JP2597500B2 - レーザ装置 - Google Patents

レーザ装置

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JP2597500B2 JP9850488A JP9850488A JP2597500B2 JP 2597500 B2 JP2597500 B2 JP 2597500B2 JP 9850488 A JP9850488 A JP 9850488A JP 9850488 A JP9850488 A JP 9850488A JP 2597500 B2 JP2597500 B2 JP 2597500B2
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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
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はレーザビーム品質を改良したレーザ装置に関
するものである。
[従来の技術] 第10図はレーザハンドブック(Laser Hand book1979.
North−Holland Publishing Company)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の断面図で、図
中1は凹面鏡よりなるコリメートミラー、2はコリメー
トミラー1に対向配置された凸面鏡よるなる拡大ミラー
であり、両ミラー共反射ミラーである。3はCO2レーザ
等のガスレーザの場合は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の場合フラッシュラ
ンプ等により励起されたガラス媒質のレーザ媒質、4は
ウインドミラー、5はウインドミラー4上にコーティン
グされた無反射膜、6はケーシング、7はミラー1、2
により形成され共振器に内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り出されたリング状のレ
ーザビーム、9はレンズ等の集光器、10は被加工物であ
る。
次に動作について説明する。ミラー1、2は不安定型
共振器を構成しており、拡大ミラー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と
もに、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4及びミラー周辺部上に反射され、
リング状のビームとしてウインドミラー4より外部に取
り出される。このリング状のレーザビームはほとんど等
位相で得られるため、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、鋼板等の加工対象物10の切断溶
接等を効率よく行うことが出来る。
集光の程度は取り出されるリング状ビームの内径と外
径との比であるM値(Magnification Factor)で決定さ
れ、M値が大きい程すなわち取り出されたビームが中ず
まりであるほどよく集光される。しかしM値を大きくす
ると、発振効率がいちぢるしく悪化する。第11図はM値
をパラメータとして入力とレーザ出力との関係を示す線
図であるが、M値が1、5の場合入力100kwの場合15kw
のレーザ出力が得られるのに対して、M値が3の場合は
9kwの出力しか得られない。すなわちM値が大きくなる
程効率が悪化することが判る。
発振器から出力されるレーザビームはレンズ等で集光
して使用されるため、レーザ発振器の出口のレーザビー
ムモード(近視野パターンと称する)よりも集光した焦
点におけるビームモード(遠視野パターンと称する)の
方が実際のレーザ装置については重要である。第12図は
このビームモードの光軸における断面をM値が1、5の
場合(a)と3の場合(b)について示したものであ
る。遠視野パターンは軸上のパターン(メインローブ)
とその周囲の幾つかのパターン(サイドローブ)とから
形成されており、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ブの強度が小さくなっている。す
なわち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使用する場合は溶接
や切断等の加工に用いられるが、レーザ出力が同一の場
合加工性能は中高ビームの方がよく、加工性能の点では
M値が大きい方がよい。すなわちレーザの発振効率の場
合と逆になるのである。
[発明が解決しようとする課題] 従来の不安定型共振器は上記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つとともに、
レーザビームの集光特性をある程度良くするためには、
上記2個の要素の兼ね合いでM値を決めている。工業的
に使用されるレーザではM値を2程度にすることが多
い。しかしいずれにせよレーザの性能を最大限に引き出
すという点で未だ問題は残されており、この点が不安定
型共振器の課題となっていた。
本発明は従来装置の上記問題点を解消するためになさ
れたもので、高いレーザ発振効率と勝れた集光特性を同
時に合せ持つレーザ装置を提供しようとするものであ
る。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置
は、不安定型共振器において共振器より出射したレーザ
ビームが遠視野パターンになる位置に、位相調整ミラー
を配置した。なお該位相調整ミラーは遠視野パターンの
ローブに対応して凹凸部を形成し、レーザビームの波面
の位相差を打ち消すように構成されている。
[作用] レーザ装置を上記のように構成したので、レーザビー
ムの波面の位相差はなくなり、該ビームはM値によらず
極めて高い集光特性をもつこととなる。
[発明の実施例] 第1図は本発明の一実施例を示すレーザ装置の構成
図、第2図は遠視野パターンのビームの強度分布と波面
の位相との関係を示す線図、第3図は位相調整ミラーの
aは平面図、bは側面断面図、cは位相調整ミラーへの
ビームの入反射を示す説明図で、図中1〜10は従来装置
と同一または相当部品、11は位相調整ミラーである。
第1図にみるように、不安定型共振器から出力される
レーザビームはリング状の近視野パターンを有している
が、数mから十数m伝搬するうちに、回折によりメイン
ローブの周りに幾つかのサイドローブを持つ遠視野パタ
ーンとなる。第2図はこの遠視野パターンのビームの強
度分布Aと波面の位相Bとの関係を示すもので、図にみ
るように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度の位相差を持っている。
本発明は、レーザ共振器より出射するレーザビームの
光路上でビームが上記遠視野パターンを有する位置に位
相調整ミラーを配置し、上記ビームの波面の位相差を無
くしようとするものである。上記強度分布及び波面の位
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ている。またメインローブと
幾つかのサイドローブとの境界の光強度はゼロとなる。
これが本発明において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。
位相調整ミラー11は、ビームの強度分布をそのままに
してビームの波面のみを均一な位相にしようとするもの
で、該ミラー11は第3図に示すように表面に遠視野パタ
ーンのローブに対応して凹凸部11aが形成され、ビーム
に光路差を与えて位相差をなくしかつ表面は100%近く
反射するように形成されている。
この凹凸の高さdは、レーザビームの波長をλとすれ
で表せる。
なお第3図cに示す位相調整ミラー11へのビームの入
反射の角度2θは数度程度の小さい場合である。
上記のように凹凸部11aを備えた位相調整ミラー11を
使用すると、ビームの光強度分布と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、光強度分布は
そのままで波面の位相は均一になる。このビームをレン
ズ等で集光すると焦点上では第5図に示すパターンが得
られ、安定型共振器のガウスモード(TEMoo)とまった
く同じ集光特性が得られる。焦点上でガウスモードとな
るので、極めて良好な溶接、切断等の加工特性を得られ
るのである。
なお本実施例においては遠視野パターンにおける波面
の位相を均一にする位相調整ミラーについて述べたが、
計算及び実験によれば遠視野パターン上では一つのロー
ブ内での位相のプロフィールは正弦波近似が出来ること
が判っているので、凹凸部の断面は正弦波にしても第4
図、第5図に示すものとほとんど同じプロフィールが得
られる。このようにの凹凸部を正弦波断面にすることで
位相調整ミラーの製作はより容易になる。
レーザ共振器から出力された遠視野パターンのビーム
を位相調整ミラーで位相補正する場合、上記ビームの質
はなんでもよくM値によるものではない。すなわちM値
はレーザ発振効率を上げる観点からのみ選択すればよ
く、例えばM=1.2で発振させれば極めて良好な発振効
率を得ることが出来る。
第6図は入射角θが大きい場合に使用する他の実施例
の位相調整ミラー12を示すもので、その凹凸部12aを楕
円形に形成している。このときの凹凸部12aの高さd′
は次の式で求められる。
また上記実施例はいずれも反射型の位相調整ミラーを
示すものであるが、第7図に示すような透過型でもよ
い。このとき位相調整ミラー13はビームが透過し得る材
料で形成され、凹凸部13aの高さd″は次の式で表され
る。
ここでnはミラーの材料の屈折率である。
以上述べたものはレーザビームを遠視野パターンとす
るためレーザ発振器から数m〜十数m離れた所に位相調
整ミラーを配置する例であるが、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タミラー14を配置
すれば、そのレンズの焦点すなわちビームウエストで遠
視野パターンが得られるため、発振器と位相調整ミラー
との距離が短縮され、さらに位相調整ミラー上でのビー
ムの径も自由に変えられる。このため集光用のレンズの
Fナンバ(焦点距離/ビーム径)も自由に選択すること
が出来る。
また本実施例においては、レーザ発振器から出力され
るビームが平行ビームの場合を示したが、第9図に示す
ように不安定型共振器の拡大ミラー2またはコリメータ
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
の集束性をもたせることにより、第8図に示すコリメー
タミラー14を使用することになしに、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する
ことができる。
[発明の効果] 本発明は不安定型共振器から出力されるレーザビーム
の遠視野パターンの位相を位相調整ミラーで調整するよ
うに構成したので、上記レーザビームを品質のよいレー
ザビームに変換することが可能となり、その結果M値を
小さくしてレーザ発振効率を高めるという優れた効果を
挙げることが出来た。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すレーザ装置の構成図、
第2図はレーザビームの遠視野パターンを示す線図、第
3図は位相調整ミラーの(a)は平面図、(b)は断面
図、(c)はビームの入反射の説明図、第4図は位相を
調整されたビームのパターンを示す線図、第5図は集光
後のビームのパターンを示す線図、第6図は位相調整ミ
ラーの他の実施例を示す(a)は平面図、(b)は断面
図、(c)はビーム反射の説明図、第7図は位相調整ミ
ラーの他の実施例を示す(a)は平面図、(b)は断面
図、(c)はビーム透過の説明図、第8図、第9図はレ
ーザ装置の他の実施例を示す構成図、第10図は従来のレ
ーザ装置を示す構成図、第11図はその発振効率を示す線
図、第12図はM値に応じた各パターンを示す線図であ
る。 図中1はコリメートミラー、2は拡大ミラー、3はガス
媒質、4はウインドミラー、5はウインドミラー4上に
コーティングされた無反射膜、6はケーシング、7はミ
ラー1、2により形成される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り出された
リング状のレーザビーム、9はレンズ等の集光器、10は
被加工物、11、12、13は位相調整ミラー、14はコリメー
タミラーである。 なお図中同一符号は同一または相当部品を示すものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── 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 三菱電機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
    させるレーザ装置において、 レーザビームの光路上で遠視野パターンの得られる位置
    に、上記ビームの遠視野パターンのローブに対応して凹
    凸部を形成した位相調整ミラーを配置し、上記レーザビ
    ームの波面の位相を調整し得るように構成したことを特
    徴とするレーザ装置。
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