JPH01270371A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザビーム品質を改良したレーザ装置に関す
るものである。

［従来の技術］ 第１０図はレーザハンドブック（Ｌａｓｅｒ　１（ａｎ
ｃｌｂｏｏｋ１９７９．　Ｎｏｒｔｈ　−Ｈｏｌｌａｎ
ｄ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ）に記載さ
れた従来の不安定型共振器を有する１ノーザ装置の断面
図で、図中１は凹面鏡よりなるコリメートミラー、２は
コリメートミラー１に対向配置された凸面鏡よりなる拡
大ミラーであり、両ミラー共反射ミラーである。３はＣ
Ｏ２レーザ等のガスレーザの場合は放電などにより励起
されたガス媒質、ＹＡＧレーザなどの固体レーザの場合
フラッシュランプ等により励起されたガラス媒質のレー
ザ媒質、４はウィンドミラー、５はウィンドミラー４上
にコーティングされた無反射膜、６はケーシング、７は
ミラー１．２により形成されＪ（振器内に発生するレー
ザビーム、８は拡大ミラー周辺部より外部に取り出され
たリング状のレーザビーム、９はレンズ等の集光器、１
０は被加工物である。

次に動作について説明する。ミラー１．２は不安定型共
振器を構成しており、拡大ミラーにより反射拡大された
レーザビームは、レーザ媒質３により増幅されるととも
に、コリメートミラー１により平行ビームにコリメート
され、拡大ミラー４及びミラー周辺部上に反射され、リ
ング状のビームとしてウィンドミラー４より外部に取り
出される。このリング状のレーザビームはほとんど等位
相で得られるため、集光器９により集光することにより
中高のビームとなり、鋼板等の加工対象物１０の切断溶
接等を効率よく行うことが出来る。

集光の程度は取り出されるリング状ビームの内径と外径
との比であるＭ値（Ｍａｇｎｌｆ’１ｃａｔｉｏｎ　Ｆ
ａｃｔｏｒ）で決定され、Ｍ値が大きい程すなわち取り
出されたビームが中ずまりであるほどよく集光される。

しかしＭ値を大きくすると、発振効率がいちぢるしく悪
化する。第１１図はＭ値をパラメータとして入力とレー
ザ出力との関係を示す線図であるが、Ｍ値が１．５の場
合人力１１００ｋの場合１、５　ｋ　ｗのレーザ出力が
得られるのに対して、Ｍ値が３の場合は９ｋｗの出力し
か得られない。すなわちＭ値が大きくなる程効率が悪化
することが判る。

発振器から廁力されるレーザビームはレンズ等で集光し
て使用されるため、レーザ発振器の出口のレーザビーム
モード（近視野パターンと称する）よりも集光した焦点
におけるビームモード（遠視野パターンと称する）の方
が実際のレーザ装置については重要である。第１２図は
このビームモードの光軸における断面をＭ値が１．５の
場合（ａ）と３の場合（ｂ）について示したものである
。遠視野パターンは軸上のパターン（メインローブ）と
その周囲の幾つかのパターン（サイドローブ）とから形
成されており、Ｍ値が大きいとメインローブの軸上強度
が大きくサイドローブの強度が小さくなっている。すな
わちＭ値が大きいとメインローブにレーザ出力の大部分
が集中し中高のビームが得られることを示している。レ
ーザビームをレンズ等で集光して使用する場合は溶接や
切断等の加工に用いられるが、レーザ出力が同一の場合
加工性能は中高ビームの方がよく、加工性能の点ではＭ
値は大きい方がよい。すなわちレーザの発振効率の場合
と逆になるのである。

［発明が解決しようとする課８］ 従来の不安定型共振器は上記のように構成されているの
で、レーザ発振効率をある程度の値に保つとともに、レ
ーザビームの集光特性をある程度良くするためには、上
記２個の要素の兼ね合いでＭ値を決めている。工業的に
使用されるレーザではＭ値を２程度にすることが多い。

しかしいずれにせよレーザの性能を最大限に引き出すと
いう点で未だ問題は残されており、この点が不安定型共
振器の課題となっていた。

本発明は従来装置の上記問題点を解消するためになされ
たもので、高いレーザ発振効率と勝れた集光特性を同時
に合せ持つレーザ装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、
不安定型共振器において共振器より出射したレーザビー
ムが遠視野パターンになる位置に、位相調整ミラーを配
置した。なお該位相調整ミラーは遠視野パターンのロー
ブに対応して凹凸部を形成し、レーザビームの波面の位
相差を打ち消すように構成されている。

［作用］ レーザ装置を上記のように構成したので、レーザビーム
の波面の位相差はなくなり、該ビームはＭ値によらず極
めて高い集光特性をもつこととなる。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すレーザ装置の構成図、
第２図は遠視野パターンのビームの強度分布と波面の位
相との関係を示す線図、第３図は位相調整ミラーのａは
平面図、ｂは側面断面図、Ｃは位相調整ミラーへのビー
ムの入反射を示す説明図で、図中１〜１０は従来装置と
同一または相当部品、１１は位相調整ミラーである。

第１図にみるように、不安定型共振器から出力されるレ
ーザビームはリング状の近視野パターンを有しているが
、数ｍから十数ｍ伝搬するうちに、回折によりメインロ
ーブの周りに幾つかのサイドローブを持つ遠視野パター
ンとなる。第２図はこの遠視野パターンのビームの強度
分布Ａと波面の位相Ｂとの関係を示すもので、図にみる
ようにビ−への波面の位相は一つのローブごとに反転１
７ており最大１８０度の位相差を持っている。

本宅用は、レーザ共振器より出射するレーザビームの光
路上でビームが上記遠視野パターンを有する位置に位相
調整ミラーを配置し１、上記ビームの波面の位相差を無
くしようとするものである。

上記強度分布及び波面の位相はリング状モードの回折に
より発生するもので、理論と実験は極めてよく一致して
いる。またメインローブと幾つかのサイドローブとの境
界の光強度はゼロとなる。これが本発明において遠視野
パターンが得られる位置に位相調整ミラーを設置する理
由の一つである。

位相調整ミラー１１は、ビームの強度分布をそのままに
してビームの波面のみを均一な位相にしようとするもの
で、該ミラー１１は第３図に示すように表面に遠視野パ
ターンのローブに対応して凹凸部１１ａが形成され、ビ
ームに光路差を与えて位相差をなくしかつ表面は１００
％近く反射するように形成されている。

この凹凸の高さｄは、レーザビームの波長をλで表せる
。

なお第３図Ｃに示す位相調整ミラー１１へのビームの入
反射の角度２θは数度程度の小さい場ｔ１である。

上記のように凹凸部１１ａを備えた位相調Ｓｔ　ミラー
１１を使用すると、ビームの光強度分布と波面の位相の
関係は第４図に示すようなプロフィールとなり、光強度
分布はそのままで波面の位相は均一になる。このビーム
をレンズ等で集光すると焦点上では第５図に示すパター
ンが得られ、安定型共振器のガウスモード（Ｔ　Ｅ　Ｍ
　ｏ　ｄ　）とまったく同じ集光特性が得られる。焦点
上でガウスモードとなるので、極めて良好な溶接、切断
等の加ユ４特性が得られるのである。

なお本実施例においては遠視野パターンにおける波面の
位相を均一にする位相調整ミラーについて述べたが、計
算及び実験によれば遠視野パターン上では一つのローブ
内での位相のプロフィールは正弦波近似が出来ることが
判っているので、凹凸部の断面は正弦波にしても第４図
、第５図に示すものとほとんど同じプロフィールが得ら
れる。

このようにの凹凸部を正弦波断面にすることで位相調整
ミラーの製作はより容易になる。

１ノーザ共振器から出力された遠視野パターンのビーム
を位相調整ミラーで位相補正する場合、上記ビームの質
はなんでもよく〜１値によるものではない。すなわちＭ
値はレーザ発振効率を上げる観点からのみ選択すればよ
く、例えばＭ−１，２て発振させれば極めて良好な発振
効率を得ることが出来る。

第６図は入射角θが大きい場合に使用する他の実電例の
位相調整ミラー１２を示すもので、その凹凸部１２ａを
楕円形に形成している。このときの凹凸部１２ａの高さ
ｄ′は次の式で求められる。

また上記実施例はいずれも反射型の位相調整ミラーを示
すものであるが、第７図に示すような通過型でもよい。

このときは位相調整ミラー１３はビームが透過し得る材
料で形成され、凹凸部１３ａの高さｄ′は次の式で表さ
れる。

ここでｎはミラーの材料の屈折率である。

以上述べたものはレーザビームを遠視野パターンとする
ためレーザ発振器から数ｍ〜士数ｍｆＭ、れた所に位相
調整ミラーを配置する例であるが、第８図に示すように
レーザ発振器近傍にレンズ等のコリメータミラー１４を
配置すれば、そのレンズの焦点すなわちビームウェスト
で遠視野パターンが得られるため、発振器と位相調整ミ
ラーとの距離が短縮され、さらに位相調整ミラー上での
ビ−ムの径も自由に変えられる。このため集光用のレン
ズのＦナンバ（焦点距離／ビーム径）も自由に選択する
ことが出来る。

また本実施例においては、レーザ発振器から出力される
ビームが平行ビームの場合を示したが、第９図に示すよ
うに不安定型共振器の拡大ミラー２またはコリメータミ
ラー１の曲率を調整して発振器から出力されるビームに
集束性をもたせることにより、第８図に示すコリメータ
ミラー１４を使用することなしに、発振器から出力され
たビームは少し伝搬するだけで遠視野パターンにするこ
とができる。

［発明の効果］ 本発明は不安定型共振器から出力されるレーザビームの
遠視野パターンの位相を位相調整ミラーで調整するよう
に構成したので、上記レーザビームを品質のよいレーザ
ビームに変換することが可能となり、その結果Ｍ値を小
さくしてレーザ発振効率を高めるという優れた効果を挙
げることが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すレーザ装置の構成図、
第２図はレーザビームの遠視野パターンを示す線図、第
３図は位相調整ミラーの（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図、（ｃ）はビームの入反射の説明図、第４図は位相を
調整されたビームのパターンを示す線図、第５図は集光
後のビームのパターンを示す線図、第６図は位相調整ミ
ラーの他の実施例を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図、（Ｃ）はビーム反射の説明図、第７図は位相調整ミ
ラーの他の実施例を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は断面
図、（ｃ）はビーム透過の説明図、第８図、第９図はレ
ーザ装置の他の実施例を示す構成図、第１０図は従来の
レーザ装置を示す構成図、第１１図はその発振効率を示
す線図、第１２図はＭ値に応じた各パターンを示す線図
である。 図中１はコリメートミラー、２は拡大ミラー、３はガス
媒質、４はウィンドミラー、５はウィンドミラー４上に
コーティングされた無反射膜、６はケーシング、７はミ
ラー１．２により形成される共振器内に発生するレーザ
ビーム、８は拡大ミラー周辺部より外部に取り出された
リング状のレーザビーム、９はレンズ等の集光器、１０
は被加工物、１１．１２．１３は位相調整ミラー、１４
はコリメータミラーである。 なお図中同一符号は同一または相当部品を示すしのであ
る。 代理人　　弁理士　　佐々木宗治 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　不安定型共振器によりレーザビームを発生させるレー
   ザ装置において、 レーザビームの光路上で遠視野パターンの得られる位置
   に、上記ビームの遠視野パターンのローブに対応して凹
   凸部を形成した位相調整ミラーを配置し、 上記記レーザビームの波面の位相を調整し得るように構
   成した ことを特徴とするレーザ装置。