JPH02150085A - Resonator for carbon dioxide gas laser and carbon dioxide gas laser using the same - Google Patents

Resonator for carbon dioxide gas laser and carbon dioxide gas laser using the same

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JPH02150085A
JPH02150085A JP63303748A JP30374888A JPH02150085A JP H02150085 A JPH02150085 A JP H02150085A JP 63303748 A JP63303748 A JP 63303748A JP 30374888 A JP30374888 A JP 30374888A JP H02150085 A JPH02150085 A JP H02150085A
Authority
JP
Japan
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laser
output
mirror
carbon dioxide
resonator
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Application number
JP63303748A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kuniaki Fukaya
深谷 邦明
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Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
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Filing date
Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enhance light resistance intensity in case of enhancing an output and to improve reliability by composing an output mirror of GaAs having 50% or less of reflectivity. CONSTITUTION:Laser gas is circulated in a discharge tube 1 made of quartz, etc. The gas is excited by a high frequency voltage from a high frequency power source, a laser light 13 is reciprocated between an output mirror 2 and a totally reflecting mirror 3 to be amplified, and a laser output light 14 is externally output. The beam 14 is used to cut metal. The mirror 2 is composed of gallium arsenide (GaAs) in which its reflectivity is set to 50% or less. The surface of the gallium arsenide (GaAs) at the laser medium side is so PR-coated with a dielectric multilayer film 2a as to become 50% or less of reflectivity. Part of the light 13 is reflected on the mirror 2, and the remainder is output as the laser output beam 14. Thus, the reflectivity of the output mirror for a carbon dioxide gas laser resonator is reduced to suppress the light intensity in the resonator to a low value.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを用いた炭酸
ガスレーザ装置に係り、特に金属材料等の加工を行う高
出力の炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを用いた炭酸ガ
スレーザ装置に関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a carbon dioxide laser resonator and a carbon dioxide laser device using the same, and in particular to a high-power carbon dioxide laser resonator and a carbon dioxide laser device for processing metal materials. This invention relates to a carbon dioxide laser device using the same.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

炭酸ガスレーザ加工装置)の利用分野で、主流をなして
いるのは金属材料(spcc)等の切断及び溶接等であ
る。
The main field of application of carbon dioxide laser processing equipment is cutting and welding of metal materials (SPCC), etc.

そして、近年では、厚い金属材料を切断することのでき
る炭酸ガスレーザ加工装置が切望されるようになってき
た。さらに金属の溶接をも考慮すると、炭酸ガスレーザ
加工装置の高出力化は不可欠の問題である。
In recent years, a carbon dioxide gas laser processing apparatus capable of cutting thick metal materials has become highly desirable. Furthermore, when welding metals is also considered, it is essential to increase the output of carbon dioxide laser processing equipment.

従来、IKWクラス以下の炭酸ガスレーザ用共振器の出
力鏡には、その反射率が50%以上となるようにP R
(Partial Reflection)コーテイン
グ膜を施されたジンクセレン(ZnSe)が、また、全
反射鏡には反射率99%以上となるようにその表面にA
uコーテイング膜又は誘電体コーテイング膜を施された
ゲルマニウム(Ge)が主に用いられていた。
Conventionally, the output mirror of a resonator for a carbon dioxide laser of IKW class or below has a PR of 50% or more.
(Partial Reflection) The zinc selenium (ZnSe) coated film is coated with A on the surface of the total reflection mirror so that the reflectance is 99% or more.
Germanium (Ge) coated with a u-coating film or a dielectric coating film has been mainly used.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

高出力の炭酸ガスレーザは、同軸型であれ、3軸直交型
であれ、レーザ共振器内部のガスを高速に循環させるた
めに、主にルーツブロアーを用いている。そのために程
度の多少はあれ、油分や内部で発生するゴミ等が共振器
内部の光学部品(出力鏡、全反射鏡の表面)に付着する
。そして、レーザ光の照射によってその部分に焼き着き
が生じてしまう。このようにして生じた焼き着きはレー
ザ光を吸収するため、その部分の温度を局所的に上昇さ
せることになる。
High-output carbon dioxide lasers, whether coaxial or triaxial orthogonal, mainly use roots blowers to circulate gas inside the laser resonator at high speed. For this reason, to some extent, oil and dust generated inside the resonator adhere to the optical components (the surfaces of the output mirror and total reflection mirror) inside the resonator. Then, the laser beam irradiation causes burn-in in that part. Since the burn-in that occurs in this way absorbs the laser light, the temperature of that area locally increases.

一方、レーデ装置の出力が大きくなり、比較的シングル
モードに近いレーザ光になると、共振器内部の光強度の
密度は非常に大きくなる。すなわち、レーザ出力IKW
クラス以下のレーザ装置では、レーザ利得(ゲイン)と
の絡みから、出力鏡の反射率は通常50%以上に設定さ
れている。共振器内部の光強度はレーザ出力を出力鏡の
透過率で除した値であるから、例えばレーザ出力を2.
5KW、出力鏡の反射率を50%及び65%とすると、
それぞれの共振器内部の光強度は5KW及び7、I K
Wとなり、レーザ出力に比べて非常に大きな値となる。
On the other hand, when the output of the Rade device increases and becomes a relatively single-mode laser beam, the density of light intensity inside the resonator becomes extremely large. That is, the laser output IKW
In laser devices below the class, the reflectance of the output mirror is usually set to 50% or more due to the relationship with laser gain. Since the light intensity inside the resonator is the value obtained by dividing the laser output by the transmittance of the output mirror, for example, the laser output is divided by 2.
Assuming 5KW and output mirror reflectance of 50% and 65%,
The light intensity inside each cavity is 5KW and 7,IK
W, which is a very large value compared to the laser output.

そのため、共振器を構成する出力鏡及び全反射鏡の表面
におけるレーザ光の吸収率が、コンマ数%程度のオーダ
ーであったとしても、レーザ光照射部分の温度上昇は非
常に大きくなる。
Therefore, even if the absorption rate of the laser beam on the surfaces of the output mirror and the total reflection mirror that constitute the resonator is on the order of a few tenths of a percent, the temperature rise in the laser beam irradiated portion becomes extremely large.

この場合の温度上昇の程度は、照射されるレーザ光の強
度、照射部分の大きさ(面積)並びに出力鏡及び全反射
鏡の光吸収率及び熱伝導率等により決定される。
The degree of temperature rise in this case is determined by the intensity of the irradiated laser beam, the size (area) of the irradiated portion, and the light absorption rate and thermal conductivity of the output mirror and the total reflection mirror.

一般に、出力鏡及び全反射鏡の吸収率は、温度依存性を
持っており、ある一定の温度を境に急激に大きくなる。
Generally, the absorption coefficient of an output mirror and a total reflection mirror has temperature dependence, and increases rapidly after a certain temperature.

故に、−度この温度を越えてしまうと、温度的な正帰還
が掛かり、材料の熔融にまで達してしまう。従って、−
度熔融してしまうと、その部分での吸収が非常に大きく
なり、瞬時にして、出力鏡及び全反射鏡の熔融による破
壊という致命的な結果をもたらすことになる。
Therefore, if the temperature exceeds this temperature by -degrees, a positive temperature feedback will occur and the material will melt. Therefore, −
If it melts, the absorption in that part will become very large, which will instantly lead to the fatal result of destruction of the output mirror and total reflection mirror by melting.

すなわち、レーザ出力IKW以下クラスの低出力レーザ
装置の場合には特に問題にはならなかったが、レーザ出
力を2KW、3KW或いはそれ以上の高出力化にした場
合、共振器内部の光強度が非常に大きくなり、それに伴
って、上述のように出力鏡及び全反射鏡の内面の表面温
度上昇が大きくなり、ついにはその表面が熔融(熱暴走
)し、共振器内部を汚染してしまうという問題がある。
In other words, this was not a particular problem in the case of a low-power laser device with a laser output of IKW or less, but when the laser output was increased to 2KW, 3KW, or higher, the light intensity inside the resonator became extremely high. As a result, as mentioned above, the surface temperature of the inner surfaces of the output mirror and total reflection mirror increases, and the surface eventually melts (thermal runaway), contaminating the inside of the resonator. There is.

本発明の目的は炭酸ガスレーザ装置の高出力化に際して
、耐光強度に優れた炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを
用いた炭酸ガスレーザ装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a carbon dioxide laser resonator with excellent light resistance and a carbon dioxide laser device using the same when increasing the output of a carbon dioxide laser device.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明では上記課題を解決するために、出力鏡と全反射
鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において、 前記出力鏡は反射率50%以下に設定されたガリウム砒
素(GaAs)で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器が、 提供される。
In order to solve the above problems, the present invention provides a carbon dioxide laser resonator consisting of an output mirror and a total reflection mirror, in which the output mirror is made of gallium arsenide (GaAs) with a reflectance set to 50% or less. A resonator for a carbon dioxide laser is provided.

また、本発明では上記課題を解決するために、出力鏡と
全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において、 前記出力鏡はPRコーティング膜を有しないジンクセレ
ン(ZnSe)で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器が、 提供される。
Furthermore, in order to solve the above problems, the present invention provides a carbon dioxide laser resonator comprising an output mirror and a total reflection mirror, in which the output mirror is made of zinc selenium (ZnSe) without a PR coating film. A resonator for a carbon dioxide laser is provided.

さらに、本発明では上記課題を解決するために、出力鏡
と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において
、 前記全反射鏡はガリウム砒素(GaAs)で構成される
ことを特徴とする炭酸ガスレーザ用共振器が、 提供される。
Furthermore, in order to solve the above problems, the present invention provides a carbon dioxide laser resonator comprising an output mirror and a total reflection mirror, wherein the total reflection mirror is made of gallium arsenide (GaAs). A resonator is provided.

そして、本発明では上記課題を解決するために、前記炭
酸ガスレーザ用共振器のいずれかで構成される炭酸ガス
レーザ装置が、 提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a carbon dioxide laser device configured with any of the above-mentioned carbon dioxide laser resonators.

(作用) 共振器内部の光学部品(出力鏡、全反射鏡)の表面上の
汚染部分の温度上昇を見積もるにさいしては、近似的に
、薄膜の場合に適用出来る以下の熱伝導方程式を解けば
よい。
(Function) When estimating the temperature rise of the contaminated part on the surface of the optical components (output mirror, total reflection mirror) inside the resonator, approximately solve the following heat conduction equation that can be applied to a thin film. Bye.

(1/r)(δT/δr)+(δ2T/δt r )−
(1/γ)(δT/δt)  k ” (T −To)
 = 0・−−一−−−−−・−・・(1) 以下数式において各文字は、 K:熱伝導率(TI(ERMAL C0NDUCTIV
ITY)H:熱伝達率(CONVHCTION C0E
FFTCIENT)ρ:密度(DHNSITY) C:定積比熱(SPECIFICHEAT)D:材料の
厚さ(TIIICKNESS OF MATERIAL
)γ=にバρ*c) k”=2H/(KD) を示す。
(1/r) (δT/δr)+(δ2T/δt r )−
(1/γ) (δT/δt) k ” (T −To)
= 0・−−1−−−−−・−・・(1) In the following formula, each character is: K: Thermal conductivity (TI(ERMAL C0NDUCTIV)
ITY) H: Heat transfer coefficient (CONVHCTION C0E
FFTCIENT) ρ: Density (DHNSITY) C: Specific volume specific heat (SPECIFICHEAT) D: Thickness of material (TIIICKNESS OF MATERIAL
) γ= to ρ*c) k”=2H/(KD).

入射ビームがスポット半径aのガウシアン分布であると
仮定して上式(1)を解く。
The above equation (1) is solved assuming that the incident beam has a Gaussian distribution with spot radius a.

T  To=f (a”rl (t  tI) /(K
D(a”+8 rt+))*exp(−7k”tI  
r”2 / (a2+ 8 r tI))) dt+(
0≦dt+  ≦t)−・−・・−・−・−−−−・(
2)ここで、I(t−tI)a”は膜に吸収されるエネ
ルギーを表すが、この場合、時間によらず一定とし、共
振器内部のレーザパワーをPt1nとすると I(t−
t、)a”−βa! 但し、I =Ioexp(−2(r/a))で、■o:
中心におけるパワー密度 β:膜の吸収率とする。
T To=f (a”rl (t tI) /(K
D(a”+8 rt+))*exp(-7k”tI
r”2 / (a2+ 8 r tI))) dt+(
0≦dt+ ≦t)−・−・・−・−・−−−−・(
2) Here, I(t-tI)a'' represents the energy absorbed by the film, but in this case, it is constant regardless of time, and if the laser power inside the resonator is Pt1n, then I(t-
t, )a”-βa! However, I = Ioexp(-2(r/a)), ■o:
Power density β at the center: Absorption rate of the membrane.

Pt1n =πa”Io /2−+Ioa” =2Pt
in /π・・−(3) が成立する。
Pt1n = πa"Io /2-+Ioa" = 2Pt
in /π...-(3) holds true.

更に、以下のように無次元数を定義する。Furthermore, we define a dimensionless number as follows.

τ=8γtI/a” e=k”a” /8=a”H/ (4にD)ζ−r /
 a 結局、試料表面の温度上昇は次式(4)、(5)から求
められる。
τ=8γtI/a” e=k”a” /8=a”H/ (D in 4)ζ−r/
a Ultimately, the temperature rise on the sample surface can be found from the following equations (4) and (5).

T =To+βPtinGtemp / (2πKD)
ここで、G tempは temp =S  <τ+1)−1 *exp(−a r −2ζ”(1+r)−’)dτ(
0≦ dτ≦τ)−・−一−−−・・−・−(5)とす
る。
T = To + βPtinGtemp / (2πKD)
Here, G temp is temp=S<τ+1)-1 *exp(-a r-2ζ"(1+r)-')dτ(
0≦dτ≦τ)−・−1−−−・・−・−(5).

今、レーザ出力をptとして、ビームモードはスポット
半径(e−”PO[NT) aのガウシアン分布を仮定
し、共振器の反射率をRとすると、共振器内部のレーザ
ビーム強度Pt1nは次式(6)で表される。
Now, assuming that the laser output is pt, the beam mode is a Gaussian distribution with spot radius (e-"PO[NT) a, and the reflectance of the resonator is R, the laser beam intensity Pt1n inside the resonator is calculated by the following formula: It is expressed as (6).

Pt1n=Pt/ (1−R)     −−−−−−
−−−(、6)また、ゴミが付着した場合を考えるに際
しては、レーザパワー密度は変化しないで、レーザパワ
ーのみが変わるとして取り扱う。すなわち、付着したゴ
ミの直径をWO、スポット直径を局で、次式で表される
ガウシアン分布のレーザパワーPconが入射すると考
える。
Pt1n=Pt/ (1-R) --------
---(, 6) Furthermore, when considering the case where dust adheres, it is assumed that the laser power density does not change and only the laser power changes. That is, it is assumed that a laser power Pcon of a Gaussian distribution expressed by the following equation is incident, where WO is the diameter of the attached dust and WO is the spot diameter.

Pcon= x  (Wo/ 2 )”Io/ 2=W
o” Pt1n/ (4a ” )   −−−−−−
−−−−−−(7)以上を整理するとレーザ出力をpt
、レーザビームモードをスポット半径aのガウシアンモ
ードとし、出力鏡の反射率をRとした場合、出力鏡内部
の表面温度分布T(?、t)は、 (イ)、試料表面における吸収率αが小さい場合T(r
、 t) =To+ cx (pt/ (1−R))G
temp/ (2πKD)−・−・−・−・(8) (ロ)、試料表面にゴミが付着した場合(ゴミの直径を
一層、吸収率をβとする) T(r、t) =To+β(Pt/(1−R))(Wo/(2a))”
Gtemp/(2πKD)・−・・−・・−・−(9”
) 但し、 temp =S  (τ+1)刊 *exp(−a τ−2ζ”(1+r  )−’)dr
(0≦ dτ≦τ) として求めることが出来る。
Pcon= x (Wo/2)"Io/2=W
o” Pt1n/ (4a ”) --------
−−−−−−(7) Putting the above in order, the laser output is pt
, when the laser beam mode is Gaussian mode with spot radius a and the reflectance of the output mirror is R, the surface temperature distribution T (?, t) inside the output mirror is (a), the absorption rate α on the sample surface is If T(r
, t) =To+cx (pt/ (1-R))G
temp/ (2πKD)−・−・−・−・(8) (b) When dust adheres to the sample surface (the diameter of the dust is taken as the diameter and β is the absorption rate) T (r, t) = To + β (Pt/(1-R))(Wo/(2a))”
Gtemp/(2πKD)・−・・−・・−・−(9”
) However, temp = S (τ+1) publication*exp(-a τ-2ζ”(1+r)-')dr
It can be obtained as (0≦dτ≦τ).

以上の結果を図面に基づいて説明する。The above results will be explained based on the drawings.

第2図は反射率50%の出力鏡を使用し、レーザ出力が
2.5 KWでスポット直径10mmφのガウシアンモ
ードの炭酸ガスレーザ光が出射されている場合に、出力
鏡又は全反射鏡の材質として、通常用いられているZn
5e、GaAs及びGeを用いた時、レーザ媒質にさら
されている側の表面の最高到達温度が表面の吸収率によ
ってどのように変化するかを示している。
Figure 2 shows the materials used for the output mirror or total reflection mirror when a Gaussian mode carbon dioxide laser beam with a laser output of 2.5 KW and a spot diameter of 10 mm is emitted using an output mirror with a reflectance of 50%. , commonly used Zn
5e shows how the maximum temperature of the surface exposed to the laser medium changes depending on the absorption rate of the surface when GaAs and Ge are used.

熱暴走(熔融)を起こす温度は、Zn5eが250°C
5GaAsが300”C,Geが70°C以下であるか
ら、許容される表面吸収率はZn5eが約0.3%以下
、GaAsが約0.9%以下、Geが約0.2%以下で
あることがわかる。
The temperature at which thermal runaway (melting) occurs is 250°C for Zn5e.
Since the temperature is 300"C for 5GaAs and 70"C or less for Ge, the allowable surface absorption rate is about 0.3% or less for Zn5e, about 0.9% or less for GaAs, and about 0.2% or less for Ge. I understand that there is something.

通常、PRコーティング膜、全反射コーテイング膜の場
合の吸収率は0.05〜0.1%程度であるから、表面
での吸収がほんの少し増加するだけで、Zn5e及びG
eの場合は熱暴走が生じる危険性が大きいと言える。こ
の点GaAsの場合は、かなりの余裕があり、その有用
性がわかる。
Normally, the absorption rate in the case of PR coating film and total reflection coating film is about 0.05 to 0.1%, so if the absorption on the surface increases only slightly, Zn5e and G
In case e, there is a high risk of thermal runaway occurring. In this respect, in the case of GaAs, there is a considerable margin, and its usefulness can be seen.

第3図は、レーザ出力2.5KWでスポット直径10n
cmφのガウシアンモードの炭酸ガスレーザ光が出射さ
れている場合に、出力鏡にZn5eを用い、出力鏡の反
射率Rを変化させた時のレーザ媒質にさらされる側の出
力鏡の表面の最高到達温度の表面吸収率依存性を示して
いる。
Figure 3 shows a spot diameter of 10n with a laser output of 2.5KW.
Maximum temperature reached on the surface of the output mirror on the side exposed to the laser medium when Zn5e is used as the output mirror and the reflectance R of the output mirror is changed when a cmφ Gaussian mode carbon dioxide laser beam is emitted. The surface absorption rate dependence of

これより、許容される表面吸収率は、反射率Rが65%
、50%、17%(PRコーティング膜を施していない
場合のZn5e自身の反射率)の場合に、それぞれ約0
.2%、0.3%、0.5%であることが分かる。通常
、コーテイング膜を施さない場合、母材の表面吸収率は
通常0.05%以下であることも考慮するとPRコーテ
ィング膜無しの出力鏡を用いることによる利点が一層は
っきりする。
From this, the allowable surface absorption is that the reflectance R is 65%.
, 50%, and 17% (reflectance of Zn5e itself without PR coating), respectively, about 0
.. It can be seen that they are 2%, 0.3%, and 0.5%. Considering that the surface absorption rate of the base material is usually 0.05% or less when no coating film is applied, the advantage of using an output mirror without a PR coating film becomes even clearer.

但し、反射率が大幅に減少するのでレーザ効率が多少低
下するのは覚悟しなければならない。
However, since the reflectance is significantly reduced, one must be prepared for a slight decrease in laser efficiency.

第4図は、第1図のものと同様の動作状態の下で試料表
面にゴミが付着し、その部分の吸収率が100%とした
時の試料表面の最高到達温度と付着したゴミの直径との
関係を、材質がそれぞれ Zn5e、GaAs、Geの
場合について示す。
Figure 4 shows the maximum temperature reached on the sample surface and the diameter of the attached dust when dust adheres to the sample surface under the same operating conditions as in Figure 1 and the absorption rate in that area is assumed to be 100%. The relationships between the two are shown for the cases where the materials are Zn5e, GaAs, and Ge, respectively.

これより、許容されるゴミの大きさはZn5eが約40
0 um、GaAsが約700μm、Geが約300μ
mとなる。この場合でも、Zn5eに対してGaAsの
優位性は明らかである。Geの場合はZn5eよりむし
ろ劣っていることがわかる。
From this, the allowable size of dust is approximately 40 for Zn5e.
0 um, GaAs about 700μm, Ge about 300μm
m. Even in this case, the superiority of GaAs over Zn5e is clear. It can be seen that Ge is rather inferior to Zn5e.

従って、炭酸ガスレーザ装置の高出力化に際しては、共
振器内部の光強度を出来るだけ低く押さえ、出来るだけ
出力鏡の透過率を大きく(反射率を小さく)するのが望
ましい。
Therefore, when increasing the output of a carbon dioxide laser device, it is desirable to keep the light intensity inside the resonator as low as possible and to increase the transmittance (reflectance) of the output mirror as much as possible.

また、同一の光強度に対しては、出力鏡又は全反射鏡の
材質を選ぶことによって、レーザ媒質にさらされる側の
表面の温度上昇を出来るだけ低く押さえることが出来る
Furthermore, for the same light intensity, by selecting the material of the output mirror or the total reflection mirror, it is possible to suppress the temperature rise of the surface exposed to the laser medium as low as possible.

共振器内部のゴミ等の汚染による鏡表面の吸収率の増加
に対して、出力鏡及び全反射鏡とも母材としては、Ga
Asを用いるのが最も望ましいと言える。
In order to cope with the increase in the absorption rate of the mirror surface due to contamination such as dust inside the resonator, the base material of both the output mirror and the total reflection mirror is Ga.
It can be said that it is most desirable to use As.

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。〔Example〕 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings.

第5図に本発明による炭酸ガスレーザ装置の全体構成を
示す。図において、放電管1の両端には出力鏡2と全反
射鏡3とからなる炭酸ガスレーザ用共振器が配置されて
いる。放電管1の円周上外側には2枚の金属電極4及び
5が取り付けられている。画電極4及び5間に高周波電
圧が高周波電源6によって印加され、放電管1内に高周
波グロー放電が発生してレーザ励起が行われる。放電管
l内のレーザビーム光軸を13で、また出力結合鏡2か
ら外部に取り出されるレーザビーム出力光軸を14でそ
れぞれ示す。
FIG. 5 shows the overall configuration of a carbon dioxide laser device according to the present invention. In the figure, a carbon dioxide laser resonator consisting of an output mirror 2 and a total reflection mirror 3 is arranged at both ends of a discharge tube 1. Two metal electrodes 4 and 5 are attached to the outer circumference of the discharge tube 1. A high-frequency voltage is applied between the picture electrodes 4 and 5 by a high-frequency power source 6, and a high-frequency glow discharge is generated within the discharge tube 1 to perform laser excitation. The laser beam optical axis within the discharge tube 1 is indicated by 13, and the laser beam output optical axis taken out from the output coupling mirror 2 is indicated by 14.

レーザ発振装置起動時には先ず最初に真空ポンプ12に
よって装置内部全体が排気される。ついでバルブ11が
開放になり所定流量のレーザガスがガスボンベ10から
導かれ装置内のガス圧は規定値に達し、その後は真空ポ
ンプ12の排気と補給ガス導入が続き、ガス圧は規定値
に保たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮ガス
に置換されることになりガス汚染を防止する。
When the laser oscillation device is started, the entire interior of the device is first evacuated by the vacuum pump 12. Then, the valve 11 is opened and a predetermined flow rate of laser gas is introduced from the gas cylinder 10, and the gas pressure inside the device reaches the specified value.After that, the vacuum pump 12 is evacuated and the supplementary gas is introduced, and the gas pressure is maintained at the specified value. However, part of the laser gas is continuously replaced with fresh gas, thereby preventing gas contamination.

さらに第5図ではルーツブロワ9によってレーザガスを
装置内で循環している。この目的はレーザガスの冷却に
ある。炭酸(CO□)ガスレーザでは注入電気エネルギ
ーの約20%がレーザ光に変換され、他はガス加熱に消
費される。理論によればレーザ発振利得は、絶対温度T
の−(3/2)乗に比例するので発振効率を上昇させる
ためにレーザガスの強制冷却が必要である。レーザガス
は約100m/secの流速で放電管1内を通過し矢印
で示す方向に流れ冷却器8に導かれる。
Further, in FIG. 5, a roots blower 9 circulates the laser gas within the apparatus. Its purpose is to cool the laser gas. In a carbon dioxide (CO□) gas laser, about 20% of the injected electrical energy is converted into laser light, and the rest is consumed for gas heating. According to theory, the laser oscillation gain depends on the absolute temperature T.
Since it is proportional to the -(3/2) power of , forced cooling of the laser gas is necessary to increase the oscillation efficiency. The laser gas passes through the discharge tube 1 at a flow rate of about 100 m/sec, flows in the direction shown by the arrow, and is guided to the cooler 8.

ここでは主として放電による加熱エネルギーが除去され
る。ルーツブロワ9では圧縮熱が発生するのでガスは放
電管lに再度導かれる前に冷却器7を通過する。これら
の冷却器7及び8は周知であるので詳細な説明は省略す
る。
Here, heating energy mainly due to discharge is removed. Since compression heat is generated in the Roots blower 9, the gas passes through the cooler 7 before being led back to the discharge tube l. Since these coolers 7 and 8 are well known, detailed explanation will be omitted.

第1図に本発明の炭酸ガスレーザ装置の出力鏡及び全反
射鏡近傍の断面図を示す。
FIG. 1 shows a sectional view of the vicinity of the output mirror and total reflection mirror of the carbon dioxide laser device of the present invention.

図において、1は放電管であり、石英等でつくられてい
る。放電管1の内部をレーザガスが循環する。第5図の
高周波電源6からの高周波電圧によってレーザガスが励
起され、レーザ光13が出力鏡2と全反射鏡3との間を
往復して増幅され、レーザ出力光14が外部に出力され
る。このレーザ出力光14が金属の切断等に使用される
In the figure, 1 is a discharge tube made of quartz or the like. Laser gas circulates inside the discharge tube 1. The laser gas is excited by the high frequency voltage from the high frequency power supply 6 shown in FIG. 5, the laser light 13 is amplified by going back and forth between the output mirror 2 and the total reflection mirror 3, and the laser output light 14 is outputted to the outside. This laser output light 14 is used for cutting metal, etc.

出力v12は反射率50%以下に設定されたガリウム砒
素(GaAs)で構成される。このガリウム砒素(G 
a A s )のレーザ媒質側の表面には誘電体多層膜
2aが反射率50%以下となるようにPRココ−ィング
されている。レーザ光13の一部はこの出力鏡2で反射
され、その残りはレーザ出力光14として出力される。
The output v12 is made of gallium arsenide (GaAs) whose reflectance is set to 50% or less. This gallium arsenide (G
A dielectric multilayer film 2a is PR-coated on the laser medium side surface of aA s so that the reflectance is 50% or less. A portion of the laser beam 13 is reflected by the output mirror 2, and the remainder is output as a laser output beam 14.

尚、PRコーティング膜を施さない場合のガリウム砒素
(GaAs)自身の反射率は約28%であり、これをそ
のまま出力鏡2として用いても十分本発明の効果を奏す
ることができる。
Note that the reflectance of gallium arsenide (GaAs) itself without the PR coating film is about 28%, and even if this is used as the output mirror 2 as it is, the effects of the present invention can be sufficiently achieved.

全反射鏡3は出力鏡2と同じガリウム砒素(GaAs)
で構成される。このガリウム砒素(GaAs)のレーザ
媒質側の表面にはAuコーテイング膜3bが施されてお
り、その反射率が99%以上に設定される。
The total reflection mirror 3 is made of gallium arsenide (GaAs), which is the same as the output mirror 2.
Consists of. An Au coating film 3b is applied to the surface of this gallium arsenide (GaAs) on the laser medium side, and its reflectance is set to 99% or more.

尚、図示していないが、出力鏡2及び全反射鏡3のレー
ザ媒質と反対表面側(外気と接する側)には、それぞれ
反射防止膜(AR膜)が施されている。
Although not shown, an anti-reflection film (AR film) is applied to each of the output mirror 2 and the total reflection mirror 3 on the surface side opposite to the laser medium (the side in contact with the outside air).

16aは出力鏡ホルダー 16bは全反射鏡ホルダーで
あり、放電管1に取り付けられ、出力鏡2及び全反射鏡
3をそれぞれ保持する。17a及び17bは0リングで
あり、放電管1の内部と外部とを遮蔽するために使用さ
れている。15a及び15bは固定フランジであり、出
力鏡2及び全反射鏡3を出力鏡ホルダー16a及び全反
射鏡ホルダー16bに押しつけて保持している。
Reference numeral 16a denotes an output mirror holder. Reference numeral 16b denotes a total reflection mirror holder, which is attached to the discharge tube 1 and holds the output mirror 2 and the total reflection mirror 3, respectively. 17a and 17b are O-rings, which are used to shield the inside and outside of the discharge tube 1. Fixed flanges 15a and 15b hold the output mirror 2 and the total reflection mirror 3 against the output mirror holder 16a and the total reflection mirror holder 16b.

以上の実施例では出力鏡2としてガリウム砒素(GaA
s)を用いた場合について説明したが、第3図のデータ
からも明らかなように、PRコーティング膜を施さない
ジンクセレン(ZnSe)を用いてもよい。この場合に
も前述のようにAR膜は施す方が良いことはいうまでも
ない。
In the above embodiment, the output mirror 2 is gallium arsenide (GaA
s), but as is clear from the data in FIG. 3, zinc selenium (ZnSe) without a PR coating film may also be used. In this case as well, it goes without saying that it is better to apply an AR film as described above.

尚、以上の実施例のように出力鏡2及び全反射鏡3の両
方にガリウム砒素(G a A s )を用いることが
本発明の実施上最良の形態であるが、なんらこれに拘束
されることは無く、出力鏡2のみにガリウム砒素(Ga
As)を用いても、全反射鏡3のみにガリウム砒素(G
aAs)を用いても良いことは言うまでもなく、その組
み合わせは種々考えられる。
Although it is the best mode for implementing the present invention to use gallium arsenide (GaAs) for both the output mirror 2 and the total reflection mirror 3 as in the above embodiment, the present invention is not restricted in any way. There was no problem, and only the output mirror 2 was coated with gallium arsenide (Ga
Even if gallium arsenide (G
Needless to say, aAs) may be used, and various combinations thereof are possible.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明では、炭酸ガスレーザ用共振
器の出力鏡の反射率を小さくすることによって、共振器
内部の光強度を低く押さえるとことができるという効果
がある。同時に、出力鏡又は全反射鏡に用いる材質を適
当に選ぶ(例えば、熱伝導率の大きいGaAsを、また
は、表面吸収率が小さいPR膜無しを使用する)ことに
よって、レーザ媒質にさらされる側の試料表面の最高到
達温度を抑制することが可能となり、レーザ動作中にお
ける光学部品の熱暴走の生じる危険性を大幅に軽減する
ことができ、炭酸ガスレーザ装置の高出力時における信
軌性を大幅に向上することができるという優れた効果が
ある。
As described above, the present invention has the effect that the light intensity inside the resonator can be kept low by reducing the reflectance of the output mirror of the resonator for a carbon dioxide laser. At the same time, by appropriately selecting the material used for the output mirror or total reflection mirror (for example, using GaAs with high thermal conductivity, or without a PR film with low surface absorption), the side exposed to the laser medium can be It is now possible to suppress the maximum temperature reached on the sample surface, greatly reducing the risk of thermal runaway of optical components during laser operation, and greatly improving the reliability of carbon dioxide laser equipment at high output. It has the excellent effect of improving

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の炭酸ガスレーザ用共振器の出力鏡及び
全反射鏡近傍の断面構造を示す図、第2図はレーザ媒質
をパラメーターにしてレーザ媒質にさらされる側の表面
吸収率と表面の最高到達温度との関係を示す図、 第3図は出力鏡の材質をZn5eとして、その反射率を
パラメーターとした場合のレーザ媒質にさらされる側の
表面吸収率と表面の最高到達温度との関係を示す図、 第4図はレーザ媒質にさらされる側の表面にゴミが付着
し、その吸収率が100χとした場合のゴミの大きさと
表面の最高到達温度との関係を示す図、 第5図は本発明の一実施例である炭酸ガスレーザ装置の
全体構成を示す図である。 1  ・−・・−・・・・−・−・放電管2 −・−・
−・・−・−出力鏡 3  −−−−−−−・−一−−−−−全反射鏡5−・
・−・・−・−・−・金属電極 ・−・・−・・・・−・高周波電源 8−・−・・−−一−−−冷却器 −・・・〜・・・・−・・−ルーツブロワ・・・・−・
・−・−・・−ガスボンベ−・−・・−・・−バルブ ・−・・−・・−・・・・−真空ポンプ−・−・−・−
レーザ光 −・−−−−一−−・・〜・・・レーザ出力光a、15
b−・−−−−−−−一−−−−固定フランジa−・−
・・−・−・−出力鏡ホルダーb−・・−・・−・−・
−全反射鏡ホルダーa、17b・−・・・・−・・・−
・−0リング特許出願人 ファナック株式会社 代理人   弁理士  服部毅巖
Figure 1 is a diagram showing the cross-sectional structure near the output mirror and total reflection mirror of the resonator for a carbon dioxide laser according to the present invention, and Figure 2 is a diagram showing the surface absorptivity and surface absorption rate on the side exposed to the laser medium using the laser medium as a parameter. Figure 3 shows the relationship between the surface absorption rate on the side exposed to the laser medium and the maximum temperature reached when the material of the output mirror is Zn5e and its reflectance is used as a parameter. Figure 4 is a diagram showing the relationship between the size of dust and the maximum temperature reached on the surface when dust is attached to the surface exposed to the laser medium and the absorption rate is 100χ. 1 is a diagram showing the overall configuration of a carbon dioxide laser device that is an embodiment of the present invention. 1 ・−・・−・・−・−・Discharge tube 2 −・−・
−・・−・−Output mirror 3 −−−−−−−・−1−−−−−Total reflection mirror 5−・
・−・・−・−・−・Metal electrode・−・・−・・・・・−・High frequency power supply 8−・−・・−−1−−−Cooler−・・・〜・・・・−・・−Roots blower・・−・
・−・−・・−Gas cylinder−・−・・−・・−Valve・−・・−・・−・・−Vacuum pump−・−・−・−
Laser light -----1---... Laser output light a, 15
b-------1--Fixed flange a--
・・−・−・−Output mirror holder b−・・−・・−・−・
- Total reflection mirror holder a, 17b ---
-0-Ring Patent Applicant Fanuc Co., Ltd. Agent Patent Attorney Takeshi Hattori

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] (1) 出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
共振器において、 前記出力鏡は反射率50%以下に設定されたガリウム砒
素(GaAs)で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器。
(1) A resonator for a carbon dioxide laser comprising an output mirror and a total reflection mirror, wherein the output mirror is made of gallium arsenide (GaAs) with a reflectance set to 50% or less. vessel.
(2) 前記反射率はPRコーティング膜によって50
%以下に設定されることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
(2) The reflectance is 50% due to the PR coating film.
% or less, the resonator for a carbon dioxide laser according to claim 1.
(3) 前記出力鏡はPRコーティング膜を有しないガ
リウム砒素(GaAs)で構成されることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
(3) The resonator for a carbon dioxide laser according to claim 1, wherein the output mirror is made of gallium arsenide (GaAs) without a PR coating film.
(4) 出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
共振器において、 前記出力鏡はPRコーティング膜を有しないジンクセレ
ン(ZnSe)で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器。
(4) A resonator for a carbon dioxide laser comprising an output mirror and a total reflection mirror, wherein the output mirror is made of zinc selenium (ZnSe) without a PR coating film.
(5) 前記全反射鏡はガリウム砒素(GaAs)で構
成されることを特徴とする特許請求の範囲第1項から第
4項までのいずれかに記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
(5) The resonator for a carbon dioxide laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the total reflection mirror is made of gallium arsenide (GaAs).
(6) 出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
共振器において、 前記全反射鏡はガリウム砒素(GaAs)で構成される
ことを特徴とする炭酸ガスレーザ用共振器。
(6) A carbon dioxide laser resonator comprising an output mirror and a total reflection mirror, wherein the total reflection mirror is made of gallium arsenide (GaAs).
(7) 特許請求の範囲第1項から第6項までのいずれ
かに記載の炭酸ガスレーザ用共振器で構成されることを
特徴とする炭酸ガスレーザ装置。
(7) A carbon dioxide laser device comprising the carbon dioxide laser resonator according to any one of claims 1 to 6.
JP63303748A 1988-11-30 1988-11-30 Resonator for carbon dioxide gas laser and carbon dioxide gas laser using the same Pending JPH02150085A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016082208A (en) * 2014-10-22 2016-05-16 ファナック株式会社 Laser oscillator improving beam quality

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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