JP2014170839A - レーザー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力レーザー装置において、高出力ゆえに生じる発熱による複数の重畳した要因がもたらす光軸ずれは、制御しない場合には装置全体が熱平衡に達するまで数時間待たないとレーザー装置として稼働できる状態にならなかった。また、突発的に生じる熱要因による部品の劣化による稼働停止も課題であった。
【解決手段】熱源となる励起半導体レーザーの近傍に生じる発熱要因と、環境温度や伝送されたレーザーの吸収で生じる発熱要因とを区別し、それぞれに適した制御ユニットを配置し、その制御ユニット間の情報をコンピュータープログラムで適切に制御することにより、突発的な要因で生じる不具合も含め、レーザー装置の立ち上がり時間を大幅に短縮できる技術を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用レーザー装置において、高出力化のために不可避となった熱影響に起因して生じる数時間程度の時定数の長い温度依存特性を有することにより稼働状態までに数時間を必要とするレーザー装置であって、レーザー装置内で使用される非線形結晶の劣化に数時間程度の時定数のパワードリフトを同時に内在するレーザー装置において、電源投入時から短時間で、定常状態に達した場合と同等のレーザー発振状態をもたらすことにより、温度的平衡状態に達する時間を短縮する機能を有し、また、突発的に現れる非線形結晶劣化由来の長時間ドリフトを防ぐ機能を具備し、立ち上げ時間を短縮できる制御装置に関する。

高出力のレーザー装置は、熱による影響で、電源投入から稼働までの時間が長時間であることが多い。 例えば、５０ＫＨｚ、２０Ｗ程度の高出力フェムト秒レーザー装置では、電源投入時から熱平衡状態までに約２時間は必要となる。

熱に依存する要素の一つは、レーザー発振素子自体（レーザー結晶）に生じる熱影響である。この熱影響は、レーザー発振素子に対して半導体レーザーから注入される励起エネルギーが、レーザー発振素子によりレーザーに完全に変換されずに一部が熱に変換されることで生じる。その結果、発熱による熱歪みが起こり、光軸の移動（軸ズレ）が発生する。

他の要因は、レーザービームが反射ミラーに対して引き起こす熱による機械的保持具への応力歪み、さらに、増幅パルスの切り出しに使用する非線形結晶の発熱による劣化や、光軸のズレなどがあり、レーザー装置全体としては、いくつかの要因が重畳した熱歪みによる光軸ズレが起こる。

レーザー発振素子自体の発熱による不具合は、例えば、適切であると決めた光軸上に光検知器を配置し、その強度が変化する信号をとらえることで、光軸の変動を検知し、その変化情報を用いて、励起に使用する半導体レーザーの電流を制御するなどの手法で光軸を制御方法が確立されている。

また、レーザービームを導くために配置されている種々の光学素子が室温等の環境温度の変化により機械的応力歪みを起こし、結果として光軸ずれが生じるような場合には、適切とする光軸の位置に光検知装置を配置し、その信号の変化情報を利用して、各光学素子の保持機構に備えた微動機構を制御することにより、光軸の安定化を行う方法も確立されている。

高出力となったことで生じる複数の熱的要因が重畳した不具合の制御方法は、未解決の部分が多い。産業用の高出力レーザーでは、熱平衡に達するまでの時間が数時間に及ぶ場合には、稼働率の視点から、電源投入から稼働までの時間の短縮が望まれている。

特開２００６−３０３２３５号公報 特開２００５−２２１８０７号公報 特開２００６−３２４５５７号公報

レーザー装置には、一般的にレーザー出力光の強度を安定化させるために、出力光の一部（数％程度）を取り出し、光検知器で計測し、電子回路およびコンピューターで構成されるフィードバック回路を経て、レーザー装置のエネルギー注入源（例えば励起用の半導体レーザー）を制御することにより、安定化を達成している。この方式をＡＰＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御と呼んでいる。（特許文献１参照）。

励起源が半導体レーザーである場合のＡＰＣ制御は、光検知器からの信号により、励起用半導体レーザーの電流を制御する。被励起側のレーザー発振媒体は、発振に変換されるエネルギー以外は熱になり、その発熱は、レーザー媒体内部の屈折率を変化させるため、レーザー光の光軸に影響を与える。
しかし、ＡＰＣ制御では、レーザー発振媒体を固定している保持機具の応力歪みに対しては、比較的良好な応答性を有する。

ところが、レーザー共振器から出力されたレーザー光が装置の外部に取り出されるまでの伝送経路上に配置されているミラーや、透過光学媒体の内部に発生した熱歪みは、上記レーザー発振媒体内部に由来する熱歪みとは異なる長時間の時定数をもつため、レーザー装置全体の熱に起因する影響をＡＰＣ制御によって追尾し、制御することは容易ではない。

もし、ＡＰＣ制御だけでレーザー装置全体の光軸の安定化を図ろうとすると、励起源の半導体レーザーに注入する電流を極端に増大させる必要があるため、半導体レーザーの寿命を短くさせてしまうという弊害が生じる。

さらに、上記レーザー装置のレーザービームの伝送過程で生じた熱歪みに起因する光軸ずれには、機構部品の室温変動による熱膨張歪み等の設置環境による影響も加わるため、結果的にレーザー装置全体が熱平衡状態に達するには長時間が必要となり、かつ、その光軸制御は複雑となる。

このような複雑に重畳した要因による時定数の長い光軸ずれに対しては、特許文献２に記載の制御方式は適切に機能するが、レーザー媒体の発熱による光軸ずれに対しては、ＡＰＣ制御のような俊敏な応答性は期待できない。

さらに、レーザービームが通過する光学素子の中で、非線形結晶がある。この非線形結晶は通過するレーザー光の進行方向などを制御する目的で配置されている。この非線形結晶では、通過するレーザー光の一部は非線形結晶内に吸収され熱となり、非線形結晶を劣化させる。非線形結晶が劣化すると、その物性値が変化するため、通過するレーザー光の光軸は変化してしまう。このような物性値の変化による光軸ずれは、突発的に生じるため、その対策は容易ではない。

いずれの課題も、レーザーの強度が増大したことにより顕著になった課題であり、産業用レーザー装置の出力強度が増大すればするほど大きな課題となる。

上述の技術的課題を解決するために、本発明では、ＡＰＣ制御方式、微動機構による光軸安定化制御方式、および遠隔分析診断方式の特長すべてを技術的に取り入れ可能にすることによって、レーザー装置の光軸の安定化を実現した。

本発明は、レーザー装置から発生するレーザー光強度を、単一の光センサーで検知し、その信号値を、ＡＰＣ制御装置の入力信号とする。同時に、上記の光センサーで検知した信号値を、微動機構による光軸安定化制御の入力信号とする。レーザ強度の検知を単一の光センサーで行うことにより、複数の光センサーを用いた場合に生じる、センサー間の電気的特性の差の補正や、設置場所に依存した補正など、光軸制御を複雑にする要因を取り除くことができる。

また、本発明は、微動機構による光軸安定化制御方式を用いるが、上記と同一の光センサーの最適値、すなわち、レーザー装置のほぼ最適な状態では微動機構への制御を停止するように制御装置を初期設定し、微動機構の制御に対して不感領域を設定する。不感領域内では、ＡＰＣ制御のみが機能し、光センサーの最適な所定の設定値を維持するように制御して、レーザー装置の最適状態を保つ。

この不感領域が設定された制御ループは、一定時間以上経過しても、最適状態に達しない場合、あるいは、ＡＰＣ制御が必要以上に励起用半導体レーザーの電流を増大し、その所定の設定値を超えた場合には、不感領域の設定を取り消し、光軸制御を微動機構に戻すように設定する。

次に、単一の光センサーの信号強度に閾値を設定して、閾値から最適値（最大値）までの間に不感領域を設定し、その不感領域の内外において、短時間で変化する光軸ずれはＡＰＣ制御が制御を優先的に実施し、長時間で変化する光軸ずれは、微動機構が制御する。
短時間と長時間の閾値を示す時間は、例えば、１分である。この閾値を示す時間は、レーザー装置内のミラーの数、非線形素子の数、又は、半導体レーザーの特性等の構成要素によって適宜決定される。
光センサーが検知した信号強度の変化において、短時間で変化する要因は、励起源である半導体レーザーの強度変化であるか、あるいは、大きな熱源でもある半導体レーザーに近い位置の光学素子の熱歪みによる光軸ずれに起因すると考えられる。他方、光センサーが検知した信号において、長時間で変化する要因は、大きな熱源から遠い場所における光学素子の歪みに起因すると考えられる。さらに、長時間の変化の要因には、ゆっくりと劣化する非線形光学結晶の損傷や屈折率変化による光軸ずれが考えられる。
単一の光センサーでは、どのような要因により、信号強度が変化するかは区別できないが、信号強度の応答時間を短時間領域と長時間領域に分けること、また、上記のように主レーザーとそれを励起する半導体レーザーという２系統のレーザーを含むシステムにおける特徴を踏まえた制御をおこなうことにより、複雑に重畳した熱歪みによる光軸ずれを制御でき、レーザーシステム全体を安定化させることが可能となる。

レーザー装置を全体的に統括するコンピューターは、ＡＰＣ制御機能の制御とその制御情報収集機能とを有し、かつ、微動機構制御とその制御情報収集機能を有する。さらに、そのコンピューターは、インターネットを通じて別のコンピューターと情報交換することができるため、遠隔診断機能を有する。

遠隔診断用のコンピューターは、前記遠隔診断機能を使い、ＡＰＣ制御と微動機構制御の動作情報を前記レーザー装置の統括コンピューターから取得して分析可能である。また、遠隔診断用のコンピューターは、レーザー装置の非稼働時間に微動機構を制御することにより非線形結晶を微動移動させて、非線形結晶内を通過する光軸位置を変えることができる。これにより、本発明では、非線形結晶を可能な限り新鮮な状態で使用できるようになるため、ＡＰＣ制御と微動機構制御とを並行に動作させることにより、確率論的に突発的なパワー変動を起こす要因と考えられる非線形結晶の劣化由来の不具合を回避する機能を有する。

この機能により、保守要員を装置の近くで常駐させない限り対応できないと思われる突発的な不具合を回避できる。例えば、突発的な要因による稼働停止では、４時間以上かかると予想される修復時間を回避、あるいは、大幅に短縮できることができ、総合的運転コストを削減できる。

本発明は、本質的に複数の要因が重畳した発熱の課題を有する高出力産業用レーザーに、上記のＡＰＣ制御と微動機構制御とを実施する制御システムを適用又は付加することにより、重要なコスト要素となる稼働時間を大幅に短縮することができる。

熱に起因した立ち上げ時だけの問題であれば、産業用レーザーの稼働を常時運転とし、常時、熱平衡状態にすれば、電源投入時から稼働までの時間を考慮する必要はない。しかし、無限に運転を継続できることは不可能であり、コスト的にも現実的ではない。

本発明は、電力コストの削減のために、必要な時間だけレーザーを稼働させ、有効な稼働効率を提供するものである。

さらに、突発的要因による不具合に対しても、装置の近くに人員を常時配置すること無く、遠隔的に監視することにより、本発明に係る制御が可能となり、人的コストも削減できる。

従来では、熱的な要因に起因する光軸ずれだけの場合は、制御しない場合の立ち上がり時間は約２時間であり、突発的要因が重なった場合は、約４時間であることが実験により分かっている。
しかし、本発明に係る制御システムで制御した場合は約３０分で、レーザー装置として安定して使用できる状態となり大幅に立ち上げ時間の短縮が実現される。

本発明による実施例の方法とレーザー装置の全体構成を表すブロック図である。 レーザービームを伝送する際に使用するミラー等の吸収熱に起因するレーザービームの光軸ずれの説明図である。 レーザービームの伝送、波長変換、集光など、ビームが通過する光学素子の熱吸収に起因する光軸ずれの説明図である。 光軸微動機構制御における共存領域と不感領域を説明する図である。 非線形光学結晶を新鮮な状態に保つための微動を説明する図である。

添付図を参照しながら本発明の詳細を説明する。図１に本発明を使用したレーザー装置１の全体構成の一例を示す。レーザー装置１は、大別すると、主レーザーを発生させる共振器２、その発生したレーザーの分岐、集光、特性変換又は反射を行う光学系１０、８、６と、光軸制御ユニット２０、ＡＰＣ制御ユニット２３の二つの制御ユニット、および、システム全体の統合的な制御ソフトウエアを搭載したコンピューター２７から構成されている。

光軸制御ユニット２０の働きを説明する。レーザービームの進行方向の角度の制御、すなわち光軸制御は、図２に示すような２軸の制御要素を持つ光軸微動機構により行われる。本装置で行うような自動制御による光軸制御では、光軸微動機構には、光学素子の角度を変化させるための機械的変位機構があり、その変位を電気的信号で変化させることができるアクチュエーター、たとえば、ネジとモーターの組み合わせによる変位機構やピエゾ変位素子など、が微動機構として付加されている。
この微動機構は、たとえば、モーターに回転方向と回転量を含む制御信号を送る事で、その制御信号に応じた変位を起こし、結果的に通過するレーザービームの光軸を変化させることができる。
たとえば、図２に示すような光軸微動機構において、光学素子が反射ミラーの場合は、通過するレーザービームは、微動機構の動きにより、そのビームの仰角と俯角を変化させることができる。さらに、図２に示すような光軸微動機構を２台組み合わせて、レーザービームを通過させることにより、都合４軸、すなわちそれぞれの微動機構を制御することにより、角度だけではなく、ビームを平行移動させることもできる。
光学制御ユニット２０は、レーザーが図２に示すような光軸微動機構を複数個通過する過程で、制御信号に応じて、仰角、俯角、平行移動を組み合わせることによりレーザーの光軸を制御する機能を有する。この機能を使うことにより、最適とされた光軸からずれた場合には、光検知器１５（センサー）からの信号を元にコンピューター２７により分析された情報を用いて、適切な光軸に補正することができる。コンピューター２７は、光軸微動機構の装置ＩＤ番号や、アクチュエーターの変位量を知る必要があり、光学制御ユニット２０とコンピューター２７は双方向性の信号制御が行われる。

主レーザー共振器２は、半導体レーザー３からの励起レーザー光４により、エネルギーを吸収し、レーザー装置１の基本となるレーザービーム５を発生する。このとき、励起レーザー光４の全てのエネルギーがレーザービーム５に変換されず、一部が熱に変換されるため、レーザー共振器２の内部はその発熱により機構部品の歪みが発生し、結果としてレーザービーム５の光軸のずれが発生する。レーザービーム５は、このような熱による光軸ずれを含んだものとなる。

共振器２から取り出されたレーザービーム５は、レーザーの特性や機能を調整あるいは付加を目的として、ビームの分岐、集光、あるいは、反射を行う光学系６を通過する。光学系６では、誘電体多層膜ミラーや、集光レンズなどが使用される。

図２に、上記の光学系６の内部で使用されるミラー保持微動機構の一例を示す。この光学系６のユニットにレーザー３４が入射されると、高出力レーザーであるが故に、反射レーザー３５は、１００％反射とならずに一部の透過レーザー３７が発生し、その透過レーザーをミラー素子３３が吸収することによる発熱３８が生じる。

ミラー素子３３の内部に発生した発熱３８は、その保持機構３２に力学的応力歪み３９を引き起こす。その結果、ミラー保持機構全体に歪みが生じるため、反射レーザーは、熱歪みが無い場合とは異なる反射レーザー３６となる。このような発熱による光軸ずれは、微動機構３１と微動機構駆動アクチュエーター３０で構成される微動ユニットの調整によって補正されるが、その補正は、光軸微動制御ユニット２０からの制御信号１９に基づく。

図１の説明に戻ると、光学系６から出力されるレーザー７は、図２で示すような光学機構を経て出力される。そのレーザー７は、機能性光学系８に導かれる。この機能性光学系では、例えば、図３に示すように、入射レーザー４８が、機能性光学素子４７を通過することにより、レーザー４８の特性を変化させるような処理が行われる。その特性の変化には、通過したレーザー４９の波長が、入射レーザー４８とは異なる、波長変換作用や、あるいは、入射レーザー４８を高速に偏向させる処理である。

このような光の特性を変えるための機能性光学素子４７には、非線形結晶が用いられることが多い。非線形結晶を通過する場合は、レンズを通過する場合と異なり、レーザー４８のエネルギーは、機能性光学素子４７に吸収されるため、発熱５１を生じる。
その発熱は、保持機構４５の内部に、応力歪み５２を発生させ、周辺保持機構４６の内部にも応力歪み５３を発生させ、結果的に通過するレーザー５０のようにその光軸は、熱歪みの無い場合の通過レーザー４９とは光軸がずれたものとなる。この光軸ずれには、機能性光学素子４７の屈折率の温度依存性による光軸ずれも重畳するので、補正のための制御は複雑となるが、光軸微動制御ユニット２０からの制御信号１８により、光学系８のユニット内に含まれる図２に示すような光軸微動機構を制御することにより、光軸補正が行われる。

光学系８から取り出されるレーザー９は、次に光学系６と同様の光学機構で構成されている光学系１０に導かれ、その後、最終的なレーザー１２が出力端１３から取り出される。この光学系１０においても、光学系６と同様に光軸微動制御ユニット２０からの制御信号１７により、光軸ずれの補正が行われる。

レーザー１２の一部は、ビームスプリッター１１により分岐され、光軸ずれや光強度の変動を計測するためのビーム１４となる。
ビーム１４は、光軸ずれが生じて光検知器１５に入射するビームの一部が検知されないために起こる信号強度の変化と、光軸ずれが生じていないが、レーザー１２自体の強度そのものの信号強度の変化とが重畳されている。その重畳された変化は、光検知器１５に入り、電子回路を経て電気信号に変換され、光強度検知信号１６となる。光強度検知信号１６は、ＡＰＣ制御ユニット２３に導かれ、その情報は、ＡＰＣ制御ユニット２３と光軸微動制御ユニット２０とに共有され、以下に説明するような制御手順に使用される。

光強度検知信号１６、光軸微動制御ユニット２０、ＡＰＣ制御ユニット２３、およびコンピューター２７、２９により実行される制御手順は４つのパターンに分類される。

制御手順（１）：
コンピューター２７にプログラムされている制御手順（１）を実行する処理において、ＡＰＣ制御ユニット２３とコンピューター２７とを接続する信号経路２５を使い、光強度検知信号１６から得られる信号強度の変化を判別して、半導体レーザー３とコンピューター２７とを接続する信号経路２６を通じて、所定の設定値となるように、半導体レーザーの電流を制御する。

この制御手順において、共振器２の前段で生じる発熱源（半導体レーザー３）の制御により、光強度検知信号１６の強度が制御され、所定の設定値に戻るかどうか、コンピューター２７に搭載されているプログラムにより監視や制御を行う。この制御手順による制御は、励起用半導体レーザーの電流制御という直接的な熱源となる部分の制御により、最終的な出力となるレーザー１２の強度が一定となるよう制御する方法である。
例えば、主共振器２におけるレーザー発振素子に由来する光軸ずれの場合は、半導体レーザー３への入力電流の増減に応じて比較的敏感に光軸ずれに影響を与えるため、光検知器は、数ミリから数十ミリ秒程度の応答速度を有し、入射される光強度の変化に対して十分な応答速度で対応できるように設計される。コンピューター２７が、例えば、数十ミリ秒程度の変化速度の電流変化を半導体レーザーに与えるように指示すると、コンピューター２７の指示後、所定時間内（具体的数値はシステムパラーメータとして決められる）に光検出器は光強度の変化を感知することになり、コンピューター２７は、レーザー発振素子に由来する光軸ずれと認識し、ＡＰＣ制御は所定時間以内、例えば１分以内に行われる。

制御手順（２）：
コンピューター２７にプログラムされている制御手順（２）を実行する処理において、光軸微動制御ユニット２０とコンピューター２７とを接続する信号経路２４を使い、ＡＰＣ制御ユニット２３から信号経路２２を通じてもたらされる光強度検知信号１６の情報を判別して、光学系１０、８、６の光軸微動機構を制御する制御信号１７、１８、１９、を通じて光軸制御することにより、光強度検知信号１６の強度が所定の設定値に戻るかどうか、コンピューター２７に搭載されているプログラムで監視や制御を行う。

この制御手順による制御は、光学素子を通過するレーザーが引き起こす光軸ずれに起因するレーザー１２の強度変化や光軸ずれを補正する方法である。
光学系１０、８、６の光学素子に由来する光軸ずれの場合は、瞬時的なものではない。よって、応答速度の速い（１）の制御手順により、半導体レーザーへの入力電流を増減変化で強制的に光軸を変動させたとしても、瞬時的に光軸のずれが感知される可能性はあるが、半導体レーザーへの入力電流制御によって発生した光軸の大きなずれに瞬時的に小さなずれが重畳しただけの感知分析処理結果となり、光学系１０、８、６に起因した光軸のずれであることを判別できない。
応答速度の速い制御手順（１）では光検知器を含む処理系で光軸ずれが感知されない場合があるが、制御手順（２）では、コンピューター２７によって光学系１０、８、６の光軸微動機構を意図的に制御することにより、光検知器が、光軸ずれの正しい補正、あるいは、さらに大きな光軸ずれの変化を感知し、コンピューター２７は、光学素子に由来する光学素子に由来する光軸ずれと認識する。
ＡＰＣ制御の応答時間が１分以上の場合は、制御手順（２）が行われる。

制御手順（３）：
コンピューター２７にプログラムされている制御手順（３）を実行する処理において、上記の制御手順（１）と制御手順（２）を併用した制御を行う。すなわち、ＡＰＣ制御ユニット２３による半導体レーザー３の電流制御と、光軸微動制御ユニット２０による光軸制御を併用することにより、光強度検知信号１６の強度が所定の設定値に戻るかどうか、コンピューター２７に搭載されているプログラムで監視や制御を行う。

制御手順（３）の制御において、ＡＰＣ制御ユニット２３と光軸微動制御ユニット２０の制御に対する優先度のバランスを図４を用いて説明する。図４に光強度検知信号１６の強度４０を縦軸に示している。この強度は例えば、光強度検知信号１６が電圧であれば電圧値であり、電流であれば電流値である。最終出力レーザー１２が最適状態となるときの光強度検知信号１６の値４１は、コンピューター２７に予め設定されている。この値はレーザー装置１において固有の値であるが、レーザー装置１が熱平衡状態となり、安定に動作している状態で決定することが出来る。

図４に示すように、最適状態となるときの光強度検知信号１６の値４１は、光強度検知信号１６の最大値である。そして、０値と最大値との間は、ＡＰＣ制御ユニットだけが支配的となり光軸微動制御ユニット２０が動作しない不感領域４２と、光軸微動制御ユニットとＡＰＣ制御ユニットが共存して制御動作する共存領域４４とに分かれている。不感領域４２では、上記の制御手順（２）のプログラムは動作しないように設定される。

共存領域と不感領域は、最適状態となるときの光強度検知信号１６の値４１に対して、共存領域と不感領域の比率で決まる境界値４３によって制御の切り替えが行われるように設定され、コンピューター２７に搭載された制御手順（３）のプログラムは、そのように動作する。この境界値４３は、レーザー装置１において固有の値であるが、レーザー装置１が熱平衡状態に移行するまでの過程において、信号経路２１により光軸微動制御ユニットからもたらされる微動の情報や信号経路２２によって伝えられるＡＰＣ制御情報を、信号経路２４、２５から収集して監視し、分析することにより、コンピューター２７が自動的に設定することができるようにプログラムしている。

制御手順（４）：
図５に、機能性光学系８において、機能性光学素子４７（図３参照）が、非線形光学結晶５６である場合の一例を示す。前段からのレーザービーム５７は、光軸微動機構５８、５９を経て、非線形光学素子５６に導かれ、結晶からの出射レーザービーム６０となる。非線形光学素子５６は、光学素子保持機構５５に取り付けられており、その光学素子保持機構は、５軸移動微動機構５４に取り付けられている。

一般的に、非線形光学結晶５６の形状寸法は、通過するレーザービームの径に比較して十分に大きいため、結晶内を通過するビームの位置を結晶内で移動することが可能である。図５の光軸上断面図に示すように、５軸移動微動機構５４を動作させることにより、非線形光学結晶５６の内部において移動前のレーザービーム位置６３を、移動後のレーザービーム位置６２のように配置することができる。結晶の移動が平行移動でない場合は、出射レーザービーム６０の光軸は、移動前と移動後でずれることになるが、その光軸ずれは、光軸微動機構５８、５９を光軸微動制御ユニット２０からの信号により制御することで補正できる。

上述の制御手順（４）の動作は、コンピューター２７に搭載されているプログラムでいつでも実行することが出来る。その結果、非線形光学結晶５６は、レーザービームが通過することにより、常に劣化が進行することは避けられないが、非線形結晶内を通過するレーザービームの位置を移動させることによって、常に新鮮な状態で使用することが可能となる。

非線形光学結晶５６は、順次劣化が進行するが、突然、破壊的に劣化が進行する場合もある。このような突発的に生じる光学素子のトラブルに対しては、ある程度の予測による対処が有効となる。コンピューター２７が制御している情報を、リモート診断ソフトを搭載した外部のコンピューター２９とインターネット２８により接続することにより、他の同一仕様のレーザー装置における稼働状態情報と比較して分析することにより、特に突発的に生じる非線形光学結晶由来のトラブル予測を実施できる。この分析情報をコンピューター２８からコンピューター２７に送り、制御手順（４）を実施すれば、被害を最小限にすることができ、レーザー装置の稼働率を向上させることができる。

レーザー装置に組み込まれている非線形結晶は、仕様上は同一の部品として使用される。しかし、非線形結晶の劣化過程は複雑で、個々の結晶で異なっており種々の破損形態をたどる。ただし、同一仕様のレーザー装置であれば結晶に照射されるレーザー強度の範囲が限定的となるため、ある程度の劣化過程の情報を蓄積することが可能である。たとえば、最も単純な劣化は、稼働状態を一定時間経ると結晶の変換効率の劣化のために、変換されるレーザー強度が弱くなる現象が起きる。この情報は、同一仕様のレーザー装置の光センサー情報や経過時間を蓄積することで意味のある稼働状態情報となる。また、劣化により結晶の屈折率が変化する場合がある。通過するレーザービームの径に比べて有意な領域の屈折率が変化すると、通過するレーザービームは最適値とされていた角度とは異なる角度で通過する。すなわち、最終的には光軸ずれとして現れる。このような劣化も、光センサー情報や、光軸微動制御情報とあわせて、経過時間とともに蓄積するとにより、結晶の部品としての製造情報と組み合わせることにより、致命的な損傷を引き起こす以前で交換するなどの対処が可能になる。すなわち、稼働情報を蓄積することにより、従来では、レーザー装置の性能を維持するために、やみくもに新品と交換していた非線形結晶の交換時期を、システムの稼働状態に応じて適切に交換することが可能となる。

本発明の活用例として、今後レーザーの高出力化が進む中で、熱による複雑な要因に起因した光軸ずれを簡単に補正することが可能となり、電力効率の向上、加工効率の向上、保守性の向上などが期待できる。

１ レーザー装置
２ 主レーザー共振器
３ 半導体レーザー
４ 励起レーザー光
５ レーザービーム
６ 分岐や集光あるいは反射を行う光学系
７ レーザー
８ 機能性光学系
９ レーザー
１０ 分岐や集光あるいは反射を行う光学系
１１ ビームスプリッター
１２ 最終的なレーザー
１３ 出力端
１４ 分岐ビーム
１５ 光検知器
１６ 光強度検知信号
１７ 制御信号
１８ 制御信号
１９ 制御信号
２０ 光軸微動制御ユニット
２１ 信号経路
２２ 信号経路
２３ ＡＰＣ制御ユニット
２４ 信号経路
２５ 信号経路
２６ 信号経路
２７ コンピューター
２８ インターネット回線
２９ コンピューター
３０ 微動機構駆動アクチュエーター
３１ 微動機構
３２ 保持機構
３３ ミラー素子
３４ レーザー
３５ 反射レーザー
３６ 反射レーザー
３７ 透過レーザー
３８ 発熱
３９ 力学的応力歪み
４０ 光強度検知信号の強度
４１ 光強度検知信号最適値
４２ 不感領域
４３ 境界値
４４ 共存領域
４５ 保持機構
４６ 周辺保持機構
４７ 機能性光学素子
４８ 入射レーザー
４９ 通過レーザー
５０ レーザー
５１ 発熱
５２ 応力歪み
５３ 応力歪み
５４ ５軸移動微動機構
５５ 光学素子保持機構
５６ 非線形光学結晶
５７ レーザービーム
５８ 光軸微動機構
５９ 光軸微動機構
６０ 出射レーザービーム
６１ 移動後の結晶位置
６２ 移動後のレーザービーム位置
６３ 移動前のレーザービーム位置

Claims (6)

1. 励起用半導体レーザーを励起源とするレーザー装置から出力されたレーザービーム光を検出する単一の光検出器と、
   光検出器で検出された信号を受信し、その信号に基づいて半導体レーザーの電流を制御して光軸をＡＰＣ制御するＡＰＣ制御ユニットと、
   レーザービームが通過する光学系ユニットを微動制御して光軸を制御する光軸微動制御ユニットと、
   を有して構成される光軸制御システムであって、
   光検出器で検出された信号が所定の閾値を越える場合は、ＡＰＣ制御ユニットのみが機能してレーザービームの光軸を制御し、前記閾値を下回る場合は、ＡＰＣ制御ユニットと微動機構制御ユニットの双方が機能して光軸を制御するように構成された光軸制御システム。
2. 前記光軸微動制御ユニットから送信された情報を分析し、レーザー発振素子の発熱由来の光軸変化であるか、あるいは、レーザー発振素子とは別の光学素子の環境温度に由来した光軸変化であるかを区別する、請求項１に記載の光軸制御システム。
3. 光軸微動制御ユニットの機能が停止した状態で一定時間以上経過した場合、光軸微動制御ユニットの機能が停止した状態で半導体レーザーの電流値が所定の設定値を超えた場合、又は、光検知器の信号値が前記閾値以下の場合には、光軸微動制御ユニットの制御機能が回復する、請求項１又は２に記載の光軸制御システム。
4. 励起用半導体レーザーのＡＰＣ制御の応答時間は所定時間以内とし、光軸微動機構の制御の応答時間は所定時間を超えるものとする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光軸制御システム。
5. 前記光学系ユニットは非線形結晶を有し、所定の非線形結晶の劣化条件を満たして、非線形結晶の劣化に起因した光軸変化であるかを判別して、光軸微動機構の制御と半導体レーザーの制御を行う機能を有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光軸制御システム。
6. 上記の光軸変化の情報や制御情報を、インターネットを通じて遠隔地のコンピューターに伝送して分析し、その情報を元にしてレーザー装置の適切な光軸を変化させること無く、レーザー装置内の非線形結晶の位置を微動する機能を有する、請求項５に記載の光軸制御システム。

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