JPH04335584A - 炭酸ガスレーザ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波励起方式の高速軸
流型炭酸ガスレーザ装置に関し、特に、放電管の外周に
沿ってスパイラル状の電極を設けたレーザ発振器を有す
る炭酸ガスレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波励起方式の高速軸流型炭酸ガスレ
ーザ装置は、高出力でかつ安定した発振が可能であり、
レーザ加工機としても盛んに導入され、利用されるよう
になってきた。このレーザ加工機としての利用分野で現
在主流をなしているのは、金属材料　（例えばＳＰＣＣ
材）　の切断及び溶接である。金属材料の切断加工に関
して言えば、重要な評価基準となるのは、薄板では、切
断面の粗さ、送り速度、切断幅等であり、厚板では、切
断可能な最大板厚等である。したがって、レーザビーム
もそれぞれに適したものが要求される。前者の薄板加工
の場合は、比較的低出力　（例えば１ｋｗ以下）　のレ
ーザで、そのモードは集光性のよい低次モードが望まし
いとされ、後者の厚板加工の場合は、高出力　（例えば
１．５ｋｗ以上）　のレーザで、そのモードは集光レン
ズの熱歪みを緩和するために比較的高次モードが望まし
いとされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このレーザビームのモ
ードを制御する方法としては、主に以下に示すような２
通りの方法が採用されている。第１の方法は、主に３軸
直交型で採用されているもので、レーザ発振器の内部に
適当な大きさのアパーチャを挿入することによって、低
次モードを得る方法である。しかし、この方法では、ア
パーチャを挿入することによるレーザビームのエネルギ
ロスが大きくなり、レーザ発振器全体の効率が大幅に低
下するという欠点がある。第２の方法は、高周波励起方
式の高速軸流型で採用されているもので、レーザ発振器
の出力鏡及び全反射鏡の曲率半径、放電管の内径等を適
当に組み合わせることで、モードを調節する方法である
。この方法の場合、低次モードを得るために、出力鏡及
び全反射鏡の曲率半径を大きくとるか、または、放電管
の内径を小さくとる必要がある。しかし、出力鏡及び全
反射鏡の曲率半径を大きくとると、特に出力鏡の熱歪み
の影響を受けやすくなり、安定した低次モードを得にく
いという欠点がある。また、放電管の内径を小さくとる
と、レーザガスの流路抵抗が大きくなり、系を流れるレ
ーザガスの流量が減少するために、発振効率が悪くなり
、高出力を得るのが困難となる。このように、従来の方
法では、レーザビームのモードを制御して安定した低次
モードを得るのは困難であった。したがって、加工条件
に適した任意の次数のモードを得るのも困難であった。

【０００４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、レーザ発振器の出力鏡及び全反射鏡の曲率半
径、放電管の内径及び長さ等の制約条件下で安定した低
次モードを得ることができる炭酸ガスレーザ装置を提供
することを目的とする。

【０００５】また、本発明の他の目的は、レーザ発振器
の出力鏡及び全反射鏡の曲率半径、放電管の内径及び長
さ等の制約条件下で、加工条件に適した任意の次数のモ
ードを得ることができる炭酸ガスレーザ装置を提供する
ことである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、放電管の外周に沿ってスパイラル状の電
極を設けたレーザ発振器を有する炭酸ガスレーザ装置に
おいて、前記レーザ発振器から出力されるレーザビーム
のモードが所望のモードとなるように幅が設定されたス
パイラル状の電極を有することを特徴とする炭酸ガスレ
ーザ装置が、提供される。

【０００７】

【作用】レーザ発振器から取り出されるレーザビームの
モード次数は、レーザ発振器の出力鏡及び全反射鏡の曲
率半径、放電管の内径及び長さが定まった系においては
、主に放電管の内径と、レーザ発振器内部のシングルモ
ードの最大ビームスポット径　（最大、最小ビームスポ
ット径の差が小さいときは、近似的に最小ビームスポッ
ト径）　との比によって決まり、その比が大きいほど、
高次モードとなる。したがって、放電管の内径を小さく
すると、低次モードとなる。一方、放電管にスパイラル
状に巻かれた電極を有する系において、その励起領域は
、局所的にはスパイラル状の電極の幅によって規定され
、全体的にはそれが回転したような系となる。このため
、放電管の内径を変えることと、スパイラル状の電極の
幅を変えることとは、ほぼ等価であると考えられる。し
たがって、スパイラル状の電極の幅を変えることによっ
てレーザビームのモード次数を任意に設定することがで
き、所望のモード次数を得ることができる。

【０００８】低次モードを得るために、放電管の内径を
小さくとると、レーザガスの流路抵抗が大きくなり、系
を流れるレーザガスの流量が減少して発振効率が悪くな
るが、これに対して、スパイラル状の電極の幅を変える
だけなので、ガス流量にはなんら影響を与えずに、低次
モードを得ることができる。さらに、出力鏡の熱歪みの
影響を軽減するために、その曲率半径を出来るだけ小さ
くすることが望ましいが、曲率半径を小さくすると、ビ
ームスポット径も小さくなり、低次モードを得るのが難
しくなる。これに対して、スパイラル状の電極の幅を狭
くすると、曲率半径の小さい出力鏡を用いても、低次モ
ードを保持することができる。

【０００９】

【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。図１は本発明の炭酸ガスレーザ装置のレーザ発
振器部を概略的に示す図である。放電管１の外周には２
本の電極２及び３がスパイラル状に巻かれている。電極
２及び３間に高周波電源４により高周波電圧が印加され
ると、放電を生じてレーザガス５が励起される。全反射
鏡６及び出力鏡７は共振器を構成し、その励起されたレ
ーザガス５の分子から放出される光を増幅して一部を出
力鏡７からレーザビーム８として外部に出力する。ここ
で、２本の電極２及び３の幅Ｗは、レーザビーム８のモ
ードが加工条件に適したものとなるように設定されてい
る。その詳細は後述する。

【００１０】図２は放電管内部での励起領域を示す図で
あり、図２（Ａ）は図１のＸ−Ｘ断面を、図２（Ｂ）は
図１のＹ−Ｙ断面を、図２（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）の合
成をそれぞれ示す。放電管１内部での励起領域１０は局
所的に見ると、各断面（Ａ）、（Ｂ）において示すよう
にその電極２及び３の幅Ｗによって規定されている。こ
の各断面（Ａ）及び（Ｂ）を合成すると、（Ｃ）に示す
ように、励起領域１０の中央部分１１で強いエネルギー
分布を示すようになる。これは、放電管１全体で見ると
さらに顕著となる。すなわち、放電管１内部では、その
エネルギー分布の大部分は励起領域１０の中央部分１１
近傍に集中し、その範囲はほぼ電極２及び３の幅Ｗによ
って決まる。このように、電極２及び３の幅を変えると
それに応じて励起領域１０の範囲が変わる点では、電極
２及び３の幅を変えることと、放電管１の内径を変える
こととは、等価であると言える。

【００１１】一方、レーザビーム８のモード次数ＣＭ　
は、レーザ発振器の全反射鏡６及び出力鏡７の曲率半径
、放電管１の内径及び長さが定まった系においては、放
電管１の内径と、レーザ発振器内部のシングルモードの
最大スポット径　（最大、最小スポット径の差が小さい
ときは、近似的に最小スポット径）　との比によって決
まる。その比が大きいほど、高次モードとなる。したが
って、放電管の内径を小さくすると、低次モードとなる
。 一方、放電管１にスパイラル状に巻かれた電極２及び３
を有する系においては、上述したように、その励起領域
１０は、スパイラル状の電極２及び３の幅Ｗによって規
定され、放電管１の内径を変えることと、電極の幅２及
び３の幅Ｗを変えることとは、ほぼ等価である。したが
って、スパイラル状の電極２及び３の幅Ｗを変えること
によってレーザビーム８のモード次数ＣＭ　を任意に設
定することができる。

【００１２】図３は電極の幅Ｗに対する電極の幅Ｗとシ
ングルモードの最小スポット径ＷＯ　との比　（Ｗ／Ｗ
Ｏ　）　を示す図である。当然のことながら、この両者
は正比例の関係にあり、その傾きは１／ＷＯ　である。 実際のレーザガス５の励起領域１０は、電極２及び３の
幅Ｗより少し広くなるため、破線で示すようになる。な
お、シングルモードの最小スポット径ＷＯ　は、上述し
たように、レーザ発振器の全反射鏡６及び出力鏡７の曲
率半径、放電管１の内径及び長さによって決まる値であ
る。

【００１３】図４は電極の幅Ｗとシングルモードの最小
スポット径ＷＯ　との比　（Ｗ／ＷＯ　）が、レーザビ
ームのモード次数ＣＭに対して１対１の関係にあること
を示す図である。ここで、全光路長　（放電管１の長さ
）　を３．３５ｍとし、全反射鏡６と出力鏡７の曲率半
径Ｒを同一とし、その曲率半径Ｒを変化させる。図中、
実線で示す曲線は、曲率半径Ｒを変えたときの電極の幅
Ｗとシングルモードの最小スポット径ＷＯ　との比　（
Ｗ／ＷＯ　）　の計算結果を示し、プロットした点は曲
率半径Ｒを変えたときのレーザビーム８を測定して得ら
れたモード次数ＣＭ　である。この図から明らかなよう
に、電極の幅Ｗとシングルモードの最小スポット径ＷＯ
　との比（Ｗ／ＷＯ　）　と、モード次数ＣＭ　との間
には１対１の対応関係があることが認められる。したが
って、この対応関係に基づいて、スパイラル状の電極２
及び３の幅Ｗを変えることによってモード次数ＣＭ　を
任意に設定することができ、加工条件に適した所望のモ
ード次数ＣＭ　を得ることができる。通常の加工条件の
場合、モード次数ＣＭ　は、１から２の範囲であり、電
極２及び３の幅Ｗも、モード次数ＣＭ　がその範囲とな
るように設定すればよい。

【００１４】従来は、放電管１の内径を小さくとって低
次モードを得ていたが、放電管１の内径を小さくすると
、レーザガス５の流路抵抗が大きくなり、系を流れるレ
ーザガス５の流量が減少して発振効率を悪化させていた
。これに対して、スパイラル状の電極２及び３の幅Ｗを
変えるだけなので、ガス流量にはなんら影響を与えずに
、低次モードを得ることができる。さらに、出力鏡７の
熱歪みの影響を軽減するために、その曲率半径Ｒを出来
るだけ小さく　（例えば、２０ｍ以下に）　することが
望ましいが、曲率半径Ｒを小さくすると、ビームスポッ
ト径も小さくなり、低次モードを得るのが難しくなる。 これに対して、スパイラル状の電極２及び３の幅Ｗを狭
くすると、曲率半径Ｒの小さい出力鏡７を用いても、低
次モード等の所望のモードを得ることができる。したが
って、特に、高出力のレーザ発振器の場合に多大の威力
を発揮することができる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、スパイ
ラル状の電極の幅を変えることによってレーザビームの
モードを所望のモードに設定するように構成した。した
がって、放電管の内径を変えず、そのガス流量に何らの
影響を与えずに、低次モードを得ることができる。また
、出力の熱歪み影響を極力除去できるように、出力鏡の
内部の曲率半径を小さくしても、所望の次数のモードを
得ることができる。これは、特に、高出力のレーザ発振
器の場合に多大の威力を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炭酸ガスレーザ装置のレーザ発振器部
を概略的に示す図である。

【図２】放電管内部での励起領域を示す図であり、図２
（Ａ）は図１のＸ−Ｘ断面を、図２（Ｂ）は図１のＹ−
Ｙ断面を、図２（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）の合成をそれぞ
れ示す。

【図３】電極の幅Ｗに対する電極の幅Ｗとシングルモー
ドの最小スポット径ＷＯ　との比（Ｗ／ＷＯ　）　を示
す図である。

【図４】電極の幅Ｗとシングルモードの最小スポット径
ＷＯ　との比（Ｗ／ＷＯ　）　が、レーザビームのモー
ド次数ＣＭ　に対して１対１の関係にあることを示す図
である。

【符号の説明】

１　　放電管 ２，３　　スパイラル状の電極 ５　　レーザガス ６　　全反射鏡 ７　　出力鏡 ８　　レーザビーム １０　　励起領域

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　放電管の外周に沿ってスパイラル状の
   電極を設けたレーザ発振器を有する炭酸ガスレーザ装置
   において、前記レーザ発振器から出力されるレーザビー
   ムのモードが所望のモードとなるように幅が設定された
   スパイラル状の電極を有することを特徴とする炭酸ガス
   レーザ装置。
2. 【請求項２】　　前記スパイラル状の電極の幅は、前記
   スパイラル状の電極の幅と、前記レーザ発振器内に励起
   されるシングルビームの最小スポット径との比が１から
   ２の範囲となるように設定されることを特徴とする炭酸
   ガスレーザ装置。
3. 【請求項３】　　前記シングルビームの最小スポット径
   は、前記レーザ発振器の出力鏡及び全反射鏡の曲率、放
   電管の内径及び長さによって決まることを特徴とする請
   求項２記載の炭酸ガスレーザ装置。
4. 【請求項４】　　前記レーザ発振器の出力鏡及び全反射
   鏡の曲率半径は２０ｍ以下であることを特徴とする請求
   項１記載の炭酸ガスレーザ装置。