CN103999301A - Co2激光装置及co2激光加工装置 - Google Patents

Abstract

得到一种CO₂激光装置及CO₂激光加工装置，其射出高输出、且光束直径稳定而不依赖于重复频率的脉冲激光。具有：激光气体(G)，其成为CO₂激光介质；近同心型的稳定型光共振器，其将至少1个共振器反射镜的曲率半径设置为与从光开关至共振器反射镜为止的距离相等；光开关，其设置在稳定型光共振器内；以及传输反射镜(51～56)，其设置为使从稳定型光共振器产生的激光(41)再次通过CO₂激光介质。

Description

CO2激光装置及CO2激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种CO₂激光装置及CO₂激光加工装置，其从激光振荡器(内含增益介质的光共振器)产生CO₂激光(以下简称为“激光”)。

背景技术

当前，提出了一种CO₂激光器，其从内含增益介质的光共振器产生激光(例如，参照专利文献1)。

专利文献1中记载的CO₂激光装置具有：壳体，其将包含有CO₂的气体增益介质收容在内部；激光共振器，其包含高反射体及输出耦合器；激发装置，其激发增益介质；以及声光(AO)单元，其配置在激光共振器中，该CO₂激光装置利用AO单元将激光共振器在高损耗状态和低损耗状态之间进行切换，生成Q开关脉冲，但激光输出被限制为小于或等于声光单元的耐光功率(例如，几百W)。

专利文献1：日本特表2010－534923号公报

发明内容

现有的CO₂激光装置如专利文献1记载所示，由于激光输出被限制为小于或等于声光单元的耐光功率(例如，几百W)，因此，存在难以得到高输出激光的课题。

另外，如果脉冲激光的重复频率变化，则声光单元的热学状态变化，因此，存在光束直径依赖于重复频率而变化的课题。

本发明就是为了解决上述课题而提出的，目的在于提供一种CO₂激光装置及CO₂激光加工装置，其能够得到高输出激光，并且，生成光束直径稳定而不依赖于重复频率的脉冲。

本发明所涉及的CO₂激光装置具有：CO₂激光介质；光共振器，CO₂激光介质置于该光共振器中；光开关，其设置在光共振器内；以及传输反射镜，其对从光共振器向光共振器的外部射出的激光进行反射，在该CO₂激光装置中，光共振器由近同心的稳定型光共振器构成，将构成光共振器的至少1个共振器反射镜的曲率半径设定为与从光开关至共振器反射镜为止的距离相等，传输反射镜设置为使激光再次通过CO₂激光介质。

发明的效果

根据本发明，由于在将至少1个共振器反射镜的曲率半径设定为与从光开关至共振器反射镜为止的距离相等的近同心型的稳定型光共振器中，从光共振器产生的CO₂激光再次通过CO₂激光介质，因此，能够生成高输出、且光束直径稳定而不依赖于重复频率的脉冲。

附图说明

图1是透视地表示本发明的实施方式1所涉及的CO₂激光装置的结构的斜视图。

图2是在g参数区域中表示通常的2种类型的光共振器的说明图。

图3是表示在利用图2内的2种类型中不适合的光共振器的情况下的光束直径的说明图。

图4是表示在利用本发明的实施方式1所涉及的适合的光共振器的情况下的光束直径的说明图。

图5是表示在利用本发明的实施方式1所涉及的适合的光共振器的情况下的光束直径特性的说明图。

图6是表示在利用不适合的光共振器的情况下的光束直径特性的说明图。

图7是透视地表示本发明的实施方式2所涉及的CO₂激光装置的结构的斜视图。

图8是透视地表示本发明的实施方式2所涉及的CO₂激光加工装置的斜视图。

具体实施方式

实施方式1

图1是透视地表示本发明的实施方式1所涉及的CO₂激光装置的结构的斜视图。

在图1中，CO₂激光装置具有：电极1、2，其上下配置；激光气体G(以单点划线箭头表示电极2侧的气体流动方向)，其被封入电极1和电极2之间的放电空间内；全反射镜11，其作为共振器反射镜；部分反射镜12，其隔着激光气体G而与全反射镜11相对配置，且作为共振器反射镜；布儒斯特板13，其向激光赋予直线偏振；声光元件21，其成为光调制用的调制元件(光开关)；电源31，其向声光元件21施加交流电压；以及控制装置32，其控制电源31。

全反射镜11及部分反射镜12以隔着激光气体G(放电激发气体)而彼此相对的方式进行配置，与存在于全反射镜11及部分反射镜12之间的布儒斯特板13、声光元件21及激光气体G一起构成激光振荡器。

从部分反射镜12的端面射出激光41。此外，作为激光气体G而使用包含CO₂分子的混合气体。

另外，图1的CO₂激光装置具有：传输反射镜51～56，它们从部分反射镜12的射出面侧开始依次以相对的方式进行配置；以及框体(参照虚线框)，其封入激光气体G。

传输反射镜52～56的彼此相对光路分别构成为通过激光气体G，激光42从最终级的传输反射镜56射出至外部。

在此，为了容易理解，如图1内的XYZ轴(箭头)那样，将连结全反射镜11和部分反射镜12的光轴方向作为Z方向，将电极2侧的激光气体G的气体流动方向作为X方向，将垂直于X方向及Z方向的方向(电极1、2的相对方向)作为Y方向而进行说明。

此外，为了避免杂乱而省略图示，但在被供给激光气体G的框体内部设置有热交换器、鼓风机等。

鼓风机使被封入框体的内部空间中的激光气体G循环而产生强制对流。由此，冷却后的激光气体G在电极2侧沿X方向(单点划线箭头方向)供给至附图左方。

另外，激光气体G在框体内维持为比大气压低的压力，在电极1、2之间，以例如100m/s左右的速度移动。

如果通过放电而将激光气体G中的分子或原子激发至激光上能级，则示出光的放大作用。

因此，通过激光气体G(包含CO₂分子的混合气体)中的CO₂分子的振动能级间的迁移，由激光振荡而得到波长10.6μｍ的激光41。

另外，在框体中，电极1、2对激光气体G实施放电激发。

即，如果从高频电源(未图示)向电极1、2施加高频交流电压，则在电极1、2之间形成与框体(虚线框)相对应的长方体形状(例如，3cm×3cm×100cm左右)的放电空间。

激光气体G由于高频交流电压的施加而实质上受到连续激发，放电空间内的激光气体G，连同相对于放电空间而存在于激光气体气流的下游方向(附图左方)的激光气体G，成为示出光放大作用的放电激发气体。

在激光振荡器中，构成激光共振器的全反射镜11及部分反射镜12经由光轴调整用的角度微调机构而安装在框体上。

另外，在激光振荡器内部的光轴上设置有作为偏振选择元件的布儒斯特板13。

布儒斯特板13是S偏振(电场的振动方向与入射面垂直的偏振成分)的反射率高，P偏振(电场的振动方向与入射面平行的偏振成分)的反射率低(例如小于1％)的窗口。

在此，通过布儒斯特板13的配置，选择性地振荡形成具有X方向直线偏振的激光。

并且，在激光振荡器内部的光轴上作为调制元件而设置有声光元件21，声光元件21与用于生成例如40MHz频率的疏密波的电源31连接，电源31与控制装置32连接。

控制装置32能够自由地控制由电源31生成的疏密波的有无状态、和疏密波的能量大小。

作为控制装置32能够使用函数发生器等。

如上所述，与电源31及控制装置32连接的声光元件21具有如下功能，即，通过将透明材料内部的由疏密波引起的折射率变化用作衍射光栅，从而高速地控制激光束的行进方向。

此外，作为CO₂激光装置的声光元件21的材料，使用对锗形成无反射涂层而成的材料。

全反射镜11及部分反射镜12以下述方式进行校准，即，在声光元件21中无疏密波的状态下，使来自激光振荡器的激光41的输出成为大致最大。

首先，如果从电源31向声光元件21施加交流电压，则在声光元件21中产生疏密波，以使激光束衍射的形式发生作用，因此，由全反射镜11及部分反射镜12构成的光共振器的每一次往返的损耗增大。

由此，由于光共振器成为低Q状态，因此，不引起激光振荡，在激光气体G(CO₂激光介质)中积蓄增益。

然后，在CO₂激光介质中积蓄了增益的状态下，如果停止向声光元件21施加电压，或者使施加电压充分减少，则对于X方向的直线偏振，损耗少于增益。

由此，由于光共振器成为高Q状态，因此，所积蓄的增益作为脉冲光而输出。

即，如果向声光元件21间歇性地供给交流电压，则激光41以脉冲状从部分反射镜12的端面射出。

该现象被称为Q开关脉冲振荡(或者简称为“Q开关振荡”)，进行上述振荡的激光被称为Q开关脉冲激光(或者简称为“Q开关激光”)。

配置在激光42的射出侧的传输反射镜51～56由针对激光束而示出高反射率的材料构成，并进一步实施了用于实现高反射率的表面处理。

另外，传输反射镜51～56经由用于光轴调整的角度微调机构(未图示)进行了安装，具有改变激光41的行进路径的功能。

从部分反射镜12射出的激光42(脉冲激光)在传输反射镜51～56上进行反射，并被再次引导至框体内的放电激发气体(激光气体G)。

在传输反射镜51～56上进行反射，并被再次引导至放电激发气体内的激光41如双点划线箭头所示那样，在按照传输反射镜53、54、55、56的顺序进行反射的同时通过放电激发气体，在每次通过放电激发气体时进行放大。

具体来说，从全反射镜11和部分反射镜12之间的光共振器(激光振荡器)输出的激光41(CO₂激光束)按照传输反射镜51、52→放电激发气体→传输反射镜53→放电激发气体→传输反射镜54→放电激发气体→传输反射镜55→放电激发气体→传输反射镜56→放电激发气体的顺序通过，最终作为来自CO₂激光装置的激光42射出。

在此，在将向声光元件21施加的交流电压设为例如ON时间＝7μs、OFF时间＝3μs，并进行重复频率100kHz的间歇动作的情况下，从部分反射镜12输出的激光41的重复频率为100kHz，平均功率大约为10W。

另外，关于激光41受到放大后的成为最终输出的激光42，重复频率为100kHz，平均功率大约为1kW。

最终射出的激光42如后述所示，利用于激光切断、激光开孔或者通过激光照射实现的表面改质等。

对CO₂激光加工的生产率增加、稳定性及可靠性提高的要求不断变高。

例如，可以想到希望使得在开孔加工中以高重复频率加工的孔和以低重复频率加工的孔形成为均质形状的情况。

在该情况下，要求一种脉冲激光，其对于重复频率高(例如100kHz)的脉冲和低(例如1kHz)的脉冲，均能够产生具有大致同等的光束直径的脉冲。

而且，对于高重复频率，从加工的生产率增加的方面考虑，优选具有高平均功率(例如1kW)的激光42。

在考虑上述要求的情况下，声光元件21等调制元件的热透镜效应(由振荡原理的特性导致光束品质随时间而劣化)成为课题。

所谓热透镜效应是指下述现象，即，在物质具有光轴对称的温度分布的情况下，由于具有光轴对称的折射率分布，因此，透过物质的光受到类似于透镜的收敛及扩散作用。

在CO₂激光装置中，调制元件(声光元件21)的CO₂激光吸收率通常较高。

即，YAG激光器的声光元件的YAG激光吸收率为例如小于0.1％，与此相对，CO₂激光器的声光元件21的CO₂激光吸收率例如为3％～10％左右。

另外，通常在激光透过物质时，吸收率越高的物质，产生越大的热能，因此，热透镜效应也增大。

此外，CO₂激光器的电光元件(未图示)示出较低的吸收率，但尽管如此，也具有比YAG激光器的声光元件的YAG激光吸收率高的1％左右的吸收率。另外，电光元件以CdTe为原料而变得稀有，因此很难得到，而且价格高。

在前述(专利文献1)的现有结构的Q开关CO₂激光器中，无法提供平均输出1kW的脉冲CO₂激光。其原因在于，在光共振器中加入耐CO₂激光输出为几百W的调制光学元件(声光元件)。

另外，光共振器中的激光输出大于从光共振器输出的激光输出(典型情况为数倍大小)，因此，从现有结构的Q开关CO₂激光器射出的激光输出的上限为100W左右。

另外，假设调制光学元件的耐CO₂激光输出提高，在使CO₂激光的重复频率在大范围(例如，1kHz～100kHz的范围)中变化而进行运行的情况下，与此相伴，由于平均输出在10W～1kW的范围中变化，因此，由于前述的热透镜效应的影响，使光束直径稳定而不依赖于重复频率是困难的。

对此，本发明的实施方式1(图1)所涉及的CO₂激光装置为了得到高输出的脉冲激光，并且，实现使光束直径稳定而不依赖于重复频率的CO₂激光，具有：激光气体G(CO₂激光介质)；全反射镜11及部分反射镜12(近同心型的稳定型光共振器)；声光元件21，其设置在光共振器内；以及传输反射镜51、52(以及传输反射镜53～56)，它们设置为使从光共振器产生的激光41(CO₂激光)再次通过CO₂激光介质，部分反射镜12的曲率半径设定为与从声光元件21的中心至部分反射镜12为止的距离相等。

如上所述，通过设置Q开关CO₂激光振荡部(全反射镜11、部分反射镜12及声光元件21)、放大部(传输反射镜51～56)，经由共通的CO₂激光介质(激光气体G)而进行Q开关振荡及放大，从而通过图1那样的低价且简单的结构，能够得到能量效率高的CO₂激光装置(脉冲激光装置)。

另外，由于能够将通过配置于光共振器(全反射镜11及部分反射镜12)中的光调制元件(声光元件21)的激光输出抑制得较低，因此，能够将声光元件21的热透镜效应抑制得较小。

因此，能够使与脉冲激光的重复频率变化相伴的光束直径的变动最小化。

下面，对将Q开关CO₂激光振荡部的光共振器作为近同心型的稳定型光共振器的情况进行说明。

稳定型光共振器具有两种类型。一种是在光共振器内，激光束的直径上变细部分较少的近平行平面型，另一种是在光共振器内，在激光束的直径上具有显著的聚光点的近同心型。

图2是在g参数(inverse hybrid parameter)的区域A1、A2中表示通常的2种类型的光共振器的说明图。

在图2中，g1、g2如本领域技术人员所知那样，称为g参数，通过下面的算式(1)、算式(2)得出。

g1＝1－L/R1…(1)

g2＝1－L/R2…(2)

其中，在算式(1)、算式(2)中，L为光共振器长度，R1、R2为2个光共振器反射镜(图1内的全反射镜11及部分反射镜12)各自的曲率半径。

在图2中，灰色的区域A1、A2是稳定的光共振器的g参数区域，区域A1的光共振器称为近平行平面型，区域A2的光共振器称为近同心型。

图3是表示近平行平面型(图2内的区域A1)的光共振器的一个例子中的光束直径(mm)的说明图。

在图3中，横轴是与光共振器内的坐标对应的传输距离(mm)，纵轴是光束直径，分别利用实线、点线、虚线表示从激光振荡器输出的激光41的输出为1W、7W、15W的情况下的光束直径特性。

此外，认为各输出1W、7W、15W分别是重复频率为大约3kHz、25kHz、50kHz的情况下的输出。

另外，在图3中，TR、PR表示构成光共振器的2个共振器反射镜位置，PR对应于激光出射位置。另外，AO-Q表示调制光学元件的位置，灰色区域表示CO₂激光介质(激光气体)的存在位置。

从图3可知，在近平行平面型(图2内的区域A1)的光共振器的情况下，在光共振器内的激光束直径上变细部分较少。另外，可知出射位置PR处的激光的光束直径及扩展角度依赖于重复频率(或者，从与重复频率联动的激光振荡器输出的激光41的输出)而大幅变动。

另外，在将重复频率设为大约100kHz，将此时从激光振荡器输出的激光41的输出假设为30W的情况下，由于声光元件21的热透镜效应而不存在能够在共振器中传输的稳定的激光束，因此，实质上难以使输出上升至30W。

在通常的CO₂激光器中，出于从放电激发气体高效地输出能量的目的，将激光束和放电激发气体(激光气体)的重合度设定得较大，因此，选择出在光共振器内的激光束直径上变细部分较少的光共振器的种类，利用近平行平面型的光共振器。

通常的Q开关CO₂激光器的光共振器在公知文献(例如，Ｊ.Ｘｉｅ，ｅｔ ａｌ.，「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＣＯ2 ｌａｓｅｒ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ.18，Ｎｏ.12，ｐ.12371(2010).Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ的2.2节的第1段)中示出。

在上述公知文献中，光共振器长度L为1.2m，在光共振器反射镜的曲率半径R1、R2中，一个曲率半径R1为平面光栅(R1＝∞)，另一个曲率半径R2为2.5m。

在该情况下，通过算式(1)、算式(2)可知，g参数为g1＝1，g2＝0.52，为近平行平面型的光共振器。

与此相对，本发明的实施方式1(图1)所涉及的CO₂激光装置利用近同心型(图2内的区域A2)的光共振器，具有Q开关CO₂激光振荡部(全反射镜11及部分反射镜12)和放大部(传输反射镜51～56)。

如图1所示，利用共通的CO₂激光介质(激光气体G)进行Q开关振荡及放大的CO₂激光装置具有下述结构，即，在Q开关CO₂激光振荡部(全反射镜11及部分反射镜12)中，不一定追求大的激光输出，而是在放大部(传输反射镜51～56)中，高效地从激光介质(激光气体G)输出光能。

图4是表示在本发明的实施方式1中所采用的近同心型(图2内的区域A2)的光共振器(Q开关CO₂激光振荡部)中的光束直径的说明图，针对与前述(参照图3)同样的结构，标注与前述相同的标号。

在图4中，TR表示全反射镜11的位置，PR表示部分反射镜12的位置(出射位置)，AO-Q表示声光元件21的位置，灰色区域表示激光气体G(放电激发气体)的存在位置。

在图4中，将从激光振荡器输出的激光41的输出1W、15W、30W作为参数，分别利用实线、点线、虚线表示3个光束直径特性。

此外，来自Q开关CO₂激光振荡部的激光输出1W、15W、30W分别相当于重复频率为大约3kHz、50kHz、100kHz的情况。

在本发明的实施方式1中，通过采用近同心型的光共振器，从而如图4所示，能够相对于激光的重复频率的变化，使从部分反射镜12射出的激光41的光束直径及扩展角度大致恒定。

由此，放大后的激光42的光束直径也不依赖于脉冲激光的重复频率而大致恒定，因此，能够提供可射出光束直径稳定而不依赖于重复频率的激光42的CO₂激光装置。

另外，根据图4可知，在放电激发气体(激光气体G)所存在的范围内的光束直径也不依赖于激光的重复频率而大致恒定。

即，由于激光束和放电激发气体重合的区域大致恒定，因此，具有可得到不依赖于脉冲激光重复频率的稳定的脉冲能量的效果。

在本发明的实施方式1(图1、图4)所涉及的光共振器中，隔着放电激发气体(激光气体G)，在一侧配置有部分反射镜12，在另一侧配置有全反射镜11及声光元件21。

另外，声光元件21配置在与激光束的最细位置(传输距离≒700mm)相比位于全反射镜11侧的位置AO-Q处。

另一方面，在图3中，相对于脉冲激光的重复频率的变化，激光的光束直径及扩展角度也变化几十％，因此不稳定。

另外，放电激发气体所存在的范围内的光束直径也对应于脉冲激光的重复频率而变动，因此，无法得到不依赖于激光重复频率的稳定的脉冲能量。

在此，一边参照图5，一边对在本发明的实施方式1中，将作为共振器反射镜的部分反射镜12的曲率半径设定为与从声光元件21的中心至部分反射镜12为止的距离相等的优点进行说明。

图5是表示在利用本发明的实施方式1所涉及的光共振器的情况下的光束直径特性的说明图，示出与激光输出对应的出射位置PR处的输出光束直径即部分反射镜12中的基模光束直径的特性。

在图5中，横轴是从激光振荡器输出的激光41的输出(W)，纵轴是光束直径(mm)。

在本发明的实施方式1所涉及的CO₂激光装置中，如果进行使重复频率从数Hz至100kHz为止的调整或控制，则与重复频率联动地从激光振荡器输出的激光41的输出从小于1W的状态变动至30W。

此时，从图5明确可知，通过利用将共振器反射镜的曲率半径设定为与从声光元件21至共振器反射镜为止的距离相等的光共振器，从而在与激光装置的动作范围联动的输出范围内(0～30W)的输出15W附近，出射光束直径成为最大值。

如上所述，通过在激光装置的动作范围中具有出射光束直径成为最大的点，从而能够将动作范围整体中的光束直径的变动抑制得较小。

另外，可知在以从激光振荡器输出的激光的输出为15W附近(使出射光束直径为最大值)的重复频率的条件，使激光装置运转的情况下，能够抑制出射光束直径与声光元件21的热透镜的性质变化对应的变动，能够进行稳定的动作。

下面，为了与上述实施方式1的效果进行对比，一边参照图6，一边对形成为使共振器反射镜的曲率半径与从声光元件21至共振器反射镜为止的距离不同的结构的情况进行研究。

图6是表示在利用不适合的光共振器的情况下的光束直径特性的说明图，作为一个例子，示出使共振器反射镜的曲率半径成为从声光元件21至共振器反射镜为止的距离的1.15倍的结构中的出射光束直径(mm)的特性。

从图6明确可知，在利用将共振器反射镜的曲率半径设定为从声光元件21至共振器反射镜为止的距离的1.15倍的光共振器的情况下，在与激光装置的动作范围联动的输出范围内(0～30W)，伴随输出上升，出射位置PR处的出射光束直径单调减少，不存在出射光束直径成为最大的点。

即，与图5的情况不同，很难将动作范围整体中的光束直径的变动抑制得较小。

对此，根据本发明的实施方式1，由于将共振器反射镜的曲率半径设定为与从声光元件21至共振器反射镜为止的距离相等，因此，如图5所示，能够在激光装置的动作范围内具有出射光束直径成为最大的点，能够将动作范围整体中的光束直径的变动抑制得较小。

另外，在以图5内的最大点附近的条件使激光装置运转的情况下，能够抑制出射光束直径与声光元件的热透镜的性质变化对应的变动，能够进行稳定的动作。

由此，放大后的激光42的光束直径也不依赖于脉冲激光的重复频率而大致恒定，因此，能够提供可射出光束直径稳定而不依赖于重复频率的激光42的CO₂激光装置。

此外，共振器反射镜的曲率半径和从声光元件21至共振器反射镜为止的距离的关系即使包含一定容许范围内的误差，也当然具有上述效果。

具体来说，如图5所示，设定为共振器反射镜的曲率半径和从声光元件21至共振器反射镜为止的距离大致相等，以与出射光束直径的最大点落入激光装置的动作范围内(0～30W)的范围相对应即可。

如以上所述，本发明的实施方式1(图1、图4、图5)所涉及的CO₂激光装置具有：激光气体G(CO₂激光介质)；全反射镜11及部分反射镜12(光共振器)，在它们之间具有激光气体G；声光元件21(光开关)，其设置在光共振器内；以及传输反射镜51～56，其对从光共振器向光共振器的外部射出的激光41进行反射。

光共振器由近同心的稳定型光共振器构成，部分反射镜12的曲率半径设定为与从声光元件21的中心至部分反射镜12为止的距离相等，传输反射镜51～56(至少为传输反射镜51、52)设置为使激光41再次通过激光气体G。

另外，对激光41进行反射的反射镜由多个传输反射镜51～56构成，它们以激光气体G的不同位置依次存在于其间的方式而相对配置。

如上所述，通过从前级侧的光共振器射出最小限度的输出等级的激光41，并将经由后级侧的传输反射镜51～56而使输出放大后的激光42射出，从而通过低价且简单的结构，能够得到能量效率高、可射出高输出的激光42的脉冲激光装置。

另外，能够使与脉冲激光的重复频率的变化相伴的光束直径的变动最小化，而且，能够得到不依赖于重复频率的稳定的脉冲能量。

此外，在上述说明中，作为调制元件(光开关)而利用声光元件21，但即使由电光元件等其他调制元件构成也具有同样的效果。

其原因在于，作为本发明中的调制元件，能够适用在产生激光的调制作用的同时，还具有由于激光束的入射所产生的热量对激光束传输造成影响这一副作用的元件。

另外，用于将激光41引导至同一激光气体G的传输反射镜51～56的数量并不受限定，能够根据需要而任意地变更，当然具有相同的效果。

实施方式2

此外，在上述实施方式1(图1)中，隔着激光气体G将全反射镜11和部分反射镜12相对配置在一条直线上，而且在它们之间存在向激光赋予直线偏振的布儒斯特板13，但如图7所示，可以在激光气体G的一侧，将全反射镜11及声光元件21和部分反射镜12并列配置，在隔着激光气体G的相反侧，设置将光进行折返的反射镜14、15。

图7是透视地表示本发明的实施方式2所涉及的CO₂激光加工装置的斜视图，对与前述(图1)相同的结构，标注与前述相同的标号并省略详述。

在图7所示的CO₂激光加工装置中取代前述(图1)的布儒斯特板13，具有反射镜14、15。

在该情况下，与前述(图1)的结构大致相同，但不同之处在于，包含从全反射镜11至部分反射镜12为止的光路在内的光共振器，包含光的折返结构(反射镜14、15)。下面，仅关注与前述的结构差异而进行说明。

在图7中，光共振器在声光元件21和作为共振器反射镜的全反射镜11及部分反射镜12的基础上，具有将共振器内的光折返的反射镜14、15。

特别地，与部分反射镜12相对的反射镜14，是形成了S偏振的反射率为98.5％，另一方面，P偏振的反射率为1.5％的涂层的金属反射镜。

因此，反射镜14不仅将共振器内的光折返，还具有向激光赋予X方向的直线偏振的作用。

此外，在图7所示的本发明的实施方式2中，也将Q开关CO₂激光振荡部的光共振器设为近同心型的稳定型光共振器。

另外，将部分反射镜12的曲率半径设定为与从声光元件21至经由反射镜14、15而到达的部分反射镜12为止的光学距离相等。

另外，利用传输反射镜52～56，使从光共振器产生的Q开关脉冲CO₂激光41通过激光介质而放大这一动作，与前述的实施方式1相同。

如图7所示，通过构成CO₂激光装置，从而与前述的实施方式1同样地，通过低价且简单的结构，能够得到能量效率高的CO₂激光装置(脉冲激光装置)。

另外，能够将声光元件21的热透镜效应抑制得较小，能够提供可射出光束直径稳定而不依赖于重复频率的激光42的CO₂激光装置。

此外，在图7中，作为反射镜14、15而利用平面反射镜，但也可以利用具有曲率的反射镜。

如上所述，对于除了光共振器的终端的全反射镜11及部分反射镜12以外，存在具有曲率的反射镜的情况等，在通常的光共振器中，如本领域技术人员公知那样，在将光共振器的单路所对应的光线矩阵设为下面的算式(3)时，以g1＝A，g2＝D而给出g参数。

【公式1】

$\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)\·\·\·\left(3\right)$

在算式(3)的定义中，图2的区域A2称为近同心型。

实施方式3

此外，在上述实施方式1、2(图1～图7)中，对射出高输出且稳定的激光42的CO₂激光装置进行了说明，但如图8所示，也可以构成具体地利用激光42的CO₂激光加工装置。

图8是透视地表示本发明的实施方式3所涉及的CO₂激光加工装置的斜视图，对与前述(参照图1)相同的结构，标注与前述相同的标号并省略详述。

在图8中，CO₂激光加工装置在前述(图1)的CO₂激光装置的基础上，具有：传输光学系统61，其由光学系统要素(反射镜、透镜等)构成；光阑(aperture)62，其使激光42通过并入射至传输光学系统61；电控反射镜71，其使经由传输光学系统61传输来的激光束43进行高速扫描而照射至被加工物100；以及工作台(未图示)，其设置被加工物。

从CO₂激光装置射出的高输出、稳定的激光42通过光阑62及传输光学系统61，形成传输后的激光束43，由电控反射镜71进行反射并进行高速扫描，而照射至被加工物100。

光阑62按照设计者的意图对激光42的横模进行整形并入射至传输光学系统61。

传输光学系统61具有下述作用等，即，以所入射的激光束朝向被加工物100的方式改变激光束43的行进方向，并且，通过控制光束直径或分割光束而使激光束43成为适用于加工的光束。

此外，光阑62也可以加入至传输光学系统61。

电控反射镜71通过使激光束43进行高速扫描，从而将被加工物100上的激光束43的照射位置定位于希望进行加工的部位，并且，以描绘出与加工目的对应的轨迹的方式进行控制。

另外，在图8中，位于由全反射镜11及部分反射镜12等构成的光共振器的光路中的点B，优选选择为在光共振器中由重复频率引起的光束直径变动最小的位置(与图4内的传输距离700mm对应)。

光阑62设置为位于对点B进行光学转印后的点、即与点B共轭的点上。

作为用于使光阑62位于点B的转印点处的结构，考虑有下述情况，即，在部分反射镜12的无反射侧的面上也设置曲率、在传输反射镜51～56的任一者上设置曲面、在激光41的光路中插入透镜(未图示)、或者将上述结构进行任意地组合等。

如上所述，本发明的实施方式3(图8)所涉及的CO₂激光加工装置利用了前述(图1、图4、图5)的CO₂激光装置，具有：光阑62，其使从CO₂激光装置射出的激光42通过并进行整形；以及传输光学系统61，其将激光42作为激光束43而引导至被加工物100。

另外，光阑62设置在与CO₂激光装置内的光共振器(全反射镜11及部分反射镜12)中由激光41(脉冲激光)的重复频率引起的光束直径变动最小的点B共轭的点上。

在点B处，由于光共振器中的光束直径不依赖于脉冲激光的重复频率而大致恒定(参照图4)，因此，位于与光共振器中的点B共轭的点处的光阑62上的光束直径也不依赖于激光42(脉冲激光)的重复频率而大致恒定，由光阑62截取出的激光42具有恒定的横模。

因此，根据本发明的实施方式3所涉及的CO₂激光加工装置，在由前述(图1)的CO₂激光装置实现的稳定的脉冲能量这一效果的基础上，还能够不依赖于重复频率而进行均质的加工，能够实现加工生产率高的CO₂激光加工装置。

另外，与前述的CO₂激光装置同样地，由于利用高输出的CO₂激光装置，因此具有能够通过低价且简单的结构，得到能量效率及加工生产率高的CO₂激光加工装置的效果。

此外，在图8中，对应用了图1(实施方式1)的CO₂激光装置的情况进行了说明，但即使应用图7(实施方式2)的CO₂激光装置而构成与图8相同的CO₂激光加工装置，也当然具有同样的效果。

另外，与前述同样地，作为调制元件(光开关)，即使取代声光元件21而利用电光元件等任意的调制元件也具有同样的效果。其原因在于，作为调制元件，能够适用在产生激光调制作用的同时，还具有由于激光束的入射所产生的热量对激光束传输造成影响这一副作用的元件。

另外，用于将激光41引导至同一激光气体G的传输反射镜51～56的片数能够进行任意地设定。

标号的说明

1、2 电极，11 全反射镜，12 部分反射镜，13 布儒斯特板(偏振选择元件)，14、15 反射镜，21 声光元件(调制元件)，31 电源，32 控制装置，41、42 激光，43 激光束，51～56 反射镜，61 传输光学系统，62 光阑，71 电控反射镜，100 被加工物，B 光共振器中的点，G 激光气体，PR 出射位置。

Claims (7)

1.一种CO₂激光装置，其具有：

CO₂激光介质；

光共振器，所述CO₂激光介质置于该光共振器中；

光开关，其设置在所述光共振器内；以及

传输反射镜，其对从所述光共振器向所述光共振器的外部射出的激光进行反射，

该CO₂激光装置的特征在于，

所述光共振器由近同心的稳定型光共振器构成，

将构成所述光共振器的至少1个共振器反射镜的曲率半径设定为与从所述光开关至所述共振器反射镜为止的距离相等，

所述传输反射镜设置为使所述激光再次通过所述CO₂激光介质。

2.根据权利要求1所述的CO₂激光装置，其特征在于，

所述传输反射镜由多个传输反射镜构成，该多个传输反射镜以所述CO₂激光介质的不同位置依次存在于它们之间的方式而相对配置。

3.根据权利要求1或2所述的CO₂激光装置，其特征在于，

所述光开关由声光元件构成。

4.根据权利要求1或2所述的CO₂激光装置，其特征在于，

所述光开关由电光元件构成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的CO₂激光装置，其特征在于，

在所述光共振器中具有赋予直线偏振的布儒斯特板或反射镜。

6.一种CO₂激光加工装置，其利用了权利要求1至5中任一项所述的CO₂激光装置。

7.根据权利要求6所述的CO₂激光加工装置，其特征在于，

具有：

光阑，其使从所述CO₂激光装置射出的激光通过并对该激光进行整形；以及

传输光学系统，其将所述激光作为激光束而引导至被加工物，

所述光阑设置在与所述CO₂激光装置内的光共振器中由所述激光的重复频率引起的光束直径变动最小的点共轭的点上。