JPH11509978A - 改良レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 環状レーザ空洞および偏光した軸対象レーザビームを発生するための手段を有する、主として材料加工用の工業用高出力レーザ。これらの円錐鏡は、選択性の被膜を施したアキシコンまたはワキシコンであってもよい。円錐形の空洞内鏡をそれらの同等物に使用することに基づき、好適アジマス偏光および好適ラジアル偏光したレーザビームを作るための方法。

Description

【発明の詳細な説明】 改良レーザ 発明の分野 この発明の一般的分野は、材料加工用の工業用高出力レーザの改良にあり、更 に詳しくは、金属の切断および溶接性能を改善するために安定な共振器を使って 高出力レーザのモードを制御する方法を提供する。 発明の背景 材料加工の用途に於いて、特に金属の切断および溶接に於いて、レーザの性能 を決定する三つの主な特性は：出力、ビーム質、ビーム偏光である。よく知られ ているように、ランダム偏光か直線偏光のレーザビームは、金属の切断および溶 接の用途でよく機能しない（例えば、参考文献１参照）。円偏光のビームは、典 型的に遙かによく機能し（参考文献１）、従ってレーザの偏光は、その金属加工 性能を改善するために、典型的にはレーザ空洞の外側で、しばしば円形にされる 。これは、今日レーザ空洞の内側で円偏光ビームを作る技術が知られていないの で、必要である。更に、ランダム偏光のビームは、かなりの出力損失なしに円偏 光にすることはできず、発生するのがかなり容易であり、従って多くのレーザで 全く普通である直線偏光ビームでさえ、所望の円偏光にするためには、空洞外光 学部品（典型的には、遅延板）を付加する必要がある。それで、レーザビームの 偏光を円形化する必要性は、これまで、いくらかの光学出力の損失を生ずる結果 となり、および／またはこのレーザシステムに幾つかの光学部品（およびコスト ）を付加することを必要とした。 我々は、我々のヨーロッパ特許明細書第０３９００１３Ｂ１号、“レーザシス テム”も引用する。 発明の概要 この発明は、以下に説明するある技術によって軸対称偏光ビームを効果的に作 ることができるという我々の発見に基づく。この新規なレーザは、アジマス偏光 またはラジアル偏光したビームを作り、任意に空洞外処理をして、優れた材料加 工性能を示す。 好適実施例の説明 円筒形レーザおよび環状レーザの両方で、所望の偏光に制御するために、幾つ かの技術が開発された。それらの技術は、次のものを使うかどうかによって、二 つのカテゴリーに分けることができる： ａ．共振器内の光学素子で、異なる偏光を異なる強度および／または割合で反射 する、偏光選択性反射鏡および被膜、 ｂ．異なる偏光を弁別するブルースター角円錐。 この発明の更なる特徴によれば： ｃ．空洞外補助位相遅延装置 によって、アジマス偏光ビームをラジアル偏光ビームに、およびその逆に変換す ることが可能である。 添付の図面を参照して、この発明を説明するが、それらの図面は比例尺にはよ らず、それらの内： 第１図は、この発明のレーザシステムの断面側面図であり； 第２図は、この発明のもう一つのレーザの断面側面図であり； 第３ａ図および第３ｂ図は、偏光したレーザビームを生ずる鏡配置を示す。 （ａ）この発明の二つの実施例を第１図および第２図で説明する。 第１図は、参考文献２のヨーロッパ特許明細書第０３９００１３Ｂ１号に記載 されているものと類似の環状レーザシステムを示し、この構成で作られるレーザ 出力ビームは、ＴＥＭ₀₁モードであり、それはアジマスに偏光するか若しくはラ ジアルに偏光でき、またはこの二つの任意の組み合わせである偏光を有する。未 被覆銅アキシコン２０および未被覆ワキシコン１８を使うことによって、アジマ スに偏光したビームができる。これは、ＰおよびＳ直線偏光に関して銅の反射特 性が異なることによる。我々は、これを、偏光器／検光器技術を使い、本質的に 参考文献４の指針に沿って作ったＣＯ₂レーザの出力ビーム光路に偏光器を置き 、この偏光器をビーム軸の周りに回転しながら、ビームプロフィルを記録するこ とによって検証した。これらのレーザの出力は、１０００Ｗおよび１６００Ｗで あった。結果は、明らかにアジマスに偏光したビームのもので：偏光器／検光器 が このビームから偏光器軸に垂直に偏光した全てのエネルギーを抽出し、偏光器軸 方向に直線偏光した、ＴＥＭ₀₁モードに典型的なビームプロフィルを残した。こ れは、参考文献４のＴＥＭ₀₁モードの古典的説明と一致する。 市販されていて、ワキシコンおよび／またはアキシコン鏡上で、ＰおよびＳ偏 光に関して異なる反射特性を有し、異なる偏光を選択する高反射性被膜は、第１ 図と同じ構成で、ラジアル偏光またはアジマス偏光のＴＥＭ₀₁モードを生ずる。 これは、上記の偏光器／検光器技術を使って検証した。 ＴＥＭ₀₁モードのビームを生ずるレーザシステムに於いては、上記の方法を実 施し、共振器の光学素子を選択することによって、偏光を制御してアジマスにま たはラジアルにすることができる。 （ｂ）第２図は、第１図の構成に類似し、偏光選択性被膜はないが、透明円錐部 ２１（ＣＯ₂レーザに対して、この部分はＺｎＳｅまたは他の適当な材料ででき ている）を付加した環状レーザを示す。この円錐の角度は、ブルースター角であ る。その結果、このレーザは、これもＴＥＭ₀₁モードと両立する好適なラジアル 偏光で動作する。 第３ａ図の（１）に示す鏡装置には、ビーム３２を９０°の角度で反射する鏡 ３１があり、これが鏡３１と同じ平面にない鏡３３に入射する。同じ装置を矢印 ３４に沿って見た図を第３ａ図の（２）に示し、そこでもこれらの鏡が同じ平面 にない。 ラジアル偏光をアジマス偏光に、またはその逆に変換するために使用できる無 料のシステムを第３ａ図に模式的に示す。これは、１対の半波長位相遅延鏡を使 用する。第１鏡は、ビーム方向と４５°に取り付けられ、それを９０°に反射す る。第２鏡は、この反射されたビームの方向と４５°に取り付けられ、その平面 は第１鏡の平面と平行でなく、それと４５°に傾斜している。その装置を通過す るラジアル偏光のビームは、アジマス偏光になる。バビネの原理に従って、同じ 装置がアジマス偏光ビームをラジアル偏光ビームに変えることができる。 もう一つの４鏡装置を第３ｂ図を参照して説明する。第３ｂ図の（１）に示す ように、光線３５が図示するように鏡３６、３７、３８および３９によって反射 される。同じ鏡を第３ｂ図の（２）に示し、そこでは鏡３６と鏡３７の間の角度 が、第３ａ図の（１）の鏡３１のそれに相当し、鏡３６と鏡３７が第３ａ図の（ １）の鏡３３と同等である。 第３ｂ図は、同じ偏光変換を行うための代替装置を示し、それは単一半波長遅 延装置の代わりに１対の四分の一位相遅延装置を利用する。この装置の先の装置 に比べた利点は、元のビーム方向と平行な方向にビームが存在することである。 これは、上記のように、偏光器／検光器技術を使い、第３ｂ図の構成に類似す る光学的機構なしにおよび設けて検証した。結果は、偏光が完全に変換されるこ とをはっきり示す。 説明したシステムおよび方法は、よく知られたシステムおよび方法とはかなり 違い、それによって、他の工業用レーザで発生できる直線偏光を円偏光に変える 。この発明で、偏光は、アジマスでもラジアルでも軸対称である。 軸対称の偏光ビームを作る必要性は、全ての方向に均質な材料加工の要求から 生ずる。時定数軸対称偏光したレーザビームを発生する能力は、それを、例えば 高反射性材料の高品質、高速切断、深い溶け込み溶接等のような、異なる工業用 用途を最適化するために賢明に使えるようにする。特に、軟鋼およびステンレス 鋼では勿論、裸アルミおよび裸銅で、優れた切断速度および品質を達成している 。また、ステンレス鋼の突合せ溶接は、類似の出力で、アジマス偏光もラジアル 偏光もない他のレーザについての報告より、深い溶け込みおよび高速で達成して いる。 上記の説明が例示のためだけで、制限的方法で解釈すべきでないことは明らか である。 参考文献： １．ＣＯ₂レーザ切断、ジョン パウエル著、スプリンゲル−フエルラーグ ロ ンドン社、１９９３年。 ２．ヨーロッパ特許明細書第０３９００１３Ｂ１号、１９９４年６月１日付与。 ３．環状（ＨＳＵＲＩＡ）共振器；偏光効果を含むある実験的研究：Ｒ．Ａ．チ ョズコ、Ｓ．Ｂ．メーソン、Ｅ．Ｂ．ターナー、Ｗ．Ｗ．プランマー、ジュニヤ ー、アプライド オプティックス、第１９巻、第５号、ｐｐ．７７８−７８９、 １９８０年３月。 ４．レーザ、Ａ．Ｅ．シグマン著、著作権 ユニバーシティ サイエンス ブッ クス、１９８６年。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．任意に、アジマス偏光成分に対してだけ高反射性で、ラジアル偏光成分に 対して低反射性であり、その結果出力ビームが好適アジマス偏光になる、偏光選 択性被覆をした、または第２代替手段として、任意に、ラジアル偏光成分に対し てだけ高反射性で、アジマス偏光成分に対して低反射性であり、その結果出力ビ ームが好適ラジアル偏光になる、偏光選択性被覆をした、本質的に円錐形の空洞 内鏡を利用して、好適アジマス偏光または好適ラジアル偏光の出力レーザビーム を作るためのプロセス。 ２．任意に、アジマス偏光成分に対してだけ高反射性で、ラジアル偏光成分に 対して低反射性であり、その結果出力ビームが好適アジマス偏光になる、偏光選 択性被覆をした、本質的に円錐形の空洞内鏡を利用して、好適アジマス偏光の出 力レーザビームを作るための、請求項１によるプロセス。 ３．任意に、ラジアル偏光成分に対してだけ高反射性で、アジマス偏光成分に 対して低反射性であり、その結果出力ビームが好適ラジアル偏光になる、偏光選 択性被覆をした、本質的に円錐形の空洞内鏡を利用して、好適ラジアル偏光の出 力レーザビームを作るための、請求項１によるプロセス。 ４．請求項１から請求項３までのいずれか一つによる方法であって、これらの 円錐鏡がアキシコンおよびワキシコンであり、環状円筒形のゲイン手段、後鏡と してこのワキシコンに関して同軸に配置され、これらの鏡が上記ゲイン手段の対 向する端に互いに向き合うように配置されたアキシコン、およびこのワキシコン の中央円錐と対向する部分反射出力結合鏡を収容する方法。 ５．請求項１による方法であって、共振器の中にワキシコンを含み、環状円筒 形のゲイン手段、後鏡としてこのワキシコンに関して同軸に配置され、上記ゲイ ン手段の対向する端に位置されて互いに向き合うアキシコン、および、このワキ シコンの中央円錐と対向する部分反射出力結合鏡を、その軸と斜面がブルースタ ー角をなす中空透明円錐と共に収容し、上記中空円錐がこのワキシコンまたはア キシコンに隣接して配置され、その軸がこのレーザの主軸と一致し、このアキシ コンを通過するビームが上記中空円錐の壁を通過する軸に垂直であり、それによ ってラジアル偏光した出力ビームを生ずる方法。 ６．補助空洞外偏光制御方法であって、二つの半波長（１８０°）位相遅延素 子を利用し、その第１のものはビームの方向と４５°に配置され、第２の素子が その結果のビームと４５°に、その面を第１素子の面と４５°にして配置され、 それによって入射ビームのラジアル偏光をアジマス偏光におよびその逆に変換す る方法。 ７．請求項６による補助空洞外偏光制御方法であって、半波長（１８０°）位 相遅延装置の各々が、１対の二つの四分の一波長（９０°）位相遅延装置である か、または各任意の数の、出力に半波長の位相遅延をする位相遅延装置である方 法。 ８．任意に、アジマス偏光成分またはラジアル偏光成分に対して高反射性で、 それぞれ、ラジアル偏光成分またはアジマス偏光成分を弱く反射性する選択性性 被膜を備え、それぞれ、アジマス偏光またはラジアル偏光が優勢な出力ビームを 発生する、本質的に円錐形の空洞内反射手段を含むレーザシステム。 ９．請求項８によるレーザシステムであって、これらの反射性素子が、選択性 性被膜を塗被された本質的に円錐形の鏡であるシステム。 10．請求項８によるレーザシステムであって、これらの反射性素子が、その軸 と斜面がブルースター角をなす中空透明円錐と共に、同軸に配置された、互いに 向き合って環状円筒形のゲイン手段構成の両端に位置するアキシコンおよびワキ シコン、およびこのワキシコンの中央円錐と対向する部分反射出力結合鏡であり 、上記中空円錐がこのワキシコンまたはアキシコンに隣接して配置され、その軸 がこのレーザの主軸と一致し、このアキシコンを通過するビームが上記中空円錐 の壁を通過する軸に垂直であり、それによってラジアル偏光した出力ビームを生 ずるシステム。 11．請求項７によるレーザであって、二つの空洞外偏光制御素子を備え、それ らが二つの半波長（１８０°）位相遅延素子であり、その第１のものはビームの 方向と４５°に配置され、第２の素子がその結果のビームと４５°に、その面を 第１素子の面と４５°にして配置され、それによって入射ビームのラジアル偏光 をアジマス偏光におよびその逆に変換するレーザ。 12．請求項１１によるレーザであって、各半波長（１８０°）位相遅延素子が 、１対の二つの四分の一波長（９０°）位相遅延装置を含むレーザ。 13．請求項７から請求項１７までのいずれか一つによるレーザであって、これ らの反射素子が偏光選択性銅被膜で塗被されているレーザ。 14．請求項７から請求項１７までのいずれか一つによるレーザであって、この 透明円錐部が、ＣＯ₂レーザに対して、ＺｎＳｅでできていて、この円錐角がブ ルースター角であるレーザ。