JPH03140901A - 高出力レーザー用不変鏡 - 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、よう素レーザー装置、ＣＯ，レーザー装置等
の反射光学系（平面鏡、凹面鏡、凸面鏡、放物面鏡等）
、詳しくは、レーザービームの吸収による熱変形を防止
し、性能を著しく向上させることができるレーザー用不
変鏡に関するものである。

〔従来の技術］ 第１１図〜第１４図は、レーザービームの吸収による従
来のミラー（鏡）の熱変形を示している。

第１１図はレーザービームを照射しないときの平面鏡１
の形状を示しており、この平面鏡１にレーザービームが
照射されると、熱を吸収して第１２図に示すように平面
鏡１が変形する。２はミラーホルダー、３は水冷手段で
ある。また、第１３図はレーザービームを照射しないと
きの凹面鏡４の形状を示しており、この凹面鏡４にレー
ザービームが照射されると、熱を吸収して第１４図に示
すように凹面鏡４が変形する。そして、ミラーが変形す
ると、第１２図のようにビームが発散したり、第１４図
のように、焦点位置がＡ点から８点に変動したりして、
レーザービームの集光特性が変化してしまい、すなわち
加工点での加工条件が変化してしまい、安定したレーザ
ー加工が難しくなる。

上記のレーザービームの吸収によるミラーの熱変形に対
して、従来、機械的又は熱的に変形をキャンセルする方
法が提案されているが、制御機構及び装置が複雑となる
。

また、ミラーの形状を任意形状として、レーザービーム
の焦点を制御するアクティブフィードバック方式のミラ
ーの研究が、既になされている。

一方、防衛用では、大出力レーザーの集光光学系として
、反射光学系が検討されており、集束点が不変となるデ
イフォーマプルミラーシステムの開発も始まっている。

また、ミラーの素材として従来用いられていた銅、アル
ミニウムの他に、レーザービームの耐光強度が大きく、
かつ表面の硬さが硬い材料として、モリブデン鏡の採用
も始まっている。

従来、実開昭６４−５５９０２号公報には、ハニカム構
造を有するセラミック担体と薄板ガラスとを接着剤にて
接着一体化した構造の軽量反射鏡素材が開示されている
。

また、特開昭６２−２３４１０２号公報には、薄膜コア
で形成された繊維強化プラスチツク製芯材の表裏に繊維
強化プラスチツク板を接着し、さらに表面の繊維強化プ
ラスチツク板の上にガラス板を接着し、このガラス板の
表面に反射膜を設けた反射鏡が開示されており、特開昭
６３−１３１１０２号公報には、ハニカムコアと高分子
発泡体とからなる芯材の表裏に接着された２枚の繊維強
化プラスチツク板の表面にガラス層を接着した反射鏡が
開示されている。

さらに、実開昭６２−１５４４０３号公報には、反射鏡
を固定している反射鏡本体の水冷室の外周部に冷却フィ
ンを突設したレーザー加工機の反射鏡装置が開示されて
いる。

しかし、上記の各公報には、インバーなどの極低膨張材
料と高温熱伝導材料とを接合して鏡の素材とすることに
ついては、何ら記載も示唆もされていない。

〔発明が解決しようとする！ｆ！題〕

従来の反射光学系の素材は、冷却性能、切削性及び高反
射特性を考慮して銅やアルミニウム材料が用いられてい
た。また最近では、耐光強度が大きく、かつ傷等に強い
メンテナンス性の良好なモリブデンが使用されるように
なっている。これらの材料は、線膨張係数が１０−’　
（”Ｃ）　−’オーダーであり、素材温度がレーザービ
ームの照射によって上昇すると、大きな熱変形を生じる
。

この熱変形によって、反射光学系、例えば平面鏡では、
平行に入射したレーザービームが反射した後、大きな発
散角で反射していくため、レーザービームの質が大幅に
低下する。また、集光光学系（凹面鏡等）では、入射し
たビームが集まる焦点の位置が大きく変動する。

これらのレーザービームの発散角の増大や焦点位置の変
動は、鏡の温度の過渡的変化に対して連続して変化する
量となり、通常、１分程度の時定数で熱的平衡に達する
。

焦点位置の連続的変化は、レーザー加工装置、特に大出
力レーザーを用いるレーザー溶接では、同一パワーに対
して溶込み深さ及び形状が変化することであり、大きな
問題となる。

本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、レーザービ
ームの吸収によるミラーの熱変形により生じるレーザー
ビームの質の低下を防止するための高出力レーザー用不
変鏡を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、請求項１の高出力レーザ
ー用不変鏡は、第１図及び第２図に示すように、インバ
ー、スーパーインバー等の極低膨張材料６と、銅、アル
ミニウム等の高熱伝導材料７とを接合し、極低膨張材料
６の表面を鏡面としたことを特徴とするものである。

また、請求項２の高出力レーザー用不変鏡は、第３図及
び第４図に示すように、極低膨張材料６の表面に金等の
高反射金属材料コート層８又は高反射率を有する多層膜
コート層１１を設けるとともに、高熱伝導材料７の裏面
に水冷手段又は空冷手段？［１を設けたことを特徴とす
るものである。

さらに、請求項３の高出力レーザー用不変鏡は、第６図
〜第８図に示すように、高熱伝導材料７の裏面にフィン
を付加するか、又は溝１３を加工したことを特徴とする
ものである。

（作用） 請求項１においては、極低膨張材料、例えばスーパーイ
ンバーの線膨張係数は、後記の第１表に示すように、４
　Ｘｌ０−’　（”Ｃ）−’であり、通常の金属材料に
比べて二桁小さい。このためミラーの熱変形が防止され
る。

また、請求項２においては、レーザービーム入射側は鏡
面加工の後、金コートや多層膜の反射コーティングを行
っているので、レーザービームの吸収を極力低下させる
とともに、裏面から水冷又は空冷を行うことにより、反
射鏡の素材から熱を速く取り除き、鏡の温度の過度の上
昇を防ぐ。

さらに、請求項３では、水冷又は空冷側の冷却効率をさ
らに向上させることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説
明する。ただしこの実施例に記載されている構成部材の
材質、形状、その相対配置などは、とくに特定的な記載
がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣
旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。

実施例１ 第１図及び第２図に示すように、ミラー研磨面（鏡面）
側に、インバー、スーパーインバー等の極低膨張係数の
材料６（以下、極低膨張材料６という）を使用し、冷却
側となる裏面には、銅、アルミニウム等の高熱伝導材料
７を用い、両者を拡散接合又はロウ接合して、完全に接
合した合せ材料とし、これを素材とする。第１図は平面
鏡の場合を、第２図は凹面鏡の場合を示している。

インバー（ｉｎｖｅｒ）は、ＣＯ，２５％以下、Ｎ１３
６〜３８％、Ｍｎ　Ｏ，４％位の鋼で、熱膨張係数がき
わめて小さい。

また、スーパーインバー（ｓｕｐｅｒ　１ｎｖａｒ）は
、Ｎｉの一部をｃｏテ装き換え、ＣＯ，１２％以下、Ｎ
ｉ　３０〜３５％、Ｃｏ　４〜６％にしたもので、常温
の線膨張係数は第１表に示すように零（１０−’）に近
い。なお、銅、アルミニウム、モリブデンについても　
第１表に示す。

第　　　１　　　表 部材の厚みは、極低膨張材料６が厚く、熱応力の殆どを
受は持ち、裏面の高熱伝導材料７の厚みを薄（シて、応
力の発生をできるだけ小さくするように構成する。

実施例２ 第３図に示すように、極低膨張材料乙のレーザービーム
入射側に鏡面加工を施した後、金等の高反射金属材料コ
ート層８を設けて、レーザービームの吸収率を極力低下
させるようにするとともに、高熱伝導材料７の裏面に水
冷手段又は空冷手段１０を設けて、レーザービーム入射
側の極低膨張材料に吸収された熱を速やかに除去するよ
うにしたものである。

また、金等からなる高反射金属材料コート層の代りに、
第４図に示すように、高反射率を有する多層膜コート層
１１を設ける場合もある。この多層膜コート層１１は、
低屈折率層と高屈折率層の物質を交互に積み重ねて、多
層構造を形成したものである。使用する膜材料は、使用
するレーザーの波長によって異なり、ｃｏ！レーザーで
は、ｐｂｐｇ。

ＴｈＦｎなどが用いられており、真空中での蒸着により
、膜厚が正確にコントロールされる。

また、第５図に示すように、極低膨張材料乙の表面を研
磨面１２のみとし、高熱伝導材料７の裏面に水冷手段又
は空冷手段１０を設ける場合もある。

他の構成は実施例１の場合と同様である。

実施例３ 本例は、第６図〜第８図に示すように、高熱伝導材料７
の裏面に溝１３を設けて凹凸面を形成するか、又はフィ
ン等の加工を施して、レーザービーム入射側の極低膨張
材料に吸収された熱を、より速やかに除去するようにし
たものである。なお、溝又はフィンの下側には水冷手段
又は空冷手段が設けられている。

他の構成は実施例１又は実施例２と同様である。

つぎに、上記のように構成された本発明の高出力レーザ
ー用不変鏡の使用例について説明する。

第９図に示すように、レーザー発振器１４の下流に、平
面鏡１５．１６．１７．１８を配置し、さらに、これら
の下流に放物面鏡１９を配置して、質の良いレーザービ
ームを取り出すように構成する。鏡１５〜１９は、いず
れも本発明の不変鏡である。

また、第１０図に示すように、レーザー発振器１４の下
流に、凸面鏡２１、凹面鏡２２、平面鏡２３．２４、凹
面鏡２５を配置し、ビームをエキスバンドして遠距離で
も質の良いレーザービームを取り出すように構成する。

鏡２１〜２５は、いずれも本発明の不変鏡である。

〔発明の効果〕

本発明は上記のように構成されているので、つぎのよう
な効果を奏する。

（１）請求項１では、極低膨張材料と高熱伝導材料とを
接合したものを素材としているので、極低膨張材料にレ
ーザービームが入射しても、熱変形することはなく、か
つ、極低膨張材料に吸収された熱を、高熱伝導材料によ
り速やかに除去することができる。また、ミラー形状に
関係なく、容易に製作することができ、かつ、安価であ
り、しかも、大口径の反射鏡にも適用することができる
。

（２）請求項２では、極低膨張材料の表面に高反射金属
材料コート層又は高反射率を有する多層膜コートを設け
ているので、請求項１の効果に加えて、レーザービーム
の吸収を抑えることができる。同時に、水冷手段又は空
冷手段を設け１ ているので、反射鏡の素材から熱を速く取り除くことが
でき、鏡の温度の過度の上昇を防ぐことができる。

（３）請求項３では、高熱伝導材料の裏面にフィン又は
溝を設けているので、請求項１又は２の効果に加えて、
水冷又は空冷側の冷却効果を、より向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の高出力レーザー用不変鏡の実
施例を示し、第１図は平面鏡を、第２図は凹面鏡を、第
３図は金コートの場合を、第４図は多層膜コートの場合
を、第５図は表面を研磨面とし、裏面に水冷手段又は空
冷手段を設けた場合を、第６図〜第８図は裏面にフィン
又は溝を設けた場合を示す断面図、第９図および第１０
図は本発明の高出力レーザー用不変鏡の使用状態を示す
説明図、第１１図〜第１４図は従来例を示し、第１１図
はレーザービームを照射しない時の平面鏡形状の断面図
、第１２図はレーザービーム照射時の平面鏡形状の断面
図、第１３図はレーザービー２ ムを照射しない時の凹面鏡形状の断面図、第１４図はレ
ーザービーム照射時の凹面鏡形状の断面図である。なお
、第１２図及び第１４図はレーザービームの吸収による
鏡の熱変形を示している。 １・・・平面鏡、２・・・ミラーホルダー、３・・・水
冷手段、４・・・凹面鏡、６・・・極低膨張材料、７・
・・高熱伝導材料、８・・・高反射金属材料コート層、
１０・・・水冷手段又は空冷手段、１１・・・多層膜コ
ート層、１２・・・研磨面、１３・・・溝、１４・・・
レーザー発振器、１５〜１８・・・平面鏡、１９・・・
放物面鏡、２１・・・凸面鏡、２２．２５・・・凹面鏡
、２３．２４・・・平面鏡第 １．５ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　インバー、スーパーインバー等の極低膨張材料（６
   ）と、銅、アルミニウム等の高熱伝導材料（７）とを接
   合し、極低膨張材料（６）の表面を鏡面としたことを特
   徴とする高出力レーザー用不変鏡。 ２　極低膨張材料（６）の表面に金等の高反射金属材料
   コート層（８）又は高反射率を有する多層膜コート層（
   １１）を設けるとともに、高熱伝導材料（７）の裏面に
   水冷手段又は空冷手段（１０）を設けたことを特徴とす
   る請求項１記載の高出力レーザー用不変鏡。３　高熱伝
   導材料（７）の裏面にフィンを付加するか、又は溝（１
   ３）を加工したことを特徴とする請求項１又は２記載の
   高出力レーザー用不変鏡。