JP2660335B2 - レーザ装置 - Google Patents

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，とくに大出力レーザ装置にお
けるビーム品質の改良に関するものである。 〔従来の技術〕 第８図は例えばレーザハンドブック（Laser Handbook
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断面
側面図である。図においては（１）は凹面鏡よりなるコ
リメートミラー，（２）はこのコリメートミラーに対向
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）はウィンドミラー，（５）はウィン
ドミラー面上に施された無反射コーティング膜，（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レーザビーム
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
ムとしてウィンドミラー（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，その集光の度合いは取出させるリング状ビーム
の内径と外径との比（Ｍ値（Magnificationfacter））
できまり,M値が大きいほど，すなわち，より中づまりで
取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しく悪化するため，工業的に現
実にもちいられるＭ値の上限は２程度である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従来のレーザ装置は以上のように構成されているの
で，集光特性を向上させるためにＭ値を大きくすると発
振効率が悪化するので，実用的にはＭ値を最高集光性能
の得られる無限大近くまであげられないという問題点が
あった。また，ウィンドミラー（４）がリング状のレー
ザビームにより不均一に加熱されるため，不均一な内部
応力が発生し，通過するレーザビームの位相分布をくず
し，集光性能を悪化させる等の問題点があった。 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，発振効率の低下を招かずにＭ値が無限大に
近い高品質のレーザビームを取出すことができるレーザ
装置を容易に得ることを目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明に係るレーザ装置は、拡大ミラーのコリメー
トミラーとの対向面に無反射コーティング膜が施され、
その無反射コーティング膜上の中央部に部分反射膜が施
された構成にし、その部分反射膜と無反射コーティング
膜との通過するレーザビームの位相差を45゜以内にした
ものである。 〔作 用〕 この発明における拡大ミラーは、無反射コーティング
膜上の中央部に部分反射膜を施したことにより、部分反
射膜からもレーザビームが通過し、中づまりのレーザビ
ームを出力する。また、無反射コーティング膜と部分反
射膜とに隙間が生じることもなく、レーザビームの乱反
射を防ぐ。さらに、部分反射膜と無反射コーティング膜
との通過するレーザビームの位相差を45゜以内にするこ
とにより、集光後のスポット径およびパワー集中度等の
レーザビーム品質を良好にする。 〔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図はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示す
断面側面図であり，図において，（４）はウィンドミラ
ーを兼ねる凸面光学材であり，透明な材料で作られてい
てその内側と外側の両面に無反射コーティング膜（５）
が施され，さらに内側の，コリメートミラー（１）との
対向面の中央部には上記無反射コーティング膜（５）上
に部分反射膜（20）が施されている。 CO₂レーザ用のミラーを例にとり説明すると凸面光学
材（４）はZnSe（屈折率2.4），無反射コーティング膜
（５）は低屈折率薄膜でたとえばPbF₂（屈折率1.55），
部分反射膜（20）は高屈折率薄膜でたとえばZnSe（屈折
率2.4）である。 次に動作について説明する。 コリメートミラー（１）及び凸面光学材（４）の反射
膜（20）部はいわゆる不安定型共振器を構成しており，
凸面光学材（４）の部分反射膜（20）で反射拡大された
レーザビーム（７）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，凸面光学材（４）より外部へレーザ
ビーム（８）として取出される。このレーザビーム
（８）は部分反射膜（20）を通過する部分と，無反射コ
ーティング膜（５）を通過する部分とでできており，部
分反射膜（20）を通過する部分は部分透過性をもつの
で，レーザビーム（８）は中づまりであり，従来の不安
定型共振器で定義されたＭ値は無限大に相当する。 第２図（ａ），（ｂ）は各々従来及びこの発明の一実
施例による不安定型共振器で発生したレーザビームをレ
ンズで集光させた場合のパターン形状を模式的に示す特
性図であり，横軸は光軸からの距離，縦軸はビーム強度
である。 この実験では両者の発振特性をほぼ同一にするため，
部分反射膜（20）の反射率は50％，また部分反射膜（2
0）の径とビーム外径との比は1.5とした。（即ち,M＝1.
5の従来の不安定型共振器の拡大ミラー（２）に50％の
部分透過性をもたせて，この発明の不安定型共振器とし
た。） また，凸面光学材（４）の両面の曲率は同一とし（厚
みを一定とし），レーザビーム（８）が凸面光学材
（４）を通過後も平行ビームであるようにした。第２図
（ａ），（ｂ）で示される各集光性能を比較すると，こ
の発明によるもの（第２図（ｂ））は中央強度が高く，
かつ光軸上に集中したレーザビームが得られることがわ
かる。 また中央の強度の山（メインロープ）には全パワーの
約82％のレーザパワーが含まれていることが確かめら
れ，これは従来の不安定型共振器でのＭ値が無限大での
理論値80％にほぼ匹敵する値であり，理論限界に近い集
光性が得られていることがわかる。 次にこの発明による拡大ミラーの設計について説明す
る。工業的な製法を考えた場合，凹面光学材（４）全面
に無反射コーティング膜を施した上で，中央部にのみ誘
電体薄膜，即ち，部分反射膜（20）を施すのが最も容易
である。 また，上記部分反射膜（20）の厚みは反射率及び中央
部と外周部との位相差により決定される。 第３図は集光点での軸上強度の1/e²倍になる点の直径
（スポット径）及びその径内に含まれるレーザパワーの
全体に対する割合（パワー集中度）と位相差との関係を
各々曲線Ａ及びにより示す特性図であり，この曲線は波
動計算により共振器内に発生するレーザビーム，及びそ
れを用いて集光点での強度分布を計算した結果にもとづ
くものである。 スポット径が小さく，パワー集中度が大きい程，集光
性能がよいと判断できる。 例えば位相差が０゜から45゜程度内に打消されていれ
ば，パワー集中度，スポット径ともほぼ同一であるが,1
00゜以上の位相差が生じた場合にはとくにスポット径が
著しく悪化し，集光性能が悪化することがわかる。 この位相差と部分反射膜（20）の膜厚との関係を第４
図に示す。この例はZnSeの基板上にPbF₂（屈折率1.55）
を1.7μｍ施して無反射コーティング膜を形成し，さら
に中央部に部分反射膜としてZnSe膜（屈折率2.4）を何
μｍ施したら，中央部の透過率（曲線Ｃ）及び中央部と
外周部を通る２つのレーザビーム内の位相差（曲線Ｄ）
がいかになるかを示すものである。 第４図から第２図（ｂ）に示すような特性を得るため
に透過率50％，位相差45゜以内とするための部分反射膜
（20）の厚さは約7.5μｍであることがわかる。 なお，上記実施例では無反射コーティング膜（５）を
通過する場合の位相変化と部分反射膜（20）を通過する
場合の位相変化との差が小さいため集光性のよい位相の
よくそろったレーザビーム（８）が得られたが，部分反
射膜（20）の反射率を上げて部分反射膜（20）の膜厚を
大きくした場合には両者の間に生じる位相差により集光
性能が悪化する。この場合にはコリメートミラー（１）
面中央部の，部分反射膜（20）と同径の部分に段差を設
ける等により位相差を打消すようにすればよい。 また，上記実施例では単一膜の無反射コーティング膜
を示したが，第５図に示すように２膜またはそれ以上の
複膜よりなる無反射コーティング膜（51）（52）であっ
てもよい。 また，第６図に示すように，部分反射膜が複数の膜
（201）（202）より構成されていてもよい。 また，拡大ミラーは，第７図に示すように凹面光学材
を用いて構成してもよい。 〔発明の効果〕 以上のようにこの発明によれば、拡大ミラーのコリメ
ートミラーとの対向面に無反射コーティング膜が施さ
れ、その無反射コーティング膜上の中央部に部分反射膜
が施された構成にし、その部分反射膜と無反射コーティ
ング膜との通過するレーザビームの位相差を45゜以内に
するように構成したので、部分反射膜からもレーザビー
ムを通過させることができ、中づまりの集光特性のよい
レーザビームが得られ、また、無反射コーティング膜上
に部分反射膜を施すことで実現できるので、無反射コー
ティング膜と部分反射膜とに隙間が生じることもなく、
レーザビームに乱反射が生じることはない。さらに、部
分反射膜と無反射コーティング膜との通過するレーザビ
ームの位相差を45゜以内にしたので、集光後のスポット
径およびパワー集中度等のレーザビーム品質を良好にす
ることができる。また、レーザビームはウインドミラー
を全体に過熱するので、熱応力が発生しにくく安定して
長時間ビームを取り出すことができるという効果もあ
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断
面側面図，第２図（ａ），（ｂ）は各々従来及びこの発
明の一実施例によるレーザ装置の集光特性を示す特性
図，第３図は集光点でのスポット径及びパワー集中度と
位相差との関係を示す特性図，第４図は部分反射膜の膜
厚と位相差及び透過率との関係を示す特性図，第５図，
第６図はこの発明の他の実施例に係る拡大ミラーを示す
断面側面図，第７図はこの発明の他の実施例によるレー
ザ装置を示す断面側面図，並びに，第８図は従来のレー
ザ装置を示す断面側面図である。 （１）……コリメートミラー，（３）……レーザ媒質，
（４）……凸面鏡，（５）（51）（52）……無反射コー
ティング膜，（７）（８）……レーザビーム（20），
（201）（202）……部分反射膜，（41）……凹面鏡。 なお，図中，同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．互いに対向配置された拡大ミラーおよびコリメート
   ミラーにより不安定型共振器を構成しレーザビームを取
   り出すレーザ装置において、上記拡大ミラーは上記コリ
   メートミラーとの対向面に無反射コーティング膜が施さ
   れた透明な凹または凸面光学材と、その凹または凸面光
   学材中央部の無反射コーティング膜上に施された部分反
   射膜とで構成し、上記部分反射膜と無反射コーティング
   膜との通過するレーザビームの位相差を45゜以内にした
   ことを特徴とするレーザ装置。