KR101549363B1 - Co2 레이저 장치 및 co2 레이저 가공 장치 - Google Patents

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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

고출력으로 반복 주파수에 의존하지 않고 빔 직경이 안정적인 펄스 레이저를 사출하는 CO2 레이저 장치 및 CO2 레이저 가공 장치를 얻는다. CO2 레이저 매질로 되는 레이저 가스 G와, 적어도 1개의 공진기 미러의 곡률 반경을, 광 스위치로부터 공진기 미러까지의 거리와 동일해지도록 설치된 근공심형의 안정형 광 공진기와, 안정형 광 공진기내에 마련된 광 스위치와, 안정형 광 공진기로부터 발생한 레이저 광(41)이 다시 CO2 레이저 매질을 통과하도록 설치된 전송 미러(51∼56)를 구비한다.

Description

CO2 레이저 장치 및 CO2 레이저 가공 장치{CO2 LASER DEVICE AND CO2 LASER PROCESSING DEVICE}
본 발명은, 레이저 발진기(이득 매질을 내포하는 광 공진기)로부터 CO2 레이저 광(이하, 간단히 「레이저 광」이라고도 말한다)을 발생하는 CO2 레이저 장치 및 CO2 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
종래부터, 이득 매질을 내포하는 광 공진기로부터 레이저 광을 발생하는 CO2 레이저가 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1에 기재된 CO2 레이저 장치는, CO2를 포함하는 기체 이득 매질을 내포하는 하우징과, 고반사체 및 출력 커플러를 포함하는 레이저 광 공진기와, 이득 매질을 여기하는 여기 배치와, 레이저 광 공진기에 배치되는 음향 광학(AO) 셀을 구비하고 있고, AO 셀을 이용하여 레이저 광 공진기를 고손실 상태와 저손실 상태의 사이에서 전환하여, Q 스위치 펄스를 생성하고 있지만, 레이저 출력은, 음향 광학 셀의 광 내성(light-resisting) 파워(예를 들어, 수 100W) 이하로 제한된다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
특허 문헌 1 : 일본 특표 제2010－534923호 공보
종래의 CO2 레이저 장치는, 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 레이저 출력이 음향 광학 셀의 광 내성 파워(예를 들어, 수 100W) 이하로 제한되므로, 고출력 레이저를 얻는 것이 곤란하게 된다고 하는 과제가 있었다.
또한, 펄스 레이저의 반복 주파수가 변화하면, 음향 광학 셀의 열적 상태가 변화하므로, 반복 주파수에 의존하여 빔 직경이 변화한다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 고출력 레이저를 얻음과 아울러, 반복 주파수에 의존하지 않고 안정적인 빔 직경의 펄스를 생성할 수 있는 CO2 레이저 장치 및 CO2 레이저 가공 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 CO2 레이저 장치는, CO2 레이저 매질과, CO2 레이저 매질이 개재된 광 공진기와, 광 공진기내에 마련된 광 스위치와, 광 공진기의 외부에 광 공진기로부터 사출된 레이저 광을 반사하는 전송 미러를 구비한 CO2 레이저 장치로서, 광 공진기는, 근공심(近共心)의 안정형 광 공진기(near-concentric stable optical resonator)로 이루어지고, 광 공진기를 구성하는 적어도 1개의 공진기 미러의 곡률 반경은, 광 스위치로부터 공진기 미러까지의 거리와 동일해지도록 설정되고, 전송 미러는, 레이저 광이 다시 CO2 레이저 매질을 통과하도록 설치된 것이다.
본 발명에 의하면, 적어도 1개의 공진기 미러의 곡률 반경을 광 스위치로부터 공진기 미러까지의 거리와 동일하게 설정한 근공심형의 안정형 광 공진기에 있어서, 광 공진기로부터 발생한 CO2 레이저 광이, 다시 CO2 레이저 매질을 통과하므로, 고출력으로, 반복 주파수에 의존하지 않고 안정적인 빔 직경의 펄스를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 CO2 레이저 장치의 구성을 투시하여 나타내는 사시도이다.
도 2는 일반적인 2 종류의 광 공진기를 g 파라미터의 영역에서 나타내는 설명도이다.
도 3은 도 2내의 2 종류 중 바람직하지 않은 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경을 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 바람직한 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경을 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 바람직한 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경 특성을 나타내는 설명도이다.
도 6은 바람직하지 않은 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경 특성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 CO2 레이저 장치의 구성을 투시하여 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 CO2 레이저 가공 장치를 투시하여 나타내는 사시도이다.
(실시 형태 1)
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 CO2 레이저 장치의 구성을 투시하여 나타내는 사시도이다.
도 1에 있어서, CO2 레이저 장치는, 상하에 배치된 전극(1, 2)과, 전극(1)과 전극(2)의 사이의 방전 공간내에 봉입된 레이저 가스 G(전극(2)측에서의 가스류 방향을 1점 쇄선 화살표로 나타낸다)와, 공진기 미러로서의 전반사 미러(11)와, 레이저 가스 G를 거쳐서 전반사 미러(11)에 대향 배치된 공진기 미러로서의 부분 반사 미러(12)와, 레이저 광에 직선 편광을 인가하는 브루스터판(Brewster plate)(13)과, 광 변조용의 변조 소자(광 스위치)로 되는 음향 광학 소자(21)와, 음향 광학 소자(21)에 교류 전압을 인가하는 전원(31)과, 전원(31)을 제어하는 제어 장치(32)를 구비하고 있다.
전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)는, 레이저 가스 G(방전 여기 가스)를 개재하여 서로 대향하도록 배치되어 있고, 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)의 사이에 개재된, 브루스터판(13), 음향 광학 소자(21) 및 레이저 가스 G와 함께, 레이저 발진기를 구성하고 있다.
부분 반사 미러(12)의 단면으로부터는, 레이저 광(41)이 사출된다. 또한, 레이저 가스 G로서는, CO2 분자를 포함하는 혼합 가스가 사용된다.
또한, 도 1의 CO2 레이저 장치는, 부분 반사 미러(12)의 사출면측으로부터 순차적으로 대향하도록 배치된 전송 미러(51∼56)와, 레이저 가스 G를 제한하는 하우징(파선 테두리 참조)을 구비하고 있다.
전송 미러(52∼56)의 상호 대향 광로는, 각각, 레이저 가스 G를 통과하도록 구성되어 있고, 최종단의 전송 미러(56)로부터는, 레이저 광(42)이 외부에 사출된다.
여기에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서, 도 1내의 XYZ축(화살표)과 같이, 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)를 연결하는 광축 방향을 Z 방향으로 하고, 전극(2)측에서의 레이저 가스 G의 가스류 방향을 X 방향으로 하고, X 방향 및 Z 방향으로 수직인 방향(전극(1, 2)의 대향 방향)을 Y 방향으로 하여 설명한다.
또한, 번잡함을 회피하기 위해서 도시를 생략하지만, 레이저 가스 G가 공급되는 하우징 내부에는, 열 교환기, 블로어(blower) 등이 마련되어 있다.
블로어는, 하우징의 내부 공간에 봉입된 레이저 가스 G를 순환시켜 강제 대류를 발생시킨다. 이에 의해, 냉각된 레이저 가스 G는, 전극(2)측에 있어서 X 방향(1점 쇄선 화살표 방향)을 따라 도면 좌측방향으로 공급된다.
또한, 레이저 가스 G는, 하우징내에 있어서 대기압보다 낮은 압력으로 유지되어 있고, 전극(1, 2) 사이에서, 예를 들어 100m/s 정도의 속도로 이동하고 있다.
방전에 의해 레이저 가스 G 중의 분자 또는 원자가 레이저 상(上)준위로 여기되면, 광의 증폭 작용을 나타내게 된다.
따라서, 레이저 가스 G(CO2 분자를 포함하는 혼합 가스) 중의 CO2 분자의 진동 준위 간의 천이에 의해, 레이저 발진에 의한 파장 10.6μm의 레이저 광(41)이 얻어진다.
또한, 하우징내에 있어서, 전극(1, 2)은, 레이저 가스 G를 방전 여기하고 있다.
즉, 고주파 전원(도시하지 않음)으로부터 전극(1, 2)에 고주파 교류 전압을 인가하면, 전극(1, 2)간에는, 하우징(파선 테두리)에 대응한 직방체 형상(예를 들어, 3cm×3cm×100cm 정도)의 방전 공간이 형성된다.
레이저 가스 G는, 고주파 교류 전압의 인가에 의해 실질적으로 연속 여기되어 있고, 방전 공간내의 레이저 가스 G는, 방전 공간에 대해서 레이저 가스 흐름의 하류 방향(도면 좌측방향)에 존재하는 레이저 가스 G를 포함하고, 광 증폭 작용을 나타내는 방전 여기 가스로 된다.
레이저 발진기에 있어서, 레이저 광 공진기를 구성하는 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)는, 광축 조정용의 각도 미세 조정 기구를 거쳐서 하우징에 장착되어 있다.
또한, 레이저 발진기 내부의 광축상에는, 편광 선택 소자로서 브루스터판(13)이 마련되어 있다.
브루스터판(13)은, S 편광(전기장의 진동 방향이 입사면에 대해서 수직인 편광 성분)의 반사율이 높고, P 편광(전기장의 진동 방향이 입사면에 대해서 평행한 편광 성분)의 반사율이 낮은(예를 들어, 1% 미만의) 윈도우이다.
여기에서는, 브루스터판(13)의 배치에 의해, X 방향의 직선 편광을 갖는 레이저 광이 선택적으로 발진하게 된다.
또한, 레이저 발진기 내부의 광축상에는, 변조 소자로서 음향 광학 소자(21)가 마련되어 있고, 음향 광학 소자(21)에는, 예를 들어 40MHz의 주파수의 소밀파를 생성하기 위한 전원(31)이 접속되고, 전원(31)에는, 제어 장치(32)가 접속되어 있다.
제어 장치(32)는, 전원(31)에 의한 소밀파의 유무 상태와, 소밀파의 에너지의 크기를 자유롭게 제어할 수 있다.
제어 장치(32)로서는, 펑션 제네레이터(function generator) 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 전원(31) 및 제어 장치(32)에 접속된 음향 광학 소자(21)는, 투명 재료 내부의 소밀파에 의한 굴절률 변화를 회절 격자로서 이용함으로써, 레이저 빔의 진행 방향을 고속으로 제어하는 기능을 갖는다.
또한, CO2 레이저 장치에 있어서의 음향 광학 소자(21)의 재료로서는, 게르마늄에 무반사 코팅이 실시된 것이 이용된다.
전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)는, 음향 광학 소자(21)에 소밀파가 없는 상태에 있어서, 레이저 발진기로부터의 레이저 광(41)의 출력이 거의 최대로 되도록 얼라인먼트되어 있다.
우선, 전원(31)으로부터 음향 광학 소자(21)에 교류 전압이 인가되면, 음향 광학 소자(21)에 소밀파가 발생하여, 레이저 빔을 회절시키도록 작용하므로, 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)로 이루어지는 광 공진기의 1 왕복 당의 손실이 커진다.
이에 의해, 광 공진기가 저Q 상태로 되므로, 레이저 발진이 일어나지 않고, 레이저 가스 G(CO2 레이저 매질)에 이득이 축적한다.
다음에, CO2 레이저 매질에 이득이 축적한 상태에서, 음향 광학 소자(21)에의 전압 인가를 정지하거나, 또는 인가 전압을 충분히 감소시키면, X 방향의 직선 편광에 대해서 손실이 이득보다 적게 된다.
이에 의해, 광 공진기가 고Q 상태로 되므로, 축적된 이득이 펄스 광으로서 취출된다.
즉, 음향 광학 소자(21)에 대해서 간헐적으로 교류 전압이 공급되면, 부분 반사 미러(12)의 단면으로부터 펄스 형상으로 레이저 광(41)이 사출된다.
이 현상은, Q 스위치 펄스 발진(또는, 간단히 「Q 스위치 발진」) 이라고 칭해지고, 이러한 발진을 행하는 레이저는, Q 스위치 펄스 레이저(또는, 간단히 「Q 스위치 레이저」) 라고 칭해진다.
레이저 광(42)의 사출측에 배치된 전송 미러(51∼56)는, 레이저 빔에 대해서 높은 반사율을 나타내는 재료로 이루어지고, 더 높은 반사율을 실현하기 위한 표면 처리가 실시되어 있다.
또한, 전송 미러(51∼56)는, 광축 조정을 위한 각도 미세 조정 기구(도시하지 않음)를 거쳐서 장착되어 있고, 레이저 광(41)의 진로를 변경하는 기능을 갖는다.
부분 반사 미러(12)로부터 사출된 레이저 광(42)(펄스 레이저)는, 전송 미러(51, 52)에서 반사되고, 다시, 하우징내의 방전 여기 가스(레이저 가스 G)로 유도된다.
전송 미러(51, 52)에서 반사되고, 방전 여기 가스내에 재도입된 레이저 광(41)은, 2점 쇄선 화살표로 나타낸 바와 같이, 전송 미러(53, 54, 55, 56)의 순서로 반사되면서 방전 여기 가스를 통과하고, 방전 여기 가스를 통과할 때마다 증폭된다.
구체적으로는, 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)의 사이의 광 공진기(레이저 발진기)로부터 취출된 레이저 광(41)(CO2 레이저 빔)은, 전송 미러(51, 52)→방전 여기 가스→전송 미러(53)→방전 여기 가스→전송 미러(54)→방전 여기 가스→전송 미러(55)→방전 여기 가스→전송 미러(56)→방전 여기 가스의 순서로 통과하여, 최종적으로, CO2 레이저 장치로부터의 레이저 광(42)으로서 사출된다.
여기서, 음향 광학 소자(21)에 인가하는 교류 전압을, 예를 들어, 온 시간 = 7μs, 오프 시간 = 3μs로 하여, 반복 주파수 100kHz의 간헐 동작으로 했을 경우의, 부분 반사 미러(12)로부터 취출된 레이저 광(41)은, 반복 주파수 100kHz이고, 평균 파워가 약 10W이다.
또한, 레이저 광(41)이 증폭된 후의 최종 출력이 되는 레이저 광(42)에 있어서는, 반복 주파수 100kHz이고, 평균 파워가 약 1kW이다.
최종적으로 사출된 레이저 광(42)은, 후술하는 바와 같이, 레이저 절단, 레이저 드릴링(drilling), 또는, 레이저 조사에 의한 표면 개질 등에 이용된다.
CO2 레이저 가공의 생산성 증대, 안정성 및 신뢰성 향상의 요구는 계속 높아지고 있다.
예를 들어, 드릴링 가공에 있어서, 높은 반복 주파수로 가공하는 구멍과, 낮은 반복 주파수로 가공하는 구멍이, 균질인 형상으로 되도록 하고자 하는 경우를 생각한다.
이 경우, 반복 주파수가 고반복 주파수(예를 들어, 100kHz)의 펄스와, 저반복 주파수(예를 들어, 1kHz)의 펄스에서, 거의 동등한 빔 직경을 갖는 펄스를 발생할 수 있는 펄스 레이저가 요구된다.
또한, 높은 반복 주파수에 있어서, 높은 평균 파워(예를 들어, 1kW)를 갖는 레이저 광(42)이, 가공의 생산성 증대의 면으로부터 바람직하다.
상기 요구를 고려했을 경우, 음향 광학 소자(21) 등의 변조 소자의 열 렌즈 효과(발진 원리의 특성에 의한 빔 품질의 시간 열화)가 과제로 된다.
열 렌즈 효과란, 물질이 광축 대칭의 온도 분포를 갖는 경우에, 광축 대칭의 굴절률 분포를 가지므로, 물질을 투과하는 광이, 렌즈와 유사한 수렴 및 확산 작용을 받는 현상이다.
CO2 레이저 장치에 있어서, 변조 소자(음향 광학 소자(21))의 CO2 레이저 흡수율은 일반적으로 높다.
즉, YAG 레이저의 음향 광학 소자의 YAG 레이저 흡수율이, 예를 들어 0.1% 미만인 것에 대해, CO2 레이저의 음향 광학 소자(21)의 CO2 레이저 흡수율은, 예를 들어 3%∼10% 정도이다.
또한, 일반적으로, 레이저 광이 물질을 투과할 때, 흡수율이 높은 물질일수록, 큰 열 에너지를 발생하므로, 열 렌즈 효과도 커진다.
또한, CO2 레이저의 전기 광학 소자(도시하지 않음)는, 비교적 낮은 흡수율을 나타내지만, 그럼에도 또한, YAG 레이저의 음향 광학 소자의 YAG 레이저 흡수율보다 높은 1% 정도의 흡수율을 갖는다. 또한, 전기 광학 소자는, CdTe를 원료로 하고 있어 희소이므로, 입수하기 어렵고, 또한 고가이다.
전술(특허 문헌 1)의 종래 구성의 Q 스위치 CO2 레이저에 있어서는, 평균 출력 1kW의 펄스 CO2 레이저를 제공할 수 없었다. 왜냐하면, CO2 레이저 내성 출력이 수 100W의 변조 광학 소자(음향 광학 소자)가 광 공진기 중에 내장되기 때문이다.
또한, 광 공진기 중의 레이저 출력은, 광 공진기로부터 취출되는 레이저 출력보다 크므로(전형적으로는, 수 배가 된다), 종래 구성의 Q 스위치 CO2 레이저로부터 사출되는 레이저 출력의 상한은, 100W 정도였다.
또한, 변조 광학 소자의 CO2 레이저 내성 출력이 향상된 것이라고 가정하여, CO2 레이저의 반복 주파수를 광범위하게(예를 들어, 1kHz∼100kHz의 범위에서) 변화시켜 운전했을 경우에는, 그에 따라, 평균 출력이 10W∼1kW의 범위에서 변동하므로, 전술의 열 렌즈 효과의 영향에 의해, 반복 주파수에 의존하지 않고 빔 직경을 안정시키는 것은 곤란했다.
이에 대해, 본 발명의 실시 형태 1(도 1)에 따른 CO2 레이저 장치는, 고출력의 펄스 레이저를 얻는 것과 아울러, 반복 주파수에 의존하지 않고 빔 직경이 안정적인 CO2 레이저를 실현하기 위해, 레이저 가스 G(CO2 레이저 매질)와, 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)(근공심형의 안정형 광 공진기 : near-concentric stable optical resonator)와, 광 공진기내에 마련된 음향 광학 소자(21)와, 광 공진기로부터 발생한 레이저 광(41)(CO2 레이저 광)이 다시 CO2 레이저 매질을 통과하도록 마련된 전송 미러(51, 52)(및, 전송 미러(53∼56))를 구비하고 있고, 부분 반사 미러(12)의 곡률 반경은, 음향 광학 소자(21)의 중심으로부터 부분 반사 미러(12)까지의 거리와 동일해지도록 설정되어 있다.
이와 같이, Q 스위치 CO2 레이저 발진부(전반사 미러(11), 부분 반사 미러(12) 및 음향 광학 소자(21))와, 증폭부(전송 미러(51∼56)))를 마련하고, 공통의 CO2 레이저 매질(레이저 가스 G)을 거쳐서 Q 스위치 발진 및 증폭을 행함으로써, 도 1과 같은 염가이고 간편한 구성으로, 에너지 효율이 높은 CO2 레이저 장치(펄스 레이저 장치)를 얻을 수 있다.
또한, 광 공진기(전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12))에 배치된 변조 광학 소자(음향 광학 소자(21))를 통과하는 레이저 출력을 낮게 억제할 수 있으므로, 음향 광학 소자(21)의 열 렌즈 효과를 작게 억제할 수 있다.
따라서, 펄스 레이저의 반복 주파수의 변화에 따른 빔 직경의 변동을 최소화할 수 있다.
다음에, Q 스위치 CO2 레이저 발진부의 광 공진기를, 근공심형의 안정형 광 공진기로 했던 것에 대해 설명한다.
안정형 광 공진기에는 2개의 종류가 있다. 하나는 광 공진기내에 있어서, 레이저 빔의 직경에 있어 잘록함이 적은 근평행(近平行) 평면형(near-parallel flat type)이며, 다른 하나는, 광 공진기내에 있어서, 레이저 빔의 직경에 있어 현저한 집광 점을 갖는 근공심형(near-concentric type)이다.
도 2는 일반적인 2 종류의 광 공진기를 g 파라미터(inverse hybrid parameter)의 영역 A1, A2에서 나타내는 설명도이다.
도 2에 있어서, g1, g2는, 당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이, g 파라미터라고 칭해지고 있고, 이하의 식(1), 식(2)으로 주어진다.
Figure 112014052582214-pct00001
단, 식(1), 식(2)에 있어서, L는 광 공진기 길이, R1, R2는, 2개의 광 공진기 미러(도 1 내의 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12))의 각각의 곡률 반경이다.
도 2에 있어서, 회색의 영역 A1, A2는, 안정적인 광 공진기의 g 파라미터 영역이며, 영역 A1의 광 공진기는, 근평행 평면형이라고 칭해지고, 영역 A2의 광 공진기는, 근공심형이라고 칭해진다.
도 3은 근평행 평면형(도 2내의 영역 A1)의 광 공진기의 일례에 있어서의 빔 직경(mm)을 나타내는 설명도이다.
도 3에 있어서, 가로축은 광 공진기내의 좌표에 대응하는 전파 거리(mm), 세로축은 빔 직경이며, 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력이 1W, 7W, 15W인 경우의 빔 직경 특성을, 각각, 실선, 점선, 파선으로 나타내고 있다.
또한, 각 출력 1W, 7W, 15W는, 각각, 반복 주파수가 약 3kHz, 25kHz, 50kHz인 경우의 출력이라고 생각해도 좋다.
또한, 도 3에 있어서, TR, PR은, 광 공진기를 구성하는 2개의 공진기 미러 위치를 나타내고, PR은 레이저 사출 위치에 대응하고 있다. 또한, AO－Q는, 변조 광학 소자의 위치를 나타내고, 회색 영역은, CO2 레이저 매질(레이저 가스)의 존재 위치를 나타내고 있다.
도 3으로부터 명백한 바와 같이, 근평행 평면형(도 2 내의 영역 A1)의 광 공진기인 경우, 광 공진기내의 레이저 빔의 직경에 있어 잘록함이 적은 것을 알 수 있다. 또한, 사출 위치 PR에서의 레이저 광의 빔 직경 및 확산 각(spread angle)은, 반복 주파수(또는, 반복 주파수에 연동하는 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력)에 의존하여 크게 변동하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 반복 주파수를 약 100kHz로 하고, 이 때에 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력이 30W로 되는 것으로 가정했을 경우에는, 음향 광학 소자(21)의 열 렌즈 효과에 기인하여, 공진기를 전파할 수 있는 안정적인 레이저 빔은 존재하지 않기 때문에, 실질적으로 출력을 30W까지 상승시키는 것은 곤란해진다.
통상의 CO2 레이저에 있어서는, 방전 여기 가스로부터 효율 좋게 에너지를 취출할 목적으로, 레이저 빔과 방전 여기 가스(레이저 가스)의 중첩을 크게 설정하므로, 광 공진기내의 레이저 빔의 직경에 있어 잘록함이 적은 광 공진기의 종류가 선택되고, 근평행 평면형의 광 공진기가 이용된다.
일반적인 Q 스위치 CO2 레이저의 광 공진기는, 공지 문헌(예를 들어, 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 Science의 2.2절의 제 1 단락)에 도시되어 있다.
상기 공지 문헌에 있어서, 광 공진기 길이 L는 1.2m, 광 공진기 미러의 곡률 반경 R1, R2는, 한쪽의 곡률 반경 R1이 평면 그레이팅(R1 = ∞), 한쪽의 곡률 반경 R2가 2.5m이다.
이 경우, 식(1), 식(2)으로부터, g 파라미터는, g1 = 1, g2 = 0.52로 되어, 근평행 평면형의 광 공진기인 것을 알 수 있다.
이에 대해, 본 발명의 실시 형태 1(도 1)에 따른 CO2 레이저 장치는, 근공심형(도 2 내의 영역 A2)의 광 공진기를 이용하여, Q 스위치 CO2 레이저 발진부(전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12))와 증폭부(전송 미러(51∼56))를 구비하고 있다.
도 1과 같이, 공통의 CO2 레이저 매질(레이저 가스 G)에서 Q 스위치 발진 및 증폭을 행하는 CO2 레이저 장치는, Q 스위치 CO2 레이저 발진부(전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12))에서는, 반드시 큰 레이저 출력을 추구하지 않고, 증폭부(전송 미러(51∼56))에 있어서, 효율 좋게 레이저 매질(레이저 가스 G)로부터 광 에너지를 취출하는 구성을 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에서 채용되는 근공심형(도 2 내의 영역 A2)의 광 공진기(Q 스위치 CO2 레이저 발진부)에 있어서의 빔 직경을 나타내는 설명도이며, 전술(도 3 참조)과 마찬가지인 것에 대해서는, 전술과 동일 부호가 부여되어 있다.
도 4에 있어서, TR은 전반사 미러(11)의 위치를 나타내고, PR은 부분 반사 미러(12)의 위치(사출 위치)를 나타내고, AO－Q는 음향 광학 소자(21)의 위치를 나타내고, 회색 영역은, 레이저 가스 G(방전 여기 가스)의 존재 위치를 나타내고 있다.
도 4에 있어서는, 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력 1W, 15W, 30W를 파라미터로서, 각각, 실선, 점선, 파선에 의해, 3개의 빔 직경 특성이 나타내어져 있다.
또한, Q 스위치 CO2 레이저 발진부로부터의 레이저 출력 1W, 15W, 30W는, 각각, 반복 주파수가 약 3kHz, 50kHz, 100kHz인 경우에 상당한다.
본 발명의 실시 형태 1에 있어서는, 근공심형의 광 공진기를 채용하는 것에 의해, 도 4에 나타낸 바와 같이, 레이저의 반복 주파수의 변화에 대해서, 부분 반사 미러(12)로부터 사출되는 레이저 광(41)의 빔 직경 및 확산 각을 거의 일정하게 할 수 있다.
이에 의해, 증폭 후의 레이저 광(42)의 빔 직경도, 펄스 레이저의 반복 주파수에 의존하는 일 없이 거의 일정하게 되므로, 반복 주파수에 의존하지 않고 빔 직경이 안정적인 레이저 광(42)을 사출할 수 있는 CO2 레이저 장치를 제공할 수 있다.
또한, 도 4에 의하면, 방전 여기 가스(레이저 가스 G)가 존재하는 범위에서의 빔 직경도 레이저의 반복 주파수에 의존하지 않고 거의 일정한 것을 알 수 있다.
즉, 레이저 빔과 방전 여기 가스가 겹치는 영역이 거의 일정하므로, 펄스 레이저의 반복 주파수에 의존하지 않고 안정된 펄스 에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 형태 1(도 1, 도 4)에 의한 광 공진기에 있어서는, 방전 여기 가스(레이저 가스 G)를 사이에 두고, 한쪽측에 부분 반사 미러(12)가 배치되고, 다른 한쪽측에 전반사 미러(11) 및 음향 광학 소자(21)가 배치되어 있다.
또한, 음향 광학 소자(21)는, 레이저 빔이 가장 가는 위치(전파 거리≒700mm)로부터 전반사 미러(11)측의 위치 AO－Q에 배치되어 있다.
한편, 도 3에 있어서는, 펄스 레이저의 반복 주파수의 변화에 대해서, 레이저 광의 빔 직경 및 확산 각이 수 10%나 변화하므로, 불안정하다.
또한, 방전 여기 가스가 존재하는 범위에서의 빔 직경도, 펄스 레이저의 반복 주파수에 따라 변동하므로, 레이저의 반복 주파수에 의존하지 않는 안정적인 펄스 에너지를 얻을 수 없다.
여기서, 도 5를 참조하면서, 본 발명의 실시 형태 1에 있어서, 공진기 미러로서의 부분 반사 미러(12)의 곡률 반경을, 음향 광학 소자(21)의 중심으로부터 부분 반사 미러(12)까지의 거리와 동일해지도록 설정한 것의 이점에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 따른 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경 특성을 나타내는 설명도이며, 레이저 출력에 대한 사출 위치 PR에서의 사출 빔 직경, 즉, 부분 반사 미러(12)에 있어서의 기본 모드 빔 반경의 특성을 나타내고 있다.
도 5에 있어서, 가로축은 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력(W), 세로축은 빔 직경(mm)이다.
본 발명의 실시 형태 1에 따른 CO2 레이저 장치에 있어서, 반복 주파수를 수Hz로부터 100kHz까지 조정 또는 제어하면, 반복 주파수에 연동하여 레이저 발진기로부터 취출된 레이저 광(41)의 출력은, 1W 미만 상태로부터 30W에까지 변동한다.
이 때, 도 5로부터 명백한 바와 같이, 공진기 미러의 곡률 반경을, 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리와 동일하게 설정한 광 공진기를 이용하는 것에 의해, 레이저 장치의 동작 범위에 연동하는 출력 범위내(0∼30W)의 출력 15W 부근에서, 사출 빔 직경이 극대로 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 레이저 장치의 동작 범위 중에 사출 빔 직경이 극대로 되는 점을 갖는 것에 의해, 동작 범위 전체에 걸치는 빔 직경의 변동을 작게 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 레이저 발진기로부터 취출되는 레이저 광의 출력이 15W 부근이 되는(사출 빔 직경을 극대치로 하는) 반복 주파수의 조건하에서, 레이저 장치를 가동시키는 경우에, 음향 광학 소자(21)의 열 렌즈의 성질 변화에 대한 사출 빔 직경의 변동을 억제하여, 안정된 동작이 가능해지는 것을 알 수 있다.
다음에, 상기 실시 형태 1의 효과와 대비하기 위해서, 도 6을 참조하면서, 공진기 미러의 곡률 반경을, 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리와 상이한 구성으로 했을 경우에 대해 검토한다.
도 6은 바람직하지 않은 광 공진기를 이용했을 경우의 빔 직경 특성을 나타내는 설명도이며, 일례로서, 공진기 미러의 곡률 반경을 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리의 1.15배로 한 구성에 있어서의 사출 빔 직경(mm)의 특성을 나타내고 있다.
도 6으로부터 명백한 바와 같이, 공진기 미러의 곡률 반경을, 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리의 1.15배로 설정한 광 공진기를 이용했을 경우에는, 레이저 장치의 동작 범위에 연동하는 출력 범위내(0∼30W)에서, 출력 상승에 따라 사출 위치 PR에서의 사출 빔 직경은 단조 감소하여, 사출 빔 직경이 극대로 되는 점이 존재하지 않는 것을 알 수 있다.
즉, 도 5의 경우와는 달리, 동작 범위 전체에 걸치는 빔 직경의 변동을 작게 억제하는 것이 곤란해진다.
이에 대해, 본 발명의 실시 형태 1에 의하면, 공진기 미러의 곡률 반경을, 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리와 동일해지도록 설정했으므로, 도 5와 같이, 레이저 장치의 동작 범위내에 있어서 사출 빔 직경이 극대로 되는 점을 가질 수 있어, 동작 범위 전체에 걸치는 빔 직경의 변동을 작게 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 도 5 내의 극대점 부근의 조건으로 레이저 장치를 가동시키는 경우에 있어서, 음향 광학 소자의 열 렌즈의 성질 변화에 대한 사출 빔 직경의 변동을 억제하여, 안정된 동작이 가능해진다.
이에 의해, 증폭 후의 레이저 광(42)의 빔 직경도, 펄스 레이저의 반복 주파수에 의존하는 일 없이 거의 일정하게 되므로, 반복 주파수에 의존하지 않고, 빔 직경이 안정적인 레이저 광(42)을 사출할 수 있는 CO2 레이저 장치를 제공할 수 있다.
또한, 공진기 미러의 곡률 반경과 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리의 관계는, 임의의 허용 범위내의 오차를 포함하고 있어도, 상술한 효과를 얻는 것은 말할 필요도 없다.
구체적으로는, 도 5와 같이, 레이저 장치의 동작 범위내(0∼30W)에 사출 빔 직경의 극대점이 들어가는 범위에 대응하도록, 공진기 미러의 곡률 반경과 음향 광학 소자(21)로부터 공진기 미러까지의 거리를 대략 동일하게 설정해 두면 좋다.
이상과 같이, 본 발명의 실시 형태 1(도 1, 도 4, 도 5)에 따른 CO2 레이저 장치는, 레이저 가스 G(CO2 레이저 매질)와, 레이저 가스 G가 개재된 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)(광 공진기)와, 광 공진기내에 마련된 음향 광학 소자(21)(광 스위치)와, 광 공진기의 외부에 광 공진기로부터 사출된 레이저 광(41)을 반사하는 전송 미러(51∼56)를 구비하고 있다.
광 공진기는, 근공심의 안정형 광 공진기로 이루어지고, 부분 반사 미러(12)의 곡률 반경은, 음향 광학 소자(21)의 중심으로부터 부분 반사 미러(12)까지의 거리와 동일해지도록 설정되고, 전송 미러(51∼56)(적어도 전송 미러(51, 52))는, 레이저 광(41)이 다시 레이저 가스 G를 통과하도록 마련되어 있다.
또한, 레이저 광(41)을 반사하는 미러는, 레이저 가스 G의 상이한 위치가 순차적으로 개재되도록 대향 배치된 복수의 전송 미러(51∼56)로 이루어진다.
이와 같이, 전단측의 광 공진기로부터 최소한의 출력 레벨의 레이저 광(41)을 사출하고, 후단측의 전송 미러(51∼56)를 거쳐서 출력이 증폭된 레이저 광(42)을 사출함으로써, 염가이고 간편한 구성으로, 에너지 효율이 높고, 고출력의 레이저 광(42)을 사출할 수 있는 펄스 레이저 장치를 얻을 수 있다.
또한, 펄스 레이저의 반복 주파수의 변화에 따른 빔 직경의 변동을 최소화할 수 있고, 또한, 반복 주파수에 의존하지 않고 안정된 펄스 에너지를 얻을 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 변조 소자(광 스위치)로서 음향 광학 소자(21)를 이용했지만, 전기 광학 소자 등, 다른 변조 소자로 구성해도 마찬가지의 효과를 얻는다.
왜냐하면, 본 발명에 있어서의 변조 소자로서는, 레이저 광의 변조 작용과 함께, 레이저 빔의 입사에 의해 발생하는 열이 레이저 빔 전파에 영향을 주는 것과 같은 부작용을 갖는 것이 적용되기 때문이다.
또한, 동일한 레이저 가스 G에 레이저 광(41)을 유도하기 위한 전송 미러(51∼56)는, 매수가 한정되지는 않고, 필요에 따라서 임의로 변경 가능하고, 마찬가지의 효과를 얻는 것은 말할 필요도 없다.
(실시 형태 2)
또한, 상기 실시 형태 1(도 1)에서는, 전반사 미러(11)와 부분 반사 미러(12)를, 레이저 가스 G를 거쳐서 일직선상에 대향 배치하고, 또한 레이저 광에 직선 편광을 인가하는 브루스터판(13)을 개재시켰지만, 도 7에 나타낸 바와 같이, 레이저 가스 G의 한쪽측에 있어서, 전반사 미러(11) 및 음향 광학 소자(21)와 부분 반사 미러(12)를 병렬 배치하고, 레이저 가스 G를 사이에 둔 반대측에 있어서, 광을 되돌리는 미러(14, 15)를 마련해도 좋다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 CO2 레이저 가공 장치를 투시하여 나타내는 사시도이며, 전술(도 1)과 마찬가지인 것에 대해서는, 전술과 동일 부호를 부여하여 상술을 생략한다.
도 7에 나타내는 CO2 레이저 가공 장치는, 전술(도 1)의 브루스터판(13) 대신에, 미러(14, 15)를 구비하고 있다.
이 경우, 전술(도 1)의 구성과 거의 동일하지만, 전반사 미러(11)로부터 부분 반사 미러(12)까지의 광로를 포함하는 광 공진기는, 광의 반환 구성(미러(14, 15))을 포함하는 점에서 상이하다. 이하, 전술한 것과의 구성의 차이점에만 주목하여 설명한다.
도 7에 있어서, 광 공진기는, 공진기 미러로서의 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)와 음향 광학 소자(21)에 부가하여, 공진기내의 광을 되돌리는 미러(14, 15)를 구비하고 있다.
특히, 부분 반사 미러(12)와 대향하는 미러(14)는, S 편광의 반사율이 98.5%인 한편, P 편광의 반사율이 1.5%의 코팅을 실시한 금속 미러이다.
따라서, 미러(14)는, 공진기내의 광을 되돌릴 뿐만 아니라, 레이저 광에 X 방향의 직선 편광을 인가하는 역할을 담당한다.
또한, 도 7에 나타낸 본 발명의 실시 형태 2에 있어서도, Q 스위치 CO2 레이저 발진부의 광 공진기를, 근공심형의 안정형 광 공진기로 하고 있다.
또한, 부분 반사 미러(12)의 곡률 반경과, 음향 광학 소자(21)로부터 미러(14, 15)를 경유한 부분 반사 미러(12)까지의 광학적 거리를, 동일하게 설정하고 있다.
또한, 광 공진기로부터 발생한 Q 스위치 펄스 CO2 레이저 광(41)을, 전송 미러(52∼56)를 이용하고, 또한 레이저 매질을 통과시켜 증폭하는 것에 관해서는, 전술의 실시 형태 1과 마찬가지이다.
도 7과 같이 CO2 레이저 장치를 구성함으로써, 전술의 실시 형태 1과 마찬가지로, 염가이며 간편한 구성으로, 에너지 효율이 높은 CO2 레이저 장치(펄스 레이저 장치)를 얻을 수 있다.
또한, 음향 광학 소자(21)의 열 렌즈 효과를 작게 억제할 수 있어, 반복 주파수에 의존하지 않고, 빔 직경이 안정적인 레이저 광(42)을 사출할 수 있는 CO2 레이저 장치를 제공할 수 있다.
또한, 도 7에 있어서는, 미러(14, 15)로서 평면 미러를 이용했지만, 곡률을 갖는 미러를 이용해도 좋다.
이와 같이, 광 공진기의 종단의 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12) 이외에도, 곡률을 갖는 미러가 있는 경우 등, 일반적인 광 공진기에 있어서, g 파라미터는, 당업자에게 널리 알려져 있는 바와 같이, 광 공진기의 편로분의 광선 행렬을, 이하의 식(3)으로 했을 때, g1 = A, g2 = D로 주어진다.
[수 1]
Figure 112014052582214-pct00002
식(3)의 정의에 있어서, 도 2의 영역 A2는 근공심형이라고 칭해진다.
(실시 형태 3)
또한, 상기 실시 형태 1, 2(도 1∼도 7)에서는, 고출력으로 안정적인 레이저 광(42)을 사출하는 CO2 레이저 장치에 대해 설명했지만, 도 8과 같이, 레이저 광(42)을 구체적으로 이용한 CO2 레이저 가공 장치를 구성해도 좋다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 CO2 레이저 가공 장치를 투시하여 나타내는 사시도이며, 전술한(도 1 참조) 것과 마찬가지의 것에 대해서는, 전술과 동일 부호를 부여하여 상술을 생략한다.
도 8에 있어서, CO2 레이저 가공 장치는, 전술(도 1)의 CO2 레이저 장치에 부가하여, 광학계 요소(미러나 렌즈 등)로 구성되는 전송 광학계(61)와, 레이저 광(42)을 통과시켜 전송 광학계(61)에 입사하는 애퍼쳐(aperture)(62)와, 전송 광학계(61)를 거쳐서 전송된 레이저 빔(43)을 고속으로 주사하여 피가공물(100)에 조사하는 갈바노 미러(galvano mirror)(71)와, 피가공물을 설치하는 스테이지(도시하지 않음)를 구비하고 있다.
CO2 레이저 장치로부터 사출되는 고출력으로 안정적인 레이저 광(42)은, 애퍼쳐(62) 및 전송 광학계(61)를 통과하여, 전송 후의 레이저 빔(43)으로 되고, 갈바노 미러(71)에서 반사됨과 아울러 고속 주사되어, 피가공물(100)에 조사된다.
애퍼쳐(62)는, 레이저 광(42)의 횡 모드를 설계자의 의도대로 정형하여 전송 광학계(61)에 입사한다.
전송 광학계(61)는, 입사된 레이저 빔이 피가공물(100)을 향하도록 레이저 빔(43)의 진행 방향을 변경하는 것과 아울러, 레이저 빔(43)이 가공에 적합한 빔이 되도록, 빔 직경을 제어하거나, 빔을 분할하는 등의 역할을 담당한다.
또한, 애퍼쳐(62)는, 전송 광학계(61)에 내장되어 있어도 좋다.
갈바노 미러(71)는, 레이저 빔(43)을 고속 주사함으로써, 피가공물(100)상에서의 레이저 빔(43)의 조사 위치를, 가공하고자 하는 장소에 위치 결정함과 함께, 가공 목적에 따른 궤적을 그리도록 제어한다.
또한, 도 8에 있어서, 전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12) 등으로 구성되는 광 공진기의 광로 중에 위치하는 점 B는, 바람직하게는, 광 공진기 중에 있어서 반복 주파수에 의한 빔 직경 변동이 가장 작아지는 위치(도 4 내의 전파 거리 700mm에 대응)로 선택된다.
애퍼쳐(62)는, 점 B를 광학적으로 전사한 점, 즉, 점 B와 공역인 점에 위치하도록 마련된다.
애퍼쳐(62)를 점 B의 전사점에 위치시키기 위한 구성으로서는, 부분 반사 미러(12)의 무반사측의 면에도 곡률을 마련하는 것, 전송 미러(51∼56) 중 어느 하나에 곡면을 마련하는 것, 레이저 광(41)의 광로 중에 렌즈(도시하지 않음)를 삽입하는 것, 또는, 이들의 구성을 임의로 조합하는 것 등을 생각할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시 형태 3(도 8)에 따른 CO2 레이저 가공 장치는, 전술(도 1, 도 4, 도 5)의 CO2 레이저 장치를 이용하여, CO2 레이저 장치로부터 사출되는 레이저 광(42)을 통과시켜 정형하는 애퍼쳐(62)와, 레이저 광(42)을 레이저 빔(43)으로서 피가공물(100)에 유도하는 전송 광학계(61)를 구비하고 있다.
또한, 애퍼쳐(62)는, CO2 레이저 장치내의 광 공진기(전반사 미러(11) 및 부분 반사 미러(12)) 중에 있어서, 레이저 광(41)(펄스 레이저)의 반복 주파수에 의한 빔 직경 변동이 가장 작아지는 점 B에 대해서 공역인 점에 마련되어 있다.
점 B에 있어서는, 광 공진기 중에서의 빔 직경이 펄스 레이저의 반복 주파수에 의존하지 않고 거의 일정(도 4 참조)하므로, 광 공진기 중의 점 B와 공역인 점에 있는 애퍼쳐(62)상에서의 빔 직경도 레이저 광(42)(펄스 레이저)의 반복 주파수에 의존하지 않고 거의 일정하게 되어, 애퍼쳐(62)에서 절단된 레이저 광(42)은 일정한 횡 모드를 갖는다.
따라서, 본 발명의 실시 형태 3에 따른 CO2 레이저 가공 장치에 의하면, 전술(도 1)의 CO2 레이저 장치에 의한 안정적인 펄스 에너지를 실현하는 효과에 부가하여, 또한, 반복 주파수에 의존하지 않고 균질인 가공을 행할 수 있어, 가공 생산성이 높은 CO2 레이저 가공 장치를 실현할 수 있다.
또한, 전술의 CO2 레이저 장치와 마찬가지로, 고출력의 CO2 레이저 장치를 이용하므로, 염가이고 간편한 구성으로, 에너지 효율 및 가공 생산성이 높은 CO2 레이저 가공 장치를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 8에서는, 도 1(실시 형태 1)의 CO2 레이저 장치를 적용했을 경우에 대해 설명했지만, 도 7(실시 형태 2)의 CO2 레이저 장치를 적용하여 도 8과 마찬가지의 CO2 레이저 가공 장치를 구성해도, 마찬가지의 효과를 얻는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 전술한 것과 마찬가지로, 변조 소자(광 스위치)로서는, 음향 광학 소자(21) 대신에, 전기 광학 소자 등의 임의의 변조 소자를 이용해도 마찬가지의 효과를 얻는다. 왜냐하면, 변조 소자로서, 레이저 광 변조 작용과 함께, 레이저 빔의 입사에 의해 발생하는 열이 레이저 빔의 전파에 영향을 주는 것과 같은 부작용을 갖는 것이 적용되기 때문이다.
또한, 동일한 레이저 가스 G에 레이저 광(41)을 유도하기 위한 전송 미러(51∼56)의 매수는, 임의로 설정될 수 있다.
1, 2 : 전극 11 : 전반사 미러
12 : 부분 반사 미러 13 : 브루스터판(편광 선택 소자)
14, 15 : 미러 21 : 음향 광학 소자(변조 소자)
31 : 전원 32 : 제어 장치
41, 42 : 레이저 광 43 : 레이저 빔
51∼56 : 미러 61 : 전송 광학계
62 : 애퍼쳐 71 : 갈바노 미러
100 : 피가공물 B : 광 공진기 중의 점
G : 레이저 가스 PR : 사출 위치

Claims (8)

  1. 직방체 형상의 방전 공간내에 형성됨과 아울러, 강제 대류에 의해 상기 방전 공간내를 순환 이동하는 CO2 레이저 매질과,
    상기 CO2 레이저 매질이 개재된 광 공진기와,
    상기 광 공진기내에 마련된 광 스위치와,
    상기 광 공진기의 외부에 상기 광 공진기로부터 사출된 레이저 광을 반사하는 전송 미러를 구비한 CO2 레이저 장치로서,
    상기 광 공진기는, 근공심(近共心)의 안정형 광 공진기(near-concentric stable optical resonator)로 이루어지고,
    상기 광 공진기는, 제 1 및 제 2 공진기 미러를 갖고, 상기 제 1 공진기 미러로부터 상기 레이저 광을 취출하는 것이고,
    상기 제 1 공진기 미러의 곡률 반경은, 상기 광 스위치로부터 상기 제 1 공진기 미러까지의 거리와 동일해지도록 설정되고,
    상기 광 공진기에 있어서는, 상기 광 스위치로부터 상기 제 1 공진기 미러까지의 사이에만 상기 CO2 레이저 매질을 배치하고,
    상기 광 스위치는, 상기 제 1 공진기 미러와 상기 제 2 공진기 미러의 사이를 통과하는 상기 레이저 광의 빔 직경이 가장 가는 위치보다도 상기 제 2 공진기 미러측에 위치하도록, 상기 제 1 공진기 미러와 상기 제 2 공진기 미러의 사이의 광축상에 설치되고,
    상기 전송 미러는, 상기 레이저 광이 다시 상기 CO2 레이저 매질을 통과하도록 설치된
    것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 공진기 미러는, 부분 반사 미러이며, 상기 제 1 공진기 미러로부터 취출한 레이저 광이 다시 상기 CO2 레이저 매질을 통과하는 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전송 미러는, 상기 CO2 레이저 매질의 상이한 위치가 순차적으로 개재되도록 대향 배치된 복수의 전송 미러로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 스위치는, 음향 광학 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 스위치는, 전기 광학 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 공진기 중에, 직선 편광을 인가하는 브루스터판(Brewster plate) 또는 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 CO2 레이저 장치를 이용한 CO2 레이저 가공 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 CO2 레이저 장치로부터 사출되는 레이저 광을 통과시켜 정형하는 애퍼쳐(aperture)와,
    상기 레이저 광을 레이저 빔으로서 피가공물에 유도하는 전송 광학계를 구비하며,
    상기 애퍼쳐는, 상기 CO2 레이저 장치내의 광 공진기 중에 있어서, 상기 레이저 광의 반복 주파수에 의한 빔 직경 변동이 가장 작아지는 점에 대해서 공역인 점에 설치된 것을 특징으로 하는 CO2 레이저 가공 장치.
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