JPH0613682A - 炭酸ガスレーザ発振装置 - Google Patents
炭酸ガスレーザ発振装置Info
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- JPH0613682A JPH0613682A JP16921492A JP16921492A JPH0613682A JP H0613682 A JPH0613682 A JP H0613682A JP 16921492 A JP16921492 A JP 16921492A JP 16921492 A JP16921492 A JP 16921492A JP H0613682 A JPH0613682 A JP H0613682A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 炭酸ガスレーザ発振装置ビーム径の大きな低
次モードであって、かつ、広い範囲にわたってほぼフラ
ットなビーム伝播特性を有するレーザビームを出力す
る。 【構成】 炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、
放電管４、全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全
反射鏡５は凸面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凸
部の曲率半径をＲrear〔ｍcx（meter convex）〕とす
る。また、出力鏡６は凹面鏡であって、内部の曲率半径
すなわち凹部の曲率半径をＲoutput〔ｍcc（meter conc
ave ）〕とする。そして、これらの鏡の曲率半径は、安
定型共振器として動作させるためにＲrear＞Ｒoutputを
満足するように選択する。
次モードであって、かつ、広い範囲にわたってほぼフラ
ットなビーム伝播特性を有するレーザビームを出力す
る。 【構成】 炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、
放電管４、全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全
反射鏡５は凸面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凸
部の曲率半径をＲrear〔ｍcx（meter convex）〕とす
る。また、出力鏡６は凹面鏡であって、内部の曲率半径
すなわち凹部の曲率半径をＲoutput〔ｍcc（meter conc
ave ）〕とする。そして、これらの鏡の曲率半径は、安
定型共振器として動作させるためにＲrear＞Ｒoutputを
満足するように選択する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は炭酸ガスレーザ発振装置
に関し、特に金属等の切断、溶接及び焼き入れ等を行う
炭酸ガスレーザを発振して出力する炭酸ガスレーザ発振
装置に関する。
に関し、特に金属等の切断、溶接及び焼き入れ等を行う
炭酸ガスレーザを発振して出力する炭酸ガスレーザ発振
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭酸ガスレーザ加工機は、主にＳＰＣＣ
（冷間圧延鋼板及び鋼帯）等の金属材料の切断及び溶接
に使用されている。ところで、金属材料の切断に関し
て、薄板では、切断面粗さ、送り速度及び切断幅等が、
厚板では切断可能な最大板厚等が重要な評価基準であ
る。一般にレーザビームは、薄板に対しては１〔ＫＷ〕
以下の比較的低出力で低次モードが、厚板に対しては
１．５〔ＫＷ〕以上の高出力で比較的高次モードが望ま
しいとされる。ここで、薄板における低次モードは集光
性を良くするためであり、厚板における高次モードは集
光レンズの熱歪みを緩和するためである。
（冷間圧延鋼板及び鋼帯）等の金属材料の切断及び溶接
に使用されている。ところで、金属材料の切断に関し
て、薄板では、切断面粗さ、送り速度及び切断幅等が、
厚板では切断可能な最大板厚等が重要な評価基準であ
る。一般にレーザビームは、薄板に対しては１〔ＫＷ〕
以下の比較的低出力で低次モードが、厚板に対しては
１．５〔ＫＷ〕以上の高出力で比較的高次モードが望ま
しいとされる。ここで、薄板における低次モードは集光
性を良くするためであり、厚板における高次モードは集
光レンズの熱歪みを緩和するためである。
【０００３】しかしながら、厚板の場合でもビーム径の
大きな低次モードが得られれば、より理想的である。ま
た、広い伝播範囲にわたって均質な切断特性を得るため
には、伝播距離に対してできるだけビーム径の変化が小
さくなるようなビーム伝播特性を持つことが望ましい。
大きな低次モードが得られれば、より理想的である。ま
た、広い伝播範囲にわたって均質な切断特性を得るため
には、伝播距離に対してできるだけビーム径の変化が小
さくなるようなビーム伝播特性を持つことが望ましい。
【０００４】ところで、従来は発振器から取り出される
ビームモードを制御する方法としては、２通りの制御方
法が知られている。第１の方法は、主に３軸直交型で採
用されている制御方法であって、全反射鏡及び出力鏡が
いずれも凹面鏡である共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。
ビームモードを制御する方法としては、２通りの制御方
法が知られている。第１の方法は、主に３軸直交型で採
用されている制御方法であって、全反射鏡及び出力鏡が
いずれも凹面鏡である共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。
【０００５】第２の方法は、主に高周波（ＲＦ：Radio
Frequency ）放電励起方式の高速軸流型で採用されてい
る制御方法であって、凹面鏡と凹面鏡の組み合わせから
なる全反射鏡及び出力鏡における内部の曲率半径及び放
電管の内径等を適当に組み合わせることで、ビームモー
ドを調節する制御方法である。この制御方法で低次モー
ドを得るためには、それらの曲率半径を大きくとる必要
がある。
Frequency ）放電励起方式の高速軸流型で採用されてい
る制御方法であって、凹面鏡と凹面鏡の組み合わせから
なる全反射鏡及び出力鏡における内部の曲率半径及び放
電管の内径等を適当に組み合わせることで、ビームモー
ドを調節する制御方法である。この制御方法で低次モー
ドを得るためには、それらの曲率半径を大きくとる必要
がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の方法で
は、アパーチャを挿入することによるビーム出力のロス
が大きくなり、レーザ発振器全体の効率が大幅に低下す
るという問題点があった。
は、アパーチャを挿入することによるビーム出力のロス
が大きくなり、レーザ発振器全体の効率が大幅に低下す
るという問題点があった。
【０００７】また、第２の方法では、出力鏡の熱歪みの
影響を受けやすくなり、安定したモードを得にくいとい
う欠点があった。また上記共振器では、本質的にビーム
伝播特性に関して広い範囲にわたってビーム径をほぼ一
定に維持することは困難であり、最適な加工点の範囲は
せいぜい２〜３〔ｍ〕であった。したがって、光路長固
定方式のような複雑な方法を採らないと、広い範囲にわ
たって良質な加工を維持することが困難であるという問
題点があった。
影響を受けやすくなり、安定したモードを得にくいとい
う欠点があった。また上記共振器では、本質的にビーム
伝播特性に関して広い範囲にわたってビーム径をほぼ一
定に維持することは困難であり、最適な加工点の範囲は
せいぜい２〜３〔ｍ〕であった。したがって、光路長固
定方式のような複雑な方法を採らないと、広い範囲にわ
たって良質な加工を維持することが困難であるという問
題点があった。
【０００８】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ビーム径の大きな低次モードであって、か
つ、広い範囲にわたってほぼフラットなビーム伝播特性
を有するレーザビームを出力する炭酸ガスレーザ発振装
置を、提供することを目的とする。
のであり、ビーム径の大きな低次モードであって、か
つ、広い範囲にわたってほぼフラットなビーム伝播特性
を有するレーザビームを出力する炭酸ガスレーザ発振装
置を、提供することを目的とする。
【０００９】
【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、金属等の切断、溶接及び焼き入れ等を行
う炭酸ガスレーザを発振して出力する炭酸ガスレーザ発
振装置において、全反射鏡及び出力鏡のうちの一方を凹
面鏡とし、他方を凸面鏡として、かつ安定型共振器で構
成したことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振装置が提供
される。
決するために、金属等の切断、溶接及び焼き入れ等を行
う炭酸ガスレーザを発振して出力する炭酸ガスレーザ発
振装置において、全反射鏡及び出力鏡のうちの一方を凹
面鏡とし、他方を凸面鏡として、かつ安定型共振器で構
成したことを特徴とする炭酸ガスレーザ発振装置が提供
される。
【００１０】
【作用】一般に、モード次数（Times-Diffraction-Limi
ts Number ）Ｍの波長がλなるレーザビームにおいて、
最小ビームスポット径（直径）Ｄ0 とビーム拡がり角
（全角）Θ0 との間には、次式に示す関係がある。な
お、λはレーザビームの波長を示す。
ts Number ）Ｍの波長がλなるレーザビームにおいて、
最小ビームスポット径（直径）Ｄ0 とビーム拡がり角
（全角）Θ0 との間には、次式に示す関係がある。な
お、λはレーザビームの波長を示す。
【００１１】 Ｄ0 ×Θ0 ＝（4 λ／π）×Ｍ2 ・・・（１） この量はビーム品質（Beam Quality) と呼ばれており、
次に示すような結論が得られる。
次に示すような結論が得られる。
【００１２】１）ビーム品質は、共振器の内部及び外部
において保存される。 ２）モード次数Ｍが小さいほどビーム品質が良く、特に
モード次数Ｍ＝１のガウシャンモードが最良である。
において保存される。 ２）モード次数Ｍが小さいほどビーム品質が良く、特に
モード次数Ｍ＝１のガウシャンモードが最良である。
【００１３】３）ビーム拡がり角（全角）Θ0 を小さく
する（すなわち、ほぼフラットなビーム伝播特性を得
る）ためには、最小ビームスポット径Ｄ0 をできるだけ
大きくし、かつ、モード次数Ｍの小さな低次モードが必
要になる。これを実現するには、この条件を共振器内部
で満足させなければならない。
する（すなわち、ほぼフラットなビーム伝播特性を得
る）ためには、最小ビームスポット径Ｄ0 をできるだけ
大きくし、かつ、モード次数Ｍの小さな低次モードが必
要になる。これを実現するには、この条件を共振器内部
で満足させなければならない。
【００１４】ところで、全光路長Ｌ、放電管の内径φ、
全反射鏡及び出力鏡における内部の曲率半径が定まった
系において、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Ｍは、放電管の内径φと、共振器内部の
ガウシャンモード（GaussianMode ；「ガウスモー
ド」、「シングルモード」あるいは「基本モード」とも
呼ばれる。）の最大ビームスポット径ＤMAX との比（φ
／ＤMAX ）によって決まり、その比（φ／ＤMAX ）が大
きいほど高次モードとなる。なお、最大ビームスポット
径ＤMAX と最小ビームスポット径Ｄ0 とにそれほど差が
ない場合には、上記最大ビームスポット径ＤMAX の代わ
りに最小ビームスポット径Ｄ0 との比（φ／Ｄ0 ）で決
まる。
全反射鏡及び出力鏡における内部の曲率半径が定まった
系において、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Ｍは、放電管の内径φと、共振器内部の
ガウシャンモード（GaussianMode ；「ガウスモー
ド」、「シングルモード」あるいは「基本モード」とも
呼ばれる。）の最大ビームスポット径ＤMAX との比（φ
／ＤMAX ）によって決まり、その比（φ／ＤMAX ）が大
きいほど高次モードとなる。なお、最大ビームスポット
径ＤMAX と最小ビームスポット径Ｄ0 とにそれほど差が
ない場合には、上記最大ビームスポット径ＤMAX の代わ
りに最小ビームスポット径Ｄ0 との比（φ／Ｄ0 ）で決
まる。
【００１５】したがって、全光路長Ｌと放電管の内径φ
とが決まった系において、共振器から得られるモード次
数Ｍは放電管内部のガウシャンモードの最大ビームスポ
ット径ＤMAX によって規定されることになる。
とが決まった系において、共振器から得られるモード次
数Ｍは放電管内部のガウシャンモードの最大ビームスポ
ット径ＤMAX によって規定されることになる。
【００１６】一方、ガウシャンビーム（Gaussian Beam
；「ガウスビーム」又は「シングルビーム」とも呼ば
れる。）のビーム伝播特性に関しては、出力鏡からの距
離ｘにおけるビーム半径がｗ（ｘ）であり、距離ｘ＝ｘ
min で最小ビーム半径がｗ0 であるならば、ビーム半径
ｗ（ｘ）と最小ビーム半径ｗ0 との関係は次式のように
表される。
；「ガウスビーム」又は「シングルビーム」とも呼ば
れる。）のビーム伝播特性に関しては、出力鏡からの距
離ｘにおけるビーム半径がｗ（ｘ）であり、距離ｘ＝ｘ
min で最小ビーム半径がｗ0 であるならば、ビーム半径
ｗ（ｘ）と最小ビーム半径ｗ0 との関係は次式のように
表される。
【００１７】
【数１】
【００１８】なお、Ｚr は「レイリー長（Rayleigh len
gth ）」と呼ばれ、次式を満たす。 Ｚr ＝（πｗ0 2 ）／λ ・・・（３） また、ビームの拡がり角（半角）θは、次式のように表
される。
gth ）」と呼ばれ、次式を満たす。 Ｚr ＝（πｗ0 2 ）／λ ・・・（３） また、ビームの拡がり角（半角）θは、次式のように表
される。
【００１９】
【数２】
【００２０】さらに、モード次数Ｍのレーザビームで
は、出力鏡からの距離ｘにおけるビーム半径がｗ（ｘ）
であり、距離ｘ＝ｘmin におけるビーム拡がり角（全
角）がΘ 0 であるならば、上記式（２）及び式（４）は
それぞれ次式のように表される。
は、出力鏡からの距離ｘにおけるビーム半径がｗ（ｘ）
であり、距離ｘ＝ｘmin におけるビーム拡がり角（全
角）がΘ 0 であるならば、上記式（２）及び式（４）は
それぞれ次式のように表される。
【００２１】
【数３】
【００２２】 Θ0 ＝Ｍ・θ ・・・（６） すなわち、モード次数Ｍのレーザビームは、あらゆる距
離において、そのビーム径がガウシャンビーム（「仮想
ガウシャンビーム」と呼ばれる。）のＭ倍になり、ビー
ム拡がり角もＭ倍になる。
離において、そのビーム径がガウシャンビーム（「仮想
ガウシャンビーム」と呼ばれる。）のＭ倍になり、ビー
ム拡がり角もＭ倍になる。
【００２３】したがって、ほぼフラットなビーム伝播特
性を得るためには、できるだけモード次数Ｍの小さな低
次モードで、かつ、仮想ガウシャンビーム径の大きなビ
ームを共振器内部で実現させる必要がある。
性を得るためには、できるだけモード次数Ｍの小さな低
次モードで、かつ、仮想ガウシャンビーム径の大きなビ
ームを共振器内部で実現させる必要がある。
【００２４】そこで、全反射鏡及び出力鏡のうちの一方
を凹面鏡とし、他方を凸面鏡として、安定型共振器とな
るように構成する。例えば、出力鏡は内部の曲率半径が
同一である凹面鏡のままとして、全反射鏡に凸面鏡のも
のを用いる。こうすることによって、十分に安定型共振
器として動作する範囲でガウシャンビーム径を大きくす
ることができ、ビームモードの低次化が図れ、広い範囲
にわたってほぼフラットなビーム伝播特性を得ることが
できる。
を凹面鏡とし、他方を凸面鏡として、安定型共振器とな
るように構成する。例えば、出力鏡は内部の曲率半径が
同一である凹面鏡のままとして、全反射鏡に凸面鏡のも
のを用いる。こうすることによって、十分に安定型共振
器として動作する範囲でガウシャンビーム径を大きくす
ることができ、ビームモードの低次化が図れ、広い範囲
にわたってほぼフラットなビーム伝播特性を得ることが
できる。
【００２５】
【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、本発明の原理説明図である。本発明の
炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、放電管４、
全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全反射鏡５は
凸面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凸部の曲率半
径をＲrear〔ｍcx（meter convex）〕とする。また、出
力鏡６は凹面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凹部
の曲率半径をＲoutput〔ｍcc（meter concave ）〕とす
る。そして、これらの鏡の曲率半径は、安定型共振器と
して動作させるためにＲrear＞Ｒoutputを満足するよう
に選択する。なお、全光路長はＬであり、最小ビームス
ポット径はｗ0 である。
明する。図１は、本発明の原理説明図である。本発明の
炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、放電管４、
全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全反射鏡５は
凸面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凸部の曲率半
径をＲrear〔ｍcx（meter convex）〕とする。また、出
力鏡６は凹面鏡であって、内部の曲率半径すなわち凹部
の曲率半径をＲoutput〔ｍcc（meter concave ）〕とす
る。そして、これらの鏡の曲率半径は、安定型共振器と
して動作させるためにＲrear＞Ｒoutputを満足するよう
に選択する。なお、全光路長はＬであり、最小ビームス
ポット径はｗ0 である。
【００２６】図２は、本発明の炭酸ガスレーザ発振装置
の全体構成図である。図において、プロセッサ（ＣＰ
Ｕ）１は図示されていないＲＯＭに格納された制御プロ
グラムに基づいてメモリ１０に格納された加工プログラ
ムを読み出し、炭酸ガスレーザ発振装置全体の動作を制
御する。出力制御回路２は内部にＤ／Ａ（Digital/Anal
og）コンバータを内蔵しており、プロセッサ１から出力
された出力指令値を電流指令値に変換して出力する。励
起用電源３は商用電源を整流した後、スイッチング動作
を行なって高周波電圧を発生し、電流指令値に応じた高
周波電流を放電管４に供給する。
の全体構成図である。図において、プロセッサ（ＣＰ
Ｕ）１は図示されていないＲＯＭに格納された制御プロ
グラムに基づいてメモリ１０に格納された加工プログラ
ムを読み出し、炭酸ガスレーザ発振装置全体の動作を制
御する。出力制御回路２は内部にＤ／Ａ（Digital/Anal
og）コンバータを内蔵しており、プロセッサ１から出力
された出力指令値を電流指令値に変換して出力する。励
起用電源３は商用電源を整流した後、スイッチング動作
を行なって高周波電圧を発生し、電流指令値に応じた高
周波電流を放電管４に供給する。
【００２７】放電管４の内部にはレーザガス１９が循環
しており、レーザ用電源３から高周波電圧が印加される
と放電を生じてレーザガス１９が励起される。リア鏡５
は反射率９９．５〔％〕のゲルマニウム（Ｇｅ）製の
鏡、出力鏡６は反射率６５〔％〕のジンクセレン（Ｚｎ
Ｓｅ）製の鏡であって、安定型共振器を構成し、励起さ
れたレーザガス分子から放出される１０．６〔μｍ〕の
光を増幅して一部を出力鏡６からレーザ光７として外部
に出力する。
しており、レーザ用電源３から高周波電圧が印加される
と放電を生じてレーザガス１９が励起される。リア鏡５
は反射率９９．５〔％〕のゲルマニウム（Ｇｅ）製の
鏡、出力鏡６は反射率６５〔％〕のジンクセレン（Ｚｎ
Ｓｅ）製の鏡であって、安定型共振器を構成し、励起さ
れたレーザガス分子から放出される１０．６〔μｍ〕の
光を増幅して一部を出力鏡６からレーザ光７として外部
に出力する。
【００２８】出力されたレーザ光７は、後述するシャッ
タ２３ａが開いている時には、ベンダミラー８で方向を
変え、集光レンズ９によって０．２〔ｍｍ〕以下のビー
ムスポット径に集光されてワーク１７の表面に照射され
る。
タ２３ａが開いている時には、ベンダミラー８で方向を
変え、集光レンズ９によって０．２〔ｍｍ〕以下のビー
ムスポット径に集光されてワーク１７の表面に照射され
る。
【００２９】メモリ１０は加工プログラム、各種のパラ
メータ等を格納する不揮発性メモリであり、図示されて
いないバッテリによってバックアップされたＣＭＯＳが
使用される。なお、この他にシステムプログラムを格納
するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭがある
が、本図ではこれらを省略してある。
メータ等を格納する不揮発性メモリであり、図示されて
いないバッテリによってバックアップされたＣＭＯＳが
使用される。なお、この他にシステムプログラムを格納
するＲＯＭ、一時的にデータを格納するＲＡＭがある
が、本図ではこれらを省略してある。
【００３０】位置制御回路１１はプロセッサ１からの指
令によってサーボアンプ１２を介してサーボモータ１３
を回転制御し、ボールスクリュー１４及びナット１５に
よってテーブル１６の移動を制御し、ワーク１７の位置
を制御する。図では１軸のみを表示してあるが、実際に
は複数の制御軸がある。表示装置１８にはＣＲＴ或いは
液晶表示装置等が使用される。
令によってサーボアンプ１２を介してサーボモータ１３
を回転制御し、ボールスクリュー１４及びナット１５に
よってテーブル１６の移動を制御し、ワーク１７の位置
を制御する。図では１軸のみを表示してあるが、実際に
は複数の制御軸がある。表示装置１８にはＣＲＴ或いは
液晶表示装置等が使用される。
【００３１】送風機２０にはルーツブロワが使用され、
レーザガス１９を冷却器２１ａ及び２１ｂを通して循環
する。冷却器２１ａはレーザ発振を行なって高温となっ
たレーザガス１９を冷却するための冷却器であり、冷却
器２１ｂは送風器２０による圧縮熱を除去するための冷
却器である。
レーザガス１９を冷却器２１ａ及び２１ｂを通して循環
する。冷却器２１ａはレーザ発振を行なって高温となっ
たレーザガス１９を冷却するための冷却器であり、冷却
器２１ｂは送風器２０による圧縮熱を除去するための冷
却器である。
【００３２】シャッタ制御回路２２はプロセッサ１の指
令に基づいてシャッタ２３ａを開閉する。シャッタ２３
ａは表面に金メッキが施された銅板またはアルミ板で構
成されており、閉時には出力鏡６から出力されたレーザ
光７を反射してビームアブソーバ２３ｂに吸収させる。
シャッタ２３ａを開くとレーザ光７がワーク１７に照射
される。
令に基づいてシャッタ２３ａを開閉する。シャッタ２３
ａは表面に金メッキが施された銅板またはアルミ板で構
成されており、閉時には出力鏡６から出力されたレーザ
光７を反射してビームアブソーバ２３ｂに吸収させる。
シャッタ２３ａを開くとレーザ光７がワーク１７に照射
される。
【００３３】パワーセンサ２４は熱電あるいは光電変換
素子等で構成され、リア鏡５から一部透過して出力され
たレーザ光を入力してレーザ光７の出力パワーを測定す
る。Ａ／Ｄ変換器２５はパワーセンサ２４の出力をディ
ジタル値に変換してプロセッサ１に入力する。
素子等で構成され、リア鏡５から一部透過して出力され
たレーザ光を入力してレーザ光７の出力パワーを測定す
る。Ａ／Ｄ変換器２５はパワーセンサ２４の出力をディ
ジタル値に変換してプロセッサ１に入力する。
【００３４】図３は、共振器内部及び外部におけるガウ
シャンビームのビーム伝播特性を示す図である。図にお
いて、曲線Ｃ１は本発明の炭酸ガスレーザ発振装置のビ
ーム伝播特性を、曲線Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振
装置のビーム伝播特性をそれぞれ示す。また、横軸は出
力鏡６からの距離ｌ１〔ｍ〕を、縦軸はガウシャンビー
ムのビームスポット径ｄ１〔ｍｍ〕を示す。
シャンビームのビーム伝播特性を示す図である。図にお
いて、曲線Ｃ１は本発明の炭酸ガスレーザ発振装置のビ
ーム伝播特性を、曲線Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振
装置のビーム伝播特性をそれぞれ示す。また、横軸は出
力鏡６からの距離ｌ１〔ｍ〕を、縦軸はガウシャンビー
ムのビームスポット径ｄ１〔ｍｍ〕を示す。
【００３５】図に示すビーム伝播特性の計算例では、曲
線ＣＩについて、全反射鏡５の内部の曲率半径Ｒrearが
５０〔ｍcx〕、出力鏡６の内部の曲率半径Ｒoutputが２
０〔ｍcc〕、そして全光路長Ｌが３．３５〔ｍ〕であ
る。なお、出力鏡６の外部の曲率半径すなわち凸部の曲
率半径は１０〔ｍcx〕である。
線ＣＩについて、全反射鏡５の内部の曲率半径Ｒrearが
５０〔ｍcx〕、出力鏡６の内部の曲率半径Ｒoutputが２
０〔ｍcc〕、そして全光路長Ｌが３．３５〔ｍ〕であ
る。なお、出力鏡６の外部の曲率半径すなわち凸部の曲
率半径は１０〔ｍcx〕である。
【００３６】また、曲線Ｃ２については、全反射鏡５の
内部の曲率半径Ｒrearを２０〔ｍcx〕であり、出力鏡６
については上記と同一である。本発明の炭酸ガスレーザ
発振装置のビーム伝播特性は距離ｌ１が増えても、ビー
ムスポット径ｄ１はそれほど増加しない。このため、距
離ｌ１が１０〔ｍ〕を越えても有効に使用することがで
きる。
内部の曲率半径Ｒrearを２０〔ｍcx〕であり、出力鏡６
については上記と同一である。本発明の炭酸ガスレーザ
発振装置のビーム伝播特性は距離ｌ１が増えても、ビー
ムスポット径ｄ１はそれほど増加しない。このため、距
離ｌ１が１０〔ｍ〕を越えても有効に使用することがで
きる。
【００３７】上記光学系の共振器の放電管の内径（直
径）を１９．５〔ｍｍ〕とし、レーザ発振器の出力エネ
ルギーは１．５〔ＫＷ〕である。この炭酸ガスレーザ発
振装置に対して、出力鏡６から３．４〔ｍ〕離れた点に
焦点距離が７．５〔インチ〕の集光レンズを置く。そし
て、焦点近傍でレーザスコープを用いて、この集光レン
ズを介して集光されたレーザビームを、エネルギーが８
６．５〔％〕含まれるビーム半径で測定した。
径）を１９．５〔ｍｍ〕とし、レーザ発振器の出力エネ
ルギーは１．５〔ＫＷ〕である。この炭酸ガスレーザ発
振装置に対して、出力鏡６から３．４〔ｍ〕離れた点に
焦点距離が７．５〔インチ〕の集光レンズを置く。そし
て、焦点近傍でレーザスコープを用いて、この集光レン
ズを介して集光されたレーザビームを、エネルギーが８
６．５〔％〕含まれるビーム半径で測定した。
【００３８】図４は、測定されたレーザビームの集光特
性の一例を示す図である。図において、曲線Ｃ１は本発
明の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性を、曲線
Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性
をそれぞれ示す。また、横軸は後述する集光レンズによ
って集光されるレーザビームのビームスポット径が最小
となる点を基準点とする距離ｌ２〔ｍｍ〕を、縦軸はガ
ウシャンビームの集光ビーム半径ｄ２〔μｍ〕を示す。
性の一例を示す図である。図において、曲線Ｃ１は本発
明の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性を、曲線
Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性
をそれぞれ示す。また、横軸は後述する集光レンズによ
って集光されるレーザビームのビームスポット径が最小
となる点を基準点とする距離ｌ２〔ｍｍ〕を、縦軸はガ
ウシャンビームの集光ビーム半径ｄ２〔μｍ〕を示す。
【００３９】図から明らかなように、本発明による光学
系を用いることで、従来と同一の出力鏡６を用いても、
レーザビームのモード次数Ｍを１．５９から１．２７に
低次化することができる。このため、最小ビームスポッ
ト径Ｄ0 が約２／３になっていることから分かるよう
に、集光特性が大幅に改善される。
系を用いることで、従来と同一の出力鏡６を用いても、
レーザビームのモード次数Ｍを１．５９から１．２７に
低次化することができる。このため、最小ビームスポッ
ト径Ｄ0 が約２／３になっていることから分かるよう
に、集光特性が大幅に改善される。
【００４０】このことは、従来のレーザビームを用い
て、焦点距離ｆの集光レンズを使用して行なった加工
が、焦点距離（約１．５×ｆ）の集光レンズを使用して
加工できることを意味する。このため、レイリー長Ｚr
が大きく、すなわち焦点深度が大きくなるので、加工特
性が大幅に改善され、集光レンズの寿命を延ばすことが
できる。したがって、従来と同一の焦点距離の集光レン
ズを用いた場合には、より細い集光ビーム径が得られる
ので、特に薄板加工の面精度を向上させることができ
る。
て、焦点距離ｆの集光レンズを使用して行なった加工
が、焦点距離（約１．５×ｆ）の集光レンズを使用して
加工できることを意味する。このため、レイリー長Ｚr
が大きく、すなわち焦点深度が大きくなるので、加工特
性が大幅に改善され、集光レンズの寿命を延ばすことが
できる。したがって、従来と同一の焦点距離の集光レン
ズを用いた場合には、より細い集光ビーム径が得られる
ので、特に薄板加工の面精度を向上させることができ
る。
【００４１】図５は、測定されたレーザビームのビーム
伝播特性の一例を示す図である。図において、曲線Ｃ１
は本発明の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性
を、曲線Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム
伝播特性をそれぞれ示す。また、横軸は出力鏡６からの
距離ｌ１〔ｍ〕を、縦軸はレーザビームの直径ｄ３〔ｍ
ｍ〕を示す。なお、図に示すビーム伝播特性は、図４の
測定で用いたレーザスコープにより測定したものであっ
て、測定条件も図４と同一であるので説明を省略する。
伝播特性の一例を示す図である。図において、曲線Ｃ１
は本発明の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム伝播特性
を、曲線Ｃ２は従来の炭酸ガスレーザ発振装置のビーム
伝播特性をそれぞれ示す。また、横軸は出力鏡６からの
距離ｌ１〔ｍ〕を、縦軸はレーザビームの直径ｄ３〔ｍ
ｍ〕を示す。なお、図に示すビーム伝播特性は、図４の
測定で用いたレーザスコープにより測定したものであっ
て、測定条件も図４と同一であるので説明を省略する。
【００４２】図に示すビーム伝播特性から、より低次の
モード次数Ｍであって、かつ、広い範囲にわたってビー
ム径の変化が小さいレーザビームが得られることが分か
る。したがって、近場から遠場のようにより広い範囲に
わたって、均質かつ良質な加工ができる。
モード次数Ｍであって、かつ、広い範囲にわたってビー
ム径の変化が小さいレーザビームが得られることが分か
る。したがって、近場から遠場のようにより広い範囲に
わたって、均質かつ良質な加工ができる。
【００４３】図６は、従来の炭酸ガスレーザ発振装置に
よるビーム伝播特性を、本発明の炭酸ガスレーザ発振装
置によるビーム伝播特性に一致させた場合の共振器内部
及び外部のビームウェストの相違を示す図である。
よるビーム伝播特性を、本発明の炭酸ガスレーザ発振装
置によるビーム伝播特性に一致させた場合の共振器内部
及び外部のビームウェストの相違を示す図である。
【００４４】図に示すようなビーム伝播特性を従来の炭
酸ガスレーザ発振装置で得るためには、全反射鏡の曲率
半径Ｒrearを７５〔ｍcx〕、出力鏡の曲率半径Ｒoutput
を７５〔ｍcc〕及び出力鏡の外部の曲率半径を２７〔ｍ
cx〕にする必要がある。この数値は、大出力レーザビー
ム用のスペックとしては非現実的な数値である。
酸ガスレーザ発振装置で得るためには、全反射鏡の曲率
半径Ｒrearを７５〔ｍcx〕、出力鏡の曲率半径Ｒoutput
を７５〔ｍcc〕及び出力鏡の外部の曲率半径を２７〔ｍ
cx〕にする必要がある。この数値は、大出力レーザビー
ム用のスペックとしては非現実的な数値である。
【００４５】図７は、ビームウェスト（beam waist）に
沿って電極幅を変化させた構成の一例を示す。なお、ビ
ームウェストは、共振器におけるレーザビームのビーム
スポット径が最小となる光軸上の点である。
沿って電極幅を変化させた構成の一例を示す。なお、ビ
ームウェストは、共振器におけるレーザビームのビーム
スポット径が最小となる光軸上の点である。
【００４６】図において、本発明の炭酸ガスレーザ発振
装置における共振器は、放電管４、全反射鏡５及び出力
鏡６から構成される。全反射鏡５は凸面鏡であって、出
力鏡６は凹面鏡である。放電管４は放電管ホルダー４
１，４２によって３つに分割されており、分割された放
電管４の外周には、図２の励起用電源３に接続されるス
パイラル状のメタライズ電極３ａ，３ｂ，３ｃが形成さ
れている。なお、メタライズ電極３ａの電極幅はｄａで
あり、同様にメタライズ電極３ｂ，３ｃの電極幅はそれ
ぞれｄｂ，ｄｃである。また、その幅の大きさは、ｄａ
＜ｄｂ＜ｄｃである。
装置における共振器は、放電管４、全反射鏡５及び出力
鏡６から構成される。全反射鏡５は凸面鏡であって、出
力鏡６は凹面鏡である。放電管４は放電管ホルダー４
１，４２によって３つに分割されており、分割された放
電管４の外周には、図２の励起用電源３に接続されるス
パイラル状のメタライズ電極３ａ，３ｂ，３ｃが形成さ
れている。なお、メタライズ電極３ａの電極幅はｄａで
あり、同様にメタライズ電極３ｂ，３ｃの電極幅はそれ
ぞれｄｂ，ｄｃである。また、その幅の大きさは、ｄａ
＜ｄｂ＜ｄｃである。
【００４７】外周に沿ってスパイラル状にメタライズ電
極３ａ，３ｂ，３ｃを形成させた放電管４を用いて構成
した高周波放電励起方式の高速軸流型の炭酸ガスレーザ
発振装置では、局所的にはスパイラル状の電極の幅によ
って規定される部分が励起されるので、全体的には電極
に従って回転したような系となる。このため、近似的に
は、放電管の内径と放電管の電極幅とは１対１に対応し
ているものと考えられるので、各放電管内を流れるガス
流を均一に保つことができ、安定したレーザビームを得
ることができる。
極３ａ，３ｂ，３ｃを形成させた放電管４を用いて構成
した高周波放電励起方式の高速軸流型の炭酸ガスレーザ
発振装置では、局所的にはスパイラル状の電極の幅によ
って規定される部分が励起されるので、全体的には電極
に従って回転したような系となる。このため、近似的に
は、放電管の内径と放電管の電極幅とは１対１に対応し
ているものと考えられるので、各放電管内を流れるガス
流を均一に保つことができ、安定したレーザビームを得
ることができる。
【００４８】なお、複数の電極幅の異なる放電管に代え
て、ビームウェストに沿って連続的に電極幅が変わる電
極を形成した放電管を用いて構成してもよい。このよう
な構成にすることによって、最小ビームウェスト値と最
大ビームウェスト値との比やサイドローブ等を最適に調
整することができる。
て、ビームウェストに沿って連続的に電極幅が変わる電
極を形成した放電管を用いて構成してもよい。このよう
な構成にすることによって、最小ビームウェスト値と最
大ビームウェスト値との比やサイドローブ等を最適に調
整することができる。
【００４９】図８は、ビームウェストに沿って放電管の
内径を変化させた構成の一例を示す。図において、本発
明の炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、放電管
４、全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全反射鏡
５は凸面鏡であって、出力鏡６は凹面鏡である。放電管
４ａ，４ｂ，４ｃは放電管ホルダー４１，４２によって
保持されている。なお、放電管４ａの内径はφａであ
り、同様に放電管４ｂ，４ｃの内径はそれぞれφｂ，φ
ｃである。また、その径の大きさは、φａ＜φｂ＜φｃ
である。
内径を変化させた構成の一例を示す。図において、本発
明の炭酸ガスレーザ発振装置における共振器は、放電管
４、全反射鏡５及び出力鏡６から構成される。全反射鏡
５は凸面鏡であって、出力鏡６は凹面鏡である。放電管
４ａ，４ｂ，４ｃは放電管ホルダー４１，４２によって
保持されている。なお、放電管４ａの内径はφａであ
り、同様に放電管４ｂ，４ｃの内径はそれぞれφｂ，φ
ｃである。また、その径の大きさは、φａ＜φｂ＜φｃ
である。
【００５０】全反射鏡５に凸面鏡を、出力鏡６に凹面鏡
を用いて構成される光学系では、一般に共振器内でのガ
ウシャンビームの最小ビームウェスト値と最大ビームウ
ェスト値との比が大きくなる。特に、全光路長Ｌが長い
場合や凹面鏡の曲率半径が小さい場合に顕著となる。こ
の比の値が大きすぎると同一の内径の放電管を複数個用
いた場合には、サイドローブ等が生じ易くなる欠点があ
る。
を用いて構成される光学系では、一般に共振器内でのガ
ウシャンビームの最小ビームウェスト値と最大ビームウ
ェスト値との比が大きくなる。特に、全光路長Ｌが長い
場合や凹面鏡の曲率半径が小さい場合に顕著となる。こ
の比の値が大きすぎると同一の内径の放電管を複数個用
いた場合には、サイドローブ等が生じ易くなる欠点があ
る。
【００５１】しかし、上記構成のように、ビームウェス
トに対応させて放電管４ａ，４ｂ，４ｃの内径を変える
ことによって、ガウシャンビームの最小ビームウェスト
値と最大ビームウェスト値との比を小さくし、サイドロ
ーブ等を防止することができる。なお、全部の放電管４
ａ，４ｂ，４ｃの内径を変えなくても、最小のビームウ
ェスト位置をとる場所の１本の放電管だけ、例えば放電
管４ｂのみの内径を変えるだけでも大幅に最小ビームウ
ェスト値と最大ビームウェスト値との比を小さくし、サ
イドローブ等を防止することができる。
トに対応させて放電管４ａ，４ｂ，４ｃの内径を変える
ことによって、ガウシャンビームの最小ビームウェスト
値と最大ビームウェスト値との比を小さくし、サイドロ
ーブ等を防止することができる。なお、全部の放電管４
ａ，４ｂ，４ｃの内径を変えなくても、最小のビームウ
ェスト位置をとる場所の１本の放電管だけ、例えば放電
管４ｂのみの内径を変えるだけでも大幅に最小ビームウ
ェスト値と最大ビームウェスト値との比を小さくし、サ
イドローブ等を防止することができる。
【００５２】また、上記構成は、高周波放電励起方式の
高速軸流型の炭酸ガスレーザ発振装置のみならず、直流
（ＤＣ：Direct Current）放電励起方式の高速軸流型の
炭酸ガスレーザ発振装置に適用しても、同様の効果が得
られる。
高速軸流型の炭酸ガスレーザ発振装置のみならず、直流
（ＤＣ：Direct Current）放電励起方式の高速軸流型の
炭酸ガスレーザ発振装置に適用しても、同様の効果が得
られる。
【００５３】さらに、放電管は内径がそれぞれ異なる３
つの上記放電管４ａ，４ｂ，４ｃにより構成したが、内
径がそれぞれ異なる２以上の放電管により構成してもよ
い。そして、内径がそれぞれ異なる２以上の放電管に代
えて、ビームウェストに沿って連続的に内径が変わる放
電管、例えば円錐台のような形状をした放電管を用いて
構成してもよい。このような構成にすることによって、
最小ビームウェスト値と最大ビームウェスト値との比や
サイドローブ等を最適に調整することができる。
つの上記放電管４ａ，４ｂ，４ｃにより構成したが、内
径がそれぞれ異なる２以上の放電管により構成してもよ
い。そして、内径がそれぞれ異なる２以上の放電管に代
えて、ビームウェストに沿って連続的に内径が変わる放
電管、例えば円錐台のような形状をした放電管を用いて
構成してもよい。このような構成にすることによって、
最小ビームウェスト値と最大ビームウェスト値との比や
サイドローブ等を最適に調整することができる。
【００５４】以上の説明では、全反射鏡５に凸面鏡を、
出力鏡６に凹面鏡を用いたが、逆に全反射鏡５に凹面鏡
を、出力鏡６に凸面鏡を用いて、安定型共振器となるよ
うに構成してもよい。
出力鏡６に凹面鏡を用いたが、逆に全反射鏡５に凹面鏡
を、出力鏡６に凸面鏡を用いて、安定型共振器となるよ
うに構成してもよい。
【００５５】また、高周波放電励起方式及び直流放電励
起方式は高速軸流型について適用したが、低速軸流型に
ついても同様に適用することができる。
起方式は高速軸流型について適用したが、低速軸流型に
ついても同様に適用することができる。
【００５６】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、全反射
鏡及び出力鏡のうちの一方を凹面鏡とし、他方を凸面鏡
として、安定型共振器で構成したので、安定性を損なう
ことなく、ガウシャンモードのビーム径を大きくとるこ
とができる。このため、低次モードで、ほぼフラットな
ビーム伝播特性を得ることができる。
鏡及び出力鏡のうちの一方を凹面鏡とし、他方を凸面鏡
として、安定型共振器で構成したので、安定性を損なう
ことなく、ガウシャンモードのビーム径を大きくとるこ
とができる。このため、低次モードで、ほぼフラットな
ビーム伝播特性を得ることができる。
【００５７】したがって、本発明の炭酸ガスレーザ発振
装置によって、薄物から厚物まで広い加工範囲にわたっ
て、均質かつ良質に加工することができる。
装置によって、薄物から厚物まで広い加工範囲にわたっ
て、均質かつ良質に加工することができる。
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の炭酸ガスレーザ発振装置の全体構成図
である。
である。
【図３】共振器内部及び外部におけるガウシャンビーム
のビーム伝播特性の計算例を示す図である。
のビーム伝播特性の計算例を示す図である。
【図４】測定されたレーザビームの集光特性の一例を示
す図である。
す図である。
【図５】測定されたレーザビームのビーム伝播特性の一
例を示す図である。
例を示す図である。
【図６】従来の炭酸ガスレーザ発振装置によるビーム伝
播特性を、本発明の炭酸ガスレーザ発振装置によるビー
ム伝播特性に一致させた場合の共振器の内部及び外部の
ビーム伝播特性を示す図である。
播特性を、本発明の炭酸ガスレーザ発振装置によるビー
ム伝播特性に一致させた場合の共振器の内部及び外部の
ビーム伝播特性を示す図である。
【図７】ビームウェストに沿って電極幅を変化させた構
成の一例を示す。
成の一例を示す。
【図８】ビームウェストに沿って放電管の内径を変化さ
せた構成の一例を示す。
せた構成の一例を示す。
４ 放電管 ５ 全反射鏡（凸面鏡） ６ 出力鏡（凹面鏡）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 7454−4Ｍ Ｈ０１Ｓ 3/03 Ｚ
Claims (6)
- 【請求項１】 金属等の切断、溶接及び焼き入れ等を行
う炭酸ガスレーザを発振して出力する炭酸ガスレーザ発
振装置において、 全反射鏡及び出力鏡のうちの一方を凹面鏡とし、他方を
凸面鏡として、かつ安定型共振器で構成したことを特徴
とする炭酸ガスレーザ発振装置。 - 【請求項２】 励起方式を高周波（ＲＦ：Radio Freque
ncy ）放電励起方式とし、低速軸流型又は高速軸流型の
発振器で構成したことを特徴とする請求項１記載の炭酸
ガスレーザ発振装置。 - 【請求項３】 ビームウェスト（beam waist）に沿っ
て、放電管の外周に沿ってスパイラル状に形成された電
極の電極幅を変えるように構成したことを特徴とする請
求項２記載の炭酸ガスレーザ発振装置。 - 【請求項４】 ビームウェストに沿って、放電管の一部
又は全体の内径を変えるように構成したことを特徴とす
る請求項２記載の炭酸ガスレーザ発振装置。 - 【請求項５】 励起方式を直流（ＤＣ：Direct Curren
t）放電励起方式とし、低速軸流型又は高速軸流型の発
振器で構成したことを特徴とする請求項１記載の炭酸ガ
スレーザ発振装置。 - 【請求項６】 ビームウェストに沿って、放電管の一部
又は全体の内径を変えるように構成したことを特徴とす
る請求項５記載の炭酸ガスレーザ発振装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16921492A JPH0613682A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 炭酸ガスレーザ発振装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16921492A JPH0613682A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 炭酸ガスレーザ発振装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0613682A true JPH0613682A (ja) | 1994-01-21 |
Family
ID=15882327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16921492A Pending JPH0613682A (ja) | 1992-06-26 | 1992-06-26 | 炭酸ガスレーザ発振装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0613682A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1319226C (zh) * | 2004-07-02 | 2007-05-30 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 波长自选的封离式co2激光谐振腔 |
| JP2009540570A (ja) * | 2006-06-05 | 2009-11-19 | サイマー インコーポレイテッド | 材料加工用の低発散、高出力レーザビームを生成するためのデバイス及び方法 |
| JP2015173220A (ja) * | 2014-03-12 | 2015-10-01 | ファナック株式会社 | 放電管を備えるレーザ発振器、およびレーザ加工装置 |
-
1992
- 1992-06-26 JP JP16921492A patent/JPH0613682A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1319226C (zh) * | 2004-07-02 | 2007-05-30 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 波长自选的封离式co2激光谐振腔 |
| JP2009540570A (ja) * | 2006-06-05 | 2009-11-19 | サイマー インコーポレイテッド | 材料加工用の低発散、高出力レーザビームを生成するためのデバイス及び方法 |
| US8803027B2 (en) | 2006-06-05 | 2014-08-12 | Cymer, Llc | Device and method to create a low divergence, high power laser beam for material processing applications |
| JP2015173220A (ja) * | 2014-03-12 | 2015-10-01 | ファナック株式会社 | 放電管を備えるレーザ発振器、およびレーザ加工装置 |
| US10128629B2 (en) | 2014-03-12 | 2018-11-13 | Fanuc Corporation | Laser oscillator provided with discharge tube and laser processing machine |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19980929 |