(57)【要約】【課題】簡易かつ安価な構成でありながら、レーザ光軸のズレ等により生じる問題点を解決するアパーチャ構造を備えたレーザ発振器を提供する。【解決手段】モード制限用アパーチャを保護するために、ガードアパーチャ４１〜４３が配置される。各ガードアパーチャの内径は、該ガードアパーチャを挟むモード制限用アパーチャの内径よりもいくらか大きく設定される。この場合、経路３６は、ガードアパーチャ４１及び４３によって遮断され、モード制限用アパーチャ３１及び３４に到達する所望のレーザプロファイル３５に属さない周辺光は減殺される。図３のように光軸がずれた場合においても、アパーチャ３１及び３４の発熱が少なくなることになるので、アパーチャの溶融破損は起こりにくくなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を挟んで対向する反射鏡の間でレーザ発振を行い、レーザ光軸の周囲を遮りレーザビームの径を制限するモード制限用アパーチャを配置したレーザ発振器であって、
前記モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けたことを特徴とするレーザ発振器。
【請求項２】
光学的経路に沿って配列される、複数の同一内径のモード制限用アパーチャを有し、
前記複数のモード制限用アパーチャの間に、該モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つを保護するガード用アパーチャを設けた、請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
光学的経路に沿って配列される、複数の同一内径のモード制限用アパーチャを有し、
前記複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つに隣接し、該モード制限用アパーチャよりも大きい径を持ち該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けた、請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項４】
光学的経路に沿って配列される、レーザビームの外周部分の伝播形状に応じた内径を有する複数のモード制限用アパーチャを有し、
前記複数のモード制限用アパーチャの間に、該モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つを保護するガード用アパーチャを設けた、請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項５】
光学的経路に沿って配列される、レーザビームの外周部分の伝播形状に応じた内径を有する複数のモード制限用アパーチャを有し、
前記複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つに隣接し、該モード制限用アパーチャよりも大きい径を持ち該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けた、請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項６】
前記モード制限用アパーチャを前記反射鏡に隣接するモード制限用アパーチャを設けた、請求項１〜５のいずれか１項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、流体又は個体を媒質とする高出力レーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に軸流型ガスレーザ発振器等のレーザ発振器は、切断、溶接等のレーザ加工に用いられる。近年、切断性能向上等のためにレーザ発振器は高出力化される傾向にあるが、高出力化されたレーザ発振器においては、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。上述の不具合を解消するために、共振器内にアパーチャを設ける方法がある。
【０００３】
図１は、従来の軸流型ガスレーザ発振装置の概略構成の一例を示す図である。ガラス等の誘電体よりなる放電管１の周辺には、電極２、３が設けられる。電極２、３には電源４が接続される。電極２、３間に挟まれたレーザ媒質を含む放電空間５の両端には、実質全反射鏡であるリア鏡６及び部分反射鏡である出力鏡７が対向配置され、光共振器を形成している。出力鏡７からは、レーザビーム８が出力される。
【０００４】
レーザガスは、矢印９に従ってレーザガス流路１０内を、１３〜２７ｋＰａ程度の圧力で循環する。ガスレーザ流路１０には熱交換器１１、１２が設けられ、放電空間５における放電と送風機１３の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げる働きをする。送風機１３により、放電空間５にて約１００ｍ／ｓｅｃ程度のガス流が得られる。レーザガス流路１０及び放電管１は、レーザガス導入部１４にて接続されている。
【０００５】
以上が従来のガスレーザ発振装置の構成であり、次にその動作について説明する。送風機１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１０を通り、レーザガス導入部１４より放電管１内へ導入される。この状態で、電源４に接続された電極２、３から放電空間５に放電を発生させる。放電空間５内のレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスはリア鏡６及び出力鏡７により形成された光共振器で共振状態となり、出力鏡７からレーザビーム８が出力される。このレーザビーム８が切断・溶接に代表されるレーザ加工等の用途に用いられる。
【０００６】
上述のようなレーザ発振装置の放電管内には、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が設けられる。例えば特許文献１には、共振器内のビームプロファイルに合わせてナイフエッジ形状のアパーチャを複数枚設けたガスレーザ発振器が開示されている。
【０００７】
アパーチャに係る構成についての開発、改良も種々行われている。例えば特許文献２には、アパーチャの温度をセンサにより測定し、アパーチャの昇温からレーザ光軸のズレを判断するアライメント装置が開示されている。また特許文献３には、ビームウェストの両側にアパーチャを設けて不都合な回折光の低減を図ったレーザ発振器が開示されている。さらに特許文献４には、アパーチャベースに複数の光検出板を設け、光検出板の昇温を測定することにより、アパーチャに対してレーザビーム軸がずれた方向及び程度を知るための装置が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３５０１６６号公報
【特許文献２】特開２００１−５３３７０号公報
【特許文献３】特開２００６−１９６８２７号公報
【特許文献４】特開平１１−２７４６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レーザ共振器内に設けたアパーチャは、レーザ発振するビーム径を制限することで、レーザビームの特性を容易に制御することができる。しかし高ゲインの高出力レーザにあっては、アパーチャで遮られたレーザ媒質においてもレーザ光が増幅され、アパーチャへの熱負荷となる。そこで、複数のアパーチャが共振器内に設けられるが、光軸調整された状態では、このアパーチャへの熱負荷が過度にならないような設計がなされる。すなわち、一般的なレーザ発振器では、放電管内の各位置における所望のビーム伝播形状に合わせた内径のアパーチャが該各位置に配置され、運転状態での各々のアパーチャで吸収または散乱されて制限されるレーザのエネルギーに極端に大きな差異はないようになっている。
【００１０】
しかし、調整段階においては、光軸のズレにより、設計で意図された複数のアパーチャでレーザ光の増幅が抑制されず、媒質中を比較的長距離伝播する光路が存在し、強度の高いレーザ光がアパーチャを破壊することがある。また、稼動中にも、何らかの理由によって光軸がずれ、同様の事態を起こすことがある。さらに、発振器外部でレーザ光が反射され、発振器に戻ることがある。この場合、戻った光は、正確に元のレーザ光路を辿るものではなく、発振器内部のレーザ媒質で増幅され、予期せぬ高いエネルギー密度となることもある。このような発振器外部からの戻りレーザ光がアパーチャを破壊することもある。
【００１１】
また、アパーチャの内径部分は、ナイフエッジ状に鋭角な形状であることが、レーザのモード選択性を高める上で有利であるが、高出力レーザにあっては、個々のアパーチャに対する熱負荷が大きいので、アパーチャ内径のレーザビームを遮る部分が著しい温度上昇に晒され、アパーチャの損傷に至る場合もある。上述のようにレーザ光軸のズレを検出して補正する技術もあるが、そのための検出手段や補正手段が必要となり、装置全体が大型化かつ高コスト化する傾向がある。
【００１２】
そこで本発明は、簡易かつ安価な構成でありながら、レーザ光軸のズレ等により生じる問題点を解決するアパーチャ構造を備えたレーザ発振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ媒質を挟んで対向する反射鏡の間でレーザ発振を行い、レーザ光軸の周囲を遮りレーザビームの径を制限するモード制限用アパーチャを配置したレーザ発振器であって、前記モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けたことを特徴とするレーザ発振器を提供する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発振器において、光学的経路に沿って配列される、複数の同一内径のモード制限用アパーチャを有し、前記複数のモード制限用アパーチャの間に、該モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つを保護するガード用アパーチャを設けた、レーザ発振器を提供する。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発振器において、光学的経路に沿って配列される、複数の同一内径のモード制限用アパーチャを有し、前記複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つに隣接し、該モード制限用アパーチャよりも大きい径を持ち該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けた、レーザ発振器を提供する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発振器において、光学的経路に沿って配列される、レーザビームの外周部分の伝播形状に応じた内径を有する複数のモード制限用アパーチャを有し、前記複数のモード制限用アパーチャの間に、該モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備え、該複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つを保護するガード用アパーチャを設けた、レーザ発振器を提供する。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発振器において、光学的経路に沿って配列される、レーザビームの外周部分の伝播形状に応じた内径を有する複数のモード制限用アパーチャを有し、前記複数のモード制限用アパーチャの少なくとも１つに隣接し、該モード制限用アパーチャよりも大きい径を持ち該モード制限用アパーチャを保護するガード用アパーチャを設けた、レーザ発振器を提供する。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、前記モード制限用アパーチャを前記反射鏡に隣接するモード制限用アパーチャを設けた、レーザ発振器を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
光軸調整等でレーザビームの光軸がずれた状態に陥ったときは、モード制限用アパーチャで回折した光は、共振器内を比較的長距離を伝播する間に強度を増していくが、本発明によれば、モード制限用アパーチャの内径よりも大きい内径を備えたガードアパーチャを設けたことにより、光の一部がガードアパーチャにより遮られるので、モード制限用アパーチャに入射する量は少なくなり、モード制限用アパーチャが保護される。特に、光路経路あたりのレーザ発振利得の大きい発振器では、アパーチャに挟まれたレーザ媒質でも自然に発振するレーザ光が出現してしまうが、ガードアパーチャは、このような望ましくない発振を抑制する効果がある。一方レーザ発振器が正しく光軸調整された状態にあるときは、ガードアパーチャには僅かに回折したレーザ光が照射されるのみである。
【００２０】
本発明によれば、複数のモード制限用アパーチャが、同一内径を備える場合、及び所望のレーザビームプロファイルの外形に応じた内径を備える場合のいずれについても、それぞれ好適な実施形態が提供される。
【００２１】
また、ガードアパーチャをモード制限用アパーチャに隣接して設けることにより、モード制限用アパーチャの内径に近い部分以外の、ガードアパーチャの陰になる部分は、レーザ媒質による発振がないために、全くレーザ光が当たらない。従って、モード制限用アパーチャへの熱負荷が著しく抑えられる。
【００２２】
ガードアパーチャを反射鏡に隣接配置することによっても、反射鏡に到達する光の一部が遮られるので、望ましくない発振を抑制する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図２は、図１に示したガスレーザ発振装置の光学系の従来例を示す図である。ここでは、理解を助けるために、特に、レーザ発振に寄与する構成要素のみを抜き出して示している。図示例では、リア鏡６及び出力鏡７がレーザ共振器を構成し、リア鏡６と出力鏡７との間にレーザ媒質となるレーザガスを含む放電管２１〜２６が並べられ、各放電管内でレーザガスが放電励起される。なお、いわゆる長尺の共振器では、発振器を小さくするために折返し鏡でレーザ光の向きを反転させることもあるが、ここでは明瞭化のため直列に配列されたものとして図示している。
【００２４】
図２の例では、４つのアパーチャ３１〜３４がレーザビーム３５の外周部分の伝播形状に沿うように配置され、各アパーチャがレーザビーム３５の外周部を制限することで、レーザビームの発振モードが制限される。しかしながら、例えば点ｐのような、レーザビームの強度の大きいところから外れた場所においても、レーザ媒質の内部であればある程度のレーザ発振が生じる。これは、アパーチャの内径部分すなわちナイフエッジ部分において生じる回折光が回り込むことにより生じたり、レーザ媒質の長手方向に自然に発振して生じたりするものであり、一般に高出力レーザが高ゲインであるがために生じるものである。
【００２５】
このようにして発光した所望のレーザビーム経路３５に収まらないレーザ光は、結局はアパーチャに照射され反射・吸収されることになる。例えば、図２に示す経路３６がこれに相当する。このために、アパーチャはレーザ発振時に熱せられることになる。また、このアパーチャの発熱はレーザ光軸が精確に調整されていても生じ得るものである。
【００２６】
ところで、レーザの光軸は、レーザの調整作業時や意図しない障害等のために、図３のように傾く場合がある。この場合、レーザビームプロファイルは例えば経路３７及び３８で画定されるようなものとなり、レーザ光がアパーチャに接する箇所は、参照符号３１ａ及び３４ａで示すアパーチャ３１及び３４の一部のみとなる。すると、それらの部分３１ａ及び３４ａのすぐ外側の領域では、共振器長にほぼ等しい距離に亘ってレーザ光を遮るものがなく、故にこれらの部分で相当に強いレーザ光が発光し、アパーチャ部分３１ａ及び３４ａに照射される。結果として、これらの部分は強く熱せられ、場合によっては溶融破損してしまう。
【００２７】
そこで、本発明では、図４に示す第１の実施形態のように、モード制限用アパーチャを保護するためのガードアパーチャ４１〜４３が配置される。各ガードアパーチャの内径は、該ガードアパーチャを挟むモード制限用アパーチャの内径よりもいくらか大きく設定される。この場合、上述の経路３６は、ガードアパーチャ４１及び４３によって遮断され、モード制限用アパーチャ３１及び３４に到達する所望のレーザプロファイル３５に属さない周辺光は減殺される。図３のように光軸がずれた場合においても、アパーチャ３１及び３４の発熱が少なくなることになるので、アパーチャの溶融破損は起こりにくくなる。
【００２８】
図５に示す第２の実施形態では、モード制限用アパーチャ３１〜３４に隣接してガードアパーチャ５１〜５６が配置される。各ガードアパーチャの内径は、隣接するモード制限用アパーチャの内径よりもいくらか大きく設定される。ガードアパーチャ５１〜５６を用いない場合、図２のように、広範な範囲の周辺光がアパーチャ３１に照射されることになるが、この実施形態においては、各モード制限用アパーチャの露出部分は、内径部分近傍の極狭い部分に限定されるので、モード制限用アパーチャ自体の発熱は極めて少なくなる。
【００２９】
上述の２つの実施形態では、レーザプロファイル３５は光路の中央付近にビームウェストを有する形態として図示されているが、一般にレーザ光の伝播形状は、図６に示すレーザプロファイル３５′に示すように、平行線（立体的にみると円筒）に近いものである。このような事情から、市販のレーザ発振装置においては、レーザ光の伝播形状に厳密に合わせてアパーチャ径を構成することは経済的でないので、全てのアパーチャを同一内径として構成することが多い。図６及び図７は、同一内径のアパーチャ３１′〜３４′を有するレーザ発振器に、上述の第１及び第２の実施形態の実質同様のアパーチャ４１′〜４３′及び５１′〜５６′をそれぞれ適用した例を示す。
【００３０】
なお、ガードアパーチャは、モード制限用アパーチャの間に必ず設けなければならないものではなく、例えば図８に示すガードアパーチャ６１及び６２のように、出力鏡７又はリア鏡６に隣接又は近接して設けることもできる。このような構成によれば、リア鏡又は出力鏡に到達する光の一部が遮断されるので、望ましくない発振を抑制する効果が得られる。
【００３１】
本発明に係るガードアパーチャの採用は、モード制限用アパーチャへの熱負荷を軽減し、アパーチャの水冷やセラミックなどの特殊材料の採用など、特別な設計的配慮を不要とするものである。また、モード制限用アパーチャの発熱は共振器の熱歪みの原因となるので、これを軽減する効果は安定したレーザ発振器を構成する上で有用なものである。さらには、ガードアパーチャを高温となる放電管下流部に構成することで、アパーチャによる発熱を共振器の発熱部に集約し、集中的かつ効果的に冷却することができる。これは、熱的に安定した共振器を得る上で重要な技術である。
【００３２】
以上は、ガスレーザについて説明したが、固体レーザにあっては、図４〜図８の放電管をレーザ媒体とすることで、同一の作用効果が得られることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】一般的なレーザ発振器の要部の概略構成を示す図である。
【図２】従来例におけるレーザビーム経路の一例を示す図である。
【図３】従来例におけるレーザビーム経路の他の例を示す図である。
【図４】本発明に係るレーザ発振器の第１の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係るレーザ発振器の第２の実施形態を示す図である。
【図６】第１の実施形態を、モード制限用アパーチャが同一内径の場合に適用した形態を示す図である。
【図７】第２の実施形態を、モード制限用アパーチャが同一内径の場合に適用した形態を示す図である。
【図８】ガードアパーチャを反射鏡に隣接させた例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    放電管
６    リア鏡
７    出力鏡
２１〜２６    放電管
３１〜３４    モード制限用アパーチャ
３５    レーザビームプロファイル
４１〜４３、５１〜５６、６１、６２    ガードアパーチャ
【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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