JPH01181484A - レーザ発振装置 - Google Patents
レーザ発振装置Info
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- JPH01181484A JPH01181484A JP63002153A JP215388A JPH01181484A JP H01181484 A JPH01181484 A JP H01181484A JP 63002153 A JP63002153 A JP 63002153A JP 215388 A JP215388 A JP 215388A JP H01181484 A JPH01181484 A JP H01181484A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/08059—Constructional details of the reflector, e.g. shape
- H01S3/08068—Holes; Stepped surface; Special cross-section
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は金属あるいは非金属の切断加工用に利用する高
出力レーザ発振装置に関し、特に円偏光出力ビームを射
出するレーザ発振装置に関する。
出力レーザ発振装置に関し、特に円偏光出力ビームを射
出するレーザ発振装置に関する。
レーザ切断加工においては、円偏光ビームを利用するこ
とが優位であることは良く知られている。
とが優位であることは良く知られている。
このため円偏光ビームを作る必要があるが、従来はレー
ザ共振器からの直接射出ビームは直線偏光であり、これ
を外部の光学部品を使用して円偏光に変換していた。
ザ共振器からの直接射出ビームは直線偏光であり、これ
を外部の光学部品を使用して円偏光に変換していた。
従来の直接射出ビームを円偏光に変換する構成例を第9
図に示す。図では放電管等のレーザ励起用部品は周知で
あるので省略してあり、光学系の部品のみを示しである
。図において、1はリア鏡、2及び3は折り返し鏡、4
は出力結合鏡であり、これらでレーザ共振器を構成して
いる。これも周知の原理によって、共振器内のレーザ光
は3本の光軸7a、7b、7Cが決める平面に直交した
直線偏光になっている。しかも第9図ではこの平面は直
線7aの回りにπ/4だけ回転させである。
図に示す。図では放電管等のレーザ励起用部品は周知で
あるので省略してあり、光学系の部品のみを示しである
。図において、1はリア鏡、2及び3は折り返し鏡、4
は出力結合鏡であり、これらでレーザ共振器を構成して
いる。これも周知の原理によって、共振器内のレーザ光
は3本の光軸7a、7b、7Cが決める平面に直交した
直線偏光になっている。しかも第9図ではこの平面は直
線7aの回りにπ/4だけ回転させである。
従って、共振器よりの出射ビームは水平面に対してπ/
4だけ傾いた直線偏光であって、これが2枚組のフェー
ズリターダ5及び6に導かれる。周知の原理によって、
フェーズリターダよりの射出ビーム9は円偏光になって
いる。
4だけ傾いた直線偏光であって、これが2枚組のフェー
ズリターダ5及び6に導かれる。周知の原理によって、
フェーズリターダよりの射出ビーム9は円偏光になって
いる。
しかし、第9図に示す従来の方式では以下のような問題
点が存在する。
点が存在する。
第1は光学部品数が多すぎて価格が高くなることである
。
。
第2は系が大型で複雑化することである。
第3は外部の光学系もレーザ共振器なみに精密構造にし
ないとレーザビームのボインテングスタビリテーが不足
して切断特性が低下することである。
ないとレーザビームのボインテングスタビリテーが不足
して切断特性が低下することである。
本発明の目的はこれらの問題点を除去し、円偏光出力ビ
ームを射出するレーザ発振装置を提供することにある。
ームを射出するレーザ発振装置を提供することにある。
本発明はでは上記課題を解決するために、出力結合鏡、
リア鏡、1枚あるいは複数枚の折り返し鏡からなる折り
透型レーザ共振器において、該リア鏡が光軸上最短距離
に位置する折り返し鏡についての入射角に対してπ/4
だけ回転した方向に平行なEベクトルを有する直線偏光
成分に対して最大の反射率を有し、 前記折り返し鏡全部が総合的に平行並びに垂直偏光成分
に対してπ/2のフェーズリターダとして動作すること
を特徴とするレーザ発振装置が、提供される。
リア鏡、1枚あるいは複数枚の折り返し鏡からなる折り
透型レーザ共振器において、該リア鏡が光軸上最短距離
に位置する折り返し鏡についての入射角に対してπ/4
だけ回転した方向に平行なEベクトルを有する直線偏光
成分に対して最大の反射率を有し、 前記折り返し鏡全部が総合的に平行並びに垂直偏光成分
に対してπ/2のフェーズリターダとして動作すること
を特徴とするレーザ発振装置が、提供される。
リア鏡が一定の傾きを有する方向に最大の反射率を有す
るので、リア鏡と最短距離の折り返し鏡との間では直線
偏光となる。
るので、リア鏡と最短距離の折り返し鏡との間では直線
偏光となる。
折り返し鏡がフェーズリターダとして作用して、位相を
π/2だけ移動させるので、得られる射出ビームは円偏
光ビームとなる。
π/2だけ移動させるので、得られる射出ビームは円偏
光ビームとなる。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第1図に本発明の一実施例のレーザ発振装置の構成図を
示す。図において、10はリア鏡、11及び12は折り
返し鏡、4は出力結合鏡であって通常の構成で共振器が
構成されている。ただし、放電管等のレーザ励起用部品
は省略しである。
示す。図において、10はリア鏡、11及び12は折り
返し鏡、4は出力結合鏡であって通常の構成で共振器が
構成されている。ただし、放電管等のレーザ励起用部品
は省略しである。
本発明の特徴は、リア鏡10が図に示す矢印10aの方
向に、特に高い反射率を有することである。その詳細に
ついては後述する。さらに、折り返し鏡11及び12が
2枚−組でπ/2のフェーズリターダになっていること
である。各折り返し鏡の位相遅延量は自由に決められる
が、合計の位相遅延量がπ/2になればよい。このよう
なフェーズリターダは容易に入手可能である。
向に、特に高い反射率を有することである。その詳細に
ついては後述する。さらに、折り返し鏡11及び12が
2枚−組でπ/2のフェーズリターダになっていること
である。各折り返し鏡の位相遅延量は自由に決められる
が、合計の位相遅延量がπ/2になればよい。このよう
なフェーズリターダは容易に入手可能である。
このような共振器内では光軸7aの領域では、矢印10
a或いは10bが示すような、光軸7a、7b、7cが
作る平面からπ/4だけ回転した方向の直線偏光で発振
する。また、7cの領域では円偏光状態で発振するなど
、場所によって偏光状態の異なる複合偏光状態での発振
が発生する。何故ならば、7aの領域ではリア鏡lOの
反射特性によって、直線偏光が低損失のために選ばれて
発振するし、その直線偏光はフェーズリターダを兼用し
た折り返し鏡11及び12によって領域7cでは円偏光
に変換されるので、領域7cでは円偏光状態で発振が起
こる。
a或いは10bが示すような、光軸7a、7b、7cが
作る平面からπ/4だけ回転した方向の直線偏光で発振
する。また、7cの領域では円偏光状態で発振するなど
、場所によって偏光状態の異なる複合偏光状態での発振
が発生する。何故ならば、7aの領域ではリア鏡lOの
反射特性によって、直線偏光が低損失のために選ばれて
発振するし、その直線偏光はフェーズリターダを兼用し
た折り返し鏡11及び12によって領域7cでは円偏光
に変換されるので、領域7cでは円偏光状態で発振が起
こる。
出力結合鏡4は特に反射率に方向性のないものを使用す
べきであるが、通常の出力結合鏡は幸い反射率に方向性
がない。従って、共振器の外部に取り出されるレーザ光
13は円偏光となる。
べきであるが、通常の出力結合鏡は幸い反射率に方向性
がない。従って、共振器の外部に取り出されるレーザ光
13は円偏光となる。
リア鏡10の反射率に方向性がない場合は、ここで述べ
た複合偏光状態を含めて、全ての偏光状態での発振は損
失が全部同一であるので、全ての方向に発振の可能性が
あり、レーザ光はランダム偏光になる。従って、矢印1
0aで示す方向性を有するリア鏡10の使用が不可欠で
ある。
た複合偏光状態を含めて、全ての偏光状態での発振は損
失が全部同一であるので、全ての方向に発振の可能性が
あり、レーザ光はランダム偏光になる。従って、矢印1
0aで示す方向性を有するリア鏡10の使用が不可欠で
ある。
次に偏光方向選択性を有するリア鏡10の構造の概略に
ついて説明する。第2図にリア鏡の外観図を示す。図で
は、表面の格子の寸法は理解し易いように、大きく表し
ているが、実際は後述するように、10μm以下の細か
いものである。10aは偏光方向を示している。
ついて説明する。第2図にリア鏡の外観図を示す。図で
は、表面の格子の寸法は理解し易いように、大きく表し
ているが、実際は後述するように、10μm以下の細か
いものである。10aは偏光方向を示している。
次に、このリア鏡の格子の作用を述べる。第3図にリア
鏡の断面図を示す。図において、1oはリア鏡であり、
7aは共振器内の定在波光軸である。リア鏡10の表面
が図に示すように格子構造であると、マクロ的には垂直
入射光であっても、実際には図で示すように斜方向入射
になる。しがち第3図に示すように、入射光波長に対す
る表皮効果深さ(skin depth)dが格子深
さDに比較して十分小さい場合には、反射はこの表皮効
果深さ内部における自由電子の振動に由来して発生する
ので、反射率はX、Y両偏光成分(Eベクトルがそれぞ
れ、X軸及びY軸に平行であると定義する)に対して、
よく知られているように、異なった値、 Rx =tan” (θ−φ) /jan” (θ+φ
〕Ry =sin” (θ−φ) /sin” (θ+
φ〕(但し、 θ=sin−’(8sin φ))
を取る。但し、ここで6は金属の複素屈折率であり、φ
は入射角である。Rx、RyO値は會及びφに依存する
が、銅などの高反射率金属で、φ=π/4に対しては通
常Ryの方がRxよりも1〜2%高い値を示す。このと
きY偏光成分はX偏光成分に対して共振器損失がそれだ
け低いことになるので、レーザ光はこの偏光成分に限る
ことになる。以上は、d<[)の場合について述べた。
鏡の断面図を示す。図において、1oはリア鏡であり、
7aは共振器内の定在波光軸である。リア鏡10の表面
が図に示すように格子構造であると、マクロ的には垂直
入射光であっても、実際には図で示すように斜方向入射
になる。しがち第3図に示すように、入射光波長に対す
る表皮効果深さ(skin depth)dが格子深
さDに比較して十分小さい場合には、反射はこの表皮効
果深さ内部における自由電子の振動に由来して発生する
ので、反射率はX、Y両偏光成分(Eベクトルがそれぞ
れ、X軸及びY軸に平行であると定義する)に対して、
よく知られているように、異なった値、 Rx =tan” (θ−φ) /jan” (θ+φ
〕Ry =sin” (θ−φ) /sin” (θ+
φ〕(但し、 θ=sin−’(8sin φ))
を取る。但し、ここで6は金属の複素屈折率であり、φ
は入射角である。Rx、RyO値は會及びφに依存する
が、銅などの高反射率金属で、φ=π/4に対しては通
常Ryの方がRxよりも1〜2%高い値を示す。このと
きY偏光成分はX偏光成分に対して共振器損失がそれだ
け低いことになるので、レーザ光はこの偏光成分に限る
ことになる。以上は、d<[)の場合について述べた。
次にD<dの場合について検討する。第4図にこの場合
のリア鏡10の断面図を示す。図において、10はリア
鏡であり、7aは共振器内の定在波光軸である。Dは格
子の深さであり、dは表皮効果深さである。第4図の場
合も自由電子の振動は図の斜線で示す表皮効果深さdの
部分で行われるので、鏡面平面の凸凹構造が大半の自由
電子の振動に影響を与えないことは自明であって、当然
Rx、、Ryは同一の値を取ることになる。この結果格
子深さDは、 D≧d の下限値を有することが明らかである。すなわち、全反
射鏡等の光学部品の表面の凸凹の深さは発振波長におけ
る鏡面材質の表皮効果深さ(s k i nd e p
t h)以上でなければならない。例えば、Co2レ
ーザの10.6μmの場合、ダイヤモンド旋盤で切削し
た銅ミラーを使用すると表皮効果・深さ(skin
depth)dは62人になる。
のリア鏡10の断面図を示す。図において、10はリア
鏡であり、7aは共振器内の定在波光軸である。Dは格
子の深さであり、dは表皮効果深さである。第4図の場
合も自由電子の振動は図の斜線で示す表皮効果深さdの
部分で行われるので、鏡面平面の凸凹構造が大半の自由
電子の振動に影響を与えないことは自明であって、当然
Rx、、Ryは同一の値を取ることになる。この結果格
子深さDは、 D≧d の下限値を有することが明らかである。すなわち、全反
射鏡等の光学部品の表面の凸凹の深さは発振波長におけ
る鏡面材質の表皮効果深さ(s k i nd e p
t h)以上でなければならない。例えば、Co2レ
ーザの10.6μmの場合、ダイヤモンド旋盤で切削し
た銅ミラーを使用すると表皮効果・深さ(skin
depth)dは62人になる。
幸いにダイヤモンド旋盤切削の銅鏡面の面精度は第5図
及び第6図に示すように凸凹構造になっており、本発明
の目的に叶っている。第5図は単結晶の銅ミラーをダイ
ヤモンド旋盤で切削した場合の鏡面を拡大した図であり
、第6図は多結晶の銅ミラーをダイヤモンド旋盤で切削
した場合の鏡面を拡大した図である。両図とも、平面方
向の単位はμmであり、縦方向の単位はnmである。す
なわち、第5図では深さの最大は約49nmであり、第
6図では61 nmである。本発明に使用するのは、第
5図に示す単結晶の方が格子の形状が規則的で好ましい
。
及び第6図に示すように凸凹構造になっており、本発明
の目的に叶っている。第5図は単結晶の銅ミラーをダイ
ヤモンド旋盤で切削した場合の鏡面を拡大した図であり
、第6図は多結晶の銅ミラーをダイヤモンド旋盤で切削
した場合の鏡面を拡大した図である。両図とも、平面方
向の単位はμmであり、縦方向の単位はnmである。す
なわち、第5図では深さの最大は約49nmであり、第
6図では61 nmである。本発明に使用するのは、第
5図に示す単結晶の方が格子の形状が規則的で好ましい
。
次に格子の深さDの上限について考察する。格子の深さ
Dが、上記の説明の領域から増大していくと、やがて鏡
面は回折格子として動作し始める。
Dが、上記の説明の領域から増大していくと、やがて鏡
面は回折格子として動作し始める。
この時の反射光は0次だけでなく、高次項にも分散され
るので、0次項のみを使用する本発明の装置のような場
合は実質反射率が低下することとなり、出力が低下し、
望ましくない。
るので、0次項のみを使用する本発明の装置のような場
合は実質反射率が低下することとなり、出力が低下し、
望ましくない。
さらに、格子の深さDが増大すると、第3図に示す格子
構造の各凹みが正確なルーフプリズムになった時のみに
レーザ発振器は高効率で発振すると考えられる。この時
にもY方向偏光には十分になっている。その意味では、
本発明の目的に適しているが、以下のような問題がある
。
構造の各凹みが正確なルーフプリズムになった時のみに
レーザ発振器は高効率で発振すると考えられる。この時
にもY方向偏光には十分になっている。その意味では、
本発明の目的に適しているが、以下のような問題がある
。
第1にそのような精密にルーフプリズムの配列した鏡面
は非常に製作が困難であって、高価なものになる。
は非常に製作が困難であって、高価なものになる。
第2に頂点と谷に相当した領域が発振に寄与しないであ
ろうから、出力低下が発生し、本発明には適用できない
と考えられる。
ろうから、出力低下が発生し、本発明には適用できない
と考えられる。
従って、ここでは格子の深さDの上限値はレーザ波長に
等しいとすることが妥当と考えられる。
等しいとすることが妥当と考えられる。
勿論、CO2レーザの場合、レーザ波長は1066μm
である。
である。
なお、本発明では鏡面の1方向に平行な条痕があること
が必要条件であり、構造が必ずしも第3図に示すように
ルーフプリズムの配列になっている必要はない。
が必要条件であり、構造が必ずしも第3図に示すように
ルーフプリズムの配列になっている必要はない。
次に第2の実施例を第7図に示す。図において、10は
リア鏡であり、11は折り返し鏡、4は出力結合鏡であ
り、13は出力ビームであり、円偏光ビームである。図
のように本実施例では、折り返し鏡は1枚である。動作
の基本原理は第1の実施例と同じであるが、1枚の折り
返し鏡、すなわちフェーズリターダでπ/2の位相差を
得るようにしている点に特徴がある。
リア鏡であり、11は折り返し鏡、4は出力結合鏡であ
り、13は出力ビームであり、円偏光ビームである。図
のように本実施例では、折り返し鏡は1枚である。動作
の基本原理は第1の実施例と同じであるが、1枚の折り
返し鏡、すなわちフェーズリターダでπ/2の位相差を
得るようにしている点に特徴がある。
次に第3の実施例について述べる。第8図に本発明の第
3の実施例の構成を示す。図において、10はリア鏡、
111.112−・−・−−−−−−−・−・・IIN
、121.122−−−−−−・−−−−−−−−12
Nは折り返し鏡であり、4は出力結合鏡である。図のよ
うに、本実施例では、多段折り返し型共振器になってお
り、折り返し鏡であるフェーズリターダが全部でπ/2
の位相差を作る点に特徴があり、その他については、第
1及び第2の実施例と同じである。
3の実施例の構成を示す。図において、10はリア鏡、
111.112−・−・−−−−−−−・−・・IIN
、121.122−−−−−−・−−−−−−−−12
Nは折り返し鏡であり、4は出力結合鏡である。図のよ
うに、本実施例では、多段折り返し型共振器になってお
り、折り返し鏡であるフェーズリターダが全部でπ/2
の位相差を作る点に特徴があり、その他については、第
1及び第2の実施例と同じである。
上記の実施例は例示であり、本発明は上記の実施例に限
定されるものでなく、他の実現方法、変形例も含むもの
である。
定されるものでなく、他の実現方法、変形例も含むもの
である。
以上説明したように本発明では、レーザ発振器からの射
出光が直接円偏光になるように構成したので、特別の円
偏光を得るための部品が不要であり、金属あるいは非金
属等のレーザ切断加工機において、価格、構造、特性玉
料する所が大きい。
出光が直接円偏光になるように構成したので、特別の円
偏光を得るための部品が不要であり、金属あるいは非金
属等のレーザ切断加工機において、価格、構造、特性玉
料する所が大きい。
第1図は本発明の一実施例のレーザ発振装置の構成図、
第2図はリア鏡の構造図、
第3図は格子の深いリア鏡の断面図、
第4図は格子の浅いリア鏡の断面図、
第5図は単結晶の銅ミラーをダイヤモンド旋盤で切削し
た場合の鏡面を拡大した図、 第6図は多結晶の銅ミラーをダイヤモンド旋盤で切削し
た場合の鏡面を拡大した図、 第7図は本発明の第2の実施例のレーザ発振装置の構成
を示す図、 第8図は本発明の第3の実施例のレーザ発振装置の構成
を示す図、 第9図は従来の円偏光を得るためのレーザ発振装置の例
を示す図である。 4−−−−−−−・−−一−−−−出力結合鏡7a〜7
cm・−共振器内の光軸 10−−−−−−−−−−−−−・・リア鏡11.11
1S112〜11N1 12.121.122〜12N −−−−−−−−−−・・−フェーズリターダ兼折り返
し鏡13−−−−−−−−−・−・−円偏光ビーム特許
出願人 ファナック株式会社 代理人 弁理士 服部毅巖 第2図 第3図 第4図 宙5図 庫iパノ+f1j (、−’bシーンこ玉虫Σなし)窮
6図 第7図 第8図 第9図 手続補正書(方式) 1、事件の表示 昭和63年特許願第002153号
2、発明の名称 レーザ発振装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 3580番地 代表者 稲葉 清右衛門 4、代理人
た場合の鏡面を拡大した図、 第6図は多結晶の銅ミラーをダイヤモンド旋盤で切削し
た場合の鏡面を拡大した図、 第7図は本発明の第2の実施例のレーザ発振装置の構成
を示す図、 第8図は本発明の第3の実施例のレーザ発振装置の構成
を示す図、 第9図は従来の円偏光を得るためのレーザ発振装置の例
を示す図である。 4−−−−−−−・−−一−−−−出力結合鏡7a〜7
cm・−共振器内の光軸 10−−−−−−−−−−−−−・・リア鏡11.11
1S112〜11N1 12.121.122〜12N −−−−−−−−−−・・−フェーズリターダ兼折り返
し鏡13−−−−−−−−−・−・−円偏光ビーム特許
出願人 ファナック株式会社 代理人 弁理士 服部毅巖 第2図 第3図 第4図 宙5図 庫iパノ+f1j (、−’bシーンこ玉虫Σなし)窮
6図 第7図 第8図 第9図 手続補正書(方式) 1、事件の表示 昭和63年特許願第002153号
2、発明の名称 レーザ発振装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 3580番地 代表者 稲葉 清右衛門 4、代理人
Claims (5)
- (1)出力結合鏡、リア鏡、1枚あるいは複数枚の折り
返し鏡からなる折り返型レーザ共振器において、 該リア鏡が光軸上最短距離に位置する折り返し鏡につい
ての入射面に対してπ/4だけ回転した方向に平行なE
ベクトルを有する直線偏光成分に対して最大の反射率を
有し、 前記折り返し鏡全部が総合的に平行並びに垂直偏光成分
に対してπ/2のフェーズリターダとして動作すること
を特徴とするレーザ発振装置。 - (2)前記リア鏡が表面上一方向に条痕がほぼ平行に配
列した構造であることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載のレーザ発振装置。 - (3)前記条痕の深さが、レーザ発振波長における前記
出力結合鏡あるいは前記反射鏡の鏡面材質の表皮効果深
さと、該レーザ発振波長の中間の値を有することを特徴
とする特許請求の範囲第2項記載のレーザ発振装置。 - (4)前記条痕の深さが、60Åと10μmの間にある
ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載のレーザ発
振装置。 - (5)前記リア鏡の鏡面をダイヤモンド旋盤を使用して
、切削加工したことを特徴とする特許請求の範囲第2項
記載のレーザ発振装置。
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