JPH01271088A - 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、レーザビームの位相調整機能を備えたレーザ
装置に関するものである。

［従来の技術］ 第９図は、レーザハンドブック（Ｌａ５ｅｒ　ＩＩ　ａ
ｎｄｂｏｏｋ　１９７９．Ｎｏｒｔｈ−Ｉｌｏｌｌａｎ
ｄ　Ｐｕｂｌｌｓｈｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　）Ｐ、３
に記載された不安定型共振器を有する従来のレーザ装置
の一例を示す説明図である。図において、（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）に対向して配置された凸面鏡よりなる拡大ミラ
ーであり、両ミラー（１）、（２）は全反射ミラーによ
って構成されている。

（３）はレーザ媒質で、例えばｃｏ２レーザ等のがスレ
ーブの場合は放電などにより励起されたガス媒質、ＹＡ
Ｇレーザなどの固体レーザの場合はフラッシュランプ等
により励起されたガラス媒質である。（４）はウィンド
ミラー、（５）はウィンドミラー（４）の面上に施され
た無反射コーテイング膜、（６）は周囲を覆う箱体、（
７）はコリメートミラー（１）と拡大ミラー（２）とに
より構成された光共振器内に発生するレーザビーム、（
８）は拡大ミラー（２）の周辺部より外部に取出された
レーザビームである。

次に動作について説明する。コリメートミラー（１）と
拡大ミラー（２）はいわゆる不安定型共振器を構成して
おり、拡大ミラー（２）により反射拡大されたレーザビ
ーム（７）はレーザ媒質（３）により増幅されると共に
、コリメートミラー（１）により手行ビーム（７ａ）に
コリメートされて拡大ミラー（２）及び拡大ミラー（２
）の周辺部上に反射し、リング状のレーザビームとして
ウィンドミラー（４）より外部に取出される。取出され
たリング状のレーザピームク８）はほとんど等位相で得
られるため、レンズ等（図示せず）によって集光するこ
とにより中高のレーザビーム（８）となり、鉄板などの
切断、溶接等を効率よくおこなうことができる。

また、集光の度合いは取出されるリング状のレーザビー
ム（８）の内径と外径との比（Ｍ値（Ｍａｇｎｌ［１ｃ
ａｔｌｏｎ　ｆａｃｔｅｒ））できまり、Ｍ値が大きい
ほど、すなわち、より中づまりで取出されたビームはど
よく集光される。しかしＭ値を大きくすると発振効率が
著しく悪化するため、工業的に現実にもちいられるＭ値
の上限は２程度である。

このようなレーザ装置においては、集光特性を向上させ
るためにＭ値を大きくすると発振効率が悪化するので、
実用的にはＭ値を最高集光性能の得られる無限大近くま
であげられないという問題があった。また、ウィンドミ
ラー（４）かりジグ状のレーザビーム（８）により不均
一に加熱されるため、不均一な内部応力が発生して通過
するレーザビーム（８）の位相分布をくずし、集光性能
を悪化させる等の問題があった。

このような問題を解決するため、この発明の出願人は、
さきに特願昭８ｌ−２９１７Ｈ号として第１Ｏ図。

第１１図に示すようなレーザ装置を出願した。

図において、（４ａ）はウィンドミラーを兼ねた凸面鏡
で、コリメートミラー（１）に対向する面の中央部には
凸部（第１Ｏ図）または凹部（第１１図）が形成されて
いる。（２０）は凸部、四部の表面に設けられた部分反
射率を有する部分反射コーテイング膜で、拡大ミラーと
して機能する。（５）は部分反射コーテイング膜（２０
）の周辺部及び他面側に形成された無反射コーテイング
膜である。

上記のように構成したレーザ装置においては、コリメー
トミラー（１）及び凸面鏡（４ａ）の部分反射コーテイ
ング膜（２０）部はいわゆる不安定型共振器を構成して
おり、凸面ｍ（４ａ）の部分反射コーテイング膜（２０
）で反射拡大されたレーザビーム（７）は、レーザ媒質
（３）により増幅されると共に、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、凸面ｖ１．（４
ａ）より外部へレーザビーム（８）として取出される。

このレーザビーム（８）は部分反射コーテイング膜（２
０）を通過する部分（７０）と、無反射コーテイング膜
（５）を通過する部分（７１）とからなるが、凸部又は
四部で形成する段差（４０）の作用により等位相の中づ
まり形状のレーザビーム（８）として外部に取出される
。

このようにレーザビーム（７０）、（７１）は、それぞ
れ凸面鏡（４ａ）の部分反射コーテイング膜（２０）と
無反射コーテイング膜（５）の２種類のコーテイング膜
が施された部分を通過して外部に取出される。

しかし、コーテイング膜の種類によって通過するレーザ
ビームに与えられる位相変化が異なるため、もし段差（
４０）がなく凸面ｍ（４ａ）の厚さが一定であれば、レ
ーザビーム（７０）と（７１）との間には位相差が生じ
ることになる。そして位相差の生じたレーザビーム（７
０）、（７１）は、レンズ等で集光してもよく絞れず、
効率的なレーザ加工を行なうことができない。また伝送
中にビーム形状が変化して集光レンズ上で中高になり、
レンズを破壊したりする。

第１０図、第１１図で示したレーザ装置はこのような位
相差を打消すべく凸面鏡（４ａ）に段差（４０）を設け
たもので、レーザビーム（７０）と（７１）とが通過す
る部分の間に段差（４０）をもうけてそれぞれの厚みに
変化をもたせたものである。たとえば凸面鏡（４ａ）内
面の部分反射コーテイング膜（２０）を通過するレーザ
ビームに与えられる位相が、無反射コーティングｔｉｌ
ｔ　（５）を通過するレーザビームに与えられる位相よ
りδ進んでいるとすれば、これを補正するための凸面１
ｔ　（４ａ）の中央部の段差（４０）の深さｄは　。

（ｎ−１）ｄ／λ　−δ によりもとめられる。ただし、ｎは凸面鏡（４ａ）の材
質の屈折率、λはレーザビームの波長である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のように特願昭８１−２９１７８８号に記載された
レーザ装置（第１Ｏ図、第１１図）は、ウィンドミラー
（凸面鏡）に一定の段差を設けてレーザビームを等位相
としなので、発振効率を犠牲にすることなく中づまりの
集光特性に優れたレーザビームが得られる。しかしなが
ら、ウィンドミラーは、高出力レーザビームの吸収によ
り母材及びコーテイング膜の温度が上昇するとその屈折
率が変化するので、これを補正するためには段差の深さ
を変えなければならない。また、ウィンドミラーに段差
を形成するにあたっては、ダイヤモンド切削などによっ
て行なっていたが、きわめて高価である等の問題があっ
た。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、位相を自由に調整できるレーザ装置を得るこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達成するためになされたもので、
反射面上の一部分が移動可能でかつその移動量を調整で
きる反射ミラーを備えたレーザ装置、及び前記移動量を
時間的に変化させる手段を備えたレーザ装置を提供する
ものである。

［作用］ 移動可能な部分をもつ反射ミラーは、可動部とそのまわ
りの部分で反射される２つのレーザビームの位相差を調
整し、またそのレーザビームの位相差を時間変化させる
。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の実施例を示す説明図である。

図において、（１）はコリメートミラー、（４ｂ）は凸
状のウィンドミラー、（５）は無反射コーテイング膜、
（２０）は部分反射コーテイング膜で、コリメートミラ
ー（１）とウィンドミラー（４ｂ）の部分反射コーテイ
ング膜（２０）はいわゆる不安定型共振器を構成してい
る。（８〉は共振器をおおう箱体、（〕）。

（７０）、（７１）は共振器内のレーザビーム、（８）
　、　（８０）。

（８１）はレーザ共振器から外部に取出されたレーザビ
ームである。（１０）はウィンドミラー（４ｂ）から取
出されたレーザビーム（８０）、（８１）の光路上に設
けた全反射ミラー、（１０ａ）は全反射ミラー（１０）
の中央に設けられた開口部である。（１１）は全反射ミ
ラー（ｌＯ）の開口部（ｌｏａ）よりも大きい径を持ち
、前後に移動可能な全反射性の可動反射ミラーで、全反
射ミラー（１０）の開口部（１０ａ）の背後に、入射す
るレーザビーム（８０）　、　（８１）側からみて全反
射ミラー（１０）との間にすきまを生じないように配設
されている。（１３）は全反射ミラー（１０）に固定さ
れた固定部、（１４）は固定部（１３）に沿って直線運
動する可動部で、固定部（１３）と可動部（１４）によ
り直線運動機構（１２）を構成しており、可動部（１４
）には可動反射ミラー（１１）が取付けられている。（
１５）は集光レンズ、（１６）は被加工物である。なお
、（２１）はレーザビーム（８０）、（８１）の光路中
に設けられた伝送全反射ミラーである。

上記のように構成した本発明の詳細な説明すれば次の通
りである。

コリメートミラー（１）および凸状のウィンドミラー（
４ｂ）の部分反射コーテイング膜（２０）は、いわゆる
不安定型共振器を構成しており、部分反射コーテイング
膜（２０）で部分反射し拡大されたレーザビーム（７）
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
る。この場合、中央のレーザビーム（７０）の一部は部
分反射コーテイング膜（２０）を通して外部にレーザビ
ーム（８０）として取出され、また周囲部のレーザビー
ム（７１）のほとんどは無反射コーテイング膜（５）を
通して外部にレーザビーム（８１）として取り出される
。この両レーザビーム（８０）、（ａｔ）は、ウィンド
ミラー（４ｂ）の表面の異なるコーテイング膜を通して
出射されるため、一般に両者に位相差が生じる。

この位相差を打消すためには、例えばレーザビーム（８
１）の方がレーザビーム（８０）よりも位相がδだけ進
んでいるとすると、レーザビームの波長をλとして、 ｇ　−λ　□ だけレーザビーム（８１）の伝播距離がレーザビーム（
８０）の伝播距離に比べて多くなるように、直線運動機
構（１２）の可動部（１４）を移動させて可動反射ミラ
ー（１１）を前方に移動させればよい。ところで全反射
ミラー（１０）及び可動反射ミラー（１１）への入射角
が十分小さいとすれば、可動反射ミラー（１１）の移動
量ｄは ｄ　−−ｆｉ となる。なお初期状態での全反射ミラー（ｌＯ）の前面
と可動反射ミラー（１１）の面との間の距離は、波長λ
の整数倍に設置しである。

次にレーザビーム（８０）の方がレーザビーム（８１）
より位相がδだけ進んでいる場合には、先の場合とは逆
にｄだけ可動反射ミラー（１１）を後退させればよい。

このようにして等位相化されたレーザビーム（８）は、
集光レンズ（Ｉ５）により著しく中高に集光され、これ
により被加工物（１Ｂ）のレーザ加工を行うことができ
る。

上記の実施例では、位相を調整する全反射ミラー（１０
）及び可動反射ミラー（１１）を共振器の外部に設けた
場合について説明したが、第２図に示すように、可動反
射ミラー（１１）を備えた全反射ミラー（１０）を共振
器ミラーの１つとして共振器内に設けてもよい。

また、上記第１図の実施例では、共振器内に複数の光路
をもつ不安定型共振器の場合について説明したが、本発
明はこれに限定するものでなく、例えば第３図に示すよ
うに、コリメートミラー（１）と部分反射ミラー（４ｃ
）よりなる安定型共振器を用いてもよい。この場合は一
般に周囲側の位相がおくれて集光性能が悪化するが全反
射ミラー（ｌＯ）の可動反射ミラー（１１）を後退させ
ることによりこれを補正することができる。

第４図はこの本発明のさらに別の実施例を示す説明図で
ある。本実施例は、レーザ装置から取出されたレーザビ
ームの位相を時間変化させて、集光ビームパターンを制
御するようにしたものである。なお、第１図と同−又は
相当部分には同じ符号を付し、説明を省略する。（１８
）は直線運動機構（１２）の可動部（１４）に取付けら
れた例えばピエゾ素子のような伸縮素子、（１９）は伸
縮素子（１８）を励起する電源で、伸縮素子（１８）は
電源（１９）により励起され、前後に振動する。

上記のように構成した本実施例においては、ウィンドミ
ラー（４ｂ）から外部に取出されたレーザビーム（ａｏ
）　、（８１）は、それぞれ全反射ミラー（１０）及び
可動反射ミラー（１１）の面で反射するが、可動ミラー
（１１）は伸縮素子（１８）により前後に振動している
ため、両者間には光路長の変化に伴う光路差が周期的に
発生しており、したがって両レーザビーム（８０）、（
８１）間には位相差が周期的に生じている。

こうして位相差のついたレーザビーム（Ｈ）　、　（８
１）は合成されて位相分布をもつレーザビーム（８）と
なり、さらに集光レンズ（１５）により集光されて被加
工物（１６）のレーザ加工をおこなう。

第５図（ａ）　、　（ｂ）は第４図の実施例におけるレ
ーザビームの同期的位相変化が大きい場合のパターンの
一例を示す線図である。第５図（ａ）はレーザビーム（
８１）が（８０）にくらべて位相が１８０＠おくれたレ
ーザビーム（８）を集光した場合のビーム強度分布を示
し、第５図（ｂ）はレーザビーム（ｇｔ）。

（８０）が同位相となった場合のビーム強度分布を示す
。この図から、位相差を一１８０＠から０″まで同期的
に変化させることにより、レーザビームの軸上強度はき
わめて大きな変化を示し、このレーザビームを用いれば
パルス状のレーザ加工がおこなえることが判る。−１８
０’と００との位相差をつけるのに必要な可動反射ミラ
ー（１１）の移動量ｄは、波長をλとし、可動反射ミラ
ー（１１）への入射角が十分小さいとすれば、 で計算される、この場合ＣＯ□レーザを例にとれば、λ
−１０，６−であるから ｄ　＝　２．８５ｕｍ と小さく、したがってピエゾ素子の如き伸縮素子（１７
）により、通常ＣＯ２レ一ザ発信器で実現できないよう
な数１００ＫＨｚ以上の繰返しパルス加工、たとえば鉄
板の表面に細かい凹凸を発生させる加工などをきわめて
高速で行なうことができる。

次に位相を調整して焦点深度の伸長をはかる実施例を説
明する。第６図の曲線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ第４図に示
したレーザビーム（８０）　、　（８１）の位相差が−
６０”　、　Ｏ”　、　＋ＢＯ’の場合の焦点前後での
軸上強度の変化を示し、第７図は位相制御を１周期内で
±６０＠内に振動変化させた場合の平均的軸上強度の変
化を示す。第６図及び第７図から位相制御を周期的にお
こなうことにより、焦点前後で軸上強度がほとんど変化
しない、いわゆる焦点深度のきわめて深いレーザビーム
が得られることがわかる。このようなレーザビームを用
いれば、厚板の切断、深い溶込み加工が容易に実現でき
る。

上記第４図の実施例では位相を調整する全反射ミラー（
ｌＯ）と可動反射ミラー（１１）をレーザ共振器の外部
に配設した場合について説明したが、第２図の実施例で
示した場合と同様に、レーザ共振器のミラーの１つとし
て共振器内に配設してもよい。

また、上記第４図の実施例では、共振器内に複数の光路
をもつレーザ共振器を例にとり説明したが、本発明はこ
れに限定するものではなく、第３図に示した実施例の場
合と同様にコリメートミラー（１）と部分反射ミラー（
４Ｃ）よりなる安定型共振器を備えたレーザ装置にも実
施することもできる。

第８図は上記の安定型共振器によりガウス状のビームモ
ードを発生させ、位相差を与えずに集光した場合（同図
中曲線Ａ）と、レーザビーム断面内の外径の半分以内に
１８０＠の位相差を与えた場合（同図中曲線Ｂ）とにお
ける集光ビーム強度分布を示す。この場合も位相差を変
化させることにより軸上強度は大きく変化し、したがっ
て位相差を時間的に変化させれば、パルス加工をおこな
えることがわかる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によればレーザ
ビームの等位相化を、全反射ミラーとその中心部に軸方
向に移動可能に設けた全反射ミラーからなる可動反射ミ
ラーによって行なうようにしたので、例えばウィンドミ
ラーの温度変化によって等位相化するレーザビームの位
相が変化しても速やかにこれに対応することができ、位
相を精度よく調整することができる。また、本発明はレ
ーザビームの断面内における位相分布を時間変化させる
ように構成したので、例えば位相分布の時間変化を大き
くとることにより、集光ビームの軸上強度を大きく変化
させてパルス状のレーザ加工を行うことができ、また位
相制御を周期的に行なうことにより、焦点深度のきわめ
て深いレーザビームを得ることができる。さらに、本発
明は全反射ミラーの開口部の背後に、開口部よりも大き
い径をもつ可動反射ミラーを配置するように構成したの
で可動反射ミラーと全反射ミラーとの間にすき間を生ず
ることがなく、したがってレーザビームの出力をロスす
ることがない。また工業的に簡単に製作することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図及び第３図はそれぞれ本発明の実施例を
示す説明図、第４図は本発明の他の実施例を示す説明図
、第５図（ａ）　、　（ｂ）は第４図の実施例のビーム
強度分布を示す線図、第６図は同じく位相差による焦点
伸度をしめす線図、第７図は位相制御を１周期内で±６
０″内に振動変化させた場合の平均的軸上強度の変化を
示す線図、第８図は安定型共振器に第４図の実施例を実
施した場合のビーム強度分布を示す線図、第９図は従来
のレーザ装置の一例を示す説明図、第１０図、第１１図
は本発明の出願人の出願に係るレーザ装置の一例を示す
説明図である。 図において、１はコリメートミラー、４ｂはウィンドミ
ラー、４ｃは部分反射ミラー、５は無反射コーテイング
膜、’７．７０．　７１．　８．　８０．８１はレーザ
ビーム、ＩＯは全反射ミラー、ｌＯａは開口部、１１は
可動反射ミラー、１２は直線運動機構、１８は伸縮素子
、１９は電源、２０は部分反射コーテイング膜である。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示すものとす
る。 代理人　弁理士　佐々木　宗　治

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ共振器から出射したレーザビームにより被
   加工物を加工する装置において、 中央に開口部を有する全反射ミラーと、上記開口部の背
   後に設けられ上記全反射ミラーに対して垂直方向に移動
   可能な可動反射ミラーとからなり、上記全反射ミラーと
   可動反射ミラーとによって反射したレーザビーム間の位
   相を調整する位相調整手段を備え、 この位相調整手段を上記レーザ共振器の内部若しくは外
   部に配設し又は上記レーザ共振器を構成するミラーの一
   部として用いたことを特徴とするレーザ装置。
2. （２）上記位相を調整する位相調整手段に代えて、位相
   を時間変化させる位相変化手段を設けてなる請求項（１
   ）記載のレーザ装置。