JP3681583B2 - ガスレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザガスを放電励起する放電空間が扁平な板状をしているガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は特開昭63-192285号公報に示された従来の気体レーザ装置の概略断面図、図１０はこのレーザ装置の共振器の構成を示す概略平面図である。図において、１１は72MHz 高周波発生器、２１は電力整合回路、２２は高周波ケーブル、２３は絶縁フィードスルー、７１、７２は電極、７３、７４は電極の表面で光学反射面に研磨してある。７５は放電用隙間、７６、７７は電極７１、７２を絶縁するスペーサ、７８はＵ字形をした基部で、電極７１、７２とスペーサ７６、７７よりなる組立体が基部７８上に取り付けられ、Ｕ字形の基部７８は蓋７９により閉じられ、セラミック絶縁材８０が蓋７９と電極７１との間に配置されている。また、レーザ共振器は図１０に示すように、放電用隙間７５と凹球面の全反射鏡３０１と凸球面の全反射鏡２０１とから正ブランチ不安定型共振器として構成されている。図９の紙面に垂直な面では、レーザ光が電極７１、７２間で反射しながら伝搬する導波路型共振器であり、導波路型−不安定型ハイブリッド共振器と呼ばれている。なお、７６１は冷却水通路であり、基部７８を冷却するである。
【０００３】
上記のように構成された従来の気体レーザ装置においては、高周波発生器１１により発生された高周波は電力整合回路２１を介して、ケーブル２２を通って電極７１、７２間に印加される。電極７１、７２間の放電用隙間７５にはレーザ気体が充填されており、電極７１、７２間に印加された高周波によりレーザ気体が放電励起される。このように、反射鏡２０１、３０１で構成されるレーザ共振器内に、励起されたレーザ気体が存在するため、レーザ発振が行われる。このとき、電極７１、７２間を2mm にし、電極７１、７２の縁と凸面鏡２０１の縁との間の距離を2mm とすることにより一辺が、約2mm の方形レーザビーム４０１が得られる。
【０００４】
同様の放電用隙間７５を持つ気体レーザ装置で共振器の構成を変えたものがある。図１１は、特開平3-155684号公報に示された共振器の不安定型共振器側の概要を示す平面図（ａ）と正面図（ｂ）である。図において、７５は放電用隙間、２０２は凹球面の出口全反射ミラー、３０２は凹球面全反射ミラー、４０２はレーザビームである。
【０００５】
上記のように構成された共振器において、放電用隙間７５で放電励起されたレーザガスは、負ブランチの不安定共振器を構成する凹球面全反射ミラー３０２と凹球面出口全反射ミラー２０２で共振し、レーザ光４０２を発振する。この共振器は、正ブランチ不安定型共振器の課題を解決する目的で発明されたものである。上記二つの共振器の違いは、光軸ずれに対する許容度の差であり、負ブランチでは正ブランチに対して22倍の許容度があるとされる。両者は、いずれも２つの全反射鏡の焦点を同一とする共焦点型にしてあり、負ブランチでは、共振器内に焦点を有するため内部光強度が大きい場合利得媒質の光学的降伏を惹起する可能性を持ち、レーザ共振器の出力に応じて２者を使い分けるべきと特開平7-283461号公報では指摘している。
【０００６】
不安定型共振器において、レーザ光のモニタを行う従来例がある。図１２は、特開平6-37381 号公報に示されている折返し鏡を部分的に透過鏡とした導波路型レーザ発振器の構成である。図において、７５は放電用隙間、８１は減衰器、８２はセンサ、９０は電源、２０３は取出鏡、３０３は部分透過折返し鏡、４０３はレーザ光である。
【０００７】
上記のように構成されたレーザ装置において、モニタ光は、部分透過折返し鏡３０３を透して一部を裏面に取り出し、減衰器８１で適当な出力に減衰した後センサ８２にて検出される。検出信号を電源９０にフィードバックし、出力の安定化を行う。
【０００８】
導波路型−不安定型ハイブリッド共振器は、レーザ光の縦横のビーム寸法、発散角が異なるため、ビーム整形が行われる。従来例として特開平1-257382号公報、特開平5-327065号公報、特開平5-327066号公報等に示されている。図１３は特開平1-257382号公報に示された高出力導波管レーザの一部切り欠き斜視図である。図において、７５は放電用隙間、１０１はシリンドリカルな第１の光学手段、１０２はシリンドリカルな第２の光学手段、２０４は凸面の共振ミラー、３０４は凹面の共振ミラー、４０４はレーザ光、４０５は方形ビームである。
【０００９】
上記のように構成されたレーザ装置において、放電用隙間７５で励起されたレーザガスは、共振ミラー２０４、３０４で共振し、レーザ光４０４が発振する。レーザ光４０４はシリンドリカルな光学手段１０１、１０２で図においては縦側を伸長され、方形ビーム４０５として整形される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このガスレーザ装置においては、レーザ光出力の安定性と、レーザビームの品質が求められる。
【００１１】
従来の気体レーザ装置で用いられている不安定型共振器において、正ブランチ不安定型共振器は、光軸ずれに対する許容度において課題があり、負ブランチ不安定型共振器は、共振器内に共通の焦点を有するため内部光強度が大きい場合利得媒質の光学的降伏の惹起または発振効率が低下する可能性を持つ。
【００１２】
また、従来の気体レーザ装置では、不安定型共振器からの出力の取り出しが１カ所のみであり、レーザ光のモニタが出来ず、唯一、モニタ光を取り出す構成の特開平6-37381 号は、全反射鏡の１つを透過型反射鏡にするため、非常に高価であり、光学部品の耐久性にも問題があった。
【００１３】
さらに、レーザ光の縦横方向でのビームの質が異なり、導波路型の方向ではビーム径が小さく発散角の大きいビームであり、不安定型共振器の方向では出口全反射ミラーのエッジでビームを切り出すために高次の回折光までが混入したビームとなる。従来のビーム整形光学系では、シリンドリカル光学系を用い、縦横の発散角を揃えるようにしているが、回折光の完全な排除が困難であり真円度の悪いビームとなっていた。
【００１４】
本発明は、不安定共振器では従来困難であったモニタ光の取り出しを安価で安定な条件で実現可能としたガスレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
上記モニタ光取り出しの延長線の技術として、分岐光の出力を任意に設定して取り出すことが可能なガスレーザ装置を提供することが本発明のさらに１つの目的である。
【００１６】
従来の課題であった不安定共振器の光軸ずれに対する許容度を確保しつつ内部共焦点による利得媒質への悪影響を低減したガスレーザ装置を提供することが本発明のさらに１つの目的である。
【００１７】
短パルス発振、連続波発振のいずれでも最適条件で発振可能なガスレーザ装置を提供することが本発明のさらに１つの目的である。
【００１８】
レーザビームに回折光が混入し、高品位の加工が困難である従来の課題を解決し、高品質のレーザビームを出力するガスレーザ装置を提供することが本発明のさらに１つの目的である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のガスレーザ装置は、高周波放電により励起される放電部の光軸横断面が長方形をなし、共振器光軸方向に長い平行平板電極の対向する面が光反射面を有し、前記放電部の光軸横断面の短辺方向において導波路型であり同じく長辺方向には自由空間モードとなるように、共振器を結合鏡と全反射鏡とを有する負ブランチ不安定型と安定型導波路の複合共振器としたガスレーザ装置であって、
前記放電部の光軸横断面長方形の長辺寸法よりもそれと同方向の前記共振器の前記結合鏡の幅寸法を小さくして、前記結合鏡の両端から光出力を取り出すように前記結合鏡を位置決めし、
前記負ブランチ不安定型を構成する前記共振器の共振器長Ｌを前記結合鏡の曲率半径Ｒ１と前記全反射鏡の曲率半径Ｒ２の平均値Ｒａ＝（Ｒ１＋Ｒ２）÷２の0.98〜0.995 倍とし、非共焦点共振器を構成するとともに、
前記負ブランチ不安定型の前記共振器の両端からのレーザ光の取り出し比率に応じ前記結合鏡の位置を放電部の中心よりΔＬ偏心して配置し、前記共振器長Ｌとして、前記結合鏡をおよそ「偏心距離ΔＬ÷２Ｌ（ rad ）」の角度だけ放電部の中央に傾け、前記全反射鏡を対向する側に同程度傾けたものである。
【００２０】
請求項１記載のガスレーザ装置によれば、結合鏡の横幅が放電部の横幅より小さいため結合鏡の両端のエッジ結合部よりレーザ光が共振器の外に出力される。また結合鏡の位置と傾きを調整すれば、結合鏡の両端から出力されるレーザ光の比率を任意に調整可能である。このように、結合鏡の位置及び角度を設定することで、負ブランチ不安定型の共振器から同時に２軸のビームを任意の出力配分で安定して取り出すことができるので、従来困難であったモニタ光を安定して取り出せるとともに、任意の出力が選べるため、加工システムの応用範囲が大きく広がる。
負ブランチの２枚の反射鏡の焦点位置を互いに内側に入り込むように共振器長Ｌを短くしているので、共振器内での共焦点による発振効率の低下や利得媒質の光学的降伏を防止することができる。このように、従来技術では共焦点として構成していた不安定型共振器を敢えて非共焦とすることで内部共焦による負ブランチ不安定型共振器の課題を解決できる。また非共焦で負ブランチ不安定型共振器を構成することにより、共振器内部での共焦点による不具合を生じさることなく、負ブランチの利点である光軸ずれに強い共振器が得られる。
【００２８】
また、負ブランチ不安定型の共振器の両端からのレーザ光の取り出し比率に応じ前記結合鏡の位置を放電部の中心よりΔＬ偏心して配置し、前記結合鏡をおよそ「偏心距離ΔＬ÷２Ｌ（ rad ）」の角度だけ放電部の中央に傾け、全反射鏡を対向する側に同程度傾けたため、内部でのロスが少なく最も効率よくレーザ出力を得る。
【００３７】
請求項２記載のガスレーザ装置は、高周波放電により励起される放電部の光軸横断面が長方形をなし、共振器光軸方向に長い平行平板電極の対向する面が光反射面を有し、前記放電部の光軸横断面の短辺方向において導波路型であり同じく長辺方向には自由空間モードとなるように、共振器を結合鏡と全反射鏡とを有する負ブランチ不安定型と安定型導波路の複合共振器としたガスレーザ装置であって、
前記放電部の光軸横断面長方形の長辺寸法よりもそれと同方向の前記共振器の前記結合鏡の幅寸法を小さくして、前記結合鏡の両端から光出力を取り出すように前記結合鏡を位置決めし、
前記負ブランチ不安定型を構成する前記共振器の共振器長Ｌを前記結合鏡の曲率半径Ｒ１と前記全反射鏡の曲率半径Ｒ２の平均値Ｒａ＝（Ｒ１＋Ｒ２）÷２の0.98〜0.995 倍とし、非共焦点共振器を構成するとともに、
レーザガスの組成を短パルス発振に最適な窒素対二酸化炭素比率約０．5 〜1 と、連続波発振に最適な窒素対二酸化炭素比率約3 〜7 に入れ替えるガス充填機構を備え、発振に合わせた高周波整合条件を切り替える整合機構を備えたものである。
【００３８】
請求項２記載のガスレーザ装置によれば、請求項１と同様な効果のほか、短パルス発振および連続波発振に最適なガス比率のガス入れ替えを行うガス充填機構と高周波整合条件を切り替える整合機構を設けたため、レーザガス組成の変更と整合回路の切替により、短パルスまたは連続波発振の異なる条件での発振要求に常に最適な条件で対応でき、加工に最適なレーザ光が最適な条件で得られる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１から図８を用いて説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、本発明における第１の実施の形態のガスレーザ装置の共振器の概略斜視図（ａ）、正面図（ｂ）および側面図（ｃ）を示し、図１において１は放電部、２は結合鏡、３は全反射鏡である。すなわち、高周波放電により励起される放電部の光軸横断面が長方形をなし、共振器光軸方向に長い平行平板電極の対向する面が光反射面を有し、放電部１の光軸横断面の短辺方向において導波路型であり同じく長辺方向には自由空間モードとなるように、共振器を負ブランチ不安定型と安定型導波路の複合共振器としている。
【００４３】
４ａは第１の出力ビーム、４ｂは第２の出力ビーム、４ｃは共焦点である。すなわち、放電部１の光軸横断面長方形の長辺寸法よりもそれと同方向の共振器の結合鏡２の幅寸法を小さくして、結合鏡２の両端から光出力を取り出すように結合鏡２を位置決めしている。例えば出力結合を曲率半径の小さい結合鏡の両端に設けられたエッジ結合部より取り出す。
【００４４】
Δは結合鏡２のオフセット量であり、第１と第２の出力ビーム４ａ、４ｂの出力比率を決める作用を行い、θは結合鏡２と全反射鏡３の光軸を一致させ共振を効率よく行わせる作用を行なう。すなわち、結合鏡２の両端から取り出すレーザ光の出力比を設定・調整可能となるように、結合鏡２の位置と傾きを設定・調整可能としている。
【００４５】
図１において、放電部１にはヘリウム、窒素、二酸化炭素の混合ガスが封入され、図示していない高周波電源より電力が入力され放電励起を行う。励起された二酸化炭素は、全反射鏡３と結合鏡２の間で共振しレーザ光を発振する。図１における共振器の構成は、上記したように負ブランチの不安定型と導波路型の複合共振器である。結合鏡２には、エッジ結合部分として２カ所の切り欠き２ａ、２ｂがあり、放電部１の幅よりも結合鏡２の幅が小さいためレーザ光が共振器外へ漏れ出す。漏れ出すレーザ光は、第１の出力ビーム４ａ、第２の出力ビーム４ｂの２つであり、出力の比率は、結合鏡２のオフセット量Δによって決まる。図において全反射鏡３と結合鏡２は、共焦点４ｃを有し、互いにθの傾きを持って相対している。
【００４６】
第１と第２の出力ビーム４ａ、４ｂからの光線追跡を行うと平行光で出てくる出力ビームは、放電部１の中で光軸に平行な光として結合鏡２に当たり、共焦点４ｃを通過して反射鏡３で再度平行光になって出力されることが分かる。第１と第２の出力ビーム４ａ、４ｂの共振器内での分布は、交互に縞状に存在するため、平均的には２つの光は相関を有し、レーザ光モニタとしても使用できる。パルス発振においても共振器の内部のゲインに対し相等しく対応するため、例えば負ブランチ不安定型共振器の両側から取り出されるレーザ光の出力比を100:1 程度として、波形モニタとして使用が可能である。
【００４７】
図１においては示していないが、レーザ共振器は容器に納められ、100Torr 以下の低圧に保たれる。レーザ光は、炭酸ガスレーザの波長に透明な窓材を透して取り出される。
【００４８】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態のガスレーザ装置の共振器内における焦点位置を示す正面図であり、図２において、Ｒ１は結合鏡２の曲率半径、Ｒ２は全反射鏡３の曲率半径、２ｆは結合鏡２の焦点、３ｆは全反射鏡３の焦点、Ｌは結合鏡２と全反射鏡３の間隔（共振器長）であり、２つの焦点２ｆ、３ｆが同軸上でずれているため、共振器ロスを最小限にしたまま共焦点での課題を解決する作用を行う。
【００４９】
図３は、本発明におけるガスレーザ装置の結合鏡正面図（ａ）と側面断面図（ｂ）であり、エッジ部の角度が８９度以下であり、回折光がエッジ側面に当たらないという作用を行う。
【００５０】
図２において、相対する全反射鏡３と結合鏡２は、共焦点を有せず２枚の鏡の放線上で交差している。安定型共振器において共焦点とせず大きな曲率の反射鏡を用いることがあるが、不安定型でも共焦点からずらすことは可能である。ただし、ずらし量が大きすぎると発散性が強くなるため、限界がある。逆に共焦点の位置から遠ざかる方向に共振器長が伸びた場合、レーザ出力の低下を来す。従って、共振器の熱的な伸びなどを考慮すれば、共焦点より内側に焦点位置を設定することが安定な共振器を実現する上で有利である。また、従来例でも指摘されているように、負ブランチ不安定型に懸念される共振器内の焦点による発振効率の低下や利得媒質の光学的降伏を防止する作用もある。
【００５１】
具体的数値は、実験的に求めた。共振器への反射鏡の取り付け方法にも依るが、共振器長の熱膨張による補正をしない場合、光学的共焦点長の0.995 倍以下の共振器長を選定するのが良いことが分かった。共振器長の下限は、得られるビームにより決めた。約0.98倍を下限とすればビーム整形上問題が無いことが分かった。すなわち、負ブランチ不安定型共振器の共振器長Ｌを結合鏡２の曲率半径Ｒ１と全反射鏡３の曲率半径Ｒ２の平均値Ｒａ＝（Ｒ１＋Ｒ２）÷２の0.98〜0.995 倍とする非共焦点共振器を構成するのが好ましい。
【００５２】
また、全反射鏡３と結合鏡２の曲率の比を拡大率Ｍと呼び結合率を決定する指標となる。本発明における比率Ｍ＝Ｒ２／Ｒ１は、1.43から1.11が適当であった。
【００５３】
さらに曲率比Ｍが求まると、放電部１の寸法の長い方向（図中では縦方）の幅寸法ｂと結合鏡２の幅の比率が一義的に決まり、(1/M) 倍となる。
【００５４】
図３に本発明の第２の実施の形態におけるガスレーザ装置に用いた結合鏡２を示したが、エッジ部の角度を約８９度以下とする事で、回折光がエッジ側面に当たらないようにした。エッジではレーザ光の吸収熱が逃げにくいため、あまりきつい角度で切り欠き部を形成できないが、回折光がエッジ部側面に当たると光学部品を加熱したり、他の部分で吸収され、共振器の熱的安定性を損なう。約８５度の角度が実験的に求められた。すなわち、結合鏡２の幅を放電電極の幅ｂの（1/Ｍ）倍であり、鏡裏面の幅が鏡表面の幅より小さくなるように、結合鏡２の両端のエッジ結合部をそれぞれのエッジ部切断角度が約89度よりも小さく、例えば約８９〜８５度にするのが好ましい。
【００５５】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態のガスレーザ装置の共振器容器の概略正面断面図であり、図４において２０は共振器容器、２１は出力透過窓、３１は全反射鏡３の傾き調整機構、３２は結合鏡２の位置及び傾き調整機構であり、位置及び傾き調整機構３１は第１と第２の出力ビーム４ａ、４ｂの出力比率を決める作用を行う。
【００５６】
負ブランチ不安定型共振器の両端からの取り出しレーザ光の比率に応じ結合鏡２の位置を放電部中心よりΔＬ偏心して配置し、結合鏡をおよそ「偏心距離ΔＬ÷２Ｌ（rad）」の角度だけ放電部中央に傾け、全反射鏡３を対向する側に同程度傾ける。Ｌは図２と同じ共振器長である。
【００５７】
図４において共振器容器２０は、100Torr 以下の低圧に封じられており、出力透過窓２１を透して第１と第２の出力ビーム４ａ、４ｂを取り出している。結合鏡２は、位置及び傾き調整機構３２によって移動可能となっており、図示しない制御手段によって共振器容器２０の外から制御できる。結合鏡２の幅が決まると共振器の結合率が一定となるため、取り出せるレーザ光出力は一定となるが、結合鏡２の位置によって両側の結合率が変わり、任意に出力比率を帰ることが出来る。
【００５８】
（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態ガスレーザ装置の加工システム構成図を示し、図５において、４ａは第１と第２の出力ビーム、５はビーム整形光学系、６は外部光学系、７は加工光学系、８は被加工物であり、結合鏡２と全反射鏡３の光軸が放電部１の中心と一致しているため、２つの出力ビームを等しくする作用を行う。４ｓａ、４ｓｂはビーム成形光学系５の出力光である。
【００５９】
図５において、第１と第２の出力ビーム４ａを等しく出力している。この場合、反射鏡２、３の光学中心は放電部１の中心と同軸であり、両側の結合が等しい。ビーム整形光学系５でビームの発散角を揃え、外部光学系６と加工光学系７を通し、被加工物８を加工する。本実施の形態では、同一加工条件にて同一形状の加工を行うものに最適な光学系となる。
【００６０】
（実施の形態５）
図６図は、本発明における第５の実施の形態のガスレーザ装置の加工システム構成図を示し、図６において、４ａは第１の出力ビーム、４ｂは第２の出力ビーム、５はビーム整形光学系、６は外部光学系、７は加工光学系、８は被加工物であり、結合鏡２と全反射鏡３の光軸が放電部１の中心とずれているため、２つの出力ビームを異なる出力で発振させる作用を行う。
【００６１】
図６において、結合鏡２はオフセットを与えられ、第１の出力ビーム４ａ、第２の出力ビーム４ｂの比率が(2〜10) ：１の差を与えられている。本実施の形態では、同一形状であるが、出力を変えた加工を行う必要のある場合に最適であり、例えば、塗装された鋼板を一括加工すると塗料が鋼板と反応して加工面が荒れてしまう場合に、第２の出力ビーム４ｂで塗料を除去し、次いで第１出力ビーム４ａで切断加工を行うことが出来る。逆に、高出力で切断加工を行った後に低出力で後処理加工を行うこともできる。これは、同一品種をある程度の数量加工する場合に適している。
【００６２】
（実施の形態６）
図７は、本発明における第６の実施の形態のガスレーザ装置の概略構成図であり、図７において、９ａは短パルス発振の整合回路、９ｂは連続波発振の整合回路、１０は高周波電源、１１は真空排気装置、１２ａは短パルス発振用レーザガス、１２ｂは連続波発振用レーザガス、２２は高周波導入端子であり、レーザ発振を短パルス、連続波によって最適なガス、整合を選択可能とし、高効率で発振させる作用を行う。その他図４等と同一個所に同一符号を付している。
【００６３】
図７において、ガスレーザ装置はガス充填機構として２つのボンベ１２ａ、１２ｂと整合機構として２つの整合回路９ａ、９ｂを備え、バルブ２９、３０およびスイッチ３０ａ〜３０ｄの切り換えにより、発振の形態に最適な条件で運転可能としている。本発明におけるガスレーザ装置は、電極間隔を狭め、導波型で運転する。これは、電極による拡散冷却を効率よく行う目的であり、これによって少ないガス容積で大きな出力を得る事が出来る。ガス充填は、数日に１度の割合で行えば良く、小型ボンベでも１００回程度のガス交換量を持つことが出来る。ガス交換を行う際には、真空排気装置１１で排気した後にボンベ１２ａ、１２ｂから所定のガス圧になるまでレーザガスを供給する。２本のボンベ１２ａ、１２ｂには、それぞれ異なった混合比でガスが充填されている。１つは、短パルス発振に適した二酸化炭素比率の大きなガス（窒素：二酸化炭素≒１：（１〜２））であり、他の１つは連続波発振に適した二酸化炭素比率の小さなガス（窒素：二酸化炭素≒（３〜７）：１）である。炭酸ガスレーザの励起は、窒素ガスに対して効率よく行われ、窒素から二酸化炭素へ励起エネルギーが移行してレーザ発振が行われる。従って、二酸化炭素の比率が多ければ、時定数の短い短パルスが得られ、窒素比率が多いと時定数は長く、レーザ光の立ち下がりの長いレーザとなる。ガスを変えた場合には、放電インピーダンスがかわるため、それぞれに整合回路９ａ、９ｂを切り替えておく必要がある。高周波電源１０に比べ整合回路９ａ、９ｂは非常に小さいものであるので装置寸法を大きくするものではない。
【００６４】
（実施の形態７）
この発明の第７の実施の形態を図８により説明する。すなわち、レーザ光発散角の導波路型安定共振器方向と負ブランチ不安定型共振器方向による差異解消のため、整形後のビームが真円で見かけ上のビームウエスト位置がほぼ一致するように、縦横に異なる曲率で形成された集光光学系と縦横にそれぞれ独立した回折光除去の空間フィルタを用いてビーム整形を行うものである。
図８は、本発明における第７の実施の形態のビーム整形光学系の構成を表す斜視図であり、５１は集光レンズ、５２は横方向空間フィルタ、５３は縦方向空間フィルタ、５４はコリメートレンズであり、集光レンズ５１は縦横に２重焦点を持つレンズで縦横のビームを異なる位置に集光させる作用を行い、空間フィルタ５２、５３はそれぞれに回折光を除去する作用を行い、コリメータレンズ５４は２重焦点を有し、縦横比の等しいビームにコリメートする作用を行う。
【００６５】
図８において、レーザ発振器から出力されたビーム４ａ、４ｂは、矩形であり、発散角も縦横で大きく異なる。また、両方向に回折光が混じった状態であるので、そのまま集光しても良好な加工品質を得ることが出来ない。本発明では、回折光を完全に除去するために集光光学系を採用し、焦点面で空間フィルタ５２、５３により回折光をカットした。焦点面からは０次の基本波が透過し、コリメートレンズ５４で縦横の揃ったレーザ光４sa、４sbとして成型される。集光レンズ５１およびコリメートレンズ５４は縦横に２重焦点を持つレンズで縦横のビームを異なる位置に集光させ、空間フィルタを個別に調整できるようにしてある。
【００６６】
【発明の効果】
請求項１記載のガスレーザ装置によれば、結合鏡の横幅が放電部の横幅より小さいため結合鏡の両端のエッジ結合部よりレーザ光が共振器の外に出力される。また結合鏡の位置と傾きを調整すれば、結合鏡の両端から出力されるレーザ光の比率を任意に調整可能である。このように、結合鏡の位置及び角度を設定することで、負ブランチ不安定型の共振器から同時に２軸のビームを任意の出力配分で安定して取り出すことができるので、従来困難であったモニタ光を安定して取り出せるとともに、任意の出力が選べるため、加工システムの応用範囲が大きく広がる。
【００６７】
また、負ブランチの２枚の反射鏡の焦点位置を互いに内側に入り込むように共振器長Ｌを短くしているので、共振器内での共焦点による発振効率の低下や利得媒質の光学的降伏を防止することができる。このように、従来技術では共焦点として構成していた不安定型共振器を敢えて非共焦とすることで内部共焦による負ブランチ不安定型共振器の課題を解決できる。また非共焦で負ブランチ不安定型共振器を構成することにより、共振器内部での共焦点による不具合を生じさることなく、負ブランチの利点である光軸ずれに強い共振器が得られる。
【００７０】
また、負ブランチ不安定型の共振器の両端からのレーザ光の取り出し比率に応じ前記結合鏡の位置を放電部の中心よりΔＬ偏心して配置し、前記結合鏡をおよそ「偏心距離ΔＬ÷２Ｌ（ rad ）」の角度だけ放電部の中央に傾け、全反射鏡を対向する側に同程度傾けたため、内部でのロスが少なく最も効率よくレーザ出力を得る。
【００７５】
請求項２記載のガスレーザ装置によれば、請求項１と同様な効果のほか、短パルス発振および連続波発振に最適なガス比率のガス入れ替えを行うガス充填機構と高周波整合条件を切り替える整合機構を設けたため、レーザガス組成の変更と整合回路の切替により、短パルスまたは連続波発振の異なる条件での発振要求に常に最適な条件で対応でき、加工に最適なレーザ光が最適な条件で得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施の形態のガスレーザ装置の共振器部の概略を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のガスレーザ装置の共振器内における焦点位置を示す正面図である。
【図３】そのガスレーザ装置の結合鏡を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のガスレーザ装置の共振器容器の概略正面断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態のガスレーザ装置の加工システムの構成図である。
【図６】本発明における第５の実施の形態のガスレーザ装置の加工システムの構成図である。
【図７】本発明における第６の実施の形態のガスレーザ装置の概略構成図である。
【図８】本発明における第７の実施の形態のビーム整形光学系の構成を表す斜視図である。
【図９】従来の気体レーザ装置の概略断面図である。
【図１０】従来の気体レーザ装置の共振器の構成を示す概略平面図である。
【図１１】従来の共振器の不安定型共振器側の概要を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図１２】従来の折返し鏡を部分的に透過鏡とした導波路型レーザ発振器の構成図である。
【図１３】従来の高出力導波管レーザの一部切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１ 放電部
２ 結合鏡
３ 全反射鏡
４ａ 第１の出力ビーム
４ｂ 第２の出力ビーム
５ ビーム整形光学系
９ａ、９ｂ 整合回路
１０ 高周波電源
１１ 真空排気装置
１２ａ、１２ｂ レーザガスのボンベ
２０ 共振器容器
２１ 出力透過窓
５１ 集光レンズ
５２ 横方向空間フィルタ
５３ 縦方向空間フィルタ
５４ コリメータレンズ

Claims (2)

1. 高周波放電により励起される放電部の光軸横断面が長方形をなし、共振器光軸方向に長い平行平板電極の対向する面が光反射面を有し、前記放電部の光軸横断面の短辺方向において導波路型であり同じく長辺方向には自由空間モードとなるように、共振器を結合鏡と全反射鏡とを有する負ブランチ不安定型と安定型導波路の複合共振器としたガスレーザ装置であって、
   前記放電部の光軸横断面長方形の長辺寸法よりもそれと同方向の前記共振器の前記結合鏡の幅寸法を小さくして、前記結合鏡の両端から光出力を取り出すように前記結合鏡を位置決めし、
   前記負ブランチ不安定型を構成する前記共振器の共振器長Ｌを前記結合鏡の曲率半径Ｒ１と前記全反射鏡の曲率半径Ｒ２の平均値Ｒａ＝（Ｒ１＋Ｒ２）÷２の0.98〜0.995 倍とし、非共焦点共振器を構成するとともに、
   前記負ブランチ不安定型の前記共振器の両端からのレーザ光の取り出し比率に応じ前記結合鏡の位置を放電部の中心よりΔＬ偏心して配置し、前記共振器長Ｌとして、前記結合鏡をおよそ「偏心距離ΔＬ÷２Ｌ（rad）」の角度だけ前記放電部の中央に傾け、前記全反射鏡を対向する側に同程度傾けたガスレーザ装置。
2. 高周波放電により励起される放電部の光軸横断面が長方形をなし、共振器光軸方向に長い平行平板電極の対向する面が光反射面を有し、前記放電部の光軸横断面の短辺方向において導波路型であり同じく長辺方向には自由空間モードとなるように、共振器を結合鏡と全反射鏡とを有する負ブランチ不安定型と安定型導波路の複合共振器としたガスレーザ装置であって、
   前記放電部の光軸横断面長方形の長辺寸法よりもそれと同方向の前記共振器の前記結合鏡の幅寸法を小さくして、前記結合鏡の両端から光出力を取り出すように前記結合鏡を位置決めし、
   前記負ブランチ不安定型を構成する前記共振器の共振器長Ｌを前記結合鏡の曲率半径Ｒ１と前記全反射鏡の曲率半径Ｒ２の平均値Ｒａ＝（Ｒ１＋Ｒ２）÷２の0.98〜0.995 倍とし、非共焦点共振器を構成するとともに、
   レーザガスの組成を短パルス発振に最適な窒素対二酸化炭素比率約０．5 〜1 と、連続波発振に最適な窒素対二酸化炭素比率約3 〜7 に入れ替えるガス充填機構を備え、発振に合わせた高周波整合条件を切り替える整合機構を備えたガスレーザ装置。

Images