(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２レーザガスを放電励起する放電励起部、半透鏡と全反射凹面鏡とからなる光共振器、および回転チョッパを有するＱスイッチ装置を備えたＱスイッチＣＯ２レーザ装置において、
レーザガス流および放電方向がレーザ発振光軸と同軸方向であり、前記全反射凹面鏡と集光凹面鏡とによりテレスコープが構成されており、全反射凹面鏡と集光凹面鏡との間に前記回転チョッパが位置し、前記テレスコープおよび回転チョッパがレーザガス雰囲気のケーシング内に配置されており、
前記回転チョッパ周辺のレーザガス圧力が放電励起部よりも低く保持されていることを特徴とするＱスイッチＣＯ２レーザ装置。
【請求項２】
ＣＯ２レーザガスを放電励起する放電励起部、半透鏡と全反射鏡とからなる光共振器、および回転チョッパを有するＱスイッチ装置を備えたＱスイッチＣＯ２レーザ装置において、
先端部に前記半透鏡が固定された第１放電励起室、後端部に前記全反射鏡が固定された第２放電励起室、および第１放電励起室の後端部と第２放電励起室の先端部とを連結するテレスコープ室により全体としてほぼＵ字形に形成されたレーザガス雰囲気のケーシングを備え、前記放電励起部が第１放電励起室に収納された第１放電励起部、および第２放電励起室に収納された第２放電励起部からなり、各放電励起部におけるレーザガス流および放電方向がレーザ発振光軸と同軸方向であり、１対の集光凹面鏡によりテレスコープが構成され、対となった前記集光凹面鏡の間に前記回転チョッパが位置し、前記テレスコープおよび回転チョッパが前記テレスコープ室に収納されており、
前記回転チョッパ周辺のレーザガス圧力が放電励起部よりも低く保持されていることを特徴とするＱスイッチＣＯ２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ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置、特に高出力かつ高速のＱスイッチ発振を行うＱスイッチＣＯ2 レーザ装置に関する。
この発明のＱスイッチＣＯ2 レーザ装置は、溶接、切断、表面処理その他の加工に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
高ピーク出力を持つパルスレーザは高速加工、化学反応等の種々のレーザ応用において、連続波レーザに比べ効果的である。工業応用可能なレーザとして、ＹＡＧ、およびＣＯ2 レーザがある。これらのレーザでパルス光を得る方法として励起をパルス化したノーマルパルスがあるが、得られるピーク出力は小さい。
【０００３】
高ピーク出力を得る方法として、連続波レーザにＱスイッチを用いる方法がある。Ｑスイッチレーザとしては、ＹＡＧレーザに電気／音響光学素子を用いる方法がある。しかし、素子の耐光強度、およびＹＡＧレーザ媒質のスケーリングの問題からＱスイッチＹＡＧレーザの平均出力は数百Ｗ以下であり、溶接などの加工応用には不適である。
【０００４】
高出力化の観点では、ガスレーザ媒質であるＣＯ2 レーザが有利である。ＣＯ2 レーザで高ピークパルスを得る方法は、たとえばＴＥＡレーザがある。ＴＥＡレーザは、大型の高圧パルス電源を使用するためランニングコストが高く、またパルス繰返し周波数も１kHz 程度が限界である。
【０００５】
ＣＯ2 レーザにＱスイッチを適用することも可能である。連続波ＣＯ2 レーザは工業的に確立された装置であり、大出力化が比較的容易である。したがって、それをベースにしたＱスイッチＣＯ2 レーザは上記の出力特性に関する問題点を解決し、原理的にパルス繰返し周波数１０kHz 以上、平均出力も１ kW 以上が得られ、工業応用可能なパルスレーザとなり得る。
【０００６】
高出力のＱスイッチＣＯ2 レーザのＱスイッチ方法として、光共振器内部に一対のレンズからなるテレスコープを挿入して微小ビームスポットを形成して、そこで機械回転チョッパ等によりＱスイッチを行う方法が知られている。この方法は、高出力動作時のＱスイッチの耐久性、パルス繰返しの制御性、ランニングコスト等の点から最も適している。
【０００７】
テレスコープをミラーで構成する方法が、文献ＤＬＲ (Proceedings of 11th  International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Lasers Conference.P231,SPIE Vol.3029,1996)または文献ＭＰＩ (Proceedings of 7th International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers Confer-  ence.P48,SPIE Vol.1031,1988)に開示されている。これらの装置は、どちらもレーザ利得媒質が２つ以上に分割されているため、その途中の折り曲げミラーをテレスコミラーとして用いている。
【０００８】
文献ＤＬＲの装置は、レーザ光軸、放電方向、およびレーザガス流方向がすべて直交する、いわゆる３軸直交高速軸流タイプのＣＯ2 レーザを用いている。このタイプのレーザ媒質では、レーザ光軸と直交する面上での利得の空間分布、およびガスの温度分布が不均一になる。その結果、光共振器内でのビーム集光性が劣化しやすい。光共振器内に集光点を持つＱスイッチレーザでは、集光性劣化はＱスイッチ性能を劣化させる大きな原因となる。つまり、チョッピング位置での集光性が悪いとチョッパスリット部でビームがスリットに当たり、回折が発生し、出力ビームモードが大きく劣化することになる。特に、高出力のＱスイッチ発振では光共振器内部のビーム強度は非常に高いため、チョッピング位置でのビーム回折はモードを劣化させるだけでなく、チョッパにダメージを与えるという問題があった。
【０００９】
文献ＭＰＩの装置では、ビーム品質に優れる低速軸流タイプをＱスイッチレーザに用いているので、光共振器内のテレスコープでのビーム集光性は優れている。低速軸流・拡散冷却タイプは冷却能力に限界があることから、放電密度を高くできず、かつレーザガス圧力も一般に５０Torr以下と低い。そのため、高出力化には不適である。この発明が目的とするような数 kW から１０ kW 以上の大型化は不可能である。また、文献ＭＰＩの装置では、レーザ透過ミラーを使用してレーザビームを一旦、大気中に取り出し、Ｑスイッチを行うため、その透過窓材の熱的不安定性のため高出力発振には不適である。さらに、テレスコープミラーとして、線状集光する円錐ミラーを用いている。この方法はチョッパ位置でのビーム空間強度を低下させ、チョッパの耐久性の面では優れているが、線状ビームの両端でチョッパ速度が異なるため、部分的にビームの回折が発生し、ビーム品質が劣化する問題もある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、優れた集光性をもった高出力、高速のＱスイッチＣＯ2 レーザ装置を提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のＱスイッチＣＯ２レーザ装置は、ＣＯ２レーザガスが励起されてレーザ光を発生する放電励起部、半透鏡と全反射凹面鏡とからなる光共振器、および前記半透鏡と全反射凹面鏡との間に配置された回転チョッパを備えたＱスイッチＣＯ２レーザ装置において、レーザガス流および放電方向がレーザ発振光軸と同軸方向であり、前記全反射凹面鏡と集光凹面鏡とによりテレスコープが構成されており、全反射凹面鏡と集光凹面鏡との間に前記回転チョッパが位置し、前記テレスコープおよび回転チョッパがレーザガス雰囲気のケーシング内に配置されており、前記回転チョッパ周辺のレーザガス圧力が放電励起部よりも低く保持されていることを特徴としている。
【００１２】
この発明では、レーザガス流および放電方向がレーザ発振光軸と同軸方向であるので、レーザ光軸に垂直な面上のレーザ利得、レーザガス温度分布が均一か、あるいは光軸を中心に同心円上に対称になる。したがって、得られるレーザビーム品質として集光性がもっとも優れるＴＥＭ00モードが得られやすい。その結果、発振器内で集光点を持ち、ビームの高速チョッピングを行うＱスイッチ発振には最適である。集光ビーム径を小さくできるので、チョッピングによるビームの回折、モードの劣化、およびチョッパーのダメージが極力少なく、特に高出力のＱスイッチレーザ発振には有効である。高速軸流タイプであるため、レーザガスの冷却能力に優れ、高電力での励起が可能である。また、１００Torr程度の高圧動作が可能なことから高出力レーザ発振に適している。さらに、テレスコープ、およびＱスイッチチョッパをレーザガス雰囲気のケーシング内に配置している。したがって、放電励起部を大気から遮断するために、放電励起部とテレスコープとの間の窓にレーザ透過ガラスを使用しなくて済む。この結果、光共振器内の損失、レーザ光透過ガラスの熱レンズ効果による出力の不安定が発生しないという利点がある。
そして回転チョッパ周辺のレーザガス圧力を放電励起部よりも低く保持するようにして、レーザビームチョッピング時に発生するプラズマからの金属粉が放電励起部に到達しないので、長時間安定した発振が得られる。
【００１３】
第２の発明のＱスイッチＣＯ２レーザ装置は、ＣＯ２レーザガスを放電励起する放電励起部、半透鏡と全反射鏡とからなる光共振器、および回転チョッパを有するＱスイッチ装置を備えたＱスイッチＣＯ２レーザ装置において、先端部に前記半透鏡が固定された第１放電励起室、後端部に前記全反射鏡が固定された第２放電励起室、および第１放電励起室の後端部と第２放電励起室の先端部とを連結するテレスコープ室により全体としてほぼＵ字形に形成されたレーザガス雰囲気のケーシングを備え、前記放電励起部が第１放電励起室に収納された第１放電励起部、および第２放電励起部に収納された第２放電励起部からなり、各放電励起部におけるレーザガス流および放電方向がレーザ発振光軸と同軸方向であり、１対の集光凹面鏡によりテレスコープが構成され、対となった前記集光凹面鏡の間に前記回転チョッパが位置し、前記テレスコープおよび回転チョッパが前記テレスコープ室に収納されている。そして回転チョッパ周辺のレーザガス圧力を放電励起部よりも低く保持するようにして、レーザビームチョッピング時に発生するプラズマからの金属粉が放電励起部に到達しないので、長時間安定した発振が得られる。
【００１４】
上記装置では、２つの放電励起部を備えているので、高出力のレーザ発振を得ることができるという利点もある。
【００１５】
上記ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置において、回転チョッパ周辺のレーザガス圧力を放電励起部よりも低く保持するようにしてもよい。これにより、レーザビームチョッピング時に発生するプラズマからの金属粉が放電励起部に到達しないので、長時間安定した発振が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の発明の実施の形態であり、ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置の主要部を模式的に示している。
ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置は、主として放電励起装置１１、光共振器２１、Ｑスイッチ装置３１、およびケーシング４１とからなっている。
【００１７】
放電励起装置１１は、電極１３、レーザ電源１４、熱交換器１６および強制循環ポンプ１７を備えている。電極１３は、レーザ光軸方向に沿って間隔をおいて対となっており、ケーシング４１の放電部室４２に配置されている。強制循環ポンプ１７により、ＣＯ２レーザガスが放電部室内に常時供給される。レーザガスは放電励起され、レーザ光を発生する。
【００１８】
光共振器２１は、半透鏡２２とテレスコープ２４とからなっている。半透鏡２２は、たとえばＺｎＳｅ製で表面に多層コートが施されており、反射率は５０％である。半透鏡２２は、放電部室４２の先端部に固定されている。半透鏡２２は冷却装置（図示しない）により外周部から水冷されている。半透鏡２２と放電部室４２との間は、ガスケット（図示しない）により気密が保たれている。
【００１９】
テレスコープ２４は全反射凹面鏡２５と集光凹面鏡２６とからなっており、テレスコープ室４３に収納されている。全反射凹面鏡２５および集光凹面鏡２６は、銅などで作られており、表面に金コートが施されている。テレスコープ２４は、光軸が半透鏡２２の光軸に対し直角となるように配置されている。全反射凹面鏡２５および集光凹面鏡２６は、冷却装置（図示しない）より冷却されている。全反射凹面鏡２５と集光凹面鏡２６とは、焦点位置が一致するように配置されている。
【００２０】
Ｑスイッチ装置３１は円盤状の回転チョッパ３３を備えており、回転チョッパ３３の外周寄りに多数のスリット（図示しない）が円周方向に沿って設けられている。回転チョッパ３３は、スリットが全反射凹面鏡２５と集光凹面鏡２６の共焦点位置を通過するように配置されている。回転チョッパ３３は、モータ３５により回転駆動される。レーザ光はスリット通過の有無により、スイッチングされる。
【００２１】
ケーシング４１は、放電部室４２とテレスコープ室４３とに分かれている。吸引ポンプ５１が、テレスコープ室４３に吸引管５３を介して接続されている。吸引ポンプ５１は、テレスコープ室４３のレーザガスの一部を吸引し、放電励起部１８との間にわずかな圧力勾配をもたせ、回転チョッパ周りのレーザガス圧力を放電励起部１８の圧力よりも低く目に保つ。このために、レーザビームチョッピング時に発生するプラズマからの金属粉が放電励起部１８に到達することはなく、長時間安定したレーザ発振が得られる。
【００２２】
全反射凹面鏡２５の光軸の位置または傾きを調整することにより、レーザ光の出力、発振ビームモード、ビーム伝搬方向または発散角を調整することができる。この結果、半透鏡および反射鏡凹面鏡の熱レンズ効果、曲率製作誤差、取付け誤差などを、解消または実用上影響ない程度まで減少することができる。なお、全反射凹面鏡２５の光軸の位置または傾きの調整には、市販のＸＹ軸精密ステージやミラーホルダなどを用いる。
【００２３】
図２は、第２の発明の実施の態様を示している。以下の説明では、図１に示す装置または部材と同様のものには、同一の参照符号を付け、その説明は省略する。
この実施の態様では、放電励起部が第１放電励起部１８ａと第２放電励起部１８ｂとからなっている。光共振器２１が半透鏡２２と全反射平面鏡２３とからなっている。半透鏡２２はケーシング４５の第１放電励起室４６ａの先端部に固定されており、全反射平面鏡２３は第２放電励起室４６ｂの後端部に固定されている。第１放電励起室４６ａと第２放電励起室４６ｂは平行となっている。第１放電励起室４６ａの後端部と第２放電励起室４６ｂの先端部とは、テレスコープ室４７により連結されている。したがって、ケーシング４５は全体としてほぼＵ字形をしている。第１放電励起部１８ａが第１放電励起室４６ａに、また第２放電励起部１８ｂが第２放電励起室４６ｂにそれぞれ収納されている。テレスコープ室内に、テレスコープ２７が配置されている。テレスコープ２７は、全反射平面鏡側の第１凹面鏡２８と半透鏡側の第２凹面鏡２９とからなっている。テレスコープ２７の光軸は半透鏡２２または全反射平面鏡２３の光軸に対し直角となっている。
【００２４】
この実施の態様では、２つの放電励起部１８ａ、１８ｂを備えているので、高出力のレーザ発振を得ることができる。なお、全反射平面鏡２３は凹面鏡であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
この発明では、優れた集光性をもった高出力、高速のＱスイッチＣＯ2 レーザ装置を提供することができ、レーザによる溶接、切断その他の加工の能率向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明の実施の態様を示すもので、ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置を模式的に示す装置構成図である。
【図２】第２の発明の実施の態様を示すもので、ＱスイッチＣＯ2 レーザ装置を模式的に示す装置構成図である。
【符号の説明】
１１  放電励起装置
１３  電極
１４  電源
１６  熱交換器
１７  強制循環ポンプ
１８  放電励起部
２１  光共振器
２２  半透鏡
２３  全反射平面鏡
２４  テレスコープ
２５  全反射凹面鏡
２６  集光凹面鏡
２７  テレスコープ
２８  第１集光凹面鏡
２９  第２集光凹面鏡
３１  Ｑスイッチ装置
３３  回転チョッパ
４１  ケーシング
４２  放電励起室
４３  テレスコープ室
４５  ケーシング
４６  放電励起室
４７  テレスコープ室
５１  吸引ポンプ
【図１】
0003766515.tif 000002
【図２】
0003766515.tif 000003