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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser-Oszillator, der mindestens einen Faltspiegel zwischen einem Auskoppler und einem auf einer optischen Achse positionierten hinteren Spiegel aufweist.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einem Laser-Oszillator kann ein Modenspringen auftreten, bei dem eine Größenordnung eines oszillierten Laserstrahls augenblicklich geändert wird. Wenn das Modenspringen in einem Laser-Oszillator zum Bearbeiten (z.B. Schneiden von Metall) verwendet wird, können Bearbeitungsfehler (z.B. Ungleichmäßigkeit einer Schnittfläche oder Rauheit einer bearbeitenden Oberfläche) erzeugt werden.
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Um das Modenspringen einzuschränken werden im Stand der Technik Parameter von Bauteilen, die den Oszillator bilden (wie Krümmungsradien eines Auskopplers und eines hinteren Spiegels, ein Innendurchmesser einer Entladungsröhre und eine Öffnungsgröße, Anzahl und eine Position einer in dem Oszillator angeordneten Blende), optimiert. Wenn es unzureichend ist, diese Parameter einzustellen, um das Modenspringen einzuschränken, kann des Weiteren ein konkaver Spiegel als ein Faltspiegel verwendet werden, während normalerweise ein ebener Spiegel als der Faltspiegel verwendet wird. Der Grund hierfür ist, dass wenn der Faltspiegel eben ist, der Faltspiegel durch Einstrahlen eines Hochleistungslaserstrahls auf den Spiegel so ausgedehnt werden kann, dass der Faltspiegel eine konvexe Form aufweisen kann, wodurch das Modenspringen verursacht werden kann.
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Als ein relevantes Dokument aus dem Stand der Technik offenbart
JP H02-201981 A eine Hochleistungslaservorrichtung, die einen konkaven Spiegel (einen konkaven sphärischen Spiegel und einen konkaven zylindrischen Spiegel) als einen Faltspiegel verwendet.
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Ein Laser, der zum Schneiden eines Metalls verwendet wird, muss eine hohe Laserleistung aufweisen, um die Schneidleistung zu verbessern. Es ist bekannt, dass in einem Oszillator mit einer hohen Laserleistung, wie einem Kohlendioxid-Laser, eine Reflexionsindex-Verteilung von Lasergas aufgrund der Wärmeverteilung des Lasergases während der Laser-Oszillation ungleichmäßig sein kann und ein mechanischer Verzug oder eine Dehnung aufgrund von Wärmeverformung des Oszillators auftreten kann. In einem solchen Fall kann das Modenspringen durch Anordnen eines gerichteten Faltspiegels (z.B. einen Spiegel mit einer torischen Oberfläche) im Oszillator eingeschränkt werden.
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Als ein relevantes Dokument des Standes der Technik offenbart
JP H08-252683 A eine Laser-Konzentriervorrichtung, die zwei konkave reflektierende Spiegel aufweist, wobei einer der Spiegel ein toroidaler reflektierender Spiegel ist und der andere Spiegel ein reflektierender sphärischer, zylindrischer oder toroidaler reflektierender Spiegel ist.
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JP 2011-066300 A offenbart einen Laserresonator mit einem reflektierenden Spiegel, einem Auskoppler zum Bilden eines optischen Resonators zwischen reflektierenden Oberflächen des reflektierenden Spiegels und des Auskoppler, und einem Faltspiegel, der zwischen dem reflektierenden Spiegel und dem Auskoppler positioniert ist, um einen Laserstrahl abzulenken, wobei der Faltspiegel ein toroidaler Spiegel ist.
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Des Weiteren offenbart
JP 2004-342681 A einen Laser-Oszillator, der die Rundheit einer Strahlmode verbessern soll, indem ein reflektierender Spiegel verwendet wird, bei dem innere Krümmungen in X- und Y-Richtung unterschiedlich sind.
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Die ungleichmäßige Reflexionsindex-Verteilung von Lasergas und der mechanische Verzug oder die Dehnung, die das Modenspringen verursachen kann, kann durch während der Laseroszillation erzeugte Wärme auftreten. Als ein Ergebnis variiert eine während der Laseroszillation erzeugte Wärmemenge abhängig vom Zustand des Oszillators. Des Weiteren ist die erzeugte Wärme zwischen der Zeit unmittelbar nachdem der Laser-Oszillator zusammengebaut oder hergestellt wird und nachdem der Laser-Oszillator über einen langen Zeitraum verwendet wird, aufgrund von Staub usw., der an einem Spiegel innerhalb des Oszillators anhaftet, usw., deutlich unterschiedlich. Daher können die Reflexionsindex-Verteilung und der Verzerrung oder die Dehnung zwischen der Zeit unmittelbar nachdem der Laser-Oszillator zusammengebaut oder hergestellt wird und nachdem der Laser-Oszillator über einen langen Zeitraum verwendet wird unterschiedlich sein. Mit anderen Worten, selbst wenn eine Richtcharakteristik einer reflektierenden Oberfläche zur Zeit der Herstellung in Bezug auf die Reflexionsindex-Verteilung und die Richtung des mechanischen Verzugs oder der Dehnung passend ist, kann die Richtcharakteristik der reflektierenden Oberfläche unpassend werden, nachdem sie über einen langen Zeitraum benutzt wurde. In einem solchen Fall kann das Modenspringen in der Ausgestaltung von
JP H08-252683 A oder
JP 2011-066300 A nicht reduziert werden, da die Richtung des Faltspiegels nicht geändert werden kann.
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In der Ausgestaltung von
JP 2004-342681 A weisen der Auskoppelspiegel und der hintere Spiegel jeweils den reflektierenden Spiegel auf, bei dem die Krümmungen in X- und Y-Richtung unterschiedlich sind. Aufgrund einer solchen Ausgestaltung kann eine oszillierte Strahlenmode eine Ellipsenform aufweisen. Ein Hochleistungslaser-Oszillator weist mehrere Entladungsbereiche zum Erlangen einer hohen Laserleistung auf, und die Richtcharakteristik der Reflexionsindex-Verteilung kann in jedem Entladungsbereich unterschiedlich sein.
JP 2004-342681 A offenbart in einem solchen Fall kein Mittel zum Optimieren der Strahlmode in jedem Entladungsbereich.
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Außerdem wird in
JP H02-201981 A ein Spiegel mit einer zylindrischen Form als ein Faltspiegel verwendet. Der zylindrische Spiegel wird jedoch immer mit einem sphärischen Spiegel kombiniert und der Krümmungsradius und die Richtung des zylindrischen Spiegels werden beschränkt, um einen Abbildungsfehler des sphärischen Spiegels zu reduzieren oder zu eliminieren. Die (Auftritts-)Häufigkeit des Modenspringens wird durch die Richtung der zylindrischen Form zum Reduzieren oder Eliminieren des Abbildungsfehlers nicht beeinflusst und somit kann es schwierig sein, das Modenspringen durch die Kombination des zylindrischen Spiegels und des sphärischen Spiegels einzuschränken.
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JP 2010 118 518 A offenbart eine zweistufige Laservorrichtung, die einen Oszillator-Laser und einen Verstärker-Laser umfasst. Um Abweichungen zwischen den Querschnitten der entsprechenden Laserstrahlen zu verringern, wird zunächst ein Strahlprofil vermessen. Auf der Grundlage der Messergebnisse wird dann eine Anpassung durch Drehen des Querschnitts des Oszillator-Laserstrahls um dessen optische Achse vorgenommen. Ein ähnliches Vorgehen ist auch aus
JP 2013 165 300 A bekannt.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Laser-Oszillator bereitzustellen, der dazu eingerichtet ist, das Modenspringen über einen langen Zeitraum einzuschränken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laser-Oszillator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Demzufolge stellt die Erfindung einen Laser-Oszillator bereit, der einen optischen Resonator, der einen Auskoppler und einen auf einer optischen Achse positionierten hinteren Spiegel aufweist, umfasst, wobei der optische Resonator mindestens einen zwischen dem Auskoppler und dem hinteren Spiegel positionierten Faltspiegel mit einer Satteloberflächenform aufweist, wobei der Faltspiegel mit der Satteloberflächenform dazu eingerichtet ist, um eine Gerade als eine Rotationsachse zu rotieren, die sich durch einen Punkt auf einer reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels erstreckt und senkrecht zur reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels ist, sodass eine Richtung einer Ellipse eines Strahlmodus, der eine Ellipsenform aufweist, aufgrund des Faltspiegels modifiziert wird, um ein Modenspringen in dem Laseroszillator zu beschränken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt ein Mindestwert eines Krümmungsradius der Satteloberflächenform an einem Querschnitt, an dem die reflektierende Oberfläche des Faltspiegels eine konkave Oberfläche darstellt, zwischen 200 Meter und 700 Meter.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der optische Resonator mindestens zwei Faltspiegel auf, die die Satteloberflächenform aufweisen, wobei eine Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls in dem optischen Resonator als eine Z-Achse definiert ist, X-Achse und Y-Achse definiert so sind, dass sie ein Rechtssystem durch die X-, Y- und Z-Achsen bilden, die X- und Y-Achsen auf eine tangentiale Ebene übertragen sind, die jeden Faltspiegel an einem Schnittpunkt zwischen einer Mittelachse des Laserstrahls und jedem Faltspiegel kontaktiert, und ein Querschnitt in Bezug auf jeden Faltspiegel definiert ist, an dem die reflektierende Oberfläche des Faltspiegels eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der Satteloberflächenform ein Minimum ist, und wobei die mindestens zwei Faltspiegel so positioniert sind, dass ein durch die auf die tangentiale Ebene übertragene X-Achse und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene in Bezug auf jeden Faltspiegel gebildeter Winkel jeweils gleich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der optische Resonator mindestens zwei Faltspiegel auf, die die Satteloberflächenform aufweisen, wobei eine Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls in dem optischen Resonator als eine Z-Achse definiert ist, die X-Achse und Y-Achse so definiert sind, dass sie ein Rechtssystem durch die X-, Y- und Z-Achsen bilden, die X- und Y-Achse auf eine tangentiale Ebene übertragen sind, die jeden Faltspiegel an einem Schnittpunkt zwischen einer Mittelachse des Laserstrahls und jedem Faltspiegel kontaktiert, und ein Querschnitt in Bezug auf jeden Faltspiegel definiert ist, an dem die reflektierende Oberfläche des Faltspiegels eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der Satteloberflächenform ein Minimum ist, und wobei die mindestens zwei Faltspiegel so positioniert sind, dass ein durch die auf die tangentiale Ebene übertragene X-Achse und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene in Bezug auf jeden Faltspiegel gebildeter Winkel jeweils um 90 Grad unterschiedlich ist.
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Figurenliste
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Die obengenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlicher werden, wobei:
- 1 beispielhaft eine Ausgestaltung eines Hauptbestandteils eines Laser-Oszillators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 eine torische Oberflächenform als ein Beispiel einer Form eines Faltspiegels des Gaslaser-Oszillators von 1 zeigt;
- 3 eine Satteloberflächenform als ein Beispiel der Form des Faltspiegels des Gaslaser-Oszillators von 1 zeigt;
- 4 eine zylindrische Form als ein Beispiel der Form des Faltspiegels des Gaslaser-Oszillators von 1 zeigt;
- 5 beispielhaft eine durch den Laser-Oszillator ovalisierte Strahlmode der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 6 eine Beziehung zwischen der Häufigkeit des Modenspringens und den Längen von Haupt- und Nebenachse der ovalisierten Strahlmode zeigt;
- 7a ein Beispiel eines eine Rotationsachse aufweisenden Faltspiegels zeigt;
- 7b ein Beispiel eines Rotationsmechanismus eines eine Rotationsachse aufweisenden Faltspiegels zeigt;
- 7c ein Beispiel eines Verriegelungsmechanismus eines eine Rotationsachse aufweisenden Faltspiegels zeigt;
- 7d ein weiteres Beispiel eines Verriegelungsmechanismus eines eine Rotationsachse aufweisenden Faltspiegels zeigt;
- 7e noch ein weiteres Beispiel eines Verriegelungsmechanismus eines eine Rotationsachse aufweisenden Faltspiegels zeigt;
- 8 eine Beziehung zwischen Häufigkeit des Modenspringens und der Richtung des Ovals der Strahlmode zu unterschiedlichen Betriebszeiten zeigt;
- 9 beispielhaft eine Ausgestaltung eines Faltspiegels eines Laser-Oszillators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 10 beispielhaft eine tangentiale Ebene zeigt, die einen ersten Faltspiegel von 9 kontaktiert;
- 11 beispielhaft eine tangentiale Ebene zeigt, die einen zweiten Faltspiegel von 9 kontaktiert;
- 12 beispielhaft eine Ausgestaltung eines Faltspiegels eines Laser-Oszillators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 13 beispielhaft eine tangentiale Ebene zeigt, die einen ersten Faltspiegel von 12 kontaktiert; und
- 14 beispielhaft eine tangentiale Ebene zeigt, die einen zweiten Faltspiegel von 12 kontaktiert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGEN
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(Erste Ausführungsform)
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Die 1 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung eines Hauptbestandteils eines Laser-Oszillators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Laser-Oszillator 10 ist beispielsweise ein Gaslaser-Oszillator, der Kohlendioxidgas als ein Lasermedium verwendet und einen optischen Resonator 22 aufweist, der einen Auskoppler 14 und einen auf einer optischen Achse 12 positionierten hinteren Spiegel 16, mindestens einen (zwei in der dargestellten Ausführungsform) auf einer optischen Achse 12 und zwischen dem Auskoppler 14 und dem hinteren Spiegel 16 positionierten Faltspiegel 18, und eine zwischen dem Auskoppler 14 oder dem hinteren Spiegel 16 und dem Faltspiegel 18 positionierte Entladungsröhre 20 umfasst. Mindestens ein Faltspiegel 18 weist eine Satteloberflächenform auf. Des Weiteren kann ein optischer Resonator 22 eine Blende 24 zum Formen eines Laserstrahls durch Sperren eines Teils des Laserstrahls aufweisen.
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Auf einer Ebene, auf der mindestens ein Faltspiegel der Satteloberflächenform positioniert ist, ist der Faltspiegel dazu eingerichtet, um eine Gerade als eine Rotationsachse zu rotieren, die sich durch einen Punkt auf einer reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels erstreckt und senkrecht zu der reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels ist. Beispielsweise weist der Laser-Oszillator 10 einen Rotationsmechanismus auf, der dazu eingerichtet ist, den abstimmenden rückseitigen Spiegel um die Rotationsachse zu rotieren. Aufgrund dessen kann ein Modenspringen aufgrund von einer ungleichmäßigen Reflexionsindex-Verteilung in dem Lasergas und/oder einem Verzug des Resonators wirksam über einen langen Zeitraum eingeschränkt werden. Eine Einzelheit des Rotationsmechanismus wird nachfolgend erklärt.
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Die 2 bis 4 sind schematische Ansichten von Spiegeln, die eine torische Oberflächenform, eine Satteloberflächenform beziehungsweise eine zylindrische Form aufweisen, die jeweils als Faltspiegel 18 verwendet werden können. Erfindungsgemäß wird die Satteloberflächenform verwendet. Jeder Faltspiegel weist eine Richtcharakteristik auf und somit unterscheidet sich ein Krümmungsradius einer Position auf einem Querschnitt A-A' von einem Krümmungsradius einer Position auf einem Querschnitt B-B'.
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In der wie in 2 gezeigten torischen Oberfläche weist ein beliebiger Querschnitt an seinem Zentrum eine konkave Form auf, während ein Krümmungsradius in Bezug auf jeden Querschnitt unterschiedlich ist. Konkret ist der Krümmungsradius am Querschnitt A-A' ein Minimum und der Krümmungsradius am Querschnitt B-B' orthogonal zu Querschnitt A-A' ist ein Maximum. Mit anderen Worten, in der torischen Oberflächenform kann immer eine Kombination von zwei Querschnitten, die entsprechend den minimalen Krümmungsradius und den maximalen Krümmungsradius aufweisen, ausgewählt werden.
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In der in 3 gezeigten Satteloberflächenform weist in Bezug auf zwei zueinander orthogonale Querschnitte ein Querschnitt eine konvexe Form auf und der andere Querschnitt weist eine konkave Form auf. Konkret weist der Querschnitt A-A' die konvexe Form auf und der zum Querschnitt A-A' orthogonale Querschnitt B-B' weist die konkave Form auf. Des Weiteren ist der Krümmungsradius am Querschnitt A-A' ein Minimum unter den jeweils eine konvexe Form aufweisenden Querschnitten, und der Krümmungsradius am Querschnitt B-B' ist ein Minimum unter den jeweils eine konkave Form aufweisenden Querschnitten. Mit anderen Worten, in der Satteloberflächenform kann immer eine Kombination von zwei Querschnitten, die entsprechend die konvexe Oberfläche mit dem minimalen Krümmungsradius und der konkaven Oberfläche mit dem minimalen Krümmungsradius aufweisen, ausgewählt werden.
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In der in 4 gezeigten zylindrischen Form weist der Querschnitt B-B' eine konkave Form auf, während der Querschnitt A-A' eine flache Form aufweist. Mit anderen Worten, in der zylindrischen Form kann immer eine Kombination eines Querschnitts, der die konkave Oberfläche mit dem minimalen Krümmungsradius aufweist, und einem Querschnitt der die flache Oberfläche aufweist, ausgewählt werden.
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Hierin wird ein Winkel zwischen dem Querschnitt
A-A' der obengenannten drei Typen von Oberflächen und der tangentialen Ebene, die den Faltspiegel an dem Schnittpunkt zwischen dem Zentrum des Laserstrahls und dem Faltspiegel kontaktiert, als „eine Richtung des Faltspiegels“ definiert. Des Weiteren wird ein Faltspiegel, der die Kombination der zwei Querschnitte, die die obengenannte Bedingung erfüllt, aufweist, als „ein Faltspiegel, der eine reflektierende Oberfläche mit Richtcharakteristik (oder eine gerichtete reflektierende Oberfläche) aufweist“ definiert. Durch Verwendung des Faltspiegels, der die gerichtete reflektierende Oberfläche aufweist, weist ein oszillierter Laserstrahl eine Ellipsenform oder ovale Form auf, und die Rundheit kann durch die folgende Gleichung (1) quantifiziert werden.
Durch Verwendung des Faltspiegels
18, wie in den
2 bis
4 gezeigt, in dem der Krümmungsradius zwischen jedem Querschnitt unterschiedlich ist, weist die oszillierte Strahlmode die Ellipsenform mit der Hauptachse und der Nebenachse auf. Während der Laseroszillation kann eine Reflexionsindex-Verteilung mit Richtcharakteristik in dem Lasergas erzeugt werden. Es ist bekannt, dass wenn die Strahlmode in eine Richtung so ovalisiert wird, dass die ungleichmäßige Reflexionsindex-Verteilung aufgehoben wird, das Modenspringen eingeschränkt werden kann. Des Weiteren kann der Resonator und/oder der Spiegel aufgrund der durch die Laseroszillation erzeugten Wärme verzogen werden, und der Verzug wird in eine Richtung mit Bezug auf die optische Achse des Laserstrahls erzeugt. Daher kann auch in diesem Fall, wenn die oszillierte Strahlmode in eine Richtung so ovalisiert wird, dass der Verzug aufgehoben wird, durch Verwendung des Spiegels
18, wie in den
2 bis
4 gezeigt, das Modenspringen eingeschränkt werden.
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Die 5 und 6 zeigen ein Beispiel, in dem das Modenspringen durch Ovalisieren der Strahlmode eingeschränkt wird. In der torischen Oberflächenform von 2 können beispielsweise durch jeweiliges Optimieren des Krümmungsradius am Querschnitt A-A' und des Krümmungsradius am Querschnitt B-B', der Durchmesser „a“ in der Richtung der Hauptachse und der Durchmesser „b“ in der Richtung der Nebenachse der Strahlmode 26 jeweils so optimiert werden, dass die Häufigkeit (Auftrittshäufigkeit) des Modenspringens minimiert wird, wodurch der Resonator so ausgestaltet werden kann, dass das Modenspringen eingeschränkt oder nicht erzeugt wird. Dies ist ebenfalls auf die Satteloberflächenform von 3 und der zylindrischen Form von 4 anwendbar.
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Wie in 7a gezeigt kann ferner in der vorliegenden Erfindung der Faltspiegel 18 auf einer Ebene rotiert werden, auf der der Faltspiegel montiert ist. Wenn im konkreten Fall der Faltspiegel 18 um eine Gerade 30 als eine Rotationsachse, die sich durch einen Punkt 28 (vorzugsweise einen Schnittpunkt zwischen der optischen Achse 12 und der reflektierenden Oberfläche) auf der reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels 18 erstreckt und senkrecht zu der reflektierenden Oberfläche des Faltspiegels 18 am Punkt 28 ist, kann ein Winkel θ der Haupt-/Nebenachse der die Strahlmode 26 darstellenden Ellipse geändert werden, wie in 5 gezeigt.
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Wie in 8 gezeigt wird diesbezüglich die Richtung θ der Ellipse, in der die Häufigkeit des Modenspringens minimiert ist, in Abhängigkeit einer Betriebszeit des Oszillators verändert. Beispielsweise zeigt 8 einen Fall, in dem die Betriebszeit des Resonators Null ist (eine Kurve 32), und einen Fall, in dem die Betriebszeit des Resonators 1000 Stunden beträgt (eine Kurve 34). In dem Beispiel von 8 wird die Häufigkeit des Modenspringens ein Minimum, wenn die Richtung θ der Ellipse einem θa in der Kurve 32 entspricht, oder wenn die Richtung θ der Ellipse θb in der Kurve 34 entspricht. Daher kann durch Rotieren des Faltspiegels 18, um die Richtung der Ellipse der Strahlmode entsprechend der Betriebszeit zu ändern, das Modenspringen angemessen über einen langen Zeitraum eingeschränkt oder vermieden werden.
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Der Faltspiegel 18 kann automatisch durch Verwendung eines Rotationsmechanismus, wie einem in der Nähe des Faltspiegels 18 angeordneten Stellantriebs, rotiert werden oder kann manuell durch den Bediener rotiert werden. Wie in 7b gezeigt kann zum Beispiel der Faltspiegel 18 durch Aktivieren eines mit einem Spiegelhalterungsteil 19 zum Halten des Faltspiegels 18 über ein Leistungsübertragungsteil 21 verbundenen Stellantriebs automatisch um die Rotationsachse 30 rotiert werden.
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Wie in den 7c bis 7e gezeigt ist es außerdem bevorzugt, einen Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln des Rotationswinkels des Faltspiegels 18 nach dem Einstellen des Winkels durch Rotieren des Faltspiegels 18 anzuordnen. Durch Verwenden des Verriegelungsmechanismus kann die Rotationsposition des Faltspiegels 18 präzise über einen langen Zeitraum beibehalten werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Verriegelungsmechanismus leicht gelöst werden kann, da es erforderlich sein kann, dass die Rotationsposition des Faltspiegels 18 nach dem Verriegeln neu eingestellt werden muss. Konkret zeigt die 7c beispielhaft den Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln des eingestellten Winkels des Faltspiegels, wobei ein ringförmiges Schraubenhalteteil 25 nahe einer lateralen Seite eines Bauteils (oder Spiegelhalterungsteil 19 in diesem Fall) angeordnet ist, das den Rotationsmechanismus darstellt, und eine Fixierschraube 27 von dem Schraubenhalteteil 25 zur lateralen Seite des Spiegelhalterungsteils 19 hin eingeschraubt ist. Alternativ zeigt die 7d beispielhaft den Verriegelungsmechanismus, bei dem ein Bauteil (oder ein Flansch des Spiegelhalterungsteils 19 in diesem Fall), das sich senkrecht zur Rotationsachse 30 erstreckt, durch einen öffenbaren Schnellspanner 29 verriegelt ist. Des Weiteren zeigt die 7e beispielhaft ein Paar von Verriegelungsmechanismen (oder einen Bremsmechanismus) 31, der nahe eines Außenumfangs des Flansches des Spiegelhalterungsteils 19 so angeordnet ist, dass der Bremsmechanismus den Flansch klemmen und verriegeln kann. Der oben beschriebene Verriegelungsmechanismus kann leicht gelöst werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die zweite Ausführungsform betrifft den Krümmungsradius des Faltspiegels. Mit Bezug auf den Spiegel, der die unterschiedlichen Krümmungsradien in jeder Richtung aufweist, wie in den 2 bis 4 gezeigt, weist der Effekt des Einschränkens des Modenspringens eine Beziehung mit dem Krümmungsradius am konkaven Querschnitt auf, an dem der Krümmungsradius ein Minimum ist (zum Beispiel Querschnitt A-A'). Nachfolgend wird ein solcher Krümmungsradius als ein „konkaver Mindestkrümmungsradius“ bezeichnet. Konkret verringert sich mit Verringern des konkaven Mindestkrümmungsradius des Faltspiegels 18 die Wahrscheinlichkeit des Modenspringens. Wenn anderseits der konkave Mindestkrümmungsradius kleiner als 100 Meter ist, wird die Rundheit des oszillierten Laserstrahls verringert, wodurch die Bearbeitungsleistung (z.B. eine Schnittgeschwindigkeit, eine Rauheit einer Schnittfläche und das Aussehen der Schnittfläche) beim Schneiden eines Metalls zwischen der Längsrichtung und der Querrichtung eines bearbeiteten Werkstücks unterschiedlich sein kann. Um solch einen Nachteil zu vermeiden ist es bevorzugt, dass der konkave Mindestradius zwischen 200 Meter und 700 Meter liegt.
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Wenn der konkave Mindestkrümmungsradius in der zweiten Ausführungsform innerhalb des obengenannten Bereichs liegt, kann die Häufigkeit des Modenspringens eingeschränkt werden, während die Rundheit der Strahlmode innerhalb eines bestimmten Bereichs beibehalten wird, wodurch die obengenannten Nachteile (d.h. die Bearbeitungsleistung (die Schnittgeschwindigkeit, die Rauheit einer Schnittfläche und das Aussehen der Schnittfläche usw.) ist unterschiedlich zwischen der Längsrichtung und der Querrichtung des Werkstücks) vermieden werden können.
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(Dritte Ausführungsform)
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Die 9 bis 11 erklären eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 9 gezeigt weist der optische Resonator 22 mindestens zwei sattelförmige Faltspiegel 18a und 18b auf, und mindestens einer der Spiegel 18a und 18b ist dazu eingerichtet, ähnlich wie der Faltspiegel 18, wie in 7a gezeigt, zu rotieren. Die 10 zeigt eine tangentiale Ebene 38, die den Faltspiegel 18a an einem Schnittpunkt 38 zwischen dem Zentrum des Laserstrahls und dem Faltspiegel 18a kontaktiert, und die 11 zeigt eine tangentiale Ebene 42, die den Faltspiegel 18b an einem Schnittpunkt 40 zwischen dem Zentrum des Laserstrahls und des Faltspiegels 18b kontaktiert. Da Bauteile der dritten Ausführungsform, außer den dargestellten Bauteilen, den Bauteilen der ersten Ausführungsform ähneln können, wird auf deren ausführliche Beschreibung verzichtet.
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In der dritten Ausführungsform wird die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (in Richtung auf den ersten Faltspiegel 18a in diesem Fall) im optischen Resonator 22 als eine Z-Achse definiert, und die X- und die Y-Achse (oder eine X-Y-Ebene 44) werden so definiert, dass sie durch die X-, Y- und Z-Achsen ein Rechtssystem darstellen. Dann werden die definierten X- und Y-Achsen auf die tangentiale Ebene 38 übertragen, wie in 10 gezeigt, und werden auf die tangentiale Ebene 42 übertragen, wie in 11 gezeigt.
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Wie in 10 gezeigt wird des Weiteren ein Querschnitt in Bezug auf den Faltspiegel 18a definiert, wo dessen reflektierende Oberfläche eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der torischen Oberflächenform, der Satteloberflächenform oder der zylindrischen Form ein Minimum ist, und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene 38 eine durch eine strichpunktierte Linie 48 angezeigte Gerade ist. Wie andererseits in 11 gezeigt wird ein Querschnitt in Bezug auf den Faltspiegel 18b definiert, wo dessen reflektierende Oberfläche eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der torischen Oberflächenform, der Satteloberflächenform oder der zylindrischen Form ein Minimum ist, und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene 42 eine durch eine strichpunktierte Linie 50 angezeigte Gerade ist. In der dritten Ausführungsform werden ein durch die X-Achse und die Gerade 48 auf der tangentialen Ebene 38 gebildeter Winkel θ1 und ein durch die X-Achse und die Gerade 50 auf der tangentialen Ebene 42 gebildeter Winkel θ2 berechnet, und der erste und der zweite Faltspiegel 18a und 18b sind so positioniert und ausgestaltet, dass der Winkel θ1 und der Winkel θ2 einander entsprechen (θ1=θ2). Außerdem wird in 10 die X-Achse als eine Referenzachse (0°) definiert, und eine Richtung von der X-Achse zur Y-Achse wird als ein Plus-Winkel definiert. Diese Definitionen sind ebenfalls auf die nachfolgend beschriebenen 11, 13 und 14 anwendbar.
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Wenn in diesem Fall die konkaven Mindestradien des ersten und des zweiten Faltspiegels
18a und
18b als R1 beziehungsweise R2 definiert werden, dann wird ein effektiver konkaver Mindestkrümmungsradius R, der durch Kombinieren der Wirkungen der zwei Spiegel erhalten wird, durch die folgende Gleichung (2) dargestellt.
Wenn der effektive konkave Mindestkrümmungsradius R durch Verwendung der Gleichung (2) berechnet wird, treffen stets Ungleichheiten (R<R1) und (R<R2) zu. Daher kann in der dritten Ausführungsform, ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform, der konkave Mindestkrümmungsradius klein sein und eine Elliptizität der Strahlmode kann erhöht werden, wodurch das Modenspringen wirksam eingeschränkt werden kann. Dann kann durch Rotieren des Faltspiegels, um die Richtung der Ellipse der Strahlmode zu ändern, das Auftreten des Modenspringens für einen langen Zeitraum eingeschränkt werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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Eine vierte Ausführungsform wird mit Bezug auf die 12 bis 14 erklärt, in der die Strahlmode eine einem echten Kreis nahekommende Form aufweisen kann, indem ein weiteres Merkmal, außer demjenigen der zweiten Ausführungsform, verwendet wird, bei dem der Bereich des Krümmungsradius eines jeden Faltspiegels definiert ist. Wie in 12 gezeigt weist der optische Resonator 22 mindestens zwei sattelförmige Faltspiegel 18c und 18d auf, und mindestens einer der Spiegel 18c und 18d ist dazu eingerichtet, ähnlich wie der in 7a gezeigte Faltspiegel 18 zu rotieren. Die 13 zeigt eine tangentiale Ebene 54, die den Faltspiegel 18c an einem Schnittpunkt 52 zwischen dem Zentrum des Laserstrahls und dem Faltspiegel 18c kontaktiert, und die 14 zeigt eine tangentiale Ebene 58, die den Faltspiegel 18d an einem Schnittpunkt 56 zwischen dem Zentrum des Laserstrahls und dem Faltspiegel 18d kontaktiert. Da die Bauteile der vierten Ausführungsform, außer den dargestellten Bauteilen, den Bauteilen der ersten Ausführungsform ähneln können, wird auf deren ausführliche Beschreibung verzichtet.
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In der vierten Ausführungsform wird die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (in Richtung auf den ersten Faltspiegel 18c in diesem Fall) im optischen Resonator 22 als eine Z-Achse definiert, und die X- und die Y-Achse (oder eine X-Y-Ebene 60) werden so definiert, dass sie durch die X-, Y- und Z-Achsen ein Rechtssystem darstellen. Dann werden die definierten X- und Y-Achsen auf die tangentiale Ebene 54 übertragen, wie in 13 gezeigt, und werden auf die tangentiale Ebene 58 übertragen, wie in 14 gezeigt.
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Wie in 13 gezeigt wird des Weiteren ein Querschnitt in Bezug auf den Faltspiegel 18c definiert, wo dessen reflektierende Oberfläche eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der torischen Oberflächenform, der Satteloberflächenform oder der zylindrischen Form ein Minimum ist, und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene 54 eine durch eine strichpunktierte Linie 64 angezeigte Gerade ist. Wie andererseits in 14 gezeigt wird ein Querschnitt in Bezug auf den Faltspiegel 18d definiert, wo dessen reflektierende Oberfläche eine konkave Oberfläche darstellt und ein Krümmungsradius der torischen Oberflächenform, der Satteloberflächenform oder der zylindrischen Form ein Minimum ist, und eine Schnittlinie zwischen dem Querschnitt und der tangentialen Ebene 58 eine durch eine strichpunktierte Linie 66 angezeigte Gerade ist. In der vierten Ausführungsform werden ein durch die X-Achse und die Gerade 64 auf der tangentialen Ebene 54 gebildeter Winkel θ1 und ein durch die X-Achse und die Gerade 66 auf der tangentialen Ebene 58 gebildeter Winkel θ2 berechnet, und mindestens eine Kombination des ersten und des zweiten Faltspiegels 18c und 18d kann so ausgestaltet werden, dass sich der Winkel θ1 und der Winkel θ2 um 90 Grad (θ2=θ1-90°) voneinander unterscheiden. Außerdem wird in 10 die X-Achse als eine Referenzachse (0°) definiert, und eine Richtung von der X-Achse in Richtung auf die Y-Achse wird als ein Plus-Winkel definiert.
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In der vierten Ausführungsform wird, im Gegensatz zur dritten Ausführungsform, die Häufigkeit des Modenspringens durch den Krümmungsradius der konvexen Oberfläche des zweiten Faltspiegels
18d beeinflusst. Diesbezüglich wird ein Krümmungsradius eines konvexen Querschnitts, bei dem der Krümmungsradius ein Minimum ist (nachfolgend als ein „konvexer Mindestkrümmungsradius“ bezeichnet), durch „r2“ dargestellt. Andererseits wird in Bezug auf den Faltspiegel
18c der effektive konkave Mindestkrümmungsradius R, der durch Kombinieren der Wirkungen der zwei Spiegel erhalten wird, durch den konkaven Mindestkrümmungsradius
R1 beeinflusst, ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform. In diesem Fall wird der effektive konkave Mindestkrümmungsradius R durch die folgende Gleichung (3) dargestellt.
Wenn der effektive konkave Mindestradius R durch Verwendung der Gleichung (3) berechnet wird, trifft stets eine Ungleichheit (R>R1) zu. Daher kann in der vierten Ausführungsform die Strahlmode einem echten Kreis nahekommen, wodurch der Nachteil (d.h. die Bearbeitungsleistung (die Schnittgeschwindigkeit, die Rauheit einer Schnittfläche und das Aussehen der Schnittfläche, usw.) ist unterschiedlich zwischen der Längsrichtung und der Querrichtung des Werkstücks) vermieden werden kann.
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Die obengenannten ersten bis vierten Ausführungsformen können kombiniert werden. Zum Beispiel kann der Faltspiegel, der den wie in der zweiten Ausführungsform erklärten Krümmungsradius aufweist, in der dritten oder vierten Ausführungsform verwendet werden.
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Durch Verwendung des Faltspiegels, der die reflektierende Oberfläche mit Richtcharakteristik aufweist, weist gemäß der vorliegenden Erfindung die oszillierte Strahlmode die Ellipsenform auf, die Haupt- und Nebenachse mit unterschiedlichen Radien aufweist. Das Modenspringen wird eingeschränkt, wenn die Strahlmode so in der Richtung ovalisiert wird, dass die aufgrund der während der Laseroszillation erzeugten Wärme ungleichmäßige Reflexionsindex-Verteilung in dem Lasergas und der Verzug aufgehoben wird. Da des Weiteren der Grad der Reflexionsindex-Verteilung und der Verzug des Resonators durch Verwendung des Laser-Oszillators über einen langen Zeitraum verändert werden, wird die Richtung der Ellipse zum Einschränken des Modenspringens ebenfalls verändert. Durch Rotieren des Faltspiegels kann die Richtung der Ellipse eingestellt werden, wodurch das Modenspringen über einen langen Zeitraum eingeschränkt werden kann.
