JP2009130143A - レーザ発振装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路を簡略化でき、低コストでＱスイッチパルス幅を可変制御することができるレーザ発振装置及びその制御方法を提供する
【解決手段】本発明に係るレーザ発振装置は、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４及び励起用ＬＤ１３を有するレーザ発振器ヘッド１１、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７、ＬＤ電流制御回路１８、ＬＤドライバ１９ＲＦ振幅制御回路２０、並びにＲＦドライバ２１により構成されている。レーザ発振器ヘッド１１内の光共振器が１又は複数回のＱスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、ＬＤ電流制御回路１８及びＬＤドライバ１９が励起用ＬＤ１３に印加する電流をレーザ発振の閾値以下となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ発振装置に関し、特に、Ｑスイッチパルス幅を可変とすることができるレーザ発振装置及びその制御方法に関する。

連続波（Continuous Wave、以後、ＣＷともいう）を発生させる超音波等を利用した音響光学Ｑスイッチ（Acoust-Optic Q-Switch、以後、ＡＯＱ−ＳＷと記す）レーザ発振装置は、パルス幅が狭くピークが高い連続波パルスを安定に得られる。このため、レーザトリミング加工、レーザマーキング加工などの分野において広く普及している。

従来から、ＡＯＱ−ＳＷレーザ発振装置は、Ｑスイッチ（以後、Ｑ−ＳＷともいう）レーザパルス幅を自在に変化させることができないという欠点があった。例えば、５ｋＨｚの繰り返し周波数で、一定の励起用ＬＤ（Laser Diode：レーザダイオード）の電流を一定にしておけば、Ｑスイッチパルス幅は自動的に決定される。従って、電流一定の条件では、この値を長くしたり、低くしたりすることは不可能であった。

Ｑスイッチパルス幅は、レーザの原理上、例えば以下の３つの方法により可変制御することが可能である。先ず、第１の方法は、レーザ活性イオンの蛍光寿命以下で、レーザ媒質への励起時間を制御し、蛍光寿命まで長くすることである。これにより、ピークパワーを高くし、且つ、Ｑスイッチパルス幅を短くすることが可能になる。反対に、蛍光寿命時間より励起時間を短くしていくと、ピークパワーも減少し、且つ、Ｑスイッチパルス幅も長くすることが可能になる。

この第１の方法は、図１１に示すＱスイッチレーザの特性を利用するものである。図１１は、横軸にＱスイッチ周波数をとり、縦軸にＱスイッチパルスのピーク出力とＱスイッチパルス幅をとって、励起光強度が一定の場合のＱスイッチパルスの特性を示すグラフ図である。図１１に示すように、Ｑスイッチパルス幅は、励起光強度が一定の場合、Ｑスイッチ発振周波数が高くなるほど長くなり、反対に、低くなる方向で短くなる特性がある。Ｑスイッチ発振周波数が低くなると、Ｑスイッチパルス幅は飽和する傾向がある。この原理を利用して、例えば１ｋＨｚのＱスイッチパルス周波数が必要である場合、実際のＱスイッチ周波数を１ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚの５段階に発振可能とするように構成する。５ｋＨｚ以上の周波数では、外部の高速光シャッタ等を用いて、レーザパルス列を夫々１／５、１／１０、１／１５、１／２０と間引く。これにより、Ｑスイッチパルス幅の異なる５段階の１ｋＨｚのパルス列を得ることが可能である。しかしながら、図１１に示すように、Ｑスイッチパルスのピーク出力は、Ｑスイッチ発振周波数毎に大きく異なる性質がある。このため、ピーク出力を合わせる必要がある場合には、ピーク出力を減衰させるための外部アッテネータが必要となる。また、減衰させることでピーク出力を有効に利用できないので、レーザ発振装置が大型化すること等、産業用レーザ装置として重要視されるコスト面の問題点がある。

第２の方法は、励起レーザ媒質への励起光密度を高くすることである。これにより、Ｑスイッチパルス幅を短くすることができる。即ち、励起用ＬＤの電流値を大きくし、ＬＤ出力光強度を大きくすることによって、あるいは、入力するＬＤ励起光パワーが一定のままであれば、ＬＤ励起光をより小さく集光させることによって、Ｑスイッチパルス幅を短くできる。

この第２の方法は、図１２に示すように、ＬＤ励起光強度を上げていくとＱスイッチパルス幅は短くなるという特性を利用するものである。図１２は、横軸にＬＤ励起光強度をとり、縦軸にＱスイッチパルス幅をとって、両者の関係を示すグラフ図である。ＬＤ励起光強度は、ＬＤ電流値を増やすことで大きくすることができる。この特性を利用して、所望するパルス幅（図１２に示すｔｐ）が得られる電流値で使用する方法により、ある程度のパルス幅を選択できる。しかしながら、この場合も第１の方法と同様に、広いパルス幅と狭いパルス幅とを同じピーク出力で併用する場合には、アッテネータで出力を減衰させる必要がある。

第３の方法は、光共振器長を伸縮させることにより、光共振器中での往復時間を長短させることである。原理上、光共振器を伸縮させることは、Ｑスイッチパルス幅を変化させることにおいて大きな効果がある。例えば、光共振器長を短くすることにより、同じゲインを有する活性媒質中を往復させた場合でも、往復時間が短くなり、即ち往復回数が増大する。これにより、パルスの立ち上がり時間を短くなることで、全体のＱスイッチパルス幅が短くなる。しかしながら、実際の装置において共振器長を自在に変化させることは困難であるため、パルス幅の外部制御という観点からすると非常に困難な方法である。

そこで、現状市場で実施されているパルス幅可変方法としては、特許文献１に開示されているような方式がある。この方式は、一般のＡＯＱ−ＳＷ素子による連続波のＱスイッチ発振器と同じであるが、このＡＯＱ−ＳＷ素子のＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）を、Ｑスイッチ発振信号のタイミングから前の時間に遡ったある時間（Ｔａ）で制御する。即ち、上準位への励起蓄積時間を制御する。このようにして、レーザ発振装置のゲインを制御することにより、発生するＱスイッチパルス幅を制御する方法が利用される。

特許文献１に開示されているパルス幅可変方法を行うためのレーザ発振装置の構成を図１３に示す。図１３に示すレーザ発振装置は、レーザ発振装置ヘッド１１、外部ＡＯＤ素子（Acoust-Optic Deflector：音響光学偏向素子）１１４、タイミング回路１０１，１０２、及びＲＦドライバ２１，１２１により構成されている。図１３に示すように、レーザ発振装置ヘッド１１は側面励起方式のレーザ発振装置ヘッドである。そして、その光共振器は、発振器光軸５０上に順に配置された全反射鏡１５、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４及び出力鏡１６から構成されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の側面に励起光を照射する励起用ＬＤ１３が配置されている。このような構成により、特許文献１のレーザ発振装置は、外部信号に基づいて、Ｑスイッチパルス幅を制御できるという特徴を有する。具体的には、図１４のチャート（２）に示す上準位への蓄積時間Ｔａを短くすることで、チャート（７）に示すパルス幅を短くすることができる。

特開２００１−３５３５８５号公報（第５頁、図１）

しかしながら、特許文献１のパルス幅可変方法では、励起光が連続光であるため、ＱスイッチがＯＮになっている領域において、ＣＷ光の発振が起こる。これにより、ＣＷ光が発振器ヘッドの出射口から出てしまうという欠点があった。これについて、図１４を参照して説明する。図１４は、図１３に示すレーザ発振装置を用いたパルス幅の可変制御における動作を示すタイミングチャートである。図１４に示すように、内部ＱスイッチにＲＦ（Radio Frequency：高周波）電力（図１４の（３））が印加されていない場合（ＲＦ；ＯＦＦ）に相当する発振器出力（図１４の（４））が、太線で表示されている範囲で連続波出射している。即ち、本来レーザ光が出てはいけないところで連続波発振していることになる。このため、発振器ヘッド外部に何らかのシャッタを設置する必要があった。

特許文献１の例では、レーザトリミング装置に応用しているため、この外部光スイッチは高速のスイッチである必要がある。このため、スイッチング速度が高速なＡＯＤ素子を用いてＣＷ成分の発振部をカットしている。図１４のチャート（５）に示すように、外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力制御信号１５４を、チャート（４）のパルス発振の終了時までＯＮとする。続いて、チャート（４）に示す連続波発振の期間に外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力制御信号１５４がＯＦＦとなるように切り替える。この例では、チャート（５），（６）に示すように、外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力１５５をＯＦＦにすることで外部ＱスイッチがＯＮとなり、外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力１５５をＯＮにすることで外部ＱスイッチがＯＦＦとなる。外部ＱスイッチをＯＦＦにすることでＣＷ成分はカットされ、チャート（７）に示すように、パルス成分のみが外部ＡＯＤ素子１１４から出力される。チャート（８）に示すＣＷ成分のビームは、外部ＡＯＤ素子１１４により回折させて、吸収ブロックに当てることで、加工面への出射を防いでいる。その後、チャート（５）に矢印で示すように、外部Ｑスイッチは、内部ＱスイッチをＯＮからＯＦＦに切り替えるタイミングに合わせてＯＦＦからＯＮに切り替えられる。

このため、この方式では、光共振器内部のＡＯＱ−ＳＷ素子と光共振器外部のＡＯＤ素子という２セットのＡＯ（Acoust-Optic：音響光学）素子を使用する必要がある。ＡＯＤ素子は、ＡＯＱ−ＳＷ素子と同様にＲＦドライバ回路も必要である。これにより、制御が複雑になるだけでなく、コスト高になるという問題点があった。また、これらのＲＦドライバ回路はその性質上輻射ノイズが発生するため、装置の仕様上この輻射ノイズを低減させるような構成が必要な場合がある。このことも、コストアップの原因となっていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、制御回路を簡略化でき、低コストでＱスイッチパルス幅を可変制御することができるレーザ発振装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ発振装置は、その光軸上に配置された固体レーザ媒質とＱスイッチ素子とを有し、レーザ発振及びＱスイッチパルス発振が可能な光共振器と、前記固体レーザ媒質に励起光を照射することにより前記レーザ発振を可能とする励起光源と、前記光共振器が１又は複数回の前記Ｑスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、前記励起光の強度を前記レーザ発振の閾値よりも小さい所定の強度となるまで低下させる励起光制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るレーザ発振装置の制御方法は、光共振器が１又は複数回のＱスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、前記光共振器の固体レーザ媒質に照射する励起光の強度を、前記光共振器のレーザ発振の閾値よりも小さい所定の強度となるまで低下させるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ発振装置に内蔵されたＱスイッチ素子以外の外部素子を使用することなく、連続波成分を含まないＱスイッチパルスが得られるため、制御回路を簡略化でき、低コストでＱスイッチパルス幅を可変制御することができるレーザ発振装置を提供することができる。

本発明は、以下のような特徴を有する。本発明に係るレーザ発振装置は、光共振器がＱスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、励起用の励起光源に印加される電流を、光共振器のレーザ発振閾値よりも小さい所定の電流値まで下げるように制御する。これにより、ＣＷ光を発生可能なＡＯＱ−ＳＷレーザ発振装置において、外部素子を追加することなく、ＣＷ成分を含まないＱスイッチパルスを得ることができる。

この場合に、励起光が、固体レーザ媒質における光共振器の光軸方向に直交する面に照射されるように構成することとしてもよく、励起光が、固体レーザ媒質における光共振器の光軸方向に沿った面に照射されるように構成することとしてもよい。

また、１又は複数回の前記Ｑスイッチパルス発振のタイミングに同期させて、前記励起光源に印加される電流を、前記レーザ発振の閾値における電流値よりも小さい所定の電流値となるまで、Ｑスイッチパルスの立ち上がり時間よりも長い時間で一様に減少させるように制御することとしてもよい。

更に、励起光源とレーザ媒質との間に光シャッタを配置し、この光シャッタを開閉することにより励起光の強度を制御することとしてもよい。

更にまた、励起光源は、レーザダイオードとすることができる。

更にまた、励起光源を複数個のレーザダイオードによって構成し、この複数個のレーザダイオードの発光個数を変化させることにより励起光の強度を制御することとしてもよい。

更にまた、Ｑスイッチ素子の動作により光共振器のＱ値が低値となる時間と同期させて、励起光の強度を前記レーザ発振の閾値よりも大きくなるように制御することとしてもよい。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本第１実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図であり、図２は、図１に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。

図１に示すように、本実施形態のレーザ発振装置は、レーザ発振器ヘッド１１、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７、ＬＤ電流制御回路１８、ＬＤドライバ１９、ＲＦ振幅制御回路２０、及びＲＦドライバ２１により構成されている。

レーザ発振器ヘッド１１は、側面励起方式のレーザ発振器ヘッドである。そして、その光共振器は、発振器光軸５０上に順に配置された全反射鏡１５、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４及び出力鏡１６から構成されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の側面に励起光を照射する励起用ＬＤ１３が配置されている。レーザ光出射側である出力鏡１６とその反対側の全反射鏡１５とは対向するように配置されている。内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４は、光共振器のＱ値を高値／低値の間で切り替えることができるような素子である。また、励起用ＬＤ１３は、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２における光軸方向に沿った面（側面）に励起光を照射することができるように配置されている。この励起光を照射されることにより、光共振器は連続波のレーザ発振が可能となる。

次に、本実施形態の動作について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示すように、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７は、外部から入力された出射パルス信号５１（図２の（１））に基づいて、Ｑスイッチパルス幅を設定する。そして、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７は、励起用ＬＤ１３側のＬＤ電流制御回路１８と内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４側のＲＦ振幅制御回路２０とにＱスイッチパルス幅設定信号５２（図２の（２））を出力する。ここで、図２のチャート（２）における時間Ｔａは、所望のＱスイッチパルス幅のパルス発生に必要なエネルギーをレーザ上準位に蓄積する時間である。本実施形態においては、この時間Ｔａが複数回のパルス発振で夫々一定となるように制御する。

ＬＤ電流制御回路１８は、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７から入力されたＱスイッチパルス幅設定信号５２に基づいて、励起用ＬＤ１３を駆動するための電流（ＬＤ電流）を制御する。即ち、ＬＤ電流制御回路１８は、蓄積時間（Ｔａ）を調整するためにＲＦ電力をＯＦＦにしている時間に同期させて、励起用ＬＤ１３の駆動電流を制御する。そして、ＬＤ電流制御回路１８は、ＬＤドライバ１９にＬＤ電流制御信号５３（図２の（３））を出力する。図２のチャート（３）に示すように、本実施形態のＬＤ電流制御信号５３は、Ｈｉｇｈ（高）レベルとＬｏｗ（低）レベルとが、スロープ状に、つまり時間軸に対して信号レベルの勾配を有するように変化して相互に切り替わるようになっている。なお、本実施形態において、図２のチャート（３）のＬｏｗレベルは、後述するように、ＬＤ駆動電流５６が０（ゼロ）の場合に相当するレベル（ＬＤ ０）よりも高くなるように設定されている。

ＬＤドライバ１９は、ＬＤ電流制御回路１８から入力されたＬＤ電流制御信号５３に基づいて、励起用ＬＤ１３にＬＤ駆動電流５６（図２の（６））を出力する。図２のチャート（６）に示すように、ＬＤ駆動電流５６は、ＬＤ電流制御信号５３と同様に、ＬＤ電流のＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとが相互にスロープ状の変化で切り替わるようになっている。ＬＤ駆動電流５６のＨｉｇｈレベルは、図２のチャート（３）に示すＨｉｇｈレベル（ＬＤ Ｈｉｇｈ）に対応している。このＨｉｇｈレベルのとき、ＬＤ駆動電流５６は、レーザ発振の発振スレッショールド値（閾値）より大きい電流値となる。また、ＬＤ駆動電流５６のＬｏｗレベルは、図２のチャート（３）に示すＬｏｗレベル（ＬＤ Ｌｏｗ）に対応している。本実施形態において、Ｌｏｗレベルの電流値は、０（ゼロ）より大きく、レーザ発振の発振スレッショールド値よりわずかに小さい値である。励起用ＬＤ１３は、入力されたＬＤ駆動電流５６により駆動され、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２をその側面から励起することによりレーザ光を発振させる。

ＲＦ振幅制御回路２０は、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７から入力されたＱスイッチパルス幅設定信号５２に基づいて、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に供給されるＲＦ電力の振幅を設定するとともに、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７により設定された時間（Ｔａ）だけ光共振器のＱ値を低値にするために、ＲＦ電力をＯＮ状態とするように制御する。そして、設定されたＲＦ電力の振幅に対応するＲＦ電力の変調制御信号５４（図２の（４））をＲＦドライバ２１に出力する。図２のチャート（４）に示すように、ＲＦ電力の変調制御信号５４は、Ｑスイッチパルス幅設定信号５２に合わせたタイミングでＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルが切り替わるような波形を有している。なお、本実施形態においては、ＲＦ電力がＯＮのときに光共振器のＱ値が低値となり、ＲＦ電力がＯＦＦのときに光共振器のＱ値が高値となる。

ＲＦドライバ２１は、ＲＦ振幅制御回路２０から入力されたＲＦ電力の変調制御信号５４に基づいて、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に変調されたＲＦ電力５５（図２の（５））を出力する。図２のチャート（５）に示すように、ＲＦ電力５５は、ＲＦ電力の変調制御信号５４に合わせたタイミングでＯＮ／ＯＦＦが切り替わる。ＲＦ電力をＯＮにする場合（チャート（２）の時間Ｔａの間）、ＲＦ電力５５は設定された振幅及び所定の周波数を有する波形のＲＦ電力として内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に供給される。なお、図２のチャート（５）においては、ＲＦ波形を簡略化して図示している（以降の図においても同様）。

内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４は、ＲＦドライバ２１から入力されたＲＦ電力５５がＯＦＦとなったときに、光共振器のＱ値を急速に高値とする。これにより、本実施形態のレーザ加工装置は、上述の時間Ｔａに応じたパルス幅のＱスイッチパルスである発振器出力５７（図２の（７））を出力する。なお、図２のチャート（７）に示す発振器出力５７において、上に凸のパルス状の波形以外の０（ゼロ）で示す水平部では、パルス成分、ＣＷ成分ともに出力されていない（以降の図においても同様である）。

次に、ＬＤ電流制御回路１８について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。図３は、ＬＤ電流制御回路１８の構成を示すブロック図であり、図４は、ＬＤ電流のパルス幅Ｐｗを示すタイミングチャートである。なお、図４に示すＬＤ電流の波形は、図２のチャート（６）に相当する。図３に示すように、ＬＤ電流制御回路１８は、最大電流値設定回路３１、最小電流値設定回路３２、電流スロープ設定回路３３及びパルス幅設定回路３４により構成されている。また、ＬＤ電流制御回路１８に対するＱスイッチパルス幅設定信号５２以外の入力パラメータ（最大電流値、最小電流値、電流スロープｒ、及び電流パルス幅Ｐｗ）は、外部から与えられる。

本実施形態のＬＤ電流制御回路１８は、第１に、ＬＤ電流値をＨｉｇｈとＬｏｗの２段階のレベルに設定して制御できる機能と、第２に、ＬＤ電流値を２段階に切り換える際に電流の変化にスロープを与える機能と、を有している。上述したように、本実施形態において、ＬＤ電流のＬｏｗレベルの設定値は、レーザ発振の発振スレッショールド値より僅かに低い値に設定されている。この結果として、本実施形態のレーザ発振装置は、１つのＡＯ素子しか使用していなくても、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４へのＲＦ電力５５をＯＦＦにしている時間、即ち光共振器のＱ値が高値である時間において、ＣＷレーザ光を出力しないようにすることができる。

また、ＬＤ電流値の変化にスロープを与えるのは、高出力ＬＤの場合、ＬＤ電流値の時間的変化（＝△Ｉｄ／△ｔ）が大きな状態でＬＤ電流値をＯＮ／ＯＦＦさせると、ＬＤ素子が発生する熱量が大きく変化することにより、ＬＤ素子の劣化が進行しやすくなる場合があるためである。このため、本実施形態ではＬＤ電流値の変化にスロープを付け、△Ｉｄ／△ｔを小さく抑えることにより、劣化をできるだけ抑えるように制御を行う。ＬＤ素子の劣化を抑制するためには電流値のスロープ状の変化にかかる時間はできるだけ長い方が好ましい。但し、Ｑスイッチパルスの立ち上がり及び立ち下がり後に、ＬＤ電流が発振スレッショールド値より大きい場合には、電流値がスレッショールド値より小さくなるまでＣＷ成分が出力されることとなる。実際には、ＣＷ成分が出力される時間が短ければ出力光への影響は小さいため、この点を考慮してスロープ状の変化にかかる時間を決定すればよい。

以上説明したように、本実施形態においては、励起用ＬＤを一定の電流値で駆動せず、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に印加するＲＦ電力５５がＯＦＦ状態である時間に同期させて、ＬＤ駆動電流５６を、光共振器のスレッショールド電流値以下となるように制御する。これにより、従来のように、共振器の外部に外部ＡＯＤ素子を設けることなく、Ｑスイッチパルスと同時に発生してしまっていたＣＷレーザパワー成分を無くすことが実現できる。これは、ＡＯＤ素子１個と、これをドライブするためのＲＦドライバ一式を省くことができるため、大幅なコストカットを実現できることを意味している。

また、外部ＡＯＤ素子を使用する場合には、これらのＡＯＱ−ＳＷ素子とＡＯＤ素子を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）付きの制御回路が必要となる。これに対して、本実施形態によれば、通常のロジック＋アナログ回路によって制御することが可能となるため、システムをシンプルにすることができる。本効果は、本実施形態のレーザ発振装置をレーザトリミング装置等のシステムに搭載せず、レーザ発振装置単体で使用する場合に特に顕著である。

更に、本実施形態においては、ＬＤ電流値のＯＮ／ＯＦＦにスロープを付けて制御することにより、急激な発熱／冷却に起因した熱歪によるＬＤの劣化を抑制する。その際に、ＬＤ電流値を完全にＯＦＦにせず、ある時間だけスレッショールド電流以下の所定の電流値まで下げることにより、スロープの傾きを緩やかにしつつ励起用ＬＤの平均駆動電流を数１０％程度低下させることが期待できる。これにより、励起用ＬＤの寿命を従来に比べて大幅に延ばすことができる。なお、本効果は、例えば数十Ｗクラスを超える大出力のＬＤにおいて特に顕著である。

更にまた、本実施形態においては、上準位への蓄積時間を一定に制御している。これにより、レーザＯＮ／ＯＦＦ時等に最初のＱスイッチパルスがその後のパルスよりも数倍大きくなる所謂ファーストパルスを、自動的に抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。図５は、本第２実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図であり、図６は、図５に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。なお、図５及び図６において、図１乃至図４に示す第１の実施形態と同じ構成物については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態のレーザ発振装置は、Ｎｄ：ＹＡＧロッドにおける光共振器の光軸方向に直交する面（端面）に励起光を照射して、Ｎｄ：ＹＡＧロッドを励起する端面励起方式のＬＤ励起レーザとして構成されている点で第１実施形態と異なっている。また、本実施形態においては、光ファイバの端部から励起光が出射されるタイプの励起用ＬＤが用いられている。

図５に示すように、本実施形態のレーザ発振装置は、端面励起方式のレーザ発振器ヘッド３５を有している。また、本実施形態のレーザ発振装置は、図１に示すＬＤドライバ１９及び励起用ＬＤ１３に代えて、励起用ＬＤファイバユニット３７及び励起用ＬＤファイバ３８により構成されている。励起用ＬＤファイバ３８は、例えばピグテールファイバ付きのタイプを使用することができる。

レーザ発振器ヘッド３５は、端面励起方式のヘッドである。そして、その光共振器は、第１の実施形態と同様に、発振器光軸５０上に順に配置された全反射鏡１５、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４及び出力鏡１６から構成されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に励起光を照射する光ファイバ３８が配置されている。本実施形態においては、全反射鏡１５を経由してＮｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に励起用ＬＤファイバ出力光７２を照射するために、光ファイバ３８の出力端が取り付けられるようになっている。そして、光ファイバ３８の出力端と全反射鏡１５との間には、励起用ＬＤファイバ出力光７２を平行光とするための凸レンズ３６、及びＮｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に集光するための集光レンズ３９が設けられている。なお、図示した以外にもレンズ等の光学系を設けることとしてもよい。

次に、本実施形態の動作について、第１の実施形態との相異点を中心に説明する。本実施形態においては、ＬＤ電流制御回路１８からの信号であるＬＤ電流制御信号５３が、励起用ＬＤファイバユニット３７に入力する。第１の実施形態においては、図１に示すＬＤドライバ１９がスロープ状の変化でＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベル間で切り替わるような波形を有するＬＤ駆動電流５６を励起用ＬＤ１３に出力する。これに対して、本実施形態においては、励起用ＬＤファイバユニット３７が、光ファイバ３８を経由して、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に向けて励起用ＬＤファイバ出力光７２を照射する。この励起用ＬＤファイバ出力光７２は、図６のチャート（６）に示すように、第１の実施形態におけるＬＤ駆動電流５６（図２の（６））と同様にスロープ状の変化でＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベル間で切り替わる強度レベルの光である。励起用ＬＤファイバ出力光７２のＨｉｇｈレベルは、図６のチャート（３）に示すＨｉｇｈレベル（ＬＤ Ｈｉｇｈ）に対応している。このＨｉｇｈレベルのとき、励起用ＬＤファイバ出力光７２は、レーザ発振の発振スレッショールド値（閾値）より大きい光強度となる。また、励起用ＬＤファイバ出力光７２のＬｏｗレベルは、図６のチャート（３）に示すＬｏｗレベル（ＬＤ Ｌｏｗ）に対応している。本実施形態において、Ｌｏｗレベルの光強度は、０（ゼロ）より大きく、レーザ発振の発振スレッショールド値よりわずかに低い光強度である。この光がＮｄ：ＹＡＧロッド１２を励起することにより、光共振器にレーザ発振をさせる。なお、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４側の制御回路、及び図６のチャート（１）〜（５），（７）については、第１の実施形態と同様である。

以上説明したように、本実施形態においては、端面励起方式のレーザ発振器ヘッドを使用して、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。図７は、本第３実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図であり、図８は、図７に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。なお、図７及び図８において、図１乃至図６に示す第１及び第２の実施形態と同じ構成物については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態のレーザ発振装置は、第２の実施形態と同様に端面励起方式の発振器であるが、励起用ＬＤファイバ出力光７２を遮断するための光シャッタ４２、及び駆動用の光シャッタドライバ４３を有している点において、第２の実施形態と異なっている。光シャッタ４２は、図７に示すように、例えば凸レンズ３６と集光レンズ３９との間に設けることができる。

次に、本実施形態の動作について、第２の実施形態との相異点を中心に説明する。第２の実施形態において、ＬＤ電流制御信号５３は、スロープ状のＨｉｇｈ／Ｌｏｗレベルの波形を有する信号である。本実施形態においては、ＬＤ電流制御信号５３は、一定レベル（Ｈｉｇｈレベル）でＬＤ電流制御回路１８から出力される。これにより、励起用ＬＤファイバユニット３７及び励起用ＬＤファイバ３８が、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に向けて一定強度の励起用ＬＤファイバ出力光７２を照射する。

本実施形態においては、光シャッタ４２を高速で開閉させることにより、励起用ＬＤファイバ出力光７２のレベルを制御する。そのために、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７からの信号であるＱスイッチパルス幅設定信号５２が光シャッタドライバ４３に入力される。光シャッタドライバ４３は、入力されたＱスイッチパルス幅設定信号５２に基づいて、光シャッタドライブ出力信号８１（図８の（６））を光シャッタ４２に出力する。光シャッタ４２が、入力された光シャッタドライブ出力信号８１に基づいて開閉することにより、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に照射される励起用ＬＤファイバ出力光７２がＯＮ／ＯＦＦされる。

本実施形態の動作においては、光シャッタ４２は励起用ＬＤファイバ出力光７２を機械的に遮断する。従って、光シャッタドライブ出力信号８１は、図６のチャート（６）のようなスロープ状の変化ではなく、図８のチャート（６）に示すようにＱスイッチパルス幅設定信号５２のタイミングに合わせてＯＰＥＮ（開）／ＣＬＯＳＥ（閉）となるように制御される。本実施形態では、パルス発振のタイミングに合わせて、光シャッタ４２がＣＬＯＳＥ（閉）となる。これにより、ＣＷ成分が発生しなくなるため、図８のチャート（７）に示すように、パルス成分のみが出力される。その後、光シャッタ４２は、Ｑスイッチパルス幅設定信号５２（時間Ｔａの開始時）に同期してＯＰＥＮ（開）となるように切り替えられる。

本実施形態は、励起用ＬＤの出力光に変調をかけることなくＯＮ／ＯＦＦさせることができるため、頻繁にＯＮ／ＯＦＦさせると寿命が短くなる可能性のあるような大出力の励起用ＬＤの寿命を延ばすことができる。なお、光シャッタ４２としては、例えば、安価な光シャッタとしての回転スリットによるもの、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）を用いるもの、及び透光性セラミックスＰＬＺＴ（Ｐｂ_１−ｙＬａ_ｙＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３）を使用したもの等が利用可能である。

次に、本発明の第４の実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。図９は、本第４実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図であり、図１０は、図９に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。なお、図９及び図１０において、図１乃至図８に示す第１乃至第３の実施形態と同じ構成物については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態のレーザ発振装置は、第２の実施形態と同様の端面励起方式の発振器であるが、以下の構成において第２の実施形態と異なっている。即ち、本実施形態では、図５に示すＬＤ電流制御回路１８、励起用ＬＤファイバ３８及び励起用ＬＤファイバ３８に代えて、ＬＤドライバ４４、通信用ＬＤ４６が設けられている。通信用ＬＤ４６は、複数の通信用ＬＤがバンドルされたものである。また、本実施形態において、ＲＦ振幅制御回路２０には、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７からの信号ではなく、出射パルス信号５１が入力されるように構成されている。

次に、本実施形態の動作について、第２の実施形態との相異点を中心に説明する。ＬＤドライバ４４は、Ｑスイッチパルス幅設定回路１７から入力されたＱスイッチパルス幅設定信号５２に基づいて、通信用ＬＤ４６にＬＤ電流ドライブ９１（図１０の（３））を出力する。ここで、通信用ＬＤ４６が高信頼性のファイバ出力タイプのＬＤであることから、非常に高速の変調をかけることができる。これにより、本実施形態においては、ＬＤ電流ドライブ９１がスロープ状でなくＱスイッチパルス幅設定信号５２（図１０の（２））に合わせたタイミングの階段状波形を有するように制御を行う。通信用ＬＤ４６は、入力されたＬＤ電流ドライブ９１に基づき、Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２の端面に向けて励起用ＬＤファイバ出力光７２を照射する。このとき、励起用ＬＤファイバ出力光７２の強度レベルは、バンドルされた複数の通信用ＬＤの発光個数を制御することにより行う。本実施形態においては、図１０のチャート（５）に示すように、励起用ＬＤファイバ出力光７２の強度レベルもチャート（３）のＬＤ電流ドライブ９１と同様の階段状となる。なお、上述した複数の通信用ＬＤの発光個数の制御により、第１及び第２の実施形態と同様に、スロープ状の変化で励起用ＬＤファイバ出力光７２の強度レベルを制御することとしてもよい。また、本実施形態においては、ＬＤの発光個数で制御しているため、Ｌｏｗレベル（図１０の（３），（５））は、第１の実施形態のようにレーザ発振のスレッショールド値よりわずかに低いレベルとしてもよく、０（ゼロ）としてもよい。

また、ＲＦ振幅制御回路２０は、入力された出射パルス信号５１に基づいて、ＲＦドライバ２１にＲＦ電力変調制御信号５４の出力を行う。ＲＦドライバ２１は、入力されたＲＦ電力変調制御信号５４に基づいて、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に変調されたＲＦ電力５５を出力する。図１０のチャート（４）に示すように、本実施形態のＲＦ電力５５は、チャート（１）に合わせたタイミングでＯＮ／ＯＦＦが制御される点において、第２の実施形態と異なっている。この場合、内部ＡＯＱ−ＳＷ素子１４に印加するＲＦ電力５５を、Ｑスイッチパルスを出射するタイミングで所定の時間（例えば１０μｓ）ＯＦＦさせる以外は全てＯＮとする。このように制御することにより、励起用ＬＤの電流及びＲＦ電力の双方を同時に制御する必要がなくなるため、その分制御を簡略化することができる。

なお、本実施形態における通信用ＬＤ４６は、現在数百ｍＷクラス程度のものが多い。産業用レーザ発振装置としての出力が数Ｗ〜１０Ｗクラスである場合、励起用ＬＤの出力は少なくとも約２倍の５〜２０Ｗ程度が必要となる。従って、通信用ＬＤ４６を励起用ＬＤに適用するためには、上述のように複数本のＬＤをバンドルして使用する必要がある。しかしながら、１０万時間以上トラブルなく使用することができるという信頼性を考えれば、本実施形態のように通信用ＬＤを産業用レーザの励起光源として使用する利点は大きいといえる。なお、単体のＬＤの出力とレーザ発振装置としての出力との関係によっては、１個のＬＤで通信用ＬＤ４６を構成することとしてもよい。

本発明は、例えば、薄膜トリマ及びチップ抵抗トリマ等のレーザトリミング装置、セラミックススクライバ、ガラスカッタ、多層基板のビアホール加工機、レーザウエハマーカ、金属へのレーザマーキング、樹脂パッケージへのマーキング装置、太陽電池用アモルファスＳｉへの再結晶化（アニーリング）装置、並びに、Ｃｕ及びＡｕ等に対する薄膜カッティング装置等に好適に利用することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。 ＬＤ電流制御回路の構成を示すブロック図である。 ＬＤ電流のパルス幅Ｐｗを示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。 図５に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。 図７に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第４実施形態に係るレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。 図９に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。 横軸にＱスイッチ周波数をとり、縦軸にＱスイッチパルスのピーク出力とＱスイッチパルス幅をとって、励起光強度が一定の場合のＱスイッチパルスの特性を示すグラフ図である。 横軸にＬＤ励起光強度をとり、縦軸にＱスイッチパルス幅をとって、両者の関係を示すグラフ図である。 特許文献１に開示されているパルス幅可変方法を行うためのレーザ発振装置の構成を示すブロック図である。 図１３に示すレーザ発振装置を用いたＱスイッチパルス幅制御方法の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１１；レーザ発振器ヘッド
１２；Ｎｄ：ＹＡＧロッド
１３；励起用ＬＤ
１４；内部ＡＯＱ−ＳＷ素子
１５；全反射鏡
１６；出力鏡
１７；Ｑスイッチパルス幅設定回路
１８；ＬＤ電流制御回路
１９；ＬＤドライバ
２０；ＲＦ振幅制御回路
２１；ＲＦドライバ
３１；最大電流設定回路
３２；最小電流設定回路
３３；電流スロープ設定回路
３４；パルス幅設定回路
３５；レーザ発振器ヘッド
３６；凸レンズ
３７；励起用ＬＤファイバユニット
３８；励起用ＬＤファイバ
３９；集光レンズ
４１；レーザ発振器ヘッド
４２；光シャッタ
４３；光シャッタドライバ
４４；ＬＤドライバ
４６；通信用ＬＤ
５０；発振器光軸
５１；出射パルス信号
５２；Ｑスイッチパルス幅設定信号
５３；ＬＤ電流制御信号
５４；ＲＦ電力の変調制御信号
５５；ＲＦ電力
５６；ＬＤ駆動電流
５７；発振器出力
７２；励起用ＬＤファイバ出力光
８１；光シャッタドライブ出力信号
９１；ＬＤ電流ドライブ
１０１；タイミング回路
１０２；タイミング回路
１１４；外部ＡＯＤ素子
１２１；ＲＦドライバ
１５１；内部ＡＯＱ−ＳＷ素子へのＲＦ電力制御信号
１５４；外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力制御信号
１５５；外部ＡＯＤ素子へのＲＦ電力
１５７；外部ＡＯＤ素子からの出力
１５８；ＡＯＤ素子で偏向させたＣＷ光

Claims (10)

1. その光軸上に配置された固体レーザ媒質とＱスイッチ素子とを有し、レーザ発振及びＱスイッチパルス発振が可能な光共振器と、前記固体レーザ媒質に励起光を照射することにより前記レーザ発振を可能とする励起光源と、前記光共振器が１又は複数回の前記Ｑスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、前記励起光の強度を前記レーザ発振の閾値よりも小さい所定の強度となるまで低下させる励起光制御手段と、を有することを特徴とするレーザ発振装置。
2. 前記励起光が、前記固体レーザ媒質における前記光共振器の光軸方向に直交する面に照射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記励起光が、前記固体レーザ媒質における前記光共振器の光軸方向に沿った面に照射されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
4. 前記励起光制御手段は、１又は複数回の前記Ｑスイッチパルス発振のタイミングに同期させて、前記励起光源に印加される電流を、前記レーザ発振の閾値における電流値よりも小さい所定の電流値となるまで、Ｑスイッチパルスの立ち上がり時間よりも長い時間で一様に減少させる電流制御手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
5. 更に、前記励起光源と前記レーザ媒質との間に配置された光シャッタを有し、前記励起光制御手段は、前記光シャッタを開閉することにより前記励起光の強度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
6. 前記励起光源は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
7. 前記励起光源は、複数個のレーザダイオードから構成されており、前記励起光制御手段は、前記レーザダイオードの発光個数を変化させることにより前記励起光の強度を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
8. 前記励起光制御手段は、前記Ｑスイッチ素子の動作により前記光共振器のＱ値が低値となる時間と同期させて、前記励起光の強度を前記レーザ発振の閾値よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーザ発振装置。
9. 光共振器が１又は複数回のＱスイッチパルス発振をするタイミングに同期させて、固体レーザ媒質に照射する励起光の強度を、前記光共振器のレーザ発振の閾値よりも小さい所定の強度となるまで低下させるように制御することを特徴とするレーザ発振装置の制御方法。
10. 前記励起光の強度の制御は、前記１又は複数回のＱスイッチパルス発振のタイミングに同期させて、前記励起光源に印加される電流を、前記レーザ発振の閾値における電流値よりも小さい所定の電流値となるまで、Ｑスイッチパルスの立ち上がり時間よりも長い時間で一様に減少させることにより行うことを特徴とする請求項９に記載のレーザ発振装置の制御方法。

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