JPH0575186A

JPH0575186A - レーザ装置

Info

Publication number: JPH0575186A
Application number: JP26258891A
Authority: JP
Inventors: Yuji Takenaka; 裕司竹中; Masaki Kuzumoto; 昌樹葛本; Kenji Yoshizawa; 憲治吉沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-09-17
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1993-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】最高集光性能の得られる高出力かつ高品質な
レーザビームおよび集光強度分布が低く広がったレーザ
ビームを安定に取り出す。【構成】全反射ミラー１および拡大ミラー２間を往復
するレーザビームを増幅するレーザ媒質５と、上記全反
射ミラー１および拡大ミラー２間に配置されて、中央部
に部分反射膜１２が、その周辺部に全反射膜１３がそれ
ぞれ設けられた平面ミラー１１とを設け、上記部分反射
膜１２および全反射膜１３によって反射されたレーザビ
ームを、透過窓４を通して箱体６の外へ取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属材料の溶接，切
断および焼き入れなどに利用するレーザ装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図７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断面図であり、図に
おいて、１は凹面状の、例えば銅よりなる全反射ミラ
ー、２は全反射ミラー１に対向配置された凸面状の、例
えば銅よりなる拡大ミラー、９は全反射ミラー１、拡大
ミラー２より構成される不安定型共振器よりレーザビー
ムを取り出す、例えば銅よりなるスクレーパミラーであ
る。

【０００３】また、４は例えばＺｎＳｅよりなる透過
窓、５はレーザ媒質で、例えばＣＯ₂レーザー等のガス
レーザの場合では、放電などにより励起されたガス媒
質、ＹＡＧ等の固体レーザの場合では、フラッシュラン
プ等により励起された固体媒質である。６は周囲を覆う
箱体、７は全反射ミラー１および拡大ミラー２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により発振器外部に取り出されるレーザビ
ームである。

【０００４】次に動作について説明する。全反射ミラー
１および拡大ミラー２は正枝型の不安定型共振器を構成
しており、レーザビーム７は全反射ミラー１および拡大
ミラー２間を往復するうちにレーザ媒質５により増幅さ
れるとともに、レーザビーム７の一部がスクレーパミラ
ー９および透過窓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。取り出されたリング
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。なお、図８は上記レーザビーム７を集光レンズで集
光させた場合の強度分布図であり、横軸は光軸からの距
離、縦軸はレーザビームの強度である。

【０００５】レーザビームの集光の度合は取り出される
リング状のレーザビーム８の内径と外径の比（拡大率）
で決まり、拡大率が大きいほど、すなわち、より中詰ま
りで取り出されたレーザビームほどよく集光される。し
かし、拡大率を大きくすると発振効率が低下するため、
工業的に用いられている拡大率の上限は３程度である。

【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、集光特性を向上させる
ために拡大率を増加させた場合には、発振効率が低下す
ることとなり、実用的には拡大率を最高集光性能の得ら
れる無限大近くまで増加できないなどの問題点があっ
た。

【０００７】この請求項１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あり、従来装置におい
て拡大率が無限大近くの場合にのみ得られるような集光
性能を容易に得ることができ、高出力かつ高品質なレー
ザビームを安定に取り出すことができるレーザ装置を得
ることを目的とする。

【０００８】また、この請求項２の発明は、加工材料の
焼き入れなどに有効な集光強度分布が広がったレーザビ
ームを出力できるレーザ装置を得ることを目的とする。

【０００９】さらに、この請求項３の発明は集光分布を
より細く軸中心に集光し、軸上強度を著しく上昇させる
ことにより、加工材料の溶接，切断を効率的に行うこと
ができるレーザ装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この請求項１の発明に係
るレーザ装置は、全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往
復するレーザビームを増幅するレーザ媒質と、上記全反
射ミラーおよび拡大ミラー間に配置されて、中央部に部
分反射膜が、その周辺部に全反射膜がそれぞれ設けられ
た平面ミラーとを設け、上記部分反射膜および全反射膜
によって反射されたレーザビームを、透過窓を通して箱
体の外へ取り出すようにしたものである。

【００１１】また、この請求項２の発明に係るレーザ装
置は、全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレー
ザビームを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーお
よび拡大ミラー間に配置されて、中央部に部分反射膜
が、その周辺部に全反射膜がそれぞれ設けられ、かつこ
れらの部分反射膜および全反射膜の境界部分に段差を有
する平面ミラーとを設け、上記部分反射膜および全反射
膜によって反射されたレーザビームを、透過窓を通して
箱体の外へ取り出すようにしたものである。

【００１２】さらに、この請求項３の発明に係るレーザ
装置は、全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレ
ーザビームを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラー
および拡大ミラー間に配置されて、中央部から周辺部に
かけてレーザビームの透過率がガウス分布状または放物
曲線状に変化する膜を持った平面ミラーとを設け、該平
面ミラー上の上記膜によって反射されたレーザビームを
透過窓を通して箱体の外へ取り出すようにしたものであ
る。

【００１３】

【作用】この請求項１の発明における平面ミラーは、中
央部の部分反射膜で中央部のレーザビームの一部を反射
させ、周囲部の全反射膜で周囲部のレーザビームを全て
反射させるため、外部に取り出されるレーザビームの形
状は中詰まり状に変化し、軸上の集光強度を著しく高め
るように機能する。

【００１４】また、この請求項２の発明における部分反
射膜と全反射膜との段差部は、各反射されるレーザービ
ームに位相差を発生させ、外部に取り出されるレーザビ
ームの軸上強度を低下させて、レーザ加工による加工材
料の焼き入れに利用可能にする。

【００１５】さらに、この請求項３の発明における膜
は、中央部から周辺部にかけて、レーザビームの透過率
を放物曲線状またはガウス分布状に変化させたものであ
るので、集光強度分布は、より強く軸中心に集光し、軸
上強度を著しく高くし、溶接や切断加工に利用可能にす
る。

【００１６】

【実施例】実施例１．以下、この請求項１の発明の一実
施例を図について説明する。図１において、１は凹面状
の、例えば銅よりなる全反射ミラー、２は全反射ミラー
１に対向配置された凸面状の、例えば銅よりなる拡大ミ
ラーである。

【００１７】また、４は例えばＺｎＳｅよりなる透過
窓、５はレーザ媒質で、例えばＣＯ₂レーザー等のガス
レーザの場合では、放電などにより励起されたガス媒
質、ＹＡＧ等の固体レーザの場合では、フラッシュラン
プ等により励起された固体媒質である。６は周囲を覆う
箱体、７は全反射ミラー１および拡大ミラー２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により発振器外部に取り出されるレーザビ
ーム、１１はこの発明のレーザ装置に具備されている透
明光学体からなる平面ミラー、１２は平面ミラー１１の
中央部に施された部分反射膜、１３は周囲部に施された
全反射膜であり、平面ミラー１１に施された部分反射膜
１２と全反射膜１３との境界部分には段差はなく、従っ
て、レーザビーム７が平面ミラー１１に施された部分反
射膜１２と全反射膜１３によって反射された際、位相差
は全く生じない。

【００１８】また、１４は平面ミラー１１の拡大ミラー
２に対向する面に施された無反射膜であり、拡大ミラー
２によって反射されたレーザビーム７が平面ミラー１１
で反射されるのを防いでいる。拡大ミラー２によって反
射され、さらに無反射膜１４を通過したレーザビーム７
は、部分反射膜１２によって一部反射されるが、この反
射されたレーザビームを直接モニターすることで、実時
間で共振器内のレーザビーム７の状態やレーザ出力が測
定できる。

【００１９】次に動作について説明する。全反射ミラー
１および拡大ミラー２は不安定型共振器を構成してお
り、レーザビーム７は各ミラー１，２間を往復するうち
に、レーザ媒質５により増幅される。全反射ミラー１で
反射されたレーザビーム７が平面ミラー１１まで伝搬す
ると、平面ミラー１１の中央部に施された部分反射膜１
２の直径に相当するレーザビーム７の一部は反射率に相
当する量だけ反射し、透過率に相当する量だけ拡大ミラ
ー２の方に透過する。

【００２０】一方、平面ミラー１１の周囲部に施された
全反射膜１３に入射したレーザビーム７は全て反射す
る。平面ミラー１１に施された部分反射膜１２と全反射
膜１３によって反射されたレーザビーム７は、透過窓４
を介して発振器外部に中詰まり状のレーザビーム８とし
て取り出される。また、平面ミラー１１に施された部分
反射膜１２を透過したレーザビーム７は拡大ミラー２ま
で伝搬し、上記した一連の動作を繰り返す。

【００２１】図２は上記実施例により発生したレーザビ
ームを集光レンズで集光させた場合の強度分布図であ
り、横軸は光軸からの距離、縦軸はレーザビームの強
度、拡大率は各々１．５である。いま、これを従来の図
８と比較すると、上記実施例では、レーザビーム７は従
来のものと比較して、より細く軸中心に集光し、軸上強
度も著しく上昇していることがわかる。また、強度分布
も上記実施例では、溶接，切断等のレーザ加工に最も適
しているといわれているガウス分布にきわめて近いもの
であることがわかる。

【００２２】実施例２．図３はこの請求項２の発明の一
実施例を示す断面図である。この実施例では、平面ミラ
ー１１に施された部分反射膜１２と全反射膜１３の境界
部分に段差部２１を設けてあり、ここでは部分反射膜１
２が厚めに作られている。この場合には、段差部２１の
影響により、平面ミラー１１に施された部分反射膜１２
と全反射膜１３で反射されたレーザビーム８の間には位
相差が生じる。

【００２３】実施例３．図４はこの請求項２の発明の他
の実施例を示す断面図であり、これが図３と異なるとこ
ろは、部分反射膜１２に対し全反射膜１３を厚めにした
点である。

【００２４】従って、この位相差を持つレーザビーム８
を集光レンズで集光した場合、その強度分布は図５に示
すように、位相差がない場合の図２に示すような強度分
布と比較して軸上強度が低下し、周囲に広がった分布と
なる。従って、このような強度分布を持つレーザビーム
８はレーザ加工における焼き入れ等に有効である。

【００２５】実施例４．なお、上記実施例１では平面ミ
ラー１１に部分反射膜１２と全反射膜１３を施し、反射
率が部分反射膜１２と全反射膜１３の境界線でステップ
状に変化する構造のものを示したが、図６に示すように
平面ミラー１１の中央部から周囲部にかけて透過率がガ
ウス状にまたは放物線状に変化するような膜３１を設け
てもよい。

【００２６】この場合は集光強度分布は従来のものと比
較して、より細く軸中心に集光し、軸上強度も著しく上
昇し、溶接，切断等のレーザ加工にも適しているといわ
れているガウス分布にきわめて近いものになる。

【００２７】また、上記実施例１〜４の説明では、この
発明を正枝型の不安定型共振器に適用した場合について
述べたが、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。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、この請求項１の発明によ
れば、全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレー
ザビームを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーお
よび拡大ミラー間に配置されて、中央部に部分反射膜
が、その周辺部に全反射膜がそれぞれ設けられた平面ミ
ラーとを設け、上記部分反射膜および全反射膜によって
反射されたレーザビームを、透過窓を通して箱体の外へ
取り出すように構成したので、共振器より取り出される
レーザビームは中詰まり状になり、従って、このレーザ
ビームを集光レンズで集光した場合、強度分布を準ガウ
ス状に集光できるものが得られる効果がある。

【００２９】また、この請求項２の発明によれば、全反
射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレーザビームを
増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーおよび拡大ミ
ラー間に配置されて、中央部に部分反射膜が、その周辺
部に全反射膜がそれぞれ設けられ、かつこれらの部分反
射膜および全反射膜の境界部分に段差を有する平面ミラ
ーとを設け、上記部分反射膜および全反射膜によって反
射されたレーザビームを、透過窓を通して箱体の外へ取
り出すように構成したので、平面ミラーに施された部分
反射膜と全反射膜で反射されたレーザビームとに位相差
を生じるさせることができ、従って、この位相差を持つ
レーザビームの集光強度分布は軸上強度が低下し、周囲
に広がった分布となり、レーザ加工における焼き入れ等
に有効に利用できるものが得られる効果がある。

【００３０】さらに、この請求項３の発明によれば、全
反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレーザビーム
を増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーおよび拡大
ミラー間に配置されて、中央部から周辺部にかけてレー
ザビームの透過率がガウス分布状または放物曲線状に変
化する膜を持った平面ミラーとを設け、その平面ミラー
上の上記膜によって反射されたレーザビームを透過窓を
通して箱体の外へ取り出すように構成したので、集光強
度分布を従来のものと比較して、より細く軸中心に集光
させ、軸上強度も著しく上昇させることができ、従っ
て、溶接，切断等のレーザ加工に最も適するものが得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この請求項１の発明の一実施例によるレーザ装
置を示す断面図である。

【図２】図１におけるレーザ装置が発生したレーザビー
ムを、集光レンズで集光させた場合の集光強度を示す強
度分布図である。

【図３】この請求項２の発明の一実施例によるレーザ装
置を示す断面図である。

【図４】この請求項２の発明の他の実施例によるレーザ
装置を示す断面図である。

【図５】この請求項２の発明におけるレーザ装置が発生
したレーザビームを集光レンズで集光させた場合の集光
強度を示す強度分布図である。

【図６】この請求項３の発明の一実施例によるレーザ装
置を示す断面図である。

【図７】従来のレーザ装置を示す断面図である。

【図８】図７におけるレーザ装置によるレーザビームの
集光強度を示す強度分布図である。

【符号の説明】

１全反射ミラー２拡大ミラー４透過窓５レーザ媒質６箱体１１平面ミラー１２部分反射膜１３全反射膜２１段差部３１膜

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

【手続補正書】

【提出日】平成４年１月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】実施例２．図３はこの請求項２の発明の一
実施例を示す断面図である。この実施例では、平面ミラ
ー１１に施された部分反射膜１２と全反射膜１３の境界
部分に段差部２１を設けてある。この場合には、段差部
２１の影響により、平面ミラー１１に施された部分反射
膜１２と全反射膜１３で反射されたレーザビーム８の間
には位相差が生じる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】実施例３．図４はこの請求項２の発明の他
の実施例を示す断面図であり、これが図３と異なるとこ
ろは、平面ミラーにくぼみを持たせた点である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正４】

【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】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】箱体内に互いに対向配置された全反射ミ
ラーおよび拡大ミラーよりなる不安定型共振器と、上記
全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレーザビー
ムを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーおよび拡
大ミラー間に配置されて、中央部に部分反射膜が、その
周辺部に全反射膜がそれぞれ設けられた平面ミラーと、
上記部分反射膜および全反射膜によって反射されたレー
ザビームを上記箱体の外へ取り出す透過窓とを備えたレ
ーザ装置。
【請求項２】箱体内に互いに対向配置された全反射ミ
ラーおよび拡大ミラーよりなる不安定型共振器と、上記
全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレーザビー
ムを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーおよび拡
大ミラー間に配置されて、中央部に部分反射膜が、その
周辺部に全反射膜がそれぞれ設けられかつこれらの部分
反射膜および全反射膜の境界部分に段差を有する平面ミ
ラーと、上記部分反射膜および全反射膜によって反射さ
れたレーザビームを上記箱体の外へ取り出す透過窓とを
備えたレーザ装置。
【請求項３】箱体内に互いに対向配置された全反射ミ
ラーおよび拡大ミラーよりなる不安定型共振器と、上記
全反射ミラーおよび拡大ミラー間を往復するレーザビー
ムを増幅するレーザ媒質と、上記全反射ミラーおよび拡
大ミラー間に配置されて、中央部から周辺部にかけてレ
ーザビームの透過率がガウス分布状または放物曲線状に
変化する膜を持った平面ミラーと、該平面ミラー上の上
記膜によって反射されたレーザビームを上記箱体の外へ
取り出す透過窓とを備えたレーザ装置。