JP2580702B2

JP2580702B2 - レーザ装置

Info

Publication number: JP2580702B2
Application number: JP9981788A
Authority: JP
Inventors: 公治安井; 正明田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH01270373A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、大断面積、大出力で高品質のレーザビーム
を得ることのできるレーザ装置に関するものである。

［従来の技術］第12図は、例えばレーザハンドブック（オーム社、昭
和57年発行）に開示された従来の固体レーザ装置の一例
を示す断面図である。図において、（１）は固体素子
で、例えばYAGレーザを例にとればY_3-X,N_dx,Al₅ O₁₂な
る組成をもつロッドからなっている。（２）は全反射ミ
ラー、（３）は出口ミラーで、これらによりいわゆる安
定形共振器を構成している。（４）、（５）はそれぞれ
出口ミラー（３）の外面及び固体素子（１）の両端面に
設けられたsio₂からなる無反射膜、（６）はアパーチ
ャ、（７）は出口ミラー（３）の内面に設けられたTiO₂
よりなる部分反射膜、（８）、（９）はそれぞれ共振器
の内、外に発生されたレーザビームである。（10）は例
えばフラッシュランプからなる固体素子（１）励起用の
光源、（11）は光源（10）の支持部、（12）は光源（1
0）の光を反射させて固体素子（１）に導く反射板、（1
3）は固体レーザ装置の外枠である。

次に動作について説明する。固体素子（１）は、光源
（10）からの直接光と反射板（12）による反射光とによ
り励起されレーザ媒質を形成する。そしてこのレーザ媒
質内でレーザビーム（８）を共振させて増幅し、さらに
レーザビーム（８）の一部を固体レーザ装置の外部にレ
ーザビーム（９）として取り出す。ところで、出口ミラ
ー（３）と全反射ミラー（２）との間を往復するレーザ
ビーム（８）には、レーザビーム断面方向に種々の位相
分布をもつものが存在する。このうちでレーザ加工用に
最も適するものは、断面方向に位相のそろったいわゆる
TEM₀₀モードと呼ばれるレーザビームである。このレー
ザビームは発散角が小さく、従ってレンズ等で細くしぼ
れて高パワー密度となり、効率的な加工ができる。この
TEM₀₀ビームは、種々のレーザビームのうちもっとも断
面積が小さいため、このレーザビームのみを選択するに
は小さい開口をもつアパーチャ（６）をレーザビーム
（８）の通路上に挿入することが必要である。YAGレー
ザの場合には、波長は1.06μｍであるから、共振器を構
成する全反射ミラー（２）及び出口ミラー（３）の曲率
を20m、両ミラー（２）、（３）間の光学長を1mとする
と、共振器内部でのTEM₀₀ビームの直径は約1.8mmとな
る。従来はこのように小径のレーザビームによってレー
ザ加工を行なっていた。

［発明が解決しようとする課題］上記のように構成した従来のレーザ装置によれば、高
品質のレーザビームは数mmの小径でしか得ることが出来
ず、YAGロッドをはじめとする固体素子の直径は10〜15m
m程度まで製作可能であるが、従来の装置ではこの固体
素子から十分にレーザ出力が取り出せないことになる。
また取り出したレーザビームは小径であるため、出力を
増大させると固体素子内での強度が強くなり固体素子そ
のものを歪ませるためビーム品質が損われ、極端な場合
は位相の乱れたいわゆるマルチモードが発生することが
ある。従って、現在市販されている固体レーザ装置のTE
M₀₀ビームにおける最大出力は、10W〜20W程度が上限で
ある。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、高品質のレーザビームを大断面積、従って大
出力で得ることのできるレーザ装置を得ることを目的と
する。

［課題を解決するための手段］本発明に係るレーザ装置は同軸状に、反射率の異なる
複数の部分反射を有する出口ミラーと全反射ミラーとに
より不安定型共振器を構成し、レーザビームを取り出す
ようにしたものである。また、さらに複数の上記部分反
射部から発生するレーザビーム間の位相差を打消す手段
を設けることもできる。

［作用］本発明における不安定型共振器は共振器内に大断面積
で高品質のレーザビームを発生させ、さらに異なる複数
の反射部はレーザビームを常に安定に発生させるように
作用する。

［実施例］第１図は本発明の実施例によるレーザ装置を示す断面
図である。なお、第12図の従来装置と同一又は相当部分
には同じ符号を付し、説明を省略する。図において、
（3a）は凸状の出口ミラーであり、その内面中央部に、
同軸状に反射率の異なる部分反射膜（7a）、（7b））
（例えば異なる厚みをもつTiO₂）、が備えられており、
全反射ミラー（２）とともに不安定型共振器を構成して
いる。（8a）、（8b）はそれぞれ部分反射膜（7a）、
（7b）より部分反射、拡大されたレーザビーム、（8c）
はレーザビーム（8a）、（8b）が全反射ミラー（２）に
より反射され平行化されたレーザビーム、（9a）はレー
ザビーム（8c）のうち外部に取り出されたレーザビーム
である。まず、固体素子（１）は励起光源（10）からの
直接光および反射板（12）による反射光により側面から
励起され、レーザ装置を形成する。一方、出口ミラー内
面の部分反射膜（7a）、（7b）により拡大反射されたレ
ーザビーム（8a）、（8b）は、このレーザ媒質内で増幅
されるとともに、全反射ミラー（２）により出口ミラー
（3a）内面の無反射膜（４）と、部分反射膜（7a）、
（7b）とを通って中づまり状の平行レーザビーム（9a）
となり、固体レーザ装置の外部に取り出される。この
際、レーザビーム（8a）、（8b）は出口ミラー（3a）と
全反射ミラー（２）よりなる共振器で、毎往復ごとに拡
大される。このため共振器内部に発生する位相のそろっ
た、従来例で示したTEM₀₀ビームに相当するレーザビー
ムが、極めて大断面積で得られることになる。

第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例に
よるレーザ装置によって得られたレーザビームの形状を
示す曲線図であり、拡大率が1.5、出口ミラー（3a）内
面の部分反射膜（7a）の反射率が50％、部分反射膜（7
b）の反射率が20％である時の、出口ミラー（3a）内面
でのビーム形状（第２図（ａ））及び出口でのビーム形
状（第２図（ｂ））を示す。横軸はビーム断面方向の距
離、縦軸は光強度を示す。

また、第３図は第２図で示した条件下におけるレーザ
ビームを、焦点距離ｆ＝2.5mのレンズで集光した場合の
集光ビームパターンの一例を示す曲線図である。図に示
すように、集光パターンはガウス状であることがわか
る。ところで第３図において中央の強度が1/e²になる点
で定義した全発散角は約0.2mradと計算された。いまこ
の全発散値を市販されている、本発明と同じ出射ビーム
直径10mmのYAGレーザと比較すると、本発明では従来の
出射ビーム径の約1/50であり極めて集光性のよい高品質
ビームが得られることがわかる。また、本発明のビーム
直径は従来のビーム直径の約５倍であり、したがって断
面積は約25倍であるため、大出力にしても固体素子
（１）の変形を招くことがなく、従来の10倍の約100wの
出力が容易に得られた。

次に反射率の異なる複数の部分反射膜（7a）、（7b）
の作用について述べる。100W近いレーザ出力が得られた
場合、例えば部分反射膜（7a）、（7b）が同一の反射率
20％であると、マルチモードが発生することが多く、と
くに共振器のミラー（２）、（3a）の配置のずれ、すな
わちミスアライメントが発生するときに、出射するレー
ザビーム（9a）の集光性が極めて悪化することがある。
第４図、第５図はこのような場合の出射するレーザビー
ム（9a）のパターン、及び集光するレーザビームのパタ
ーンの一例を示す曲線図である。このように集光特性が
悪化した原因は、ゲインが増大することにより光軸から
離れた部分に強い強度をもつマルチモードが発生し易い
状況にあった上に、ミスアライントメントによりさらに
高次モードの発生が増長され、第４図に示すように出射
するレーザビーム（9a）の形状が光軸からはなれた点で
強くなったためである。このようなマルチモードの発生
しやすい状況は、第１図に示すように中心部の部分反射
膜（7a）の反射率を部分反射膜（7b）より大きく、たと
えば50％とすることにより改善できる。これは最低次モ
ードは光軸中心に高い強度分布をもち、一方高次モード
は光軸からはなれた部分に高い強度分布をもつため、光
軸中心の部分反射膜（7a）の反射率を上げれば、最低次
モードのロスが小さくなるためである。

なお、上記実施例では部分反射膜（7a）が部分反射膜
（7b）より大きな反射率を示すものを示したが内部に発
生する最低次レーザビームの形状によっては部分反射膜
（7a）が部分反射膜（7b）より小さい反射率をもつ方が
良好な結果が得られることもあった。

また、上記の説明では、出口ミラー（3a）の内面に設
けられた無反射膜（４）および部分反射膜（7a）（7b）
を通過するそれぞれのレーザビーム間の位相差は小さく
問題とならなかったが、膜の構成によっては大きい位相
差が発生し、集光特性が悪化する場合がある。このよう
な場合は、例えば第６図に示すように前記レーザビーム
間に光路差を与えるため、出口ミラー（3a）の外面に段
差（30）、（31）を設けたり、又は第７図に示すように
段差（30）、（31）をもつ位相補償ミラー（40）を別に
設けて前記位相差をうち消すようにしてもよい。

また共振器内でレーザビームを拡大するには、例えば
第８図に示すように凹状の出口ミラー（3b）を設けても
よい。

また、共振器ミラーは例えば第９図に示すように、固
体素子（１）の端面を加工し、この加工部分に形成する
ようにしてもよい。また、レーザ媒質については、光に
より励起された固体素子についてのみ述べたが、他のレ
ーザ媒質でもよく、例えばCO₂レーザ等のガスレーザで
あれば、第10図に示すように、放電（100）により励起
されたガスがレーザ媒質をなす。第10図において、（10
1）はガラスにより覆われた電極、（102）は高周波高圧
電源である。

また、部分反射膜も上記のように２種類に限らず、第
11図に示すように３種類の同軸状の部分反射膜（7a）
（7b）（7c）であってもよく、またそれ以上であっても
よい。

［発明の効果］以上にように、本発明によれば同軸状に、反射率の異
なる複数の部分反射部を有する出口ミラーと全反射ミラ
ーとにより不安定型共振器を構成し、レーザビームを取
り出すようにしたので、大断面積、大出力、高品質のレ
ーザビームを極めて安定に得ることができる効果があ
る。

さらに、複数の上記部分反射部から発生するレーザビ
ーム間の位相差を打ち消す手段を設けると、位相差のな
いビームが得られ、集光特性のよいレーザビームが得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるレーザ装置を示す断面
図、第２図（ａ）（ｂ）、第３図、第４図及び第５図は
各々本発明の一実施例によるレーザ装置の動作を説明す
る曲線図、第６図、第７図、第８図、第９図、第10図及
び第11図は各々本発明の他の実施例によるレーザ装置を
示す断面図、並びに第12図は従来のレーザ装置を示す断
面図である。（１）……固体素子、（２）……全反射ミラー（3a）（3b）……出口ミラー、（４）（５）……無反射
膜（7a）（7b）（7c）……部分反射膜（8a）（8b）（9c）（9a）……レーザビーム（10）……光源、（30）（31）……段差（40）……位相補償ミラーなお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】同軸状に反射率の異なる複数の部分反射部
を有する出口ミラーと全反射ミラーとにより不安定型共
振器を構成し上記共振器内に形成されたレーザ媒質内で
レーザビームを共振させ、その一部を外部に取り出すよ
うにしたレーザ装置。
【請求項２】反射率の異なる複数の部分反射部から発生
するレーザビーム間の位相差を打消す手段を設けた請求
項１記載のレーザ装置。