JP2004327469A

JP2004327469A - ガスレーザ発振装置

Info

Publication number: JP2004327469A
Application number: JP2003115567A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Nishimura; 哲二西村; Hiroyuki Hayashikawa; 洋之林川; Hitoshi Motomiya; 均本宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】従来技術においては、スペーサ表面に深さが放電管内径に対し０．０２倍〜０．３０倍とし、光軸方向に対する傾斜角を１５〜４５ｄｅｇｒｅｅとした溝を設け、このスペーサに設けた溝部分にて散乱光を分散させ、減衰消滅させる試みもなされたが、従来は単に、光軸方向に対して、垂直方向に同心円状に溝を切った構造をとっていたために、散乱光の抑制が十分できなかった。
【解決手段】中空のスペーサ１８のレーザ光があたる部分に円錐の凹部２０をもうけ、円錐の凹部２０はできるだけ多くの数を配置し、円錐の凹部２０の傾斜角を鋭角とした構成をとることで散乱光１７を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成を示す。以下、図５を参照しながら従来の軸流型ガスレーザ発振装置を説明する。
【０００３】
この図において、１０１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、１０２，１０３は放電管１０１の周辺に設けられた電極、１０４は電極１０２，１０３にそれぞれ接続された電源、１０５は電極１０２，１０３間に挟まれた放電管１０１内の放電空間、１０６はほぼ全反射する終段鏡、１０７は部分反射する出力鏡であり、この終段鏡１０６，出力鏡１０７は放電空間１０５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。
【０００４】
１０８は、出力鏡１０７より出力されるレーザビームである。また、１０９はレーザガスの流れる方向であり図中矢印で示し、１００〜２００Ｔｏｒｒ程度の圧力で、軸流型ガスレーザ発振器の中を循環している。
【０００５】
１１０はレーザガス流路であり、１１１および１１２は放電空間１０５における放電と送風機１１３の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、送風機１１３はレーザガスを循環させるものであり、この送風機１１３により放電空間１０５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。レーザガス流路１１０と放電管１０１は、レーザガス導入部１１４で接続されている。
【０００６】
また、１１５はレーザ光の光軸で、１１６は放電管ホルダで放電管１０１と出力鏡１０７を保持し、１２６は放電管ホルダで放電管１０１と終段鏡１０６を保持し、１１８は中空のスペーサである（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
以上が従来のレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【０００８】
送風機１１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１１０を通り、レーザガス導入部１１４より放電管１０１内へ導入される。この状態で電源１０４に接続された電極１０２，１０３から放電空間１０５に放電を発生させる。放電空間１０５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは終段鏡１０６および出力鏡１０７により形成された光共振器で共振状態となり、出力鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される。このレーザビーム１０８が切断や溶接に代表されるレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００９】
図６は従来のスペーサ部の拡大図である。１１８は中空のスペーサ、１１７は散乱光、１１９がスペーサ１１８の内周面に設けられた溝である。従来においては、スペーサ１１８の内周面に深さが放電管１０１の内径に対し０．０２倍〜０．３０倍で、光軸１１５の方向に対する傾斜角を１５〜４５ｄｅｇｒｅｅとした溝１１９を設け、このスペーサ１１８に設けた溝１１９で散乱光１１７を分散させ、減衰消滅させる試みもなされた。
【００１０】
光共振器内でのレーザ光共振の際、光軸１１５に対して平行な光のみが増幅されてレーザビーム１０８として取り出されることが理想であるが、実際には反射や回折によって、光軸１１５に対して平行でない散乱光１１７が発生してしまうため、散乱光１１７がレーザビーム１０８に混入することにより、レーザビーム１０８の質が低下し、例えばレーザ切断を行う際に、モード形状が悪くなり、これが集光性に影響するため切断速度が低下するなどの問題があった。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２５２３９６公報（第３頁、第１図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のガスレーザ発振装置においては、この問題を解決するための従来の取り組みとして、終段鏡１０６および出力鏡１０７近傍に、アパーチャと呼ばれる中空のスペーサ１１８を配置し、中空のスペーサ１１８によって散乱光１１７を遮ることでレーザビーム１０８中に散乱光１１７が混入することを抑制する試みもなされている。しかし、散乱光１１７が中空のスペーサ１１８の溝１１９に入る角度で減衰せずに反射してしまうため、散乱光の現象に結びつかず、大きな効果は得られていない。
【００１３】
本発明は、上述のごとき課題を解決することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明のガスレーザ発振装置は、放電管中のレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生する放電手段と、前記レーザ光を発振させる発振手段と、前記レーザ光の光軸上に設けた少なくとも一対の光学手段と、前記光学手段間に設けた中空部材とを備え、前記中空部材は前記レーザ光があたる部分に円錐状の凹部を設けることによって、レーザビームの質が高まり、切断速度の向上などのレーザ加工性能が向上できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置を示す。この図に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２，３は放電管１に設けられた電極、４は電極２，３にそれぞれ接続された電源、５は電極２，３間に挟まれた放電管１内の放電空間、６はほぼ全反射する終段鏡、７は部分反射する出力鏡であり、この終段鏡６と出力鏡７は放電空間５の両端に配置され、光共振器を形成している。また、８は出力鏡７より出力されるレーザビームである。
【００１７】
９はレーザガスの流れる方向を示す矢印で、１００〜２００Ｔｏｒｒ程度の圧力で軸流型ガスレーザ発振装置の中を循環している。１０はレーザガス流路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機１３の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換機、送風機１３はレーザガスを循環させるものであり、この送風機１３により放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流を得ている。また、レーザガス流路１０と放電管１は、レーザガス導入部１４で接続されている。
【００１８】
以上が軸流型ガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。
【００１９】
送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で電源４に接続された電極２，３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは終段鏡６および出力鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、出力鏡７からレーザビーム８が出力される。
【００２０】
そして、このレーザビーム８が切断・溶接に代表されるレーザ加工等の用途に用いられる。また、終段鏡６および出力鏡７によって形成された光共振器と放電管１との配置で光軸１５が決まる。放電管１と出力鏡７は放電管ホルダ１６によって保持され、放電管１と終段鏡６は放電管ホルダ２６によって保持されている。放電管ホルダ１６に隣接して中空のスペーサ１８が配置されている。
【００２１】
また、図２に示すように、中空のスペーサ１８のレーザ光があたる部分には円錐の凹部２０が設けられている。
【００２２】
前述したように、光共振器内でのレーザ光共振の際、光軸１５に対して平行な光のみが増幅されてレーザビーム８として取り出されことが理想であるが、実際には反射や回折によって、光軸１５に対して平行でない散乱光１７が発生してしまう。
【００２３】
ここで円錐の凹部２０の大きさを均一に設けることにより、品質に優れ、製造し易いスペーサ１８となる。散乱光１７は中空のスペーサ１８のレーザ光があたる部分１９に当たった後、円錐の凹部２０内で多重反射を繰り返し減衰する。ここで、１つの円錐の凹部２０に入射しても少ししか減衰しない散乱光１７も別の円錐の凹部２０に入射して減衰したり、１つの円錐の凹部２０に入射しなかった散乱光１７も別の円錐の凹部２０に入射し、同様に１つまたは複数個の円錐の凹部２０に吸収され減衰する。
【００２４】
このため、従来に比べて十分減衰された散乱光１７は、例え円錐の凹部２０内で吸収されなくて円錐の凹部２０外に飛び出したとしても、その後、光軸１５から全く外れた方向へ飛んで行き、放電管１の内壁にあたりに吸収されて消滅する。その結果、散乱光１７はレーザビーム８中にほとんど混入することなく、レーザビーム８の質が低下することはない。
【００２５】
スペーサ１８は光軸１５に垂直である場合、円錐の凹部２０の光軸方向に対する傾斜角は、鋭角であることが好適である。
【００２６】
図３（ａ）は、円錐の凹部２０における辺の角度（ｄｅｇｒｅｅ）と散乱光の入光量の関係を示したものであり、図３（ｂ）はその円錐の拡大図である。散乱光１７は鈍角になると入射光が円錐の凹部へ向かう軌跡を取らずにまったく違う方向へ反射してしまう。本実施の形態においてはこの傾斜角（図３（ｂ）に示す辺の角度）は鋭角としているが、傾斜角が鋭角になるほど符合２１で示される深さが必要になるためスペーサ１８が大きくなるため、１５〜４５ｄｅｇｒｅｅが最も好適である。
【００２７】
またスペーサ１８の材質は、ＣＯ_２の波長領域にあわせた光吸収をしやすい金属部材として、例えばスペーサ１８のレーザ光があたる部分を、アルミニウムの表面の膜厚１０μｍ以上をアルマイト化させたり、アルミニウムの表面に膜厚１０μｍ以上のカーボンを蒸着するとより一層効果的である。これは反射光を極力吸収し共振空間に戻ることを防ぐ役割をするものと思われる。蒸着膜厚が１０μｍ未満であると、回折現象により、効果が低減してしまう。
【００２８】
なお、アルマイト部分やカーボン部分はスペーサ１８全体に施してもよい。
【００２９】
また、スペーサ１８の材質は、セラミックでも好適である。これはセラミック自体がレーザ光の吸収率が高いため、散乱光の吸収が効果的に行われるからである。
【００３０】
円錐の凹部２０は、大出力になるほど高い効果が得られる。これは、光共振空間における光の増幅は大出力になるほど内部エネルギーが増大するため、この中に存在する回折などによって発生する散乱光の量も増加するからである。
【００３１】
図４は、スペーサ１８に入射するレーザ光量と散乱光１７の量を示したものである。通常このモード形状は正規分布のような形をしており、傾きやフリンジのないものが望ましいが、散乱光１７が増加するとモード形状の中に顕著に表れ、フリンジなどのシワのようなものが発生する。本実施の形態は円錐の凹部２０で多重反射しているために、これまで取りきれなかった散乱光１７を確実に減衰させる機能がある。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のガスレーザ発振装置によれば、放電管中のレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生する放電手段と、前記レーザ光を発振させる発振手段と、前記レーザ光の光軸上に設けた少なくとも一対の光学手段と、前記光学手段間に設けた中空部材とを備え、前記中空部材は前記レーザ光があたる部分に円錐状の凹部を設け、前記円錐の凹部の傾斜角は鋭角としたことによって、散乱光がレーザビーム中に混入することを抑制し、レーザビームの質を高めることができる。これによりレーザ加工における切断速度の向上や、切断幅の減少などの加工性能向上ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の概略構成図
【図２】同実施の形態におけるスペーサの拡大説明図
【図３】（ａ）同実施の形態における円錐の凹部の辺の角度と散乱光の入光量との関係図
（ｂ）同実施の形態における円錐の拡大図
【図４】同実施の形態におけるレーザ光量とレーザビーム中の散乱光の量との関係図
【図５】従来のガスレーザ発振装置の概略構成図
【図６】従来のガスレーザ発振装置におけるスペーサの概略構成図
【符号の説明】
１放電管
２，３電極
４電源
５放電空間
６終段鏡
７出力鏡
８レーザビーム
９レーザガスの流れる方向
１０レーザガス流路
１１，１２熱交換器
１３送風機
１４レーザガス導入部
１５光軸
１６放電管ホルダ
１７散乱光
１８中空のスペーサ
１９レーザ光があたる部分
２０円錐の凹部

Claims

放電管中のレーザ媒質を放電励起してレーザ光を発生する放電手段と、前記レーザ光を発振させる発振手段と、前記レーザ光の光軸上に設けた少なくとも一対の光学手段と、前記光学手段間に設けた中空部材とを備え、前記中空部材は前記レーザ光があたる部分に円錐状の凹部を設けたガスレーザ発振装置。
円錐状の凹部は、鋭角な傾斜角度である請求項１記載のガスレーザ発振装置。
中空部材は光吸収材からなる請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
中空部材の少なくともレーザ光があたる部分にアルマイトの被膜を有した請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
中空部材の少なくともレーザ光があたる部分にカーボンを付着した請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。
中空部材はセラミックからなる請求項１または２記載のガスレーザ発振装置。