JP2002016304A - 不安定型共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザ媒質を形成する気体の流れ方向の下流部
分の出力を高めて、レーザ出力及びビーム品質を向上さ
せる不安定型共振器を提供すること。 【解決手段】レーザ媒質（６）を形成する気体の流れ方
向に対してレーザ光の光軸がほぼ直交するよう凹面鏡
（２）、折返しミラー（５１，５２）、凸面鏡（３）、
及び出力鏡（４）を設けた不安定型共振器において、前
記凹面鏡（２）は、前記光軸に対する前記気体の流れ方
向の下流部分の曲率半径が上流部分の曲率半径より小さ
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属、セラミック
ス等の切断や溶接に使用する高出力レーザ発振器に適用
され、光共振器の内部のレーザ媒質を形成するガス等に
流れがある不安定型共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を取出す役割を有する光共振器
は大きく分けて安定型共振器と不安定型共振器の２種が
ある。安定型共振器は凹面鏡と部分透過平面ミラーで構
成され、比較的大口径で高出力が得られやすい。しか
し、高出力化させた場合、ミラー径が大きいために、複
数の横モードが発生する。したがって、レーザビームが
発散する等、ビーム品質が低下し、加工や長距離伝送に
使用できない問題がある。従来では、この問題を改善す
るために、ビーム径が大きくとれて高出力が得られやす
い不安定型共振器が使用されつつある。

【０００３】図８は、従来の不安定型共振器を用いるレ
ーザ光の発生方法を説明するための図である。現在使用
されている不安定型共振器を構成する凹面鏡及び凸面鏡
の拡大率（ミラー径比）、曲率及び焦点距離の関係はSi
egmann等の文献により公知である（Siegmann, Lasers,
1971）。ここでは代表的な正分岐型共焦点不安定型共振
器について説明する。

【０００４】この共振器の構成は、図８に示すように凹
面鏡（ミラー）８１と凸面鏡（ミラー）８２を共焦点に
配置する。拡大率Ｍは、ミラー径の比（または曲率半径
の比）によって決まる。ミラー間距離はレーザ媒質長を
考慮して決められ、それぞれの曲率半径（Ｒ１，Ｒ２）
はミラー間距離（Ｌ）と拡大率（Ｍ）を用いて次式で求
まる。

【０００５】 Ｒ１（凹）＝２ＭＬ／（Ｍ−１） Ｒ２（凸）＝−２Ｌ／（Ｍ−１） Ｍ＝Ｄ２／Ｄ１ レーザ光は、凸面鏡８２直前の出力鏡（カプラ）で取り
出す。多くの大出力レーザの場合、レーザ媒質の利得領
域がガス流れの下流部分に分布するため、下流の利得を
使用するために、レーザ光を平面鏡で折り返して下流部
分で往復させることで利得長を長く確保している。従来
では、このような方式の不安定型共振器により、回折限
界に近いビームが取出されると思われていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の不安定
型共振器には、以下の問題がある。

【０００７】(1)通常のガスレーザ発振器には、共振器
中にガス流れが存在する。ガス流れがある場合、レーザ
媒質の利得は下流になるにつれて低下する。したがっ
て、共振器内のガス密度、温度及びそれによって決定さ
れる利得分布は不均一である。しかし、共振器を構成す
る２つのミラーの曲率半径は一定であるため、ガス流れ
の影響によるレーザ媒質の利得分布の低下や分布の変化
等の影響を受けて性能が低下する欠点がある。

【０００８】(2)不安定型共振器から取り出されたレー
ザ光の出力が最大になるように、光軸を調整する必要が
ある。光軸等の光学系はレーザ出力値で調整するため、
ガス流れ上流部からの出力が強い不均一分布となりやす
い欠点がある。

【０００９】(3)凹凸面鏡のミラー径の比（拡大率）が
大きいとレーザ媒質を有効に利用できないため、大きな
レーザ出力が得られない欠点がある。

【００１０】(4)ガス流れにより生じたガス温度の分布
等やミラーの曲率半径の関係で決まる共振器ミラー間で
形成される定在波の回折損失が大きくなり、レーザ出力
を高められない欠点がある。

【００１１】本発明の目的は、レーザ媒質を形成する気
体の流れ方向の下流部分の出力を高めて、レーザ出力及
びビーム品質を向上させる不安定型共振器を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の不安定型共振器は以下の如く
構成されている。

【００１３】（１）本発明の不安定型共振器は、レーザ
媒質を形成する気体の流れ方向に対してレーザ光の光軸
がほぼ直交するよう凹面鏡、折返しミラー、凸面鏡、及
び出力鏡を設けた不安定型共振器において、前記凹面鏡
は、前記光軸に対する前記気体の流れ方向の下流部分の
曲率半径が上流部分の曲率半径より小さい。

【００１４】（２）本発明の不安定型共振器は上記
（１）に記載の共振器であり、かつ前記凹面鏡は、前記
上流部分の曲率半径が共焦点型ミラーの曲率半径であ
る。

【００１５】（３）本発明の不安定型共振器は上記
（１）または（２）に記載の共振器であり、かつ前記凸
面鏡は、前記光軸に対する前記気体の流れ方向の下流部
分の曲率半径が上流部分の曲率半径より大きい。

【００１６】（４）本発明の不安定型共振器は上記
（１）乃至（３）のいずれかに記載の共振器であり、か
つ前記折返しミラーは曲率を有する。

【００１７】（５）本発明の不安定型共振器は上記
（４）に記載の共振器であり、かつ前記折返しミラー
は、その曲率半径が共焦点型ミラーの曲率半径より大き
い。

【００１８】（６）本発明の不安定型共振器は上記
（１）乃至（５）のいずれかに記載の共振器であり、か
つ前記光軸に対する前記気体の流れ方向の下流部分に不
安定型共振器を併設した。

【００１９】（７）本発明の不安定型共振器は上記
（６）に記載の共振器であり、かつ前記不安定型共振器
内に設置する折返しミラーのうち、少なくとも一つが曲
率を有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の不安定型共振器によるレ
ーザ光の発生方法についての実施の形態を図１から図７
を参照して説明する。ここでは、レーザ光として、ＣＯ
2ガスダイナミックレーザを用い、不安定型共振器中の
ガス流れによって形成されるレーザ媒質の利得長が３５
ｃｍである例を示す。

【００２１】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る不安定型共振器の基本構成を示す
図である。

【００２２】本第１の実施の形態のＣＯ2ガスダイナミ
ックレーザは、燃料ガス（ベンゼン、Ｎ2Ｏ、Ｈ2）を燃
焼させることによって、レーザガス（ＣＯ2, Ｎ2, Ｈ2
Ｏの混合ガス）を得る（燃焼圧力：約５０気圧、燃焼温
度：約２０００Ｋ）。

【００２３】図１に示すように、本共振器では、燃焼ガ
スを共振器上流に設置した超音速ノズル１から約マッハ
６で噴出、断熱膨張させ、ＣＯ2分子のエネルギー準位
の反転分布を形成させることによって、レーザ発振利得
が高いレーザ媒質を得る（圧力５０Torr）。光共振器は
凹面鏡２、凸面鏡３、出力鏡４、及び平面鏡（折返しミ
ラー）５１，５２で構成される。図１に示すように、レ
ーザガスは共振器の光軸すなわちレーザ光の光軸にほぼ
直交する方向に流れるため、発振利得のあるレーザ媒質
６はガス流れ方向に分布している。通常、発振利得の値
は上流ほど高い値を示すことが知られている。

【００２４】図２は、本第１の実施の形態で使用する不
安定型共振器の構成を示す図である。図２において図１
と同一な部分には同符号を付してある。この構成では、
光軸ｐに対して上流側半面は従来の共焦点型のミラー構
成と同じものとした。ミラー仕様は、凹面鏡２の直径
（Ｄ２）：７０ｍｍ、凹面鏡２の曲率半径（Ｒ１）：２
４．２ｍ、凸面鏡３の直径（Ｄ１）：５３．８ｍｍ、凸
面鏡３の曲率半径（Ｒ２）：１８．６ｍ、ミラー間距離
（Ｌ）：２．８ｍ、折り返しミラー：２枚（平面鏡）、
拡大率（Ｍ）：１．３である。

【００２５】本第１の実施の形態の試験では、上記共振
器の構成においてレーザ出力及びパワー分布を計測し
た。表１に示すように、光軸下流半面では、凹面鏡及び
凸面鏡の曲率半径を小さくした。この試験で得られるレ
ーザ出力及び出力分布を、表１及び図３に示す。図３及
び表１から分かるように、レーザ出力の値は下流凹面鏡
曲率半径が小さくなるほど、出力が増加する結果が得ら
れた。一方、レーザ出力の上流と下流の強度比も表１に
示す。この表１から分かるように、下流曲率半径を流れ
方向に応じて最適化することで、出力分布の不均一性を
改善できた。

【００２６】

【表１】

【００２７】本第１の実施の形態によれば、不安定型共
振器を構成する凹面鏡のうち、ガス流れ下流部分のミラ
ー曲率を共焦点系で決定される曲率半径よりも小さくす
ることによって、本来、共振器内で形成される定在波が
回折することによって損失となる光を対向するミラーに
集光させ、回折させずにレーザ光として有効利用させる
ことができる。したがって、凹面鏡の曲率を小さくする
ことによって、レーザ出力を増加させる効果がある。

【００２８】（第２の実施の形態）図４は、本第２の実
施の形態で使用する不安定型共振器の構成を示す図であ
る。図４において図２と同一な部分には同符号を付して
ある。ミラー仕様は、凹面鏡２の直径（Ｄ２）：７０ｍ
ｍ、凹面鏡２の曲率半径（Ｒ１）：２４．２ｍ、凸面鏡
３の直径（Ｄ１）：５３．８ｍｍ、凸面鏡３の曲率半径
（Ｒ２）：１８．６ｍ、ミラー間距離（Ｌ）：２．８
ｍ、折り返しミラー：２枚（平面鏡）、拡大率（Ｍ）：
１．３である。

【００２９】本第２の実施の形態の試験では、光軸下流
半面では、凸面鏡の曲率半径を表２に示すように変化さ
せた。この試験で得られるレーザ出力及び出力分布を、
表２及び図５に示す。図５及び表２から分かるように、
レーザ出力の値は下流凸面鏡曲率半径が大きくなるほ
ど、出力が増加する結果が得られた。一方、レーザ出力
の上流と下流の強度比も表２に示す。この表２から分か
るように、下流曲率半径を流れ方向に対して差をつける
ことで、出力分布の不均一性を改善できた。

【００３０】

【表２】

【００３１】第１の実施の形態では、出力するレーザ光
のモードはとくに言及しないが、ビーム品質が高いＴＥ
Ｍ００モード(Transvers Electro Magnetic：光軸中心
にピークをもつ分布)を出力させる場合には、本第２の
実施の形態が有効である。不安定型共振器を構成する凹
面鏡のうち、ガス流れの下流部分のミラー曲率を共焦点
系で決定される曲率半径よりも小さくすることによっ
て、共振器内で形成される基本モードのＴＥＭ００がミ
ラー間に存在するレーザ媒質を有効利用することができ
る。したがって、凹面鏡の曲率を小さくすることによっ
て、高品質でレーザ出力を増加させる効果がある。

【００３２】（第３の実施の形態）図６は、本第３の実
施の形態で使用する不安定型共振器の構成を示す図であ
る。図６において図２，図４と同一な部分には同符号を
付してある。ミラー仕様は、凹面鏡２の直径（Ｄ２）：
７０ｍｍ、凹面鏡２の曲率半径（Ｒ１）：２４．２ｍ、
凸面鏡３の直径（Ｄ１）：５３．８ｍｍ、凸面鏡３の曲
率半径（Ｒ２）：１８．６ｍ、ミラー間距離（Ｌ）：
２．８ｍ、折り返しミラー： ２枚（凹面鏡）である。
この図で、折り返しミラーは図１に示すようにガス流れ
下流のレーザ利得媒質を有効利用するために設置したも
のであるが、図６では説明の都合上、同一直線上にミラ
ーを配置した。

【００３３】本第３の実施の形態の試験では、折返しミ
ラーにいずれも凹面鏡を用い、その曲率半径を表１に示
すように変化させた。この試験で得られるレーザ出力及
びレーザ出力分布を表３に示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】すなわち本第３の実施の形態では、不安定
型共振器を構成する凹面鏡と凸面鏡のミラー間に形成さ
れる定在波がガス流れの下流に存在するレーザ利得媒質
を有効利用するために、折り返しミラーとして従来の平
面鏡に代わり、凹面鏡を用いた。

【００３６】従来のレーザ共振器では、ミラー間距離を
長く設定すると、共振器内で形成される定在波の回折損
失が飛躍的に増大する。そこで、回折によって広がる光
を折返すミラーを凹面鏡とすることで、集光した光とし
て共振器内部に戻すことができる。すなわち、回折によ
って損失となるレーザ光を回折させずにレーザ光として
有効利用することができる。

【００３７】したがって、折返しミラーを凹面鏡にする
ことによってレーザ出力を増加させる効果がある。さら
に、折返しミラーの曲率半径を共焦点型のミラーの曲率
半径より大きくすることにより、レーザ出力及びビーム
品質をより一層向上させることができる。また、この効
果を期待すれば、放電等によってレーザ媒質の温度が上
昇し、レーザ媒質の屈折率変化等による熱レンズ効果等
により定在波が逆に光軸方向に偏るようであれば、その
効果を見込んで折返しミラーを凸面鏡にしても同様の効
果が得られる。

【００３８】（第４の実施の形態）図７は、本第４の実
施の形態で使用する不安定型共振器の構成を示す図であ
る。図７おいて図２，図４，図６と同一な部分には同符
号を付してある。この構成では、光軸ｐに対して上流側
半面は、従来の共焦点型のミラー構成と同じものとし
た。ミラー仕様は、凹面鏡２１の直径：７０ｍｍ、凹面
鏡２１の曲率半径：２４．２ｍ、凸面鏡３１の直径：５
３．８ｍｍ、凸面鏡３１の曲率半径：１８．６ｍ、ミラ
ー間距離：２．８ｍである。

【００３９】本第４の実施の形態ではさらに、下流に共
振系を併設した。ミラー仕様は、凹面鏡２２の直径：１
００ｍｍ、凹面鏡２２の曲率半径：５４．２ｍ、凸面鏡
３２の直径：１００ｍｍ、凸面鏡３２の曲率半径：１
０．５ｍである。また、光軸下流半面では、凹面鏡２２
及び凸面鏡３２の曲率半径を表１に示すように変化させ
た。この実験で得られるレーザ出力及び出力分布（レー
ザ発振効率）を表４に示す。

【００４０】

【表４】

【００４１】本第４の実施の形態によれば、不安定型共
振器の内部にガス流れがある場合、上流に設置した共振
器のみでは、利得媒質中でエネルギー準位の反転分布を
形成した光エネルギーをすべて有効利用することはでき
ない。しかし、一般に利得が高いのはガス流れの上流な
ので、上流側にビーム品質が高い共振器を設置し、下流
側に、ビーム品質は劣るが利得領域を広くとるために共
振器径を大きくした、もう１つの共振器を設置した。こ
の設置の際、レーザ光の取出しは共通とした。

【００４２】この併設型共振器では、ビームの品質は利
得が高い上流の共振器の性能で決まるため、高品質で高
出力のレーザ光が得られる。

【００４３】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施で
きる。例えば、燃焼ガスの代わりに放電プラズマを用い
ることもできる。また、ガスダイナミックレーザの代わ
りに放電励起型レーザを用いることもできる。

【００４４】さらに、上記各実施の形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示される複数の構成要件にお
ける適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得
る。例えば、各実施の形態に示される全構成要件から幾
つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとす
る課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で
述べられている効果の少なくとも一つが得られる場合に
は、この構成要件が削除された構成が発明として抽出さ
れ得る。

【００４５】

【発明の効果】本発明の不安定型共振器によれば、光軸
に対してレーザ媒質を形成する気体の流れ方向の下流部
分の凹面鏡曲率を小さくすることで、利得が低くなる前
記下流部分の出力を高めて、レーザ出力及びビーム品質
を向上させることができる。

【００４６】本発明の不安定型共振器によれば、下流部
分の凹面鏡曲率を共焦点型ミラーの曲率半径と比較して
小さくすることができる。

【００４７】本発明の不安定型共振器によれば、前記気
体の流れ方向の下流部分の利得が低下したレーザ媒質に
対して、その部分を通過する共振器内の定在波を反射す
る凸面鏡の曲率半径を大きくすることにより、レーザ出
力及びビーム品質を向上させることができる。

【００４８】本発明の不安定型共振器によれば、折返し
ミラーに曲率をつけることにより、レーザ出力及びビー
ム品質を向上させることができる。

【００４９】本発明の不安定型共振器によれば、折返し
ミラーの曲率半径を共焦点型ミラーの曲率半径より大き
くすることにより、レーザ出力及びビーム品質をより一
層向上させることができる。

【００５０】本発明の不安定型共振器によれば、レーザ
媒質の利得が低い前記気体の流れ方向の下流部分に、新
たに不安定型共振器を設置することにより、レーザ出力
を向上させることができる。

【００５１】本発明の不安定型共振器によれば、内部に
設置する折返しミラーの少なくとも一つに曲率をつける
ことで、前記下流部分の利得を有効に使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る不安定型共振
器の基本構成を示す図。

【図２】本発明の第１の実施の形態で使用する不安定型
共振器の構成を示す図。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る出力分布を示
す図。

【図４】本発明の第２の実施の形態で使用する不安定型
共振器の構成を示す図。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る出力分布を示
す図。

【図６】本発明の第３の実施の形態で使用する不安定型
共振器の構成を示す図。

【図７】本発明の第４の実施の形態で使用する不安定型
共振器の構成を示す図。

【図８】従来例に係る不安定型共振器を用いるレーザ光
の発生方法を説明するための図。

【符号の説明】

１…超音速ノズル ２…凹面鏡 ３…凸面鏡 ４…出力鏡 ５１，５２…平面鏡 ６…レーザ媒質 ２１…凹面鏡 ２２…凹面鏡 ３１…凸面鏡 ３２…凸面鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 知之 愛知県小牧市大字東田中1200番地 三菱重 工業株式会社名古屋誘導推進システム製作 所内 Ｆターム(参考） 5F071 AA05 DD05 EE04 JJ04 5F072 AA05 JJ04 KK04 KK05 KK06 YY06

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ媒質を形成する気体の流れ方向に対
   してレーザ光の光軸がほぼ直交するよう凹面鏡、折返し
   ミラー、凸面鏡、及び出力鏡を設けた不安定型共振器に
   おいて、 前記凹面鏡は、前記光軸に対する前記気体の流れ方向の
   下流部分の曲率半径が上流部分の曲率半径より小さいこ
   とを特徴とする不安定型共振器。
2. 【請求項２】前記凹面鏡は、前記上流部分の曲率半径が
   共焦点型ミラーの曲率半径であることを特徴とする請求
   項１に記載の不安定型共振器。
3. 【請求項３】前記凸面鏡は、前記光軸に対する前記気体
   の流れ方向の下流部分の曲率半径が上流部分の曲率半径
   より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の
   不安定型共振器。
4. 【請求項４】前記折返しミラーは曲率を有することを特
   徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の不安定型共
   振器。
5. 【請求項５】前記折返しミラーは、その曲率半径が共焦
   点型ミラーの曲率半径より大きいことを特徴とする請求
   項４に記載の不安定型共振器。
6. 【請求項６】前記光軸に対する前記気体の流れ方向の下
   流部分に不安定型共振器を併設したことを特徴とする請
   求項１乃至５のいずれかに記載の不安定型共振器。
7. 【請求項７】前記不安定型共振器内に設置する折返しミ
   ラーのうち、少なくとも一つが曲率を有することを特徴
   とする請求項６に記載の不安定型共振器。