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JPH0374040B2 - - Google Patents
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JPH0374040B2 - - Google Patents

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JPH0374040B2
JPH0374040B2 JP22118883A JP22118883A JPH0374040B2 JP H0374040 B2 JPH0374040 B2 JP H0374040B2 JP 22118883 A JP22118883 A JP 22118883A JP 22118883 A JP22118883 A JP 22118883A JP H0374040 B2 JPH0374040 B2 JP H0374040B2
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discharge tube
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carbon dioxide
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22Gases
    • H01S3/223Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube

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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は炭酸ガスレーザー発振法およびその装
置に関する。 (従来技術) 炭酸ガスレーザーは高出力レーザー光を安定し
て得られるガスレーザーとして、医療用、機械加
工用等の種々の用途に広く使用されている。 この炭酸ガスレーザーとしては、放電管中に
CO2、N2、Heを所定の分圧で流入し、この混合
ガス雰囲気中で放電を行ない、レーザー発振を行
なうものが広く使用されている。しかしながらこ
のような炭酸ガスレーザーは、高圧ボンベおよび
ガス配管を必要とし、装置が大がかりになり、コ
ストもかかるという欠点があつた。特に大出力の
レーザー光を連続して発振する場合には、多量の
混合ガスを必要とし、ガスボンベの貯蔵容積が大
きくなり、このことが装置全体を大規模なものに
するという問題があつた。 (発明の目的) 本発明の目的は、安価でかつ装置を小型化する
ことのできる炭酸ガスレーザー発振法およびその
装置を提供することにある。 (発明の構成) 本発明の炭酸ガスレーザー発振法は、空気と有
機化合物蒸気とからなる雰囲気中で放電を行なう
ことを特徴とする。 また、本発明の炭酸ガスレーザー発振装置は、
放電管と、この放電管の一端から空気と有機化合
物蒸気との混合気体を供給する手段と、前記の放
電管の他端に接続した排気ポンプとを備えたこと
を特徴とする。 本発明は空気と有機化合物蒸気との混合雰囲気
中で放電を行なうことにより、空気中で有機化合
物を分解して、CO2等を生成しこれによつて炭酸
ガスレーザー光を発振放出せしめるようにしたの
で、高圧ボンベ、ガス配管を必要としないので装
置を小型安価なものとすることができる。 本発明において、有機化合物とは少なくとも炭
素と水素とから構成され、ほぼ室温において液体
のものを言う。 しかしながら、この有機化合物としては以下の
要件を満たすものがより好ましい。 (1) 水素、炭素、酸素、窒素以外の原子を含まな
いもの。 (2) 空気中の酸素と完全に反応しうるよう適当な
蒸気圧を有するもの。 (3) 他の構成原子数に対して水素の原子数が比較
的小さく、多量のH2Oを生じないもの。 このような要件を満たすものとして、例えばト
ルエンC6H5CH3、エチルベンゼンC6H5CH5、キ
シレンC6H4(CH32、スチレンC6H5CH=CH2
の芳香族炭化水素、エタノールC2H5OH、メタノ
ールCH3OH等のアルコール、ホルムアルデヒド
HCHO、アセトアルデヒドCH3CHO等のアルデ
ヒド、アセトンCH3COCH3等のケトン、ギ酸
HCOOH、酢酸CH3COOH、無水酢酸
(CH3CO)2O等のカルボン酸、酢酸エチル
CH3COOC2H5等のエステルおよびエーテルC2H5
−O−C2H5を挙げることができる。 なお、シアノゲン(C2N2)や一酸化炭素を燃
料として空気と混合し、バーナーで燃焼させた後
ノズルから断熱膨張させレーザー発振を行なう燃
焼型ガスダイナミツクレーザーが知られている
が、この燃焼型ガスダイナミツクレーザーは放電
を行なわない点、および多量の燃焼ガスを必要と
し、装置が大がかりな点で本発明の炭酸ガスレー
ザーと異なる。 以下、本発明を図面を用いて説明する。 第1図は、本発明の方法および装置の概略説明
図である。 従来のガスレーザー装置と同様円筒状放電管1
の両端部は放電管1の軸方向に傾斜したブルース
ターの窓1a,1bが設けられている。放電管1
の軸方向に沿つて一方に全反射鏡2a、他方に半
通過鏡2bが配されている。放電管1の一端には
液溜3が導管3aを介して接続されている。液溜
3の内部には有機化合物の液体が充てんされ、こ
の有機化合物の液体中に空気導入管3bが延ばさ
れている。放電管1の他端には排気ポンプ4が接
続されている。放電管1の両端には放電を行なう
ための電極5a,5bが設けられており、それぞ
れ電源6に接続されている。 排気ポンプ4が作動されると放電管1の内部が
排気されるとともに、液溜3の気圧が低下し、こ
れによつて空気導入管3bから外部の空気が導入
されて、有機化合物蒸気と空気の混合気体が放電
管1内に導入される。有機化合物蒸気と空気の混
合気体が放電管1内に充てんされた後電極5a,
5b間に電源6により電圧を印加して、有機化合
物蒸気と空気とからなる混合雰囲気中で放電を行
なうと、有機化合物が分解され、かつこの分解物
が空気中の酸素と反応して、CO2、H2Oが生成さ
れる。さらに、この生成されたCO2、H2Oおよび
空気中のN2が放電により励起されると、レーザ
ー発振が開始され、レーザー光7が放出される。
上記放電により形成されたH2Oおよび空気中に
含有されるN2はレーザー発振の強度を高める役
割りをする。排気ポンプ4は常に運転されてお
り、レーザーガスを排気し圧力を適当に保つ。 上述の装置を使用して、行なつた実験結果を以
下の表に記載する。有機化合物としてはキシレン
C6H4(CH32、トルエンC6H5CH3、ベンゼン
C6H6、エタノールC2H5OH、メタノール
CH3OH、アセトンCH3COCH3を使用した。これ
ら有機化合物の純度は99.5%以上であつた。ま
た、炭酸ガスレーザー光が発振されていることの
確認は炭酸ガスレーザー用スペクトルアナライザ
ーを用いて行なわれた。なお、比較のために従来
のCO2混合ガスを使用した場合の結果も記載し
た。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a carbon dioxide laser oscillation method and its apparatus. (Prior Art) Carbon dioxide lasers are gas lasers that can stably produce high-power laser light, and are widely used for various purposes such as medical purposes and mechanical processing. This carbon dioxide laser has a
Devices in which CO 2 , N 2 , and He are introduced at a predetermined partial pressure and discharge is performed in this mixed gas atmosphere to generate laser oscillation are widely used. However, such a carbon dioxide laser requires a high-pressure cylinder and gas piping, resulting in a large-scale apparatus and high cost. Particularly in the case of continuously oscillating a high-output laser beam, a large amount of mixed gas is required, which increases the storage volume of the gas cylinder, which poses the problem of making the entire device large-scale. (Objective of the Invention) An object of the present invention is to provide a carbon dioxide laser oscillation method and its apparatus that are inexpensive and can be miniaturized. (Structure of the Invention) The carbon dioxide laser oscillation method of the present invention is characterized in that discharge is performed in an atmosphere consisting of air and organic compound vapor. Furthermore, the carbon dioxide laser oscillation device of the present invention includes:
It is characterized by comprising a discharge tube, means for supplying a mixed gas of air and organic compound vapor from one end of the discharge tube, and an exhaust pump connected to the other end of the discharge tube. The present invention decomposes organic compounds in the air by performing electric discharge in a mixed atmosphere of air and organic compound vapor to generate CO 2 etc., thereby emitting oscillation of carbon dioxide laser light. Therefore, a high pressure cylinder and gas piping are not required, so the device can be made small and inexpensive. In the present invention, an organic compound is one that is composed of at least carbon and hydrogen and is liquid at approximately room temperature. However, it is more preferable that the organic compound satisfies the following requirements. (1) Contains no atoms other than hydrogen, carbon, oxygen, or nitrogen. (2) It has an appropriate vapor pressure so that it can completely react with oxygen in the air. (3) The number of hydrogen atoms is relatively small compared to the number of other constituent atoms and does not produce a large amount of H 2 O. Aromatic compounds such as toluene C 6 H 5 CH 3 , ethylbenzene C 6 H 5 CH 5 , xylene C 6 H 4 (CH 3 ) 2 , and styrene C 6 H 5 CH=CH 2 meet these requirements. Hydrocarbons, alcohols such as ethanol C 2 H 5 OH, methanol CH 3 OH, formaldehyde
Aldehydes such as HCHO, acetaldehyde CH 3 CHO, ketones such as acetone CH 3 COCH 3 , formic acid
Carboxylic acids such as HCOOH, acetic acid CH 3 COOH, acetic anhydride (CH 3 CO) 2 O, ethyl acetate
Esters and ethers such as CH 3 COOC 2 H 5 C 2 H 5
-O- C2H5 can be mentioned. Incidentally, combustion-type gas dynamic lasers are known in which cyanogen (C 2 N 2 ) or carbon monoxide is mixed with air as a fuel, combusted in a burner, and then adiabatically expanded from a nozzle to emit laser oscillation. The combustion type gas dynamic laser differs from the carbon dioxide laser of the present invention in that it does not generate electric discharge, requires a large amount of combustion gas, and has a large-scale device. Hereinafter, the present invention will be explained using the drawings. FIG. 1 is a schematic illustration of the method and apparatus of the present invention. Cylindrical discharge tube 1 similar to conventional gas laser equipment
Brewster windows 1a and 1b are provided at both ends of the discharge tube 1, which are inclined in the axial direction of the discharge tube 1. discharge tube 1
Along the axial direction, a total reflection mirror 2a is arranged on one side, and a semi-transmission mirror 2b is arranged on the other side. A liquid reservoir 3 is connected to one end of the discharge tube 1 via a conduit 3a. The inside of the liquid reservoir 3 is filled with an organic compound liquid, and an air introduction pipe 3b is extended into the organic compound liquid. An exhaust pump 4 is connected to the other end of the discharge tube 1. Electrodes 5a and 5b for discharging are provided at both ends of the discharge tube 1, and each is connected to a power source 6. When the exhaust pump 4 is operated, the inside of the discharge tube 1 is exhausted, and the pressure in the liquid reservoir 3 is lowered. As a result, external air is introduced from the air introduction tube 3b, and organic compound vapor and air are A mixed gas of is introduced into the discharge tube 1. After the gas mixture of organic compound vapor and air is filled in the discharge tube 1, the electrodes 5a,
When a voltage is applied between 5b and 5b by the power supply 6 to generate a discharge in a mixed atmosphere consisting of organic compound vapor and air, the organic compound is decomposed and this decomposed product reacts with oxygen in the air, producing CO2. 2 , H2O is produced. Furthermore, when the generated CO 2 , H 2 O, and N 2 in the air are excited by discharge, laser oscillation is started and laser light 7 is emitted.
H 2 O formed by the discharge and N 2 contained in the air serve to increase the intensity of laser oscillation. The exhaust pump 4 is constantly operated to exhaust the laser gas and keep the pressure at an appropriate level. The results of experiments conducted using the above-described apparatus are listed in the table below. Xylene as an organic compound
C6H4 ( CH3 ) 2 , tolueneC6H5CH3 , benzene
C6H6 , ethanolC2H5OH , methanol
CH3OH , acetone CH3COCH3 was used. The purity of these organic compounds was 99.5% or more. Furthermore, confirmation that the carbon dioxide laser light was being oscillated was performed using a spectrum analyzer for carbon dioxide lasers. For comparison, the results obtained when a conventional CO 2 mixed gas was used are also shown.

【表】 なお、上表において生成物は計算による。安定
性の判定は30分以上にわたつてレーザー発振が行
なわれたものを○それ以下であつたものを×とし
た。 使用した全ての有機化合物で放電開始初期に数
Wのレーザー出力が得られたが、アセトン、ベン
ゼンが使用された場合は、放電開止後20分以内で
発振が停止した。これは、アセトン及びベンゼン
の蒸気圧が比較的高いためO2の量が不十分とな
り、有機化合物が不完全燃焼状態をおこし、CO2
の生成が十分に行なわれないとともに、多量の固
体あるいは液体状の物質が放電管中に存在した状
態となるためと考えられる。このような固体ある
いは液体状の不純物は、レーザー光を吸収したり
するばかりでなく、ガス入口付近のレーザー管内
壁を著しく汚染する。キシレン、トルエン、エタ
ノール、メタノールを有機化合物として使用した
場合は、30分以上にわたつて安定な出力が得られ
た。特にキシレンを使用した場合は3時間でその
出力変動は3%以内であつた。 次に、第2図に有機化合物としてキシレン、ト
ルエン、エタノール、メタノールを使用した場合
のレーザー光出力の圧力依存性を示す。なお、比
較のために従来のCO2混合ガス(CO2:N2:He
=1:1:18)の場合をも示した。 レーザー光出力は反応生成物中に含まれる
H2Oの量に大きく依存する。H2O量がメタノー
ルの場合のように多過ぎると、H2OによるCO2
準位の失活が動作圧力を制限し、第2図に示され
るように高圧化によるレーザー光の高出力化を妨
げる。キシレンを使用した場合は圧力の上昇とと
もにレーザー光出力は線形的に増加した。 本発明においては、Heガスを使用しなかつた
が、放電により形成したH2OがHeの代替作用を
し、有機化合物としてキシレンを使用した場合適
量のH2Oが生じ、表および第2図に示されるよ
うに従来のCO2混合ガスを使用した場合とほぼ同
レベルの出力を得ることができた。 なお、上記キシレン、トルエン、エタノール、
メタノール以外の有機化合物でもレーザー発振を
行なうことができた。 (発明の効果) 本発明は、CO2、N2、Heを所定の分圧で混合
し、この混合雰囲気中で放電を行なう代わりに、
有機化合物蒸気と空気の混合雰囲気中で放電を行
なうようにしたので、複雑な配管系を必要とせず
装置が簡単かつ小型なものとなり、低コスト化が
達成される。また、大出力のレーザー光を連続し
て発振する場合も、活性媒質を液体として貯蔵で
きるので装置全体を小規模なものとすることがで
きるという利点を得ることができる。
[Table] In the above table, the products are calculated. Stability was evaluated as ○ if laser oscillation was performed for 30 minutes or more; × if less than 30 minutes. Laser output of several watts was obtained at the beginning of discharge with all the organic compounds used, but when acetone and benzene were used, oscillation stopped within 20 minutes after discharge stopped. This is because the vapor pressure of acetone and benzene is relatively high, so the amount of O 2 is insufficient, causing incomplete combustion of organic compounds and CO 2
It is thought that this is because not enough is generated, and a large amount of solid or liquid substances are present in the discharge tube. Such solid or liquid impurities not only absorb laser light but also significantly contaminate the inner wall of the laser tube near the gas inlet. When xylene, toluene, ethanol, and methanol were used as organic compounds, stable output was obtained for more than 30 minutes. In particular, when xylene was used, the output fluctuation was within 3% within 3 hours. Next, FIG. 2 shows the pressure dependence of laser light output when xylene, toluene, ethanol, and methanol are used as organic compounds. For comparison, conventional CO 2 mixed gas (CO 2 :N 2 :He
= 1:1:18) is also shown. Laser light output is contained in the reaction product
Highly dependent on the amount of H2O . If the amount of H 2 O is too large, as in the case of methanol, the deactivation of the upper level of CO 2 by H 2 O limits the operating pressure, and as shown in Figure 2, the output of the laser beam increases due to the high pressure. prevent the development of When xylene was used, the laser light output increased linearly with increasing pressure. In the present invention, He gas was not used, but H 2 O formed by discharge acts as a substitute for He, and when xylene is used as an organic compound, an appropriate amount of H 2 O is generated. As shown in Figure 2, we were able to obtain almost the same level of output as when using conventional CO 2 mixed gas. In addition, the above xylene, toluene, ethanol,
Laser oscillation was also possible with organic compounds other than methanol. (Effects of the Invention) The present invention provides, instead of mixing CO 2 , N 2 and He at a predetermined partial pressure and performing discharge in this mixed atmosphere,
Since the discharge is performed in a mixed atmosphere of organic compound vapor and air, a complicated piping system is not required, and the device is simple and compact, resulting in lower costs. Furthermore, even when a high-output laser beam is continuously oscillated, the active medium can be stored as a liquid, which provides the advantage that the entire device can be made small-scale.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の方法および装置の概略説明
図である。第2図は、レーザー光発振強度の全圧
依存性を示すグラフである。 1……放電管、2a,2b……反射鏡、3……
液溜、4……排気ポンプ、6……電源、7……レ
ーザー光。
FIG. 1 is a schematic illustration of the method and apparatus of the present invention. FIG. 2 is a graph showing the dependence of laser beam oscillation intensity on total pressure. 1...discharge tube, 2a, 2b...reflector, 3...
Liquid reservoir, 4...exhaust pump, 6...power supply, 7...laser light.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 空気と有機化合物蒸気とからなる雰囲気中で
放電を行なうことを特徴とする炭酸ガスレーザー
発振法。 2 前記有機化合物がキシレン、トルエン、エタ
ノールおよびメタノールのうちの少なくとも一つ
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の炭酸ガスレーザー発振法。 3 放電管と、この放電管の一端から空気と有機
化合物蒸気との混合気体を供給する手段と、前記
の放電管の他端に接続した排気ポンプとを備えた
ことを特徴とする炭酸ガスレーザー発振装置。
[Claims] 1. A carbon dioxide laser oscillation method characterized by performing discharge in an atmosphere consisting of air and organic compound vapor. 2. The carbon dioxide laser oscillation method according to claim 1, wherein the organic compound is at least one of xylene, toluene, ethanol, and methanol. 3. A carbon dioxide laser comprising a discharge tube, means for supplying a mixed gas of air and organic compound vapor from one end of the discharge tube, and an exhaust pump connected to the other end of the discharge tube. Oscillation device.
JP22118883A 1983-11-24 1983-11-24 Carbon dioxide laser oscillation method and its device Granted JPS60113491A (en)

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