JP3681180B2 - 固体レーザ発振装置及びその励起方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザやガラスレーザ等に代表される固体レーザ発振装置の励起に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（１） 背景技術
【０００３】
固体レーザ発振装置（Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザ等）の励起光源には、フラッシュランプ（ＸｅランプやＫｒランプ等）が広く利用されている。この様な固体レーザ発振装置をワークの溶接・切断等の加工に用いる場合には、通常（ノーマル）発振時に比べて急峻なパルスをフラッシュランプに印加して、強力なレーザ光を瞬間発振させる必要が生ずることがある。というのは、多くの場合、ワークは高反射率の金属から成り、しかもその加工表面が酸化膜で被覆されているからである。この様な場合、瞬時に強力なレーザ光を照射して酸化被膜を取除く必要がある。又、金属面を切断する際にも、強力なレーザ光を瞬時に照射して、照射面の温度を一気に溶融値にまで高め、その後の切断を実行可能とする必要がある。通常発振では、金属の高反射率に遮られ、表面温度を溶融値にまで高めるのが困難だからである。
【０００４】
この様な観点から、フラッシュランプに印加するパルスを適切に制御する必要がある。その様な従来技術としては、次の様なものがある。
【０００５】
（２） 従来の技術
【０００６】
▲１▼ 例えば特公昭６３−２００３２号公報に開示されたポンピングパルス制御技術がある。本技術では、高周波スイッチ（トランジスタ等）とＬＣフィルタとの組合せを用いて、そのパルス幅や周波数を可変できる矩形波や、その傾きを可変できる鋸歯状波形のパルスを実現している。
【０００７】
▲２▼ 他の励起方法としては、ルモニクス社製の固体レーザ発振装置等において実現されている技術がある。これは、通常のパルス波形（矩形波）を階段状に整形したものである。その一例を、図６に示す。この場合、電圧波形を任意に変えることができる利点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の技術▲１▼，▲２▼は、溶接・切断時に必要とされる急峻な光励起を実現するには十分ではなかった。具体的には、各技術▲１▼，▲２▼は、次の様な問題点を有している。
【０００９】
先ず上記▲１▼の技術に関しては、鋸歯状波形の傾きの可変範囲にも限度があり、通常時に較べて１０倍程度のレベルにまでそのレベルを一気に高めることは困難であるということである。しかも溶接・切断に際しては、前述した通り、瞬間時だけ急竣な光励起を行えば良いのであって、その後は熱源としてレーザ光を発振させれば良いこととなり、この様な観点から見た場合には本技術▲１▼は望ましいものではないとも言える。更に本技術▲１▼は、ＬＣフィルタを利用した回路構成を採用しているため、「加工作業上必要なときだけ急峻なパルス（この場合は、鋸歯状パルス）を出力し、不必要な場合には矩形波パルスによる通常発振を行う」という様な加工作業の進渉状況に応じた臨機応変な対応ができないという問題点をも内包している。
【００１０】
同様な事が、上記▲２▼の技術に関しても成立する。即ち、本来的には通常発振時のレベルを有する１パルスから階段状の可変パルスを形成しているため、溶接・切断に要求されるレベルを有する急峻なパルスを発生させることができない。又、仮に発生させることが可能であるとしても、１系統による波形コントロールを行っているため、急峻励起の必要時と不必要時との対応ができない欠点が残ることとなる。更に、本技術▲２▼では、１つのフラッシュランプを、当該ランプに流す電流を大電流から小電流へと連続的に切替えて使用しているため、フラッシュランプの寿命を短くするおそれもある。
【００１１】
本発明は係る問題点に鑑みなされたものであり、通常の光励起と急峻な光励起とをその状況に応じて容易に切替えることができ、しかも当該急峻な光励起によって、通常の光励起では加工困難なワークの加工をも容易に実現できる固体レーザ発振装置の提供を目的としている。更に本発明は、その様な固体レーザ発振装置の励起方法をも実現しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る固体レーザ発振装置の励起方法では、第１光源に第１パルスの電圧を印加することにより、第１励起光を一つの固体レーザ媒質に対して照射するとともに、第１パルスの電圧印加と同時に又は当該印加後であって且つ当該印加終了前の間に、第１パルスと比較してそのレベルが大きく且つそのパルス幅が短い第２パルスの電圧を第２光源に印加して、第２励起光を更に上記一つの固体レーザ媒質に対して照射するようにしている。
【００１３】
又、請求項２に係る固体レーザ発振装置では、一つの固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質の励起光源としての第１及び第２光源と、第１光源に第１パルスの電圧を印加して、第１励起光を第１光源より照射する第１駆動回路と、第１パルスの電圧印加と同時に又は当該印加後であって且つ当該印加終了前の間に、第１パルスと比較してそのレベルが大きく且つそのパルス幅が短い第２パルスの電圧を第２光源に印加して第２励起光を第２光源より照射する第２駆動回路とを備えるようにしている。
又、請求項３に係る固体レーザ発振装置では、請求項２記載の固体レーザ発振装置における第２パルスの電圧レベルを第１パルスの電圧レベルの約１０倍に設定している。
【００１４】
【作用】
▲１▼ 請求項１に係る発明では、第１光源への第１パルスの印加によって第１励起光が照射され、当該第１励起光は固体レーザ媒質に吸収される。その結果、第１パルスのレベルに応じた強度のレーザ光が発振する。更に上記第１パルスの電圧印加と同時に、ないしはその印加後であって且つ当該印加終了前の間に、第１パルスよりも急峻な（レベル；大，パルス幅；短）第２パルスの電圧が第２光源へ印加される。この印加により、第１励起光よりも強度が格段に大きい第２励起光が照射され、当該第２励起光が照射されている時間内では、レーザ光の強度が格段に増大する。
【００１５】
▲２▼ 請求項２に係る発明では、第１駆動回路が第１パルスを発生させ、この第１パルスを第１光源に出力する。第１光源は、第１パルスの電圧印加に同期して、且つそのレベルに応じた強度の第１励起光を放出する。
【００１６】
一方、第２駆動回路は、上記第１パルスの電圧印加に同期して又は印加後であって且つ当該印加終了前の間に、当該第１パルスよりも急峻なパルス（第２パルス）を発生し、この第２パルスを第２光源へ出力する。その結果、第２光源は、第１励起光よりも強度が大きく且つ発光時間が短い第２励起光を照射する。
【００１７】
この様に本発明では、強度と発光時間とが異なる２種類の励起光が、それぞれ別々の系統から一つの固体レーザ媒質内へ導かれる。両励起光が同時に固体レーザ媒質内に存在するときには、固体レーザ発振装置の発振出力は急激に高出力となる。
【００１８】
【実施例】
Ａ． 固体レーザ発振装置の構成
【００１９】
図１は、この発明の一実施例である固体レーザ発振装置（以下、レーザ発振装置と略す）の主要部の構成を模式的に示した斜視図である。又、図２は、レーザ発振装置の正面図を同じく模式的に示した図である。両図において、固体レーザ媒質１は、その断面が矩形となる様に、スラブ型に形成されている。その材質としては、例えばＮｄ³⁺：ＹＡＧ結晶やガラス等が利用される。
【００２０】
一方、本レーザ発振装置の励起光源としては、２つのフラッシュランプ４，５が用いられている。即ち、固体レーザ媒質１の下面３側には、その長手方向にわたって第１フラッシュランプ４が配設されており、当該第１フラッシュランプ４には第１電源６が接続されている。又、固体レーザ媒質１の上面２側には第２フラッシュランプ５が配設されており、当該第２フラッシュランプ５には第２電源７が接続されている。第１及び第２電源６，７の構成及びそれらの電源６，７より出力される第１及び第２パルスＶ₁ ，Ｖ₂ の波形については、後述する。
【００２１】
尚、記号Ｍ１，Ｍ２は、それぞれ出力鏡及び反射鏡を示しており、これらのミラーＭ１，Ｍ２は本レーザ発振装置の共振器を構成している。又、記号Ｌ₁ 及びＬ₂ は、それぞれ第１フラッシュランプ４より放出される第１励起光及び第２フラッシュランプ５より放出される第２励起光を示している。固体レーザ媒質１はこれらの励起光Ｌ₁ ，Ｌ₂ を吸収した後、レーザ光ＬＢが出力鏡Ｍ１より発振する。
【００２２】
Ｂ． 電源の構成・パルス波形
【００２３】
図３は、前述した第１電源６及び第２電源７のより詳細な構成を示したブロック図である。第１電源６は、通常発振時に必要とされるレベルの第１パルスＶ₁ を出力する。この第１パルスＶ₁ の波形を図４に示す。本図４は、時間ｔに対するパルスの振幅（電圧値）を示した図であり、第１パルスＶ₁ とともに第２パルスＶ₂ をも示したものである。同図に示す通り、第１パルスＶ₁ は、レベルｖ₁ ，パルス幅ΔＴ₁ を有する信号である。ここでは、第１パルスＶ₁ は、時間ｔ₁ ，ｔ₂ 及びｔ₃ において立ち上がり、時間ｔ₁₁，ｔ₂₁及びｔ₃₁においてレベルｖ₁ から０レベルへ立ち下がるものとする。
【００２４】
一方、第２電源７は、その電圧振幅がｖ₂ に、そのパルス幅がΔＴ₂ となる様に、その回路構成が予め設定されている。上記電圧ｖ₂ のレベルは第１パルスＶ₁ のレベルｖ₁ の約１０倍程度に設定されている。しかもそのパルス幅ΔＴ₂ は、パルス幅ΔＴ₁ に較べて極めて小さな値に設定される。従って、第２電源７が出力する第２パルスＶ₂ は、急峻なパルスとなる。尚、両パルスＶ₁ ，Ｖ₂ の周期は同一である。
【００２５】
両パルスＶ₁ ，Ｖ₂ の同期は、次の通り行われる。即ち、トリガー発生回路８が別に設定されており、当該トリガー発生回路８は、両電源６，７に対してトリガー信号ＴＲＧを出力する。このトリガー信号ＴＲＧを受けて、両電源６，７は、同時に第１パルスＶ₁ ，第２パルスＶ₂ を出力することとなる。
【００２６】
尚、トリガー発生回路８と第２電源７との間に遅延回路９を設けることによって、トリガー信号ＴＲＧを任意の時間だけ遅延させることができる。これによって、当該遅延時間だけ第２パルスＶ₂ の出力タイミングを遅らすことができる。遅延回路９によって遅延時間Δｔ_d だけ第２パルスＶ₂ の出力を遅らせた一例を、同じく図４に示す。
【００２７】
この様に通常の第１パルスＶ₁ を第１フラッシュランプ４へ、急峻な第２パルスＶ₂ を第２フラッシュランプ５へそれぞれ印加させているため、第２パルスＶ₂ が印加されている時間、即ちパルス幅ΔＴ₂ に相当する時間内では、急峻な光励起が固体レーザ媒質１内で発生し、強力なレーザ光ＬＢが発振される。これに対して、第２パルスＶ₂ が０レベルに立ち下がった時刻（例えば時刻ｔ₁ ' ）から第１パルスＶ₁ が０レベルにまで立ち下がる時間（例えば時間ｔ₁₁）までの間は、通常の発振が生じ、当該レーザ光ＬＢはワーク加工時の熱源として機能する。 Ｃ． 加工作業の手順
【００２８】
図５は、本レーザ発振装置を溶接や切断等の加工作業に適用した場合の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１では、加工面が高反射率の金属から成るか否かが、又、その加工面が酸化膜で被覆されているか否かが判断される。この様な判断は、作業者自ら行っても良く、又、予めワークの形状が既知である場合にはコンピュータを用いて判断することもできる。
【００２９】
上記ステップＳ１でＹＥＳと判断された場合には、ステップＳ２及びＳ３において、第１パルスＶ₁ 及び第２パルスＶ₂ が、各フラッシュランプ４，５へ印加される。この印加により、急峻な光励起が行われ、レーザ光ＬＢの強度は瞬時に急激に増大する。これにより、酸化被膜等が瞬時に除去され、その後の第１パルスＶ₁ によるレーザ光ＬＢによって加工作業が続行される。
【００３０】
一方、ステップＳ１においてＮＯと判断された場合には、第２パルスＶ₂ を印加する必要はないため、第２電源７はＯＦＦとされ、第１パルスＶ₁ のみが第１フラッシュランプ４へ印加される。この場合は、通常発振したレーザ光ＬＢによって加工作業が続行される（ステップＳ４）。
【００３１】
最後にステップＳ５では、加工作業が終了したか否かが判断される。終了した場合には、一連の作業は終了する。それに対して加工終了でない場合には、上記ステップＳ１〜Ｓ４までの各ステップが再度続行されることとなる。
【００３２】
【発明の効果】
▲１▼ 請求項１及び２に係る発明では、第１光源及び第２光源に印加すべき電圧を別々にコントロールすることができる。そのため、第１パルスと比較して急峻なパルス（第２パルス）を容易に発生させることが可能となる。しかも、当該第２パルスを第１パルスの任意な位置（第１パルス印加中の任意な時間）に容易に重畳することができ、ワークの加工状況に応じて臨機応変に急峻な第２パルスの印加をコントロールすることが可能となる。
【００３３】
以上の効果を通じて、両発明は、高反射率の金属から成るワークや、加工面が酸化膜で被覆されているワーク等の加工（溶接・切断等）を容易に実行できる固体レーザ発振装置の実現を可能とする。
【００３４】
▲２▼ 又、請求項２に係る発明では、第１光源及び第２光源をそれぞれ第１駆動回路及び第２駆動回路によって発光せしめているため、ワークの状況に応じて（高出力の）第２励起光の照射を自在にコントロールすることができる。即ち、ワークが酸化被膜等を有する場合には、通常の発振パワー以上のパワーを要するため、第１及び第２パルスを共にＯＮレベルとし、逆にその様な急峻なパルスを不要とする作業に於いては、第２パルスをＯＦＦレベルとして、第１パルスのみをＯＮレベルに設定すれば良いこととなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体レーザ発振装置の主要部を模式的に示した斜視図である。
【図２】固体レーザ発振装置の主要部を模式的に示した正面図である。
【図３】電源部を示したブロック図である。
【図４】第１パルスと第２パルスのタイミングと波形とを示した説明図である。
【図５】加工手順を示したフローチャートである。
【図６】従来の励起方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 固体レーザ媒質
４ 第１フラッシュランプ（第１光源）
５ 第２フラッシュランプ（第２光源）
６ 第１電源
７ 第２電源
Ｖ₁ 第１パルス
Ｖ₂ 第２パルス
Ｌ₁ 第１励起光
Ｌ₂ 第２励起光

Claims (3)

1. 一つの固体レーザ媒質と第１及び第２光源とを有する固体レーザ発振装置の励起方法において、
   前記第１光源に第１パルスの電圧を印加して、第１励起光を前記固体レーザ媒質に対して照射し、
   前記第１パルスの前記電圧の印加と同時に又は当該印加後であって且つ当該印加終了前の間に、前記第１パルスと比較してそのレベルが大きく且つそのパルス幅が短い第２パルスの電圧を前記第２光源に印加して、第２励起光を前記固体レーザ媒質に対して照射することを特徴とする固体レーザ発振装置の励起方法。
2. 一つの固体レーザ媒質と、
   前記固体レーザ媒質の励起光源としての第１及び第２光源と、
   前記第１光源に第１パルスの電圧を印加して、第１励起光を前記第１光源より照射する第１駆動回路と、
   前記第１パルスと比較してそのレベルが大きく且つそのパルス幅が短い第２パルスの電圧を、前記第１パルスの前記電圧の印加と同時に又は当該印加後であって且つ当該印加終了前の間に、前記第２光源に印加して第２励起光を前記第２光源より照射する第２駆動回路とを、
   備えたことを特徴とする固体レーザ発振装置。
3. 請求項２記載の固体レーザ発振装置であって、
   前記第２パルスの前記電圧レベルは前記第１パルスの前記電圧レベルの約１０倍に設定されていることを特徴とする、
   固体レーザ発振装置。

Images