JP2002151773A - レーザー及び材料処理方法 - Google Patents

レーザー及び材料処理方法

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JP2002151773A JP2001195627A JP2001195627A JP2002151773A JP 2002151773 A JP2002151773 A JP 2002151773A JP 2001195627 A JP2001195627 A JP 2001195627A JP 2001195627 A JP2001195627 A JP 2001195627A JP 2002151773 A JP2002151773 A JP 2002151773A
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Josef Robert Unternahrer
ジョセフ・ロバート・アンターナーラー
William Taylor Lotshaw
ウィリアム・テイラー・ロトショー
Mark Jon Kulka
マーク・ジョン・クルカ
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General Electric Co
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、寸法の変化、熱影響ゾーン（HA
Z）及びプロセス制御に関してレーザー加工特徴の品質
を最適にするために、レーザーデューティサイクルの１
周期の中でレーザーパルスフォーマット（パルス数、エ
ネルギー、ピークパワー）をスイッチングする方法を開
示する。 【解決手段】 １つのレーザーを使用して、１つのパル
スの持続時間中の複数の異なるレーザーモード（３０
４、３０６、３０８）を取り入れ、それにより、それぞ
れ選択された動作モードと関連する利点を取り出せるよ
うに、共振器における損失を変化させることにより混合
モードパルス（３００）を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明はレーザー加工特徴の
最適化に関する。特に、本発明は、寸法の変化を制御
し、熱影響ゾーン（HAZ）を制御し且つプロセス制御を
実現するために単一ポンプサイクルの周期中又は連続す
るポンプサイクルの周期間でレーザーパルスフォーマッ
トをスイッチングすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】工作物から材料を除去して、特定の形態
又は寸法仕様を実現するためにパルスレーザー放射を使
用する場合に材料除去プロセスに影響を及ぼすことがわ
かっているレーザー出力パラメータには、パルスの瞬時
パワー（一般にピークパワーという）、持続時間、繰り
返し周波数及びエネルギーなどがある。これらのパラメ
ータをまとめて「パルスフォーマット」と呼ぶ。通常、
これらのパラメータは特定の処理用途条件（例えば、特
定の材料、加工すべき特定の特徴など）に関してレーザ
ーポンプサイクルの１周期中で固定されている。
【０００３】レーザーの明確に異なる各動作モードは、
レーザーパルスの持続時間、エネルギー内容、パルス繰
返し周波数及び波長によるレーザーと材料の相互作用の
性質の相違に由来するそれぞれ明確に異なるプロセス能
力を有する。特に、モードロック、Qスイッチ、様々な
繰返し速度の反復Qスイッチ（「バーストモード」と呼
ばれる）及びモードロックとQスイッチの組み合わせモ
ードなどの損失変調に起因する高ピークパワー動作モー
ドは、ごく微細な亀裂の発生や界面崩壊などのプロセス
誘導損傷、熱影響ゾーンの範囲、リキャストの減少、及
び形成した穴の直径のばらつきなどの重大な寸法の変動
を相当に大きく減少させるという結果をもたらした。欠
点としては、高ピークパワー動作モードが時としてプロ
セス速度又は効率（単位レーザーエネルギー当たりの材
料除去量により測定される）を低下させるということが
挙げられる。
【０００４】従来の技術においては、ポンプサイクル中
に、独立した「自走」（無変調）レーザーパルスの２つ
の異なる出力モードを重ね合わせることにより、レーザ
ーパルスフォーマットを変化させていた。しかし、パル
スフォーマットの変更は電源レベルで発生されていたた
め、この重ね合わせは、それぞれが独自のフラッシュラ
ンプと電源を備えた２つの棒状結晶を使用して実現され
ていた。このようにしてレーザーパルスを重畳する方法
は、P. Verbovenによる論文「Pulsed KilowattNd：YAG
Laser with Fiber Optic Beam Delivery」（Proc. SPIE
第２２０６巻、４１６~４２５ページ、１９９４年）の
中で説明されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】寸法の変動を制御し、
熱影響ゾーン（HAZ）を制御し且つプロセス制御を実現
するように短期間のうちにレーザーパルスフォーマット
を変化させる簡単で、より適応性にすぐれた方法及び装
置を提供することが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】寸法の変動、熱影響ゾー
ン及びプロセス制御に関してレーザー加工特徴の品質を
最適化するように、レーザーポンプサイクルの周期中又
はレーザーポンプサイクルの周期間でレーザーパルスフ
ォーマット（パルス速度、エネルギー、ピークパワーを
スイッチングする方法が提示される。複数の個別のレー
ザーを必要とすることなく、Qスイッチ出力モード、自
走出力モード又はモードロック出力モードが組み合わさ
れる又はインタリーブされるように、時間モードはポン
プサイクル中又はポンプサイクル間で変更される。単一
のレーザーの共振器で誘導される損失の非単調変化によ
って、様々なモードの利点を達成するように必要に応じ
てレーザー出力モードが変更される。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の原理を利用した一実施例
を示す以下の本発明の詳細な説明及び添付の図面を参照
することにより、本発明の特徴及び利点を更によく理解
できるであろう。
【０００８】特定の１つのプロセスサイクル中、又は所
定のレーザー動作期間中は、通常、レーザーパルスフォ
ーマットは一定に保持される。しかし、ポンプサイクル
中又はポンプサイクル間にレーザー出力フォーマットを
変化させると、特定のプロセス（一般に穴あけ及び材料
除去を含む）の条件が変化し、その結果、加工後の特徴
を相当に優れた品質にすることもある。そのような変化
は、レーザーの単一ポンプサイクル中に特定のプログラ
ムに従ってレーザー変調器の動作をゲーティングする
か、又はその他の方法で変化させることにより実現され
る。
【０００９】Nd：YAGなどのパルス固体レーザーの場
合、自走（準cw）モードはいくつかのスパイク（いわゆ
る「緩和発振」）と、それに続く連続（cw）レーザー発
生の期間とによって始まる。この種の出力パワーの変化
は多くの場合望ましいのであるが、相対的には無制御で
あり、適応性に欠ける。本発明は、各ポンプサイクル中
に制御可能であるパルスフォーマットを発生する。例え
ば、そのようなパルスフォーマットは自走期間と、それ
に先行するQスイッチパルスのバーストの組み合わせ、
又は自走期間とその後に続くQスイッチパルスのバース
トの組み合わせから構成されると考えることができるで
あろう。この第２の組み合わせの場合、この方式で穴あ
け工程を開始させると、等しい出力エネルギーでも、Q
スイッチマイクロパルスのバーストのみのモードを使用
したときに実現される品質と比較して、より高品質の直
径の小さい穴（０．０２インチ程度）を形成できること
が観測されている。
【００１０】本発明においては、１つの結晶と、１つの
ポンプ源と、１つの電源のみが必要である。本発明の一
実施例では、ポンプ持続時間の一部でレーザーを繰り返
しQスイッチングし（すなわち、共振器の損失を規律正
しく変化させ）、ポンプサイクルの残る部分の間は準cw
動作のためにレーザーを自走させることにより、制御パ
ルスフォーマットを作成する。Qスイッチレーザーのパ
ルス持続時間は、通常、１００ns未満である。それより
相当に長い持続時間は自走であると考えられる場合が多
い。当業者には知られている多様な方法により、損失が
導入される。最も一般的な２つの損失誘導器は偏光子と
協働する音響光学変調器（AOM）又はポッケルスセル（P
C）である。AOMは、共振器から発射される光ビームの一
部を偏光する格子として作用する溶融シリカのブロック
の中で音響（機械的）波を使用する。音響波は、溶融シ
リカブロックを振動させる変換器に供給されるRFパワー
によって発生される。AOMは、RFがオンであるときには
約５０%の光透過率を有するが、RFがオフであるときに
は１００%の光透過率を有する。
【００１１】共振器において損失を発生させるための第
２の一般的な方式によれば、光ビームの偏光にポッケル
スセルが作用する。いくつかの結晶に適切な電界を印加
すると、それらの結晶は複屈折状態となり、光ビームの
偏光を変化させる。「複屈折」は、光のビームを２つの
偏光光線に分割する異方性結晶の特性である。この後に
光ビームに偏光子を適用すると、ビームのほぼ１００%
が排除される。従って、電界がオンであるときにはPC／
偏光子の組み合わせは光の透過率をほぼ０にするが、電
界がオフになると光の透過率は約１００%になる。
【００１２】それを越えると発振が起こる閾値ポイント
は、利得が損失を上回るところである。Qスイッチング
の場合、損失が誘起されると、ある期間、発振は停止す
る。その時間中、ポンププロセスは利得媒体にエネルギ
ーを蓄積し、それにより、利得を発生する。突然、損失
が取り除かれると、すなわち、共振器のQ値がローから
ハイに切り換わると、レーザーは大きな余剰利得を受け
る。この余剰利得を解放するために、レーザーは大きな
パルスを発生して、レーザーを平衡状態に押し戻す。こ
の大きなパルスを「Qスイッチパルス」という。レーザ
ーが定常状態（平衡状態）にあるとき、利得と損失は互
いに厳密に補償し合っている。
【００１３】図１は一般的なポンプパルス１００を示
す。これは、他のポンプパルス、特により方形に近い形
状のパルスを使用しても差し支えないことを理解しなけ
ればならないという意味で一般的なポンプパルスであ
る。図２を参照すると、近赤外固体レーザーからの一般
的な出力フォーマットは、アークランプ、レーザーダイ
オードなどからのポンプパルスにより定義されるエンベ
ロープ２００の中で一連のQスイッチ「マイクロパル
ス」又は他のマイクロパルス２０２が発生される「バー
ストモード」である。
【００１４】混合モードレーザーは１つのポンプサイク
ル中に複数のパルスフォーマットを最小限に組み合わせ
るか、又は連続するポンプサイクル間に複数のパルスフ
ォーマットをインタリーブする。本発明は複数の独立し
たレーザーを必要とすることなくそのような組み合わせ
を実現する。一実施例では、Qスイッチモードと自走モ
ードを組み合わせるが、本発明の概念から逸脱せずパル
スフォーマットを任意に組み合わせることが可能であ
る。
【００１５】図３には、時間間隔３１０の混合モードパ
ルスを３００として示す。動作モードは、変調の開始を
ポンプパルスのスタートに関して遅延させ、レーザーを
短時間だけ準cwで発振させ、その後、Qスイッチマイク
ロパルスフォーマット又はその他のマイクロパルスフォ
ーマットの期間が現れるようにして偏向されている。こ
の動作モードでは、時間間隔３１０は３つの部分から構
成されている。第１の部分３０４は緩和発振である。第
１の部分３０４の終了時に緩和発振が静まった後、第２
の部分３０６の間は出力はポンプパルスの形状と厳密に
整合する。時間部分３０４及び３０６は準cwレーザー出
力として知られているものである。第３の部分３０８で
は、レーザーは時間間隔３１０の終わりに至るまでQス
イッチバーストモード動作に入る。
【００１６】逆に、図４に示すように、Qスイッチ「マ
イクロパルス」又はその他のマイクロパルスに続いてポ
ンプサイクルの終了時に準cw出力が発生されるように、
ポンプパルスの終了に先立って変調を終了させても良
い。Qスイッチモードの後に準cwモードが現れる混合モ
ードパルスを概略的に４００として示す。このフォーマ
ットにおいても、レーザーパルスの時間間隔４１８は３
つの部分に分割されており、第１の部分４１２では、レ
ーザーはQスイッチマイクロバーストモード又はその他
のマイクロバーストモードで動作する。第１の部分４１
２の終了時にQスイッチモードが完了した後、第２の時
間部分４１４の間、出力は緩和発振に入る。第３の部分
４１６では緩和発振はおさまり、レーザー出力は時間間
隔４１８の終了時までポンプパルスの形状に厳密に整合
する。
【００１７】図５に示す本発明の好ましい一実施例で採
用されるQスイッチレーザーは、電源５０１により動作
されるアークランプ、レーザーダイオードなどのポンプ
装置５１０により刺激又はポンピングされる利得媒体５
０３を含む共振器５００を具備する。共振は、ミラー５
０４及び半鍍銀ミラーであっても良い出力カプラ５０５
などの反射面により規定される空洞で起こる。この空洞
の内部に配置され、ドライバ回路５０２により駆動され
る損失誘導器５０６は、共振器５００により発射される
レーザービーム５０７の振幅を変調する。ポンプ電源５
０１と同期して駆動される論理回路５０８は、工作物が
特定の形態又は特定の寸法仕様に到達するように工作物
から材料を除去するためにレーザーパルスフォーマット
の所望の変調を発生させるようにレーザーのデューティ
サイクルの１周期の中で損失誘導器５０６の変調を変化
させるために、ドライバ回路５０２を制御する。
【００１８】図６は、図５の論理回路５０８を更に詳細
に示す。図６に示すように、論理回路５０８は一対の遅
延発生器６０１及び６０２を具備し、遅延発生器６０１
及び６０２の出力端子はORゲートに結合している。ORゲ
ート６０３は論理回路５０８からの変調入力信号をドラ
イバ回路５０２に供給する。遅延発生器は、例えば、カ
リフォルニア州パロアルトのStanford Research System
sのモジュールDG−５３５として入手可能である。
【００１９】遅延発生器６０１は、図５に示す電源５０
１の動作と同期してレーザー出力パルスを発生する。５
ミリ秒程度の持続時間を持つこれらのパルスを図５のポ
ンプ装置５１０からのポンプパルスの開始に関して遅延
させ、それにより、変調の開始を遅延させて、レーザー
を図３に部分３０４及び３０６により指示するように準
cwで発振させることができる。その後、遅延発生器６０
１からのパルスが存在している状態で遅延発生器６０２
をトリガすると、持続時間が２ミリ秒程度の相対的に短
いパルスが発生され、図５のポンプ装置５１０からのポ
ンプパルスの終了時まで、レーザーは図３のレーザー出
力パルス部分３０８により示されるようにQスイッチバ
ーストモードに入る。あるいは、図４の第１の部分４１
２により示すように、図５のポンプ装置５１０からのポ
ンプパルス中、遅延発生器６０１からのパルス及び遅延
発生器６０２により発生されるパルスによりQスイッチ
パルス又は「マイクロパルス」を発生するように、レー
ザーを動作させても良い。その後、遅延発生器６０２か
らのパルスを終了させることにより、Qスイッチモード
又はマイクロバーストモードを終了し、図４の時間部分
４１４の間はレーザー出力パワーを緩和発振状態にし、
その後、遅延発生器６０１からのパルスが終了する図４
の時間部分４１６の間はポンプパルスの形状と整合させ
れば良い。
【００２０】本発明を好ましい一実施例を参照して説明
したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を実施
し且つ本発明の各要素をその等価要素と置き換えても差
し支えないことを理解すべきである。更に、本発明の本
質的範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本
発明の教示に適応させるために数多くの変形を実施でき
るであろう。従って、本発明は本発明を実施する上で最
良の態様であるとして開示された特定の実施例には限定
されず、特許請求の範囲の範囲内に包含されるあらゆる
実施例を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一般的なレーザー入力フラッシュランプ電流
のグラフ。
【図２】 図１のフラッシュランプ電流から発生される
反復Qスイッチレーザーの光パワー出力を示すグラフ。
【図３】 反復Qスイッチモードに先立って自走モード
が現れるような本発明による混合モードレーザーの光パ
ワー出力を示すグラフ。
【図４】 自走モードに先立って反復Qスイッチモード
が現れるような本発明による混合モードレーザーの光パ
ワー出力を示すグラフ。
【図５】 本発明の好ましい一実施例に従って動作可能
であるQスイッチレーザーシステムのブロック線図。
【図６】 図５のシステムで採用されている論理回路の
詳細を示すブロック線図。
【符号の説明】
５００…共振器、５０１…電源、５０２…ドライバ回
路、５０３…利得媒体、５０４…ミラー、５０５…出力
カップラ、５０６…損失誘導器、５０８…論理回路、５
１０…ポンプ装置、６０１、６０２…遅延発生器、６０
３…ORゲート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・テイラー・ロトショー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ゴッドフレイ・レーン、1190番 (72)発明者 マーク・ジョン・クルカ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・スパ、フランクリン・ストリー ト、425番 Ｆターム(参考） 5F072 AB02 HH06 HH07 JJ07 JJ20 KK13 MM02 MM03 PP01 PP07 SS06 YY06

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 単一の発生源から混合モードレーザーパ
    ルスを発生させる方法において、 レーザーモード出力を変化させるためにレーザー共振器
    の損失を少なくとも一度変化させることから成る方法。
  2. 【請求項２】 前記損失は単一ポンプサイクル（３０
    ０）中又は連続するポンプサイクル間で変動する請求項
    １記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記レーザーモードはQスイッチ、反復Q
    スイッチ、モードロック、自走及び連続から成るモード
    群から選択される請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 工作物に対する所望の衝撃に基づいてレ
    ーザーモードの組み合わせを選択することを更に含む請
    求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 多様な出力モードが可能であるレーザー
    において、 １回又は複数回のポンプサイクルで光ビームを発生する
    共振器と、 前記共振器にインタフェースし、前記光ビームに損失を
    引き起こすことができる損失誘導器とを具備するレーザ
    ー。
  6. 【請求項６】 前記損失誘導器は前記共振器に対する１
    つ又は複数の入力パラメータを変更し、その結果、前記
    共振器は前記出力モードを変化させる請求項５記載のレ
    ーザー。
  7. 【請求項７】 前記損失誘導器は、前記光ビームを変化
    させて前記出力モードを単一ポンプサイクル（３００）
    中又は連続するポンプサイクル間で変える請求項５記載
    のレーザー。
  8. 【請求項８】 前記出力モードはQスイッチ、反復Qスイ
    ッチ、モードロック、自走及び連続から成るモード群か
    ら選択される請求項７記載のレーザー。
  9. 【請求項９】 単一の発生源から混合モードレーザーパ
    ルスを発生させる方法において、 レーザーモード出力を変化させるためにレーザー共振器
    の損失を少なくとも一度変動する手段から成る方法。
  10. 【請求項１０】 前記損失は単一ポンプサイクル（３０
    ０）中又は連続するポンプサイクル間で変動する請求項
    ９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記レーザーモードはQスイッチ、反
    復Qスイッチ、モードロック、自走及び連続から成るモ
    ード群から選択される請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 工作物に対する所望の衝撃に基づいて
    レーザーモードの組み合わせを選択する過程を更に含む
    請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 多様な出力モードが可能であるレーザ
    ーにおいて、 １回又は複数回のポンプサイクルで光ビームを発生する
    共振器手段と、 前記共振器にインタフェースし、前記光ビームに損失を
    引き起こすことができる損失誘導手段とを具備するレー
    ザー。
  14. 【請求項１４】 前記損失誘導手段は前記共振器手段に
    対する１つ又は複数の入力パラメータを変化させ、その
    結果、前記共振器手段は前記出力モードを変える請求項
    １３記載のレーザー。
  15. 【請求項１５】 前記損失誘導手段は、前記光ビームを
    変化させて単一ポンプサイクル（３００）中又は連続す
    るポンプサイクル間で前記出力モードを変える請求項１
    ３記載のレーザー。
  16. 【請求項１６】 前記出力モードはQスイッチ、反復Qス
    イッチ、モードロック、自走及び連続から成るモード群
    から選択される請求項１５記載のレーザー。
  17. 【請求項１７】 多様なモードが可能であるレーザーに
    よって材料を処理する方法において、 前記レーザーからの第１のモード出力を前記材料に印加
    することと、 前記レーザーからの第２のモード出力を前記材料に印加
    することとから成る方法。
  18. 【請求項１８】 前記第１のモード出力と前記第２のモ
    ード出力は、Qスイッチ、反復Qスイッチ、モードロッ
    ク、自走及び連続から成るモード群から個別に選択され
    る請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記材料に対する所望の衝撃に基づい
    てレーザーモードの組み合わせを選択することを更に含
    む請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記第１のモード出力（３０４、３０
    ６）は自走であり且つ前記第２のモード出力（３０８）
    は反復Qスイッチである請求項１７記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記第１のモード出力（４１２）は反
    復Qスイッチであり且つ前記第２のモード出力（４１
    ４、４１６）は自走である請求項１７記載の方法。
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