WO2012035953A1 - ガスレーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

ガスレーザ装置およびレーザ加工装置 Download PDF

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WO2012035953A1
WO2012035953A1 PCT/JP2011/069247 JP2011069247W WO2012035953A1 WO 2012035953 A1 WO2012035953 A1 WO 2012035953A1 JP 2011069247 W JP2011069247 W JP 2011069247W WO 2012035953 A1 WO2012035953 A1 WO 2012035953A1
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WO
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gas
laser
optical axis
discharge electrode
electrode pair
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/069247
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English (en)
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Inventor
山本　達也
宮本　直樹
西前　順一
藤川　周一
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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Priority to TW100132960A priority patent/TWI497851B/zh
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/038—Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/036—Means for obtaining or maintaining the desired gas pressure within the tube, e.g. by gettering, replenishing; Means for circulating the gas, e.g. for equalising the pressure within the tube
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    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
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    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/20—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian
    • H01S2301/203—Lasers with a special output beam profile or cross-section, e.g. non-Gaussian with at least one hole in the intensity distribution, e.g. annular or doughnut mode

Definitions

  • the present invention relates to a gas laser apparatus such as a laser oscillator and a laser amplifier, and a laser processing apparatus using the same.
  • FIG. 12 is a block diagram showing an example of a conventional gas laser device, and shows a three-axis orthogonal CO 2 laser oscillator described in Patent Document 1.
  • Laser gas of about several tens of Torr is sealed inside the apparatus, and laser gas is supplied to the discharge space 51 in the direction of the arrow by a blower 52.
  • the reflecting mirror 54 of the laser resonator is installed so that the laser optical axis coincides with the gas downstream end of the electrode.
  • the laser gas that has passed through the discharge space 51 is cooled by the heat exchanger 53.
  • FIG. 13 shows the relationship between the gain distribution and the discharge electrode position in the three-axis orthogonal CO 2 laser oscillator, and is described in detail in Non-Patent Document 1.
  • the gain distribution gradually increases from the gas upstream end of the electrode, shows a peak at the gas downstream end of the electrode, and further to the gas downstream side. It turns out that it decreases gradually along.
  • the optical axis of the resonator is matched with the vicinity of the gas downstream end of the electrode where the gain distribution peaks.
  • Such a gain distribution can be expressed by an exponential function as shown in the following equation.
  • XD is the electrode width
  • ⁇ is the laser upper level relaxation rate
  • ⁇ is the laser gas flow velocity
  • ⁇ is the stimulated emission cross section
  • ⁇ is the excitation efficiency
  • w is the discharge power density
  • X is the coordinate in the gas flow direction. is there.
  • FIG. 14 shows an example of an asymmetric beam mode distribution
  • FIG. 14A is a contour line of the beam intensity distribution
  • an arrow is a laser gas flow direction
  • FIG. 14B shows the intensity distribution of the central section along the horizontal direction
  • FIG. 14C shows the intensity distribution of the central section along the vertical direction.
  • the optical axis of the resonator is set at the peak position of the gain distribution so that the oscillation efficiency is improved.
  • the gain distribution shows an intensity distribution that varies along the gas flow direction due to the presence of the gas flow.
  • the gain distribution is almost uniform. That is, the gain distribution is different in the gap length direction and the gas flow direction.
  • Such anisotropy of the gain distribution causes the intensity distribution of the output beam to show an asymmetric intensity distribution in the gap length direction and the gas flow direction, as shown in FIG.
  • a discharge excitation laser such as a CO 2 laser
  • a higher output beam is obtained as the discharge power is increased.
  • arc discharge occurs and the discharge tends to become unstable.
  • a conventional triaxial orthogonal laser oscillator employs a discharge electrode having a relatively large electrode width so that the discharge power density does not become too large. For this reason, the anisotropy of the gain distribution as described above is not so large, and therefore the asymmetry of the intensity distribution of the laser beam has not been a problem.
  • FIG. 15 is a plan view showing another example of a conventional three-axis orthogonal CO 2 laser oscillator
  • FIG. 16 is a cross-sectional view crossing the discharge electrode.
  • the laser gas is supplied to the discharge region 66 located between the electrodes 61A and 61B and between the electrodes 62A and 62B.
  • the rear mirror 63 and the output mirror 64 of the optical resonator are arranged to face each other so as to sandwich the laser gas.
  • the laser beam LB is amplified in an optical cavity 65 defined by the rear mirror 63 and the output mirror 64, and a part of the laser beam LB is output from the output mirror 64.
  • the two sets of electrodes 61A and 61B and the electrodes 62A and 62B are shifted in the gas flow direction so as to be at different positions from the optical cavity 65, thereby achieving a uniform gain distribution.
  • FIG. 17 is a graph showing the relationship between the gain of the laser gas excited when passing through the optical cavity 65 and the position of the resonator optical path.
  • the laser gas excited by the first discharge electrode farthest from the resonator optical path shows a gain curve 67 having a peak P1 on the gas upstream side.
  • the laser gas excited by the third discharge electrode closest to the resonator optical path shows a gain curve 69 having a peak P3 on the gas downstream side.
  • the laser gas excited by the second discharge electrode between the first discharge electrode and the third discharge electrode shows a gain curve 68 having a peak P2 between the peak P1 and the peak P2. Therefore, by superimposing these three gain curves 67 to 69, a gain curve 70 showing a substantially uniform gain distribution in the cross section of the resonator optical path is obtained.
  • FIG. 18 and FIG. 19 are graphs showing an example of the gain distribution when the gas flow rate is changed in a state where the two sets of electrodes are shifted and arranged.
  • Curve 71 shows the gain distribution of the laser gas excited by the first electrode on the gas upstream side.
  • Curve 72 shows the gain distribution of the laser gas excited by the second electrode on the gas downstream side.
  • a curve 73 shows the overall gain distribution obtained by superimposing the curve 71 and the curve 72.
  • ⁇ 1 is the slope of the gain change on the upstream side from the peak of the curve 71
  • ⁇ 2 is the slope of the gain change on the downstream side from the peak of the curve 71.
  • FIG. 18 almost uniform gain distribution is obtained in the intermediate region in a state where two sets of electrodes are shifted and arranged as in Patent Document 2.
  • FIG. 19 the gas flow velocity is larger than in FIG. 18, and the gain curves 71 and 72 extend in the gas flow direction.
  • the gain distribution in the intermediate region is inclined, and a uniform gain distribution is obtained. It turns out that it cannot be obtained.
  • FIG. 20 is a graph showing an example of the gain distribution when the gas flow rate is small compared to FIG.
  • the gain curves 71 and 72 are contracted in the gas flow direction, and as a result, the gain distribution in the intermediate region is inclined, and it is understood that a uniform gain distribution cannot be obtained.
  • FIG. 21 is a graph showing an example of the gain distribution when the electrode width is small compared to FIG. In this case, the gain curves 71 and 72 are separated from each other. As a result, it can be seen that the gain distribution in the intermediate region is inclined and a uniform gain distribution cannot be obtained.
  • FIG. 22 is a graph showing an example of the gain distribution when the gas pressure of the laser gas is larger than that in FIG. In this case, the slopes of the gain curves 71 and 72 increase, and as a result, it can be seen that the gain distribution in the intermediate region is inclined and a uniform gain distribution cannot be obtained.
  • FIG. 23 is a graph showing an example of the gain distribution when the distance between the first electrode and the second electrode is larger than that in FIG.
  • the gain curves 71 and 72 are separated from each other and extend in the gas flow direction. As a result, it can be seen that the gain distribution in the intermediate region is inclined and a uniform gain distribution cannot be obtained.
  • the condition for obtaining a uniform gain distribution in the intermediate region between the electrodes is that the gain curve 71 of the first electrode and the gain curve 72 of the second electrode are substantially symmetrical before and after each peak, as shown in FIG. Furthermore, this is limited to the case where the slope ⁇ 1 on the upstream side of the peak and the slope ⁇ 2 on the downstream side of the peak are substantially equal. For example, when the gas flow rate increases as shown in FIG. 19, the slope ⁇ 2 on the downstream side of the peak becomes smaller than the slope ⁇ 1 on the upstream side of the peak.
  • other parameters such as gas flow rate, gas pressure, electrode width, and electrode arrangement are also changed at the same time. It is.
  • An object of the present invention is to provide a gas laser device capable of stably realizing a uniform gain distribution even if parameters such as gas flow velocity, gas pressure, electrode width, and electrode arrangement change, and a laser processing apparatus using the same. .
  • one embodiment of the present invention provides: A three-axis orthogonal gas laser device in which an optical axis of an optical resonator, a direction in which laser gas is supplied into the optical resonator, and a discharge direction for exciting the laser gas are orthogonal to each other, A first gas supply mechanism that supplies laser gas along the first gas flow direction with respect to the optical axis of the optical resonator, and a first discharge electrode that is disposed upstream from the optical axis in the first gas flow direction A first excitation unit comprising a pair; A second gas supply mechanism that supplies laser gas along a second gas flow direction opposite to the first gas flow direction with respect to the optical axis of the optical resonator, and an upstream side of the second gas flow direction from the optical axis A second excitation unit including a second discharge electrode pair installed close to The upper and lower electrodes of the first discharge electrode pair and the second discharge electrode pair have the same width in the gas flow direction, A beam mode in which the M 2 value is 1.8 to
  • the gas pumping direction is opposite to the optical axis of the optical resonator, and the first pumping unit and the second pumping unit provided with the discharge electrode pair on the upstream side of the gas are provided. Even if parameters such as flow velocity, gas pressure, electrode width, and electrode arrangement change, a uniform gain distribution can be stably realized, and the symmetry of the output laser beam is improved.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a gain distribution when a gas flow rate in each excitation unit is large as compared with FIG. 4.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a gain distribution when the gas flow rate in each excitation unit is small as compared with FIG. 4.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a gain distribution when the electrode width w in each excitation unit is small compared to FIG. 4.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of gain distribution when the gas pressure of the laser gas in each excitation unit is larger than in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a gain distribution when a distance d at each excitation unit is large compared to FIG.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are explanatory diagrams showing the positional relationship between the gain distribution, the beam mode shape, and the aperture of the three-axis orthogonal gas laser device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • TEM 01 * mode and other symmetric modes (e.g., TEM 00) is a graph showing the intensity distribution of the mixed mode. It is a block diagram which shows an example of the conventional gas laser apparatus.
  • the relationship between gain distribution and discharge electrode position in a three-axis orthogonal CO 2 laser oscillator is shown.
  • An example of asymmetric beam mode distribution is shown.
  • It is a plan view showing another example of a conventional three-axis orthogonal CO 2 laser oscillator. It is sectional drawing which crosses a discharge electrode.
  • It is a graph which shows the relationship between the gain of the laser gas excited when passing through an optical cavity, and the position of a resonator optical path.
  • It is a graph which shows an example of gain distribution in case a gas flow velocity is large compared with FIG.
  • FIG. 19 is a graph showing an example of gain distribution when the distance between the first electrode and the second electrode is larger than that in FIG. 18.
  • M 2 value is a bird's-eye view showing a beam mode of about 1.8. It is sectional drawing corresponding to the beam mode of FIG. It is a bird's-eye view which shows the beam mode whose M 2 value is about 2. It is sectional drawing corresponding to the beam mode of FIG.
  • M 2 value is a bird's-eye view showing a beam mode in the vicinity of 2.5. It is sectional drawing corresponding to the beam mode of FIG. M 2 value is a bird's-eye view showing a 3 degree beam mode. It is sectional drawing corresponding to the beam mode of FIG. FIG. 7 is a bird's eye view showing a beam mode with an M 2 value in the vicinity of 2.5 to 3. It is sectional drawing corresponding to the beam mode of FIG.
  • FIG. FIG. 1 is a front view showing Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view
  • FIG. 3 is a side view.
  • the three-axis orthogonal gas laser apparatus includes an optical resonator including a partial reflection mirror 2, folding mirrors 3 and 4, and a total reflection mirror 5, and a plurality (two in this case) installed along the optical axis of the optical resonator. It is composed of excitation units U1 and U2 and a housing 11 that blocks laser gas from outside air.
  • the optical axis direction of the optical resonator is defined as the Y direction
  • the direction parallel to the direction in which the laser gas is supplied into the optical resonator is defined as the X direction
  • the discharge direction for exciting the laser gas is defined as the Z direction.
  • a case where a Z-type resonator having three optical axes 10a, 10b, and 10c in the YZ plane is used is exemplified, but other configurations such as a Fabry-Perot resonator, a composite resonator, and a ring-type resonance are used.
  • a resonator, a V-type resonator, a W-type resonator, a U-shaped resonator, and the like can be used similarly.
  • the partial reflection mirror 2 functions as an output mirror that extracts part of the laser light amplified inside the optical resonator.
  • the total reflection mirror 5 functions as a rear mirror that reflects the laser light amplified inside the optical resonator with low loss.
  • the folding mirrors 3 and 4 are provided to fold the optical axis of the optical resonator, thereby reducing the size of the entire apparatus.
  • an aperture member 6a having a circular opening that defines the optical path of the laser light is provided in the vicinity of the partial reflection mirror 2 and the folding mirror 4.
  • an aperture member 6b having a circular opening that defines the optical path of the laser light is also provided in the vicinity of the folding mirror 3 and the total reflection mirror 5.
  • the excitation unit U1 includes a discharge electrode pair 1a, a heat exchanger 7a, a blower 8a, a gas duct 9a, and the like.
  • a high frequency power source not shown
  • the discharge electrode pair 1a forms a silent discharge along the Z direction in the discharge space 14a between the electrodes.
  • the blower 8a circulates the laser gas sealed in the housing 11 along the direction 12a in the gas duct 9a. As a result, the laser gas is supplied along the ⁇ X direction toward the discharge space 14a.
  • the laser gas that has passed through the discharge space 14a is cooled by the heat exchanger 7a and returns to the blower 8a again.
  • the excitation unit U2 has the same components as the excitation unit U1, and includes a discharge electrode pair 1b, a heat exchanger 7b, a blower 8b, a gas duct 9b, and the like.
  • a part of the illustration is omitted for easy understanding.
  • the discharge electrode pair 1b forms a silent discharge along the Z direction in the discharge space 14b between the electrodes.
  • the blower 8b circulates the laser gas sealed in the housing 11 along the direction 12b in the gas duct 9b. As a result, the laser gas is supplied along the + X direction toward the discharge space 14b.
  • the laser gas that has passed through the discharge space 14b is cooled by the heat exchanger 7b and returns to the blower 8b again.
  • the laser beam output from the partial reflection mirror 2 generally has a beam mode represented by TEM nm (n and m are 0 or a positive integer).
  • the beam mode can be controlled by the gain distribution of the optical resonator, the aperture shape of the aperture members 6a and 6b, and the like.
  • FIG. 2 illustrates the intensity distribution 13 of the TEM 01 * mode distributed in a donut shape around the optical axis.
  • the discharge electrode pair 1a in the excitation unit U1 is shifted in the + X direction from the optical axis of the optical resonator toward the upstream side of the laser gas.
  • the discharge electrode pair 1b in the excitation unit U2 is shifted in the ⁇ X direction from the optical axis of the optical resonator toward the upstream side of the laser gas.
  • the distance from the YZ plane P including the optical axes 10a, 10b, and 10c to the discharge electrode pair 1a is d1
  • the distance from the YZ plane P to the discharge electrode pair 1b is Is d2.
  • the electrode width of the discharge electrode pair 1a is w1
  • the electrode width of the discharge electrode pair 1b is w2
  • the radius of the circular opening of the aperture members 6a and 6b is RA.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of laser gas gain distribution when the excitation units U1, U2 are arranged symmetrically with respect to the optical axis.
  • a curve 16a shows the gain distribution of the laser gas excited by the discharge electrode pair 1a of the excitation unit U1.
  • a curve 16b shows the gain distribution of the laser gas excited by the discharge electrode pair 1b of the excitation unit U2.
  • a curve 18 shows an overall gain distribution obtained by superimposing the curves 16a and 16b.
  • the electrode width w1 of the excitation unit U1 is shifted by the distance d1 from the YZ plane P to the gas upstream side, and the gas downstream end of the electrode width w1 coincides with the peak of the curve 16a.
  • the electrode width w2 of the excitation unit U2 is shifted by the distance d2 from the YZ plane P to the gas upstream side, and the gas downstream end of the electrode width w2 coincides with the peak of the curve 16b.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the gain distribution when the gas flow velocity in each of the excitation units U1 and U2 is larger than that in FIG.
  • the individual gain curves 16a and 16b extend in the gas flow direction, but the curve 18 obtained by superimposing the two becomes symmetrical, and a substantially uniform gain distribution is obtained in the intermediate region including the optical axis. I understand that.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the gain distribution when the gas flow velocity in each of the excitation units U1 and U2 is smaller than that in FIG.
  • the individual gain curves 16a and 16b contract in the gas flow direction, but the curve 18 obtained by superimposing the two becomes symmetric, and a substantially uniform gain distribution is obtained in the intermediate region including the optical axis. I understand that.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the gain distribution when the electrode width w in each of the excitation units U1 and U2 is smaller than that in FIG. In this case, the half-value widths of the individual gain curves 16a and 16b are reduced, but the curve 18 obtained by superimposing the two becomes symmetrical, and it can be seen that a substantially uniform gain distribution can be obtained in the intermediate region including the optical axis.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the gain distribution when the gas pressure of the laser gas in each of the excitation units U1 and U2 is larger than that in FIG.
  • the slopes of the individual gain curves 16a and 16b increase, the curve 18 obtained by superimposing the two becomes symmetrical, and a substantially uniform gain distribution can be obtained in the intermediate region including the optical axis.
  • the uniformity of the gain distribution is slightly lowered.
  • the uniformity of the gain distribution is improved as compared with the gain distribution in the conventional asymmetric arrangement (for example, FIG. 22), and the generated laser beam The symmetry of the shape is improved.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the gain distribution when the distance d at each of the excitation units U1 and U2 is larger than that in FIG.
  • the curve 18 obtained by superimposing the two becomes symmetrical, and it can be seen that a substantially uniform gain distribution can be obtained in the intermediate region including the optical axis.
  • the uniformity of the gain distribution slightly decreases, but the uniformity of the gain distribution is improved as compared with the gain distribution in the conventional asymmetric arrangement (for example, FIG. 23), and the generated laser beam The symmetry of the shape is improved.
  • the overall gain distribution obtained by superimposing the gain distributions of the respective excitation units becomes symmetric, so that the gas flow velocity, gas pressure, electrode width Even if parameters such as electrode arrangement vary, a uniform gain distribution can be stably realized, and the symmetry of the output laser beam can be improved.
  • the circular openings of the aperture members 6a and 6b will be described.
  • the distance d from the YZ plane P including the optical axis of the optical resonator to the discharge electrode pair 1a, 1b and the radius RA of the circular opening of the aperture members 6a, 6b preferably satisfy the relationship RA ⁇ d.
  • the aperture radius RA is generally set to about 5 mm to 15 mm. Therefore, the distance d is preferably set to 5 mm ⁇ d ⁇ 15 mm while maintaining the relationship of RA ⁇ d. Since the commercially available partial reflection mirror 2 for CO 2 laser is generally up to ⁇ 2 inch in maximum diameter, the laser beam diameter is generally set to 2 inches or less.
  • FIG. FIG. 10A and FIG. 10B are explanatory diagrams showing the positional relationship between the gain distribution, the beam mode shape, and the aperture of the three-axis orthogonal gas laser device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the three-axis orthogonal gas laser apparatus has the same configuration as that shown in FIGS. 1 to 3, and the laser gas supply directions are opposite to the optical axis of the optical resonator, and the discharge electrode is upstream of the gas.
  • Two excitation units U1, U2 having a pair are arranged symmetrically with respect to the optical axis.
  • the intensity distribution 20 of the laser beam output from the laser device is distributed in a donut shape around the optical axis such as the TEM 01 * mode as shown in FIG. 10B, for example. It is preferable that it is a mode to do.
  • the TEM 01 * mode is generally represented by the following formula.
  • w is the fundamental mode beam radius
  • r is the radial distance
  • I 0 is a constant.
  • the M 2 value indicating the beam quality is 2.
  • FIG. 10A illustrates a case where the uniformity of the overall gain distribution obtained by the two sets of excitation units U1 and U2 is slightly reduced due to parameter fluctuations such as gas pressure and gas flow velocity.
  • the distances d1 and d2 are set so that the gas downstream ends of the discharge electrode pairs 1a and 1b coincide with the peak positions of the gain distribution curves 16a and 16b.
  • a portion where the intensity distribution of the beam mode is strong coincides with a portion where the laser gas exhibits a large gain.
  • the intensity peak is distributed not in the center of the laser beam but in a donut shape around the optical axis.
  • the distances d1 and d2 are set so that the peak position of the overall gain distribution obtained by the two sets of excitation units U1 and U2 matches the peak position of the TEM 01 * mode.
  • the laser beam having the TEM 01 * mode oscillates efficiently.
  • the M 2 value indicating the beam quality of the laser is small, and the gas downstream end of the discharge electrode coincides with the optical axis so that the gain distribution is the highest. It has been usual to set the position to be raised at the center of the beam.
  • the cutting kerf width must be wide to some extent in order to allow the assist gas to sufficiently reach the back surface of the material. .
  • the condensing property of the laser beam is preferably low to some extent, and it is preferable to use a laser beam having a M 2 value of about 1.8 to 3 indicating the beam quality.
  • FIGS. 24 and 25 show an M 2 value of about 1.8
  • FIGS. 26 and 27 show an M 2 value of 2
  • FIGS. 28 and 29 show an M 2 value of around 2.5
  • 32 and 33 are a bird's-eye view and a cross-sectional view of a beam having an intensity distribution showing a donut-shaped peak having an M 2 value in the vicinity of 2.5 to 3.
  • the distances d1 and d2 are set so that the peak positions of the gain distribution curves 16a and 16b formed by the two pairs of discharge electrodes 1a and 1b coincide with the peak positions of the beam mode. Further, it becomes easy to oscillate a beam mode shaped laser suitable for sheet metal processing, and asymmetric mode beam oscillation as shown in FIG. 14 can be suppressed, and as a result, the cutting performance of the sheet metal can be improved.
  • the aperture radius RA in the three-axis orthogonal laser oscillator is set so that the beam loss is small and the beam mode shape can be defined. For this reason, it is preferable to set the aperture radius RA to about twice the fundamental mode diameter of the beam, that is, RA ⁇ 2w.
  • the aperture radius RA is generally set to about 5 mm to 15 mm. Therefore, the distance d preferably satisfies the relationship 1.8 mm ⁇ d ⁇ 5.3 mm.
  • FIG. 11 is a graph showing an intensity distribution of a mode in which a TEM 01 * mode and another symmetric mode (for example, TEM 00 ) are mixed, and the M 2 value is 1.8.
  • a laser processing apparatus includes the gas laser apparatus disclosed in the first or second embodiment, a condensing optical system for condensing laser light output from the gas laser apparatus toward a workpiece, A processing table for moving the workpiece in a desired direction or stopping at a desired position, or a movable condensing optical system for condensing the laser beam at a desired position of the workpiece is provided. .
  • high-quality laser processing is achieved by performing cutting, marking, drilling, welding, welding, or surface modification using a laser beam having excellent symmetry, for example, TEM 01 * mode. It can be carried out.

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Abstract

　本発明は、光共振器の光軸と、レーザガスを光共振器内に供給する方向と、レーザガスを励起する放電の方向とが互いに直交した３軸直交型のガスレーザ装置であって、光共振器の光軸に対して－Ｘ方向に沿ってレーザガスを供給する送風機８ａ、および該光軸からガス上流側に寄せて設置された放電電極対１ａを含む励起ユニットＵ１と、光共振器の光軸に対して＋Ｘ方向に沿ってレーザガスを供給する送風機８ｂ、および該光軸からガス上流側に寄せて設置された放電電極対１ｂを含む励起ユニットＵ２とを備える。放電電極対１ａおよび放電電極対１ｂのそれぞれの電極対の上下の対の電極がガス流方向において同じ幅を有し、Ｍ２値が１．８～３あるいは強度分布のピークがドーナツ状であるビームモードが発生する。　こうした構成により、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変化しても均一な利得分布を安定に実現できる。

Description

ガスレーザ装置およびレーザ加工装置
　本発明は、レーザ発振器、レーザ増幅器などのガスレーザ装置、およびこれを用いたレーザ加工装置に関する。
　図１２は、従来のガスレーザ装置の一例を示す構成図であり、特許文献１に記載された３軸直交型ＣＯ２レーザ発振器を示している。装置内部には数十Ｔｏｒｒ程度のレーザガスが封入されており、放電空間５１には送風機５２により矢印方向にレーザガスが供給される。放電空間５１で無声放電が生ずるとＣＯ２分子が励起され、その誘導放出によってレーザ光が紙面垂直方向に発生する。ここで、レーザ光軸が電極のガス下流端と一致するように、レーザ共振器の反射鏡５４を設置している。放電空間５１を通過したレーザガスは、熱交換器５３で冷却される。
　図１３は、３軸直交型ＣＯ２レーザ発振器において利得分布と放電電極位置の関係を示すもので、非特許文献１において詳細に説明されている。表面がガラスで被覆された円筒状電極の間で無声放電が生じた場合、利得分布は、電極のガス上流端から徐々に増加し、電極のガス下流端においてピークを示し、さらにガス下流側に沿って徐々に減少することが判る。このとき共振器の光軸は、利得分布がピークとなる電極のガス下流端近傍に一致させている。
　こうした利得分布は、下記の式に示すように指数関数で表現できる。ここで、ＸＤは電極幅、λはレーザ上準位の緩和速度、υはレーザガス流速、σは誘導放出断面積、ηは励起効率、ｗは放電電力密度、Ｘはガス流方向の座標である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図１４は、非対称なビームモード分布の一例を示しており、図１４Ａはビーム強度分布の等高線であり、矢印はレーザガス流方向である。図１４Ｂは水平方向に沿った中央断面の強度分布、図１４Ｃは垂直方向に沿った中央断面の強度分布である。特許文献１および非特許文献１のような従来のガスレーザ装置では、最も発振効率が良くなるように共振器の光軸を利得分布のピーク位置に設定している。
　３軸直交型レーザ発振器では、図１３に示したように、ガス流の存在に起因して、利得分布はガス流方向に沿って変化する強度分布を示す。一方、放電ギャップ長方向には、ガス流は存在しないため、ほぼ均一な利得分布となる。即ち、利得分布がギャップ長方向とガス流方向で異なる分布となっている。こうした利得分布の異方性は、図１４に示したように、出力されるビームの強度分布がギャップ長方向とガス流方向で非対称な強度分布を示す原因となる。
　ＣＯ２レーザなどの放電励起レーザでは、放電電力を大きくするほど高出力のビームが得られる。しかし放電電力が大きくなり過ぎると、アーク放電が発生して放電が不安定になりやすい。その対策として、従来の３軸直交型レーザ発振器では、放電電力密度があまり大きくならないように、電極幅が比較的大きな放電電極を採用している。このため上述のような利得分布の異方性はそれほど大きくならず、したがってレーザビームの強度分布の非対称性もあまり問題にはならなかった。
　近年、放電制御技術の向上により、電極幅を小さくして放電電力密度を上げても安定した放電が得られるようになった。また、３軸直交型レーザ発振器の高効率化のためには、電極幅を小さくすることが有効であるが、一方で利得分布の異方性が生じやすくなる。利得分布の異方性が大きいと、図１４で示したように出力レーザビームも非対称な強度分布となりやすい。この非対称レーザビームを切断加工に使用した場合、被加工物の切断面に異方性が発生し、切断品質が悪くなる原因となる。
　図１５は、従来の３軸直交型ＣＯ２レーザ発振器の他の例を示す平面図であり、図１６は、放電電極を横断する断面図である。これは特許文献２に記載されたものであり、レーザガスは、電極６１Ａ，６１Ｂ間および電極６２Ａ，６２Ｂ間に位置する放電領域６６に供給される。光共振器のリアミラー６３および出力ミラー６４は、レーザガスを挟むように対向配置される。レーザビームＬＢは、リアミラー６３と出力ミラー６４とで規定される光学空洞６５において増幅され、その一部が出力ミラー６４から出力される。ここでは、２組の電極６１Ａ，６１Ｂおよび電極６２Ａ，６２Ｂが光学空洞６５から異なる位置となるようにガス流方向にシフトしており、これにより利得分布の均一化を図っている。
　図１７は、光学空洞６５を通過する際、励起されたレーザガスの利得と共振器光路の位置との関係を示すグラフである。ここでは、３組の放電電極が共振器光路から異なる位置にシフトした場合を示している。共振器光路から最も遠い位置にある第１の放電電極によって励起されたレーザガスは、ガス上流側にピークＰ１を有する利得曲線６７を示す。共振器光路から最も近い位置にある第３の放電電極によって励起されたレーザガスは、ガス下流側にピークＰ３を有する利得曲線６９を示す。第１の放電電極と第３の放電電極の間にある第２の放電電極によって励起されたレーザガスは、ピークＰ１とピークＰ２の間にピークＰ２を有する利得曲線６８を示す。従って、これら３つの利得曲線６７～６９の重ね合わせにより、共振器光路の断面内でほぼ均一な利得分布を示す利得曲線７０が得られる。
実開平６－４５３５９号公報 特許第３８１０４５９号 特許第２８６２０５８号 特開昭６０－２８２８８号公報
J. Phys. D: Appl. Phys. 22 (1989) 1835-1839
　特許文献２のように、複数の電極をガス流方向にシフト配置した場合でも、ガス圧、ガス流速、電極幅、重ね合わせ間隔、重ね合わせ数などの各種パラメータが変化すると、必ずしも利得分布が均一になるとは限らない。以下にその例を示す。
　図１８と図１９は、２組の電極をシフト配置した状態で、ガス流速が変化したときの利得分布の一例を示すグラフである。曲線７１は、ガス上流側にある第１の電極によって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線７２は、ガス下流側にある第２の電極によって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線７３は、曲線７１と曲線７２を重ね合わせた全体の利得分布を示す。図１８において、θ１は、曲線７１のピークから上流側における利得変化の傾きであり、θ２は曲線７１のピークから下流側における利得変化の傾きである。
　図１８では、特許文献２のように２組の電極をシフト配置した状態で、中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られている。一方、図１９では、図１８と比べてガス流速が大きく、利得曲線７１，７２がガス流方向に延長するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。
　図２０は、図１８と比べて、ガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２はガス流方向に収縮するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。
　図２１は、図１８と比べて、電極幅が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２は互いに離れるようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。
　図２２は、図１８と比べて、レーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２の傾きが増加するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。
　図２３は、図１８と比べて、第１電極と第２電極の間隔が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、利得曲線７１，７２は互いに離れてガス流方向に延長するようになり、その結果、中間領域での利得分布が傾斜し、均一な利得分布が得られないことが判る。
　なお、図１８～図２３では、簡単のため、２組の電極を使用した場合を説明したが、３組以上の電極をシフト配置した場合でも同様に、均一な利得分布が得られる条件はかなり限定的になる。
　電極間の中間領域で均一な利得分布が得られる条件は、第１電極の利得曲線７１および第２電極の利得曲線７２が各ピークの前後でほぼ対称になる場合であり、図１８に示すように、ピーク上流側の傾きθ１とピーク下流側の傾きθ２がほぼ等しい場合に限られる。例えば、図１９に示したようにガス流速が大きくなると、ピーク下流側の傾きθ２がピーク上流側の傾きθ１より小さくなる。レーザ発振器の効率向上のために、より大きなガス流速に変更する場合、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置など他のパラメータも同時に変更しなければ、均一な利得分布を達成することは困難である。
　このように特許文献２の手法では、均一な利得分布を達成できる条件がかなり限定されており、ガス圧、ガス流速、電極幅、重ね合わせ間隔、重ね合わせ数などのパラメータのいずれか１つが変化すると、均一な利得分布が得られなくなる。そのためレーザ発振器の設計の自由度が小さくなり、実際に採用することはかなり難しい。また、設計の段階では均一な利得分布を達成できていても、装置稼働中にガス圧、ガス流速などが変動してしまうと、均一な利得分布が得られなくなる。その結果、出力されるレーザビームが非対称になり、このレーザビームを切断加工に使用した場合、被加工物の切断面に異方性が発生し、切断品質が悪くなる可能性がある。
　本発明の目的は、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変化しても均一な利得分布を安定に実現できるガスレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。
　上記目的を達成するために、本発明の一態様は、
　光共振器の光軸と、レーザガスを光共振器内に供給する方向と、レーザガスを励起する放電の方向とが互いに直交した３軸直交型のガスレーザ装置であって、
　光共振器の光軸に対して第１ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第１ガス供給機構、および該光軸から第１ガス流方向の上流側に寄せて設置された第１放電電極対を含む第１励起ユニットと、
　光共振器の光軸に対して、第１ガス流方向とは反対の第２ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第２ガス供給機構、および該光軸から第２ガス流方向の上流側に寄せて設置された第２放電電極対を含む第２励起ユニットと、を備え、
　第１放電電極対および第２放電電極対のそれぞれの電極対の上下の対の電極がガス流方向において同じ幅を有し、
　Ｍ２値が１．８～３あるいは強度分布のピークがドーナツ状であるビームモードを発生させる。
　本発明によれば、光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を備えた第１励起ユニットおよび第２励起ユニットを設けることによって、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変化しても均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性が向上する。
本発明の実施の形態１を示す正面図である。 本発明の実施の形態１を示す平面図である。 本発明の実施の形態１を示す側面図である。 励起ユニットを光軸に関して対称配置した場合、レーザガスの利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでの電極幅ｗが小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでのレーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図４と比べて、各励起ユニットでの距離ｄが大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の実施の形態２に係る３軸直交型ガスレーザ装置の利得分布、ビームモード形状およびアパーチャの位置関係を示す説明図である。 ＴＥＭ０１ ＊モードと他の対称モード（例えば、ＴＥＭ００）が混合したモードの強度分布を示すグラフである。 従来のガスレーザ装置の一例を示す構成図である。 ３軸直交型ＣＯ２レーザ発振器において利得分布と放電電極位置の関係を示す。 非対称なビームモード分布の一例を示す。 従来の３軸直交型ＣＯ２レーザ発振器の他の例を示す平面図である。 放電電極を横断する断面図である。 光学空洞を通過する際、励起されたレーザガスの利得と共振器光路の位置との関係を示すグラフである。 ２組の電極をシフト配置した状態で、ガス流速が変化したときの利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、ガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、ガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、電極幅が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、レーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 図１８と比べて、第１電極と第２電極の間隔が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。 Ｍ２値が１．８程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２４のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ２値が２程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２６のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ２値が２．５付近のビームモードを示す鳥瞰図である。 図２８のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ２値が３程度のビームモードを示す鳥瞰図である。 図３０のビームモードに対応した断面図である。 Ｍ２値が２．５～３付近のビームモードを示す鳥瞰図である。 図３２のビームモードに対応した断面図である。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１を示す正面図であり、図２は平面図、図３は側面図である。３軸直交型ガスレーザ装置は、部分反射ミラー２、折り返しミラー３，４、全反射ミラー５を含む光共振器と、光共振器の光軸に沿って設置された複数（ここでは２個）の励起ユニットＵ１，Ｕ２と、レーザガスを外気と遮断する筐体１１などで構成される。ここで理解容易のため、光共振器の光軸方向をＹ方向、レーザガスを光共振器内に供給する方向と平行な方向をＸ方向、レーザガスを励起する放電の方向をＺ方向とする。
　本実施形態では、ＹＺ面内に３つの光軸１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有するＺ型共振器を使用した場合を例示するが、その他の構成、例えば、ファブリペロ共振器、複合共振器、リング型共振器、Ｖ型共振器、Ｗ型共振器、コ字型共振器なども同様に使用できる。
　部分反射ミラー２は、光共振器の内部で増幅されたレーザ光の一部を外部に取り出す出力ミラーとして機能する。全反射ミラー５は、光共振器の内部で増幅されたレーザ光を低損失で反射するリアミラーとして機能する。折り返しミラー３，４は、光共振器の光軸を折り畳むために設けられ、これにより装置全体の小型化が図られる。
　部分反射ミラー２および折り返しミラー４の近傍には、レーザ光の光路を規定する円形開口を有するアパーチャ部材６ａが設けられる。折り返しミラー３および全反射ミラー５の近傍にも同様に、レーザ光の光路を規定する円形開口を有するアパーチャ部材６ｂが設けられる。
　励起ユニットＵ１は、放電電極対１ａと、熱交換器７ａと、送風機８ａと、ガスダクト９ａなどを備える。放電電極対１ａは、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間１４ａにＺ方向に沿った無声放電を形成する。送風機８ａは、筐体１１内に封入されたレーザガスをガスダクト９ａ内で方向１２ａに沿って循環させる。これにより放電空間１４ａに向けてレーザガスが－Ｘ方向に沿って供給される。放電空間１４ａを通過したレーザガスは、熱交換器７ａで冷却され、再び送風機８ａに戻る。
　励起ユニットＵ２は、励起ユニットＵ１と同様なコンポーネントを有し、放電電極対１ｂと、熱交換器７ｂと、送風機８ｂと、ガスダクト９ｂなどを備える。なお図１では、理解容易のため、図示を一部省略している。放電電極対１ｂは、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間１４ｂにＺ方向に沿った無声放電を形成する。送風機８ｂは、筐体１１内に封入されたレーザガスをガスダクト９ｂ内で方向１２ｂに沿って循環させる。これにより放電空間１４ｂに向けてレーザガスが＋Ｘ方向に沿って供給される。放電空間１４ｂを通過したレーザガスは、熱交換器７ｂで冷却され、再び送風機８ｂに戻る。
　無声放電によってレーザガス中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスとしてＣＯ２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。部分反射ミラー２から出力されるレーザビームは、一般に、ＴＥＭｎｍ（ｎ，ｍは０または正の整数）で表されるビームモードを有する。ビームモードは、光共振器の利得分布、アパーチャ部材６ａ，６ｂの開口形状などで制御可能である。図２では、光軸周りにドーナツ状に分布するＴＥＭ０１ ＊モードの強度分布１３を例示している。
　本実施形態において、図２と図３に示すように、励起ユニットＵ１における放電電極対１ａは、光共振器の光軸からレーザガスの上流側寄りに、＋Ｘ方向にシフト配置している。一方、励起ユニットＵ２における放電電極対１ｂは、光共振器の光軸からレーザガスの上流側寄りに、－Ｘ方向にシフト配置している。
　このように光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を有する２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置することによって、各励起ユニットでの利得分布の形状は互いに鏡像の関係になり、両者を重ね合わせた全体の利得分布は対称になる。そのため、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変動して、一方の利得分布形状が変化したとしても、他方の利得分布形状も対称に変化する。その結果、均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性を向上させることができる。例えば、レーザビームを用いて切断加工を行う場合、切断面の品質を向上させることができる。
　ここで、放電方向（Ｚ方向）に沿って観察したとき、光軸１０ａ，１０ｂ，１０ｃを含むＹＺ面Ｐから放電電極対１ａまでの距離をｄ１、ＹＺ面Ｐから放電電極対１ｂまでの距離をｄ２とする。また、放電電極対１ａの電極幅をｗ１、放電電極対１ｂの電極幅をｗ２、アパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口の半径をＲＡとする。
　図４は、励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して対称配置した場合、レーザガスの利得分布の一例を示すグラフである。曲線１６ａは、励起ユニットＵ１の放電電極対１ａによって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線１６ｂは、励起ユニットＵ２の放電電極対１ｂによって励起されたレーザガスの利得分布を示す。曲線１８は、曲線１６ａと曲線１６ｂを重ね合わせた全体の利得分布を示す。励起ユニットＵ１の電極幅ｗ１は、ＹＺ面Ｐからガス上流側に距離ｄ１だけシフトしており、電極幅ｗ１のガス下流端と曲線１６ａのピークが一致する。励起ユニットＵ２の電極幅ｗ２は、ＹＺ面Ｐからガス上流側に距離ｄ２だけシフトしており、電極幅ｗ２のガス下流端と曲線１６ｂのピークが一致する。
　ここで、ｄ１＝ｄ２（＝ｄ）およびｗ１＝ｗ２（＝ｗ）に設定することが好ましく、これにより曲線１６ａと曲線１６ｂはＹＺ面Ｐに関して鏡像の関係になり、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。
　図５は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのガス流速が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂはガス流方向に延長するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。
　図６は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのガス流速が小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂはガス流方向に収縮するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。
　図７は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２での電極幅ｗが小さい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂの半値幅が小さくなるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。
　図８は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２でのレーザガスのガス圧が大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂの傾きが増加するようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。レーザガス圧が大きくなると、利得分布の均一性が若干低下するが、従来の非対称配置での利得分布（例えば、図２２）と比べると、利得分布の均一性は改善されており、発生するレーザビーム形状の対称性が向上する。
　図９は、図４と比べて、各励起ユニットＵ１，Ｕ２での距離ｄが大きい場合の利得分布の一例を示すグラフである。この場合、個々の利得曲線１６ａ，１６ｂが互いに離れるようになるが、両者を重ね合わせた曲線１８は左右対称になり、光軸を含む中間領域においてほぼ均一な利得分布が得られることが判る。距離ｄが大きくなると、利得分布の均一性が若干低下するが、従来の非対称配置での利得分布（例えば、図２３）と比べると、利得分布の均一性は改善されており、発生するレーザビーム形状の対称性が向上する。
　このように２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置することによって、各励起ユニットの利得分布を重ね合わせた全体の利得分布が対称になるため、ガス流速、ガス圧、電極幅、電極配置などのパラメータが変動しても、均一な利得分布を安定に実現でき、出力されるレーザビームの対称性を向上させることができる。
　以上の説明では、２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して対称配置した場合を例示したが、２個以上の励起ユニットＵ１および２個以上の励起ユニットＵ２を光軸に沿って交互に配置しても同様な効果が得られる。
　次に、アパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口について説明する。レーザビームの対称性を確保するためには、レーザビームが通る範囲で均一な利得分布が得られていることが好ましい。そのため光共振器の光軸を含むＹＺ面Ｐから放電電極対１ａ，１ｂまでの距離ｄ、およびアパーチャ部材６ａ，６ｂの円形開口の半径ＲＡは、ＲＡ≦ｄの関係を満たすことが好ましい。
　例えば、３軸直交型ＣＯ２レーザ装置において、アパーチャ半径ＲＡは、一般に５ｍｍ～１５ｍｍ程度に設定されている。従って、距離ｄは、ＲＡ≦ｄの関係を保ちつつ、５ｍｍ≦ｄ≦１５ｍｍに設定することが好ましい。なお、市販されているＣＯ２レーザ用の部分反射ミラー２は、最大直径でφ２インチまでのものが一般的であるため、レーザビーム直径も一般に２インチ以下に設定される。
実施の形態２．
　図１０Ａと図１０Ｂは、本発明の実施の形態２に係る３軸直交型ガスレーザ装置の利得分布、ビームモード形状およびアパーチャの位置関係を示す説明図である。３軸直交型ガスレーザ装置は、図１～図３に示したものと同様な構成を有し、光共振器の光軸に対してレーザガス供給方向が互いに反対であって、ガス上流側に放電電極対を有する２つの励起ユニットＵ１，Ｕ２を光軸に関して左右対称に配置している。
　アパーチャ部材６ａ，６ｂが半径ＲＡの円形開口を有する場合、レーザ装置から出力されるレーザビームの強度分布２０は、例えば図１０Ｂに示すようなＴＥＭ０１ ＊モードなどの光軸周りにドーナツ状に分布するモードであることが好ましい。ＴＥＭ０１ ＊モードは、一般に下記式で表される。ここで、ｗは基本モードビーム半径、ｒは径方向距離、Ｉ０は定数である。ＴＥＭ０１ ＊モードでは、ビーム品質を示すＭ２値は２となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図１０Ａでは、２組の励起ユニットＵ１，Ｕ２で得られる全体の利得分布の均一性が、ガス圧、ガス流速などのパラメータ変動に起因して若干低下している場合を例示している。ここで、各放電電極対１ａ，１ｂのガス下流端が、利得分布曲線１６ａ，１６ｂの各ピーク位置と一致するように距離ｄ１，ｄ２を設定している。
　所望のビームモード形状のレーザ光を効率的に発振させるためには、ビームモードの強度分布が強い部分と、レーザガスが大きな利得を示す部分とが一致することが好ましい。図１０Ｂに示すＴＥＭ０１ ＊モードでは、強度のピークはレーザビーム中心ではなく、光軸周りにドーナツ状に分布する。
　本実施形態では、２組の励起ユニットＵ１，Ｕ２で得られる全体の利得分布のピーク位置とＴＥＭ０１ ＊モードのピーク位置とが一致するように、距離ｄ１，ｄ２を設定している。これによりＴＥＭ０１ ＊モードを有するレーザビームが効率的に発振するようになる。こうした設定により、ガス圧、ガス流速などのパラメータ変動に起因して利得分布の均一性が低下した場合でも、利得分布のピーク位置とビームモードのピーク位置が一致しているため、ビームモード形状の選択性が良くなる。
　軟鋼やステンレス鋼のレーザ切断加工において薄い材料を高速に切断する場合はレーザのビーム品質を示すＭ２値は小さい方がよく、放電電極のガス下流端を光軸に一致させて利得分布の最も高くなる位置をビーム中心に設定することが通常であった。一方、軟鋼やステンレス鋼のレーザ切断加工において、例えば厚みが６ｍｍ以上の厚い材料を切断する場合、アシストガスを材料裏面まで十分に到達させるために、切断カーフ(kerf)幅はある程度広くなければならない。この場合、レーザビームの集光性はある程度低い方が好ましく、ビーム品質を示すＭ２値が１．８～３程度のものを使用するのがよい。例えば、図２４および図２５はＭ２値が１．８程度、図２６および図２７はＭ２値が２、図２８および図２９はＭ２値が２．５付近、図３０および図３１はＭ２値が３程度のビームモードの鳥瞰図およびその断面図である。また、図３２および図３３はＭ２値が２．５～３付近のドーナツ状のピークを示す強度分布をもつビームの鳥瞰図およびその断面図である。
　本実施形態では、２組の放電電極対１ａ，１ｂで形成される利得分布曲線１６ａ，１６ｂの各ピーク位置とビームモードのピーク位置とが一致するように、距離ｄ１，ｄ２を設定することによって、板金加工に適したビームモード形状のレーザが発振しやすくなり、図１４に示したような非対称モードのビーム発振を抑制でき、その結果、板金の切断性能を向上させることができる。
　ここで、３軸直交型レーザ発振器におけるアパーチャ半径ＲＡは、ビームの損失が小さく、かつビームモード形状が規定できるように設定されている。このため、アパーチャ半径ＲＡは、ビームの基本モード径の約２倍程度、すなわちＲＡ≒２ｗ程度に設定することが好ましい。
　また、図１０Ｂに示したＴＥＭ０１ ＊モードの強度分布２０において、ピーク位置をＲｐとすると、Ｒｐ＝ｗ／√２になる。本実施形態では、ピーク位置Ｒｐと、光軸から放電電極のガス下流端までの距離ｄとが等しく、即ち、Ｒｐ＝ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）に設定しているため、ＲＡ＝ｄ×２√２の関係を満たすことが好ましい。
　例えば、３軸直交型ＣＯ２レーザ装置では、実施の形態１でも説明したように、アパーチャ半径ＲＡは、一般に５ｍｍ～１５ｍｍ程度に設定されている。従って、距離ｄは、１．８ｍｍ≦ｄ≦５．３ｍｍの関係を満たすことが好ましい。
　図１１は、ＴＥＭ０１ ＊モードと他の対称モード（例えば、ＴＥＭ００）が混合したモードの強度分布を示すグラフであり、Ｍ２値は１．８である。また、図２４から図３３はＭ２値が１．８～３のビームモードであるが、これらのモードでもＴＥＭ０１ ＊モードの場合と同様、全体の利得分布のピーク位置とビームモードの最も外側のドーナツ状のピーク位置とが一致するように距離ｄを設定することにより、同様な効果が得られる。これらのモードのピーク位置は、ピーク位置をＲｐとすると、Ｒｐ＝ｗ／（Ｍ２値）１／２になる。本実施形態では、ピーク位置Ｒｐと、光軸から放電電極のガス下流端までの距離ｄとが等しく、即ち、Ｒｐ＝ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）に設定しているため、ＲＡ＝ｄ×２（Ｍ２値）１／２の関係を満たすことが好ましい。
　なお、各実施形態ではレーザガスとしてＣＯ２を使用した場合を例示したが、その他のレーザガス、例えば、ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ－Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦなどを使用した場合も本発明は適用可能である。
実施の形態３．
　本実施形態に係るレーザ加工装置は、実施の形態１または２に開示されたガスレーザ装置と、ガスレーザ装置から出力されるレーザ光を被加工物に向けて集光するための集光光学系と、被加工物を所望の方向に移動したり、所望の位置で停止させるための加工テーブルあるいは被加工物の所望の位置にレーザ光を集光させるための移動可能な該集光光学系などを備える。上述したように、対称性に優れたビームモード、例えば、ＴＥＭ０１ ＊モードのレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことによって、高品質でレーザ加工を行うことができる。
　１ａ，１ｂ　放電電極対、　２　部分反射ミラー、　３，４　折り返しミラー、　５　全反射ミラー、　６ａ，６ｂ　アパーチャ部材、　７ａ，７ｂ　熱交換器、　８ａ，８ｂ　送風機、　９ａ，９ｂ　ガスダクト、　１０ａ，１０ｂ，１０ｃ　光軸、　１１　筐体、　１４ａ，１４ｂ　放電空間、　Ｕ１，Ｕ２　励起ユニット。

Claims (10)

  1. 　光共振器の光軸と、レーザガスを光共振器内に供給する方向と、レーザガスを励起する放電の方向とが互いに直交した３軸直交型のガスレーザ装置であって、
    　光共振器の光軸に対して第１ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第１ガス供給機構、および該光軸から第１ガス流方向の上流側に寄せて設置された第１放電電極対を含む第１励起ユニットと、
    　光共振器の光軸に対して、第１ガス流方向とは反対の第２ガス流方向に沿ってレーザガスを供給する第２ガス供給機構、および該光軸から第２ガス流方向の上流側に寄せて設置された第２放電電極対を含む第２励起ユニットと、を備え、
    　第１放電電極対および第２放電電極対のそれぞれの電極対の上下の対の電極がガス流方向において同じ幅を有し、
    　Ｍ２値が１．８～３あるいは強度分布のピークがドーナツ状であるビームモードを発生させることを特徴とするガスレーザ装置。
  2. 　ドーナツ状のビームモードは、ＴＥＭ０１ ＊モードであることを特徴とする請求項１記載のガスレーザ装置。
  3. 　放電方向に沿って観察して、光共振器の光軸と第１放電電極対との間の距離が、光共振器の光軸と第２放電電極対との間の距離と等しく、第１放電電極対の電極幅と第２放電電極対の電極幅が互いに等しいことを特徴とする請求項１または２記載のガスレーザ装置。
  4. 　光共振器の光軸と第１放電電極対のガス流に対して下流端との間の距離、および該光軸と第２放電電極対のガス流に対して下流端との間の距離が、ドーナツ状のビームモードの中心からピークの位置の距離と一致していることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
  5. 　光共振器は、複数のミラーと、レーザ光の光路を規定する円形開口を有するアパーチャ部材とを含み、
    　光共振器の光軸と放電電極対のガス流に対して下流端との間の距離をｄとし、アパーチャ部材の円形開口の半径をＲＡとして、ＲＡ≦ｄの関係を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
  6. 　光共振器の光軸と放電電極対との間の距離をｄとし、３軸直交型ＣＯ２レーザ装置において、５ｍｍ≦ｄ≦１５ｍｍの関係を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
  7. 　光共振器の光軸と放電電極対との間の距離をｄとし、アパーチャ部材の円形開口の半径をＲＡとして、ＲＡ＝ｄ×２√２の関係を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
  8. 　光共振器の光軸と放電電極対との間の距離をｄとし、アパーチャ部材の円形開口の半径をＲＡ、ビームモード品質を示すＭ２値をＭ２として、Ｍ２が１．８から３であり、ＲＡ＝ｄ×２（Ｍ２）１／２の関係を満たすことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のガスレーザ装置。
  9. 　３軸直交型ＣＯ２レーザ装置において、１．８ｍｍ≦ｄ≦５．３ｍｍの関係を満たすことを特徴とする請求項７記載のガスレーザ装置。
  10. 　請求項１～９のいずれかに記載のガスレーザ装置から出力されるレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
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