JP3946508B2

JP3946508B2 - ３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器

Info

Publication number: JP3946508B2
Application number: JP2001375537A
Authority: JP
Inventors: 健吉中岡
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: JP2003179287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器の従来例を図５、図６を参照して説明する。３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器は、レーザ媒質であるレーザガス（ＣＯ_２ガス）を充填された密閉チャンバ１００と、密閉チャンバ１００内に対向配置された放電用電極１０１、１０２と、放電用電極１０１と１０２の放電励起部１０３にレーザガスを循環させるブロワ１０４と、レーザガスの冷却を行う熱交換器１０５と、放電励起部１０３においてレーザ光共振を行う光共振器１１０とを有している。
【０００３】
３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器では、放電用電極１０１、１０２による放電の方向と、放電励起部１０３におけるレーザガス流の方向と、光共振器１１０の光軸方向とが互いに直交する。
【０００４】
光共振器１１０は、４枚の全反射鏡（高反射ミラー）１１１〜１１４と、出力用の１枚の半反射鏡（ハーフミラー）１１５により、１往復半の折り返し光路を構成し、放電励起されたプラズマよりレーザ光を取り出す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光の最も重要な要件である集光特性はレーザビームのモード次数が低い方が優れている。モード次数を低くするには、次式により定義されるパラメータｍが小さい方がよいことが知られている。
【０００６】

低次モードを得るためには、折り返し数が多い多重折り返し光路を設けることが有効であることを示している。
【０００７】
しかし、従来の光共振器１１０では、１往復半の折り返し光路であるため、ｍ＝Ａ／３×Ｌｃ程度で、装置の大型化を招くことなくパラメータｍを充分に小さい値にすることができない。
【０００８】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、装置の大型化を招くことなくパラメータｍを充分に小さい値にすることができ、現実的なコンパクト設計によって低次モードを得る３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明による３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器は、放電電極間において放電する放電方向と、放電励起部におけるレーザガス流方向と、光共振器の出力レーザビームの光軸方向とが互いに直交した３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器において、前記出力レーザビームの光軸方向に直交する仮想平面Ｃ上のミラーベースに出力ミラーとリアミラーとを設け、前記リアミラーと前記出力ミラーとを前記レーザガス流方向に一定距離だけ離隔した位置に配置し、前記仮想平面Ｃの近傍に該仮想平面Ｃと平行な仮想平面Ａを設け、該仮想平面Ａと平行でかつ該仮想平面Ａから光共振器内へ有効長Ｌｃだけ離隔した位置に仮想平面Ｂを設け、前記仮想平面Ａ上のミラーベースに前記仮想平面Ｂの方向を指向し、かつ前記リアミラー１１より下方に位置する第２折り返しミラー１３と、前記リアミラーと同水準に位置する第６折り返しミラー１４との２枚の折り返しミラーを前記一定距離だけ離隔した位置に配置し、前記仮想平面Ｂ上のミラーベースに前記第２折り返しミラー１３に対向する第１折り返しミラー１２を前記リアミラーと同一水準位置に設けると共に、該第１折り返しミラー１２より下方に位置して前記第６折り返しミラー１４に対向すると共に前記出力ミラーに同一水準で対向する第７折り返しミラー１５とを前記一定距離だけ離隔した位置に設け、前記仮想平面Ｂの近傍に該仮想平面Ｂと平行な仮想平面Ｄを設け、該仮想平面Ｄのミラーベースに前記第２折り返しミラー１３に同一水準で対向する第３折り返しミラー１６と、前記第６折り返しミラー１４に同一水準で対向する第５折り返しミラー１８と、前記第３折り返しミラー１６からの光を前記第５折り返しミラー１８に直角に折り返す第４折り返しミラー１７とを設け、これら第３、第４、第５折り返しミラーの光路の中心位置が形成する直角三角形において、前記第３折り返しミラー１６と第４折り返しミラー１７間の光路と、該第４折り返しミラー１７と前記第５折り返しミラー１８間の光路とが成す角度が直角となる光路を設け、前記リアミラーと出力ミラー間の光路が前記放電励起部を３往復する光共振回路を構成したことを要旨とするものである。
【００１１】
上述したように構成されたレーザ光共振器では、折り返し数が多い（３往復またはそれ以上）多重折り返し光路が得られ、しかも、１つの仮想平面内における直角三角形の各頂点に反射鏡が配置され、レーザビームがその直角三角形の直角を挟む２つの辺に沿った光路を進行して折り返すから、レーザ光共振器の構成要素同士の干渉やレーザビームとの干渉を避けてコンパクト設計が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に説明するこの発明の実施の形態において上述の従来例と同一構成の部分は、上述の従来例に付した符号と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１３】
図１〜図３はこの発明によるレーザ光共振器および３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器の一つの実施の形態を示している。
【００１４】
レーザ光発振器１０は、共振器光軸方向にチャンバ有効長相当の距離をもって離れた実質的に平行な２つの仮想平面Ａ、Ｂのうち、一方の仮想平面Ａよりオフセット量Ｌａだけ共振器光軸方向に平行にオフセットした仮想平面（オフセット面）Ｃに配置された全反射鏡（高反射ミラー）によるリアミラー１１および半反射鏡（ハーフミラー）による出力ミラー１９と、仮想平面Ｂに配置された全反射鏡による２枚の第２折り返しミラー１３、第６折り返しミラー１４と、仮想平面Ｂに配置された全反射鏡による２枚の第１折り返しミラー１２、第７折り返しミラー１５を有している。
【００１５】
リアミラー１１と出力ミラー１９は、同じ仮想平面Ｃ内で、各々個別のアライメント調整機構を付加してミラーベース（図示省略）に取り付けられ、また第２折り返しミラー１３と第６折り返しミラー１４は、同じ仮想平面Ａ内で、各々個別のアライメント調整機構を付加してミラーベース（図示省略）に取り付けられ、第１折り返しミラー１２と第７折り返しミラー１５は、同なじ仮想平面Ｂ内で、各々個別のアライメント調整機構を付加してミラーベース（図示省略）に取り付けられている。
【００１６】
レーザ光共振器１０は、更に、仮想平面Ｂよりオフセット量Ｌｂだけ共振器光軸方向に平行にオフセットした仮想平面（オフセット面）Ｄに描かれる直角三角形の各頂点に位置する位置関係で配置された全反射鏡による３枚の第３折り返しミラー１６、第４折り返しミラー１７および第５折り返しミラー１８とを有している。
【００１７】
第３折り返しミラー１６、第４折り返しミラー１７および第５折り返しミラー１８は、同じ仮想平面Ｄ内で、各々個別のアライメント調整機構を付加してミラーベース（図示省略）に取り付けられる。第３折り返しミラー１６、第４折り返しミラー１７および第５折り返しミラー１８については、これら第３折り返しミラー１６、第４折り返しミラー１７および第５折り返しミラー１８を１つの多面体ブロックにマウントし、何れか１つのみにアライメント調整機構を付加したものとすることができる。
【００１８】
レーザ光共振器１０では、リアミラー１１と第１折り返しミラー１２との間に光路Ｐ１を、第１折り返しミラー１２と第２折り返しミラー１３との間に光路Ｐ２を、第２折り返しミラー１３と第３折り返しミラー１６との間に光路Ｐ３を、第３折り返しミラー１６と第４折り返しミラー１７との間に光路Ｐ４を、第４折り返しミラー１７と第５折り返しミラー１８との間に光路Ｐ５を、第５折り返しミラー１８と第６折り返しミラー１４との間に光路Ｐ６を、第６折り返しミラー１４と第７折り返しミラー１５との間に光路Ｐ７を、第７折り返しミラー１５と出力ミラー１９との間に光路Ｐ８が各々生成される。
【００１９】
光路Ｐ４とＰ５は仮想平面Ｄに描かれる三角形Ｇの２つの辺ａ、ｂ（図３参照）に沿った光路をなし、レーザビームはこの光路Ｐ４とＰ５を進行して折り返す。この場合、光路Ｐ４とＰ５とがなす角度θｃは９０度で、光路Ｐ４、Ｐ５が各々仮想平面Ｄの辺となす角度θａ、θｂは各々４５度になる。
【００２０】
上述のような光路構成により、放電励起部１０３を３往復する折り返し光路（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８）ができ、パラメータｍ＝Ａ／６×Ｌｃ程度で、パラメータｍは、同じ有効長Ｌｃで、従来のもの１／２（半分）になり、低次モードが良好に得られる。
【００２１】
また、各ミラーを図２のようにＬａ、Ｌｂだけオフセットして配置すれば、光路Ｐ４とＰ５は、障害物がないオフセットされた仮想平面Ｄにあり、その仮想平面Ｄに描かれる直角三角形Ｇの直角を挟む２つの辺ａ、ｂに沿った光路をなし、レーザビームはこの光路Ｐ４とＰ５を進行して折り返すから、光路Ｐ２とＰ３との角度θｄや光路Ｐ６とＰ７との角度θｅが大きくなることがなく、レーザ光共振器の構成要素（ミラーやミラー支持部材）同士の干渉や、レーザビームとの干渉を避けることができ、ミラーや各部材の間隔を狭められ、コンパクト設計が可能になる。
【００２２】
また、第３、第４、第５折り返しミラー１６、１７、１８の作用によりレーザビームが光軸回りに９０度回転し、出力ミラー１９、第７折り返しミラー１５、第６折り返しミラー１４、第５折り返しミラー１８の側と、第３折り返しミラー１６、第２折り返しミラー１３、第２折り返しミラー１２、リアミラー１１の側で、ともにやや縦長になるレーザビームの片方を横長にして重畳させるので、回転対称性のよい出力ビームが得られる。また、これと同時に４５度方向の直線偏向光が得られ、その後にλ／４波長板によって応用（加工）システムで求められる円偏光にし易くなる。
【００２３】
図４はこの発明によるレーザ光共振器の他の実施の形態を示している。なお、図４において、図２に対応する部分は、図２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００２４】
この実施の形態でも、仮想平面（オフセット面）Ｃにリアミラー１１と出力ミラー１９が、仮想平面Ａに第２、第３折り返しミラー１３、１４が、仮想平面Ｂに第１、第７折り返しミラー１２、１５が各々配置されている。また、仮想平面（オフセット面）Ｄに第３、第４、第５折り返しミラー１６、１７、１８が、仮想平面Ｄに描かれる直角三角形の各頂点に位置する位置関係で配置されている。
【００２５】
上述したようなミラー配置により、前述した実施の形態と同様に、放電励起部１０３を３往復する折り返し光路（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ８）ができ、パラメータｍ＝Ａ／６×Ｌｃ程度で、パラメータｍは、同じ有効長Ｌｃで、従来のもの１／２（半分）になり、低次モードが良好に得られ、光路Ｐ４とＰ５は、障害物がないオフセットされた仮想平面Ｄにあり、その仮想平面Ｄに描かれる直角三角形Ｇの直角を挟む２つの辺ａ、ｂに沿った光路をなし、レーザビームはこの光路Ｐ４とＰ５を進行して折り返すから、光路Ｐ２とＰ３との角度θｄや光路Ｐ６とＰ７との角度θｅが大きくなることがなく、レーザ光共振器の構成要素（ミラーやミラー支持部材）同士の干渉や、レーザビームとの干渉を避けることができ、ミラーや各部材の間隔を狭められ、コンパクト設計が可能になる。
【００２６】
なお、この発明によるレーザ光共振器１０は、特開平１０−７９５３９号公報に示されているように、高圧電極の両側にグランド電極が配置されたような２段ギャップ式の放電励起を行う３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器にも適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明による３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器によれば、光共振器の出力レーザビームの光軸方向とが互いに直交した３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器において、出力レーザビームの光軸方向に直交する仮想平面Ｃ上のミラーベースに出力ミラーとリアミラーとを配置し、この仮想平面Ｃ近傍に平行に設けた仮想平面Ａと、この仮想平面Ａに平行でかつ仮想平面Ａから光共振器内へ有効長だけ離隔した位置に設けた仮想平面Ｂと、この仮想平面Ｂ近傍に平行に設けた仮想平面Ｄとを有し、仮想平面ＡとＢとに備えたミラーベースに複数な折り返しミラーを配置すると共に、仮想平面Ｄのミラーベースに設けた３個の折り返しミラーの光路の中心位置が直角三角形の直角を挟む光路を進行して折り返すように設け、リアミラーと出力ミラー間の光路が放電励起部をコンパクトに３往復する光共振回路を構成したので、装置の大型化を招くことなく、パラメータｍを充分に小さい値にすることができ、現実的なコンパクト設計によって低次モードを得ることができ、併せて、回転対称性のよい出力ビームが得られると共に、４５度方向の直線偏光が得られ、その後にλ／４波長板によって応用（加工）システムで求められる円偏光にし易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるレーザ光共振器を組み込まれた３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器の１つの実施の形態を示す正面図である。
【図２】この発明によるレーザ光共振器の１つの実施の形態を示す斜視図である。
【図３】この発明によるレーザ光共振器の第３の仮想平面（オフセット平面）の端面図である。
【図４】この発明によるレーザ光共振器の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器の従来例を示す正面図である。
【図６】３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器の従来例を示す側面図である。
【符号の説明】
１０レーザ光共振器
１１リアミラー
１２〜１８第１〜第５折り返しミラー
１９出力ミラー
１００チャンバ
１０１、１０２放電電極
１０３放電励起部

Claims

放電電極間において放電する放電方向と、放電励起部におけるレーザガス流方向と、光共振器の出力レーザビームの光軸方向とが互いに直交した３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器において、前記出力レーザビームの光軸方向に直交する仮想平面（Ｃ）上のミラーベースに出力ミラー（１９）とリアミラー（１１）とを設け、前記リアミラー（１１）と前記出力ミラー（１９）とを前記レーザガス流方向に一定距離だけ離隔した位置に配置し、前記仮想平面（Ｃ）の近傍に該仮想平面（Ｃ）と平行な仮想平面（Ａ）を設け、該仮想平面（Ａ）と平行でかつ該仮想平面（Ａ）から光共振器内へ有効長（Ｌｃ）だけ離隔した位置に仮想平面（Ｂ）を設け、前記仮想平面（Ａ）上のミラーベースに前記仮想平面（Ｂ）の方向を指向し、かつ前記リアミラー（１１）より下方に位置する第２折り返しミラー（１３）と、前記リアミラー（１１）と同水準に位置する第６折り返しミラー（１４）との２枚の折り返しミラーを前記一定距離だけ離隔した位置に配置し、前記仮想平面（Ｂ）上のミラーベースに前記第２折り返しミラー（１３）に対向する第１折り返しミラー（１２）を前記リアミラー（１１）と同一水準位置に設けると共に、該第１折り返しミラー（１２）より下方に位置して前記第６折り返しミラー（１４）に対向すると共に前記出力ミラー（１９）に同一水準で対向する第７折り返しミラー（１５）とを前記一定距離だけ離隔した位置に設け、前記仮想平面（Ｂ）の近傍に該仮想平面（Ｂ）と平行な仮想平面（Ｄ）を設け、該仮想平面（Ｄ）のミラーベースに前記第２折り返しミラー（１３）に同一水準で対向する第３折り返しミラー（１６）と、前記第６折り返しミラー（１４）に同一水準で対向する第５折り返しミラー（１８）と、前記第３折り返しミラー（１６）からの光を前記第５折り返しミラー（１８）に直角に折り返す第４折り返しミラー（１７）とを設け、これら第３、第４、第５折り返しミラーの光路の中心位置が形成する直角三角形において、前記第３折り返しミラー（１６）と第４折り返しミラー（１７）間の光路と、該第４折り返しミラー（１７）と前記第５折り返しミラー（１８）間の光路とが成す角度が直角となる光路を設け、前記リアミラー（１１）と出力ミラー（１９）間の光路が前記放電励起部を３往復する光共振回路を構成したことを特徴とする３軸直交型炭酸ガスレーザ発振器。