JP2017034055A

JP2017034055A - 折返しミラーを備えたレーザ発振器

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Publication number: JP2017034055A
Application number: JP2015151687A
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Inventors: 佐藤　順; Jun Sato; 順佐藤; 哲久 ▲高▼實; Tetsuhisa Takami
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Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-09
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Abstract

【課題】モードホッピングを長期間にわたって抑制できる構成を備えたレーザ発振器の提供。【解決手段】レーザ発振器１０は、光軸１２上に配置された出力鏡１４と、リア鏡１６と、出力鏡１４とリア鏡１６との間でかつ光軸１２上に配置された少なくとも１つの折返しミラー１８と、出力鏡１４又はリア鏡１６と折返しミラー１８との間に配置された放電管２０とを備える光共振器２２を有し、折返しミラー１８の少なくとも１つは、トーリック面形状、鞍型曲面形状、又は円柱形状のミラーである。トーリック面形状、鞍型曲面形状、又は円柱面形状を有する折返しミラーの少なくとも１つは、該折返しミラーが設置された平面上で、該折返しミラー表面上の１点を通りかつ該折返しミラーの表面と垂直な直線を回転軸として回転可能となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、光軸上に配置された出力鏡とリア鏡との間に、少なくとも１つの折返しミラーを備えたレーザ発振器に関する。

レーザ発振器には、発振するレーザ光の次数が瞬間的に変化する、モードホッピングと呼ばれる現象が発生する場合がある。金属切断等の加工用途に用いられるレーザ発振器においてモードホッピングが発生すると、切断面に凹凸が発生したり、加工面が荒れたりするなどの加工不良が発生する場合があった。

モードホッピングを抑制するため、従来は、共振器を構成する出力鏡及びリア鏡の曲率半径、放電管の内径、並びに、共振器内に配置されるアパーチャの開口径、個数及び配置箇所等のパラメータを最適化していた。また、上記パラメータの調整だけではモードホッピングが抑制できない場合は、多くの場合は平面鏡が用いられる折返しミラーとして、凹面鏡を用いることもある。折返しミラーが平面の場合、高出力のレーザ光が照射されることによって折返しミラーが膨張し、折返しミラーがモードホッピング発生の原因になりうる凸形状に変形することがあるからである。

これに関連する先行技術として、例えば特許文献１には、折返しミラーとして凹面鏡（凹球面鏡及び凹円柱鏡）を用いた高出力レーザ装置が記載されている。

金属切断に使用されるレーザは、切断性能の向上のために高いレーザ出力が求められる。炭酸ガスレーザなどの高いレーザ出力を有する共振器は、レーザ発振時のレーザガスの熱分布により、レーザガス中に不均一な屈折率分布が生じることや、熱の影響により共振器が変形し、機械的なねじれや歪みが生じることが知られている。このような場合、不均一な屈折率分布や、機械的なねじれ及び歪を打ち消す向きに、トーリック面形状のような方向性を持った折返しミラーを共振器に実装することで、モードホッピングを抑制することができる。

これに関連する先行技術として、例えば特許文献２には、２つの凹面反射鏡を有し、該反射鏡の一方をトロイダル反射鏡とし、他方を球面、シリンドリカル、又はトロイダルの反射鏡のいずれかとしたレーザ集光装置が記載されている。

また特許文献３には、反射ミラーと、その反射面との間で光共振器を形成する出力ミラーと、反射ミラーと出力ミラーとの間に介在してレーザ光の方向を変える折り返しミラーとを備え、該折り返しミラーをトロイダルミラーとしたレーザ共振器が記載されている。

さらに特許文献４には、内面曲率がＸ方向とＹ方向とで異なる反射鏡を用いて、ビームモードの真円性の向上が図られたレーザ発振器が記載されている。

特開平０２−２０１９８１号公報特開平０８−２５２６８３号公報特開２０１１−０６６３００号公報特開２００４−３４２６８１号公報

モードホッピングの原因となる、レーザガス中の不均一な屈折率分布および、機械的なねじれや歪は、レーザ発振時の熱により生じる。そして、レーザ発振時の熱の発生量は発振器の状態によって変化する。そして、レーザ発振器を組立て又は製造した直後と、該レーザ発振器の長時間使用後とでは、長時間使用により生じた共振器内部のミラーの汚れ等により、発生する熱量が大きく異なる。よって、屈折率分布および機械的なねじれや歪みは、製造した直後と長時間使用後では異なる場合がある。つまり、製造した際は反射面の持つ方向性が、屈折率分布やねじれ、歪の方向に対して適切な方向であったとしても、長時間使用後では適切でなくなっている場合がある。このような場合、例えば特許文献２及び３に記載の構成では折返しミラーの方向を変更することができないので、モードホッピングが抑制できなかった。

また特許文献４には、出力鏡とリア鏡に、直交する２方向に関して異なる曲率半径を持つ形状のミラーを用いる構成が示されている。この構成により、発振するビームモードが楕円化する場合があるが、高出力のレーザ発振器では、高いレーザ出力を得るための放電領域が複数個所あり、放電領域毎に屈折率分布の方向性が異なる場合がある。また、一部の放電領域の周辺のみに共振器の歪が生じている場合もある。特許文献４では、このような場合に、放電領域毎にビームモードの最適化を図る手段が記載されていない。

なお特許文献１では、円柱形状のミラーを折返しミラーに用いる構成が示されているが、円柱形状のミラーは必ず球面鏡と組み合わせて用いられる構成になっており、さらには組み合わされた球面鏡の収差を解消するために、曲率半径および方向が限定される構成になっている。収差を解消する円柱形状の方向と、モードホッピングの発生とは無関係であり、この構成ではモードホッピングの抑制は困難と解される。

そこで本発明は、モードホッピングを長期間にわたって抑制できる構成を備えたレーザ発振器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、本願第１の発明は、光軸上に配置された出力鏡とリア鏡との間に少なくとも１つの折返しミラーを備える光共振器を備えたレーザ発振器であって、前記折返しミラーの少なくとも１つは、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状のミラーであり、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーのうち少なくとも１つは、該折返しミラーの反射面上の１つの点を通りかつ、該１つの点において該折返しミラーの反射面と垂直な直線を回転軸として回転可能に構成されている、レーザ発振器を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面において、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径の最小値が２００ｍ〜７００ｍの範囲にある、レーザ発振器を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記光共振器は、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーを少なくとも２つ有し、前記光共振器におけるレーザ光の進行方向をＺ軸とし、前記Ｚ軸に対して右手系をなすようにＸ軸及びＹ軸を定義し、レーザ光の中心と前記折返しミラーの各々との交点において前記折返しミラーの各々に接する接平面に、前記Ｘ軸及びＹ軸を転写し、前記折返しミラーの各々において、前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面でかつ、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と前記接平面との交線が、前記接平面に転写された前記Ｘ軸に対してなす角度が、前記少なくとも２つの折返しミラー間で互いに等しくなるように、前記少なくとも２つの折返しミラーが配置されている、レーザ発振器を提供する。

第４の発明は、第１又は第２の発明において、前記光共振器は、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーを少なくとも２つ有し、前記光共振器におけるレーザ光の進行方向をＺ軸とし、前記Ｚ軸に対して右手系をなすようにＸ軸及びＹ軸を定義し、レーザ光の中心と前記折返しミラーの各々との交点において前記折返しミラーの各々に接する接平面に、前記Ｘ軸及びＹ軸を転写し、前記折返しミラーの各々において、前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面でかつ、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と前記接平面との交線が、前記接平面に転写された前記Ｘ軸に対してなす角度が、前記少なくとも２つの折返しミラー間で、その差が９０°となるように、前記少なくとも２つの折返しミラーが配置されている、レーザ発振器を提供する。

本発明によれば、方向性のある反射面を持った折返しミラーを用いることで、発振するビームモードは、長軸と短軸で半径の異なる楕円形状となる。レーザ発振時の熱により生じる、レーザガスの不均一な屈折率分布、および機械的なねじれや歪を打ち消す向きにモードが楕円化すると、モードホッピングは抑制される。さらに、長期間の使用により、屈折率分布、および機械的なねじれや歪の程度は変化するため、モードホッピングが抑制される楕円の向きは変化する。折返しミラーを回転させることにより、楕円の向きを調整することができ、長期間にわたってモードホッピングを抑制することができる。

本発明の第１実施例に係るガスレーザ発振器の主要部の一構成例を示す図である。図１のガスレーザ発振器の折返しミラーの形状例として、トーリック面形状を示す図である。図１のガスレーザ発振器の折返しミラーの形状例として、鞍型面形状を示す図である。図１のガスレーザ発振器の折返しミラーの形状例として、円柱面形状を示す図である。本発明に係るレーザ発振器によって、楕円化されたビームモードの一例を示す図である。楕円化されたビームモードの長軸径及び短軸径と、モードホッピングの発生頻度との関係を示す図である。回転軸をもった折返しミラーの一例を示す図である。回転軸をもった折返しミラーの回転機構の一例を示す図である。回転軸をもった折返しミラーのロック機構の一例を示す図である。回転軸をもった折返しミラーのロック機構の他の例を示す図である。回転軸をもった折返しミラーのロック機構のさらなる他の例を示す図である。異なる稼働時間における、ビームモードの楕円の方向とモードホッピングの発生頻度との関係を示した図である。本発明の第３実施例に係るレーザ発振器の折返しミラー周辺の構成例を示す図である。図９の第１の折返しミラーに接する接平面を例示する図である。図９の第２の折返しミラーに接する接平面を例示する図である。本発明の第３実施例に係るレーザ発振器の折返しミラー周辺の構成例を示す図である。図１２の第１の折返しミラーに接する接平面を例示する図である。図１２の第２の折返しミラーに接する接平面を例示する図である。

（第１実施例）
図１は、本発明に係るレーザ発振器の主要部の一構成例を示す図である。レーザ発振器１０は、例えば炭酸ガス等を媒質とするガスレーザ発振器であり、光軸１２上に配置された出力鏡１４と、リア鏡１６と、出力鏡１４とリア鏡１６との間でかつ光軸１２上に配置された少なくとも１つ（図示例では２つ）の折返しミラー１８と、出力鏡１４又はリア鏡１６と折返しミラー１８との間に配置された放電管２０とを備える光共振器２２を有し、折返しミラー１８の少なくとも１つは、トーリック（トロイダル）面形状、鞍型曲面形状、又は円柱形状のミラーである。また光共振器２２は、レーザ光の一部を遮断して該レーザ光を整形するアパーチャ２４を有してもよい。

トーリック（トロイダル）面形状、鞍型曲面形状、又は円柱面形状を有する折返しミラーの少なくとも１つは、該折返しミラーが設置された平面上で、該折返しミラー表面上の１点を通りかつ該折返しミラーの表面と垂直な直線を回転軸として回転可能となっており、例えば、レーザ発振器１０は、該折返しミラーを該回転軸回りに回転させる回転機構を備える。これにより、長期間にわたってレーザガス中の不均一な屈折率分布や共振器のねじれが原因のモードホッピングを効率よく抑制することができる。この回転機構については後述する。

図２〜図４はそれぞれ、折返しミラー１８として使用可能な、トーリック面形状、鞍型曲面形状、及び円柱形状のミラーの模式図である。それぞれの折返しミラーには方向性があり、断面Ａ−Ａ’で示される位置の断面上での曲率半径と、断面Ｂ−Ｂ’で示される位置の断面上での曲率半径とは異なっている。

図２に示すトーリック面形状では、どの断面においても必ずその中心が凹形状となるが、断面毎に曲率半径は異なっており、断面Ａ−Ａ’上での曲率半径が最小値となり、断面Ａ−Ａ’に直交する断面Ｂ−Ｂ’上での曲率半径が最大値となっている。つまりトーリック面形状では、曲率半径がそれぞれ最大値及び最小値となる２つの断面の組み合わせを必ず選ぶことができる。

図３に示す鞍型曲面形状では、互いに直交する２つの断面では、一方の断面が凸面となり、他方の断面が凹面となっており、図示例では断面Ａ−Ａ’では凸面となり、断面Ａ−Ａ’に直交する断面Ｂ−Ｂ’上では凹面となっている。また、凸面となる断面のうち、断面Ａ−Ａ’上での曲率半径が最小値となり、凹面となる断面のうち、断面Ｂ−Ｂ’上での曲率半径が最小値となっている。つまり鞍型面形状では、凸面の曲率半径が最小値となる断面と、凹面の曲率半径が最小値となる断面との組み合わせを必ず選ぶことができる。

図４に示す円柱形状では、断面Ｂ−Ｂ’上では凹面形状だが、断面Ａ−Ａ’上では平面である。つまり円柱形状では、凹面の曲率半径が最小値となる断面と、平面となる断面との組み合わせを必ず選ぶことができる。

本願明細書では、上述のような３種類の面形状における断面Ａ−Ａ’と、レーザ光の中心と折返しミラーとの交点で折返しミラーに接する接平面とのなす角度を、「折返しミラーのもつ方向」と定義する。また、前述の条件を満たす２つの断面の組み合わせを選ぶことのできる折返しミラーを、「反射面が方向性をもった折返しミラー」と定義する。反射面が方向性をもった折返しミラーを用いることにより、発振するビームモードは楕円形状となり、楕円形状の真円度は以下の式（１）を用いて定量化することができる。

真円度＝短軸径／長軸径（１）

図２〜４に示したような、断面毎に曲率半径の異なるミラーを折返しミラー１８として使用することにより、発振するビームモードは、長軸及び短軸を有する楕円形状となる。ここで、レーザガスはレーザ発振中に、方向性を持った屈折率分布が生じている場合があり、不均一な屈折率分布を打ち消す向きにビームモードが楕円化すると、モードホッピングが抑制されることが知られている。また、レーザ発振する際に生じる熱により、共振器やミラーに歪が生じる場合があり、この歪はレーザ光の光軸に対してある１方向に生じる。従ってこの際にも、図２〜図４に示したような折返しミラー１８を使用して、発振するビームモードを、長軸と短軸で半径の異なる楕円形状とし、歪を打ち消す向きにビームモードを楕円化することで、モードホッピングが抑制できる。

図５及び図６は、ビームモードの楕円化によってモードホッピングを抑制する例を説明する図である。例えば、図２のトーリック面形状において、断面Ａ−Ａ’上の曲率半径と断面Ｂ−Ｂ’上の曲率半径を各々最適化することにより、モードホッピングの発生頻度が最小（極小）となるように、ビームモード２６の長軸方向の径ａ及び短軸方向の径ｂをそれぞれ最適化することができ、モードホッピングが発生しない又は抑制された共振器を構成することができる。このことは、図３の鞍型曲面形状、及び図４の円柱形状の折返しミラーを用いた場合も同様である。

さらに本発明では、図７ａに示すように、折返しミラー１８を設置した平面上で折返しミラーを回転させることができる。具体的には、折返しミラー１８の反射面上の１つの点（好ましくは光軸１２との交点）２８を通りかつ、点２８において折返しミラー１８の反射面と垂直な直線３０を回転軸として用いて折返しミラー１８を回転させると、図５に示すように、ビームモード２６を表す楕円の長軸・短軸の角度θを変化させることができる。

ここで、図８に示すように、モードホッピングの発生頻度が最小となる楕円の方向θは、発振器の使用時間によって変化する。例えば図８では、共振器の稼働時間がゼロ時間の場合（グラフ３２）及び１０００時間の場合（グラフ３４）を示しており、モードホッピングの発生頻度は、グラフ３２では楕円の向きθがθaのときに最小となり、グラフ３４では楕円の向きθがθbのときに最小となる。そこで、折返しミラー１８を回転させ、ビームモードの楕円の方向を稼働時間に応じて変化させることにより、モードホッピングの発生を長期間にわたって適切に抑制することができる。

なお、折返しミラー１８の回転は、折返しミラー１８の周辺に設けたアクチュエータ等の回転機構を用いて自動で行ってもよいし、作業者が手動で行ってもよい。例えば、図７ｂに示すように、折返しミラー１８を保持するミラー保持部１９に、動力伝達部２１を介してアクチュエータ２３を接続し、アクチュエータ２３を作動させることにより、折返しミラー１８を回転軸３０回りに自動で回転させることができる。

また、図７ｃ〜図７ｅに例示するように、折返しミラー１８を回転させて角度を調整した後に、折返しミラー１８の回転角度を固定できるロック機構を設けることが好ましい。ロック機構等の使用により、折返しミラー１８の回転角度位置を長期間にわたり高精度に維持することができる。

なお折返しミラー１８は、その回転角度位置をロックした後に再度、回転させて角度を調整することもあるために、上記ロック機構は簡単に解除できる機構であることが好ましい。具体的には、図７ｃに示すように、回転機構を構成する部品（ここではミラー保持部１９）の側面近傍にリング状のネジ保持部２５を設け、ネジ保持部２５からミラー保持部１９の側面に向けて固定用ネジ２７を締め込むことにより、調整された折返しミラーの角度を保持するロック機構が挙げられる。或いは、図７ｄに示すように、回転軸３０に垂直な部品（ここではミラー保持部１９のフランジ部）を開閉式のトグルクランプ２９で固定するロック機構や、図７ｅに示すように、該フランジ部の外周部近傍に設けられ、該フランジ部を挟持して固定する一対のロック機構（ブレーキ機構）３１等が挙げられる。これらのロック機構はいずれも、容易に解除できる機構である。

（第２実施例）
第２実施例は、折返しミラーの曲率半径に関する。図２〜４で示したような、方向毎に曲率半径の異なるミラーについて、モードホッピングを抑制する効果は、断面Ａ−Ａ’のように、凹面形状でかつ曲率半径が最小となる断面での曲率半径（以後、凹面最小曲率半径と略記）と関連がある。具体的には、折返しミラー１８の凹面最小曲率半径が小さいほど、モードホッピングが発生する確率は低下する。一方、凹面最小曲率半径が１００ｍより小さくなると、発振するビームモードの真円度が低下し、金属切断時の加工性能（切断速度、切断面面粗度等、切断面の外観等）が、加工ワークの縦方向と横方向とで異なるという不具合が生じる。こうした不具合を防ぐため、凹面最小曲率半径は、２００ｍ〜７００ｍの範囲であることが好ましい。

第２実施例では、凹面最小曲率半径がこの範囲内であれば、モードホッピングの発生頻度を抑えつつ、ビームモードの真円度を一定の範囲内に維持することができ、加工性能（切断速度、切断面粗度、切断面の外観等）が被加工物の縦方向と横方向とで異なる等の不具合を抑制することができる。

（第３実施例）
図９〜図１１は、本発明の第３実施例を説明する図である。図９に示すように、光共振器２２は少なくとも２つの鞍型形状の折り返しミラー１８ａ及び１８ｂを有し、折り返しミラー１８ａ及び１８ｂの少なくとも一方は、図７ａに示した折返しミラー１８のように回転可能に構成されている。また図１０は、レーザ光の中心と折返しミラー１８ａとの交点３６において、折返しミラー１８ａに接する接平面３８を表しており、図１１は、レーザ光の中心と折返しミラー１８ｂとの交点４０において、折返しミラー１８ｂに接する接平面４２を表している。なお第３実施例において、図示された構成要素以外の構成要素については第１実施例と同様でよいので、詳細な説明は省略する。

第３実施例では、光共振器２２における（ここでは第１の折返しミラー１８ａに向かう）レーザ光の進行方向をＺ軸とし、このＺ軸に対して右手系をなすようＸ軸及びＹ軸（Ｘ−Ｙ平面４４）を定義したとき、定義されたＸ軸及びＹ軸を、図１０に示すように接平面３８上に転写し、さらに、図１１に示すように接平面４２上に転写する。

また、図１０に示すように、折返しミラー１８ａにおいて、反射面の断面が凹面となりかつ、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と接平面３８との交線は、１点鎖線４８で示される直線となり、図１１に示すように、折返しミラー１８ｂにおいて、反射面の断面が凹面となりかつ、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と接平面４２との交線は、１点鎖線５０で示される直線となる。ここで、接平面３８において直線４８とＸ軸とのなす角度θ_１、及び接平面４２において直線５０とＸ軸とのなす角度θ_２を求めた際、第３実施例においては両角度が２つの折返しミラー間で互いに等しくなる（θ_１＝θ_２）ように、第１の折返しミラー１８ａ及び第２の折返しミラー１８ｂが配置・構成されている。なお図１０では、Ｘ軸を基準（０°）とし、Ｘ軸からＹ軸に向かう方向をプラスの角度として定義する。この定義は、後述する図１１、図１３及び図１４についても同様である。

この場合、第１の折返しミラー１８ａの凹面最小曲率半径をＲ_１、第２の折返しミラー１８ｂの凹面最小曲率半径をＲ_２とすると、２つの折返しミラーの効果を足し合わせた実効的な凹面最小曲率半径Ｒは、以下の式（１）で表される。

１／Ｒ＝１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２（１）

式（１）を用いて実効的な凹面最小曲率半径を計算すると、必ずＲ＜Ｒ_１、かつＲ＜Ｒ_２となる。従って第３実施例では、第２実施例と同様、凹面最小曲率半径が小さくなるので、ビームモードの楕円傾向を強めて、効率よくモードホッピングを抑制することができる。そして、折返しミラーを回転させて、ビームモードの楕円の方向を変化させることにより、モードホッピングの発生を長期間にわたって抑制することができる。

（第４実施例）
第２実施例で示した、各折返しミラーの曲率半径の範囲を定める以外に、ビームモードを真円に近い形状にする第４実施例を、図１２〜図１４を参照しつつ説明する。図１２に示すように、光共振器２２は少なくとも２つの鞍型形状の折り返しミラー１８ｃ及び１８ｄを有し、折り返しミラー１８ｃ及び１８ｄの少なくとも一方は、図７ａに示した折返しミラー１８のように回転可能に構成されている。また図１３は、レーザ光の中心と折返しミラー１８ｃとの交点５２において、折返しミラー１８ｃに接する接平面５４を表しており、図１４は、レーザ光の中心と折返しミラー１８ｄとの交点５６において、折返しミラー１８ｄに接する接平面５８を表している。なお第４実施例において、図示された構成要素以外の構成要素については第１実施例と同様でよいので、詳細な説明は省略する。

光共振器２２における（ここでは第１の折返しミラー１８ｃに向かう）レーザ光の進行方向をＺ軸とし、このＺ軸に対して右手系をなすようＸ軸及びＹ軸（Ｘ−Ｙ平面６０）を定義したとき、定義されたＸ軸及びＹ軸を、図１３に示すように接平面５４上に転写し、さらに、図１４に示すように接平面５８上に転写する。

また、図１３に示すように、折返しミラー１８ｃにおいて、反射面の断面が凹面となりかつ、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と接平面５４との交線は、１点鎖線６４で示される直線となり、図１４に示すように、折返しミラー１８ｄにおいて、反射面の断面が凹面となりかつ、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と接平面５８との交線は、１点鎖線６６で示される直線となる。ここで、接平面５４において直線６４とＸ軸とのなす角度θ_１、及び接平面５８において直線６６とＸ軸とのなす角度θ_２を求めた際、第４実施例においては両角度差が２つの折返しミラー間で９０°（θ_２＝θ_１−９０°）となるような第１の折返しミラー１８ａ及び第２の折返しミラー１８ｂの組み合わせを、少なくとも１組構成できるようになっている。

第４実施例では、第３実施例とは異なり、第２の折返しミラー１８ｄの凸面側の曲率半径が、モードホッピングの発生頻度に対し影響を与える。断面が凸面となり、かつ曲率半径が最小となる断面での曲率半径（以後、凸面最小曲率半径と略記）をｒ_２とする。第１の折返しミラー１８ｃについては、第３実施例と同様、凹面最小曲率Ｒ_１が２つの折返しミラーの効果を足し合わせた実行的な凹面最小曲率半径Ｒに寄与する。この場合、Ｒは以下の式（２）で表される。

１／Ｒ＝１／Ｒ_１−１／ｒ_２（２）

式（２）を用いて実効的な凹面最小曲率半径を計算すると、必ずＲ＞Ｒ_１となる。従って第４実施例では、ビームモードを真円に近付けることができ、加工性能（切断速度、切断面粗度、切断面の外観等）が被加工物の縦方向と横方向とで異なる等の不具合を抑制することができる。

なお上述の第１〜第４の実施例は、適宜組み合わせて使用することも可能である。例えば、第２実施例で説明したような曲率半径を有する折返しミラーを、第３又は第４実施例の折返しミラーに使用することが可能である。

１０ガスレーザ発振器
１２光軸
１４出力鏡
１６リア鏡
１８、１８ａ−１８ｄ折返しミラー
１９ミラー保持部
２０放電管
２２光共振器
２３アクチュエータ
２４アパーチャ
２６ビームモード
２８位置データ補正・補間部
３０回転軸
３８、４２、５４、５８接平面

Claims

光軸上に配置された出力鏡とリア鏡との間に少なくとも１つの折返しミラーを備える光共振器を備えたレーザ発振器であって、
前記折返しミラーの少なくとも１つは、トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状のミラーであり、
前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーのうち少なくとも１つは、該折返しミラーの反射面上の１つの点を通りかつ、該１つの点において該折返しミラーの反射面と垂直な直線を回転軸として回転可能に構成されている、レーザ発振器。
前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面において、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径の最小値が２００ｍ〜７００ｍの範囲にある、請求項１に記載のレーザ発振器。
前記光共振器は、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーを少なくとも２つ有し、
前記光共振器におけるレーザ光の進行方向をＺ軸とし、前記Ｚ軸に対して右手系をなすようにＸ軸及びＹ軸を定義し、レーザ光の中心と前記折返しミラーの各々との交点において前記折返しミラーの各々に接する接平面に、前記Ｘ軸及びＹ軸を転写し、前記折返しミラーの各々において、前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面でかつ、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と前記接平面との交線が、前記接平面に転写された前記Ｘ軸に対してなす角度が、前記少なくとも２つの折返しミラー間で互いに等しくなるように、前記少なくとも２つの折返しミラーが配置されている、請求項１又は２に記載のレーザ発振器。
前記光共振器は、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の折返しミラーを少なくとも２つ有し、
前記光共振器におけるレーザ光の進行方向をＺ軸とし、前記Ｚ軸に対して右手系をなすようにＸ軸及びＹ軸を定義し、レーザ光の中心と前記折返しミラーの各々との交点において前記折返しミラーの各々に接する接平面に、前記Ｘ軸及びＹ軸を転写し、前記折返しミラーの各々において、前記折返しミラーの反射面が凹面となる断面でかつ、前記トーリック面形状、鞍型曲面形状又は円柱形状の曲率半径が最小となる断面と前記接平面との交線が、前記接平面に転写された前記Ｘ軸に対してなす角度が、前記少なくとも２つの折返しミラー間で、その差が９０°となるように、前記少なくとも２つの折返しミラーが配置されている、請求項１又は２に記載のレーザ発振器。