TWI497851B - 氣體雷射裝置及雷射加工裝置 - Google Patents

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Description

氣體雷射裝置及雷射加工裝置
本發明係有關於一種雷射(laser)振盪器、雷射放大器等氣體(gas)雷射裝置、以及使用此等之雷射加工裝置。
第12圖係顯示習知氣體雷射裝置之一例的構造圖，顯示了專利文獻1所記載之三軸正交型CO2 雷射振盪器。於裝置內部封入有數十Torr範圍的雷射氣體(laser gas)，可藉著風扇52朝箭頭方向將雷射氣體供應至放電空間51。當放電空間51發生無聲放電時，CO2 分子被激發並藉其感應放出而朝向與紙面垂直的方向產生雷射光。在此說明，以雷射光軸與電極之氣體下游端一致的方式設置有雷射共振器的反射鏡54。通過放電空間51的雷射氣體在熱交換器53被冷卻。
第13圖係顯示三軸正交型CO2 雷射振盪器中，增益(gain)分布與放電電極位置之關係的圖式，因此，已在非專利文獻1中詳細說明。可得知在表面以玻璃(glass)被覆之圓筒狀電極之間發生無聲放電時，增益分布從電極的氣體上游端慢慢地增加，而於電極之氣體下游端顯示波峰(peak)，而且沿著氣體下游側慢慢地減少。此時，共振器的光軸與增益分布呈波峰之電極的下游側附近一致。
如此的增益分布能利用以下記載之算式的方式以指數函數來表現。在此說明，XD 為電極寬度、λ為雷射上準位的緩和速度、υ為雷射氣體流速、σ為感應放出剖面積、η為激發效率、w為放電功率密度、X為氣體流方向的座標。
[數學式1]
第14圖顯示非對稱性波束模式(beam mode)分布的一例，第14圖A係波束強度分布的等高線，箭頭為雷射氣體流方向。第14圖B係沿著水平方向之中央剖面的強度分布，第14圖C係沿著垂直方向之中央剖面的強度分布。在專利文獻1及非專利文獻1那般習知的氣體雷射裝置中，以使振盪效率呈最佳的方式將共振器的光軸設定於增益分布的波峰位置。
三軸正交型CO2 雷射振盪器如第13圖所示，顯示肇因於氣體流的存在而使增益分布沿著氣體流之方向改變的強度分布。相對於此，由於放電間隙(gap)長度方向不存在氣體流，因此呈大致均等的增益分布。即，增益分布在間隔長度方向與氣體流方向呈不同的分布。如第14圖所示，如此的增益分布的異向性(anisotropy)成為輸出的流束之強度分布因間隙長度方向與氣體流方向而呈顯示非對稱的強度分布的原因。
CO2 雷射等放電激發雷射中，將放電功率設得愈大則愈能獲得高輸出的束流。但是當放電功率變得過大，則會發生電弧(arc)放電而使放電容易變得不穩定。其策略上係在習知的三軸正交型雷射振盪器中，採用電極寬度較大的放電電極以使放電功率密度不會太大。因此，上述之增益分布的異向性不會如此大，所以，雷射流束(laser beam)的強度分布之非對稱性也不構成問題。
近年來，由於放電控制技術的提升，以致於即便是減小電極寬度以提升放電功率密度也可獲得穩定的放電。
又，為達到三軸正交型雷射振盪器的高效率化，雖然減小電極寬度的方式有效，但是相對地易發生增益分布的異向性。一旦增益分布的異向性大，則如第14圖所示輸出雷射束也易呈非對稱的強度分布。將該非對稱的雷射束使用於切割加工時，會造成被加工物之切割面發生異向性而成為導致切割品質變差的原因。
第15圖係顯示習知的三軸正交型CO2 雷射振盪器之其他例子的平面圖，第16圖係橫切放電電極的剖面圖。此等為專利文獻2所記載者，雷射氣體被供應至位於電極61A、61B間及電極62A、62B間的放電區域66。光共振器之後鏡(rear mirror)63及輸出鏡64係以夾著雷射氣體的方式對向配置。雷射束LB於後鏡63及輸出鏡64所限定的光學空洞65被放大，其一部分從輸出鏡64輸出。在此說明，兩組電極61A、61B及電極62A、62B從光學空洞65以呈不同位置的方式朝氣體流方向位移(shift)，藉此謀求增益分布的均勻化。
第17圖表示通過光學空洞65時，被激發的雷射氣體的增益與共振器光路的位置之關係的曲線圖(graph)。在此顯示有三組放電電極從共振器光路位移至不同位置的情形。顯示藉由位於距離共振器光路最遠位置的第1放電電極所激發的雷射氣體於氣體上游側具有波峰P1的增益曲線67。顯示藉由位於距離共振器光路最近位置的第3放電電極所激發的雷射氣體於氣體上游側具有波峰P3的增益曲線69。顯示藉由位於第1放電電極與第3放電電極之間的第2放電電極所激發的雷射氣體於波峰P1與波峰P2之間具有波峰P2的增益曲線68。因此，以此等三條增益曲線67至69的重疊而可獲得顯示在共振器光路的剖面內大致均勻的增益分布之增益曲線70。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]　實開平6-45359號公報
[專利文獻2]　特許第3810459號公報
[專利文獻3]　特許第2862058號公報
[專利文獻4]　特開昭60-28288號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]J. Phys. D: Appl. Phys. 22(1989)1835-1839
如專利文獻2所示，即使是將複數個電極朝氣體流方向位移配置的情形，一旦氣壓、氣體流速、電極寬度、重疊間隔、重疊數等各種參數(parameter)改變，則增益分布不一定呈均勻。以下表示其例子。
第18圖與第19圖係顯示將兩組電極位移配置的狀態下，氣體流速改變時的增益分布之一例的曲線圖。曲線71顯示藉由位於氣體上游側的第1電極所激發之雷射氣體的增益分布。曲線72顯示藉由位於氣體上游側的第2電極所激發之雷射氣體的增益分布。曲線73顯示使曲線71與曲線72重疊之整體的增益分布。於第18圖中，θ1為從曲線71之波峰到上游側之增益變化的傾斜度，θ2為從曲線71之波峰到下游側之增益變化的傾斜度。
第18圖中，如專利文獻2那般地將兩組電極位移配置的狀態下，於中間區域可獲得大致均勻的增益分布。相對於此，第19圖的氣體流速比第18圖的還大，增益曲線71、72形成朝氣體流方向延長，其結果可得知在中間區域的增益分布傾斜而無法獲得均勻的增益分布。
第20圖係顯示氣體流速比第18圖的還小的情形之增益分布之一例的曲線圖。在此情形，增益曲線71、72形成朝氣體流方向收縮，其結果可得知在中間區域的增益分布傾斜而無法獲得均勻的增益分布。
第21圖係顯示電極寬度比第18圖的還小的情形之增益分布之一例的曲線圖。在此情形，增益曲線71、72形成相互分離，其結果可得知在中間區域的增益分布傾斜而無法獲得均勻的增益分布。
第22圖係顯示雷射氣體的氣壓比第18圖的還大的情形之增益分布之一例的曲線圖。在此情形，增益曲線71、72的傾斜度增加，其結果可得知在中間區域的增益分布傾斜而無法獲得均勻的增益分布。
第23圖係顯示第1電極與第2電極之間隔比第18圖的還大的情形之增益分布之一例的曲線圖。在此情形，增益曲線71、72形成相互分離而朝氣體流方向延長，其結果可得知在中間區域的增益分布傾斜而無法獲得均勻的增益分布。
又，第18圖至第23圖中為求簡單而說明使用了兩組電極的情況，然而，將三組以上的電極位移配置的情況也同樣在獲得均勻的增益分布的條件上受到相當的限定。
要獲得在電極間之中間區域均勻的增益分布之條件，係第1電極的增益曲線71及第2電極的增益曲線72在各波峰的前後形成對稱的情形，如第18圖所示，限定於波峰上游側的傾斜度θ1與波峰下游側的傾斜度θ2大致相等的情況。例如第19圖所示一旦氣體流速變大，則波峰下游側的傾斜度θ2比波峰上游側的傾斜度θ1還小。為了使雷射振盪器的效率提升，在變換成更大的氣體流速的情況下，若是不同時變換氣體流速、氣壓、電極寬度、電極配置等其他參數，則難以達成均勻的增益分布。
如此一來，專利文獻2的手法在可達成均勻的增益分布的條件上受到相當的限定，一旦氣壓、氣體流速、電極寬度、重疊間隔、重疊數等各種參數之其中任一個參數改變，則無法獲得均勻的增益分布。因此，雷射振盪器的設計自由度變小，實際採用上相當困難。此外，即使在設計階段可達成均勻的增益分布，在裝置運轉中一旦氣壓、氣體流速變動，就無法獲得均勻的增益分布。其結果，輸出的雷射束呈非對稱，而將該雷射束使用於切割加工時，會有被加工物的切割面發生異向性而使切割品質變差的可能。
本發明的目的在於提供一種即使氣體流速、氣壓、電極寬度、電極配置等參數改變也能穩定地實現均勻的增益分布之氣體雷射裝置、以及使用該氣體雷射裝置之雷射加工裝置。
為達成上述目的，本發明之一樣態為：一種氣體雷射裝置，係將光共振器的光軸、將雷射氣體供應至光共振器內的方向、以及激發雷射氣體之放電的方向相互正交之三軸正交型之氣體雷射裝置，包含有：第1激發單元(unit)，係包含有沿著第1氣體流方向對光共振器之光軸供應雷射氣體的第1氣體供應機構、及從該光軸起靠近第1氣體流方向之上游側設置的第1放電電極對；以及第2激發單元，係包含有沿著與第1氣體流方向相反的第2氣體流方向對光共振器之光軸供應雷射氣體的第2氣體供應機構、及從該光軸起靠近第2氣體流方向之上游側設置的第2放電電極對；第1放電電極對及第2放電電極對之各電極對之上下對的電極於氣體流方向具有相同寬度；使之產生M2 值為1.8至3或強度分布之波峰呈環形管(doughnut：甜甜圈)狀的波束模式。
依據如此的構造，對光共振器之光軸之雷射氣體供應方向呈相互相反，並藉著於氣體上游側設置具有放電電極對的第1激發單元及第2激發單元，即使氣體流速、氣壓、電極寬度、電極配置等參數改變也能穩定地實現均勻的增益分布，且輸出的雷射束的對稱性提升。
 [較佳實施形態之詳細說明]
本申請案係以2010年9月17日申請之專利申請案2010-208673號、及2011年8月26日在日本申請之國際專利申請案PCT/JP2011/069247號作為優先權之基礎的申請案，此等優先權文件所揭示的內容依其參照而被納入本申請案。
以下參照圖面說明較佳的實施形態。
實施形態1.
第1圖係顯示本發明之實施形態1的正面圖，第2圖係平面圖，第3圖係側面圖。三軸正交型氣體雷射裝置係以包含部分反射鏡2、折返鏡3、4及全反射鏡5的光共振器、沿著光共振器之光軸而設置之複數(在此為兩個)個激發單元U1、U2、以及將雷射氣體與外部氣體隔開的筐體11等所構成。在此說明為了容易瞭解，將光共振器的光軸方向設為Y方向，將與對光共振器內供應雷射氣體之方向平行的方向設為X方向，將激發雷射氣體之放電的方向設為Z方向。
本實施形態係例示使用了於YZ面內具有三個光軸10a、10b、10c之Z型共振器的場合，然而，同樣也可使用其他的構造，例如法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振器、複合共振器、環(ring)型共振器、V型共振器、W型共振器、匚字型(U-fold)共振器等。
部分反射鏡2具有將在光共振器的內部被放大之雷射光的一部分擷取至外部之作為輸出鏡的功能。全反射鏡5具有將在光共振器的內部被放大之雷射光以低損失反射之作為後部鏡的功能。折返鏡3、4係用以折疊光共振器的光軸而設置，藉此可謀求整體裝置的小型化。
部分反射鏡2及折返鏡4的附近設置用以限定雷射光的光路之具有圓形開口的孔洞(aperture)構件6a。折返鏡3及全反射鏡5的附近也同樣設置用以限定雷射光的光路之具有圓形開口的孔洞構件6b。
激發單元U1具備有放電電極對1a、熱交換器7a、風扇8a、風道(duct)9a等。當放電電極對1a被由高頻電源(未以圖式顯示)施加交流電壓時，則於電極間的放電空間14a形成沿著Z方向的無聲放電。風扇8a使被封入筐體11內之雷射氣體在風道9a內沿著方向12a循環。藉此，可朝向放電空間14a並沿著-X方向供應雷射氣體。通過放電空間14a的雷射氣體在熱交換器7a冷卻而再度返回風扇8a。
激發單元U2具有與激發單元U1同樣的組件(components)，具備有放電電極對1b、熱交換器7b、風扇8b、風道9b等。又，第1圖中為了易於瞭解而省略了一部分圖示。放電電極對1b從高頻電源(未以圖式顯示)被施加交流電壓時，則於電極間的放電空間14b形成沿著Z方向的無聲放電。風扇8b使被封入筐體11內之雷射氣體在風道9b內沿著方向12b循環。藉此，可朝向放電空間14b並沿著+X方向供應雷射氣體。通過放電空間14b的雷射氣體在熱交換器7b冷卻而再度返回風扇8b。
當由無聲放電使雷射氣體中的分子或原子被激發成雷射上能階(upper level)時，則形成顯示光的放大作用。例如使用含有CO2 分子之混合氣體作為雷射氣體時，由CO2 分子之振動能階間的轉移而獲得波長10.6μm的雷射振盪光。從部分反射鏡2輸出的雷射束一般具有以TEMnm (n、m為0或正的整數)表示的波束模式(beam mode)。波束模式可由光共振器的增益分布、孔徑構件6a、6b之開口形狀等來控制。第2圖中例示了於光軸周圍分布成環形管狀的TEM01 * 模式的強度分布13。
本實施形態如第2圖與第3圖所示，激發單元U1中的放電電極對1a係從光共振器的光軸起靠近雷射氣體的上游側且位移配置於+X方向。相對於此，激發單元U2中的放電電極對1b係從光共振器的光軸起靠近雷射氣體的上游側且位移配置於-X方向。
依據如此的構造，對光共振器之光軸之雷射氣體供應方向呈相互相反，並藉著將具有放電電極對的兩個激發單元U1、U2相對於光軸而左右對稱地配置於氣體上游側，在各激發單元的增益分布的形狀相互呈鏡像的關係，重疊兩者所獲得之整體的增益分布呈對稱。因此，即使氣體流速、氣壓、電極寬度、電極配置等參數改變而使一方的增益分布形狀改變，另一方的增益分布形狀也對稱地改變。其結果，能穩定地實現均勻的增益分布。例如，使用雷射束進行切割加工時，能提升切割面的品質。
在此，沿著放電方向(Z方向)觀察時，係將從包含光軸10a、10b、10c之YZ面P至放電電極對1a的距離設為d1，將從YZ面P至放電電極對1b的距離設為d2。又，將放電電極對1a的電極寬度設為w1，將放電電極對1b的電極寬度設為w2，將孔徑構件6a、6b之圓形開口的半徑設為RA。
第4圖係顯示將激發單元U1、U2相對於光軸對稱配置的場合，雷射氣體之增益分布之一例的曲線圖。曲線16a顯示依據激發單元U1之放電電極對1a所激發的雷射氣體的增益分布。曲線16b顯示依據激發單元U2之放電電極對1b所激發的雷射氣體的增益分布。曲線18顯示重疊曲線16a與曲線16b所得之整體的增益分布。激發單元U1之電極寬度w1係從YZ面P朝氣體上游側只位移距離d1，而電極寬度w1之氣體下游端與曲線16a的波峰一致。激發單元U2之電極寬度w2係從YZ面P朝氣體上游側只位移距離d2，而電極寬度w2之氣體下游端與曲線16b的波峰一致。
在此，可得知以設定成d1=d2(=d)及w1=w2(=w)為佳，藉此，曲線16a與曲線16b相對於YZ面P呈鏡像的關係，重疊兩者所得之曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。
第5圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元U1、U2的氣體流速較大的情形，增益分布之一例的曲線圖。此情形下，可得知各個增益曲線16a、16b係形成朝向氣體流方向延長，然而，重疊兩者所得的曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。
第6圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元U1、U2的氣體流速較小的情形，增益分布之一例的曲線圖。此時，可得知各個增益曲線16a、16b係形成朝向氣體流方向收縮，然而，重疊兩者所得的曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。
第7圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元U1、U2的電極寬度w較小的情形，增益分布之一例的曲線圖。此時，可得知各個增益曲線16a、16b的半值寬度變小，然而，重疊兩者所得的曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。
第8圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元U1、U2的雷射氣體之氣壓較大的情形，增益分布之一例的曲線圖。此時，可得知各個增益曲線16a、16b的傾斜度增加，然而，重疊兩者所得的曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。當雷射氣體壓變大，則增益分布的均勻性會降低若干，然而，與習知之非對稱配置的增益分布(例如第22圖)比較，則增益分布的均勻性獲得改善，所產生的雷射束形狀的對稱性提升。
第9圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元U1、U2的距離d較大的情形，增益分布之一例的曲線圖。此時，可得知各個增益曲線16a、16b相互分離，然而，重疊兩者所得的曲線18呈左右對稱，於包含光軸的中間區域可獲得大致均勻的增益分布。當距離d變大，則增益分布的均勻性會降低若干，然而，與習知之非對稱配置的增益分布(例如第23圖)比較，則增益分布的均勻性獲得改善，所產生的雷射束形狀的對稱性提升。
如此一來，藉著將激發單元U1、U2相對於光軸配置成左右對稱，由於重疊各激發單元之增益分布所得之整體的增益分布呈對稱，所以即使氣體流速、氣壓、電極寬度、電極配置等參數改變也能穩定地實現均勻的增益分布，能提升輸出的雷射束的對稱性。
以上說明中，例示了將兩個激發單元U1、U2相對於光軸對稱配置的情形，惟，將兩個以上的激發單元U1及兩個以上的激發單元U2沿著光軸交互地配置也可獲得同樣的效果。
其次，說明孔洞構件6a、6b之圓形開口。為了確保雷射束的對稱性，乃以在雷射束通過的範圍內可獲得均勻的增益分布的情況為佳。因此，從包含光共振器之光軸的YZ面P至放電電極1a、1b的距離d、以及孔洞構件6a、6b之圓形開口的半徑RA係以滿足RA≦d的關係為佳。
例如於三軸正交型CO2 雷射裝置中，孔洞半徑RA一般設定在5mm至15mm。所以，距離d以保持在RA≦d的關係且設定在5mm≦d≦15mm為佳。又，市售的CO2 雷射用之部分反射鏡2的最大直徑一般至多為φ2英吋(inch)者，所以，雷射束直徑一般也設定在2英吋以下。
實施形態2.
第10A圖與第10B圖係顯示本發明之實施形態2之三軸正交型氣體雷射裝置之增益分布、波束模式形狀及孔徑之位置關係的說明圖。三軸正交型氣體雷射裝置具有與第1圖至第3圖所示者同樣的構造，相對於光共振器之光軸，雷射氣體供應方向相互相反，且將具有放電電極對的兩個激發單元U1、U2相對於光軸而左右對稱地配置於氣體上游側。
孔洞構件6a、6b具有半徑RA的圓形開口時，從雷射裝置輸出的雷射束的強度分布20，係以於例如第10B圖所示之TEM01 * 模式等光軸周圍分布成環形管狀的模式為佳。TEM01 * 模式一般利用以下記載算式來表示。在此說明，w為基板模式波束半徑，r為徑方向距離，Io 為常數。若是TEM01 * 模式，則顯示波束品質的M2 值為2。
[數學式2]
第10A圖例示了肇因於氣壓、氣體流速等參數的變動而導致以兩組激發單元U1、U2獲得之整體的增益分布的均勻性降低若干。在此，係以各放電電極對1a、1b之氣體下游端與增益分布曲線16a、16b之各波峰位置一致的方式設定距離d1、d2。
為了使所希望的波束模式形狀的雷射光有效率地振盪，乃以波束模式之強度分布強的部分與顯示雷射氣體大的增益的部分一致為佳。第10B圖所示之TEM01 * 模式(mode)係強度的波峰不在雷射束中心而係於光軸周圍分布成環形管狀。
本實施形態係以兩組激發單元U1、U2獲得之整體的增益分布的波峰位置與TEM01 * 模式之波峰位置一致的方式設定距離d1、d2。藉此，具有TEM01 * 模式之雷射束有效率地振盪。藉由如此的設定，即使肇因於氣壓、氣體流速等參數變動而導致增益分布的均勻性降低，也由於增益分布的波峰位置與波束模式的波峰位置一致，所以波束模式形狀的選擇性變佳。
軟鋼或不銹(stainless)鋼的雷射切割加工上，高速地切割薄的材料時，顯示雷射之波束品質之M2 值小者為佳，而通常係使放電電極的氣體下游側與光軸一致並將增益分布呈最高的位置設定於波束中心。相對於此，軟鋼或不銹鋼的雷射切割加工上，在切割例如厚度為6mm以上之厚的材料時，為了要使輔助(assist)氣體充分地到達材料背面，切割鋸口(kerf)寬度必須寬到某一程度。此情形下，雷射束之聚光性以低到某一程度者為佳，而顯示波束品質的M2 值係以使用1.8至3程度者為佳。例如第24圖及第25圖係M2 值為1.8程度，第26圖及第27圖係M2 值為2，第28圖及第29圖係M2 值為2.5附近，第30圖及第31圖係M2 值為3程度之波束模式的鳥瞰圖及其剖面圖。又，第32圖及第33圖係顯示具有M2 值為2.5至3附近之環形管狀的波峰之強度分布的波束的鳥瞰圖及其剖面圖。
本實施形態係以兩組放電電極對1a、1b形成的增益分布曲線16a、16b的各波峰位置與波束模式之波峰位置一致的方式設定距離d1、d2，藉此，容易振盪出適合於鈑金加工之波束模式形狀的雷射，可抑制如第14圖所示之非對稱模式的波束，其結果，可提升對鈑金的切割性能。
在此，三軸正交型雷射振盪器之孔徑半徑RA係設定成波束的損失小且能限定波束模式形狀。因此，孔徑半徑RA係以設定成波束之基本模式徑度的約兩倍程度為佳，亦即，以設定成RA≒2w程度為佳。
又，於第10B圖所示之TEM01 * 模式的強度分布20中，一旦將波峰位置設成Rp，則Rp=w/√2。本實施形態之波峰位置Rp與從光軸至放電電極之氣體下游端的距離d相等，亦即，設定成Rp=d(=d1=d2)，因此，以滿足RA=d×2√2的關係為佳。
例如，三軸正交型CO2 雷射裝置如實施形態1所說明，孔徑半徑RA一般定在5mm至15mm程度。所以，距離d係以滿足1.8mm≦d≦5.3mm的關係為佳。
第11圖係顯示TEM01 * 模式與其他對稱模式(例如TEM00 )混合而成的模式之強度分布的曲線圖，M2 值為1.8。又，第24圖至第33圖之M2 值雖然為1.8至3的波束模式，然而此等模式也與TEM01 * 模式的場合同樣係以整體的增益分布的波峰位置與波束模式之最外側之環形管狀的波峰位置一致的方式設定距離d，而可獲得同樣的效果。此等模式之波峰位置一旦將波峰位置設成Rp，則成為Rp=w/(M2 值)1/2 。本實施形態之波峰位置Rp與從光軸至放電電極之氣體下游端的距離d相等，亦即，設定成Rp=d(=d1=d2)，因此，以滿足RA=d×2(M2 值)1/2 的關係為佳。
又，各實施形態已例示了使用CO2 作為雷射氣體的情形，使用其他雷射氣體例如CO、N2 、He-Cd、HF、Ar+ 、ArF、KrF、XeCl、XeF等的情形也可適用於本發明。
實施形態3.
本實施形態之雷射加工裝置具備有：實施形態1或2所揭示之雷射氣體裝置、用以將由雷射氣體裝置輸出的雷射光朝向被加工物聚光的聚光光學系、以及用以使被加工物朝所希望的方向移動或使其在所希望的位置停止的加工台或是使之聚光於被加工物之所希的望位置之可移動的該聚光光學系等。如以上所述，使用對稱性優異的波束模式，例如使用TEM01 * 模式的雷射光，進行切割、標記(marking)、開孔、熔接、焊接或表面重組而能以高品質進行雷射加工。
1a、1b．．．放電電極對
2．．．部分反射鏡
3、4．．．折返鏡
5．．．全反射鏡
6a、6b．．．孔洞構件
7a、7b、53．．．熱交換器
8a、8b、52．．．風扇
9a、9b．．．風道
10a、10b、10c．．．光軸
11．．．筐體
12a、12b．．．方向
13、20．．．雷射束的強度分布
14a、14b、51．．．放電空間
16a、16b、18．．．曲線
54．．．反射鏡
61A、61B、62A、62B．．．電極
63．．．後鏡
64．．．輸出鏡
65．．．光學空洞
66．．．放電區域
67至72．．．增益曲線
d1、d2．．．距離
LB．．．雷射束
P．．．YZ面
P1至P3．．．波峰
RA．．．圓形開口的半徑
U1、U2．．．激發單元
w1、w2．．．電極寬度設為
θ1、θ2．．．傾斜度
第1圖係顯示本發明之第1實施形態的正面圖。
第2圖係顯示本發明之第1實施形態的平面圖。
第3圖係顯示本發明之第1實施形態的側面圖。
第4圖係顯示將激發單元相對於光軸對稱配置的場合，雷射氣體之增益分布之一例的曲線圖。
第5圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元的氣體流速較大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第6圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元的氣體流速較小的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第7圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元的電極寬度w較小的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第8圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元的雷射氣體之氣壓較大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第9圖係顯示與第4圖相比，在各激發單元的距離d較大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第10A圖與第10B圖係顯示本發明之實施形態2之三軸正交型氣體雷射裝置之增益分布、波束模式形狀及孔徑(aperture)之位置關係的說明圖。
第11圖係顯示TEM01 * 模式與其他對稱模式(例如TEM00 )混合而成的模式之強度分布的曲線圖。
第12圖係習知的氣體雷射裝置之一例的構造圖。
第13圖顯示三軸正交型CO2 雷射振盪器中增益分布與放電電極位置的關係。
第14圖顯示非對稱的波束模式分布的一例。
第15圖係顯示習知的三軸正交型CO2 雷射振盪器之其他例子的平面圖。
第16圖係橫切放電電極的剖面圖。
第17圖係顯示通過光學空洞時，所激發的雷射氣體之增益與共振器光路之位置的關係的曲線圖。
第18圖係顯示將兩組電極位移配置的狀態下，氣體流速改變時之增益分布之一例的曲線圖。
第19圖係顯示與第18圖相比，氣體流速較大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第20圖係顯示與第18圖相比，氣體流速較小的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第21圖係顯示與第18圖相比，電極寬度較小的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第22圖係顯示與第18圖相比，雷射氣體之氣壓較大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第23圖係顯示與第18圖相比，第1電極與第2電極之間隔大的場合，增益分布之一例的曲線圖。
第24圖係顯示M2 值為1.8程度之波束模式的鳥瞰圖。
第25圖係與第24圖之波束模式對應的剖面圖。
第26圖係顯示M2 值為2程度之波束模式的鳥瞰圖。
第27圖係與第26圖之波束模式對應的剖面圖。
第28圖係顯示M2 值為2.5附近之波束模式的鳥瞰圖。
第29圖係與第28圖之波束模式對應的剖面圖。
第30圖係顯示M2 值為3程度之波束模式的鳥瞰圖。
第31圖係與第30圖之波束模式對應的剖面圖。
第32圖係顯示M2 值為2.5至3附近之波束模式的鳥瞰圖。
第33圖係與第32圖之波束模式對應的剖面圖。
1a．．．放電電極對
2．．．部分反射鏡
3、4．．．折返鏡
5．．．全反射鏡
6a、6b．．．孔洞構件
7a．．．熱交換器
8a．．．風扇
9b．．．風道
10a、10b、10c．．．光軸
11．．．筐體
12a．．．方向
U1、U2．．．激發單元

Claims (10)

  1. 一種氣體雷射裝置，係將光共振器的光軸、將雷射氣體供應至光共振器內的方向、以及激發雷射氣體之放電的方向相互正交之三軸正交型之氣體雷射裝置，包含有：第1激發單元，係包含有沿著第1氣體流方向對光共振器之光軸供應雷射氣體的第1氣體供應機構、及從該光軸起靠近第1氣體流方向之上游側設置的第1放電電極對；以及第2激發單元，係包含有沿著與第1氣體流方向相反的第2氣體流方向對光共振器之光軸供應雷射氣體的第2氣體供應機構、及從該光軸起靠近第2氣體流方向之上游側設置的第2放電電極對；第1放電電極對及第2放電電極對之各電極對之上下對的電極於氣體流方向具有相同寬度；使之產生M2 值為1.8至3或強度分布之波峰呈環形管狀的波束模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體雷射裝置，其中，環形管狀的波束模式係TEM01 * 模式。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其中，沿著放電方向觀察，光共振器的光軸與第1放電電極對之間的距離和光共振器的光軸與第2放電電極對之間的距離相等，而第1放電電極對的電極寬度和第1放電電極對的電極寬度相互相等。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其 中，光共振器的光軸與第1放電電極對之相對於氣體流為下游側之間的距離、以及該光軸與第2放電電極對之相對於氣體流為下游側之間的距離，與從環形管狀之波束模式之中心起波峰之位置的距離一致。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其中，光共振器包含複數個鏡、以及具有限定雷射光之光路之圓形開口的孔洞構件；將光共振器之光軸與放電電極對之相對於氣體流為下游側之間的距離設為d，而將孔洞構件之圓形開口的半徑設為RA，滿足RA≦d的關係。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其中，將光共振器之光軸與放電電極對之間的距離設為d，於三軸正交型CO2 雷射裝置滿足5mm≦d≦15mm的關係。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其中，將光共振器之光軸與放電電極對之間的距離設為d，並將孔徑構件之圓形開口的半徑設為RA，滿足RA=d×2√2的關係。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述之氣體雷射裝置，其中，將光共振器之光軸與放電電極對之間的距離設為d，並將孔徑構件之圓形開口的半徑設為RA，且將顯示波束模式品質之M2 值設為M2 ，而M2 為1.8至3，滿足RA=d×2(M2 )1/2 的關係。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之氣體雷射裝置，其中，於 三軸正交型CO2 雷射裝置，滿足1.8mm≦d≦5.3mm的關係。
  10. 一種雷射加工裝置，係使用由如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之氣體雷射裝置所輸出的雷射光，進行切割、標記、開孔、熔接、焊接或表面重組。
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