CN1178341C - 正交型气体激光器装置 - Google Patents

Abstract

具备：配置在谐振器(12)一端的1枚部分反射镜(19)以及2枚全反射镜(21、23)；配置在谐振器(12)另一端的3枚全反射镜(20、22、24)，并且配置反射镜(19、21、23以及20、22、24)使得谐振器(12)各端配置的3枚反射镜(19、21、23以及20、22、24)的激光中心呈三角形。又，在激光媒质(10)流动方向的放电区域下游端，配置在谐振器(12)各端上所配置的3枚反射镜(19、21、23以及20、22、24)中的2枚(19、23以及20、22)。

Description

正交型气体激光器装置

技术领域

本发明涉及正交型激光器装置的改良，更详细地，涉及在内部具有由一枚部分反射镜以及多枚全反射镜形成的谐振器并且利用使得激光来回折射的构造获得高输出、省能量以及小型化的正交型气体激光装置的改良。

背景技术

图8表示以往的正交型气体激光器装置的构造图。在该图中，1是激光振荡器，2是位于激光振荡器1内部的放电电极，3是位于激光振荡器1内部的气体循环吹风机，4是部分反射镜，5是全反射镜，6是热交换器，7是冷却单元、8是电源配电盘，9是控制装置，10是激光媒质，11是从激光振荡器1取出的激光。部分反射镜4以及全反射镜5构成谐振器12。冷却单元7用于冷却部分反射镜4、全反射镜5以及热交换器6。又，在电源配电盘8上配置使得在放电电极2上产生放电的设备、控制气体循环吹风机3的设备以及使得激光振荡器1为真空的设备等。

其次，对于图8的正交型气体激光器装置的动作进行说明。根据来自控制装置9的起动信号，驱动控制电源面板8内的气体循环吹风机3的设备，由此，气体循环吹风机3旋转，填充在激光振荡器内部的激光媒质10例如在二氧化碳激光器中为CO₂气体进行循环。在该状态下，当由控制装置提供输出信号时，将高电压接入放电电极2，以放电激励激光媒质10。激励起的激光媒质放射出光并跃迁到基态。放射出的光在构成谐振器12的部分反射镜4与全反射镜5之间反射并且被放大。即，从部分反射镜4向外部取出激光的一部分，剩余的激光再次被全反射镜5反射，重复进行反射、放大。又，取出到外部的激光11受到控制使得取出相当于控制装置9的指令输出。在图8的构造中，激光11的方向、放电方向以及激光媒质10流过放电电极2间的方向这3个方向分别垂直，故称作为3轴正交型。将从激光振荡器1取出的激光11传送到激光加工设备等并且使用于切割、熔融等的加工作业以及计测作业等。

图9是表示在日本特开昭60-127773号公报所揭示的利用3枚全反射镜的激光反射构造作为谐振器的正交型激光器装置中的反射镜与放电电极2之间的位置关系。图9(a)是表示从激光11的光轴方向观察激光振荡器的剖视图。又，图9(b)是表示从与激光11的光轴方向相垂直的方向观察的激光振荡器的剖视图，并且表示了激光光路。在图中，12是谐振器、13是部分反射镜、14～16是全反射镜、17是配置在各枚反射镜前部并且具有确定光束模式以及激光放大向导功能的光圈(aperture)、18是放电空间。构造上，在部分反射镜13与全反射镜16间的激光光路上配置全反射镜14以及15，从部分反射镜13反射来的激光被全反射镜14、15、16进行三次反射之后返回同一光路。

图10表示正交型激光器装置中放电引起的增益分布，表示增益随着激光媒质10流动方向的位置发生变化。根据图10可见，在放电区域中，激光媒质10流动方向的下游侧增益较高。根据这样的特性，在图9的构造中，将激光光路配置在激光媒质10流动方向的下游端。

其次，根据激光振荡的理论式，对于如图9所示的那样使得谐振器12为利用多枚反射镜来回反射激光的构造的理由进行说明。

根据下述可求出激光输出Wr。

Wr＝η·(Wd-Wo)         …(1)

这里，η是激励效率、Wd是放电输入、Wo是振荡阈值，根据下式可求得激励效率。

η＝F·η0              …(2)

这里，F是放电空间利用率，η0是激光媒质的光变换的变换效率。

又，式(1)的振荡阈值W0可由下式求出。

W0＝w0/m                …(3)

这里，w0是从构成谐振器的部分反射镜的透射率等的谐振器全体的损失导出的参数，m是激光的来回反射的次数。

根据式(1)可知，激励效率η越高或者振荡阈值W0越小，激光输出Wr越大，即变换成激光的变换效率越高。又，根据式(2)、(3)可知，放电空间利用率F越高激励效率η越大，激光来回反射次数越多，振荡阈值W0越低，因此，能够获得高效率的正交型激光器装置。如此，以获得小型、变换成激光的变换效率高的正交型气体激光器装置为目的，采用使得谐振器为利用多枚反射镜来回反射激光的构造的正交型气体激光器装置。

这样利用多枚反射镜来回反射激光的构造所带来的高效率化是正交型的特征现象，通过激光多次来回反射并通过放电被激励而初次实现同一放电空间。即，例如日本实开昭56-29969号公报所揭示的轴流型气体激光器装置那样，在一个激光管内部仅具有一个光轴的构造中，不能够实现上述情况。

在正交型气体激光器装置中，在上述图9的构造中虽然提高了激光的振荡效率，但从近来要求节省能量的要求出发，还希望进一步提高效率。又，从节省空间的观点出发，更加要求小型的正交型气体激光器装置。

如上所述，激光的来回反射次数越多则能够实现高效率化，而在图9的构造中，很难在进一步增加反射次数。其理由在于，为了进行安全放电，放电电极的间隔受到限制，通常在100mm以下，由于反射镜的配置以及用于固定各反射镜的支架其构造上的限制，很难将所有的光轴配置在上述下游端。而且，由于激光反射引起的激光重叠，输出激光的形状对称性下降，例如在利用了该输出激光的加工中会产生方向性。

发明内容

本发明为了解决上述问题目的在于提供一种高输出、节省能量以及小型化的正交型气体激光器装置。

本发明的正交型气体激光器装置，在内部具有由一枚部分反射镜以及至少5枚全反射镜形成的谐振器的激光振荡器的正交型气体激光器装置中，具备：配置在所述谐振器一端的1枚部分反射镜以及2枚全反射镜；配置在所述谐振器另一端的3枚全反射镜，并且为了使得利用配置在所述谐振器各端的3枚所述反射镜的放电区域连续并且来回反射的激光中心呈三角形，在激光媒质流动方向的放电区域下游端或其附近配置配置在所述谐振器各端的3枚所述反射镜中的2枚。

在将连接配置在下游端或其附近的2个反射镜前面的光圈的中心的连线与所述光圈外形相交的2点的线段的中点向激光媒质与放电电极平行地流动方向的上游侧移动的位置上，配置剩余反射镜前部配置的光圈的中心。

又，在所述下游端或者其附近配置所述部分反射镜。

又，将所述部分反射镜配置在比所述下游端更上面的上游侧并且扩大照射到所述部分反射镜上的激光的直径。

又，将配置于所述谐振器各端的3枚所述反射镜中的2枚配置在所述下游端或其附近。

而且，配置所述反射镜使得分散所述反射镜上激光来回反射部分的重叠方向。

本发明由于具有上述构造，故能够发挥下述效果。

本发明的正交型气体激光器装置能够实现高输出、节省能量以及小型化。

又，能够抑制部分反射镜的热变形。

而且，能够提高输出激光的形状对称性。

附图简述

图1是表示本发明实施形态1的正交型气体激光器装置的谐振器部分的构造图。

图2表示根据反射次数的放电空间利用率的变化。

图3表示输入输出特性。

图4是表示激光的反射部分重叠状况与输出激光的示例的说明图。

图5是表示本发明实施形态2的正交型气体激光器装置的谐振器部分的构造图。

图6是表示各光圈的直径不同时为了提高激光的形状对称性的反射镜配置方法的说明图。

图7表示本发明实施形态3的正交型气体激光器装置的谐振器部分的构造图。

图8是表示以往的正交型气体激光器装置的构造图。

图9是表示以往的正交型气体激光器装置中反射镜与放电电极的位置关系的构造图。

图10表示正交型气体激光器装置中的放电引起的增益分布的曲线图。

最佳实施形态

实施形态1

图1是表示本发明实施形态1的正交型气体激光器装置的谐振器部分的构造图，图1(a)是从激光11的光轴方向观察激光谐振器的剖视图，图1(b)是表示激光光路的说明图。在该图中，2是放电电极、10是激光媒质、11是激光、12是谐振器、18是放电空间、19是部分反射镜、20～24是全反射镜、25～30是光圈。

其次，对于动作进行说明。作为正交型激光器装置的基本动作，与根据以往技术的图8相同。在放电空间18中被激励的激光媒质10在谐振器12内被放大。在谐振器12内部，来自部分反射镜19的一部分被反射的激光来回反射，从全反射镜20起顺次由全反射镜21、22、23反射而达到全反射镜24。由全反射镜24反射的激光再次由全反射镜23、22、21、20反射而达到部分反射镜19，取出其中的一部分作为激光11。如此，在构造上，在部分反射镜19与全反射镜24之间的激光光路上配置全反射镜20～23，从部分反射镜19反射出来的激光经全反射镜20～24五次反射之后返回同一光路。

其次，对于实现这样反射构造的方法进行说明。根据表示以往技术的图10所示，根据放电引起的增益分布，最好将激光光路配置在放电区域中激光媒质流动方向的下游端。然而，为了进行安全放电，放电电极2的间隔受到限制，通常为100mm以下，由于反射镜的配置以及支架构造方面的限制，很难将所有的光轴配置在所述下游端。又，由于在取出激光的终端上将光轴配置在下游端时激光增幅最大，故效率较高。因此，如图1(a)所示，在所述下游端配置光圈25、26间的光轴与光圈27、28间的光轴以及光圈26、27间的光轴并且将其他光轴配置在比所述下游端更上面的上游侧，由此能够获得效率高并且稳定的激光谐振。

图2是表示根据来回反射次数的放电空间利用率的变化，在本发明图1的构造情况下，来回反射次数相当于5次，在表示以往技术的图9的构造中，来回反射次数相当于3次。根据图2可知，本发明的构造比以往技术的构造，放电空间利用率更高。又，可知，即使来回反射次数超过5次，放电空间利用率也不能够再提高。因此，考虑到放电空间利用率的提高所引起的激励效率上升以及反射镜等部件增加引起的成本上升等，来回反射次数5次是适当的。而且，在为了获取高输出的用途中，也可以再进一步增加来回反射次数。

图3是对于输入输出特性方面在相同尺寸以及相同输入功率的条件下表示本发明图1的构造与以往技术图9的构造的比较，实线表示本发明的图1的构造情况、虚线表示以往技术中图9的构造情况。在本发明图1的构造中，由于所述的放电空间利用率的提高以及来回反射次数的增加，输出效率显著升高，能够获得比以往技术中图9的构造提高了大约1.4倍的高输出。

因此，能够实现高输出、省能以及小型的正交型气体激光器装置。

实施形态2

使得正交型气体激光器装置的谐振器为利用多枚全反射镜来回反射激光的构造时，在进行反射放大的过程中在激光的来回反射部分上产生重叠。例如，以实施形态1中图1所示的构造为例，在激光的重叠部分(例如，图1的光圈26的位置上来自光圈25的激光的上侧与射向光圈27的激光的下侧)上，对于同一空间的增益，来自光圈25的激光的上侧与射向光圈27的激光的下侧争夺增益，相对于该部分全体100％的增益而言，各自仅能够获得50％的增益。如此，激光重叠部分的强度相对于激光没有重叠部分的强度要下降一半，激光的形状对称性下降。

图4(a)表示激光来回反射部分中的重叠部分(图1(b)的A～D部分)，对于这些激光，重叠部分的和为输出激光。图4(b)表示该情况下输出的激光。对于以往技术的图9进行相同的研究，仅在输出激光的上下产生重叠部分，输出激光的形状对称性更加下降。当输出激光的形状对称性下降时，例如在采用了这样的输出激光的加工中会产生方向性。

图5是表示本发明实施形态2的正交型气体激光器装置的谐振器部分的构造图，表示了更进一步提高输出激光的形状对称性的构造。在图5中，对于与实施形态1的图1相同或相当的部分采用同一符号。图5(a)是从激光11的光轴方向观察激光谐振器的剖视图，图5(b)是表示激光光路的说明图。图5的反射镜以及光圈的配置与图1的反射镜以及光圈的配置不同，构造上反射镜22以及光圈28替换了反射镜24以及光圈30。因此，图5(b)的激光光路与图1(b)的激光光路不同，激光的来回反射部分的重叠方向有一部分不同。在这样的情况下，图5(c)相当于图4(a)，图5(d)相当于图4(b)，通过使得为如图5(a)以及图5(b)这样的反射镜的配置以及激光光路，如图5(c)那样，各反射镜的激光来回反射部分的重叠方向分散，由于配置成如图5(d)所示那样在输出激光的几乎全部周围上激光的重叠部分分散，提高了输出激光的形状对称性。

又，在图1以及图5的构造中，在谐振器两端部上分别各配置3枚反射镜，谐振器端部的3枚反射镜的激光中心呈三角形。这相当于图1的示例中，将光圈25、27和29以及光圈26、28和30配置成三角形，在图5的示例中相当于将光圈25、27和29以及光圈26、30和28配置成三角形。以图5为示例，当各光圈的直径相等时，光圈25、27以及29形成的三角形为将连接光圈25、27的中心的线作为底边的等腰三角形，光圈26、30以及28形成的三角形是将连接光圈26、30的中心的线作为底边的等腰三角形。在图5的构造中，当各光圈的直径不同时，如图6所示，若将光圈29的中心配置在将线段PQ的中点R向激光媒质与放电电极平行地流动方向的上游侧移动后的位置上，则能够提高输出激光的形状对称性，所述线段PQ连接作为连接光圈25与光圈27的中心的线同光圈25以及27的外形交点的P点以及Q点。

实施形态3

取出激光的部分反射镜由于过大的输入热量，会产生热变形等的问题。为了减轻这样的热变形，增大照射到部分反射镜的激光的直径并且减少单位面积的输入热量的方法是最有效的。对于实施形态1的图1以及实施形态2的图5中的反射镜以及光圈的配置，由于在部分反射镜19以及光圈25上配置全反射镜21以及光圈27，很难物理性地增大照射到部分反射镜19上的激光的直径。因此，如图7所示，若配置部分反射镜19以及光圈25而使得在其上下不存在反射镜以及光圈，则与图1以及图5的情况相比，虽然因取出激光的最终端从放电区域中激光媒质流动方向的下游端移动到上游端，输出略有下降，通过进行改变反射镜曲率等的谐振器变更或者模式次数的变更等，能够扩大照射到部分反射镜19上的激光的直径。

因此，通过采用图7那样的反射镜配置方法以及激光光路，能够抑制部分反射镜的热变形。

工业利用性

如上所述，本发明的正交型气体激光器装置能够实线高输出、省能量以及小型化，因此，该正交型气体激光器装置其产品本身具有工业价值。而且，可以适用于加工以及计测等的作业。

Claims (8)

1.一种正交型气体激光器装置，具备在内部具有由一枚部分反射镜以及至少5枚全反射镜形成的谐振器的激光振荡器，其特征在于，

具备：配置在所述谐振器一端的1枚部分反射镜和2枚全反射镜；以及配置在所述谐振器另一端的3枚全反射镜，

在激光媒质流动方向的放电区域下游端或其附近配置所述反射镜中的2枚，以利用配置在所述谐振器各端的3枚所述反射镜使放电区域连续，并且使来回反射的激光的中心形成三角形。

2.如权利要求1所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

在将连接配置在下游端或其附近的2个反射镜前部配置的光圈的中心的连线与所述光圈外形相交的2点的线段的中点向激光媒质与放电电极平行地流动的方向的上游侧移动的位置上，配置剩余的反射镜前部配置的光圈的中心。

3.如权利要求1或2所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

在所述下游端或者其附近配置所述部分反射镜。

4.如权利要求1或2所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

将所述部分反射镜配置在比所述下游端更靠上游的上游侧并且放大照射到所述部分反射镜上的激光的直径。

5.如权利要求4所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

将配置于所述谐振器各端的3枚所述反射镜中的2枚配置在所述下游端或其附近。

6.如权利要求1或2所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

配置所述反射镜使得分散所述反射镜上激光来回反射部分的重叠方向。

7.如权利要求3所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

配置所述反射镜使得分散所述反射镜上激光来回反射部分的重叠方向。

8.如权利要求4所述的正交型气体激光器装置，其特征在于，

配置所述反射镜使得分散所述反射镜上激光来回反射部分的重叠方向。

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