JP2006267377A - 高調波レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 非線形光学結晶素子による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子における損傷の発生を効果的に抑えることができる高調波レーザ発振器であって、レーザ光の出力条件等が異なる様々な用途に柔軟にかつ安定的に用いることができる高調波レーザ発振器を提供する。
【解決手段】 高調波レーザ発振器１０は、レーザ発振器本体１１と、レーザ発振器本体１１から出力されたレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光されたレーザ光Ｌの波長を変換して高調波レーザ光Ｌ′を発生させる非線形光学結晶素子１３とを備えている。非線形光学結晶素子１３は、載置台１４上に載置されており、載置台１４により集光レンズ１２に対して非線形光学結晶素子１３を相対的に移動させることにより、非線形光学結晶素子１３に対するレーザ光Ｌの焦点位置Ｆを連続的に調整する。これにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度が連続的に可変にされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工装置等に用いられる高調波レーザ発振器に係り、とりわけ、非線形光学結晶素子を用いて高調波レーザ光を発生させる高調波レーザ発振器に関する。

この種の高調波レーザ発振器は一般に、レーザ発振によりレーザ光を出力するレーザ発振器本体と、レーザ発振器本体から出力されたレーザ光を通過させる非線形光学結晶素子とを備え、レーザ発振器本体から出力されたレーザ光の波長を非線形光学結晶素子により変換することにより高調波レーザ光を発生させるようになっている。

ここで、このような高調波レーザ発振器に含まれる非線形光学結晶素子は通常、当該非線形光学結晶素子に入射するレーザ光のエネルギー密度が高いほど、その変換効率が高い。このため、このような高調波レーザ発振器においては、例えば、レーザ発振器本体から出力されたレーザ光を集光レンズによって集光し、レーザ光のエネルギー密度を向上させた上で非線形光学結晶素子に入射させる方法が採用されている。なお、この方法は、レーザ光のエネルギー密度を空間的に向上させる方法であるが、これ以外の方法として、レーザ光のパルス幅を短くしてピーク出力を高めること等により、エネルギー密度を時間的に向上させる方法を採用することも可能である。

ところで、このような非線形光学結晶素子は、高いエネルギー密度を持つ基本波レーザ光又は高調波レーザ光によって大なり小なり損傷（ダメージ）を受ける。例えば、非線形光学結晶のバルクが十分な強度を持っていない場合には、バルク自体が損傷を受ける。また、非線形光学結晶のバルクが十分な強度を持っていてもバルクの表面に施されるコーティングが十分な強度を持っていない場合には、コーティングが損傷を受ける。なお、非線形光学結晶素子が損傷を受けると、当然、非線形光学結晶素子から出力される高調波レーザ光の出力が低下し、高調波レーザ発振器の性能を維持することができなくなる。

このため、従来の高調波レーザ発振器においては、非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度が最適なもの（非線形光学結晶素子による高い変換効率を確保するとともに、非線形光学結晶素子における損傷の発生を効果的に抑えることができるようなエネルギー密度）となるようにレーザ発振器本体を設計している。

しかしながら、このような高調波レーザ発振器は、レーザ加工装置に組み込まれてレーザ光の出力条件等が異なる様々な用途に用いられるものであるので、高調波レーザ発振器の設計を一つの用途を前提にして行うことはできない。すなわち、高調波レーザ発振器の設計を一つの用途を前提にして行った場合には、次に述べるような理由から、各用途で高調波レーザ発振器を正常に動作させることができなくなる。

ここで、高調波レーザ発振器に含まれるレーザ発振器本体として、連続励起ＱスイッチＹＡＧレーザが用いられる場合を例に挙げて説明する。なお、ＹＡＧレーザの場合には、その光学遷移寿命が概ね２００μｍ秒であるので、発振繰り返し周波数５ｋＨｚ（発振インターバル２００μｍ）付近を境として、Ｑスイッチパルスのピーク出力が低下することとなる。より詳細には、発振器の構成にもよるが、このような低下は１ｋＨｚ付近から始まっており、３ｋＨｚ程度からは急速な低下が始まっている。

今、このような連続励起ＱスイッチＹＡＧレーザを備えた高調波レーザ発振器として、繰り返し周波数が１０ｋＨｚのときに非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度が最適なもの（変換効率及び損傷等を考慮した最適なもの）となるように設計された高調波レーザ発振器を用意し、このような高調波レーザ発振器を、例えば１ｋＨｚの繰り返し周波数で動作させる。この場合、高調波レーザ発振器の平均出力は、１０ｋＨｚの繰り返し周波数で動作させる場合に比べて低くなるが、そのエネルギー密度（１パルスあたりのエネルギーやピーク出力）は大きいので、高い確率で非線形光学結晶素子が損傷を受ける。すなわち、繰り返し周波数が１０ｋＨｚで最適化された高調波レーザ発振器は、１ｋＨｚの繰り返し周波数では用いることができない。逆に、繰り返し周波数が１ｋＨｚのときに非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度が最適なものとなるように設計された高調波レーザ発振器を、例えば１０ｋＨｚの繰り返し周波数で動作させると、そのエネルギー密度（１パルスあたりのエネルギーやピーク出力）が下がってしまい、満足なレーザ出力が得られなくなる。

以上の理由から、高調波レーザ発振器を各用途で正常に動作させるためには、その用途ごとに高調波レーザ発振器の設計条件を変更する必要があるが、従来においては、そのための有効な方法が存在していなかった。なお、この種の方法として、高調波レーザ発振器に含まれるレーザ発振器本体の励起入力を変更することによって対応する方法も考えられるが、励起入力の変更に伴ってパルス幅の変化や出力安定度の変化等を招くので、好ましい方法ではない。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、非線形光学結晶素子による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子における損傷の発生を効果的に抑えることができる高調波レーザ発振器であって、レーザ光の出力条件等が異なる様々な用途に柔軟にかつ安定的に用いることができる高調波レーザ発振器を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ発振によりレーザ光を出力するレーザ発振器本体と、前記レーザ発振器本体から出力されたレーザ光を集光させる集光レンズと、前記集光レンズにより集光されたレーザ光の波長を変換して高調波レーザ光を発生させる非線形光学結晶素子と、前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光状態を制御することにより、前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度を可変にするエネルギー密度可変機構とを備えたことを特徴とする高調波レーザ発振器を提供する。

なお、本発明において、前記エネルギー密度可変機構は、前記非線形光学結晶素子に対するレーザ光の集光位置を調整する集光位置調整機構を有することが好ましい。ここで、前記集光位置調整機構は、前記集光レンズと前記非線形光学結晶素子とを相対的に移動させる移動機構からなることが好ましい。

また、本発明において、前記エネルギー密度可変機構は、前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光径を調整するズームコリメータを有することが好ましい。

さらに、本発明においては、前記レーザ発振器本体のレーザ発振条件の変化に応じて前記エネルギー密度可変機構を制御する制御装置をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、エネルギー密度可変機構により、非線形光学結晶素子に対するレーザ光の集光位置を調整したり、非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光径を調整したりすることにより、レーザ発振器本体から出力されたレーザ光が集光される非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光状態を制御するようにしているので、レーザ発振器本体から出力されるレーザ光の発振条件（繰り返し周波数やピーク出力等）に応じて、非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度を連続的に可変にすることができる。従って、非線形光学結晶素子による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子における損傷の発生を効果的に抑えることができる。また、レーザ光の出力条件等が異なる様々な用途に柔軟にかつ安定的に用いることができる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

まず、図１(a)(b)により、本発明の一実施形態に係る高調波レーザ発振器について説明する。

図１(a)(b)に示すように、本実施形態に係る高調波レーザ発振器１０は、外部低倍方式の高調波レーザ発振器であり、レーザ発振によりレーザ光Ｌを出力するレーザ発振器本体１１と、レーザ発振器本体１１から出力されたレーザ光Ｌ（主として基本波レーザ光）を集光させる集光レンズ１２と、集光レンズ１２により集光されたレーザ光Ｌの波長を変換して高調波レーザ光Ｌ′を発生させる非線形光学結晶素子１３とを備えている。なお、レーザ発振器本体１１としては、レーザ発振によりレーザ光Ｌを出力する任意のレーザ発振器を用いることが可能であり、固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ等）や、レーザダイオード、ファイバーレーザ等を用いることができる。また、非線形光学結晶素子１３としては、ＬＢＯ結晶又はＫＴＰ結晶等を用いることができる。

ここで、非線形光学結晶素子１３は、移動機構としての載置台（集光位置調整機構）１４上に載置されており、載置台１４により集光レンズ１２に対して非線形光学結晶素子１３を相対的に移動させることにより、非線形光学結晶素子１３に対するレーザ光Ｌの焦点位置（集光位置）Ｆを連続的に調整することができるようになっている。すなわち、載置台１４は、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光状態を制御することにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を連続的に可変にするものであり、エネルギー密度可変機構を構成している。

また、載置台１４には、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件を制御する制御装置１５が接続されており、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件の変化に応じて載置台１４を制御することができるようになっている。

なお、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件及び集光レンズ１２の焦点距離等は、繰り返し周波数が高い場合（例えば１０ｋＨｚの場合）に非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度が最適なもの（変換効率及び損傷等を考慮した最適なもの）となるように設計されている。

次に、このような構成からなる本実施形態の作用について説明する。

まず、制御装置１５による制御の下で、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの繰り返し周波数が高く設定される場合（例えば１０ｋＨｚに設定される場合）には、図１(a)に示すように、制御装置１５により載置台１４が制御され、集光レンズ１２によるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆの近傍に非線形光学結晶素子１３の中心部分がくるように非線形光学結晶素子１３が配置される。このとき、レーザ光Ｌの焦点位置Ｆでのエネルギー密度は、非線形光学結晶素子１３内でレーザ光Ｌのエネルギー密度が最適なもの（変換効率及び損傷等を考慮した最適なもの）となるような大きさとなっているので、非線形光学結晶素子１３による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子１３における損傷の発生を効果的に抑えることができる。

一方、制御装置１５による制御の下で、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの繰り返し周波数が低く設定される場合（例えば１ｋＨｚに設定される場合）には、図１(b)に示すように、制御装置１５による制御の下で載置台１４が制御され、集光レンズ１２によるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆから離れた位置に非線形光学結晶素子１３の中心部分がくるように非線形光学結晶素子１３が配置される。このとき、レーザ光Ｌの焦点位置Ｆでのエネルギー密度は、繰り返し周波数が高く設定される場合に比べて大きくなり、レーザ光Ｌの焦点位置Ｆに非線形光学結晶素子１３の中心部分がくるように配置された場合には非線形光学結晶素子１３が損傷を受けやすくなる。しかしながら、ここでは、集光レンズ１２によるレーザ光Ｌの焦点位置Ｆから離れた位置に非線形光学結晶素子１３の中心部分がくるように非線形光学結晶素子１３が配置されているので、非線形光学結晶素子１３による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子１３における損傷の発生を効果的に抑えることができる。

このように本実施形態によれば、制御装置１５により載置台１４を制御し、載置台１４上に載置された非線形光学結晶素子１３を集光レンズ１２に対して相対的に移動させることができるようにしているので、非線形光学結晶素子１３に対するレーザ光Ｌの焦点位置Ｆを連続的に調整することができる。このため、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの発振条件（繰り返し周波数やピーク出力等）に応じて、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を連続的に可変にすることができる。従って、非線形光学結晶素子１３による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子１３における損傷の発生を効果的に抑えることができる。また、レーザ光の出力条件等が異なる様々な用途に柔軟にかつ安定的に用いることができる。

なお、上述した実施形態においては、載置台１４上に載置された非線形光学結晶素子１３を集光レンズ１２に対して相対的に移動させて、非線形光学結晶素子１３に対するレーザ光Ｌの焦点位置Ｆを調整することにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を可変にしているが、これに限らず、図２(a)(b)に示すように、電動ズームコリメータ１６により非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光径Ｄを調整することにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を可変にしてもよい。

以下、図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′について説明する。なお、図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′は、レーザ発振器本体１１と集光レンズ１２との間に電動ズームコリメータ１６が配置されている点、及び、非線形光学結晶素子１３が固定式の載置台１４′上に載置されている点を除いて、他は、図１(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０と略同一である。図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′において、図１(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′において、レーザ発振器本体１１と集光レンズ１２との間には電動ズームコリメータ１６が配置されており、電動ズームコリメータ１６によりレーザ光Ｌをコリメートするとともにそのビーム径を調整することにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光径Ｄ（又はＮＡ（開口率））を連続的に調整することができるようなっている。すなわち、電動ズームコリメータ１６は、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光状態を制御することにより、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を連続的に可変にするものであり、エネルギー密度可変機構を構成している。また、電動ズームコリメータ１６には、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件を制御する制御装置１５が接続されており、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件の変化に応じて電動ズームコリメータ１６を制御することができるようになっている。なお、レーザ発振器本体１１のレーザ発振条件及び集光レンズ１２の焦点距離等は、繰り返し周波数が高い場合（例えば１０ｋＨｚの場合）に非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度が最適なもの（変換効率及び損傷等を考慮した最適なもの）となるように設計されている。

このような構成からなる高調波レーザ発振器１０′において、まず、制御装置１５による制御の下で、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの繰り返し周波数が高く設定される場合（例えば１０ｋＨｚに設定される場合）には、図２(a)に示すように、制御装置１５により電動ズームコリメータ１６が制御され、電動ズームコリメータ１６の出射後のレーザ光Ｌのビーム径が出射前のレーザ光Ｌに比べて２倍（レーザ光Ｌの広がり角が１／２）となるように調整される。このとき、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光径Ｄは、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度が最適なもの（変換効率及び損傷等を考慮した最適なもの）となるような大きさになっているので、非線形光学結晶素子１３による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子１３における損傷の発生を効果的に抑えることができる。

一方、制御装置１５による制御の下で、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの繰り返し周波数が低く設定される場合（例えば１ｋＨｚに設定される場合）には、図２(b)に示すように、制御装置１５により電動ズームコリメータ１６が制御され、電動ズームコリメータ１６の出射後のレーザ光Ｌのビーム径が出射前のレーザ光Ｌと同一（レーザ光Ｌの広がり角も同一）となるように調整される。このとき、レーザ光Ｌの焦点位置Ｆでのエネルギー密度は、焦点位置Ｆでのレーザ光Ｌの集光径Ｄが同一であれば、繰り返し周波数が高く設定される場合に比べて大きくなり、非線形光学結晶素子１３が損傷を受けやすくなる。しかしながら、ここでは、繰り返し周波数が高く設定される場合に比べて、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌの集光径Ｄが大きく、かつ、それに伴ってレーザ光Ｌのエネルギー密度が小さくなっているので、非線形光学結晶素子１３による高い変換効率を確保しつつ、非線形光学結晶素子１３における損傷の発生を効果的に抑えることができる。

なお、図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′において、固定式の載置台１４′に代えて、図１(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０で用いられている移動機構としての載置台１４を用いることも可能である。

また、図１(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０及び図２(a)(b)に示す高調波レーザ発振器１０′においては、レーザ発振器本体１１から出力されるレーザ光Ｌの発振条件（繰り返し周波数やピーク出力等）に応じて、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を連続的に可変にする場合を例に挙げて説明したが、レーザ光Ｌの発振条件（繰り返し周波数やピーク出力等）の全てに対応する必要は必ずしもなく、例えば、非線形光学結晶素子１３内でのレーザ光Ｌのエネルギー密度が特定の閾値を越えるようなレーザ光Ｌの発振条件の場合にのみ載置台１４′や電動ズームコリメータ１６を動作させて、非線形光学結晶素子１３が受ける損傷を回避するにしてもよい。この場合、載置台１４′や電動ズームコリメータ１６は一種の安全機構として機能することになる。また、載置台１４′や電動ズームコリメータ１６を動作させることにより、高調波レーザ光Ｌ′の出力条件を可変としてもよい。この場合、載置台１４′や電動ズームコリメータ１６は一種の出力可変機構として機能することとなる。なお、このような構成によれば、レーザ発振器本体１１に投入される投入電力（励起入力）等を変更しなくとも済むので、パルス幅の変化や出力安定度の変化等を招かないという利点がある。

本発明の一実施形態に係る高調波レーザ発振器を示す図。 本発明の他の実施形態に係る高調波レーザ発振器を示す図。

符号の説明

１０，１０′ 高調波レーザ発振器
１１ レーザ発振器本体
１２ 集光レンズ
１３ 非線形光学結晶素子
１４ 載置台（移動機構、エネルギー密度可変機構）
１４′ 載置台
１５ 制御装置
１６ 電動ズームコリメータ（エネルギー密度可変機構）
Ｌ レーザ光
Ｌ′高調波レーザ光
Ｆ レーザ光の焦点位置（集光位置）
Ｄ レーザ光の集光径

Claims (5)

1. レーザ発振によりレーザ光を出力するレーザ発振器本体と、
   前記レーザ発振器本体から出力されたレーザ光を集光させる集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光されたレーザ光の波長を変換して高調波レーザ光を発生させる非線形光学結晶素子と、
   前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光状態を制御することにより、前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光のエネルギー密度を可変にするエネルギー密度可変機構とを備えたことを特徴とする高調波レーザ発振器。
2. 前記エネルギー密度可変機構は、前記非線形光学結晶素子に対するレーザ光の集光位置を調整する集光位置調整機構を有することを特徴とする、請求項１に記載の高調波レーザ発振器。
3. 前記集光位置調整機構は、前記集光レンズと前記非線形光学結晶素子とを相対的に移動させる移動機構からなることを特徴とする、請求項２に記載の高調波レーザ発振器。
4. 前記エネルギー密度可変機構は、前記非線形光学結晶素子内でのレーザ光の集光径を調整するズームコリメータを有することを特徴とする、請求項１に記載の高調波レーザ発振器。
5. 前記レーザ発振器本体のレーザ発振条件の変化に応じて前記エネルギー密度可変機構を制御する制御装置をさらに備えたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の高調波レーザ発振器。

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