JP2009194176A - Solid laser device and laser machining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体レーザ装置及びレーザ加工方法に関する。 The present invention relates to a solid-state laser device and a laser processing method.
Nd:YAGなどの固体レーザでは、ランプや半導体レーザなどの発光により励起を行う。この励起光は固体レーザ媒質である結晶またはガラス内に分布するレーザ活性イオンで吸収される。レーザ活性イオンは励起光を吸収し、通常それよりも長波長であるレーザ光を放射する。 In a solid-state laser such as Nd: YAG, excitation is performed by light emission from a lamp or a semiconductor laser. This excitation light is absorbed by laser active ions distributed in a crystal or glass which is a solid-state laser medium. The laser active ion absorbs excitation light and emits laser light having a longer wavelength than that.
励起波長と放射光波長との差に対応するエネルギーは熱となる。高出力レーザにおいて発生熱は大きく、固体レーザ媒質を冷却して放熱を行う。この場合、外周部を経由して熱が拡散するので、中心部が高く、外周部が低い温度分布を生じる。この温度分布は、屈折率分布やストレス分布を起こす。 The energy corresponding to the difference between the excitation wavelength and the emitted light wavelength is heat. The generated heat is large in the high power laser, and the solid laser medium is cooled to radiate heat. In this case, since heat is diffused through the outer peripheral portion, a temperature distribution is generated in which the central portion is high and the outer peripheral portion is low. This temperature distribution causes a refractive index distribution and a stress distribution.
スラブ型固体レーザにおいて板状媒質の上下の2面の間で全反射をさせジグザグ光路とすると、ビームは上下方向の温度分布変化を斜めに交互に通過する。このために、温度分布をビーム断面内で均一化し、出射ビームの品質を改善することができる。 In the slab type solid-state laser, when the total reflection is performed between the upper and lower surfaces of the plate-like medium to form a zigzag optical path, the beam alternately passes through the temperature distribution change in the vertical direction alternately. For this reason, the temperature distribution can be made uniform in the beam cross section, and the quality of the outgoing beam can be improved.
ジグザグスラブレーザの収差制御を行う技術開示例がある(特許文献1)。この技術開示例では、一次元収差補正器を用いてスラブ内のビームのジグザグ方向を横切る方向の波面の非均一性を補償する。
しかしながら、この技術開示例を用いても、ジグザグ光路と直交する方向の温度分布の影響があり、ビーム品質の改善が十分とは言えない。
However, even if this example of technical disclosure is used, there is an influence of the temperature distribution in the direction orthogonal to the zigzag optical path, and it cannot be said that the beam quality is sufficiently improved.
ジグザグ光路と直交する方向の位置変化に対して光路長を均一化できる固体レーザ装置及びレーザ加工方法を提供する。 Provided are a solid-state laser device and a laser processing method capable of making the optical path length uniform with respect to a position change in a direction orthogonal to the zigzag optical path.
本発明の一態様によれば、活性イオンが添加された励起領域を有し、スラブ型形状とされたあるレーザ媒質と、前記励起領域内の第1の光路を通過したビームを像反転し、前記励起領域内の第2の光路を通過させる像反転光学手段と、を備え、前記第1の光路は、前記励起領域の対称面に関して一方の側にあり、前記第2の光路は、前記対称面に関して他方の側にあり、かつ前記第1の光路と略平行であることを特徴とする固体レーザ装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, a laser medium having an excitation region to which active ions are added and having a slab shape and a beam that has passed through the first optical path in the excitation region are image-inverted, Image inversion optical means for passing a second optical path in the excitation region, wherein the first optical path is on one side with respect to a symmetry plane of the excitation region, and the second optical path is the symmetry A solid-state laser device is provided that is on the other side of the surface and substantially parallel to the first optical path.
また、本発明の他の一態様によれば、上記の固体レーザ装置を用いて前記ビームを生成し、前記ビームを被加工体に照射し、前記被加工体における照射点近傍を溶融することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, the beam is generated using the solid-state laser device, the workpiece is irradiated with the beam, and the vicinity of the irradiation point on the workpiece is melted. A featured laser processing method is provided.
ジグザグ光路と直交する方向の位置変化に対して光路長を均一化できる固体レーザ装置及びレーザ加工方法が提供される。 Provided are a solid-state laser device and a laser processing method capable of making the optical path length uniform with respect to a position change in a direction orthogonal to the zigzag optical path.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態にかかる固体レーザ装置を表す模式図である。図1(a)は平面図、図1(b)はA−A線に沿った断面図、図1(c)はB−B線に沿った断面における屈折率分布のグラフ図である。具体的には、本実施形態はミラーによる光共振器を備えた発振器とする。スラブ型形状のレーザ媒質10は、希土類元素のひとつであるネオジム(以下Nd)のようなレーザ活性イオンが添加された第1の励起領域12と、第2の励起領域1414と、これらに隣接して設けられたレーザ活性イオンが添加されない非励起領域16と、が一体成型されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a solid-state laser device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA, and FIG. 1C is a graph of the refractive index distribution in the cross section taken along the line BB. Specifically, the present embodiment is an oscillator including an optical resonator using a mirror. The slab-
非励起領域16は透明多結晶YAG(yttrium aluminum garnet)セラミックなどとし、第1の励起領域12及び第2の励起領域14はNdが添加された透明多結晶YAGセラミックにNdなどとする。
The
また、第1の励起領域12及び第2の励起領域14は、非励起領域16に囲まれるように、焼結工程などを用いて一体成型されている。この場合、第1及び第2の励起領域12、14の表面がレーザ媒質10の表面に露出していてもよく、覆われていてもよい。第1及び第2の励起領域12、14は励起光Gexを吸収し高温になるが、図1のように表面を非励起領域16により覆うと、高温表面の保護ができる。レーザ媒質10の第1の面10aと、第2の面10bと、は図1(b)のように対向している。
Further, the
ビームGTは、例えば光路G1、光路G2などを通過する。ビームGTが通過する第1の励起領域12内の第1の光路G1a、G2aは、レーザ媒質10の第1及び第2の面10a、10bと直交する対称面26に関して一方の側にある。また、ビームGTが通過する第2の励起領域14内の第2の光路G1b、G2bは対称面26に関して他方の側にあり、かつ第1の光路と略平行である。
The beam GT passes through the optical path G1, the optical path G2, and the like, for example. The first optical paths G1a, G2a in the
なお、図1のように、光路G1、G2を、対称面26と平行とすると、ミラーなど外部光学手段との光結合を簡素にできるのでより好ましい。図1において、第1の面10a及び第2の面10bと直交する方向をx軸、対称面26と平行な方向をz軸、x軸及びz軸と直交する方向をy軸とする。
As shown in FIG. 1, it is more preferable that the optical paths G1 and G2 be parallel to the
また、第1及び第2の面10a、10bと直交し、z軸に平行な横面(エッジ面)10e、10fからは励起光Gexが入射する。励起光Gexを吸収したNdは誘導放出を生じる。励起光Gexとしては、例えば波長が810nmの半導体レーザ光を用いる。半導体レーザ光を導光用ファイバで導き、その端部をレーザ媒質10の横面10e、10fに近接して配置する。この場合、x−z面内において、第1の励起領域12及び第2の励起領域14の断面に励起光Gexを照射すると効率がよく、非励起領域16は発熱しないのでよりレーザ媒質10の表面をより低温に保つことができる。
Further, excitation light Gex is incident from lateral surfaces (edge surfaces) 10e and 10f which are orthogonal to the first and
本実施形態を発振器とする場合、ビームGTは全反射ミラー20と部分反射ミラー24との間を通過する。ビームGTが通過する光路G1は、第1の励起領域12内の光路G1aと、第2の励起領域14内の光路G1bと、これらの間に挟まれた台形断面を有する像反転光学手段22内の光路G1cと、を有する。また、ビームGTが通過する光路G2は、第1の励起領域12内の光路G2aと、第2の励起領域14内の光路G1bと、これらの間に挟まれた像反転光学手段22内の光路G2cと、を有する。実際にはこれらの間の空間にも光路は存在するが、光路G1及び光路G2に対して等しい長さであるので省略して考える。なお、像反転光学手段22として、ダブプリズムのような像反転プリズムなどを用いることができる。
When this embodiment is used as an oscillator, the beam GT passes between the
励起光Gexにより励起されたNd添加YAGは約1.06μmのレーザ光を誘導放出する。このため第1及び第2の励起領域12、14で生じる増幅利得により、全反射ミラー20と部分反射ミラー24との間で構成されるファブリー・ペロー共振器によりレーザ発振を生じ、部分反射ミラー24から外部へビームGTを取り出すことができる。この構成において、励起領域と、像反転光学手段22と、は共通の対称面26を有している。
The Nd-doped YAG excited by the excitation light Gex stimulates and emits a laser beam of about 1.06 μm. Therefore, the amplification gain generated in the first and
レーザ媒質10は、横面10e、10fに直交し、第1及び第2の面10a、10bと斜めに交差する第3の面10cと、第4の面10dと、を有している。すなわち、第3の面10cと第1の面10aとが角度θで交差し、第4の面10dと第2の面10bとが角度θで交差する。この場合、例えば第3の面10c及び第4の面10dから入射したビームGTが第1及び第2の面10a、10bで全反射を生じるようにくさび形状の角度θを選択する。この場合、第1及び第2の面10a、10bを光学研磨し反射率を高めることが好ましい。
The
なお、図1(b)に表すように、第2の光路G1bはx−z面内においてジグザグ光路とする。同様に、第1の光路G1a、G2a、第2の光路G2bはx−z面内においてジグザグ光路とする。励起領域と非励起領域とは、YAGセラミック材料を組成に含んでおり、屈折率差は小さいので界面での光路の折れ曲がりを殆ど生じない。 As shown in FIG. 1B, the second optical path G1b is a zigzag optical path in the xz plane. Similarly, the first optical paths G1a and G2a and the second optical path G2b are zigzag optical paths in the xz plane. The excitation region and the non-excitation region contain a YAG ceramic material in the composition, and the refractive index difference is small, so that the optical path is hardly bent at the interface.
図2は、ジグザグ光路を進むビームを説明する図である。図2(a)はレーザ媒質10のくさび形状近傍を表す模式図、図2(b)はx軸方向温度分布を表すグラフ図である。実際のビームGTは図2(a)のように断面積を有し、この断面内を通過する多くの光路を有している。本図において、ビームGTの断面は直径2aの円形を有しておりレーザ媒質10内を全反射を繰り返しつつジグザグ光路Gzを進む。
FIG. 2 is a diagram for explaining a beam traveling in a zigzag optical path. 2A is a schematic diagram showing the vicinity of the wedge shape of the
レーザ媒質10を構成するYAGセラミック材料の屈折率を1.8とし、外部を空気とすると、臨界角θCは約34度となり、臨界角θCよりも大きい入射角αで全反射を生じる。すなわち、入射角αが臨界角θCよりも大きくなるようにレーザ媒質10の断面の角度θを決める。
If the refractive index of the YAG ceramic material constituting the
また、第3の面10c及び第4の面10dへの入射角βを、ブルースタ角θB近傍とするとp偏光の透過率を100%に近づけ、光取り出し効率を改善できるのでより好ましい。なお、レーザ媒質10の屈折率が1.8の場合、ブルースタ角θBは約29度となる。
In addition, it is more preferable that the incident angle β to the
x軸方向の厚さがT、z軸方向の長さがL、くさび形断面の角度がθであるレーザ媒質10の第4の面10dへ入射したビームGTは、ジグザグ光路Gzを進むが、レーザ媒質10内においてビームGTの不通過領域Qを生じる。レーザ媒質10における角度θ及び長さLを適正に選択すると、この不通過領域Qを低減しレーザ媒質10を小型とできるのでより好ましい。
The beam GT incident on the
励起光Gexの光出力は高いので、第1及び第2の面10a、10bを冷却し、レーザ媒質10で生じる熱を放散する。このようにしても、図2(b)に表すように厚さTのレーザ媒質10の中央部(x=T/2近傍)が高温となり、例えば2乗曲線で表される温度分布を生じる。この温度分布に基づいて、屈折率変化率dn/dTが、例えばYAG材料においては数ppmとなる。また、この温度分布に基づいて中央部近傍で圧縮、表面近傍で引っ張り応力を生じる。
Since the optical output of the excitation light Gex is high, the first and
図1(b)に表すように、ビームGTはx−z面内で全反射によるジグザグ光路G1bなどを進み、x軸方向の温度分布81による変化を斜めかつ交互に通過し、温度分布81に基づく屈折率分布や応力分布がx軸方向で均一化される。このために、屈折率分布や応力分布を生じても光路長を均一とし、波面を揃え、ビーム広がり角を小さくした高品質ビームを得ることが容易となる。x−z面内の屈折率分布が無視できる場合にはジグザグ光路でなくともよいが、ジグザグ光路としx軸方向の屈折率を均一化することがより好ましい。
As shown in FIG. 1B, the beam GT travels along a zigzag optical path G1b due to total reflection in the xz plane, and passes through a change due to the
他方、y−z面内では横面10e、10fから励起光Gexが入射してy軸方向の温度分布80を生じ、例えば図1(a)のように対称面26近傍において温度が極大となっている。横面10e及び10fに、例えば断熱材を配置し温度分布80を平坦化する方法が考えられるがレーザ媒質10の発熱により調整が困難である。またレーザ媒質10の中央部近傍のみを励起する方法が考えられるが、励起が不十分となりビーム出力が低くなる問題がある。
On the other hand, in the yz plane, the excitation light Gex is incident from the lateral surfaces 10e and 10f to generate a
図1において、第1の励起領域12の第1の光路G1aと、第2の励起領域14における第2の光路G1bと、は対称面26に対してそれぞれ平行とする。同様に第1の光路G2aと、第2の光路G2bと、は対称面26に対してそれぞれ平行とする。 第1の光路G1aを通過したビームGTは、像反転光学手段22内の光路G1cを通過し、y軸方向位置を平面視で入れ替えて、第2の光路G1bを通過する。なお、部分反射ミラー24による反射光はこの光路を逆に進む。同様に、第1の光路G2aを通過したビームGTは、像反転光学手段22内の光路G2cを通過し、y軸方向位置を平面視で入れ替えて、第2の光路G2bを通過する。図1(a)に表す矢印はx−y面内の像姿勢Vを表し、像反転手段22の通過後に進行方向に向かって像姿勢Vが反転している。
In FIG. 1, the first optical path G1a of the
図1(c)において、縦軸は温度分布80に依存して変化する屈折率(n)であり、横(y)軸は対称面26からの距離である。x−y面内において、第1の光路G1aの屈折率はn1であり、第2の光路G1bの屈折率はn2(n1<n2)である。また、第1の光路G2aの屈折率はn3であり、第2の光路G2bの屈折率はn4(n4<n3)である。なお、x−z面内における光路はジグザグ光路であるので、屈折率nはx軸方向位置により変化する。しかし、ジグザグ光路に沿った屈折率nの変化はx軸方向に平均化できるために、図1(c)に表す屈折率nはy軸方向位置にのみに依存するものと考えることにする。
In FIG. 1C, the vertical axis is the refractive index (n) that varies depending on the
光路長は屈折率nと幾何学的長さとの積で表される。図1(c)のように、屈折率分布の傾斜が単調に変化し、かつ対称面26に関して略対称である場合、n1とn2との平均屈折率と、n3とn4との平均屈折率と、を近づけることは容易である。第1及び第2の励起領域12、14のz軸方向長さは同一であるので、G1の光路長とG2の光路長とを略同一とできる。すなわち、図1(a)に表すようにy軸方向位置を平面視において入れ替えることによりビームGTが通過するx−y面内位置が変化しても、光路長を均一とすることが容易となる。なお、励起領域12、14における屈折率分布の傾斜が、直線に近いほど平均屈折率を近づけることができより好ましい。
The optical path length is represented by the product of the refractive index n and the geometric length. As shown in FIG. 1C, when the gradient of the refractive index distribution changes monotonously and is substantially symmetrical with respect to the
図3は、比較例にかかる固体レーザ装置を表す。図3(a)は模式平面図、図3(b)はC−C線に沿った模式断面図、図3(c)はx−y面内の屈折率分布のグラフ図である。比較例を発振器とする場合、ビームGTは全反射ミラー120と部分反射ミラー124との間を通過する。光路G11は、第1の励起領域112内の第1の光路G11aと、第2の励起領域114内の第2の光路G11bと、を有する。また、光路G12は、第1の励起領域112内の第1の光路G12aと、第2の励起領域114内の第2の光路G12bと、を有する。第1及び第2の励起領域112、114で生じる増幅利得により、全反射ミラー120と部分反射ミラー124との間で構成されるファブリー・ペロー共振器にレーザ発振を生じ、部分反射ミラー124から外部へビームGTを取り出す。この構成において、レーザ媒質110と、ミラー130及び131と、は共通の対称面126を有している。
FIG. 3 shows a solid-state laser device according to a comparative example. 3A is a schematic plan view, FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along the line CC, and FIG. 3C is a graph of the refractive index distribution in the xy plane. When the comparative example is an oscillator, the beam GT passes between the
第1の励起領域112における第1の光路G11aと、第2の励起領域114における第2の光路G11bと、は対称面126とそれぞれ平行とする。同様に第1の光路G12aと、第2の光路G12bと、は対称面126とそれぞれ平行とする。
The first optical path G11a in the
ビームGTは、第1の光路G11a,G12aを通過し、ミラー130、131により反射し、第2の光路G11b、G12bを通過する。このために、第1の光路G11aと第2の光路G11bとは対称面126に関して略対称の位置となり、第1の光路G12aと第2の光路G12bも対称面126に関して略対称の位置となる。すなわち、比較例では、矢印で表す像姿勢Vが、第1の光路G11a、G12aと、第2の光路G11b、G12bと、の間で進行方向に向かって同一であり像反転していない。
The beam GT passes through the first optical paths G11a and G12a, is reflected by the
図3(c)は、温度分布180に基づく屈折率(n)のy軸方向位置依存性である。x−y面内において、第1の光路G11a及び第2の光路G11bにおける屈折率はn5である。また、第1の光路G12a及び第2の光路G12bにおける屈折率はn6である。n5<n6であるので、第1の光路G11a及び第2の光路G11bを有する光路長G11は、第1の光路G12a及び第2の光路G12bを有する光路長G12よりも短い。このように屈折率が異なるために、光路G11と光路G12とは光路長が異なりビームGTの広がり角がy−z面内において大きくなりやすい。すなわち、中央部近傍が高い屈折率となり波面が広がり、ビーム広がり角が大きくなり、ビーム品質が低下する。
FIG. 3C shows the position dependency of the refractive index (n) based on the
これに対して本実施形態では、光路長の均一化が容易である。例えば図2(a)のような断面を有するビームGTが、x−y面内のy軸方向の位置変化に対しても光路長を均一とし、波面を揃え、y−z面内におけるビーム広がり角を低減し、ビーム品質を改善するのが容易である。温度分布80に基づく応力分布についても同様な効果を得ることが容易である。
On the other hand, in this embodiment, it is easy to make the optical path length uniform. For example, a beam GT having a cross section as shown in FIG. 2A has a uniform optical path length and a uniform wavefront even with respect to a position change in the y-axis direction in the xy plane, and the beam spread in the yz plane. It is easy to reduce the angle and improve the beam quality. Similar effects can be easily obtained for the stress distribution based on the
図4は、レーザ媒質の変形例を表す模式図である。図4(a)は平面図、図4(b)はB−B線に沿った断面の屈折率分布を表すグラフ図である。第1の励起領域12と、第2の励起領域14と、の間隔Sを変化させると、温度分布82のy軸方向依存性を制御できる。横面10e、10f近傍において、励起光Gexの強度が高いので第1及び第2の励起領域12、14における吸収が大きく、温度が上昇する。間隔Sを広げて行くと、横面10e、10f近傍では温度が極大に近づき、対称面26近傍で温度極小となる双峰性の温度分布82とできる。すなわち、間隔Sにより温度分布82を制御できる。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a modification of the laser medium. FIG. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a graph showing the refractive index distribution of the cross section along the line BB. When the distance S between the
図4(b)のように、温度分布82に対応した双峰性の屈折率分布の傾斜が単調に変化し、かつ対称面26に関して略対称とする。この場合、第1の光路G1aの屈折率をn1とし、第2の光路G1bの屈折率をn2とする。また第1の光路G2aの屈折率をn3とし、第2の光路G2bの屈折率をn4とする。n1とn2との平均屈折率と、n3とn4との平均屈折率と、を近づけることは容易である。なお、励起領域12、14における屈折率分布の傾斜が、直線に近いほど平均屈折率を近づけることができより好ましい。
As shown in FIG. 4B, the gradient of the bimodal refractive index distribution corresponding to the
第1及び第2の励起領域12、14のz軸方向長さは同一であるので、第1及び第2の光路G1a、G1bを有する光路G1の光路長と、第1及び第2の光路G2a、G2bを有する光路G2の光路長と、を略同一とできる。すなわち、y軸方向位置を平面視で入れ替えることによりビームGTが通過するx−y面内位置が変化しても、光路長を均一とすることが容易となる。このように、像反転光学手段22により第1の光路と第2の光路とを入れ替え、y軸方向位置の変化に対して光路長を均一にできる。
Since the first and
図5は、第2の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図である。図5(a)は平面図、図5(b)はD−D線に沿った断面図である。ビームGTは、共通の励起領域11の第1及び第2の面10a、10bに直交する対称面27に関して互いに反対側となるような第1の光路G1aと第2の光路G1bとを通過する。このようにすると、励起領域11をz軸方向に長くし、増幅利得及びレーザ出力を高めることが容易となる。また、z軸方向に細長い平面形状は放熱性を改善することが容易となる。z軸方向の長さは、例えば200mm程度にすることができる。
FIG. 5 is a schematic diagram of a solid-state laser apparatus according to the second embodiment. FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line DD. The beam GT passes through the first optical path G1a and the second optical path G1b which are opposite to each other with respect to the
なお、レーザ媒質10を励起領域のみで構成することもできる。しかし、励起光Gexを照射しやすい中央領域に励起領域を配置し、その周辺に非励起領域を設ける方が、励起効率及び冷却効果を高めるためにより好ましい。この場合、励起領域11を非励起領域16により覆うようにすればよい。
Note that the
図6は、第2の実施形態の変形例にかかる固体レーザ装置の模式図である。図6(a)は平面図、図6(b)は対称面27における断面図である。本変形例の場合、像反転光学手段22の先端部が鋭角をなしている。レーザ媒質10をz軸方向に細長い平面形状にしていくと、第1の光路G1aが像反転光学手段22の先端部M近傍を通る。この場合、高いビーム出力を吸収し先端部Mが劣化する場合がある。このために先端部Mに反射層または遮光領域を設ける。像反転光学手段22に対向するレーザ媒質10に遮光領域Nを設けてもよい。このようにすると、先端部Mの劣化を抑制することができる。
FIG. 6 is a schematic diagram of a solid-state laser device according to a modification of the second embodiment. FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view on the
図7は、第3の実施形態にかかる固体レーザ装置の模式図である。図7(a)は平面図、図7(b)はA−A線に沿った断面図である。本実施形態の固体レーザ装置は増幅器である。すなわち、シード光源40からの信号光Ggnをレーザ媒質10に入射し、第1の光路G1a、像反転光学手段22、第2の光路G1b、を通過した増幅光であるビームGTを外部へ出射する。この場合にも、光路長が均一化され、品質が改善されたビームGTを得ることができる。
FIG. 7 is a schematic diagram of a solid-state laser apparatus according to the third embodiment. FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA. The solid-state laser device of this embodiment is an amplifier. That is, the signal light Ggn from the
本実施形態にかかる固体レーザ装置は、空中の遠距離までビームを放射することができる。このために離れた目標物に向かって正確にビームを照射することが容易となる。 The solid-state laser device according to this embodiment can emit a beam to a long distance in the air. For this reason, it becomes easy to accurately irradiate a beam toward a remote target.
図8は、本実施形態の固体レーザ装置を発振器として用いたレーザ加工方法を説明する模式図である。固体レーザ装置50は、図1に表す基本構成と、Qスイッチ52と、制御部62と、励起光源54と、冷却部56と、を備えている。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a laser processing method using the solid-state laser device of this embodiment as an oscillator. The solid-
Qスイッチ52が第1の励起領域12と全反射ミラー20との間に配置される。Qスイッチ52は圧電材料からなり、電圧をオンまたはオフに変えることにより光軸の向きを変え、光共振器をオンまたはオフに制御する。このために高いパルスピーク出力を有するビームを得ることができる。制御部62はQスイッチ制御信号C1を出力する。
励起光源54は、例えば並列に配置された半導体レーザから励起光Gexをレーザ媒質10の横面10e、10fに照射する。なお、励起光源にフラッシュランプを用いてもよい。励起領域12、14は励起光Gexを吸収し、Ndが励起され誘導放出が可能となり、光共振器により発振を生じレーザ光が放射される。制御部62は励起光制御信号C2を出力する。
The
なお、Qスイッチと図1の発振器とを備えた固体レーザ装置の代わりに、図7に表す増幅器を用いてもよい。この場合、信号光Ggnを、例えばQスイッチなどを用いてパルス変調し、誘導放出により増幅し、ビームGTとする。 Note that an amplifier shown in FIG. 7 may be used instead of the solid-state laser device including the Q switch and the oscillator of FIG. In this case, the signal light Ggn is pulse-modulated using, for example, a Q switch, and amplified by stimulated emission to obtain a beam GT.
レーザ媒質10の第1及び第2の面10a、10bには冷却部56が設けられる。励起光Gexを吸収した励起領域12、14は発熱を生じるので冷却を行う。例えばレーザ媒質10に低屈折率の材料を用いた表面コーティングを行い、銅ブロックを介して放熱する熱伝導を利用した方法を用いることができる。また、冷却水を循環させる熱対流を利用した方法を用いることもできる。制御部62は冷却部制御信号C3を出力する。
A cooling
固体レーザ装置50から、部分反射ミラー24を介して外部に取り出されたビームGTは、例えばミラー58により被加工体70の方向へ向けられる。必要により、ビーム整形光学部60によりビーム整形を行い、所望のビームGTが被加工体70に照射される。なお、ビームGTは波面が揃っているので、レンズなどを用いて集光することは容易である。
制御部62はビーム整形制御信号C4を出力する。
The beam GT taken out from the solid-
The
高いピーク出力を有するビームGTは、例えば厚い鉄鋼板などであっても照射点72の近傍を溶融させる。ビームGTまたは被加工体70を移動させることにより被加工体70を切断または溶接できる。パルス駆動のビームGTの平均出力は、例えば数kW〜100kW程度とすることが可能である。
The beam GT having a high peak output melts the vicinity of the
本実施形態にかかるレーザ加工方法では、ビームGTの断面において光路差が均一であり波面が揃っており、広がり角が小さいビームGTを用いることができる。このために、固体レーザ装置50から離れた位置においてレーザ加工することが容易となる。高出力ビームを用いて遠くからレーザ加工する方法は、安全及び作業性の点から好ましい。
In the laser processing method according to the present embodiment, it is possible to use a beam GT having a uniform optical path difference in the cross section of the beam GT, uniform wavefronts, and a small divergence angle. For this reason, it becomes easy to perform laser processing at a position away from the solid-
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。固体レーザ装置を構成するレーザ媒質、活性イオン、像反転光学手段、光学部品、光共振器、シード光源、励起光源、冷却部の材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments. Those skilled in the art have made design changes with regard to the laser medium, active ions, image inversion optical means, optical components, optical resonator, seed light source, excitation light source, cooling part material, size, shape, arrangement, etc. that constitute the solid-state laser device Even if it is a thing, unless it deviates from the main point of this invention, it is included in the scope of the present invention.
10 レーザ媒質、11 励起領域、12 第1の励起領域、14 第2の励起領域、16 非励起領域、20 全反射ミラー、22 像反転光学手段、24 部分反射ミラー、26、27 対称面、40 シード光源、50 固体レーザ装置、56 冷却部、70 被加工体、72 照射点、80、82 温度分布、G1、G1a、G1b、G2、G2a、G2b 光路、GT ビーム、Ggn 信号光、Gex 励起光
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記励起領域内の第1の光路を通過したビームを像反転し、前記励起領域内の第2の光路を通過させる像反転光学手段と、
を備え、
前記第1の光路は、前記励起領域の対称面に関して一方の側にあり、
前記第2の光路は、前記対称面に関して他方の側にあり、かつ前記第1の光路と略平行であることを特徴とする固体レーザ装置。 A laser medium having an excitation region doped with active ions and having a slab shape;
An image inverting optical means for inverting the image of the beam that has passed through the first optical path in the excitation region and passing the second optical path in the excitation region;
With
The first optical path is on one side with respect to the plane of symmetry of the excitation region;
The solid-state laser device, wherein the second optical path is on the other side with respect to the symmetry plane and substantially parallel to the first optical path.
前記励起領域と、前記非励起領域と、は、一体成型されていることを特徴とする請求項1記載の固体レーザ装置。 The laser medium further has a non-excitation region to which the active ions are not added,
The solid-state laser device according to claim 1, wherein the excitation region and the non-excitation region are integrally formed.
前記第1の励起領域と、前記第2の領域と、は、前記対称面に関して略対称であり、かつ前記非励起領域により互いに分離されていることを特徴とする請求項2記載の固体レーザ装置。 The excitation region has a first excitation region and a second excitation region,
3. The solid-state laser device according to claim 2, wherein the first excitation region and the second region are substantially symmetrical with respect to the symmetry plane and are separated from each other by the non-excitation region. .
前記所定の角度は、前記ビームが前記第1及び第2の面で全反射を繰り返しつつジグザグ光路を進むように設定されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の固体レーザ装置。 The laser medium includes a first surface, a second surface facing and substantially parallel to the first surface, a third surface intersecting the first surface at a predetermined angle, and the third surface. A fourth surface substantially parallel to the surface of
The predetermined angle is set so that the beam travels in a zigzag optical path while repeating total reflection on the first and second surfaces. Solid state laser device.
前記活性イオンを励起する励起光が前記横面から入射することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1つに記載の固体レーザ装置。 The laser medium has a lateral surface substantially orthogonal to the first surface and substantially parallel to the symmetry surface;
The solid-state laser apparatus according to claim 4, wherein excitation light for exciting the active ions is incident from the lateral surface.
前記ビームの一部分を反射し、前記ビームの他の部分を透過する部分反射ミラーと、
をさらに備え、
前記全反射ミラーと、前記部分反射ミラーと、により構成される光共振器により前記ビームを生成し、
前記部分反射ミラーを介して前記ビームを外部に出射することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の固体レーザ装置。 A total reflection mirror for reflecting the beam;
A partially reflecting mirror that reflects a portion of the beam and transmits another portion of the beam;
Further comprising
The beam is generated by an optical resonator constituted by the total reflection mirror and the partial reflection mirror,
The solid-state laser device according to claim 1, wherein the beam is emitted to the outside via the partial reflection mirror.
前記信号光は、前記第1及び第2の光路において増幅され、前記ビームとして出射することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の固体レーザ装置。 A seed light source for injecting signal light into the excitation region;
9. The solid-state laser device according to claim 1, wherein the signal light is amplified in the first and second optical paths and emitted as the beam.
前記ビームを被加工体に照射し、前記被加工体における照射点近傍を溶融することを特徴とするレーザ加工方法。 The beam is generated using the solid-state laser device according to any one of claims 1 to 10,
A laser processing method, wherein the workpiece is irradiated with the beam, and the vicinity of the irradiation point on the workpiece is melted.
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