JP2016051897A - レーザ装置およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱レンズ効果のある増幅媒質を含む光増幅器を使用した場合でも熱レンズの特性変化を抑制しつつ、パルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御できるレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置は、光を出力する種光源１と、種光源１から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器１１０と、前置光増幅器１１０から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器１２０と、前置光増幅器１１０から出力された光の平均パワーを測定するパワーモニタ部ＰＭと、種光源ドライバ３と、前置光増幅器ドライバ４と、種光源ドライバ３および前置光増幅器ドライバ４を制御する制御部２とを備える。制御部２は、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように種光源１を制御し、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に基づいて、前置光増幅器１１０から出力された光の平均パワーが一定になるように前置光増幅器１１０の利得を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、種光源から出力された光を光学的に増幅して、高いピークパワーのパルス光を出力するレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工機に関する。

レーザを用いた微細加工、例えば、小径の穴あけ、マーキング等では、高いピークパワーで高パルスエネルギーを有する光を発生するレーザ装置が有効である。さらに、加工対象の材料、加工後の穴径、穴深さなどの加工要求に応じて、パルス周波数、パルス幅、パルスピークパワーなどを広範囲に渡って独立に制御できるレーザ装置が望ましい。

高ピークパワーで高パルスエネルギーの光を出力する従来のレーザ光源としては、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶などのレーザ媒質を含む固体レーザのＱスイッチ発振器が知られている。固体レーザのＱスイッチ発振器は、発振器から直接に高ピークパワーで高パルスエネルギーのレーザ光が得られるが、出力パルスの繰り返し周波数、パルス幅は、限られた範囲内でしか制御できない。

また、高ピークパワーで高パルスエネルギーの光を出力するレーザ光源の別の構成として、比較的弱いパワーのレーザ光を種光として発生させる発振器と、発振器からの種光を増幅するための光増幅器を備えたＭＯＰＡ(Master Oscillator and Power Amplifier)方式のレーザ装置が知られている。たとえば、半導体レーザ（ＬＤ）を種光源として用い、光ファイバ増幅器で増幅するレーザ装置が提案されている。種光源として半導体レーザを用い、半導体レーザに注入する電流を制御することによって、出力パルスの繰り返し周波数、パルス幅を比較的広範囲で制御することが可能になる。

例えば、特許文献１では、種光源から出力されたパルスバースト光を光増幅器において増幅するレーザシステムにおいて、パルスバースト内のパルスとパルスの間における種光源のパワーを変化させることで、光増幅器の励起パワーを一定に保ったまま、増幅後の個別のパルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを制御している。また特許文献２では、光ファイバ増幅器と、種光源としての半導体レーザ２、励起光源としての半導体レーザとを備えたレーザ光源装置において、種光源の半導体レーザは、主照射期間にはパルス光を種光として出射し、予備照射期間にはパルス光のピークパワーよりも小さいパワーを有し、かつ実質的な連続光を種光として出射することにより、出射開始時に所望のピークパワーを有するパルス光が得られる。

特表２０１３−５００５８３号公報 特開２０１０−１７１１３１号公報

種光を光ファイバ増幅器で増幅する場合、増幅後のピークパワーが高くなると、誘導ラマン散乱、自己位相変調などの好ましくない非線形現象が生じたり、光ファイバが損傷したりするといったことが起こる。非線形現象が発生し始めるピークパワーは、一般に、使用している光ファイバのコア径と長さによって制限される。光ファイバを短くすることは増幅媒質の長さを短くすることになるため、増幅率を保ったまま光ファイバを短くするには一定の限界がある。光ファイバのコア径が大きくなると、比較的高いピークパワーまでは非線形現象および光ファイバの損傷が生じなくなるが、増幅後のレーザ光の横モードが劣化し易いということが知られている。レーザ光の横モードを劣化させず、更に高いピークパワーを得るための方法の１つとして、被増幅光がレーザ媒質中を導波路的な伝搬をしない光増幅器、即ち、非導波路型の光増幅器、つまり熱レンズ効果のある増幅媒質を持つ光増幅器を追加することが考えられる。被増幅光が光増幅器中を導波路的な伝搬をしなくなると、被増幅光の断面積を比較的大きくしてもレーザの横モードは劣化しにくく、良好なビーム品質を保ったまま、高いピークパワーまで増幅が可能となる。

この非導波路型の光増幅器、つまり熱レンズ効果のある増幅媒質を持つ光増幅器として、例えば、ロッド状のＮｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶などを用いた光増幅器が使用できる。しかし、こうした光増幅器では、発生する熱量が変動すると、熱レンズの特性が変化し、増幅後のレーザビーム伝搬が変化する、という現象が知られている。

特許文献１のように、光増幅器の励起パワーを一定に保ったまま種光源の出力波形を変化させることで、増幅後パルスのピークパワーまたはパルスエネルギーを制御した場合、増幅後の平均パワーが変化する場合がある。ただし、ここで述べる平均パワーとは、パルスバースト中のパルスとパルスの間隔よりも十分長い時間で、瞬間的なパワーを平均した時のパワーを指す。また、ここで述べるパルスバーストとは、同じ波形をもつ連続的なパルスだけでなく、単に複数のパルスも含み、各々のパルスの波形も異なってよい。前述のように、光増幅器の後段に、非導波路型の光増幅器が存在した場合、後段の光増幅器に入射する被増幅光の平均パワーが異なるため、後段の光増幅器から増幅光として取り出されるパワーが変化し、後段の光増幅器で発生する熱量が変動することにより、熱レンズの特性が変化して、増幅後のレーザビームの伝搬が変わる、という問題が考えられる。

本発明の目的は、非導波路型の光増幅器、つまり熱レンズ効果のある増幅媒質を持つ光増幅器を使用した場合でも熱レンズの特性変化を抑制しつつ、パルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御できるレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工機を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、光を出力する種光源と、
前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーを測定するパワーモニタ部と、
前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
前記前置光増幅器を駆動する前置光増幅器ドライバと、
前記種光源ドライバおよび前記前置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
前記制御部は、前記パワーモニタ部の測定結果に基づいて、前記前置光増幅器ドライバを介して、前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーが一定になるように前記前置光増幅器の利得を制御することを特徴とする。

また本発明に係るレーザ装置は、光を出力する種光源と、
前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーを測定するパワーモニタ部と、
前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
前記後置光増幅器を駆動する後置光増幅器ドライバと、
前記種光源ドライバおよび前記後置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
前記制御部は、前記パワーモニタ部の測定結果に基づいて、前記後置光増幅器ドライバを介して、前記後置光増幅器後のビームの伝搬状態が一定になるように前記後置光増幅器の利得を制御することを特徴とする。

また本発明に係るレーザ装置は、光を出力する種光源と、
前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
前記後置光増幅器から出力された光のビームのビーム径を測定するビームモニタ部と、
前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
前記後置光増幅器を駆動する後置光増幅器ドライバと、
前記種光源ドライバおよび前記後置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
前記制御部は、前記ビームモニタ部によって計算されるビーム径が変化しないように、前記前置光増幅器ドライバを介して前記前置光増幅器の利得を制御し、あるいは前記後置光増幅器ドライバを介して前記後置光増幅器の利得を制御することを特徴とする。

本発明によれば、前置光増幅器から出力された光の平均パワーが一定になるように前置光増幅器の利得を制御することによって、種光源が出力する光の波形が変化した場合でも、後置光増幅器での熱レンズの特性変化を抑制できる。その結果、出力ビームの伝搬を変えずに、パルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御できる。

また本発明によれば、後置光増幅器の熱レンズが一定になるように後置光増幅器の利得を制御することによって、種光源が出力する光の波形が変化した場合でも、後置光増幅器での熱レンズの特性変化を抑制できる。その結果、出力ビームの伝搬を変えずに、パルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御できる。

また本発明によれば、後置光増幅器から出力された光のビームのビーム径が変化しないように前置光増幅器または後置光増幅器の利得を制御することによって、種光源が出力する光の波形が変化した場合でも、後置光増幅器での熱レンズの特性変化を抑制できる。その結果、出力ビームの伝搬を変えずに、パルス光のピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御できる。

本発明の実施の形態１，３によるレーザ装置を示す構成図である。 前置光増幅器１１０の一例を示す構成図である。 後置光増幅器１２０の一例を示す構成図である。 種光源の出力の瞬時パワー、前置光増幅器の励起パワー、前置光増幅器後の瞬時パワー、前置光増幅器後の平均パワーの時間変化の一例を示すグラフである。 比較例として、前置光増幅器の励起パワーが一定である場合に、種光源の瞬時パワーと、前置光増幅器の励起パワーおよび増幅後のパワーの時間変化の一例を示すグラフである。 後置光増幅器に入射する信号光の平均パワーと、後置光増幅器から取り出すことのできるパワーとの関係の一例を示すグラフである。 増幅媒質の熱レンズの変化による信号光のビーム伝搬の変化の一例を示す説明図である。 第２高調波発生における基本波のピークパワーと波長変換後の平均パワーの関係の一例を示すグラフである。 波長変換器１３０の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２，４によるレーザ装置を示す構成図である。 Ｙｂ（イッテルビウム）の吸収スペクトルを示すグラフである。 本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態６によるレーザ加工機を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置１００は、種光源１と、前置光増幅器１１０と、後置光増幅器１２０と、波長変換器１３０と、制御部２と、種光源ドライバ３と、前置光増幅器ドライバ４と、後置光増幅器ドライバ９と、パワーモニタ部ＰＭなどを備える。なお特に明示していないが、レーザ装置１００は、光信号が通る経路上に、戻り光を抑制するための光アイソレータ、光信号を伝送するためのレンズ、ミラー等の伝送光学系などをさらに含んでもよい。

種光源１は、種光源ドライバ３によって駆動されて種光を出力する。種光源１は、好ましくは、出力パルスの繰り返し周波数及び／又はパルス幅を比較的広範囲で制御できる半導体レーザで構成され、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布反射ブラッグ型（ＤＢＲ）レーザ、ファブリペロー型（ＦＰ）レーザ、外部キャビティ型レーザ、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などが使用できる。種光源１の発光波長は、一例として１０６４ｎｍであるが、この値に限定されず、他の波長でも構わない。種光源１は、外部共振器などの構造的制御または外部の温度制御により発光波長が変化する波長可変レーザでもよい。

前置光増幅器１１０は、種光源１と光学的に接続されており、前置光増幅器ドライバ４によって駆動され、種光源１から出力された光を光学的に増幅する。

図２は、前置光増幅器１１０の一例を示す構成図である。前置光増幅器１１０は、光ファイバ型増幅媒質１１３と、光ファイバ型増幅媒質１１３に励起光を供給する半導体レーザ１１１と、励起光を光ファイバ型増幅媒質１１３に導入するための結合器１１２などを含む。

光ファイバ型増幅媒質１１３は、被増幅光が導波路的な伝搬をする導波路型であって、熱レンズがない、あるいは熱レンズの影響を受けずに増幅が可能であり、ガラスファイバのコア部に希土類元素、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｈｏ（ホロミウム）、Ｐｒ（プラセオジム）などが添加されて構成される。光ファイバ型増幅媒質１１３は、ダブルクラッドファイバ及び／又は偏光保持ファイバとして構成してもよい。なお図２では、一段の光ファイバ型増幅媒質１１３を例示したが、直列接続された複数段の光ファイバ型増幅媒質１１３として構成することも可能である。また、図２では、一段の前置増幅器１１０を例示したが、半導体レーザ１１１、結合器１１２、光ファイバ型増幅媒質１１３のセットが複数段直列接続されたものを、前置増幅器１１０として構成することも可能である。

制御部２は、前置光増幅器ドライバ４を介して、半導体レーザ１１１の励起光パワーを変化させることによって、前置光増幅器１１０の利得を制御することが可能である。

図１に戻って、パワーモニタ部ＰＭは、前置光増幅器１１０の出力の一部を切り出す出力切り出し手段５と、出力切り出し手段５により切り出された光６の平均パワーを測定するパワーモニタ回路７などを備える。出力切り出し手段５として、例えば、光の一部を反射する部分反射ミラー、光の一部だけを切り出すファイバカプラなどが使用でき、一例として前置光増幅器１１０の出力の１％程度を切り出す。パワーモニタ回路７は、切り出された光を電気信号に変換する素子、例えば、サーモパイルまたはフォトダイオードと、ローパスフィルタなどを含み、前置光増幅器１１０から出力された光の平均パワーを測定し、その測定結果を制御部２へ送信する。

後置光増幅器１２０は、後置光増幅器ドライバ９によって駆動され、前置光増幅器１１０から出力され、パワーモニタ部ＰＭを通過した光８を光学的に増幅する。後置光増幅器１２０は、被増幅光がレーザ媒質中を導波路的な伝搬をしない光増幅器、即ち、非導波路型の光増幅器として構成されており、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、自己位相変調（ＳＰＭ）などの好ましくない非線形現象の発生、および増幅器の出射端面の光学的な破壊を抑制するために、前置光増幅器１１０と比べて被増幅光が比較的大きな断面積で入出射できるように構成される。

図３は、後置光増幅器１２０の一例を示す構成図である。後置光増幅器１２０は、増幅媒質１２２と、ダイクロイックミラー１２１ａ，１２１ｂと、伝送光学系１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ，１２４ｄと、励起光源１２３ａ，１２３ｂなどを含む。

増幅媒質１２２は、被増幅光が導波路的な伝搬をしない非導波路型、すなわち熱レンズ効果のある構成となるように、例えば、円柱、角柱などの柱状またはロッド状の形状を有し、例えば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＹＶＯ_４、ＧｄＶＯ_４、サファイア、ガラスなどの光学結晶または光学ガラスに、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｐｒ、Ｔｉなどの元素が添加されて構成される。増幅媒質１２２の側面には、直接的または間接的に冷却するための冷却機構が設けられる。ダイクロイックミラー１２１ａ，１２１ｂは、被増幅光８の波長を反射し、励起光の波長を透過するように構成される。

励起光源１２３ａ，１２３ｂは、例えば、半導体レーザ、固体レーザなどであり、増幅媒質１２２の両端から励起光をそれぞれ供給する。励起光の波長は、増幅媒質１２２の吸収波長に応じて設定され、一例として増幅媒質１２２がＮｄ：ＹＶＯ_４である場合、例えば、８０８ｎｍ、８８０ｎｍ、８８８ｎｍ、９１４ｎｍなどに設定される。伝送光学系１２４ａ〜１２４ｄは、レンズ、ミラー等を含み、励起光源１２３ａ，１２３ｂからの励起光を増幅媒質１２２へ伝送する。

動作に関して、前置光増幅器１１０から出力された光８が、ダイクロイックミラー１２１ａで反射され、増幅媒質１２２を通過する際に増幅され、その後、ダイクロイックミラー１２１ｂで反射され、後段に向けて出力される。増幅媒質１２２では、励起光源１２３ａ，１２３ｂから出力される励起光の吸収に起因して熱が発生すると、この熱量の分布に応じて熱レンズが形成される。こうした熱レンズの強さが変動すると、増幅後の光ビームの伝搬が変化することになる。

なお図３では、一段の増幅媒質１２２を例示したが、直列接続された複数段の増幅媒質１２２として構成することも可能である。また、図３では一段の後置増幅器１２０を例示したが、ダイクロイックミラー１２１ａ，１２１ｂ、増幅媒質１２２、励起光源１２３ａ，１２３ｂ、伝送光学系１２４ａ〜１２４ｄのセットが複数段直列接続されたものを、後置増幅器１２０として構成することも可能である。

図１に戻って、波長変換器１３０は、例えば、非線形光学結晶などを含み、後置光増幅器１２０から出力された光の波長を別の波長に変換する機能を有する。こうした波長変換は、例えば、第２高調波発生、和周波発生、差周波発生、光パラメトリック発振、あるいはこれらの組合せを含む。波長変換が不要な場合、波長変換器１３０は省略できる。

次に全体動作について説明する。制御部２は、種光源ドライバ３を介して、種光源１が連続光（ＣＷ）またはパルスバーストを選択的に出力するように、ＣＷモードとパルスバーストモードを切り替え可能なように種光源１を制御する。パルスバーストでは、パルスバースト中のパルスとパルスの間におけるパワーが、０もしくは、０よりも大きくパルスのピークパワーよりも低い値に制御される。また、ＣＷ時のパワーも制御される。

特許文献１で説明されているように、パルス出力のオンとオフの切り替えにおいて、パルスバーストを出力する前の種光のＣＷのパワーを調整することにより、増幅器後のパルスバーストに含まれるすべてのパルスのピークパワーを公称上一定にすることができる。また、パルスバースト中のパルスとパルスの間の期間において、種光源のパワーを変えることで、増幅後の個別のパルスのピークパワーを制御することが可能である。一方、増幅器の励起パワーを一定にしたまま、ＣＷモードとパルスモードを切り替えたり、パルスバースト中のパルスとパルスの間の種光源のパワーを変化させることによって、種光源の出力波形を変化させることは、増幅器後の平均パワーを変化させてしまうという現象を引き起こすことがある。特許文献１の構成では、種光のＣＷ時のパワー、またはパルスバースト中のパルスとパルスの間のパワーを調整することで、増幅器後のパルスのピークパワーを制御することが可能であるが、増幅器の励起パワーが一定の場合、増幅後の平均出力も同時に制御することは不可能である。

特に、第１段の光増幅器（前置光増幅器１１０）の後に、第２段の光増幅器（後置光増幅器１２０）が存在する場合、後置光増幅器に入射する平均パワーが変化すると、後置光増幅器でレーザ光の増幅に使われるパワーが変化するため、後置光増幅器で発生する熱量が変化する。このとき後置光増幅器が、導波路的な伝搬をしない非導波路型である、すなわち熱レンズ効果のある増幅媒質を含む場合、後置光増幅器で発生する熱量が変化すると、後置光増幅器の熱レンズの強さが変化し、後置光増幅器後の光ビームの伝搬が変化してしまう。

本実施形態では、前置光増幅器１１０後の平均パワーが変化しないように、制御部２は、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に基づいて、前置光増幅器ドライバ４を介して半導体レーザ１１１の励起光パワーを変化させて、前置光増幅器１１０の利得をフィードバック制御している。これにより種光源１のパワーが時間的に変化しても、前置光増幅器１１０の平均パワーを一定に保つことができる。その結果、後置光増幅器１２０後のビーム伝搬を変化させずに、パルスのピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御することが可能になる。

図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ種光源１の出力の瞬時パワー、前置光増幅器１１０の励起パワー、前置光増幅器１１０後の瞬時パワー、前置光増幅器１１０後の平均パワーの時間変化の一例を示すグラフである。なお、典型的なパルス幅は１００ｐｓ〜１００ｎｓ程度の短い時間であるのに対し、パルスバースト中のパルスとパルスの間隔は典型的には１μｓ〜１ｍｓ程度の非常に長い時間であることから、理解促進のために、図中ではパルスとパルスの間隔については圧縮して表現している。また、パルスのピークパワーに対するＣＷのパワー、およびパルスとパルスの間のパワーに関しても、理解促進のために図中では誇張して表現している。

図４（ａ）において、パルスバーストの前のＣＷのパワーは、前置光増幅器１１０後のパルスのピークパワーが公称上一定になるように調整してある。したがって、種光源１のＣＷ時のパワーは、後に続くパルスバーストの増幅後のピークパワーの大きさによって変化する。そのため、前置光増幅器１１０の励起パワーが一定の場合、ＣＷ時の増幅後の平均パワーは変化する。前置光増幅器１１０後の平均パワーを一定に保つには、前置光増幅器の励起パワーを、種光源１のパワーに応じて変化させることが有効である。

また、パルスバースト中のパルスとパルスの間のパワーは、増幅後のパルスのピークパワーによって決定される。したがって、前置光増幅器１１０の励起パワーが一定の場合、増幅後のパルスのピークパワーは変化させることができるが、増幅後の平均パワーは制御できない。

そこで、種光の瞬時パワーが、図４（ａ）のように、ＣＷとパルスバースト、あるいはパルスバースト中のパルスとパルス間のパワーを変化させ、さらに前置光増幅器１１０の励起パワーを図４（ｂ）のように制御する。これにより、図４（ｃ）のように前置光増幅器１１０後のパルスのピークパワーを制御し、かつ前置光増幅器１１０後の平均パワーを図４（ｄ）のように一定に保つことが可能である。その結果、後置光増幅器１２０の熱レンズの特性は実質的に変化しなくなり、後置光増幅器１２０後のビームの伝搬も実質的に変化しない。

図５は、比較例として、前置光増幅器１１０の励起パワーが一定である場合に、種光源１の瞬時パワーと前置光増幅器１１０の励起パワーおよび増幅後のパワーの時間変化の一例を示すグラフである。種光源１の瞬時パワーを図５（ａ）のように変化させ、前置光増幅器１１０の励起パワーを図５（ｂ）のように一定に保った場合、図５（ｃ）のように前置光増幅器１１０後のパルスのピークパワーは制御可能であるが、図５（ｄ）のように前置光増幅器１１０後の平均パワーは変化していることが判る。こうした平均パワーの変化は、前述のように、後置光増幅器１２０の熱レンズの変化を引き起こし、後置光増幅器１２０後のビームの伝搬が変化することになる。

なお図４および図５において、種光源１は、おおよそ２種類のパルスバーストを出力しているように記載したが、１種類または３種類以上のパルスバーストを出力しても構わない。また、パルスバースト中のパルスとパルスの間のパワーが、パルスごとに変化していても構わない。

図６は、後置光増幅器１２０に入射する信号光の平均パワーと、後置光増幅器１２０から取り出すことのできるパワーとの関係の一例を示すグラフである。後置光増幅器１２０に入射する平均パワーが大きくなると、後置光増幅器１２０から取り出すことのできるパワーが飽和することが知られている。後置光増幅器１２０に入射する平均パワーが小さく、後置光増幅器１２０から取り出されるパワーが飽和していない領域、即ち、非飽和領域で使用する場合、後置光増幅器１２０に入射する平均パワーの変動に対して、発生する熱量が比較的大きく変化するため、本発明の効果がより顕著に得られることになる。

図７は、増幅媒質の熱レンズの変化による信号光のビーム伝搬の変化の一例を示す説明図である。実線は熱レンズの変化前、破線は熱レンズの変化後を示す。増幅媒質１２２の内部において光吸収に起因した発熱により、ある強さの熱レンズが形成されると、増幅媒質１２２を通過した光ビームは、ビーム伝搬Ｂ１のように伝搬する。その後、前置光増幅器１１０の出射光のパワーが変化することにより、後置光増幅器１２０の増幅媒質１２２において発生する熱量が変化する。例えば、増幅媒質１２２の熱レンズの強さが５％変化した場合、光ビームはビーム伝搬Ｂ２のように伝搬する。この対策として、前置光増幅器１１０の出力が一定になるように、前置光増幅器１１０の励起光パワーを制御した場合、後置光増幅器１２０での熱レンズは実質的に変化しないため、ビーム伝搬は変化しないことになる。

図８は、第２高調波発生における基本波のピークパワーと波長変換後の平均パワーの関係の一例を示すグラフである。図４（ｃ）に示すように、種光がＣＷの期間および、パルスバースト中のパルスとパルスの間の期間は、パルスのピーク時に比べ、十分にパワーが低いため、波長変換後の出力は実質的に無視できる。したがって、基本波のピークパワーを変動させることにより、波長変換後の平均パワーが制御可能である。

図９は、波長変換器１３０の一例を示す構成図である。後置増幅器後のビームｌａｍｂｄａ１はレンズ１３１によって集光され、第１の波長変換素子１３２に入射する。波長変換素子１３２は、ビームｌａｍｂｄａ１のパワーの一部を、ビームｌａｍｂｄａ１と波長が異なるビームｌａｍｂｄａ２に変換する。ビームｌａｍｂｄａ１およびｌａｍｂｄａ２は、レンズ１３３によって再び集光され、第２の波長変換素子１３４に入射する。波長変換素子１３４は、ビームｌａｍｂｄａ１およびｌａｍｂｄａ２のパワーの一部を、波長がｌａｍｂｄａ１およびｌａｍｂｄａ２と異なるビームｌａｍｂｄａ３に変換する。ビームｌａｍｂｄａ１、ｌａｍｂｄａ２、ｌａｍｂｄａ３は波長選択素子１３５に入射し、ビームｌａｍｂｄａ３のみが選択的に取り出される。たとえば、ビームｌａｍｂｄａ１の波長は１０６４ｎｍであり、ビームｌａｍｂｄａ２の波長は５３２ｎｍであり、ｌａｍｂｄａ３の波長は３５５ｎｍである。波長変換素子１３１、１３４は、たとえば、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＣＢＯ、ＫＢＢＦ、ＫＴＰの結晶である。波長選択素子１３５は、たとえばビームｌａｍｂｄａ３の波長を反射／透過し、ビームｌａｍｂｄａ１およびｌａｍｂｄａ２の波長を透過／反射するミラー、プリズムなどである。本発明の構成を使用せず、後置増幅器１２０後のビームの伝搬が変化する場合、波長変換素子１３２および１３４中におけるビーム径が変化する。波長変換素子中のビーム径の変化は、波長変換効率、波長変換素子の寿命に影響を与える。本発明の構成を使用すると、これらの影響を抑制することができるため、波長変換器１３０があると、本発明がより一層効果を奏する。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置１００は、種光源１と、前置光増幅器１１０と、後置光増幅器１２０と、波長変換器１３０と、制御部２と、種光源ドライバ３と、前置光増幅器ドライバ４と、後置光増幅器ドライバ９と、パワーモニタ部ＰＭなどを備える。個々の構成要素については、実施の形態１のものと同様な構成であり、重複説明を省略する。

本実施形態では、前置光増幅器１１０の励起光パワーを一定に維持した状態で、種光源１の出力の状態を変化させた場合でも、後置光増幅器１２０の利得を制御することによって、後置光増幅器１２０の熱レンズの強さが変化しないように制御している。具体的には、制御部２は、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に基づいて、後置光増幅器ドライバ９を介して、後置光増幅器１２０の熱レンズが一定になるように後置光増幅器１２０の利得、好ましくは励起光パワーをフィードフォワード制御している。

図１０において、制御部２は、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に対し、後置光増幅器１２０の熱レンズが一定になるような後置光増幅器１２０の励起光パワーを事前に計測し、両者の関係をデータベースとしてメモリ等に保存している。動作の際、種光源１の出力の状態が変化して、前置光増幅器１１０の出力の平均パワーが変化し、この状態がパワーモニタ部ＰＭで測定される。制御部２は、後置光増幅器１２０の熱レンズが変化しないように、変化した平均パワーに対応する励起光パワー目標値をデータベースから読み出し、後置光増幅器ドライバ９を介して、後置光増幅器１２０の励起光パワーを調整する。その結果、前置光増幅器１１０の励起光パワーを一定にしたまま、後置光増幅器１２０後のビームの伝搬を変化させずに、パルスのピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御することが可能になる。

実施の形態３．
本実施形態では、図１の構成において前置光増幅器１１０の利得を制御する手法として、前置光増幅器１１０の励起光パワーを実質的に変化させずに、前置光増幅器１１０の励起光波長を変化させている。励起光波長を変化させると、前置光増幅器１１０中の光ファイバ型増幅媒質１１３の励起光吸収率が変化し、前置光増幅器１１０の利得が変化する。これにより実施の形態１と同様に、前置光増幅器１１０後の平均パワーを制御することが可能になる。

図２の構成において、光ファイバ型増幅媒質１１３に励起光を供給する半導体レーザ１１１として、波長可変半導体レーザが使用できる。一例として、ファブリペロー型半導体レーザの温度をペルチェ素子を用いて制御することによって、発振波長を変化させることができる。

制御部２は、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に基づいて、前置光増幅器ドライバ４を介して半導体レーザ１１１の励起光波長を変化させて、前置光増幅器１１０の利得をフィードバック制御し、これにより前置光増幅器１１０後の平均パワーを一定に保つことができる。

図１１は、Ｙｂの吸収スペクトルを示すグラフである。縦軸は吸収係数、横軸は波長である。例えば、前置光増幅器１１０の光ファイバ型増幅媒質１１３にＹｂが添加されている場合、励起光の波長を吸収スペクトルのピークである９７６ｎｍから数ｎｍ変化させるだけで、吸収係数は大きく変化する。この場合、光ファイバ型増幅媒質１１３に吸収される励起光のパワーが変化するため、前置光増幅器１１０の利得も変化して、前置光増幅器１１０後の平均パワーを変化させることが可能となる。

実施の形態４．
本実施形態では、図１０の構成において後置光増幅器１２０の利得を制御する手法として、後置光増幅器１２０の励起光パワーを実質的に変化させずに、後置光増幅器１２０の励起光波長を変化させている。励起光波長を変化させると、後置光増幅器１２０中の増幅媒質１２２の励起光吸収率が変化し、後置光増幅器１２０の利得が変化する。これにより実施の形態２と同様に、後置光増幅器１２０の熱レンズの強さが変化しないように制御することが可能になる。

図３の構成において、増幅媒質１２２に励起光を供給する励起光源１２３ａ，１２３ｂとして、波長可変半導体レーザが使用できる。一例として、ファブリペロー型半導体レーザの温度を、ペルチェ素子を用いて制御することによって、発振波長を変化させることができる。

制御部２は、パワーモニタ部ＰＭの測定結果に基づいて、後置光増幅器ドライバ９を介して励起光源１２３ａ，１２３ｂの励起光波長を変化させて、後置光増幅器１２０の利得をフィードフォワード制御し、これにより後置光増幅器１２０の熱レンズの特性を一定に保つことができる。

実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置１００は、種光源１と、前置光増幅器１１０と、後置光増幅器１２０と、波長変換器１３０と、制御部２と、種光源ドライバ３と、前置光増幅器ドライバ４と、後置光増幅器ドライバ９と、後置増幅器後のビームのプロファイルを監視するビームモニタ部ＢＭと、切り出し手段１０により切り出されたビームのプロファイルを監視するビームモニタ１１などを備える。個々の構成要素については、実施の形態１のものと同様な構成であり、重複説明を省略する。

本実施形態では、ビームモニタ部ＢＭは、後置増幅器後のビームの一部を切り出すビーム切り出し手段１０と、入射するビームのプロファイルを測定するビームモニタ１１から構成され、後置光増幅器１２０後のビームのプロファイルを監視し、ビーム径を計算する。ビーム切り出し手段１０は、たとえば、ビームの一部だけを反射または透過する部分反射ミラーである。ビームモニタ１１は、たとえば、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどである。後置光増幅器１２０によって発生する熱レンズの強さが変化すると、ビームモニタ１１によって監視されるビームのプロファイルが変化し、計算されるビーム径が変化する。そのため、ビームモニタ部ＢＭによって計算されるビーム径の変化から、後置増幅器１２０によって発生する熱レンズの強さの変化を観測することが可能となる。制御部２は、ビームモニタ部ＢＭによって計算されたビーム径が変化しないように、前置光増幅器ドライバ４を介し、前置光増幅器１１０の励起パワーまたは励起波長を調整することによって利得を制御したり、あるいは後置光増幅器ドライバ９を介し、後置光増幅器１２０の励起パワーまたは励起波長を調整することによって利得を制御する。この結果、前置増幅器１１０の出力を監視せずに、後置光増幅器１２０によって発生する熱レンズの強さを一定に保つことができ、後置光増幅器１２０後のビームの伝搬を変化させず、パルスのピークパワーまたはパルスエネルギーを広範囲で制御することが可能になる。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６によるレーザ加工機を示す構成図である。レーザ加工機２００は、レーザ装置１００と、ビーム調整光学系２０１と、導光ミラー２０２と、集光レンズ２０３と、ステージ台２０４などを備える。レーザ装置１００は、本発明の実施の形態１〜５のいずれかに記載の方法で構成されている。レーザ装置１００から出射したレーザビーム２０５は、ビーム調整光学系２０１により、所望のビーム径およびプロファイルに調整および整形され、導光ミラー２０２によって導光された後、集光レンズ２０３によって、被加工物２０６に集光される。ステージ台２０４は、ステージ走査方向２０７の方向に動き、レーザビームに対する被加工物２０６の位置を走査することにより、所望の位置に微細な加工穴２０８を形成する。加工穴２０８の種類としては、例えば、止まり穴または貫通穴などがある。加工穴２０８は、それぞれ違う大きさであってもよい。なお、本実施形態では、ステージ台２０４をステージ走査方向２０７に走査させる構成としているが、その場合に限らず、被加工物２０６とレーザビーム２０５との間の相対的な走査が行えればよいため、ステージ台２０４を固定し、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等によりレーザビーム２０５を走査しても同様の効果が得られる。この場合、集光レンズ２０３としてＦθレンズを用いて、照射するのがよい。被加工物２０６は、たとえばフレキシブル基板、多層基板などである。これらの基板は、樹脂および銅箔から構成されているため、レーザビーム２０５の波長は、樹脂と銅箔の両方に吸収をもつ紫外領域であることが特に好ましい。

レーザ装置１００に、本発明の実施の形態１〜５のいずれかに記載のレーザ装置を使用することにより、被加工物２０６に対して加工穴２０８を形成するのに最適なパルスエネルギーおよびピークパワーに制御しながら、ビームの伝搬を変化させずに被加工物２０６にビームを照射することができるため、被加工物２０６の位置でのビーム径が変化せず、安定して加工穴２０８を形成することが可能となる。

１ 種光源、 ２ 制御部、 ３ 種光源ドライバ、 ４ 前置光増幅器ドライバ、
５ 出力切り出し手段、 ６，８ 光、 ７ パワーモニタ回路、
９ 後置光増幅器ドライバ、 １０ ビーム切り出し手段、 １１ ビームモニタ、
１００ レーザ装置、 １１０ 前置光増幅器、
１２０ 後置光増幅器、 １３０ 波長変換器、
１１１ 半導体レーザ、 １１２ 結合器、１１３ 光ファイバ型増幅媒質、
１２１ａ，１２１ｂ ダイクロイックミラー、 １２２ 増幅媒質、
１２３ａ，１２３ｂ 励起光源、 １２４ａ〜１２４ｄ 伝送光学系、
１３０ 波長変換器、 １３１，１３３ レンズ、 １３２，１３３ 波長変換素子、
１３５ 波長選択素子、 ２０１ ビーム調整光学系、 ２０２ 導光ミラー、
２０３ 集光レンズ、 ２０４ ステージ台、 ２０５ レーザビーム、
２０６ 被加工物、 ２０７ ステージ走査方向、 ２０８ 加工穴、
ｌａｍｂｄａ１〜ｌａｍｂｄａ３ ビーム、
Ｂ１，Ｂ２ ビーム伝搬、 ＢＭ ビームモニタ部、 ＰＭ パワーモニタ部。

Claims (11)

1. 光を出力する種光源と、
   前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
   前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
   前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーを測定するパワーモニタ部と、
   前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
   前記前置光増幅器を駆動する前置光増幅器ドライバと、
   前記種光源ドライバおよび前記前置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
   前記制御部は、前記パワーモニタ部の測定結果に基づいて、前記前置光増幅器ドライバを介して、前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーが一定になるように前記前置光増幅器の利得を制御することを特徴とするレーザ装置。
2. 光を出力する種光源と、
   前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
   前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
   前記前置光増幅器から出力された光の平均パワーを測定するパワーモニタ部と、
   前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
   前記後置光増幅器を駆動する後置光増幅器ドライバと、
   前記種光源ドライバおよび前記後置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
   前記制御部は、前記パワーモニタ部の測定結果に基づいて、前記後置光増幅器ドライバを介して、前記後置光増幅器後のビームの伝搬状態が一定になるように前記後置光増幅器の利得を制御することを特徴とするレーザ装置。
3. 光を出力する種光源と、
   前記種光源から出力された光を光学的に増幅する前置光増幅器と、
   前記前置光増幅器から出力された光を光学的に増幅し、熱レンズ効果のある増幅媒質を含む後置光増幅器と、
   前記後置光増幅器から出力された光のビームのビーム径を測定するビームモニタ部と、
   前記種光源を駆動する種光源ドライバと、
   前記後置光増幅器を駆動する後置光増幅器ドライバと、
   前記種光源ドライバおよび前記後置光増幅器ドライバを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記種光源ドライバを介して、連続光または複数のパルスが選択的に出力されるように前記種光源を制御し、
   前記制御部は、前記ビームモニタ部によって計算されるビーム径が変化しないように、前記前置光増幅器ドライバを介して前記前置光増幅器の利得を制御し、あるいは前記後置光増幅器ドライバを介して前記後置光増幅器の利得を制御することを特徴とするレーザ装置。
4. 前記種光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
5. 前記前置光増幅器は、光ファイバ型増幅媒質と、該光ファイバ型増幅媒質に励起光を供給する励起光源とを含み、
   前記制御部は、前記前置光増幅器の励起光パワーおよび励起光波長の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１または３記載のレーザ装置。
6. 前記後置光増幅器は、熱レンズ効果のある柱状増幅媒質と、該柱状増幅媒質に励起光を供給する励起光源とを含むことを特徴とする請求項１または３記載のレーザ装置。
7. 前記後置光増幅器は、熱レンズ効果のある柱状増幅媒質と、該柱状増幅媒質に励起光を供給する励起光源とを含み、
   前記制御部は、前記後置光増幅器の励起光パワーおよび励起光波長の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２または３記載のレーザ装置。
8. 前記前置光増幅器は、光ファイバ型増幅媒質と、該光ファイバ型増幅媒質に励起光を供給する励起光源とを含むことを特徴とする請求項２または３記載のレーザ装置。
9. 前記後置光増幅器の後に、波長変換器を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
10. 請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から出力されたレーザビームを集光する集光光学系と、
    集光されたレーザビームおよび被加工物を相対的に走査する走査機構とを備えることを特徴とするレーザ加工機。
11. 前記レーザビームの波長が紫外領域であることを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工機。

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