JP2008153323A - レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品質の加工を実現する。
【解決手段】 両端にミラーが配置された光共振器と、光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体、Ｑスイッチ、及び損失調整素子と、レーザ媒体を励起する励起光源とを有し、レーザ媒体は、励起光源によって励起されて、光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、Ｑスイッチは、光共振器のＱ値を変化させ、損失調整素子は、光共振器内を往復する光の光強度の減衰量を変化させるレーザ発振器を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｑスイッチを備えるレーザ発振器に関する。

Ｑスイッチ固体レーザ発振器においては、出射されるパルスレーザビームの立ち上がり時間はＱスイッチの立ち上がり時間で決定され、立ち下がり時間は共振器におけるエネルギ損失により決定される。すなわち出射されるパルスレーザビームのパルス幅は、Ｑスイッチの立ち上がり時間と、共振器内部のエネルギ損失により決定される。

共振器内のエネルギ損失は制御できない要因によるものが多く、このためＱスイッチ固体レーザ発振器から出射されるパルスレーザビームのパルス幅は、レーザ発振器相互間で個体差があるだけでなく、一台のレーザ発振器においても経年等により変化が生じ、たとえば経年により一般的にパルス幅は短くなる。

パルスレーザビームのパルス幅が変化すると、加工品質も変化する。たとえばレーザアニールにおいては、パルス幅の変化は、被加工物の溶け込み深さや再結晶化に影響を与える。

このためパルス幅を一定に保つ技術が望まれている。

μｓ単位でのパルス幅のセッティングが達成できるＱスイッチによるパルス幅調整固体レーザの発明が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、ピーク出力、パルス幅、及びパルス発生周期が異なる２種類のパルスレーザビームを発生させるパルスレーザ発振器の発明の開示がある（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００１−１８９５１３号公報 特開２００６−７３６４６号公報

本発明の目的は、高品質の加工を実現することのできるレーザ発振器を提供することである。

本発明の一観点によれば、両端にミラーが配置された光共振器と、前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体、Ｑスイッチ、及び損失調整素子と、前記レーザ媒体を励起する励起光源とを有し、前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、前記Ｑスイッチは、前記光共振器のＱ値を変化させ、前記損失調整素子は、前記光共振器内を往復する光の光強度の減衰量を変化させるレーザ発振器が提供される。

また、本発明の他の観点によると、両端にミラーが配置された光共振器と、前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体及びＱスイッチと、前記レーザ媒体を励起する励起光源とを有し、前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、前記Ｑスイッチは、音響光学素子、及び前記音響光学素子に入射する前記光の入射角を調整する入射角調整器を含むレーザ発振器が提供される。

更に、本発明の他の観点によると、両端にミラーが配置された光共振器と、前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体及びＱスイッチと、前記レーザ媒体を励起する励起光源と、前記Ｑスイッチへの電圧の印加及び無印加を制御する制御装置とを有し、前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、前記Ｑスイッチは、電気光学変調素子、及び、前記電気光学変調素子を出射した光が入射する、偏光状態に依存して前記光共振器のＱ値を変化させる素子を含み、前記制御装置は、前記電気光学変調素子に、直線偏光の偏光方向を９０°旋回させる電圧とは異なる電圧を印加するレーザ発振器が提供される。

本発明によれば、高品質の加工を実現することのできるレーザ発振器を提供することができる。

図１は、第１の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。

第１の実施例によるレーザ発振器は、筐体１７内部に対向配置され、光共振器の両端ミラーを構成するエンドミラー１０、アウトプットカプラ１５、光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体１１、Ｑスイッチ１２、損失調整素子１３、シャッタ１４を含む。また、励起光源１６、ＬＤドライバ１８、ＲＦドライバ１９、及びコントローラ２０を含んで構成される。

エンドミラー１０は、たとえば全反射ミラーであり、アウトプットカプラ１５は、レーザ出力側に配置される出力ミラーである。アウトプットカプラ１５は、たとえば９６％の光を反射し、４％の光を透過する。

レーザ媒体１１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧロッドであり、その中心軸は、エンドミラー１０とアウトプットカプラ１５とで構成される光学系の光軸（光共振器内に閉じ込められる光の光軸）と一致する。レーザ媒体１１としては、Ｎｄ：ＹＬＦロッドやＹＶＯ_４ロッド等を用いてもよい。

励起光源１６は、たとえば半導体レーザ(Laser Diode; LD)を含んで構成される。半導体レーザ（ＬＤ）から出射したレーザビームは、励起効率を向上させるために、たとえば集光レンズにより集光されてレーザ媒体１１に照射される。半導体レーザ（ＬＤ）に代えてフラッシュランプを用いることもできる。

ＬＤドライバ１８は、半導体レーザ（ＬＤ）の発光を制御する電気信号を生成し、励起光源１６に送信する。

レーザ媒体１１は、励起光源１６からの励起光によって励起されて、光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅する。

Ｑスイッチ１２は、たとえば音響光学素子を含んで構成され、光共振器のＱ値を変化させる。
音響光学素子には、ＲＦドライバ１９で生成された高周波電気信号ＲＦが印加される。電気信号ＲＦが印加された音響光学素子内部には超音波が発生し、これが回折格子として作用して、入射光の一部を偏向して出射する。電気信号ＲＦの印加によって光共振器のＱ値が変化し、レーザ媒体１１中にエネルギが蓄積される。電気信号ＲＦの印加を解除すると、Ｑスイッチ１２は開いて、アウトプットカプラ１５側からＱスイッチレーザビーム（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの基本波 波長１０６４ｎｍ）が出射する。
Ｑスイッチレーザビームの出射の制御は、シャッタ１４の開閉によって行うことができる。シャッタ１４の開閉は、コントローラ２０からの制御信号によって行われる。

コントローラ２０は、シャッタ１４に制御信号を送信するほか、ＬＤドライバ１８及びＲＦドライバ１９に制御信号を送り、励起光源１６（半導体レーザ（ＬＤ））の発光、及び、Ｑスイッチ１２（音響光学素子）におけるレーザ光の偏向を制御する。

第１の実施例によるレーザ発振器は、エンドミラー１０とアウトプットカプラ１５との間のビームの光路上に、たとえば複数の損失調整素子１３が配置されている点に特徴を有する。

損失調整素子１３は、たとえば合成石英で形成された平行平面基板である。基板面（ビームの入出射面）に、必要に応じてＡＲコート(Anti Reflection Coating)等の反射防止処理を施してもよい。１枚の損失調整素子１３（ＡＲコートを施した合成石英基板）で、たとえば透過光の光量（光強度）を約０．１％減衰させることができる。寄生発振を防止するため、損失調整素子１３は、光共振器内を往復する光の光軸に対して（エンドミラー１０とアウトプットカプラ１５とで構成される光学系の光軸に対して）、基板面を垂直に配置されるのではなく、角度を数度ずらして斜めに配置される。また、損失調整素子１３が斜めに配置されることにより生じる光軸のずれを矯正するため、ビームの光軸上にコンペンセイタを挿入する。

光共振器内部に損失調整素子１３を挿入することで、光共振器の損失及び出射するレーザビームのパルス幅をコントロールすることができる。たとえば挿入する損失調整素子１３の枚数によって光共振器の損失を制御し（光共振器内を往復する光の光強度の減衰量を変化させ）、パルス幅を調整する。

たとえば、経時によって、光共振器内部で発生するビームのパワー損失が増加した場合、損失調整素子１３の挿入枚数を減じることで、光共振器内の損失を一定に保つ。こうすることで出射されるパルスレーザビームのパルス幅を一定に保ち、安定した、高品質の加工を実現することができる。

なお、光共振器から出射されたレーザビームの光路上に、たとえばバリアブルアッテネータ等のビームパワー調整装置を配置し、レーザビームのパワーを一定に保つこともできる。

第１の実施例においては、光共振器内を往復する光の光強度の減衰量を変化させる損失調整素子１３として、ＡＲコートを施した合成石英基板を用いたが、反射率可変のミラーを用いることもできる。反射率可変ミラーの入反射光の光路上に、エンドミラー１０とアウトプットカプラ１５を配置し、反射率可変ミラーを介して、エンドミラー１０とアウトプットカプラ１５とを両端ミラーとする光共振器を構成する。反射率可変のミラーを利用する場合は、コンペンセイタは不要である。

図２は、第２の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。

第２の実施例は、第１の実施例と異なり、損失調整素子を含まない。光共振器内のビーム強度の損失調整は、Ｑスイッチ１２の構成を工夫することによって行う。

第２の実施例におけるＱスイッチ１２は、音響光学素子１２ａ及び入射角調整器１２ｂを含む。入射角調整器１２ｂは、音響光学素子１２ａの位置調整を行い、音響光学素子１２ａに対して入射するビームの入射角度（入射方向）を変化させることができる。

音響光学素子１２ａの光透過率が最大となるのは、音響光学素子１２ａに対するビームの入射角がブラッグ角と一致した場合であり、入射角度（入射方向）がその位置からずれると音響光学素子１２ａの光透過率は低くなる。したがって、入射角調整器１２ｂで音響光学素子１２ａの入射ビームに対する位置を変化させ、ビームの入射角度をブラッグ角からずらすことで、損失を調整することができる。

なお、入射角調整器１２ｂを含まない構成を採用した場合であっても、音響光学素子１２ａに印加する高周波電気信号ＲＦのパワーをコントロールすることによって同様の効果を奏することができる。

図３は、第３の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。

第３の実施例は、Ｑスイッチ１２が電気光学変調素子１２ｃ及びポーラライザ１２ｄを含んで構成される点において、第２の実施例と異なる。

ドライバ２１は、コントローラ２０からの制御信号を受けて電圧を電気光学変調素子１２ｃに印加する。電気光学変調素子１２ｃは、印加される電圧値に対応した角度だけ、入射光の偏光面を回転して出射する。

ポーラライザ１２ｄは、ポーラライザ１２ｄの光入射面に対するＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。

従来、電気光学変調素子１２ｃには、電気光学変調素子１２ｃに入射したＰ波がＳ波として出射される電圧（直線偏光の偏光方向を９０°旋回させる電圧）Ｖが印加されていた。

第３の実施例においては、コントローラ２０は、ドライバ２１を介して電気光学変調素子１２ｃに、電圧Ｖとは異なる値の電圧（電圧Ｖからずれた値の電圧）Ｖ±ΔＶを印加する制御を行う。
電気光学変調素子１２ｃに電圧Ｖ±ΔＶを印加することで、電気光学変調素子１２ｃを出射する直線偏光（Ｓ波）の状態を劣化させる（電気光学変調素子１２ｃを出射しポーラライザ１２ｄに入射するビームを楕円偏光とする）ことができる。こうすることで共振器内のゲインを変化させ、損失を調整することができる。
第３の実施例においては、偏光状態に依存して光共振器のＱ値を変化させる素子としてポーラライザを用いたが、たとえば偏光ビームスプリッタを用いることも可能である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

第１の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。 第２の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。 第３の実施例によるレーザ発振器を示す概略図である。

符号の説明

１０ エンドミラー
１１ レーザ媒体
１２ Ｑスイッチ
１２ａ 音響光学素子
１２ｂ 入射角調整器
１２ｃ 電気光学変調素子
１２ｄ ポーラライザ
１３ 損失調整素子
１４ シャッタ
１５ アウトプットカプラ
１６ 励起光源
１７ 筐体
１８ ＬＤドライバ
１９ ＲＦドライバ
２０ コントローラ
２１ ドライバ

Claims (5)

1. 両端にミラーが配置された光共振器と、
   前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体、Ｑスイッチ、及び損失調整素子と、
   前記レーザ媒体を励起する励起光源と
   を有し、
   前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、
   前記Ｑスイッチは、前記光共振器のＱ値を変化させ、
   前記損失調整素子は、前記光共振器内を往復する光の光強度の減衰量を変化させるレーザ発振器。
2. 前記損失調整素子は、前記光共振器内を往復する光の光軸に対して斜めに配置された平面基板である請求項１に記載のレーザ発振器。
3. さらに、前記光共振器内を往復する光の光路上に配置され、前記平面基板を、前記光共振器内を往復する光の光軸に対して斜めに配置することによって生じた光軸のずれを矯正するコンペンセイタを備える請求項２に記載のレーザ発振器。
4. 両端にミラーが配置された光共振器と、
   前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体及びＱスイッチと、
   前記レーザ媒体を励起する励起光源と
   を有し、
   前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、
   前記Ｑスイッチは、音響光学素子、及び前記音響光学素子に入射する前記光の入射角を調整する入射角調整器を含むレーザ発振器。
5. 両端にミラーが配置された光共振器と、
   前記光共振器内に閉じ込められる光の経路上に配置されたレーザ媒体及びＱスイッチと、
   前記レーザ媒体を励起する励起光源と、
   前記Ｑスイッチへの電圧の印加及び無印加を制御する制御装置と
   を有し、
   前記レーザ媒体は、前記励起光源によって励起されて、前記光共振器内を往復する光を誘導放出によって増幅し、
   前記Ｑスイッチは、電気光学変調素子、及び、前記電気光学変調素子を出射した光が入射する、偏光状態に依存して前記光共振器のＱ値を変化させる素子を含み、
   前記制御装置は、前記電気光学変調素子に、直線偏光の偏光方向を９０°旋回させる電圧とは異なる電圧を印加するレーザ発振器。

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