JPH05160476A - レーザ装置およびそのミラー角度調節方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、全反射ミラーと拡大ミラーとの
角度ずれを実時間で調節して、高出力かつ高品質なレー
ザビームを安定して取り出すことができるレーザ装置お
よびそのミラー角度調節方法を得ることを目的とする。 【構成】 全反射ミラー１と拡大ミラー２とが対向して
配設されている。両ミラー１、２間には、レーザビーム
を増幅するレーザ媒質５と、透過窓４を介してレーザビ
ーム８を取り出すスクレーパミラー３とが配設されてい
る。拡大ミラー２には、駆動部１２ａと制御部１２ｂと
かならる角度調節装置１２が取り付けられている。さら
に、光源部１１ａと受光部１１ｂとからなり、拡大ミラ
ー２の角度ずれを検知する角度ずれ検知装置１１が配設
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばレーザ加工機
に用いられるレーザ装置に関し、特に全反射ミラーと拡
大ミラーとの角度ずれを検知し調節して、高出力かつ高
品質なレーザビームを安定して取り出すことができるレ
ーザ装置およびそのミラー角度調節方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えばレーザハンドブック（オー
ム社、昭和５７年）に記載された従来の正枝型の不安定
型共振器を用いたレーザ装置を示す側断面図である。図
において、１は例えばＣｕからなる凹面状の全反射ミラ
ー、２は例えばＣｕからなり、全反射ミラー１と対向し
て配置された凸面状の拡大ミラー、３は例えばＣｕから
なり、全反射ミラー１と拡大ミラー２とから構成され不
安定共振器よりレーザービームを取り出すスクレーパミ
ラー、４はＺｎＳｅからなる透過窓、５はレーザ媒質で
あり、このレーザ媒質５は、ＣＯ₂レーザ等のガスレー
ザの場合には、放電等により励起されたガス媒質、ある
いはＹＡＧ等の固体レーザの場合には、フラッシュラン
プ等により励起された固体媒質が用いられる。６は周囲
を覆う箱体、７は全反射ミラー１と拡大ミラー２とより
構成される不安定型共振器の内部に発生するレーザビー
ム、８は透過窓４により不安定型共振器外部に取り出さ
れるレーザビームである。

【０００３】つぎに、上記従来のレーザ装置の動作につ
いて説明する。全反射ミラー１と拡大ミラー２とより構
成される不安定型共振器の内部に発生するレーザビーム
７は、全反射ミラー１と拡大ミラー２との間を往復する
内にレーザ媒質５により増幅されるとともに、増幅され
たレーザビーム７の一部が、スクレーパミラー３、透過
窓４を介して発振器外部にリング状のレーザビーム８と
して取り出される。

【０００４】この取り出されたレーザビーム８は、ほと
んど等位相で得られ、レンズ等により集光した場合、中
高の集光ビームとなり、鉄板等の切断、溶接等を効率よ
く行うことができる。

【０００５】ここで、不安定型共振器を構成する全反射
ミラー１と拡大ミラー２とが正しく角度調整されていれ
ば、即ちアライメントされていれば、レーザビーム８は
例えば図２の（ａ）に示すように、リング状の軸対称の
強度分布となる。しかし、全反射ミラー１と拡大ミラー
２との角度が正規の状態からずれる、即ちミスアライメ
ントされた状態が生じた場合、レーザビーム８は、例え
ば図２の（ｂ）に示すように、リング状ではあるが非対
称の強度分布となる。さらに、レーザ共振器内のレーザ
ビーム７とレーザ媒質５との重なり具合が悪くなり、発
振効率が低下する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ装置は以
上のように構成されているので、全反射ミラー１と拡大
ミラー２とのミスアライメントが発生しても、このミス
アライメントを実時間で明確に検知し、ミスアライメン
トを修正することができず、レーザビーム８が非対称な
強度分布となり、かつ発振効率が低下してしまい、この
集光ビームによりレーザ加工を行うと、鉄板等の切断、
溶接等を効率よく行うことが困難となるという課題があ
った。

【０００７】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、不安定共振器を構成するミラー
の角度ずれを実時間で検知し、この角度ずれを一定値以
内に収めることにより、ミラーのミスアライメントに起
因する不具合を修正し、高出力かつ高品質なレーザビー
ムを安定して取り出すことができるレーザ装置およびミ
ラー角度調節方法を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の発明に
係るレーザ装置は、全反射ミラーと拡大ミラーとの角度
ずれを検知する角度ずれ検知装置と、この角度ずれ検知
装置の出力により全反射ミラーと拡大ミラーとの角度ず
れを所定範囲内に調節する角度調節装置とを設けるもの
である。

【０００９】また、この発明の第２の発明に係るレーザ
装置のミラー角度調節方法は、全反射ミラーと拡大ミラ
ーとの少なくとも一方のミラーに光を照射し、このミラ
ーからの反射光を受光してミラーの角度ずれを検知しな
がら、ミラーの角度ずれが所定範囲内に収まるようにミ
ラーの角度を調整するものである。

【００１０】

【作用】この発明においては、全反射ミラーと拡大ミラ
ーとの角度ずれを検知して、角度ずれ量を所定範囲内に
収めるようにミラーの角度を調節しているので、稼働中
に全反射ミラーと拡大ミラーとの角度ずれが発生して
も、ミラーのミスアライメントに起因する不具合が実時
間で修正される。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１．図１はこの発明の実施例１を示すレーザ装置
の側断面図であり、図において図８に示した従来のレー
ザ装置と同一または相当部分には同一符号を付し、その
説明を省略する。

【００１２】図において、１１は拡大ミラー２の角度ず
れを検知する角度ずれ検知装置であり、この角度ずれ検
知装置１１は、例えばＨｅＮｅレーザ光源からなる光源
部１１ａ、およびこのＨｅＮｅレーザ光源から出射され
拡大ミラー２で反射されたＨｅＮｅレーザビームの位置
を測定する、例えば２次元的に配置されたＣＣＤ素子か
らなる受光部１１ｂより構成されている。

【００１３】１２は角度ずれ検知装置１１から出力され
る出力信号に基づき、拡大ミラー２の角度を所定範囲内
に調節する角度調節装置であり、この角度調節装置１２
は、拡大ミラーに取り付けられた圧電素子等の駆動部１
２ａ、および角度ずれ検知装置１１からの出力信号を解
析し、拡大ミラー２の角度ずれ量に基づいて駆動部１２
ａを駆動する制御部１２ｂより構成されている。

【００１４】ここで、微少量の角度ずれを起こした不安
定型共振器のミスアライメント特性について、図３に基
づいて、光軸の移動によって説明する。ただし、図３に
おいて、Ｒ₁、２ａ₁はそれぞれ全反射ミラー１の曲率半
径およびミラー直径、Ｒ₂、２ａ₂はそれぞれ拡大ミラー
２の曲率半径およびミラー直径、Ｌは共振器長である。
また、θは拡大ミラー２の角度ずれ量であり、光軸は共
振器を構成する全反射ミラー１および拡大ミラー２の曲
率中心を共有する線である。

【００１５】拡大ミラー２がθなる量だけ角度ずれをお
こした場合、それにともなう共振器の光軸移動量ΔＸ
（図３中における点ａと点ｄとの距離）は、ΔＸ＝｛−
（Ｒ₁−Ｌ）Ｒ₂θ｝／（Ｒ₁＋Ｒ₂−Ｌ）として与えられ
る。したがって、光軸移動量ΔＸが大きいほど拡大ミラ
ー２の角度ずれ量θが大きいことになる。

【００１６】さて、光軸移動量ΔＸが大きいほど、即ち
拡大ミラー２の角度ずれ量θが大きいほどレーザビーム
８の強度分布は非対称の分布となり、レーザ装置の稼働
中に種々の不具合が発生するが、光軸移動量が共振器に
及ぼす影響について実験的に検討した結果、この光軸移
動量ΔＸを、ΔＸ＜｜ａ₂／４Ｎ_eq｜と制御することに
より、レーザビーム８の強度分布は対称の分布を保ち、
種々の不具合の発生を抑えることがわかった。ここで、
Ｎ_eqは不安定型共振器の等価フルネル数であり、Ｎ_eq＝
｛（Ｍ²−１）／４Ｍ（１−Ｌ／Ｒ₁）｝（ａ₂ ²／Ｌλ）
で与えられる。ただし、Ｍは不安定型共振器の拡大率、
λはレーザビームの波長である。

【００１７】つぎに、上記実施例１の拡大ミラー２の角
度調節方法について説明する。まず、拡大ミラー２に設
けられた角度ずれ検知装置１１の設定信号レベルを、図
４の（ａ）に示すように、アライメントされた場合の検
知位置に対応するようにしておく。さらに、角度調節装
置１２が作動を開始しない安全範囲として、図４の
（ａ）に示すように、ΔＸ＜｜ａ₂／４Ｎ_eq｜に対応す
る検知範囲を設定しておく。

【００１８】ついで、角度ずれ検知装置１１は、ＨｅＮ
ｅレーザ光源１１ａからＨｅＮｅレーザビームを出射
し、拡大ミラー２に照射し、拡大ミラー２で反射された
ＨｅＮｅレーザビームを受光部１１ｂで測定し、検知位
置に対応した出力信号を出力する。一方、角度調節装置
１２では、角度ずれ検知装置１１からの出力信号を制御
部１２ｂで入力し、拡大ミラー２の角度ずれ量を解析
し、その角度ずれ量が角度ずれ検知装置１１の安全範囲
内であれば、角度調節装置１２は作動しない。また、図
４の（ｂ）に示すように、安全範囲を越えていれば、制
御部１２ｂは駆動部１２ａの作動を開始し、拡大ミラー
２の角度の調節を開始する。

【００１９】ここで、角度調節装置１２は、角度ずれ検
知装置１１からリアルタイムに出力される出力信号を入
力して、あらかじめ設定されたアライメント時の検知位
置と現在の検知位置とが等しくなるまで、拡大ミラー２
の角度を調節し、アライメント時の検知位置と等しくな
った時点で作動を中止する。

【００２０】なお、上記実施例１におけるスクレーパミ
ラー３、透過窓４を介してのリング状のレーザビーム８
の取り出しの動作は、図８に示した従来のレーザ装置と
同様に動作する。

【００２１】このように、上記実施例１によれば、拡大
ミラー２の角度ずれ量を検知する角度ずれ検知装置１１
と、角度ずれ検知装置１１からの出力信号により拡大ミ
ラー２の角度を調節する角度調節装置１２とを設け、拡
大ミラーに光を照射し、このミラーからの反射光を受光
してミラーの角度ずれを検出しながら、ミラーの角度ず
れが所定範囲内に収まるようにミラーの角度を調整して
いるので、レーザ装置の稼働中に拡大ミラー２の角度ず
れが発生しても、レーザ装置の稼働を停止することな
く、実時間に拡大ミラー２の角度ずれがΔＸ＜｜ａ₂／
４Ｎ_eq｜となるように調整され、高出力かつ高品質なレ
ーザビームを安定して取り出すことができ、極めて安定
で信頼性のあるレーザ動作を長時間持続できる。

【００２２】さらに、上記実施例１をレーザ加工機に搭
載した場合には、極めて安定なレーザ動作を長時間持続
できるので、精度のよいレーザ加工を長時間効率よく行
うことができる。

【００２３】実施例２．上記実施例１では、拡大ミラー
２に角度ずれ検知装置１１および角度調節装置１２を取
り付けるものとしているが、この実施例２では、図５に
示すように、全反射ミラー１に角度ずれ検知装置１１お
よび角度調節装置１２を取り付けるものとし、同様の効
果を奏する。

【００２４】実施例３．上記実施例１では、拡大ミラー
２に角度ずれ検知装置１１および角度調節装置１２を取
り付けるものとしているが、この実施例３では、図６に
示すように、全反射ミラー１と拡大ミラー２とにそれぞ
れ角度ずれ検知装置１１および角度調節装置１２を取り
付けるものとし、同様の効果を奏する。

【００２５】実施例４．図７はこの発明の実施例４を示
すレーザ装置の側断面図である。図において、９は全反
射ミラー１と対向して配置され、透明光学体、例えばＺ
ｎＳｅからなる凸面状の拡大レンズであり、この拡大レ
ンズ９の全反射ミラー１と対向する面の中央部には、部
分反射率を有する、例えばＺｎＳｅからなる部分反射膜
９ａが被覆され、さらに拡大ミラー９の全反射ミラー１
と対向する面の部分反射膜９ａの周囲部および全反射ミ
ラーと対向しない面の全面に、例えばＺｎＳｅとＴｈＦ
₄との２層構造の無反射膜９ｂが被覆されている。上記
実施例例４では、全反射ミラー１に角度ずれ検知装置１
１および角度調節装置１２を取り付けるものとし、同様
の効果を奏する。

【００２６】なお、上記各実施例では、正枝型の不安定
型共振器を用いて説明しているが、この発明は、負枝型
の不安定型共振器にも適用できることはいうまでもない
ことである。

【００２７】また、上記各実施例では、光源部１１ａと
してＨｅＮｅレーザ光源、受光部１１ｂとしてＣＣＤ素
子からなる角度ずれ検知装置１１を用いて説明している
が、本願発明はこれに限定されるものではなく、角度ず
れ検知装置１１としてはミラーの角度のずれを検知でき
る構成であればよい。

【００２８】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００２９】この発明の第１の発明によれば、全反射ミ
ラーと拡大ミラーとの角度ずれを検知する角度ずれ検知
装置と、この角度ずれ検知装置の出力により全反射ミラ
ーと拡大ミラーとの角度ずれを所定範囲内に調節する角
度調節装置とを設けているので、全反射ミラーと拡大ミ
ラーとの角度ずれは所定範囲内に調節され、ミラーのミ
スアライメントに起因する不具合が修正され、高出力か
つ高品質なレーザビームを安定して取り出すことができ
る。

【００３０】また、この発明の第２の発明によれば、全
反射ミラーと拡大ミラーとの少なくとも一方のミラーに
光を照射し、ミラーからの反射光を受光してミラーの角
度ずれを検出しながら、ミラーの角度ずれが所定範囲内
に収まるようにミラーの角度を調整しているので、レー
ザ装置の稼働中にミラーの角度ずれは発生しても、実時
間に所定範囲内に調節され、安定してレーザビームを取
り出せる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示すレーザ装置の側断面
図である。

【図２】（ａ）はアライメント時におけるレーザ装置よ
り取り出されたレーザビームの強度分布図であり、
（ｂ）はミスアライメント時におけるレーザ装置より取
り出されたレーザビームの強度分布図である。

【図３】レーザ装置の幾何的な構成図である。

【図４】（ａ）この発明の実施例１を示すレーザ装置の
ミラー角度調整方法におけるアライメント時の角度ずれ
検知状態図であり、（ｂ）はミスアライメント時の角度
ずれ検知状態図である。

【図５】この発明の実施例２を示すレーザ装置の側断面
図である。

【図６】この発明の実施例３を示すレーザ装置の側断面
図である。

【図７】この発明の実施例４を示すレーザ装置の側断面
図である。

【図８】従来のレーザ装置の一例を示す側断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 全反射ミラー ２ 拡大ミラー １１ 角度ずれ検知装置 １２ 角度調節装置

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年７月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】図８は例えばレーザハンドブック（オー
ム社、昭和５７年）に記載された従来の正枝型の不安定
型共振器を用いたレーザ装置を示す側断面図である。図
において、１は例えばＣｕからなる凹面状の全反射ミラ
ー、２は例えばＣｕからなり、全反射ミラー１と対向し
て配置された凸面状の拡大ミラー、３は例えばＣｕから
なり、全反射ミラー１と拡大ミラー２とから構成される
不安定共振器よりレーザービームを取り出すスクレーパ
ミラー、４はＺｎＳｅからなる透過窓、５はレーザ媒質
であり、このレーザ媒質５は、ＣＯ₂レーザ等のガスレ
ーザの場合には、放電等により励起されたガス媒質、あ
るいはＹＡＧ等の固体レーザの場合には、フラッシュラ
ンプ等により励起された固体媒質が用いられる。６は周
囲を覆う箱体、７は全反射ミラー１と拡大ミラー２とよ
り構成される不安定型共振器の内部に発生するレーザビ
ーム、８は透過窓４により不安定型共振器外部に取り出
されるレーザビームである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】実施例４．図７はこの発明の実施例４を示
すレーザ装置の側断面図である。図において、９は全反
射ミラー１と対向して配置され、透明光学体、例えばＺ
ｎＳｅからなる凸面状の拡大レンズであり、この拡大レ
ンズ９の全反射ミラー１と対向する面の中央部には、部
分反射率を有する、例えばＺｎＳｅからなる部分反射膜
９ａが被覆され、さらに拡大ミラー９の全反射ミラー１
と対向する面の部分反射膜９ａの周囲部および全反射ミ
ラーと対向しない面の全面に、例えばＺｎＳｅとＴｈＦ
₄との２層構造の無反射膜９ｂが被覆されている。上記
実施例４では、全反射ミラー１に角度ずれ検知装置１１
および角度調節装置１２を取り付けるものとし、同様の
効果を奏する。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 全反射ミラーと拡大ミラーとを互いに対
   向して配置してなる不安定型共振器を備えたレーザ装置
   において、前記全反射ミラーと前記拡大ミラーとの角度
   ずれを検知する角度ずれ検知装置と、前記角度ずれ検知
   装置の出力により前記全反射ミラーと前記拡大ミラーと
   の角度ずれを所定範囲内に調節する角度調節装置とを設
   けたことを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 全反射ミラーと拡大ミラーとを互いに対
   向して配置してなる不安定型共振器を備えたレーザ装置
   において、前記全反射ミラーと前記拡大ミラーとの少な
   くとも一方のミラーに光を照射し、前記ミラーからの反
   射光を受光して前記ミラーの角度ずれを検出しながら、
   前記ミラーの角度ずれが所定範囲内に収まるように前記
   ミラーの角度を調節することを特徴とするレーザ装置の
   ミラー角度調節方法。