JPH06302900A - レ−ザ共振器光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 炭酸ガスレ−ザの光を用いて、対象物を切
断、溶接、熱処理する際、光の偏光方向が切断面や溶接
性能に影響する。従来の炭酸ガスレ−ザは一定方向の直
線偏光を発生する。このため、切断や溶接の方向とビ−
ムの偏光方向を最適の関係に調整することができない。
対象物に当たる際のビ−ムの偏光面を任意の方向に変え
ることのできる装置を提供する。 【構成】 ある面に対して垂直な面を持つように３つの
ミラ−を組み合わせた反射ミラ−ユニットをレ−ザ装置
の出力鏡に続いて設ける。レ−ザ光がミラ−で３回反射
されるようにする。最終のビ−ムがレ−ザからの入射ビ
−ムと同一直線上に並ぶようにする。そして反射ミラ−
ユニットの全体が、その直線を中心として回転できるよ
うにする。ビ−ムの偏光面はミラ−ユニットの回転角の
約２倍回転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は産業用高出力炭酸ガス
レ−ザ加工機の共振器（光学系ミラ−）に関するもので
ある。炭酸ガスレ−ザは直線偏光を発生するが、目的に
応じて、偏光方向を任意の方向に変化させることがで
き、あるいは円偏光にした場合回転方向を左右いずれに
も変化させることができるようにした光学系の構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】産業用高出力炭酸ガスレ−ザビ−ムを用
いて金属等の切断、溶接、表面処理など熱加工を行うこ
とができる。炭酸ガスレ−ザ共振器は直線偏光を発生す
る。偏光というのは電界ベクトルの方向のことである。
炭酸ガスレ−ザの直線偏光の方向は、従来、水平方向、
鉛直方向、またはそれら両方向の丁度中間の方向になる
ように、共振器内のミラ−構成が取られていた。

【０００３】レ−ザの光は共振器をなすふたつのミラ−
の間を往復し増幅される。しかし偏光が同一でなければ
互いに増幅しない。共振器のミラ−の向きにより増幅さ
れる光の偏光が決まる。だからレ−ザからの出射光の偏
光は共振器のミラ−の方向で決まる。レ−ザの共振器を
構成する二つのミラ−の内、１００％光を反射する後方
のミラ−をリアミラ−と呼ぶ。反射率が１００％でな
く、一部の光を外部に出すミラ−をここでは出力鏡と呼
ぶことにする。この発明は出力鏡と対象物の間に設けら
れる光学系に関する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】炭酸ガスレ−ザによる
対象物の切断加工では、レ−ザビ−ムの偏光状態と切断
面状態の間に強い関連性がある。共振器の出力鏡（レ−
ザの出力側のミラ−）より出射する直線偏光ビ−ムを複
数の金属ミラ−（誘電体多層膜をコ−テイングしている
こともある）を介して加工対象物まで導き集光レンズな
どにて集光させて加工対称物を切断する。ところが炭酸
ガスレ−ザの光は直線偏光性である。切断方向と偏光方
向の相対的な関係により、切断速度や切断口形状が異な
る。

【０００５】つまり偏光方向と切断方向が直交する場合
と、偏光方向が切断方向に平行である場合とで、切断の
状況が著しく異なる。これには幾つかの理由がある。加
工対象物が金属である場合は、電界の方向に渦電流が流
れる。つまり偏光の方向に電流が流れる。切断方向と偏
光方向が平行であると、切断方向に電流が流れこれによ
り金属が加熱される。この場合切断面が最も整ってい
る。切断方向と偏光方向が直交すると、電流が切断方向
と直角に流れる。この場合は切断面が広がり、切断面に
不規則な波面が入ったりする。

【０００６】これがひとつの理由であるが、対象物が金
属でも絶縁体でも共通に起こるより有力な非対称性があ
る。それはＰ偏光とＳ偏光の非対称性である。Ｐ偏光と
いうのは、入射ビ−ム、反射ビ−ム、屈折ビ−ムを含む
面（光学面と仮に呼ぶ）に対して電界ベクトルが平行な
ビ−ムをいう。電界方向が偏光方向であるが、これが光
学面に平行(PARALLEL)であるからＰ偏光という。これに
対して、偏光方向つまり電界の方向が光学面に対して垂
直(SENKRECHT) なものをＳ偏光という。

【０００７】一般にある材料の面に対して光が斜めに入
射する場合、ビ−ムが面に対してなす角（入射角）が小
さい程光の反射率が小さい。垂直入射の場合に最も反射
率が小さくなる。ビ−ムを傾けてゆくと反射率が増えて
ゆく。しかしこの変化がＳ偏光とＰ偏光で異なってい
る。Ｓ偏光の場合は入射角が増えるに従って単調に反射
率が増える。しかしＰ偏光の場合は、入射角が増えるに
従い一旦反射率が減少し、ブル−スタ−角で０となりこ
れ以後急激に増加する。

【０００８】常にＳ偏光の反射率の方がＰ偏光の反射率
よりも大きい。つまりＰ偏光の方が吸収が多いというこ
とである。対象物にレ−ザ光を当てて切断する場合、光
のエネルギ−で材料が溶けて、溝ができる。溝の面とビ
−ムは９０°に近い角度をなす。ために反射率が高い。
従って多くの成分は多重反射されて溝の底にまで達す
る。しかし反射率がＰ偏光とＳ偏光で異なる。Ｐ偏光は
反射率がより低いので溝の浅い部分で吸収されやすい。
Ｓ偏光は反射率がより高いので多数回反射されて溝の奥
にまで達する。

【０００９】Ｐ偏光は浅いところで吸収されるのでエネ
ルギ−が浅い部分に集中しやすい。熱により溝壁部分が
溶けて溝がひろがってしまう。Ｓ偏光はＶ溝の奥まで行
くので溝が拡がらず、エネルギ−が一点に集中しやす
い。切断、溶接、熱処理などの用途により、エネルギ−
を奥まで到達させるべきか、そうでないかという条件が
異なる。

【００１０】切断について言えば、Ｐ偏光では切り口が
乱れるので、Ｓ偏光にすることが望ましい。ここでＳ偏
光とかＰ偏光とかいうのは溝の面に対してである。切断
の軌跡からいうと偏光が軌跡に平行な場合が前述のＳ偏
光に当たる。切断を行う場合は、偏光が軌跡に平行であ
ることが望ましいということである。ところがレ−ザ装
置は固定してあるし、切断の軌跡は一定でない。曲線に
そって切断する場合は、切断の方向が変化する。従って
光の偏光面を常に切断軌跡に平行になるようにすること
はできない。

【００１１】直線偏光であるからこのような問題が起こ
るのである。もしもレ−ザ光が、円偏光であれば切断面
の形状の乱れの問題は回避できるはずである。こういう
考えから、現在は炭酸ガス加工機において、直線偏光を
円偏光に変換してから対象物に当てるようになってい
る。伝送途中の１枚のミラ−に９０°レタ−デ−ション
ミラ−（通称は円偏光ミラ−）を設け、直線偏光を円偏
光に変換する。９０°リタ−デ−ションミラ−というの
は、金属基板の上に誘電体多層膜を形成し、誘電体層の
膜厚、屈折率を、Ｓ偏光とＰ偏光の反射光の間で９０°
の位相差を発生させるようにしたミラ−である。

【００１２】光は４５°の方向に入射させる、反射角も
４５°であり、結局光路が９０°曲がることになる。９
０°遅延というのは位相差が９０°であるという意味で
ある。こうして円偏光にすると、時間的に偏光面が回転
するので、異方性が時間的に平均化される。こうして切
断方向に依存しない安定した良質な切断品質を得てい
る。これが現状である。

【００１３】レ−ザから出射された光は直線偏光で、９
０°リタ−デ−ションミラ−（円偏光ミラ−ともいう）
に対して偏光方向が入射面に対して４５°の角度をなす
ようにしなければならない。レ−ザ光の偏光方向は装置
により決まる。レ−ザ装置の配置により、９０°リタ−
デ−ションミラ−の配置も決まるし、これからの反射光
の偏光方向も決まってしまう。光学系の配置の自由度が
限られている。また任意の方向に偏光した直線偏光を作
り出すことができない。

【００１４】先に円偏光のビ−ムが加工に使われている
ということを述べた。偏光方向が時間的に回転し異方性
が時間的に平均化される。これで良いように見えるがそ
うではない。最近の加工品質の高度化により、円偏光の
回転方向が加工品質に影響することが分かってきた。つ
まり円偏光といっても右廻りの円偏光と左回りの円偏光
が存在する。右回りと左回りで加工品質が違うことが見
いだされた。しかし円偏光ミラ−を用いて、右あるいは
左に回転する円偏光を作ることができるが、右と左に自
由に切り換えることができない。つまり現在のレ−ザ共
振器は最終状態の円偏光ビ−ムの回転方向を制御できな
い。以上は切断の話である。

【００１５】レ−ザを用いた溶接について述べる。レ−
ザ溶接加工では、これまでビ−ムの偏光に関する依存性
があまり問題視されなかった。しかし、溶接加工技術の
進展により、溶け込み深さや溶接速度に対して、レ−ザ
光の偏光が影響するという報告があらわれている。これ
らの報告は加工軌跡に沿う方向へ直線偏光を制御するこ
とが重要であると述べている。つまりＳ偏光にすべきだ
というのである。

【００１６】現状の市販レンズでは出射ビ−ムの直線偏
光の偏光面は固定されている。ために溶接加工の場合
も、レ−ザ光の直線偏光の偏光方向を制御することがで
きない。溶接の方向が一直線なら、偏光方向と溶接軌跡
を平行にすることはできる。しかし溶接軌跡が曲がって
いる場合はこれは不可能である。

【００１７】炭酸ガスレ−ザ装置から発生する直線偏光
の光を、任意の方向の偏光に変換することのできる光学
系を提供することが本発明の第１の目的である。円偏光
ミラ−を用いて円偏光にした時、円偏光の回転方向を自
在に変えることの出来る光学系を提供することが第２の
目的である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、レ−ザ共振器
の出力鏡直後に３枚のミラ−を設け、各ミラ−は同一平
面内に入射光と反射光を有し最終的な反射光が最初の入
射光と同一直線上にあるようにし、ミラ−系の全体が最
初の入射ビ−ムを中心として回転できるようにした光学
系を与える。

【００１９】より詳しく述べる。図１が本発明の光学系
の構成図である。３枚のミラ−をＰ、Ｑ、Ｒとする。炭
酸ガスレ−ザの出力鏡から出る光の経路の延長線上に
（ここでは基準線ｓという）二つのミラ−Ｐ、Ｒがあ
る。二つ目のミラ−Ｑは基準線から外れたところにあ
る。炭酸ガスレ−ザの出力鏡から出た光がミラ−Ｐ、
Ｑ、Ｒの順に反射される。入射光と反射光は全て同一平
面上にある。この面をΣ面とする。それぞれのミラ−に
おいてビ−ムの入射反射点をＡ、Ｂ、Ｃとする。炭酸ガ
スレ−ザの出力鏡からのビ−ムをｈとする。

【００２０】これが第１のミラ−に入射し点Ａで反射さ
れてビ−ムｋとなる。これが第２のミラ−Ｑの点Ｂに至
り反射されてビ−ムｍとなる。ビ−ムｍが、先程のビ−
ムｈ、ｋと同一の平面上にある。この平面をΣというの
である。従って、先程定義した光学面が全てのミラ−
Ｐ、Ｑ、Ｒについて、Σ面に含まれるということであ
る。ビ−ムｍが第３のミラ−Ｒの点Ｃで反射されてビ−
ムｎとなる。ビ−ムｎが初めのビ−ムｈと同一直線上に
ある。この直線を基準線ｓということにする。さらにミ
ラ−系の全体が、基準線ｓを中心として回転できるよう
にしている。つまりΣ面が基準線ｓを中心に回転できる
のである。これが本発明の特徴である。

【００２１】３点Ａ、Ｂ、Ｃは２等辺三角形をなしても
良いし、そうでなくとも良い。２等辺三角形の場合は、
ＡＢ＝ＢＣとなるが、底角Ψと底辺の長さＡＣが決まれ
ば他のパラメ−タが全て決まってしまう。第２ミラ−Ｑ
は基準線ｓに平行になる。ミラ−Ｐの基準線ｓにたいす
る傾角はΨ／２であるし、ミラ−Ｒの傾角はπ−Ψ／２
である。設計の自由度が低い。しかしこの場合、第２ミ
ラ−を円偏光ミラ−にすることができる。そうすれば、
ビ−ムｍ、ｎを円偏光にできる。円偏光ミラ−の場合、
入射光と出射光が直交するので、第２ミラ−しか円偏光
ミラ−に置き換える可能性がない。

【００２２】不等辺三角形の場合は、底辺ＡＣが決まっ
ても他のパラメ−タが決まらないので、設計の自由度が
高い。ミラ−Ｑは基準線に平行でなくて良いし、ミラ−
ＰとＲの傾角が互いに補角をなす必要がない。また第
１、第３ミラ−を円偏光ミラ−とすることができる。そ
うすればビ−ムｎを円偏光にできる。

【００２３】３つのミラ−が全てΣ面に垂直である必要
がある。これはミラ−の方向を規定る条件である。これ
は最終的なビ−ムｎが、入射ビ−ムｈと同一直線上ｓに
あるという条件と同じことである。

【００２４】また、基準線ｓに対する、ミラ−Ｐ、Ｑ、
Ｒの傾き角α、β、γを図１のように定義する。αはミ
ラ−Ｐの入射ビ−ムｈに対する傾き角である。γは出射
ビ−ムｎに対するミラ−Ｒの傾き角である。βはミラ−
Ｑの基準線に対する右廻りの傾き角である。この場合、
α＋β＝γであればビ−ムｎがビ−ムｈに平行になる。
両者を一致させるにはミラ−の方向だけでなく位置も適
当に決めなければならない。

【００２５】ミラ−は金属やＳｉの単体からなるミラ−
であっても良いし、金属の上に誘電体の多層膜を形成し
反射率を高めたものであってよい。

【００２６】

【作用】本発明はミラ−で反射される光の偏光面（偏光
方向と進行方向を含む面）が、光学面に対して、反対側
にほぼ同じ角度だけふれるという現象を利用する。入射
光の偏光面が光学面に対してΘだけ傾いていたとする。
反射光の偏光面が光学面に対してなす角をΦとする。正
確ではないが、Φはほぼ−Θに等しい。この性質は幾何
光学的な反射の法則とは違い、常に正しいというもので
はない。しかしΦがΘに比例し、比例定数がマイナスで
あり、これが−１から−無限大であるということは言え
る。特に高反射率のミラ−の場合は比例定数がほぼ−１
である。

【００２７】つまりミラ−一つによる反射で、偏光面が
光学面に関して反対方向に振れることになる。二つのミ
ラ−で連続的に反射すれば、偏光面が元に戻る。そうす
れば奇数個のミラ−で反射をさせることにより、初めの
光の偏光面を反対方向の偏光面に変化することができ
る。奇数個のミラ−でも、その光学面を同一にすれば、
定数項がなくなるので、最後の光の偏光面が、最初の光
の偏光面と光学面に関して、反対方向を向くようにでき
る。

【００２８】どうして偏光面が光学面に関して反対側に
ふれるのか、ということについて説明する。ミラ−に対
して斜めに入射する光はＳ偏光とＰ偏光に分けて考えな
ければならない。図２にＳ偏光の場合の入射、出射、屈
折光の電界ベクトルと磁界ベクトルを示す。

【００２９】Ｓ偏光の場合、電界ベクトルは光学面に垂
直である。ＴＥ波ともいう。電界が光学面に直角だから
である。境界面で電界、磁界の接線方向成分が連続する
ので、反射ビ−ムの電界が求められる。これは入射電界
と反対方向である。電界が境界面に平行であるので、光
の垂直入射の場合と同じで、低屈折率媒質から高屈折率
媒質に入ると位相が反転（１８０°ずれる）するのであ
る。つまり入射光の電界方向を１とすると、反射光の電
界が−ｒ_s である。ここでｒ_s は反射率である。入射角
θが小さい内（垂直入射）は反射率が低く、入射角が増
えるにしたがい反射率が単調に増加する。重要なこと
は、Ｓ偏光の場合反射光では必ず電界方向が反転すると
いうことである。

【００３０】図３に、Ｐ偏光の場合の入射、出射屈折光
の電界ベクトル、磁界ベクトルを示す。Ｐ偏光の場合
は、電界ベクトルが光学面に含まれる。従って、入射角
をθとすると、Ｐ偏光の電界ベクトルは、境界面に対し
てθの角度をなす。入射角θが小さい内は、反射光の電
界は、入射光の電界と同方向である。Ｐ偏光の場合θが
増えると反射率が減少し、ブル−スタ−角で反射率が０
になる。この後、電界の方向が負になり（入射光の電界
と反対方向）絶対値が急激に増加する。ブル−スタ−角
が定義できるのは、ミラ−が誘電体の場合であり誘電率
が実数の場合である。金属の場合は損失があるので、ブ
ル−スタ−角が明確な意味を持たず、ここで反射率が０
になるということはない。

【００３１】また誘電体であっても多層膜にすると、ブ
ル−スタ−角が複数になり、明瞭な意味を失う。したが
って反射率が０になるところがない。しかし一般にＰ偏
光の反射率ｒ_p がＳ偏光の反射率ｒ_s よりも小さい。

【００３２】入射光の電界をＥ_i とすると、偏光面が光
学面に対してなす角度がΘであるので、Ｓ偏光成分の電
界はＥ_isinΘである。Ｐ偏光成分の電界はＥ_icosΘであ
る。反射光のＳ偏光成分の電界は−ｒ_s Ｅ_isinΘであ
る。Ｐ偏光成分の電界はｒ_p Ｅ_i cos Θである。

【００３３】反射光の偏光面の光学面に対してなす角を
Φとする。tan Φは、Ｓ偏光の電界とＰ偏光の電界の比
に等しいので、

【００３４】 tan Φ＝−ｒ_s Ｅ_isinΘ／ｒ_p Ｅ_icosΘ＝−（ｒ_s ／ｒ_p ） tanΘ (1)

【００３５】となる。一般にｒ_s とｒ_p は等しくない。
この比は１より大きいことが多い。しかし反射率の高い
ミラ−の場合は、いずれも１００％の反射率に近いの
で、ｒ_sもｒ_p も１に近い。したがって高反射率ミラ−
の場合は、ｒ_s ／ｒ_p がほぼ１になる。この場合、Φが
ほぼ−Θに等しいということになる。−ΦはΘより少し
大きいかも知れないが、ほぼ等しいのである。図４は入
射光、反射光の偏光面の回転を略示する図面である。

【００３６】ここで説明したのは、斜め入射の光がミラ
−で反射されることにより、偏光面が光学面に関してほ
ぼ反対になるということである。これは幾何光学的な真
理ではなくて、高反射率ミラ−の場合にいえることであ
る。Ｓ偏光とＰ偏光の反射率の絶対値が等しいと仮定す
ると、Φ＝−Θである。

【００３７】するとｍ個のミラ−で多重反射された場
合、最終ミラ−での反射光の光学面に対する偏光面の傾
き角Φ_m は、

【００３８】Φ_m ＝（−１）^m Θ＋Φ₀ (2)

【００３９】と書ける。Φ₀ はΘ＝０の時の最終反射光
の偏光面の傾きである。ミラ−の数が偶数であれば、

【００４０】Φ_m ＝Θ＋Φ₀ (3)

【００４１】である。図５にミラ−が偶数である場合を
示す。これは入射光の偏光面と、最終反射光の偏光が同
じ変化をするということである。ミラ−の数が奇数であ
れば、図６に示すようになる。

【００４２】Φ_m ＝−Θ＋Φ₀ (4)

【００４３】さらに、もしも全てのミラ−の光学面があ
る同一面に含まれるように配置すると、Φ₀ が０とな
る。この場合は、さらに単純化されて、

【００４４】Φ_m ＝−Θ (5)

【００４５】となる。本発明はこのような配置に３つの
ミラ−を設けたものである。ｍ＝３であり奇数であるか
ら、このような式になるのである。

【００４６】本発明において３つのミラ−をその入射
光、反射光が同一のΣ面に含まれるようにするというこ
とは、Φ₀ ＝０にするための条件である。各ミラ−での
（ｒ_s／ｒ_p ）が１であると仮定すると、炭酸ガスレ−
ザの出力鏡から出たビ−ムｈの光学面に対する偏光面の
傾きがΘであるとして続く３つのビ−ムの偏光面の傾き
は次のようになる。ビ−ムｋは−Θ、ビ−ムｍは＋Θ、
ビ−ムｎは−Θである。

【００４７】以上により奇数個のミラ−により、偏波面
が反対方向に変わることを説明した。出力鏡からのビ−
ムｈと、３つのミラ−で反射された最終のビ−ムｎが同
一の基準線ｓの上にある。これが必要なのは、ミラ−ユ
ニットの全体を基準線ｓを中心として回転するからであ
る。３つのミラ−からなるユニットを回転した時、ｈと
ｎが同一直線上にないと、ビ−ムの位置が変わってしま
う。ユニットを回転してもビ−ムｎの位置が変わらない
ために、ｈ＝ｎ＝ｓとなっているのである。

【００４８】図１０に３枚ミラ−の場合において、入射
レ−ザビ−ムの偏光方向Θと、出射レ−ザビ−ムの偏光
方向−Θを示す。この３枚のミラ−の組み合わせは、レ
−ザ光の偏光面を任意の角度に回転できる。これを説明
する。既に述べたように光の偏光面を回転させるのは、
ファラデ−回転素子が代表的な素子である。しかし炭酸
ガスレ−ザの光を無損失で透過ししかもファラデ−効果
があるような結晶は今のところ存在しない。本発明はフ
ァラデ−素子に代わり、偏光面を自在に回転できる。こ
れが本発明の特徴である。

【００４９】図１、図１００において、３つのミラ−
Ｐ、Ｑ、Ｒの中心と、入射光、出射光を含むΣ面が回転
できるようになっている。これまでの説明でわかるよう
に、入射光がΣ面となす角度がΘであり、出射光がΣ面
となす角度が−Θである。つまり図１０で、入射光の準
拠する座標系でｚ軸を光の進行方向にとり、Σ面に含ま
れる座標をｙとする。入射光の偏光方向というのは、ｙ
軸と偏光のなす角度である。出射光の偏光方向というの
もｙ軸となす角度である。

【００５０】Σ面というのは、ｚ軸とｙ軸を含む面であ
る。基準線ｓがｚ軸に等しくなっている。Φ＝−Θであ
るので、出射光と入射光の偏光方向の違いΔΘは、出射
光の偏光角から入射光の偏光角を差し引いたものにな
る。

【００５１】ΔΘ＝Φ−Θ＝−２Θ (6)

【００５２】この式は何を意味するか？これは、入射ビ
−ムｈの偏光面と、Σ面のなす角度Θの２倍だけ、出射
光の偏光面が回転するという事である。今まではΣ面を
中心として考えたが、逆に入射ビ−ムｈが固定ビ−ムで
あるとし、Σ面が回転すると考える。入射ビ−ムｈの偏
光面に対して、Σ面が一致していれば、出射ビ−ムｎの
偏光面もこれらに一致する。しかし入射ビ−ムｈの偏光
面に対して、Σ面がΘだけ回転すると、出射ビ−ムの偏
光面が２Θだけ回転する、ということを意味するのであ
る。

【００５３】つまり、Σ面を回転させると、これの２倍
の速さで、同じ方向に出射ビ−ムの偏光面が回転すると
いってもよい。Σ面を例えば３０°回転すると、出射ビ
−ムｎの偏光面は６０°回転する。Σ面を２２．５°回
転すると、出射ビ−ムｎの偏光面は４５°回転する。Σ
面を４５°回転させると、出射ビ−ムｎの偏光面は９０
°回転する。偏光面の回転範囲は１８０°であるから、
Σ面が一方向に９０°回転できれば、出射ビ−ムの偏光
面は１８０°回転できる。つまり任意の偏光方向を与え
ることができる。

【００５４】同じことは色々な表現で表すことができ
る。例えば次のように言うことも出来る。、出力鏡より
出射する直線偏光ｈの偏光面が水平方向にあって、これ
を鉛直方向にしたければ、ミラ−ユニットの入射面（Σ
面）を基準線を中心に回転し、水平方向（または鉛直方
向）に対して４５°傾けた配置とすれば良い。また、出
力鏡より出射する直線偏光の偏光面がミラ−ユニットの
入射面に対して＋４５°をなしている場合にこれをミラ
−ユニット通過後入射面に対し−４５°とするには、ユ
ニット入射面（Σ面）を鉛直面とすれば良い。

【００５５】あるいは次のようにいっても良い。入射ビ
−ムの偏光面に対して、出射ビ−ムの偏光面をある角度
χだけ変えたいという場合、ミラ−ユニットを同じ方向
にχ／２だけ回転させればよい。ミラ−ユニットを基準
線の廻りに回転させるのであるから、ファラデ−素子な
どによる偏光面回転に比べて極めて容易である。しかも
優れて的確である。

【００５６】以上は、３つのミラ−をすべて通常のミラ
−にしたものである。これは出射ビ−ムも直線偏光であ
る。この直線偏光の偏光面を自在に回転できるというこ
とが本発明の第１の利点である。しかしそれに止まらな
い。本発明はもう一つ重大な効果がある。これはファラ
デ−素子によっても得ることのできない作用であり本発
明の独自性が強く現れる。先に円偏光ミラ−を用いて直
線偏光を円偏光にするということを述べた。円偏光は異
方性が時間的に平均化されるので、どのように切断して
も異方性がないはずである。

【００５７】しかし円偏光にしても偏光の回転方向が切
断に影響するということが最近になって分かってきた。
円偏光ミラ−で円偏光にしても、回転方向は一方向に決
まり、自在に方向を変えるという訳に行かない。ところ
が本発明は円偏光の回転方向を右にも左にも自由に変え
ることができる。このようなことは従来は不可能であっ
た。

【００５８】３つのミラ−の内どれか一つを円偏光ミラ
−（９０°リタ−デ−ションミラ−ともいう）に置き換
える。残りのミラ−は通常のミラ−である。円偏光ミラ
−の場合、入射光と出射光は９０°の角度をなす。これ
がミラ−系の配置に制限を生ずる。三角形の内角の和が
１８０°であるからである。

【００５９】第２ミラ−を円偏光ミラ−にする場合は、
図７のように、ミラ−の配置ＡＢＣにおいて、角Ｂが９
０°になる。角ＡとＢは和が９０°であればよい。図７
のように二等辺三角形とすると対称性が良い。しかし別
段二等辺三角形にしなくてはならないということはな
い。

【００６０】第１ミラ−を円偏光ミラ−とする時は、図
８のようになる。ビ−ムｈとｋが直交する。角Ｂと角Ｃ
は和が９０°であれば良い。第３ミラ−を円偏光ミラ−
とする場合は、図９のようになる。角Ｃが９０°であ
る。

【００６１】このように円偏光ミラ−にするのはどのミ
ラ−でも良い。直線偏光ビ−ムを円偏光ミラ−に入射す
るのであるが、偏光面が光学面に対して４５°をなすよ
うに入射しなければならない。円偏光ミラ−というの
は、Ｓ偏光とＰ偏光の位相に９０°の差を与えることに
より偏光状態を直線偏光から円偏光に変えるものであ
る。

【００６２】この原理をまず説明する。入射ビ−ムの偏
光面が円偏光ミラ−の光学面となす角度をΘとする。電
界をＥ_i とすると、Ｓ偏光成分の電界Ｅ_s はＥ_isinΘで
ある。Ｐ偏光成分電界Ｅ_p はＥ_icosΘである。この円偏
光ミラ−は例えばＳ偏光の位相をＰ偏光の位相に対して
９０°増加するようにしたものであるとする。すると、
出射ビ−ムの電界のＳ偏光成分Ｅ_rsと、Ｐ偏光成分Ｅ_rp
は、

【００６３】 Ｅ_rs＝Ｅ_isinΘsin （ωｔ＋９０） (7) Ｅ_rp＝Ｅ_icosΘsin （ωｔ） (8)

【００６４】となるが、sin （ωｔ＋９０）＝cos （ω
ｔ）であるので、

【００６５】 Ｅ_rs＝Ｅ_isinΘcos （ωｔ） (9) Ｅ_rp＝Ｅ_icosΘsin （ωｔ） (10)

【００６６】となる。これは出射光の電界が楕円軌跡を
描くということである。つまり出射ビ−ムは一般に楕円
偏光になる。しかし特にΘ＝４５°であると、これは円
偏光である。

【００６７】 Ｅ_rs ² ＋Ｅ_rp ² ＝Ｅ_i ²／２ (11) Ｅ_rs＝（Ｅ_i ／２^1/2 ）cos （ωｔ） (12) Ｅ_rp＝（Ｅ_i ／２^1/2 ）sin （ωｔ） (13)

【００６８】しかもこれはＳ偏光の軸をｘ軸、Ｐ偏光の
軸をｙ軸とした時、反時計廻りの回転である。つまり左
廻りの円偏光である。

【００６９】ところがΘ＝−４５°とすると、 Ｅ_rs＝−（Ｅ_i ／２^1/2 ）cos （ωｔ） (14) Ｅ_rp＝（Ｅ_i ／２^1/2 ）sin （ωｔ） (15)

【００７０】というふうにＳ偏光の符号が逆になる。こ
の出射ビ−ムも円偏光である。しかし偏光の回転方向は
時計廻りになる。つまり右回りの円偏光となる。これか
らΘをプラス４５°とマイナス４５°に切り替えること
ができれば、円偏光の回転方向を右にも左にも変えるこ
とができるということが明らかになる。

【００７１】本発明はミラ−ユニットを基準線の廻りに
任意角回転できる。つまりΣ面を回転できる。すると第
１ミラ−に入る初めの入射ビ−ムｈの偏光面がΣ面とな
す角度を＋４５°かあるいは−４５°にすることによ
り、円偏光ミラ−へ入る入射ビ−ムの偏光面を±４５°
に切り替えることができる。これは少し分かり難いかも
しれないがこれまでに説明してきたことから理解でき
る。

【００７２】図８のように第１ミラ−Ｐが円偏光ミラ−
の場合は簡単である。ビ−ムｈの偏光面とΣ面が＋４５
°をなせば、Ｐで作られる円偏光は左回りである。これ
がＱで反射されて、右廻りになる。Ｒで反射されて左回
りに戻る。最終的に左廻りである。

【００７３】反対にビ−ムｈの偏光面がΣ面と−４５°
をなすと、Ｐで作られる円偏光は右廻りである。これ
が、ＱとＲで反射され最終的には右廻りの円偏光にな
る。つまり、レ−ザからの入射ビ−ムｈに対して、Σ面
を＋４５°にすると左回り、−４５°にすると右廻りの
円偏光になる。

【００７４】第２ミラ−Ｑが円偏光ミラ−の場合も同様
なのであるが、念のため説明する。この場合も、入射ビ
−ムｈの偏光面がΣ面に対して±４５°をなすようにす
る。ビ−ムｈの偏光面がΣ面に対して＋４５°の場合、
ミラ−Ｐで−４５°の偏光面になり、これがミラ−Ｑに
入るので、右廻りの円偏光になる。これがＲで反射され
るので左回りの円偏光になる。反対にビ−ムｈの偏光面
がΣ面に対して−４５の場合は、ミラ−Ｐで＋４５°の
偏光面になる。これがミラ−Ｑに入るので、左回りの円
偏光になる。これがミラ−Ｒで反射されるので、右廻り
の円偏光になる。この場合も、入射ビ−ムｈの偏光面が
Σ面に対して＋４５°だと、出射ビ−ムｎは左廻り、−
４５°だと出射ビ−ムｎは右廻りということである。

【００７５】結局どのミラ−が円偏光ミラ−であっても
同じ事で、ビ−ムｈがΣ面に対して＋４５°なら、出射
ビ−ムｎは左廻り、−４５°なら出射ビ−ムｎは右回り
ということである。

【００７６】図１１は本発明の光学系の全体の構成を示
す。レ−ザ共振器１は炭酸ガスレ−ザであり、内部に炭
酸ガスを放電励起する機構を持つ。ミラ−はリアミラ−
と出力鏡である。出力鏡から出たビ−ムｈは直線偏光で
ある。これが３つのミラ−Ｐ、Ｑ、Ｒからなる、反射ミ
ラ−ユニット２に入る。ここで入射ビ−ムｈが反射さ
れ、ビ−ムｋ、ｍ、ｎになる。最終のビ−ムｎが入射ビ
−ムｈと同一直線上にある。この直線を基準線ｓとい
う。反射ミラ−ユニット２は基準線ｓを中心として回転
できるようになっている。

【００７７】ユニット回転ドライバ−３があってこれが
反射ミラ−ユニット２を回転させる。反射ミラ−ユニッ
ト２を出た光は、伝送光学系４を通り、集光レンズ５で
絞られて、対象物６に当てられる。これは切断、溶接、
熱処理の場合がある。

【００７８】切断の場合は、切断軌跡と直線偏光の偏光
面が平行であるのが望ましい。この場合、ユニット回転
ドライバ−３により反射ミラ−ユニット２を適当に回転
し、対象物６における偏光面が切断方向に合致するよう
にする。切断方向が変化するとこれに合わせて変化角の
約半分だけ反射ミラ−ユニット２を回転させることによ
り、常に、切断方向と偏光面を合致させることができ
る。直線の軌跡で切断する時に限らず、曲線軌跡で切断
する場合有効である。この場合は、曲線の変化角速度の
約半分の速度で連続的に反射ミラ−ユニット２を少しず
つ回転させればよい。

【００７９】以上は直線偏光の光を利用する場合であ
る。円偏光を利用する場合は、次のようになる。左廻り
の円偏光が必要であれば、ビ−ムｈに対して、反射ミラ
−ユニット２のΣ面が−４５°になるように反射ミラ−
ユニット２を回転する。右廻りの円偏光が必要であれ
ば、ビ−ムｈに対して、反射ミラ−ユニット２のΣ面が
＋４５°になるように反射ミラ−ユニット２を回転す
る。こうして所望の回転方向を持つ円偏光を簡単に得る
ことができる。ファラデ−素子のように磁界を必要とし
ないので極めて簡単でしかも正確である。

【００８０】ミラ−の材質について述べる。炭酸ガスレ
−ザの強い光を受けるのであるから、高反射率のもので
なければならない。金属又はＳｉのミラ−で内部を水冷
したものでも良い。しかし金属、Ｓｉだけでは反射率が
不足するということもある。反射率が充分に１に近くな
いと、レ−ザビ−ムの減衰が無視できないし、ミラ−の
冷却も難しくなる。この場合は、ミラ−ベ−ス状に貴金
属（金、銀等）コ−トを施すか、さらに誘電体多層膜コ
−トを施す。こうすることによりビ−ム強度低下を極力
防ぐことができる。同時に、反射に伴う位相差変化（ミ
ラ−ユニットに入射する直線偏光の偏光面がミラ−ユニ
ットの入射面と同一または直交でない場合に、位相差変
化が発生する）をできるだけ小さくすることができる。

【００８１】

【実施例】３枚の反射ミラ−として形状φ６０−６ｔの
Ａｕコ−トＳｉミラ−を作製した。ミラ−表面中心が正
三角形の３頂点に位置するようにこれらミラ−を配置し
た。それぞれのミラ−裏面側に間接冷却構造を設けた。
この反射ミラ−ユニットを市販の出力２．５ｋＷの炭酸
ガスレ−ザ共振器の出射口に取り付けた。そして、ユニ
ットを回転して、出力光の偏光面が回転することを確認
した。

【００８２】反射ミラ−ユニットの回転による出射ビ−
ムの偏光面の回転は、出射光の経路に赤外ポ−ラライザ
を置くことにより確かめた。出射ビ−ムの内、赤外ポ−
ラライザを透過したレ−ザビ−ムをパワ−メ−タによっ
て測定する。ポ−ラライザの偏光面を回転し、透過光が
最大になる方向を求める。これが出射ビ−ムの偏光方向
である。こうしてビ−ムの偏光方向の関係が分かる。反
射ミラ−ユニットの回転と、偏光面の回転の関係がすで
に述べたような関係であるということを確かめた。

【００８３】ミラ−ユニット内の反射ミラ−によるレ−
ザ光の強度低下は約２％であった。反射率低下を防ぐた
め、Ａｕコ−トミラ−に（ＴｈＦ₄ ／ＺｎＳｅ）系の誘
電体多層膜を付加した低位相差（Δ≦１°）で高反射率
（Ｒ≧９９。６％）のミラ−を用いてさらに同じ実験を
した。このミラ−系では、レ−ザ強度低下は、約１％で
あった。先述のＡｕコ−トミラ−系の場合に対し改善が
見られた。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、 反射ミラ−ユニット２を回転することにより任意の方
向に偏光面を回転できる。レ−ザ装置の出力ビ−ムの偏
光面が如何なる場合でも、対象物に当たる時のビ−ムの
偏光面を制御することができる。つまり、伝送系の光学
系配置が、レ−ザ共振器からの出射ビ−ムの偏光面の方
向によって全く制約を受けない。

【００８５】レ−ザ切断加工において、円偏光ビ−ム
の偏光面回転方向の反転操作はミラ−ユニットの９０°
回転で容易に実現することができる。このようなことは
従来不可能であった。

【００８６】溶接加工において、直線偏光ビ−ムの偏
光面を溶接加工軌跡上に揃える操作は、加工軌跡上の接
線方向の傾きに連動させて、ミラ−ユニットを回動操作
することで実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を示す一般的な反射ミラ−ユニッ
トの概略図。

【図２】Ｓ偏光の場合の入射ビ−ム、反射ビ−ム、屈折
ビ−ムの電界、磁界の方向を示す図。

【図３】Ｐ偏光の場合の入射ビ−ム、反射ビ−ム、屈折
ビ−ムの電界、磁界の方向を示す図。

【図４】斜め入射光がミラ−で反射された時に、出射ビ
−ムの偏光面が入射ビ−ムの偏光面と反対方向にずれる
ということを説明するための概略斜視図。

【図５】偶数個のミラ−で多重反射された時に出射ビ−
ムの偏光面が入射ビ−ムの偏光面と同一方向にずれると
いうことを示す概略図。

【図６】奇数個のミラ−で多重反射された時に出射ビ−
ムの偏光面が入射ビ−ムの偏光面と反対方向にずれると
いうことを示す概略図。

【図７】３つのミラ−を第２ミラ−が頂点である２等辺
三角形になるように配置した例を示すレ−ザ、ミラ−の
概略図。

【図８】３つのミラ−を第１ミラ−が直角である直角三
角形になるように配置した例を示すレ−ザ、ミラ−の概
略図。

【図９】３つのミラ−を第３ミラ−が直角である直角三
角形になるように配置した例を示すレ−ザ、ミラ−の概
略図。

【図１０】本発明の３つのミラ−からなる反射ミラ−ユ
ニットにおいて、入射ビ−ムの偏光面が光学面（Σ面）
に対して角度Θをなす時、出力ビ−ムの偏光面が光学面
に対して−Θをなすことを示す概略斜視図。

【図１１】本発明のレ−ザ光学系の全体構成を示す概略
構成図。

【符号の説明】

１ レ−ザ共振器 ２ 反射ミラ−ユニット ３ ユニット回転ドライバ− ４ 伝送光学系 ５ 集光レンズ ６ 対象物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力鏡とリアミラ−を含み出力鏡から光
   を出すレ−ザ共振器と、出力鏡直後に設けられ３枚のミ
   ラ−Ｐ、Ｑ、Ｒを含む反射ミラ−ユニットからなり対象
   物に光を当てて、切断、溶接、熱処理などの加工をおこ
   なうレ−ザ共振器光学系であって、前記反射ミラ−ユニ
   ットのミラ−はレ−ザからの入射ビ−ムｈを第１ミラ−
   Ｐ、第２ミラ−Ｑ、第３ミラ−Ｒで順次反射し、第３の
   ミラ−の反射ビ−ムｎが前記入射ビ−ムｈと同一の直線
   上にあるようにし、この直線を基準線として、反射ミラ
   −ユニットの全体がユニット回転ドライバ−により任意
   角回転できるようにしたことを特徴とするレ−ザ共振器
   光学系。
2. 【請求項２】 出力鏡とリアミラ−を含み出力鏡から光
   を出すレ−ザ共振器と、出力鏡直後に設けられ３枚のミ
   ラ−Ｐ、Ｑ、Ｒを含む反射ミラ−ユニットからなり対象
   物に光を当てて、切断、溶接、熱処理などの加工をおこ
   なうレ−ザ共振器光学系であって、前記反射ミラ−ユニ
   ットのミラ−Ｐ、Ｑ、Ｒはその内部の適当な点Ａ、Ｂ、
   ＣがＢを頂点とする二等辺三角形をなし、レ−ザからの
   入射ビ−ムｈを第１ミラ−Ｐ、第２ミラ−Ｑ、第３ミラ
   −Ｒの点Ａ、Ｂ、Ｃで順次反射し、第３のミラ−の反射
   ビ−ムｎが前記入射ビ−ムｈと同一の直線上にあるよう
   にし、この直線を基準線として、反射ミラ−ユニットの
   全体がユニット回転ドライバ−により任意角回転できる
   ようにしたことを特徴とするレ−ザ共振器光学系。
3. 【請求項３】 出力鏡とリアミラ−を含み出力鏡から光
   を出すレ−ザ共振器と、出力鏡直後に設けられ３枚のミ
   ラ−Ｐ、Ｑ、Ｒを含む反射ミラ−ユニットからなり対象
   物に光を当てて、切断、溶接、熱処理などの加工をおこ
   なうレ−ザ共振器光学系であって、前記反射ミラ−ユニ
   ットのミラ−Ｐ、Ｑ、Ｒはその内部の適当な点Ａ、Ｂ、
   ＣがＢを頂点とする直角二等辺三角形をなし、第２ミラ
   −Ｑが円偏光ミラ−であり、レ−ザからの入射ビ−ムｈ
   を第１ミラ−Ｐ、第２ミラ−Ｑ、第３ミラ−Ｒの点Ａ、
   Ｂ、Ｃで順次反射し、第３のミラ−の反射ビ−ムｎが前
   記入射ビ−ムｈと同一の直線上にあるようにし、この直
   線を基準線として、反射ミラ−ユニットの全体がユニッ
   ト回転ドライバ−により任意角回転できるようにしたこ
   とを特徴とするレ−ザ共振器光学系。
4. 【請求項４】 出力鏡とリアミラ−を含み出力鏡から光
   を出すレ−ザ共振器と、出力鏡直後に設けられ３枚のミ
   ラ−Ｐ、Ｑ、Ｒを含む反射ミラ−ユニットからなり対象
   物に光を当てて、切断、溶接、熱処理などの加工をおこ
   なうレ−ザ共振器光学系であって、前記反射ミラ−ユニ
   ットのミラ−Ｐ、Ｑ、Ｒはその内部の適当な点Ａ、Ｂ、
   ＣがＡを頂点とする直角三角形をなし、第１ミラ−Ｐが
   円偏光ミラ−であり、レ−ザからの入射ビ−ムｈを第１
   ミラ−Ｐ、第２ミラ−Ｑ、第３ミラ−Ｒの点Ａ、Ｂ、Ｃ
   で順次反射し、第３のミラ−の反射ビ−ムｎが前記入射
   ビ−ムｈと同一の直線上にあるようにし、この直線を基
   準線として、反射ミラ−ユニットの全体がユニット回転
   ドライバ−により任意角回転できるようにしたことを特
   徴とするレ−ザ共振器光学系。
5. 【請求項５】 出力鏡とリアミラ−を含み出力鏡から光
   を出すレ−ザ共振器と、出力鏡直後に設けられ３枚のミ
   ラ−Ｐ、Ｑ、Ｒを含む反射ミラ−ユニットからなり対象
   物に光を当てて、切断、溶接、熱処理などの加工をおこ
   なうレ−ザ共振器光学系であって、前記反射ミラ−ユニ
   ットのミラ−Ｐ、Ｑ、Ｒはその内部の適当な点Ａ、Ｂ、
   ＣがＣを頂点とする直角三角形をなし、第３ミラ−Ｒが
   円偏光ミラ−であり、レ−ザからの入射ビ−ムｈを第１
   ミラ−Ｐ、第２ミラ−Ｑ、第３ミラ−Ｒの点Ａ、Ｂ、Ｃ
   で順次反射し、第３のミラ−の反射ビ−ムｎが前記入射
   ビ−ムｈと同一の直線上にあるようにし、この直線を基
   準線として、反射ミラ−ユニットの全体がユニット回転
   ドライバ−により任意角回転できるようにしたことを特
   徴とするレ−ザ共振器光学系。