JP2016082208A - ビーム品質を向上させるレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】容易かつ安価な構成で、ビーム品質を向上させることができるレーザ発振器を提供する。【解決手段】レーザ発振器１００の出力鏡３およびリア鏡４は、レーザ光に対する反射率がそれぞれ第１反射率α０および第２反射率β０である材料によって構成される。出力鏡３の第１面３１には、第１円３５の内側に、第１反射率α０よりも高い反射率α１の第１コーティング材３６が塗布される一方、第１円３５の外側にはコーティング材が塗布されない。リア鏡４の第１面４１には、第２円４５の内側に、第２反射率β０よりも高く第１コーティング材３６の反射率α１よりも高い反射率β１を有する第２コーティング材４６が塗布される一方、第２円４５の外側にはコーティング材が塗布されない。【選択図】図１

Description

本発明は、放電管によりレーザガスを励起させてレーザ光を発振させるレーザ発振器に関する。

一般に、レーザ発振器から出力されるレーザビームの品質（集光性）は、モード次数が低次化するほど向上する。この点を考慮し、高次モードのレーザ発振を抑え、低次モードでレーザ発振させるようにしたレーザ発振器が知られている（例えば特許文献１〜３参照）。これら特許文献１〜３記載のレーザ発振器においては、出力鏡とリア鏡との間にアパーチャを配置し、アパーチャによりレーザ光の径を制限することで、高次モードのレーザ発振を抑制する。

しかしながら、上記特許文献１〜３記載のレーザ発振器はアパーチャを有するため、構成が複雑となるばかりか、アパーチャがレーザ光を吸収し、レーザ出力が低下するという問題がある。これに対し、出力鏡またはリア鏡の表面に反射率の異なる２種類のコーティングを施し、低次モードのレーザ光のみを発振させるようにしたレーザ発振器が知られている（例えば特許文献４参照）。特許文献４記載のレーザ発振器では、出力鏡の径方向中心部に半透過膜のコーティングを施し、その周辺部に無反射膜のコーティングを施す。あるいは、リア鏡の径方向中心部に全反射コーティングを施し、その周辺部に無反射コーティングを施す。

特許第３３１３６２３号公報 特開２０１３−２４７２６０号公報 特開２００９−９４１６１号公報 特開平２−１６６７７８号公報

しかしながら、上記特許文献４記載のレーザ発振器では、出力鏡またはリア鏡の表面に反射率の異なる２種類のコーティングを施すため、製造工程が複雑となる。

本発明の一態様であるレーザ発振器は、レーザガスが励起される放電空間を有する放電管と、放電管の両側にそれぞれ配置される出力鏡およびリア鏡とを備える。出力鏡およびリア鏡は、レーザ光に対する反射率がそれぞれ第１反射率および第２反射率である材料によって構成され、出力鏡の放電空間に面した表面には、放電管の内径の９０％以上かつ１００％以下の第１円の内側に、第１反射率よりも高い反射率を有する第１コーティング材が塗布される一方、第１円の外側にはコーティング材が塗布されず、リア鏡の放電空間に面した表面には、放電管の内径の９０％以上かつ１００％以下の第２円の内側に、第２反射率よりも高く、かつ、第１コーティング材の反射率よりも高い反射率を有する第２コーティング材が塗布される一方、第２円の外側にはコーティング材が塗布されないことを特徴とする。

本発明によれば、出力鏡の表面の第１円の内側およびリア鏡の表面の第２円の内側に、それぞれ第１コーティング材および第２コーティング材が塗布され、第１円の外側および第２円の外側にはコーティング材が塗布されない。したがって、高次モードの発振が抑制され、アパーチャを用いない簡易な構成で、ビーム品質を向上させることができる。また、出力鏡およびリア鏡に塗布されるコーティング材はそれぞれ１種類であるため、コーティング処理を容易かつ安価に行うことができる。

本発明の実施形態に係るレーザ発振器の全体構成を示す図。 図１の出力鏡の第１面の正面図。 図１のリア鏡の第１面の正面図。 本発明の変形例であるレーザ発振器を構成する出力鏡の要部断面図。

以下、図１〜図４を参照して本発明によるレーザ発振器１００の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器１００の全体構成を示す図である。本実施形態に係るレーザ発振器１００は、レーザガスを媒質として放電管によりレーザガスを励起させる高出力炭酸ガスレーザ発振器である。

図１に示すように、レーザ発振器１００は、レーザガスが循環するガス流路１と、ガス流路１に連通する放電管２と、放電管２を挟むように放電管２の両側に配置された出力鏡３およびリア鏡４と、放電管２の電極５，６に電圧（放電管電圧）を印可する電源部７と、レーザ出力を検出するセンサ８と、レーザガスを冷却する熱交換機９，１０と、ガス流路１に沿って矢印に示すようにレーザガスを循環させる送風機１１とを有する。

放電管２は、その中心を通る長手方向の軸線ＣＬを中心とした円筒形状を呈し、放電管２の内部に放電空間１２を有する。出力鏡３およびリア鏡４は、それぞれ外周面が軸線ＣＬを中心とした円筒形状を呈し、その外径は放電管２の内径Ｄ０よりも大きい。出力鏡３は、放電空間１２に面した第１面３１およびその反対側の第２面３２を有し、リア鏡４は、放電空間１２に面した第１面４１およびその反対側の第２面４２を有する。出力鏡３の第１面３１およびリア鏡４の第１面４１はそれぞれ凹状に形成され、それぞれ所定の曲率半径を有する。出力鏡３の第２面３２は所定の曲率半径を有する凸面もしくは平坦面であり、リア鏡４の第２面４２は平坦面である。

このようなレーザ発振器１００において、放電管２の各電極５，６に電力を供給すると、すなわち放電管電圧を印加すると、放電管２内の放電空間１２においてレーザガスの放電が開始される。この放電開始によりレーザガスが励起されて光を発生し、出力鏡３とリア鏡４との間で共振が起こって誘導放出により光が増幅され、その一部がレーザ光１３として出力鏡３から取り出される。取り出されたレーザ光１３は、例えば図示しないレーザ加工機に出力され、ワークの切断等を行う。

この場合、レーザ光１３のビーム品質（集光性）の良否が、ワークの切断能力および切断品質に影響を与える。ビーム品質が悪い場合は、加工用集光レンズでレーザ光を集光した場合に、集光径が十分に小さくならない、あるいはレーリー長が短く安定した加工ができないなどの理由により、切断能力の悪化や不安定化を招く。

ビーム品質を向上させるためには、高次モードのレーザ発振を抑え、低次モードのみでレーザ発振させるように構成することが有効である。この点に関し、例えば出力鏡３とリア鏡４との間にアパーチャを配置し、アパーチャによりレーザ光の径を制限するように構成すると、部品点数が増加して構成が複雑となるばかりか、アパーチャがレーザ光を吸収し、レーザ出力が低下する。一方、出力鏡３の第１面３１の径方向中心部に半透過膜のコーティングを施し、その周辺部に無反射膜のコーティングを施すように構成すると、反射率の異なる２種類のコーティングが施されることとなり、製造工程が複雑となる。そこで、本実施形態では、製造工程を複雑化することなく、ビーム品質を向上させるために、以下のように出力鏡３およびリア鏡４を構成する。

図２は、本実施形態に係る出力鏡３の第１面３１の正面図である。出力鏡３は、レーザ吸収率が低い材料によって構成されている。一例を挙げると、ジンクセレン（ＺｎＳｅ）を出力鏡３の構成材として好適に用いることができる。ジンクセレンからなる出力鏡３の反射率α０は、波長１０．６μｍのレーザ光に対し約２０％（２０％Ｒ）である。

出力鏡３の第１面３１は、軸線ＣＬを中心とした円３５を境にして、円３５の内側の第１領域３３と、円３５の外側のリング状の第２領域３４とに分割されている。第１領域３３と第２領域３４との境界である円３５の直径Ｄ１は、例えば放電管２の内径Ｄ０の９０％〜１００％である。第１領域３３には、所定の反射率α１を有する第１コーティング材３６が塗布されている。第１コーティング材３６は、例えば誘電体多層膜として第１領域３３に積層されている。第２領域３４にはコーティング材が塗布されておらず、第２領域３４の反射率は、出力鏡３の材質によって定まる。すなわち、α０である。

第１コーティング材３６は、レーザ発振に適した反射率α１を有する。反射率α１は、レーザ発振器１００の構成に応じて４０％〜７０％（４０％Ｒ〜７０％Ｒ）の範囲から選定され、第２領域３４の反射率α０よりも高い。例えば、放電管２の本数が多い、あるいは放電管２の全長が長い、あるいは媒質濃度が高い、あるいは共振器長が長いなどの場合には、ゲインが大きいため、小さめの反射率α１（例えば４０％）を有する第１コーティング材３６が用いられる。一方、放電管２の本数が少ない、あるいは放電管２の全長が短い、あるいは媒質濃度が低い、あるいは共振器長が低いなどの場合には、ゲインが小さいため、大きめの反射率α１（例えば７０％）を有する第１コーティング材３６が用いられる。

このように出力鏡３の第１面３１に、放電管２の内径Ｄ０の９０％〜１００％よりも内側に、所定の反射率α１（４０％〜７０％）を有する第１コーティング材３６を誘電体多層膜として積層するので、高次モードのレーザ発振が抑制され、低次モードでレーザ発振させることができ、ビーム品質を向上させることができる。また、出力鏡３を、反射率α１よりも低い反射率α０を有するジンクセレンにより構成し、第１コーティング材３６の周囲には、コーティング材を施さないので、出力鏡３の第１面３１には１種類のコーティング材のみが塗布され、製造工程が容易である。

図３は、本実施形態に係るリア鏡４の第１面４１の正面図である。リア鏡４は、レーザ吸収に対し熱膨張率の小さい材料によって構成されている。一例を挙げると、ゲルマニウム単結晶（Ｇｅ単結晶）をリア鏡４の構成材として好適に用いることができる。ゲルマニウム単結晶からなるリア鏡４の反射率β０は、波長１０．６μｍのレーザ光に対し約３５％（３５％Ｒ）である。ゲルマニウム単結晶に代えてガリウム砒素（ＧａＡｓ）を、リア鏡４の構成材として用いることもできる。

リア鏡４の第１面４１は、軸線ＣＬを中心とした円４５を境にして、円４５の内側の第１領域４３と、円４５の外側のリング状の第２領域４４とに分割されている。第１領域４３と第２領域４４との境界である円４５の直径Ｄ２は、例えば放電管２の内径Ｄ０の９０％〜１００％である。直径Ｄ２は、出力鏡３の第１面３１の円３５の直径Ｄ１と等しくすることが好ましい。

第１領域４３には、所定の反射率β１を有する第２コーティング材４６が塗布されている。第２領域４４にはコーティング材が塗布されておらず、第２領域４４の反射率は、リア鏡４の材質によって定まる。すなわちβ０である。第２コーティング材４６は、全反射コーティング材であり、その反射率β１は、例えば９０％以上、好ましくは９９％以上であり、第２領域４４の反射率β０よりも高く、かつ、第１コーティング材３６の反射率α１よりも高い。

このようにリア鏡４の第１面４１に、放電管２の内径Ｄ０の９０％〜１００％よりも内側に、所定の反射率β１を有する第２コーティング材４６により高反射コーティングを施すので、高次モードのレーザ発振が抑制され、低次モードの発振効率を向上させることができる。また、リア鏡４を、反射率β１よりも低い反射率β０を有するゲルマニウム単結晶あるいはガリウム砒素により構成し、第２コーティング材４６の周囲には、コーティング材を施さないので、リア鏡４の第１面４１には１種類のコーティング材のみが塗布され、製造工程が容易である。

上記実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）レーザ発振器１００を、出力鏡３の第１面３１には、放電管２の内径Ｄ０の９０％以上かつ１００％以下の円３５の内側に、出力鏡３の構成材の第１反射率α０よりも高い反射率α１を有する第１コーティング材３６が塗布される一方、円３５の外側にはコーティング材が塗布されず、リア鏡４の放電空間２に面した第１面４１には、放電管２の内径Ｄ０の９０％以上かつ１００％以下の円４５の内側に、リア鏡４の構成材の第２反射率β０よりも高く、かつ、第１コーティング材３６の反射率α１よりも高い反射率β１を有する第２コーティング材４６が塗布される一方、円４５の外側にはコーティング材が塗布されないように構成した。これにより、コーティング処理されている出力鏡３およびリア鏡４の中心部のみでレーザ発振するので、高次モードが抑制され、アパーチャを用いない簡易な構成で、ビーム品質を向上させることができる。また、出力鏡３およびリア鏡４に塗布されるコーティング材はそれぞれ１種類であるため、コーティング処理を容易かつ安価に行うことができる。

さらに、出力鏡３の第１領域３３と第２領域３４との間の境界線を放電管２の軸線ＣＬを中心とした円３５上に設定し、その円３５の直径Ｄ１を放電管２の内径Ｄ０の９０％以上かつ１００％以下とするとともに、リア鏡４の第１領域４３と第２領域４４との間の境界線を放電管２の軸線ＣＬを中心とした円４５上に設定し、その円４５の直径Ｄ２を放電管２の内径Ｄ０の９０％以上かつ１００以下としたので、ビーム品質とレーザ出力とのバランスを向上させることができる。一方、例えば境界線（円３５，４５）の直径Ｄ１、Ｄ２が放電管２の内径Ｄ０の９０％を下回る場合には、高次モードが発振できなくなり、ビーム品質は向上するが、レーザ出力のロスが大きく、レーザ光の出力低下が問題となる。

（２）出力鏡３の構成材として、レーザ吸収率が低い材料であるジンクセレンを用いるので、熱レンズ効果を抑制し、ビーム品質を向上させることができる。

（３）リア鏡４の構成材として、熱膨張が少ない材料であるゲルマニウム単結晶またはガリウム砒素を用いるので、ビーム品質を向上させることができる。

（４）出力鏡３の第１コーティング材３６の外周円３５の直径Ｄ１とリア鏡４の第２コーティング材４６の外周円４５の直径Ｄ２とを互いに等しく設定すれば、ビーム品質とレーザ出力の双方を効果的に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、出力鏡３の第１面３１に第１コーティング材３６を塗布するようにしたが、これに加え、出力鏡３の第２面３２に別のコーティング材を塗布するようにしてもよい。図４は、その一例を示す出力鏡３の断面図であり、図４では、出力鏡３の第２面３２が、軸線ＣＬを中心とした円３７を境にして円３７の内側の第１領域３８と円３７の外側の第２領域３９とに区画されている。第１領域３８には、反射防止コーティング材５０が塗布され、第２領域３９にはコーティング処理が施されていない。

反射防止コーティング材５０の円３７の外径Ｄ３は第１コーティング材３６の円３５の外径Ｄ１と同一であり、第１コーティング材３６と反射防止コーティング材５０とは、出力鏡３の第１面３１および第２面３２の互いに等しい領域にそれぞれ塗布されている。反射防止コーティング材５０の反射率は０またはほぼ０であり、第１領域３８の反射率は第２領域３９の反射率よりも低い。

このように出力鏡３の第２面３２に、第１コーティング材３６と同一径Ｄ３の反射防止コーティング材５０を塗布することで、第１コーティング材３６を通過した低次モードのレーザ光をレーザ発振器１００の外部へ効率よく出力することができる。また、出力鏡３の第２面３２の第２領域３９には、反射防止コーティング材が塗布されないので、第１面３１の第２領域３４を通過したレーザ光の高次モード成分は、第２面３２の第２領域３９で反射される。したがって、高次モードのレーザ光がレーザ発振器１００の外部へ出射されることを防ぐことができ、ビーム品質を向上させることができる。

この場合、ワーク切断用の炭酸ガスレーザは、１ｋｗを超える高出力レーザであるため、第２領域３９で反射して放電空間１２内に戻った高次モード成分がレーザ発振するおそれがある。しかしながら、第１領域３３で発振している低次モード成分と比較すると無視できる出力であり、切断加工には寄与しない。なお、出力鏡３の放電空間１２の反対側の表面（第２面３２）に、第１コーティング材３６と同一径Ｄ３（＝Ｄ１）の反射防止コーティング材５０を塗布するとともに、反射防止コーティング材５０の反射率が第１反射率β０よりも低いのであれば、反射防止コーティング材として種々のものを用いることができる。

なお、上記実施形態では、レーザ発振器１００に単一の放電管２を備えるようにしたが（図１）、放電管２を複数設けるようにしてもよい。放電管２の両側に配置されるのであれば、出力鏡３とリア鏡４の配置および構成は上述したものに限らない。例えば出力鏡３の第１面３１およびリア鏡４の第１面４１の少なくとも一方を凹状ではなく、平坦に形成してもよい。上記実施形態では、出力鏡３の構成材としてレーザ吸収率が低いジンクセレンを用い、リア鏡４の構成材として熱膨張の小さいゲルマニウム単結晶またはガリウム砒素を用いるようにしたが、出力鏡３とリア鏡４の構成材はこれに限らない。

出力鏡３の放電空間１２に面した表面（第１面３１）のうち、放電管２の内径の９０％以上かつ１００％以下の円３５（第１円）の内側に、第１反射率α０よりも高い反射率α１、すなわちレーザ発振器に適した反射率α１を有する第１コーティング材３６が塗布されるのであれば、第１面３１に施される第１コーティング材の構成はいかなるものでもよい。また、リア鏡４の放電空間１２に面した表面（第１面４１）のうち、放電管２の内径の９０％以上かつ１００％以下の円４５（第２円）の内側に、第２反射率β０よりも高く、かつ、第１コーティング材３６の反射率α１よりも高い反射率β１を有する第２コーティング材４６が塗布されるのであれば、第１面４１に施される第２コーティング材の構成もいかなるものでもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

２ 放電管
３ 出力鏡
４ リア鏡
１２ 放電空間
３１ 第１面
３５ 円
３６ 第１コーティング材
４１ 第１面
４５ 円
４６ 第２コーティング材
１００ レーザ発振器

Claims (5)

1. レーザガスが励起される放電空間を有する放電管と、
   前記放電管の両側にそれぞれ配置される出力鏡およびリア鏡と、を備えるレーザ発振器において、
   前記出力鏡および前記リア鏡は、レーザ光に対する反射率がそれぞれ第１反射率および第２反射率である材料によって構成され、
   前記出力鏡の前記放電空間に面した表面には、前記放電管の内径の９０％以上かつ１００％以下の第１円の内側に、前記第１反射率よりも高い反射率を有する第１コーティング材が塗布される一方、前記第１円の外側にはコーティング材が塗布されず、
   前記リア鏡の前記放電空間に面した表面には、前記放電管の内径の９０％以上かつ１００％以下の第２円の内側に、前記第２反射率よりも高く、かつ、前記第１コーティング材の反射率よりも高い反射率を有する第２コーティング材が塗布される一方、前記第２円の外側にはコーティング材が塗布されないことを特徴とするレーザ発振器。
2. 請求項１に記載のレーザ発振器において、
   前記出力鏡の構成材は、ジンクセレンであることを特徴とするレーザ発振器。
3. 請求項１または２に記載のレーザ発振器において、
   前記リア鏡の構成材は、ゲルマニウム単結晶またはガリウム砒素であることを特徴とするレーザ発振器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
   前記第１円の直径と前記第２円の直径とは、互いに等しいことを特徴とするレーザ発振器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発振器において、
   前記出力鏡の前記放電空間の反対側の表面には、前記第１コーティング材と同一径の反射防止コーティング材が塗布され、該反射防止コーティング材の反射率は、前記第１反射率よりも低いことを特徴とするレーザ発振器。

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