JP5257287B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器の共振器ミラーとウインドウとして使用される透過型光学部品との間の空間の圧力と真空容器の圧力との差を調整するための構造を持つレーザ装置に関するものである。

従来のレーザ加工機等のレーザ装置では、レーザ発振器は真空容器の内部に存在する有機材料や組立て時に生じるごみ、または内壁等に付着した手の油分等の不純物に起因して部分反射鏡が汚れることがある。この汚れにより部分反射鏡がレーザ光のエネルギーを吸収する吸収率が増大する。仮に不純物を考慮しなくても、たとえばＣＯ２ガスレーザ装置のように紫外線が発生するレーザ装置の場合、紫外線とＣＯ２ガスの励起により生じる活性酸素によって、一般にセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等で構成される部分反射鏡の表面が酸化され、吸収率が増大する。

部分反射鏡がレーザ光を吸収すると、レーザ光のエネルギーは熱に変化するため、部分反射鏡の内部に温度分布が生じる。この温度分布により屈折率の変化が生じ、いわゆる熱レンズと呼ばれる、レーザビーム特性の変化を引き起こすという問題があった。

そこで、部分反射鏡の汚れを防ぐために、共振器内に透過型光学部品を配置してウインドウとして使用し、レーザ発振が生じる真空容器の内部と、透過型光学部品と部分反射鏡との間の空洞部とを、空間的に分離していた（例えば特許文献１）。

特開２００６−１３５２０５号公報

一般のレーザ装置では、レーザ発振器を起動した後、放電が発生して放電空間の温度が上昇すると、真空容器内の圧力は上昇する。一方、従来のレーザ装置では、真空容器と空洞部とは互いに独立した空間であり、空洞部では放電が発生せず温度の上昇はほとんどないため圧力は変わらない。したがって、たとえレーザ装置を起動する前に真空容器と空洞部の圧力を略同一としても、放電により真空容器と空洞部との間に圧力差が生じる結果、これらの空間を隔てる透過型光学部品に物理的な圧力が加わり、歪が生じる。そして透過型光学部品の歪によりレーザ光の位相ずれが発生し、その結果レーザ装置としての増幅特性や集光特性等のビーム品質が劣化するという問題があった。

ここで、透過型光学部品に歪みが生じた場合、ビーム品質に与える影響は大きい。なぜならば透過型光学部品は共振器内に設けられているため、真空容器から部分反射鏡に向かうレーザ光と、部分反射鏡で反射されて真空容器へ戻るレーザ光の双方が通過するためである。換言すればレーザ光は透過型光学部品を２回通過するため、ビーム品質の低下に与える影響は大きい。

このようなビーム品質の低下を防ぐ一つの方法は、透過型光学部品でのレーザ光の吸収を少なくすることであり、例えば透過型光学部品を薄くすればよい。しかしながら、一般に透過型光学部品の厚さは数ミリメートル程度と薄い。さらに透過型光学部品を薄くすると同一圧力に対する歪量は大きくなるうえ、レーザ装置の仕様上十分な剛性を維持できなくなる可能性もあるため、薄くするには限界がある。

この発明に係るレーザ装置は、レーザ媒質が封入されレーザ光が発生する筐体と、前記筐体に接続され不活性ガスが封入される保持部材と、前記レーザ媒質と前記不活性ガスとを隔て前記レーザ光を透過させる透過型光学部品と、前記透過型光学部品に対向するよう前記保持部材に保持され、前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を反射及び通過をさせ且つ前記不活性ガスと外気とを隔てる部分反射鏡、または前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を全反射させる全反射鏡と、前記レーザ媒質の圧力と前記不活性ガスの圧力を略同一に保つ圧力調整手段とを備え、透過型光学部品の歪を抑圧するものである。

この発明によれば、レーザ媒質が封入されレーザ光が発生する筐体と、前記筐体に接続され不活性ガスが封入される保持部材と、前記レーザ媒質と前記不活性ガスとを隔て前記レーザ光を透過させる透過型光学部品と、前記透過型光学部品に対向するよう前記保持部材に保持され、前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を反射及び通過をさせ且つ前記不活性ガスと外気とを隔てる部分反射鏡、または前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を全反射させる全反射鏡と、前記レーザ媒質の圧力と前記不活性ガスの圧力を略同一に保つ圧力調整手段とを備え、放電空間と空洞部との圧力の差を略同一に調整することにより、透過型光学部品の歪を抑圧することができ、その結果、ビーム品質を均質に保ち、ビーム特性の劣化が少ないレーザ装置を実現できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１におけるレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１におけるレーザ装置の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態２におけるレーザ装置の一部を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態３におけるレーザ装置の一部を示す縦断面図である。

１ 真空容器
２ 放電電極
３ 循環ブロア
４、５ ブロック
６ 部分反射鏡
７ 全反射鏡
８ 冷却ユニット
９ 配管
１０ 熱交換器
１１ 電源盤
１２ 制御装置
１４ シリンダー
１５ ピストン
２１ ホルダー
２２、２９ 押さえ
２３、２４、２７、２８ Ｏリング
２５ 透過型光学部品
２６ 空洞部
３１ ガスフィルタ
４１、４２ 圧力センサ
４３ 制御器
４４ 圧力弁
４５ 加圧ポンプ

以下この発明を、その実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は本実施の形態１におけるレーザ装置の構成を示すブロック図である。図１において、筐体である真空容器１の内部にはレーザ媒質が封入され、一対の放電電極２が設けられる。レーザ媒質は循環ブロア３により一対の放電電極２間に循環供給される。本実施の形態１ではレーザ媒質としてＣＯ２を用いたＣＯ２ガスレーザ装置を用いて説明する。ＣＯ２ガスレーザ装置の場合、一般にレーザ媒質の主成分はＣＯ２ガスであり、ヘリウム（Ｈｅ）ガス及び窒素（Ｎ２）ガスを含む。放電電極２には図示しない電源から所定の電圧が印加され、レーザ媒質のエネルギーを励起してレーザ光が発生する。レーザ光の光軸上にはそれぞれ保持部材であるブロック４及び５に保持された部分反射鏡６及び全反射鏡７が設けられる。

冷却ユニット８は配管９により熱交換器１０に冷却水を送り、また図示しない配管により部分反射鏡６及び全反射鏡７に冷却水を送り、これらを冷却する。真空容器１内の圧力を下げてレーザ媒質を供給し、放電電極２に放電を発生させ、循環ブロア３を制御する機器は電源盤１１に納められている。また、制御装置１２はレーザ発振器の動作の制御を行う。

次に、本実施の形態１の部分反射鏡６及び透過型光学部品の周囲の構成について説明する。図２は図１の点線で囲んだ部分Ａを拡大した図であり、本実施の形態１のレーザ装置における部分反射鏡６及び透過型光学部品の周囲を示す縦断面図である。図２に示すように、ブロック４を構成するホルダー２１は真空容器１に接続されて、真空容器１を外界から遮断している。

ホルダー２１および押さえ２２の中央部にはレーザ光が通過する穴が設けられ、ホルダー２１には部分反射鏡６が密着して設けられる。部分反射鏡６の真空容器側の内面とホルダー２１との接触部分には超精密加工が施され、およそ０．５μｍ程度の平面度を有する。このため、部分反射鏡６をホルダー２１に密着することでシールドされる。押さえ２２は部分反射鏡６をホルダー２１に密着させるために設けられる。すなわち、部分反射鏡６は、押さえ２２、Ｏリング２３及び２４によって封止されており、ブロック４と一体になるように構成される。このような構成により、部分反射鏡６はホルダー２１の真空容器１側の内部と外気とを隔てる。

なお全反射鏡７の周囲の構造は、上記した部分反射鏡６のホルダー２１とほぼ同様の構成をしているため、図示及び詳細な説明を省略する。図１において、全反射鏡７のホルダーには全反射鏡７が密着して設けられ、部分反射鏡６と同様に、全反射鏡７の真空容器側の内面とホルダーとの接触部分には超精密加工が施され、密着することでシールドされる。全反射鏡７はレーザ光を透過しないので、必ずしもホルダーの内部空間と外気とを隔てなくてもよい。

図２において、部分反射鏡６からみて真空容器１側には透過型光学部品２５が部分反射鏡６と対向するように設けられる。透過型光学部品２５はＯリング２６、２７及び押さえ２８により保持される。透過型光学部品２５と部分反射鏡６との間の空洞部２９は、透過型光学部品２５により、真空容器１と空間的に隔てられる。透過型光学部品２５は、レーザ光の透過率が高くかつ剛性が高い材料が好ましく、例えばダイアモンドで構成される。空洞部２９はレーザ光の吸収を避けるため、ＣＯ２レーザが吸収されない不活性ガスが封入される。不活性ガスはレーザが通過しても活性酸素が発生しないため部分反射鏡６の酸化を防止することができる。なお不活性ガスとして、第１８属元素ではないが、一般に窒素ガスを使用することもできる。本実施の形態では不活性ガスに窒素ガスも含むものとして説明する。

本実施の形態１におけるレーザ装置は、空洞部２９と真空容器１との間に生じる圧力差を打ち消すため、圧力調整手段として、真空容器１とブロック４の双方に配管でつながれた圧力調整器であるシリンダー１４とピストン１５を有している。圧力調整機構であるピストン１５はシリンダー１４の内部の左室１４ａと右室１４ｂとを隔て、これらの圧力に応じて左右に移動することができる。具体的には、第１空間である左室１４ａと第２空間である右室１４ｂとの圧力差が減少するように移動する。そして、当該圧力差がなくなると、すなわち左室１４ａと右室１４ｂとが等しい圧力になると停止する。

次に、本実施の形態１におけるレーザ装置の動作について、図２を用いて説明する。はじめにレーザ装置を運転する前、すなわちレーザ光が励起される前は、真空容器１の圧力と空洞部２９の圧力とは概ね同一に保たれるように予め調整されている。このときピストン１５は、図２に実線で示す位置に静止しているものとする。

次にレーザ装置の運転を開始すると、真空容器１の内部でレーザ光が励起される。レーザ光が励起されると、そのエネルギーはレーザ媒質により吸収される。するとレーザ媒質に吸収されたレーザ光のエネルギーは熱に変換されるため、真空容器１内の温度が上昇する。この温度上昇の結果、真空容器１内の圧力は上昇する。

真空容器１内の圧力が上昇すると、配管により真空容器１と接続されたシリンダー１４の右室１４ｂの圧力が上昇する。するとピストン１５に図２における矢印Ｂ方向の押圧力が加わり、ピストン１５は矢印Ｂの方向へ移動する。その結果、左室１４ａと配管で接続されたブロック４の内部の空洞部２９の圧力が上昇する一方、真空容器１の圧力は低下する。そして、最終的に左室１４ａと右室１４ｂとの圧力がほぼ等しくなると、換言すれば真空容器１と空洞部２９の圧力がほぼ等しくなると、ピストン１５は例えば点線１５ａで示す位置まで移動して停止する。すなわち、レーザ装置にシリンダー１４とピストン１５とからなる圧力調整器を備えたことにより、空洞部２９と真空容器１とを同一の圧力に保つことができる。このため、透過型光学部品２５に不要な圧力をかけることがなく歪を最小限に抑え、レーザ品質の低下を抑圧するという効果を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、圧力調整器としてシリンダー１４及びピストン１５を備えた場合を例にとり説明したが、必ずしもこれらを備える必要はない。たとえば、圧力調整器としてシリンダー１４内部にガスフィルタを備える構成としてもよい。本実施の形態２では、シリンダー１４内に不活性ガスのみを通過させるガスフィルタを設ける場合を例にとり説明する。

図３は本実施の形態２のレーザ装置における部分反射鏡６及び透過型光学部品２５の周囲を示す縦断面図であり、実施の形態１の図２に相当する。図３において、図２と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施の形態２では、実施の形態１におけるピストン１５を備えない代わりに、不活性ガスのみを通過させるガスフィルタ３１が設けられる。図３（ａ）に示すように圧力調整機構であるガスフィルタ３１はシリンダー１４の左室１４ａと右室１４ｂの間で不活性ガスのみを通過させ、それ以外のガスを遮断する機能を有し、たとえばポリイミドフィルムで構成される。ここでＣＯ２ガスレーザ装置の場合、放電によりＣＯ２→ＣＯ＋（１／２）・Ｏ２という化学変化が発生し、活性酸素が発生する場合がある。活性酸素は透過型光学部品２５を酸化させるため、空洞部２９にＣＯ２が入らないようにする必要があるが、ガスフィルタ３１はＣＯ２を遮断する。

次に、本実施の形態２におけるレーザ装置の動作について説明する。レーザ装置を運転する前に、真空容器１内の圧力と空洞部２９の圧力とが概ね同一に保たれている点は実施の形態１と同様である。このとき、空洞部２９は不活性ガスで充填されているものとする。レーザ装置の運転を開始すると、実施の形態１と同様に、励起されたレーザ光のエネルギーがレーザ媒質により吸収され、真空容器１内の温度が上昇し、圧力は上昇する。

真空容器１の圧力が上昇すると、配管により真空容器１と接続されたシリンダー１４の右室１４ｂの圧力が上昇する。このため、真空容器１の内部に存在する不活性ガスであるヘリウムガスが、ガスフィルタ３１を通過して右室１４ｂから左室１４ａへと移動する。その結果、左室１４ａに接続された空洞部２９の圧力が上昇し、一方で真空容器１内の圧力は低下する。そして最終的に、左室１４ａと右室１４ｂとの圧力がほぼ等しくなる。

ここで、空洞部２９に移動したヘリウムは不活性ガスでありＣＯ２レーザを吸収しない。従って空洞部２９の温度は上昇せず、ヘリウムの移動により上昇した空洞部２９の圧力は、一定に保たれる。すなわち、本実施の形態２でも、レーザ装置にシリンダー１４とガスフィルタ３１とからなる圧力調整器を備えたことにより、空洞部２９と真空容器１とを同一の圧力に保つことができる。このため、透過型光学部品２５に不要な圧力をかけることがなく歪を最小限に抑え、レーザ品質の低下を抑圧するという効果を得ることができる。

なお、本実施の形態２ではシリンダー１４の内部にガスフィルタ３１を備えるものとして説明したが、ガスフィルタ３１は必ずしもシリンダー１４の内部に備える必要はない。ガスフィルタ３１は真空容器１と空洞部２９とを空間的に隔てるものであればよく、真空容器１と空洞部２９とを結ぶ配管中に設けてもよい。または、真空容器１の内部または空洞部２９の内部に設けてもよい。この場合、例えば図３（ｂ）のように真空容器１と空洞部２９とを配管で直接接続し、ガスフィルタ３１を真空容器１の内部に設けることもできる。すなわち、配管に満たされた不活性ガスと、真空容器１のレーザ媒質とが、真空容器１の内部で不活性ガスを通過させるガスフィルタ３１により隔てられていれば、真空容器１と空洞部２９との圧力をほぼ等しくできる。

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、真空容器１と空洞部２９に配管を通じて接続された圧力調整器を備えた場合を例にとり説明したが、必ずしも配管を通じて接続される必要はない。たとえば、真空容器１と空洞部２９のそれぞれに圧力を検出する圧力センサを備え、検出した圧力が等しくなるよう、空洞部２９または真空容器１の圧力を調整してもよい。本実施の形態３では、圧力センサの検出結果に基づきポンプに接続された圧力弁を制御する場合を例にとり説明する。

図４は本実施の形態３のレーザ装置における部分反射鏡６及び透過型光学部品２５の周囲を示す縦断面図であり、実施の形態１の図２に相当する。図４において、図１または図２と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。本実施の形態３では、真空容器１と空洞部２９それぞれの圧力を計測する圧力センサ４１及び４２、制御器４３、圧力弁４４ならびに加圧ポンプ４５からなる圧力調整器を備える。圧力センサ４１及び４２は圧力を計測し、制御器４３に圧力値を出力する。加圧ポンプ４５は配管を通じて空洞部２９に不活性ガスを供給する。圧力弁４４は制御器４３からの制御信号４３ａにより開閉される。

次に、本実施の形態３におけるレーザ装置の動作について説明する。レーザ装置を運転する前に、真空容器１の圧力と空洞部２９の圧力とが概ね同一に保たれている点は実施の形態１と同様である。レーザ装置の運転を開始すると、実施の形態１と同様に、励起されたレーザ光のエネルギーがレーザ媒質により吸収され、真空容器１内の温度が上昇し、圧力は上昇する。

真空容器１内の圧力が上昇すると、真空容器１内部の圧力センサ４１が上昇した圧力を検出し、出力が制御器４３に入力される。一方、空洞部２９は温度が上昇しないため、圧力は変化せず、制御器４３に入力される空洞部２９の圧力、すなわち圧力センサ４２の出力は変化しない。制御器４３は、真空容器１の圧力から空洞部２９の圧力を減算する。そして減算結果が正であれば、すなわち真空容器１の圧力が空洞部２９の圧力よりも高ければ、制御信号４３ａにより圧力弁４４を開く。圧力弁４４が開かれると、加圧ポンプ４５から不活性ガスが空洞部２９へ供給され、空洞部２９の圧力が上昇する。そして、真空容器１内の圧力と空洞部２９の圧力とが等しくなると、制御器４３における減算結果が０となり、制御信号４３ａにより圧力弁４４が閉じられる。

以上のように、本実施の形態３では、レーザ装置の真空容器１と空洞部２９とにそれぞれ圧力センサ４１及び４２を備え、真空容器１内の圧力が上昇すると、制御器４３が圧力弁４４を開いて空洞部２９を加圧する構成を備えたことにより、空洞部２９と真空容器１内とを同一の圧力に保つことができる。このため、透過型光学部品２５に不要な圧力をかけることがなく歪を最小限に抑え、レーザ品質の低下を抑圧するという効果を得ることができる。

なお、本実施の形態３では真空容器１の圧力が上昇すると、制御器４３が圧力弁４４を開いて空洞部２９を加圧する構成で説明したが、必ずしも空洞部２９の圧力を加圧しなくてもよい。例えば、加圧ポンプの変わりに減圧ポンプを用い、圧力弁４４を備えた配管により真空容器１を減圧する構成でもよい。この構成の場合も、制御器４３は真空容器１内の圧力から空洞部２９の圧力を減算した結果が正であれば、制御信号４３ａにより圧力弁４４を開けばよい。これにより真空容器１内が減圧されるので、空洞部２９の圧力とほぼ等しくできる。

なお、実施の形態１〜３では、透過型光学部品２５を真空容器１の部分反射鏡６側のみに備えるものとして説明を行ったが、透過型光学部品２５は、真空容器１の全反射鏡７側に備えてもよい。部分反射鏡６と異なり全反射鏡７はレーザ光を全て反射するため、部分反射鏡６に比較して汚れ等によるレーザビーム特性の変化は一般に少ないが、鏡面の汚れによりビーム特性劣化が生じる場合もある。従って、実施の形態１〜３に記載した透過型光学部品２５を全反射鏡７側にも備え、全反射鏡７と透過型光学部品２５との間の空洞部２９と真空容器１との圧力を調整する圧力調整器を備えることにより、空洞部２９と真空容器１とを同一の圧力に保つことができる。このため、透過型光学部品２５に不要な圧力をかけることがなく歪を最小限に抑え、レーザ品質の低下を抑圧するという効果を得ることができる。

なお、実施の形態１〜３では、ＣＯ２ガスレーザ装置を用いて説明したが、必ずしもＣＯ２ガスレーザ装置に限られるものではない。他のレーザ装置であっても、発振器内部の汚れにより部分反射鏡の吸収率が変動したり、またはレーザ光に起因して活性酸素が生じて部分反射鏡が酸化されるようなレーザ装置であれば、本発明を適用することができる。

この発明は工作機械などの分野において、レーザ加工機等のレーザ装置に利用できる。

Claims (8)

1. 気体であるレーザ媒質が封入されレーザ光が発生する筐体と、
   前記筐体に接続され不活性ガスが封入される保持部材と、
   前記レーザ媒質と前記不活性ガスとを隔て前記レーザ光を透過させる透過型光学部品と、
   前記透過型光学部品に対向するよう前記保持部材に保持され、前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を反射及び通過をさせ且つ前記不活性ガスと外気とを隔てる部分反射鏡、または前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を全反射させる全反射鏡と、
   前記レーザ媒質の圧力と前記不活性ガスの圧力を略同一に保つ圧力調整手段と、
   を備え、
   前記圧力調整手段は、
   第１空間が前記保持部材と配管で接続されるとともに第２空間が前記筐体と配管で接続されたシリンダーと
   前記シリンダー内を第１空間と第２空間とに隔て前記第１空間と第２空間の圧力が略等しくなるよう調整する圧力調整機構とからなり、
   圧力調整機構は、所定の気体を通過させるガスフィルタである
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 気体であるレーザ媒質が封入されレーザ光が発生する筐体と、
   前記筐体に接続され不活性ガスが封入される保持部材と、
   前記レーザ媒質と前記不活性ガスとを隔て前記レーザ光を透過させる透過型光学部品と、
   前記透過型光学部品に対向するよう前記保持部材に保持され、前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を反射及び通過をさせ且つ前記不活性ガスと外気とを隔てる部分反射鏡、または前記透過型光学部品を通過した前記レーザ光を全反射させる全反射鏡と、
   前記レーザ媒質の圧力と前記不活性ガスの圧力を略同一に保つ圧力調整手段と、
   を備え、
   前記圧力調整手段は、
   前記筐体と前記保持部材とを接続し前記レーザ媒質または前記不活性ガスで満たされる配管と、
   前記筐体内または前記保持部材内に設けられ前記レーザ媒質と前記不活性ガスとを隔て所定の気体を通過させるガスフィルタからなることを特徴とするレーザ装置。
3. 前記所定の気体は不活性ガスであることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記不活性ガスはヘリウムガスであることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ装置。
5. 前記ガスフィルタは、ポリイミドフィルムにより構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
6. 前記圧力調整手段は、
   前記筐体内の圧力を検出する第１の圧力計と、
   前記保持部材内の圧力を検出する第２の圧力計と、
   前記第１の圧力計で検出された圧力と前記第２の圧力計で検出された圧力とに応じて圧力弁に制御信号を送る制御器と、
   前記制御信号により開閉する圧力弁と、
   前記圧力弁を有する配管により前記保持部材と接続されたポンプと
   からなることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
7. 前記レーザ媒質の主成分はＣＯ２ガスであり、前記不活性ガスは窒素ガスであることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。
8. 前記透過型光学部品はダイアモンドで構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ装置。

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