JPH07106668A - Small-sized and sturdy gas laser device - Google Patents

Small-sized and sturdy gas laser device

Info

Publication number
JPH07106668A
JPH07106668A JP6069963A JP6996394A JPH07106668A JP H07106668 A JPH07106668 A JP H07106668A JP 6069963 A JP6069963 A JP 6069963A JP 6996394 A JP6996394 A JP 6996394A JP H07106668 A JPH07106668 A JP H07106668A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resonator
laser device
laser
gas laser
gain region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP6069963A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Sterman Baruch
バルーク・ステルマン
Yatsuifu Shiyauru
シャウル・ヤツィフ
Amnon Gabay
アーノン・ガベイ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GAL OR LASERS Ltd
GARUUOA LASER ZU Ltd
GARUUOA LASER-ZU Ltd
Original Assignee
GAL OR LASERS Ltd
GARUUOA LASER ZU Ltd
GARUUOA LASER-ZU Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GAL OR LASERS Ltd, GARUUOA LASER ZU Ltd, GARUUOA LASER-ZU Ltd filed Critical GAL OR LASERS Ltd
Publication of JPH07106668A publication Critical patent/JPH07106668A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

PURPOSE: To make it possible to resist the acceleration generated by movement while the output, mode quality and efficiency, etc., of a resonator are being maintained by providing a resonator which becomes the only internal radiation distribution wherein the turnaround track containing a specific number of processes. CONSTITUTION: This gas laser device contains a thin film and geometrically shaped excitation gain region 9 formed between two cooling electrodes 6 and 7, and high output is generated from this device of very small type. Accordingly, Gaussian rays, which are symmetrically focused, are radiated taking full advantage of the gain region 9 having a wide stopline excitation structure. The gas laser device is composed of a focusing mirror and the second reflection surface having the region of different reflection factors, and a resonator, which becomes the only internal radiation distribution wherein a turnaround track, containing six or more processes, are maintained in a laser cavity, is provided. Accordingly, the reflection factor of coating in an output coupling region is increased, and the loss of coupling can be reduced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、コンピューター制御位
置決め装置において、主軸ユニットまたは機械加工/切
断/穿孔機を物理的に置き換えることのできるストリッ
プライン励起構造の軽量で丈夫なガスレーザ装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lightweight and rugged gas laser device having a stripline excitation structure which can physically replace a spindle unit or a machining / cutting / piercing machine in a computer controlled positioning device.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の低出力(100W未満)のレーザ
による彫刻機や、切削機、穿孔機は、レーザ装置の開口
部から対象物上の所望の変動可能な位置へ光線を伝達す
る一連の鏡や、レンズ、光ファイバーから構成される光
線伝達システム(フライング光学系)を伴った静止レー
ザを採用している。これらのシステムは、たいへん複雑
であり、しばしば再キャリブレーションや調整を必要と
し、また、一般的にかなりの額の初期投資と維持費用と
を要し、システムの設置に必要な面積を増加させる(代
替的に選択できる他の方法としては、レーザ処理の対象
物全体を移動させることもできるが、その場合の不都合
は、しばしばより一層大きなものとなる)。
BACKGROUND OF THE INVENTION Conventional low power (less than 100 W) laser engravers, cutters, and perforators are a series of lasers that transmit a beam of light from an opening in a laser device to a desired variable position on an object. A stationary laser with a light transmission system (flying optical system) consisting of a mirror, a lens, and an optical fiber is adopted. These systems are very complex, often require recalibration and adjustment, and generally require a significant amount of initial investment and maintenance costs, increasing the area required to install the system ( Alternatively, another option is to move the entire laser-treated object, but the disadvantage is often even greater).

【0003】従来のシステムでレーザを静止状態に置く
理由は、ガスレーザの大きな寸法と大きな重量、および
その比較的脆い構造にある。他方、小型で頑丈なレーザ
は、レーザ処理される材料にとって出力が小さすぎた
り、最大出力線束密度を得る程度にまで焦点を合わせる
ことができないほど劣った性質をもつ光線を発する傾向
がある(近赤外域または可視域の固体レーザは、これら
の欠点を克服し得るが、現時点では非常に高価であ
る)。
The reason for placing the laser stationary in conventional systems is the large size and weight of the gas laser and its relatively fragile structure. Small, rugged lasers, on the other hand, tend to emit rays that are too low in power for the material being lasered or have such poor properties that they cannot be focused to the point where maximum power flux density is obtained (near Infrared or visible solid-state lasers can overcome these drawbacks, but are currently very expensive).

【0004】超小型の伝導的に冷却されたガスレーザ
は、ストリップライン構造を用いて設計されており、そ
こでの励起利得領域は、薄い覆い(図3)の幾何学的形
状の中に位置する2つの冷却電極の間に閉じこめられて
いる。そのような構造では、1ユニットの長さあたりの
出力は、シートの横方向の幅に比例し、また、(周囲に
沿って冷却された円筒形の利得領域における場合のよう
に)利得領域の断面積に依存する。それゆえ、1ユニッ
トの長さあたりの出力として、ごく小型の装置から高い
出力を得るようにすることができる。
Microminiature, conductively cooled gas lasers have been designed with a stripline structure in which the pump gain region is located within the geometry of the thin envelope (FIG. 3). It is enclosed between two cooling electrodes. In such a construction, the output power per unit length is proportional to the lateral width of the sheet and also of the gain area (as is the case in a cylindrically cooled gain area around the perimeter). Depends on cross-sectional area. Therefore, it is possible to obtain a high output from a very small device as an output per unit length.

【0005】1つの集束全反射器と、1つの平面出力カ
ップラとを有する、ケースIの光共振器を用いて、スト
リップラインレーザ構造は、利得領域断面の形状、すな
わち薄く引き延ばした帯状の形状を有する光線を発す
る。そのような光線のパターンは、応用を考慮したとき
には、好ましくない。なぜならば、集束系における焦平
面での回折により制限された光線束は、非対称な形状を
もつであろうし、また、焦点深度も小さいからである。
平板(スラブ)状の幾何学的形状をもつ利得領域から狭
いビームを引き出す1つの方法は、不安定導波管ハイブ
リッド共振器を用いることである。すなわち、光共振器
(光キャビティ)は、(ギャップを横断する)横の寸法
中に安定な導波管構造を得て、側面の(長さ)寸法中に
不安定な共振器をもつように構成される。正および負の
ブランチ型(図6)の両方の不安定な共振器が、すでに
報告されている(米国特許第4,719,639号に
は、正ブランチ型が、米国特許第5,048,048号
には、負ブランチ型が記載されている。)。
Using the case I optical resonator with one focusing total reflector and one planar output coupler, the stripline laser structure has a gain region cross-sectional shape, ie, a thin stretched strip shape. Emit the rays that have. Such ray patterns are not desirable when considering the application. This is because the ray bundle limited by the diffraction at the focal plane in the focusing system will have an asymmetrical shape, and the depth of focus will be small.
One way to extract a narrow beam from a gain region with a slab geometry is to use an unstable waveguide hybrid resonator. That is, the optical resonator (optical cavity) has a stable waveguide structure in the lateral dimension (crossing the gap) and has an unstable resonator in the lateral (length) dimension. Composed. Both positive and negative branch (FIG. 6) unstable resonators have been previously reported (US Pat. No. 4,719,639 describes a positive branch as US Pat. No. 5,048). No. 048 describes a negative branch type).

【0006】低出力で小型のレーザにおいて、不安定共
振器には2つの欠点がある。1つは、この型の共振器か
ら発せられた光線がc/2Lの周波数空間中に軸モード
間隔をもつことである(ここで、cは、光の速度を示
し、Lは、共振器の長さを示す。)。たいへん短いレー
ザ装置にとって、この間隔は大きなものとなり、また、
軸モードのピークを利得曲線のピークに合致させること
は、しばしば困難である。
In low power, small lasers, unstable resonators have two drawbacks. One is that the rays emitted from this type of resonator have an axial mode spacing in the frequency space of c / 2L (where c is the speed of light and L is the resonator's velocity). Indicates the length.). For very short laser devices, this spacing is large, and
It is often difficult to match the axial mode peaks to the gain curve peaks.

【0007】さらに、特に短いレーザが1より大きな往
復利得を達成するためには、カップリング損失を含めた
全体の損失を、最小に保たなければならない。不安定な
共振器のカップリング損失を削減するために、光線の流
出する開口を小さくしなければならない。これは、回折
による出力ビームの質の低落を招く。
Furthermore, in order for particularly short lasers to achieve round-trip gains greater than unity, the overall losses, including coupling losses, must be kept to a minimum. In order to reduce the coupling loss of the unstable resonator, the beam exit aperture must be small. This results in poor output beam quality due to diffraction.

【0008】ストリップライン構造から集束光線を引き
出すための代替方法は、シンラッド社(Synrad Inc.)で
開発され、「シリーズ22 "Poly-Lase" Micro miniature
CO2laser arrays models D22-1および M22-1」として
製品化されている。これらのレーザは、たいへん小型で
あり、比較的高い出力を有し、セラミックスペーサーに
よって縦方向に3つの領域に分かれるストリップをもつ
ストリップライン構造から構成される。流出する放射
は、3つの別個の光線の形をとり、これら3つの光線
は、集束することがない。そのようなシステムの焦点合
わせは複雑であり、大きな焦点深度をもつ最大線束密度
を得ることはできない。シンラッド社は、「M2 因子の
極限的性能(モードの性質または孔の大きさ)が必要と
されないような」応用分野における自社のレーザ装置の
利用法を開示している。
An alternative method for extracting the focused light beam from the stripline structure was developed by Synrad Inc. and described in "Series 22" Poly-Lase "Micro miniature.
CO 2 laser arrays models D22-1 and M22-1 ”. These lasers are very compact, have a relatively high power output and consist of a stripline structure with strips longitudinally divided into three regions by ceramic spacers. The outgoing radiation takes the form of three separate rays, which are not focused. Focusing of such systems is complicated and it is not possible to obtain maximum flux density with large depth of focus. Thinrad discloses the use of its laser device in applications where "the ultimate performance of the M 2 factor (modal nature or pore size) is not required".

【0009】従前の論文(Optics Letters Vol. 14, N
o. 23, (1989), pp. 1309-1311 、および SPIE Vol. 12
76, CO2 Lasers and Applications II (1990), pp. 98-
105)中で、上記特許の発明者は、ストリップライン構
造の広い利得領域からガウス光線を取り出す課題に対す
る仮の解決法を述べている。Mモードの折り返し軌跡
は、代替モードの形成を抑制するように、全反射焦点鏡
のとなりの半共焦点共振器の中にストップを置くことに
よって得られる。Mモード光共振器の設計には、以下の
3つの欠点がある。
Previous papers (Optics Letters Vol. 14, N
o. 23, (1989), pp. 1309-1311, and SPIE Vol. 12
76, CO 2 Lasers and Applications II (1990), pp. 98-
In 105), the inventor of the above patent describes a tentative solution to the problem of extracting Gaussian rays from a wide gain region of a stripline structure. The M-mode folding trajectory is obtained by placing a stop in the semi-confocal resonator next to the total internal reflection mirror to suppress the formation of alternative modes. The M-mode optical resonator design has the following three drawbacks.

【0010】1.軌跡中にただ4つの行程しかもたず、
それゆえ、大きく横に伸びる励起領域に適さない。とい
うのは、励起領域を効率的に利用しないからである。こ
のため、ユニットの長さあたりの出力が非常に高くなる
ようにMモデルを利用することができない。
1. There are only four strokes in the trajectory,
Therefore, it is not suitable for a large laterally extended excitation region. This is because the excitation region is not used efficiently. Therefore, the M model cannot be used so that the output per unit length becomes very high.

【0011】2.電極と全反射焦点鏡の間へのストップ
の挿入(このようにして電極と全反射焦点鏡の間の距離
が広げられる)は、電極の端の実質的な回折損失によっ
て、出力や効率における大きな低減を引き起こす。この
効果は、電極間の距離が(高出力のために必要とされる
ように)小さいとき、より生じやすい。
2. The insertion of a stop between the electrode and the total internal reflection mirror (thus widening the distance between the electrode and the total internal reflection mirror) results in a significant increase in power and efficiency due to the substantial diffraction loss at the end of the electrode. Cause a reduction. This effect is more likely to occur when the distance between the electrodes is small (as required for high power).

【0012】3.ストップ領域は、全反射球形鏡に置か
れる。そのため、平面鏡と球形鏡は、どちらもオーダー
メードの光学部品であることが要求される。これは、共
振器の部品のコストを高くする。
3. The stop area is placed on a total internal reflection spherical mirror. Therefore, both the plane mirror and the spherical mirror are required to be made-to-order optical components. This adds to the cost of the resonator components.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、2つの冷却電
極の間に薄膜状の幾何学的形状の励起利得領域が包含さ
れており、ごく小型の装置から高出力を生み出すガスレ
ーザ装置であって、ストリップライン励起構造の広い利
得領域を効率的に利用して、対称で集束するガウス様の
光線を放射し、1つの集束鏡と、反射率の異なる領域か
らなる第2反射面とから構成され、6以上の行程を含む
折り返し軌跡がレーザキャビティの中で維持される唯一
の内部放射分布となる共振器によって特徴付けられる、
小型で頑丈なガスレーザ装置に関する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a gas laser device that includes a thin film geometrically shaped pump gain region between two cooling electrodes to produce high power from a very small device. And efficiently utilize the wide gain region of the stripline pumping structure to emit a symmetrically focused Gaussian-like light beam, and is composed of one focusing mirror and a second reflecting surface composed of regions having different reflectances. Characterized by a cavity with a folded trajectory comprising more than 6 strokes, which is the only internal radiation distribution maintained in the laser cavity,
The present invention relates to a small and sturdy gas laser device.

【0014】上記レーザ装置は、コンピューター制御位
置決め装置に組み込んで主軸ユニット、または彫刻/切
削/穿孔機として用いることができる。
The above laser device can be incorporated into a computer-controlled positioning device to be used as a spindle unit or an engraving / cutting / drilling machine.

【0015】また、本発明は、気体レーザ装置の共振器
に関する。この共振器は、一の集束鏡と、反射率が異な
る領域からなる第2反射面とから成り、6以上の行程を
持つ折り返し軌跡が、レーザキャビティ内部に維持され
る単一の内部放射分布となるようになっている。
The present invention also relates to a resonator of a gas laser device. This resonator is composed of one focusing mirror and a second reflecting surface composed of regions having different reflectivities, and a folding locus having a stroke of 6 or more is provided with a single internal radiation distribution maintained inside the laser cavity. It is supposed to be.

【0016】またさらに、本発明は、共振器からその光
軸に平行に放出されるビームに関するものであり、この
ビームは、6倍以上の長さの共振器から発せられるビー
ムの光軸モード間隔を有する。
Furthermore, the present invention relates to a beam emitted from a resonator parallel to its optical axis, which beam has an optical axis mode spacing of a beam emitted from a resonator having a length of 6 times or more. Have.

【0017】本発明の目的は、その作動(すなわち、出
力、モード品質、効率など)を維持しつつ、移動によっ
て生じる加速に耐えることのできる丈夫な気体レーザを
提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a robust gas laser capable of withstanding the acceleration caused by movement while maintaining its operation (ie power, mode quality, efficiency, etc.).

【0018】さらに、上述のレーザは、コンパクトで軽
量であり、小型コンピュータにより制御された位置決め
装置(すなわち、ロボットアーム、パンタグラフ等)に
よる移動が容易になるようになっている。
Further, the above-mentioned laser is compact and lightweight, and can be easily moved by a positioning device (that is, robot arm, pantograph, etc.) controlled by a small computer.

【0019】また、このレーザは、コンピュータ制御さ
れた既存の切断、ドリルもしくは切削機械に対し、形状
および寸法において互換性を備えており、既存の機械器
具もしくはスピンドルアッセンブリを物理的に置換する
ことができる。このようにして、現在ある機械的作業能
力をレーザの作業能力により強化し、上記位置決め装置
のZ軸を通したワークピースのスポットサイズ領域を動
的に制御することができる。
The laser is also compatible in shape and size with existing computer controlled cutting, drilling or cutting machines, allowing it to physically replace existing machinery or spindle assemblies. it can. In this way, the existing mechanical work capacity can be enhanced by the work capacity of the laser and the spot size area of the workpiece through the Z axis of the positioning device can be dynamically controlled.

【0020】本発明のさらなる目的は、優秀なビーム特
性(すなわち、対象性、ガウス分布、小損失)を備えた
レーザを提供することを目的とし、かかるレーザは、励
起した媒質の広い利得領域を効率的にサンプリングしつ
つ、最大の線束密度およびM2 因子を提供することが期
待される。
A further object of the invention is to provide a laser with excellent beam characteristics (ie symmetry, Gaussian distribution, small loss), such laser having a wide gain region of the pumped medium. It is expected to provide maximum flux density and M 2 factor while sampling efficiently.

【0021】さらに、本発明における上記光共振器の結
合損失は、発生するビームの品質を損なうことなく、相
当小さくすることができる。加えて、このレーザの上記
光共振器の構成は、その長さが短かい点で優れ、実際の
長さの6倍以上のレーザキャビティに対応する光軸モー
ドスペーシング値を有する。これによって、与えられた
周波数領域の中で、光軸モードのより大きな密度を得る
ことができ、励起した媒質の利得曲線の最大値に光軸モ
ードピークを合わせることを容易にする。
Furthermore, the coupling loss of the optical resonator in the present invention can be made considerably small without impairing the quality of the generated beam. In addition, the configuration of the optical resonator of this laser is excellent in that its length is short, and has an optical axis mode spacing value corresponding to a laser cavity that is 6 times or more the actual length. This makes it possible to obtain a larger density of optical axis modes within a given frequency range, and facilitates matching the optical axis mode peak to the maximum value of the gain curve of the excited medium.

【0022】さらに、本発明にかかる装置は、コンパク
トかつ丈夫であり、比較的高出力(単位長さあたり)か
つ対称で絞り込まれたビームを備えることと相まって、
マシーニング、ドリル、切削あるいは切断器具、また
は、スピンドルアセンブリーに代えて、既存の位置決め
装置に直接組み込むことができる。
Furthermore, the device according to the invention is compact and robust, coupled with a relatively high power (per unit length) and symmetrically focused beam,
It can be directly integrated into existing positioners instead of machining, drilling, cutting or cutting instruments, or spindle assemblies.

【0023】[0023]

【実施例】図1は、本発明のレーザヘッドの断面図であ
る。二本の平行な電極(6,7)が、セラミックスペー
サ(2,3,4)および固定ねじ(5)によって保持さ
れている。一方の電極(6)は、電気的に他方の電極
(7)および周囲の金属製さや(1)と絶縁されてい
る。これら二の電極間には、RF電圧が印加され、これ
らの間の領域(9)は、ガス排出路を形成している。こ
れら電極内には透孔(8)が設けられ、ここに水を流す
ことによって冷却される。上記金属製さや(1)は、壁
面を構成し、レーザ内のガスを密封し、ファラデーケー
ジとして機能することによって、RF電磁線を遮蔽する
とともに、RFノイズが漏れることを抑制する。図2
は、上記周囲の金属製さや(1)を除いて電極およびス
ペーサを示したものである。
1 is a sectional view of a laser head according to the present invention. Two parallel electrodes (6, 7) are held by ceramic spacers (2, 3, 4) and fixing screws (5). One electrode (6) is electrically insulated from the other electrode (7) and the surrounding metal sheath (1). An RF voltage is applied between these two electrodes, and the region (9) between them forms the gas exhaust path. A through hole (8) is provided in each of these electrodes and is cooled by flowing water there. The metal sheath (1) constitutes a wall surface, seals gas in the laser, and functions as a Faraday cage to shield RF electromagnetic radiation and suppress leakage of RF noise. Figure 2
Shows the electrodes and spacers except for the surrounding metal sheath (1).

【0024】このレーザの利得領域は、上記二の電極に
閉じこめられた薄膜状の領域(図3)である。このスト
リップライン・キャビティが、薄く長く、また、このキ
ャビティ内の放射分布のためのマックスウエル方程式
が、(y)に平行な方向と(x)に平行な方向とに分離
して想定できるために、このキャビティは、y方向にお
ける放射分布を考慮するにあたり、実質的に二次元的に
取り扱うことができる(実際の二次元的分布は、x方向
のウエーブガイド・モードおよび本発明でy方向のモー
ドとして説明される自由空間モードとの混成分布とな
る)。ケースIの光共振器(利得領域の高さaを横切る
単一反射特性を持つ鏡)は、フレネル数(N=a2 /λ
L)が大きく、光放射パターンは、実質的に利得領域の
断面形状(高さがaで幅がbの長方形)をしており、高
次元のエルミート‐ガウスモード(H−Gモード)を含
む数多くのH−Gモードの重ね合わせとなる。
The gain region of this laser is a thin film region (FIG. 3) enclosed by the two electrodes. This stripline cavity is thin and long, and the Maxwell equation for the radiation distribution in this cavity can be assumed separately in the direction parallel to (y) and the direction parallel to (x). , This cavity can be treated substantially two-dimensionally in considering the radiation distribution in the y-direction (the actual two-dimensional distribution is the waveguide mode in the x-direction and the mode in the y-direction in the present invention). Described as a free-space mode and mixed-component cloth). The optical resonator of Case I (mirror having a single reflection characteristic across the height a of the gain region) has a Fresnel number (N = a 2 / λ).
L) is large, and the light emission pattern substantially has a cross-sectional shape of the gain region (rectangle of height a and width b), and includes high-dimensional Hermite-Gauss mode (HG mode). It is a superposition of many H-G modes.

【0025】キャビティの長さ、鏡の曲率半径、および
キャビティ間損失の分布は、特定のH−Gモードが優勢
になるようにに設定することができる。これは、光線
(幾何)光学による考察において、直感的に了解され
る。図4は、一の平面鏡(1)と、焦点距離が鏡の間の
距離Lの二倍の一の焦点鏡(2)とを備えた共振器を示
す。平面鏡(1)のポイントP1 で生じ、光軸に平行に
走るビームは、焦点鏡(2)で反射され、平面鏡のポイ
ントP2 を打ち、次いで球面鏡の中心に到達する。これ
は、光軸に関し対称にポイントP3 ,P4 でも継続され
る。ポイントP4 において、同様の光跡を描いて逆戻り
する。この軌跡は、閉成されている。すなわちビーム
は、キャビティ内の有限数の光路(この場合12個の光
路)を経て同様の位置および方向に復帰する。
The cavity length, mirror radius of curvature, and intercavity loss distribution can be set so that a particular H-G mode dominates. This is intuitively understood in light (geometric) optics considerations. FIG. 4 shows a resonator with one plane mirror (1) and one focusing mirror (2) whose focal length is twice the distance L between the mirrors. The beam originating at the point P 1 of the plane mirror (1) and running parallel to the optical axis is reflected by the focusing mirror (2), hits the point P 2 of the plane mirror and then reaches the center of the spherical mirror. This continues at points P 3 and P 4 symmetrically about the optical axis. At point P 4 , a similar light trace is drawn and the flow returns. This locus is closed. That is, the beam returns to a similar position and direction through a finite number of optical paths in the cavity (12 optical paths in this case).

【0026】この議論は、一方の鏡が球面で他方の鏡が
平面の光キャビティに関するABCD光線マトリックス
解析(これはガウスビームおよび幾何学的光線にも同様
に当てはまる)の結果とも一致している。平面鏡から出
発するユニットセルのマトリックスは、次式で与えられ
る(Laser Electronics, J.T. Verdeyen, Prentice Hal
l, 1981, pp. 35-41)。
This argument is also in agreement with the results of an ABCD ray matrix analysis for an optical cavity with one mirror spherical and the other mirror planar, which also applies to Gaussian and geometrical rays. The matrix of unit cells starting from a plane mirror is given by (Laser Electronics, JT Verdeyen, Prentice Hal
l, 1981, pp. 35-41).

【数1】 上記f=2Lの構成においては、[Equation 1] In the above configuration of f = 2L,

【数2】 ユニットセルにおいて、s回目の行程を経たときの光線
の位置は、次の方程式で表すことができる。
[Equation 2] In the unit cell, the position of the light ray after the s-th stroke can be expressed by the following equation.

【数3】rs =rmax sin(sθ+α) s=0の平面においては、光軸からrmax の距離にあっ
て光軸に平行に走るビームが開始する。この場合、αは
ただちにπ/2として定まる。θは、次式で与えられ
る。
In Equation 3] planes of r s = r max sin (sθ + α) s = 0 , the beam starts running parallel to the optical axis a from the optical axis at a distance of r max. In this case, α is immediately determined as π / 2. θ is given by the following equation.

【数4】cosθ=(A+D)/2=1/2## EQU00004 ## cos .theta. = (A + D) / 2 = 1/2

【数5】θ=π/3 したがって、この光線の往復後の位置は、次式で与えら
れる。
[Mathematical formula-see original document] Therefore, the position of this ray after the round trip is given by the following equation.

【数6】rs =rmax sin(sπ/3+π/2) 明らかに、前記のように、この関数は6往復または12
回の反射で繰り返しになる。
## EQU00006 ## r s = r max sin (sπ / 3 + π / 2) Obviously, as mentioned above, this function has 6 round trips or 12 rounds.
It will be repeated with a single reflection.

【0027】その他の放射分布またはキャビティ内に維
持され得る閉軌跡を全て抑制するために、キャビティ内
にストップ(3)を挿入する。この放射(電磁線)が、
平面鏡のP1 〜P4 というはっきりした点でこの鏡と交
わるので、平面鏡をP2 〜P4 の3点で全反射するよう
にし、P1 点では部分的に透過するように設計すること
ができる。
A stop (3) is inserted in the cavity in order to suppress any other radiation distribution or closed trajectory that can be maintained in the cavity. This radiation (electromagnetic radiation)
Since the plane mirror intersects this mirror at points P 1 to P 4 which are clear, it is possible to design the plane mirror so as to totally reflect at three points P 2 to P 4 and partially transmit at the point P 1. it can.

【0028】図5は、本発明による上記の光共振器構造
の側面図を示す。球状の全反射鏡は、2Lの焦点距離を
もっている(ここで、Lは、鏡の間の距離である)。こ
の平面鏡は、キャビティ内面上に異なるコーティングを
用いて、一の基板を用いて単一平面にアラインメントさ
れている。領域(3)および(5)は、反射率が最大に
なるようにコートされ、領域(2)は、部分透過性であ
るようにする。平面鏡の領域(4)は、反射しないよう
になっていて、図4のストップ(3)に対応する。
FIG. 5 shows a side view of the above optical resonator structure according to the invention. A spherical total internal reflection mirror has a focal length of 2L, where L is the distance between the mirrors. The plane mirror is aligned in a single plane with one substrate, using different coatings on the inside surface of the cavity. Areas (3) and (5) are coated for maximum reflectivity and area (2) is to be partially transmissive. The area (4) of the plane mirror is made non-reflecting and corresponds to the stop (3) in FIG.

【0029】放出される放射(6)は、光軸に対して平
行なガウスビームの特性を有する。さらに、本実施例の
構造の長さの6倍の長さ(6L)のキャビティを有する
従来からのレーザ装置と同じ放射(ビームの開き、軸モ
ード間隔などの点で)が得られる。レーザ装置のハウジ
ングに直接取り付けた1個のレンズがビームを特定の一
点に集束させる。
The emitted radiation (6) has the characteristic of a Gaussian beam parallel to the optical axis. Furthermore, the same radiation (in terms of beam divergence, axial mode spacing, etc.) can be obtained as in a conventional laser device having a cavity 6 times longer (6 L) than the length of the structure of this embodiment. A lens, mounted directly on the laser device housing, focuses the beam at a particular point.

【0030】先行論文に記載された光共振器の場合(図
6)(正および負の両方のブランチの不安定共振器)、
総体的なカップリング損失を減少させるために、開口対
反射表面の比(a1 /a2 )を減らさなければならな
い。放出領域(a)の一定の横方向の広がりに対して、
開口(a1 )が小さくなると、回折現象により、放出さ
れるビームの性質がさらに一段と低下する。
In the case of the optical resonator described in the preceding article (FIG. 6) (unstable resonator with both positive and negative branches),
In order to reduce the overall coupling loss, the aperture to reflective surface ratio (a 1 / a 2 ) must be reduced. For a constant lateral extent of the emission area (a),
As the aperture (a 1 ) becomes smaller, the diffraction phenomenon further deteriorates the nature of the emitted beam.

【0031】しかし、本発明においては、出力カップリ
ング領域(図5の(2))におけるコーティングの反射
率を増加することによって、カップリング損失を任意に
低下させることができる。よって、全体的な利得が小さ
く、したがって1以上の往復利得を得るためにカップリ
ング損失が小さくなければならない、長さの短いキャビ
ティに対しては、この光共振器の実施例が、不安定共振
器の例よりも好ましい。
However, in the present invention, the coupling loss can be arbitrarily reduced by increasing the reflectance of the coating in the output coupling region ((2) in FIG. 5). Thus, for short length cavities, where the overall gain is small and therefore the coupling loss must be small to obtain a round trip gain of 1 or more, this optical resonator embodiment provides an unstable resonance. Preferred over the vessel example.

【0032】これらの2つの利点(長いレーザ装置の特
性およびカップリング損失を減少させる能力に対応す
る)があるので、本発明は、非常に短いキャビティに対
して特に有利である。
Because of these two advantages (corresponding to the long laser device characteristics and the ability to reduce coupling losses), the present invention is particularly advantageous for very short cavities.

【0033】本発明のレーザ装置は、単位長さ当たりの
出力が高い非常にコンパクトで頑丈な装置と、優れたビ
ーム特性の組み合わせを実現するものである。これによ
り、レーザを、パンタグラフや、CNCフライス装置、
ボール盤、切断装置、ロボットのアームといったコンピ
ュータ制御された位置決め装置に取り付けることが可能
になる。このような位置決め装置に現在装着されている
機械加工具や主軸にそっくりの寸法に本発明にレーザ装
置を設計することにより、このような工具を本発明のレ
ーザ装置で物理的に置き換えることができる。このよう
にして、レーザ専用の位置決め装置を購入することな
く、レーザ光を製造工程において利用することができ
る。これにより、コストとスペースをかなりセーブする
ことができ、二の別個のシステムに従業員が習熟するた
めの時間と技能をも減らすことができる。
The laser device of the present invention realizes a combination of a very compact and robust device having a high output per unit length and excellent beam characteristics. As a result, the laser can be changed to a pantograph, a CNC milling device,
It can be attached to a computer controlled positioning device such as a drilling machine, cutting device, robot arm. By designing the laser device of the present invention to have dimensions that closely resemble the machining tools and spindles currently installed in such positioning devices, such tools can be physically replaced by the laser device of the present invention. . In this way, the laser light can be used in the manufacturing process without purchasing a positioning device dedicated to the laser. This can save considerable cost and space and also reduce the time and skill for an employee to become proficient in two separate systems.

【0034】本発明の更なる利点は、レーザ装置とワー
クピース間の距離を変更することにより、ビームスポッ
トの大きさを変えることができることである。レーザ装
置のz軸方向の位置を変化させることにより、彫刻溝の
幅を、例えば、最小0.1ミリから1ミリ以上に動的に
制御することができる。z軸方向の移動は、現在のパン
タグラフやCNCシステムにより可能であり、レーザ装
置を採用することにより、回転工具とワークピース間に
生じる相互作用をなくすことができる。レーザシステム
の稼働は、励起回路(電源回路)によりなされるので、
z軸方向の移動を自由に行って、焦点域の大きさを制御
することができる。
A further advantage of the present invention is that the beam spot size can be changed by changing the distance between the laser device and the workpiece. By changing the position of the laser device in the z-axis direction, the width of the engraving groove can be dynamically controlled, for example, from a minimum of 0.1 mm to 1 mm or more. Movement in the z-axis is possible with current pantographs and CNC systems, and the use of a laser device eliminates the interaction between the rotating tool and the workpiece. Since the operation of the laser system is done by the excitation circuit (power supply circuit),
The size of the focal zone can be controlled by freely moving in the z-axis direction.

【0035】本発明のある特定の実施例の一例は、プラ
スチックの彫刻に適用されるものである。レーザによる
彫刻は、いくつかの面で、機械的なシステムに比べて利
点を有している。 ・ワークピースに削り屑がつかない。 ・抵抗がない(壊れ易く、保持が困難なワークピースに
とっては重要である)。 ・微細な連解像度(0.1ミリまで)。 ・線幅の動的制御ができる(ワークピースからの距離を
変えることにより)。
One example of one particular embodiment of the invention is applied to plastic engraving. Laser engraving has several advantages over mechanical systems.・ No shavings on the work piece. • No resistance (important for work pieces that are fragile and difficult to hold). -Fine continuous resolution (up to 0.1 mm). -Dynamic control of line width is possible (by changing the distance from the work piece).

【0036】現在手にはいるコンピュータ制御の機械的
彫刻システムとしては、グラボグラフ・システムVX2
(Gravograph system VX2)がある。大きさが18cm×
3.5cm径で重さが2Kgのカッタ保持主軸(スピン
ドル)(部品番号63435-000)により、カッタを保持す
る。本発明のレーザヘッドの大きさは、主軸の寸法にそ
っくり合わせることができる。主軸ユニットをレーザヘ
ッドに交換して、現行の機械的彫刻装置を利用してレー
ザ彫刻が可能となり、その費用は、別個の専用レーザ彫
刻システムにかかるコストの何分の一かで済むことにな
る。
The computer controlled mechanical engraving system currently in use is the Gravograph System VX2.
(Gravograph system VX2) is available. 18 cm x size
The cutter is held by a cutter holding spindle (spindle) (part number 63435-000) having a diameter of 3.5 cm and a weight of 2 kg. The size of the laser head of the present invention can be matched to the size of the main shaft. The main spindle unit can be replaced with a laser head, and laser engraving can be performed using the existing mechanical engraving device, and the cost will be a fraction of the cost of a separate dedicated laser engraving system. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、本発明の第1の実施例にかかるレーザ
ヘッドの概念的断面図である。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of a laser head according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図2は、電極およびスペーサの内部構造を説明
する斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view illustrating internal structures of electrodes and spacers.

【図3】図3は、ストリップラインレーザの利得領域の
寸法を説明する斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view illustrating dimensions of a gain region of a stripline laser.

【図4】図4は、内部放射分布および発生するビームを
光学的に説明した本発明にかかる光軸共振器の概念的側
面図である。
FIG. 4 is a conceptual side view of an optical axis resonator according to the present invention, which optically describes the internal radiation distribution and the generated beam.

【図5】図5は、本発明にかかる光共振器の実施例を説
明する側面図である。
FIG. 5 is a side view illustrating an embodiment of the optical resonator according to the present invention.

【図6】図6の(a)は、正ブランチ型(positive bran
ch) 不安定共振器の側面図、(b)は、負ブランチ型(n
egative branch) 不安定共振器の側面図である。
FIG. 6 (a) is a positive branch type (positive bran)
ch) Side view of unstable resonator, (b) shows negative branch type (n
egative branch) It is a side view of an unstable resonator.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01S 3/08 Z ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location H01S 3/08 Z

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2つの冷却電極の間に薄膜状の幾何学的
形状の励起利得領域が包含されており、ごく小型の装置
から高出力を生み出すガスレーザ装置であって、 ストリップライン励起構造の広い利得領域を効率的に利
用して、対称で集束するガウス様の光線を放射し、 1つの集束鏡と、反射率の異なる領域を有する第2反射
面とからなり、6以上の行程を含む折り返し軌跡がレー
ザキャビティの中で維持される唯一の内部放射分布とな
る共振器を有する、小型で頑丈なガスレーザ装置。
1. A gas laser device including a thin film geometrical pumping gain region between two cooling electrodes to produce high power from a very small device, having a wide stripline pumping structure. Efficient use of the gain region to emit a symmetrically focused Gaussian-like light beam, which is composed of one focusing mirror and a second reflecting surface having regions with different reflectivities, and includes a folding path including six or more strokes. A compact and rugged gas laser device with a resonator whose trajectory is the only internal radiation distribution maintained in the laser cavity.
【請求項2】 コンピューター制御位置決め装置に組み
込んで主軸ユニット、または、彫刻ないし切削、穿孔機
として用いることができる請求項1に記載の小型レーザ
装置。
2. The miniature laser device according to claim 1, which can be incorporated in a computer-controlled positioning device and used as a spindle unit, or as an engraving or cutting or punching machine.
【請求項3】 彫刻や、切断、穿孔、その他の素材に対
して加工を行うためにビームに対して何らかの操作を行
う必要がなく、ワークピース上のスポットの面積を位置
決め装置のz軸により動的に制御できる請求項2に記載
の小型レーザ装置。
3. The area of the spot on the workpiece is moved by the z-axis of the positioning device without the need to perform any manipulations on the beam for engraving, cutting, drilling, or otherwise working on the material. 3. The miniature laser device according to claim 2, which can be controlled mechanically.
【請求項4】 一の焦点鏡と、反射率が異なる領域から
なる第2反射面とから成り、6以上の行程を持つ折り返
し軌跡が、レーザキャビティ内部に維持される単一の内
部放射分布となる共振器。
4. A single internal radiation distribution in which a folding locus having one or more focusing mirrors and a second reflecting surface composed of regions having different reflectances and having a stroke of 6 or more is maintained inside the laser cavity. Become a resonator.
【請求項5】 6倍以上の長さのある共振器から発せら
れるビームの軸モード間隔を有し、共振器から光軸に平
行に放出されるビーム。
5. A beam emitted from a resonator parallel to the optical axis with an axial mode spacing of the beam emitted from the resonator having a length of 6 times or more.
JP6069963A 1993-03-15 1994-03-15 Small-sized and sturdy gas laser device Pending JPH07106668A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IL105055A IL105055A0 (en) 1993-03-15 1993-03-15 Compact laser
IL105055 1993-03-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07106668A true JPH07106668A (en) 1995-04-21

Family

ID=11064616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6069963A Pending JPH07106668A (en) 1993-03-15 1994-03-15 Small-sized and sturdy gas laser device

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JPH07106668A (en)
DE (1) DE4408786A1 (en)
FR (1) FR2702891A1 (en)
IL (1) IL105055A0 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006525756A (en) * 2003-05-02 2006-11-09 ライトレーザー エル.エル.シー. Waveguide laser
CN117464167A (en) * 2023-12-15 2024-01-30 西南科技大学 Bionic multi-gradient shunt for laser processing and processing method and application thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006525756A (en) * 2003-05-02 2006-11-09 ライトレーザー エル.エル.シー. Waveguide laser
CN117464167A (en) * 2023-12-15 2024-01-30 西南科技大学 Bionic multi-gradient shunt for laser processing and processing method and application thereof
CN117464167B (en) * 2023-12-15 2024-04-19 西南科技大学 Bionic multi-gradient shunt for laser processing and processing method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
DE4408786A1 (en) 1994-09-22
IL105055A0 (en) 1993-07-08
FR2702891A1 (en) 1994-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8294062B2 (en) Laser beam positioning systems for material processing and methods for using such systems
CN105081586A (en) Laser processing method and device
CA2037063C (en) Optical machining apparatus
US11471978B2 (en) Laser oscillator, laser machining device in which same is used, and laser oscillation method
JPH06142963A (en) Method for rapid penetration of laser beam through partially reflective metal
EP0580867B1 (en) Laser
CN111515526A (en) Multi-beam processing device and method
EP1766442A1 (en) Aperture stop assembly for high power laser beams
JPH07106668A (en) Small-sized and sturdy gas laser device
US5299220A (en) Slab laser
JPS6363594A (en) Gas laser device
CN114012248B (en) Optical path system of laser cutting head
RU2283738C1 (en) Device for laser working
JP2748853B2 (en) Beam expander, optical system and laser processing device
CN117103684B (en) Scanning system for reducing inertia of vibrating mirror with long working distance
CN212526539U (en) Special-shaped hole laser processing device
CN221019121U (en) Composite forming device for increasing and decreasing materials
CN113319425B (en) Multi-axis laser scanning optical system
JPH0126198B2 (en)
JPH01271088A (en) Laser beam machine
JP2003117676A (en) Laser beam machining method and laser beam machining device
CN117226252A (en) Adjustable axial bifocal laser focusing module
JP3252125B2 (en) Polyhedral mirror device forming a long light column with high light intensity or method of using the same
CN117564447A (en) Laser processing method and processing system for transparent material
JPH0584484U (en) Laser processing equipment

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20040302