(57)【要約】【課題】ミラーの損傷が生じにくい折返し光共振器を提供する。【解決手段】折返し光共振器のフロントミラーが凹面鏡で構成されており、リアミラーが、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持ち、フロントミラーとリアミラーとの間の光軸上に配置された折返しミラーが凹面鏡で構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面鏡で構成されたフロントミラーと、
相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持つリアミラーと、
前記フロントミラーと前記リアミラーとの間の光軸上に配置され、凹面鏡で構成された折返しミラーと
を有する折返し光共振器。
【請求項２】
前記フロントミラーと前記リアミラーとの間に閉じ込められた光の、前記折返しミラーへの入射角が４５°より小さい請求項１に記載の折返し光共振器。
【請求項３】
前記リアミラーの２枚の反射面のなす角度が９０°より大きい請求項１または２に記載の折返し光共振器。
【請求項４】
さらに、前記リアミラーの前記２つの反射領域のなす角度を微調整する微調整機構を有し、
前記微調整機構は、
作用点の変位量が力点の変位量より小さく、作用点の変位によって前記リアミラーの前記２つの反射領域のなす角度が変化するように構成された梃子と、
前記梃子の力点に力を加えて作用点を変位させた状態で前記２つの反射領域のなす角度を固定する固定具と
を含む請求項３に記載の折返し光共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、折返し光共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器は、光を閉じ込める光共振器と、レーザガス励起のための放電電極部と、レーザガス循環部とを備えている。光共振器は、フロントミラーとリアミラーとを含み、光共振器に閉じ込められた光が増幅されて、一部がフロントミラーを透過して外部に放射される。レーザビームの偏光方向を制御するために、光共振器の光軸上に折返しミラーを配置した折返し光共振器が公知である。また、高次の横モードの発生を抑制してモード安定性を高めるために、リアミラーとして、相互に直交する２つの反射面を持つ直交型ミラーを用いた光共振器が公知である（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２２０１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フロントミラーに凹面鏡を用いて半球型共振器を構成すると、折返しミラーやリアミラーの位置におけるビーム径が小さくなるため、その位置においてエネルギ密度が高くなる。このため、折返しミラーやリアミラーの損傷が生じやすくなる。特に、折返しミラーでは、レーザビームが光共振器内を１往復する間に２度の反射が生じるため、損傷の危険性が高い。
【０００５】
本発明の目的は、ミラーの損傷が生じにくい折返し光共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
凹面鏡で構成されたフロントミラーと、
相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持つリアミラーと、
前記フロントミラーと前記リアミラーとの間の光軸上に配置され、凹面鏡で構成された折返しミラーと
を有する折返し光共振器が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
リアミラーを、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持つ構成とすることにより、レーザビームのモード安定性を高めることができる。折返しミラーを凹面鏡にすることにより、折返しミラーやリアミラーの位置におけるビーム断面が大きくなり、折返しミラーやリアミラーの損傷が生じにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施例による折返し光共振器が搭載されたガスレーザ装置の放電領域内の光軸を含む断面図である。
【図２】図２は、本実施例による折返し光共振器が搭載されたガスレーザ装置の放電領域内の光軸に垂直な断面図である。
【図３】図３は、本実施例による折返し光共振器の概略平面図である。
【図４】図４は、比較例による折返し光共振器の概略平面図である。
【図５】図５は、図３に示した実施例による折返し光共振器の概略平面図及び概略側面図である。
【図６】図６は、他の実施例による折返し光共振器の概略平面図である。
【図７】図７は、図６に示した実施例による折返し光共振器のリアミラーの微調整機構を示す断面図である。
【図８】図８は、さらに他の実施例による折返し光共振器の概略平面図である。
【図９】図９は、レーザ加工装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１〜図３を参照して、実施例による折返し光共振器が搭載されたガスレーザ装置、及び折返し光共振器について説明する。
図１は、実施例による折返し光共振器が搭載されたガスレーザ装置の放電領域内の光軸を含む断面図である。放電領域内の光軸方向をｚ軸方向とし、鉛直上方をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。
【００１０】
チェンバ１０にレーザガスが収容される。チェンバ１０の内部空間が、相対的に鉛直方向上側に位置する光学室１１と、相対的に鉛直方向下側に位置するブロワ室１２と区分されている。光学室１１とブロワ室１２とは、上下仕切り板１３で仕切られている。なお、上下仕切り板１３には、レーザガスを光学室１１とブロワ室１２との間で流通させる開口が設けられている。ブロワ室１２の側壁から光学室１１の底板１４がｚ軸方向の両側に張り出しており、光学室１１のｚ軸方向の長さが、ブロワ室１２のｚ軸方向の長さより長くなっている。チェンバ１０は、光学室１１の底板１４においてチェンバ支持部材１６により光学ベースに支持される。
【００１１】
光学室１１内に、一対の放電電極２１が配置されている。一対の放電電極２１は、それぞれ放電電極支持部材２２、２３を介して底板１４に支持されている。一対の放電電極２１は、ｘ軸方向に間隔を隔てて配置され、両者の間に放電領域２４が画定される。放電電極２１は放電領域２４に放電を生じさせることにより、レーザガスを励起させる。後に図２を参照して説明するように、放電領域２４を図１の紙面に垂直な方向にレーザガスが流れる。
【００１２】
光学室１１内に配置された共通支持部材２６に折返し光共振器２５が支持されている。折返し光共振器２５は、フロントミラー２５Ｆ、折返しミラー２５Ｍ、及びリアミラーで構成される。図１に示した断面には、リアミラーが現れていない。フロントミラー２５Ｆと折返しミラー２５Ｍとの間の光軸がｚ軸に平行であり、放電領域２４内を通過している。共通支持部材２６は、光共振器支持部材２７を介して底板１４に支持されている。折返し光共振器の光軸をフロントミラー２５Ｆ側（図１において左側）に延伸させた延長線と光学室１１の壁面との交差箇所に、レーザビームを透過させる光透過窓２８が取り付けられている。折返し光共振器２５内で励振されたレーザビームが光透過窓２８を透過して外部に放射される。
【００１３】
ブロワ室１２にブロワ５０が配置されている。ブロワ５０は、光学室１１とブロワ室１２との間でレーザガスを循環させる。
【００１４】
図２は、本実施例による折返し光共振器２５（図１）が搭載されたガスレーザ装置のｚ軸に垂直な断面図である。チェンバ１０の内部空間が上下仕切り板１３により、上方の光学室１１と下方のブロワ室１２とに区分されている。光学室１１内に、一対の放電電極２１、折返し光共振器２５（図１）を支持する共通支持部材２６が配置されている。放電電極２１の間に放電領域２４が画定される。
【００１５】
光学室１１内に仕切り板１５が配置されている。仕切り板１５は、上下仕切り板１３に設けられた開口１３Ａから放電領域２４までの第１ガス流路５１、放電領域２４から上下仕切り板１３に設けられた他の開口１３Ｂまでの第２ガス流路５２を画定する。レーザガスは、放電領域２４を、光軸に対して直交する方向（ｙ軸方向）に流れる。放電方向（ｘ軸方向）は、レーザガスが流れる方向（ｙ軸方向）、及び光軸方向（ｚ軸方向）の両方に対して直交する。ブロワ室１２、第１ガス流路５１、放電領域２４、及び第２ガス流路５２によって、レーザガスが循環する循環路が構成される。ブロワ５０は、この循環路をレーザガスが循環するように、レーザガスの流れを発生させる。
【００１６】
ブロワ室１２内の循環路に、熱交換器５６が収容されている。放電領域２４で加熱されたレーザガスが、熱交換器５６を通過することによって冷却され、冷却されたレーザガスが放電領域２４に再供給される。
【００１７】
上下仕切り板１３に、ブロワ室１２から光学室１１にレーザガスを流出させる流出穴５８が設けられている。ブロワ５０によって第１ガス流路５１に向かうレーザガスの流れに含まれる一部のレーザガスは、流出穴５８を通過して光学室１１に流出する。流出穴５８には、パーティクルを除去するフィルタ５９が設けられている。例えば、フィルタ５９は流出穴５８を塞いでおり、ブロワ室１２から光学室１１に流出するレーザガスは、フィルタ５９を通過することによりろ過される。
【００１８】
図３は、本実施例による折返し光共振器２５の概略平面図である。折返し光共振器２５は、フロントミラー２５Ｆ、リアミラー２５Ｒ、及び折返しミラー２５Ｍを含む。フロントミラー２５Ｆと折返しミラー２５Ｍとの間の光軸はｚ軸に平行であり、折返しミラー２５Ｍとリアミラー２５Ｒとの間の光軸はｙ軸に平行である。フロントミラー２５Ｆと折返しミラー２５Ｍとの間の光軸が、放電領域２４内を通過する。
【００１９】
フロントミラー２５Ｆは凹面鏡で構成されている。リアミラー２５Ｒは、相互に交差する位置関係にある平面状の２つの反射領域を持つ。例えば、リアミラー２５Ｒとして、相互に交差した２枚の反射面を持つルーフミラーを用いることができる。２枚の反射面は、交差箇所において厳密に幾何学的にある角度で交わる必要はない。例えば、光学的な性質に影響を及ぼさない範囲において、微小な曲率半径を持つ円筒状の面を介して２枚の反射面が接続されていてもよい。また、２枚の反射面の間に微小な間隙が設けられていてもよい。折返しミラー２５Ｍは、フロントミラー２５Ｆとリアミラー２５Ｒとの間の光軸上に配置されており、凹面鏡で構成されている。
【００２０】
折返しミラー２５Ｍを配置することにより、折返し光共振器２５内で直線偏光のレーザ光が選択的に発振するようになる。折返し光共振器２５内のレーザ光の偏光方向として、折返しミラー２５Ｍに対してＳ偏光となる方向、またはＰ偏光となる方向が選択される。レーザ光の偏光方向としてどちらの方向は選択されるかは、折返しミラー２５Ｍの反射特性に依存する。本実施例においては、折返しミラー２５Ｍに対してＳ偏光となる方向（ｘ軸に平行な方向）の直線偏光を持つレーザ光が発振する。リアミラー２５Ｒは、２枚の反射面の谷線がレーザ光の偏光方向と平行になる姿勢で保持されている。本実施例においては、レーザ光の偏光方向、及びリアミラー２５Ｒの谷線がｘ軸に平行である。
【００２１】
放電領域２４とフロントミラー２５Ｆとの間にフロントアイリス２９Ｆが配置されており、放電領域２４と折返しミラー２５Ｍとの間にリアアイリス２９Ｒが配置されている。フロントアイリス２９Ｆ及びリアアイリス２９Ｒは、光軸から離れて伝搬する余分な光を遮光する。
【００２２】
フロントミラー２５Ｆと折返しミラー２５Ｍとの間にビームウエスト３０が形成される。ビームウエスト３０は、放電領域２４内に位置する。
【００２３】
次に、図４に示した比較例による折返し光共振器と比較しながら、本実施例の優れた効果について説明する。
【００２４】
図４は、比較例による折返し光共振器２５の概略平面図である。比較例においては、折返しミラー２５Ｍが平面鏡で構成されている。フロントミラー２５Ｆは図３に示した実施例と同様に凹面鏡で構成されている。このため、比較例による折返し光共振器２５は、半球型共振器と同様の原理により光閉じ込めを行う。このため、折返しミラー２５Ｍやリアミラー２５Ｒの位置においてビーム径が小さくなる。その結果、エネルギ密度が高くなり、折返しミラー２５Ｍやリアミラー２５Ｒが損傷を受けやすくなる。リアミラー２５Ｒの反射面を凹面にすることにより、エネルギ密度の上昇を改善できるが、ルーフミラーの相互に交差する２枚の反射面を凹面にすることは困難である。
【００２５】
本実施例においては、折返しミラー２５Ｍ（図３）を凹面鏡で構成しているため、折返しミラー２５Ｍ及びリアミラー２５Ｒの位置におけるビーム径が、図４の比較例と比べて大きくなる。その結果、エネルギ密度の上昇を改善し、折返しミラー２５Ｍ及びリアミラー２５Ｒが損傷を受けにくくなるという効果が得られる。
【００２６】
また、本実施例では、リアミラー２５Ｒをルーフミラーで構成しているため、高次横モードの励振を抑制し、モード安定性を高めることができる。
【００２７】
一例として、図３に示した実施例による折返し光共振器２５において、フロントミラー２５Ｆの曲率半径を２０ｍ、折返しミラー２５Ｍの曲率半径を１０ｍとした場合に、図４に示した比較例においてフロントミラー２５Ｆの曲率半径を５ｍとした場合と同じ広がり角のレーザビームを取り出すことができる。
【００２８】
次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、折返しミラー２５Ｍに対してＳ偏光の偏光方向を持つレーザビームが発振するが、折返しミラー２５Ｍの反射特性を調整して、Ｐ偏光の偏光方向を持つレーザビームが発振するようにしてもよい。この場合には、リアミラー２５Ｒを、反射面の谷線がＰ偏光の偏光方向と平行になる姿勢で配置するとよい。
【００２９】
次に、図５〜図７を参照して、他の実施例による折返し光共振器２５について説明する。以下、図３に示した実施例による折返し光共振器２５と共通の構成については説明を省略する。本実施例について説明する前に、図３に示した実施例による折返し光共振器２５の課題について説明する。本実施例では、この課題が解決される。
【００３０】
図５は、図３に示した実施例による折返し光共振器２５の概略平面図、及びｙ軸方向から見た概略側面図である。折返しミラー２５Ｍがレーザビームの光軸に対して斜めに配置されているため、ｙｚ断面における折返しミラー２５Ｍの曲率半径と、ｘｚ断面における折返しミラー２５Ｍの曲率半径とが異なる。その結果、ｙｚ断面におけるビームウエスト３０ｙの位置と、ｘｚ断面におけるビームウエスト３０ｘの位置とが異なる。このため、ビームウエスト３０ｘ、３０ｙの近傍においてビーム断面が楕円になる。
【００３１】
図６は、本実施例による折返し光共振器２５の概略平面図である。本実施例においては、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面のなす角度θｒが９０°より大きい。リアミラー２５Ｒは、２枚の反射面のなす角度θｒの大きさを微調整する微調整機構を備えている。
【００３２】
図７は、リアミラー２５Ｒが備えている微調整機構を示す断面図である。リアミラー２５Ｒは、一方の反射面４０を持つ第１部材４１と、他方の反射面４３を持つ第２部材４４とを含む。第１部材４１は、反射面４０と、それよりも低い位置に設けられた支持面４２を有する。反射面４０と支持面４２との間に段差が生じている。
【００３３】
第２部材４４は、反射面４０に接触するように反射面４０の上に配置されており、その一部分は、支持面４２の上方まで延びている。支持面４２と第２部材４４との間に間隙が形成されている。
【００３４】
支持面４２の上に梃子部材４５が、その底面を支持面４２に向けて配置されている。梃子部材４５の一つの縁である先端が、支持面４２と第２部材４４との間の間隙に挿入されており、先端が、第１部材４１に設けられた段差に押し当てられている。第１部材４１、第２部材４４、及び梃子部材４５により梃子が構成される。梃子部材４５の先端が梃子の支点ＰＰになる。
【００３５】
梃子部材４５の先端とは反対側の縁が支持面４２から浮き上がっており、梃子部材４５の底面と支持面４２との間にシム４８が挿入されている。梃子部材４５とシム４８との接触箇所が梃子の力点ＰＥになる。梃子部材４５の上面の一部が、第２部材４４の一部に接触しており、この接触箇所が梃子の作用点ＰＬになる。第２部材４４はボルト等の固定具４６で第１部材４１に固定される。梃子部材４５は、ボルト等の固定具４７で第１部材４１に固定される。
【００３６】
第１部材４１、第２部材４４、及び梃子部材４５で構成される梃子において、作用点ＰＬの変位量が力点ＰＥの変位量よりも小さい。シム４８を挟んで作用点ＰＬを変位させると、２枚の反射面４０と４３とのなす角度θｒが変化する。角度θｒが変化した状態で固定具４６により第２部材４４を第１部材４１に固定すると、２枚の反射面４０と４３とのなす角度θｒが固定される。
【００３７】
次に、図５〜図７に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面のなす角度θｒを９０°より大きくすることにより、折返しミラー２５Ｍのｘｚ断面における曲率半径とｙｚ断面における曲率半径との差の影響を緩和し、ｙｚ断面におけるビームウエスト３０ｙ（図５）の位置と、ｘｚ断面におけるビームウエスト３０ｘ（図５）の位置とを近づけることができる。その結果、ビームウエストの近傍におけるビーム断面を真円に近づけることができる。
【００３８】
さらに、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面のなす角度θｒを微調整する微調整機構により、角度θｒの大きさを微小な分解能で高精度に調整するすることが可能になる。種々の角度θｒについてビームウエストの近傍におけるビーム断面の形状を観測する評価実験を行うことにより、角度θｒの最適値を決定することができる。
【００３９】
次に、図８を参照してさらに他の実施例による折返し光共振器２５について説明する。以下、図３に示した実施例による折返し光共振器２５と共通の構成については説明を省略する。
【００４０】
図８は、本実施例による折返し光共振器２５の概略平面図である。図３に示した実施例では、フロントミラー２５Ｆとリアミラー２５Ｒとの間に閉じ込められた光の、折返しミラー２５Ｍへの入射角が４５°である。これに対し、本実施例では、この入射角θｉが４５°より小さい。折返しミラー２５Ｍとリアミラー２５Ｒとの間の光軸が、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面で構成される角を二等分するように、リアミラー２５Ｒの姿勢が調整されている。
【００４１】
次に、図８に示した実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、入射角θｉを４５°より小さくすると、折返しミラー２５Ｍのｙｚ断面における曲率半径と、ｘｚ断面における曲率半径との差が小さくなる。その結果、ビームウエストの近傍におけるビーム断面の形状を楕円から真円に近づけることができる。
【００４２】
次に、本実施例の変形例について説明する。本実施例においては、折返しミラー２５Ｍへの入射角θｉを４５°より小さくし、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面のなす角度は、図３に示した実施例と同様に９０°としている。本実施例においても、図６に示した実施例と同様に、リアミラー２５Ｒの２枚の反射面のなす角度θｒを９０より大きくしてもよい。これにより、ビームウエストの近傍におけるビーム断面をより真円に近づけることができる。
【００４３】
次に、図９を参照して、上記複数の実施例のうち何れかの実施例による折返し光共振器２５を搭載したレーザ加工装置について説明する。
【００４４】
図９は、レーザ加工装置の概略図である。レーザ発振器７０が制御装置７３からの指令に基づいてパルスレーザビームを出力する。レーザ発振器７０から出力されたパルスレーザビームは、ビーム整形走査光学系７１を通って加工対象物７５に入射する。ビーム整形走査光学系７１は、レーザビームのビーム断面形状を整形するとともに、レーザビームを二次元方向に走査する。
【００４５】
加工対象物７５は、例えばプリント基板であり、ステージ７２に保持されている。ステージ７２は、制御装置７３からの指令により、加工対象物７５をその被加工面に平行な二方向に移動させることができる。このレーザ加工装置は、パルスレーザビームによって加工対象物７５の穴明け加工に用いられる。
【００４６】
レーザ発振器７０には、上記複数の実施例のうち何れかの実施例による折返し光共振器２５が用いられている。このため、レーザ発振器７０から出力されたパルスレーザビームの高次横モードの発生を抑制するとともに、ビームスポットの真円度を高めることができる。その結果、穴明け加工の加工品質を高めることが可能になる。さらに、折返し光共振器のミラーが損傷しにくいという優れた効果が得られる。
【００４７】
上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００４８】
１０  チェンバ
１１  光学室
１２  ブロワ室
１３  上下仕切り板
１３Ａ、１３Ｂ  開口
１４  底板
１５  仕切り板
１６  チェンバ支持部材
２１  放電電極
２２、２３  放電電極支持部材
２４  放電領域
２５  折返し光共振器
２５Ｆ  フロントミラー
２５Ｍ  折返しミラー
２５Ｒ  リアミラー
２６  共通支持部材
２７  共振器支持部材
２８  光透過窓
２９Ｆ  フロントアイリス
２９Ｒ  リアアイリス
３０  ビームウエスト
３０ｘ  ｘｚ断面におけるビームウエスト
３０ｙ  ｙｚ断面におけるビームウエスト
４０  反射面
４１  第１部材
４２  支持面
４３  反射面
４４  第２部材
４５  梃子部材
４６、４７  固定具
４８  シム
５０  ブロワ
５１  第１ガス流路
５２  第２ガス流路
５６  熱交換器
５８  流出穴
５９  フィルタ
７０  レーザ発振器
７１  ビーム整形走査光学系
７２  ステージ
７３  制御装置
７５  加工対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2020098813.tif 000008
【図７】
2020098813.tif 000009
【図８】
2020098813.tif 000010
【図９】
2020098813.tif 000011