JPWO2013084608A1 - Co2レーザ装置およびco2レーザ加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載のCO2レーザ装置は、CO2を含む気体利得媒質を内包するハウジングと、高反射体および出力カプラを含むレーザ光共振器と、利得媒質を励起する励起配置と、レーザ光共振器に配置される音響光学(AO)セルとを備えており、AOセルを用いてレーザ光共振器を高損失状態と低損失状態との間で切換え、Qスイッチパルスを生成しているが、レーザ出力は、音響光学セルの耐光パワー(たとえば、数100W)以下に制限される。
また、パルスレーザの繰り返し周波数が変化すると、音響光学セルの熱的状態が変化することから、繰り返し周波数に依存してビーム径が変化するという課題があった。
図1はこの発明の実施の形態1に係るCO2レーザ装置の構成を透視して示す斜視図である。
図1において、CO2レーザ装置は、上下に配設された電極1、2と、電極1と電極2との間の放電空間内に封入されたレーザガスG(電極2側でのガス流方向を1点鎖線矢印で示す)と、共振器ミラーとしての全反射ミラー11と、レーザガスGを介して全反射ミラー11に対向配置された共振器ミラーとしての部分反射ミラー12と、レーザ光に直線偏光を与えるブリュースター板13と、光変調用の変調素子(光スイッチ)となる音響光学素子21と、音響光学素子21に交流電圧を印加する電源31と、電源31を制御する制御装置32と、を備えている。
部分反射ミラー12の端面からは、レーザ光41が出射される。なお、レーザガスGとしては、CO2分子を含む混合ガスが使用される。
伝送ミラー52〜56の相互対向光路は、それぞれ、レーザガスGを通過するように構成されており、最終段の伝送ミラー56からは、レーザ光42が外部に出射される。
ブロワは、筐体の内部空間に封入されたレーザガスGを循環させて強制対流を発生させる。これにより、冷却されたレーザガスGは、電極2側においてX方向(1点鎖線矢印方向)に沿って図面左方向に供給される。
また、レーザガスGは、筐体内において大気圧よりも低い圧力に維持されており、電極1、2間で、たとえば100m/s程度の速度で移動している。
したがって、レーザガスG(CO2分子を含む混合ガス)中のCO2分子の振動準位間の遷移により、レーザ発振による波長10.6μmのレーザ光41が得られる。
すなわち、高周波電源(図示せず)から電極1、2に高周波交流電圧を印加すると、電極1、2間には、筐体(破線枠)に対応した直方体形状(たとえば、3cm×3cm×100cm程度)の放電空間が形成される。
レーザガスGは、高周波交流電圧の印加によって実質的に連続励起されており、放電空間内のレーザガスGは、放電空間に対してレーザガス流の下流方向(図面左方向)に存在するレーザガスGを含めて、光増幅作用を示す放電励起ガスとなる。
また、レーザ発振器内部の光軸上には、偏光選択素子としてブリュースター板13が設けられている。
ここでは、ブリュースター板13の配置により、X方向の直線偏光を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。
制御装置32は、電源31による粗密波の有無状態と、粗密波のエネルギーの大きさとを自在に制御することができる。
このように、電源31および制御装置32に接続された音響光学素子21は、透明材料内部の粗密波による屈折率変化を回折格子として利用することにより、レーザビームの進行方向を高速に制御する機能を有する。
なお、CO2レーザ装置における音響光学素子21の材料としては、ゲルマニウムに無反射コーティングが施されたものが用いられる。
これにより、光共振器が低Q状態となるので、レーザ発振が起こらず、レーザガスG(CO2レーザ媒質)にゲインが蓄積する。
これにより、光共振器が高Q状態になるので、蓄積されたゲインがパルス光として取り出される。
この現象は、Qスイッチパルス発振(または、単に「Qスイッチ発振」)と称され、このような発振を行うレーザは、Qスイッチパルスレーザ(または、単に「Qスイッチレーザ」)と称される。
また、伝送ミラー51〜56は、光軸調整のための角度微調機構(図示せず)を介して取り付けられており、レーザ光41の進路を変える機能を有する。
伝送ミラー51、52で反射されて、放電励起ガス内に再導入されたレーザ光41は、2点鎖線矢印で示すように、伝送ミラー53、54、55、56の順に反射されながら放電励起ガスを通過し、放電励起ガスを通過するごとに増幅される。
最終的に出射されたレーザ光42は、後述するように、レーザ切断、レーザ穴あけ、または、レーザ照射による表面改質などに利用される。
たとえば、穴あけ加工において、高い繰り返し周波数で加工する穴と、低い繰り返し周波数で加工する穴とが、均質な形状になるようにしたい場合を考える。
しかも、高い繰り返し周波数において、高い平均パワー(たとえば、1kW)を有するレーザ光42が、加工の生産性増大の面から望ましい。
熱レンズ効果とは、物質が光軸対称の温度分布を有する場合に、光軸対称の屈折率分布を有することから、物質を透過する光が、レンズに似た収斂および拡散作用を受ける現象のことである。
すなわち、YAGレーザの音響光学素子のYAGレーザ吸収率が、たとえば0.1%未満であるのに対して、CO2レーザの音響光学素子21のCO2レーザ吸収率は、たとえば3%〜10%程度である。
なお、CO2レーザの電気光学素子(図示せず)は、比較的低い吸収率を示すが、それでもなお、YAGレーザの音響光学素子のYAGレーザ吸収率よりも高い1%程度の吸収率を有する。また、電気光学素子は、CdTeを原料としており希少なことから、入手しにくく、しかも高価である。
また、光共振器中のレーザ出力は、光共振器から取り出されるレーザ出力よりも大きい(典型的には、数倍になる)ので、従来構成のQスイッチCO2レーザから出射されるレーザ出力の上限は、100W程度であった。
したがって、パルスレーザの繰り返し周波数の変化にともなうビーム径の変動を最小化することができる。
安定型光共振器には2つの種類がある。1つは光共振器内において、レーザビームの直径にくびれの少ない***行平面型であり、もう1つは、光共振器内において、レーザビームの直径に顕著な集光点を有する近共心型である。
図2において、g1、g2は、当業者に広く知られているように、gパラメータと称されており、以下の式(1)、式(2)で与えられる。
g2=1−L/R2 ・・・(2)
図2において、灰色の領域A1、A2は、安定な光共振器のgパラメータ領域であり、領域A1の光共振器は、***行平面型と称され、領域A2の光共振器は、近共心型と称される。
図3において、横軸は光共振器内の座標に対応する伝播距離(mm)、縦軸はビーム径であり、レーザ発振器から取り出されたレーザ光41の出力が1W、7W、15Wの場合のビーム径特性を、それぞれ、実線、点線、破線で示している。
なお、各出力1W、7W、15Wは、それぞれ、繰り返し周波数が約3kHz、25kHz、50kHzの場合の出力と考えてよい。
この場合、式(1)、式(2)から、gパラメータは、g1=1、g2=0.52となり、***行平面型の光共振器であることが分かる。
図4において、TRは全反射ミラー11の位置を示し、PRは部分反射ミラー12の位置(出射位置)を示し、AO−Qは音響光学素子21の位置を示し、灰色領域は、レーザガスG(放電励起ガス)の存在位置を示している。
なお、QスイッチCO2レーザ発振部からのレーザ出力1W、15W、30Wは、それぞれ、繰り返し周波数が約3kHz、50kHz、100kHzの場合に相当する。
これにより、増幅後のレーザ光42のビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に依存することなくほぼ一定となるので、繰り返し周波数に依存せずにビーム径が安定なレーザ光42を出射可能なCO2レーザ装置を提供することができる。
すなわち、レーザビームと放電励起ガスとが重なる領域がほぼ一定なので、パルスレーザの繰り返し周波数に依存せずに安定したパルスエネルギーが得られる効果がある。
また、音響光学素子21は、レーザビームが最も細い位置(伝播距離≒700mm)よりも全反射ミラー11側の位置AO−Qに配置されている。
また、放電励起ガスが存在する範囲でのビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に応じて変動するので、レーザの繰り返し周波数に依存することのない安定なパルスエネルギーを得ることはできない。
図5において、横軸はレーザ発振器から取り出されたレーザ光41の出力(W)、縦軸はビーム径(mm)である。
このとき、図5から明らかなように、共振器ミラーの曲率半径を、音響光学素子21から共振器ミラーまでの距離と等しく設定した光共振器を用いることにより、レーザ装置の動作範囲に連動する出力範囲内(0〜30W)の出力15W付近で、出射ビーム径が極大となることが分かる。
また、レーザ発振器から取り出されるレーザ光の出力が15W付近となる(出射ビーム径を極大値にする)ような繰り返し周波数の条件下で、レーザ装置を稼動させる場合に、音響光学素子21の熱レンズの性質変化に対する出射ビーム径の変動を抑えて、安定した動作が可能となることが分かる。
図6は好適でない光共振器を用いた場合のビーム径特性を示す説明図であり、一例として、共振器ミラーの曲率半径を音響光学素子21から共振器ミラーまでの距離の1.15倍とした構成における出射ビーム径(mm)の特性を示している。
すなわち、図5の場合とは異なり、動作範囲全体にわたるビーム径の変動を小さく抑えることが困難となる。
これにより、増幅後のレーザ光42のビーム径も、パルスレーザの繰り返し周波数に依存することなくほぼ一定となるので、繰り返し周波数に依存せずに、ビーム径が安定なレーザ光42を出射可能なCO2レーザ装置を提供することができる。
具体的には、図5のように、レーザ装置の動作範囲内(0〜30W)に出射ビーム径の極大点が入る範囲に対応するように、共振器ミラーの曲率半径と、音響光学素子21から共振器ミラーまでの距離とをほぼ等しく設定しておけばよい。
また、レーザ光41を反射するミラーは、レーザガスGの異なる位置が順次に介在されるように対向配置された複数の伝送ミラー51〜56からなる。
なぜなら、この発明における変調素子としては、レーザ光の変調作用とともに、レーザビームの入射によって発生する熱がレーザビーム伝播に影響するような副作用を有するものが適用されるからである。
なお、上記実施の形態1(図1)では、全反射ミラー11と部分反射ミラー12とを、レーザガスGを介して一直線上に対向配置し、さらにレーザ光に直線偏光を与えるブリュースター板13を介在させたが、図7に示すように、レーザガスGの一方側において、全反射ミラー11および音響光学素子21と部分反射ミラー12とを並列配置し、レーザガスGを介した反対側において、光を折り返すミラー14、15を設置してもよい。
図7に示すCO2レーザ加工装置は、前述(図1)のブリュースター板13に代えて、ミラー14、15を備えている。
図7において、光共振器は、共振器ミラーとしての全反射ミラー11および部分反射ミラー12と、音響光学素子21とに加えて、共振器内の光を折り返すミラー14、15とを備えている。
したがって、ミラー14は、共振器内の光を折り返すのみならず、レーザ光にX方向の直線偏光を与える役割を果たす。
また、部分反射ミラー12の曲率半径と、音響光学素子21からミラー14、15を経由した部分反射ミラー12までの光学的距離とを、等しく設定している。
図7のようにCO2レーザ装置を構成することにより、前述の実施の形態1と同様に、安価で簡便な構成で、エネルギー効率の高いCO2レーザ装置(パルスレーザ装置)を得ることができる。
また、音響光学素子21の熱レンズ効果を小さく抑制することができ、繰り返し周波数に依存せずに、ビーム径が安定なレーザ光42を出射可能なCO2レーザ装置を提供することができる。
このように、光共振器の終端の全反射ミラー11および部分反射ミラー12以外にも、曲率を有するミラーがある場合など、一般的な光共振器において、gパラメータは、当業者に広く知られているように、光共振器の片路分の光線行列を、以下の式(3)としたとき、g1=A、g2=D、で与えられる。
なお、上記実施の形態1、2(図1〜図7)では、高出力で安定なレーザ光42を出射するCO2レーザ装置について説明したが、図8のように、レーザ光42を具体的に利用したCO2レーザ加工装置を構成してもよい。
図8において、CO2レーザ加工装置は、前述(図1)のCO2レーザ装置に加えて、光学系要素(ミラーやレンズなど)で構成される伝送光学系61と、レーザ光42を通過させて伝送光学系61に入射するアパーチャ62と、伝送光学系61を介して伝送されたレーザビーム43を高速に走査して被加工物100に照射するガルバノミラー71と、被加工物を設置するステージ(図示せず)と、を備えている。
伝送光学系61は、入射されたレーザビームが被加工物100に向かうようにレーザビーム43の進行方向を変えるとともに、レーザビーム43が加工に適したビームとなるように、ビーム径を制御したり、ビームを分割したりするなどの役割を果たす。
なお、アパーチャ62は、伝送光学系61に組み込まれていてもよい。
アパーチャ62は、点Bを光学的に転写した点、すなわち、点Bと共役な点に位置するように設置される。
また、同一のレーザガスGにレーザ光41を導くための伝送ミラー51〜56の枚数は、任意に設定され得る。
Claims (7)
- CO2レーザ媒質と、
前記CO2レーザ媒質が介在された光共振器と、
前記光共振器内に設けられた光スイッチと、
前記光共振器の外部に前記光共振器から出射されたレーザ光を反射する伝送ミラーと、
を備えたCO2レーザ装置であって、
前記光共振器は、近共心の安定型光共振器からなり、
前記光共振器を構成する少なくとも1つの共振器ミラーの曲率半径は、前記光スイッチから前記共振器ミラーまでの距離と等しくなるよう設定され、
前記伝送ミラーは、前記レーザ光が再び前記CO2レーザ媒質を通過するように設置されたことを特徴とするCO2レーザ装置。 - 前記伝送ミラーは、前記CO2レーザ媒質の異なる位置が順次に介在されるように対向配置された複数の伝送ミラーからなることを特徴とする請求項1に記載のCO2レーザ装置。
- 前記光スイッチは、音響光学素子からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCO2レーザ装置。
- 前記光スイッチは、電気光学素子からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のCO2レーザ装置。
- 前記光共振器中に、直線偏光を与えるブリュースター板またはミラーを備えることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のCO2レーザ装置。
- 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のCO2レーザ装置を用いたCO2レーザ加工装置。
- 前記CO2レーザ装置から出射されるレーザ光を通過させて整形するアパーチャと、
前記レーザ光をレーザビームとして被加工物に導く伝送光学系と、を備え、
前記アパーチャは、前記CO2レーザ装置内の光共振器中において、前記レーザ光の繰り返し周波数によるビーム径変動が最も小さくなる点に対して共役な点に設置されたことを特徴とする請求項6に記載のCO2レーザ加工装置。
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