KR0168880B1

KR0168880B1 - 레이저 발진 장치

Info

Publication number: KR0168880B1
Application number: KR1019930703640A
Authority: KR
Inventors: 아끼라 에가와; 미찌노리 마에다; 요시다까 구보
Original assignee: 이나바 세이우에몬; 화낙 가부시끼가이샤
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1999-02-01

Abstract

외부 광학계를 간단히 구성하여 레이저 발진 장치를 저가의 것으로 함과 동시에 전체를 소형으로 구성한다. 복귀형 공진기(10)의 한 단부(10A)측에서는 레이저 광이 편광 미러(147)로 복귀되어 경사 하부에 위치된 편광 미러(146)에 입사되고, 또한 편광 미러(142)로 복귀되어 경사 상부에 위치된 편광 미러(141)에 입사된다. 즉, 한 단부(10A)에서는 광축이 교차되도록 편광 미러(141) 등이 배치된다. 출사된 레이저 광은 화살표(100)으로 표시한 바와 같이, 수평면에 대하여 45˚ 방향의 직선 편광으로 되기 때문에, 이 레이저 광을 원 편광하기 위해서는 1매의 1/4 파장 미러만을 사용하는 것만으로 충분하다. 따라서, 외부 광학계의 구성을 간단히 할 수 있다. 또한, 복귀측에서 광축이 교차되기 때문에, 전체를 소형으로 구성할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

레이저 발진 장치

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 복귀형(return-type) 공진기로부터 레이저 광을 출사하는 레이저 발진 장치에 관한 것으로, 특히 외부 광학계를 간단히 구성할 수 있는 레이저 발진장치에 관한 것이다.

[배경 기술]

CO₂가스 레이저 등의 가스 레이저 발진 장치는 고효율로 고출력을 얻을 수 있기 때문에 레이저 가공에 광범위하게 사용되어 왔다.

그런데, CO₂가스 레이저의 경우, 레이저 매질인 CO₂분자는 공진기 내부에서의 방전에 의해 여기되지만, 그때의 투입 전력은 여기부를 구성하는 부재의 내력(耐力) 및 여기에 의해 발생하는 가스의 온도 상승에 의해 제한을 받는다. 또한, 출력 미러의 내광(耐光) 강도 상의 제한 때문에 출력 빔 직경을 크게 할 필요가 있다. 이와 같은 다양한 이유에서, 고출력을 요구하면 반드시 공진기의 광로 길이를 길게 하는 것이 필요하게 되어, 장치의 전체 크기가 크게 된다. 그 대책으로서, 많은 레이저 발진 장치는 공진기의 광축을 다단으로 되접어 꺽어서 레이저 발진 장치의 길이를 단축하고 있다.

제7도는 종래의 복귀형 공진기의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 제7도에 있어서, 공진기(70)는 출력 미러(71), 리어 미러(72), 여기부(731, 732, 733 및 734) 및 편광 미러(741, 742, 743, 744, 745 및 746)로 구성된다. 공진기(70) 내의 모든 광축은 수평면 내에 있도록 조정된다. 이러한 광축을 갖는 공진기(70)에서는, 출력 미러(71)에서 출사된 레이저 광의 편광 방향의 화살표(700)로 표시한 바와 같이 수평면에 대해 90˚ 의 연직 방향으로 된다.

제8도는 종래의 복귀형 공진기의 변형예를 도시한 것이다. 제8도에 있어서, 공진기(80)는 출력 미러(81), 리어 미러(82), 여기부(831, 832, 833 및 834) 및 편광 미러(841, 842, 843, 844, 845 및 846)로 구성된다. 이 공진기(80) 내의 광축은 입체적으로 복귀되기 때문에, 공진기(80)는 평면적으로 구성된 제7도의 공진기(70)에 비해 소형화된다. 이 공진기(80)에서 출사되는 레이저 광의 편광 방향은 화살표(800)로 표시한 바와 같이 수평 방향으로 된다.

한편, 레이저 광을 금속 등의 절단 가공의 열원(熱願)으로서 사용하는 경우, 워크피스(workpiece)에 조사하는 레이저 광은 직선 편광보다도 원(圓)편광의 쪽이 양호한 가공 품질을 얻을 수 있다. 그래서, 통상 연직 방향 또는 수평 방향이 직선 편광은 제9도에 도시된 바와 같은 기구에 의해 원편광화된다.

제9도는 종래의 원편광화 수단을 도시한 것이다. 공진기(90)에서 출사된 레이저 광은 화살표(900)로 표시한 바와 같이 연직 방향의 직선 편광이다. 이 레이저 광을 원편광화하기 위해서는 45˚ 방향으로 직선 편광하기 위한 편광 미러(95) 및 1/4 파장 미러(96)가 필요하다. 이 편광 미러(95) 및 1/4 파장 미러(96)에 의해 원편광화된 레이저 광은 다시 미러(97) 및 집광 렌즈(98)를 경유하여 워크피스(91)에 조사된다. 여기에서는, 연직 방향의 직선 편광을 원편광화하는 경우에 대하여 설명하였지만, 수평 방향의 직선 편광을 원편광화하는 경우도 동일한 구성으로 된다.

이와 같이, 종래의 레이저 발진 장치에서는 제9도에 도시된 바와 같이 연직 방향 또는 수평 방향의 레이저 광을 원편광화시키기 위해 적어도 2매의 외부 미러(95 및 96)를 필요로 하며, 또한 통산 워크피스는 수평면 상에 배치되기 때문에, 레이저 광을 연직 하향으로 굴절시키는 미러(97)도 필요하다. 즉, 3매의 외부 미러가 필요하게 된다. 이러한 이유 때문에, 그만큼 레이저 발진 장치의 가격도 고가로 된다. 또한, 이들 외부 미러는 공진기 내의 미러와 달리, 먼지 등에 의해 오염되는 경우가 많으며, 분해하여 세정하는 등의 보수(maintenance)가 필요하게 된다. 더우기, 분해 후의 조립시에는 복잡한 외부 광학계의 조정을 행하여야 했다.

[발명의 개시]

본 발명은 이와 같은 점을 감안한 것으로서, 외부 광학계를 간단하고 저가로 함과 동시에, 전체를 소형으로 구성할 수 있는 레이저 발진 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위해,

광축을 다단(多段)으로 복귀시키는 복귀형 공진기(return-type resonator)로부터 레이저 광을 출사하는 레이저 발진 장치에 있어서, 상기 광축의 길이 방향에 대한 각각 단면 상에서 상기 광축이 정방형의 4정점을 이루고, 한쪽 단에 있는 복귀부에서 상기 광축이 교차하는 형태로 복귀되도록 구성된 복귀형 공진기를 포함하며, 상기 한쪽 단에 있는 복귀부는 사각추체(四角錐體 : quadrangular pyramid)의 각 경사면(斜面)에 배치된 4개의 편광미러로 이루어지고, 상기 광축은 상기 사각추체의 각 경사면에 배치된 4개의 편광 미러에 의해 교차하는 형태로 복귀되며, 상기 한쪽 단이 아닌 다른쪽 단에 있는 복귀부는 삼각추체(三角錐體)의 3면에 배치된 편광 미러로 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 발진 장치가 제공된다.

복귀형 공진기는 광축의 길이 방향에 대한 직각 단면 상에서 광축이 정방형의 4정점을 이룸과 동시에, 일단의 복귀면에서 광축이 서로 교차하여 복귀되도록 구성된다. 이러한 이유 때문에, 복귀형 공진기에서 출사된 레이저 광은 수평 방향에 대하여 45˚ 방향의 직선 편광으로 된다. 따라서, 레이저 광을 원편광하기 위한 외부 광학계로서는, 예를 들면 1/4 파장 미러를 설치하는 것만으로 외부 광학계의 구성을 간단히 할 수 있다. 그 결과, 레이저 발진 장치를 저가로 구성할 수 있다. 또한, 광축을 입체적으로 복귀됨과 동시에, 그 일단에서 서로 교차되도록 구성되기 때문에 보다 소형으로 구성할 수 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 관련된 복귀형 공진기를 구성을 도시한 도면이고,

제2도는 복귀형 공진기의 한 단부를 도시한 도면이며,

제3도는 복귀형 공진기의 다른 단부를 도시한 도면이고,

제4도는 본 발명에 관련된 복귀형 공진기의 변형예를 도시한 도면이며,

제5도는 제4도의 복귀형 공진기의 다른 단부를 도시한 도면이고,

제6도는 원편광화 수단으로 도시한 도면이며,

제7도는 종래의 복귀형 공진기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,

제8도는 종래의 복귀형 공진기의 변형예를 도시한 도면이며,

제9도는 종래의 원편광화 수단을 도시한 도면이다.

[발명을 실시하기 위한 최상의 형태]

이하, 본 발명의 일 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.

제1도는 본 발명에 관련된 복귀형 공진기의 구성을 도시한 도면이다. 제1도에 있어서, 복귀형 공진기(10)는 출력 미러(11), 리어 미러(12), 여기부(131, 132, 133 및 134) 및 편광 미러(141, 142, 143, 144, 145, 146 및 147)로 구성된다. 이 복귀형 공진기(10) 내의 광축은 그 길이 방향에 대한 직각 단면상에 정방형의 4정점을 형성한다. 다음에, 복귀형 공진기(10)의 양단측의 구성을 설명한다.

제2도는 복귀형 공진기의 한 단부를 도시한 도면으로서, 제1도에 도시된 화살표(A) 방향에서 본 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 복귀형 공진기 (10)의 한 단부(10A)는 사각 추상(四角錐狀)으로 형성되고, 각 사면(斜面)의 중앙에 편광 미러(141, 142, 146 및 147)이 배치되어 있다. 이 한 단부(10A)는 레이저 광의 복귀측으로 되고, 한 단부(10A)에서의 광축은 제2도에 도시된 바와 같이 교차한다.

제3도는 복귀형 공진기의 다른 단부를 도시한 것으로서, 제1도의 화살표(B) 방향에서 본 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 복귀형 공진기(10)의 다른 단부(10B)는 삼각 추상으로 형성되고, 각 사면의 중앙에 편광 미러(143 및 145)가 배치되며, 측면에 편광 미러(144)가 배치되고, 또한 상방에는 출력 미러(11) 및 리어 미러(12)가 각각 배치되어 있다.

상기 구성의 복귀형 공진기(10)에 있어서, 레이저 광은 리어 미러(12)측으로부터 편광 미러 147, 146, 145, 144, 143, 142, 141의 순서로 복귀되어, 출력 미러(11)에서 출사된다. 한 단부(10A)측에서 레이저 광은 편광 미러(147)에서 복귀되어 경사 하부에 배치된 편광 미러(146)에 입사되고, 또 편광 미러(142)에서 복귀되어 경사 상부에 위치하는 편광 미러(141)에 입사된다. 즉, 한 단부(10A)에서는, 상술된 바와 같이, 광축이 교차하도록 편광 미러(141) 등이 배치된다.

한편, 다른 단부(10B)측에서, 레이저 광은 편광 미러(145)에서 복귀되어 경사 상부의 측면에 위치하는 편광 미러(144)에 입사되고, 그 편광 미러(144)에서 다시 복귀되어 경사 하부의 사면에 위치된 편광 미러(143)에 입사된다.

복귀형 공진기(10)에서 출사된 레이저 광은 편광 미러(143, 142 및 141) 및 출력 미러(11)에 의해 결정되는 면에 직교하는 직선 편광으로 되기 때문에, 제1도의 화살표(100)로 표시된 바와 같이, 수평면에 대해 45˚ 방향의 직선 편광으로 된다.

또한, 편광 미러(141) 등에 있어서,순차적으로 복귀될 때에, 레이저 광은 편광(144)에서는 p 편광으로 되지만, 기타의 편광 미러(141∼143, 145, 146 및 147)에서는 모두 s 편광으로 된다. 한편, 레이저 광이 각 편광 미러(141) 등에서 복귀될 때의 반사율은 p 편광에 비해 s 편광의 쪽이 크다. 이러한 이유 때문에, 전체적으로 효율이 높은 45˚ 편광의 레이저 광을 얻을 수 있다.

또한, 복귀되는 축에서 광축이 교차하기 때문에, 제8도에 도시된 바와 같은 종래의 입체적인 공진기에 비해, 인접하는 광축간의 거리를 보다 짧게 할 수 있다. 따라서, 복귀형 공진기(10)를 소형으로 구성할 수 있다.

제4도는 본 발명에 관련된 복귀형 공진기의 변형예를 도시한 것이다. 상기 복귀형 공진기(10)에서 편광 미러를 1매 줄여서, 6매로 복귀시킨 예이다. 도면에 있어서, 복귀형 공진기(20)는 출력 미러(21), 리어 미러(22), 여기부(231, 232, 233 및 234) 및 편광 미러(241, 242, 243, 244, 245 및 246)로 구성된다. 한 단부(20A)측은 복귀형 공진기(10)와 동일하게 구성되는데 비하여, 한 쪽의 다른 단부 (20B)측은 제5도에 도시된 바와 같이 구성된다.

제5도는 제4도의 복귀형 공진기의 다른 단부를 도시한 것으로서, 제4도의 화살표(C) 방향에서 본 사시도이다. 복귀형 공진기(20)의 다른 단부(20B)에는 제1도의 편광 미러(144)에 상당하는 미러를 설치할 수 없고, 레이저 광은 편광 미러(244)에서 복귀되면 즉시 편광 미러(243)에 이사된다.

이 복귀형 공진기(20)에서 출사된 레이저 광은 상기 복귀형 공진기(10)와 마찬가지로 편광 미러(243, 242 및 241) 및 출력 미러(21)에 의해 결정되는 면에 직교하는 직선 편광으로 되기 때문에, 제4도의 화살표(200)로 표시한 바와 같이, 수평면에 대해 45˚ 방향의 직선 편광으로 된다.

이와 같이, 복귀형 공진기(20)에서는 편광 미러(241) 등을 매수를 줄이더라도, 45˚ 방향의 직선 편광을 얻을 수 있다. 단, 복귀형 공진기(20)의 경우, 레이저광은 편광 미러(243 및 244)에서 p 편광으로 되고, 다른 편광 미러 (241, 242, 245 및 246)에서 s 편광으로 된다. 따라서, 효율이 좋은 레이저 광을 유지하기 위하여 편광 미러(243 및 244)에 p 편광에 대한 반사율과 s 편광에 대한 반사율의 차가 매우 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다.

제6도는 원편광화 수단을 도시한 것이다. 상술한 복귀형 공진기(10 및 20)에서 출사된 레이저 광은 화살표(600)로 표시한 바와 같이 45˚ 방향으로 직선 편광된 레이저 광이다. 이 레이저 광은 1/4 파장 미러(66)에 의해 원편광화 됨과 동시에, 연직 하향으로 꺾여 집광 렌즈(68)를 경유하여 워크피스(91)에 조사된다.

종래에는 레이저 광을 원편광화하기 위한 외부 광학계로서 45˚ 방향 편광 미러, 1/4 파장 미러 및 연직 하향으로 굽히기 위한 편광 미러 3매 미러가 필요하였다. 이에 대하여, 본 실시예에서는 45˚ 편광의 레이저 광이 직접 출사되기 때문에, 1매의 1/4 파장 미러(66)만을 사용하는 것으로 충분하다. 따라서, 외부 광학계의 구성을 간단히 할 수 있어, 레이저 발진 장치를 저가로 구성할 수 있다. 외부 광학계의 구성을 간단하게 할 수 있기 때문에, 그 분해 세정과 조립시의 조정 등에 필요한 작업 수를 대폭 절감할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 레이저 발진 장치의 복귀형 공진기를, 광축의 길이 방향에 대한 직각 단면상에서 광축이 정방형의 4정점을 이루고, 한단의 복귀측에서 광축이 교차하여 복귀되도록 구성하였다. 이 때문에, 복귀형 공진기에서 출사된 레이저 광은 수평 방향에 대하여 45˚ 방향의 직선 편광으로 된다. 따라서, 레이저 광을 원편광화하기 위한 외부 광학계로서는, 예를 들면 1/4 파장 미러를 설치하는 것만으로 충분하므로, 외부 광학계의 구성을 간단히 할 수 있다. 그 결과, 레이저 발진 장치를 저가로 구성할 수 있다. 또한, 광축을 복귀측에서 교차되도록 함으로써, 보다 소형으로 구성할 수 있다.

Claims

광축을 다단(多段)으로 복귀시키는 복귀형 공진기(return-type resonator)로부터 레이저 광을 출사하는 레이저 발진 장치에 있어서, 상기 광축의 길이 방향에 대한 직각 단면 상에서 상기 광축이 정방형의 4정점을 이루고, 한쪽 단에 있는 복귀부에서 상기 광축이 교차하는 형태로 복귀되도록 구성된 복귀형 공진기를 포함하며, 상기 한쪽 단에 있는 복귀부는 사각추체(四角錐體 : quadrangular pyramid)의 각 경사면(斜面)에 배치된 4개의 편광 미러로 이루어지고, 상기 광축은 상기 사각추체의 각 경사면에 배치된 4개의 편광 미러에 의해 교차하는 형태로 복귀되며, 상기 한쪽 단이 아닌 다른쪽 단에 있는 복귀부는 삼각추체(三角錐體 : triangular pyramid)의 3면에 배치된 편광 미러로 이루어지도록 구성하여 수평면에 대하여 45˚ 경사진 직선 편광을 얻는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 발진 장치.