(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個の部分反射鏡及び少なくとも５個の全反射鏡からなる共振器を内蔵するレーザ発振器を備える直交型ガスレーザ装置において、
前記共振器の一端に配置された１個の部分反射鏡及び２個の全反射鏡と、
前記共振器の他端に配置された３個の全反射鏡とを備え、
前記共振器の各端に３個配置された前記反射鏡はレーザ光を他端に反射しつつ、当該反射鏡におけるレーザ光の中心が三角形をなすように、レーザ媒質が流れる方向の放電領域の下流端又はその近傍に前記反射鏡の中の２個を配置することを特徴とする直交型ガスレーザ装置。
【請求項２】
請求の範囲１において、下流端又はその近傍に配置された２個の反射鏡前部に配置されたアパーチャの中心を結んだ線と前記アパーチャの外形が交差した２点を結ぶ線分の中点を放電電極と平行にレーザ媒質が流れる方向の上流側へ移動した位置に、残りの反射鏡前部に配置されたアパーチャの中心を配置させたことを特徴とする直交型ガスレーザ装置。
【請求項３】
請求の範囲１または２において、前記部分反射鏡を前配下流端又はその近傍に配置することを特徴とする直交型ガスレーザ装置。
【請求項４】
請求の範囲１または２において、前記部分反射鏡を前記下流端よりも上流側に配置し、前記部分反射鏡に当たるレーザ光の径を拡大すること特徴とする直交型ガスレーザ装置。
【請求項５】
請求の範囲１〜４のいずれかにおいて、前記反射鏡におけるレーザ光の折り返し部の重なり方向を分散させるように前記反射鏡を配置することを特徴とする直交型ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直交型ガスレーザ装置の改良に関し、より詳しくは、１個の部分反射鏡及び複数の全反射鏡からなる共振器を内蔵し、レーザ光を折り返す構成により、高出力化、省エネルギ化及びコンパクト化を図ることができる直交型ガスレーザ装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第８図は従来の直交型ガスレーザ装置を示す構成図であり、図において、１はレーザ発振器、２はレーザ発振器１内部にある放電電極、３はレーザ発振器１内部にあるガス循環ブロワ、４は部分反射鏡、５は全反射鏡、６は熱交換器、７は冷却ユニット、８は電源盤、９は制御装置、１０はレーザ媒質、１１はレーザ発振器１から取り出されるレーザ光である。部分反射鏡４及び全反射鏡５は、共振器１２を構成している。冷却ユニット７は部分反射鏡４、全反射鏡５や熱交換器６を冷却するものである。また、電源盤８には、放電電極２において放電を発生させる機器、ガス循環ブロワ３を制御する機器及びレーザ発振器１を真空にする機器等が配置されている。
【０００３】
次に第８図の直交型ガスレーザ装置の動作について説明する。制御装置９からの起動信号により電源盤８内のガス循環ブロワ３を制御する機器を駆動することにより、ガス循環ブロワ３が回転し、レーザ発振器１の内部に充填しているレーザ媒質１０、例えば炭酸ガスレーザではＣＯ２ガス、が循環する。この状態で、制御装置９から出力信号が与えられると、放電電極２へ高電圧が投入され、レーザ媒質１０が放電で励起される。励起されたレーザ媒質１０は光を放出し、基底準位へと落ちる。放出された光は、共振器１２を構成する部分反射鏡４と全反射鏡５との間で反射、増幅される。即ち、レーザ光は、部分反射鏡４から一部は外部に取り出され、残りはさらに全反射鏡５にて反射され、反射、増幅が繰り返される。また、外部に取り出されるレーザ光１１は、制御装置９による指令の出力相当が取り出されるよう制御される。第８図の構成は、レーザ光１１の方向、放電方向及びレーザ媒質１０が放電電極２間を流れる方向の３つの方向がそれぞれ直交するため、３軸直交型と呼ばれる。レーザ発振器１から取り出されたレーザ光１１は、レーザ加工機等に伝送され、切断及び溶接等の加工作業や計測作業等に利用される。
【０００４】
第９図は日本国特開昭６０−１２７７７３号公報に開示された、共振器を３個の全反射鏡によるレーザ光の折り返し構成とした直交型ガスレーザ装置における、反射鏡と放電電極２との位置関係を示す構成図である。第９図の（ａ）はレーザ光１１の光軸方向からレーザ発振器を見た断面図である。また、第９図の（ｂ）はレーザ光１１の光軸方向に直交する方向からレーザ発振器を見た断面図であり、レーザ光路を示している。図において、１２は共振器、１３は部分反射鏡、１４〜１６は全反射鏡、１７はそれぞれの反射鏡前部に配置され、ビームモードの形状決定やレーザ光増幅のガイド機能を有するアパーチャ、１８は放電空間である。部分反射鏡１３と全反射鏡１６との間のレーザ光路に全反射鏡１４及び１５を配置し、部分反射鏡１３から反射したレーザ光が全反射鏡１４、１５及び１６により３回折り返された後、同一光路を戻る構成となっている。
【０００５】
第１０図は、直交型ガスレーザ装置における放電による利得分布を示す図であり、利得がレーザ媒質１０が流れる方向の位置によって変化する様子を示したものである。第１０図より、放電領域において、レーザ媒質１０が流れる方向の下流側の方が利得が高いことがわかる。このような特性に基づき、第９図の構成においても、レーザ光路をレーザ媒質１０が流れる方向の下流端に配置している。
【０００６】
次に、第９図のように共振器１２を複数の反射鏡によりレーザ光を折り返す構成にする理由について、レーザ発振の理論式を基に説明する。
レーザ出力Ｗｒは次式で与えられる。
Ｗｒ＝η・（Ｗｄ−Ｗ０）                                      （１）
ここで、ηは励起効率、Ｗｄは放電入力、Ｗ０は発振しきい値であり、励起効率ηは次式で与えられる。
η＝Ｆ・η０                                                  （２）
ここで、Ｆは放電空間利用率、η０はレーザ媒質の光への変換効率である。
また、式（１）の発振しきい値Ｗ０は次式で与えられる。
Ｗ０＝ｗ０／ｍ                                                （３）
ここで、ｗ０は共振器を構成する部分反射鏡の透過率等の共振器全体の損失から導き出されるパラメータ、ｍはレーザ光の折り返し回数である。
式（１）より、励起効率ηが高いほど、また、発振しきい値Ｗ０が低いほどレーザ出力Ｗｒが大きい、即ちレーザ光への変換効率が高いということがわかる。また、式（２）、（３）より放電空間利用率Ｆが高いほど励起効率ηは上昇し、レーザ光の折り返し回数ｍが多いほど発振しきい値Ｗ０は下がり、従って高効率の直交型ガスレーザ装置が得られることがわかる。このように、コンパクトでレーザ光への変換効率の高い直交型ガスレーザ装置を得る目的で、共振器を複数の反射鏡によりレーザ光を折り返す構成とした直交型ガスレーザ装置が用いられる。
【０００７】
このような複数の反射鏡によるレーザ光の折り返し構成による高効率化は直交型の特徴的な現象であり、同一の放電空間をレーザ光が複数回往復しながら放電により励起されることで初めて実現できるものである。即ち、例えば日本国実開昭５６−２９９６９号公報に開示された軸流型のガスレーザ装置のように、１つのレーザ管内部に１つの光軸しか持たない構成では実現できないものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直交型ガスレーザ装置では、前記の第９図のような構成でレーザ光の発振効率を高めていたが、昨今の省エネルギ化推進の要請から、さらなる高効率化が望まれている。また、省スペース化を図る観点から、よりコンパクトな直交型ガスレーザ装置への要求が高まっている。
前記のように、レーザ光の折り返し回数が多いほど高効率化を図ることができるわけであるが、第９図の構成で、さらに折り返し回数を増やすことは困難である。この理由は、放電電極の間隔は安定放電発生のため限られ、通常１００ｍｍ以下であり、すべての光軸を前記下流端に配置することは反射鏡の配置や各反射鏡を保持するホルダの構造上の制約から困難であるためである。さらに、レーザ光の折り返しによるレーザ光の重なりにより、出力レーザ光の形状対象性が低下し、例えばこの出力レーザ光を用いた加工において方向性が発生するためである。
【０００９】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、高出力化、省エネルギ化及びコンパクト化に適した直交型ガスレーザ装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【発明が解決するための手段】
この発明に係る直交型ガスレーザ装置は、１個の部分反射鏡及び少なくとも５個の全反射鏡からなる共振器を内蔵するレーザ発振器を備える直交型ガスレーザ装置において、
前記共振器の一端に配置された１個の部分反射鏡及び２個の全反射鏡と、前記共振器の他端に配置された３個の全反射鏡とを備え、前記共振器の各端に３個配置された前記反射鏡はレーザ光を他端に反射しつつ、当該反射鏡におけるレーザ光の中心が三角形をなすように、レーザ媒質が流れる方向の放電領域の下流端又はその近傍に前記反射鏡の中の２個を配置するものである。
【００１１】
さらに、下流端又はその近傍に配置された２個の反射鏡前部に配置されたアパーチャの中心を結んだ線と前記アパーチャの外形が交差した２点を結ぶ線分の中点を放電電極と平行にレーザ媒質が流れる方向の上流側へ移動した位置に、残りの反射鏡前部に配置されたアパーチャの中心を配置させたものである。
【００１２】
さらにまた、前記部分反射鏡を前記下流端又はその近傍に配置するものである。
【００１３】
また、前記部分反射鏡を前記下流端よりも上流側に配置し、前記部分反射鏡に当たるレーザ光の径を拡大するものである。
【００１４】
さらに、前記反射鏡におけるレーザ光の折り返し部の重なり方向を分散させるように前記反射鏡を配置するものである。
【００１５】
【発明の効果】
この発明は、前記のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
この発明に係る直交型ガスレーザ装置は、高出力化、省エネルギ化及びコンパクト化に適している。
また、部分反射鏡の熱歪みを抑えることができる。
さらに、出力レーザ光の形状対象性を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１に係る直交型ガスレーザ装置の共振器部分を示す構成図であり、第１図の（ａ）はレーザ光１１の光軸方向からレーザ発振器を見た断面図であり、第１図の（ｂ）はレーザ光路を示す説明図である。図において、２は放電電極、１０はレーザ媒質、１１はレーザ光、１２は共振器、１８は放電空間、１９は部分反射鏡、２０〜２４は全反射鏡、２５〜３０はアパーチャである。
【００１７】
次に動作について説明する。直交型ガスレーザ装置としての基本的な動作は従来技術で示した第８図と同様である。放電空間１８で励起されたレーザ媒質１０は共振器１２内で増幅される。共振器１２内部では部分反射鏡１９より一部反射されたレーザ光が折り返し、全反射鏡２０から順次全反射鏡２１、２２、２３で反射され、全反射鏡２４に到達する。全反射鏡２４で反射されたレーザ光は、再度全反射鏡２３、２２、２１、２０と反射され、部分反射鏡１９へ到達し、その一部がレーザ光１１として取り出される。このように、部分反射鏡１９と全反射鏡２４との間のレーザ光路に全反射鏡２０〜２３を配置し、部分反射鏡１９から反射したレーザ光が全反射鏡２０〜２４により５回折り返された後、同一光路を戻る構成となっている。
【００１８】
次に、このような折り返し構成の実現方法について説明する。従来技術の第１０図に示した放電による利得分布より、レーザ光路は放電領域におけるレーザ媒質が流れる方向の下流端に配置することが望ましい。しかし、放電電極２の間隔は安定放電発生のため限られ、通常１００ｍｍ以下であり、すべての光軸を前記下流端に配置することは反射鏡の配置やホルダの構造上の制約から困難である。また、レーザ光を取り出す最終端で光軸を前記下流端に配置した方がレーザ光の増幅が最も大きくなるため効率がよい。従って、第１図の（ａ）のように、前記下流端にアパーチャ２５、２６間の光軸とアパーチャ２７、２８の光軸とアパーチャ２６、２７間の光軸を配置し、他の光軸を前記下流端よりも上流側に配置することで、効率が高くかつ安定したレーザ発振を得ることができる。
【００１９】
第２図は、折り返し回数による放電空間利用率の変化を示したものであり、この発明の第１図の構成の場合は、折り返し回数が５回の場合に相当し、従来技術の第９図の構成の場合は、折り返し回数が３回の場合に相当する。第２図より、この発明の構成の方が従来技術の構成よりも放電空間利用率が高いことがわかる。また、折り返し回数が５回を超えても放電空間利用率はそれ程上がらないことがわかる。従って、放電空間利用率の向上による励起効率の上昇と、反射鏡等の部品増加によるコスト上昇等を考慮すると、折り返し回数は５回が適当であるといえる。また、より高出力化を図りたい用途では、折り返し回数をさらに増やしてもよい。
【００２０】
第３図は、入出力特性について、この発明の第１図の構成と従来技術の第９図の構成との比較を、同サイズ及び同投入電力の条件で示した図であり、実線がこの発明における第１図の構成の場合、破線が従来技術における第９図の構成の場合を示している。この発明における第１図の構成では、前記の放電空間利用率の向上及び折り返し回数の増加により出力効率が飛躍的に高まり、従来技術における第９図の構成よりも約１．４倍の高出力化を図ることができる。
【００２１】
従って、高出力化、省エネルギ化及びコンパクト化に適した直交型ガスレーザ装置を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
直交型ガスレーザ装置における共振器を複数の全反射鏡によりレーザ光を折り返す構成とした場合、反射増幅していく過程でレーザ光の折り返し部に重なりが発生する。例えば、実施の形態１の第１図に示した構成を例にとると、レーザ光の重なり部（例えば第１図のアパーチャ２６の位置でアパーチャ２５から来るレーザ光の上側とアパーチャ２７へ向かうレーザ光の下側）では同一空間の利得をアパーチャ２５から来るレーザ光の上側とアパーチャ２７へ向かうレーザ光の下側とが利得の奪い合いをし、その部分については全体の利得１００％に対して、それぞれが５０％の利得しか得られないことになる。このように、レーザ光の重なり部の強度は、レーザ光の重ならない部分の強度に対して半分に落ち、レーザ光の形状対象性が低下する。
【００２３】
第４図の（ａ）は、レーザ光の折り返し部の重なり（第１図の（ｂ）のＡ〜Ｄ部）を示したものであり、これらのレーザ光に対して重なる部分の和が出力レーザ光となる。第４図の（ｂ）はこの場合における出力レーザ光を示している。同様の検討を従来技術の第９図で行うと、出力レーザ光の上下にのみ重なり部が生じ、出力レーザ光の形状対象性はより低下している。出力レーザ光の形状対象性が低下した場合には、例えばこの出力レーザ光を用いた加工において方向性が発生する。
【００２４】
第５図はこの発明の実施の形態２に係る直交型ガスレーザ装置の共振器部分を示す構成図であり、出力レーザ光の形状対象性をより向上させる構成を示したものである。第５図において、実施の形態１の第１図と同一又は相当部分には同一符号を付している。第５図の（ａ）はレーザ光１１の光軸方向からレーザ発振器を見た断面図であり、第５図の（ｂ）はレーザ光路を示す説明図である。第５図の反射鏡及びアパーチャの配置は、第１図の反射鏡及びアパーチャの配置と異なり、反射鏡２２及びアパーチャ２８が反射鏡２４及びアパーチャ３０と入れ替わった構成となっている。従って、第５図の（ｂ）のレーザ光路は第１図の（ｂ）のレーザ光路と異なり、レーザ光の折り返し部の重なり方向が一部異なっている。この場合において、第５図の（ｃ）が第４図の（ａ）に相当し、第５図の（ｄ）が第４図の（ｂ）に相当する図であり、第５図の（ａ）及び（ｂ）のような反射鏡の配置及びレーザ光路にすることにより、第５図の（ｃ）のように各反射鏡におけるレーザ光の折り返し部の重なり方向が分散し、第５図の（ｄ）のように出力レーザ光のほぼ全周にレーザ光の重なる部分が分散して配置されるため、出力レーザ光の形状対象性が向上する。
【００２５】
また、第１図及び第５図の構成では、反射鏡が共振器の両端部に各３個ずつ配置され、共振器の端部の３個の反射鏡におけるレーザ光の中心が三角形をなしている。これは、第１図の例では、アパーチャ２５、２７及び２９並びにアパーチャ２６、２８及び３０を三角形に配置することに相当し、第５図の例では、アパーチャ２５、２７及び２９並びにアパーチャ２６、３０及び２８を三角形に配置することに相当する。第５図を例にとると、各アパーチャの径が等しい場合には、アパーチャ２５、２７及び２９が形成する三角形は、アパーチャ２５、２７の中心を結んだ線を底辺とする二等辺三角形、アパーチャ２６、３０及び２８が形成する三角形は、アパーチャ２６、３０の中心を結んだ線を底辺とする二等辺三角形となっている。第５図の構成で、各アパーチャの径が異なる場合には、第６図に示すように、アパーチャ２５とアパーチャ２７の中心を結んだ線とアパーチャ２５及び２７の外形が交差した点である、Ｐ点及びＱ点を結ぶ線分ＰＱの中点Ｒを放電電極と平行にレーザ媒質が流れる方向の上流側へ移動した位置にアパーチャ２９の中心を配置するようにすれば、出力レーザ光の形状対象性を向上させることができる。
【００２６】
実施の形態３．
レーザ光を取り出す部分反射鏡は過大な入熱があり、熱歪みが生じる等の問題がある。このような熱歪みを緩和するためには、部分反射鏡に当たるレーザ光の径を大きくし、単位面積当たりの入熱量を低減させる方法が最も効果的である。実施の形態１の第１図及び実施の形態２の第５図における反射鏡及びアパーチャの配置では、部分反射鏡１９及びアパーチャ２５の上に全反射鏡２１及びアパーチャ２７が配置されるため、部分反射鏡１９に当たるレーザ光の径を物理的に大きくすることが困難である。そこで、第７図に示すように、部分反射鏡１９及びアパーチャ２５の配置を、上下に反射鏡及びアパーチャが来ないような配置すれば、第１図及び第５図の場合に比べレーザ光を取り出す最終端が放電領域におけるレーザ媒質が流れる方向の下流端から上流側に移るため若干出力は低下するが、反射鏡の曲率を変更する等による共振器の変更あるいはモード次数の変更等により、部分反射鏡１９に当たるレーザ光の径を広げることが可能となる。
【００２７】
従って、第７図のような反射鏡の配置及びレーザ光路を採用することにより、部分反射鏡の熱歪みを抑えることができる。
【００２８】
【産業上の利用可能性】
以上のように、この発明に係る直交型ガスレーザ装置は、高出力化、省エネルギ化及びコンパクト化を図ることができるため、この直交型ガスレーザ装置の生産自体が産業上有用である。さらに、加工及び計測等の産業に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の実施の形態１に係る直交型ガスレーザ装置の共振器部分を示す構成図である。
第２図は、折り返し回数による放電空間利用率の変化を示す図である。
第３図は、入出力特性を示す図である。
第４図は、レーザ光の折り返し部の重なり状況と出力レーザ光の例を示す説明図である。
第５図は、この発明の実施の形態２に係る直交型ガスレーザ装置の共振器部分を示す構成図である。
第６図は、各アパーチャの径が異なる場合におけるレーザ光の形状対象性を向上するための反射鏡の配置方法を示す説明図である。
第７図は、この発明の実施の形態３に係る直交型ガスレーザ装置の共振器部分を示す構成図である。
第８図は、従来の直交型ガスレーザ装置を示す構成図である。
第９図は、従来の直交型ガスレーザ装置における反射鏡と放電電極との位置関係を示す構成図である。
第１０図は、直交型ガスレーザ装置における放電による利得分布を示す図である。
【図１】
0004232369.tif 000002
【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】
0004232369.tif 000008
【図８】
0004232369.tif 000009
【図９】
0004232369.tif 000010
【図１０】
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