JPH08162698A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ媒質としてよう素を用いる化学レーザ
において、レーザ媒質が低ゲインであっても、レーザ光
の拡がり角θを小さくして高光質で大出力を得ること。 【構成】 レーザ光の光軸を第１方向ｚとする安定不安
定型共振器を構成し、第２方向ｘにレーザ媒質ガスを供
給し、第１平面ｚｙに平行な平面内で、相対する共振器
ミラーが安定型共振器の曲率を構成し、その第３方向ｙ
の高さｈを小さくする。レーザ媒質ガスの流れ方向であ
る第２方向ｘの長さＷを大きくしてスラブ状レーザ媒質
を形成し、高さｈを小さくして、安定型共振器において
エネルギが中心部に集中した良質のビームで拡がり角θ
を小さくし、長さＷを大きして不安定型共振器における
拡がり角θを小さくし、大出力を可能とする。傾斜した
案内面４５，４６を形成してレーザ媒質の乱流を防ぐ。
安定不安定型共振器をガス流れ方向にビーム折り返し型
として、縦横比のバランスの良い取り出しビームを出力
するとともに、エネルギの取り出し効率を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、安定不安定型共振器を
備えるレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来からのレーザ装置の安定型
共振器１の断面図である。レーザ媒質２を挟んで全反射
鏡３と部分透過性反射鏡４が光軸５に間隔をあけて配置
され、共振キャビティ内でレーザ光６が閉込められてレ
ーザ発振し、部分透過性反射鏡４から参照符７で示され
るようにレーザ光が取出される。

【０００３】図９はレーザ光７のビーム強度の分布を示
し、図９（１）はその近視野像であり、図９（２）は被
加工材の表面上の遠視野像であり、これらの像はいずれ
もガウシアンビームである。このように安定型共振器１
によれば、取出されるレーザ光７のビーム強度は、近視
野像および遠視野像とも同一形状のガウシアンビームと
なり、したがってエネルギの損失が少ないという優れた
利点がある。

【０００４】この安定型共振器１では、図８に示される
ように、取出されるレーザ光７の拡がり角θは、共振キ
ャビティ内のビーム光６のビームウエスト外径を２ａと
し、共振器長をＬとし、全反射鏡３の曲率半径をＲと
し、部分透過性反射鏡４を平面鏡とするとき、式１が成
立する。

【０００５】 θ＝２ａ／√（Ｌ（Ｒ−Ｌ）） …（１） この式１から、共振器長Ｌが一定であるときには、レー
ザ光７の拡がり角θを小さくし、高次モードを少なくし
て集光性のよいレーザビームを得るには、全反射鏡３の
曲率半径Ｒを大きくすることが必要であることが理解さ
れる。

【０００６】図１０は、本件発明者の実験による安定型
共振器１の実験結果である。ライン８は共振器長Ｌ＝
１．６ｍ、ライン９は共振器長Ｌ＝２．４ｍ、ライン１
０は共振器長Ｌ＝３．２ｍの各特性を示しており、理論
上の安定発振の限界は参照符１１で示され、また実務上
の発振限界は参照符１２で示される。この実験結果か
ら、全反射鏡３の曲率半径を大きくすることは、レーザ
発振を持続する上で、限界があることが理解される。し
たがって曲率半径Ｒをさらに大きくすることはできな
い。

【０００７】高光質のレーザ光７を得るために、前述の
式１から、ビームウエストの径２ａを小さくすればよい
ことが理解される。図１１を参照して、安定型共振器の
特性を示すライン１３は、共振器長Ｌ＝２．０ｍであ
り、全反射鏡３の曲率半径Ｒ＝３０ｍのときの本件発明
者の実験結果を示す。ビーム径２ａを小さくすることに
よって拡がり角θを小さくすることができることが判
る。

【０００８】ビーム径２ａを小さくすることによって拡
がり角θが小さくなって高光質のレーザ光７を得ること
ができるが、その出力を増大するために、ビーム径２ａ
を大きくすればよい。このようなビーム径２ａを大きく
すると、レーザ光７に高次のモードが含まれることにな
り、したがってレーザ光７の集光性が悪く、そのため収
束したとき被加工材上のレーザ光７のスポット径が大き
くなってしまい、エネルギ密度が低下してしまうという
新たな問題が生じる。

【０００９】要約すると、安定型共振器１では、中心部
（センタローブ）にエネルギの集中したビーム形状が得
られるという利点がある反面、高光質レーザ光は、低出
力でしか得られないという問題がある。

【００１０】図１２は、他の先行技術の不安定型共振器
１５の断面図である。レーザ媒質１６を挟んで主反射鏡
１７とフィードバック反射鏡１８とが光軸１９に間隔を
あけて配置され、レーザ光２０は、反射鏡１７，１８間
の共振キャビティ内には閉込められず、フィードバック
反射鏡１８の外に外れたビーム光２１が取り出される。
反射鏡１７，１８は共焦点２２を有する。

【００１１】図１３（１）は、取り出されるレーザ光２
１のビーム強度のドーナツ状の近視野像を示す。被加工
材の表面上におけるレーザ光２１のビーム強度の遠視野
像は、図１３（２）に示されているとおりであり、セン
ターローブ２３だけでなく有効に利用できない周辺部の
成分が存在しており、この遠視野像はベッセル関数型強
度分布となり、したがって不安定型共振器１５では、エ
ネルギ損失が大きいという問題がある。

【００１２】しかしながらこの不安定型共振器１５で
は、レーザ光のモードは共焦点２２を通るシングルモー
ドの光だけとなり、光質がよく、またビーム径を大きく
して高出力としても、図１１のライン２６に示されるよ
うに取出されるレーザ光２１の拡がり角θを小さくで
き、したがって高出力に適している。すなわち不安定型
共振器１５では、図１１のライン２６に示されるように
取り出されるビーム光２１の径を大きくするにつれて、
拡がり角θが小さくなり、したがって高光質のレーザ光
２１を大出力で得ることができるという優れた利点があ
ることが理解される。この不安定型共振器１５において
レーザ媒質１６の供給方向２５に沿う長さを大きくして
レーザ光２１の幅を大きくすることによって、光質を良
好に保ったままで、出力を大きくすることができる。

【００１３】図１４は、図１２および図１３に示される
不安定型共振器１５の特性を示すグラフである。拡大率
Ｍを大きくすることによって、図１２（２）に示される
センターローブ２３の全伝送エネルギに対する割合Ｒｃ
が大きくなることが理解される。ここで拡大率Ｍは、図
１２に示されるようにレーザ光２１のドーナツ状ビーム
である内径をＤ１とし、外径をＤ２とするとき、Ｍ＝Ｄ
２／Ｄ１で示される。

【００１４】図１５は、本件発明者の実験結果による被
加工材上のレーザ光２１のビーム強度の遠視野像を模式
的に示す斜視図である。

【００１５】

【表１】

【００１６】したがって集光性のよいレーザ光２１を得
るには、拡大率Ｍを大きくする必要が生じるけれども、
そのようにすると、低ゲイン、すなわち利得係数が小さ
いレーザ媒質、たとえば励起酸素によって化学反応励起
されるよう素を用いるときには、レーザ発振が不可能に
なってしまう。本件発明者の実験によれば、このような
低ゲインのレーザ媒質を用いるときには、拡大率Ｍはせ
いぜい１．１に選ぶ必要がある。そのため集光性のよい
レーザ光を得るには、出力に限度がある。

【００１７】要約すると、不安定型共振器１５では、光
質を良好に維持したままで、大出力化することは、低ゲ
インのレーザ媒質を用いるときには、困難である。

【００１８】他の先行技術は、特開平３−２０９７８２
であり、この先行技術では、ＹＡＧレーザなどの固体レ
ーザを用い、安定型共振器と不安定型共振器とを組合わ
せてレーザ装置を実現している。この先行技術では、化
学反応による励起によって低ゲインのレーザ媒質を用い
る工夫は全く開示されていない。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低ゲ
インのレーザ媒質を用いて、高光質のレーザ光を取り出
すことができるようにし、しかもその出力を向上するこ
とができるようにしたレーザ装置を提供することであ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光の光
軸に平行な第１方向ｚに安定不安定型共振器を構成し、
第１方向ｚに垂直な第２方向ｘに、レーザ媒質ガスを供
給し、第１方向ｚ、ならびに第１および第２方向ｚ，ｘ
にそれぞれ垂直な第３方向ｙの成す第１平面ｚｙに平行
な平面内で、相対する共振器ミラーが安定型共振器の曲
率を構成し、また第１および第２方向ｚ，ｘの成す第２
平面ｚｘに平面な平面内で、相対する共振器ミラーが不
安定型共振器の曲率を構成することを特徴とするレーザ
装置である。 また本発明は、レーザ媒質ガスの第２方向ｘに沿う流路
において、共振器の上流側および下流側で、共振器中央
部に近づくに従って流路高さが狭くなるように形成され
てレーザ媒質ガスを導く案内面が設けられることを特徴
とする。また本発明は、レーザ媒質は、励起酸素によっ
て化学反応励起されるよう素であることを特徴とする。
また本発明は、ビームを流れ方向に折り返した共振器構
成であることを特徴とする。

【００２１】

【作用】本発明に従えば、ｘｙｚ直交座標系におけるレ
ーザ光の光軸に平行な第１方向ｚに安定不安定型共振器
を構成し、第２方向ｘにレーザ媒質ガスを供給して、第
１平面ｚｙに平行な平面内で相対する共振器ミラーが安
定型共振器の曲率を構成し、第３方向ｙの間隔は、すな
わち高さｈを小さくして偏平なスラブ状のレーザ媒質を
形成し、この高さｈを小さくすることによって、取出さ
れるビーム光の拡がり角θが小さく、より低次モードの
高光質のレーザ光が、安定型共振器の利点である中心部
にエネルギを集中させたビーム形状で、発生することが
できる。

【００２２】また本発明に従えば、第２平面ｚｘに平行
な平面内で相対する共振器ミラーが不安定型共振器の曲
率を構成し、レーザ媒質ガスが供給される第２方向ｘの
ビーム幅Ｗを大きくすることによって、後述の図１１の
ライン２６で示されるように取出されるビーム光の拡が
り角θを小さくして不安定型共振器の利点である高光質
のレーザ光を、大出力で得ることができるようになる。
したがって低ゲインのレーザ媒質、たとえばよう素など
を用いる化学レーザにおいて、高光質で大出力のレーザ
光を取出すことができるようになる。

【００２３】さらに図１５に示すように、ガスの流れ方
向にビームを折り返すタイプの共振器構成にすると、共
振器内を伝播する光線を追跡することにより、本共振器
もまた図３と同じく安定不安定型共振器を構成すること
が判る。図１５に示す折り返し型安定不安定型共振器
は、図３に示すタイプと比べて以下の優れた特徴を有し
ている。

【００２４】ゲイン長の実効値が長くなり、より拡大
率の大きな共振器が使用できるので、不安定型共振器側
出力ビームの径が太くなり光質が向上する。

【００２５】ゲイン長の実効値が長くなるので、より
低い流路高さにおいて、安定型共振器側の安定発振が可
能になり、ビーム径のより小さなビームで大きなモード
体積をかせげるので、安定型共振器側の光質を向上させ
るとともに大出力のレーザ光を取り出すことができるよ
うになる。

【００２６】従来の安定不安定型共振器では、一般に
安定型共振器側が長い縦長の出力ビームで発振するが、
これを折り返し型にすると、，の理由により安定側
がより短くなって縦横比のバランスの良いレーザ光を取
り出すことができるようになる。

【００２７】共振器内のビームのエネルギ密度が大き
くなるとともに、実効的なビーム幅が広がったことにな
り、たとえばよう素レーザの場合であれば、励起酸素か
らよう素原子へのエネルギ移剰がより効果的に行われ、
共振器のエネルギ取出し効率が向上する。

【００２８】このようにして、安定不安定型共振器の利
点を一層効果的に生かすことが可能になる。

【００２９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の構成を簡略化し
て示す斜視図である。レーザ装置の安定不安定型共振器
３１において、その共振器３１を構成するケーシング３
２内には共振キャビティ３３が形成され、ｘｙｚ軸の直
交座標系におけるｚ軸方向が光軸３４であり、一対の反
射鏡３５，３６がその光軸３４方向に間隔をあけて配置
され、こうして安定不安定型共振器３１が構成される。
ｚ軸方向に垂直なｘ軸方向に、レーザ媒質ガス３７が供
給される。このレーザ媒質ガスは、共振キャビティ３３
の上流側のノズルであるインジェクタ３８から、たとえ
ばＮ₂などのキャリアガスとともによう素Ｉ₂が供給され
る。インジェクタ３８の上流側では、励起酸素が矢符３
９の方向に供給される。こうして共振キャビティ３３に
おいてよう素が励起酸素によって化学反応励起され、レ
ーザ発振が行われる。スクレーパ反射鏡４０からは、レ
ーザ光４１が取出される。安定不安定型共振器３１にお
いてレーザ発振をしているレーザ光は、参照符６２で示
される。

【００３０】図２は、図１に示される安定不安定型共振
器３１のｚ軸とｙ軸の成す第１平面ｚｙに平行な切断面
から見た断面図である。この第１平面ｚｙ内では、反射
鏡３５の共振キャビティ３３側の反射面は直線状であっ
て、その曲率半径Ｒ１ａは無限大である。もう１つの反
射鏡３６の共振キャビティ３３側の反射面の曲率半径は
Ｒ２ａで示されている。こうして第１平面ｚｙ内では、
安定型共振器４２が構成される。

【００３１】励起酸素と、キャリアガスを含むレーザ媒
質との流量の和を一定に保つとき、共振キャビティ３３
のｙ軸方向の間隔、すなわち高さｈを小さくすることに
よってレーザ媒質の流速を大きくし、ｘ軸方向の流れ方
向４３に沿う長さＷが大きいレーザ媒質が、共振キャビ
ティ３３に形成されることになる。

【００３２】図３は、ｚ軸方向およびｘ軸方向の成す第
２平面ｚｘに平行な切断面から見た安定不安定型共振器
３１の断面図である。この共振器３１は、第２平面ｚｘ
内で不安定型共振器４４を構成する。反射鏡３５の第２
平面ｚｘ内における曲率半径をＲ１とし、もう１つの反
射鏡３６の曲率半径をＲ２とし、共焦点は参照符Ｆで示
されている。スクレーパ反射鏡４０は光軸３４に対して
角度θ１（たとえば４５度）をなして共振キャビティ３
３に入込んで設けられ、レーザ光４５が取出される。こ
うして不安定共振器４４はレーザ媒質の流れ方向４３に
対して構成される。

【００３３】図４は、図１における平面ｘｙに平行な切
断面から見た断面図である。ケーシング３２は、そのケ
ーシング本体３２ａ内に、共振キャビティ３３を形成す
る案内部材３２ｂ，３２ｃが取付けられて構成される。
この案内部材３２ｂ，３２ｃは、案内面４５，４６を有
する。この案内面４５，４６は、レーザ媒質のｘ軸方向
に沿う共振器入口側（図４の左方）で、下流になるにつ
れて、すなわち図４の右方になるにつれて、ｙ軸方向の
間隔すなわち高さが狭くなるように、ｘ軸と角度θ２，
θ３をなして形成される。たとえばθ２＝θ３＝約１０
度〜約３０度の範囲であってもよく、また約３０度であ
ってもよく、これによってレーザ媒質の流れが乱れるこ
となく、共振キャビティ３３に導かれ、そのため高さｈ
が小さくてもレーザ媒質が乱流を生じることなく、大き
な速度で流過することができ、これによって励起酸素の
失活を少なくし、高効率での発振が可能になる。またそ
の流れ方向４３に沿う共振キャビティ３３の長さＷを大
きくすることができる。こうして反射鏡３５，３６間の
共振器長に比べて高さｈを充分に小さくし、流れ方向４
３に長さＷにわたって長く延びるスラブ状のレーザ媒質
を共振キャビティ３３内に設けて、レーザ発振を行う。

【００３４】共振キャビティ３３よりも流れ方向４３の
下流側における案内部材３２ｂ，３２ｃにはまた、その
流れ方向４３の下流側になるにつれて離間するように傾
斜された案内面４７，４８が形成される。

【００３５】図５は、本件発明者の実験結果を示す。共
振キャビティ３３の高さｈ＝４２ｍｍに選んだときの特
性を参照符４９で示し、ｈ＝１８ｍｍに選んだときの特
性を参照符５０で示す。高さｈを変化したとき、レーザ
共振が生じる流れ方向４３の距離Ｗ／２を示す。レーザ
光４２の軸線は参照符５１，５２で示される。レーザ媒
質を含むガスの共振キャビティ３３における流量は一定
に保たれる。

【００３６】この図５の実験結果によれば、発振を維持
することができる距離Ｗの最大値は、ライン５３で示さ
れるように、高さｈを小さくするほど、大きくすること
が可能であることが理解される。したがって不安定型共
振器４４では、このレーザ媒質の流れ方向４３に沿う長
さＷを大きくして、共振キャビティ３３におけるレーザ
光４２のビーム径を大きくすることによって、前述の図
１１のライン２６から明らかなように、そのレーザ光４
２の拡がり角θを小さくすることができ、これによって
シングルモードの高光質のレーザ光４１を取出すことが
できるようになる。また流れ方向４３の長さＷを大きく
し、不安定型共振器４４における出力の増大を図ること
ができる。したがってレーザ媒質がよう素などのように
低ゲインのものであっても、拡大率Ｍを大きくすること
なく、レーザ発振を維持することができる。

【００３７】さらにまた高さｈを小さくすることによっ
て、安定型共振器４２におけるレーザ光４１のビーム径
を小さくし、したがって拡がり角θを、図１１のライン
１３に示されるように小さくすることができ、このこと
によってもまた安定型共振器４２におけるより低次モー
ドで発振する高光質レーザ光を得ることができ、このと
き図２に示されるように反射鏡３６の曲率半径Ｒ２ａを
レーザ発振の限界内に小さく抑えて、安定したレーザ発
振を維持することができる。

【００３８】図６は、本件発明者のさらに他の実験結果
を示す。ライン５５は、前述の図５に関連して述べた実
験における高さｈ＝４０ｍｍのときの特性を示し、ライ
ン５６は高さｈ＝１８ｍｍであるときの特性を示す。ラ
イン５５における点５７は、図５の特性４９が得られる
ときのデータであり、点５８は図５の特性５０が得られ
るときの特性を示す。このことから、高さｈを小さく選
ぶことによって、レーザ媒質の流れ方向４３の長さＷを
大きくしても、レーザ光４１の出力が高いままに維持す
ることが理解され、好都合である。

【００３９】図７は、本発明の他の実施例の折り返し型
安定不安定共振器の簡略化した断面図である。相対する
共振器ミラー７１，７２間に、平面鏡７３，７４が設け
られる。この図７は、第２平面ｚｘに平行な平面から見
た断面を示している。スクレーパミラー７５から、レー
ザ出力が得られる。この実施例の構成および特徴は、前
述の作用の項で述べたとおりである。

【００４０】本発明の他の実施例として、レーザ媒質は
よう素以外の元素であってもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、第１方向
ｚに安定不安定型共振器を構成し、第２方向ｘに、レー
ザ媒質ガスを供給し、第３方向ｙの間隔、すなわち高さ
ｈを小さくし、そのレーザ媒質ガスの流れ方向である第
２方向ｘの長さＷを大きくして、スラブ状のレーザ媒質
を形成することによって、安定共振器における拡がり角
θを小さくし、しかも低ゲインのレーザ媒質、たとえば
よう素を用いる化学レーザにおける低エネルギ損失のレ
ーザ発振を可能にし、しかも不安定型共振器において第
２方向ｘの長さＷを大きくして拡がり角θを小さくする
とともに大出力を可能にする。

【００４２】さらに本発明によれば、第２方向ｘに沿う
共振器入口側で、案内面を設けてレーザ媒質ガスを円滑
に導くようにして乱流を生じないようにし、ともに上述
のように第３方向ｙの高さｈを小さくしたとき、レーザ
媒質ガスの流量を一定にしたとき、その流速が増大して
も、第２方向ｘの長さＷを、レーザ媒質ガスの乱流が生
じないようにして大きく選ぶことが可能になる。

【００４３】さらに本発明によれば、ガス流れ方向にビ
ームを折り返すタイプの共振器構成にすると、ゲイン長
の実効値を長くすることが可能になり、またこれにより
出力ビームの形状（縦横比）を改善することが可能にな
るとともに、エネルギの取り出し効率を向上させること
も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例のレーザ装置の安定不
安定型共振器３１の構成を簡略化して示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示される安定不安定型共振器３１の第１
平面ｚｙに平行な断面から見た安定型共振器４２の簡略
化した断面図である。

【図３】図１に示される安定不安定型共振器３１の第２
平面ｚｘに平行な平面から見た不安定型共振器４４の簡
略化した断面図である。

【図４】平面ｘｙに平行な平面から見た安定不安定型共
振器３１の簡略化した断面図である。

【図５】本件発明者の実験による共振キャビティ３３の
高さｈとレーザ媒質の流れ方向４３の長さＷとのレーザ
発振可能な範囲を示す図である。

【図６】本件発明者の実験によるレーザ媒質の流れ方向
４３の長さＷとレーザ光の出力との関係を示すグラフで
ある。

【図７】本発明の他の実施例の折り返し型安定不安定型
共振器の第２平面ｚｘに平行な平面から見た不安定型共
振器の簡略化した断面図である。

【図８】先行技術の安定型共振器１の断面図である。

【図９】図１に示される先行技術のレーザ光７のビーム
強度を示す図である。

【図１０】安定型共振器１の特性を示す本件発明者の実
験結果を示すグラフである。

【図１１】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図１２】他の先行技術の不安定型共振器１５の構成を
示す断面図である。

【図１３】図１２に示される不安定型共振器１５のレー
ザ光２１のビーム強度を示す図である。

【図１４】不安定型共振器１５の本件発明者による実験
結果を示すグラフである。

【図１５】不安定型共振器１５の遠視野像を示す斜視図
である。

【符号の説明】

３１ 安定不安定型共振器 ３２ ケーシング ３２ａ ケーシング本体 ３２ｂ，３２ｃ 案内部材 ３３ 共振キャビティ ３４ 光軸 ３５，３６ 反射鏡 ３７，４３ レーザ媒質の流れ方向 ３８ レーザ媒質インジェクタ ４０ スクレーパ反射鏡 ４１ 取出されるビーム光 ４２ ビーム光 ４５，４６；４７，４８ 案内面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光の光軸に平行な第１方向ｚに安
   定不安定型共振器を構成し、 第１方向ｚに垂直な第２方向ｘに、レーザ媒質ガスを供
   給し、 第１方向ｚ、ならびに第１および第２方向ｚ，ｘにそれ
   ぞれ垂直な第３方向ｙの成す第１平面ｚｙに平行な平面
   内で、相対する共振器ミラーが安定型共振器の曲率を構
   成し、また第１および第２方向ｚ，ｘの成す第２平面ｚ
   ｘに平面な平面内で、相対する共振器ミラーが不安定型
   共振器の曲率を構成することを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 レーザ媒質ガスの第２方向ｘに沿う流路
   において、共振器の上流側および下流側で、共振器中央
   部に近づくに従って流路高さが狭くなるように形成され
   てレーザ媒質ガスを導く案内面が設けられることを特徴
   とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 【請求項３】 レーザ媒質は、励起酸素によって化学反
   応励起されるよう素であることを特徴とする請求項１記
   載のレーザ装置。
4. 【請求項４】 ビームを流れ方向に折り返した共振器構
   成であることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。