JP2673304B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は高品質なレーザビームを発生するレーザ装
置に関するものである。

［従来の技術］ 第８図はレーザハンドブック（Laser Handbook1979.N
orth−Holland Publishing Campany）P.7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（１）は凹面鏡よりなる全反射
ミラー、（２）はこの全反射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CO
₂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はフ
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
効率よく行なうことができる。

また、この集光の度合いは取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 facte
r）で決まり、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課題］ 従来のレーザ装置は上記のように構成されており、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のが問題で、予てより
その対策が要望されていた。

本発明は上記のような従来装置の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、本発明はレーザ装置におい
て、出口ミラーの全反射ミラーと対向する面の中央部に
部分反射膜をコーティングした部分反射部を設けるとと
もに、その周辺部及び他面側は無反射膜をコーティング
した無反射部とした。なお上記部分反射部の形状はレー
ザ装置の断面矩形状のレーザ媒質と相似な矩形状とし
た。

また必要に応じ、上記部分反射部は段部として、これ
にレーザビーム断面の位相分布を補正する位相補正機能
を持たせるか、またはレーザ装置外のレーザビーム光路
上に、光軸中心よりの距離に応じて厚みを変化させたミ
ラーよりなる位相補正ミラーを配置した。

［作 用］ 出口ミラーに部分反射部を設けることにより中づまり
のレーザビームを出射できるようになり、レーザビーム
はこの中づまりのビームと、無反射部より出射されるリ
ング状ビームとより形成されるので、Ｍ値は無限大に近
くレーザビームの品質は格段に高品質となる。なお、一
般に大出力用のレーザ媒質は矩形断面を呈していること
から、部分反射部の形状を、断面矩形状のレーザ媒質と
相似な矩形状とすることにより、大出力用のレーザ媒質
に対応した矩形断面のレーザビームを発生させることが
できて、レーザ媒質の断面を完全にみたすことができ、
発振効率を上げることができる。

また部分反射部を段部とするかまたは上記位相補正ミ
ラーを配設することにより、レーザビーム断面の位相分
布は自由に補正することができる。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すもので（ａ）は断面
図、（ｂ）は一部正面図で、図中（１）〜（８）は従来
装置と同一または相当部分、（10）は出口ミラー、（1
1）はその内面に形成された部分反射膜である。図にお
いて、出口ミラー（10）はウインドミラーをかねる凸面
鏡で、全反射ミラー（１）に対向する面の中央部には部
分反射機能を有する部分反射膜（11）がコーティングさ
れ、拡大ミラーとして機能する。なお部分反射膜（11）
の形状はレーザ媒質の断面形状と相似の矩形状とする。
また部分反射膜（11）の周辺部、及び他面側には無反射
コーティング膜（５）がコーティングされている。

次に動作について説明する。

全反射ミラー（１）と凸面鏡（10）の部分反射膜（1
1）部とはいわゆる不安定型共振器を構成しており、凸
面鏡（10）の部分反射膜（11）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、全反射ミラー（１）により平行ビームにコリメー
トされ、凸面鏡（10）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
（11）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（11）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）は夫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（11）の反射率は50％、また部分反射膜（1
1）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、凸面積（10）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）が凸面鏡（10）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。

さらに矩形の部分反射膜（11）の作用について説明を
加える。レーザビームは矩形状の部分反射膜（11）によ
り部分反射されて共振器内を往復するため、その断面は
矩形となる。一方レーザ媒質（３）は特に大出力用のも
のを考えれば矩形断面であることが多く、したがってレ
ーザ媒質の矩形断面に相似の矩形断面を有するレーザビ
ームはレーザ媒質（３）の断面を完全にみたすことがで
き、効率よくレーザビームをとり出すことができる。レ
ーザビーム断面が円形の場合、ビームはレーザ媒質の矩
形断面に内接する円としてレーザ媒質内を通過するので
レーザ媒質の全断面を利用できず、その分効率は落ち
る。第３図は矩形の放電により形成されたガスレーザ媒
質から矩形断面のレーザビームを取り出した場合（直線
Ａ）と円形断面レーザビームで取り出した場合（直線
Ｂ）の比較を示すものである。本発明のように矩形断面
レーザビームを発生させることにより著しく発振効率が
上がることがわかる。

さらに矩形断面ビームは第４図に示すようにランプ
（20）により励起された断面矩形の固体素子（３）から
レーザビームをとり出す場合にはとくに効果を発揮し、
加えて第４図に示すジグザグ光路をとれば、固体素子内
の温度分布による影響が打消されて高品質なレーザビー
ムを得ることができる。

なお、出口ミラーには第５図に示すような凹面鏡（3
0）を用いてもよい。

また、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（11）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（11）の反射率を上げて部分反射膜（11）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。この場合にはこの位相差を打消す手段
として例えば第６図に示すように凸面積（10）側に段部
（40）を設け、拡大ミラー部即ち部分反射膜（11）をコ
ーティングした部分と、拡大ミラー周辺部、即ち無反射
コーティング膜（５）をコーティングした部分との間に
段差を設けて、これにレーザビーム断面の位相分布を補
正する位相補正機能を持たせることにより実現できる。

なお、上記位相差を打消す手段として、第７図に示す
ようにレーザ共振器より取り出されたレーザビーム光路
上にその光軸中心からの距離に応じて厚みを変化させた
位相補正ミラー（50）を配設し、上記レーザビームを位
相補正ミラー（50）を通過させることによりビーム断面
の位相分布を消去させるようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明はレーザ装置において、その出口ミラーの全反
射ミラーに対向する面の中央部に部分反射膜をコーティ
ングし、その周辺部及び他面側には無反射膜をコーティ
ングするとともに、部分反射膜の形状を断面矩形状のレ
ーザ媒質と相似な矩形状としたので、出口ミラー周辺部
の無反射膜より出射するリング状のレーザビームと部分
反射膜を通過する中づまりのレーザビームとからなるビ
ームが取り出されることとなり、Ｍ値無限大に相当する
高品質のレーザビームを効率よく得ることができた。更
に大出力用のレーザ媒質に対応した矩形断面のレーザビ
ームを発生させることができて、レーザ媒質の断面を完
全にみたすことができ、発振効率を上げることができ
た。

また、レーザビームの光路上に、該レーザビームを透
過させることによってレーザビーム断面の位相分布を補
正する位相補正ミラーを配設したので、ビーム断面の位
相分布を補正できることとなった。

【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（ａ）は
側面断面図、（ｂ）はそのＡ部正面図、第２図はレーザ
ビームのパターンを示す特性図で（ａ）は従来装置によ
る特性図、（ｂ）は本発明に係る装置の特性図、第３図
は発振効率を示す線図、第４図は断面矩形のレーザ媒質
を備えたレーザ装置の断面図、第５図，第６図，第７図
は他の実施例を示す断面図、第８図は従来のレーザ装置
の断面図である。図中（１）は全反射ミラー、（３）は
レーザ媒質、（５）は無反射膜、（７）は共振器内のレ
ーザビーム、（８）は取り出されたレーザビーム、（1
0）は出口ミラー、（11）は部分反射膜、（30）は凹面
鏡による出口ミラー、（40）は段部、（50）は位相補正
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とす
る。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ装置において、 出口ミラーの全反射ミラーに対向する面の中央部に断面
   矩形状のレーザ媒質と相似な矩形状の部分反射部を設け
   るとともに、該部分反射部の周辺部及び他面側を無反射
   部とした ことを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】レーザ装置において、 レーザビームの光路上に、該レーザビームを透過させる
   ことによってレーザビーム断面の位相分布を補正する位
   相補正ミラーを配設した ことを特徴とするレーザ装置。