JPH0463556B2 - - Google Patents
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
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- H01S3/08081—Unstable resonators
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、とくに大出力レーザ
装置におけるビーム品質の改良に関するものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to improvement of beam quality in a laser device, particularly a high-power laser device.
第9図は例えばレーザハンドブツク(Laser
Handbook1979.North−Holland Publishing
Campany)に記載された従来の不安定型共振器
を有するレーザ装置を示す断面側面図である。図
において、1は凹面鏡よりなるコリメートミラ
ー、2はこのコリメートミラーに対向配置された
凸面鏡よりなる拡大ミラーであり、両ミラー1,
2は全反射ミラーをなす。3はレーザ媒質でCO2
レーザ等のガスレーザを例にとれば放電などによ
り励起されたガス媒質、YAGレーザなどの固体
レーザを例にとればフラツシユランプ等により励
起されたガラス媒質であり、4はウインドミラ
ー、5はウインドミラー面上に施された無反射コ
ーテイング膜、6は周囲を覆う箱体、7はミラー
1,2により構成される光共振器内に発生するレ
ーザビーム、8は拡大ミラー周辺部より外部に取
出されたレーザビームである。
Figure 9 shows, for example, a laser handbook (Laser handbook).
Handbook1979.North−Holland Publishing
1 is a cross-sectional side view showing a conventional laser device having an unstable resonator described in J. Campany. In the figure, 1 is a collimating mirror made of a concave mirror, 2 is a magnifying mirror made of a convex mirror placed opposite to this collimating mirror, and both mirrors 1,
2 constitutes a total reflection mirror. 3 is the laser medium, which is CO 2
For example, a gas laser such as a laser is a gas medium excited by an electric discharge, and a solid laser such as a YAG laser is a glass medium excited by a flash lamp, etc. 4 is a wind mirror, and 5 is a window. A non-reflection coating film applied on the mirror surface, 6 a box covering the surrounding area, 7 a laser beam generated within an optical resonator formed by mirrors 1 and 2, and 8 taken out from the periphery of the magnifying mirror. This is a laser beam.
次に動作について説明する。 Next, the operation will be explained.
ミラー1,2はいわゆる不安定型共振器を構成
しており、拡大ミラー2により反射拡大されたレ
ーザビームはレーザ媒質3により増幅されると共
に、コリメートミラー1により平行ビームにコリ
メートされ、拡大ミラー2及びミラー周辺部上に
反射され、リング状のビームとしてウインドミラ
ー4より外部にとり出される。取出されるリング
状のレーザビーム8はほとんど等位相で得られる
ため、レンズ等により集光することにより中高の
ビームとなり、鉄板などの切断、溶接等を効率よ
くおこなうことができる。 The mirrors 1 and 2 constitute a so-called unstable resonator, and the laser beam reflected and expanded by the magnifying mirror 2 is amplified by the laser medium 3 and collimated into a parallel beam by the collimating mirror 1. It is reflected onto the periphery of the mirror and taken out from the wind mirror 4 as a ring-shaped beam. Since the extracted ring-shaped laser beam 8 is obtained with almost the same phase, it becomes a medium-height beam by condensing it with a lens or the like, making it possible to efficiently cut, weld, etc. iron plates.
また、その集光の度合いは取出されるリング状
ビームの内径と外径との比(M値
(Magnificationfacter))できまり、M値が大き
いほど、すなわち、より中づまりで取出されたビ
ームほどよく集光される。しかしM値を大きくす
ると発振効率が著しく悪化するため、工業的に現
実にもちいられるM値の上限は2程度である。 In addition, the degree of condensation is determined by the ratio of the inner diameter to the outer diameter (M value (Magnification factor)) of the ring-shaped beam extracted, and the larger the M value, that is, the more the beam is extracted from the center, the better the beam is focused. be illuminated. However, if the M value is increased, the oscillation efficiency deteriorates significantly, so the upper limit of the M value that is actually used industrially is about 2.
従来のレーザ装置は以上のように構成されてい
るので、集光特性を向上させるためにM値を大き
くすると発振効率が悪化するので、実用的にはM
値を最高集光性能の得られる無限大近くまであげ
られないという問題点があつた。また、ウインド
ミラー4がリング状のレーザビームにより不均一
に加熱されるため、不均一な内部応力が発生し、
通過するレーザビームの位相分布をくずし、集光
性能を悪化させる等の問題点があつた。
Conventional laser devices are configured as described above, so increasing the M value in order to improve light focusing characteristics will deteriorate the oscillation efficiency.
There was a problem in that the value could not be raised to near infinity where the best light collection performance could be obtained. In addition, since the wind mirror 4 is heated unevenly by the ring-shaped laser beam, uneven internal stress is generated.
There were problems such as disrupting the phase distribution of the passing laser beam and deteriorating the focusing performance.
この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、発振効率の低下を招かずにM
値が無限大に近い高品質のレーザビームを取出す
ることができるレーザ装置を容易に得ることを目
的とする。 This invention was made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to increase M without reducing the oscillation efficiency.
The object of the present invention is to easily obtain a laser device that can extract a high-quality laser beam with a value close to infinity.
この発明に係るレーザ装置は、拡大ミラーに部
分透過性をもたせると共に、共振器内または共振
器のレーザビーム出射側外部に、拡大ミラーを通
過するレーザビームと、ミラー周辺部を通過する
レーザビームの位相差を打消す位相補償ミラーを
設けるものである。
In the laser device according to the present invention, the magnifying mirror has partial transparency, and the laser beam passing through the magnifying mirror and the laser beam passing through the peripheral portion of the mirror are separated into the resonator or outside the laser beam output side of the resonator. A phase compensation mirror is provided to cancel the phase difference.
この発明における位相補償ミラーは拡大ミラー
部とミラー周辺部とを通過するレーザビーム間の
位相差をなくし、位相のそろつたレーザビームを
作り出す。
The phase compensation mirror according to the present invention eliminates the phase difference between the laser beam passing through the magnifying mirror section and the mirror peripheral section, and produces a laser beam with a uniform phase.
以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第1図はこの発明の一実施例によるレーザ装置
を示す断面側面図であり、図において、4はウイ
ンドミラーを兼ねる凸面鏡であり、コリメートミ
ラー1に対向する面の中央部に部分反射率を有す
る部分反射膜20(例えばZnSe薄膜)が設けら
れ、拡大ミラーとして働く。また反射膜20の周
辺部、及び他面即には無反射コーテイング膜5
(例えばPbF2薄膜)が設けられている。さらに凸
面鏡4とコリメートミラー1との間には中央部に
段差200をもち両面に無反射コーテイング膜5
の施された位相補償ミラー9が備えられている。 FIG. 1 is a cross-sectional side view showing a laser device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 4 is a convex mirror that also serves as a wind mirror, and has a partial reflectance in the center of the surface facing the collimating mirror 1. A partially reflective film 20 (for example a ZnSe thin film) is provided and acts as a magnifying mirror. In addition, the peripheral part of the reflective film 20 and the other surface are coated with a non-reflective coating film 5.
(e.g. PbF 2 thin film). Furthermore, there is a step 200 in the center between the convex mirror 4 and the collimating mirror 1, and a non-reflection coating film 5 is provided on both sides.
A phase compensation mirror 9 is provided.
次の動作について説明する。 The following operation will be explained.
コリメートミラー1及び凸面鏡4の反射膜20
部はいわゆる不安定型共振器を構成しており、凸
面鏡4の反射膜20で反射拡大されたレーザビー
ム7は、レーザ媒質3により増幅されると共に、
コリメートミラー1により平行ビームにコリメー
トされ、凸面鏡4より外部へレーザビーム8とし
て取出される。 Reflection film 20 of collimating mirror 1 and convex mirror 4
The part constitutes a so-called unstable resonator, and the laser beam 7 reflected and expanded by the reflection film 20 of the convex mirror 4 is amplified by the laser medium 3, and
The laser beam is collimated into a parallel beam by a collimating mirror 1, and extracted as a laser beam 8 from a convex mirror 4 to the outside.
このレーザビーム8は部分反射膜20を通過す
る部分70と無反射コーテイング膜5を通過する
部分71とからなるが、両者は位相補償ミラー9
により位相補正されて等位相の中づまり形状のレ
ーザビーム8として外部に取出される。このレー
ザビームは中づまりであるため、従来の不安定型
共振器で定義されたM値は無限大に相当する。 This laser beam 8 consists of a portion 70 that passes through the partially reflective film 20 and a portion 71 that passes through the non-reflection coating film 5, both of which are separated by a phase compensation mirror 9.
The phase of the laser beam 8 is corrected and the laser beam 8 is outputted to the outside as a laser beam 8 having an equal phase. Since this laser beam is centered, the M value defined in the conventional unstable resonator corresponds to infinity.
第2図a,bは各々従来及びこの発明の一実施
例による不安定型共振器で発生したレーザビーム
をレンズで集光させた場合のパターン形状を模式
的に示す特性図であり、横軸は光軸からの距離、
縦軸はビーム強度である。 FIGS. 2a and 2b are characteristic diagrams schematically showing pattern shapes when a laser beam generated in an unstable resonator according to a conventional method and an embodiment of the present invention are focused by a lens, respectively, and the horizontal axis is distance from the optical axis,
The vertical axis is the beam intensity.
この実験では両者の発振特性をほぼ同一にする
ため、反射膜20の反射率は50%、また反射膜2
0の径とビーム外径との比は1.5とした。(即ち、
M=1.5の従来の不安定型共振器の拡大ミラー2
に50%の部分透過性をもたせて、この発明の不安
定型共振器とした。)
また、凸面鏡4の両面の曲率は同一とし(厚み
を一定とし)、レーザビーム8が凸面鏡4を通過
後も平行ビームであるようにした。第2図a,b
で示される各集光性能を比較すると、この発明に
よるもの(第2図b)は中央強度が高く、かつ光
軸上に集中したレーザビームが得られることがわ
かる。 In this experiment, in order to make the oscillation characteristics of the two almost the same, the reflectance of the reflective film 20 was 50%, and the reflectance of the reflective film 20 was 50%.
The ratio between the zero diameter and the beam outer diameter was set to 1.5. (i.e.,
Magnifying mirror 2 of conventional unstable resonator with M=1.5
The unstable resonator of the present invention was made by giving 50% partial transparency to the resonator. ) Furthermore, the curvatures of both surfaces of the convex mirror 4 were made the same (the thickness was made constant), so that the laser beam 8 remained a parallel beam even after passing through the convex mirror 4. Figure 2 a, b
Comparing the respective light focusing performances shown in , it can be seen that the one according to the present invention (FIG. 2b) has a high center intensity and can obtain a laser beam concentrated on the optical axis.
つぎに位相補償ミラー9の作用について述べ
る。 Next, the operation of the phase compensation mirror 9 will be described.
レーザビーム70,71はそれぞれウインドミ
ラー4のうち2種類のコーテイング膜20,5の
施された部分を通過して外部に取出される。コー
テイング膜の種類によつて通過するレーザビーム
に与えられる位相変化は異なるため、位相補償ミ
ラーがなければ内部に発生した等位相レーザビー
ム7は空間的位相分布をもつレーザビームして外
部に取出される。 The laser beams 70 and 71 pass through the portions of the wind mirror 4 coated with two types of coating films 20 and 5, respectively, and are extracted to the outside. Since the phase change imparted to the laser beam passing through it differs depending on the type of coating film, if there is no phase compensation mirror, the equal phase laser beam 7 generated inside would be extracted to the outside as a laser beam with a spatial phase distribution. Ru.
第3図にはウインドミラー4内面の部分反射膜
20を通過するレーザビームに与えられる位相
と、無反射コーテイング膜5を通過するレーザビ
ームに与えられる位相との差に対しての集光特性
の計算例を示す。集光特性としてはレーザビーム
をレンズでしぼつた時のビーム強度が中央の1/
e2になる直径できめた集光スポツト径とその径内
に全体の何%のパワーが含まれるかを示すパワー
集中度とを示す。 FIG. 3 shows the focusing characteristics for the difference between the phase given to the laser beam passing through the partial reflection film 20 on the inner surface of the wind mirror 4 and the phase given to the laser beam passing through the non-reflection coating film 5. An example calculation is shown. As for the focusing characteristics, the beam intensity when the laser beam is focused by a lens is 1/1 of the center.
It shows the diameter of a condensing spot defined by a diameter of e 2 and the power concentration, which indicates what percentage of the total power is contained within that diameter.
前者が小さいほどレーザビームは細くしぼれ、
また後者が大きいほど細くしぼれた範囲内に大量
のパワーを集中でき、したがつて効率的な加工が
できるため、集光特性がよいと判断できる。第3
図より集光スポツト径を小さく、またパワー集中
度を高く保つためには位相差は約45°以内に保た
れる必要があることがわかる。しかし、たとえば
CO2レーザ用のミラーを例にとつても、この位相
差が60°以上になることはしばしば観測される。 The smaller the former, the narrower the laser beam becomes.
In addition, the larger the latter, the more power can be concentrated within a narrowed area, and therefore the more efficient processing can be performed, so it can be judged that the light collection characteristics are better. Third
The figure shows that in order to keep the focal spot diameter small and the power concentration high, the phase difference needs to be kept within about 45°. But for example
Taking mirrors for CO 2 lasers as an example, it is often observed that this phase difference is 60° or more.
位相補償ミラーはこの位相差を打消すべく構成
される。第1図に示す例では、レーザビーム7
0,71が通過する部分の間に段差200を設け
て、それぞれの厚みに変化をもたせている。 The phase compensation mirror is configured to cancel this phase difference. In the example shown in FIG.
A step 200 is provided between the portions where 0 and 71 pass to vary the thickness of each portion.
例えば、ウインドミラー4内面の部分反射膜2
0を通過するレーザビームに与えられる位相が、
無反射コーテイング膜5を通過するレーザビーム
に与えられる位相よりδ(degree)進んでいると
する。これを補正するための位相補償ミラー9中
央の段差200深さdは、
(n−1)d/λ=δ
により求められる。ただし、nは位相補償ミラー
9の材料の屈折率、λはレーザビームの波長であ
る。 For example, the partial reflection film 2 on the inner surface of the wind mirror 4
The phase given to the laser beam passing through 0 is
It is assumed that the phase is δ (degree) ahead of the phase given to the laser beam passing through the non-reflection coating film 5. The depth d of the step 200 at the center of the phase compensation mirror 9 for correcting this is determined by (n-1)d/λ=δ. However, n is the refractive index of the material of the phase compensation mirror 9, and λ is the wavelength of the laser beam.
なお、上記実施例では位相補償ミラー9として
透過型ミラーを用いたが、第4図に示すように反
射型ミラーを用いてもよい。この場合、レーザビ
ームは直線偏光で発生させることができ、高精度
加工などのようにレーザ装置外部で直線偏光を円
偏光化してもちいる例などに最適である。また位
相補償ミラー9の設置場所も共振器内部に限るも
のでもなく、第5図、第6図に示すように共振器
外部に設置してもよい。また、位相補償ミラー面
上での位相変化は、段差により実現する例を示し
たが、第7図に示すように構成の異なる無反射膜
5,55を用いてもよい。たとえばCO2レーザ用
のミラーを例にとれば、基盤(ZnSe)にPbF21
層を用いても、ZnSe、ThF42層を用いても無反
射コーテイング膜が実現できるが、この場合、両
膜を通過することによる位相差は20°以上である。
要は中央部とその周囲とで構成を工夫して位相差
が生じるような構成であればよい。 In the above embodiment, a transmission type mirror is used as the phase compensation mirror 9, but a reflection type mirror may be used as shown in FIG. In this case, the laser beam can be generated as linearly polarized light, and is ideal for high-precision machining, where linearly polarized light is converted into circularly polarized light outside the laser device. Further, the installation location of the phase compensation mirror 9 is not limited to the inside of the resonator, but may be installed outside the resonator as shown in FIGS. 5 and 6. Further, although an example has been shown in which the phase change on the phase compensation mirror surface is realized by a step difference, anti-reflection films 5 and 55 having different configurations may be used as shown in FIG. 7. For example, if we take a mirror for a CO 2 laser, the substrate (ZnSe) is PbF 2 1
A non-reflective coating film can be achieved by using two layers of ZnSe and ThF 4 , but in this case, the phase difference due to passing through both films is 20° or more.
In short, it is sufficient if the configuration is devised to create a phase difference between the central portion and its surroundings.
また拡大ミラーとして第8図に示すように、凹
面鏡を用いる構成としてもよい。 Further, as shown in FIG. 8, a concave mirror may be used as the magnifying mirror.
以上のように、この発明によれば不安定型共振
器の拡大ミラーに部分透過性をもたせる構成とし
たため、発振効率を犠牲にすることなく中づまり
の集光特性のよいレーザビームが得られ、したが
つてこのレーザビームを利用することにより高速
で効率よく高精度のレーザ加工をおこなうことが
できるという効果がある。また、レーザビームは
ウインドミラーを全体に加熱するため、熱応力が
発生しにくく安定して長期間ビームを取出すこと
ができるという効果もある。
As described above, according to the present invention, since the magnifying mirror of the unstable resonator is configured to have partial transparency, it is possible to obtain a laser beam with good focusing characteristics without sacrificing oscillation efficiency. By using the laser beam as a lever, it is possible to perform high-speed, efficient, and highly accurate laser processing. Furthermore, since the laser beam heats the entire wind mirror, thermal stress is less likely to occur and the beam can be stably extracted for a long period of time.
また、位相補償ミラーを共振器ミラーと別に設
けたのでそれぞれの最適設計ができ、容易に等位
相ビームが該外部に取出せるという効果もある。 Furthermore, since the phase compensation mirror is provided separately from the resonator mirror, each can be designed optimally, and the same phase beam can be easily extracted to the outside.
第1図はこの発明の一実施例によるレーザ装置
を示す断面側面図、第2図a,bは各々従来及び
この発明の一実施例によるレーザ装置の集光特性
を示す特性図、第3図はこの発明のもととなる位
相補償の必要性を説明する曲線図、第4図ないし
第8図は各々この発明の他の実施例によるレーザ
装置を示す断面側面図、第9図は従来のレーザ装
置を示す断面側面図である。
図において、1はコリメートミラー、3はレー
ザ媒質、4は凸面鏡、5は無反射コーテイング
膜、7,70,71,8はレーザビーム、9は位
相補償ミラー、20は部分反射膜、200は段
差、41は凹面鏡である。なお、図中、同一符号
は同一又は相当部分を示す。
FIG. 1 is a cross-sectional side view showing a laser device according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2a and 2b are characteristic diagrams showing the focusing characteristics of a conventional laser device and a laser device according to an embodiment of the present invention, respectively. FIG. is a curve diagram explaining the necessity of phase compensation which is the basis of this invention, FIGS. 4 to 8 are cross-sectional side views showing laser devices according to other embodiments of this invention, and FIG. 9 is a diagram showing a conventional laser device. It is a cross-sectional side view showing a laser device. In the figure, 1 is a collimating mirror, 3 is a laser medium, 4 is a convex mirror, 5 is a non-reflection coating film, 7, 70, 71, 8 are laser beams, 9 is a phase compensation mirror, 20 is a partial reflection film, 200 is a step , 41 is a concave mirror. In addition, in the figures, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
Claims (1)
拡大ミラーと、この拡大ミラーに対向配置され、
上記拡大ミラーで反射され拡大されたレーザビー
ムを、上記拡大ミラー及びミラー周辺部上に反射
させるコリメートミラーとからなる不安定型共振
器を有し、上記共振器内または上記共振器のレー
ザビーム出射側外部に、上記拡大ミラーを通過す
るレーザビームと、上記ミラー周辺部を通過する
レーザビームの位相差を打消す位相補償ミラーを
設けたレーザ装置。 2 拡大ミラーは凹または凸面鏡の中央部に部分
反射率を有する反射膜を設けて形成されている特
許請求の範囲第1項記載のレーザ装置。 3 凹または凸面鏡の両面の曲率は同一である特
許請求の範囲第2項記載のレーザ装置。 4 位相補償ミラーは、透過ミラーである特許請
求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の
レーザ装置。 5 位相補償ミラーは、反射ミラーである特許請
求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の
レーザ装置。 6 位相補償ミラー表面に、拡大ミラー部と、ミ
ラー周辺部に対応して段差を設けた特許請求の範
囲第1項ないし第5項のいずれかに記載のレーザ
装置。 7 位相補償ミラー表面に、拡大ミラー部と、ミ
ラー周辺部に対応して構成の異なる薄膜を設けた
特許請求の範囲第1項ないし第6項のいずれかに
記載のレーザ装置。[Scope of Claims] 1. A magnifying mirror having partial transmittance and consisting of a concave or convex mirror, disposed opposite to this magnifying mirror,
an unstable resonator comprising a collimating mirror that reflects a laser beam reflected and expanded by the magnifying mirror onto the magnifying mirror and a peripheral portion of the mirror; A laser device provided with an external phase compensation mirror for canceling a phase difference between a laser beam passing through the magnifying mirror and a laser beam passing around the mirror. 2. The laser device according to claim 1, wherein the magnifying mirror is formed by providing a reflective film having partial reflectance in the center of a concave or convex mirror. 3. The laser device according to claim 2, wherein the concave or convex mirror has the same curvature on both sides. 4. The laser device according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase compensation mirror is a transmission mirror. 5. The laser device according to any one of claims 1 to 4, wherein the phase compensation mirror is a reflection mirror. 6. The laser device according to any one of claims 1 to 5, wherein a step is provided on the surface of the phase compensation mirror to correspond to the magnifying mirror portion and the peripheral portion of the mirror. 7. The laser device according to any one of claims 1 to 6, wherein thin films having different configurations are provided on the surface of the phase compensation mirror, corresponding to the magnifying mirror portion and the peripheral portion of the mirror.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62220772A JPS6464278A (en) | 1987-09-03 | 1987-09-03 | Laser equipment |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62220772A JPS6464278A (en) | 1987-09-03 | 1987-09-03 | Laser equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS6464278A JPS6464278A (en) | 1989-03-10 |
JPH0463556B2 true JPH0463556B2 (en) | 1992-10-12 |
Family
ID=16756318
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62220772A Granted JPS6464278A (en) | 1986-12-08 | 1987-09-03 | Laser equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPS6464278A (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1987
- 1987-09-03 JP JP62220772A patent/JPS6464278A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6464278A (en) | 1989-03-10 |
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