JPH06152017A

JPH06152017A - レーザ発振器

Info

Publication number: JPH06152017A
Application number: JP29881992A
Authority: JP
Inventors: Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Nobuhiko Tada; 信彦多田; Yoshiaki Shimomura; 義昭下村; Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1994-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ発振器において、アパーチャ及びその他
のレーザ発振器を構成する重要な光学部品を破損するこ
となく、レーザ光のビーム径を絞って微細加工を行うこ
とができるようにする。【構成】レーザロッド１、フラッシュランプ２、集光器
３、エンドミラー４、アウトプットミラー５、及びアパ
ーチャ２０を備えたレーザ発振器において、アパーチャ
２０のレーザロッド１側を、レーザ光５０の波長に対し
高い反射率をもつミラー面２０ａとし、また、ミラー面
２０ａを、レーザ光５０の軸に対して法線が傾斜した円
錐面とする。さらに、ミラー面２０ａで反射されたレー
ザ光５１を吸収するアブソーバ３０を設けてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アパーチャによってレ
ーザ光のビーム径を絞り、微細加工を行うレーザ発振器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザは、通信、計測、加工などの多方
面の技術分野において利用されているが、特に0.1mm程
度の微細なスポット径で、かつ10⁸w／cm²と高いエネル
ギー密度を持つことから、加工技術への応用が検討さ
れ、種々の材料に対する微細加工の手段として急激に普
及してきている。例えば、スポット径の大きさや印加電
圧を変化させることにより、レーザ光の有するエネルギ
ーを変えることができ、被加工物に照射されるレーザ光
のパワー密度を自由に制御することができる。これによ
り被加工物の状態を加熱、溶融、蒸発に変化させて、被
加工物の状態に応じて熱処理、溶接、切断、穴あけなど
の各種加工を行うことができる。

【０００３】図６に、加工に用いられる従来のレーザ発
振器の構成の一例を示し、その動作原理を以下に説明す
る。尚、図６においては発振媒体として固体を用いる固
体レーザの例を示す。

【０００４】図６に示すように、このレーザ発振器は、
レーザ光を出力する発振媒体であるレーザロッド１０
１、レーザロッド１０１を励起するためのフラッシュラ
ンプ１０２、内面に楕円形の反射面（図示せず）を形成
しその焦点位置にレーザロッド１０１とフラッシュラン
プ１０２をそれぞれ設置した集光器１０３、レーザロッ
ド１０１両端に対面しその軸の延長線上において互いに
平行になるように配置され、それぞれ共振器を構成する
エンドミラー１０４及びアウトプットミラー１０５、エ
ンドミラー１０４とレーザロッド１０１との間に挿入さ
れた絞りであるアパーチャ１２０を備えている。さら
に、レーザ発振器の外部には、フラッシュランプに発光
パワーを供給するパワー供給器１０６、及びパワー供給
器１０６の供給動作を制御するためのコントローラ１０
７が設置されている。

【０００５】上記構成を有するレーザ発振器において、
コントローラ１０７は所要の駆動指令値をパワー供給器
１０６に与え、パワー供給器１０６が動作する。この指
令値の内容としては、例えば連続レーザの場合には電圧
であり、パルスレーザの場合にはパルス幅、電圧、パル
ス周波数等である。パワー供給器１０６は、コントロー
ラ１０７から供給される指令値に応じてフラッシュラン
プ１０２に所要の電圧を印加し、電圧が印加されること
により点灯又は点滅するフラッシュランプ１０２の光は
集光器１０３でレーザロッド１０１に与えられる。レー
ザロッド１０１は、フラッシュランプ１０２から与えら
れる光により、レーザロッド１０１にドープされたイオ
ン、例えばＹＡＧレーザの場合にはＮｄ³⁺イオンの電子
が励起され、励起された電子が再び下位のエネルギーレ
ベルに戻る時に誘導放出現象が発生する。発生した光が
エンドミラー１０４とアウトプットミラー１０５との間
を往復するうちに増幅され強力なパワーを得るが、この
時アパーチャ１２０によってレーザ光のビーム径が絞ら
れ、この一部がアウトプットミラー１０５を透過してレ
ーザ光１０８となり外部に放出される。

【０００６】アパーチャ１２０は、例えばドーナツ状を
した絞りであって、これを挿入することによって上記の
ようにレーザロッド径と同一の本来のビーム径より小さ
くビーム径を絞ることができる。これによりこのレーザ
発振器から出力され集光レンズ（図示せず）で被加工物
上に集束されたレーザ光のスポット径が小さくなり、微
細加工を行うことができる。これは、微細加工を行うた
めの簡便な方法としてよく用いられる。特に、加工深さ
と加工幅との比であるアスペクト比の大きな被加工物を
加工する場合には、十分な加工深さを得るためにレーザ
光のパワーを大きくし、加工幅、つまりスポット径を小
さく絞る必要があり、このためにとりわけ穴径の小さい
アパーチャ１２０を使用する。尚、アパーチャ１２０は
アウトプットミラー１０５とレーザロッド１０１との間
に挿入されることもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術を利用してアスペクト比の大きな被加工物を加工する
場合、アパーチャ１２０の材料として金属を用いると、
共振器内でのレーザ光のパワー密度が大きくなるために
アパーチャ１２０が溶融する場合がある。アパーチャ１
２０が溶融すると絞りとしての役目を果たさないばかり
か、その溶融物がまわりに飛散して、エンドミラー１０
４やアウトプットミラー１０５やレーザロッド１０１等
に付着し、その飛散した溶融物を起点として上記光学部
品を破損する恐れがあった。

【０００８】本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、ア
パーチャ及びその他のレーザ発振器を構成する重要な光
学部品を破損することなく、レーザ光のビーム径を絞っ
て微細加工を行うことができるレーザ発振器を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、レーザ光を出力するロッド状の
発振媒体と、前記発振媒体を励起する励起手段と、前記
発振媒体の両端に対面して設けられた２枚の共振ミラー
と、少なくとも一方の前記共振ミラーとこれに対面する
前記発振媒体との間に挿入され前記発振媒体より出力さ
れるレーザ光のビーム径を絞るアパーチャとを備え、前
記発振媒体及び前記２枚の共振ミラーを基本として光学
ユニットを構成するレーザ発振器において、前記アパー
チャは、レーザ光の波長に対し高い反射率を有し、かつ
前記レーザ光の軸に対して法線が傾斜するミラー面を前
記発振媒体側に備える。

【００１０】好ましくは、さらに前記アパーチャで反射
したレーザ光を吸収するアブソーバを備える。

【００１１】

【作用】上記のように構成した本発明においては、２枚
の共振ミラーのうち少なくとも一方の共振ミラーとこれ
に対面する発振媒体の端面との間にアパーチャを挿入す
ることにより、レーザ光のビーム径が上記発振媒体と同
一の本来のビーム径より小さく絞られる。従って、この
後集光レンズで被加工物上に集束されるレーザ光のスポ
ット径が小さくなり、これにより微細加工が行われる。

【００１２】また、アパーチャの発振媒体側をミラー面
とし、このミラー面がレーザ光の波長に対し高い反射率
をもつことにより、レーザ光が高いパワー密度を有して
いても、このミラー面に入射するレーザ光のほとんどが
反射し、アパーチャが溶融したり破損することなくレー
ザ光のビーム径が絞られる。さらにアパーチャが溶融す
ることがないので、アパーチャの溶融物の飛散によって
レーザ発振器を構成する重要な光学部品を破損すること
がない。

【００１３】また、アパーチャのミラー面がレーザ光の
軸に対して直角であると、このミラー面と共振ミラーと
が共振器を形成し、ここでレーザ光が増幅されてしま
い、アパーチャが絞りの意味をなさなくなってしまう。
本発明においては、アパーチャのミラー面の法線をレー
ザ光の軸に対して傾斜させるが、これは言い換えれば上
記アパーチャのミラー面がレーザ光の軸に対して直角で
ないということであり、このアパーチャのミラー面で反
射したレーザ光は入射方向とは異なる方向へ散乱する。
従って、アパーチャのミラー面と共振ミラーとが共振器
を形成してレーザ光が増幅されるという弊害がなく、ア
パーチャが絞りとして確実に機能する。

【００１４】また、ＹＡＧレーザのようにゲインの高い
レーザ光を出力するレーザ発振器においては、上記アパ
ーチャのミラー面で反射するレーザ光、即ち２枚の共振
ミラー間で増幅されないレーザ光でも十分に高いパワー
密度を有しているので、これが他の金属製の部品などに
照射されると、その部分が溶融し、破損する可能性があ
る。本発明においては、アパーチャのミラー面で反射さ
れたレーザ光がアブソーバで吸収されることにより、レ
ーザ光が他の金属製の部品に照射されてこれが破損する
ことがない。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例によるレーザ発振器につい
て図１から図４による説明する。図１は加工に用いられ
る本実施例によるレーザ発振器の構成を示した図であ
り、ここでは発振媒体として固体を用いる固体レーザの
例を示している。図１に示された固体レーザの構成及び
動作原理を以下に説明する。

【００１６】図１に示すように、本レーザ発振器は、レ
ーザ光を出力する発振媒体であるレーザロッド１、レー
ザロッド１を励起するためのフラッシュランプ２、内面
に楕円形の反射面（図示せず）を形成しその焦点位置に
レーザロッド１とフラッシュランプ２をそれぞれ設置し
た集光器３、レーザロッド１両端に面しその軸の延長線
上において互いに平行になるように配置され、共振器を
構成するエンドミラー４及びアウトプットミラー５、エ
ンドミラー４とレーザロッド１との間に挿入された絞り
であるアパーチャ２０を備えている。また、レーザロッ
ド１から出力されたレーザ光は図中５０で、アパーチャ
２０で反射したレーザ光は図中５１で示されている。さ
らに、レーザ発振器の外部には、フラッシュランプ２に
発光パワーを供給するパワー供給器６、及びパワー供給
器６の供給動作を制御するためのコントローラ７が設置
されている。

【００１７】アパーチャ２０はドーナツ状をした絞りで
あって、これを挿入することによって上記のようにレー
ザロッド１の径と同一の本来のビーム径より小さくビー
ム径を絞ることができる。これによりこのレーザ発振器
から出力され図４を用いて後述するように集光レンズで
被加工物上に集束されたレーザ光のスポット径が小さく
なり、微細加工を行うことができる。これは、微細加工
を行うための簡便な方法としてよく用いられる。特に、
加工深さと加工幅との比であるアスペクト比の大きな被
加工物を加工する場合には、十分な加工深さを得るため
にレーザ光のパワーを大きくし、加工幅、つまりスポッ
ト径を小さく絞る必要があり、このためにとりわけ穴径
の小さいアパーチャ２０を使用する。

【００１８】アパーチャ２０のレーザロッド１側の面
は、レーザロッド１から出力されるレーザ光５０の波長
に対し高い反射率を有するミラー面２０ａとなるように
表面が処理される。即ち、アパーチャ２０の面に金、
銀、アルミなどの材料をコーティングやメッキしたり、
アパーチャ２０の母材としてガラスなどの透明材料を用
い、多層の誘電体膜をコーティングしてミラー面２０ａ
とする。金、銀、アルミ等をコーティングやメッキする
のは、加工用レーザとして用いられるＣＯ₂レーザの波
長１０．６μｍやＹＡＧレーザの波長１．０６μｍに対
し高い反射率を持っているからである。

【００１９】また、ガラスなどの透明材料を母材とし多
層の誘電体膜をコーティングするのは、レーザ応用技術
ハンドブック（朝倉書店）８頁に記載されているよう
に、次のような理由による。即ち、例えば図２に断面図
で示すように、屈折率がｎ_Sである母材に、屈折率がｎ
_2q+1，ｎ_2q，…，ｎ₃，ｎ₂，ｎ₁であり、ｎ₁＝ｎ₃＝…
＝ｎ_2q+1＝ｎ_Hかつｎ₂＝ｎ₄＝…＝ｎ_2q＝ｎ_Lを満たす誘
電体膜を順にコーティングしたとすると、この面の反射
率Ｒは、Ｒ＝（ｎ₀ｎ_Sｎ_L ^2q−ｎ_H ^2(q+1)）／（ｎ₀ｎ_Sｎ_L ^2q＋ｎ_H
^2(q+1)）と表される。ここに、ｎ_H，ｎ_Lは定数であり、ｎ₀は空
気の屈折率である。従って、適当な屈折率を持つ材料
（誘電体）を組合わせてコーティングすればこの式より
１００％に近い反射率を得ることができる。

【００２０】また、図３に図１のＩＩＩ部拡大図を示す
ように、アパーチャ２０のレーザロッド１側のミラー面
２０ａは、レーザ光５０の軸に対して法線が傾斜した円
錐面をなしており、レーザロッド１から出力されるレー
ザ光５０の軸に対して直角ではない。もし、ミラー面２
０ａがレーザ光５０の軸に対して直角、即ちミラー面２
０ａの法線方向がレーザ光５０の軸と一致していると、
このミラー面２０ａとエンドミラー４とが共振器を形成
し、ここでレーザ光が増幅されてしまい、アパーチャが
絞りの意味をなさなくなってしまう。本実施例では、ミ
ラー面２０ａがレーザ光５０の軸に対して直角ではない
円錐面であるので，ミラー面２０ａで反射したレーザ光
５１はその入射方向とは異なる方向へ散乱する。従っ
て、ミラー面２０ａとエンドミラー４とが共振器を形成
してレーザ光が増幅されるという弊害がなく、アパーチ
ャ２０が絞りとして確実に機能する。

【００２１】尚、上記のようにアパーチャ２０はエンド
ミラー４とレーザロッド１との間に限らず、アウトプッ
トミラー５とレーザロッド１との間に挿入されることも
あり、この場合も同様の作用が得られる。

【００２２】図１に戻り、本レーザ発振器において、コ
ントローラ７は所要の駆動指令値をパワー供給器６に与
え、パワー供給器６が動作する。この指令値の内容とし
ては、例えば連続レーザの場合には電圧であり、パルス
レーザの場合にはパルス幅、電圧、パルス周波数等であ
る。パワー供給器６は、コントローラ７から供給される
指令値に応じてフラッシュランプ２に所要の電圧を印加
し、電圧が印加されることにより点灯又は点滅するフラ
ッシュランプ２の光は集光器３でレーザロッド１に与え
られる。レーザロッド１は、フラッシュランプ２から与
えられる光により、レーザロッド１にドープされたイオ
ン、例えばＹＡＧレーザの場合にはＮｄ³⁺イオンの電子
が励起され、励起された電子が再び下位のエネルギーレ
ベルに戻る時に誘導放出現象が発生する。発生したレー
ザ光５０がエンドミラー４とアウトプットミラー５との
間を往復するうちに増幅され強力なパワーを得るが、こ
の時上記説明したアパーチャ２０によってレーザ光５０
のビーム径が確実に絞られ、この一部がアウトプットミ
ラー５を透過してレーザ光８となり外部に放出される。

【００２３】次に上記レーザ発振器から出力されたレー
ザ光８を用いて行う加工について説明する。図４は本実
施例によるレーザ発振器を用いた加工装置の概略構成図
である。レーザロッド１から出力されたレーザ光８は、
反射ミラー９でその進行方向を被加工物１０が配置され
た方向に変えられる。次いで被加工物１０の直前位置に
配設された集光レンズ１１によりほぼ平行な状態で進行
してきたレーザ光を集束させ、この集束状態で被加工物
１０にレーザ光を照射する。この被加工物１０の表面に
照射されるレーザ光の集束状態に応じて被加工物１０に
おける加工内容が決定される。例えば、レーザ光を被加
工物１０の表面に焦点を設定し、微小なスポット径に集
束させると、極めて高いパワー密度が与えられるため、
被加工物１０の表面を一瞬のうちに溶融又は蒸発させ
る。また集光レンズ１１の位置を移動し、焦点位置を被
加工物１０の表面からずらせると、スポット径が大きく
なり、パワー密度を下げることができる。さらにフラッ
シュランプ２に印加される電圧を変化させることによ
り、レーザ光が有するパワーを変えることができる。

【００２４】上記のように２つの要素、即ちレーザ光の
スポット径と印加電圧の組み合わせにより、被加工物１
０に照射されるレーザ光のパワー密度を自由に制御する
ことができる。これにより被加工物１０の状態を加熱、
溶融、蒸発に変化させて、被加工物の状態に応じて熱処
理、溶接、切断、穴あけなどの各種加工を行うことがで
きる。

【００２５】以上のように本実施例によれば、アパーチ
ャ２０のレーザロッド１側を、レーザ光５０の波長に対
し高い反射率をもつミラー面２０ａとするので、レーザ
光５０が高いパワー密度を有していても、ミラー面２０
ａに入射したレーザ光のほとんどが反射し、アパーチャ
２０が溶融したり破損することなくレーザ光５０のビー
ム径を絞ることができる。従って、被加工物上に集束さ
れるレーザ光８のスポット径を小さくすることができ、
微細加工を行うことができる。さらにアパーチャ２０が
溶融することがないので、アパーチャの溶融物の飛散に
よってレーザ発振器を構成する重要な光学部品を破損す
ることがない。

【００２６】また、ミラー面２０ａを、レーザ光５０の
軸に対して法線が傾斜した円錐面とするので、反射した
レーザ光５１は入射方向とは異なる方向へ散乱され、ミ
ラー面２０ａとエンドミラー４とが共振器を形成しここ
でレーザ光が増幅されることがなく、アパーチャ２０を
絞りとして確実に機能させることができる。

【００２７】次に、本発明の他の実施例によるレーザ発
振器について図５により説明する。図５は本実施例によ
るレーザ発振器のアパーチャ近傍の断面図であり、図３
に相当する図である。図５に示すように、本実施例にお
いては、アパーチャ２０のミラー面２０ａで反射したレ
ーザ光５１の進路上にこのレーザ光を吸収するアブソー
バ３０を備える。このアブソーバ３０はドーナツ状をし
ており、円錐面をなすアパーチャ２０のミラー面２０ａ
の全周に対向するように吸収面３０ａが設けられてい
る。この吸収面３０ａの断面は鋭角な先端角をもつ三角
溝状であり、ミラー面２０ａで反射したレーザ光５１は
この三角溝によって吸収され減衰していく。また、この
吸収面３０ａの表面は黒色アルマイト処理や黒染め等に
よる黒色化処理が施され、レーザ光が吸収しやすくなっ
ている。さらに、アブソーバ３０の内部は中空になって
おり、その中空部分３０ｂには冷却水供給口３０ｃより
冷却水が供給され、レーザ光５１を吸収して発熱した吸
収面３０ａが冷却される。

【００２８】ところで、レーザ発振器がＹＡＧレーザの
ようにゲインの高いレーザ光を出力する場合は、アパー
チャ２０のミラー面２０ａで反射するレーザ光５１、即
ちエンドミラー４とアウトプットミラー５との間で増幅
されないレーザ光でも十分に高いパワー密度を有してい
るので、これが他の金属製の部品などに照射されると、
その部分が溶融し、破損する可能性がある。本実施例に
おいては、上記のようなミラー面２０ａで反射されたレ
ーザ光５１を吸収するアブソーバ３０を設けるので、レ
ーザ光が他の金属製の部品に照射されてこれが破損する
ことがない。

【００２９】以上のように、本実施例によれば、前述の
実施例による効果が得られるだけでなく、さらにアブソ
ーバ３０を設けるので、アパーチャ２０のミラー面２０
ａで反射されたレーザ光５１がこのアブソーバ３０に吸
収され、このレーザ光が他の金属製の部品に照射されて
これが破損することがない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、アパーチャの発振媒体
側を、レーザ光の波長に対し高い反射率をもつミラー面
とするので、このミラー面に入射するレーザ光のほとん
どが反射され、アパーチャを溶融したり破損することな
く、確実に絞りとして機能させることができる。従っ
て、被加工物上に集束されるレーザ光のスポット径を小
さくすることができ、微細加工を行うことができる。ま
た、アパーチャが溶融することがないので、アパーチャ
の溶融物の飛散によってレーザ発振器を構成する重要な
光学部品を破損することがない。

【００３１】また、ミラー面の法線をレーザ光の軸に対
して傾斜させるので、ミラー面と共振ミラーとが共振器
を形成することがなく、アパーチャを絞りとして確実に
機能させることができる。

【００３２】さらに、ミラー面で反射されたレーザ光を
吸収するアブソーバを設けるので、レーザ光が他の金属
製の部品に照射されてこれが破損することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレーザ発振器の構成を
示した図である。

【図２】ガラスなどの透明材料を母材とし、多層の誘電
体膜をコーティングしたミラー面の断面図である。

【図３】図１のレーザ発振器のアパーチャ近傍の断面図
であって、図１のＩＩＩ部拡大図である。

【図４】図１のレーザ発振器を用いた加工装置の概略構
成図である。

【図５】本発明の他の実施例によるレーザ発振器のアパ
ーチャ近傍の断面図であり、図３に相当する図である。

【図６】加工に用いられる従来のレーザ発振器の構成の
一例を示す図である。

【符号の説明】

１レーザロッド２フラッシュランプ３集光器４エンドミラー５アウトプットミラー８レーザ光２０アパーチャ２０ａミラー面３０アブソーバ３０ａ吸収面３０ｂ中空部分３０ｃ冷却水供給口５０レーザ光５１レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桜井茂行茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出力するロッド状の発振媒体
と、前記発振媒体を励起する励起手段と、前記発振媒体
の両端に対面して設けられた２枚の共振ミラーと、前記
共振ミラーの少なくとも一方とこれに対面する前記発振
媒体との間に挿入され前記発振媒体より出力されるレー
ザ光のビーム径を絞るアパーチャとを備え、前記発振媒
体及び前記２枚の共振ミラーを基本として光学ユニット
を構成するレーザ発振器において、前記アパーチャは、
レーザ光の波長に対し高い反射率を有しかつ前記レーザ
光の軸に対して法線が傾斜するミラー面を前記発振媒体
側に備えることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】請求項１記載のレーザ発振器において、
さらに前記アパーチャで反射したレーザ光の経路上に配
置され、そのレーザ光を吸収するアブソーバを備えるこ
とを特徴とするレーザ発振器。