JP2005217119A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、部分透過ミラーや集光レンズ表面に付着する不純物を防止するため、レーザ導入管に気体導入部を設け、濾過されたエアーを流していたが、エアー流が乱流となり、ミラーやレンズの表面の空気が十分清浄化できないという課題があった。
【解決手段】 この課題を解決するために、本発明ではエアーの吹き出し口部にメッシュ状または細線を綿状に整形したエアー流の層流化手段を設け、ミラーやレンズの表面の空気を清浄化できるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ媒質を励起して光増幅用ミラーで光増幅を行い、光増幅用ミラーの一枚を部分透過用ミラーとしてレーザビームを出力するレーザ発振装置に関するものである。

従来のレーザ発振装置は図３に示すように、レーザ媒質１をレーザ媒質励起用電源２で励起し、部分透過ミラー４とレーザ光増幅用ミラー５によってレーザ発振させてレーザビーム６を発生させていた。この二つのミラー４，５はそれぞれミラーホルダー３ａ，３ｂによって保持されている。ミラー４は部分透過ミラーであるためレーザビームを外部に取り出すことが可能である。

なお部分透過ミラー４は一般に出力ミラーと呼ばれることが多い。

部分透過ミラー４、レーザ光増幅用ミラー５間で増幅されて、部分透過ミラー４から外部へ出力されたレーザビーム６は、レーザビーム保護用のレーザ導入管７の内部を通過した後、シャッターユニット８、光路管９の内部を順に通過し、反射ミラー１０により反射され、集光レンズ１１によって集光されてレーザ加工用のビームとして利用される。

シャッターユニット８は反射鏡８ａ、反射鏡８ａを駆動するアクチュエータ８ｂ、反射鏡８ａから反射されるレーザ光を吸収する吸収体８cにて構成され、レーザビーム６を外部へ取り出さないときには、アクチュエータ８ｂにより反射鏡８ａをレーザ光路中に移動させ、反射鏡８ａにより反射されたレーザビームを吸収体８ｃに吸収させるようにしている。

部分透過ミラー４の外側であるレーザ導入管７、シャッター８、および光路管９の内部は構造的に外部と密閉することが難しく、油・塵・鉄粉などの不純物を含む空気がこれらの光路の外部より流入する場合がある。不純物を含む空気が光路内に流入し、不純物がミラーや集光レンズの表面に付着すると、ミラーやレンズの表面にてレーザ光により焼損し、パワー低下やこれらの光学部品を著しく損傷することがある。

これを防止するために、これらの光学部品の近傍から濾過されたエアーや窒素などの気体を入れるといった技術が存在した（例えば特許文献１,２参照）。

従来のレーザ発振装置においてはエアーが供給される気体供給源１２、フィルタ１３ａ，１３ｂおよびエアーの噴出口である気体導入部１４ａ，１４ｂがこの目的を達成するために付加されたもので、気体供給源１２からフィルタ１３ａ，１３ｂによってエアーを濾過し、清浄なエアーを作り、気体導入部１４ａ，１４ｂからそれぞれ部分透過ミラー４および集光レンズ１１の近傍に清浄なエアーを送りこれらの光学部品近傍の空気を浄化している。

なお、気体供給源１２はエアーの代わりに不純物の少ない市販の窒素ガスボンベを用いて窒素ガスを供給してもよい。

また、エアーや窒素ガスの供給量をコントロールし、導入管内の圧力を外部より高くすることにより、外部からの空気の侵入を防止する場合もある（例えば特許文献３参照）。
特開昭６１−２８６０８５号公報 特開平３−６０８９０号公報 特開平７−１０５５０１号公報

部分透過ミラー４近傍および集光レンズ１１近傍の不純物を除去するエアーまたは窒素ガスは、通常の空気よりはるかに不純物の少ない物を使用するが、従来のように気体導入部１４ａ，１４ｂより、ただ勢いよく吹き出す方式では吹き出されたエアーは速度および流れの方向が不均一な、いわゆる乱流でありレーザ導入管７や集光レンズ１１近傍の光路管９の内部で渦流を生じやすい。このため、導入管や光路管内にもともと存在した汚れた空気が効率よく外部へ放出されず、ミラーやレンズ表面の不純物濃度を十分低減することができない。

本発明者らは、部分透過ミラー４表面のエアーが不純物を除去する効果（エアーパージ効果という）を調べるために、エアーのかわりに窒素ガスを用いて、部分透過ミラー４表面の酸素濃度を測定した。

当初、窒素ガス流量を増加すればそれに伴い、部分透過ミラー４表面の酸素濃度は低下すると予想されたが、測定の結果は窒素ガス流量の増加に伴いあるレベルまでは低下するものの、それ以上流量を増加させても酸素濃度が低下しないことがわかった。

また、酸素濃度は１００ppm以下を目標としたが、従来構造のエアー噴出し方式では０．２％（２００００ppm）が限界であった。

背景技術の中で述べたように、レーザ発振装置に使用される反射鏡、レンズといった光学部品は、埃や油分といった不純物にきわめて敏感であり、不純物の付着により発熱して性能が劣化したり、場合によっては表面の損傷が発生することがある。

近年、レーザ発振装置の高出力化の要望が高まり、出力光のエネルギー密度は増加傾向にあるが、従来は、これらの光学部品の汚染の防止が十分でなく、レーザ高出力化の障害となっている。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、安定した出力を得ることができ、信頼性の高いレーザ発振装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、導入管または光路管に供給するガスを層流化して流し込むため、不純物を含む空気を外部へ効率よく放出することができ、発振器の出力鏡や集光レンズ表面の不純物を最小限に低減することが可能で、レーザの出力が安定し信頼性の高いレーザ発振装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１と図２を用いて説明する。

（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である。
レーザ媒質１をレーザ媒質励起用電源２で励起し、出力ミラーである部分透過ミラー４と、レーザ光増幅用ミラー５によってレーザ発振させてレーザビーム６を発生させる。この
二つのミラー４，５はそれぞれミラーホルダー３ａ，３ｂによって保持されている。ミラー４は部分透過ミラーであるためレーザビームが外部に取り出せる。

部分透過ミラー４とレーザ光増幅用ミラー５間で増幅されて、部分透過ミラー４から外部へ出力されたレーザビーム６は、レーザビーム保護用のレーザ導入管７の内部を通過した後、シャッターユニット８、光路管９の内部を順に通過し、反射ミラー１０により集光レンズ１１の方向に反射され、集光レンズ１１によって集光されてレーザ加工用のビームとして利用される。

シャッターユニット８は反射鏡８ａ、反射鏡８ａを駆動するアクチュエータ８ｂ、反射鏡８ａから反射されるレーザ光を吸収する吸収体８cにて構成され、レーザビーム６を外部へ取り出さないときには、アクチュエータ８ｂにより反射鏡８ａをレーザ光路中に移動させ、反射鏡８ａにより反射されたレーザビームを吸収体８ｃに吸収させるようにしている。

また、エアーが供給される気体供給源１２やフィルタ１３ａ，１３ｂおよびエアーの噴出口である気体導入部１４ａ，１４ｂが設けられている。そして、気体供給源１２からフィルタ１３ａ，１３ｂによってエアーを濾過し、清浄なエアーを作り、気体導入部１４ａ，１４ｂからそれぞれ部分透過ミラー４および集光レンズ１１の近傍に清浄なエアーを送りこれらの光学部品近傍の空気を浄化している。

なお、気体供給源１２はエアーの代わりに不純物の少ない市販の窒素ガスやアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを用いてもよい。

また、エアーや窒素ガスの供給量をコントロールし、導入管内の圧力を外部より高くすることにより、外部からの空気の侵入を防止する場合もある。

本実施の形態においては、レーザ導入管７に接続される気体導入部１４ａおよび集光レンズ１１近傍の気体導入部１４ｂの内側にそれぞれ層流化手段１５ａおよび１５ｂを設け、気体供給源１２からフィルタ１３ａ，１３ｂを介して供給される清浄なエアーを層流化して部分透過ミラー４および集光レンズ１１の表面部に吹き出すことができるようになっている。

図２（ａ）は本実施の形態におけるレーザ導入管７の詳細図であり、１４ａは気体導入部、１５ａはメッシュ状の層流化手段、１７はエアホースである。

エアホース１７を通り気体導入部１４ａより吹き出したエアー２１はメッシュ状の層流化手段１５ａを通過することによってレーザ導入管７の内部へと供給される。

気体導入部１４ａより吹き出されるエアー２１は速度や流れの方向が不均一な乱流であり、エアー流量を増加するとその傾向はさらに顕著になってくる。図２（ａ）において層流化手段１５ａは、気体導入部１４ａの後段に配置され、丸形状のメッシュフィルター複数枚を積み重ねている。エアー経路にこのようなメッシュフィルターを挿入するとエアー流は一度メッシュフィルターの目を通して吹き出されるため均一な流れになる。この現象は水をジョウロから放出する場合の原理と同じである。

なお、メッシュフィルターの目は細かなほど効果があるが、あまり細かなものは製作困難であるので、複数枚のメッシュを重ね合わせて使用している。

層流化されたエアー流は部分透過ミラー４の表面を浄化し、不純物が付着するのを防ぐ
のである。

また、丸形状のメッシュフィルターが好適であるが、多角形状のメッシュフィルターでもよい。

図２（ａ）では、レーザ導入管７について図示しているが、集光レンズ
１１近傍の光路管に関しても動作は同じであるので、説明を省略する。

図２（ｂ）はメッシュ状の層流化手段のさらに効果的な例を示すもので、メッシュサイズの異なるメッシュフィルター１５ａａ，１５ａｂを交互に各４枚重ね、効果を高めたものである。メッシュサイズの同じものを重ねた場合、それぞれのメッシュフィルターの目が揃う場合があり、複数のメッシュフィルターを使用する効果が発揮できなくなるが、メッシュフィルター１５ａａ，１５ａｂを交互に各４枚重ねた方法では、エアー流が必ず異なるメッシュサイズの間を蛇行して流れるため優れた効果を得ることできる。

図２（ｃ）は本発明の別の実施の形態を表したもので、図２（ｂ）におけるメッシュフィルター１５ａの代わりにステンレスなどの細線を綿形状にしたフィルター１８を用いて層流化を行うもので、実験によればこの構成においても層流化の効果をあげることが確認できた。

以上のような層流化手段を用いることにより、部分透過ミラー４や集光レンズ１１表面の不純物を含む空気濃度を容易に１００ppm以下にできることが確認された。

また、背景技術で説明したような外部光路内への清浄なエアーによる不純物の除去は、従来、レーザ発振装置が動作中の昼間のみ行っていたが、レーザ発振装置が停止中の夜間や休日なども光路外部の不純物を含む空気がレーザ導入管や光路管内に侵入し、部分透過ミラーや集光レンズの表面に不純物が付着する可能性がある。これらの光学部品の清浄度を守るためにはレーザ発振装置が停止時や、夜間にも行ったほうが、より良好な効果が得られる。

本発明のレーザ発振装置は、導入管または光路管に供給するガスを層流化して流し込むため、不純物を含む空気を外部へ効率よく放出することができ、発振器の出力鏡（部分透過鏡）や集光レンズ表面の不純物を最小限に低減することができ、レーザの出力が安定し信頼性の高いレーザ発振装置等として産業上有用である。

本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の説明図 （ａ）同実施の形態におけるレーザ導入管部の詳細図（ｂ）同実施の形態における層流化手段の説明図（ｃ）同実施の形態における別の層流化手段の説明図 従来におけるレーザ発振装置の説明図

符号の説明

４ 部分透過ミラー
５ レーザ光増幅用ミラー
６ レーザビーム
７ レーザ導入管
９ 光路管
１４ａ，１４ｂ 気体導入部
１５ａ，１５ｂ 層流化手段
１５ａａ，１５ａｂ メッシュフィルター
１８ フィルター

Claims (9)

1. 少なくとも一対のレーザ光増幅用ミラーを有したレーザ発振部と、前記レーザ発振部から出力されたレーザビームを外部に導くレーザ導入管と、前記レーザ導入管の一部に気体を導入する気体導入部とを備え、前記気体導入部の導入口にミラー汚れ防止手段を設けたレーザ発振装置。
2. ミラー汚れ防止手段はメッシュ状の層流化手段を有した請求項１記載のレーザ発振装置。
3. 層流化手段はメッシュを複数重ね合わせた請求項２記載のレーザ発振装置。
4. 層流化手段はメッシュサイズの異なるメッシュを交互に重ね合わせた請求項３記載のレーザ発振装置。
5. 層流化手段は細線を綿形状にしたものである請求項２記載のレーザ発振装置。
6. レーザ導入管に導入される気体は、レーザ発振装置が停止中も導入される請求項１から５のいずれかに記載のレーザ発振装置。
7. 気体は不活性ガスである請求項１から６のいずれかに記載のレーザ発振装置。
8. 気体は窒素ガスである請求項１から６のいずれかに記載のレーザ発振装置。
9. 気体はエアーである請求項１から６のいずれかに記載のレーザ発振装置。
   

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