JPH05259553A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低出力低デューティのパルス運転時において
も、ある繰り返し周波数以下での放電着火ミスを防止す
る。 【構成】放電管７に配した電極８よりレーザ媒質ガスの
流れの上流側でかつレーザ共振器の光軸上から外れた位
置に予備放電を発生する空洞共振器21を配し、かつその
空洞共振器21に空洞導波管22を接続した上、その空洞導
波管22にスタブチューナー24を介してマグネトロン23を
接続し、このマグネトロン24にて発生させたマイクロ波
電力を放電管７内に伝送して予備放電を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発生したレーザ光を利
用して金属などの切断、溶接、熱処理などを行う工業用
のレーザ発振装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来のレーザ発振装置について図
面を参照にしながら説明する。図３は従来の高速軸流型
レーザ発振装置の構成図である。図３において、出力鏡
ホルダー１の一方端には出力鏡２が設けられ、他方端に
はメインフランジ３ａが設けられている。また、終端鏡
ホルダー４の一方端には終端鏡５が設けられ、他方端に
はメインフランジ３ｂが設けられている。これらメイン
フランジ３ａ、３ｂと集合ブロック６の間にはそれぞれ
放電管７が設けられ、その放電管７を挟むように電極８
がそれぞれ設けられている。さらに、電極８の一方は接
地され、他方は銅板９、整合回路10さらに同軸ケーブル
11を介してＲＦ電源12に接続されている。このＲＦ電源
12から放電管７に電力を注入するためにはインピーダン
ス整合が重要で、ＲＦ電源12が一般に出力インピーダン
ス50オームで出力されているため、50オームのインピー
ダンスを持つ同軸ケーブル11などでレーザ共振器近くに
設置されている整合回路10に接続される。さらに、整合
回路10からは銅板９などで放電管７毎に設けた電極８に
並列接続され、整合回路10で放電管７側のインピーダン
スにインピーダンス変換され、ＲＦ電力が低損失でＲＦ
電源12から放電管７まで伝送される。

【０００３】また、送風器13の一方端とメインフランジ
３ａ、３ｂの間、および送風器13の他方端と集合ブロッ
ク６の間はそれぞれ、熱交換器14を介して配管15で連結
されている。以上のメインフランジ３ａ、３ｂ、集合ブ
ロック６、放電管７、および配管15により真空容器が構
成され、この真空容器内にレーザ媒質ガスを充満させ
る。このレーザ媒質ガスを冷却する目的で配管15の途中
に熱交換器14が設けられている。

【０００４】上記構成により、以下、その動作を説明す
る。まず、真空容器にレーザ媒質ガスを充満させ、一定
圧力で保持すると同時に送風器13でレーザ媒質ガスを真
空容器内で循環させる。この循環させた放電管７内のレ
ーザ媒質ガスにＲＦ電源12からの出力を同軸ケーブル1
1、整合回路10、銅板９、さらに放電管７の外部に設け
られた電極８を通じて注入し、レーザ媒質ガスを放電さ
せてレーザ光を発生させる。発生したレーザ光は出力鏡
２と終端鏡５と放電管７から構成される光共振器で増幅
され、その一部が出力鏡２から外部に取り出されて加工
などに利用される。

【０００５】このとき、熱交換器14は、放電管７で発生
した熱、および送風器13でレーザ媒質ガスを圧縮する際
に発生した熱などを除去してレーザ媒質ガスを冷却す
る。また、光共振器を構成するためには出力鏡２と終端
鏡５が平行に維持される必要があるが、出力鏡ホルダー
１と終端鏡ホルダー４を用いて微調整を行い、出力鏡２
と終端鏡５を平行に保つ。このため、メインフランジ３
ａ、３ｂ、集合ブロック４は構造的に強固に構成されて
おり、熱膨張や外力に対してミラーの角度が変化しない
ように十分な強度を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、実際にＲＦ電源12を整合回路10を介して
レーザ発振器に接続すると、パルスＯＮ時とパルスＯＦ
Ｆ時の放電管７のインピーダンスが極端に異なることに
より、特に低出力低デューティのパルス運転時に十分な
電力が放電管７に伝送できず放電開始に十分な電界がか
からないため、ある繰り返し周波数以下で放電の着火ミ
スが発生するという問題があった。

【０００７】本発明は上記従来の問題を解決するもの
で、パルスＯＮ時とパルスＯＦＦ時の放電管のインピー
ダンスが極端に異なるために低出力低デューティのパル
ス運転時においても、ある繰り返し周波数以下での放電
着火ミスを防止することができるレーザ発振装置を提供
することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のレーザ発振装置は、複数の放電管とその両端
部に具備されたミラーを有するレーザ共振器にレーザ媒
質ガスを循環させ、前記複数の放電管の外部にそれぞれ
配設された電極を介して前記レーザ媒質ガスに高周波電
力を伝送し、前記放電管内で前記レーザ媒質ガスを放電
させてレーザ光を発生させるレーザ発振装置であって、
前記放電管外部の電極部よりレーザ媒質ガスの流れの上
流部に設けられ、予備放電を発生する空洞共振手段と、
前記空洞共振手段にマイクロ波電力を伝送する空洞導波
管と、前記マイクロ波電力を発生するマグネトロンとを
備えたものである。

【０００９】また、本発明のレーザ発振装置の空洞共振
手段は、レーザ共振器の光軸上から外れた位置に設けら
れたものである。

【００１０】

【作用】上記構成により、放電管のレーザ媒質ガス上流
部に予備放電区域があるので、レーザ媒質ガスの流れに
より一部電離したプラズマが放電管に流れ込んで放電管
内のインピーダンス変化が少なくなり、低出力低デュー
ティのパルス運転時においても放電の着火が安定化して
パルスの制御可能範囲は拡大し、従来のようなある繰り
返し周波数以下での放電着火ミスは防止される。また、
マイクロ波は指向性が強く予備放電領域に集中して電力
を投入するこができて安定化したプラズマが生成される
だけではなく、空洞共振手段の幾何学設計を最適化する
ことで空洞共振手段の冷却も不要となり、構造的に簡単
でかつ電源にマグネトロンを使用できて安価な予備放電
装置が得られる。さらに、予備放電領域を電極よりレー
ザ媒質ガスの流れの上流部でかつレーザ共振器の光軸上
に存在しない位置に配するので、パルスＯＦＦ時に不要
なレーザ光が誤って出力される心配もなく、安全でかつ
レーザ加工空走時にワークに傷をつけることがない信頼
性の高い予備放電装置が得られる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。なお、従来例と同一の作用効果を奏
するものには同一の符合を付してその説明を省略する。

【００１２】図１は本発明の一実施例を示す高速軸流型
レーザ発振装置の構成図である。図１において、予備放
電を発生する空洞共振器21は、複数の放電管７とその両
端に具備されたミラーとしての出力鏡２および終端鏡５
とを有するレーザ共振器の光軸上から外れた位置に設置
され、すなわち、空洞共振器21はレーザ共振器の光軸上
には存在しない。また、空洞共振器21は、放電管７の外
部で放電管７にほぼ平行に配した電極８よりレーザ媒質
ガスの流れの上流部に設置され、すなわち、放電管７に
近いレーザ媒質ガスの流れの上流側に設置され、ここ
で、予備放電を発生する。さらに、空洞共振器21は、マ
イクロ波電力を伝送する空洞導波管22と、この空洞導波
管22に設けられ、放電管７のインピーダンスとマグネト
ロン23の出力インピーダンスを整合するスタブチューナ
ー24とを介してマグネトロン23に接続され、このマグネ
トロン23で発生させたマイクロ波電力を空洞共振器21内
の放電区域に伝送する。また、マグネトロン23はレーザ
発振準備完了と同時に連続動作させることで、マグネト
ロン23の高圧電源が安価に構成される。

【００１３】上記構成により、以下、その動作を説明す
る。まず、予備放電に必要なマイクロ波電力はマグネト
ロン23で発生させ、スタブチューナー24でインピーダン
ス変換された後、空洞導波管22を通して空洞共振器21に
伝送される。この空洞共振器21は定在波がたつように幾
何学的に設計されており、その空洞共振器21の中央部分
の電界が高くなるため放電が開始される。一方、空洞共
振器21を形成する壁付近の電界はゼロであり、そのため
壁の加熱が皆無となり特別な冷却は不要である。放電の
開始はレーザ媒質ガスが所定の圧力で安定化し、レーザ
発振準備完了したときに連続出力するように設定されて
いる。

【００１４】また、予備放電区域をレーザ共振器の光軸
から外すことで、空走時のワーク損傷を防止している。
このように設計された予備放電手段を具備すると、放電
管７には常時弱い電離状態が継続するが、その密度が薄
いためレーザ発振には至らない。しかし、放電区域をレ
ーザ共振器の光軸上に設けると、放電部の電離密度がレ
ーザ発振に十分な密度になるため、弱いレーザ光を出力
してワークに損傷を与える。このようにレーザ発振に至
らない程度の電離プラズマを常時放電管７に流入させる
ことでパルス制御可能範囲は拡大し、特に低出力低デュ
ーティーの領域で顕著な違いが現れる。

【００１５】したがって、放電管７のレーザ媒質ガス上
流側に予備放電区域があるので、レーザ媒質ガスの流れ
により一部電離したプラズマが放電管７に流れ込んで放
電管７内のインピーダンス変化が少なくなり、放電の着
火が安定化する。その結果、パルスの制御可能範囲も拡
大する。この様子を図２に示した。図２からも明らかな
ように、従来のものと異なり特に低出力低デューティの
パルス運転時に安定化したパルス特性を得ることができ
る。また、マイクロ波は指向性が強く予備放電領域に集
中して電力を投入することができて安定化したプラズマ
が生成するだけではなく、整合回路10などは空洞導波管
22とスタブチューナー24の幾何学的設計で決定され、空
洞共振器21の幾何学設計を最適化することで空洞共振器
21の冷却も不要で、構造的に簡単でかつ電源にマグネト
ロン23を使用できるため、安価な予備放電装置を得るこ
とができる。さらに、予備放電領域を電極８よりレーザ
媒質ガスの流れの上流側でかつ複数の放電管７とその両
端に具備されたミラーとしての出力鏡２および終端鏡５
とからなるレーザ共振器の光軸上に存在しない位置に配
することで、パルスＯＦＦ時に不要なレーザ光が誤って
出力される心配もなく、安全でかつレーザ加工空走時に
ワークに傷をつけることがない信頼性の高い予備放電装
置を得ることができる。

【００１６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電極より
レーザ媒質ガスの流れの上流部でかつレーザ共振手段の
光軸上から外れた位置に予備放電領域を設けた簡単な構
成により、低出力低デューティのパルス運転時において
も放電の着火が安定化してパルス制御可能な範囲を著し
く拡大することができて従来のようなある繰り返し周波
数以下での放電着火ミスを防止することができ、また、
パルスＯＦＦ時に不要なレーザ光が誤って出力される心
配もなく、安全でかつレーザ加工空走時にワークに傷を
つけることがない信頼性の高い予備放電装置を得ること
ができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す高速軸流型レーザ発振
装置の構成図である。

【図２】図１のレーザ発振装置を用いて制御可能になる
領域を示す図である。

【図３】従来の高速軸流型レーザ発振装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

２ 出力鏡 ３ａ，３ｂ メインフランジ ５ 終端鏡 ７ 放電管 ８ 電極 10 整合回路 12 ＲＦ電源 13 送風器 15 配管 21 空洞共振器 22 空洞導波管 23 マグネトロン 24 スタブチューナー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の放電管とその両端部に具備されたミ
   ラーを有するレーザ共振器にレーザ媒質ガスを循環さ
   せ、前記複数の放電管の外部にそれぞれ配設された電極
   を介して前記レーザ媒質ガスに高周波電力を伝送し、前
   記放電管内で前記レーザ媒質ガスを放電させてレーザ光
   を発生させるレーザ発振装置であって、前記放電管外部
   の電極部よりレーザ媒質ガスの流れの上流部に設けら
   れ、予備放電を発生する空洞共振手段と、前記空洞共振
   手段にマイクロ波電力を伝送する空洞導波管と、前記マ
   イクロ波電力を発生するマグネトロンとを備えたレーザ
   発振装置。
2. 【請求項２】空洞共振手段はレーザ共振器の光軸上から
   外れた位置に設けられた請求項１記載のレーザ発振装
   置。