CN113904204A - 激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使腔室热变形激光束的路径也不易产生偏离的激光装置。腔室容纳激光介质气体及光学谐振腔。台架支承腔室。相对于台架的腔室的水平方向上的位置在一个部位中受到限制。除了相对于台架的腔室的水平方向上的位置受到限制的部位以外，腔室被支承为相对于台架能够沿水平方向移动。

Description

激光装置

本申请主张基于2020年7月6日申请的日本专利申请第2020-116378号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考而援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种激光装置。

背景技术

气体激光振荡器的腔室支承于台架上。在该结构中，腔室通常利用四个部位固定于台架上。在三轴正交型的激光振荡器中，为了稳定放电电极的放电，使腔室内的激光介质气体高速循环。激光介质气体流入一对放电电极之间的放电区域，而基于放电而变成高温的激光介质气体从放电区域排出到腔室内的其他区域。从放电区域排出的激光介质气体被热交换器冷却后再次流入放电区域。基于经放电而变成高温的激光介质气体，腔室会热膨胀。若腔室热膨胀，则随着腔室的变形，台架也会变形。

在下述的专利文献1中公开了一种将光学谐振腔的反射镜配置在腔室之外的气体激光振荡器。腔室及光学谐振腔反射镜分别固定在不同的台架上。因此，即使腔室或其台架热变形，光学谐振腔也不易受该热变形的影响。

专利文献1：日本特开平2-105478号公报

在光学谐振腔的反射镜配置于腔室内部的结构中，若台架因腔室的热变形而变形，则腔室的姿势会发生改变，腔室内的光学谐振腔的反射镜的姿势或位置也会发生改变。其结果，光学谐振腔的光轴会从初始位置偏离。若光学谐振腔的光轴出现偏离，则配置在激光振荡器的后段的光束整形光学系统等上的激光束的入射位置也会产生偏离。若光束整形光学系统上的入射位置出现偏离，则加工面上的光束分布会被破坏，会导致加工质量的下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种即使腔室热变形激光束的路径也不易产生偏离的激光装置。

根据本发明的一观点，提供一种激光装置，其具有：

腔室，容纳激光介质气体及光学谐振腔；及

台架，支承所述腔室，

相对于所述台架的所述腔室的水平方向上的位置在一个部位中受到限制，

除了相对于所述台架的所述腔室的水平方向上的位置受到限制的部位以外，所述腔室被支承为相对于所述台架能够沿水平方向移动。

即使腔室热变形，台架也不易受到该变形的影响。由此，减少腔室的姿势的变动，不易产生激光束的路径的偏离。

附图说明

图1是基于本实施例的激光装置及利用从激光装置输出的激光束来进行加工的加工装置的概略图。

图2是基于实施例的激光装置的侧视图，其中，激光振荡器显示了截面。

图3是基于实施例的激光装置的与光轴垂直的剖视图。

图4是基于实施例的激光装置的腔室及台架的俯视图。

图5A及图5B分别是沿图4的单点划线5A-5A及单点划线5B-5B剖切的剖视图。

图6A是基于实施例的激光装置的谐振腔底座的俯视图，图6B及图6C分别是沿图6A的单点划线6B-6B及单点划线6C-6C剖切的剖视图。

图7A及图7B分别是基于比较例的激光装置的概略俯视图及概略剖视图。

图中：10-激光装置，11-台架，12-激光振荡器，13-台架支脚，15-腔室，16-光学室，17-鼓风机室，18-上下隔板，18A、18B-开口，19-底板，20-光学谐振腔，20A-光轴，21-放电电极，22、23-放电电极支承部件，24-放电区域，25-谐振腔反射镜，26-谐振腔底座，27、27A、27B、27C、27D-光学谐振腔支承部件，28-透光窗，29-鼓风机，31-支承部，31A-侧壁部，31B-顶盖部，32-被支承部，33-螺栓，34、35-弹性部件，36-摩擦力减少部件，40-隔板，41-第1气体流路，42-第2气体流路，43-热交换器，44-流出孔，45-过滤器，51-圆形孔，52-长孔，80-加工装置，81-光束整形光学系统，82-工作台，90-加工对象物，100-共用底座。

具体实施方式

下面，参考图1～图7B，对基于实施例的激光装置进行说明。

图1是基于实施例的激光装置10及利用从激光装置10输出的激光束来进行加工的加工装置80的概略图。激光装置10及加工装置80固定在共用底座100上。共用底座100例如为地面。

激光装置10包括固定于共用底座100上的台架11及支承于台架11上的激光振荡器12。加工装置80包括光束整形光学系统81及工作台82。加工对象物90保持在工作台82上。光束整形光学系统81及工作台82固定在共用底座100上。从激光振荡器12输出的激光束的光束分布被光束整形光学系统81整形后入射到加工对象物90上。

图2是激光装置10的侧视图，其中，激光振荡器12显示了截面。激光振荡器12包括容纳激光介质气体及光学谐振腔20等的腔室15。腔室15利用四个部位支承于台架11上。即，台架11利用四个部位接受来自腔室15的荷载。在图2中，用三角形30表示腔室15支承于台架11的部位。在图2中，用三角形30示意性地表示了腔室15支承于台架11的部位，三角形30并不表示台架11支承腔室15的支承结构的形状。台架11通过四个台架支脚13支承于共用底座100上。在图2中，用三角形示意性地表示了台架支脚13，其并不表示台架支脚13的形状。另外，在图2中，也示意性地表示了后述的放电电极支承部件23及光学谐振腔支承部件27。

接着，对激光振荡器12的结构进行说明。激光介质气体容纳于腔室15中。腔室15的内部空间被划分为相对位于上侧的光学室16及相对位于下侧的鼓风机室17。光学室16和鼓风机室17被上下隔板18隔开。另外，在上下隔板18上设置有使激光气体在光学室16与鼓风机室17之间流通的开口。光学室16的底板19从鼓风机室17的侧壁沿光学谐振腔20的光轴20A方向突出，光学室16的光轴方向上的长度比鼓风机室17的光轴方向上的长度更长。腔室15通过底板19或固定于底板19上的部件而支承于台架11上。

在光学室16内配置有一对放电电极21及一对谐振腔反射镜25。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19。一对放电电极21在上下方向上隔着间隔配置，从而在两者之间划定有放电区域24。放电电极21在放电区域24产生放电，由此激励激光介质气体。如在后面参考图3进行说明的那样，激光介质气体沿与图2的纸面垂直的方向流过放电区域24。

一对谐振腔反射镜25固定于配置在光学室16内的一个谐振腔底座26上。谐振腔底座26经由四个光学谐振腔支承部件27支承于底板19。谐振腔反射镜25构成具有通过放电区域24的光轴20A的光学谐振腔20。在将光学谐振腔20的光轴20A朝向一个方向(在图1中为左方向)延伸的延长线与光学室16的壁面交叉的部位，安装有使激光束透过的透光窗28。在光学谐振腔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17配置有鼓风机29。鼓风机29使激光介质气体在光学室16与鼓风机室17之间循环。

图3是基于实施例的激光装置的与光轴20A(图2)垂直的剖视图。如参考图2进行说明的那样，腔室15的内部空间被上下隔板18划分为上方的光学室16与下方的鼓风机室17。在光学室16内配置有一对放电电极21及支承光学谐振腔20(图2)的谐振腔底座26。在放电电极21之间划定有放电区域24。

在光学室16内配置有隔板40。隔板40划定从设置于上下隔板18的开口18A至放电区域24为止的第1气体流路41及从放电区域24至设置于上下隔板18的另一开口18B为止的第2气体流路42。激光介质气体沿与光轴20A(图2)正交的方向流过放电区域24。放电方向与激光介质气体流过的方向及光轴20A这两者正交。由鼓风机室17、第1气体流路41、放电区域24及第2气体流路42构成激光介质气体循环的循环流路。鼓风机29产生箭头所示的激光介质气体流，以使激光介质气体在该循环流路中循环。

在鼓风机室17内的循环流路中容纳有热交换器43。在放电区域24被加热的激光介质气体通过热交换器43从而被冷却，被冷却的激光介质气体再次供给到放电区域24。

在上下隔板18设置有使激光气体从鼓风机室17流向光学室16的流出孔44。通过鼓风机29而流向第1气体流路41的激光介质气体的一部分通过流出孔44而流向光学室16。在流出孔44设置有去除微粒的过滤器45。例如，过滤器45堵住流出孔44，从鼓风机室17流向光学室16的激光介质气体通过过滤器45而被过滤。

接着，参考图4～图5B，对将腔室15支承于台架11上的结构进行说明。

图4是腔室15及台架11的俯视图。图5A及图5B分别是沿图4的单点划线5A-5A及单点划线5B-5B剖切的剖视图。在俯视观察时，在光轴20A方向上，底板19设置在鼓风机室17的两侧。从腔室15的两个底板19分别朝向远离光轴20A的两个方向突出有被支承部32。被支承部32可以与腔室15形成为一体，也可以利用螺栓等将被支承部32安装并固定于腔室15。“形成为一体”意味着形成为不可分离，例如，意味着基于焊接等连接在一起或由单一部件形成等。另外，也可以将底板19的一部分用作被支承部32。分别设置于各个底板19上的两个被支承部32在光轴方向上配置于相同位置。即，四个被支承部32配置于与长方形的四个顶点相对应的位置上。

在俯视观察时，台架11的四个支承部31分别设置于与被支承部32重叠的位置。支承部31从台架11的与光轴20A平行的两个框架朝向光轴20A突出。支承部31可以与台架11形成为一体，也可以利用螺栓等将支承部31安装并固定于台架11。另外，也可以将台架11的一部分用作支承部31。各个支承部31接受来自被支承部32的荷载。即，腔室15在四个部位支承于台架11上。在支承部31与被支承部32之间插入有摩擦力减少部件36(图5A及图5B)。即，在支承腔室15的部位中，台架11经由摩擦力减少部件36支承腔室15。与未配置有摩擦力减少部件36而支承部31与被支承部32直接接触的情况相比，摩擦力减少部件36减少摩擦力。作为摩擦力减少部件36，例如可以使用聚四氟乙烯(PTFE)等。

四个被支承部32中的一个被支承部32(图4中为位于左下的被支承部32)通过螺栓33固定在支承部31上。由此，相对于支承部31的被支承部32的水平方向上的位置受到限制。即，相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置在一个部位中受到限制。另外，在相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置受到限制的部位中，在腔室15与台架11之间也可以不配置摩擦力减少部件36。

在除了相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置受到限制的部位以外的三个部位，设置有固定于台架11的侧壁部31A及顶盖部31B(图5A及图5B)。侧壁部31A与被支承部32的末端面对置，顶盖部31B与被支承部32的上表面对置。在图4中，顶盖部31B几乎与支承部31重叠。侧壁部31A及顶盖部31B可以与台架11形成为一体，也可以通过螺栓等安装并固定于台架11。

在被支承部32与顶盖部31B之间配置有螺旋弹簧等弹性部件34。弹性部件34将被支承部32沿着与荷载施加方向相同的方向推向支承部31。由此，腔室15按压于台架11。

在相对于光轴20A配置在与固定于支承部31的被支承部32相反一侧的两个被支承部32(在图4中为上侧的被支承部32，在图5A及图5中为右侧的被支承部32)中，在被支承部32的末端面与侧壁部31A之间确保有空隙。因此，被支承部32相对于支承部31能够沿与光轴20A平行的方向及与光轴20A正交的方向这两个方向移动。即，在该两个部位中，腔室15被支承为相对于台架11能够沿水平的两个方向移动。

在相对于光轴20A配置在与固定于支承部31的被支承部32相同一侧的被支承部32(在图4中为位于右下的被支承部32，在图5B中为左侧的被支承部32)中，在被支承部32的末端面与侧壁部31A之间夹着摩擦力减少部件36。在光轴20A方向上配置于与该被支承部32相同位置的另一个被支承部32中，在被支承部32的末端面与侧壁部31A之间配置有弹性部件35。弹性部件35将被支承部32推向相对于光轴20A位于相反一侧的侧壁部31A。另外，在被支承部32的末端面与弹性部件35之间配置有摩擦力减少部件36。

在相对于光轴20A配置在与固定于支承部31的被支承部32相同一侧的被支承部32(在图5B中为左侧的被支承部32)中，其末端面与侧壁部31A之间并未确保有空隙。因此，相对于支承部31的该被支承部32的与光轴20A正交的方向上的位置受到限制。另外，在与光轴20A平行的方向上，被支承部32能够自由移动。即，腔室15的、以相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置受到限制的部位为中心的旋转方向上的位置在一个部位上受到限制，以免腔室15在水平面内沿旋转方向位移。

接着，参考图6A～图6C，对将谐振腔底座26支承于腔室15的结构进行说明。

图6A是谐振腔底座26的俯视图，图6B及图6C分别是沿图6A的单点划线6B-6B及单点划线6C-6C剖切的剖视图。谐振腔底座26为在光轴20A方向上长的平板。在谐振腔底座26的两端附近的上表面，固定有谐振腔反射镜25。

在俯视观察时，在谐振腔底座26所包含的位置上配置有四根光学谐振腔支承部件27A、27B、27C、27D。光学谐振腔支承部件27A、27B分别为带有台阶的销，在俯视观察时，其相对于光轴20A配置于同一侧。通过光学谐振腔支承部件27A、27B的中心的直线与光轴20A平行。其他两个光学谐振腔支承部件27C、27D为未设置有台阶的销，在俯视观察时，其分别配置在相对于光轴20A与光学谐振腔支承部件27A、27B线对称的位置。即，四个光学谐振腔支承部件27A～27D配置于与长方形的四个顶点相对应的位置。四个光学谐振腔支承部件27A～27D的下端埋入于底板19中而固定于底板19。

在谐振腔底座26设置有圆形孔51及长孔52。在俯视观察时，圆形孔51及长孔52分别配置于与光学谐振腔支承部件27A、27B相对应的位置。在俯视观察时，长孔52具有在与光轴20A平行的方向上长的形状。光学谐振腔支承部件27A、27B的台阶上方部分分别插入于圆形孔51及长孔52中。谐振腔底座26通过光学谐振腔支承部件27A、27B的台阶部分及光学谐振腔支承部件27C、27D的上端面在荷载施加方向上得以支承。

谐振腔底座26中的圆形孔51周围的部分的水平面内的位置相对于光学谐振腔支承部件27A受到限制。插入于长孔52中的光学谐振腔支承部件27B相对于谐振腔底座26能够沿与光轴20A平行的一维方向移动。光学谐振腔支承部件27C、27D相对于谐振腔底座26能够沿水平面内的两个方向移动。即，相对于腔室15的谐振腔底座26的水平方向上的位置在一个部位中受到限制，而在其他三个部位中则并未受到限制。

接着，与图7A及图7B所示的比较例进行比较，从而对上述实施例的优异效果进行说明。

图7A及图7B分别是基于比较例的激光装置的概略俯视图及概略剖视图。在比较例中，腔室15的四个被支承部32均通过螺栓33固定在台架11的四个支承部31上。在图7B中，用三角形30示意性地表示了支承部31和被支承部32的配对。若使激光振荡器12进行动作，则基于放电而激光介质气体的温度会上升。其结果，腔室15的温度也会上升，腔室15会热膨胀。在图7A及图7B中，用虚线来表示了热膨胀后的各结构部分。另外，在图7A及图7B中，为了便于理解，与实际的变形量相比极大地放大表示了基于热膨胀的变形量。

在图3中所示的截面中比放电区域24更靠下游侧的激光介质气体的温度变得高于上游侧的激光介质气体的温度。因此，腔室15的两个侧面上的温度上升幅度存在差异，腔室15的侧面的热膨胀量也存在差异。因此，如图7A所示，腔室15的一个侧面(在图7A中为上侧的侧面)比另一个侧面更大地膨胀，腔室15产生变形。随着腔室15的变形，台架11也产生变形。

若台架11产生变形，则支承于台架11上的腔室15的底板19的姿势会发生改变。支承于底板19的谐振腔底座26的姿势也会发生改变，其结果，光轴20A的位置及方向会发生改变。随着光轴20A的位置及方向的改变，从激光振荡器12(图1)输出的激光束的路径会发生改变，因此光束整形光学系统81(图1)的激光束的入射位置会从初始的位置偏离。由此，加工对象物90表面上的光束分布被破坏，容易产生加工不良。

相对于此，在上述实施例中，四个被支承部32(图4)中仅有一个被支承部32固定于支承部31上，其余三个被支承部32则相对于支承部31能够沿水平方向移动。即，相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置在支承腔室15的四个部位中的一个部位上受到限制，而在其余三个部位中，腔室15被支承为相对于台架11能够沿水平方向移动。而且，由于在被支承部32与支承部31之间配置有摩擦力减少部件36，因此被支承部32相对于支承部31容易沿水平方向移动。因此，腔室15热膨胀时的台架11的变形得到抑制。由于不易产生台架11的变形，因此也不易产生由台架11的变形引起的光轴20A的偏离。

并且，图4中位于右下的被支承部32能够沿与光轴20A平行的方向移动，但是与光轴20A正交的方向上的位置却受到限制。因此，能够约束以固定于支承部31的被支承部32为中心的旋转方向上的姿势。

而且，将固定于支承部31的被支承部32(图4)和与光轴20A正交的方向上的位置受到限制的被支承部32连接的直线与光轴20A平行。因此，即使腔室15热膨胀，腔室15的旋转方向上的姿势实际上不会发生改变。

在被支承部32并未固定在支承部31的部位中，被支承部32被弹性部件34推向支承部31。因此，能够得到腔室15的铅垂方向上的位置变得稳定的优异的效果。

谐振腔底座26(图6A～图6C)仅在被光学谐振腔支承部件27A支承的部位在水平面内固定于腔室15，在被其他光学谐振腔支承部件27B、27C、27D支承的部位中则允许谐振腔底座26沿水平方向移动。因此，谐振腔底座26不易受到腔室15变形的影响，也不易产生光轴20A的偏离。

并且，谐振腔底座26的被光学谐振腔支承部件27B支承的部位的与光轴20A正交的方向上的位置受到限制。因此，谐振腔底座26在水平面内的旋转方向上的位置受到限制。

实际对基于上述实施例的激光装置和基于图7A～图7B所示的比较例的激光装置的光束路径的位置稳定性进行了比较实验。以下，对该比较实验的内容进行说明。

使基于实施例的激光装置和基于比较例的激光装置分别在脉冲的重复频率及输出互不相同的两个振荡条件下进行了动作。在腔室的温度变得稳定的状态下，检测从光学谐振腔的输出端分开一定距离的位置上的光束点，测量了两个振荡条件下的光束点的位置的偏离量。在脉冲的重复频率高且输出也大的条件下进行了动作的情况下，与在脉冲的重复频率低且输出也低的条件进行了动作的情况相比，腔室的温度变得更高。

基于本实施例的激光装置中的光束点的偏离量为基于比较例的激光装置中的光束点的偏离量的1/4～1/3左右。根据该比较实验可知，基于上述实施例的结构的激光装置的激光束的路径的位置不易受到腔室的热变形的影响。

接着，对上述实施例的变形例进行说明。

在上述实施例中，腔室15的被支承部32及台架11的支承部31分别设置有四个，但也可以设置两个，还可以设置三个或五个以上。即，台架11可以利用两个部位、三个部位或五个以上的部位支承腔室15。在利用两个部位支承腔室15的情况下，例如，优选利用连接图4中位于左侧的两个被支承部32的细长的区域支承腔室15，利用连接位于右侧的两个被支承部32的细长的区域支承腔室15。此时，在俯视观察时，台架11的对应的支承部31也成为细长的形状。优选在支承腔室15的左侧的细长区域的一个端部附近的一个部位将腔室15利用螺栓等固定在台架11。在支承腔室15的左侧的细长区域中的未利用螺栓等进行固定的区域中，相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置并不受限制。并且，在支承腔室15的右侧的细长区域的整个区域中，腔室15相对于台架11能够沿水平方向移动。

在利用三个部位支承腔室15的情况下，例如，优选利用连结图4中位于左侧的两个被支承部32的一个细长的区域及右侧的两个被支承部32支承腔室15。或者，优选利用连结图4中位于右侧的两个被支承部32的一个细长的区域及左侧的两个被支承部32支承腔室15。在利用五个以上的部位支承腔室15的情况下，例如，优选在图4中上侧或下侧的两个被支承部32之间新设置被支承部及支承部。

即，台架11可以在多个部位支承腔室15。此时，只要将多个被支承部32中的一个被支承部32设为相对于对应的支承部31的水平方向上的位置受到限制的固定被支承部即可。即，在一个部位限制相对于台架11的腔室15的水平方向上的位置即可。

多个被支承部32中的除了固定被支承部以外的被支承部32设为相对于对应的支承部31能够沿水平方向移动即可。即，在除了腔室15的水平方向上的位置受到限制的支承部位以外的支承部位中，腔室15相对于台架11能够沿水平方向移动即可。除了固定被支承部以外的多个被支承部32中的一个被支承部32优选构成为，相对于对应的支承部31的以固定被支承部为中心的水平面内的旋转方向上的位置受到限制。即，优选在一个支承部位中限制水平面内的腔室15的、以固定被支承部为中心的旋转方向上的位置。

上述实施例仅是示例，本发明并不只限于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改良、组合等，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种激光装置，其特征在于，具有：

腔室，容纳激光介质气体及光学谐振腔；及

台架，支承所述腔室，

相对于所述台架的所述腔室的水平方向上的位置在一个部位中受到限制，

除了相对于所述台架的所述腔室的水平方向上的位置受到限制的部位以外，所述腔室被支承为相对于所述台架能够沿水平方向移动。

2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，

还具有弹性部件，所述弹性部件在所述腔室被支承为相对于所述台架能够沿水平方向移动的部位中朝向与荷载施加方向相同的方向按压所述腔室。

3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，

在所述腔室被支承为相对于所述台架能够沿水平方向移动的部位中，所述台架经由减少摩擦力的摩擦力减少部件而支承所述腔室。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置，其特征在于，

在所述腔室被支承为相对于所述台架能够沿水平方向移动的部位中的一个部位中，所述腔室的以相对于所述台架的所述腔室的水平方向上的位置受到限制的部位为中心的水平面内的旋转方向上的位置受到限制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光装置，其特征在于，

所述光学谐振腔具有：

一对谐振腔反射镜；及

谐振腔底座，其支承于所述腔室，并且固定有所述一对谐振腔反射镜，

所述谐振腔底座在荷载施加方向上利用三个以上的多个部位支承于所述腔室，在被支承的多个部位中的一个部位中，所述谐振腔底座的水平方向上的位置受到限制，而在其他多个部位中，所述谐振腔底座的水平方向上的位置并未受到限制。

Images