(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側表面および外側表面を有する細長い管状の誘電体ハウジングと、
前記誘電体ハウジングの内部に、前記内側表面に近接して設けられた細長い接地電極と、
前記接地電極に沿って延伸し且つ当該接地電極の内部に画定された複数のレーザチャンネルと、
前記誘電体ハウジングの内部に提供されたレーザガスと、
前記誘電体ハウジングの前記外側表面に沿って延伸し且つ当該外側表面に近接して配置された複数のＲＦ電極であって、各々のＲＦ電極が前記レーザチャンネルの各々のチャンネルに対して位置決めして配置されている複数のＲＦ電極と、
を備えたマルチチャンネルＲＦ励起ガスレーザ装置。
【請求項２】
前記管状誘電体ハウジングは多角形の断面形状を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記管状誘電体ハウジングは矩形の断面形状を有する請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記管状誘電体ハウジングは円形の断面形状を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記管状誘電体ハウジングは、平面側面と湾曲側面を有する実質的にＤ字型の断面形状を有する請求項１記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記接地電極は、前記ハウジングの前記平面側面上に備えられ、かつ、前記接地電極の表面に機械加工された複数のレーザチャンネルを有し、
前記接地電極は、高周波の電気的接地機能を有し、かつ、発生するレーザビームのためのレーザチャンネルを提供する請求項５記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記レーザチャンネルは、前記接地電極の内部で互いに平行に配置される請求項１記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記レーザチャンネルは、前記誘電体ハウジングの一方の端部から他方の端部に向けて、相互に角度をもって配置される請求項１記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチチャンネルＲＦ励起ガス放電レーザに係り、とくに、レーザマーキング／コーディング装置に応用できるマルチチャンネルＲＦ励起ガス放電レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４６１８９６１号において、Sutterは、ガスレーザに使用するための電極の構成を教示しており、これによれば、複数の電極を誘電体管の材料の周囲に配置してレーザの横励起を可能にする種々の構成を示している。この特許と同一の発明者による米国特許第４８９１８１９号には、内側に折り曲げた共振器を設け、スロットを形成した円筒状キャビティの中にＲＦ励起が外部から結合できるようにしたＲＦ励起レーザが示されている。固定反射手段を設けることにより、コンパクトなガスレーザエネルギ源を提供することができる。また、米国特許第５０９５４９０号には、ＲＦ励起ガスレーザの電極の非対称な構成が開示されている。これは、大きな非対称の接地電極を狭く”ホット（hot）”なＲＦ電極とともに使用して円筒状の誘電体管にガスレーザを放電させるものである。
【０００３】
米国特許第４６５２７２２号には、動く基板の表面にマーキング印または耐久性のある変質をもたらすために、固定反射器、ビーム管、および焦点レンズとともに複数のコヒーレントなレーザビームを使用するという開示がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、連続レーザビームを発生させるときの改善を目的としたもので、単一のレーザビームを使用する装置に比べて、より高速なマーキング速度を得ることができるようにしたものである。
【０００５】
上記特許明細書で参照されるタイプの外的ＲＦ励起ガスレーザを使用したマルチチャンネル（デジタル）ガスレーザ・マーキング／コーディング装置を生産するとき、その主要なコストは、小形でマルチの精密に画定された光学的誘電体管の研磨およびそれらの誘電体管を相互間で正確に位置決めする費用に関係する。本発明はまた、この問題を解決することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によって提供されるマルチチャンネルＲＦ励起ガスレーザ装置は、細長い管状の誘電体ハウジングと、前記誘電体ハウジングの内部に前記内側表面に近接して設けられた細長い接地電極と、前記接地電極に沿って延伸し且つ当該接地電極の内部に画定された複数のレーザチャンネルと、前記誘電体ハウジングの内部に提供されたレーザガスと、前記誘電体ハウジングの前記外側表面に沿って延伸し且つ当該外側表面に近接して配置された複数のＲＦ電極であって、各々のＲＦ電極が前記レーザチャンネルの各々のチャンネルに対して位置決めして配置されている複数のＲＦ電極と、を備える。
【０００７】
前記管状誘電体ハウジングは、その断面形状として、多数の様々な断面形状、例えば円形状、矩形状、およびその他の多角形の断面形状の中のいずれか一つに形成できるが、好ましくは、誘電体ハウジングは実質的にＤ字型の断面形状を有する。
【０００８】
誘電体ハウジングにＤ字型の断面形状を採用した場合、前記接地電極はハウジングの平面側面上に備えられ、かつ、その接地電極の表面内部に機械加工された複数のレーザチャンネルを有し、この接地電極は高周波の電気的接地機能を果たし、かつ、発生するレーザビームのためのレーザチャンネルを提供する。かかる構成によって、精度が保証され、再現可能な機械加工面を確実に提供できるようになる。これによって、レーザビーム出力のコンシステンシー（一貫性）が確保される。
【０００９】
この光学的レーザチャンネルは接地電極の内部に互いに平行に形成することができるが、好適には、誘電体ハウジングの一方の端部からもう一方の端部にかけて相互に角度を有するように形成される。角度を付ける構成は、とくに、レーザマーキング／コーディング装置において、レーザビームを個別に集束することの代替構成として有益であり、単一の焦点レンズを利用することができるようになる。角度を付けたレーザチャンネルを用いると、レーザビームは直接、単一のビーム集束システムによって集束させることができる。平行レーザチャンネルを使用すると、レーザビームを集束レンズに向け直すには、さらに、個別のミラーまたはレンズを使用することが必要になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１Ａ〜Ｄのレーザ装置は誘電体ハウジング１を有し、この誘電体ハウジング１は、図１Ｂおよび１Ｃに最も良く表されるように実質的にＤ字型の断面の壁１４を有する。別の構成によれば、このハウジングの断面を矩形状にすることができる。誘電体ハウジング１は、アルミナ（多結晶質のサファイア−Ａｌ2Ｏ3）が好ましいが、強化ガラス（ＳｉＯ2基材）、失透ガラス（ガラスセラミックス）、または酸化金属（ＢｅＯ、ＴｉＯ2など）といったガス不透過性の誘電体材料から形成される。ハウジング１の材料は、励起源として使用されるＲＦエネルギの周波数に一致する１．０ＭＨｚから１．０ＧＨｚの帯域（純アルミナを使った場合）のＲＦエネルギに対して低損失を示すことが要求される。ここに示したハウジング１は、長さが５０ｃｍ、幅が１０ｃｍ、そして深さが５ｃｍであり、公称壁厚が４〜５ｍｍである。別の構成によれば、壁厚は実質的に上記と同程度であることが好適であるが、壁の寸法を大きく変えることも可能である。
【００１１】
機械加工した金属製の接地電極２（この例の場合、純アルミニウムまたはアルミニウム合金）が、レーザハウジング１の壁または両端の２つのエンドプレートの一方に接着により、または機械的に取り付けることで、平坦な内側表面３上に設けられている。この接地電極２にはほかの金属を使用してもよく、それらの金属には、銅、真鍮、または銅を真空めっきしたり、アルミニウム、ニッケル、もしくは金をめっきした鋼鉄（例えばステンレス、インバー（Invar）またはコバー（Kovar））などが含まれる。複数の細長い光学レーザチャンネル４は接地電極２の表面５に機械加工または鋳造され、この表面５はハウジング１の平坦な内側表面３に当接している。図１Ａに最良に示されるように、レーザチャンネル４は、半径が約２〜２．５ｍｍであり、およそ０．５°の相対的な角形成にて互いに向けて角度が付けられている。しかし、平行チャンネルを使った別の構成を採用することもできる。上述よりも長い接地電極を備えた別の構成の場合、レーザチャンネル間の角度を減らすことができ、チャンネルの最低半径は接地電極の長さの平方根に比例して拡大することができる。同様に、レーザチャンネルが最も密に配置されている端部においてレーザチャンネルの間隔を適合させるために接地電極の長さを長くした場合、接地電極の幅が増加するため、レーザハウジングの幅も広げる必要があることもある。
【００１２】
スペース６の内部には従来のレーザガス・バラストが提供され、また、個々のＲＦ電極７は誘電体ハウジング１の外部に沿って延伸し、そのハウジング１の外側の平面状表面８上に、レーザチャンネル４に対して位置決めした状態で配置されている。一連の小さいな孔（直径は１〜３ｍｍ）をレーザチャンネルの長さ方向に沿って、２〜５ｃｍずつ離して設けることができ、これにより、レーザチャンネルとバラスト容積との間のガスの換気が生じるようにしてもよい。これらの孔はガスがバラスト容積からレーザチャンネルに流れることができるように機能し、その結果、パルスモード動作でのレーザ出力パワーを上げることができる。好適には、連続発振の炭酸ガスレーザ出力中のレーザガスの混合割合は、波長１０．６μｍで、概略、二酸化炭素が１２％、窒素および／または一酸化炭素が１２％、キセノンが５％、ヘリウム７１％である。二酸化炭素の割合を上げることによりこの混合比を変えて、パルスレーザの動作に最適なパフォーマンスを得ることができる。レーザガスは、密封可能な管１６を通して導入され、この密封可能な管１６を挟んで締め付けるか又は適当な弁１７によって弁締めして、レーザハウジングが密封される。別の構成としては、ハウジング１のもう一方の端に第２のガス出口を付加し、装置内でガス流を使用できるようにすることができる。装置内でのガス圧は典型的には、６０トル（Torr）であり、レーザチャンネルの半径に逆比例して変わる。
【００１３】
ハウジング１の両方のエンドプレート１５には、レーザ光学マウント９が従来の方法で取り付けられている。このエンドプレート１５の少なくとも一方は電気的に接地電極２に結合されている。このエンドプレート１５はアルミニウムまたはアルミニウム合金で形成しているが、その代わりとしては、銅、真鍮、または銅を真空めっきしたり、アルミニウム、ニッケル、もしくは金をめっきした鋼鉄（例えばステンレス、インバー（Invar）またはコバー（Kovar））で形成することができる。このエンドプレート１５は、合成ゴム性のまたは金属性のシール（図示せず）によりハウジング１に封止される。好適には、これらエンドプレートはビトン（Viton）（エラストマー）または金属インジウム合金で形成される。この両エンドプレート１５は、適当なクランプデバイスまたは長く捩じ切りしたロッド（図示せず）によってハウジング１にボルト締めされており、それらのデバイスやロッドがハウジングに高い圧縮力を与えて、確実にエンドプレートの密封を行う。その代わりに、この両エンドプレート１５はニッケルメッキのコバー（Kovar）で形成し、このプレートをアルミナ製のハウジング１に高温でろう付けしてもよい。
【００１４】
この両端の光学マウント９は反射ミラー１０、１０’を有しており、この反射ミラーは装置の両端で互いに異なるものである。一方の端の反射ミラーは、レーザ照射に対して実質的に１００％の反射を呈するもので、例えば、所望の波長で反射率を最適化（波長１０．６μｍで反射率が９９％より大）するために、反射強化コーティング膜を有する研磨シリコンで形成される一方、その大体の寸法は直径６ｍｍで、厚さ３ｍｍに形成されている。このコーティング膜を変えて、一酸化炭素ガスレーザおよび炭酸ガスレーザ用のほかの波長（５〜１２μｍ）も最適化できる。もう一方の端に設けた別の対向するミラーは、上述と同様のサイズに形成され、所望の波長で部分反射し（反射率９０％〜９５％）、そして反射強化コーティング膜を有するセレン化亜鉛で形成されている。ほかに適用可能な材料は、ゲルマニウム、テルル化カドミウム、およびシリコンであり、全て反射強化コーティング膜を備えるものである。これらのミラーはレーザアセンブリに取り付けられ、取付けねじ（好適にはミラー毎に３または４個）を備える光学保持装置を使って各レーザチャンネルに対して整列させる。これらのミラー１０は、エラストマー性（例えばビトン（Viton））または金属性（例えばインジウム金属合金）のシールに圧縮され、各エンドプレート１５に気密に接着されるマウント９上でこのシールが支持され、これにより、反射器光学系の整列用の基準面が提供される。
【００１５】
図１Ｅは、このレーザ装置のＲＦ励起を提供する回路を示している。このＲＦ励起は、ＲＦ電極７上の高周波、高電圧の電場を使って各レーザチャンネル４に高電圧電場を生成することで得られ、かかる高周波、高電圧の電場は、ＲＦ発生器１８で発生され、５０オームＲＦケーブル１９を通して供給され、そして、整合用ネットワークを介してその信号が高電圧電源に変換されて成る２００〜２５０ワットのＲＦ信号によって与えられる。その整合用ネットワークは、直列のインダクタンス２１および並列のコンデンサ２２を備える。接地電極２に接続されるエンドプレート１５は、整合ネットワークに接地される。
【００１６】
図１Ａ〜１Ｅに示され且つ上述されたレーザ装置は、およそ１０．６μｍの波長で１０〜２０ワットのレーザパワーを出力するように設計されている。
【００１７】
図２および３は、誘電体ハウジングの別の幾何学的形状を示しており、他のコンポーネントの構造も対応して変更されている。同一の参照符号が用いられているが、例えば、誘電体ハウジングが円形状である図２では、接地電極２も同様に形状的に管状で、その円周部分にわたって光学レーザチャンネル４が設けられ、または形成されていることが分かる。誘電体ハウジングが矩形形状を示す図３の場合は図１Ａ〜Ｄのものにもっと類似しており、接地電極２が、矩形状の誘電体ハウジングの長い側の壁の一方と境を接する一方の平面状表面に形成されているレーザチャンネル４を有する。
【００１８】
マーキング／コーディングに使用するマルチチャンネル・レーザ装置の１つの重要な特徴は、ビーム集束装置を有していることである。図４は本発明において使用可能なビーム集束装置の１つの実施例を示しており、図５は別の実施例を示している。使用されているレンズの幾何学的形状及び構成並びに焦点距離により、レーザチャンネルから放射されたレーザが生成することができるマークのドットサイズおよびドット間隔が決められ、また、ドットの分離は、集束レンズの位置におけるレーザビーム間の角度を変えることにより、個別に又はグループ毎に調節することができる。図４は、対象物１３に入射するマルチビーム１１を集束させるため、単一の最終集束レンズ１２を使用した第１の構成を示している。図５は、同一の目的を達成するために、複数の最終集束レンズ１２を使用する例を示している。
【００１９】
図６は、単一の最終集束レンズ（図４に従う）を使用する幾何学的形状を示すもので、このレンズ１２はレーザチャンネル４の光学的端部から距離Ｄ1の位置が焦点距離ｆであり、このレンズは集束レンズから距離Ｄ2の位置でほぼ面状の表面に一連の集束レーザスポットを形成する。
【００２０】
図７は、図４および５の装置で提供されるビームの内の１対の近接レーザビームについて、その光学的構成を示すもので、回折効果を示している。図７において、レーザビームの隣接対は相互に角度φを有し、最も接近した位置の中心間で距離Ｙだけ離れている。各レーザ開口（内径Ｗ1）を出射する各レーザビームはその出射開口の遠視野中に角度θで広がり、焦点距離ｆのレンズによって直径Ｗ2のスポットに集束され、隣接レーザビーム１１によって形成された隣接スポットから距離Ｓだけ離れる。
【００２１】
この動作の理論を説明する。
【００２２】
最も低次のガウス・レーザビームに関する標準的な光学理論に従えば、以下のように計算できる。
【００２３】
最初に、基礎的なレーザ理論から、ガウス・ビームウエスト”Ｗ1”を有するレーザ開口から出射するレーザビームのレーザビーム拡り角が与えられ、それは、
【数１】
0003841921.tif 000002
の関係によって与えられる。ここで、λは導波管を出射する光の波長であり、πは３．１４１５９で近似される物理定数である。
【００２４】
レンズにより集束されるガウス・レーザビームの場合、掲題の大抵の標準テキストで見ることができる以下の関係式が容易に導出される。すなわち、
0003841921.tif 000003
および、
0003841921.tif 000004
である。
【００２５】
最後に、レーザチャンネル間の角度が小さいという標準条件を導入すると、”tan（φ）”の値は”φ”に等しいと近似でき、簡単な幾何学的関係
【数２】
0003841921.tif 000005
になる。
【００２６】
したがって、これらの式の組から、幾何学的関係のパラメータ（”Ｗ1”，”Ｄ1”，およびφ）ならびに光学的パラメータ（”ｆ”および”λ”）の組が与えれたとき、集束されたスポットサイズ”Ｗ2”、スポット分離”Ｓ”を導出することができる。
【００２７】
計算例
一例として、以下の値が与えられたとする。
【００２８】
”λ”  ＝  １０．６×１０-4（炭酸ガスレーザの波長）
”ｆ”  ＝  ５．０ｃｍ
”Ｗ1”＝  ０．４０ｃｍ
”Ｄ1”＝  １３０ｃｍ
”φ”  ＝  ０．０１ラジアン
このため、これらの値から以下の値を導出できる。
【００２９】
”θ”  ＝  ０．０３３７ラジアン  （式１から）
”Ｗ2”＝  ０．０１１６ｃｍ      （式２から）
”Ｄ2”＝  ５．１ｃｍ            （式３から）
”Ｓ”  ＝  ０．５１ｃｍ          （式４から）
上記値は、３．０ｍｍを僅かに越える７ドット文字の高さに対して典型的な値であり、その場合、文字高さ”Ｈ”は、
Ｈ＝（Ｎ−１）Ｓ＋Ｗ2
に等しい。ここで、”Ｎ”はマークの高さを成すドット数である。
【００３０】
図５に示す第２のビーム集束の実施例を説明すると、送信されたマルチレーザビームはマルチ集束用レンズ１２によって対象物１３上に集束させることができる。このレンズの幾何学的形状及び構成並びに焦点距離により、対象物におけるマークのドットサイズおよびドット間隔が決まる。ドットの分離は、集束用レンズ位置でのレーザチャンネルの角形成（アンギュレーション）を変化させることにより、個別にまたはグループ毎に調整することができる。この実施例におけるスポットサイズおよびスポット分離の計算は、ビーム集束の実施例＃１（上述の式２および４参照）で既に説明した同一の光学的理論に従って行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】好適な実施例に係るレーザ装置の側面図である。
【図１Ｂ】好適な実施例に係るレーザ装置の左端断面図である。
【図１Ｃ】好適な実施例に係るレーザ装置の右端断面図である。
【図１Ｄ】好適な実施例に係るレーザ装置の左端面図である。
【図１Ｅ】図１Ａ乃至図１Ｄに示すレーザ装置用のＲＦ供給回路の概略構成図である。
【図２】円形状の断面をした装置の断面を示す図である。
【図３】矩形状断面を有する装置を示す図である。
【図４】ビーム形成の実施例を示す図である。
【図５】ビーム形成の実施例を示す図である。
【図６】角度付けしたマルチレーザとそれらの焦束形成との幾何学的関係を説明する図である。
【図７】角度付けしたマルチレーザとそれらの焦束形成との幾何学的関係を説明する図である。
【図１Ａ】
0003841921.tif 000006
【図１Ｂ】
0003841921.tif 000007
【図１Ｃ】
0003841921.tif 000008
【図１Ｄ】
0003841921.tif 000009
【図１Ｅ】
0003841921.tif 000010
【図２】
0003841921.tif 000011
【図３】
0003841921.tif 000012
【図４】
0003841921.tif 000013
【図５】
0003841921.tif 000014
【図６】
0003841921.tif 000015
【図７】
0003841921.tif 000016