专利名称：激光振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备了具有使激光光轴折返的折返镜的谐振器的激光振荡器，尤其涉及带有由气体或者固体构成的激光介质，进行激光焊接、激光切割等热加工的高输出功率的激光振荡器。
背景技术：
迄今为止已经有各种激光振荡器的构成方式被提出，并且其中部分已经被实际应用。即使在由数十瓦甚至数兆瓦的高输出功率的激光振荡器中，也公知有几种方式。普通的激光振荡器例如可以由日本特开昭61-198694号公报中得知(尤其参考该公报的图1)。众所周知，高输出功率激光具有为了增大输出功率而增大激光谐振器的谐振器长度的倾向。在上述公报所示的激光谐振器中，使用偏振镜6、7(参考该公报的图1)实现了谐振器长度的延长。即，光谐振器虽然通过将获取激光输出的输出镜和后镜相对置地构成，但是，也可以通过添加折返镜(也有被称为偏振镜的情况)，折叠较长的谐振器，从而即使在外表上看是比较小的振荡器也可以得到很大的输出功率。在该折返镜中使用的反射镜是普通的平面镜。
进而，作为高输出功率激光振荡器中的一种，公知的有一种所谓的二氧化碳气体激光器。二氧化碳气体激光器采用了包含百分之几的CO2的混合气体作为激光介质，并且将其密封在配置在反射镜之间的放电管(玻璃管)内。放电管的两侧配置有电极，一旦施加高压电，则激光介质就被激励，并且通过使光在后镜和输出镜之间往返来使激光产生振荡。在激光振荡器中装备了用于去除来自对放电管施加高压电的高压电源和激光介质等散发的余热的冷却系统。高输出功率激光振荡器除了使用这种二氧化碳气体激光器之类的气体作为激光介质的气体激光器之外，例如还有YAG激光器这样的使用固体作为激光介质的固体激光器。
在实现这些激光器的高输出功率化的情况下，因为激光介质(气体或者固体)在每个单位体积下的激光放大量有一定限制，所以必须加大介质容量(体积)。并且，为了增大介质容量，可采用下述任何一种方式(1)加大激光通过部分的截面面积，即，加大开口直径；(2)加长输出镜和后镜之间的距离，即，加长谐振器的长度；或者(3)将上述(1)和(2)并用。
另一方面，激光加工的质量即使在切割、焊接等任何一种情况下，大都依赖于激光光束的聚光性能。即使在聚光透镜的焦距等所有条件都相同的环境下对所输出的激光进行聚光，该聚光点的光束直径尺寸也会随激光振荡器而不同，这是由于激光振荡器本身的输出光束质量(聚光性能利用聚光透镜进行聚光的容易程度)的不同所致。决定激光光束的聚光性能的主要因素是谐振器长度、开口直径和输出镜及后镜的曲率半径。
通常，想要获得聚光性能良好的激光光束，谐振器越长、开口直径越小、输出径及后镜的曲率半径越大则越有利。另外，以往尤其对于切割加工来说，被称为高斯光束(Gaussian Beam)的理论上聚光性能最佳的激光光束被认为较合适。因此，激光加工用的高输出功率激光振荡器具有不加大开口直径而是盲目地加长谐振器长度的倾向。但是，由近年来的激光加工技术的发展可知，即使是激光切割，高斯光束也不一定最适合，对聚光性能的微妙控制对提高激光加工性能也很有效。
为了控制聚光性能，虽可以调整上述的谐振器参数(谐振器长度、开口直径以及输出镜和后镜的曲率半径)，但要微妙地调整上述参数会有以下困难。例如，在高速轴流型的气体激光器中，首先，为了改变激光谐振器的开口直径而必须改变放电管的直径，因此，高电压的施加条件也要改变，这必须从电源的设计开始重新作起。电极的宽度的变更也相同。虽然也有一种使用孔径来切断激光的外周的方法，但是，会损失切断的部分而降低激光振荡器的效率。其次，为了变更谐振器的长度，也必须从谐振器的设计开始重新作起，其中包含对冷却系统的大量更改。与此相对可知，虽然更改输出镜和后镜的曲率比较容易，但是调整范围有一定限制。
因此，通过对输出镜和后镜以外的部分在光学方面的深入研究，从而对在不改变谐振器长度和开口直径的条件下而改变聚光性能进行了尝试。例如，在日本特开2001-274491号公报中，作为固体激光的例子，在高输出功率激光器中，对于通过在谐振器的中间插入透镜来改善由于过度加长谐振器长度而引起的问题的方法进行了说明。另外，在日本特开2002-118312号公报中，公开了一种通过在谐振器中间插入球面镜取代透镜来改变聚光性能的尝试。
在这两个公报的技术方案中，后者的方案有一点不适用于高输出功率激光器。这是因为在高输出功率激光器中，在谐振器内往返的激光光束的能量密度变得非常高，在这种情况下插入利用反射镜将光束变弱的透镜这种穿透型光学部件是非常不适合的。例如，在输出功率为3KW的二氧化碳气体激光器中，朝向输出镜的激光强度也达到了6KW，而中间的折返镜被照射的激光将朝向输出镜的光束和朝向后镜的光束加起来达到了9.5KW。
因此，可以认为在谐振器的折返镜中插入曲面来取代透镜是适当的。作为曲面，除了球面外，虽可以考虑抛物面、圆筒面、椭圆曲面，但由于经济和技术方面的原因，还是球面略胜一筹。但是，在球面镜的情况下，如果入射角大则会产生象散，就会导致由振荡器输出的激光光束的能量分布形状(光束分布图)变为椭圆的现象。更详细地说，如图10所示，激光光束随着从输出镜起的传播距离而变化，导致在某点为虽纵向长而在其它点则变为横向长的现象。
因此，即使用设置在激光加工机械的加工嘴上的聚光透镜对这种激光光束进行聚光，也只能得到椭圆形的聚光点，则加工结果随加工台的扫描方向而不同。
为了解决这一问题，在后者即，日本特开2002-118312号公报中，虽提出了一种组合凹面镜和凸面镜来消除象散的方案，但因为这种方式中凹面镜和凸面镜的曲率组合受到限制，所以，设计自由度很窄。为了消除球面镜带来的象散，也可以考虑只要将对球面镜的入射角度减下即可。例如，当使对球面镜的入射角度小到22.5度以下时，虽可将象散的影响极大地减轻，但无论如何本质上仍有象散的影响，而减小入射角度则会限制激光谐振器的设计自由度。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题。
更具体地说，本发明提供了一种激光振荡器，其装备了具有输出镜、后镜及在上述输出镜和上述后镜之间被激励的激光沿着激光光轴进行折返的折返镜的谐振器，上述折返镜具有多个球面镜，上述多个球面镜的配置使得与对上述多个球面镜内的一个球面镜的入射面平行的一个平面内的光与对其它一个或更多个球面镜的入射面正交，并且通过与激光光轴平行的平面内。
另外，“对球面镜的入射面”是指“伴随该球面镜产生的激光反射的激光光轴弯曲而形成的平面”，换句话说，就是“在该球面镜反射激光之际，包含有入射激光的激光光轴及反射激光的激光光轴的平面”，也可以说成是“在该球面镜反射激光之际，通过入射激光的激光光轴和反射激光的激光光轴而扩展的平面”。
对于上述多个球面镜的激光光轴的入射角都可以大于或等于22.5度。另外，在本说明书中“对于球面镜的激光光轴入射角”是指“上述激光入射光轴对入射该球面镜的激光光轴(以下称为“激光入射光轴”)与该球面镜的反射面(凹球面)相交的点上的该反射面(球面)的法线所形成的角度”。
优选谐振器内的反射镜的曲率的选定，使得与对一个球面镜的入射面平行的平面内的光的合成焦距和与该入射面正交并且通过与激光光轴平行的平面内的光的合成焦距实际上相同。因此，在折返镜中使用两个球面镜并且使其接近时，或者配置在以谐振器长度的中间点为中心对称的位置上时，该球面镜可以使用相同的曲率。
另外，作为球面镜的配置，理想的情况是将球面镜配置在以谐振器的中间点为中心对称的位置上，但是，即使不这样也可以在一定程度上达到使象散抵消的效果。
图1是表示本发明的基本实施方式(第一实施例)中构成激光振荡器的谐振器的光学系统的配置图。
图2a和图2b是对于第一实施例说明与两个球面镜A、B产生的反射相关联的光的举动的说明图，分别表示了球面镜A反射的状况和球面镜B反射的状况。
图3是表示本发明第二实施例的构成激光振荡器的谐振器的光学系统的配置图。
图4a和4b是分别表示发明的第三实施例的激光振荡器的谐振器结构以及用于比较的现有的改造例的图。
图5是表示本发明第四实施例的激光振荡器的谐振器结构图。
图6是表示本发明第五实施例的激光振荡器的谐振器结构图。
图7a和7b是分别表示发明的第六实施例的激光振荡器的谐振器结构以及第七实施例的激光振荡器的谐振器结构图。
图8a、8b、8c分别是本发明第八实施例的激光振荡器的谐振器结构的立体图、沿着箭头AR1的方向观察的侧视图、沿着箭头AR2的方向(输出镜一侧)观察的侧视图。
图9是表示本发明第九实施例的激光振荡器的谐振器结构图。
图10是表示激光光束的截面形状从输出镜开始随传播距离变化的状况图。
具体实施例方式
本发明的上述及其它目的、特征及优点通过参照附图对以下优选实施例进行的详细说明将更加清楚。
以下，参考图1～图9对本发明的实施例进行说明。另外，为了便于理解，在各个图中省略与本发明的特征不是特别相关的结构要素，而仅仅对构成谐振器的光学系统的主要要素(输出镜、后镜、折返镜)和在谐振器内往返的激光光束的光轴进行了图示。另外，对于折返镜，为方便起见，沿着谐振光路按照靠近输出镜的顺序称为第一折返镜、第二折返镜……。
首先，图1表示本发明的基本实施方式(以下也称为第一实施例)中的构成激光振荡器的谐振器100的光学系统的配置。如本图所示，构成光谐振器100的光学系统包含输出镜1、第一折返镜3、第二折返镜4、第三折返镜5和后镜2。激光在输出镜1和后镜2之间的谐振空间内的哪个地方被激励虽无关紧要，但通常往往在反射镜间隔加大的地方或者设置放电空间(气体激光的情况)，或者设置激光点(固体激光的情况)。
就普通的激光振荡器而言，折返镜虽都使用平面镜，但在本发明的振荡器中，设置了多个折返镜并且这些折返镜中包含了多个球面镜。在本实施例中，第一折返镜3由平面镜构成，第二折返镜4和第三折返镜5分别使用球面镜A和球面镜B。在典型的例子中，球面镜A和B都是曲率半径为30m的凹面镜。另外，将各个球面镜A和B的配置状态设定为，使各自的激光光轴的入射角为45度。换句话说，通过球面镜A和B的反射，激光光轴受到90度的偏转作用。
在这种情况下，对球面镜A的入射面和对球面镜B的入射面为正交结构。输出镜1和后镜2都是凹面镜，曲率半径例如是15m。这些曲率半径根据谐振器长度和开口直径具有适当的范围。
如果使用这种谐振器产生激光振荡，则在谐振器内生成了几乎轴对称的激光。激光在输出镜1和后镜2之间往返，其一部分被输出镜1输出。虽然在各折返镜3～5中产生了反射，但由平面镜构成的折返镜3对激光仅产生没有聚光及发散作用的单纯的光路偏转作用(弯曲)。与此相反，折返镜4(球面镜A)和5(球面镜B)的反射会伴有聚光作用。因此，参考图2a和图2b，对影响光束分布图的轴对称性的象散进行考察。
首先，在图2a中，如果将入射球面镜A的激光光轴设为L11，将反射后的激光光轴设为L12，则激光光轴在向与光轴L11对应的激光光束的球面的入射点OA处弯曲。根据前述的定义，包含直线L11和L12的平面形成对球面镜A的入射面。通常，球面镜A的配置使得反射面的大概中心部分与入射点OA一致。
另一方面，在图2b中，入射球面镜B的激光光轴为L12，反射后的激光光轴以L23表示。激光光轴在向与光轴L12对应的激光光束的球面的入射点OB处弯曲。根据前述的定义，包含直线L12和L23的平面形成了对球面镜B的入射面。通常，球面镜B的配置使得反射面的大概中心部分与入射点OB一致。
这里，如图2a所示，为方便起见，将入射点OA设为原点，将在入射点OA与反射面垂直的法线设为ZA轴，并且定义直角坐标系以使入射面位于XAZA平面上。激光光轴入射角则为光轴L11与ZA轴所形成的角度。
这里，通过球面镜A的激光中，若设想位于该入射面上的矩形状的激光，则这样的光在镜面上的线段PQ(位于XA轴上，并以原点OA为中点的短线段)的附近被反射。在图2b中，到达该反射光(薄版状的光)的球面镜B的时候的入射线(入射点的集合正确的说是圆弧)以线段RS近似的表示。换句话说，在通过反射镜A的时候在线段PQ附近被反射的光，在通过反射镜B的时候通过线段RS的附近。线段RS是通过球面镜B的激光光轴入射点OB的短线部分。
这里，与球面镜A的情况相同，将入射点OB设为原点，将在入射点OB处与反射面垂直的法线设为ZB轴，并且定义直角坐标系以使包含激光光轴L12和L23的平面即入射面在XBZa平面上。激光光轴入射角是光轴L12与ZB轴形成的角度。
该线段RS在该坐标系上处于什么状态当然是随着球面镜B的状态(ZB轴的方向)而改变。在本实施例中，如图2b所示，确定球面镜B的状态以使线段RS在YB轴上。换一种说法是，YB轴与XAZA平面是平行关系。这样，与对球面镜A的入射面(XAZA平面)平行的一个平面(包含线段PQ和线段RS)内的光与对球面镜B的入射面(XBZB平面)正交，并且通过与激光光轴L12平行的平面。反过来说，以满足这样条件的方式配置球面镜A和B。
在配置下，如下所述，产生了与球面镜A和B相关的象散的抵消，并且不降低激光光束分布图的轴对称性。
通常，在斜向入射球面镜(入射角不是0度)时，与入射面内的光相关的焦距和关于与入射面正交的面内的光的焦距不同，并且与光轴呈非对称(斜向入射时的象散效果)。在本实施例的条件下，与入射面内的光(大致是在XA轴上被反射的光)相关的焦距虽是30/81/2，关于与入射面正交的面内的光(大致是在YA轴上被反射的光)的焦距则是30/21/2。另一方面，与球面镜B的光相关的焦距也具有相同的非对称性，或者利用上述的状态关系，关于球面镜A和B，XY方向可相互交换。
因此，由球面镜A和B两者形成的合成焦距不论对于在XA轴上被反射的光还是对于在YA轴上被反射的光大致是都相同的，并且象散被抵消。结果是，输出激光的分布图的椭圆化现象受到抑制，并且可以得到对于光轴具有较高轴对称性的激光。进而，如红外光激光那样，虽然光的波长变长并使衍射的影响增加，但由于与上述配置的相同的抵消效果，可降低象散以外的象差的影响，并可发挥更加显著的抵消效果。这样，采用本实施例，可以得到对光轴对称的激光。
这样，采用本实施例，可以通过配置多个球面镜来抵消象散，可得到对光轴对称的激光。另外，即使谐振器长度较长，也可以得到光轴的对准调整容易、调整范围较大且输出稳定性较高的激光振荡器。尤其在本实施例中，由于在谐振器的长度方向上做成对称的反射镜结构，所以上述效果更加显著。
但是，在图1所示的配置中，除了第二折返镜4(球面A)和第三折返镜5(球面镜B)以外，即使第一折返镜3也做成球面镜，也能得到相同的效果。在这种情况下，对球面镜A的入射面的光则通过与对第一和第三折返镜的球面镜的入射面正交，并且与激光光轴平行的平面内。并且，通过将第一和第三折返镜的曲率都做成60m，从而可使合成后的焦点也与上述的例子相等。
另外，许多情况下，使用偏振光选择反射镜作为第一折返镜3，通过吸收与入射面平行的偏振光成分，提高与其正交的偏振光成分的反射率来决定激光振荡器的输出激光的偏振光方向。在激光切割，尤其是在金属切割加工中，虽然最好是没有方向性的圆形偏振激光光束，但可以通过利用相位延迟反射镜转换由振荡器输出的直线偏振光从而得到圆形偏振作为应对。在这种情况下，因为相位延迟反射镜必须保持对偏振光方向确定的定向关系，所以激光振荡器发出的激光光束的偏振光方向较为稳定。
因此，如图3所示，即使是结构非常简单的谐振器，也可以避免无规则的偏振而造成的振荡，并且得到稳定的直线偏振光。即使在图3的配置之中，本发明也可适使用，这就形成了第二实施例。在第二实施例中，分别在输出镜1和后镜2的前面配置了球面镜B(折返镜6)和球面镜A(折返镜7)，将这两个折返镜中的一个(这里是折返镜6)做成偏振光选择反射镜(球面镜B)，将另一个做成施加了不利用偏振光方向改变相位和反射率的涂层的0位移反射镜(球面镜A)。球面镜(凹面镜)A和B的曲率半径都被为典型的10m。
并且，球面镜A和B的配置状态都满足与上述第一实施例中已说明的球面镜A和B相同的条件。即，通过配置球面镜6和7以使对球面镜A和B的入射激光光轴和反射激光光轴形成的平面相互正交，从而可实现象散的抵消，并且避免输出激光的分布图的轴对称性的降低。如该第二实施例所示，以抵消象散的方式配置的球面镜之间的距离与谐振器的长度相爱比较也可以占有很大的比率。
这种结构的谐振器有以下优点。
首先，可以得到偏振光方向固定的普通直线偏振光的输出。其次，通过选择球面镜A和B的曲率，可以将输出镜1和后镜2的内侧曲率减小到极限(曲率半径实质上大到无限大)。因此，可以抑制更换频度高的输出镜1和后镜2的成本。这是因为，通常，球面镜的曲率越大其成本越高。尤其是，作为穿透光学部件(部分穿透镜)的输出镜由于更换频繁，其成本的降低意义重大。
另外的优点还有，可以使用对可实现的曲率存在限制的合成金刚石制成的输出镜。合成金刚石制成的输出镜由于热传导率极大，所以热透镜效果变得非常小，虽然适用于高输出功率激光振荡器，但由于非常坚硬而很难使其具有曲率。在本实施例中，也可以使用曲率为零，即，平面的金刚石输出镜。
另外，严格地说，在这种谐振器中，虽然在通过球面镜A时的X轴方向(与入射面平行)和Y轴方向(与入射面垂直)束腰(Beam Waist)位置不同，但根据下面两个理由其位置的不对称可被忽略。第一个理由是，通常，由于在激光谐振器内所使用的反射镜的曲率非常大、焦距较长，所以由于衍射效应使束腰部分(瑞利(Rayleigh)区域)增长。第二个理由是，来自一个方向的光的传播不同，在振荡器中，通过的光亮越少的区域激光的增益提高，具有隐藏较暗的部分的作用。
另外，按照条件，对于已经设计完成的激光振荡器，也能以进行简单的反射镜置换的形式采用本发明。将这个例子作为第三和第四实施例，参考图4a、图4b和图5进行简单说明。首先，在图4a所示的例子中，采用了在输出镜1和和后镜2之间，配置总共6个折返镜8-13，输出镜1和第一～第三折返镜8～10在同一个水平面内，并且，第四～第六折返镜11～13和后镜2处于另一个比其更高的水平面上的结构。这种配置本身只不过是已有的激光振荡器的谐振器结构的一个例子。
由于在这种配置中采用了本发明，于是将折返镜8～13中的一部分(两个以上)替换为球面镜。在这里所示的第三实施例中，将第三折返镜从平面镜替换为球面镜B，将第五折返镜12从平面镜替换为球面镜A。球面镜B和A具有相同的曲率半径，并且其配置状态的决定使得与对各球面镜B和A的入射面对应的光相互正交。
在图5所示的例子中，采用了在输出镜1和后镜2之间配置总共8个折返镜15～22，并且，输出镜1和第一～第三折返镜15～17在同一个水平面内，第四～第六折返镜18～20处于另一个比其高的水平面内，进而，第七和第八折返镜21和22以及后镜2处于另一个比其更高的水平面内的结构。这种配置只不过是已有的激光振荡器的谐振器结构的一个例子。
由于在这种配置中采用了本发明，因而将折返镜15～22中的一部分(两个以上)替换为球面镜。在这里所示的第四实施例中，将第四折返镜1 8从平面镜替换为球面镜B，将第六折返镜20从平面镜替换为球面镜A。球面镜B和A使用相同的曲率半径，并且其配置状态的决定使得与对球面镜B和A的入射面对应的光相互正交。
在该例中，虽然仅仅插入球面镜B和A就会产生显著的效果，但是，在图5的配置中，如果进一步将第三折返镜17和第五折返镜19也做成球面镜，则可以得到相对于谐振器的全长形成对称形，可以得到基本上完全轴对称的激光光束。这样，本发明具有的优点是，它也可以适用于已经设计的振荡器，并且可以简单地开发出具有以聚光性能为目的的振荡器。
以往，在图4a的配置中，仅使用球面镜A，不得已而使用不是轴对称的激光光束，或者除如图4b的改造外还只有通过追加入射角较小的球面镜14，以减小象散，从而得到轴对称的激光光束。与此相反，在第三和第四实施例中，轴对称性被保持，而则无需特别减小对于球面镜的入射角。
另外，如第三和第四实施例中所示可知，以抵消象散的方式配置的球面镜之间无需邻接配置。
接下来，图6所示的例子是将图3的配置(第二实施例)折叠后的形式，这就是第五实施例。在该配置中，在输出镜1和后镜2之间配置了六个折返镜23～28，并且分别在其中的第一折返镜23和第六折返镜28分别使用具有相同曲率半径的球面镜B和A。其它的折返镜24～27是平面镜。并且，第三折返镜25做成偏振光方向选择镜，由其确定由激光振荡器输出的激光的偏振光方向。如本实施例所示，本发明在使用中受到球面镜配置的限制较少，其使用范围扩大。
另外，此前所说明的第一～第五实施例(参考图1、3～6)中，激光光轴几乎不交叉。这是由于假设气体激光是高速轴流型，固体激光是柱面型之故，并不是说本发明不能适用于激光光轴交叉型的激光振荡器。
即使在3轴正交型的气体激光、气体扁平激光或者固体扁平激光中，当高输出功率很高时，当然产生了加长谐振器长度的必要性。但是，如果加长谐振器的长度，则会与其它类型的激光振荡器一样，要得到作为目标的聚光性能及/或谐振器的调整都很困难，并且，产生了输出及振荡模式不稳定的问题。即使对于这些问题本发明也可以给出有效的解决办法。参考图7a、7b以及8a～8c对这些例子进行简单的说明。
首先，图7a表示第六实施例的配置，在输出镜1和后镜2之间配置了五个折返镜29～33。在这些折返镜29～33中，第一折返镜29～第三折返镜31是平面镜，第四折返镜32使用球面镜B，第五折返镜33使用球面镜A。如图所示，在相同平面内提供了激光光轴交叉的锯齿形的往返光路。
采用这种结构，可以得到与将透镜夹在较长的谐振器长度之间同样的效果，可以利用输出镜和后镜、折返镜的曲率来控制激光光束的聚光性能。另外，在本实施例中，也可以通过使激光通过第三～第五折返镜31～33，达到在主要的激光激励空间中使水平方向和垂直方向进行转置，从而具有使这个类型的振荡器中特有的光轴非对称性消失的效果。
球面镜B和A的配置状态满足与上述第一实施例中已说明的球面镜A和B相同的条件。即，通过对球面镜B、A的入射激光光轴和反射激光光轴形成的平面以相互正交的方式配置两球面镜B、A，从而可实现象散的抵消，避免输出激光的分布图的轴对称性的降低。另外，在本实施例中，例如将第三折返镜31作为偏振光方向的选择镜，则可决定由激光振荡器输出的激光的偏振光方向。
图7b表示第七实施例的配置。该配置采用与上述第六实施例相同的方法，相当于第六实施例的变型例。即，图7b所示的配置是将第六实施例的第一折返镜29和第二折返镜30(都是平面镜)置换为扁平晶体(激光晶体)34，利用扁平晶体34的1对相对的侧面341和342的内部反射功能代替折返镜的功能。如图所示，利用该扁平晶体34提供了在相同平面内激光光轴交叉的锯齿形的往返光路。另外，在侧面341和342上也可以进行例如银蒸镀来提高反射率。光对扁平晶体34的出入可通过其它侧面343和344进行。
并且，模仿第六实施例，第二折返镜36使用球面镜B，而第三折返镜35使用球面镜A。在本实施例中也可得到与第六实施例相同的优点。即，也同样将光夹在较长的谐振器长度之间，则可利用输出镜和后镜、折返镜的曲率来控制激光光束的聚光性能。另外，通过使激光通过第一～第三折返镜35～37，可以达到在主要的激光激励空间中使水平方向和垂直方向进行转置，并且使这种类型的振荡器具有特有的光轴非对称性消失的效果。关于球面镜B和A的配置状态也可以与球面镜B和A相同。
这样，第六和第七实施例表示本发明不只对高速轴流型气体激光振荡器，即使在三轴正交型气体激光和固体扁平激光中有效果。尤其特殊的是，还可以与利用成对的球面镜使主要激励区域中的光轴非对称性消失的作用并用。
接下来，图8a～图c分别是第八实施例的激光振荡器的谐振器结构的立体图、沿着箭头AR1的方向观察到的侧视图、沿着箭头AR2的方向(输出镜侧)观察到的侧视图。
在本配置中，在输出镜1和后镜2之间配置了四个折返镜38～41。其中，第二和第三折返镜39和40分别使用球面镜A和B。两个球面镜A和B的配置状态满足与上述第一实施例中已说明的球面镜A和B相同的条件。即，对球面镜A和B的入射激光光轴和反射激光光轴形成的平面通过以相互正交的方式配置球面镜A和B，从而可实现象散的抵消，避免输出激光的分布图的轴对称性的降低。
本配置特征之一，如从侧视图8b特别容易理解的那样，可以减小对各折返镜的入射角度。因此，即使在假设仅将第二折返镜39做成球面镜的情况下，也可以得到基本上轴对称的激光光束。但是，为了进一步提高轴对称性，除了球面镜A以外也应该使用球面镜B。激光光束达到接近完全的轴对称，其最大的优点是能适用于高精度激光加工。
以上，是以都是以使用“凹面镜”为球面镜为前提对第一～第八实施例进行说明。但是，球面镜是“凹面镜”不是本发明的本质上的必要条件。这是因为，球面镜即使是“凸面镜”，每个凸面镜显示的象散也没有变化，参照图2其抵消原理是完全相同的。因此，本发明还可以适用于通过使用凸面镜来实现改变光束形状的激光振荡器。另外，通过组合凹面镜和凸面镜，还可以得到复合效果。进而，还可以考虑采用折返镜的入射角做得各不相同、并改变了每个凹面镜的曲率的结构的谐振器。
另外，即使在使用曲率可变的折返镜的情况下也可以采用本发明。之前提出的日本特开2002-118312号公报公开了一种在谐振器中插入曲率可变的折返镜，从而控制激光光束的聚光性能的技术。当采用该技术与本发明组合时不再来，不仅能同样地控制聚光性能，而且还会产生以下的特殊效果。即，在日本特开2002-118312号公报记载的技术中，虽然必须根据象散的吸收或其它理由来连带控制凹面镜和凸面镜的曲率，但是，采用本发明只要准备一组具有完全相同结构和特征的曲率可变的凹面镜(或者凸面镜)即可，不仅可以显著提高控制精度，而且在减少控制系统等经济方面也是有利的。
最后，图9所示的第九实施例是可以不完全地得到本发明效果的例子。在本实施例中，将第一～第三折返镜42～44和扁平晶体(激光晶体)45配置在输出镜1和后镜2之间。第一折返镜42是平面镜，第二和第三折返镜43和44分别使用球面镜A和B。谐振光路在输出镜1和第一折返镜42之间以及在后镜2和第三折返镜44之间通过扁平晶体(激光晶体)45，激光在那里被激励。该配置的一个特征是在朝向输出镜1的光轴和朝向后镜2的光轴之间形成较小的角度。在这种情况下，对球面镜A的入射面内的光与对另一个球面镜B的入射面完全正交而不通过。但是，尽管如此，象散在某种程度上被抵消，而可以预料本发明的效果。在试验的时候，如果入射面之间与正交关系的偏差为15度以下，则可得到对激光加工性能没有显著影响的效果。
如上所述，本发明的目的在于提供了一种为了控制激光光束的聚光性能，即使在输出镜和后镜之间插入球面镜，也可以抑制象散并且得到轴对称的激光光束输出分布图的激光振荡器。另外，谐振器长度非常长的激光振荡器由于微小的光轴偏移(对准的偏移)很容易呈现调整不良，不仅使激光输出降低，而且聚光性能也恶化。但是，本发明在克服上述问题的过程中，还可以解决该问题，并且实现了稳定的输出和聚光性能。
另外，本发明在激光光轴的中间位置配置球面镜来控制光束的聚光性能的类型的激光振荡器中，通过以使象散抵消的方式配置多个球面镜来解决上述问题。即，采用本发明，通过配置球面镜使得对多个球面镜的入射激光光轴和反射激光光轴形成的平面相互正交，从而可实现象散的抵消，避免输出激光的分布图的轴对称性的降低。
在本发明的激光振荡器中，由于源于球面镜的象散被相互抵消，并且在谐振器内的合成焦距上的方向性减少，所以，由激光振荡器输出的激光光束呈大致的轴对称。虽然，球面镜的位置也可以不接近，而即使位于远离的位置上也具有效果，这是因为在激光振荡器内，由于光在两个方向往来之故，这一点与普通的光学系统的状况有所不同。另外，为了使光在两个方向往来，希望球面镜等的曲率也对谐振器长度的中间点对称，这样一来，可实现均匀的激光振荡。一旦由于设计原因处于非对称，谐振器整体的合成焦距不取决于激光光轴的方向而大致相同，因而可以期待一定能得到均匀的振荡和轴对称激光光束的效果。
另外，在用放电管构成的激光振荡器中，放电管的位置关系采用并列或者正交的结构对设计有利。这是由于密闭放电管末端的凸缘部分的大小易于引起物理干涉，产生了电极之间的距离变小的部分并且很难得到电绝缘距离。采用本发明，因为即使入射角很大也可以使象散抵消，所以可以增大折返镜的入射角。还非常有利于将入射角配置成大于或等于22.5度，即，将偏振光方向配置成大于或等于45度。
如上所述，采用本发明，通过配置多个球面镜可以抵消象散，得到对光轴对称的激光。另外，即使谐振器长度很长，也可以很容易地进行光轴的对准调整，可得到调整范围广且输出的稳定性高的激光振荡器。
虽然参照用于说明所选定的特定实施例对本发明进行了说明，但很显然，本行业的技术人员在不超出本发明的基本概念和保护范围内可进行种种变更。
权利要求
1.一种激光振荡器，其装备了具有输出镜(1)、后镜(2)及在上述输出镜(1)和上述后镜(2)之间被激励的激光沿着激光光轴进行折返的折返镜(3、4、5)的谐振器(100)，其特征在于上述折返镜(3、4、5)具有多个球面镜(3、4、5)，上述多个球面镜(3、4、5)的配置使得与对上述多个球面镜(3、4、5)内的一个球面镜(3)的入射面平行的一个平面内的光与对其它一个或更多个球面镜(4、5)的入射面正交，并且通过与激光光轴平行的平面内。
2.根据权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，对上述多个球面镜(3、4、5)的激光光轴的入射角都大于或等于22.5度。
3.根据权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，上述多个球面镜(3、4、5)的曲率的选定使得与对上述多个球面镜(3、4、5)内的一个球面镜(3)的入射面平行的一个平面内的光的合成焦距，和同上述入射面正交并且通过与激光光轴平行的平面内的光的合成焦距在实质上相同。
4.根据权利要求1所述的激光振荡器，其特征在于，上述多个球面镜(3、4、5)被配置在以该谐振器(100)的中间点为中心的对称位置上。
5.根据权利要求4所述的激光振荡器，其特征在于，上述多个球面镜的曲率相互相等。
全文摘要
本发明涉及激光振荡器。本发明的激光振荡器，即使在输出镜和后镜之间插入球面镜，也可以抑制象散，并且得到轴对称的输出分布图。在输出镜和后镜之间配置折返镜(平面镜)及球面镜，并且提供在同一平面内激光光轴交叉的锯齿形的往返光路。采用这种结构，可以得到与将透镜夹在较长的谐振器之间相同的效果，并且，可以利用输出镜、后镜和折返镜的曲率来控制激光光束的聚光性能。两个球面镜的配置方式定为，使得对球面镜的入射激光光轴与反射激光光轴形成的平面相互正交，从而可实现象散的抵消，避免输出激光分布图的轴对称性的降低。激光光轴对各球面镜的入射角可设置成大于或等于22.5度，并且也可以用扁平晶体来替代折返镜。
文档编号H01S3/00GK1677771SQ20051005888
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月31日
发明者森敦, 江川明 申请人:发那科株式会社