JPS6377178A - Pumping reflector for laser - Google Patents
Pumping reflector for laserInfo
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- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は金属の表面等の熱処理に使用するレーザ用集光
鏡に関し、特に、複数の平面鏡セグメントによって一定
の拡がりを有し、その強さが均一であるようなレーザ光
を集光するレーザ用集光鏡に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a laser condensing mirror used for heat treatment of metal surfaces, etc., and in particular, it has a constant spread due to a plurality of plane mirror segments, and its strength is The present invention relates to a laser condensing mirror that condenses laser light with uniformity.
レーザを用いた金属加工において、切断加工等において
は、レーザ光のビームをできるだけ小さなスポットに絞
る必要があるが、金属の焼き入れ等の表面処理では、一
定の面積を有し、その範囲内でビームの強さが一定であ
るレーザ光ビームが望ましい。即ち第８図に示すような
均一の強さを有するレーザ光が理想的である。In metal processing using a laser, it is necessary to focus the laser beam into the smallest possible spot for cutting, etc., but in surface treatment such as hardening of metal, it is necessary to narrow the laser beam to a spot that has a certain area and within that range. A laser light beam with constant beam intensity is desirable. That is, a laser beam having uniform intensity as shown in FIG. 8 is ideal.
このようなレーザ光ビームを実現するために、小さなレ
ーザ光ビームを重ねて、均一のビームをつくることや、
また大口径のレーザ光ビームを大口径の集光レンズをと
うして集光する方法がある。In order to realize such a laser beam, it is necessary to overlap small laser beams to create a uniform beam,
Another method is to condense a large-diameter laser beam through a large-diameter condensing lens.
しかし、小さなレーザ光ビームを重ねる方法は第９図に
示すように、ビームの強さの凹凸が生じ、全体を均一に
することが困難である。However, as shown in FIG. 9, the method of overlapping small laser beams causes irregularities in beam intensity, making it difficult to make the beam uniform overall.
又、大口径のレーザ光ビームを大口径の集光レンズで集
光する方法は大口径のレーザ光ビーム自身の強さ分布が
均一でなく、さらに、集光後のレーザ光ビームもレンズ
の収差のためにその強さが均一にならないという°問題
点がある。Furthermore, in the method of condensing a large-diameter laser beam using a large-diameter condensing lens, the intensity distribution of the large-diameter laser beam itself is not uniform, and furthermore, the laser beam after condensing also suffers from lens aberrations. Therefore, there is a problem that the strength is not uniform.
本発明の目的は上記問題点を解決し、複数の平面鏡セグ
メントによって一定の拡がりを有し、その強さが均一で
あるようなレーザ光を集光するレーザ用集光鏡を提供す
ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a laser condensing mirror that condenses laser light having a constant spread and uniform intensity using a plurality of plane mirror segments. .
〔問題点４を解決するための手段〕
本発明では上記の問題点を解決するために、パラボラ回
転曲面に外接するように配置された複数の平面鏡セグメ
ントからなるレーザ用集光鏡であって、該甚平面鏡セグ
メントの集光像が焦点面に同一形状に重畳するように構
成されたことを特徴とするレーザ用集光鏡を、
採用した。[Means for Solving Problem 4] In order to solve the above problem, the present invention provides a laser condensing mirror consisting of a plurality of plane mirror segments arranged so as to circumscribe a parabolic rotation curved surface, A condensing mirror for a laser is employed, which is characterized in that the condensed images of the coplanar mirror segments are superimposed on the focal plane in the same shape.
集光前のレーザビーム強度が分布を有し不均一であって
も各平面鏡セグメントの受けるレーザ光は各平面鏡セグ
メント面内では略均−であり、これを、焦点面に、同一
形状に重畳させることにより、所定の面積を有し、且つ
、均一の強さを有するレーザ光を得ることができる。Even if the laser beam intensity before convergence has a distribution and is non-uniform, the laser light received by each plane mirror segment is approximately equal within the plane of each plane mirror segment, and this is superimposed on the focal plane in the same shape. By doing so, it is possible to obtain a laser beam having a predetermined area and uniform intensity.
以下本発明の一実施例を図面に基すいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第１図に本発明の一実施例の構成図を示す。図はパラボ
ラ回転曲面の回転軸で切断した切断図である。図におい
て、１０はレーザ光であり、パラボラ回転面の回転軸に
対し平行になっている。２０は複数の平面鏡セグメント
からなるセグメントパラボラ鏡である。２１〜２５は平
面鏡セグメントであり、各平面鏡セグメントは焦点をＰ
とするパラボラ回転曲面に外接するように配置されてい
る。又、紙面に垂直の方向にもパラボラ回転曲面に外接
するように、回転面にそって平面鏡セグメントが配置さ
れている。。この矩形の形状については後述する。３０
は焦点面であり、レーザ光がこの面に集光する。４０は
焦点面上の集光像であり、各平面鏡セグメントの反射鏡
２１〜２５の集光像が同一形状で重畳する。FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of the present invention. The figure is a cutaway view taken along the axis of rotation of the parabolic rotating curved surface. In the figure, 10 is a laser beam, which is parallel to the rotation axis of the parabolic rotation surface. 20 is a segment parabolic mirror consisting of a plurality of plane mirror segments. 21 to 25 are plane mirror segments, and each plane mirror segment has a focal point of P
It is arranged so as to be circumscribed by the parabolic rotation curved surface. Furthermore, plane mirror segments are arranged along the rotation surface so as to circumscribe the parabolic rotation curved surface in the direction perpendicular to the plane of the paper. . The shape of this rectangle will be described later. 30
is the focal plane, and the laser beam is focused on this plane. 40 is a condensed image on the focal plane, and the condensed images of the reflecting mirrors 21 to 25 of each plane mirror segment are superimposed in the same shape.
次に各セグメントの形状について述べる。第２図にセグ
メントの形状を決めるためのパラボラ曲線を示す。即ち
、このパラボラ曲線はパラボラ回転曲面を切断した曲線
である。図において、点線はパラボラ曲線を示し、この
曲線は式
％式％）
で表すことができる。１１はレーザ光であり、２１はセ
グメントの１つを表し、線分ＣＢであり、その長さはａ
、である。レーザ光１１はこのセグメント２１で反射し
て、Ｙ軸上の焦点Ｐを中心にして、線分ＤＢに集光する
。焦点面のＹ軸の長さＤＢをａとする。Next, the shape of each segment will be described. FIG. 2 shows a parabolic curve for determining the shape of the segment. That is, this parabolic curve is a curve obtained by cutting a parabolic rotation curved surface. In the figure, the dotted line indicates a parabolic curve, which can be expressed by the formula %. 11 is a laser beam, 21 represents one of the segments, and is a line segment CB, the length of which is a
, is. The laser beam 11 is reflected by this segment 21 and condensed onto a line segment DB with the focal point P on the Y-axis as the center. Let a be the length DB of the Y-axis of the focal plane.
ここで、焦点Ｐにおける像のＹ軸上の線分の長さａを決
めれば、セグメントのＹ軸方向の長さａ、ｌが求められ
る。即ち、三角形ＡＢＣにおいて正弦定理から、
ＢＣ／ｓ ｉｎ／ＣＡＢ＝ＡＢ／ｓ ｉｎ／ＡｃＢ・・
−・・−（１）
第３図から、
／ｃＡＢ＝θ＋π／２ ・・・・・−（２）
ＺＡＣＢ＝φ−θ −・−・・・（３）
ｔａｎθ＝ （ｙ −ｆ ） ／ｘ −−−−
−−（４）ｔａｎφ＝ ｄ ｙ ／ ｄ ｘ ＝ ｘ
／ ｆ ・・・−−−−（５）（２）〜（５）式を
整理して（１）式に適用すると、
ａ、＝ａｘｃｏｓθ、／５ｉｎ（θ２−θｌ）−・・・
（６）
となる。但し、
θ＋ −ａｒｃｔａｎ （（ｘ” −２ｆ” ） ／２
ｆ ｘ）θ２°ａｒｃｔａｎ （ｘ ／ ｆ ）この
ようにして、集光面のＹ軸方向（縦方向）の距ｆｉａが
定まれば、平面鏡セグメントのＹ軸方向の辺の長さａｌ
が求められる。この弐を満足する長さであれば、焦点面
での集光像の大きさは一定となるのである。Here, if the length a of the line segment on the Y-axis of the image at the focal point P is determined, the lengths a and l of the segment in the Y-axis direction can be determined. That is, in triangle ABC, from the law of sine, BC/s in/CAB=AB/s in/AcB...
−・・−(1) From Figure 3, /cAB=θ+π/2 ・・・・−(2)
ZACB=φ−θ −・−・・・(3)
tanθ= (y − f ) /x −−−
--(4) tanφ= d y / d x = x
/ f...---(5) When formulas (2) to (5) are rearranged and applied to formula (1), a, = axcosθ, /5in(θ2-θl)-...
(6) becomes. However, θ+ −arctan ((x” −2f”) /2
F
is required. If the length satisfies this condition, the size of the condensed image at the focal plane will be constant.
このように、平面鏡セグメント２１の縦方向の長さ ａ
、が求まり、平面鏡セグメント２１を帯状にパラボラ回
転面に沿うように構成することもできるが、これでは以
下の不具合が生じる。即ち、Ｙ軸上の集光面でレーザ光
の強度が、Ｄの方がＥよりも強くなる。これはセグメン
トのＢの部分よりＣの部分の方が円周の長さが
δＸ”ａｌ Ｘ ＣＯＳφ ・−−−−−−
（７）だけ大きく、その分反射面積が大きく強度が強く
なるのである。In this way, the longitudinal length a of the plane mirror segment 21
can be determined, and the plane mirror segment 21 can be constructed in a band-like manner along the parabolic rotation surface, but this causes the following problems. That is, the intensity of the laser beam on the condensing plane on the Y axis is stronger in D than in E. This means that the circumference of part C of the segment is longer than that of part B.
(7) is larger, the reflection area is correspondingly larger and the intensity is stronger.
この不具合を除くために、パラボラ回転曲面の回転軸の
方向にもミラーを分割して、ミラーの平面鏡セグメント
を矩形状にする必要がある。この時Ｙ軸とＸ軸に対し直
角の方向にも拡がりを生じ、集光像は矩形状になる。こ
の矩形の横方向の形状がどのセグメントからの反射光か
らも、同一になるための寸法を求める。第３図にセグメ
ントパラボラをパラボラの回転軸方向から見た図を示す
。In order to eliminate this problem, it is necessary to divide the mirror also in the direction of the rotation axis of the parabolic rotation curved surface to make the plane mirror segment of the mirror rectangular. At this time, expansion also occurs in the direction perpendicular to the Y-axis and the X-axis, and the condensed image becomes rectangular. Dimensions are determined so that the horizontal shape of this rectangle is the same from the reflected light from any segment. FIG. 3 shows a view of the segment parabola viewed from the direction of the rotation axis of the parabola.
図において、２９は平面鏡セグメントの１つを示したも
のである。３０は焦点面であり、点Ｐはパラボラ回転曲
面の焦点であり、４０は焦点面３０上の集光像を示す。In the figure, 29 indicates one of the plane mirror segments. 30 is a focal plane, point P is the focal point of the parabolic rotation curved surface, and 40 indicates a condensed image on the focal plane 30.
この平面鏡セグメント２９の反射光によってつくられる
集光像の長さをｂとし、平面鏡セグメント２９と焦点面
のなす角度をＴとすると、平面鏡セグメント２９の横の
長さは、ｂ、＝ｂｘｓ ｉｎｙ −４（
８）で求めることができる。If the length of the condensed image created by the reflected light from this plane mirror segment 29 is b, and the angle between the plane mirror segment 29 and the focal plane is T, then the horizontal length of the plane mirror segment 29 is b, = bxs iny − 4(
8).
以上説明したように、パラボラ回転曲面に外接し、且つ
、各辺ａ、、ｂｚがそれぞれ（６）式及び（８）弐で表
せる矩形状の平面鏡セグメントを設けることにより、口
径の大きいレーザ光に対しても、収差を生じることなく
、強度分布が一定である辺ａ、ｂを有する矩形の集光像
を形成することができる。このような矩形状のレーザ光
は金属の表面処理等の応用に有用なものである。As explained above, by providing a rectangular plane mirror segment that circumscribes the parabolic rotation curved surface and whose sides a, bz can be expressed by equations (6) and (8) 2, it is possible to use a large diameter laser beam. Even in contrast, a rectangular focused image having sides a and b with a constant intensity distribution can be formed without producing aberrations. Such a rectangular laser beam is useful for applications such as metal surface treatment.
第４図にセグメントパラボラの構造を示す。Figure 4 shows the structure of a segment parabola.
レーザビーム断面が円形であるときセグメントパラボラ
は楕円形になり、そのなかに上記の式（６）及び（８）
を満足する辺を有する矩形の平面鏡セグメントが緻密に
配置されている。平面鏡セグメント間の隙間が多いと全
体の反射率が低下するので平面鏡セグメントは相互にで
きるだけ隙間のないように配置しなければならない。When the laser beam cross section is circular, the segment parabola becomes an ellipse, and the above equations (6) and (8)
Rectangular plane mirror segments with sides satisfying the following are densely arranged. Since large gaps between plane mirror segments reduce the overall reflectance, the plane mirror segments must be arranged with as few gaps as possible from one another.
しかし、第４図から明らかなように、楔形の空間が不可
避であり、このためのある程度の反射率の低下は避けら
れない。この隙間部分の反射光が焦点面に届くとレーザ
光の焦点面の集光像の強度の均一性を乱すので、それを
避けるための手段が必要となる。However, as is clear from FIG. 4, a wedge-shaped space is unavoidable, and a certain degree of decrease in reflectance due to this is unavoidable. If the reflected light from this gap reaches the focal plane, it will disturb the uniformity of the intensity of the focused image of the laser beam on the focal plane, so a means is required to avoid this.
第１の方法は比較的低い出力の場合に使用するものであ
って、隙間部の表面を反射率の高い拡散反射面にしてお
くことである。The first method is used when the output is relatively low, and involves making the surface of the gap a diffuse reflection surface with high reflectance.
第２の方法は第１の方法と逆に隙間部を光の吸収体とし
て、出力レベルに応じて、空冷或いは水冷により冷却す
る方法である。この方法では相当の高出力でも適用でき
、レーザ光の散乱がないので安全である。The second method is the opposite of the first method, in which the gap is used as a light absorber and is cooled by air cooling or water cooling depending on the output level. This method can be applied even at a considerably high power and is safe because there is no scattering of laser light.
レーザ光も光であり、回折現象を生じる。例えば、１つ
の平面鏡セグメントからの反射光は第５図に示すように
サイドローブを生じる。又、各平面鏡セグメントの位置
及び角度のずれから周辺のレーザ光の強度は均一にはな
らない。このようなサイドローブや平面鏡セグメントの
ずれによって、均一な矩形状のレーザ光が得られず、周
辺の一部のレーザ光の強度が均一ではなくなる。Laser light is also light and causes a diffraction phenomenon. For example, reflected light from one plane mirror segment produces side lobes as shown in FIG. Furthermore, the intensity of the peripheral laser light is not uniform due to positional and angular deviations of each plane mirror segment. Due to such side lobes and deviations of the plane mirror segments, a uniform rectangular laser beam cannot be obtained, and the intensity of the laser beam in a part of the periphery is not uniform.
そこで、第６図に示すように、被加工体５０の表面に近
接してマスク５１を置（。このマスクは集光像のレーザ
光の強度が均一ではない周辺の部分を取り除き、第７図
に示すように強度の均一のレーザ光を被加工体に照射す
ることができる。Therefore, as shown in FIG. 6, a mask 51 is placed close to the surface of the workpiece 50. As shown in Figure 2, the workpiece can be irradiated with a laser beam of uniform intensity.
以上説明したように本発明では、パラボラ回転曲面に外
接して各平面鏡セグメントの集光像が同一になるように
構成したので、レーザ光の強度が均一な矩形状のレーザ
光ビーム得ることができ、金属の表面加工等に有用であ
る。As explained above, in the present invention, since the condensed image of each plane mirror segment is the same circumscribed to the parabolic rotation curved surface, it is possible to obtain a rectangular laser beam with uniform laser beam intensity. , useful for metal surface processing, etc.
第１図は本発明の一実施例のセグメントパラボラの切断
図、
第２図はセグメントの縦の辺を求めるためのパラボラ曲
線を示す図、
第３図はセグメントの横の辺を求めるためのセグメント
パラボラをレーザ光の方向から見た図、第４図はセグメ
ントパラボラの全体の平面鏡セグメントの配置を示す図
、
第５図は平面鏡セグメントからの反射光を示す図、
第６図はマスクを示す図、
第７図はマスクによって、周辺の不均一な部分を取り除
いた後のレーザ光を示す図、
第８図は本発明で求める均一な強度を有するレーザ光を
の強度を示す図、
第９図は従来の小口径のレーザ光を集めて作られたレー
ザ光の強度分布を示す図である。
１０−・・・・・−レーザ光
１１−・・−レーザ光
２１〜２５．２９−・−・一平面鏡セグメント３０−・
・−・・・焦点面
４０−・−・・−集光像
５１・・・−マスク
Ｐ・−・−・−パラボラの焦点
特許出願人 ファナック株式会社
代理人 弁理士 服部毅巖
第２図
第３図
第４図
第５図
第６図
第７図Figure 1 is a cutaway view of a segment parabola according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a diagram showing a parabolic curve for determining the vertical sides of a segment. Figure 3 is a diagram showing a segment parabola for determining the horizontal sides of a segment. Figure 4 shows the arrangement of the entire plane mirror segments of the segment parabola, Figure 5 shows the reflected light from the plane mirror segments, Figure 6 shows the mask. , Fig. 7 is a diagram showing the laser beam after removing peripheral non-uniform parts by a mask, Fig. 8 is a diagram showing the intensity of the laser beam with uniform intensity required by the present invention, and Fig. 9 1 is a diagram showing the intensity distribution of a laser beam produced by collecting conventional small-diameter laser beams. 10--Laser beam 11--Laser beam 21-25.29--One plane mirror segment 30--
・ ・ ・ ・ ・ Focusing face 40- ・ · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ · Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7
Claims (6)
数の平面鏡セグメントからなるレーザ用集光鏡であって
、該各平面鏡セグメントの集光像が焦点面に同一形状に
重畳するように構成されたことを特徴とするレーザ用集
光鏡。(1) A laser condensing mirror consisting of a plurality of plane mirror segments arranged so as to circumscribe a parabolic rotational curved surface, and configured so that the condensed image of each plane mirror segment is superimposed on the focal plane in the same shape. A condensing mirror for lasers characterized by:
とし、前記平面鏡セグメントの縦の辺をａ＿１、横の辺
をｂ＿１とするとき、各平面鏡セグメントの大きさが、 ａ＿１＝ａ×ｃｏｓθ＿１／ｓｉｎ（θ＿２−θ＿１）
ｂ＿１＝ｂ×ｓｉｎ＿γ を満足するような矩形であることを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載のレーザ用集光鏡。(2) When the focused image is a rectangle with a vertical side a and a horizontal side b, and the vertical side of the plane mirror segment is a_1 and the horizontal side b_1, the size of each plane mirror segment is , a_1=a×cosθ_1/sin(θ_2−θ_1)
The laser condensing mirror according to claim 2, characterized in that it has a rectangular shape that satisfies b_1=b×sin_γ.
を有する拡散反射面であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項又は第２項のレーザ用集光鏡。(3) The condensing mirror for a laser according to claim 1 or 2, wherein the gap between each of the plane mirror segments is a diffuse reflection surface having a high reflectance.
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は
第３項記載のレーザ用集光鏡。(4) A condensing mirror for a laser according to claim 1, 2, or 3, wherein the interval between each plane mirror segment is a perfect absorber.
たことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のレーザ
用集光鏡。(5) A condensing mirror for a laser according to claim 4, characterized in that the perfect absorber is cooled with a cooling liquid.
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
項、第３項、第４項又は第５項記載のレーザ用集光鏡。(6) Claims 1 and 2 include a mask near the focal plane that removes the peripheral portion of the condensed image.
3. The laser condensing mirror according to item 3, item 4, or item 5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61221677A JPS6377178A (en) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | Pumping reflector for laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61221677A JPS6377178A (en) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | Pumping reflector for laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6377178A true JPS6377178A (en) | 1988-04-07 |
Family
ID=16770542
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61221677A Pending JPS6377178A (en) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | Pumping reflector for laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPS6377178A (en) |
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