JP2005033124A - 高出力パルスレーザ装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ媒質やミラー等の光学部品が急激な熱変化や光入力による損傷を受けることを防止し得、信頼性の向上を図り得る高出力パルスレーザ装置の運転方法を提供する。
【解決手段】起動時、発振部６と増幅部８に対して冷却系統１３から供給される冷却水の流量を徐々に増加させ、伝送部７のシャッタ１４によりレーザ光を遮断した状態で、発振部６の励起光源２へ供給する電流値を徐々に高め、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、レーザ光の遮断状態を解除しつつ、１／２波長板１５の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させ、偏光ビームスプリッタ１６を透過するレーザ光の透過率を最小から最大へ向け徐々に増加させて各増幅部８へレーザ光を導入すると共に、各増幅部８へ供給する励起用の電流値を定格電流値以下の所要値から徐々に高めるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力パルスレーザ装置の運転方法に関するものである。

図４は従来のパルスレーザ装置の一例を示す概要構成図であって、１はＮｄ−ＹＡＧ等のレーザ媒質、２はレーザ媒質１を励起させるためのフラッシュランプ等の励起光源、３は励起光源２に電流を供給する電源回路、４，５はミラーであり、レーザ光の発振時には、電源回路３から励起光源２に電流を供給し、レーザ媒質１を励起光源２により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー４，５間で共振させて出射させるようになっている。

尚、パルスレーザ装置の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２０００−３４０８７３号公報

ところで、従来のＹＡＧレーザ等の固体レーザ及び多段化構成のパルスレーザ装置では、出力レベルが低かったため、装置の起動に関してほとんど問題はなかったが、近年、レーザ加工等の分野において高出力化が進められており、Ｎｄ−ＹＡＧ等のレーザ媒質１やミラー４，５等の光学部品は、急激な熱変化や急激な光入力があると損傷を受ける可能性が高く、高出力化に伴って、その起動に関して考慮する必要が生じていた。

しかしながら、従来においては、高出力パルスレーザ装置の起動に関して具体的な手段は確立されておらず、その開発が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、起動時にレーザ媒質やミラー等の光学部品が急激な熱変化や光入力による損傷を受けることを防止し得、信頼性の向上を図り得る高出力パルスレーザ装置の運転方法を提供しようとするものである。

本発明は、レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
起動時、発振部と増幅部に対して冷却系統から供給される冷却水の流量を徐々に増加させ、伝送部によりレーザ光を遮断した状態で、発振部の励起光源へ供給する電流値を徐々に高め、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、伝送部によるレーザ光の遮断状態を解除しつつ、伝送部によるレーザ光の透過率を最小から最大へ向け徐々に増加させて増幅部へレーザ光を導入すると共に、増幅部へ供給する励起用の電流値を定格電流値以下の所要値から徐々に高めるようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法にかかるものである。

前述の如く構成すると、高出力パルスレーザ装置の起動時には、先ず、発振部と増幅部に対して冷却系統から供給される冷却水の流量が徐々に増加され、これにより、一度に高圧の冷却水が大量に発振部と増幅部に供給されなくなり、レーザ媒質やミラー等の光学部品の破損が避けられる。続いて、伝送部によりレーザ光が遮断された状態で、発振部の励起光源へ供給する電流値が徐々に高められ、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、伝送部によるレーザ光の遮断状態が解除されつつ、伝送部によるレーザ光の透過率が最小から最大へ向け徐々に増加されて増幅部へレーザ光が導入されると共に、増幅部へ供給する励起用の電流値が定格電流値以下の所要値から徐々に高められ、この結果、レーザ媒質やミラー等の光学部品に、急激な熱変化や急激な光入力が生じることが回避され、これらの光学部品が損傷を受ける心配がなくなる。

前記高出力パルスレーザ装置の運転方法においては、伝送部を、開閉可能なシャッタと、１／２波長板及び偏光ビームスプリッタとで構成し、起動時、シャッタを閉じた状態から開いた後、１／２波長板の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させ、偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の透過率を徐々に増加させるようにすることができる。

又、本発明は、レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
発振部から出射される発振部レーザ光出力を出力モニタによって検出し、該発振部レーザ光出力が設定値に保持されるよう発振部の励起光源へ供給する電流値を制御すると共に、冷却系統から発振部へ供給される冷却水の温度を前記発振部の励起光源へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正するようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法にかかるものである。

この場合、発振部から出射される発振部レーザ光出力が出力モニタによって検出され、該発振部レーザ光出力が設定値に保持されるよう発振部の励起光源へ供給する電流値が制御されると共に、冷却系統から発振部へ供給される冷却水の温度が前記発振部の励起光源へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正される。ここで、高出力パルスレーザ装置の場合、長時間運転が継続されると、発振部の励起光源の損失が増えると共に、励起の波長がずれるため、出力低下が引き起こされることが懸念されるが、本発明のように、発振部レーザ光出力を監視して損失分を補うように電流値を増加させてやれば、出力低下は避けられる。但し、電流値を増加させると、同時に発熱量も増加するが、このような場合、本発明においては、発振部へ供給される冷却水の温度が電流値変化分に見合う分だけ下げられる形となるため、発振部におけるレーザ媒質やミラー等の光学部品の冷却が確実に行われ、それらの温度が上昇し過ぎる心配もない。

更に又、本発明は、レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
増幅部から出射される増幅部レーザ光出力を出力モニタによって検出し、該増幅部レーザ光出力が設定値に保持されるよう増幅部の励起用の電流値を制御すると共に、冷却系統から増幅部へ供給される冷却水の温度を前記増幅部の励起用の電流値変化分に見合う分だけ補正するようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法にかかるものである。

この場合、増幅部から出射される増幅部レーザ光出力が出力モニタによって検出され、増幅部レーザ光出力が設定値に保持されるよう増幅部の励起用の電流値が制御されると共に、冷却系統から増幅部へ供給される冷却水の温度が前記増幅部の励起用の電流値変化分に見合う分だけ補正される。ここで、高出力パルスレーザ装置の場合、長時間運転が継続されると、増幅部の励起光源の損失が増えると共に、励起の波長がずれるため、出力低下が引き起こされることが懸念されるが、本発明のように、増幅部レーザ光出力を監視して損失分を補うように電流値を増加させてやれば、出力低下は避けられる。但し、電流値を増加させると、同時に発熱量も増加するが、このような場合、本発明においては、増幅部へ供給される冷却水の温度が電流値変化分に見合う分だけ下げられる形となるため、増幅部におけるレーザ媒質やミラー等の光学部品の冷却が確実に行われ、それらの温度が上昇し過ぎる心配もない。

本発明の請求項１、２記載の高出力パルスレーザ装置の運転方法によれば、起動時にレーザ媒質やミラー等の光学部品が急激な熱変化や光入力による損傷を受けることを防止し得、信頼性の向上を図り得るという優れた効果を奏し得る。

又、本発明の請求項３記載の高出力パルスレーザ装置の運転方法によれば、長期に亘り発振部レーザ光出力を一定に保持することができ、出力低下を防止し得、安定した運転を継続する上で極めて有効となるという優れた効果を奏し得る。

更に又、本発明の請求項４記載の高出力パルスレーザ装置の運転方法によれば、長期に亘り増幅部レーザ光出力を一定に保持することができ、出力低下を防止し得、安定した運転を継続する上で極めて有効となるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図中、図４と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、レーザ媒質１を励起光源２により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー４，５間で共振させて出射させる発振部６と、該発振部６から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部７と、前記発振部６から伝送部７を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる複数段（図１の例では三段）の増幅部８と、最終段の増幅部８から出射されたレーザ光の波長を変換するＳＨＧ結晶等の波長変換素子９と、該波長変換素子９で波長が変換されたレーザ光からλ／２の波長の光を取り出すビームスプリッタ１０とから高出力パルスレーザ装置１１を構成したものである。

前記各増幅部８はそれぞれ、発振部６と同様に、Ｎｄ−ＹＡＧ等のレーザ媒質１’と、該レーザ媒質１’を励起させるための励起光源２’と、該励起光源２’に電流を供給する電源回路３’と、レーザ光を共振・増幅するためのミラー４’，５’とを備えている。

又、前記発振部６並びに各増幅部８にはそれぞれ、図示していない冷凍機で冷却された冷却水をインバータポンプ１２の駆動により供給する冷却系統１３を設けるようにしてある。

更に又、前記伝送部７は、開閉可能なシャッタ１４と、回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させる１／２波長板１５と、該１／２波長板１５で偏光方向を回転させたレーザ光が導入される偏光ビームスプリッタ１６とを備え、シャッタ１４を開いた状態で、１／２波長板１５の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させ、偏光ビームスプリッタ１６を透過するレーザ光の透過率を徐々に増加させ得るようにしてある。ここで、前記１／２波長板１５の回転角度θと透過率との関係は図２に示すようになり、透過率が最大となる１／２波長板１５の回転角度θを０°（全開）に調整すると、透過損失が最小となり、約９５［％］の光が透過する一方、前記１／２波長板１５の回転角度θを４５°（全閉）にすると、透過損失が最大となり、レーザ光はほとんど透過しなくなる。前記１／２波長板１５と偏光ビームスプリッタ１６がない場合の透過率を１とすると、透過率の計算値は、０．９５ｃｏｓ２θとなる。

そして、本図示例の場合、高出力パルスレーザ装置１１の起動時には、発振部６と増幅部８に対して冷却系統１３から供給される冷却水の流量をインバータポンプ１２の駆動により徐々に増加させ、伝送部７のシャッタ１４によりレーザ光を遮断した状態で、発振部６の励起光源２へ供給する電流値を徐々に高め、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、伝送部７のシャッタ１４によるレーザ光の遮断状態を解除しつつ、１／２波長板１５の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させ、偏光ビームスプリッタ１６を透過するレーザ光の透過率を最小から最大へ向け徐々に増加させて各増幅部８へレーザ光を導入すると共に、各増幅部８へ供給する励起用の電流値を定格電流値以下の所要値（例えば、１／２定格電流値）から徐々に高めるようにしてある。

尚、本図示例の場合、発振部６の励起光源２並びに各増幅部８の励起光源２’にはそれぞれレーザダイオードを使用している。

次に、上記図示例の作用を説明する。

前述の如く構成すると、高出力パルスレーザ装置１１の起動時には、先ず、発振部６と増幅部８に対して冷却系統１３から供給される冷却水の流量がインバータポンプ１２の駆動により徐々に増加される。これにより、一度に高圧の冷却水が大量に発振部６と増幅部８に供給されなくなり、レーザ媒質１，１’やミラー４，４’，５，５’等の光学部品の破損が避けられる。

続いて、伝送部７のシャッタ１４によりレーザ光が遮断された状態で、発振部６の励起光源２へ供給する電流値が徐々に高められ、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、伝送部７のシャッタ１４によるレーザ光の遮断状態が解除されつつ、１／２波長板１５の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッタ１６を透過するレーザ光の透過率が最小から最大へ向け徐々に増加されて各増幅部８へレーザ光が導入されると共に、各増幅部８へ供給する励起用の電流値が定格電流値以下の所要値（例えば、１／２定格電流値）から徐々に高められる。

この結果、レーザ媒質１，１’やミラー４，４’，５，５’等の光学部品に、急激な熱変化や急激な光入力が生じることが回避され、これらの光学部品が損傷を受ける心配がなくなる。

こうして、起動時にレーザ媒質１，１’やミラー４，４’，５，５’等の光学部品が急激な熱変化や光入力による損傷を受けることを防止し得、信頼性の向上を図り得る。

図３は本発明を実施する形態の他の例であって、図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図１に示すものと同様であるが、本図示例の特徴とするところは、図３に示す如く、発振部６から出射される発振部レーザ光出力Ｗ１を出力モニタＭ１によって検出し、該発振部レーザ光出力Ｗ１が設定値に保持されるよう発振部６の励起光源２へ供給する電流値を制御すると共に、冷却系統１３から発振部６へ供給される冷却水の温度Ｔ１を前記発振部６の励起光源２へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正し、又、各増幅部８から出射される増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を出力モニタＭ２，Ｍ３，Ｍ４によって検出し、各増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４がそれぞれ設定値に保持されるよう各増幅部８の励起用の電流値を制御すると共に、冷却系統１３から各増幅部８へ供給される冷却水の温度Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を前記各増幅部８の励起用の電流値変化分に見合う分だけ補正するようにした点にある。

本図示例の場合、出力モニタＭ１で検出された発振部レーザ光出力Ｗ１に基づいて制御器１７から電源回路３へ電流値制御指令１８を出力すると共に、冷却系統１３から発振部６へ供給される冷却水の温度Ｔ１を温度検出器１９で検出し、該温度検出器１９で検出された冷却水の温度Ｔ１を発振部６の励起光源２へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正するための冷却水温度補正指令２０を制御器１７から冷却系統１３へ出力するようにし、又、出力モニタＭ２，Ｍ３，Ｍ４で検出された増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４に基づいて各制御器１７’から各電源回路３’へ電流値制御指令１８’を出力すると共に、冷却系統１３から各増幅部８へ供給される冷却水の温度Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を各温度検出器１９’で検出し、該各温度検出器１９’で検出された冷却水の温度Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を各増幅部８の励起光源２へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正するための冷却水温度補正指令２０’を各制御器１７’から各増幅部８の冷却系統１３へ出力するようにしてある。

尚、定常運転に入ったら、発振部６と各増幅部８にはそれぞれ冷却系統１３から一定流量の冷却水が循環されるので、熱交換熱量だけを変化させるべく各冷却系統１３における冷凍機の冷媒の流量を冷却水温度補正指令２０，２０’に応じて変えるようにしてある。因みに、電流値を１［Ａ］増やしたら冷却水の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４はそれぞれ０．６［℃］程度下げるように設定すれば良い。

図３に示す例においては、発振部６から出射される発振部レーザ光出力Ｗ１が出力モニタＭ１によって検出され、該発振部レーザ光出力Ｗ１が設定値に保持されるよう発振部６の励起光源２へ供給する電流値が制御されると共に、冷却系統１３から発振部６へ供給される冷却水の温度Ｔ１が前記発振部６の励起光源２へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正され、又、各増幅部８から出射される増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４が出力モニタＭ２，Ｍ３，Ｍ４によって検出され、各増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４がそれぞれ設定値に保持されるよう各増幅部８の励起用の電流値が制御されると共に、冷却系統１３から各増幅部８へ供給される冷却水の温度Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４が前記各増幅部８の励起用の電流値変化分に見合う分だけ補正される。

ここで、図３に示すような高出力パルスレーザ装置１１の場合、長時間運転が継続されると、発振部６の励起光源２としてのレーザダイオードや各増幅部８の励起光源２’としてのレーザダイオードの損失が増えると共に、励起の波長がずれるため、出力低下が引き起こされることが懸念されるが、本図示例のように、発振部レーザ光出力Ｗ１と増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を監視して損失分を補うように電流値を増加させてやれば、出力低下は避けられる。但し、電流値を増加させると、同時に発熱量も増加するが、このような場合、本図示例においては、冷却水の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４がそれぞれ電流値変化分に見合う分だけ下げられる形となるため、レーザ媒質１，１’やミラー４，４’，５，５’等の光学部品の冷却が確実に行われ、それらの温度が上昇し過ぎる心配もない。

こうして、長期に亘り発振部レーザ光出力Ｗ１と増幅部レーザ光出力Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４をそれぞれ一定に保持することができ、出力低下を防止し得、安定した運転を継続する上で極めて有効となる。

尚、本発明の高出力パルスレーザ装置の運転方法は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、冷却系統１３は、発振部６と各増幅部８にそれぞれ個別に複数設ける代りに、一つにまとめたものを設置し、そこから発振部６と各増幅部８に冷却水を供給するようにしても良いこと等、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例の概要構成図である。 本発明を実施する形態の一例における１／２波長板の回転角度と透過率との関係を示す線図である。 本発明を実施する形態の他の例の概要構成図である。 従来のパルスレーザ装置の一例を示す概要構成図である。

符号の説明

１ レーザ媒質
１’ レーザ媒質
２ 励起光源
２’ 励起光源
３ 電源回路
３’ 電源回路
４ ミラー
４’ ミラー
５ ミラー
５’ ミラー
６ 発振部
７ 伝送部
８ 増幅部
１１ 高出力パルスレーザ装置
１２ インバータポンプ
１３ 冷却系統
１４ シャッタ
１５ １／２波長板
１６ 偏光ビームスプリッタ
１７ 制御器
１７’ 制御器
１８ 電流値制御指令
１８’ 電流値制御指令
１９ 温度検出器
１９’ 温度検出器
２０ 冷却水温度補正指令
２０’ 冷却水温度補正指令
Ｍ１ 出力モニタ
Ｍ２ 出力モニタ
Ｍ３ 出力モニタ
Ｍ４ 出力モニタ
Ｔ１ 温度
Ｔ２ 温度
Ｔ３ 温度
Ｔ４ 温度
Ｗ１ 発振部レーザ光出力
Ｗ２ 増幅部レーザ光出力
Ｗ３ 増幅部レーザ光出力
Ｗ４ 増幅部レーザ光出力

Claims (4)

1. レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
   起動時、発振部と増幅部に対して冷却系統から供給される冷却水の流量を徐々に増加させ、伝送部によりレーザ光を遮断した状態で、発振部の励起光源へ供給する電流値を徐々に高め、レーザ光の出力が定格出力に達した時点で、伝送部によるレーザ光の遮断状態を解除しつつ、伝送部によるレーザ光の透過率を最小から最大へ向け徐々に増加させて増幅部へレーザ光を導入すると共に、増幅部へ供給する励起用の電流値を定格電流値以下の所要値から徐々に高めるようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法。
2. 伝送部を、開閉可能なシャッタと、１／２波長板及び偏光ビームスプリッタとで構成し、起動時、シャッタを閉じた状態から開いた後、１／２波長板の回転角度を変化させることによってレーザ光の偏光方向を回転させ、偏光ビームスプリッタを透過するレーザ光の透過率を徐々に増加させるようにした請求項１記載の高出力パルスレーザ装置の運転方法。
3. レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
   発振部から出射される発振部レーザ光出力を出力モニタによって検出し、該発振部レーザ光出力が設定値に保持されるよう発振部の励起光源へ供給する電流値を制御すると共に、冷却系統から発振部へ供給される冷却水の温度を前記発振部の励起光源へ供給される電流値変化分に見合う分だけ補正するようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法。
4. レーザ媒質を励起光源により励起させてレーザ光を出射させ、該レーザ光をミラー間で共振させて出射させる発振部と、該発振部から出射されるレーザ光を遮断可能で且つレーザ光の透過率を調節可能な伝送部と、前記発振部から伝送部を介して導入されるレーザ光を増幅して出射させる増幅部と、前記発振部と増幅部に対して冷却水を供給する冷却系統とを備えた高出力パルスレーザ装置の運転方法であって、
   増幅部から出射される増幅部レーザ光出力を出力モニタによって検出し、該増幅部レーザ光出力が設定値に保持されるよう増幅部の励起用の電流値を制御すると共に、冷却系統から増幅部へ供給される冷却水の温度を前記増幅部の励起用の電流値変化分に見合う分だけ補正するようにしたことを特徴とする高出力パルスレーザ装置の運転方法。

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