JP2022134877A - 光学ユニットおよびレーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】より高強度のレーザ光の遮断および出射を適切に実行することができる光学ユニットおよびレーザシステムを提供する。【解決手段】光学ユニットは、レーザ光を、第１の直線偏光と、第２の直線偏光とに分離する偏光分離部と、前記第１の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第１のシャッタユニットと、前記第２の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第２のシャッタユニットと、前記第１のシャッタユニットから出射された前記第１の直線偏光と、前記第２のシャッタユニットから出射された前記第２の直線偏光とを合成するレーザ光合成部と、を有する。【選択図】 図１

Description

本開示は、光学ユニットおよび光学ユニットを備えるレーザシステムに関するものである。

特許文献１には、音響光学素子をパルス時間波形の制御に使用するレーザ加工装置が開示されている。図１１は、特許文献１のレーザ加工装置を示す図である。

図１１のレーザ加工装置は、レーザ光源１０１、音響光学素子１０２、折り返しミラー１０３、集光レンズ１０４、ステージ１０５、制御装置１０６、および、ダンパ１０７を有する。

レーザ光源１０１は、パルスレーザビームＰＬ_１を出射する。音響光学素子１０２は、レーザビームＰＬ_１の経路上に配置されており、音響光学素子１０２に入射するパルスレーザビームＰＬ_１は第１の方向または第２の方向のいずれかに進む。第１の方向は折り返しミラー１０３に向かう方向であり、第２の方向はダンパ１０７に向かう方向である。

折り返しミラー１０３および集光レンズ１０４は、音響光学素子１０２を経て第１の方向に進行するパルスレーザビームＰＬ_２を、ステージ１０５上に保持された被加工対象物１１０に入射させる。音響光学素子１０２を経て第２の方向に進行するパルスレーザビームＰＬ₃は、ダンパ１０７に入射するため、レーザ加工に使用されない。

制御装置１０６は、レーザ光源１０１から出射されるパルスレーザビームＰＬ_１に同期させて音響光学素子１０２に制御信号を送信する。音響光学素子１０２は、制御装置１０６からの制御信号の受信の有無に応じてパルスレーザビームＰＬ_１が第１の方向または第２の方向のいずれかに進むようにパルスレーザビームＰＬ_１の進行方向を制御する。音響光学素子１０２は、回折現象を利用してパルスレーザビームの被加工対象物１１０に向けた出射および遮断の制御を実行している。この出射および遮断の制御により、パルスレーザビームＰＬ_２の波形を制御できる。

特開２００３－５３５７９号公報

レーザビームの出射および遮断に用いる光学素子には、取扱可能なレーザビームの光量に限界があり、その限界を超える光量のレーザビームが当該光学素子に入射すると、当該光学素子は破損してしまう。

本開示は、上述の状況を鑑みてなされたものであり、より高強度のレーザ光の遮断および出射を適切に実行することができる光学ユニットおよびレーザシステムを提供することを目的とする。

本開示の光学ユニットは、レーザ光を、第１の直線偏光と、第２の直線偏光とに分離する偏光分離部と、前記第１の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第１のシャッタユニットと、前記第２の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第２のシャッタユニットと、前記第１のシャッタユニットから出射された前記第１の直線偏光と、前記第２のシャッタユニットから出射された前記第２の直線偏光とを合成するレーザ光合成部と、を有する。

本開示のレーザシステムは、前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する第１の光ファイバと、上述の光学ユニットと、を備え、前記偏光分離部は、前記第１の光ファイバによって伝送された前記レーザ光を分離する。

本開示によれば、より高強度のレーザ光の遮断および出射を適切に実行することができる光学ユニットおよびレーザシステムを提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る光学ユニットを備えるレーザシステムを示す模式図 本開示の第１実施形態に係る偏光分離部を示す模式図 本開示の第１実施形態に係るシャッタユニットを示す模式図 本開示の第１実施形態に係るレーザ光合成部を示す模式図 本開示の第１実施形態に係る光学ユニットにより形成されるパルス波形の一例を示す図 本開示の第１実施形態に係る光学ユニットにより形成される他のパルス波形の形成について説明する図 本開示の第１実施形態に係る光学ユニットにより形成される階段状のパルス波形の形成について説明する図 本開示の第２実施形態に係るシャッタユニットを示す模式図 本開示の第２実施形態に係る光学ユニットにより生成されるパルス波形の一例を示す図 本開示の変形例１に係るレーザ光合成部を示す模式図 特許文献１のレーザ加工装置を示す概略図

以下、本開示の各実施形態および各変形例について、図面を参照しつつ説明する。

＜構成＞
図１は、第１実施形態に係る光学ユニット１２を備えるレーザシステム１００を示す模式図である。

レーザシステム１００は、レーザ発振器システム１１、光学ユニット１２、入射ユニット２２、および、出力用ファイバ２３を備える。レーザシステム１００は、加工装置１０に接続しており、レーザ光を加工装置１０に供給する。加工装置１０に供給されたレーザ光は被加工対象物の加工に使用される。

レーザ発振器システム１１は、レーザ発振器１、光ファイバ２０、および、ファイバ出射鏡筒２１を有する。

レーザ発振器１は、例えば、ＷＢＣ型発振器であり、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を合成して発振する。そして、レーザ発振器１は、合成されたレーザ光４を出射する。レーザ発振器１から出射されるレーザ光４は、純粋な直線偏光であり、複数の偏光方向成分を有する光ではない。

レーザ発振器１から出射されたレーザ光４は、光ファイバ２０に導光される。

光ファイバ２０は、レーザ光４をファイバ出射鏡筒２１に伝送する。本実施形態の光ファイバ２０は、コアとクラッドとを有するファイバである。レーザ光４は、光ファイバ２０を通ることでその偏光がランダムな状態となる。つまり、レーザ光４は、純粋な直線偏光から複数の偏光方向成分を有する光に変化する。

ファイバ出射鏡筒２１は、光ファイバ２０から拡がりながら光ファイバ２０から出射してくるレーザ光４を平行光にして、光学ユニット１２に出射する。

光学ユニット１２は、レーザ発振器システム１１からのレーザ光４を分離することで２つの光路に分けてレーザ光４を伝送し、さらに２つの光路上の光を合成し、合成レーザ光４５を入射ユニット２２に出射する。

光学ユニット１２は、偏光分離部５、ミラー３、シャッタユニット７１、シャッタユニット７２、および、レーザ光合成部９を備える。

図２は、偏光分離部５を示す模式図である。偏光分離部５は、レーザ発振器システム１１から出射されたレーザ光４を第１の直線偏光４１と第２の直線偏光４２とに分離する。以下、偏光分離部５について詳細に説明する。

偏光分離部５は、偏光素子５１を有する。偏光素子５１は、偏光素子５１に入射してきたレーザ光４を第１の直線偏光４１と第２の直線偏光４２とに成分分離する。第２の直線偏光４２は、第１の直線偏光４１の偏光方向に直交する偏光方向を有する。本実施形態では、第１の直線偏光４１はＰ偏光であり、第２の直線偏光４２はＳ偏光である。

図２に示されているように、偏光素子５１はキューブ型の偏光素子である。偏光素子５１は、例えば、偏光ビームスプリッタ、偏光プリズム、または、ポラライザである。なお、偏光素子５１として平板型の偏光素子が用いられてもよい。

図１に示されているように、第１の直線偏光４１は、シャッタユニット７１に入射する。第２の直線偏光４２は、ミラー３によって進行方向が変更され、シャッタユニット７２に入射する。

シャッタユニット７１およびシャッタユニット７２は、それぞれ第１の直線偏光４１の光軸上、および、第２の直線偏光４２の光軸上に配置されている。シャッタユニット７１は、ＡＯＭドライバ（不図示）からの制御信号（具体的には、オン信号およびオフ信号）に応じて第１の直線偏光４１の遮断および出射を択一的に行う。シャッタユニット７２は、ＡＯＭドライバからの制御信号に応じて第２の直線偏光４２の遮断および出射を択一的に行う。なお、ＡＯＭドライバは、制御装置（不図示）の制御の下、制御信号を送信する。

シャッタユニット７１は、シャッタユニット７２による第２の直線偏光４２の遮断および出射とは独立して第１の直線偏光４１の遮断および出射を行うことができる。すなわち、シャッタユニット７１およびシャッタユニット７２は、互いに異なるタイミングで遮断および出射を行うことができる。

以下、シャッタユニット７１、７２を示す模式図である図３を参照しながら、シャッタユニット７１、７２について詳細に説明する。まず、シャッタユニット７１について説明し、その後、シャッタユニット７１と異なる点を中心にシャッタユニット７２について説明する。

シャッタユニット７１は、λ／２波長板６、音響光学素子７３、および、ダンパ７４を備える。

λ／２波長板６は、音響光学素子７３に入射する第１の直線偏光４１の偏光方向を切り替える素子である。λ／２波長板６は、第１の直線偏光４１の偏光方向が回転するように、λ／２波長板６の遅軸の方位角が調整されている。第１の直線偏光４１がλ／２波長板６に入射すると、音響光学素子７３によって回折される直線偏光となるように、第１の直線偏光４１の偏光方向が回転される。本実施形態では、第１の直線偏光４１は、λ／２波長板６を透過することで、Ｐ偏光からＳ偏光となる。

音響光学素子７３は、第１の直線偏光４１の進行方向の切り替えを行う。具体的には、音響光学素子７３は、ＡＯＭドライバからオン信号を受信すると、第１の直線偏光４１を回折する。その結果、第１の直線偏光４１は、その進行方向が、ダンパ７４が位置する方向に切り替えられ、１次回折光４７としてダンパ７４に向けて出射する。その結果、第１の直線偏光４１は、ダンパ７４に吸収されるので、シャッタユニット７１から出射されない。すなわち、第１の直線偏光４１は遮断される。

音響光学素子７３は、ＡＯＭドライバからオフ信号を受信すると、第１の直線偏光４１を回折せずに０次光４６として透過させる。０次光４６として透過した第１の直線偏光４１は、シャッタユニット７１から出射する。

なお、シャッタユニット７１が、第１の直線偏光４１の遮断および出射のうち、遮断を行っている状態をクローズ状態と呼ぶ。一方、シャッタユニット７１が第１の直線偏光４１の遮断および出射のうち出射を行っている状態をオープン状態と呼ぶ。

以下、シャッタユニット７２の内部構成および動作について、主にシャッタユニット７１と異なる点を説明する。

シャッタユニット７２のλ／２波長板６は、第２の直線偏光４２の偏光方向を変更せずに第２の直線偏光４２を透過させる。すなわち、λ／２波長板６は、第２の直線偏光４２の偏光方向が回転しないように、遅軸の方位角が調整されている。このため、本実施形態では、第２の直線偏光４２がＳ偏光のままλ／２波長板６から出射する。

続いて、レーザ光合成部９を示す模式図である図４を参照しながら、レーザ光合成部９について詳細に説明する。レーザ光合成部９は、シャッタユニット７１から出射された第１の直線偏光４１とシャッタユニット７２から出射された第２の直線偏光４２とを合成し、合成レーザ光４５を入射ユニット２２に出射する。

レーザ光合成部９は、２つのλ／２波長板９３、９４、ミラー９５、および、偏光素子９１を有する。

λ／２波長板９３、９４は、第１の直線偏光４１および第２の直線偏光４２の光軸上にそれぞれ配置されている。

λ／２波長板９３は、第１の直線偏光４１の偏光方向を切り替えることなく第１の直線偏光４１を透過させる。すなわち、λ／２波長板９３は、第１の直線偏光４１の偏光方向が回転しないように、遅軸の方位角が調整されている。

λ／２波長板９４は、第２の直線偏光４２の偏光方向を切り替えて第２の直線偏光４２を透過させる。すなわち、λ／２波長板９４は、第２の直線偏光４２の偏光方向を回転させるように、遅軸の方位角が調整されている。

よって、第１の直線偏光（このとき、Ｓ偏光）４１が、レーザ光合成部９に入射すると、λ／２波長板９３を透過し、さらに、ミラー９５にて反射され、偏光素子９１に入射する。また、第２の直線偏光（このとき、Ｓ偏光）４２が、レーザ光合成部９に入射すると、λ／２波長板９４により偏光方向が回転されつつλ／２波長板９４を透過し、偏光素子９１にＰ偏光として入射する。

なお、レーザ光合成部９は、λ／２波長板９３を有していなくてもよい。

偏光素子９１は、入射する第１の直線偏光４１および第２の直線偏光４２を偏波合成する。具体的には、偏光素子９１は、Ｓ偏光である第１の直線偏光４１と、Ｐ偏光である第２の直線偏光４２とを重畳して合成レーザ光４５を形成し、合成レーザ光４５を入射ユニット２２に向けて出射する。

偏光素子９１は、例えば、偏光ビームスプリッタ、ポラライザ、または、偏光プリズムである。

図１に示されているように、合成レーザ光４５は、入射ユニット２２を通って出力用ファイバ２３に入射し、加工装置１０まで伝送される。

入射ユニット２２は、ファイバ入射鏡筒であり、合成レーザ光４５を光学ユニット１２から出力用ファイバ２３に導く。出力用ファイバ２３は、合成レーザ光４５を加工装置１０に伝送する。合成レーザ光４５は、加工装置１０による被加工対象物の加工に使用される。

＜パルス波形＞
以下、光学ユニット１２から出射される合成レーザ光４５のパルス波形について説明する。

図５は、光学ユニット１２により形成されるパルス波形の一例を示す図である。図５のパルス波形における縦軸は合成レーザ光４５の強度Ｉ０であり、横軸は時間である。

図５のパルス波形は、制御装置が、シャッタユニット７１、７２が互いに同じタイミングでオープン状態およびクローズ状態に交互に切り替わるように、シャッタユニット７１、７２を制御している場合に、光学ユニット１２から出射される合成レーザ光４５のパルス波形である。

シャッタユニット７１、７２がいずれもオープン状態であるときの合成レーザ光４５の強度Ｉ０は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光４の強度Ｉと同程度である。シャッタユニット７１、７２がいずれもクローズ状態であるときの合成レーザ光４５の強度Ｉ０は、比較的小さい値であり、具体的には強度Ｉの１０％程度である。

図６は、本開示の第１実施形態に係る光学ユニットにより形成される他のパルス波形の形成について説明する図である。図６の上段、中段、および、下段のパルス波形における縦軸は、それぞれシャッタユニット７１から出射する第１の直線偏光４１の強度Ｉ１、シャッタユニット７２から出射する第２の直線偏光４２の強度Ｉ２、および、合成レーザ光４５の強度Ｉ０であり、横軸はいずれも時間である。

例えば、制御装置が以下（１）および（２）を満たすようにシャッタユニット７１、７２を制御する。
（１）シャッタユニット７１およびシャッタユニット７２を、時間Δｔｂのクローズ状態と時間３Δｔｂ（Δｔｂの３倍の時間）のオープン状態とを交互に繰り返すようにする。
（２）シャッタユニット７１のオープン状態およびクローズ状態の切り替えタイミングに対して、シャッタユニット７２の当該タイミングを時間Δｔｂ遅らせる。

この場合、シャッタユニット７１から出射する第１の直線偏光４１のパルス波形は、例えば、図６の上段に示されているパルス波形となる。また、シャッタユニット７２から出射する第２の直線偏光４２のパルス波形は、例えば、図６の中段に示されているパルス波形となる。その結果、光学ユニット１２から出射される合成レーザ光４５のパルス波形は、図６の下段に示されているパルス波形となる。

図７は、光学ユニット１２により形成される階段状のパルス波形の形成について説明する図である。図７の上段、中段、および、下段のパルス波形における縦軸は、それぞれシャッタユニット７１から出射する第１の直線偏光４１の強度Ｉ１、シャッタユニット７２から出射する第２の直線偏光４２の強度Ｉ２、および、合成レーザ光４５の強度Ｉ０であり、横軸はいずれも時間である。

図７の上段のパルス波形は、制御装置が、時刻ｔ１１から時間Δｔ１間隔で、オープン状態とクローズ状態とが交互に切り替わるようにシャッタユニット７１を制御した場合に、シャッタユニット７１から出射される第１の直線偏光４１のパルス波形である。

図７の中段のパルス波形は、制御装置が、時刻ｔ１１から時間Δｔ（＝Δｔ１／２）遅れた時刻ｔ２１から時間Δｔ１間隔で、オープン状態とクローズ状態とが交互に切り替わるようにシャッタユニット７２を制御した場合に、シャッタユニット７２から出射される第２の直線偏光４２のパルス波形である。

図７の下段のパルス波形は、光学ユニット１２から出射され、加工装置１０に伝送される合成レーザ光４５のパルス波形である。

上述のように、制御装置が、シャッタユニット７１、７２を互いに独立して制御することで、階段状のパルス波形が形成される。シャッタユニット７１、７２の両方がオープン状態である時間帯（例えば、時刻ｔ２１から時刻ｔ１２）において、合成レーザ光４５の強度Ｉ０は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光４の強度Ｉと同程度となる。シャッタユニット７１、７２の一方のみがオープン状態である時間帯（例えば、時刻ｔ１１から時刻ｔ２１、および、時刻ｔ１２から時刻ｔ２２等）において、合成レーザ光４５の強度Ｉ０は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光４の強度Ｉの半分程度となる。

制御装置は、シャッタユニット７１、７２に対するオープン状態およびクローズ状態のそれぞれの長さ、および、オープン状態に切り替えるタイミング等を別々に設定することでより複雑な形状を有する合成レーザ光４５のパルス波形を形成できる。

本実施形態によれば、レーザ光４を２つの直線偏光４１、４２に分離し、シャッタユニット７１、７２により直線偏光４１、４２の遮断および出射を実行する。このため、１つのシャッタユニットによる遮断および出射の対象となるレーザ光の光量を小さくすることができる。すなわち、比較的大きな光量のレーザ光４がレーザ発振器システム１１から出射されても、１つのシャッタユニットによる遮断および出射の対象となる光の光量を、当該シャッタユニットが取り扱い可能な光量以下にすることができる。

したがって、より高強度のレーザ光の遮断および出射を実行することができる。具体的には、光学ユニット１２は、図１１のレーザ加工装置と比べて、２倍の出力のレーザ光４を適切に遮断および出射を行うことができる。ひいては、より高出力のレーザシステムを実現できる。

また、本実施形態によれば、レーザ発振器１から出射したレーザ光４は光ファイバ２０により伝送される。これにより、光量をさほど低減することなくより遠方までレーザ光４を伝送することができる。

図１１のレーザ加工装置において、レーザ光源１０１から出射されるパルスレーザビームを光ファイバで伝送する場合、パルスレーザビームの偏光状態がランダムな状態となりやすい。このようにパルスレーザビームの偏光状態が、純粋な直線偏光以外の偏光状態になる場合、音響光学素子１０２を使用してパルスレーザビームの回折を実行しても、約半分が回折されずに、ミラー３に向けて音響光学素子１０２を透過してしまう。この透過するパルスレーザビーム（つまり、漏れ光）によってレーザ加工装置による加工品質が低下してしまう。

本実施形態によれば、光学ユニット１２は、複数の偏光方向成分を有するレーザ光４を、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光に分離する。このため、各シャッタユニット７１、７２に直線偏光を入射させることができるので、シャッタユニット７１、７２がクローズ状態にある場合の光の漏れ量を低減することができる。ひいては、加工装置１０による加工品質を向上させることができる。

本実施形態によれば、シャッタユニット７１、７２は、直線偏光の進行方向の切り替えを行う音響光学素子７３を有する。音響光学素子７３は、レーザ光に対する耐力が比較的大きいので、光量が比較的大きな直線偏光に対して適切に進行方向を切り替えることができる。具体的には１ｋＷの光に対しても適切に進行方向を切り替えることができる。また、音響光学素子７３は比較的安価であるので、光学ユニット１２の製造コストを削減できる。よって、より高出力のレーザシステムを低コストで実現できる。

シャッタユニット７１、７２は、λ／２波長板６を有するので、その遅軸の方位角を回転させることで、音響光学素子７３に入射する直線偏光４１、４２の偏光方向を自在に切り替えることができる。よって、光学ユニット１２が有する各構成部の配置の仕方（位置および向き）の自由度を高くすることができる。

本実施形態によれば、光学ユニット１２が２つのシャッタユニット７１、７２を有するので、シャッタユニット７１、７２に互いに独立して直線偏光の遮断および出射を実行させることで、被加工対象物の材料および加工方法に応じて所望のパルス波形を形成できる。また、レーザ発振器１から出力されるレーザ光４の強度を変更することなく、２段階で合成レーザ光４５の出力強度を調整できる。

なお、シャッタユニット７１、７２は、音響光学素子７３を０次光４６として透過する直線偏光４１、４２を吸収可能な位置にダンパ７４が配置されていてもよい。それと同時に、シャッタユニット７１、７２は、音響光学素子７３を１次回折光４７として出射する直線偏光４１、４２をレーザ光合成部９に出射してもよい。

また、シャッタユニット７１、７２は、遅軸の方位角が適切に調整されていれば、λ／２波長板６に替えて、２つのλ／４波長板を有していてもよい。

なお、シャッタユニット７２のλ／２波長板６は、第１の直線偏光４１の偏光方向を変更しないように配置されているので、シャッタユニット７２はλ／２波長板６を有していなくてもよい。

また、シャッタユニット７１、７２は、いずれもλ／２波長板６を有してなくてもよい。この場合、シャッタユニット７２の音響光学素子７３の向きに対して９０度傾くように、シャッタユニット７１の音響光学素子７３を配置する必要がある。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、主に第１実施形態と異なる点について説明する。

図８は、第２実施形態に係るシャッタユニット７１、７２を示す模式図である。まず、シャッタユニット７１について説明し、その後、シャッタユニット７１と異なる点を中心にシャッタユニット７２について説明する。シャッタユニット７１は、音響光学素子７３に替えて、電気光学素子７５、および、偏光素子７６を有する。

λ／２波長板６は、第１の直線偏光４１の偏光方向を変更せずに第１の直線偏光４１を透過させる。すなわち、λ／２波長板６は、第１の直線偏光４１の偏光方向が回転しないように、遅軸の方位角が調整されている。

電気光学素子７５は、電気光学ドライバ（不図示）により印加される電圧値に応じて、その遅軸の方位角が変わる素子である。よって、電気光学素子７５は、透過する第１の直線偏光４１の偏光方向を調整することができる。本実施形態では、電気光学素子７５は、電圧値Ｖ１（０Ｖを含む）および電圧値Ｖ２（＞Ｖ１）の電圧が択一的に印加され、その結果、第１の直線偏光４１の偏光方向がそれぞれ角度θ１（０度を含む）または角度θ２（＞θ１）回転する。なお、電気光学ドライバは、制御装置の制御の下、電気光学素子７５に電圧を印加する。

偏光素子７６は、電気光学素子７５を透過した第１の直線偏光４１の偏光方向に応じて、第１の直線偏光４１の進行方向を切り替える素子である。具体的には、偏光素子７６は、電気光学素子７５によって偏光方向がθ１回転された第１の直線偏光４１を、第１の直線偏光４１の進行方向を変化させずに透過させる。このとき直線偏光４１は、偏光素子７６に対してＰ偏光となっている。この偏光素子７６を透過した第１の直線偏光４１は、シャッタユニット７１から出射する。偏光素子７６は、偏光方向がθ２回転された第１の直線偏光４１を反射してダンパ７４に向けて透過させる。このとき直線偏光４１は、偏光素子７６に対してＳ偏光となっている。その結果、この偏光素子７６を透過した第１の直線偏光４１は、ダンパ７４に吸収される。

偏光素子７６は、例えば、偏光ビームスプリッタ、ポラライザ、または、偏光プリズムである。

第２実施形態において、シャッタユニット７２とシャッタユニット７１との相違点は、シャッタユニット７１にはＰ偏光の第１の直線偏光４１が入射するため、λ／２波長板６が第１の直線偏光４１の偏光方向を変更していないが、シャッタユニット７２にはＳ偏光の第２の直線偏光が入射するため、λ／２波長板６が、第２の直線偏光４２の偏光方向がＰ偏光となるように偏光方向を変更して、第２の直線偏光４２を電気光学素子７５に入射させることである。すなわち、シャッタユニット７２のλ／２波長板６は、第２の直線偏光４２の偏光方向が回転するように、遅軸の方位角が調整されている。

＜パルス波形＞
以下、第２実施形態の光学ユニット１２から出射される合成レーザ光４５のパルス波形について説明する。

図９は、第２実施形態に係る光学ユニット１２により生成されるパルス波形の一例を示す図である。図９のパルス波形において縦軸および横軸は、図５のパルス波形の各軸と同じである。

図９のパルス波形は、制御装置が、シャッタユニット７１、７２が互いに同じタイミングでオープン状態およびクローズ状態に交互に切り替わるように、シャッタユニット７１、７２を制御している場合に、光学ユニット１２から出射される合成レーザ光４５のパルス波形である。

シャッタユニット７１、７２がいずれもオープン状態であるときの合成レーザ光４５の強度Ｉ０は、レーザ発振器１から出射されるレーザ光４の強度Ｉと同程度である。図５のパルス波形との相違点は、シャッタユニット７１、７２がいずれもクローズ状態にあるときの合成レーザ光４５の強度Ｉ０がほぼゼロであることである。

なお、制御装置が上述の（１）および（２）を満たすようにシャッタユニット７１、７２を制御した場合、合成レーザ光４５のパルス波形は、図６のパルス波形と同様の形状となる。また、制御装置が、シャッタユニット７１、７２を互いに独立して制御することで、２段階のパルス波形を含む様々なパルス波形が形成される。

本実施形態によれば、シャッタユニット７１、７２は電気光学素子７５を有するので、シャッタユニットをクローズ状態にしたときに、より確実に光の漏れを防ぐことができる。

なお、本実施形態のシャッタユニット７１、７２が、λ／２波長板６に替えてλ／４波長板を有していてもよい。この場合、電気光学素子７５に印加する電圧値Ｖ１または電圧値Ｖ２を、適切な値に変更する必要がある。具体的には、λ／４波長板を透過した直線偏光の偏光方向がそれぞれ角度θ１、および、角度θ２回転するように電圧値Ｖ１（０Ｖを含む）または電圧値Ｖ２を設定する必要がある。その場合、電圧値Ｖ１およびＶ２は小さくなる。

すなわち、λ／４波長板を使用することで、λ／２波長板６を使用するときよりも、電気光学素子７５に印加すべき電圧値Ｖ１、Ｖ２を小さくすることができる。よって、電気光学ドライバによる消費電力を小さくできる。

また、第１実施形態と逆になるが、シャッタユニット７１は、λ／２波長板６を有していなくてもよい。

なお、シャッタユニット７１、７２は、いずれもλ／２波長板６を有していなくてもよい。この場合、シャッタユニット７２の電気光学素子７５に印加する電圧値Ｖ１および電圧値Ｖ２に対してシャッタユニット７１の電気光学素子７５に印加する電圧値Ｖ１および電圧値Ｖ２を変更する必要がある。

シャッタユニット７１、７２は、偏光素子７６によって反射されていない直線偏光４１、４２を吸収可能な位置にダンパ７４が配置されていて、偏光素子７６によって反射された直線偏光４１、４２をレーザ光合成部９に出射してもよい。

（変形例１）
以下、変形例１について、主に第１実施形態と異なる点を説明する。変形例１のレーザ光合成部９は、第１の直線偏光４１および第２の直線偏光４２を空間合成する点で第１実施形態のレーザ光合成部９と相違する。

図１０は、変形例１に係るレーザ光合成部９を示す模式図である。レーザ光合成部９は、２つのミラー９６、９６、および、三角ミラー９２を有する。

２つのミラー９６、９６は、第１の直線偏光４１および第２の直線偏光４２の光軸上にそれぞれ配置されている。三角ミラー９２は、２つの直線偏光４１、４２の光軸間に配置されている。

シャッタユニット７１、７２から出射された直線偏光４１、４２は、それぞれミラー９６、９６により反射されて三角ミラー９２に向けて進行方向が変更される。さらに、直線偏光４１、４２は、三角ミラー９２により、レーザ光合成部９の外部（つまり、入射ユニット２２）に向けて反射される。これにより、第１の直線偏光４１と第２の直線偏光４２とが近接し、空間的に合成（空間合成）され、合成レーザ光４５としてレーザ光合成部９から出射される。

なお、光学ユニット１２は、第２実施形態のシャッタユニット７１、７２を有しつつ、変形例１のように２つの直線偏光を空間合成するレーザ光合成部９を有していてもよい。

（その他変形例）
本開示の光学ユニット１２において、シャッタユニット７１およびシャッタユニット７２の一方が、第１実施形態のように音響光学素子７３を有し、他方が、第２実施形態のように電気光学素子７５および偏光素子７６を併せ持っていてもよい。

本開示のレーザシステム１００において、レーザ発振器１は、１つの波長を有するレーザ光を発振する発振器であってもよい。

また、本開示のレーザシステム１００において、レーザ発振器システム１１は、ファイバ出射鏡筒２１を有していなくてもよい。

なお、本開示のレーザシステム１００において、入射ユニット２２および出力用ファイバ２３を使用せずに、レーザ光合成部９と加工装置１０との間を空間伝送により合成レーザ光４５を伝送させてもよい。

なお、上述の各実施形態、および、変形例１では、シャッタユニット７１、７２は、ダンパ７４を有するとして説明したが、必ずしも有していなくてもよい。

上述の各実施形態、および、各変形例の光学ユニット１２は、ランダム偏光、円偏光、および、楕円偏光等の複数の偏光方向成分を有するレーザ光４に対して互い偏光方向が直交する２つの直線偏光に分離し、各直線偏光に対して適切に遮断および出射を行うことができる。

なお、本開示の光学ユニット１２は、純粋な直線偏光であるレーザ光４が入射した場合にも同様に、レーザ光４を分離し、分離されたレーザ光４に対してシャッタユニット７１、７２で遮断および出射を行い、シャッタユニット７１、７２から出射されたレーザ光４同士の合成を行うことができる。この場合、偏光分離部５は、必ずしも第１の直線偏光４１と、偏光方向が第１の直線偏光４１の偏光方向に直交する第２の直線偏光４２とに成分分離しなくてもよく、偏光分離部５に入射するレーザ光４の光量を分割するようにレーザ光４を分離してもよい。

本開示に係る光学ユニットおよびレーザシステムによれば、より高強度のレーザ光の遮断および出射を適切に実行することができる。

１ レーザ発振器
１０ 加工装置
１１ レーザ発振器システム
１２ 光学ユニット
２０ 光ファイバ
２１ ファイバ出射鏡筒
２２ 入射ユニット
２３ 出力用ファイバ
３ ミラー
４ レーザ光
４１ 第１の直線偏光
４２ 第２の直線偏光
４５ 合成レーザ光
４６ ０次光
４７ １次回折光
５ 偏光分離部
５１ 偏光素子
６ λ／２波長板
７１ シャッタユニット
７２ シャッタユニット
７３ 音響光学素子
７４ ダンパ
７５ 電気光学素子
７６ 偏光素子
９ レーザ光合成部
９１ 偏光素子
９２ 三角ミラー
９３ λ／２波長板
９４ λ／２波長板
９５ ミラー
９６ ミラー
１００ レーザシステム
１０１ レーザ光源
１０２ 音響光学素子
１０３ 折返しミラー
１０４ 集光レンズ
１０５ ステージ
１０６ 制御装置
１０７ ダンパ
１１０ 被加工対象物

Claims (15)

1. レーザ光を、第１の直線偏光と、第２の直線偏光とに分離する偏光分離部と、
   前記第１の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第１のシャッタユニットと、
   前記第２の直線偏光の遮断および出射を択一的に行う第２のシャッタユニットと、
   前記第１のシャッタユニットから出射された前記第１の直線偏光と、前記第２のシャッタユニットから出射された前記第２の直線偏光とを合成するレーザ光合成部と、を有する、
   光学ユニット。
2. 前記レーザ光は、複数の偏光方向成分を有する、請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記偏光分離部は、前記レーザ光を前記第１の直線偏光と、偏光方向が前記第１の直線偏光の偏光方向に直交する前記第２の直線偏光とに分離する第１の偏光素子を有する、
   請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記第１の偏光素子は、偏光ビームスプリッタ、偏光プリズム、または、ポラライザである、
   請求項３に記載の光学ユニット。
5. 前記第１のシャッタユニットおよび前記第２のシャッタユニットの少なくとも一方は、透過する直線偏光の進行方向の切り替えを行う音響光学素子を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学ユニット。
6. 前記第１のシャッタユニットおよび前記第２のシャッタユニットのうちの前記音響光学素子を有するシャッタユニットは、前記音響光学素子に入射する直線偏光の偏光方向を切り替える第１の波長板を含む、請求項５に記載の光学ユニット。
7. 前記第１のシャッタユニットおよび前記第２のシャッタユニットの少なくとも一方は、透過する直線偏光の偏光方向を調整する電気光学素子と、前記電気光学素子を透過した前記直線偏光の偏光方向に応じて、当該直線偏光の進行方向を切り替える第２の偏光素子とを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学ユニット。
8. 前記第１のシャッタユニットおよび前記第２のシャッタユニットのうちの前記電気光学素子および前記第２の偏光素子を有するシャッタユニットは、前記電気光学素子に入射する直線偏光の偏光方向を切り替える第２の波長板を含む、請求項７に記載の光学ユニット。
9. 前記レーザ光合成部は、前記第１の直線偏光および前記第２の直線偏光を偏波合成する、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光学ユニット。
10. 前記レーザ光合成部は、前記第１の直線偏光または前記第２の直線偏光の偏光方向を切り替える第３の波長板を含む、請求項９に記載の光学ユニット。
11. 前記レーザ光合成部は、前記第１の直線偏光および前記第２の直線偏光を空間合成する、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の光学ユニット。
12. 前記第１のシャッタユニットは、前記第２のシャッタユニットによる前記第２の直線偏光の遮断および出射とは独立して、前記第１の直線偏光の遮断および出射を行う、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学ユニット。
13. 前記レーザ光を出射するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から出射された前記レーザ光を伝送する第１の光ファイバと、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学ユニットと、を備え、
    前記偏光分離部は、前記第１の光ファイバによって伝送された前記レーザ光を分離する、レーザシステム。
14. 前記レーザ光合成部によって合成された光である合成レーザ光を伝送する第２の光ファイバと、
    前記合成レーザ光を前記光学ユニットから前記第２の光ファイバに導く入射ユニットと、
    を備える、請求項１３に記載のレーザシステム。
15. 前記レーザ発振器は、互いに異なる波長を有する複数のレーザ光を合成し、発振する、
    請求項１３または１４に記載のレーザシステム。

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