JP3479197B2 - Laser device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ装置に関し、
特にレーザビームの強度分布を均一にするビーム成形機
能を備えたレーザ装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser device,
In particular, the present invention relates to a laser device having a beam shaping function for making the intensity distribution of a laser beam uniform.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図６は、例えば佐藤他、“ＣＯ2 レーザ
加工技術”、日刊工業新聞社（１９９２）に示された従
来のレーザ装置を示す図である。図において、１１はレ
ーザ発振器、１２はレーザ発振器１１から出射されるレ
ーザビーム、１６はビーム成形を行なうインテグレーシ
ョンミラーである。2. Description of the Related Art FIG. 6 is a diagram showing a conventional laser device disclosed in, for example, Sato et al., "CO 2 laser processing technology", Nikkan Kogyo Shimbun (1992). In the figure, 11 is a laser oscillator, 12 is a laser beam emitted from the laser oscillator 11, and 16 is an integration mirror for beam shaping.
【０００３】従来のレーザ装置は以上のように構成され
ており、レーザ発振器１１から出射されるレーザビーム
１２は、安定型共振器によって発生するラゲールもしく
はエルミートガウシアンモードであることが多い。大出
力の場合には、不安定型共振器を用いたリング状のビー
ムが用いられる場合もある。表面焼入れや穴開け加工に
おいては、このようなビーム形状ではなく、平坦な強度
分布を有するフラットビームが要求されることが多い。
このような用途のために、ビーム形成を行なう光学系と
してインテグレーションミラー１６が用いられている。
このインテグレーションミラー１６の他にもフライアイ
レンズやカライドスコープ等のビームインテグレータが
用いられる場合もある。インテグレーションミラー１６
に入射したレーザビームは、一旦多数に分割され、所定
の位置において重ね合わされることによって、均一な強
度分布を有するビームに成形される。The conventional laser device is configured as described above, and the laser beam 12 emitted from the laser oscillator 11 is often in the Laguerre or Hermitian Gaussian mode generated by the stable resonator. In the case of high output, a ring-shaped beam using an unstable resonator may be used. In surface hardening and drilling, a flat beam having a flat intensity distribution is often required instead of such a beam shape.
For such an application, the integration mirror 16 is used as an optical system for forming a beam.
A beam integrator such as a fly-eye lens or a kaleidoscope may be used in addition to the integration mirror 16. Integration mirror 16
The laser beam incident on is once divided into a large number and overlapped at a predetermined position to be shaped into a beam having a uniform intensity distribution.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のレ
ーザ装置においては、空間的コヒーレンシーの高いレー
ザビームを重ね合わせるために、成形後のビームは巨視
的には均質化されるものの、微視的には干渉効果によっ
てリップルが発生し、加工不具合を引き起こすという問
題点がある。また、インテグレータを通過した後のビー
ム品質が大きく劣化し、発散角が大きくなり、ビーム伝
送系に口径の大きなものが必要になる、焦点深度が浅い
などの問題点があった。In the conventional laser apparatus as described above, the shaped beams are macroscopically homogenized in order to superimpose the laser beams with high spatial coherency, but microscopically Specifically, there is a problem that ripples are generated due to the interference effect, which causes processing defects. In addition, there are problems that the beam quality after passing through the integrator is greatly deteriorated, the divergence angle is increased, a beam transmission system with a large aperture is required, and the depth of focus is shallow.
【０００５】本発明は、上述のような課題を解決するた
めになされたものであり、強度分布が均一で発散角が小
さくリップル等を含まない良質のビームを生成するとと
もに、ビームを利用する際の自由度を大きくとることが
できるレーザ装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above problems, and produces a high-quality beam having a uniform intensity distribution, a small divergence angle and no ripples, and at the time of using the beam. It is an object of the present invention to provide a laser device capable of achieving a high degree of freedom.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成であ
るレーザ装置においては、レーザ媒質、該レーザ媒質を
励起する手段、上記レーザ媒質の回りに設けられた複数
の反射鏡からなるレーザ共振器と、このレーザ共振器か
ら出射されるレーザビームを加工点へ導くビーム伝送光
学系とを備えたレーザ装置であって、上記レーザ共振器
は負枝不安定型共振器であり、この負枝不安定型共振器
内において実質的に再帰的共役点となる位置に開口を設
け、上記レーザ共振器を構成する反射鏡の少なくとも１
枚を部分反射鏡で構成するとともに、上記ビーム伝送光
学系は、上記部分反射鏡を介して、上記共振器内の上記
再帰的共役点を上記加工点へ転写する光学系としたもの
である。In a laser device having a first structure according to the present invention, a laser comprising a laser medium, means for exciting the laser medium, and a plurality of reflecting mirrors provided around the laser medium. A laser device comprising a resonator and a beam transmission optical system for guiding a laser beam emitted from the laser resonator to a processing point, wherein the laser resonator is a negative branch unstable type resonator. At least one of the reflecting mirrors forming the laser resonator by providing an opening at a position that substantially becomes a recursive conjugate point in the unstable resonator.
The beam transmission optical system is an optical system configured to transfer the recursive conjugate point in the resonator to the processing point via the partial reflection mirror, while forming a sheet with a partial reflection mirror.
【０００７】本発明の第２の構成であるレーザ装置にお
いては、ビーム伝送光学系を、レーザビームの拡大、縮
小を行なうズーム光学系としたものである。In the laser device having the second structure of the present invention, the beam transmission optical system is a zoom optical system for enlarging and reducing the laser beam.
【０００８】[0008]
【発明の実施の形態】実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１であるレーザ装置の構成を
示す図である。図において、１はレーザ共振器を構成す
る全反射鏡、２は同じくレーザ共振器を構成する部分反
射鏡、３はビームを制御する開口である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiment 1. 1 is a diagram showing the configuration of a laser device according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a total reflection mirror which constitutes a laser resonator, 2 is a partial reflection mirror which also constitutes a laser resonator, and 3 is an aperture for controlling a beam.
【０００９】上記のように構成されたレーザ装置は、全
反射鏡１および部分反射鏡２は凹球面鏡であり、その曲
率および設置間隔は共焦点の負枝不安定型共振器を構成
するとともに、拡大率は１に近い値に設定されている。
共焦点の負枝不安定型共振器においては、１点から出た
光が共振器を一周したとき再び１点に収束する再起的共
役点に開口３を設置すれば、開口３で制限されたレーザ
ビームは、共振器を周回することによって開口３内部の
ビームの拡大像を開口３の位置に再起的に結像する。こ
のとき、拡大作用が繰り返され、開口３中央部にあった
光が開口３全体に拡がることによって、開口３の位置に
おいて均一な強度分布を有するビームが成立する。この
ビームは位相の揃った単一モードであり、ビームの重ね
合わせによるリップル等は存在せず、回折限界の品質を
有する。このレーザビームを部分反射鏡２から取り出
し、外部に設けたレンズ等による光学系を用いて、開口
３の像をワーク上に転写することによって均一な強度分
布を有するビームを利用することが可能となる。また、
上記から明かなように、開口の形を選ぶことによって、
例えば四角形等の任意の形状のビームを利用することが
可能である。In the laser device configured as described above, the total reflection mirror 1 and the partial reflection mirror 2 are concave spherical mirrors, and the curvature and the installation interval form a confocal negative branch unstable resonator and are enlarged. The rate is set to a value close to 1.
In the confocal negative branch unstable resonator, if the aperture 3 is installed at the recursive conjugate point where the light emitted from one point converges again to one point when the resonator makes one round, the laser limited by the aperture 3 The beam orbits the resonator to recursively form an enlarged image of the beam inside the aperture 3 at the position of the aperture 3. At this time, the expanding action is repeated, and the light in the central portion of the opening 3 spreads over the entire opening 3 to form a beam having a uniform intensity distribution at the position of the opening 3. This beam is a single mode in which the phases are aligned, there is no ripple or the like due to superposition of the beams, and the beam has a diffraction-limited quality. It is possible to utilize a beam having a uniform intensity distribution by taking out this laser beam from the partial reflecting mirror 2 and transferring the image of the aperture 3 onto the work by using an optical system such as an externally provided lens. Become. Also,
As you can see from the above, by choosing the shape of the aperture,
For example, it is possible to use a beam having an arbitrary shape such as a square.
【００１０】参考例１．
図２は本発明に関連する参考例１であるレーザ装置の構
成を示す図であり、図において、１１はレーザ発振器、
１２はレーザ発振器１１から出射されるレーザビーム、
１３は非球面レンズであって、全面に渡って均一に存在
する収束性球面曲率成分と、設置位置におけるビーム強
度分布に比例する局所的な発散性曲率成分の和を曲率と
する滑らかな曲面を有する。 Reference Example 1 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a laser device which is a reference example 1 related to the present invention, in which 11 is a laser oscillator,
12 is a laser beam emitted from the laser oscillator 11,
Reference numeral 13 denotes an aspherical lens, which has a smooth curved surface whose curvature is the sum of a convergent spherical curvature component that is uniformly present over the entire surface and a local divergent curvature component that is proportional to the beam intensity distribution at the installation position. Have.
【００１１】上記のように構成されたレーザ装置におい
て、非球面レンズ１３の曲率が、全面に渡って均一に存
在する収束性球面曲率成分と、非球面レンズ１３上にお
けるビーム強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分
の和であるため、局所的な各点におけるビームはビーム
強度分布に比例する発散性曲率成分に応じて拡大される
ことになる。この結果、収束性球面曲率成分に対応する
焦点位置において、局所的な各点を起源とするビームは
等しいパワー密度に揃えられることになる。ここで、非
球面レンズ１３が滑らかな曲面を有することから、局所
的な各点を起源とするビームは重なり合うことなく、ち
ょうど接し合うように配置されることになる。結果とし
て、収束性球面曲率成分に対応する焦点位置において均
一な強度分布を有するビームが得られる。このビーム
は、ビームの重ね合わせによるリップル等は存在せず、
発散角も非常に小さいものとなる。In the laser device configured as described above, the curvature of the aspherical lens 13 is locally proportional to the converging spherical curvature component that exists uniformly over the entire surface and the beam intensity distribution on the aspherical lens 13. The beam at each local point is expanded according to the divergent curvature component that is proportional to the beam intensity distribution because it is the sum of the typical divergent curvature components. As a result, at the focal position corresponding to the converging spherical curvature component, the beams originating from each local point are aligned to have the same power density. Here, since the aspherical lens 13 has a smooth curved surface, the beams originating from local points are arranged so as to be in direct contact with each other without overlapping. As a result, a beam having a uniform intensity distribution at the focal position corresponding to the converging spherical curvature component is obtained. This beam does not have ripple due to superposition of beams,
The divergence angle is also very small.
【００１２】図３に、非球面レンズ１３によるレーザビ
ーム強度の均一化の原理を説明する。非球面レンズの均
一な収束性球面曲率成分の収束パワーをＰ+ 、ビーム強
度分布に比例する局所的な発散性曲率成分のパワーをＰ
-(ｒ) 、非球面レンズ位置でのビーム強度分布をＤ
1(ｒ) 、収束性球面曲率成分に対応する焦点位置におけ
るビーム強度分布をＤ2(ｒ) 、同焦点位置からビームの
収束位置までの距離をｆ′(ｒ)とすると、ｆ+ ＝１／Ｐ
+ ，ｆ(ｒ)＝１／（Ｐ+−Ｐ-(ｒ)），ｆ′(ｒ)＝Ｍ
(ｒ)・ｆ(ｒ)として、非球面レンズの構成から、
Ｐ-(ｒ)＝ＫＤ1(ｒ) （Ｋは比例定数） ………（１）
ビーム強度比の幾何学的関係から、
Ｄ2(ｒ)＝Ｄ1(ｒ)／Ｍ(ｒ) ………（２）
と表すことができ、
Ｍ(ｒ)=ｆ′(ｒ)/ｆ(ｒ)=(ｆ(ｒ)−ｆ+))/ｆ(ｒ)=Ｐ-(ｒ)/Ｐ+ ……（３）
の関係から、
D2(r)=D1(r)/M(r)=(P-(r)/K)/(P-(r)/P+)=P+/K=const of r ……（４）
が成立つ。すなわち、局所的発散パワーＰ-(ｒ) が非球
面レンズ位置のビーム強度分布Ｄ1(ｒ) に比例していれ
ば、非球面レンズからｆ+ の位置でのビーム強度分布Ｄ
2(ｒ) は均一となる。この関係は任意のＫについて成立
ち、Ｋの値を変えると均一ビームの得られる位置（ｆ
+ ）でのビーム断面径が変わる。FIG. 3 illustrates the principle of making the laser beam intensity uniform by the aspherical lens 13. P + is the convergence power of the uniform converging spherical curvature component of the aspherical lens, and P is the power of the local divergent curvature component proportional to the beam intensity distribution.
- (r), D is the beam intensity distribution at the aspherical lens position
1 (r), the beam intensity distribution at the focal position corresponding to the converging spherical curvature component is D 2 (r), and the distance from the confocal position to the beam converging position is f ′ (r), f + = 1 / P
+, F (r) = 1 / (P + -P - (r)), f '(r) = M
As (r) · f (r), from the configuration of the aspherical lens, P − (r) = KD 1 (r) (K is a proportional constant) (1) From the geometric relationship of the beam intensity ratio, It can be expressed as D 2 (r) = D 1 (r) / M (r) (2), and M (r) = f ′ (r) / f (r) = (f (r) − f +)) / f (r ) = P - (r) / P + ...... ( from the relationship of 3), D 2 (r) = D 1 (r) / M (r) = (P - (r) / K) / (P - ( r) / P +) = P + / K = const of r ...... (4) is true. That is, if the local divergence power P − (r) is proportional to the beam intensity distribution D 1 (r) at the aspherical lens position, the beam intensity distribution D at the position f + from the aspherical lens.
2 (r) becomes uniform. This relationship holds for an arbitrary K, and if the value of K is changed, the position (f
The beam cross-section diameter at + ) changes.
【００１３】参考例２．
図４は本発明に関連する参考例２であるレーザ装置の構
成を示す図であり、図において、２１はレーザ共振器を
構成する全反射鏡、２２は同じくレーザ共振器を構成す
る部分反射鏡、２３はビームを制限する開口である。 Reference Example 2 FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a laser device that is a reference example 2 related to the present invention. In the figure, 21 is a total reflection mirror that constitutes a laser resonator, and 22 is a partial reflection mirror that also constitutes a laser resonator. , 23 are apertures that limit the beam.
【００１４】参考例１においては、レーザ共振器から離
れた位置に均一化を行なう非球面レンズを設置したが、
図３に示すように部分反射鏡２２の外面をビーム均一化
を行う非球面形状としてもよい。共振器の部分透過鏡と
ビーム均一化を行う非球面レンズを一体化することによ
って、非球面レンズとレーザビーム軸のアライメントが
不要になり、安定したビーム成形が得られる。また、部
品点数の削減により、装置の簡略化が図れる。In Reference Example 1 , an aspherical lens for homogenization is installed at a position apart from the laser resonator.
As shown in FIG. 3, the outer surface of the partial reflecting mirror 22 may have an aspherical shape for uniformizing the beam. By integrating the partial transmission mirror of the resonator and the aspherical lens for beam homogenization, alignment of the aspherical lens and the laser beam axis becomes unnecessary, and stable beam shaping can be obtained. Further, the device can be simplified by reducing the number of parts.
【００１５】実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２であるレーザ装置の構成を
示す図であり、図において、１１はレーザ発振器、１２
はレーザ発振器１１から出射されるレーザービーム、１
７はズーム転写光学系を構成するレンズ群、１８はレー
ザビームの照射対象となるワークである。Embodiment 2 . 5 is a diagram showing a configuration of a laser device according to a second embodiment of the present invention, in which 11 is a laser oscillator and 12 is a laser oscillator.
Is a laser beam emitted from the laser oscillator 11, 1
Reference numeral 7 is a lens group forming the zoom transfer optical system, and reference numeral 18 is a work to be irradiated with a laser beam.
【００１６】一般に、均一強度分布を有するレーザビー
ムは光軸上の１点でのみ実現されるものであって空間伝
搬とともに形が崩れる。このため、照射点を自由な位置
に設定することに制限がある。ここで、結像光学系を利
用し、均一なビーム強度分布を有する点１５をワーク１
８上へ転写することによって、照射点を自由な位置に設
定することができるとともに、拡大もしくは縮小転写に
よって照射ビームの大きさ、照射パワー密度を調整する
ことが可能となり、加工の自由度を大きくとることがで
きる。ここでは、非球面レンズを使用して均一ビームを
得る例を示したが、負枝不安定型共振器を使用した場合
でも同様である。In general, a laser beam having a uniform intensity distribution is realized only at one point on the optical axis, and its shape collapses with spatial propagation. Therefore, there is a limitation in setting the irradiation point at a free position. Here, using the imaging optical system, the point 15 having a uniform beam intensity distribution is placed on the work 1
The transfer point can be set at a free position by transferring the image onto the surface 8 and the size of the irradiation beam and the irradiation power density can be adjusted by enlarging or reducing the transfer, thereby increasing the degree of freedom in processing. Can be taken. Here, an example in which a uniform beam is obtained by using an aspherical lens has been shown, but the same applies when a negative branch unstable resonator is used.
【００１７】実施の形態３．
前記の構成のレーザ装置をＣＯ2 レーザで構成すると、
ＣＯ2 レーザは比較的発振波長が長いため、レーザ共振
器の製作に高精度を要さず、特にビーム均一化を行なう
非球面レンズを用いる構成においては、非球面レンズの
製作精度がいらないという利点がある。例えば、可視の
レーザに対して２０倍程度の製作裕度があり、光学研摩
によらず一般的な機械加工で充分な精度を得ることがで
きる。また、共振器内のビーム径を大きくできるため、
負枝不安定型共振器を用いる構成においては共振器内の
開口を照射するビームの密度を低くすることが可能とな
る。 Third Embodiment When the laser device having the above-mentioned configuration is composed of a CO 2 laser,
Since the CO 2 laser has a relatively long oscillation wavelength, it does not require high precision in manufacturing the laser resonator, and in particular, in the configuration using the aspherical lens for beam homogenization, the manufacturing accuracy of the aspherical lens is not required. There is. For example, it has a manufacturing margin of about 20 times that of a visible laser, and sufficient precision can be obtained by general machining without optical polishing. Also, since the beam diameter in the resonator can be increased,
In the configuration using the negative branch unstable resonator, the density of the beam irradiating the aperture in the resonator can be lowered.
【００１８】[0018]
【発明の効果】本発明の第１の構成に係るレーザ装置に
よれば、レーザ媒質、該レーザ媒質を励起する手段、上
記レーザ媒質の回りに設けられた複数の反射鏡からなる
レーザ共振器と、このレーザ共振器から出射されるレー
ザビームを加工点へ導くビーム伝送光学系とを備えたレ
ーザ装置であって、上記レーザ共振器は負枝不安定型共
振器であり、この負枝不安定型共振器内において実質的
に再帰的共役点となる位置に開口を設け、上記レーザ共
振器を構成する反射鏡の少なくとも１枚を部分反射鏡で
構成するとともに、上記ビーム伝送光学系は、上記部分
反射鏡を介して、上記共振器内の上記再帰的共役点を上
記加工点へ転写する光学系としたので、加工点において
強度分布が均一で発散角が小さくリップル等を含まない
レーザビームが得られるという効果が得られる。According to the laser device of the first aspect of the present invention, a laser medium, means for exciting the laser medium, and a laser resonator including a plurality of reflecting mirrors provided around the laser medium are provided. And a beam transmission optical system for guiding a laser beam emitted from the laser resonator to a processing point, wherein the laser resonator is a negative branch unstable type resonator. An opening is provided at a position that substantially becomes a recursive conjugate point in the chamber, and at least one of the reflecting mirrors constituting the laser resonator is formed of a partial reflecting mirror, and the beam transmission optical system includes the partial reflecting mirror. Since the optical system that transfers the recursive conjugate point in the resonator to the processing point through the mirror is used, a laser beam with a uniform intensity distribution and a small divergence angle and no ripple etc. can be obtained at the processing point. An effect that is can be obtained.
【００１９】本発明の第２の構成に係るレーザ装置によ
れば、ビーム伝送光学系を、レーザビームの拡大、縮小
を行うズーム光学系としたので、強度分布が均一で発散
角が小さくリップル等を含まないレーザビームが得られ
るとともに、レーザビームが均一な強度分布となる位置
を自由に設定することができ、ビーム断面の大きさを自
由に変えることができるという効果が得られる。According to the laser device of the second aspect of the present invention, since the beam transmission optical system is a zoom optical system for enlarging and reducing the laser beam, the intensity distribution is uniform, the divergence angle is small, and ripples are generated. It is possible to obtain a laser beam that does not include the above, and it is possible to freely set the position where the laser beam has a uniform intensity distribution, and it is possible to obtain an effect that the size of the beam cross section can be freely changed.
【図１】 本発明の実施の形態１であるレーザ装置の構
成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 本発明に関連する参考例１であるレーザ装置
の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a laser device which is a reference example 1 related to the present invention.
【図３】 非球面レンズによるレーザビーム強度の均一
化の原理を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a principle of uniformizing a laser beam intensity by an aspherical lens.
【図４】 本発明に関連する参考例２であるレーザ装置
の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a laser device that is a reference example 2 related to the present invention.
【図５】 本発明の実施の形態２であるレーザ装置の構
成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a laser device according to a second embodiment of the present invention.
【図６】 従来のレーザ装置を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a conventional laser device.
１，２１ 全反射鏡、２，２２ 部分反射鏡、３，２３
開口、１１ レーザ発振器、１２ レーザビーム、１
３ 非球面レンズ、１６ インテグレーションミラー、
１７ ズームレンズ、１８ ワーク。1,21 Total reflection mirror, 2,22 Partial reflection mirror, 3,23
Aperture, 11 laser oscillator, 12 laser beam, 1
3 aspherical lenses, 16 integration mirrors,
17 zoom lens, 18 works.
Claims (2)
段、上記レーザ媒質の回りに設けられた複数の反射鏡か
らなるレーザ共振器と、このレーザ共振器から出射され
るレーザビームを加工点へ導くビーム伝送光学系とを備
えたレーザ装置であって、上記レーザ共振器は負枝不安
定型共振器であり、この負枝不安定型共振器内において
実質的に再帰的共役点となる位置に開口を設け、上記レ
ーザ共振器を構成する反射鏡の少なくとも１枚を部分反
射鏡で構成するとともに、上記ビーム伝送光学系は、上
記部分反射鏡を介して、上記共振器内の上記再帰的共役
点を上記加工点へ転写する光学系であることを特徴とす
るレーザ装置。1. A laser resonator comprising a laser medium, means for exciting the laser medium, a plurality of reflecting mirrors provided around the laser medium, and a laser beam emitted from the laser resonator to a processing point. A laser device having a beam transmission optical system for guiding, wherein the laser resonator is a negative branch unstable resonator, and an opening is formed at a position that is a substantially recursive conjugate point in the negative branch unstable resonator. And at least one of the reflecting mirrors constituting the laser resonator is formed of a partial reflecting mirror, and the beam transmission optical system includes the recursive conjugate point in the resonator via the partial reflecting mirror. A laser device, which is an optical system for transferring a laser beam to the processing point.
大、縮小を行うズーム光学系であることを特徴とする請
求項１に記載のレーザ装置。2. The laser device according to claim 1, wherein the beam transmission optical system is a zoom optical system for expanding and contracting a laser beam.
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| CN109906534B (en) * | 2016-09-20 | 2021-04-23 | 依拉迪激光有限公司 | Laser with indented aperture |
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