JP2005158995A - 固体レーザ媒質の励起方法とそれを利用した固体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 内側に2つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質13に、他方の焦線側に配置した励起ランプ14からの励起光14aを前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質13からのレーザ光20を固体レーザ媒質13の両側に配した出力ミラー19とリアミラー18との間で共振させながら出力ミラー19から出射させるのに、励起光14aを固体レーザ媒質13に対しその外径dYよりも小さな集光径dAにて集光させることにより励起し、レーザ光20を出射させることにより、上記の目的を達成する。
【選択図】 図2
Description
固体レーザ媒質に対する前記集光径がアパーチャ径とほぼ同等とするので、アパーチャは異常発振するレーザ光を遮断する程度のものでよくなり、アパーチャけられによる出力効率の低下を前記1つの特徴の場合に比し、さらに抑えられる。
固体レーザ媒質に対する前記集光径がアパーチャ径とほぼ同等とするので、固体レーザ媒質の励起域からのレーザ光が前記Oリングに及んでダメージを与えるのを防止しやすい上に、アパーチャは異常発振するレーザ光を遮断する程度のものでよくなり、アパーチャけられによる出力効率の低下を前記1つの特徴の場合に比し、さらに抑えられる。
固体レーザ媒質がその外径よりも小さいほぼ同心位置にて励起されて、外周部層の熱歪みがほぼ均等に抑えられるので、熱歪みが外周部の偏った部分に集中して生じダメージとなるようなことを防止することができ寿命が高まる。
180mm以上の長さの固体レーザ媒質を用いることによりゲインを高められるため出力効率が従来の3%程度に比して4%程度と向上し、1KW以上の出力が得られる上に、熱歪みによる寿命低下が大きく緩和されて数億ショットという従来の数倍の寿命が実現している。また、外径を7mm以下として0.6mm以下の集光も可能である。さらに、必要な出力を得るための励起ランプの駆動電流を抑えられるので、ランニングコストが低減するし、低電流で大きなパワーが得られるためIGBTにより電流制御するのにその寿命上従来困難であった周波数の上限500PPSを超えて700PPS〜1KPPSを実現することができる。
固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、アパーチャ径にほぼ等しい集光径をもって集光させるのに、励起ランプの発光系がそれらアパーチャ径および集光径にほぼ等しいことにより、集光器における集光反射面の通常の楕円形状による集光比1:1の通常の集光状態にて簡単かつ確実に安定して達成することができる。
励起ランプは固体レーザ媒質の長大化に見合った長さの増大によって電子ビームの長行路化による十分な減速に加え、キセノンは原子量が大きく電子ビームを減速させるので、電子ビームがランプ電極に与える衝撃を緩和してランプ寿命を高めるのに好適であり、ガス圧を600Pa以上とすることによって発光密度が高まり十分な発光出力が得られる。
集光径によって設定される固体レーザ媒質の励起域径よりも大きく、両端部のOリングのレーザ光に対する安全が図れる固体レーザ媒質の外径を、その両端部で確保しながら、この両端部間では固体レーザ媒質の外径を集光径およびアパーチャ径とほぼ同等程度までスリム化することにより、励起光が固体レーザ媒質を通過することによるロスを低減し出力効率を高められる。
1/15の集光比にて透過出力1KW、100%近い透過率で光ファイバを透過させることができ、0.6mm以下の集光状態を得るのに好適である。
Oリングを専用のプロテクタによってレーザ光から保護することができ、特に専用であることにより、その保護のための独自な配置や形態、材質などとして異常発振するレーザ光にも十分配慮しながら、プロテクタ径がアパーチャ径とほぼ同等であることにより、アパーチャ以上にレーザ光にけられが生じるのを防止し、出力効率が低下しないようにすることができる。
Oリングとプロテクタとの間からOリングに異常発振光が働くようなことを防止することができ、このような意味ではプロテクタはOリングに近いほどよい。しかし、近すぎるとプロテクタのOリング側の端面で反射するレーザ光がOリングに及ぶので、1.5mm程度以上とするのが好適であり、より好適には1.5〜3mm程度とする。
これらアパーチャがプロテクタと互いの邪魔なく協働してより多くの個所にてレーザ光に働くので、レーザ光の整形性、所定位置への集光性を高められ、0.6mm以下の集光にて光ファイバに入力させるのに好適であるし、異常発振したレーザ光を遮断しやすい利点もある。
リアミラーと固体レーザ媒質との間に配置した内部シャッタであるため、外部出力側のような高いパワーのレーザ光に曝されないで、外部出力を遮断することができるし、シャッタは光軸に斜めに配置したので通過を遮断するレーザ光を光軸外に向け反射させてダメージを受けにくくすることができるので、寿命が向上する。また、内部シャッタにより通過を遮断されるレーザ光は光路外へ反射されて、Oリング側に向かうようなことがあっても前記のような専用のプロテクタによってそれを遮断することができるのでOリングにダメージを与えるようなことがない。
励起電流に対する外部出力の関係をショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになるように次のショット出力に対する励起電流の拡大、縮小係数を変える制御をするので、設定した出力波形を特に変化させることなくエネルギに過不足ないよう出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトや加工動作を加工中に切り換えることにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。それには、前記拡大、縮小係数を変化させる割合を波形やエネルギ、周波数、熱レンズ効果の大小などに応じて設定すればよい。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。
固体レーザ媒質の長尺化などボリューム増大に伴うドープ密度のバラツキの増大によって、機械加工などにより得ている光軸に対してレーザ光の発振ビームの光軸が必ずしも一致しないことに対して、固体レーザ媒質から出力ミラー側またはおよびリアミラー側の光軸の角度などを調節することにより固体レーザ装置ごとに簡単に調整し適性化できる。
Oリングによる水没環境の封止に影響せずに、前記のような光軸調整がミラーやアパーチャ、プロテクタなどの光学機器を伴い調整できる。
光軸を調節して傾かせたことによって、かえって、光路外へ洩れるレーザ光が生じるのを遮断することができる。
OリングはOリングキャップに外まわりを覆われて励起ランプからの励起光から保護され、装置の軽量、コンパクト化には前記張り出し寸法を小さくするほどよく、0.5mm程度以上あればよいが、レーザ光の出力が大きくなるに従ってOリングキャップが励起光によって吸熱し、Oリングや固体レーザ媒質に熱影響を与えるので、レーザ光の出力の大きさに応じて張り出し寸法Sを大きくしていくのが好適である。
励起光を反射させて吸熱を抑えられ、Oリングや固体レーザ媒体への熱影響を緩和することができる。
14 励起ランプ
14a 励起光
18 リアミラー
19 出力ミラー
20 レーザ光
21a、21b アパーチャ
28 集光レンズ
29 光ファイバ
34 スイッチング素子
40 集光器
51 Oリング
52 封止部
53a、53b プロテクタ
61 光軸
62 内部シャッタ
71 センサ
81 ロッドホルダ
82 Oリングキャップ
82a、83a 内フランジ
84 水没環境
85 空気環境
dY 外径
dA 集光径
dL 発光径
dXa、dXb アパーチャ径
dPa、dPb プロテクタ径
L 固体レーザ媒体長
LL 共振器長
S1 距離
S2 張り出し寸法
Claims (21)
- 内側に2つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さな集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。 - 内側に2つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ光を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。 - 内側に2つの焦線を持った集光反射面の、一方の焦線側に配置し端部外周部でOリングにより水没環境を封止した固体レーザ媒質に、他方の焦線側に配置した励起ランプからの励起光を前記集光反射面によって集光させて励起し、この励起による固体レーザ媒質からのレーザ光を固体レーザ媒質の両側に配した出力ミラーとリアミラーとの間で共振させながら出力ミラーから出射させる固体レーザ媒質の励起方法において、
前記励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さく、かつ、レーザ光の通過域を規制するアパーチャのアパーチャ径とほぼ同径となる集光径にて集光させることにより励起し、レーザ出力を出射させることを特徴とする固体レーザ媒質の励起方法。 - 励起光の集光位置は固体レーザ媒質とほぼ同心位置である請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体レーザ媒質の励起方法。
- 固体レーザ媒質は、180mm以上の長さのものを用いる請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体レーザ媒質の励起方法。
- 内側に2つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器と、この集光器内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でOリングにより水没環境を封止するとともにランタノイド希土元素をドープした固体レーザ媒質と、前記集光器の他方の焦線側に配置され、円形断面と前記固体レーザ媒質とほぼ同じ長さとを有し、前記固体レーザ媒質を励起するための発光径が前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプと、前記固体レーザ媒質の両側に配置された出力ミラーおよびリアミラーと、これらミラー間に位置して前記固体レーザ媒質からの前記励起によるレーザ光の通過域を規制するアパーチャとを備え、
前記固体レーザ媒質の長さが180mm以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が500mm以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さいことを特徴とする固体レーザ装置。 - 内側に2つの焦線を持った集光反射面を形成した集光器と、この集光器内の、一方の焦線側に配置し端部外周部でOリングにより水没環境を封止するとともに円形断面を有しランタノイド希土元素をドープした固体レーザ媒質と、前記集光器の他方の焦線側に配置され、円形断面と前記固体レーザ媒質とほぼ同じ長さとを有し、前記固体レーザ媒質を励起するための発光径が前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、セリウムドープされた励起ランプと、前記固体レーザ媒質の両側に配置された出力ミラーおよびリアミラーと、これらミラー間に位置して前記固体レーザ媒質からの前記励起によるレーザ光の通過域を規制するアパーチャとを備え、
前記固体レーザ媒質の長さが180mm以上、前記出力ミラーおよびリアミラーがなす共振器長が500mm以上、前記アパーチャのアパーチャ径および前記励起ランプの発光径がほぼ等しく、かつ前記固体レーザ媒質の外径よりも小さく、集光反射面は励起ランプからの励起光を固体レーザ媒質に対しその外径よりも小さい集光径にて集光させるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。 - 前記励起ランプは、キセノンフラッシュランプであり、ガス圧が600Pa以上である請求項6、7のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 前記固体レーザ媒質の前記外径はOリングにより支持される両端部にて満足し、これら両端部間は前記励起ランプの発光径およびアパーチャ径とほぼ同等である請求項6〜8のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 出射ミラーの後段にカップリングした光ファイバを備え、この光ファイバのコア径が、アパーチャ径の1/15程度である請求項6〜9のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 前記固体レーザ媒質のリアミラー側またはおよび出力ミラー側に、リアミラー側またはおよび出力ミラー側のOリングにリアミラーまたはおよび出力ミラーからのレーザ光が及ぶのを遮断するプロテクタ径を有したプロテクタを備え、前記プロテクタ径が前記集光径およびアパーチャ径とほぼ同等である請求項6〜10のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- プロテクタは、対応するOリングの端部からほぼ5mm以内の位置に配置する請求項11に記載の固体レーザ装置。
- 出力ミラーおよびリアミラーのミラー面近傍にレーザ光の通過域を規制するアパーチャを設けた請求項11に記載の固体レーザ装置。
- リアミラーおよび固体レーザ媒質との間に光軸に対し傾けて配置され、レーザ光の外部出力を阻止する内部シャッタを備えた請求項13に記載の固体レーザ装置。
- 励起電流を制御してレーザ光を所定の出力エネルギにて繰り返しショット出力して加工に供するのに、所定回数目ごとの出力エネルギを検出する検出手段と、この検出された出力エネルギに基づき次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギになるように拡大、縮小係数を変化させながら励起電流を制御する制御手段とを備えた請求項6〜14のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 固体レーザ媒質から出力ミラー側またはおよびリアミラー側の光軸を可変とした請求項6〜15のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 光軸は、固体レーザ媒質の水没環境を封止するOリング部を支点に可変とする請求項16に記載の固体レーザ装置。
- 光軸が可変な側のアパーチャおよびプロテクタ間の外周は遮光している請求項6〜17のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- Oリングは固体レーザ媒質の端部を受け入れて支持するホルダの端面部に位置し、ホルダの外周から固体レーザ媒質の中央側に張り出してOリングを覆いかつ保持するOリングキャップを備え、OリングキャップのOリングから固体レーザ媒質の中央側への張り出し寸法をレーザ光の出力の大きさに応じて設定する請求項6〜18のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
- 張り出し寸法は0.5mm以上である請求項19に記載の固体レーザ装置。
- Oリングキャップの外面はAuメッキしてある請求項19、20のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。
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