JP2008227378A - レーザ加工装置及び固体レーザ共振器 - Google Patents

レーザ加工装置及び固体レーザ共振器 Download PDF

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Abstract

【課題】２方向励起における熱レンズ等の発生を抑制或いは緩和させ、信頼性の向上を図る。
【解決手段】励起光の入射面を構成する第１端面、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面を備える固体レーザ媒質２１と、励起光源１１から出力される励起光を、第１分岐経路Ｂ１及び第２分岐経路Ｂ２の２つの経路に分岐し、第１分岐経路Ｂ１から固体レーザ媒質２１の第１端面に励起光の第１励起成分Ｒ１を、第２分岐経路Ｂ２から第２端面に第２励起成分Ｒ２を、第１励起成分Ｒ１が第２励起成分Ｒ２よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段２３とを備え、固体レーザ媒質２１の第１端面に励起光の第１励起成分Ｒ１が、第２端面に第２励起成分Ｒ２が、各々投入されて固体レーザ媒質２１が励起されるよう構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して印字等の加工を行うレーザ加工装置及び固体レーザ共振器に関する。
レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物（ワーク）の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図３３に示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部９０１とレーザ出力部９０２と入力部９０４とを備える。レーザ制御部９０１のレーザ励起部９１０で発生される励起光を、レーザ出力部９０２に伝送してレーザ共振部９２０で共振器を構成する固体レーザ媒質９２１に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光は固体レーザ媒質９２１の出射端面から出射され、ビームエキスパンダ９３６でビーム径を拡大されて、光学部材により反射されてレーザ光走査系９３０に導かれる。レーザ光走査系９３０は、レーザ光を反射させて所望の方向に偏光し、作業領域集光部９４０から出力されるレーザ光ＬＢは、ワークＷの表面で走査されて印字等の加工を行う。
固体レーザ媒質を励起する構成としては、固体レーザ媒質を励起する励起光を一方の端面のみから入射して励起させ、他方の端面からレーザ光を出射する、いわゆるエンドポンピングによる１方向励起方式が知られている。またこれに加え、固体レーザ媒質の前後の端面から各々励起光を照射する２方向励起システムも提案されている。２方向励起においては、各端面に励起光源である半導体レーザ（Laser Diode：ＬＤ）を各々配置する構成の他、図３４に開示されるように、単一のＬＤ９２８からの励起光を光ファイバ９３２で分岐して、固体レーザ媒質９２１の両端面からポンピングして出力カプラ９１８から出力する構成が知られている（例えば特許文献１参照）。
特表平１１−５０５３７６号公報
このような２方向励起によれば、励起光を分散させて２つの端面から与えることで、各端面での励起光量を抑えることができ、熱レンズや強熱レンズ効果等の発生を抑制できる。しかしながら、近年レーザ加工装置の更なる出力向上が求められており、このためＬＤの更なる出力向上が要求されている。この結果、２方向励起においても各端面からの投入励起光量を増やす必要が生じ、各端面において熱レンズや強熱レンズ効果、熱複屈折や熱による破損が生じる虞があった。
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の主な目的は、２方向励起における熱レンズ等の発生を抑制或いは緩和させ、信頼性の向上を図ったレーザ加工装置及び固体レーザ共振器を提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するために、第１発明に係るレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるためのレーザ共振部を含むレーザ制御部と、レーザ制御部で発生されたレーザ光を後記レーザ出力部に伝達するための励起光伝達媒体と、励起光伝達媒体で伝達されたレーザ光を走査させるためのレーザ光走査系を含むレーザ出力部とを備えるレーザ加工装置であって、レーザ出力部が、励起光を発生させる一の励起光源と、一方向に延長され、２つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、励起光源からの励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、励起光の入射面を構成する第１端面と、第１端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面と、を備える固体レーザ媒質と、励起光源から出力される励起光を、第１分岐経路及び第２分岐経路の２つの経路に分岐し、第１分岐経路から固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分を、第２分岐経路から第２端面に第２励起成分を、第１励起成分が第２励起成分よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段と、第１端面に対向させて第１分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を第１端面側に反射させる第１ダイクロイックミラーと、第２端面に対向させて第２分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第２ダイクロイックミラーと、分岐経路と干渉しない位置であって、レーザ発振光と略直交する方向に配置され、第２ダイクロイックミラーからの反射光を出力するための出力ミラーとを備え、固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分が、第２端面に第２励起成分が、各々投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成される。これにより、２方向励起において励起光の比率を出射面側が低くなるように規定することで、熱レンズの発生に起因する影響を緩和し、レーザ出力光の品質の低下を抑制して共振器の動作を安定させることができる。
また、第２発明に係るレーザ加工装置は、分岐手段が、入射光を第１励起成分と第２励起成分に分岐させる比率を、略２：１に設定できる。これにより、レーザ出力の低下を最小限に抑えた高効率な動作が得られる。
さらに第３発明に係るレーザ加工装置は、固体レーザ媒質が略直方体状で、端面を５ｍｍ×５ｍｍ以下、長さを１８ｍｍ以下に設定できる。
さらにまた第４発明に係るレーザ加工装置は、固体レーザ媒質をＮｄ：ＹＶＯ4結晶とできる。
さらにまた第５発明に係るレーザ加工装置は、固体レーザ媒質のＮｄ濃度を１％以下とできる。これにより、高効率なレーザ発振が可能となる。
さらにまた第６発明に係るレーザ加工装置は、出力ミラーの反射率を３０％〜７０％とできる。
さらにまた第７発明に係るレーザ加工装置は、励起光源が、半導体レーザを含むことができる。これにより、高効率でメンテナンスも容易なレーザ加工装置が実現できる。
さらにまた第８発明に係るレーザ加工装置は、半導体レーザの平均出力を１０Ｗ以上とできる。このような高出力の半導体レーザを用いても、熱レンズの発生を抑制し安定したレーザ出力光を得ることができる。
さらにまた第９発明に係るレーザ加工装置は、半導体レーザから出射される励起光を無偏光とできる。無偏光とすることで、偏光状態の変化を考慮する必要が無く設計上有利となる。
さらにまた第１０発明に係るレーザ加工装置は、出力ミラーと第２ダイクロイックミラーとの間にはＱスイッチを設けることができる。これにより、レーザ出力光を容易にパルス化することができる。
さらにまた第１１発明に係るレーザ加工装置はさらに、第１ダイクロイックミラーに対向させて第１分岐経路上に配置され、第１ダイクロイックミラーを透過した励起光の第１励起成分が第１端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光するための第１集光レンズと、第２ダイクロイックミラーに対向させて第２分岐経路上に配置され、第２ダイクロイックミラーを透過した励起光の第２励起成分が第２端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光するための第２集光レンズとを備えることができる。これにより、２方向励起において励起光のスポット径を固体レーザ媒質のＴＥＭ00モードよりも小さくして、高効率化を図ることができる。
さらにまた第１２発明に係るレーザ加工装置は、レーザ出力部がさらに、分岐手段で分岐された第１励起成分又は第２励起成分を、略垂直に反射させる第１反射ミラーと、第１反射ミラーで反射された反射光又は分岐手段で分岐された第２励起成分或いは第１励起成分を、さらに略垂直方向に反射させる第２反射ミラーと、第２反射ミラーで反射された反射光を、略垂直に反射させる第３反射ミラーとを備え、第１分岐経路及び第２分岐経路で構成される分岐経路は、分岐手段、第１反射ミラー、第２反射ミラー、第３反射ミラーによって矩形状に構成されており、且つ矩形状のいずれかの辺上に固体レーザ媒質及び第１、第２ダイクロイックミラーが配置され、尚且つ矩形状のいずれかの頂点であって、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、励起光源からの励起光が入射されるよう配置させることができる。これにより、２方向励起の分岐経路を矩形状に形成し、いずれかの辺上にレーザ共振器を配置すると共に、矩形状のいずれかの頂点に励起光源からの励起光の入射位置を配置できるので、固体レーザ媒質の２方向励起のための分岐経路を極めて簡素化でき、コンパクトにすると共にレイアウト上の自由度も増すことができる。
さらにまた第１３発明に係るレーザ加工装置はさらに、励起光伝達媒体を分岐手段と光学的に結合するための励起光結合手段と、第２ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間に配置され、レーザ発振光を整形するためのアパーチャとを備えることができる。これにより、レーザ共振器の光学系を適切に調整できる。
さらにまた第１４発明に係るレーザ加工装置は、レーザ出力部のレーザ光走査系が入射レンズと出射レンズを備え、レーザ共振部から照射されるレーザ光の光軸に入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なＺ軸スキャナと、Ｚ軸スキャナを透過するレーザ光を、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ又はＹ軸スキャナと、Ｘ軸スキャナ又はＹ軸スキャナで走査されるレーザ光を、Ｙ軸方向又はＸ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナ又はＸ軸スキャナとを備えることができる。このようなレーザ光走査系によってレーザ共振器で得られたレーザ出力光を作業領域内において３次元的に走査させることができる。
さらにまた第１５発明に係る固体レーザ共振器は、励起光を発生させる一の励起光源と、一方向に延長され、２つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、励起光源からの励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、励起光の入射面を構成する第１端面と、第１端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面とを備える固体レーザ媒質と、励起光源から出力される励起光を、第１分岐経路及び第２分岐経路の２つの経路に分岐し、第１分岐経路から固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分を、第２分岐経路から第２端面に第２励起成分を、第１励起成分が第２励起成分よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段と、第１端面に対向させて第１分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を第１端面側に反射させる第１ダイクロイックミラーと、第２端面に対向させて第２分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第２ダイクロイックミラーと、分岐経路と干渉しない位置であって、レーザ発振光と略直交する方向に配置され、第２ダイクロイックミラーからの反射光を出力するための出力ミラーとを備え、固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分が、第２端面に第２励起成分が、各々投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成できる。これにより、２方向励起において励起光の比率を出射面側が低くなるように規定することで、熱レンズの発生に起因する影響を緩和し、レーザ出力光の品質の低下を抑制して共振器の動作を安定させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザ加工装置及び固体レーザ共振器を例示するものであって、本発明はレーザ加工装置及び固体レーザ共振器を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ−２３２ｘ、ＲＳ−４２２、ＲＳ−４２３、ＲＳ−４８５、ＵＳＢ、ＰＳ２等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは１０ＢＡＳＥ−Ｔ、１００ＢＡＳＥ−ＴＸ、１０００ＢＡＳＥ−Ｔ等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、ＩＥＥＥ８０２．１ｘ、ＯＦＤＭ方式等の無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに観察像のデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。
以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、レーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ共振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えば材料プロセス、分光、ウェハ検査、医療診断、レーザプリント等、レーザ照射を行う処理において広く適用可能であり、半導体等の微細加工やディスプレイリペア、トリミングシステム等の用途に利用できる。このように本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に関わらず、このような処理を行うものも含めてレーザ加工装置と呼ぶ。また、本明細書においては加工の代表例として印字について説明するが、印字加工に限られず、溶融や剥離、表面酸化、切削、変色等のレーザ光を使ったあらゆる処理においても利用できる。
（実施の形態１）
図１に実施の形態１に係るレーザ加工装置１００を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置１００は、レーザ制御部１とレーザ出力部２で構成される。レーザ制御部１はレーザ出力部２を制御するコントローラ部を構成し、レーザ出力部２と励起光伝達媒体３で光学的に接続される。またレーザ出力部２はレーザマーキングを行うヘッド部として、レーザ出力光を出力する。このレーザ制御部１は、励起光源を構成するレーザ励起部１０を備える。またレーザ制御部１には、必要に応じて加工パターンを入力するための入力部４、各種設定画面を表示させるための表示部５を接続する。一方レーザ出力部２は、固体レーザ媒質に励起光を投入してレーザ共振を発生させるレーザ共振部２０と、レーザ出力光を加工対象物（ワーク）Ｗの表面で走査させるためのレーザ光走査系３０とを備える。また必要に応じて、レーザ光走査系３０の出力側にｆθレンズ等の作業領域集光部４０を配置する。
（入力部４、表示部５）
入力部４はレーザ制御部１に接続され、レーザ加工装置１００を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部１に送信する。設定内容はレーザ加工装置１００の動作条件や具体的な加工内容等である。入力部４はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部４で入力された入力情報を確認したり、レーザ制御部１の状態等を表示するための表示部を別途設けることもできる。表示部５はＬＣＤやブラウン管等のモニタが利用できる。またタッチパネル方式を利用すれば、入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置１００の必要な設定を行うことができる。
（レーザ制御部１）
レーザ制御部１は、制御部５０とメモリ部５２とレーザ励起部１０と電源回路５４とを備える。入力部４から入力された設定内容は、メモリ部５２に記録される。制御部５０は必要時にメモリ部５２から設定内容を読み込み、加工内容に応じた加工信号に基づいてレーザ励起部１０を動作させてレーザ出力部２の固体レーザ媒質２１を励起する。メモリ部５２はＲＡＭやＲＯＭ等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部５２はレーザ制御部１に内蔵する他、挿抜可能なＰＣカードやＳＤカード（登録商標）等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部５２は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部１にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。
さらに制御部５０は、設定された加工を行うよう固体レーザ媒質２１で発振されたレーザ光をワークＷ上で走査させるため、レーザ出力部２のレーザ光走査系３０を動作させる走査信号をレーザ光走査系３０に出力する。電源回路５４は、定電圧電源として、レーザ励起部１０へ所定電圧を印加する。加工動作を制御する加工信号は、そのＨＩＧＨ／ＬＯＷに応じてレーザ光のＯＮ／ＯＦＦが切り替えられ、その１パルスが発振されるレーザ光の１パルスに対応するＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
（レーザ励起部１０）
レーザ励起部１０は、光学的に接合された励起光源１１と励起光集光部１２を備える。レーザ励起部１０の一例を図２の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部１０は、励起光源１１と励起光集光部１２を励起ケーシング１３内に固定している。励起ケーシング１３は、熱伝導性に優れた銅等の金属で構成され、励起光源１１を効率よく外部に放熱する。励起光源１１は半導体レーザ（ＬＤ）やランプ等で構成される。図２の例では、複数のＬＤ素子を直線状に並べたＬＤアレイやＬＤバーを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振は励起光集光部１２の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。励起光集光部１２はフォーカシングレンズ等で構成される。励起光集光部１２からのレーザ励起光は、光ファイバ１４等によりレーザ共振部２０に入射される。励起光源１１と励起光集光部１２、光ファイバ１４は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。またレーザ励起部１０は、このような部材を予め組み込んだＬＤユニット或いはＬＤモジュールが使用できる。ここでは、出力４０Ｗ〜５０Ｗの高出力なＬＤユニットを使用し、分岐手段で励起光を分岐させている。またレーザ励起部１０から出射される励起光は無偏光とすることができ、これにより偏光状態の変化を考慮する必要が無く設計上有利となる。特に、複数のＬＤ素子を数十個配列したＬＤアレイから各々得られる光を光ファイバでバンドルして出力するＬＤユニット自体に出力光を無偏光とする機構を備えることが好ましい。あるいは、レーザ励起部１０から光ファイバケーブルで伝送する過程、励起光結合手段等で分岐経路と光学的に結合する過程等において無偏光状態（ランダム偏光）とする構成としてもよい。
またレーザ励起部１０は、励起光源１１を温度調整するための温度調整機構を備える。特にＬＤ素子等の半導体発光素子は、温度によって波長が変化する温度依存性があるため、所望の波長のレーザ励起光を得るよう、ＬＤ素子の温度を測定して適切な温度に維持するよう温度調整機構を制御する。温度調整機構は、ペルチェ素子等を利用できる。
（レーザ出力部２）
このようにしてレーザ励起部１０で生成されたレーザ励起光は、励起光伝達媒体３でレーザ出力部２に伝達される。励起光伝達媒体３には光ファイバケーブル等が利用される。またレーザ励起部１０の光ファイバ１４を、そのまま励起光伝達媒体３として利用してもよい。レーザ出力部２は、レーザ共振部２０にレーザ励起光を入射し、レーザ発振させてレーザ出力光を生成すると共に、レーザ光走査系３０で作業領域上を所望の加工パターンにてレーザ光を走査させる。
（レーザ共振部２０）
レーザ共振部２０は、レーザ発振によりレーザ光を発生させる固体レーザ共振器又はレーザ発振器ユニットである。このレーザ共振部２０は、励起光源１１からの励起光を導入する励起光結合手段２２と、励起光結合手段２２から導入された励起光を第１分岐経路Ｂ１と第２分岐経路Ｂ２に分岐する分岐手段２３と、第１分岐経路Ｂ１、第２分岐経路Ｂ２から各々の端面に励起光を入射して励起される固体レーザ媒質２１と、固体レーザ媒質２１が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された第１ダイクロイックミラー２４、第２ダイクロイックミラー２５と、分岐経路と干渉しない位置に配置され、第２ダイクロイックミラー２５からの反射光を出力するための出力ミラー２６とを備える。ここでは、第１ダイクロイックミラー２４をリア側ミラーＲＭ、第２ダイクロイックミラー２５を出射側ミラーＦＭと呼ぶ。リア側ミラーＲＭはレーザ発振光の進行方向に対して垂直に固定され、一方出射側ミラーＦＭは、レーザ発振光を出力ミラー２６側に反射させるよう、入射方向に対して４５°に傾斜されて固定される。
一方、出力ミラー２６と出射側ミラーＦＭとの間にはアパーチャ２７、Ｑスイッチ２８、レーザシャッタ等が配置される。励起光結合手段２２には励起光伝達媒体３である光ファイバケーブルが接続され、レーザ励起部１０で発生された励起光がレーザ共振部２０に導入されると共に、分岐手段２３で分岐されて固体レーザ媒質２１の各々の端面に入射される。固体レーザ媒質２１が放出する誘導放出光を、出射側ミラーＦＭとリア側ミラーＲＭとの間での多重反射により増幅し、Ｑスイッチ２８の動作により短周期にて通断しつつアパーチャ２７によりモード選別して、出力ミラー２６を経てレーザ光を出力する。このリア側ミラーＲＭから出射側ミラーＦＭを介した出力ミラー２６まででレーザ共振器が構成される。
アパーチャ２７は、固体レーザ媒質２１の口径よりも小さい開口を誘導放出光の光路の中心に合わせて配された遮蔽板であり、不要なモードの発振を抑えるモード選別作用をなすモードセレクタとして機能する。このモード選別によって、レーザ加工の品質向上を図る。
またＱスイッチ２８は、出力ミラー２６と反射ミラーとの間を往復する誘導放出光の光路を短周期にて通断し、共振器としてのメリット数（Ｑ値）を高めて、高速でレーザビームのＯＮ／ＯＦＦを制御する動作をなす。本実施の形態においては、Ｑスイッチ周波数は１ｋＨｚ〜４００ｋＨｚで可変であり、またＣＷ発振も可能である。
出力ミラー２６は、出射側ミラーＦＭからの反射光を出力するハーフミラーであって、分岐経路と干渉しない位置で、レーザ発振光と略直交する方向で第２ダイクロイックミラー２５の反射位置に配置される。
一方、励起光結合手段２２は、励起光伝達媒体３を分岐手段２３と光学的に結合するための部材であり、光ファイバケーブルを接続する光ファイバ結合部２２ａと、光ファイバ結合部２２ａと分岐手段２３との間に配置され、光ファイバ結合部２２ａを介して入射されたＬＤユニットからの励起光を平行光に整形するコリメートレンズ２２ｂを備える。コリメートレンズ２２ｂは平凸レンズ等が利用できる。
コリメートレンズ２２ｂで平行光とされた励起光は、第１分岐経路Ｂ１及び第２分岐経路Ｂ２を通じて固体レーザ媒質２１の端面側まで伝送された後、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに入射される前に集光レンズで集光される。ここでは、リア側ミラーＲＭに対向させて第１分岐経路Ｂ１上に第１集光レンズ６１が、出射側ミラーＦＭに対向させて第２分岐経路Ｂ２上に第２集光レンズ６２が、それぞれ配置される。第１集光レンズ６１は、後述するようにリア側ミラーＲＭを透過した励起光の第１励起成分Ｒ１が固体レーザ媒質２１の第１端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質２１のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光する。また第２集光レンズ６２は、出射側ミラーＦＭを透過した励起光の第２励起成分Ｒ２が固体レーザ媒質２１の第２端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質２１のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光する。これら第１集光レンズ６１、第２集光レンズ６２は平凸レンズ等が利用できる。
（レーザ共振部２０の配置）
分岐手段２３は、励起光源１１から出力される励起光を、第１励起成分Ｒ１と第２励起成分Ｒ２に分岐する。分岐された第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２はそれぞれ、第１分岐経路Ｂ１及び第２分岐経路Ｂ２に振り分けられ、第１分岐経路Ｂ１から固体レーザ媒質２１の第１端面に励起光の第１励起成分Ｒ１を、第２分岐経路Ｂ２から第２端面に第２励起成分Ｒ２を、各々入射させる。このような分岐手段２３はハーフミラー等のビームスプリッタＢＳが利用できる。
第１分岐経路Ｂ１、第２分岐経路Ｂ２は、各々ビームスプリッタＢＳ、反射ミラー等の光学系部材で構成される。すなわち、ビームスプリッタＢＳで分岐された第１励起成分Ｒ１又は第２励起成分Ｒ２を、略垂直に反射させる第１反射ミラーＭ１と、第１反射ミラーＭ１で反射された反射光又はビームスプリッタＢＳで分岐された第２励起成分Ｒ２又は第１励起成分Ｒ１をさらに略垂直方向に反射させる第２反射ミラーＭ２と、第２反射ミラーＭ２で反射された反射光を、略垂直に反射させる第３反射ミラーＭ３とで分岐経路が形成される。このようにして分岐経路を矩形状に構成することで、固体レーザ媒質２１の２方向励起のための分岐経路をコンパクトにでき、さらに各反射ミラーの配置や調整作業を容易にできる。特に、ビームスプリッタＢＳ、第１反射ミラーＭ１、第２反射ミラーＭ２、第３反射ミラーＭ３を同一平面上に配置することにより、各部材の位置決めの調整作業を容易に行えるようになる。この例では、すべての光学部材を１枚の構造基板６３に配置させており、シンプルな構成で固体レーザ共振器を設計できる。加えて、励起光源１１を１個とすることで、該励起光源１１をビームスプリッタＢＳまで光伝達する媒体を１本にでき、この点においても構成の簡素化に寄与できる。また励起光源１１を１個として分岐する構成により、従来の２つのＬＤで各々の端面から励起する構成に比べ、安価に構成できる利点も得られる。
また上記構成は、固体レーザ媒質２１や励起光結合手段２２等の各部材のレイアウト上の自由度も増すことができる。すなわち、固体レーザ媒質２１及びリア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを矩形状のいずれかの辺上に配置することができ、一方で矩形状のいずれかの頂点で、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、励起光源１１からの励起光が入射されるよう配置できる。このように、部材の配置を変更できるので、レーザ共振部２０として与えられたスペースや形状に応じた、適切なレイアウトを適宜採用できる利点が得られる。
具体的な光学系部材の配置例を、図３に示す。この図に示すレーザ共振部２０１は、長方形状の分岐経路の一方の長辺側（図３において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置し、かつ他方の長辺側（図３において右側）であって、リア側ミラーＲＭと近い側の頂点にビームスプリッタＢＳ１を配置し、ビームスプリッタＢＳ１と近接させて励起光結合手段２２を、励起光が長辺と垂直な方向から入射するように配置している。すなわち図３において、縦方向に長い長方形状の右下の頂点にビームスプリッタＢＳ１を、左下の頂点に第１反射ミラーＭ１１を、右上の頂点に第２反射ミラーＭ２１を、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３１を、それぞれ配置している。また第１、第２、第３反射ミラーＭ１１〜Ｍ３１は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させて固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ１は、入射光に対して、直進する透過光と直角に反射させる反射光とに分岐するために、各辺に対して内角４５°の方向に傾斜させて固定されている。ビームスプリッタＢＳ１の右側に励起光結合手段２２が配置され、光ファイバケーブルと連結された光ファイバ結合部２２ａを介して入射されたＬＤユニットからの励起光がコリメートレンズ２２ｂで平行光に整形されて、ビームスプリッタＢＳ１に向かって（図３において左方向に）励起光が入射される。ビームスプリッタＢＳ１は入射光に対して４５°の角度で傾斜姿勢に固定されており、直進方向の透過光を第１励起成分Ｒ１、上方に反射させる反射光を第２励起成分Ｒ２として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタＢＳ１の左側には、入射光に対して４５°に傾斜して第１反射ミラーＭ１１が固定されており、第１励起成分Ｒ１を上方向に反射させる。この反射光は、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がＬ字状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ１で上方向に反射された第２励起成分Ｒ２は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２１で、水平方向（図３において左方向）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ１の透過光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３１で下方向に反射される。この第２励起成分Ｒ２の反射光が、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆Ｌ字状に形成される。この結果、第１反射ミラーＭ１１で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光と、第３反射ミラーＭ３１で反射された第２励起成分Ｒ２の反射光とが同一軸線上で対向する。そして第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入され、これらのダイクロイックミラー間に配置された固体レーザ媒質２１によりレーザ発振され、誘導放出光が出射側ミラーＦＭから取り出される。すなわち、レーザ発振光は４５°に傾斜されて固定された出射側ミラーＦＭで水平方向（図３において左方向）に反射され、Ｑスイッチ２８、アパーチャ２７を介して出力ミラー２６に到達し、レーザ出力光が出力される。
（実施の形態２）
以上のレイアウトは一例であって、ビームスプリッタＢＳや励起光結合手段２２、固体レーザ媒質２１の配置は変更することができる。次に、励起光結合手段２２の位置を変更したレイアウト例として、実施の形態２に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図４に示す。この図に示すレーザ共振部２０２も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図４において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置し、ビームスプリッタＢＳ２を、他方の長辺側（図４において左側）の、リア側ミラーＲＭと近い側の頂点に配置している。ここでビームスプリッタＢＳ２と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光が長辺上と一致する方向から入射するように配置している。なお、光学部材の配置は、図３と同様、縦方向に長い長方形状の右下の頂点にビームスプリッタＢＳ２、左下の頂点に第１反射ミラーＭ１２、右上の頂点に第２反射ミラーＭ２２、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３２を、それぞれ配置している。また第１、第２、第３反射ミラーＭ１２〜Ｍ３２は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させて固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ２は、図３と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。このビームスプリッタＢＳ２の下側に配置された励起光結合手段２２から（図４において上方向に）励起光が入射される。ビームスプリッタＢＳ２は図３と９０°異なる傾斜姿勢に固定され、直進方向の透過光を第２励起成分Ｒ２、水平方向（図４において左向き）に反射させる反射光を第１励起成分Ｒ１として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタＢＳ２の左側には、図３と同様に入射光に対して４５°に傾斜して第１反射ミラーＭ１２が固定されており、第１励起成分Ｒ１を上方向に反射させる。この反射光は、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がＬ字状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ２で上方向に透過された第２励起成分Ｒ２は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２２で、水平方向（図４において左向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ２の反射光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３２で下方向に反射される。この第２励起成分Ｒ２の反射光が、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆Ｌ字状に形成される。以下図３と同様に、第１反射ミラーＭ１２で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光と、第３反射ミラーＭ３２で反射された第２励起成分Ｒ２の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態３）
さらに他のレイアウト例として、実施の形態３に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図５に示す。この図に示すレーザ共振部２０３も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図５において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ３を、同じ長辺側で、リア側ミラーＲＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ３と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺上と一致する方向から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の左下の頂点にビームスプリッタＢＳ３、右下の頂点に第１反射ミラーＭ１３、右上の頂点に第２反射ミラーＭ２３、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３３を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１３〜Ｍ３３は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ３は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。図４と同様、ビームスプリッタＢＳ３の下側に配置された励起光結合手段２２から（図５において上方向に）励起光が入射され、直進方向の透過光を第１励起成分Ｒ１、水平方向（図５において右向き）に反射させる反射光を第２励起成分Ｒ２として、励起光を分岐させる。透過光である第１励起成分Ｒ１は、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。この例では、第１分岐経路Ｂ１が直線状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ３で水平方向（図５において右向き）に反射された第２励起成分Ｒ２は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１３で、垂直方向（図５において上向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ３の透過光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２３で水平方向（図５において左向き）に反射される。さらに入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３３で、垂直方向（図５において下向き）に反射される。この第２励起成分Ｒ２の反射光が、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆コ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタＢＳ３で透過された第１励起成分Ｒ１と、第３反射ミラーＭ３３で反射された第２励起成分Ｒ２の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態４）
さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態４に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図６に示す。この図に示すレーザ共振部２０４も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図６において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ４を、同じ長辺側で、リア側ミラーＲＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ４と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺と直交する方向（図６において頂点の左側）から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図５と同様に縦方向に長い長方形状の左下の頂点にビームスプリッタＢＳ４、右下の頂点に第１反射ミラーＭ１４、右上の頂点に第２反射ミラーＭ２４、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３４を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１４〜Ｍ３４は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ４は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。図５と同様、ビームスプリッタＢＳ４の左側に配置された励起光結合手段２２から、図６において右向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第２励起成分Ｒ２、垂直方向（図６において上向き）に反射させる反射光を第２励起成分Ｒ２として、励起光を分岐させる。反射光である第１励起成分Ｒ１は、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。この例でも第１分岐経路Ｂ１は直線状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ４を透過して図６において右向きに直進する第２励起成分Ｒ２は、図５と同様に入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１４で、垂直方向（図６において上向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ４の反射光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２４で水平方向（図６において左向き）に反射される。さらに入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３４で、垂直方向（図６において下向き）に反射される。この第２励起成分Ｒ２の反射光が、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆コ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタＢＳ４で反射された第１励起成分Ｒ１と、第３反射ミラーＭ３４で反射された第２励起成分Ｒ２の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態５）
さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態５に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図７に示す。この図に示すレーザ共振部２０５も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図７において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ５を、同じ長辺側で、出射側ミラーＦＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ５と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺と直交する方向（図７において頂点の左側）から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の左上の頂点にビームスプリッタＢＳ５、右上の頂点に第１反射ミラーＭ１５、右下の頂点に第２反射ミラーＭ２５、左下の頂点に第３反射ミラーＭ３５を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１５〜Ｍ３５は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ５は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタＢＳ５の左側に配置された励起光結合手段２２から、図７において右向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第１励起成分Ｒ１、垂直方向（図７において下向き）に反射させる反射光を第２励起成分Ｒ２として、励起光を分岐させる。反射光である第２励起成分Ｒ２は、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。この例では第２分岐経路Ｂ２が直線状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ５を透過して図７において右向きに直進する第１励起成分Ｒ１は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１５で、垂直方向（図７において下向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ５の反射光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２５で水平方向（図７において左向き）に反射される。さらに入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３５で、垂直方向（図７において上向き）に反射される。この第１励起成分Ｒ１の反射光が、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がコ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタＢＳ５で反射された第２励起成分Ｒ２と、第３反射ミラーＭ３５で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態６）
さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態６に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図８に示す。この図に示すレーザ共振部２０６も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図８において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ６を、同じ長辺側で、出射側ミラーＦＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ６と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺と一致する方向（図８において頂点の上側）から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図７と同様に縦方向に長い長方形状の左上の頂点にビームスプリッタＢＳ６、右上の頂点に第１反射ミラーＭ１６、右下の頂点に第２反射ミラーＭ２６、左下の頂点に第３反射ミラーＭ３６を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１６〜Ｍ３６は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ６は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタＢＳ６の上側に配置された励起光結合手段２２から、図８において下向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第２励起成分Ｒ２、水平方向（図８において右向き）に反射させる反射光を第１励起成分Ｒ１として、励起光を分岐させる。透過光である第２励起成分Ｒ２は、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。この例でも第２分岐経路Ｂ２が直線状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ６で反射されて図８において右向きに直進する第１励起成分Ｒ１は、図７と同様に入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１６で、垂直方向（図８において下向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ６の透過光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２６で水平方向（図８において左向き）に反射される。さらに入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第３反射ミラーＭ３６で、垂直方向（図８において上向き）に反射される。この第１励起成分Ｒ１の反射光が、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がコ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタＢＳ６で透過された第２励起成分Ｒ２と、第３反射ミラーＭ３６で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態７）
さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態７に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図９に示す。この図に示すレーザ共振部２０７も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図９において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ７を、他方の長辺側（図９において右側）の、出射側ミラーＦＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ７と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺と一致する方向（図９において頂点の上側）から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の右上の頂点にビームスプリッタＢＳ７、右下の頂点に第１反射ミラーＭ１７、左下の頂点に第２反射ミラーＭ２７、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３７を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１７〜Ｍ３７は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ７は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタＢＳ７の上側に配置された励起光結合手段２２から、図９において下向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第１励起成分Ｒ１、水平方向（図９において左向き）に反射させる反射光を第２励起成分Ｒ２として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタＢＳ７の左側には、入射光に対して４５°に傾斜して第３反射ミラーＭ３７が固定されており、第２励起成分Ｒ２を下方向に反射させる。この反射光は、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆Ｌ字状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ７で透過されて図９において下向きに直進する第１励起成分Ｒ１は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１７で、水平方向（図９において左向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ７の反射光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２７で垂直方向（図９において上向き）に反射される。この第１励起成分Ｒ１の反射光が、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がＵ字状に形成される。このようにして、第３反射ミラーＭ３７で反射された第２励起成分Ｒ２と、第２反射ミラーＭ２７で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
（実施の形態８）
さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態８に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図１０に示す。この図に示すレーザ共振部２０８も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側（図１０において左側）に固体レーザ媒質２１、リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭを配置している。ここではビームスプリッタＢＳ８を、他方の長辺側（図１０において右側）の、出射側ミラーＦＭと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタＢＳ８と近接させて配置する励起光結合手段２２を、励起光がこの長辺と直交する方向（図１０において頂点の右側）から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図９と同様に縦方向に長い長方形状の右上の頂点にビームスプリッタＢＳ８、右下の頂点に第１反射ミラーＭ１８、左下の頂点に第２反射ミラーＭ２８、左上の頂点に第３反射ミラーＭ３８を、それぞれ配置している。さらに第１、第２、第３反射ミラーＭ１８〜Ｍ３８は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角１３５°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタＢＳ８は、図３等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように４５°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタＢＳ８の右側に配置された励起光結合手段２２から、図１０において左向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第２励起成分Ｒ２、垂直方向（図１０において下向き）に反射させる反射光を第１励起成分Ｒ１として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタＢＳ８の左側には、入射光に対して４５°に傾斜して第３反射ミラーＭ３８が固定されており、透過した第２励起成分Ｒ２を下方向に反射させる。この反射光は、第２集光レンズ６２で集光されて出射側ミラーＦＭに投入される。以上のようにして、第２分岐経路Ｂ２が逆Ｌ字状に形成される。
一方、ビームスプリッタＢＳ８で反射されて図１０において下向きに進行する第１励起成分Ｒ１は、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第１反射ミラーＭ１８で、水平方向（図１０において左向き）に反射される。反射光はビームスプリッタＢＳ８の透過光と平行に進み、入射光に対して４５°の傾斜姿勢に固定された第２反射ミラーＭ２８で垂直方向（図１０において上向き）に反射される。この第１励起成分Ｒ１の反射光が、第１集光レンズ６１で集光されてリア側ミラーＲＭに投入される。以上のようにして、第１分岐経路Ｂ１がＵ字状に形成される。このようにして、第３反射ミラーＭ３８で反射された第２励起成分Ｒ２と、第２反射ミラーＭ２８で反射された第１励起成分Ｒ１の反射光とが同一軸線上で対向し、第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２が各々リア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭに投入されてレーザ発振される。
以上のように、励起光の分岐経路を長方形状に構成することで、固体レーザ媒質２１とこれに励起光を投入する励起光源１１の配置を簡素化できる。このような配置パターンの変形例を纏めて図１１の模式図に示す。この図において、括弧内の数字は実施の形態の番号に対応させている。このように、第１分岐経路と第２分岐経路とを合わせた分岐経路Ｂを長方形状に構成し、長方形状の一辺（ここでは長辺）の軸上に固体レーザ媒質２１を配置し、さらに長方形状のいずれかの隅部で、いずれかの辺に沿って励起光を入射するよう配置することができる。このため、分岐経路Ｂを長方形状に維持したまま励起光源１１の配置位置を容易に変更できる。このように、レイアウトの設計変更を容易に行うことができ、極めて簡素で且つコンパクトな構成で２方向励起を実現できる。
固体レーザ媒質２１は、図１１に示すように長方形状のいずれかの長辺上に配置することが望ましい。固体レーザ媒質２１を配置する辺は、固体レーザ媒質２１に加えてリア側ミラーＲＭ、出射側ミラーＦＭ等を配置するため、ある程度の長さが必要な一方、短辺上にはこれらを配置する必要がないため、この部分を短くして分岐経路の長方形状をコンパクトにでき、レーザ共振器の小型化を実現できるからである。ただ、レーザ共振器のレイアウトによっては、図１２に示すように短辺側に配置することもできる。また分岐経路は長方形状に限られず、図１３に示すように正方形状に構成しても良い。これにより、固体レーザ媒質２１をいずれの辺にも配置できるので、レイアウトの自由度が一層高められる。すなわち、各光学部材の配置を物理的なスペースやレイアウトの要求に応じて適切に配分し、効率的な配置を採用できる。
なお後述するように、固体レーザ媒質２１のリア面側に励起光の分岐成分を多く投入する観点からは、反射ミラーによる反射回数が少なく損失の少ない実施形態３や実施形態４、あるいは実施形態１、２が好ましいと言える。特に実施形態３では、リア面側に投入する第１分岐成分を反射させることなく第１端面に投入できるので、損失低減の観点からは好ましい。ただ、ビームスプリッタによる分岐の比率の調整によって、他の実施形態でも同様の効果を得られることはいうまでもない。ビームスプリッタ側の調整によって、反射ミラーによる損失等を考慮して設計でき、レイアウトの制約を受けることなく自由な配置が可能となる。
（固体レーザ媒質２１）
固体レーザ媒質２１は、一方向に延長され、長手方向に２つの端面を有する結晶である。ここで端面は、励起光の入射面を構成する第１端面と、第１端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面とで構成される。図３の例では第２端面を取り出し面（出射面）といい、第１端面をリア面（入射面）という。また出射面は出射側ミラーＦＭと、リア面はリア側ミラーＲＭと、それぞれ対向させている。さらにビームスプリッタＢＳで第１励起成分Ｒ１、第２励起成分Ｒ２に分岐された励起光の内、第１励起成分Ｒ１がリア面側に、第２励起成分Ｒ２が出射面側に、それぞれ入射される。
上記の例では、固体レーザ媒質２１としてロッド状のＮｄ：ＹＶＯ4結晶を用いた。また固体レーザ媒質２１の励起用半導体レーザの波長は、このＮｄ：ＹＶＯ4の吸収スペクトルの中心波長である８０８ｎｍ近傍に設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質２１として、例えば希土類をドープしたＹＡＧ、ＬｉＳｒＦ、ＬｉＣａＦ、ＹＬＦ、ＮＡＢ、ＫＮＰ、ＬＮＰ、ＮＹＡＢ、ＮＰＰ、ＧＧＧ等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質２１に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光の波長を任意の波長に変換できる。波長変換素子としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＰＯ4）、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばＫＮ（ＫＮｂＯ3）、ＫＡＰ（ＫＡｓＰＯ4）、ＢＢＯ、ＬＢＯや、バルク型の分極反転素子（ＬｉＮｂＯ3（Periodically Polled Lithium Niobate ：ＰＰＬＮ）、ＬｉＴａＯ3等）が利用できる。また、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｓｍ、Ｎｄ等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
（Ｎｄ濃度）
ロッド状の固体レーザ媒質２１結晶は、円柱状、角柱状いずれの形状でも利用できる。ここでは角柱状の固体レーザ媒質２１結晶として、端面が３ｍｍ（Ｈ）×３ｍｍ（Ｗ）で長さ（Ｌ）が１５ｍｍの直方体状としたＮｄ：ＹＶＯ4結晶を使用した。さらにＮｄの濃度は、１％以下とすることが好ましい。
一般に、Ｎｄの濃度を高くするほど、レーザ光の吸収が良くなる。反面、濃度を高くしすぎると励起光が結晶の深部まで浸透せず、表面の狭い領域で励起されてしまう傾向がある。特にＮｄ：ＹＶＯ4結晶は熱伝導係数が小さいので、ＬＤユニットが高出力になると、熱レンズを生じさせ破損する虞がある。またＹＶＯ4結晶は一軸性結晶で強いへき開を持つため、Ｃ軸に沿って割れやすい性質がある。このように、高濃度の結晶を用いることで強熱レンズが発生し易くなり、共振器の動作が不安定となってビーム品質の低下を招くと共に、急激な励起光の投入は結晶の割れを引き起こす虞もあった。特にＹＶＯ4結晶は一軸性結晶で強いへき開性を持つため、Ｃ軸に沿って割れやすいという性質を持つ。これを緩和するためにはＮｄ濃度を低くすることが有効である。
ただ、Ｎｄ濃度を低くすると結晶へのトータルの吸収量は増加するものの、レーザビームモードと吸収部との空間マッチングが低下するために、励起光を有効に利用できない状態となって吸収効率が低下する。加えて、低濃度の結晶を用いた場合には、励起光源１１であるＬＤの波長に対して敏感になり、安定した波長が得られないという問題もあった。したがって、これらを勘案した上でＮｄの濃度を適切に調整する必要がある。
図１４に、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶において、励起光の波長に対する吸収効率の変化を示すグラフを示す。ここでは、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶として端面が３ｍｍ×３ｍｍの直方体状とし、結晶長とＮｄ濃度を変化させた複数の結晶で、総励起光に対する吸収光の比率を比較した。具体的には、結晶長が１５ｍｍの場合のＮｄ濃度を０．１０％、０．２０％、０．２７％、０．３０％、０．４０％と変化させ、またＮｄ濃度０．２７％の場合で結晶長を１０ｍｍに変化させた例につき、それぞれ測定した。この図に示すように、概ねＮｄ濃度を高くするほどレーザ光の吸収効率も高くなる。またいずれも励起光の波長が８０８ｎｍ〜８０９ｎｍ近傍で吸収効率のピークを示した。ただし、Ｎｄ濃度を上げすぎると熱による不安定化や破損を生じる。このため固体レーザ媒質２１のＮｄ濃度は１％以下とし、好ましくは０．１％〜０．４％の範囲とする。ただ、実際に製造される固体レーザ媒質２１結晶のＮｄ濃度には、±０．０３％〜０．０５％程度のばらつきがあるため、これらを考慮して０．２２％〜０．３２％程度に設定される。最も好ましくは０．２７％付近とすることで、バランスよく吸収効率を維持できる。また結晶長（Ｌ）を短くすると吸収効率が低下する傾向が見られたことから、１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度に設定し、好適には１３ｍｍ〜１７ｍｍ、より好ましくは１５ｍｍ近傍の結晶を用いる。
なお、固体レーザ媒質２１結晶の断面は、励起光のスポット径よりも大きければ足り、また結晶形状も直方体状に限られず、円柱状その他の形状が適宜利用できる。例えば励起光のスポット径がφ１ｍｍであれば、この大きさの円柱状としてもよい。ただ、固体レーザ媒質２１結晶が細いと破損し易くなる等の問題があり、組み立て時における結晶の取り扱いの容易さを考慮して、結晶端面の面積や結晶の形状は、一定の大きさとすることが有利であるため、ここでは結晶端面を３ｍｍ×３ｍｍの直方体状とした。
また必要に応じてＮｄ：ＹＶＯ4結晶の側面に金メッキ等を施すことで熱レンズ効果を抑制し、固体レーザ媒質２１の発振モードを強化することもできる。
（２方向励起方式）
固体レーザ媒質２１を励起するレーザ加工装置では、量子効率の限界から、励起パワーのうち３割〜４割が熱となり失われてしまう。そのため極限的な性能を発揮させるためには、強励起により顕在化する熱複屈折や熱レンズ、熱複レンズ、更には熱による破壊等の様々な熱問題を解決する必要がある。特にＬＤ励起固体レーザ加工装置においては、固体レーザ媒質２１の励起光吸収に伴う発熱が結晶そのものにレンズ効果を誘起し、熱レンズを生じさせる。熱レンズはレーザ共振器の安定性を著しく阻害し、共振器の設計の大きな障害となる。このような問題に対し、本実施の形態では２方向励起方式を採用し、かつレーザ励起部１０として一の励起光源１１を使用し、これを分岐して各端面から投入する構成とすることで、熱レンズ等の発生を抑制することに成功した。またこれに加えて、励起波長に対する安定性や立ち上がり特性の改善の効果も得られる。
（波長変化に対する安定性）
図１５に、ＬＤユニットの波長に対するレーザ出力光の変化を、１方向励起と２方向励起で比較したグラフを示す。ここでも、Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶として端面が３ｍｍ×３ｍｍの直方体状を使用し、１方向励起としてＮｄ濃度が０．２７％で結晶長が１０ｍｍ、２方向励起としてＮｄ濃度が０．２７％で結晶長が１５ｍｍのものを使用した。この図から示すように、１方向励起では、８０８ｎｍを中心として励起光の波長がずれるとレーザ出力光も大きく変化する。このため、ＬＤユニットのピーク波長のばらつきによりレーザ出力が変化してしまい、均質なレーザ加工装置を得ることが困難となる。特に半導体発光素子は一般に個体差があり、波長ばらつきが生じやすい傾向にあるため、通常は±２ｎｍ〜３ｎｍ程度の誤差を考慮する必要がある。さらに励起光の波長は温度依存性もあるため、ペルチェ素子などを使用したＬＤ素子の温度制御も必要となる。このようなことから、従来は波長ばらつきを考慮した上で、最もレーザ出力が低くなるものに合わせて設計することが行われており、本来の出力が生かされていなかった。
これに対し、２方向励起では、励起光が８０８ｎｍからずれても、レーザ出力光が安定している。このことから、２方向励起により励起光の波長依存性を抑制し、ＬＤユニットの波長変化によらず安定したレーザ出力光を得ることができることが確認できた。
（立ち上がり特性）
さらに図１６に、レーザ出力光の時間変化を１方向励起と２方向励起で比較したグラフを示す。この図においても、Ｎｄ濃度が０．２７％で端面３ｍｍ×３ｍｍの直方体状Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶を使用し、ＬＤユニットの波長を８０６ｎｍ、８０８ｎｍ、８１０ｎｍに変化させ、１方向励起及び２方向励起それぞれのＬＤユニットの電流を０Ａから３５Ａに変化させたときのレーザ出力光の時間変化を測定した。なお、結晶長は比較試験の都合上、１０ｍｍ（一方向励起）、１５ｍｍ（２方向励起）とした。この図から示すように、１方向励起では、励起波長が８０８ｎｍ、８１０ｎｍのものではなだらかな上昇を示し、また８０６ｎｍでは逆にオーバーシュートが発生しており、さらに出力の安定までに約１．４秒要している。一方、２方向励起では、いずれの波長においても急峻な立ち上がりと早期の安定性を示しており、レーザの立ち上がり特性が優れていることが確認された。また８０６ｎｍでのオーバーシュートも、極低レベルに抑制されている。
さらにこのことを確認すべく、図１７に、図１６と同じくＮｄ濃度０．２７％、３ｍｍｘ３ｍｍｘ１５ｍｍの直方体状Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶を使用した２方向励起における、ＬＤユニットの電流を０Ａから４５Ａに変化させた際のレーザ出力光の時間変化を、ホトダイオードで測定した波形を示す。この図からも明らかなように、約２０ｍｓ程度の極めて短時間で所望のレーザ出力光のレベルに到達し、オーバーシュートを生じることなく安定した出力が得られていることが確認できた。このように、本実施の形態の条件に従えば、レーザ出力光の立ち上がり時に出力が安定するまでに要する時間を従来の１／１０以下に高速化できる。またこの結果、加工精度を維持しつつ応答性、追従性を高め、待機時間を縮小した高速な加工も実現できる。従来のレーザ加工においては、レーザ出力の応答性の問題から、レーザ加工パターンのブロック毎にレーザ出力を変化させることができず、レーザ出力を変化させる際は出力が安定するまでの間待機する待機時間（例えば３００ｍｓ）が必要であった。これに対し、上記構成では立ち上がり時の安定性に優れるため、高速な追従が可能で、従来困難であった、レーザ加工パターンのブロック毎にレーザ出力を変化させることも可能となる。
このように、上記構成を採用することでＬＤユニットの波長に対してレーザ出力の変化を抑制し、さらにレーザ出力値の変化に対して、出力されるレーザ光の追従性が速いという優れた利点を実現している。本発明者の行った試験によれば、従来例ではレーザ出力光の設定を０％から１００％に変化させた際の、実際に出力されるレーザ出力光の追従性は３００ｍｓｅｃであったのに対し、本実施の形態では２０ｍｓｅｃを達成した。
（分岐手段２３による分岐比率の調整）
単一の励起光源１１から２方向に分岐されたレーザ励起光は、固体レーザ媒質２１の長手方向の各端面から各々ポンピングされる。この際、リア側ミラーＲＭ側から入力する励起光の大きさを、出射側ミラーＦＭ側から入力する励起光より大きくしている。本発明者は熱レンズについて鋭意研究した結果、固体レーザ媒質の出射側よりもリア側で発生した熱レンズの方が、共振器内部に与える影響が小さいとの知見を得た。図３の構成においては、ビームスプリッタＢＳの反射率によって、リア側ミラーＲＭと出射側ミラーＦＭへの分岐比率を調整している。すなわち、反射率が高いほど出射面側により多くの励起光が照射され、逆に反射率が低いほど、即ち透過率が高いほどリア面側に多くの励起光が照射される。ここでは、ビームスプリッタＢＳでの分岐比率は、リア面側の結晶端面に対して総パワーの５０％以上が投入される構成とすることが好ましい。
また、反射率の更なる最適化を図るため、２方向励起方式においてビームスプリッタの反射率を変更して、励起光源のＬＤのパワーに対するレーザ出力光のパワーを測定した結果を、図１８及び図１９に示す。これらの図においては、ビームスプリッタの反射率を２０％、３３％、４５％とした場合の典型的な出力特性を測定し、図１８はＣＷ動作時、図１９はＱスイッチ動作時の出力をそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、励起光源のＬＤパワーが高くなるにつれてレーザ出力も上昇するが、ＣＷ動作時で４５Ｗ付近、Ｑスイッチ動作時で４０Ｗ付近より、熱レンズの特長である出力の飽和、低下が見られる。この状態では、ビームモードも悪化していることが観察された。このことから、反射率が低すぎてもレーザ出力の低下が顕著となることが確認された。実用レベルにおいては、反射率を３０％〜５０％の範囲とすることが好ましい。また、最も好ましくは反射率が３３％付近、すなわちビームスプリッタが入射光をリア面と出射面に分岐させる比率を、ほぼ２：１に設定する。この値近傍で、最も高いレーザ出力を得ており、レーザ出力の低下を最小限に抑えた高効率な動作が得られることが確認できた。上記数値範囲の優位性は、ＣＷ動作時、Ｑスイッチ動作時のいずれにおいても確認された。なお、Ｑスイッチ動作の方が、ＣＷ動作時に比べて全体としてレーザ出力が低下しており、また励起光が低い段階から低下が生じていることから、熱レンズの影響を受け易いことが確認でされた。
なお、リア側に分岐させる比率を上げすぎると、励起光がリア側に偏在してこの面で熱レンズが発生する虞が高くなるため、入射光をリア面と出射面に分岐させる比率は４：１近傍を上限とする。
（出力ミラーの反射率）
一方で、出力ミラーの反射率によって、共振器から取り出せるエネルギーは決定される。このため、反射率を最適に設定する必要がある。一般に共振器の反射率を高くすると、共振器内部に閉じ込められるエネルギーが高くなるため、共振器内部を構成する光学部材を損傷する虞が高くなる。このため、光学部材への負荷を低減する観点から、出力ミラーの反射率を低い値に設計することが望ましいが、このためには結晶内部の励起密度を上げる必要があるところ、従来の１方向励起では熱レンズと結晶破損の観点から励起密度を上げるには限界がある。
ここで、共振器内部のエネルギーを算出する式を図２０に示す。この図に示すように、共振器内部に閉じ込められるエネルギーＥrsnは、出力ミラーから出射される出力をＸ、出力ミラーの反射率をＲとすると、Ｅrsn＝｛（１＋Ｒ）Ｘ｝／（１−Ｒ）で表現できる。今仮に１０Ｗのレーザ出力光を得るレーザ加工装置を設計するには、出力ミラーの反射率を９０％とした場合には共振器内部に１９０Ｗのエネルギーが蓄積されることになる。このような高いエネルギーは共振器を構成する光学部材に熱を発生させる原因となり、場合によってはミラー等で発生する光学的な熱歪みのためにレーザビームの品質を悪化させることになる。特に、Ｑスイッチを搭載したパルスレーザにおいては、数十ｋＷのピークパワーを発生させることになり、これによって共振器を構成する光学部材が損傷を受けることになる。
そこで、出力ミラーの反射率を９０％から７０％に低減することで、共振器内部に蓄積されるエネルギーは３分の１程度に抑えることができる。さらに５０％まで低減すれば２分の１程度にできる。このように、出力ミラーの反射率は低く設計する方が望ましい。好ましくは反射率を７０％以下として、効率よくパワーを取り出すことができる。また安定性の観点から、反射率を５０％程度に設定することで、多少出力が低下するものの、信頼性を高める利点が得られる。
（出力ミラー反射率下限の設定）
一方で、出力ミラーの反射率を低くしすぎると、却って弊害が生じる虞がある。図２１に、２方向励起方式における出力ミラーの反射率に対するレーザ出力の変化を、図２２に、出力ミラーの反射率に対する共振器内部エネルギーの変化を、それぞれ示す。
図２１から、出力ミラーの反射率は７０〜８０％程度で最大出力を与えることが判る。また５０〜６０％でも、上記範囲の９割近くの出力を維持でき、また図２２から共振器内部に閉じ込められるエネルギーを低く抑えることができる。このことから、共振器内部エネルギーを低減する観点からは、出力ミラーの反射率を５０〜６０％に設定することが好ましい。
一方で、出力ミラー反射率を一層低く３０〜５０％に設定したとしても、出力としては図２１によれば８割以上が見込まれる上、図２２から共振器内部に閉じ込められるエネルギーが一層低減できると思われることから、出力を多少犠牲にしてでも信頼性を確保するという観点からは、一見好ましい構成のように思われる。しかしながら、反射率を３０％以下に設定した場合には、出力を低下させた分だけ共振器内部に閉じ込められるエネルギーを低減することができない。
特に、このように低い反射率を選択した場合には、最大励起パワーではある程度の出力を確保できたとしても、励起パワーを段階的に変化させる場合や、低出力で出力を変化させた場合に問題となる。一般には出力ミラー反射率の設計は、最大励起パワー＝最大出力発生時と仮定して、このデータを元にして決定される。しかしながら実際のレーザ加工装置は常に最大出力で使用される訳でなく、これ以下の異なる励起範囲でも使用される。このような場合に、出力ミラー反射率が極端に低い場合には、レーザ発振閾値が上がってしまうという弊害が生じる。図２３に、図１８に比べビームスプリッタの反射率を大きくした場合（５０％）と小さくした場合（３％）における、励起光源のＬＤのパワーに対するレーザ出力光のパワーを測定したグラフを示す。この図に示すように、反射率が低くなるとレーザ出力光が得られる励起光のレーザ発振閾値が約１３Ｗから２０Ｗに上昇している。これは、ＬＤユニットのパワーが低い方が固体レーザ媒質内部のゲインが下がる、すなわち励起密度が下がるため、結果として最適な出力ミラー反射率が、ＬＤユニットのパワーが高い場合と比較して相対的に大きくなってしまうためである。このためＬＤユニットのパワーが低い場合には、最適な反射率の設計からはずれ、効率の悪い発振を強いられることとなる。このような発振効率の場合には、出力が不安定になり、温度やミラーコーティングの経時劣化によるレーザ出力光の変化が大きくなるという問題が発生する。このため、出力ミラー反射率を極度に下げすぎると総体的にメリットが得られないことになる。このような点を勘案すると、出力ミラーの反射率は３０％〜７０％の範囲が好ましいといえる。より好ましくは、４０％〜５０％とする。
（出力ミラーの反射率を低減させる利点）
ここで、レーザ出力Ｐの計算式を検討する。出力ミラーの透過率をＴ、共振器内部損失をＬｏｓｓ、固体レーザ媒質の断面積（有効励起断面積）をＡ、固体レーザ媒質の結晶長さ（有効励起長さ）をＬとし、また固体レーザ媒質内部に発生する小信号利得をｇ0、飽和定数をＩｓ（＝ｈν／δτf）とする。このときレーザ出力Ｐは次の数１によって表現される。
［数１］
Ｐ＝Ｔ・（Ｔ＋Ｌｏｓｓ）・Ａ・Ｉｓ・ｇ0・Ｌ−Ｔ・Ａ・Ｉｓ／２
上記数１をＴの方程式と考えると、極大値を与えるＴoptのとき、出力ミラーから取り出せるパワーが最大となる。よってＴoptを計算すると、次式数２のようになる。
［数２］
Ｔopt＝（（ｓｑｒｔ（２・ｇ0・Ｌ／Ｌｏｓｓ）−１）Ｌｏｓｓ
数２より、小信号利得ｇ0が大きい方が最適な出力ミラーの透過率Ｔoptも大きくなり、よって出力ミラーの反射率Ｒが小さくなる。以上から、小信号利得ｇ0が大きくなるような設計をすれば、最も効率よくエネルギーを取り出せる出力ミラーの反射率Ｒを小さくできる。一方で、出力ミラーの反射率Ｒ、出力ミラーから取り出せる出力をＸとすると、共振器内部に閉じ込められるパワーは、図２０に示すように次式数３で表現できる。
［数３］
（１＋Ｒ）・Ｘ／（１−Ｒ）
このことから、出力ミラーの反射率Ｒが小さいほど、共振器内部に閉じ込められるエネルギーは小さくなり、出力ミラーやリア側ミラー、固体レーザ媒質端面におけるコーティング損傷のリスクは小さくなることが判る。
一方、上記小信号利得ｇ0は次式数４によって表現される
［数４］
ｇ0＝σ・Ｎ0・Ｗｐ・τf
上式において、σは誘導放出断面積、τfは蛍光寿命でいずれも物性値であり、固体レーザ媒質の種類（Ｎｄ：ＹＶＯ4かＮｄ：ＹＬＦかなど）によって決まる。一方、Ｎ0、Ｗｐはそれぞれ単位体積に存在する励起源（原子数）のポンピングレートを意味し、その積Ｎ0・Ｗｐは励起される原子の単位時間・単位体積当たりの数を意味することになる。よって、ｇ0の大きなレーザ加工装置を設計するには、励起光を小さなボリュームに集光して励起し、単位体積内で励起される原子数を増やせばよいことになり、励起密度を上げればｇ0が大きいということに繋がる。これにより、励起ボリュームが小さくなるように設計し、励起密度を上げて励起を行えばｇ0が大きくなり、結果として出力ミラーの反射率を下げても、出力ミラーより効率的にレーザの取り出しが行えるようになる。これによって、共振器を構成する光学部材に使われているコーティングが損傷するリスクを低減できる。
以上の観点からは、励起密度を上げる設計が好ましいことになる。しかしながら、固体レーザ媒質内部に発生する熱レンズのために、現実には上記した計算式通りの出力が得られない。固体レーザ媒質内部に発生した熱レンズはモードを悪化させたり、場合によっては共振器の安定動作を妨げ、レーザが発振しないケースも生じ得る。よって、熱レンズの発生量が同一であるという前提のもとでは、上記理論に基づいて励起密度を高めるのが好ましいといえる。特に、従来の１方向励起に比べ２方向励起の方が、励起光を分散させることによってトータルの熱レンズ発生量を低下できる。これにより、２方向励起では、励起密度を高めても、従来の１方向励起と同等の熱レンズ発生状態を実現することが可能となり、その分出力ミラーの反射率を抑えることが可能となる。このように、２方向励起を用いて熱を分散させ、その分高い密度で励起することが可能となり、さらにこれによって出力ミラーの反射率を抑えることができ、共振器内部に蓄積されるエネルギーを抑制できる。
（モードマッチング）
さらに、２方向励起において励起光のスポット径を、固体レーザ媒質の有するＴＥＭ00ビームモードよりも小さくすることで、一層の高効率化を図ることができる。従来の２方向励起においては、固体レーザ媒質の各端面に対して、照射する励起光のスポット径を、固体レーザ媒質の持つＴＥＭ00モード径のサイズより若干大きくすることで、励起が励起が狭い範囲に集中して熱レンズや強熱レンズ効果が発生する問題を回避していた。しかしながらこの方法では、ＬＤユニットの出力が低い場合には対応できても、高出力のＬＤユニットを使用する場合においては固体レーザ媒質結晶内でのゲインの増大を図ることが困難であった。そこで、共振器内部に発生するＴＥＭ00モードよりも細い励起スポット径として強密度励起することで、固体レーザ結晶内部に発生するゲインを増大させる。
より詳細に説明すると、ＴＥＭ00ビームモードとは、単一波長を発振できるモード（シングルモード）であり、このモードでレーザ発振させることでレーザ出力光の位相が揃い、乱れのない高品質な出力光を得ることができる。ＴＥＭ00モードを得るためには、アパーチャ等を用いて、固体レーザ媒質の端面でＴＥＭ00モードの領域のみを励起する。ここで従来の発想では、狭い領域で励起させると熱レンズが発生し易いと考えられていた。また一旦熱レンズが発生すると、アパーチャ等で集光させてＴＥＭ00モードとしても、熱レンズ効果によって出力光が広がってしまう。このことから、ＴＥＭ00モードよりも若干大きく励起して熱レンズ等を回避すること行われていた。ただ、広い領域で励起するとシングルモードからマルチモードが混在するようになる。一方でスポット径を細くして励起すると、上述の通り熱レンズが発生し、シングルモードが得られなくなる。例えば２〜３Ｗ程度といった出力の低いレーザ加工装置であれば、細く励起してもシングルモードが得られる。しかしながら、１０Ｗクラスの出力になると、細く励起すると熱の影響によりシングルモードが得られない。そこで、上述の通り２方向励起方式を採用することで、熱の集中を緩和させ、この結果細いスポット径で励起しても、シングルモードで励起できるようになる。以上のように、２方向励起とスポット径の調整を併用することで、必要な領域のみを強調して励起し、高効率で高品質なレーザ出力光を得ることができる。例えば従来の方式では、３０ＷのＬＤユニットの入力で９Ｗの共振器出力を得ていたのに対し、本実施の形態では２方向励起とモードマッチングの組み合わせにより効率を改善し、４０ＷのＬＤユニットの入力で平均出力１０Ｗ以上、ピークパワー３０ｋＷ以上の共振器出力を得ることができる。さらに、平均出力を１５Ｗ、ピークパワーを１００ｋＷとすることもできる。
さらにＴＥＭ00モードのスポット径を１．３以下としてシングルモード出力を可能としており、加えてレーザ出力光が０．５Ｗ〜１５Ｗのすべての出力範囲でＴＥＭ00モードのスポット径１．３以下に抑えることができる。
スポット径の調整は、集光レンズで行う。集光レンズは、反射ミラーで反射された、あるいは分岐手段２３で反射乃至透過された平行光を所定のスポット径に集光して、固体レーザ媒質の端面に投入する。
（レーザ光走査系３０）
以上のようにしてレーザ共振部で生成されたレーザ出力光を、レーザ光走査系３０で所望の加工パターンにてワークＷ上の作業領域内に走査して、加工を行う。レーザ共振部２０とレーザ光走査系３０は光学的に接続されており、例えば図３において出力ミラー２６から出射されるレーザ出力光を折り返して、下方に配置したレーザ光走査系３０に伝送する。
レーザ光走査系３０は、レーザ光を反射させて所望の方向に出力し、ワークＷの表面でレーザ出力光を走査して加工するためのスキャナを備える。各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動部３５に接続される。スキャナ駆動部３５は制御部５０に接続され、スキャナを制御する制御信号を制御部５０から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動部３５は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動部３５は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動部３５の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。
図１に示すレーザ光走査系３０は、一対のＸ軸スキャナ３１、Ｙ軸スキャナ３２と、これらをそれぞれ回動するガルバノモータ３３、３４とを備えている。ガルバノモータ３３、３４は、スキャナ駆動部３５で駆動される。スキャナ駆動部３５は、制御部５０から与えられる走査信号に基づいて、ガルバノモータ３３、３４を駆動させることにより、ガルバノモータ３３、３４の出力軸に設けられたＸ軸スキャナ３１、Ｙ軸スキャナ３２の全反射ミラーを回動させて、固体レーザ媒質２１から発振されたレーザ出力光を偏向・走査する。偏向・走査されたレーザ出力光は、略偏向方向に設けられた作業領域集光部４０を介してワークＷの表面に照射されてマーキングする。作業領域集光部４０は、スキャナがニュートラル位置にある状態において偏向されたレーザ出力光がその中央を平行光として入射されるように設けられている。
作業領域集光部４０は、ｆθレンズ等の作業領域集光レンズが使用される。レーザビームは、ガルバノミラーにより反射された後、作業領域集光レンズにより集光して照射面に照射されるが、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図１に示すようにガルバノミラーにビームエキスパンダ３６を前置し、レーザ発振部５０から出力されるレーザビームのビーム径を拡げるようにしている。ビームエキスパンダ３６からの出射ビームは、ミラーなどの光学部材により反射してレーザ光走査系３０のガルバノミラーに導かれる。なおｆθレンズ等の作業領域集光部は、後述するようにＺ軸スキャナにその機能を代用させて、省略することもできる。
レーザ光走査系３０の一例を図２４、図２５、図２６に示す。これらの図において、図２４はレーザ加工装置のレーザ光走査系３０の構成を示す斜視図を、図２５は図２４を逆方向から見た斜視図を、図２６は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ出力光を発生させるレーザ共振部２０と光路を一致させたＺ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ３６と、Ｘ軸スキャナ３１と、Ｘ軸スキャナ３１と直交するよう配置されたＹ軸スキャナ３２とを備える。このレーザ光走査系３０は、レーザ共振部２０より出射されるレーザ出力光をＸ軸スキャナ３１、Ｙ軸スキャナ３２で作業領域ＷＳ内で２次元的に走査させ、さらにＺ軸スキャナ３７で高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、３次元状に加工加工が可能となる。なお、Ｘ軸スキャナ、Ｙ軸スキャナ、Ｚ軸スキャナは、互いに入れ替えても同様に機能できることはいうまでもない。例えばＺ軸スキャナを出射したレーザ出力光をＹ軸スキャナで受けるよう構成したり、あるいはＸ軸スキャナでＹ軸を制御し、Ｙ軸スキャナでＺ軸を制御するよう配置してもよい。なおこれらの図においては、作業領域集光レンズであるｆθレンズは図示を省略している。
レーザ加工装置においては一般に、Ｙ軸スキャナで反射されたレーザ出力光を作業領域に照射させるよう集光するために、Ｙ軸スキャナと作業領域の間には、ｆθレンズ等の作業領域集光レンズを配置している。ｆθレンズは、Ｚ軸方向の補正を行う。具体的には、図２７（ａ）に示すように、作業領域ＷＳの端部に近付くほど焦点位置を伸ばし、ワークＷの加工対象面上に位置させる補正である。レーザ出力光の焦点位置は円弧状の軌跡となるため、加工対象面が平面の場合、鉛直下の位置、図２７（ａ）において加工対象面を示す平面ＷＭの中心で焦点位置が合うように設定すると、中心から離れるほど、すなわち作業領域ＷＳの周辺に近付くほど焦点位置が加工対象面から遠ざかり（レーザ出力光ＬＢ’）、焦点が合わず加工精度が低下する。そこで、図２７（ｂ）に示すように作業領域ＷＳの端部に近付くほどレーザ出力光ＬＢの焦点位置が長くなるよう、ｆθレンズで補正する。仮想的に加工対象面の平面ＷＭが、ＷＭ’で示す凸状曲面の補正面となるよう変換することで、レーザ出力光ＬＢの焦点位置を平面ＷＭ上に位置させることができる。
レーザ加工装置において、例えばスポット径を約５０μｍより小さいビームを形成したい場合は、ｆθレンズを配置することが好ましい。一方、上述の小スポット径よりも大きい、スポット径が約１００μｍ程度（通常良く使用されるスポット径）のビーム径を採用する場合は、Ｚ軸スキャナ側のビームエキスパンダに備えられたＺ軸集光レンズをＺ軸方向に移動させることにより、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、補正制御として行うことができる。これにより、スポット径が大きい場合はｆθレンズを省略することも可能となる。上述した図２７（ａ）の例では、ｆθレンズが行うべきＺ軸方向の補正を、Ｚ軸スキャナの補正制御に行わせている。一方、スポット径が小さい場合は、Ｚ軸スキャナによる補正では焦点位置の調整が不十分となるため、上述の通りｆθレンズを用いる。本実施の形態では、レーザ出力光のスポット径として小スポット、標準、ワイドスポットの３種類を用意しており、この内の小スポットタイプのみ、ｆθレンズで作業領域ＷＳ端部の歪みを矯正し、標準及びワイドスポットではｆθレンズを使用せず、Ｚ軸スキャナで補正している。
Ｚ軸スキャナのビームエキスパンダに備えられたＺ軸集光レンズでＺ軸方向の補正制御を行う場合も、上述したｆθレンズによる補正と同様の補正を行う。図２７（ｂ）で説明した補正面ＷＭ’の高さ、すなわちＺ座標は、ＸＹ座標によって一義的に決定される。このため、ＸＹ座標毎に、補正後のＺ座標を関連付けておくことで、ＸＹ軸スキャナの移動に従いＺ軸スキャナを関連付けられたＺ座標に移動させれば、常に焦点位置での加工が可能となる。関連付けのデータは、図２８に示すレーザ加工データ設定装置の記憶部７２で保存する。あるいはレーザ加工装置のレーザ制御部１に備えられたメモリ部５２に保存、転送することもできる。これによって、作業領域内におけるＸＹ座標の移動に追従して、補正後のＺ座標が決定されるので、作業領域内でほぼ均一に焦点位置が調整されたレーザ出力光を照射できる。
（Ｚ軸スキャナ３７）
Ｚ軸スキャナ３７はレーザ出力光のスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ３６を構成している。すなわち、ビームエキスパンダ３６で入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザ出力光のビーム径を拡大／縮小し、焦点位置も変化させることができる。ビームエキスパンダ３６は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図２４に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ共振部２０から出力されるレーザ出力光のビーム径を調整すると共に、レーザ出力光の焦点位置を調整可能としている。Ｚ軸スキャナ３７がワーキングディスタンスを調整する方法を、図２９〜図３１に基づいて説明する。図２９、図３０はレーザ光走査系３０の側面図であり、図２９はレーザ出力光の焦点距離を長くする場合、図３０は焦点距離を短くする場合をそれぞれ示している。また図３１はＺ軸スキャナ３７の正面図及び断面図を示している。これらの図に示すように、Ｚ軸スキャナ３７はレーザ共振部２０側に面する入射レンズ３８と、レーザ出射側に面する出射レンズ３９を含んでおり、これらのレンズ間の距離を相対的に変化可能としている。図２９〜図３１の例では、出射レンズ３９を固定し、入射レンズ３８を光軸方向に沿って駆動モータ等で摺動可能としている。図３１は出射レンズ３９の図示を省略して、入射レンズ３８の駆動機構を示している。この例では、コイルと磁石によって軸方向に可動子を摺動可能とし、可動子に入射レンズ３８を固定している。ただ、入射レンズ側を固定して出射レンズ側を移動可能としたり、入射レンズ、出射レンズを共に移動可能とすることもできる。
図２９に示すように、入射レンズ３８と出射レンズ３９との間の距離を近付けると、焦点位置が遠ざかり、焦点距離（ワーキングディスタンス）が大きくなる。逆に図３０に示すように入射レンズ３８と出射レンズ３９との距離を離すと、焦点位置が近付き焦点距離が小さくなる。
なお、３次元加工、すなわちワークの高さ方向への加工が可能なレーザ加工装置は、上記図２９、図３０のようにＺ軸スキャナを調整する方式の他、例えば物理的に作業領域集光レンズを移動させる、あるいはレーザ出力部やマーキングヘッド自体を移動可能とする、ワークを載置するステージを移動させる等、他の方式を利用することも可能である。
（ディスタンスポインタ）
また、３次元加工可能なレーザ加工装置の作業領域の中心に焦点位置を調整するために、レーザ出力光を作業領域ＷＳ内に走査させる際の照射位置を示すガイドパターンを表示することができる。図２４〜図２５に示すレーザ加工装置のレーザ光走査系３０は、ディスタンスポインタとして、ガイド用光源６４と、ガイド用光源６４からのガイド光ＧＬをレーザ光走査系３０の光軸と一致させるためのガイド光光学系の一形態としてハーフミラー６５を備えると共に、ポインタ光調整系として、ポインタ光ＰＬを照射するためのポインタ用光源６６と、Ｙ軸スキャナ３２の裏面に形成されたポインタ用スキャナミラー６８と、ポインタ用スキャナミラー６８で反射されたポインタ用光源６６からのポインタ光ＰＬをさらに反射させて焦点位置に向かって照射する固定ミラー６７とを備えている。このディスタンスポインタは、レーザ出力光の焦点位置を示すポインタ光ＰＬをポインタ用光源６６から照射し、ガイド光ＧＬで表示されるガイドパターンのほぼ中心に、ポインタ光ＰＬを照射するよう調整することで、レーザ出力光の焦点位置が指示される。
なお、上記の例ではレーザ光走査系３０に、レーザ出力光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで３次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ出力光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に３次元加工を行うこともできる。また、ステージをＸ軸あるいはＹ軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査系の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。
以上の構成によれば、レーザ光走査系３０によってレーザ共振器で得られたレーザ出力光を作業領域内において３次元的に走査させることができる。またＸＹ軸スキャナに比べ、一般に応答特性の劣るＺ軸スキャナの移動量を抑えることで、より高速で制御性の高い３次元加工が可能となる。さらに作業領域の各位置での焦点距離を一定に維持するようＺ軸スキャナで補正しつつ、レーザ出力光の出射がＯＦＦの間はこの補正を中断して、ＸＹ軸スキャナに比べ、一般に応答特性の劣るＺ軸スキャナの移動量を抑えることができ、より高速で制御性の高い３次元加工が可能となる。さらにまた、作業領域内で焦点位置がほぼ均一になるようにＺ軸スキャナで調整され、別途作業領域集光レンズ等を用意せずとも作業領域端縁近傍での加工精度低下を防止できる。加えて、次回の加工開始位置のＺ座標を先読みして、この位置に移動させておくことにより次回の加工開始をスムーズに行わせることができる。あるいは、Ｚ軸スキャナの追従動作を中断して一定の位置に保持できるので、ＸＹ軸スキャナはＺ軸スキャナの応答時間に左右されることなく高速に次の加工位置まで移動でき、全体としての走査速度向上が図られる。
また一方で、固体レーザ媒質の熱レンズ特性により、出射光の拡がり角度が変わるため、加工点での焦点位置がパワーの設定によりずれるという問題が生じる。このずれを演算することで、Ｚ軸スキャナでずれを補正し、熱レンズが発生しても高精度な加工を維持できる。
（レーザ加工装置のシステム構成）
次に図３２に、３次元加工可能なレーザ加工装置のシステム構成を示す。この図に示すレーザ加工システムは、レーザ出力部を構成するマーキングヘッド２Ａと、マーキングヘッド２Ａと接続されてこれを制御するレーザ制御部１であるコントローラ１Ａと、コントローラ１Ａとデータ通信可能に接続され、コントローラ１Ａに対して加工パターンを３次元のレーザ加工データとして設定するレーザ加工データ設定装置７０とを備える。このマーキングヘッド２Ａとコントローラ１Ａとで、レーザ加工装置１００が構成される。またレーザ加工データ設定装置７０は、図３２の例においてはコンピュータにレーザ加工データ設定プログラムをインストールして、レーザ加工データ設定機能を実現させている。レーザ加工データ設定装置は、コンピュータの他、タッチパネルを接続したプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）や、その他専用のハードウェア等を利用することもできる。またレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置の動作を制御する制御装置として機能させることもできる。例えば、一のコンピュータにレーザ加工データ設定装置としての機能と、レーザ出力部を備えるレーザ出力部のコントローラとしての機能を統合してもよい。さらにレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置と別部材で構成する他、レーザ加工装置に統合することもでき、例えばレーザ加工装置に組み込まれたレーザ加工データ設定回路等とすることもできる。
さらにコントローラ１Ａには、必要に応じて各種外部機器８０を接続できる。例えばライン上に搬送されるワークの種別、位置等を確認するイメージセンサ等の画像認識装置、ワークとマーキングヘッド２Ａとの距離に関する情報を取得する変位計等の距離測定装置、所定のシーケンスに従って機器の制御を行うＰＬＣ、ワークの通過を検出するＰＤセンサその他各種のセンサ等を設置し、これらとデータ通信可能に接続できる。
（レーザ加工データ設定装置）
平面状の加工データを３次元状に加工するための設定情報であるレーザ加工データは、レーザ加工データ設定装置７０により設定される。図２８は、レーザ加工データ設定装置７０の一例としてブロック図を示している。この図に示すレーザ加工データ設定装置７０は、各種設定を入力するための入力部４と、入力部４から入力された情報に基づいてレーザ加工データを生成する加工データ生成手段を構成する演算部７１と、設定内容や演算後のレーザ加工データを表示するための表示部５と、各種設定データを記憶するための記憶部７２とを備える。表示部５は、加工対象面のイメージを３次元的に表示可能な加工イメージ表示部と、加工イメージ表示部に加工対象面のイメージを３次元的に表示させる際に、マーキングヘッド２Ａのイメージを表示可能なヘッドイメージ表示手段を備える。入力部４は、所望の加工パターンで加工する加工条件を入力するための加工条件設定部として、ワークの加工面の３次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、作業領域内に複数の加工ブロックを設定し、加工ブロック毎に加工パターンを設定可能な加工ブロック設定手段と、ブロック設定手段で設定された複数の加工ブロックを纏めた加工グループを設定するためのグループ設定手段、加工対象面上に配置される加工パターンの位置を調整可能な位置調整手段の機能を実現する。加工面プロファイル入力手段はさらに、加工対象面を表す基本図形を指定するための基本図形指定手段と、加工対象面を表す３次元形状データを外部から入力するための３次元形状データ入力手段の機能を実現する。記憶部７２は、図１のメモリ部５２に相当し、入力部４で設定されたプロファイル情報や加工パターン情報等の情報を記憶する部材であり、固定記憶装置等の記憶媒体や半導体メモリ等が利用できる。表示部５は、専用のディスプレイを設ける他、システムに接続されたコンピュータのモニタを利用してもよい。このレーザ加工データ設定装置７０により設定された加工条件として、加工パワー（レーザ出力）やスキャンスピード（走査速度）の他、必要に応じてワーキングディスタンス、デフォーカス量、スポット径、ワークの種別（鉄への黒色加工、ステンレスへの黒色加工、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂といったワークの材質、及び樹脂溶着、表面粗しといった加工目的）等を設定する。また複数の加工ブロックを設定し、加工ブロック単位で加工パターン情報を設定してもよい。特に、立ち上がり特性に優れたレーザ出力光を達成できるレーザ加工装置においては、加工ブロック毎に加工対象のワークの材質、加工パターン、仕上げ状態、加工時間等の設定項目について、レーザ出力光のパワーやビーム径を自由に変化させることができる。さらに、一旦設定された加工条件の加工パラメータを設定データとして保存し、必要時に呼び出すこともできる。
一般のレーザ光走査系においては、スキャナの応答特性、すなわちスキャナに動作指示が与えられてから実際に動作を完了するまでに要する応答時間は、スキャナによって異なることがある。例えばＸ、Ｙ、Ｚ軸スキャナを有する３次元加工可能なレーザ加工装置においては、一般にＸ、Ｙ軸スキャナに比べ、Ｚ軸スキャナの応答特性が劣る傾向にある。例えば図２４等に示すように、Ｘ・Ｙ軸スキャナはガルバノスキャナによって回転するミラーにてスキャンするが、これに対しＺ軸スキャナは光軸方向へレンズ自体を平行移動させる機構となっている。このためＺ軸スキャナは、モータを利用した回転運動を平行移動に変換させる動作機構により、Ｚ軸スキャナの応答特性がＸ・Ｙ軸スキャナに比べて不利となる。またＺ軸スキャナにモータを使用せず、シリンダやピストン等で駆動することもできるが、この場合も応答速度的にはＸ・Ｙ軸スキャナに比べて不利となる。この結果、Ｚ軸スキャナ駆動用モータの応答時間がＸ・Ｙ軸スキャナより後れる分、スキャナの制御に待ち時間が生じる。そこで使用するスキャナの応答特性やワークの形状等に応じて、適切な移動経路を選択するよう、制御部５０が加工パターンに応じた最適な移動経路を選定する。好ましくは、応答性能の劣るスキャナの使用を可能な限り控える経路を選択することで、高速な移動が実現できる。
また、Ｚ軸スキャナで図２７に示すような光学特性の補正を行うこともできる。すなわち、ｆθレンズによる焦点位置の補正をＺ軸スキャナで行う場合にも、Ｚ座標の関連付けを行ってＺ軸スキャナの追従機能を利用できる。この場合においても、レーザ出力光の出射ＯＦＦ時には追従機能をＯＦＦさせることで、余計な待ち時間を省略して応答特性を改善し、加工に要する時間を短縮できる。このように、レーザ出力光の出射ＯＮ／ＯＦＦに応じてＺ軸の軌跡を変化させ、特に出射ＯＦＦの際に余計なＺ方向の動きを排除して処理時間を短縮でき、効率的なスキャナの駆動が実現できる。
本発明のレーザ加工装置及び固体レーザ共振器は、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理、材料プロセス、分光、ウェハ検査、医療診断、レーザプリント等、レーザ照射を行う処理において広く適用可能であり、半導体等の微細加工やディスプレイリペア、トリミングシステム等の用途に利用できる。
本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置を構成するブロック図である。 図１のレーザ励起部の内部構造を示す斜視図である。 実施の形態１に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態２に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態３に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態４に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態５に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態６に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態７に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 実施の形態８に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。 光学系部材の配置パターンの変形例を纏めた平面図である。 光学系部材の配置パターンの他の変形例を纏めた平面図である。 光学系部材の配置パターンのさらに他の変形例を纏めた平面図である。 Ｎｄ：ＹＶＯ4結晶において、励起光の波長に対する吸収効率の変化を示すグラフである。 励起源の波長に対するレーザ出力光の変化を、１方向励起と２方向励起で比較したグラフである。 レーザ出力光の時間変化を１方向励起と２方向励起で比較したグラフである。 ２方向励起において励起源の電流を０Ａから４５Ａに変化させた際のレーザ出力光の時間変化を示すグラフである。 ２方向励起方式のＣＷ動作時においてビームスプリッタの反射率に応じて、励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。 ２方向励起方式のＱスイッチ動作時においてビームスプリッタの反射率に応じて、励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。 共振器内部のエネルギーを算出する式を示す模式図である。 ２方向励起方式における出力ミラーの反射率に対するレーザ出力の変化を示すグラフである。 出力ミラーの反射率に対する共振器内部エネルギーの変化を示すグラフである。 ビームスプリッタの反射率が高い場合及び低い場合での、２方向励起方式のＣＷ動作時における励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。 レーザ加工装置のレーザ光走査系を含むレーザ出力部の構成を示す斜視図である。 図２４を背面方向から見た斜視図である。 図２４を側面から見た側面図である。 レーザ加工装置のレーザ出力光の焦点位置が、作業位置において変化する状態を説明する説明図である。 レーザ加工システムを示すブロック図である。 焦点距離を長くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。 焦点距離を短くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。 Ｚ軸スキャナを示す正面図及び断面図である。 ３次元加工可能なレーザ加工装置のシステム構成を示すブロック図である。 従来のエンドポンピング方式によるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。 ２方向励起システムの構成を示すブロック図である。
符号の説明
１００…レーザ加工装置
１…レーザ制御部；１Ａ…コントローラ
２…レーザ出力部；２Ａ…マーキングヘッド
３…励起光伝達媒体；４…入力部；５…表示部
１０…レーザ励起部
１１…励起光源；１２…励起光集光部；１３…励起ケーシング；１４…光ファイバ
２０、２０１〜２０８…レーザ共振部；２１…固体レーザ媒質
２２…励起光結合手段；２２ａ…光ファイバ結合部；２２ｂ…コリメートレンズ
２３…分岐手段
２４…第１ダイクロイックミラー；２５…第２ダイクロイックミラー
２６…出力ミラー；２７…アパーチャ；２８…Ｑスイッチ
３０…レーザ光走査系
３１…Ｘ軸スキャナ；３２…Ｙ軸スキャナ；３３、３４…ガルバノモータ
３５…スキャナ駆動部；３６…ビームエキスパンダ；３７…Ｚ軸スキャナ
３８…入射レンズ；３９…出射レンズ
４０…集光部；５０…制御部
５２…メモリ部；５４…電源回路
６１…第１集光レンズ；６２…第２集光レンズ；６３…構造基板
６４…ガイド用光源；６５…ハーフミラー；６６…ポインタ用光源
６７…固定ミラー；６８…ポインタ用スキャナミラー
７０…レーザ加工データ設定装置
７１…演算部；７２…記憶部；８０…外部機器
９０１…レーザ制御部；９０２…レーザ出力部；９０４…入力部；９１０…レーザ励起部
９１８…出力カプラ；９２０…レーザ共振部；９２１…固体レーザ媒質；９２８…ＬＤ
９３０…レーザ光走査系；９３２…光ファイバ；９３６…ビームエキスパンダ
９４０…作業領域集光部
ＬＢ、ＬＢ’…レーザ出力光；ＰＬ…ポインタ光；ＧＬ…ガイド光
Ｗ…ワーク；ＷＳ…作業領域；ＷＭ…加工対象面を示す平面；ＷＭ’…補正面
Ｒ１…第１励起成分；Ｒ２…第２励起成分
Ｂ…分岐経路；Ｂ１…第１分岐経路；Ｂ２…第２分岐経路
ＲＭ…リア側ミラー；ＦＭ…出射側ミラー
ＢＳ、ＢＳ１〜ＢＳ８…ビームスプリッタ
Ｍ１、Ｍ１１〜Ｍ１８…第１反射ミラー
Ｍ２、Ｍ２１〜Ｍ２８…第２反射ミラー
Ｍ３、Ｍ３１〜Ｍ３８…第３反射ミラー

Claims (15)

  1. レーザ光を発生させるためのレーザ共振部を含むレーザ制御部と、
    前記レーザ制御部で発生されたレーザ光を後記レーザ出力部に伝達するための励起光伝達媒体と、
    前記励起光伝達媒体で伝達されたレーザ光を走査させるためのレーザ光走査系を含むレーザ出力部と、
    を備えるレーザ加工装置であって、
    前記レーザ出力部が、
    励起光を発生させる一の励起光源と、
    一方向に延長され、２つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、前記励起光源からの励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、
    励起光の入射面を構成する第１端面と、
    前記第１端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面と、
    を備える固体レーザ媒質と、
    前記励起光源から出力される励起光を、第１分岐経路及び第２分岐経路の２つの経路に分岐し、第１分岐経路から前記固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分を、第２分岐経路から第２端面に第２励起成分を、第１励起成分が第２励起成分よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段と、
    前記第１端面に対向させて第１分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を前記第１端面側に反射させる第１ダイクロイックミラーと、
    前記第２端面に対向させて第２分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第２ダイクロイックミラーと、
    分岐経路と干渉しない位置であって、レーザ発振光と略直交する方向に配置され、前記第２ダイクロイックミラーからの反射光を出力するための出力ミラーと、
    を備え、前記固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分が、第２端面に第２励起成分が、各々投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
    前記分岐手段が、入射光を第１励起成分と第２励起成分に分岐させる比率を、略２：１に設定してなることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置であって、
    前記固体レーザ媒質が略直方体状で、端面を５ｍｍ×５ｍｍ以下、長さを１８ｍｍ以下に設定してなることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記固体レーザ媒質がＮｄ：ＹＶＯ4結晶であることを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 請求項４に記載のレーザ加工装置であって、
    前記固体レーザ媒質のＮｄ濃度が１％以下であることを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 請求項１から５のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記出力ミラーの反射率が３０％〜７０％であることを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 請求項１から６のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記励起光源が、半導体レーザを含むことを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 請求項７に記載のレーザ加工装置であって、
    前記半導体レーザの平均出力が１０Ｗ以上であることを特徴とするレーザ加工装置。
  9. 請求項７又は８に記載のレーザ加工装置であって、
    前記半導体レーザから出射される励起光が無偏光であることを特徴とするレーザ加工装置。
  10. 請求項１から９のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記出力ミラーと第２ダイクロイックミラーとの間にはＱスイッチが設けられていることを特徴とするレーザ加工装置。
  11. 請求項１から１０のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、さらに、
    前記第１ダイクロイックミラーに対向させて第１分岐経路上に配置され、前記第１ダイクロイックミラーを透過した励起光の第１励起成分が前記第１端面に照射される際のスポット径を、前記固体レーザ媒質のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光するための第１集光レンズと、
    前記第２ダイクロイックミラーに対向させて第２分岐経路上に配置され、前記第２ダイクロイックミラーを透過した励起光の第２励起成分が前記第２端面に照射される際のスポット径を、前記固体レーザ媒質のＴＥＭ00モードよりも小さくするように集光するための第２集光レンズと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  12. 請求項１から１１のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ出力部がさらに、
    前記分岐手段で分岐された第１励起成分又は第２励起成分を、略垂直に反射させる第１反射ミラーと、
    前記第１反射ミラーで反射された反射光又は前記分岐手段で分岐された第２励起成分或いは第１励起成分を、さらに略垂直方向に反射させる第２反射ミラーと、
    前記第２反射ミラーで反射された反射光を、略垂直に反射させる第３反射ミラーと、
    を備え、
    前記第１分岐経路及び第２分岐経路で構成される分岐経路は、前記分岐手段、第１反射ミラー、第２反射ミラー、第３反射ミラーによって矩形状に構成されており、且つ矩形状のいずれかの辺上に前記固体レーザ媒質及び第１、第２ダイクロイックミラーが配置され、尚且つ矩形状のいずれかの頂点であって、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、前記励起光源からの励起光が入射されるよう配置されてなることを特徴とするレーザ加工装置。
  13. 請求項１から１２のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、さらに、
    前記励起光伝達媒体を前記分岐手段と光学的に結合するための励起光結合手段と、
    前記第２ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間に配置され、レーザ発振光を整形するためのアパーチャと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  14. 請求項１から１３のいずれか一に記載のレーザ加工装置であって、
    前記レーザ出力部のレーザ光走査系が
    入射レンズと出射レンズを備え、前記レーザ共振部から照射されるレーザ光の光軸に前記入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なＺ軸スキャナと、
    前記Ｚ軸スキャナを透過するレーザ光を、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に走査させるためのＸ軸スキャナ又はＹ軸スキャナと、
    前記Ｘ軸スキャナ又はＹ軸スキャナで走査されるレーザ光を、Ｙ軸方向又はＸ軸方向に走査させるためのＹ軸スキャナ又はＸ軸スキャナと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  15. 励起光を発生させる一の励起光源と、
    一方向に延長され、２つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、前記励起光源からの励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、
    励起光の入射面を構成する第１端面と、
    前記第１端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第２端面と、
    を備える固体レーザ媒質と、
    前記励起光源から出力される励起光を、第１分岐経路及び第２分岐経路の２つの経路に分岐し、第１分岐経路から前記固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分を、第２分岐経路から第２端面に第２励起成分を、第１励起成分が第２励起成分よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段と、
    前記第１端面に対向させて第１分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を前記第１端面側に反射させる第１ダイクロイックミラーと、
    前記第２端面に対向させて第２分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第２ダイクロイックミラーと、
    分岐経路と干渉しない位置であって、レーザ発振光と略直交する方向に配置され、前記第２ダイクロイックミラーからの反射光を出力するための出力ミラーと、
    を備え、前記固体レーザ媒質の第１端面に励起光の第１励起成分が、第２端面に第２励起成分が、各々投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成されてなることを特徴とする固体レーザ共振器。
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