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WO2016151940A1 - レーザ発振冷却装置 - Google Patents

レーザ発振冷却装置 Download PDF

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Publication number
WO2016151940A1
WO2016151940A1 PCT/JP2015/082705 JP2015082705W WO2016151940A1 WO 2016151940 A1 WO2016151940 A1 WO 2016151940A1 JP 2015082705 W JP2015082705 W JP 2015082705W WO 2016151940 A1 WO2016151940 A1 WO 2016151940A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection
unit
laser
cryogenic liquid
laser excitation
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/082705
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
笠原　二郎
仲谷　潤之助
大谷　雄一
井上　直樹
浩一 濱本
伸吾 西方
Original Assignee
三菱重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
Priority to US15/550,896 priority Critical patent/US10014646B2/en
Priority to EP15886492.6A priority patent/EP3244495B1/en
Publication of WO2016151940A1 publication Critical patent/WO2016151940A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0407—Liquid cooling, e.g. by water
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1317—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the temperature

Definitions

  • the present invention relates to a laser oscillation cooling device.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-057389 for which it applied on March 20, 2015, and uses the description.
  • a solid-state laser typified by a semiconductor excitation solid-state laser is used as a light source. That is, a laser beam is obtained by exciting a solid laser medium by light irradiation and causing laser oscillation. It is known that the temperature of the oscillation medium (medium) that oscillates the laser increases as the laser output increases. It is also known that the laser oscillation limit improves as the medium is cooled. Therefore, it is necessary to cool the laser oscillation medium. As a technique for cooling the laser oscillation medium, for example, a technique described in Patent Document 1 is known.
  • Patent Document 1 describes a laser beam generator.
  • a cold agent such as liquid nitrogen stored in a heat insulating container is coldly connected to the BBO crystal device. The structure which supplies to a finger is taken.
  • the oscillation limit of the laser is roughly proportional to the cooling amount of the laser excitation device that is a medium
  • Cooling capacity with liquid nitrogen may be insufficient.
  • film boiling occurs due to an increase in the temperature of liquid nitrogen, and there is a possibility that sufficient cooling capacity cannot be obtained. If the cooling is not sufficient, the temperature of the medium increases and the oscillation efficiency of the laser decreases.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a laser oscillation cooling apparatus having a sufficient cooling effect.
  • a laser oscillation cooling device includes a light emitting unit that emits laser excitation light, a laser that emits laser light by exciting the laser excitation light and locally generates heat.
  • An excitation unit a storage tank capable of storing a cryogenic liquid, a pressurizing unit that pressurizes the interior of the storage tank to bring the cryogenic liquid into a subcooled state, and a plurality of two-dimensionally arranged injection ports
  • An ejection supply unit that removes heat from the laser excitation unit by ejecting the cryogenic liquid in a subcooled state to the laser excitation unit.
  • the cryogenic liquid is ejected from each of the plurality of ejection ports arranged.
  • the usage-amount of a cryogenic liquid can be reduced compared with the case where only one large-diameter injection port is provided.
  • the cryogenic liquid injected to the laser excitation part forms a high-speed liquid film that flows at high speed along the surface of the laser excitation part. Thereby, the heat of the laser excitation part can be further effectively removed.
  • the plurality of injection ports are first orthogonal to the injection direction as seen from the injection direction of the cryogenic liquid.
  • An array group arranged at intervals in the direction may be formed, and a plurality of the array groups may be provided at intervals in a second direction orthogonal to the first direction.
  • the thickness of the high-speed liquid film of the cryogenic liquid formed on the surface of the laser excitation unit can be made substantially uniform over the entire surface.
  • one of the array groups of the pair of array groups adjacent to each other in the second direction may be the same for the ejection openings and the ejection openings of the other array group.
  • the thickness of the cryogenic liquid high-speed liquid film formed on the surface of the laser excitation portion can be made more uniform over the entire surface.
  • one of the array groups of the pair of array groups adjacent to each other in the second direction may be different between the ejection port and the ejection port of the other array group.
  • the thickness of the high-speed liquid film of the cryogenic liquid formed on the surface of the laser excitation portion can be made uniform over the entire surface. Furthermore, according to such a configuration, it is possible to provide more injection ports at a high density in a plane having a certain area.
  • the opening diameter of the injection port is d, and from the injection supply unit to the laser excitation unit
  • H is the separation dimension
  • P is the separation distance between the two adjacent injection ports.
  • the laser excitation unit can be sufficiently cooled, and even when the area of the region requiring heat removal in the laser excitation unit becomes large, the necessary flow rate of the cryogenic liquid is required. Can be suppressed.
  • the plurality of injection ports are relatively close to the heat generation region of the laser excitation unit.
  • the opening diameter may be larger as it becomes the ejection port, and the opening diameter may be smaller as the ejection port is farther from the heat generation region.
  • the cryogenic liquid can be intensively ejected to the heat generating region. Thereby, heat can be removed from the laser excitation part more effectively.
  • the ejection supply unit is configured to eject the ejection port as viewed from the ejection direction of the cryogenic liquid. And a porous member in which a plurality of holes penetrating in the injection direction are formed.
  • the flow rate of the cryogenic liquid for each injection port can be made uniform by allowing the cryogenic liquid to pass through the hole of the porous member.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is sectional drawing of the injection supply part which concerns on 2nd embodiment of this invention. It is a figure which shows arrangement
  • a laser oscillation cooling device 100 includes a light emitting unit 1 that emits laser excitation light Z1, and a laser excitation unit 2 that excites incident laser excitation light Z1 to emit laser light Z2. And a cooling unit 10 for cooling the laser excitation unit 2 and a control unit 6 for controlling the operation of the cooling unit 10.
  • the light emitting unit 1 is disposed at a position where the laser excitation light Z1 can be irradiated toward the laser excitation unit 2.
  • the laser excitation unit 2 includes a medium part 21 having, for example, sapphire or YAG (Yttrium Aluminum Garnet) crystal, and a heat sink part 22 thermally connected to the medium part 21. About several tens of percent of the laser excitation light Z1 incident on the medium part 21 in the laser excitation part 2 is excited by the laser excitation medium to become laser light Z2.
  • the laser beam Z2 is extracted to the outside and used for, for example, laser processing.
  • While the laser beam Z2 is obtained by the medium portion 21 of the laser excitation unit 2, components other than the component extracted as the laser beam Z2 are generally converted into heat. Due to this heat, the laser excitation unit 2 generates heat locally. As described above, since the heat sink portion 22 is thermally connected to the medium portion 21, the heat generated in the medium portion 21 is immediately transmitted to the heat sink portion 22.
  • the laser excitation unit 2 is provided with a temperature measurement unit 5.
  • the temperature measurement unit 5 is a device that measures and digitizes the temperature of the medium unit 21 in the laser excitation unit 2.
  • a temperature sensor or the like is used as the temperature measuring unit 5.
  • At least a part (heat sink part 22) of the laser excitation part 2 configured as described above is exposed inside the cryostat C kept in a cold state. That is, the laser excitation unit 2 faces the inside and outside of the cryostat C with the wall surface of the cryostat C interposed therebetween.
  • the surface (heat sink part 22) facing the inside of the cryostat C is formed in a flat shape.
  • the entire heat sink portion 22 according to the present embodiment is a heat generation region S.
  • the laser oscillation cooling device 100 includes the cooling unit 10.
  • the cooling unit 10 is a device that cools the laser excitation unit 2 using the cryogenic liquid L.
  • the cooling unit 10 takes out the storage tank 3 that can store the cryogenic liquid L, a pressurizing unit 31 that pressurizes the inside of the storage tank 3, and the cryogenic liquid L in the storage tank 3.
  • an injection supply unit 4 for supplying.
  • the storage tank 3 is a container that can stably store liquid nitrogen in a liquid phase state. That is, the inside of the storage tank 3 is kept at a very low temperature.
  • the pressure inside the storage tank 3 can be adjusted by the pressurizing unit 31.
  • a pressure valve connected to an external pressure supply source (not shown) is preferably used.
  • the storage tank 3 is provided with a pressure measuring unit 51 for measuring the internal pressure. Examples of the pressure measuring unit 51 include a pressure gauge and a pressure sensor that can output a pressure value to the outside as an electric signal.
  • the temperature of the cryogenic liquid L can be increased by increasing the pressure inside the storage tank 3 by the pressurizing unit 31.
  • the temperature of the cryogenic liquid L can be lowered by lowering the pressure inside the storage tank 3.
  • the cryogenic liquid L inside the storage tank 3 is maintained in the subcooled state by continuously reducing the pressure inside the storage tank 3 by the pressurization unit 31.
  • the saturation temperature of liquid nitrogen under atmospheric pressure is ⁇ 196 ° C., but when in the subcooled state, the saturation temperature is maintained at a value lower than ⁇ 196 ° C. be able to.
  • the pressure inside the storage tank 3 by the pressurizing unit 31 the subcool degree of the cryogenic liquid L in the subcool state, that is, the difference from the saturation temperature can also be adjusted.
  • the spray supply unit 4 is a device for spraying the cryogenic liquid L onto the heat sink unit 22 of the laser excitation unit 2.
  • the injection supply unit 4 includes an injection nozzle 41 that injects the cryogenic liquid L, a supply pipe 42 that connects the injection nozzle 41 and the storage tank 3, a flow rate adjustment unit 43 that is provided in the middle of the supply pipe 42, It has.
  • a plurality of injection ports 416 are two-dimensionally arranged at the tip of the injection nozzle 41.
  • the cryogenic liquid L supplied from the storage tank 3 to the injection nozzle 41 via the supply pipe 42 is injected outside through the injection port 416.
  • the flow rate of the cryogenic liquid L ejected from the ejection nozzle 41 can be adjusted by the flow rate adjusting unit 43.
  • a valve capable of adjusting the opening degree such as a throttle valve or a flow rate adjusting valve is preferably used.
  • it is referred to as an ejection direction in which the cryogenic liquid L is ejected from the ejection nozzle 41.
  • the side on which the cryogenic liquid L flows is referred to as the upstream side
  • the side opposite to the upstream side (the side on which the cryogenic liquid L flows away) is referred to as the downstream side.
  • the injection nozzle 41 As shown in FIG. 3, the injection nozzle 41 according to the present embodiment is connected to the supply pipe 42 and has a plurality of injection ports 416 on the surface (the injection surface 415) facing the laser excitation unit 2 (heat sink unit 22). Is formed.
  • the nozzle body 411 has a connection part 412 connected to the end of the supply pipe 42, a diameter-expanding part 413 and an injection part 414 provided integrally on the downstream side of the connection part 412.
  • the connection part 412, the enlarged diameter part 413, and the injection part 414 are all tubular, thereby forming a flow path through which the cryogenic liquid L flows.
  • the upstream end of the enlarged diameter portion 413 communicates with the downstream end of the connecting portion 412. Furthermore, as it goes from the upstream side to the downstream side, the opening dimension (flow passage cross-sectional area) of the enlarged diameter portion 413 gradually increases. In other words, the enlarged diameter portion 413 has a generally funnel shape.
  • the injection part 414 is provided integrally on the downstream side of the diameter-enlarged part 413, and a plurality of relatively small-diameter injection ports 416 are formed on the injection surface 415 that is the downstream side of the injection part 414.
  • the ejection surface 415 extends on a two-dimensional plane that is generally parallel to the heat sink portion 22. In other words, the heat sink portion 22 and the ejection surface 415 are separated from each other by a certain distance over the entire surface direction in which the heat sink portion 22 (or the ejection surface 415) extends.
  • the cryogenic liquid L that has flowed into the injection nozzle 41 through the supply pipe 42 is injected from the plurality of injection ports 416 to the outside through the connection part 412, the diameter-enlarged part 413, and the injection part 414 that communicate with each other. Is done. Note that the number of the injection ports 416 provided and the individual opening shapes are appropriately determined according to the area of the laser excitation unit 2 that is the target of heat removal.
  • the ejection surface 415 is generally rectangular. Note that the shape of the ejection surface 415 may be appropriately determined according to the outer shape of the laser excitation unit 2. When viewed from the downstream side in the injection direction, the injection surface 415 has a plurality of injection ports 416 arranged in a lattice pattern.
  • a part of the plurality of injection ports 416 forms a group (array group m) arranged at intervals in a specific direction (first direction d1). is doing. Furthermore, a plurality of array groups m are provided at intervals in a direction (second direction d2) orthogonal to the first direction d1.
  • the injection openings 416 of one arrangement group m and the injection openings 416 of the other arrangement group m are the same in the first direction d1. That is, the plurality of injection ports 416 are arranged in a lattice pattern on the injection surface 415. Note that “same” as used herein does not necessarily have to be completely the same, and errors due to processing are allowed.
  • each part in these several injection nozzles 416 is set so that the following conditions may be satisfied. Specifically, when the opening diameter of the injection port 416 is d, the separation dimension from the injection surface 415 to the heat sink portion 22 is H, and the separation distance between two injection ports 416 adjacent to each other is P, the following The relationship of (1) Formula and (2) Formula is materialized. 3 ⁇ H / d ⁇ 7 (1) 2 ⁇ P / d ⁇ 10 (2)
  • the value of P / d is set to 2 or more and less than 5 in the numerical range (2 or more and 10 or less) shown in Formula (2).
  • the control unit 6 is a device for adjusting the subcooling degree of the cryogenic liquid L according to the temperature of the laser excitation unit 2 and obtaining an optimal cooling effect. As shown in FIG. 2, the control unit 6 receives various measurement values as electric signals from the outside, and also inputs an input storage unit 61 that stores data to be compared with the measurement values, and the input storage unit 61. A calculation unit 62 that performs calculation based on the input value, and an instruction unit 63 that outputs an instruction value to the outside based on the calculation value output from the calculation unit 62.
  • the subcooling degree of the cryogenic liquid L can be changed by adjusting the pressure in the storage tank 3. For example, when the pressure inside the storage tank 3 is increased, the subcooling degree of the cryogenic liquid L can be increased. On the other hand, when the pressure inside the storage tank 3 is lowered, the subcool degree of the cryogenic liquid L can be lowered.
  • the critical heat flux of the cryogenic liquid L increases as the subcooling degree of the cryogenic liquid L for cooling the laser excitation unit 2 increases. That is, the laser oscillation limit value in the laser excitation unit 2 improves as the subcooling degree increases. Therefore, when a laser output of a certain value is obtained, there is a minimum subcool degree (target subcool degree) necessary for maintaining the laser output.
  • the calculation unit 62 obtains the required target subcooling degree by calculation based on the laser output measured as the temperature value, and the instruction unit 63 adds the target subcooling degree to the target subcooling degree.
  • An instruction signal is sent to the pressure unit 31 to adjust the pressure inside the storage tank 3. That is, in this case, the control unit 6 operates as an apparatus for changing the subcooling degree of the cryogenic liquid L by adjusting the pressure applied by the pressurizing unit 31.
  • the cryogenic liquid L is ejected from each of the plurality of ejection ports 416 arranged.
  • the usage-amount of the cryogenic liquid L can be reduced compared with the case where only one large-diameter injection port 416 is provided, for example.
  • the amount (excess amount) of the cryogenic liquid L that flows away without being used for cooling the laser excitation unit 2 is reduced, and the cooling capacity (heat removal amount) per unit flow rate is optimized. can do.
  • the cryogenic liquid L ejected to the laser excitation unit 2 forms a high-speed liquid film that flows at high speed along the surface of the laser excitation unit 2.
  • the jet of the cryogenic liquid L ejected from each ejection port 416 flows along the surface of the heat sink portion 22 by colliding with the heat sink portion 22, and the high-speed liquid film Form. That is, on the surface of the heat sink part 22, the cryogenic liquid L that circulates at a high speed forms a film and normally exchanges heat. Thereby, the heat generated by the laser excitation unit 2 can be removed more effectively.
  • the nucleate boiling in the cryogenic liquid L is maintained. In other words, the possibility of film boiling in the cryogenic liquid L is reduced. Thereby, since excessive evaporation of the cryogenic liquid L is suppressed, sufficient cooling capacity for the laser excitation unit 2 can be obtained.
  • the plurality of injection ports 416 form an array group m arranged at intervals in a first direction d1 perpendicular to the injection direction when viewed from the injection direction of the cryogenic liquid L, A plurality of the array groups m are provided at intervals in the second direction d2 orthogonal to the first direction d1. That is, the plurality of injection ports 416 form a lattice shape on the injection surface 415.
  • the thickness of the high-speed liquid film of the cryogenic liquid L formed on the surface of the laser excitation unit 2 (on the heat sink unit 22) can be made substantially uniform over the entire surface. it can. Thereby, the bias
  • the dimensions of the plurality of injection ports 416 are set so as to satisfy the relationship shown in the above formulas (1) and (2).
  • the cooling characteristic (cooling capacity) of the heating element (laser excitation unit 2) by the jet of the cryogenic liquid L increases as the flow velocity of the cryogenic liquid L increases.
  • the value of P / d is a dominant index in optimizing the flow rate of the cryogenic liquid L at the injection port 416.
  • the flow rate of the cryogenic liquid L decreases, and there is a possibility that the cooling capacity for the laser excitation unit 2 cannot be sufficiently ensured.
  • the flow rate of the cryogenic liquid L can be maximized by satisfying each of the above conditions.
  • the laser excitation unit 2 can be sufficiently cooled, and even when the area of the region requiring heat removal in the laser excitation unit 2 is widened, the necessary cryogenic temperature is obtained. An increase in the flow rate of the liquid L can be suppressed.
  • the ejection surface 415 is formed in a substantially rectangular shape.
  • the shape of the ejection surface 415 is not limited to a rectangle, and may be a circle or an ellipse, and may be a triangle or a pentagon.
  • the shape of the ejection surface 415 may be arbitrarily determined as long as the entire laser excitation unit 2 (heat sink unit 22) facing the ejection surface 415 can be covered.
  • a porous member 417 is provided inside the injection nozzle 41. More specifically, the porous member 417 is a generally plate-like member provided in the boundary surface between the enlarged diameter portion 413 and the injection portion 414.
  • the porous member 417 is formed with a plurality of holes 418 penetrating in the injection direction of the cryogenic liquid L.
  • the plurality of holes 418 have the same shape and size.
  • each of these holes 418 has a substantially circular cross-sectional shape (cross-sectional shape in the injection direction).
  • the position of the injection port 416 in one array group m and the position of the injection port 416 in the other array group m Is different in the first direction d1.
  • the plurality of injection ports 416 are arranged in a staggered manner on the injection surface 415.
  • the thickness of the high-speed liquid film of the cryogenic liquid L formed on the surface of the laser excitation unit 2 can be made more uniform over the entire surface. Furthermore, according to such a configuration, more injection ports 416 can be provided at a higher density in a plane having a certain area. Therefore, the heat removal amount in the heat sink part 22 can be further increased, and an increase in the usage amount of the cryogenic liquid L can be suppressed.
  • the dimensions of the plurality of injection ports 416 in the present embodiment can be set so as to satisfy the conditions of the above formulas (1) and (2).
  • the heat generation amount in a part of the heat sink part 22 in the laser excitation part 2 is relatively higher than in other areas. That is, in the present embodiment, the central region including the center of gravity of the rectangular region formed by the heat sink portion 22 is the heat generation region S.
  • the diameter of the injection port 416 increases as the injection port 416 is relatively closer to the heat generation region S, and the injection port 416 is relatively far from the heat generation region S.
  • the opening diameter is set to be smaller. More specifically, the opening diameter of the injection port 416 is set to be relatively large in the region overlapping with the heat generation region S when viewed from the injection direction. On the other hand, the opening diameter of the injection port 416 is set to be relatively small in the region overlapping the region excluding the heat generation region S on the injection surface 415.
  • a relatively large amount of the cryogenic liquid L is ejected from the ejection port 416 facing the heat generating region S.
  • more cryogenic liquid L can be ejected intensively with respect to the heat generating region S.
  • the temperature distribution in the heat sink part 22 of the laser excitation part 2 can be made more uniform.
  • the amount of heat removal in the laser excitation unit 2 can be controlled with higher accuracy by adopting the above configuration.
  • the opening diameters of the injection ports 416 facing the heat generation region S are the same.
  • the opening diameters of the injection ports 416 do not have to be the same even in the heat generation region S, and the opening diameters gradually decrease from the center side to the edge side of the heat generation region S.
  • it may be formed to be large. That is, when a more microscopic temperature distribution in the heat generation region S is obtained in advance, it is desirable to set the opening diameter of the injection port 416 so as to correspond to this temperature distribution.
  • the opening diameter of the injection port 416 facing the region where the temperature is relatively high is set to be relatively large, and conversely, the opening diameter of the injection port 416 facing the region where the temperature is relatively low is relatively small. It is desirable to set.
  • the temperature distribution in the heat sink portion 22 can be made uniform with higher accuracy.

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Abstract

レーザ発振冷却装置（１００）は、レーザ励起光（Ｚ１）を発する発光部（１）と、レーザ励起光（Ｚ１）を励起してレーザ光（Ｚ２）を発するとともに、局所的に発熱する発熱領域（Ｓ）を有するレーザ励起部（２）と、極低温液体（Ｌ）を収容可能な収容タンク（３）と、収容タンク（３）の内部を加圧することで極低温液体（Ｌ）をサブクール状態とする加圧部（３１）と、二次元的に複数配列された噴射口からサブクール状態の極低温液体（Ｌ）をレーザ励起部（２）に噴射することで該レーザ励起部（２）を除熱する噴射供給部（４）と、を備える。

Description

レーザ発振冷却装置
　本発明は、レーザ発振冷却装置に関する。
　本願は、２０１５年３月２０日に出願された特願２０１５－０５７３８９に基づいて優先権を主張し、その記載を援用する。
　レーザ加工機のような装置では、半導体励起固体レーザに代表される固体レーザを光源として用いている。すなわち、固体のレーザ媒質を光照射で励起して、レーザ発振をさせることでレーザ光を得ている。
　このようにレーザを発振する発振媒体（媒質）では、レーザ出力の増大化に伴ってその温度も上昇することが知られている。また、媒質を冷却するほど、レーザ発振限界が向上することが知られている。したがって、レーザ発振媒体を冷却することが必要とされる。
　レーザ発振媒体を冷却するための技術として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。
　特許文献１には、レーザ光発生装置が記載されている。この装置では、レーザ光の発生に伴うレーザ励起装置（ＢＢＯ結晶デバイス）の発熱を取り除くために、断熱容器中に貯留された液体窒素等の寒剤を、ＢＢＯ結晶デバイスに熱的に接続されたコールドフィンガーに供給する構成を採っている。
特開平１１－２９５７７２号公報
　しかしながら、レーザの発振限界は、媒質であるレーザ励起装置の冷却量におおむね比例することから、上記特許文献１に記載された技術を用いた場合に、ある程度以上のレーザ出力を得ようとすると、液体窒素による冷却能力が不足する可能性がある。特に、特許文献１の技術では、液体窒素の温度が上昇することで膜沸騰を起こしてしまい、冷却能力が十分に得られない可能性がある。冷却が十分でない場合、媒質の温度が上昇し、レーザの発振効率が低下してしまう。
　本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、十分な冷却効果を有するレーザ発振冷却装置を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様によれば、レーザ発振冷却装置は、レーザ励起光を発する発光部と、前記レーザ励起光を励起してレーザ光を発するとともに、局所的に発熱する発熱領域を有するレーザ励起部と、極低温液体を収容可能な収容タンクと、前記収容タンクの内部を加圧することで前記極低温液体をサブクール状態とする加圧部と、二次元的に複数配列された噴射口からサブクール状態の前記極低温液体を前記レーザ励起部に噴射することで該レーザ励起部を除熱する噴射供給部と、を備える。
　上述のような構成によれば、複数配列されたそれぞれの噴射口から極低温液体が噴射される。これにより、比較的大きな面積を冷却するに際して、大口径の噴射口を１つのみ設けた場合に比べて、極低温液体の使用量を低減できる。
　さらに、レーザ励起部に噴射された極低温液体は、該レーザ励起部の表面に沿って高速で流動する高速液膜を形成する。これにより、レーザ励起部の発熱をさらに効果的に除熱することができる。
　本発明の第二の態様によれば、上記第一の態様に係るレーザ発振冷却装置では、前記複数の噴射口は、前記極低温液体の噴射方向から見て、該噴射方向に直交する第一方向に間隔を空けて配列された配列群を形成し、前記配列群は、前記第一方向に直交する第二方向に間隔を空けて複数設けられていてもよい。
　上述のような構成によれば、レーザ励起部の表面上で形成される極低温液体の高速液膜の厚さを、該表面の全体にわたっておおむね均一化することができる。
　本発明の第三の態様によれば、上記第二の態様に係るレーザ発振冷却装置では、前記第二方向に互いに隣り合う一対の前記配列群における前記噴射口のうち、一方の前記配列群の前記噴射口と、他方の前記配列群の前記噴射口とは、前記第一方向における位置が互いに同一であってもよい。
　上述のような構成によれば、レーザ励起部の表面上で形成される極低温液体の高速液膜の厚さを、該表面の全体にわたってさらに均一化することができる。
　本発明の第四の態様によれば、上記第二の態様に係るレーザ発振冷却装置では、前記第二方向に互いに隣り合う一対の前記配列群における前記噴射口のうち、一方の前記配列群の前記噴射口と、他方の前記配列群の前記噴射口とは、前記第一方向における位置が互いに異なってもよい。
　上述のような構成によれば、レーザ励起部の表面上で形成される極低温液体の高速液膜の厚さを、該表面の全体にわたって均一化することができる。さらに、このような構成によれば、一定の面積の平面内にさらに多くの噴射口を高い密度で設けることができる。
　本発明の第五の態様によれば、上記第一から第四のいずれか一態様に係るレーザ発振冷却装置は、前記噴射口の開口径をｄとし、前記噴射供給部から前記レーザ励起部までの離間寸法をＨとし、互いに隣り合う２つの前記噴射口同士の離間距離をＰとしたとき、以下の（１）式と（２）式の関係が成立するように構成されていてもよい。
　３≦Ｈ／ｄ≦７　　・・・（１）
　２≦Ｐ／ｄ≦１０　・・・（２）
　上述のような構成によれば、レーザ励起部を十分に冷却することができるとともに、レーザ励起部において除熱を要する領域の面積が広くなった場合であっても、必要な極低温液体の流量の増加を抑制することができる。
　本発明の第六の態様によれば、上記第一から第五のいずれか一態様に係るレーザ発振冷却装置では、前記複数の噴射口は、前記レーザ励起部の前記発熱領域に相対的に近い前記噴射口になるほど開口径が大きく、該発熱領域から相対的に遠い前記噴射口になるほど開口径が小さくてもよい。
　上述のような構成によれば、発熱領域に対して集中的に極低温液体を噴射することができる。これにより、さらに効果的にレーザ励起部を除熱することができる。
　本発明の第七の態様によれば、上記第一から第六のいずれか一態様に係るレーザ発振冷却装置では、前記噴射供給部は、前記極低温液体の噴射方向から見て、前記噴射口の上流側に配置されるとともに、前記噴射方向に貫通する複数の孔部が形成された多孔部材を備えてもよい。
　上述のような構成によれば、極低温液体が多孔部材の孔部を通過することで、噴射口ごとの極低温液体の流量を均一化することができる。
　上述のレーザ発振冷却装置によれば、十分な冷却効果を得ることができる。
本発明の第一実施形態に係るレーザ発振冷却装置を示す概略図である。 本発明の第一実施形態に係る制御部の構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る噴射供給部の断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 本発明の第二実施形態に係る噴射供給部の断面図である。 本発明の第三実施形態に係る噴射供給部の噴射口の配置を示す図である。 本発明の第四実施形態に係る噴射供給部の噴射口の配置を示す図である。
〔第一実施形態〕
　以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
　図１に示すように、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１００は、レーザ励起光Ｚ１を発する発光部１と、入射されたレーザ励起光Ｚ１を励起してレーザ光Ｚ２を発するレーザ励起部２と、レーザ励起部２を冷却するための冷却部１０と、この冷却部１０の動作を制御する制御部６と、を備えている。
（レーザ励起部）
　発光部１は、レーザ励起部２に向かってレーザ励起光Ｚ１を照射することが可能な位置に配される。レーザ励起部２は、例えばサファイヤやＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）結晶を有する媒質部２１と、この媒質部２１に対して熱的に接続されたヒートシンク部２２と、を有している。
　このレーザ励起部２における媒質部２１に入射されたレーザ励起光Ｚ１の数１０％程度が、レーザ励起媒質によって励起されてレーザ光Ｚ２となる。レーザ光Ｚ２は、外部に取り出されて、例えばレーザ加工等の用に供される。
　このレーザ励起部２の媒質部２１によってレーザ光Ｚ２が得られる一方で、レーザ光Ｚ２として取り出された成分を除く成分は、おおむね熱に変換される。この熱により、レーザ励起部２は局所的に発熱する。上述したように媒質部２１にはヒートシンク部２２が熱的に接続されていることから、媒質部２１で生じた発熱は、ただちにヒートシンク部２２に伝達される。
　さらに、このレーザ励起部２には、温度計測部５が設けられている。温度計測部５は、レーザ励起部２における媒質部２１の温度を計測して数値化する装置である。温度計測部５としては例えば温度センサ等が用いられる。
　このように構成されたレーザ励起部２は、少なくとも一部（ヒートシンク部２２）が、冷温状態に保たれたクライオスタットＣの内部に露出している。すなわち、レーザ励起部２は、クライオスタットＣの壁面を挟んで、該クライオスタットＣの内外に臨んでいる。
特に、クライオスタットＣの内部を臨む面（ヒートシンク部２２）は、平面状に形成されている。本実施形態では、このヒートシンク部２２の全体にわたっておおむね均一の熱量が放射される場合について説明する。すなわち、本実施形態に係るヒートシンク部２２は、その全体が発熱領域Ｓとされている。
（冷却部）
　ここで、レーザ励起部２によって励起されるレーザの発振限界（最大出力：Ｗ）は、レーザ励起媒質が低温であるほど、高くなる。したがって、レーザ励起部２を冷却するために、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１００は冷却部１０を備えている。冷却部１０は、極低温液体Ｌを用いてレーザ励起部２を冷却する装置である。冷却部１０は、この極低温液体Ｌを収容可能な収容タンク３と、収容タンク３の内部を加圧する加圧部３１と、収容タンク３中の極低温液体Ｌを取り出してレーザ励起部２に供給する噴射供給部４と、を備えている。
　極低温液体Ｌとして、本実施形態では液体窒素を用いた例について説明する。収容タンク３は、液体窒素を液相状態で安定的に収容することが可能な容器である。すなわち、収容タンク３の内部は極低温に保たれている。この収容タンク３の内部の圧力は、加圧部３１によって調整することができる。加圧部３１としては、外部の圧力供給源（不図示）に接続された圧力弁が好適に用いられる。さらに、収容タンク３には、内部の圧力を計測するための圧力計測部５１が設けられている。圧力計測部５１の例としては、圧力値を電気信号として外部に出力することが可能な圧力計や圧力センサ等が挙げられる。
　収容タンク３の体積が一定であることから、加圧部３１によって収容タンク３内部の圧力を上げることで、極低温液体Ｌの温度を上げることができる。反対に、収容タンク３内部の圧力を下げることで、極低温液体Ｌの温度を下げることができる。
　特に、本実施形態に係る冷却部１０では、加圧部３１によって収容タンク３の内部の圧力を下げ続けることで、収容タンク３内部の極低温液体Ｌをサブクール状態に維持する。
例えば、極低温液体Ｌとして液体窒素を使用する場合、大気圧下における液体窒素の飽和温度は－１９６℃であるが、サブクール状態にある場合、飽和温度を－１９６℃よりも低い値で維持することができる。また、加圧部３１によって収容タンク３内部の圧力を調整することにより、サブクール状態にある極低温液体Ｌのサブクール度、すなわち飽和温度との差分をも調整することができる。
　噴射供給部４は、レーザ励起部２のヒートシンク部２２に対して極低温液体Ｌを噴射するための装置である。噴射供給部４は、極低温液体Ｌを噴射する噴射ノズル４１と、この噴射ノズル４１と収容タンク３とを接続する供給管４２と、供給管４２の中途に設けられた流量調整部４３と、を備えている。
　噴射ノズル４１の先端部には、複数の噴射口４１６が二次元的に配列されている。供給管４２を介して収容タンク３から噴射ノズル４１に供給された極低温液体Ｌはこの噴射口４１６を通じて外部に噴射される。噴射ノズル４１から噴射される極低温液体Ｌの流量は、流量調整部４３によって調整することができる。流量調整部４３としては、例えば絞り弁や流量調整弁等のように開度を調整することが可能な弁が好適に用いられる。
　なお、以下の説明では、噴射ノズル４１から極低温液体Ｌが噴射される噴射方向と呼ぶ。さらに、この噴射方向において、極低温液体Ｌが流れてくる側を上流側と呼び、上流側と反対の側（極低温液体Ｌが流れ去る側）を下流側と呼ぶ。
　次に、噴射ノズル４１の詳細な構成について図３と図４を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態に係る噴射ノズル４１は、供給管４２と接続されるとともに、レーザ励起部２（ヒートシンク部２２）に対向する面（噴射面４１５）に複数の噴射口４１６が形成されている。
　ノズル本体４１１は、供給管４２の端部と接続される接続部４１２と、この接続部４１２の下流側で一体に設けられる拡径部４１３、及び噴射部４１４と、を有している。接続部４１２、拡径部４１３、噴射部４１４はいずれも管状をなすことで、内部に極低温液体Ｌが流通する流路を形成する。
　拡径部４１３の上流側の端部は、接続部４１２の下流側の端部と連通されている。さらに、上流側から下流側に向かうに従って、拡径部４１３の開口寸法（流路断面積）は次第に大きくなる。言い換えれば、拡径部４１３はおおむね漏斗状をなしている。
　噴射部４１４は、拡径部４１３の下流側に一体に設けられるとともに、その下流側の面である噴射面４１５には、比較的に小径の噴射口４１６が複数形成されている。さらに、本実施形態では、この噴射面４１５は、上記のヒートシンク部２２に対しておおむね平行をなす二次元平面上に広がっている。言い換えると、ヒートシンク部２２と噴射面４１５とは、ヒートシンク部２２（又は噴射面４１５）の広がる面方向の全体にかけて一定の距離だけ互いに離間している。
　以上の構成により、供給管４２を通じて噴射ノズル４１に流入した極低温液体Ｌは、互いに連通する接続部４１２，拡径部４１３，噴射部４１４を経て、複数の噴射口４１６から外部に向かって噴射される。なお、これら噴射口４１６の設けられる個数や個々の開口形状は、除熱の対象であるレーザ励起部２の面積に応じて適宜に決定される。
　続いて、上記複数の噴射口４１６の配置について、図４を参照して説明する。同図に示すように、本実施形態では、噴射面４１５はおおむね矩形をなしている。なお、噴射面４１５の形状は、レーザ励起部２の外形に応じて適宜に決定されてよい。上記の噴射方向下流側から見た場合、この噴射面４１５には、複数の噴射口４１６が格子状に配列されている。
　より詳細には、矩形をなす噴射面４１５上において、複数の噴射口４１６の一部は、特定の一方向（第一方向ｄ１）に間隔を空けて配列された群（配列群ｍ）を形成している。
さらに、この第一方向ｄ１に直交する方向（第二方向ｄ２）に間隔を空けて複数の配列群ｍが設けられている。
　特に、本実施形態では、上記の配列群ｍのうち、互いに隣り合う一対の配列群ｍにおける噴射口４１６のうち、一方の配列群ｍの噴射口４１６と、他方の配列群ｍの噴射口４１６との位置が、第一方向ｄ１において同一とされている。すなわち、複数の噴射口４１６は、噴射面４１５上で格子状に配列されている。なお、ここで言う「同一」とは、必ずしも完全に同一である必要はなく、加工による誤差等は許容される。
　さらに、これら複数の噴射口４１６における各部の寸法は以下の条件を充足するように設定されている。具体的には、噴射口４１６の開口径をｄとし、噴射面４１５からヒートシンク部２２までの離間寸法をＨとし、互いに隣り合う２つの噴射口４１６同士の離間距離をＰとしたとき、以下の（１）式、及び（２）式の関係が成立する。
　３≦Ｈ／ｄ≦７　　・・・（１）
　２≦Ｐ／ｄ≦１０　・・・（２）
　特に、上記Ｐ／ｄの値は、式（２）に示す数値範囲（２以上１０以下）のうち、２以上５未満に設定されることが最も望ましい。
（制御部）
　制御部６は、レーザ励起部２の温度に応じて極低温液体Ｌのサブクール度を調整し、最適な冷却効果を得るための装置である。図２に示すように制御部６は、外部から電気信号としての各種計測値が入力されるとともに、計測値と対照すべきデータを記憶する入力記憶部６１と、この入力記憶部６１に入力された入力値に基づいて演算を行う演算部６２と、演算部６２の出力する演算値に基づいて外部に指示値を出力する指示部６３と、を有している。
　ここで、極低温液体Ｌのサブクール度は、収容タンク３内の圧力を調整することで変化させることができる。例えば、収容タンク３内部の圧力を上げた場合、極低温液体Ｌのサブクール度を上げることができる。一方で、収容タンク３内部の圧力を下げた場合、極低温液体Ｌのサブクール度を下げることができる。
　さらに、レーザ励起部２を冷却するための極低温液体Ｌのサブクール度が増加するほど、極低温液体Ｌの限界熱流束は上昇する。すなわち、サブクール度が増加するほど、レーザ励起部２におけるレーザ発振限界値は向上する。したがって、ある値のレーザ出力を得ている場合、当該レーザ出力を維持するために必要な最低限のサブクール度（目標サブクール度）が存在する。
　本実施形態に係る制御部６では、温度値として計測されたレーザ出力に基づいて、必要とされる目標サブクール度を演算部６２が演算によって求め、この目標サブクール度を目指して指示部６３が加圧部３１に対して指示信号を送り、収容タンク３内部の圧力を調整する。すなわち、この場合、制御部６は加圧部３１による加圧力を調整することで、極低温液体Ｌのサブクール度を変化させるための装置として動作する。
　さらに、以上のような構成によれば、複数配列されたそれぞれの噴射口４１６から極低温液体Ｌが噴射される。これにより、比較的大きな面積を冷却するに際して、例えば大口径の噴射口４１６を１つのみ設けた場合に比べて、極低温液体Ｌの使用量を低減できる。
言い換えれば、上記の構成によれば、レーザ励起部２の冷却に供されずに流れ去る極低温液体Ｌの量（余剰量）を低減し、単位流量当たりの冷却能力（除熱量）を最適化することができる。
　さらに、レーザ励起部２に噴射された極低温液体Ｌは、該レーザ励起部２の表面に沿って高速で流動する高速液膜を形成する。具体的には図２等に示すように、各噴射口４１６から噴射された極低温液体Ｌの噴流は、ヒートシンク部２２に衝突することで該ヒートシンク部２２の表面に沿って流れ、高速液膜を形成する。すなわち、ヒートシンク部２２の表面では、高速で流通する極低温液体Ｌが膜状となって常態的に熱交換を行う。これにより、レーザ励起部２の発熱をさらに効果的に除熱することができる。
　加えて、上述したように、本実施形態ではサブクール状態の極低温液体Ｌによって高速液膜を形成することから、極低温液体Ｌ中における核沸騰が維持された状態となる。言い換えれば、この極低温液体Ｌ中で膜沸騰が生じる可能性が低減されている。これにより、極低温液体Ｌの過度な蒸発が抑制されるため、レーザ励起部２に対する十分な冷却能力を得ることができる。
　さらに、本実施形態では、複数の噴射口４１６は、極低温液体Ｌの噴射方向から見て、噴射方向に直交する第一方向ｄ１に間隔を空けて配列された配列群ｍを形成するとともに、この配列群ｍは、第一方向ｄ１に直交する第二方向ｄ２に間隔を空けて複数設けられている。すなわち、複数の噴射口４１６は、噴射面４１５上で格子状をなしている。
　上述のような構成によれば、レーザ励起部２の表面上（ヒートシンク部２２上）で形成される極低温液体Ｌの高速液膜の厚さを、該表面の全体にわたっておおむね均一化することができる。これにより、ヒートシンク部２２における除熱量の偏りを抑制することができる。
　加えて、本実施形態では、複数の噴射口４１６の寸法は、上記式（１）、式（２）に示す関係を満たすように設定されている。
　ここで、本実施形態のように、極低温液体Ｌの噴流による発熱体（レーザ励起部２）の冷却特性（冷却能力）は、極低温液体Ｌの流速が高いほど大きくなることが知られている。特にＰ／ｄの値は、噴射口４１６における極低温液体Ｌの流速を最適化する上で支配的な指標であることが知られている。例えば、このＰ／ｄの値を式（２）の範囲外に設定した場合、極低温液体Ｌの流速は低下してしまい、レーザ励起部２に対する冷却能力を十分に確保できない可能性がある。しかしながら、本実施形態では上記の各条件を満たすことにより、極低温液体Ｌの流速を最大化することができる。
　さらに、このような構成によれば、レーザ励起部２を十分に冷却することができるとともに、レーザ励起部２において除熱を要する領域の面積が広くなった場合であっても、必要な極低温液体Ｌの流量の増加を抑制することができる。
　つまり、上記の各条件（式（１）、式（２））の関係を満たす噴射ノズル４１を用いることにより、極低温液体Ｌの流速の最大化と、極低温液体Ｌの使用量の削減とを両立した上で、十分に良好な冷却能力を得ることができる。
　以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、上記の実施形態はあくまで一例に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更や改修を加えることが可能である。
　例えば、上記実施形態では、噴射面４１５が概ね矩形に形成された例について説明した。しかしながら、噴射面４１５の形状は矩形に限定されず、円形や楕円形であってもよく、さらには三角形や五角形であってもよい。要するに、噴射面４１５の形状は、該噴射面４１５が対向するレーザ励起部２（ヒートシンク部２２）の全体を覆うことができる限りにおいては任意に決定されてよい。
〔第二実施形態〕
　次に、本発明の第二実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成や部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１００では、噴射ノズル４１の内部に多孔部材４１７が設けられている。この多孔部材４１７は、より詳細には拡径部４１３と噴射部４１４との間の境界面内に設けられるおおむね板状の部材である。
　さらに、多孔部材４１７には極低温液体Ｌの噴射方向に貫通する複数の孔部４１８が形成されている。これら複数の孔部４１８は、互いに同一の形状及び寸法を有している。本実施形態では、これら孔部４１８はいずれも略円形の断面形状（噴射方向における断面形状）を有している。
　上記のような構成により、接続部４１２及び拡径部４１３を経て流入した極低温液体Ｌは、多孔部材４１７の上流側の領域（すなわち、拡径部４１３の内部）で一定時間だけ滞留した後、多孔部材４１７の孔部４１８を通過する。これにより、多孔部材４１７の下流側の領域（すなわち、噴射部４１４の内部）における極低温液体Ｌが整流される。言い換えると、多孔部材４１７の延在する領域のおおむね全体にかけて、極低温液体Ｌの流量を均一化することができる。これにより、それぞれの噴射口４１６から噴射される極低温液体Ｌの流量を均一化することができるため、ヒートシンク部２２上における除熱量にムラが生じる可能性を低減することができる。
［第三実施形態］
　続いて、本発明の第三実施形態について、図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成や部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１００では、複数の噴射口４１６の配置が上記の各実施形態とは異なっている。
　具体的には、本実施形態では、互いに隣り合う一対の噴射口４１６の配列群ｍのうち、一方の配列群ｍにおける噴射口４１６の位置と、他方の配列群ｍにおける噴射口４１６の位置とが、上記の第一方向ｄ１で異なっている。言い換えれば、これら複数の噴射口４１６は噴射面４１５上で千鳥状（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）に配列されている。
　このような構成によれば、レーザ励起部２の表面上で形成される極低温液体Ｌの高速液膜の厚さを、該表面の全体にわたってさらに均一化することができる。さらに、このような構成によれば、一定の面積の平面内により多くの噴射口４１６を高い密度で設けることができる。したがって、ヒートシンク部２２における除熱量をさらに大きくすることができるとともに、極低温液体Ｌの使用量の増大を抑制することができる。
　さらに、本実施形態における複数の噴射口４１６についても、上記式（１）、式（２）の各条件を充足するように各寸法を設定することが可能である。
　加えて、本実施形態における噴射ノズル４１に対して、上記の第二実施形態に記載された多孔部材４１７を設けることも可能である。これにより、ヒートシンク部２２上における除熱量にムラが生じる可能性を低減することができる。
［第四実施形態］
　さらに、本発明の第四実施形態について、図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成や部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るレーザ発振冷却装置１００では、レーザ励起部２における発熱量の分布と、複数の噴射口４１６の配置とが上記の各実施形態とは異なっている。
　詳細には、本実施形態では、レーザ励起部２におけるヒートシンク部２２のうち、その一部の領域における発熱量が、他の領域に比べて相対的に高くなっている。すなわち、本実施形態では、ヒートシンク部２２がなす矩形の領域のうち、その重心を含む中央の領域が、発熱領域Ｓとされている。
　さらに、本実施形態に係る噴射ノズル４１では、複数の噴射口４１６のうち、発熱領域Ｓに相対的に近い噴射口４１６になるほど開口径が大きく、発熱領域Ｓから相対的に遠い噴射口４１６になるほど開口径が小さく設定されている。より具体的には、上記の噴射方向から見て、発熱領域Ｓと重なる領域では、噴射口４１６の開口径が相対的に大きく設定されている。一方で、噴射面４１５上でこの発熱領域Ｓを除く領域と重なる領域では、噴射口４１６の開口径が相対的に小さく設定されている。
　このような構成によれば、発熱領域Ｓに臨む噴射口４１６からは相対的に多くの極低温液体Ｌが噴射される。すなわち、発熱領域Ｓに対して集中的に、より多くの極低温液体Ｌを噴射することができる。これにより、レーザ励起部２のヒートシンク部２２における温度分布をさらに均一化することができる。
　特に、レーザ励起部２の発熱領域Ｓが予め特定されている場合には、上記の構成を採ることで、よりレーザ励起部２における除熱量をより高い精度でコントロールすることができる。
　なお、本実施形態における噴射ノズル４１に対して、上記の第二実施形態に記載された多孔部材４１７を設けることも可能である。これにより、ヒートシンク部２２上における除熱量にムラが生じる可能性を低減することができる。
　さらに、上記の実施形態、及び図７の例では、発熱領域Ｓの臨む噴射口４１６同士で開口径が互いに同一である構成について説明した。しかしながら、これら噴射口４１６同士の開口径は、発熱領域Ｓ内であっても互いに同一である必要はなく、発熱領域Ｓの中心部側から縁部側に向かうに従って次第に開口径が小さくなるように、又は大きくなるように形成されていてもよい。すなわち、発熱領域Ｓ内におけるさらに微視的な温度分布が予め得られている場合、この温度分布に対応するように、噴射口４１６の開口径を設定することが望ましい。具体的には、温度が相対的に高い領域に臨む噴射口４１６の開口径は相対的に大きく設定され、反対に温度が相対的に低い領域に臨む噴射口４１６の開口径は相対的に小さく設定されることが望ましい。
　以上のような構成を採ることで、ヒートシンク部２２における温度分布をさらに高い精度で均一化することができる。
　上述のように構成されたレーザ発振冷却装置によれば、十分な冷却効果を得ることができる。
１…発光部
２…レーザ励起部
３…収容タンク
４…噴射供給部
５…温度計測部
６…制御部
１０…冷却部
２１…媒質部
２２…ヒートシンク部
３１…加圧部
４１…噴射ノズル
４２…供給管
４３…流量調整部
４４…流量計測部
５１…圧力計測部
６１…入力記憶部
６２…演算部
６３…指示部
１００…レーザ発振冷却装置
４１１…ノズル本体
４１２…接続部
４１３…拡径部
４１４…噴射部
４１５…噴射面
４１６…噴射口
４１７…多孔部材
４１８…孔部
Ｃ…クライオスタット
ｄ１…第一方向
ｄ２…第二方向
Ｌ…極低温液体
ｍ…配列群
Ｓ…発熱領域
Ｚ１…レーザ励起光
Ｚ２…レーザ光

Claims (7)

  1. 　レーザ励起光を発する発光部と、
    　前記レーザ励起光を励起してレーザ光を発するとともに、局所的に発熱する発熱領域を有するレーザ励起部と、
    　極低温液体を収容可能な収容タンクと、
    　前記収容タンクの内部を加圧することで前記極低温液体をサブクール状態とする加圧部と、
    　二次元的に複数配列された噴射口からサブクール状態の前記極低温液体を前記レーザ励起部に噴射することで該レーザ励起部を除熱する噴射供給部と、
    を備えるレーザ発振冷却装置。
  2. 　前記複数の噴射口は、前記極低温液体の噴射方向から見て、該噴射方向に直交する第一方向に間隔を空けて配列された配列群を形成し、
    　前記配列群は、前記第一方向に直交する第二方向に間隔を空けて複数設けられる請求項１に記載のレーザ発振冷却装置。
  3. 　前記第二方向に互いに隣り合う一対の前記配列群における前記噴射口のうち、一方の前記配列群の前記噴射口と、他方の前記配列群の前記噴射口とは、前記第一方向における位置が互いに同一である請求項２に記載のレーザ発振冷却装置。
  4. 　前記第二方向に互いに隣り合う一対の前記配列群における前記噴射口のうち、一方の前記配列群の前記噴射口と、他方の前記配列群の前記噴射口とは、前記第一方向における位置が互いに異なる請求項２に記載のレーザ発振冷却装置。
  5. 　前記噴射口の開口径をｄとし、前記噴射供給部から前記レーザ励起部までの離間寸法をＨとし、互いに隣り合う２つの前記噴射口同士の離間距離をＰとしたとき、以下の（１）式と（２）式の関係が成立する請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ発振冷却装置。
    　３≦Ｈ／ｄ≦７　　・・・（１）
    　２≦Ｐ／ｄ≦１０　・・・（２）
  6. 　前記複数の噴射口は、前記レーザ励起部の前記発熱領域に相対的に近い前記噴射口になるほど開口径が大きく、該発熱領域から相対的に遠い前記噴射口になるほど開口径が小さい請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ発振冷却装置。
  7. 　前記噴射供給部は、
    　前記極低温液体の噴射方向から見て、前記噴射口の上流側に配置されるとともに、前記噴射方向に貫通する複数の孔部が形成された多孔部材を備える請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ発振冷却装置。
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