JPH04125984A - レーザ発振装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は不安定型共振器を備えたレーザ装置に関する
。

（従来の技術） たとえば、ガスレーザ発振装置のうち、ＩＫＷ以上の比
較的高出力の装置には不安定型共振器を適用しているも
のが多い。この不安定型共振器は周知のように第６図に
示すように全反射鏡である凹面鏡１と、同じく全反射鏡
で上記凹面鏡１より径小の凸面鏡２とを同軸的に互いの
反射面を対向させて構成されている。これらの間の上記
凸面鏡２の近くには、中央部に透過孔３をもった結合鎖
４がその反射面を凹面鏡１側に向け、この凹面鏡１から
の光を共振軸に直交する方向へ反射するように傾斜して
設けられている。

上記透過孔３は凸面鏡２からの光をほぼ全部通す大きさ
に設定されており、また上記の配置において、共振軸方
向から見て円形に見えるように楕円形に穿設されている
。

このような構成かられかるように、この種の不安定型共
振器からは環状の断面強度分布をもったモードのレーザ
光りが出力される。このレーザ光りの集束性は拡大率Ｂ
（レーザ光りの内径を１１外径を０としたときのｏ　／
　ｉの値）に依存する。

拡大率Ｂの値によるファー・フィールド（十分に遠方ま
たは集光レンズの焦点）における強度分布は第８図に示
すようにＢ−■、すなわち断面が円形の場合が最も中央
部分の強度が大きく集束性が良い。しかし、上述したよ
うに不安定型共振器からは環状のレーザ光ししか取るこ
とができず、また拡大率Ｂの値はレーザ媒質の利得の大
きさ等によって制限を受けてしまい、現実にはＢ−３程
度が限界になっていた。さらに、構造的には結合鎖４が
不可欠であることからやや複雑になってしまうとうこと
かあった。

このような問題を解決するために本件出願人は特願昭６
０−６６５１８号明細書に示されるガスレーザ発振器を
提案した。この先行技術は、不安定型共振器を形成する
凹面鏡と凸面鏡とを、中心軸を含む横断面における中心
軸を一片とする片側図形の全部もしくは一部を、上記図
形の一部を通りかつ中心軸と平行な直線を回転軸として
一回転ことで不安定型共振器を形成している。すなわち
、第７図に示されるように図中１１はレーザ媒質を励起
してレーザ光を発生させるためのレーザ励起部であり、
このレーザ励起部１１の軸方向一端側に凹面状の反射鏡
１２、他端側に凸面状の環状反射鏡１３が配置されてな
る。

ところで、このような不安定型共振器を、たとえば軸流
方式のＣＯ２レーザに適用した場合、集゛光性の指標と
なる拡がり角θは、 θ−１，２２λ／　（ｂ−ａ）　　　　−（１）式で求
められる。なお、λは波長、ａＳｂは第７図に示す反射
鏡１２と環状反射鏡１３の寸法である。

したがって、θを小さくするためには、（ｂ−ａ）の値
を大きくとる必要がある。

ここで、ｂ　／　ａ　−Ｍとおくと、共振器から取り出
されるレーザ光の割合（ここでは面積透過率Ｔとする）
は、 Ｔ−（Ｍ−１）　２／Ｍ２　　　　・・・（２）式％式
％ レーザ出力が大きくとれるＴの値は通常０．５〜０．８
である。Ｔ−０，５〜０．８とすると、Ｍ−３〜１０と
計算され、集光性の指標である拡がり角を小さくする意
味からもＭを大きくとればよいことになる。

しかし、軸流型のＣＯ２レーザの場合、第９図に示すよ
うにレーザ媒質の利得分布は管中心が高く、管壁方向に
ゆくにしたがって低くなる。そのため、第７図に示され
る環状反射鏡１３を用いた共振器のように、管の周辺か
らレーザ発振が開始される構成では、Ｍを大きくし過ぎ
ると、管周辺に上記環状反射鏡１３の凸面鏡が局在する
ことになるから、良質なレーザ光りが成長しづらいとい
うことがある。

すなわち、環状反射鏡１３の通過孔１３ａを小さくする
と、集光性が低下するが、逆に大きくして集光性を高め
ると、環状反射鏡１３で反射する光量が減少するから、
出力が低下するばかりか、光共振器内におけるレーザ光
りの反射往復回数が低減するから、レーザ光りが良質に
成長しづらい。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来は管の周辺に環状反射鏡の凸面が局在
するため、良質で、集光性の高いレーザ光を効率よく取
り出すことができないということがあった。

この発明は上記事情にもとづきなされたもので、その目
的とするところは、良質で、集光性の高いレーザ光を効
率よく取り出すことができるようにしたレーザ発振装置
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用）上記課題を解決
するためのこの発明は、不安定型共振器の一方をなす凹
面鏡の中心軸を含む横断面における中心軸を一辺とする
片側図形の全部もしくは一部を、上記図形の一部を通り
かつ中心軸と平行な直線を回転軸として一回転したとき
に得られる立体形状の上記凹面鏡の反射面に相当する側
の面を反射面に形成した反射鏡と、上記共振器の他方を
なし不安定型共振器を構成する位置に位置した凸面鏡の
中心軸を含む横断面における中心軸を一辺とする片側図
形の全部もしくは一部を上記回転軸を中心にして一回転
させたときに得られる立体形状の上記凸面鏡の反射面に
相当する側の面を反射面に形成した環状反射鏡と、この
環状反射鏡の反射面と反対側の面側になり環状反射鏡を
介して上記反射鏡に対向して配置された部分反射鏡とで
構成された光共振器を備えたことを特徴とする。

このような構成によれば、環状反射鏡の開口を十分に大
きくして集光性の向上を計るようにしても、レーザ光の
出力や質が低下するのを防ぐことができる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を第１図乃至第３図を参照し
て説明する。なお、第７図に示す従来の構造と同一部分
には同一記号を付して説明を省略する。第１図において
１１はレーザ励起部である。このレーザ励起部１１の軸
方向一端側には反射鏡１２が配置され、他端側には円形
の通過孔１３ａか形成された環状反射鏡１３が配置され
ている。これら反射鏡１２と環状反射鏡１３とは同軸状
態で、かつ互いの反射面１２１ｂ、１３ｂを対面させて
設けられている。上記環状反射鏡１３の反射面１３ｂと
反対側の面には、その通過孔１３ａよりも大きな形状の
平面鏡からなる部分反射鏡１４がその反射面１４ｂを対
向させて配置されている。上記反射鏡１２、環状反射鏡
１３および部分反射鏡１４とで不安定型光共振器を構成
している。

上記反射鏡１２と環状反射鏡１３とは第２図と第３図と
に示すごとく構成される。すなわち、第２図は共焦点型
の不安定型光共振器を示し、互いの反射面を対向させ軸
線１５に光軸を一致させて設けられた凹面鏡１６と、こ
の凹面鏡１６より小径の凸面鏡１７とで構成されている
。凹面鏡１６は軸線１５上の点０１を曲率中心とし、そ
の反射面の中心から点Ｏ３までの距離Ｒ２を曲率半径と
している。一方、凸面鏡１７は軸線１５上の点０２を曲
率中心とし、その反射面の中心から点０□までの距離Ｒ
２を曲率半径としている。これら凹面鏡１６と凸面鏡１
７は軸線１５上の点Ｆを共焦点にして配置されている。

このような構成の光共振器内のレーザ光りは、凹面鏡１
６から凸面鏡１７に向うものは全て軸線１５と平行に進
み、また、凸面鏡１７で反射した光は全て共焦点Ｆを通
る直線上を凹面鏡１６に向って戻ってゆ（。したがって
、レーザ光りはしだいに軸線１５から遠ざかってゆくが
、この間に光は増幅され、ついには凸面鏡１７の外側か
ら環状モードのレーザ光Ｌａとして出力される。

上記共焦点型光共振器をもとにして第１図に示した実施
例の反射鏡１２．１３はつぎのように作られる。すなわ
ち、第３図において１，８．１９は第２図の軸線１５か
ら図中においてたとえば下半分の凹面鏡１６、凸面鏡１
７の断面図である。これら断面１８．１９を軸線１５に
平行でかつ凹面鏡１６の半径に相当する距離になる断面
１８の外面を通る軸線２３の周りに回転させることによ
り、第１図に示す位置関係になる凹面鏡からなる反射鏡
１２と、凸面鏡からなる環状反射鏡１３が形成される。

第１図に示す光共振器においては、反射鏡１２から環状
反射鏡１３に向う光は全てこの構成における軸線１５（
軸線２３）と平行になって進行する。そして、これら光
は環状凸面鏡１３で反射し、上記共焦点Ｆに対応する点
の集合としての環状線Ｆ１を通る直線上を通って反射鏡
１２に戻ってゆくことになる。光は次第に軸線２３に近
付き、環状反射鏡１３の通過孔１３ａを通過する。

通過孔１３ａを通過した光は、一部が部分反射鏡１４を
透過して出力レーザ光りとなり、残りは上記部分反射鏡
１４で反射して光共振器内へ戻る。

光共振器内へ戻った光は、再び反射鏡１２と環状反射鏡
１３とで反射を繰り返してレーザ励起部１１で増幅され
、良質のレーザ光りに成長して一部が部分反射鏡１４か
ら出力される。

たとえば、管内径か３０ｍｍ、すなわち第１図の寸法ｂ
＝１５ｍｍ、最適面積透過率Ｔ　−０，５６の軸流方式
のＣ０２レーザの場合、従来の不安定型共振器ではＭ−
４、すなわち第１図に示されるａ−（ｂ／Ｍ）　−３，
７５順のミラーの組合わせとなり、平面波レーザ出力の
指標である広がり角θは、θ−１，２２λ／　（ｂ　−
ａ　）　−１，１５Ｉｒａｄとなる。ただし、λ−１０
．６Ｘｌｏ　３ｏｎである。

この発明においては、部分反射鏡１４として透過率７０
％のものを使用することにより、変形不安定型共振器ミ
ラーの組合わせをＭ　−１０、すなわちａ　＝　１．５
　ｍｍ、　ｂ　−１５＋ｏ＋ｓとして面積透過率Ｔを計
算すると、 Ｔ　−１（Ｍ　−１）２／Ｍ２１ｘＯ，７−０，８１Ｘ
０．７−０．５６を維持することができる。ただし、０
．７は部分反射鏡１４の透過率である。

さらに、拡がり角θを次式より計算すると、θ−１，２
２λ／　（ｂ　−ａ　）　＝　０．９６Ｉｒａｄとなり
、従来の値１．１５ａ＋ｒａｄに比べて約１７％集光性
が改善される。

Ｍを大きくとることによって、管壁近くに環状反射鏡１
３の凸面の反斜面１３ａが局在し、良質なレーザ光りが
成長しづらいことが考えられる。

しかしながら、上記環状反射鏡１３の通過孔１３ａに対
向して部分反射鏡１４を配置した。そのため、レーザ光
りが部分反射鏡１４で反射することで共振器内での往復
回数が増加するから、レーザ光りの純化増幅が促進され
、良質なレーザ光りが得られる。

なお、この発明の光共振器は第４図あるいは第５図に示
すように反射鏡１２と環状反射鏡１３との間に一枚以上
の折り返し鏡３１を設けた構成であってもよい。

さらに、第１図、第４図および第５図に示す実施例では
反射鏡１３と部分反射鏡１４を離間して設けたが、反射
鏡１３の反射面と反対側の面に部分反射鏡１４の反射面
を接して設けるようにしてもよい。そのようにすれば、
反射鏡１３の反射面とその反対側の面は、軸線１５に対
して軸対称の場合、光軸合わせを容易に行うことができ
る。

［発明の効果］ 以上述べたようにこの発明によれば、環状反射鏡の通過
孔を十分に大きくしても、上記環状反射鏡に対向して配
置された部分透過鏡により高い面積透過率を維持するこ
とができるから、出力の低下を招くことがない。しかも
、環状反射鏡の通過孔を十分に太き（できることにより
、集光性を高めることができるとともに、上記環状反射
鏡に対向して配置された部分反射鏡により、共振器内に
おけるレーザ光の往復回数を増やすことができるから、
良質なレーザ光を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザ発振装置の概
略的構成図、第２図と第３図はこの発明の光共振器を構
成する一対の反射鏡の形成原理来の不安定型共振器の構
成図、第７図は拡大率Ｂによる強度分布の変化図、第β
図はレーザ管の直径方向に沿うレーザ利得の分布図であ
る。 １２・・・反射鏡、１３・・・環状反射鏡、１４・・・
部分反射鏡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　不安定型共振器の一方をなす凹面鏡の中心軸を含む横
   断面における中心軸を一辺とする片側図形の全部もしく
   は一部を、上記図形の一部を通りかつ中心軸と平行な直
   線を回転軸として一回転したときに得られる立体形状の
   上記凹面鏡の反射面に相当する側の面を反射面に形成し
   た反射鏡と、上記共振器の他方をなし不安定型共振器を
   構成する位置に位置した凸面鏡の中心軸を含む横断面に
   おける中心軸を一辺とする片側図形の全部もしくは一部
   を上記回転軸を中心にして一回転させたときに得られる
   立体形状の上記凸面鏡の反射面に相当する側の面を反射
   面に形成した環状反射鏡と、この環状反射鏡の反射面と
   反対側の面側になり環状反射鏡を介して上記反射鏡に対
   向して配置された部分反射鏡とで構成された光共振器を
   備えたことを特徴とするレーザ発振装置。