JP2007317898A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ミラー（反射面）の熱を効率良く冷却することができ、またレーザ発振装置内部にミラーを配設する際に生じ得るミラー配設の制限を緩和することができる、レーザ発振装置を提供する。
【解決手段】本発明に係わるレーザ発振装置１００は、装置内部に存するレーザ経路中に配設されており、レーザ光を反射させる反射面２０を有するミラー（たとえば、第一の折り返しミラー５）を、備えている。さらに、当該反射面２０の背面の少なくとも一部は、反射面２０を冷却することが可能な冷却水路２３の壁面の一部を構成している。
【選択図】 図３

Description

この発明は、レーザ発振装置に係る発明であり、たとえば、三軸直交型レーザ発振（共振）装置に適用することができる。

内部に、レーザ光を反射するミラーが配設されているレーザ発振装置の従来構造として、たとえば特許文献１に開示されている装置が存在する。特許文献１に開示されているレーザ発振装置は、全反射ミラー、ミラー支持部材、冷却水路、全反射ミラーを固定する押さえ環、熱伝導性繊維、および伝熱性接着剤等により構成されている。

特開平１０−３０７２４６号公報

一般的に、内部にレーザ光を反射するためのミラーが配設されている場合には、たとえばレーザ光のパワー増大によるミラーの熱歪みが問題となる。なぜなら、ミラーの熱歪により、当該ミラーのアライメントがずれるからである（つまり、ミラーの角度調整等の狂いが生じるからである）。したがって、ミラーの過熱を防止するために、当該反射ミラーを冷却する必要が生じる。

特許文献１に開示されている構造では、ミラーで吸収されたレーザ光の熱を逃す経路は、押さえ環からミラー支持部材へと向かう経路および、熱伝導性繊維から伝熱性接着剤を経てミラー支持部材へと向かう経路となる。しかし、それぞれの部材間には接触熱抵抗があるので、いずれの経路においても冷却効率は良いとは言えない。

また、特許文献１に開示されている構造では、全反射ミラーを押圧固定する押さえ環を使用しているため、ミラー反射面の周囲にある程度の面積が必要となる。したがって、ミラー周辺に余分な面積が存在するので、狭いレーザ発振装置内部におけるミラー配設に制限が生じ得る。

そこで、本発明は、ミラー（より具体的には、当該ミラーが有する反射面）の熱を効率良く冷却することができ、またレーザ発振装置内部にミラーを配設する際に生じ得るミラー配設の制限を緩和することができる、レーザ発振（共振）装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のレーザ発振装置は、装置内部に存するレーザ光経路中に配設されており、レーザ光を反射させる反射面を有するミラーを、備えるレーザ発振装置であって、前記反射面の背面の少なくとも一部は、前記反射面を冷却することが可能な冷却水路の壁面の一部を構成している。

本発明の請求項１に記載のレーザ発振装置は、装置内部に存するレーザ経路中に配設されており、レーザ光を反射させる反射面を有するミラーを、備えるレーザ発振装置であって、前記反射面の背面の少なくとも一部は、前記反射面を冷却することが可能な冷却水路の壁面の一部を構成している。

したがって、反射面で吸収されたレーザ光による熱は、反射面の背面に存する冷却水路内に流れる冷却水により、直接的かつ即座に冷やされる（つまり、反射面２０の効率的な冷却が可能となる）。よって、反射面を間接的に冷却する場合よりも、レーザ光照射による反射面の温度上昇を抑制することができるので、反射面の温度上昇に起因した当該反射面等の歪みの発生を抑制することができる。

図１は、一般的な、三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置の概略構成を示す図である。ここで、図１に示す概略構成図は、装置外部に向けて出射されるレーザ光の光軸方向から見た概略断面図である。また、図２は、図１の電極間におけるレーザ光の様子を示す斜視図である。より具体的に、図２は、図１の点線で囲まれた部分の拡大構成図である。なお、図１，２には、説明の容易化のため各々座標軸も図示している。また、図１では図面簡略化のため、図２で示す各ミラーの図示は省略している。

図１，２に示すように、三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００は、１対の電極部１、電源部２、全反射ミラー３、部分反射ミラー４、第一の折り返しミラー５、第二の折り返しミラー６、および熱交換器７により構成されている。

図１に示すように、各電極部１は電源部２と各々接続されている。また、電極部１間における放電空間１０には、レーザ媒質が存在する。また、熱交換器７から電極部１間に向けてＣＯ₂レーザガスのガス流１１が流れており、電極部１間から熱交換器７に向けてガス流１２が流れている。

図２において、第一の折り返しミラー５は、全反射ミラー３の配設側に設けられた折り返しミラーであり、第二の折り返しミラー６は、部分反射ミラー４の配設側に設けられた折り返しミラーである。なお、第一および第二の折り返しミラー５，６は、全反射ミラーと把握できるが、ここでの説明では、入射されてくるレーザ光の光軸方向と反射されるレーザ光の光軸方向とを略一致させる反射ミラーを「全反射ミラー」と称し、入射されてくるレーザ光の光軸方向と反射されるレーザ光の光軸方向とを異ならせる反射ミラーを「折り返しミラー」と称する。

図２に示すように、電極部１間の放電空間１０内において、レーザの光路は、略Ｚ字状に折り返されることにより共振し、部分反射ミラー４から（つまり、レーザ共振装置１００から）、所定の強度の出力レーザ光１５が出射される。ここで、前記記載および図１，２から明らかなように、各ミラー３，４，５，６は、装置内部に存する略Ｚ字状のレーザ光経路中に配設されている。

次に、三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００の動作について簡単に説明する。

２枚の電極部１間に電圧が印加され、電極部１間に放電電流が流れることにより、電極部１間に放電空間１０が形成される。レーザガスのガス流１１は、放電空間１０の部分で励起されレーザ媒質となる、図２に示す折り返しの光路の位置で励起エネルギーをレーザ光として放出する。ここで、ガス流１１は、熱交換器７によって冷却されたレーザガスが放電空間１０に流入している状態である。熱交換器７およびガス流１１，１２は、高出力ガスレーザ発振器においてレーザガスを冷却することによって発振効率を高めるという目的のために、必要なものである。

以上のように、放電電流の方向（ｙ方向）とガス流の方向（ｚ方向）とレーザ共振器の光路（ｘ方向）が互いに直交しているので、「三軸直交型」と称される。

上記折り返し共振器構造を持つ三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００では、共振器構造部分のアライメント（つまり、レーザ光の経路の調整）は、たとえば全反射ミラー３、第一の折り返しミラー５、および第二の折り返しミラー６等の角度を調整して行っていた。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

なお、以下の各実施の形態では、レーザ光を折り返すことができる折り返しミラー５，６を備える、三軸直交型レーザ共振（発振）装置１００について、本発明（具体的には後述する図３，４，６，７に示す構成）を適用する場合に言及する。しかし、装置内部に存するレーザ経路中に配設されており、レーザ光を反射させる反射面を有するミラーを備えるレーザ発振装置であれば、他のレーザ発振（共振）装置であっても本発明（具体的には後述する図３４，６，７に示す構成）を適用することができる。

＜実施の形態１＞
図３は、本実施の形態に係わる第一の折り返しミラー５の構造を示す平面図である。ここで、図３は、図１、２のｘ方向から見た平面図である。また、図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す断面図である。ここで、図４は、図３のＡ−Ａ断面を図１，２に示したｚ軸方向から見た断面図である。なお、図３，４では、二つの第一の折り返しミラー５が図示されている。また、図３，４には、説明の容易化のため各々座標軸（図１，２と共通の座標軸系）も図示している。

図３，４に示すように、第一の折り返しミラー５は、レーザ光を全反射させる反射面２０を有している。また、図４に示すように、当該反射面２０の背面の全面は、反射面２０を冷却することが可能な冷却水路２３の壁面の一部を構成している。

また、図３，４から分かるように、第一の折り返しミラー５は、反射面２０と、冷却水路２３と、第一の折り返しミラー５の傾き角度を調整することが可能なアライメント部２１，２２とが、一部材により構成された構造体である。

図４に示すように、第一の折り返しミラー５は、所定の形状を有する立体の構造体である。また、当該構造体は外部（図４において、−ｘ方向）に突出した部分を有しており、当該外部に突出した部分の外面に反射面２０が形成されている。

また、図４に示すように、当該構造体の内部には、所定の形状（パターン）の冷却水路２３が形成されている。ここで、上述の通り、反射面２０の背面が冷却水路２３の壁面の一部を構成している。つまり、冷却水路２３の一部が反射面２０の裏側に形成されている。したがって、当該冷却水路２３の一方の口から他方の口に向けて冷却水を供給し、当該冷却水路２３に冷却水を流すことにより、レーザ照射により温度が上昇している反射面２０を上記背面から直接的に冷却することができる。

また、図３に示すように、当該構造体の外部には、アライメント部２１，２２が形成されている。当該アライメント部２１，２２は、支点部２１と力点部２２とから構成されている。支点部２１を基点とし、ネジ等により力点部２２に対して外力を加えることにより、第一の折り返しミラー５の角度調整を行うことができる。たとえば、支点部２１および力点部２２ａを固定し、力点部２２ｂに外力を加えることにより、図３に示すｚ軸を軸にして第一の折り返しミラー５を所定の角度に傾けることができる。また、支点部２１および力点部２２ｂを固定し、力点部２２ａに外力を加えることにより、図３に示すｙ軸を軸にして第一の折り返しミラー５を所定の角度に傾けることができる。

また、立体の構造体である第一の折り返しミラー５は、金属または半導体から成る。たとえば、当該第一の折り返しミラー５を、銅、モリブデン、アルミニウム、真鍮などの金属やシリコンなどの半導体から構成することができ、当該金属や半導体を削りだし、或いは鋳造することにより、上記構造の（つまり、反射面２０、冷却水路２３およびアライメント部２１，２２が一体的に構成された）第一の折り返しミラー５を製造することができる。

以上のように、本実施の形態では、第一の折り返しミラー５の反射面２０の背面が、冷却水路２３の壁面の一部を構成している。

したがって、反射面２０で吸収されたレーザ光による熱は、反射面２０の背面に存する冷却水路２３内に流れる冷却水により、直接的かつ即座に冷やされる（つまり、反射面２０の効率的な冷却が可能となる）。よって、特許文献１に係わる技術のように反射面を間接的に冷却する場合よりも、レーザ光照射による反射面２０の温度上昇を抑制することができるので、反射面２０の温度上昇に起因した当該反射面２０等の歪みの発生を抑制することができる。このように、レーザ光の光軸が反射面２０でずれることが抑制できるので、より高出力なレーザ光を使用する場合でも、安定した出力のレーザ光を発振できるレーザ装置を構成することができる。

なお、反射面２０の背面の少なくとも一部が、冷却水路２３の壁面の一部を構成していれば良い。しかし、図４に示すように、反射面２０の背面の全面が冷却水路２３の壁面の一部を構成することにより、より効率良く反射面２０を冷却することができる。

また、第一の折り返しミラー５は、反射面２０、冷却水路２３、およびアライメント部（支点部２１、力点部２２）とが、一部材により構成された構造体である。

したがって、本実施の形態では、特許文献１に係わる装置（図５参照）のように、ミラー１２０の表面を押圧することにより当該ミラー１２０を保持部１５０に固定するための部材１６０および、当該部材１６０による押圧固定の際にミラー１２０の周囲に生じるミラーの押さえしろ１７０を要さない。

このように、特許文献１に係わる技術（図５）に比べて余分なスペースが省略できるので、三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００内部に第一の折り返しミラー５を配設する際に生じ得る、ミラー配設の制限を緩和することができる。よって、隣り合った第一の折り返しミラー５同士をより密に配置することも可能となり、また三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００の内部構成の自由度も大きくなる。

また、上記の通り第一の折り返しミラー５は、アライメント部（支点部２１、力点部２２）も同一部材において形成されている。したがって、第一の折り返しミラー５と別部材としてアライメント部（支点部２１、力点部２２）を設ける構成と比較して、構造の複雑化を防止することができる。

なお、上述の通り、反射面２０の熱は冷却水路２３内に流れる冷却水により直接的に冷やされるので、上記のように第一の折り返しミラー５を構成する部材においてアライメント部（支点部２１、力点部２２）をも形成したとしても、当該アライメント部２１，２２まで熱が伝わることはない。

また上記の通り、第一の折り返しミラー５は、金属により構成しても良く、シリコン等により構成しても良い。第一の折り返しミラー５が金属製である場合には、反射面２０、冷却水路２３およびアライメント部（支点部２１、力点部２２）が一体的に形成された第一の折り返しミラー５の、鋳造や削りだし等による製造をより簡単に行うことができる。また、第一の折り返しミラー５がシリコン製である場合には、熱膨張率が極めて低い第一の折り返しミラー５を提供することができる。

＜実施の形態２＞
図６は、本実施の形態に係わる第一の折り返しミラー５および当該第一の折り返しミラー５を保持するミラー保持部材３２の構造を示す平面図である。ここで、図６は、図１、２のｘ方向から見た平面図である。また、図７は、図６のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。ここで、図７は、図６のＢ−Ｂ断面を図１，２に示したｚ軸方向から見た断面図である。なお、図６，７では、二つの第一の折り返しミラー５および各第一の折り返しミラー５を各々保持する二つのミラー保持部材３２が図示されている。また、図６，７には、説明の容易化のため各々座標軸（図１，２と共通の座標軸系）も図示している。

図７に示すように、第一の折り返しミラー５は、断面視において凹状（コの字状）の形状・外観を有している。さらに図６，７に示すように、第一の折り返しミラー５は、レーザ光を全反射させる反射面３１を有している。ここで、図６，７に示すように、断面が凹状の第一の折り返しミラー５の凹んだ部分の底面が、反射面３１の背面となる。つまり、第一の折り返しミラー５において、窪みが形成されている側と反対側の平面が反射面３１となる（図７において、反射面３１の法線方向は、「−ｘ」方向であり、反射面の背面（凹んだ部分の底面）の法線方向は、「ｘ」方向である）。

なお、本実施の形態おいても図７に示すように、反射面３１の背面の全面は、当該反射面３１を冷却することが可能な冷却水路３３の壁面の一部を構成している。

また、図７から分かるように、ミラー保持部材３２は、図示していないネジ等を介して、第一の折り返しミラー５を保持・固定している。なお、図７に示すように、ミラー保持部材３２と第一の折り返しミラー５との接触部分には、オーリング３８が介在している。図７に示すように、ミラー保持部材３２の内側には、冷却水の路となる冷却水路３３の一部が形成されている。

さらに、図６に示すように、ミラー保持部材３２の外側には、当該ミラー保持部材３２により保持・固定されている第一の折り返しミラー５の傾き角度を調整することができる、アライメント部（支点部３４および力点部３５）が形成されている。なお、アライメント部（支点部３４および力点部３５）による第一の折り返しミラー５の傾き角度の調整方法は、実施の形態１で説明した内容と同様であるので、ここでの当該方法の詳細な説明は省略する。

また、図７に示すように、第一の折り返しミラー５がミラー保持部材３２により保持されている状態において、冷却水路３３が完成される。つまり、第一の折り返しミラー５とミラー保持部材３２とを組み合わせることにより、冷却水が流れる所定の形状の冷却水路３３が成立する。ここで、上述の通り反射面３１の背面が冷却水路３３の壁面の一部を構成している。

このように、冷却水路３３の一部が反射面３１の背面（裏側）に形成されているので、当該冷却水路３３の一方の口から他方の口に向けて冷却水を供給し、当該冷却水路３３に冷却水を流すことにより、レーザ光照射により温度が上昇している反射面３１を上記背面から直接的に冷却することができる。

また、上記凹状（コの字状）の第一の折り返しミラー５および／またはミラー保持部材３２は、金属（たとえば、銅、モリブデン、アルミニウム、真鍮）または半導体（たとえばシリコン）から成る。当該金属や半導体を削りだし、或いは鋳造することにより、上記構造の第一の折り返しミラー５やミラー保持部材３２を製造することができる。

以上のように、本実施の形態では、第一の折り返しミラー５の反射面３１の背面が、冷却水路３３の壁面の一部を構成している。

したがって、実施の形態１と同様に、反射面３１で吸収されたレーザ光による熱は、反射面３１の背面に存する冷却水路３３内に流れる冷却水により、直接的かつ即座に冷やされる（つまり、反射面３１の効率的な冷却が可能となる）。よって、特許文献１に係わる技術のように反射面を間接的に冷却する場合よりも、レーザ光照射による反射面３１の温度上昇を抑制することができるので、反射面３１の温度上昇に起因した当該反射面３１等の歪みの発生を抑制することができる。このように、レーザ光の光軸が反射面３１でずれることが抑制できるので、より高出力なレーザ光を使用する場合でも安定した出力のレーザ光を発振できるレーザ装置を構成することができる。

また、図７に示すように、反射面３１の背面の全面が冷却水路３３の壁面となっている。よって、反射面３１の背面の一部が冷却水路３３の壁面となる場合よりも、効率良く反射面３１を冷却することができる。

なお、本実施の形態においても、第一の折り返しミラー５をミラー保持部材３２に保持・固定するに当たり、図５に示したようた、ミラー１２０周辺の押さえしろ１７０は要さない（本実施の形態では、第一の折り返しミラー５は、ネジやオーリング３８等を介して、ミラー保持部材３２と結合している）。

よって、特許文献１に係わる技術（図５）に比べて余分なスペースが省略できるので、三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００内部に第一の折り返しミラー５を配設する際に生じ得る、ミラー配設の制限を緩和することができる。よって、隣り合った第一の折り返しミラー５同士をより密に配置することも可能となり、また三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置１００の内部構成の自由度も大きくなる。

また、本実施の形態では、第一の折り返しミラー５と、冷却水路３３の大部分およびアライメント部３４，３５が形成されているミラー保持部材３２とは、別部材である。したがって、第一の折り返しミラー５を交換する際には、交換対象の第一の折り返しミラー５のみを交換すれば良く、ミラー保持部材３２の交換までも要さず、また単にミラー保持部材３２に対して第一の折り返しミラー５を着脱するだけである。よって、第一の折り返しミラー５の交換に掛かるコストの削減、および当該交換作業の容易性を図ることができる。

なお、上述の通り、反射面３１の熱は冷却水路３３内に流れる冷却水により直接的に冷やされるので、反射面３１の熱が、ミラー保持部材３２の外周部に形成されるアライメント部まで熱が伝わることはない。

また上記の通り、第一の折り返しミラー５やミラー保持部材３２は、金属により構成しても良く、シリコン等により構成しても良い。第一の折り返しミラー５やミラー保持部材３２が金属製である場合には、凹状（コの字状）の第一の折り返しミラー５や、冷却水路３３の大部分およびアライメント部（支点部３４、力点部３５）が形成されたミラー保持部材３２の、鋳造や削りだし等による製造をより簡単に行うことができる。また、第一の折り返しミラー５やミラー保持部材３２がシリコン製である場合には、熱膨張率が極めて低い、第一の折り返しミラー５およびミラー保持部材３２を提供することができる。

なお、上記各実施の形態では、第一の折り返しミラー５に対して本発明の構造（図２，４，６，７）を適用する場合について言及した。しかし、同じく反射面を有する第二の折り返しミラー６や同じく反射面を有する全反射ミラー３に対して、本発明の構造（図３、４，５，７に開示した構造）を適用することもできる。

三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置の概略構成を示す図である。 三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置の電極間およびその周辺の様子を示す斜視図である。 実施の形態１に係わる第一の折り返しミラーの構成を示す平面図である。 実施の形態１に係わる第一の折り返しミラーの構成を示す断面図である。 従来の技術を示す図である。 実施の形態２に係わる第一の折り返しミラーの構成を示す平面図である。 実施の形態２に係わる第一の折り返しミラーの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 電極部、３ 全反射ミラー、４ 部分反射ミラー、５ 第一の折り返しミラー、６ 第二の折り返しミラー、２０，３１ 反射面、２１，３４ 支点部（アライメント部）、２２，３５ 力点部（アライメント部）、２３ 冷却水路、３２ ミラー保持部材、３８ オーリング、１００ 三軸直交型ＣＯ₂ガスレーザ共振装置。

Claims (8)

1. 装置内部に存するレーザ光経路中に配設されており、レーザ光を反射させる反射面を有するミラーを、備えるレーザ発振装置において、
   前記反射面の背面の少なくとも一部は、前記反射面を冷却することが可能な冷却水路の壁面の一部を構成している、
   ことを特徴とするレーザ発振装置。
2. 前記背面の全面が、前記冷却水路の前記壁面の一部を構成している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記ミラーは、
   前記反射面と、前記冷却水路と、前記ミラーの傾き角度を調整することが可能なアライメント部とが、一部材により構成された構造体である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
4. 前記ミラーは、
   金属により成る、
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振装置。
5. 前記ミラーは、
   シリコンにより成る、
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振装置。
6. 前記ミラーは、
   断面視において凹状の形状を有しており、凹んだ部分の底面が前記背面となり、
   内側には、前記冷却水路の一部が形成されており、外側には、前記ミラーの傾き角度を調整することができるアライメント部が形成されており、前記ミラーを保持することが可能な、ミラー保持部材を、さらに備えており、
   前記ミラーが前記ミラー保持部材により保持されている状態において、前記冷却水路が完成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
7. 前記ミラーおよび／または前記ミラー保持部は、
   金属により成る、
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ発振装置。
8. 前記ミラーおよび／または前記ミラー保持部は、
   シリコンにより成る、
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ発振装置。
   

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