JP2009212108A - レーザ発振方法、レーザ、レーザ加工方法、及びレーザ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス幅の変動が抑制されたレーザ、レーザ発振方法、及び当該レーザを用いたレーザ加工方法並びにレーザ測定方法を提供する。
【解決手段】 励起手段と、共振器と、Ｑスイッチ手段と、制御部と、を備えるレーザによりパルス光を発振させるレーザ発振方法であって、共振器の共振光路上に配置され励起エネルギが供給されることにより放出光を発生する増幅媒体へ、励起手段によって励起光を連続的に供給し、Ｑスイッチ手段によって共振器の共振器損失を変調し、制御部によって、Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域においてレーザから出力されるパルス光の半値全幅の変動が所定の範囲内となるように、Ｑスイッチ手段の消光比を当該パルス光の使用繰り返し周波数に対応して選定された値に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｑスイッチ手段を備えるレーザ、レーザ発振方法、及び当該レーザを用いたレーザ加工方法並びにレーザ測定方法に関する。

レーザ光パルス発振するレーザは、励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置された共振器と、共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、を備えている。

このレーザでは、Ｑスイッチ手段により共振器の共振器損失が大きい値に設定されているときに、励起手段による励起エネルギ供給によりレーザ媒質の反転分布が高められ、その後にＱスイッチ手段により共振器の共振器損失が小さい値に設定されると、共振器の共振光路上に配置されているレーザ媒質において誘導放出が短期間に発生する。この誘導放出光が共振器から外部へレーザ光として出力される。

このようなレーザは、ピークパワーが高いパルス光を出力することができることから、レーザ加工、光計測、光通信など、多くの分野で活用される。

Ｑスイッチ手段を用いたレーザは、例えば特許文献１に示すようなＱスイッチレーザ制御装置を用いて制御が行われる。
特開２００２−３５９４２２号公報

Ｑスイッチ手段を用いたレーザ光源は上述のように多くの分野で活用されることから、それぞれのニーズに応じてレーザから出射されるパルス光のパルスエネルギについて最適化を行うことが要求されている。このパルスエネルギの最適化は、一般的にパルス光を出射する際の使用繰り返し周波数を調整することによって行われる。

しかしながら、特許文献１にも開示があるように、使用繰り返し周波数を大きくするとパルス光の各パルスのパルス幅が広がる傾向があることが確認されている。パルス幅が広がると、加工対象物への熱蓄積が大きくなるという問題を生じさせるおそれがあり、加工対象物の損傷を引き起こす原因となるおそれがある。また、このレーザを光計測、光通信の分野に用いる場合、パルス幅の変動は時間分解能への影響を及ぼすため、パルス幅の変動を一定範囲内に抑制することが求められている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、パルス幅の変動が抑制されたレーザ、レーザ発振方法、及び当該レーザを用いたレーザ加工方法並びにレーザ測定方法を提供することを目的とする。

本目的を達成するため、本発明に係るレーザ発振方法は、励起手段と、共振器と、Ｑスイッチ手段と、制御部とを備えるレーザによりパルス光を発振させるレーザ発振方法であって、共振器の共振光路上に配置され励起エネルギが供給されることにより放出光を発生する増幅媒体へ、励起手段によって励起光を連続的に供給し、Ｑスイッチ手段によって共振器の共振器損失を変調し、制御部によって、Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域においてレーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように、Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御することを特徴とする。

発明者らは、Ｑスイッチ手段の消光比が、パルス光の半値全幅の変動に影響を与えることを見出した。したがって、上記のレーザ発振方法のように、制御部によって、Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御することによって、Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域においてレーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動を所定の範囲内とすることができ、パルス光の各パルスのパルス幅の変動が抑制される。

本発明に係るレーザ発振方法は、制御部によって、増幅媒体が放出する放出光が共振器を周回する周回時間に対するＱスイッチ手段の開通時間を３〜５倍とすることが好ましい。また、増幅媒体が放出する放出光が共振器を周回する周回時間に対するＱスイッチ手段の開通時間を４〜５倍とすることがさらに好ましい。

パルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように消光比を制御すると、一方で、パルスピーク値の低下が発生することがある。Ｑスイッチ手段の開通時間を、放出光が共振器を周回する周回時間に対して上記の範囲内とすることにより、レーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅、ひいてはパルス幅の変動を抑制すると同時に、パルスピーク値の低下が抑制されたパルス光を出力することができる。

本発明に係るレーザ発振方法は、制御部によって、使用繰り返し周波数領域が１０〜１００ｋＨｚの範囲を含み、当該範囲におけるパルス光の半値全幅が、使用繰り返し周波数領域が２０ｋＨｚのときを基準として±１０％以内となるように、Ｑスイッチ手段を制御する態様をとることができる。

また、制御部によって、使用繰り返し周波数領域が２０〜２５０ｋＨｚの範囲を含み、当該範囲におけるパルス光の各パルスの半値全幅が、使用繰り返し周波数領域が２０ｋＨｚのときを基準として±２０％以内となるように、Ｑスイッチ手段を制御する態様をとることもできる。

本発明に係るレーザは、パルス光を発振するレーザであって、励起エネルギが供給されることにより放出光を発生する増幅媒体が共振光路上に配置された共振器と、増幅媒体に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域においてレーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように、Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

上記のレーザによれば、Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御する制御部を備えることによって、Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域においてレーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動を所定の範囲内とすることができ、パルス光のパルス幅の変動が抑制される。

また、レーザの制御部は、増幅媒体が放出する放出光が共振器を周回する周回時間に対してＱスイッチ手段の開通時間を３〜７倍とすることが好ましい。また、制御部は、増幅媒体が放出する放出光が共振器を周回する周回時間に対してＱスイッチ手段の開通時間を３〜４倍とすることがさらに好ましい。さらに、本発明に係るレーザにおいて、使用繰り返し周波数領域は１０〜１００ｋＨｚの範囲を含む態様とすることが好ましい。

パルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように消光比を制御すると、一方で、パルスピーク値の低下が発生することがある。Ｑスイッチ手段の開通時間を、放出光が共振器を周回する周回時間に対して上記の範囲内とすることにより、レーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅、ひいてはパルス幅の変動を抑制すると同時に、パルスピーク値の低下が抑制されたパルス光を出力することができる。また、使用繰り返し周波数領域を上記の範囲とすることで、より汎用性の高いレーザが提供される。

本発明に係るレーザ加工方法は、上記のレーザから発振されるパルス光を加工対象物に照射することによって、加工対象物を加工することを特徴とする。

上記のレーザを用いた場合、パルス幅の変動が抑制されたパルス光を加工対象物に照射される。したがって、パルス光のパルス幅の広がりに由来する加工対象物の熱蓄積の影響を軽減することができる。

また、レーザから発振されるパルス光の照射位置に対して、加工対象物の移動速度を制御することにより、レーザから発振されるパルス光がパルス毎に照射するビームスポットのオーバーラップする割合を一定に制御する態様をとることができる。

加工対象物の同一のスポットにパルス光が何度も照射してしまうと、当該照射位置における熱蓄積の影響が大きくなる可能性がある。したがって、加工対象物の移動速度を制御してビームスポットのオーバーラップする割合を一定に保つことにより、熱蓄積の影響を低減させることができる。

さらに、本発明に係るレーザ加工方法は、上記のレーザから発振されるパルス光を加工対象物に照射することによって、加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法であって、制御部によってＱスイッチ手段の開通時間を制御することによってパルス光のパルスピークを最適化する態様とすることができる。

消光比を最適化することにより出力するパルス光の各パルスの半値全幅の変動が抑制されたレーザにおいて、さらに、Ｑスイッチ手段の開通時間を制御によってパルス光のパルスピーク値を制御することによって、より効率よくレーザ加工を行うことができる。

また、本発明に係るレーザ測定方法は、上記のレーザから発振されるパルス光を測定対象物に照射し、当該測定対象物の表面で反射された反射光を測定することにより、当該測定対象物の物理量の測定を行うことを特徴とする。

光測定において、パルス幅の変動は時間分解能の劣化につながるため、測定精度が低下するおそれがある。したがって、上記のように、消光比を最適化することによってパルス幅の変動が抑制されたパルス光を用いて光測定を行うことにより、高精度の光測定が行われる。

本発明によれば、パルス幅の変動が抑制されたレーザ、レーザ発振方法、及び当該レーザを用いたレーザ加工方法並びにレーザ測定方法が提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
本発明に係るレーザの第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係るレーザ１の構成を示す図である。この図に示されるレーザ１は、制御部１０、光増幅性ファイバ１１、励起光源１２、光スイッチ１３、駆動回路１４、コンバイナ１５、全反射ミラー１６、１７、光カプラ１８、レンズ１９及び光アイソレータ２０を備える。

光増幅性ファイバ１１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバからなる増幅媒体であって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＹｂ元素やＥｒ元素等である。

励起光源１２は、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源１２は好適にはレーザダイオードを含む。コンバイナ１５は、この励起光源１２から出力された励起光を入力して、光カプラ１８に入射させる。また、コンバイナ１５は、光カプラ１８から出力された光を透過して、光増幅性ファイバ１１の端面１１ａへ出力する。さらに、コンバイナ１５は、光増幅性ファイバ１１の蛍光性元素から放出されて端面１１ａから出力された光を透過して、光カプラ１８へ出力する。

光スイッチ１３は、第１ポート１３ａ、第２ポート１３ｂ、及び第３ポート１３ｃを有する。第１ポート１３ａは全反射ミラー１６と光学的に接続され、また、第２ポート１３ｂは光増幅性ファイバの端面１１ｂと光学的に接続されている。第３ポート１３ｃは光学的に接続されている対象物がない無反射終端となっている。光スイッチ１３は、駆動回路１４により駆動されて動作し、第１ポート１３ａと第２ポート１３ｂとの間の第１光路および第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。

この光スイッチ１３は、音響光学効果を利用したものであってもよいし、電気光学効果を利用したものであっても良いし、また、圧電式のものであっても良い。光スイッチ１３が音響光学効果を利用したものである場合、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されていないときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されずに第１ポート１３ａから全反射ミラー１６へ出力される。また、光スイッチ１３に高周波電圧が印加されているときに、光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂから出力された光は回折されて第３ポート１３ｃから無反射終端へ出力される。

この光スイッチ１３の切り替えは駆動回路１４によって行われる。駆動回路１４としては、例えばファンクションジェネレータが用いられる。

光カプラ１８は、コンバイナ１５から到達された光を入力し、その光の一部を分岐してレンズ１９へ出力し、残部を全反射ミラー１７へ出力する。光カプラ１８としては、例えば６ｄＢカプラが用いられる。

レンズ１９は光カプラ１８から出力された光を入力し、光アイソレータ２０へ出力する。また、光アイソレータ２０は、レンズ１９から出力された光を入力し、レーザ１から出力されるパルス光として外部へ出力するが、これと逆方向の光は通過させない。

制御部１０は、駆動回路１４による光スイッチ１３の切り替えを指示する。また、繰り返し周波数（使用繰り返し周波数）に対する消光比の制御及び光スイッチ１３の開通時間の制御を行う。

上記のように構成されるレーザ１において、励起光源１２から連続出力された励起光は、コンバイナ１５によって光カプラ１８へ出力される。光カプラ１８から全反射ミラー１７へ出力された光は、全反射ミラー１７により反射された後再び光カプラ１８に入力し、コンバイナ１５へ出力される。コンバイナ１５に入力した光はコンバイナ１５を通過して、レーザ媒質である光増幅性ファイバ１１の端面１１ｂに入力し、光増幅性ファイバ１１に添加された蛍光性元素を励起する。光スイッチ１３の第１ポート１３ａと第２ポート１３ｂとの間の第１光路が光透過可能状態となっているときには、全反射ミラー１６と全反射ミラー１７との間の光学系がファブリペロ型の共振器を構成しており、その共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１が配置されている。また、第２ポート１３ｂと第３ポート１３ｃとの間の第２光路が光透過可能な状態であるときには、上記共振器の共振器損失が極大となり、レーザ媒質としての光増幅性ファイバ１１から出力された光は無反射終端へ到達する。このように、本実施形態の光スイッチ１３及び駆動回路１４はＱスイッチ手段として作用して、共振器からパルス光を出力させることができる。

第１実施形態に係るレーザ１の具体的な構成例は以下のとおりである。光増幅性ファイバ１１は光導波領域にＹｂ元素が添加された光ファイバであり、励起光源１２はＹｂ元素を励起し得る波長９１５ｎｍ帯の励起光を出力し、このとき、光増幅性ファイバ１１は波長１．０６μｍ帯の蛍光を放出する。この光増幅性ファイバ１１は、長さ２．７ｍであり、コア直径が１０μｍであり、内クラッド直径が１２５μｍである二重クラッドファイバであり、波長９１５ｎｍ帯の励起光に対する非飽和吸収係数は２．８ｄＢ／ｍである。励起光源１２から光増幅性ファイバ１１に供給される波長９７５ｎｍ帯励起のパワーは１．４Ｗであり、連続的に供給される。このとき、光スイッチ開通時のＣＷ時平均出力は０．０５Ｗである。光スイッチ１３は音響光学効果を利用したもの（ＡＯスイッチ）であり、駆動回路１４は光スイッチ１３にＲＦ電圧を印加する。光スイッチ１３のスイッチング繰り返し周波数は可変である。また、上記の具体的な構成例では、全反射ミラー１６と全反射ミラー１７との間が４．４ｍとなるように、レーザ１に含まれる各部品間の距離を短くして配置している。したがって、このレーザ１の共振器としての周回長さは８．８ｍである。

ここで、本実施形態に係るレーザ１から出力されるパルス光の各パルスのパルス幅の変動を抑制する方法について説明する。レーザ１から出力されるパルス光の各パルスのパルス幅を、繰り返し周波数に依存することなく維持するためには、（１）繰り返し周波数に応じた消光比の最適化と、（２）光スイッチの開通時間の最適化と、が重要であることを発明者らは見出した。なお、「消光比」とは、光スイッチの開状態における挿入損失（ｄＢ）と、閉状態における挿入損失（ｄＢ）との差を示す。

まず、（１）繰り返し周波数に応じた消光比の最適化について説明する。図２は、本実施形態に係るレーザ１の構成が上述の構成例であるときの光スイッチ１３への印加電圧と消光比との関係を示す図である。このように、光スイッチ１３への印加電圧を変更することにより、消光比が変動することが分かる。

一方、上記のレーザ１を用いてパルス光を出力するときに、各パルスのパルス幅の変動が抑制される消光比を選定する。パルス幅の変動が抑制される消光比は、レーザ中の光共振器に用いられる光増幅性ファイバの長さや、ファイバ設計、励起パワー、及び出力パルス幅等に依存するため、レーザの構成毎に経験的に求めることが好適である。図３は、上述の構成例からなるレーザ１を用いた場合において、繰り返し周波数（２５０ｋＨｚ、１６６．７ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、７１．４ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、３１．２５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、１３．９ｋＨｚ、及び１０ｋＨｚ）に応じた好適な消光比を示す図である。パルス光の各パルスのパルス幅の変動を好適に抑制する消光比は、光スイッチの開通時間によっても変動する。図３では、光スイッチの開通時間が１６０ｎｓ、２２０ｎｓ、３００ｎｓの場合において、繰り返し周波数に応じた好適な消光比を示している。消光比は、図２に示すように印加電圧に対応して変動するため、消光比の変更は印加電圧の変更により行うことができる。なお、図３のうちの３００ｎｓＲｅｆは、各繰り返し周波数に対して消光比が２７．６３ｄＢとなる点を結んだものである。これは後述の測定において用いられる消光比を示す。

次に、図３で得られた繰り返し周波数に応じた好適な消光比を用いてパルス光を出力する場合と、消光比を考慮せずにパルス光を出力する場合と、を比較することによって、本実施形態に係るレーザ１において消光比を最適化を行うことによるパルス変動の抑制効果を説明する。

図４〜図７は、パルス光の各パルスのパルス形状を示す図である。図４は、光スイッチの開通時間を３００ｎｓとし、消光比を２７．６３ｄＢで一定として、繰り返し周波数を２５０ｋＨｚ、１６６．７ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、７１．４ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、３１．２５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、１３．９ｋＨｚと変更してレーザからパルス光を出力した際の各パルスのパルス波形を示す。図５は、光スイッチの開通時間を３００ｎｓとし、繰り返し周波数を２５０ｋＨｚ、１６６．７ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、７１．４ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、３１．２５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、１３．９ｋＨｚ、及び１０ｋＨｚとして、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザからパルス光を出力した際の各パルスのパルス波形を示す。図６は、光スイッチの開通時間を２２０ｎｓとした以外は図５の出力条件と同じであり、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザからパルス光を出力した際の各パルスのパルス波形である。また、図７は光スイッチの開通時間を１６０ｎｓとした以外は図５の出力条件と同じであり、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザからパルス光を出力した際の各パルスのパルス波形である。

また、図８〜図１１は、図４〜図７に示すパルス光の各パルスのパルス波形を規格化した図である。図８は、図４のパルス波形を規格化したものである。また、図９、図１０、図１１は、それぞれ図５、図６、図７のパルス波形を規格化したものである。

図４及び図８で示すように、レーザの消光比を一定として、繰り返し周波数を変更すると、繰り返し周波数が高い場合に、パルスの半値全幅が広がることが確認された。具体的には、繰り返し周波数が１６６．７ｋＨｚ以上となった場合、１３．９ｋＨｚのときのパルスの半値全幅に対して約５０％の増加が確認された。また、繰り返し周波数２０ｋＨｚのときのパルスの半値全幅と比較しても半値全幅が３０％増加している。

一方、図５〜図７で示すように消光比を図３に基づいて最適化してパルス光を出力した場合、各パルスの半値全幅の変動が抑制されている。その変動幅は、繰り返し周波数が１０ｋＨｚまたは２０ｋＨｚの場合のパルスの半値全幅を基準として、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以下の場合は１０％以内であり、繰り返し周波数が２５０ｋＨｚ以下の場合であっても２０％以内となっている。このように、消光比を最適化することによってパルス幅の変動を抑制することが確認された。

次に、（２）光スイッチの開通時間の最適化について説明する。まず、レーザの光スイッチの開通時間を短くすることによって、パルス幅の変動は抑制される。例えば、図７及び図１１に示すように、光スイッチの開通時間を１６０ｎｓとした場合のパルス幅の変動は、繰り返し周波数が２０ｋＨｚの場合の半値全幅を基準として、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ以下の場合には３％以内であり、繰り返し周波数が２５０ｋＨｚ以下の場合には１０％以内に抑制されている。

しかしながら、光スイッチの開通時間を１６０ｎｓとした場合、パルスピーク値の低下が大きくなり、光スイッチの開通時間が長い図４〜図６のパルス波形と比較して２／３程度の大きさとなってしまう点が問題となる。これは光スイッチの開通時間が短い場合には、共振器中に蓄積されたエネルギをパルス光として十分に放出することができないためである。上述の構成例では、共振器中の光の周回長さが８．８ｍであり、光が周回するための所要時間（周回時間）は約４０ｎｓとなるため、この周回時間よりもある程度長くないと、パルス光の各パルスにおいて出力されるエネルギが減少し、パルスピーク値の低下が大きくなる。

パルス幅の変動の抑制を好適に行うためには、レーザの光スイッチの開通時間を共振器の周回時間に対して４倍程度より短くすることが好ましい。ただし、光スイッチの開通時間を共振器の周回時間に対して３倍よりも短くすると、Ｑスイッチ手段としての挙動が不安定となるため、一つのパルスに含まれるピークが２つ以上に分離する症状が発生する。一方、上記の構成例において、光スイッチの開通時間を共振器の周回時間の約７倍に相当する３００ｎｓよりも長くした場合にも、Ｑスイッチ手段としての挙動が不安定となることが確認されている。

このように、光スイッチの開通時間を長くするとパルス光の各パルスのパルスピークを大きくすることができるが、パルス幅の変動が大きくなるという問題を有する。上記を考慮すると、光スイッチの開通時間、すなわちＱスイッチ手段の開通時間が、共振器の周回時間に対して３〜７倍であることが好ましい。また、パルス幅の変動抑制効果を優先する場合にはＱスイッチ手段の開通時間を共振器の周回時間に対して３〜４倍とすることが好ましい。一方、レーザマーキング加工等のように、パルス光のピーク強度が重要な加工等に用いる際のように、高いパルスピーク値が要求される場合にはＱスイッチ手段の開通時間を共振器の周回時間に対して４倍よりも大きくすることが好ましい。

本実施形態のレーザ１において、上記に示した消光比の最適化及び光スイッチ１３の開通時間の最適化は、制御部１０によって行われる。例えば、制御部１０は、繰り返し周波数とそれに対応する好適な消光比の対応表や、好適な消光比を実現するための印加電圧を示す表をあらかじめ保存しておき、光スイッチ１３を駆動させる際にはこの表を参照して適切な開通時間及び印加電圧となるように光スイッチ１３及び駆動回路１４を制御することによって、パルス光の各パルスのパルス幅の抑制を達成することができる。繰り返し周波数とそれに対応する好適な消光比や、好適な消光比を実現するための印加電圧は、レーザ中の光共振器に用いられる光増幅性ファイバの長さや、ファイバ設計、励起パワー等に依存するため、例えばレーザの初期製造時に当該レーザについてのデータを取得しておき、制御部に保存させておくこととすれば、レーザを使用する際に好適な消光比及び開通時間を用いてパルス光を出力することができる。

このように、本実施形態のレーザ１によれば、出力されるパルス光の繰り返し周波数を変更しても各パルスのパルス幅の変動を抑制することができるので、例えばレーザ加工に本レーザを用いる際には、加工対象物への熱蓄積を影響を軽減することができる。また、本レーザを光計測に用いる場合には、各パルスのピーク幅の広がりによる時間分解能の劣化を抑制することができるため、精度よく測定を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係るレーザの第２実施形態について説明する。図１２は、第２実施形態に係るレーザ２の構成を示す図である。この図に示されるレーザ２は、制御部３０、光増幅性ファイバ３１、励起光源３２、光スイッチ３３、駆動回路３４、コンバイナ３５Ａ、光カプラ３５Ｂ、光アイソレータ３６、レンズ３７及び光アイソレータ３８を備える。

光増幅性ファイバ３１は、光導波領域に蛍光性元素が添加された光ファイバであって、その蛍光性元素を励起し得る波長の励起光が供給されると、その蛍光性元素から蛍光を発する。この蛍光性元素は、好適には希土類元素であり、中でも好適にはＥｒ元素やＹｂ元素等である。

励起光源３２は、光増幅性ファイバ３１に添加された蛍光性元素を励起するための励起光を連続出力する。この励起光源３２は好適にはレーザダイオードを含む。コンバイナ３５Ａは、この励起光源３２から出力された励起光を入力して、この励起光を光増幅性ファイバ３１へ出力する。また、コンバイナ３５Ａは、光スイッチ３３の第１のポート３３Ａから到達した光を入力して、この光を光増幅性ファイバ３１へ出力する。

光スイッチ３３は、第１ポート３３ａ、第２ポート３３ｂ及び第３ポート３３ｃを有する。第１ポート３３ａはコンバイナ３５Ａと光学的に接続され、第２ポート３３ｂは光アイソレータ３６と光学的に接続され、また、第３ポート３３ｃは無反射終端とされている。光スイッチ３３は、駆動回路３４により駆動されて動作し、第１ポート３３ａと第２ポート３３ｂとの間の第１光路及び第２ポート３３ｂと第３ポート３３ｃとの間の第２光路の一方が、選択的に光透過可能状態となる。この光スイッチ３３は、ピエゾ光学効果を利用したものであるのが好適であり、また、音響光学効果を利用したものであってもよい。

光カプラ３５Ｂは、光増幅性ファイバ３１から到達した光を入力し、その光の一部を分岐してレンズ３７へ出力し、残部を光アイソレータ３６へ出力する。光カプラ３５Ｂとしては、１０ｄＢカプラが用いられる。

光アイソレータ３６は、光カプラ３５Ｂから到達した光を光スイッチ３３の第２ポート３３ｂへ向けて通過させるが、これと逆の方向には光を通過させない。

レンズ３７は光カプラ３５Ｂから出力された光を入力し、光アイソレータ３８へ出力する。また、光アイソレータ３８は、レンズ３７から出力された光を入力し、レーザ２から出力されるパルス光として外部へ出力するが、これと逆方向の光は通過させない。

制御部１０は、駆動回路１４による光スイッチ１３の切り替えを指示する。また、繰り返し周波数に対する消光比の制御及び光スイッチ１３の開通時間の制御を行う。

このように構成されるレーザ２において、励起光源３２から連続出力された励起光は、コンバイナ３５を経て、レーザ媒質である光増幅性ファイバ３１に供給され、光増幅性ファイバ３１に添加された蛍光性元素を励起する。すなわち、これらの構成要素は、レーザ媒質である光増幅性ファイバ３１に励起エネルギを連続的に供給する励起手段として作用する。

また、光スイッチ３３の第１ポート３３ａと第２ポート３３ｂとの間の第１光路が光通過可能状態となっているときには、光増幅性ファイバ３１、光カプラ３５Ｂ、光アイソレータ３６、光スイッチ３３及びコンバイナ３５Ａを含む光学系がリング型の共振器を構成しており、その共振器の共振光路上にレーザ媒質としての光増幅性ファイバ３１が配置されている。また、光スイッチ３３の第２ポート３３ｂと第３ポート３３ｃとの間の第２光路が光通過可能状態となっているときには、上記共振器の共振損失が極大となる。このように、光スイッチ３３および駆動回路３４は、共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段として作用して、共振器からパルス光を出力させることができる。

第２実施形態に係るレーザ２の具体的な構成例は以下のとおりである。光増幅性ファイバ３１光導波領域にＹｂ元素が添加された光ファイバであり、励起光源３２はＹｂ元素を励起し得る波長９１５ｎｍ帯の励起光を出力し、このとき、光増幅性ファイバ３１は波長１．０６μｍ帯の蛍光を放出する。この光増幅性ファイバ３１は、長さ２．７ｍであり、コア直径が１０μｍであり、内クラッド直径が１２５μｍである二重クラッドファイバであり、波長９１５ｎｍ帯の励起光に対する非飽和吸収係数は２．８ｄＢ／ｍである。励起光源３２から光増幅性ファイバ３１に供給される波長９７５ｎｍ帯励起のパワーは１．８Ｗであり、連続的に供給される。このとき、光スイッチ開通時のＣＷ時平均出力は０．２４Ｗである。光スイッチ３３は音響光学効果を利用したもの（ＡＯスイッチ）であり、駆動回路３４は光スイッチ３３にＲＦ電圧を印加する。光スイッチ３３のスイッチング繰り返し周波数は可変である。また、上記の具体的な構成例では、レーザ２の共振器としての周回長さは８ｍとなるように、レーザ２に含まれる各部品間の距離を短くして配置している。

本実施形態のレーザ２のようにリング型の共振器を有する場合であっても、第１実施形態に係るレーザ１と同様に、繰り返し周波数毎の消光比の最適化及び光スイッチの開通時間の最適化を行うことにより、レーザ２から出力されるパルス光の各パルスのパルス幅の変動を抑制することができる。この消光比の最適化及び光スイッチの開通時間の最適化は、第１実施形態に係るレーザ１と同様に制御部３０によって駆動回路３４及び光スイッチ３３を制御することによって行われる。また、図２に示す印加電圧と消光比との関係に基づいて、印加電圧を制御して消光比を変化させることによって消光比の最適化が行われる。

図１３は、上述の構成例からなるレーザ２を用いたときの、繰り返し周波数に応じた好適な消光比を示す図である。図１３では、光スイッチ３３の開通時間を１６０ｎｓとした場合の、繰り返し周波数と消光比の関係を示しているが、第１実施形態のレーザ１における繰り返し周波数と好適な消光比の関係（図３）と同様に、光スイッチ３３の開通時間を変更することにより、好適な消光比は変更される。

図１４は、上述の構成例からなるレーザ２を用いて、光スイッチ３３の開通時間を１６０ｎｓとし、繰り返し周波数を１００ｋＨｚ、７１．４ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、３１．２５ｋＨｚ、及び２０ｋＨｚとして、各繰り返し周波数に対する消光比を図１３の関係に基づいて選択してレーザ２からパルス光を出力した際の各パルスのパルス波形を示す。

また、図１５は、図１４に示すパルス波形の、繰り返し周波数に対応するパルスピーク値を示す図である。図１６は、図１４に示すパルス波形をそれぞれ規格化したものである。

図１４及び図１６に示すように、消光比を図１３に基づいて最適化してパルス光を出力した場合、パルスの半値全幅の変動が抑制されている。また、本実施形態のレーザ２を用いた測定では、図１６に示すように、パルスの半値全幅だけではなくパルス波形の立ち上がり部分から立下り部分までが、ほぼ一致することとなった。このように、消光比を最適化することにより、パルス幅の変動が効果的に抑制される。

なお、本実施形態に係るレーザ２についても、光スイッチ３３の開通時間についての制御も行うことによって、パルス光のパルスピーク値をパルス光の照射目的に対して好適に設定することができる。

（レーザ加工）
レーザ加工を行う場合、加工対象物の材質や形状に応じてパルス光のパルスエネルギを最適化する必要がある。上記の実施形態に係るレーザを用いてレーザ加工を行う場合には、繰り返し周波数を変更することによって、パルス光の各パルスのパルスピーク値やパルスエネルギを制御することができる。なお、繰り返し周波数を大きくしたとき、加工対象物の同一のスポットにパルス光が何度も照射してしまうと、当該照射位置における熱蓄積の影響が大きくなる可能性がある。したがって、パルス光の照射位置に対する加工対象物の移動速度が可変であるレーザ加工装置を用いて、繰り返し周波数に対応して移動速度を変化させることが好ましい。

第１実施形態に係るレーザ１の構成を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ１の光スイッチ１３への印加電圧と消光比との関係の一例を示す図である。 第１実施形態の具体的な構成例からなるレーザ１を用いたときの、繰り返し周波数に応じた好適な消光比を示す図である。 光スイッチの開通時間を３００ｎｓとし、消光比を２７．６３ｄＢで一定としてレーザ１からパルス光を出力した際のパルス波形を示す。 光スイッチの開通時間を３００ｎｓとし、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザ１からパルス光を出力した際のパルス波形を示す。 光スイッチの開通時間を２２０ｎｓとし、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザ１からパルス光を出力した際のパルス波形を示す。 光スイッチの開通時間を１６０ｎｓとし、各繰り返し周波数に対する消光比を図３の関係に基づいて選択してレーザ１からパルス光を出力した際のパルス波形を示す。 図４のパルス波形を規格化した図である。 図５のパルス波形を規格化した図である。 図６のパルス波形を規格化した図である。 図７のパルス波形を規格化した図である。 第２実施形態に係るレーザ２の構成を示す図である。 第２実施形態に係るレーザ２の光スイッチ３３への印加電圧と消光比との関係の一例を示す図である。 光スイッチの開通時間を１６０ｎｓとし、各繰り返し周波数に対する消光比を図１３の関係に基づいて選択してレーザ２からパルス光を出力した際のパルス波形を示す。 図１４に示すパルス波形の繰り返し周波数とパルスピーク値との関係を示す図である。 図１４のパルス波形を規格化した図である。

符号の説明

１、２…レーザ、１０…制御部、１１…光増幅性ファイバ、１２…励起光源、１３…Ｑスイッチ手段（光スイッチ）、１４…駆動回路、１５…コンバイナ、１６、１７…全反射ミラー、１８…光カプラ、１９…レンズ、２０…光アイソレータ、３０…制御部、３１…光増幅性ファイバ、３２…励起光源、３３…Ｑスイッチ手段（光スイッチ）、３４…駆動回路、３５Ａ…コンバイナ、３５Ｂ…光カプラ、３６…光アイソレータ、３７…レンズ、３８…光アイソレータ。

Claims (13)

1. 励起手段と、共振器と、Ｑスイッチ手段と、制御部とを備えるレーザによりパルス光を発振させるレーザ発振方法であって、
   前記共振器の共振光路上に配置され励起エネルギが供給されることにより放出光を発生する増幅媒体へ、前記励起手段によって励起光を連続的に供給し、
   前記Ｑスイッチ手段によって前記共振器の共振器損失を変調し、
   前記制御部によって、前記Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域において前記レーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように、前記Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御する
   ことを特徴とするレーザ発振方法。
2. 前記制御部によって、前記増幅媒体が放出する放出光が前記共振器を周回する周回時間に対する前記Ｑスイッチ手段の開通時間を３〜５倍とすることを特徴とする請求項１記載のレーザ発振方法。
3. 前記制御部によって、前記増幅媒体が放出する放出光が前記共振器を周回する周回時間に対する前記Ｑスイッチ手段の開通時間を４〜５倍とすることを特徴とする請求項２記載のレーザ発振方法。
4. 前記制御部によって、前記使用繰り返し周波数領域が１０〜１００ｋＨｚの範囲を含み、当該範囲における前記パルス光の各パルスの半値全幅が、前記使用繰り返し周波数領域が２０ｋＨｚのときを基準として±１０％以内となるように、前記Ｑスイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ発振方法。
5. 前記制御部によって、前記使用繰り返し周波数領域が２０〜２５０ｋＨｚの範囲を含み、当該範囲における前記パルス光の各パルスの半値全幅が、前記使用繰り返し周波数領域が２０ｋＨｚのときを基準として±２０％以内となるように、前記Ｑスイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ発振方法。
6. パルス光を発振するレーザであって、
   励起エネルギが供給されることにより放出光を発生する増幅媒体が共振光路上に配置された共振器と、
   前記増幅媒体に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、
   前記共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、
   前記Ｑスイッチ手段の使用繰り返し周波数領域において前記レーザから出力されるパルス光の各パルスの半値全幅の変動が所定の範囲内となるように、前記Ｑスイッチ手段の消光比を繰り返し周波数に対応して選定された値に制御する制御部と
   を備えることを特徴とするレーザ。
7. 前記制御部は、前記増幅媒体が放出する放出光が前記共振器を周回する周回時間に対して前記Ｑスイッチ手段の開通時間を３〜７倍とすることを特徴とする請求項６記載のレーザ。
8. 前記制御部は、前記増幅媒体が放出する放出光が前記共振器を周回する周回時間に対して前記Ｑスイッチ手段の開通時間を３〜４倍とすることを特徴とする請求項６記載のレーザ。
9. 前記使用繰り返し周波数領域は１０〜１００ｋＨｚの範囲を含むことを特徴とする請求項６記載のレーザ。
10. 請求項６記載のレーザから発振されるパルス光を加工対象物に照射することによって、加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法。
11. 前記レーザから発振されるパルス光の照射位置に対して、前記加工対象物の移動速度を制御することにより、前記レーザから発振されるパルス光がパルス毎に照射するビームスポットのオーバーラップする割合を一定に制御することを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工方法。
12. 請求項７記載のレーザから発振されるパルス光を加工対象物に照射することによって、加工対象物を加工することを特徴とするレーザ加工方法であって、
    前記制御部によって前記Ｑスイッチ手段の開通時間を制御することによってパルス光のパルスピークを最適化することを特徴とするレーザ加工方法。
13. 請求項６記載のレーザから発振されるパルス光を測定対象物に照射し、当該測定対象物の表面で反射された反射光を測定することにより、当該測定対象物の物理量の測定を行うことを特徴とするレーザ測定方法。

Images