JPWO2013084608A1 - Ｃｏ２レーザ装置およびｃｏ２レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

高出力で繰り返し周波数に依存せずにビーム径が安定なパルスレーザを出射するＣＯ２レーザ装置およびＣＯ２レーザ加工装置を得る。ＣＯ２レーザ媒質となるレーザガスＧと、少なくとも１つの共振器ミラーの曲率半径を、光スイッチから共振器ミラーまでの距離と等しくなるよう設置された近共心型の安定型光共振器と、安定型光共振器内に設けられた光スイッチと、安定型光共振器から発生したレーザ光４１が再びＣＯ２レーザ媒質を通過するように設けられた伝送ミラー５１〜５６と、を備える。

Description

この発明は、レーザ発振器（利得媒質を内包する光共振器）からＣＯ２レーザ光（以下、単に「レーザ光」ともいう）を発生するＣＯ２レーザ装置およびＣＯ２レーザ加工装置に関するものである。

従来から、利得媒質を内包する光共振器からレーザ光を発生するＣＯ２レーザが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のＣＯ２レーザ装置は、ＣＯ２を含む気体利得媒質を内包するハウジングと、高反射体および出力カプラを含むレーザ光共振器と、利得媒質を励起する励起配置と、レーザ光共振器に配置される音響光学（ＡＯ）セルとを備えており、ＡＯセルを用いてレーザ光共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換え、Ｑスイッチパルスを生成しているが、レーザ出力は、音響光学セルの耐光パワー（たとえば、数１００Ｗ）以下に制限される。

特表２０１０−５３４９２３号公報

従来のＣＯ２レーザ装置は、特許文献１に記載のように、レーザ出力が音響光学セルの耐光パワー（たとえば、数１００Ｗ）以下に制限されるので、高出力レーザを得ることが困難になるという課題があった。
また、パルスレーザの繰り返し周波数が変化すると、音響光学セルの熱的状態が変化することから、繰り返し周波数に依存してビーム径が変化するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高出力レーザを得るとともに、繰り返し周波数に依存せずに安定なビーム径のパルスを生成可能なＣＯ２レーザ装置およびＣＯ２レーザ加工装置を得ることを目的とする。

この発明に係るＣＯ２レーザ装置は、ＣＯ２レーザ媒質と、ＣＯ２レーザ媒質が介在された光共振器と、光共振器内に設けられた光スイッチと、光共振器の外部に光共振器から出射されたレーザ光を反射する伝送ミラーと、を備えたＣＯ２レーザ装置であって、光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、光共振器を構成する少なくとも１つの共振器ミラーの曲率半径は、光スイッチから共振器ミラーまでの距離と等しくなるように設定され、伝送ミラーは、レーザ光が再びＣＯ２レーザ媒質を通過するように設置されたものである。

この発明によれば、少なくとも１つの共振器ミラーの曲率半径を光スイッチから共振器ミラーまでの距離と等しく設定した近共心型の安定型光共振器において、光共振器から発生したＣＯ２レーザ光が、再びＣＯ２レーザ媒質を通過するので、高出力で、繰り返し周波数に依存せずに安定なビーム径のパルスを生成することができる。

この発明の実施の形態１に係るＣＯ２レーザ装置の構成を透視して示す斜視図である。 一般的な２種類の光共振器をｇパラメータの領域で示す説明図である。 図２内の２種類のうちの好適でない光共振器を用いた場合のビーム径を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による好適な光共振器を用いた場合のビーム径を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による好適な光共振器を用いた場合のビーム径特性を示す説明図である。 好適でない光共振器を用いた場合のビーム径特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るＣＯ２レーザ装置の構成を透視して示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るＣＯ２レーザ加工装置を透視して示す斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るＣＯ２レーザ装置の構成を透視して示す斜視図である。
図１において、ＣＯ２レーザ装置は、上下に配設された電極１、２と、電極１と電極２との間の放電空間内に封入されたレーザガスＧ（電極２側でのガス流方向を１点鎖線矢印で示す）と、共振器ミラーとしての全反射ミラー１１と、レーザガスＧを介して全反射ミラー１１に対向配置された共振器ミラーとしての部分反射ミラー１２と、レーザ光に直線偏光を与えるブリュースター板１３と、光変調用の変調素子（光スイッチ）となる音響光学素子２１と、音響光学素子２１に交流電圧を印加する電源３１と、電源３１を制御する制御装置３２と、を備えている。

全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、レーザガスＧ（放電励起ガス）を挟んで互いに対向するように配置されており、全反射ミラー１１と部分反射ミラー１２との間に介在された、ブリュースター板１３、音響光学素子２１およびレーザガスＧとともに、レーザ発振器を構成している。
部分反射ミラー１２の端面からは、レーザ光４１が出射される。なお、レーザガスＧとしては、ＣＯ２分子を含む混合ガスが使用される。

また、図１のＣＯ２レーザ装置は、部分反射ミラー１２の出射面側から順次に対向するように配置された伝送ミラー５１〜５６と、レーザガスＧを閉じ込める筐体（破線枠参照）と、を備えている。
伝送ミラー５２〜５６の相互対向光路は、それぞれ、レーザガスＧを通過するように構成されており、最終段の伝送ミラー５６からは、レーザ光４２が外部に出射される。

ここでは、理解を容易にするために、図１内のＸＹＺ軸（矢印）のように、全反射ミラー１１と部分反射ミラー１２とを結ぶ光軸方向をＺ方向とし、電極２側でのレーザガスＧのガス流方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向（電極１、２の対向方向）をＹ方向として説明する。

なお、煩雑さを回避するために図示を省略するが、レーザガスＧが供給される筐体内部には、熱交換器、ブロワなどが設けられている。
ブロワは、筐体の内部空間に封入されたレーザガスＧを循環させて強制対流を発生させる。これにより、冷却されたレーザガスＧは、電極２側においてＸ方向（１点鎖線矢印方向）に沿って図面左方向に供給される。
また、レーザガスＧは、筐体内において大気圧よりも低い圧力に維持されており、電極１、２間で、たとえば１００ｍ／ｓ程度の速度で移動している。

放電によってレーザガスＧ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。
したがって、レーザガスＧ（ＣＯ２分子を含む混合ガス）中のＣＯ２分子の振動準位間の遷移により、レーザ発振による波長１０．６μｍのレーザ光４１が得られる。

また、筐体内において、電極１、２は、レーザガスＧを放電励起している。
すなわち、高周波電源（図示せず）から電極１、２に高周波交流電圧を印加すると、電極１、２間には、筐体（破線枠）に対応した直方体形状（たとえば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度）の放電空間が形成される。
レーザガスＧは、高周波交流電圧の印加によって実質的に連続励起されており、放電空間内のレーザガスＧは、放電空間に対してレーザガス流の下流方向（図面左方向）に存在するレーザガスＧを含めて、光増幅作用を示す放電励起ガスとなる。

レーザ発振器において、レーザ光共振器を構成する全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、光軸調整用の角度微調機構を介して筐体に取り付けられている。
また、レーザ発振器内部の光軸上には、偏光選択素子としてブリュースター板１３が設けられている。

ブリュースター板１３は、Ｓ偏光（電場の振動方向が入射面に対して垂直な偏光成分）の反射率が高く、Ｐ偏光（電場の振動方向が入射面に対して平行な偏光成分）の反射率が低い（たとえば、１％未満の）ウィンドウである。
ここでは、ブリュースター板１３の配置により、Ｘ方向の直線偏光を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。

さらに、レーザ発振器内部の光軸上には、変調素子として音響光学素子２１が設けられており、音響光学素子２１には、たとえば４０ＭＨｚの周波数の粗密波を生成するための電源３１が接続され、電源３１には、制御装置３２が接続されている。
制御装置３２は、電源３１による粗密波の有無状態と、粗密波のエネルギーの大きさとを自在に制御することができる。

制御装置３２としては、ファンクションジェネレータなどを使用することができる。
このように、電源３１および制御装置３２に接続された音響光学素子２１は、透明材料内部の粗密波による屈折率変化を回折格子として利用することにより、レーザビームの進行方向を高速に制御する機能を有する。
なお、ＣＯ２レーザ装置における音響光学素子２１の材料としては、ゲルマニウムに無反射コーティングが施されたものが用いられる。

全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、音響光学素子２１に粗密波がない状態において、レーザ発振器からのレーザ光４１の出力がほぼ最大になるようにアライメントされている。

まず、電源３１から音響光学素子２１に交流電圧が印加されると、音響光学素子２１に粗密波が発生し、レーザビームを回折させるように作用するので、全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２からなる光共振器の１往復当たりの損失が大きくなる。
これにより、光共振器が低Ｑ状態となるので、レーザ発振が起こらず、レーザガスＧ（ＣＯ２レーザ媒質）にゲインが蓄積する。

次に、ＣＯ２レーザ媒質にゲインが蓄積した状態で、音響光学素子２１への電圧印加を停止するか、または印加電圧を十分に減少させると、Ｘ方向の直線偏光に対して損失が利得よりも少なくなる。
これにより、光共振器が高Ｑ状態になるので、蓄積されたゲインがパルス光として取り出される。

すなわち、音響光学素子２１に対して間欠的に交流電圧が供給されると、部分反射ミラー１２の端面からパルス状にレーザ光４１が出射される。
この現象は、Ｑスイッチパルス発振（または、単に「Ｑスイッチ発振」）と称され、このような発振を行うレーザは、Ｑスイッチパルスレーザ（または、単に「Ｑスイッチレーザ」）と称される。

レーザ光４２の出射側に配置された伝送ミラー５１〜５６は、レーザビームに対して高い反射率を示す材料からなり、さらに高い反射率を実現するための表面処理が施されている。
また、伝送ミラー５１〜５６は、光軸調整のための角度微調機構（図示せず）を介して取り付けられており、レーザ光４１の進路を変える機能を有する。

部分反射ミラー１２から出射されたレーザ光４２（パルスレーザ）は、伝送ミラー５１、５２で反射され、再び、筐体内の放電励起ガス（レーザガスＧ）へと導かれる。
伝送ミラー５１、５２で反射されて、放電励起ガス内に再導入されたレーザ光４１は、２点鎖線矢印で示すように、伝送ミラー５３、５４、５５、５６の順に反射されながら放電励起ガスを通過し、放電励起ガスを通過するごとに増幅される。

具体的には、全反射ミラー１１と部分反射ミラー１２との間の光共振器（レーザ発振器）から取り出されたレーザ光４１（ＣＯ２レーザビーム）は、伝送ミラー５１、５２→放電励起ガス→伝送ミラー５３→放電励起ガス→伝送ミラー５４→放電励起ガス→伝送ミラー５５→放電励起ガス→伝送ミラー５６→放電励起ガスの順に通過し、最終的に、ＣＯ２レーザ装置からのレーザ光４２として出射される。

ここで、音響光学素子２１に印加する交流電圧を、たとえば、オン時間＝７μｓ、オフ時間＝３μｓとして、繰り返し周波数１００ｋＨｚの間欠動作とした場合の、部分反射ミラー１２から取り出されたレーザ光４１は、繰り返し周波数１００ｋＨｚで、平均パワーが約１０Ｗである。

また、レーザ光４１が増幅された後の最終出力となるレーザ光４２においては、繰り返し周波数１００ｋＨｚで、平均パワーが約１ｋＷである。
最終的に出射されたレーザ光４２は、後述するように、レーザ切断、レーザ穴あけ、または、レーザ照射による表面改質などに利用される。

ＣＯ２レーザ加工の生産性増大、安定性および信頼性向上の要求は高まり続けている。
たとえば、穴あけ加工において、高い繰り返し周波数で加工する穴と、低い繰り返し周波数で加工する穴とが、均質な形状になるようにしたい場合を考える。

この場合、繰り返し周波数が高繰り返し（たとえば、１００ｋＨｚ）のパルスと、低繰り返し（たとえば、１ｋＨｚ）のパルスとで、ほぼ同等のビーム径を有するパルスを発生できるパルスレーザが求められる。
しかも、高い繰り返し周波数において、高い平均パワー（たとえば、１ｋＷ）を有するレーザ光４２が、加工の生産性増大の面から望ましい。

上記要求を考慮した場合、音響光学素子２１などの変調素子の熱レンズ効果（発振原理の特性によるビーム品質の時間劣化）が課題となる。
熱レンズ効果とは、物質が光軸対称の温度分布を有する場合に、光軸対称の屈折率分布を有することから、物質を透過する光が、レンズに似た収斂および拡散作用を受ける現象のことである。

ＣＯ２レーザ装置において、変調素子（音響光学素子２１）のＣＯ２レーザ吸収率は一般に高い。
すなわち、ＹＡＧレーザの音響光学素子のＹＡＧレーザ吸収率が、たとえば０．１％未満であるのに対して、ＣＯ２レーザの音響光学素子２１のＣＯ２レーザ吸収率は、たとえば３％〜１０％程度である。

また、一般に、レーザ光が物質を透過するとき、吸収率が高い物質であるほど、大きな熱エネルギーを発生するので、熱レンズ効果も大きくなる。
なお、ＣＯ２レーザの電気光学素子（図示せず）は、比較的低い吸収率を示すが、それでもなお、ＹＡＧレーザの音響光学素子のＹＡＧレーザ吸収率よりも高い１％程度の吸収率を有する。また、電気光学素子は、ＣｄＴｅを原料としており希少なことから、入手しにくく、しかも高価である。

前述（特許文献１）の従来構成のＱスイッチＣＯ２レーザにおいては、平均出力１ｋＷのパルスＣＯ２レーザを提供することができなかった。なぜなら、耐ＣＯ２レーザ出力が数１００Ｗの変調光学素子（音響光学素子）が光共振器中に組み込まれるからである。
また、光共振器中のレーザ出力は、光共振器から取り出されるレーザ出力よりも大きい（典型的には、数倍になる）ので、従来構成のＱスイッチＣＯ２レーザから出射されるレーザ出力の上限は、１００Ｗ程度であった。

また、変調光学素子の耐ＣＯ２レーザ出力が向上したものと仮定して、ＣＯ２レーザの繰り返し周波数を広範囲に（たとえば、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で）変化させて運転した場合には、それにともない、平均出力が１０Ｗ〜１ｋＷの範囲で変動するので、前述の熱レンズ効果の影響により、繰り返し周波数に依存せずにビーム径を安定させることは困難であった。

これに対し、この発明の実施の形態１（図１）に係るＣＯ２レーザ装置は、高出力のパルスレーザを得るとともに、繰り返し周波数に依存せずにビーム径が安定なＣＯ２レーザを実現するために、レーザガスＧ（ＣＯ２レーザ媒質）と、全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２（近共心型の安定型光共振器）と、光共振器内に設けられた音響光学素子２１と、光共振器から発生したレーザ光４１（ＣＯ２レーザ光）が再びＣＯ２レーザ媒質を通過するように設けられた伝送ミラー５１、５２（および、伝送ミラー５３〜５６）とを備えており、部分反射ミラー１２の曲率半径は、音響光学素子２１の中心から部分反射ミラー１２までの距離と等しくなるように設定されている。

このように、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部（全反射ミラー１１、部分反射ミラー１２および音響光学素子２１）と、増幅部（伝送ミラー５１〜５６）とを設け、共通のＣＯ２レーザ媒質（レーザガスＧ）を介してＱスイッチ発振および増幅を行うことにより、図１のような安価で簡便な構成で、エネルギー効率の高いＣＯ２レーザ装置（パルスレーザ装置）を得ることができる。

また、光共振器（全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２）に配置された変調光学素子（音響光学素子２１）を通過するレーザ出力を低く抑えることができるので、音響光学素子２１の熱レンズ効果が小さく抑制することができる。
したがって、パルスレーザの繰り返し周波数の変化にともなうビーム径の変動を最小化することができる。

次に、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部の光共振器を、近共心型の安定型光共振器としたことについて説明する。
安定型光共振器には２つの種類がある。１つは光共振器内において、レーザビームの直径にくびれの少ない近平行平面型であり、もう１つは、光共振器内において、レーザビームの直径に顕著な集光点を有する近共心型である。

図２は一般的な２種類の光共振器をｇパラメータ（ｉｎｖｅｒｓｅ ｈｙｂｒｉｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の領域Ａ１、Ａ２で示す説明図である。
図２において、ｇ１、ｇ２は、当業者に広く知られているように、ｇパラメータと称されており、以下の式（１）、式（２）で与えられる。

ｇ１＝１−Ｌ／Ｒ１ ・・・（１）
ｇ２＝１−Ｌ／Ｒ２ ・・・（２）

ただし、式（１）、式（２）において、Ｌは光共振器長、Ｒ１、Ｒ２は、２つの光共振器ミラー（図１内の全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２）の各々の曲率半径である。
図２において、灰色の領域Ａ１、Ａ２は、安定な光共振器のｇパラメータ領域であり、領域Ａ１の光共振器は、近平行平面型と称され、領域Ａ２の光共振器は、近共心型と称される。

図３は近平行平面型（図２内の領域Ａ１）の光共振器の一例におけるビーム径（ｍｍ）を示す説明図である。
図３において、横軸は光共振器内の座標に対応する伝播距離（ｍｍ）、縦軸はビーム径であり、レーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力が１Ｗ、７Ｗ、１５Ｗの場合のビーム径特性を、それぞれ、実線、点線、破線で示している。
なお、各出力１Ｗ、７Ｗ、１５Ｗは、それぞれ、繰り返し周波数が約３ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、５０ｋＨｚの場合の出力と考えてよい。

また、図３において、ＴＲ、ＰＲは、光共振器を構成する２つの共振器ミラー位置を示し、ＰＲはレーザ出射位置に対応している。また、ＡＯ−Ｑは、変調光学素子の位置を示し、灰色領域は、ＣＯ２レーザ媒質（レーザガス）の存在位置を示している。

図３から明らかなように、近平行平面型（図２内の領域Ａ１）の光共振器の場合、光共振器内のレーザビームの直径にくびれが少ないことが分かる。また、出射位置ＰＲでのレーザ光のビーム径および広がり角は、繰り返し周波数（または、繰り返し周波数に連動するレーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力）に依存して大きく変動していることが分かる。

また、繰り返し周波数を約１００ｋＨｚとし、このときにレーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力が３０Ｗとなると仮定した場合には、音響光学素子２１の熱レンズ効果に起因して、共振器を伝搬できる安定なレーザビームは存在しないので、実質的に出力を３０Ｗまで上昇させることは困難となる。

通常のＣＯ２レーザにおいては、放電励起ガスから効率良くエネルギーを取り出す目的で、レーザビームと放電励起ガス（レーザガス）との重なりを大きく設定するので、光共振器内のレーザビームの直径にくびれの少ない光共振器の種類が選ばれ、近平行平面型の光共振器が用いられる。

一般的なＱスイッチＣＯ２レーザの光共振器は、公知文献（たとえば、Ｊ．Ｘｉｅ，ｅｔ ａｌ．，「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＣＯ２ ｌａｓｅｒ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１２，ｐ．１２３７１（２０１０）．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅの２．２節の第１段落）に示されている。

上記公知文献において、光共振器長Ｌは１．２ｍ、光共振器ミラーの曲率半径Ｒ１、Ｒ２は、一方の曲率半径Ｒ１が平面グレーティング（Ｒ１＝∞）、他方の曲率半径Ｒ２が２．５ｍである。
この場合、式（１）、式（２）から、ｇパラメータは、ｇ１＝１、ｇ２＝０．５２となり、近平行平面型の光共振器であることが分かる。

これに対し、この発明の実施の形態１（図１）に係るＣＯ２レーザ装置は、近共心型（図２内の領域Ａ２）の光共振器を用い、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部（全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２）と増幅部（伝送ミラー５１〜５６）とを備えている。

図１のように、共通のＣＯ２レーザ媒質（レーザガスＧ）でＱスイッチ発振および増幅を行うＣＯ２レーザ装置は、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部（全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２）では、必ずしも大きなレーザ出力を追求せず、増幅部（伝送ミラー５１〜５６）において、効率良くレーザ媒質（レーザガスＧ）から光エネルギーを取り出す構成を有する。

図４はこの発明の実施の形態１で採用される近共心型（図２内の領域Ａ２）の光共振器（ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部）におけるビーム径を示す説明図であり、前述（図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号が付されている。
図４において、ＴＲは全反射ミラー１１の位置を示し、ＰＲは部分反射ミラー１２の位置（出射位置）を示し、ＡＯ−Ｑは音響光学素子２１の位置を示し、灰色領域は、レーザガスＧ（放電励起ガス）の存在位置を示している。

図４においては、レーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力１Ｗ、１５Ｗ、３０Ｗをパラメータとして、それぞれ、実線、点線、破線により、３つのビーム径特性が示されている。
なお、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部からのレーザ出力１Ｗ、１５Ｗ、３０Ｗは、それぞれ、繰り返し周波数が約３ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚの場合に相当する。

この発明の実施の形態１においては、近共心型の光共振器を採用することにより、図４に示すように、レーザの繰り返し周波数の変化に対して、部分反射ミラー１２から出射されるレーザ光４１のビーム径および広がり角をほぼ一定にすることができる。
これにより、増幅後のレーザ光４２のビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に依存することなくほぼ一定となるので、繰り返し周波数に依存せずにビーム径が安定なレーザ光４２を出射可能なＣＯ２レーザ装置を提供することができる。

また、図４によれば、放電励起ガス（レーザガスＧ）が存在する範囲でのビーム径もレーザの繰り返し周波数に依存せずにほぼ一定であることが分かる。
すなわち、レーザビームと放電励起ガスとが重なる領域がほぼ一定なので、パルスレーザの繰り返し周波数に依存せずに安定したパルスエネルギーが得られる効果がある。

この発明の実施の形態１（図１、図４）による光共振器においては、放電励起ガス（レーザガスＧ）を挟んで、一方側に部分反射ミラー１２が配置され、他方側に全反射ミラー１１および音響光学素子２１が配置されている。
また、音響光学素子２１は、レーザビームが最も細い位置（伝播距離≒７００ｍｍ）よりも全反射ミラー１１側の位置ＡＯ−Ｑに配置されている。

一方、図３においては、パルスレーザの繰り返し周波数の変化に対して、レーザ光のビーム径および広がり角が数１０％も変化するので、不安定である。
また、放電励起ガスが存在する範囲でのビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に応じて変動するので、レーザの繰り返し周波数に依存することのない安定なパルスエネルギーを得ることはできない。

ここで、図５を参照しながら、この発明の実施の形態１において、共振器ミラーとしての部分反射ミラー１２の曲率半径を、音響光学素子２１の中心から部分反射ミラー１２までの距離と等しくなるように設定したことの利点について説明する。

図５はこの発明の実施の形態１による光共振器を用いた場合のビーム径特性を示す説明図であり、レーザ出力に対する出射位置ＰＲでの出射ビーム径、すなわち、部分反射ミラー１２における基本モードビーム半径の特性を示している。
図５において、横軸はレーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力（Ｗ）、縦軸はビーム径（ｍｍ）である。

この発明の実施の形態１に係るＣＯ２レーザ装置において、繰り返し周波数を数Ｈｚから１００ｋＨｚまで調整または制御すると、繰り返し周波数に連動してレーザ発振器から取り出されたレーザ光４１の出力は、１Ｗ未満の状態から３０Ｗにまで変動する。
このとき、図５から明らかなように、共振器ミラーの曲率半径を、音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離と等しく設定した光共振器を用いることにより、レーザ装置の動作範囲に連動する出力範囲内（０〜３０Ｗ）の出力１５Ｗ付近で、出射ビーム径が極大となることが分かる。

このように、レーザ装置の動作範囲のなかに出射ビーム径が極大となる点を有することにより、動作範囲全体にわたるビーム径の変動を小さく抑えることが可能となる。
また、レーザ発振器から取り出されるレーザ光の出力が１５Ｗ付近となる（出射ビーム径を極大値にする）ような繰り返し周波数の条件下で、レーザ装置を稼動させる場合に、音響光学素子２１の熱レンズの性質変化に対する出射ビーム径の変動を抑えて、安定した動作が可能となることが分かる。

次に、上記実施の形態１の効果と対比するために、図６を参照しながら、共振器ミラーの曲率半径を、音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離と異なる構成とした場合について検討する。
図６は好適でない光共振器を用いた場合のビーム径特性を示す説明図であり、一例として、共振器ミラーの曲率半径を音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離の１．１５倍とした構成における出射ビーム径（ｍｍ）の特性を示している。

図６から明らかなように、共振器ミラーの曲率半径を、音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離の１．１５倍に設定した光共振器を用いた場合には、レーザ装置の動作範囲に連動する出力範囲内（０〜３０Ｗ）で、出力上昇にともなって出射位置ＰＲでの出射ビーム径は単調減少し、出射ビーム径が極大となる点が存在しないことが分かる。
すなわち、図５の場合とは異なり、動作範囲全体にわたるビーム径の変動を小さく抑えることが困難となる。

これに対し、この発明の実施の形態１によれば、共振器ミラーの曲率半径を、音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離と等しくなるように設定したので、図５のように、レーザ装置の動作範囲内において出射ビーム径が極大となる点を有することができ、動作範囲全体にわたるビーム径の変動を小さく抑えることが可能となる。

また、図５内の極大点付近の条件でレーザ装置を稼動させる場合において、音響光学素子の熱レンズの性質変化に対する出射ビーム径の変動を抑えて、安定した動作が可能となる。
これにより、増幅後のレーザ光４２のビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に依存することなくほぼ一定となるので、繰り返し周波数に依存せずに、ビーム径が安定なレーザ光４２を出射可能なＣＯ２レーザ装置を提供することができる。

なお、共振器ミラーの曲率半径と音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離との関係は、ある許容範囲内の誤差を含んでいても、上述効果を奏することは言うまでもない。
具体的には、図５のように、レーザ装置の動作範囲内（０〜３０Ｗ）に出射ビーム径の極大点が入る範囲に対応するように、共振器ミラーの曲率半径と、音響光学素子２１から共振器ミラーまでの距離とをほぼ等しく設定しておけばよい。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１、図４、図５）に係るＣＯ２レーザ装置は、レーザガスＧ（ＣＯ２レーザ媒質）と、レーザガスＧが介在された全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２（光共振器）と、光共振器内に設けられた音響光学素子２１（光スイッチ）と、光共振器の外部に光共振器から出射されたレーザ光４１を反射する伝送ミラー５１〜５６と、を備えている。

光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、部分反射ミラー１２の曲率半径は、音響光学素子２１の中心から部分反射ミラー１２までの距離と等しくなるように設定され、伝送ミラー５１〜５６（少なくとも、伝送ミラー５１、５２）は、レーザ光４１が再びレーザガスＧを通過するように設置されている。
また、レーザ光４１を反射するミラーは、レーザガスＧの異なる位置が順次に介在されるように対向配置された複数の伝送ミラー５１〜５６からなる。

このように、前段側の光共振器から最小限の出力レベルのレーザ光４１を出射し、後段側の伝送ミラー５１〜５６を介して出力が増幅されたレーザ光４２を出射することにより、安価で簡便な構成で、エネルギー効率が高く、高出力のレーザ光４２を出射可能なパルスレーザ装置が得られる。

また、パルスレーザの繰り返し周波数の変化にともなうビーム径の変動を最小化することができ、さらに、繰り返し周波数に依存せずに安定したパルスエネルギーを得ることができる。

なお、上記説明では、変調素子（光スイッチ）として音響光学素子２１を用いたが、電気光学素子など、他の変調素子で構成しても同様の効果を奏する。
なぜなら、この発明における変調素子としては、レーザ光の変調作用とともに、レーザビームの入射によって発生する熱がレーザビーム伝播に影響するような副作用を有するものが適用されるからである。

また、同一のレーザガスＧにレーザ光４１を導くための伝送ミラー５１〜５６は、枚数が限定されることはなく、必要に応じて任意に変更可能であり、同様の効果を奏することは言うまでもない。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、全反射ミラー１１と部分反射ミラー１２とを、レーザガスＧを介して一直線上に対向配置し、さらにレーザ光に直線偏光を与えるブリュースター板１３を介在させたが、図７に示すように、レーザガスＧの一方側において、全反射ミラー１１および音響光学素子２１と部分反射ミラー１２とを並列配置し、レーザガスＧを介した反対側において、光を折り返すミラー１４、１５を設置してもよい。

図７はこの発明の実施の形態２に係るＣＯ２レーザ加工装置を透視して示す斜視図であり、前述（図１）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図７に示すＣＯ２レーザ加工装置は、前述（図１）のブリュースター板１３に代えて、ミラー１４、１５を備えている。

この場合、前述（図１）の構成とほぼ同じであるが、全反射ミラー１１から部分反射ミラー１２までの光路を含む光共振器は、光の折り返し構成（ミラー１４、１５）を含む点で異なる。以下、前述との構成の相違点のみに注目して説明する。
図７において、光共振器は、共振器ミラーとしての全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２と、音響光学素子２１とに加えて、共振器内の光を折り返すミラー１４、１５とを備えている。

特に、部分反射ミラー１２と対向するミラー１４は、Ｓ偏光の反射率が９８．５％である一方で、Ｐ偏光の反射率が１．５％のコーティングを施した金属ミラーである。
したがって、ミラー１４は、共振器内の光を折り返すのみならず、レーザ光にＸ方向の直線偏光を与える役割を果たす。

なお、図７に示したこの発明の実施の形態２においても、ＱスイッチＣＯ２レーザ発振部の光共振器を、近共心型の安定型光共振器としている。
また、部分反射ミラー１２の曲率半径と、音響光学素子２１からミラー１４、１５を経由した部分反射ミラー１２までの光学的距離とを、等しく設定している。

また、光共振器から発生したＱスイッチパルスＣＯ２レーザ光４１を、伝送ミラー５２〜５６を用い、かつレーザ媒質を通過させて増幅することに関しては、前述の実施の形態１と同様である。
図７のようにＣＯ２レーザ装置を構成することにより、前述の実施の形態１と同様に、安価で簡便な構成で、エネルギー効率の高いＣＯ２レーザ装置（パルスレーザ装置）を得ることができる。
また、音響光学素子２１の熱レンズ効果を小さく抑制することができ、繰り返し周波数に依存せずに、ビーム径が安定なレーザ光４２を出射可能なＣＯ２レーザ装置を提供することができる。

なお、図７においては、ミラー１４、１５として平面ミラーを用いたが、曲率を有するミラーを用いてもよい。
このように、光共振器の終端の全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２以外にも、曲率を有するミラーがある場合など、一般的な光共振器において、ｇパラメータは、当業者に広く知られているように、光共振器の片路分の光線行列を、以下の式（３）としたとき、ｇ１＝Ａ、ｇ２＝Ｄ、で与えられる。

式（３）の定義において、図２の領域Ａ２は近共心型と称される。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１〜図７）では、高出力で安定なレーザ光４２を出射するＣＯ２レーザ装置について説明したが、図８のように、レーザ光４２を具体的に利用したＣＯ２レーザ加工装置を構成してもよい。

図８はこの発明の実施の形態３に係るＣＯ２レーザ加工装置を透視して示す斜視図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。
図８において、ＣＯ２レーザ加工装置は、前述（図１）のＣＯ２レーザ装置に加えて、光学系要素（ミラーやレンズなど）で構成される伝送光学系６１と、レーザ光４２を通過させて伝送光学系６１に入射するアパーチャ６２と、伝送光学系６１を介して伝送されたレーザビーム４３を高速に走査して被加工物１００に照射するガルバノミラー７１と、被加工物を設置するステージ（図示せず）と、を備えている。

ＣＯ２レーザ装置から出射される高出力で安定なレーザ光４２は、アパーチャ６２および伝送光学系６１を通過して、伝送後のレーザビーム４３となり、ガルバノミラー７１で反射されるとともに高速走査されて、被加工物１００に照射される。

アパーチャ６２は、レーザ光４２の横モードを設計者の意図するように整形して伝送光学系６１に入射する。
伝送光学系６１は、入射されたレーザビームが被加工物１００に向かうようにレーザビーム４３の進行方向を変えるとともに、レーザビーム４３が加工に適したビームとなるように、ビーム径を制御したり、ビームを分割したりするなどの役割を果たす。
なお、アパーチャ６２は、伝送光学系６１に組み込まれていてもよい。

ガルバノミラー７１は、レーザビーム４３を高速走査することにより、被加工物１００上でのレーザビーム４３の照射位置を、加工したい場所に位置決めするとともに、加工目的に応じた軌跡を描くように制御する。

また、図８において、全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２などで構成される光共振器の光路中に位置する点Ｂは、好ましくは、光共振器中において繰り返し周波数によるビーム径変動が最も小さくなる位置（図４内の伝播距離７００ｍｍに対応）に選択される。
アパーチャ６２は、点Ｂを光学的に転写した点、すなわち、点Ｂと共役な点に位置するように設置される。

アパーチャ６２を点Ｂの転写点に位置させるための構成としては、部分反射ミラー１２の無反射側の面にも曲率を設けること、伝送ミラー５１〜５６のいずれかに曲面を設けること、レーザ光４１の光路中にレンズ（図示せず）を挿入すること、または、これらの構成を任意に組み合わせること、などが考えられる。

以上のように、この発明の実施の形態３（図８）に係るＣＯ２レーザ加工装置は、前述（図１、図４、図５）のＣＯ２レーザ装置を用い、ＣＯ２レーザ装置から出射されるレーザ光４２を通過させて整形するアパーチャ６２と、レーザ光４２をレーザビーム４３として被加工物１００に導く伝送光学系６１と、を備えている。

また、アパーチャ６２は、ＣＯ２レーザ装置内の光共振器（全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２）中において、レーザ光４１（パルスレーザ）の繰り返し周波数によるビーム径変動が最も小さくなる点Ｂに対して共役な点に設置されている。

点Ｂにおいては、光共振器中でのビーム径がパルスレーザの繰り返し周波数に依存せずにほぼ一定（図４参照）なので、光共振器中の点Ｂと共役な点にあるアパーチャ６２上でのビーム径もレーザ光４２（パルスレーザ）の繰り返し周波数に依存せずにほぼ一定となり、アパーチャ６２で切り出されたレーザ光４２は一定の横モードを有する。

したがって、この発明の実施の形態３に係るＣＯ２レーザ加工装置によれば、前述（図１）のＣＯ２レーザ装置による安定なパルスエネルギーを実現する効果に加えて、さらに、繰り返し周波数に依存せずに均質な加工を行うことができ、加工生産性の高いＣＯ２レーザ加工装置を実現することができる。

また、前述のＣＯ２レーザ装置と同様に、高出力のＣＯ２レーザ装置を用いるので、安価で簡便な構成で、エネルギー効率および加工生産性の高いＣＯ２レーザ加工装置が得られる効果がある。

なお、図８では、図１（実施の形態１）のＣＯ２レーザ装置を適用した場合について説明したが、図７（実施の形態２）のＣＯ２レーザ装置を適用して図８と同様のＣＯ２レーザ加工装置を構成しても、同様の効果を奏することは言うまでもない。

また、前述と同様に、変調素子（光スイッチ）としては、音響光学素子２１に代えて、電気光学素子などの任意の変調素子を用いても同様の効果を奏する。なぜなら、変調素子として、レーザ光変調作用とあわせて、レーザビームの入射により発生する熱がレーザビームの伝播に影響するような副作用を有するものが適用されるからである。
また、同一のレーザガスＧにレーザ光４１を導くための伝送ミラー５１〜５６の枚数は、任意に設定され得る。

１、２ 電極、１１ 全反射ミラー、１２ 部分反射ミラー、１３ ブリュースター板（偏光選択素子）、１４、１５ ミラー、２１ 音響光学素子（変調素子）、３１ 電源、３２ 制御装置、４１、４２ レーザ光、４３ レーザビーム、５１〜５６ ミラー、６１ 伝送光学系、６２ アパーチャ、７１ ガルバノミラー、１００ 被加工物、Ｂ 光共振器中の点、Ｇ レーザガス、ＰＲ 出射位置。

この発明に係るＣＯ２レーザ装置は、ＣＯ２レーザ媒質と、ＣＯ２レーザ媒質が介在された光共振器と、光共振器内に設けられた光スイッチと、光共振器の外部に光共振器から出射されたレーザ光を反射する伝送ミラーと、を備えたＣＯ２レーザ装置であって、光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、光共振器は、第１および第２の共振器ミラーを有し、第１の共振器ミラーの曲率半径は、光スイッチから第１の共振器ミラーまでの距離と等しくなるよう設定され、光共振器においては、光スイッチから第１の共振器ミラーまでの間のみにＣＯ２レーザ媒質を配置し、伝送ミラーは、レーザ光が再びＣＯ２レーザ媒質を通過するように設置されたものである。

この発明に係るＣＯ２レーザ装置は、直方体形状の放電空間内に形成されるとともに、強制対流によって前記放電空間内を循環移動するＣＯ２レーザ媒質と、ＣＯ２レーザ媒質が介在された光共振器と、光共振器内に設けられた光スイッチと、光共振器の外部に光共振器から出射されたレーザ光を反射する伝送ミラーと、を備えたＣＯ２レーザ装置であって、光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、光共振器は、第１および第２の共振器ミラーを有し、第１の共振器ミラーから前記レーザ光を取り出すものであり、第１の共振器ミラーの曲率半径は、光スイッチから第１の共振器ミラーまでの距離と等しくなるよう設定され、光共振器においては、光スイッチから第１の共振器ミラーまでの間のみにＣＯ２レーザ媒質を配置し、光スイッチは、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間を通過するレーザ光のビーム径が最も細い位置よりも第２の共振器ミラー側に位置するように、第１の共振器ミラーと第２の共振器ミラーとの間の光軸上に設置され、伝送ミラーは、レーザ光が再びＣＯ２レーザ媒質を通過するように設置されたものである。

Claims (7)

1. ＣＯ２レーザ媒質と、
   前記ＣＯ２レーザ媒質が介在された光共振器と、
   前記光共振器内に設けられた光スイッチと、
   前記光共振器の外部に前記光共振器から出射されたレーザ光を反射する伝送ミラーと、
   を備えたＣＯ２レーザ装置であって、
   前記光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、
   前記光共振器を構成する少なくとも１つの共振器ミラーの曲率半径は、前記光スイッチから前記共振器ミラーまでの距離と等しくなるよう設定され、
   前記伝送ミラーは、前記レーザ光が再び前記ＣＯ２レーザ媒質を通過するように設置されたことを特徴とするＣＯ２レーザ装置。
2. 前記伝送ミラーは、前記ＣＯ２レーザ媒質の異なる位置が順次に介在されるように対向配置された複数の伝送ミラーからなることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２レーザ装置。
3. 前記光スイッチは、音響光学素子からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２レーザ装置。
4. 前記光スイッチは、電気光学素子からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＯ２レーザ装置。
5. 前記光共振器中に、直線偏光を与えるブリュースター板またはミラーを備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のＣＯ２レーザ装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のＣＯ２レーザ装置を用いたＣＯ２レーザ加工装置。
7. 前記ＣＯ２レーザ装置から出射されるレーザ光を通過させて整形するアパーチャと、
   前記レーザ光をレーザビームとして被加工物に導く伝送光学系と、を備え、
   前記アパーチャは、前記ＣＯ２レーザ装置内の光共振器中において、前記レーザ光の繰り返し周波数によるビーム径変動が最も小さくなる点に対して共役な点に設置されたことを特徴とする請求項６に記載のＣＯ２レーザ加工装置。

Images