JP2001223421A

JP2001223421A - 波長変換レーザ装置およびレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2001223421A
Application number: JP2000032007A
Authority: JP
Inventors: Susumu Konno; 進今野; Yoko Inoue; 陽子井上; Tetsuo Kojima; 哲夫小島; Shuichi Fujikawa; 周一藤川; Kimiharu Yasui; 公治安井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2001-08-17
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JP3700516B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザ
ビームを光学素子の損傷なく、長時間安定に発生可能で
ある波長変換レーザ装置を提供し、また、より高次の波
長変換を高効率に行い、更に、高速加工可能なレーザ加
工装置を提供する。【解決手段】Ｑスイッチ素子２と、レーザ活性媒質４
と、Ｑスイッチ素子２のパルスの間隔よりも短い時間で
レーザ活性媒質４を励起するレーザ活性媒質励起源装置
３と、Ｑスイッチ素子２のＱスイッチングおよび励起に
よるレーザ活性媒質４に蓄積されたエネルギーに基づき
生成された基本波パルスレーザビームを高調波レーザビ
ーム８に変換する波長変換結晶６とを備えたものであ
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、高パルスエネル
ギーの波長変換パルスレーザビームを高効率に発生する
波長変換レーザ装置およびレーザ加工装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、Ｆ．Ｈａｎｓｏｎａｎｄ
Ｐ．Ｐｏｉｒｉｅｒ、ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ
／Ｖｏｌ．１９、ＮＯ．１９／Ｏｃｔｏｂｅｒ１、１
９９４、Ｐ１５２６−１５２８に示された従来の波長変
換レーザ装置を示す構成図であり、より具体的にはレー
ザ共振器の概略図を模式的に示したものである。図１２
において、３０は基本波レーザビームに対して高い反射
率を有する全反射ミラー、３１はＱスイッチ素子、３２
はレーザ活性媒質を励起するレーザダイオード、３３は
ロッド型レーザ活性媒質Ｎｄ：ＹＡＧ、３４は第２高調
波レーザビームに対して高い透過率を有し、基本波レー
ザビームに対して高い反射率を有する、波長変換レーザ
ビーム取り出しミラー兼共振器折り返しミラー、３５は
第２高調波発生用波長変換結晶ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ
５）、３６は波長変換レーザビームと基本波レーザビー
ムに対して高い反射率を有する全反射共振器ミラー、３
７は第２高調波レーザビーム、３８はλ／４板、３９は
ブリュ−スター板である。波長変換結晶３５には、波長
変換結晶の角度、温度等を調整する装置等の、位相整合
を起こす手段が設けられている。レーザダイオード３２
はパルス電源によって駆動されパルス励起動作が可能で
ある。共振器ミラー３０、３４、３６、レーザ活性媒質
３３およびその励起源３２、Ｑスイッチ素子３１によっ
て発生した基本波パルスレーザビームは、共振器内を往
復する間に波長変換結晶３５によって第２高調波パルス
レーザビームに変換される。発生した波長変換パルスレ
ーザビームは波長変換レーザビーム取り出しミラー３４
から取り出される。

【０００３】図１３は、Ｓ．Ｐ．Ｖｅｌｓｋｏｅｔ
ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（２
３）、Ｊｕｎｅ６、１９９４、Ｐ３０８６−３０８８
に示された別の従来の波長変換レーザ装置の構成を示す
図であり、図１３において、４０は集光レンズ、４１は
偏光選択素子(ＴｈｉｎＦｉｌｍＰｏｌａｒｉｚｅ
ｒ)、４２はスラブ型レーザ活性媒質（Ｎｄ：ＹＡ
Ｇ）、４３は部分透過ミラー、４４は基本波レーザビー
ムと第２高調波レーザビームの光軸、４５は共振器内部
の基本波レーザビームの光軸である。他の符号は、図１
２で示されたものと同一あるいは相当するものである。
図１３のように構成された外部波長変換レーザ装置にお
いては、レーザ共振器ミラー３０、４３、偏光選択素子
４１、レーザ活性媒質４２、Ｑスイッチ素子３１によっ
て構成されるレーザ共振器によってＱパルス基本波ビー
ムが発生し、部分透過ミラー４３から取り出される。取
り出された基本波Ｑパルスレーザビームは集光レンズ４
０によって集光され、第２高調波レーザビーム発生用波
長変換結晶３５に入射し、入射した基本波レーザビーム
の一部は第２高調波レーザビームに変換され、基本波レ
ーザビームとともに光軸４４として第２高調波レーザビ
ーム発生用波長変換結晶３５から出射する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の内部波長変換型
Ｑパルスレーザ装置は、レーザ活性媒質励起エネルギー
が低く、発生する第２高調波レーザビームのパルスエネ
ルギーが２.６ｍＪと低く、より高いパルスエネルギー
のパルスレーザビームを発生しようとした場合におき
る、光学素子の損傷については全く考慮されていない。
そのため、同様の構成では、２０ｍＪ以上といった高パ
ルスエネルギーの波長変換パルスレーザビームを長時間
安定に発生することは不可能である。また、従来、共振
器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部
波長変換型の波長変換レーザ装置は、パルスエネルギー
が２０ｍＪ／パルス以下であった。その理由は、高いパ
ルスエネルギーの波長変換レーザビームを発生しようと
すると、共振器内部に配置された光学素子が高いレーザ
ビームフルエンスのため損傷を受け、長時間にわたって
安定に動作することが難しく、２０ｍＪ／パルス程度の
高いパルスエネルギーをもつＱスイッチ内部波長変換レ
ーザを構成するのは難しいと考えられていたためであ
る。そのため、高パルスエネルギーの波長変換レーザ装
置は共振器の外に波長変換結晶を配置し波長変換を行
う、外部波長変換方式によって構成されていたが、外部
波長変換方式では共振器から部分透過ミラーによって取
り出した赤外ビームを波長変換するため、波長変換効率
が低く、結果として、励起源への投入電力から第２高調
波レーザビーム出力への変換効率（以下、電気-光変換
効率）は低かった。上記の従来例に示した外部波長変換
レーザ装置も外部波長変換レーザ装置としては、高効率
の波長変換を実現しているが、共振器から出射した基本
波レーザビームから第２高調波レーザビームへの変換効
率は５０％程度と内部波調変換方式のレーザ装置にくら
べると変換効率が低い。

【０００５】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたものであり、高パルスエネルギーの波
長変換パルスレーザビームを光学素子の損傷なく、長時
間安定に発生可能である波長変換レーザ装置を提供する
ことを目的としており、また、より高次の波長変換を高
効率に行うこと、高速加工可能なレーザ加工装置を提供
することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の波長変換レー
ザ装置は、Ｑスイッチ素子と、レーザ活性媒質と、Ｑス
イッチ素子のパルスの間隔よりも短い時間でレーザ活性
媒質を励起するレーザ活性媒質励起源装置と、Ｑスイッ
チ素子のＱスイッチングおよび励起によるレーザ活性媒
質に蓄積されたエネルギーに基づき生成された基本波パ
ルスレーザビームを高調波レーザビームに変換する波長
変換結晶とを備えたものである。また、レーザ活性媒質
励起源装置は、蛍光寿命以下の短い時間でレーザ活性媒
質を励起する。また、レーザ活性媒質励起源装置のレー
ザ活性媒質の励起時間を制御する第１の制御装置と、Ｑ
スイッチ素子のＱスイッチングが起こるタイミングを制
御する第２の制御装置とを備えたものである。また、レ
ーザ活性媒質は、第１のレーザ活性媒質と第２のレーザ
活性媒質とから構成され、レーザ活性媒質励起源装置
は、第１のレーザ活性媒質を励起する第１のレーザ活性
媒質励起源装置と第２のレーザ活性媒質を励起する第２
のレーザ活性媒質励起源装置とから構成され、第１のレ
ーザ活性媒質励起源装置と第２のレーザ活性媒質励起源
装置との間に、偏光方向回転素子が設けられている。ま
た、偏光方向回転素子は９０度偏光方向回転素子であ
る。また、偏光方向回転素子に対して非対称な構成であ
る。また、Ｑスイッチ素子とレーザ活性媒質励起源装置
と波長変換結晶とは、第１のレーザ共振器ミラーと第２
のレーザ共振器ミラーとの間にそれぞれ設けられてい
る。また、第１のレーザ共振器ミラーおよび第２のレー
ザ共振器ミラーは凹ミラーである。また、第１のレーザ
共振器ミラーとレーザ活性媒質との距離は５００ｍｍ以
上である。また、レーザ活性媒質励起源装置と波長変換
結晶との間に設けられ、入射された基本波パルスレーザ
ビームを反射させ、入射された高調波レーザビームを透
過させる第３のレーザ共振器ミラーを備えたものであ
る。また、レーザ活性媒質はロッド型の固体レーザ活性
媒質であり、固体レーザ活性媒質をＯリングを介してキ
ャビティーに固定するＯリング押さえと、ロッド型の固
体レーザ活性媒質の中心軸と一致した開口部を有するア
パーチャとを設けたものである。また、高調波レーザビ
ームは、２０ｍＪ／パルス以上のパルスエネルギーを有
する。また、波長変換結晶により発生した高調波レーザ
ビームを更に高次な高調波レーザビームに変換する。こ
の発明のレーザ加工装置は、上記した波長変換レーザ装
置を光源に用いたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、この発明
の実施の形態１の波長変換レーザ装置の構成を示した図
であり、より具体的にはレーザ共振器の概略図および固
体レーザ活性媒質励起源駆動用電源とＱスイッチ素子の
駆動用電源を模式的に示したものである。図１におい
て、１は基本波レーザビームに対して高い反射率を有す
る全反射ミラー、２はＱスイッチ素子、３はランプやレ
ーザダイオード等のレーザ活性媒質励起源、4はＮｄ：
ＹＡＧなどのレーザ活性媒質、５は第２高調波レーザビ
ームに対して高い透過率を有し、基本波レーザビームに
対して高い反射率を有する、波長変換レーザビーム取り
出しミラー兼共振器折り返しミラー、６は第２高調波発
生用波長変換結晶、７は波長変換レーザビームと基本波
レーザビームに対して高い反射率を有する全反射共振器
ミラーである。8は第２高調波レーザビーム、9はＱスイ
ッチ素子駆動用電源、１０は時間変調可能なレーザ活性
媒質励起源駆動用電源、１１はレーザ活性媒質励起源駆
動用電源１０から駆動トリガー信号を受け取り、該トリ
ガー信号に対して時間遅れを施し、遅延を施した信号を
Ｑスイッチ素子駆動用電源９へ出力する機能を備えた装
置である。波長変換結晶6には、波長変換結晶の角度、
温度を調整する装置等の位相整合を起こすための手段が
設けられている。

【０００８】図1のように構成された波長変換レーザ装
置においては、以下に説明する方法で、高いパルスエネ
ルギーを有する波長変換パルスレーザビームを高効率に
発生することが可能である。まず、共振器動作について
説明する。共振器ミラー１、５、７、レーザ活性媒質4
およびその励起源３、Ｑスイッチ素子２によって発生し
た基本波パルスレーザビームの一部は、共振器内を往復
する間に波長変換結晶６を通過する際に第２高調波パル
スレーザビームに変換される。発生した第２高調波パル
スレーザビームは、第２高調波レーザビーム取り出しミ
ラー５によって基本波レーザビームから分離され、共振
器から取り出される。

【０００９】以下にＱスイッチ素子とレーザ活性媒質励
起源の動作タイミングについて説明する。図２は、Ｑパ
ルス発振が起きる際の各装置の動作タイミングを説明す
るための図であり、図２（ａ）はＱスイッチ素子によっ
てもたらされる共振器ロスの時間変化を模式的に示した
図であり、図２（ｂ）はレーザ活性媒質励起強度の時間
変化を模式的に示した図である。図２（ｃ）は波長変換
レーザビーム強度の時間変化を模式的に示した図であ
る。例えば、波長変換レーザ装置をｆ（Ｈｚ）で運転し
た場合には、１／ｆ秒に一度、図２に示したＱパルス発
振過程が起こる。また、動作のタイミングをよりわかり
やすく示すため、図２（ａ）〜図２（ｃ）は時間軸（横
軸）をそろえて表示している。

【００１０】図２（ａ）において、Ｔｄはレーザ活性媒
質の励起が開始されてからＱスイッチ素子のロスが低下
し始めるまでの時間である。ＴｇはＱスイッチ素子のロ
スが小さく、共振器のＱ値が高くなっている時間であ
る。また、Ｔｐはレーザ活性媒質励起時間であり、レー
ザ活性媒質の蛍光寿命以下、もしくは長くとも蛍光寿命
と同程度に設定される。Ｑスイッチ素子のパルスの間隔
は、図２（ａ）に示したパルスの１周期分を示す。

【００１１】Ｑスイッチ発振が行われる過程について以
下に説明する。まず、Ｔｐの間、レーザ活性媒質励起が
行われる。その間、共振器のＱ値が小さい状態のままで
あるため、レーザ発振は起きずにレーザ活性媒質にエネ
ルギーが蓄積される。その後、Ｑスイッチ素子のロスが
低下し、共振器のＱ値が高まることによって、レーザ活
性媒質に蓄積されたエネルギーはＱパルスレーザビーム
として取り出される。Ｑパルス発振終了後、再び、Ｑス
イッチ素子のロスが高まり共振器のＱ値が低い状態とな
る。以上の過程を繰り返す。共振器のＱ値の切り替えを
Ｑスイッチングと称す。

【００１２】Ｑパルス発振が起こる間隔（１／ｆ秒）が
レーザ活性媒質の蛍光寿命に比べて十分長い場合、この
ように、Ｑパルス発振が起こる直前に、蛍光寿命以下の
短時間、高い強度でパルス的に励起を行うことは、高い
パルスエネルギーのＱパルス波長変換レーザビームを高
効率に発生するのに有利である。その理由は、Ｑパルス
レーザビームとして取り出されるエネルギー（レーザ活
性媒質に反転分布として蓄積されるエネルギーに依存す
る）は、図３に示すように、励起時間Ｔｐがレーザ活性
媒質の蛍光寿命に対して短い場合には、Ｔｐを長くする
ほど増加するが、Ｔｐが蛍光寿命より長い場合、自然放
出（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅＤｅｃａｙ）の効果に
より、出射パルスエネルギーの増加に飽和傾向があらわ
れる。すなわち、蛍光寿命以上の時間、レーザ活性媒質
を励起し続けても、励起したエネルギーの大部分はＱス
イッチパルスエネルギーの増加に寄与しない。

【００１３】従って、連続励起して、Ｑパルス発振の繰
返し周波数を下げて、Ｑパルス発振の間隔、すなわち、
励起時間を長くするのではなく、実施の形態１に示した
ような方法で、励起時間を蛍光寿命以下に保ち、その間
の励起強度を上げることにより、パルスエネルギーを増
加させることが可能である。

【００１４】具体例を挙げると、Ｎｄ：ＹＡＧを活性媒
質として用いた場合、蛍光寿命は２３０μｓ（Ｗ.Ｋｏ
ｅｃｈｎｅｒ、Sｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅＬａｓｅｒＥ
ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、５ｔｈＥｄｉｔｉｏｎに記
載）であるため、Ｔｐはそれと同等の２００μｓ、また
はそれ以下の時間に設定した場合、励起したエネルギー
を、効率よくＱパルスレーザビームとして取り出すこと
が可能である。

【００１５】実施の形態１に記したように、励起電源に
変調を加えてパルス状の励起を行った場合、連続励起し
た場合に比べて、上記に記した励起エネルギーから出射
パルスエネルギーへの変換効率を向上できる効果によ
り、全励起エネルギーを低減することができ、結果とし
て、レーザ活性媒質への熱負荷を下げることができる。
そのため、ロッド状のレーザ活性媒質を用いた場合に
は、レーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離を長くすること
ができ、安定に発振可能な領域を連続励起した場合に比
べて広げることが可能である。また、熱レンズ焦点距離
を長くすることができるため、共振器長さを長くするこ
とが可能である。Ｑパルスレーザ装置においては、共振
器長さが長くなるほど、パルス幅が長くなるため、パル
スピーク強度を下げ、光学素子への損傷の起きにくい装
置を提供することができる。

【００１６】実施の形態１のように、高いパルスエネル
ギーを持つパルスレーザビームを発生する場合、励起電
源に変調を加えてパルス状の励起を行う方式を採用し、
パルスピーク強度を下げ、光学素子への損傷の起きにく
い装置とする必要性は、従来装置に比べ著しく高い。

【００１７】共振器内部に波長変換結晶を配置して波長
変換を行う、内部波長変換型のレーザにおいては、外部
要因による擾乱により、波長変換効率が低下した場合、
一時的に共振器内基本波パルスレーザビームのピーク強
度が上がり、光学素子の損傷が起きることがある。その
ため、励起電源に変調を加えてパルス状の励起を行う方
式を採用し、パルスピーク強度を下げ、光学素子への損
傷の起きにくい装置とする必要性は、従来装置に比べ著
しく高い。

【００１８】以上、示した理由から、共振器内にＱスイ
ッチ素子と波長変換結晶を配置し、２０ｍＪ／パルス以
上のパルスエネルギーを持つ波長変換パルスレーザビー
ムを発生する際、実施の形態１のようにパルス状の励起
方式を採用することにより、高効率かつ安定に長時間、
光学素子への損傷なく動作可能な波長変換レーザ装置が
構成できる。

【００１９】装置１１の遅延時間Ｔｄを可変としてや
り、固体レーザ活性媒質の励起波形、励起強度が変化
し、最適の遅れ時間が変化した場合にも、高効率なＱパ
ルスビームの取り出しが可能であるよう、遅れ時間を調
整することが可能な装置を構成しても良い。

【００２０】従来、共振器内部に波長変換結晶を配置し
て波長変換を行う、内部波長変換型の波長変換レーザ装
置は、パルスエネルギーが２０ｍＪ／パルス以下であっ
た。その理由は、高いパルスエネルギーの波長変換レー
ザビームを発生しようとすると、共振器内部に配置され
た光学素子が高いレーザビームフルエンスのため損傷を
受け、長時間にわたって安定に動作することが難しく、
２０ｍＪ／パルス程度の高いパルスエネルギーをもつＱ
スイッチ内部波長変換レーザを構成するのは難しいと考
えられていたためである。そのため、高パルスエネルギ
ーの波長変換レーザ装置は共振器の外に波長変換結晶を
配置し波長変換を行う、外部波長変換方式によって構成
されていたが、外部波長変換方式では共振器から部分透
過ミラーによって取り出した赤外ビームを波長変換する
ため、波長変換効率が低く、結果として、励起源への投
入電力から第2高調波レーザビーム出力への変換効率
（以下、電気-光変換効率）は低かった。

【００２１】この発明によって得られた知見をもとに、
発明者らは、パルスエネルギー５０ｍＪ以上の高いパル
スエネルギーを有する第２高調波パルスレーザビーム
を、通常の内部波長変換型第２高調波レーザ装置と同等
の電気-光変換効率６％以上で発生させることに成功
し、また、長時間安定に動作させることに成功した。

【００２２】実施の形態１においては、共振器内部に第
２高調波発生用波長変換素子を配置し、第２高調波レー
ザビームを発生させた場合について記したが、共振器内
部に第２高調波発生用波長変換素子と第３高調波発生用
波調変換素子を配置して、第３高調波発生用波長変換レ
ーザ装置を構成するなど、より高次の波長変換レーザビ
ームを発生する波長変換装置を構成しても良い。

【００２３】レーザ活性媒質Ｎｄ：ＹＡＧは、機械的強
度が強く、化学的に安定であり、熱破壊限界が高く、安
価である。また、熱レンズがＮｄ：ＹＬＦ等に比べると
大きいという性質を持つ。実施の形態１に示した構成で
は、従来の波長変換レーザ装置に比べ、レーザ活性媒質
端面におけるビームフルエンスが高い条件下で波長変換
レーザ装置を動作させる上、実施の形態１に示した構成
は、レーザ活性媒質の熱レンズを緩和する効果があるた
め、実施の形態１に示した構成の持つ特性はレーザ活性
媒質Ｎｄ：ＹＡＧと組み合わせて用いた場合、他レーザ
活性媒質と組み合わせて用いた場合に比べてより大きく
発揮される。なお、蛍光寿命以下の短い時間で励起する
場合を例にあげて示したが、蛍光寿命よりも長いが、Ｑ
スイッチのパルスの間隔よりも短い時間で励起する場合
でも同様に高いパルスエネルギーのＱパルス波長変換レ
ーザビームを高効率に発生することができる。パルスエ
ネルギー２０ｍｍＪ以上での高出力（高励起）動作時に
は、固体レーザ活性媒質への熱負荷をパルス励起方式を
採用することによって下げることができる効果があり、
固体レーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離を長くすること
によって、波長変換レーザ装置の安定発振領域を広げた
り、共振器光学長の長い共振器を構成し、パルスピーク
強度を低減することが可能である。

【００２４】実施の形態２．図４は、この発明の実施の
形態２の波長変換レーザ装置の構成を示す図である。図
４において、図１と同一の符号を付したものは、同一ま
たはこれに相当するものである。図４において、１２は
９０度偏光方向回転素子である。図４には記されていな
いが、レーザ活性媒質励起源の駆動電源や駆動電源間の
時間調整素子等については、実施の形態1と同様の装置
を備えている。また、共振器構成は励起部分（９０度偏
光方向回転素子１２と２個のレーザ活性媒質）に関して
対称に構成されている。また、波長変換結晶が片側に挿
入されているため、波長変換結晶、Ｑスイッチ素子等の
屈折率分だけ、光学長さを補正する手段をとることによ
って、共振器の構成を９０度偏光方向回転素子に関して
さらに精度高く対称化しても良い。

【００２５】実施の形態２のように高ピーク、高パルス
エネルギーの波長変換レーザビームを内部波長変換によ
って発生する波長変換レーザ装置においては、共振器内
部を往復するレーザビーム強度が高いため、不安定動作
点において波長変換レーザ装置を動作させることは、即
光学素子の損傷に結びつくため、広い安定発振を確保す
る必要性が、従来の波長変換レーザ装置に比べて著しく
高い。

【００２６】図４のように構成された波長変換レーザ装
置においては、２つのレーザ活性媒質の間に配置された
偏光方向９０度回転素子１２および対称に配置された共
振器構成を採用しているため、ロッド状レーザ活性媒質
内の周方向と動径方向の偏光方向に依存した複レンズを
補償するする効果が働き、より広い範囲の励起強度で安
定発振が可能で、光学素子への損傷なしに長時間安定に
動作を行うことが可能である装置を提供できる。

【００２７】実施の形態３．この発明の実施の形態３
は、図４に示した波長変換レーザ装置を非対称としたも
のである。非対称とする手段としては、レーザ活性媒質
端と共振器ミラーの距離を励起部分（９０度偏光方向回
転素子と２個のレーザ活性媒質）の両側で異なる長さと
しても良いし、共振器構成を励起部に関して対称な構成
とし、９０度偏光方向回転素子の両側に配置された２個
のレーザ活性媒質を異なる励起強度で励起してもよい。
また、共振器構成を励起部に関して対称な構成とし、光
学素子の屈折率が空気の屈折率と異なることを利用し、
レーザ共振器の片一方にだけ光学素子を配置することに
よってレーザ活性媒質端と共振器ミラーの間の光学距離
が９０度偏光方向回転素子の両側で異なるようにしても
良い。図５は対称な共振器構成において取得したレーザ
出力の励起強度依存性（Ａ）と共振器の光学長を９０度
偏光方向回転素子の両側で非対象とすることによって非
対称化させた共振器構成（Ｂ）において取得したレーザ
出力の励起強度依存性を模式的に示した図である。

【００２８】図４においては、対称な共振器構成の発振
特性（Ａ）の不安定発振による出力低下が、非対称に共
振器を構成したことによって、解消されている。図５に
示すように、共振器を９０度偏光方向回転素子に関して
非対称な構成とすることにより、共振器が対称に構成さ
れている場合に比べて、不安定動作点におけるビームモ
ードの変化、ビーム断面の真円度の低下、出力低下、出
力の変動といった非定常発振の影響を小さくすることが
できる。この事実は、今回、発明者らによって実験的に
発見された。

【００２９】また、９０度偏光方向回転素子に関して両
側で共振器長さが異なるようにすることによって共振器
を非対称化する構成を採用した場合、共振器を構成する
ミラー等の光学素子を、一定の範囲で前後に移動できる
手段と、各位置に固定できる手段を設けておき、波長変
換レーザ装置を構成する部品の故障等に伴う変更、部品
の特性の経時変化等によって、不安定発振の影響を最も
小さくできる部品位置が変化した場合に、部品位置再調
整が容易な装置を構成しても良い。

【００３０】上述の実施の形態１に示した、レーザ共振
器内部にＱスイッチ素子と波長変換結晶を配置し、波長
変換レーザビームを発生させる内部波長変換型レーザ装
置において、時間変調可能なレーザ活性媒質励起源駆動
用電源を用いて、パルス励起方式によってレーザ活性媒
質を励起しＱパルス発振を行う、Ｑパルス内部波長変換
レーザ装置は、従来の波長変換レーザ装置に比べ、著し
く共振器内部の基本波レーザビームフルエンスが高いた
め、従来、損傷の生じなかった不安定発振領域において
もモードの変形、出力の変動等により、共振器内部に配
置された光学素子に損傷が生じることがあるため、実施
の形態３に示した共振器構成を実施の形態１に示した波
長変換レーザ装置に対して採用すれば、従来の波長変換
レーザ装置に対して実施の形態３の発振器構成を採用し
た場合以上に大きな効果を発揮する。

【００３１】実施の形態４．図６は、この発明の実施の
形態４の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。
図６において、図１、図４と同一の符号を付したもの
は、同一またはこれに相当するものである。図６には記
されていないが、Ｑスイッチ素子およびレーザ活性媒質
励起源の駆動電源や駆動電源間の時間調整素子等につい
ては、実施の形態1と同様の装置を備えている。図６に
おいては、共振器ミラー１３は凹の曲率を持つミラーで
あり、レーザ活性媒質から凹ミラー１３までの距離は５
００ｍｍ以上である。１４は共振器内ビームのモード形
状を模式的に示したものである。レーザ共振器ミラー１
３、５、レーザ活性媒質４、Ｑスイッチ素子２、９０光
方向回転素子１２、レーザ活性媒質励起源３によって発
生した基本波パルスレーザビームは共振器内部を往復す
る間に、波長変換結晶６によって第２高調波レーザビー
ムに変換され、波長変換レーザビーム取り出しミラー５
によって基本波レーザビームと分離され、共振器の外へ
第２高調波レーザビーム８として取り出される。

【００３２】このように構成されたレーザ共振器では、
１４に示したビームモードの形状のように、レーザ活性
媒質と凹ミラー１３の間にビームが集光される位置（ビ
ームウエスト）が存在し、光学素子の配置を工夫するこ
とにより、波長変換結晶をビーム径の細い位置へ、その
他の光学素子をビーム径の太い位置に配置して、光学素
子位置におけるレーザビームフルエンスを下げて、光学
素子の損傷を避けつつ、波長変換効率を高めるようレー
ザ共振器を構成することが可能である。図６に示す実施
の形態においてはレーザ活性媒質の近傍にＱスイッチ素
子および折り返しミラーを配置することにより、Ｑスイ
ッチ素子、折り返しミラー５の位置でのビーム径を大き
くして光強度による損傷を避ける構成としている。ま
た、凹ミラー１３位置でのビーム径を大きくし、光強度
による凹ミラー１３の損傷を避ける構成としている。

【００３３】上述の実施の形態１に記したパルス励起を
伴った内部波長変換型Ｑパルスレーザ装置では共振器内
光学素子上のフルエンスが高い状態で波長変換レーザ装
置を動作させるため、実施の形態４に示した光学素子位
置でのビーム径を太くして、損傷を避ける構成を採用す
ることは、この発明の他の実施の形態と組み合わせて用
いた場合に、従来の波長変換レーザ装置と組み合わせた
場合以上に大きな効果を発揮する。

【００３４】実施の形態５．図７は、この発明の実施の
形態５の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。
図７においては、９０度折り返しミラーを用いて共振器
を構成している。図７に示すように、９０度折り返しミ
ラーを用いて共振器を構成することにより、図６に示し
た実施の形態４と同様の効果を発揮するとともに、コン
パクトで組み立てが容易な装置を構成を得ることができ
る。

【００３５】実施の形態６．図８は、この発明の実施の
形態６の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。
図８においては、図６、図７のようにＱスイッチ素子２
をレーザ活性媒質付近のビーム径の太い位置に配置する
のではなく、ミラー１３付近のビーム径の太い位置に配
置して損傷をさける構成としている。図８に示すように
Ｑスイッチ素子２をミラー１３付近のビーム径が太くな
る位置に配置して光学素子の損傷の起きにくい構成とし
て、図６および図７に示した他の実施の形態と同様の効
果を発揮することができる。

【００３６】実施の形態７．図９は、この発明の実施の
形態７の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。
具体的には、ロッド型の固体レーザ活性媒質の中心軸
（レーザビーム光軸）を通る平面で波長変換レーザ装置
を切った断面を模式的に示したものである。図９におい
て、１６は固体レーザ活性媒質が固定されているキャビ
ティーの一部、１７はロッド状の固体レーザ活性媒質、
１８は固体レーザ活性媒質を冷却している水等の冷媒を
シールするためのＯリング、１９はＯリングを介してレ
ーザ活性媒質をキャビティーに固定する部品（以下、Ｏ
リング押さえ）、２０はアパーチャである。アパーチャ
２０とＯリング押さえ１９は、はめあい構造によって、
十分な機械精度を持ってＯリング押さえ１９とアパーチ
ャ２０の開口の中心軸がずれないよう固定することがで
きる。具体的には誤差５０μｍ以下の精度で固定可能で
ある。また、Ｏリング押さえ１９は、ロッド状固体レー
ザ活性媒質に滑らかに嵌め込むことができ、更に、固体
レーザ活性媒質と隙間が十分小さくなるように孔が開け
てある。具体的には固体レーザ活性媒質の径に対して１
０〜２０μｍ程度大きな径となるよう設定されている。
図中には示されていないが、Ｏリング押さえ１９、アパ
ーチャ２０、キャビティーは、ねじ等で固定することが
可能である。固体レーザ活性媒質１７、Ｏリング押さえ
１９、アパーチャ２０をこの実施の形態７のように構成
することにより、ロッド型固体レーザ活性媒質１７の中
心軸とＯリング押さえ１９、アパーチャ２０開口部の中
心軸が十分な精度で一致するように設計することがで
き、固体レーザ活性媒質１７とアパーチャ２０開口部の
中心軸のずれに起因する、Ｏリングの損傷や、Ｏリング
が焼けたことによって発生したガスに起因する固体レー
ザ活性媒質端面の損傷を避けることができる。また、固
体レーザ活性媒質１７とアパーチャ２０開口部の中心軸
のずれを低減することにより、アパーチャ２０挿入によ
るアパーチャ非挿入時に対するレーザ出力低下を最小限
に押さえることが可能である。図９においては、固体レ
ーザ活性媒質１７とアパーチャ２０の間の設置精度を確
保するための手段として、はめあい構造を採用した場合
について示したが、はめあい構造以外の、ピン等の機械
的手段を用いて位置精度を確保してもよい。また、Ｏリ
ング押さえ１９とアパーチャ２０の間に別の部品を介し
て両者を精度良く固定し、同様の効果を発揮しても良
い。

【００３７】実施の形態１〜６に示した、パルス励起方
式によってレーザ活性媒質を励起し、波長変換結晶およ
びＱスイッチ素子を共振器内部に配置して、Ｑパルス波
長変換ビームを発生する波長変換レーザ装置において
は、フルエンスが高いため、ビームがＯリングにあたる
ことによるＯリング損傷が従来の波長変換レーザ装置よ
り頻繁に発生する。また、Ｏリングから発生したガスに
よる損傷も従来波長変換レーザ装置より起こりやすい。
実施の形態７に示した固体レーザ活性媒質固定部品およ
び、アパーチャ２０の構成を採用する効果は、従来の波
長変換レーザ装置に比べて極めて高い。

【００３８】実施の形態８．図１０は、この発明の実施
の形態８のレーザー加工装置の構成を示した図である。
図１０において、２１は上述の実施の形態1〜７による
波長変換レーザ装置、２２はレンズ等の集光素子、２３
はＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＢＢＯ（ＢａＢ２
Ｏ４）等の第４高調波発生用波長変換結晶、２４は第２
高調波レーザビームと第４高調波レーザビームの光軸、
２５はビームスプリッタ−、２６は第４高調波レーザビ
ーム、２７は第２高調波レーザビームである。波長変換
結晶２３には波長変換結晶の温度や角度を調整する装置
等の、位相整合を起こさせる手段が設けられている。図
１０のように構成されたレーザ加工装置においては、２
１より発生した第２高調波レーザビームを集光素子２２
によって集光し、第４高調波発生用波長変換結晶２３へ
入射させる。第４高調波発生用波長変換結晶２３におい
て発生した第４高調波レーザビームはビームスプリッタ
−２５によって第４高調波レーザビームへ変換されなか
った第２高調波レーザビームと分離され、第４高調波レ
ーザビーム２６として取り出される。第４高調波発生用
波長変換結晶２３は入射第２高調波レーザビームのピー
クパワーが高いほど、高効率な波長変換が可能であると
いう特徴を有する。実施の形態８における波長変換レー
ザ装置２１は、パルスエネルギーの高い第２高調波Ｑパ
ルスレ-ザビームを安定に長時間発生可能であるため、
長時間にわたって、安定、高効率に第４高調波を発生す
ることが可能である。

【００３９】ここでは、第２高調波レーザビームを用い
て第４高調波レーザビームを発生した場合について示し
たが、第３高調波等、その他の高調波をより高次の波長
変換に用いても良いし、他の次数の波長変換レーザビー
ムや基本波と組み合わせて和周波発生を行っても良い。

【００４０】実施の形態９．図１１は、この発明の実施
の形態９のレーザー加工装置の構成を示す図である。図
１１において、２１は上述の実施の形態１〜７に示した
波長変換レーザ装置、２２はレンズ等の集光素子、２４
は第２高調波レーザビーム、２８は加工対象（ワー
ク）、２９はビーム折り曲げミラーである。図１１のよ
うに構成されたレーザ加工装置においては、波長変換レ
ーザー装置２１より発生したレーザビーム２４は、ビー
ム折り曲げミラー２９によって折り曲げられ、集光素子
２２によって集光され、加工対象２８へ照射される。波
長変換レーザー装置２１は、高パルスエネルギーの波長
変換レーザビームを、長時間安定に発生することができ
るため、高パルスエネルギーが必要とされる加工を長時
間安定に行うことができるレーザ加工装置を提供するこ
とができる。

【００４１】高パルスエネルギーが必要とされる加工の
具体例としては、広い面積を加工、アニ−ルする装置
や、加工閾値が高い材料の孔開け加工等が挙げられる。
また、実施の形態９に示したレーザ加工装置は、高パル
スエネルギーのレーザビームを発生可能であるため、パ
ルスエネルギーが高くなるほど、１ショットあたりの加
工量を大きくできる加工対象に対して、高速な加工を長
時間、安定して行うことが可能なレーザ加工装置を提供
できる。

【００４２】

【発明の効果】この発明による波長変換レーザ装置によ
れば、高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザビー
ムを光学素子の損傷なく、高効率に、長時間安定に発生
することができ、また、より高次の波長変換を安定、高
効率に行うこともできる。また、この発明によるレーザ
加工装置は、高速な加工が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装
置の構成を示した図である。

【図２】Ｑパルス発振が起きる際の各装置の動作タイ
ミングを説明するための図である。

【図３】励起時間とＱパルスビームとして取り出され
るエネルギーの関係を示した図である。

【図４】この発明の実施の形態２の波長変換レーザ装
置の構成を示す図である。

【図５】この発明の実施の形態３の波長変換レーザ装
置におけるレーザ出力と励起強度の関係を示した図であ
る。

【図６】この発明の実施の形態４の波長変換レーザ装
置の構成を示した図である。

【図７】この発明の実施の形態５の波長変換レーザ装
置の構成を示した図である。

【図８】この発明の実施の形態６の波長変換レーザ装
置の構成を示した図である。

【図９】この発明の実施の形態７の波長変換レーザ装
置の構成を示した図である。

【図１０】この発明の実施の形態８のレーザ加工装置
の構成を示した図である。

【図１１】この発明の実施の形態９のレーザ加工装置
の構成を示した図である。

【図１２】従来の波長変換レーザ装置の構成を示す図
である。

【図１３】従来の波長変換レーザ装置の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１全反射ミラー、２Ｑスイッチ素子、３レー
ザ活性媒質励起源、４レーザ活性媒質、５波長変
換レーザビーム取り出しミラー兼共振器折り返しミラ
ー、６第２高調波発生用波長変換結晶、７全反
射共振器ミラー、８第２高調波レーザビーム、９
Ｑスイッチ素子駆動用電源、１０レーザ活性媒質励
起源駆動用電源、１１信号発生装置、１２９０
度偏光方向回転素子、１３共振器ミラー、１６
キャビティーの一部、１７ロッド状の固体レーザ活性
媒質、１８Ｏリング、１９Ｏリング押さえ、２
０アパーチャ、２１波長変換レーザ装置、２２
集光素子、２３第４高調波発生用波長変換結晶、
２４光軸、２５ビームスプリッター、２６第
４高調波レーザビーム、２７第２高調波レーザビー
ム、２８加工対象、２９ビーム折り曲げミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小島哲夫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)発明者藤川周一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)発明者安井公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Ｆターム(参考） 5F072 AB02 AK01 HH07 JJ03 JJ06 JJ20 KK06 KK12 KK30 PP01 PP07 QQ02 RR03 RR05 SS06 TT12 TT27 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｑスイッチ素子と、レーザ活性媒質と、前記Ｑスイッチ素子のパルスの間隔よりも短い時間で前
記レーザ活性媒質を励起するレーザ活性媒質励起源装置
と、前記Ｑスイッチ素子のＱスイッチングおよび励起による
前記レーザ活性媒質に蓄積されたエネルギーに基づき生
成された基本波パルスレーザビームを高調波レーザビー
ムに変換する波長変換結晶とを備えたことを特徴とする
波長変換レーザ装置。
【請求項２】前記レーザ活性媒質励起源装置は、蛍光
寿命以下の短い時間で前記レーザ活性媒質を励起するこ
とを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ装置。
【請求項３】前記レーザ活性媒質励起源装置の前記レ
ーザ活性媒質の励起時間を制御する第１の制御装置と、前記Ｑスイッチ素子の前記Ｑスイッチングが起こるタイ
ミングを制御する第２の制御装置とを備えたことを特徴
とする請求項１または請求項２記載の波長変換レーザ装
置。
【請求項４】前記レーザ活性媒質は、第１のレーザ活
性媒質と第２のレーザ活性媒質とから構成され、前記レーザ活性媒質励起源装置は、前記第１のレーザ活
性媒質を励起する第１のレーザ活性媒質励起源装置と前
記第２のレーザ活性媒質を励起する第２のレーザ活性媒
質励起源装置とから構成され、前記第１のレーザ活性媒質励起源装置と前記第２のレー
ザ活性媒質励起源装置との間に、偏光方向回転素子が設
けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の
いずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項５】前記偏光方向回転素子は９０度偏光方向
回転素子であることを特徴とする請求項４記載の波長変
換レーザ装置。
【請求項６】前記偏光方向回転素子に対して非対称な
構成であることを特徴とする請求項４または請求項５記
載の波長変換レーザ装置。
【請求項７】前記Ｑスイッチ素子と前記レーザ活性媒
質励起源装置と前記波長変換結晶とは、第１のレーザ共
振器ミラーと第２のレーザ共振器ミラーとの間にそれぞ
れ設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項
６のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項８】前記第１のレーザ共振器ミラーおよび前
記第２のレーザ共振器ミラーは凹ミラーであることを特
徴とする請求項７記載の波長変換レーザ装置。
【請求項９】前記第１のレーザ共振器ミラーと前記レ
ーザ活性媒質との距離は５００ｍｍ以上であることを特
徴とする請求項７または請求項８記載の波長変換レーザ
装置。
【請求項１０】前記レーザ活性媒質励起源装置と前記
波長変換結晶との間に設けられ、入射された前記基本波
パルスレーザビームを反射させ、入射された前記高調波
レーザビームを透過させる第３のレーザ共振器ミラーを
備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれ
かに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１１】前記レーザ活性媒質はロッド型の固体
レーザ活性媒質であり、前記固体レーザ活性媒質をＯリ
ングを介してキャビティーに固定するＯリング押さえ
と、前記ロッド型の固体レーザ活性媒質の中心軸と一致
した開口部を有するアパーチャとを設けたことを特徴と
する請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の波長変
換レーザ装置。
【請求項１２】前記高調波レーザビームは、２０ｍＪ
／パルス以上のパルスエネルギーを有することを特徴と
する請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の波長変
換レーザ装置。
【請求項１３】前記波長変換結晶により発生した高調
波レーザビームを更に高次な高調波レーザビームに変換
することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれ
かに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１４】請求項１乃至請求項１３のいずれかに
記載の前記波長変換レーザ装置を光源に用いたことを特
徴とするレーザ加工装置。