JPH03505652A - レーザ共振器 - 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】 発明の名称 レーザ共振器 技術分野 本発明は、不安定共振器空間を形成する２個の全反射端鏡面間に活性物質を有す る２個の共振器端鏡と、共振器の出力穴を通してレーザ放射を出力するより前に それを反射する少なくとも１つの第三全反射鏡面とを備えた特にＣＯ２レーザ用 のレーザ共振器に関する。

レーザ放射の出力、従ってレーザの光共振器からのレーザパワーの出力は普通、 空洞鏡を半透性に構成するか又はそれが共振器の範囲からレーザ放射を放射する ことによって行われる。半透鏡を有する共振器は好ましくは安定共振器であり、 つまりそこでは一方又は両方の鏡の合焦作用に基づきレーザ光は鏡により定義さ れた範囲内で共振器軸の周囲で位置決めされたままである。安定共振器をこのよ うに共振器軸を中心に回転対称に構成する利点として出力されたレーザ放射は光 線品質が高い。光線品質は例えばレーザ光がどの区間を介し近似的に平行に広が るかによって決まり、又はレーザ光を集束できる焦点がどの程度小さくなるか又 は達成可能な最大強度がどの程度強いかの尺度である。理論的最高品質は周知の 如くガウス基本モードＴＥＭ０゜による光線分布を有する。別の光線分布、例え ばＴＥＭｏｌは光線径が増大すると光線品質が低下する。他方、高い出発パワー を達成するには、これが大きな体積の活性物質を必要と１−又、共振器長が当然 の理由から制限されていることから出発するなら、大きな光線径が必要である。

そのことかられかるように光線径の拡大による出発パワーの増強は基本的に光線 品質の劣化を伴う。しかも透明鏡はその光学作用が損なわれないよう又その材料 が破壊されることのないよう任意に高く負荷することができず、つまりそれを透 過するレーザ放射で過度に加熱されてはならない。

技術水準 それ故、光共振器に全反射鏡を備え、レーザ放射の一定部分が何回か周回した後 共振器範囲から離れるよう鏡を構成し配置することが一般に知られている。出力 は通常有孔鏡又は所謂スクレーバ鏡を使って行われ、これにより不安定共振器に 特徴的な中空光線が発生する。かかる不安定共振器は通常出力文が高く、それ故 適宜に高く増幅した活性物質を前提とする。光線品質は普通係数が約３乃至４低 い。例えば出力を引き起こす鏡面を適宜に寸法設計することで出力文を小さく抑 えるとき光線品質は格別低くなる。更に共振器不安定構造の根本的欠点としてな お鏡の調整感度、そ（７て光学反作用に対する感度、即ち共振器内の処理箇所か らの光の反射に対する感度が比較的高い。

一般に知られている前記不安定共振器の他米国特許明細書第３６８１７０９号に より、共振器空間を形成する２個の全反射端鏡面間に活性物質を有する２個の共 振器端鏡とレーザ放射を共振器から出力する少なくとも１つの第三全反射鏡面と を備えた特にＣＯ２レーザ用のレーザ共振器が知られている。レーザ放射を共振 器から出力する第三鏡面は２個のうち一方の端鏡の端鏡面として構成しである。

２つの端鏡面間にある共振器空間は安定し、一方の端鏡の第三鏡面は専ら基本モ ードで発振するレーザ放射を安定共振器から出力するのに役立つ。不安定共振器 空間は周知共振器の場合存在しない。むしろレーザ放射の出力は一方の端鏡の第 三鏡面により合焦系の合焦鏡上で直接行なわれる。

発明の説明 本発明は冒頭述べた種類の不安定鏡が低い出力文で間に合い及び／又は向上した 光線品質を有するよう改良することを課題とする。

この課題は、２個の端境間に不安定共振器空間を補足して少なくとも１つの安定 共振器空間を設け、不安定共振器空間を補足する安定共振器空間が同じ活性物質 内で第三鏡面によって、２個のうち一方の端鏡の端鏡面を他方の端鏡の端鏡面で 形成することにより解決される。

本発明にとって重要なのは安定共振器と不安定共振器との混合構造である。安定 共振器空間でもって共振器内で光の平均持続時間が延長され、共振器内で光の強 度が高まる。その結果活性物質は飽和の方に駆動され、効率が高まる。それに応 じて出力文、つまり出力パワーと共振器内で発生したパワーとの比が低下する。

そわ故、安定共振器空間を備えた不安定共振器は、同じ外部レーザ光パワーを発 生するため、増幅の比較的小さいレーザ系内で使用することができる。更に、安 定共振器空間の影響によって出力レーザ光の内部構造も従来の共振器に比べ変更 され、光線品質が高まり又は焦点半径が小さくなる。このことは実施例を基にな お詳しく説明される。

第三鏡面は有利には２個のうち一方の端鏡の端鏡面としてこの端鏡と構造ユニッ トを形成し又はこの端鏡の構成要素である。端鏡面間に空間的固定配置が得られ 、これが共振器の調整感度を下げ、従って光線品質を向上させる。２つの鏡面を 有する端鏡は旋盤及びフライス盤により適宜に高い精度で所要形状に、例えば回 転対称に製造することができる。所要の高い表面品質、そしてλ／１０乃至λ／ ２０の形状許容差も妥当な支出で達成可能である。

望ましくは第三鏡面は共振器軸に垂直に配置してあり、このことは一方でレーザ 光の対称構成に役立ち、更には第三鏡面の製造又はその他の鏡面の製造にとって も、例えばその１つが第三鏡面とで構造ユニットを形成するとき有利である。こ の意味で、第三鏡面が円形又は環状であるとき回転対称な、従って有利な鏡面が 得られる。

構造支出の点から簡単に造形される共振器配置は、適合した横断面の出力穴を通 してレーザ放射が中空光線として出力可能であり又第三鏡面が出力穴の範囲で中 空光線に内部に配置しであるとき得られる。

本発明は、２個の全反射共振器端鏡により形成した共振器と、一方の端鏡内に共 振器軸に垂直に置いた円形の光射出穴とを有する特にＣＯ２レーザ用のレーザ共 振器にも関する。

かかるレーザ共振器が欧州特許公開明細書第１０００８９号により知られている 。共振器が一方の端鏡に孔を有し、レーザ放射は他方の端鏡からこの孔を通って 転向鏡に衝突することができ、転向鏡はそれに衝突した光を、球面状鏡面を備え た円錐体とこれに半径方向で続いた円環凹球面状鏡面とにより、孔を備えた鏡に 平行に反射する。この周知の不安定共振器では２個の端鏡間に設けたスクレーパ 鏡で出力が行われ、放出されるレーザ光は通常の中空光線である。

上述の共振器を、それが低い出力度で間に合い及び／又は向上した光線品質を有 するよう改良するため、共振器軸に垂直に設けた光射出穴は完全光線を形成する 出力穴である。この完全光線の断面内で出力レーザパワーは全て共振器軸又は長 手軸の近傍に集中しており、光線品質は特に光線断面にわたって強度分布を遠視 野観察する場合適宜に向上する。同時にレーザ共振器はその基本的構成にとって 共振器内で光を転向する必要がないので一層簡単に構成することができる。

共振器の有利な１構成は、円形穴の付いた端鏡が他方の端鏡に対向した凸面又は 凹面状の円環状端鏡面を有し、他方の端鏡が直径が徐々にゼロとなる凹面又は凸 面円環状端鏡面を有することにより得られる。２つの端鏡面を造形する基本条件 は、完全光線を発生するため端鏡面が反射範囲で共振器軸から半径方向外方に移 動する反射光線を発生せず、出力された全てのレーザ放射が完全光線で得られる ことだけである。但し、２つの端鏡面により形成した共振器範囲と協動し重なり 合う安定共振器空間を形成することも可能である。

このことは、他方の端鏡の凹面状端鏡面とで外側及び／又は内側の安定共振器空 間を形成する端鏡面が穴付き端鏡の円環状端鏡面に半径方向外方及び／又は内方 で続くことにより達成される。かかる共振器では、つまり出力度の低下及び／又 は光線品質の向上をはかるべく前記２つの基本的解決思想が共通して利用される 。

完全光線カット式共振器ではレーザ放射強度の局所的揺らぎを排除することが大 切であり、この揺らぎは光線が共振器を通過するとき共振器の中心軸に対し外側 から直接カットされることにより発生する。かかる揺らぎに対処すべく少なくと も１個の第一端鏡が端鏡面を有し、第二端鏡面により反射した放射部分はこの端 鏡面でもって共振器の中心軸を超えて第二端鏡に反射可能である。前記特徴から 、鏡面を適宜に構成すると一方又は両方の端鏡の中心軸を超えて対角線上で対向 した範囲間が結合される。

この結合に役立つ端鏡面に関し共振器配置の簡単な構成は端鏡面を凹面構成し中 心軸の周囲に集中配置し、光射出穴の周囲に直接配置した円環状端鏡面で安定共 振器空間を形成するとき得られる。完全光線の出力時不安定共振器範囲により引 き起こされるレーザ強度の揺らぎが減少する他、安定共振器空間により光線品質 の向上が達成される。

安定共振器の構造上単純な実施態様は、円形光射出穴を有する第二端鏡が平面有 孔鏡、他方の端鏡が円環凹面状端鏡面を有することにより得られる。平面有孔鏡 は所要のどの寸法でも簡単に製造することができ、比較的複雑な第一端鏡の製造 後これにそれを合わせねばならないとき特に有利である。

第一端鏡の対称軸に範囲に設けた先端等でレーザ放射の品質が乱されるのを防ぐ ため第一端鏡は、第二端鏡の光射出穴に対向して、接線方向で凹面状端鏡面の湾 曲範囲に移行した平行面を備えている。

平面鏡と凸面鏡との協動に基づき上述の実施態様は安定共振器である。

図面の簡単な説明 図面に示した実施例を基に本発明を説明する。

第１図は本発明による第一共振器内部での光線案内、第２ａ図及び第２ｂ図は第 １図に示す鏡Ｍ２の変形態様、 第３ａ図乃至第３Ｃ図は近視野強度分布Ｉ＝ｆ　（ｒ）とこれにそれぞれ付属し た遠視野強度分布との概要図、第４図は半径方向で積分した強度分布Ｉ＝ｆ　（ 半径）、 第５図乃至第７図は本発明による別の実施態様、第８図はレーザ強度の揺らぎを 避ける本発明による別の実施態様、そして 第９図は平行有孔鏡を有する本発明による実施態様。

発明を実施する最良の方策 第１図に示した共振器１０は実質的に２個の回転対称に構成した鏡Ｍｌ、Ｍ２か らなる。従って鏡は一点鎖線で示した活性物質４０を適宜に回転対称に構成した 場合特に有利に使用することができる。しかし適宜な長方形断面の活性物質４０ を最適に利用できるようにするため鏡Ｍｌ、Ｍ２を別様に、例えば長方形に形成 することも可能である。

鏡Ｍ１．Ｍ２の寸法は符号り、ｄｉ、ｄ２であり、共通して共振器軸】１を形成 するこの回転対称な鏡の直径を示す。鏡Ｍ１は全反射する適宜な凹面状鏡面］２ を有する凹面鏡であり、この鏡は例えばメタライジングＩ７である。鏡Ｍ２は、 やはりメタライジングしてあり、従って全反射であり、凸面成形した鏡面１３を 有する。２つの全反射鏡面１２．１３は不安定共振器空間１０′を形成し、即ち その間で反射した光線は共振器空間１０′内に留まるのでなく又は軸平行ではな く矢印１４で示唆し５たように半径方向外方に移動し、従って共振器１．０から の出力は第１図の場合環状の出力穴１５を通して行われ、これにより出力レーザ 光１．６は中空光線として又は所謂リングモードで存在する。レーザ光１６は共 振器１０の外側で光学的に成形され、例えばコリメー　トされ、使用のため供給 され、例えばレーザ光１６が溶接に利用される。

だが鏡Ｍ２は直径ｄ２の鏡面１３の他になお外径ｄｌの第三鏡面１７を有する。

この第三鏡面１−７は平らで、共振器軸１１を横切って配置され、鏡Ｍ１の鏡面 １２に向けである。これでもってそれが安定共振器空間１８を形成し、該空間は 中空円筒形であり、第１図に点々で強調しである。この安定共振器空間内で発生 されるレーザ放射のモードは鏡面１２．１３間のレーザ放射の場合よりもレーザ 放射の光線品質が比較的高く又は合焦半径が小さい。第３ａ図乃至第３ｃ図及び 第４図を基にこのことを説明する。

第３ａ図においてＩ＝ｆ　（ｒ）は所謂ガウス基本モードＴＥＭｏ、、、っまり ガウスのベル曲線に応じた強度分布を示す。この図示は！７・−ザ又は共振器の 近視舟における強度分布にあてはまる。遠視野においてもレーザ強度は第：３ａ 図の図示によれば軸近傍の半径範囲に集中する。この図示は２０　Ｃｍ　［／ン ズの焦点における強度分布に関係する。第３ｂ図は近視野及び遠視野における中 空光線Ｉ−ｆ　（ｒ）についての匹敵する図示を示す。適用箇所でのレーザ光の 条件にとっで決定的な遠視野において強度がやはり光軸の近傍に集中しではいる が、しかし２大きく離れてもなお、かなりの強度であることを認めるこ吉ができ ２）、３ここで共振器を本発明により構成すると中心の強度円錐体の外で強度が 低下して結果が良好となる。このことが第３ｃ図から、そして第４図からも明ら かとなり、ぞこには数値なしに関係した積分パワーがレンズの焦点（焦点長２０ ｃｍ）におけるレーザ光線の半径に依存し、て図示しである。２光線半径は従来 の方法で確定され、レー・ザバワーの８６％がこの半径の円内にあると定義され る。

破線で示したＴＥＭｏｏの理想的射的、実線で示１．た曲線に応じてＭ−２の従 来の不安定共振器、そして一点鎖線の曲線に応じた安定共振器空間を有する本発 明による共振器について明白な勾配が得られる。この図示から直線１９により明 らかなように半径はこの強度分布のとき本発明共振器により４０％以下の程度で 低下する。

第５図乃至第７図に示す共振器１０はそれぞれ対向配置した２個の全反射鏡Ｍ１ ．Ｍ２からなりこの鏡が共振器基軸１１を形成する。鏡Ｍ１は付属の半径ｒ１２ ’、付属の湾曲中心に１２′の円環凹面状鏡面１２′を有する。光を反射するた め先端、従って不均一箇所を避けるため共振器軸１．１の近傍で鏡面】−２′が 丸くしである。

他方の鏡Ｍ２は円環状であり、共振器軸１，１に垂直に設けた光射出穴２０を有 する。鏡Ｍ１に対向した面は凸面状鏡面１３′　と平らに構成した第三鏡面１． ７とからなる。従って後者は鏡面１２′とで中空円筒の安定共振器空間１８を形 成する。中空円筒形の安定共振器空間１８の内部では光線分布は実質的に、その 半径ｒ１３′が付属の湾曲中心に１３′により計算することのできる凸面状鏡面 １．３′　によって決まる。湾曲中心ｋ１２’　、ｋｌ　３’の位置を比較し２ てわかるように共振器はその間で反射した光を基準に不安定である。

従って、第５図の下半分に見られる光路を基準に明らかとなるように、安定共振 器空間１−８と光路ビーム３１との間に設けた不安定共振器空間３２の内部で鏡 面１２’、１３’間の反射が起きる一方、光路ビーム３］、、３３により特徴付 けられた放射部分は完全光線３４を形成するのに利用され、つまり完全光線は出 力穴とし、て働く光射出穴２０から出力される。鏡Ｍｌ。

八１２が矢印３５で示唆し５たように回転対称に構成しであるので完全光線３４ 中の強度分布もやはり回転対称である。

第６図の共振器１０が第５図のそれと相違する点として鏡面１３′と穴２０との 間に更に別の、第三鏡面１７と同一作用の鏡面１７′が配置しである。これによ り更に別の安定共振器空間１８′が成立し、これは光線品質の向上、そして完全 光線３４を基準とした出力塵の低下に役立つ。

第７図の共振器】−０内に示１７である２個の鏡Ｍ１、Ｍ２は安定共振器空間を 形成する鏡面を持つでいない。

それにも拘らず、レーザ放射が完全光線３４として出力されることにより光線品 質が向上し又出力塵が低下する。つまり不安定共振器にとっての条件を満たす鏡 面１２’、１３’が設けであるだけである。ちなみに鏡面１２’、１３’又は鏡 Ｍｌ、Ｍ２は第５図及び第６図について説明したのと同様に構成しである。第７ 図の共振器で発生した完全光線３４は、第５図及び第６図に示す共振器の完全光 線３４の品質となることはないが、ｊ７かし従来の中空光線の著しい向上を示す １、第１図、第５図及び第６図の全ての事例において１、安定共振器空間］８． １８′を実質的に決める鏡面１７．１，７′は安定共振器空間の条件が満たされ さえするなら図示し、たちのと異なる構成とすることも可能である。この例が第 ２ａ図乃至第２Ｃ図に見られる。

第２ａ図は第１７図の鏡Ｍ２の側面図、・つまり中心に配置した凸面状鏡面１３ とその周囲に環状に配置した射面状第三鏡面１７とを有する鏡の側面図を示すが 、第２ｂ図の第三鏡面１−７は鏡Ｍ２の中心に配置された。。

鏡面１３が凹面リングとして構成してあり、これは半径方向外方で鏡面１７に続 き、不安定共振器空間１０′を形成するのに役立つ他、レーザ放射を出力するの に役立つ。これにより光路の重なり、それに伴う光線品質の劣化が防止される。

第２Ｃ図によれば共振器１０の不安定性を制約する鏡面１３が第１図及び第２ａ 図と同様中心に配置しである。しかしこれに続いて凹面状の第三鏡面１７が設け てあり、これが光を集束し、それを基準として鏡面１２の変更を行うことができ る。かかる鏡面又は鏡Ｍ２は、光線品質が向上し及び／又は出力度が特に適宜な 安定共振器空間により低下することが保証しであるかぎり、その他の鏡Ｍ１とさ まざまに組立てて配置することができる。

第８図に示す共振器１０はその基本構造が第７図のそれと同じである。従って第 ８図についても鏡Ｍｌ。

Ｍ２及びその鏡面１２’、１３’の構成について説明したことを参考にする。付 加的に、共振器空間を外側から制限する絞り３８が記入しである。第８図に示す 共振器１０の特徴は鏡Ｍ１が凹面鏡面３７を有し、これが第７図の鏡Ｍ１の中心 先端の範囲に配慮してあり又第二鏡Ｍ２の鏡面１７″と協動する点にある。この 鏡面１７′は出力される完全光線３４用光射出穴２０に直接続き、円環状である 。それは鏡面３７とで安定共振器空間１８′を形成する。共振器空間１８′を利 用して、第二鏡Ｍ２により反射した放射部分は共振器１０の中心軸１１を超え、 鏡面３７により第二鏡Ｍ２に反射される。

第９図は安定共振器１０の主要部材、つまり２個の端鏡Ｍｌ、Ｍ２を概略示す。

鏡Ｍ２は平らな有孔鏡であり、その孔が完全光線３４用光射出穴２０を形成する 。共振器軸又は対称軸１１を基準に対称にそれと対向した端鏡Ｍ２は円環状の凹 面状端鏡面１２′を備えている。これと端鏡面１３′との間に、図示省略した活 性物質中で起きるレーザプロセスが起き、絞り３８が外側の半径方向限界を形成 する。鏡系の光軸４３は直径ｄの環状である。放射部分を出力する穴２０の直径 ｄ３がこれに適合しており、つまり多少小さい。

第９図の共振器は安定共振器であり、このことは鏡Ｍ２が無限大の曲率半径を有 することから明らかとなり、鏡面１２′の湾曲中心はいずれの場合にも鏡Ｍ２の 無限遠の湾曲中心とこれ自身との間にあり、従って安定共振器の条件を満たす。

第９図に見られる中心の鏡先端３９は発振過程を乱し、従って光線品質を損なう ことがある。その結果端鏡Ｍ１はかかる障害を防止する平面４１を備えている。

この平面４１は接線方向で鏡Ｍ１の湾曲範囲４２につながり、ここでも鏡面１２ の障害となる不均一性は存本発明によるレーザ共振器は、不安定共振器が低い出 力度で間に合い及び／又は向上した光線品質を有するようそれを改良するのに役 立つ。

１Ｊ丘Ｊ二 ｉｎｔＱｇｒｉＱｒｔＱＬｅｉｓｔｕｎｇ国際調査報告 国際調査報告 □ ＤＥ　８９００２４９ Ｓ＾　　　２８０２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．不安定共振器空間を形成する２個の全反射端鏡面間に活性物質を有する２個 の共振器端鏡と、共振器の出力穴を通してレーザ放射を出力するより前にそれを 反射する少なくとも１つの第三全反射鏡面とを備えた特にＣＯ２レーザ用のレー ザ共振器において、２個の端鏡（Ｍ１，Ｍ２）間に不安定共振器空間（１０′， ３２）を補足して少なくとも１つの安定共振器空間（１８，１８′，１８′′） が設けてあり、不安定共振器空間（１０′，３２）を補足する安定共振器空間（ １８，１８′，１８′′）が同じ活性物質（４０）内に第三鏡面（１７，１７′ ，１７′′）により２つの端鏡（Ｍ１，Ｍ２）の一方（Ｍ２）の端鏡面として他 方の端鏡（Ｍ１）の端鏡面（１２，１２′，３７）で形成してあることを特徴と するレーザ共振器。 ２．第三鏡面（１７，１７′）を共振器軸（１１）に垂直に配置したことを特徴 とする請求の範囲１記載の共振器。 ３．第三鏡面（１７，１７′１７′′）が円形又は環状であることを特徴とする 請求の範囲２記載の共振器。 ４．レーザ放射（１６）が中空光線として、適合した横断面の出力穴（１５）か ら出力可能であり、第三鏡面（１７）が出力穴（１５）の範囲で中空光線の内部 に配置してあることを特徴とする請求の範囲１乃至３のいずれか１項又は複数項 記載の共振器。 ５．２個の全反射共振器端鏡により形成した共振器と、端鏡の１つに円形の、共 振器軸に垂直に設けた光射出穴とを有する特に請求の範囲１乃至３のいずれか１ 項又は複数項記載の特にＣＯ２レーザ用のレーザ共振器において、共振器軸（１ １）に垂直に設けた光射出穴（２０）が完全光線（３４）を形成する出力穴であ ることを特徴とするレーザ共振器。 ６．円形穴（２０）を有する端鏡（Ｍ２）が円環状の、他方の端鏡（Ｍ１）に対 向した凸面又は凹面状端鏡面（１３′）を有し、他方の端鏡（Ｍ１）が円環状の 、内径が徐々にゼロとなる凹面又は凸面状端鏡面（１２′）を有することを特徴 とする請求の範囲５記載のレーザ共振器。 ７．他方の端鏡（Ｍ１）の凹面状端鏡面（１２′）で外側及び／又は内側の安定 共振器空間（１８又は１８′又は１８′′）を形成する鏡面（１７又は１７′又 は１７′′）が、穴（２０）を有する端鏡（Ｍ２）の円環状端鏡面（１３′）に 半径方向外側及び／又は内側で続くことを特徴とする請求の範囲５又は６記載の レーザ共振器。 ８．少なくとも１個の第一端鏡（Ｍ１）が端鏡面（３７）を有し、この端鏡面で もって第二端鏡（Ｍ２）により反射した放射部分が共振器（１０）の中心軸（１ １）を超えて第二端鏡（Ｍ２）に反射可能であることを特徴とする請求の範囲５ 乃至７のいずれか１項又は複数項記載のレーザ共振器。 ９．端鏡面（３７）を凹面構成し、中心軸（１１）の周囲に集中配置し、光射出 穴（２０）の周囲に直接配置した円環状鏡面（１７′′）とで安定共振器空間（ １８′′）を形成することを特徴とする請求の範囲８記載のレーザ共振器。 １０．円形光射出穴（２０）を有する第二端鏡（Ｍ２）が平らな有孔鏡であり、 他方の端鏡（Ｍ１）が円環凹面状端鏡面（１２′）を有することを特徴とする請 求の範囲５乃至９のいずれか１項又は複数項記載のレーザ共振器。 １１．第一端鏡（Ｍ１）が第二端鏡（Ｍ２）の光射出穴（２０）に対して平面（ ４１）を備えており、この平面が接線方向で凹面状端鏡面（１２′）の湾曲範囲 （４２）に移行することを特徴とする請求の範囲５又は１０記載のレーザ共振器 。