(57)【要約】【課題】絶縁接合部の放電移行防止と絶縁接合部内での損失低減を可能にし、効率よく大出力のレーザビームを得るガスレーザ発振装置を提供する。【解決手段】本発明のガスレーザ発振装置は、レーザ媒体を励起する放電部と、前記レーザ媒体であるレーザガスを送風する送風部と、前記放電部と前記送風部とを接続するレーザガス流路と、前記放電部の軸上に配置された少なくとも２枚以上のミラーと、前記ミラーと前記放電部の空間を絶縁かつ結合する接続部を有し、前記接続部にはレーザ光を透過し、かつ、前記ミラー側の空間と前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間を分断する透過板を備えたものである。【選択図】図１
2017028211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒体を励起する放電部と、
前記レーザ媒体であるレーザガスを送風する送風部と、
前記放電部と前記送風部とを接続するレーザガス流路と、
前記放電部の軸上に配置された少なくとも２枚以上のミラーと、
前記ミラーと前記放電部の空間を絶縁かつ結合する接続部を有し、
前記接続部にはレーザ光を透過し、かつ、前記ミラー側の空間と前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間を分断する透過板を備えたガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記ミラー側の空間と前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間のそれぞれに、レーザガス導入口と排気経路を設け、
前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間のガス圧に対して、前記ミラー側の空間のガス圧を低くした請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間のレーザガス導入口を、前記透過板と前記レーザガス流路の間に設けた請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記接続部の外側表面に凹凸を設けた請求項１から３のいずれか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、ガスを媒質としてレーザを発生するガスレーザ発振装置に関し、特に、ガス媒質の励起放電の安定性向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４を用いて、従来のガスレーザ発振装置について説明する。
【０００３】
ガスレーザ発振装置では、レーザ媒質となる炭酸ガス等の混合ガス（以下レーザガスと称する）をガラス等の放電管９０１内に導入する。そして、管内へ電界を印加して放電させることによりレーザ光を発生させる。キロワットクラスの高出力レーザでは混合ガスは放電管９０１に封入されるのではなく、常に新しいガスを放電空間９０５へ流入させて循環させる方式がとられる。
【０００４】
このような循環方式のガスレーザ発振装置には同軸流型と３軸直交型とがある。同軸流型のガスレーザ発振装置では、レーザガスの流れる方向９０９、放電の方向、対向配置されたミラー９０６、９０７間で共振されるレーザビーム９０８を取り出す方向が同じであり、取り出されたレーザビームを、例えば被加工物に照射することで被加工物を切断するなどの加工が行われる。
【０００５】
放電空間９０５とミラー９０６、９０７の間は絶縁を保つために絶縁接合部９１４を設けている。また、ガス流に含まれる微量の不純物がミラーへ付着してレーザ発振効率の低下などを引き起こすことを防止するために、ミラー９０６、９０７を絶縁接合部９１４によりガス流から離し、ガス流がミラー近傍を流れない構造がとられる。
【０００６】
絶縁性は温度に依存するため、絶縁接合部９１４を外部からの送風９２４により冷却して絶縁接合部９１４の温度上昇を抑制するようにしていた（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−２４７１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のガスレーザ発振装置では、絶縁接合部への放電移行と絶縁接合部における損失の増大という２つの問題をかかえている。
【０００９】
絶縁接合部内ではレーザガスが循環しないため、放電空間で発生する熱の伝熱や輻射、ミラー表面での散乱光の照射などにより熱がこもりやすく温度が上昇しやすい傾向がある。このようにして絶縁接合部の温度が上昇すると、絶縁接合部内部空間において放電開始電圧が低下する。
【００１０】
そのため、本来であれば、放電空間で放電することで適切な共振状態を得ることができるが、上記のような理由により、絶縁接合部内部が高温になり放電開始電圧が低下すると、こちらに放電が移行するという問題が発生していた。
【００１１】
放電が移行すると絶縁接合部内部の温度が急激に上昇し、ミラーなどの周辺部材の耐熱温度を超え、損傷を発生させる原因となっていた。
【００１２】
また、上記放電移行を防ぐために絶縁接合部の長さが必要以上に長くなり、絶縁接合部内部をレーザビームが通過するときの損失が増大し、高効率なガスレーザ発振装置を実現する妨げとなっていた。
【００１３】
たしかに、絶縁接合部を外部からの送風により冷却し絶縁接合部の温度上昇を抑制するは、放電移行を防止することに対して一定の効果を得ることができる。しかし、絶縁接合部内の放電開始電圧を放電空間と同程度以上まで上げることはできないため、絶縁接合部の長さが放電空間の長さ以上必要となる。
【００１４】
そのため、板金切断や溶接などの用途拡大のため、顧客から大出力化を求められる昨今のガスレーザ発振装置において、高効率かつ大出力のガスレーザ発振装置を実現するには上記手段では損失低減の観点からは不十分であり、より大きな効果を得ることができる構成が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本開示の実施の形態に係るガスレーザ発振装置は、レーザ媒体を励起する放電部と、前記レーザ媒体であるレーザガスを送風する送風部と、前記放電部と前記送風部とを接続するレーザガス流路と、前記放電部の軸上に配置された少なくとも２枚以上のミラーと、前記ミラーと前記放電部の空間を絶縁かつ結合する接続部を有し、前記接続部にはレーザ光を透過し、かつ、前記ミラー側の空間と前記放電部及び前記レーザガス流路側の空間を分断する透過板を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
上記の構成により、本発明に係るガスレーザ発振装置では、放電空間と絶縁接続部を遮断しガス圧差を設けることで、絶縁接合部の放電開始電圧が高まり、絶縁接合部の放電移行防止と絶縁接合部内での損失低減を可能にし、効率よく大出力のレーザビームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態１に係るガスレーザ発振装置の構成図である。
【図２】パッシェンの法則によるガス圧と放電距離の積と放電開始電圧の関係を示すグラフである。
【図３】実施の形態１に係るガスレーザ発振装置の絶縁接合部の異なる変形例を示す図である。
【図４】従来技術に係るガスレーザ発振装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００１９】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態の一例に係るガスレーザ発振装置の構成を示す。ガスレーザ発振装置１００は、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、電源１０４と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７と、レーザガス流路１１０と、送風部１１１と、熱交換器１１２、１１３と、絶縁接合部１１４と、絶縁保持体１１５と、透過板１１６を有している。さらに内部の吸排気のために、レーザガスボンベ１２８と、排気部１１７と、第１の排気弁１１８および第２の排気弁１１９と、第１の排気経路１２０および第２の排気経路１２１と、第１のレーザガス導入口１２２および第２のレーザガス導入口１２３と、第１のレーザガス供給路１２４および第２のレーザガス供給路１２５と、第１の供給弁１２６および第２の供給弁１２７を備えている。
【００２０】
放電管１０１は耐熱性のホウケイ酸ガラス等の誘電体からなり、電極１０２、１０３は放電管１０１の周辺に設けられ、電源１０４は電極１０２、１０３に接続される。電極１０２、１０３の間に挟まれた放電管１０１内で放電空間１０５が形成される。放電部は以上のように構成される。
【００２１】
また、本実施の形態では２つのミラーを有している例を示している。２つのミラーの全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７は、放電空間１０５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。レーザビーム１０８は部分反射鏡１０７より出力される。
【００２２】
レーザガス流１０９は放電管１０１と接続されたレーザガス流路１１０内を送風部１１１により循環しており、その流速は放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃを得ている。熱交換器１１２、１１３は放電空間１０５と送風部１１１の運転により上昇したレーザガスの温度を下げる役割を有す。
【００２３】
放電管１０１に設けられた電極１０２、１０３には放電のため高電圧が印加されるため、放電管１０１と全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７の間は絶縁接合部１１４により接続されている。また、放電管１０１自身も絶縁保持体１１５により保持されている。
【００２４】
透過板１１６は、ミラー側、即ち、全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７側の空間と、放電部およびレーザガス流路側の空間に、絶縁接合部１１４内の空間を分断する。
【００２５】
排気部１１７は、透過板１１６により分断されたミラー側の空間と放電部およびレーザガス流路側の空間を減圧させるために用いる。ロータリーポンプなどの真空ポンプを用いることが一般的である。排気の有無は、ミラー側の空間では第１の排気経路１２０を介し第１の排気弁１１８の開閉にて行う。放電部およびレーザガス流路側の空間では第２の排気経路１２１を介し第２の排気弁１１９の開閉にて行う。
【００２６】
また、上述の２種類の空間はそれぞれレーザガス導入口を有している。ミラー側の空間では、第１の供給弁１２６の開閉によりレーザガスボンベ１２８から第１のレーザガス供給路１２４と第１のレーザガス導入口１２２を介して新しいガスが供給される。放電部およびレーザガス流路側の空間では、第２の供給弁１２７の開閉によりレーザガスボンベ１２８から第２のレーザガス供給路１２５と第２のレーザガス導入口１２３を介して新しいガスが供給される。
【００２７】
以上が本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置の構成である。次にその動作について説明する。
【００２８】
送風部１１１より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１１０を通り放電管１０１内へ導入される。この状態で電源１０４に接続された電極１０２、１０３から放電空間１０５へ高電圧を印加し放電を発生させる。
【００２９】
放電空間１０５内のレーザガスは、この放電エネルギを得て励起され、その励起されたレーザガスは全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【００３０】
次に本発明の実施の形態に係るガスレーザ発振装置の特徴部分について説明する。
【００３１】
本発明では透過板１１６により絶縁接合部１１４内でミラー側の空間と放電部およびレーザガス流路側の空間を分断し、ミラー側の空間を排気部１１７により減圧することで、ミラー側の空間のガス圧を放電部およびレーザガス流路側の空間のガス圧以下とすることを特徴としている。その手順を以下に説明する。
【００３２】
ガスレーザ発振装置を起動する際、始めに第１の供給弁１２６および第２の供給弁１２７を閉じ、且つ第１の排気弁１１８および第２の排気弁１１９を開き、排気部１１７にて装置内部を減圧する。次にガス圧が０．００５ｋＰａ程度（根拠は後述）まで達したら第１の排気弁１１８を閉じ、ミラー側の空間のガス圧を０．００５ｋＰａ程度で保つ。
【００３３】
一方、放電部およびレーザガス流路側の空間は第２の排気弁１１９を閉じ、かつ第２の供給弁１２７を開き、レーザ発振に最適なガス圧（例えば十数ｋＰａ程度）に達するまでレーザガスを充填する。以上により、前記２種類の空間それぞれを個別の所定ガス圧にすることができる。
【００３４】
なお、放電部およびレーザガス流路側の空間では放電によりガスの乖離等が生じ、レーザガスが使用とともに徐々に劣化するため、第２の排気弁１１９および第２の供給弁１２７を適時開閉し、空間内部のレーザガスを新鮮な状態に保つ。
【００３５】
また、ガスレーザ発振装置停止の際には、第１の排気弁１１８および第２の排気弁１１９を閉じ、かつ第１の供給弁１２６および第２の供給弁１２７を開くことで、レーザガスを充填し両空間のガス圧を均一に戻す。なお、本発明の構成ではミラー側の空間のガスは放電および光共振に寄与しないため、レーザガスではなくドライエア等のガスを充填してもよい。
【００３６】
ところで、レーザガス流１０９内には、電極１０２、１０３の磨耗粉などの不純物が微量ながら含まれ循環している。そのため、レーザガス流１０９が全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７近傍を流れると不純物が全反射鏡１０６や部分反射鏡１０７表面に付着して、レーザ発振効率の低下などを引き起こす。そのため、従来では全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７と放電管１０１の間に絶縁接合部１１４を設け、絶縁接合部にはレーザガス流１０９が流れない構造としていた。
【００３７】
しかしながら、ガスの循環がないため、絶縁接合部１１４の温度は上昇しやすく、放電開始電圧が低下し、電極１０２からの放電移行を引き起こすため、放電空間１０５以上の長さが絶縁接合部１１４には必要となり、絶縁接合部１１４を通過するレーザビームの吸収損失を増大させることにつながっていた。
【００３８】
そこで本発明の実施形態ではレーザビームを透過する透過板１１６を放電空間１０５およびレーザガス流路１１０の近傍に配置し、全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７側の空間とガスを分断することで、レーザガス流１０９の全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７近傍への流入を防止し、かつ、排気部１１７により全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７側の空間を減圧することで透過板１１６と全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７間の放電開始電圧を増大させ、放電移行を防止する。
【００３９】
一般に知られているパッシェンの法則によると放電開始電圧は媒体となるガスの圧力と放電距離の積に依存する。図２はパッシェンの法則によるガス圧と放電距離の積と放電開始電圧の関係を示すグラフである。このグラフに示すように透過板１１６と全反射鏡１０６の間の空間、透過板１１６と部分反射鏡１０７の間の空間のそれぞれを減圧することで、本空間の放電開始電圧を増大させることができる。
【００４０】
例えば、透過板１１６と全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７間の長さを１００ｍｍ程度とした場合、図２のグラフにより、約０．００５ｋＰａ程度まで減圧すれば放電開始電圧を十分に大きくできることがわかる。また、これによる追加効果として透過板１１６と全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７間の空間の分子数が大幅に減少するため、レーザビーム通過時の吸収損失を大きく低減できる。
【００４１】
以上のように、透過板１１６と全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７間の放電開始電圧を大きく上昇させることができるため、絶縁接合部１１４の短縮が可能となる。
【００４２】
例えば、放電空間１０５の長さを２５０ｍｍとした場合、従来では経験上、絶縁接合部１１４の長さは４００ｍｍ程度必要であったが、本発明の効果により２００ｍｍ程度まで短縮可能である。
【００４３】
この数字は、あくまでも放電開始電圧を下げることが可能であるのが前記空間内部であり、大気にさらされる前記空間外部で絶縁破壊しないだけの沿面距離を確保することが必要であることを考慮しての数字である。そのため、図３に示すように外側表面に凹凸を持たせ、沿面距離を増大させた絶縁接合部３０１を用いることで、さらに、１００ｍｍ程度まで絶縁接合部を短縮することができる。
【００４４】
このことにより、共振器長が短くなるため、回折損失の低減も期待でき、従来に比べガスレーザ発振装置の小型化も可能である。
【００４５】
続いて、透過板１１６についても詳しく説明する。
【００４６】
透過板１１６は全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７間で構成される光共振空間内に配置されるため、レーザビームを透過する必要がある。レーザ媒質として炭酸ガスを用いる場合、生成されるレーザビームの波長は主に１０．６μｍであるため、この波長帯に対して高い透過率をもつセレン化亜鉛やＣＶＤダイヤモンド製の透過板を用いることが効果的である。
【００４７】
ただし、一般的な共振用の反射鏡のように、光の吸収および散乱を防止するための非晶質の誘電体多層膜がコーティングされた透過板用いると、放電空間１０５の近傍で使用するため、その電界によりコーティングが損傷をうける危険性がある。そのため、ノンコーティングのものを使用することが効果的である。
【００４８】
また、透過板１１６はレーザガス流１０９の近傍で使用することになり、前記した不純物が付着し、透過率を低下させることが予想される。そのため、図１に示すように、透過板１１６近傍の位置に第２のレーザガス導入口１２３を設けるとよい。具体的には、第２のレーザガス導入口１２３を透過板１１６とレーザガス流路１１０の間に設ける。このようにすることで、新しいレーザガスが透過板１１６側からレーザガス流路１１０へ向けて導入されるので、不純物の付着を防止することが効果的である。
【００４９】
以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、放電空間と絶縁接続部を遮断しガス圧差を設けることで、絶縁接合部の放電開始電圧が高まり、絶縁接合部の放電移行防止と絶縁接合部内での損失低減を可能にし、効率よく大出力のレーザビームを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかるガスレーザ発振装置は、絶縁接合部の放電移行防止と絶縁接合部内での損失低減を可能にし、効率よく大出力のレーザビームを得ることができるものであり、ガスを媒質としてレーザを発生するガスレーザ発振装置等において有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１００    ガスレーザ発振装置
１０１    放電管
１０２、１０３    電極
１０４    電源
１０５    放電空間
１０６    全反射鏡
１０７    部分反射鏡
１０８    レーザビーム
１０９    レーザガス流
１１０    レーザガス流路
１１１    送風部
１１２、１１３    熱交換器
１１４    絶縁接合部
１１５    絶縁保持体
１１６    透過板
１１７    排気部
１１８    第１の排気弁
１１９    第２の排気弁
１２０    第１の排気経路
１２１    第２の排気経路
１２２    第１のレーザガス導入口
１２３    第２のレーザガス導入口
１２４    第１のレーザガス供給路
１２５    第２のレーザガス供給路
１２６    第１の供給弁
１２７    第２の供給弁
１２８    レーザガスボンベ
３０１    絶縁接合部
９０１    放電管
９０５    放電空間
９０９    レーザガスの流れる方向
９０６、９０７    ミラー
９０８    レーザビーム
９１４    絶縁接合部
９２４    送風
【図１】
2017028211.tif 000003
【図２】
2017028211.tif 000004
【図３】
2017028211.tif 000005
【図４】
2017028211.tif 000006