(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分反射鏡と全反射鏡が対向する空間部で形成される共振空間内で、レーザ光を反射し増幅させる共振器部と、
前記共振空間内の前記部分反射鏡と全反射鏡の間に配置され、前記部分反射鏡と全反射鏡の間を往復するレーザ光を通過させレーザ光のビームモードを決定する所定の開口部を有した一対の反射型アパーチャとを備えた切断や溶接に用いられるレーザ装置において、
前記一対の反射型アパーチャの前記開口部の形状を円とし前記開口部周辺のレーザ光反射面を擂り鉢状反射面とするとともに、前記開口部をこの開口部を通過すべきレーザ光の発振光軸に対し傾けることなく、前記一対の反射型アパーチャの対向する励起領域側平面部をハの字状となるように、前記開口部を通過すべきレーザ光の発振光軸と垂直な面に対する前記各励起領域側平面部の傾斜角θを設定するとともに、前記傾斜角θは以下の範囲内にあることを特徴とするレーザ装置。
ｔａｎ−１（ｄ／Ｌ）≦θ＜π／２
（ｄは前記一対の反射型アパーチャの外径であり、Ｌは前記一対の反射型アパーチャ間の距離である。）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は反射型のアパーチャを有するレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の一般的なレーザ装置のレーザ発振器の要部説明図で、反射型のアパーチャを有するものである。
図において、１１はレーザ共振器部であり、出射側共振器部１１ａと全反射側共振器部１１ｂとからなる。１２はレーザ共振器部１１から取り出されるレーザ光（以下適宜、「外部光」と記す）、１３は放電によってレーザ媒質が励起される励起領域、１４はレーザ媒質が遷移の際に発する光子およびその方向、１５は部分反射鏡、１６は全反射鏡であり、部分反射鏡１５と全反射鏡１６とを励起領域１３の両端部に配置することにより共振空間部を構成している。
また、１７，１８はレーザ光のモード次数を決定するアパーチャ、１９はアパーチャ１７の励起領域１３側に配置したレーザ光エネルギの吸収体、同様に２０はアパーチャ１８の励起領域１３側に配置したレーザ光エネルギの吸収体である。
比較的低出力のレーザ装置に関しては、アパーチャは、例えばアルミニウム合金にアルマイト（Ａｌ２Ｏ３）をメッキするなどしてレーザ光を吸収する吸収型のアパーチャを使用することが可能であるが、このような吸収型アパーチャではその冷却方法等にもよるがレーザ光が高出力の場合にはアパーチャ自体が溶けてしまい、使用できない。従って、高出力のレーザ装置においては吸収型でなく、反射型のアパーチャを使用する必要がある。
【０００３】
次に、図２に示した従来の反射型アパーチャを有するレーザ装置の動作原理を以下に示す。
レーザ発振器は、制御装置（図示せず）からの出力信号に基き、電源（図示せず）から放電電極（図示せず）へ高電圧が投入され、その放電によってレーザ媒質が励起される。レーザ媒質は遷移の際、あらゆる方向にその媒質に特定の波長を持った光子１４を放つ。その光子１４のうち、部分反射鏡１５及び全反射鏡１６の反射面に対して垂直に入射したものだけが反射，増幅を繰り返し、ある発振のしきい値を超えたとき、部分反射鏡１５から外部光１２として放出される。レーザ光の次数は、反射，増幅の過程においてビームがアパーチャ１７，１８の開口部によって切られることにより決定され、アパーチャ１７，１８それぞれの反射面１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂで反射した成分は、吸収体１９または２０に当たって吸収される。一方、レーザ発振器の内部から取り出された外部光１２は、例えば加工機（図示せず）の光路の先端部にあるレンズで集光され、切断や溶接といった用途に使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ装置は以上のような構成となっているが、ここで、従来のレーザ装置の課題について説明する。
図３は課題を説明するために図２を書き改めたものであり、図２と同一または相当部分は同一符号を付して詳細な説明は省略する。このような従来のレーザ装置では、メインビーム２１が部分反射鏡１５と全反射鏡１６との間で光が反射，増幅されるのとは別に、ほぼ平行に対峙しているアパーチャ１７，１８のそれぞれの励起領域側平面部１７ｆと１８ｆとの間でも光が反射，増幅され、いわゆるサブビーム２２が生じることとなる。これによって、レーザ媒質がメインビーム２１の増幅以外にサブビーム２２の増幅にも使用されるため、結果として、メインビーム２１の出力が、本来得るべき値よりも低下してしまうという問題があった。
【０００５】
また、製作，取り付けの精度上、アパーチャ１７，１８の励起領域側平面部１７ｆと１８ｆとが完全には平行とならないため、その僅かな角度ずれによってサブビーム２２がメインビーム２１と一緒に外部へ放出される恐れがあった。
ここで、外部光１２の強度分布の例を図４及び図５に示す。メインビーム２１のみが外部へ放出された場合の強度分布の例を図４に、メインビーム２１とサブビーム２２とが一緒に外部光１２として外部へ放出された場合の強度分布の例を図５に示す。図４，図５から判るように、メインビーム２１とサブビーム２２とが合わさった外部光は強度分布が不規則になるうえ、メインビーム２１とサブビーム２２との進行方向が若干異なることからその不規則な強度分布がビームの伝搬距離によっても変化し、レーザ光の使用用途である切断に悪影響を与える、という問題があり、この不規則な強度分布を解消することが課題となっていた。
【０００６】
また、実開昭６３−１１００６０号や特開平６−１５２０１７号等には、反射面がアパーチャの外周縁部まで達した、励起領域側平面部が存在しないアパーチャが示されている。これらのアパーチャ１０７，２０７をそれぞれ図６及び図７に示す。図６，図７に示した反射面１０７ａ，１０７ｂ，２０７ａは、いずれもメインビーム２１の光軸方向とは垂直ではない角度の面となっている。
しかし、これら図６及び図７に示した、本来の反射面以外の励起領域側平面部が存在しない構造のものでは、１つのアパーチャのブロックに設ける開口部が一つの場合は良いが、複数の開口部を設ける場合、問題が生じる。
【０００７】
１つのアパーチャのブロックに複数の開口部を設ける場合、必然的にいずれかの開口部が偏心することになる。アパーチャの開口部の軸が、通常外周形状が円であるアパーチャのブロックの中心に対して偏心している場合、励起領域側平面部が存在しない構造にしようとすると、例えば図８に示すように、アパーチャ２７の光軸方向の厚みが、図８において寸法ｂ＜寸法ａと示されるように不均一となり、吸収体もそれに応じた複雑な形状の吸収体２９のようなものが必要となる。また、図８において網掛け部分２５で示すように、必要以上に吸収体２９側すなわち励起領域側に伸びているため、アパーチャ２７のブロックの材料コストが増すうえ、励起領域も減少してしまう。少しでも高出力を得るために励起領域はできる限り広く取りたいわけであるからこのような構造は好ましくない。
図９に、偏心した開口部を２つ有する構造のアパーチャ２７のブロックの例を示す。図９においても図８と同様に、網掛け部分２５が、先にも述べた、必要以上に励起領域側に伸びている部分に相当する。２つの開口部，すなわち２つの擂り鉢状の反射面を設けるといった条件において、励起領域側平面部が存在しない構造にしようとすると、アパーチャ２７のブロックの外周縁部の一部が、図９（ｂ）に点Ｐで示される箇所のように、擂り鉢状反射面の延長部としてかなり大きな寸法で伸びる箇所が必然的に生じることとなる。仮に図９（ｂ）に網掛け部分２５で示される部分を単純に一点鎖線の面で切り取ってしまうと、図９（ａ）に網掛け部分２５で示した部分はレーザ光の発振光軸と垂直な励起領域側平面部となってしまう。
一方、偏心した開口部を有する構造であっても、図１０に示したアパーチャ３７のような構造では、光軸方向の厚みが均一であり、且つその厚みを極力小さくできるため吸収体１９の構造も単純で作りやすいもので済み、アパーチャのブロックの材料費も抑えられ、励起領域も広く取ることができる。ただし、この場合は、励起領域側平面部３７ｆが存在するので、サブビームの発生を確実に回避することが出来ない。
【０００８】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、簡単な構成により、アパーチャによるサブビームの発生を抑えることができるレーザ装置を得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーザ装置は、一対の反射鏡が対向する空間部で形成される共振空間内でレーザ光を反射，増幅させる共振器部と、前記共振空間内に配置され、前記一対の共振器部の間を往復するレーザ光を所定の開口部を通すことにより前記共振器部から外部へ出射させるレーザ光のビームモードを決定する反射型アパーチャとを備えたものであり、前記反射型アパーチャの励起領域側平面部に前記開口部を通過すべきレーザ光の発振光軸と垂直な面の方向とは異なる特定の傾斜角を持たせたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の第一の実施の形態によるレーザ装置の形態を、図１を用いて説明する。図１は従来例を示す図３に対応するものであり、図３と同一または相当部分は同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図において、ｄはアパーチャの外径、Ｌはアパーチャ５７と５８との間の距離、θは部分反射鏡１５と全反射鏡１６との曲率中心を結んだレーザ光の発振光軸２３に垂直な面２４に対するアパーチャの励起領域側平面部５７ｆ，５８ｆの傾斜角であり、傾斜角θは、ｔａｎθ＝ｄ／Ｌ
で決定されるとし、傾斜の方向はアパーチャ５７，５８で一致させる。すなわち、側面から見れば図１のように傾斜面５７ｆ，５８ｆがハの字状となる。実際、サブビーム２２の発生を抑えるという観点から見れば傾斜角θの範囲は
ｔａｎ-1（ｄ／Ｌ）≦θ＜π／２
と書くこともできる。しかしながら、θを大きくすることは結局のところ図において寸法ａに対して寸法ｂを増大させることであり、吸収体構造の複雑化，励起領域の減少，アパーチャ５７，５８のブロックの材料コスト増大等の問題点につながる。従ってθはなるべく小さく、且つ励起領域側平面部同士で共振が起こらない角度として、ｔａｎθ＝ｄ／Ｌを定めた。共振が起こる前の光子単体ではそのエネルギは非常に微小なものであるから、傾斜させた励起領域側平面部５７ｆ，５８ｆに当たって反射した光子１４を受け止める吸収体等は特に必要ない。
【００１１】
一例として試作機では、Ｌ＝１６００ｍｍ，ｄ＝１００ｍｍであるため，上式を用いてθ=３.５（ｄｅｇｒｅｅ）となっている。３.５という小さな傾斜角であるため、ｂ＝ａ＋６.５ｍｍという小さな差になり、アパーチャ５７，５８のブロックの励起領域側への寸法の延長も極めて少なくて済み、上述した問題点が発生することなくサブビームのみを効果的に抑えることができる。実際、試作機では、サブビーム発生を抑えたことによる、パワーアップ，ビームモード及びレーザ加工の品質向上が確認できた。図１１に、従来のものとこの実施の形態のものとの出力の違いを示す。図１１において、横軸は投入電力，縦軸は得られたパワーを示す。ａで示した線がこの実施の形態のもの、ｂで示した線が従来のものである。この実施の形態のものによってサブビームが抑制されたことによりパワーアップが図れたことがわかる。
また、傾斜させるのはアパーチャ５７，５８の励起領域側平面部５７ｆ，５８ｆのみとし、アパーチャ５７，５８の反射面５７ａ，５７ｂ，５８ａ，５８ｂは光軸に対し、従来と同様の反射角を持った面とする。これは、特開平１−２５３９７７号で示された形態と異なる構造上のポイントである。特開平１−２５３９７７号のようにアパーチャ自体が回転可能な構成の場合、回転角度によってはアパーチャ開口部がレーザの光軸に対し斜めに配置されることになり、それによってビームの光軸方向から見たアパーチャ開口部の投影形状は丸ではなく楕円となる。従って外部へ放出されるビームもその形状が楕円となり、レーザによる加工に悪影響を与える。また、このとき、アパーチャの反射面が角度を変えてしまうと、それに対応すべき吸収体の形状，配置も複雑なものとなってしまう。
【００１２】
また、アパーチャ５７，５８の励起領域側平面部５７ｆ，５８ｆは、サンドブラスト処理等によって、炭酸ガスレーザが十分散乱する程度、具体的には表面粒子径がレーザ波長と同程度以上に粗らしてもよく、それによって励起領域側平面部に当たったレーザ光は散乱するため、励起領域側平面部同士での共振が起こらなくなり、さらに効果的にサブビームを抑えることができる。この発明は従来例で示した図２のレーザ装置に限らず、反射型アパーチャを有する全てのレーザ装置に適用できる。
【００１３】
【発明の効果】
この発明によれば、アパーチャの励起領域側平面部同士によるサブビームの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態によるレーザ装置のレーザ発振器の要部説明図。
【図２】  従来のレーザ装置のレーザ発振器部分を示す構成図。
【図３】  従来のレーザ装置のレーザ発振器部分を示す構成図。
【図４】  メインビームのみが外部へ放出された場合の外部光の強度分布図。
【図５】  メインビームとサブビームとが外部へ放出された場合の外部光の強度分布図。
【図６】  従来の、励起領域側平面部が存在しないアパーチャの構造を示す図。
【図７】  従来の、励起領域側平面部が存在しない別のアパーチャの構造を示す図。
【図８】  従来の、励起領域側平面部が存在しない開口部が偏心しているアパーチャの構造を示す図。
【図９】  従来の、励起領域側平面部が存在しない偏心している開口部が複数存在するアパーチャの構造を示す図。
【図１０】  従来の、励起領域側平面部が存在し偏心している開口部を有するアパーチャの構造を示す図。
【図１１】  レーザ出力の違いを示す図。
【符号の説明】
１１  レーザ共振器部
１２  外部光
１３  励起領域
１４  光子
１５  部分反射鏡
１６  全反射鏡
１９，２０  吸収体
２１  メインビーム
２２  サブビーム
２３  発振光軸
２４  発振光軸に対する垂直な面
５７，５８  反射型アパーチャ
５７ｆ，５８ｆ  励起領域側平面部
【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】
0005135650.tif 000008
【図８】
0005135650.tif 000009
【図９】
0005135650.tif 000010
【図１０】
0005135650.tif 000011
【図１１】
0005135650.tif 000012