專利名稱：正交型氣體激光器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及正交型激光器裝置的改良，更詳細地，涉及在內(nèi)部具有由一枚部分反射鏡以及多枚全反射鏡形成的諧振器并且利用使得激光來回折射的構(gòu)造獲得高輸出、省能量以及小型化的正交型氣體激光裝置的改良。
背景技術(shù)：
圖8表示以往的正交型氣體激光器裝置的構(gòu)造圖。在該圖中，1是激光振蕩器，2是位于激光振蕩器1內(nèi)部的放電電極，3是位于激光振蕩器1內(nèi)部的氣體循環(huán)吹風(fēng)機，4是部分反射鏡，5是全反射鏡，6是熱交換器，7是冷卻單元、8是電源配電盤，9是控制裝置，10是激光媒質(zhì)，11是從激光振蕩器1取出的激光。部分反射鏡4以及全反射鏡5構(gòu)成諧振器12。冷卻單元7用于冷卻部分反射鏡4、全反射鏡5以及熱交換器6。又，在電源配電盤8上配置使得在放電電極2上產(chǎn)生放電的設(shè)備、控制氣體循環(huán)吹風(fēng)機3的設(shè)備以及使得激光振蕩器1為真空的設(shè)備等。
其次，對于圖8的正交型氣體激光器裝置的動作進行說明。根據(jù)來自控制裝置9的起動信號，驅(qū)動控制電源面板8內(nèi)的氣體循環(huán)吹風(fēng)機3的設(shè)備，由此，氣體循環(huán)吹風(fēng)機3旋轉(zhuǎn)，填充在激光振蕩器內(nèi)部的激光媒質(zhì)10例如在二氧化碳激光器中為CO2氣體進行循環(huán)。在該狀態(tài)下，當由控制裝置提供輸出信號時，將高電壓接入放電電極2，以放電激勵激光媒質(zhì)10。激勵起的激光媒質(zhì)放射出光并躍遷到基態(tài)。放射出的光在構(gòu)成諧振器12的部分反射鏡4與全反射鏡5之間反射并且被放大。即，從部分反射鏡4向外部取出激光的一部分，剩余的激光再次被全反射鏡5反射，重復(fù)進行反射、放大。又，取出到外部的激光11受到控制使得取出相當于控制裝置9的指令輸出。在圖8的構(gòu)造中，激光11的方向、放電方向以及激光媒質(zhì)10流過放電電極2間的方向這3個方向分別垂直，故稱作為3軸正交型。將從激光振蕩器1取出的激光11傳送到激光加工設(shè)備等并且使用于切割、熔融等的加工作業(yè)以及計測作業(yè)等。
圖9是表示在日本特開昭60-127773號公報所揭示的利用3枚全反射鏡的激光反射構(gòu)造作為諧振器的正交型激光器裝置中的反射鏡與放電電極2之間的位置關(guān)系。圖9(a)是表示從激光11的光軸方向觀察激光振蕩器的剖視圖。又，圖9(b)是表示從與激光11的光軸方向相垂直的方向觀察的激光振蕩器的剖視圖，并且表示了激光光路。在圖中，12是諧振器、13是部分反射鏡、14～16是全反射鏡、17是配置在各枚反射鏡前部并且具有確定光束模式以及激光放大向?qū)Чδ艿墓馊?aperture)、18是放電空間。構(gòu)造上，在部分反射鏡13與全反射鏡16間的激光光路上配置全反射鏡14以及15，從部分反射鏡13反射來的激光被全反射鏡14、15、16進行三次反射之后返回同一光路。


圖10表示正交型激光器裝置中放電引起的增益分布，表示增益隨著激光媒質(zhì)10流動方向的位置發(fā)生變化。根據(jù)圖10可見，在放電區(qū)域中，激光媒質(zhì)10流動方向的下游側(cè)增益較高。根據(jù)這樣的特性，在圖9的構(gòu)造中，將激光光路配置在激光媒質(zhì)10流動方向的下游端。
其次，根據(jù)激光振蕩的理論式，對于如圖9所示的那樣使得諧振器12為利用多枚反射鏡來回反射激光的構(gòu)造的理由進行說明。
根據(jù)下述可求出激光輸出Wr。
Wr＝η·(Wd-Wo) …(1)這里，η是激勵效率、Wd是放電輸入、Wo是振蕩閾值，根據(jù)下式可求得激勵效率。
η＝F·η0 …(2)這里，F(xiàn)是放電空間利用率，η0是激光媒質(zhì)的光變換的變換效率。
又，式(1)的振蕩閾值W0可由下式求出。
W0＝w0/m …(3)這里，w0是從構(gòu)成諧振器的部分反射鏡的透射率等的諧振器全體的損失導(dǎo)出的參數(shù)，m是激光的來回反射的次數(shù)。
根據(jù)式(1)可知，激勵效率η越高或者振蕩閾值W0越小，激光輸出Wr越大，即變換成激光的變換效率越高。又，根據(jù)式(2)、(3)可知，放電空間利用率F越高激勵效率η越大，激光來回反射次數(shù)越多，振蕩閾值W0越低，因此，能夠獲得高效率的正交型激光器裝置。如此，以獲得小型、變換成激光的變換效率高的正交型氣體激光器裝置為目的，采用使得諧振器為利用多枚反射鏡來回反射激光的構(gòu)造的正交型氣體激光器裝置。
這樣利用多枚反射鏡來回反射激光的構(gòu)造所帶來的高效率化是正交型的特征現(xiàn)象，通過激光多次來回反射并通過放電被激勵而初次實現(xiàn)同一放電空間。即，例如日本實開昭56-29969號公報所揭示的軸流型氣體激光器裝置那樣，在一個激光管內(nèi)部僅具有一個光軸的構(gòu)造中，不能夠?qū)崿F(xiàn)上述情況。
在正交型氣體激光器裝置中，在上述圖9的構(gòu)造中雖然提高了激光的振蕩效率，但從近來要求節(jié)省能量的要求出發(fā)，還希望進一步提高效率。又，從節(jié)省空間的觀點出發(fā)，更加要求小型的正交型氣體激光器裝置。
如上所述，激光的來回反射次數(shù)越多則能夠?qū)崿F(xiàn)高效率化，而在圖9的構(gòu)造中，很難在進一步增加反射次數(shù)。其理由在于，為了進行安全放電，放電電極的間隔受到限制，通常在100mm以下，由于反射鏡的配置以及用于固定各反射鏡的支架其構(gòu)造上的限制，很難將所有的光軸配置在上述下游端。而且，由于激光反射引起的激光重疊，輸出激光的形狀對稱性下降，例如在利用了該輸出激光的加工中會產(chǎn)生方向性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問題目的在于提供一種高輸出、節(jié)省能量以及小型化的正交型氣體激光器裝置。
本發(fā)明的正交型氣體激光器裝置是具備在內(nèi)部具有由一枚部分反射鏡以及多枚全反射鏡形成的諧振器的激光振蕩器的正交型氣體激光器裝置中，至少具備5枚全反射鏡。
又，具備配置在諧振器一端的1枚部分反射鏡以及2枚全反射鏡；配置在諧振器另一端的3枚全反射鏡，配置所述反射鏡使得所述諧振器各端配置的3枚所述反射鏡的激光中心形成三角形。
而且，在激光媒質(zhì)流動方向的放電區(qū)域下游端或者其附近，配置所述諧振器各端上所配置的3枚所述反射鏡中的2枚。
又，在所述下游端或者其附近配置所述部分反射鏡。
又，將所述部分反射鏡配置在比所述下游端更上面的上游側(cè)并且擴大照射到所述部分反射鏡上的激光的直徑。
而且，配置所述反射鏡使得分散所述反射鏡上激光來回反射部分的重疊方向。
本發(fā)明由于具有上述構(gòu)造，故能夠發(fā)揮下述效果。
本發(fā)明的正交型氣體激光器裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出、節(jié)省能量以及小型化。
又，能夠抑制部分反射鏡的熱變形。
而且，能夠提高輸出激光的形狀對稱性。
附圖簡述圖1是表示本發(fā)明實施形態(tài)1的正交型氣體激光器裝置的諧振器部分的構(gòu)造圖。
圖2表示根據(jù)反射次數(shù)的放電空間利用率的變化。
圖3表示輸入輸出特性。
圖4是表示激光的反射部分重疊狀況與輸出激光的示例的說明圖。
圖5是表示本發(fā)明實施形態(tài)2的正交型氣體激光器裝置的諧振器部分的構(gòu)造圖。
圖6是表示各光圈的直徑不同時為了提高激光的形狀對稱性的反射鏡配置方法的說明圖。
圖7表示本發(fā)明實施形態(tài)3的正交型氣體激光器裝置的諧振器部分的構(gòu)造圖。
圖8是表示以往的正交型氣體激光器裝置的構(gòu)造圖。
圖9是表示以往的正交型氣體激光器裝置中反射鏡與放電電極的位置關(guān)系的構(gòu)造圖。
圖10表示正交型氣體激光器裝置中的放電引起的增益分布的曲線圖。
最佳實施形態(tài)實施形態(tài)1圖1是表示本發(fā)明實施形態(tài)1的正交型氣體激光器裝置的諧振器部分的構(gòu)造圖，圖1(a)是從激光11的光軸方向觀察激光諧振器的剖視圖，圖1(b)是表示激光光路的說明圖。在該圖中，2是放電電極、10是激光媒質(zhì)、11是激光、12是諧振器、18是放電空間、19是部分反射鏡、20～24是全反射鏡、25～30是光圈。
其次，對于動作進行說明。作為正交型激光器裝置的基本動作，與根據(jù)以往技術(shù)的圖8相同。在放電空間18中被激勵的激光媒質(zhì)10在諧振器12內(nèi)被放大。在諧振器12內(nèi)部，來自部分反射鏡19的一部分被反射的激光來回反射，從全反射鏡20起順次由全反射鏡21、22、23反射而達到全反射鏡24。由全反射鏡24反射的激光再次由全反射鏡23、22、21、20反射而達到部分反射鏡19，取出其中的一部分作為激光11。如此，在構(gòu)造上，在部分反射鏡19與全反射鏡24之間的激光光路上配置全反射鏡20～23，從部分反射鏡19反射出來的激光經(jīng)全反射鏡20～24五次反射之后返回同一光路。
其次，對于實現(xiàn)這樣反射構(gòu)造的方法進行說明。根據(jù)表示以往技術(shù)的圖10所示，根據(jù)放電引起的增益分布，最好將激光光路配置在放電區(qū)域中激光媒質(zhì)流動方向的下游端。然而，為了進行安全放電，放電電極2的間隔受到限制，通常為100mm以下，由于反射鏡的配置以及支架構(gòu)造方面的限制，很難將所有的光軸配置在所述下游端。又，由于在取出激光的終端上將光軸配置在下游端時激光增幅最大，故效率較高。因此，如圖1(a)所示，在所述下游端配置光圈25、26間的光軸與光圈27、28間的光軸以及光圈26、27間的光軸并且將其他光軸配置在比所述下游端更上面的上游側(cè)，由此能夠獲得效率高并且穩(wěn)定的激光諧振。
圖2是表示根據(jù)來回反射次數(shù)的放電空間利用率的變化，在本發(fā)明圖1的構(gòu)造情況下，來回反射次數(shù)相當于5次，在表示以往技術(shù)的圖9的構(gòu)造中，來回反射次數(shù)相當于3次。根據(jù)圖2可知，本發(fā)明的構(gòu)造比以往技術(shù)的構(gòu)造，放電空間利用率更高。又，可知，即使來回反射次數(shù)超過5次，放電空間利用率也不能夠再提高。因此，考慮到放電空間利用率的提高所引起的激勵效率上升以及反射鏡等部件增加引起的成本上升等，來回反射次數(shù)5次是適當?shù)?。而且，在為了獲取高輸出的用途中，也可以再進一步增加來回反射次數(shù)。
圖3是對于輸入輸出特性方面在相同尺寸以及相同輸入功率的條件下表示本發(fā)明圖1的構(gòu)造與以往技術(shù)圖9的構(gòu)造的比較，實線表示本發(fā)明的圖1的構(gòu)造情況、虛線表示以往技術(shù)中圖9的構(gòu)造情況。在本發(fā)明圖1的構(gòu)造中，由于所述的放電空間利用率的提高以及來回反射次數(shù)的增加，輸出效率顯著升高，能夠獲得比以往技術(shù)中圖9的構(gòu)造提高了大約1.4倍的高輸出。
因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高輸出、省能以及小型的正交型氣體激光器裝置。
實施形態(tài)2使得正交型氣體激光器裝置的諧振器為利用多枚全反射鏡來回反射激光的構(gòu)造時，在進行反射放大的過程中在激光的來回反射部分上產(chǎn)生重疊。例如，以實施形態(tài)1中圖1所示的構(gòu)造為例，在激光的重疊部分(例如，圖1的光圈26的位置上來自光圈25的激光的上側(cè)與射向光圈27的激光的下側(cè))上，對于同一空間的增益，來自光圈25的激光的上側(cè)與射向光圈27的激光的下側(cè)爭奪增益，相對于該部分全體100％的增益而言，各自僅能夠獲得50％的增益。如此，激光重疊部分的強度相對于激光沒有重疊部分的強度要下降一半，激光的形狀對稱性下降。
圖4(a)表示激光來回反射部分中的重疊部分(圖1(b)的A～D部分)，對于這些激光，重疊部分的和為輸出激光。圖4(b)表示該情況下輸出的激光。對于以往技術(shù)的圖9進行相同的研究，僅在輸出激光的上下產(chǎn)生重疊部分，輸出激光的形狀對稱性更加下降。當輸出激光的形狀對稱性下降時，例如在采用了這樣的輸出激光的加工中會產(chǎn)生方向性。
圖5是表示本發(fā)明實施形態(tài)2的正交型氣體激光器裝置的諧振器部分的構(gòu)造圖，表示了更進一步提高輸出激光的形狀對稱性的構(gòu)造。在圖5中，對于與實施形態(tài)1的圖1相同或相當?shù)牟糠植捎猛环枴D5(a)是從激光11的光軸方向觀察激光諧振器的剖視圖，圖5(b)是表示激光光路的說明圖。圖5的反射鏡以及光圈的配置與圖1的反射鏡以及光圈的配置不同，構(gòu)造上反射鏡22以及光圈28替換了反射鏡24以及光圈30。因此，圖5(b)的激光光路與圖1(b)的激光光路不同，激光的來回反射部分的重疊方向有一部分不同。在這樣的情況下，圖5(c)相當于圖4(a)，圖5(d)相當于圖4(b)，通過使得為如圖5(a)以及圖5(b)這樣的反射鏡的配置以及激光光路，如圖5(c)那樣，各反射鏡的激光來回反射部分的重疊方向分散，由于配置成如圖5(d)所示那樣在輸出激光的幾乎全部周圍上激光的重疊部分分散，提高了輸出激光的形狀對稱性。
又，在圖1以及圖5的構(gòu)造中，在諧振器兩端部上分別各配置3枚反射鏡，諧振器端部的3枚反射鏡的激光中心呈三角形。這相當于圖1的示例中，將光圈25、27和29以及光圈26、28和30配置成三角形，在圖5的示例中相當于將光圈25、27和29以及光圈26、30和28配置成三角形。以圖5為示例，當各光圈的直徑相等時，光圈25、27以及29形成的三角形為將連接光圈25、27的中心的線作為底邊的等腰三角形，光圈26、30以及28形成的三角形是將連接光圈26、30的中心的線作為底邊的等腰三角形。在圖5的構(gòu)造中，當各光圈的直徑不同時，如圖6所示，若將光圈29的中心配置在將線段PQ的中點R向激光媒質(zhì)與放電電極平行地流動方向的上游側(cè)移動后的位置上，則能夠提高輸出激光的形狀對稱性，所述線段PQ連接作為連接光圈25與光圈27的中心的線同光圈25以及27的外形交點的P點以及Q點。
實施形態(tài)3取出激光的部分反射鏡由于過大的輸入熱量，會產(chǎn)生熱變形等的問題。為了減輕這樣的熱變形，增大照射到部分反射鏡的激光的直徑并且減少單位面積的輸入熱量的方法是最有效的。對于實施形態(tài)1的圖1以及實施形態(tài)2的圖5中的反射鏡以及光圈的配置，由于在部分反射鏡19以及光圈25上配置全反射鏡21以及光圈27，很難物理性地增大照射到部分反射鏡19上的激光的直徑。因此，如圖7所示，若配置部分反射鏡19以及光圈25而使得在其上下不存在反射鏡以及光圈，則與圖1以及圖5的情況相比，雖然因取出激光的最終端從放電區(qū)域中激光媒質(zhì)流動方向的下游端移動到上游端，輸出略有下降，通過進行改變反射鏡曲率等的諧振器變更或者模式次數(shù)的變更等，能夠擴大照射到部分反射鏡19上的激光的直徑。
因此，通過采用圖7那樣的反射鏡配置方法以及激光光路，能夠抑制部分反射鏡的熱變形。
工業(yè)利用性如上所述，本發(fā)明的正交型氣體激光器裝置能夠?qū)嵕€高輸出、省能量以及小型化，因此，該正交型氣體激光器裝置其產(chǎn)品本身具有工業(yè)價值。而且，可以適用于加工以及計測等的作業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種正交型氣體激光器裝置，具備在內(nèi)部具有由一枚部分反射鏡以及多枚全反射鏡形成的諧振器的激光振蕩器，其特征在于，至少具備5枚全反射鏡。
2.一種正交型氣體激光器裝置，具備在內(nèi)部具有由一枚部分反射鏡以及多枚全反射鏡形成的諧振器的激光振蕩器，其特征在于，具備配置在所述諧振器一端的1枚部分反射鏡以及2枚全反射鏡；配置在所述諧振器另一端的3枚全反射鏡，配置所述反射鏡使得所述諧振器各端配置的3枚所述反射鏡中的激光中心形成三角形。
3.如權(quán)利要求2所述的正交型氣體激光器裝置，其特征在于，在激光媒質(zhì)流動方向的放電區(qū)域下游端或者其附近，配置所述諧振器各端上所配置的3枚所述反射鏡中的2枚。
4.如權(quán)利要求3所述的正交型氣體激光器裝置，其特征在于，在所述下游端或者其附近配置所述部分反射鏡。
5.如權(quán)利要求3所述的正交型氣體激光器裝置，其特征在于，將所述部分反射鏡配置在比所述下游端更上面的上游側(cè)并且放大照射到所述部分反射鏡上的激光的直徑。
6.如權(quán)利要求1～5任意一項所述的正交型氣體激光器裝置，其特征在于，配置所述反射鏡使得分散所述反射鏡上激光來回反射部分的重疊方向。
全文摘要
具備:配置在諧振器(12)一端的1枚部分反射鏡(19)以及2枚全反射鏡(21、23);配置在諧振器(12)另一端的3枚全反射鏡(20、22、24),并且配置反射鏡(19、21、23以及20、22、24)使得諧振器(12)各端配置的3枚反射鏡(19、21、23以及20、22、24)的激光中心呈三角形。又,在激光媒質(zhì)(10)流動方向的放電區(qū)域下游端,配置在諧振器(12)各端上所配置的3枚反射鏡(19、21、23以及20、22、24)中的2枚(19、23以及20、22)。
文檔編號H01S3/0971GK1361931SQ99816834
公開日2002年7月31日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月30日
發(fā)明者西田聰, 杉原和郎 申請人:三菱電機株式會社