JP2011114112A - ガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】送風機や熱交換器など光共振器構成部分以外の構成を最小限とし、かつ最適なフレネル数を得て最適なレーザビームを取り出すことができるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供することを目的とする。
【解決手段】導波路型共振器におけるフレネル数が１以上となる構成を持つスラブレーザ共振器１を複数備え、複数のスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄを積層し、これら複数のスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄのレーザ射出口を隣り合うように配置したものである。
【選択図】図１

Description

本発明はスラブレーザ共振器を用いたガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機に関するものである。

送風機によるガス循環冷却を行わずにガスレーザの大出力化を行う構成として、対向させた平行平板状の２枚の電極間に放電空間を設け、放電によるガス温度上昇を平行平板との接触による拡散冷却によって抑制するいわゆるスラブレーザと呼ばれるものがあった（例えば特許文献１、２参照）。

図５に従来のスラブレーザの概略構成の一例を示す。

以下、図５を参照しながら従来のスラブレーザ発振装置について説明する。

図５に示すように従来のスラブレーザは、内部に冷却水循環装置（図示せず）と接続した絶縁処理を施したパイプ状の冷却水流路（図示せず）を設けた平行平板からなる電極１０２，１０３を有している。

また電極１０２，１０３には電源１０４が接続され、電極１０２，１０３に通電することにより、電極１０２，１０３の向かい合った空間を放電空間としている。

この放電空間に位置するレーザガスが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全反射鏡１０６および部分反射鏡１０７により形成された光共振器で共振状態となり、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される。

なお、このスラブレーザでは拡散冷却の方法をとるが、この冷却効率を上げるために平行平板からなる電極１０２，１０３間の距離を数ｍｍオーダーに設定する必要がある。

この場合、光共振器の空間も数ｍｍオーダーの平行平板間により制限されるので、光共振器は平行平板表面での反射を用いた導波路型（光の進行方向は４００〜５００ｍｍ程度、厚み方向は１〜３ｍｍ程度）になり、導波路での散乱による不純光発生により、光の質が低下する。したがって、レーザビーム１０８は質の悪い矩形でしか取り出せない。

このスラブレーザで作られるビームモードは、いわゆるシングルモードになり、集光スポット径が小さすぎるために、汎用の板金切断用途には不向きであるという欠点がある。

例えば良好な板金切断を実現するためのレーザビームの集光径には最適値が存在する。シングルモードでは、板金切断には集光径が小さ過ぎ、いわゆる薄板（板厚３〜４ｍｍ以下）のみの切断用途に限定すれば良好切断可能であるが、例えば出力４ｋＷクラスの出力のレーザ発振装置であれば、軟鋼は厚さ２５ｍｍ、ステンレスでは厚さ１２ｍｍ程度までの切断が求められる。

従来のスラブレーザではこの対応が難しいという問題があった。

一方、レーザ光共振器の理想形は、折返し鏡での反射を一部介するものの、基本的に向かい合った１対のミラー表面での反射で光の定在波を形成する方式であり、いわゆる安定型共振器と呼ばれるものであり、最も良質な光を取り出すことができる。

このような安定型共振器として軸流型ガスレーザ発振装置があり、図６は従来の軸流型ガスレーザ発振装置の光共振器部分を示した図である。

図に示すように、内部にレーザガスを配置した放電管１０１の両端には電極１０２，１０３を配置し、この電極１０２，１０３には電源１０４を接続して放電管１０１内部のレーザガスに放電を行うように構成している。

放電により励起されたレーザガスは、励起光を放出するが、電極１０２，１０３よりも外側の放電管１０１の両端に配置した全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７で構成した光共振器で共振状態となり、部分反射鏡１０７から円錐対象形の質の良いレーザビーム１０８が出力される構成になっている。

特開昭６３−１９２２８５号公報 特開平８−９７４８９号公報

しかしながら、この種の軸流型ガスレーザ発振装置は、図示しないが、放電により過熱したレーザガスを熱交換器に送風して冷却し、再び、放電管１０１にレーザガスを供給するレーザガス循環路が接続されており、その循環用に送風機が必要となっていた。

そのため従来の軸流型ガスレーザ発振装置は、装置全体が大きくなり、設置スペースに制約が発生する。さらに送風機や熱交換器など光共振器構成部分以外の構成が必要となるため、コスト面でも課題があった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、送風機や熱交換器など光共振器構成部分以外の構成を最小限とし、かつ最適なフレネル数を得て最適なレーザビームを取り出すことができるガスレーザ発振装置およびガスレーザ加工機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、導波路型共振器におけるフレネル数が１以上となる構成を持つスラブレーザ共振器を複数備え、前記複数のスラブレーザ共振器を積層し、前記複数のスラブレーザ共振器のレーザ射出口を隣り合うように配置したものである。

本発明は、複数のスラブレーザ共振器を積層する構成とすることにより、出力を増すとともにレーザビームの形として厚みを増すことができるので、質の良いレーザ加工を行うことができる。さらに、送風機を用いずにガス循環冷却を行うことができ、ガスレーザの大出力化を容易に実現しながら、板金切断に最適なレーザビームを取り出すことのできる発振器を実現できる。

（ａ）は本発明の実施の形態１におけるガスレーザ発振装置を構成するスラブレーザ共振器の構成図、（ｂ）は同ガスレーザ発振装置の側面図、（ｃ）は同ガスレーザ発振装置の切欠上面図 （ａ）は本発明の実施の形態２におけるガスレーザ発振装置の側面図、（ｂ）は同ガスレーザ発振装置の切欠上面図 （ａ）は本発明の実施の形態３におけるガスレーザ発振装置の側面図、（ｂ）は同ガスレーザ発振装置の切欠上面図 本発明の実施の形態４におけるガスレーザ加工機の構成図 従来のスラブ型ガスレーザ発振装置の構成図 従来の軸流型ガスレーザ発振装置の構成図

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に関するガスレーザ発振装置を示す。

図１（ａ）は、実施の形態１におけるガスレーザ発振装置に用いる導波路型共振器におけるフレネル数が１以上となる構成を持つスラブレーザ共振器のユニットを示す概要構成図、（ｂ）はこのスラブレーザ共振器のユニットを縦方向に積層した実施の形態１におけるガスレーザ発振装置の側面図、（ｃ）はこのガスレーザ発振装置を破断した上面図である。

図１（ａ）に示すスラブレーザ共振器１は、電極２，３に挟まれた放電空間４に対して、２枚のミラー５，６が対向配置されて導波路型のスラブレーザ共振器のユニットを構成している。なお、図示しないが、電極２，３には絶縁材で構成した冷却水通路を設けて電極２，３の放電で過熱されたレーザガスを冷却する構成である。また、電極２，３への電力を供給する電源や、この電源に指令信号を出してレーザ出力を制御する制御装置、スラブレーザ共振器を保持するケースなどは、従来のスラブレーザを構成するものと同じ構成が使用されている。

本実施の形態１で従来のスラブレーザ共振器と異なるのは、電極２，３間のギャップが１．５ｍｍ程度に設定され、２枚のミラー５，６間の距離が約５０ｍｍとなっていて、フレネル数が約１（従来のスラブレーザ共振器では、フレネル数は０．１程度で、フレネル数が小さいほど、モードはシングルに近づく）となっていることである。

なお、共振器のフレネル数とは、共振器構成を示すパラメータで、分子が開口半径の２乗、分母が波長および対向するミラー間距離の積で表現されるものである。

この構成にすると、従来のスラブレーザ共振器に比べてレーザビーム７の品質を上げることができる反面、放電体積が小さくなりレーザ出力が小さくなるので、図１（ｂ）に示すようにスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄをレーザ射出口を隣り合うように複数積層し、レーザビーム７ａ〜７ｂを複数合成することで、トータルでのレーザ出力を得るようにしている。

また、これらスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄをレーザ射出口を隣り合うように電極２，３方向に積層し、レーザビーム７ａ〜７ｄの厚みを増してレーザビームの形をレーザ加工に適した形に合成するようにしている。

この構成により、質が良く、かつ加工に適した形のレーザビームを得ることができる。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２に関するガスレーザ発振装置を示す。

図２（ａ）は、はスラブレーザ共振器のユニットを縦方向に積層した実施の形態２におけるガスレーザ発振装置の側面図、（ｂ）はこのガスレーザ発振装置を破断した上面図である。

なお、実施の形態１で説明した構成と同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図２（ａ）に示すガスレーザ発振装置は、上述した実施の形態１で使用したスラブレーザ共振器を用いる点で実施の形態１と同様であるが、本実施の形態２の特徴とする点は、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｄのレーザビーム７ａ〜７ｄ，１７ａ〜１７ｄを射出するレーザ射出口を対称形に配置して、それぞれスラブレーザ共振器を積層した点である。

図に示すように、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｄの積層方向は実施の形態１と同じ構成にしているが、これらスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｄのレーザ射出口が隣り合うようにスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄに対して横方向に左右対称にスラブレーザ共振器１１ａ〜１１ｄを配置し、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄと同じようにスラブレーザ共振器１１ａ〜１１ｄを電極方向に積層している。

このように積層したスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｄを左右対称に並べることで、コンパクトでありながら、さらに大出力化が可能となる。
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３に関するガスレーザ発振装置を示す。

図３（ａ）は、スラブレーザ共振器のユニットを縦方向に積層した実施の形態３におけるガスレーザ発振装置の側面図、（ｂ）はこのガスレーザ発振装置を破断した上面図である。

なお、実施の形態１，２で説明した構成と同じ構成については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図３に示すガスレーザ発振装置は、上述した実施の形態１で使用したスラブレーザ共振器を用いる点で実施の形態１と同じ構成で、また、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ及び１１ａ〜１１ｄを左右対象に積層する点は実施の形態２と同じ構成となるが、本実施の形態３の特徴は、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄのレーザビーム７ａ〜７ｄ、１７ａ〜１７ｄを射出するレーザ射出口に対してレーザビームの進行方向かつ横方向にもオフセットさせてスラブレーザ共振器２１ａ〜２１ｄとスラブレーザ共振器３１ａ〜３１ｄを配置した点である。

図に示すように、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄの積層方向および配置は実施の形態２と同じ構成にしているが、スラブレーザ共振器２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄをそのレーザ射出口が、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄのレーザ射出口と隣り合うように、スラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄに対してレーザビームの進行方向の前方にスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄの寸法分だけオフセットし、かつレーザビームの進行方向に対して横方向で左右対称に配置した。なお、スラブレーザ共振器２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄはスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄと同じように電極方向に積層している。

このように積層したスラブレーザ共振器１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄ、２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄを左右対称に並べ、さらにレーザビームの進行方向の前方向にオフセットして配置する事で、さらに大出力化が可能となる。
（実施の形態４）
以上の構成の本発明の実施の形態１から３に関するガスレーザ発振装置は、図４に示すガスレーザ加工機に使用可能であり、その概略構成について図４を参照しながら説明する。

この図において、上述した本発明のガスレーザ発振装置４１から出力したレーザビーム４２を反射鏡４３で反射することによりワーク４４方向へ進行方向を変更し、トーチ４５内部に備えられた集光レンズ４６によって前記レーザビーム４２を高密度のエネルギビームに集光して、ワーク４４に照射する。

なお、ワーク４４は加工テーブル４７上に固定されており、トーチ４５をＸ軸モータ４８あるいはＹ軸モータ４９によって、ワーク４４に対して相対的に移動することで、所定の形状の加工を行うように構成している。

本発明は、質の良いレーザ加工を行うことができるガスレーザ加工機およびそのガスレーザ加工機を構成するガスレーザ発振装置に利用することができる。

１、１ａ〜１ｄ、１１ａ〜１１ｄ、２１ａ〜２１ｄ、３１ａ〜３１ｄ、 スラブレーザ共振器
２、３ 電極
４ 放電空間
５、６ ミラー
７、７ａ〜７ｄ、１７ａ〜１７ｄ、２７ａ〜２７ｄ、３７ａ〜３７ｄ、４２ レーザビーム
４３ 反射鏡
４４ ワーク
４５ トーチ
４６ 集光レンズ
４７ 加工テーブル
４８ Ｘ軸モータ
４９ Ｙ軸モータ

Claims (4)

1. 導波路型共振器におけるフレネル数が１以上となる構成を有するスラブレーザ共振器を複数備え、前記複数のスラブレーザ共振器を積層し、前記複数のスラブレーザ共振器のレーザ射出口を隣り合うように配置したガスレーザ発振装置。
2. 前記複数のスラブレーザ共振器を、前記レーザ射出口が対称形となるように複数組配置した請求項１記載のガスレーザ発振装置。
3. 前記複数のスラブレーザ共振器のレーザ射出口をレーザビームの進行方向にオフセットさせて複数組配置した請求項２記載のガスレーザ発振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスレーザ発振装置と、ワークを乗せる加工テーブルと、前記ワークにレーザ光を集光する集光手段を備えたガスレーザ加工機。

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