DE102006045172B4

DE102006045172B4 - Optische Pegelregelungsvorrichtung, Verfahren zum Steuern derselben und Laseranwendungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006045172B4
Application number: DE102006045172.4A
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Nagano; Yoshinori Ohta
Original assignee: Laserfront Technologies Inc
Current assignee: Towa Corp
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: US20090161706A1; US7916393B2; TWI315412B; KR100842478B1; JP4161136B2; TW200712552A; US20070070484A1; KR20070034949A; DE102006045172A1; US7804644B2; JP2007093643A

Abstract

Optische Pegelregelungsvorrichtung, die beliebig einen Lichttransmissionsgrad jeder von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen variieren kann, die in derselben optischen Achse gekoppelt werden; wobei die optische Pegelregelungsvorrichtung umfasst: eine wellenlängenabhängige erste Wellenlängenplatte (3), die als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle wirkt; und einen Polarisationsstrahlteiler (4) zum weiteren Übertragen der beiden durch die erste Wellenlängenplatte übertragenen Lichtstrahlen, eine getrennte wellenlängenabhängige zweite Wellenlängenplatte (6) aufweist, die an einer Stufe vor der ersten Wellenlängenplatte (3) vorgesehen ist und die als eine Viertelwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte oder eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen wirkt, wobei die erste Wellenlängenplatte (3) und der Polarisationsstrahlteiler (4) um die optische Achse gedreht werden können; und ein Drehwinkel der ersten Wellenlängenplatte (3) und des Polarisationsstrahlteilers (4) angepasst wird, um den Transmissionsgrad der beiden linear durch den Polarisationsstrahlteiler übertragenen Lichtwellen einzustellen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Pegelregelungsvorrichtung, die beliebig die Intensität jeder einer Mehrzahl von Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen variieren kann, welche im wesentlichen in derselben optischen Achse gekoppelt sind, ein Verfahren zum Steuern derselben und eine Laseranwendungsvorrichtung, die die optische Pegelregelungsvorrichtung verwendet.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Es gibt zahlreiche Anwendungen für eine optische Pegelregelungsvorrichtung, die beliebig die Intensität jedes einer Mehrzahl von Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen in derselben optischen Achse variiert. Ein Anwendungsbeispiel ist Laserbearbeitung. Laserbearbeitung ist ein Verfahren, durch das ein Laserimpuls auf einen Gegenstand gestrahlt wird, um Schneiden, Perforierung, Schweißen und andere Prozesse auszuführen, ohne den Gegenstand zu berühren. Die Wellenlänge, Impulsweite, Zeitwellenform, Spitzenenergie, Verteilung im Strahlabschnitt und andere Charakteristiken des emittierten Lasers werden geeignet in Übereinstimmung mit den Lichtabsorptions- und -Reflexionscharakteristiken, Wärmecharakteristiken, und anderen physikalischen Charakteristiken des Werkstücks angepasst. Zusätzlich werden Lichtstrahlen mit einer Mehrzahl von Wellenlängen manchmal miteinander vermischt und verwendet. Wenn Licht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen verwendet wird, ermöglicht die Fähigkeit, beliebig die Intensität jedes Lichts zu variieren, Bearbeitungsbedingungen auszuwählen, die für die Absorptions- und Reflexionsspektrumscharakteristiken des Werkstücks geeignet sind. Diese Fähigkeit erhöht auch den Freiheitsgrad beim Bearbeiten. In den Gebieten von biologischen und medizinischen Laseranwendungen, die in letzter Zeit Beachtung gefunden haben, wird eine Technik zum Variieren der Verhältnisse von gemischtem Licht in Übereinstimmung mit der Stelle, dem Typ des betroffenen Bereichs, und anderen Charakteristiken des bestrahlten Körpers benötigt.
Die offengelegten Japanischen Patentanmeldungen der Nummern JP H06-106378 A und JP 2002-028795 A offenbaren Techniken, durch die eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Emittieren eines Lasers auf ein Werkstück Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen von einer einzigen Laseroszillationsvorrichtung umschaltet und extrahiert, um einen Gegenstand richtig zu bearbeiten, der verschiedene Empfindlichkeiten von Wellenlängenabsorption aufweist.
Die in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. JP H06-106378 A (Seiten 2–4, 1) offenbarte Technik ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass ein Oberwellengenerator zum Erzeugen einer Mehrzahl von Lichtwellenlängen von Licht verwendet wird, das durch einen YAG-(Yttrium-Aluminium-Granat)Laseroszillator ausgegeben wird, wobei die auf diese Weise erzeugte Mehrzahl von Lichtwellenlängen räumlich getrennt wird und jede Lichtwellenlänge durch getrennte lichtvariierende optische Dämpfungsglieder übertragen wird, wonach das Licht wieder zu einem einzigen Lichtstrahl kombiniert und zu einem Bearbeitungskopf geführt wird. Diese Technik ermöglicht richtige Bearbeitung eines Probestücks mit verschiedenen Empfindlichkeiten von Wellenlängenabsorption.
Die in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2002-028795 A (Seiten 4–7, 1) offenbarte Technik ist eine Laserschweißvorrichtung, durch die ein Ausgangsstrahl von einer ersten Lasereinrichtung, der mit einer Grundwelle oszilliert, und ein Ausgangsstrahl von einer zweiten Lasereinrichtung, die SHG-(Second Harmonic Generation, Erzeugung von zweiten Harmonischen)Licht von einem getrennten Q-Schalter ausgibt, durch einen dichroitischen Spiegel gekoppelt werden, und kondensiertes Lichts auf einen Gegenstand gestrahlt wird. Diese Technik ermöglicht es, eine Verbindungsstelle durch Laserschweißen zu bilden, die wirksam für reines Aluminium, reines Kupfer und andere Metalle ist, deren Reflexionsvermögen und Wärmeleitfähigkeit höher als die einer Aluminiumlegierung sind.
Die in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. JP H06-106378 A offenbarten variablen optischen Dämpfungsglieder schalten und extrahieren Laserlicht mit einer Mehrzahl von Wellenlängen und strahlen das Laserlicht auf einen Gegenstand, variieren jedoch nicht frei das Verhältnis von Intensitäten einer Mehrzahl von Lichtwellenlängen, die miteinander vermischt werden.
In der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2002-028795 A schließen die Elementarbestandteile der Erfindung keinen Mechanismus zum Anpassen der Intensität und anderen Charakteristiken der Ausgabe jeder der beiden Lasereinrichtungen ein. Diese Erfindung schafft daher nicht den Freiheitsgrad, der zur breiten Variation der Schweißbedingungen benötigt wird.
Die US 6 268 954 B1 beschreibt eine optische Pegelregelungsvorrichtung zur Variation des Transmissionsgrads von Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängen mit einer wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte, die als Halbwellenplatte in Bezug auf eine erste Lichtquelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug auf eine zweite Lichtquelle wirkt, und einem Polarisator zum weiteren Übertragen der beiden durch die Wellenlängenplatte übertragenen Lichtstrahlen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer optischen Pegelregelungsvorrichtung, die beliebig den Strahlintensitätspegel jedes einer Mehrzahl von Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen in derselben optischen Achse oder im wesentlichen derselben optischen Achse variieren kann, ein Verfahren zum Steuern derselben und eine Laseranwendungsvorrichtung, die die optische Pegelregelungsvorrichtung verwendet.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Pegelregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 3 und eine Laseranwendungsvorrichtung nach Anspruch 6 gelöst; die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die optische Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist eine wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte, die als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle von den beiden Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen wirkt, welche in im wesentlichen derselben optischen Achse gekoppelt werden, und einen Polarisationsstrahlteiler auf, der um die optische Achse rotieren kann und der die beiden durch die Wellenlängenplatte übertragenen Lichtwellen weiter überträgt. Es ist deshalb möglich, beliebig den Lichttransmissionsgrad jeder der beiden Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen zu variieren, die die optische Pegelregelungsvorrichtung durchqueren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die optische Pegelregelungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht, die den Transmissionsgrad einer Grundwelle, die geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler übertragen wird, in Bezug zu dem Drehwinkel des Polarisationsstrahlteilers zeigt, der zu der Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird;
3 ist eine Ansicht, die den Drehwinkel von Polarisation einer zweiten höheren Harmonischen in Bezug zu dem Drehwinkel der Wellenlängenplatte zeigt, die zu der optischen Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird;
4 ist eine Ansicht, die den Transmissionsgrad einer geradlinige durch den Polarisationsstrahlteiler übertragenen zweiten höheren Harmonischen in Bezug zu dem Drehwinkel der Wellenlängenplatte zeigt, die zu der optischen Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird;
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
8A und 8B sind Ansichten, die die Struktur des optischen Systems einer Laserbearbeitungsvorrichtung zeigen, welche die optische Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen als nächstes spezifisch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll zuerst beschrieben werden. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die optische Pegelregelungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Ein Laseroszillator 2 emittiert zwei Lichtstrahlen gleichzeitig, die verschiedene Wellenlängen aufweisen, und die beiden Strahlen haben die selbe optische Achse. Ein Beispiel dieses Typs von Laseroszillator ist eine Laservorrichtung, die aus einem Grundwellen-Laseroszillator und einem höhere Harmonische erzeugenden Element besteht, das eine höhere Harmonische von der Grundwelle erzeugt. Der Umwandlungswirkungsgrad, mit dem die höhere Harmonische durch das höhere Harmonische erzeugende Element erzeugt wird, beträgt nicht 100%, und beträgt zum Beispiel 50%. Dementsprechend enthält der Ausgangsstrahl von dem Laseroszillator 2 sowohl die Grundwelle als auch die höhere Harmonische als Bestandteile, wobei die Energieanteile 50% für die Grundwelle und 50% für die höhere Harmonische betragen, und beide Wellen die selbe optische Achse aufweisen.
Eine optische Pegelregelungsvorrichtung 1 steuert unabhängig die Intensitäten der beiden durch den Laseroszillator 2 ausgegebenen Strahlen. In dieser optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 sind eine Wellenlängenplatte 3 und ein Polarisationsstrahlteiler (PBS) 4 an der optischen Achse der Lichtstrahlen von dem Laseroszillator 2 angeordnet, so dass die beiden Lichtstrahlen, die in derselben optischen Achse von dem Laseroszillator 2 emittiert werden, in die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 eintreten, und die durch die Wellenlängenplatte 3 übertragenen Lichtstrahlen in den Polarisationsstrahlteiler 4 eintreten.
Die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3, die eins der Elementarbestandteile der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 ist, hat die folgenden Charakteristiken. Die Wellenlängenplatte 3 wirkt als eine Halbwellenplatte für eine der Lichtwellen von der Grundwelle und der höheren Harmonische, und wirkt als eine Vollwellenplatte für die andere Lichtwelle. Die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 kann auch um die optische Achse rotieren, in der Licht übertragen wird. Wenn die Wellenlängenplatte 3 rotiert wird, werden dementsprechend Lichtwellen, die die Auswirkung einer Halbwellenplatte erhalten, von der Wellenlängenplatte 3 in einem Zustand emittiert, in dem die Polarisationsebene der Lichtwellen in Verbindung mit der Drehung der wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 3 rotiert wird. Die Auswirkung der Vollwellenplatte empfangende Lichtwellen werden jedoch von der Wellenlängenplatte 3 emittiert, ohne dass deren Polarisationsebene durch die Drehung der Wellenlängenplatte 3 rotiert wird.
Die Wellenlängenplatte 3 kann unter Verwendung eines transparenten, doppelbrechenden Kristalls gebildet werden. Die Wellenlängenplatte 3 kann zum Beispiel durch Mahlen eines Kristalls mit einem breiten Band übertragener Wellenlängen in einer Richtung gebildet werden, die beinahe parallel zu der C-Achse von Kristallisation ist.
Der Polarisationsstrahlteiler 4, der ein anderer Elementarbestandteil der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 ist, ist ein gewöhnlich verwendeter Polarisationsstrahlteiler und hat eine Struktur, die durch Befestigen der geneigten Oberflächen von zwei rechtwinkligen Prismen aneinander gebildet wird, bei denen ein dielektrischer, mehrschichtiger Film an den geneigten Oberflächen derselben vorgesehen ist. Eine P-Wellenkomponente wird übertragen, und eine S-Wellenkomponente wird in Bezug zu der geneigten Oberfläche des Prismas reflektiert. Die Polarisationscharakteristiken eines Polarisationsstrahlteilers mit dieser Struktur sind nicht wellenlängenabhängig. Polarisationsstrahlteiler, deren Polarisationscharakteristiken nicht wellenlängenabhängig sind, werden bereits in den optischen Köpfen von optischen Platteneinrichtungen verwendet, die mit drei Lichtquellen versehen sind, welche eine blaue LD (Halbleiterlaser), eine rote LD und eine nahe Infrarot-LD einschließen und die optische Platten in High-Definition-DVD, Normal-Definition-DVD, CD und andere Formaten aufzeichnen/wiedergeben.
Rotieren der wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 3 und des Polarisationsstrahlteilers 4 um die optische Achse ermöglicht unabhängige Steuerung der Intensitäten der Grundwelle und der höheren Harmonischen, die geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragen werden.
Als nächstes soll der Betrieb der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform beschrieben werden. Es wird angenommen, dass die Grundwelle des Laseroszillators 2 horizontal, linear polarisiertes Licht ist, und dass das höhere Harmonische erzeugende Element ein Element ist, das eine zweite höhere Harmonische erzeugt. Genauer ausgedrückt, ist das höhere Harmonische erzeugende Element ein Element, das eine zweite höhere Harmonische erzeugt, für die der Phasenanpassungszustand Typ 1 ist. Dementsprechend wird die Polarisation der von dem Laseroszillator 2 zusammen mit der Grundwelle ausgegeben zweiten höheren Harmonischen als lineare Polarisation angenommen, die parallel zu der Grundwelle ist. Die Dicke der Wellenlängenplatte wird auch so eingestellt, dass die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 als eine Vollwellenplatte in Bezug zu der Grundwelle wirkt und als eine Halbwellenplatte in Bezug zu der zweiten höheren Harmonischen wirkt.
Zuerst wird nur der Drehwinkel des Polarisationsstrahlteilers 4 um die optische Achse angepasst, und die Intensität der geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen Grundwelle wird eingestellt. Der Polarisationsstrahlteiler 4 wird dann bei dem angepassten Winkel fixiert, der Drehwinkel der Wellenlängenplatte 3 um die optische Achse wird angepasst, und die Intensität der zweiten höheren Harmonischen wird eingestellt.
In 2 ist der Winkel, bei dem sich geradlinig polarisiertes Grundlicht durch den Polarisationsstrahlteiler 4 bei maximalem Transmissionsgrad ausbreitet (horizontal polarisiertes Licht: P-polarisiertes Licht) als der Ursprung gezeigt, der Winkel θ, um den der Polarisationsstrahlteiler 4 um die optische Achse von dem Winkel des maximalen Transmissionsgrads weg rotiert wird, ist auf der horizontalen Achse aufgezeichnet, und der Transmissionsgrad einer geradlinige durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen Grundwelle ist auf der vertikalen Achse aufgezeichnet. Wenn θ = 90° ist, fällt das linear polarisierte Licht der Grundwelle als S-polarisiertes Licht auf die geneigte Oberfläche des Polarisationsstrahlteilers 4 ein, und die geradlinig übertragene Intensität erreicht das Minimum. Da die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 als eine Vollwellenplatte in Bezug zur Grundwelle wirkt, wird die durch den Laseroszillator 2 ausgegebene Grundwelle in einem Zustand übertragen, in dem die Richtung linearer Polarisation ungeachtet der Richtung der C-Achse der Wellenlängenplatte beibehalten wird, und fällt auf den Polarisationsstrahlteiler 4 ein.
Der Polarisationsstrahlteiler 4 wird um die optische Achse rotiert, und die in 2 gezeigte geradlinig übertragene Intensität wird auf den gewünschten Pegel eingestellt. Genau ausgedrückt, zeigt I = cos2θ das Verhältnis zwischen der geradlinig übertragenen Intensität I des Polarisationsstrahlteilers 4 und dem Winkel θ an, um den der Polarisationsstrahlteiler 4 um die optische Achse aus der Horizontalen rotiert wird. In einem Fall, in dem die gewünschte Intensität der den Polarisationsstrahlteiler 4 durchquerenden Grundwelle I_ω = 1/2 ist, wird eine Einstellung von = 45° vorgenommen.
Die zweite höhere Harmonische, die die andere von dem Laseroszillator 2 emittierte Lichtwelle ist, ist auch horizontal polarisiert. Die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 wirkt als eine Halbwellenplatte in Bezug zu der zweiten höheren Harmonischen. Der Polarisationswinkel ψ des aus der Wellenlängenplatte 3 austretenden linear polarisierten Lichts ist ψ = 2φ, wie in 3 gezeigt ist, wobei φ der Winkel ist, um den die Richtung der C-Achse der Wellenlängenplatte von der Horizontalen geneigt ist. Dementsprechend variiert die Intensität der geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen zweiten Harmonischen wie in 4 gezeigt in Bezug zu dem Drehwinkel φ der Wellenlängenplatte. Um den Transmissionsgrad der durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen Grundwelle in die Hälfte zu teilen, wird φ = 22,5° als der Drehwinkel der Wellenlängenplatte eingestellt, wodurch ein Transmissionsgrad von 1 der durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen zweiten höheren Harmonischen erhalten wird. Dies liegt darin begründet, dass der Polarisationsstrahlteiler 4 bereits um θ = 45° rotiert ist. Die Intensität der geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragenen zweiten Harmonischen kann somit unabhängig von der Grundwelle durch Rotieren der Wellenlängenplatte 3 zu einem beliebigen Winkel φ eingestellt werden.
Es ist im Vorhergehenden ein Fall in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, in dem die beiden Lichtwellen eine Grundwelle und eine zweite höhere Harmonische sind, aber das Verhältnis der Wellenlängen ist nicht durch dieses Beispiel begrenzt. Die beiden Wellenlängen sind hier als λ₁ und λ₂ bezeichnet. Es wird angenommen, dass die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 als eine Vollwellenplatte in Bezug zu λ₁ und als eine Halbwellenplatte in Bezug zu λ₂ wirkt. Wenn die Dicke der Wellenlängenplatte t ist, ist die Phasendifferenz zwischen der gewöhnlichen Komponente und der außergewöhnlichen Komponente, die aus der Wellenlängenplatte austreten, durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 gegeben.
[Gleichung 1]

Δn₁·t = p·λ₁

[Gleichung 2]
In diesen Gleichungen sind Δn₁ und Δn₂ Doppelbrechungsgrößen für Wellenlängen λ₁ und λ₂, und p und q sind positive ganze Zahlen. Beseitigen von t aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt die folgende Gleichung 3 [Gleichung 3]
In dieser Gleichung wird q (p und q können invertiert werden) durch Einsetzen der echten Werte der für die Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendeten Wellenlängen, Einsetzen der echten Werte der Doppelbrechungsgrößen des verwendeten optischen Kristalls für Δn₁ und Δn₂ und Einsetzen einer geeigneten positiven ganzen Zahl für p gefunden. Der Ausdruck q muss nicht unbedingt eine positive ganze Zahl sein. Der Wert von p wird so variiert, dass die Differenz zwischen q und einer positiven ganzen Zahl gleich oder kleiner als ein gewünschter Wert ist. Die Dicke t der Wellenlängenplatte kann von dem Wert von p bestimmt werden, wenn die Differenz zwischen q und einer positiven ganzen Zahl gleich oder kleiner als der gewünschte Wert ist. Eine Wellenlängenplatte mit dieser Dicke wirkt zuverlässig als eine Vollwellenplatte in Bezug zu der Wellenlänge λ₁, für die Wellenlänge λ₂ wird die Phasendifferenz zwischen der gewöhnlichen Komponente und der außergewöhnlichen Komponente jedoch von der halben Wellenlänge um eine Größe entsprechend der Wellenlänge verschoben, die durch Multiplizieren einer halben Wellenlänge mit der Differenz zwischen q und einer positiven ganzen Zahl erhalten wird.
Es wird eine Berechnung als ein Zahlenbeispiel ausgeführt, in dem Quarz als der optische Kristall verwendet wird, und λ₁ und λ₂ eine Grundwelle und eine zweite höhere Harmonische sind, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, wobei λ₁ = 1,06 μm und λ₂ = 0,53 μm. Die Brechungsindexe des Kristalls sind Δn₁ = 0,0087 und Δn₂ = 0,0092, und wenn p = 47 eingesetzt wird, ist q = 98,9023. Die Differenz zwischen q und 99 beträgt 0,097, was eine Differenz von etwa 1/20 Wellenlänge ist. In diesem Fall ist t = 5,7 mm, was eine realisierbare Dicke darstellt.
In der optischen Pegelregelungsvorrichtung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform weisen die beiden Lichtwellen die selbe optische Achse auf, stehen hinsichtlich der Wellenlänge in einem Verhältnis als eine Grundwelle und eine höhere Harmonische, und sind auch in der gleichen Richtung polarisiert. Die optische Pegelregelungsvorrichtung ist jedoch nicht durch diese Bedingungen begrenzt. Es ist insofern ausreichend, wenn die optischen Achsen der beiden Lichtquellen im wesentlichen die gleichen sind, um Mischen durch einen Optokoppler oder dergleichen zuzulassen, die Wellenlängen können auch beliebig sein, und die optische Pegelregelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung arbeitet wirksam selbst in dem Fall, wenn die Lichtwellen sich in verschiedenen Polarisationszuständen befinden.
Als nächstes soll eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die gleichen Bezugsziffern werden in 5 für Elementarbestandteile verwendet, die die gleichen wie die in 1 sind, und detaillierte Beschreibungen dieser Komponenten sind weggelassen worden. In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform war der Phasenanpassungszustand des zweite höhere Harmonische erzeugenden Elements Typ 1 gemäß einer nichtlinearen Wellengleichung, der Phasenanpassungszustand kann jedoch von einem anderen Typ sein, wie zum Beispiel Typ 2. Selbst wenn die auf das zweite höhere Harmonische erzeugende Element einfallende Grundwelle linear polarisiertes Licht ist, empfängt in diesem Fall die Grundwelle, die emittiert wird, ohne vollständig in eine zweite höhere Harmonische umgewandelt zu werden, die doppelbrechenden Auswirkungen des nichtlinearen optischen Kristalls, der die Welle in eine zweite höhere Harmonische umwandelt, und das Licht wird allgemein als elliptisch polarisiertes Licht emittiert. Deshalb wird der Transmissionsgrad der geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler übertragenen Grundwelle in Bezug zu dem Drehwinkel θ des Polarisationsstrahlteilers in 2 so reduziert, um nicht einen maximalen Wert von 1 zu erreichen, und wird ferner erhöht, um nicht einen minimalen Wert von 0 zu erreichen. Der dynamische Bereich der von der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 ausgegebenen Grundwelle wird auf diese Weise verkleinert.
Die optische Pegelregelungsvorrichtung 5 gemäß der vorliegenden Erfindung steuert unabhängig die Intensitäten von zwei Strahlen, die von einem Laseroszillator 2 ausgegeben werden. Diese optische Pegelregelungsvorrichtung 5 ist mit einen Polarisationsstrahlteiler 4 und einer wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 3 versehen, die um die optische Achse rotieren können. Die optische Pegelregelungsvorrichtung 5 ist außerdem mit einer zweiten wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 6 versehen, die an einer Stelle fixiert ist, keinen Rotationsmechanismus aufweist, und an einer Stufe vor der wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 3 vorgesehen ist. Die zweite wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 6 wirkt als eine Viertelwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte oder eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen. Die Dicke der Wellenlängenplatte wird hierbei so festgelegt, dass die Wellenlängenplatte als eine Viertelwellenplatte in Bezug zu der Grundwelle und als eine Vollwellenplatte oder Halbwellenplatte in Bezug zu der zweiten höheren Harmonischen wirkt. Dieses Konfigurierverfahren kann in der gleichen Weise wie das oben genannte Konfigurierverfahren realisiert werden, dass die oben in der ersten Ausführungsform beschriebenen Gleichungen 1 und 2 verwendet. Wie oben beschrieben ist, wird von der Grundwelle und der zweiten höheren Harmonischen, die von dem Laseroszillator ausgegeben werden, die Grundwelle in linear polarisiertes Licht durch die Wirkung der zweiten Wellenlängenplatte 6 als eine Viertelwellenplatte in dem Typ von Fall umgewandelt, in dem die Grundwelle elliptisch polarisiertes Licht ist, wohingegen die zweite höhere Harmonische linear polarisiertes Licht ist. Die zweite höhere Harmonische wird jedoch unmodifiziert als linear polarisiertes Licht durch die Wirkung der zweiten Wellenlängenplatte 6 als eine Vollwellenplatte oder eine Halbwellenplatte emittiert. Es ist hierdurch in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform möglich, den Polarisationsstrahlteiler 4 und die wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3 um die optische Achse zu rotieren, um beliebig die Pegel der beiden Lichtwellen einzustellen, die geradlinige durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragen werden.
Als nächstes soll eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die gleichen Bezugszeichen werden in 6 für Strukturkomponenten verwendet, die die gleichen wie in den 1 und 5 sind, und detaillierte Beschreibungen dieser Komponenten sind weggelassen worden. Die optische Pegelregelungsvorrichtung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann unabhängig die Intensitäten der beiden von einem Laseroszillator 2 ausgegebenen Strahlen steuern, und kann weiter beliebig die Differenz in den Winkeln der beiden Lichtstrahlen in der Polarisationsrichtung derselben steuern. Zusätzlich zu einem Polarisationsstrahlteiler 4 und einer ersten wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 3, die um die optische Achse rotieren kann, ist die optische Pegelregelungsvorrichtung 7 auch mit einer dritten wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 8 versehen, die einen Rotationsmechanismus aufweist und an einer dem Polarisationsstrahlteiler 4 nachfolgenden Stufe vorgesehen ist. Eine dritte wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 8 hat die gleiche Funktion wie die erste wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 3. Die Wellenlängenplatte 8 wirkt als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen. Spezifisch enthält diese Struktur zusätzlich eine drehbare, wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 8, die an einer späteren Stufe in der optischen Achsenrichtung der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform vorgesehen ist. Der Winkelunterschied zwischen den Polarisationsrichtungen der beiden von der optischen Pegelregelungsvorrichtung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Lichtstrahlen kann deshalb beliebig durch Rotieren der dritten wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 8 eingestellt werden, wohingegen die beiden von der optischen Pegelregelungsvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ausgegebenen Lichtstrahlen linear polarisierte Lichtstrahlen sind, die in der gleichen Richtung wie die Lichtstrahlen polarisiert sind, die geradlinig als P-Wellen durch den Polarisationsstrahlteiler 4 übertragen werden. Deshalb ermöglicht Verwendung der optischen Pegelregelungsvorrichtung 7 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Laserbearbeitungsvorrichtung die Ausführung effektiverer Laserbearbeitung, wenn die Bearbeitungscharakteristiken des Werkstücks sowohl wellenlängenabhängig als auch polarisationsabhängig sind.
Als nächstes soll eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die gleichen Bezugszeichen werden in 7 für Strukturkomponenten verwendet, die die gleichen wie diejenigen in den 1, 5 und 6 sind, und detaillierte Beschreibungen dieser Komponenten sind weggelassen worden. Die optische Pegelregelungsvorrichtung 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann unabhängig die Intensitäten von zwei Strahlen steuern, ohne den dynamischen Bereich der Steuerung zu verkleinern, die eine Grundwelle und eine zweite höhere Harmonische einschließen, welche von einem Laseroszillator 2 ausgegeben werden, selbst wenn die Grundwelle elliptisch polarisiertes Licht darstellt. Die optische Pegelregelungsvorrichtung 9 kann ferner beliebig den Winkelunterschied zwischen den Polarisationsrichtungen der beiden von der optischen Pegelregelungsvorrichtung ausgegebenen Lichtstrahlen steuern. Die Struktur der optischen Pegelregelungsvorrichtung 9 enthält zusätzlich eine drehbare, wellenlängenabhängige Wellenlängenplatte 8, die an einer späteren Stufe in der optischen Achsenrichtung der optischen Pegelregelungsvorrichtung 5 gemäß der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform vorgesehen ist. Der Winkelunterschied zwischen den Polarisationsrichtungen der beiden von der optischen Pegelregelungsvorrichtung 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgegebenen Lichtstrahlen kann deshalb beliebig durch Rotieren der dritten wellenlängenabhängigen Wellenlängenplatte 8 eingestellt werden, wohingegen die beiden von der optischen Pegelregelungsvorrichtung 5 gemäß der zweiten Ausführungsform ausgegebenen Lichtstrahlen linear polarisierte Lichtstrahlen sind, die in die gleiche Richtung polarisiert sind. Deshalb ermöglicht Verwendung der optischen Pegelregelungsvorrichtung 9 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer Laserbearbeitungsvorrichtung die Ausführung wirksamerer Laserbearbeitung in der gleichen Weise wie bei der dritten Ausführungsform.
Als nächstes soll eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. 8 enthält Strukturblockansichten, die eine Laseranwendungsvorrichtung zeigen, welche die optische Pegelregelungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei insbesondere das optische System der Laserbearbeitungsvorrichtung gezeigt ist. Es werden die gleichen Bezugszeichen für Strukturkomponenten verwendet, die die gleichen wie die in den 1 und 5 bis 7 sind, und detaillierte Beschreibungen dieser Komponenten sind weggelassen worden. Wie in 8A gezeigt ist, weist das optische System 10 einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Laseroszillator 11 zum Ausgeben einer Grundwelle und einer zweiten höheren Harmonischen in derselben optischen Achse, die optische Pegelregelungsvorrichtung 100, wie sie in der ersten bis vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, und ein kondensierendes optisches System 30 auf. Ein oder beide Parameter, die von dem Pegel und der Polarisationsrichtung der Grundwelle und der zweiten höheren Harmonischen ausgewählt sind, werden durch die optische Pegelregelungsvorrichtung 100 gesteuert, und ein Werkstück 40 wird bestrahlt.
Wie in 8B gezeigt ist, kann das optische System 20 einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Laseroszillator 21 zum Ausgeben eines Laserstrahls mit einer ersten Wellenlänge, einen Laseroszillator 22 zum Ausgeben eines Strahls einer zweiten Wellenlänge, einen Optokoppler 23 zum Koppeln der beiden Strahlen, die optische Pegelregelungsvorrichtung 100, wie sie in der ersten bis vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, und ein kondensierendes optisches System 30 aufweisen. Ein oder beide Parameter, die von dem Pegel und der Polarisationsrichtung des Lichts der ersten Wellenlänge ausgewählt werden, werden durch die optische Pegelregelungsvorrichtung 100 gesteuert, und das Licht wird auf ein Werkstück 40 gestrahlt.
Verwendung der optischen Pegelregelungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Laserbearbeitungsvorrichtung ermöglicht Ausführung effektiverer Laserbearbeitung, selbst wenn die Bearbeitungscharakteristiken des Werkstücks 40 sowohl wellenlängenabhängig als auch polarisationsabhängig sind.
Der Pegel und die Polarisationsrichtung einer größeren Anzahl von Laserstrahlen können auch durch Vorsehen einer Mehrzahl von Einheiten, in denen der Laseroszillator 11 und die in 8A gezeigte optische Pegelregelungsvorrichtung 100 kombiniert sind, und durch Verwendung des Optokopplers zum Koppeln des durch die optischen Pegelregelungsvorrichtungen ausgegebenen Lichts gesteuert werden. Das gleiche kann durch Vorsehen einer Mehrzahl von Einheiten, in denen der Laseroszillator 21, ein Optokoppler 23 und eine optische Pegelregelungsvorrichtung 100, die in 8B gezeigt sind, kombiniert sind, und durch Verwendung eines Optokopplers zum Koppeln des durch die optischen Pegelregelungsvorrichtungen ausgegebenen Lichts erreicht werden.
Die Laseranwendungsvorrichtung, die die optische Pegelregelungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wurde unter Verwendung des optischen Systems einer Laserbearbeitungsvorrichtung in den 8A und 8B als ein Beispiel beschrieben, dieser Typ eines optischen Systems kann jedoch auch in Lasermikroskopen und anderen Laserbetrachtungsvorrichtungen eingesetzt werden.

Claims

Optische Pegelregelungsvorrichtung, die beliebig einen Lichttransmissionsgrad jeder von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen variieren kann, die in derselben optischen Achse gekoppelt werden; wobei die optische Pegelregelungsvorrichtung umfasst: eine wellenlängenabhängige erste Wellenlängenplatte (3), die als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle wirkt; und einen Polarisationsstrahlteiler (4) zum weiteren Übertragen der beiden durch die erste Wellenlängenplatte übertragenen Lichtstrahlen, eine getrennte wellenlängenabhängige zweite Wellenlängenplatte (6) aufweist, die an einer Stufe vor der ersten Wellenlängenplatte (3) vorgesehen ist und die als eine Viertelwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte oder eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen wirkt, wobei die erste Wellenlängenplatte (3) und der Polarisationsstrahlteiler (4) um die optische Achse gedreht werden können; und ein Drehwinkel der ersten Wellenlängenplatte (3) und des Polarisationsstrahlteilers (4) angepasst wird, um den Transmissionsgrad der beiden linear durch den Polarisationsstrahlteiler übertragenen Lichtwellen einzustellen.
Optische Pegelregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, die weiter eine getrennte wellenlängenabhängige dritte Wellenlängenplatte (8) aufweist, die an einer dem Polarisationsstrahlteiler (4) nachfolgenden Stufe vorgesehen ist, die um die optische Achse rotieren kann und die als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle wirkt.
Verfahren zum Steuern der optischen Pegelregelungsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: Anpassen eines Drehwinkels der ersten Wellenlängenplatte (3) und des Polarisationsstrahlteilers (4); und beliebiges Einstellen des Transmissionsgrads der beiden linear durch den Polarisationsstrahlteiler (4) übertragenen Lichtwellen.
Verfahren zum Steuern der optischen Pegelregelungsvorrichtung, nach Anspruch 3, bei dem die Anpassung eines Drehwinkels der ersten Wellenlängenplatte (3) und des Polarisationsstrahlteilers (4) die folgenden Schritte umfasst: Fixieren eines Drehwinkels der ersten Wellenlängenplatte (3) und Drehen des Polarisationsstrahlteilers (4); und Drehen der ersten Wellenlängenplatte (3) in einem Zustand, in dem ein Drehwinkel des Polarisationsstrahlteilers (4) fixiert ist.
Verfahren zum Steuern einer optischen Pegelregelungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die optische Pegelregelungsvorrichtung weiter eine getrennte wellenlängenabhängige dritte Wellenlängenplatte (8) aufweist, die um die optische Achse rotieren kann und die als eine Halbwellenplatte in Bezug zu einer ersten Lichtwelle und als eine Vollwellenplatte in Bezug zu einer zweiten Lichtwelle wirkt, wobei die dritte Wellenlängenplatte (8) an einer dem Polarisationsstrahlteiler (4) nachfolgenden Stufe vorgesehen ist; und das Verfahren die getrennte wellenlängenabhängige dritte Wellenlängenplatte (8) dreht, um den Winkelunterschied einer Grundachse von Polarisation der beiden Lichtwellen variierbar zu gestalten.
Laseranwendungsvorrichtung mit einem Laserstrahlsystem, wobei das Laserstrahlsystem umfasst: einen Laseroszillator (2) zum Ausgeben von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen in derselben optischen Achse; und die optische Pegelregelungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1.
Laseranwendungsvorrichtung mit einem Laserstrahlsystem, wobei das Laserstrahlsystem umfasst: zwei Laseroszillatoren (21, 22) zum Erzeugen von zwei Lichtwellen mit verschiedenen Wellenlängen; einen Optokoppler (23) zum Koppeln und Ausgeben der beiden Lichtwellen in derselben optischen Achse; und die optische Pegelregelungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1.
Laseranwendungsvorrichtung, umfassend: eine Mehrzahl von Laserstrahlsystemen nach Anspruch 6, die verschiedene Wellenlängen erzeugen; und einen Optokoppler (23) zum Koppeln und Ausgeben einer Mehrzahl von Laserstrahlen in derselben optischen Achse, die von der Mehrzahl von Laserstrahlsystemen ausgeben werden.
Laseranwendungsvorrichtung, umfassend: eine Mehrzahl von Laserstrahlsystemen nach Anspruch 7, die verschiedene Wellenlängen erzeugen; und einen Optokoppler (23) zum Koppeln und Ausgeben einer Mehrzahl von Laserstrahlen in derselben optischen Achse, die von der Mehrzahl von Laserstrahlsystemen ausgegeben werden.