JP2012084729A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力を得る場合において出力パルス群のパルス間隔を容易に制御することができるレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１は、発振部１０，励起光源部２０および励起光学系３０を備える。発振部１０は、第１反射部１１，レーザ媒質１２，可飽和吸収体１３および第２反射部１４が一体化されたものである。励起光源部２０は、レーザ媒質１２に含有される光活性物質を励起するための励起光をパルス出力する。励起光学系３２は、励起光源部２０から出力された励起光を第１反射部１１側からレーザ媒質１２に供給するものであり、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に関するものである。

レーザ光源として、励起光が供給されることで放出光を発生させるレーザ媒質と、光吸収の飽和により光吸収率が小さくなり受動Ｑスイッチとして作用する可飽和吸収体とを、レーザ共振器の共振光路上に有する構成のものが知られている。また、特許文献１〜３には、パルス励起光がレーザ共振器内に供給されることで励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力（以下「出力パルス群」という場合がある。）が得られることが記載されている。

特開２００３−０８６８７３号公報 特開２００１−１８５７９４号公報 実開昭６３−１３６３６９号公報

しかしながら、上記のような励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力を得ようとする従来の技術では、出力パルス群の各パルスの間隔を制御することは容易ではない。例えば、励起光パワーによって出力パルス群のパルス間隔が変動するが、励起光パワーとは別の様々な要因によっても出力パルス群のパルス間隔が変動するので、励起光パワーを調整することのみでは出力パルス群のパルス間隔を制御することはできない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力を得る場合において出力パルス群のパルス間隔を容易に制御することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ装置は、励起光が供給されることで放出光を発生させるレーザ媒質と、光吸収の飽和により光吸収率が小さくなる可飽和吸収体と、励起光を透過させる第１反射部と、レーザ媒質および可飽和吸収体を共振光路上に有して放出光を共振させるレーザ共振器を第１反射部とともに構成する第２反射部と、励起光をパルス出力する励起光源部と、励起光源部から出力された励起光を第１反射部側からレーザ媒質に供給する励起光学系と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明のレーザ装置は、レーザ媒質，可飽和吸収体，第１反射部および第２反射部が一体化されており、励起光学系が、レーザ媒質での励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段を含むことを特徴とする。

本発明のレーザ装置では、励起光源部が、励起光のパルス幅を調整するパルス幅調整手段を含むのが好適である。また、励起光源部の励起光出力部，レーザ媒質，可飽和吸収体，第１反射部および第２反射部の相対的配置が固定されており、励起光学系がビーム径調整手段として光軸方向に移動自在のレンズを含むのが好適である。

本発明によれば、励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力を得る場合において出力パルス群のパルス間隔を容易に制御することができる。

本実施形態のレーザ装置１の構成図である。 本実施形態のレーザ装置１の組立ての一例を示す平面図、正面図および側面図である。 本実施形態のレーザ装置１における励起光および出力レーザ光それぞれの波形の一例を模式的に示す図である。 本実施形態のレーザ装置１において励起光のパワー，パルス幅およびレーザ媒質１２でのビーム径それぞれを変化させたときの出力レーザ光の波形の変化の一例を模式的に示す図である。

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

図１は、本実施形態のレーザ装置１の構成図である。レーザ装置１は、発振部１０，励起光源部２０および励起光学系３０を備える。発振部１０は、第１反射部１１，レーザ媒質１２，可飽和吸収体１３および第２反射部１４を含む。

レーザ媒質１２は、光活性物質を含有していて、励起光源部２０から出力される励起光が供給されることで光活性物質が励起され、その光活性物質から放出光を発生させる。レーザ媒質１２は、Ｎｄ:ＹＡＧやＹｂ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。レーザ媒質１２の厚さは例えば０.０１ｍｍ〜１.５ｍｍである。

可飽和吸収体１３は、光吸収の飽和により光吸収率が小さくなるものであって、レーザ共振器において受動Ｑスイッチとして用いられる。すなわち、可飽和吸収体１３は、光強度が小さいときには光吸収率が大きく、光強度が或る値を超えると光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体１３はＣｒ:ＹＡＧなどの結晶であるのが好適である。

第１反射部１１は、励起光を透過させ、放出光を反射させる。第２反射部１４は、放出光の一部を透過させ残部を反射させる。第２反射部１４は、励起光を反射させるのが好適である。放射光波長における第２反射部１４の反射率は例えば９０％程度である。第１反射部１１および第２反射部１４それぞれは誘電体多層膜であるのが好適である。

第１反射部１１および第２反射部１４は、レーザ媒質１２および可飽和吸収体１３を共振光路上に有して放出光を共振させるレーザ共振器を構成している。また、第１反射部１１，レーザ媒質１２，可飽和吸収体１３および第２反射部１４は順に配置されて一体化されていて、この一体化されたものが発振部１０となっている。この一体化に際しては、ダイレクトボンディング（表面活性化接合技術）により接合されているのが好適である。

ダイレクトボンディングとは、シリコン基板同士を接合するためにＭＥＭＳ分野で開発が進められてきたものである。ダイレクトボンディングは、結晶-誘電体膜、誘電体膜同士の何れでも可能である。ダイレクトボンディングの条件として、結晶または誘電体多層膜の表面状態は、平面度が好ましくはλ以下（より好ましくはλ／１０以下）で、表面粗さＲａが好ましくは１ｎｍ以下（より好ましくは０.５ｎｍ以下）である。

励起光源部２０は、レーザ媒質１２に含有される光活性物質を励起するための励起光をパルス出力するものであって、レーザダイオード２１および駆動部２２を含む。レーザダイオード２１は、駆動部２２から供給される駆動電流によりＱＣＷ（Quasi Continuous Wave）駆動されて励起光をパルス出力する。例えば、レーザ媒質１２がＮｄ:ＹＡＧの結晶である場合、励起光の波長は８０８ｎｍであり、出力レーザ光の波長は１０６４ｎｍである。

励起光源部２０は、レーザダイオード２１から出力される励起光のパルス幅を調整するパルス幅調整手段を含むのが好適である。具体的には、励起光源部２０は、駆動部２２からレーザダイオード２１に与えられる駆動電流のパルス幅を調整することで、励起光のパルス幅を調整することができる。

励起光学系３０は、励起光源部２０のレーザダイオード２１から出力された励起光を第１反射部１１側からレーザ媒質１２に供給するものであって、レンズ３１およびレンズ３２を含む。レンズ３１は、レーザダイオード２１から発散出力された励起光をコリメートする。なお、レーザダイオード２１から出力される励起光は、ファスト軸およびスロー軸を有し、軸方向によって拡がり角が相違する。したがって、コリメートのためのレンズ３１として、ファスト軸コリメート用レンズおよびスロー軸コリメート用レンズが設けられるのが好適である。レンズ３２は、レンズ３１によりコリメートされた励起光を入力し、その励起光を収斂させてレーザ媒質１２に供給する。

図２は、本実施形態のレーザ装置１の組立ての一例を示す平面図、正面図および側面図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示し、同図（ｃ）は側面図を示す。

発振部１０，レーザダイオード２１，レンズ３１およびレンズ３２は、架台４０に搭載されている。発振部１０は、架台４０に固定された支持台４１により支持されている。レーザダイオード２１は、架台４０に固定された支持台４２により支持されている。レンズ３１は、架台４０に固定された支持台４３により支持されている。すなわち、これら発振部１０，レーザダイオード（励起光源部の励起光出力部）２１およびレンズ３１の相対的配置が固定されている。

レンズ３２は、一軸直動ステージ５０に固定された支持台５１により支持されている。一軸直動ステージ５０は、基部が架台４０に固定されていて、支持台５１により支持されたレンズ３２を光軸方向に移動させることができる。一軸直動ステージ５０は、マイクロメータの回転により移動が可能であってもよいし、ステッピングモータにより移動が可能であってもよい。レンズ３２は、このように光軸方向に移動自在であることにより、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段として作用し得る。

なお、支持台４１は、発振部１０で発生した熱を放熱するために、熱伝導率が高い金属で構成されているのが好適である。また、支持台４２は、レーザダイオード２１で発生した熱を放熱するために、熱伝導率が高い金属で構成されているのが好適である。

図３は、本実施形態のレーザ装置１における励起光および出力レーザ光それぞれの波形の一例を模式的に示す図である。同図に示されるように、駆動部２２により駆動されたレーザダイオード２１から出力される励起光はＱＣＷパルス光である。このような励起光が励起光学系３０を経てレーザ媒質１２に供給される。

発振部１０では、励起光が供給されたレーザ媒質１２において放出光が発生する。その放出光のパワーが小さいときは、可飽和吸収体１３の光吸収率が大きく、レーザ共振器においてレーザ発振は起こらない。やがて、レーザ媒質１２で発生する放出光のパワーが大きくなって、可飽和吸収体１３における光強度が或る値を超えると、可飽和吸収体１３の光吸収が飽和して光吸収率が急に小さくなる。可飽和吸収体１３の光吸収率が小さくなると、レーザ媒質１２で発生した放出光は、可飽和吸収体１３を透過することができ、反射部１１と反射部１４との間で往復することでレーザ媒質１２において誘導放出を生じさせる。

これにより、レーザ共振器においてレーザ発振が起こる。このようなレーザ発振が生じると直ちに、レーザ媒質１２で発生する放出光のパワーが小さくなり、可飽和吸収体１３の光吸収率が大きくなって、レーザ共振器においてレーザ発振が終了する。励起光パルスの期間、以上のような動作が繰り返されることで、レーザ光源１はパルスレーザ光を出力することができる。すなわち、レーザ光源１では、励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力（出力パルス群）が得られる。

例えば、励起光のピークパワーは２００Ｗであり、励起光のパルス幅は６０〜２００μｓであり、励起光のパルスの繰り返し周波数は１００Ｈｚである。このとき、出力レーザ光のピークパワーは１ｋＷであり、出力レーザ光の出力パルス群の各パルス幅は２ｎｓであり、出力レーザ光の出力パルス群の繰り返し周波数は１００Ｈｚである。

図４は、本実施形態のレーザ装置１において励起光のパワー，パルス幅およびレーザ媒質１２でのビーム径それぞれを変化させたときの出力レーザ光の波形の変化の一例を模式的に示す図である。同図（ａ）の場合を基準として、同図（ｂ）では励起光のパワーが大きく、同図（ｃ）では励起光のパルス幅が狭く、また、同図（ｄ）ではレーザ媒質１２での励起光のビーム径が小さい。

同図に示されるように、励起光のパルス幅が一定のまま励起光のパワーが大きくなると（同図（ａ），（ｂ））、出力パルス群の各パルスのピークパワーが変化することなく、出力パルス群の各パルス間隔が狭くなり、したがって、出力パルス群のパルス数が増加する。励起光のパワーが一定のまま励起光のパルス幅が狭くなると（同図（ａ），（ｃ））、出力パルス群の各パルスのピークパワーが変化することなく、また、出力パルス群の各パルス間隔も変化することなく、したがって、出力パルス群のパルス数が減少する。

また、励起光のパワーが一定で励起光のパルス幅も一定のままレーザ媒質１２での励起光のビーム径が小さくなると（同図（ａ），（ｄ））、出力パルス群の各パルスのピークパワーが小さくなり、出力パルス群の各パルス間隔が狭くなり、出力パルス群のパルス数が増加する。

ところで、レーザダイオード２１から出力される励起光のパワーやパルス幅を含む種々の条件を調整して、出力パルス群のパルス間隔について所望の値を得ることは、容易ではなく、また、レーザダイオード２１からの出力が所望値に安定するまでに時間を要する場合もある。これに対して、本実施形態では、レーザダイオード２１から出力される励起光のパワーやパルス幅を変化させることなく、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整することのみで出力パルス群のパルス間隔を制御するので、容易かつ迅速に制御をすることができる。

本実施形態のレーザ装置１は、第１反射部１１，レーザ媒質１２，可飽和吸収体１３および第２反射部１４が一体化されてなる発振部１０を備え、また、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段を備える。したがって、本実施形態のレーザ装置１は、小型化が容易であるとともに、発振部１０，励起光源部２０および励起光学系３０を組み立てる際のアライメントが容易であり、アライメント後の位置ずれが生じ難く取り扱いが容易であり、また、出力パルス群のパルス間隔を容易かつ迅速に制御をすることができる。

また、本実施形態のレーザ装置１は、ＱＣＷ励起であるのでレーザダイオード２１から出力される励起光のピークパワーを大きくすることができる。本実施形態のレーザ装置１は、レーザ媒質１２の蛍光寿命（Ｎｄ:ＹＡＧでは２００μｓ程度）を中心とするパルス幅範囲（例えば数十μｓ〜５００μｓの範囲）で励起光のパルス幅を調整することで、良好な出力パルス群を自在に安定して発生させることができる。また、励起光１パルス当たり１パルスのレーザ光出力の場合の光-光変換効率は約２％であったのに対して、励起光１パルス当たり複数パルスのレーザ光出力の場合の最大効率は約１７％であった。

一般に、レーザ加工の分野では、出力パルス群中のパルス間隔は、金属等の加工対象物とレーザ光との相互作用において加工速度や加工深度に関して好ましい効果を発揮する領域を有している。本実施形態のＱＣＷ励起のレーザ装置１は、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整することで出力パルス群のパルス間隔を容易かつ迅速に制御をすることができるので、レーザ加工用途に好適に用いられ得る。また、本実施形態のレーザ装置１は、レーザ誘起発光分光（ＬＩＢＳ: Laser Induced Breakdown Spectroscopy）等の計測・分析の分野においても好適に用いられ得る。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、励起光源部２０と発振部１０との間の励起光学系３０の構成は様々な態様が可能であり、また、レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段の構成も様々な態様が可能である。レーザ媒質１２での励起光のビーム径を調整するために、上記実施形態ではレンズ３２を光軸方向に移動させたが、レンズ３１を光軸方向に移動させてもよいし、レンズ３１およびレンズ３２の双方を光軸方向に移動させるようにしてもよいし、また、発振部１０を光軸方向に移動させてもよい。ただし、発振部１０の熱的安定性が重要であるので、発振部１０は位置固定されるのが好ましい。

１…レーザ装置、１０…発振部、１１…第１反射部、１２…レーザ媒質、１３…可飽和吸収体、１４…第２反射部、２０…励起光源部、２１…レーザダイオード、２２…駆動部、３０…励起光学系、３１，３２…レンズ。

Claims (3)

1. 励起光が供給されることで放出光を発生させるレーザ媒質と、
   光吸収の飽和により光吸収率が小さくなる可飽和吸収体と、
   前記励起光を透過させる第１反射部と、
   前記レーザ媒質および前記可飽和吸収体を共振光路上に有して前記放出光を共振させるレーザ共振器を前記第１反射部とともに構成する第２反射部と、
   前記励起光をパルス出力する励起光源部と、
   前記励起光源部から出力された励起光を前記第１反射部側から前記レーザ媒質に供給する励起光学系と、
   を備え、
   前記レーザ媒質，前記可飽和吸収体，前記第１反射部および前記第２反射部が一体化されており、
   前記励起光学系が、前記レーザ媒質での前記励起光のビーム径を調整するビーム径調整手段を含む、
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 前記励起光源部が、前記励起光のパルス幅を調整するパルス幅調整手段を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記励起光源部の励起光出力部，前記レーザ媒質，前記可飽和吸収体，前記第１反射部および前記第２反射部の相対的配置が固定されており、
   前記励起光学系が前記ビーム径調整手段として光軸方向に移動自在のレンズを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
   

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