JP7262217B2 - 光共振器 - Google Patents

Description

本発明は、光共振器に関する。

光共振器のフロントミラーの外側を向く表面を光共振器の光軸に対して傾斜させることにより、外側を向く表面での反射による不要な共振を抑制する光共振器が公知である（例えば、下記の特許文献１の段落［００５４］）。また、高次横モードの発生を抑止してモード安定性を高めるために、光共振器のリアミラーとして、相互に直交する２枚の反射面を含むルーフミラーを用いた光共振器が公知である。

国際公開第２０１４／０４６１６１号

リアミラーが平面鏡である場合、フロントミラーの外側を向く面が傾斜していると、フロントミラーの外側を向く面とリアミラーとの間を往復する光は、少ない往復回数で、光共振器内に配置されたアイリスによって遮光される。このため、フロントミラーの外側を向く面とリアミラーとの間に閉じ込められた光はレーザ光まで成長しない。

ところが、リアミラーとしてルーフミラーを用いた場合には、平面ミラーを用いた場合と比べて、フロントミラーの外側を向く面とリアミラーとの間を往復する回数が増加する場合がある。往復回数が増加すると、本来発振すべきレーザビームの他に、光共振器の光軸に対して傾いた方向に伝搬する光がレーザ光まで成長する場合がある。光軸に対して傾いた方向に伝搬するレーザビームは、本来発振すべきレーザビームの横断面における強度分布（横モード）に影響を与える。

光共振器の光軸に対して傾いた方向に伝搬するレーザビームを本来発振すべきレーザビームから光共振器の外部で分離するためには、数メートル程度の距離が必要になる。このため、両者を分離するための光学系が長くなり、光学装置が高価になる。

本発明の目的は、フロントミラーの外側を向く面を傾斜させ、リアミラーにルーフミラーを用いても、フロントミラーの外側を向く面に起因する不要な発振を抑制することができる光共振器を提供することである。

本発明の一観点によると、
フロントミラーとリアミラーとを有し、レーザガスを励起させる放電領域を通って光を往復させる光共振器であって、
前記フロントミラーの外側を向く面が、前記光共振器の光軸に垂直な仮想平面に対して傾斜しており、
前記リアミラーは、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持ち、
前記光共振器の光軸が１本の直線であるか、または前記光共振器が折り返しミラーを含み、
前記光共振器の光軸が１本の直線である場合、前記リアミラーの前記２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線と、前記フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向とが、直交の関係からずれており、
前記光共振器が折り返しミラーを含む場合、前記フロントミラーが配置された位置における光軸に垂直な仮想平面に、前記リアミラーの前記２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線を、前記折り返しミラーを経由して投影した線像と、前記フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向とが、直交の関係からずれている姿勢で固定されている光共振器が提供される。

リアミラーの２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線と、フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向とを直交の関係からずらすと、フロントミラーの外側を向く面で反射した光が、光共振器内を往復できる回数が少なくなる。その結果、フロントミラーの外側を向く面に起因する不要な発振を抑制することができる。

図１は、実施例による光共振器が搭載されたガスレーザ装置の光軸を含む断面図である。 図２は、実施例による光共振器が搭載されたガスレーザ装置の光軸に垂直な断面図である。 図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、それぞれ実施例による光共振器の斜視図、ｙ軸に垂直な断面図、及びｘ軸に垂直な断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ実施例及び比較例による光共振器のフロントミラーの外側を向く面で垂直反射した光の、ｘｚ断面における伝搬の様子を示す図である。 図５は、フロントアイリス、リアアイリス、及び両者の間を光共振器の光軸に対して斜め方向伝搬する光の模式図である。 図６は、実施例による光共振器を搭載したレーザ発振器を用いたレーザ加工装置の概略図である。

図１～図３Ｃを参照して、実施例による光共振器、及びこの光共振器が搭載されたガスレーザ装置について説明する。
図１は、実施例による光共振器が搭載されたガスレーザ装置の光軸を含む断面図である。光共振器の光軸方向をｚ軸方向とし、鉛直上方をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

チェンバ１０にレーザガスが収容される。チェンバ１０の内部空間が、相対的に鉛直方向上側に位置する光学室１１と、相対的に鉛直方向下側に位置するブロワ室１２と区分されている。光学室１１とブロワ室１２とは、上下仕切り板１３で仕切られている。なお、上下仕切り板１３には、レーザガスを光学室１１とブロワ室１２との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１２の側壁から光学室１１の底板１４がｚ軸方向の両側に張り出しており、光学室１１のｚ軸方向の長さが、ブロワ室１２のｚ軸方向の長さより長くなっている。チェンバ１０は、光学室１１の底板１４においてチェンバ支持部材１６により光学ベースに支持される。

光学室１１内に、一対の放電電極２１が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ放電電極支持部材２２、２３を介して底板１４に支持されている。一対の放電電極２１は、ｘ軸方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電領域２４が画定される。放電電極２１は放電領域２４に放電を生じさせることにより、レーザガスを励起させる。後に図２を参照して説明するように、放電領域２４を図１の紙面に垂直な方向にレーザガスが流れる。

光学室１１内に配置された共通支持部材２６に光共振器２５が支持されている。光共振器２５は、フロントミラー２５Ｆ及びリアミラー２５Ｒで構成される。光共振器２５の光軸が放電領域２４内を通過している。共通支持部材２６は、光共振器支持部材２７を介して底板１４に支持されている。光共振器２５の光軸をフロントミラー２５Ｆ側（図１において左側）に延伸させた延長線と光学室１１の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。光共振器２５内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。

ブロワ室１２にブロワ５０が配置されている。ブロワ５０は、光学室１１とブロワ室１２との間でレーザガスを循環させる。

図２は、本実施例による光共振器２５（図１）が搭載されたガスレーザ装置のｚ軸に垂直な断面図である。チェンバ１０の内部空間が上下仕切り板１３により、上方の光学室１１と下方のブロワ室１２とに区分されている。光学室１１内に、一対の放電電極２１、光共振器２５（図１）を支持する共通支持部材２６が配置されている。放電電極２１の間に放電領域２４が画定される。

光学室１１内に仕切り板１５が配置されている。仕切り板１５は、上下仕切り板１３に設けられた開口１３Ａから放電領域２４までの第１ガス流路５１、放電領域２４から上下仕切り板１３に設けられた他の開口１３Ｂまでの第２ガス流路５２を画定する。レーザガスは、放電領域２４を、光軸に対して直交する方向（ｙ軸方向）に流れる。放電方向（ｘ軸方向）は、レーザガスが流れる方向（ｙ軸方向）、及び光軸方向（ｚ軸方向）の両方に対して直交する。ブロワ室１２、第１ガス流路５１、放電領域２４、及び第２ガス流路５２によって、レーザガスが循環する循環路が構成される。ブロワ５０は、この循環路をレーザガスが循環するように、レーザガスの流れを発生させる。

ブロワ室１２内の循環路に、熱交換器５６が収容されている。放電領域２４で加熱されたレーザガスが、熱交換器５６を通過することによって冷却され、冷却されたレーザガスが放電領域２４に再供給される。

上下仕切り板１３に、ブロワ室１２から光学室１１にレーザガスを流出させる流出穴５８が設けられている。ブロワ５０によって第１ガス流路５１に向かうレーザガスの流れに含まれる一部のレーザガスは、流出穴５８を通過して光学室１１に流出する。流出穴５８には、パーティクルを除去するフィルタ５９が設けられている。例えば、フィルタ５９は流出穴５８を塞いでおり、ブロワ室１２から光学室１１に流出するレーザガスは、フィルタ５９を通過することによりろ過される。

図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、それぞれ本実施例による光共振器２５の斜視図、ｙ軸に垂直な断面図（垂直断面図）、及びｘ軸に垂直な断面図（水平断面図）である。

リアミラー２５Ｒは、相互に交差する２枚の反射面を有するルーフミラーで構成されている。２枚の反射面のなす角度はほぼ直角である。ほぼ直交する２枚の反射面を有するリアミラー２５Ｒは、横方向のビームの変動を抑制し、ビーム強度分布の安定性を高める機能を持つ。放電領域２４とフロントミラー２５Ｆとの間にフロントアイリス２９Ｆが配置されており、放電領域２４とリアミラー２５Ｒとの間にリアアイリス２９Ｒが配置されている。なお、図３Ａの斜視図においては、フロントアイリス２９Ｆ及びリアアイリス２９Ｒの記載を省略している。フロントアイリス２９Ｆ及びリアアイリス２９Ｒは、光共振器２５の光軸から離れた領域を伝搬する不要な光を遮光する機能を持つ。

リアミラー２５Ｒは、２枚の反射面の谷線２５１がｘ軸に平行になる姿勢で固定されている。フロントミラー２５Ｆは、光共振器２５の内側を向く面２５５及び外側を向く面２５６を有する。内側を向く面２５５は部分反射コーティングされており、外側を向く面２５６は無反射コーティングされている。内側を向く面２５５は、光共振器２５の光軸（ｚ軸）に対して直交しており、外側を向く面２５６は、光軸に直交する仮想平面（ｘｙ面に平行な面）に対して傾斜している。なお、内側を向く面２５５を、光軸上に焦点を持つ凹面としてもよい。光軸に直交する仮想平面（ｘｙ面に平行な面）に対して、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６が傾斜している角度を、単に「外側を向く面の傾斜角」という場合がある。

光軸に垂直な仮想平面（ｘｙ面）に対して外側を向く面２５６が傾斜する方向は、ｘ軸の正または負の方向である。ここで、「傾斜する方向」とは、外側を向く面２５６に含まれる直線のうち、ｘｙ面に対する傾斜角が最大となる直線の下り方向を意味する。言い換えると、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６の傾斜方向及び光共振器２５の光軸（ｚ軸）に平行な平面（ｘｚ面）と、リアミラー２５Ｒの谷線２５１とが平行の関係になる。光共振器２５として、折返しミラー等を含む折り返し光共振器を採用してもよい。この場合、フロントミラー２５Ｆが配置された位置における光軸に垂直な仮想平面に、光共振器２５を構成する折り返しミラー等の光学部品を経由して谷線２５１を投影した線像と、外側を向く面２５６の傾斜方向とが平行になる。「平行の関係」は、谷線２５１を投影した線像と、外側を向く面２５６の傾斜方向とが平行である関係を含む。

次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、本実施例の優れた効果について説明する。
図４Ａは、本実施例による光共振器２５のフロントミラー２５Ｆの外側の面２５６で垂直反射した光の、ｘｚ断面における伝搬の様子を示す図である。リアミラー２５Ｒの２枚の反射面とｘｚ面に平行な平面との交線は、ｘ軸に平行な直線になる。このため、ｘｚ断面においては、リアミラー２５Ｒは光軸（ｚ軸）に垂直な平面ミラーと考えることができる。図４Ａでは、リアミラー２５Ｒを平面ミラーとして表している。フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６が傾斜する方向はｘ軸の負の方向とする。

発振すべきレーザビームは、フロントミラー２５Ｆの内側を向く面２５５とリアミラー２５Ｒとの間に閉じ込められる。このレーザビームの伝搬方向は光共振器２５の光軸（ｚ軸）に対して平行である。フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６には無反射コーティングが施されているが、反射率が完全にゼロであるわけではなく、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６は１％以下の反射率を持つ。放電領域２４内で自然発光した光が外側を向く面２５６で垂直反射されることにより、光共振器２５の光軸に対してｘｚ面内で斜め方向に伝搬する光４０が発生する。光４０の伝搬方向のｘ成分は正である。

斜め方向に伝搬する光４０がリアミラー２５Ｒで斜め方向に反射し、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６に再入射する。リアミラー２５Ｒで斜め方向に反射された光４１の伝搬方向のｘ成分は、入射する光４０の伝搬方向のｘ成分と同様に正である。このため、反射された光４１が再入射する位置は、光４０の起点よりもｘ軸の正の側にずれている。再入射した光４１は、光共振器２５の光軸に対する傾斜角がより大きな斜めの方向に反射する。このように、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で垂直反射した光は、光共振器２５内を伝搬するに従って、光共振器２５の光軸から遠ざかる。このため、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で反射した光は、少ない往復回数でフロントアイリス２９Ｆまたはリアアイリス２９Ｒによって遮光される。従って、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で垂直反射した光は、レーザ光まで成長しにくい。

図４Ｂは、比較例による光共振器２５のフロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で反射した光の、ｘｚ断面における伝搬の様子を示す図である。比較例においては、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面の谷線２５１がｙ軸に平行に配置されている。すなわち、リアミラー２５Ｒの谷線２５１と、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面の傾斜方向とが、直交の関係にある。ここで、「直交の関係」は、２本の直線が三次元空間において直角に交わっている場合のみならず、一方の直線を光共振器２５の光軸に沿って平行移動すると他方の直線と直角に交わるような関係を含んでいる。光共振器２５の光軸が折り返されている場合には、折り返し前の光軸に沿って移動する直線と折り返し後の光軸に沿って移動する直線とが物体と像の関係になるように直線を光軸に沿って平行移動させる。フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で垂直反射して光共振器２５の光軸に対して斜め方向に伝搬する光４３は、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面で２回反射した後、フロントミラー２５Ｆに向かって伝搬する。

リアミラー２５Ｒに入射する光４３の伝搬方向と、反射した光４４の伝搬方向とは、反平行の関係を持つ。光４３の伝搬方向が、外側を向く面２５６に対して垂直であるため、リアミラー２５Ｒからフロントミラー２５Ｆに向かう光４４は、外側を向く面２５６に垂直入射する。外側を向く面２５６に垂直入射した光４４の一部の成分は、外側を向く面２５６で反射され、反射光は、光４３、４４の経路を逆方向に伝搬して、外側を向く面２５６に再入射する。その結果、光共振器２５内に、光軸に対して斜め方向に向かう光が閉じ込められ、レーザ光まで成長する場合がある。光共振器２５の光軸に対して斜めに伝搬するレーザビームは、本来発振すべきレーザビームの横方向の強度分布に影響を与えるため、ビームの横断面における強度分布の安定性が低下する。

本実施例では、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６での反射に起因するレーザ発振が抑制されるため、発振すべきレーザビームの横断面における強度分布の安定性の低下を抑制することができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、図３Ａ～図３Ｃに示したように、フロントミラー２５Ｆとリアミラー２５Ｒとの２組のミラーを用いているが、両者の間に折返しミラー等を配置して折返し光共振器を構成してもよい。

また、上記実施例では、リアミラー２５Ｒの谷線２５１と、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６の傾斜方向とを平行の関係にしているが、必ずしも両者を平行の関係にしなくてもよい。両者が直交の関係からずれていれば、直交の関係を有する場合と比べて、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で反射した光が光共振器２５を往復できる回数が少なくなる。その結果、図４Ｂに示した比較例と比べて、レーザビームの強度分布の安定性の低下を抑制することができる。

また、上記実施例では、リアミラー２５Ｒとしてルーフミラーを用いたが、その他に、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持つミラーを用いてもよい。この場合、２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線方向が、ルーフミラーの谷線２５１の方向に相当する。

次に、図５を参照して、フロントアイリス２９Ｆとリアアイリス２９Ｒとの間隔Ｌ、フロントアイリス２９Ｆとリアアイリス２９Ｒとの開口の直径Ｄ、及びフロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６の傾斜角θとの好ましい関係について説明する。

図５は、フロントアイリス２９Ｆ、リアアイリス２９Ｒ、及び両者の間を光共振器２５の光軸に対して斜め方向に伝搬する光の模式図である。フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６が、ｚ軸に垂直な仮想平面に対してｘ軸方向に傾斜角θだけ傾いている。フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６に対して垂直方向に反射した光４６は、ｚ軸に対して傾斜角θだけ傾いた方向に伝搬する。リアアイリス２９Ｒの位置に平面のリアミラーが配置されていると仮定する。このリアミラーで反射した光４７は、フロントアイリス２９Ｆの位置において、当初の光４６の通過位置からｘ軸方向にずれた位置を通過する。このずれ量Δｄは以下の式で表される。
Δｄ＝２Ｌ×ｔａｎθ・・・（１）

フロントアイリス２９Ｆの開口の直径Ｄがずれ量Δｄ以下であれば、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で垂直反射した光は、光共振器２５内を１往復する間に、フロントアイリス２９Ｆで遮光される。光共振器２５内を往復する光が２往復するまでに遮光されれば、その光はレーザ光まで成長することはないと考えられる。光共振器２５内を往復する光が２往復するまでに遮光されるようにするために、傾斜角θ、アイリスの間隔Ｌ、アイリスの開口の直径Ｄが以下の関係を満たすようにするとよい。
θ≧ｔａｎ^－１（Ｄ／４Ｌ）・・・（２）

実際には、リアミラー２５Ｒはリアアイリス２９Ｒよりも外側に配置されている。従って、ずれ量Δｄは、式（１）で示された値より大きくなる。さらに、図４Ａを参照して説明したように、光４７がフロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６で反射した光の伝搬方向の光軸（ｚ軸）に対する傾斜角は、傾斜角θより大きくなる。このため、光共振器２５内を往復する光が２往復するまでに遮光される条件は、上述の条件式（２）よりも緩くなる。上述の条件式（２）が満足されれば、実際のガスレーザ装置において、フロントミラー２５Ｆの外側を向く面２５６に起因して不要なレーザ発振が生じることを抑制する効果が得られる。

次に、図６を参照して、上記実施例による光共振器２５を搭載したレーザ加工装置について説明する。

図６は、レーザ加工装置の概略図である。レーザ発振器７０が制御装置７３からの指令に基づいてパルスレーザビームを出力する。レーザ発振器７０から出力されたパルスレーザビームは、ビーム整形走査光学系７１を通って加工対象物７５に入射する。ビーム整形走査光学系７１は、レーザビームのビーム断面形状を整形するとともに、レーザビームを二次元方向に走査する。

加工対象物７５は、例えばプリント基板であり、ステージ７２に保持されている。ステージ７２は、制御装置７３からの指令により、加工対象物７５をその被加工面に平行な二方向に移動させることができる。このレーザ加工装置は、パルスレーザビームによって加工対象物７５の穴明け加工に用いられる。

レーザ発振器７０には、上記実施例による光共振器２５が用いられている。このため、レーザ発振器７０から出力されるパルスレーザビームの強度分布の安定性を高めることができる。その結果、パルスレーザビームのビーム断面の真円度が向上し、穴明け加工の加工品質を高めることが可能になる。

上述の各実施例は例示であり、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ チェンバ
１１ 光学室
１２ ブロワ室
１３ 上下仕切り板
１３Ａ、１３Ｂ 開口
１４ 底板
１５ 仕切り板
１６ チェンバ支持部材
２１ 放電電極
２２、２３ 放電電極支持部材
２４ 放電領域
２５ 折返し光共振器
２５Ｆ フロントミラー
２５Ｒ リアミラー
２６ 共通支持部材
２７ 共振器支持部材
２８ 光透過窓
２９Ｆ フロントアイリス
２９Ｒ リアアイリス
４０、４１、４３、４４、４６、４７ 光共振器内を伝搬する光
５０ ブロワ
５１ 第１ガス流路
５２ 第２ガス流路
５６ 熱交換器
５８ 流出穴
５９ フィルタ
７０ レーザ発振器
７１ ビーム整形走査光学系
７２ ステージ
７３ 制御装置
７５ 加工対象物
２５１ リアミラーの谷線
２５５ フロントミラーの内側を向く面
２５６ フロントミラーの外側を向く面

Claims (3)

1. フロントミラーとリアミラーとを有し、レーザガスを励起させる放電領域を通って光を往復させる光共振器であって、
   前記フロントミラーの外側を向く面が、前記光共振器の光軸に垂直な仮想平面に対して傾斜しており、
   前記リアミラーは、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持ち、
   前記光共振器の光軸が１本の直線であるか、または前記光共振器が折り返しミラーを含み、
   前記光共振器の光軸が１本の直線である場合、前記リアミラーの前記２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線と、前記フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向とが、直交の関係からずれており、
   前記光共振器が折り返しミラーを含む場合、前記フロントミラーが配置された位置における光軸に垂直な仮想平面に、前記リアミラーの前記２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線を、前記折り返しミラーを経由して投影した線像と、前記フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向とが、直交の関係からずれている姿勢で固定されている光共振器。
2. 前記リアミラーの前記２つの反射領域をそれぞれ含む２つの仮想平面の交線と、前記フロントミラーの外側を向く面の傾斜方向及び前記光共振器の光軸に平行な平面とが、平行の関係を持つ請求項１に記載の光共振器。
3. さらに、前記光共振器の光軸方向に関して前記放電領域の両側にそれぞれ、開口を持つアイリスが配置されており、
   一対の前記アイリスの間隔をＬで表し、前記アイリスの開口の直径をＤで表したとき、前記光共振器の光軸に対して直交する仮想平面に対して前記フロントミラーの外側を向く面が傾斜している角度がｔａｎ^－１（Ｄ／４Ｌ）以上である請求項１または２に記載の光共振器。
   

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