CN111326946B - 折返光学谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不易产生反射镜的损伤的折返光学谐振腔。折返光学谐振腔的前反射镜由凹面镜构成，后反射镜具有处于彼此交叉的位置关系的平面状的两个反射区域，配置于前反射镜与后反射镜之间的光轴上的折返镜由凹面镜构成。

Description

折返光学谐振腔

本申请主张基于2018年12月17日申请的日本专利申请第2018-235277号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种折返光学谐振腔。

背景技术

激光振荡器具备封闭光的光学谐振腔、用于激励激光气体的放电电极部及激光气体循环部。光学谐振腔包括前反射镜及后反射镜，封闭于光学谐振腔的光被放大，其一部分透过前反射镜向外部放射。已知有一种为了控制激光束的偏振方向而将折返镜配置在光学谐振腔的光轴上的折返光学谐振腔。并且，还已知有一种为了抑制高次横模的产生而提高模式稳定性而使用具有彼此正交的两个反射面的正交型反射镜作为后反射镜的光学谐振腔(例如，专利文献1)。

专利文献1：日本专利第5220198号公报

若前反射镜使用凹面镜而构成半球型谐振腔，则折返镜及后反射镜的位置上的光束直径变小，因此在该位置上的能量密度变高。因此，折返镜及后反射镜容易受损。尤其，关于折返镜，激光束在光学谐振腔内往返一次的期间会产生两次反射，因此受损的风险更高。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种不易产生反射镜的损伤的折返光学谐振腔。

根据本发明的一种观点，提供一种折返光学谐振腔，其具有：

前反射镜，由凹面镜构成；

后反射镜，具有处于彼此交叉的位置关系的平面状的两个反射区域；及

折返镜，配置于所述前反射镜与所述后反射镜之间的光轴上，且由凹面镜构成。

通过将后反射镜设为具有处于彼此交叉的位置关系的平面状的两个反射区域的结构，能够提高激光束的模式稳定性。通过将折返镜设为凹面镜，折返镜及后反射镜的位置上的光束截面变大，不易产生折返镜及后反射镜的损伤。

附图说明

图1是搭载有基于实施例的折返光学谐振腔的气体激光装置的包含放电区域内的光轴的剖视图。

图2是搭载有基于本实施例的折返光学谐振腔的气体激光装置的与放电区域内的光轴垂直的剖视图。

图3是基于本实施例的折返光学谐振腔的概略俯视图。

图4是基于比较例的折返光学谐振腔的概略俯视图。

图5是基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔的概略俯视图及概略侧视图。

图6是基于另一实施例的折返光学谐振腔的概略俯视图。

图7是表示基于图6所示的实施例的折返光学谐振腔的后反射镜的微调机构的剖视图。

图8是基于又一实施例的折返光学谐振腔的概略俯视图。

图9是激光加工装置的概略图。

图中：10-腔室，11-光学室，12-鼓风机室，13-上下隔板，13A、13B-开口，14-底板，15-隔板，16-腔室支承部件，21-放电电极，22、23-放电电极支承部件，24-放电区域，25-折返光学谐振腔，25F-前反射镜，25M-折返镜，25R-后反射镜，26-共同支承部件，27-光学谐振腔支承部件，28-透光窗，29F-前光圈，29R-后光圈，30-光束腰，30x-xz截面上的光束腰，30y-yz截面上的光束腰，40-反射面，41-第1部件，42-支承面，43-反射面，44-第2部件，45-杠杆部件，46、47-固定工具，48-垫片，50-鼓风机，51-第1气体流路，52-第2气体流路，56-热交换器，58-流出孔，59-过滤器，70-激光振荡器，71-光束整形扫描光学系统，72-工作台，73-控制装置，75-加工对象物。

具体实施方式

参考图1～图3，对搭载有基于实施例的折返光学谐振腔的气体激光装置及折返光学谐振腔进行说明。

图1是搭载有基于实施例的折返光学谐振腔的气体激光装置的包含放电区域内的光轴的剖视图。在此，定义将放电区域内的光轴方向设为z轴方向且将铅垂方向上方设为x轴方向的xyz正交坐标系。

激光气体容纳于腔室10内。腔室10的内部空间被划分为相对位于铅垂方向上侧的光学室11及相对位于铅垂方向下侧的鼓风机室12。光学室11与鼓风机室12被上下隔板13隔开。另外，在上下隔板13设置有使激光气体在光学室11与鼓风机室12之间流通的开口。光学室11的底板14从鼓风机室12的侧壁朝向z轴方向上的两侧突出，且光学室11的z轴方向上的长度比鼓风机室12的z轴方向上的长度更长。腔室10在光学室11的底板14处被腔室支承部件16支承于光学基座。

在光学室11内配置有一对放电电极21。一对放电电极21分别经由放电电极支承部件22、23支承于底板14。一对放电电极21在x轴方向上隔着间隔配置，从而在两者之间划定放电区域24。放电电极21在放电区域24产生放电，从而激励激光气体。如后面的参考图2进行的说明，激光气体沿与图1的纸面垂直的方向流过放电区域24。

在配置于光学室11内的共同支承部件26上支承有折返光学谐振腔25。折返光学谐振腔25由前反射镜25F、折返镜25M及后反射镜构成。在图1所示的截面中，并未示出后反射镜。前反射镜25F与折返镜25M之间的光轴与z轴平行且通过放电区域24内。共同支承部件26经由光学谐振腔支承部件27支承于底板14。在将折返光学谐振腔25的光轴朝向前反射镜25F侧(图1中为左侧)延伸的延长线与光学室11的壁面交叉的部位，安装有使激光束透过的透光窗28。在折返光学谐振腔25内被激励的激光束透过透光窗28朝向外部放射。

在鼓风机室12配置有鼓风机50。鼓风机50使激光气体在光学室11与鼓风机室12之间循环。

图2是搭载有基于本实施例的折返光学谐振腔25(图1)的气体激光装置的与z轴垂直的剖视图。腔室10的内部空间被上下隔板13划分为上方光学室11及下方鼓风机室12。在光学室11内配置有一对放电电极21及支承折返光学谐振腔25(图1)的共同支承部件26。在放电电极21之间划定有放电区域24。

在光学室11内配置有隔板15。隔板15划定从设置于上下隔板13的开口13A至放电区域24为止的第1气体流路51、从放电区域24至设置于上下隔板13的另一开口13B为止的第2气体流路52。激光气体沿相对于光轴正交的方向(y轴方向)流过放电区域24。放电方向(x轴方向)与激光气体流过的方向(y轴方向)及光轴方向(z轴方向)这两个方向正交。由鼓风机室12、第1气体流路51、放电区域24及第2气体流路52构成激光气体进行循环的循环流路。鼓风机50产生激光气体流，以使激光气体在该循环流路中循环。

在鼓风机室12内的循环流路容纳有热交换器56。在放电区域24被加热的激光气体通过热交换器56而被冷却，被冷却的激光气体重新供给至放电区域24。

在上下隔板13设置有使激光气体从鼓风机室12流向光学室11的流出孔58。通过鼓风机50而流向第1气体流路51的激光气体流中的一部分激光气体通过流出孔58流向光学室11。在流出孔58设置有去除微粒的过滤器59。例如，过滤器59堵住流出孔58，从鼓风机室12流向光学室11的激光气体通过过滤器59而被过滤。

图3是基于本实施例的折返光学谐振腔25的概略俯视图。折返光学谐振腔25包括前反射镜25F、后反射镜25R及折返镜25M。前反射镜25F与折返镜25M之间的光轴与z轴平行，折返镜25M与后反射镜25R之间的光轴与y轴平行。前反射镜25F与折返镜25M之间的光轴通过放电区域24内。

前反射镜25F由凹面镜构成。后反射镜25R具有处于彼此交叉的位置关系的平面状的两个反射区域。例如，作为后反射镜25R，可以使用具有彼此交叉的两个反射面的屋脊反射镜。两个反射面无需在交叉部位以严格意义上的几何学角度相交。例如，在不影响光学性质的范围内，两个反射面可以经由具有微小曲率半径的圆筒状的面连接。并且，在两个反射面之间也可以设置有微小间隙。折返镜25M配置于前反射镜25F与后反射镜25R之间的光轴上，且其由凹面镜构成。

通过配置折返镜25M，直线偏振光的激光在折返光学谐振腔25内选择性地进行振荡。作为折返光学谐振腔25内的激光的偏振方向，可以选择相对于折返镜25M成为S偏振光的方向或成为P偏振光的方向。关于作为激光的偏振方向选择哪个方向，依赖于折返镜25M的反射特性。在本实施例中，具有相对于折返镜25M成为S偏振光的方向(与x轴平行的方向)的直线偏振光的激光进行振荡。后反射镜25R保持为两个反射面的谷线与激光的偏振方向平行的姿势。在本实施例中，激光的偏振方向及后反射镜25R的谷线与x轴平行。

在放电区域24与前反射镜25F之间配置有前光圈29F，并在放电区域24与折返镜25M之间配置有后光圈29R。前光圈29F及后光圈29R遮蔽离开光轴而传播的多余的光。

在前反射镜25F与折返镜25M之间形成光束腰30。光束腰30位于放电区域24内。

接着，与图4所示的基于比较例的折返光学谐振腔进行对比而对本实施例的优异效果进行说明。

图4是基于比较例的折返光学谐振腔25的概略俯视图。在比较例中，折返镜25M由平面镜构成。前反射镜25F与图3所示的实施例同样地由凹面镜构成。因此，比较例的折返光学谐振腔25基于与半球型谐振腔相同的原理而进行光的封闭。因此，在折返镜25M及后反射镜25R的位置上，光束直径会变小。其结果，能量密度变高，折返镜25M及后反射镜25R变得容易受损。通过将后反射镜25R的反射面设为凹面，能够改善能量密度的上升，但是，难以将屋脊反射镜的彼此交叉的两个反射面设为凹面。

在本实施例中，由凹面镜构成折返镜25M(图3)，因此折返镜25M及后反射镜25R的位置上的光束直径与图4的比较例相比变大。其结果，能量密度的上升得到改善，可获得折返镜25M及后反射镜25R不易受损的效果。

并且，在本实施例中，由屋脊反射镜构成后反射镜25R，因此能够抑制高次横模的激励，从而提高模式稳定性。

作为一例，在基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔25中，若将前反射镜25F的曲率半径设为20m且将折返镜25M的曲率半径设为10m，则能够输出与在图4所示的比较例中将前反射镜25F的曲率半径设为5m时相同束散角的激光束。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，相对于折返镜25M具有S偏振光的偏振方向的激光束进行振荡，但是，也可以调整折返镜25M的反射特性而使具有P偏振光的偏振方向的激光束振荡。此时，优选将后反射镜25R配置成反射面的谷线与P偏振光的偏振方向平行的姿势。

接着，参考图5～图7，对基于另一实施例的折返光学谐振腔25进行说明。以下，省略对与基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔25相同的结构的说明。在对本实施例进行说明之前，对基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔25的课题进行说明。在本实施例中，该课题得到解决。

图5是基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔25的概略俯视图及从y轴方向观察时的概略侧视图。折返镜25M相对于激光束的光轴倾斜地配置，因此yz截面上的折返镜25M的曲率半径与xz截面上的折返镜25M的曲率半径不同。其结果，yz截面上的光束腰30y的位置与xz截面上的光束腰30x的位置不同。因此，光束截面在光束腰30x、30y的附近成为椭圆。

图6是基于本实施例的折返光学谐振腔25的概略俯视图。在本实施例中，后反射镜25R的两个反射面所成的角度θr大于90°。后反射镜25R具备对两个反射面所成的角度θr的大小进行微调的微调机构。

图7是表示后反射镜25R所具备的微调机构的剖视图。后反射镜25R包括具有其中一个反射面40的第1部件41及具有另一个反射面43的第2部件44。第1部件41具有反射面40及设置于比反射面40更低的位置的支承面42。在反射面40与支承面42之间设置有阶梯。

第2部件44以与反射面40接触的方式配置于反射面40之上，且其一部分延伸至支承面42的上方。在支承面42与第2部件44之间形成有间隙。

杠杆部件45以其底面朝向支承面42的方式配置于支承面42之上。杠杆部件45的一个边缘(即，前端)插入于支承面42与第2部件44之间的间隙，且前端与设置于第1部件41的阶梯抵接。第1部件41、第2部件44及杠杆部件45构成杠杆。杠杆部件45的前端成为杠杆的支点PP。

杠杆部件45的与前端相反一侧的边缘从支承面42浮起，在杠杆部件45的底面与支承面42之间插入有垫片48。杠杆部件45与垫片48的接触部位成为杠杆的力点PE。杠杆部件45的上表面的一部分与第2部件44的一部分接触，该接触部位成为杠杆的作用点PL。第2部件44通过螺栓等固定工具46固定于第1部件41。杠杆部件45通过螺栓等固定工具47固定于第1部件41。

在由第1部件41、第2部件44及杠杆部件45构成的杠杆中，作用点PL的位移量小于力点PE的位移量。若插入垫片48使作用点PL位移，则反射面40与反射面43所成的角度θr发生变化。若在角度θr发生变化的状态下通过固定工具46将第2部件44固定于第1部件41，则反射面40与反射面43所成的角度θr得到固定。

接着，对图5～图7所示的实施例的优异效果进行说明。

在本实施例中，通过将后反射镜25R的两个反射面所成的角度θr设为大于90°，能够减小折返镜25M的xz截面上的曲率半径与yz截面上的曲率半径之差的影响，且能够使yz截面上的光束腰30y(图5)的位置与xz截面上的光束腰30x(图5)的位置靠近。其结果，能够使光束腰附近的光束截面接近正圆。

而且，通过对后反射镜25R的两个反射面所成的角度θr进行微调的微调机构，能够以微小分辨率且高精度地调整角度θr的大小。通过进行观测各种角度θr时光束腰附近的光束截面的形状的评价实验，能够确定角度θr的最佳值。

接着，参考图8对基于又一实施例的折返光学谐振腔25进行说明。以下，省略对与基于图3所示的实施例的折返光学谐振腔25相同的结构的说明。

图8是基于本实施例的折返光学谐振腔25的概略俯视图。在图3所示的实施例中，封闭于前反射镜25F与后反射镜25R之间的光对折返镜25M的入射角为45°。相对于此，在本实施例中，该入射角θi小于45°。后反射镜25R的姿势被调整为折返镜25M与后反射镜25R之间的光轴将后反射镜25R的由两个反射面构成的角二等分。

接着，对图8所示的实施例的优异效果进行说明。

在本实施例中，若将入射角θi设为小于45°，则折返镜25M的yz截面上的曲率半径与xz截面上的曲率半径之差变小。其结果，能够使光束腰附近的光束截面的形状从楕円接近正圆。

接着，对本实施例的变形例进行说明。在本实施例中，将折返镜25M的入射角θi设为小于45°，将后反射镜25R的两个反射面所成的角度与图3所示的实施例同样设为90°。在本实施例中，也可以与图6所示的实施例同样地将后反射镜25R的两个反射面所成的角度θr设为大于90°。由此，能够使光束腰附近的光束截面更接近正圆。

接着，参考图9，对搭载有基于上述多个实施例中任一实施例的折返光学谐振腔25的激光加工装置进行说明。

图9是激光加工装置的概略图。激光振荡器70根据来自控制装置73的指令输出脉冲激光束。从激光振荡器70输出的脉冲激光束通过光束整形扫描光学系统71而入射到加工对象物75。光束整形扫描光学系统71对激光束的光束截面形状进行整形，并使激光束沿二维方向进行扫描。

加工对象物75例如为印刷基板，其保持于工作台72上。工作台72可以根据来自控制装置73的指令使加工对象物75沿与其被加工面平行的两个方向移动。该激光加工装置用于基于脉冲激光束的加工对象物75的钻孔加工。

激光振荡器70使用了基于上述多个实施例中任一实施例的折返光学谐振腔25。因此，能够抑制从激光振荡器70输出的脉冲激光束的高次横模的产生，并且能够提高光束点的圆度。其结果，能够提高钻孔加工的加工质量。而且，能够获得折返光学谐振腔的反射镜不易损伤的优异效果。

上述各个实施例仅是示例，理所当然，不同的实施例中所示的结构可以进行部分替换或组合。关于多个实施例中的相同结构的相同的作用效果，不在每个实施例中逐一进行说明。而且，本发明并不限定于上述实施例。例如，本发明可以进行各种变更、改进及组合等，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (3)

1.一种折返光学谐振腔，其特征在于，具有：

前反射镜，由凹面镜构成；

后反射镜，具有处于彼此交叉的位置关系的平面状的两个反射区域，所述后反射镜的两个反射面所成的角度大于90°；及

折返镜，配置于所述前反射镜与所述后反射镜之间的光轴上，且由凹面镜构成。

2.根据权利要求1所述的折返光学谐振腔，其特征在于，

封闭于所述前反射镜与所述后反射镜之间的光对所述折返镜的入射角小于45°。

3.根据权利要求1所述的折返光学谐振腔，其特征在于，

还具备微调机构，所述微调机构对所述后反射镜的所述两个反射区域所成的角度进行微调，

所述微调机构包括：

杠杆，其构成为作用点的位移量小于力点的位移量且所述后反射镜的所述两个反射区域所成的角度基于作用点的位移而发生变化；及

固定工具，在对所述杠杆的力点施加力量使得作用点位移的状态下固定所述两个反射区域所成的角度。

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