JPH06101603B2 - レ−ザ発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、レーザ発振器、特に該レーザ発振器から出
力されるレーザ光のビームモードの選択の際のレーザ出
力の制御に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は、レーザ発振器の構成を示す平面図である。図
において、（１）は真空容器を構成するレーザ発振器の
筐体で、Ａは筐体（１）の前部、Ｂは後部である。ま
た、（２）（３）はそれぞれレーザ発振器内に設けられ
た上部電極、下部電極である。（４）（５）は筐体
（１）の後部Ｂに設けられた全反射鏡、内部折返し用反
射鏡であり、（６）（７）は筐体（１）の前部Ａの全反
射鏡（４）、内部折返し用反射鏡（５）に相対向する位
置に設けられた内部折返し用反射鏡、部分反射鏡であ
る。なお、（10）はこれらの鏡（４）（５）（６）
（７）により共振されたレーザビームである。（８）は
全反射鏡（４）と内部折返し用反射鏡（５）の前面に一
体となって取付けられた後部アパーチャである。（8a）
（8b）はレーザビーム（10）の通過路に合わせて後部ア
パーチャ（８）に設けられた穴部で、穴部（8a）（8b）
の穴径は必要とするモード次数に合わせて決定されてい
る。（9a）は筐体（１）の前部Ａ側に設けられた回転方
式のビームモード切換装置、（９）はこのビームモード
切換装置（9a）、内部折返し用反射鏡（６）、部分反射
鏡（７）の筐体である。矢印（イ）は、共振されたレー
ザビーム（10）が部分反射鏡（７）から外部に射出され
る方向を示している。（11）は下部電極（３）側に設け
られた軸流送風機である。

ここで、レーザ発振器のビームモードを切換え可能とす
る理由は、発振器のビームモード次数を変えられるよう
にすれば、１台の発振器でワークの切断，焼入れ，溶接
等が可能となり多目的に使用できることになるからであ
る。

次に、アパーチャの径が大となるレーザ発振器の発振効
率が大となり、逆に上記径が小となると上記発振効率が
小となる性質があることを考慮しつつ、ビームモードの
切換えについて説明する。第４図は、第３図に示した筐
体（９）の断面図であり、ビームモード切換機構の一例
を示している。図において、（20）は筐体（９）内で内
部折返し用反射鏡（６）、部分反射鏡（７）の前部に水
平に設けられた回転方式のセレクトシャフトで、（21）
はセレクトシャフト（20）の中央部に設けられたセレク
トシャフトの回転とともに回転するアパーチャである。
（22a）（22b）はアパーチャ（21）に設けられたレーザ
ビーム（10）が通過する光軸方向に平行な第１の左穴
部、第１の右穴部（本実施例ではダブルモードのレーザ
ビームを選択）で、左穴部（22a）の穴径が右穴部（22
b）の穴径よりも大きくなるように形成されている。（2
3a）（23b）は左穴部（22a），右穴部（22b）と直交す
るように設けられた第２の左穴部，第２の右穴部（本実
施例ではシングルモードのレーザビームを選択）で、そ
れぞれが対応する左穴部（22a），右穴部（22b）よりも
小さい穴径となっている。（24）はセレクトシャフト
（20）の右端部に設けられ、セレクトシャフト（20）を
90度の角度回転させる外部レバーである。（25a）（25
b）はセレクトシャフト（20）を筐体（９）の両側で支
持する軸受箱、（26a）（26b）は軸受箱（25a）（25b）
の両外側に設けられた軸受外箱である。（27a）（27b）
は軸受外箱（26a）（26b）に設けられアパーチャ（21）
を冷却する冷却装置で、冷却水は（ロ）方向から入りセ
レクトシャフト（20）内を通りアパーチャ（21）を冷却
後（ハ）方向から排出される。（28a）（28b）はセレク
トシャフト（20）と軸受箱（25a）（25b）の間に設けら
れたベアリングである。

なお、第３図に示す筐体（１）の後部Ｂ［全反射鏡
（４）側］に設けられた後部アパーチャ（８）の穴部
（8a）（8b）の穴径は、第４図に示したビームモード切
換装置（9a）のアパーチャ（21）の穴部のうち穴径の大
きい方［第４図では第１の左穴部（22a）］の径すなわ
ちビームモード次数の大の方の径に合わせている。

上記のように構成したビームモード切換機構の作用を説
明すれば次の通りである。上部電極（２）及び下部電極
（３）間で励起されたレーザビーム（10）は全反射鏡
（４）、内部折返し用反射鏡（６）、（５）、部分反射
鏡（７）間で共振される。このときレーザビーム（10）
は後部アパーチャ（８）に設けられた各々の穴部（8a）
（8b）の穴径及び前部アパーチャ（21）の穴径によりモ
ード（次数）を制限されることから、レーザビームモー
ドを選択できるようにビームモード切換装置（9a）が設
けられている。即ち、この共振されたレーザビーム（1
0）は、後部アパーチャ（８）の穴部（8a）（8b）、ア
パーチャ（21）の第１の左穴部（22a）、第１の右穴部
（22b）を通過し、ここでマルチモードのビームモード
が選択されレーザビーム（10）の一部は部分反射鏡
（７）を通り（イ）方向に射出される。

次にシングルモードのビームモードを選択したい場合
は、まずレーザビーム（10）の発生を停止させ、次に第
５図［第４図のＣ−Ｃ断面図］に示す外部レバー（24）
を矢印（ニ）方向に90度回転させ、（24a）の位置に停
止させる。この回転にともなって第１の左穴部（22a）
［第１の右穴部（22b）］及び第２の左穴部（23a）［第
２の右穴部（23b）］も（ニ）方向に90度回転し、第２
の左穴部（23a）［第２の右穴部（23b）］がレーザビー
ム（10）の尖軸上に停止される。この状態で再度上部電
極（２）及び下部電極（３）間のレーザ媒質を励起して
レーザビームを発生させるとレーザビームは先の場合と
同様に全反射鏡（４），内部折返し用反射鏡（６）
（５），部分反射鏡（７）間で共振され、第５図に示す
矢印（イ）方向に進行する。このとき第２の左穴部（23
a）［第２の右穴部（23b）］の穴径によりレーザビーム
（10）のビームモードがシングルビームに限定され、そ
の後矢印（イ）方向に射出される。

こうして射出されたレーザビーム（10）の出力値の検出
とその制御は、従来は、第６図に示すレーザ出力制御装
置により行なっていた。即ち、電源（30）により電極
（２）（３）に高電圧が印加されており、その電源（3
0）の制御としては、所定の電源出力指令値（31）（例
えば電流設定値）と、電源（30）の出力値とを比較器
（32）で比較し、その出力信号を増幅器（33）で増幅し
て電源（30）の出力電圧又は出力電流を制御するように
している。

一方、レーザ光の出力の検出について説明すると、全反
射鏡（４）はレーザ光（10x）の殆んどを反射するが、
約１％程度は透過する性質を有するものを用いているた
め、この全反射鏡（４）側より検出レーザ光（10y）が
出力される。この検出レーザ光（10y）の強度はレーザ
光（10）の強度に比例しているため、レーザ光検出器
（34）により該レーザ光（10y）を検出するとともに、
この検出結果を電気信号に変換し、この検出信号に基づ
いて指示器（レーザパワーメータ）（35）にレーザ出力
の表示（例えば「1000W」と表示）を行なっている。な
お、このレーザ光検出器（34）は積分球（34a）と微小
レーザ検出器（34b）とから構成されている。

上記のような従来のレーザ発振器は、外部レバー（24）
を操作することによりアパーチャ（21）の径を外部から
切換えて、ビームモードを選択している。

ところが、例えばビームモードを低次から高次に切換え
ると、高次のビームモードのレーザ発振効率の方が高い
ために、レーザ出力と放電電流（電力）の関係が変って
しまう。例えばある電流（電力）設定値に対してシング
ルモードで500Wのレーザ出力が得られている時に、モー
ド切換えによりモードをマルチモードに切換えると1000
Wのレーザ出力となる。そのため同一の電流設定値で
は、レーザ出力値が変化してしまうことになる。

従って、望むレーザ出力を得るためには、ビームモード
を切換えるたびに、電源電流出力指令値（31）を所定の
レーザ出力が得られる値に再設定することにより、レー
ザ媒質励起強度を調整する必要があり、又上記切換えの
たびにレーザ媒質励起強度とレーザ出力との関係が変化
するので、レーザ出力とレーザ媒質励起強度の校正を行
う必要があり、操作が煩雑となり、多大な労力と時間が
要求されるという問題点があった。

この問題点を解決する方法としてアパーチャの穴径を切
換えてビームモードを選択するビームモード切換機構を
備えたレーザ発振器において、レーザ光検出器によりレ
ーザ光の出力値を測定し、比較器によりレーザ光検出器
からの検出値と所定のレーザ出力指令値とを比較し、こ
の比較器からの出力信号に基づきレーザ媒質を励起させ
る電源出力を制御するようにするレーザ発振器の出力制
御を行う方法があった。

以下にこのレーザ出力制御について説明する。

第７図はレーザ出力制御装置の回路図であり、図示のよ
うに、全反射鏡（４）を透過してきた検出レーザ光（10
y）をレーザ光検出器（34）により検出する。なお、こ
の検出レーザ光（10y）の強度はレーザ光（10）の強度
に比例するため、検出レーザ光（10y）を測定すること
により、レーザ光（10）の出力値を測定することができ
る。

しかして、レーザ光検出器（34）により上記検出結果を
電気信号に変換するとともに比較器（32）に出力し、比
較器（32）は、レーザ出力をモニタするレーザ光検出器
（34）からの検出値と、所定のレーザ出力指令値（31）
とを比較し、その出力信号を増幅器（33）により増幅
し、この出力信号に基づきレーザ媒質（Ｇ）を励起させ
る電源（30）の出力電圧又は出力電流を制御することに
より、レーザ媒質（Ｇ）の励起強度を制御し、これによ
り、レーザ光（10）の出力制御を行う。

したがって、ビームモード切換時にレーザ発振効率が変
化しても、レーザ出力を再設定し直さなくてもよいこと
になる。また、この例では、ビームモードを切換えても
レーザ出力が自動的に制御されるので、レーザ出力と媒
質励起強度の再校正は不要となり、ワンタッチ操作がで
きる。

なお、レーザ光検出器（34）は、第７図に示すような入
射した光を拡散する積分球（34a）とこの積分球（34a）
で拡散されたレーザ光を検出する微小レーザ検出器（34
b）とから構成されるものの他、第２図に示す構成のも
のがある。即ち、放熱器（34c）とレーザ光吸収板（34
e）との間に熱電対（サーモパイル）（34d）が密着して
配設さており、レーザ光（10y）をレーザ光吸収板（34
e）に当てると、このレーザ光吸収板（34e）の温度が上
昇し、熱電対（34d）を通って放熱器（34c）に熱が流れ
る。このため、レーザ光吸収板（34e）と放熱器（34c）
との間には温度差が生じ、熱電対（34d）はこの温度差
に比例した熱起電力を発生することになるので、熱電対
（34d）の出力電圧を増幅器（34f）によって増幅し、レ
ーザ光（10y）の強度を示す出力信号（34g）を得ること
により、レーザ光（10y）の強度を測定することができ
る。

ところが、レーザ検出器の検出部には一般に感度のムラ
が存在する。

第２図に示すようなレーザ検出器においては、レーザ光
吸収板の吸収特性のバラツキあるいは熱電対部（34d）
の接点（温度測定）の位置からの距離（一般に接点は多
数有り、ムラが少なくなるように構成されているが、そ
れでも接点は有限の点であり場所によるムラが生じてし
まう）により、レーザ光（10y）の照射位置の変化によ
る感度ムラが生じる。

従って第８図に示すようにビームモードがシングルモー
ドからマルチモードに変化するとレーザ光検出器に
おいてレーザ光パワーを検出する位置が変化し、レーザ
光検出器の位置による感度ムラの為にレーザ光の強度と
出力電圧の関係がレーザビームモードによって変化して
しまう。

第６図，第７図に示すような積分球と微小レーザ検出器
の組立せによるレーザ光検出器ではレーザビームモード
によるレーザ光強度と出力電圧の関係は１％程度以下と
小さいものの、積分球入力ポート（34n）より積分球外
へ逃げる入射レーザ光の量が変化することにより変化し
てしまう。積分球外へ逃げる放射レーザ光の入射レーザ
光に対する割合はビームモードにより異なる。

このような構成では例えばシングルモードで出力設定値
とレーザ出力が一致するようにレーザ光検出器出力信号
と設定値（信号）を調整された装置においてビームモー
ドを切換えてマルチモードとすると積分球外へ逃げる放
射レーザ光の入射レーザ光に対する割合がビームモード
により異なるために、出力設定値とレーザ出力が一致し
なくなる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ発振器は以上のように構成されているの
で、積分球形のレーザ光検出器における積分球入力ポー
トから積分球外に逃げる入射レーザ光の割合がビームモ
ードにより異るために、上記積分球形のレーザ光検出器
はその誤差量がビームモードにより異り、上記レーザ発
振器の正確なレーザ出力値を測定できず、レーザビーム
のビームモードを切換えると、出力設定値どうりのレー
ザ出力が得られないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、レーザビームモードを切換えても出力設定
値どうりのレーザ出力が得られるレーザ発振器を得るこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係わるレーザ発振器は、レーザ光のビームモ
ードを選択するビームモード切換手段と、上記レーザ光
の出力値を測定し、レーザ出力測定信号を出力するレー
ザ出力測定手段と、上記レーザ出力測定信号を所定の増
幅率で増幅する増幅手段と、上記増幅手段が出力する増
幅信号とレーザ出力指令信号とを比較してその偏差信号
に基づき、レーザ電源出力を制御するレーザ電源制御手
段とを備え、上記レーザ出力測定手段は入力されたレー
ザ光を拡散する積分球を有し、上記積分球で拡散された
レーザ光を測定する積分球形レーザ出力測定手段であ
り、上記増幅手段は上記ビームモード対応に複数の増幅
率を有すると共に、上記ビームモード切換手段に連動し
て上記複数の増幅率を切換る増幅率切換手段を有するも
のである。

［作用］ この発明におけるビームモード切換手段はレーザ光のビ
ームモードを選択し、積分球形レーザ出力測定手段は積
分球に入力されたレーザ光を測定してレーザ出力測定信
号を出力し、増幅手段は増幅率切換手段により上記ビー
ムモード切換手段に連動して上記ビームモード対応に増
幅率を切換て上記レーザ出力測定信号を所定の増幅率で
増幅し、レーザ電源制御手段は上記増幅手段が出力する
増幅信号とレーザ出力指令信号とを比較してその偏差信
号に基づいてレーザ電源出力を制御する。

［実施例］ 第１の発明の一実施例を第１図により説明する。図中、
従来例と同じ符号で示されたものは従来例のそれと同一
もしくは同等なものを示す。

第１図はレーザ発振器の回路図である。図において、増
幅手段としての増幅器（100）がレーザ出力測定手段と
しての積分球形レーザ光検出器（34）と比較器（32）の
間にもうけられている以外は第７図に示した従来のレー
ザ出力制御回路と同一であり、動作についても同様であ
る。

増幅器（100）は選択される各ビームモード対応の増幅
率を有する複数の増幅回路（101a）・・・（101z）と増
幅率切換手段としてのスイッチ（102a）・・・（102z）
からなり、該スイッチをビームモードの切換に連動して
切換えることにより前記複数の増幅回路のいずれを使用
するかを選択する。前記増幅回路の数は第３図，第４図
に示したビームモード切換手段としてのモード切換装置
により切換可能なモードの数と同一である、例えば、モ
ード切換装置によりモードａとモードｂに切換可能であ
る場合においては、レーザビームモードがモードａの時
に増幅回路（101a）が選択される。増幅回路（101a）の
増幅率（ゲイン）は比較器（32）により設定値（31）と
比較される増幅器（100）からの出力がレーザ実出力と
一致するように予め調整される。レーザビームモードが
モードｂの時には同様に増幅回路（101b）が選択され、
増幅回路（101b）の増幅率（ゲイン）は増幅器からの出
力がレーザ実出力と一致するように予め調整される。

即ち、積分球形のレーザ光検出器（34）における積分球
入力ポートから積分球以外に逃げる放射レーザ光の入射
レーザ光に対する割合がビームモードにより異るため
に、上記積分球形のレーザ光検出器はその誤差量がビー
ムモードにより異るが、これらの誤差量を補正するよう
にビームモード対応に増幅回路（101a）、（101b）の増
幅率を予め個々に設定することにより、増幅器（100）
は上記レーザ発振器の正確なレーザ出力値を示す信号を
出力できる。従って。レーザビームモードの切換えに連
動してスイッチ（102a）、（102b）により増幅回路（10
1a）、（101b）を切換えることにより、レーザ発振器か
ら出力設定値どうりのレーザ出力が得られる。

このように、レーザビームモードa,bそれぞれに対し、
ゲイン調整された増幅回路（101a）、（101b）を有すれ
ば、モードａとモードｂの切換時には増幅器（100）に
おける増幅回路（101）の選択をスイッチ（102）により
選択することにより設定値どうりのレーザ出力が得られ
るようにレーザ発振器の出力制御が行えることになる。

また、上記実施例ではレーザ出力測定手段としての積分
形レーザ光検出器（34）と比較器（32）の間に複数のビ
ームモードのそれぞれに対応する増幅率を有する複数の
増幅回路からなる増幅器（100）を有するものを示した
が、複数の増幅率を選択可能に出力する複数のゲイン調
整抵抗器を有し、増幅率切換手段にて上記複数の抵抗器
を切換える方式の増幅器を用いても同様な効果が得られ
る。

また第３図には折返し型レーザの例について示している
が特に折返しレーザ発振器に限らないことおよび折返し
数によらないレーザ発振器に対しても同様な効果が得ら
れる。また、レーザビームモード切換装置についても特
に回転体により構成されたものに限定されるものではな
い。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、レーザ光のビームモ
ード対応に複数の増幅率を有すると共に、ビームモード
切換手段に連動して上記複数の増幅率を切換る増幅率切
換手段を有するレーザ光増幅手段を備えたので、ビーム
モード切換時において、積分球形レーザ出力測定手段の
ビームモードに起因するレーザ光測定誤差を補正してレ
ーザ出力指令信号に高精度に追従するレーザ光を出力す
るものが得られる効果がある。

【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器のレー
ザ出力制御装置の回路図、第２図はこの発明に係るレー
ザ光検出器の一例を示す概略構成図、第３図はレーザ発
振器の構成を示す平面図、第４図はビームモード切換機
構を示す断面図、第５図は第４図中のＣ−Ｃ線に沿う断
面図、第６図、第７図は従来のレーザ発振器のレーザ出
力制御装置を示す第１図相当の回路図である。第８図は
レーザビームモードとその横方向ビーム強度分布を示し
たものである。 図において、（21）はアパーチャ、（30）は電源、（3
1）はレーザ出力指令値、（32）は比較器、（34）はレ
ーザ光検出器、（34a）は積分球、（34b）は微小レーザ
検出器、（Ｇ）はレーザ媒質である。 なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光のビームモードを選択するビーム
   モード切換手段と、上記レーザ光の出力値を測定し、レ
   ーザ出力測定信号を出力するレーザ出力測定手段と、上
   記レーザ出力測定信号を所定の増幅率で増幅する増幅手
   段と、上記増幅手段が出力する増幅信号とレーザ出力指
   令信号とを比較してその偏差信号に基づき、レーザ電源
   出力を制御するレーザ電源制御手段とを備え、上記レー
   ザ出力測定手段は入力されたレーザ光を拡散する積分球
   を有し、上記積分球で拡散されたレーザ光を測定する積
   分球形レーザ出力測定手段であり、上記増幅手段は上記
   ビームモード対応に複数の増幅率を有すると共に、上記
   ビームモード切換手段に連動して上記複数の増幅率を切
   換る増幅率切換手段を有することを特徴とするレーザ発
   振器。