JP2005331764A - 波形制御短パルスレーザ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工に短パルスビーム等所望のパルス波形を容易に実現できるパルスレーザ発生装置。
【解決手段】短パルスレーザビーム１の光学的透過材料から構成される複数の平行平板要素と前記平行平板要素を個別に角度変位する制御手段と、角度変位と平行平板透過ビームの位相変調度の関係を予め求めた記憶データ１と入射短パルスレーザビームのスペクトル分解した空間位相分布の位相記憶データ２と所定のパルス波形発生に必要な波長域の空間位相分布の記憶データ３とを有し、上記データ２と上記データ３の差異が小さくなるようにデータ１のデータを基に位相変調用平行平板の角度を駆動し入射短パルスレーザビームの構成スペクトルの波長域毎の位相を変化させ所定波形発生する短パルスレーザ発生器。
【選択図】 図８

Description

本発明は、波形制御機能を有する短パルスレーザ発生装置に関し、特に、短パルス波形を構成するスペクトルの空間位相を所定の波形に必要な空間位相成分に変調するための位相変調制御機能を有するパルスレーザ発生器に関するものである。

短パルスレーザ光の発生、あるいは、物質中を透過・伝播する間に伸延してしまった短パルスレーザ光のパルス幅を再圧縮する際に使用することができるレーザ光の空間位相変調器が特開２０００−１８７１６７号公報に開示されている。当該空間位相変調器は、分散補償を精密制御することができ、幅広い波長域において使用することができ、かつレーザ光のパルスの強弱にかかわらず使用することができる。

図１は、上記の従来技術における短パルスレーザー光のパルス幅圧縮の概念を示すものである。短パルス発振器１から出たレーザビーム２は、４５度の角度で設置された反射鏡３で反射されてビーム４として回折格子５に入射する。入射光の、短パルスを構成するスペクトルの短波長側はビーム７として、長波長側はビーム８として波長分散され空間的に異なる経路を伝播してコリメート反射鏡６に入射する。当該入射光は、反射されて平行なビーム１０として位相変調器１１に向かうが、異なる空間断面を走行するビームは夫々異なる位相変調用要素１３−１９を透過する間に夫々の位相変調を受けて、その後、反射鏡１２で反射されて元の方向に戻される。

この際、ビームを元の方向から回折格子５の角度分散の方向とは直角な方向に微少角度だけ変化させるようにする。この反射ビームは再び位相変調器の各要素を通り反射鏡６で集光され、回折格子５に戻る。戻る位置は紙面に垂直方向に変位した位置になり、ここで再び平行なビームとなり、ビーム２０として反射鏡３の方向にもどされ、反射鏡３の横を通過してビーム２０となる。ビーム２０は、加工に用いる場合にはレンズ２１などの光学系により集光されて加工物２４などに照射され目的を達成する。

上述した従来の位相変調器１１の構造は、位相変調用の平行平板１３〜１９を傾斜させる角度を各々異ならせることで平行平板を通過する際の光路長を異ならせ、結果的に透過レーザビームの各空間ビーム要素の位相を変化させるものである。全体としてのビームの位相分布に変化を与えることで、波長成分ごとの振幅が同一であっても、時間領域でパルス波形を得ることが可能になる。従来は、試行錯誤で必要な波形を得ることが行われていたので、レーザ加工に短パルスビームを用いたい場合にも、所望のパルス波形を得ることは容易ではなかった。
特開２０００−１８７１６７号公報

従来技術が有する上記の課題を解決するために、本発明は、空間位相変調器を有する短パルス波形制御機能を有するパルス波形レーザ発生器において、入射パルス波形から得られる空間位相に応じて所定の波形に必要な空間位相を得るために必要な位相変調量を算出し、平行平板の傾斜角度に帰還し、位相変調された空間分布ビームを得て、これを空間的に重畳して所望の短パルス波形を有するレーザパルスの発生方法および当該方法を実施するために好適な装置を対象とする。図２に示すように、短パルスレーザ３０の発生装置１から空間位相変調器２６を経由して、出力ビーム２７の波形を短パルス化３０−１、超パルス化２８、多数パルス化２９等さまざまな変調を行って種々の波形を発生する。

本発明は、上記の目的を、短パルスレーザビーム２のスペクトル分布方向に配置した光学的透過材料から構成される複数の平行平板要素と、
前記平行平板要素の角度と位置を個別に制御する制御手段と、
前記平行平板の角度と位置を求める手段と、
前記角度変位と平行平板透過ビームの位相変調度の関係に関するデータ１と、入射短パルスレーザビームの分散スペクトルの空間位相分布に関するデータ２と、所定のパルス波形発生に必要なスペクトルの空間位相分布に関するデータ３とに基づいて、上記データ２と上記データ３の差が小さくなるように平行平板の傾斜角度を設定する手段を有し、
上記データ３に接近させる制御部を有する短パルスレーザ発生器によって達成する。

本発明は、さらに、平行平板の傾斜角度をモニタする平行平板角度検出手段として第２のレーザを平行平板に照射し、平行平板の平行平板から反射されたレーザビームを光学系で受光素子上に結像させ、その反射ビームの結像位置から平行平板の各要素の傾斜角度を求め、その角度情報から予め求められた位相変調の値を求め、所定の短パルス波形発生に必要なパルスレーザのスペクトルの空間位相と一致させるように各平行平板を通過するレーザビーム要素の位相を変調し、所定の位相分布を有するレーザ要素になるように平衡平板の傾斜角度をフィードバック制御を行い、その位相変調されたビームを空間的に圧縮して所定のパルス波形を形成した短パルス発生装置を実現する。

本発明に係る短パルスレーザー発生器においては、平行平板の傾斜角度変位手段は、上記平行平板に照射する角度モニタレーザビーム２と、平行平板表面からのレーザビーム２の反射ビームの反射角度の検出手段を有するのが好ましい。

また、前記平行平板の角度変位を求める手段は、平行平板の傾斜角度駆動部と傾斜角度駆動に傾斜角度により歪む歪み量検出器を有するのが好ましい。さらに、短パルスレーザ発生器は、前記短パルスレーザビームの構成スペクトルの空間位相分布を記憶したデータ２と所定のパルス波形発生に必要なスペクトルの空間位相分布の記憶データ３から平行平板の傾斜角度を算出するコンピュータアルゴリズムを有することができる。

本発明の効果として、光学的透過材料から構成される複数の平行平板に空間（スペクトル）的に所定の位相分布を持たせることが設定可能となり、所望の短パルス波形が実現できる。したがって、レーザ加工などの物質と相互作用を起こすレーザ加工などにこの発明による短パルス発生方法を適用することで、高精度、高能率のレーザ精密加工が実現できる。予め所定の波形を発生するための波形基準位相分布信号を必要に応じて準備しておけば、それを基に各種の短パルス波形を用途に応じて発生可能である。

所望の短パルス波形に変換するための基になる図１のレーザビーム２、４がスペクトル分解されたビーム９−１０として光学的透過材料から構成される複数の平行平板１３−１９に照射され、透過し、位相変調を受ける。一方、図３に示すように、平行平板の傾斜角度をモニタするための平板状のプローブビームは発振器４１から出てミラー４３で反射され平行平板３４に照射される。この平行平板で反射されたモニタビーム４５が角度検出用のCCDカメラ４６の受光素子CCD４６aに向かう。CCD４６aの受光面とレンズ４６ｂ間の距離はレンズ４６ｂの焦点距離より小さく（あるいは大きく）設定する。これにより平行な板状ビーム４４が多数の平行平板要素から反射されてCCDに到達する場合、CCD面には点状のスポットは形成されず、有限の大きさで図４の４５−１から４５−ｎ（ここでｎはたとえば４８）の有限の大きさの輝点が波長方向をX方向とし、平行平板の傾斜角方向をY方向として、傾斜角度に応じて輝点はY方向に変位してCCDの受光面を照射する。X方向には輝点が等間隔で並ぶ。

各輝点の大きさはレンズ４６aの焦点にCCDの受光素子面が設置されないため、広がりのある面積を有するので、この輝点の中心を計算から求める。CCDの受光する輝点は複数画素にまたがった分布出力であるから、その分布の重心を求めて中心位置から平行平板のY方向の傾斜偏角を求める。図４に示すように、X方向は平行平板が傾斜角度の変化に伴って機械的な捩れを示さない限り、平行平板の傾斜によってX座標は変位しないで等間隔に分布する。

このようにして平行平板の傾斜角度がY座標成分からモニタできるからこの角度を図５に示すように、角度測定ユニット６０の出力として角度データ３７をCCDの輝点位置信号としてマイクロコンピュータ３８に取り込む。マイクロコンピュータ３８において後述図８に示す演算を行い、コンピュータ制御出力信号として１１を平行平板駆動装置３１に送る。駆動装置３１はたとえばピエゾ・リニア・アクチュエータなどであり、電圧信号で平行平板３４を取り付けている弾性変形体３３を変形させて平行平板３４の傾斜角度を制御する。矢印３６は図３で説明した傾斜角度検出用プローブビーム４４、４５を表す。短パルスレーザビームからスペクトル的に空間分解されたビーム要素は平行平板の夫々の要素を透過する際に平行平板の傾斜角度に応じて位相変化を受け、その値は傾斜角度により光学的な透過光路長が異なるので、透過材の屈折率の大きさにも影響されて、平行平板要素毎に定められる。

この様子を図６に示す。入射短パルス３５の波形が表示５２の波形５１のような条件にあるとした場合のスペクトル分解された構成初期位相の表示５３が波形５１に示すような周波数ωによる位相分布をしていたとし、そのままの位相関係で平行平板３４を一様な相対位相関係で透過するとした場合は、透過後に図１におけるミラー１２で反射し空間的に同一空間に変換した場合は、波形５７のように得られる。一方、相対的な各スペクトルのビーム要素の相対位相を元の位相関係５１から平行平板３４の傾斜をスペクトル毎に変化させて位相変調量を異ならしめて別な相対的な位相分布状態５４を得るようにすれば、再びこれらの位相変調ビームを空間的に同一に変換した場合のパルス波形は長パルス波形５５や複数パルス波形５６のような元の波形とは異なるパルス波形にすることが可能である。すなわち、短パルスレーザビーム３４（図１の２）を透過する光学的透過材料から構成される複数の平行平板要素３４とこの平行平板要素３４を透過ビームの強度は無変調のまま、個別に傾斜角度を変位させる制御手段３１，３２，３３と、アクチュエータ３１による角度変位を角度測定ユニット６０により検出して角度変位と平行平板透過ビームの位相変調度の関係をコンピュータ３８にデータ１として記憶し、入射する短パルスレーザビームの空間位相分布をデータ２として記憶し、所定のパルス波形発生に必要な空間位相分布をデータ３として記憶する。

上記データ２上記データ３の差異が小さくなるようにデータ１のデータを基に平行平板の位相変調を最適化するための平行平板の傾斜角度を計算により求め、これを傾斜駆動装置３１に入力し、傾斜角度が角度検出装置で指定した値になるように図５の帰還システムで正確に設定する。平行平板３４の角度が角度測定ユニット６０により測定され、その出力信号がコンピュータ３８に送られ、所定の計算により平行平板３４の傾斜角度が計算から求められ、所定の位相変調の値が求められる。所定の傾斜角度との角度誤差があれば制御信号線１１を経由して傾斜角度制御用のアクチュエータ３１に帰還信号が送られ、平行平板の角度、したがって位相変調に帰還される。

図７は、平行平板の傾斜角度を検出する角度測定ユニット６０の別な実施例である。図３と図５と同一機能部品は同一の番号を付している。平行平板３４に短パルスレーザビーム３５aが入射する条件の傾斜角度を弾性変形保持体３３に取り付け固定した歪検出器６１からの出力信号を端子６２から得て、この歪量に比例した値として平行平板の傾斜角度を求めるものである。傾斜角度を元の角度位置から変化すると、歪検出量が変化するので角度信号を得ることができる。したがって、この歪検出器を傾斜角度制御信号として用いて平行平板による位相変調を行なうことが可能になる。

所望の波形を得るために必要な周波数位相から目標角度を計算し、所望の角度になるように次のようなプロセスを行う。各々の平行平板（石英板）の角度を計測する角度測定ユニット６０を備え、装置を組み立て調整するときに、アクチュエータ３１と平行平板（石英板）の角度の関係をいったん測定し、その結果をいったん補正演算テーブルとしてデータ化する。次にその補正演算テーブルに基づいて、アクチュエータへの印加電圧（または電流）を制御することで、アクチュエータのばらつきが補正された条件で正しい角度に各々の平行平板（石英板）の角度を制御する構成を用いる。

この構成においてはフィードバックを行わないのでフィードバックに要する時間が不要なので、応答速度を早くすることができる。角度測定ユニット６０を装置のなかに内蔵しないので、装置のコストが安くできる。装置の組み立て調整時点と実際に使用される時点におけるアクチュエータの印加電圧（または電流）と石英板の角度の関係が厳密に対応することが条件である。

本発明の活用例として、チタンサファイヤレーザのモードロックパルスレーザのパルス出力を回折格子やプリズムで分散し、波長域毎の光学的位相を変化させ、再度圧縮したときのパルス波形を伸延したり圧縮したりすることに用いることが可能である。これにより、短パルス波形の制御が行え、レーザ加工などの応用に際して加工特性の高度化を図ることができる。

位相変調器を用いた従来からのパルスレーザのパルス波形制御装置 図１における空間位相変調器の位相制御を用いて各種波形を発生する構成例 角度測定ユニット６０を空間位相変調器に組み込んだ位相変調用平行平板角度検出手段の構成実施例図 傾斜角度検出用プローブビームのCCD検出器における輝点の受光状況図 傾斜角度検出手段としてレーザビームを位相変調用平行平板表面に照射し、その反射角度がら検出し、所定の角度に設置するためのピエゾ・リニア・アクチュエータ駆動の傾斜角度帰還実施例図 パルス波形の位相変調量を制御することで各種短パルス波形を発生する概念図 傾斜角度検出手段として平行平板を傾斜させる弾性保持体に歪検出素子を取り付け、歪量出力から傾斜角度信号を得る実施図 ターゲット波形の入力と被波形制御波形から変調位相制御発生の平行平板傾斜角度の算出アルゴリズムフロー図

符号の説明

１…レーザ発振器、
２…短パルスレーザビーム、
３…４５度反射鏡、
５…回折格子、
７…コリメート用凹面反射鏡、
１１…位相変調器、
１２…反射鏡、
１３−１９、３４…位相変調用透明平行平板、
２１…集光レンズ、
２４…加工物、
３１…ピエゾ・リニア・アクチュエータ、
３２…ベース、
３４…透明平行平板、
４６ａ…CCD受光画面、
４６ｂ…レンズ、
３８，３９…コンピュータ、
５１…短パルスレーザビーム波形、
５４…相対的な位相分布状態、
５５，５６，５７…位相変調後のパルス出力波形、
６０…角度測定ユニット、
６１…歪検出器

Claims (4)

1. 短パルスレーザビーム１の光学的透過材料から構成される複数の平行平板要素と、
   前記複数の平行平板要素の角度と位置を個別に制御する制御手段と、
   前記平行平板の角度と位置を求める手段と、
   前記角度変位と平行平板透過ビームの位相変調度の関係に関するデータ１と、入射短パルスレーザビームの分散スペクトルの空間位相分布に関するデータ２と、所定のパルス波形発生に必要なスペクトルの空間位相分布に関するデータ３とに基づいて、上記データ２と上記データ３の差が小さくなるように平行平板の傾斜角度を設定する手段を有し、
   上記データ３に接近させる制御部を有する短パルスレーザ発生器。
2. 請求項１において、平行平板の傾斜角度変位手段は、上記平行平板に照射する角度モニタレーザビーム２と、平行平板表面からのレーザビーム２の反射ビームの反射角度の検出手段を有する請求項１の短パルスレーザ発生器。
3. 請求項１において、平行平板の角度変位を求める手段は、平行平板の傾斜角度駆動部と傾斜角度駆動に傾斜角度により歪む歪み量検出器を有する請求項１の短パルスレーザ発生器。
4. 請求項１または２において、短パルスレーザビームの構成スペクトルの空間位相分布を記憶したデータ２と所定のパルス波形発生に必要なスペクトルの空間位相分布の記憶データ３から平行平板の傾斜角度を算出するコンピュータアルゴリズムを有する短パルスレーザ発生器。

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