JPH11112074A - レーザビーム通過開口板およびそれを用いた高出力レーザ装置およびレーザ光伝送装置 - Google Patents

レーザビーム通過開口板およびそれを用いた高出力レーザ装置およびレーザ光伝送装置

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JPH11112074A
JPH11112074A JP27417597A JP27417597A JPH11112074A JP H11112074 A JPH11112074 A JP H11112074A JP 27417597 A JP27417597 A JP 27417597A JP 27417597 A JP27417597 A JP 27417597A JP H11112074 A JPH11112074 A JP H11112074A
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JP
Japan
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laser
aperture plate
laser beam
resonator
mirror
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JP27417597A
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English (en)
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Tatsuhiko Sakai
辰彦 坂井
Katsuhiro Minamida
勝宏 南田
Motoi Kido
基 城戸
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Nippon Steel Corp
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Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力レーザ装置あるいは高出力レーザ光伝
送装置に使用する耐熱、耐久性の高いレーザビーム通過
開口板を提供する。 【解決手段】 金属製の開口板3表面に、レーザ光の吸
収率が高く、かつ耐熱性の高いセラミックでコーティン
グする。さらに長期の使用に耐えるため、開口板本体に
水冷機構2を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高出力、特に10
kW以上の高出力発振を行うレーザ装置抜術とレーザビー
ム伝送装置技術に属するもので、レーザビーム通過開口
板および該開口板を用いた高出力レーザ装置およびレー
ザ光伝送装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、高出力レーザ装置は溶接、切断、
穴あけ等の加工応用に頻繁に用いられており、平均出力
として50kW級の超高出力CO2 レーザ装置も実用化さ
れている。これらのレーザ装置を利用する際に最も重要
なことは、レーザ出力、ポインティング(ビーム伝搬方
向)、発振モードの安定化である。
【0003】ところでレーザ共振器は正対する二枚の共
振器ミラー間で存在し得る定在波により発振し、その発
振光軸、すなわちレーザのポインティングはミラー面に
垂直な方向に一義的に決定される。
【0004】また、レーザ発振光のビーム断面上での強
度分布モード(発振横モード)は安定型共振器の場合、
光軸中心に単一のピークを持つ基本ガウスモード(低次
モード)から種々のガウスモードが重畳した複数のピー
クを持つマルチモード(高次モード)まで多数存在す
る。
【0005】これらのモードの中で最も集光性が高い基
本ガウスモードが加工応用に適し、且つ共振器内部で最
も小さいビーム径を持つ。そこで図3に示すように、1
〜2kW程度の出力をもつ安定型共振器のレーザ装置にお
いて、共振器内に基本ガウスビーム径に一致した開口板
3を挿入することで、より大きなビーム径を持つ高次モ
ードの発振を抑制することが行われてきた。この方法に
よって比較的低出力のレーザ装置では思惑通りモードの
規制が可能であり、また発振光のポインティング、およ
びレーザ出力も安定している。
【0006】しかし、10kWを超えるような高出力レー
ザ装置ではレーザ利得、レーザ共振器長がともに増大す
るため、共振器内の開口板の使用には以下に挙げる種々
の問題がある。高出力レーザでは、誘導放出に起因する
レーザ発振とは無関係に発光する自然放出光が大きな増
幅を受け高強度光になる。これはレーザ利得、利得長が
大きい場合に起こる現象である。この自然放出光は指向
性を持たないため、一部は開口板に照射される。その結
果、開口板は溶融等のダメージを受けたり、開口板で一
部反射された高強度光は共振器内部で乱反射を起こし、
予期せぬ加熱による溶融ダメージを与えるという問題が
あった。また、CO2 レーザでは溶融ダメージ部分から
発生するスパッタがレーザガスを汚染し、発振の不安定
化に繋がる問題があった。
【0007】そこで、この様なダメージを避けるために
開口径を拡大することが考えられるが、低次モードヘの
規制が緩和されるため、高次発振モードが発生し集光性
を劣化させることになる。また、前述の増幅された自然
発振光が開口部を通過できるようになるため、本来のレ
ーザ発振光軸から逸脱した方向への寄生発振が生じる。
これは加工応用などでのビーム伝送系に熱破損を与える
危険があることに加え、本来の発振光との相互作用でモ
ード、および出力が不安定化する問題があった。
【0008】また、10kWを超えるような高出力発振に
は、しばしば図4に示すような不安定型の共振器構成が
用いられる。この共振器構成では発振光軸近傍で発生し
た自然発光がミラー間を往復伝搬する間に増幅され、且
つビーム径は拡大する。共振器からのレーザ出力は拡大
ビームが一方のミラーの外周から洩れ出す形で得られ
る。従って、ビームモードは一般にドーナッツ型であ
る。図4に示すようにドーナッツモードの内径と外径の
比、すなわち拡大率Mとして知られるパラメータは共振
器ミラー6、7の曲率半径R1 、R2 、直径d1 、d2
と共振器長lで決定される(M=R2 /R1 =d2 /d
1 2 −R1 =2×l)。
【0009】理想的にはレーザビームはこれらのパラメ
ータで決まるビーム外径を持つが、高出力レーザ励起媒
質10は高温化するため媒質の屈折率が変化し、ビーム
5の発散が生じる。その結果、レーザ装置内部に熱ダメ
ージを与え、発振を不安定化させることがある。そこ
で、やはり開口板3による規制が必要であったが、不安
定型共振器では開口板を置く位置でのレーザ強度は既に
十分な増幅を受けているため、やはり開口板の耐久性、
および前述と同様に開口板でのレーザ光反射による種々
の問題があった。
【0010】以上はレーザ発振に関しての安定性を確立
するための開口板の問題であったが、加工応用では高出
力ビーム伝送装置の安定性、安全も重要である。特に、
CO2 レーザはYAGレーザと違いファイバー伝送が不
可能であるため、ミラーによりビームを多数回反射させ
て伝送を行う。その際、途中のミラーの反射角が変動す
ると、ビームはそれ以降の反射ミラーの有効面積から外
れ、伝送率が低下したり、あるいはミラーホルダーの縁
や周辺機器に熱損傷を与える問題が発生する。この問題
はレーザビーム伝送距離が長い場合、またレーザ出力が
10kWを超えるような高出力に特に問題であった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐熱・耐久
性の高いレーザビーム通過開口板を提供し、これをレー
ザ共振器内に使用することで、高出力レーザのレーザ出
力、モード、ポインティングの高い安定性を得ようとす
るものである。また、当該開口板をビーム伝送系の途中
で使用することで、ビーム伝送方向が変動した場合でも
ビーム照射による周辺機器の損傷を防ぎ、安定した伝送
を実現するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光の吸
収率が高く、且つ耐熱性の高いセラミックをコーティン
グした金属製の開口板であり、高強度のレーザ光が開口
板に当たっても溶融、および反射に起因するダメージが
極力発生しない。また、長期の使用に耐えるため開口板
本体には水冷機構を設ける。この開口径をレーザ発振モ
ードの規制と寄生発振を抑制するために設計した開口径
にし、レーザ共振器内部に設置することで、高強度のビ
ーム規制に使用できるものであり、出力、モード、ポイ
ンティングの観点で安定した高出力発振が行える。ま
た、これらの開口板は特に10kWを超えるような高出力
レーザに頻繋に用いられる不安定型共振器においても、
使用可能である。
【0013】また、ビーム伝送光学系の途中に挿入する
ことで、ビームの伝送方向が変動した際も開口板でビー
ムを遮断することが可能であり、伝送光学装置への不必
要なレーザ照射を防止することが可能で、安定、安全な
高出力のビーム伝送を行える。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明の開口板の基本構成
の説明図である。開口板3の基板は熱伝導率の高い銅で
あり、水冷のための水路1が設けられている。開口2の
径、および取り付け方法等はレーザ装置の構成により適
宜決めればよい。
【0015】開口板3の表面に対しては、溶射によりア
ルミナ(Al2 3 )等のセラミック材を、例えば、2
00μmの厚みでコーティングした。セラミックコーテ
イングの厚みは50μm未満である場合、高強度レーザ
ビームが連続的に照射されると容易にコーティングがは
がれてしまい、基板にダメージが生じる。また、300
μmを超える厚みにすると、基板との熱伝導による冷却
効果が低下するためコーティングが過剰に加熱され、や
はり耐久性が劣化する。従って、50〜300μmの範
囲のコーティング厚みが本発明の開口板3には適する。
【0016】
【実施例】
(実施例1)図2は本発明の開口板3を平均出力14kW
のCO2 レーザに適用した場合の実施例の説明図であ
る。本レーザ装置は、三軸直交の高速ガス流タイプ、不
安定型共振器である。レーザ媒質10は、図示されない
ブロワーにより光軸と直交する方向に約150m/s で高
速循環されており、図示されていない電源、電極を介し
て光軸とガス流それぞれに直交する方向(紙面垂直方
向)の直流放電により励起されている。共振器は二枚の
全反射平面ミラー6、7により多パス型に構成され、凸
面ミラー7前面の穴あき出力ミラー9により反射された
レーザ光5が、図示されない空力窓を介して出力として
取り出される。不安定型共振器の拡大率はM=4(図4
参照)であり、設計上での発振ビーム外径は60mmであ
る。
【0017】本実施例では開口板3の開口径60mmに設
定し、図2に図示する位置に合計5枚を設置し、レーザ
発振を行った。また、比較のためセラミックコーティン
グを行っていない銅基板の同型の開口板も試してみた。
その結果、セラミックコーティングを施していない開口
板の場合、発振ビームの強度分布が間欠的に変動し、同
時にレーザ出力も変動することが観測された。これは開
口板での乱反射光が本来の発振光に作用し、発振を不安
定化させているものと推測される。また、テスト終了
後、発振器内部、および開口板を調査したところ、開口
部に一部溶融ダメージが観測され、またレーザ光の乱反
射の影響と見られる破損が共振器内部に観測された。
【0018】一方、本発明の開口板では上記の問題は一
切発生せず、出力、モード、ポインティングすべてにお
いて良好な安定性を得た。また、テスト後の開口板、共
振器内部ダメージは観測されなかった。
【0019】(実施例2)次に、本発明の開口板を高出
力レーザの伝送装置に用いた場合の実施例を示す。図5
は平均出力14kWCO2 レーザの伝送光学装置の説明図
である。レーザ装置16の中には図示しないビームコリ
メート光学系が含まれており、コリメートされたビーム
5が出力口15から出力される。出力ビーム5は全反射
ミラーMAからMDを介して、被加工物14まで伝送さ
れる。ここで各ミラー間距離は次の様に設定した。 レーザ出力口〜ミラーMA:5m ミラーMA〜ミラーMB:5m ミラーMB〜ミラーMC:15m ミラーMC〜ミラーMD:5m ミラーMD〜被加工物14:10m
【0020】また、各ミラー、および被加工物の前面に
は、ビーム径に該当する開口径を持つ本発明の開口板3
A〜3Cを設置した。各開口板の開口径は以下である。 開口板3A:φ90mm 開口板3B:φ96mm 開口板3C:φ105mm
【0021】以上の設定において、ビーム伝送実験を行
った。実験ではミラーMB反射角を故意に変動させミラ
ーMC上でのビーム位置を変動させたが、開口板3Aに
より変動したビームは遮断された。セラミックコーティ
ングと水冷機構により損傷は発生しなかった。また、当
然ミラーMCのホルダー、周辺機器に損傷は発生しなか
った。同様にミラーMCの反射角、ミラーMDの反射角
を変動させテストを行ったが、それぞれ開口板3B、3
CによりミラーMD、および被加工物14の不用な部分
に損傷は発生しなかった。
【0022】
【発明の効果】以上の本発明によれば、高出力レーザ発
振に問題となる共振器内部の開口板の耐久性の問題が解
決され、常に安定的に高出力・高品質なレーザ発振を得
ることができる。また、高出力レーザビーム伝送装置の
途中に使用することで、安全に且つ安定的にビームを伝
送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による開口板の説明図である。
【図2】本発明による開口板を不安定型共振器に適用し
た場合の説明図である。
【図3】安定型共振器内に開口板を挿入した従来例であ
る。
【図4】不安定型共振器内に開口板を挿入した従来例で
ある。
【図5】レーザビーム伝送装置に開口板を使用した場合
の本発明実施例の説明図である。
【符号の説明】
1:冷却水路 2:開口 3、3A〜3C:開口板 4:冷却水 5:レーザ出力ビーム 6:共振器ミラー(全反射、凹面) 7:共振器ミラー(全反射、凸面) 8、MA〜MD:全反射平面ミラー 9:穴あき出力ミラー 10:レーザ励起媒質 11:部分反射出力ミラー 12:共振器全反射ミラー 13:レーザ光軸 14:被加工物 15:レーザ出力口 16:レーザ装置 R1 、R2 :曲率半径 d1 、d2 :ミラー有効直径 l:共振器長 M:不安定型共振器拡大率

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームが通過する開口板におい
    て、開口板がセラミックコーティングされていることを
    特徴とするレーザビーム通過開口板。
  2. 【請求項2】 セラミックコーテイングの厚みが50〜
    300μmの範囲であることを特徴とする請求項1記載
    のレーザビーム通過開口板。
  3. 【請求項3】 開口板に水冷機構を設けたことを特徴と
    する請求項1または2記載のレーザビーム通過開口板。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
    レーザビーム通過開口板をレーザ共振器内に設置するこ
    とを特徴とする高出力レーザ装置。
  5. 【請求項5】 レーザ共振器が不安定型共振器であるこ
    とを特徴とする請求項4記載の高出力レーザ装置。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
    レーザビーム通過開口板をレーザ光伝送路の途中に設置
    することを特徴とする高出力レーザ光伝送装置。
JP27417597A 1997-10-07 1997-10-07 レーザビーム通過開口板およびそれを用いた高出力レーザ装置およびレーザ光伝送装置 Withdrawn JPH11112074A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1351091A2 (de) * 2002-03-07 2003-10-08 Carl Zeiss Laser Optics GmbH Optische Anordnung mit einer Blende
JP2008112948A (ja) * 2006-10-31 2008-05-15 Kawasaki Heavy Ind Ltd 不安定型光共振器
JP6701457B1 (ja) * 2019-05-17 2020-05-27 三菱電機株式会社 ガスレーザ装置

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US11367988B2 (en) 2019-05-17 2022-06-21 Mitsubishi Electric Corporation Gas laser device

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Effective date: 20041207