TW201334334A - Ｃｏ２雷射裝置及ｃｏ２雷射加工裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於獲得一種出射高輸出且不依存於重複頻率的波束徑穩定的脈衝雷射的CO2雷射裝置及CO2雷射加工裝置。本發明之CO2雷射裝置，係具有：作為CO2雷射媒質的雷射氣體G；以至少1個共振器鏡的曲率半徑與從光開關起至至共振器鏡為止的距離相等的方式設置的近共心型的穩定型光共振器；設置於穩定型光共振器內的光開關；以及以使從穩定型光共振器產生的雷射光41再度通過CO2雷射媒質的方式設置的傳送鏡51至56。

Description

CO 2 雷射裝置及CO 2 雷射加工裝置
本發明係有關從雷射振盪器(內含有增益媒質的光共振器)產生CO2雷射光(以下亦簡稱為「雷射光」)的CO2雷射裝置裝置及CO2雷射加工裝置。
以往，已提案有從內含有增益媒質的光共振器產生雷射光的CO2雷射(例如，參照專利文獻1)。
於專利文獻1記載的CO2雷射裝置係具有：殼體(housing)，內含含有CO2的氣體增益媒質；雷射光共振器，含有高反射體及輸出耦合器(coupler)；激勵配置，用以激勵增益媒質；以及聲光(AO)單元(cell)，配置於雷射光共振器；該CO2雷射裝置係使用AO單元將雷射光共振器於高損失狀態與低損失狀態之間切換，而生成Q開關脈衝，但其雷射輸出被限制在聲光單元的耐光功率(例如數百W)以下。
(先前技術文獻) (專利文獻)
[專利文獻1]日本特表2010-534923號公報
以往的CO2雷射裝置係如專利文獻1的記載，存在有雷射輸出被限制在聲光單元之耐光功率(例如，數百W)以下而難以獲得高輸出雷射的課題。
另外，由於當脈衝雷射的重複頻率變化時，聲光單元的熱狀態亦將變化，故亦存在有波束徑將依存於重複頻率而變化的課題。
本發明係為了解決上述課題而研發者，目的為獲得一種CO2雷射裝置及CO2雷射加工裝置，可獲得高輸出雷射並且可不依存於重複頻率地生成穩定波束徑的脈衝。
本發明之CO2雷射裝置，係具有：CO2雷射媒質；光共振器，隔著有CO2雷射媒質；光開關，設置於光共振器內；以及傳送鏡，將從光共振器出射的雷射光向光共振器的外部反射；光共振器包含近共心的穩定型光共振器；構成光共振器的至少1個共振器鏡的曲率半徑係被設定為與從光開關起至共振器鏡為止的距離相等；傳送鏡係以使雷射光再度通過CO2雷射媒質的方式設置。
依據本發明，於至少一個振盪器鏡之曲率半徑被設定為相等於從光開關至共振器鏡之間的距離的近共心型之穩定型光共振器中，由於從光共振器產生的CO2雷射光將再度通過CO2雷射媒質，故可以生成高輸出且不依存於重複 頻率的穩定波束徑的脈衝。
1、2‧‧‧電極
11‧‧‧全反射鏡
12‧‧‧部分反射鏡
13‧‧‧布魯斯特板
14、15‧‧‧鏡
21‧‧‧聲光元件(調變元件)
31‧‧‧電源
32‧‧‧控制裝置
41、42‧‧‧雷射光
43‧‧‧雷射波束
51至56‧‧‧鏡
61‧‧‧傳送光學系統
62‧‧‧光圈
71‧‧‧電流鏡
100‧‧‧被加工物
B‧‧‧光共振器中的點
G‧‧‧雷射氣體
PR‧‧‧出射位置
第1圖係顯示透視本發明第1實施形態的CO2雷射裝置之構成的斜視圖。
第2圖係以g參數的領域顯示一般的兩種光共振器的說明圖。
第3圖係顯示使用第2圖內的兩種光共振器中的不適合的光共振器時的波束徑的說明圖。
第4圖係顯示使用依據本發明第1實施形態的適合的光共振器時的波束徑的說明圖。
第5圖係顯示使用依據本發明第1實施形態的適合的光共振器時的波束徑特性的說明圖。
第6圖係顯示使用不適合的光共振器時的波束徑特性的說明圖。
第7圖係顯示透視本發明第2實施形態的CO2雷射裝置之構成的斜視圖。
第8圖係顯示透視本發明第2實施形態的CO2雷射加工裝置的斜視圖。
(第1實施形態)
第1圖係顯示透視本發明第1實施形態的CO2雷射裝置之構成的斜視圖。
於第1圖中，CO2雷射裝置係具有：電極1、2，配設於上下；雷射氣體G(電極2側的氣體流方向係以一點鏈 線箭號表示)，封入電極1與電極2之間的放電空間內；全反射鏡11，作為共振器鏡；部分反射鏡12，作為共振器鏡且中間隔著雷射氣體G而與全反射鏡11相對向配置；布魯斯特(Brewster)板13，賦予雷射光直線偏光；聲光元件21，成為光調變用的調變元件(光開關)；電源31，於聲光元件21施加交流電壓；以及控制裝置32，控制電源31。
全反射鏡11以及部分反射鏡12係配置成隔著雷射氣體G(放電激勵氣體)而彼此相對向，而與隔著在全反射鏡11與部分反射鏡12之間的布魯斯特板13、聲光元件21以及雷射氣體G一起構成雷射振盪器。
從部分反射鏡12的端面射出雷射光41。又，可使用含有CO2分子的混合氣體作為雷射氣體G。
另外，第1圖的CO2雷射裝置係復具有：傳送鏡51至56，係從部分反射鏡12的出射面側起依序相對向地配置；以及密封雷射氣體G的框體(參考虛線框)。
傳送鏡52至56的相對向光路係構成為分別通過雷射氣體G，且雷射光42係從最終段的傳送鏡56出射至外部。
在此，為了容易理解，如第1圖內之XYZ軸(箭號)所示，以連結全反射鏡11與部分反射鏡12的光軸方向作為Z方向，電極2側的雷射氣體G之氣體流方向作為X方向，垂直於X方向及Z方向的方向(電極1、2的對向方向)作為Y方向而進行說明。
又，雖為了避免繁雜而省略圖示，但於供給有雷射氣 體G的框體內部係設置有熱交換器、鼓風機(blower)等。
鼓風機係使封入框體內部空間的雷射氣體G循環而產生強制對流。藉此，被冷卻的雷射氣體G將於電極2側沿著X方向(一點鏈線箭號方向)往圖面左方向供給。
另外，雷射氣體G係於框體內維持為較大氣壓低的壓力，於電極1、2間以例如100m/s左右的速度移動。
當因放電而使雷射氣體G中的分子或原子被激勵至雷射上位準時，將展現出光的增幅作用。
因此，藉由雷射氣體G(包含CO2分子的混合氣體)中的CO2分子之振動位準間的遷移，可獲得因雷射振盪而生的波長10.6μm的雷射光41。
另外，於框體內，電極1、2係使雷射氣體G進行放電激勵。
亦即，當從高頻電源(未圖示)對於電極1、2施加高頻交流電壓，則於電極1、2間將形成對應於框體(虛線框)的長方體形狀(例如3cm×3cm×100cm左右)的放電空間。
雷射氣體G係藉由高頻交流電壓的施加而實質上被連續激勵，放電空間內的雷射氣體G係包含相對於放電空間存在於雷射氣體流之下游方向(圖式中的左方向)的雷射氣體G而成為顯現光增幅作用的放電激勵氣體。
雷射振盪器中，構成雷射光共振器的全反射鏡11及部分反射鏡12係透過光軸調整用的角度微調機構而裝設於框體。
另外，於雷射振盪器內部的光軸上係設有作為偏光選 擇元件的布魯斯特板13。
布魯斯特板13係S偏光(電場的振動方向對於入射面垂直的偏光成分)的反射率高，P偏光(電場的振動方向對於入射面平行的偏光成分)的反射率低(例如未滿1%)的窗(window)。
在此，藉由布魯斯特板13的配置，即可使具有X方向之直線偏光的雷射光選擇性地振盪。
更且，於雷射振盪器內部之光軸上係設有作為調變元件的聲光元件21，於聲光元件21連接有用以生成例如40MHz頻率之粗密波的電源31，於電源31係連接有控制裝置32。
控制裝置32係可自如地控制由電源31所生的粗密波的有無狀態和粗密波之能量大小。
作為控制裝置32，可使用函數產生器(function generator)等。
如上所述，連接於電源31及控制裝置32的聲光元件21係將透明材料內部的因粗密波所致的折射率變化而作為繞射光柵利用，藉此而具有高速地控制雷射波束之行進方向的功能。
又，作為CO2雷射裝置的聲光元件21的材料而言，可使用於鍺施加無反射鍍覆(coating)而成者。
全反射鏡11及部分反射鏡12係在於聲光元件21沒有粗密波的狀態下，以使來自雷射振盪器的雷射光41的輸出成為幾乎最大的方式被校準(alignment)。
首先，當從電源31施加交流電壓至聲光元件21時，會於聲光元件21產生粗密波，而以使雷射波束繞射(diffraction)的方式產生作用，故由全反射鏡11及部分反射鏡12構成的光共振器的每一次往返的損失將變大。
藉此，光共振器將成為低Q狀態，故不會引起雷射振盪，將於雷射氣體G(CO2雷射媒質)累積增益。
其次，於在CO2雷射媒質累積增益的狀態下，若停止對於聲光元件21的電壓施加或使施加電壓減少達相當程度，則對於X方向的直線偏光損失將較增益變少。
藉此，光共振器將成為高Q狀態，故累積的增益將成為脈衝光而被取出。
亦即，若對於聲光元件21間歇性地供給交流電壓，則將從部分反射鏡12的端面脈衝狀地出射雷射光41。
此現象亦被稱為Q開關脈衝振盪(或僅稱「Q開關振盪」)，進行上述振盪的雷射則被稱為Q開關脈衝雷射(或僅稱「Q開關雷射」)。
配置於雷射光42之出射側的傳送鏡51至56係由對於雷射波束展現高反射率的材料所構成，且施行有用以實現更高反射率的表面處理。
另外，傳送鏡51至56係透過用以進行光軸調整的角度微調機構(來圖示)而裝設，且具有改變雷射光41之行進路徑的功能。
從部分反射鏡12出射的雷射光42(脈衝雷射)係被傳送鏡51、52反射，且再度被導向至框體內的放電激勵氣 體(雷射氣體G)。
被傳送鏡51、52反射且再導入至放電激勵氣體內的雷射光41係如二點鏈線箭號所示地依傳送鏡53、54、55、56的順序一邊被反射一邊通過放電激勵氣體，且於每次通過放電激勵氣體時增幅。
具體而言，從全反射鏡11與部分反射鏡12之間的光共振器(雷射振盪器)取出的雷射光41(CO2雷射波束)係依傳送鏡51、52→放電激勵氣體→傳送鏡53→放電激勵氣體→傳送鏡54→放電激勵氣體→傳送鏡55→放電激勵氣體→傳送鏡56→放電激勵氣體的順序通過，最後作為來自CO2雷射裝置的雷射光42而出射。
在此，施加於聲光元件21的交流電壓例如為：導通時間=7μs，關斷時間=3μs，重複頻率100kHz的間歇動作時，從部分反射鏡12取出的雷射光41係重複頻率100kHz，平均功率為約10W。
另外，為雷射光41增幅後的最終輸出的雷射光42係重複頻率100kHz，平均功率約1kW。
最終出射的雷射光42係如後所述地可利用於雷射切斷、雷射開孔、或以雷射照射進行的表面改質等。
CO2雷射加工的生產性增加、穩定性及可靠性提昇的需求係持續增加。
例如，於開孔加工中，有期望以較高重複頻率進行加工的孔和以較低重複頻率進行加工的孔皆成為均勻的形狀的情形。
該情形中，係謀求一種脈衝雷射，可產生重複頻率為較高重複(例如100kHz)的脈衝與為較低重複(例如1kHz)的脈衝皆為具有幾乎同等的波束徑的脈衝。
且，於高重複頻率中具有高平均功率(例如1kW)的雷射光42從增加加工生產性的面來看亦較佳。
當考慮上述要求時，聲光元件21等調變元件的熱透鏡效應(因振盪原理之特性所致的波束品質的時間劣化)將成為課題。
所謂熱透鏡效應，係指當物質具有光軸對稱的溫度分佈時，由於具有光軸對稱的折射率分佈，故透過物質的光將受到類似於透鏡的收斂及擴散作用的現象。
於CO2雷射裝置中，調變元件(聲光元件21)之CO2雷射吸收率係通常較高。
亦即，相較於YAG雷射的聲光元件之YAG雷射吸收率例如為未滿0.1%，CO2雷射之聲光元件21的CO2雷射吸收率係例如為3%至10%左右。
另外，通常，當雷射光透過物質時，越是吸收率高的物質將產生越大的熱能，故熱透鏡效應亦將隨之增加。
又，CO2雷射之電光學元件(未圖示)雖展現相對低的吸收率，但仍舊具有較YAG雷射之聲光元件的YAG雷射吸收率高出1%左右的吸收率。另外，電光學元件係以CdTe為原料，因其較為稀少，故難以獲得且為高價。
於前述(專利文獻1)之習知構成的Q開關CO2雷射中，並無法提供平均輸出1kW的脈衝CO2雷射。此乃因係 於光共振器中組裝有耐CO2雷射輸出為數百W的調變光學元件(聲光元件)。
此外，由於光共振器中的雷射輸出係較從光共振器取出的雷射輸出更大(典型而言為數倍)，故從習知構成的Q開關CO2雷射出射的雷射輸出之上限為100W左右。
另外，假定調變光學元件的耐CO2雷射輸出提升，使CO2雷射之重複頻率於廣範圍(例如1kHz至100kHz的範圍內)變化而運作的情形下，伴隨於此，平均輸出將於10W至1kW的範圍內變動，故由於前述的熱透鏡效應的影響，而難以不依存於重複頻率地使波束徑穩定。
相對於此，本發明之第1實施形態(第1圖)的CO2雷射裝置為了獲得高輸出之脈衝雷射，並實現不依存於重複頻率的波束徑穩定的CO2雷射，係具有：雷射氣體G(CO2雷射媒質)；全反射鏡11及部分反射鏡12(近共心型的穩定型光共振器)；設置於光共振器內的聲光元件21；以使從光共振器產生的雷射光41(CO2雷射光)再度通過CO2雷射媒質的方式設置的傳送鏡51、52(以及傳送鏡53至56)；且部分反射鏡12之曲率半徑係設定為使從聲光元件21之中心至部分反射鏡12為止的距離相等。
如上所述，藉由設置Q開關CO2雷射振盪部(全反射鏡11、部分反射鏡12、以及聲光元件21)和增幅部(傳送鏡51至56)，透過共通的CO2雷射媒質(雷射氣體G)而進行Q開關振盪及增幅，即可藉由如第1圖所示之便宜且簡便的構成獲得能量效率高的CO2雷射裝置(脈衝雷射 裝置)。
另外，由於可將通過配置於光共振器(全反射鏡11及部分反射鏡12)的調變光學元件(聲光元件21)的雷射輸出抑制為較低，故可以縮小聲光元件21的熱透鏡效應。
由而，可將隨脈衝雷射之重複頻率的變化產生的波束徑之變動最小化。
其次，對於以近共心型的穩定型光共振器作為Q開關CO2雷射振盪部的光共振器一事進行說明。
穩定型光共振器可分為兩種。一種為於光共振器內，雷射波束的直徑中間變細較小的近平行平面型，另一種為於光共振器內，雷射波束的直徑具有顯著的集光點的近共心型。
第2圖為將一般的2種光共振器以g參數(inverse hybrid parameter，逆混合參數)領域A1、A2表示的說明圖。
於第2圖中，g1、g2係以本發明所述技術領域中具有通常知識者所周知的方式而稱為g參數，而成立下式(1)、式(2)。
g1=1-L/R1…(1)
g2=1-L/R2…(2)
其中，於式(1)、式(2)中，L為光共振器長，R1、R2為2個光共振器鏡(第1圖內的全反射鏡11及部分反射鏡12)之各自的曲率半徑。
於第2圖中，灰色的領域A1、A2係穩定的光共振器的g參數領域，領域A1的光共振器係被稱為近平行平面 型，領域A2的光共振器係被稱為近共心型。
第3圖為顯示近平行平面型(第2圖內的領域A1)的光共振器之一例的波束徑(mm)的說明圖。
於第3圖中，橫軸為對應於光共振器內之座標的傳播距離(mm)，縱軸為波束徑，從雷射振盪器取出的雷射光41之輸出為1W、7W、15W時的波束徑特性係分別用實線、點線、虛線表示。
又，各輸出1W、7W、15W亦可分別視為重複頻率為約3kHz、25kHz、50kHz時的輸出。
另外，於第3圖中，TR、PR係表示構成光共振器的2個共振器鏡位置，PR係對應於雷射出射位置。另外，AO-Q係表示調變光學元件的位置，灰色領域係表示CO2雷射媒質(雷射氣體)的存在位置。
如第3圖所示，當為近平行平面型(第2圖內之領域A1)的光共振器時，可知光共振器內的雷射波束之直徑的中間變細較小。另外，可知在出射位置PR的雷射光之波束徑及擴散角係依存於重複頻率(或連動於重複頻率的從雷射振盪器取出的雷射光41的輸出)而大幅變動。
另外，當假定重複頻率為約100kHz，於此時從雷射振盪器取出的雷射光41之輸出為30W時，因聲光元件21的熱透鏡效應，而不存有可於共振器中傳輸的穩定雷射波束，因此，事實上係難以將輸出上升至30W。
於通常的CO2雷射中，由於以從放電激勵氣體中有效率地取出能量為目的，故係將雷射波束與放電激勵氣體(雷 射氣體)間的重疊設定為較大，故選擇於光共振器內的雷射波束之直徑中間變小較小的光共振器的種類，而使用近平行平面型的光共振器。
一般的Q開關CO2雷射之光共振器係揭示於習知文獻(例如，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的2.2節的第1段)。
於上述習知文獻中，光共振器長L為1.2m，光共振器鏡之曲率半徑R1、R2係：一方的曲率半徑R1為平面光柵(grating)(R1=∞)，另一方的曲率半徑R2為2.5m。
此時，依據式(1)、式(2)，可知g參數為g1=1、g2=0.52，為一近平行平面型之光共振器。
相對於此，本發明之第1實施形態(第1圖)的CO2雷射裝置係使用近共心型(第2圖內的領域A2)的光共振器，具有Q開關CO2雷射振盪部(全反射鏡11及部分反射鏡12)及增幅部(傳送鏡51至56)。
如第1圖所述，以共通的CO2雷射媒質(雷射氣體G)進行Q開關振盪及增幅的CO2雷射裝置，係構成為未必於Q開關CO2雷射振盪部(全反射鏡11及部分反射鏡12)追求大雷射輸出，而於增幅部(傳送鏡51至56)有效率地從雷射媒質(雷射氣體G)取出光能量。
第4圖為顯示於本發明之第1實施形態採用的近共心型(第2圖內的領域A2)光共振器(Q開關CO2雷射振盪 部)的波束徑的說明圖，關於與前述(參照第3圖)相同者係附加同一符號。
於第4圖中，TR表示全反射鏡11的位置，PR表示部分反射鏡12的位置(出射位置)，AO-Q表示聲光元件21的位置，灰色領域係表示雷射氣體G(放電激勵氣體)的存在位置。
於第4圖中，以從雷射振盪器取出的雷射光41之輸出1W、15W、30W作為參數，分別以實線、點線、虛線表示3個波束徑特性。
又，來自Q開關CO2雷射振盪部的雷射輸出1W、15W、30W係分別相當於重複頻率為3kHz、50kHz、100kHz的情形。
於本發明之第1實施形態中，藉由採用近共心型的光共振器，即可如第4圖所示地，使從部分反射鏡12出射的雷射光41之波束徑及擴散角相對於雷射之重複頻率變化成為幾乎固定。
藉此，增幅後的雷射光42之波束徑亦將不依存於脈衝雷射之重複頻率而成為幾乎固定，故即可提供一種可出射不依存於重複頻率的波束徑穩定之雷射光42的CO2雷射裝置。
另外，依據第4圖，可知在存有放電激勵氣體(雷射氣體G)的範圍內的波束徑亦成為不依存於雷射之重複頻率而幾乎為固定。
亦即，由於雷射波束與放電激勵氣體重複的區域為幾 乎固定，故具有可獲得不依存於脈衝雷射之重複頻率的穩定的脈衝能量的功效。
於本發明的第1實施形態(第1圖、第4圖)的光共振器中，係隔著放電激勵氣體(雷射氣體G)而於一方側配置部分反射鏡12，且於另一方面配置全反射鏡11及聲光元件21。
另外，聲光元件21係配置於較雷射波束最細的位置(傳播距離≒700mm)更接近全反射鏡11側的位置AO-Q。
另一方面，於第3圖中，雷射光的波束徑及擴散角將對應於脈衝雷射之重複頻率的變化而變化數十%，故為不穩定。
另外，由於連在存有放電激勵氣體之範圍的波束徑也會對應脈衝雷射之重複頻率而變動，故無法獲得不依存於雷射之重複頻率的穩定的脈衝能量。
在此，參照第5圖，說明本發明之第1實施形態中，將作為共振器鏡的部分反射鏡12之曲率半徑設定為與從聲光元件21之中心至部分反射鏡12為止的距離相等的優點。
第5圖為顯示使用本發明第1實施形態的光共振器時的波束徑特性的說明圖，其顯示對應於雷射輸出的出射位置PR的出射波束徑，亦即，顯示部分反射鏡12的基本模式波束半徑的特性。
於第5圖中，橫軸為從雷射振盪器取出的雷射光41之輸出(W)，縱軸為波束徑(mm)。
於本發明第1實施形態之CO2雷射裝置中，當將重複頻率從數Hz至100kHz間進行調整或控制時，則從雷射振盪器取出的雷射光41的輸出將與重複頻率連動而於未滿1W的狀態至30W間變動。
此時，如第5圖所示，藉由使用將共振器鏡之曲率半徑設定為與從聲光元件21起至共振器鏡為止的距離相等的光共振器，可知於連動於雷射裝置之動作範圍的輸出範圍內(0至30W)的輸出15W附近，出射波束徑將成為極大。
如上所述，藉由於雷射裝置之動作範圍內具有使出射波束徑成為極大的點，即可將動作範圍全體的波束徑之變動抑制為較小。
另外，已知在使從雷射振盪器取出的雷射光之輸出成為15W左右(使出射波束徑成為極大值)的重複頻率條件下使雷射裝置運作時，可抑制聲光元件21之對應於熱透鏡性質變化的出射波束徑之變動，而可穩定地動作。
其次，為了與上述第1實施形態的功效比對，以下參照第6圖，對於採用使共振器鏡的曲率半徑為與從聲光元件21至共振器鏡為止的距離不同之構成時的情形進行檢討。
第6圖為顯示使用並非適合之光共振器時的情形的波束徑特性的說明圖，作為一例，係顯示有採用使共振器鏡的曲率半徑為從聲光元件21起至共振器鏡為止的距離之1.15倍的構成之出射波束徑(mm)的特性。
從第6圖可知，採用將共振器鏡之曲率半徑設定為從聲光元件21起至共振器鏡為止的距離之1.15倍的光共振器時，在連動於雷射裝置之動作範圍的輸出範圍內(0至30W)，可知隨著輸出上升，在出射位置PR的出射波束徑將單純地減少，而不存在有出射波束徑成為極大的點。
亦即，與第5圖的情形不同，難以將遍及整體動作範圍的波束徑之變動抑制為較小。
相對於此，依據本發明之第1實施形態，由於係將共振器鏡之曲率半徑設定為與從聲光元件21起至共振器鏡為止的距離相等，故如第5圖所示，於雷射裝置之動作範圍內可存有使出射波束徑成為極大的點，而可將遍及整體動作範圍的波束徑之變動抑制為較小。
另外，於第5圖內的極大點附近的條件使雷射裝置運作時，可抑制聲光元件的對應於熱透鏡性質變化的波束徑之變動，而可穩定地動作。
藉此，增幅後的雷射光42之波束徑亦可不依存於脈衝雷射之重複頻率而成為幾乎固定，故即可提供一種不依存於重複頻率且可出射波束徑穩定的雷射光42的CO2雷射裝置。
又，共振器鏡之曲率半徑與從聲光元件21起至共振器鏡為止之距離間的關係即使包含某種容許範圍內的誤差亦可達到上述效果，自不待言。
具體而言，如第5圖所示，以對應於使出射波束徑的極大點落入雷射裝置的動作範圍內(0至30W)的方式， 將共振器鏡的曲率半徑設定為與從聲光元件221起至共振器鏡為止的距離幾乎相等即可。
如上所述，本發明第1實施形態(第1圖、第4圖、第5圖)之CO2雷射裝置係具有：雷射氣體G(CO2雷射媒質)；隔著著雷射氣體G的全反射鏡11以及部分反射鏡12(光共振器)；設置於光共振器內的聲光元件21(光開關)；以及於光共振器的外部將從光共振器出射的雷射光41予以反射的傳送鏡51至56。
光共振器係由近共心的穩定型光共振器所構成，部分反射鏡12之曲率半徑係以與從聲光元件21之中心起至部分反射鏡12的距離相等的方式設定，且傳送鏡51至56(至少傳送鏡51、52)係以使雷射光41再度通過雷射氣體G的方式設置。
另外，反射雷射光41的鏡係由以依序隔設在雷射氣體G的相異位置的方式相對向配置的複數個傳送鏡51至56所構成。
如上所述，從前段側的光共振器出射最底限輸出位準的雷射光41，而出射經由後段側的傳送鏡51至56增幅輸出後的雷射光42，藉此即可藉由低價且簡便的構成獲得能量效率高且可出射高輸出雷射光42的脈衝雷射裝置。
另外，亦可將隨脈衝雷射之重複頻率的變化而生的波束徑之變動最小化，且獲得不依存於重複頻率的穩定的脈衝能量。
又，於上述說明中，雖使用聲光元件21作為調變元件 (光開關)，但以電光學元件等其他調變元件構成亦可達到同樣的效果。
此乃因就本發明的調變元件而言，其係採用除具有雷射光之調變作用外，亦具有因雷射波束之入射而產生的熱將影響雷射波束傳播的副作用者。
另外，用於在同一雷射氣體G中引導雷射光41的傳送鏡51至56其枚數並無限定，可視需要而任意變更，達到同樣的效果，自不待言。
(第2實施形態)
又，上述第1實施形態(第1圖)中，全反射鏡11與部分反射鏡12係隔著雷射氣體G而相對向地配置於一直線上，且隔著有給予雷射光直線偏光的布魯斯特板13，但如第7圖所示，亦可於雷射氣體G的一方側並列配置全反射鏡11及聲光元件21、與部分反射鏡12，且於隔著雷射氣體G的相反側配置使光折返的鏡14、15。
第7圖示有透視本發明第2實施形態之CO2雷射加工裝置的斜視圖，對於其中與前述(第1圖)相同者賦予與前述相同的元件符號且省略其詳細敘述。
於第7圖所示的CO2雷射加工裝置係取代前述(第1圖)之布魯斯特板13而具有鏡14、15。
此時，雖與前述(第1圖)之構成幾乎相同，但在包含從全反射鏡11起至部分反射鏡12為止之光路的光共振器係包含光的折返構成(鏡14、15)之點上不同。以下，特別針對與前述之構成的不同點進行說明。
於第7圖中，光共振器除了具有作為共振器鏡的全反射鏡11及部分反射鏡12、以及聲光元件21之外，還具有將共振器內的光折返的鏡14、15。
尤其，與部分反射鏡12相對向的鏡14為施加有相對於S偏光之反射率為98.5%，P偏光的反射率為1.5%之鍍覆的金屬鏡。
由而，鏡14不僅使共振器內的光折返，亦發揮於雷射光賦予X方向直線偏光的作用。
又，於第7圖所示的本發明第2實施形態中，亦以Q開關CO2雷射振盪部的光共振器作為近共心型的穩定型光共振器。
此外，部分反射鏡12的曲率半徑係設定為與從聲光元件21起經由鏡14、15至部分反射鏡12為止的光學距離相等。
此外，關於將從光共振器產生的Q開關脈衝CO2雷射光41使用傳送鏡52至56而且使其通過雷射媒質予以增幅的方式則與前述第1實施形態相同。
藉由如第7圖所示地構成CO2雷射裝置，則可與前述第1實施形態相同地藉由低價且簡便的構成獲得能量效率高的CO2雷射裝置(脈衝雷射裝置)。
此外，可提供一種將聲光元件21的熱透鏡效應抑制為較小，且可不依存於重複頻率，而能出射波束徑穩定的雷射光42的CO2雷射裝置。
又，於第7圖中，雖使用平面鏡作為鏡14、15，但亦 可使用具有曲率的鏡。
如上所述，當除了光共振器終端的全反射鏡11及部分反射鏡12以外亦有具有曲率的鏡時，於一般光共振器的g參數係如本發明所屬技術領域中具有通常知識者廣為習知地將光共振器之單路分的光線陣列表示為以下的式(3)時，可定為g1=A、g2=D。
於式(3)的定義中，第2圖的區域A2被稱為近共心型。
(第3實施形態)
又，於上述第1、2實施形態(第1至7圖)中，雖以出射高輸出且穩定的雷射光42的CO2雷射裝置進行說明，但如第8圖所示，亦可構成為具體利用雷射光42的CO2雷射加工裝置。
第8圖為顯示透視本發明第3實施形態的CO2雷射加工裝置的斜視圖，對於與前述(參照第1圖)相同之處，賦予與前述相同元件符號且省略詳述。
於第8圖中，CO2雷射加工裝置係除了前述(第1圖)之CO2雷射裝置之外，復具有：以光學系要件(鏡或透鏡等)構成的傳送光學系統61；使雷射光42通過而入射至傳送光學系統61的光圈(aperture)62；將經由傳送光學系統61傳送的雷射波束43高速掃描且照射於被加工物100 的電流鏡(galvano mirror)71；以及設置被加工物的台座(未圖示)。
從CO2雷射裝置出射的高輸出的穩定的雷射光42係通過光圈62及傳送光學系統61而成為傳送後的雷射波束43，被電流鏡71反射並且高速掃描而照射被加工物100。
光圈62係將雷射光42的橫模式整形為符合設計者的意圖的形式而入射於傳送光學系統61。
傳送光學系統61係以使入射的雷射波束朝向被加工物100的方式改變雷射波束43的進行方向，並且以使雷射波束43成為適於加工的波束的方式發揮控制波束徑、分割波束等的作用。
又，光圈62亦可組入傳送光學系統61。
電流鏡71係藉由使雷射波束43高速掃描而將被加工物100上的雷射波束43的照射位置定位於欲加工的場所，並且以描繪對應於加工目的之軌跡的方式進行控制。
另外，於第8圖中，位於以全反射鏡11及部分反射鏡12等所構成的光共振器之光路中的點B，較佳為選擇為於光共振器中因重複頻率所致的波束徑變動最小的位置(對應於第4圖內之700mm)。
光圈62係設置於將點B光學地轉錄的點，亦即，以位於與點B為共軛的點的方式設置。
就用以使光圈62位於點B之轉錄點的構成而言，可考慮：於部分反射鏡12的無反射側的面亦設置曲率的方式；於傳送鏡51至56的任一者設置曲面的方式；於雷射 光41之光路中插入透鏡(未圖示)的方式；或將上述構成任意組合的方式等。
如上所述，本發明第3實施形態(第8圖)的CO2雷射加工裝置，係使用前述(第1圖、第4圖、第5圖)的CO2雷射裝置，且具有：使從CO2雷射裝置出射的雷射光42通過而整形的光圈62；以及將雷射光42作為雷射波束43而引導至被加工物100的傳送光學系統61。
另外，光圈62係於CO2雷射裝置內的光共振器(全反射鏡11及部分反射鏡12)中，設置於相對於雷射光41(脈衝雷射)之重複頻率所致的波束徑變動成為最小的點B為共軛的點。
於點B中，光共振器中的波束徑係不依存於脈衝雷射之重複頻率而幾乎為一定(參照第4圖)，故位於與光共振器中的點B為共軛的點的光圈62上的波束徑亦不依存於雷射光42(脈衝雷射)之重複頻率而成為幾乎固定，以光圈62切出的雷射光42係具有固定的橫模式。
由而，依據本發明之第3實施形態的CO2雷射加工裝置，除了可實現由前述(第1圖)之CO2雷射裝置所得的穩定脈衝能量的效果之外，亦可實現不依存於重複頻率而可進行均質的加工的加工生產性高的CO2雷射加工裝置。
另外，與前述的CO2雷射裝置相同，由於係使用高輸出的CO2雷射裝置，故具有可藉由低價且簡便的構成獲得能量效率及加工生產性高的CO2雷射加工裝置的效果。
又，第8圖中，雖對於使用第1圖(第1實施形態) 的CO2雷射裝置時的情形進行說明，但即使使用第7圖(第2實施形態)的CO2雷射裝置來構成與第8圖同樣的CO2雷射加工裝置亦可獲得同樣的效果，自不待言。
另外，如前所述，作為調變元件(光開關)而言，取代聲光元件21而使用電光學元件等任意的調變元件亦可獲得同樣的效果。此乃因就調變元件而言，係使用具有與雷射光調變作用對應的因雷射波束之入射所產生的熱將影響雷射波束之傳播的副作用者。
另外，用以於同一雷射氣體G引導雷射光41的傳送鏡51至56的枚數係可任意設定而得。
1、2‧‧‧電極
11‧‧‧全反射鏡
12‧‧‧部分反射鏡
13‧‧‧布魯斯特板
21‧‧‧聲光元件(調變元件)
31‧‧‧電源
32‧‧‧控制裝置
41、42‧‧‧雷射光
51至56‧‧‧鏡
G‧‧‧雷射氣體

Claims (9)

  1. 一種CO2雷射裝置，係具有：CO2雷射媒質；光共振器，中間隔著前述CO2雷射媒質；光開關，設置於前述光共振器內；以及傳送鏡，將從前述光共振器出射的雷射光向前述光共振器的外部反射；前述光共振器包含近共心的穩定型光共振器；構成前述光共振器的至少1個共振器鏡的曲率半徑係被設定為與從前述光開關起至至前述共振器鏡為止的距離相等；前述傳送鏡係以使前述雷射光再度通過前述CO2雷射媒質的方式設置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之CO2雷射裝置，其中，前述傳送鏡係包含以依序隔著前述CO2雷射媒質之不同位置的方式相對向配置的複數個傳送鏡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之CO2雷射裝置，其中，前述光開關係包含聲光元件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之CO2雷射裝置，其中，前述光開關係包含聲光元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之CO2雷射裝置，其中，前述光開關係包含電光學元件。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之CO2雷射裝置，其中，前述光開關係包含電光學元件。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之CO2雷射裝置，其中，於前述光共振器中具有給予直線偏光的布魯斯特板或鏡。
  8. 一種CO2雷射加工裝置，係使用如申請專利範圍第1至6項中任一項所述的CO2雷射裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之CO2雷射加工裝置，復具有：光圈，使從前述CO2雷射裝置出射的雷射光通過且整形；以及傳送光學系統，將前述雷射光作為雷射波束而引導至被加工物；前述光圈係設置於相對於在前述CO2雷射裝置內的光共振器中使因前述雷射光的重複頻率所致的波束徑變動成為最小的點為共軛的點。
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