JP2005026381A - Laser device - Google Patents
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Abstract
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するとともに、動作状態を表示するレーザ装置に関する。
【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、被加工物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が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】
本発明の目的は、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、かつ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、しかも動作状態を容易に目視できるようにしたレーザ装置を提供することにある。
【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、レーザ光を直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とに分離して出力する偏光子と、1/2波長板と偏光子とを通過した出力レーザ光の強度を検出する光検出手段と、出力レーザ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コントロール回路と、共振器からのレーザ光の最高出力を表示する最高出力表示部と、偏光子を通過した出力レーザ光の出力を表示する現在出力表示部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、レーザ出力を安定化できると共に、レーザ装置の動作状態を容易に監視できる。
【0015】
また、1/2波長板の回転角度と光検出器からの出力が入力される第1演算回路と、演算回路の演算出力に基づき、1/2波長板の回転角度に応じて光検出器からの出力を表示する角度対パワーグラフ表示部とを備えた構成とした。このように構成したことにより、1/2波長板の回転角度を容易に確認でき、かつ最高出力に対応する1/2波長板の回転位置を検出できる。さらに、1/2波長板や偏光子が損傷した場合、角度対パワーグラフがcos2(2θ)にならないので、光学部品の状態も確認することができる。
【0016】
また、共振器からのレーザ出力を共振器出力Finとし、偏光子を通過した出力レーザ光のパワーを現在出力Foutとしたとき、1/2波長板の回転角度と光検出器からの出力が入力され、Fin=Fout(1/cos2(2θ))の演算を処理する第2演算回路と、演算回路で求めた値を共振器出力として表示する共振器出力表示部とを備えた構成とした。このように構成したことにより、共振器出力を常に監視できるようになり、保守の容易なレーザ装置とすることができる。
【0017】
さらに、現在出力Foutと共振器出力Finとを比較する比較回路と、比較回路の出力に基づいて共振器出力Finが現在出力Foutに対して所定の比率になったことを表示する警報表示部とを備えた構成とした。このように構成したことにより、共振器出力と現在出力との対比がリアルタイムで行なわれ、より確実に補修のタイミングを判断でき、稼動効率を高めることができる。
【0018】
【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。
【0019】
(実施の形態)
本発明の実施の形態は、現在出力レーザ光のパワー検出値に従って、レーザ共振器の直後に設けた1/2波長板を回転して、レーザ共振器からのレーザ光の偏光面を回転し、偏光子で直進光と分岐光に分離して直進光のパワーを一定にするとともに、共振器出力などの装置状態を表示する固体レーザ装置である。
【0020】
図1は、本発明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。
【0021】
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:YVO4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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
図2は、本発明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り、後述されるモータドライバー回路からのパルスの数に応じて駆動されるものである。モータ33は、偏光子31を回転させる手段である。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。光検出器36はビームスプリッター50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。なお、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。
【0025】
信号処理回路70は、ビームスプリッター50での光損失分を補償したうえで光検出器36の出力を増幅し、且つアナログ値をデジタル値に変換する回路である。コントロール回路72は、マイクロコンピュータを内蔵する制御回路であり、モータドライブ回路74と接続されており、操作設定・表示装置76とRS232C通信手段により結合されている。モータドライブ回路74は、そのパルス出力によりモータ32をパルス駆動する回路である。例えば9000個のパルスで、モータ32が一回転するように駆動する。図示していないが、パルスの数に対応した1/2波長板30の回転角度θが、演算回路に供給される。
【0026】
第1演算信号処理回路80は、モータドライブ回路74からの出力パルスと、信号処理回路70からの出力を受け、パルス数、即ちモータ32の回転角度とレーザパワーとの関係を演算処理する回路である。第2演算信号処理回路82は、現在出力の値と1/2波長板30の回転角度とから、共振器出力を求める回路である。モータドライブ回路74からの出力パルス数(モータ32の回転角度)と、信号処理回路70からの出力を受け、出力レーザのパワーを、モータ32の回転角度に従う関数値で除して、共振器出力を得る。第1表示ドライブ回路84は、第1演算信号処理回路80の出力を受け、角度対パワーグラフを表示部86に表示させる手段である。第2表示ドライブ回路88は、第2演算信号処理回路82の出力を受け、共振器出力を表示する共振器出力表示部90を駆動する手段である。
【0027】
記憶回路92は、第1演算信号処理回路80からの出力を受け、共振器出力の最高値を記憶するメモリである。比較回路94は、記憶回路92の出力と第2演算信号処理回路82の出力とを比較する手段である。第3表示ドライブ回路96は、比較回路94の出力を受け、警報表示部98に、共振器出力が所定の値に低下したことを表示して、レーザ装置の使用者に警告する手段である。第4表示ドライブ回路100は、記憶回路92の出力を受け、最高出力表示部102に、レーザ装置の共振器の最高出力値を表示させる手段である。第5表示ドライブ回路104は、信号処理回路70の出力を受け、ビームスプリッター50から出力されている現在出力を現在出力表示部106に表示させる手段である。
【0028】
なお、各表示部86,90,98,102及び106は、操作設定・表示装置76に設けられている。操作設定・表示装置76は、モータドライブ回路74をスタートさせる指令手段と、ビームスプリッター50からのレーザ出力を設定する手段とを含む。
【0029】
図3は、本発明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。
【0030】
上記のように構成された本発明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。
【0031】
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されている。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。
【0032】
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。操作設定・表示装置76からの指令により、コントロール回路72とモータドライブ回路74を介して、モータ32を回転させる。すると、1/2波長板30が回転して、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からのレーザ光の偏光面を、1/2波長板30で回転させて、現在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で水平偏光の光軸外の方向に分岐し、図示していないダンパなどで吸収する。
【0033】
この固体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から出力されるレーザ光の強度を共振器出力Finとする。偏光子31を透過して出力されるレーザ光の強度を、現在出力Foutとする。現在出力は、
Fout=Fincos2(2閘)
となる。すなわち、この固体レーザ装置では、図3(a)、(b)に示すように、出力されるレーザ光の強度である現在出力Foutが、1/2波長板30の回転角度閘に依存して変化する。
【0034】
操作設定・表示装置76からの指令により、コントロール回路72とモータドライブ回路74を介してモータ32に駆動信号を与える。1/2波長板30を角度閘だけ回転させると、1/2波長板30を透過したレーザ光は、偏光面の角度が2閘の直線偏光となる。偏光子31を透過して出力されるレーザ光の強度である現在出力Foutは、1/2波長板30の回転角度閘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の強度(現在出力)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。
【0035】
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。共振器Rの出力レーザ光の最大強度を最高出力Fmaxとする。共振器Rの出力レーザ光の強度を共振器出力Finとする。外部に出力されるレーザ光の強度を現在出力Foutとする。最高出力Fmaxを基準とする相対値をレーザ出力相対値とする。現在出力Foutが、最高出力Fmaxに対して常に所定の割合(例えば80%)を保つように、操作設定・表示装置76からの指令により、コントロール回路72の論理を設定する。所定の割合は、現在出力の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は最高出力であり、共振器出力の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、共振器出力のレーザ出力相対値は低下する。例えば、現在出力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。共振器出力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。レーザ使用初期において、操作設定・表示装置76からの指令により、コントロール回路72とモータドライブ回路74を経由して、1/2波長板30を回転させ、角度対パワーグラフ表示部86にパワーのグラフを表示させる。そのときのグラフのピーク値が、最高出力Fmaxである。そのピークが表れた角度を、1/2波長板30の回転角度の基準値の0°とする。
【0036】
最高出力値の設定後には、ビームスプリッター50から分岐した光を、光検出器36で検出する。光検出器36からの検出出力に応じて、コントロール回路72から出力される信号により、モータ32をパルス駆動して、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、現在出力を一定に保つことができる。
【0037】
例えば、1/2波長板30の回転角度閘と光検出器36で検出した現在出力Foutとから、
Fin=Fout(1/cos2(2θ))
で、共振器出力Finを求める。共振器出力Finから、現在出力Foutが、最高出力Fmax×0.8となる1/2波長板30の回転角度鐔quote を、
Fout=Fincos2(2鐔quote )=Fmax×0.8
を解いて求める。1/2波長板30の回転角度を鐔quote にすれば、現在出力を一定に保つことができる。すなわち、コントロール回路への入力値が設定値に一致するように、1/2波長板の角度をフィードバック制御すればよい。
【0038】
第4に、図2と図5を参照しながら、表示部について説明する。第1演算信号処理回路80は、1/2波長板30の回転角度閘に対する現在出力Foutをグラフ表示させるための演算手段である。信号処理回路70を介して、光検出器36の出力とモータドライブ回路74から出力されたパルスが供給される。図5に示すように、1/2波長板30の回転角度閘を横軸とする現在出力が、第1表示ドライブ回路84を介して角度対パワーグラフ表示部86に表示される。1/2波長板30の回転角度閘が0°のときの最高出力Fmaxが記憶回路92に記憶される。最高出力Fmaxの時の1/2波長板30の回転位置が、0°として記憶回路に記憶される。最高出力Fmaxの値も、記憶回路92に記憶される。図5に示すように、その値が、第4表示ドライブ回路100を介して表示部102に表示される。
【0039】
第2演算信号処理回路82は、共振器出力Finを表示させるための演算手段である。信号処理回路70を介した光検出器36の出力(現在出力Fout)と、モータドライブ回路74から出力されたパルス(モータ32の角度閘)が入力される。演算式
Fin=Fout(1/cos2(2θ))
に従って演算処理され、共振器出力Finが得られる。図5に示すように、その演算結果が、第2表示ドライブ回路88を介して共振器出力表示部90に表示される。信号処理回路70および第5表示ドライブ回路104を経由して、光検出器36で検出した現在出力の値が供給され、図5に示すように、現在出力表示部106に現在出力Foutが表示される。
【0040】
記憶回路92と第2演算信号処理回路82の出力が、比較回路94に供給される。共振器出力Finのレーザ出力相対値が、例えば0.85となった場合には、比較回路94から第3表示ドライブ回路96を経由して警報表示部98に警告を表示して、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。固体レーザ装置のレーザ出力が安定に制御されている状態では、1/2波長板30の光軸の周りの回転角度θから、共振器出力の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(Fmax)から、経時変化により現在の共振器出力(Fin)に低下したとする。第2演算信号処理回路82で、共振器出力(Fin)を、
Fin=(Fout)×(1/cos2(2θ))
により算出する。共振器出力(Fin)が現在出力(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、共振器出力のレーザ出力相対値が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。
【0041】
上記のように、本発明の実施の形態では、固体レーザ装置を、現在出力レーザ光のパワー検出値に従って、レーザ共振器の直後に設けた1/2波長板を回転して、レーザ共振器からのレーザ光の偏光面を回転し、偏光子で直進光と分岐光に分離して直進光のパワーを一定にするとともに、共振器出力などの装置状態を表示する構成としたので、光学部品を削減でき、レーザ出力を安定化できるとともに、装置の状態を常に把握することができる。
【0042】
【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、レーザ光を直進光である第1偏光と分岐光である第2偏光とに分離して出力する偏光子と、1/2波長板と偏光子とを通過した出力レーザ光の強度を検出する光検出手段と、出力レーザ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コントロール回路と、共振器からのレーザ光の最高出力を表示する最高出力表示部と、偏光子を通過した出力レーザ光の出力を表示する現在出力表示部とを具備する構成としたので、レーザ出力を安定化できると共に、レーザ装置の動作状態を容易に監視できる。
【0043】
また、1/2波長板の回転角度と光検出器からの出力が入力される第1演算回路と、演算回路の演算出力に基づき、1/2波長板の回転角度に応じて光検出器からの出力を表示する角度対パワーグラフ表示部とを備えた構成としたので、1/2波長板の回転角度の状態を容易に確認でき、かつ最高出力の1/2波長板の回転位置を検出でき、1/2波長板や偏光子が損傷した場合、角度対パワーグラフがcos2(2θ)にならないので、光学部品の状態も確認することができる。
【0044】
さらに、共振器からのレーザ出力を共振器出力Finとし、偏光子を通過した出力レーザ光のパワーを現在出力Foutとしたとき、1/2波長板の回転角度と光検出器からの出力が入力され、Fin=Fout(1/cos2(2θ))の演算を処理する第2演算回路と、演算回路で求めた値を共振器出力として表示する共振器出力表示部とを備えた構成としたので、共振器出力を常に監視でき、レーザ装置の保守が容易になる。
【0045】
また、現在出力Foutと共振器出力Finとを比較する比較回路と、比較回路の出力に基づいて共振器出力Finが現在出力Foutに対して所定の比率になったことを表示する警報表示部とを備えた構成としたので、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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明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3】本発明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傾けた時の水平偏光レーザ出力相対値と出力特性を示すグラフ、
【図4】本発明の実施の形態における固体レーザ装置で、レーザ出力相対値と及び1/2波長板の回転角度と時間関係を示すグラフ、
【図5】本発明の実施の形態における固体レーザ装置の設定操作・表示装置における表示部の概略図、
【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 LD(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 高調波生成モジュール
30 1/2波長板
31 偏光子
32,33 モータ
36 光検出器
50 ビームスプリッター
70 信号処理回路
72 コントロール回路
74 モータドライブ回路
76 操作設定・表示装置
80 第1演算信号処理回路
82 第2演算信号処理回路
84 第1表示ドライブ回路
86 角度対パワーグラフ表示部
88 第2表示ドライブ回路
90 共振器出力表示部
92 記憶回路
94 比較回路
98 警報表示部
96 第3表示ドライブ回路
100 第4表示ドライブ回路
102 最高出力表示部
104 第5表示ドライブ回路
106 現在出力表示部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser apparatus, and more particularly to a laser apparatus that stably outputs a high-power laser beam suitable for a processing machine, an exposure apparatus, and the like for a long period of time and displays an operation state.
[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 requires compact output control in addition to extremely small fluctuations in the laser output in order to perform processing on the workpiece in a stable state with a high output. Has been. 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]
[0005]
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 56-76587 [Patent Document 2]
JP-A-9-199394 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97782
[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
[0009]
In the device disclosed in
[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]
An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and even when outputting high-power laser oscillation light, it is possible to safely and easily perform a long-term operation without changing the beam shape and properties of the laser light. To provide a laser apparatus that can take out laser output stably over a long period of time and can continuously change the polarization plane of the laser while maintaining the output of the laser for a long time, and that allows the operating state to be easily observed. is there.
[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 receives the laser light from the resonator and rotates the plane of polarization; a polarizer that separates the laser light into a first polarized light that is a straight light and a second polarized light that is a branched light; A light detecting means for detecting the intensity of the output laser light that has passed through the half-wave plate and the polarizer, and a half-wave plate based on the output of the photodetector so that the intensity of the output laser light becomes a predetermined value. And a control circuit for driving and controlling, a maximum output display unit for displaying the maximum output of the laser beam from the resonator, and a current output display unit for displaying the output of the output laser beam that has passed through the polarizer. . With this configuration, the laser output can be stabilized and the operating state of the laser device can be easily monitored.
[0015]
Further, based on the first calculation circuit to which the rotation angle of the half-wave plate and the output from the photodetector are input, and from the photodetector in accordance with the rotation angle of the half-wave plate based on the calculation output of the calculation circuit And an angle vs. power graph display unit for displaying the output. With this configuration, the rotation angle of the half-wave plate can be easily confirmed, and the rotation position of the half-wave plate corresponding to the maximum output can be detected. Furthermore, when the half-wave plate or the polarizer is damaged, the angle vs. power graph does not become cos 2 (2θ), so the state of the optical component can also be confirmed.
[0016]
Further, the laser output from the resonators and the resonator output F in, when the power of the output laser light passing through the polarizer and the current output F out, the output from the rotational angle of 1/2-wavelength plate and the light detector Is input, and a second arithmetic circuit that processes the calculation of F in = F out (1 / cos 2 (2θ)), and a resonator output display unit that displays a value obtained by the arithmetic circuit as a resonator output. The configuration was as follows. With this configuration, the resonator output can be constantly monitored, and the laser device can be easily maintained.
[0017]
Further, a comparison circuit that compares the current output F out and the resonator output F in and displays that the resonator output F in has a predetermined ratio with respect to the current output F out based on the output of the comparison circuit. It was set as the structure provided with the alarm display part. With this configuration, the resonator output and the current output are compared in real time, the repair timing can be determined more reliably, and the operating efficiency can be improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0019]
(Embodiment)
The embodiment of the present invention rotates the half-wave plate provided immediately after the laser resonator according to the power detection value of the current output laser beam, rotates the polarization plane of the laser beam from the laser resonator, This is a solid-state laser device that separates straight light and branched light with a polarizer to make the power of the straight light constant, and displays the state of the device such as the resonator output.
[0020]
FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state laser device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, mirrors 10 and 11 are a pair of reflecting mirrors. The
[0021]
This solid-state laser device includes an
[0022]
Between the
[0023]
[0024]
FIG. 2 is a schematic diagram of output variable means used in the solid-state laser device according to the 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
[0025]
The signal processing circuit 70 is a circuit that amplifies the output of the photodetector 36 after compensating for the light loss in the beam splitter 50 and converts an analog value into a digital value. The
[0026]
The first arithmetic signal processing circuit 80 is a circuit that receives an output pulse from the motor drive circuit 74 and an output from the signal processing circuit 70 and performs arithmetic processing on the number of pulses, that is, the relationship between the rotation angle of the motor 32 and the laser power. is there. The second arithmetic signal processing circuit 82 is a circuit for obtaining the resonator output from the current output value and the rotation angle of the half-wave plate 30. Receiving the number of output pulses from the motor drive circuit 74 (rotation angle of the motor 32) and the output from the signal processing circuit 70, the power of the output laser is divided by the function value according to the rotation angle of the motor 32, and the resonator output Get. The first display drive circuit 84 is means for receiving the output of the first arithmetic signal processing circuit 80 and causing the display unit 86 to display an angle versus power graph. The second display drive circuit 88 is means for receiving the output of the second arithmetic signal processing circuit 82 and driving the resonator output display unit 90 that displays the resonator output.
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
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 in the embodiment of the present invention, and 1 FIG. 6B is a graph (b) showing output characteristics (amplitude) of a laser when the / 2 wavelength 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.
[0030]
An operation of the solid-state laser device according to the 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
[0031]
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
[0032]
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
[0033]
In the solid-state laser apparatus, the rotational angle of 1/2-wavelength plate 30 and閘, the intensity of the laser beam emitted from the resonator R and the resonator output F in. The intensity of the laser beam that is transmitted through the
F out = F in cos 2 (2 閘)
It becomes. That is, in this solid-state laser device, as shown in FIGS. 3A and 3B, the current output F out which is the intensity of the output laser light depends on the rotation angle の of the half-wave plate 30. Change.
[0034]
A drive signal is given to the motor 32 via the
[0035]
Third, a method for maintaining the intensity of the output laser beam at a predetermined value will be described with reference to FIG. The maximum intensity of the output laser beam from the resonator R is defined as the maximum output Fmax . The intensity of the output laser beam of the resonator R to the resonator output F in. The intensity of the laser beam output to the outside is defined as a current output Fout . A relative value based on the maximum output F max is defined as a laser output relative value. Current output F out is always to keep a certain percentage (e.g. 80%) of the max F max, by a command from the operation setting and display unit 76, sets the logic of the
[0036]
After setting the maximum output value, the light branched from the beam splitter 50 is detected by the photodetector 36. In response to the detection output from the photodetector 36, the motor 32 is pulse-driven by the signal output from the
[0037]
For example, from the rotation angle の of the half-wave plate 30 and the current output F out detected by the photodetector 36,
F in = F out (1 / cos 2 (2θ))
In, obtaining the resonator output F in. From the resonator output F in , the rotation angle 鐔 quote of the half-wave plate 30 at which the current output F out becomes the maximum output F max × 0.8,
F out = F in cos 2 (2 鐔 quote) = F max × 0.8
Find and solve. If the rotation angle of the half-wave plate 30 is set to 鐔 quote, the current output can be kept constant. That is, the angle of the half-wave plate may be feedback controlled so that the input value to the control circuit matches the set value.
[0038]
Fourth, the display unit will be described with reference to FIGS. First arithmetic signal processing circuit 80 is an arithmetic means for graphical display of the current output F out for 1/2 rotation angles閘wavelength plate 30. Via the signal processing circuit 70, the output of the photodetector 36 and the pulse output from the motor drive circuit 74 are supplied. As shown in FIG. 5, the current output with the rotation angle の of the half-wave plate 30 as the horizontal axis is displayed on the angle versus power graph display unit 86 via the first display drive circuit 84. The maximum output F max when the rotation angle の of the half-wave plate 30 is 0 ° is stored in the
[0039]
Second arithmetic signal processing circuit 82 is an arithmetic unit for displaying the resonator output F in. The output of the light detector 36 via the signal processing circuit 70 (current output F out ) and the pulse output from the motor drive circuit 74 (the angle の of the motor 32) are input. Arithmetic expression F in = F out (1 / cos 2 (2θ))
Are operations according to the resonator output F in is obtained. As shown in FIG. 5, the calculation result is displayed on the resonator output display unit 90 via the second display drive circuit 88. The value of the current output detected by the photodetector 36 is supplied via the signal processing circuit 70 and the fifth
[0040]
Outputs of the
F in = (F out ) × (1 / cos 2 (2θ))
Calculated by An alarm can be issued when the resonator output (F in ) approaches the current output (F out ), making it difficult to control the output stably. For example, an alarm is issued when the laser output relative value of the resonator output approaches 0.8 and it becomes difficult to stably control the output. It can be effectively used for early repair of the laser device.
[0041]
As described above, in the embodiment of the present invention, the solid-state laser device is rotated from the laser resonator by rotating the half-wave plate provided immediately after the laser resonator according to the power detection value of the current output laser beam. The polarization plane of the laser light is rotated and separated into straight light and branched light by a polarizer to make the power of the straight light constant, and the device status such as resonator output is displayed. It can be reduced, the laser output can be stabilized, and the state of the apparatus can always be grasped.
[0042]
【The invention's effect】
As is clear 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 receives the laser light from the resonator and rotates the plane of polarization; a polarizer that separates the laser light into a first polarized light that is a straight light and a second polarized light that is a branched light; A light detecting means for detecting the intensity of the output laser light that has passed through the half-wave plate and the polarizer, and a half-wave plate based on the output of the photodetector so that the intensity of the output laser light becomes a predetermined value. And a control circuit for driving and controlling, a maximum output display unit for displaying the maximum output of the laser beam from the resonator, and a current output display unit for displaying the output of the output laser beam that has passed through the polarizer. So the laser output can be stabilized The operation state of the laser device can be easily monitored.
[0043]
Further, based on the first calculation circuit to which the rotation angle of the half-wave plate and the output from the photodetector are input, and from the photodetector in accordance with the rotation angle of the half-wave plate based on the calculation output of the calculation circuit The angle vs. power graph display unit that displays the output of the half-wave plate can be easily checked, and the rotation angle of the half-wave plate with the highest output can be detected. If the half-wave plate or the polarizer is damaged, the angle vs. power graph does not become cos 2 (2θ), so the state of the optical component can also be confirmed.
[0044]
Furthermore, the laser output from the resonator as a resonator output F in, when the power of the output laser light passing through the polarizer and the current output F out, the output from the rotational angle of 1/2-wavelength plate and the light detector Is input, and a second arithmetic circuit that processes the calculation of F in = F out (1 / cos 2 (2θ)), and a resonator output display unit that displays a value obtained by the arithmetic circuit as a resonator output. With this configuration, the resonator output can be constantly monitored, and maintenance of the laser device is facilitated.
[0045]
Also displays a comparison circuit for comparing the current output F out and the resonator output F in, that the resonator output F in based on the output of the comparator circuit becomes a predetermined ratio to the current output F out Since it was set as the structure provided with the warning display part, the timing of repair can be judged appropriately and operation efficiency can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a solid-state laser device in an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram of output varying means of the solid-state laser device in the embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a graph showing a horizontal polarization laser output relative value and output characteristics when a half-wave plate is tilted at an angle θ in the solid-state laser device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a graph showing a laser output relative value, a rotation angle of a half-wave plate, and a time relationship in the solid-state laser device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a schematic diagram of a display unit in the setting operation / display device of the solid-state laser device in the 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
19 Beam splitter 20 Q switch 21, 22 Nonlinear optical crystal 23 Harmonic wave generation module 30 1/2
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