JP3089017B2 - 集束鏡の組合せを有する高出力レーザ装置 - Google Patents
集束鏡の組合せを有する高出力レーザ装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ光共振器内で生じる熱的影響による負
のレンズ効果の分布を補うとともに、レーザ光の所望ビ
ーム直径を維持するための、１組またはそれ以上の集束
鏡を含有する高出力レーザ装置に関する。
のレンズ効果の分布を補うとともに、レーザ光の所望ビ
ーム直径を維持するための、１組またはそれ以上の集束
鏡を含有する高出力レーザ装置に関する。
高出力気体レーザの光共振器の内部で、高熱気体（又
はプラズマ）の影響を受けて負のレンズが分布すること
は周知の現象である。密封式炭酸ガスレーザの有効長さ
を約６乃至8mに増大させた場合に、活性媒体として作用
する混合気体における半径方向温度勾配、従って密度勾
配に伴う負のレンズ効果の発生を無視できない。この結
果、レーザ光のビームのビーム直径が、負のレンズ効果
がない場合に比べて大きくなる。熱的影響による負のレ
ンズ効果は高出力炭酸ガスレーザ以外の高出力レーザに
も発生する。
はプラズマ）の影響を受けて負のレンズが分布すること
は周知の現象である。密封式炭酸ガスレーザの有効長さ
を約６乃至8mに増大させた場合に、活性媒体として作用
する混合気体における半径方向温度勾配、従って密度勾
配に伴う負のレンズ効果の発生を無視できない。この結
果、レーザ光のビームのビーム直径が、負のレンズ効果
がない場合に比べて大きくなる。熱的影響による負のレ
ンズ効果は高出力炭酸ガスレーザ以外の高出力レーザに
も発生する。
本明細書において「高出力」レーザ装置という用語は
出力が200W以上のレーザ光のビームを生成するレーザ装
置を示す。密封式炭酸ガスレーザでは、光共振器の長さ
を増大することによってビーム出力を750W以上（最高1.
6kWまたはそれ以上）に増大させることが望ましい。し
かし、上記の熱的影響による負のレンズ現象によって従
来の密封式炭酸ガスレーザ装置の効率と最大出力が制限
されている。
出力が200W以上のレーザ光のビームを生成するレーザ装
置を示す。密封式炭酸ガスレーザでは、光共振器の長さ
を増大することによってビーム出力を750W以上（最高1.
6kWまたはそれ以上）に増大させることが望ましい。し
かし、上記の熱的影響による負のレンズ現象によって従
来の密封式炭酸ガスレーザ装置の効率と最大出力が制限
されている。
高出力炭酸ガスレーザ装置での負のレンズ現象は、平
滑孔を有するプラズマ管がこの種のレーザの光共振器内
に用いられる特殊なケースでは無視されることがある。
この種の平滑孔をもつプラズマ管は、基本モードと、そ
れ以上の高モードで伝播損失が少ないものとをいずれも
閉じ込める導波管としての役目を果すのである。しかし
この種の高モードを制御することが多い。
滑孔を有するプラズマ管がこの種のレーザの光共振器内
に用いられる特殊なケースでは無視されることがある。
この種の平滑孔をもつプラズマ管は、基本モードと、そ
れ以上の高モードで伝播損失が少ないものとをいずれも
閉じ込める導波管としての役目を果すのである。しかし
この種の高モードを制御することが多い。
例えば、1985年２月19日付米国特許第4,500,996号中
に開示された高出力折曲型炭酸ガスレーザ装置は、導波
作用を抑制するために、該レーザ装置の折曲型光共振器
の内部に波しわ付きプラズマ管（周期的縮径部を有す
る）を用いている。この種の縮径型プラズマ管を使用す
ると高モード時の損失が大きくなるので、高モードでは
レーザ発振が生じない。この結果、前掲米国特許第4,50
0,996号のレーザ装置から放出されるレーザ光のビーム
は基本的に基本TEMooモードを有する ノーマル回折作用によって、光共振器のレーザ光のビ
ーム直径が光共振器の全長にわたって種々と異なる。長
さが数ｍ以上の炭酸ガスレーザの場合、該レーザ装置の
最高出力と効率とを得るために、異なった直径の波形プ
ラズマ管を用いてレーザ光ビームと励起状態の気体を同
じ容積内に閉じ込めることが必要になる。長さが６乃至
8m以上の密封型炭酸ガスレーザの場合、熱的影響による
負のレンズ効果に伴って光共振器に沿って異なる位置で
ビーム直径が異なるという上記問題が更に深刻化する。
従って、高出力折曲型基本モード気体レーザ装置（例え
ば米国特許第4,500,996号に開示されたレーザ装置）を
改良することによって、レーザ光のビーム直径を光共振
器の全長にわたって実質的に一定に保持し、もってレー
ザ装置の出力と効率とを減少することなく同一直径のプ
ラズマ管を使用することが望ましい。また、レーザ光の
ビーム直径が反射鏡の曲率半径、回折及び熱的影響によ
る負のレンズ効果によって決定され、それを受容するで
はなく、むしろビーム直径をレーザ装置設計の一部とし
て選択し、調節できることが望ましい。
に開示された高出力折曲型炭酸ガスレーザ装置は、導波
作用を抑制するために、該レーザ装置の折曲型光共振器
の内部に波しわ付きプラズマ管（周期的縮径部を有す
る）を用いている。この種の縮径型プラズマ管を使用す
ると高モード時の損失が大きくなるので、高モードでは
レーザ発振が生じない。この結果、前掲米国特許第4,50
0,996号のレーザ装置から放出されるレーザ光のビーム
は基本的に基本TEMooモードを有する ノーマル回折作用によって、光共振器のレーザ光のビ
ーム直径が光共振器の全長にわたって種々と異なる。長
さが数ｍ以上の炭酸ガスレーザの場合、該レーザ装置の
最高出力と効率とを得るために、異なった直径の波形プ
ラズマ管を用いてレーザ光ビームと励起状態の気体を同
じ容積内に閉じ込めることが必要になる。長さが６乃至
8m以上の密封型炭酸ガスレーザの場合、熱的影響による
負のレンズ効果に伴って光共振器に沿って異なる位置で
ビーム直径が異なるという上記問題が更に深刻化する。
従って、高出力折曲型基本モード気体レーザ装置（例え
ば米国特許第4,500,996号に開示されたレーザ装置）を
改良することによって、レーザ光のビーム直径を光共振
器の全長にわたって実質的に一定に保持し、もってレー
ザ装置の出力と効率とを減少することなく同一直径のプ
ラズマ管を使用することが望ましい。また、レーザ光の
ビーム直径が反射鏡の曲率半径、回折及び熱的影響によ
る負のレンズ効果によって決定され、それを受容するで
はなく、むしろビーム直径をレーザ装置設計の一部とし
て選択し、調節できることが望ましい。
原則として、正の焦点距離をもつ１個又はそれ以上の
レンズを共振器全体に分散させたり、通常のかどに配置
した平面鏡に代えて集束用の軸外し放物面鏡を用いるこ
とによってレーザ光のビームを周期的に集束し、もって
上記の目的を達成することができる。実際には、これら
の対策は受入れられない。光共振器内に１個またはそれ
以上のレンズを使用しようとするレンズの焦点距離がレ
ンズの吸収力と、従って光共振器内の循環力によって疎
害されるのである。また軸外れ放物面の使用はその高コ
ストが疎害要因である。
レンズを共振器全体に分散させたり、通常のかどに配置
した平面鏡に代えて集束用の軸外し放物面鏡を用いるこ
とによってレーザ光のビームを周期的に集束し、もって
上記の目的を達成することができる。実際には、これら
の対策は受入れられない。光共振器内に１個またはそれ
以上のレンズを使用しようとするレンズの焦点距離がレ
ンズの吸収力と、従って光共振器内の循環力によって疎
害されるのである。また軸外れ放物面の使用はその高コ
ストが疎害要因である。
本発明のレーザ装置は１組又はそれ以上の集束レンズ
を用いて熱的影響による負のレンズ効果の分布を補正す
るとともに、レーザ光の所望のビーム直径を維持するも
のである。本発明の好ましい一実施態様の高出力気体レ
ーザ装置は熱的影響による負のレンズ効果の分散を減少
させることによって光共振器の全体にわたってレーザ光
のビーム直径を実質的に一定に維持するための内部鏡型
周期集束装置を備えた折曲型光共振器を有している。該
周期集束装置は、折曲型光共振器の各かどに配置された
かど鏡セット（少なくとも１個の曲面鏡と少なくとも１
個の非曲面鏡とを含む）を含有するのが好ましい。
を用いて熱的影響による負のレンズ効果の分布を補正す
るとともに、レーザ光の所望のビーム直径を維持するも
のである。本発明の好ましい一実施態様の高出力気体レ
ーザ装置は熱的影響による負のレンズ効果の分散を減少
させることによって光共振器の全体にわたってレーザ光
のビーム直径を実質的に一定に維持するための内部鏡型
周期集束装置を備えた折曲型光共振器を有している。該
周期集束装置は、折曲型光共振器の各かどに配置された
かど鏡セット（少なくとも１個の曲面鏡と少なくとも１
個の非曲面鏡とを含む）を含有するのが好ましい。
好ましい一実施態様では各かど鏡セットは球面鏡と円
柱鏡とを含有している。別の好ましい実施態様において
各かど鏡セットは３個の鏡、すなわち３個の球面鏡（ま
たは２個の球面鏡と１個の平面鏡）を備えている。各好
ましい実施態様では、曲面鏡の形状と方向とは各鏡セッ
トが実質的に無収差になるように形成してある。
柱鏡とを含有している。別の好ましい実施態様において
各かど鏡セットは３個の鏡、すなわち３個の球面鏡（ま
たは２個の球面鏡と１個の平面鏡）を備えている。各好
ましい実施態様では、曲面鏡の形状と方向とは各鏡セッ
トが実質的に無収差になるように形成してある。
本発明の別の好ましい実施態様において、集束鏡セッ
トが高出力レーザの光共振器の外部に配置されている。
少なくとも１組の集束鏡が高出力レーザの出力ビーム放
出用光学部品と一緒に包含されている。例えば通常の透
過性最終集束レンズに代えて、本発明の全反射型集束鏡
セット中の１個の集束鏡を用いることによって高出力レ
ーザ装置の出力ビームを所望の光路（例えば溶接、切断
加工）に沿って導くことが可能になる。
トが高出力レーザの光共振器の外部に配置されている。
少なくとも１組の集束鏡が高出力レーザの出力ビーム放
出用光学部品と一緒に包含されている。例えば通常の透
過性最終集束レンズに代えて、本発明の全反射型集束鏡
セット中の１個の集束鏡を用いることによって高出力レ
ーザ装置の出力ビームを所望の光路（例えば溶接、切断
加工）に沿って導くことが可能になる。
本発明の鏡セットの各好ましい実施態様の各鏡は、球
面、円柱面などの加工が容易な（従って、安価な）表面
を有している。
面、円柱面などの加工が容易な（従って、安価な）表面
を有している。
折曲型光共振器を有する気体レーザは任意個のプラズ
マ管を具備することが可能であるが、第１図に示す折曲
型光共振器は４個のプラズマ管（2,4,6,8）を含有して
いる。かど鏡ハウジング（10,12及び14）の各々は気体
レーザ物質（16）（炭酸ガス、その他の気体あるいは混
合気体を含有することができる）を封入するためのもの
である。各ハウジング（10,12及び14）は光共振器の内
部で隣接するプラズマ管の対の間にレーザ放射を反射さ
せるかど鏡セットを包囲している。各プラズマ管（2,
8）は別のかど鏡セットに接続させたり、光共振器の端
部鏡（図示省略）で終端することができる。
マ管を具備することが可能であるが、第１図に示す折曲
型光共振器は４個のプラズマ管（2,4,6,8）を含有して
いる。かど鏡ハウジング（10,12及び14）の各々は気体
レーザ物質（16）（炭酸ガス、その他の気体あるいは混
合気体を含有することができる）を封入するためのもの
である。各ハウジング（10,12及び14）は光共振器の内
部で隣接するプラズマ管の対の間にレーザ放射を反射さ
せるかど鏡セットを包囲している。各プラズマ管（2,
8）は別のかど鏡セットに接続させたり、光共振器の端
部鏡（図示省略）で終端することができる。
光共振器内でレーザ放射を生成するには、光共振器内
の気体を、プラズマ管に沿って配置された一連の電極
（図示省略）を用いて通常の方法で必要なエネルギーレ
ベルに励起する。好ましくは各プラズマ管（2,4,6及び
８）は波形に形成することによって、より高準位のレー
ザ放射モードの伝播を抑制するほか、光共振器から放出
されるレーザ光のビームが実質的に基本モードのレーザ
放射だけを含有することを保証する。
の気体を、プラズマ管に沿って配置された一連の電極
（図示省略）を用いて通常の方法で必要なエネルギーレ
ベルに励起する。好ましくは各プラズマ管（2,4,6及び
８）は波形に形成することによって、より高準位のレー
ザ放射モードの伝播を抑制するほか、光共振器から放出
されるレーザ光のビームが実質的に基本モードのレーザ
放射だけを含有することを保証する。
仮に、通常の平面鏡をかど鏡セットとして用い、かつ
プラズマ管内の励起気体（またはプラズマ）が十分に高
温な場合には、熱的影響による負のレンズ効果の分布現
象によって、レーザ光のビーム直径は光路に沿って種々
と変化する。一方のプラズマ管内のレーザ光のビーム直
径が他方のプラズマ管内のレーザ光のビーム直径と著し
く異なるのである。
プラズマ管内の励起気体（またはプラズマ）が十分に高
温な場合には、熱的影響による負のレンズ効果の分布現
象によって、レーザ光のビーム直径は光路に沿って種々
と変化する。一方のプラズマ管内のレーザ光のビーム直
径が他方のプラズマ管内のレーザ光のビーム直径と著し
く異なるのである。
これに対し、本発明のレーザ装置の各かど鏡セットは
１個またはそれ以上の曲面鏡を含有していて、該曲面鏡
の組合せ有効焦点距離は熱的影響による負のレンズ効果
の分布を補うように選択してある。各かど鏡セットの有
効焦点距離は、好ましくは複数のかど鏡セットを光共振
器に沿って適当な間隔で配置した場合に、十分な周期集
束が得られるので光共振器の全長にわたってレーザ光の
ビーム直径を実質的に一定に維持できるような補正を行
う。この種の内部鏡式周期集束によって光共振器の各プ
ラズマ管内でのレーザ光のビーム直径をほぼ一定に維持
できるので、同一な直径のレーザ管（2,4,6,8）が使用
可能となる。本発明のかど鏡セットの複数の実施態様に
ついて以下説明する。
１個またはそれ以上の曲面鏡を含有していて、該曲面鏡
の組合せ有効焦点距離は熱的影響による負のレンズ効果
の分布を補うように選択してある。各かど鏡セットの有
効焦点距離は、好ましくは複数のかど鏡セットを光共振
器に沿って適当な間隔で配置した場合に、十分な周期集
束が得られるので光共振器の全長にわたってレーザ光の
ビーム直径を実質的に一定に維持できるような補正を行
う。この種の内部鏡式周期集束によって光共振器の各プ
ラズマ管内でのレーザ光のビーム直径をほぼ一定に維持
できるので、同一な直径のレーザ管（2,4,6,8）が使用
可能となる。本発明のかど鏡セットの複数の実施態様に
ついて以下説明する。
第２図に示す折曲型光共振器は８個のレーザ管（20,2
1,22,23,24,25,26,27）を備えている。円柱鏡（30,32,3
4,36,38,40及び42）と球面鏡（31,33,35,37,39,41及び4
3）とはレーザ光のビームをレーザ管の隣接対の間に指
向させる。鏡（30乃至43）は円柱鏡と球面鏡それぞれ１
個ずつで１セットを構成する７セットのかど鏡に分割さ
れる。例えば一方のセットが鏡（30,31）とを具備する
のに対し、他方のセットが鏡（32,33）を含有してい
る。各かど鏡セットが光共振器内でのレーザ放射をレー
ザ管の隣接対の間で反射する。各かど鏡セットは気体状
のレーザ物質を光共振器内に閉じ込めるための第１図に
示すハウジング（12）などの気密ハウジング（第２図で
は省略）で包囲させることが好ましい。第２図の実施態
様では、連続的なかど鏡セットにおけるレーザ光ビーム
の入射面は水平面と垂直面と交互に繰返すようにしてあ
る。
1,22,23,24,25,26,27）を備えている。円柱鏡（30,32,3
4,36,38,40及び42）と球面鏡（31,33,35,37,39,41及び4
3）とはレーザ光のビームをレーザ管の隣接対の間に指
向させる。鏡（30乃至43）は円柱鏡と球面鏡それぞれ１
個ずつで１セットを構成する７セットのかど鏡に分割さ
れる。例えば一方のセットが鏡（30,31）とを具備する
のに対し、他方のセットが鏡（32,33）を含有してい
る。各かど鏡セットが光共振器内でのレーザ放射をレー
ザ管の隣接対の間で反射する。各かど鏡セットは気体状
のレーザ物質を光共振器内に閉じ込めるための第１図に
示すハウジング（12）などの気密ハウジング（第２図で
は省略）で包囲させることが好ましい。第２図の実施態
様では、連続的なかど鏡セットにおけるレーザ光ビーム
の入射面は水平面と垂直面と交互に繰返すようにしてあ
る。
第３図は凹球面数（53）と凹円柱鏡（55）の合計２個
の鏡を備えた本発明のかど鏡セットの好ましい実施態様
を示している。第３図では鏡（53,55）の向きは入射レ
ーザ光ビーム（50）が凹球面鏡（53）に入射角45゜で入
射すると、反射光（51）が凹円柱鏡（55）に入射角45゜
で入射し、更に２回反射した光（52）は反射光（51）に
対して90゜の角度で伝搬し、次いで２回反射光（52）は
入射光（50）の伝搬方向に対し180゜回転した方向（逆
方向）に伝搬するのである。
の鏡を備えた本発明のかど鏡セットの好ましい実施態様
を示している。第３図では鏡（53,55）の向きは入射レ
ーザ光ビーム（50）が凹球面鏡（53）に入射角45゜で入
射すると、反射光（51）が凹円柱鏡（55）に入射角45゜
で入射し、更に２回反射した光（52）は反射光（51）に
対して90゜の角度で伝搬し、次いで２回反射光（52）は
入射光（50）の伝搬方向に対し180゜回転した方向（逆
方向）に伝搬するのである。
鏡（53,55）の曲率半径は、球面鏡（53）からの反射
によって生じる収差を、円柱鏡（55）の反射面での反射
に伴う収差によって打消すように選択される。円柱鏡
（55）の円筒軸線（59）がレーザ光ビーム（51）の入射
面上にある場合（第３図に示すように）、球面鏡（53）
の凹曲率半径は好ましくは凹円柱鏡（55）の曲率半径に
実質的に等しくしてある。この好ましい実施態様におい
て、鏡（53,55）の組合せの有効焦点距離は実質的に に等しく、ここでＲは鏡（53）（あるいは鏡（55）の曲
率半径である。長さ1.5mのレーザ管を８本備えた密封式
レーザ装置において、複数対の従来の平面鏡に変えて、
第３図に示す型式のかど鏡セットを用いた場合に、レー
ザの出力が800Wから950Wに増大することが判明した。ま
た、レーザ光の品質M2も3.4から2.6へ減少することで向
上した。レーザ光の品質を規定するパラメータM2はM2＝
（π/4L）（θ）（Ｄ）として表わされ、ここでＬはレ
ーザ光の波長、θは完全角遠視野ビーム発散、Ｄはレー
ザ光ウエイスト直径である。
によって生じる収差を、円柱鏡（55）の反射面での反射
に伴う収差によって打消すように選択される。円柱鏡
（55）の円筒軸線（59）がレーザ光ビーム（51）の入射
面上にある場合（第３図に示すように）、球面鏡（53）
の凹曲率半径は好ましくは凹円柱鏡（55）の曲率半径に
実質的に等しくしてある。この好ましい実施態様におい
て、鏡（53,55）の組合せの有効焦点距離は実質的に に等しく、ここでＲは鏡（53）（あるいは鏡（55）の曲
率半径である。長さ1.5mのレーザ管を８本備えた密封式
レーザ装置において、複数対の従来の平面鏡に変えて、
第３図に示す型式のかど鏡セットを用いた場合に、レー
ザの出力が800Wから950Wに増大することが判明した。ま
た、レーザ光の品質M2も3.4から2.6へ減少することで向
上した。レーザ光の品質を規定するパラメータM2はM2＝
（π/4L）（θ）（Ｄ）として表わされ、ここでＬはレ
ーザ光の波長、θは完全角遠視野ビーム発散、Ｄはレー
ザ光ウエイスト直径である。
第４図は本発明の一対のかど鏡の別の実施態様を示し
ており、第４図に示す一対の鏡は、第３図の場合と同様
に、凹球面鏡（63）と凸円柱鏡（65）を具備している。
軸線（69）は凸円柱鏡（65）の円筒軸線である。第４図
の鏡の組合せと第３図の組合せとの相違点は、凸円柱鏡
（65）の円筒軸線（69）が該円柱鏡（65）に入射する反
射光（51）の入射面に垂直をなすことにある。第４図の
実施態様では凹球面鏡（63）の曲率半径が、凸円柱鏡
（65）の曲率半径に比べて、好ましくは半分の大きさで
符号が反対にしてある。この好ましい実施態様におい
て、鏡（63,65）の組合せの有効焦点距離は実質的に であり、ここでＲは凹球面鏡（63）の曲率半径である。
ており、第４図に示す一対の鏡は、第３図の場合と同様
に、凹球面鏡（63）と凸円柱鏡（65）を具備している。
軸線（69）は凸円柱鏡（65）の円筒軸線である。第４図
の鏡の組合せと第３図の組合せとの相違点は、凸円柱鏡
（65）の円筒軸線（69）が該円柱鏡（65）に入射する反
射光（51）の入射面に垂直をなすことにある。第４図の
実施態様では凹球面鏡（63）の曲率半径が、凸円柱鏡
（65）の曲率半径に比べて、好ましくは半分の大きさで
符号が反対にしてある。この好ましい実施態様におい
て、鏡（63,65）の組合せの有効焦点距離は実質的に であり、ここでＲは凹球面鏡（63）の曲率半径である。
更に別の実施態様では第３図の凹球面鏡（53）に代え
て、レーザ光（50,51及び52）の平面に垂直な円筒軸線
を有する円柱鏡を用いる。この実施態様における凹円柱
鏡（55）の曲率半径は、球面鏡（53）に代えて用いられ
る円柱鏡の曲率半径の半分に設定してある。
て、レーザ光（50,51及び52）の平面に垂直な円筒軸線
を有する円柱鏡を用いる。この実施態様における凹円柱
鏡（55）の曲率半径は、球面鏡（53）に代えて用いられ
る円柱鏡の曲率半径の半分に設定してある。
本発明の球面鏡と円柱鏡の組合せは無収差であるの
で、球面鏡と円柱鏡の間隔が鏡を組合せた際の焦点距離
に対して極めて短くなることを理解すべきである。
で、球面鏡と円柱鏡の間隔が鏡を組合せた際の焦点距離
に対して極めて短くなることを理解すべきである。
本発明のかど鏡セットのすべての実施態様において、
鏡群を強固に連結することによって、これらの鏡の入射
面関係を固定し、維持することが重要である。一定セッ
トの無収差鏡（反射面と曲率半径との組合せ）は本明細
書に記載した入射面の特定配列下で成り立つ。
鏡群を強固に連結することによって、これらの鏡の入射
面関係を固定し、維持することが重要である。一定セッ
トの無収差鏡（反射面と曲率半径との組合せ）は本明細
書に記載した入射面の特定配列下で成り立つ。
なお特許請求の範囲を含み本明細書中に用いられる用
語「鏡セット」は、任意数の鏡のセット（単一の鏡、あ
るいは１個以上の鏡を含む）を示すものである。
語「鏡セット」は、任意数の鏡のセット（単一の鏡、あ
るいは１個以上の鏡を含む）を示すものである。
第５図に示す別の実施態様では、本発明のレーザ装置
の各かど鏡セットは３個の凹球面鏡（71,73及び75）を
具備している。該鏡（71,73,75）は入射ビームを180゜
の角度で（第３図と第４図の実施態様と同様に横オフセ
ットを有する）反射するように設計してある。入射ビー
ムが球面波面を有する場合、反射ビームは異なった曲率
半径をもつ球面波面を有するのである。球面鏡（75）は
鏡（71,73）からの反射によってビームに生じる収差を
補うものである。鏡（71,73,75）の曲率半径を仮にそれ
ぞれR1,R2,R3と示すと、これらの曲率半径は（R1）-1＋
（R3）-1＝（R2）-1の関係が成り立つように選択する必
要がある。球面鏡の曲率半径を上記のように選択し、ま
た接線面と球欠平面での光学パワーを等しくする場合
に、鏡（71,73,75）の光学パワー（逆焦点距離）（それ
ぞれP1,P2及びP3）はP1＋P3＝P2の関係にある。
の各かど鏡セットは３個の凹球面鏡（71,73及び75）を
具備している。該鏡（71,73,75）は入射ビームを180゜
の角度で（第３図と第４図の実施態様と同様に横オフセ
ットを有する）反射するように設計してある。入射ビー
ムが球面波面を有する場合、反射ビームは異なった曲率
半径をもつ球面波面を有するのである。球面鏡（75）は
鏡（71,73）からの反射によってビームに生じる収差を
補うものである。鏡（71,73,75）の曲率半径を仮にそれ
ぞれR1,R2,R3と示すと、これらの曲率半径は（R1）-1＋
（R3）-1＝（R2）-1の関係が成り立つように選択する必
要がある。球面鏡の曲率半径を上記のように選択し、ま
た接線面と球欠平面での光学パワーを等しくする場合
に、鏡（71,73,75）の光学パワー（逆焦点距離）（それ
ぞれP1,P2及びP3）はP1＋P3＝P2の関係にある。
一実施態様において、３個の鏡のすべてが凹球面鏡
で、その曲率半径の絶対値がそれぞれ120m、60m及び120
mである。この種の３個鏡式かど鏡セットの組合せ有効
焦点距離（逆の光学パワー）は14.14mである。この実施
態様での鏡の配置は、各鏡がそれぞれの入射ビームの伝
搬方向を90゜変更させるように整合してある。
で、その曲率半径の絶対値がそれぞれ120m、60m及び120
mである。この種の３個鏡式かど鏡セットの組合せ有効
焦点距離（逆の光学パワー）は14.14mである。この実施
態様での鏡の配置は、各鏡がそれぞれの入射ビームの伝
搬方向を90゜変更させるように整合してある。
第５図の実施態様の特別ケースでは、鏡（71,75）の
いずれか一方が平面鏡（曲率半径が殆ど無限である）
で、また鏡（71,73,75）の残り２個が球面鏡である。例
えば鏡（71）が平面鏡で、また鏡（73,75）が実質的に
同一の曲率半径（実質的に60mに等しい）を有する球面
鏡とする。
いずれか一方が平面鏡（曲率半径が殆ど無限である）
で、また鏡（71,73,75）の残り２個が球面鏡である。例
えば鏡（71）が平面鏡で、また鏡（73,75）が実質的に
同一の曲率半径（実質的に60mに等しい）を有する球面
鏡とする。
３個の鏡を使用する本発明のかど鏡セットの実施態様
（第５図を参照して詳述したもの）では、一対の軸外し
非球面鏡を使用していないが、これは球面鏡、平面鏡に
比べて高価なばかりでなく使用が容易でないためであ
る。しかし、３個の鏡を配置した実施態様は、第３図と
第４図について記述した２個の鏡を使用する実施態様
（いずれの場合も球面鏡と円柱鏡を１個ずつ含有してい
る）に比べて、複雑化し、かつ高価となる傾向がある。
（第５図を参照して詳述したもの）では、一対の軸外し
非球面鏡を使用していないが、これは球面鏡、平面鏡に
比べて高価なばかりでなく使用が容易でないためであ
る。しかし、３個の鏡を配置した実施態様は、第３図と
第４図について記述した２個の鏡を使用する実施態様
（いずれの場合も球面鏡と円柱鏡を１個ずつ含有してい
る）に比べて、複雑化し、かつ高価となる傾向がある。
第６図は本発明のかど鏡セットの更に別の実施態様を
示している。凹球面鏡（83）の向きは入射ビーム（50）
を90゜の方向に反射するように設定し、また凹球面鏡
（85）は、１回反射させたビーム（51）を90゜反射させ
ることによって、２回反射させたビーム（52）が入射ビ
ーム（50）の方向からオフセットするとともに該入射ビ
ーム（50）の方向から90゜回転した方向に伝搬するよう
にしてある。鏡（83）に対する入射ビーム（50）の入射
角は鏡（85）に対する１回反射したビーム（51）の入射
角と同じである。入射ビーム（50）が第６図に示すよう
に接線光線（すなわち入射面に平行な光線）である場
合、反射ビーム（51）は鏡（85）に対して球欠光線（す
なわち、入射面に直角な光線）である。上記２個の鏡
（83,85）の入射面が互いに直角をなすという事実は内
部鏡型レーザ装置に適用する際の設計上の欠点になる。
しかし外部鏡形気体レーザの場合、この設計上の特徴は
通常、問題点とならない。
示している。凹球面鏡（83）の向きは入射ビーム（50）
を90゜の方向に反射するように設定し、また凹球面鏡
（85）は、１回反射させたビーム（51）を90゜反射させ
ることによって、２回反射させたビーム（52）が入射ビ
ーム（50）の方向からオフセットするとともに該入射ビ
ーム（50）の方向から90゜回転した方向に伝搬するよう
にしてある。鏡（83）に対する入射ビーム（50）の入射
角は鏡（85）に対する１回反射したビーム（51）の入射
角と同じである。入射ビーム（50）が第６図に示すよう
に接線光線（すなわち入射面に平行な光線）である場
合、反射ビーム（51）は鏡（85）に対して球欠光線（す
なわち、入射面に直角な光線）である。上記２個の鏡
（83,85）の入射面が互いに直角をなすという事実は内
部鏡型レーザ装置に適用する際の設計上の欠点になる。
しかし外部鏡形気体レーザの場合、この設計上の特徴は
通常、問題点とならない。
次に、第７図に示す別の種類の実施態様について説明
する。第７図のレーザ光ビーム送出装置（190）は機械
式位置調整装置（192）上に光共振器（124）を装着して
いる。レーザ光ビーム（28）が光共振器（124）から放
出されると一組の管（管（142,144,149及び154）を含
む）と鏡継手（継手（146,150,152）を含む）によって
該ビーム（28）を集束レンズ（194）に導く。該レーザ
光ビーム（28）は集束レンズ（194）からターゲット領
域（196）に伝搬する。ターゲット領域（196）は溶接、
切断加工、けがきすべき工作物表面上の領域を画成する
ことができる。
する。第７図のレーザ光ビーム送出装置（190）は機械
式位置調整装置（192）上に光共振器（124）を装着して
いる。レーザ光ビーム（28）が光共振器（124）から放
出されると一組の管（管（142,144,149及び154）を含
む）と鏡継手（継手（146,150,152）を含む）によって
該ビーム（28）を集束レンズ（194）に導く。該レーザ
光ビーム（28）は集束レンズ（194）からターゲット領
域（196）に伝搬する。ターゲット領域（196）は溶接、
切断加工、けがきすべき工作物表面上の領域を画成する
ことができる。
１組またはそれ以上の本発明のかど鏡を、光共振器の
外方（すなわち第７図に示すレーザ光送出装置の光共振
器（124）の外方）の高出力レーザ光の光路の一部分に
配置させることは本発明の範囲内にある。したがって、
第７図では各対の隣接する剛性鏡継手（例えば継手（14
6）と（150）とを含有する対）が第６図に示した型式の
かど鏡組立体を備えることができる。この種の本発明の
「外部鏡」型実施態様では、上述した内部鏡型実施態様
の場合と同様に、本発明のかど鏡セットを用いることに
よって全反射型光学装置を構築することが可能になる。
この種の全反射型光学装置は特に高出力レーザ装置へ組
み込むのに適している。これは高出力レーザ装置では屈
折機素（透過レンズ）の使用が熱的影響による変形ある
いは損傷の理由で不利益あるいは不可能なことにある。
例えば球面鏡（83）と（85）とを鏡継手（146）と（15
0）とにそれぞれ被包させると透過鏡を全く使用しない
で、レーザ光ビームがビーム送出装置を通過する際に該
ビーム直径を調整するための実質的に無収差の集束力を
与えることができる。
外方（すなわち第７図に示すレーザ光送出装置の光共振
器（124）の外方）の高出力レーザ光の光路の一部分に
配置させることは本発明の範囲内にある。したがって、
第７図では各対の隣接する剛性鏡継手（例えば継手（14
6）と（150）とを含有する対）が第６図に示した型式の
かど鏡組立体を備えることができる。この種の本発明の
「外部鏡」型実施態様では、上述した内部鏡型実施態様
の場合と同様に、本発明のかど鏡セットを用いることに
よって全反射型光学装置を構築することが可能になる。
この種の全反射型光学装置は特に高出力レーザ装置へ組
み込むのに適している。これは高出力レーザ装置では屈
折機素（透過レンズ）の使用が熱的影響による変形ある
いは損傷の理由で不利益あるいは不可能なことにある。
例えば球面鏡（83）と（85）とを鏡継手（146）と（15
0）とにそれぞれ被包させると透過鏡を全く使用しない
で、レーザ光ビームがビーム送出装置を通過する際に該
ビーム直径を調整するための実質的に無収差の集束力を
与えることができる。
本発明の上記以外の外部鏡型実施態様は１組又はそれ
以上の本発明のかど鏡を備えた高出力拡大望遠鏡を含有
している。本発明の外部鏡型実施態様において、空洞型
光共振器は任意のレーザ物質（任意の気体状レーザ物質
あるいは任意固体レーザ物質とを含有する）を封入す
る、また少なくとも１セットの本発明のかど鏡を該光共
振器の上方に配置させることを提案する。また、少なく
とも１組の本発明のかど鏡を光共振器の内部に配置する
とともに、少なくとも別に１組の本発明のかど鏡を光共
振器の外方に配置することを提案する。
以上の本発明のかど鏡を備えた高出力拡大望遠鏡を含有
している。本発明の外部鏡型実施態様において、空洞型
光共振器は任意のレーザ物質（任意の気体状レーザ物質
あるいは任意固体レーザ物質とを含有する）を封入す
る、また少なくとも１セットの本発明のかど鏡を該光共
振器の上方に配置させることを提案する。また、少なく
とも１組の本発明のかど鏡を光共振器の内部に配置する
とともに、少なくとも別に１組の本発明のかど鏡を光共
振器の外方に配置することを提案する。
通常、本発明の各外部鏡型実施態様は１組の鏡だけを
包含している。しかし、前述した内部鏡型実施態様の場
合と同様な理由で、一部の外部鏡型実施態様（特に外部
光路が、極めて長い、すなわち1Km以上）では２組また
はそれ以上のかど鏡を該外部光路に沿って適当な間隔で
配置することができる。この種の外部鏡型鏡を２組また
はそれ以上用いる目的は、該外部光路の全長にわたって
レーザ光のビーム直径を実質的に一定に維持するのに十
分な周期集束パワーを与えることと、該外部光路から透
過集束機素を排除することにある。
包含している。しかし、前述した内部鏡型実施態様の場
合と同様な理由で、一部の外部鏡型実施態様（特に外部
光路が、極めて長い、すなわち1Km以上）では２組また
はそれ以上のかど鏡を該外部光路に沿って適当な間隔で
配置することができる。この種の外部鏡型鏡を２組また
はそれ以上用いる目的は、該外部光路の全長にわたって
レーザ光のビーム直径を実質的に一定に維持するのに十
分な周期集束パワーを与えることと、該外部光路から透
過集束機素を排除することにある。
第７図の実施例において、光共振器（124）とターゲ
ット（196）の間に配置した１対またはそれ以上の剛性
鏡継手は、レーザ光ビームが集束レンズ（194）に向っ
て伝搬する際のビーム直径を制御するための本発明の集
束鏡を１組包含することができる。このようにビーム直
径を制御することは、集束レンズ（194）で所望のビー
ム直径を得ることとビーム送出装置の他の重要な開口に
所望にビーム直径をつくる、あるいはそのいずれか一方
を実現する上で重要である。この種の制御はビーム送出
の光路長が長い（すなわぢ、10乃至20m、またはそれ以
上）場合に特に重要になる。
ット（196）の間に配置した１対またはそれ以上の剛性
鏡継手は、レーザ光ビームが集束レンズ（194）に向っ
て伝搬する際のビーム直径を制御するための本発明の集
束鏡を１組包含することができる。このようにビーム直
径を制御することは、集束レンズ（194）で所望のビー
ム直径を得ることとビーム送出装置の他の重要な開口に
所望にビーム直径をつくる、あるいはそのいずれか一方
を実現する上で重要である。この種の制御はビーム送出
の光路長が長い（すなわぢ、10乃至20m、またはそれ以
上）場合に特に重要になる。
２組の鏡をレーザ管の両端に取付けた実施態様におい
て、これらの鏡セットはレーザ光のビーム直径を該２組
の鏡の間に所要距離の光路部分に沿って実質的に一定に
維持するので、定直径管（異径部を有する管と対照的
に）を用いて効率と最大レーザ出力を殆ど損することな
く該２組の鏡の間のレーザ光ビームを封入することがで
きる。１組の鏡だけ利用した実施態様において、該鏡セ
ットは所要距離の光路部分に沿ってレーザ光のビーム直
径を実質的に一定に維持するので、該当セットのすべて
の鏡を該ビームを封入した定直径管上に（異直径部を有
する管と対照的に）装着することができ、この場合効率
と最大レーザ出力は殆ど低下しない。
て、これらの鏡セットはレーザ光のビーム直径を該２組
の鏡の間に所要距離の光路部分に沿って実質的に一定に
維持するので、定直径管（異径部を有する管と対照的
に）を用いて効率と最大レーザ出力を殆ど損することな
く該２組の鏡の間のレーザ光ビームを封入することがで
きる。１組の鏡だけ利用した実施態様において、該鏡セ
ットは所要距離の光路部分に沿ってレーザ光のビーム直
径を実質的に一定に維持するので、該当セットのすべて
の鏡を該ビームを封入した定直径管上に（異直径部を有
する管と対照的に）装着することができ、この場合効率
と最大レーザ出力は殆ど低下しない。
本発明の精神と範囲に反することなしに、多くの変更
と修正を実行できることは明白なので、本発明は添付ク
レームにおいて限定した以外は、その特定の実施態様に
制約されるものではない。
と修正を実行できることは明白なので、本発明は添付ク
レームにおいて限定した以外は、その特定の実施態様に
制約されるものではない。
第１図は４本のレーザ管と３組のかど鏡とを含有する本
発明の折曲型レーザ光共振器を示す簡易透視図、第２は
８本のレーザ管と７対のかど鏡とを含有する本発明の折
曲型レーザ光共振器を示す簡易透視図、第３図は本発明
の一実施態様に使用される型式の凹球面鏡と凹円柱鏡と
を含む一対のかど鏡を示す透視図、第４図は本発明の別
の実施態様に使用される型式の凹球面鏡と凸円柱鏡とを
含む一対のかど鏡を示す透視図、第５図は本発明の更に
別の実施態様に使用される型式の３個の凹球面鏡を含む
１組のかど鏡を示す透視図、第６図は２個の凹球面鏡を
含む１組のかど鏡を示す透視図、第７図は本発明の別の
実施態様を示すレーザ光ビーム送出装置の透視図であ
る。 2,4,6,8,20〜27……レーザ管 10,12,14……ハウジング 16……レーザ物質 30,32,34,36,38,40,42……円柱鏡 31,33,35,37,39,41,43……球面鏡 50……入射レーザ光 53,63,71,73,75,83,85……凹球面鏡 55,65……凹円柱鏡 124……光共振器 194……集束レンズ
発明の折曲型レーザ光共振器を示す簡易透視図、第２は
８本のレーザ管と７対のかど鏡とを含有する本発明の折
曲型レーザ光共振器を示す簡易透視図、第３図は本発明
の一実施態様に使用される型式の凹球面鏡と凹円柱鏡と
を含む一対のかど鏡を示す透視図、第４図は本発明の別
の実施態様に使用される型式の凹球面鏡と凸円柱鏡とを
含む一対のかど鏡を示す透視図、第５図は本発明の更に
別の実施態様に使用される型式の３個の凹球面鏡を含む
１組のかど鏡を示す透視図、第６図は２個の凹球面鏡を
含む１組のかど鏡を示す透視図、第７図は本発明の別の
実施態様を示すレーザ光ビーム送出装置の透視図であ
る。 2,4,6,8,20〜27……レーザ管 10,12,14……ハウジング 16……レーザ物質 30,32,34,36,38,40,42……円柱鏡 31,33,35,37,39,41,43……球面鏡 50……入射レーザ光 53,63,71,73,75,83,85……凹球面鏡 55,65……凹円柱鏡 124……光共振器 194……集束レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイン・シャーマン・メファード アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ アルト・ヒルズ、ミランダ・ロード 14500 (72)発明者 ピーター・エヌ・アレン アメリカ合衆国マサチューセッツ州スチ ュアブリッジ、ブレイクネック・ロード 37 (56)参考文献 実開 昭61−129368（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 3/08 - 3/081
Claims (20)
- 【請求項１】光路に沿って伝搬する高出カレーザビーム
を生成するためのレーザ物質を包囲する光共振器であっ
て、上記レーザビームが、該光共振器内の上記光路の第
１部分に沿って伝搬し、該光共振器から出て、さらに、
該光共振器の外方の光路の第２部分に沿って伝搬するよ
うな光共振器と、 上記光路に沿って配置された第１鏡セットであって、該
第１鏡セット近辺の上記光路の一領域に沿うレーザビー
ムの直径を実質的に一定に維持し得る程度に、熱的影響
による負レンズ効果の分布を補うような有効焦点距離を
備えた第１鏡セットとを有するレーザ装置。 - 【請求項２】上記第１鏡セットの各鏡が、上記第１鏡セ
ットを実質的に無収差にするような形状に形成されると
ともに指向されていることを特徴とする、請求項１記載
のレーザ装置。 - 【請求項３】上記第１鏡セットが球面鏡と円柱鏡とを含
有することを特徴とする、請求項２記載のレーザ装置。 - 【請求項４】上記球面鏡と円柱鏡とが実質的に等しい曲
率半径を有しており、また上記第１セットの有効焦点距
離が に実質的に等しくしてあり、ここでＲが上記両鏡に共通
な曲率半径であることを特徴とする、請求項３記載のレ
ーザ装置。 - 【請求項５】上記球面鏡の曲率半径が、上記円柱鏡の曲
率半径に比べて、大きさが実質的に半分で、かつ符号が
反対方向であり、また第１セットの有効焦点距離が に実質的に等しく、ここでＲが上記球面鏡の曲率半径で
あることを特徴とする、請求項３記載のレーザ装置。 - 【請求項６】上記第１鏡セットが３個の鏡を含有するこ
とを特徴とする、請求項２記載のレーザ装置。 - 【請求項７】上記３個の鏡がそれぞれR1,R2及びR3に実
質的に等しい曲率半径を持つ球面鏡であり、ここで
（R1）-1＋（R3）-1＝（R2）-1の関係があり、また上記
３個の鏡はそれぞれ逆焦点距離がP1、P2及びP2−P1であ
ることを特徴とする、請求項６記載のレーザ装置。 - 【請求項８】上記３個の鏡中の２個が球面鏡で、またの
こり１個が平面鏡であることを特徴とする、請求項６記
載のレーザ装置。 - 【請求項９】上記レーザ物質が気体であり、また上記第
１鏡セットが上記光共振器内に配置されていて、上記光
共振器内で生じる熱的影響による負のレンズ効果の分布
を補正するようにしてあることを特徴とする、請求項１
記載のレーザ装置。 - 【請求項１０】上記光共振器内に上記第１鏡セットから
離間した位置に配置された第２鏡セットであって、上記
第１鏡セットおよび該第２鏡セットが上記光共振器の全
長にわたって実質的に一定のレーザビーム直径を維持す
る程度に上記光共振器内で周期的に再集束するような第
２鏡セットを含有する、請求項９記載のレーザ装置。 - 【請求項１１】レーザビームが伝播するレーザ媒体を囲
む光共振器キャビティであって、前記レーザビームが該
光共振器キャビティ内の第１の経路に沿って伝播し、さ
らに、該レーザビームが次に該光共振器キャビティから
出て該光共振器キャビティの外の第２の経路に沿って伝
播する光共振器キャビティと、 該光共振器キャビティ内の前記第１の経路の第１の部分
に沿って配置された第１鏡セットであって、該第１鏡セ
ットの近くの上記第１の経路の一領域に沿ってレーザビ
ームの直径を実質的に一定に維持させる程度の実質的に
非点収差のない集束力を与える有効焦点距離を有する第
１鏡セットとを有する高出力レーザビームを提供するレ
ーザ装置。 - 【請求項１２】レーザビームが伝播するレーザ媒体を囲
む光共振器キャビティであって、前記レーザビームが該
光共振器キャビティ内の第１の経路に沿って伝播し、さ
らに、該レーザビームが次に該光共振器キャビティから
出て該光共振器キャビティの外の第２の経路に沿って伝
播する光共振器キャビティと、 該光共振器キャビティ内の前記第１の経路の第１の部分
に沿って配置された第１鏡セットであって、該第１鏡セ
ットの近くの上記第１の経路の一領域に沿ってレーザビ
ームの直径を実質的に一定に維持させる程度の実質的に
非点収差のない集束力を与える有効焦点距離を有し、前
記経路の第２の部分に沿って配置され、さらに、２つの
球面鏡を備える第１鏡セットとを有する高出力レーザビ
ームを提供するレーザ装置。 - 【請求項１３】上記光共振器の外方で上記第１鏡セット
から離間した位置に配置された第２鏡セットであって、
上記第１鏡セットおよび該第２セツトがレーザ光線のビ
ーム直径を上記光路の第２部分に沿って実質的に一定に
維持させる程度に周期的に再集束するような第２鏡セッ
トを含有する、請求項12記載のレーザ装置。 - 【請求項１４】高出力のレーザビームを生成するための
レーザ装置であって、 気体レーザ物質を封入した１組の管を含有する光共振器
と、 上記レーザビームが上記光共振器の第１管から第２管へ
伝搬するように指向するために、上記光共振器の第１管
と第２管の間に配置された第１鏡セットであって、上記
レーザ物質に生じる熱的影響によるレンズの分布を補正
するとともに、上記第１管と第２管内でのレーザビーム
直径を実質的に一定に維持するのに十分な集光力を与え
る第１有効焦点距離を備えた第１鏡セットとを有するレ
ーザ装置。 - 【請求項１５】前記第１管を前記第２管に接続する鏡ハ
ウジングも備え、上記第１鏡セットが該鏡ハウジング内
に支持されている請求項14記載のレーザ装置。 - 【請求項１６】上記第１管と第２管との直径が実質的に
同一であることを特徴とする、請求項14記載のレーザ装
置。 - 【請求項１７】上記レーザ物質が炭酸ガスを有すること
を特徴する、請求項14記載のレーザ装置。 - 【請求項１８】上記第１鎖セットを構成する各鏡が、上
記各鏡から反射するレーザビームに実質的に収差が現わ
れないような形状に形成されかつ指向されていることを
特徴とする、請求項14記載のレーザ装置。 - 【請求項１９】上記光共振器が、第３管を含有するとと
もに、上記レーザビームが第２管から第３管へ伝搬する
ように指向させるために、第２管と第３管の間に配置さ
れた第２鏡セットであって、上記第１有効焦点離と同一
あるいはそれと異なった第２有効焦点距離を有してい
て、かつ上記第２管と第３管との内部でレーザビーム直
径を実質的に一定に維持させる程度の集光力を与える第
２鏡セットとを含有することを特徴とする、請求項14記
載のレーザ装置。 - 【請求項２０】上記第１鏡セットと第２鏡セットとをそ
れぞれ構成する鏡群が、これらの鏡から反射するレーザ
ビームに実質的に収差が現われないような形状に形成さ
れるとともに指向されていることを特徴とする、請求項
19記載のレーザ装置。
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