專利名稱：激光振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備了具有使激光光軸折返的折返鏡的諧振器的激光振蕩器，尤其涉及帶有由氣體或者固體構(gòu)成的激光介質(zhì)，進(jìn)行激光焊接、激光切割等熱加工的高輸出功率的激光振蕩器。
背景技術(shù)：
迄今為止已經(jīng)有各種激光振蕩器的構(gòu)成方式被提出，并且其中部分已經(jīng)被實(shí)際應(yīng)用。即使在由數(shù)十瓦甚至數(shù)兆瓦的高輸出功率的激光振蕩器中，也公知有幾種方式。普通的激光振蕩器例如可以由日本特開昭61-198694號(hào)公報(bào)中得知(尤其參考該公報(bào)的圖1)。眾所周知，高輸出功率激光具有為了增大輸出功率而增大激光諧振器的諧振器長度的傾向。在上述公報(bào)所示的激光諧振器中，使用偏振鏡6、7(參考該公報(bào)的圖1)實(shí)現(xiàn)了諧振器長度的延長。即，光諧振器雖然通過將獲取激光輸出的輸出鏡和后鏡相對(duì)置地構(gòu)成，但是，也可以通過添加折返鏡(也有被稱為偏振鏡的情況)，折疊較長的諧振器，從而即使在外表上看是比較小的振蕩器也可以得到很大的輸出功率。在該折返鏡中使用的反射鏡是普通的平面鏡。
進(jìn)而，作為高輸出功率激光振蕩器中的一種，公知的有一種所謂的二氧化碳?xì)怏w激光器。二氧化碳?xì)怏w激光器采用了包含百分之幾的CO2的混合氣體作為激光介質(zhì)，并且將其密封在配置在反射鏡之間的放電管(玻璃管)內(nèi)。放電管的兩側(cè)配置有電極，一旦施加高壓電，則激光介質(zhì)就被激勵(lì)，并且通過使光在后鏡和輸出鏡之間往返來使激光產(chǎn)生振蕩。在激光振蕩器中裝備了用于去除來自對(duì)放電管施加高壓電的高壓電源和激光介質(zhì)等散發(fā)的余熱的冷卻系統(tǒng)。高輸出功率激光振蕩器除了使用這種二氧化碳?xì)怏w激光器之類的氣體作為激光介質(zhì)的氣體激光器之外，例如還有YAG激光器這樣的使用固體作為激光介質(zhì)的固體激光器。
在實(shí)現(xiàn)這些激光器的高輸出功率化的情況下，因?yàn)榧す饨橘|(zhì)(氣體或者固體)在每個(gè)單位體積下的激光放大量有一定限制，所以必須加大介質(zhì)容量(體積)。并且，為了增大介質(zhì)容量，可采用下述任何一種方式(1)加大激光通過部分的截面面積，即，加大開口直徑；(2)加長輸出鏡和后鏡之間的距離，即，加長諧振器的長度；或者(3)將上述(1)和(2)并用。
另一方面，激光加工的質(zhì)量即使在切割、焊接等任何一種情況下，大都依賴于激光光束的聚光性能。即使在聚光透鏡的焦距等所有條件都相同的環(huán)境下對(duì)所輸出的激光進(jìn)行聚光，該聚光點(diǎn)的光束直徑尺寸也會(huì)隨激光振蕩器而不同，這是由于激光振蕩器本身的輸出光束質(zhì)量(聚光性能利用聚光透鏡進(jìn)行聚光的容易程度)的不同所致。決定激光光束的聚光性能的主要因素是諧振器長度、開口直徑和輸出鏡及后鏡的曲率半徑。
通常，想要獲得聚光性能良好的激光光束，諧振器越長、開口直徑越小、輸出徑及后鏡的曲率半徑越大則越有利。另外，以往尤其對(duì)于切割加工來說，被稱為高斯光束(Gaussian Beam)的理論上聚光性能最佳的激光光束被認(rèn)為較合適。因此，激光加工用的高輸出功率激光振蕩器具有不加大開口直徑而是盲目地加長諧振器長度的傾向。但是，由近年來的激光加工技術(shù)的發(fā)展可知，即使是激光切割，高斯光束也不一定最適合，對(duì)聚光性能的微妙控制對(duì)提高激光加工性能也很有效。
為了控制聚光性能，雖可以調(diào)整上述的諧振器參數(shù)(諧振器長度、開口直徑以及輸出鏡和后鏡的曲率半徑)，但要微妙地調(diào)整上述參數(shù)會(huì)有以下困難。例如，在高速軸流型的氣體激光器中，首先，為了改變激光諧振器的開口直徑而必須改變放電管的直徑，因此，高電壓的施加條件也要改變，這必須從電源的設(shè)計(jì)開始重新作起。電極的寬度的變更也相同。雖然也有一種使用孔徑來切斷激光的外周的方法，但是，會(huì)損失切斷的部分而降低激光振蕩器的效率。其次，為了變更諧振器的長度，也必須從諧振器的設(shè)計(jì)開始重新作起，其中包含對(duì)冷卻系統(tǒng)的大量更改。與此相對(duì)可知，雖然更改輸出鏡和后鏡的曲率比較容易，但是調(diào)整范圍有一定限制。
因此，通過對(duì)輸出鏡和后鏡以外的部分在光學(xué)方面的深入研究，從而對(duì)在不改變諧振器長度和開口直徑的條件下而改變聚光性能進(jìn)行了嘗試。例如，在日本特開2001-274491號(hào)公報(bào)中，作為固體激光的例子，在高輸出功率激光器中，對(duì)于通過在諧振器的中間插入透鏡來改善由于過度加長諧振器長度而引起的問題的方法進(jìn)行了說明。另外，在日本特開2002-118312號(hào)公報(bào)中，公開了一種通過在諧振器中間插入球面鏡取代透鏡來改變聚光性能的嘗試。
在這兩個(gè)公報(bào)的技術(shù)方案中，后者的方案有一點(diǎn)不適用于高輸出功率激光器。這是因?yàn)樵诟咻敵龉β始す馄髦?，在諧振器內(nèi)往返的激光光束的能量密度變得非常高，在這種情況下插入利用反射鏡將光束變?nèi)醯耐哥R這種穿透型光學(xué)部件是非常不適合的。例如，在輸出功率為3KW的二氧化碳?xì)怏w激光器中，朝向輸出鏡的激光強(qiáng)度也達(dá)到了6KW，而中間的折返鏡被照射的激光將朝向輸出鏡的光束和朝向后鏡的光束加起來達(dá)到了9.5KW。
因此，可以認(rèn)為在諧振器的折返鏡中插入曲面來取代透鏡是適當(dāng)?shù)摹Ｗ鳛榍?，除了球面外，雖可以考慮拋物面、圓筒面、橢圓曲面，但由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的原因，還是球面略勝一籌。但是，在球面鏡的情況下，如果入射角大則會(huì)產(chǎn)生象散，就會(huì)導(dǎo)致由振蕩器輸出的激光光束的能量分布形狀(光束分布圖)變?yōu)闄E圓的現(xiàn)象。更詳細(xì)地說，如圖10所示，激光光束隨著從輸出鏡起的傳播距離而變化，導(dǎo)致在某點(diǎn)為雖縱向長而在其它點(diǎn)則變?yōu)闄M向長的現(xiàn)象。
因此，即使用設(shè)置在激光加工機(jī)械的加工嘴上的聚光透鏡對(duì)這種激光光束進(jìn)行聚光，也只能得到橢圓形的聚光點(diǎn)，則加工結(jié)果隨加工臺(tái)的掃描方向而不同。
為了解決這一問題，在后者即，日本特開2002-118312號(hào)公報(bào)中，雖提出了一種組合凹面鏡和凸面鏡來消除象散的方案，但因?yàn)檫@種方式中凹面鏡和凸面鏡的曲率組合受到限制，所以，設(shè)計(jì)自由度很窄。為了消除球面鏡帶來的象散，也可以考慮只要將對(duì)球面鏡的入射角度減下即可。例如，當(dāng)使對(duì)球面鏡的入射角度小到22.5度以下時(shí)，雖可將象散的影響極大地減輕，但無論如何本質(zhì)上仍有象散的影響，而減小入射角度則會(huì)限制激光諧振器的設(shè)計(jì)自由度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
更具體地說，本發(fā)明提供了一種激光振蕩器，其裝備了具有輸出鏡、后鏡及在上述輸出鏡和上述后鏡之間被激勵(lì)的激光沿著激光光軸進(jìn)行折返的折返鏡的諧振器，上述折返鏡具有多個(gè)球面鏡，上述多個(gè)球面鏡的配置使得與對(duì)上述多個(gè)球面鏡內(nèi)的一個(gè)球面鏡的入射面平行的一個(gè)平面內(nèi)的光與對(duì)其它一個(gè)或更多個(gè)球面鏡的入射面正交，并且通過與激光光軸平行的平面內(nèi)。
另外，“對(duì)球面鏡的入射面”是指“伴隨該球面鏡產(chǎn)生的激光反射的激光光軸彎曲而形成的平面”，換句話說，就是“在該球面鏡反射激光之際，包含有入射激光的激光光軸及反射激光的激光光軸的平面”，也可以說成是“在該球面鏡反射激光之際，通過入射激光的激光光軸和反射激光的激光光軸而擴(kuò)展的平面”。
對(duì)于上述多個(gè)球面鏡的激光光軸的入射角都可以大于或等于22.5度。另外，在本說明書中“對(duì)于球面鏡的激光光軸入射角”是指“上述激光入射光軸對(duì)入射該球面鏡的激光光軸(以下稱為“激光入射光軸”)與該球面鏡的反射面(凹球面)相交的點(diǎn)上的該反射面(球面)的法線所形成的角度”。
優(yōu)選諧振器內(nèi)的反射鏡的曲率的選定，使得與對(duì)一個(gè)球面鏡的入射面平行的平面內(nèi)的光的合成焦距和與該入射面正交并且通過與激光光軸平行的平面內(nèi)的光的合成焦距實(shí)際上相同。因此，在折返鏡中使用兩個(gè)球面鏡并且使其接近時(shí)，或者配置在以諧振器長度的中間點(diǎn)為中心對(duì)稱的位置上時(shí)，該球面鏡可以使用相同的曲率。
另外，作為球面鏡的配置，理想的情況是將球面鏡配置在以諧振器的中間點(diǎn)為中心對(duì)稱的位置上，但是，即使不這樣也可以在一定程度上達(dá)到使象散抵消的效果。


圖1是表示本發(fā)明的基本實(shí)施方式(第一實(shí)施例)中構(gòu)成激光振蕩器的諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的配置圖。
圖2a和圖2b是對(duì)于第一實(shí)施例說明與兩個(gè)球面鏡A、B產(chǎn)生的反射相關(guān)聯(lián)的光的舉動(dòng)的說明圖，分別表示了球面鏡A反射的狀況和球面鏡B反射的狀況。
圖3是表示本發(fā)明第二實(shí)施例的構(gòu)成激光振蕩器的諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的配置圖。
圖4a和4b是分別表示發(fā)明的第三實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)以及用于比較的現(xiàn)有的改造例的圖。
圖5是表示本發(fā)明第四實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)圖。
圖6是表示本發(fā)明第五實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)圖。
圖7a和7b是分別表示發(fā)明的第六實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)以及第七實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)圖。
圖8a、8b、8c分別是本發(fā)明第八實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)的立體圖、沿著箭頭AR1的方向觀察的側(cè)視圖、沿著箭頭AR2的方向(輸出鏡一側(cè))觀察的側(cè)視圖。
圖9是表示本發(fā)明第九實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)圖。
圖10是表示激光光束的截面形狀從輸出鏡開始隨傳播距離變化的狀況圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的上述及其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)通過參照附圖對(duì)以下優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)說明將更加清楚。
以下，參考圖1～圖9對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。另外，為了便于理解，在各個(gè)圖中省略與本發(fā)明的特征不是特別相關(guān)的結(jié)構(gòu)要素，而僅僅對(duì)構(gòu)成諧振器的光學(xué)系統(tǒng)的主要要素(輸出鏡、后鏡、折返鏡)和在諧振器內(nèi)往返的激光光束的光軸進(jìn)行了圖示。另外，對(duì)于折返鏡，為方便起見，沿著諧振光路按照靠近輸出鏡的順序稱為第一折返鏡、第二折返鏡……。
首先，圖1表示本發(fā)明的基本實(shí)施方式(以下也稱為第一實(shí)施例)中的構(gòu)成激光振蕩器的諧振器100的光學(xué)系統(tǒng)的配置。如本圖所示，構(gòu)成光諧振器100的光學(xué)系統(tǒng)包含輸出鏡1、第一折返鏡3、第二折返鏡4、第三折返鏡5和后鏡2。激光在輸出鏡1和后鏡2之間的諧振空間內(nèi)的哪個(gè)地方被激勵(lì)雖無關(guān)緊要，但通常往往在反射鏡間隔加大的地方或者設(shè)置放電空間(氣體激光的情況)，或者設(shè)置激光點(diǎn)(固體激光的情況)。
就普通的激光振蕩器而言，折返鏡雖都使用平面鏡，但在本發(fā)明的振蕩器中，設(shè)置了多個(gè)折返鏡并且這些折返鏡中包含了多個(gè)球面鏡。在本實(shí)施例中，第一折返鏡3由平面鏡構(gòu)成，第二折返鏡4和第三折返鏡5分別使用球面鏡A和球面鏡B。在典型的例子中，球面鏡A和B都是曲率半徑為30m的凹面鏡。另外，將各個(gè)球面鏡A和B的配置狀態(tài)設(shè)定為，使各自的激光光軸的入射角為45度。換句話說，通過球面鏡A和B的反射，激光光軸受到90度的偏轉(zhuǎn)作用。
在這種情況下，對(duì)球面鏡A的入射面和對(duì)球面鏡B的入射面為正交結(jié)構(gòu)。輸出鏡1和后鏡2都是凹面鏡，曲率半徑例如是15m。這些曲率半徑根據(jù)諧振器長度和開口直徑具有適當(dāng)?shù)姆秶?br> 如果使用這種諧振器產(chǎn)生激光振蕩，則在諧振器內(nèi)生成了幾乎軸對(duì)稱的激光。激光在輸出鏡1和后鏡2之間往返，其一部分被輸出鏡1輸出。雖然在各折返鏡3～5中產(chǎn)生了反射，但由平面鏡構(gòu)成的折返鏡3對(duì)激光僅產(chǎn)生沒有聚光及發(fā)散作用的單純的光路偏轉(zhuǎn)作用(彎曲)。與此相反，折返鏡4(球面鏡A)和5(球面鏡B)的反射會(huì)伴有聚光作用。因此，參考圖2a和圖2b，對(duì)影響光束分布圖的軸對(duì)稱性的象散進(jìn)行考察。
首先，在圖2a中，如果將入射球面鏡A的激光光軸設(shè)為L11，將反射后的激光光軸設(shè)為L12，則激光光軸在向與光軸L11對(duì)應(yīng)的激光光束的球面的入射點(diǎn)OA處彎曲。根據(jù)前述的定義，包含直線L11和L12的平面形成對(duì)球面鏡A的入射面。通常，球面鏡A的配置使得反射面的大概中心部分與入射點(diǎn)OA一致。
另一方面，在圖2b中，入射球面鏡B的激光光軸為L12，反射后的激光光軸以L23表示。激光光軸在向與光軸L12對(duì)應(yīng)的激光光束的球面的入射點(diǎn)OB處彎曲。根據(jù)前述的定義，包含直線L12和L23的平面形成了對(duì)球面鏡B的入射面。通常，球面鏡B的配置使得反射面的大概中心部分與入射點(diǎn)OB一致。
這里，如圖2a所示，為方便起見，將入射點(diǎn)OA設(shè)為原點(diǎn)，將在入射點(diǎn)OA與反射面垂直的法線設(shè)為ZA軸，并且定義直角坐標(biāo)系以使入射面位于XAZA平面上。激光光軸入射角則為光軸L11與ZA軸所形成的角度。
這里，通過球面鏡A的激光中，若設(shè)想位于該入射面上的矩形狀的激光，則這樣的光在鏡面上的線段PQ(位于XA軸上，并以原點(diǎn)OA為中點(diǎn)的短線段)的附近被反射。在圖2b中，到達(dá)該反射光(薄版狀的光)的球面鏡B的時(shí)候的入射線(入射點(diǎn)的集合正確的說是圓弧)以線段RS近似的表示。換句話說，在通過反射鏡A的時(shí)候在線段PQ附近被反射的光，在通過反射鏡B的時(shí)候通過線段RS的附近。線段RS是通過球面鏡B的激光光軸入射點(diǎn)OB的短線部分。
這里，與球面鏡A的情況相同，將入射點(diǎn)OB設(shè)為原點(diǎn)，將在入射點(diǎn)OB處與反射面垂直的法線設(shè)為ZB軸，并且定義直角坐標(biāo)系以使包含激光光軸L12和L23的平面即入射面在XBZa平面上。激光光軸入射角是光軸L12與ZB軸形成的角度。
該線段RS在該坐標(biāo)系上處于什么狀態(tài)當(dāng)然是隨著球面鏡B的狀態(tài)(ZB軸的方向)而改變。在本實(shí)施例中，如圖2b所示，確定球面鏡B的狀態(tài)以使線段RS在YB軸上。換一種說法是，YB軸與XAZA平面是平行關(guān)系。這樣，與對(duì)球面鏡A的入射面(XAZA平面)平行的一個(gè)平面(包含線段PQ和線段RS)內(nèi)的光與對(duì)球面鏡B的入射面(XBZB平面)正交，并且通過與激光光軸L12平行的平面。反過來說，以滿足這樣條件的方式配置球面鏡A和B。
在配置下，如下所述，產(chǎn)生了與球面鏡A和B相關(guān)的象散的抵消，并且不降低激光光束分布圖的軸對(duì)稱性。
通常，在斜向入射球面鏡(入射角不是0度)時(shí)，與入射面內(nèi)的光相關(guān)的焦距和關(guān)于與入射面正交的面內(nèi)的光的焦距不同，并且與光軸呈非對(duì)稱(斜向入射時(shí)的象散效果)。在本實(shí)施例的條件下，與入射面內(nèi)的光(大致是在XA軸上被反射的光)相關(guān)的焦距雖是30/81/2，關(guān)于與入射面正交的面內(nèi)的光(大致是在YA軸上被反射的光)的焦距則是30/21/2。另一方面，與球面鏡B的光相關(guān)的焦距也具有相同的非對(duì)稱性，或者利用上述的狀態(tài)關(guān)系，關(guān)于球面鏡A和B，XY方向可相互交換。
因此，由球面鏡A和B兩者形成的合成焦距不論對(duì)于在XA軸上被反射的光還是對(duì)于在YA軸上被反射的光大致是都相同的，并且象散被抵消。結(jié)果是，輸出激光的分布圖的橢圓化現(xiàn)象受到抑制，并且可以得到對(duì)于光軸具有較高軸對(duì)稱性的激光。進(jìn)而，如紅外光激光那樣，雖然光的波長變長并使衍射的影響增加，但由于與上述配置的相同的抵消效果，可降低象散以外的象差的影響，并可發(fā)揮更加顯著的抵消效果。這樣，采用本實(shí)施例，可以得到對(duì)光軸對(duì)稱的激光。
這樣，采用本實(shí)施例，可以通過配置多個(gè)球面鏡來抵消象散，可得到對(duì)光軸對(duì)稱的激光。另外，即使諧振器長度較長，也可以得到光軸的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整容易、調(diào)整范圍較大且輸出穩(wěn)定性較高的激光振蕩器。尤其在本實(shí)施例中，由于在諧振器的長度方向上做成對(duì)稱的反射鏡結(jié)構(gòu)，所以上述效果更加顯著。
但是，在圖1所示的配置中，除了第二折返鏡4(球面A)和第三折返鏡5(球面鏡B)以外，即使第一折返鏡3也做成球面鏡，也能得到相同的效果。在這種情況下，對(duì)球面鏡A的入射面的光則通過與對(duì)第一和第三折返鏡的球面鏡的入射面正交，并且與激光光軸平行的平面內(nèi)。并且，通過將第一和第三折返鏡的曲率都做成60m，從而可使合成后的焦點(diǎn)也與上述的例子相等。
另外，許多情況下，使用偏振光選擇反射鏡作為第一折返鏡3，通過吸收與入射面平行的偏振光成分，提高與其正交的偏振光成分的反射率來決定激光振蕩器的輸出激光的偏振光方向。在激光切割，尤其是在金屬切割加工中，雖然最好是沒有方向性的圓形偏振激光光束，但可以通過利用相位延遲反射鏡轉(zhuǎn)換由振蕩器輸出的直線偏振光從而得到圓形偏振作為應(yīng)對(duì)。在這種情況下，因?yàn)橄辔谎舆t反射鏡必須保持對(duì)偏振光方向確定的定向關(guān)系，所以激光振蕩器發(fā)出的激光光束的偏振光方向較為穩(wěn)定。
因此，如圖3所示，即使是結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的諧振器，也可以避免無規(guī)則的偏振而造成的振蕩，并且得到穩(wěn)定的直線偏振光。即使在圖3的配置之中，本發(fā)明也可適使用，這就形成了第二實(shí)施例。在第二實(shí)施例中，分別在輸出鏡1和后鏡2的前面配置了球面鏡B(折返鏡6)和球面鏡A(折返鏡7)，將這兩個(gè)折返鏡中的一個(gè)(這里是折返鏡6)做成偏振光選擇反射鏡(球面鏡B)，將另一個(gè)做成施加了不利用偏振光方向改變相位和反射率的涂層的0位移反射鏡(球面鏡A)。球面鏡(凹面鏡)A和B的曲率半徑都被為典型的10m。
并且，球面鏡A和B的配置狀態(tài)都滿足與上述第一實(shí)施例中已說明的球面鏡A和B相同的條件。即，通過配置球面鏡6和7以使對(duì)球面鏡A和B的入射激光光軸和反射激光光軸形成的平面相互正交，從而可實(shí)現(xiàn)象散的抵消，并且避免輸出激光的分布圖的軸對(duì)稱性的降低。如該第二實(shí)施例所示，以抵消象散的方式配置的球面鏡之間的距離與諧振器的長度相愛比較也可以占有很大的比率。
這種結(jié)構(gòu)的諧振器有以下優(yōu)點(diǎn)。
首先，可以得到偏振光方向固定的普通直線偏振光的輸出。其次，通過選擇球面鏡A和B的曲率，可以將輸出鏡1和后鏡2的內(nèi)側(cè)曲率減小到極限(曲率半徑實(shí)質(zhì)上大到無限大)。因此，可以抑制更換頻度高的輸出鏡1和后鏡2的成本。這是因?yàn)?，通常，球面鏡的曲率越大其成本越高。尤其是，作為穿透光學(xué)部件(部分穿透鏡)的輸出鏡由于更換頻繁，其成本的降低意義重大。
另外的優(yōu)點(diǎn)還有，可以使用對(duì)可實(shí)現(xiàn)的曲率存在限制的合成金剛石制成的輸出鏡。合成金剛石制成的輸出鏡由于熱傳導(dǎo)率極大，所以熱透鏡效果變得非常小，雖然適用于高輸出功率激光振蕩器，但由于非常堅(jiān)硬而很難使其具有曲率。在本實(shí)施例中，也可以使用曲率為零，即，平面的金剛石輸出鏡。
另外，嚴(yán)格地說，在這種諧振器中，雖然在通過球面鏡A時(shí)的X軸方向(與入射面平行)和Y軸方向(與入射面垂直)束腰(Beam Waist)位置不同，但根據(jù)下面兩個(gè)理由其位置的不對(duì)稱可被忽略。第一個(gè)理由是，通常，由于在激光諧振器內(nèi)所使用的反射鏡的曲率非常大、焦距較長，所以由于衍射效應(yīng)使束腰部分(瑞利(Rayleigh)區(qū)域)增長。第二個(gè)理由是，來自一個(gè)方向的光的傳播不同，在振蕩器中，通過的光亮越少的區(qū)域激光的增益提高，具有隱藏較暗的部分的作用。
另外，按照條件，對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的激光振蕩器，也能以進(jìn)行簡(jiǎn)單的反射鏡置換的形式采用本發(fā)明。將這個(gè)例子作為第三和第四實(shí)施例，參考圖4a、圖4b和圖5進(jìn)行簡(jiǎn)單說明。首先，在圖4a所示的例子中，采用了在輸出鏡1和和后鏡2之間，配置總共6個(gè)折返鏡8-13，輸出鏡1和第一～第三折返鏡8～10在同一個(gè)水平面內(nèi)，并且，第四～第六折返鏡11～13和后鏡2處于另一個(gè)比其更高的水平面上的結(jié)構(gòu)。這種配置本身只不過是已有的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。
由于在這種配置中采用了本發(fā)明，于是將折返鏡8～13中的一部分(兩個(gè)以上)替換為球面鏡。在這里所示的第三實(shí)施例中，將第三折返鏡從平面鏡替換為球面鏡B，將第五折返鏡12從平面鏡替換為球面鏡A。球面鏡B和A具有相同的曲率半徑，并且其配置狀態(tài)的決定使得與對(duì)各球面鏡B和A的入射面對(duì)應(yīng)的光相互正交。
在圖5所示的例子中，采用了在輸出鏡1和后鏡2之間配置總共8個(gè)折返鏡15～22，并且，輸出鏡1和第一～第三折返鏡15～17在同一個(gè)水平面內(nèi)，第四～第六折返鏡18～20處于另一個(gè)比其高的水平面內(nèi)，進(jìn)而，第七和第八折返鏡21和22以及后鏡2處于另一個(gè)比其更高的水平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)。這種配置只不過是已有的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。
由于在這種配置中采用了本發(fā)明，因而將折返鏡15～22中的一部分(兩個(gè)以上)替換為球面鏡。在這里所示的第四實(shí)施例中，將第四折返鏡1 8從平面鏡替換為球面鏡B，將第六折返鏡20從平面鏡替換為球面鏡A。球面鏡B和A使用相同的曲率半徑，并且其配置狀態(tài)的決定使得與對(duì)球面鏡B和A的入射面對(duì)應(yīng)的光相互正交。
在該例中，雖然僅僅插入球面鏡B和A就會(huì)產(chǎn)生顯著的效果，但是，在圖5的配置中，如果進(jìn)一步將第三折返鏡17和第五折返鏡19也做成球面鏡，則可以得到相對(duì)于諧振器的全長形成對(duì)稱形，可以得到基本上完全軸對(duì)稱的激光光束。這樣，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是，它也可以適用于已經(jīng)設(shè)計(jì)的振蕩器，并且可以簡(jiǎn)單地開發(fā)出具有以聚光性能為目的的振蕩器。
以往，在圖4a的配置中，僅使用球面鏡A，不得已而使用不是軸對(duì)稱的激光光束，或者除如圖4b的改造外還只有通過追加入射角較小的球面鏡14，以減小象散，從而得到軸對(duì)稱的激光光束。與此相反，在第三和第四實(shí)施例中，軸對(duì)稱性被保持，而則無需特別減小對(duì)于球面鏡的入射角。
另外，如第三和第四實(shí)施例中所示可知，以抵消象散的方式配置的球面鏡之間無需鄰接配置。
接下來，圖6所示的例子是將圖3的配置(第二實(shí)施例)折疊后的形式，這就是第五實(shí)施例。在該配置中，在輸出鏡1和后鏡2之間配置了六個(gè)折返鏡23～28，并且分別在其中的第一折返鏡23和第六折返鏡28分別使用具有相同曲率半徑的球面鏡B和A。其它的折返鏡24～27是平面鏡。并且，第三折返鏡25做成偏振光方向選擇鏡，由其確定由激光振蕩器輸出的激光的偏振光方向。如本實(shí)施例所示，本發(fā)明在使用中受到球面鏡配置的限制較少，其使用范圍擴(kuò)大。
另外，此前所說明的第一～第五實(shí)施例(參考圖1、3～6)中，激光光軸幾乎不交叉。這是由于假設(shè)氣體激光是高速軸流型，固體激光是柱面型之故，并不是說本發(fā)明不能適用于激光光軸交叉型的激光振蕩器。
即使在3軸正交型的氣體激光、氣體扁平激光或者固體扁平激光中，當(dāng)高輸出功率很高時(shí)，當(dāng)然產(chǎn)生了加長諧振器長度的必要性。但是，如果加長諧振器的長度，則會(huì)與其它類型的激光振蕩器一樣，要得到作為目標(biāo)的聚光性能及/或諧振器的調(diào)整都很困難，并且，產(chǎn)生了輸出及振蕩模式不穩(wěn)定的問題。即使對(duì)于這些問題本發(fā)明也可以給出有效的解決辦法。參考圖7a、7b以及8a～8c對(duì)這些例子進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。
首先，圖7a表示第六實(shí)施例的配置，在輸出鏡1和后鏡2之間配置了五個(gè)折返鏡29～33。在這些折返鏡29～33中，第一折返鏡29～第三折返鏡31是平面鏡，第四折返鏡32使用球面鏡B，第五折返鏡33使用球面鏡A。如圖所示，在相同平面內(nèi)提供了激光光軸交叉的鋸齒形的往返光路。
采用這種結(jié)構(gòu)，可以得到與將透鏡夾在較長的諧振器長度之間同樣的效果，可以利用輸出鏡和后鏡、折返鏡的曲率來控制激光光束的聚光性能。另外，在本實(shí)施例中，也可以通過使激光通過第三～第五折返鏡31～33，達(dá)到在主要的激光激勵(lì)空間中使水平方向和垂直方向進(jìn)行轉(zhuǎn)置，從而具有使這個(gè)類型的振蕩器中特有的光軸非對(duì)稱性消失的效果。
球面鏡B和A的配置狀態(tài)滿足與上述第一實(shí)施例中已說明的球面鏡A和B相同的條件。即，通過對(duì)球面鏡B、A的入射激光光軸和反射激光光軸形成的平面以相互正交的方式配置兩球面鏡B、A，從而可實(shí)現(xiàn)象散的抵消，避免輸出激光的分布圖的軸對(duì)稱性的降低。另外，在本實(shí)施例中，例如將第三折返鏡31作為偏振光方向的選擇鏡，則可決定由激光振蕩器輸出的激光的偏振光方向。
圖7b表示第七實(shí)施例的配置。該配置采用與上述第六實(shí)施例相同的方法，相當(dāng)于第六實(shí)施例的變型例。即，圖7b所示的配置是將第六實(shí)施例的第一折返鏡29和第二折返鏡30(都是平面鏡)置換為扁平晶體(激光晶體)34，利用扁平晶體34的1對(duì)相對(duì)的側(cè)面341和342的內(nèi)部反射功能代替折返鏡的功能。如圖所示，利用該扁平晶體34提供了在相同平面內(nèi)激光光軸交叉的鋸齒形的往返光路。另外，在側(cè)面341和342上也可以進(jìn)行例如銀蒸鍍來提高反射率。光對(duì)扁平晶體34的出入可通過其它側(cè)面343和344進(jìn)行。
并且，模仿第六實(shí)施例，第二折返鏡36使用球面鏡B，而第三折返鏡35使用球面鏡A。在本實(shí)施例中也可得到與第六實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。即，也同樣將光夾在較長的諧振器長度之間，則可利用輸出鏡和后鏡、折返鏡的曲率來控制激光光束的聚光性能。另外，通過使激光通過第一～第三折返鏡35～37，可以達(dá)到在主要的激光激勵(lì)空間中使水平方向和垂直方向進(jìn)行轉(zhuǎn)置，并且使這種類型的振蕩器具有特有的光軸非對(duì)稱性消失的效果。關(guān)于球面鏡B和A的配置狀態(tài)也可以與球面鏡B和A相同。
這樣，第六和第七實(shí)施例表示本發(fā)明不只對(duì)高速軸流型氣體激光振蕩器，即使在三軸正交型氣體激光和固體扁平激光中有效果。尤其特殊的是，還可以與利用成對(duì)的球面鏡使主要激勵(lì)區(qū)域中的光軸非對(duì)稱性消失的作用并用。
接下來，圖8a～圖c分別是第八實(shí)施例的激光振蕩器的諧振器結(jié)構(gòu)的立體圖、沿著箭頭AR1的方向觀察到的側(cè)視圖、沿著箭頭AR2的方向(輸出鏡側(cè))觀察到的側(cè)視圖。
在本配置中，在輸出鏡1和后鏡2之間配置了四個(gè)折返鏡38～41。其中，第二和第三折返鏡39和40分別使用球面鏡A和B。兩個(gè)球面鏡A和B的配置狀態(tài)滿足與上述第一實(shí)施例中已說明的球面鏡A和B相同的條件。即，對(duì)球面鏡A和B的入射激光光軸和反射激光光軸形成的平面通過以相互正交的方式配置球面鏡A和B，從而可實(shí)現(xiàn)象散的抵消，避免輸出激光的分布圖的軸對(duì)稱性的降低。
本配置特征之一，如從側(cè)視圖8b特別容易理解的那樣，可以減小對(duì)各折返鏡的入射角度。因此，即使在假設(shè)僅將第二折返鏡39做成球面鏡的情況下，也可以得到基本上軸對(duì)稱的激光光束。但是，為了進(jìn)一步提高軸對(duì)稱性，除了球面鏡A以外也應(yīng)該使用球面鏡B。激光光束達(dá)到接近完全的軸對(duì)稱，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能適用于高精度激光加工。
以上，是以都是以使用“凹面鏡”為球面鏡為前提對(duì)第一～第八實(shí)施例進(jìn)行說明。但是，球面鏡是“凹面鏡”不是本發(fā)明的本質(zhì)上的必要條件。這是因?yàn)?，球面鏡即使是“凸面鏡”，每個(gè)凸面鏡顯示的象散也沒有變化，參照?qǐng)D2其抵消原理是完全相同的。因此，本發(fā)明還可以適用于通過使用凸面鏡來實(shí)現(xiàn)改變光束形狀的激光振蕩器。另外，通過組合凹面鏡和凸面鏡，還可以得到復(fù)合效果。進(jìn)而，還可以考慮采用折返鏡的入射角做得各不相同、并改變了每個(gè)凹面鏡的曲率的結(jié)構(gòu)的諧振器。
另外，即使在使用曲率可變的折返鏡的情況下也可以采用本發(fā)明。之前提出的日本特開2002-118312號(hào)公報(bào)公開了一種在諧振器中插入曲率可變的折返鏡，從而控制激光光束的聚光性能的技術(shù)。當(dāng)采用該技術(shù)與本發(fā)明組合時(shí)不再來，不僅能同樣地控制聚光性能，而且還會(huì)產(chǎn)生以下的特殊效果。即，在日本特開2002-118312號(hào)公報(bào)記載的技術(shù)中，雖然必須根據(jù)象散的吸收或其它理由來連帶控制凹面鏡和凸面鏡的曲率，但是，采用本發(fā)明只要準(zhǔn)備一組具有完全相同結(jié)構(gòu)和特征的曲率可變的凹面鏡(或者凸面鏡)即可，不僅可以顯著提高控制精度，而且在減少控制系統(tǒng)等經(jīng)濟(jì)方面也是有利的。
最后，圖9所示的第九實(shí)施例是可以不完全地得到本發(fā)明效果的例子。在本實(shí)施例中，將第一～第三折返鏡42～44和扁平晶體(激光晶體)45配置在輸出鏡1和后鏡2之間。第一折返鏡42是平面鏡，第二和第三折返鏡43和44分別使用球面鏡A和B。諧振光路在輸出鏡1和第一折返鏡42之間以及在后鏡2和第三折返鏡44之間通過扁平晶體(激光晶體)45，激光在那里被激勵(lì)。該配置的一個(gè)特征是在朝向輸出鏡1的光軸和朝向后鏡2的光軸之間形成較小的角度。在這種情況下，對(duì)球面鏡A的入射面內(nèi)的光與對(duì)另一個(gè)球面鏡B的入射面完全正交而不通過。但是，盡管如此，象散在某種程度上被抵消，而可以預(yù)料本發(fā)明的效果。在試驗(yàn)的時(shí)候，如果入射面之間與正交關(guān)系的偏差為15度以下，則可得到對(duì)激光加工性能沒有顯著影響的效果。
如上所述，本發(fā)明的目的在于提供了一種為了控制激光光束的聚光性能，即使在輸出鏡和后鏡之間插入球面鏡，也可以抑制象散并且得到軸對(duì)稱的激光光束輸出分布圖的激光振蕩器。另外，諧振器長度非常長的激光振蕩器由于微小的光軸偏移(對(duì)準(zhǔn)的偏移)很容易呈現(xiàn)調(diào)整不良，不僅使激光輸出降低，而且聚光性能也惡化。但是，本發(fā)明在克服上述問題的過程中，還可以解決該問題，并且實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的輸出和聚光性能。
另外，本發(fā)明在激光光軸的中間位置配置球面鏡來控制光束的聚光性能的類型的激光振蕩器中，通過以使象散抵消的方式配置多個(gè)球面鏡來解決上述問題。即，采用本發(fā)明，通過配置球面鏡使得對(duì)多個(gè)球面鏡的入射激光光軸和反射激光光軸形成的平面相互正交，從而可實(shí)現(xiàn)象散的抵消，避免輸出激光的分布圖的軸對(duì)稱性的降低。
在本發(fā)明的激光振蕩器中，由于源于球面鏡的象散被相互抵消，并且在諧振器內(nèi)的合成焦距上的方向性減少，所以，由激光振蕩器輸出的激光光束呈大致的軸對(duì)稱。雖然，球面鏡的位置也可以不接近，而即使位于遠(yuǎn)離的位置上也具有效果，這是因?yàn)樵诩す庹袷幤鲀?nèi)，由于光在兩個(gè)方向往來之故，這一點(diǎn)與普通的光學(xué)系統(tǒng)的狀況有所不同。另外，為了使光在兩個(gè)方向往來，希望球面鏡等的曲率也對(duì)諧振器長度的中間點(diǎn)對(duì)稱，這樣一來，可實(shí)現(xiàn)均勻的激光振蕩。一旦由于設(shè)計(jì)原因處于非對(duì)稱，諧振器整體的合成焦距不取決于激光光軸的方向而大致相同，因而可以期待一定能得到均勻的振蕩和軸對(duì)稱激光光束的效果。
另外，在用放電管構(gòu)成的激光振蕩器中，放電管的位置關(guān)系采用并列或者正交的結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)有利。這是由于密閉放電管末端的凸緣部分的大小易于引起物理干涉，產(chǎn)生了電極之間的距離變小的部分并且很難得到電絕緣距離。采用本發(fā)明，因?yàn)榧词谷肷浣呛艽笠部梢允瓜笊⒌窒?，所以可以增大折返鏡的入射角。還非常有利于將入射角配置成大于或等于22.5度，即，將偏振光方向配置成大于或等于45度。
如上所述，采用本發(fā)明，通過配置多個(gè)球面鏡可以抵消象散，得到對(duì)光軸對(duì)稱的激光。另外，即使諧振器長度很長，也可以很容易地進(jìn)行光軸的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，可得到調(diào)整范圍廣且輸出的穩(wěn)定性高的激光振蕩器。
雖然參照用于說明所選定的特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但很顯然，本行業(yè)的技術(shù)人員在不超出本發(fā)明的基本概念和保護(hù)范圍內(nèi)可進(jìn)行種種變更。
權(quán)利要求
1.一種激光振蕩器，其裝備了具有輸出鏡(1)、后鏡(2)及在上述輸出鏡(1)和上述后鏡(2)之間被激勵(lì)的激光沿著激光光軸進(jìn)行折返的折返鏡(3、4、5)的諧振器(100)，其特征在于上述折返鏡(3、4、5)具有多個(gè)球面鏡(3、4、5)，上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)的配置使得與對(duì)上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)內(nèi)的一個(gè)球面鏡(3)的入射面平行的一個(gè)平面內(nèi)的光與對(duì)其它一個(gè)或更多個(gè)球面鏡(4、5)的入射面正交，并且通過與激光光軸平行的平面內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于，對(duì)上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)的激光光軸的入射角都大于或等于22.5度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于，上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)的曲率的選定使得與對(duì)上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)內(nèi)的一個(gè)球面鏡(3)的入射面平行的一個(gè)平面內(nèi)的光的合成焦距，和同上述入射面正交并且通過與激光光軸平行的平面內(nèi)的光的合成焦距在實(shí)質(zhì)上相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光振蕩器，其特征在于，上述多個(gè)球面鏡(3、4、5)被配置在以該諧振器(100)的中間點(diǎn)為中心的對(duì)稱位置上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光振蕩器，其特征在于，上述多個(gè)球面鏡的曲率相互相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光振蕩器。本發(fā)明的激光振蕩器，即使在輸出鏡和后鏡之間插入球面鏡，也可以抑制象散，并且得到軸對(duì)稱的輸出分布圖。在輸出鏡和后鏡之間配置折返鏡(平面鏡)及球面鏡，并且提供在同一平面內(nèi)激光光軸交叉的鋸齒形的往返光路。采用這種結(jié)構(gòu)，可以得到與將透鏡夾在較長的諧振器之間相同的效果，并且，可以利用輸出鏡、后鏡和折返鏡的曲率來控制激光光束的聚光性能。兩個(gè)球面鏡的配置方式定為，使得對(duì)球面鏡的入射激光光軸與反射激光光軸形成的平面相互正交，從而可實(shí)現(xiàn)象散的抵消，避免輸出激光分布圖的軸對(duì)稱性的降低。激光光軸對(duì)各球面鏡的入射角可設(shè)置成大于或等于22.5度，并且也可以用扁平晶體來替代折返鏡。
文檔編號(hào)H01S3/00GK1677771SQ20051005888
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者森敦, 江川明 申請(qǐng)人:發(fā)那科株式會(huì)社