(57)【要約】【課題】  出力鏡とリア鏡の間に球面鏡を挿入しても、非点収差が抑えられ、軸対称な出力プロファイルを得ることができるレーザ発振器。【解決手段】  （ａ）の構成では、出力鏡１とリア鏡２の間に折返し鏡２９〜３１（平面鏡）と、３２，３３（球面鏡Ｂ，Ａ）が配置され、同一平面内でレーザ光軸が交差するジグザグ状の往復光路を提供される。長大な共振器長の間にレンズを挟んだのと同じこととなり、出力鏡とリア鏡と、折返し鏡の曲率により、レーザビームの集光性能を制御できる。両球面鏡Ｂ，Ａの配置姿勢は、球面鏡Ｂ，Ａについての入射レーザ光軸と反射レーザ光軸とが作る平面が、互いに直交するように定め、非点収差の相殺を図り、出力レーザ光のプロファイルの軸対称性の低下を回避する。各球面鏡へのレーザ光軸入射角は２２．５度以上とすることができる。折返し鏡２９，３０をスラブ結晶３４で置き換えることもできる。【選択図】          図７
2005294393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光軸を折返す折返し鏡を有する共振器を備えたレーザ発振器において、
前記折返し鏡には複数の球面鏡が含まれており、
前記複数の球面鏡の内の一つの球面鏡についての入射面に平行な一平面内の光が、他の一つ以上の球面鏡についての入射面に直交し、且つ、レーザ光軸に平行な平面内を通過するように、前記複数の球面鏡が配置されていることを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
前記複数の球面鏡に対するレーザ光軸入射角が何れも２２．５度以上であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光軸を折返す折返し鏡を有する共振器を備えたレーザ発振器に関し、特に、気体または固体からなるレーザ媒質を持ち、レーザ溶接、レーザ切断などの熱加工を行う高出力レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでレーザ発振器の構成形態として種々のものが提案され、その一部が実用化されている。数十ワットから、数メガワットに及ぶ高出力レーザ発振器においても、幾つかの方式が知られている。一般的なレーザ発振器は、例えば、下記特許文献１に見ることができる（特に図１参照）。周知の通り、高出力レーザでは、出力を増大させるためにレーザ共振器の共振長を大きくとる傾向にある。特許文献１に示されたレーザ発振器においては偏向ミラー６、７（図１参照）を用いて共振長の延長が図られている。即ち、光共振器はレーザ出力を取り出す出力鏡とリア鏡とを対向させることで構成されるが、折返し鏡（偏向ミラーと呼ばれることもある）を付加することで、長い共振器を折り畳み、見かけ上は小さい発振器でも大きな出力を得ることができるようになっている。この折返し鏡に用いられるミラーは通常平面鏡である。
【０００３】
さて、高出力レーザ発振器の１つとしていわゆる炭酸ガスレーザが知られている。炭酸ガスレーザは、ＣＯ2 を数パーセント含んだ混合ガスをレーザ媒質として採用し、これをミラーの間に配された放電管（ガラス管）内に密封したものである。放電管の両側には電極が配置され、高電圧を印加すると、レーザ媒質が励起され、リア鏡と出力鏡の間を光が往復することで、レーザ光が発振する。レーザ発振器には、放電管に高電圧を印加する高圧電源と、レーザ媒質などからの余分な熱を除去する冷却システムが装備される。高出力レーザ発振器には、この炭酸ガスレーザのような気体をレーザ媒質に用いた気体レーザの他に、例えばＹＡＧレーザのように固体をレーザ媒質に用いた固体レーザもある。
【０００４】
これらレーザの高出力化を図る場合、レーザ媒質（気体または個体）の単位体積あたりのレーザ光増幅量には限りがあるので、媒質容量（体積）を大きくする必要がる。そして、媒質容量を大きくするには、（１）レーザ光が通過する部分の断面積、即ち開口径を大きくするか、（２）出力鏡とリア鏡の間の距離、即ち、共振器長を長くするか、あるいは、（３）これら（１）、（２）を併用する、のいずれかの手段を採用することになる。
一方、切断にしろ溶接にしろ、レーザ加工の質は、レーザビームの集光性能に拠るところが大きい。出力されたレーザ光を、集光レンズの焦点距離などの条件をすべて同一とした環境のもとで集光しても、その集光点でのビーム径サイズが、レーザ発振器によって異なることがあり、これはレーザ発振器自身の出力ビーム品質（集光性能；集光レンズによる集光のし易さ）の違いに起因する。レーザビームの集光性能を決定する大きな因子は、共振器長と開口径および、出力鏡とリア鏡の曲率半径である。
【０００５】
一般に、集光性能の良いレーザビームを得るには、共振器長は長く、開口径は小さく、出力鏡・リア鏡の曲率半径は大きくすることが有利であるとされている。また、以前は、特に切断加工に関しては、ガウシアンビームと呼ばれる理論上もっとも集光性能の良いレーザビームが適すると云われていた。そこで、レーザ加工用の高出力レーザ発振器は、開口径は大きくせず、やみくもに共振器長を長くする傾向があった。しかしながら、近年のレーザ加工技術の進展により、レーザ切断においても必ずしもガウシアンビームが最適ではなく、集光性能の微妙なコントロールが、レーザ加工性能を高めるのに効果があることがわかってきた。
【０００６】
集光性能をコントロールするには、前述の共振器パラメータ（共振器長、開口径、出力鏡とリア鏡の曲率半径）を調整すれば良い訳であるが、これらを微妙に調整するには、次のような困難が伴う。例えば高速軸流型ガスレーザにおいては、先ず、レーザ共振器の開口径を変えるために、放電管の径を変更せねばならず、そうすると、高電圧の印加条件も変り、電源の設計からやり直す必要が生じる。電極の幅の変更も同様である。アパーチャにより、レーザ光の外周部をカットする方法もあるが、カットされた部分が損失となり、レーザ発振器の効率を低下させる。次に共振器長であるが、これを変更するには、共振器の設計からやり直す必要があり、冷却系も絡む大きな変更となる。これに対し、出力鏡とリア鏡の曲率の変更は比較的容易ではあるが、調整範囲に限界があることがわかっている。
【０００７】
そこで、出力鏡やリア鏡以外の部分に光学的な工夫を施すことにより、共振器長や開口径を変えずに、集光性能を変える試みが為されている。例えば、下記特許文献２では、固体レーザの例であるが、高出力レーザにおいて共振器長が長くなりすぎるために起きる問題点を、共振器の中間にレンズを挿入することで改善する手法が説明されている。また、下記特許文献３には、レンズに代えて球面鏡を共振器の中間に挿入することで、集光性能を変える試みが開示されている。
【０００８】
これら特許文献２，３の提案の内、特許文献２の提案は高出力レーザへの適用にやや無理がある。
なぜならば、高出力レーザにあっては、共振器内を往復しているレーザビームのパワー密度は極めて高くなり、反射鏡より光に弱いとされるレンズの如き透過型光学部品をそのような場所に挿入するのは適当ではないからである。例えば、出力３kWの炭酸ガスレーザにあっては、出力鏡に向かうレーザ光の強度は６kWにもなるし、中間の折返し鏡は、出力鏡に向かう光とリア鏡に向かう光と合わせて９．５kWものレーザ光の照射にさらされる。
【０００９】
そこで、レンズに代わり、共振器の折返し鏡に曲面を挿入することが適当であると考えられる。曲面としては、球面の他に、放物面、円筒面、楕円曲面が考えられるが、経済的、技術的な理由で球面に勝るものはない。ところが、球面鏡の場合、入射角が大きいと非点収差が生じ、発振器から出力されるレーザビームのエネルギー分布形状（ビームプロファイル）が楕円となる現象が起る。より詳細に言えば、図１０に示したように、レーザビームが、出力鏡からの伝播距離によって変化し、ある点では縦長であったものが、他の点では横長に変じるといったことが起る。
【００１０】
そのため、このレーザビームをレーザ加工機の加工ノズルに設けた集光レンズで集光しても、楕円形状の集光スポットしか得られず、加工テーブルの走査方向によって加工結果が異なることとなる。
この点を解決するために、特許文献３では、凹面鏡と凸面鏡を組み合わせて非点収差を解消する方式を提案しているが、この方式では、凹面鏡と凸面鏡の曲率の組合せが限られるため、設計自由度が狭くなる。球面鏡による非点収差を解消するには、球面鏡に対する入射角度を小さくすれば良いとも考えられる。例えば球面鏡に対する入射角度を２２．５度未満とすると非点収差の影響はかなり軽減されるが、それでも本質的に非点収差の影響は残るし、入射角度を小さくとることは、これもレーザ発振器の設計自由度を奪うことになる。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−１９８６９４号公報
【特許文献２】特開２００１−２７４４９１号公報
【特許文献３】特開２００２−１１８３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明の目的は上記した従来技術の問題点を克服することにある。即ち、本発明は、レーザビームの集光性をコントロールするために、出力鏡とリア鏡の間に球面鏡を挿入しても、非点収差を抑えて、軸対称なレーザビーム出力プロファイルを得ることができるレーザ発振器の提供を企図するものである。また、共振器長のあまりに長いレーザ発振器は、僅かな光軸のズレ（アライメントのズレ）により、容易に調整不良となり、レーザ出力が低下するばかりか、集光性能が劣化するが、本発明は、上記の課題を克服するなかで、この問題についても解決を可能にし、安定した出力と集光性能を実現するものでもある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、レーザ光軸の中間位置に球面鏡を配してビームの集光性能をコントロールしたタイプのレーザ発振器において、非点収差が相殺されるように複数の球面鏡を配置することで上記課題を解決したものである。即ち、本発明によれば、複数の球面鏡についての入射レーザ光軸と反射レーザ光軸とが作る平面が、互いに直交するように配置することで、非点収差の相殺を図り、出力レーザ光のプロファイルの軸対称性の低下が回避される。
【００１４】
より具体的に言えば、本発明は、レーザ光軸を折返す折返し鏡を有する共振器を備えたレーザ発振器に適用され、その基本的な要件は、前記折返し鏡には複数の球面鏡が含まれており、前記複数の球面鏡の内の一つの球面鏡についての入射面に平行な一平面内の光が、他の一つ以上の球面鏡についての入射面に直交し、且つ、レーザ光軸に平行な平面内を通過するように、前記複数の球面鏡が配置されていることである（請求項１）。
【００１５】
なお、「球面鏡についての入射面」とは、“その球面鏡によるレーザ光の反射に随伴するレーザ光軸の屈曲で形成される平面”、換言すれば、“その球面鏡によるレーザ光の反射に際して、入射レーザ光のレーザ光軸と反射レーザ光のレーザ光軸が含まれる平面”のことであり、“その球面鏡によるレーザ光の反射に際して、入射レーザ光のレーザ光軸と反射レーザ光のレーザ光軸によって張られる平面”と言うこともできる。
【００１６】
前記複数の球面鏡に対するレーザ光軸入射角を何れも２２．５度以上とすることもできる（請求項２）。なお、本明細書において「球面鏡に対するレーザ光軸入射角」とは、“その球面鏡に入射するレーザ光の光軸（以下、「レーザ光入射光軸」という）が同球面鏡の反射面（凹球面）と交わる点において同反射面（球面）に対する法線を立てた時、その法線に対して前記レーザ光入射光軸がなす角度”のことである。
【００１７】
共振器内の反射鏡の曲率の選択については、上記のひとつの球面鏡についての入射面に平行な一平面内の光に関する合成焦点距離と、この球面鏡における入射面に直交しかつレーザ光軸に平行する平面内を通過する光についての合成焦点距離がほぼ同一となるように定めることが望ましい。従って、折返し鏡に球面鏡を２枚用い、これを近接させる場合、もしくは、共振器長の中間点を中心に対称な位置に配置する場合には、該球面鏡の曲率は同じものを用いれば良い。  
また、球面鏡の配置としては、理想的には、共振器の中間点を中心に対称な位置に球面鏡を配置するのが好ましいが、そうでなくても非点収差を相殺する一定の効果は発揮される。
【００１８】
本発明に係るレーザ発振器においては、球面鏡に起因する非点収差は、相互に相殺され、共振器内の合成焦点距離に方向性は少なくなるので、レーザ発振器から出力されるレーザビームはおおよそ軸対称となる。なお、球面鏡の位置は近接しなくても良く、離れた位置に置いても効果を有するが、これは、レーザ共振器内では、光が双方向に行き交うという事情によるためで、この点、一般の光学系とは趣を異にするものである。また、光が双方向に行き交うために、球面鏡などの曲率も共振器長の中間点について対称のほうが望ましく、そうすることによって、均等なレーザ発振が実現する。万一、設計上の事情により、非対称であっても、レーザ光軸の方向如何によらず、共振器全体での合成焦点距離がほぼ同一となっているので、均等な発振と軸対照なレーザビームを得る効果には、一定のものが期待できる。
【００１９】
また、放電管で構成されるレーザ発振器にあっては、放電管の位置関係を並列あるいは直交させる構成とすることが設計上有利である。これは、放電管端部を密閉するフランジ部分の大きさの為に、物理的に干渉し易くなることと、電極間の距離が小さくなる部分が発生し、電気的絶縁距離が取りづらくなることによる。本発明によれば、入射角が大きくても非点収差を相殺できるので、折返し鏡の入射角が大きくてもよく、請求項２にあるように、入射角が２２．５度以上、即ち偏向方向４５度以上になる配置がとれることは非常に有利である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の球面鏡の配置を工夫することで、非点収差を相殺し、光軸について対称なレーザ光を得ることができる。また、共振器長が長くても、光軸アライメント調整が容易で、調整範囲が広く出力の安定性が高いレーザ発振器を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図１〜図９を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、理解を容易にするために、各図において、本発明の特徴と特に関係の無い多くの構成要素を省き、共振器を構成する光学系の主要要素（出力鏡、リア鏡、折返し鏡）と共振器内を往復するレーザビームの光軸のみを図示している。また、折返し鏡については、便宜上、共振光路に沿って出力鏡に近いものから順に第１折返し鏡、第２折返し鏡・・・と呼ぶことにする。
【００２２】
先ず図１は、本発明の基本的な実施形態（以下、第１実施形態とも言う）に係るレーザ発振器の共振器を構成する光学系の配置を表わしている。同図に示したように、光共振器を構成する光学系は出力鏡１、第１折返し鏡３、第２折返し鏡４、第３折返し鏡５及びリア鏡２で構成されている。レーザ光は、出力鏡１とリア鏡２の間の共振空間内のどの箇所で励起されて差し支えないが、一般的には、反射鏡の間隔の開いたところに、放電空間が設けられたり（気体レーザの場合）、レーザロッド（固体レーザの場合）が設けられることが多い。
【００２３】
一般的なレーザ発振器では、折返し鏡にはすべて平面鏡が使用されるが、本発明にかかる発振器においては、折返し鏡は複数配置され、且つ、それらには必ず複数の球面鏡が含まれる。本実施形態では、第１折返し鏡３は平面鏡で構成されるが、第２折返し鏡４及び第３折返し鏡５にそれぞれ球面鏡Ａ、球面鏡Ｂが使用されている。典型的な例では、球面鏡Ａ、Ｂはともに曲率半径３０ｍを持つ凹面鏡である。また、各球面鏡Ａ、Ｂの配置姿勢は、それぞれのレーザ光軸入射角が４５度となるように設定されている。換言すれば、各球面鏡Ａ、Ｂにおける反射により、レーザ光光軸は９０度の偏向作用を受けることになる。
【００２４】
この場合、球面鏡Ａについての入射面と、球面鏡Ｂについての入射面とは直交する構成となっている。出力鏡１とリア鏡２は凹面鏡であり、曲率半径は例えば１５ｍである。これらの曲率は、共振器長や開口径によって適切な範囲が存在する。
【００２５】
このような共振器を用いてレーザ発振させると、共振器内にほぼ軸対称のレーザ光が生成される。レーザ光は、出力鏡１とリア鏡２の間を往復し、その一部が出力鏡１から出力される。各折返し鏡３〜５では反射が起るが、平面鏡で構成された折返し鏡３は、レーザ光に対して集光・発散作用の無い単純な光路偏向作用（屈曲）を及ぼすだけである。これに対して、折返し鏡（球面鏡Ａ）４、（球面鏡Ｂ）５における反射は集光作用を伴うものである。そこで、図２（ａ）、（ｂ）を参照して、ビームプロファイルの軸対称性に影響する非点収差について考察してみる。
【００２６】
先ず図２（ａ）において、鏡面鏡Ａに入射するレーザ光の光軸をＬ１１、反射後のレーザ光軸をＬ１２とすると、光軸Ｌ１１に対応するレーザビームの球面への入射点ＯA でレーザ光軸が屈曲する。前述した定義の通り、直線Ｌ１１、Ｌ１２が含まれる平面が球面鏡Ａについての入射面を形成する。球面鏡Ａは、通常、反射面のほぼ中心に入射点ＯA が一致するように配置される。  
一方図２（ｂ）においては、鏡面鏡Ｂに入射するレーザ光の光軸はＬ１２であり、反射後のレーザ光軸はＬ２３で表わされている。光軸Ｌ１２に対応するレーザビームの球面への入射点ＯB でレーザ光軸が屈曲する。前述した定義の通り、直線Ｌ１２、Ｌ２３が含まれる平面が球面鏡Ｂについての入射面を形成する。球面鏡Ｂは、通常、反射面のほぼ中心に入射点ＯB が一致するように配置される。
【００２７】
ここで、図２（ａ）に示したように、便宜上、入射点ＯA を原点とし、入射点ＯA において反射面に立てた法線をＺA 軸とし、入射面がＸA ＺA 平面に乗るように直交座標系を定義する。レーザ光軸入射角は光軸Ｌ１１がＺA 軸に対してなす角度である。  
今、球面鏡Ａを通過するレーザ光のうち、この入射面上にある矩形状のレーザ光を考えて見ると、そのような光は鏡面上の線分ＰＱ（ＸA 軸上にあり、原点ＯA を中点とする短い線分）の近傍で反射される。図２（ｂ）では、この反射光（薄板状の光）は球面鏡Ｂに達した時の入射ライン（入射点の集合；正確に言えば円弧）を線分ＲＳで近似的に示した。換言すれば、反射鏡Ａの通過時に線分ＰＱの近傍で反射された光は、反射鏡Ｂの通過時には線分ＲＳの近傍を通過する。線分ＲＳは、球面鏡Ｂにおけるレーザ光軸の入射点ＯB を通る短い線分である。
【００２８】
ここで、球面鏡Ａの場合と同様に、入射点ＯB を原点とし、入射点ＯB において反射面に立てた法線をＺB 軸とし、レーザ光軸Ｌ１２、Ｌ２３を含む平面である入射面がＸB ＺB 平面に乗るように直交座標系を定義する。レーザ光軸入射角は光軸Ｌ１２がＺB 軸に対してなす角度である。  
この線分ＲＳがこの座標系上でどのような姿勢にあるかは、当然、球面鏡Ｂの姿勢（ＺB 軸の方向）によって変わってくる。本実施形態では、図２（ｂ）に示されているように、線分ＲＳがＹB 軸上に来るように球面鏡Ｂの姿勢が定めれられている。別の言い方をすれば、ＹB 軸はＺA ＸA 平面と平行関係にある。これにより、球面鏡Ａについての入射面（ＸA ＺA 平面）に平行な一平面（線分ＰＱと線分ＲＳを含んでいる）内の光は、球面鏡Ｂについての入射面（ＸB ＺB 平面）に直交し、且つ、レーザ光軸Ｌ１２に平行な平面内を通過することになる。逆に言えば、そのような条件を満たすように球面鏡Ａ、Ｂを配置する。
【００２９】
この配置の下では、下記のように、両球面鏡Ａ、Ｂに関する非点収差の相殺が起こり、レーザビームプロファイルの軸対称性を低下させずに済む。  
一般に、球面鏡への斜め入射時（入射角が０度でない）においては、入射面内の光に関する焦点距離と、それに直交する面内の光に関する焦点距離は異なり、光軸について非対称となる（斜め入射時の非収差効果）。本例の条件では、入射面内の光（ほぼＸA 軸上で反射される光）に関する焦点距離は３０／８１／２ であるが、入射面に直交する面内の光（ほぼＹA 軸上で反射する光）に関する焦点距離は３０／２１／２ となる。一方、球面鏡Ｂに関する光の焦点距離も同様の非対称性を持つか、上記した姿勢関係により、球面鏡Ａ，Ｂについて、互いにＸＹ方向は入れ替わっている。
【００３０】
そのため、双方の球面鏡Ａ，Ｂによる合成焦点距離は、ほぼＸA 軸上で反射する光についても、ほぼＹB 軸上で反射する光についても同じとなり、非点収差が相殺されることになる。その結果、出力レーザ光のプロファイルの楕円化現象が抑制され、光軸について軸対称性の高いレーザ光を得ることができる。  
更に、赤外光レーザのように光の波長が長く回折の影響が加わって来るが、上記の配置による同様の相殺効果で、非点収差以外の収差の影響が低減され、より顕著な相殺効果が発揮される。このようにして、本実施形態により、光軸について対称なレーザ光を得ることができる。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、複数の球面鏡の配置を工夫することで、非点収差を相殺し、光軸について対称なレーザ光を得ることができる。また、共振器長が長くても、光軸アライメント調整が容易となり、調整範囲が広く出力の安定性が高いレーザ発振器を得ることが可能になる。特に、本実施例においては、共振器長さ方向について対称な反射鏡の構成としている為、上記の効果がより顕著なものとなる。
【００３２】
ところで、図１に示した配置において、第２折返し鏡（球面鏡Ａ）４と第３折返し鏡（球面鏡Ｂ）５に加えて、第１折返し鏡３も球面鏡としても、同様の効果を得ることができる。この場合、球面鏡Ａについての入射面内の光は、第１および第３折返し鏡の球面鏡についての入射面に直交しかつレーザ光軸に平行する平面内を通過することとなる。そして、第１、第３折返し鏡とも曲率６０ｍとすることで、合成された焦点距離は前述の例と同等のものになる。
【００３３】
なお、多くの場合、第１折返し鏡３としては偏光選択反射鏡が用いられ、入射面に平行な偏光成分を吸収し、それと直交する偏光成分の反射率を高めることで、レーザ発振器の出力レーザ光の偏光方向を決定している。レーザ切断、特に金属切断加工にあっては、方向性のない円偏光レーザビームが好まれるが、発振器から出力された直線偏光を位相遅延反射鏡により変換して円偏光を得ることで対処している。その場合、位相遅延反射鏡は、偏光方向に対して定められた配向関係を保持する必要がある故、レーザ発振器からのレーザビームの偏光方向が安定していることが求められる。
【００３４】
そこで、図３に示すように、ごく単純な構造の共振器であっても、ランダム偏光による発振を避け、安定した直線偏光を得るようにしている。この図３の配置においても、本発明の適用が可能であり、これを第２の実施形態とする。第２の実施形態では、出力鏡１とリア鏡２のそれぞれの直前に球面鏡Ｂ（折返し鏡６）、Ａ（折返し鏡７）を配し、一枚（ここでは折返し鏡６）を偏光選択反射鏡（球面鏡Ｂ）とし、他方を偏光方向によらず位相および反射率を変えないコーティングを施したゼロシフトミラー（球面鏡Ａ）とする。球面鏡（凹面鏡）Ａ，Ｂの曲率半径は、典型的には１０ｍである。
【００３５】
そして、両球面鏡Ａ，Ｂの配置姿勢について、上記第１の実施形態で説明した球面鏡Ａ，Ｂと同じ要件を課す。即ち、球面鏡Ａ，Ｂについての入射レーザ光軸と反射レーザ光軸とが作る平面が、互いに直交するように両球面鏡６，７を配置することで、非点収差の相殺を図り、出力レーザ光のプロファイルの軸対称性の低下を回避する。この第２の実施形態で示したように、非点収差を相殺するように配置される球面鏡同士の距離は、共振器長に比して大きな比を占めていても構わない。
【００３６】
このように構成した共振器には次のような利点がある。  
先ず、偏光方向が一定の通常の直線偏光出力が得られる。次に、球面鏡Ａ，Ｂの曲率を選択することにより、出力鏡１及びリア鏡２の内側曲率を極限まで小さく（曲率半径は実質的に無限大まで大きく）することができる。従って、交換頻度が高い出力鏡１とリア鏡２のコストを抑えることができる。一般に、曲率が大きな球面鏡ほどコストが高いからである。特に、透過光学部品（部分透過鏡）である出力鏡は頻繁に交換するもので、そのコスト低下は意義が大きい。
【００３７】
更に、作成できる曲率に制限のある合成ダイアモンド製の出力鏡を用いることができるという利点もある。合成ダイアモンド製の出力鏡は、熱伝導率が極めて大きいので、熱レンズ効果が非常に小さくなり、高出力レーザ発振器に適しているが、非常に硬いために曲率を持たせることが難しい。本実施形態では、曲率がゼロ、即ち、平面のダイアモンド出力鏡を用いることも可能となる。
【００３８】
なお、厳密に云えば、このような共振器においては、球面鏡Ａ通過時のＸ軸方向（入射面に平行）とＹ軸方向（入射面に垂直）とで、ビームウエスト位置が異なってくるが、次の理由により、位置の非対称は無視できるものとなる。そのひとつは、一般的にレーザ共振器内部に用いられる反射鏡の曲率は非常に大きく、焦点距離が長いため、回折の効果によりビームウエスト部分（レイリー領域）が長くなることである。理由のふたつ目は、一方向からの光の伝播とは異なり、共振器内においては、通過する光量が少ない領域ほどレーザ利得は高くなり、暗い部分を埋める働きがあるからである。
【００３９】
さて、条件次第では、既に設計済みのレーザ発振器について、簡単なミラー置き換えを行なう形で本発明を適用することも可能である。その例を第３及び第４の実施形態として図４、図５を参照して簡単に説明しておく。先ず図４（ａ）に示した例では、出力鏡１とリア鏡２の間に、計６枚の折返し鏡８〜１３が配置され、出力鏡１、第１乃至第３折返し鏡８〜１０が同一水平面内にあり、また、第４乃至第６折返し鏡１１〜１３とリア鏡２が、それより高い別の水平面内にあるような設計が採用されている。このような配置自体は既存のレーザ発振器の共振器構成の一例に過ぎない。
【００４０】
この配置に本発明を適用するには、折返し鏡８〜１３の内の一部（２個以上）を球面鏡に置き換える。ここに示した第３の実施形態では、第３折返し鏡１０を平面鏡から球面鏡Ｂに置き換え、第５折返し鏡１２を平面鏡から球面鏡Ａに置き換えている。球面鏡Ｂ，Ａには同一の曲率半径のものを用い、その配置姿勢は各球面鏡Ｂ，Ａについての入射面に対応する光が互いに直交するように定めている。
【００４１】
図５に示した例では、出力鏡１とリア鏡２の間に、計８枚の折返し鏡１５〜２２が配置され、出力鏡１、第１乃至第３折返し鏡１５〜１７が同一水平面内にあり、第４乃至第６折返し鏡１８〜２０がそれより高い別の水平面内にあり、更に、第７乃至第８折返し鏡２１，２とリア鏡２がそれより更に高い別の水平面内にあるような設計が採用されている。このような配置は既存のレーザ発振器の共振器構成の一例に過ぎない。
【００４２】
この配置に本発明を適用するには、折返し鏡１５〜２２の内の一部（２個以上）を球面鏡に置き換える。ここに示した第４の実施形態では、第４折返し鏡１８を平面鏡から球面鏡Ｂに置き換え、第６折返し鏡２０を平面鏡から球面鏡Ａに置き換えている。球面鏡Ｂ，Ａには同一の曲率半径のものを用い、その配置姿勢は、各球面鏡Ｂ，Ａについての入射面に対応する光が互いに直交するように定める。
【００４３】
本例においても、球面鏡Ｂ，Ａを挿入するだけでも顕著な効果を生じるが、図５の配置において、更に、第３折返し鏡１７及び第５折返し鏡１９も球面鏡とすれば、共振器全長に対して対称形となり、ほぼ完全な軸対称レーザビームを得ることができる。このように、本発明は既存設計の発振器にも適用可能であって、目的とする集光性能を持った発振器を簡単に開発できるという利点を有する。
【００４４】
なお、従来は図４（ａ）の配置において、球面鏡Ａのみを使用して、軸対称でないレーザビームに甘んじるか、図４（ｂ）のような改造を加えて入射角の小さな球面鏡１４を追加し、非点収差を小さくすることで軸対称なレーザビームを得るしかなかった。これに対して、第３、第４の実施形態では、軸対称性は保持され、また、特に球面鏡に対する入射角を小さくする必要も無い。
【００４５】
また、これら第３、第４の実施形態で示したように、非点収差を相殺するように配置される球面鏡同士は、隣り合った配置である必要はないことが判る。
【００４６】
次に、図６に示した例は、図３の配置（第２の実施形態）を折り畳んだ形であり、これを第５の実施形態とする。この配置では、出力鏡１とリア鏡２の間に、計６枚の折返し鏡２３〜２８が配置され、その内の第１折返し鏡２３と第６折返し鏡２８に同一曲率半径の球面鏡Ｂ，Ａを用いている。残りの折返し鏡２４〜２７は平面鏡である。但し、第３折返し鏡２５は偏光方向選択鏡とされ、それによってレーザ発振器から出力されるレーザ光の偏光方向を決定している。この実施形態が示すように、本発明は、適用に際して球面鏡の配置にかかる制約が少なく、適用範囲が広いものである。
【００４７】
さて、ここまで説明した第１乃至第５の実施形態（図１、図３乃至図６を参照）においては、レーザ光軸がほとんど交差していない。これは、ガスレーザにあっては高速軸流タイプ、固体レーザにあっては円筒ロッドタイプを想定したものであることによるもので、本発明がレーザ光軸が交差するタイプのレーザ発振器に適用できないということではない。
【００４８】
ガスレーザにおける３軸直交タイプもしくはガススラブレーザ、固体スラブレーザにおいても、高出力化に際しては、当然、共振器長を長くする必要性が生まれる。しかし、共振器長を長くすると、他のタイプのレーザ発振器と同様に、狙いどおりの集光性能が得られ難いとか、共振器アライメントが難しくなり、出力・発振モードが安定しないといった問題が生じている。本発明は、このような問題に対しても有効な解決策を与え得る。その例を図７（ａ），（ｂ）及び図８を参照して簡単に説明する。
【００４９】
先ず図７（ａ）は第６の実施形態における配置を示しており、出力鏡１とリア鏡２の間に、計５枚の折返し鏡２９〜３３が配置されている。これら折返し鏡２９〜３３の内、第１折返し鏡２９〜第３折返し鏡３１は平面鏡であり、第４折返し鏡３２に球面鏡Ｂが使用され、第５折返し鏡３３に球面鏡Ａが使用されている。図示されているように、同一平面内でレーザ光軸が交差するジグザグ状の往復光路を提供している。
【００５０】
このように構成すると、長大な共振器長の間にレンズを挟んだのと同じこととなり、出力鏡とリア鏡と、折返し鏡の曲率により、レーザビームの集光性能を制御できる。また、この例では、第３乃至第５折返し鏡３１〜３３をレーザ光が通過することにより、主たるレーザ励起空間において、水平方向と鉛直方向が転置されることとなり、このタイプの発振器に特有の光軸非対称性が消失するという効果もある。
【００５１】
両球面鏡Ｂ，Ａの配置姿勢については、上記第１の実施形態で説明した球面鏡Ａ，Ｂと同じ要件を課す。即ち、球面鏡Ｂ，Ａについての入射レーザ光軸と反射レーザ光軸とが作る平面が、互いに直交するように両球面鏡Ｂ，Ａを配置することで、非点収差の相殺を図り、出力レーザ光のプロファイルの軸対称性の低下を回避する。なお、この例では、例えば第３折返し鏡３１を偏光方向選択鏡として、レーザ発振器から出力されるレーザ光の偏光方向を決定することができる。
【００５２】
図７（ｂ）は第７の実施形態における配置を示している。この配置は、上記の第６の実施形態と同様な手法を取り入れたもので、第６の実施形態の変形例に相当する。即ち、図７（ｂ）に示す配置は、第６の実施形態における第１折返し鏡２９と第２折返し鏡３０（いずれも平面鏡）をスラブ結晶（レーザ結晶）３４で置き換えたもので、スラブ結晶３４の１対の対側面３４１，３４２の内部反射機能で、折返し鏡の機能を代用している。図示されているように、このスラブ結晶３４により、同一平面内でレーザ光軸が交差するジグザグ状の往復光路を提供している。なお、側面３４１，３４２には例えば銀蒸着を施して反射率を高めても良い。スラブ結晶３４への光の出入りは、別の側面３４３，３４４を通して行なわれる。
【００５３】
そして、第６の実施形態にならって、第２折返し鏡３６には球面鏡Ｂを使用し、第３折返し鏡３５に球面鏡Ａが使用される。本例においても、第６の実施形態と同様に利点が得られる。即ち、長大な共振器長の間にレンズを挟んだのと同じこととなり、出力鏡とリア鏡と、折返し鏡の曲率により、レーザビームの集光性能を制御できる。また、第１乃至第３折返し鏡３５〜３７をレーザ光が通過することにより、主たるレーザ励起空間において、水平方向と鉛直方向が転置されることとなり、このタイプの発振器に特有の光軸非対称性が消失するという効果もある。両球面鏡Ｂ，Ａの配置姿勢については、球面鏡Ｂ，Ａと同様で良い。
【００５４】
このように第６及び第７の実施形態は、本発明が高速軸流型ガスレーザ発振器に止まらず、三軸直交型ガスレーザ・固体スラブレーザにおいても効果があることを示している。特に、球面鏡の対により主たる励起領域における光軸非対称性を消失させる働きと併用させることは格別のものである。
【００５５】
次に図８は第８の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を（ａ）斜視図、（ｂ）矢印ＡＲ１の方向から見た側面図、（ｃ）矢印ＡＲ２の方向（出力鏡側）から見た側面図でそれぞれ表わしたものである。
【００５６】
本配置では、出力鏡１とリア鏡２の間に、計４枚の折返し鏡３８〜４１が配置されている。これらの内、第２及び第３の折返し鏡３９，４０にそれぞれ球面鏡Ａ，Ｂが使用されている。両球面鏡Ａ，Ｂの配置姿勢については、上記第１の実施形態で説明した球面鏡Ａ，Ｂと同じ要件を課す。即ち、球面鏡Ａ，Ｂについての入射レーザ光軸と反射レーザ光軸とが作る平面が、互いに直交するように両球面鏡Ｂ，Ａを配置することで、非点収差の相殺を図り、出力レーザ光のプロファイルの軸対称性の低下を回避する。
【００５７】
本配置の１つの特徴は、特に側面図（ｂ）から理解されるように、各折返し鏡についての入射角度が小さくとられていることである。従って、仮に第２折返し鏡３９のみを球面鏡とした場合でも、ほぼ軸対称のレーザビームを得ることができる。しかし、軸対称性をより高めるためには、球面鏡Ａに加えて球面鏡Ｂを使用すべきである。レーザビームが完全な軸対称に近くなることは、高精密レーザ加工に適用する上で大きな利点となる。
【００５８】
また、図８に説明するような実施例のように、折返し鏡の入射角度が小さくて  以上、第１〜第８の実施形態については、球面鏡として一応「凹面鏡」が使用されている前提で説明を行なっている。しかし、球面鏡が「凹面鏡」であることは本発明の本質的な要件ではない。球面鏡が「凸面鏡」であっても、各凸面鏡が非点収差を示すことは変わりがなく、図２を参照して相殺原理は全く同様であるからである。従って、凸面鏡を用いることによってビーム形状の改変を図るレーザ発振器について、本発明を適用することも可能である。また、凹面鏡と凸面鏡を組み合わせることにより、複合的な効果を得ることもできる。更に、折り返し鏡の入射角をまちまちなものにして、その都度凹面鏡の曲率を変えた構成の共振器も考えられる。
【００５９】
また、曲率を可変とした折返し鏡を使用するケースでも本発明の適用は可能ある。前出の特許文献３は、曲率を可変とした折返し鏡を共振器内に挿入して、レーザビームの集光性能を制御する技術を開示している。この技術を本発明に組み合わせて適用すると、同様に集光性能を制御できるばかりか、次のような格別な効果を生じる。即ち、特許文献３の介意する技術にあっては、非点収差の吸収や他の理由により凹面鏡と凸面鏡の曲率を関連づけて制御する必要があったが、本発明によれば、全く同じ構造と特性を持つ曲率可変の凹面鏡（もしくは凸面鏡）を一組用意すればよく、制御の精度が格段に向上するばかりか、制御系統が減るなど経済的にも有利である。
【００６０】
最後に、図９に示した第９の実施形態は、不完全ながらも本発明の効果を得ることができる例ではある。この実施形態では、第１〜第３折返し鏡４２〜４４とスラブ結晶（レーザ結晶）４５が出力鏡１とリア鏡２の間に配置される。第１折返し鏡４２は平面鏡であり、第２及び第３折返し鏡４３，４４には球面鏡Ａ，Ｂがそれぞれ使用される。共振光路は、出力鏡１と第１折返し鏡４２の間、及び、リア鏡２と第３折返し鏡４４の間でスラブ結晶（レーザ結晶）４５中を通過するようになっており、その特にレーザ励起はそこで起る。この配置の１つの特徴は、出力鏡１に向かう光軸とリア鏡２に向かう光軸の間に、小さい角度がついていることである。この場合、球面鏡Ａについての入射面内の光は、他の球面鏡Ｂについての入射面に完全に直交しては通過しない。しかし、それでもある程度は非点収差が相殺され、本発明の効果が期待できる。実験したところ、入射面同士の直交関係からのズレが１５度程度までであれば、レーザ加工性能上、顕著な障害とならないという結果を得ている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の基本的な実施形態（第１の実施形態）に係るレーザ発振器の共振器を構成する光学系の配置を示した図である。
【図２】第１実施形態について、２つの球面鏡Ａ，Ｂによる反射に関連する光の挙動について説明する図で、（ａ）は球面鏡Ａによる反射の様子、（ｂ）は球面鏡Ｂによる反射の様子を示している。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るレーザ発振器の共振器を構成する光学系の配置を示した図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を示した図であり、（ｂ）は比較のために従来の改造例を示した図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を示した図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を示した図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成（ａ）及び第７の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成（ｂ）を示した図である。
【図８】本発明の第８の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を（ａ）斜視図、（ｂ）矢印ＡＲ１の方向から見た側面図、（ｃ）矢印ＡＲ２の方向（出力鏡側）から見た側面図でそれぞれ表わしたものである。
【図９】本発明の第９の実施形態に係るレーザ発振器の共振器構成を示した図である。
【図１０】レーザビームの断面形状が出力鏡からの伝播距離によって変化する様子を示した図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  出力鏡
２  リア鏡
３，８，１１〜１３，１５〜１７，１９，２１，２２，２４〜２７，２９〜３１，３５，３８，４１，４２  折返し鏡（平面鏡）
４〜７，９，１０，１４，１８，２０，２３，２８，３２，３３，３６，３７，３９，４０，４３，４４  折返し鏡（球面鏡）
３４，４５  スラブ結晶
３４１〜３４４  スラブ結晶の側面
【図１】
2005294393.tif 000003
【図２】
2005294393.tif 000004
【図３】
2005294393.tif 000005
【図４】
2005294393.tif 000006
【図５】
2005294393.tif 000007
【図６】
2005294393.tif 000008
【図７】
2005294393.tif 000009
【図８】
2005294393.tif 000010
【図９】
2005294393.tif 000011
【図１０】
2005294393.tif 000012