JP2005045019A

JP2005045019A - Ｑスイッチレーザ装置

Info

Publication number: JP2005045019A
Application number: JP2003277544A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Iwakura; 光夫岩倉
Original assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Orc Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17
Also published as: DE102004035228A1; CN1578020A; US20050018718A1; US7058094B2

Abstract

【課題】Ｑスイッチの動作により光共振器から出力されるパルスレーザの尖頭形状であるレーザ波のジッタを低減し安定したレーザ出力を得ることができるＱスイッチレーザ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】パルスレーザ２５の繰返し周期を決定する周波数を有するスイッチパルスを発生するスイッチパルス発生器３２と、スイッチパルスの周波数より高周波数の信号であるＲＦ信号を発生するＲＦ発振器３１と、スイッチパルスとＲＦ信号とを入力し、前記スイッチパルスの立ち上がるタイミングをＲＦ信号の位相に同期させた位相同期パルスを出力するパルス同期回路３３と、位相同期パルスを入力し、入力したパルスのＬレベルまたはＨレベルの期間に対応させてＲＦ信号をＯＮ／ＯＦＦさせたＲＦ変調信号として出力するＲＦ変調回路３５と、を備え、ＲＦ変調信号に基づいてＱスイッチ２４が光共振器２０のＱ値を高値または低値に切り替えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｑスイッチレーザ装置に関し、特に、ＱスイッチにＲＦ（高周波）信号を印加して、そのＲＦ信号を変調することで尖頭形状のレーザ波を発生させるＱスイッチレーザ装置に関するものである。

従来から、Ｑスイッチレーザ装置は、光共振器の内部に蓄積されたエネルギ（単位Ｊ：ジュール）を、Ｑスイッチと呼ばれる光学的手段を用いて、瞬間的に尖頭形状の極めて高いピークパワー（単位Ｗ：ワット）を有するレーザ光として取り出すことにより、材料の切断、穴あけ、マーキング等の精密加工に広く利用されている。

図９および図１０を参照して従来のＱスイッチレーザ装置における駆動装置の構成および原理について説明する。図９は、従来のＱスイッチレーザ装置におけるＱスイッチを駆動する為の駆動装置の基本構成を示すブロック図である。図１０は、駆動装置を構成する要素部品が扱う信号を表わした説明図である。

駆動装置３０Ｃは、ＲＦ発振器３１、スイッチパルス発生器３２およびＲＦ変調回路３５からなる。
ＲＦ発振器３１は、図１０に示すような例えば４０ＭＨｚのＲＦ信号を発振するものである。このＲＦ信号は、光共振器２０に入力されるとＱ値が低値となるように図示しないＱスイッチを動作させる信号である。スイッチパルス発生器３２は、例えば、５ｋＨｚの周波数を有するスイッチパルス（ＳＰ信号）（図１０）を発生するものである。このＳＰ信号の繰り返し周波数、換言すればその周期は、光共振器２０から出力される尖頭形状のレーザ波２５´の繰返し周期を決定する。ＲＦ変調回路３５は、ＳＰ信号のＬレベルおよびＨレベルの期間に対応して、ＲＦ信号を変調し、ＲＦ変調信号（図１０）を生成するものである。

このＲＦ変調信号（図１０）を光共振器２０の内部に配した図示しないＱスイッチに入力すると、ＲＦ変調信号がＯＮのときに共振器損失が増加する（Ｑ値が低値をとる）ことにより、光共振器２０の内部で誘導放出が抑制されレーザ発振をしなくなる。そして、ＲＦ変調信号がＯＦＦの時に共振器損失が減少して（Ｑ値が高値をとる）、ＲＦ変調信号がＯＮからＯＦＦへの切り替わった一定の遅延時間τが経過した後に、光共振器２０から尖頭形状のレーザ波２５ａ´が連続したパルスレーザとなって出力される（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２０００−１０１１７６号公報（段落００２０〜０１００、第４，１０，１１図）特開２００２−３５９４２２号公報（段落０００２〜０００６、第６図）

しかし、以上述べた従来のＱスイッチレーザ装置においては、ＲＦ信号はＲＦ発振器３１から、またＳＰ信号はスイッチパルス発生器３２から夫々別個に生成された互いに独立した信号である。その為、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されるように、ＲＦ変調信号がＨレベルに立ち上がる時点でのＲＦ変調信号の位相は、いずれにおいても不一致である。このようにＲＦ変調信号がＯＦＦ（Ｑ値が低値から高値）に切り替わるタイミングにおける波形は、不安定な形状を有するものである。従って、ＲＦ変調信号のＯＮ期間終了部分における波形の同一性が確保されない為、光共振器２０から出射されるレーザ波２５ａ´においても、同一性が保たれないという現象が生じる。このように、ＲＦ変調信号を生成する基になるＲＦ信号とＳＰ信号との位相が同期していないことに起因して、レーザ波２５ａ´の同一性が保てずジッタを増加させ、ピークパワーおよびエネルギが変動することになる。このようなパルスレーザを用いると、例えばマーキングや微細加工を行う際、所定形状が維持できないという問題点があった。

かかる問題点に対し、一方において特開２００１−７４２９号公報における発明のように、ＲＦ信号を共通のＲＦ発振器から複数の光共振器のＱスイッチに出力することにより、これらＱスイッチレーザに印加されるトリガパルスの立ち上がり位置におけるＲＦ信号の位相を揃える方法が提案されている。しかし、この発明においては、ＲＦ信号のＯＦＦ位相を制御する為の具体的回路の提案はなされておらず、パルスレーザのレーザ出力は、ゲート信号による制御が要求されること、パルスレーザのパルス間隔が固定でないことから、実現は容易でないと考えられる。

本発明は、以上の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、前記した問題の解決の為に、ＲＦ信号と、このＲＦ信号を変調するＳＰ信号と、の位相を同期させ簡単な回路を搭載することによりパルスレーザのジッタのない、出力が安定したＱスイッチレーザ装置を提供することを課題とするものである。

本発明は、前記した課題を解決する為に創案されたものであり、まず請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置は、光共振器からパルスレーザを出力するＱスイッチレーザ装置であって、前記光共振器に対してＱ値の高値または低値の切り替えを行うＱスイッチと、前記パルスレーザの繰返し周期を決定する周波数を有するスイッチパルスを発生するスイッチパルス発生手段と、前記スイッチパルスの周波数より高周波数の信号であるＲＦ信号を発生するＲＦ発振手段と、前記スイッチパルスと前記ＲＦ信号とを入力し、前記スイッチパルスの立ち上がるタイミングを前記ＲＦ信号の位相に同期させた位相同期パルスを出力するパルス同期手段と、前記位相同期パルスを入力し、入力したパルスのＬレベルまたはＨレベルの期間に対応させて前記ＲＦ信号をＯＮ／ＯＦＦさせたＲＦ変調信号として出力するＲＦ変調手段と、を備え、前記ＲＦ変調信号に基づいて前記Ｑスイッチが前記光共振器のＱ値を高値または低値に切り替えることを特徴とした。

かかる構成によれば、ＲＦ信号は、ＲＦ変調手段により位相同期パルス（ＣＰ信号）のＬレベルまたはＨレベルいずれかに応じて変調されたＲＦ変調信号に変換にされる。このＲＦ変調信号がＱスイッチに入力されると、ＱスイッチはＲＦ変調信号に対応して、光共振器のＱ値を高値または低値に切り替える。なお、位相同期パルス（ＣＰ信号）がＨレベルのときに、ＲＦ変調信号の発振が停止し光共振器のＱ値が高値となって、パルスレーザが出力するものとする。

位相同期パルス（ＣＰ信号）の位相は、パルス同期手段によりＲＦ信号の位相に同期している。この為、ＱスイッチによりＱ値が低値から高値に切り替わるタイミング、即ちスイッチパルスがＬレベルからＨレベルに立ち上がる時点において、ＲＦ変調信号の位相は何れの時点においても同一となる。これにより、スイッチパルスの繰返し周期と同一の周期を有する尖頭形状のレーザ波は、ジッタが軽減されて、光共振器から出力されることになる。

ここで、Ｑ値とは、Ｑ＝２π／Ｇ・（Ｌ／λ）[ここで、Ｇ：損失、Ｌ：光共振器内部の光が往復する部分の長さ、λ：波長]で表わされる。Ｑ値を低値にすると、光共振器内部を往復する光子の運動が妨げられ共振器損失が増加してレーザ発振が抑えられるが、電子の反転分布が増大する。この電子の反転分布が増大して励起エネルギが飽和状態になったところで、Ｑ値を高値に急激に切り替えると、パワーの大きな尖頭形状のレーザ波が出力される。ここで、ＱスイッチにＲＦ変調信号が入力されることによって、光共振器のＧ（損失）が周期的に切り替わり、Ｑ値の低値および高値相互間の切り替わりが一定の周期（これは、スイッチパルスの周期に相当）で繰り返される。これにより、パワーの大きな尖頭形状のレーザ波がこの一定の周期間隔で連続的に光共振器から出力されることになる。

また、請求項２に記載のＱスイッチレーザ装置は、請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置において前記位相同期パルスを入力し、パルスの立ち上がり時点を基点としてパルス幅を所定期間とした幅変調パルスを新たに出力するパルス幅変調手段を有し、前記ＲＦ変調手段は、前記位相同期パルスに代えこの幅変調パルスを入力するものである構成とした。

かかる構成によれば、幅変調パルスのパルス幅ｔ_wを自由に調整することにより光共振器のＱ値を高値とする期間を任意に設定することができる。そして、パルス幅変調手段として、例えば、モノステーブルマルチバイブレータのような汎用ＩＣ回路を用いたとすると、安価で簡易にパルス幅変調手段を実現することができる。また、光共振器のＱ値が低値から高値に切り替わった後レーザ波が出力されるまでの時間をτとすると、パルス幅ｔ_wをτより若干大きく設定することにより、レーザ波を出力後、即座に光共振器のＱ値を低値に切り替えることができる。これにより、レーザ波を出力後、励起エネルギが飽和状態になるまでの期間を短縮することができる為、スイッチパルスの周波数を高くしてレーザ波を出力する繰返し周期を短縮することができる。

また、請求項３に記載のＱスイッチレーザ装置は、請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置において、前記位相同期パルスを入力し、この位相同期パルスがＨレベルに立ち上がった時点を基点として所定期間が経過した時点において前記パルス同期手段の出力をＬレベルにリセットさせるリセット手段を有し、前記ＲＦ変調手段は、前記位相同期パルスに代え、前記位相同期パルスのパルス幅が前記リセット手段により前記所定期間に調整されてなる幅変調パルスを入力するものである構成とした。

かかる構成によれば、パルス同期手段から出力した位相同期パルスは、ＬレベルからＨレベルに切り替わってから、設定されたｔ_w時間経過後にリセット手段により、再びＬレベルに戻される。これにより、幅変調パルスのパルス幅ｔ_wをスイッチパルスのパルス幅を超えない範囲で自由に調整することができ、請求項２に記載の発明と同様、光共振器のＱ値が高値となる期間を任意に設定することができる。

また、請求項４に記載のＱスイッチレーザ装置は、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置において、前記ＲＦ変調信号を入力し、このＲＦ変調信号を前記Ｑスイッチに出力するとともに前記パルス同期手段にも前記ＲＦ変調信号を出力する信号分離手段を有し、前記パルス同期手段は、前記ＲＦ信号に代わり、前記ＲＦ変調信号に基づいて前記位相同期パルスを出力する構成とした。

かかる構成によれば、ＲＦ変調信号のＯＦＦされるタイミングが、位相同期パルスの位相に確実に同期したものとなる。

また、請求項５に記載のＱスイッチレーザ装置は、請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置において、前記ＲＦ信号を入力し、このＲＦ信号をＲＦ変調手段に出力するとともに前記パルス同期手段にも前記ＲＦ信号を出力する分周手段を有する構成とした。

かかる構成によれば、スイッチパルスは、ＲＦ発振手段から出力した直後に分周手段により分周されたＲＦ信号の位相に、スイッチパルスの立ち上がるタイミングが同期した位相同期パルスに変換され、パルス同期手段から出力される。

また、請求項６に記載のＱスイッチレーザ装置は、請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置において、前記パルス同期手段は、Ｄタイプ・フリップフロップである構成とした。

かかる構成によれば、パルス同期手段が、汎用ＩＣ回路として市販されているＤタイプ・フリップフロップにより構成され、安価で簡易にパルス同期手段を実現することができる。

本発明に係るＱスイッチレーザ装置は、以下に示す優れた効果を奏する。
請求項１、請求項４および請求項５の発明によれば、光共振器のＱ値が高値または低値に交互に切り替わることによって、尖頭形状のレーザ波を一定の周期で出力するＱスイッチレーザ装置において、Ｑ値が低値から高値に切り替わるタイミングにおけるＲＦ変調信号の位相は、何れのタイミングにおいても同一になる。これにより、光共振器から出力されるレーザ波のジッタを解消し、ピークパワーおよびエネルギを安定して出力するＱスイッチレーザ装置を得る。従って、マーキングや微細加工の工作にパルスレーザを用いる場合、所定形状のマーキングや加工を行うことができる。

請求項２および請求項３の発明によれば、パルスレーザの繰返し周期を高めることができるので、高エネルギのパルスレーザの照射を可能とする。

請求項６の発明によれば、Ｑスイッチレーザ装置の駆動装置を安価に小型に製造できる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
（第一の実施の形態）
図１及び図２を参照して本発明における第一の実施の形態について説明する。図１は本実施形態におけるＱスイッチレーザ装置の基本構成を示すブロック図である。図２は、駆動装置を構成する要素部品が扱う信号を表わした説明図である。
Ｑスイッチレーザ装置１０は、光共振器２０と駆動装置３０Ａとからなるものである。
光共振器２０は、固体レーザ媒体２１、出力ミラー２２、全反射ミラー２３およびＱスイッチ２４からなり、パルスレーザ２５を出力するものである。なお、図示しないが光共振器２０の内または外にレーザの波長を変換する為の非線形光学結晶が配される場合もある。

固体レーザ媒体２１は、レーザ媒体としてＮｄ:ＹＡＧ, Ｎｄ:ＹＶＯ₄などからなる円筒形状のレーザロッドである。このレーザロッド側周面近傍に配置された図示しない励起光源が点灯すると、固体レーザ媒体２１は励起して、光共振器２０内部の励起エネルギが増大し蛍光を発する。

出力ミラー２２は、基板材質として用いた石英や硬質ガラスの面精度を使用波長の１／１０、面粗さを面精度の１／１００程度に調整したものを基板として用い、この面に反射膜を多層状に形成させたものである。ここで出力ミラー２２の反射率をＲとすると、反射光のパワーはＲ倍、透過光のパワーは（１−Ｒ）倍されることになる。すなわち反射膜の層数を増すほど反射率Ｒが１に近づき、透過光のパワーは低減することになる。

全反射ミラー２３は、前記した出力ミラー２２よりも反射膜を多層させ、反射率Ｒを１にしたものである。この為、固体レーザ媒体２１から発生し、Ｑスイッチ２４を透過した蛍光は、全反射ミラー２３においてほぼ１００％反射される全反射の条件が達成されることになる。

Ｑスイッチ２４は、光共振器２０のＱ値を低値と高値に切り替えるものであって、種々の方式が考えられるが、ここでは超音波によるブラック回折を利用する音響光学素子で構成されるのものとする。Ｑスイッチ２４は、石英ガラス製の入射窓２４ａを有し、この入射窓２４ａに、図示しない圧電体が発生する超音波が伝播すると、周期的な屈折率分布が生じる。入射窓２４ａに屈折率分布がない状態では、固体レーザ媒体２１が発した蛍光は、入射窓２４ａを透過し全反射ミラー２３に到達するが、屈折率分布が存在している状態では、蛍光は回折されて入射窓２４ａを透過できない。図示しない圧電体は、所定の周波数を有する正弦波信号がＱスイッチ２４に入力されると、ピエゾ効果により超音波を発生するものである。従って、正弦波信号（後記するＲＦ信号）を変調後Ｑスイッチ２４に入力することによって、光共振器２０のＱ値を変調信号に対応させて低値と高値とに切り替えることができる。

以上のように構成された光共振器２０において、まず、Ｑスイッチ２４にＲＦ変調信号が入力される場合、固体レーザ媒体２１が発する蛍光は、入射窓２４ａにおいて回折されるので、光共振器２０のＱ値が低下し（低値となり）レーザ発振は停止する。この間、固体レーザ媒体２１の励起は継続している為、反転分布は高くなり内部に蓄積される励起エネルギは増大する。次に、Ｑスイッチ２４へのＲＦ変調信号の入力がＯＦＦになると、光共振器２０のＱ値が回復して（高値となり）レーザ発振を開始する。即ち、固体レーザ媒体２１が発する蛍光が、出力ミラー２２および全反射ミラー２３からなる一対のミラー相互間で反射され固体レーザ媒体２１中を往復すると、誘導放出により短時間に高エネルギ順位から低エネルギ順位への遷移が起きる。この為、蓄積された励起エネルギが短時間に固体レーザ媒体２１から放出される為、出力ミラー２２から極めてピークパワーの高い尖頭形状のレーザ波２５ａ（図２）が光共振器２０から出力されることとなる。

駆動装置３０Ａは、ＲＦ発振器（ＲＦ発振手段）３１、スイッチパルス発生器（スイッチパルス発生手段）３２、パルス同期回路（パルス同期手段）３３、パルス幅変調回路（パルス幅変調手段）３４、ＲＦ変調回路（ＲＦ変調手段）３５、信号分離回路（信号分離手段）３６およびパルス整形回路３８を有し、信号ケーブル３７を経由して光共振器２０に連結され、Ｑスイッチ２４を駆動制御するものである。なお、後述されるようにＲＦ発振器（ＲＦ発振手段）３１とＲＦ変調回路（ＲＦ変調手段）３５との間に必要に応じて分周回路（分周手段）３９を設ける事を可とする。

ＲＦ発振器３１は、Ｑスイッチ２４に入力すると光共振器２０のＱ値を低値にさせるＲＦ信号（図２）を発生するもので、ＲＦ信号は４０ＭＨｚの周波数を有しているとする。なお、図２において、分周回路（分周手段）３９を無視し、ＲＦ信号が直接ＲＦ変調回路に供給されている状態で説明されている。
スイッチパルス発生器３２（図１）は、光共振器２０が出力するパルスレーザ２５の繰り返し周期を定めるもので、ＲＦ信号より周波数の低いスイッチパルス（ＳＰ信号）（図２）を発生するものである。ここで、ＳＰ信号は５ＫＨｚの周波数を有しているものとする。

パルス同期回路３３（図１）は、入力端子であるＤ端子およびＣＫ端子ならびに出力端子であるＱ端子を有している。パルス同期回路３３は、Ｄ端子にＬレベルからＨレベルに変化した信号が入力されている状態で、ＣＫ端子に入力する信号がＬレベルからＨレベルに変化する時点でＤ端子における入力値（Ｈレベル）をＱ端子からの出力値として反映させ、この出力値をＣＫ端子に入力される値が変化したのちであっても、Ｄ端子の入力レベルが維持されている間Ｑ端子の出力レベルは変化しない。そして、Ｄ端子に入力される信号レベルがＨからＬに変化した後、ＣＫ端子に入力する信号がＬレベルからＨレベルに変化した時点でＱ端子の出力レベルはＬとなる。このように、パルス同期回路３３は、Ｄ(Delay)タイプ・フリップフロップ回路により構成されており、これにより安価に回路を形成できる。

パルス同期回路３３（図１）は、ＳＰ信号がＤ端子に入力され、後記するＲＦＰ信号がＣＫ端子に入力され、Ｑ端子から位相同期パルス（ＣＰ信号）を出力するものである。まず、ＳＰ信号（図２）の入力がＬレベルからＨレベルに変化したとしても、ＣＰ信号はすぐにＬレベルからＨレベルに変化しない。即ち、ＣＫ端子に入力するＲＦＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化した時点に同期してＣＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化する。そして、ＳＰ信号がＨレベルを維持している間は、ＣＰ信号もＨレベルを維持している。次に、ＳＰ信号がＨレベルからＬレベルに変化しても、ＣＰ信号はすぐにＨレベルからＬレベルに変化せず、その後、ＲＦＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化するのに同期してＣＰ信号はＬレベルに変化する。

以上説明したように、パルス同期回路３３の作用によりＣＰ信号のパルスの立上部分（Ｌ→Ｈ）と立下部分（Ｈ→Ｌ）との位相がＲＦＰ信号の立上部分の位相に揃えられ、Ｑ端子から出力されることになる。それにより、ＣＰ信号の立上部分がＲＦＰ信号の位相に同期することとなり、Ｑスイッチ２４がＱ値を低値から高値に切り替えるタイミングが結果としてＲＦ信号の位相に同期し、出力されるレーザ波２５ａ（図２）のジッタが軽減される効果を得る。

パルス幅変調回路３４（図１）はＣＰ信号を入力し、ＣＰ信号（図２）におけるパルスの立下部分を調整し、所定のパルス幅ｔ_wに変調した幅変調パルス（ＷＭＰ信号）を出力するものである。ここで、パルス幅変調回路３４は、例えばモノステーブル・マルチバイブレータである。このパルス幅変調回路３４により、ＳＰ信号（図２）のパルス幅の大きさに関係なく、Ｑ値を高値にするＯＦＦ期間を任意に設定することができる。これにより、ＲＦ変調信号がＯＮからＯＦＦに切り替わってから尖頭形状のレーザ波２５ａが出力されるまでの遅延期間τが判れば、ＯＦＦ期間が遅延期間τより若干大きな値となるようパルス幅ｔ_wを調整し、ＯＮ期間を励起エネルギが飽和状態になるに必要十分な期間とするようにＳＰ信号の出力周波数を変更すれば、レーザ波２５ａを出力する周期間隔を狭めることができる。これにより光共振器２０から出力されるパルスレーザ２５を高エネルギなものとすることができる。

ＲＦ変調回路３５（図１）は、ＷＭＰ信号とＲＦ信号とが入力され、ＷＭＰ信号のＨレベルまたはＬレベルに対応したＲＦ変調信号（図２）を出力するものである。このＲＦ変調信号はＱスイッチ２４に入力されることで、このＲＦ変調信号のＯＦＦ期間に対応して光共振器２０のＱ値を高値にし、ＯＮ期間に対応させてＱ値を低値にするものである。なお、ＲＦ変調信号のＯＮ期間からＯＦＦ期間への切替時点においては、ＷＭＰ信号の立上部分がＲＦ信号の位相に同期している為、ＲＦ変調信号の位相はいずれにおいても揃っている（図２（ａ），（ｂ），（ｃ）参照）。

信号分離回路３６（図１）は、ＲＦ変調回路３５とＱスイッチ２４との間に設けられ、ＲＦ変調信号をＱスイッチ２４に出力する信号とパルス同期回路３３にフィードバックする信号とに分岐するものである。
信号ケーブル３７は、信号分離回路３６の出力端とＱスイッチ２４の入力端とを結合するもので、５０Ωの抵抗値を有している。これにより、入出力端同士を５０Ωに整合し、高周波の信号反射を防止する機能を有する。また、その入出力の減衰比を十分大きく取ることにより、信号の流れにおけるロスを少なく抑え、またノイズの影響も低く抑えることができ、安定したレーザ出力を得ることが可能である。

パルス整形回路３８は信号分離回路３６とパルス同期回路３３との間に設けられ、信号分離回路３６から分離されたＲＦ変調信号をパルス状に整形し連続したパルストレインであるＲＦＰ信号（図２）として出力する機能を有している。出力されたＲＦＰ信号は、パルス同期回路３３のＣＫ端子に入力され、前記したようにＳＰ信号の位相をＲＦ信号の位相に同期させる機能を奏する。

次に図１および図２を参照して駆動装置３０Ａの動作について説明する。スイッチパルス発生器３２から、５ｋＨｚのスイッチパルス（ＳＰ信号）が発生しパルス同期回路３３のＤ端子に入力される。後述するＲＦ変調信号を基にパルス状に波形整形されたパルストレインであるＲＦＰ信号がＣＫ端子に入力される。

パルス同期回路３３の作用により、ＳＰ信号の入力がＬレベルからＨレベルに変化した後、ＣＫ端子に入力されるＲＦＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化した時点に同期してＣＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化する。そして、ＳＰ信号がＨレベルを維持している間は、ＣＰ信号もＨレベルを維持している。次に、ＳＰ信号がＨレベルからＬレベルに変化し、次いでＲＦＰ信号がＬレベルからＨレベルに変化するのに同期してＣＰ信号はＬレベルに変化する。このようにＣＰ信号のパルスの立上部分と立下部分との位相がＲＦＰ信号の立上部分の位相に揃えられ、ＣＰ信号はＱ端子から出力される。ＣＰ信号は、パルス幅変調回路３４に入力され、ここでパルス幅が所定のｔ_wである幅変調パルス（ＷＭＰ信号）として出力される。ＲＦ発振器３１から出力されるＲＦ信号は、ＲＦ変調回路３５において、幅変調パルス（ＷＭＰ信号）のＬレベル・Ｈレベルに対応してＲＦ発振器３１からのＲＦ信号が変調され、ＲＦ変調信号として出力される。

ＲＦ変調信号は、信号分離回路３６に入力されて分岐され、一方がパルス整形回路３８に出力され、他方が信号ケーブル３７を経由してＱスイッチ２４に出力される。Ｑスイッチ２４にＲＦ変調信号が入力している状態では、光共振器２０における損失が増加（Ｑ値が低値）し、光の増幅が抑制されレーザ発振しなくなる一方で、固体レーザ媒体２１内部で励起エネルギが増大する。一方、Ｑスイッチ２４にＲＦ変調信号が入力されていない状態では、光共振器２０の損失が減少（Ｑ値が高値）し、若干の時間遅れ（遅延時間τ）をもって尖頭形状のレーザ波２５ａが出力される。このような動作が繰り返され、断続的に出力波形が尖頭形状を有するレーザ波２５ａが光共振器２０から出力される。

信号分離回路３６から分離されたＲＦ変調信号はパルス整形回路３８に入力され、パルストレイン状のＲＦＰ信号が出力される。そして、このＲＦＰ信号は、パルス同期回路３３のＣＫ端子に入力する。

以上の本発明によれば、Ｑスイッチ２４によりＱ値が低値から高値に切り替わる時点の、ＲＦ変調信号の位相がいずれの時点においても常に同一となる為、安定した尖頭形状を有するレーザ波２５ａの出力が可能になる。このことにより、本発明によるＱスイッチレーザ装置１０をマーキングや微細加工の工作機に用いた場合、極めてシャープで、設計者が意図した正確なパターニング形成や、被加工物への加工が可能となる

なお、本実施形態は本発明を説明する為の一例であり、本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。前記説明では、図１においてパルス同期回路３３のＣＫ端子に入力する信号は信号分離回路３６で分離されたＲＦ変調信号がパルス整形回路３８を経たもの（ルートＡ）を例示した。一方、例えば、ＲＦ発振器３１が出力するＲＦ信号を分周する分周回路（分周手段）３９（図１）を導入し、分周されたＲＦ信号を必要に応じてパルス成形回路３８を介して（ルートＢ）または直接（ルートＣ）パルス同期回路３３のＣＫ端子に入力させる場合も同様の効果を得ることができる。

（第二の実施の形態）
次に図３を参照して本発明における第二の実施の形態について説明する。図３は本実施形態におけるＱスイッチレーザ装置の駆動装置３０Ｂの基本構成を示すブロック図である。尚、図３において図１と同一または相当する部分は同一符号を付し詳細な説明を省略する。

本実施形態の特徴、即ち図３と図１との回路動作上の相違点は、パルス幅変調回路３４（図１）を廃して、リセット回路４１（図３）を導入することにより幅変調パルス（ＷＭＰ信号）を生成することにある。

パルス同期回路３３´（図３）は、前記したパルス同期回路３３（図１）に比して新たにリセット端子（Ｒ端子）を有するものである。このＲ端子にＬレベルの信号が入力すると同時にＱ端子の出力信号をＬレベルとし、次にＤ端子にＨレベル信号が入力しその後ＣＫ端子にＨレベル信号が入力するまでの間、Ｑ端子の出力信号をＬレベルにキープする作用を奏する。なお、図３中、ＣＫ端子には、信号分離回路３６で分岐されたＲＦ変調信号がダイレクトに入力しているが、パルス整形回路３８（図１）を経由させパルストレインに整形した後に入力してもよい。

リセット回路４１は、Ｑ端子からの出力を入力し、この入力信号がＬレベルからＨレベルに切り替わって所定時間ｔ_wを経過した後、パルス同期回路３３´のＲ端子にＬレベルの信号を送る。これにより、パルス同期回路３３´のＱ端子からの出力を強制的にＬレベルにする作用を有する。このリセット回路４１とパルス同期回路３３´との作用により、第一実施形態で述べたものと同様の幅変調パルス（ＷＭＰ信号）（図２）を生成する。

このようにして、スイッチパルス（ＳＰ信号）は、リセット回路４１の作用によりパルス幅ｔ_wに調整され幅変調パルス（ＷＭＰ信号）として変換され、その立ち上がりの位相はＲＦ変調信号の位相に同期されるものである。その後、ＲＦ変調回路３５において、ＲＦ信号と幅変調パルス（ＷＭＰ信号）とから、ＲＦ変調信号が形成されることとなる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。前記実施形態のＱスイッチレーザ装置１０（図１）を用いて、ＲＦ信号（またはＲＦ変調信号）とＣＰ信号の位相同期調整を行った場合（本発明）と、この位相同期調整を行わない場合（従来例）と、におけるＲＦ変調信号のＯＮ期間が終了する時点の波形比較を行った。ここで、ＲＦ変調信号の基になるＲＦ信号は４０ＭＨｚ、ＳＰ信号は５ＫＨｚである。

図４（Ａ）−１〜図４（Ａ）−３は、位相同期調整を行った場合（本発明）におけるＲＦ変調信号におけるＯＮ／ＯＦＦ切替前後の波形を示すグラフである。図示するように、ＲＦ変調信号のＯＮ／ＯＦＦ切替点Ａ１〜Ａ３直後における末端の波形は、何れも同型であることがわかる。この結果より、ＣＰ信号の立上部分をＲＦ信号の位相に同期させることにより、Ｑスイッチ２４を光学的に開閉するＲＦ変調信号の切り替わり時点の波形の再現性が安定することが理解できる。図５（Ａ）は、位相同期調整を行った場合（本発明）において、時間軸を揃えＲＦ変調信号を複数重ね合わせた状態の合成波形グラフである。図５（Ａ）より、本発明においてＲＦ変調信号のＯＦＦ時点での位相のバラツキが無いことがより一層明確に理解できる。

図４（Ｂ）−１〜図４（Ｂ）−３は、位相同期調整を行わない場合（従来例）におけるＲＦ変調信号におけるＯＮ／ＯＦＦ切替前後の波形を示すグラフである。図示するように、ＲＦ変調信号のＯＮ／ＯＦＦ切替点Ｂ１〜Ｂ３直後における末端の波形は、約１周期分のバラツキがあることがわかる。この結果より、それぞれ独立したＲＦ信号とＳＰ信号とからＲＦ変調信号を形成すると、Ｑスイッチ２４を光学的に開閉するＲＦ変調信号の切り替わり時点の波形が不安定になることが理解できる。図５（Ｂ）は、位相同期調整を行わない場合（従来例）において、時間軸を揃え、ＲＦ変調信号を複数重ね合わせた状態の合成波形グラフである。図５（Ｂ）より、従来技術においては、ＲＦ変調信号のＯＦＦ時点で位相のバラツキが存在していることについてより明確に理解できる。

次に、位相同期調整を行った場合（本発明）および位相同期調整を行わない場合（従来例）において形成したＲＦ変調信号のそれぞれにより出力されたレーザ波２５ａ（図２）の出力結果について比較する。
図６（Ａ）は、図４（Ａ）−１〜図４（Ａ）−３で示されたＲＦ変調信号（位相同期調整を行った；本発明の場合）によりＱスイッチを動作させ、連続して出力した複数のレーザ波をそれぞれ重ね書きしたグラフである。図６（Ｂ）は、図４（Ｂ）−１〜図４（Ｂ）−３で示されたＲＦ変調信号（位相同期調整を行わない；従来例の場合）によりＱスイッチ２４を動作させ、連続して出力した複数のレーザ波をそれぞれ重ね書きしたグラフである。

図６（Ａ）と図６（Ｂ）とを比較して明らかなように、位相同期調整を行いＲＦ変調信号のＯＮ期間終了部分の末端波形の再現性を安定させことにより、レーザ出力が安定しレーザ波のジッタが減少することが明らかである。即ち、ＲＦ信号の位相に、ＲＦ変調信号をＯＮ／ＯＦＦさせるタイミングを同期させることより、パルスレーザ２５の出力が安定することがわかる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、それぞれ図６（Ａ）および図６（Ｂ）で示されるレーザ波のピークパワー（極大値の大きさ）の相対値を示すグラフである。横軸は、基準となるレーザ波のピークパワーに対する他のレーザ波におけるピークパワーの比率を示し、縦軸は各比率における頻度を示すものである。頻度分布のばらつき度合いを示すｒｍｓ値は、図７（Ａ）において±０．５％（ｒｍｓ）を示している。即ち、図７（Ｂ）において±１．２％（ｒｍｓ）を示し、本発明を実施することにより、レーザ波のピークパワーのばらつきが改善された結果を示している。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、それぞれ図６（Ａ）および図６（Ｂ）で示されるレーザ波のエネルギ（波形の面積に相当）の相対値を示すグラフである。横軸は、基準となるレーザ波のエネルギに対する他のレーザ波におけるエネルギの比率を示し、縦軸は各比率における頻度を示すものである。頻度分布のばらつき度合いを示すｒｍｓ値は、図８（Ａ）において±０．４％（ｒｍｓ）を示し、図８（Ｂ）において±１．２％（ｒｍｓ）を示している。即ち、本発明を実施することにより、レーザ波のエネルギのばらつきが改善された結果を示している。

本発明にかかるＱスイッチレーザ装置の第一実施形態における基本構成を示すブロック図である。本発明にかかるＱスイッチレーザ装置における駆動装置を構成する要素部品が扱う信号を表わした説明図である。本発明にかかるＱスイッチレーザ装置の第二実施形態における駆動装置の基本構成を示すブロック図である。（Ａ）本発明においてＲＦ変調信号におけるＯＮ／ＯＦＦ切替前後の波形を示すグラフである。（Ｂ）従来例においてＲＦ変調信号におけるＯＮ／ＯＦＦ切替前後の波形を示すグラフである。（Ａ）本発明において、時間軸を揃えＲＦ変調信号を複数重ね合わせた状態の合成波形グラフである。（Ｂ）従来例において、時間軸を揃えＲＦ変調信号を複数重ね合わせた状態の合成波形グラフである。（Ａ）本発明において、出力したパルスレーザのレーザ波を重ね書したグラフである。（Ｂ）従来例において、出力したパルスレーザのレーザ波を重ね書したグラフである。（Ａ）本発明において、出力したパルスレーザのレーザ波におけるピークパワーの頻度分布図である。（Ｂ）従来例において、出力したパルスレーザのレーザ波におけるピークパワーの頻度分布図である。（Ａ）本発明において、出力したパルスレーザのレーザ波におけるエネルギの頻度分布図である。（Ｂ）従来例において、出力したパルスレーザのレーザ波におけるエネルギの頻度分布図である。従来のＱスイッチレーザ装置における駆動装置の基本構成を示すブロック図である。従来のＱスイッチレーザ装置における駆動装置を構成する要素部品が扱う信号を表わした説明図である。

符号の説明

１０Ｑスイッチレーザ装置
２０光共振器
２１固体レーザ媒体
２２出力ミラー
２３全反射ミラー
２４Ｑスイッチ
２４ａ入射窓
２５パルスレーザ
２５ａ、２５ａ´ レーザ波
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ駆動装置
３１ＲＦ発振器（ＲＦ発振手段）
３２スイッチパルス発生器（スイッチパルス発生手段）
３３、３３´ パルス同期回路（パルス同期手段）
３４パルス幅変調回路（パルス幅変調手段）
３５ＲＦ変調回路（ＲＦ変調手段）
３６信号分離回路（信号分離手段）
３７信号ケーブル
３８パルス整形回路
３９分周回路（分周手段）
４１リセット回路（リセット手段）

Claims

光共振器からパルスレーザを出力するＱスイッチレーザ装置であって、
前記光共振器に対してＱ値の高値または低値の切り替えを行なうＱスイッチと、
前記パルスレーザの繰返し周期を決定する周波数を有するスイッチパルスを発生するスイッチパルス発生手段と、
前記スイッチパルスの周波数より高周波数の信号であるＲＦ信号を発生するＲＦ発振手段と、
前記スイッチパルスと前記ＲＦ信号とを入力し、前記スイッチパルスの立ち上がるタイミングを前記ＲＦ信号の位相に同期させた位相同期パルスを出力するパルス同期手段と、
前記位相同期パルスを入力し、入力したパルスのＬレベルまたはＨレベルの期間に対応させて前記ＲＦ信号をＯＮ／ＯＦＦさせたＲＦ変調信号として出力するＲＦ変調手段と、
を備え、前記ＲＦ変調信号に基づいて前記Ｑスイッチが前記光共振器のＱ値を高値または低値に切り替えることを特徴としたＱスイッチレーザ装置。
前記位相同期パルスを入力し、パルスの立ち上がり時点を基点としてパルス幅を所定期間とした幅変調パルスを出力するパルス幅変調手段を有し、前記ＲＦ変調手段は、前記位相同期パルスに代えこの幅変調パルスを入力するものであることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置。
前記位相同期パルスを入力し、この位相同期パルスがＨレベルに立ち上がった時点を基点として所定期間が経過した時点において前記パルス同期手段の出力をＬレベルにリセットさせるリセット手段を有し、前記ＲＦ変調手段は、前記位相同期パルスに代え、前記位相同期パルスのパルス幅が前記リセット手段により前記所定期間に調整されてなる幅変調パルスを入力するものであることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチレーザ装置。
前記ＲＦ変調信号を入力し、このＲＦ変調信号を前記Ｑスイッチに出力するとともに前記パルス同期手段にも前記ＲＦ変調信号を出力する信号分離手段を有し、前記パルス同期手段は、前記ＲＦ信号に代わり、前記ＲＦ変調信号に基づいて前記位相同期パルスを出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置。
前記ＲＦ信号を入力し、このＲＦ信号をＲＦ変調手段に出力するとともに前記パルス同期手段にも前記ＲＦ信号を出力する分周手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置。
前記パルス同期手段は、Ｄタイプ・フリップフロップであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のＱスイッチレーザ装置。