JPH03159183A - 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］ この発明は、レーザ装置に関し、特にレーザ発振器から
発生されるレーザビームの品質改良に関するものである
。

［従来の技術］ 第１２図は、例えばレーザハンドブック（オーム化、昭
和５７年）に記載された従来の安定型共振器を用いたレ
ーザ装置を示す構成図である１図において、（１）は凹
面状の、例えばＣｕより成る全反射ミラー、（２）は全
反射ミラー（りに対向配置された凹面状の１例えばＺｎ
５ｅより成る部分反射ミラ（３）は部分反射ミラー（２
１面に施された、例えばＺｎ５ｅより成る部分反射膜、
（４）は部分反射ミラー（２１面に施された１例えばＺ
ｎ５ｅ、　ＴｈＦＬより成る無反射膜、（５）はレーザ
媒質で、例えばＣ０２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であり、ＹＡＧ等の固
体レーザの場合：まフラッジ１ランプ等により励起され
た固体媒質である。（６）はレーザビーム径を制御する
アパーチャ、（７）は周囲を覆う箱体、（８）はミラー
（１１、１２１より構成される安定型共振器の内部に発
生するレーザビーム、（９）は部分反射ミラー（２）に
より外部に取り出されるレーザビーム、（１０）は例え
ばレンズ等により成る集光ＩＬ　（Ｉｌｌは集光器（１
０）により集光された集束ビーム、（１２）は加工対象
物である。

次に動作について説明する。ミラー＋１１　、　＋２１
は安定型共振器を購成し、レーザビーム（８）はミラー
＋１１　、　（２＋の間を往復するうちにレーザ媒質（
５）により増幅されると共に、レーザビーム（８）の一
部が部分反射膜（３１、部分反射ミラー（２）、及び無
反射膜（４）を介して外部に取り出される。

アパーチャ（６）は共振器内に発生するレーザビーム（
８）のモード次数を制御し、例えばレーザビーム（８）
の弔−モード化を行う、外部に取り出されたレーザビー
ム（９）は、集光器（１（すな通過することにより集束
ビーム（Ｉりとなり、鉄板等の加１対象物（！２）の切
断、ｌさ接等を効率良く行うことができる。

表定型共振器を用いたレーザ発振器から発生されるレー
ザビームのうち、加工の際、切断等でよく用いられるも
のに最低次モード、即ちＴＦ、Ｖ、。モートのレーザビ
ームがある。このレーザビームの強度分布は第１３図（
ａ）の距離に対する光強度のグラフに示すようにガウス
分布をなし、レーザビームの光波面の位相分布はほぼ笠
位相である。従って、このレーザビームは集光レンズ等
により集光させると、最もよく集光する。　ＴＥＭｏｏ
モードのレーザビームを発生させるには、安定型共振器
内に設置されたアパーチャ（６）でレーザビーム径の広
がりをＨｉｌ＋限すればよい、これに対し、集光ビーム
の強度分布が平坦であることが望ましい焼き入れ７にお
いては、第１３図ｆｂ）の距離に対する光強度のグラフ
に示すようなマルチモードのレーザビームを用いる場合
がある。マルチモードのレーザビームを発生させるには
、例えばアパーチャ（５）の直径なＴＥＭ００モードの
場合に比べ大きくするか、あるいはこれを取り除けばよ
い、アパーチャ（６）の操作により、ＴＥ’Ｊｏｏモー
ド程のビーム集束は１７られないが、励起空間の利用率
が増加するため、レーザ出力は増加する。

［発明が解決しようとする課Ｚ］ 従来のレーザ装置は以上のように構成されているので、
例えば焼き入れ等を行う場合、加工対象物の加工面にお
いて強度分布が矩形状もしくはそれに近いレーザビーム
を発生させる必要がたびたび生じる。従来では表定型共
振器を用いたレーザ発振器から第１３図（ｂ）に示すよ
うなマルチモードのレーザビームを発生させ、レーザビ
ームの光路上でレーザビーム径の外周部を削除すること
シこより、強度分布が矩形状もしくはそれに近いレーザ
ビームを発生せしめていた。しかし、マルチモードのレ
ーザビ一ムは、−Ｈにレーザ出力の変化に伴なってその
次数が変化し、強度分布が変動しやすい、その結果、加
工面における強度分布か変化し、加工性能を安定させる
ことができなくなるという問題点があった。

この発明は上記のような問屋、ψ、を解消するためにな
されたものであり、レーザ出力を変化させても、加工対
象物の加工面に８いて、常に強度分子ｌｒが安定なレー
ザビームを発生させることの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］ この発明に係るレーザ装置は、レーザビームを発振する
レーザ共振器、及びレーザ共振器で得られた強度分布が
ガウス状のレーザビームの光路上に設けられ、レーザビ
ームの光波面の位相を部分的に反転させてレーザビーム
の遠視野強度分布を変換せしめろ位相調整器を備えたも
のである。

５作用］ この発明における位相調整器は光波面の位相を部分的に
反転させてレーザビームの遠視野強度分布を変換せしめ
るものであり、反転のさせ方によって強度分布が矩形状
もしくはそれに近いレーザビームを発生せしめることも
できる。レーザ共振２：：では強度分布がガウス状のレ
ーザビームを得５このレーザビームを位相調整器により
、加工対象物の加工面においてレーザビームの強度分布
を加圧に通したものに変換せしめている。

〔実施例〕 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図（ａｌ　はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示
す構成図、第１図（ｂｌはレーザビーム（９）の強度分
布を示すグラフ、第１図ｆｃ）は加工面におけるレーザ
ビームの強度分布を示すグラフである０図において、＋
１）〜（１２）は従来例と同様のものである。　（２＋
１は位ＦＨＷ整器であり、し〜ザビームの光路上に設置
しである。　＋２２１は部分反射ミラー（２）より外部
に取り出されたレーザビーム（９）の強度分布（これを
近視野強度分布と称する）であり、（２３）は集束ビー
ム（１１）の加１面における強度分布（これを遠視野強
度分布と称する）である。

次に作用について説明する。レーザ発振器からレーザビ
ーム（９）が発生する動作は従来例と同様であり、この
一実施例において、アパーチャ（６）は、レーザビーム
（９）がＴＥＭｏａモードになるように設定された開口
を持っている。さらに部分反射ミラー（２）の無反射膜
（４）側の表面形状を凸面状に加工することにより、レ
ーザ発振器から発生されるレーザビームは、従来例と同
様に、軸対称で等（ｌ相のＴＥＭｏ。モードになる。こ
のレーザビームの強度分布と位相分布を関連づけて示す
と第２図（ａｔ　、　（ｂｌのようになる。第２図（ａ
ｌはＴｔｖｔ＋ｏモードの強度分布を距離に対する光強
度で示し、距離の中央は光軸を表わしている。また第２
　Ｍ　（ｂ）２ま距離に対する位相を表わすもので、距
離の中央は光軸、点線で位相分布を表わす、即ち、レー
ザビーム（９）の強度分布はガウス分布を示し、位相分
布は等位相分布を示す。

このＴＩ：、Ｍ、。モードのレーザビーム（９）が位相
調整器（２１）まで伝搬すると、回折の影響によりレー
ザビーム径は増大するが、強度分布及び位ｆ口分布は第
２図に示したものと同様で変化しない１位相調整器（２
１）は、レーザビームの強度分布はそのままで、位相の
みを強度分布に対応した位置で部分的に反転させる装置
であり、具体的に一実施例を示すと第：３図のようにな
る。第３図（ａｌの−Ｌ部では位相調整器（２１）に入
射するレーザビームの強度分布を示しており、縦軸は光
強度、横軸はレーザビームの軸中心からの距離であり、
特にこの図では強度が軸上のｅ　−８倍になる位置を１
として規格化している。第３図（ａｌの中央部は位相調
整器（２１）の正面を示し、第３図（ａｌのＦ部は位相
２１＃整器（２１）の断面を示している０図において、
（３１）は、例えばＣｕより成るミラー基板で、レーザ
ビーム（９）にさらされる面は平坦で、レーザビームを
１００％近く反射する面より構成されている。　（３２
１はこの基板（３Ｉ）上に、例えばレーザビームの軸中
心から規格化距離として例えば０．６と０．９５の間に
設置された基板（３１）と手行な段差部である。この位
相調整器（２Ｉ）に入射したレーザビームの位相が反射
後に反転するためには、段差部（３２）の段差ｄの大き
さは、レーザビーム（９）の波長をλとすると式（１）
のような条件を満足すればよい。

ｄ＝　（２ｍ　−１）　／４　・λ　　・・−（１）（
ｍ＝１．２．３・−１ 第３図（ｂ）は第３図（ａｌに示すような円形輪帯の段
差部（３２）を持つ位相調整器（２１）へのレーザビー
ムの入射及び反射を表わしており、入射角θは成度程度
の小さなものである。

このような位相＃！器（２Ｉ）を用いることで、反射後
のレーザビームの強度分布及び位相分布は第４図（ａ）
　、　　（ｂ）に示すようなものとなり、強度分布は変
化しないが、位相分布は段差部の部分で反転したものと
なる。このレーザビームなレンズ笠の集光器（■０）を
用いて集光すると、その焦点面において、第５図に示す
ように、強度分布が矩形状に近いレーザビームが得られ
る。この強度分布を持つレーザビームを、・例えば焼き
入れ等のレーザ加工に用いた場合、匝めて良好な加工特
性が得られる。

なお、第３図では入射角θが成度程度の小さな場合を示
したが、第６図（ｂｌ　に示すように入射角θが大きな
場合には、第６図（ａｌに示すような段差部（３２）が
楕円形輪帯である位ＦＪ：Ｊ調整器（２１）が考えられ
る。この時、段差ｄｌは第３図（ａ）の段差ｄに対しで
、式（２）の条件を満足すれば良い。

ｄ　Ｉ　＝　１　／ｃｏｓθ−ｄ　　　　　・・・［２
１また、を記実施例では反射型の位相調整器（２りを示
したが、第７図（ｂ）に示すように透過型の「ｉ相２１
＃整器（２１）を用いてもよい、第７図（ａ）において
、（４Ｉ）は１例えば無反射膜を施したＺｎ５ｅ等の、
レーザビームを透過させる材料よりなる基板であり、（
４２）はレーザビームに位相差を与える段差部である。

この段差ｄ２は式（３）の条件を満足すれば良い、ｎは
基板（４Ｉ）の材料の屈折率である。

ｄ２　＝（２ｍ−１）／２　（ｎ−１）　　・λ・・・
（３） （ｒｒ＋＝１．　２．　３−ｉ 位置［調整器（２１）は１例えば蒸着やＩＣＢコーチｆ
ング、切削等のｔ法により、きわめて安価なコストで製
作することができる。

以上述べたものはレーザ発振器から発生されるレーザビ
ームが等位相面を持つようにするため、部分反射ミラー
（２）として無反射膜（４）側の表面形状を凸面状に加
工したものを例に用いたが、これに限るものではなく、
例えば第８図に示すように、レーザ発振器と位Ｆｌｉ調
′！Ｉｉ器の間の光路」−にコリメートレンズ【５１）
を設置しても笠位相化されたレーザビームが得られる。

また、上記実施例では等位相化されたレーザビームが位
相調整器（２１Ｊに入射する場合について説明したが、
これに限るものではなく、例えばコリメートレンズ（５
１）を取り除くなどして得られる球面状の位相分布を持
つレーザビームの場合についても同様の効果を発圧する
。

さらに、上記実施例では位相調整器（２Ｉ）の段差部が
一重の輪帯である場合を示したが、これに限るものでは
なく、第９図（ａｌに示す様に、さらに基板（９１）の
外周部に二１■、三組と輪帯の段差部（９２）を設けて
もよく、その場合には、遠視野強度分布（２３０よ、第
９図（ｂｌに示すように第５図に示したものと比較して
、より矩形状に近い強度分１１１を示すものが得られる
。

このように、段差の形状はＦ、記に限るものではなく、
レーザビームの光軸に対し軸対称な凹凸段スモのある位
相調整器を備えることで、レーザビームの遠視野強度分
布を矩形状強度分布に変換せしめることができる。

さらに、上記実施例では遠視野強度分布（２３）か矩形
状に近い分布をもつ場合について示したが、位相調整器
（２１）の輪帯段差部の径をＲ整することにより、第１
０図に示すような強度分布のものも得られる。即ち、や
や平坦化された強度分布（第１Ｏ図（ａ））のものやリ
ング状強度分布（第１０図１ｂ））等、加工方法に通し
たレーザビームを発生させることができる。さらに、第
１１図に示すように、輪帯段差部の？蚤が異なる位相！
′！ｌ整器（＋１２］　をレーザビームの光路上に複数
個設置して、集光器ｆｌ＋３）で集光することにより、
レーザビームの強度分布をその加工方法に適したさまざ
まな強度分布（＋１５１　に変換させることができ、シ
ステム化が可能である。また、この場合に各々位相調整
器（１！２）を光路上で切り換えて用いるようにしても
よい。

なお、上記実施例ではレーザ発振器から発生されるレー
ザビームの強度分布が軸対称のガウス分布である場合に
ついて説明したが、これに限るものではなく、例えば不
安定型共振器もしくは位相整合型共振器から発生される
レーザビームの遠視野強度分布のメインローブのみを位
ｆ１１１Ｆｌ　Ｗ器（２１）に入射させてもよい、要す
るにこの発明による位相調整器は、強度分布がガウス状
であるレーザビームの光波面の位相を、光強度分布に対
応した位置で部分的に反転させることにより、そのレー
ザビームの強度分布を変換せしめる作用を持つものであ
れば良い。

また、上記実施例ではレーザビームの光波面に与える位
相差がλ／２（λはレーザビームの波長を示す〕である
場合について説明したが、厳密にλｔ’２である必要は
なく、位相差λ／２に対して誤差上１３％以内、即ち３
／８λ〜λ／２程度であるならば良い。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、レーザビームを発振す
るレーザ共振器、及びレーザ共振器で得られた強度分布
がガウス状のレーザビームの光路上に設けられ、レーザ
ビームの光波面の位相を部分的に反転させてレーザビー
ムの遠視野強度分布を変換せしめる位相調整器を備えた
ことにより、強度分布がガウス状のレーザビームをさま
ざまな強度分布のレーザビームに変換でき、このレーザ
装置を例えばレーザ加工装置として用いた場合、准めて
良好なレーザ加工特性が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の一実施例によるレーザ装置を
示す構成図、第１図（ｂｌ　、　（ｃ）は各々レーザビ
ームの光軸からの距離に対する光強度を示すグラフ、第
２図（ａｌ、（ｂ）は安定型共振器のＴＥＪ。。 モードにおけるレーザビームの強度分布と位相分布を示
すグラフ、第３図（ａｔはこの発明の一実施例に係る位
相調整器の強度分布を示すグラフ、平面、断面を示す図
、第３図（ｂ）はこの発明の一実施例に係る位相調整器
の反射を示す説明図、第４図（ａ）　、　（ｂｌはこの
発明の一実施例に係る位相調整器を通過後のレーザビー
ムの強度分布と位相分布を示すグラフ、第５図は第４図
に示す特性のレーザビームを集光した時の強度分布を示
すグラフ図、第６図（ａ）はこの発明の他の実施例に係
る位相調整器の平面及び断面を示す図、第６図（ｔｌは
その反射を説明する説明図、第７図（ａｌはこの発明の
さらに他の実施例に係る位相Ｊ１整器の字面及び断面を
示す図、第７図（ｂｌはその反射を説明する説明図、第
８図はこの発明の他の実施例によるレーザ装置を示す構
成図、第９図（ａｌは二重の輪帯段差部をもつ位相調整
器の強度分布を示すグラフ、平面、断面を示す図、第９
図（ｂｌはその効果として現われる遠視野強度分布を示
すグラフ５第１０図ｆａｌ　、　（ｂｌ　は位相調整器
の輪帯の径が異なるもの遠視野強度分布を示すグラフ、
第１１図はこの発明のさらに他の実施例に係り、位相、
ｇ整器を複数個用いたシステムを示す構成図、第１２図
は従来のレーザ装置の一例を示す構成図、第１３図（ａ
ｌ　、（ｔｌ　は各々安定型共振器を用いたレーザ発振
器から発生されるレーザビームの強度分布をビーム中央
からの距離に対する光強度で示すグラフである。 （り・・・全反射ミラー、（２）・・・部分反射ミラー
、（３）・・・部分反射膜、（４）・・・無反射膜、（
５）・・・レーザ媒質、（６）・・・アパーチャ、（７
）　　・・・レーザ発振器、（９）・・・レーザビーム
、（２１）、（＋１２）　　・・・位相調整器、（１１
１）・・・レーザ発振器である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザビームを発振するレーザ共振器、及び上記レーザ
   共振器で得られた強度分布がガウス状のレーザビームの
   光路上に設けられ、上記レーザビームの光波面の位相を
   部分的に反転させて上記レーザビームの遠視野強度分布
   を変換せしめる位相調整器を備えたレーザ装置。