JP2580704B2 - レーザ装置 - Google Patents

レーザ装置

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JP2580704B2
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公治 安井
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08081Unstable resonators

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、レーザ装置、特に不安定型共振器のレー
ザ装置のビーム品質の改良に関するものである。
[従来の技術] 第10図は、例えばレーザハンドブック(Laser Handb
ook 1979.North−Holland Publishing Campany)に記
載された従来の不安定型共振器を有するレーザ装置を示
す構成図である。図において、(1)は凹面鏡によりな
るコリメートミラー、(2)はこのコリメートミラー
(1)に対向配置された凸面鏡よりなる拡大ミラーであ
り、両ミラー(1)(2)は全反射ミラーをなす。
(3)はレーザ媒質で、CO2レーザ等のガスレーザを例
にとれば放電などにより励起されたガス媒質、YAGレー
ザなどの固体レーザを例にとればフラッシュランプ等に
より励起されたガラス媒質であり、(4)はウインドミ
ラー、(5)はウインドミラー面上に施された無反射コ
ーテイング膜、(6)は周囲を覆う箱体、(7)はミラ
ー(1)(2)により構成される光共振器内に発生する
レーザビーム、(8)は拡大ミラー周辺部より外部に取
出されたリング状レーザビーム、(9)はレンズ等の集
光器、(10)は加工対象物である。
次に動作について説明する。ミラー(1)、(2)は
いわゆる不安定型共振器を構成しており、拡大ミラー
(2)により反射拡大されたレーザビームはレーザ媒質
(3)により増幅されると共に、コリメートミラー
(1)により平行ビームにコリメートされ、拡大ミラー
(2)及びミラー周辺部上に反射させ、リング状のビー
ムとしてウインドミラー(4)より外部にとり出され
る。取出されるリング状のレーザビーム(8)はほとん
ど等位相で得られるため、レンズ等の集光器(9)によ
り集光することにより中高のビームとなり、鉄板などの
加工対象物(10)の切断、溶接等を効率よくおこなうこ
とができる。
また、その集光の度合は取出されるリング状ビームの
内径と外径との比(M値(Magnification facter))で
きまり、M値が大きいほど、すなわち、より中づまりで
読出されたビームほどよく集光される。しかしM値を大
きくすると発振効率が著く悪化し、CO2レーザの発振特
性を例にとって示すと第11図のようになる。
すなわち、例えば100KWの入力では、M=1.5では1KW
のレーザ出力が得られるのに対して、M=3では9KW出
力しか得られない。このように、レーザの発振効率(レ
ーザ出力/入力)の観点からはM値は小さい方がよいこ
とになる。しかし前述した如く、発振器から出力される
レーザビームは、レンズ等で集光して用いられるため、
レーザ発振器の出口のレーザビームモード(これを近視
野バターンと称する)よりも、レンズ等で集光した焦点
におけるビームモード(これを遠視野パターンと称す
る)が実際のレーザ装置では重要になってくる。このビ
ームモードを例えばM=1.5とM=3について示すと各
々第12図及び第13図のようになる。各図はレーザビーム
の光軸における断面を示したものであり、第12図(a)
及び第13図(a)は近視野バターンを、第12図(b)及
び第13図(b)は遠視野パターンを示す。遠視野パター
ンは光軸上でのパターン(メインローブ)とその周りの
いくつかのパターン(サイドローブ)から成り立ってお
り、M値が大きいとメインローブの軸上強度が大きく、
サイドロープの強度が小さくなっている。すなわち、こ
のことはM値が大きいと、メインローブにレーザ出力の
大部分が集中し、中高のビームが得られることを示して
いる。レーザビームをレンズ等で集光して用いる場合、
溶接や切断などの加工に用いられるが、同じレーザ出力
のもとで比べるとこのときの加工性能は中高ビームの方
が良く、加工性能の点からはM値が大きな方が良く、先
に述べたレーザ発振効率の観点とは逆になってしまう。
[発明が解決しようとする課題] 従来の不安定型共振器のレーザ装置は以上のように構
成されているので、レーザ発振効率をある程度の値に保
ち、かつ、ビームの集光特性をある程度よくするため
に、この2つの要素のかね合いでM値の値が決められて
いる。工業的に用いられるレーザではM=2程度がよく
使われており、レーザの性能を最大限に引き出すという
観点からは、問題点が残されていることが十分認識され
ていながらこのことは不安定型共振器がもつ宿命として
済まされていた。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたものであり、不安定型共振器でありながら、高いレ
ーザ発振効率と、すぐれた集光特性を同時に合わせもつ
レーザ装置を得ることを目的としている。
[課題を解決するための手段] この発明に係るレーザ装置は、不安定型共振器の遠視
野パターンが得られる位置にレーザビームの光波面の位
相を遠視野パターンの光強度分布に応じて反転させ、正
又は負のいずれか一方に揃える位相調整ミラーを設けた
ものである。
[作用] この発明における位相調整ミラーは、遠視野パターン
での一つのローブごとに位相が反転しているものを補正
し、位相差の少ないビームに変換するので、そのビーム
はM値によらず極めて高い集光特性をもつものとなる。
[実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図において、部材(1)〜(10)はその作用、名称と
も従来例と同じてあり、(11)がこの発明のレーザ装置
に具備されている位相調整ミラーであり、レーザビーム
の遠視野パターンが得られる位置に設置してある。(1
2)はウィンドミラー(4)より外部に取り出されたリ
ング状のレーザビームの近視野パターンであり、(13)
はその遠視野パターンを示す。
次に作用について説明する。不安定型共振器をもつレ
ーザ発振器からレーザビーム(8)が出力される動作は
従来と同じであり、このリング状の近視野パターン(1
2)をもつレーザビームは数mから十数m伝搬させる
と、回折によりメインローブの周りにいくつかのサイド
ローブをもつ遠視野パターン(13)になる。このときの
ビームのパターンは、従来例で示したとうりであるが、
そのときのビームパターン、すなわちビームの強度分布
(実線)とその波面の位相(破線)を関連づけてプロフ
ィールを示すと第2図のようになっている。すなわち、
ビームの波面の位相は一つのローブごとに反転してお
り、最大180゜の位相差をもつ。このプロフィール及び
波面の位相はリング状モードの回折により発生するもの
で、理論と実験は極めてよく一致し、さらに、メインロ
ーブと幾つかのサイドローブの境界の光強度がゼロにな
る。これが、この発明の遠視野パターンが得られる位置
に位相調整ミラーを設置する理由の一つである。
さて、この発明の重要な要素である位相調整ミラー
(11)はビームの強度分布はそのままで、ビームの波面
のみ遠視野パターンの強度分布に応じて部分的に反転し
て、すべてプラスあるいはマイナスの同符号の位相にし
ようとするものであり、具体的に一実施例を示すと第3
図のような構造をもつ。第3図(a)(b)において、
(111)はミラー基板であり、レーザビームにさらされ
る面は平坦であり、レーザビームを100%近く反射する
面より成り立っており、(112)はこの基板上に遠視野
パターンのローブに対応して設置され基板と平行な段部
である。この位相調整用ミラー(11)に入射したビーム
の位相が反射後に反転するためには、この段部(112)
の段差dの長さはレーザの波長λとして とすればよい。
第3図(b)は第3図(a)で示すような円形状の段
差パターンをもつ位相調整ミラー(11)のレーザビーム
の入射、反射を表わす図であり、入射角θは数度程度の
小さなものである。
このような位相調整ミラーを使用すると、反射ビーム
の強度分布とビームの波面の位相の関係は第4図に示す
ようなプロフィールとなり、段部(112)によって位相
が反転するため、例えばプラス方向の波面のみになり、
位相差は最大90゜と小さくなる。このビームをレンズ等
(9)で集光すると焦点上では第5図のようなパターン
が得られ、メインローブにレーザ出力のほとんどが集中
している非常に大きな中高のビームが得られ、従って、
このビームで加工すると、極めて良好な溶接、切断の加
工特性が得られる。
この発明のようにレーザ発振器から出力されたビーム
の遠視野パターンを位相調整ミラー(11)で位相補正す
るものでは、レーザ発振器から出てくるビームの品質は
何でもよく、M値によらない。すなわち前述した如く、
M値はレーザ発振効率を良くする観点からのみ選べばよ
く、例えばM=1.2で発振させ、極めて良好な高率でレ
ーザ発振させる。このビームをこのままレンズ等(9)
で集光すると集光性能は極めて劣るが、この発明のよう
に、位相調整ミラー(11)を介して集光すると、この部
分でビームの品質は改善され発振効率、ビーム品質とも
に良好なレーザ装置を得ることができる。
なお、第3図では入射角θが数度程度の小さなものを
示したが、θが大きな場合には第6図で示すような段部
(112)が楕円形をしている位相調整ミラー(11)が考
えられ、このとき段差d′は第3図に対して の条件を満足するものにすればよい。
また、第3図及び第6図では反射形の位相調整ミラー
(11)の構造を示したが、第7図のように透過形でもよ
い。図において、基板(113)はレーザビームが透過す
る材料でできており、(114)は段部であり、この段差
d″は、基板(113)の材料の屈折率をnとする。
である。
なお位相調整ミラー(11)は例えば蒸着やICBコーテ
ィング、切削等の手法により、極めて安価なコストで容
易に製作することができる。
また、以上述べたものはレーザ発振器から出力された
ビームモードを遠視野パターンにするために、レーザ発
振器から数m〜十数m離れた所に位相調整ミラー(11)
を設置する例について示したが、第8図に示すように、
レーザ発振器近傍にレンズ等のコリメートミラー(14)
を設置すれば、そのレンズの焦点すなわちいわゆるビー
ームウエストで遠視野パターンが得られるため、発振器
と位相調整ミラーとの距離が短くなり、また、位相調整
ミラー(11)上でのビームの径も自由に変えられるので
集光用のレンズ等(9)のFナンバー(焦点距離/ビー
ム径)も自由に選択することができる。
なお、この発明では、レーザ発振器から出力されるビ
ームが平行ビームであるものを示したが、第9図に示す
ようにレーザ発振器の不安定型共振器の拡大ミラー
(2)あるいはコリメートミラー(1)の曲率を調整し
て、発振器から出力されるビームが集束性になるように
すれば、第8図のようにコリメートミラー(12)を用い
ることなしに、発振器から出力されたビームは少し伝搬
するだけで遠視野パターンになり、前述したものと同じ
作用をする。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば不安定型発振器から
出力されるビームの遠視野パターンが得られる位置に、
光波面の位相を、上記遠視野パターンの光強度分布に応
じて反転させ、正又は負のいずれか一方に揃える位相調
整ミラーを設けたので、品質のよいレーザビームに変換
することができるため、M値を小さくしてレーザ発振効
率を高め、かつ、良好な品質のレーザビームを得ること
ができる効果である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示す構
成図、第2図は不安定型共振器の遠視野におけるビーム
強度と波面の位相分布を示す分布図、第3図(a)
(b)は各々この発明の一実施例に係る位相調整ミラー
の構成を説明する説明図、第4図はこの発明の一実施例
に係る位相調整ミラーを通過後のビーム強度と波面の位
相分布を示す分布図、第5図は第4図に示す特性のレー
ザビームを集光した時のビームプロフィールを示す分布
図、第6図(a)(b)及び第7図(a)(b)は各々
この発明の他の実施例に係る位相調整ミラーの構成を説
明する説明図、第8図及び第9図は各々この発明の他の
実施例によるレーザ装置を示す構成図、第10図は従来の
レーザ装置を示す構成図、第11図はレーザ発振特性に与
えるM値の影響を示す特性図、第12図(a)(b)は各
々M=1.5の時の近視野パターン及び遠視野パターンを
示す分布図、並びに第13図(a)(b)は各々M=3の
時の近視野パターン及び遠視野パターンを示す分布図で
ある。 (1)……コリメートミラー、(2))……拡大ミラー (7)(8)……レーザビーム、(11)……位相調整ミ
ラー (12)……近視野パターン、(13)……遠視野パターン なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名井 康人 兵庫県尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電気株式会社応用機器研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−226985(JP,A) 特開 昭61−234087(JP,A) 特開 昭64−73686(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】不安定型共振器によりレーザビームを発生
    させるレーザ発振器、及び発生したレーザビームの経路
    上で遠視野パターンが得られる位置に配置され、上記レ
    ーザビームの光波面の位相を、上記遠視野パターンの光
    強度分布に応じて反転させ、正又は負のいずれか一方に
    揃える位相調整ミラーを備えたレーザ装置。
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