炭酸ガスレーザ発振器
【課題】 真空容器の内部に存在する気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によって、レーザ光の特性が変化するのを防ぐ炭酸ガスレーザ発振器を得る。
【解決手段】 レーザ媒質が部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を完全に覆うように、レーザ光が通るための開口を有した形状の部品を部分反射鏡の電極側の面近傍に配置するとともに、当該開口の内面を多孔質型アルマイトとし、さらに流入するレーザ媒質より温度が低くなるように当該部品を冷却したものである。
【解決手段】 レーザ媒質が部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を完全に覆うように、レーザ光が通るための開口を有した形状の部品を部分反射鏡の電極側の面近傍に配置するとともに、当該開口の内面を多孔質型アルマイトとし、さらに流入するレーザ媒質より温度が低くなるように当該部品を冷却したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭酸ガスレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスレーザ発振器には主に直交型、軸流型、スラブ型の３つの方式がある。
【０００３】
図１１は、従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器の概略構成の一例を示すものであり、図１１（ａ）は横断面図であり、図１１（ｂ）は縦断面図である。真空容器１には、各構成部品が取り付けられていると共に、中にはレーザ媒質２が３０〜３００Ｔｏｒｒ程度の圧力で入っている。レーザ媒質２は、ブロア３によって矢印のように整流ダクト４から電極５へと循環する。電極５には電源ユニット６から高電圧が供給され、それによって放電７が発生する。放電７によるエネルギーがレーザ媒質２に与えられることで、レーザ媒質２である炭酸ガスが励起し、遷移の際に放出される光子をレーザ媒質２を挟んで対向して配置された部分反射鏡８と全反射鏡９からなる光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡８からレーザ光１０として外部へ取り出す。放電７によってエネルギーを与えられたレーザ媒質２は、温度が上昇しているため、熱交換器１１によって冷却される。電極５と部分反射鏡８、および電極５と全反射鏡９の間には、アパーチャ１２が配置され、横モード次数の決定、回折光、散乱光のカットといった役割を担っている。真空容器１のリーク、すなわち外部からの大気混入や構成部品の劣化によるアウトガスの発生のため、レーザ媒質２には徐々に不純物が混入してくるので、定期的に真空ポンプ１３によってレーザ媒質２を排気し、新しいレーザ媒質２との入れ替えを行う。熱交換器１１や冷却が必要な部品には、冷却装置１４から冷却水が供給されている（図示省略）。一連の動作は、制御装置１５によって制御される。このような直交型の炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
図１２は、従来の軸流型炭酸ガスレーザ発振器の概略構成の一例を示すものである。図１１と同一部品は同一符号を付けたので詳細の説明は省略する。直交型ではレーザ媒質２の循環する方向とレーザ光１０の出射する方向が直交していたが、軸流型では平行である。このような軸流型の炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献２に記載されている。
【０００５】
スラブ型の炭酸ガスレーザ発振器については特に図示しないが、例えば特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−９４８１０号公報
【特許文献２】特開平５−１６７１３３号公報
【特許文献３】特開２０００−２６９５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炭酸ガスレーザ発振器では、例えば以下のような理由により、真空容器１の内部に気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が存在する。
・真空ポンプ１３のオイルが気化したオイルミスト
・ブロア３のベアリング内に充填しているグリースが気化したもの
・ブロア３のステータコイルを固めているワニス、絶縁紙が劣化したもの
・熱交換器１１のパイプをロウ付けする際に使用するフラックスの残留成分
・ブロア４のファン、ケーシングの鋳造時に付着した離型剤の残留成分
・アパーチャ１２の切削加工時に付着した切削油の残留成分
・整流ダクト４のプレス加工時に付着した加工油の残留成分
・各構成部品の洗浄時に付着した洗浄液の残留成分
【０００８】
これら気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８に付着すると、その汚れによって、部分反射鏡８がレーザ光１０のエネルギーを吸収する比率（以降、これを熱吸収率と呼ぶ）が増大する。これによって、部分反射鏡８の内部で温度上昇による屈折率の変化が生じ、レーザ光１０の特性が変化する。
【０００９】
図９は、直交型炭酸ガスレーザ発振器において、レーザ光出力２ｋＷと４ｋＷで連続発振した時の、発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。未使用の部分反射鏡８でも、母材および表面の誘電体コーティングによって０．１％の熱吸収が存在するが、出力４ｋＷで１０００ｈｒレーザ発振することによって、これが０．２％まで上昇している。また、同じ発振器では、高いレーザ光出力で発振する程、熱吸収率の上昇も大きく、今後、市場のニーズである高出力炭酸ガスレーザ発振器を開発していく上で、大きな課題になることが懸念される。
【００１０】
図１０は、部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％から０．２％に上昇した場合の、レーザ光１０の特性の変化を示したものであり、実線が０．１％の場合であり、破線が０．２％の場合を示している。窒素雰囲気中でレーザ光を５ｍ伝播させた場所でのビーム径が、熱吸収率の増加により、Φ４０からΦ３２へと２０％小さくなっており、その分ビーム強度密度が高くなることは明らかである。そのため、レーザ加工で不良が発生する可能性が高くなり、安定した加工を行うことが困難な状況になる。
【００１１】
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、真空容器１の内部に存在する気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によって、レーザ光１０の特性が変化するのを防ぐ炭酸ガスレーザ発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る炭酸ガスレーザ発振器においては、部分反射鏡の電極側の面はレーザ媒質に触れているが、このレーザ媒質が部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を覆うように、レーザ光が通るための開口を有した形状の部品を部分反射鏡の電極側の面近傍に配置するとともに、当該開口の内面を多孔質型アルマイトとし、さらに流入するレーザ媒質より温度が低くなるように当該部品を冷却したものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を覆うように、表面が多孔質型アルマイトでできた部品を配置することにより、部分反射鏡の熱吸収率の増加を抑制することができる。このため、レーザ光の特性が安定し、品質の良いレーザ加工を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構造図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明する、部分反射鏡付近の詳細構造図である。
【図３】本発明の実施の形態１および従来技術における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係のばらつきを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１および従来技術におけるＴＯＦ−ＳＩＭＳ分析結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１における多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２における多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図９】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図１０】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器における部分反射鏡の熱吸収率がレーザ光の特性に与える影響を示す説明図である。
【図１１】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器を示す構造図である。
【図１２】従来の軸流型炭酸ガスレーザ発振器を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示すものであり、図１（ａ）は横断面図であり、図１（ｂ）は縦断面図である。本実施の形態の特徴部分は、部分反射鏡８付近の構成であるので、その他従来技術と同様の構成については、従来技術の図１１と同一部品は同一符号を付け詳細の説明を省略する。図１に示すように、ミラー押さえ１６とミラーホルダ１７で部分反射鏡８を保持し、Ｏリング１８で気密性を確保する構造となっている。ミラー押さえ１６は、部分反射ミラー８の真空容器１の内部側を保持しており、レーザ光１０が通り部分反射鏡８へと通ずる筒状の開口２１を有すると共に、この開口２１の内面が多孔質型アルマイトでできている。また、ミラー押さえ１６を冷却するために冷却媒体を流す流路２０がミラー押さえ１６の内部に設けられ、この流路２０に冷却媒体を供給・排出するポート１９が設けられている。このような構造により、レーザ媒質２は、ミラー押さえ１６の内面が多孔質型アルマイトでできた開口２１内を通ってしか部分反射鏡８にたどり着くことができない。
【００１６】
図２は、図１において、一点鎖線で囲んだ部分反射鏡８およびミラー押さえ１６の付近Ｂの部分を拡大したものである。なお、多孔質型アルマイトは実際にはナノ〜ミクロンオーダの非常に細かい構造をしているが、説明のために意図的に拡大して描いている。
電極５側から、気化した有機物や浮遊した微細な粉塵がレーザ媒質２と一緒にやってくる。このうち、微細な粉塵の中でも比較的大きなものは、多孔質型アルマイトが圧力障壁となるのでミラー押さえ１６の開口２１に侵入することができず、手前で方向を変える。ごく微細な粉塵は開口２１の中へ侵入することがあるが、開口２１の内部では上記圧力障壁によって、部分反射鏡８へ向かう矢印Ｃの方向への強制的な流れは存在せず、自然対流による流れのみであるので、開口２１内を漂っているうちに、やがて多孔質の孔中にトラップされる。
【００１７】
気化した有機物についても開口２１の中へ侵入することがあるが、上述の通り、開口２１の内部では自然対流となっている。ミラー押さえ１６は侵入してくるレーザ媒質２より温度が低くなるように冷却されているため、多孔質部分でコールドトラップされる。
多孔質型アルマイトは、孔径と孔の深さの比率が１：１０００程度であり、非常に細くて深い孔が無数にあいている。なお、１：１０００で形状を描くことは困難であるため、図では意図的に比率を変えて描画した。このため、表面が多孔質型アルマイトでできたものは、そうでないものと比べて表面積が桁違いに大きい。このような広大な表面積を有しているため、冷却温度がそれほど低くなくてもコールドトラップとしての機能を十分に果たす。
【００１８】
実際に試作し効果の確認を行った形状、製作条件の一例を示す。ミラー押さえ１６の材質はＡ５０５２であり、表面には普通硫酸アルマイトを膜厚１０μｍ施し、開口２１の長さ方向の寸法Ｄは２５ｍｍとし、２０℃の水で冷却した（以下、［例１］と呼ぶ）。
【００１９】
図３は、図９に対応したもので、レーザ光発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。直交型炭酸ガスレーザ発振器において、実線が実施の形態１を適用していない従来の技術を適用した発振器のデータであり、破線が実施の形態１を適用した発振器のデータであり、共にレーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。従来の技術では、１０００ｈｒのレーザ光発振によって部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％上昇していたが、本発明の実施の形態１を適用することで、吸収率上昇が０．０５％に抑えられ、熱吸収率上昇低減の効果は５０％得られたことになる。
【００２０】
実際に、本発明の技術を製品化するにあたっては、図３で得られた効果が、上述した［例１］の形状や製作条件に特異なものではなく、製造上や使用上で生じるばらつきによっても、効果が大きく損なわれないことを確認しておく必要がある。そこで、形状や製作条件をある程度変化させ、得られる効果がどの程度変わるのかを確認した。なお、実験として、実際の製造ではばらつかないもの、例えば材質などについても変化させ、変化量は製造上や使用上で想定されるばらつき量よりも大きくして、効果の確認を行った。
【００２１】
図４は、形状や制作条件を変化させた場合の、レーザ光発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を測定した実験の結果を示したグラフであり、いずれも直交型炭酸ガスレーザ発振器を用い、レーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。
図４（ａ）は、ミラー押さえ１６の材質をＡ１１００、Ａ５０５２、Ａ６０６３と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｂ）は、アルマイト処理浴の種類を硫酸浴、蓚酸浴、クロム酸浴と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｃ）は、皮膜硬さを普通アルマイト、硬質アルマイトと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｄ）は、膜厚を５μｍ、１０μｍ、２０μｍと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｅ）は、冷却水の温度を１０℃、２０℃、３０℃と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｆ）は、寸法Ｄを２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４より、形状、製作条件で得られる効果は全く同じとは言えないが、図４（ａ）〜図４（ｆ）で実験を行った形状、製作条件の範囲内では、熱吸収率上昇低減効果は、５０±１０％の範囲に収まっており、製品化すなわち量産に十分適用できる技術であることが確認できた。
【００２２】
なお、図１，２において説明した構成においては、ミラー押さえ１６に開口２１を設け、その内面に多孔質型アルマイトを形成したが、ミラー押さえ１６とは別部品でレーザ光が通過する開口２１を有し内面に多孔質型アルマイトを形成したものを、部分反射鏡８の近傍に設けても良い。
【００２３】
また、上記実験は直交型炭酸ガスレーザ発振器で行ったが、他の型式である軸流型やスラブ型においても、部分反射ミラー近傍に同様な構成を採用することにより、同様な効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
上述した通り、本発明の実施の形態１を適用することで、部分反射鏡８の熱吸収率上昇を、従来の約５０％に低減することができた。しかしながら、言い換えればまだ残り５０％は熱吸収率が上昇するということである。この残り５０％という数値は、レーザ光１０の特性を変化させるという影響から考えると決して無視できない程度のものである。
【００２５】
そこで、本発明の実施の形態１における［例１］を適用して、レーザ光出力４ｋＷで１０００ｈｒ連続発振させた部分反射鏡８、すなわち熱吸収率が０．１％から０．１５％まで上昇したものについて表面分析を行った。その結果を図５（ａ）に示す。
用いた分析手法はＴＯＦ−ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ − Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）であり、ｐｐｍオーダの極微量元素を検出できることが最大の特徴である。ＳＥＭ−ＥＤＳ、ＸＰＳ、ＡＥＳなど、表面分析手法には色々なものがあり、それぞれに特徴を有しているが、検出感度という点では、これらの分析手法では％オーダで元素が存在していないと検出することができない。
炭酸ガスレーザについて言えば、波長１０．６μｍの光にとって透明でない物質は、それが％オーダ未満のわずかな量付着していても、部分反射鏡８の熱吸収率上昇を引き起こす。従って、今回のような吸収率上昇の原因物質を突き止めるような分析には、ＴＯＦ−ＳＩＭＳが適している。
【００２６】
図５（ａ）において横軸は深さであり、これはデプスプロファイル分析を行ったことを意味する。すなわち、Ａｒイオンで表面をスパッタリングしていき、一定時間ごとにＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定を行うことで、深さ方向の分析を行っている。従って、元々の横軸はスパッタ時間であるが、スパッタレートを求めてこれを深さへ変換したものである。
図５（ａ）において、Ｓｅ、Ｚｎは部分反射鏡８の構成物質であるＺｎＳｅに由来している物質である。また、表面にはＣ、Ｃｌが付着しており、表面から３０ｎｍ程度の深さまでＳがＺｎＳｅ中に拡散している。
【００２７】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応したもので、本発明の実施の形態１を適用していない従来の技術で、レーザ光出力４ｋＷで１０００ｈｒ連続発振させた部分反射鏡８、すなわち熱吸収率が０．１％から０．２％まで上昇したものをＴＯＦ−ＳＩＭＳデプスプロファイル分析したものである。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると以下のことが言える。
・本発明の実施の形態１を適用したもの（図５（ａ））の方が、表面でのＣ、Ｃｌの検出強度が低い。すなわち、実施の形態１で述べたように、気化した有機物や浮遊した微細な粉塵をトラップする本発明の効果が、分析によっても裏付けられたと言える。
・本発明の実施の形態１を適用したもの（図５（ａ））のみ、表面から３０ｎｍ程度の深さまでＳがＺｎＳｅ中に拡散している。これは、表面が多孔質型アルマイトでできたミラー押さえ１６から、新たな汚染源であるＳが発生していると考えられる。
【００２８】
この新たな汚染源であるＳの発生を防ぐことができれば、部分反射鏡８の熱吸収率上昇をさらに低減させることができると予想されることから、Ｓの発生メカニズムについて、検討を行った。アルマイト処理に関しては、次のことが知られている。「多孔質型酸化皮膜への陰イオン混入量は１０数％である。硫酸浴で作った多孔質型酸化被膜中には硫酸根が１７％以上含まれているという報告や、ＳＯ３として１３％含まれているという報告などがある。・・・酸化皮膜中に存在している硫酸根の結合状態についての検討もなされている。ＳＯ３含有量が１３％であった酸化皮膜を長時間の水洗を行った後に化学分析したら、ＳＯ３含有量が８％になった。この実験より、８％のＳＯ３は皮膜内に組み込まれており、１３％と８％の差である５％のＳＯ３は酸化皮膜表面に弱い吸着をしていたり、多孔質層の孔中に残存していた硫酸根と考えられる。前者を“結合している陰イオン”といい、後者を“自由な陰イオン”と呼んでいる。」（佐藤俊彦、神長京子著「新・アルマイト理論」カロス出版、１９９７年５月８日、ｐ．２４−２５）
これらの知見に基づき、発明者は、この自由な陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着し、３０ｎｍ程度の深さまで拡散した、との結論を得た。この結論に基づき、陰イオンの様子を図示したものが図６である。図６は、図２において、一点鎖線で囲んだＥの部分を拡大したもので、多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を模式的に示した図である。
【００２９】
実施の形態２は、上述した問題点を解決するためのもので、多孔質型アルマイトの皮膜中に含有した陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によってレーザ光１０の特性が変化するのを防ぐことにより、実施の形態１の炭酸ガスレーザ発振器よりも更に部分反射鏡８の熱吸収を抑制することを目的としたものである。
【００３０】
図７は、本発明の実施の形態２の特徴部分を示すものであり、本発明の実施の形態１のミラー押さえ１６の開口２１内における多孔質型アルマイトの表面に二次電解処理を施すことで、自由な陰イオンが二次電解物質で覆われ、自由に動けなくなることを模式的に示した図である。これによって、多孔質型アルマイト皮膜中の陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着することを防ぐことができる。
【００３１】
実際に試作し効果の確認を行った製作条件の一例を示す。二次電解で析出させる元素はＮｉで処理を行った。
図８は、図３に対応したもので、レーザ光発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。直交型炭酸ガスレーザ発振器において、実線が実施の形態１を適用していない従来技術におけるデータであり、破線が実施の形態１を適用したデータであり、一点鎖線が実施の形態２を適用したデータであり、共にレーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。従来の技術では、１０００ｈｒのレーザ光発振によって部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％上昇していたが、実施の形態２を適用することで、吸収率上昇が０．０１％に抑えられ、熱吸収率上昇低減効果は９０％にまで向上した。
【００３２】
実施の形態１で行ったのと同様に、製作条件をある程度変化させ、得られる効果がどの程度変わるのかを確認した。図示は省略するが、Ｎｉ以外にＡｇ、Ｃｕを析出させて実験を行った結果、熱吸収率上昇低減効果が９０±３％の範囲に収まっていることを確認した。なお、±３という数値は熱吸収率の測定ばらつきと同程度であり、有意差がないことを示している。
【００３３】
上述した実験結果は直交型の炭酸ガスレーザ発振器で得られたものであるが、真空容器１の内部に存在する気化した有機物、浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によってレーザ光１０の特性が変化するという問題点は、直交型、軸流型、スラブ型の各方式に共通のものであり、本発明の技術はその原理上、上記各方式に適用し効果をあげることができるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１ 真空容器
２ レーザ媒質
３ ブロア
４ 整流ダクト
５ 電極
６ 電源ユニット
７ 放電
８ 部分反射鏡
９ 全反射鏡
１０ レーザ光
１１ 熱交換器
１２ アパーチャ
１３ 真空ポンプ
１４ 冷却装置
１５ 制御装置
１６ ミラー押さえ
１７ ミラーホルダ
１８ Ｏリング
１９ ポート
２０ 流路
２１ 開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭酸ガスレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスレーザ発振器には主に直交型、軸流型、スラブ型の３つの方式がある。
【０００３】
図１１は、従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器の概略構成の一例を示すものであり、図１１（ａ）は横断面図であり、図１１（ｂ）は縦断面図である。真空容器１には、各構成部品が取り付けられていると共に、中にはレーザ媒質２が３０〜３００Ｔｏｒｒ程度の圧力で入っている。レーザ媒質２は、ブロア３によって矢印のように整流ダクト４から電極５へと循環する。電極５には電源ユニット６から高電圧が供給され、それによって放電７が発生する。放電７によるエネルギーがレーザ媒質２に与えられることで、レーザ媒質２である炭酸ガスが励起し、遷移の際に放出される光子をレーザ媒質２を挟んで対向して配置された部分反射鏡８と全反射鏡９からなる光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡８からレーザ光１０として外部へ取り出す。放電７によってエネルギーを与えられたレーザ媒質２は、温度が上昇しているため、熱交換器１１によって冷却される。電極５と部分反射鏡８、および電極５と全反射鏡９の間には、アパーチャ１２が配置され、横モード次数の決定、回折光、散乱光のカットといった役割を担っている。真空容器１のリーク、すなわち外部からの大気混入や構成部品の劣化によるアウトガスの発生のため、レーザ媒質２には徐々に不純物が混入してくるので、定期的に真空ポンプ１３によってレーザ媒質２を排気し、新しいレーザ媒質２との入れ替えを行う。熱交換器１１や冷却が必要な部品には、冷却装置１４から冷却水が供給されている（図示省略）。一連の動作は、制御装置１５によって制御される。このような直交型の炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
図１２は、従来の軸流型炭酸ガスレーザ発振器の概略構成の一例を示すものである。図１１と同一部品は同一符号を付けたので詳細の説明は省略する。直交型ではレーザ媒質２の循環する方向とレーザ光１０の出射する方向が直交していたが、軸流型では平行である。このような軸流型の炭酸ガスレーザ発振器の構成は、例えば特許文献２に記載されている。
【０００５】
スラブ型の炭酸ガスレーザ発振器については特に図示しないが、例えば特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−９４８１０号公報
【特許文献２】特開平５−１６７１３３号公報
【特許文献３】特開２０００−２６９５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炭酸ガスレーザ発振器では、例えば以下のような理由により、真空容器１の内部に気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が存在する。
・真空ポンプ１３のオイルが気化したオイルミスト
・ブロア３のベアリング内に充填しているグリースが気化したもの
・ブロア３のステータコイルを固めているワニス、絶縁紙が劣化したもの
・熱交換器１１のパイプをロウ付けする際に使用するフラックスの残留成分
・ブロア４のファン、ケーシングの鋳造時に付着した離型剤の残留成分
・アパーチャ１２の切削加工時に付着した切削油の残留成分
・整流ダクト４のプレス加工時に付着した加工油の残留成分
・各構成部品の洗浄時に付着した洗浄液の残留成分
【０００８】
これら気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８に付着すると、その汚れによって、部分反射鏡８がレーザ光１０のエネルギーを吸収する比率（以降、これを熱吸収率と呼ぶ）が増大する。これによって、部分反射鏡８の内部で温度上昇による屈折率の変化が生じ、レーザ光１０の特性が変化する。
【０００９】
図９は、直交型炭酸ガスレーザ発振器において、レーザ光出力２ｋＷと４ｋＷで連続発振した時の、発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。未使用の部分反射鏡８でも、母材および表面の誘電体コーティングによって０．１％の熱吸収が存在するが、出力４ｋＷで１０００ｈｒレーザ発振することによって、これが０．２％まで上昇している。また、同じ発振器では、高いレーザ光出力で発振する程、熱吸収率の上昇も大きく、今後、市場のニーズである高出力炭酸ガスレーザ発振器を開発していく上で、大きな課題になることが懸念される。
【００１０】
図１０は、部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％から０．２％に上昇した場合の、レーザ光１０の特性の変化を示したものであり、実線が０．１％の場合であり、破線が０．２％の場合を示している。窒素雰囲気中でレーザ光を５ｍ伝播させた場所でのビーム径が、熱吸収率の増加により、Φ４０からΦ３２へと２０％小さくなっており、その分ビーム強度密度が高くなることは明らかである。そのため、レーザ加工で不良が発生する可能性が高くなり、安定した加工を行うことが困難な状況になる。
【００１１】
本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、真空容器１の内部に存在する気化した有機物や浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によって、レーザ光１０の特性が変化するのを防ぐ炭酸ガスレーザ発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る炭酸ガスレーザ発振器においては、部分反射鏡の電極側の面はレーザ媒質に触れているが、このレーザ媒質が部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を覆うように、レーザ光が通るための開口を有した形状の部品を部分反射鏡の電極側の面近傍に配置するとともに、当該開口の内面を多孔質型アルマイトとし、さらに流入するレーザ媒質より温度が低くなるように当該部品を冷却したものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、部分反射鏡の表面に近づいてくる流入経路を覆うように、表面が多孔質型アルマイトでできた部品を配置することにより、部分反射鏡の熱吸収率の増加を抑制することができる。このため、レーザ光の特性が安定し、品質の良いレーザ加工を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構造図である。
【図２】本発明の実施の形態１を説明する、部分反射鏡付近の詳細構造図である。
【図３】本発明の実施の形態１および従来技術における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係のばらつきを示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態１および従来技術におけるＴＯＦ−ＳＩＭＳ分析結果を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態１における多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２における多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図９】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器における発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を示すグラフである。
【図１０】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器における部分反射鏡の熱吸収率がレーザ光の特性に与える影響を示す説明図である。
【図１１】従来の直交型炭酸ガスレーザ発振器を示す構造図である。
【図１２】従来の軸流型炭酸ガスレーザ発振器を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示すものであり、図１（ａ）は横断面図であり、図１（ｂ）は縦断面図である。本実施の形態の特徴部分は、部分反射鏡８付近の構成であるので、その他従来技術と同様の構成については、従来技術の図１１と同一部品は同一符号を付け詳細の説明を省略する。図１に示すように、ミラー押さえ１６とミラーホルダ１７で部分反射鏡８を保持し、Ｏリング１８で気密性を確保する構造となっている。ミラー押さえ１６は、部分反射ミラー８の真空容器１の内部側を保持しており、レーザ光１０が通り部分反射鏡８へと通ずる筒状の開口２１を有すると共に、この開口２１の内面が多孔質型アルマイトでできている。また、ミラー押さえ１６を冷却するために冷却媒体を流す流路２０がミラー押さえ１６の内部に設けられ、この流路２０に冷却媒体を供給・排出するポート１９が設けられている。このような構造により、レーザ媒質２は、ミラー押さえ１６の内面が多孔質型アルマイトでできた開口２１内を通ってしか部分反射鏡８にたどり着くことができない。
【００１６】
図２は、図１において、一点鎖線で囲んだ部分反射鏡８およびミラー押さえ１６の付近Ｂの部分を拡大したものである。なお、多孔質型アルマイトは実際にはナノ〜ミクロンオーダの非常に細かい構造をしているが、説明のために意図的に拡大して描いている。
電極５側から、気化した有機物や浮遊した微細な粉塵がレーザ媒質２と一緒にやってくる。このうち、微細な粉塵の中でも比較的大きなものは、多孔質型アルマイトが圧力障壁となるのでミラー押さえ１６の開口２１に侵入することができず、手前で方向を変える。ごく微細な粉塵は開口２１の中へ侵入することがあるが、開口２１の内部では上記圧力障壁によって、部分反射鏡８へ向かう矢印Ｃの方向への強制的な流れは存在せず、自然対流による流れのみであるので、開口２１内を漂っているうちに、やがて多孔質の孔中にトラップされる。
【００１７】
気化した有機物についても開口２１の中へ侵入することがあるが、上述の通り、開口２１の内部では自然対流となっている。ミラー押さえ１６は侵入してくるレーザ媒質２より温度が低くなるように冷却されているため、多孔質部分でコールドトラップされる。
多孔質型アルマイトは、孔径と孔の深さの比率が１：１０００程度であり、非常に細くて深い孔が無数にあいている。なお、１：１０００で形状を描くことは困難であるため、図では意図的に比率を変えて描画した。このため、表面が多孔質型アルマイトでできたものは、そうでないものと比べて表面積が桁違いに大きい。このような広大な表面積を有しているため、冷却温度がそれほど低くなくてもコールドトラップとしての機能を十分に果たす。
【００１８】
実際に試作し効果の確認を行った形状、製作条件の一例を示す。ミラー押さえ１６の材質はＡ５０５２であり、表面には普通硫酸アルマイトを膜厚１０μｍ施し、開口２１の長さ方向の寸法Ｄは２５ｍｍとし、２０℃の水で冷却した（以下、［例１］と呼ぶ）。
【００１９】
図３は、図９に対応したもので、レーザ光発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。直交型炭酸ガスレーザ発振器において、実線が実施の形態１を適用していない従来の技術を適用した発振器のデータであり、破線が実施の形態１を適用した発振器のデータであり、共にレーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。従来の技術では、１０００ｈｒのレーザ光発振によって部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％上昇していたが、本発明の実施の形態１を適用することで、吸収率上昇が０．０５％に抑えられ、熱吸収率上昇低減の効果は５０％得られたことになる。
【００２０】
実際に、本発明の技術を製品化するにあたっては、図３で得られた効果が、上述した［例１］の形状や製作条件に特異なものではなく、製造上や使用上で生じるばらつきによっても、効果が大きく損なわれないことを確認しておく必要がある。そこで、形状や製作条件をある程度変化させ、得られる効果がどの程度変わるのかを確認した。なお、実験として、実際の製造ではばらつかないもの、例えば材質などについても変化させ、変化量は製造上や使用上で想定されるばらつき量よりも大きくして、効果の確認を行った。
【００２１】
図４は、形状や制作条件を変化させた場合の、レーザ光発振時間と部分反射鏡の熱吸収率の関係を測定した実験の結果を示したグラフであり、いずれも直交型炭酸ガスレーザ発振器を用い、レーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。
図４（ａ）は、ミラー押さえ１６の材質をＡ１１００、Ａ５０５２、Ａ６０６３と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｂ）は、アルマイト処理浴の種類を硫酸浴、蓚酸浴、クロム酸浴と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｃ）は、皮膜硬さを普通アルマイト、硬質アルマイトと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｄ）は、膜厚を５μｍ、１０μｍ、２０μｍと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｅ）は、冷却水の温度を１０℃、２０℃、３０℃と変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４（ｆ）は、寸法Ｄを２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍと変えたものである。その他の形状、製作条件は［例１］と同一である。
図４より、形状、製作条件で得られる効果は全く同じとは言えないが、図４（ａ）〜図４（ｆ）で実験を行った形状、製作条件の範囲内では、熱吸収率上昇低減効果は、５０±１０％の範囲に収まっており、製品化すなわち量産に十分適用できる技術であることが確認できた。
【００２２】
なお、図１，２において説明した構成においては、ミラー押さえ１６に開口２１を設け、その内面に多孔質型アルマイトを形成したが、ミラー押さえ１６とは別部品でレーザ光が通過する開口２１を有し内面に多孔質型アルマイトを形成したものを、部分反射鏡８の近傍に設けても良い。
【００２３】
また、上記実験は直交型炭酸ガスレーザ発振器で行ったが、他の型式である軸流型やスラブ型においても、部分反射ミラー近傍に同様な構成を採用することにより、同様な効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
上述した通り、本発明の実施の形態１を適用することで、部分反射鏡８の熱吸収率上昇を、従来の約５０％に低減することができた。しかしながら、言い換えればまだ残り５０％は熱吸収率が上昇するということである。この残り５０％という数値は、レーザ光１０の特性を変化させるという影響から考えると決して無視できない程度のものである。
【００２５】
そこで、本発明の実施の形態１における［例１］を適用して、レーザ光出力４ｋＷで１０００ｈｒ連続発振させた部分反射鏡８、すなわち熱吸収率が０．１％から０．１５％まで上昇したものについて表面分析を行った。その結果を図５（ａ）に示す。
用いた分析手法はＴＯＦ−ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ − Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）であり、ｐｐｍオーダの極微量元素を検出できることが最大の特徴である。ＳＥＭ−ＥＤＳ、ＸＰＳ、ＡＥＳなど、表面分析手法には色々なものがあり、それぞれに特徴を有しているが、検出感度という点では、これらの分析手法では％オーダで元素が存在していないと検出することができない。
炭酸ガスレーザについて言えば、波長１０．６μｍの光にとって透明でない物質は、それが％オーダ未満のわずかな量付着していても、部分反射鏡８の熱吸収率上昇を引き起こす。従って、今回のような吸収率上昇の原因物質を突き止めるような分析には、ＴＯＦ−ＳＩＭＳが適している。
【００２６】
図５（ａ）において横軸は深さであり、これはデプスプロファイル分析を行ったことを意味する。すなわち、Ａｒイオンで表面をスパッタリングしていき、一定時間ごとにＴＯＦ−ＳＩＭＳ測定を行うことで、深さ方向の分析を行っている。従って、元々の横軸はスパッタ時間であるが、スパッタレートを求めてこれを深さへ変換したものである。
図５（ａ）において、Ｓｅ、Ｚｎは部分反射鏡８の構成物質であるＺｎＳｅに由来している物質である。また、表面にはＣ、Ｃｌが付着しており、表面から３０ｎｍ程度の深さまでＳがＺｎＳｅ中に拡散している。
【００２７】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応したもので、本発明の実施の形態１を適用していない従来の技術で、レーザ光出力４ｋＷで１０００ｈｒ連続発振させた部分反射鏡８、すなわち熱吸収率が０．１％から０．２％まで上昇したものをＴＯＦ−ＳＩＭＳデプスプロファイル分析したものである。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると以下のことが言える。
・本発明の実施の形態１を適用したもの（図５（ａ））の方が、表面でのＣ、Ｃｌの検出強度が低い。すなわち、実施の形態１で述べたように、気化した有機物や浮遊した微細な粉塵をトラップする本発明の効果が、分析によっても裏付けられたと言える。
・本発明の実施の形態１を適用したもの（図５（ａ））のみ、表面から３０ｎｍ程度の深さまでＳがＺｎＳｅ中に拡散している。これは、表面が多孔質型アルマイトでできたミラー押さえ１６から、新たな汚染源であるＳが発生していると考えられる。
【００２８】
この新たな汚染源であるＳの発生を防ぐことができれば、部分反射鏡８の熱吸収率上昇をさらに低減させることができると予想されることから、Ｓの発生メカニズムについて、検討を行った。アルマイト処理に関しては、次のことが知られている。「多孔質型酸化皮膜への陰イオン混入量は１０数％である。硫酸浴で作った多孔質型酸化被膜中には硫酸根が１７％以上含まれているという報告や、ＳＯ３として１３％含まれているという報告などがある。・・・酸化皮膜中に存在している硫酸根の結合状態についての検討もなされている。ＳＯ３含有量が１３％であった酸化皮膜を長時間の水洗を行った後に化学分析したら、ＳＯ３含有量が８％になった。この実験より、８％のＳＯ３は皮膜内に組み込まれており、１３％と８％の差である５％のＳＯ３は酸化皮膜表面に弱い吸着をしていたり、多孔質層の孔中に残存していた硫酸根と考えられる。前者を“結合している陰イオン”といい、後者を“自由な陰イオン”と呼んでいる。」（佐藤俊彦、神長京子著「新・アルマイト理論」カロス出版、１９９７年５月８日、ｐ．２４−２５）
これらの知見に基づき、発明者は、この自由な陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着し、３０ｎｍ程度の深さまで拡散した、との結論を得た。この結論に基づき、陰イオンの様子を図示したものが図６である。図６は、図２において、一点鎖線で囲んだＥの部分を拡大したもので、多孔質型アルマイトの皮膜中の陰イオンの様子を模式的に示した図である。
【００２９】
実施の形態２は、上述した問題点を解決するためのもので、多孔質型アルマイトの皮膜中に含有した陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によってレーザ光１０の特性が変化するのを防ぐことにより、実施の形態１の炭酸ガスレーザ発振器よりも更に部分反射鏡８の熱吸収を抑制することを目的としたものである。
【００３０】
図７は、本発明の実施の形態２の特徴部分を示すものであり、本発明の実施の形態１のミラー押さえ１６の開口２１内における多孔質型アルマイトの表面に二次電解処理を施すことで、自由な陰イオンが二次電解物質で覆われ、自由に動けなくなることを模式的に示した図である。これによって、多孔質型アルマイト皮膜中の陰イオンが部分反射鏡８の表面に付着することを防ぐことができる。
【００３１】
実際に試作し効果の確認を行った製作条件の一例を示す。二次電解で析出させる元素はＮｉで処理を行った。
図８は、図３に対応したもので、レーザ光発振時間と部分反射鏡８の熱吸収率の関係を示したものである。直交型炭酸ガスレーザ発振器において、実線が実施の形態１を適用していない従来技術におけるデータであり、破線が実施の形態１を適用したデータであり、一点鎖線が実施の形態２を適用したデータであり、共にレーザ光出力４ｋＷで連続発振したものである。従来の技術では、１０００ｈｒのレーザ光発振によって部分反射鏡８の熱吸収率が０．１％上昇していたが、実施の形態２を適用することで、吸収率上昇が０．０１％に抑えられ、熱吸収率上昇低減効果は９０％にまで向上した。
【００３２】
実施の形態１で行ったのと同様に、製作条件をある程度変化させ、得られる効果がどの程度変わるのかを確認した。図示は省略するが、Ｎｉ以外にＡｇ、Ｃｕを析出させて実験を行った結果、熱吸収率上昇低減効果が９０±３％の範囲に収まっていることを確認した。なお、±３という数値は熱吸収率の測定ばらつきと同程度であり、有意差がないことを示している。
【００３３】
上述した実験結果は直交型の炭酸ガスレーザ発振器で得られたものであるが、真空容器１の内部に存在する気化した有機物、浮遊した微細な粉塵が部分反射鏡８の表面に付着し、それに伴う熱吸収率の上昇によってレーザ光１０の特性が変化するという問題点は、直交型、軸流型、スラブ型の各方式に共通のものであり、本発明の技術はその原理上、上記各方式に適用し効果をあげることができるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１ 真空容器
２ レーザ媒質
３ ブロア
４ 整流ダクト
５ 電極
６ 電源ユニット
７ 放電
８ 部分反射鏡
９ 全反射鏡
１０ レーザ光
１１ 熱交換器
１２ アパーチャ
１３ 真空ポンプ
１４ 冷却装置
１５ 制御装置
１６ ミラー押さえ
１７ ミラーホルダ
１８ Ｏリング
１９ ポート
２０ 流路
２１ 開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
前記レーザ媒質が前記部分反射鏡の表面に近づく流入経路を覆うようにレーザ光が通るための開口を有し、この開口の内面を多孔質型アルマイトとすると共に、前記部分反射鏡近傍に配置された部品を備え、
この部品を、流入するレーザ媒質より温度が低くなるように冷却したことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項２】
前記開口内面の多孔質型アルマイトの表面に、二次電解処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項３】
前記部品を、前記部分反射鏡の前記真空容器の内部側の面を保持するミラー押さえとしたことを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項１】
真空容器の内部を循環するレーザ媒質を放電によるエネルギーによって励起し、遷移の際に放出される光子を前記レーザ媒質を挟んで対向して配置された光共振器ミラーで増幅させ、その一部を部分反射鏡からレーザ光として外部へ取り出す炭酸ガスレーザ発振器において、
前記レーザ媒質が前記部分反射鏡の表面に近づく流入経路を覆うようにレーザ光が通るための開口を有し、この開口の内面を多孔質型アルマイトとすると共に、前記部分反射鏡近傍に配置された部品を備え、
この部品を、流入するレーザ媒質より温度が低くなるように冷却したことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項２】
前記開口内面の多孔質型アルマイトの表面に、二次電解処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の炭酸ガスレーザ発振器。
【請求項３】
前記部品を、前記部分反射鏡の前記真空容器の内部側の面を保持するミラー押さえとしたことを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の炭酸ガスレーザ発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８４８３３（Ｐ２０１３−８４８３３Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４６３１（Ｐ２０１１−２２４６３１）
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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