JPH05183225A

JPH05183225A - レーザ共振器

Info

Publication number: JPH05183225A
Application number: JP34684991A
Authority: JP
Inventors: Naoto Yamaguchi; 直人山口; Yuko Kanazawa; 祐孝金沢; Yasunori Hamano; 靖徳浜野; Fumio Matsuzaka; 文夫松坂; Masatoshi Hirayama; 昌利平山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザビームの断面形状の軸対称性を向上さ
せたレーザ共振器を提供すること。【構成】レーザ媒質１２を挟んでレーザ媒質１２を励
起するための一対の電極１８、１９を設け、これら電極
１８、１９間をレーザビームが通過する方向にレーザビ
ームを取り出す半透明凹面鏡１０とレーザビームを全反
射する凹面鏡１１とを備えたレーザ共振器において、凹
面鏡１１から半透明凹面鏡１０へ至るレーザビームがレ
ーザ媒質１２を介して複数段に折り返すようにレーザ媒
質１２の外部に反射鏡１３〜１５（２１〜２６）を配置
すると共に、その反射鏡１３〜１５（２１〜２６）によ
り折り返されたレーザビームの光軸Ｌ₁、Ｌ₂（Ｌ₁₀〜
Ｌ ₁₂）が所定の角度で捩じられ、レーザビームの断面
形状の軸対称性を向上したことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ共振器に係わ
り、特にレーザ加工に用いるレーザ共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光応用技術の発展に伴い、種々の
レーザ共振器が開発されている。この種のレーザ共振器
のレーザ媒質に用いられるものとして例えばＹＡＧ等の
固体や、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ等の気体があり、レーザ共振
器から出射されたレーザビームを金属の溶接、切断等の
加工に用いている。

【０００３】図６は、従来の気体レーザビームを発生す
る３軸直交型のレーザ共振器の模式図である。

【０００４】同図において、レーザ共振器は、レーザ媒
質１と、レーザ媒質１内に励起光を発生させるための陰
極２及び陽極３と、陰極２及び陽極３の間にレーザビー
ムを取り出すための凹面鏡４、半透明凹面鏡５とで構成
されている。

【０００５】レーザ媒質１中で発生した励起光は、凹面
鏡４と半透明凹面鏡５との間を往復すると一部が半透明
反射鏡５を透過して矢印Ａ方向に出射する。こうして得
られたレーザビームは金属等に照射されて溶接や切断等
の加工に用いられる。

【０００６】ここで、レーザ媒質１内の屈折率がレーザ
ビーム光軸と直交する面で一定の理想的なレーザ媒質を
有するレーザ共振器の場合には、出射されるレーザビー
ムの断面の形状は真円である。

【０００７】また、前述の気体レーザの共振器は、励起
により発生する熱でレーザ媒質１が高温となるので、レ
ーザ媒質１を冷却する必要がある。

【０００８】そこでレーザ媒質１は通常熱交換器（図示
せず）を介して循環させることにより電極を通過する前
に冷却される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、陰極２及び
陽極３間を通過するレーザ媒質は、陰極２及び陽極３側
では高温となり、中央部では低温となり図７に示すよう
な温度分布が生じる。

【００１０】ここで、図７はレーザ媒質中の温度分布を
示す図であり、縦軸が温度Ｔを示し、横軸がｘ軸方向の
位置を示す。

【００１１】同図に示すようにレーザ媒質１の中央から
陰極２及び陽極３側に向かって温度Ｔが増加し、下に凸
の特性曲線を形成しているのがわかる。温度と密度とは
反比例の関係にあり、密度と屈折率とは比例の関係にあ
る。このためレーザ媒質１の屈折率はこの温度特性とは
逆の特性を有することになる。

【００１２】図８はレーザ媒質の屈折率分布を示す図で
あり、縦軸が屈折率ηを示し、横軸がｘ軸方向の位置を
示す。

【００１３】同図に示すようにレーザ媒質１の中央から
ｘ軸方向である陰極２及び陽極３側に向かって屈折率η
が減少しており、上に凸の屈折率分布を描いているのが
わかる。

【００１４】一方、ｙ軸方向に関しては温度分布は一定
となっているので屈折率分布もｙ軸方向に関しては一定
となる。これにより、レーザ媒質１はレーザ光軸に対し
て等価的にシリンドリカルレンズの機能を有することに
なるので、レーザ共振器から出射されるレーザビーム
は、広がり角が異なり（ｙ軸方向よりｘ軸方向の方が広
がり角が大になる）軸対称性が低下する。つまり、レー
ザビームの断面の形状はｘ軸方向に長軸を有し、ｙ軸方
向に短軸を有する楕円になってしまう。

【００１５】レーザ加工を行うときはレーザビームを絞
って行われるが、焦点でのそのビームのスポット断面の
形状は真円にはならず楕円のままである。このようなレ
ーザ共振器から出射されたビームで２次元的に溶接や切
断等を行うと、レーザビームのスポットの移動する方向
により加工が充分に行われず不都合が生じる。

【００１６】ここで、図９は従来のレーザ共振器による
金属の切断状態を示す図である。

【００１７】同図に示すように、断面の形状が楕円のレ
ーザビームを用いて金属を切断するとき．ｘ軸方向にレ
ーザビームのスポットを移動させた場合（図９（ａ））
とｘ軸と垂直な方向にレーザビームのスポットを移動さ
せた場合（図９（ｂ））とでは切断幅が異なるだけでな
く、切断可能な処理速度が異なる（ｘ軸方向に比べてｙ
軸方向の切断速度が遅くなる）ので、同一速度でレーザ
ビームを光軸と垂直な方向に移動した場合、ｘ軸方向へ
は切断されるもののｙ軸方向へは切断されないことがあ
り、作業能率や切断精度が低下してしまう。

【００１８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、レーザビームの軸対称性を向上させたレーザ共振器
を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、レーザ媒質を挟んでレーザ媒質を励起する
ための一対の電極を設け、これら電極間をレーザビーム
が通過する方向にレーザビーム取り出し部とレーザビー
ム全反射部とを設けたレーザ共振器において、上記レー
ザビーム全反射部からレーザビーム取り出し部へ至るレ
ーザビームが、レーザ媒質を介して複数段に折り返すよ
うにレーザ媒質の外部に光折り返し部を配置すると共
に、その光折り返し部に折り返されたレーザビームの光
軸が所定の角度で捩じられるように光軸捩じり手段を設
けたものである。

【００２０】

【作用】レーザビーム全反射部からレーザビーム取り出
し部へ至るレーザビームが、レーザ媒質を介して複数段
に折り返されると共に、折り返されたレーザビームの光
軸が所定の角度で捩じられることにより、レーザ媒質内
に温度分布があっても、レーザビームがレーザ媒質から
折り返される毎にその光軸の回りに捩じられ、取り出さ
れるレーザビームは楕円形状のものが所定の角度で回転
されて重畳されるのでレーザビームの軸対称性が向上す
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００２２】図２は本実施例のレーザ共振器を正面から
見た模式図である。尚、図中にｘ軸、ｙ軸及びｚ軸が記
載されている。このうちｘ軸は紙面に垂直となってお
り、ｙ軸はレーザ媒質としてのレーザガスの流れ方向、
ｚ軸はレーザビームの光軸方向となっている。

【００２３】同図においてレーザ媒質１２は、レーザガ
スの循環路１６内に形成されており、この循環路１６の
上流には熱交換器１７が設けられている。循環路１６内
のレーザガスは、熱交換器１７を介して循環され、かつ
冷却されるようになっている。このレーザガスは矢印Ｂ
方向に流れる。

【００２４】循環路１６の平行な部分の一方の側面（図
の右側）には平板状の電極（陽極）１８が設けられて接
地されており、循環路１６の他方の側面（図の左側）に
は二つの励起用の棒状電極（陰極）１９が設けられ、電
流制限用の抵抗器Ｒを介して端子２０が設けられてい
る。端子２０には負の高電圧（−ＨＶ）が印加され、電
極１８、１９間のレーザ媒質１２を励起するようになっ
ている。これらの電極１８、１９の間を図１に示した光
軸Ｌ₁、Ｌ₂が通過するようにｚ軸方向の循環路１６の
外側には半透明凹面鏡１０と凹面鏡１１とが配置されて
いる。励起によりレーザ媒質１２は高温となっているが
電極１８、１９間に再度循環される際レーザガスは冷却
されるのでレーザ媒質１２の全体の温度は一定である。
しかしレーザ媒質１２は電極１８、１９の中央より電極
１８、１９に近い側が高温となっており、前述のように
ｘ軸方向に温度分布（屈折率分布）が生じている。

【００２５】次に図１（ａ）は、図２に示したレーザ共
振器のｘ軸方向からの側面模式図であり、図１（ｂ）は
背面模式図である。

【００２６】同図（ａ）において、レーザ共振器は、レ
ーザビームを取り出す半透明凹面鏡１０と、レーザビー
ムを全反射する凹面鏡１１と、一対の電極と、両電極で
挟まれたレーザ媒質１２と、レーザビームを折り返すと
共に、光軸を捩じる３枚の平坦な反射鏡１３、１４、１
５からなる光折り返し部100 とで構成されている。

【００２７】半透明凹面鏡１０は、半透明凹面鏡１０の
光軸がレーザビームの光軸Ｌ₁（ｚ軸方向）と一致する
ようにレーザ媒質１２の前面（図の左側）に配置され、
凹面鏡１１は、凹面鏡１１の光軸がレーザビームの光軸
Ｌ₂（光軸Ｌ₁と互いにｙｚ平面に平行）と一致するよ
うにレーザ媒質１２の前面に配置されている。

【００２８】反射鏡１３、１４及び１５はレーザ媒質１
２の後面（図の右側）に配置されている。

【００２９】反射鏡１４は、光軸Ｌ₁、Ｌ₂を含む平面
に平行かつ所定の距離ｄだけ離隔されると共に、その光
軸Ｏ₂が光軸Ｌ₁、Ｌ₂の中間に位置するように配置さ
れている。

【００３０】反射鏡１３，１４，１５は、光軸Ｌ₁（Ｌ
₂）からのレーザビームがこれらの３枚の鏡で反射され
ることにより光軸が９０°捩じられてＬ₂（Ｌ₁）に入
射するように配置されている。

【００３１】次に本実施例の作用を述べる。

【００３２】図２において、端子２０に電圧（−ＨＶ）
が印加されると、電極１８、１９間で放電が起り励起光
が発生する。まず励起光により光軸Ｌ₁、Ｌ₂上には、
伝播することにより断面の形状となる楕円状のレーザビ
ームが発生する。この楕円はｘ軸方向に長軸を有しｙ軸
方向に短軸を有している（図３（ａ））。尚、図３はレ
ーザビームの断面の形状を説明するための説明図であ
る。

【００３３】まず、光軸Ｌ₁上のレーザビームは、レー
ザ媒質１２を通過した後、反射鏡１３でその光軸Ｏ₃を
中心に反射すると共に、その光軸Ｏ₃の回りに４５度の
角度で捩じられて反射鏡１４に入射し、反射鏡１４に入
射したレーザビームは光軸Ｏ₂を中心に反射し、反射鏡
１５の光軸Ｏ₁を中心に反射すると共に、その光軸Ｏ₁
の回りに４５度の角度で捩じられ、再度レーザ媒質１２
の光軸Ｌ₂に入射する。これにより、光軸Ｌ₂上のレー
ザビーム（図３（ａ））が、光軸Ｌ₂の回りに都合９０
度の角度で捩じられ（図３（ｂ））、光軸Ｌ₁上に重畳
されることになる（図３（ｃ））。

【００３４】一方、光軸Ｌ₂上のレーザビームは、レー
ザ媒質１２を通過した後、反射鏡１５の光軸Ｏ₁を中心
に反射すると共に、その光軸Ｏ₁の回りに４５度の角度
で捩じられ、反射鏡１４に入射し、反射鏡１４に入射し
たレーザビームは光軸Ｏ₂を中心に反射し、反射鏡１３
の光軸Ｏ₃を中心に反射すると共に、その光軸の回りに
４５度の角度で捩じられ、再度レーザ媒質１２の光軸Ｌ
₁上に入射する。これにより、光軸Ｌ₂上のレーザビー
ム（図３（ａ））が、光軸Ｌ₂の回りに都合９０度の角
度で捩じられ（図３（ｂ））、光軸Ｌ₁上に重畳される
ことになる（図３（ｃ））。

【００３５】これらのレーザビームは、光軸Ｌ
₁（Ｌ₂）の回りに９０度の角度で捩じられると共に、
レーザ媒質１２を介して半透明凹面鏡１０と凹面鏡１１
との間を往復する。その結果、図３（ｃ）に示すように
ｘ軸に長軸を有する楕円状レーザビームとｙ軸に長軸を
有する楕円状レーザビームとが重畳したレーザビームを
矢印Ｃ方向へ取り出すことができると共に、レーザビー
ムの断面の形状の軸対称性が向上し、レーザ加工の作業
能率、加工精度が向上する。

【００３６】図４は本発明の他の実施例の模式図であ
り、図５はレーザビームの断面の形状を説明する説明図
である。

【００３７】図１に示した実施例との相違点は、反射鏡
２１〜２６をレーザ媒質の前面及び後面に１組ずつ配置
してレーザビームをその光軸の回りに６０度又は１２０
度の角度で捩じると共に、３段に折り返す折り返し部20
0a,200b を有している点である。

【００３８】図４において、レーザ共振器の後面（図の
右側）に凹面鏡１１と、平坦な反射鏡２１、２２、２３
が並べて配置され、レーザ共振器の前面（図の左側）に
半透明凹面鏡１０と、平坦な反射鏡２４、２５、２６が
並べて配置されている。

【００３９】光軸Ｌ₁₂上のレーザビームはレーザ媒質１
２を通過した後、反射鏡２６の光軸Ｏ₂₆を中心に反射さ
れると共に、光軸の回りに３０度（又は６０度）の角度
で捩じられ、反射鏡２５の光軸Ｏ₂₅を中心に反射され、
反射鏡２４の光軸Ｏ₂₄を中心に反射されると共に、光軸
の回りにさらに３０度（又は６０度）の角度で捩じられ
た後レーザ媒質１２の１光軸Ｌ₁₁上に入射する。

【００４０】光軸Ｌ₁₁上のレーザビームは、反射鏡２３
の光軸Ｏ₂₃を中心に反射されると共に、光軸の回りにさ
らに３０度（又は６０度）の角度で捩じられ、反射鏡２
２の光軸Ｏ₂₂を中心に反射され、反射鏡２１の光軸Ｏ₂₁
を中心に反射されると共に、光軸の回りにさらに３０度
（又は６０度）の角度で捩じられた後レーザ媒質１２の
光軸Ｌ₁₀上に入射する。

【００４１】これにより光軸Ｌ₁₂上のレーザビームは
（図５（ａ））、光軸Ｌ₁₁上では、光軸Ｌ₁₂の回りに６
０度（又は１２０度）の角度で捩じられ（図５
（ｂ））、光軸Ｌ₁₀上では、光軸Ｌ₁₂の回りに１２０度
（又は２４０度）の角度で捩じられることになり（図５
（ｃ））、各光軸Ｌ₁₀、Ｌ₁₁、Ｌ₁₂上のレーザビームが
半透明凹面鏡１０と凹面鏡１１との間を往復する間に重
畳され（図５（ｄ））、軸対称性が向上され、半透明凹
面鏡１０から矢印Ｄ方向へ出射される。

【００４２】このように本実施例によれば、凹面鏡１１
から半透明凹面鏡１０へ至るレーザビームが、レーザ媒
質１２を介して反射鏡１３〜１５（２１〜２６）により
複数段に折り返されると共に、折り返されたレーザビー
ムの光軸Ｌ₁、Ｌ₂（Ｌ₁₀〜Ｌ₁₂）が所定の角度で捩じ
られることにより、レーザ媒質１２の温度分布により発
生するレーザビームの形状の軸対称性が悪くても、レー
ザビームがレーザ媒質１２から取り出される毎にレーザ
ビームが折り曲げられると共に、光軸の回りに捩じられ
て重畳されるのでレーザビームの断面の形状の軸対称性
が向上する。

【００４３】尚、本実施例においては、反射鏡１３〜１
５（２１〜２６）を用いてレーザビームを折り返した
が、これに限定されずプリズムを用いて構成してもよ
い。

【００４４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、レーザビ
ーム全反射部からレーザビーム取り出し部へ至るレーザ
ビームが、レーザ媒質を介して複数段に折り返されると
共に、折り返されたレーザビームの光軸が所定の角度で
捩じられるので、取り出されるレーザビームは各段のビ
ームが所定角度捩じられた形状となり軸対称性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は、本発明のレーザ共振器の一実施
例の側面模式図であり、図１（ｂ）はその背面模式図で
ある。

【図２】図１に示したレーザ共振器を正面から見た模式
図である。

【図３】レーザビームの断面の形状を説明する説明図で
ある。

【図４】本発明の他の実施例の模式図である。

【図５】レーザビームの断面の形状を説明する説明図で
ある。

【図６】従来の気体レーザビームを発生する３軸直交型
のレーザ共振器の模式図である。

【図７】レーザ媒質中の温度分布を示す図である。

【図８】レーザ媒質の屈折率分布を示す図である。

【図９】従来のレーザ共振器による金属の切断状態を示
す図である。

【符号の説明】

１０半透明凹面鏡１１凹面鏡１２レーザ媒質１３〜１５反射鏡１８、１９電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松坂文夫神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者平山昌利神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地石川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ媒質を挟んでレーザ媒質を励起す
るための一対の電極を設け、これら電極間をレーザビー
ムが通過する方向にレーザビーム取り出し部とレーザビ
ーム全反射部とを設けたレーザ共振器において、上記レ
ーザビーム全反射部からレーザビーム取り出し部へ至る
レーザビームが、レーザ媒質を介して複数段に折り返す
ようにレーザ媒質の外部に光折り返し部を配置すると共
に、その光折り返し部に折り返されたレーザビームの光
軸が所定の角度で捩じられるように光軸捩じり手段を設
けたことを特徴とするレーザ共振器。