激光振荡器的制作方法

本发明涉及一种在配置于光轴上的输出镜与后镜之间具备至少一个折返镜的激光振荡器。

背景技术：

在激光振荡器中，有时会产生进行振荡的激光的阶次瞬间发生变化的、被称为跳模(Mode Hopping)的现象。当在使用于金属切割等加工用途的激光振荡器中产生跳模时，有时会产生加工不良，如切割面产生凹凸或加工面粗糙等。

为了抑制跳模，以往是对构成谐振器的输出镜和后镜的曲率半径、放电管的内径、以及配置于谐振器内的孔构件(aperture)的开口直径、个数及配置位置等参数进行优化。另外，在仅调整上述参数无法抑制跳模的情况下，也有时将凹面镜用作多数情况下使用平面镜的折返镜。这是由于，在折返镜为平面的情况下，存在以下情况：折返镜由于被照射高输出的激光而膨胀，折返镜变形为可能成为跳模产生的原因的凸形。

作为与此相关联的现有技术，例如在日本特开平02-201981号公报中记载有将凹面镜(凹球面镜和凹柱面镜)用作折返镜的高输出激光装置。

关于使用于金属切割的激光，要求高的激光输出以提高切割性能。关于具有二氧化碳激光等高的激光输出的谐振器，已知的是，由于激光振荡时的激光气体的热分布而在激光气体中产生不均匀的折射率分布，由于热的影响而谐振器变形从而产生机械性的扭曲、应变。在这种情况下，将如复曲面形状那样的具有方向性的折返镜安装于谐振器以消除不均匀的折射率分布、机械性的扭曲和应变，由此能够抑制跳模。

作为与此相关联的现有技术，例如在日本特开平08-252683号公报中记载有如下的激光聚集装置：具有两个凹面反射镜，使该反射镜的一方为环形反射镜，使另一方为球面、柱面以及环形的反射镜中的任一个。

另外，日本特开2011-066300号公报中记载有如下的激光谐振器：具备反射镜、与该反射镜的反射面之间形成光谐振器的输出镜以及介于反射镜与输出镜之间的能够改变激光方向的折返镜，使该折返镜为环形镜。

并且，日本特开2004-342681号公报中记载有如下的激光振荡器：使用内面曲率在X方向和Y方向上不同的反射镜，来实现光束模式的正圆性的提高。

成为跳模的原因的激光气体中的不均匀的折射率分布和机械性的扭曲、应变是由于激光振荡时的热而产生的。而且，激光振荡时的热的产生量根据振荡器的状态而发生变化。而且，在刚组装或制造出激光振荡器后和长时间使用该激光振荡器后，由于因长时间使用而产生的谐振器内部的镜面的脏污等，所产生的热量大不相同。因此，有时折射率分布和机械性的扭曲、应变在刚制造后和长时间使用后是不同的。也就是说，即使在制造时反射面所具有的方向性是对折射率分布、扭曲、应变的方向来说适当的方向，在长时间使用后也有时会变得不适当。在这种情况下，例如在日本特开平08-252683号公报和日本特开2011-066300号公报所记载的结构中无法变更折返镜的方向，因此无法抑制跳模。

另外，日本特开2004-342681号公报中示出了如下的结构：作为输出镜和后镜，使用在正交的两个方向上具有不同的曲率半径的形状的镜。根据该结构，进行振荡的光束模式有时会椭圆化，但是在高输出的激光振荡器中，存在以下情况：存在多处用于得到高的激光输出的放电区域，折射率分布的方向性按放电区域而不同。另外，还存在仅在一部分放电区域的周边产生谐振器的应变的情况。在日本特开2004-342681号公报中，没有记载在这种情况下按放电区域实现光束模式的优化的方法。

此外，在日本特开平02-201981号公报中，示出了将柱面形状的镜用作折返镜的结构，但是柱面形状的镜为必须与球面镜组合使用的结构，并且为曲率半径和方向被限定以消除相组合的球面镜的像差的结构。消除像差的柱面形状的方向与跳模的产生是无关的，可知以该结构是难以抑制跳模的。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供一种具备能够长期间地抑制跳模的结构的激光振荡器。

为了达到上述目的，本发明提供一种激光振荡器，该激光振荡器具备在配置于光轴上的输出镜与后镜之间具备至少一个折返镜的光谐振器，所述折返镜的至少一个是复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的镜，所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的折返镜中的至少一个构成为能够以穿过该折返镜的反射面上的一个点且在该一个点处与该折返镜的反射面垂直的直线为旋转轴进行旋转。

在优选的实施方式中，在所述折返镜的反射面为凹面的截面中，所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径的最小值处于200m～700m的范围。

在优选的实施方式中，所述光谐振器具有至少两个所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的折返镜，所述至少两个折返镜配置成如下方式：以激光在所述光谐振器中的行进方向为Z轴，以相对于所述Z轴形成右手坐标系的方式定义X轴和Y轴，将所述X轴和Y轴转印到在激光的中心与各所述折返镜的交点处同各所述折返镜相切的切平面，在各所述折返镜中，所述折返镜的反射面为凹面且所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与所述切平面的交线同转印到所述切平面的所述X轴所形成的角度在所述至少两个折返镜之间是相等的。

在优选的实施方式中，所述光谐振器具有至少两个所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的折返镜，所述至少两个折返镜配置成如下方式：以激光在所述光谐振器中的行进方向为Z轴，以相对于所述Z轴形成右手坐标系的方式定义X轴和Y轴，将所述X轴和Y轴转印到在激光的中心与各所述折返镜的交点处同各所述折返镜相切的切平面，在各所述折返镜中，所述折返镜的反射面为凹面且所述复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与所述切平面的交线同转印到所述切平面的所述X轴所形成的角度在所述至少两个折返镜之间相差90°。

附图说明

通过参照附图说明以下的优选实施方式，本发明的上述或其它目的、特征以及优点会变得更明确。

图1是表示本发明的第一实施例所涉及的气体激光振荡器的主要部分的一个结构例的图。

图2是作为图1的气体激光振荡器的折返镜的形状例而示出复曲面形状的图。

图3是作为图1的气体激光振荡器的折返镜的形状例而示出鞍型面形状的图。

图4是作为图1的气体激光振荡器的折返镜的形状例而示出柱面形状的图。

图5是表示通过本发明所涉及的激光振荡器进行椭圆化的光束模式的一例的图。

图6是表示椭圆化后的光束模式的长轴直径及短轴直径与跳模的产生频度的关系的图。

图7a是表示具有旋转轴的折返镜的一例的图。

图7b是表示具有旋转轴的折返镜的旋转机构的一例的图。

图7c是表示具有旋转轴的折返镜的锁定机构的一例的图。

图7d是表示具有旋转轴的折返镜的锁定机构的另一例的图。

图7e是表示具有旋转轴的折返镜的锁定机构的又一例的图。

图8是表示不同的工作时间下的光束模式的椭圆的方向与跳模的产生频度的关系的图。

图9是表示本发明的第三实施例所涉及的激光振荡器的折返镜周边的结构例的图。

图10是例示与图9的第一折返镜相切的切平面的图。

图11是例示与图9的第二折返镜相切的切平面的图。

图12是表示本发明的第三实施例所涉及的激光振荡器的折返镜周边的结构例的图。

图13是例示与图12的第一折返镜相切的切平面的图。

图14是例示与图12的第二折返镜相切的切平面的图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1是表示本发明所涉及的激光振荡器的主要部分的一个结构例的图。激光振荡器10是例如以二氧化碳等为介质的气体激光振荡器，具有光谐振器22，该光谐振器22具备配置于光轴12上的输出镜14、后镜16、配置于输出镜14与后镜16之间且配置于光轴12上的至少一个(图示例中为两个)折返镜18以及配置于输出镜14与折返镜18之间或后镜16与折返镜18之间的放电管20，折返镜18的至少一个是复曲(环形)面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的镜。另外，光谐振器22也可以具有截断激光的一部分来对该激光进行整形的孔构件24。

具有复曲(环形)面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的折返镜的至少一个在设置该折返镜的平面上能够以穿过该折返镜表面上的一个点且与该折返镜的表面垂直的直线为旋转轴进行旋转，例如，激光振荡器10具备使该折返镜绕该旋转轴旋转的旋转机构。由此，能够长期间地高效抑制以激光气体中的不均匀的折射率分布、谐振器的扭曲为原因的跳模。该旋转机构在后面叙述。

图2～图4分别是能够用作折返镜18的复曲面形状、鞍型曲面形状以及柱面形状的镜的示意图。各个折返镜具有方向性，以截面A-A’表示的位置的截面上的曲率半径与以截面B-B’表示的位置的截面上的曲率半径是不同的。

在图2所示的复曲面形状中，无论在哪个截面中其中心都必然是凹形状，但是曲率半径按截面而不同，截面A-A’上的曲率半径为最小值，与截面A-A’正交的截面B-B’上的曲率半径为最大值。也就是说，在复曲面形状中，必然能够选择曲率半径分别为最大值和最小值的两个截面的组合。

在图3所示的鞍型曲面形状中，在相互正交的两个截面中，一方的截面为凸面，另一方的截面为凹面，在图示例中在截面A-A’上为凸面，在与截面A-A’正交的截面B-B’上为凹面。另外，在为凸面的截面中，截面A-A’上的曲率半径为最小值，在为凹面的截面中，截面B-B’上的曲率半径为最小值。也就是说，在鞍型面形状中，必然能够选择凸面的曲率半径为最小值的截面与凹面的曲率半径为最小值的截面的组合。

在图4所示的柱面形状中，在截面B-B’上为凹面形状，但是在截面A-A’上为平面。也就是说，在柱面形状中，必然能够选择凹面的曲率半径为最小值的截面与为平面的截面的组合。

在本申请说明书中，将如上所述的3种面形状中的截面A-A’同在激光的中心与折返镜的交点处与折返镜相切的切平面所形成的角度定义为“折返镜所具有的方向”。另外，将能够选择满足前述的条件的两个截面的组合的折返镜定义为“反射面具有方向性的折返镜”。通过使用反射面具有方向性的折返镜，进行振荡的光束模式变为椭圆形状，能够使用以下的式(1)对椭圆形状的椭圆系数(roundness)进行定量化。

椭圆系数＝短轴直径/长轴直径(1)

通过将如图2～4所示的曲率半径按截面而不同的镜用作折返镜18，进行振荡的光束模式变为具有长轴和短轴的椭圆形状。在此，已知的是，激光气体在激光振荡中有时会产生具有方向性的折射率分布，当将光束模式椭圆化以消除不均匀的折射率分布时，跳模受到抑制。另外，有时会由于在激光振荡时产生的热而使谐振器、镜产生应变，该应变相对于激光的光轴是在某一个方向上产生的。因而，此时也使用如图2～图4所示的折返镜18来使进行振荡的光束模式为长轴半径与短轴半径不同的椭圆形状，通过将光束模式椭圆化以消除应变，能够抑制跳模。

图5和图6是说明通过光束模式的椭圆化来抑制跳模的例子的图。例如，在图2的复曲面形状中，通过对截面A-A’上的曲率半径和截面B-B’上的曲率半径分别进行优化，能够分别优化光束模式26的长轴方向的直径a和短轴方向的直径b以使跳模的产生频度最小(极小)，从而能够构成不产生跳模或抑制了跳模的谐振器。关于这一点，在使用图3的鞍型曲面形状和图4的柱面形状的折返镜的情况下也是同样的。

并且，在本发明中，如图7a所示，能够使折返镜在设置折返镜18的平面上旋转。具体地说，当将穿过折返镜18的反射面上的一个点(优选为与光轴12的交点)28且在点28处与折返镜18的反射面垂直的直线30用作旋转轴来使折返镜18旋转时，如图5所示，能够改变表示光束模式26的椭圆的长轴/短轴的角度θ。

在此，如图8所示，跳模的产生频度最小的椭圆的方向θ根据振荡器的使用时间而发生变化。例如在图8中示出了谐振器的工作时间为零小时的情况(曲线32)和为1000小时的情况(曲线34)，在曲线32中，在椭圆的方向θ为θa时跳模的产生频度最小，在曲线34中，在椭圆的方向θ为θb时跳模的产生频度最小。因此，使折返镜18旋转，根据工作时间来改变光束模式的椭圆的方向，由此能够长期间地适当抑制跳模的产生。

此外，关于折返镜18的旋转，既可以使用设置于折返镜18的周边的致动器等旋转机构来自动进行，也可以由作业者手动进行。例如，如图7b所示，能够在保持折返镜18的镜保持部19上经由动力传递部21而连接致动器23，通过使致动器23动作来使折返镜18自动绕旋转轴30旋转。

另外，优选的是，如图7c～图7e所例示的那样设置锁定机构，在使折返镜18旋转来调整角度之后，该锁定机构能够将折返镜18的旋转角度固定。通过使用锁定机构等，能够长期间地高精度地维持折返镜18的旋转角度位置。

此外，关于折返镜18，也有时在锁定其旋转角度位置之后再次使其旋转来调整角度，因此上述锁定机构优选为能够简单地解除的机构。具体地说，可列举出如下的锁定机构：如图7c所示，在构成旋转机构的部件(在此为镜保持部19)的侧面附近设置环状的螺纹保持部25，将固定用螺丝27从螺纹保持部25向镜保持部19的侧面拧紧，由此保持调整后的折返镜的角度。或者，可列举出如图7d所示那样利用开闭式的肘节夹(toggle clamp)29来固定与旋转轴30垂直的部件(在此为镜保持部19的凸缘部)的锁定机构、如图7e所示那样设置于该凸缘部的外周部附近、夹持该凸缘部来将其固定的一对锁定机构(制动机构)31等。这些锁定机构都是能够容易地解除的机构。

(第二实施例)

第二实施例与折返镜的曲率半径有关。关于如图2～图4所示的曲率半径按方向而不同的镜，抑制跳模的效果与如截面A-A’那样呈凹面形状且曲率半径最小的截面上的曲率半径(以后简记为凹面最小曲率半径)相关联。具体地说，折返镜18的凹面最小曲率半径越小，则产生跳模的概率越低。另一方面，当凹面最小曲率半径小于100m时，进行振荡的光束模式的椭圆系数降低，产生以下的不良状况：金属切割时的加工性能(切割速度、切割面的面粗糙度等、切割面的外观等)在加工工件的纵向和横向上不同。为了防止这种不良状况，凹面最小曲率半径优选处于200m～700m的范围。

在第二实施例中，只要凹面最小曲率半径处于该范围内，就能够抑制跳模的产生频度，同时能够将光束模式的椭圆系数维持在固定的范围内，从而能够抑制加工性能(切割速度、切割面粗糙度、切割面的外观等)在被加工物的纵向和横向上不同等不良状况。

(第三实施例)

图9～图11是说明本发明的第三实施例的图。如图9所示，光谐振器22具有至少两个鞍型形状的折返镜18a及18b，折返镜18a及18b的至少一方构成为能够如图7a所示的折返镜18那样进行旋转。另外，图10表示在激光的中心与折返镜18a的交点36处同折返镜18a相切的切平面38，图11表示在激光的中心与折返镜18b的交点40处同折返镜18b相切的切平面42。此外，在第三实施例中，除图示的结构要素以外的结构要素可以与第一实施例相同，因此省略详细的说明。

在第三实施例中，在以激光在光谐振器22中(在此为去向第一折返镜18a)的行进方向为Z轴、以相对于该Z轴形成右手坐标系的方式定义X轴和Y轴(X-Y平面44)时，将定义出的X轴和Y轴如图10所示那样转印到切平面38上，并且如图11所示那样转印到切平面42上。

另外，如图10所示，在折返镜18a中，反射面的截面为凹面、且复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与切平面38的交线为以点划线48表示的直线，如图11所示，在折返镜18b中，反射面的截面为凹面、且复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与切平面42的交线为以点划线50表示的直线。在此，在求出切平面38上直线48与X轴所形成的角度θ₁和切平面42上直线50与X轴所形成的角度θ₂时，在第三实施例中以使两个角度在两个折返镜之间相等(θ₁＝θ₂)的方式配置/构成第一折返镜18a和第二折返镜18b。此外，在图10中，以X轴为基准(0°)，将从X轴朝向Y轴的方向定义为正的角度。关于该定义，在后述的图11、图13以及图14中也是同样的。

在该情况下，当将第一折返镜18a的凹面最小曲率半径设为R₁、将第二折返镜18b的凹面最小曲率半径设为R₂时，将两个折返镜的效果相加而得到的有效的凹面最小曲率半径R以下面的式(2)来表示。

1/R＝1/R₁+1/R₂ (2)

当使用式(2)来计算有效的凹面最小曲率半径时，必然为R<R₁且R<R₂。因而，在第三实施例中，与第二实施例同样地，凹面最小曲率半径变小，因此能够增加光束模式的椭圆倾向来高效地抑制跳模。而且，通过使折返镜旋转来改变光束模式的椭圆的方向，能够长期间地抑制跳模的产生。

(第四实施例)

除了第二实施例中示出的决定各折返镜的曲率半径的范围以外，参照图12～图14来说明使光束模式为接近正圆的形状的第四实施例。如图12所示，光谐振器22至少具有两个鞍型形状的折返镜18c及18d，折返镜18c及18d的至少一方构成为能够如图7a所示的折返镜18那样进行旋转。另外，图13表示在激光的中心与折返镜18c的交点52处同折返镜18c相切的切平面54，图14表示在激光的中心与折返镜18d的交点56处同折返镜18d相切的切平面58。此外，在第四实施例中，除图示的结构要素以外的结构要素可以与第一实施例相同，因此省略详细的说明。

在以激光在光谐振器22中(在此为去向第一折返镜18c)的行进方向为Z轴、以相对于该Z轴形成右手坐标系的方式定义X轴和Y轴(X-Y平面60)时，将定义出的X轴和Y轴如图13所示那样转印到切平面54上，并且如图14所示那样转印到切平面58上。

另外，如图13所示，在折返镜18c中，反射面的截面为凹面、且复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与切平面54的交线为以点划线64表示的直线，如图14所示，在折返镜18d中，反射面的截面为凹面、且复曲面形状、鞍型曲面形状或柱面形状的曲率半径最小的截面与切平面58的交线为以点划线66表示的直线。在此，在求出切平面54上直线64与X轴所形成的角度θ₁和切平面58上直线66与X轴所形成的角度θ₂时，在第四实施例中能够构成至少一组使两个角度之差在两个折返镜之间为90°(θ₂＝θ₁-90°)的第一折返镜18c与第二折返镜18d的组合。

在第四实施例中，与第三实施例不同，第二折返镜18d的凸面侧的曲率半径对跳模的产生频度产生影响。将截面为凸面且曲率半径最小的截面上的曲率半径(以后简记为凸面最小曲率半径)设为r₂。关于第一折返镜18c，与第三实施例同样地，凹面最小曲率半径R₁对将两个折返镜的效果相加而得到的有效的凹面最小曲率半径R有贡献。在该情况下，R以下面的式(3)来表示。

1/R＝1/R₁-1/r₂ (3)

当使用式(3)来计算有效的凹面最小曲率半径时，必然为R>R₁。因而，在第四实施例中，能够使光束模式接近正圆，从而能够抑制加工性能(切割速度、切割面粗糙度、切割面的外观等)在被加工物的纵向和横向上不同等不良状况。

此外，上述的第一实施例～第四实施例也能够适当组合使用。例如，能够将具有如第二实施例中说明那样的曲率半径的折返镜用作第三实施例或第四实施例的折返镜。

根据本发明，通过使用具备具有方向性的反射面的折返镜，进行振荡的光束模式变为长轴半径与短轴半径不同的椭圆形状。当将模式椭圆化以消除因激光振荡时的热而产生的激光气体的不均匀的折射率分布和机械性的扭曲、应变时，跳模受到抑制。并且，由于长期间的使用，折射率分布和机械性的扭曲、应变的程度发生变化，因此使抑制跳模的椭圆的方向发生变化。通过使折返镜旋转，能够调整椭圆的方向，从而能够长期间地抑制跳模。