(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーガス流方向と放電方向とが直交すると共に、レーザー光出力方向が前記ガス流方向と放電方向とにほぼ直交する３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器において、レーザーガス流方向にほぼ直交する方向に放電する複数組の電極対を設け、該複数組の電極対の各対を光学空洞から見てレーザーガス流の上流領域に該光学空洞からのレーザーガス流方向の距離が異なる位置に設けると共に、前記光学空洞のレーザー光出力方向に平行に設けたことを特徴とする３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器。
【請求項２】
レーザーガス流方向と放電方向とが直交すると共に、レーザー光出力方向が前記ガス流方向と放電方向とにほぼ直交する３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器において、レーザーガス流方向に直交する平面に対して光学空洞内のレーザー増幅率及びレーザー光屈折率がほぼ均一になり、該光学空洞内のレーザー光の強度分布が同心円状の分布になるような適宜な傾斜角αの方向に放電可能な少なくとも１セットの第一の電極対と、前記平面に対して傾斜角(π−α)の方向に放電可能な少なくとも１セットの第二の電極対とを前記光学空洞に近接して設け、該第一の電極対と第二の電極対とを前記光学空洞から見てレーザーガス流の上流領域に該光学空洞からのレーザーガス流方向の距離が等しい位置に設けると共に、前記光学空洞のレーザー光出力方向に平行に設けたことを特徴とする３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から図１１及び図１２に示す様な３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器の光共振器の構成が知られている。この図１１及び図１２は炭酸ガスレーザー発振器１００を模式的に示したものであり、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面である。
【０００３】
この炭酸ガスレーザー発振器１００においてはレーザーガスの流れる方向（Ｙ軸）と、このレーザーガスの流れる方向（Ｙ軸）に直交する方向（紙面に垂直な方向）に放電方向（Ｘ軸）をとり、この放電方向とレーザーガスの流れる方向との直交する方向が共振方向（Ｚ軸）となっている。すなわち、放電電極はレーザー光出力方向である共振方向と平行に配置されている。
【０００４】
前記レーザーガスは一対の電極１０１（Ａ，Ｂ）からなる放電領域１０３に流されると共に、該レーザーガスを挟んで光共振器のリアミラーミラー１０５と出力ミラー１０７が対向して配置されている。前記放電領域１０３で励起されたレーザーガスは光学空洞１０９において誘導放出現象により増幅されてその一部が前記出力ミラー１０７から出力されるものである。なお、図１１に示した光共振器内のレーザー光路は一本であるが、一般的にはレーザー出力を高めるためにレーザー光を複数回折り曲げた折返し共振器とするのが普通である。
【０００５】
上記炭酸ガスレーザー発振器１００の前記光学空洞１０９内部におけるレーザーの増幅率は、図１３に示すように、光学空洞１０９の上流側と下部側が低くほぼ中央の位置で最高値になる山形の特性を有している。また、図１４は光学空洞１０９内部におけるレーザー光の屈折率の特性を示したもので、光学空洞１０９内部における屈折率は上流から下流になるにつれて低下する特性となっている。
【０００６】
前記光学空洞１０９内部における増幅率と屈折率の特性はレーザービームの断面の強度分布に影響し、前記増幅率と屈折率のような特性を有する光共振器の場合、出力されるレーザービームの断面の強度分布は図１５に示す様なものとなる。図１５の強度分布図は出力強度が同じ位置を線で結んで示したものであり、最外周の等強度線（Ｌ）が最も強度が低く中心の部の等強度線（Ｈ）が最も高くなっている。この強度分布図によれば、レーザービーム断面の強度分布の形状は偏平な楕円形をしていて強度の強い山（Ｈ）が２箇所にできていることが判る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来のレーザー発振器を使用したレーザー加工装置で、例えば切断加工を行う場合、レーザー発振器から出力されたレーザービームを、凸レンズまたは凹面鏡などの光学系により被加工材上の一点に集光させて加工を行うが、集光点における光の強度分布は集光前の強度分布を縮小したものとなる。従って、前記図１５に示す様な扁平な楕円形をした強度分布を有するレーザービームの場合、切断送りの方向によって切断条件が相違し切断面の品質に差を生じるという問題がある。
【０００８】
上記問題点を解消すべく、放電電極の配置を前記共振方向に対して若干傾斜させて配置することにより、前記光学空洞１０９内部における増幅率と屈折率の特性を平均化する試みも成されたが、放電領域において励起されたレーザーガスが電極の傾斜方向に沿って流れ、放電領域内の電気的インピーダンスが不均一となり増幅率と屈折率が複雑に変化してレーザーの強度分布も複雑に変化するなどの新たな問題を生じて問題解決には至らなかった。
【０００９】
本発明は上述の如き問題点に鑑みてなされたものであり、レーザービームの強度が等方的強度分布を有する３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として、請求項１に記載の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器は、レーザーガス流方向と放電方向とが直交すると共に、レーザー光出力方向が前記ガス流方向と放電方向とにほぼ直交する３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器において、レーザーガス流方向にほぼ直交する方向に放電する複数組の電極対を設け、該複数組の電極対の各対を光学空洞から見てレーザーガス流の上流領域に該光学空洞からのレーザーガス流方向の距離が異なる位置に設けると共に、前記光学空洞のレーザー光出力方向に平行に設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
従って、光学空洞の断面内の増幅率特性は、異なる増幅率特性の重ね合わせとなり全体的にはほぼ均一な増幅率を得ることができる。また、光学空洞の断面内での屈折率特性も同様に、異なる屈折率特性の重ね合わせとなり全体的にはほぼ均一な屈折率を得ることができる。その結果、光学空洞内におけるレーザー光の強度分布を同心円状の分布にすることが可能である。
【００１２】
請求項２に記載の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器は、レーザーガス流方向と放電方向とが直交すると共に、レーザー光出力方向が前記ガス流方向と放電方向とにほぼ直交する３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器において、レーザーガス流方向に直交する平面に対して光学空洞内のレーザー増幅率及びレーザー光屈折率がほぼ均一になり、該光学空洞内のレーザー光の強度分布が同心円状の分布になるような適宜な傾斜角αの方向に放電可能な少なくとも１セットの第一の電極対と、前記平面に対して傾斜角(π−α)の方向に放電可能な少なくとも１セットの第二の電極対とを前記光学空洞に近接して設け、該第一の電極対と第二の電極対とを前記光学空洞から見てレーザーガス流の上流領域に該光学空洞からのレーザーガス流方向の距離が等しい位置に設けると共に、前記光学空洞のレーザー光出力方向に平行に設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
従って、光学空洞の断面内での増幅率特性は、異なる増幅率特性の重ね合わせとなり全体的にはほぼ均一な増幅率を得ることができる。また、光学空洞の断面内での屈折率特性も同様に、異なる屈折率特性の重ね合わせとなり全体的にはほぼ均一な屈折率を得ることができる。その結果、光学空洞内におけるレーザー光の強度分布を同心円状の分布にすることが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器の第一の実施の形態を示したものである。この図１及び図２は３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器を模式的に示したものであり図２は図１のＩＩ−ＩＩ断面である。
【００１５】
この炭酸ガスレーザー発振器１においてはレーザーガスの流れる方向（Ｙ軸）と、このレーザーガス流方向（Ｙ軸）に直交する方向（紙面に垂直な方向）に放電方向（Ｘ軸）をとり、これらＸ、Ｙ軸と直交する方向が共振方向（Ｚ軸）となっている。
【００１６】
前記レーザーガスは二組の電極３（Ａ，Ｂ）と５（Ａ，Ｂ）からなる放電領域７に流されると共に、該レーザーガスを挟んで光共振器のリアミラー９と出力ミラー１１が対向して配置されている。前記放電領域７で励起されたレーザーガスは、リアミラー９と出力ミラー１１とで挟まれる領域である光学空洞１３において誘導放出現象により増幅されてその一部が前記出力ミラー１１から出力されるものである。なお、図１に示した光共振器内のレーザー光軸は一本であるが、レーザー出力を高めるためにレーザー光を複数回折り曲げた折返し共振器としてもよい。
【００１７】
また、図１の３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器１の光共振器及び電極（３、５）などは低圧に保たれた図示省略の適宜な形状の筐体の中に収められているものであり、前記レーザーガスも図示されないレーザーガス循環装置により前記筐体の中を循環させられているものである。また、前記電極に接続される放電用の電源は直流または交流の適宜な電源を使用することができる。
【００１８】
前記電極３（Ａ，Ｂ）と電極５（Ａ，Ｂ）は、それぞれレーザー光出力方向である共振方向と平行に設け、前記光学空洞１３と電極３（Ａ，Ｂ）との間の距離と、光学空洞１３と電極５（Ａ，Ｂ）との間の距離とは異なる距離に設定してある。この電極３（Ａ，Ｂ）または電極５（Ａ，Ｂ）の光学空洞１３との間の距離の設定は、これから説明する図３及び図４に示される光学空洞１３におけるレーザーの増幅率及び屈折率の特性を考慮して設定されるものである。
【００１９】
図３は、光学空洞１３内を流れる励起されたレーザーガスの増幅率と光学空洞１３内の位置との関係を示したものであり、図３では、三組の放電電極を光学空洞１３から異なる位置に設けた例を示してある。図３を参照するに、光学空洞１３から最も遠い位置に設けた第一の放電電極の増幅率曲線１５のピークＰ1 は最も上流側にあり、次に遠い位置に設けた第二の放電電極の増幅率曲線１７のピークはＰ2 は光路のほぼ中心位置にあり、最も近い位置に設けた第三の放電電極の増幅率曲線１９のピークＰ3 は最も下流の位置にある。
【００２０】
その結果、光学空洞１３に対して適宜な距離をおいた複数の電極を平行に設けることにより、光学空洞１３内の全体的な増幅率は前記三つの曲線（１５，１７，１９）の重ね合わせとなり，曲線２１に示す様に光学空洞１３の断面内でほぼ均一な増幅率を得ることができる。
【００２１】
また、図４は前記第一から第三の放電電極における光学空洞１３内を流れるレーザーガスの屈折率と光学空洞１３内の位置との関係を示したものである。前記第一の放電電極に対する屈折率は屈折率曲線１５’、第二の放電電極に対する屈折率は屈折率曲線１７’、第三の放電電極に対する屈折率は屈折率曲線１９’に対応している。その結果、光学空洞１３内の全体的な屈折率は三つの曲線１５’、１７’、１９’の重ね合わせとなり，曲線２３に示す様に光学空洞１３の断面内でほぼ均一な屈折率を得ることができる。
【００２２】
上記の如く複数の電極を光学空洞１３に対して構成配置することにより、光学空洞１３内におけるレーザー光の強度分布は、図５に示す様な同心円状の分布にすることが可能である。図６は図５のＶＩ−ＶＩ断面を示したものであり、図６（ａ）は、強度の高い山の部分が１箇所に存在する強度分布で最も理想的な分布である。また、図６（ｂ）は、強度分布は同心円状の分布になっているが、強度の高い山の部分が２箇所に存在する場合である。しかし、図６（ａ）または図６（ｂ）のように、強度分布が同心円状の分布になっていれば、レーザーでの切断加工において、切断方向によって切断面の切断品質に差が生じることはなく切断品質上は問題がない。
【００２３】
図７は本発明のレーザー発振器の第二の実施の形態の平面図を示したものである。この炭酸ガスレーザー発振器３０においては、一対の電極３１（Ａ，Ｂ）と、もう一対の電極３３（Ａ，Ｂ）とを複数のミラーから構成される光共振器の両側にそれぞれ設け、電極３１Ａと３１Ｂとの間及び電極３３Ａと３３Ｂとの間で放電するようになっている。この一対の電極３１（Ａ，Ｂ）ともう一対の電極３３（Ａ，Ｂ）とは、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である図８に示す如く、光学空洞３５からの距離を適宜にずらして設けてあり、レーザーガスは電極（３１、３３）の間の放電領域３７を通って光学空洞３５の方向に流れるようになっている。この第二の実施の形態の光共振器は出力ミラー３９とリアミラー４１との間をレーザー光ＬＢがＺ形に往復するように、２枚の中間ミラー（４３、４５）が設けられている。
【００２４】
上記の如く構成することにより、この第二の実施の形態のレーザー発振器３０においても、前記図３及び図４に示したような特性の増幅率と屈折率を得ることが可能である。従って、光学空洞３５内におけるレーザー光の強度分布も前記図５に示す様な同心円状の分布にすることが可能である。なお、光学空洞３５内を往復するレーザー光の回数及び電極のセット数は本実施の形態に限定されないことは容易に理解されることである。
【００２５】
図９は本発明の第三の実施の形態の平面図を示したものである。この炭酸ガスレーザー発振器４０においては、第一の電極対４１（Ａ，Ｂ）と、第二の電極対４３（Ａ，Ｂ）とを、出力ミラー４３とリアミラー４５とから構成される光共振器に近接した位置にそれぞれ平行に設け、電極４１Ａと４１Ｂとの間及び電極４３Ａと４３Ｂとの間で放電するようになっている。そして、図９の断面図１０によく示されている様に、電極４１Ａと光学空洞４９との間の距離よりも、電極４１Ｂと光学空洞４９との距離を適宜に短く設けてある。これと対称的に、電極４３Ａと光学空洞４９との間の距離よりも、電極４３Ｂと光学空洞４９との間の距離を適宜に長く設けてある。
【００２６】
すなわち、レーザーガス流方向に直交する平面を仮想し、前記第一の電極対４１Ａの中心と４１Ｂの中心とを結ぶ線が前記平面となす傾斜角度をαラジアンで配置するとき、前記第二の電極対４３Ａの中心と４３Ｂの中心とを結ぶ線が前記平面となす傾斜角度が（π−α）ラジアンになるように配置してある。
【００２７】
従って、第一の電極対４１（Ａ，Ｂ）の放電と、第二の電極対４３（Ａ，Ｂ）の放電とは放電領域５１で角度（２＊α）でＸ字状に交差しており、レーザーガスはこの第一の電極対４１（Ａ，Ｂ）と、第二の電極対４３（Ａ，Ｂ）の間の放電領域５１を通って光学空洞４９の方向に流れるようになっている。
【００２８】
なお、この第三の実施の形態の光共振器は出力ミラー４５とリアミラー４７との間をレーザー光ＬＢが往復するようになっているが、複数のミラーを使用して複数回折曲げるような共振器にすることも可能である。また、図９の実施の形態では、第一の電極対４１と第二の電極対４３（Ａ，Ｂ）の二組みの電極を設けた例を示したが、第一の電極対４１と第二の電極対４３とを複数セット設けてもよい。また、前記傾斜角度（α）は、光学空洞内の増幅率及び屈折率がこの空洞内の上流側から下流側における光路上において、ほぼ均一な値になるような適宜な値を設定するものである。
【００２９】
上記の如く構成することにより、この第三の実施の形態のレーザー発振器４０においても、前記図３及び図４に示したような特性の増幅率と屈折率を得ることが可能である。従って、光学空洞４９内におけるレーザー光の強度分布も前記図５に示す様な同心円状の分布にすることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１または請求項２に記載の発明によれば、光学空洞内におけるレーザー光の強度分布を同心円状の分布にすることが可能であるので、レーザーでの切断加工において切断方向によって切断面の切断品質に差が生じることがなくなり切断品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器の第一の実施の形態。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図。
【図３】第一の実施の形態の光学空洞内におけるレーザーガスの増幅率と位置との関係。
【図４】第一の実施の形態の光学空洞内におけるレーザーガスの屈折率と位置との関係。
【図５】第一の実施の形態の光学空洞内におけるレーザー光の強度分布。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面図。
【図７】本発明の３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器の第二の実施の形態の平面図。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図。
【図９】本発明の３軸直交形の炭酸ガスレーザー発振器の第三の実施の形態の平面図。
【図１０】図９のＸ−Ｘ断面図。
【図１１】従来の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器の光共振器を模式的に示した図。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図。
【図１３】従来の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器の光学空洞内部におけるレーザーの増幅率と位置との関係。
【図１４】従来の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器の光学空洞内部におけるレーザーの屈折率と位置との関係。
【図１５】従来の３軸直交形炭酸ガスレーザー発振器の光学空洞内におけるレーザービームの断面の強度分布。
【符号の説明】
１  炭酸ガスレーザー発振器
３（Ａ，Ｂ）  電極
５（Ａ，Ｂ）  電極
７  放電領域
９  リアミラー
１１  出力ミラー
１３  光学空洞
３１（Ａ，Ｂ）電極
３３（Ａ，Ｂ）電極
３５  光学空洞
４１（Ａ，Ｂ）  電極
４３（Ａ，Ｂ）  電極
４９  光学空洞
５１  放電領域
ＬＢ  レーザービーム
ＲＰ  平面
α  傾斜角
【図１】
0003810459.tif 000002
【図２】
0003810459.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003810459.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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