(57)【要約】【課題】出力レーザ光への回折光の混入を防止し、高品質のレーザ加工を実現できるガスレーザ発振器を提供する。【解決手段】ガスレーザ発振器は、全反射ミラーＭ４と部分反射ミラーＭ１との間に複数の折り返しミラーＭ２，Ｍ３が介在した折り返し共振器を有し、共振器内部に互いに交差せずに折り返された３つ以上の光軸Ｌ１〜Ｌ３が配置され、各光軸が互いに傾きを持つように、共振器内部にアパーチャが配置される。【選択図】図１
2008235524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射ミラーと部分反射ミラーとの間に複数の折り返しミラーが介在した折り返し共振器を有するガスレーザ発振器であって、
共振器内部に、互いに交差せずに折り返された３つ以上の光軸が配置され、
各光軸が互いに傾きを持つように、共振器内部にアパーチャが配置されていることを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項２】
全反射ミラーと部分反射ミラーとの間に複数の折り返しミラーが介在した折り返し共振器を有するガスレーザ発振器であって、
共振器内部に、互いに交差せずに折り返された３つ以上の光軸が配置され、
部分反射ミラーと交差する光軸が他の光軸に対して傾きを持つように、共振器内部にアパーチャが配置されていることを特徴とするガスレーザ発振器。
【請求項３】
部分反射ミラーと交差する光軸と、他の光軸との間の光軸間距離をＤとし、
部分反射ミラーと交差する光軸と、他の光軸との間の傾き角をθとして、
Ｄ＜θ×２０（ｍ）
を満たすことを特徴とする請求項１または２記載のガスレーザ発振器。
【請求項４】
レーザ媒質となるガスの流れ方向と、レーザ媒質を励起する放電電流の方向と、共振器の光軸とが互いに略直交した三軸直交型であ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発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、折り返し共振器を有するガスレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器は、共振器を構成する全反射ミラーと部分反射ミラーとの間にレーザ媒質が配置され、光はミラー間で往復しながらレーザ媒質により増幅される。レーザ光は、部分反射ミラーを介して出力される。さらに、全反射ミラーと部分反射ミラーとの間に折り返しミラーを介在させることにより、レーザ媒質内に複数の光軸が存在する折り返し共振器を構成することができる。
【０００３】
こうした折り返し共振器を有する従来のガスレーザ発振器では、一般に、全反射ミラーと交差する光軸と、部分反射ミラーと交差する光軸とは互いに平行に設定される。
【０００４】
図８は、従来のガスレーザ発振器の一例を示す構成図である。これは、下記特許文献１に記載されたもので、リアミラー３と出力ミラー５との間に、２つのフォールディングミラー７，９が介在して、いわゆるＺ字型折り返し共振器を構成している。アパーチャ１１は、フォールディングミラー７の前のＡ位置、あるいはリアミラー３の前のＢ位置に配置され、ＴＥＭ００モード発振を実現している。
【０００５】
この折り返し共振器では、リアミラー３とこれに対向するフォールディングミラー７の間を結ぶ上部光軸ＬＢ１と、出力ミラー５とこれに対向するフォールディングミラー９の間を結ぶ下部光軸ＬＢ２とは互いに平行に設定されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２０４２６０号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の折り返し共振器において、アパーチャ１１がリアミラー３の前のＢ位置に配置されている場合、リアミラー３からフォールディングミラー７へ進行するレーザ光がアパーチャ１１を通過するとき、アパーチャ１１により回折光が発生し、図の右方向へ向かう。回折光の一部は、出力ミラー５に到達し、出力ミラー５から射出されるレーザ光にこの回折光が混入することになる。このとき上部光軸ＬＢ１と下部光軸ＬＢ２は平行であることから、混入した回折光と出力レーザ光との傾きも小さくなり、両者はほぼ平行となる。
【０００８】
レーザ発振器から出力されたレーザ光を加工に使用する場合、通常、発振器の後に伝送光学系を用いてワークに照射している。出力レーザ光と混入した回折光とはほぼ平行で伝搬するため、両者の光が加工点まで到達する。その結果、回折光が悪影響を及ぼして、加工不具合を発生させる原因となる。
【０００９】
本発明の目的は、出力レーザ光への回折光の混入を防止し、高品質のレーザ加工を実現できるガスレーザ発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスレーザ発振器は、全反射ミラーと部分反射ミラーとの間に複数の折り返しミラーが介在した折り返し共振器を有するガスレーザ発振器であって、共振器内部に、互いに交差せずに折り返された３つ以上の光軸が配置され、各光軸が互いに傾きを持つように、共振器内部にアパーチャが配置されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るガスレーザ発振器は、全反射ミラーと部分反射ミラーとの間に複数の折り返しミラーが介在した折り返し共振器を有するガスレーザ発振器であって、共振器内部に、互いに交差せずに折り返された３つ以上の光軸が配置され、部分反射ミラーと交差する光軸が他の光軸に対して傾きを持つように、共振器内部にアパーチャが配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共振器内部において部分反射ミラーに向かって伝搬する回折光が発生した場合、回折光の伝搬方向は、部分反射ミラーから出力されるレーザ光の光軸に対して傾斜するようになるため、両者の光は容易に分離できる。従って、出力レーザ光への回折光の混入を防止でき、高品質のレーザ加工を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す斜視図である。ガスレーザ発振器は、例えば、ＣＯ２など、レーザ媒質となるガスの流れ方向がＸ方向に、対向する放電電極Ｅ１，Ｅ２の間でレーザ媒質を励起する放電電流の方向がＹ方向に、共振器の光軸がＺ方向にそれぞれ設定されており、各方向が互いに略直交した三軸直交型のレーザ発振器を構成している。三軸直交型レーザ発振器は、高いエネルギー効率で高出力のレーザ光を発生できるという利点がある。
【００１４】
図２（ａ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＹ面で見た概略図であり、図２（ｂ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＺ面で見た概略図である。
【００１５】
レーザ共振器は、全反射ミラーＭ４と、出力ミラーとして機能する部分反射ミラーＭ１と、複数（ここでは、２個）の折り返しミラーＭ２，Ｍ３とを備え、折り返しミラーＭ２，Ｍ３が、全反射ミラーＭ４と部分反射ミラーＭ１との間の光路中に介在することによって、いわゆるＺ字型折り返し共振器を構成している。
【００１６】
共振器内部において、部分反射ミラーＭ１の近傍にアパーチャＰ１、折り返しミラーＭ２の近傍にアパーチャＰ２、折り返しミラーＭ３の近傍にアパーチャＰ３、全反射ミラーＭ４の近傍にアパーチャＰ４がそれぞれ配置されている。
【００１７】
部分反射ミラーＭ１と折り返しミラーＭ２との間には光軸Ｌ１が配置され、折り返しミラーＭ２と折り返しミラーＭ３との間には光軸Ｌ２が配置され、折り返しミラーＭ３と全反射ミラーＭ４との間には光軸Ｌ３が配置され、各光軸Ｌ１〜Ｌ３は互いに交差していない。また、部分反射ミラーＭ１から出力されるレーザ光は、光軸Ｌ１と同軸である光軸Ｌ０に沿って進行する。本実施形態では、各光軸Ｌ１〜Ｌ３が互いに非平行となるように設定している。
【００１８】
次に、動作について説明する。共振器内のレーザ光は、全反射ミラーＭ４から光軸Ｌ３に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ３で反射し、続いて折り返しミラーＭ３から斜めの光軸Ｌ２に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ２で反射し、続いて折り返しミラーＭ２から光軸Ｌ１に沿って伝搬して、部分反射ミラーＭ１に到達する。部分反射ミラーＭ１は、レーザ光の一部を反射し、残りを透過させる。
【００１９】
部分反射ミラーＭ１で反射したレーザ光は、光軸Ｌ１、折り返しミラーＭ２、光軸Ｌ２、折り返しミラーＭ３、光軸Ｌ３の順で逆方向に伝搬し、全反射ミラーＭ４に到達する。こうしてレーザ光は、全反射ミラーＭ４と部分反射ミラーＭ１の間で往復しながら、放電励起されたレーザ媒質によって増幅され、部分反射ミラーＭ１から光軸Ｌ０に沿って出力される。
【００２０】
各ミラーの前に配置されているアパーチャＰ１〜Ｐ４は、レーザ光のビーム形状を制御するために配置されている。これらのアパーチャによりレーザ光のプロファイル外周の一部が遮られると、回折光が発生する。回折光の一部は、レーザ光が伝搬する光軸と同じ方向に伝搬する。例えば、全反射ミラーＭ４から折り返しミラーＭ３へ向かうレーザ光の一部は、全反射ミラーＭ４の前に配置されているアパーチャＰ４により遮られ、同時に回折光が発生する。この回折光は、レーザ光に付随して、光軸Ｌ３に沿って折り返しミラーＭ３の方向へ伝搬する。ただし、回折光は外側に広がる性質があり、一部は折り返しミラーＭ３の下方に配置されている部分反射ミラーＭ１に到達する場合がある。
【００２１】
図４は、共振器内部で回折光が発生する様子を示す説明図である。アパーチャＰ４で発生した回折光Ｌｄは、図の左方に向かって伝搬して、その一部が部分反射ミラーＭ１に到達する。ここで、各ミラーＭ１〜Ｍ４が同一面内に設置され、光軸Ｌ１と光軸Ｌ３が互いに平行である場合、こうした回折光の伝搬方向と光軸Ｌ１との傾きが小さくなり、ほぼ平行となる。
【００２２】
なお、図４では、共振器の構成を見やすくするために、回折光の伝搬方向と光軸Ｌ１との傾きが大きくなって見えるが、実際のレーザ発振器では、光軸Ｌ１，Ｌ３の間隔に比べて光軸Ｌ１，Ｌ３は格段に長く設計されるため、回折光の伝搬方向と光軸Ｌ１とはほぼ平行状態になる。
【００２３】
本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、部分反射ミラーＭ１と折り返しミラーＭ２の間の光軸Ｌ１を基準として、折り返しミラーＭ３を部分反射ミラーＭ１から＋Ｘ方向へシフトさせ、全反射ミラーＭ４を折り返しミラーＭ２から−Ｘ方向へシフトさせて、各ミラーＭ１〜Ｍ４が同一面内に位置しないようにしている。即ち、共振器内での各光軸Ｌ１〜Ｌ３は同一面内になく、特に、光軸Ｌ１，Ｌ３が互いに非平行となるように設定している。
【００２４】
そのため、図４に示したように、アパーチャＰ４で発生した回折光Ｌｄの一部が部分反射ミラーＭ１を通過した場合でも、通過した回折光の伝搬方向は、出力レーザ光の光軸Ｌ０に対してＸ方向に傾斜している。例えば、レーザ発振器の後段に光軸Ｌ０に沿ってアパーチャやスリットなどを設けることによって、両者の光を容易に分離することができる。その結果、出力レーザ光への回折光の混入を防止でき、高品質のレーザ加工を実現できる。
【００２５】
図３は、ミラーシフトの他の配置例を示し、図３（ａ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＹ面で見た概略図であり、図３（ｂ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＺ面で見た概略図である。
【００２６】
図３では、部分反射ミラーＭ１と折り返しミラーＭ２の間の光軸Ｌ１を基準として、全反射ミラーＭ４はシフトさせず、折り返しミラーＭ３だけを部分反射ミラーＭ１から＋Ｘ方向へシフトさせて、各ミラーＭ１〜Ｍ４が同一面内に位置しないようにしている。即ち、共振器内での各光軸Ｌ１〜Ｌ３は同一面内になく、特に、光軸Ｌ１，Ｌ３が互いに非平行となるように設定している。
【００２７】
この場合も、図２と同様に、アパーチャＰ４で発生した回折光Ｌｄの一部が部分反射ミラーＭ１を通過した場合でも、通過した回折光の伝搬方向は、出力レーザ光の光軸Ｌ０に対してＸ方向に傾斜するようになり、例えば、レーザ発振器の後段にアパーチャやスリットなどを設けることによって、両者の光を容易に分離することができる。
【００２８】
実施の形態２．
図５は、本発明の第２実施形態を示す斜視図である。ガスレーザ発振器は、図１と同様に、例えば、ＣＯ２など、レーザ媒質となるガスの流れ方向がＸ方向に、対向する放電電極Ｅ１，Ｅ２の間でレーザ媒質を励起する放電電流の方向がＹ方向に、共振器の光軸がＺ方向にそれぞれ設定された三軸直交型レーザ発振器として構成される。本実施形態では、折り返しミラーの数を増やし、共振器内での光軸の数が増加している。
【００２９】
図６は、図５に示すレーザ共振器の各光軸をＹＺ面で見た概略図であり、図７は、図５に示すレーザ共振器の各光軸をＸＺ面で見た概略図である。
【００３０】
レーザ共振器は、全反射ミラーＭ４と、出力ミラーとして機能する部分反射ミラーＭ１と、複数（ここでは、４個）の折り返しミラーＭ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６とを備え、折り返しミラーＭ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６が、全反射ミラーＭ４と部分反射ミラーＭ１との間の光路中に介在することによって、折り返し共振器を構成している。
【００３１】
共振器内部において、部分反射ミラーＭ１の近傍にアパーチャＰ１、折り返しミラーＭ２の近傍にアパーチャＰ２、折り返しミラーＭ３の近傍にアパーチャＰ３、全反射ミラーＭ４の近傍にアパーチャＰ４、折り返しミラーＭ５の近傍にアパーチャＰ５、折り返しミラーＭ６の近傍にアパーチャＰ６がそれぞれ配置されている。
【００３２】
部分反射ミラーＭ１と折り返しミラーＭ２との間には光軸Ｌ１が配置され、折り返しミラーＭ２と折り返しミラーＭ３との間には光軸Ｌ２が配置され、折り返しミラーＭ３と全反射ミラーＭ６との間には光軸Ｌ３が配置され、折り返しミラーＭ６と全反射ミラーＭ５との間には光軸Ｌ４が配置され、折り返しミラーＭ５と全反射ミラーＭ４との間には光軸Ｌ５が配置され、各光軸Ｌ１〜Ｌ５は互いに交差していない。また、部分反射ミラーＭ１から出力されるレーザ光は、光軸Ｌ１と同軸である光軸Ｌ０に沿って進行する。本実施形態では、部分反射ミラーＭ１と交差する光軸Ｌ１は、他の光軸Ｌ２〜Ｌ５に対して非平行となるように設定している。
【００３３】
次に、動作について説明する。共振器内のレーザ光は、全反射ミラーＭ４から光軸Ｌ５に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ５で反射し、続いて折り返しミラーＭ５から斜めの光軸Ｌ４に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ６で反射し、続いて折り返しミラーＭ６から光軸Ｌ３に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ３で反射し、続いて折り返しミラーＭ３から斜めの光軸Ｌ２に沿って伝搬して、折り返しミラーＭ２で反射し、折り返しミラーＭ２から光軸Ｌ１に沿って伝搬して、部分反射ミラーＭ１に到達する。部分反射ミラーＭ１は、レーザ光の一部を反射し、残りを透過させる。
【００３４】
部分反射ミラーＭ１で反射したレーザ光は、光軸Ｌ１、折り返しミラーＭ２、光軸Ｌ２、折り返しミラーＭ３、光軸Ｌ３、折り返しミラーＭ６、光軸Ｌ４、折り返しミラーＭ５、光軸Ｌ５の順で逆方向に伝搬し、全反射ミラーＭ４に到達する。こうしてレーザ光は、全反射ミラーＭ４と部分反射ミラーＭ１の間で往復しながら、放電励起されたレーザ媒質によって増幅され、部分反射ミラーＭ１から光軸Ｌ０に沿って出力される。
【００３５】
各ミラーの前に配置されているアパーチャＰ１〜Ｐ６は、レーザ光のビーム形状を制御するために配置されている。図１と同様に、これらのアパーチャによりレーザ光のプロファイル外周の一部が遮られると、回折光が発生する。回折光の一部は、レーザ光が伝搬する光軸と同じ方向に伝搬することから、部分反射ミラーＭ１に到達して、出力レーザ光に混入する場合がある。
【００３６】
本実施形態では、図６の側面図と図７の平面図に示すように、共振器内での各光軸Ｌ１〜Ｌ５は同一面内になく、特に、光軸Ｌ１と平行な関係になる光軸が存在していない。そのため、共振器内部で発生した回折光の一部が部分反射ミラーＭ１を通過した場合でも、通過した回折光の伝搬方向は、出力レーザ光の光軸Ｌ０に対して傾斜するようになる。例えば、レーザ発振器の後段に光軸Ｌ０に沿ってアパーチャやスリットなどを設けることによって、両者の光を容易に分離することができる。その結果、出力レーザ光への回折光の混入を防止でき、高品質のレーザ加工を実現できる。
【００３７】
次に、アパーチャＰ４による回折光について検討する。単純のため、振幅一定の平面波がアパーチャＰ４によって遮られ、回折光が発生する場合を考える。アパーチャＰ４から発生する回折光の強度分布Ｉは、下記のようなフランフォーファー回折の式で表される。
【００３８】
【数１】
2008235524.tif 000003
【００３９】
ここで、ｒはアパーチャ中心からの径方向の距離、ａはアパーチャ半径、ｚはアパーチャからの伝搬距離、λはレーザ光の波長、Ｊ１はベッセル関数である。
【００４０】
本発明では、アパーチャＰ４から発生してアパーチャＰ１に入り込む回折光の伝搬方向とアパーチャＰ１を通るレーザ光の光軸Ｌ０は傾きを持っているため、レーザ光の伝搬とともに互いに離れていくことになる。
【００４１】
図９は、図１に示すレーザ光が射出される光軸Ｌ０から共振器内をＸＹ面で見た概略図である。図９において、Ｒｘは、共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１を傾けるため横方向にアパーチャをずらした値を示す。Ｒｙは、共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１の間隔である。Ｒ１３は、アパーチャＰ４とアパーチャＰ１間の距離である。
【００４２】
例えば、共振器構成において、アパーチャＰ４の開口径をφ１０ｍｍとし、共振器内光軸Ｌ３の距離を２０００ｍｍ、共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１の間隔をＲｙ＝１０ｍｍ、アパーチャＰ１を横方向にＲｘ＝５ｍｍずらし、共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１の傾きを横方向に５ｍｒａｄとした場合、レーザ光が光軸Ｌ０に沿って共振器から射出し、１０００ｍｍ伝搬した位置において、アパーチャＰ４で発生しレーザ光に混じるフランホーファー回折光の強度は、図１０の十字印（レーザ光の光軸位置）に示すとおりである。つまり、レーザ光の中心とフランホーファー回折光の中心との距離は縦方向に１０ｍｍ、横方向に１０ｍｍ＝（５ｍｍ＋０．００５ｒａｄ×１０００ｍｍ）ずれることになる。
【００４３】
一方、従来の例ではＲｘ＝０ｍｍであり、共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１は平行であるため、共振器より１０００ｍｍ伝搬した位置において、アパーチャＰ４で発生しレーザ光に混じるフランホーファー回折光の強度は、図１１の十字印（レーザ光の光軸位置）に示すとおりである。つまり、レーザ光の中心とフランホーファー回折光の中心との距離は縦方向のみに１０ｍｍ離れており、これは元々の共振器内光軸Ｌ３と共振器内光軸Ｌ１の間隔に等しく、共振器からの伝搬距離によらない。
【００４４】
回折光の強さは、フランホーファー回折光の中心から遠ざかるほど弱くなり、図１０と図１１を比較すると、本発明による実施例の方が回折光の強度は小さくなることが分かる。なお、図のフランホーファー回折光の強度分布は分かりやすくするため実際より強調してある。
【００４５】
本発明による効果はレーザ光に混じる、アパーチャＰ４によるフランホーファー回折光の回折縞が、従来例に比較して１つ以上外側の縞とすると効果がある。例えば、従来例で中心から２つ目の回折縞が混ざり込む時、本発明により３つ目の縞が混ざり込むようにすると、その強度は半分以下となる。
【００４６】
フランホーファー回折縞の２つ目の縞から外側の回折縞を考慮すると、レーザ光の光軸とフランホーファー回折光の中心の縦方向の距離と横方向へずらした距離が同じ程度であれば効果がある（Ｒｘ≒Ｒｙ）。また、発振器からレーザ光を取り出した後、加工点まで伝搬させるための加工装置の光路長は、通常、数ｍ〜十数ｍ程度である。このため、発振器から加工点までの伝搬距離が２０ｍ以内の加工機において、本発明は以下の範囲で適用できる。
【００４７】
共振器内光軸間距離Ｄ＜（共振器内光軸間傾き角度θ×２０ｍ）
【００４８】
ここで、共振器内光軸間距離Ｄは、部分反射ミラーと交差する光軸と、その他の折り返した光軸との間の光軸間距離であり、例えば、図４では光軸Ｌ３と光軸Ｌ１の間の距離、図６では光軸Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５それぞれの間の距離である。
【００４９】
また、共振器内光軸間傾き角度θは、部分反射ミラーと交差する光軸と、その他の折り返した光軸との間の傾き角であり、例えば、図６では光軸Ｌ１と光軸Ｌ３，Ｌ５間の傾き角度である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＹ面で見た概略図であり、図２（ｂ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＺ面で見た概略図である。
【図３】ミラーシフトの他の配置例を示し、図３（ａ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＹ面で見た概略図であり、図３（ｂ）は、図１に示すレーザ共振器をＸＺ面で見た概略図である。
【図４】共振器内部で回折光が発生する様子を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す斜視図である。
【図６】図５に示すレーザ共振器の各光軸をＹＺ面で見た概略図である。
【図７】図５に示すレーザ共振器の各光軸をＸＺ面で見た概略図である。
【図８】従来のガスレーザ発振器の一例を示す構成図である。
【図９】図１に示すレーザ光が射出される光軸Ｌ０から共振器内をＸＹ面で見た概略図である。
【図１０】発振器から１０００ｍｍ伝搬後のフランホーファー回折縞と本発明によるレーザ光軸位置との関係を示す。
【図１１】発振器から１０００ｍｍ伝搬後のフランホーファー回折縞と従来例によるレーザ光軸位置との関係を示す。
【符号の説明】
【００５１】
Ｍ１  部分反射ミラー、  Ｍ２，Ｍ３，Ｍ５，Ｍ６  折り返しミラー、
Ｍ４  全反射ミラー、  Ｐ１〜Ｐ６  アパーチャ、  Ｌ０〜Ｌ５  光軸、
Ｅ１，Ｅ２  放電電極。
【図１】
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【図２】
2008235524.tif 000005
【図３】
2008235524.tif 000006
【図４】
2008235524.tif 000007
【図５】
2008235524.tif 000008
【図６】
2008235524.tif 000009
【図７】
2008235524.tif 000010
【図８】
2008235524.tif 000011
【図９】
2008235524.tif 000012
【図１０】
2008235524.tif 000013
【図１１】
2008235524.tif 000014