JP2013172100A - レーザ装置の調整方法およびレーザ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ピークの変動を少なくしパルス出力を安定にできる構成を、簡易な調整によって実現可能とするレーザ装置の調整方法およびレーザ装置の製造方法を得ること。
【解決手段】レーザ共振器内に設けられた音響光学素子１０を備え、音響光学素子１０に設けられた音響光学媒体への超音波の作用によりレーザ光を変調させるレーザ装置を調整するための方法であって、音響光学媒体へ超音波を作用させる音響光学素子１０の動作時と、音響光学媒体への超音波の作用を停止させる音響光学素子１０の非動作時とについて、音響光学媒体の歪みを測定する歪み測定工程と、音響光学媒体において、歪み測定工程における測定結果を基に決定された位置からレーザ光が通過するように、レーザ光の光軸に対し垂直な方向について、音響光学素子１０を設置する位置を調整する設置位置調整工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置の調整方法およびレーザ装置の製造方法に関する。

従来、固体レーザとして、発振状態と非発振状態とを切り換えることにより高出力パルスを得るＱスイッチレーザが知られている。Ｑスイッチレーザとしては、例えば、レーザ共振器内に設けられた音響光学素子によるレーザビームの変調を用いるものがある。音響光学素子は、超音波の作用により音響光学媒体に屈折率の疎密を形成し、屈折率の疎密を利用してレーザビームを回折させる。音響光学素子は、通常、音響光学媒体のほぼ中心をレーザビームが通過するように設置される。

特開昭６３−１１８７１２号公報

Ｑスイッチレーザは、音響光学媒体の内部に歪みが生じることで、非発振状態あるいは連続発振状態からパルス発振状態への切り換えのときにパルスのピークを大きく変動させることや、パルスが安定するまでの時間を増大させることがある。このため、Ｑスイッチレーザは、パルス出力の安定に時間を要する場合があることが問題となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピークの変動を少なくしパルス出力を安定にできる構成を、簡易な調整によって実現可能とするレーザ装置の調整方法およびレーザ装置の製造方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ共振器内に設けられた音響光学素子を備え、前記音響光学素子に設けられた音響光学媒体への超音波の作用によりレーザ光を変調させるレーザ装置を調整するための方法であって、前記音響光学媒体へ前記超音波を作用させる前記音響光学素子の動作時と、前記音響光学媒体への前記超音波の作用を停止させる前記音響光学素子の非動作時とについて、前記音響光学媒体の歪みを測定する歪み測定工程と、前記音響光学媒体において、前記歪み測定工程における測定結果を基に決定された位置から前記レーザ光が通過するように、前記レーザ光の光軸に対し垂直な方向について、前記音響光学素子を設置する位置を調整する設置位置調整工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、音響光学素子の動作時および非動作時における音響光学媒体の歪みを測定し、歪みが少ないことが確認された位置からレーザ光が通過するように音響光学素子の位置を調整する。レーザ装置は、非発振状態あるいは連続発振状態からパルス発振状態へ切り換えられたときにおけるパルスのピークの変動を抑制可能とし、パルスが安定するまでの時間の低減を可能とする。これにより、ピークの変動を少なくしパルス出力を安定にできる構成を、レーザ装置の簡易な調整によって実現できる。

図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置の調整方法に適用される歪み測定系の概略構成を示す図である。 図２は、音響光学素子のうち射出側開口部の側の平面図である。 図３は、音響光学素子の内部に設けられた音響光学媒体およびトランデューサを示す平面図である。 図４は、音響光学素子の非動作時に撮像素子により撮像された像の例を示す模式図である。 図５は、音響光学素子の動作時に撮像素子により撮像された像の例を示す模式図である。 図６は、音響光学素子の位置が調整されたレーザ装置の概略構成を示す図である。 図７は、音響光学素子の位置の調整を経ていない場合におけるレーザ装置を示す図である。 図８は、実施の形態にかかる調整方法による調整を経たレーザ装置について測定されたパルス波形を示す図である。 図９は、実施の形態にかかる調整方法による調整を経ていないレーザ装置について測定されたパルス波形を示す図である。 図１０は、実施の形態にかかる調整方法による調整を経たレーザ装置について、連続発振状態からＱスイッチパルス発振状態へ切り換えたタイミングの前後に測定されたパルス波形を示す図である。 図１１は、実施の形態にかかる調整方法による調整を経ていないレーザ装置について、連続発振状態からＱスイッチパルス発振状態へ切り換えたタイミングの前後に測定されたパルス波形を示す図である。

以下に、本発明にかかるレーザ装置の調整方法およびレーザ装置の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザ装置の調整方法に適用される歪み測定系の概略構成を示す図である。歪み測定系は、測定用光源１１、散乱板１２、偏光子１３、検光子１４及び撮像素子１５を有する。音響光学素子１０は、偏光子１３および検光子１４の間の光路中に載置される。

測定用光源１１は、測定のための照明光を供給する。測定用光源１１は、例えば蛍光灯である。散乱板１２は、測定用光源１１からの照明光を、反射により散乱させる。偏光子１３は、散乱板１２での散乱により均一化された照明光のうち、所定の振動方向１６の直線偏光である第１直線偏光を透過させる。偏光子１３は、音響光学素子１０へ第１直線偏光を入射させる。

検光子１４は、音響光学素子１０から射出した光１７のうち、所定の振動方向１８の直線偏光である第２直線偏光を透過させる。第１直線偏光の振動方向１６および第２直線偏光の振動方向１８は、互いに垂直である。偏光子１３および検光子１４は、互いに偏光特性を９０度異ならせて直列させたクロスニコルを構成する。

撮像素子１５は、検光子１４を透過した第２直線偏光により、音響光学素子１０内の音響光学媒体の像を撮像する。撮像素子１５は、例えばＣＣＤ（charge coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）イメージセンサを備えるデジタルカメラである。歪み測定系は、例えば、撮像素子１５での撮像により取得された画像を、測定結果として出力する。なお、歪み測定系は、図示する要素以外のもの、例えば、電源、配線、および水冷装置等も含むものとする。

音響光学素子１０の筐体２３には、入射側開口部２１および射出側開口部２２が設けられている。入射側開口部２１は、筐体２３の内部へ光を入射させる。射出側開口部２２は、筐体２３の内部から光を射出する。音響光学素子１０は、偏光子１３からの光が入射する側に入射側開口部２１を向け、かつ検光子１４の側へ射出側開口部２２を向けて載置される。

図２は、音響光学素子のうち射出側開口部の側の平面図である。音響光学媒体２４は、筐体２３の内部に収納されている。音響光学媒体２４は、石英や水晶等の光学結晶からなる。レーザ装置内に音響光学素子１０が設置されると、音響光学媒体２４は、レーザビームを通過させる。

図３は、音響光学素子の内部に設けられた音響光学媒体およびトランデューサを示す平面図である。図中、音響光学媒体２４およびトランデューサ２５は、音響光学素子１０のうち入射側開口部２１側から見た平面構成として示している。

トランデューサ（圧電素子）２５は、音響光学媒体２４の側面に取り付けられている。トランデューサ２５は、ＲＦ周波数帯域（例えば４１ＭＨｚ）の電力を加えることにより振動し、超音波を発生する。トランデューサ２５が発生した超音波は、音響光学媒体２４内を進行する。音響光学媒体２４内における超音波の進行方向２６は、音響光学媒体２４を通過するレーザビームの進行方向に対し垂直とされている。

音響光学媒体２４内を進行する超音波は、屈折率が異なる部分からなる疎密部を音響光学媒体２４内に形成する。音響光学媒体２４に形成された疎密部は回折格子として作用し、レーザビームを回折させる。音響光学素子１０は、音響光学媒体２４へ超音波を作用させる動作時に、回折によりレーザビームを偏向させ、レーザビームの透過ロスを生じさせる。音響光学素子１０は、音響光学媒体２４への超音波の作用により、レーザ光を変調させる。

歪み測定工程において、歪み測定系は、音響光学媒体２４へ超音波を作用させる音響光学素子１０の動作時と、音響光学媒体２４への超音波の作用を停止させる音響光学素子１０の非動作時とについて、音響光学媒体２４の歪みを測定する。

光供給工程において、測定用光源１１は、散乱板１２、偏光子１３および入射側開口部２１を介して音響光学媒体２４へ照明光を供給する。光検出工程において、撮像素子１５は、射出側開口部２２から射出した光を、検光子１４を介して検出する。

図４は、音響光学素子の非動作時に撮像素子により撮像された像の例を示す模式図である。図５は、音響光学素子の動作時に撮像素子により撮像された像の例を示す模式図である。偏光子１３から音響光学媒体２４へ入射した第１直線偏光のうち、偏光状態に変化が無い成分は、検光子１４にて遮断される。偏光子１３から音響光学媒体２４へ入射した第１直線偏光のうち、偏光状態が変化した成分は、検光子１４を通過する。

音響光学媒体２４のうち歪みが生じていない部分は、第１直線偏光の偏光状態を変化させないため、撮像素子１５により撮像された像においては一様に暗く示されることとなる。音響光学媒体２４のうち歪みが生じている部分は、第１直線偏光の振動方向を回転させる。歪みが生じている部分は、偏光状態の変化により検光子１４を通過する成分を生じさせることで、撮像素子１５により撮像された像においては白く示されることとなる。

図４に示す音響光学媒体２４は、全体が一様に暗く示されていることから、ほとんど歪みが生じていないことがわかる。図５に示す音響光学媒体２４は、上部左側を中心として中央部へ広がりを持つように白い部分が認められる。この画像から、音響光学媒体２４は、上部左側から中央部へかけての範囲において歪みが生じていることがわかる。

レーザ装置を調整する作業者は、音響光学素子１０の動作時および非動作時に撮像素子１５により取得された画像を基に、音響光学媒体２４のうちレーザビームを通過させる目標位置Ｐを決定する。目標位置Ｐは、音響光学媒体２４のうちトランデューサ２５からの超音波が進行する部分であって、音響光学素子１０の動作時および非動作時の双方において歪みが生じていないと認められる位置とする。

例えば図５に示すように、目標位置Ｐは、トランデューサ２５の中心位置を通過する中心線Ｎのうち、動作時および非動作時の画像にて暗く示されている部分から特定する。目標位置Ｐは、例えば、作業者が画像を目視することによって特定する。この他、目標位置Ｐは、撮像素子１５で得られた画像信号を基に、輝度が低い範囲から特定することとしても良い。

図６は、音響光学素子の位置が調整されたレーザ装置の概略構成を示す図である。レーザ装置３０は、発振状態と非発振状態とを切り換えることにより高出力パルスを得るＱスイッチレーザである。レーザ装置３０は、励起光源３１、固体レーザ媒質３２、全反射ミラー３３、部分反射ミラー３４および音響光学素子１０を有する。

励起光源３１は、励起光を射出する。固体レーザ媒質３２は、励起光によって励起され、レーザ光を射出する。全反射ミラー３３は、固体レーザ媒質３２からのレーザ光を反射する。部分反射ミラー３４は、固体レーザ媒質３２からのレーザ光の一部を反射し、一部を透過させる。全反射ミラー３３および部分反射ミラー３４は、レーザ共振器を構成する。

音響光学素子１０は、例えば、固体レーザ媒質３２と部分反射ミラー３４との間の光路中に配置されている。設置位置調整工程において、音響光学素子１０は、レーザ光の光軸に対し垂直な方向について、設置位置が調整される。音響光学素子１０は、音響光学媒体２４において、歪み測定工程における測定結果を基に決定された目標位置Ｐからレーザ光が通過するように、位置が調整される。

このように、音響光学素子１０の位置は、音響光学媒体２４のうち歪みが最も少ないと認められた位置からレーザ光が通過するように調整される。図中、音響光学素子１０のうち斜線を付して示す部分は、音響光学媒体２４に歪みが生じている部分とする。本実施の形態にかかる調整方法は、レーザ装置３０の製造時に実施される。

次に、本実施の形態にかかる調整方法による調整を経たレーザ装置３０の出力特性と、当該調整を経ていないレーザ装置３０の出力特性との違いについて説明する。図７は、音響光学素子の位置の調整を経ていない場合におけるレーザ装置を示す図である。音響光学素子１０は、例えば、音響光学媒体２４のうち入射面の中心位置Ｐ’からレーザ光が通過するように設置されている。音響光学媒体２４のうちレーザ光が通過する部分は、歪みが生じている部分に含まれるものとする。

図６および図７に示すパワーメータ３５は、レーザ装置３０からのレーザ出力を測定する。パルス計測素子３６は、レーザ装置３０から射出されたレーザ光の散乱光を検出し、パルス波形を測定する。パルス計測素子３６としては、例えば、ピンフォトダイオード、バイプラナ光電管等を使用する。

図８は、本実施の形態にかかる調整方法による調整を経たレーザ装置について測定されたパルス波形を示す図である。図９は、本実施の形態にかかる調整方法による調整を経ていないレーザ装置について測定されたパルス波形を示す図である。ここでは、パルス計測素子３６で測定されたパルス波形を、Ｑスイッチパルス発振のうち定常状態における２５６パルス分の波形を重ね書きしたものとして示している。

図８および図９を比較すると、図９に示すパルスのピーク値は比較的広い幅にて分散しているのに対し、図８に示すパルスのピーク値は図９に示す場合より狭い幅に集約しており、ほぼ同等の値を示している。この結果から、レーザ装置３０は、本実施の形態にかかる調整方法により音響光学素子１０の設置位置を調整することで、パルス波形の変化が抑制され、安定したパルス発振が可能となることがわかる。

図１０は、本実施の形態にかかる調整方法による調整を経たレーザ装置について、連続発振状態からＱスイッチパルス発振状態へ切り換えたタイミングの前後に測定されたパルス波形を示す図である。図１１は、本実施の形態にかかる調整方法による調整を経ていないレーザ装置について、連続発振状態からＱスイッチパルス発振状態へ切り換えたタイミングの前後に測定されたパルス波形を示す図である。ここでは、パルス計測素子３６で測定された約９０００パルス分のピーク値を示している。

図１０および図１１を比較すると、図１１に示すパルスのピーク値は、Ｑスイッチパルス発振状態へ切り換えられた直後から例えば数百ミリ秒程度遅れて略一定となるのに対し、図１０に示すパルスのピーク値は、Ｑスイッチパルス発振状態へ切り換えられた直後から略一定の値を示している。この結果から、レーザ装置３０は、本実施の形態にかかる調整方法により音響光学素子１０の設置位置を調整することで、連続発振状態からＱスイッチパルス発振状態へ切り換えた瞬間から、パルスのピーク値を略一定とし、安定したパルス発振が可能となることがわかる。

レーザ装置３０は、本実施の形態にかかる調整方法により、非発振状態あるいは連続発振状態からパルス発振状態へ切り換えられたときにおけるパルスのピークの変動を抑制可能とし、パルスが安定するまでの時間の低減を可能とする。これにより、レーザ装置は、ピーク値の変動を少なくしパルス出力を安定にできる構成を、簡易な調整によって実現できる。

１０ 音響光学素子
１１ 測定用光源
１２ 散乱板
１３ 偏光子
１４ 検光子
１５ 撮像素子
２１ 入射側開口部
２２ 射出側開口部
２３ 筐体
２４ 音響光学媒体
２５ トランデューサ
３０ レーザ装置
３１ 励起光源
３２ 固体レーザ媒質
３３ 全反射ミラー
３４ 部分反射ミラー
３５ パワーメータ
３６ パルス計測素子

Claims (3)

1. レーザ共振器内に設けられた音響光学素子を備え、前記音響光学素子に設けられた音響光学媒体への超音波の作用によりレーザ光を変調させるレーザ装置を調整するための方法であって、
   前記音響光学媒体へ前記超音波を作用させる前記音響光学素子の動作時と、前記音響光学媒体への前記超音波の作用を停止させる前記音響光学素子の非動作時とについて、前記音響光学媒体の歪みを測定する歪み測定工程と、
   前記音響光学媒体において、前記歪み測定工程における測定結果を基に決定された位置から前記レーザ光が通過するように、前記レーザ光の光軸に対し垂直な方向について、前記音響光学素子を設置する位置を調整する設置位置調整工程と、を含むことを特徴とするレーザ装置の調整方法。
2. 前記歪み測定工程は、
   偏光子と、前記音響光学素子に設けられた入射側開口部とを介して、測定用光源からの光を前記音響光学媒体へ供給する光供給工程と、
   前記音響光学素子のうち前記入射側開口部とは反対側に設けられた射出側開口部から射出した光を、検光子を介して検出する光検出工程と、を含み、
   前記偏光子は、第１直線偏光を透過させ、
   前記検光子は、前記第１直線偏光に対し振動方向が垂直な第２直線偏光を透過させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の調整方法。
3. レーザ共振器内に設けられた音響光学素子を備え、前記音響光学素子に設けられた音響光学媒体への超音波の作用によりレーザ光を変調させるレーザ装置を製造するための方法であって、
   前記音響光学媒体へ前記超音波を作用させる前記音響光学素子の動作時と、前記音響光学媒体への前記超音波の作用を停止させる前記音響光学素子の非動作時とについて、前記音響光学媒体の歪みを測定する歪み測定工程と、
   前記音響光学媒体において、前記歪み測定工程における測定結果を基に決定された位置から前記レーザ光が通過するように、前記レーザ光の光軸に対し垂直な方向について、前記音響光学素子を設置する位置を調整する設置位置調整工程と、を含むことを特徴とするレーザ装置の製造方法。

Images