JP2005019428A - Laser - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a laser in which output power of laser light is regulated without varying the characteristics of output laser light and the plane of polarization can be varied continuously. <P>SOLUTION: Laser rods 13 and 14, a pair of mirrors 10 and 11, and an output variable means A are enclosed in a container T. The output variable means A is provided with a half wavelength plate and a polarizer. A laser light pumped in the laser rods 13 and 14 is reflected between a pair of mirrors 10 and 11 of a resonator R and amplified. The laser light from the resonator R is received by the half wavelength plate and the plane of polarization is rotated. The laser light passed through the half wavelength plate is received by the polarizer and a direct light, i.e. a first polarized light, is separated from a branch light, i.e. a second polarized light. Intensity of the second polarized light is detected by a photodetection means and rotation of the half wavelength plate is controlled such that the intensity of the first polarized light becomes constant based on the output from a photodetector. The first polarized light is outputted to the outside from an output window W provided in the container T. When the half wavelength plate and the polarizer are rotated in a specified relation, the plane of polarization of the output laser light can be varied continuously. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置に関し、特に、加工機や露光装置などに好適な高出力のレーザ光を長期間安定に出力できるレーザ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、固体レーザ媒質と非線形光学結晶を組み合わせた小型で短波長の光を発する固体レーザ装置が、微細加工装置や露光用照明装置として用いられている。この種の固体レーザ装置としては、小型で高い出力を備え、且つ安定した状態で、被加工への加工を行うべく、レーザの出力変動を極めて小さくすることに加え、正確な出力制御が要求されている。固体レーザ媒質を励起する励起光源として用いられる半導体レーザ光源は高出力化が進んでおり、それとともに、固体レーザ装置も高出力化・高効率化に向けて研究開発が行われている。また、高出力化・高効率化とともにレーザ装置の小型化も要求されており、レーザ装置の使用状態においても安全にかつレーザ光の出力を調整できるようにすることが望まれている。以下に、従来のレーザ装置の例をいくつかあげる。
【0003】
特許文献1には、プリズムを利用することにより、共振器を小型化した固体レーザ装置が開示されている。特許文献1に開示された固体レーザ装置は、図6に示すように、反射鏡と台形柱プリズムとの間の第1の光軸上に、固体レーザ媒質および偏光子を備えている。反射鏡と台形柱プリズムとの間の第2の光軸上に、ポッケルスセルおよび1/4波長板を備えている。この固体レーザ装置では、偏光子側から固体レーザ媒質を通過した光は、反射鏡において、等価的に1/2波長板を透過する。すなわち、1/4波長板を透過し、半透鏡により反射され、再び1/4波長板を透過する。そして、反射鏡と反射鏡との間の共振器中で、励起手段により励起された固体レーザ媒質において誘導放出された光が、台形柱プリズムにより折り返された光軸上を共振器内で往復して、レーザ発振する。
【0004】
特許文献2には、機械的シャッタを用いることなく、露光時の光量を正確に制御できる露光用照明装置が開示されている。図7に示すように、露光用照明装置の光源は、所定の偏光状態の紫外光を発生する。偏光制御手段である1/2波長板で、光源からの光の偏光状態を変化させる。光強度制御手段である偏光子で、偏光制御手段からの光の強度を、偏光状態に応じて変化させる。ビームスプリッターで、光強度制御手段からの光の一部を反射する。ビームスプリッターからの反射光の光量を、光検出器で検出する。光検出器によって検出される光量が一定となるように、偏光制御手段を制御する。
【0005】
特許文献3には、高出力のレーザ発振光を出力する場合であっても、安定して強度を制御することができる固体レーザ装置が開示されている。図8に示すように、偏光子と第1の反射鏡(図左)との間の第1の光軸上に、固体レーザ媒質と第1の1/4波長板とを有する第1の光学系がある。第1の反射鏡の反射面は、第1の光軸に垂直である。偏光子と第2の反射鏡(図右下)との間の第2の光軸上に、ポッケルスセルと第2の1/4波長板とを有する第2の光学系がある。第2の反射鏡の反射面は、第2の光軸に垂直である。偏光子は、第1の光軸に沿って入射した光のうち、第1の偏光成分を透過させる。第1の偏光に直交する第2の偏光成分を、第2の光軸の方向に反射させる。励起光源で、固体レーザ媒質を光励起し、反転分布を生じさせる。回転駆動部で、第1の光軸を中心軸として、第1の1/4波長板を回転させる。偏光子を透過して出力されたレーザ発振光の一部を、ビームスプリッターで分岐する。光検出器で、分岐された光の強度を検出する。検出された光の強度に基づいて、制御回路で回転駆動部を制御する。第1の1/4波長板の回転角を調整することにより、固体レーザ装置から出力されるレーザ発振光の強度を調整できる。
【0006】
【特許文献1】
特開昭56−76587号公報
【特許文献2】
特開平9−199394号公報
【特許文献3】
特開平11−97782号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に開示された固体レーザ装置では、励起手段を制御することにより、レーザ発振光の強度をある程度は調整することができるが、レーザ発振光の強度を安定に制御することは困難であるという問題がある。
【0008】
また、特許文献3に開示され固体レーザ装置では、第1の光学系と1/4波長板とを有する第2の光学系を備える必要があるため、光学系が複雑になるという問題がある。また、共振器内でのレーザ出力を調整することで、共振器内のレーザ媒質内に吸収されるレーザ出力も変化してしまうため、レーザ媒質内部の熱勾配が変化して共振器内の光路も変化し、共振器外に出力されるレーザ光のビーム形状及び性質が変わってしまうという問題もある。一方、レーザ装置の使用者が容器の外に出力調整手段を配設したものは、容器から出力されるレーザ光軸とのアライメントが必要になり、さらに塵埃対策、安全対策が要求されるものである。
【0009】
特許文献2に開示された装置では、レーザ出力を調整、あるいは一定に保つべき考慮が払われてはいるものの、長期に亘る使用により励起光源の劣化、振動、あるいは非線形光学結晶の劣化などにより、被加工物への加工に要するレーザパワーそのものが要求される規定値より低下した場合の対策までは考慮が払われていない。即ち、LD(レーザダイオード)励起固体レーザ装置は、励起光源LDの寿命や、LD励起固体レーザ装置の振動により、共振器の光軸がずれることで、時間と共にレーザ出力は低下する。レーザ出力を長時間安定に制御するためには、レーザ出力の低下に伴ってLD電流を上昇する方法が既知の技術であるが、その技術を用いてもLDを一定の出力で保てる時間は約5000時間と短いので、それに影響されるLD励起固体レーザ装置の寿命も同等程度に短く、さらなるレーザ出力の長時間安定性が要求される。
【0010】
産業用途のLD励起固体レーザ装置は、レーザ出力をある設定値に保ったまま使用することが多いが、LD電流を上昇させる方法でレーザ出力安定制御を行うと、LDの寿命によってLDのレーザ出力が大きく低下した時に、レーザ出力が設定値の出力を満たすことができなくなる。そのような状態になると、LD励起固体レーザ装置の修理をするため、LD励起固体レーザ装置を止めなくてはならない。また、修理の人が来るまでに時間が掛かるので、作業工程に大幅な遅れが生じる。そこで、レーザ出力の設定値を満たさなくなる一歩手前で警報を発生する機能を備え、事前にLD励起レーザ装置メーカーに連絡して迅速に修理を行う事が要求される。しかし、前記の出力安定制御では、LDのレーザ出力が一定に制御できる時間を予想または測定することが非常に困難なので、レーザ出力の設定値を満たさなくなる一歩手前で警報を発することは不可能であった。なお、LDばかりでなく、非線形光学結晶の劣化においても同様なことがいえる。
【0011】
LD励起固体レーザ装置のレーザ光の光軸を、全反射ミラーで折り曲げる時、例えば光軸に対して・・・の角度に全反射ミラーを配置して、レーザ光を・・・方向に曲げる時の反射率は、レーザ光の偏光面(P波、S波)によって変化するので、高出力のまま光軸を曲げるためには、偏光面の角度を調整する必要がある。図9(a)に示すように、光軸に対して・・・の角度に全反射ミラーを配置して、レーザ光の光軸を全反射ミラーで・・・曲げる時の反射率は、レーザ光の偏光面(P波、S波)によって、図9(b)のように反射率が変化する。偏光面の角度を調整するためには、レーザ光の光軸に1/2波長板を挿入するという既知の技術があるが、光学部品が増えるのでスペースが大きくなり、コストもかかるという問題がある。
【0012】
一方、研究用途のLD励起固体レーザ装置では、出力を一定に保持したまま偏光面を連続的に変えることで、偏光面に大きく依存する非線形結晶や偏光子の特性を測定することがある。既知の技術として、LD励起固体レーザの出射口に1/2波長板を挿入して、光軸を中心に回転させる方法がある。レーザ出力を変える時は、LD電流を調整することになるので、ビームの形状や性質が変化するおそれがある。出力を変化させると、LDの寿命の影響で、長時間安定にレーザ出力を保持することはできない。レーザ出力を自在に変えて長時間出力を一定に保持したまま偏光面を連続的に変えることができないという問題がある。
【0013】
本発明は、上記従来の問題を解決して、高出力のレーザ発振光を出力する場合であっても、安全にかつ容易に、レーザ光のビーム形状及び性質を変化させることなく、長期にわたりレーザ出力を安定した状態で取り出し、しかも、レーザの出力を長時間保持したまま、レーザの偏光面を連続的に変化できるようにすることを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、一対のミラーの間に配置されたレーザ媒質内で励起されたレーザ光を一対のミラー間で反射させて増幅する共振器を有するレーザ装置に、共振器からのレーザ光を受けて偏光面を回転させる1/2波長板と、1/2波長板を透過したレーザ光を受けて直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とを出力する偏光子と、この偏光子から出力されたレーザの強度を検出する光検出手段と、偏光子から出力されるレーザの強度が所定値となるように光検出器の出力に基づいて1/2波長板を駆動制御する駆動制御手段と、レーザ媒質と一対のミラーと1/2波長板と偏光子とを収容する容器と、第1偏光を外部に出力するために容器に設けられた出力窓とを具備する構成とした。このように構成したことにより、光学部品を削減でき、光学部品のアライメントが容易になり、レーザ出力を安定化できる。
【0015】
また、光検出器の出力に基づいて第1偏光の強度が共振器からのレーザ光の強度に近くなったことを知らせる報知手段を設けた。このように構成したことにより、補修のタイミングが適切に判断でき、稼動効率が良くなる。
【0016】
さらに、1/2波長板と偏光子を回転させて第1偏光のビーム形状及び性質を変えることなく偏光面を調整する駆動制御手段を設けた。このように構成したことにより、特別な光学素子を設けることなく、長時間にわたりレーザ出力を一定に保持したまま偏光面の角度を連続的に変更できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図5を参照しながら詳細に説明する。
【0018】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態は、レーザ共振器からのレーザ光を、偏光子で直進光と分岐光に分離し、分岐光の強度検出値に従って、レーザ共振器の直後に設けた1/2波長板を回転して、直進光の強度を一定にする固体レーザ装置である。
【0019】
図1は、本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置の構成図である。図1において、ミラー10,11は、一対の反射鏡である。レーザロッド13,14は、1064nmの基本波を発生するレーザ媒質である。基本波は他の波長でもよい。励起モジュール15,16は、光を励起するユニットである。レーザダイオード17,18は、レーザ光でレーザ媒質を励起する装置である。ビームスプリッター19は、高調波レーザ光を透過し、基本波レーザ光を反射する光学素子である。Qスイッチ20は、レーザ発振を制御するスイッチである。非線形光学結晶21,22は、基本波レーザ光から高調波レーザ光を生成する光学素子である。高調波生成モジュール23は、高調波レーザ光を生成するユニットである。出力可変手段Aは、レーザ光の強度を調整する手段である。光軸L1は、基本波レーザ光の光軸である。共振器Rは、レーザ光を発振する共振器である。容器Tは、レーザ光を発生する部品を収容する容器である。第1アームT1は、容器のうち、励起部分を収容する腕部である。第2アームT2は、容器のうち、高調波生成部分を収容する腕部である。第3アームT3は、容器のうち、出力調整手段を収容する腕部である。出力窓Wは、容器から外部にレーザ光を導出する窓である。
【0020】
この固体レーザ装置には、共振器Rを形成する一対のミラー10,11との間の光軸L1に、1064nmの基本波を発生するレーザ媒質であるレーザロッド13,14を備えた励起モジュール15,16が、直列に配置されている。レーザロッド13,14は、例えば、Nd:YVOである。これらの励起モジュール15,16は、レーザロッド13,14を励起するため、各レーザロッドの側面にレーザダイオード17,18を備えている。この例では、励起モジュールを2個直列に配置したが、3個であってもよい。ミラー10と励起モジュール15の間には、Qスイッチ20が配置されている。
【0021】
励起モジュール16と反射ミラー11との間には、ビームスプリッター19と、第3高調波を生成する非線形光学結晶21,22よりなる高調波生成モジュール23が設けられている。この例では、第3高調波を生成するLBOタイプIIが用いられている。第2高調波を生成する場合は、LBOタイプIが用いられる。その他の非線形光学結晶、KTP、KDP、LNO、BBO,CLBOを用いてもよい。ミラー10,11と、励起モジュール16,17と、ビームスプリッター19と、高調波生成モジュール23などの光学部品は、T字状の容器Tに収容されている。この容器Tにはさらに、ビームスプリッター19から分離された高調波のレーザ光のパワーを調整する出力可変手段Aを収容している。
【0022】
ビームスプリッター19を境界として、T字状の第1アームT1の部分に、励起モジュール15,16とQスイッチ20が収容されている。T字状の第2アームT2の部分に、高調波生成モジュール23が収容されている。T字状の第3アームT3の部分に、出力可変手段Aが収容されている。レーザが安定して発振するように、容器Tには窒素などの不活性ガスが封入されている。図1に示すように、出力可変手段Aは、ビームスプリッター19と、T字状の第3アームT3に設けられた出力窓Wとの間に配置されている。
【0023】
図2は、本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置に用いる出力可変手段の概略図である。図2において、1/2波長板30は、共振器Rからの出力レーザ光の偏光面を回転させる手段である。偏光子31は、水平偏光成分と垂直偏光成分を分離する手段である。モータ32は、1/2波長板30を回転させる手段である。モータ33は、偏光子31を回転させる手段である。光検出器36は、偏光子31で分岐されたレーザ光の強度(パワー)を検出する手段である。駆動制御装置38は、モータ32,33を制御する装置である。論理回路40は、光検出器36の出力信号を論理演算して、偏光子31からの出力に応じた所定の信号を出力する回路である。駆動回路42は、論理回路40の演算結果に従ってモータ32,33を駆動する回路である。駆動制御装置38は、論理回路40と駆動回路42とを含み、光検出器36に結合されている。スイッチ44は、モータ33を外部から駆動するための切替手段である。駆動回路42と偏光子31のモータ33との間に設けられているスイッチ44は、必要に応じて容器Tの外部から単独でモータ33を駆動できるようにするためのものである。警報手段45は、論理回路40の演算結果に従って警報を発する手段である。出力可変手段Aは、1/2波長板30と、偏光子31と、モータ32と、モータ33と、光検出器36と、駆動制御装置38とを含み、1/2波長板30と偏光子31は、レーザ光軸L2上にある。
【0024】
図3は、本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置で、1/2波長板を角度θだけ傾けた時のレーザの水平偏光のレーザ出力相対値(パワー)を示すグラフ(a)と、1/2波長板を角度θだけ傾けた時のレーザの出力特性(振幅)を示すグラフ(b)である。図4は、固体レーザ装置のレーザ出力相対値と1/2波長板の回転角度と時間関係を示すグラフである。
【0025】
上記のように構成された本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置の動作を説明する。最初に、図1と図2を参照しながら、固体レーザ装置の機能の概略を説明する。図1に示すように、第1のミラー10と第2のミラー11の間を、レーザ光が繰り返し反射することにより、基本波の周波数で共振する。その基本波レーザ光が、高調波生成モジュール23で第3高調波に変換される。この変換された第3高調波のみが、ビームスプリッター19により、出力可変手段Aを介して容器Tの外に取り出される。
【0026】
図2に示すように、出力可変手段Aに内蔵された1/2波長板30を透過したレーザ光(光軸はL2)は、偏光子31に入射する。偏光子31は、第3高調波である波長355nmの光に対応するものである。偏光子31は、1/2波長板30を透過したレーザ光の光軸L2上に、水平偏光の透過強度が最大となる角度に保持しておく。この偏光子31は、1/2波長板30と協働して光強度制御手段として機能する。1/2波長板30を透過してきたレーザ光(光軸はL2)の偏光面の角度に応じて、偏光子31を透過するレーザ光の強度が変化する。偏光子31を透過することによって強度が変えられたレーザ光(光軸はL3)は、容器Tの出力窓から出射して被加工物に照射されて、種々の加工を行うために利用される。
【0027】
次に、図3と図4を参照しながら、出力レーザ光の強度を調整する方法を説明する。光源からの光を水平偏光とする例を説明するが、垂直偏光でも同様である。光源からの光は、特定の角度の直線偏光であれば良い。この例では、共振器Rから出力されるレーザ光は水平偏光であるとする。第1の偏光である水平偏光を透過させ、第2の偏光である垂直偏光を分岐させるように、偏光子31の回転角度を調整する。偏光子31は、水平偏光を透過させ、垂直偏光を分岐させるように保持しておく。1/2波長板30を回転させると、偏光子31に入射するレーザ光の偏光面が回転する。共振器Rからのレーザ光(光軸はL2)の偏光面を1/2波長板30で回転させて、レーザ光(光軸はL3)の出力が最大となる時、そのときの1/2波長板30の角度θを0°とする。1/2波長板30からの偏光を偏光子31に通すと、水平偏光成分は透過する。垂直偏光成分は、偏光子31で光検出器36の方向に分岐する。
【0028】
このレーザ装置において、1/2波長板30の回転角度を閘とし、共振器Rから出力される強度をFinとする。偏光子31を透過して出力されるレーザ光(光軸はL2)の強度Foutは、
out=Fincos(2θ)
となる。すなわち、このレーザ装置では、図3(a)、(b)に示すように、出力される光の強度Foutが、1/2波長板30の回転角度θに依存して変化する。駆動制御装置38からモータ32に信号を与えて、1/2波長板30を角度θだけ回転させると、1/2波長板30を透過したレーザ光(光軸はL2)は、偏光面の角度が2θの直線偏光となる。偏光子31を透過して出力されるレーザ光(光軸はL3)の強度Foutは、1/2波長板30の回転角度θに対応して連続的に変化する。このようにして、偏光子31から出射するレーザ光(光軸L3)の強度を、連続的に変化させることができる。この偏光子の例としては、グランレーザプリズム、グランテーラープリズム、グラントムソンプリズム、偏光ビームスプリッターなどがある。
【0029】
第3に、図4を参照しながら、出力レーザ光の強度を所定値に維持する方法を説明する。光軸L2のレーザ光の強度をFinとする。光軸L2のレーザ光の最大強度をFmaxとする。光軸L3のレーザ光の強度をFoutとする。Fmaxを基準とする相対値をレーザ出力相対値とする。レーザ光(光軸はL3)の強度Foutが、常にレーザ光(光軸はL2)の最大出力Fmaxに対し、所定の割合(例えば80%)を保つように、論理回路40の論理を設定する。所定の割合は、レーザ出力相対値が0.3〜0.95の範囲内であれば良い。1.0に近い値にすると、すぐに制御不能になるので、実用的ではない。図4に示すように、レーザ装置の使用初期においては、共振器Rは最大出力であり、レーザ出力相対値は1である。ある時間が経過すると、レーザ媒質や励起光源の経時変化により、共振器Rのレーザ光のレーザ出力相対値は低下する。例えば、Foutのレーザ出力相対値を0.8に設定すると、レーザ装置の使用初期においては、1/2波長板30の回転角度は約13.5°になる。共振器Rのレーザ出力相対値が0.9となった状態では、1/2波長板30の回転角度は約10°になる。
【0030】
具体的には、偏光子31から分岐した垂直偏光成分を光検出器36で検出し、光検出器36からの検出出力に応じて駆動制御装置38の駆動回路42から出力される信号により、モータ32を駆動して1/2波長板30を回転させる。その回転角度に応じて、共振器Rからのレーザ光(光軸はL2)の偏光面が回転する。共振器Rからのレーザ光の強度が時間とともに減少したとしても、1/2波長板30の回転角度θを、共振器Rからのレーザ光の強度減少に応じて小さくすることにより、レーザ光(光軸はL3)の強度を一定に保つことができる。例えば、1/2波長板30の回転角度θと光検出器36で検出した垂直偏光の強度Fとから、
in=F(1/sin(2θ))
で、共振器Rのレーザ光の強度Finを求める。Finから、FoutがFmax×0.8となる1/2波長板30の回転角度θ’を、
out=Fincos(2θ’)=Fmax×0.8
を解いて求める。1/2波長板30の回転角度をθ’にすれば、レーザ光(光軸はL3)の強度を一定に保つことができる。レーザ装置に本来設けられている偏光子31で分岐させた光を、光検出器36で検出するので、光検出器36用に、レーザ光の光軸L2上に別途ビームスプリッターを設ける必要がない。そのため、光学部品のアライメントの手数が簡単になり、出力の低減も防止でき、コストダウンにもなる。
【0031】
inのレーザ出力相対値が、例えば0.85となった場合には、論理回路40から警報手段45に通知して警告を発し、レーザ装置の補修が必要であることを使用者に知らせる。固体レーザ装置がレーザ出力を安定に制御している状態では、1/2波長板30の光軸の周りの回転角度θから、レーザ出力相対値を知ることができる。初期のレーザ光源の最高出力値(Fmax)から、経時変化により現在のレーザ出力(Fin)に低下したとする。共振器Rからのレーザ光の出力値(Fin)を、
in=(Fout)×(1/cos(2θ))
から算出する。現在のレーザ出力(Fin)が設定値(Fout)に近づいて、出力を安定に制御することが困難になった時に警報を発することができる。例えば、共振器Rの出力相対値が0.8に近づいて、出力を安定に制御することが困難になった時に警報を発する。レーザ装置の早期の補修に有効に役立たせることができる。
【0032】
第4に、レーザ光の偏光面を回転する方法を説明する。1/2波長板30を、光軸の周りに角度θだけ回転させると、1/2波長板30から出射されるレーザ光の偏光面が角度2θだけ回転する。偏光子31を、光軸の周りに角度θだけ回転させると、出射されるレーザ光の偏光面が角度θだけ回転する。偏光子31を回転させるモータ33の回転角速度と、1/2波長板30を回転させるモータ32の回転角速度の比を2:1として、同時に回転させる。モータ32の回転により1/2波長板30が角度θだけ回転すると、1/2波長板30と偏光子31の間のレーザ光の偏光面が角度2θだけ回転する。モータ33の回転により偏光子31が角度2θだけ回転すると、出射されるレーザ光の偏光面が角度2θだけ回転する。このようにすれば、偏光面の回転中にレーザ出力が変化することはないので、偏光子31と1/2波長板30の回転角速度比を2:1として、同時に回転させて偏光面を回転させれば、長時間にわたりレーザ出力を一定に保持できる。このようにして、レーザ出力を一定にしながら、偏光面の角度を連続的に変化させることができる。このとき、スイッチ44の接点をa接点側に接続しておく。1/2波長板30と偏光子31のアライメントを調節する場合には、スイッチ44を接点b側に接続をしておき、偏光子31のモータ33を外部から単独で回転駆動させればよい。
【0033】
上記のように、本発明の第1の実施の形態では、固体レーザ装置を、レーザ共振器からのレーザ光を、偏光子で直進光と分岐光に分離し、分岐光の強度検出値に従って、レーザ共振器の直後に設けた1/2波長板を回転して、直進光の強度を一定にする構成としたので、光学部品を削減でき、光学部品のアライメントが容易になり、レーザ出力を安定化できる。
【0034】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、偏光子からの出力レーザ光を、ビームスプリッターで分岐して、分岐光を光検出器に導いて強度を検出し、1/2波長板を駆動して、出力レーザ光の強度を一定に制御する固体レーザ装置である。
【0035】
図5は、本発明の第2の実施の形態における固体レーザ装置に用いる出力可変手段Aの概略図である。図5において、ビームスプリッター50は、レーザ光の一部を分岐させる光学素子である。ダンパー52は、偏光子31から分岐された光を吸収する手段である。出力可変手段Aは、1/2波長板30と、偏光子31と、モータ32と、モータ33と、光検出器36と、駆動制御装置38と、論理回路40と、モータの駆動回路42と、スイッチ44とを備えている。論理回路40には、警報手段45が接続されている。1/2波長板30と偏光子31は、レーザ出力光軸L2上にある。モータ32は、1/2波長板30を回転駆動する。モータ33は、偏光子31を回転駆動する。駆動制御装置38は、光検出器36に結合されている。論理回路40は、駆動制御手段に内蔵されている。図示していないが、第1の実施の形態と同様に、駆動回路42とモータ33との間に、必要に応じて容器Tの外部からモータ33を駆動制御するためのスイッチ44が設けられている。駆動制御装置38は、光検出器36の出力を受ける論理回路40とモータ32,33の駆動回路42とを含む。第1の実施の形態と一致する部分は、同一参照番号で示されている。図2に示した第1の実施の形態と異なる部分は、偏光子31の出力であるレーザ光の光軸L3上にビームスプリッター50が配置され、このビームスプリッター50から分岐された光が、光検出器36に導かれる点である。
【0036】
上記のように構成された本発明の第2の実施の形態における固体レーザ装置の動作を説明する。1/2波長板30を回転させて、出力レーザ光の強度を調整する方法は、第1の実施の形態と同じであるので、説明は省略する。
【0037】
出力レーザ光の強度を所定値に維持する方法を説明する。光軸L3上に配置されたビームスプリッター50で、偏光子31の出力であるレーザ光の一部(例えば1%)を分岐する。分岐されたレーザ光の強度を光検出器36で検出する。レーザ光(光軸はL3)の強度Foutが、レーザ光(光軸はL2)の最大出力Fmaxに対し、常に所定の割合(例えば80%)を保つように、論理回路40の論理を設定する。光検出器36からの検出出力が一定になるように、駆動制御装置38の駆動回路42から出力される信号により、モータ32を駆動して1/2波長板30を回転させる。その回転角度に応じて、共振器Rからのレーザ光(光軸はL2)の偏光面が回転する。共振器Rからのレーザ光の強度が時間とともに減少したとしても、1/2波長板30の回転角度閘を、共振器Rからのレーザ光の強度減少に応じて小さくすることにより、レーザ光(光軸はL3)の強度を一定に保つことができる。この制御は単純なフィードバック制御であるので、論理回路40の論理は第1の実施の形態より単純になる。
【0038】
レーザ出力を安定制御している状態で、1/2波長板30の光軸周りの回転角度θから、共振器Rからのレーザ出力を求めることができる。共振器Rからのレーザ出力は、経時変化により、初期のレーザ光源の最高出力値より低下する。共振器Rからのレーザ出力(Fin)を、
in=Fout×(1/cos(2θ))
により算出する。Foutは、0.8×Fmaxである。共振器Rからのレーザ出力(Fin)がFoutに近くなり、余裕がなくなって出力を安定に制御することが困難になると、警報を発する。例えば、Foutの設定値を、レーザ出力相対値で0.8にした場合、Finが出力相対値で0.85になると、警報を発するようにする。これは、レーザ装置の早期の補修に有効である。
【0039】
レーザ光の偏光面を回転する方法を説明する。1/2波長板30を光軸の周りに角度θだけ回転させると、出射されるレーザ光の偏光面が、角度2θだけ回転する。モータ32とモータ33により、偏光子31と1/2波長板30を、回転角速度比2:1で同時に回転させる。長時間にわたり、レーザ出力を一定に保持したまま、偏光面の角度を連続的に変えることができる。この点は、第1の実施の形態と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【0040】
上記のように、本発明の第2の実施の形態では、固体レーザ装置を、偏光子からの出力レーザ光を、ビームスプリッターで分岐して、分岐光を光検出器に導いて強度を検出し、1/2波長板を駆動して、出力レーザ光の強度を一定に制御する構成としたので、光学部品を削減でき、光学部品のアライメントが容易になり、レーザ出力を安定化できる。
【0041】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、一対のミラーの間に配置されたレーザ媒質内で励起されたレーザ光を一対のミラー間で反射させて増幅する共振器を有するレーザ装置に、共振器からのレーザ光を受けて偏光面を回転させる1/2波長板と、1/2波長板を透過したレーザ光を受けて直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とを出力する偏光子と、第2偏光の強度を検出する光検出手段と、光検出器の出力に基づいて1/2波長板を駆動制御する駆動制御手段と、レーザ媒質と一対のミラーと1/2波長板と偏光子とを密閉収容する容器と、第1偏光を外部に出力するために容器に設けられた出力窓とを具備する構成としたので、光学部品を削減でき、光学部品のアライメントが容易にでき、レーザ出力を安定化できる。
【0042】
また、第1偏光の強度が所定値となるように光検出器の出力に基づいて1/2波長板を駆動制御する駆動制御手段と、光検出器の出力に基づいて第1偏光の強度が共振器からのレーザ光の強度に近くなったことを知らせる報知手段とを設けたので、補修のタイミングを適切に判断でき、稼動効率を高めることができる。
【0043】
また、1/2波長板と偏光子を回転させて第1偏光のビーム形状及び性質を変えることなく偏光面を調整する駆動制御手段を設けたので、特別な光学素子を設けることなく、長時間にわたりレーザ出力を一定に保持したまま、偏光面の角度を連続的に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置の全体構成図、
【図2】本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置に用いる出力可変手段の概略図、
【図3】本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置で、1/2波長板を角度θだけ傾けた時のレーザの水平偏光レーザ出力相対値を示すグラフと、1/2波長板を角度θだけ傾けた時のレーザの出力特性を示すグラフ、
【図4】本発明の第1の実施の形態における固体レーザ装置のレーザ出力相対値と1/2波長板の回転角度と時間関係を示すグラフ、
【図5】本発明の第2の実施の形態における固体レーザ装置の出力可変手段の概略図、
【図6】従来の固体レーザ装置の第1例の構成を示す概念図、
【図7】従来の固体レーザ装置の第2例の構成を示す概念図、
【図8】従来の固体レーザ装置の第3例の構成を示す概念図、
【図9】レーザ装置のビームスプリッターとS波とP波の反射率を示すグラフである。
【符号の説明】
10,11 ミラー
13,14 レーザロッド
15,16 励起モジュール
17,18 レーザダイオード
19 ビームスプリッター
20 Qスイッチ
21,22 非線形光学結晶
23 非線形光学モジール
30 1/2波長板
31 偏光子
32,33 モータ
36 光検出器
38 駆動制御装置
40 論理回路
42 駆動回路
44 スイッチ
45 警報手段
50 ビームスプリッター
52 ダンパー
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser apparatus, and more particularly to a laser apparatus that can stably output a high-power laser beam suitable for a processing machine, an exposure apparatus, etc. for a long period of time.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a solid-state laser device that emits light of a short wavelength with a combination of a solid-state laser medium and a nonlinear optical crystal is used as a fine processing device or an illumination device for exposure. This type of solid-state laser device is required to have accurate output control in addition to extremely small fluctuations in the output of the laser in order to perform processing on the workpiece in a stable state with a small size and high output. ing. A semiconductor laser light source used as an excitation light source for exciting a solid-state laser medium has been increased in output. At the same time, a solid-state laser device has been researched and developed for higher output and higher efficiency. In addition, there is a demand for higher output and higher efficiency as well as downsizing of the laser device, and it is desired to be able to adjust the output of the laser light safely and even when the laser device is in use. Several examples of conventional laser devices are given below.
[0003]
Patent Document 1 discloses a solid-state laser device in which a resonator is miniaturized by using a prism. As shown in FIG. 6, the solid-state laser device disclosed in Patent Document 1 includes a solid-state laser medium and a polarizer on a first optical axis between a reflecting mirror and a trapezoidal prism. A Pockels cell and a quarter-wave plate are provided on the second optical axis between the reflecting mirror and the trapezoidal prism. In this solid-state laser device, light that has passed through the solid-state laser medium from the polarizer side is equivalently transmitted through the half-wave plate in the reflecting mirror. That is, it passes through the quarter-wave plate, is reflected by the half mirror, and passes through the quarter-wave plate again. Then, in the resonator between the reflecting mirrors, the light stimulated and emitted in the solid-state laser medium excited by the excitation means reciprocates in the resonator on the optical axis folded back by the trapezoidal prism. Laser oscillation.
[0004]
Patent Document 2 discloses an exposure illumination device that can accurately control the amount of light during exposure without using a mechanical shutter. As shown in FIG. 7, the light source of the exposure illumination device generates ultraviolet light in a predetermined polarization state. A polarization state of light from the light source is changed by a half-wave plate which is a polarization control means. The light intensity control means is a polarizer that changes the intensity of light from the polarization control means in accordance with the polarization state. A part of the light from the light intensity control means is reflected by the beam splitter. The amount of reflected light from the beam splitter is detected by a photodetector. The polarization control means is controlled so that the amount of light detected by the photodetector is constant.
[0005]
Patent Document 3 discloses a solid-state laser device that can stably control the intensity even when high-power laser oscillation light is output. As shown in FIG. 8, on the first optical axis between the polarizer and the first reflecting mirror (left in the figure), the first optical having a solid-state laser medium and a first quarter-wave plate. There is a system. The reflecting surface of the first reflecting mirror is perpendicular to the first optical axis. There is a second optical system having a Pockels cell and a second quarter-wave plate on the second optical axis between the polarizer and the second reflecting mirror (lower right in the figure). The reflecting surface of the second reflecting mirror is perpendicular to the second optical axis. The polarizer transmits the first polarization component of the light incident along the first optical axis. The second polarization component orthogonal to the first polarization is reflected in the direction of the second optical axis. A solid-state laser medium is optically excited with an excitation light source to generate an inversion distribution. The rotation driving unit rotates the first quarter-wave plate with the first optical axis as the central axis. A part of the laser oscillation light transmitted through the polarizer is branched by a beam splitter. A light detector detects the intensity of the branched light. Based on the detected light intensity, the rotation drive unit is controlled by the control circuit. By adjusting the rotation angle of the first quarter-wave plate, the intensity of the laser oscillation light output from the solid-state laser device can be adjusted.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-56-76587
[Patent Document 2]
JP-A-9-199394
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-97782
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the solid-state laser device disclosed in Patent Document 1, the intensity of laser oscillation light can be adjusted to some extent by controlling the excitation means, but it is difficult to stably control the intensity of laser oscillation light. There is a problem that.
[0008]
In addition, the solid-state laser device disclosed in Patent Document 3 needs to include a second optical system having a first optical system and a quarter-wave plate, which causes a problem that the optical system becomes complicated. In addition, adjusting the laser output in the resonator also changes the laser output absorbed in the laser medium in the resonator, so the thermal gradient inside the laser medium changes and the optical path in the resonator changes. There is also a problem that the beam shape and properties of the laser light output outside the resonator change. On the other hand, if the user of the laser apparatus has an output adjusting means disposed outside the container, alignment with the laser optical axis output from the container is required, and dust countermeasures and safety measures are required. is there.
[0009]
In the device disclosed in Patent Document 2, consideration is given to adjusting or keeping the laser output constant, but due to long-term use, excitation light source deterioration, vibration, nonlinear optical crystal deterioration, etc. No consideration has been given to countermeasures for the case where the laser power itself required for processing the workpiece falls below the required specified value. That is, in the LD (laser diode) pumped solid-state laser device, the laser output decreases with time because the optical axis of the resonator is shifted due to the lifetime of the pumping light source LD and the vibration of the LD-pumped solid-state laser device. In order to stably control the laser output for a long time, a method of increasing the LD current as the laser output decreases is a known technique. However, even if this technique is used, the time for keeping the LD at a constant output is about Since it is as short as 5000 hours, the life of the LD-pumped solid-state laser device affected by this is as short as possible, and further long-term stability of the laser output is required.
[0010]
LD-pumped solid-state laser devices for industrial use are often used with the laser output maintained at a certain set value. However, when laser output stability control is performed by increasing the LD current, the laser output of the LD depends on the life of the LD. When the laser power drops significantly, the laser output cannot satisfy the set value output. In such a state, the LD-pumped solid-state laser device must be stopped to repair the LD-pumped solid-state laser device. In addition, since it takes time for a repair person to come, the work process is greatly delayed. Therefore, it is required to provide a function for generating an alarm one step before the set value of the laser output is not satisfied, and to contact the LD pump laser device manufacturer in advance for quick repair. However, in the above-described stable output control, it is very difficult to predict or measure the time during which the laser output of the LD can be controlled to be constant. Therefore, it is impossible to issue an alarm one step before the laser output set value is not satisfied. there were. The same can be said for the deterioration of the nonlinear optical crystal as well as the LD.
[0011]
When the optical axis of the laser beam of the LD-pumped solid-state laser device is bent by a total reflection mirror, for example, when the total reflection mirror is arranged at an angle of ... with respect to the optical axis and the laser beam is bent in the direction ... Therefore, in order to bend the optical axis with a high output, it is necessary to adjust the angle of the polarization plane. As shown in FIG. 9 (a), the total reflection mirror is arranged at an angle with respect to the optical axis, and the reflectance when the optical axis of the laser beam is bent with the total reflection mirror is determined by the laser. Depending on the polarization plane (P wave, S wave) of light, the reflectance changes as shown in FIG. In order to adjust the angle of the polarization plane, there is a known technique of inserting a half-wave plate into the optical axis of the laser beam. .
[0012]
On the other hand, in an LD-pumped solid-state laser device for research use, characteristics of a nonlinear crystal or a polarizer that greatly depends on the polarization plane may be measured by continuously changing the polarization plane while keeping the output constant. As a known technique, there is a method in which a half-wave plate is inserted into the exit of an LD-pumped solid-state laser and rotated around the optical axis. When changing the laser output, the LD current is adjusted, so that the shape and properties of the beam may change. If the output is changed, the laser output cannot be stably maintained for a long time due to the influence of the life of the LD. There is a problem that the polarization plane cannot be continuously changed while the laser output is freely changed and the output is kept constant for a long time.
[0013]
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and even in the case of outputting high-power laser oscillation light, it is possible to safely and easily perform laser over a long period without changing the beam shape and properties of the laser light. An object of the present invention is to take out the output in a stable state and to continuously change the polarization plane of the laser while maintaining the output of the laser for a long time.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, a laser device having a resonator that reflects and amplifies laser light excited in a laser medium arranged between a pair of mirrors between the pair of mirrors, A half-wave plate that rotates the plane of polarization by receiving laser light from the resonator, a first polarization that is straight light and a second polarization that is branch light that receives the laser light transmitted through the half-wave plate. Based on the output of the light detector, the light detection means for detecting the intensity of the laser output from the polarizer, and the output of the photodetector so that the intensity of the laser output from the polarizer becomes a predetermined value. A drive control means for driving and controlling the / 2 wavelength plate, a container for housing the laser medium, a pair of mirrors, a half wavelength plate and a polarizer, and a container for outputting the first polarized light to the outside. And an output window. With such a configuration, optical components can be reduced, alignment of the optical components is facilitated, and laser output can be stabilized.
[0015]
In addition, an informing means for notifying that the intensity of the first polarized light is close to the intensity of the laser beam from the resonator based on the output of the photodetector is provided. With this configuration, the repair timing can be appropriately determined, and the operation efficiency is improved.
[0016]
Furthermore, a drive control unit is provided that adjusts the polarization plane without changing the beam shape and properties of the first polarization by rotating the half-wave plate and the polarizer. With this configuration, it is possible to continuously change the angle of the polarization plane while keeping the laser output constant for a long time without providing a special optical element.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0018]
(First embodiment)
In the first embodiment of the present invention, laser light from a laser resonator is separated into straight light and branched light by a polarizer, and is provided immediately after the laser resonator according to the intensity detection value of the branched light. This is a solid-state laser device that rotates the two-wave plate to make the intensity of the straight light constant.
[0019]
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state laser device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, mirrors 10 and 11 are a pair of reflecting mirrors. The laser rods 13 and 14 are laser media that generate a fundamental wave of 1064 nm. The fundamental wave may be another wavelength. The excitation modules 15 and 16 are units that excite light. The laser diodes 17 and 18 are devices that excite a laser medium with laser light. The beam splitter 19 is an optical element that transmits the harmonic laser beam and reflects the fundamental laser beam. The Q switch 20 is a switch that controls laser oscillation. The nonlinear optical crystals 21 and 22 are optical elements that generate harmonic laser light from fundamental laser light. The harmonic generation module 23 is a unit that generates harmonic laser light. The output variable means A is means for adjusting the intensity of the laser light. The optical axis L1 is the optical axis of the fundamental laser beam. The resonator R is a resonator that oscillates laser light. The container T is a container that houses a component that generates laser light. The 1st arm T1 is an arm part which accommodates an excitation part among containers. The 2nd arm T2 is an arm part which accommodates a harmonic generation part among containers. 3rd arm T3 is an arm part which accommodates an output adjustment means among containers. The output window W is a window for leading laser light from the container to the outside.
[0020]
This solid-state laser device includes an excitation module 15 including laser rods 13 and 14 which are laser media that generate a fundamental wave of 1064 nm on an optical axis L1 between a pair of mirrors 10 and 11 forming a resonator R. 16 are arranged in series. The laser rods 13 and 14 are, for example, Nd: YVO 4 It is. These excitation modules 15 and 16 include laser diodes 17 and 18 on the side surfaces of the respective laser rods in order to excite the laser rods 13 and 14. In this example, two excitation modules are arranged in series, but may be three. A Q switch 20 is disposed between the mirror 10 and the excitation module 15.
[0021]
Between the excitation module 16 and the reflection mirror 11, a beam splitter 19 and a harmonic generation module 23 composed of nonlinear optical crystals 21 and 22 that generate the third harmonic are provided. In this example, LBO type II that generates the third harmonic is used. When generating the second harmonic, LBO type I is used. Other nonlinear optical crystals, KTP, KDP, LNO, BBO, CLBO may be used. Optical components such as the mirrors 10 and 11, the excitation modules 16 and 17, the beam splitter 19, and the harmonic generation module 23 are accommodated in a T-shaped container T. The container T further accommodates an output variable means A that adjusts the power of the harmonic laser beam separated from the beam splitter 19.
[0022]
Excitation modules 15 and 16 and a Q switch 20 are accommodated in a portion of the T-shaped first arm T1 with the beam splitter 19 as a boundary. The harmonic generation module 23 is accommodated in the portion of the T-shaped second arm T2. The output variable means A is accommodated in the T-shaped third arm T3. The container T is filled with an inert gas such as nitrogen so that the laser oscillates stably. As shown in FIG. 1, the output variable means A is disposed between the beam splitter 19 and an output window W provided on the T-shaped third arm T3.
[0023]
FIG. 2 is a schematic diagram of output varying means used in the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, a half-wave plate 30 is a means for rotating the polarization plane of the output laser light from the resonator R. The polarizer 31 is means for separating a horizontal polarization component and a vertical polarization component. The motor 32 is means for rotating the half-wave plate 30. The motor 33 is means for rotating the polarizer 31. The photodetector 36 is means for detecting the intensity (power) of the laser beam branched by the polarizer 31. The drive control device 38 is a device that controls the motors 32 and 33. The logic circuit 40 is a circuit that performs a logical operation on the output signal of the photodetector 36 and outputs a predetermined signal corresponding to the output from the polarizer 31. The drive circuit 42 is a circuit that drives the motors 32 and 33 according to the calculation result of the logic circuit 40. The drive controller 38 includes a logic circuit 40 and a drive circuit 42 and is coupled to the photodetector 36. The switch 44 is a switching unit for driving the motor 33 from the outside. A switch 44 provided between the drive circuit 42 and the motor 33 of the polarizer 31 is for allowing the motor 33 to be driven independently from the outside of the container T as needed. The alarm unit 45 is a unit that issues an alarm according to the calculation result of the logic circuit 40. The output variable means A includes a half-wave plate 30, a polarizer 31, a motor 32, a motor 33, a photodetector 36, and a drive control device 38. The half-wave plate 30 and the polarizer 31 is on the laser optical axis L2.
[0024]
FIG. 3 is a graph (a) showing the laser output relative value (power) of the horizontal polarization of the laser when the half-wave plate is tilted by the angle θ in the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention. And (b) is a graph showing the output characteristics (amplitude) of the laser when the half-wave plate is tilted by an angle θ. FIG. 4 is a graph showing the time relationship between the laser output relative value of the solid-state laser device, the rotation angle of the half-wave plate, and time.
[0025]
The operation of the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described. First, an outline of functions of the solid-state laser device will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1, the laser light is repeatedly reflected between the first mirror 10 and the second mirror 11 to resonate at the fundamental frequency. The fundamental laser beam is converted into the third harmonic by the harmonic generation module 23. Only the converted third harmonic is taken out of the container T by the beam splitter 19 via the output variable means A.
[0026]
As shown in FIG. 2, the laser light (optical axis is L2) transmitted through the half-wave plate 30 built in the output variable means A is incident on the polarizer 31. The polarizer 31 corresponds to light having a wavelength of 355 nm, which is the third harmonic. The polarizer 31 is held on the optical axis L2 of the laser beam that has passed through the half-wave plate 30 at an angle that maximizes the transmission intensity of horizontally polarized light. The polarizer 31 functions as a light intensity control unit in cooperation with the half-wave plate 30. The intensity of the laser beam that passes through the polarizer 31 changes according to the angle of the polarization plane of the laser beam that has passed through the half-wave plate 30 (optical axis is L2). Laser light whose optical intensity is changed by passing through the polarizer 31 (the optical axis is L3) is emitted from the output window of the container T and irradiated to the workpiece, and is used for various processing. .
[0027]
Next, a method for adjusting the intensity of the output laser beam will be described with reference to FIGS. An example in which light from a light source is horizontally polarized will be described, but the same applies to vertically polarized light. The light from the light source may be linearly polarized light at a specific angle. In this example, it is assumed that the laser light output from the resonator R is horizontally polarized light. The rotation angle of the polarizer 31 is adjusted so that the horizontally polarized light that is the first polarized light is transmitted and the vertically polarized light that is the second polarized light is branched. The polarizer 31 holds the horizontally polarized light so that it is transmitted and the vertically polarized light is branched. When the half-wave plate 30 is rotated, the polarization plane of the laser light incident on the polarizer 31 is rotated. When the polarization plane of the laser beam from the resonator R (optical axis is L2) is rotated by the half-wave plate 30 and the output of the laser beam (optical axis is L3) becomes maximum, 1/2 of that time The angle θ of the wave plate 30 is set to 0 °. When polarized light from the half-wave plate 30 is passed through the polarizer 31, the horizontally polarized light component is transmitted. The vertically polarized component is branched by the polarizer 31 toward the photodetector 36.
[0028]
In this laser apparatus, the rotation angle of the half-wave plate 30 is taken as the angle, and the intensity output from the resonator R is F. in And Intensity F of laser light transmitted through the polarizer 31 (optical axis is L2) out Is
F out = F in cos 2 (2θ)
It becomes. That is, in this laser apparatus, as shown in FIGS. 3A and 3B, the intensity F of the output light is F. out Varies depending on the rotation angle θ of the half-wave plate 30. When a signal is given from the drive control device 38 to the motor 32 and the half-wave plate 30 is rotated by an angle θ, the laser light transmitted through the half-wave plate 30 (optical axis is L2) is the angle of the polarization plane. Becomes 2θ linearly polarized light. Intensity F of laser light (optical axis is L3) output through the polarizer 31 out Changes continuously corresponding to the rotation angle θ of the half-wave plate 30. In this way, the intensity of the laser light (optical axis L3) emitted from the polarizer 31 can be continuously changed. Examples of the polarizer include a Glan laser prism, a Glan tailor prism, a Glan Thompson prism, and a polarization beam splitter.
[0029]
Third, a method for maintaining the intensity of the output laser beam at a predetermined value will be described with reference to FIG. The intensity of the laser beam on the optical axis L2 is F in And F is the maximum intensity of the laser beam on the optical axis L2. max And The intensity of the laser beam on the optical axis L3 is F out And F max The relative value with reference to is a laser output relative value. Intensity F of laser light (optical axis is L3) out Is always the maximum output F of the laser beam (optical axis is L2) max On the other hand, the logic of the logic circuit 40 is set so as to maintain a predetermined ratio (for example, 80%). The predetermined ratio may be such that the laser output relative value is within the range of 0.3 to 0.95. A value close to 1.0 is not practical because it becomes immediately uncontrollable. As shown in FIG. 4, in the initial use of the laser apparatus, the resonator R has the maximum output and the laser output relative value is 1. When a certain time elapses, the laser output relative value of the laser light of the resonator R decreases due to the temporal change of the laser medium and the excitation light source. For example, F out Is set to 0.8, the rotation angle of the half-wave plate 30 is about 13.5 ° in the initial use of the laser device. In a state where the laser output relative value of the resonator R is 0.9, the rotation angle of the half-wave plate 30 is about 10 °.
[0030]
Specifically, the vertical polarization component branched from the polarizer 31 is detected by the photodetector 36, and the motor is generated by a signal output from the drive circuit 42 of the drive control device 38 according to the detection output from the photodetector 36. 32 is driven to rotate the half-wave plate 30. The polarization plane of the laser light (optical axis is L2) from the resonator R rotates according to the rotation angle. Even if the intensity of the laser beam from the resonator R decreases with time, the rotation angle θ of the half-wave plate 30 is reduced in accordance with the decrease in the intensity of the laser beam from the resonator R, so that the laser beam ( The optical axis can keep the intensity of L3) constant. For example, the rotation angle θ of the half-wave plate 30 and the vertical polarization intensity F detected by the photodetector 36. v And
F in = F v (1 / sin 2 (2θ))
And the intensity F of the laser beam of the resonator R in Ask for. F in To F out Is F max The rotation angle θ ′ of the half-wave plate 30 that is × 0.8 is
F out = F in cos 2 (2θ ′) = F max × 0.8
Find and solve. If the rotation angle of the half-wave plate 30 is θ ′, the intensity of the laser beam (optical axis is L3) can be kept constant. Since the light branched by the polarizer 31 originally provided in the laser device is detected by the photodetector 36, it is not necessary to provide a separate beam splitter on the optical axis L2 of the laser light for the photodetector 36. . This simplifies the alignment of the optical components, prevents the output from being reduced, and reduces the cost.
[0031]
F in When the relative value of the laser output becomes 0.85, for example, the logic circuit 40 notifies the alarm means 45 to issue a warning to inform the user that the laser device needs to be repaired. In a state where the solid-state laser device stably controls the laser output, the relative value of the laser output can be known from the rotation angle θ around the optical axis of the half-wave plate 30. Maximum output value of initial laser light source (F max ) To present laser output (F in ). Output value of laser beam from resonator R (F in )
F in = (F out ) X (1 / cos 2 (2θ))
Calculate from Current laser power (F in ) Is the set value (F out ), An alarm can be issued when it becomes difficult to control the output stably. For example, an alarm is issued when the relative output value of the resonator R approaches 0.8 and it becomes difficult to stably control the output. It can be effectively used for early repair of the laser device.
[0032]
Fourth, a method for rotating the polarization plane of the laser light will be described. When the half-wave plate 30 is rotated around the optical axis by an angle θ, the polarization plane of the laser light emitted from the half-wave plate 30 is rotated by an angle 2θ. When the polarizer 31 is rotated around the optical axis by the angle θ, the polarization plane of the emitted laser light is rotated by the angle θ. The ratio of the rotational angular velocity of the motor 33 that rotates the polarizer 31 and the rotational angular velocity of the motor 32 that rotates the half-wave plate 30 is set to 2: 1, and they are rotated simultaneously. When the half-wave plate 30 is rotated by the angle θ by the rotation of the motor 32, the polarization plane of the laser light between the half-wave plate 30 and the polarizer 31 is rotated by the angle 2θ. When the polarizer 31 is rotated by the angle 2θ by the rotation of the motor 33, the polarization plane of the emitted laser light is rotated by the angle 2θ. In this way, since the laser output does not change during the rotation of the polarization plane, the rotation angle speed ratio of the polarizer 31 and the half-wave plate 30 is set to 2: 1, and the polarization plane is rotated simultaneously. By doing so, the laser output can be kept constant for a long time. In this way, the angle of the polarization plane can be continuously changed while keeping the laser output constant. At this time, the contact of the switch 44 is connected to the a contact side. In order to adjust the alignment of the half-wave plate 30 and the polarizer 31, the switch 44 is connected to the contact b side, and the motor 33 of the polarizer 31 may be rotated independently from the outside.
[0033]
As described above, in the first embodiment of the present invention, the solid-state laser device separates the laser light from the laser resonator into straight light and branched light with a polarizer, and according to the intensity detection value of the branched light, Rotating the half-wave plate provided immediately after the laser resonator to make the intensity of the straight light constant, so that the optical parts can be reduced, the optical parts can be easily aligned, and the laser output is stable. Can be
[0034]
(Second Embodiment)
In the second embodiment of the present invention, output laser light from a polarizer is branched by a beam splitter, the branched light is guided to a photodetector to detect the intensity, and a half-wave plate is driven. This is a solid-state laser device that controls the intensity of output laser light to be constant.
[0035]
FIG. 5 is a schematic diagram of the output variable means A used in the solid-state laser device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, a beam splitter 50 is an optical element that branches a part of laser light. The damper 52 is a means for absorbing the light branched from the polarizer 31. The output variable means A includes a half-wave plate 30, a polarizer 31, a motor 32, a motor 33, a photodetector 36, a drive control device 38, a logic circuit 40, and a motor drive circuit 42. The switch 44 is provided. Alarm means 45 is connected to the logic circuit 40. The half-wave plate 30 and the polarizer 31 are on the laser output optical axis L2. The motor 32 drives the half-wave plate 30 to rotate. The motor 33 rotates the polarizer 31. The drive controller 38 is coupled to the photodetector 36. The logic circuit 40 is built in the drive control means. Although not shown, a switch 44 is provided between the drive circuit 42 and the motor 33 to drive and control the motor 33 from the outside of the container T as necessary, as in the first embodiment. Yes. The drive control device 38 includes a logic circuit 40 that receives the output of the photodetector 36 and a drive circuit 42 for the motors 32 and 33. Parts that are the same as in the first embodiment are indicated with the same reference numerals. 2 differs from the first embodiment shown in FIG. 2 in that a beam splitter 50 is disposed on the optical axis L3 of the laser light that is the output of the polarizer 31, and the light branched from the beam splitter 50 is converted into light. This is a point led to the detector 36.
[0036]
The operation of the solid-state laser device according to the second embodiment of the present invention configured as described above will be described. Since the method of rotating the half-wave plate 30 and adjusting the intensity of the output laser light is the same as that in the first embodiment, description thereof is omitted.
[0037]
A method for maintaining the intensity of the output laser beam at a predetermined value will be described. A beam splitter 50 arranged on the optical axis L3 branches a part (for example, 1%) of the laser light that is the output of the polarizer 31. The intensity of the branched laser beam is detected by the photodetector 36. Intensity F of laser light (optical axis is L3) out Is the maximum output F of the laser beam (optical axis is L2). max On the other hand, the logic of the logic circuit 40 is set so as to always maintain a predetermined ratio (for example, 80%). The half-wave plate 30 is rotated by driving the motor 32 by a signal output from the drive circuit 42 of the drive control device 38 so that the detection output from the photodetector 36 is constant. The polarization plane of the laser light (optical axis is L2) from the resonator R rotates according to the rotation angle. Even if the intensity of the laser beam from the resonator R decreases with time, the rotation angle の of the half-wave plate 30 is reduced in accordance with the decrease in the intensity of the laser beam from the resonator R, so that the laser beam ( The optical axis can keep the intensity of L3) constant. Since this control is simple feedback control, the logic of the logic circuit 40 is simpler than that of the first embodiment.
[0038]
With the laser output being stably controlled, the laser output from the resonator R can be obtained from the rotation angle θ around the optical axis of the half-wave plate 30. The laser output from the resonator R decreases from the maximum output value of the initial laser light source due to a change with time. Laser output from resonator R (F in )
F in = F out × (1 / cos 2 (2θ))
Calculated by F out Is 0.8 × F max It is. Laser output from resonator R (F in ) Is F out When there is no room and it becomes difficult to control the output stably, an alarm is issued. For example, F out When the set value of 0.8 is 0.8 relative to the laser output relative value, F in When the output relative value becomes 0.85, an alarm is issued. This is effective for early repair of the laser device.
[0039]
A method for rotating the polarization plane of the laser light will be described. When the half-wave plate 30 is rotated around the optical axis by an angle θ, the polarization plane of the emitted laser light is rotated by an angle 2θ. By the motor 32 and the motor 33, the polarizer 31 and the half-wave plate 30 are simultaneously rotated at a rotation angular velocity ratio of 2: 1. The angle of the polarization plane can be continuously changed while keeping the laser output constant for a long time. Since this point is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0040]
As described above, in the second embodiment of the present invention, the solid-state laser device detects the intensity by branching the output laser light from the polarizer with the beam splitter and guiding the branched light to the photodetector. Since the half-wave plate is driven and the intensity of the output laser beam is controlled to be constant, the optical parts can be reduced, the optical parts can be easily aligned, and the laser output can be stabilized.
[0041]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, in the present invention, a laser device having a resonator that reflects and amplifies laser light excited in a laser medium disposed between a pair of mirrors between the pair of mirrors, A half-wave plate that rotates the plane of polarization by receiving laser light from the resonator, a first polarization that is straight light and a second polarization that is branch light that receives the laser light transmitted through the half-wave plate. , A light detection means for detecting the intensity of the second polarized light, a drive control means for driving and controlling the half-wave plate based on the output of the light detector, a laser medium, a pair of mirrors, 1 / 2 Wave plate and polarizer are hermetically housed and an output window provided in the container for outputting the first polarized light to the outside. Alignment can be facilitated and laser output can be stabilized.
[0042]
Further, drive control means for driving and controlling the half-wave plate based on the output of the photodetector so that the intensity of the first polarization becomes a predetermined value, and the intensity of the first polarization based on the output of the photodetector. Since the notifying means for notifying that the intensity of the laser beam from the resonator is close is provided, it is possible to appropriately determine the repair timing and to improve the operation efficiency.
[0043]
In addition, since the drive control means for adjusting the polarization plane without changing the beam shape and properties of the first polarized light by rotating the half-wave plate and the polarizer, a long time without providing a special optical element is provided. The angle of the polarization plane can be continuously changed while keeping the laser output constant.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a solid-state laser device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram of output variable means used in the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a graph showing a horizontal polarization laser output relative value of a laser when the half-wave plate is tilted by an angle θ in the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention; A graph showing the output characteristics of the laser when tilted by an angle θ,
FIG. 4 is a graph showing a laser output relative value of the solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention, a rotation angle of a half-wave plate, and a time relationship;
FIG. 5 is a schematic diagram of output varying means of a solid-state laser device in a second embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a configuration of a first example of a conventional solid-state laser device;
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a configuration of a second example of a conventional solid-state laser device;
FIG. 8 is a conceptual diagram showing the configuration of a third example of a conventional solid-state laser device;
FIG. 9 is a graph showing the reflectivity of the beam splitter, S wave, and P wave of the laser device.
[Explanation of symbols]
10,11 mirror
13,14 Laser rod
15,16 Excitation module
17, 18 Laser diode
19 Beam splitter
20 Q switch
21, 22 Nonlinear optical crystal
23 Nonlinear optical module
30 1/2 wave plate
31 Polarizer
32, 33 motor
36 photodetectors
38 Drive control device
40 logic circuits
42 Drive circuit
44 switch
45 Alarm means
50 Beam splitter
52 Damper

Claims (7)

一対のミラーの間に配置されたレーザ媒質内で励起されたレーザ光を前記一対のミラー間で反射させて増幅する共振器を有するレーザ装置において、前記共振器からのレーザ光を受けて偏光面を回転させる1/2波長板と、前記1/2波長板を透過したレーザ光を受けて直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とを出力する偏光子と、この偏光子から出力されたレーザの強度を検出する光検出手段と、前記偏光子から出力されるレーザの強度が所定値となるように前記光検出器の出力に基づいて前記1/2波長板を駆動制御する駆動制御手段と、前記レーザ媒質と前記一対のミラーと前記1/2波長板と前記偏光子とを収容する容器と、前記第1偏光を外部に出力するために前記容器に設けられた出力窓とを具備することを特徴とするレーザ装置。In a laser device having a resonator that reflects and amplifies laser light excited in a laser medium disposed between a pair of mirrors between the pair of mirrors, a polarization plane that receives the laser light from the resonator A polarizer that outputs laser light that has passed through the half-wave plate and outputs first polarized light that is straight light and second polarized light that is branched light, and this polarizer And a light detecting means for detecting the intensity of the laser output from the light source, and driving control of the half-wave plate based on the output of the photodetector so that the intensity of the laser output from the polarizer becomes a predetermined value. A drive control means, a container containing the laser medium, the pair of mirrors, the half-wave plate, and the polarizer, and an output provided in the container for outputting the first polarized light to the outside And a window Over laser device. 一対のミラーの間に配置されたレーザ媒質内で励起されたレーザ光を前記一対のミラー間で反射させて増幅する共振器を有するレーザ装置において、前記共振器からのレーザ光を受けて偏光面を回転させる1/2波長板と、前記1/2波長板を透過したレーザ光を受けて直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とを出力する偏光子と、前記第1偏光の一部を分岐させるビームスプリッターと、前記ビームスプリッターで分岐されたレーザ光の強度を検出する光検出手段と、前記偏光子から出力されるレーザの強度が所定値となるように前記光検出器の出力に基づいて前記1/2波長板を駆動制御する駆動制御手段と、前記レーザ媒質と前記一対のミラーと前記1/2波長板と前記偏光子と前記ビームスプリッターとを収容する容器と、前記第1偏光を外部に出力するために前記容器に設けられた出力窓とを具備することを特徴とするレーザ装置。In a laser device having a resonator that reflects and amplifies laser light excited in a laser medium disposed between a pair of mirrors between the pair of mirrors, a polarization plane that receives the laser light from the resonator A polarizer that outputs a first polarized light that is a straight-ahead light and a second polarized light that is a branched light upon receiving a laser beam transmitted through the half-wave plate; A beam splitter for branching a part of the polarized light; a light detecting means for detecting the intensity of the laser beam branched by the beam splitter; and the light detection so that the intensity of the laser output from the polarizer becomes a predetermined value. A drive control means for driving and controlling the half-wave plate based on the output of the detector, a container for housing the laser medium, the pair of mirrors, the half-wave plate, the polarizer, and the beam splitter; , Serial laser device characterized by comprising an output window provided in the container in order to externally output the first polarization. 前記光検出器の出力に基づいて前記第1偏光の強度が前記共振器からのレーザ光の強度に近くなったことを知らせる報知手段を設けたことを特徴とする請求項1または2記載のレーザ装置。3. The laser according to claim 1, further comprising an informing unit that informs that the intensity of the first polarized light is close to the intensity of the laser beam from the resonator based on an output of the photodetector. apparatus. 前記駆動制御手段は、前記共振器からのレーザ出力が低下して、前記出力窓からのレーザ出力に近くなった時、前記報知手段へ警告信号を出力する論理回路を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のレーザ装置。The drive control unit includes a logic circuit that outputs a warning signal to the notification unit when a laser output from the resonator decreases and approaches a laser output from the output window. Item 4. The laser device according to any one of Items 1 to 3. 前記所定値は、前記共振器からのレーザ出力の最大値の0.3〜0.95であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ装置。The laser device according to claim 1, wherein the predetermined value is 0.3 to 0.95 of a maximum value of a laser output from the resonator. 前記駆動制御手段に、前記偏光子を前記1/2波長板の回転に応じて回転させて前記第1偏光のビーム形状及び性質を変えることなく偏光面を調整する手段を設けたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ装置。The drive control means is provided with means for adjusting the plane of polarization without changing the beam shape and properties of the first polarized light by rotating the polarizer according to the rotation of the half-wave plate. The laser device according to claim 1. 前記偏光子の回転角速度は、前記1/2波長板の回転角速度の2倍であることを特徴とする請求項6に記載のレーザ装置。The laser device according to claim 6, wherein the rotational angular velocity of the polarizer is twice the rotational angular velocity of the half-wave plate.
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