JP2017103490A - 固体パルスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱・冷却機構を追加せず音響光学素子又は固定レーザ媒質の温度を一定に保ち安定したエネルギーパルスを得る固体パルスレーザ装置。【解決手段】励起光を発生する半導体レーザ１と、半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質２と、固体レーザ媒質の温度を検出する温度検出部５ｂと、温度検出部で検出された固体レーザ媒質の温度に基づき半導体レーザのオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する制御回路６ｂと、制御回路で生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフする制御信号を生成し生成された制御信号を前記半導体レーザに印加する半導体レーザ制御部８とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、音響光学素子を用いたＱスイッチパルスレーザ装置に関し、特に、固体レーザ媒質および音響光学素子の温度を制御することにより、安定したパルスを生成する固体パルスレーザ装置に関する。

Ｑスイッチパルスレーザ装置では、音響光学素子にＲＦ信号を与え、共振器内でのロスをゲインより大きくして固体レーザ媒質のゲインを上げ、ＲＦ信号をオフして、レーザ発振可能な状態にし、ゲインの上がった固体レーザ媒質からパルス状のレーザを出力している。

また、特許文献１には、音響光学素子へ供給されるＲＦ信号のオン／オフおよび半導体レーザのオン／オフを固体レーザ媒質の蛍光寿命に依存して制御することにより、ＲＦ信号の生成を最小限に抑えて消費電力を低減させる方法が記載されている。

また、特許文献２には、第１ミラーと第２ミラーとの間に放電管を配置し、放電管に入ったレーザ媒質のガスの温度を温度センサにより検出し、検出された温度が一定になるように電力制御部が放電管の放電電力を制御するレーザ発振器が記載されている。

特開２０１０−１８６７６２号公報 特開昭６１−２０８８８４号公報

しかしながら、特許文献１では、音響光学素子や固体レーザ媒質の平均温度が環境温度に依存するため、環境温度の変化により音響光学素子や固体レーザ媒質の平均温度も変化してしまう。このため、加熱・冷却機構を追加することで音響光学素子や固体レーザ媒質の平均温度を一定にして安定したエネルギーのパルスを得ていた。即ち、加熱・冷却機構を追加するため、コストが高くなり、装置が複雑化していた。

また、特許文献２では、第１ミラーと第２ミラーとの間に放電管を配置しているが、レーザダイオードを用いた半導体レーザ発振では、各々のミラーの外側に半導体レーザを配置しており、構成が異なる。

本発明の課題は、加熱・冷却機構を追加することなく、音響光学素子又は固定レーザ媒質の平均温度を一定に保ち、安定したエネルギーパルスを得ることができる固体パルスレーザ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の固体パルスレーザ装置は、励起光を発生する半導体レーザと、前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部で検出された前記固体レーザ媒質の温度に基づき前記半導体レーザのオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する制御回路と、前記制御回路で生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフする制御信号を生成し生成された制御信号を前記半導体レーザに印加する半導体レーザ制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る固体パルスレーザ装置によれば、加熱・冷却機構を追加することなく、音響光学素子又は固定レーザ媒質の平均温度を一定に保ち、安定したパルスエネルギーを得ることができる固体パルスレーザ装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る固体パルスレーザ装置の動作を説明するための各部のタイミングチャートである。 本発明の実施例２に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る固体パルスレーザ装置の動作を説明するための各部のタイミングチャートである。 本発明の実施例３に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る固体パルスレーザ装置の動作を説明するための各部のタイミングチャートである。 本発明の実施例４に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例４に係る固体パルスレーザ装置の動作を説明するための各部のタイミングチャートである。

以下、本発明の固体パルスレーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。この固体パルスレーザ装置は、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、ミラー４ａ，４ｂ、温度モニタ部５ａ、ＣＰＵ（中央制御装置）６、ＲＦ信号生成部７を備えている。

なお、固体レーザ媒質２、音響光学素子３およびミラー４ａ，４ｂから構成される部分を共振器と呼ぶ。

半導体レーザ１は、励起光を発生する。この半導体レーザ１で発生された励起光は、レーザ光を集束するレンズ（何れも図示は省略する）及びミラー４ａを介して固体レーザ媒質２に照射される。

固体レーザ媒質２は、レーザ発振の元となる物質であり、例えば、ＹＡＧレーザと呼ばれる固体レーザにおいては、イットリウム、アルミニウムおよびガーネット（Yttrium Aluminum Garnet）などといった物質が用いられる。この固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１から励起光が照射されることにより誘導放出光を発生する。この固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光は、音響光学素子３に送られる。

音響光学素子３は、Ｑスイッチを構成し、ＲＦ信号生成部７から送られてくるＲＦ信号にしたがって、固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光を変調することによりパルスエネルギーを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルスレーザを出力する。この音響光学素子３から出力されたパルスレーザはミラー４ｂに送られる。

温度モニタ部５ａは、音響光学素子３に取り付けられたサーミスタ等からなり、音響光学素子３の温度を検出する。ＣＰＵ６は、温度モニタ部５ａで検出された音響光学素子３の温度（温度モニタ値）に基づきＲＦ信号のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する。

ＲＦ信号生成部７は、ＣＰＵ６で生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフするＲＦ信号を生成し生成されたＲＦ信号を音響光学素子３に印加する。即ち、ＲＦ信号生成部７は、ＣＰＵ６で生成されたパルス信号のオン／オフのデューティ比情報に応じてデューティ比が調整されたＲＦ信号を生成し、音響光学素子３に送る。

また、ＲＦ信号は、図２に示すように、少なくとも固体レーザ媒質２の蛍光寿命（例えば時刻ｔ３〜ｔ４）以上の時間だけオンし、共振器のロスを上げる必要がある。また、音響光学素子３の温度が設定温度になるようにＲＦ信号のオン／オフのデューティ比を調整する必要がある。

このため、ＲＦ信号生成部７は、ＲＦ信号のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間よりも長くし且つ音響光学素子３の温度が設定温度になるようにパルス繰り返し周期から固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間を引いた時間に対してＲＦ信号のオン／オフタイミングをＰＷＭ（パルス幅変調）により制御する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る固体パルスレーザ装置の動作を、図２に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。

まず、固体パルスレーザ装置が起動されると、半導体レーザ１は、励起光を発生してレーザ媒質２を照射する。これにより、レーザ媒質２は、誘導放出光を発生し、音響光学素子３に送る。

音響光学素子３では、ＲＦ信号生成部７から送られてくるＲＦ信号にしたがって、固体レーザ媒質２で発生された誘導放出光の基本波を変調することによりパルスエネルギーを制御し、パルス幅の狭いピークの大きなパルスレーザを出力する（例えば、図２の時刻ｔ１，ｔ４，ｔ７）。

また、音響光学素子３の温度が温度モニタ部５ａにより検出され、ＣＰＵ６は、温度モニタ部５ａで検出された音響光学素子３の温度に基づきＲＦ信号のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する。

次に、ＲＦ信号生成部７は、ＣＰＵ６からのオン／オフタイミング信号に基づき、図２に示すように、ＲＦ信号のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間よりも長くし且つ音響光学素子３の温度が設定温度になるようにパルス繰り返し周期から固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間を引いた時間に対してＲＦ信号のオン／オフタイミングをＰＷＭ（パルス幅変調）により制御する。

例えば、音響光学素子３の温度が設定温度よりも低い場合には、ＲＦ信号のオン時間を長くし、音響光学素子３の温度が設定温度よりも高い場合には、ＲＦ信号のオン時間を短くすることで、音響光学素子３の温度を設定温度、即ち一定に保つことができる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る固体パルスレーザ装置によれば、加熱・冷却機構を追加することなく、音響光学素子３の平均温度を一定に保ち、安定したエネルギーパルスを得ることができる。

図３は、本発明の実施例２に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。図３に示す実施例２に係る固体パルスレーザ装置は、固体レーザ媒質２の温度を一定にすることを特徴とする。

この固体パルスレーザ装置は、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、ミラー４ａ，４ｂ、温度モニタ部５ｂ、ＣＰＵ６ａ、ＲＦ信号生成部７ａを備えている。

半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、ミラー４ａ，４ｂの構成は、図１に示す実施例１のそれらと同じであるので、その説明は省略する。

温度モニタ部５ｂは、固体レーザ媒質２に取り付けられたサーミスタ等からなり、固体レーザ媒質２の温度を検出する。ＣＰＵ６ａは、温度モニタ部５ｂで検出された固体レーザ媒質２の温度（温度モニタ値）に基づきＲＦ信号のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する。

ＲＦ信号生成部７ａは、ＣＰＵ６ａで生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフするＲＦ信号を生成し生成されたＲＦ信号を音響光学素子３に印加する。また、ＲＦ信号は、図４に示すように、少なくとも固体レーザ媒質２の蛍光寿命（例えば時刻ｔ３〜ｔ４）以上の時間だけオンし、共振器のロスを上げる必要がある。また、固体レーザ媒質２の温度が設定温度になるようにＲＦ信号のオン／オフのデューティ比を調整する必要がある。

このため、ＲＦ信号生成部７ａは、ＲＦ信号のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間よりも長くし且つ音響光学素子３の温度が設定温度になるようにパルス繰り返し周期から固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間を引いた時間に対してＲＦ信号のオン／オフタイミングをＰＷＭにより制御する。

次にこのように構成された実施例２の固体レーザ装置の動作を説明する。まず、レーザ媒質２の発熱率η_ｈは以下の式で表すことができる。

η_ｈ＝１−η_ｐ〔（１−η_ｌ）η_ｒ（λ_ｐ／λ）＋η_ｌ（λ_ｐ／λ_ｌ）〕
ここで、η_ｐは励起量子効率、η_ｌは誘導放出に寄与する割合、η_ｒは複写量子効率、λ_ｐは励起波長、λは蛍光の平均波長、λ_ｌはレーザ発振波長を表す。

ＲＦ信号生成部７ａがＲＦ信号をオンにして音響光学素子３をオンさせることによりレーザ発振を停止させる。この発振停止状態では、η_ｌ＝０となり、レーザ媒質２の発熱率η_ｈが上がる。

一方、ＲＦ信号生成部７ａがＲＦ信号をオフにして音響光学素子３をオフさせることによりレーザ発振させる。この発振状態では、レーザ媒質２の発熱率η_ｈが下がる。即ち、ＲＦ信号生成部７ａがＲＦ信号のオン／オフを制御することにより固体レーザ媒質２の温度が変化するため、ＲＦ信号のオン／オフ期間の制御により固体レーザ媒質２の温度を調整することができる。また、ＲＦ信号生成部７ａが、ＲＦ信号のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間よりも長くし且つ音響光学素子３の温度が設定温度になるようにパルス繰り返し周期から固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間を引いた時間に対してＲＦ信号のオン／オフタイミングをＰＷＭにより制御する。従って、レーザ媒質２の温度を設定温度、即ち一定の温度にすることができる。

図５は、本発明の実施例３に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。図５に示す実施例３に係る固体パルスレーザ装置も、図３に示す実施例２に係る固体パルスレーザ装置のように、固体レーザ媒質２の温度を一定にすることを特徴とする。

この固体パルスレーザ装置は、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、ミラー４ａ，４ｂ、温度モニタ部５ｂ、ＣＰＵ６ｂ、レーザダイオード制御部８（以下、ＬＤ制御部８）を備えている。

半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、音響光学素子３、ミラー４ａ，４ｂ、温度モニタ部５ｂの構成は、図３に示す実施例２のそれらと同じであるので、その説明は省略する。

ＣＰＵ６ｂは、温度モニタ部５ｂで検出された固体レーザ媒質２の温度（温度モニタ値）に基づき半導体レーザ１のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する。

ＬＤ制御部８は、ＣＰＵ６ｂで生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフするＬＤ制御信号を生成し生成されたＬＤ制御信号を半導体レーザ１に印加する。ＬＤ制御部８は、制御信号のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命時間よりも長くし且つパルス繰り返し周期から蛍光寿命時間を引いた時間に対して制御信号のオン／オフタイミングを制御する。

次にこのように構成された実施例３の固体レーザ装置の動作を説明する。まず、半導体レーザ１をオンすると固体レーザ媒質２の温度が上昇し、半導体レーザ１をオフすると固体レーザ媒質２の温度が下降するため、温度モニタ部５ｂで固体レーザ媒質２の温度を検出する。

次に、ＣＰＵ６ｂは、温度モニタ部５ｂで検出された固体レーザ媒質２の温度（温度モニタ値）に基づき半導体レーザ１のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する。

次に、ＬＤ制御部８は、ＣＰＵ６ｂからのオン／オフタイミング信号に応じてＬＤ制御信号のオン／オフにより半導体レーザ１をオン／オフさせる。このとき、ＬＤ制御部８は、図６に示すように、ＬＤ制御信号（図６の半導体レーザＯＮ／ＯＦＦ信号）のオン時間を固体レーザ媒質２の蛍光寿命よりも長くし且つパルス繰り返し周期から蛍光寿命時間を引いた時間に対して制御信号のオン／オフタイミングを制御する。

図６に示すように、固体レーザ媒質２の温度が上昇している場合には、制御信号のオン時間を短くし、固体レーザ媒質２の温度が低い場合には、制御信号のオン時間を長くする。即ち、半導体レーザ１のオン／オフを制御することにより、固体レーザ媒質２の温度を一定に保持することができる。

なお、ＲＦ信号が音響光学素子３をオンさせる状態でもオフさせる状態でも、共振器のゲイン上昇又はパルスレーザと比較して小さいエネルギーの連続発振であり、パルスレーザの動作として支障はない。

図７は、本発明の実施例４に係る固体パルスレーザ装置の構成を示すブロック図である。図７に示す実施例４に係る固体パルスレーザ装置は、図１に示す実施例１に係る固体パルスレーザ装置と、図５に示す実施例３に係る固体パルスレーザ装置とを組み合わせて構成したことを特徴とする。

なお、図７において、ＣＰＵ６ｃは、図１に示すＣＰＵ６と図５に示すＣＰＵ６ｂとを一つにしたものである。ＲＦ信号生成部７ｂは、ＲＦ信号生成部７と同一機能を有し、ＬＤ制御部８ａは、ＬＤ制御部８と同一機能を有する。

このように実施例４に係る固体パルスレーザ装置によれば、図１に示す実施例１に係る固体パルスレーザ装置と、図５に示す実施例３に係る固体パルスレーザ装置とを組み合わせて構成したので、図１に示す実施例１に係る固体パルスレーザ装置の効果と、図５に示す実施例３に係る固体パルスレーザ装置の効果とが得られる。

本発明は、レーザ加工装置などのパルスレーザ装置に利用できる。

１ 半導体レーザ
２ 固体レーザ媒質
３ 音響光学素子
４ａ，４ｂ ミラー
５ａ，５ｂ 温度モニタ部
６，６ａ，６ｂ ＣＰＵ
７，７ａ，７ｂ ＲＦ信号生成部
８，８ａ ＬＤ制御部

Claims (4)

1. 励起光を発生する半導体レーザと、
   前記半導体レーザからの励起光に応じて誘導放出光を発生する固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部で検出された前記固体レーザ媒質の温度に基づき前記半導体レーザのオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する制御回路と、
   前記制御回路で生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフする制御信号を生成し生成された制御信号を前記半導体レーザに印加する半導体レーザ制御部と、
   を備えることを特徴とする固体パルスレーザ装置。
2. 前記半導体レーザ制御部は、前記制御信号のオン時間を前記固体レーザ媒質の蛍光寿命時間よりも長くし且つパルス繰り返し周期から前記蛍光寿命時間を引いた時間に対して前記制御信号のオン／オフタイミングを制御することを特徴とする請求項１記載の固体パルスレーザ装置。
3. 前記固体レーザ媒質で発生したレーザ光を変調する音響光学素子と、
   前記音響光学素子の温度を検出する第２の温度検出部と、
   前記第２の温度検出部で検出された前記音響光学素子の温度に基づきＲＦ信号のオン／オフのタイミングを示すためのオン／オフタイミング信号を生成する第２の制御回路と、
   前記第２の制御回路で生成されたオン／オフタイミング信号に応じてオン／オフする前記ＲＦ信号を生成し生成されたＲＦ信号を前記半導体レーザに印加するＲＦ信号生成部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の固体パルスレーザ装置。
4. 前記ＲＦ信号生成部は、前記ＲＦ信号のオン時間を前記固体レーザ媒質の蛍光寿命よりも長くし且つパルス繰り返し周期から前記蛍光寿命時間を引いた時間に対して前記ＲＦ信号のオン／オフタイミングを制御し、
   前記半導体レーザ制御部は、前記制御信号のオン時間を前記固体レーザ媒質の蛍光寿命よりも長くし且つパルス繰り返し周期から前記蛍光寿命時間を引いた時間に対して前記制御信号のオン／オフタイミングを制御することを特徴とする請求項３記載の固体パルスレーザ装置。