JPH04301613A

JPH04301613A - ビーム拡大・縮小器

Info

Publication number: JPH04301613A
Application number: JP3066801A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kawaguchi; 川口　滋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1992-10-26

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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明はＴＥＡ−ＣＯ２　レーザ
や加工用のＣＷ−ＣＯ２　レーザをはじめとする比較的
高出力のレーザに使用されるビーム拡大・縮小器に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】従来から、ＴＥＡ−ＣＯ２　レーザ等の
高ピークパワーを有するパルスレーザ光を拡大したり縮
小したりする場合、空間におけるブレイクダウンを防止
するために、ビームを集光しないで変換するガリレオ式
のビーム拡大・縮小器が使用される。なお、これに対し
てビームを集光して変換するビーム拡大・縮小器は、通
常ケプラー式と呼ばれる。

【０００４】図５に、このようなガリレオ式のビーム拡
大・縮小器の代表例を示す。この従来技術は、凹レンズ
９と凸レンズ１０とから構成され、その焦点距離とレン
ズ間隔を適度に選択することにより、入射ビーム径ｄ１
を希望するビーム径ｄ２に拡大することができる。この
時、Ｍ＝ｄ２／ｄ１をビームの拡大率という。

【０００５】また、図５は、凹レンズ９側からビームを
入射した場合だが、凸レンズ１０側からビームを入射し
た場合には、ビーム径を縮小することになり、その縮小
率は１／Ｍ＝ｄ１／ｄ２となる。

【０００６】ところで、ＴＥＡ−ＣＯ２　レーザ等の場
合、レンズは一般にＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）が用いら
れているが、その耐光強度は一般的に１Ｊ／ｃｍ２　程
度であり、高出力のレーザシステムに使用することはで
きない。

【０００７】そのため、高出力のレーザシステムでは、
図６に示すように、凸面鏡１１と凹面鏡１２から構成さ
れるビーム拡大・縮小器が使用される。凸面鏡や凹面鏡
の材料には、ＴＥＡ−ＣＯ２　レーザシステムでは、Ｃ
ｕやＭｏが使用されるのが一般的で、この場合の耐光強
度はＺｎＳｅに比較して格段に向上する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、凸面鏡や凹面
鏡の場合、その入射光の入射角（＝反射角）が垂直入射
（入射角０°）からはずれるに従い、その反射光の入射
面内の成分とそれに直交する成分の焦点距離が異なって
くるため収差が生じ、ビームの質が乱されてしまう。そ
こで、図７に示すように、反射鏡への入射角θ１　及び
反射角θ２　は、収差の影響を極力押さえるために、１
０°〜１５°以下に設定するのが一般的である。

【０００９】そのため、このような入射角の小さい凸面
鏡と凹面鏡から構成されるビーム拡大・縮小器は、凸面
鏡と凹面鏡の間隔をある程度以上離さないと、所望の拡
大・縮小率が得らず、凸レンズと凹レンズで構成される
ビーム拡大・縮小器に比較して、かなり大型化する欠点
があった。

【００１０】また、収差の影響をゼロにすることはでき
ないので、ビームの質を重要視するレーザシステムに使
用するには、好ましくなかった。

【００１１】本発明は、上記のような従来技術の各問題
点を解決し、耐光強度に優れ、収差によるビームの乱れ
が少なく、しかも小型化されたビーム拡大・縮小器を提
供することを目的とする。

【００１２】［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、鏡面に所定の曲率を持った複数の反射
鏡を組み合わせてレーザビームの径を拡大したり縮小し
たりするビーム拡大・縮小器において、凸放物面鏡と凹
放物面鏡とを、その鏡面を対向して配置し、一方の放物
面鏡に入射されたビームを他方の放物面鏡に反射させ、
他方の反射鏡から前記ビームより拡大または縮小された
ビームを得ることを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記のような構成を有する本発明のビーム拡大
・縮小器では、放物面鏡の使用により反射面における収
差を解消することができる。その結果、ビームの乱れに
よる質の低下を防止できると共に、ビームの入射角を例
えば４５°のように大きく設定することができ、凸放物
面鏡と凹放物面鏡の距離を小さくしても必要とする拡大
・縮小率を得ることができる。

【００１５】また、反射鏡の使用により、反射面にＣｕ
やＭｏを使用することが可能となり、従来の凸及び凹レ
ンズ系のビーム拡大・縮小器に比較して、優れた耐光強
度を確保できる。

【００１６】

【実施例】（１）第１実施例本発明の第１実施例を図１乃至図３に基づいて説明する
。なお、前記従来技術と同一の部材については同一の符
号を付し、説明は省略する。

【００１７】本実施例のビーム拡大・縮小器は、図１に
示すように、共焦点型で、反射光を入射光に対して垂直
に反射する凸放物面鏡１と凹放物面鏡２とをその放物面
が対向するように、配置したものである。この場合、各
放物面鏡１，２は、その表面の反射面がＣｕやＭｏなど
の耐光強度の高い物質によって構成されている。

【００１８】ここで、各放物面鏡１，２の反射面の形状
は、図２及び図３に示すように設定されている。すなわ
ち、図３に示すｘ−ｙ座標系においてｘ＝ａｙ２　の放
物線を考えたとき、放物面への入射光（平面波）が点Ａ
に集光されるとすれば、ａ＝１／２ｙ１　となり、距離
ｙ１　をワークディスタンスと呼び、これがｘ＝ａｙ２
　の放物線断面を持つ放物面鏡の見掛けの焦点距離とな
る。このｘ＝ａｙ２　の放物線断面を持つ放物面鏡にお
いて、放物面の凹面側で反射された光は、点Ａに集光さ
れるが、凸面側で反射された光は、点Ａを焦点（点光源
）として拡大されることになる。

【００１９】そこで、本実施例では、この放物面鏡の凸
面側を利用した反射鏡（凸放物面鏡１）と、放物面鏡の
凹面側を利用した反射鏡（凹放物面鏡２）とを利用して
共焦点型のビーム拡大・縮小器を構成している。すなわ
ち、図４に示すように、ｘ＝ｂｙ２　（但し、ｂ＝１／
２ｙ２　）　の凸放物面鏡１と、ｘ＝ｃｙ２　（但し、
ｃ＝１／２ｙ３　）　の凹放物面鏡２を、間隔ｌ＝ｙ３
　−ｙ２　離して配設し、共焦点をＢとする共焦点型の
ビーム拡大・縮小器を構成している。

【００２０】このような構成を有する本実施例では、拡
大率Ｍ＝ｙ３　／ｙ２　（Ｍ＝ｂ／ｃ）となり、凸放物
面鏡１側から入射された径ｄ１のビームは、凸放物面鏡
１及び凹放物面鏡２の放物面で反射拡大され、凹放物面
鏡２から径ｄ２のビームとなって出力される。

【００２１】このように本実施例によれば、凸放物面鏡
１や凹放物面鏡２の反射面は、ＣｕやＭｏで製作されて
いるので、ＺｎＳｅ製のレンズで構成されたビーム拡大
・縮小器よりも耐光強度が格段に向上する。また、放物
面鏡は、収差がゼロであるため、ビームの質を乱すこと
もなく、ビームの入射角を例えば４５°のように大きく
設定することができるため、両放物面鏡の間隔を小さく
しても大きな拡大・縮小率を得ることができ、結果とし
てビーム拡大・縮小器を非常にコンパクトにすることが
できる。

【００２２】なお、図１は、ビーム拡大器として使用し
たものであるが、入射光を逆にすればビーム縮小器とし
て機能することは言うまでもない。また、入射角は、４
５°以外の設計でも同様の効果が得られるので、入射角
を４５°に限定する必要はない。

【００２３】（２）第２実施例次に、本発明の第２実施例を図４によって説明する。こ
の実施例は、図１のビーム拡大・縮小器をレーザ増幅器
のレーザ取出窓を挟んで２組配置し、レーザ取出窓の耐
光強度に合わせて、レーザ取出窓を通過するビームを拡
大するものである。

【００２４】一般に、高出力のパルスレーザシステムで
は、伝送距離が長くなること及びビームの質を重要視す
ることが多く、その場合、ビームの横モードはシングル
モード（ＴＥＭｏｏ）が要求される。シングルモードの
場合、その１／ｅ２　ビーム半径をω０　とし、レーザ
光のエネルギーをＥとすれば、そのピークエネルギー密
度Ｐ０　は、Ｐ０　＝２Ｅ／πω０　となる。

【００２５】レーザ取出窓には、ＺｎＳｅ等が用いられ
るのが一般的であり、その耐光強度は１Ｊ／ｃｍ２　程
度である。すると、例えば最終段の増幅器の出力が１０
Ｊのシステムを考えた場合、耐光強度から考えた必要ビ
ーム系２ω０　は、Φ５０ｍｍ以上となる。また、１０
０ＪシステムではΦ１６０ｍｍ以上となる。

【００２６】このような大きなビームを透過させる放電
部（レーザ励起空間）を製作することは非常に困難であ
り、放電ギャップはできるだけ小さくすることが望まれ
ている。そのため、例えば、１０Ｊシステムなら３０ｍ
ｍ程度となる。また、大きなビーム系の光を長距離伝送
する場合、その途中の工学部品に要求される寸法が大き
くなるため、機器の大型化を招く欠点もある。

【００２７】このような点に鑑み、本実施例では、レー
ザ増幅器８に設けられたレーザ取出窓７の内外に、凸放
物面鏡３と凹放物面鏡４から構成されるビーム拡大器と
、凹放物面鏡６と凸放物面鏡５から構成されるビーム縮
小器を配設することにより、レーザ取出窓７を通過する
ビーム径だけを拡大する。

【００２８】このような構成を有する本実施例によれば
、レーザ取出窓７を通過するビーム径だけをその耐光強
度から要求される径に拡大し、放電部やその他の伝送空
間においては適度な径に縮小することができる。特に、
従来の凸面鏡と凹面鏡で構成した場合に比較し、小型で
収差のないビーム拡大・縮小器を得ることができ、高出
力レーザシステムに適したレーザ増幅器を得ることがで
きる。

【００２９】（３）他の実施例なお、第２実施例では、レーザ取出窓７の前後にビーム
拡大・縮小器を配設しているが、どちらか一方に配設し
た場合でも、レーザ取出窓７の耐光強度に見合ったレー
ザ増幅器を得ることができる。また、レーザ発振器単独
で高出力を達成する装置では、本発明をレーザ発振器に
適用すれば、同様の効果が得られる。

【００３０】更に、前記実施例は、ＴＥＡ−ＣＯ２　レ
ーザを取り上げているが、他のレーザでも同様の効果を
発揮することは言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、凸放
物面鏡と凹放物面鏡とをその鏡面を対向して配置すると
言う簡単な構成にもかかわらず、耐光強度が高く、収差
の影響がなく、小型化されたビーム拡大・縮小器を提供
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるビーム拡大・縮小器の第１実施例
の側面図

【図２】図１のビーム拡大・縮小器に使用する放物面鏡
の断面形状を説明するグラフ

【図３】図１のビーム拡大・縮小器に使用する凸放物面
鏡と凹放物面鏡の関係を説明するグラフ

【図４】本発明
の第２実施例を示す側面図

【図５】従来のレンズによる
ガリレオ式のビーム拡大・縮小器の側面図

【図６】従来の凸面鏡と凹面鏡によるガリレオ式のビー
ム拡大・縮小器の側面図

【図７】凹面鏡への入射及び反射光を説明する側面図

【符号の説明】

１，３，５…凸放物面鏡２，４，６…凹放物面鏡７…レーザ取出窓８…レーザ増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鏡面に所定の曲率を持った複数の反射鏡を
組み合わせてレーザビームの径を拡大したり縮小したり
するビーム拡大・縮小器において、凸放物面鏡と凹放物
面鏡とを、その鏡面を対向して配置し、一方の放物面鏡
に入射されたビームを他方の放物面鏡に反射させ、他方
の反射鏡から前記ビームよりも拡大または縮小されたビ
ームを得ることを特徴とするビーム拡大・縮小器。