JP5429134B2

JP5429134B2 - ガスレーザ発振器およびガスレーザ発振器の放電電極位置調整方法

Info

Publication number: JP5429134B2
Application number: JP2010242027A
Authority: JP
Inventors: 芳晴黒崎; 陽一谷野; 友博京藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: JP2012094750A

Description

この発明は、一対の放電電極での放電によりレーザ発振を行うガスレーザ発振器、並びに該発振器に用いられる放電電極の位置調整方法に関する。

従来のガスレーザ発振器は、図８に示した様に構成されている。すなわち、レーザ発振光軸１を挟んで一対の放電電極２、３が対向して配置され、またこれらの電極の側方には、前記レーザ発振光軸１上に一対の共振器ミラー４、５が対向して配置されている。そして、前記一対の放電電極２、３間の放電空間６に放電を起こさせて、放電空間６内のレーザ媒質ガスを励起し、前記共振器ミラー４、５間で誘導放出を起こすことによりレーザ発振を得る。共振器ミラーの内側近傍にはアパーチャ７、８が配置され、レーザ発振領域を限定することで所望するビームモードが得られる。また、アパーチャ７、８のそれぞれの中心を通る直線がレーザ発振光軸１となる。

ところで、前記一対の放電電極１、２は、レーザビームにごく接近して配置され、その表面は平滑であるのが一般的である。しかし、このような構造を有するレーザ発振器においては、共振器内の光路は、本来の発振光軸１に沿うもののほかに、放電電極２、３の表面で反射して共振器を一周するような軸外光路９が存在し、この軸外光路９に沿った寄生発振が起こる。この寄生発振は本来の発振光軸１に沿ったレーザ発振に利用されるべきレーザ利得を奪い、本来の発振光軸１に沿ったレーザ発振によるレーザ出力を低下させる。上記寄生発振を防止するため、従来のガスレーザ発振器では、電極や導波路の表面に微細凹凸処理を施すことで寄生発振を防止していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平８-１３９３９０

従来技術における、電極や導波路の表面に微細凹凸処理を施す方法としては、やすりやサンドペーパーにて研磨する方法やサンドブラストを用いる方法、また薬品を利用して腐食させる方法などが挙げられる。しかしながら、これらの処理を施すためには大きな手間やコストを要する。また、その微細凹凸の面粗度が不十分だと寄生発振を防止するための十分な効果が得られず、また過剰であれば放電の均一性が失われ発振出力の不安定化につながる。そのため、微細凹凸の面粗度の管理が必要となり、この管理にも手間やコストを要することとなる。また、電極や導波路の表面に微細凹凸処理を施した場合、長期の使用によりその表面が劣化し、微細凹凸が小さな粒状となって剥がれることで共振器内を汚染し、レーザ媒質ガスの早期劣化や共振器ミラーの汚れにつながる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電極や導波路の表面に特殊な処理を施すことなく、安価で簡易に電極や導波路の表面での反射による寄生発振を防止するガスレーザ発振器を得るものである。

この発明に係るガスレーザ発振器においては、一対の放電電極を寄生発振が起こらないように、レーザ発振光軸に対して傾けたものである。

この発明は、一対の放電電極を傾けて配置することにより、寄生発振を低減することができ、安価で簡易に、寄生発振によるレーザ出力の低下を抑制することができる。

この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の共振器の構成図である。この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の電極を傾けて寄生発振を防止することを説明する図である。この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の寄生発振を防止する電極の傾きを求める方法の説明図である。この発明の実施の形態１を示すガスレーザ発振器の寄生発振を防止する電極の傾きを求める方法の説明図である。この発明の実施の形態２を示すガスレーザ発振器の電極配置位置の調整方法の概念図である。この発明の実施の形態２を示すガスレーザ発振器の電極位置調整用治具の概要図である。この発明の実施の形態２を示すガスレーザ発振器の電極位置調整用治具の概要図である。従来のガスレーザ発振器の構成および寄生発振の様子を示した図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるガスレーザ発振器の構成を示すものである。図１において、レーザ発振器の筐体１１内部に、レーザ発振光軸１を挟んで一対の放電電極２、３が対向して配置され、またこれらの電極間の放電空間６の両端には、前記レーザ発振光軸１上に一対の共振器ミラー４、５が対向して配置されており、これらにより共振器が構成されている。共振器ミラー４，５は、筐体１１の側面にて保持され、下側の放電電極３は上下方向に伸縮自在な第１の電極支持部材１２と第２の電極支持部材１３を介して、レーザ発振光軸方向の両端部を筐体１０に保持されている。この２つの電極支持部材１２，１３の高さをそれぞれ調整することで、レーザ発振光軸１に対する下側の電極３の傾きを調整する。ここでの傾きとは、２つの放電電極の対向する面（図１においては、下側の電極３の上面若しくは上側の電極２の下面）とレーザ発振光軸１との傾きとなる。上側の電極２は、図示しない部材を介して下側の電極３により支持されている。

共振器ミラー５は全反射ミラーであり、共振器ミラー４は部分反射ミラーであり、部分反射ミラーである共振器ミラー４よりレーザが出力される。そして、前記一対の放電電極２、３間の放電空間６に放電を起こし、放電空間６内のレーザ媒質ガスを励起し、前記共振器ミラー４、５間で誘導放出を起こすことによりレーザ発振を得る。２つの共振器ミラー４、５の放電空間側近傍には、レーザ発振領域を限定し、所望するビームモードを得るためのアパーチャ７、８が、筐体１１にアパーチャ支持部材１４，１５を介しそれぞれ配置され、アパーチャ７、８の中心を通る直線がレーザ発振光軸１となる。

放電電極２、３は、図１に示したように、レーザ発振光軸１に対して、放電電極間を平行に保ったまま所定寸法傾けて配置されている。従来のガスレーザ発振器では、電極表面がセラミックスのように高反射ではなかったため、電極を傾ける必要はなかった。また、レーザ発振光軸に対して電極を傾けることは、レーザビームの通り道を狭めることになり、必要なレーザビームの通り道の幅を確保するためには光軸に対して電極が平行に配置されている場合に比べて電極間の幅を広く取る必要がある。必要以上に電極間の幅を広く取ることは、レーザ発振に寄与しない放電励起部が余分に存在することになるため効率が悪く、従来は電極を傾けて配置することを避けるのが通常であった。一方、この発明においては電極を積極的に傾けてはいるが、寄生発振を防止するための電極の傾け量は小さくて済み（例えば、後述するように０．７４ｍｒａｄ）、電極間の幅を広げる必要は無い。また、放電電極を傾けることにより、レーザ発振に寄与しない放電励起部が余分に存在することにはなるが、この影響も小さく（傾け角度０．７４ｍｒａｄで約７％悪化）、寄生発振を防止できるメリット、および表面微細凹凸処理に比べより安易なメリットは、多大な効果を奏する。

図１に示したように、放電電極２、３をレーザ発振光軸１に対して傾けて配置することにより、共振器ミラー４、５から放電電極２、３の表面を反射する軸外光路９は、共振器を一周したときに元の経路をたどることができなくなる。通常、レーザ発振が起こるには共振器ミラー４，５間で反射を数十回から数百回繰り返す必要があるが、軸外光路９は、放電電極２，３が傾いているために、放電電極２，３の表面での反射を繰り返す度にレーザ発振光軸１に対する角度がずれ、アパーチャ７，８による回折損失が増大し、寄生発振の光強度は弱くなるのである。さらに、軸外光路９が共振器を一周する間にアパーチャ７または８により遮られれば、寄生発振は完全に起こらなくなる。

軸外光路９を、共振器を一周する間にアパーチャ７または８により遮るための放電電極２、３の傾け量θは、レーザ発振器の寸法等の構成が決定されれば一意に決定される。例えば、共振器ミラー４の中心から上側の放電電極２の中央部に向かって出発し、共振器ミラー５、下側の放電電極３の順に反射して戻ってくる軸外光路９をアパーチャ７にて遮るためには、次のように設定することができる。図２は、上記軸外光路９をアパーチャ７にて遮る様子を示した図であるが、図２に示したように、放電電極２、３の間隔をＣ、共振器ミラー４、５間の距離をＬ_ｒ、アパーチャ７の開口をＷ_ＡＰ、共振器ミラー４とアパーチャ７との距離をＬ_ＡＰとすると、共振器ミラー４の中心を出発した軸外光路９は、アパーチャ７を通過する時にその中心から以下の式に示した位置を通過する。

よって、

となるように電極の傾け量θを設定することで、共振器ミラー４の中心から上側の電極２の中央部に向かって出発する軸外光路については、寄生発振を防ぐことができる。例えば、Ｃ＝１５ｍｍ、Ｌ_ｒ＝２０００ｍｍ、Ｗ_ＡＰ＝１０ｍｍ、Ｌ_ＡＰ＝１００ｍｍであったとすると、電極２、３をレーザ発振光軸１に対して０.７４ｍｒａｄ以上傾けることにより、上記の場合の寄生発振を完全に防ぐことが可能である。

実際には、いろいろな方向へ出発する軸外光路全てを考慮してθを算出する必要があるが、計算が複雑になるので、通常は実験的にθを求めればよい。すなわち、実際にレーザビームを出力しながら、放電電極２，３の角度θを変化させ、寄生発振の有無を確認する。寄生発振の有無の確認方法としては、例えば以下の方法がある。図３に示すように、部分反射ミラーである共振器ミラー４から、レーザビームが出力される方向にＬ＝３ｍ程度離れたレーザビーム光路上に、アクリル板１６もしくは感熱紙を置き、レーザビームを照射する。

正常な場合、すなわち寄生発振が発生していない場合には、アクリル板１６上には図４（ａ）に示すように、本来のレーザ発振光軸１上のレーザビームパターン以外には何も現われない。一方、寄生発振が有る場合は、アクリル板１６上には図４（ｂ）に示すように、本来のレーザ発振光軸１上のレーザビームパターンの放電電極が配置されている方向に（図１の場合では上下方向に）に軸外光路９によるレーザビームパターンが現われる。これにより、寄生発振の有無を確認し、寄生発振が発生しない放電電極２，３の傾きθを求める。実際には、求めたθに対し、放電電極２，３の組み立て精度等を考慮したマージンを加味した値を設計値とし、放電電極２，３の傾け量は、この設計値以上とすることで、製品として寄生発振が防止できる。

一方、放電電極２，３は傾けすぎると、レーザビームが放電電極に当たり、レーザビームの通り道を狭めることになるので、傾け量には最大値の設定も必要となる。レーザビームの太さはアパーチャの開口で決まるため、放電電極２、３の光軸方向の長さをＬ_ｅとすると、大凡下記の式を満たすようにθを設定すれば、レーザビームは放電電極に当たらない。

この式よりθの最大値を求め、放電電極２，３の組み立て精度等を考慮したマージンを加味した値を設計値とし、放電電極２，３の傾け量は、この設計値以下とすることで、製品としてレーザビームが放電電極に当たることを防止できる。

上記のように決定したθにより、２つの放電電極を傾けた構成を有するガスレーザ発振器においては、電極表面に特殊な処理を施す必要がないため、その処理を施し、管理するための手間とコストが不要であり、長期使用時の電極表面劣化によるガスの早期劣化や共振器ミラーの汚れを防止することができる。

なお、この実施の形態においては、２つの放電電極２，３を上下方向に配置した場合で説明を行ったが、配置はこれに限定されるものでは無く、水平方向に左右に配置されても良く、少なくとも、平行に対向する２つの放電電極の対向する面が、レーザ発振光軸に対し所定の角度傾いていればよい。

実施の形態２．
図５は、この発明を実施するための実施の形態２における放電電極２、３をレーザ発振光軸１に対して所定寸法傾けて配置するための電極配置位置の調整方法の概念図である。また、図６は、電極位置調整用治具２１、２２の概要を示す図である。図５に示したように、レーザ発振器の外部に可視光源２５を設置し、可視光源２５から出射された可視光２６を、部分反射鏡である共振器ミラー４からレーザ発振器内部に入射する。そして、可視光２６の中心がアパーチャ７、８の中心を通るように可視光２６の光路を調整する。これにより、可視光２６の光路とレーザ発振光軸１が一致する。

図６に示すように、第１の電極位置調整用治具２１には、底辺よりＣ１の高さに可視光１１が通過するφ０．５程度の穴２３が設けられ、第２の電極位置調整用治具２２には、底辺よりＣ２の高さに印２４が記されている。これらの電極位置調整用治具２１、２２を、図６に示すように、下側の電極３表面の両端の可視光源２５側に第１の電極位置調整用治具２１を、反対側に第２の電極位置調整用治具２２をそれぞれ配置する。そして、穴２３を通過した可視光２６が、印２４の中心に一致するように、第１の支持部材１２と第２の支持部材１３の高さをそれぞれ調整し、電極３の位置を調整する。これにより、レーザ発振光軸１に対して、下側の電極３の一端の表面はＣ１だけ離れた位置に設置され、もう一端の表面はＣ２だけ離れた位置に設置される。なお、第２の電極位置調整用治具２２に設けられた印２４は、穴でも良く、穴を可視光２６が通過するように調整すればよい。

次に、電極２を電極３と平行となるように設置する。２つの放電電極２，３が平行に配置されなければ、電極間距離の狭い部分と広い部分ができ、狭い部分に放電が集中し、放電の不均一が発生してしまい、均質なビームが得られないからである。２つの電極２，３を平行に取り付ける方法を、図７にて説明する。図７において、２つの放電電極２，３の端部にはねじ穴が設けられ、それぞれの放電電極２，３のレーザ発振光軸方向の両端部を橋渡しするように２枚の支持板３１，３２で、上下の放電電極２，３を連結する。放電電極２，３の支持板３１，３２と接する面を、放電電極２，３の放電空間６側の面に直交するように成形しておくことで、支持板３１，３２の面との密着により、２つの放電電極２，３は平行に配置することができる。

２枚の支持板３１，３２には、それぞれ同じように、中央にレーザビームを通す穴３３が設けられ、放電電極２，３と接する部分には上下方向に長い長穴３４が、各放電電極２，３毎に２つずつ計４つ設けてある。この長穴３４を介して、ネジ３５を各放電電極２，３の端部に設けられたねじ穴に締結することにより、２枚の支持板３１，３２と上下の放電電極２，３を固定する。長穴３４により、上下の放電電極２，３の間隔を調整して締結することが出来る。

レーザ発振光軸１に対する電極２、３の傾け量θと、長さＣ１、Ｃ２の関係は、放電電極２、３の光軸方向の長さをＬ_ｅとすると、以下の式で表される。

よって、適切にＣ１およびＣ２を設定することで、電極２、３をレーザ発振光軸１に対して所望のθだけ傾けて設置することが容易になる。

１レーザ発振光軸
２上側の放電電極
３下側の放電電極
４共振器ミラー（部分反射ミラー）
５共振器ミラー（全反射ミラー）
６放電空間
７、８アパーチャ
９軸外光路
１１筐体
１２第１の電極支持部材
１３第２の電極支持部材
１４，１５アパーチャ支持部材
１６アクリル板
１７本来のレーザ発振光軸上のレーザビームパターン
１８軸外光路によるレーザビームパターン
２１第１の電極位置調整治具
２２第２の電極位置調整治具
２３穴
２４印
２５可視光源
２６可視光
３１、３２支持板
３３レーザビーム通過穴
３４長穴
３５ネジ

Claims

レーザ媒質ガスを放電励起する一対の放電電極と、
前記一対の放電電極の間の放電空間を挟んで対向して配置される全反射ミラーと部分反射
ミラーとからなる一対の共振器ミラーと、
前記一対の共振器ミラーの放電空間側に配置され発振領域を限定するアパーチャとを備え
、
前記アパーチャの穴の中心にて規定されるレーザ発振光軸に対し、寄生発振が発生しない
ように前記一対の放電電極を所定の角度傾け、
前記放電電極は放電空間側の面が互いに平行であることを特徴とする
ガスレーザ発振器。
レーザ媒質ガスを放電励起する一対の放電電極と、
前記一対の放電電極の間の放電空間を挟んで対向して配置される全反射ミラーと部分反射
ミラーとからなる一対の共振器ミラーと、
前記一対の共振器ミラーの放電空間側に配置され発振領域を限定するアパーチャとを備え
たガスレーザ発振器において、
前記アパーチャの穴の中心にて規定されるレーザ発振光軸に対して、前記一対の放電電極
の傾き角度を変化させ、寄生発振が発生しない角度を求める工程と、
当該角度に基づいて、レーザ発振光軸に対する前記一対の放電電極の傾き角度を調整する
工程とを備え、
前記放電電極の放電空間側の面を互いに平行とすることを含むガスレーザ発振器の放電電極位置調整方法。
レーザ媒質ガスを放電励起する一対の放電電極と、
前記一対の放電電極の間の放電空間を挟んで対向して配置される全反射ミラーと部分反射
ミラーとからなる一対の共振器ミラーと、
前記一対の共振器ミラーの放電空間側に配置され発振領域を限定するアパーチャとを備え
たガスレーザ発振器において、
前記アパーチャの穴の中心にて規定されるレーザ発振光軸に対して、前記一対の放電電極
の傾き角度を変化させ、寄生発振が発生しない角度を予め求め、当該角度に基づいて、レ
ーザ発振光軸に対する前記一対の放電電極の傾き角度を調整し、
前記放電電極の放電空間側の面を互いに平行とすることを含むガスレーザ発振器の放電電極位置調整方法。
レーザ媒質ガスを放電励起する一対の放電電極と、
前記一対の放電電極の間の放電空間を挟んで対向して配置される全反射ミラーと部分反射
ミラーとからなる一対の共振器ミラーと、
前記一対の共振器ミラーの放電空間側に配置され発振領域を限定するアパーチャとを備え
たガスレーザ発振器において、
前記アパーチャの穴の中心にて規定されるレーザ発振光軸に対する前記一対の放電電極の
傾き角度を、寄生発振が発生しないように調整し
前記放電電極の放電空間側の面を互いに平行とすることを含むガスレーザ発振器の放電電極位置調整方法。