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JP6910342B2 - レーザシステムのパージシステム - Google Patents

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Description

本発明は、光学の分野に関する。より詳細には、レーザ共振器(例えば、超高速レーザ共振器を囲む筐体)または光場増強キャビティを有する特定の用途におけるレーザシステムのパージシステムに関する。
超高速レーザは、一般的に、持続時間が約100ピコ秒(ps)から数フェムト秒(fs)のパルスで出力放射線を放出するレーザであるとみなされている。一般的な超高速レーザの1つはチタンサファイアレーザであり、これはおよそ700ナノメートル(nm)から1000nmの間の波長で出力放射線を放出するように構成できる。この放出されるパルスは、しばしば比較的低いエネルギを有するが、共振器内の特定の位置において非常に高いピーク電力を示すことがある。
検査をしないままにしておくと、このようなレーザによって放出されるこれらの非常に高いピーク出力は、共振器内に配置した光学部品に汚染および/または損傷が急速に生じることがある。光学部品の汚染および/または損傷は、部品の光学面上または光学面内の欠陥によって悪化する可能性がある。したがって、このような部品は、通常、1またはそれ以上の保護光学コーティングを具えている。
このような光学コーティングは、それ自体が、共振器内に存在する粒状物質、凝縮物、蒸気などの存在により汚染および/または損傷する可能性があることが知られている。
これらの厄介な汚染物質の問題に対処するため、商業用レーザ製造業者がクリーンルーム条件でレーザを組み立てることは珍しいことではない。これらの状況では、レーザの光共振器は、粒子状および蒸気状の汚染物質の侵入を最小限に抑えるため、十分に密閉された筐体内に配置される。次いで、筐体は、密閉する前に、例えばフィルタされた乾燥窒素、乾燥空気などを用いてパージするのが一般的である。
例えば、米国特許第6,671,303号、米国特許第6,798,813号および米国特許第7,239,656号を参照すると、このようなシステムは、閉ループパージシステムを組み込むことで、商業用レーザの動作寿命をさらに長くすることが知られている。上述の閉ループパージシステムは、ポンプを使用し、共振器を収容する筐体からガスをまず抽出する。次いで、抽出されたガスを、乾燥剤、有機蒸気捕捉材料、および粒状物質フィルタを具えるパージシステムに通す。その後最後に、パージされた抽出ガスを、共振器を収容する筒体に戻す。
動作時間の経過後、レーザが配置されている周囲の雰囲気、またはレーザの動作条件に応じて、乾燥剤が水蒸気で飽和状態になることが知られている。この時、一連のバルブを用いて、閉ループパージシステムの通常動作を停止させ、乾燥ガスを乾燥剤に向けることにより、この材料を蘇生または再生するようにする。
上述の閉ループパージシステムを使用するレーザシステムには、いくつかの欠点がある。第1に、乾燥剤を乾燥させる手順が、著しい動作不能時間となり得る。さらに、乾燥剤の効果が低下するため、乾燥剤を完全に交換する必要がある。このような閉ループパージシステムでは、乾燥剤の完全な交換が容易に行われず、熟練していないオペレータは、しばしば共振器の筐体ハウジングを周辺雰囲気に露出させることがある。
上述の閉ループパージシステムの第2の欠点は、専用ポンプに動作が依存していることである。このような構成要素は、レーザシステムの操作および製造を複雑にし、全体のコストを高くする。
このようなシステムのコストは、有機蒸気捕捉材料および粒状物質フィルタを閉ループ内に組み込む必要があること、および乾燥剤を乾燥させるための別個の一体化システムによりさらに増加する。
したがって、本発明の一態様の目的は、当技術分野で知られているレーザ共振器の閉ループパージシステムの前述の欠点を事前に除去するか、少なくとも緩和することにある。
本発明の第1の態様によれば、乾燥剤を収容したカートリッジであって、レーザシステムの筺体に取外し可能に取り付けるように構成したカートリッジを具え、このカートリッジが、カートリッジ内に収容された乾燥剤に流体を流す手段を提供する第1のメッシュ層を具えるレーザシステム用のパージシステムが提供されており、このパージシステムは、第1のメッシュ層の上に配置された膜をさらに具える。
したがって、パージシステムは、動作にポンプを使用する必要がないため、レーザシステムの光キャビティまたは共振器を受動的にパージする手段を提供する。さらに、取外し可能なカートリッジの使用により、乾燥剤を乾燥させるまたは交換するのに必要な期間に、カートリッジが配置されるレーザシステムの動作不能時間が短縮されるという利点を持つ。
乾燥剤は、固体ゲッタ材料を含むことが好ましい。好ましくは、乾燥剤はシリカを含む。
パージシステムは、第1のメッシュ層の上に膜を配置するフレームを具えていてもよい。好ましくは、カートリッジを筺体から取り外したときに、フレームにより膜が適切な位置に残ることができる。
膜は、好ましくは、直径約0.2ミクロンの孔を具える。好ましくは、膜は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)でできている。
好ましくは、パージシステムは、流体検出器をさらに具える。流体検出器を使用して、筺体の内部容積内の流体含量を測定する手段を提供する。流体検出器は好ましくは湿度計を具える。
パージシステムは、流体再循環回路をさらに具えており、この流体再循環回路は、カートリッジの出力バルブに取り付けた導管と、出力バルブから流体をポンピングする手段を提供するポンプとを具える。この実施形態では、パージシステムは、レーザ共振器を能動的にパージする手段を提供する。
好ましくは、流体再循環回路は、導管内に配置して粒状物質をフィルタする手段を提供するフィルタユニットをさらに具える。フィルタユニットは、高性能粒子捕捉器(HEPA)フィルタを具えていてもよい。
好ましくは、流体再循環回路は、導管内に配置した有機蒸気捕捉フィルタをさらに具える。有機蒸気捕捉フィルタは、好ましくは、出力バルブとフィルタユニットとの間に配置され、有機蒸気を捕捉する手段を提供する。
流体再循環回路はさらに、導管内に配置したバルブを具えてもよい。このバルブを用いて、不活性ガス供給源を導管に接続する手段を提供する。
本発明の第2の態様によれば、レーザシステムが提供されており、これは本発明の第1の態様によるパージシステムを具える。
レーザシステムは、最も好ましくは、レーザシステムの筺体と共に配置され、カートリッジおよび膜を収容するのに適したキャビティを具える。
レーザシステムは、任意に、流体再循環回路の導管に取り付けるのに適した入口バルブを具える。
レーザシステムは、チタンサファイアレーザシステムを具えていてもよい。代替的に、レーザシステムは、光場増強キャビティを具えていてもよい。しかしながら、パージシステムは、水蒸気の存在に影響されることがあるレーザシステムを使用することができる。
本発明の第2の態様の実施形態は、本発明の第1の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施する特徴を具えており、またはその逆であってもよい。
本発明の第3の態様によれば、レーザシステムをパージする方法が提供されており、当該方法は、
−レーザシステムの筺体にカートリッジを取り外し可能に取り付けてレーザシステムの筺体の内部容積からカートリッジ内に収容された乾燥剤に向かう流体の流れを確立するステップと、
−流体の流れの中に膜を配置するステップであって、その膜がカートリッジとレーザ共振器との間に位置しているステップと、
を具える。
したがって、上述の方法は、レーザシステムの筺体を受動的にパージする手段を提供する。
最も好ましくは、カートリッジは、筺体内に位置するキャビティ内に取り外し可能に取り付けられる。
カートリッジとレーザ共振器との間に膜を配置するステップが、キャビティ内に位置するフレーム内に膜を配置するステップを具えることが好ましい。
レーザシステムをパージする方法は、筺体の内部容積内の流体内容物を監視するステップをさらに具えていてもよい。最も好ましくは、監視する流体が水蒸気である。
レーザシステムをパージする方法は、カートリッジから抽出された流体を筐体の内部容積に再循環させるステップをさらに具えていてもよい。この実施形態において、パージシステムは、レーザシステムの筺体を能動的にパージする手段を提供している。
任意に、再循環流体から粒状物質をフィルタする。
任意に、再循環流体から有機蒸気をフィルタする。
任意選択的に、レーザシステムをパージする方法は、筺体の内部容積に不活性ガスを供給するステップを具えていてもよい。
本発明の第3の態様の実施形態は、本発明の第1の態様または第2の態様の好ましいまたは任意の特徴を実施する特徴を具えていてもよく、またはその逆もいえる。
本発明の様々な実施形態を、図面を参照して例示として説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるレーザ共振器のパージシステムの平面図である。 図2は、図1のパージシステムの斜視図である。 図3は、図1および図2のパージシステムを具えるレーザシステムの平面図である。 図4は、レーザシステムの代替的なパージシステムの平面図である。 図5は、図1および図2のパージシステムを具える代替的なレーザシステムの平面図である。
以下の説明において、同じの部品は、明細書および図面を通して同じ符号で示す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の実施形態の詳細および特徴をよりよく説明するため、特定の部分の比率は誇張されている。
図1および図2を参照してレーザシステム2のパージシステム1を説明する。特に図1および図2は、それぞれ、本発明の実施形態によるレーザシステム2の筺体3内に位置するパージシステム1の平面図および斜視図である。
パージシステム1は、筺体3に形成されたキャビティ5内に取り外し可能に取り付けられたカートリッジ4を具える。カートリッジ4は、金属または他の適切な材料で作ることができる。ここで説明する実施形態では、4つのねじ6を使ってカートリッジ4を筺体3のキャビティ5内に保持している。留め金および/または締まり嵌めのようなその他の機械的手段、またはそれらの組み合わせを用いてカートリッジ4を筐体3のキャビティ5内に保持することは自明である。
カートリッジ4の遠位側(すなわち、筺体3の内部容積7と流体連通する位置にある側)に、第1のメッシュ層8を具える。第1のメッシュ層8の機能は2つある。その第1の例は、第1のメッシュ層8を使用してカートリッジ4内の乾燥剤9を保持することである。さらに、第1のメッシュ層8を使用して、筺体3の内部容積7からカートリッジ内に収容された乾燥剤9への拡散する効果を介して、流体(例えば空気)を第1のメッシュ層8を通過させる手段を提供している。
乾燥剤9は、任意の適切な固体ゲッタ材料を含むのが好ましい。好ましくは、乾燥剤9はシリカを含む。
パージシステム1は、膜10をさらに具えていてもよく、この膜10は使用時にカートリッジ4と筐体3の内部容積7との間に配置されるよう、筐体3のフレーム11内にて保持されている。膜10は、好ましくは0.2ミクロンオーダの直径の孔を含む。好ましくは、この膜はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から作られる。
第2のメッシュ層12を使用して、膜10に物理的な保護を提供する。さらに、筺体3の内部容積7からカートリッジ4内に収容された乾燥剤9に向かって流体が拡散する効果を用いて、流体(例えば空気)が第2のメッシュ層12を通過する。したがって、膜10は、筐体3の内部容積7に微粒子(例えば、塵埃)が入らないように保護しつつ、カートリッジ4をキャビティ5から取り外すときに、流体が筺体3の内部容積7へと入るのを制限する。
パージシステム1は、流体検出器13をさらに具えていてもよい。流体検出器13を用いて、筐体3の内部容積7内の流体内容物を測定する手段を提供する。好ましくは、流体検出器13は、筺体3の内部容積7内の水分含量を測定する湿度計を具える。
例として、図3は、図1および図2のパージシステム1を具えるチタンサファイアレーザシステム14の平面図である。レーザシステム14のレーザ共振器15は、第1のミラー16と、第2のミラー17と、第3のミラー18と、出力結合器19とにより画定される実質的にボウタイリングキャビティの形状を示しており、そのすべてが、機械的に安定した筺体3内に配置されている。チタンサファイア利得媒質20が、第1のミラー16と第2のミラー17との間の、共振器15内に配置されている。チタンサファイア利得媒質20は、ポンプビーム21により第1のミラー16を介して光学的にポンピングされる。
当業者に知られているように、共振器15は、一方向に動作を提供し、波長選択および走査を可能にするさらなる光学部品を具えていてもよい。
チタンサファイア内の光吸収が約400nmから約600nmの広い波長範囲にわたって生じる場合、利得媒質20は市販されている連続波「緑色」レーザ、例えば532nmのダイオード励起固体レーザ源(図示せず)によって光学的にポンピングされる。本明細書で説明した実施形態では、利得媒質20のポンピングは、第1ミラー16を通して行われる。
チタンサファイアレーザシステム14の動作中、パージシステム1は、受動的な動作モードで作動する。この動作モードでは、流体、例えば水蒸気は、第2のメッシュ層12、膜10および第1のメッシュ層8を通って拡散し、乾燥剤9と接触して吸収される。
次いで、流体検出器13を使用して、筐体3の内部容積7内の水分含量を監視することができる。監視された水分含量の値が所定の値を上回ると、オペレータに、乾燥剤9が飽和状態であり、再生または交換する必要があることを知らせる。
カートリッジ4を使用することで、オペレータにとってこのプロセスが比較的簡単になることが認識される。オペレータは、カートリッジ4をキャビティ5から単に取り外すことが求められる。この段階で、カートリッジ4を、オーブン内に置いて、乾燥剤9を加熱して乾燥させ、パージシステム1内で再度使用できるようにする。上述したように、膜10は、筺体3の内部容積7を微粒子(例えば塵埃)から保護する手段を提供しつつ、カートリッジ4を一時的にキャビティ5から取り外したとき、流体が筺体3の内部容積7に入るのを制限する。
パージシステム1は、第1のカートリッジ4を乾燥させている間に、パージシステム1に第2のカートリッジ4を代用して、膜10によって筺体3の内部容積7へ提供される保護に依存する時間を最小にできることは自明である。
図4を参照してパージシステム1bの代替の実施形態を説明する。パージシステム1bは、上述のパージシステム1bと共通の多くの特徴を具えており、したがって、同様の符号を用いて同様の構成部品を示す。
図4から分かるように、パージシステム1bは、再循環回路22をさらに具える。再循環回路22は、カートリッジ4の近位側に位置する出力バルブ24と、筺体3の側壁内に位置する入力バルブ25との間に配置された導管23を具える。したがって、再循環回路22は、出力バルブ24と入力バルブ25の両方が開位置にあるとき、カートリッジ4と筺体3の内部容積7との間に設けた流体連通手段を提供している。
再循環回路22は、導管23内に位置するポンプ26をさらに具える。ポンプ26は、筺体3の内部容積7から流体(例えば、空気)をポンピングする手段を提供する。
パージシステム1bは、出力バルブ24と入力バルブ25の両方が開位置にあり、ポンプ26が作動しているときに、動作モードで作動する。このとき、筺体3の内部容積7の流体の体積は、パージシステム1bを通って矢印27で示す方向に再循環され、レーザ共振器15をパージするのにかかる時間を短縮する。
好ましくは、再循環回路22は、導管23内に位置するフィルタユニット28をさらに具える。フィルタユニット28は、粒状物質をフィルタする手段を提供する。フィルタユニット28は、好ましくは、約0.5ミクロン以上のサイズの粒子を捕捉することができ、乾燥剤9からの粒状物質が、筐体3の内部容積7に取りこまれる可能性を最小にする。フィルタユニット28は、 高性能粒子捕捉器(HEPA)フィルタである。
好ましくは、再循環回路22は、導管23内に位置する有機蒸気トラップフィルタ29をさらに具える。有機蒸気トラップフィルタ29は、好ましくは、出力バルブ24とフィルタユニット28との間に配置され、接着剤、エラストマシール、および筺体3の構造に使用するプラスチック材料などの材料から放出された有機蒸気を捕捉する手段を提供する。
第3のバルブ30を、導管23内に配置することができる。第3のバルブ30は、不活性ガス供給源(図示せず)を導管23に接続する手段を提供するのに使用できる。その結果、パージガス(例えば窒素ガス)を筐体3の内部容積7に導入する手段を提供する。
パージシステム1bが、出力バルブ24および入力バルブ25を閉じて、ポンプ26を停止させることにより、受動動作モードで作動可能なことは、当業者には自明である。
さらなる例として、図5に、図1および図2のパージシステム1を含む代替的なレーザシステム31の平面図を示す。この実施形態では、レーザシステム31は、第1のミラー33、第2のミラー34、第3のミラー35、および出力カプラ36によって画定された実質的にボウタイリングキャビティの形状を示す光場増強キャビティ32を具えている。これらはすべて機械的に安定した光キャビティ31内に配置されている。非線形結晶37が、共振器31内の第3のミラー35と出力カプラ36との間に配置されている。非線形結晶37は、非線形結晶37により強化される光入力ビーム38によって、第1のミラー16を介して光学的にポンピングされる。非線形結晶37および光ポンプビーム38が、当該分野において知られている非線形結晶37と光ポンプビーム38の数々の組み合わせから選択できることは当業者には自明である。
また、当業者には知られているように、光キャビティ31は、光学部品をさらに具えていてもよい。
上述したパージシステムは、当該分野で知られているシステムよりも多くの利点を示す。第1の例では、乾燥剤の乾燥手順を完了するのに必要とされるレーザシステムの動作不能時間を大幅に短縮する。さらに、ここに記載したパージシステムは、必要に応じて乾燥剤の交換を容易にし、不慣れなオペレータが、うっかりと周辺雰囲気に共振器を収容する筐体を露出させるリスクを低減する。
上述のパージシステムの第2の利点は、作動用に専用ポンプを必要としないことである。これは、この装置を組み込んだレーザシステムの操作および製造における複雑さおよび全体的なコストを低減する。さらに、ポンプを持たないことによって、レーザシステム2に誘発される光ノイズが低減される。
このようなシステムのコストは、有機蒸気捕捉材料、閉ループ内の粒状物質フィルタ、または乾燥剤を乾燥させる別個の一体化システムの組み込みをもはや必要としないという事実により、さらに低減される。
レーザシステムのパージシステムが記載されている。このパージシステムは、乾燥剤を収容し、レーザシステムの筺体に取外し可能に取り付けるように構成したカートリッジを具える。このカートリッジは、カートリッジ内に収容された乾燥剤に流体が流れる手段を提供する第1のメッシュ層を具える。パージシステムは、第1のメッシュ層の上に配置された膜をさらに具える。したがって、このパージシステムは、レーザシステムを受動的にパージする手段を提供し、その動作はポンプの使用を必要としない。さらに、取外し可能なカートリッジを使用することで、乾燥剤を乾燥または交換するのに必要な期間に、配置されているレーザシステムの動作不能時間を短縮するという利点がある。
本明細書を通して、文脈が他のことを要求しない限り、用語「具える(comprise)」または「含む(include)」、または「具える(comprises)」または「具えている(comprising)」、「含む(includes)」または「含んでいる(including)」などの変形は、記載された整数または整数のグループを包含することを意図するが、その他の整数または整数のグループを除外するものではないことは理解されるだろう。
さらに、説明中の任意の先行技術への言及は、先行技術が共通の一般知識の一部を形成することを示すと解釈するべきではない。
本発明の前述の説明は、例示および説明のために提示されたものであり、網羅的であること、または本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、本発明の原理およびその実用的適用を最も良く説明するために選択および記載されており、それにより、当業者が様々な実施形態において、また意図された特定の用途に適した様々な変更をもって本発明を最も有効に利用できるようにしている。したがって、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる変更または改良を組み込むことができる。

Claims (22)

  1. レーザシステムに適したパージシステムにおいて、レーザシステムの筺体に形成されたキャビティ内に取外し可能に機械的に取り付けられたカートリッジと、前記カートリッジ内に収容された乾燥剤とを具え、前記カートリッジの片面のみが、前記カートリッジが前記キャビティ内に取り付けられたときに前記カートリッジ内に収容された乾燥剤へ流体が流れる手段を提供する第1のメッシュ層を具え、前記パージシステムが、前記筐体に取り付られ、前記カートリッジが前記キャビティ内に取り付けられたときに前記第1のメッシュ層の上に位置する膜をさらに具えており、前記カートリッジが前記キャビティから取り外されたとき、前記膜は適切な位置に残る、ことを特徴とするパージシステム。
  2. 請求項1に記載のパージシステムにおいて、前記乾燥剤が固体ゲッタ材料を含むことを特徴とするパージシステム。
  3. 請求項1または2に記載のパージシステムにおいて、前記パージシステムが、前記第1のメッシュ層の上に前記膜を配置するフレームを具えることを特徴とするパージシステム。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載のパージシステムにおいて、前記膜が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むことを特徴とするパージシステム。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載のパージシステムにおいて、前記パージシステムが、流体検出器をさらに具えることを特徴とするパージシステム。
  6. 請求項5に記載のパージシステムにおいて、前記流体検出器が湿度計を具えることを特徴とするパージシステム。
  7. 請求項1乃至6の何れか1項に記載のパージシステムにおいて、前記パージシステムが、流体再循環回路をさらに具えており、当該流体再循環回路が、前記カートリッジの出力バルブに取り付ける導管と、前記出力バルブから流体をポンピングする手段を提供するポンプとを具えることを特徴とするパージシステム。
  8. 請求項7に記載のパージシステムにおいて、前記流体再循環回路が、前記導管内に配置されて粒状物質をフィルタする手段を提供するフィルタユニットをさらに具えることを特徴とするパージシステム。
  9. 請求項8に記載のパージシステムにおいて、前記フィルタユニットが、高性能粒子捕捉器(HEPA)フィルタを具えることを特徴とするパージシステム。
  10. 請求項7乃至9の何れか1項に記載のパージシステムにおいて、前記流体再循環回路が、前記導管内に配置した有機蒸気捕捉フィルタをさらに具えることを特徴とするパージシステム。
  11. 請求項10に記載のパージシステムにおいて、前記有機蒸気捕捉フィルタが、前記出力バルブと前記フィルタユニットとの間に配置されており、有機蒸気を捕捉する手段を提供することを特徴とするパージシステム。
  12. 請求項7乃至11の何れか1項に記載のパージシステムにおいて、前記流体再循環回路が、前記導管内に位置するバルブをさらに具えることを特徴とするパージシステム。
  13. 請求項1乃至12の何れか1項に記載のパージシステムを具えることを特徴とするレーザシステム。
  14. 請求項13に記載のレーザシステムにおいて、前記レーザシステムが、流体再循環回路の導管に取付けるのに適した入口バルブを具えることを特徴とするレーザシステム。
  15. レーザシステムをパージする方法において、前記方法が、
    −第1のメッシュ層を有するカートリッジを提供するステップであって、前記第1のメッシュ層が、前記カートリッジの片面のみに位置する、ステップと、
    −レーザシステムの筺体に形成されたキャビティ内に前記カートリッジを取り外し可能に機械的に取り付けて、前記第1のメッシュ層を介して、前記筺体の内部容積から前記カートリッジ内に収容された乾燥剤への流体の流れを確立するステップと、
    −膜を前記筐体に取り付けて、前記筐体の内部容積から前記乾燥剤への流体の流れの中に前記膜を配置する、ステップと、
    を具えており、
    前記カートリッジが前記キャビティから取り外されたとき、前記膜は適切な位置に残ることを特徴とする方法。
  16. 請求項15に記載のレーザシステムをパージする方法において、前記流体の流れの中に前記膜を配置するステップが、前記キャビティ内に配置したフレーム内に前記膜を配置するステップを具えることを特徴とする方法。
  17. 請求項15または16に記載のレーザシステムをパージする方法において、前記方法が、前記筺体の内部容積内の流体内容物を監視するステップをさらに具えることを特徴とする方法。
  18. 請求項17に記載のレーザシステムをパージする方法において、前記監視される流体が、水蒸気であることを特徴とする方法。
  19. 請求項15または16に記載のレーザシステムをパージする方法において、前記方法が、前記カートリッジから抽出された流体を前記筺体の内部容積に再循環させるステップをさらに具えることを特徴とする方法。
  20. 請求項19に記載のレーザシステムをパージする方法において、粒状物質が、前記再循環された流体からフィルタされることを特徴とする方法。
  21. 請求項19または20に記載のレーザシステムをパージする方法において、有機蒸気が前記再循環された流体からフィルタされることを特徴とする方法。
  22. 請求項15乃至21の何れか1項に記載のレーザシステムをパージする方法において、前記方法が、前記筺体の内部容積に不活性ガスを供給するステップを具えることを特徴とする方法。
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