JPS59149074A - レ−ザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザ加工等に用いられるレーザ発振器に関す
るものである。

従来例の構成とその問題点 炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザで金属板の切断を行う場
合、金属板に照射するレーザ光の偏光が、切断中や切断
形状などの加工状態と著しい相関が２ページ あることが知られている。

例えば、ＳＰＣ，５４５Ｃ，ＳＵＳ等の金属板を直線状
に切断する場合には、金属板に照射するレーザ光は、直
線偏光していて、その偏光方向は切断方向と一致してい
るのが良いとされている。

その理由は、次のごとくである。

金属表面に入射した光の反射率の大きさを考えるに、入
射光と金属表面の法線を含む面（入射面）と、これに垂
直な平面を設定し、この２つの平面内の偏光成分につい
て、反射率の入射角依存性を考えるのが一般である。即
ち、入射面内の偏光成分をＰ波、それに垂直な平面内の
偏光成分をＳ波とすると、Ｐ波とＳ波の反射率は、入射
角に対して、第１図のような変化を示すのが一般である
。

Ｐ波とＳ波の反射率は、入射角がゼロのとき（垂直入射
）と、入射角が９０°のときのみ一致するが、それ以外
では互に異なり、Ｓ波の反射率の方が高い。

垂直入射のときに示す反射率の大きさは、金属の種類お
よび表面状態に依存する。例えば、精密に３１　　。

研磨されたＡｌやＡｕの垂直入射に対する反射率は、９
９％を越える。入射角が増大するにつれてＳ波の反射率
は、これより増加してゆき、入射角９ｏ０に対しては反
射率は１００係となる。

一方Ｐ波の反射率は、入射角がゼロから増大するにつれ
て僅かずつ減少してゆき、入射角がある大きさを越える
と急激に減少し、入射角９ｏ０の近くで反射率が最低値
をとり、これを越えると入射角が９００に近づくにつれ
急激に増大し、入射角９ｏ０で１ｏｏ％となりＳ波と一
致する。

いま金属表面に散乱がないとすると、金属の吸収率Ａは
反射率Ｒを用いてＡ＝１−Ｒと書けるから、第１図を見
れば、Ｓ波よりもＰ波の方が金属に吸収されやすく、か
つ高角入射であるほど、Ｐ波の吸収率が大きいことがわ
かる。

ここで金属切断の様子を第２図に示す。

第２図イはイーザ光線１を、金属板２の表面に垂直入射
させ矢印３の方向に向って切断を進めた場合である。

レーザ光線１に露　されている金属の表面は、第２図口
に示すごとく、レーザ光線１に対して垂直ではなく、そ
の法線１２は、レーザ光線１に対して、かなり大きな角
度を有しているのが一般である。従って、第１図で容易
にわかるように、高角入射の場合にはＰ波の方がＳ波に
較べて吸収率が高いので、進行方向３に直線偏光した光
が切断には最も有利となる。

金属板をＸＹテーブルに固定し、ＸＹテーブルを移動さ
せて所要の形状に切断するには、照射するレーザ光線は
、ＸＹテーブルの移動方向と一致する偏光成分を常に有
することが望捷しい。

そのため種々の工夫が施されているが、１つの方法は、
直線偏光しているレーザ発振器からの出力鏡を、遅相鏡
によって円偏光化し、その円偏光光を加工物に照射する
ことである。

この方法は、発振器からの出力光が直線偏光しているこ
とが必要条件である。

従って、直線偏光していない発振器には使用できない。

又遅相鏡は通常、蒸着膜の複数層より構成されて６／　
−ミ゛ おり、大出力レーザを円偏光化するには、光耐力の点で
問題があった。

一方、近年炭酸ガスレーザ発振器の発展はめざましく、
放電の単位長あた秒のレーザ出力は飛躍的に向上した。

このため、同軸型炭酸ガスレーザでは、大出力化を行う
には、従来方法では放電管を複数列ならべる多段折返し
型にする必要があったが近年では、出力の大きさによっ
ては単管ですむことが可能となった。

ところが、このような１光路型共振器（出力結合鏡と一
枚の全反射鏡とで構成され、光軸は全反射鏡で入射方向
と異なることなく反射されるような共振器）では、通常
は偏光性を規定するのが難かしく、例えば、ある時間で
は円偏光に近い形で偏光していたものが、次の瞬間には
楕円偏光にかわり、また直線偏光にきわめて近くなるな
ど、偏光面が安定しない。

このことは、１光路型共振器（例えば、同軸型発振器の
場合には、単管型発振器がこれに該当する）をレーザ加
工に応用する場合の欠点となる。

６ページ 第３図に、１光路型共振器の概念図を示す。

便宜上、同軸型発振器を例示したが、２軸直交型・３軸
直交型発振器の場合でも同じである。

放電管４にレーザガスは封入されているか又は、ボンベ
より注入され定常的に排出されている。

電極６，６によってレーザガスは放電し、励起される。

Ｚｎ５ｅ、ＫＣ１々どの透明体から作製された出力結合
鏡７は、金属全反射球面鏡８と光軸９上に正対して配置
されている。

この場合前述した如く、出力光の偏光はランダムである
。

このような１光路型共振器にあって、側光方向を確定す
る工夫がなされている。

第４図は、第３図に示しだ単管型共振器に、１枚の平面
状の折り曲げ鏡を挿入し、直線偏光化したものである。

即ち、光軸９上に、出力結合鏡７と、全反射平面折り曲
げ鏡１０を配置し、全反射平面折り曲げ鏡１ｏは光軸９
をほぼ９００折り曲げ、金属全反射球面鏡８に導く。

全反射平面折り曲げ鏡１０では、入射角がほぼ７１７゛ ４６°でありこのときの反射率は、第１図で判るように
、Ｓ波とＰ波とでは僅かに異なりＳ波の反射率の方が高
い。

共振器の内では、光は消滅するまで結合鏡７と全反射鏡
８０間を往復するので、結局Ｓ波のみ発振することに々
る。

この場合の出力ビームの偏光特性は第６図のようになる
。ここで動径は比出力を示し、回転角φは、検光子の回
転角を示す。図示した曲線は、Ｃ０８２φに従って変化
する。

しかしながらこのような構成の場合、直線偏向されたビ
ームは一軸方向に振動ベクトルを持ったＳ波のみである
ので、ｘ−Ｙテーブルに固定された金属板等の試料を切
断するためには、切断方向により直線偏向ビームを折り
曲げる必要があり、不必要な部品が必要となり、また安
定性の面からも不都合が多い。

発明の目的 本発明は上記欠点を解消するもので、互いに直交する２
軸の直線偏向を有し、ＸＹテーブルを使用して任意の形
状の切断に適する直交２軸直線偏向レーザ発振器を提供
することを目的とするものである。

発明の構成 本発明は上記目的を達成するもので、放電管と、放電管
の一端側に設けられた出力結合鏡と、前記出力結合鏡の
反対側に設けられた、ビームを二分割する折り曲げ鏡と
、分割されたビーム光路上それぞれに設けられた全反射
鏡とを備え、前記折り曲げ鏡が互いに直交する二面を少
なくとも有する多面体からなり、前記直交する二面それ
ぞれにさらに直交する方向に共振器の光軸を設けたこと
を特徴とする直交２軸直線偏向レーザ発振器を提供する
ものである。

実施例の説明 本発明の一実施例である直交２軸直線偏向レーザ発振器
を第６図に示す。

第６図イにおいて、４は放電管、５，６は電極、９は光
軸、７は出力結合鏡である。

本実施例の特徴は６面体を外す折り曲げ鏡２０と９１−
ン 前記折り曲げ鏡２０の二面により互いに直交する方向に
反射された２本のビーム２３及び２３′を反射する全反
射鏡１８及び１９を設けた点にある。

第６図イをＭ−Ｍ’の方向から見た図を第６図口に示す
が、放電管４から放射されたビームは後に詳しく説明す
る６面体の折り曲げ鏡２ｏで互いに直交するビーム２３
．２３’にわかれ、それぞれ全反射鏡１８及び１９に到
達し反射される。

従って本共振器は、出力結合鏡７と全反射鏡１８とで構
成される共振器と、出力結合鏡７と全反射鏡１９とで構
成される共振器とが共存している一種の複合共振器であ
る。

この場合後でのべるように、両弁振器ともＳ波成分を持
った直線偏向ビームであり、しかも互いに直交する関係
を有している。

第７図に本実施例で使用される折り曲げ鏡を示す。

第７図イにその外観を示す。図には、頂点ａ、　　ｂ。

ｃ、　　ｄ、　　ｅよりなる６面体の例で示しである。

第７図口は正面図、ノ・は左側面図、二は右側面図、１
０ベージ ホは上面図、へは下面図である。

頂点ａ、　　ｂ、　　Ｃで作る平面Ａと、頂点ａ、　　
ｃ、　　ｄで作る平面Ｂは、光軸２１で示す入射光に対
して、それぞれ入射角４６°の平面を提供し、かつ互に
直交する２軸の方向に反射することがわかる。

前記平面Ａ、　Ｂで反射された光線は、第６図イ。

口で示したようにビーム２３．２３’　となり全反射鏡
１８．１９に入射される。

従って、第１図、第６図かられかるように、本折り曲げ
鏡では互に直交する２軸の方向に振動ベクトルをもった
Ｓ波の反射率が高く、その結果、共振器内に配置するこ
とによって、他の偏光素子を含まなければ、安定した直
交２軸直線偏光レーザ発振器を構成することが期待され
る。

本発明の折り曲げ鏡は、互いに直交する二面を有すれば
、他の多面体であっても良い。

前記実施例のレーザ発振器からのレーザ出力の偏光特性
を第８図に示す。

図かられかるように、直交する２軸の方向にそれ１１　
／、、−ジ 従ってＸＹテーブルを使用して任意の形状の切断を行う
場合に、切断方向に直線偏光している成分をかならずと
り出すととができ、切断に有利な状　′況を現出し得る
。

発明の効果 以上のように本発明は互に直交する２つの方向に光を反
射するような２つの平部からなる一つの折り曲げ鏡を有
し、前記折り曲げ鏡は、前記直交する２つの方向にさら
に直交する第３の方向が１光路共振器の光軸と一致する
ように配置され、前記折り曲げ鏡によって反射された光
を再び前記折り曲げ鏡にもどすように２枚の全反射鏡を
配置したもので、ＸＹテーブルを使用した任意の形状の
切断に有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属表面の１０．６μｍ光に対する反射率の入
射角依存性を示す図、第２図イは金属切断加工の様子を
示す斜視図、第２図口は同断面図、第３図は１光路発振
器の原理図、第４図は直線偏光１光路発振器の原理図、
第６図は第４図の発振器の偏光特性図、第６図イは本発
明の一実施例である直交２軸直線偏光発振器の正面概略
図、第６図口は同側面図、第７図は本発明に使用される
折り曲げ鏡を示しだもので、イは斜視図９口は正面図、
ハは左側面図、二は右側面図、ホは上面図。 へは下面図である。第８図は第６図に示した本実施例の
発振器の偏光特性図である。 ４・・・・・・放電管、５，６・・・・・・電極、７・
・・・・・出力結合鏡、９・・・・・・光軸、１８．１
９・・・・・・全反射鏡、２０・・・・・・折り曲げ鏡
。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１老醜　
ｌｃｉ！Ｊ 入射角 ［２ｒＩ！Ｊ 第　３　図 第５図 Ｂ　　２０ 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 放電管と、放電管の一端側に設けられた出力結合鏡と、
   前記出力結合鏡の反対側に設けられ、ビームを二分割す
   る折り曲げ鏡と、分割されたビーム光路上それぞれに設
   けられた全反故鏡とを備え、前記折り曲げ鏡が互いに直
   交する二面を少なくとも有する多面体からなり、前記直
   交する二面それぞれにさらに直交する方向に共振器の光
   軸を設けたことを特徴とするレーザ発振器。