JPS637036B2

JPS637036B2 -

Info

Publication number: JPS637036B2
Application number: JP54085050A
Authority: JP
Inventors: Kiichiro Shinokura; Michihiro Kaneda; Yasuhiro Suenaga; Seiji Sugyama
Original assignee: NIPPON SEKIGAISEN KOGYO KK
Current assignee: NIPPON SEKIGAISEN KOGYO KK
Priority date: 1979-07-06
Filing date: 1979-07-06
Publication date: 1988-02-15
Also published as: JPS5610989A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガスレーザ発振装置に関し、特にレー
ザ媒質ガスの冷却手段を有するガスレーザ発振装
置に関するものである。

一般にレーザはレーザ媒質を何らかの方法（例
えば放電、光ポンピング、その他）により活性化
させ、その量子力学的状態間の誘導放出を伴つた
遷移を利用して光を発生増幅する装置であり、ガ
スレーザはレーザ媒質としてガスを使用するもの
である。

以下では特にCO₂ガスレーザの場合について、
そのレーザ発振機構を簡単に説明する。

CO₂ガスレーザの場合、周知のように、レーザ
発振に関与する量子状態はCO₂分子の振動レベル
のうち、基本的には基底状態に対応する000レベ
ルと、これよりも高いエネルギー状態にある010、
100、200、001レベルである。このうち、001レベ
ルは励起状態に対応するものである。CO₂レーザ
は10.4μｍバンドと9.4μｍバンドの発振線を有し
ているが、10.4μｍバンドは前記001レベルから
100レベルの遷移によるものであり、9.4μｍバン
ドは001レベルから200レベルへの遷移によるもの
である。

一方、前記遷移によつて100レベル、200レベル
の分子は010レベルへ光の放出を伴わない遷移を
行い、この遷移速度は他のレベル間の遷移速度よ
りも１桁以上は速いとされている。従つて001レ
ベルと100、200レベル間に反転分布が生じるもの
である。

ところが、CO₂分子の010レベルから000レベル
への遷移はレーザ出力の高いところでは緩慢であ
るため、前記010レベルの分子数が増加してしま
い、その結果100、020レベルの分子数の増加をも
たらし、最終的には001と100、020レベルの分子
数の差、すなわち反転分布数が減少し、レーザ出
力が減少してしまう。一方、公知のように、010
レーザの分子数は010レベルの分子の冷却によつ
て、エネルギーを取り除くことで減少させること
ができるものである。

なお、前述の説明において、9.4μｍバンドと
10.4μｍバンドのレーザ発振を並列的に取扱つて
きたが、実際上はCO₂レーザの場合10.4μｍバン
ドの発振が優先し、9.4μｍバンド発振は共振器内
に分散素子を挿入することで得られる。

従つて、以下の記述においては10.4μｍバンド
発振を生じしめる001と100レベルの遷移過程にし
ぼつて説明するが、本質的には内容に何ら制限を
加えるものではない。

レーザ発振の出力は、前述のように001と100レ
ベル間のCO₂分子数の差が大きいほど大きくなる
ことも周知である。放電等により、001レベルあ
るいはそれ以外の、より高いエネルギーレベルに
多くのCO₂分子が基底状態から励起されるが、レ
ーザ媒質ガス温度の上昇に伴ない、100レベルに
もCO₂分子の分布数が増えてくる。そこで、レー
ザ媒質ガスを冷却してやると前述のように、010
レベルの分子数が減少し、その結果として100レ
ベルの分子数が減少し、001および100レベル間の
分子の分布数の差が大きくなるので、001レベル
から100レベルへの遷移がさかんになる。すなわ
ちレーザ光出力が増大される。

一方、CO₂レーザの場合には、CO₂ガスにN₂ガ
スやHeガスを添加することが一般的である。こ
のうち、N₂ガスの第１振動レベルがCO₂の前記
001レベルとエネルギー値がよく一致しており、
このため両者のエネルギーレベルが一種の共鳴状
態を作ることによつて、001レベルにあるCO₂分
子の数を増加させる役割をする。又、He分子は
後述のようにガスの冷却に寄与する。

共振器内部に放電等の手段により大きなエネル
ギーを注入し大出力を得ようとする場合には、
100レベルに分布するCO₂分子を速やかに000レベ
ルに遷移させてやることが重要となる。このため
の方法として、レーザ媒質ガスの冷却効果を高め
るための手法が、従来より種々提案されている。
以下ではそのいくつかの方法について簡単に説明
する。

従来よりの冷却方法では、(1)放電管の管壁を外
部から冷却し、放電管内壁への媒質ガスの衝突に
より媒質ガスの熱交換を行なう間接拡散冷却法
と、(2)媒質ガスを放電管内で高速で流して冷却す
る高速対流冷却法との２つが主であつた。

公知のように半径ｒの円筒状放電管内において
放電によつて生じる熱エネルギーＱは軸方向をｘ
とすれば次の式にしたがつて、半径方向に拡散さ
れるとともに管内ガスの軸方向移動によつて管外
に排出される（High Energy Lasers and Their
Applications（第247頁）Edited by Stephen
Jacobs.Murray Sargant Marlon O.
Scully）。

ρV_xC_p∂T／∂_x＋１／ｒ（∂／∂rrK∂T／∂r）＝Ｑ
………(1) 但し、ρ：ガス密度、Ｔ：温度、C_p：比熱、
Ｋ：熱伝導係数、V_x：ガス流速度、ｒ：円筒形
放電管の半径明らかなように、(1)式中の第１項はガス流方向
にそう温度の上昇に対応するものである。ところ
で、(1)式の第２項に対応する熱の伝搬は通常２〜
20ｍｓ程度（Introduction To Gas Lasers：
Population Inversion Mechanisms（第271〜272
頁）：By Colins Willett、B.Sc.ph.D.、Inst.P.）
であつて、ガス速度V_xが小さい場合には第２項
による熱伝搬が支配的になる。このような状態に
よる冷却が前記の間接拡散冷却法に対応し、前記
(1)式中の第１項が大きい場合が高速対流冷却法に
対応する。通常、第１項が支配的になる場合には
前記V_xが音速又は亜音速以上になることが必要
である。

間接拡散冷却の場合には半径方向に温度勾配
（∂T／∂r）を持ち、熱エネルギーＱが大きいほ
ど、その温度勾配∂T／∂rは大きくなり、放電管
の中心部温度が上昇することは明白である。この
ように、前記の間接拡散冷却法では、レーザ媒質
ガスの熱伝導率が低いために放電管の中心軸付近
に存在するレーザ媒質ガスが充分に冷却されない
という問題があつた。

その対策として、一般にはHeガスを前記CO₂
ガス、N₂ガスに加えることによつて、レーザ媒
質ガスの冷却効果を高める方法が採用されてい
る。すなわち前記のCO₂、N₂、Heガスの熱伝導
係数は300Kにおいて、各々（1.66；2.61；15.1）
×10^-4W／cm・degである。しかしながら、冷却
に関与する放電管の内壁および外壁の表面積は一
定であるのでその冷却作用には限度があり、媒質
温度がさらに高くなつた場合には有効な冷却をな
し得ないものとなつてしまう。このように、前記
間接拡散冷却方式では高い冷却効率が得られず、
高出力レーザには不適当である。

一方、高速対流冷却法は、前述のように放電管
内に高速でレーザ媒質ガスを流すものであり、ガ
スが放電等により所定の限度以上にあたためられ
る前に管外に放出し、レーザ媒質ガスの温度上昇
を抑制するものである。この高速対流冷却法では
レーザ媒質ガスを充分に冷却でき、比較的容易に
高出力を得ることが可能であるが、ガスを高速で
流すためのシステムが大型化し、かつガス使用量
も膨大なものとなつてしまう欠点がある。

今日、レーザ発振装置において、高出力なレー
ザ発振出力をより小型のシステムで実現すること
は、使用場所の装置床面積および占有空間を低減
させる意味においても非常に有益なことである
が、従来の方式によつて小型化・高出力化を同時
に図るには自ずと限界があつた。

そこで、本発明の目的は、レーザシステム、特
にその冷却システムに関して基本原理にたちかえ
り、新しい発想を現実化することによつて高出力
化・小型化されたガスレーザ発振装置を提供する
ことにある。

本発明は、レーザ媒質ガスの冷却に従来にない
手法を採用し、それに伴なつて、レーザ媒質ガス
供給システムに新たな改良を加えたものである。
すなわち、本発明においては、レーザ媒質ガス供
給システム内に従来用いられなかつた高圧発生
部、すなわちガス圧縮手段を設け、前記高圧発生
部から送られる高圧ガスがレーザ放電管内へ導入
される時に生ずる、気体膨張に伴う熱力学的冷却
効果を利用して媒質ガスを直接冷却するようにし
ている。

本発明の他の目的は、前記レーザ媒質ガスのレ
ーザ放電管内への導入手段を工夫することによつ
て簡便で効率のよいレーザ発振装置を提供するこ
とにある。

以下では添付図面にもとずき、CO₂レーザ発振
装置を例として本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明によるレーザ媒質ガス供給シス
テムを備えたガスレーザ発振装置の概略系統図で
ある。本発明はその基本構成としてガス高圧部
Ａ、共振器部Ｂ、低圧部Ｃ、中圧部Ｄから成り立
つており、ここでは第１図に示すようにシステム
全体が１つの循環系を構成している場合を例にと
つて説明する。

前記高圧部Ａには、システム内のガスを高圧に
加圧するための加圧器（または圧縮器）６、レー
ザ過程で生成され、レーザ発振出力を低下させる
反応生成物を除去するための触媒７、高圧部容量
調整用リザーバ８、および媒質ガス１１を冷却す
るための熱交換器９等が設けられる。

共振器部Ｂには放電管１、放電管１内へガスを
導入するためのガス導入口１４およびガス排気口
１２が設けられる。

低圧部Ｃには真空ポンプ２が設けられる。また
中圧部Ｄにはレーザ媒質ガスボンベ３、オイルト
ラツプ用フイルタ４および中圧部容量調整用リザ
ーバ５が設けられる。

ガスレーザ発振装置の稼動にあたつて、ガスボ
ンベ３から本冷却システムに所定量のガスが供給
され、バルブ３ａが閉められた後ガスは加圧器６
によつて高圧に加圧され、触媒７によつて前述の
ようにリフレツシユされた後、熱交換器９により
一旦冷却される。この場合、熱交換器に水冷を採
用するか空冷を採用するかはレーザ出力とシステ
ムのスケールにより適宜選択するものとする。ま
た、前記熱交換器９、容量調整用リザーバ８、触
媒７等の配置順序はそれぞれの仕様により異なる
場合もありうることは当然である。

前記熱交換器９により冷却されたガスは放電管
１に設けられたガス導入口１４、つづいて後述す
るガス噴出口１０を通り放電管１内に放出され
る。このとき、レーザ媒質ガスは、後述するよう
に気体膨張に伴う冷却効果によつて、さらにマイ
ナス数十度まで冷却された後、管１内に拡散す
る。電気励起によるレーザ過程であたためられた
レーザ媒質ガス１１は、真空ポンプ２により放電
管１から排気口１２を通して引き出された後、中
圧部Ｄへと送られる。中圧部Ｄには、前述したよ
うに、真空ポンプ２から排出されたオイルをレー
ザ媒質ガス１１から除去するために、オイルトラ
ツプ用フイルタ４が設けられる。前記フイルタ４
を通過したレーザ媒質ガス１１は、加圧器６を通
して再び高圧部Ａへと送られ、前述の過程をくり
返して循環する。

第２図は本発明の他の実施例の系統図で、放電
管１に供給したレーザ媒質ガス１１を再利用しな
い場合のガス供給システムを示すものである。第
１図と同一の符号は同一部分をあらわす。その構
成および動作については、第１図に関する説明か
ら極めて容易に理解されるであろう。

本発明によるガスレーザ装置は、前述したよう
に、ガス供給システムの高圧部Ａから送られるガ
ス１１がガス導入口を通して放電管１内に導入さ
れるときに生ずる気体膨張に伴う冷却効果を利用
し、レーザ媒質ガス１１を直接冷却することを特
徴としている。

第３図には、本発明による冷却方式を採用した
ガスレーザ共振器の１具体例についてその断面概
略図を示す。

同図において、共振器を構成する放電管１はガ
ラス等の高絶縁性材料で形成され、外管１ａおよ
び内管１ｂよりなる二重管で構成される。前記外
管１ａはガラス管（例えば石英製）であり、内管
１ｂの管壁には、微小穴であるガス噴出口１０が
多数個設けられる。

このように、内管１ｂに設けられるガス噴出口
１０の配置には以下に述べるような態様がある。

(1) 微小穴よりなるガス噴出口１０が内管１ｂの
管壁上全面に均等に設けられる場合 (2) 前記ガス噴出口１０が内管１ｂの管壁上に、
ある規則性をもつて（例えば管壁上にスパイラ
ルに）設けられる場合 (3) 前記ガス噴出口１０が管壁上に不規則に設け
られる場合 (4) 前記(1)ないし(3)において、ガス噴出口１０が
管内壁上の法線に対してある角度をもつて設け
られる場合また、放電管１の内管１ｂとして、ガラスのか
わりに多孔質の高絶縁性、高熱伝導性の材料を用
いることも効果的であり、本発明の範囲に含まれ
る。このように、２重管で構成された放電管１の
両端には、電極をも兼ねたフランジ１３が０リン
グあるいは接着剤等により固定される。フランジ
１３にはガス供給システムの高圧部Ａより送られ
るレーザ媒質ガス１１を放電管１内へ導入するた
めのガス導入口１４、および放電管１内へ拡散し
たガス１１を管外へ放出するためのガス排気口１
２、および光学ミラー１５，１８ならびに電極端
子１６が設けられる。

またこの場合、前記の２重管より構成される放
電管１の外側に、さらに外套管（図示せず）を設
け、外管１ａと外套管の間に水を流してやること
により放電管の水冷を併用することも可能であ
る。

ガス供給システム内の加圧器６で高圧に加圧圧
縮されたレーザ媒質ガス１１は熱交換器９により
一旦冷却された後、フランジ１３に設けられたガ
ス導入口１４を通り、放電管１内へ導入される。
すなわち、放電管１内へ導入されるレーザ媒質ガ
ス１１は、放電管１の両端部に設けられたガス導
入口１４から外管１ａと内管１ｂとの間隙部に流
れ込み、前記間隙部で高圧を保つ。この際重要な
ことは、２重管間隙部内の圧力が十分に高く（普
通は７Kg／cm²前後が望ましい）に保たれることで
あり、またガス噴出口１０の断面積は、これによ
つて圧力が減少しない程度の寸法に選ばれている
ことである。そうでないと、気体膨張によるガス
冷却効果が小さくなり、実用上十分な冷却が達成
されなくなる。

内管１ｂの管壁上には前述したガス噴出口１０
が設けられているので、レーザ媒質ガス１１は前
記ガス噴出口１０より内管１ｂ内へ流入する。一
方、内管１ｂはガス排気口１２を通してガス供給
システム内の真空ポンプ２で吸引されているの
で、その内部圧力は十分低く、内管１ｂ内へ流入
したレーザ媒質ガス１１は管内へ瞬時に拡散す
る。管内へ噴出されたCO₂ガス１１は、前述した
ように気体膨張に伴う冷却効果によりマイナス数
十度まで温度が低下する。

放電管１内へのガス導入に際して、内管１ｂの
壁面に前記(1)〜(4)の態様で設けられた多数のガス
噴出口１０からは放電管１の中心軸と直交または
斜交する方向に媒質ガス１１が噴出させられると
共に冷却される。このように、各ガス噴出口周辺
において気体膨張によつて、低温化されたガスが
放電管１の中心部に向かつて流れたり、乱流を生
じたりする。

従つて、放電によりレーザ媒質ガス１１が温め
られて拡散してきた低レベルのCO₂分子は、低温
（基底レベル）の中性CO₂分子との衝突によつて
熱交換を行なう。これによつて、前記拡散冷却法
の欠点である放電管１の中心部のガス温の冷却不
備が改善され、一層の冷却効果を生じるものであ
る。したがつて、真空ポンプの排気速度を上げな
くても、すなわち、より小さい真空ポンプで、従
来の高速対流冷却に近い冷却効果を得ることが容
易である。

冷却されたレーザ媒質ガス１１は管内をガス排
気口１２に向つて流れている間に電気励起による
レーザ過程であたためられるが、「100」レベルに
分布する分子数が十分増大しないうちにガス排気
口１２から管外へ排出される。

本発明による冷却方式を採用した共振器は前述
したように放電管内へ高圧の媒質ガスを噴出し、
気体膨張に伴う冷却効果を利用して媒質ガスの冷
却を有効に行うものである。前述の実施例におい
て、放電管の壁面に設ける微小穴についていくつ
かの態様を示したが、そのいずれの方式において
も従来の間接拡散冷却法に比べ、放電管の単位長
あたり数倍の出力増加が得られる。

すなわち、前記内管１ｂ内に流入する過程で、
噴出ガスは対向する内管壁において反射し、相互
に乱流を発生せしめ、かつ、ガスが冷却されて放
出されるために、前述した低レベルのCO₂分子数
の増加を抑えてレーザ発振出力の増加をもたらす
ものである。

第４図は、本発明に適したガスレーザ共振器の
他の具体例の断面概略図であり、放電管１内へ導
入される高圧の媒質ガス１１が局所的に設けられ
たガス噴出口１０から管内へ導入される場合につ
いて示したものである。

この具体例においては、放電管１は高熱伝導
性・高絶縁性（例えばBeO（ベリリヤ）等）の管
体で構成され、その両端にはフランジ１３が固定
される。前記フランジ１３は、第３図の場合と同
様に電極をも兼ねており、電極端子１６、光学ミ
ラー１５，１８、ガス導入口１４あるいはガス排
気口１２等が設けられる。

この場合、第５図に示すフランジ１３の断面図
からも明らかなように、ガス導入口１４から放電
管１内へ噴出される媒質ガス１１が、管内壁の法
線に対してある角度をもつように、前記導入口１
４が位置決め、穿設されるのが望ましい。このよ
うな構成にすれば、噴出ガス相互間の干渉も加わ
つて、より著しいガスの乱流を生じさせることが
でき、熱交換特性の改善、放電の均一化、出力の
増大の面でより一層の効果がある。

なお、第４，５図の共振器の変形例として、 (1) 放電管１の中央部に複数個のガス噴出口を、
前述と同様にして穿設し、管内へ噴出されたガ
スを拡散させながら、放電管の両端に設けたガ
ス排気口から排出する。

(2) これとは逆に、放電管の両端部に複数個のガ
ス噴出口を設け、管中央部に排気口を設ける。

(3) ガスの噴出口と排気口を放電管の軸方向管壁
にそつて適宜に分散させる。

このような変形例では、噴出されたガスが排気
されるまでに管内を拡散し、移動する距離が短か
く、その時間も短かいので、媒質ガスの温度上昇
が少なくて済むという利点がある。

以上、詳細に述べてきたように本発明はレーザ
媒質ガスの冷却方式として、ガス噴出口を通して
管内へ流入するガスの気体膨張に伴う冷却効果を
巧みに利用したものであり、前記冷却方式を実用
化する手段として、低圧部、中圧部、高圧部より
成るガス供給システムを具備していることを特徴
としている。既述したようにガス供給システムに
触媒、オイルトラツプ用フイルタを配備し、媒質
用CO₂ガスをシステム内で循環させるリサイクル
システムを採用した場合には、装置の稼動にあた
つて運転コストの軽減に寄与することができる。
また、前記システム内のレーザ媒質ガスの循環に
は、高圧発生用の加圧器と真空発生用のポンプと
を個別に設けているので、各々に小型の装置を用
いたとしても高い循環効率が得られ、装置全体と
しての小型化が達成されるものである。

また、本発明のガス供給システムにおいて、シ
ステム内を流れる媒質用ガスは、その循環過程に
おいて熱交換器、リザーバー、触媒等を通過する
ことにより加圧器から発生する圧力の脈動が緩和
され、放電管内へのガス導入の前の段階でのガス
圧を一定にさせられる。このことによりガス噴出
口より管内に噴射されるCO₂ガスは常に安定した
状態が保たれる。

本発明の特徴を列記すれば、次のように要約さ
れる。

(1) レーザ発振用電源は従来の拡散冷却法と同等
の仕様のものが使用できる。

(2) 放電管内におけるレーザガス媒質の流速は全
体としてみれば真空ポンプの排気速度、および
排気系のコンダクタンスで決められるが、放電
管の断面半径方向でみれば、気体膨張に伴うガ
ス冷却効果と同時に高速のガス流出速度を有す
るため、対流冷却法に類似した効果を有する。

(3) レーザ媒質ガス圧力を一たん高圧力に高める
ことによつて、レーザ放電管内へのガス噴出口
における気体膨張による冷却という物理的手法
によるガス冷却法を採用したので、 (4) ガス噴出口の形状を工夫することによつて、
圧力差を大きくし、ガス流出速度を一層増加さ
せることができる。

以上、詳細に述べてきたように、本発明によれ
ばレーザシステムを小型に保ち、かつレーザ発振
出力を数倍（５倍程度）に増加させることができ
る。このことは多方面にわたるレーザの応用に寄
与し産業の発展に貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の実施例
の概略系統図、第３図および第４図はそれぞれ本
発明に好適なガスレーザ共振器の縦断面図、第５
図は第４図の−線断面図である。１……放電管、２……真空ポンプ、３……媒質
ガスボンベ、６……加圧器、９……熱交換器、１
１……媒質ガス、１２……ガス排気口、１３……
フランジ、１４……ガス導入口。

Claims

【特許請求の範囲】１レーザ放電管と、その両端に配設された光学
ミラーと、前記放電管内へレーザ媒質ガスを導入
し、かつ排出するガス供給システムとを具備し、前記ガス供給システムが、レーザ媒質ガス加圧
器、レーザ媒質ガス冷却のための熱交換器、レー
ザ放電管へのレーザ媒質ガスの導入部、レーザ放
電管からのレーザ媒質ガスの排気部および排気ポ
ンプを具備し、前記レーザ放電管は２重管であつて、内管には
複数の小穴より成るガス導入部が形成され、内管
および外管の間の空間には、高圧力に高められた
レーザ媒質ガスが供給されると共に、前記レーザ媒質ガスが放電管内へ導入される際
に、気体膨張に伴うレーザ媒質ガスの冷却を生じ
させるように構成されたことを特徴とするレーザ
発振装置。２さらに、外管を覆う外套管を具備し、外管と
外套管との間の空間に冷媒が供給されることを特
徴とする前記特許請求の範囲第１項記載のレーザ
発振装置。３内管に形成された小穴が管壁全面に設けられ
たことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項ま
たは第２項記載のレーザ発振装置。４内管に形成された小穴が規則性を有するよう
に配置されたことを特徴とする前記特許請求の範
囲第１項または第２項記載のレーザ発振装置。５内管に形成された小穴が不規則に配置された
ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項また
は第２項記載のレーザ発振装置。６内管に形成された小穴の少なくとも１部が、
内管の管壁内面の法線と一致しない向きに開口し
ていることを特徴とする前記特許請求の範囲第１
項ないし第５項のいずれかに記載のレーザ発振装
置。７前記内管が多孔質、高絶縁性、高熱伝導性の
材料で構成されたことを特徴とする前記特許請求
の範囲第１項または第２項に記載のレーザ発振装
置。８前記放電管内へのレーザ媒質ガスの導入部が
複数のガス噴出口であることを特徴とする前記特
許請求の範囲第１項記載のレーザ発振装置。９前記複数のガス噴出口が放電管の一端に配設
され、排出口がその反対端に設けられたことを特
徴とする前記特許請求の範囲第８項記載のレーザ
発振装置。１０前記放電管内へのレーザ媒質ガスの導入部
が、前記放電管の両端部に配設された複数のガス
噴出口であり、排出口が放電管の中央部に設けら
れたことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
記載のレーザ発振装置。１１前記放電管内へのレーザ媒質ガスの導入部
が管中央部に設けられた複数のガス噴出口であ
り、排出口が放電管の両端部に設けられたことを
特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載のレー
ザ発振装置。１２前記ガス噴出口と排出口とが前記放電管の
軸方向にそつて分散配設されたことを特徴とする
前記特許請求の範囲第８項記載のレーザ発振装
置。