WO1996005638A1 - Oscillateur laser - Google Patents

Description

明 細 書 レーザ発振器 技 術 分 野

本発明は励起用電圧を印加する こ とにより レーザ光を出力す る レーザ発振器に関し、 特に少な く とも 1 枚の折り返し鏡を有 する レーザ発振器に関する。 背 景 技 術

レーザ加工は、 極めて位相のそろった単色光を発生させ、 そ れを集光レンズで集光するこ とによって得られる高密度のエネ ルギをもったレーザビームを、 ワークの極小部分に照射して、 ワークを蒸発、 溶融する加工方法である。 レーザビームは制御 性が良いため、 レーザ加工を数値制御装置で制御するこ とによ り、 複雑な形状の加工や、 精密微細加工が可能である。

このような レーザ加工装置において解決するべき重要な課題 と して、 加工物からの反射光の処理がある。 特に、 アル ミ ニゥ ムゃ銅などの高反射材料の切断加工時や、 溶接加工時における 反射光をどのように処理するかは非常に深刻な問題となってい る。 また、 シャ ツ 夕を開いたま ま高速加工を行う際に、 加工へ ッ ドを移動する ときの反射光によるケガキの発生も問題となる レーザ発振器内のリ ア鏡と加工物との間で低損失の光共振器 が構成されるため、 レーザ発振器に戻らされた加工物からの反 射光のレーザパワーは、 レーザ発振器内で瞬時に極めて大きな 値となる。 その結果、 レーザ発振器内の各種の反射鏡の破損を 招き、 レーザ加工装置と しての信頼性^低下させる。

従来はこのような反射光による反射鏡の破損を防ぐために、 以下の 2通りの方法が用いられていた。

第 1 の方法は、 高速のパワーフ ィ ー ドバッ クによ り レーザ発 振器内のレーザパワーを一定に保つように、 注入電力を制御す る方法である。

第 2の方法は、 レーザ発振器の外部で反射光を検出し、 反射 光量が多い場合にはレーザ発振を停止する方法である。

しかし、 上記の 2通りのいずれの方法を用いても、 反射光が 生じた場合には加工を中断しなければならない。 第 1 の方法で は、 レーザ発振器内の トータルのレーザパワーが一定に保たれ るため、 反射光が存在している分、 レーザ発振器自身が発振す る レーザビームのパワーが小さ く なる。 加工に使用されるのは 発振器自身が発振する レーザビームであるため、 このレーザビ ームのパワーが低下すると加工条件の変化を招いてしま う。 そ れを避けるには、 加工を中断しなければならない。 また、 第 2 の方法はレーザ発振を停止させるため、 加工も当然中断される しかも、 上記の 2つの方法はいずれも非常に高価な レーザ光 検出器を必要とする。 さ らに、 このような高価なレーザ光検出 器を用いても、 微弱な反射光によるケガキの発生を防ぐこ とは できない。 発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 加工物 からの反射光による レーザ発振器の破損および生産性の低下を 防ぐこ とができる レーザ加工装置を提供するこ とを目的とする。 本発明では上記課題を解決するために'、 レーザ光を出力する レーザ発振器において、 S偏光に対しては高い反射率を有し、 P偏光に対しては、 前記 P偏光が増幅されない程度に低い反射 率を有する、 少なく とも 1枚の折り返し鏡、 を有することを特 徵とする レーザ発振器が提供される。

レーザ発振器から出射される レーザ光は折り返し鏡に対する

S偏光である。 このレーザ光は円偏光に変換され加工物に照射 される。 この時、 加工物からの反射光は、 偏光面が 9 0 ° ずれ た P偏光となつてレーザ発振器に戻ってく る。 レーザ発振器内 の折り返し鏡は、 P偏光に対する反射率が低いため、 レーザ発 振器内で P偏光が増幅されることはない。

これにより、 加工物からの反射光により レーザ発振器内の各 種の反射鏡が破損されることがなく、 加工を中断する必要もな い。 従って、 信頼性および生産性の低下を防ぐことができる。 図 面 の 簡 単 な 説 明

図 1 は、 本発明の第 1 の実施例のレーザ装置の光学系を示す 図、

図 2は、 本発明の第 2の実施例のレーザ発振器内の光学系を 示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図 1 は本発明の第 1 の実施例のレーザ装置の光学系を示す図 である。 レーザ発振器内のリア鏡 2 と出力鏡 4 との間には折り 返し鏡 3が設けられている。 折り返し鏡 3の表面にはコーティ ングが施してあり、 このコーティ ングにより S偏光はほぼ 1 0 0 %反射するが、 P偏光に対する反射率は低く押さえられてい る。 リア鏡 2 と出力鏡 4 との間で増幅されたレーザ光 1 は出力 鏡 4から外部に出力される。 このとき出力されるレーザ光 1 は S偏光 1 aである。 こ こで S偏光 1 a とは、 レーザ光が折り返 し鏡 3で反射するときの入射光と反射光とを含む面 （入射面） に垂直な偏光面を有する直線偏光である。

出力された S偏光 1 aは 0度シフ ト ミ ラ一 5 と 1 / 4波長位 相遅延ミ ラー 6 とにより円偏光に変換される。 円偏光に変換さ れたレーザ光 1 はミ ラー 7で垂直方向に方向を変えて、 集光レ ンズ 8で加工物 9上に集光される。

加工物 9 に照射されたレーザ光 1 の一部は反射され、 出射さ れた径路を戻っていく。 この反射光が出力鏡 4に入力されると きには P偏光 1 b となる。 P偏光 1 b とは、 S偏光 1 aの偏光 面と 9 0 ° ずれた偏光面を有する直線偏光である。

こ こで、 S偏光で出力されたレーザ光 1 が P偏光に変換され る原理について説明する。 まず、 伝搬路中のレーザ光の偏光方 向を、 V、 H方向の成分表示によるベク トルで表現する。 この H方向とは、 0度シフ ト ミ ラー 5 と 1 4波長位相遅延ミ ラー 6 とからなる円偏光変換部の光軸と並行な方向であり、 V方向 は H方向に垂直な方向である。 なお、 0度シフ ト ミ ラー 5、 ミ ラー 7、 および集光レ ンズ 8の各光学部品は、 出射光、 反射光 ともに同じ影響を与えるため、 無視して考えても結論には影響 しない。

この時、 出射光は、 一 b一

で表される。 この出射光が 1 Z 4波長位相遅延ミ ラー 6で反射 されると、 S偏光成分の位相が ττΖ 2遅れることにより、 反射 光は、

sin o>t

-cos ωΐ

(2) で求められる。 これは偏光方向が ωの角周波数で回転するべク トルを示している。 次に、 加工物 9で反射されると各成分とも 1 8 0 ° 位相が変わり、

となる。 さらに 1 4波長位相遅延ミ ラー 6で反射された反射 光は、

E itrr一一 = Ε Τ ι - j I "^{sin ωί} \ =£i / -sin ωΐ

cos( t-7r/2)ノ sin ωΐ (4) となる。 この式 （ 4 ) は、 明らかに式 （ 1 ) と直交方向に偏光 された光であるこ とが分かる。 すなわち Ρ偏光である。

このレーザ発振器内の戻ってきた Ρ偏光 l bは、 折り返し鏡 3で反射する際に減衰する。 これにより、 レーザ発振器に大き なエネルギが入力されていても、 P偏光 l bが増幅されるこ と — β — /JP95/01199

はない。 つま り、 加工物 9からの反射光がレーザ発振器内で増 幅されるこ とがなく なる。

このように、 S偏光は効率よ く反射し、 Ρ偏光の反射率が低 い折り返し鏡 3は、 表面コーティ ング材の層、 厚さ、 および材 質を調整するこ とによって作るこ とができる。

次に、 1 枚あるいは複数枚の折り返し鏡を有する レーザ発振 器において、 折り返し鏡の Ρ偏光に対する反射率をどの程度に するべきかについて説明する。 こ こで、 折り返し鏡の Ρ偏光の 反射率を R、 レーザ発振器の増幅率を m倍、 折り返し鏡の枚数 を n枚とする。 このとき、 S偏光の反射率を 1 ( 1 0 0 %) と した場合に、 P偏光が増幅されないためには以下の式 （ 5 ) が 成り立つ必要がある。

m R ²ⁿ < 1 · · · ( 5 ) この式 （ 5 ) を Rについて解く と、

R < ( 1 /m) ^{1 /2π} · · · ( 6 ) が得られる。 この式 （ 6 ) を、 図 1 で説明した折り返し鏡が 1 枚で、 増幅率が 6倍のレーザ発振器に適用する とそのときの折 り返し鏡の Ρ偏光の反射率 R , は、

R 1 < 0. 4 0 8 · · · ( 7 ) である。 なお、 この時の S偏光の反射率は 1 ( 1 0 0 %) であ るため、 折り返し鏡の Ρ偏光の反射率は、 S偏光の反射率の 4 0 %以下である。 つま り、 折り返し鏡が 1 枚のみのレーザ発振 器では、 折り返し鏡の Ρ偏光に対する反射率を 4 0 %以下にす るこ とにより、 Ρ偏光が増幅されるのを防ぐこ とができる。 図 2は本発明の第 2の実施例のレーザ発振器内の光学系を示 す図である。 このレーザ発振器は、 6枚の折り返し鏡を有する レーザ発振器である。 このレーザ発振器は、 リ ア鏡 2 と出力鏡 4 の間に 6枚の折り返し鏡 3 a〜 3 f を有している。 このレー ザ発振器において P偏光が増幅されるのを防ぐための折り返し 镜 3 a〜 3 f の P偏光に対する反射率 R ₂ を式 （ 6 ) より求め る と、

R 2 < 0 . 8 6 1 · · · ( 8 ) である。 つま り、 折り返し鏡が 6枚のレーザ発振器では、 折 り返し鏡の P偏光に対する反射率を 8 6パーセン ト以下にする こ とにより、 P偏光が増幅されるのを防ぐこ とができる。

このように、 折り返し鏡の P偏光に対する反射率尺が、 式 ( 6 ) を満たすようにするこ とにより、 P偏光である加工物か らの反射光がレーザ発振器内で増幅するこ とを防ぐこ とが可能 となる。 これにより、 加工物からの反射光によって各種ミ ラ一 が破損するこ とが無く なり、 高い信頼性を保つこ とができる。 しかも、 レーザ発振器の構成が複雑にならずにすみ、 このよう な折り返し鏡は極めて安価であるため装置全体も安価に抑える こ とができる。

そして、 反射光が増幅されないため、 加工を中断する必要が な く なり、 加工物の歩留りが飛躍的に向上する とと もに、 生産 性の向上につながる。

以上説明したように本発明では、 少な く とも 1 枚の折り返し 鏡の、 S偏光に対する反射率に く らべた P偏光に対する反射率 を低く し、 P偏光が増幅されないようにしたため、 加工物から の反射光がレーザ発振器内で増幅されるのを防ぐこ とができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . レーザ光を出力する レーザ発振器において、

S偏光に対しては高い反射率を有し、 P偏光に対しては、 前 記 P偏光が増幅されない程度に低い反射率を有する、 少なく と も 1 枚の折り返し鏡、

を有するこ とを特徴とする レーザ発振器。

2 . 前記折り返し鏡は、 S偏光に対する反射率を 1 、 レーザ 光の増幅率を _m倍、 前記折り返し鏡の枚数を n枚と した場合に, P偏光に対する反射率尺が、

R < ( 1 / m ) ^{, / 2 n}

の式を満たすこ とを特徴とする請求項 1 記載のレーザ発振器。

3 . 前記折り返し鏡は、 レーザ光の増幅率が 6倍、 前記折り 返し鏡の枚数が 6枚のとき、 P偏光に対する反射率が 8 6 %以 下であるこ とを特徴とする請求項 1 記載のレーザ発振器。

4 . 前記折り返し鏡は、 レーザ光の増幅率が 6倍、 前記折り 返し鏡の枚数が 1 枚のとき、 P偏光に対する反射率が 4 0 %以 下であるこ とを特徴とする請求項 1 記載のレーザ発振器。