JP2004356166A - レーザパルス出力安定化方法並びにこれを用いた固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体レーザ装置において、レーザを出力するパルス間隔が変化するなどレーザロッド部の過渡的な熱変化を伴った使用を行った場合、レーザロッド部の熱変化による熱レンズ効果により、レーザ光の偏光状態や拡がり角が変化する。このため、レーザ光の漏れ光の量やパワー分布が変化し、レーザ出力と出力モニタ値の関係がずれ、結果的にレーザ出力にばらつきが生ずる。
【解決手段】レーザ出力安定のため、レーザロッドの温度を測定し、レーザロッドの温度変化をレーザの励起光源出力制御信号にリアルタイムでフィードバックすることにより、レーザ出力を安定させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザパルスの出力安定化方法並びにこれを用いた固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＹＡＧレーザ装置のレーザ出力を安定させる方法としては、出力したレーザ光の漏れ光を取り出し、これをフォトサンサーなどのモニタで検知し、その信号をレーザ媒質の温度制御手段やレーザの励起光源出力制御信号にフィードバックする方法がある。
しかし、この方法は、漏れ光のモニタリング精度がレーザ出力やレーザ作用点の強度とに強い比例関係にある場合や、レーザ発振器を連続発振（ＣＷや連続パルス）で定常的に動作させて用いる場合には有効である。しかしながら溶接や切断、穴あけ等のレーザ加工装置のように、レーザパルスを出力する間隔が変化するなどＹＡＧロッド部の過渡的な熱変化を伴った使用を行った場合、ＹＡＧロッド部の熱変化による熱レンズ効果により、レーザ光の偏光状態や拡がり角が変化する。このため、レーザ光の漏れ光の量やパワー分布が変化し、レーザ出力とモニタ値の関係がずれ、結果的にレーザ出力にばらつきが生じてしまう。
また、この漏れ光のモニタには光軸上を戻ってくる加工部からの反射光の一部の影響を受けるため、加工部の状態の変化で、反射光量が変わった場合にもずれが生じ、レーザ出力がばらついてしまう。
【０００３】
固体レーザ媒質を保持する保持手段の温度を測定し、レーザ発振出力をモニタして２つの測定結果に応じて固体レーザ媒質を電子冷却する手段にフィードバックする端面ＬＤ励起の固体レーザ装置の技術は開示されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
実開平２−１０８３５７号（第１頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、レーザロッドの過渡的な温度変化に対して常にレーザ出力が再現するように励起ランプ出力を補正し、毎パルスごとに安定した出力が得られる固体レーザ装置並びにレーザ出力安定化方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のレーザパルス出力安定化方法は、パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、レーザロッドの温度を検知し、出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるように、光励起パルスの波高値を制御することを特徴とする。
また、本発明のレーザパルス出力安定化方法は、パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、レーザロッドの温度を検知し、予め取得してあるレーザロッドの温度と出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるための光励起パルス駆動条件とを関連づけたデータに基づいて、光励起パルスの波高値を制御することを特徴とする。
レーザパルス間隔は、不等間隔である。
レーザパルス間隔は、レーザロッドのもつ熱時定数より短い。
レーザパルス間隔は、複数の間隔が存在し、レーザロッドのもつ熱時定数より短い間隔を含む。
光励起固体レーザ装置は、ランプ励起固体レーザ装置である。
光励起固体レーザ装置は、半導体レーザ励起固体レーザ装置である。
レーザロッドの媒質は、ＹＡＧ結晶を基体とする。
【０００７】
また、本発明の固体レーザ装置は、パルスレーザ光を出力する光励起の固体レーザ装置の出力安定化方法であって、レーザロッドの温度を検知する手段と、出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるように、光励起パルスの波高値を制御する手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の固体レーザ装置は、パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、レーザロッドの温度を検知手段と、予め取得してあるレーザロッドの温度と出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるための光励起パルス駆動条件とを関連づけたデータを有するメモリと、に温度検知手段から出力する温度情報とメモリから出力するデータに基づいて、光励起パルスの波高値を制御する手段を備えることを特徴とする。
レーザパルス間隔は、不等間隔である。
レーザパルス間隔は、レーザロッドのもつ熱時定数より短い。
レーザパルス間隔は、複数の間隔が存在し、レーザロッドのもつ熱時定数より短い間隔を含む。
光励起固体レーザ装置は、ランプ励起固体レーザ装置である。
光励起固体レーザ装置は、半導体レーザ励起固体レーザ装置である。
レーザロッドの媒質は、ＹＡＧ結晶を基体とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明のランプ励起のＹＡＧレーザ装置の一実施形態を図１に示す。図１は、励起ランプ５の出力によってＹＡＧロッド１を光励起するランプ励起ＹＡＧレーザ装置であり、レーザ発振器のＹＡＧロッド１の温度を測定する温度サンサー２、測定した温度のゲイン調整を行うアンプ３、温度のフィードバック信号をリアルタイムにレーザ電源部６に対して励起ランプ出力制御信号に補正をかける機能を持った制御部４を設けている。そして、励起光を透過しＹＡＧロッド１を同軸状に囲む透明な通水管７を設け、その中をロッドの温度上昇を防止するための冷却水を通し、かつ冷却水の温度を一定に保つ冷却水温度制御装置８を備える。しかし、この冷却水温度制御の時定数は長く、発明が解決しようとする課題で述べた励起光パルスによるＹＡＧロッドの過渡的な温度変化を吸収する能力はない。
【０００９】
図２は、パルス励起によるＹＡＧロッド温度とレーザパルス出力の過渡的な変化を模式的に説明する図である。図２（Ｃ）に示すように励起ランプを時間的に不等間隔にパルス駆動してＹＡＧロッドを励起した時のロッドの温度変化を図２（Ｂ）に、ロッド温度の変化に伴うレーザ出力の変化を図２（Ａ）に示す。
図２（Ｂ）に示すように、光による励起が行われていない時にはＹＡＧロッドの温度は、冷却水の温度制御装置によって一定の温度に保たれる。励起ランプによってパルス励起されレーザパルスが出力すると、ＹＡＧロッドは励起光の吸収やレーザ光の吸収によって、ロッドの持つ熱時定数による時間変化で温度が上がり、パルスオフによって同じ時定数で温度低下する。この時定数は、レーザロッドの熱的な条件、すなわちロッド媒質自体の熱容量と熱抵抗並びにロッドと冷却水との間の放熱抵抗等によって定まる。
パルス間隔がＹＡＧロッドの熱時定数よりも長ければ、同じ波高値の励起光パルスに対して同一のレーザパルス出力が得られるのに対して、励起光パルス間隔が短くなると、２発目の励起パルスによるレーザパルス出力は、１発目のレーザパルス出力によるＹＡＧロッド内に熱が残留し温度が低下し切らないため、１発目とは異なるレーザパルス出力となる。
本発明の工夫は、レーザロッドの温度とレーザパルス出力との強い相関に着目して、ｎ発目以前の励起によってｎ発目励起時に残存している熱による温度上昇を検知し、予め記憶してあるテーブルに基づいてｎ発目の励起パルスの波高値を制御して、常に一定のレーザパルス波高値を得ようとするものである。
【００１０】
このようなフィードバック制御を行うために、本発明の第１の実施例の制御部４は、図３に示すような構成となっている。制御部４は、温度サンサー２が検知したＹＡＧロッド温度と、本ＹＡＧレーザ装置を使用するレーザ加工装置の加工条件によって予め設定するレーザパルス波高値、パルス幅及びパルス間隔を入力する入力部４３と、予め設定されたレーザパルス波高値、パルス幅及びパルス間隔と励起ランプを駆動する条件を関連づけたテーブルを有するメモリ４２と、メモリ４２と入力部４３を制御するＣＰＵ４１を備える。
ＣＰＵ４１は、温度サンサー２が検知したＹＡＧロッド温度をメモリ４２に出力し、メモリ４２のテーブルから出力された励起ランプ駆動条件をレーザ電源部６に出力する。
ＹＡＧロッド温度と、加工点におけるレーザパルス波高値を所要の一定値にするための励起ランプを駆動する条件との関係は、予めレーザ加工の条件出しを行う際に取得しておく。
【００１１】
これによって、ｎ発目以前の励起によってｎ発目励起時にＹＡＧロッドに残存している熱による温度上昇を検知し、予め記憶してあるテーブルに基づいてｎ発目の励起パルスの波高値を制御して、常に一定のレーザパルス出力波高値を得ることが可能となる。
【００１２】
レーザ加工の目的によっては、パルス間隔を予め設定できない場合もあり得る。すなわち加工対象物の加工点への移動時間が不等間隔となるような場合、レーザパルス出力のタイミングは、制御部４の外部からのタイミング信号に従うことがある。
このような条件下でのフィードバック制御を行うために、本発明の第２の実施例の制御部４は、図４に示すような構成となっている。レーザパルス出力のタイミングは、制御部４の外部から与えられる。制御部４は、温度サンサー２が検知したＹＡＧロッド温度と、本ＹＡＧレーザ装置を使用するレーザ加工装置の加工条件によって予め設定するレーザパルス波高値、パルス幅を入力する入力部４３と、予め設定されたレーザパルス波高値、パルス幅と励起ランプを駆動する条件を関連づけたテーブルを有するメモリ４２と、メモリ４２と入力部４３を制御するＣＰＵ４１を備える。
レーザパルス出力のタイミングが、制御部４の外部から与えられると、ＣＰＵ４１は、温度サンサー２が検知したＹＡＧロッド温度をメモリ４２に出力し、メモリ４２のテーブルから出力された励起ランプ駆動条件をレーザ電源部６に出力する。
【００１３】
本実施例では、まず、レーザパルス波高値及びパルス幅の出力条件を入力部４３から入力する。温度フィードバック無しに、レーザを１回出力させて、ＹＡＧロッドの温度変化のデータとレーザ加工点におけるレーザパルス波高値を所要の一定値にするための励起ランプ駆動条件を取得し、メモリ４２のテーブルに記憶する。
次のレーザパルス出力のタイミング信号が入力した時、温度センサー２からの信号を受け、ＣＰＵ４１は、ＹＡＧロッド温度と予め設定されたレーザパルス波高値、パルス幅と励起ランプを駆動する条件を関連づけたテーブルを参照し、励起ランプ出力制御信号をリアルタイムで補正する。
【００１４】
これによって、ｎ発目以前の励起によってｎ発目励起時に残存している温度上昇を検知し、予め記憶してあるテーブルに基づいてｎ発目の励起パルスの波高値を制御して、常に一定のレーザパルス波高値を得ることが可能となる。
【００１５】
なお、上記の実施形態の説明では、ＹＡＧレーザはランプ励起の場合を述べたが、励起光源がＬＤであり、励起方法がレーザロッドに対して側面励起や端面励起の場合であっても、ＹＡＧロッドの温度変化をＬＤ出力制御信号にフィードバックすることで、同様の効果が得られる。
また、レーザ媒質はＹＡＧ結晶に限られるものではないことは言うまでもない。
【００１６】
【発明の効果】
レーザ出力は、一定の制御信号入力の場合、レーザ出力時に発生する熱により、熱レンズ効果が発生して変動する。そして、一度レーザ出力を行うと発生した熱が蓄積され、その後、熱が冷めるまでは、同一のレーザ出力は得られない。本発明では、ＹＡＧロッドの過渡的な温度変化に対してレーザ出力が再現するように励起ランプ出力を補正するため、毎回安定したレーザ出力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体レーザ装置の構成を示す図である。
【図２】パルス励起によるレーザロッド温度とレーザパルス出力の過渡的な変化を模式的に説明する図である。
【図３】本発明の固体レーザ装置が備える制御部の第１の実施例の構成を示す図である。
【図４】本発明の固体レーザ装置が備える制御部の第２の実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ＹＡＧロッド
２ 温度センサー
３ アンプ
４ 制御部
５ 励起ランプ
６ レーザ電源部
７ 通水管
８ 冷却水温度制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ メモリ
４３ 入力部

Claims (16)

1. パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、
   レーザロッドの温度を検知し、
   出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるように、前記光励起パルスの波高値を制御する、
   ことを特徴とするレーザパルス出力安定化方法。
2. パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、
   レーザロッドの温度を検知し、
   予め取得してある前記レーザロッドの温度と出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるための前記光励起パルス駆動条件とを関連づけたデータに基づいて、前記光励起パルスの波高値を制御する、
   ことを特徴とするレーザパルス出力安定化方法。
3. 前記レーザパルス間隔は、不等間隔である、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
4. 前記レーザパルス間隔は、
   前記レーザロッドのもつ熱時定数より短い、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
5. 前記レーザパルス間隔は、
   複数の間隔が存在し、前記レーザロッドのもつ熱時定数より短い間隔を含む、
   ことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
6. 前記光励起固体レーザ装置は、
   ランプ励起固体レーザ装置である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
7. 前記光励起固体レーザ装置は、
   半導体レーザ励起固体レーザ装置である、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
8. 前記レーザロッドの媒質は、
   ＹＡＧ結晶を基体とする、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザパルス出力安定化方法。
9. パルスレーザ光を出力する光励起の固体レーザ装置の出力安定化方法であって、
   レーザロッドの温度を検知する手段と、
   出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるように、前記光励起パルスの波高値を制御する手段、
   を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
10. パルスレーザ光を出力する光励起固体レーザ装置の出力安定化方法であって、
    レーザロッドの温度を検知手段と、
    予め取得してある前記レーザロッドの温度と出力レーザパルスの波高値が所要の一定値となるための前記光励起パルス駆動条件とを関連づけたデータを有するメモリと、
    に温度検知手段から出力する温度情報と前記メモリから出力する前記データに基づいて、前記光励起パルスの波高値を制御する手段、
    を備えることを特徴とする固体レーザ装置。
11. 前記レーザパルス間隔は、不等間隔である、
    ことを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の固体レーザ装置。
12. 前記レーザパルス間隔は、
    前記レーザロッドのもつ熱時定数より短い、
    ことを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の固体レーザ装置。
13. 前記レーザパルス間隔は、
    複数の間隔が存在し、前記レーザロッドのもつ熱時定数より短い間隔を含む、
    ことを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の固体レーザ装置。
14. 前記光励起固体レーザ装置は、
    ランプ励起固体レーザ装置である、
    ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
15. 前記光励起固体レーザ装置は、
    半導体レーザ励起固体レーザ装置である、
    ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の固体レーザ装置。
16. 前記レーザロッドの媒質は、
    ＹＡＧ結晶を基体とする、
    ことを特徴とする請求項９乃至１５のいずれかに記載の固体レーザ装置。

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