JPH02150085A - 炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを用いた炭酸ガスレーザ装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを用いた炭酸
ガスレーザ装置に係り、特に金属材料等の加工を行う高
出力の炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを用いた炭酸ガ
スレーザ装置に関する。

〔従来の技術〕

炭酸ガスレーザ加工装置）の利用分野で、主流をなして
いるのは金属材料（ｓｐｃｃ）等の切断及び溶接等であ
る。

そして、近年では、厚い金属材料を切断することのでき
る炭酸ガスレーザ加工装置が切望されるようになってき
た。さらに金属の溶接をも考慮すると、炭酸ガスレーザ
加工装置の高出力化は不可欠の問題である。

従来、ＩＫＷクラス以下の炭酸ガスレーザ用共振器の出
力鏡には、その反射率が５０％以上となるようにＰ　Ｒ
（Ｐａｒｔｉａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーテイン
グ膜を施されたジンクセレン（ＺｎＳｅ）が、また、全
反射鏡には反射率９９％以上となるようにその表面にＡ
ｕコーテイング膜又は誘電体コーテイング膜を施された
ゲルマニウム（Ｇｅ）が主に用いられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

高出力の炭酸ガスレーザは、同軸型であれ、３軸直交型
であれ、レーザ共振器内部のガスを高速に循環させるた
めに、主にルーツブロアーを用いている。そのために程
度の多少はあれ、油分や内部で発生するゴミ等が共振器
内部の光学部品（出力鏡、全反射鏡の表面）に付着する
。そして、レーザ光の照射によってその部分に焼き着き
が生じてしまう。このようにして生じた焼き着きはレー
ザ光を吸収するため、その部分の温度を局所的に上昇さ
せることになる。

一方、レーデ装置の出力が大きくなり、比較的シングル
モードに近いレーザ光になると、共振器内部の光強度の
密度は非常に大きくなる。すなわち、レーザ出力ＩＫＷ
クラス以下のレーザ装置では、レーザ利得（ゲイン）と
の絡みから、出力鏡の反射率は通常５０％以上に設定さ
れている。共振器内部の光強度はレーザ出力を出力鏡の
透過率で除した値であるから、例えばレーザ出力を２．
５ＫＷ、出力鏡の反射率を５０％及び６５％とすると、
それぞれの共振器内部の光強度は５ＫＷ及び７、Ｉ　Ｋ
Ｗとなり、レーザ出力に比べて非常に大きな値となる。

そのため、共振器を構成する出力鏡及び全反射鏡の表面
におけるレーザ光の吸収率が、コンマ数％程度のオーダ
ーであったとしても、レーザ光照射部分の温度上昇は非
常に大きくなる。

この場合の温度上昇の程度は、照射されるレーザ光の強
度、照射部分の大きさ（面積）並びに出力鏡及び全反射
鏡の光吸収率及び熱伝導率等により決定される。

一般に、出力鏡及び全反射鏡の吸収率は、温度依存性を
持っており、ある一定の温度を境に急激に大きくなる。

故に、−度この温度を越えてしまうと、温度的な正帰還
が掛かり、材料の熔融にまで達してしまう。従って、−
度熔融してしまうと、その部分での吸収が非常に大きく
なり、瞬時にして、出力鏡及び全反射鏡の熔融による破
壊という致命的な結果をもたらすことになる。

すなわち、レーザ出力ＩＫＷ以下クラスの低出力レーザ
装置の場合には特に問題にはならなかったが、レーザ出
力を２ＫＷ、３ＫＷ或いはそれ以上の高出力化にした場
合、共振器内部の光強度が非常に大きくなり、それに伴
って、上述のように出力鏡及び全反射鏡の内面の表面温
度上昇が大きくなり、ついにはその表面が熔融（熱暴走
）し、共振器内部を汚染してしまうという問題がある。

本発明の目的は炭酸ガスレーザ装置の高出力化に際して
、耐光強度に優れた炭酸ガスレーザ用共振器及びそれを
用いた炭酸ガスレーザ装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するために、出力鏡と全反射
鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において、 前記出力鏡は反射率５０％以下に設定されたガリウム砒
素（ＧａＡｓ）で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器が、 提供される。

また、本発明では上記課題を解決するために、出力鏡と
全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において、 前記出力鏡はＰＲコーティング膜を有しないジンクセレ
ン（ＺｎＳｅ）で構成されることを特徴とする炭酸ガス
レーザ用共振器が、 提供される。

さらに、本発明では上記課題を解決するために、出力鏡
と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用共振器において
、 前記全反射鏡はガリウム砒素（ＧａＡｓ）で構成される
ことを特徴とする炭酸ガスレーザ用共振器が、 提供される。

そして、本発明では上記課題を解決するために、前記炭
酸ガスレーザ用共振器のいずれかで構成される炭酸ガス
レーザ装置が、 提供される。

（作用） 共振器内部の光学部品（出力鏡、全反射鏡）の表面上の
汚染部分の温度上昇を見積もるにさいしては、近似的に
、薄膜の場合に適用出来る以下の熱伝導方程式を解けば
よい。

（１／ｒ）（δＴ／δｒ）＋（δ２Ｔ／δｔ　ｒ　）−
（１／γ）（δＴ／δｔ）　　ｋ　”　（Ｔ　−Ｔｏ）
　＝　０・−−一−−−−−・−・・（１） 以下数式において各文字は、 Ｋ：熱伝導率（ＴＩ（ＥＲＭＡＬ　Ｃ０ＮＤＵＣＴＩＶ
ＩＴＹ）Ｈ：熱伝達率（ＣＯＮＶＨＣＴＩＯＮ　Ｃ０Ｅ
ＦＦＴＣＩＥＮＴ）ρ：密度（ＤＨＮＳＩＴＹ） Ｃ：定積比熱（ＳＰＥＣＩＦＩＣＨＥＡＴ）Ｄ：材料の
厚さ（ＴＩＩＩＣＫＮＥＳＳ　ＯＦ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ
）γ＝にバρ＊ｃ） ｋ”＝２Ｈ／（ＫＤ） を示す。

入射ビームがスポット半径ａのガウシアン分布であると
仮定して上式（１）を解く。

Ｔ　　Ｔｏ＝ｆ　（ａ”ｒｌ　（ｔ　　ｔＩ）　／（Ｋ
Ｄ（ａ”＋８　ｒｔ＋））＊ｅｘｐ（−７ｋ”ｔＩ　　
ｒ”２　／　（ａ２＋　８　ｒ　ｔＩ）））　ｄｔ＋（
０≦ｄｔ＋　　≦ｔ）−・−・・−・−・−−−−・（
２）ここで、Ｉ（ｔ−ｔＩ）ａ”は膜に吸収されるエネ
ルギーを表すが、この場合、時間によらず一定とし、共
振器内部のレーザパワーをＰｔ１ｎとすると　Ｉ（ｔ−
ｔ、）ａ”−βａ！ 但し、Ｉ　＝Ｉｏｅｘｐ（−２（ｒ／ａ））で、■ｏ：
中心におけるパワー密度 β：膜の吸収率とする。

Ｐｔ１ｎ　＝πａ”Ｉｏ　／２−＋Ｉｏａ”　＝２Ｐｔ
ｉｎ　／π・・−（３） が成立する。

更に、以下のように無次元数を定義する。

τ＝８γｔＩ／ａ” ｅ＝ｋ”ａ”　／８＝ａ”Ｈ／　（４にＤ）ζ−ｒ　／
　ａ 結局、試料表面の温度上昇は次式（４）、（５）から求
められる。

Ｔ　＝Ｔｏ＋βＰｔｉｎＧｔｅｍｐ　／　（２πＫＤ）
ここで、Ｇ　ｔｅｍｐは ｔｅｍｐ ＝Ｓ　　＜τ＋１）−１ ＊ｅｘｐ（−ａ　ｒ　−２ζ”（１＋ｒ）−’）ｄτ（
０≦　ｄτ≦τ）−・−一−−−・・−・−（５）とす
る。

今、レーザ出力をｐｔとして、ビームモードはスポット
半径（ｅ−”ＰＯ［ＮＴ）　ａのガウシアン分布を仮定
し、共振器の反射率をＲとすると、共振器内部のレーザ
ビーム強度Ｐｔ１ｎは次式（６）で表される。

Ｐｔ１ｎ＝Ｐｔ／　（１−Ｒ）　　　　　−−−−−−
−−−（、６）また、ゴミが付着した場合を考えるに際
しては、レーザパワー密度は変化しないで、レーザパワ
ーのみが変わるとして取り扱う。すなわち、付着したゴ
ミの直径をＷＯ、スポット直径を局で、次式で表される
ガウシアン分布のレーザパワーＰｃｏｎが入射すると考
える。

Ｐｃｏｎ＝　ｘ　　（Ｗｏ／　２　）”Ｉｏ／　２＝Ｗ
ｏ”　Ｐｔ１ｎ／　（４ａ　”　）　　　−−−−−−
−−−−−−（７）以上を整理するとレーザ出力をｐｔ
、レーザビームモードをスポット半径ａのガウシアンモ
ードとし、出力鏡の反射率をＲとした場合、出力鏡内部
の表面温度分布Ｔ（？、ｔ）は、 （イ）、試料表面における吸収率αが小さい場合Ｔ（ｒ
、　ｔ）　＝Ｔｏ＋　ｃｘ　（ｐｔ／　（１−Ｒ））Ｇ
ｔｅｍｐ／　（２πＫＤ）−・−・−・−・（８） （ロ）、試料表面にゴミが付着した場合（ゴミの直径を
一層、吸収率をβとする） Ｔ（ｒ、ｔ） ＝Ｔｏ＋β（Ｐｔ／（１−Ｒ））（Ｗｏ／（２ａ））”
Ｇｔｅｍｐ／（２πＫＤ）・−・・−・・−・−（９”
） 但し、 ｔｅｍｐ ＝Ｓ　　（τ＋１）刊 ＊ｅｘｐ（−ａ　τ−２ζ”（１＋ｒ　　）−’）ｄｒ
（０≦　ｄτ≦τ） として求めることが出来る。

以上の結果を図面に基づいて説明する。

第２図は反射率５０％の出力鏡を使用し、レーザ出力が
２．５　ＫＷでスポット直径１０ｍｍφのガウシアンモ
ードの炭酸ガスレーザ光が出射されている場合に、出力
鏡又は全反射鏡の材質として、通常用いられているＺｎ
５ｅ、ＧａＡｓ及びＧｅを用いた時、レーザ媒質にさら
されている側の表面の最高到達温度が表面の吸収率によ
ってどのように変化するかを示している。

熱暴走（熔融）を起こす温度は、Ｚｎ５ｅが２５０°Ｃ
５ＧａＡｓが３００”Ｃ，Ｇｅが７０°Ｃ以下であるか
ら、許容される表面吸収率はＺｎ５ｅが約０．３％以下
、ＧａＡｓが約０．９％以下、Ｇｅが約０．２％以下で
あることがわかる。

通常、ＰＲコーティング膜、全反射コーテイング膜の場
合の吸収率は０．０５〜０．１％程度であるから、表面
での吸収がほんの少し増加するだけで、Ｚｎ５ｅ及びＧ
ｅの場合は熱暴走が生じる危険性が大きいと言える。こ
の点ＧａＡｓの場合は、かなりの余裕があり、その有用
性がわかる。

第３図は、レーザ出力２．５ＫＷでスポット直径１０ｎ
ｃｍφのガウシアンモードの炭酸ガスレーザ光が出射さ
れている場合に、出力鏡にＺｎ５ｅを用い、出力鏡の反
射率Ｒを変化させた時のレーザ媒質にさらされる側の出
力鏡の表面の最高到達温度の表面吸収率依存性を示して
いる。

これより、許容される表面吸収率は、反射率Ｒが６５％
、５０％、１７％（ＰＲコーティング膜を施していない
場合のＺｎ５ｅ自身の反射率）の場合に、それぞれ約０
．２％、０．３％、０．５％であることが分かる。通常
、コーテイング膜を施さない場合、母材の表面吸収率は
通常０．０５％以下であることも考慮するとＰＲコーテ
ィング膜無しの出力鏡を用いることによる利点が一層は
っきりする。

但し、反射率が大幅に減少するのでレーザ効率が多少低
下するのは覚悟しなければならない。

第４図は、第１図のものと同様の動作状態の下で試料表
面にゴミが付着し、その部分の吸収率が１００％とした
時の試料表面の最高到達温度と付着したゴミの直径との
関係を、材質がそれぞれ　Ｚｎ５ｅ、ＧａＡｓ、Ｇｅの
場合について示す。

これより、許容されるゴミの大きさはＺｎ５ｅが約４０
０　ｕｍ、ＧａＡｓが約７００μｍ、Ｇｅが約３００μ
ｍとなる。この場合でも、Ｚｎ５ｅに対してＧａＡｓの
優位性は明らかである。Ｇｅの場合はＺｎ５ｅよりむし
ろ劣っていることがわかる。

従って、炭酸ガスレーザ装置の高出力化に際しては、共
振器内部の光強度を出来るだけ低く押さえ、出来るだけ
出力鏡の透過率を大きく（反射率を小さく）するのが望
ましい。

また、同一の光強度に対しては、出力鏡又は全反射鏡の
材質を選ぶことによって、レーザ媒質にさらされる側の
表面の温度上昇を出来るだけ低く押さえることが出来る
。

共振器内部のゴミ等の汚染による鏡表面の吸収率の増加
に対して、出力鏡及び全反射鏡とも母材としては、Ｇａ
Ａｓを用いるのが最も望ましいと言える。

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第５図に本発明による炭酸ガスレーザ装置の全体構成を
示す。図において、放電管１の両端には出力鏡２と全反
射鏡３とからなる炭酸ガスレーザ用共振器が配置されて
いる。放電管１の円周上外側には２枚の金属電極４及び
５が取り付けられている。画電極４及び５間に高周波電
圧が高周波電源６によって印加され、放電管１内に高周
波グロー放電が発生してレーザ励起が行われる。放電管
ｌ内のレーザビーム光軸を１３で、また出力結合鏡２か
ら外部に取り出されるレーザビーム出力光軸を１４でそ
れぞれ示す。

レーザ発振装置起動時には先ず最初に真空ポンプ１２に
よって装置内部全体が排気される。ついでバルブ１１が
開放になり所定流量のレーザガスがガスボンベ１０から
導かれ装置内のガス圧は規定値に達し、その後は真空ポ
ンプ１２の排気と補給ガス導入が続き、ガス圧は規定値
に保たれたまま、レーザガスの一部は継続して新鮮ガス
に置換されることになりガス汚染を防止する。

さらに第５図ではルーツブロワ９によってレーザガスを
装置内で循環している。この目的はレーザガスの冷却に
ある。炭酸（ＣＯ□）ガスレーザでは注入電気エネルギ
ーの約２０％がレーザ光に変換され、他はガス加熱に消
費される。理論によればレーザ発振利得は、絶対温度Ｔ
の−（３／２）乗に比例するので発振効率を上昇させる
ためにレーザガスの強制冷却が必要である。レーザガス
は約１００ｍ／ｓｅｃの流速で放電管１内を通過し矢印
で示す方向に流れ冷却器８に導かれる。

ここでは主として放電による加熱エネルギーが除去され
る。ルーツブロワ９では圧縮熱が発生するのでガスは放
電管ｌに再度導かれる前に冷却器７を通過する。これら
の冷却器７及び８は周知であるので詳細な説明は省略す
る。

第１図に本発明の炭酸ガスレーザ装置の出力鏡及び全反
射鏡近傍の断面図を示す。

図において、１は放電管であり、石英等でつくられてい
る。放電管１の内部をレーザガスが循環する。第５図の
高周波電源６からの高周波電圧によってレーザガスが励
起され、レーザ光１３が出力鏡２と全反射鏡３との間を
往復して増幅され、レーザ出力光１４が外部に出力され
る。このレーザ出力光１４が金属の切断等に使用される
。

出力ｖ１２は反射率５０％以下に設定されたガリウム砒
素（ＧａＡｓ）で構成される。このガリウム砒素（Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　）のレーザ媒質側の表面には誘電体多層膜
２ａが反射率５０％以下となるようにＰＲココ−ィング
されている。レーザ光１３の一部はこの出力鏡２で反射
され、その残りはレーザ出力光１４として出力される。

尚、ＰＲコーティング膜を施さない場合のガリウム砒素
（ＧａＡｓ）自身の反射率は約２８％であり、これをそ
のまま出力鏡２として用いても十分本発明の効果を奏す
ることができる。

全反射鏡３は出力鏡２と同じガリウム砒素（ＧａＡｓ）
で構成される。このガリウム砒素（ＧａＡｓ）のレーザ
媒質側の表面にはＡｕコーテイング膜３ｂが施されてお
り、その反射率が９９％以上に設定される。

尚、図示していないが、出力鏡２及び全反射鏡３のレー
ザ媒質と反対表面側（外気と接する側）には、それぞれ
反射防止膜（ＡＲ膜）が施されている。

１６ａは出力鏡ホルダー　１６ｂは全反射鏡ホルダーで
あり、放電管１に取り付けられ、出力鏡２及び全反射鏡
３をそれぞれ保持する。１７ａ及び１７ｂは０リングで
あり、放電管１の内部と外部とを遮蔽するために使用さ
れている。１５ａ及び１５ｂは固定フランジであり、出
力鏡２及び全反射鏡３を出力鏡ホルダー１６ａ及び全反
射鏡ホルダー１６ｂに押しつけて保持している。

以上の実施例では出力鏡２としてガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）を用いた場合について説明したが、第３図のデータ
からも明らかなように、ＰＲコーティング膜を施さない
ジンクセレン（ＺｎＳｅ）を用いてもよい。この場合に
も前述のようにＡＲ膜は施す方が良いことはいうまでも
ない。

尚、以上の実施例のように出力鏡２及び全反射鏡３の両
方にガリウム砒素（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　）を用いることが
本発明の実施上最良の形態であるが、なんらこれに拘束
されることは無く、出力鏡２のみにガリウム砒素（Ｇａ
Ａｓ）を用いても、全反射鏡３のみにガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）を用いても良いことは言うまでもなく、その組
み合わせは種々考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、炭酸ガスレーザ用共振
器の出力鏡の反射率を小さくすることによって、共振器
内部の光強度を低く押さえるとことができるという効果
がある。同時に、出力鏡又は全反射鏡に用いる材質を適
当に選ぶ（例えば、熱伝導率の大きいＧａＡｓを、また
は、表面吸収率が小さいＰＲ膜無しを使用する）ことに
よって、レーザ媒質にさらされる側の試料表面の最高到
達温度を抑制することが可能となり、レーザ動作中にお
ける光学部品の熱暴走の生じる危険性を大幅に軽減する
ことができ、炭酸ガスレーザ装置の高出力時における信
軌性を大幅に向上することができるという優れた効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炭酸ガスレーザ用共振器の出力鏡及び
全反射鏡近傍の断面構造を示す図、第２図はレーザ媒質
をパラメーターにしてレーザ媒質にさらされる側の表面
吸収率と表面の最高到達温度との関係を示す図、 第３図は出力鏡の材質をＺｎ５ｅとして、その反射率を
パラメーターとした場合のレーザ媒質にさらされる側の
表面吸収率と表面の最高到達温度との関係を示す図、 第４図はレーザ媒質にさらされる側の表面にゴミが付着
し、その吸収率が１００χとした場合のゴミの大きさと
表面の最高到達温度との関係を示す図、 第５図は本発明の一実施例である炭酸ガスレーザ装置の
全体構成を示す図である。 １　　・−・・−・・・・−・−・放電管２　−・−・
−・・−・−出力鏡 ３　　−−−−−−−・−一−−−−−全反射鏡５−・
・−・・−・−・−・金属電極 ・−・・−・・・・−・高周波電源 ８−・−・・−−一−−−冷却器 −・・・〜・・・・−・・−ルーツブロワ・・・・−・
・−・−・・−ガスボンベ−・−・・−・・−バルブ ・−・・−・・−・・・・−真空ポンプ−・−・−・−
レーザ光 −・−−−−一−−・・〜・・・レーザ出力光ａ、１５
ｂ−・−−−−−−−一−−−−固定フランジａ−・−
・・−・−・−出力鏡ホルダーｂ−・・−・・−・−・
−全反射鏡ホルダーａ、１７ｂ・−・・・・−・・・−
・−０リング特許出願人　ファナック株式会社 代理人　　　弁理士　　服部毅巖

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）　出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
   共振器において、 前記出力鏡は反射率５０％以下に設定されたガリウム砒
   素（ＧａＡｓ）で構成されることを特徴とする炭酸ガス
   レーザ用共振器。
2. （２）　前記反射率はＰＲコーティング膜によって５０
   ％以下に設定されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
3. （３）　前記出力鏡はＰＲコーティング膜を有しないガ
   リウム砒素（ＧａＡｓ）で構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
4. （４）　出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
   共振器において、 前記出力鏡はＰＲコーティング膜を有しないジンクセレ
   ン（ＺｎＳｅ）で構成されることを特徴とする炭酸ガス
   レーザ用共振器。
5. （５）　前記全反射鏡はガリウム砒素（ＧａＡｓ）で構
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   ４項までのいずれかに記載の炭酸ガスレーザ用共振器。
6. （６）　出力鏡と全反射鏡とからなる炭酸ガスレーザ用
   共振器において、 前記全反射鏡はガリウム砒素（ＧａＡｓ）で構成される
   ことを特徴とする炭酸ガスレーザ用共振器。
7. （７）　特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれ
   かに記載の炭酸ガスレーザ用共振器で構成されることを
   特徴とする炭酸ガスレーザ装置。