JPH0682873B2 - レーザ装置 - Google Patents
レーザ装置Info
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- JPH0682873B2 JPH0682873B2 JP21708088A JP21708088A JPH0682873B2 JP H0682873 B2 JPH0682873 B2 JP H0682873B2 JP 21708088 A JP21708088 A JP 21708088A JP 21708088 A JP21708088 A JP 21708088A JP H0682873 B2 JPH0682873 B2 JP H0682873B2
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- Japan
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- laser beam
- laser
- phase
- magnifying
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08081—Unstable resonators
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、レーザ装置、とくに大出力レーザ装置にお
けるビーム品質の改良に関するものである。
けるビーム品質の改良に関するものである。
第５図は例えばレーザハンドブック（Laser Hand book1
979.North−Holland Publishing Campany）に記載され
た従来の不安定型共振器を有するレーザ装置を示す断面
側面図である。図において、（１）は凹面鏡よりなるコ
リメートミラー、（２）はこのコリメートミラーに対向
配置された凸面鏡よりなる拡大ミラーであり、両ミラー
（１），（２）は全反射ミラーをなす。（３）はレーザ
媒質でCO2レーザ等のガスレーザを例にとれば放電など
により励起されたガス媒質、YAGレーザなどの固体レー
ザを例にとればフラッシュランプ等により励起されたガ
ラス媒質であり、（４）ウインドミラー、（５）はウイ
ンドミラー面上に施された無反射コーテイング膜、
（６）は周囲を覆う箱体、（７）はミラー（１），
（２）により構成される光共振器内に発生するレーザビ
ーム、（８）は拡大ミラー周辺部より外部に取出された
レーザビームである。
979.North−Holland Publishing Campany）に記載され
た従来の不安定型共振器を有するレーザ装置を示す断面
側面図である。図において、（１）は凹面鏡よりなるコ
リメートミラー、（２）はこのコリメートミラーに対向
配置された凸面鏡よりなる拡大ミラーであり、両ミラー
（１），（２）は全反射ミラーをなす。（３）はレーザ
媒質でCO2レーザ等のガスレーザを例にとれば放電など
により励起されたガス媒質、YAGレーザなどの固体レー
ザを例にとればフラッシュランプ等により励起されたガ
ラス媒質であり、（４）ウインドミラー、（５）はウイ
ンドミラー面上に施された無反射コーテイング膜、
（６）は周囲を覆う箱体、（７）はミラー（１），
（２）により構成される光共振器内に発生するレーザビ
ーム、（８）は拡大ミラー周辺部より外部に取出された
レーザビームである。
次に動作について説明する。
ミラー（１），（２）はいわゆる不安定型共振器を構成
しており、拡大ミラー（２）により反射拡大されたレー
ザビームはレーザ媒質（３）により増幅されると共に、
コリメートミラー（１）により平行ビームにコリメート
され、拡大ミラー（２）及びミラー周辺部上に反射さ
せ、リング状のビームとしてウインドミラー（４）より
外部にとり出される。取出される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
より集光することにより中高のビームとなり、鉄板など
の切断，溶接等を効率よくおこなうことができる。
しており、拡大ミラー（２）により反射拡大されたレー
ザビームはレーザ媒質（３）により増幅されると共に、
コリメートミラー（１）により平行ビームにコリメート
され、拡大ミラー（２）及びミラー周辺部上に反射さ
せ、リング状のビームとしてウインドミラー（４）より
外部にとり出される。取出される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
より集光することにより中高のビームとなり、鉄板など
の切断，溶接等を効率よくおこなうことができる。
また、その集光の度合いは取出されるリング状ビームの
内径と外径との比（Ｍ値（Magnification factor））で
きまり、Ｍ値が大きいほど、すなわち、より中づまりで
取出されたビームほどよく集光される。しかしＭ値を大
きくすると発振効率が著しく悪化するため、工業的に現
実にもちいられるＭ値の上限は２程度である。
内径と外径との比（Ｍ値（Magnification factor））で
きまり、Ｍ値が大きいほど、すなわち、より中づまりで
取出されたビームほどよく集光される。しかしＭ値を大
きくすると発振効率が著しく悪化するため、工業的に現
実にもちいられるＭ値の上限は２程度である。
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Ｍ値を大きくすると発振効
率が悪化するので、実用的にはＭ値を最高集光性能の得
られる無限大近くまであげられないという課題があっ
た。また、ウインドミラー（４）がリング状のレーザビ
ームにより不均一に加熱されるため、不均一な内部応力
が発生し、通過するレーザビームの位相分布をくずし、
集光性能を悪化させる等の課題があった。
集光特性を向上させるためにＭ値を大きくすると発振効
率が悪化するので、実用的にはＭ値を最高集光性能の得
られる無限大近くまであげられないという課題があっ
た。また、ウインドミラー（４）がリング状のレーザビ
ームにより不均一に加熱されるため、不均一な内部応力
が発生し、通過するレーザビームの位相分布をくずし、
集光性能を悪化させる等の課題があった。
この発明は上記のような課題を解消するためになされた
もので、発振効率の低下を招かずにＭ値が無限大に近い
高品質のレーザビームを取出すことができるレーザ装置
を容易に得ることを目的とする。
もので、発振効率の低下を招かずにＭ値が無限大に近い
高品質のレーザビームを取出すことができるレーザ装置
を容易に得ることを目的とする。
この発明に係るレーザ装置は、拡大ミラーに部分透過性
をもたせると共に、共振器内または共振器のレーザビー
ム出射側外部に、拡大ミラーを通過するレーザビーム
と、ミラー周辺部を通過するレーザビームの位相差を打
消する位相補償ミラーを設けるものである。
をもたせると共に、共振器内または共振器のレーザビー
ム出射側外部に、拡大ミラーを通過するレーザビーム
と、ミラー周辺部を通過するレーザビームの位相差を打
消する位相補償ミラーを設けるものである。
この発明における位相補償ミラーは拡大ミラー部とミラ
ー周辺部とを通過するレーザビーム間の位相差をなく
し、位相のそろったレーザビームを作り出す。
ー周辺部とを通過するレーザビーム間の位相差をなく
し、位相のそろったレーザビームを作り出す。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第１図はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示す断
面側面図であり、図において、（40）はウインドミラー
を兼ねる凸面鏡であり、コリメートミラー（１）に対向
する面の中央部に部分反射率を有する部分反射膜（20）
（例えばZnSe薄膜）が設けられ、拡大ミラーとして働
く。また反射膜（20）の周辺部及び他面側には無反射コ
ーティング膜（５）（例えば、PbF2薄膜）が設けられて
いる。さらに凸面鏡（40）の外部には両側表面中央部に
段差（200a）（200b）を持ちレーザビーム入射側に半透
過（部分反射）コーティング膜（10）を他面に無反射コ
ーティング（５）の施された位相補償ミラー（９）が備
えられている。
面側面図であり、図において、（40）はウインドミラー
を兼ねる凸面鏡であり、コリメートミラー（１）に対向
する面の中央部に部分反射率を有する部分反射膜（20）
（例えばZnSe薄膜）が設けられ、拡大ミラーとして働
く。また反射膜（20）の周辺部及び他面側には無反射コ
ーティング膜（５）（例えば、PbF2薄膜）が設けられて
いる。さらに凸面鏡（40）の外部には両側表面中央部に
段差（200a）（200b）を持ちレーザビーム入射側に半透
過（部分反射）コーティング膜（10）を他面に無反射コ
ーティング（５）の施された位相補償ミラー（９）が備
えられている。
次に動作について説明する。
コリメートミラー（１）及び凸面鏡（40）の反射膜（2
0）部はいわゆる不安定型共振器を構成しており、凸面
鏡（40）の反射膜（20）で反射拡大されたレーザビーム
（７）は、レーザ媒質（３）により増幅されると共に、
コリメートミラー（１）により平行ビームにコリメート
され、凸面鏡（40）より外部へレーザビーム（８）とし
て取出される。
0）部はいわゆる不安定型共振器を構成しており、凸面
鏡（40）の反射膜（20）で反射拡大されたレーザビーム
（７）は、レーザ媒質（３）により増幅されると共に、
コリメートミラー（１）により平行ビームにコリメート
され、凸面鏡（40）より外部へレーザビーム（８）とし
て取出される。
このレーザビーム（８）は部分反射膜（20）を通過する
部分（70）と無反射コーティング膜（５）を通過する部
分（71）とからなるが、両者は位相補償ミラー（９）に
より位相補正されて等位相の中づまり形状のレーザビー
ム（８）として外部に取出される。このレーザビームは
中づまりであるため、従来の不安定型共振器で定義され
たＭ値は無限大に相当する。
部分（70）と無反射コーティング膜（５）を通過する部
分（71）とからなるが、両者は位相補償ミラー（９）に
より位相補正されて等位相の中づまり形状のレーザビー
ム（８）として外部に取出される。このレーザビームは
中づまりであるため、従来の不安定型共振器で定義され
たＭ値は無限大に相当する。
第２図（ａ），（ｂ）は各々従来及びこの発明の一実施
例による不安定型共振器で発生したレーザビームをレン
ズで集光させた場合のパターン形状を模式的に示す特性
図であり、横軸は光軸からの距離、縦軸はビーム強度で
ある。
例による不安定型共振器で発生したレーザビームをレン
ズで集光させた場合のパターン形状を模式的に示す特性
図であり、横軸は光軸からの距離、縦軸はビーム強度で
ある。
この実験では両者の発振特性をほぼ同一にするため、反
射膜（20）の反射率は50％、また反射膜（20）の径とビ
ーム外径との比は1.5とした。（即ち、Ｍ＝1.5の従来の
不安定型共振器の拡大ミラー（２）に50％の部分透過性
をもたせて、この発明の不安定型共振器とした。） また、凸面鏡（40）の両面の曲率は同一とし（厚みを一
定とし）、レーザビーム（８）が凸面鏡（40）を通過後
も平行ビームであるようにした。第２図（ａ），（ｂ）
で示される各集光性能を比較すると、この発明によるも
の（第２図（ｂ））は中央強度が高く、かつ光軸上に集
中したレーザビームが得られることがわかる。
射膜（20）の反射率は50％、また反射膜（20）の径とビ
ーム外径との比は1.5とした。（即ち、Ｍ＝1.5の従来の
不安定型共振器の拡大ミラー（２）に50％の部分透過性
をもたせて、この発明の不安定型共振器とした。） また、凸面鏡（40）の両面の曲率は同一とし（厚みを一
定とし）、レーザビーム（８）が凸面鏡（40）を通過後
も平行ビームであるようにした。第２図（ａ），（ｂ）
で示される各集光性能を比較すると、この発明によるも
の（第２図（ｂ））は中央強度が高く、かつ光軸上に集
中したレーザビームが得られることがわかる。
次に位相補償ミラー（９）の作用について述べる。
レーザビーム（70），（71）はそれぞれ凸面鏡（40）の
うち２種類のコーティング膜（20），（５）の施された
部分を通過して外部に取出される。コーティング膜の種
類によって通過するレーザビームに与えられる位相変化
は異なるため、位相補償ミラーがなければ内部に発生し
た等位相レーザビーム（７）は空間的位相分布をもつレ
ーザビームとして外部に取出される。
うち２種類のコーティング膜（20），（５）の施された
部分を通過して外部に取出される。コーティング膜の種
類によって通過するレーザビームに与えられる位相変化
は異なるため、位相補償ミラーがなければ内部に発生し
た等位相レーザビーム（７）は空間的位相分布をもつレ
ーザビームとして外部に取出される。
第３図には凸面鏡（40）内面の部分反射膜（20）を通過
するレーザビームに与えられる位相と、無反射コーティ
ング膜（５）を通過するレーザビームに与えられる位相
との差に対しての集光特性の計算例を示す。集光特性と
してはレーザビームをレンズでしぼった時のビーム強度
が中央の1/e2になる直径できめた集光スポット径とその
径内に全体の何％のパワーが含まれるかを示すパワー集
中度とを示す。
するレーザビームに与えられる位相と、無反射コーティ
ング膜（５）を通過するレーザビームに与えられる位相
との差に対しての集光特性の計算例を示す。集光特性と
してはレーザビームをレンズでしぼった時のビーム強度
が中央の1/e2になる直径できめた集光スポット径とその
径内に全体の何％のパワーが含まれるかを示すパワー集
中度とを示す。
前者が小さいほどレーザビームは細くしぼれ、また後者
が大きいほど細くしぼれた範囲内に大量のパワーを集中
でき、したがって効率的な加工ができるため、集光特性
がよいと判断できる。第３図より集光スポット径を小さ
く、またパワー集中度を高く保つためには位相差は約45
゜以内に保たれる必要があることがわかる。しかし、た
とえばCO2レーザ用のミラーを例にとっても、この位相
差が60゜以上になることはしばしば観測される。
が大きいほど細くしぼれた範囲内に大量のパワーを集中
でき、したがって効率的な加工ができるため、集光特性
がよいと判断できる。第３図より集光スポット径を小さ
く、またパワー集中度を高く保つためには位相差は約45
゜以内に保たれる必要があることがわかる。しかし、た
とえばCO2レーザ用のミラーを例にとっても、この位相
差が60゜以上になることはしばしば観測される。
位相補償ミラーはこの位相差を打消すべく構成される。
第１図に示す例では、レーザビーム（70），（71）が通
過する部分の間に段差（200）を設けて、それぞれの厚
みに変化をもたせている。
第１図に示す例では、レーザビーム（70），（71）が通
過する部分の間に段差（200）を設けて、それぞれの厚
みに変化をもたせている。
例えば、凸面鏡（40）内面の部分反射膜（20）を通過す
るレーザビームに与えられる位相が、無反射コーティン
グ膜（５）を通過するレーザビームに与えられる位相よ
りδ（degree）進んでいるとする。
るレーザビームに与えられる位相が、無反射コーティン
グ膜（５）を通過するレーザビームに与えられる位相よ
りδ（degree）進んでいるとする。
レーザビーム（8a）においてこれを補正するための位相
補償ミラー（９）の段差（200a）ｄは第１図の様に位相
補償ミラーへのレーザビームの入射角45゜の場合は により求められる。ただしλはレーザビームの波長であ
る。
補償ミラー（９）の段差（200a）ｄは第１図の様に位相
補償ミラーへのレーザビームの入射角45゜の場合は により求められる。ただしλはレーザビームの波長であ
る。
またレーザビーム（8b）も段差（200b）により位相補償
されるため、１つの箱体（６）から２つの位相補償され
たレーザビーム（8a）（8b）が得られる。
されるため、１つの箱体（６）から２つの位相補償され
たレーザビーム（8a）（8b）が得られる。
なお上記実施例では位相補償ミラー（９）は両面に凸の
段差（200a）（200b）を備えたものについて説明した
が、段差は凹状でもよく、また第４図に示すように位相
補償ミラー面上での位相変化を構成の異なる半透過コー
ティング（110）及び無反射コーティング（105）を用い
て実現してもよい。
段差（200a）（200b）を備えたものについて説明した
が、段差は凹状でもよく、また第４図に示すように位相
補償ミラー面上での位相変化を構成の異なる半透過コー
ティング（110）及び無反射コーティング（105）を用い
て実現してもよい。
たとえばCO2レーザ用のミラーを例にとれば、基盤（ZnS
e）にPbF21層を用いても、ZnSe,ThF42層を用いても無反
射コーティング膜が実現できるが、この場合、両膜を通
過することによる位相差は20゜以上である。要は中央部
とその周囲とで構成を工夫して位相差が生じるような構
成であればよい。
e）にPbF21層を用いても、ZnSe,ThF42層を用いても無反
射コーティング膜が実現できるが、この場合、両膜を通
過することによる位相差は20゜以上である。要は中央部
とその周囲とで構成を工夫して位相差が生じるような構
成であればよい。
以上のように、この発明によれば不安定型共振器の拡大
ミラーに部分透過性をもたせる構成としたため、発振効
率を犠牲にすることなく中づまりの集光特性のよいレー
ザビームが１つの箱体から複数得られ、したがってこの
レーザビームを利用することにより高速で効率よく高精
度のレーザ加工をおこなうことができるという効果があ
る。また、レーザビームはウインドミラーを兼ねる凸面
鏡を全体に加熱するため、熱応力が発生しにくく安定し
て長期間ビームを取出すことができるという効果もあ
る。
ミラーに部分透過性をもたせる構成としたため、発振効
率を犠牲にすることなく中づまりの集光特性のよいレー
ザビームが１つの箱体から複数得られ、したがってこの
レーザビームを利用することにより高速で効率よく高精
度のレーザ加工をおこなうことができるという効果があ
る。また、レーザビームはウインドミラーを兼ねる凸面
鏡を全体に加熱するため、熱応力が発生しにくく安定し
て長期間ビームを取出すことができるという効果もあ
る。
また、位相補償ミラーを共振器ミラーと別に設けたので
それぞれの最適設計ができ、容易に等位相ビームが外部
に取出せるという効果もある。
それぞれの最適設計ができ、容易に等位相ビームが外部
に取出せるという効果もある。
第１図はこの発明の一実施例によるレーザ装置を示す断
面側面図、第２図（ａ），（ｂ）は各々従来及びこの発
明の一実施例によるレーザ装置の集光特性を示す特性
図、第３図はこの発明のもととなる位相補償の必要性を
説明する曲線図、第４図はこの発明の他の実施例による
レーザ装置を示す断面側面図、第５図は従来のレーザ装
置を示す断面側面図である。 図において、（１）はコリメートミラー、（３）はレー
ザ媒質、（40）は凸面鏡、（５）は無反射コーティング
膜、（７），（70），（71），（８）はレーザビーム、
（９）は位相補償ミラー、（20）は部分反射膜、（20
0）は段差である。 なお図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
面側面図、第２図（ａ），（ｂ）は各々従来及びこの発
明の一実施例によるレーザ装置の集光特性を示す特性
図、第３図はこの発明のもととなる位相補償の必要性を
説明する曲線図、第４図はこの発明の他の実施例による
レーザ装置を示す断面側面図、第５図は従来のレーザ装
置を示す断面側面図である。 図において、（１）はコリメートミラー、（３）はレー
ザ媒質、（40）は凸面鏡、（５）は無反射コーティング
膜、（７），（70），（71），（８）はレーザビーム、
（９）は位相補償ミラー、（20）は部分反射膜、（20
0）は段差である。 なお図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】部分透過性を有する拡大ミラーと、この拡
大ミラーに対向配置され、上記拡大ミラーで反射され拡
大されたレーザビームを、上記拡大ミラー及びミラー周
辺部上に反射させるコリメートミラーとからなる不安定
型共振器を有し、上記共振器内または上記共振器のレー
ザビーム出射側外部に、上記拡大ミラーを通過するレー
ザビームと、上記ミラー周辺部を通過するレーザビーム
の位相差を打消す位相補償ミラーを設けたレーザ装置に
おいて、上記位相補償ミラーは、半透過性を有し、上記
レーザビームを透過，反射し、分割するもので、分割さ
れた両レーザビーム両方の位相を補償する構成を有する
ことを特徴とするレーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708088A JPH0682873B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21708088A JPH0682873B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0265282A JPH0265282A (ja) | 1990-03-05 |
| JPH0682873B2 true JPH0682873B2 (ja) | 1994-10-19 |
Family
ID=16698513
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21708088A Expired - Lifetime JPH0682873B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0682873B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230137277A1 (en) * | 2020-03-13 | 2023-05-04 | Inter-University Research Institute Corporation National Institutes Of Natural Sciences | Optical oscillator, method for designing optical oscillator, and laser device |
-
1988
- 1988-08-31 JP JP21708088A patent/JPH0682873B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0265282A (ja) | 1990-03-05 |
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