JP5653444B2 - ガスレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発振器、レーザ増幅器などのガスレーザ装置に関する。

図１２は、従来のガスレーザ装置の一例を示す構成図であり、特許文献１に記載された３軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器を示している。装置内部には数十Ｔｏｒｒ程度のレーザガスが封入されており、放電空間５１には送風機５２により矢印方向にレーザガスが供給される。放電空間５１で無声放電が生ずるとＣＯ_２分子が励起され、その誘導放出によってレーザ光が紙面垂直方向に発生する。ここで、レーザ光軸が電極のガス下流端と一致するように、レーザ共振器の反射鏡５４を設置している。放電空間５１を通過したレーザガスは、熱交換器５３で冷却される。

図１３は、３軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器において利得分布と放電電極位置の関係を示すもので、非特許文献１において詳細に説明されている。表面がガラスで被覆された円筒状電極の間で無声放電が生じた場合、利得分布は、電極のガス上流端から徐々に増加し、電極のガス下流端においてピークを示し、さらにガス下流側に沿って徐々に減少することが判る。このとき共振器の光軸は、利得分布がピークとなる電極のガス下流端近傍に一致させている。

こうした利得分布は、下記の式に示すように指数関数で表現できる。ここで、Ｘ_Ｄは電極幅、λはレーザ上準位の緩和速度、υはレーザガス流速、σは誘導放出断面積、ηは励起効率、ｗは放電電力密度、Ｘはガス流方向の座標である。

図１４は、非対称なビームモード分布の一例を示しており、図１４Ａはビーム強度分布の等高線であり、矢印はレーザガス流方向である。図１４Ｂは水平方向に沿った中央断面の強度分布、図１４Ｃは垂直方向に沿った中央断面の強度分布である。特許文献１および非特許文献１のような従来のガスレーザ装置では、最も発振効率が良くなるように共振器の光軸を利得分布のピーク位置に設定している。

３軸直交型レーザ発振器では、図１３に示したように、ガス流の存在に起因して、利得分布はガス流方向に沿って変化する強度分布を示す。一方、放電ギャップ長方向には、ガス流は存在しないため、ほぼ均一な利得分布となる。即ち、利得分布がギャップ長方向とガス流方向で異なる分布となっている。こうした利得分布の異方性は、図１４に示したように、出力されるビームの強度分布がギャップ長方向とガス流方向で非対称な強度分布を示す原因となる。

ＣＯ_２レーザなどの放電励起レーザでは、放電電力を大きくするほど高出力のビームが得られる。しかし放電電力が大きくなり過ぎると、アーク放電が発生して放電が不安定になりやすい。その対策として、従来の３軸直交型レーザ発振器では、放電電力密度があまり大きくならないように、電極幅が比較的大きな放電電極を採用している。このため上述のような利得分布の異方性はそれほど大きくならず、したがってレーザビームの強度分布の非対称性もあまり問題にはならなかった。

近年、放電制御技術の向上により、電極幅を小さくして放電電力密度を上げても安定した放電が得られるようになった。また、３軸直交型レーザ発振器の高効率化のためには、電極幅を小さくすることが有効であるが、一方で利得分布の異方性が生じやすくなる。利得分布の異方性が大きいと、図１４で示したように出力レーザビームも非対称な強度分布となりやすい。この非対称レーザビームを切断加工に使用した場合、被加工物の切断面に異方性が発生し、切断品質が悪くなる原因となる。

図１５は、従来の３軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器の他の例を示す平面図であり、図１６は、放電電極を横断する断面図である。これは特許文献２に記載されたものであり、レーザガスは、電極６１Ａ，６１Ｂ間および電極６２Ａ，６２Ｂ間に位置する放電領域６６に供給される。光共振器のリアミラー６３および出力ミラー６４は、レーザガスを挟むように対向配置される。レーザビームＬＢは、リアミラー６３と出力ミラー６４とで規定される光学空洞６５において増幅され、その一部が出力ミラー６４から出力される。ここでは、２組の電極６１Ａ，６１Ｂおよび電極６２Ａ，６２Ｂが光学空洞６５から異なる位置となるようにガス流方向にシフトしており、これにより利得分布の均一化を図っている。

図１７は、光学空洞６５を通過する際、励起されたレーザガスの利得と共振器光路の位置との関係を示すグラフである。ここでは、３組の放電電極が共振器光路から異なる位置にシフトした場合を示している。共振器光路から最も遠い位置にある第１の放電電極によって励起されたレーザガスは、ガス上流側にピークＰ１を有する利得曲線６７を示す。共振器光路から最も近い位置にある第３の放電電極によって励起されたレーザガスは、ガス下流側にピークＰ３を有する利得曲線６９を示す。第１の放電電極と第３の放電電極の間にある第２の放電電極によって励起されたレーザガスは、ピークＰ１とピークＰ２の間にピークＰ２を有する利得曲線６８を示す。従って、これら３つの利得曲線６７〜６９の重ね合わせにより、共振器光路の断面内でほぼ均一な利得分布を示す利得曲線７０が得られる。

実開平６−４５３５９号公報 特許第３８１０４５９号 特許第２８６２０５８号 特開昭６０−２８２８８号公報

J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (1989) 1835-1839

特許文献２のように、複数の電極をガス流方向にシフト配置した場合でも、ガス圧、ガス流速、電極幅、重ね合わせ間隔、重ね合わせ数などの各種パラメータが変化すると、必ずしも利得分布が均一になるとは限らない。以下にその例を示す。

図１８と図１９は、２組の電極をシフト配置した状態で、ガス流速が変化したときの利得分布の一例を示すグラフである。曲線７１は、ガス上流側にある第１の電極によって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線７２は、ガス下流側にある第２の電極によって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線７３は、曲線７１と曲線７２を重ね合わせた全体の利得分布を示す。図１８において、θ１は、曲線７１のピークから上流側における利得変化の傾きであり、θ２は曲線７１のピークから下流側における利得変化の傾きである。

図１８では、特許文献２のように２組の電極をシフト配置した状態で、中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られている。一方、図１９では、図１８と比べてガス流速が大きく、利得曲線７１，７２がガス流方向に延長するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。

図２０は、図１８と比べて、ガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２はガス流方向に収縮するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。

図２１は、図１８と比べて、電極幅が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２は互いに離れるようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。

図２２は、図１８と比べて、レーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２の傾きが増加するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。

図２３は、図１８と比べて、第１電極と第２電極の間隔が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２は互いに離れてガス流方向に延長するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。

なお、図１８〜図２３では、簡単のため、２組の電極を使用した場合を説明したが、３組以上の電極をシフト配置した場合でも同様に、均一な利得分布が得られる条件はかなり限定的になる。

電極間の中間領域で均一な利得分布が得られる条件は、第１電極の利得曲線７１および第２電極の利得曲線７２が各ピークの前後でほぼ対称になる場合であり、図１８に示すように、ピーク上流側の傾きθ１とピーク下流側の傾きθ２がほぼ等しい場合に限られる。例えば、図１９に示したようにガス流速が大きくなると、ピーク下流側の傾きθ２がピーク上流側の傾きθ１より小さくなる。レーザ発振器の効率向上のために、より大きなガス流速に変更する場合、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置など他のパラメータも同時に変更しなければ、均一な利得分布を達成することは困難である。

このように特許文献２の手法では、均一な利得分布を達成できる条件がかなり限定されており、ガス圧、ガス流速、電極幅、重ね合わせ間隔、重ね合わせ数などのパラメータのいずれか１つが変化すると、均一な利得分布が得られなくなる。そのためレーザ発振器の設計の自由度が小さくなり、実際に採用することはかなり難しい。また、設計の段階では均一な利得分布を達成できていても、装置稼働中にガス圧、ガス流速などが変動してしまうと、均一な利得分布が得られなくなる。その結果、出力されるレーザビームが非対称になり、このレーザビームを切断加工に使用した場合、被加工物の切断面に異方性が発生し、切断品質が悪くなる可能性がある。

本発明の目的は、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変化しても均一な利得分布を安定に実現できるガスレーザ装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、光共振器の光軸と、レーザガスを光共振器内に供給する方向と、レーザガスを励起する放電の方向とが互いに直交した３軸直交型のガスレーザ装置であって、
光共振器の光軸に対して第１ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第１ガス供給機構、および該光軸から第１ガス流方向の上流側に寄せて設置された第１放電電極対を含む第１励起ユニットと、
光共振器の光軸に対して、第１ガス流方向とは反対の第２ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第２ガス供給機構、および該光軸から第２ガス流方向の上流側に寄せて設置された第２放電電極対を含む第２励起ユニットと、を備え、
第１放電電極対および第２放電電極対のそれぞれの電極対の上下の対の電極がガス流方向において同じ幅を有し、
放電方向に沿って観察して、光共振器の光軸と第１放電電極対との間の距離が光共振器の光軸と第２放電電極対との間の距離と等しく、かつ第１放電電極対の電極幅と第２放電電極対の電極幅が互いに等しくなるように各電極を配置することによって、前記レーザガスを光共振器内に供給する方向をＸ軸方向、前記レーザガスを励起する放電の方向をＺ軸方向とした場合に、ＸＺ平面上に射影したとき、Ｚ軸に関して対称であって、中心部の利得が低い２ヶ所の利得ピークを有するレーザガス利得分布が生成され、
光共振器は、２枚の折り返しミラーを含む複数のミラーと、各ミラーの近傍に設置され、レーザ光の光路を規定する円形開口を有する複数のアパーチャ部材とを含み、
２枚の折り返しミラー近傍のいずれかの円形開口と同一平面内において、Ｍ^２値が１．８〜３かつ強度分布のピークがドーナツ状であるビームモードを発生させる。

本発明によれば、光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を備えた第１励起ユニットおよび第２励起ユニットを設けることによって、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変化しても均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性が向上する。

本発明の実施の形態１を示す正面図である。 本発明の実施の形態１を示す平面図である。 本発明の実施の形態１を示す側面図である。 励起ユニットを光軸に関して対称配置した場合、レーザガスの利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでの電極幅ｗが小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのレーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでの距離ｄが大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の実施の形態２に係る３軸直交型ガスレーザ装置の利得分布、ビームモード形状およびアパーチャの位置関係を示す説明図である。 ＴＥＭ_０１ ^＊モードと他の対称モード（例えば、ＴＥＭ_００）が混合したモードの強度分布を示すグラフである。 従来のガスレーザ装置の一例を示す構成図である。 ３軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器において利得分布と放電電極位置の関係を示す。 非対称なビームモード分布の一例を示す。 従来の３軸直交型ＣＯ_２レーザ発振器の他の例を示す平面図である。 放電電極を横断する断面図である。 光学空洞を通過する際、励起されたレーザガスの利得と共振器光路の位置との関係を示すグラフである。 ２組の電極をシフト配置した状態で、ガス流速が変化したときの利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、ガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、ガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、電極幅が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、レーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、第１電極と第２電極の間隔が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 Ｍ^２値が１．８程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２４のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ^２値が２程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２６のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ^２値が２．５付近のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２８のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ^２値が３程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図３０のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ^２値が２．５〜３付近のビームモードを示す鳥瞰図である。 図３２のビームモードに対応した断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す正面図であり、図２は平面図、図３は側面図である。３軸直交型ガスレーザ装置は、部分反射ミラー２、折り返しミラー３，４、全反射ミラー５を含む光共振器と、光共振器の光軸に沿って設置された複数（ここでは２個）の励起ユニットＵ１，Ｕ２と、レーザガスを外気と遮断する筐体１１などで構成される。ここで理解容易のため、光共振器の光軸方向をＹ方向、レーザガスを光共振器内に供給する方向と平行な方向をＸ方向、レーザガスを励起する放電の方向をＺ方向とする。

本実施形態では、ＹＺ面内に３つの光軸１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有するＺ型共振器を使用した場合を例示するが、その他の構成、例えば、ファブリペロ共振器、複合共振器、リング型共振器、Ｖ型共振器、Ｗ型共振器、コ字型共振器なども同様に使用できる。

部分反射ミラー２は、光共振器の内部で増幅されたレーザ光の一部を外部に取り出す出力ミラーとして機能する。全反射ミラー５は、光共振器の内部で増幅されたレーザ光を低損失で反射するリアミラーとして機能する。折り返しミラー３，４は、光共振器の光軸を折り畳むために設けられ、これにより装置全体の小型化が図られる。

部分反射ミラー２および折り返しミラー４の近傍には、レーザ光の光路を規定する円形開口を有するアパーチャ部材６ａが設けられる。折り返しミラー３および全反射ミラー５の近傍にも同様に、レーザ光の光路を規定する円形開口を有するアパーチャ部材６ｂが設けられる。

励起ユニットＵ１は、放電電極対１ａと、熱交換器７ａと、送風機８ａと、ガスダクト９ａなどを備える。放電電極対１ａは、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間１４ａにＺ方向に沿った無声放電を形成する。送風機８ａは、筐体１１内に封入されたレーザガスをガスダクト９ａ内で方向１２ａに沿って循環させる。これにより放電空間１４ａに向けてレーザガスが−Ｘ方向に沿って供給される。放電空間１４ａを通過したレーザガスは、熱交換器７ａで冷却され、再び送風機８ａに戻る。

励起ユニットＵ２は、励起ユニットＵ１と同様なコンポーネントを有し、放電電極対１ｂと、熱交換器７ｂと、送風機８ｂと、ガスダクト９ｂなどを備える。なお図１では、理解容易のため、図示を一部省略している。放電電極対１ｂは、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間１４ｂにＺ方向に沿った無声放電を形成する。送風機８ｂは、筐体１１内に封入されたレーザガスをガスダクト９ｂ内で方向１２ｂに沿って循環させる。これにより放電空間１４ｂに向けてレーザガスが＋Ｘ方向に沿って供給される。放電空間１４ｂを通過したレーザガスは、熱交換器７ｂで冷却され、再び送風機８ｂに戻る。

無声放電によってレーザガス中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスとしてＣＯ_２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ_２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。部分反射ミラー２から出力されるレーザビームは、一般に、ＴＥＭ_ｎｍ（ｎ，ｍは０または正の整数）で表されるビームモードを有する。ビームモードは、光共振器の利得分布、アパーチャ部材６ａ，６ｂの開口形状などで制御可能である。図２では、光軸周りにドーナツ状に分布するＴＥＭ_０１ ^＊モードの強度分布１３を例示している。

本実施形態において、図２と図３に示すように、励起ユニットＵ１における放電電極対１ａは、光共振器の光軸からレーザガスの上流側寄りに、＋Ｘ方向にシフト配置している。一方、励起ユニットＵ２における放電電極対１ｂは、光共振器の光軸からレーザガスの上流側寄りに、−Ｘ方向にシフト配置している。

このように光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を有する２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置することによって、各励起ユニットでの利得分布の形状は互いに鏡像の関係になり、両者を重ね合わせた全体の利得分布は対称になる。そのため、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変動して、一方の利得分布形状が変化したとしても、他方の利得分布形状も対称に変化する。その結果、均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性を向上させることができる。例えば、レーザビームを用いて切断加工を行う場合、切断面の品質を向上させることができる。

ここで、放電方向（Ｚ方向）に沿って観察したとき、光軸１０ａ，１０ｂ，１０ｃを含むＹＺ面Ｐから放電電極対１ａまでの距離をｄ１、ＹＺ面Ｐから放電電極対１ｂまでの距離をｄ２とする。また、放電電極対１ａの電極幅をｗ１、放電電極対１ｂの電極幅をｗ２、アパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口の半径をＲＡとする。

図４は、励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して対称配置した場合、レーザガスの利得分布の一例を示すグラフである。曲線１６ａは、励起ユニットＵ１の放電電極対１ａによって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線１６ｂは、励起ユニットＵ２の放電電極対１ｂによって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線１８は、曲線１６ａと曲線１６ｂを重ね合わせた全体の利得分布を示す。励起ユニットＵ１の電極幅ｗ１は、ＹＺ面Ｐからガス上流側に距離ｄ１だけシフトしており、電極幅ｗ１のガス下流端と曲線１６ａのピークが一致する。励起ユニットＵ２の電極幅ｗ２は、ＹＺ面Ｐからガス上流側に距離ｄ２だけシフトしており、電極幅ｗ２のガス下流端と曲線１６ｂのピークが一致する。

ここで、ｄ１＝ｄ２（＝ｄ）およびｗ１＝ｗ２（＝ｗ）に設定することが好ましく、これにより曲線１６ａと曲線１６ｂはＹＺ面Ｐに関して鏡像の関係になり、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。

図５は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂはガス流方向に延長するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。

図６は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂはガス流方向に収縮するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。

図７は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２での電極幅ｗが小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂの半値幅が小さくなるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。

図８は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのレーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂの傾きが増加するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。レーザガス圧が大きくなると、利得分布の均一性が若干低下するが、従来の非対称配置での利得分布（例えば、図２２）と比べると、利得分布の均一性は改善されており、発生するレーザビーム形状の対称性が向上する。

図９は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２での距離ｄが大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂが互いに離れるようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。距離ｄが大きくなると、利得分布の均一性が若干低下するが、従来の非対称配置での利得分布（例えば、図２３）と比べると、利得分布の均一性は改善されており、発生するレーザビーム形状の対称性が向上する。

このように２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置することによって、各励起ユニットの利得分布を重ね合わせた全体の利得分布が対称になるため、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変動しても、均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性を向上させることができる。

以上の説明では、２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して対称配置した場合を例示したが、２個以上の励起ユニットＵ１および２個以上の励起ユニットＵ２を光軸に沿って交互に配置しても同様な効果が得られる。

次に、アパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口について説明する。レーザビームの対称性を確保するためには、レーザビームが通る範囲で均一な利得分布が得られていることが好ましい。そのため光共振器の光軸を含むＹＺ面Ｐから放電電極対１ａ，１ｂまでの距離ｄ、およびアパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口の半径ＲＡは、ＲＡ≦ｄの関係を満たすことが好ましい。

例えば、３軸直交型ＣＯ_２レーザ装置において、アパーチャ半径ＲＡは、一般に５ｍｍ〜１５ｍｍ程度に設定されている。従って、距離ｄは、ＲＡ≦ｄの関係を保ちつつ、５ｍｍ≦ｄ≦１５ｍｍに設定することが好ましい。なお、市販されているＣＯ_２レーザ用の部分反射ミラー２は、最大直径でφ２インチまでのものが一般的であるため、レーザビーム直径も一般に２インチ以下に設定される。

実施の形態２．
図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の実施の形態２に係る３軸直交型ガスレーザ装置の利得分布、ビームモード形状およびアパーチャの位置関係を示す説明図である。３軸直交型ガスレーザ装置は、図１〜図３に示したものと同様な構成を有し、光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を有する２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置している。

アパーチャ部材６ａ，６ｂが半径ＲＡの円形開口を有する場合、レーザ装置から出力されるレーザビームの強度分布２０は、例えば図１０Ｂに示すようなＴＥＭ_０１ ^＊モードなどの光軸周りにドーナツ状に分布するモードであることが好ましい。ＴＥＭ_０１ ^＊モードは、一般に下記式で表される。ここで、ｗは基本モードビーム半径、ｒは径方向距離、Ｉ_０は定数である。ＴＥＭ_０１ ^＊モードでは、ビーム品質を示すＭ^２値は２となる。

図１０Ａでは、２組の励起ユニットＵ１，Ｕ２で得られる全体の利得分布の均一性が、ガス圧、ガス流速などのパラメータ変動に起因して若干低下している場合を例示している。ここで、各放電電極対１ａ，１ｂのガス下流端が、利得分布曲線１６ａ，１６ｂの各ピーク位置と一致するように距離ｄ１，ｄ２を設定している。

所望のビームモード形状のレーザ光を効率的に発振させるためには、ビームモードの強度分布が強い部分と、レーザガスが大きな利得を示す部分とが一致することが好ましい。図１０Ｂに示すＴＥＭ_０１ ^＊モードでは、強度のピークはレーザビーム中心ではなく、光軸周りにドーナツ状に分布する。

本実施形態では、２組の励起ユニットＵ１，Ｕ２で得られる全体の利得分布のピーク位置とＴＥＭ_０１ ^＊モードのピーク位置とが一致するように、距離ｄ１，ｄ２を設定している。これによりＴＥＭ_０１ ^＊モードを有するレーザビームが効率的に発振するようになる。こうした設定により、ガス圧、ガス流速などのパラメータ変動に起因して利得分布の均一性が低下した場合でも、利得分布のピーク位置とビームモードのピーク位置が一致しているため、ビームモード形状の選択性が良くなる。

軟鋼やステンレス鋼のレーザ切断加工において薄い材料を高速に切断する場合はレーザのビーム品質を示すＭ^２値は小さい方がよく、放電電極のガス下流端を光軸に一致させて利得分布の最も高くなる位置をビーム中心に設定することが通常であった。一方、軟鋼やステンレス鋼のレーザ切断加工において、例えば厚みが６ｍｍ以上の厚い材料を切断する場合、アシストガスを材料裏面まで十分に到達させるために、切断カーフ(kerf)幅はある程度広くなければならない。この場合、レーザビームの集光性はある程度低い方が好ましく、ビーム品質を示すＭ^２値が１．８〜３程度のものを使用するのがよい。例えば、図２４および図２５はＭ^２値が１．８程度、図２６および図２７はＭ^２値が２、図２８および図２９はＭ^２値が２．５付近、図３０および図３１はＭ^２値が３程度のビームモードの鳥瞰図およびその断面図である。また、図３２および図３３はＭ^２値が２．５〜３付近のドーナツ状のピークを示す強度分布をもつビームの鳥瞰図およびその断面図である。

本実施形態では、２組の放電電極対１ａ，１ｂで形成される利得分布曲線１６ａ，１６ｂの各ピーク位置とビームモードのピーク位置とが一致するように、距離ｄ１，ｄ２を設定することによって、板金加工に適したビームモード形状のレーザが発振しやすくなり、図１４に示したような非対称モードのビーム発振を抑制でき、その結果、板金の切断性能を向上させることができる。

ここで、３軸直交型レーザ発振器におけるアパーチャ半径ＲＡは、ビームの損失が小さく、かつビームモード形状が規定できるように設定されている。このため、アパーチャ半径ＲＡは、ビームの基本モード径の約２倍程度、すなわちＲＡ≒２ｗ程度に設定することが好ましい。

また、図１０Ｂに示したＴＥＭ_０１ ^＊モードの強度分布２０において、ピーク位置をＲｐとすると、Ｒｐ＝ｗ／√２になる。本実施形態では、ピーク位置Ｒｐと、光軸から放電電極のガス下流端までの距離ｄとが等しく、即ち、Ｒｐ＝ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）に設定しているため、ＲＡ＝ｄ×２√２の関係を満たすことが好ましい。

例えば、３軸直交型ＣＯ_２レーザ装置では、実施の形態１でも説明したように、アパーチャ半径ＲＡは、一般に５ｍｍ〜１５ｍｍ程度に設定されている。従って、距離ｄは、１．８ｍｍ≦ｄ≦５．３ｍｍの関係を満たすことが好ましい。

図１１は、ＴＥＭ_０１ ^＊モードと他の対称モード（例えば、ＴＥＭ_００）が混合したモードの強度分布を示すグラフであり、Ｍ^２値は１．８である。また、図２４から図３３はＭ^２値が１．８〜３のビームモードであるが、これらのモードでもＴＥＭ_０１ ^＊モードの場合と同様、全体の利得分布のピーク位置とビームモードの最も外側のドーナツ状のピーク位置とが一致するように距離ｄを設定することにより、同様な効果が得られる。これらのモードのピーク位置は、ピーク位置をＲｐとすると、Ｒｐ＝ｗ／（Ｍ^２値）^１／２になる。本実施形態では、ピーク位置Ｒｐと、光軸から放電電極のガス下流端までの距離ｄとが等しく、即ち、Ｒｐ＝ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）に設定しているため、ＲＡ＝ｄ×２（Ｍ^２値）^１／２の関係を満たすことが好ましい。

なお、各実施形態ではレーザガスとしてＣＯ_２を使用した場合を例示したが、その他のレーザガス、例えば、ＣＯ，Ｎ_２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ^＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦなどを使用した場合も本発明は適用可能である。

実施の形態３．
本実施形態に係るレーザ加工装置は、実施の形態１または２に開示されたガスレーザ装置と、ガスレーザ装置から出力されるレーザ光を被加工物に向けて集光するための集光光学系と、被加工物を所望の方向に移動したり、所望の位置で停止させるための加工テーブルあるいは被加工物の所望の位置にレーザ光を集光させるための移動可能な該集光光学系などを備える。上述したように、対称性に優れたビームモード、例えば、ＴＥＭ_０１ ^＊モードのレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことによって、高品質でレーザ加工を行うことができる。

１ａ，１ｂ 放電電極対、 ２ 部分反射ミラー、 ３，４ 折り返しミラー、 ５ 全反射ミラー、 ６ａ，６ｂ アパーチャ部材、 ７ａ，７ｂ 熱交換器、 ８ａ，８ｂ 送風機、 ９ａ，９ｂ ガスダクト、 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光軸、 １１ 筐体、 １４ａ，１４ｂ 放電空間、 Ｕ１，Ｕ２ 励起ユニット。

Claims (4)

1. 光共振器の光軸と、レーザガスを光共振器内に供給する方向と、レーザガスを励起する放電の方向とが互いに直交した３軸直交型のガスレーザ装置であって、
   光共振器の光軸に対して第１ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第１ガス供給機構、および該光軸から第１ガス流方向の上流側に寄せて設置された第１放電電極対を含む第１励起ユニットと、
   光共振器の光軸に対して、第１ガス流方向とは反対の第２ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第２ガス供給機構、および該光軸から第２ガス流方向の上流側に寄せて設置された第２放電電極対を含む第２励起ユニットと、を備え、
   第１放電電極対および第２放電電極対のそれぞれの電極対の上下の対の電極がガス流方向において同じ幅を有し、
   放電方向に沿って観察して、光共振器の光軸と第１放電電極対との間の距離が光共振器の光軸と第２放電電極対との間の距離と等しく、かつ第１放電電極対の電極幅と第２放電電極対の電極幅が互いに等しくなるように各電極を配置することによって、前記レーザガスを光共振器内に供給する方向をＸ軸方向、前記レーザガスを励起する放電の方向をＺ軸方向とした場合に、ＸＺ平面上に射影したとき、Ｚ軸に関して対称であって、中心部の利得が低い２ヶ所の利得ピークを有するレーザガス利得分布が生成され、
   光共振器は、２枚の折り返しミラーを含む複数のミラーと、各ミラーの近傍に設置され、レーザ光の光路を規定する円形開口を有する複数のアパーチャ部材とを含み、
   ２枚の折り返しミラー近傍のいずれかの円形開口と同一平面内において、Ｍ^２値が１．８〜３かつ強度分布のピークがドーナツ状であるビームモードを発生させることを特徴とするガスレーザ装置。
2. ドーナツ状のビームモードは、ＴＥＭ_０１ ^＊モードであることを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
3. 光共振器の光軸と第１放電電極対のガス流に対して下流端との間の距離および該光軸と第２放電電極対のガス流に対して下流端との間の距離を、ドーナツ状のビームモードの中心からピークの位置の距離と一致させたことを特徴とする請求項１または２記載のガスレーザ装置。
4. ２枚の折り返しミラー近傍のいずれかの円形開口上における基本モードビーム径をｗとし、光共振器の光軸と放電電極対との間の距離をｄとし、円形開口の半径をＲＡとして、
   ｄ＝ｗ／（Ｍ^２）^１／２、およびＲＡ＝ｄ×２（Ｍ^２）^１／２の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスレーザ装置。

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