JPH11317558A - レーザ共振器 - Google Patents
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Abstract
あり、したがって場合によってはさらなる畳み込み反射
鏡を使用したときでも、光線品質を損い、あるいはこれ
を失うことなしに畳み込むことができるように再形成可
能なレーザ共振器を提供する。 【解決手段】 1個の第1の端部反射鏡および1個の第
2の端部反射鏡と、同軸の電極とを備え、該電極の間で
レーザ共振器の対称軸の方向にあちこち反射されたレー
ザ光線が、リング状の断面の共振器空間を部分毎に方位
角的に貫流するレーザ共振器において、前記第2の端部
反射鏡(4)が、衝突するレーザ光線をそれぞれ共振器
空間の方位角的に対向する領域に方向転換させるほぼ円
錐形の鏡からなることを特徴とする。
Description
反射鏡および1個の第2の端部反射鏡と、同軸の電極と
を備え、該電極の間でレーザ共振器の対称軸の方向にあ
ちこち反射されたレーザ光線が、リング状の断面の共振
器空間を部分毎に方位角的に貫流するレーザ共振器に関
するものである。
共振器は、一般的に高性能レーザ用、すなわち数kWま
でのレーザ出力を有するレーザ用、および特に炭酸ガス
レーザのようなガスレーザ用に使用されるものである。
の断面を有するレーザ共振器は、ドイツ連邦共和国特許
第4123024号明細書に記載されている。このレー
ザ共振器は同軸に配置され、かつその端部に2個の互い
に対向する反射鏡を備えた円筒形の電極を持っており、
レーザ光線はこれら反射鏡の間で上記の方法で共振器の
対称軸の周囲を方位角的に回転する。この場合には特に
端部反射鏡の一方を内部電極に直接接続し、あるいはこ
れと一体に製作することができ、その結果として外部電
極および他方の端部反射鏡だけを調整すればよいことに
なる。
を電極に対して相対的に、または相互に相対的に調整す
ることができるリング状の断面を有するさらなるレーザ
共振器も公知になっている。これについて例を挙げるな
らば、ドイツ連邦共和国特許第4120530号明細書
または米国特許第5353299号明細書を指摘するこ
とができる。これら特許から公知になっているレーザの
場合にも、光線は方位角的に回転する。上記の特許から
公知のレーザ、あるいはレーザ共振器の間の相違は、基
本的には端部反射鏡の形状とレーザ光線が放出される方
法にある。
600号公報からは、リングセクタ状の断面を有するレ
ーザ光線を発生させる別の種類の同軸レーザが公知にな
っている。この公知のレーザの場合には、双方の端部反
射鏡に加えてレーザ光線を形成するさらなる反射鏡が必
要である。レーザの調整はそれに応じて手間がかかるも
のであった。
明細書からは、安定した共振器を有する同軸レーザが公
知である。この場合には中央で少なくともほぼ均質なレ
ーザ光線が放出されるように、極めて複雑な反射鏡配置
を介してレーザ光線が導かれる。
いての欠点は、共振器空間内の光線の進み具合が、共振
器空間を限定する全体的な構成部材の正確な調整に極め
て敏感に依存することである。ただ1つの反射鏡を調整
するだけでよい場合であっても、極めて僅かな角度偏差
でも、これらは全て明らかに中心を逸脱した光線経路、
したがって不完全な光線品質をもたらすのである。十分
な光線品質の確保は、上記の調整問題によりあるいは追
加の畳み込み反射鏡の投入によって全くと言えないまで
も、しばしば困難をもたらす。
して十分に無感覚であり、したがって場合によってはさ
らなる畳み込み反射鏡を使用したときでも、光線品質を
損い、あるいはこれを失うことなしに畳み込むことがで
きるように再形成可能なレーザ共振器を提供することで
ある。
本発明は、第2の端部反射鏡が、衝突するレーザ光線を
それぞれ共振器空間の方位角的に対向する領域に方向転
換させるほぼ円錐形の鏡から構成されたレーザ共振器を
特徴とするものである。
射の間で、光軸に対して垂直に方向付けられたリング状
の断面を通過し、かつこのリングに沿って時間の経過に
したがってリング中心に置かれた対称軸を巡って方位角
的に回転するレーザ光線は、これに対応する本発明によ
る円錐形の第2の端部反射鏡のリング状の部分に衝突
し、これがそれぞれに衝突するレーザ光線をまず光軸に
対してほぼ直角に反射し、かつこれによって方位角的に
対向して存在する、ほぼ180゜捩じれて存在するリン
グ状の衝突面の領域において反射し、かつそこで第2の
反射によって第1の端部反射鏡の方向に戻す。この場合
本質的なことは、二重に方向転換された光線勾配が、場
合によっては光線の回転のために必要な方位角的な光の
勾配に至るまで、前に円錐形の反射鏡上で発生したと同
一の角度で復帰することである。
の照準外しは、各々レーザ光線が一定の傾斜角度のもと
で、かつその結果として半径方向の移動によってまず他
の反射鏡に、そして二重の半径方向の移動による反転反
射の後で再び最初の反射鏡に衝突する結果をもたらす。
同じ傾斜角度は、本発明によるレーザ共振器の場合に
は、まず円錐形の反射鏡の衝突点の対応する半径方向の
転移に到達する。光軸に対して約45゜の開口部角度
(正確な開口部角度の記述は後述する)を有する円錐形
反射鏡における二重の反射によって反射されたレーザ光
線は、同一の角度で、すなわち半径方向の転移ゼロの角
度で再び第1の反射鏡に、つまり方位角的に対向する領
域において発生する。この万一の調整の不正確さの固有
の均衡によって、それ自体一重または多数重に畳み込ま
れた共振器の場合の高い光線品質が保証されるのであ
る。第1の反射鏡ならびに本発明による円錐形の第2の
反射鏡は、例えば円形あるいは円錐形、または特に内部
電極の冷却の目的にためにリング状に形成することがで
きる。全般的な本発明の着想を制約することなしに、こ
れに相当する複数の部分リング状の反射鏡部分を考える
ことができる。
反射鏡が半径方向にトーラス(円環面)形状に弯曲され
ており、反射鏡の一方が方位角的に小さな領域において
光線放出窓を有することを特徴とする。トーラス形の弯
曲は、レーザ光線が本発明により常に180゜の角度だ
け転移されて、その円形回転の際に最適の半径を維持す
ることを保証する。完全な円形回転後のレーザ光線の放
出は、構造的に簡単な方法で一方の反射鏡のリング状の
周囲の僅かに小さな部分を占める1個の窓によって達成
される。
部反射鏡が特殊な方位角的な光線の勾配を選択するため
に、領域毎に、特に方位角的に対向する2つの領域を介
して螺旋形の上昇を示すことを特徴とする。第1の端部
反射鏡が、突起状に螺旋ベルト部分の形状を維持する螺
旋形の上昇は、レーザ光線の発生のためだけでなく、特
にレーザ光線の一定の方位角的な上昇を優先するために
使用される。何故ならば本発明により、光線はリング間
隙の2半分の間を交互にあちこち反射され、特にレーザ
共振器が方位角的に対向するような2つの螺旋形の反射
鏡部分を持つように配慮されている。
的な光線の勾配を高めるために、第1の端部反射鏡が2
つの半円リング部分を介して螺旋形の上昇を示すこと、
およびそこで第2の端部反射鏡のトーラス状の弯曲に対
応配置された頂点半径が、方位角の成長にしたがって減
少するように配慮されている。第1の反射鏡がその全周
に亘って方位角的な上昇を有するこの実施態様の場合に
は、光線の方位角的な上昇は光線放出窓から流出するま
での半円形の回転中に連続的に増加する。この増加にも
かかわらず、用意された半径内で光線が円錐形の反射鏡
に衝突するように、この第1の反射鏡のトーラス状の弯
曲を規定する頂点半径が、方位角の成長にしたがって減
少し、したがって増大する光線の方位角的上昇によって
起こされる、半径方向で外方に向けられた方向転換に対
して反対に作用する。
方位角的な光線勾配を選択するための円錐形反射鏡が、
トーラス状に弯曲された第1の端部反射鏡に対応配置さ
れた頂点半径に一致する開口部角度を有することを特徴
とする。これは全体的または部分的に螺旋状に上昇し、
したがって製造技術的には複雑化された第1の端部反射
鏡の替わりに、単にトーラス形に弯曲された反射鏡を使
用することができるという利点を持っている。リング回
転を考慮して必要な光線の案内は、トーラス形の第1の
端部反射鏡の頂点半径に対する、円錐形反射鏡の開口部
角度の適合を通じて行われる。光線が円形の断面の2つ
の対向する領域の間で、方位角的に回転することなし
に、単に揺動するような光線の方位角的な上昇が消滅す
る場合には、正確に45゜の角度の開口部角度が必要で
あると思われるが、本発明にしたがって事実上、最終的
な光線の方位角的な上昇をこれから幾らか逸脱する開口
部角度によって相殺することができる。
錐形反射鏡の方位角的な光線勾配を高めるために、円錐
形反射鏡が2つの半円リング部分を介して方位角的に変
化する第1の端部反射鏡の形状に一致する開口部角度を
有することを特徴とする。これによって、特に第3の実
施態様との関連で、方位角的に増大しながら比較的強く
上昇する光線が一定の半径に保持される。
械的な電極安定化のためおよび場合によってはレーザ光
線の特別な回転方向を選定するために使用され、共振器
の端部に取り付けられ、光線放出窓に対して僅かにずら
された第1の保持部材を特徴とする。光軸に対して垂直
に存在する円形面によって、すなわちあらゆる方向から
光線の反射を行わせる円錐形の反射鏡によって、内部電
極は第1の反射鏡の側の対向する端部にのみ固定するこ
とができる。しかし光線放出窓を通じて、円錐形反射鏡
の側に方位角的にほんの僅かにずらされた陰影部領域が
発生し、この中に内部電極を光線の進路を害することな
しに、1個のスタビライザなどによって保持することが
でき、かつ外部電極に接続することができる。このスタ
ビライザは代表的なものとしては、セラミックなどの非
伝導性材料からなる。
に方位角的に対向して配置された第2の保持部材を特徴
とする。光線が放出窓に衝突する前に、リング状の断面
を継続的な反射なしに一度は完全に180゜だけ回転す
る、従来の共振器の場合には、円錐形反射鏡の側で内部
電極の安定化を行うことは、双方の方向からは可能では
ないが、まさに本発明による円錐形の反射鏡は、この方
位角的な両側の固定を可能にする。何故ならば方位角的
な回転位置は、流出窓に対しておよびこれに対して18
0゜捩じれて光線の通過の過程で直接相前後して通過さ
れるからである。
振器空間と直接接触することを特徴とする。これは内部
および外部からの共振器空間の有利な冷却に資するもの
である。何故ならば金属製の電極は、熱的にも伝導性で
あるからである。
ドを抑圧するために、電極表面粗面化されるように特徴
とする。これによって電極壁部での光線の拡散分布に有
利なように、導波管モードの形成が抑制される。
導波管モードを抑圧するためおよび高周波ガス放出の際
にレーザ共振器内で発生する波長効果を抑制するため
に、半径方向に隣接する電極が、数mmから数cmまで
の距離を有するように特徴とする。従来の1乃至2mm
の円形リング直径に対して拡大された電極間の距離は、
電極壁部を通じて案内される光線に対して、追加的に光
波の自由な伝播を促進する。
振器が一重または複数重に畳み込まれ、かつ対応する数
の畳み込み反射鏡を有するように特徴とする。すでに述
べたように円錐形の端部反射鏡は、畳み込み反射鏡のよ
うな追加の光学的部材の使用を初めて可能にする。何故
ならば調整の不正確さは、発生する半径方向の転移を同
一の角度での反射によって相殺する円錐形の反射鏡によ
って除去されるからである。
込まれた領域内のさらなる第1および第2の保持部材を
特徴とする。光線は放出窓を通じて流出する少し前に、
初めて同一のまたは180゜だけ転移された方位角の、
全体的な畳み込みシリンダーの領域を横断し、また放出
窓から出て共振器空間内で継続される光線の進行が、全
ての畳み込みシリンダー内で対応する陰影部領域を発生
させるので、円錐形の反射鏡の領域では両側で、したが
ってレーザの全ての運転状態において互いに入り交じっ
て存在する全体的な電極の安定した固定が可能である。
ーザ共振器が二重に畳み込まれており、かつ最外部の電
極が接地されるように特徴とする。畳み込みの数が偶数
の場合には、外部電極を大量に置きそれによって作業の
安全性を高めることが可能であり、かつ望ましい。
角の方向において不安定であるように特徴とする。半径
方向において限定された間隙距離によって、十分な光線
コヒーレンスが保証されるが、方位角的方向において
は、比較的高いフレネル数に応じて方位角的方向におい
て安定的な共振器が使用される限りにおいて、多重振動
の危険が生ずる。したがって共振器の方位角的な不安定
は、モードを区別するため、よって光線品質の改善のた
めに使用される。
る。図1〜図4は円筒形の外部電極1と、その中に存在
する同じく円筒形の内部電極2を備えた本発明による共
振器の第1の実施例を示す。双方の電極の一方、特に外
部電極は接地することができる。共振器の対称軸はSで
表示されている。
4を持っている。端部反射鏡3は以下において前方反射
鏡とも表示されるが、これは図1〜図4に表示された実
施例の場合には、方位角の方向において光線が双方の電
極の間のリング状の中間的空間内で回転するような方法
で形成されている。これを達成する前方反射鏡の可能な
形態については、さらに以下において説明を行う。端部
反射鏡3の中の放出開口部、あるいは放出窓は31と表
示されている。この窓を通じてレーザ光線が流出する。
対向する側に設けられた端部反射鏡4は、以下において
同様に後方反射鏡と表示されるが、これは円錐角α≦9
0゜を備えた円錐形である。この後方反射鏡4は、レー
ザ光線を方位角的に対向する側に存在する領域内に方向
を転ずる。そこからレーザ光線は、再び前方反射鏡3へ
反転反射がなされる。
面図は、個々の線束のさまざまな光線衝突点32、なら
びに本発明による反射鏡4の配置を基として生ずる様々
な光線衝突点32の間の様々な光線通路33を示すもの
である。図1(a)に記載された寸法は、例としてのも
のであり本発明を制限するものではない。
を遠近画法で示すものである。この場合に注意しなけれ
ばならないことは、図2においては反射鏡3は右側に配
置されているが、他方において図1(a)では、左側に
配置されていることである。その他は、改めて説明する
ことを省略できるように、同じ部分には同じ図面参照番
号が付してある。しかし明確に指摘しておかなければな
らないのは、図2では記述上の理由から、電極1および
2が図示されていないことである。電極1および2の間
には、方位角的に対向するスタビライザ5が存在する。
絶縁材料からなり、特にセラミック材料からなるスタビ
ライザ5は、外部電極1に対して相対的に円錐形の後方
反射鏡4の側で内部電極2を保持している。特にスタビ
ライザ5は、放出開口部31に至近の位置に配置されて
いる。この配置の場合には、双方のスタビライザは共振
器内を回転する光線を、実際上「妨害」することがない
のである。本発明の優れた実施態様において備えられる
スタビライザによって、本発明によるレーザ共振器の調
整無感覚性が著しく高められる。
本発明によるレーザ共振器の断面を示す。図3からも明
らかなように放出開口部31は、方位角的方向に電極1
および2によって取り囲まれた、円形の断面を有する共
振器空間6の小さな部分を占めている。さらに図3は1
個のスタビライザ5が、直接方位角的に放出開口部31
に隣接して配置されていることを示す。その直接の向か
い側には、円錐形リング式反射鏡4の側に、他のスタビ
ライザ5が存在する。したがって双方のスタビライザ5
は、放出開口部31の陰影部領域に配置されている。
ザ共振器の実際的な実施態様を示すものであって、その
場合に個々の部分は図1〜図3において表示されている
ようなそれぞれの図面参照番号が付されている。したが
って図4の詳細な説明は省略する。
は、以下に記載するように、例として3つの実施例を挙
げることができる。第1の場合は、前方反射鏡3が純粋
にトーラス型であり、方位角的な上昇を有しない。この
場合には前方反射鏡の頂点半径および円錐形後方反射鏡
の勾配は、同一の方位角的光線勾配を優先するように、
重なり合って圧着されていなければならない。その場合
はこの光線勾配を有するモードは、共振器の固有のモー
ドである。追加的にこの二重のモード区別を行うため
に、さらに特別な回転方向を選定するためには、スタビ
ライザが放出窓に直接隣接するか、かつ/またはこれに
対して180゜だけ位置を転じて配置される。
発生させるために、1つの場合によっては他の方位角的
に対向する領域を介して、螺旋形に上昇する領域を備え
ている。この場合には前方反射鏡は、特に2つの半リン
グ状の領域を介して貫通する方位角的な上昇を持ってい
る。増大する方位角的な光線勾配によって成長する半径
方向の外方への転移には、方位角的に減少する前方反射
鏡の頂点半径が反対の作用をする。
わゆるキャンパ記述で第3の場合の反射鏡の輪郭を示す
ものである。キャンパzは、規定された点で反射鏡に接
するそれぞれ横座標上に記載された平面の座標で点の距
離を与えるものである。図5は、方位角的な角度Phi
(赤色)の関数としてのキャンパz(単位はm)を示
す。この図から明らかなように、反射鏡輪郭は方位角的
方向において、間に亀裂が生ずる2つの部分からなり、
その場合にキャンパは、線形に変化する。図5から明ら
かなようにキャンパは、方位角の方向に前方反射鏡3を
介する回転の際に、螺旋形の上昇によって連続的に二倍
減少し、半回転の後で再びその最大値に跳ね上がる。
て、方位角的上昇が全回転を経て線形に変化し、ついで
再び最大値に跳ね上がる。
=0およびPhi=π+0.01に対する半径r(単位
m)の関数としてのキャンパz(単位m)を示すもので
あるが、図7および図11は、半径r(単位m)の関数
としての角度Phi=πおよび角度Phi=2π*のた
めの対応するキャンパzを示すものである。
す。頂点半径は、方位角的な光線勾配の増大とともに、
回転中は一層対称軸の方向に移動するが、同時に円錐形
反射鏡の開口部角度は減少する。反射鏡の中心の半径
は、rmで表示されている。図8(b)ではキャンパz
は、図2(a)のA−A線上の断面における半径rの関
数として記載されている。
れているさらに他の実施例を示すものである。この場合
にも同一の部分は同じ図面参照番号が付されている。さ
らに2つの畳み込み反射鏡8が設けられているが、これ
は光線を前方反射鏡3から同じ端部に存在する円錐形の
リング反射鏡4に反射する。9は、この実施態様の場合
に存在する陰影部領域を示し、したがってセラミック製
スタビライザにとって可能な位置を示す。これらの位置
僅かに部分的ではあるが、スタビライザを備えることも
できる。中間の電極10は、この場合には接地されてい
るが、他方内部および外部の電極11、12には、高周
波の交流電圧が供給される。この実施例と同様に、さら
なる畳み込みシリンダーが考えられる。この場合には、
本発明によるレーザ共振器は、一連の利点を持ってい
る。
室との金属製電極の直接的な接触によって達成される、
拡散冷却の品質を基として、高い性能のレーザが実現可
能である。その場合には本発明の着想を制約することな
しに、例えば1cm以下の一定の厚さのリング間隙が維
持される。2個またはそれ以上の数の同軸の電極の使用
は、共振器がコンパクトな構造形態の場合にも、高い電
気的光学的効率をもたらす。
は全周囲に亘ってこれと接続されている。円錐形の反射
鏡の端部の方位角的に両側の(例えば5から10mmの
幅の)スタビライザは、複数の同軸放電構造物を通すた
めの共振器の多重の畳み込みを可能にし、かつその上、
各々任意の空間的な方位で、レーザの使用および運転上
安全な位置決めを可能にする。
共振器が調整に対して十分に無感覚であり、したがって
場合によってはさらなる畳み込み反射鏡を使用したとき
でも、光線品質を損い、あるいはこれを失うことなしに
畳み込むことができるように再形成可能なレーザ共振器
を提供することができる。
す図で、(a)は縦断面図、(b)は前方反射鏡単体の
平面図である。
視図である。
る。
勾配の一実施例を示すグラフ図である。
勾配の他の実施例を示すグラフ図である。
勾配のさらに他の実施例を示すグラフ図である。
状を示す正面概略図、(b)は(a)のA−A線上にお
ける半径rの関数として示すグラフ図である。
2の実施例の縦断面図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 1個の第1の端部反射鏡および1個の第
2の端部反射鏡(3、4)と、同軸の電極(1、2;1
0、11、12)とを備え、該電極の間でレーザ共振器
の対称軸の方向にあちこち反射されたレーザ光線が、リ
ング状の断面の共振器空間を部分毎に方位角的に貫流す
るレーザ共振器において、前記第2の端部反射鏡(4)
が、衝突するレーザ光線をそれぞれ共振器空間の方位角
的に対向する領域に方向転換させるほぼ円錐形の鏡から
なることを特徴とするレーザ共振器。 - 【請求項2】 前記第1の端部反射鏡が、半径方向にト
ーラス(円環面)形状に弯曲され、前記反射鏡の一方が
方位角的に小さな領域において光線放出窓を有すること
を特徴とする請求項1記載のレーザ共振器。 - 【請求項3】 前記第1の端部反射鏡が、特殊な方位角
的な光線の勾配を選択するために領域毎に、特に方位角
的に対向する2つの領域を介して螺旋形の上昇を示すこ
とを特徴とする請求項1または2記載のレーザ共振器。 - 【請求項4】 前記方位角的な光線の勾配を高めるため
に、前記第1の端部反射鏡が2つの半円リング部分を介
して螺旋形の上昇を示し、かつそこで前記第2の端部反
射鏡のトーラス状の弯曲に対応配置された頂点半径が、
方位角の成長にしたがって減少することを特徴とする請
求項1または2記載のレーザ共振器。 - 【請求項5】 特殊な方位角的な光線勾配を選択するた
めの円錐形反射鏡が、トーラス状に弯曲された前記第1
の端部反射鏡に対応配置された頂点半径に一致する開口
部角度を有することを特徴とする請求項2記載のレーザ
共振器。 - 【請求項6】 前記円錐形反射鏡の方位角的な光線勾配
を高めるために、2つの半円リング部分を介して方位角
的に変化する前記第1の端部反射鏡の形状に一致する開
口部角度を有することを特徴とする請求項1または4記
載のレーザ共振器。 - 【請求項7】 機械的な電極安定化のため、および場合
によってはレーザ光線の特別な回転方向を選定するため
に使用される、共振器の端部に取り付けられた光線放出
窓に対して僅かにずらされた第1の保持部材(5)を設
けたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載
のレーザ共振器。 - 【請求項8】 前記第1の保持部材に方位角的に対向し
て配置された第2の保持部材(5)を設けたことを特徴
とする請求項7記載のレーザ共振器。 - 【請求項9】 前記電極が共振器空間と直接接触してい
ることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の
レーザ共振器。 - 【請求項10】 導波管モードを抑圧するために、前記
電極表面が粗面化されていることを特徴とする請求項9
記載のレーザ共振器。 - 【請求項11】 導波管モードを抑圧するため、および
高周波ガス放出の際にレーザ共振器内で発生する波長効
果を抑制するために、半径方向に隣接する電極が数mm
から数cmまでの距離を有することを特徴とする請求項
1〜10のいずれか1項記載のレーザ共振器。 - 【請求項12】 一重または複数重に畳み込まれ、かつ
対応する数の畳み込み反射鏡を有することを特徴とする
請求項1〜11のいずれか1項記載のレーザ共振器。 - 【請求項13】 前記共振器空間の畳み込まれた領域内
のさらなる第1および第2の保持部材(9)を設けたこ
とを特徴とする請求項12記載のレーザ共振器。 - 【請求項14】 二重に畳み込まれ、かつ最外部の電極
(12)が接地されていることを特徴とする請求項12
または13記載のレーザ共振器。 - 【請求項15】 前記共振器が、方位角の方向において
不安定であることを特徴とする請求項1〜14のいずれ
か1項記載のレーザ共振器。 - 【請求項16】 前記端部反射鏡の少なくとも1つがリ
ング状に形成されていることを特徴とする請求項1〜1
5のいずれか1項記載のレーザ共振器。
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