、電極対毎に電源を接続すると、電極対の個数分、電源が必要になり、コストが高くなるという問題点があった。
さらに、電極対毎に取付部品が必要になり、コストがより高くなるという問題点もあった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、レーザビームの強度を軸対称（等方的）強度分布に保ちつつ、安定した状態での放電が可能であり、かつ、コストが低く抑えられるガスレーザ装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わるガスレーザ装置は、レーザガス流方向と放電の電界方向とが直交するとともに、レーザ光出力方向がレーザガス流方向と電界方向とにほぼ直交する３軸直交形のガスレーザ装置において、光学空洞内に一組の電極対を設け、レーザガス流方向における、レーザ光出力方向に沿うレーザ光軸と、レーザ光軸に対して平行に配置される上記電極対の平板状電極のレーザ光軸に近い側の長辺との距離が、レーザ光軸におけるレーザガス流速の大きさに応じた値となるように、上記平板状電極が配置形成されたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のガスレーザ装置によれば、ガスレーザ装置内に設ける電極対を一組（一対）のみとすることで、コストを抑えた上で、電極対を構成する平板状電極の長辺形状を、電極対とレーザ光軸との距離が、レーザ流速に応じた値となるように形成することで、レーザ光軸上における活性ガスの密度を高い値に設定でき、レーザ発振効率を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるガスレーザ装置を示す図であり、図１（ａ）は主にガスレーザ装置の筐体の外観を示す斜視図、図１（ｂ）はガスレーザ装置の筐体内における、内部構成等を示す構成図である。
図１に示すように、電極対１は、絶縁体によって構成される平板状の下部保持部材３上面に固定された平板状の下電極２（平板状電極）、平板状の上部保持部材１３下面に固定された平板状の上電極１２（平板状電極）によって構成されている。この電極対１は電源４に接続されていて、給電時には、電極間に電圧を印加（Ｚ軸方向）し放電が発生する。電極対１の長手（長辺）方向（Ｘ軸方向）の両端には、放電電圧と光軸が直交するようにレーザ共振器を成す全反射鏡５と部分反射鏡６が固定されており、部分反射鏡６からレーザ光１０（レーザ光軸はＸ軸方向に伸び、レーザ光１０の断面における中心を通る軸とする。）が出射される（レーザ光１０の出射方向は矢印方向とする。）。レーザガスは温度が上がるとレーザ発振効率が下がるため、熱交換器７とブロア８で、筐体９の内部で冷却循環される。そのレーザガス流方向（Ｙ軸方向）は放電電圧の印加方向（Ｚ軸方向）およびレーザ光軸（Ｘ軸方向）と直交している。
【００１０】
図２は、この発明の実施の形態１によるガスレーザ装置の電極形状を示す、Ｘ−Ｙ平面における平面図（図１の下電極２をＺ軸の上から見た図）である。図２では下電極２を例示するが、上電極３も後述する同様の計算方法によってその形状を特定するものであって、その形状の傾向は同様である。ここでは、２ｋｗ出力の炭酸（ＣＯ２）ガスレーザ装置を例に説明する。このクラスの発振器の代表的な仕様は以下のとおりである。
・レーザガス：１０％ＣＯ２ガス、９０％アルゴン（バッファガス）
・電極の長さ：１ｍ
・ビーム径  ：１５ｍｍ
・電極間隔Ｇ：２０ｍｍ
・ガス圧力  ：１３３００Ｐａ（１００Ｔｏｒｒ）
【００１１】
図１のようにガスレーザ装置の筐体９内に配置するブロア（送風機）８を一個とし、そのブロア８でレーザガスを循環させると循環路の中央部の流速は速くなり、周辺部では遅くなる。一般的に、直径３００ｍｍのブロア８を１００Ｈｚで回転させると、上記条件では、図３に示すような電極間のレーザガスの流速分布（Ｘ軸方向に沿って、電極中央部でガス流が大きく、電極両端部においてガス流が小さい。）となる。一方、グロー放電の場合、放電空間の電子同士は互いに反発しあい、空間的にはほぼ均一な電子分布になる。つまり、放電電流、または、放電電力の密度Ａ（W／ｍｍ２）は均一である。よって、流速が速いと、より多い容量のレーザガスに放電電力を供給できる。それによって、レーザガスの温度をあまり上げることなく、レーザ発振に役立つ活性レーザガスがレーザ光軸（光学空洞内）を通過する容量も多くなり、レーザ発振効率がよくなる傾向にある。
【００１２】
しかし、流速が遅いと、少ない容量のレ−ザガスに同一量の電力がつぎ込まれ、レーザガスの温度が上昇し、活性化されたレーザガスがレーザガス同士の衝突で活性状態でなくなり（消光現象）、レーザ発振に役立つ活性レーザガスの容量が少なくなる。また、安定なグロー放電から不安定な火花放電等に移行する。どちらの場合もレーザ発振効率が悪くなる傾向にある。つまり、レーザ出力を上げるために電力を増やすと、中央部が安定放電していても、流速の遅い周辺部の放電状態が悪化し、レーザ発振効率は低下する。
【００１３】
本発明では図２のように下電極２、上電極３の電極形状を流速分布に応じた値となる曲線形状とした。図２に示すように、下電極（平板状電極）２は、レーザガス流方向とレーザ光出力方向とがなす面に対して平行な面内において広がりを持ち、レーザ光出力方向に依存するレーザ光軸１０ａにおけるレーザガス流速の分布が、中央部において大きく、両端部において小さい場合、平板状電極の長辺の両端部がレーザ光軸１０ａに近く、平板状電極の長辺の中央部がレーザ光軸１０ａから遠くなるように、かつ、平板状電極の電極幅Ｈが、レーザガス流方向における中央部で大きく、両端部で小さくなるように、全体として、平板状電極の平面形状が弓形（胡瓜形）となるように形成されている。
【００１４】
ここでは、電極形状を２長辺で定義する。ガス流速上流側の長辺を辺２０１、ガス流下流側の長辺を辺２０２とする。辺２０１と辺２０２間のレーザガス流方向における間隔を電極幅Ｈとし、レーザ光軸１０ａから辺２０２の間隔を距離Ｄとして、本発明である各長辺の形状設定方法を説明する。
＜電極幅Ｈに関して＞
流速方向の電極幅Ｈと流速ｖの比（Ｈ／ｖ）、つまり、レーザガスの放電空間中の滞在時間が一定となるような形状に設定する。放電電力密度Ａはほぼ均一であるから、この設定によって、レーザガスの単位体積当たりの供給エネルギーＱは、ガス流速によらず一定となり、部分的な放電の悪化が発生せず、またガス温度は均一になる。よって、発振効率を維持したまま電力増加ができて、高出力発振が可能となる。
【００１５】
上記した２ｋｗの仕様で具体的に説明する。流速ｖのレーザガスが放電空間に滞在する時間はＨ／Ｖである。この時間に、電力Ａが供給されるから、レーザガスの単位体積当たりの供給エネルギーＱは放電電力密度＊滞在時間／電極間隔＝Ａ・（Ｈ／Ｖ）／Ｇである。この式で、Ａは上記の説明で一定、（Ｈ／Ｖ）は一定に設定する、Ｇは平行平板電極であるから一定、であり、よって、供給エネルギーＱは一定となる。このＱが限界値Ｑmaxを越すと、ガス温度上昇や放電の不安定化などにより、レーザ発振効率が低下する。
【００１６】
代表的な値として、放電しやすいＡの値は１W／ｍｍ２、限界値のＱｍａｘは（0.000025）J／ｍｍ３。よって、中央部ので単位体積当たりの供給エネルギーＱは1・（Ｈ／５０）／Ｇである。この値がＱｍａｘを超えないＨの値は、
1・（Ｈ／５０）／Ｇ＝0.000025
を解いて、
Ｈ＝２５ｍｍ      （中央部）
同様に、端部では
Ｈ＝１５ｍｍ      （端部）  
となる。
実現性を検証する。上記の計算によって電極幅Ｈの平均は約２０ｍｍ、電極長は１０００ｍｍ（１ｍ）であるから、放電電力はＡ＊２０ｍｍ＊１０００ｍｍ＝２０ｋｗとなる。一般にＣＯ２ガスレーザの発振効率は約１０％であるから、２ｋｗ発振器に対して妥当な放電電力である。
【００１７】
＜距離Ｄに関して＞
放電空間中では、放電時間と共に活性レーザガスの量は増加する。一方、活性レーザガスは、時間と共に非活性状態（基底状態や準基底状態など）に自然に遷移し、その遷移量は非活性レーザガスに対する活性レーザガスの割合に比例する。よって、活性レーザガスの密度が最大になるある時間が定義できる（これを励起時間ｔとする。上記条件では約0.3msである）。レーザガスはＹ軸方向に流れているから、活性レーザガスの量はＹ軸方向（ガス流速方向）位置の関数となる（図４）。流速が遅い場合が曲線４１に示すように、活性レーザガス密度のピークがややガス流上流側とすると、流速が速い場合は、曲線４２のように曲線４１より、密度のピークは下流側に移動する。この位置を、レーザ共振器の光軸（光学空洞）に一致させれば、より効率的に発振ができる。距離Ｄは、レーザ光軸におけるレーザガス流速の大きさに応じた値となるように、またレーザガスの励起時間応じた値となるように、かつレーザガス流速ｖと励起される時間ｔの積（ｖ＊ｔ）に等しい値とすることが適する。
【００１８】
具体的に、距離Ｄを、２ｋｗの発振器を例に求めると、
Ｄ＝（ｖ＊ｔ）=５０ｍ／ｓ＊０．３ｍｓ＝１５ｍｍ      （電極長辺中央部）
Ｄ＝（ｖ＊ｔ）=３０ｍ／ｓ＊０．３ｍｓ＝９ｍｍ        （電極長辺両端部）
となる。
つまり、２ｋｗの発振器を高効率に構成するには、レーザガス流方向（Ｙ軸方向）において、電極長辺中央部では、電極のレーザ下流側長辺とレーザ光軸との距離が１５ｍｍとなる配置とし、かつＹ軸方向の電極幅が２５ｍｍとなるように、また、電極長辺の両端部では、電極のレーザ下流側の長辺とレーザ光軸との距離が９ｍｍとなる配置とし、かつＹ軸方向の電極幅が１５ｍｍとなる、その長辺が曲線形状を持った電極を用いればよい。
なお、上記のような単純な流速からの計算で、電極形状（電極幅Ｈ、距離Ｄ）のおおよその傾向を知ることはできる。しかし、必要とされるレーザ光の特性によって、ビームモードや出射方向等の条件が変わるため、電極形状および配置を最適化させるためには、それらの条件を加味して、最終的な調整をすることが必要となる。
【００１９】
また、レーザ光１０（レーザビーム）の断面の径は有限であるが、その断面内で必要とするビームモードに対応した増幅率分布とすることが望ましい。このビームモードの調整が、電極形状および配置を最適化させるための要因の一つである。有限な広さのビーム径のため、要求するモードを得るためには、（共振器以外に）光学空洞内全域に渡って要求される活性ガス分布も変わり、例えば、測定等に使用するガウス分布が必要であれば、光軸中心に活性ガス分布のピークを持ってくるように調整し、加工に使用する場合は、活性レーザガスの密度ピークを、レーザ光軸に一致させるのではなく、ビーム断面内に必要な分布状態にする必要があり、中央がくぼんだ分布（くぼみの両側にピークが有るような分布）が必要であれば、光軸中心に活性ガス分布のピークを配置しないように、距離Ｄは、その断面の径相当分、故意に変化させることになる。
その変化させかたは、そのレーザビーム断面内でほぼ均一な活性レーザガス密度を実現することが通常望ましく、かつ、容易である。活性レーザガスの分布が均一の空間で、発振したレーザ光は、ほぼ軸対称になる。よって、レーザ加工機等に利用する場合、レーザビームが等方的であるため、レーザ加工に方向性が発生しない。
【００２０】
または、活性レーザガスの分布をガウス分布に形成すれば、発振したレーザビームの強度分布もガウス分布になる。レーザ光の強度分布がガウス分布であると、ビームの広がりは理論限界まで低減可能になる。よって、レーザ加工機等に利用する場合、加工対象の広い範囲において均一なレーザ加工を実現できる。
しかし、実用面においての最終調整は、実験データから試行錯誤的に決定する必要がある。
【００２１】
また、活性レーザガスは、レーザ発振に使用されて非活性レーザガスになり、逆にレーザ光を吸収してしまい、発振効率を低下させる。つまり、レーザビーム断面の下流側は活性レーザガスが少なくなると共に、レーザ光を吸収する非活性レーザガスが増えた状態となる。よって、活性レーザガスの密度は下流側に多く分布させる必要がある。この分布度合いは、レーザガスのガス圧や組成、共振器長等によるため、主に実験データから試行錯誤的に決定する必要がある。
【００２２】
さらに、屈折率もレーザガスの状態（温度や励起度合いなど）に依存するため、レーザビーム断面内に屈折率分布が発生し、レーザ光が曲がる。この例を図５に示す。レーザガス流方向における電極対１の両端部の屈折率分布が曲線５１である。これに対し、電極対中央部は流速が速く、活性レーザ密度が低いため、曲線５１より背が低く、下流に流された曲線５２となる。
【００２３】
上述したようにレーザ光１０の出射方向は、電極形状および配置を最適化させるための要因の一つである。レーザビームの屈折率はガスの温度に依存し、有限な大きさのレーザビーム径であるため、その内部での屈折率分布が大きいと、ビームが曲がってしまうという現象が生じる。放電によって高温になった活性ガスが流れて、レーザ発振にそのエネルギーを取られるとガスの温度は下がり、屈折率もそのビーム径内で分布してしまう。この分布は放電エネルギーに依存するため、レーザ光１０の出射方向は、放電エネルギーによって変化し、出射方向が適していないと、レーザ加工等の必要な位置にレーザ光が到達しないという不具合が生じる。そのため、最終的には、レーザ光１０の出射方向が適性な方向となるように、この屈折率分布をも考慮した電極形状設計、さらに実験データ等を踏まえた調整により、最適な活性レーザガス分布が形成可能となる。
【００２４】
また、通常、放電空間ではレーザガスの粘性のために、電極近傍の流速が遅くなる。図６のように、Ｚ軸方向に流速分布が発生する。図６に示した分布の場合は対称形であるため、上電極１２と下電極２は、図７のように上電極１２と、下電極２とを、レーザ光軸からの距離が等しくなるように配置すればよい。
しかし、実際のガスレーザ装置では、図８の筐体内部の側面図に示すように、ガスを循環させているため、ガス流速や温度はＺ方向にも分布し、図９に示すような対称形ではない状態となる場合がある。この主な原因は、レーザガスが小さな半径でカーブすることにより遠心力が働き、下電極２（内側）寄りのガス８２より上電極１２（外側）寄りのガス８１の流速が速くなると同時に密度がわずかに増すためである。この現象を考慮して、レーザビーム断面内で所望の活性レーザガス分布を実現するためには、図１０のように上電極１２を、下電極２よりも、レーザ光軸から離すように調整して配置する必要がある。
【００２５】
このように、ガス流速、励起時間、ガス温度、レーザビーム径、屈折率分布などの情報をもとに、平板状電極の長辺形状を曲線形（部分的に直線形状となることも含めて、全くの一直線ではないという意味）にしたことにより、一対の電極で、活性レーザガス密度（増幅率）の分布を最適化でき、電源の個数を増やすことなく、安定な放電を確保しつつ、レーザビームの強度分布を最適に設定可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
図１１に、電極対１を構成する電極（平板状電極）２ａの変形例を示す。例えば、ブロアが２台使用され、レーザ光軸１０ａの方向に並べられる場合は、レーザガス流速分布は、実施の形態１の場合と異なってくる。レーザガス流速のピークが二つになり、図１２のように流速分布に２個の山ができる。この場合には、電極２ａの形状も図１１のように、主にその流速に合わせて、電極長辺形状を設定すればよい。さらに、ブロアの個数が増えても同様に流速分布測定して、電極形状を決めればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１によるガスレーザ装置を示す外観斜視図および内部構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電極形状を示す上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の説明に必要なレーザガス流速分布を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１の説明に必要な活性レーザガス密度分布を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の説明に必要な屈折率分布を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１の説明に必要なレーザガス流速分布を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１による電極対の配置を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１によるガスレーザ装置の筐体内部を示す側面図である。
【図９】本発明の実施の形態１の説明に必要なレーザガス流速分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１による電極対の配置を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２による電極形状を示す上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の説明に必要なレーザガス流速分布を示す図である。
【図１３】従来技術の説明に必要な回路模式図である。
【図１４】従来技術の説明に必要な回路模式図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、１ａ〜１ｃ  電極対、            ２  下電極
２ａ  電極、                        ３  下部保持部材
４  電源、                            ５  共振器の全反射鏡
６  共振器の部分反射鏡、              ７  熱交換器
８  ブロア（送風機）、                  ９  ガスレーザ装置の筐体
１０  レーザ光                        １０ａ  レーザ光軸
１２  上電極、                        １３  上部保持部材
４１  活性レーザガス密度曲線（低流速）
４２  活性レーザガス密度曲線（高流速）
５１  屈折率分布曲線（電極端部）、      ５２  屈折率分布曲線（電極中央部）
８１  上電極近傍を通過するレーザガス、  ８２  下電極近傍を通過するレーザガス
２０１  電極の上流側長辺、              ２０２  電極の下流側長辺。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008277429.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008277429.tif 000011
【図１０】
2008277429.tif 000012
【図１１】
2008277429.tif 000013
【図１２】
2008277429.tif 000014
【図１３】
2008277429.tif 000015
【図１４】
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