CN105470788B

CN105470788B - 激光振荡器

Info

Publication number: CN105470788B
Application number: CN201510594233.3A
Authority: CN
Inventors: 高实哲久
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-08-08
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: US10186831B2; CN105470788A; DE102015116027A1; US20160094004A1; JP2016072483A; JP5941112B2

Abstract

激光振荡器具备：放电管，其具有用于激励激光气体的放电空间；以及分别配置在放电管的两侧的输出镜和后镜。在输出镜的面对放电空间的表面上，在包括径向的中央部的第一区域中层叠具有第一反射率的第一涂覆材料来作为电介质多层膜，在第一区域的周围的第二区域中层叠具有比第一反射率高的第二反射率的第二涂覆材料来作为电介质多层膜。

Description

激光振荡器

技术领域

本发明涉及一种通过放电管激励激光气体来使激光振荡的激光振荡器。

背景技术

一般来讲，模次数越低维化则从激光振荡器输出的激光光束的质量(聚光性)越高。公知一种考虑这一点来抑制高次模的激光振荡、以低次模进行激光振荡的激光振荡器。例如在日本专利第3313623号公报、日本特开2013-247260号公报以及日本特开2009-94161号公报中公开了这样的激光振荡器。在这些专利文献所记载的激光振荡器中，在输出镜与后镜之间配置有孔构件(aperture)。激光振荡器通过孔构件来限制激光的直径，由此抑制高次模的激光振荡，并且抑制散射光的产生。

然而，上述的专利文献所记载的激光振荡器由于具有孔构件，因此存在如下问题：不仅结构变得复杂，而且孔构件吸收激光而导致激光输出下降。

对此，在日本特开平2-166778号公报中公开了在输出镜、后镜的表面实施涂覆来只使低次模的激光进行振荡的激光振荡器。在该激光振荡器中，在输出镜的径向中心部实施半透过膜的涂覆，在其周边部实施无反射膜的涂覆。然而，在该激光振荡器中，由于在输出镜的周边部进行无反射膜的涂覆，因此难以抑制散射光的产生。

发明内容

作为本发明的一个方式的激光振荡器具备：放电管，其具有激励激光气体的放电空间；以及分别配置在放电管的两侧的输出镜和后镜。在输出镜的面对放电空间的表面上，在包括径向的中央部的第一区域中涂布有具有第一反射率的第一涂覆材料，在第一区域的周围的第二区域中涂布有具有比第一反射率高的第二反射率的第二涂覆材料。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下的实施方式的说明会变得更明确。在该附图中，

图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光振荡器的整体结构的图，

图2是图1的输出镜的第一面的主视图，

图3是图1的后镜的第一面的主视图，

图4是表示后镜与传感器的位置关系的、图1的主要部分截面图，

图5是表示图3的变形例的图，

图6是表示图3的其它变形例的图。

具体实施方式

下面，参照图1至图6来说明基于本发明的激光振荡器100的实施方式。图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光振荡器100的整体结构的图。本实施方式所涉及的激光振荡器100是以激光气体为介质来通过放电管激励激光气体的高输出二氧化碳气体激光振荡器。

如图1所示，激光振荡器100具有：供激光气体循环的气体流路1；与气体流路1连通的放电管2；隔着放电管2配置在放电管2的两侧的输出镜3和后镜4；对放电管2的电极5、6施加电压(放电管电压)的电源部7；检测激光输出的传感器8；冷却激光气体的热交换器9、10；以及使激光气体沿气体流路1如箭头所示那样循环的送风机11。

放电管2具有截面形状为圆形的圆筒形状。放电管2的轴线CL穿过截面形状的圆的中心。轴线CL沿放电管2的长边方向延伸。在放电管2的内部形成有放电空间12。输出镜3的平面形状为以轴线CL为中心的圆形。另外，后镜4的平面形状为以轴线CL为中心的圆形。输出镜3和后镜4的平面形状的圆的外径比放电管2的内径D0大。输出镜3具有面对放电空间12的第一面31以及与该第一面31相反的一侧的第二面32，后镜4具有面对放电空间的第一面41以及与该第一面41相反的一侧的第二面42。输出镜3的第一面31和后镜4的第一面41分别形成为凹状，分别具有规定的曲率半径。输出镜3的第二面32为具有规定的曲率半径的凸面或者平坦面，后镜4的第二面42为平坦面。

在这样的激光振荡器100中，当对放电管2的各电极5、6提供电力时，即当施加放电管电压时，在放电管2内的放电空间12中开始激光气体的放电。通过该放电开始，激光气体被激励而产生光。光在输出镜3与后镜4之间发生谐振而通过受激发射被放大。被放大后的光的一部分作为激光13从输出镜3被取出。被取出的激光13例如被输出到未图示的激光加工机，来进行工件的切断等。

在该情况下，激光13的光束质量(聚光性)的好坏、散射光的程度对工件的切断能力和切断质量产生影响。在光束质量差的情况下，在通过加工用聚光透镜对激光进行了聚光的情况下，由于因聚光径没有变得足够小或者瑞利长度短而无法进行稳定的加工等理由，招致切断能力的恶化、不稳定化。另一方面，在激光中包含较多散射光成分的情况下，当通过加工用聚光透镜对激光进行聚光时，散射光成分被聚集到与主成分不同的距离处，在工件上扩展。其结果，招致对工件的非预期的加热，给工件的切断面的质量带来坏影响。

为了使光束质量提高，构成为抑制高次模的激光振荡、只以低次模进行激光振荡是有效的。关于这一点，例如能够构成为在输出镜3与后镜4之间配置孔构件，通过孔构件来限制激光的直径。然而，在该结构中，不仅部件个数增加使得结构变得复杂，而且孔构件吸收激光而导致激光输出下降。另一方面，如果构成为在输出镜3的第一面31的径向中心部实施半透过膜的涂覆、并在其周边部实施无反射膜的涂覆，则难以抑制散射光的产生。因此，在本实施方式中，为了使光束质量提高并且抑制散射光的产生，如以下那样在输出镜3的第一面31和后镜4的第一面41实施涂覆。

图2是本实施方式所涉及的输出镜3的第一面31的主视图。第一面31被分割为以轴线CL为中心的圆形的第一区域33以及第一区域33的外侧的环状的第二区域34。第一区域33与第二区域34之间的圆形的边界线35的直径D1例如为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。在第一区域33和第二区域34中层叠具有彼此不同的反射率的涂覆材料来作为电介质多层膜。即，在第一区域33中层叠具有规定的反射率α1的第一涂覆材料36来作为电介质多层膜，在第二区域34中层叠具有比第一涂覆材料36的反射率α1高的规定的反射率α2的第二涂覆材料37来作为电介质多层膜。作为涂覆材料36、37，例如能够使用硒化锌和氟化钍(ZnSe、ThF)等的电介质多层膜。

第一涂覆材料36具有适于激光振荡的反射率α1。根据激光振荡器100的结构而从20％以上且70％以下的范围内选定反射率α1。例如在放电管2的根数多、或者放电管2的全长长、或者介质浓度高、或者谐振器长度长等的情况下，增益变大。因此，使用具有稍小的反射率α1(例如20％)的第一涂覆材料36。另一方面，在放电管2的根数少、或者放电管2的全长短、或者介质浓度低、或者谐振器长度短等的情况下，增益变小。因此，使用具有稍大的反射率α1(例如70％)的第一涂覆材料36。相对于此，第二涂覆材料37是全反射涂覆材料，具有高的反射率α2(例如90％以上、优选99％以上的反射率)。

像这样在输出镜3的第一面31上，在比放电管2的内径D0的90％以上且100％以下的直径靠内侧的区域中层叠具有20％以上且70％以下的反射率α1的第一涂覆材料36作为电介质多层膜，因此能够抑制高次模的激光振荡。而且，能够以低次模进行激光振荡，从而能够使光束质量提高。另外，在第一涂覆材料36的周围利用第二涂覆材料37实施全反射涂覆，因此能够防止散射光向外部透过，并且能够使散射光通过第二涂覆材料37反射来导入到放电空间12，从而能够抑制激光的输出下降。

图3是本实施方式所涉及的后镜4的第一面41的主视图。第一面41被分割为以轴线CL为中心的圆形的第一区域43以及第一区域43的外侧的环状的第二区域44。第一区域43与第二区域44之间的圆形的边界线45的直径D2例如为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。在第一区域43和第二区域44中层叠具有彼此不同的反射率的涂覆材料来作为电介质多层膜。即，在第一区域43中层叠具有规定的反射率α3的第三涂覆材料46来作为电介质多层膜。在第二区域44中层叠具有比第三涂覆材料46的反射率α3低的规定的反射率α4的第四涂覆材料47来作为电介质多层膜。作为涂覆材料46、47，例如能够使用硒化锌和氟化钍(ZnSe、ThF)等的多层膜。

第三涂覆材料46例如是高反射涂覆材料，其反射率α3例如为99.0％以上且99.9％以下。第四涂覆材料47例如是无反射涂覆材料，其反射率α4几乎为0。

像这样在后镜4的第一面41上，在比放电管2的内径D0的90％以上且100％以下的直径靠内侧的区域利用第三涂覆材料46实施高反射涂覆，在第三涂覆材料46的周围利用第四涂覆材料47实施无反射涂覆。通过该结构，能够抑制高次模的激光振荡，能够使低次模的振荡效率提高。

图4是表示后镜4与传感器8的位置关系的截面图。如图4所示，检测激光的传感器8具有受光部8a。受光部8a作为检测部发挥功能。受光部8a被配置成与后镜4的第二面42相对。受光部8a的最外径比边界线45的直径D2小，受光部8a以不从与轴线CL平行的边界线45的延长线(双点划线)突出的方式被配置成中央部位于轴线CL上。

像这样将传感器8的受光部8a面对后镜4的第二面42地配置在比边界线45靠径向内侧的位置，因此能够防止透过了第二区域44(无反射涂覆)的激光入射到受光部8a。其结果，能够防止传感器8的热损伤，能够进行稳定的激光输出的测量。

根据上述实施方式能够起到如下的作用效果。

(1)在激光振荡器100的输出镜3的第一面31上，在包括径向上的中央部的第一区域33中层叠具有反射率α1的第一涂覆材料36来作为电介质多层膜。在第一区域33的周围的第二区域34中层叠具有比反射率α1高的反射率α2的第二涂覆材料37来作为电介质多层膜。通过像这样在输出镜3的中央部层叠低反射的第一涂覆材料36来作为电介质多层膜，只以低次模进行激光振荡，能够使光束质量提高。另外，在外周侧设置有高反射的第二涂覆材料37，由此能够防止在激光振荡器100内产生的散射光向外部放出，从而能够使加工质量提高。另外，通过第二涂覆材料37使散射光反射来返回到放电空间12内，因此能够抑制激光输出的下降。即，能够通过不使用孔构件的简单的结构来使光束质量提高，并且抑制散射光的产生。

另外，只是在第一面31上层叠两种涂覆材料36、37来作为电介质多层膜，部件个数也不会增加，能够容易且廉价地构成激光振荡器100。相对于此，例如若在第一区域33和第二区域34中配置具有彼此不同的反射率的不同的部件，则部件个数增加而结构变得复杂，激光振荡器100的成本也上升。

(2)输出镜3的第一区域33与第二区域34之间的边界线35位于以放电管2的轴线CL为中心的圆上，该圆的直径D1为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。通过像这样在与放电管2同心的圆上并且在放电管2的内径D0的90％以上且100％以下的范围内设定边界线35，能够使光束质量与激光输出之间的平衡提高。另一方面，例如在边界线35的直径D1比放电管2的内径D0的90％小的情况下，高次模无法振荡，光束质量提高。但是，虽然通过第二涂覆材料37使激光反射来返回到放电空间12内，但激光输出的损耗变大而激光的输出下降成为问题。

(3)在激光振荡器100的后镜4的第一面41上，在包括径向的中央部的第一区域43中层叠具有反射率α3的第三涂覆材料46来作为电介质多层膜，在第一区域43的周围的第二区域44中层叠具有比反射率α3低的反射率α4的第四涂覆材料47来作为电介质多层膜。例如，在后镜4的第一面41的中央部侧实施高反射涂覆，在外周侧实施无反射涂覆。由此能够抑制高次模的激光振荡，因此能够使光束质量提高。

(4)后镜4的第一区域43与第二区域44之间的边界线45位于以放电管2的轴线CL为中心的圆上，该圆的直径D2为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。由此能够使光束质量与激光输出之间的平衡提高。

(5)将检测激光输出的传感器8的受光部8a配置成面对后镜4的第二面42并纳入比第一区域43与第二区域44之间的边界线45靠径向内侧的范围。通过该结构，能够防止透过了第二区域44的激光入射到受光部8a，从而能够防止传感器8的误动作和故障。

此外，在上述实施方式(图3)中，将后镜4的第一面41分割为第一区域43和第二区域44，在第一区域43中层叠高反射涂覆材料来作为电介质多层膜，但例如也能够如以下那样构成后镜4。图5是作为图3的变形例的后镜4的截面图。如图5所示，后镜4呈以轴线CL为中心的圆形，其外径D3为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。在后镜4的第一面41上，遍及整个区域地层叠具有相同的反射率的涂覆材料、即全反射涂覆材料来作为电介质多层膜。

由此能够抑制高次模的激光振荡，使光束质量提高。另外，后镜4和放电管2配置在同心圆上，因此能够使光束质量和激光输出双方具有高平衡性地提高。由于在第一面41的整个区域中层叠高反射涂覆材料来作为电介质多层膜，因此相比于将第一面41分为两个区域43、44并层叠不同的反射率的涂覆材料来作为电介质多层膜的情况，涂覆作业容易。

图6是表示图3的其它变形例的图。后镜4的平面形状呈以轴线CL为中心的圆形。第一面41具有：第一凹部41a，其形成于包括径向的中央部的第一区域，具有第一曲率半径r1；以及第二凹部41b，其形成于第一区域的周围的第二区域，具有比第一曲率半径r1小的第二曲率半径r2。第一曲率半径r1例如为100m，第二曲率半径r2例如为50m。第一凹部41a与第二凹部41b之间的边界线41c呈以轴线CL为中心的圆形，其直径D4为放电管2的内径D0的90％以上且100％以下。

像这样在后镜4的第一面41中形成第一曲率半径r1的第一凹部41a和第二曲率半径r2(<r1)的第二凹部41b，因此后镜4的中心部侧为适于激光振荡的曲率，能够促进低次模下的激光振荡。另外，通过曲率小的第二凹部41b，激光反射到放电管2的中心部侧，因此能够抑制高次模下的激光振荡，并且能够抑制激光输出的降低。此外，也能够在第一面41的整体区域中层叠高反射涂覆材料来作为电介质多层膜，还能够将第一凹部41a和第二凹部41b分别视为图3的第一区域43和第二区域44，分别层叠反射率不同的涂覆材料46、47来作为电介质多层膜。

此外，在上述实施方式中，激光振荡器100具备单个放电管2(图1)，但也可以设置多个放电管2。关于输出镜3和后镜4，只要配置在放电管2的两侧，则输出镜3和后镜4的配置和结构不限于上述的方式。例如也可以使输出镜3的第一面31和后镜4的第一面41中的至少一方形成为平坦，而不是凹状。只要在输出镜3的面对放电空间12的表面(第一面31)中的包括径向的中央部的第一区域33中层叠具有反射率α1(第一反射率)的第一涂覆材料36来作为电介质多层膜，并在第一区域33的周围的第二区域34中层叠具有比第一反射率α1高的反射率α2(第二反射率)的第二涂覆材料37来作为电介质多层膜，则对第一面31实施的涂覆的结构可以为任意结构。例如也可以使第一区域33与第二区域34的边界线35的直径小于放电管2的内径D0的90％或者大于100％。

当在后镜4的面对放电空间12的表面(第一面41)进行二分割的涂覆的情况(图3)下，只要在包括径向的中央部的第一区域43中层叠具有反射率α3(第三反射率)的第三涂覆材料46来作为电介质多层膜，并在第一区域43的周围的第二区域44中层叠具有比第三反射率α3低的反射率α4(第四反射率)的第四涂覆材料47来作为电介质多层膜，则对第一面41实施的涂覆的结构可以为任意结构。例如也可以使第一区域43与第二区域44的边界线45的直径小于放电管2的内径D0的90％或者大于100％。在上述实施方式(图4)中，与后镜4的第二面42相对地配置有传感器8的受光部8a，但只要配置成纳入比边界线45靠径向内侧的范围，则检测激光输出的检测部的配置不限于上述的方式。

作为对输出镜、后镜涂布涂覆材料的方法例示了层叠硒化锌、氟化钍等来作为电介质多层膜的方法，但除此以外，也能够通过涂布金、铜的方法等在输出镜、后镜处生成具有各种反射率的涂覆。

根据本发明，在输出镜的表面的第一区域中涂布具有第一反射率的第一涂覆材料，在第一区域的周围的第二区域中涂布具有比第一反射率高的第二反射率的第二涂覆材料，因此能够通过不使用孔构件的简单的结构来使光束质量提高，并且抑制散射光的产生。

以上的说明只是一个例子，只要不损害本发明的特征，则本发明不限定于上述实施方式和变形例。在上述实施方式和变形例的结构要素中，包括维持发明的同一性的同时能够置换并且置换是显而易见的要素。即，在本发明的技术思想的范围内所能够考虑到的其它实施方式也包含在本发明的范围内。另外，也能够将上述实施方式和变形例的一个或多个任意地进行组合。

Claims

1.一种激光振荡器，其特征在于，具备：

放电管，其具有用于激励激光气体的放电空间；

分别配置在上述放电管的两侧的输出镜和后镜；以及

检测部，其检测激光输出，

其中，在上述输出镜的面对上述放电空间的表面上，在包括径向中央部的第一区域中涂布有具有第一反射率的第一涂覆材料，在第一区域的周围的第二区域中涂布有具有比上述第一反射率高的99％以上的第二反射率的第二涂覆材料，

上述输出镜的第一区域与第二区域之间的边界线位于以穿过上述放电管的中心的轴线为中心的近似圆上，该圆的直径为上述放电管的内径的90％以上且100％以下，

在上述后镜的面对上述放电空间的表面上，在包括径向中央部的第一区域中涂布有具有99.0％以上且99.9％以下的第三反射率的第三涂覆材料，在第一区域的周围的第二区域中涂布有反射率比上述第三反射率低的无反射涂覆材料，

上述第三涂覆材料在上述后镜的第一区域中以使反射率为99.0％以上且99.9％以下的方式涂布，上述无反射涂覆材料在上述后镜的第二区域中以使反射率几乎为0的方式涂布，

上述后镜的第一区域与第二区域之间的边界线位于以穿过上述放电管的中心的轴线为中心的近似圆上，该圆的直径为上述放电管的内径的90％以上且100％以下，

上述检测部被配置成与上述后镜的与上述放电空间相反的一侧的表面相对，并纳入比所述后镜的第一区域与第二区域之间的上述边界线靠径向内侧的范围。

2.一种激光振荡器，其特征在于，具备：

放电管，其具有用于激励激光气体的放电空间；以及

分别配置在上述放电管的两侧的输出镜和后镜，

上述后镜呈以穿过上述放电管的中心的轴线为中心的近似圆形状，该后镜的外径为上述放电管的内径的90％以上且100％以下，在上述后镜的放电管侧的表面的整个区域中涂布有全反射涂覆材料。

3.一种激光振荡器，其特征在于，具备：

放电管，其具有用于激励激光气体的放电空间；以及

分别配置在上述放电管的两侧的输出镜和后镜，

上述后镜呈以穿过上述放电管的中心的轴线为中心的近似圆形状，该后镜具有：第一凹部，其形成于面对上述放电空间的表面的、包括径向中央部的第一区域，该第一凹部具有第一曲率半径；以及第二凹部，其形成于第一区域的周围的第二区域，该第二凹部具有比上述第一曲率半径小的第二曲率半径，

在上述后镜的放电管侧的表面的整个区域中涂布有单一的高反射涂覆材料。