(57)【要約】【課題】雑光成分の少ないレーザビームを得ることができるガスレーザ発振装置を提供する。【解決手段】ガスレーザ発振装置は、レーザ媒質を励起する電界を形成する放電手段と、電界で励起されたレーザ媒質を挟むように対向配置した、誘電体を含む部分反射鏡および全反射鏡と、部分反射鏡および全反射鏡の少なくとも一方への、電界の影響を低減する電界遮断部材と、を備えている。電界遮断部材は、部分反射鏡および全反射鏡による反射光の光軸と同軸に配置される少なくとも１つの筒状部材であり、その筒状部材は、散光部を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界を形成して、レーザ媒質を励起し、放電させる放電手段と、
前記レーザ媒質を挟むように対向配置した、誘電体を含む部分反射鏡および全反射鏡と、
前記部分反射鏡および前記全反射鏡の少なくとも一方への、前記電界の影響を低減する電界遮断部材と、を備え、
前記電界遮断部材は、前記部分反射鏡および前記全反射鏡による反射光の光軸と同軸に配置される少なくとも１つの筒状部材であり、
前記筒状部材は、散光部を有している、ガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記散光部が、前記筒状部材の周壁に形成された、それぞれが０．０１〜２５ｍｍ2の開口面積を有する、複数の開口部を含む、請求項１記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記散光部における前記開口部による開口率が、１０〜５０％である、請求項２記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記散光部が、前記筒状部材の内周面に形成された粗面部を含む、請求項1〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
更に、前記部分反射鏡の姿勢を調整する機能を有する第１調整ユニットと、
前記全反射鏡の姿勢を調整する機能を有する第２調整ユニットと、を具備し、
前記電界遮断部材が、一対の前記筒状部材を有し、
前記一対の前記筒状部材の一方が、前記第１調整ユニットに取り付けられ、
前記一対の前記筒状部材の他方が、前記第２調整ユニットに取り付けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスレーザ発振装置に関し、より詳しくは、同軸流型ガスレーザ発振装置により発振されるレーザビームの品質を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスレーザ発振装置では、レーザ媒質となるガスを耐熱性のホウケイ酸ガラス等の放電管内に導入する。そして、管内に電界を印加して放電させることにより、レーザ光を発生させる。レーザ媒質が、炭酸ガスを主体とし、窒素とヘリウムを含む混合ガスである場合、放電で生じた高速の電子が窒素分子を高エネルギー準位に励起する。励起された窒素分子は、二酸化炭素分子に衝突して、二酸化炭素分子を励起させる。キロワットクラスの高出力レーザでは、混合ガスは、放電管に封入されるのではなく、常に新しいガスを放電空間内に流入させて循環させる方式がとられる。
【０００３】
上述のような循環方式のガスレーザ発振装置には、同軸流型と３軸直交型とがある。同軸流型のガスレーザ発振装置では、混合ガスの流れる方向と、放電の方向と、対向配置されたミラーの間で共振されるレーザビームを取り出す方向とが同じであり、取り出されたレーザビームを、例えば被加工物に照射することで、被加工物を切断するなどの加工が行われる。
【０００４】
ところが、高出力型のガスレーザ発振装置においては、増幅自然光（ＡＳＥ）が発生しやすくなるため、一般にビームの品質は低下する。レーザビームの品質が低下すると、高精度の加工は困難となる。このため、多くの場合、レーザビームの発振モードを制限するためのアパーチャ（絞り）を設けるなどの対策がとられる（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９３３０１号公報
【特許文献２】特開２００５−７２５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、アパーチャの設置は、例えば回折による雑光の発生を招くことがあり、そのような場合には、レーザビームの品質を十分に向上させることは困難である。また、別の問題として、特に高出力型のレーザ発振装置においては、放電のための電界が共振用の反射鏡に影響を及ぼすことがある。共振用の反射鏡には、一般に、光の吸収および散乱が少なく、極めて高い反射率をもつ、非晶質の誘電体多層膜がコーティングされることが多い。しかしながら、そのような反射鏡を高出力のレーザで使用すると、熱や電界などの衝撃により誘電体多層膜が損傷されることがある。そのような場合には、レーザビームの品質が低下したり、反射鏡が共振手段として機能しなくなったりする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、電界を形成して、レーザ媒質を励起し、放電させる放電手段と、前記レーザ媒質を挟むように対向配置した、誘電体を含む部分反射鏡および全反射鏡と、前記部分反射鏡および前記全反射鏡の少なくとも一方への、前記電界の影響を低減する電界遮断部材と、を備え、前記電界遮断部材は、前記部分反射鏡および前記全反射鏡による反射光の光軸と同軸に配置される少なくとも１つの筒状部材であり、前記筒状部材は、散光部を有している、ガスレーザ発振装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、部分反射鏡および全反射鏡による反射光の光軸と同軸に、筒状の電界遮断部材を設けたことにより、特に高出力型のレーザ発振装置において、放電手段により形成される電界の部分反射鏡および全反射鏡に対する影響を低減することができる。その結果、それらの反射鏡に設けられる誘電体多層膜の劣化を抑えて、レーザビームの品質を向上させることができる。さらに、それぞれの反射鏡による反射光の光軸と同軸に配された筒状の電界遮断部材に散光部を設けることで、レーザビームに含まれる、上記の光軸と平行ではない、雑光成分を低減することができる。これにより、特に高出力のレーザ発振装置において、アパーチャの設置によっても解消されないレーザビームの雑光成分を効果的に低減することができ、高品質のレーザビームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスレーザ発振装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のガスレーザ発振装置を含むレーザ加工機の一例を示す斜視図である。
【図３】レーザミラーの近傍の要部を示すガスレーザ発振装置の部分拡大図である。
【図４】散光部の例を示す、電界遮断部材の正面図である。
【図５】散光部としての開口部によりレーザビームの雑光成分が低減される原理を示す、説明図である。
【図６】散光部としての粗面化部によりレーザビームの雑光成分が低減される原理を示す、説明図である。
【図７】散光部を有さない電界遮断部材の問題点を示す説明図である。
【図８】電界遮断部材に散光部としての開口部を設けた場合の開口率と雑光成分比率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、電界を形成して、レーザ媒質を励起し、放電させる放電手段と、レーザ媒質を挟むように対向配置した、誘電体を含む部分反射鏡および全反射鏡と、部分反射鏡および全反射鏡の少なくとも一方への、電界の影響を低減する電界遮断部材と、を備えたガスレーザ発振装置に関する。電界遮断部材は、部分反射鏡および全反射鏡による反射光の光軸と同軸に配置される少なくとも１つの筒状部材である。筒状部材は、散光部を有している。ここで、「散光部」は、その部分に入射した光が、部分反射鏡および全反射鏡から構成される共振手段により共振されるのを防止するように分散（乱反射、および外部への放光を含む）する機能を有している。なお、部分反射鏡および全反射鏡による反射光の光軸と、筒状部材の中心軸とはほぼ同軸であればよく、２つの軸が所定範囲内の角度で交わっていたり、２つの軸の間に多少のずれがあったりしてもよい。
【００１１】
電界遮断部材を設けることで、放電手段により発生する電界の影響により、誘電体を含む部分反射鏡および全反射鏡が損傷されて、それらの反射鏡の間で共振されて、発振されるレーザビームの品質が低下することを防止することができる。さらに、電界遮断部材を筒状部材とし、その軸を、それぞれの反射鏡による反射光の光軸と同軸に配置することで、それぞれの反射光の光軸と平行ではない、レーザビームの雑光成分を、散光部により分散することができる。これにより、雑光成分の共振が防止され、雑光成分を低減することができる。よって、効果的にレーザビームの品質を向上させることができる。
【００１２】
本発明の一形態においては、散光部は、筒状部材の周壁に形成された複数の開口部を含む。周壁の厚みは、例えば、０．５〜１．０ｍｍとすることができる。これにより、レーザビームの雑光成分を、例えば、開口部を通して外部に放光することが容易となる。その結果、雑光成分を効果的に低減することができる。複数の開口部の開口面積は、それぞれ、０．０１〜２５ｍｍ2とすることができる。
【００１３】
ここで、筒状部材の周壁における上記開口部による開口率は、１０〜５０％であるのが好ましい。ここで、「開口率」とは、例えば、筒状部材のうち、散光部が形成されている部分の内周面の総面積に占める、開口部の総面積の割合をいう。図８に、上記開口部による開口率とレーザビームの雑光成分の成分比率との関係の一例をグラフにより示す。図示例のグラフに示されているように、レーザビームの雑光成分比率は、開口率が０〜１０％の区間で、開口率の増加に応じて急激に減少する。よって、開口率を１０％以上とすることで、雑光成分比率を効果的に低減することができる。一方、開口率が５０％を超えると、雑光成分比率の減少率は顕著に小さくなる。よって、開口率を５０％以下とすることで、電界遮断部材の電界遮断能力の低下、および強度の低下などの弊害を抑えて、雑光成分比率を効果的に低減することができる。
【００１４】
なお、散光部として、筒状部材の内周面につや消し部などの粗面部を設けることもできる。そのような粗面部を設けることで、粗面部に入射したレーザビームの雑光成分が乱反射されて、雑光成分の共振が抑えられる。これにより、雑光成分を有効に低減することができる。
【００１５】
本発明のさらに他の形態においては、ガスレーザ発振装置は、更に部分反射鏡の姿勢を調整する機能を有する第１調整ユニットと、全反射鏡の姿勢を調整する機能を有する第２調整ユニットと、を具備している。また、電界遮断部材は一対の筒状部材を有している。そして、一対の筒状部材の一方は、第１調整ユニットに取り付けられ、一対の筒状部材の他方は、第２調整ユニットに取り付けられている。第１調整ユニットおよび第２調整ユニットは、代表的には、部分反射鏡による反射光の光軸と、全反射鏡による反射光の光軸とを一致させるためのアラインメントを実施する機能を有している。そのような第１調整ユニットおよび第２調整ユニットに電界遮断部材である一対の筒状部材をそれぞれ独立に取り付けることで、部分反射鏡による反射光の光軸、および全反射鏡による反射光の光軸と、それぞれの筒状部材の軸とが、アラインメントの実施により、ずれるのを防止することができる。したがって、常に筒状部材をそれぞれの反射鏡による反射光の光軸と同軸（ないしは、ほぼ同軸）に配置することができ、開口部等の散光部の上記の光軸に対する角度を、常に、雑光成分を低減するのに最適な角度に保つことができる。その結果、安定的に、レーザビームの雑光成分を低減することができる。
【００１６】
以下に、本発明の実施形態をより具体的に、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る同軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成をブロック図により示す。
図示例のレーザ発振装置１００は、炭酸ガスレーザ発振装置であり、放電手段としての一対の放電管１を備えている。それぞれの放電管１の両端部には、ドーナッツ状の一対の電極２および３が配置されている。一対の放電管１は、所定の間隔をおいて、同軸に並べられており、対向するそれぞれの一端部が、炭酸ガスを含むレーザガス９の排出流路１６に開口している。放電管１のそれぞれの他端部は、レーザガス９の導入流路１４に開口している。排出流路１６と導入流路１４とは中継流路１０により連絡されている。
【００１７】
一対の電極２および３には、それぞれ電源４が接続されており、電極２と電極３との間には、所定の電圧Ｖ（例えば、２０ｋＶ）が印加される。これにより、それぞれの放電管１の内部に放電空間５が形成され、その放電空間５でレーザガス９による放電が行われる。
【００１８】
２つの放電空間５を間に挟むように、凹面鏡からなる終段ミラー６（全反射鏡）および出力ミラー７（部分反射鏡）が対向配置されており、放電空間５における放電に起因して発生するレーザ光が終段ミラー６および出力ミラー７により共振され、レーザビーム８として、出力ミラー７を通して外部に出力される。出力されたレーザビーム８は、所定の光学系により、集光レンズを含んだ加工ヘッドまで伝送される。加工ヘッドから出力されるレーザにより板金の切断加工等が可能である。終段ミラー６による反射光の光軸および出力ミラー７による反射光の光軸は、一対の放電管１の軸芯Ｉ１（図３参照）に一致することが望ましい。
【００１９】
排出流路１６の内部には、送風機１３が配設されている。送風機１３により、それぞれの放電管１の放電空間５にレーザガス９を供給するように、レーザガス９が、排出流路１６、中継流路１０、および導入流路１４を通して循環される。排出流路１６内の、送風機１３の上流側および下流側の位置には、それぞれ、放電空間５における放電と、送風機１３の運転により上昇したレーザガス９の温度を下げるための熱交換器１１および１２が配設されている。
【００２０】
図２に、ガスレーザ発振装置を含むレーザ加工機の一例を斜視図により示す。図示例のレーザ加工機２００は、反射鏡などを含む光学系１５と、集光レンズ１８を含む加工ヘッド３０とを有しており、ガスレーザ発振装置１００から出力されたレーザビーム８は、光学系１５により加工ヘッド３０まで伝送され、集光レンズ１８により集光される。集光されたレーザビーム８は、加工テーブル１９に載せられたワーク１６に照射されて、ワーク１６の切断加工等が行われる。加工ヘッド３０は、Ｘ軸モータ２０およびＹ軸モータ２１を含む移動機構により移動される。ガスレーザによる加工は、熱加工であり、ワーク１６の微小な領域にレーザビーム８を集光することで、ワーク１６の微小領域の温度を融点まで一気に高めて、切断加工等が行われる。
【００２１】
図３に、ガスレーザ発振装置の終段ミラーおよび出力ミラーの近傍部分を拡大して示す。図３においては、それらの部分以外は、図示を省略している。図３に示すように、終段ミラー６および出力ミラー７は、それぞれ、調整ユニット２２Ａ、２２Ｂに取り付けられている。そして、それぞれの調整ユニット２２Ａ、２２Ｂには、終段ミラー６による反射光の光軸および出力ミラー７による反射光の光軸と同軸に、それぞれ、筒状部材、好ましくは、円筒状部材である電界遮断部材２３が固定されている。調整ユニット２２Ａ、２２Ｂは、終段ミラー６による反射光の光軸および出力ミラー７による反射光の光軸を、例えば一対の放電管の軸芯Ｉ１と一致させるように、終段ミラー６および出力ミラー７の姿勢を調整する機能を有している。電界遮断部材２３は、例えばＣｕ等の金属材料により構成することができる。
【００２２】
そして、終段ミラー６を保持する調整ユニット２２Ａには、１つの電界遮断部材２３が終段ミラー６による反射光の光軸と同軸に固定され、出力ミラー７を保持する調整ユニット２２Ｂには、他の電界遮断部材２３が出力ミラー７による反射光の光軸と同軸に固定されている。その結果、それぞれの調整ユニット２２Ａ、２２Ｂにより、終段ミラー６による反射光の光軸と、出力ミラー７による反射光の光軸とを一致させるためのアラインメントを実行した場合にも、常に、終段ミラー６の光軸、出力ミラー７の光軸およびそれぞれの電界遮断部材２３の軸を一致させることができる。
【００２３】
そして、図４に示すように、電界遮断部材２３の少なくとも内周壁には、放電空間５の内部で発生したレーザビームの雑光成分を分散するための散光部が形成されている。散光部は、図４（ａ）に示すように、電界遮断部材２３に網目状部２４Ａを形成することで、設けることができる。または、図４（ｂ）に示すように、散光部は、電界遮断部材２３に複数の方形の開口部２４Ｂを形成することで、設けることができる。または、図４（ｃ）に示すように、散光部は、電界遮断部材２３に複数の６角形の開口部２４Ｃを形成することで、設けることができる。なお、図４（ａ）〜（ｃ）は、環状の電界遮断部材２３を展開して内周面側から見た図である。
【００２４】
開口部２４Ｂおよび２４Ｃは、電界遮断部材２３を貫通する貫通孔の開口として設けることもできるし、電界遮断部材２３の内周面を窪ませた凹部の開口として設けることもできる。なお、開口部の形状は、方形および６角形に限られず、円形、楕円形、切れ目、３角形、および５角形等の任意の形状とすることができる。
【００２５】
開口部２４Ｂおよび２４Ｃを貫通孔として設けた場合には、図５（ａ）に示すように、開口部２４Ｂおよび２４Ｃを通して、レーザビームの雑光成分２５を外部に放光することができる。これにより雑光成分２５を効果的に低減することができる。この点は、散光部として、網目状部２４Ａを設けた場合も同様である。また、開口部２４Ｂおよび２４Ｃを、凹部の開口として設けた場合にも、レーザビームの雑光成分を乱反射させることで、雑光成分の共振を抑えて、雑光成分を低減することができる。また、乱反射された雑光成分２５を例えば放電管１の管壁を通して外部に放光することで、雑光成分を低減することができる。
【００２６】
また、散光部として、図６に示すように、電界遮断部材２３の内周面に粗面部２４Ｄを形成することもできる。これにより、雑光成分２５を乱反射させることで、雑光成分２５の共振を抑えて、雑光成分２５を低減することができる。
【００２７】
図７に、電界遮断部材に散光部を設けない場合を示す。この例では、電界遮断部材（１２３）が散光部を有していないために、レーザビームの雑光成分２５が低減されず、そのレーザビームには多くの雑光成分２５が含まれることになる。その結果、図７（ｂ）に示すバーンパターン２６Ｃには、雑光成分２５に起因した干渉縞２７が発生する。これに対して、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、電界遮断部材に散光部を設けた場合には、雑光成分２５が低減されるために、干渉縞のない良好なバーンパターン２６Ａおよび２６Ｂを得ることができる。なお、バーンパターンは、アクリル板等に所定時間だけレーザビームを照射することで得ることができる。
【００２８】
図８に、散光部として開口部を設けた場合の開口率と、レーザビームの雑光成分比率との関係をグラフにより示す。同図に示すように、雑光成分比率は、開口率が０％から１０％まで増加する間に、大きな減少率で、顕著に減少する。したがって、１０％以上の開口率で開口部を設けることで、雑光成分を顕著に低減することができる。一方、開口率が５０％以上であれば、雑光成分比率の減少率は顕著に小さくなる。したがって、開口率を５０％以下とすることで、開口率の増大による電界遮断部材２３の強度低下等の弊害を抑えて、効果的に雑光成分を低減することができる。したがって、電界遮断部材２３の少なくとも内周壁の開口率は、１０〜５０％であるのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、特に高出力のガスレーザ発振装置において、顕著にレーザビームの雑光成分を低減することができる。したがって、キロワットクラスの高出力のガスレーザ発振装置により発振されるレーザビームの品質を向上するのに有用である。
【符号の説明】
【００３０】
１…放電管、２、３…電極、４…電源、５…放電空間、６…終段ミラー（全反射鏡）、７…出力ミラー（部分反射鏡）、８…レーザビーム、９…レーザガス、２２Ａ、２２Ｂ…調整ユニット、２３…電界遮断部材、２４Ａ〜２４Ｃ…開口部、２４Ｄ…粗面部、２５…雑光成分、２６Ａ〜２６Ｃ…バーンパターン、２７…干渉縞、１００…レーザ発振装置、２００…レーザ加工機、Ｉ１…光軸
【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】
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【図７】
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【図８】
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