JPH0728068B2 - レ−ザ装置 - Google Patents

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に係り、特にレーザビームの位相
調整機能を備えたレーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 第９図は例えばレーザハンドブック（Laser Handbook 1
979.North−Holland Publishing Company）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の模式図で
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）は全反射ミラーによって構成されている。（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る。（４）はウインドミラー、
（５）はウインドミラー（４）の面上に施された無反射
コーティング膜、（６）は周囲を覆う箱体、（７）はコ
リメートミラー（１）と拡大ミラー（２）とにより構成
された光共振器内に発生するレーザビーム、（８）は拡
大ミラー（２）の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。コリメートミラー（１）と
拡大ミラー（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（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（7a）に
コリメートされて拡大ミラー（２）及び拡大ミラー
（２）の周辺部上に反射し、リング状のビームとしてウ
インドミラー（４）より外部に取出される。取出された
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、レンズ等によって集光することにより中高の
レーザビームとなり、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のレーザ
ビーム（８）の内径と外径ととの比（Ｍ値（Magnificat
ion 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。

このようなレーザ装置においては、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問題があった。また、ウインドミ
ラー（４）がリング状のレーザビーム（８）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て通過
するレーザビーム（８）の位相分布をくずし、集光性能
を悪化させる等の問題があった。

このような問題を解決するため、この発明の出願人は、
さきに特願昭61−291786号として第10図，第11図に例示
するようなレーザ装置を出願した。

図において、（４）はウインドミラーを兼ねた凸面鏡
で、コリメートミラー（１）に対向する面の中央部は凸
部又は凹部（40）に形成され、その表面には部分反射率
を有する部分反射コーティング膜（20）が設けられてい
て、拡大ミラーとして機能する。（５）は部分反射コー
ティング膜（20）の周辺部及び他面側に形成された無反
射コーティング膜である。

上記のようなレーザ装置においては、コリメートミラー
（１）及び凸面鏡（４）の部分反射コーティング膜（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（４）の部分反射コーティング膜（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（４）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）は部分反射コーティング膜（2
0）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、段差（40）
の作用により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。

このようにレーザビーム（70），（71）はそれぞれ凸面
鏡（４）の部分反射コーティング膜（20）と無反射コー
ティング膜（５）の２種類のコーティング膜が施された
部分を通過して外部に取出されるが、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
化が異なるため、段差（40）がなく凸面鏡（４）の厚さ
が一定であれば、レーザビーム（70）と（71）との間に
は位相差が生じる。そして位相差の生じたレーザビーム
（70），（71）はレンズ等で集光した場合よく絞れず、
効率的なレーザ加工を行なうことができない。また伝送
中にビーム形状が変化して集光レンズ上で中高になり、
レンズを破壊したりする。

上記のレーザ装置はこのような位相差を打消すべく凸面
鏡（４）に段差（40）を設けたもので、第10図及び第11
図に示す例では、レーザビーム（70）と（71）とが通過
する部分の間に段差（40）をもうけてそれぞれの厚みに
変化をもたせている。たとえば凸面鏡（４）内面の部分
反射コーティング膜（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進んでいるとす
れば、これを補正するための凸面鏡（４）の中央部の段
差（40）の深さｄは （ｎ−１）d/λ＝δ によりもとめられる。ただし、ｎは凸面鏡（４）の材質
の屈折率、λはレーザビームの波長である。

［発明が解決しようとする問題点］ 以上のように特願昭61−291786号に記載されたレーザ装
置は、ウインドミラーに一定の段差を設けてレーザビー
ムを等位相としたので、発振効率を犠牲にすることなく
中づまりの集光特性に優れたレーザビームが得られる。
しかしながら、ウインドミラー（凸面鏡）（４）は、高
出力レーザビームの吸収により母材及びコーティング膜
（５），（20）の温度が上昇すると、その屈折率が変化
するので、これを補正するためには段差の深さを変えな
ければならないが、上記の装置ではそのような構成にな
っていなかった。

また、ミラーに段差を形成するにあたっては、ダイヤモ
ンド切削などによって行なっていたが、きわめて高価で
ある等の問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、位相を自由に調整できる手段をもうけたレ
ーザ装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係るレーザ装置は、反斜面上の一部分が移動
可能でかつその移動量を調整できる反射ミラーを備えた
レーザ装置、及び前記移動量を時間的に変化させる手段
を備えたレーザ装置を提供するものである。

［作用］ この発明における移動可能な部分をもつ反射ミラーは、
可動部とそのまわりの部分で反射される２つのレーザビ
ームの位相差を調整し、また時間変化させる。

［発明の実施例］ 第１図はこの発明の実施例の模式図である。図におい
て、（１）はコリメートミラー、（４）は凸状のウイン
ドミラー、（５）は無反射コーティング膜、（20）は部
分反射コーティング膜、（６）は共振器をおおう箱体、
（７），（70），（71）は共振器内のレーザビーム、
（８），（80），（81）はレーザ共振器から外部に取出
されたレーザビームである。（10）はウインドミラー
（４）から取出されたレーザビーム（80），（81）の光
路上に設けた全反射ミラー、（11）は全反射ミラー（1
0）の中央部を例えば放電加工機でくり抜いて軸方向に
移動可能に構成した全反射ミラーからなる可動ミラーで
ある。（13）は全反射ミラー（10）に固定された固定
部、（14）は固定部（13）に沿って直線運動する可動部
で、両者により線運動機構（12）を構成しており、可動
部（14）には可動ミラー（11）が取付けられている。
（15）は集光レンズ、（16）は被加工物である。

次に動作について説明する。コリメートミラー（１）お
よび凸状のウインドミラー（４）の部分反射コーティン
グ膜（20）は、いわゆる不安定型共振器を構成してお
り、部分反射コーティング膜（20）で部分反射し拡大さ
れたレーザビーム（７）は、レーザ媒質（３）により増
幅されるとともに、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、その中央部（70）の一部は部
分反射コーティング膜（20）を通して外部にレーザビー
ム（80）として、またその周囲部（71）のほとんどが無
反射コーティング膜（５）を通して外部にレーザビーム
（81）としてとり出される。この両レーザビーム（8
0），（81）は、ウインドミラー（４）の表面の異なる
コーティング膜を通して出射されるため、一般に両者に
位相差が生じる。

この位相差を打消すため、例えばレーザビーム（81）の
方がレーザビーム（80）よりも位相がδ進んでいるとす
ると、レーザビームの波長をλとして、 だけレーザビーム（81）の伝播距離がレーザビーム（8
0）の伝播距離に比べて多くなるように直線運動機構（1
2）の可動部（14）を移動させて可動ミラー（11）を突
出させればよい。全反射ミラー（10）及び可動ミラー
（11）への入射角が45゜であれば、その突出量ｄは ｄ＝ｌ・sin45゜ となる。逆にレーザビーム（80）の方がレーザビーム
（81）より位相がδだけ進んでいる場合には、上記ｄだ
け可動ミラー（11）を後退させればよい。

このようにして等位相化されたレーザビーム（８）は、
集光レンズ（15）により著しく中高に集光され、これに
より被加工物（16）のレーザ加工を行なうことができ
る。

上記の実施例では、位相を調整する全反射ミラー（10）
及び可動ミラー（11）を共振器の外部に設けた例を示し
たが、第２図に示すように、可動ミラー（11）を備えた
全反射ミラー（10）を共振器ミラーの１つとして共振器
内に設けてもよい。

また、上記実施例では、共振器内に複数の光路をもつレ
ーザ共振器を例にとって説明したが、この発明はこれに
かぎるものでなく、例えば第３図に示すようにコリメー
トミラー（１）と部分反射ミラー（４）よりなる安定型
共振器では、一般に周囲側の位相がおくれて集光性能が
悪化するが、全反射ミラー（10）の可動ミラー（11）を
後退させることによりこれを補正することができる。

第４図はこの発明のさらに別の実施例を示すもので、本
実施例はレーザ装置から取出されたレーザビームの位相
を時間変化させて、集光ビームパターンを制御するよう
にしたものである。なお、第１図の実施例と同一又は相
当部分には同じ符号を付し、説明を省略する。（18）は
直線運動機構（12）の可動部（14）に取付られた例えば
ピエゾ素子の如き伸縮素子（19）は伸縮素子（18）を励
起する電源である。

次に動作について説明する。なお、伸縮素子（18）は電
源（19）により励起され、前後に振動しているものとす
る。ウインドミラー（４）から外部に取出されたレーザ
ビーム（80），（81）は、それぞれ全反射ミラー（10）
及び可動ミラー（11）の面で反射されるが、可動ミラー
（11）は伸縮素子（18）により前後に振動しているた
め、両者間には光路長の変化に伴う光路差が周期的に発
生しており、したがって両レーザビーム（80），（81）
間には位相差が周期的に生じている。こうして位相差の
ついたレーザビーム（80），（81）は合成されて位相分
布をもつレーザビーム（８）となり、さらに集光レンズ
（15）により集光されて被加工物（16）のレーザ加工を
おこなう。

第５図に同期的位相変化の大きい場合のパターンの一例
を示す。同図（ａ）にはレーザビーム（81）が（80）に
くらべて位相が180゜おくれたレーザビーム（８）を集
光した場合のビーム強度分布を、同図（ｂ）にはレーザ
ビーム（81），（80）が同位相となった場合のビーム強
度分布を示す。この図から、位相差を−180゜から０゜
まで同期的に変化させることにより、レーザビームの軸
上強度はきわめて大きな変化を示し、このレーザビーム
を用いればパルス状のレーザ加工がおこなえることがわ
かる。−180゜と０゜との位相差をつけるのに必要な可
動ミラー（11）の突出量ｄは、波長λ、可動ミラー（1
1）への入射各45゜として と計算されるが、CO₂レーザを例にとれば、λ＝10.6μ
ｍであるから ｄ＝3.7μｍ と小さく、したがってピエゾ素子の如き伸縮素子（17）
により、通常のCO₂レーザ発信器で実現できないような
数100KHz以上の繰返しパルス加工、たとえば鉄板の表面
に細かい凹凸を発生させる加工などをきわめて高速に行
なうことができる。

次に位相を調整して焦点深度の伸長をはかる実施例を説
明する。第６図の曲線A,B,Cはそれぞれレーザビーム（8
0），（81）の位相差が−60゜,0゜，＋６゜の場合の焦
点前後での軸上強度の変化を示し、第７図には位相制御
を１周期内で±60゜内に振動変化させた場合の平均的軸
上強度の変化を示す。両図から位相制御を周期的におこ
なうことにより焦点前後で軸上強度がほとんど変化しな
い、いわゆる焦点深度のきわめて深いレーザビームが得
られることがわかる。このようなレーザビームを用いれ
ば、厚板の切断、深い溶込み加工が容易に実現できる。

上記の実施例では位相を調整する全反射ミラー（10）と
可動ミラー（11）をレーザ共振器の外部に配設した例を
示したが、第２図に示した実施例の場合と同様にレーザ
共振器のミラーの１つとして共振器内に配設してもよ
い。

また、上記実施例では、共振器内に複数の光路をもつレ
ーザ共振器を例にとり説明したが、この発明はこれに限
定するものではなく、第３図に示した実施例の場合と同
様にコリメートミラー（１）と部分反射ミラー（４）よ
りなる安定型共振器を備えたレーザ装置にも実施するこ
ともできる。

第８図に上記の安定型共振器によりガウス状のビームモ
ードを発生させ、位相差を与えずに集光した場合（同図
中曲線Ａ）と、レーザビーム断面内の外径の半分以内に
180゜の位相差を与えた場合（同図中曲線Ｂ）とにおけ
る集光ビーム強度分布を示す。この場合も位相差を変化
させることにより軸上強度は大きく変化し、したがって
位相差を時間的に変化させれば、パルス加工をおこなえ
ることがわかる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、この発明によればレー
ザビームの等位相化を、全反射ミラーとその中心部に軸
方向に移動可能に設けた全反射ミラーからなる可動ミラ
ーによって行なうようにしたので、例えばウインドミラ
ーの温度変化によって等位相化するレーザビームの位相
が変化しても速やかにこれに対応することができ、位相
を精度よく調整することができる。

また、この発明はレーザビームの断面内における位相分
布を時間変化させるように構成したので、例えば位相分
布の時間変化を大きくとることにより、集光ビームの軸
上強度を大きく変化させてパルス状のレーザ加工を行な
うことができ、また位相制御を周期的に行なうことによ
り、焦点深度のきわめて深いレーザビームを得ることが
できる。

さらに、全反射ミラーの可動ミラーは通常のミラーから
例えば放電加工機でくり抜いて構成できるため、従来の
段部を設ける場合に比べてきわめて安価である等、実施
による効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はそれぞれ第１の発明の実施例の模式
図、第４図は第２の発明の実施例の模式図、第５図
（ａ），（ｂ）は第４図の実施例のビーム強度分布図、
第６図は同じく位相差による焦点伸度を示す線図、第７
図は位相制御を１周期内で±60゜内に振動変化させた場
合の平均的軸上強度の変化を示す線図、第８図は安定型
共振器に第２の発明を実施した場合のビーム強度分布
図、第９図は従来のレーザ装置の一例を示す模式図、第
10図、第11図は本発明の出願人の出願に係るレーザ装置
の一例を示す模式図である。 図において、１はコリメートミラー、４はウインドミラ
ー、５は無反射コーティング膜、7,70,71,8,80,81はレ
ーザビーム、10は全反射ミラー、11は可動ミラー、12は
直線運動機構、18は伸縮素子、19は電源、20は部分反射
コーティング膜である。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示すものとす
る。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ共振器に、反射面の一部が移動可能
   な可動部と、この可動部の移動量を可動部とそれ以外の
   部分で反射されたレーザビーム間の位相を調整するため
   に制御する手段とを有する全反射ミラーを設けたことを
   特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】上記可動部の移動量の調整は、上記反射さ
   れたレーザビームが等位相になるように行なうことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ装置。
3. 【請求項３】上記全反射ミラーをレーザ共振器の外部に
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜２項の
   何れかに記載のレーザ装置。
4. 【請求項４】上記全反射ミラーをレーザ共振器を構成す
   るミラーの１つとして用いたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項〜２項の何れかに記載のレーザ装置。
5. 【請求項５】レーザ共振器に、反射面の一部が軸方向に
   移動可能な可動部を有し、この可動部とそれ以外の部分
   で反射されたレーザビーム間の位相を上記可動部の移動
   量を制御して調整するようにした全反射ミラーを設け、
   かつ発生したレーザビーム断面内の位相分布を時間的に
   変化させる手段を設けたことを特徴とするレーザ装置。
6. 【請求項６】上記可動部の移動量の調整は、上記反射さ
   れたレーザビームが等位相になるように行なうことを特
   徴とする特許請求の範囲第５項記載のレーザ装置。
7. 【請求項７】上記可動部にピエゾ素子により振動を与え
   てレーザビーム断面内の位相分布を時間的に変化させる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載のレーザ装
   置。
8. 【請求項８】上記全反射ミラーをレーザ共振器の外部に
   設けたことを特徴とする特許請求の範囲第５〜７項の何
   れかに記載のレーザ装置。
9. 【請求項９】上記全反射ミラーをレーザ共振器を構成す
   るミラーの１つとして用いたことを特徴とする特許請求
   の範囲第５項〜７項の何れかに記載のレーザ装置。