JP3061937B2 - Metal vapor laser device - Google Patents
Metal vapor laser deviceInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、バッファガス中でレー
ザ媒質金属を放電加熱することにより金属蒸気を発生さ
せ、さらにこの金属蒸気を励起することによってレーザ
を発振させる金属蒸気レーザ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal vapor laser apparatus for generating a metal vapor by discharging and heating a laser medium metal in a buffer gas and exciting the metal vapor to oscillate a laser.
【0002】[0002]
【従来の技術】周知のようにレーザは、レーザ光の優れ
た指向性や可干渉性等の特徴を生かし、様々な分野で利
用されている。例えば、集光性やエネルギ密度の高いこ
とに着目したレーザ核融合やレーザ加工への応用があ
り、一方、近年においてはレーザ光の単色性に着目して
目的物質だけを選択的に励起し、その高純度化や不純物
の除去などへの利用も進められている。2. Description of the Related Art As is well known, lasers are utilized in various fields by utilizing characteristics such as excellent directivity and coherence of laser light. For example, there are applications to laser fusion and laser processing, which focus on high light-collecting properties and high energy densities.On the other hand, in recent years, attention has been focused on monochromaticity of laser light to selectively excite only the target substance, Utilization for high purification and removal of impurities is also being promoted.
【0003】以下、このような優れた特徴を有するレー
ザの発生装置の一種である金属蒸気レーザ装置につい
て、図5を参照して説明する。Hereinafter, a metal vapor laser device, which is one type of a laser generator having such excellent characteristics, will be described with reference to FIG.
【0004】図5は従来の金属蒸気レーザ装置を示した
ものである。一般に金属蒸気レーザ装置101 は、バッフ
ァガスを封入した真空容器102 を有し、この真空容器10
2 内には、断熱材103 およびプラズマ管104 が配置され
ており、全体として略筒状に形成されている。また、プ
ラズマ管104 の両端付近には放電電極105,106 が配置さ
れ、放電電極105 ,106 とプラズマ管104 とで囲まれた
閉空間が放電部107 となっている。FIG. 5 shows a conventional metal vapor laser device. In general, a metal vapor laser apparatus 101 has a vacuum vessel 102 in which a buffer gas is sealed.
Inside 2, a heat insulating material 103 and a plasma tube 104 are arranged, and are formed in a substantially cylindrical shape as a whole. Discharge electrodes 105 and 106 are disposed near both ends of the plasma tube 104, and a closed space surrounded by the discharge electrodes 105 and 106 and the plasma tube 104 is a discharge unit 107.
【0005】放電電極105,106 は、電圧を印加するパル
ス高電圧電源108 に接続している。また、真空容器102
の両端は窓109,110 で閉止されており、真空容器102 内
を密封状態に保っている。さらに、窓109,110 の外側に
は出力ミラー111 と全反射ミラー112 とからなる共振器
が設置されている。また、プラズマ管104 の内部にはレ
ーザ媒質金属である金属粒子113 が載置されている。The discharge electrodes 105 and 106 are connected to a pulse high voltage power supply 108 for applying a voltage. In addition, the vacuum vessel 102
Are closed by windows 109 and 110 to keep the inside of the vacuum vessel 102 sealed. Further, a resonator including an output mirror 111 and a total reflection mirror 112 is provided outside the windows 109 and 110. Further, inside the plasma tube 104, metal particles 113 which are a laser medium metal are mounted.
【0006】真空容器102 は、バッファガス供給装置11
4 および排気装置115 にそれぞれ連通している。真空容
器102 内にはバッファガス供給装置114 により、ネオ
ン,ヘリウム等の希ガスからなるバッファガスを供給す
ることができる。一方このバッファガスは、排気装置11
5 により排出可能に構成されている。The vacuum vessel 102 has a buffer gas supply device 11
4 and the exhaust device 115 respectively. A buffer gas made of a rare gas such as neon or helium can be supplied into the vacuum vessel 102 by a buffer gas supply device 114. On the other hand, this buffer gas is supplied to the exhaust device 11
5 to be able to discharge.
【0007】金属蒸気レーザ装置101 によってレーザ発
振する場合には、バッファガス供給装置114 によってバ
ッファガスを真空容器102内に供給するとともに排気装
置115 によってバッファガスを真空容器102 から排出す
る。そしてパルス高電圧電源108 によって放電電極105,
106 間に電圧を印加し、放電部107 で放電を行う。この
放電によってプラズマ管104 を放電加熱し、同時にその
上に載置された金属粒子113 を加熱溶解させ金属蒸気を
発生させる。そしてこの蒸気として存在する金属原子
を、放電電極105,106 間に印加した電圧で放電させるこ
とにより励起し、共振器のミラー111,112 を用いてレー
ザを発振させる。When laser oscillation is performed by the metal vapor laser device 101, the buffer gas is supplied into the vacuum vessel 102 by the buffer gas supply device 114, and the buffer gas is exhausted from the vacuum container 102 by the exhaust device 115. Then, the discharge electrode 105,
A voltage is applied between 106 and the discharge unit 107 discharges. This discharge heats the plasma tube 104, and at the same time, heats and melts the metal particles 113 placed thereon to generate metal vapor. Then, the metal atoms existing as the vapor are excited by discharging with a voltage applied between the discharge electrodes 105 and 106, and the laser is oscillated using the mirrors 111 and 112 of the resonator.
【0008】なお、金属粒子113 としては、例えば金,
銅等が用いられている。金属粒子113 は1500℃〜1
700℃まで加熱される。The metal particles 113 include, for example, gold,
Copper or the like is used. The temperature of the metal particles 113 is 1500 ° C. to 1
Heat to 700 ° C.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ出力
あるいはレーザ効率は、レーザ媒質である金属粒子の温
度に大きく依存している。レーザ出力が金属粒子の温度
に大きく依存するのは、金属蒸気の密度が金属粒子の温
度によって決定されるからである。したがって、レーザ
光を効率よく発生させ、より大きなレーザ出力を取り出
すためには、プラズマ中に最適な量の金属蒸気が供給さ
れるように金属粒子の温度を最適化するように制御しな
ければならない。金属粒子の温度を最適化するために
は、プラズマ管の温度が最適となるように、断熱材の熱
伝導率とプラズマへの入力エネルギとを勘案し、断熱材
の材質や断熱材層の厚さを決定する必要がある。Incidentally, the laser output or the laser efficiency greatly depends on the temperature of metal particles as a laser medium. The reason why the laser output greatly depends on the temperature of the metal particles is that the density of the metal vapor is determined by the temperature of the metal particles. Therefore, in order to efficiently generate laser light and extract a larger laser output, it is necessary to control the temperature of metal particles so as to optimize the supply of an optimal amount of metal vapor into the plasma. . In order to optimize the temperature of the metal particles, the thermal conductivity of the heat insulating material and the energy input to the plasma are taken into consideration so that the temperature of the plasma tube is optimized. Need to decide.
【0010】しかし、所定の放電電力を投入しても、当
初の設計どおりのプラズマ管の温度を得るのは難しい。
また、たとえレーザ発振開始時に設計どおりの温度が得
られていても、断熱材の断熱特性は熱や放電の影響で経
時変化してしまうので、発振を続けているうちに設計温
度からのずれが生じてしまう。このため、高効率で高出
力なレーザ出力が得られなくなる。However, it is difficult to obtain a plasma tube temperature as originally designed even when a predetermined discharge power is applied.
Even if the designed temperature is obtained at the start of laser oscillation, the thermal insulation properties of the heat insulating material change over time due to the effects of heat and electric discharge. Will happen. For this reason, a high-efficiency and high-output laser output cannot be obtained.
【0011】そこで本発明は、金属粒子の温度制御を容
易にし、高効率で高出力な金属蒸気レーザ装置を提供す
ることを目的としている。Accordingly, an object of the present invention is to provide a metal vapor laser device which facilitates temperature control of metal particles and has high efficiency and high output.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明においては、バッファガスが供給される真空
容器と、真空容器内に配置された放電電極と、電極に電
圧を印加することによりバッファガス中で放電を起こさ
せる電源とを備え、真空容器内に載置されたレーザ媒質
金属を放電により加熱して金属蒸気を発生し、この金属
蒸気を励起してレーザを発振する金属蒸気レーザ装置に
おいて、少なくとも二種類以上のガスを混合してバッフ
ァガスを生成するバッファガス混合手段と、レーザ媒質
金属の温度を測定する温度測定手段と、この温度測定手
段の測定結果に基づいてバッファガス混合手段を制御し
てガスの混合比を変化させる手段と、を設けた金属蒸気
レーザ装置とした。According to the present invention, there is provided a vacuum vessel to which a buffer gas is supplied, a discharge electrode disposed in the vacuum vessel, and a method of applying a voltage to the electrode. And a power supply for generating a discharge in a buffer gas by heating the laser medium metal placed in the vacuum vessel by the discharge to generate a metal vapor and exciting the metal vapor to oscillate a laser. In the laser device, buffer gas mixing means for mixing at least two or more gases to generate a buffer gas, temperature measurement means for measuring the temperature of the laser medium metal, and buffer gas based on the measurement result of the temperature measurement means And a means for controlling the mixing means to change the gas mixing ratio.
【0013】また、バッファガスが供給される真空容器
と、真空容器内に配置された放電電極と、電極に電圧を
印加することによりバッファガス中で放電を起こさせる
電源とを備え、真空容器内に載置されたレーザ媒質金属
を放電により加熱して金属蒸気を発生し、この金属蒸気
を励起して二波長以上の成分からなるレーザを発振する
金属蒸気レーザ装置において、少なくとも二種類以上の
ガスを混合してバッファガスを生成するバッファガス混
合手段と、レーザ光の波長成分の出力比を測定する出力
比測定手段と、この出力比測定手段の測定結果に基づい
てバッファガス混合手段を制御してバッファガスの混合
比を変化させる手段と、を設けた金属蒸気レーザ装置と
した。A vacuum vessel to which the buffer gas is supplied; a discharge electrode disposed in the vacuum vessel; and a power supply for generating a discharge in the buffer gas by applying a voltage to the electrode. In a metal vapor laser device that generates a metal vapor by discharging a laser medium metal mounted on a substrate by discharge and excites the metal vapor to oscillate a laser composed of two or more wavelength components, at least two types of gases are used. , A buffer gas mixing means for generating a buffer gas, a power ratio measurement means for measuring an output ratio of a wavelength component of the laser light, and a buffer gas mixing means based on the measurement result of the output ratio measurement means. And a means for changing the mixing ratio of the buffer gas.
【0014】[0014]
【作用】このように構成された本発明によれば、放電用
のバッファガスは二種類以上からなるので、ガスの混合
比を調節することによりプラズマ抵抗を自在に変化させ
ることが可能になる。この結果、プラズマ中に投入され
る電力を変化させることができる。According to the present invention constructed as described above, since the discharge buffer gas is composed of two or more types, the plasma resistance can be freely changed by adjusting the mixing ratio of the gases. As a result, the power input into the plasma can be changed.
【0015】プラズマ中に投入される電力は、大部分が
熱となって断熱材層に蓄えられる。したがって、プラズ
マ抵抗を変化させ、プラズマ中への投入電力を変化させ
ることにより、プラズマ管の温度、さらにはプラズマ管
内に載置されたレーザ媒質金属(金属粒子)の温度を調
節することができる。レーザ媒質金属の温度を測定して
この温度を評価し、バッファガスの混合比を調節するこ
とで、金属蒸気の密度を最適状態にすることが可能とな
る。したがって、高効率で高出力のレーザ発振を得るこ
とができる。Most of the electric power supplied to the plasma becomes heat and is stored in the heat insulating material layer. Therefore, by changing the plasma resistance and changing the input power into the plasma, the temperature of the plasma tube, and further, the temperature of the laser medium metal (metal particles) placed in the plasma tube can be adjusted. By measuring the temperature of the laser medium metal and evaluating this temperature and adjusting the mixing ratio of the buffer gas, the density of the metal vapor can be optimized. Therefore, high-efficiency and high-output laser oscillation can be obtained.
【0016】また、レーザ出力(レーザ効率)と波長成
分の出力比との間には一定の相関関係が存在している。There is a certain correlation between the laser output (laser efficiency) and the output ratio of the wavelength component.
【0017】例えばレーザ媒質として銅を用いた銅蒸気
レーザでは、レーザ光は緑色(511ナノメートル)と
黄色(578ナノメートル)の2成分からなっている。
黄色レーザ光に対する緑色レーザ光の出力比(以下、
「G/Y比」という)とレーザ出力との間には、図7の
ような関係がある。このようにレーザ出力と波長成分の
出力比との間に強い相関関係があるのは、波長によって
金属粒子の温度に対する出力依存性が異なるからであ
る。For example, in a copper vapor laser using copper as a laser medium, a laser beam is composed of two components of green (511 nm) and yellow (578 nm).
Output ratio of green laser light to yellow laser light (hereinafter, referred to as
FIG. 7 shows a relationship between the “G / Y ratio”) and the laser output. The reason why there is a strong correlation between the laser output and the output ratio of the wavelength component is that the output dependency on the temperature of the metal particles differs depending on the wavelength.
【0018】このような現象を利用すれば、レーザ光の
波長成分の出力比を測定してこの出力比に基づいてバッ
ファガスの混合比を変化させることも可能である。By utilizing such a phenomenon, it is possible to measure the output ratio of the wavelength component of the laser beam and change the mixing ratio of the buffer gas based on the output ratio.
【0019】[0019]
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0020】図1は、本発明の第1の実施例に係る金属
蒸気レーザ装置を示す装置構成図である。FIG. 1 is an apparatus configuration diagram showing a metal vapor laser apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【0021】金属蒸気レーザ装置1は、バッファガスを
封入した真空容器2を有し、この真空容器2内には、断
熱材3およびプラズマ管4が配置されており、全体とし
て略円筒状に形成されている。プラズマ管4は例えば耐
熱性セラミックで形成されている。また、プラズマ管4
の両端付近には放電電極5,6が配置され、放電電極
5,6とプラズマ管4とで囲まれた空間が放電部7とな
っている。放電部7の直径(プラズマ管4の内径)は、
ここでは80mm(断面積約50cm2 )のものを用いて
いる。The metal vapor laser device 1 has a vacuum vessel 2 in which a buffer gas is sealed, in which a heat insulating material 3 and a plasma tube 4 are arranged, and formed as a substantially cylindrical shape as a whole. Have been. The plasma tube 4 is formed of, for example, a heat-resistant ceramic. In addition, the plasma tube 4
Discharge electrodes 5 and 6 are arranged in the vicinity of both ends, and a space surrounded by the discharge electrodes 5 and 6 and the plasma tube 4 is a discharge unit 7. The diameter of the discharge part 7 (the inner diameter of the plasma tube 4)
Here, an 80 mm (cross-sectional area of about 50 cm 2) is used.
【0022】放電電極5,6は、電圧を印加するパルス
高電圧電源8に接続している。また、真空容器2の両端
は窓9,10で閉止されており、真空容器2内を密封状態
に保っている。さらに、窓9,10の外側には出力ミラー
11と全反射ミラー12からなる共振器が設置されている。
また、プラズマ管4の内部にはレーザ媒質金属である金
属粒子13が載置されている。なお金属粒子13としては、
例えば金,銅などが選択されるが、ここでは銅が用いら
れている。The discharge electrodes 5 and 6 are connected to a pulse high voltage power supply 8 for applying a voltage. Further, both ends of the vacuum vessel 2 are closed by windows 9 and 10 to keep the inside of the vacuum vessel 2 in a sealed state. In addition, output mirrors are located outside windows 9 and 10.
A resonator including 11 and a total reflection mirror 12 is provided.
Further, metal particles 13 which are a laser medium metal are placed inside the plasma tube 4. In addition, as the metal particles 13,
For example, gold, copper, or the like is selected, but copper is used here.
【0023】真空容器2は、ガス供給装置14a,14b,14c
および排気装置15にそれぞれ連通している。ここでガス
供給装置14a にはヘリウム、ガス供給装置14b にはネオ
ン、そしてガス供給装置14c には水素が蓄えられてい
る。なお、ネオン,ヘリウムは希ガスであり、水素は分
子状ガスである。これらのガスが混合されることにより
バッファガスが生成される。なお、排気装置15はロータ
リーポンプなどにより構成される。ガス供給装置14a,14
b,14c はガス混合器17に連通するように構成され、管路
18を介して真空容器2と接続している。The vacuum vessel 2 includes gas supply devices 14a, 14b, 14c
And the exhaust device 15. Here, helium is stored in the gas supply device 14a, neon is stored in the gas supply device 14b, and hydrogen is stored in the gas supply device 14c. Note that neon and helium are rare gases, and hydrogen is a molecular gas. A buffer gas is generated by mixing these gases. Note that the exhaust device 15 is configured by a rotary pump or the like. Gas supply devices 14a, 14
b, 14c are configured to communicate with the gas mixer 17 and
It is connected to the vacuum vessel 2 via 18.
【0024】金属粒子13の表面温度は、例えば放射温度
計からなる温度測定装置30によって測定される。温度測
定装置30による測定信号は制御演算装置31に送られ、所
定の演算処理が施される。また、制御演算装置31はガス
混合器17に制御信号を出力し、これによってガス混合器
17による各ガスの混合比を制御することができるように
なっている。The surface temperature of the metal particles 13 is measured by a temperature measuring device 30 composed of, for example, a radiation thermometer. The measurement signal from the temperature measurement device 30 is sent to the control operation device 31, where a predetermined operation process is performed. Further, the control arithmetic unit 31 outputs a control signal to the gas mixer 17, whereby the gas mixer 17
The mixing ratio of each gas according to 17 can be controlled.
【0025】金属蒸気レーザ装置1によってレーザを発
振する場合には、まず真空容器2内を真空にし、ガス供
給装置14a,14b の一方または両方を制御して真空容器2
内に希ガスを供給する。なおここではガス供給装置14c
のバルブは閉じられている。そしてパルス高電圧電源8
によって放電電極5,6間に電圧を印加し、放電部7で
放電を行う。この放電によって、プラズマ管4内に載置
された金属粒子13が加熱されて溶解し、金属蒸気が発生
する。そしてこの蒸気として存在する金属原子を放電に
より励起し、光を発生させる。発生した光は、出力ミラ
ー11,全反射ミラー12により増幅され、出力ミラー11か
らレーザ光Lが放射される。When the laser is oscillated by the metal vapor laser device 1, first, the inside of the vacuum vessel 2 is evacuated, and one or both of the gas supply devices 14a and 14b are controlled to control the vacuum vessel 2.
Noble gas is supplied to the inside. Here, the gas supply device 14c
Valves are closed. And pulse high voltage power supply 8
Thus, a voltage is applied between the discharge electrodes 5 and 6, and discharge is performed in the discharge unit 7. This discharge heats and dissolves the metal particles 13 placed in the plasma tube 4 to generate metal vapor. Then, the metal atoms existing as the vapor are excited by electric discharge to generate light. The generated light is amplified by the output mirror 11 and the total reflection mirror 12, and the output mirror 11 emits a laser beam L.
【0026】本発明では、レーザLが発振している際に
温度測定装置30によって金属粒子13の表面温度を測定し
ている。この測定結果は制御演算装置31に逐次出力され
る。制御演算装置31内には、例えば図2に示すような温
度と出力との関係がデータとして取り込まれている。そ
して実際に測定した金属粒子13の表面温度t1と最適温度
t との間にずれを認めた場合には、ガス混合器17に制御
信号を出力し、ガスの混合比を調節して金属粒子13の表
面温度をt まで上昇させるように指令する。ガス混合器
17はガス供給装置14a,14b 、そしてガス供給装置14c の
バルブの開閉量を制御するなどの方法でガスの混合比を
調節する。In the present invention, the surface temperature of the metal particles 13 is measured by the temperature measuring device 30 while the laser L is oscillating. The measurement results are sequentially output to the control operation device 31. For example, the relationship between the temperature and the output as shown in FIG. And the actually measured surface temperature t1 of the metal particles 13 and the optimum temperature
If a deviation from t is found, a control signal is output to the gas mixer 17 to instruct the gas mixer 17 to adjust the gas mixing ratio to increase the surface temperature of the metal particles 13 to t. Gas mixer
Numeral 17 adjusts the gas mixture ratio by controlling the amount of opening and closing of the valves of the gas supply devices 14a and 14b and the gas supply device 14c.
【0027】このような構成の本発明によれば、ガスの
種類によってその放電抵抗が異なることを利用し、ガス
の混合比を調節することによって放電抵抗を簡単に変化
させることができる。そして放電抵抗を変化させること
で、プラズマ中の金属蒸気密度が最適化されるので、装
置設計時どおりの温度が得られなかったり、あるいは断
熱材の断熱特性が熱や放電の影響による経時変化があっ
ても、高効率で高出力なレーザ出力を得ることが可能と
なる。According to the present invention having such a configuration, it is possible to easily change the discharge resistance by adjusting the mixing ratio of the gases, utilizing the fact that the discharge resistance differs depending on the type of gas. By changing the discharge resistance, the metal vapor density in the plasma is optimized, so that the temperature cannot be obtained as designed when the device is designed, or the heat insulating properties of the heat insulating material change over time due to the effects of heat and discharge. Even with this, it is possible to obtain a laser output with high efficiency and high output.
【0028】実際の実験によれば、バッファガスとして
ネオンやヘリウムなどの希ガスに対して水素などの分子
状ガスを少量だけ混合した場合が特に効果的であった。
これは、分子状ガスが希ガスや金属原子の励起エネルギ
準位に比べて非常に低い振動励起準位を持っているため
である。これによって、分子状ガスを少量混合するだけ
でプラズマの電子温度が低下し、バッファガスが希ガス
だけで構成される場合よりも放電抵抗が大きくなる。According to actual experiments, it was particularly effective to mix a small amount of a molecular gas such as hydrogen with a rare gas such as neon or helium as a buffer gas.
This is because the molecular gas has an extremely low vibrational excitation level as compared with the excitation energy level of a rare gas or metal atom. As a result, even if a small amount of the molecular gas is mixed, the electron temperature of the plasma is reduced, and the discharge resistance is increased as compared with the case where the buffer gas is composed of only a rare gas.
【0029】ただし、分子状ガスの混合量をあまり増加
させると、電子が金属蒸気を励起するだけのエネルギを
持たなくなってしまうので、かえって逆効果となる。実
験結果によれば、分子状ガスである水素の混合比を全ガ
ス圧に対して0.1%〜4.0%とすることが好まし
く、特に1.0%〜1.5%の範囲で最適となることが
わかった。However, if the mixing amount of the molecular gas is increased too much, the electrons do not have enough energy to excite the metal vapor, which has the opposite effect. According to the experimental results, the mixing ratio of hydrogen, which is a molecular gas, is preferably set to 0.1% to 4.0% with respect to the total gas pressure, and particularly preferably in the range of 1.0% to 1.5%. It turned out to be optimal.
【0030】なお、金属粒子13の温度を常時監視する必
要はなく、レーザ出力が安定して得られているある時刻
において少なくとも一回だけ測定することができる構成
であればよい。つまり、断熱材3の断熱特性は比較的緩
やかなので、レーザ出力が安定して得られているある時
刻において一回だけ温度を測定して評価し、バッファガ
スの混合比を調節できれば、その後はこの混合比を保つ
ことにより高いレーザ出力を維持させることができる。It is not necessary to constantly monitor the temperature of the metal particles 13, and it is sufficient if the temperature can be measured at least once at a certain time when the laser output is stably obtained. In other words, since the heat insulating property of the heat insulating material 3 is relatively moderate, the temperature is measured and evaluated only once at a certain time when the laser output is stably obtained. By maintaining the mixing ratio, a high laser output can be maintained.
【0031】そして、再度レーザを発振させる際には、
前回の発振時に用いた混合比をそのまま利用することが
できる。したがって、前回用いた最適混合比やその混合
開始タイミングなどをデータとして記憶しておくメモリ
等を設け、次回再びこのデータを用いることができるよ
うに構成することが好ましい。When the laser is oscillated again,
The mixing ratio used during the previous oscillation can be used as it is. Therefore, it is preferable to provide a memory or the like for storing the optimum mixing ratio and the mixing start timing used last time as data and to use the data again next time.
【0032】なお、上述の実施例では金属粒子13の表面
温度を測定する構成について説明したが、例えば金属粒
子13の表面温度が1400℃の時にプラズマ管4内の温
度が常に1450℃などという相関関係があれば、金属
粒子13の表面温度(1400℃)を測定する代わりにプ
ラズマ管4内の温度(1450℃)を測定するように構
成してもよい。また、金属粒子13が容器などに載置され
た状態で使用される場合には、その容器の表面温度を測
定するように構成してももちろんよい。In the above embodiment, the structure for measuring the surface temperature of the metal particles 13 has been described. For example, when the surface temperature of the metal particles 13 is 1400 ° C., the temperature inside the plasma tube 4 is always 1450 ° C. If there is a relationship, the temperature inside the plasma tube 4 (1450 ° C.) may be measured instead of measuring the surface temperature (1400 ° C.) of the metal particles 13. When the metal particles 13 are used in a state of being placed on a container or the like, the surface temperature of the container may be measured.
【0033】続いて、本発明の第2の実施例について説
明する。なお、第1の実施例と同一構成要素には同一符
号を付して詳細な説明を省略する。Next, a second embodiment of the present invention will be described. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted.
【0034】レーザ媒質金属として金,銅等の金属粒子
を用いる金属蒸気レーザ装置では、2色以上のレーザ発
振が起こり、例えば銅蒸気レーザではレーザ光は緑色
(510.0nm)と黄色(578.3nm)の2成分を有
している。そして、レーザ光の成分ごとに金属粒子の温
度と各成分の出力関係が異なっている。In a metal vapor laser device using metal particles such as gold or copper as a laser medium metal, laser oscillation of two or more colors occurs. For example, in a copper vapor laser, laser light is green (510.0 nm) and yellow (578.nm). 3 nm). The relationship between the temperature of the metal particles and the output of each component is different for each component of the laser beam.
【0035】図4は、銅蒸気レーザの場合の金属粒子の
温度と各成分の相関関係を示したものである。同図から
も明らかなように、金属粒子の温度によって各成分の出
力は異なる。FIG. 4 shows the correlation between the temperature of metal particles and each component in the case of a copper vapor laser. As is clear from the figure, the output of each component differs depending on the temperature of the metal particles.
【0036】図6は、G/Y比の相関関係を示すもので
ある。レーザ発振の起こる1300℃〜1500℃の温
度範囲では、G/Y比は金属粒子の温度と1対1の関係
があるので、G/Y比を測定することにより、金属粒子
の温度の最適値に対して低いか高いかを知ることが可能
である。FIG. 6 shows the correlation between the G / Y ratios. In the temperature range of 1300 ° C. to 1500 ° C. where laser oscillation occurs, the G / Y ratio has a one-to-one relationship with the temperature of the metal particles. It is possible to know whether it is low or high.
【0037】図3は、波長成分の出力比を測定すること
により温度の最適化を図ることのできる金属蒸気レーザ
装置を示したものである。ここでは金属蒸気レーザ装置
21がレーザ成分測定手段40を備えたことを特徴としてい
る。つまり、レーザ成分測定手段40は、ミラー11を透過
したレーザ光の一部を反射するミラー22と、このミラー
22により反射したレーザ光のうち黄色成分のみ反射して
緑色成分を透過するダイクロイックミラー23と、緑色成
分と黄色成分の出力をそれぞれ検出する検出器24,25
と、検出器24,25 で検出される各成分の出力量を演算し
てG/Y比を求める演算器26とを具備した構成となって
いる。また、演算器26から入力するG/Y比は制御演算
装置27によって評価され、ガス混合器17に与えられる。
これによってガス混合器17は、ガス供給装置14a,14b お
よびガス供給装置14c のバルブの開閉量を制御する。FIG. 3 shows a metal vapor laser device capable of optimizing the temperature by measuring the output ratio of the wavelength components. Here is a metal vapor laser device
21 is characterized in that a laser component measuring means 40 is provided. That is, the laser component measuring means 40 includes the mirror 22 that reflects a part of the laser light transmitted through the mirror 11 and the mirror 22.
A dichroic mirror 23 that reflects only a yellow component of the laser light reflected by 22 and transmits a green component, and detectors 24 and 25 that detect outputs of a green component and a yellow component, respectively.
And a calculator 26 for calculating the output amount of each component detected by the detectors 24 and 25 to obtain the G / Y ratio. Further, the G / Y ratio input from the arithmetic unit 26 is evaluated by the control arithmetic unit 27 and given to the gas mixer 17.
Thereby, the gas mixer 17 controls the opening and closing amounts of the valves of the gas supply devices 14a, 14b and 14c.
【0038】このように、G/Y比など波長成分の出力
比が温度と相関関係を持っていることを利用し、検出し
た出力比からバッファガスの混合比を調節するように構
成しても、第1の実施例と同様に放電抵抗が変化し、プ
ラズマ中の金属蒸気密度を最適化することができるの
で、高効率で高出力なレーザ出力を得ることが可能とな
る。As described above, by utilizing the fact that the output ratio of the wavelength component such as the G / Y ratio has a correlation with the temperature, the mixing ratio of the buffer gas is adjusted from the detected output ratio. Since the discharge resistance changes and the metal vapor density in the plasma can be optimized as in the first embodiment, a high-efficiency and high-output laser output can be obtained.
【0039】なお、第2の実施例は2つの波長成分の出
力比を用いてバッファガスの混合比を調節するものであ
るが、例えば全レーザ出力(各波長成分の出力の和)に
対する任意の一の波長成分の比を用いる構成としてもよ
い。また、3つの波長成分を持つ場合には、任意の2つ
の波長成分の比を用いてバッファガスの混合比を調節す
ることができる。In the second embodiment, the mixing ratio of the buffer gas is adjusted by using the output ratio of the two wavelength components. For example, an arbitrary ratio with respect to the entire laser output (sum of the outputs of the respective wavelength components) is adjusted. A configuration using a ratio of one wavelength component may be used. In the case where there are three wavelength components, the mixing ratio of the buffer gas can be adjusted using the ratio of any two wavelength components.
【0040】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、
種々の変更が可能である。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.
Various modifications are possible.
【0041】例えば、上記各実施例ではガス混合器17で
バッファガスと分子状ガスとを混合する構成としたが、
希ガス種のみからなるガスを混合してバッファガスとす
ることもできる。For example, in each of the above embodiments, the gas mixer 17 is used to mix the buffer gas and the molecular gas.
It is also possible to mix a gas consisting of a rare gas species alone to form a buffer gas.
【0042】また、希ガスとしてはネオン,ヘリウム等
を利用することができる。また、分子状ガスとしては、
水素,酸素,窒素,二酸化炭素,一酸化炭素,メタン,
エタンガス,あるいは水素を含む分子状ガス等を用いる
ことができる。これらのガスのいずれを選択しても上記
実施例と同様の効果を期待することができる。As the rare gas, neon, helium or the like can be used. Also, as the molecular gas,
Hydrogen, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane,
Ethane gas, molecular gas containing hydrogen, or the like can be used. Regardless of which of these gases is selected, the same effect as in the above embodiment can be expected.
【0043】また、レーザ媒質金属として銅の他に金,
ストロンチウム等の他の元素の金属粒子を用いた蒸気レ
ーザ装置にも適用することができる。In addition to copper as the laser medium metal, gold,
The present invention can also be applied to a vapor laser device using metal particles of another element such as strontium.
【0044】また、図4に示すように緑色の成分のピー
ク出力温度は黄色成分のピーク出力温度に比べて低い。
つまり、1成分の光を必要とする時にはその必要とする
成分の光が最大になるように金属粒子の温度を最適化す
ればよい。そのため、バッファガスの混合比を調節して
温度の最適化を図ることもできる。As shown in FIG. 4, the peak output temperature of the green component is lower than the peak output temperature of the yellow component.
That is, when one component light is required, the temperature of the metal particles may be optimized so that the required component light is maximized. Therefore, the temperature can be optimized by adjusting the mixing ratio of the buffer gas.
【0045】また、金属粒子の温度測定作業や分子状ガ
スの供給タイミングの確認,分子状ガスの供給作業,お
よびガス混合比の調節作業などは、必ずしも自動的に行
う必要は無く、作業員の操作により行うことも可能であ
る。The work of measuring the temperature of the metal particles, checking the supply timing of the molecular gas, the work of supplying the molecular gas, and the work of adjusting the gas mixture ratio are not necessarily performed automatically. It is also possible to perform by operation.
【0046】また、放電部としてここでは80mmの直径
のものを用いているが、80mmよりも大きい直径のも
の、あるいは80mmよりも小さい直径のものに適用する
ことももちろん可能である。また、放電部の断面形状は
円に限らず、多角形であってもよい。Although the discharge portion has a diameter of 80 mm here, it is of course possible to apply a discharge portion having a diameter larger than 80 mm or a diameter smaller than 80 mm. Further, the cross-sectional shape of the discharge portion is not limited to a circle, but may be a polygon.
【0047】[0047]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の金属蒸気
レーザ装置によれば、レーザ媒質金属の温度を測定して
この温度を評価し、バッファガスの混合比を調節するこ
とによって金属蒸気の密度を最適状態にすることが可能
となる。したがって、高効率で高出力のレーザ発振を得
ることができる。As described above, according to the metal vapor laser apparatus of the present invention, the temperature of the laser medium metal is measured and evaluated, and the mixing ratio of the buffer gas is adjusted to adjust the metal vapor. This makes it possible to optimize the density. Therefore, high-efficiency and high-output laser oscillation can be obtained.
【図1】本発明の第1の実施例に係る金属蒸気レーザ装
置を示す装置構成図。FIG. 1 is a device configuration diagram showing a metal vapor laser device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】金属粒子温度とレーザ出力との相関関係を示す
グラフ。FIG. 2 is a graph showing a correlation between metal particle temperature and laser output.
【図3】本発明の第2の実施例に係る金属蒸気レーザ装
置を示す装置構成図。FIG. 3 is a device configuration diagram showing a metal vapor laser device according to a second embodiment of the present invention.
【図4】金属粒子温度と各成分のレーザ出力との相関関
係を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing a correlation between metal particle temperature and laser output of each component.
【図5】従来技術に係る金属蒸気レーザ装置を示す装置
構成図。FIG. 5 is an apparatus configuration diagram showing a metal vapor laser apparatus according to a conventional technique.
【図6】G/Y比とレーザ出力との相関関係を示すグラ
フ。FIG. 6 is a graph showing a correlation between a G / Y ratio and a laser output.
1,21…金属蒸気レーザ装置 2…真空容器 4…プラズマ管 5,6…放電電極 8…パルス高電圧電源 13…金属粒子 14…バッファガス供給装置 16…分子状ガス供給装置 17…ガス混合器 30…温度検出器 40…レーザ成分測定手段 L…レーザ光 1, 21: Metal vapor laser device 2: Vacuum container 4: Plasma tube 5, 6: Discharge electrode 8: Pulse high voltage power supply 13: Metal particles 14: Buffer gas supply device 16: Molecular gas supply device 17: Gas mixer 30: temperature detector 40: laser component measuring means L: laser beam
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 郁男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 井関 康 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 小川 朋子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 総合研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/097 H01S 3/036 H01S 3/227 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Ikuo Watanabe 1 Kosuka Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside Toshiba Research Institute, Inc. Address Toshiba Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Tomoko Ogawa 1 Koga Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Toshiba Research Institute Co., Ltd. (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 3 / 097 H01S 3/036 H01S 3/227
Claims (3)
中で放電を起こさせる電源とを備え、 前記真空容器内に載置されたレーザ媒質金属を放電によ
り加熱して金属蒸気を発生し、この金属蒸気を励起して
レーザを発振する金属蒸気レーザ装置において、 少なくとも二種類以上のガスを混合してバッファガスを
生成するバッファガス混合手段と、 前記レーザ媒質金属の温度を測定する温度測定手段と、 この温度測定手段の測定結果に基づいて前記バッファガ
ス混合手段を制御してガスの混合比を変化させる手段
と、 を設けたことを特徴とする金属蒸気レーザ装置。1. A vacuum vessel to which a buffer gas is supplied, a discharge electrode disposed in the vacuum vessel, and a power supply for generating a discharge in the buffer gas by applying a voltage to the electrode. In a metal vapor laser device that heats a laser medium metal placed in the vacuum vessel by electric discharge to generate a metal vapor and excites the metal vapor to oscillate a laser, at least two or more gases are mixed. Buffer gas mixing means for generating a buffer gas by heating, a temperature measuring means for measuring the temperature of the laser medium metal, and controlling the buffer gas mixing means based on the measurement result of the temperature measuring means to adjust a gas mixing ratio. A metal vapor laser device, comprising: means for changing.
中で放電を起こさせる電源とを備え、 前記真空容器内に載置されたレーザ媒質金属を放電によ
り加熱して金属蒸気を発生し、この金属蒸気を励起して
二波長以上の成分からなるレーザを発振する金属蒸気レ
ーザ装置において、 少なくとも二種類以上のガスを混合してバッファガスを
生成するバッファガス混合手段と、 レーザ光の波長成分の出力比を測定する出力比測定手段
と、 この出力比測定手段の測定結果に基づいて前記バッファ
ガス混合手段を制御してバッファガスの混合比を変化さ
せる手段と、 を設けたことを特徴とする金属蒸気レーザ装置。2. A vacuum vessel to which a buffer gas is supplied, a discharge electrode arranged in the vacuum vessel, and a power supply for generating a discharge in the buffer gas by applying a voltage to the electrode, In a metal vapor laser device which heats a laser medium metal placed in the vacuum vessel by electric discharge to generate a metal vapor and excites the metal vapor to oscillate a laser composed of components having two or more wavelengths, Buffer gas mixing means for mixing at least two kinds of gases to generate a buffer gas; output ratio measurement means for measuring an output ratio of wavelength components of laser light; and a buffer gas based on a measurement result of the output ratio measurement means. Means for controlling the mixing means to change the mixing ratio of the buffer gas.
子状ガスが含まれていることを特徴とする請求項1また
は2記載の金属蒸気レーザ装置。3. The metal vapor laser device according to claim 1, wherein said at least two kinds of gases include a molecular gas.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10014092A JP3061937B2 (en) | 1991-03-27 | 1992-03-27 | Metal vapor laser device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6352091 | 1991-03-27 | ||
| JP3-63520 | 1991-03-27 | ||
| JP10014092A JP3061937B2 (en) | 1991-03-27 | 1992-03-27 | Metal vapor laser device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05136505A JPH05136505A (en) | 1993-06-01 |
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Family
ID=26404655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10014092A Expired - Fee Related JP3061937B2 (en) | 1991-03-27 | 1992-03-27 | Metal vapor laser device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3061937B2 (en) |
-
1992
- 1992-03-27 JP JP10014092A patent/JP3061937B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH05136505A (en) | 1993-06-01 |
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