JP5493907B2

JP5493907B2 - Optical resonator

Info

Publication number: JP5493907B2
Application number: JP2010011337A
Authority: JP
Inventors: 雅守遠藤
Original assignee: Tokai University Educational System
Current assignee: Tokai University Educational System
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: JP2011151213A

Description

本発明は、レーザ加工機等に用いられるレーザ光を発生させるためのレーザ発振器における光共振器、特に、ｓ偏光とｐ偏光の反射率の違いを利用して光電場の振動方向が共振モードの重心から半径方向に平行な直線偏光（ラジアル偏光）または共振モード重心を中心に持つ同心円に平行な直線偏光（アジマス偏光）を選択的に発振するトリプルアクシコンミラーを用いた光共振器の回折損失の改善を図った光共振器に関する。 The present invention relates to an optical resonator in a laser oscillator for generating a laser beam used in a laser processing machine or the like, and in particular, by utilizing the difference in reflectance between s-polarized light and p-polarized light, the vibration direction of the photoelectric field is in a resonance mode. Diffraction loss of an optical resonator using a triple axicon mirror that selectively oscillates linearly polarized light (radial polarized light) parallel to the radial direction from the center of gravity or linearly polarized light parallel to a concentric circle (azimuth polarized light) centered on the center of resonance mode. The present invention relates to an optical resonator that is improved.

レーザ加工機によるレーザ切断は、細く絞ったレーザビームを切断対象物に照射し、溶融・蒸発した材料をアシストガスで除去することで切り進むことによって行われる。このとき、必然的にレーザビームは材料に対して非常に浅い角度で当たる。光学ではこれは「入射角が９０°に近い」と定義される。一方、金属をはじめとする多くの材料に対しては、光吸収率は入射角の関数で、特に入射角が９０°に近いところで急峻に変化する。更に、その変化はレーザ光の光電場が切断フロントに平行なs偏光と、フロントにほぼ垂直なp偏光では全く異なる。入射角が９０°に近いところではs偏光はほとんど吸収されないのに対してp偏光は固相で４０％、液相に至っては８０％もの吸収を示す。したがって、レーザビームが材料に対してs偏光であるか、p偏光であるかによりレーザ加工の性能は大きく異なることになる。 Laser cutting with a laser beam machine is performed by irradiating a thinly focused laser beam onto an object to be cut and removing the melted / evaporated material with an assist gas to proceed with cutting. At this time, the laser beam necessarily strikes the material at a very shallow angle. In optics this is defined as "incident angle close to 90 °". On the other hand, for many materials including metals, the light absorption rate is a function of the incident angle, and changes sharply particularly when the incident angle is close to 90 °. Furthermore, the change is completely different between s-polarized light whose laser light photoelectric field is parallel to the cutting front and p-polarized light almost perpendicular to the front. Where the incident angle is close to 90 °, s-polarized light is hardly absorbed, while p-polarized light absorbs 40% in the solid phase and as much as 80% in the liquid phase. Therefore, the performance of laser processing varies greatly depending on whether the laser beam is s-polarized or p-polarized with respect to the material.

一方、レーザの偏光は切断方向に合わせて任意に変えられる様なものではなく、現在、市販されているほとんどのレーザ加工機は妥協策として「円偏光」のビームを利用している。円偏光の光とは、光電場が振動する代わりに回転するもので、電波領域では衛星放送の電波などに利用されている「偏光が無い電磁波」としての利用価値があるものである。円偏光は、直交した偏波の２つの直線偏光を互いに９０°の位相差を与えて合成することにより得られるため、市販レーザ加工機の多くはレーザを直線偏光で発振させ、その後λ／４位相板と呼ばれる反射鏡で折り返すことにより円偏光を得る。 On the other hand, the polarization of the laser is not arbitrarily changed in accordance with the cutting direction, and most of the laser processing machines on the market use a “circularly polarized” beam as a compromise. Circularly polarized light is a light that rotates instead of oscillating a photoelectric field, and has a utility value as “an electromagnetic wave having no polarization” that is used for radio waves of satellite broadcasting in the radio wave region. Since circularly polarized light is obtained by synthesizing two linearly polarized lights having orthogonal polarizations with a phase difference of 90 ° from each other, many commercially available laser processing machines oscillate the laser with linearly polarized light, and then λ / 4 Circularly polarized light is obtained by folding back with a reflector called a phase plate.

しかし、こうして得られた円偏光のレーザは、その代償として材料に対して常に半分の時間はs偏光、半分の時間はp偏光として当たっていることになり、レーザパワーのうち半分しか有効に吸収されないことになる。ところが、最近、光電場がビーム重心から放射状に振動する「ラジアル偏光」、ビーム重心を中心とする同心円に沿った方向に振動する「アジマス偏光」のレーザ加工への利用が注目されている。これらの偏光はいずれも電場振動がビーム重心を軸に対称であるため「軸対称偏光」と呼ばれている。しかしながら、直線偏光のレーザからラジアル偏光・アジマス偏光を得るにはλ／４位相板の様な単純な素子では不可能で、従来は複雑かつ耐パワー強度の低い変換光学系を用いる必要があり、限られた分野でしか利用されていなかった。しかし、２０００年にNiziev等が「ラジアル偏光をレーザ加工に利用すれば円偏光に比べ２倍の切断速度になる」という可能性を理論計算により示した後は、レーザ加工に使える大パワーでの軸対称偏光発生が盛んに研究されるようになった。ここで、レーザ加工機等に用いる光共振器（cavity）のレーザ光がラジアル偏光であれば、どの方向に掃引しても必ずｐ偏光で材料へあたることから材料の吸収は２倍になり、これによって加工性能を約２倍にし得ることは、例えば、非特許文献１にも示されている。 However, the circularly polarized laser thus obtained always has half of the time as s-polarized light and half of the time as p-polarized light, so that only half of the laser power is effectively absorbed. Will not be. Recently, however, the use of “radial polarization” in which the photoelectric field vibrates radially from the center of gravity of the beam and “azimuth polarization” in which the photoelectric field vibrates in a direction along a concentric circle centered on the center of gravity of the beam has attracted attention. These polarizations are both called “axisymmetric polarization” because the electric field oscillation is symmetric about the beam center of gravity. However, in order to obtain radial polarization and azimuth polarization from a linearly polarized laser, it is impossible to use a simple element such as a λ / 4 phase plate. Conventionally, it is necessary to use a conversion optical system that is complicated and has low power strength. It was used only in a limited field. However, in 2000, after Niziev et al. Showed the possibility of "cutting speed twice as high as that of circularly polarized light when using radially polarized light for laser processing" by theoretical calculation, Axisymmetric polarization generation has been actively studied. Here, if the laser beam of an optical cavity used in a laser processing machine or the like is radial polarization, the absorption of the material is doubled because it always strikes the material with p-polarization regardless of the direction of sweep. Non-patent document 1 also shows that the machining performance can be doubled by this.

このように、直感的にも，理論的にもそのレーザ加工への有用性が明らかなラジアル偏光・アジマス偏光ビームだが、レーザ加工に使われるほどの大パワーに耐える変換光学系は存在しなかったため、実験的研究はほとんど行われていなかったが、ドイツのＩＦＳＷのＡｈｍｅｄらにより、光共振器のミラーのうち１枚を同心円状に導波路を刻んだ特殊な構造とすることで、ラジアル偏光のみが選択的に発振することが報告された。 As described above, although the beam is a radially polarized and azimuth polarized beam that is clearly and theoretically useful for laser processing, there is no conversion optical system that can withstand the high power required for laser processing. Although little experimental research has been carried out, Ahmed et al. From IFSW, Germany, made one of the optical resonator mirrors into a special structure with a concentric waveguide, so that only radial polarization was possible. Was reported to oscillate selectively.

上記報告に基づいてラジアル偏光で発振させるミラーを組み込んだレーザ加工機が開発中であると言われている。しかしながら、回折格子技術は多層構造のためハイパワー耐性が良くなく、干渉を使うためある特定の波長だけに効果があるという問題がある。 Based on the above report, it is said that a laser processing machine incorporating a mirror that oscillates with radial polarization is under development. However, the diffraction grating technique has a problem in that it is not effective in high power due to the multilayer structure, and is effective only for a specific wavelength because it uses interference.

これに対して、本発明者らは、それとは全く異なる原理により軸対称偏光を得る方法を開発した。すなわち、本発明者らはトリプルアクシコン（ａｘｉｃｏｎ：又は「コニカル」とも言われる。）ミラーを用いたアジマス偏光光共振器を開発した。この光共振器は、出力ミラー(Output Coupler)とトリプルアクシコンミラーとを平行に配置し、出力ミラーとトリプルアクシコンミラーとの間の光路をレーザ媒質(Gain medium)で覆うようにして構成されている。トリプルアクシコンミラーは、アクシコンミラーとＷアクシコンミラーを互いに正確に嵌め合わせたものであり（図７参照）、６回反射のレトロリフレクタとして機能する。レトロリフレクタとは、どの方向から来た入射光も正確に同じ方向にはね返す反射構造を指す。このように、レトロリフレクタは無調整で光を１８０°方向に反射させるという優れた特徴がある。 In contrast, the present inventors have developed a method for obtaining axially symmetric polarized light based on a completely different principle. That is, the present inventors have developed an azimuth polarization optical resonator using a triple axicon (or “conical”) mirror. This optical resonator has an output mirror (Output Coupler) and a triple axicon mirror arranged in parallel, and the optical path between the output mirror and the triple axicon mirror is covered with a laser medium (Gain medium). ing. The triple axicon mirror is obtained by accurately fitting the axicon mirror and the W axicon mirror with each other (see FIG. 7), and functions as a retroreflector with six reflections. A retro-reflector refers to a reflecting structure that returns incident light from any direction in exactly the same direction. Thus, the retro reflector has an excellent feature of reflecting light in the 180 ° direction without adjustment.

このように、本発明者らは、斜面に対するｓ偏光とｐ偏光の反射率の違いを利用して共振モード光電場の振動方向が共振モードの重心から半径方向に平行な直線偏光（ラジアル偏光）または共振モード重心を中心に持つ同心円に平行な直線偏光（アジマス偏光）を選択的に得ることが可能なトリプルアクシコンミラーを開発した。このトリプルアクシコンミラーを用いた光共振器の構成を図６に示す。図示された光共振器１００は、トリプルアクシコンミラー１０１と、平面鏡からなる中継ミラー１０３と、中継ミラー１０３と同様に平面鏡からなる中継ミラー１０４と、ハーフミラーからなる出力ミラー１０５とを備えて構成され、トリプルアクシコンミラー１０１，中継ミラー１０３，１０４、出力ミラー１０５の間を往復する光路にはレーザ媒質１０２(利得媒体)が配置されている。そして、中継ミラー１０３と及び中継ミラー１０４を斜めに傾斜するようにして配置することにより出力ミラー１０５と、中継ミラー１０３と、中継ミラー１０４と、トリプルアクシコンミラー１０１を結ぶ光路がＺ形状となるように構成されている。 As described above, the present inventors use the difference in reflectance between the s-polarized light and the p-polarized light with respect to the inclined surface to linearly polarized light (radial polarized light) in which the vibration direction of the resonance mode photoelectric field is parallel to the radial direction from the center of gravity of the resonance mode. Alternatively, we developed a triple axicon mirror that can selectively obtain linearly polarized light (azimuth polarized light) parallel to a concentric circle centered on the resonance mode center of gravity. The configuration of an optical resonator using this triple axicon mirror is shown in FIG. The illustrated optical resonator 100 includes a triple axicon mirror 101, a relay mirror 103 made of a plane mirror, a relay mirror 104 made of a plane mirror similar to the relay mirror 103, and an output mirror 105 made of a half mirror. A laser medium 102 (gain medium) is disposed in the optical path that reciprocates between the triple axicon mirror 101, the relay mirrors 103 and 104, and the output mirror 105. Then, by arranging the relay mirror 103 and the relay mirror 104 so as to be inclined obliquely, the optical path connecting the output mirror 105, the relay mirror 103, the relay mirror 104, and the triple axicon mirror 101 becomes Z-shaped. It is configured as follows.

トリプルアクシコンミラー１０１は、斜面に対するｓ偏光とｐ偏光の反射率の違いを利用して共振モードの光電場の振動方向が共振モード重心から半径方向に平行な直線偏光(ラジアル偏光)又は共振モード重心を中心に持つ同心円に平行な直線偏光(アジマス偏光)が得られるものである（例えば、非特許文献１，２）。 The triple axicon mirror 101 uses a difference in reflectance between the s-polarized light and the p-polarized light with respect to the inclined surface, so that the vibration direction of the photoelectric field in the resonance mode is linearly polarized light (radial polarization) or resonance mode parallel to the radial direction from the center of gravity of the resonance mode. Linearly polarized light (azimuth polarized light) parallel to a concentric circle having a center of gravity is obtained (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

レーザ媒質１０２は、図示しない方法、たとえば放電により励起状態にさせられた誘導放出可能な気体（例えば、ＣＯ_２等）である。このレーザ媒質１０２は、例えば、対向配置された正電極及び負電極を有するガラス容器に循環するようにして供給される。 The laser medium 102 is a gas (for example, CO ₂ or the like) that can be stimulated emission and is excited by a method (not shown) such as discharge. The laser medium 102 is supplied, for example, so as to circulate through a glass container having a positive electrode and a negative electrode arranged to face each other.

図６に示す光共振器１００の動作を説明すると、ＣＯ_２をレーザ媒質１０２に用いれば炭酸ガスレーザとなり、正電極と負電極との間に高電圧を印加することによりガラス容器内に生じた放電によってＣＯ_２の分子が励起し、その分子の振動及び回転運動に伴うエネルギー準位によって、例えば波長１０μｍ帯の発振が生じる。この発振による光は、トリプルアクシコンミラー１０１と出力ミラー１０５との間を往復することによって光の定在波が生じ、これにより光共振が生じる。この際、トリプルアクシコンミラー１０１は入射した光を６回反射（図７参照）して入射側に戻すように動作し、各反射面に施す誘電体多層膜コーティングを選ぶことによってラジアル偏光を生じさせることができる。上記光共振器１００によって得られたレーザ光は出力ミラー１０５から出射し、図示しない偏光板、反射鏡、レンズ等を介して被加工物に照射される。この被加工物に照射されるレーザ光はラジアル偏光であるため、一般のレーザ加工機に用いられている円偏光に比べて被加工物への光吸収率が高められ、したがって、加工性能を高めることができる。 The operation of the optical resonator 100 shown in FIG. 6 will be described. When CO _{2 is used} for the laser medium 102, a carbon dioxide gas laser is formed, and a discharge generated in the glass container by applying a high voltage between the positive electrode and the negative electrode. The CO ₂ molecule is excited by this, and the oscillation occurs in the wavelength band of 10 μm, for example, due to the energy level accompanying vibration and rotational motion of the molecule. The light generated by this oscillation reciprocates between the triple axicon mirror 101 and the output mirror 105 to generate a standing wave of light, thereby causing optical resonance. At this time, the triple axicon mirror 101 operates to reflect the incident light six times (see FIG. 7) and return to the incident side, and generates a radial polarization by selecting a dielectric multilayer coating applied to each reflecting surface. Can be made. The laser beam obtained by the optical resonator 100 is emitted from the output mirror 105, and is irradiated onto the workpiece through a polarizing plate, a reflecting mirror, a lens, and the like (not shown). Since the laser beam irradiated to the workpiece is radial polarized light, the light absorption rate to the workpiece is increased compared to the circularly polarized light used in a general laser processing machine, and thus the processing performance is improved. be able to.

ここで、出力ミラーである部分反射鏡と全反射鏡との間の光路をレーザ媒質を介挿した状態でＺ形状に形成し、光路途中の２カ所の光路折り返し位置にミラーを置いた構成のレーザ発振装置にあって、光共振器内のミラーの角度を調整する調整部材、ミラーを冷却する熱絶縁部材、及び上記調整部材が取り付けられると共に上記熱絶縁部材が挿入される貫通孔部を有する光学基板を備え、レーザ光のポインティングの安定化を図ることを目的としたものが特許文献１に示されている。 Here, the optical path between the partial reflection mirror and the total reflection mirror, which are output mirrors, is formed in a Z shape with a laser medium interposed, and the mirror is placed at two optical path folding positions along the optical path. The laser oscillation device includes an adjustment member that adjusts the angle of the mirror in the optical resonator, a heat insulating member that cools the mirror, and a through hole portion in which the adjustment member is attached and the heat insulating member is inserted. Patent Document 1 discloses an optical substrate that is intended to stabilize pointing of laser light.

特許第２８６２０３２号公報Japanese Patent No. 2862032

「Laser Focus World Japan」2008.4 60〜62頁"Laser Focus World Japan" 2008.4 60-62 M.Endo，“Azimuthally po1arized 1kW C02 1aser with a triple-axicon Retroreflector optical reresonator, ”Opt.Lett.33,pp.1771-1773,2008.M. Endo, “Azimuthally po1arized 1kW C02 1aser with a triple-axicon Retroreflector optical reresonator,” Opt. Lett. 33, pp. 1771-1773, 2008. M.Endo，“Numerical simulation of an optical resonator for generation of a doughnut-like laser beam, “Opt. Express 12pp.1959-1965(2004).M. Endo, “Numerical simulation of an optical resonator for generation of a doughnut-like laser beam,“ Opt. Express 12pp.1959-1965 (2004). M.Endo，“Doughnut Like Beam generation by a W-Axicon resonator with Variable Geometry,” Jpn.J.App1.Phys.46、pp.593-596(2007)。M. Endo, “Doughnut Like Beam generation by a W-Axicon resonator with Variable Geometry,” Jpn.J.App1.Phys.46, pp.593-596 (2007). M. Endo, “Development of an optical resonator with conical retroreflector for generation of radially polarized optical beam,” Photonics West 08 Laser Resonators and Beam Control X (San Jose, CA), Jan. 2008, Proc. SPIE 6872-07 (10pp)M. Endo, “Development of an optical resonator with conical retroreflector for generation of radially polarized optical beam,” Photonics West 08 Laser Resonators and Beam Control X (San Jose, CA), Jan. 2008, Proc.SPIE 6872-07 (10pp )

しかし、上記したトリプルアクシコンミラーを用いた光共振器は、ラジアル偏光は得られたものの、トリプルアクシコンミラーの表面切削の際の機械的歪みによって反射面に歪みが生じた場合、共振モードの光電場が広がり(すなわち回折損失が生じ)、レーザ出力が理論値よりもかなり低い値にとどまるという問題があった。これは、切削装置によってトリプルアクシコンミラーの表面切削を行った場合、ミラー固定用のネジを締めて切削装置に固定した際に加わる荷重により表面に僅かに変形（１μｍ程度の歪み）するので、正確な切削が行われたとしても切削後におけるチャックからの取り外しによってトリプルアクシコンミラーに加わっていた荷重が開放されてミラー表面に歪みが残ってしまうのが原因である。その他にも、切削誤差によるミラーの歪みもある。トリプルアクシコンミラーのミラー形状は本来円対称であるため、歪みのあるトリプルアクシコンミラーを使用した光共振器では本来の性能を発揮することができない。また、歪みのないトリプルアクシコンミラーを得るための歩留まりが悪くなるという問題があった。 However, the optical resonator using the above-mentioned triple axicon mirror can obtain a radial polarization, but when the reflective surface is distorted due to mechanical distortion during surface cutting of the triple axicon mirror, There was a problem that the photoelectric field spreads (that is, diffraction loss occurs), and the laser output remains much lower than the theoretical value. This is because when the surface of a triple axicon mirror is cut by a cutting device, the surface is slightly deformed (distortion of about 1 μm) due to the load applied when the mirror fixing screw is tightened and fixed to the cutting device. Even if accurate cutting is performed, the load applied to the triple axicon mirror is released by the removal from the chuck after cutting, and the mirror surface is left with distortion. There are other mirror distortions due to cutting errors. Since the mirror shape of the triple axicon mirror is essentially circularly symmetric, an optical resonator using a distorted triple axicon mirror cannot exhibit its original performance. In addition, there is a problem that the yield for obtaining a distortion-free triple axicon mirror is deteriorated.

そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、トリプルアクシコンミラーの加工精度が低く、歪みや切削誤差があっても光共振器の回折損失を補正することによって、理論値に近いレーザ出力が得られるようにした光共振器を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and the processing accuracy of the triple axicon mirror is low, and it is close to the theoretical value by correcting the diffraction loss of the optical resonator even if there is distortion or cutting error. It is an object of the present invention to provide an optical resonator capable of obtaining a laser output.

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、第一、第二及び第三の光軸のそれぞれがレーザ媒質を通過すると共に全体としてＺ形状を成すようにして光路が形成され、光路の折り返し位置には第一及び第二の中継ミラーがそれぞれ配設され、レーザ媒質を介して第一の中継ミラーと対向するようにしてハーフミラーが第一の光軸上に配置され、レーザ媒質を介して第二の中継ミラーと対向するようにして全反射ミラーが第三の光軸上に配置され、さらに、レーザ媒質を介して第一の中継ミラーと第二の中継ミラーとを結ぶ光路が第二の光軸とされた光共振器において、全反射ミラーは、トリプルアクシコンミラーであり、第一の中継ミラーは、反射面が凸面をした凸面鏡であり、第二の中継ミラーは、反射面が凹面をした凹面鏡であり、第一の中継ミラーの反射面と第二の中継ミラーの反射面とは絶対値が同じで符号が逆の曲率半径を有して形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, in the invention described in claim 1, the optical path is formed such that each of the first, second and third optical axes passes through the laser medium and forms a Z shape as a whole, The first and second relay mirrors are respectively disposed at the turn-back position of the optical path, and the half mirror is disposed on the first optical axis so as to face the first relay mirror via the laser medium. A total reflection mirror is arranged on the third optical axis so as to face the second relay mirror via the medium, and further, the first relay mirror and the second relay mirror are connected via the laser medium. In the optical resonator whose optical path is the second optical axis, the total reflection mirror is a triple axicon mirror, the first relay mirror is a convex mirror with a convex reflection surface, and the second relay mirror is This is a concave mirror with a concave reflecting surface. , The reflecting surface of the first relay mirror and the second reflecting surface of the relay mirror absolute value, characterized in that it is formed same as code in inverse radius of curvature.

上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、第一、第二及び第三の光軸のそれぞれがレーザ媒質を通過すると共に全体としてＺ形状を成すようにして光路が形成され、光路の折り返し位置には第一及び第二の中継ミラーがそれぞれ配設され、レーザ媒質を介して第一の中継ミラーと対向するようにしてハーフミラーが第一の光軸上に配置され、レーザ媒質を介して第二の中継ミラーと対向するようにして全反射ミラーが第三の光軸上に配置され、さらに、レーザ媒質を介して第一の中継ミラーと第二の中継ミラーとを結ぶ光路が前記第二の光軸とされた光共振器において、全反射ミラーは、トリプルアクシコンミラーであり、第一の中継ミラーは、反射面が凹面をした凹面鏡であり、第二の中継ミラーは、反射面が凸面をした凸面鏡であり、第一の中継ミラーの反射面と第二の中継ミラーの反射面とは絶対値が同じで符号が逆の曲率半径を有して形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention according to claim 2 is that the optical path is formed such that each of the first, second and third optical axes passes through the laser medium and forms a Z shape as a whole. The first and second relay mirrors are respectively disposed at the folding position of the optical path, and the half mirror is disposed on the first optical axis so as to face the first relay mirror through the laser medium, A total reflection mirror is arranged on the third optical axis so as to face the second relay mirror through the laser medium, and further, the first relay mirror and the second relay mirror are connected through the laser medium. In the optical resonator in which the optical path to be connected is the second optical axis, the total reflection mirror is a triple axicon mirror, the first relay mirror is a concave mirror having a concave reflection surface, and the second relay The mirror has a convex surface with a reflective surface , And the reflecting surface of the first relay mirror and the second reflecting surface of the relay mirror absolute value, characterized in that it is formed same as code in inverse radius of curvature.

上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の光共振器において、トリプルアクシコンミラーは、内面が４５°の角度を持った反射面とされた円錐形の第一の凹部を有するアクシコンミラーと、第一の凹部に対向するようにして配置され、内面が４５°の角度を持った反射面とされた円錐形の第二の凹部及び４５°の反射面を有して第二の凹部の中心部に立設された円錐ミラーとを有するダブルアクシコンミラーとを備え、アクシコンミラーとダブルアクシコンミラーは、第一の凹部と第二の凹部を対向させた状態で一体化されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, according to a third aspect of the present invention, in the optical resonator according to the first or second aspect, the triple axicon mirror is a reflecting surface having an inner surface having an angle of 45 °. An axicon mirror having a conical first concave portion, a conical second concave portion disposed so as to face the first concave portion, and having an inner surface as a reflecting surface having an angle of 45 °, and 45 And a double axicon mirror having a conical mirror standing at the center of the second recess and having a reflective surface of °, the axicon mirror and the double axicon mirror include the first recess and the second axicon mirror It is characterized by being integrated in the state which made the recessed part of oppose.

上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項２又は３に記載の光共振器において、トリプルアクシコンミラーは、第一の凹部、第二の凹部及び円錐ミラーの反射面が、ｓ偏光の反射率をＲｓ、ｐ偏光の反射率をＲｐとするとき、Ｒｐ＞Ｒｓとなるコーティングが施されていることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical resonator according to the second or third aspect, wherein the triple axicon mirror is a reflection of the first concave portion, the second concave portion and the conical mirror. The surface is coated with Rp> Rs, where Rs is the reflectance of s-polarized light and Rp is the reflectance of p-polarized light.

上記課題を解決するために請求項５に記載の本発明は、請求項１、３又は４のいずれか１項に記載の光共振器において、共振長が５．１ｍで、トリプルアクシコンミラーの円錐形をした第一の凹部の曲率半径が無限大で、トリプルアクシコンミラーの円錐形をした第二の凹部の曲率半径が−５０ｍであるとき、トリプルアクシコンミラーの円錐形をした第二の凹部の高さ１／２に位置する反射面の中心位置からの第二の凹部の凸曲面の頂点(Vertex)の位置ズレに対しては、第二の凹部の凸曲面の頂点(Vertex)と反射面の中心位置との半径方向の距離Ｄｖとした場合、第一中継ミラーの曲率半径は−２４０／［Ｄｖ］ｍ〜−２００／［Ｄｖ］ｍであり、第二の中継ミラーの曲率半径は２４０／［Ｄｖ］ｍ〜２００／［Ｄｖ］ｍであることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention according to claim 5 is the optical resonator according to any one of claims 1, 3, or 4, wherein the resonance length is 5.1 m, and the triple axicon mirror is When the radius of curvature of the conical first recess is infinite and the radius of curvature of the conical second recess of the triple axicon mirror is −50 m, the second conical shape of the triple axicon mirror The vertex of the convex surface of the second concave portion (Vertex) with respect to the positional deviation of the convex surface of the convex surface of the second concave portion (Vertex) from the center position of the reflective surface located at the height 1/2 of the concave portion of And the radius of curvature of the first relay mirror is −240 / [Dv] m to −200 / [Dv] m, and the radius of curvature of the second relay mirror The radius is 240 / [Dv] m to 200 / [Dv] m. .

本発明に係る光共振器によれば、トリプルアクシコンミラーに歪みや切削誤差があっても光共振器の回折損失を補正することによって理論値に近いレーザ出力を得ることができるので、歪みや切削誤差があるトリプルアクシコンミラーを再度修正したり廃棄することなく光共振器に使用することができ、トリプルアクシコンミラー製造の歩留まりを向上させることができるという効果がある。これにより、本発明に係る光共振器を用いたレーザ加工機のコストを抑えることができるので高機能なレーザ加工機を安価に提供することができるという効果がある。
また、トリプルアクシコンミラーの切削加工の精度が多少低くても回折損失が起こらない光共振器を提供することができるので切削コストの削減を図ることもできることからトリプルアクシコンミラーの製造コストの面からも高機能なレーザ加工機を安価に提供することができるという効果がある。 The optical resonator according to the present invention can obtain a laser output close to the theoretical value by correcting the diffraction loss of the optical resonator even if there is distortion or cutting error in the triple axicon mirror. A triple axicon mirror having a cutting error can be used in an optical resonator without being corrected again or discarded, and the yield of the triple axicon mirror manufacturing can be improved. Thereby, since the cost of the laser processing machine using the optical resonator according to the present invention can be suppressed, there is an effect that a high-performance laser processing machine can be provided at low cost.
In addition, since it is possible to provide an optical resonator that does not cause diffraction loss even if the precision of the triple axicon mirror cutting is somewhat low, it is possible to reduce the cutting cost. Therefore, there is an effect that a highly functional laser processing machine can be provided at a low cost.

本発明に係る光共振器の好ましい一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one preferable embodiment of the optical resonator which concerns on this invention. 図１に示すトリプルアクシコンミラーを分解した状態で示した断面図である。It is sectional drawing shown in the state which decomposed | disassembled the triple axicon mirror shown in FIG. 本発明に係る光共振器の回折損失の低減を確認するために行った数値シミュレーションの結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of the numerical simulation performed in order to confirm reduction of the diffraction loss of the optical resonator which concerns on this invention. 市販のレーザ発生装置を無改造のまま測定したレーザ出力の特性図である。It is the characteristic figure of the laser output which measured the commercially available laser generator without modification. 市販のレーザ発生装置に図１に示した構成の光共振器を取り付けて測定したレーザ出力の特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram of laser output measured by attaching an optical resonator having the configuration shown in FIG. 1 to a commercially available laser generator. トリプルアクシコンミラーを使用した従来の光共振器の構成図である。It is a block diagram of the conventional optical resonator using a triple axicon mirror. トリプルアクシコンミラーの説明図である。It is explanatory drawing of a triple axicon mirror. 第二の凹部の凸曲面の位置ズレを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the position shift of the convex curved surface of a 2nd recessed part.

以下、本発明に係る光共振器について、好ましい一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る光共振器の好ましい一実施形態を示す構成図である。なお、図１においては、ミラー類を断面図で示している。 Hereinafter, an optical resonator according to the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment. FIG. 1 is a block diagram showing a preferred embodiment of an optical resonator according to the present invention. In addition, in FIG. 1, mirrors are shown with sectional drawing.

［光共振器の構成］
図示された光共振器１０は、概略として、共振長の一端に配設されたトリプルアクシコンミラー１と、共振長の他端に配設されたハーフミラーによる出力ミラー２と、共振長の途中に介在するレーザ媒質３と、凸面鏡である第一の中継ミラー４と、凹面鏡である第二の中継ミラー５とを備えて構成されている。ここで、出力ミラー２と第一の中継ミラー４との間にはレーザ媒質３の図１における上部側を通過する第一の光軸６が形成され、第一の中継ミラー４と第二の中継ミラー５との間には図１に示されたレーザ媒質３の中央部を斜めに通過する第二の光軸７が形成され、第二の中継ミラー５とトリプルアクシコンミラー１との間にはレーザ媒質３の図１における下部を通過する第三の光軸８が形成されており、Ｚ形状の光路が形成されている。そして、凸面鏡である第一の中継ミラー４と、凹面鏡である第二の中継ミラー５の曲面はそれぞれ同一の曲率半径を有して形成されている。例えば、トリプルアクシコンミラー１と出力ミラー２との間の距離が１．７ｍ（共振長は５．１ｍ）の場合に、第一の中継ミラー４の曲率半径が−３０ｍ（曲率半径の正負は凹面がプラス、凸面がマイナスとする。）で、第二の中継ミラー５の曲率半径は＋３０ｍのようにである。つまり、第一の中継ミラー４と第二の中継ミラー５は符号が互いに逆の同じ曲率半径を有している。尚、トリプルアクシコンミラー１の直前には熱対策のためにφ２０ｍｍの径サイズを備えた円形の図示しないアパーチャが配置されているが、形状及びサイズ等はこれに限るものではなく適宜のものを採用することができる。 [Configuration of optical resonator]
The illustrated optical resonator 10 generally includes a triple axicon mirror 1 disposed at one end of the resonance length, an output mirror 2 including a half mirror disposed at the other end of the resonance length, and a halfway of the resonance length. And a second relay mirror 5 that is a concave mirror, and a first relay mirror 4 that is a convex mirror. Here, a first optical axis 6 is formed between the output mirror 2 and the first relay mirror 4 so as to pass the upper side of the laser medium 3 in FIG. A second optical axis 7 that obliquely passes through the center of the laser medium 3 shown in FIG. 1 is formed between the relay mirror 5 and the second relay mirror 5 and the triple axicon mirror 1. The third optical axis 8 passing through the lower part of the laser medium 3 in FIG. 1 is formed, and a Z-shaped optical path is formed. The curved surfaces of the first relay mirror 4 that is a convex mirror and the second relay mirror 5 that is a concave mirror are formed to have the same radius of curvature. For example, when the distance between the triple axicon mirror 1 and the output mirror 2 is 1.7 m (resonance length is 5.1 m), the curvature radius of the first relay mirror 4 is −30 m (the sign of the curvature radius is The concave surface is positive and the convex surface is negative.), And the radius of curvature of the second relay mirror 5 is +30 m. That is, the first relay mirror 4 and the second relay mirror 5 have the same radius of curvature with opposite signs. In addition, a circular aperture (not shown) having a diameter of φ20 mm is arranged immediately before the triple axicon mirror 1 as a countermeasure against heat. However, the shape and size are not limited to this, and appropriate ones may be used. Can be adopted.

図１に示す光共振器１０は、具体的には、株式会社アマダ製のＣＯ_２レーザ発生装置、型名「ＯＬＣ−４２０Ｈ」に適用されている。「ＯＬＣ−４２０Ｈ」の仕様は、設計上の最大レーザ出力が約２ｋＷ、共振長が５．１ｍ、レーザビームの直径が２０ｍｍとなっている。ここで、光共振器１０内で光ビームを何度も折り返しているのは、光ビームが何度もレーザ媒質３中を通過するように構成することによって光ビームがレーザ媒質３内をまんべんなく通過するようにし、それによって誘導放出による光ビームの増幅を図るためである。例えば、共振長が５．１ｍであると、出力ミラー２からトリプルアクシコンミラー１までの距離は５．１ｍとなり、出力ミラー２と第一の中継ミラー４との間の距離、及び第二の中継ミラー５とトリプルアクシコンミラー１との間の距離（第一，第三の光軸６，８の長さ）は、共に約１．７ｍ（５．１÷３＝１．７ｍ）となる。 The optical resonator 10 shown in FIG. 1 is specifically applied to a CO ₂ laser generator, model name “OLC-420H” manufactured by Amada Co., Ltd. The specifications of “OLC-420H” are designed to have a maximum laser output of about 2 kW, a resonance length of 5.1 m, and a laser beam diameter of 20 mm. Here, the reason why the light beam is folded back many times in the optical resonator 10 is that the light beam passes through the laser medium 3 evenly by configuring the light beam to pass through the laser medium 3 many times. This is to thereby amplify the light beam by stimulated emission. For example, if the resonance length is 5.1 m, the distance from the output mirror 2 to the triple axicon mirror 1 is 5.1 m, the distance between the output mirror 2 and the first relay mirror 4, and the second The distance between the relay mirror 5 and the triple axicon mirror 1 (the length of the first and third optical axes 6 and 8) is approximately 1.7 m (5.1 ÷ 3 = 1.7 m). .

トリプルアクシコンミラー１は、どの方向から来た入射光も正確に同じ方向に反射させる構造を有するレトロリフレクタ（Retroreflector）であると共に、レーザ媒質３に対するリアミラーユニットともなっている。なお、レトロリフレクタとは、光が入射した方向へ出射光を戻す特性を有するものをいう。このトリプルアクシコンミラー１は、図２に示すように、アクシコン（ａｘｉｃｏｎ）ミラー１１とダブルアクシコン（Ｗ−ａｘｉｃｏｎ）ミラー１２の２つのミラーを組み合わせることによって構成されており、入射した光を６回反射（図７参照）して入射側に戻すように動作する。 The triple axicon mirror 1 is a retroreflector having a structure in which incident light from any direction is reflected in exactly the same direction, and is also a rear mirror unit for the laser medium 3. Note that a retroreflector is a device having a characteristic of returning outgoing light in the direction in which light is incident. As shown in FIG. 2, the triple axicon mirror 1 is configured by combining two mirrors, an axicon mirror 11 and a double axicon mirror 12, and the incident light 6 It operates so as to return to the incident side after reflection (see FIG. 7).

アクシコンミラー１１は、内面に４５°の角度を持つ円錐形の凹部１１ａを有したミラーである。また、ダブルアクシコンミラー１２は、第一の凹部１１ａに対向する４５°の内面角度を持つ円錐形の第二の凹部１２ａと、４５°の反射面１２ｂを有して第二の凹部１２ａの中心部に立設された円錐ミラー１２ｃとを有している。アクシコンミラー１１とダブルアクシコンミラー１２は、第一の凹部１１ａと第二の凹部１２ａを対向させた状態で図１に示すように嵌め合わせて一体化される。なお、上記「ＯＬＣ−４２０Ｈ」の直径２０ｍｍのレーザビームが回折損失しないように、ここでは第一の凹部１１ａ及び第二の凹部１２ａの最大径を約５０ｍｍにした。 The axicon mirror 11 is a mirror having a conical recess 11a having an angle of 45 ° on the inner surface. The double axicon mirror 12 has a conical second concave portion 12a having an inner surface angle of 45 ° facing the first concave portion 11a and a reflective surface 12b of 45 °, and has a second concave portion 12a. And a conical mirror 12c erected at the center. The axicon mirror 11 and the double axicon mirror 12 are integrated by fitting as shown in FIG. 1 with the first recess 11a and the second recess 12a facing each other. Here, the maximum diameter of the first concave portion 11a and the second concave portion 12a was set to about 50 mm so that the laser beam having a diameter of 20 mm of the “OLC-420H” would not be diffraction loss.

アクシコンミラー１１及びダブルアクシコンミラー１２は、例えば金属製、具体的には銅製又銅合金であり、第一の凹部１１ａと第二の凹部１２ａ並びに円錐ミラー１２ｃのそれぞれの表面には、多層膜コーティングが施されている。このコーティングは、ラジアル偏光を生じさせるためにはｓ偏光の反射率Ｒｓよりもｐ偏光の反射率Ｒｐが大きくなる（Ｒｐ＞Ｒｓ）ように施す必要がある。なお、ＲｐとＲｓの差は１％程度あれば完全なラジアル偏光が生じることが非特許文献１に示されている。 The axicon mirror 11 and the double axicon mirror 12 are made of, for example, metal, specifically copper or copper alloy, and a multilayer is formed on each surface of the first recess 11a, the second recess 12a, and the conical mirror 12c. Film coating is applied. In order to generate radial polarization, this coating needs to be applied such that the reflectance Rp of p-polarized light is higher than the reflectance Rs of s-polarized light (Rp> Rs). Non-Patent Document 1 shows that complete radial polarization occurs when the difference between Rp and Rs is about 1%.

また、トリプルアクシコンミラー１の第二の凹部１２ａの反射面は平坦ではなく、それぞれが凸の曲率半径（例えば、−５０ｍ）を有しており、これによって波面が設計意図になるようにしている。更に、凸曲面の頂点(Vertex)の位置を反射面のどこに置くかによりトリプルアクシコンミラーの特性は大きく異なることが非特許文献５に示されており、最大のレーザ出力を得るためにはその位置を１ｍｍ程度の精度で正確に決める必要がある。ここで、凸曲面の頂点(Vertex)とはミラー表面をなす凸曲面のうち角度４５°とする基準平面の表面から最も離れた位置をいう。そして、第二の中継ミラー５に対し、その曲率半径（例えば、＋３０ｍ）とは逆の曲率半径（例えば、−３０ｍ）を有する第一の中継ミラー４を設けることにより、光共振器１０全体としての第一の中継ミラー４及び第二の中継ミラー５からなる組み合わせは、図６に示した従来の平面鏡による中継ミラー１０３と中継ミラー１０４からなる組み合わせと等価になる。 Further, the reflecting surface of the second recess 12a of the triple axicon mirror 1 is not flat, and each has a convex radius of curvature (for example, −50 m), so that the wavefront becomes the design intent. Yes. Furthermore, it is shown in Non-Patent Document 5 that the characteristics of the triple axicon mirror differ greatly depending on where on the reflecting surface the vertex (Vertex) of the convex curved surface is placed, and in order to obtain the maximum laser output, It is necessary to determine the position accurately with an accuracy of about 1 mm. Here, the vertex (Vertex) of the convex curved surface means a position farthest from the surface of the reference plane having an angle of 45 ° among the convex curved surfaces forming the mirror surface. Then, by providing the second relay mirror 5 with the first relay mirror 4 having a curvature radius (for example, −30 m) opposite to the curvature radius (for example, +30 m), the optical resonator 10 as a whole is provided. The combination of the first relay mirror 4 and the second relay mirror 5 is equivalent to the combination of the relay mirror 103 and the relay mirror 104 by the conventional flat mirror shown in FIG.

本発明においては、光共振器１０の主たる構成が工場出荷時のままであるので、共振モードの断面積Ａは変化しない。また、出力ミラー２の透過率Ｔ及びレーザ媒質３の性質である小信号利得γと飽和強度Ｉｓを変えずに計算を行ったので、レーザ出力の向上は主に光共振器１０の回折損失の低減によって得られたことは、後述する数式（１）から明らかである。 In the present invention, since the main configuration of the optical resonator 10 remains as it is at the time of shipment from the factory, the cross-sectional area A of the resonance mode does not change. Further, since the calculation was performed without changing the transmittance T of the output mirror 2 and the small signal gain γ and the saturation intensity Is, which are the properties of the laser medium 3, the improvement of the laser output is mainly due to the diffraction loss of the optical resonator 10. What is obtained by the reduction is clear from the mathematical expression (1) described later.

［光共振器１０の動作］
次に、上述した光共振器１０の動作について説明する。ここではレーザ媒質３にＣＯ_２を主とした気体を用い、このレーザ媒質３を正電極と負電極が設けられた金属（例えば、アルミ合金）製容器（図示せず）内に導入した。正電極と負電極との間に高電圧が印加されることによってガラス容器内に放電が発生し、この放電によってＣＯ_２の分子が励起され、その分子の振動及び回転運動に伴うエネルギー準位によって例えば波長１０μｍ帯の発振が生じる。この発振による光が第一〜第三の光軸６〜８を経由してトリプルアクシコンミラー１と出力ミラー２との間を往復することにより、光の定在波が生じて光共振が生じる。また、光が出力ミラー２とトリプルアクシコンミラー１との間を第一〜第三の光軸６〜８を介して往復することにより光の増幅が行われる。 [Operation of Optical Resonator 10]
Next, the operation of the optical resonator 10 described above will be described. Here, a gas mainly composed of CO ₂ is used for the laser medium 3, and this laser medium 3 is introduced into a metal (for example, aluminum alloy) container (not shown) provided with a positive electrode and a negative electrode. When a high voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode, a discharge is generated in the glass container, and this discharge excites the molecules of CO ₂ , and the energy levels associated with the vibration and rotational motion of the molecules For example, oscillation in the wavelength 10 μm band occurs. The light generated by this oscillation reciprocates between the triple axicon mirror 1 and the output mirror 2 via the first to third optical axes 6 to 8, thereby generating a standing wave of light and causing optical resonance. . Further, the light is amplified by reciprocating between the output mirror 2 and the triple axicon mirror 1 via the first to third optical axes 6 to 8.

仮に、トリプルアクシコンミラー１の反射面の波面が設計意図とは異なる方向に傾いている場合であっても、波面が第二の中継ミラー５の曲率半径によって補正される。第二の中継ミラー５によるトリプルアクシコンミラー１及び第一の中継ミラー４への反射光は、第二の中継ミラー５が凹面鏡であれば集光が期待できると共に共振モードの回折損失を低減することができる。この場合、第一の中継ミラー４は凸面鏡なので、第二の中継ミラー５からの光は光拡散となる。凸面鏡と凹面鏡による第一中継ミラー４及び第二の中継ミラー５は、図６に示した平面鏡による中継ミラー１０３，１０４と等価の状態になる。したがって、光共振器１０の共振モードは従来の光共振器１００と同じになる。そして、光共振器１０によって得られたレーザ光は、出力ミラー２から出射し、図示しない光学デバイスを介して被加工物に照射される。 Even if the wavefront of the reflecting surface of the triple axicon mirror 1 is inclined in a direction different from the design intention, the wavefront is corrected by the radius of curvature of the second relay mirror 5. The reflected light to the triple axicon mirror 1 and the first relay mirror 4 by the second relay mirror 5 can be expected to be condensed if the second relay mirror 5 is a concave mirror and reduce the diffraction loss of the resonance mode. be able to. In this case, since the first relay mirror 4 is a convex mirror, the light from the second relay mirror 5 becomes light diffusion. The first relay mirror 4 and the second relay mirror 5 made up of the convex mirror and the concave mirror are equivalent to the relay mirrors 103 and 104 made up of the plane mirror shown in FIG. Therefore, the resonance mode of the optical resonator 10 is the same as that of the conventional optical resonator 100. Then, the laser beam obtained by the optical resonator 10 is emitted from the output mirror 2 and irradiated onto the workpiece through an optical device (not shown).

［光共振器１０の数値シミュレーション］
ところで、本発明者らは、光共振器１０の回折損失が低減できることを数値シミュレーションで確かめた。この数値シミュレーションは、Fresnel-Kirchhoffの回折積分により光共振器内部の光電場形成を数値的に計算するものである。尚、この計算方法の詳細については非特許文献３に示されており、計算結果が実験と一致すること、すなわち、シュミレーションモデルは正しいことについては非特許文献４に示されている。計算条件は、出力ミラー２（又は、第二の中継ミラー５）とトリプルアクシコンミラー１との間の距離＝１．７ｍの条件で行った。 [Numerical simulation of optical resonator 10]
By the way, the present inventors have confirmed by numerical simulation that the diffraction loss of the optical resonator 10 can be reduced. In this numerical simulation, the formation of a photoelectric field inside the optical resonator is numerically calculated by Fresnel-Kirchhoff diffraction integration. The details of this calculation method are shown in Non-Patent Document 3, and it is shown in Non-Patent Document 4 that the calculation result agrees with the experiment, that is, the simulation model is correct. The calculation condition was the condition that the distance between the output mirror 2 (or the second relay mirror 5) and the triple axicon mirror 1 was 1.7 m.

図３は、数値シミュレーションによる曲率半径−レーザ出力特性図である。図３において、横軸は第二の中継ミラー５の曲率半径を示し、縦軸は予想されるレーザ出力を示している。図３から明らかなように、第二の中継ミラー５の曲率半径が無限大の場合（すなわち平面鏡と等価なとき）が従来の光共振器１００に相当する。そして、図３から明らかなように、第二の中継ミラー５の曲率半径が２５〜３０ｍのときに、光共振器１０のレーザ出力は、従来の光共振器１００の出力１．５５ｋＷ（＝曲率半径が∞のとき）から１．８５ｋＷ（＝曲率半径が３０ｍのとき）まで向上すると予測される。 FIG. 3 is a curvature radius-laser output characteristic diagram by numerical simulation. In FIG. 3, the horizontal axis represents the radius of curvature of the second relay mirror 5, and the vertical axis represents the expected laser output. As is apparent from FIG. 3, the case where the radius of curvature of the second relay mirror 5 is infinite (that is, equivalent to a plane mirror) corresponds to the conventional optical resonator 100. As apparent from FIG. 3, when the radius of curvature of the second relay mirror 5 is 25 to 30 m, the laser output of the optical resonator 10 is 1.55 kW (= curvature) of the conventional optical resonator 100. It is expected to improve from 1.85 kW (when the radius is ∞) (= when the radius of curvature is 30 m).

レーザ媒質３の小信号利得をγ、レーザ媒質３の飽和強度をＩｓ、共振モードの断面積をＡ、出力ミラー透過率をＴ、光共振器１０の回折損失をＬとすれば、光共振器１０のレーザ出力Ｐは以下の式で表される。 If the small signal gain of the laser medium 3 is γ, the saturation intensity of the laser medium 3 is Is, the cross-sectional area of the resonance mode is A, the output mirror transmittance is T, and the diffraction loss of the optical resonator 10 is L, then the optical resonator The laser output P of 10 is expressed by the following equation.

発明者らが把握しているデータは、γ＝３．５［ｍ^−１］、Ｉｓ＝５．０×１０^６［Ｗ／ｍ^２］、Ａ＝３．０×１０^−４［ｍ^２］、Ｔ＝０．６５、回折損失Ｌ＝０．１０である。これらの値に基づいてレーザ出力Ｐを算出したところ、Ｐ＝１．８（ｋＷ）であった。これにより、光共振器１０の回折損失Ｌを低減することによってレーザ出力向上が達成できることがわかる。 The data ascertained by the inventors are γ = 3.5 [m ⁻¹ ], Is = 5.0 × 10 ⁶ [W / m ² ], A = 3.0 × 10 ⁻⁴ [m ² ]. , T = 0.65, and diffraction loss L = 0.10. When the laser output P was calculated based on these values, P = 1.8 (kW). Thus, it can be seen that the laser output can be improved by reducing the diffraction loss L of the optical resonator 10.

［実施形態の効果］
以上のように本実施形態に係る光共振器１０によれば、凸面鏡である第一の中継ミラー４と凹面鏡である第二の中継ミラー５の曲面の曲率半径を等しく、且つ符号が互いに逆になるようにしたため、その光学的効果、すなわち集光効果及び拡散効果が相殺される。したがって、光共振器１０の共振モードは従来の光共振器１００と同一になる。その一方で、第二の中継ミラー５は凹面鏡であるため、トリプルアクシコンミラー１に向かう光ビームに集光効果が生じ、共振モードの回折損失を低減できるという効果がある。本発明者らの検討による一例をあげれば、レーザ出力を従来より３８％向上させることができた。 [Effect of the embodiment]
As described above, according to the optical resonator 10 according to the present embodiment, the curvature radii of the curved surfaces of the first relay mirror 4 that is a convex mirror and the second relay mirror 5 that is a concave mirror are equal, and the signs are opposite to each other. Therefore, the optical effect, that is, the light collection effect and the diffusion effect are offset. Therefore, the resonance mode of the optical resonator 10 is the same as that of the conventional optical resonator 100. On the other hand, since the second relay mirror 5 is a concave mirror, the light beam directed to the triple axicon mirror 1 has a condensing effect and has an effect of reducing the diffraction loss of the resonance mode. For example, the laser output could be improved by 38% compared to the prior art.

本発明者らは、本発明の効果を実証するため、実際に本発明を市販のレーザ発生装置に適用し、その性能を測定した。用いたレーザ発生装置は、株式会社アマダ製の炭酸ガスレーザ、「ＯＬＣ−４２０Ｈ」である。まず、上記レーザ発生装置「ＯＬＣ−４２０Ｈ」を工場出荷時の構成のまま、そのレーザ出力を測定した。次いで、「ＯＬＣ−４２０Ｈ」の光共振器の全反射ミラーをトリプルアクシコンミラー１に交換した。この構成による光共振器は図６に示す従来の光共振器１００に相当する。この状態で光共振器のレーザ出力を測定したところ、図４に示す結果が得られた。図４において、横軸は「ＯＬＣ−４２０Ｈ」に付与した電気入力(任意単位)、縦軸はレーザ出力［Ｗ］である。なお、電気入力とは、「ＯＬＣ−４２０Ｈ」のレーザ出力を増減させる指示器の単なる数値であってレーザ出力の絶対値を示すものではない。 In order to demonstrate the effect of the present invention, the present inventors actually applied the present invention to a commercially available laser generator and measured its performance. The laser generator used is a carbon dioxide laser “OLC-420H” manufactured by Amada Co., Ltd. First, the laser output of the above laser generator “OLC-420H” was measured with the factory configuration. Next, the total reflection mirror of the optical resonator of “OLC-420H” was replaced with the triple axicon mirror 1. The optical resonator having this configuration corresponds to the conventional optical resonator 100 shown in FIG. When the laser output of the optical resonator was measured in this state, the result shown in FIG. 4 was obtained. In FIG. 4, the horizontal axis represents the electrical input (arbitrary unit) given to “OLC-420H”, and the vertical axis represents the laser output [W]. The electrical input is simply a numerical value of an indicator that increases or decreases the laser output of “OLC-420H”, and does not indicate the absolute value of the laser output.

図４を参照すると、従来の光共振器１００は、メーカ出荷時の状態（original mirror）のレーザ出力に対して６０〜７０％（出力比０．６〜０．７）にとどまっている。なお、入力の増大につれてレーザ出力比が減っているのは、回折損失により失われるパワーが入力を増やすほど顕著になることを示している。また、レーザ媒質３の小信号利得γ及び飽和強度Ｉｓは、電気入力の値が“２０００”のときに図３に示された計算条件と一致した。このときに得られた実際のレーザ出力（Triple-axicon）は約１．３ｋＷであり、計算で予測された値よりも若干低い値であった。 Referring to FIG. 4, the conventional optical resonator 100 remains at 60 to 70% (output ratio 0.6 to 0.7) with respect to the laser output in the original factory state (original mirror). The fact that the laser output ratio decreases as the input increases indicates that the power lost due to diffraction loss becomes more significant as the input increases. Further, the small signal gain γ and the saturation intensity Is of the laser medium 3 coincided with the calculation conditions shown in FIG. 3 when the value of the electric input is “2000”. The actual laser output (triple-axicon) obtained at this time was about 1.3 kW, which was slightly lower than the value predicted by the calculation.

次に、「ＯＬＣ−４２０Ｈ」の光共振器に代えて図１に示した構成の光共振器１０を取り付け、上記した光共振器１００の場合と同様にしてレーザ出力を測定したところ、図５に示す結果が得られた。図５において、横軸は「ＯＬＣ−４２０Ｈ」に与えた電気入力値(任意単位)、縦軸はレーザ出力［Ｗ］である。図５と図４を比べて明らかなように、図５のレーザ出力は図４の従来構成に比べて顕著に向上しており、得られた実際のレーザ出力は約１．８ｋＷであり、計算で予測された値に一致した。 Next, in place of the optical resonator of “OLC-420H”, the optical resonator 10 having the configuration shown in FIG. 1 was attached, and the laser output was measured in the same manner as in the case of the optical resonator 100 described above. The results shown in (1) were obtained. In FIG. 5, the horizontal axis represents the electrical input value (arbitrary unit) given to “OLC-420H”, and the vertical axis represents the laser output [W]. As apparent from the comparison between FIG. 5 and FIG. 4, the laser output of FIG. 5 is significantly improved compared to the conventional configuration of FIG. 4, and the actual laser output obtained is about 1.8 kW, Matched the predicted value at.

ところで、本発明はトリプルアクシコンミラー１の歪みによる回折損失を是正するためになされたものであるが、第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点(Vertex)が第二の凹部１２ａの高さＨに対して１／２に位置する反射面の中心位置（第二の凹部１２ａの反射面の中央）にあるとき、ドーナツ状の反射ビームの中央に波面の変曲点が来る。一方、第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点(Vertex)が光軸に対して半径方向に外側（具体的にはアクシコンミラー１１側）にあると波面の変曲点はドーナツの内側に移動する。これに対して第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点(Vertex)が光軸に対して半径方向に内側（外側方向とは反対方向）にあると波面の変曲点はドーナツの外側に移動する。そして、上記実施例は、具体的には、共振長が５．１ｍで、トリプルアクシコンミラー１０の円錐形をした第一の凹部１１ａの曲率半径が無限大で、トリプルアクシコンミラー１０の円錐形をした第二の凹部１２ａの曲率半径が−５０ｍであるとき、トリプルアクシコンミラー１の第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点(Vertex)の外側方向の位置ズレを第一の中継ミラー１０３と第二の中継ミラー１０４の曲率によって補正したものである。そこで、上記結果からみて、トリプルアクシコンミラー１の円錐形をした第二の凹部１２ａの高さＨに対して１／２に位置する反射面の中心位置からの第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点(Vertex)の外側方向の位置ズレを正（プラス）、内側方向（外側方向と反対方向）の位置ズレを負（マイナス）として、第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点と反射面の中心位置との半径方向の距離Ｄｖとすれば、第一中継ミラー１０３の曲率半径を−２４０／［Ｄｖ］ｍ〜−２００／［Ｄｖ］ｍとし、前記第二の中継ミラー１０４の曲率半径を２４０／［Ｄｖ］ｍ〜２００／［Ｄｖ］ｍとすることで第二の凹部１２ａの凸曲面の頂点の位置ズレによるトリプルアクシコンミラー１の回折損失の是正を図ることができると考えられる（図８参照）。 By the way, the present invention was made to correct diffraction loss due to distortion of the triple axicon mirror 1, but the vertex (Vertex) of the convex surface of the second concave portion 12a is the height H of the second concave portion 12a. , The inflection point of the wave front comes to the center of the donut-shaped reflected beam. On the other hand, if the vertex (Vertex) of the convex surface of the second concave portion 12a is radially outward with respect to the optical axis (specifically, the axicon mirror 11 side), the inflection point of the wavefront moves to the inside of the donut. To do. On the other hand, when the vertex (Vertex) of the convex surface of the second recess 12a is radially inward (opposite to the outer direction) with respect to the optical axis, the inflection point of the wavefront moves to the outside of the donut. . In the embodiment described above, specifically, the resonance length is 5.1 m, the radius of curvature of the conical first recess 11a of the triple axicon mirror 10 is infinite, and the cone of the triple axicon mirror 10 is provided. When the curvature radius of the second concave portion 12a having a shape is −50 m, the positional deviation in the outward direction of the vertex (Vertex) of the convex surface of the second concave portion 12a of the triple axicon mirror 1 is changed. And corrected by the curvature of the second relay mirror 104. Accordingly, in view of the above results, the convex curved surface of the second concave portion 12a from the center position of the reflecting surface located at half the height H of the conical second concave portion 12a of the triple axicon mirror 1 The position deviation in the outer direction of the vertex (Vertex) is positive (plus) and the position deviation in the inner direction (opposite direction to the outer direction) is negative (minus), and the vertex of the convex curved surface of the second concave portion 12a and the reflection surface If the radial distance Dv from the center position is set, the radius of curvature of the first relay mirror 103 is -240 / [Dv] m to -200 / [Dv] m, and the radius of curvature of the second relay mirror 104 is It is considered that the diffraction loss of the triple axicon mirror 1 can be corrected by the positional deviation of the apex of the convex surface of the second concave portion 12a by setting 240 / [Dv] m to 200 / [Dv] m ( (See FIG. 8).

［他の実施形態］
なお、本発明は、上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、レーザ媒質３はＣＯ_２に限定されるものではなく、ＣＯ_２以外の他のレーザ媒体を用途等に応じて選択することができる。 [Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from or changing the technical idea of the present invention. For example, the laser medium 3 is not limited to CO _2, it can be selected according to other laser medium other than CO ₂ in applications like.

以上のように、好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る光共振器１０は、Ｚ形状の光路を２つ以上の中継ミラーによって形成され、使用目的がレーザ加工用以外で且つラジアル偏光を必要とするレーザ発生装置に対しても採用可能である。 As described above, the preferred embodiment has been described. In the optical resonator 10 according to the present invention, a Z-shaped optical path is formed by two or more relay mirrors, the purpose of use is other than for laser processing, and radial polarization is performed. It can also be used for the necessary laser generator.

また、上記実施形態においては、光共振器１０の光路を３つの光軸６，７，８によってＺ形状にしたが、更に多くの光軸を用いてジグザグ形等の光路を形成し、扁平な方形状レーザ媒質からラジアル偏光を取り出す光共振器に適用することも可能である。 Further, in the above embodiment, the optical path of the optical resonator 10 is formed in the Z shape by the three optical axes 6, 7, and 8. However, a flat optical path such as a zigzag shape is formed by using more optical axes. It is also possible to apply to an optical resonator that extracts radial polarized light from a rectangular laser medium.

１トリプルアクシコンミラー
２出力ミラー
３レーザ媒質
４第一の中継ミラー
５第二の中継ミラー
６光軸
７光軸
８光軸
１０光共振器
１１アクシコンミラー
１１ａ第一の凹部
１２ダブルアクシコンミラー
１２ａ第二の凹部
１２ｂ反射面
１２ｃ円錐ミラー 1 Triple Axicon Mirror 2 Output Mirror 3 Laser Medium 4 First Relay Mirror 5 Second Relay Mirror 6 Optical Axis 7 Optical Axis 8 Optical Axis 10 Optical Resonator 11 Axicon Mirror 11a First Concave 12 Double Axicon Mirror 12a Second recess 12b Reflecting surface 12c Conical mirror

Claims

An optical path is formed so that each of the first, second and third optical axes passes through the laser medium and forms a Z shape as a whole, and the first and second relay mirrors are provided at the folded position of the optical path. A half mirror is disposed on the first optical axis so as to face the first relay mirror through the laser medium, and the second relay mirror through the laser medium. A total reflection mirror is disposed on the third optical axis so as to face each other, and an optical path connecting the first relay mirror and the second relay mirror via the laser medium In the optical resonator that is the optical axis,
The total reflection mirror is a triple axicon mirror,
The first relay mirror is a convex mirror having a convex reflecting surface;
The second relay mirror is a concave mirror having a concave reflecting surface;
2. The optical resonator according to claim 1, wherein the reflecting surface of the first relay mirror and the reflecting surface of the second relay mirror are formed to have the same radius of curvature and opposite curvature radii.

An optical path is formed so that each of the first, second and third optical axes passes through the laser medium and forms a Z shape as a whole, and the first and second relay mirrors are provided at the folded position of the optical path. A half mirror is disposed on the first optical axis so as to face the first relay mirror through the laser medium, and the second relay mirror through the laser medium. A total reflection mirror is disposed on the third optical axis so as to face each other, and an optical path connecting the first relay mirror and the second relay mirror via the laser medium In the optical resonator that is the optical axis,
The total reflection mirror is a triple axicon mirror,
The first relay mirror is a concave mirror having a concave reflecting surface;
The second relay mirror is a convex mirror having a convex reflecting surface;
2. The optical resonator according to claim 1, wherein the reflecting surface of the first relay mirror and the reflecting surface of the second relay mirror are formed to have the same radius of curvature and opposite curvature radii.

The optical resonator according to claim 1 or 2,
The triple axicon mirror is
An axicon mirror having a conical first recess whose inner surface is a reflective surface with an angle of 45 °;
The second recess having a conical second recess and a 45 ° reflection surface, which is disposed so as to face the first recess and whose inner surface is a reflection surface having an angle of 45 °. A double axicon mirror having a conical mirror erected in the center of the
The optical resonator and the double axicon mirror are integrated with the first recess and the second recess facing each other.

The optical resonator according to claim 2 or 3,
In the triple axicon mirror, when the reflection surfaces of the first concave portion, the second concave portion, and the conical mirror are Rs as the reflectance of s-polarized light and Rp as the reflectance of p-polarized light, Rp> Rs. An optical resonator characterized by being coated.

The optical resonator according to any one of claims 1, 3, and 4,
The resonance length is 5.1 m, the radius of curvature of the conical shape of the triple axicon mirror is infinite, and the radius of curvature of the conical second recess of the triple axicon mirror is − When it is 50 m, the vertex (Vertex) of the convex surface of the second concave portion from the center position of the reflecting surface located at the height 1/2 of the second concave portion having the conical shape of the triple axicon mirror With respect to the positional deviation, when the radial distance Dv between the vertex (Vertex) of the convex surface of the second recess and the center position of the reflecting surface is set, the radius of curvature of the first relay mirror is −240 / [Dv] m to −200 / [Dv] m, and the curvature radius of the second relay mirror is 240 / [Dv] m to 200 / [Dv] m.