JP2005209965A - 高調波パルスレーザ装置及び高調波パルスレーザ発生方法 - Google Patents

高調波パルスレーザ装置及び高調波パルスレーザ発生方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 １つの固体レーザからロングパルスの高調波パルスレーザ光を生成すること。
【解決手段】 典型的にはＹＡＧパルスレーザのような固体パルスレーザから出力される１００μｓ以上のパルス幅を有するロングパルスの基本波パルスレーザ光をＫＴＰ結晶１０に入力し、このＫＴＰ結晶１０にて２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧに波長変換し、このロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを溶接等のレーザ加工のために出力する。

【選択図】図６

Description

本発明は、基本波長のレーザ光を高調波の光ビームに波長変換する技術に係わり、特に溶接等のレーザ加工に好適なロングパルスの高調波パルスレーザ光を生成する方法および装置に関する。
近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能であることから、ますますその重要性を高めている。現在、レーザ溶接に最も多く使用されている固体レーザは、波長約１μｍの光ビームを発生するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは、母材としてのＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）結晶に希土類活性イオン（Nd3+，Yb3+等）をドープしたものであり、代表的なＮd：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。ＹＡＧレーザは、連続発振やＱスイッチによるジャイアントパルス発振が可能であるほか、１００μｓ以上（典型的には２〜３ｍｓ）のパルス幅を有するロングパルス（long pulse）のレーザ光を発生することができる。
ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性がよくないと、反射率が高くて、レーザエネルギーの吸収効率が低く、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光は、銅、金、アルミニウム等に対しては光学的結合性がよくない。これらの金属に対しては、むしろ第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。本出願人は、特許文献１で、第１のＹＡＧレーザにより基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光を生成するとともに、第２のＹＡＧレーザにより第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチＹＡＧレーザ光を生成し、基本波ＹＡＧパルスレーザ光と第２高調波ＱスイッチＹＡＧレーザ光とを同軸上に重畳して被溶接材に照射する異波長重畳レーザ溶接法を開示している。この異波長重畳レーザ溶接法によれば、銅、金、アルミニウム等の被溶接材において、レーザエネルギーの吸収効率を高めて、良好な溶接接合を得ることが可能である。
特開２００２−２８７９５号公報
しかしながら、上記のような異波長重畳レーザ溶接法は、２系統のＹＡＧレーザを必要とするため、レーザ装置が大掛かりなものとなり、調整やメンテナンス等も煩雑になるという問題がある。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、１つの固体レーザからロングパルスの高調波パルスレーザ光を生成する高調波パルスレーザ装置および高調波パルスレーザ発生方法を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、高い波長変換効率で高出力のロングパルスの高調波パルスレーザ光を安定に生成する高調波パルスレーザ装置および高調波パルスレーザ発生方法を提供することにある。
先ず、本発明者が本発明に至った経緯を説明する。
強度の高いレーザ光を非線形光学結晶に入力（入射）すると、光学的な非線形効果により入射光の２倍や３倍などの周波数をもつ光つまり高調波の光が発生する。このような非線形光学結晶は波長変換結晶とも称され、表１に例示するように各種の波長変換結晶が知られている。
Figure 2005209965
強度の高いレーザ光をこの種の波長変換結晶に与えるために、従来はＱスイッチ方式を用いていた。Ｑスイッチ方式によれば、エネルギー準位の反転分布が極力高くなるようにレーザ活性媒質を十分に励起してから、ＱスイッチをＯＮにして共振器のＱ値を急激に高くすることにより、共振器内で瞬間的で大きな発振を起こし、パルス幅が狭くピークパワーの高いレーザ出力を得ることができる。このようなＱスイッチ型のレーザ装置で生成されるＱスイッチレーザ光はジャイアントパルスと呼ばれる。
一般に、波長変換結晶により波長変換された（たとえば入射波または基本波の２倍の周波数を持つ第２高調波の）高出力レーザ光を加工などに応用する際に、最も重要な特性値はダメージしきい値である。変換効率を左右する非線形光学定数が高くても、ダメージしきい値（損失閾値：damage threshold）が小さいと非実用的である。なぜなら、ダメージしきい値を超えるピークエネルギー密度（単位は通常、ＧＷ／ｃｍ2）をもつレーザ光が与えられると波長変換結晶にダメージ（多くは亀裂）が発生して、使用不能になるからである。
従来より、Ｑスイッチ型レーザで生成した高出力のジャイアントパルスを第２高調波（ＳＨＧ：second harmonic generation）に波長変換するために最も多く用いられている波長変換結晶はＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶であり、そのダメージしきい値（１８．９ＧＷ／ｃｍ2）は十分に高い。一方、この種の波長変換結晶としてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶も知られているが、表２に示すように、ＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）はＬＢＯのそれと比較して約１／４であり、かなり低い。
Figure 2005209965
この意味で、上記特許文献１（特開２００２−２８７９５号公報）に記載のＱスイッチＹＡＧレーザにおける波長変換器としてＬＢＯ結晶は好適な素材であった。これに対して、ＫＴＰ結晶は、基本波ジャイアントパルスのピークエネルギー（尖頭値エネルギー密度）がある程度以上小さくないと、つまりＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下でない限り、波長変換結晶として不適当であった。換言すれば、基本波ジャイアントパルスの尖頭値エネルギー密度をＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下に設定すれば、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキング（ダークニングとも呼ばれる結晶が黒く変質する現象）等の損傷を与えることなく、ＫＴＰ結晶から第２高調波のレーザ光を生成することはできる。しかし、その場合の第２高調波のレーザ光は、レーザ出力が低く、加工対象によっては十分な加工能力を持ち得ないという制限があった。
以上の点に鑑み、本発明の高調波パルスレーザ装置を研究開発するに当たり、ダメージしきい値が比較的高い高出力用の波長変換結晶であるＬＢＯ結晶について、ＹＡＧパルスレーザより生成される基本波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）生成の実験を行った。
残念なことに、ＬＢＯ結晶に亀裂（cracking）が入り、ＬＢＯ結晶は使用不能になった。理由は完全には明らかでないが、ダメージしきい値の条件は問題なくクリアされているものの、ＬＢＯ結晶がもつ熱膨張／収縮特性のために、亀裂が入ったと考えられる。すなわち、ＬＢＯ結晶の熱膨張係数は異方性が大きく、ｘ軸方向はαX＝１０８×１０-6／Ｋでかなりの膨張率を有し、ｙ軸方向はαX＝−８８×１０-6／Ｋでかなりの収縮率を有し、１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓのロングパルスレーザ光の入射または入力により、ＬＢＯ結晶内部に相当な熱ストレスが局所的に発生し、結果として亀裂が発生するものと推定される。
他の幾つかの実験とともに、ダメージしきい値が比較的低い低出力用の波長変換結晶であるＫＴＰ結晶について、ＹＡＧパルスレーザにより生成される波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）発生の実験を行った。
驚くべきことに、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキングの損傷は発生せず、また、亀裂も発生せずに、第２高調波（波長５３２ｎｍ）のパルスレーザ光を生成することができた。理由は明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光は、パルス当たりのエネルギーは通常数ジュール程度で、決して小さくはないが、ジャイアントパルスと比較して尖頭値ないしピークエネルギーが格段に低く（通常、数ｋＷ程度）、そのエネルギー密度はＱスイッチまたはジャイアントパルスを前提にしたＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）を超えることはない。その一方で、基本波ＹＡＧパルスレーザは所要の非線形光学効果をＫＴＰ結晶に発生させるに十分なレーザ出力を有している。そして、ＫＴＰ結晶は、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光を与えられても、その熱膨張率が低いため、問題になるような熱ストレスは発生せず、亀裂は生じなかったものと考えられる。
本発明は、上記のような知見の基づいてなされたものである。すなわち、本発明の高調波パルスレーザ発生方法は、固体レーザの活性媒質を励起して、１００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成する工程と、前記基本波パルスレーザ光をＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶に入射させて、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成する工程とを有する。
また、本発明の高周波パルスレーザ装置は、基本的な構成として、１００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成する固体レーザと、前記基本波パルスレーザ光を入力して、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶とを有する。
本発明の好ましい一態様によれば、活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれ、励起部によって励起またはポンピングされる。
好ましい一態様として、基本波パルスレーザ光の光路上に、一つの偏光方向のみの光を通過させる偏光素子を偏光方向が前記ＫＴＰ結晶の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置し、この偏光素子により直線偏光化した基本波パルスレーザ光をＫＴＰ結晶に入射させてよい。かかる構成によれば、ＫＴＰ結晶の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分が非線形光学効果に作用することにより、高効率のタイプII波長変換を可能とし、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光を生成することができる。なお、ＫＴＰ結晶は、タイプIIの位相整合にカットされているものが好ましい。
本発明の好適な一態様による高調波パルスレーザ装置は、光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、１００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成するために前記活性媒体をポンピングする励起部と、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するために前記光共振器の光路上に配置されたＫＴＰ結晶と、前記光共振器の光路上に配置された高周波分離出力ミラーとを有し、高調波分離出力ミラーが前記基本波パルスレーザ光を前記光共振器の光路上に留めて前記第２高調波のパルスレーザ光を前記光共振器の光路の外へ出力する。
好ましくは、上記高調波パルスレーザ装置の構成において、活性媒体が第１の終端ミラー寄りに配置されるとともに、ＫＴＰ結晶が第２の終端ミラー寄りに配置され、第１の終端ミラーが基本波パルスレーザ光を活性媒体に向けて反射し、第２の終端ミラーが基本波パルスレーザ光および第２高調波パルスレーザ光のいずれをもＫＴＰ結晶に向けて反射するようにしてよい。
また、好適な一態様として、活性媒体とＫＴＰ結晶とが互いに同一直線配列で配置される構成としてもよい。
別の好適な態様として、高調波分離出力ミラーが、活性媒体とＫＴＰ結晶との間で光共振器の光路に対して斜めに傾けて配置され、基本波パルスレーザ光を透過し、第２高調波パルスレーザ光を所定の方向へ反射するようにしてもよい。
別の好適な一態様によれば、第１の終端ミラーと第２の終端ミラーと高調波分離出力ミラーとが三角型に配置され、第２の終端ミラーと高調波分離出力ミラーとの間に活性媒体が配置され、第１の終端ミラーと高調波分離出力ミラーとの間にＫＴＰ結晶が配置され、高調波分離出力ミラーが、基本波パルスレーザ光を反射し、第２高調波パルスレーザ光を透過するように構成される。
本発明の別の好適に一態様による高調波パルスレーザ装置は、光学的に対向して配置された終端ミラーと高調波分離出力ミラーとを有する光共振器と、前記終端ミラー寄りで前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、１００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成するために前記活性媒体を光学的にポンピングする励起部と、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するために前記高調波分離出力ミラー寄りで前記光共振器の光路上に配置されたＫＴＰ結晶とを有し、高調波分離出力ミラーが前記基本波パルスレーザ光を前記光共振器の光路上に留めて前記第２高調波のパルスレーザ光を前記光共振器の光路の外へ出力する。
上記高調波パルスレーザ装置の構成では、好ましい一態様として、活性媒体とＫＴＰ結晶との間に配置され、基本波パルスレーザを透過し、第２高調波パルスレーザ光を反射する高調波ミラーを設けてよい。
また、好ましい一態様では、励起部が、活性媒体を光学的にポンピングするための励起光を発生する励起光発生部と、この励起光発生部に励起光を発生するための電力を供給するレーザ電源部と、このレーザ電源部より励起光発生部に供給される電力を制御するための制御部とを有する。ここで、励起光発生部は、励起ランプあるいはレーザダイオードであってよい。
また、好適な一態様によれば、レーザ電源部が、直流電力を出力する直流電源部と、この直流電源部と励起光発生部との間に接続されたスイッチング素子とを有し、基本波パルスレーザ光のパルス幅に相当する期間中にスイッチング素子を高周波数でスイッチング動作させてパルス波形の電力を励起光発生部に供給する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を好ましくはパルス幅制御方式で生成してレーザ電源部に供給する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部を有し、この高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして制御信号を生成する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、レーザ電源部より励起光発生部に供給される電力、電流および電圧の群より選ばれた所定のパラメータについて所望の上限値を設定する上限値設定部と、上記パラメータを測定するパラメータ測定部と、このパラメータ測定部より得られるパラメータ測定値を上限値と比較する第１の比較部とを有し、この第１の比較部の比較結果に応じてレーザ電源部より励起光発生部に供給される電力を制御する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、基本波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する基本波レーザ出力測定部を有し、この基本波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして制御信号を生成する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力について所望の上限値および下限値の少なくとも１つをリミット値として設定するリミット値設定部と、第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部と、この高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をリミット値と比較する第２の比較部とを有し、この第２の比較部の比較結果に応じてレーザ電源部より励起光発生部に供給される電力を制御する。
また、好適な一態様によれば、制御部が、第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力について所望の基準値を設定する基準値設定部と、第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部と、この高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値の時間的な平均値を求めるレーザ出力平均値演算部と、このレーザ出力平均値演算部より得られるレーザ出力平均値と基準値との差分をオフセット値として求めるオフセット値演算部とを有し、オフセット値にしたがって制御信号を補正する。
好適な一態様によれば、本発明の高調波パルスレーザ装置によって生成される第２高調波パルスレーザ光を用いて被加工物を溶接する。あるいは、本発明の高調波パルスレーザ装置で生成される第２高調波パルスレーザ光により被加工物で熱を発生し、その被加工物の材料特性の変更、被加工物の成形加工または被加工物の材料除去を行うこともできる。
本発明によれば、上記のような構成および作用により、１つの固体レーザからロングパルスの高調波パルスレーザ光を生成することができる。しかも、高い波長変換効率で高出力のロングパルスの高調波パルスレーザ光を安定に得ることができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
図１に、本発明における波長変換方法の一例を示す。この方法は、タイプII位相整合角にカットされたＫＴＰ結晶１０を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第２高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばＹＡＧパルスレーザ（図示せず）で生成された１００μｍ以上のパルス幅を有するパルス（以下、「ロングパルス」と称する。）の基本波パルスレーザ光（たとえば１０６４ｎｍ）を楕円偏光（好ましくは円偏光）またはランダム偏光の形態でＫＴＰ結晶１０に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波光の垂直偏光成分と水平偏光成分のみが直線偏光としてＫＴＰ結晶１０を通過する。ＫＴＰ結晶１０は、基本波ＹＡＧパルスレーザと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（５３２ｎｍ）を生成する。
図１の波長変換方法においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が下がったり変動することがある。
図２に、本発明における波長変換方法の別の例を示す。この波長変換方法では、一つの偏光方向のみの光を通過させる偏光素子１２を該偏光方向がＫＴＰ結晶１０の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置し、偏光素子１２により直線偏光化したロングパルスの基本波パルスレーザ光をＫＴＰ結晶１０に入射させる。偏光素子１２には、たとえばポラライザまたはプリュースタ板等を使用することができる。ＫＴＰ結晶１０は、上記と同様にタイプII位相整合角にカットされたものでよい。このように偏光素子１２の偏光方向とＫＴＰ結晶１０の光学軸とを相対的に４５度傾けて配置する構成によれば、ＫＴＰ結晶１０の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分が非線形光学効果に作用するので、高効率のタイプII波長変換を可能とし、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成することができる。
次に、図３〜図５につき、本発明の実施形態における高調波パルスレーザ装置の基本構成（特に共振器構成）を説明する。
図３に、一実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す。この装置は、折り返し型または三角型の光共振器を有する。より詳細には、３つのミラー２０，２２，２４を三角型に配置し、中間ミラー２２と一方の終端ミラー２０との間のビーム光路上に固体レーザ活性媒質たとえばＮd：ＹＡＧロッド２６を配置し、中間ミラー２２と他方の終端ミラー２４との間のビーム光路上にＫＴＰ結晶１０を配置している。ここで、両終端ミラー２０，２４は、基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）に対して高反射性の光共振器ミラーであり、中間ミラー２２を介して互いに光学的に向かい合って配置される。中間ミラー２２は、第２高調波パルスレーザ光を共振器の外へ出力するための高調波分離出力ミラーである。
活性媒質２６は、電気光学励起部３０によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部３０は、活性媒質２６に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプまたはレーザダイオード）を有し、この励起光源をロングパルスの励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質２６をロングパルスの期間にわたって持続的にポンピングする。
一方の終端ミラー２０で反射した基本波長の光ビームは活性媒質２６を透過して高調波分離出力ミラー２２に入射する。高調波分離出力ミラー２２の主面２２ａには１０６４ｎｍに対して高反射性の膜がコーティングされており、基本波長の光ビームはこの反射膜で反射してＫＴＰ結晶１０を透過して他方の終端ミラー２４へ入射する。そして、他方の終端ミラー２４で反射した基本波長の光ビームは、ＫＴＰ結晶１０を透過して高調波分離出力ミラー２２に入射し、やはりそこで反射して活性媒質２６に戻り、活性媒質２６を通り抜けて一方の終端ミラー２０に入射する。このように、活性媒質２６で生成される基本波長の光ビームは、高調波分離出力ミラー２２を介して両終端ミラー（光共振器ミラー）２０，２４の間に閉じ込められて増幅される。
ＫＴＰ結晶１０は、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、ロングパルスの基本波長との非線型相互作用によりロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成する。高調波分離出力ミラー２２の主面２２ａには５３２ｎｍに対して非反射性の膜がコーティングされており、ＫＴＰ結晶１０からの第２高調波の光ビームＳＨＧが高調波分離出力ミラー２２に入射すると、このミラー２２を透過して共振器の外へ出力される。また、終端ミラー２４の主面２４ａには５３２ｎｍに対して反射性の膜もコーティングされており、ＫＴＰ結晶１０からの第２高調波の光ビームＳＨＧは終端ミラー２４で反射される。そして、終端ミラー２４で反射された第２高調波の光ビームＳＨＧはＫＴＰ結晶１０を透過し、さらには高調波分離出力ミラー２２も透過して外部へ出力される。この実施例において実験を行った結果を下記に示す。
パルスレーザ出力：１０．３Ｗ ＠１０ｋＨｚ
安定性：±０．２５％ｒｍｓ
１．７４％ｐｐ
応答性：９５％立ち上がり２．５秒
このように、レーザ出力、安定性、応答性のいずれも実用上十分な結果が得られた。ただし、共振器が三角形またはＬ字形の構成をとるため、設置面積が大きくなるという一面がある。
図４に、別の実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す。この装置は、終端ミラー２０，高調波分離出力ミラー２２、活性媒質２６およびＫＴＰ結晶１０を同一直線配列で配置する。より詳細には、活性媒質２６が終端ミラー２０寄りに配置され、ＫＴＰ結晶１０が高調波分離出力ミラー２２寄りに配置される。ここで、終端ミラー２０の主面２０ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。高調波分離出力ミラー２２の主面２２ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して非反射性の膜とがコーティングされている。そして、ＫＴＰ結晶１０と活性媒質２６との間に、主面３２ａに基本波長（１０６４ｎｍ）に対して非反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜とがコーティングされた高調波ミラー３２が高調波分離出力ミラー２２と対向して配置される。
この装置構成において、活性媒質２６で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー２０と高調波分離出力ミラー２２との間に閉じ込められて増幅される。このように、高調波分離出力ミラー２２が光共振器ミラーを兼ねる。ＫＴＰ結晶１０は、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、ロングパルスの基本波長との非線型相互作用によりロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成する。ＫＴＰ結晶１０からの第２高調波の光ビームＳＨＧが高調波分離出力ミラー２２に入射すると、このミラー２２を透過して共振器の外へ出力される。また、高調波ミラー３２で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧは。ＫＴＰ結晶１０に戻されて、ＫＴＰ結晶１０を透過し、さらに高調波分離出力ミラー２２を透過して、共振器の外へ出力される。この装置構成は、設置面積が小さく済むという利点がある。この実施例において実験を行った結果を下記に示す。
パルスレーザ出力：１０．３Ｗ ＠１０ｋＨｚ
安定性：±０．６３％ｒｍｓ
２．５３％ｐｐ
応答性：９５％立ち上がり１１．５秒
このように、レーザ出力は十分であるが、安定性や応答性が低いという一面がある。
図５に、別の実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す。この実施例では、終端ミラー２０，２４、高調波分離出力ミラー２２、活性媒質２６およびＫＴＰ結晶１０を同一直線配列で配置する。より詳細には、活性媒質２６が終端ミラー２０寄りに配置され、ＫＴＰ結晶１０が終端ミラー２４寄りに配置され、ＫＴＰ結晶１０と活性媒質２６との間に高調波分離出力ミラー２２が配置される。ただし、高調波分離出力ミラー２２は、共振器の光軸に対して斜めの角度たとえば４５度に傾けて配置される。高調波分離出力ミラー２２の主面つまりＫＴＰ結晶１０側の面２２ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して非反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜とがコーティングされている。
この装置構成において、活性媒質２６で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー２０，２４の間に閉じ込められて増幅される。ＫＴＰ結晶１０は、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、ロングパルスの基本波長との非線型相互作用によりロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成する。ＫＴＰ結晶１０からの第２高調波の光ビームＳＨＧが高調波分離出力ミラー２２に入射すると、このミラー２２で斜め方向（共振器の光軸に対しては直角の方向）に反射して共振器の外へ出力される。また、終端ミラー２４で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧは、ＫＴＰ結晶１０に戻されて、ＫＴＰ結晶１０を透過し、高調波分離出力ミラー２２で反射して、共振器の外へ出力される。この装置構成も、設置面積が小さく済むという利点がある。この実施例において実験を行った結果を下記に示す。
パルスレーザ出力：１０．２Ｗ ＠１０ｋＨｚ
安定性：±０．２９％ｒｍｓ
２．０７％ｐｐ
応答性：９５％立ち上がり３．５秒
このように、レーザ出力、安定性、応答性のいずれも良好である。すなわち、設置面積は図４の装置構成と同程度に小さく、レーザ出力、安定性および応答性は図３の装置構成と比べて遜色ない。
なお、図３〜図５の装置構成において、図２の波長変換方法を適用する場合は、偏光素子１２を共振器内の光路上の適当な位置たとえば活性媒質２６とＫＴＰ結晶１０と間に配置してよい。
次に、図６〜図８につき、本発明の高調波パルスレーザ装置を組み込んだレーザ溶接装置の実施例を説明する。
図６に、本発明の一実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、本発明の（図５の実施例の）高調波パルスレーザ装置の共振器を含むレーザ発振器４０と、このレーザ発振器４０内に設けられる電気光学励起部３０の励起光源４２に電力（または励起電流）を供給するレーザ電源部４４と、このレーザ電源部４４より励起光源４２に供給される電力を制御するための制御部４６とを有している。被加工物Ｗは、任意の金属でよいが、特に銅、金またはアルミニウムである場合に本発明の大なる利点が得られる。
レーザ発振器４０において、高調波分離出力ミラー２２より共振器の外へ出力されたロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧは、ベントミラー４８で光軸を曲げられてから、図示しない光学系（たとえば光ファイバ、収束レンズ等）を通って被加工物Ｗに照射される。このベントミラー４８の背後に、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力を測定するために、ベントミラー４８の後方に漏れた高調波光を受光する受光素子またはフォトセンサ５０が配置されている。測定回路５２は、フォトセンサ５０の出力信号を基に第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力測定値を表す電気信号（レーザ出力測定値信号）を生成する。このレーザ出力測定値信号は、後述する制御部４６の比較部５６に送られる。なお、測定回路５２の設置位置は任意であり、レーザ発振器４０の外であってももちろん構わない。
レーザ電源部４４は、励起光源４２をロングパルスでパルス点灯できるものであれば任意の電源を使用できる。もっとも、パルス波形を任意に制御できるものが好ましい。たとえば、商用周波数の交流電力から直流電力を生成する直流電源部を備え、この直流電源部と励起光源４２との間にスイッチング素子を接続して、このスイッチング素子を制御部４６からの制御信号により高周波数でスイッチング動作させる構成としてよい。
制御部４６は、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧについてパワーフィードバック制御を行うため、設定部５４、比較部５６、制御信号発生部５８を備える。設定部５４は、所与のレーザ加工条件に応じてロングパルスのパワーフィードバック制御のための各種条件値、基準値等を設定する。比較部５６は、測定回路５２からのレーザ出力測定値信号を設定部５４からの基準パルス波形設定値と比較して、比較誤差を表す誤差信号を出力する。制御信号発生部５８は、比較部５６からの比較誤差に応じて、たとえばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で制御信号を生成し、生成した制御信号によってレーザ電源部４４内のスイッチング素子をスイッチング制御する。
この実施例においては、レーザ発振器４０内で各部の経時劣化や光学的アライメントずれ等が若干生じても、上記のような第２高調波に係るＳＨＧパワーフィードバック制御により、設定通りのレーザパワーでロングパルスの第２高調波パルスレーザ光を被加工物Ｗに照射し、良好な溶接加工を行うことができる。
もっとも、ＫＴＰ結晶１０の向き（角度）がずれたりすると、基本波パルスレーザ光のレーザ出力が正常であっても、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が変動ないし低下することがある。この場合、ＳＨＧパワーフィードバック制御が効きすぎると、基本波パルスレーザ光のレーザ出力を過分に増大させることになり、ＫＴＰ結晶１０が破壊してしまうおそれがある。
この実施例では、そのような破壊事故を回避するための投入電力モニタ機構６０を設けている。このモニタ機構６０は、たとえば、レーザ電源部４４より励起光源４２に供給される電力を測定するためのセンサ６２および測定回路６４と、投入電力について上限値を設定する上限設定部６６と、比較部６８とで構成されている。比較部６８は、測定回路６４より得られる投入電力測定値を上限設定部６６からの投入電力上限値と比較して、両者の大小関係（または誤差）を表す比較結果を出力する。投入電力測定値が上限値を超えたとき、または超えそうなときは、比較部６８からの出力に応動して、設定部５４でソフトウェア的に、あるいはレーザ電源部４４でハードウェア的にＳＨＧパワーフィードバック制御にリミッタをかけることができる。このような投入電力モニタ機構６０を用いた投入電力リミッタ機能により、ＳＨＧパワーフィードバック制御に起因する不所望なＫＴＰ結晶１０の破損を防止することができる。なお、投入電力に換えて、励起光源４２に供給される励起電流または電圧をモニタする構成とすることも可能である。
図７に、本発明の別の実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す。図中、図６のレーザ溶接装置のものと実質的に同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
レーザ発振器４０内では、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザパワーに比して基本波パルスレーザ光のレーザパワーが圧倒的に（１０倍以上）多い。この実施例では、たとえば終端ミラー２０の背後に漏れる基本波光を受光する受光素子またはフォトセンサ７０を設け、フォトセンサ７０の出力信号を基に測定回路７２で基本波パルスレーザ光のレーザ出力を測定し、測定回路７２からの基本波レーザ出力測定値信号を比較部５６にフィードバックする。このような基本波パワーフィードバック制御によれば、基本波パルスレーザ光のレーザ出力を定常的にも瞬間的にも安定に制御できるので、たとえばＫＴＰ結晶１０に異常があっても、急激に投入電力、すなわち励起光源４２に与える電力あるいは励起電流を増やすことはなく、二次障害が起きにくい。
もっとも、基本波パワーフィードバック制御が正常に機能していても、たとえばＫＴＰ結晶１０の角度ずれや温度異常などで第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのパワーが異常に変動することがある。この問題に対処するため、この実施例では、ＳＨＧモニタ部７４を設けている。このＳＨＧモニタ部７４において、上限設定部７６および下限設定部７８は、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力について上限値および下限値をそれぞれ設定する。比較部８０は、フォトセンサ５０および測定回路５２により得られるＳＨＧレーザ出力測定値をそれらの上限値および下限値と比較して、比較結果を出力する。ＳＨＧレーザ出力測定値が上限値または下限値の範囲の外へ出たとき、または出そうなときは、比較部８０からの出力に応動して、設定部５４で基本波パワーフィードバック制御にソフトウェア的な補正またはリミッタをかけたり、あるいは停止の処置をとるようにしている。
図８に、本発明の別の実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す。図中、図６または図７のレーザ溶接装置のものと実質的に同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
この実施例でも、図７の実施例と同様の基本波パワーフィードバック機構を設けている。ただし、ＳＨＧモニタ部８２は、平均値演算回路８４とオフセット値演算回路８６とを有している。また、フィードバック制御系の設定部５４と比較部５６との間にオフセット補正回路８８を設けている。平均値演算回路８４は、フォトセンサ５０および測定回路５２により得られるＳＨＧレーザ出力測定値について任意の時間区間で平均値を求める。オフセット値演算回路８６は、平均値演算回路８４で求められたＳＨＧレーザ出力平均値とＳＨＧレーザ出力に係る所望の設定値（あるいは前回の平均値でもよい）との差分またはオフセット値±αを求める。このオフセット値±αを制御オフセット値として基本波パワーフィードバック機構の制御部にフィードバックする。
この方式においても、基本波パワーフィードバック制御を行いつつ、ＫＴＰ結晶１０の角度ずれや温度変化あるいはコーティング焼け等の経時変化により第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が低下した場合には、ＳＨＧモニタ部８２を通じて適時に適切な補正をかけることができる。
上記した実施形態は主としてレーザ溶接に係わるものであったが、本発明は他の用途たとえばレーザ曲げ加工やレーザ熱処理その他の物理的プロセスにも適用可能であり、加熱を必要とする多種多様なレーザ用途に好適である。
本発明における波長変換方法の一例を示す図である。 本発明における波長変換方法の別の例を示す図である。 本発明の一実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す図である。 本発明の別の実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す図である。 本発明の別の実施例による高調波パルスレーザ装置の要部の構成を示す図である。 本発明の一実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す図である。 本発明の別の実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す図である。 本発明の別の実施例によるレーザ溶接装置の構成を示す図である。
符号の説明
１０ ＫＴＰ結晶
１２ 偏光素子
２０ 終端ミラー
２２ 高調波分離出力ミラー
２４ 終端ミラー
２６ 固体レーザ活性媒体
３０ 電気光学励起部
３２ 高調波ミラー
４０ レーザ発振器
４２ 励起光源
４４ レーザ電源部
４６ 制御部
５０ 受光素子（フォトセンサ）
５２ 測定回路
５４ 設定部
５６ 比較部
５８ 制御信号発生部
６０ 投入電力モニタ部
７０ 受光素子（フォトセンサ）
７２ 測定回路
７４ ＳＨＧモニタ部
８２ ＳＨＧモニタ部

Claims (30)

  1. １００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成する固体レーザと、
    前記基本波パルスレーザ光を入力して、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶と
    を有する高調波パルスレーザ装置。
  2. 前記固体レーザが、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれた活性媒質と、前記活性媒質をポンピングする励起部とを有する請求項１に記載の高調波パルスレーザ装置。
  3. 前記基本波パルスレーザ光の光路上に、一つの偏光方向のみの光を通過させる偏光素子を前記偏光方向が前記ＫＴＰ結晶の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置し、前記偏光素子により直線偏光化した前記基本波パルスレーザ光を前記ＫＴＰ結晶に入射させる請求項１または請求項２に記載の高調波パルスレーザ装置。
  4. 前記ＫＴＰ結晶がタイプIIの位相整合にカットされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  5. 光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、
    前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、
    １００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成するために前記活性媒体をポンピングする励起部と、
    前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するために前記光共振器の光路上に配置されたＫＴＰ結晶と、
    前記光共振器の光路上に配置された高調波分離出力ミラーと
    を有し、前記高調波分離出力ミラーが前記基本波パルスレーザ光を前記光共振器の光路上に留めて前記第２高調波のパルスレーザ光を前記光共振器の光路の外へ出力する高調波パルスレーザ装置。
  6. 前記活性媒体が前記第１の終端ミラー寄りに配置されるとともに、前記ＫＴＰ結晶が前記第２の終端ミラー寄りに配置され、
    前記第１の終端ミラーが前記基本波パルスレーザ光を前記活性媒体に向けて反射し、
    前記第２の終端ミラーが前記基本波パルスレーザ光および前記第２高調波パルスレーザ光のいずれをも前記ＫＴＰ結晶に向けて反射する請求項５に記載の高調波パルスレーザ装置。
  7. 前記活性媒体と前記ＫＴＰ結晶とが互いに同一直線配列で配置される請求項５または請求項６に記載の高調波パルスレーザ装置。
  8. 前記高調波分離出力ミラーが、前記活性媒体と前記ＫＴＰ結晶との間で前記光共振器の光路に対して斜めに傾けて配置され、前記基本波パルスレーザ光を透過し、前記第２高調波パルスレーザ光を所定の方向へ反射する請求項７に記載の高調波パルスレーザ装置。
  9. 前記第１の終端ミラーと前記第２の終端ミラーと前記高調波分離出力ミラーとが三角型に配置され、
    前記第２の終端ミラーと前記高調波分離出力ミラーとの間に前記活性媒体が配置され、
    前記第１の終端ミラーと前記高調波分離出力ミラーとの間に前記ＫＴＰ結晶が配置され、
    前記高調波分離出力ミラーが、前記基本波パルスレーザ光を反射し、前記第２高調波パルスレーザ光を透過する請求項５または請求項６に記載の高調波パルスレーザ装置。
  10. 光学的に対向して配置された終端ミラーと高調波分離出力ミラーとを有する光共振器と、
    前記終端ミラー寄りで前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、
    １００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成するために前記活性媒体を光学的にポンピングする励起部と、
    前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成するために前記高調波分離出力ミラー寄りで前記光共振器の光路上に配置されたＫＴＰ結晶と
    を有し、前記高調波分離出力ミラーが前記基本波パルスレーザ光を前記光共振器の光路上に留めて前記第２高調波のパルスレーザ光を前記光共振器の光路の外へ出力する高調波パルスレーザ装置。
  11. 前記活性媒体と前記ＫＴＰ結晶との間に配置され、前記基本波パルスレーザを透過し、前記第２高調波パルスレーザ光を反射する高調波ミラーを有する請求項１０に記載の高調波パルスレーザ装置。
  12. 前記活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＮd：ＹＡＧからなる群より選ばれる請求項５〜１１のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  13. 前記光共振器内の光路上に、一つの偏光方向のみの光を通過させる偏光素子を前記偏光方向が前記ＫＴＰ結晶の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置し、前記偏光素子により直線偏光化した前記基本波パルスレーザ光を前記ＫＴＰ結晶に入射させる請求項５〜１２のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  14. 前記ＫＴＰ結晶がタイプIIの位相整合にカットされている請求項５〜１３のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  15. 前記励起部が、
    前記活性媒体を光学的にポンピングするための励起光を発生する励起光発生部と、
    前記励起光発生部に前記励起光を発生するための電力を供給するレーザ電源部と、
    前記レーザ電源部より前記励起光発生部に供給される電力を制御するための制御部と
    を有する請求項５〜１４のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  16. 前記励起光発生部が、励起ランプとレーザダイオードとからなる群より選ばれる請求項１５に記載の高調波パルスレーザ装置。
  17. 前記レーザ電源部が、直流電力を出力する直流電源部と、前記直流電源部と前記励起光発生部との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記基本波パルスレーザ光のパルス幅に相当する期間中に前記スイッチング素子を高周波数でスイッチング動作させてパルス波形の電力を前記励起光発生部に供給する請求項１５または請求項１６に記載の高調波パルスレーザ装置。
  18. 前記制御部が、前記スイッチング素子をスイッチング動作させるための制御信号を前記レーザ電源部に供給する請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  19. 前記制御部が、パルス幅制御方式で前記制御信号を生成する請求項１８に記載の高調波パルスレーザ装置。
  20. 前記制御部が、前記第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部を有し、前記高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記制御信号を生成する請求項１８または請求項１９に記載の高調波パルスレーザ装置。
  21. 前記制御部が、
    前記レーザ電源部より前記励起光発生部に供給される電力、電流および電圧の群より選ばれた所定のパラメータについて所望の上限値を設定する上限値設定部と、
    前記パラメータを測定するパラメータ測定部と、
    前記パラメータ測定部より得られるパラメータ測定値を前記上限値と比較する第１の比較部と
    を有し、前記第１の比較部の比較結果に応じて前記電源部より前記励起光発生部に供給される電力を制御する請求項１５〜２０のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  22. 前記制御部が、前記基本波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する基本波レーザ出力測定部を有し、前記基本波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値をフィードバックして前記制御信号を生成する請求項１８または請求項１９に記載の高調波パルスレーザ装置。
  23. 前記制御部が、
    前記第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力について所望の上限値および下限値の少なくとも１つをリミット値として設定するリミット値設定部と、
    前記第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部と、
    前記高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値を前記リミット値と比較する第２の比較部と
    を有し、前記第２の比較部の比較結果に応じて前記レーザ電源部より前記励起光発生部に供給される電力を制御する請求項２２に記載の高調波パルスレーザ装置。
  24. 前記制御部が、
    前記第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力について所望の基準値を設定する基準値設定部と、
    前記第２高調波パルスレーザ光のレーザ出力を測定する高調波レーザ出力測定部と、
    前記高調波レーザ出力測定部より得られるレーザ出力測定値の時間的な平均値を求めるレーザ出力平均値演算部と、
    前記レーザ出力平均値演算部より得られるレーザ出力平均値と前記基準値との差分をオフセット値として求めるオフセット値演算部と
    を有し、前記オフセット値にしたがって前記制御信号を補正する請求項２２に記載の高調波パルスレーザ装置。
  25. 前記第２高調波パルスレーザ光によって被加工物を溶接する請求項１〜２４のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  26. 前記第２高調波パルスレーザ光により被加工物で熱を発生し、前記被加工物の材料特性の変更、被加工物の成形加工または被加工物の材料除去を行う請求項１〜２４のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ装置。
  27. 固体レーザの活性媒質を励起して、１００μｓ以上の長さのパルス幅を有する基本周波数の基本波パルスレーザ光を生成する工程と、
    前記基本波パルスレーザ光をＫＴＰ結晶に入射させて、前記基本波パルスレーザ光の２倍の周波数を有する第２高調波のパルスレーザ光を生成する工程と
    を有する高調波パルスレーザ発生方法。
  28. 前記活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれる請求項２７に記載の高調波パルスレーザ発生方法。
  29. 前記基本波パルスレーザ光の光路上に、一つの偏光方向のみの光を通過させる偏光素子を前記偏光方向が前記ＫＴＰ結晶の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置し、前記偏光素子により直線偏光化した前記基本波パルスレーザ光を前記ＫＴＰ結晶に入射させる請求項２８または請求項２９に記載の高調波パルスレーザ発生方法。
  30. 前記ＫＴＰ結晶がタイプIIの位相整合にカットされている請求項２７〜２９のいずれか一項に記載の高調波パルスレーザ発生方法。
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