JP2000107875A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加工性能や加工品質に優れ、増幅効率の高い
レーザ照射装置を得る。 【解決手段】 パルスレーザ光源１からの直線偏光した
パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる電気光学
素子２、直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する
偏光ビームスプリッタ３、この進行方向が分離された２
つの直交する偏光成分を、各々被照射物７０１、７０２
まで伝送する伝送光路を備え、直線偏光の単一レーザパ
ルス４０１が電気光学素子を通過する際、所定の時間範
囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単
一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成
し、偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線
偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパ
ルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルス４０
３、４０４に時間的に分割し、分割したレーザパルスを
各々被照射物へ照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体材料等の
微細加工、金属その他材料の溶接や切断、レーザ媒質の
励起光源として使用するレーザ照射装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図９は、文献（APPLIED OPTICS, Vol. 3
4, No. 33, pp. 7718-7723, 1995）に示されている従来
のレーザ照射装置を示す構成図である。図において、１
はパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源、２１は
ビーム径を縮小するビーム縮小光学系、２２はビームを
集光する集光レンズ、２３は単一ビームを複数のビーム
に分割する回折光学素子、７は被照射物である。

【０００３】次に動作を説明する。パルスレーザ光源１
を出射したパルスレーザ光は、ビーム縮小光学系２１へ
入射する。ビーム縮小光学系は一対の凸レンズから構成
されており、ビーム入射側の凸レンズはビーム出射側の
凸レンズより焦点距離が長く、両者の光軸ならびの焦点
位置が一致するよう配置されている。従って、ビーム縮
小光学系２１を通過したパルスレーザ光のビーム径は、
入射側凸レンズの焦点距離に対する出射側凸レンズの焦
点距離の比で縮小される。ビーム縮小光学系２１を出射
したパルスレーザ光は、集光レンズ２２により集光され
る。集光レンズ２２と被照射物７との間には、回折光学
素子２２が設置されており、回折光学素子２３を通過し
たビームは回折光学素子２３のパタンに応じた回折現象
により複数方向に分割される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ照射装置
は上記のように構成されており、パルスレーザ光の分割
は、空間方向に対してのみ行われていた。このため分割
されたパルスレーザ光のパルス時間幅は、分割以前のパ
ルス時間幅と同一であり、分割後のパルスレーザ光の強
度が低下し、例えば、切断や溶接等のレーザ加工に使用
する場合、加工性能が劣化するという問題点があった。

【０００５】また、従来のレーザ照射装置においては、
パルスレーザ光のパルス時間幅は、レーザ発振器の共振
器条件や励起方式等動作形態によって制限される場合が
多く、パルス時間幅を任意に変化させることは困難であ
った。このためレーザパルスの前半部のみが加工等の用
途に寄与するような場合であっても、レーザパルス全体
を被照射物に照射せざるを得ず、パルス後半部のエネル
ギーが無駄になるため、生産性の低下やフォトンコスト
の増大をもたらすという問題点があった。

【０００６】また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光
を使用し、半導体基板の穴開け等微細加工を行った場
合、被加工物への熱影響が顕著となり、加工品質が低下
するという問題点があったが、従来のレーザ照射装置に
おいては、パルス時間幅を短くすることは困難であり、
パルス時間幅の長いパルスレーザ光は、微細加工に適用
することができないという問題点があった。特に、Qス
イッチでパルス化したレーザ光源を使用した場合、パル
スレーザ光のパルス時間幅は、レーザ光源の励起パワー
や繰り返し周波数により変化するが、パルス時間幅の制
御が難しく、レーザ光源の動作条件によってパルス時間
幅が変化し、従って加工品質も変化するという問題点が
あった。

【０００７】また、従来のレーザ照射装置においては、
パルスレーザ光源のレーザ媒質に固体レーザ媒質を使用
した場合、レーザパルスのパルス時間幅を変化させるた
め、パルスレーザ光源の動作条件を変更すると、固体素
子に生じる熱レンズの焦点距離が変化し、この結果、レ
ーザパルスのビーム品質も変化するため、例えば、加工
用途に使用した場合には加工品質が変化してしまうとい
う問題点があった。

【０００８】また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光
を、レーザ増幅器の励起光源として使用する場合、励起
持続時間が、発振ビルドアップ時間（励起を開始してか
ら発振を開始するまでの時間）より長くなると、励起中
に増幅媒質が自己発振を開始し、効率よく利得を取り出
すことができないという問題点があった。

【０００９】この発明は、上記の問題点を解決するため
になされたもので、パルスレーザ光を時間方向に複数に
分割し、パルス時間幅の短い複数のパルスレーザ光を形
成することにより、レーザ加工へ適用した場合には、加
工性能や加工品質に優れ、また他のレーザ媒質の励起光
源として使用した場合には、効率よく利得を取り出すこ
とが可能なパルスレーザ光を発生するレーザ照射装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るレ
ーザ照射装置は、直線偏光したパルスレーザ光を発生す
るパルスレーザ光源と、パルスレーザ光の偏光方向を直
角に回転させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの
進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビ
ームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直
交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路
とを備え、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子
を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏
光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの
直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリ
ッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離するこ
とにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少な
くとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割した
レーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにした
ものであるものである。

【００１１】請求項２の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１の発明において、前記偏光ビームスプリッタで
進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも
一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、
前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延
手段を設けたものである。

【００１２】請求項３の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１または２の発明において、前記パルスレーザ光
源は、Qスイッチによってパルス化しているものであ
る。

【００１３】請求項４の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記パル
スレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レー
ザを使用するものである。

【００１４】請求項５の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項４の発明において、前記パルスレーザ光源とし
て、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用するもので
ある。

【００１５】請求項６の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記偏光
ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方
向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリ
ッタにより再度同一光路に合成するものである。

【００１６】請求項７の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学
素子として電気光学素子を用いるものである。

【００１７】請求項８の発明に係るレーザ照射装置は、
請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学
素子として磁気光学素子を用いるものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、
図を参照して説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係るレ
ーザ照射装置を示す構成図である。図中、図９と同一符
号は同一部分もしくは相当部分を示している。図におい
て、２は複屈折材料から構成される電気光学素子、３は
直交する偏光成分の進行方向を２方向に分離する偏光ビ
ームスプリッタ、４０１はレーザ光源１出射直後のレー
ザパルス、４０２は電気光学素子通過後のレーザパル
ス、４０３は偏光ビームスプリッタを透過するレーザパ
ルス、４０４は偏光ビームスプリッタで進行方向が直角
に折り曲げられたレーザパルス、５は折り曲げミラー、
６０１は第１の集光レンズ、６０２は第２の集光レン
ズ、７０１は第１の被照射物、７０２は第２の被照射物
である。８はパルスレーザ光源１を駆動するレーザ電
源、９は電気光学素子２に電圧を印加する電気光学素子
ドライバ、１０はレーザ電源８および電気光学素子ドラ
イバ９に対しトリガ信号（動作開始を指令する信号）を
供給する信号発生器である。

【００１９】本実施の形態のパルスレーザ光源１には、
フラッシュランプを励起光源としたYAGレーザを使用し
ている。従ってパルスレーザ光源１を出射するパルスレ
ーザ光のパルス時間幅は1ms程度である。また本実施の
形態はアルミニウムのスポット溶接に適用した例を示し
ている。即ち、第１の被照射物７０１、第２の被照射物
７０２はともにアルミニウムである。また、実際のレー
ザパルスの時間波形は、図１に示すような完全な矩形波
ではないが、説明を明瞭にするため便宜的に矩形波とし
て描いている。各レーザパルス４０１、４０２、４０
３、４０４上に示す両矢印ならびに黒丸は、レーザパル
ス中の偏光方向を表しており、両矢印は電界の偏波面が
紙面に平行な偏光（Ｐ偏光）、黒丸は電界の偏波面が紙
面に垂直な偏光（Ｓ偏光）を示している。

【００２０】次に動作を説明する。レーザ電源８によっ
て駆動されたパルスレーザ光源１は、パルス時間幅がT
で、電界の偏波面が紙面に平行な向きとなる直線偏光の
レーザパルス４０１を発生する。パルスレーザ光源１を
出射したレーザパルス４０１は、図中右方向へ進行して
電気光学素子２へ入射する。電気光学素子２には、複屈
折結晶（偏光方向によって屈折率が異なる結晶）である
DKDP（KD2PO4）結晶を使用している。このDKDP結晶は45
゜Zcutで立方体に切り出されており、結晶のY'方向とレ
ーザパルス４０１の進行方向が一致し、レーザパルス４
０１の偏光方向とDKDP結晶のZ方向が45゜の角度をなす
よう配置されている。DKDP結晶は複屈折材料であり、結
晶に入射したレーザパルスは偏光方向がX' 方向とZ方向
の２つに分離して伝搬する。DKDP結晶にはZ方向に電圧
を印加できるようZ面上に電極が設けられており、Z方向
に電圧を印加することによりZ方向の偏光に対する屈折
率を変化させることができる。この場合Z方向の屈折率
変化量は印加電圧に比例するため（ポッケルス効果）、
印加電圧によって結晶出射時のX'方向とZ方向の偏光に
任意の位相差をつけることができる。X'方向とZ方向の
偏光の位相差がちょうどλ/2になる場合、結晶出射後、
X'方向とZ方向偏光が結合された偏光の方向は、結晶入
射時の偏光方向と直交したものになる。この場合結晶へ
の印加電圧をλ/2電圧という。本実施の形態では、レー
ザ電源８と電気光学素子２へλ/2電圧を印加する電気光
学素子ドライバー９の動作タイミングは、レーザパルス
４０１が電気光学素子２に入射を開始してから、時間t1
経過後にλ/2電圧を印加されるよう信号発生器１０によ
って常に一定に保たれている。従って電気光学素子２通
過後のレーザパルス４０２は、パルス先頭部の時間t1部
分はＰ偏光、後続部の時間t2部分はＳ偏光となる。

【００２１】電気光学素子２を通過したレーザパルス４
０２は、偏光ビームスプリッタ３へ入射する。偏光ビー
ムスプリッタ３は、直交する偏光成分の進行方向を分離
するもので、本実施の形態では、P偏光成分は透過し、S
偏光成分の進行方向は直角に折り曲げられるよう配置さ
れている。レーザパルス４０２は先頭t1部分がＰ偏光、
後続t2部分がＳ偏光となっているので、レーザパルス４
０２中先頭t1部分は偏光ビームスプリッタ３を真っ直ぐ
透過し、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３に、後続
t2部分は偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直
角に折り曲げられ、パルス時間幅t2のレーザパルス４０
４となる。即ち、レーザパルス４０２は、パルス時間幅
の短い２つのパルスに時間的に分割される。

【００２２】偏光ビームスプリッタ３を透過したパルス
時間幅t1のレーザパルス４０３は、第１の集光レンズ６
０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射され
る。また偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直
角に折り曲げられたパルス時間幅t2のレーザパルス４０
４も同様に、折り曲げミラー５によって再度進行方向が
直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２を介
し、第２の被照射物７０２上に集光照射される。

【００２３】本実施の形態のレーザ照射装置は、一例と
して、アルミニウムのスポット溶接を行うものである。
アルミニウムは熱電導率の高い金属であり、パルスレー
ザ光を用いてスポット溶接を行う場合、パルス時間幅が
長くなると、被照射物であるアルミニウムからの熱の散
逸が顕著となるため、レーザパルス後半部をスポット溶
接に有効に利用することができず、逆に照射部周囲に対
し熱影響を与え加工品質を劣化させる原因となる。また
レーザパルスのピーク出力が低下すると、アルミニウム
からの熱の散逸により溶接自体が困難になる。

【００２４】本実施の形態のパルスレーザ光源１には、
フラッシュランプ励起のYAGレーザを使用している。フ
ラッシュランプ励起YAGレーザのパルス時間幅は、電源
およびランプからなる励起回路の回路定数で決まるた
め、パルス時間幅の変更には電源の改造が必要となる。
このためパルス時間幅の調整は容易ではない。

【００２５】本実施の形態に示すように、電気光学素子
２および偏光ビームスプリッタ３を使用し、単一のレー
ザパルス４０１、４０２を２つのレーザパルス４０３、
４０４に時間的に分割すれば、ピーク出力を低下させる
ことなく、分割前のレーザパル４０１、４０２に比べ、
パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４
を容易に形成することが可能になる。

【００２６】電気光学素子２および偏光ビームスプリッ
タ３によって時間的に分割されたレーザパルス４０３、
４０４を、それぞれ被照射物７０１、７０２へ伝送し、
被照射物７０１、７０２に対し照射すれば、レーザパル
ス４０３、４０４のパルス時間幅は、分割前のパルス時
間幅に比べ短くなるため、スポット溶接に対するパルス
レーザ光の光利用効率が高くなるばかりでなく、照射部
周囲に対する熱影響が小さくなるので、加工品質に優れ
たスポット溶接を行うことができる。また、レーザパル
ス４０３、４０４のピーク出力は分割以前のレーザパル
ス４０１、４０２とほぼ同等に保たれるため、溶接性能
は維持される。

【００２７】また、本実施の形態においては、単一のレ
ーザパルス４０１、４０２をパルス時間幅の短い２つの
レーザパルス４０３、４０４へ分割しているため、２つ
の被照射物７０１、７０２を同時に溶接することが可能
になる。この結果、上述のパルス時間幅の低減ともなう
光利用効率の増加と相まって、スポット溶接時の生産性
を大幅に向上させることができる。

【００２８】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、
図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示してい
る。本実施の形態においても前記実施の形態１と同様、
一例としてアルミニウムのスポット溶接に適用した例を
示している。本実施の形態のパルスレーザ光源１も、前
記実施の形態１と同じく、フラッシュランプを励起光源
として用いたYAGレーザを使用している。前記実施の形
態１においては、パルスレーザ光源１を出射する単一レ
ーザパルスを、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス
に時間的に分割する構成であったが、本実施の形態にお
いては、パルスレーザ光源１を出射するレーザパルス４
０１を、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０
３、４０４に時間的に分割する第１の電気光学素子２０
１、第１の偏光ビームスプリッタ３０１に加え、第１の
偏光ビームスプリッタ３０１を通過するP偏光のレーザ
パルス４０３を更に時間的に分割する第２の電気光学素
子２０２、第２の偏光ビームスプリッタ３０２、第１の
偏光ビームスプリッタ３０１で進行方向が直角に折り曲
げられたS偏光のレーザパルス４０４を更に時間的に分
割する第３の電気光学素子２０３、第３の偏光ビームス
プリッタ３０３を備えている。９０１、９０２、９０３
はそれぞれ電気光学素子２０１、２０２、２０３に電圧
を印加する電気光学素子ドライバであって、この場合、
信号発生器１０はレーザ電源８および電気光学素子ドラ
イバ９０１、９０２、９０３に対しトリガ信号（動作開
始を指令する信号）を供給する。

【００２９】次に動作を説明する。第１のビームスプリ
ッタ３０１を透過したP偏光のレーザパルス４０３は、
第２の電気光学素子２０２に入射する。第２の電気光学
素子２０２へレーザパルス４０３が入射を開始してか
ら、時間t3が経過した時点で、第２の電気光学素子２０
２にはλ/2電圧が印加される。従って第２の電気光学素
子２０２を通過したレーザパルス４０５の前半t3部分は
P偏光、後半t4部分はS偏光となる。

【００３０】レーザパルス４０５は第２の偏光ビームス
プリッタ３０２へ入射し、P偏光である前半t3部分は真
っ直ぐ透過し、S偏光である後半t4部分は進行方向が直
角に折り曲げられる。この結果、パルス時間幅t1のレー
ザパルス４０５は、パルス時間幅t3、t4の２つのレーザ
パルス４０７、４０８に時間的に分割される。パルス時
間幅t3のレーザパルス４０７は、第１の集光レンズ６０
１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。
また、パルス時間幅t4のレーザパルス４０８は、第２の
折り曲げミラー５０２によって更に進行方向が直角に折
り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２
の被照射物７０２上に集光照射される。

【００３１】一方、第１のビームスプリッタ３０１で進
行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４
０４は、第１の折り曲げミラー５０１によって更に進行
方向が直角に折り曲げられた後、第３の電気光学素子２
０３に入射する。第３の電気光学素子２０３へレーザパ
ルス４０４が入射を開始してから、時間t5が経過した時
点で、第３の電気光学素子２０３にはλ/2電圧が印加さ
れる。従って第３の電気光学素子２０３を通過したレー
ザパルス４０６の前半t5部分はS偏光、後半t6部分はP偏
光となる。

【００３２】レーザパルス４０６は第３の偏光ビームス
プリッタ３０３へ入射し、S偏光である前半t5部分は進
行方向が直角に折り曲げられ、P偏光である後半t6部分
は真っ直ぐ透過する。この結果、パルス時間幅t2のレー
ザパルス４０６は、パルス時間幅t6、t5の２つのレーザ
パルス４０９、４１０に時間的に分割される。パルス時
間幅t6のレーザパルス４０９は、第３の集光レンズ６０
３によって第３の被照射物７０３上に集光照射される。
また、パルス時間幅t5のレーザパルス４１０は、第３の
折り曲げミラー５０３によって更に進行方向が直角に折
り曲げられた後、第４の集光レンズ６０４によって第４
の被照射物７０４上に集光照射される。

【００３３】本実施の形態に示すように、第１の電気光
学素子２０１および第１の偏光ビームスプリッタ３０１
に加え、第２および第３の電気光学素子２０２、２０
３、第２および第３の偏光ビームスプリッタ３０２、３
０３を使用すれば、更にパルス時間幅の短いレーザパル
スを容易に形成することができる。

【００３４】本実施の形態は、前記実施の形態１に比べ
薄い板厚のアルミニウムのスポット溶接を行うものであ
る。アルミニウムの板厚が薄くなると、スポット溶接に
必要なレーザパルスのパルスエネルギーは小さくなる。
一定のパルスエネルギーのもとでは、パルス時間幅が短
い方が溶接部周囲への熱影響が小さく、加工品質に優れ
る。本実施の形態によれば、時間的にレーザパルスを分
割することにより、レーザパルスのパルスエネルギーを
調整することができる。従ってピーク出力は低下せず
に、パルス時間幅が減少するので、優れた加工品質を得
ることができる。

【００３５】また、本実施の形態によれば、単一のレー
ザパルスを最終的には４つのレーザパルスに分割してい
るため、４つの被照射物７０１、７０２、７０３、７０
４に対し同時に高品質のスポット溶接を施すことができ
る。従って、スポット溶接時の生産性を大幅に向上させ
ることができる。

【００３６】また、本実施の形態においても前記実施の
形態１と同じくフラッシュランプ励起のYAGレーザを使
用している。パルスレーザ光源１のレーザ媒質に固体媒
質を使用すれば、ガスレーザ等に比べ、パルスレーザ光
源の大きさを格段に小型化することができる。レーザパ
ルスのパルスエネルギーは、通常はYAG媒質に対する励
起強度を変化させることにより調整する。YAGのような
固体レーザ媒質を励起した場合、固体レーザ媒質の発熱
は避けることができず、固体レーザ媒質には熱レンズが
発生する。熱レンズの焦点距離は励起強度によって変化
する。固体レーザ媒質の熱レンズが変化すると、レーザ
の共振条件が変わるためビーム品質も変動する。従って
固体素子に対する励起強度によってパルスエネルギーの
調整を行う場合、一定の加工品質を保つことは困難にな
る。

【００３７】本実施の形態によれば、レーザパルスを時
間的に分割し、用途に応じたパルス時間幅、パルスエネ
ルギーへ調整することが可能となるので、励起強度を常
に一定に保ちながら、照射条件の最適化を図ることがで
きる。従って加工品質は一定し、ばらつきが小さく再現
性に優れた安定な加工を行うことが可能となる。

【００３８】本実施の形態においては、単一レーザパル
スを最終的に４つのパルスに分割する構成を示したが、
パルス分割数はこれに限るものではなく、パルスレーザ
光源のパルス出力、パルス時間幅、用途に応じて、分割
数を決定すればよい。本実施の形態において、第２の電
気光学素子および第２の偏光ビームスプリッタを使用し
なければ、単一レーザパルスを時間的に３つのパルスに
分割することができるし、第２、第３の偏光ビームスプ
リッタより被照射物側に、更に電気光学素子および偏光
ビームスプリッタを配置すれば、パルス分割数をより多
くすることができる。

【００３９】実施の形態３．図３はこの発明の実施の形
態３に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、
図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示してい
る。本実施の形態も前記実施の形態と同じく、一例とし
てパルスレーザ光源１にフラッシュランプ励起のYAGレ
ーザを使用し、アルミニウムのスポット溶接に使用した
例を示している。前記実施の形態においては、電気光学
素子によって、単一レーザパルス中に偏光方向が直交す
る２つの領域を形成し、偏光ビームスプリッタによって
単一レーザパルスを２つのレーザパルスへ時間的に分割
する構成であったが、本実施の形態においては、電気光
学素子２によって、単一レーザパルス中に隣接する領域
の偏光方向が直交するよう４つの領域を形成する構成を
示している。

【００４０】次に動作を説明する。パルスレーザ光源１
を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電気光学素
子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光学素子２
へ入射を開始してから時間t経過後、電気光学素子２に
λ/2電圧を時間tの間印加する。λ/2電圧印加停止後、
時間tの間をおいて再度電気光学素子２にλ/2電圧を印
加する。

【００４１】電気光学素子２に対するλ/2電圧印加時間
および印加停止時間tは、パルスレーザ光源１出射直後
のレーザパルス４０１のパルス時間幅Tのおよそ1/4に設
定されている。従って電気光学素子２通過後のレーザパ
ルス４０２は、時間tおきにP偏光とS偏光が交互に変化
する４つの領域から形成される。レーザパルス４０２を
偏光ビームスプリッタ３に入射させると、偏光ビームス
プリッタ３を真っ直ぐ透過する方向、および偏光ビーム
スプリッタ３において進行方向が直角に折り曲がる方向
に、パルス時間幅t、パルス間隔2tのダブルレーザパル
ス４０３、４０４、４０５、４０６が形成される。

【００４２】ダブルレーザパルス４０３、４０４は、第
１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上
に集光照射される。ダブルレーザパルス４０５、４０６
は折り曲げミラー５によって更に進行方向が直角に折り
曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２の
被照射物７０２上に集光照射される。

【００４３】レーザパルスのピークパワーを一定と仮定
した場合、パルス幅2tのレーザパルスで被照射物を照射
する場合と、パルス幅tのレーザパルスを時間間隔をお
いて２回照射する場合とでは、全照射パルスエネルギー
が同一であっても、加工特性は大きく異なる。後者の照
射方法は、前者の照射方法に比べ、被照射物に与える熱
影響が小さく、高い加工品質を得ることができる。本実
施の形態によれば、全照射パルスエネルギーを一定に維
持しつつ、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い複数
レーザパルスに分割し、被照射物に照射することが可能
となるので、加工品質の高いスポット溶接を行うことが
できる。

【００４４】本実施の形態においては、パルス時間幅が
ほぼ等しくなるダブルレーザパルスで、被照射物を照射
する構成を示したが、各レーザパルスのパルス時間幅
や、パルス数はこれに限るものではなく、被照射物であ
る材料や用途に応じて、最適なパルス時間幅およびパル
ス数を選定すればよい。

【００４５】上記実施の形態においては、偏光方向を直
角に回転させるため、いずれもポッケルス効果を利用し
た電気光学素子を使用する構成を示したが、電気光学素
子はこれに限るものではなく、複屈折量が印加電圧の２
乗に比例するカー効果を利用した電気光学素子を使用し
ても同様な効果を得ることができる。

【００４６】また、偏光方向の回転に磁気光学効果の１
つであるファラデー効果を利用した磁気光学素子を使用
しても、偏光方向を直角に回転させることは可能であり
同様な効果が得られることは言うまでもない。

【００４７】実施の形態４．図４はこの発明の実施の形
態４に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、
図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示してい
る。本実施の形態においては、パルスレーザ光源１に、
一例として半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッチで
パルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で第２
高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レーザを
使用している。被照射物は直列２段に配置されたレーザ
媒質で多段増幅器を構成している。本実施の形態では被
照射物であるレーザ媒質は色素である。パルスレーザ光
源を出射した単一レーザパルスを時間的に２分割し、分
割された各レーザパルスで被照射物であるレーザ媒質の
光励起を行う。

【００４８】図中、１２はパルスレーザ光源のレーザ媒
質に使用している固体素子で、本実施の形態では、Nd
（ネオジウム）を活性物質としてドープしたロッド形状
を有するYAG（イットリウムアルミニウムガーネット）
結晶を使用している。１３は励起光源である半導体レー
ザ、１４はレーザ共振器内の光損失を変化させることに
よりレーザパルス化するQスイッチ、１５は固体素子１
２から発せられた波長1.06mmの基本波光を、波長532nm
の第２高調波に波長変換する波長変換結晶で、本実施の
形態では一例としてKTP（KTiOPO4）結晶を使用してい
る。１６はレーザ共振器を構成する第１の端部ミラー
で、波長1064nmの基本波に対し全反射コーティングが施
されている。１７はレーザ共振器を構成する第２の端部
ミラーで、波長1064nmの基本波、波長532nmの第２高調
波両者に対し、全反射コートが施されている。１８は共
振器内の光軸を折り曲げ、第２高調波を共振器外部に取
り出すため波長1064nmの基本波光に対しては全反射、波
長532nmの第２高調波に対しては全透過となるよう２波
長コーティングが施された第２高調波取り出しミラーで
ある。１９はQスイッチ１４の駆動を行うQスイッチドラ
イバ、２０はレーザ媒質である直列に並べられた第１の
被照射物７０１と第２の被照射物７０２によって増幅さ
れる被増幅光である。

【００４９】次に動作を説明する。まず、半導体レーザ
１３から出射する励起光を、固体素子１２の光軸側方よ
り照射し、固体素子１２の励起を行う。励起された固体
素子１２中には、励起光の波長、活性媒質の原子構造に
応じた特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反
転分布は自然放出および誘導放出により減少するが、共
振器内に配置したQスイッチ１４による光損失が大きい
状態では、共振器内の光強度は増大し得ず、誘導放出に
よる反転分布の減少は無視することができる。従って励
起による反転分布増加量が自然放出による反転分布減少
量を上回る限り反転分布は増加し、高いエネルギーが固
体素子１２内に蓄積される。固体素子１２内に高いエネ
ルギーが蓄積された状態で、Qスイッチ１４による光損
失量を急速に低下させると、固体素子１２内で発生した
自然放出光は、第１の端部ミラ１６と第２の端部ミラー
１７により共振器内に閉じ込められ、固体素子１２の誘
導放出による増幅作用を被り共振器内の基本波光の強度
は急速に増加する。誘導放出の発生割合は、固体素子１
２を通過する光強度に比例するため、強度の高い基本波
レーザ光が固体素子１２中を通過する際、誘導放出が顕
著となり反転分布はしきい値以下にまで減少してしま
う。この結果、共振器内の基本波光は発振を停止する。
上述のように、共振器内にQ スイッチ１４を設置し、共
振器内の光損失を増減することにより、ピーク強度の高
いパルス光を発生することができる。特に本実施の形態
においては、基本波光を第１の端部ミラー１６および第
２の端部ミラー１７から構成される共振器内に閉じ込め
る構成としているので、共振器内の基本波光の強度は非
常に高くなる。

【００５０】本実施の形態においては、共振器内に波長
変換結晶１５を配置し、かつ第１の端部ミラー１６と第
２の端部ミラー１７によって基本波光を共振器内に閉じ
込めているので、非常にピーク強度の高い基本波光を波
長変換結晶１５中へ入射させることができる。波長変換
結晶１５において、基本波光が第２高調波光へ変換され
る割合は、理論的には基本波光強度の２乗に比例する。
本実施の形態に示すように共振器内部波長変換構成によ
れば、高強度の基本波光を波長変換結晶１５に入射さ
せ、効率よく第２高調波光を発生させることができる。
共振器内で発生した第２高調波は、共振器内に設置した
第２高調波取り出しミラー１８から共振器外部に取り出
される。本実施の形態においては、共振器出射時のレー
ザパルスのパルス幅はおよそ80nsであった。

【００５１】本実施の形態においては、電気光学素子ド
ライバ９とQスイッチドライバ１９の動作タイミング
を、同一の信号発生器１０により制御している。従っ
て、パルスレーザ光源１のパルス発生動作と電気光学素
子２への電圧印加動作は常に同期がとられている。レー
ザ共振器を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電
気光学素子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光
学素子２へ入射を開始してから時間t1が経過した時点で
電気光学素子２にλ/2電圧を印加する。従って電気光学
素子２を通過したレーザパルス４０２は前半t1部分がP
偏光、後半t2部分はS偏光となる。レーザパルス４０２
に偏光ビームスプリッタ３に入射し、パルス時間幅がt1
でP偏光のレーザパルス４０３と、パルス時間幅がt2でS
偏光のレーザパルス４０４に分割される。P偏光のレー
ザパルス４０３は、光ファイバ１１によって遅延された
後、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７
０１上に集光照射される。一方、S偏光のレーザパルス
４０４は折り曲げミラー５によって進行方向が直角に折
り曲げられた後、第２の集光ミラー６０２によって第２
の被照射物７０２上に集光照射される。

【００５２】前述のように、本実施の形態においては、
第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２は、
ともにレーザ媒質として用いる色素であり、第１の被照
射物７０１と第２の被照射物７０２を２段直列に配置す
ることにより多段増幅器の一部を構成している。本実施
の形態では色素の種類としてローダミン6Gを使用してい
る。第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２
は、それぞれレーザパルス４０３、４０４の照射により
光励起され、色素内の特定のエネルギー準位間で反転分
布が生じる。反転分布が形成された状態で、反転分布の
エネルギー準位間のエネルギー差に合致した波長を有す
る被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０１、７０
２中を通過すると、被増幅光２０は誘導放出によって増
幅作用を受け、被増幅光２０の光強度は増大する。

【００５３】励起された増幅媒質内では、ランダムに発
生する自然放出光が、誘導放出によって増幅されるASE
（Amplified Spontaneous Emission）が発生する。ASE
は本来増幅すべきレーザ光には寄与せず、反転分布に蓄
積されるエネルギーを消費するため、増幅効率低下の一
因になる。ASEの強度は、励起開始から時間経過にとも
ない増加する。増幅効率の観点から、ASE強度が立ち上
がる以前に励起を完了し、被増幅光の増幅を行う必要が
ある。

【００５４】本実施の形態によれば、パルスレーザ光源
より発せられた単一レーザパルスを、時間的に分割する
ことが可能となるので、パルスレーザ光源より発せられ
た単一レーザパルスのパルス時間幅が、被照射物である
レーザ媒質中において、ASE強度が立ち上がるまでに要
する時間よりも長い場合であっても、単一レーザパルス
を時間的に分割し、よりパルス時間幅の短いレーザパル
スを形成して、レーザ媒質に照射することにより、効率
よくレーザ媒質を励起し、被増幅光の増幅を行うことが
できる。

【００５５】反転分布によってレーザ媒質内に蓄積され
たエネルギーは、被増幅光が存在しない状態では、自然
放出やASE、その他非放射遷移によって経時的に減少す
る。レーザ媒質に対する励起持続時間が、反転分布の寿
命（反転分布によって蓄積されるエネルギーが1/eにな
る時間で定義）に比べ長くなる場合、レーザ媒質励起時
に被増幅光が存在しない状態においては、励起エネルギ
ーを反転分布として効果的蓄積することができず、増幅
効率低下の原因となる。一方、レーザ媒質励起時に、被
増幅光が存在する場合、反転分布に変換された励起エネ
ルギーは、誘導放出によって逐次被増幅光へ移譲される
ため、効率よく被増幅光の増幅を行うことが可能とな
る。

【００５６】本実施の形態においては、第１、第２の被
照射物７０１、７０２はレーザ媒質であるローダミン6G
であり、反転分布の寿命は30nsである。一方、時間的に
分割されたレーザパルス４０３、４０４のパルス時間幅
は40ns程度であるため、励起持続時間が反転分布の寿命
より長くなる。従って効率よい増幅を行うためには、励
起持続中に被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０
１、７０２中に存在する必要がある。

【００５７】また、第１、第２の被照射物７０１、７０
２は直列に配置されており、両者で同一の被増幅光２０
を増幅する。高効率な増幅を行うためには、第１の被照
射物７０１の励起開始時間と第２の被照射物７０２の励
起開始時間との間に、被増幅光２０が第１の被照射物７
０１から第２の被照射物７０２に至るまでに要する時間
差を設ける必要がある。

【００５８】本実施の形態においては、偏光ビームスプ
リッタ３によって時間的に分割されたP偏光のレーザパ
ルス４０３の光路上に、光ファイバ１１からなる遅延手
段を設けている。光ファイバ１１は、石英（屈折率：1.
42）から形成されており、ファイバ１m当たりおよそ4.7
4nsパルスを遅延させることができる。本実施の形態に
おいては、例えば長さ9mの光ファイバを使用することに
より、P偏光のレーザパルス４０３をおよそ43ns遅延さ
せている。この結果、第１の被照射物７０１と第２の被
照射物７０２を通過する被増幅光２０の通過タイミング
と、励起光であるレーザパルス４０３、４０４がそれぞ
れ第１の被照射物７０１、第２の被照射物７０２を照射
するタイミングを、同期させることが可能となった。こ
のため第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０
２中に反転分布として蓄積された励起エネルギーは、逐
次被増幅光２０に移譲され、効率よく被増幅光の増幅を
行うことができた。

【００５９】本実施の形態においては、パルスレーザ光
源１はQスイッチ１４によってパルス化している。Qスイ
ッチ１４はレーザ共振器中の光損失を時間的に変化させ
ることにより、レーザ媒質即ちYAG結晶内に反転分布と
して蓄積したエネルギーを光パルスとして間欠的に放出
するもので、パルス時間幅が短くピーク強度の高いレー
ザパルスの発生が可能となる。但し、Qスイッチによっ
て発生するレーザパルスのパルス時間幅は、レーザ媒質
の誘導放出断面積、レーザ媒質に対する励起強度、レー
ザ共振器の長さ、繰り返し周波数等によって決定され
る。即ち、Qスイッチ動作時のパルス時間幅は、レーザ
発振機構自体に関わり、動作条件によって変化するた
め、所望の動作条件において任意のパルス幅を得ること
は困難である。

【００６０】本実施の形態によれば、時間的にレーザパ
ルスを分割することが可能となるため、Qスイッチによ
ってパルス化されたレーザパルスを使用する場合であっ
ても、所望する動作条件においてパルスレーザ光源出射
直後のパルス時間幅よりも短い任意のパルス時間幅のレ
ーザパルスを得ることができる。

【００６１】本実施の形態においては、YAGレーザの第
２高調波光を用いて色素を励起する構成を示したが、パ
ルスレーザ光源および励起する増幅媒質はこれに限るも
のではなく、パルスレーザ光を用いて光励起するレーザ
増幅器であれば、いずれの構成にも適用することができ
る。

【００６２】実施の形態５．図５はこの発明の実施の形
態５に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、
図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分
を示している。本実施の形態においては、レーザ媒質と
して例えばチタンがドープされたサファイア結晶（チタ
ンサファイア結晶）を使用する再生増幅器へ適用する構
成を示している。従って本実施の形態の被照射物７はチ
タンサファイア結晶である。再生増幅器は増幅器自体で
光共振器を有するが、この発明は励起光源として用いる
レーザ照射装置を発明の主旨としているため、図５にお
いて再生増幅器の光共振器は簡単のため省略する。な
お、本実施の形態のパルスレーザ光源１も前記実施の形
態４と同じく、半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッ
チでパルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で
第２高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レー
ザを使用している。また、本実施の形態は前記実施の形
態４とは異なり、単一の被照射物７であるチタンサファ
イア結晶を励起する構成を示している。

【００６３】再生増幅器は増幅器自体が共振器を有する
ため、被増幅光２０が存在しない場合であっても、励起
すれば発振を開始する（自己発振）。自己発振を開始す
ると被照射物７であるレーザ媒質中に反転分布として蓄
積されたエネルギーが消費されるため、被増幅光を効率
よく増幅することが困難になるばかりでなく、本来の被
増幅光が目的としている用途に対し、自己発振光が悪影
響を与える。レーザ媒質に励起を開始してから、自己発
振を開始するまでには、共振器内で光強度が増加するた
めの時間（共振器ビルドアップ時間）を要する。従っ
て、再生増幅器の励起を行う場合には、励起持続時間を
共振器ビルドアップ時間よりも短くする必要がある。

【００６４】次に動作を説明する。本実施の形態によれ
ば、パルスレーザ光源１を出射した単一レーザパルス４
０１を時間的に分割することが可能となるので、共振器
ビルドアップ時間よりもパルス時間幅の短いレーザパル
ス４０３、４０４を形成することができる。偏光ビーム
スプリッタ３を透過したP偏光のレーザパルス４０３
は、第１の折り曲げミラー５０１により進行方向が直角
に折り曲げた後、光ファイバ１１から構成される遅延手
段によって所定時間遅延される。光ファイバで遅延作用
を受けたレーザパルス４０３は、第２の折り曲げミラー
５０２によって再度進行方向を直角に折り曲げ、第１の
集光ミラー６０１によって被照射物７であるチタンサフ
ァイア結晶に集光照射され、チタンサファイア結晶を光
励起する。一方、偏光ビームスプリッタ３で進行方向が
直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４は、
第３の折り曲げミラー５０３で進行方向が再度直角に折
り曲げられ、第２の集光レンズ６０２によって被照射物
７であるチタンサファイア結晶に集光照射され、チタン
サファイア結晶を光励起する。

【００６５】ここで、光ファイバ１１によるレーザパル
ス４０３の遅延時間は、レーザパルス４０３とレーザパ
ルス４０４が、被照射物７、即ちチタンサファイア結晶
へ同時に到達するよう調整されている。従って、被照射
物７であるチタンサファイア結晶へ照射されるパルスエ
ネルギーの合計は、パルスレーザ光源１出射時の単一レ
ーザパルス４０１とほぼ同等の値を維持しつつ、チタン
サファイア結晶に対する励起持続時間は、パルスレーザ
光源１出射時の単一レーザパルス４０１のパルス時間幅
に比べ大幅に低減する。この結果、自己発振が開始する
以前に励起を完了することが可能となり、効率よく被増
幅光２０の増幅を行うことができた。

【００６６】本実施の形態においては、単一レーザパル
スを時間的に２分割し、パルス遅延手段を用いて同時に
被照射物であるチタンサファイア結晶を励起する構成を
示したが、被照射物はレーザ媒質に限るものではない。
例えば、金属の微細穴開け等加工用途へ適用すれば、パ
ルスエネルギーをほぼ一定に維持しながら被照射物に対
する照射時間を効果的に低減することが可能となるの
で、加工速度を一定に保ちながら被照射物に対する熱影
響を低減し、加工品質の向上を図ることができる。

【００６７】実施の形態６．図６はこの発明の実施の形
態６に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、
図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分
を示している。本実施の形態のパルスレーザ光源１に
は、Qスイッチでパルス化したYAGレーザを使用し、ステ
ンレスの薄板に穴開け加工を施す構成を示している。パ
ルスレーザ光源１を出射するパルスレーザ光のパルス時
間幅は100ns程度で、実際のレーザパルスの時間波形
は、図６に示すような矩形波ではないが、説明を明瞭に
するため便宜的に矩形波として描いている。本実施の形
態において、パルスレーザ光源１から発せられた単一レ
ーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０
１によって時間的的に分割するまでは、前記いずれの実
施の形態とも同一の動作である。本実施の形態は、一
旦、時間的に分割したレーザパルス４０３、４０４を、
第２の偏光ビームスプリッタ３０２を使用して同一光路
上に再合成し、被照射物７であるステンレス薄板に照射
するものである。

【００６８】次に動作を説明する。パルスレーザ光源１
を出射したパルス時間幅TのP偏光の単一レーザパルス４
０１は、電気光学素子２によって、前半t1部分がS偏
光、後半t1部分がP偏光となるよう調整される。前半部
分がS偏光、後半部分がP偏光であるレーザパルス４０２
は、第１の偏光ビームスプリッタに入射する。S偏光で
あるレーザパルス前半部分は、進行方向が直角に折り曲
げられ、P偏光であるレーザパルス後半部分は第１の偏
光ビームスプリッタ３０１を直進して透過する。この結
果、単一レーザパルス４０２は、ほぼパルス時間幅が等
しいP偏光のレーザパルス４０３と、S偏光のレーザパル
ス４０４に時間的に分割される。

【００６９】P偏光のレーザパルス４０３は、第１の偏
光ビームスプリッタ３０１を透過し、第２の偏光ビーム
スプリッタ３０２に入射する。S偏光のレーザパルス４
０４は、偏光ビームスプリッタ３０１によって直角に進
行方向が折り曲げられた後、第１の折り曲げミラー５０
１によって再度進行方向が直角に折り曲げられる。第１
の折り曲げミラー５０１通過後、レーザパルス４０４は
パルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１に入射す
る。偏光保持光ファイバ１１透過後、第２の折り曲げミ
ラーによって再度進行方向が直角に折り曲げられた後、
P偏光のレーザパルス４０３とは直交する向きで、第２
の偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。ここで、パ
ルス遅延手段として使用する偏光保持光ファイバ１１の
長さは、P偏光のレーザパルス４０３とS偏光のレーザパ
ルス４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同
時に入射するよう調整されている。

【００７０】第１および第２のビームスプリッタ３０
１、３０２は、P偏光の入射光は直進して透過し、S偏光
の入射光は進行方向を直角に折り曲げられるよう形成さ
れているため、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に対
し、直交する角度で同時に入射したP偏光のレーザパル
ス４０３とS偏光のレーザパルス４０４は、同一光路上
に合成される。この結果、パルスレーザ光源１出射直後
の単一レーザパルス４０１と同等とパルスエネルギーを
維持しつつ、単一レーザパルス４０１に比べパルス時間
幅が短く、ピーク出力の高い、単一レーザパルス４０５
が形成される。単一レーザパルス４０５は、集光レンズ
６によって、被照射物７であるステンレス薄板上に集光
照射される。

【００７１】本実施の形態によれば、パルスレーザ光源
出射時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス
時間幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形
成することが可能となるため、加工速度を低下させるこ
となく被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向
上を図ることができる。

【００７２】また、本実施の形態によれば、２つのレー
ザパルスを同一光路上に重畳して単一レーザパルスを形
成し、被照射物に照射するので、２つのレーザパルスを
別々の光路で伝送し、被照射物上の同一個所を同時に照
射する場合に比べ、光路構成が簡単になり、光路調整を
格段に容易にすることができる。また２つのレーザパル
スを別々の光路で伝送し被照射物に照射する場合、２つ
のレーザパルス照射時の等価的なビーム集光性は、分割
前の単一レーザパルスに比べ1/2以下に低下するが、本
実施の形態に示すように、２つのレーザパルスを同一光
路上に合成すれば、合成後の単一レーザパルスの集光性
は、分割前の単一レーザパルスの集光性をほぼ維持する
ことができる。従って、２つのレーザパルスを別々の光
路で伝送し被照射物に照射する場合に比べ、焦点深度が
深く、精度よく分解能の高い加工を行うことができる。

【００７３】実施の形態７．図７はこの発明の実施の形
態７に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時
間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部
分もしくは相当部分を示している。前記実施の形態６に
おいては、ほぼパルス時間幅が等しくなるよう時間的に
分割した２つのパルスを、パルス遅延手段を用いて同時
に第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射するよう調
整し、同一光路上に合成する構成を示したが、図７に示
す本実施の形態では、図６に示す前記実施の形態と同一
構成において、単一レーザパルス４０１を、第１の偏光
ビームスプリッタ３０１によって、パルス時間幅t1のレ
ーザパルス４０３と、パルス時間幅t2のレーザパルス４
０４に分割する。パルス遅延手段である偏光保持光ファ
イバ１１によって、２つのレーザパルス４０３、４０４
が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２にΔｔの時間差
をもって入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０
３、４０４を同一光路上に合成する。図７は、合成前の
２つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レ
ーザパルス４０５を示している。

【００７４】本実施の形態に示すように、第１の偏光ビ
ームスプリッタ３０１で時間的に分割したレーザパルス
４０３、４０４の一部のみが重なるようパルス遅延手段
によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が第２の
偏光ビームスプリッタ３０２へ入射するタイミングを調
整すれば、パルス先頭部Δｔとパルス後端部t1+Δｔ-t2
のピーク出力が低く、パルス中央部t2-Δtのピーク出力
が高いパルス時間幅t1+t2-Δtの単一レーザパルス４０
５を形成することができる。

【００７５】実施の形態８．図８はこの発明の実施の形
態８に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時
間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部
分もしくは相当部分を示している。本実施の形態におい
ても、図６に示す前記実施の形態６と同一の構成を用い
ている。本実施の形態においては、単一レーザパルス４
０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって、
パルス時間幅t1のレーザパルス４０３と、レーザパルス
４０３に比べパルス時間幅の短いパルス時間幅t2のレー
ザパルス４０４に分割する。パルス遅延手段である偏光
保持光ファイバ１１によって、２つのレーザパルス４０
３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同
時に入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、
４０４を同一光路上に合成する。図８では、合成前の２
つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レー
ザパルス４０５を示している。

【００７６】本実施の形態に示すように、単一レーザパ
ルスを第１の偏光ビームスプリッタ３０１によってパル
ス時間幅の大きく異なる２つのレーザパルス４０３、４
０４に時間的に分割し、パルス遅延手段を用いて、分割
された２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏
光ビームスプリッタ３０２へ同時に入射するよう調整
し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に
調整すれば、パルス先頭部t2のピーク出力が高く、パル
ス時間幅t1の単一レーザパルス４０５を形成することが
できる。

【００７７】第２の偏光ビームスプリッタを用いたパル
ス合成の種類は、上記実施の形態に限るものではなく、
用途に応じて、単一レーザパルス分割時のパルス時間
幅、第２の偏光ビームスプリッタにおける入射タイミン
グを設定し、目的に応じて最適なパルス時間波形となる
よう単一パルスを合成すればよい。要するに、レーザの
種類を問わず、直線偏光の単一レーザパルス中の偏光方
向を一部直交させ、第１の偏光ビームスプリッタを用い
て偏光が直交する部分を一旦時間的に分割し、分割した
レーザパルスの遅延時間を調整して、第２の偏光ビーム
スプリッタを用いて再度合成すれば、様々なパルス時間
波形を有するレーザパルスの合成が可能になるというこ
とである。

【００７８】上記実施の形態においては、直線偏光の単
一レーザパルスを、第１の偏光ビームスプリッタで２つ
に分割し、第２の偏光ビームスプリッタによって、２つ
に分割したレーザパルスを一部時間的に重ね合わせ合成
する構成を示したが、単一レーザパルスの分割数は２つ
に限るものではなく、またパルス合成時、時間的に重ね
ることなく同一光路上に合成すれば、単一レーザパルス
からパルス時間幅の短い複数のレーザパルスのパルス列
を形成することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルス
レーザ光源と、パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転
させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの進行方向
に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプ
リッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏
光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備
え、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過
する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向
を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交す
る直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタに
よって直交する２つの直線偏光部分を分離することによ
り、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも
２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザ
パルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたので、
パルスレーザ光源の動作条件の変更によって、パルス時
間幅の低減が困難な場合であっても、パルスレーザ光源
を出射する単一レーザパルスに比べ、パルス時間幅の短
いパルスを容易に生成することが可能となり、この結
果、被照射物に対する熱影響を緩和し、加工用途に適用
する場合には加工品質が向上するばかりでなく、パルス
レーザ光の利用効率を高めることができ、また同時に複
数の被照射物にレーザパルスを照射することが可能とな
るので、生産性を効果的に向上させることが可能になる
という効果がある。

【００８０】また、請求項２の発明によれば、請求項１
の発明において、前記偏光ビームスプリッタで進行方向
が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏
光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照
射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設
けたので、偏光ビームスプリッタによって分割した各レ
ーザパルスの、被照射物に対する照射タイミングの調整
が可能となるため、被照射物に対し分割した各レーザパ
ルスを同時に照射するよう照射タイミングを調整すれ
ば、分割前の単一レーザパルスと同等のパルスエネルギ
ーを、分割前の単一レーザパルスのパルス時間幅に比べ
短い時間内に、被照射物に対し照射することが可能とな
り、以って、加工用途に使用する場合には、生産性を低
下させることなく、熱影響を緩和し、加工品質の向上を
図ることができ、またレーザ増幅器の励起に使用する場
合、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄積エネルギ
ーの消費を効果的に低減することが可能となり、高い増
幅効率を得ることができるという効果がある。

【００８１】また、請求項３の発明によれば、請求項１
または２の発明において、前記パルスレーザ光源は、Q
スイッチによってパルス化しているので、パルス時間幅
が短く、ピーク出力の高いレーザパルスを得ることがで
きるばかりでなく、時間的にレーザパルスを分割するこ
とが可能となるため、所望する動作条件において、パル
スレーザ光源を出射する単一レーザパルスのパルス時間
幅よりも短い任意のパルス時間幅のレーザパルスを得る
ことができるという効果がある。

【００８２】また、請求項４の発明によれば、請求項１
ないし３のいずれかの発明において、前記パルスレーザ
光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用
するので、パルスレーザ光源を小型化することが可能と
なるばかりでなく、パルスレーザ光源の動作条件を一定
に保持したまま、レーザパルスを時間的に分割し、用途
に応じたパルス時間幅、パルスエネルギーへ調整するこ
とが可能となり、以って、励起強度を常に一定に保ちな
がら、照射条件の最適化を図ることができ、加工品質は
一定し、ばらつきが小さく再現性に優れた安定な加工を
行うことが可能となるという効果がある。

【００８３】また、請求項５の発明によれば、請求項４
の発明において、前記パルスレーザ光源として、前記固
体レーザ媒質の第２高調波を使用するので、色素やチタ
ンサファイア結晶等をレーザ媒質として用いた増幅器の
励起を行う際、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄
積エネルギーの消費を効果的に低減し、高い増幅効率を
得ることができるという効果がある。

【００８４】また、請求項６の発明によれば、請求項１
ないし５のいずれかの発明において、前記偏光ビームス
プリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交
するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタによ
り再度同一光路に合成するので、パルスレーザ光源出射
時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス時間
幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形成す
ることが可能となり、加工速度を低下させることなく被
照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図る
ことができるばかりでなく、２つのレーザパルスを別々
の光路で伝送する場合に比べ、光路構成が簡単になり、
光路調整を格段に容易にすることができ、また合成後の
単一レーザパルスの集光性は、分割前の単一レーザパル
スの集光性がほぼ維持されるので、焦点深度が深く、精
度よく分解能の高い加工を行うことができ、更に分割し
たレーザパルスを合成する際の遅延時間を調整すること
により、用途に応じたパルス時間波形となるようレーザ
パルスを合成することができるという効果がある。

【００８５】また、請求項７の発明によれば、請求項１
ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子とし
て電気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確
実に回転させることができるという効果がある。

【００８６】また、請求項８の発明によれば、請求項１
ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子とし
て磁気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確
実に回転させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態２に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図３】 この発明の実施の形態３に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図４】 この発明の実施の形態４に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図５】 この発明の実施の形態５に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図６】 この発明の実施の形態６に係るレーザ照射装
置を示す構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態７に係るレーザ照射装
置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。

【図８】 この発明の実施の形態８に係るレーザ照射装
置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。

【図９】 従来のレーザ照射装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ パルスレーザ光源、 ２ 電気光学素子、 ３ 偏
光ビームスプリッタ、３０２ 第２の偏光ビームスプリ
ッタ、 ４０１ レーザ光源出射直後のレーザパルス、
４０２ 電気光学素子通過後のレーザパルス、 ４０
３ 偏光ビームスプリッタを透過するレーザパルス、
４０４ 偏光ビームスプリッタで進行方向が直角に折り
曲げられたレーザパルス、 ４０５ 合成されたレーザ
パルス、 ７ 被照射物、 ７０１ 第１の被照射物、
７０２ 第２の被照射物、１１ 光ファイバ、 １２
YAG結晶、 １４ Qスイッチ、 １５ 波長変換結
晶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉沢 憲治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 八木 重典 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA02 CA24 DA03 GA01 KA06 4E068 CA05 CD03 CD05 CD08 CK01 5F072 AB01 HH07 JJ20 KK12 KK13 MM03 MM04 PP01 QQ02

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光したパルスレーザ光を発生する
   パルスレーザ光源と、 パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子
   と、 直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビー
   ムスプリッタと、 該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された
   ２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する
   伝送光路とを備え、直線偏光の単一レーザパルスが前記
   光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部
   分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中
   に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビー
   ムスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分
   離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の
   短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、
   分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するよ
   うにしたことを特徴とするレーザ照射装置。
2. 【請求項２】 前記偏光ビームスプリッタで進行方向が
   分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光
   成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射
   物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設け
   たことを特徴とする請求項１記載のレーザ照射装置。
3. 【請求項３】 前記パルスレーザ光源は、Qスイッチに
   よってパルス化していることを特徴とする請求項１また
   は２記載のレーザ照射装置。
4. 【請求項４】 前記パルスレーザ光源として、固体レー
   ザ媒質を用いた固体レーザを使用することを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ照射装置。
5. 【請求項５】 前記パルスレーザ光源として、前記固体
   レーザ媒質の第２高調波を使用することを特徴とする請
   求項４記載のレーザ照射装置。
6. 【請求項６】 前記偏光ビームスプリッタによって進行
   方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、
   第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成
   することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記
   載のレーザ照射装置。
7. 【請求項７】 前記光学素子として電気光学素子を用い
   ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載
   のレーザ照射装置。
8. 【請求項８】 前記光学素子として磁気光学素子を用い
   ることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載
   のレーザ照射装置。