JP3715800B2 - レーザ照射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体材料等の微細加工、金属その他材料の溶接や切断、レーザ媒質の励起光源として使用するレーザ照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、文献（APPLIED OPTICS, Vol. 34, No. 33, pp. 7718‐7723, 1995）に示されている従来のレーザ照射装置を示す構成図である。
図において、１はパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源、２１はビーム径を縮小するビーム縮小光学系、２２はビームを集光する集光レンズ、２３は単一ビームを複数のビームに分割する回折光学素子、７は被照射物である。
【０００３】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したパルスレーザ光は、ビーム縮小光学系２１へ入射する。ビーム縮小光学系は一対の凸レンズから構成されており、ビーム入射側の凸レンズはビーム出射側の凸レンズより焦点距離が長く、両者の光軸ならびの焦点位置が一致するよう配置されている。従って、ビーム縮小光学系２１を通過したパルスレーザ光のビーム径は、入射側凸レンズの焦点距離に対する出射側凸レンズの焦点距離の比で縮小される。ビーム縮小光学系２１を出射したパルスレーザ光は、集光レンズ２２により集光される。集光レンズ２２と被照射物７との間には、回折光学素子２２が設置されており、回折光学素子２３を通過したビームは回折光学素子２３のパタンに応じた回折現象により複数方向に分割される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ照射装置は上記のように構成されており、パルスレーザ光の分割は、空間方向に対してのみ行われていた。このため分割されたパルスレーザ光のパルス時間幅は、分割以前のパルス時間幅と同一であり、分割後のパルスレーザ光の強度が低下し、例えば、切断や溶接等のレーザ加工に使用する場合、加工性能が劣化するという問題点があった。
【０００５】
また、従来のレーザ照射装置においては、パルスレーザ光のパルス時間幅は、レーザ発振器の共振器条件や励起方式等動作形態によって制限される場合が多く、パルス時間幅を任意に変化させることは困難であった。このためレーザパルスの前半部のみが加工等の用途に寄与するような場合であっても、レーザパルス全体を被照射物に照射せざるを得ず、パルス後半部のエネルギーが無駄になるため、生産性の低下やフォトンコストの増大をもたらすという問題点があった。
【０００６】
また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光を使用し、半導体基板の穴開け等微細加工を行った場合、被加工物への熱影響が顕著となり、加工品質が低下するという問題点があったが、従来のレーザ照射装置においては、パルス時間幅を短くすることは困難であり、パルス時間幅の長いパルスレーザ光は、微細加工に適用することができないという問題点があった。
特に、Qスイッチでパルス化したレーザ光源を使用した場合、パルスレーザ光のパルス時間幅は、レーザ光源の励起パワーや繰り返し周波数により変化するが、パルス時間幅の制御が難しく、レーザ光源の動作条件によってパルス時間幅が変化し、従って加工品質も変化するという問題点があった。
【０００７】
また、従来のレーザ照射装置においては、パルスレーザ光源のレーザ媒質に固体レーザ媒質を使用した場合、レーザパルスのパルス時間幅を変化させるため、パルスレーザ光源の動作条件を変更すると、固体素子に生じる熱レンズの焦点距離が変化し、この結果、レーザパルスのビーム品質も変化するため、例えば、加工用途に使用した場合には加工品質が変化してしまうという問題点があった。
【０００８】
また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光を、レーザ増幅器の励起光源として使用する場合、励起持続時間が、発振ビルドアップ時間（励起を開始してから発振を開始するまでの時間）より長くなると、励起中に増幅媒質が自己発振を開始し、効率よく利得を取り出すことができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、パルスレーザ光を時間方向に複数に分割し、パルス時間幅の短い複数のパルスレーザ光を形成することにより、レーザ加工へ適用した場合には、加工性能や加工品質に優れ、また他のレーザ媒質の励起光源として使用した場合には、効率よく利得を取り出すことが可能なパルスレーザ光を発生するレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るレーザ照射装置は、直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備え、前記パルスレーザ光源のパルス光発生タイミングと、前記光学素子の偏光方向の回転タイミングとを制御するとともに、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたものである。
【００１１】
請求項２の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１の発明において、前記偏光ビームスプリッタで進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設けたものである。
【００１２】
請求項３の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１または２の発明において、前記パルスレーザ光源は、Qスイッチによってパルス化しているものである。
【００１３】
請求項４の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記パルスレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用するものである。
【００１４】
請求項５の発明に係るレーザ照射装置は、請求項４の発明において、前記パルスレーザ光源として、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用するものである。
【００１５】
請求項６の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成するものである。
【００１６】
請求項７の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として電気光学素子を用いるものである。
【００１７】
請求項８の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として磁気光学素子を用いるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図９と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
図において、２は複屈折材料から構成される電気光学素子、３は直交する偏光成分の進行方向を２方向に分離する偏光ビームスプリッタ、４０１はレーザ光源１出射直後のレーザパルス、４０２は電気光学素子通過後のレーザパルス、４０３は偏光ビームスプリッタを透過するレーザパルス、４０４は偏光ビームスプリッタで進行方向が直角に折り曲げられたレーザパルス、５は折り曲げミラー、６０１は第１の集光レンズ、６０２は第２の集光レンズ、７０１は第１の被照射物、７０２は第２の被照射物である。８はパルスレーザ光源１を駆動するレーザ電源、９は電気光学素子２に電圧を印加する電気光学素子ドライバ、１０はレーザ電源８および電気光学素子ドライバ９に対しトリガ信号（動作開始を指令する信号）を供給する信号発生器である。
【００１９】
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、フラッシュランプを励起光源としたYAGレーザを使用している。従ってパルスレーザ光源１を出射するパルスレーザ光のパルス時間幅は1ms程度である。また本実施の形態はアルミニウムのスポット溶接に適用した例を示している。即ち、第１の被照射物７０１、第２の被照射物７０２はともにアルミニウムである。また、実際のレーザパルスの時間波形は、図１に示すような完全な矩形波ではないが、説明を明瞭にするため便宜的に矩形波として描いている。各レーザパルス４０１、４０２、４０３、４０４上に示す両矢印ならびに黒丸は、レーザパルス中の偏光方向を表しており、両矢印は電界の偏波面が紙面に平行な偏光（Ｐ偏光）、黒丸は電界の偏波面が紙面に垂直な偏光（Ｓ偏光）を示している。
【００２０】
次に動作を説明する。
レーザ電源８によって駆動されたパルスレーザ光源１は、パルス時間幅がＴで、電界の偏波面が紙面に平行な向きとなる直線偏光のレーザパルス４０１を発生する。パルスレーザ光源１を出射したレーザパルス４０１は、図中右方向へ進行して電気光学素子２へ入射する。電気光学素子２には、複屈折結晶（偏光方向によって屈折率が異なる結晶）であるＤＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４）結晶を使用している。このＤＫＤＰ結晶は４５゜Ｚｃｕｔで立方体に切り出されており、結晶のＹ’方向とレーザパルス４０１の進行方向が一致し、レーザパルス４０１の偏光方向とＤＫＤＰ結晶のＺ方向が４５゜の角度をなすよう配置されている。ＤＫＤＰ結晶は複屈折材料であり、結晶に入射したレーザパルスは偏光方向がＸ’方向とＺ方向の２つに分離して伝搬する。ＤＫＤＰ結晶にはＺ方向に電圧を印加できるようＺ面上に電極が設けられており、Ｚ方向に電圧を印加することによりＺ方向の偏光に対する屈折率を変化させることができる。この場合Ｚ方向の屈折率変化量は印加電圧に比例するため（ポッケルス効果）、印加電圧によって結晶出射時のＸ’方向とＺ方向の偏光に任意の位相差をつけることができる。Ｘ’方向とＺ方向の偏光の位相差がちょうどλ／２になる場合、結晶出射後、Ｘ’方向とＺ方向偏光が結合された偏光の方向は、結晶入射時の偏光方向と直交したものになる。この場合結晶への印加電圧をλ／２電圧という。本実施の形態では、レーザ電源８と電気光学素子２へλ／２電圧を印加する電気光学素子ドライバ９の動作タイミングは、レーザパルス４０１が電気光学素子２に入射を開始してから、時間ｔ１経過後にλ／２電圧を印加されるよう信号発生器１０によって常に一定に保たれている。従って電気光学素子２通過後のレーザパルス４０２は、パルス先頭部の時間ｔ１部分はＰ偏光、後続部の時間ｔ２部分はＳ偏光となる。
【００２１】
電気光学素子２を通過したレーザパルス４０２は、偏光ビームスプリッタ３へ入射する。偏光ビームスプリッタ３は、直交する偏光成分の進行方向を分離するもので、本実施の形態では、P偏光成分は透過し、S偏光成分の進行方向は直角に折り曲げられるよう配置されている。レーザパルス４０２は先頭t1部分がＰ偏光、後続t2部分がＳ偏光となっているので、レーザパルス４０２中先頭t1部分は偏光ビームスプリッタ３を真っ直ぐ透過し、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３に、後続t2部分は偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直角に折り曲げられ、パルス時間幅t2のレーザパルス４０４となる。即ち、レーザパルス４０２は、パルス時間幅の短い２つのパルスに時間的に分割される。
【００２２】
偏光ビームスプリッタ３を透過したパルス時間幅t1のレーザパルス４０３は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。また偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直角に折り曲げられたパルス時間幅t2のレーザパルス４０４も同様に、折り曲げミラー５によって再度進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２を介し、第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００２３】
本実施の形態のレーザ照射装置は、一例として、アルミニウムのスポット溶接を行うものである。アルミニウムは熱電導率の高い金属であり、パルスレーザ光を用いてスポット溶接を行う場合、パルス時間幅が長くなると、被照射物であるアルミニウムからの熱の散逸が顕著となるため、レーザパルス後半部をスポット溶接に有効に利用することができず、逆に照射部周囲に対し熱影響を与え加工品質を劣化させる原因となる。またレーザパルスのピーク出力が低下すると、アルミニウムからの熱の散逸により溶接自体が困難になる。
【００２４】
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、フラッシュランプ励起のYAGレーザを使用している。フラッシュランプ励起YAGレーザのパルス時間幅は、電源およびランプからなる励起回路の回路定数で決まるため、パルス時間幅の変更には電源の改造が必要となる。このためパルス時間幅の調整は容易ではない。
【００２５】
本実施の形態に示すように、電気光学素子２および偏光ビームスプリッタ３を使用し、単一のレーザパルス４０１、４０２を２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割すれば、ピーク出力を低下させることなく、分割前のレーザパル４０１、４０２に比べ、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４を容易に形成することが可能になる。
【００２６】
電気光学素子２および偏光ビームスプリッタ３によって時間的に分割されたレーザパルス４０３、４０４を、それぞれ被照射物７０１、７０２へ伝送し、被照射物７０１、７０２に対し照射すれば、レーザパルス４０３、４０４のパルス時間幅は、分割前のパルス時間幅に比べ短くなるため、スポット溶接に対するパルスレーザ光の光利用効率が高くなるばかりでなく、照射部周囲に対する熱影響が小さくなるので、加工品質に優れたスポット溶接を行うことができる。また、レーザパルス４０３、４０４のピーク出力は分割以前のレーザパルス４０１、４０２とほぼ同等に保たれるため、溶接性能は維持される。
【００２７】
また、本実施の形態においては、単一のレーザパルス４０１、４０２をパルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４へ分割しているため、２つの被照射物７０１、７０２を同時に溶接することが可能になる。この結果、上述のパルス時間幅の低減ともなう光利用効率の増加と相まって、スポット溶接時の生産性を大幅に向上させることができる。
【００２８】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においても前記実施の形態１と同様、一例としてアルミニウムのスポット溶接に適用した例を示している。本実施の形態のパルスレーザ光源１も、前記実施の形態１と同じく、フラッシュランプを励起光源として用いたYAGレーザを使用している。前記実施の形態１においては、パルスレーザ光源１を出射する単一レーザパルスを、パルス時間幅の短い２つのレーザパルスに時間的に分割する構成であったが、本実施の形態においては、パルスレーザ光源１を出射するレーザパルス４０１を、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割する第１の電気光学素子２０１、第１の偏光ビームスプリッタ３０１に加え、第１の偏光ビームスプリッタ３０１を通過するP偏光のレーザパルス４０３を更に時間的に分割する第２の電気光学素子２０２、第２の偏光ビームスプリッタ３０２、第１の偏光ビームスプリッタ３０１で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４を更に時間的に分割する第３の電気光学素子２０３、第３の偏光ビームスプリッタ３０３を備えている。
９０１、９０２、９０３はそれぞれ電気光学素子２０１、２０２、２０３に電圧を印加する電気光学素子ドライバであって、この場合、信号発生器１０はレーザ電源８および電気光学素子ドライバ９０１、９０２、９０３に対しトリガ信号（動作開始を指令する信号）を供給する。
【００２９】
次に動作を説明する。
第１のビームスプリッタ３０１を透過したP偏光のレーザパルス４０３は、第２の電気光学素子２０２に入射する。第２の電気光学素子２０２へレーザパルス４０３が入射を開始してから、時間t3が経過した時点で、第２の電気光学素子２０２にはλ/2電圧が印加される。従って第２の電気光学素子２０２を通過したレーザパルス４０５の前半t3部分はP偏光、後半t4部分はS偏光となる。
【００３０】
レーザパルス４０５は第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ入射し、P偏光である前半t3部分は真っ直ぐ透過し、S偏光である後半t4部分は進行方向が直角に折り曲げられる。この結果、パルス時間幅t1のレーザパルス４０５は、パルス時間幅t3、t4の２つのレーザパルス４０７、４０８に時間的に分割される。パルス時間幅t3のレーザパルス４０７は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。また、パルス時間幅t4のレーザパルス４０８は、第２の折り曲げミラー５０２によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００３１】
一方、第１のビームスプリッタ３０１で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４は、第１の折り曲げミラー５０１によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第３の電気光学素子２０３に入射する。第３の電気光学素子２０３へレーザパルス４０４が入射を開始してから、時間t5が経過した時点で、第３の電気光学素子２０３にはλ/2電圧が印加される。従って第３の電気光学素子２０３を通過したレーザパルス４０６の前半t5部分はS偏光、後半t6部分はP偏光となる。
【００３２】
レーザパルス４０６は第３の偏光ビームスプリッタ３０３へ入射し、S偏光である前半t5部分は進行方向が直角に折り曲げられ、P偏光である後半t6部分は真っ直ぐ透過する。この結果、パルス時間幅t2のレーザパルス４０６は、パルス時間幅t6、t5の２つのレーザパルス４０９、４１０に時間的に分割される。パルス時間幅t6のレーザパルス４０９は、第３の集光レンズ６０３によって第３の被照射物７０３上に集光照射される。また、パルス時間幅t5のレーザパルス４１０は、第３の折り曲げミラー５０３によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第４の集光レンズ６０４によって第４の被照射物７０４上に集光照射される。
【００３３】
本実施の形態に示すように、第１の電気光学素子２０１および第１の偏光ビームスプリッタ３０１に加え、第２および第３の電気光学素子２０２、２０３、第２および第３の偏光ビームスプリッタ３０２、３０３を使用すれば、更にパルス時間幅の短いレーザパルスを容易に形成することができる。
【００３４】
本実施の形態は、前記実施の形態１に比べ薄い板厚のアルミニウムのスポット溶接を行うものである。アルミニウムの板厚が薄くなると、スポット溶接に必要なレーザパルスのパルスエネルギーは小さくなる。一定のパルスエネルギーのもとでは、パルス時間幅が短い方が溶接部周囲への熱影響が小さく、加工品質に優れる。本実施の形態によれば、時間的にレーザパルスを分割することにより、レーザパルスのパルスエネルギーを調整することができる。従ってピーク出力は低下せずに、パルス時間幅が減少するので、優れた加工品質を得ることができる。
【００３５】
また、本実施の形態によれば、単一のレーザパルスを最終的には４つのレーザパルスに分割しているため、４つの被照射物７０１、７０２、７０３、７０４に対し同時に高品質のスポット溶接を施すことができる。従って、スポット溶接時の生産性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態においても前記実施の形態１と同じくフラッシュランプ励起のYAGレーザを使用している。パルスレーザ光源１のレーザ媒質に固体媒質を使用すれば、ガスレーザ等に比べ、パルスレーザ光源の大きさを格段に小型化することができる。レーザパルスのパルスエネルギーは、通常はYAG媒質に対する励起強度を変化させることにより調整する。YAGのような固体レーザ媒質を励起した場合、固体レーザ媒質の発熱は避けることができず、固体レーザ媒質には熱レンズが発生する。熱レンズの焦点距離は励起強度によって変化する。固体レーザ媒質の熱レンズが変化すると、レーザの共振条件が変わるためビーム品質も変動する。従って固体素子に対する励起強度によってパルスエネルギーの調整を行う場合、一定の加工品質を保つことは困難になる。
【００３７】
本実施の形態によれば、レーザパルスを時間的に分割し、用途に応じたパルス時間幅、パルスエネルギーへ調整することが可能となるので、励起強度を常に一定に保ちながら、照射条件の最適化を図ることができる。従って加工品質は一定し、ばらつきが小さく再現性に優れた安定な加工を行うことが可能となる。
【００３８】
本実施の形態においては、単一レーザパルスを最終的に４つのパルスに分割する構成を示したが、パルス分割数はこれに限るものではなく、パルスレーザ光源のパルス出力、パルス時間幅、用途に応じて、分割数を決定すればよい。本実施の形態において、第２の電気光学素子および第２の偏光ビームスプリッタを使用しなければ、単一レーザパルスを時間的に３つのパルスに分割することができるし、第２、第３の偏光ビームスプリッタより被照射物側に、更に電気光学素子および偏光ビームスプリッタを配置すれば、パルス分割数をより多くすることができる。
【００３９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態も前記実施の形態と同じく、一例としてパルスレーザ光源１にフラッシュランプ励起のYAGレーザを使用し、アルミニウムのスポット溶接に使用した例を示している。前記実施の形態においては、電気光学素子によって、単一レーザパルス中に偏光方向が直交する２つの領域を形成し、偏光ビームスプリッタによって単一レーザパルスを２つのレーザパルスへ時間的に分割する構成であったが、本実施の形態においては、電気光学素子２によって、単一レーザパルス中に隣接する領域の偏光方向が直交するよう４つの領域を形成する構成を示している。
【００４０】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電気光学素子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光学素子２へ入射を開始してから時間t経過後、電気光学素子２にλ/2電圧を時間tの間印加する。λ/2電圧印加停止後、時間tの間をおいて再度電気光学素子２にλ/2電圧を印加する。
【００４１】
電気光学素子２に対するλ/2電圧印加時間および印加停止時間tは、パルスレーザ光源１出射直後のレーザパルス４０１のパルス時間幅Tのおよそ1/4に設定されている。従って電気光学素子２通過後のレーザパルス４０２は、時間tおきにP偏光とS偏光が交互に変化する４つの領域から形成される。レーザパルス４０２を偏光ビームスプリッタ３に入射させると、偏光ビームスプリッタ３を真っ直ぐ透過する方向、および偏光ビームスプリッタ３において進行方向が直角に折り曲がる方向に、パルス時間幅t、パルス間隔2tのダブルレーザパルス４０３、４０４、４０５、４０６が形成される。
【００４２】
ダブルレーザパルス４０３、４０４は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。ダブルレーザパルス４０５、４０６は折り曲げミラー５によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００４３】
レーザパルスのピークパワーを一定と仮定した場合、パルス幅2tのレーザパルスで被照射物を照射する場合と、パルス幅tのレーザパルスを時間間隔をおいて２回照射する場合とでは、全照射パルスエネルギーが同一であっても、加工特性は大きく異なる。後者の照射方法は、前者の照射方法に比べ、被照射物に与える熱影響が小さく、高い加工品質を得ることができる。本実施の形態によれば、全照射パルスエネルギーを一定に維持しつつ、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い複数レーザパルスに分割し、被照射物に照射することが可能となるので、加工品質の高いスポット溶接を行うことができる。
【００４４】
本実施の形態においては、パルス時間幅がほぼ等しくなるダブルレーザパルスで、被照射物を照射する構成を示したが、各レーザパルスのパルス時間幅や、パルス数はこれに限るものではなく、被照射物である材料や用途に応じて、最適なパルス時間幅およびパルス数を選定すればよい。
【００４５】
上記実施の形態においては、偏光方向を直角に回転させるため、いずれもポッケルス効果を利用した電気光学素子を使用する構成を示したが、電気光学素子はこれに限るものではなく、複屈折量が印加電圧の２乗に比例するカー効果を利用した電気光学素子を使用しても同様な効果を得ることができる。
【００４６】
また、偏光方向の回転に磁気光学効果の１つであるファラデー効果を利用した磁気光学素子を使用しても、偏光方向を直角に回転させることは可能であり同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においては、パルスレーザ光源１に、一例として半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッチでパルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で第２高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レーザを使用している。被照射物は直列２段に配置されたレーザ媒質で多段増幅器を構成している。本実施の形態では被照射物であるレーザ媒質は色素である。パルスレーザ光源を出射した単一レーザパルスを時間的に２分割し、分割された各レーザパルスで被照射物であるレーザ媒質の光励起を行う。
【００４８】
図中、１２はパルスレーザ光源のレーザ媒質に使用している固体素子で、本実施の形態では、Nd（ネオジウム）を活性物質としてドープしたロッド形状を有するYAG（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用している。１３は励起光源である半導体レーザ、１４はレーザ共振器内の光損失を変化させることによりレーザパルス化するQスイッチ、１５は固体素子１２から発せられた波長1.06mmの基本波光を、波長532nmの第２高調波に波長変換する波長変換結晶で、本実施の形態では一例としてKTP（KTiOPO4）結晶を使用している。１６はレーザ共振器を構成する第１の端部ミラーで、波長1064nmの基本波に対し全反射コーティングが施されている。１７はレーザ共振器を構成する第２の端部ミラーで、波長1064nmの基本波、波長532nmの第２高調波両者に対し、全反射コートが施されている。１８は共振器内の光軸を折り曲げ、第２高調波を共振器外部に取り出すため波長1064nmの基本波光に対しては全反射、波長532nmの第２高調波に対しては全透過となるよう２波長コーティングが施された第２高調波取り出しミラーである。１９はQスイッチ１４の駆動を行うQスイッチドライバ、２０はレーザ媒質である直列に並べられた第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２によって増幅される被増幅光である。
【００４９】
次に動作を説明する。
まず、半導体レーザ１３から出射する励起光を、固体素子１２の光軸側方より照射し、固体素子１２の励起を行う。励起された固体素子１２中には、励起光の波長、活性媒質の原子構造に応じた特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布は自然放出および誘導放出により減少するが、共振器内に配置したQスイッチ１４による光損失が大きい状態では、共振器内の光強度は増大し得ず、誘導放出による反転分布の減少は無視することができる。従って励起による反転分布増加量が自然放出による反転分布減少量を上回る限り反転分布は増加し、高いエネルギーが固体素子１２内に蓄積される。
固体素子１２内に高いエネルギーが蓄積された状態で、Qスイッチ１４による光損失量を急速に低下させると、固体素子１２内で発生した自然放出光は、第１の端部ミラ１６と第２の端部ミラー１７により共振器内に閉じ込められ、固体素子１２の誘導放出による増幅作用を被り共振器内の基本波光の強度は急速に増加する。誘導放出の発生割合は、固体素子１２を通過する光強度に比例するため、強度の高い基本波レーザ光が固体素子１２中を通過する際、誘導放出が顕著となり反転分布はしきい値以下にまで減少してしまう。この結果、共振器内の基本波光は発振を停止する。上述のように、共振器内にQ スイッチ１４を設置し、共振器内の光損失を増減することにより、ピーク強度の高いパルス光を発生することができる。特に本実施の形態においては、基本波光を第１の端部ミラー１６および第２の端部ミラー１７から構成される共振器内に閉じ込める構成としているので、共振器内の基本波光の強度は非常に高くなる。
【００５０】
本実施の形態においては、共振器内に波長変換結晶１５を配置し、かつ第１の端部ミラー１６と第２の端部ミラー１７によって基本波光を共振器内に閉じ込めているので、非常にピーク強度の高い基本波光を波長変換結晶１５中へ入射させることができる。波長変換結晶１５において、基本波光が第２高調波光へ変換される割合は、理論的には基本波光強度の２乗に比例する。本実施の形態に示すように共振器内部波長変換構成によれば、高強度の基本波光を波長変換結晶１５に入射させ、効率よく第２高調波光を発生させることができる。共振器内で発生した第２高調波は、共振器内に設置した第２高調波取り出しミラー１８から共振器外部に取り出される。本実施の形態においては、共振器出射時のレーザパルスのパルス幅はおよそ80nsであった。
【００５１】
本実施の形態においては、電気光学素子ドライバ９とQスイッチドライバ１９の動作タイミングを、同一の信号発生器１０により制御している。従って、パルスレーザ光源１のパルス発生動作と電気光学素子２への電圧印加動作は常に同期がとられている。レーザ共振器を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電気光学素子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光学素子２へ入射を開始してから時間t1が経過した時点で電気光学素子２にλ/2電圧を印加する。従って電気光学素子２を通過したレーザパルス４０２は前半t1部分がP偏光、後半t2部分はS偏光となる。レーザパルス４０２に偏光ビームスプリッタ３に入射し、パルス時間幅がt1でP偏光のレーザパルス４０３と、パルス時間幅がt2でS偏光のレーザパルス４０４に分割される。P偏光のレーザパルス４０３は、光ファイバ１１によって遅延された後、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。一方、S偏光のレーザパルス４０４は折り曲げミラー５によって進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光ミラー６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００５２】
前述のように、本実施の形態においては、第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２は、ともにレーザ媒質として用いる色素であり、第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２を２段直列に配置することにより多段増幅器の一部を構成している。本実施の形態では色素の種類としてローダミン6Gを使用している。第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２は、それぞれレーザパルス４０３、４０４の照射により光励起され、色素内の特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布が形成された状態で、反転分布のエネルギー準位間のエネルギー差に合致した波長を有する被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０１、７０２中を通過すると、被増幅光２０は誘導放出によって増幅作用を受け、被増幅光２０の光強度は増大する。
【００５３】
励起された増幅媒質内では、ランダムに発生する自然放出光が、誘導放出によって増幅されるASE（Amplified Spontaneous Emission）が発生する。ASEは本来増幅すべきレーザ光には寄与せず、反転分布に蓄積されるエネルギーを消費するため、増幅効率低下の一因になる。ASEの強度は、励起開始から時間経過にともない増加する。増幅効率の観点から、ASE強度が立ち上がる以前に励起を完了し、被増幅光の増幅を行う必要がある。
【００５４】
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源より発せられた単一レーザパルスを、時間的に分割することが可能となるので、パルスレーザ光源より発せられた単一レーザパルスのパルス時間幅が、被照射物であるレーザ媒質中において、ASE強度が立ち上がるまでに要する時間よりも長い場合であっても、単一レーザパルスを時間的に分割し、よりパルス時間幅の短いレーザパルスを形成して、レーザ媒質に照射することにより、効率よくレーザ媒質を励起し、被増幅光の増幅を行うことができる。
【００５５】
反転分布によってレーザ媒質内に蓄積されたエネルギーは、被増幅光が存在しない状態では、自然放出やASE、その他非放射遷移によって経時的に減少する。レーザ媒質に対する励起持続時間が、反転分布の寿命（反転分布によって蓄積されるエネルギーが1/eになる時間で定義）に比べ長くなる場合、レーザ媒質励起時に被増幅光が存在しない状態においては、励起エネルギーを反転分布として効果的蓄積することができず、増幅効率低下の原因となる。一方、レーザ媒質励起時に、被増幅光が存在する場合、反転分布に変換された励起エネルギーは、誘導放出によって逐次被増幅光へ移譲されるため、効率よく被増幅光の増幅を行うことが可能となる。
【００５６】
本実施の形態においては、第１、第２の被照射物７０１、７０２はレーザ媒質であるローダミン6Gであり、反転分布の寿命は30nsである。一方、時間的に分割されたレーザパルス４０３、４０４のパルス時間幅は40ns程度であるため、励起持続時間が反転分布の寿命より長くなる。従って効率よい増幅を行うためには、励起持続中に被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０１、７０２中に存在する必要がある。
【００５７】
また、第１、第２の被照射物７０１、７０２は直列に配置されており、両者で同一の被増幅光２０を増幅する。高効率な増幅を行うためには、第１の被照射物７０１の励起開始時間と第２の被照射物７０２の励起開始時間との間に、被増幅光２０が第１の被照射物７０１から第２の被照射物７０２に至るまでに要する時間差を設ける必要がある。
【００５８】
本実施の形態においては、偏光ビームスプリッタ３によって時間的に分割されたP偏光のレーザパルス４０３の光路上に、光ファイバ１１からなる遅延手段を設けている。光ファイバ１１は、石英（屈折率：1.42）から形成されており、ファイバ１m当たりおよそ4.74nsパルスを遅延させることができる。本実施の形態においては、例えば長さ9mの光ファイバを使用することにより、P偏光のレーザパルス４０３をおよそ43ns遅延させている。この結果、第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２を通過する被増幅光２０の通過タイミングと、励起光であるレーザパルス４０３、４０４がそれぞれ第１の被照射物７０１、第２の被照射物７０２を照射するタイミングを、同期させることが可能となった。このため第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２中に反転分布として蓄積された励起エネルギーは、逐次被増幅光２０に移譲され、効率よく被増幅光の増幅を行うことができた。
【００５９】
本実施の形態においては、パルスレーザ光源１はQスイッチ１４によってパルス化している。Qスイッチ１４はレーザ共振器中の光損失を時間的に変化させることにより、レーザ媒質即ちYAG結晶内に反転分布として蓄積したエネルギーを光パルスとして間欠的に放出するもので、パルス時間幅が短くピーク強度の高いレーザパルスの発生が可能となる。但し、Qスイッチによって発生するレーザパルスのパルス時間幅は、レーザ媒質の誘導放出断面積、レーザ媒質に対する励起強度、レーザ共振器の長さ、繰り返し周波数等によって決定される。即ち、Qスイッチ動作時のパルス時間幅は、レーザ発振機構自体に関わり、動作条件によって変化するため、所望の動作条件において任意のパルス幅を得ることは困難である。
【００６０】
本実施の形態によれば、時間的にレーザパルスを分割することが可能となるため、Qスイッチによってパルス化されたレーザパルスを使用する場合であっても、所望する動作条件においてパルスレーザ光源出射直後のパルス時間幅よりも短い任意のパルス時間幅のレーザパルスを得ることができる。
【００６１】
本実施の形態においては、YAGレーザの第２高調波光を用いて色素を励起する構成を示したが、パルスレーザ光源および励起する増幅媒質はこれに限るものではなく、パルスレーザ光を用いて光励起するレーザ増幅器であれば、いずれの構成にも適用することができる。
【００６２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においては、レーザ媒質として例えばチタンがドープされたサファイア結晶（チタンサファイア結晶）を使用する再生増幅器へ適用する構成を示している。従って本実施の形態の被照射物７はチタンサファイア結晶である。再生増幅器は増幅器自体で光共振器を有するが、この発明は励起光源として用いるレーザ照射装置を発明の主旨としているため、図５において再生増幅器の光共振器は簡単のため省略する。なお、本実施の形態のパルスレーザ光源１も前記実施の形態４と同じく、半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッチでパルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で第２高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レーザを使用している。また、本実施の形態は前記実施の形態４とは異なり、単一の被照射物７であるチタンサファイア結晶を励起する構成を示している。
【００６３】
再生増幅器は増幅器自体が共振器を有するため、被増幅光２０が存在しない場合であっても、励起すれば発振を開始する（自己発振）。自己発振を開始すると被照射物７であるレーザ媒質中に反転分布として蓄積されたエネルギーが消費されるため、被増幅光を効率よく増幅することが困難になるばかりでなく、本来の被増幅光が目的としている用途に対し、自己発振光が悪影響を与える。レーザ媒質に励起を開始してから、自己発振を開始するまでには、共振器内で光強度が増加するための時間（共振器ビルドアップ時間）を要する。従って、再生増幅器の励起を行う場合には、励起持続時間を共振器ビルドアップ時間よりも短くする必要がある。
【００６４】
次に動作を説明する。
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源１を出射した単一レーザパルス４０１を時間的に分割することが可能となるので、共振器ビルドアップ時間よりもパルス時間幅の短いレーザパルス４０３、４０４を形成することができる。偏光ビームスプリッタ３を透過したP偏光のレーザパルス４０３は、第１の折り曲げミラー５０１により進行方向が直角に折り曲げた後、光ファイバ１１から構成される遅延手段によって所定時間遅延される。光ファイバで遅延作用を受けたレーザパルス４０３は、第２の折り曲げミラー５０２によって再度進行方向を直角に折り曲げ、第１の集光ミラー６０１によって被照射物７であるチタンサファイア結晶に集光照射され、チタンサファイア結晶を光励起する。一方、偏光ビームスプリッタ３で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４は、第３の折り曲げミラー５０３で進行方向が再度直角に折り曲げられ、第２の集光レンズ６０２によって被照射物７であるチタンサファイア結晶に集光照射され、チタンサファイア結晶を光励起する。
【００６５】
ここで、光ファイバ１１によるレーザパルス４０３の遅延時間は、レーザパルス４０３とレーザパルス４０４が、被照射物７、即ちチタンサファイア結晶へ同時に到達するよう調整されている。従って、被照射物７であるチタンサファイア結晶へ照射されるパルスエネルギーの合計は、パルスレーザ光源１出射時の単一レーザパルス４０１とほぼ同等の値を維持しつつ、チタンサファイア結晶に対する励起持続時間は、パルスレーザ光源１出射時の単一レーザパルス４０１のパルス時間幅に比べ大幅に低減する。この結果、自己発振が開始する以前に励起を完了することが可能となり、効率よく被増幅光２０の増幅を行うことができた。
【００６６】
本実施の形態においては、単一レーザパルスを時間的に２分割し、パルス遅延手段を用いて同時に被照射物であるチタンサファイア結晶を励起する構成を示したが、被照射物はレーザ媒質に限るものではない。例えば、金属の微細穴開け等加工用途へ適用すれば、パルスエネルギーをほぼ一定に維持しながら被照射物に対する照射時間を効果的に低減することが可能となるので、加工速度を一定に保ちながら被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができる。
【００６７】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、Qスイッチでパルス化したYAGレーザを使用し、ステンレスの薄板に穴開け加工を施す構成を示している。パルスレーザ光源１を出射するパルスレーザ光のパルス時間幅は100ns程度で、実際のレーザパルスの時間波形は、図６に示すような矩形波ではないが、説明を明瞭にするため便宜的に矩形波として描いている。本実施の形態において、パルスレーザ光源１から発せられた単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって時間的的に分割するまでは、前記いずれの実施の形態とも同一の動作である。本実施の形態は、一旦、時間的に分割したレーザパルス４０３、４０４を、第２の偏光ビームスプリッタ３０２を使用して同一光路上に再合成し、被照射物７であるステンレス薄板に照射するものである。
【００６８】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したパルス時間幅TのP偏光の単一レーザパルス４０１は、電気光学素子２によって、前半t1部分がS偏光、後半t1部分がP偏光となるよう調整される。前半部分がS偏光、後半部分がP偏光であるレーザパルス４０２は、第１の偏光ビームスプリッタに入射する。S偏光であるレーザパルス前半部分は、進行方向が直角に折り曲げられ、P偏光であるレーザパルス後半部分は第１の偏光ビームスプリッタ３０１を直進して透過する。この結果、単一レーザパルス４０２は、ほぼパルス時間幅が等しいP偏光のレーザパルス４０３と、S偏光のレーザパルス４０４に時間的に分割される。
【００６９】
P偏光のレーザパルス４０３は、第１の偏光ビームスプリッタ３０１を透過し、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。S偏光のレーザパルス４０４は、偏光ビームスプリッタ３０１によって直角に進行方向が折り曲げられた後、第１の折り曲げミラー５０１によって再度進行方向が直角に折り曲げられる。第１の折り曲げミラー５０１通過後、レーザパルス４０４はパルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１に入射する。偏光保持光ファイバ１１透過後、第２の折り曲げミラーによって再度進行方向が直角に折り曲げられた後、P偏光のレーザパルス４０３とは直交する向きで、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。ここで、パルス遅延手段として使用する偏光保持光ファイバ１１の長さは、P偏光のレーザパルス４０３とS偏光のレーザパルス４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同時に入射するよう調整されている。
【００７０】
第１および第２のビームスプリッタ３０１、３０２は、P偏光の入射光は直進して透過し、S偏光の入射光は進行方向を直角に折り曲げられるよう形成されているため、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に対し、直交する角度で同時に入射したP偏光のレーザパルス４０３とS偏光のレーザパルス４０４は、同一光路上に合成される。この結果、パルスレーザ光源１出射直後の単一レーザパルス４０１と同等とパルスエネルギーを維持しつつ、単一レーザパルス４０１に比べパルス時間幅が短く、ピーク出力の高い、単一レーザパルス４０５が形成される。単一レーザパルス４０５は、集光レンズ６によって、被照射物７であるステンレス薄板上に集光照射される。
【００７１】
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源出射時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス時間幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形成することが可能となるため、加工速度を低下させることなく被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、２つのレーザパルスを同一光路上に重畳して単一レーザパルスを形成し、被照射物に照射するので、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し、被照射物上の同一個所を同時に照射する場合に比べ、光路構成が簡単になり、光路調整を格段に容易にすることができる。また２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し被照射物に照射する場合、２つのレーザパルス照射時の等価的なビーム集光性は、分割前の単一レーザパルスに比べ1/2以下に低下するが、本実施の形態に示すように、２つのレーザパルスを同一光路上に合成すれば、合成後の単一レーザパルスの集光性は、分割前の単一レーザパルスの集光性をほぼ維持することができる。従って、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し被照射物に照射する場合に比べ、焦点深度が深く、精度よく分解能の高い加工を行うことができる。
【００７３】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
前記実施の形態６においては、ほぼパルス時間幅が等しくなるよう時間的に分割した２つのパルスを、パルス遅延手段を用いて同時に第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射するよう調整し、同一光路上に合成する構成を示したが、図７に示す本実施の形態では、図６に示す前記実施の形態と同一構成において、単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３と、パルス時間幅t2のレーザパルス４０４に分割する。パルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２にΔｔの時間差をもって入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に合成する。図７は、合成前の２つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レーザパルス４０５を示している。
【００７４】
本実施の形態に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ３０１で時間的に分割したレーザパルス４０３、４０４の一部のみが重なるようパルス遅延手段によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ入射するタイミングを調整すれば、パルス先頭部Δｔとパルス後端部t1+Δｔ ‐t2のピーク出力が低く、パルス中央部t2‐Δtのピーク出力が高いパルス時間幅t1+t2‐Δtの単一レーザパルス４０５を形成することができる。
【００７５】
実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においても、図６に示す前記実施の形態６と同一の構成を用いている。本実施の形態においては、単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３と、レーザパルス４０３に比べパルス時間幅の短いパルス時間幅t2のレーザパルス４０４に分割する。パルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同時に入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に合成する。図８では、合成前の２つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レーザパルス４０５を示している。
【００７６】
本実施の形態に示すように、単一レーザパルスを第１の偏光ビームスプリッタ３０１によってパルス時間幅の大きく異なる２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割し、パルス遅延手段を用いて、分割された２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ同時に入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に調整すれば、パルス先頭部t2のピーク出力が高く、パルス時間幅t1の単一レーザパルス４０５を形成することができる。
【００７７】
第２の偏光ビームスプリッタを用いたパルス合成の種類は、上記実施の形態に限るものではなく、用途に応じて、単一レーザパルス分割時のパルス時間幅、第２の偏光ビームスプリッタにおける入射タイミングを設定し、目的に応じて最適なパルス時間波形となるよう単一パルスを合成すればよい。要するに、レーザの種類を問わず、直線偏光の単一レーザパルス中の偏光方向を一部直交させ、第１の偏光ビームスプリッタを用いて偏光が直交する部分を一旦時間的に分割し、分割したレーザパルスの遅延時間を調整して、第２の偏光ビームスプリッタを用いて再度合成すれば、様々なパルス時間波形を有するレーザパルスの合成が可能になるということである。
【００７８】
上記実施の形態においては、直線偏光の単一レーザパルスを、第１の偏光ビームスプリッタで２つに分割し、第２の偏光ビームスプリッタによって、２つに分割したレーザパルスを一部時間的に重ね合わせ合成する構成を示したが、単一レーザパルスの分割数は２つに限るものではなく、またパルス合成時、時間的に重ねることなく同一光路上に合成すれば、単一レーザパルスからパルス時間幅の短い複数のレーザパルスのパルス列を形成することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備え、前記パルスレーザ光源のパルス光発生タイミングと、前記光学素子の偏光方向の回転タイミングとを制御するとともに、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたので、パルスレーザ光源の動作条件の変更によって、パルス時間幅の低減が困難な場合であっても、パルスレーザ光源を出射する単一レーザパルスに比べ、パルス時間幅の短いパルスを容易に生成することが可能となり、この結果、被照射物に対する熱影響を緩和し、加工用途に適用する場合には加工品質が向上するばかりでなく、パルスレーザ光の利用効率を高めることができ、また同時に複数の被照射物にレーザパルスを照射することが可能となるので、生産性を効果的に向上させることが可能になるという効果がある。
【００８０】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記偏光ビームスプリッタで進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設けたので、偏光ビームスプリッタによって分割した各レーザパルスの、被照射物に対する照射タイミングの調整が可能となるため、被照射物に対し分割した各レーザパルスを同時に照射するよう照射タイミングを調整すれば、分割前の単一レーザパルスと同等のパルスエネルギーを、分割前の単一レーザパルスのパルス時間幅に比べ短い時間内に、被照射物に対し照射することが可能となり、以って、加工用途に使用する場合には、生産性を低下させることなく、熱影響を緩和し、加工品質の向上を図ることができ、またレーザ増幅器の励起に使用する場合、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄積エネルギーの消費を効果的に低減することが可能となり、高い増幅効率を得ることができるという効果がある。
【００８１】
また、請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明において、前記パルスレーザ光源は、Qスイッチによってパルス化しているので、パルス時間幅が短く、ピーク出力の高いレーザパルスを得ることができるばかりでなく、時間的にレーザパルスを分割することが可能となるため、所望する動作条件において、パルスレーザ光源を出射する単一レーザパルスのパルス時間幅よりも短い任意のパルス時間幅のレーザパルスを得ることができるという効果がある。
【００８２】
また、請求項４の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記パルスレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用するので、パルスレーザ光源を小型化することが可能となるばかりでなく、パルスレーザ光源の動作条件を一定に保持したまま、レーザパルスを時間的に分割し、用途に応じたパルス時間幅、パルスエネルギーへ調整することが可能となり、以って、励起強度を常に一定に保ちながら、照射条件の最適化を図ることができ、加工品質は一定し、ばらつきが小さく再現性に優れた安定な加工を行うことが可能となるという効果がある。
【００８３】
また、請求項５の発明によれば、請求項４の発明において、前記パルスレーザ光源として、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用するので、色素やチタンサファイア結晶等をレーザ媒質として用いた増幅器の励起を行う際、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄積エネルギーの消費を効果的に低減し、高い増幅効率を得ることができるという効果がある。
【００８４】
また、請求項６の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成するので、パルスレーザ光源出射時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス時間幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形成することが可能となり、加工速度を低下させることなく被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができるばかりでなく、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送する場合に比べ、光路構成が簡単になり、光路調整を格段に容易にすることができ、また合成後の単一レーザパルスの集光性は、分割前の単一レーザパルスの集光性がほぼ維持されるので、焦点深度が深く、精度よく分解能の高い加工を行うことができ、更に分割したレーザパルスを合成する際の遅延時間を調整することにより、用途に応じたパルス時間波形となるようレーザパルスを合成することができるという効果がある。
【００８５】
また、請求項７の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として電気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確実に回転させることができるという効果がある。
【００８６】
また、請求項８の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として磁気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確実に回転させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態５に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態６に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態７に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。
【図９】 従来のレーザ照射装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源、 ２ 電気光学素子、 ３ 偏光ビームスプリッタ、３０２ 第２の偏光ビームスプリッタ、 ４０１ レーザ光源出射直後のレーザパルス、 ４０２ 電気光学素子通過後のレーザパルス、 ４０３ 偏光ビームスプリッタを透過するレーザパルス、 ４０４ 偏光ビームスプリッタで進行方向が直角に折り曲げられたレーザパルス、 ４０５ 合成されたレーザパルス、 ７ 被照射物、 ７０１ 第１の被照射物、 ７０２ 第２の被照射物、 １１ 光ファイバ、 １２ YAG結晶、 １４ Qスイッチ、 １５ 波長変換結晶。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体材料等の微細加工、金属その他材料の溶接や切断、レーザ媒質の励起光源として使用するレーザ照射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、文献（APPLIED OPTICS, Vol. 34, No. 33, pp. 7718‐7723, 1995）に示されている従来のレーザ照射装置を示す構成図である。
図において、１はパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源、２１はビーム径を縮小するビーム縮小光学系、２２はビームを集光する集光レンズ、２３は単一ビームを複数のビームに分割する回折光学素子、７は被照射物である。
【０００３】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したパルスレーザ光は、ビーム縮小光学系２１へ入射する。ビーム縮小光学系は一対の凸レンズから構成されており、ビーム入射側の凸レンズはビーム出射側の凸レンズより焦点距離が長く、両者の光軸ならびの焦点位置が一致するよう配置されている。従って、ビーム縮小光学系２１を通過したパルスレーザ光のビーム径は、入射側凸レンズの焦点距離に対する出射側凸レンズの焦点距離の比で縮小される。ビーム縮小光学系２１を出射したパルスレーザ光は、集光レンズ２２により集光される。集光レンズ２２と被照射物７との間には、回折光学素子２２が設置されており、回折光学素子２３を通過したビームは回折光学素子２３のパタンに応じた回折現象により複数方向に分割される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ照射装置は上記のように構成されており、パルスレーザ光の分割は、空間方向に対してのみ行われていた。このため分割されたパルスレーザ光のパルス時間幅は、分割以前のパルス時間幅と同一であり、分割後のパルスレーザ光の強度が低下し、例えば、切断や溶接等のレーザ加工に使用する場合、加工性能が劣化するという問題点があった。
【０００５】
また、従来のレーザ照射装置においては、パルスレーザ光のパルス時間幅は、レーザ発振器の共振器条件や励起方式等動作形態によって制限される場合が多く、パルス時間幅を任意に変化させることは困難であった。このためレーザパルスの前半部のみが加工等の用途に寄与するような場合であっても、レーザパルス全体を被照射物に照射せざるを得ず、パルス後半部のエネルギーが無駄になるため、生産性の低下やフォトンコストの増大をもたらすという問題点があった。
【０００６】
また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光を使用し、半導体基板の穴開け等微細加工を行った場合、被加工物への熱影響が顕著となり、加工品質が低下するという問題点があったが、従来のレーザ照射装置においては、パルス時間幅を短くすることは困難であり、パルス時間幅の長いパルスレーザ光は、微細加工に適用することができないという問題点があった。
特に、Qスイッチでパルス化したレーザ光源を使用した場合、パルスレーザ光のパルス時間幅は、レーザ光源の励起パワーや繰り返し周波数により変化するが、パルス時間幅の制御が難しく、レーザ光源の動作条件によってパルス時間幅が変化し、従って加工品質も変化するという問題点があった。
【０００７】
また、従来のレーザ照射装置においては、パルスレーザ光源のレーザ媒質に固体レーザ媒質を使用した場合、レーザパルスのパルス時間幅を変化させるため、パルスレーザ光源の動作条件を変更すると、固体素子に生じる熱レンズの焦点距離が変化し、この結果、レーザパルスのビーム品質も変化するため、例えば、加工用途に使用した場合には加工品質が変化してしまうという問題点があった。
【０００８】
また、パルス時間幅の長いパルスレーザ光を、レーザ増幅器の励起光源として使用する場合、励起持続時間が、発振ビルドアップ時間（励起を開始してから発振を開始するまでの時間）より長くなると、励起中に増幅媒質が自己発振を開始し、効率よく利得を取り出すことができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、パルスレーザ光を時間方向に複数に分割し、パルス時間幅の短い複数のパルスレーザ光を形成することにより、レーザ加工へ適用した場合には、加工性能や加工品質に優れ、また他のレーザ媒質の励起光源として使用した場合には、効率よく利得を取り出すことが可能なパルスレーザ光を発生するレーザ照射装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るレーザ照射装置は、直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備え、前記パルスレーザ光源のパルス光発生タイミングと、前記光学素子の偏光方向の回転タイミングとを制御するとともに、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたものである。
【００１１】
請求項２の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１の発明において、前記偏光ビームスプリッタで進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設けたものである。
【００１２】
請求項３の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１または２の発明において、前記パルスレーザ光源は、Qスイッチによってパルス化しているものである。
【００１３】
請求項４の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記パルスレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用するものである。
【００１４】
請求項５の発明に係るレーザ照射装置は、請求項４の発明において、前記パルスレーザ光源として、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用するものである。
【００１５】
請求項６の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成するものである。
【００１６】
請求項７の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として電気光学素子を用いるものである。
【００１７】
請求項８の発明に係るレーザ照射装置は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として磁気光学素子を用いるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図９と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
図において、２は複屈折材料から構成される電気光学素子、３は直交する偏光成分の進行方向を２方向に分離する偏光ビームスプリッタ、４０１はレーザ光源１出射直後のレーザパルス、４０２は電気光学素子通過後のレーザパルス、４０３は偏光ビームスプリッタを透過するレーザパルス、４０４は偏光ビームスプリッタで進行方向が直角に折り曲げられたレーザパルス、５は折り曲げミラー、６０１は第１の集光レンズ、６０２は第２の集光レンズ、７０１は第１の被照射物、７０２は第２の被照射物である。８はパルスレーザ光源１を駆動するレーザ電源、９は電気光学素子２に電圧を印加する電気光学素子ドライバ、１０はレーザ電源８および電気光学素子ドライバ９に対しトリガ信号（動作開始を指令する信号）を供給する信号発生器である。
【００１９】
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、フラッシュランプを励起光源としたYAGレーザを使用している。従ってパルスレーザ光源１を出射するパルスレーザ光のパルス時間幅は1ms程度である。また本実施の形態はアルミニウムのスポット溶接に適用した例を示している。即ち、第１の被照射物７０１、第２の被照射物７０２はともにアルミニウムである。また、実際のレーザパルスの時間波形は、図１に示すような完全な矩形波ではないが、説明を明瞭にするため便宜的に矩形波として描いている。各レーザパルス４０１、４０２、４０３、４０４上に示す両矢印ならびに黒丸は、レーザパルス中の偏光方向を表しており、両矢印は電界の偏波面が紙面に平行な偏光（Ｐ偏光）、黒丸は電界の偏波面が紙面に垂直な偏光（Ｓ偏光）を示している。
【００２０】
次に動作を説明する。
レーザ電源８によって駆動されたパルスレーザ光源１は、パルス時間幅がＴで、電界の偏波面が紙面に平行な向きとなる直線偏光のレーザパルス４０１を発生する。パルスレーザ光源１を出射したレーザパルス４０１は、図中右方向へ進行して電気光学素子２へ入射する。電気光学素子２には、複屈折結晶（偏光方向によって屈折率が異なる結晶）であるＤＫＤＰ（ＫＤ２ＰＯ４）結晶を使用している。このＤＫＤＰ結晶は４５゜Ｚｃｕｔで立方体に切り出されており、結晶のＹ’方向とレーザパルス４０１の進行方向が一致し、レーザパルス４０１の偏光方向とＤＫＤＰ結晶のＺ方向が４５゜の角度をなすよう配置されている。ＤＫＤＰ結晶は複屈折材料であり、結晶に入射したレーザパルスは偏光方向がＸ’方向とＺ方向の２つに分離して伝搬する。ＤＫＤＰ結晶にはＺ方向に電圧を印加できるようＺ面上に電極が設けられており、Ｚ方向に電圧を印加することによりＺ方向の偏光に対する屈折率を変化させることができる。この場合Ｚ方向の屈折率変化量は印加電圧に比例するため（ポッケルス効果）、印加電圧によって結晶出射時のＸ’方向とＺ方向の偏光に任意の位相差をつけることができる。Ｘ’方向とＺ方向の偏光の位相差がちょうどλ／２になる場合、結晶出射後、Ｘ’方向とＺ方向偏光が結合された偏光の方向は、結晶入射時の偏光方向と直交したものになる。この場合結晶への印加電圧をλ／２電圧という。本実施の形態では、レーザ電源８と電気光学素子２へλ／２電圧を印加する電気光学素子ドライバ９の動作タイミングは、レーザパルス４０１が電気光学素子２に入射を開始してから、時間ｔ１経過後にλ／２電圧を印加されるよう信号発生器１０によって常に一定に保たれている。従って電気光学素子２通過後のレーザパルス４０２は、パルス先頭部の時間ｔ１部分はＰ偏光、後続部の時間ｔ２部分はＳ偏光となる。
【００２１】
電気光学素子２を通過したレーザパルス４０２は、偏光ビームスプリッタ３へ入射する。偏光ビームスプリッタ３は、直交する偏光成分の進行方向を分離するもので、本実施の形態では、P偏光成分は透過し、S偏光成分の進行方向は直角に折り曲げられるよう配置されている。レーザパルス４０２は先頭t1部分がＰ偏光、後続t2部分がＳ偏光となっているので、レーザパルス４０２中先頭t1部分は偏光ビームスプリッタ３を真っ直ぐ透過し、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３に、後続t2部分は偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直角に折り曲げられ、パルス時間幅t2のレーザパルス４０４となる。即ち、レーザパルス４０２は、パルス時間幅の短い２つのパルスに時間的に分割される。
【００２２】
偏光ビームスプリッタ３を透過したパルス時間幅t1のレーザパルス４０３は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。また偏光ビームスプリッタ３によって進行方向が直角に折り曲げられたパルス時間幅t2のレーザパルス４０４も同様に、折り曲げミラー５によって再度進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２を介し、第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００２３】
本実施の形態のレーザ照射装置は、一例として、アルミニウムのスポット溶接を行うものである。アルミニウムは熱電導率の高い金属であり、パルスレーザ光を用いてスポット溶接を行う場合、パルス時間幅が長くなると、被照射物であるアルミニウムからの熱の散逸が顕著となるため、レーザパルス後半部をスポット溶接に有効に利用することができず、逆に照射部周囲に対し熱影響を与え加工品質を劣化させる原因となる。またレーザパルスのピーク出力が低下すると、アルミニウムからの熱の散逸により溶接自体が困難になる。
【００２４】
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、フラッシュランプ励起のYAGレーザを使用している。フラッシュランプ励起YAGレーザのパルス時間幅は、電源およびランプからなる励起回路の回路定数で決まるため、パルス時間幅の変更には電源の改造が必要となる。このためパルス時間幅の調整は容易ではない。
【００２５】
本実施の形態に示すように、電気光学素子２および偏光ビームスプリッタ３を使用し、単一のレーザパルス４０１、４０２を２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割すれば、ピーク出力を低下させることなく、分割前のレーザパル４０１、４０２に比べ、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４を容易に形成することが可能になる。
【００２６】
電気光学素子２および偏光ビームスプリッタ３によって時間的に分割されたレーザパルス４０３、４０４を、それぞれ被照射物７０１、７０２へ伝送し、被照射物７０１、７０２に対し照射すれば、レーザパルス４０３、４０４のパルス時間幅は、分割前のパルス時間幅に比べ短くなるため、スポット溶接に対するパルスレーザ光の光利用効率が高くなるばかりでなく、照射部周囲に対する熱影響が小さくなるので、加工品質に優れたスポット溶接を行うことができる。また、レーザパルス４０３、４０４のピーク出力は分割以前のレーザパルス４０１、４０２とほぼ同等に保たれるため、溶接性能は維持される。
【００２７】
また、本実施の形態においては、単一のレーザパルス４０１、４０２をパルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４へ分割しているため、２つの被照射物７０１、７０２を同時に溶接することが可能になる。この結果、上述のパルス時間幅の低減ともなう光利用効率の増加と相まって、スポット溶接時の生産性を大幅に向上させることができる。
【００２８】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においても前記実施の形態１と同様、一例としてアルミニウムのスポット溶接に適用した例を示している。本実施の形態のパルスレーザ光源１も、前記実施の形態１と同じく、フラッシュランプを励起光源として用いたYAGレーザを使用している。前記実施の形態１においては、パルスレーザ光源１を出射する単一レーザパルスを、パルス時間幅の短い２つのレーザパルスに時間的に分割する構成であったが、本実施の形態においては、パルスレーザ光源１を出射するレーザパルス４０１を、パルス時間幅の短い２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割する第１の電気光学素子２０１、第１の偏光ビームスプリッタ３０１に加え、第１の偏光ビームスプリッタ３０１を通過するP偏光のレーザパルス４０３を更に時間的に分割する第２の電気光学素子２０２、第２の偏光ビームスプリッタ３０２、第１の偏光ビームスプリッタ３０１で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４を更に時間的に分割する第３の電気光学素子２０３、第３の偏光ビームスプリッタ３０３を備えている。
９０１、９０２、９０３はそれぞれ電気光学素子２０１、２０２、２０３に電圧を印加する電気光学素子ドライバであって、この場合、信号発生器１０はレーザ電源８および電気光学素子ドライバ９０１、９０２、９０３に対しトリガ信号（動作開始を指令する信号）を供給する。
【００２９】
次に動作を説明する。
第１のビームスプリッタ３０１を透過したP偏光のレーザパルス４０３は、第２の電気光学素子２０２に入射する。第２の電気光学素子２０２へレーザパルス４０３が入射を開始してから、時間t3が経過した時点で、第２の電気光学素子２０２にはλ/2電圧が印加される。従って第２の電気光学素子２０２を通過したレーザパルス４０５の前半t3部分はP偏光、後半t4部分はS偏光となる。
【００３０】
レーザパルス４０５は第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ入射し、P偏光である前半t3部分は真っ直ぐ透過し、S偏光である後半t4部分は進行方向が直角に折り曲げられる。この結果、パルス時間幅t1のレーザパルス４０５は、パルス時間幅t3、t4の２つのレーザパルス４０７、４０８に時間的に分割される。パルス時間幅t3のレーザパルス４０７は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。また、パルス時間幅t4のレーザパルス４０８は、第２の折り曲げミラー５０２によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００３１】
一方、第１のビームスプリッタ３０１で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４は、第１の折り曲げミラー５０１によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第３の電気光学素子２０３に入射する。第３の電気光学素子２０３へレーザパルス４０４が入射を開始してから、時間t5が経過した時点で、第３の電気光学素子２０３にはλ/2電圧が印加される。従って第３の電気光学素子２０３を通過したレーザパルス４０６の前半t5部分はS偏光、後半t6部分はP偏光となる。
【００３２】
レーザパルス４０６は第３の偏光ビームスプリッタ３０３へ入射し、S偏光である前半t5部分は進行方向が直角に折り曲げられ、P偏光である後半t6部分は真っ直ぐ透過する。この結果、パルス時間幅t2のレーザパルス４０６は、パルス時間幅t6、t5の２つのレーザパルス４０９、４１０に時間的に分割される。パルス時間幅t6のレーザパルス４０９は、第３の集光レンズ６０３によって第３の被照射物７０３上に集光照射される。また、パルス時間幅t5のレーザパルス４１０は、第３の折り曲げミラー５０３によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第４の集光レンズ６０４によって第４の被照射物７０４上に集光照射される。
【００３３】
本実施の形態に示すように、第１の電気光学素子２０１および第１の偏光ビームスプリッタ３０１に加え、第２および第３の電気光学素子２０２、２０３、第２および第３の偏光ビームスプリッタ３０２、３０３を使用すれば、更にパルス時間幅の短いレーザパルスを容易に形成することができる。
【００３４】
本実施の形態は、前記実施の形態１に比べ薄い板厚のアルミニウムのスポット溶接を行うものである。アルミニウムの板厚が薄くなると、スポット溶接に必要なレーザパルスのパルスエネルギーは小さくなる。一定のパルスエネルギーのもとでは、パルス時間幅が短い方が溶接部周囲への熱影響が小さく、加工品質に優れる。本実施の形態によれば、時間的にレーザパルスを分割することにより、レーザパルスのパルスエネルギーを調整することができる。従ってピーク出力は低下せずに、パルス時間幅が減少するので、優れた加工品質を得ることができる。
【００３５】
また、本実施の形態によれば、単一のレーザパルスを最終的には４つのレーザパルスに分割しているため、４つの被照射物７０１、７０２、７０３、７０４に対し同時に高品質のスポット溶接を施すことができる。従って、スポット溶接時の生産性を大幅に向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態においても前記実施の形態１と同じくフラッシュランプ励起のYAGレーザを使用している。パルスレーザ光源１のレーザ媒質に固体媒質を使用すれば、ガスレーザ等に比べ、パルスレーザ光源の大きさを格段に小型化することができる。レーザパルスのパルスエネルギーは、通常はYAG媒質に対する励起強度を変化させることにより調整する。YAGのような固体レーザ媒質を励起した場合、固体レーザ媒質の発熱は避けることができず、固体レーザ媒質には熱レンズが発生する。熱レンズの焦点距離は励起強度によって変化する。固体レーザ媒質の熱レンズが変化すると、レーザの共振条件が変わるためビーム品質も変動する。従って固体素子に対する励起強度によってパルスエネルギーの調整を行う場合、一定の加工品質を保つことは困難になる。
【００３７】
本実施の形態によれば、レーザパルスを時間的に分割し、用途に応じたパルス時間幅、パルスエネルギーへ調整することが可能となるので、励起強度を常に一定に保ちながら、照射条件の最適化を図ることができる。従って加工品質は一定し、ばらつきが小さく再現性に優れた安定な加工を行うことが可能となる。
【００３８】
本実施の形態においては、単一レーザパルスを最終的に４つのパルスに分割する構成を示したが、パルス分割数はこれに限るものではなく、パルスレーザ光源のパルス出力、パルス時間幅、用途に応じて、分割数を決定すればよい。本実施の形態において、第２の電気光学素子および第２の偏光ビームスプリッタを使用しなければ、単一レーザパルスを時間的に３つのパルスに分割することができるし、第２、第３の偏光ビームスプリッタより被照射物側に、更に電気光学素子および偏光ビームスプリッタを配置すれば、パルス分割数をより多くすることができる。
【００３９】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態も前記実施の形態と同じく、一例としてパルスレーザ光源１にフラッシュランプ励起のYAGレーザを使用し、アルミニウムのスポット溶接に使用した例を示している。前記実施の形態においては、電気光学素子によって、単一レーザパルス中に偏光方向が直交する２つの領域を形成し、偏光ビームスプリッタによって単一レーザパルスを２つのレーザパルスへ時間的に分割する構成であったが、本実施の形態においては、電気光学素子２によって、単一レーザパルス中に隣接する領域の偏光方向が直交するよう４つの領域を形成する構成を示している。
【００４０】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電気光学素子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光学素子２へ入射を開始してから時間t経過後、電気光学素子２にλ/2電圧を時間tの間印加する。λ/2電圧印加停止後、時間tの間をおいて再度電気光学素子２にλ/2電圧を印加する。
【００４１】
電気光学素子２に対するλ/2電圧印加時間および印加停止時間tは、パルスレーザ光源１出射直後のレーザパルス４０１のパルス時間幅Tのおよそ1/4に設定されている。従って電気光学素子２通過後のレーザパルス４０２は、時間tおきにP偏光とS偏光が交互に変化する４つの領域から形成される。レーザパルス４０２を偏光ビームスプリッタ３に入射させると、偏光ビームスプリッタ３を真っ直ぐ透過する方向、および偏光ビームスプリッタ３において進行方向が直角に折り曲がる方向に、パルス時間幅t、パルス間隔2tのダブルレーザパルス４０３、４０４、４０５、４０６が形成される。
【００４２】
ダブルレーザパルス４０３、４０４は、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。ダブルレーザパルス４０５、４０６は折り曲げミラー５によって更に進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光レンズ６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００４３】
レーザパルスのピークパワーを一定と仮定した場合、パルス幅2tのレーザパルスで被照射物を照射する場合と、パルス幅tのレーザパルスを時間間隔をおいて２回照射する場合とでは、全照射パルスエネルギーが同一であっても、加工特性は大きく異なる。後者の照射方法は、前者の照射方法に比べ、被照射物に与える熱影響が小さく、高い加工品質を得ることができる。本実施の形態によれば、全照射パルスエネルギーを一定に維持しつつ、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い複数レーザパルスに分割し、被照射物に照射することが可能となるので、加工品質の高いスポット溶接を行うことができる。
【００４４】
本実施の形態においては、パルス時間幅がほぼ等しくなるダブルレーザパルスで、被照射物を照射する構成を示したが、各レーザパルスのパルス時間幅や、パルス数はこれに限るものではなく、被照射物である材料や用途に応じて、最適なパルス時間幅およびパルス数を選定すればよい。
【００４５】
上記実施の形態においては、偏光方向を直角に回転させるため、いずれもポッケルス効果を利用した電気光学素子を使用する構成を示したが、電気光学素子はこれに限るものではなく、複屈折量が印加電圧の２乗に比例するカー効果を利用した電気光学素子を使用しても同様な効果を得ることができる。
【００４６】
また、偏光方向の回転に磁気光学効果の１つであるファラデー効果を利用した磁気光学素子を使用しても、偏光方向を直角に回転させることは可能であり同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においては、パルスレーザ光源１に、一例として半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッチでパルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で第２高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レーザを使用している。被照射物は直列２段に配置されたレーザ媒質で多段増幅器を構成している。本実施の形態では被照射物であるレーザ媒質は色素である。パルスレーザ光源を出射した単一レーザパルスを時間的に２分割し、分割された各レーザパルスで被照射物であるレーザ媒質の光励起を行う。
【００４８】
図中、１２はパルスレーザ光源のレーザ媒質に使用している固体素子で、本実施の形態では、Nd（ネオジウム）を活性物質としてドープしたロッド形状を有するYAG（イットリウムアルミニウムガーネット）結晶を使用している。１３は励起光源である半導体レーザ、１４はレーザ共振器内の光損失を変化させることによりレーザパルス化するQスイッチ、１５は固体素子１２から発せられた波長1.06mmの基本波光を、波長532nmの第２高調波に波長変換する波長変換結晶で、本実施の形態では一例としてKTP（KTiOPO4）結晶を使用している。１６はレーザ共振器を構成する第１の端部ミラーで、波長1064nmの基本波に対し全反射コーティングが施されている。１７はレーザ共振器を構成する第２の端部ミラーで、波長1064nmの基本波、波長532nmの第２高調波両者に対し、全反射コートが施されている。１８は共振器内の光軸を折り曲げ、第２高調波を共振器外部に取り出すため波長1064nmの基本波光に対しては全反射、波長532nmの第２高調波に対しては全透過となるよう２波長コーティングが施された第２高調波取り出しミラーである。１９はQスイッチ１４の駆動を行うQスイッチドライバ、２０はレーザ媒質である直列に並べられた第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２によって増幅される被増幅光である。
【００４９】
次に動作を説明する。
まず、半導体レーザ１３から出射する励起光を、固体素子１２の光軸側方より照射し、固体素子１２の励起を行う。励起された固体素子１２中には、励起光の波長、活性媒質の原子構造に応じた特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布は自然放出および誘導放出により減少するが、共振器内に配置したQスイッチ１４による光損失が大きい状態では、共振器内の光強度は増大し得ず、誘導放出による反転分布の減少は無視することができる。従って励起による反転分布増加量が自然放出による反転分布減少量を上回る限り反転分布は増加し、高いエネルギーが固体素子１２内に蓄積される。
固体素子１２内に高いエネルギーが蓄積された状態で、Qスイッチ１４による光損失量を急速に低下させると、固体素子１２内で発生した自然放出光は、第１の端部ミラ１６と第２の端部ミラー１７により共振器内に閉じ込められ、固体素子１２の誘導放出による増幅作用を被り共振器内の基本波光の強度は急速に増加する。誘導放出の発生割合は、固体素子１２を通過する光強度に比例するため、強度の高い基本波レーザ光が固体素子１２中を通過する際、誘導放出が顕著となり反転分布はしきい値以下にまで減少してしまう。この結果、共振器内の基本波光は発振を停止する。上述のように、共振器内にQ スイッチ１４を設置し、共振器内の光損失を増減することにより、ピーク強度の高いパルス光を発生することができる。特に本実施の形態においては、基本波光を第１の端部ミラー１６および第２の端部ミラー１７から構成される共振器内に閉じ込める構成としているので、共振器内の基本波光の強度は非常に高くなる。
【００５０】
本実施の形態においては、共振器内に波長変換結晶１５を配置し、かつ第１の端部ミラー１６と第２の端部ミラー１７によって基本波光を共振器内に閉じ込めているので、非常にピーク強度の高い基本波光を波長変換結晶１５中へ入射させることができる。波長変換結晶１５において、基本波光が第２高調波光へ変換される割合は、理論的には基本波光強度の２乗に比例する。本実施の形態に示すように共振器内部波長変換構成によれば、高強度の基本波光を波長変換結晶１５に入射させ、効率よく第２高調波光を発生させることができる。共振器内で発生した第２高調波は、共振器内に設置した第２高調波取り出しミラー１８から共振器外部に取り出される。本実施の形態においては、共振器出射時のレーザパルスのパルス幅はおよそ80nsであった。
【００５１】
本実施の形態においては、電気光学素子ドライバ９とQスイッチドライバ１９の動作タイミングを、同一の信号発生器１０により制御している。従って、パルスレーザ光源１のパルス発生動作と電気光学素子２への電圧印加動作は常に同期がとられている。レーザ共振器を出射したP偏光のレーザパルス４０１は、電気光学素子２に入射する。レーザパルス４０１が電気光学素子２へ入射を開始してから時間t1が経過した時点で電気光学素子２にλ/2電圧を印加する。従って電気光学素子２を通過したレーザパルス４０２は前半t1部分がP偏光、後半t2部分はS偏光となる。レーザパルス４０２に偏光ビームスプリッタ３に入射し、パルス時間幅がt1でP偏光のレーザパルス４０３と、パルス時間幅がt2でS偏光のレーザパルス４０４に分割される。P偏光のレーザパルス４０３は、光ファイバ１１によって遅延された後、第１の集光レンズ６０１によって第１の被照射物７０１上に集光照射される。一方、S偏光のレーザパルス４０４は折り曲げミラー５によって進行方向が直角に折り曲げられた後、第２の集光ミラー６０２によって第２の被照射物７０２上に集光照射される。
【００５２】
前述のように、本実施の形態においては、第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２は、ともにレーザ媒質として用いる色素であり、第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２を２段直列に配置することにより多段増幅器の一部を構成している。本実施の形態では色素の種類としてローダミン6Gを使用している。第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２は、それぞれレーザパルス４０３、４０４の照射により光励起され、色素内の特定のエネルギー準位間で反転分布が生じる。反転分布が形成された状態で、反転分布のエネルギー準位間のエネルギー差に合致した波長を有する被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０１、７０２中を通過すると、被増幅光２０は誘導放出によって増幅作用を受け、被増幅光２０の光強度は増大する。
【００５３】
励起された増幅媒質内では、ランダムに発生する自然放出光が、誘導放出によって増幅されるASE（Amplified Spontaneous Emission）が発生する。ASEは本来増幅すべきレーザ光には寄与せず、反転分布に蓄積されるエネルギーを消費するため、増幅効率低下の一因になる。ASEの強度は、励起開始から時間経過にともない増加する。増幅効率の観点から、ASE強度が立ち上がる以前に励起を完了し、被増幅光の増幅を行う必要がある。
【００５４】
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源より発せられた単一レーザパルスを、時間的に分割することが可能となるので、パルスレーザ光源より発せられた単一レーザパルスのパルス時間幅が、被照射物であるレーザ媒質中において、ASE強度が立ち上がるまでに要する時間よりも長い場合であっても、単一レーザパルスを時間的に分割し、よりパルス時間幅の短いレーザパルスを形成して、レーザ媒質に照射することにより、効率よくレーザ媒質を励起し、被増幅光の増幅を行うことができる。
【００５５】
反転分布によってレーザ媒質内に蓄積されたエネルギーは、被増幅光が存在しない状態では、自然放出やASE、その他非放射遷移によって経時的に減少する。レーザ媒質に対する励起持続時間が、反転分布の寿命（反転分布によって蓄積されるエネルギーが1/eになる時間で定義）に比べ長くなる場合、レーザ媒質励起時に被増幅光が存在しない状態においては、励起エネルギーを反転分布として効果的蓄積することができず、増幅効率低下の原因となる。一方、レーザ媒質励起時に、被増幅光が存在する場合、反転分布に変換された励起エネルギーは、誘導放出によって逐次被増幅光へ移譲されるため、効率よく被増幅光の増幅を行うことが可能となる。
【００５６】
本実施の形態においては、第１、第２の被照射物７０１、７０２はレーザ媒質であるローダミン6Gであり、反転分布の寿命は30nsである。一方、時間的に分割されたレーザパルス４０３、４０４のパルス時間幅は40ns程度であるため、励起持続時間が反転分布の寿命より長くなる。従って効率よい増幅を行うためには、励起持続中に被増幅光２０が、第１、第２の被照射物７０１、７０２中に存在する必要がある。
【００５７】
また、第１、第２の被照射物７０１、７０２は直列に配置されており、両者で同一の被増幅光２０を増幅する。高効率な増幅を行うためには、第１の被照射物７０１の励起開始時間と第２の被照射物７０２の励起開始時間との間に、被増幅光２０が第１の被照射物７０１から第２の被照射物７０２に至るまでに要する時間差を設ける必要がある。
【００５８】
本実施の形態においては、偏光ビームスプリッタ３によって時間的に分割されたP偏光のレーザパルス４０３の光路上に、光ファイバ１１からなる遅延手段を設けている。光ファイバ１１は、石英（屈折率：1.42）から形成されており、ファイバ１m当たりおよそ4.74nsパルスを遅延させることができる。本実施の形態においては、例えば長さ9mの光ファイバを使用することにより、P偏光のレーザパルス４０３をおよそ43ns遅延させている。この結果、第１の被照射物７０１と第２の被照射物７０２を通過する被増幅光２０の通過タイミングと、励起光であるレーザパルス４０３、４０４がそれぞれ第１の被照射物７０１、第２の被照射物７０２を照射するタイミングを、同期させることが可能となった。このため第１の被照射物７０１および第２の被照射物７０２中に反転分布として蓄積された励起エネルギーは、逐次被増幅光２０に移譲され、効率よく被増幅光の増幅を行うことができた。
【００５９】
本実施の形態においては、パルスレーザ光源１はQスイッチ１４によってパルス化している。Qスイッチ１４はレーザ共振器中の光損失を時間的に変化させることにより、レーザ媒質即ちYAG結晶内に反転分布として蓄積したエネルギーを光パルスとして間欠的に放出するもので、パルス時間幅が短くピーク強度の高いレーザパルスの発生が可能となる。但し、Qスイッチによって発生するレーザパルスのパルス時間幅は、レーザ媒質の誘導放出断面積、レーザ媒質に対する励起強度、レーザ共振器の長さ、繰り返し周波数等によって決定される。即ち、Qスイッチ動作時のパルス時間幅は、レーザ発振機構自体に関わり、動作条件によって変化するため、所望の動作条件において任意のパルス幅を得ることは困難である。
【００６０】
本実施の形態によれば、時間的にレーザパルスを分割することが可能となるため、Qスイッチによってパルス化されたレーザパルスを使用する場合であっても、所望する動作条件においてパルスレーザ光源出射直後のパルス時間幅よりも短い任意のパルス時間幅のレーザパルスを得ることができる。
【００６１】
本実施の形態においては、YAGレーザの第２高調波光を用いて色素を励起する構成を示したが、パルスレーザ光源および励起する増幅媒質はこれに限るものではなく、パルスレーザ光を用いて光励起するレーザ増幅器であれば、いずれの構成にも適用することができる。
【００６２】
実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においては、レーザ媒質として例えばチタンがドープされたサファイア結晶（チタンサファイア結晶）を使用する再生増幅器へ適用する構成を示している。従って本実施の形態の被照射物７はチタンサファイア結晶である。再生増幅器は増幅器自体で光共振器を有するが、この発明は励起光源として用いるレーザ照射装置を発明の主旨としているため、図５において再生増幅器の光共振器は簡単のため省略する。なお、本実施の形態のパルスレーザ光源１も前記実施の形態４と同じく、半導体レーザ励起のYAGレーザをQスイッチでパルス化し、共振器内部に配置した波長変換結晶で第２高調波を発生する内部波長変換方式第２高調波レーザを使用している。また、本実施の形態は前記実施の形態４とは異なり、単一の被照射物７であるチタンサファイア結晶を励起する構成を示している。
【００６３】
再生増幅器は増幅器自体が共振器を有するため、被増幅光２０が存在しない場合であっても、励起すれば発振を開始する（自己発振）。自己発振を開始すると被照射物７であるレーザ媒質中に反転分布として蓄積されたエネルギーが消費されるため、被増幅光を効率よく増幅することが困難になるばかりでなく、本来の被増幅光が目的としている用途に対し、自己発振光が悪影響を与える。レーザ媒質に励起を開始してから、自己発振を開始するまでには、共振器内で光強度が増加するための時間（共振器ビルドアップ時間）を要する。従って、再生増幅器の励起を行う場合には、励起持続時間を共振器ビルドアップ時間よりも短くする必要がある。
【００６４】
次に動作を説明する。
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源１を出射した単一レーザパルス４０１を時間的に分割することが可能となるので、共振器ビルドアップ時間よりもパルス時間幅の短いレーザパルス４０３、４０４を形成することができる。偏光ビームスプリッタ３を透過したP偏光のレーザパルス４０３は、第１の折り曲げミラー５０１により進行方向が直角に折り曲げた後、光ファイバ１１から構成される遅延手段によって所定時間遅延される。光ファイバで遅延作用を受けたレーザパルス４０３は、第２の折り曲げミラー５０２によって再度進行方向を直角に折り曲げ、第１の集光ミラー６０１によって被照射物７であるチタンサファイア結晶に集光照射され、チタンサファイア結晶を光励起する。一方、偏光ビームスプリッタ３で進行方向が直角に折り曲げられたS偏光のレーザパルス４０４は、第３の折り曲げミラー５０３で進行方向が再度直角に折り曲げられ、第２の集光レンズ６０２によって被照射物７であるチタンサファイア結晶に集光照射され、チタンサファイア結晶を光励起する。
【００６５】
ここで、光ファイバ１１によるレーザパルス４０３の遅延時間は、レーザパルス４０３とレーザパルス４０４が、被照射物７、即ちチタンサファイア結晶へ同時に到達するよう調整されている。従って、被照射物７であるチタンサファイア結晶へ照射されるパルスエネルギーの合計は、パルスレーザ光源１出射時の単一レーザパルス４０１とほぼ同等の値を維持しつつ、チタンサファイア結晶に対する励起持続時間は、パルスレーザ光源１出射時の単一レーザパルス４０１のパルス時間幅に比べ大幅に低減する。この結果、自己発振が開始する以前に励起を完了することが可能となり、効率よく被増幅光２０の増幅を行うことができた。
【００６６】
本実施の形態においては、単一レーザパルスを時間的に２分割し、パルス遅延手段を用いて同時に被照射物であるチタンサファイア結晶を励起する構成を示したが、被照射物はレーザ媒質に限るものではない。例えば、金属の微細穴開け等加工用途へ適用すれば、パルスエネルギーをほぼ一定に維持しながら被照射物に対する照射時間を効果的に低減することが可能となるので、加工速度を一定に保ちながら被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができる。
【００６７】
実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係るレーザ照射装置を示す構成図である。図中、図１および図４と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態のパルスレーザ光源１には、Qスイッチでパルス化したYAGレーザを使用し、ステンレスの薄板に穴開け加工を施す構成を示している。パルスレーザ光源１を出射するパルスレーザ光のパルス時間幅は100ns程度で、実際のレーザパルスの時間波形は、図６に示すような矩形波ではないが、説明を明瞭にするため便宜的に矩形波として描いている。本実施の形態において、パルスレーザ光源１から発せられた単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって時間的的に分割するまでは、前記いずれの実施の形態とも同一の動作である。本実施の形態は、一旦、時間的に分割したレーザパルス４０３、４０４を、第２の偏光ビームスプリッタ３０２を使用して同一光路上に再合成し、被照射物７であるステンレス薄板に照射するものである。
【００６８】
次に動作を説明する。
パルスレーザ光源１を出射したパルス時間幅TのP偏光の単一レーザパルス４０１は、電気光学素子２によって、前半t1部分がS偏光、後半t1部分がP偏光となるよう調整される。前半部分がS偏光、後半部分がP偏光であるレーザパルス４０２は、第１の偏光ビームスプリッタに入射する。S偏光であるレーザパルス前半部分は、進行方向が直角に折り曲げられ、P偏光であるレーザパルス後半部分は第１の偏光ビームスプリッタ３０１を直進して透過する。この結果、単一レーザパルス４０２は、ほぼパルス時間幅が等しいP偏光のレーザパルス４０３と、S偏光のレーザパルス４０４に時間的に分割される。
【００６９】
P偏光のレーザパルス４０３は、第１の偏光ビームスプリッタ３０１を透過し、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。S偏光のレーザパルス４０４は、偏光ビームスプリッタ３０１によって直角に進行方向が折り曲げられた後、第１の折り曲げミラー５０１によって再度進行方向が直角に折り曲げられる。第１の折り曲げミラー５０１通過後、レーザパルス４０４はパルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１に入射する。偏光保持光ファイバ１１透過後、第２の折り曲げミラーによって再度進行方向が直角に折り曲げられた後、P偏光のレーザパルス４０３とは直交する向きで、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。ここで、パルス遅延手段として使用する偏光保持光ファイバ１１の長さは、P偏光のレーザパルス４０３とS偏光のレーザパルス４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同時に入射するよう調整されている。
【００７０】
第１および第２のビームスプリッタ３０１、３０２は、P偏光の入射光は直進して透過し、S偏光の入射光は進行方向を直角に折り曲げられるよう形成されているため、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に対し、直交する角度で同時に入射したP偏光のレーザパルス４０３とS偏光のレーザパルス４０４は、同一光路上に合成される。この結果、パルスレーザ光源１出射直後の単一レーザパルス４０１と同等とパルスエネルギーを維持しつつ、単一レーザパルス４０１に比べパルス時間幅が短く、ピーク出力の高い、単一レーザパルス４０５が形成される。単一レーザパルス４０５は、集光レンズ６によって、被照射物７であるステンレス薄板上に集光照射される。
【００７１】
本実施の形態によれば、パルスレーザ光源出射時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス時間幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形成することが可能となるため、加工速度を低下させることなく被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、２つのレーザパルスを同一光路上に重畳して単一レーザパルスを形成し、被照射物に照射するので、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し、被照射物上の同一個所を同時に照射する場合に比べ、光路構成が簡単になり、光路調整を格段に容易にすることができる。また２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し被照射物に照射する場合、２つのレーザパルス照射時の等価的なビーム集光性は、分割前の単一レーザパルスに比べ1/2以下に低下するが、本実施の形態に示すように、２つのレーザパルスを同一光路上に合成すれば、合成後の単一レーザパルスの集光性は、分割前の単一レーザパルスの集光性をほぼ維持することができる。従って、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送し被照射物に照射する場合に比べ、焦点深度が深く、精度よく分解能の高い加工を行うことができる。
【００７３】
実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
前記実施の形態６においては、ほぼパルス時間幅が等しくなるよう時間的に分割した２つのパルスを、パルス遅延手段を用いて同時に第２の偏光ビームスプリッタ３０２に入射するよう調整し、同一光路上に合成する構成を示したが、図７に示す本実施の形態では、図６に示す前記実施の形態と同一構成において、単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３と、パルス時間幅t2のレーザパルス４０４に分割する。パルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２にΔｔの時間差をもって入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に合成する。図７は、合成前の２つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レーザパルス４０５を示している。
【００７４】
本実施の形態に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ３０１で時間的に分割したレーザパルス４０３、４０４の一部のみが重なるようパルス遅延手段によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ入射するタイミングを調整すれば、パルス先頭部Δｔとパルス後端部t1+Δｔ ‐t2のピーク出力が低く、パルス中央部t2‐Δtのピーク出力が高いパルス時間幅t1+t2‐Δtの単一レーザパルス４０５を形成することができる。
【００７５】
実施の形態８．
図８はこの発明の実施の形態８に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。図中、図６と同一符号は同一部分もしくは相当部分を示している。
本実施の形態においても、図６に示す前記実施の形態６と同一の構成を用いている。本実施の形態においては、単一レーザパルス４０１を、第１の偏光ビームスプリッタ３０１によって、パルス時間幅t1のレーザパルス４０３と、レーザパルス４０３に比べパルス時間幅の短いパルス時間幅t2のレーザパルス４０４に分割する。パルス遅延手段である偏光保持光ファイバ１１によって、２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２に同時に入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に合成する。図８では、合成前の２つのレーザパルス４０３、４０４と、合成後の単一レーザパルス４０５を示している。
【００７６】
本実施の形態に示すように、単一レーザパルスを第１の偏光ビームスプリッタ３０１によってパルス時間幅の大きく異なる２つのレーザパルス４０３、４０４に時間的に分割し、パルス遅延手段を用いて、分割された２つのレーザパルス４０３、４０４が、第２の偏光ビームスプリッタ３０２へ同時に入射するよう調整し、２つのレーザパルス４０３、４０４を同一光路上に調整すれば、パルス先頭部t2のピーク出力が高く、パルス時間幅t1の単一レーザパルス４０５を形成することができる。
【００７７】
第２の偏光ビームスプリッタを用いたパルス合成の種類は、上記実施の形態に限るものではなく、用途に応じて、単一レーザパルス分割時のパルス時間幅、第２の偏光ビームスプリッタにおける入射タイミングを設定し、目的に応じて最適なパルス時間波形となるよう単一パルスを合成すればよい。要するに、レーザの種類を問わず、直線偏光の単一レーザパルス中の偏光方向を一部直交させ、第１の偏光ビームスプリッタを用いて偏光が直交する部分を一旦時間的に分割し、分割したレーザパルスの遅延時間を調整して、第２の偏光ビームスプリッタを用いて再度合成すれば、様々なパルス時間波形を有するレーザパルスの合成が可能になるということである。
【００７８】
上記実施の形態においては、直線偏光の単一レーザパルスを、第１の偏光ビームスプリッタで２つに分割し、第２の偏光ビームスプリッタによって、２つに分割したレーザパルスを一部時間的に重ね合わせ合成する構成を示したが、単一レーザパルスの分割数は２つに限るものではなく、またパルス合成時、時間的に重ねることなく同一光路上に合成すれば、単一レーザパルスからパルス時間幅の短い複数のレーザパルスのパルス列を形成することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子と、直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備え、前記パルスレーザ光源のパルス光発生タイミングと、前記光学素子の偏光方向の回転タイミングとを制御するとともに、直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたので、パルスレーザ光源の動作条件の変更によって、パルス時間幅の低減が困難な場合であっても、パルスレーザ光源を出射する単一レーザパルスに比べ、パルス時間幅の短いパルスを容易に生成することが可能となり、この結果、被照射物に対する熱影響を緩和し、加工用途に適用する場合には加工品質が向上するばかりでなく、パルスレーザ光の利用効率を高めることができ、また同時に複数の被照射物にレーザパルスを照射することが可能となるので、生産性を効果的に向上させることが可能になるという効果がある。
【００８０】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記偏光ビームスプリッタで進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設けたので、偏光ビームスプリッタによって分割した各レーザパルスの、被照射物に対する照射タイミングの調整が可能となるため、被照射物に対し分割した各レーザパルスを同時に照射するよう照射タイミングを調整すれば、分割前の単一レーザパルスと同等のパルスエネルギーを、分割前の単一レーザパルスのパルス時間幅に比べ短い時間内に、被照射物に対し照射することが可能となり、以って、加工用途に使用する場合には、生産性を低下させることなく、熱影響を緩和し、加工品質の向上を図ることができ、またレーザ増幅器の励起に使用する場合、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄積エネルギーの消費を効果的に低減することが可能となり、高い増幅効率を得ることができるという効果がある。
【００８１】
また、請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明において、前記パルスレーザ光源は、Qスイッチによってパルス化しているので、パルス時間幅が短く、ピーク出力の高いレーザパルスを得ることができるばかりでなく、時間的にレーザパルスを分割することが可能となるため、所望する動作条件において、パルスレーザ光源を出射する単一レーザパルスのパルス時間幅よりも短い任意のパルス時間幅のレーザパルスを得ることができるという効果がある。
【００８２】
また、請求項４の発明によれば、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記パルスレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用するので、パルスレーザ光源を小型化することが可能となるばかりでなく、パルスレーザ光源の動作条件を一定に保持したまま、レーザパルスを時間的に分割し、用途に応じたパルス時間幅、パルスエネルギーへ調整することが可能となり、以って、励起強度を常に一定に保ちながら、照射条件の最適化を図ることができ、加工品質は一定し、ばらつきが小さく再現性に優れた安定な加工を行うことが可能となるという効果がある。
【００８３】
また、請求項５の発明によれば、請求項４の発明において、前記パルスレーザ光源として、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用するので、色素やチタンサファイア結晶等をレーザ媒質として用いた増幅器の励起を行う際、ASEや自己発振によるレーザ媒質内の蓄積エネルギーの消費を効果的に低減し、高い増幅効率を得ることができるという効果がある。
【００８４】
また、請求項６の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成するので、パルスレーザ光源出射時と同等のパルスエネルギーを維持しつつ、パルス時間幅が狭く、ピーク出力の高い単一レーザパルスを形成することが可能となり、加工速度を低下させることなく被照射物に対する熱影響を低減し、加工品質の向上を図ることができるばかりでなく、２つのレーザパルスを別々の光路で伝送する場合に比べ、光路構成が簡単になり、光路調整を格段に容易にすることができ、また合成後の単一レーザパルスの集光性は、分割前の単一レーザパルスの集光性がほぼ維持されるので、焦点深度が深く、精度よく分解能の高い加工を行うことができ、更に分割したレーザパルスを合成する際の遅延時間を調整することにより、用途に応じたパルス時間波形となるようレーザパルスを合成することができるという効果がある。
【００８５】
また、請求項７の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として電気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確実に回転させることができるという効果がある。
【００８６】
また、請求項８の発明によれば、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記光学素子として磁気光学素子を用いるので、偏光方向を直角方向に確実に回転させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態５に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図６】 この発明の実施の形態６に係るレーザ照射装置を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態７に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態８に係るレーザ照射装置における合成前後のパルス時間波形を示す図である。
【図９】 従来のレーザ照射装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ パルスレーザ光源、 ２ 電気光学素子、 ３ 偏光ビームスプリッタ、３０２ 第２の偏光ビームスプリッタ、 ４０１ レーザ光源出射直後のレーザパルス、 ４０２ 電気光学素子通過後のレーザパルス、 ４０３ 偏光ビームスプリッタを透過するレーザパルス、 ４０４ 偏光ビームスプリッタで進行方向が直角に折り曲げられたレーザパルス、 ４０５ 合成されたレーザパルス、 ７ 被照射物、 ７０１ 第１の被照射物、 ７０２ 第２の被照射物、 １１ 光ファイバ、 １２ YAG結晶、 １４ Qスイッチ、 １５ 波長変換結晶。
Claims (8)
- 直線偏光したパルスレーザ光を発生するパルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光の偏光方向を直角に回転させる光学素子と、
直交する偏光成分を２つの進行方向に分離する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された２つの直交する偏光成分を、各々被照射物まで伝送する伝送光路とを備え、
前記パルスレーザ光源のパルス光発生タイミングと、前記光学素子の偏光方向の回転タイミングとを制御するとともに、
直線偏光の単一レーザパルスが前記光学素子を通過する際、所定の時間範囲内に通過する部分のみ偏光方向を直角に回転させ、単一レーザパルス中に２つの直交する直線偏光部分を形成し、前記偏光ビームスプリッタによって直交する２つの直線偏光部分を分離することにより、単一レーザパルスをパルス時間幅の短い少なくとも２つのレーザパルスに時間的に分割し、分割したレーザパルスを各々前記被照射物へ照射するようにしたことを特徴とするレーザ照射装置。 - 前記偏光ビームスプリッタで進行方向が分離された２つ偏光成分のうち、少なくとも一方の偏光成分を被照射物まで伝送する伝送光路中に、前記被照射物へのパルス到達時間を遅延するための遅延手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ照射装置。
- 前記パルスレーザ光源は、Qスイッチによってパルス化していることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ照射装置。
- 前記パルスレーザ光源として、固体レーザ媒質を用いた固体レーザを使用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザ照射装置。
- 前記パルスレーザ光源として、前記固体レーザ媒質の第２高調波を使用することを特徴とする請求項４記載のレーザ照射装置。
- 前記偏光ビームスプリッタによって進行方向が分離された偏光方向が直交するレーザパルスを、第２の偏光ビームスプリッタにより再度同一光路に合成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ照射装置。
- 前記光学素子として電気光学素子を用いることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ照射装置。
- 前記光学素子として磁気光学素子を用いることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ照射装置。
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