JP4003995B2

JP4003995B2 - Q-switch type laser device

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Publication number: JP4003995B2
Application number: JP26404498A
Authority: JP
Inventors: 真吾村田
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JP2000077761A

Description

【００１０】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｑスイッチパルスレーザ光を発振出力するＱスイッチ型のレーザ装置に関する。
【００２０】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ装置等の固体レーザ装置は、Ｑスイッチを用いることで、連続発振を尖頭出力値の高い高速繰返しパルス発振に変えることが可能である。ＹＡＧレーザ装置には、一般に、超音波によるブラッグ回折を利用する音響光学Ｑスイッチが使われている。
【００３０】
図８に示すように、音響光学Ｑスイッチ１００は、入射面および出射面に反射防止膜１０２を施された偏光媒体である合成石英ガラス１０４と、この石英ガラス１０４の一面（底面）に接着層１０６を介して結合された超音波発生用の圧電体１０８と、高周波整合回路１１０とから構成される。
【００４０】
Ｑスイッチ・ドライバ１１２よりたとえば２４ＭＨｚ、５０Ｗの高周波電気信号ＥＳが整合回路１１０を介して圧電体１０８に与えられると、ピエゾ効果によって高周波電気信号ＥＳが超音波ＡＳに変換され、その超音波ＡＳが石英ガラス１０４内を伝播する。そうすると、光弾性効果により石英ガラス１０４内に周期的な屈折率分布が生じ、ここに適当な角度で光ＬＢi を入射させると、入射した光ＬＢi がＬＢR のように回折される（音響光学効果）。
【００５０】
図９にＹＡＧレーザ共振器の構成を示す。楕円反射鏡筒１１４内の一対の楕円焦点位置にＹＡＧロッド１１６および励起ランプ１１８が平行に配置される。ＹＡＧロッド１１６の両端面と対向して出力ミラー１２０および全反射ミラー１２２が配置され、ＹＡＧロッド１１６の一端面と出力ミラー１２０との間にＱスイッチ１００が配置される。
【００６０】
上記のように高周波電気信号ＥＳがＱスイッチ１００に入力されて石英ガラス１０４内を超音波ＡＳが伝播すると、ＹＡＧロッド１１６からのレーザ光ＬＢi の一部がＱスイッチ１００で回折され、レーザ共振器の損失が増加してＱ値が下がり、レーザ発振が停止する。
【００７０】
しかし、レーザ発振が止まっても、励起ランプ１１８によるＹＡＧロッド１１６の励起は継続されているため、レーザ発振器内の励起エネルギーは増大し、かつ蓄積される。そして、この蓄積された励起エネルギーが十分に大きくなった時に高周波電気信号ＥＳを遮断して急激にＱ値を戻すと、レーザ共振器でパルス発振が起こり、きわめてピークパワー（尖頭出力）の高いＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ が得られる。
【００８０】
実際の応用では、図１０に示すような所望の繰り返し周波数（変調周波数）を有するパルス信号ＭＰで振幅変調された高周波電気信号ＥＳをＱスイッチ１００に供給し、これによって該繰り返し周波数でＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ を発振出力させるようにしている。
【００９０】
ところが、このようなＱスイッチ型の固体レーザ装置では、励起エネルギー蓄積時間（高周波電気信号ＥＳのオン期間）の長さに依存して、その直後のＱスイッチング開始時の反転分布が変化し、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーが変化するという特性がある。
【０１００】
このため、レーザ発振の開始または再開直後では概してレーザ共振器内の蓄積エネルギーが飽和値になっている状態でＱスイッチングが行われるのに対して、それ以降の定常時では概して蓄積エネルギーが飽和値に達する前にＱスイッチングが行われるので、図１０に示すように最初のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーが定常時のものよりも異常に高くなりやすい。
【０１１０】
このようなＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーにおける不所望なばらつきは、実際の応用たとえばレーザマーキング装置では印字ドットのばらつきを来すため、好ましくない現象とされている。
【０１２０】
そこで、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを自在に可変制御するための技法が従来より種々考案されている。その中の１つの方式は、図１１に示すように、パルス信号ＭＰの振幅を可変制御して、高周波電気信号ＥＳのオフ期間中の振幅を定常レベル（オン期間中のレベル）と零レベルとの間で所望のレベルに選択する方法である。
【０１３０】
この方式によれば、変調パルスＭＰの振幅レベルが所定のしきい値ＡS よりも高いときは、オフ期間中の高周波電気信号ＥＳの振幅レベルは零になり、レーザ共振器のＱ値は最大値に戻される。しかし、変調パルスＭＰの振幅レベルがしきい値ＡS よりも低いときは、その変調パルスＭＰで振幅変調された高周波電気信号ＥＳの振幅レベルは零まで下がらず不完全なオフ状態となり、Ｑ値は中間値までしか戻らない。これにより、Ｑスイッチパルス発振が弱まり、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーが抑制される。
【０１４０】
この方式を用いると、図１１に示すように、レーザ発振の開始または再開直後からＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを一定に揃えることが可能である。あるいは、定常時において、特定のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを他のもののピークパワーよりも所定値だけ高くしたり低くすることも可能である。
【０１５０】
従来のこの種固体レーザ装置では、上記の方式を実現するために、変調パルス生成回路において、パルス増幅回路を構成する演算増幅器に接続される入力抵抗または帰還抵抗をアナログスイッチ等の切換手段で切り換えて、増幅率を可変制御することによって、変調パルスＭＰの振幅を可変制御するようにしていた。
【０１６０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のＱスイッチ型レーザ装置では、回路規模や周波数特性等の制限から演算増幅器の入力抵抗または帰還抵抗を段階的（通常は２〜３段階程度）にしか切り換えできないため、変調パルスＭＰの振幅を精細に可変制御することが難しく、ひいてはＱスイッチパルスレーザ光のピークパワーを精細に可変制御することが難しかった。
【０１７０】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、レーザ発振器内のＱスイッチに供給される高周波電気信号を振幅変調するための変調用パルス信号の振幅を精細かつ高精度に制御し、Ｑスイッチパルスレーザ光のピークパワーを精細かつ高精度に制御できるようにしたＱスイッチ型レーザ装置を提供することを目的とする。
【０１８０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、レーザ共振器内にＱスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で振幅変調された一定周波数の高周波電気信号を前記Ｑスイッチに供給し、前記パルス信号の振幅を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるＱスイッチパルスレーザ光のピークパワーを制御するようにしたＱスイッチ型レーザ装置において、前記繰り返し周波数を有し、かつ一定の振幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、演算増幅器とこの演算増幅器に接続された入力抵抗および帰還抵抗とを含み、前記入力抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値との比率に応じた増幅率で前記基準パルスを増幅して前記パルス信号を出力するパルス増幅回路と、電気的に駆動されて発光する発光素子と、前記帰還抵抗に含まれ、前記発光素子より光を照射されるとその照度に応じて抵抗値が変化する第１の光導電性抵抗素子と、前記発光素子を電気的に駆動し、かつ前記演算増幅器の出力端子より所望の振幅を有する前記パルス信号が得られるように前記発光素子の光出力を制御する光出力制御回路とを具備する構成とした。
【０１９０】
また、請求項２に記載の発明は、レーザ共振器内にＱスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で振幅変調された一定周波数の高周波電気信号を前記Ｑスイッチに供給し、前記パルス信号の振幅を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるＱスイッチパルスレーザ光のピークパワーを制御するようにしたＱスイッチ型レーザ装置において、前記繰り返し周波数を有し、かつ一定の振幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、演算増幅器とこの演算増幅器に接続される入力抵抗および帰還抵抗とを含み、前記入力抵抗の抵抗値と前記帰還抵抗の抵抗値との比率に応じた増幅率で前記基準パルスを増幅して、前記パルス信号を出力するパルス増幅回路と、電気的に駆動されて発光する発光素子と、前記入力抵抗に含まれ、前記発光素子より光を照射されるとその照度に応じて抵抗値が変化する第１の光導電性抵抗素子と、前記発光素子を電気的に駆動し、かつ前記演算増幅器の出力端子より所望の振幅を有する前記パルス信号が得られるように前記発光素子の光出力を制御する光出力制御回路とを具備する構成とした。
【０２００】
また、請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２に記載のＱスイッチ型レーザ装置において、前記光出力制御回路が、前記発光素子の光出力を制御するための電圧レベルを有する制御信号と一定の基準電圧とを入力し、その差分を増幅する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電流を増幅して前記発光素子を駆動するための駆動電流を出力する電流ブースタとを有する構成とした。
【０２１０】
また、請求項４に記載の発明は、上記請求項３に記載のＱスイッチ型レーザ装置において、前記光出力制御回路が、前記差動増幅器の前記制御信号を入力する入力端子と所定の基準電圧を与える端子との間に接続され、かつ前記第１の光導電性抵抗素子と一緒に前記発光素子からの光を照射されその照度に応じて抵抗値が変化する第２の光導電性抵抗素子とを有する構成とした。
【０２２０】
【実施例】
以下、図１〜図７を参照して本発明の実施例を説明する。
【０２３０】
図１に、本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のＱスイッチ型ＹＡＧレーザ加工装置の要部の構成を示す。
【０２４０】
このＹＡＧレーザ加工装置において、ＹＡＧロッド１０、励起ランプ１２、出力ミラー１４、全反射ミラー１６およびＱスイッチ１８は、図９に示したものと同様のＹＡＧレーザ共振器（発振器）１９を構成する。
【０２５０】
励起ランプ１２は、電源回路２０より連続発振用の電力の供給を受けて連続発光する。ＹＡＧロッド１０は、励起ランプ１２より照射された光で励起され、その両端面より軸方向に光を出射する。
【０２６０】
Ｑスイッチ１８において高周波電気信号ＥＳの印加が止められると、ＹＡＧロッド１０の両端面より出た光は、Ｑスイッチ１８を通って出力ミラー１４と全反射ミラー１６との間で反射を繰り返して共振増幅ののちＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ として出力ミラー１４を軸方向に抜け出る。出力ミラー１４より出射されたＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ は、ミラーまたは光ファイバ等の伝送光学系（図示せず）を通ってスキャニングユニット２２へ送られる。
【０２７０】
スキャニングユニット２２は、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のビームスポットを被加工材Ｗ上で所望の描画パターンでスキャニングするための光学スキャニング機構およびスキャング駆動回路等を内蔵している。
【０２８０】
Ｑスイッチ１８は、図８に示したものと同様の構成および機能を有する音響光学Ｑスイッチでよい。したがって、このＱスイッチ１８は、Ｑスイッチ制御部２４の制御の下でＱスイッチ・ドライバ２６より高周波電気信号ＥＳを供給されている間はＹＡＧロッド１０からの入射光ＬＢi を音響光学効果により回折させて（Ｑ値を下げて）レーザ共振器内の励起エネルギー（反転分布）を蓄積増大させておき、高周波電気信号ＥＳの供給を断たれると入射光ＬＢi を直進させて（Ｑ値を戻して）蓄積していた励起エネルギーで一気にレーザ発振させ、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ を発振出力させるように機能する。
【０２９０】
主制御部２８はマイクロコンピュータからなり、内蔵のメモリに蓄積されている所要のプログラムおよび設定部３０より設定入力された各種設定値にしたがって、電源回路２０、スキャニングユニット２２およびＱスイッチ制御部２４等の動作を制御する。
【０３００】
図２に、本実施例におけるＱスイッチ制御部２４の回路構成を示す。このＱスイッチ制御部２４は、パルス発生器３２、パルス整形回路３４、変調パルス生成回路３６、高周波発振器３８および変調回路４０を有している。
【０３１０】
パルス発生器３２は、たとえばＶ−Ｆ（電圧−周波数）コンバータからなり、主制御部２８からの周波数制御電圧ｖｓを入力し、この制御電圧ｖｓの電圧レベルに比例した繰り返し周波数でパルス信号ＳＰを発生する。
【０３２０】
図３に模式的に示すように、パルス発生器３２より発生されるパルス信号ＳＰにおいては、そのパルス幅ＴSPが繰り返し周波数に反比例して変化する。すなわち、繰り返し周波数が低いほどパルス幅ＴSPが大きく、繰り返し周波数が高くなるほどパルス幅ＴSPが小さくなる。
【０３３０】
パルス整形回路３４はたとえばワンショット・マルチバイプレータからなり、パルス発生器３２からのパルス信号ＳＰを入力し、図３に示すようにパルス信号ＳＰの立ち上がりエッジに応動して一定のパルス幅ＴW および一定の振幅Ａ0 を有するパルス信号ＣＰを出力する。
【０３４０】
本実施例では、パルス発生器３２およびパルス整形回路３４が基準パルス信号生成手段を構成し、パルス整形回路３４より出力されるパルス信号ＣＰが基準パルスとなる。
【０３５０】
なお、図３では、本実施例における基準パルス信号生成手段の機能を説明するうえでパルス発生器３２に対する周波数制御電圧ｖｓのレベルを時間的に単調増加させているが、実際の応用ではＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ の繰り返し周波数の設定値に対応した電圧レベルに周波数制御電圧ｖｓを維持する。
【０３６０】
変調パルス生成回路３６は、パルス整形回路３４からのパルス信号ＣＰを入力し、図３に模式的に示すようにパルス信号ＣＰに同期し、かつ個々のパルスについて振幅レベルを可変制御できる変調用のパルス信号ＭＰを生成する。変調パルス生成回路３６は本実施例の主たる特徴をなす部分であり、その構成および作用については後に詳述する。
【０３７０】
変調回路４０は、変調パルス生成回路３６からの変調用パルス信号ＭＰを入力するとともに、高周波発振器３８よりたとえば２４ＭＨｚ、５０Ｗで連続的に出力される高周波電気信号ＥＳ0 を搬送波として入力し、図１０および図１１に示したものと同様の仕方で高周波電気信号ＥＳ0 をパルス信号ＭＰで振幅変調してＱスイッチング用の高周波電気信号ＥＳを生成する。
【０３８０】
Ｑスイッチ・ドライバ２６は、図８に示すものと同様の構成および機能を有するパワーアンプ型の駆動回路でよく、変調回路４０からの高周波電気信号ＥＳを電力増幅してＱスイッチ１８に供給する。
【０３９０】
図４に、本実施例における変調パルス生成回路３６の回路構成を示す。この変調パルス生成回路３６において、演算増幅器４２と、この演算増幅器に接続された入力抵抗４４，バイアス抵抗４６および帰還抵抗４８とによって、非反転型のパルス増幅回路５０が構成されている。
【０４００】
より詳細には、演算増幅器４２の非反転入力端子（＋）は、入力抵抗４４を介してパルス整形回路３４（図２）の出力端子に接続されている。演算増幅器４２の反転入力端子（−）は、バイアス抵抗４６を介してグランド電位に接続されている。演算増幅器４２の出力端子と非反転入力端子（＋）との間に帰還抵抗４８が接続されている。
【０４１０】
帰還抵抗４８は、抵抗５２、５４，５６，５８からなる。これらの抵抗の中、５４，５８は普通の固定抵抗であり、５６は手動式バリオーム抵抗であり、５２は光導電性抵抗素子たとえばＣｄＳ抵抗素子である。
【０４２０】
抵抗５２，５４，５６が直列接続され、この直列抵抗（５２，５４，５６）と抵抗５８とが並列接続されている。したがって、抵抗５２、５４，５６，５８の抵抗値をそれぞれＲ52，Ｒ54，Ｒ56，Ｒ58とすると、帰還抵抗４８の抵抗値Ｒ0 は、次の式（１）で与えられる。
Ｒ0 ＝（Ｒ52＋Ｒ54＋Ｒ56）・Ｒ58／（Ｒ52＋Ｒ54＋Ｒ56＋Ｒ58）……（１）
【０４３０】
入力抵抗４４の抵抗値をＲ44とすると、パルス増幅回路５０の増幅率μは次の式（２）で与えられる。
μ＝Ｒ0 ／Ｒ44 ……………（２）
【０４４０】
本実施例では、後述するように、上式（１）の右辺におけるＣｄｓ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52を主制御部２８からの制御信号ｈｃによって連続的に可変制御できるようにしており、これにより制御信号ｈｃによって帰還抵抗４８の全抵抗値Ｒ0 ひいてはパルス増幅回路５０の増幅率μを連続的に可変制御できるようになっている。
【０４５０】
上式（１），（２）から、ＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52とパルス増幅回路５０の増幅率μとは図５に模式的に示すようにほぼ比例関係にあり、Ｒ52を大きくするほどμが大きくなり、Ｒ52を小さくするほどμが小さくなる。
【０４６０】
ＣｄＳ抵抗素子５２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）６０と光学的に結合し、フォトカプラを構成している。ＬＥＤ６０が発光すると、その光の一部Ｌa がＣｄＳ抵抗素子５２に照射し、その照度に応じてＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52がほぼ比例関係をもって変化する。したがって、光Ｌa の照度を高くするとＲ52が小さくなり、光Ｌa の照度を低くするとＲ52が大きくなる。
【０４７０】
本実施例において、ＬＥＤ６０を駆動し、かつその光出力を制御するための光出力制御回路６２は、演算増幅器６４と入力抵抗６３およびバイアス抵抗６６，６８とからなる差動増幅回路７０と、トランジスタ７２と抵抗７４，７６とからなる電流ブースタ７８と、ＬＥＤ保護用ダイオード８０とから構成されている。
【０４８０】
主制御部（図２）よりＤ−Ａ変換器（図示せず）を介してアナログの電圧信号として与えられる制御信号ｈｃは、入力抵抗６３およびバイアス抵抗６８で分圧されて演算増幅器６４の非反転入力端子（＋）に入力される。演算増幅器６４の反転入力端子（−）は、バイアス抵抗６６を介してグランド電位に接続されている。演算増幅器６４は、非反転入力端子（＋）に入力した電圧と反転入力端子（−）に入力する電圧（グランド電位）との差分を所定の増幅率で増幅する。
【０４９０】
電流ブースタ７８は、演算増幅器６４の出力電流を所定の増幅率で増幅し、増幅した電流を駆動電流Ｉd としてＬＥＤ６０に供給する。
【０５００】
演算増幅器６４の非反転入力端子（＋）と負極性の電源電圧−Ｖc との間に接続されているバイアス抵抗６８は、光導電性抵抗素子たとえばＣｄＳ抵抗素子からなり、ＬＥＤ６０と光学的に結合し、フォトカプラを構成している。
【０５１０】
上記パルス増幅回路５０における帰還抵抗４８の中のＣｄＳ抵抗素子５２と同様に、ＬＥＤ６０が発光すると、その光の一部Ｌb がＣｄＳ抵抗素子６８に照射し、その照度に応じてＣｄＳ抵抗素子６８の抵抗値Ｒ68が逆比例関係で変化し、Ｌb の照度を高くするほどＲ68が小さくなり、Ｌb の照度を低くするほどＲ68が大きくなる。
【０５２０】
上記のような特性により、バイアス抵抗６８は、光出力制御回路６２において負極性のフィードバック回路を構成している。すなわち、制御信号ｈｃの電圧レベルを高くすると、演算増幅器６４の非反転入力端子（＋）の入力電圧が高くなって、駆動電流Ｉd が大きくなり、ＬＥＤ６０の光出力が増大し、バイアス抵抗（ＣｄＳ抵抗素子）６８に対する光Ｌb の照度が増大し、バイアス抵抗（ＣｄＳ抵抗素子）６８の抵抗値Ｒ68が小さくなる。その結果、制御信号ｈｃに対するバイアス抵抗６８の分圧比が小さくなり、演算増幅器６４の非反転入力端子（＋）の入力電圧を下げる方向に作用する。
【０５３０】
また、バイアス抵抗（ＣｄＳ抵抗素子）６８は、ＬＥＤ６０および上記パルス増幅回路５０における帰還抵抗４８の中のＣｄＳ抵抗素子５２と一緒にプラスチック樹脂のモールド８２で覆われている。これによって、バイアス抵抗（ＣｄＳ抵抗素子）６８は、帰還抵抗４８の中のＣｄｓ抵抗素子５２と熱的に結合され、ＣｄＳ抵抗素子５２の温度特性を補償するように機能する。
【０５４０】
すなわち、周囲温度が高くなるにつれてＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52は所定の温度−抵抗変化率で上昇する。このＲ52の上昇は、パルス増幅回路５０の増幅率μを不所望に増大させるように作用する。しかし、このとき、ＣｄＳ抵抗素子６８も同様の温度−抵抗変化率で同程度に上昇する。そうすると、制御信号ｈｃに対するバイアス抵抗６８の分圧比が大きくなり、演算増幅器６４の非反転入力端子（＋）の入力電圧が上がる。これは、駆動電流Ｉd を大きくさせ、ＬＥＤ６０の光出力を増大させ、ＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52を下げるように作用する。
【０５５０】
周囲温度が低くなったときは、ＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52は下がろうとするが、ＣｄＳ抵抗素子６８が上記と逆方向に作用することにより、ＣｄＳ抵抗素子５２の温度特性が補償される。
【０５６０】
図６に、本実施例の光出力制御回路６２およびパルス増幅回路５０において、主制御部２８より与えられる制御信号ｈｃの電圧レベルに対するパルス増幅回路５０の増幅率μの特性を示す。
【０５７０】
上記したように、光出力制御回路６２では、ＬＥＤ６０が制御信号ｈｃの電圧レベルにほぼ比例する駆動電流Ｉd によって駆動され、かつその駆動電流Ｉd の電流値に応じた光出力で発光する。パルス増幅回路５０では、帰還抵抗４８の中のＣｄＳ抵抗素子５２の抵抗値Ｒ52がＬＥＤ６０からの光の照度とは逆比例関係にあり、増幅率μとは比例関係にある。
【０５８０】
したがって、図６に示すように、制御信号ｈｃの電圧レベルとパルス増幅回路５０の増幅率μとは逆比例関係にあり、ｈｃを小さくするとμは小さくなり、ｈｃを大きくするとμは小さくなる。上記したように、ＣｄＳ抵抗素子６８の温度補償機能により、この関係（特性）は周囲温度に対して安定している。
【０５９０】
これにより、主制御部２８は、制御信号ｈｃの電圧レベルを可変制御することで、パルス増幅回路５０の増幅率μを精細かつ高精度に可変制御し、ひいては変調用パルス信号ＭＰの振幅を精細かつ高精度に可変制御することができる。
【０６００】
たとえば、パルス整形回路３４で生成する基準パルスＣＰの振幅Ａ0 を変調回路４０における振幅変調のしきい値Ａs よりも高いレベルに設定したときは、図７に示すように、μ≦１の範囲内でμを可変制御し、変調用パルス信号ＭＰの振幅ＡをＡ≦Ａs の範囲内で可変制御してよい。
【０６１０】
一般に、レーザマーキング加工においては、図１０に示したようにレーザ発振開始または再開直後の最初の１発ないし数発のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ が定常時のものよりも以上に高くなるのが問題とされている。すなわち、マーキング始点付近のドットが後続の描画点のドットよりも異常に大きく形成されるという問題である。
【０６２０】
本実施例では、主制御部２８がレーザマーキング動作のシーケンスを管理し、マーキングの各ストロークおいて個々のパルス毎に制御信号ｈｃの電圧レベルを適当な値に選択することにより、個々の変調パルスＭＰの振幅Ａを所望の値に選択し、個々のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを精細に設定通りに抑制することができる。これによって、レーザ発振開始または再開直後の最初の１発ないし数発のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーをそれぞれ適度な加減で抑制して定常時のピークパワーに高い精度で揃えることができる。
【０６３０】
したがって、レーザマーキングにおいて、各Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーをほぼ均一に揃え、各ストローク内のマーキングドットをほぼ均一の大きさに形成し、マーキング品質を向上させることができる。
【０６４０】
また、本実施例の光出力制御回路６２およびパルス増幅回路５０は、増幅率を可変制御する手段としてアナログスイッチ等の切換手段を含まず、比較的簡易かつ小規模な回路構成で実現されている。
【０６５０】
上記した実施例では、パルス増幅回路５０の帰還抵抗４８にＣｄＳ抵抗素子５２および光出力制御回路６２を設けた。しかし、パルス増幅回路５０の入力抵抗４４にＣｄＳ抵抗素子５２および光出力制御回路６２を設ける構成でも、上記と同様の作用効果が得られる。
【０６６０】
また、Ｑスイッチ制御部２４および主制御部２８内の全体または各部の構成も種々変形できる。レーザ発振器１９の構成も種々変形可能である。たとえば、励起ランプ１２を半導体レーザに置き換えることができる。上記実施例のレーザマーキング用ＹＡＧレーザ加工装置は一例であり、本発明は任意のＱスイッチ型レーザ装置に適用可能である。
【０６７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＱスイッチ型レーザ装置によれば、変調用パルス信号を生成するためのパルス増幅回路において演算増幅器の帰還抵抗または入力抵抗に光導電性抵抗素子を設け、その光導電性抵抗素子に光を照射する発光素子の光出力を電気的に制御することによって光導電性抵抗素子の抵抗値を連続的に可変制御するようにしたので、変調用パルス信号の振幅ひいてはＱスイッチパルスレーザ光のピークパワーを精細かつ高精度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のＱスイッチ型ＹＡＧレーザ加工装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例におけるＱスイッチ制御部の回路構成を示すブロック図である。
【図３】実施例のＱスイッチ制御部におけるパルス発生器、パルス整形回路および変調パルス生成回路の機能を説明するための各部の信号の波形を示す波形図である。
【図４】実施例における変調パルス生成回路内の回路構成を示す回路図である。
【図５】実施例のパルス増幅回路におけるＣｄｓ抵抗素子の抵抗値と増幅率との関係を示す図である。
【図６】実施例における制御信号の電圧レベルとパルス増幅回路の増幅率との関係を示す図である。
【図７】実施例における基準パルスの振幅と変調用パルス信号の振幅との関係を示す図である。
【図８】音響光学Ｑスイッチの構成を示す図である。
【図９】ＹＡＧレーザ共振器の構成を示す斜視図である。
【図１０】音響光学Ｑスイッチに供給する高周波電気信号をパルス信号で変調する方式を説明するための波形図である。
【図１１】Ｑスイッチパルスレーザ光のピークパワーを制御するために変調用パルス信号の振幅を可変制御する方式を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１８Ｑスイッチ
１９ＹＡＧレーザ共振器（発振器）
２４Ｑスイッチ制御部
２８主制御部
３２パルス発生器
３４パルス整形回路
３６変調パルス生成回路
３８高周波発振器
４０変調回路
４２演算増幅器
４４入力抵抗
４８帰還抵抗
５０パルス増幅回路
５２光導電性抵抗素子（ＣｄＳ抵抗素子）
６２光出力制御回路
６８バイアス抵抗（ＣｄＳ抵抗素子）
７０差動増幅回路
７８電流ブースタ[0010]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Q-switch type laser device that oscillates and outputs a Q-switch pulse laser beam.
[0020]
[Prior art]
A solid-state laser device such as a YAG laser device can change continuous oscillation to high-speed repetitive pulse oscillation with a high peak output value by using a Q switch. The YAG laser device generally uses an acousto-optic Q switch that utilizes Bragg diffraction by ultrasonic waves.
[0030]
As shown in FIG. 8, the acousto-optic Q switch 100 includes a synthetic quartz glass 104 that is a polarizing medium having an entrance surface and an exit surface provided with an antireflection film 102, and an adhesive layer on one surface (bottom surface) of the quartz glass 104. A piezoelectric body 108 for generating ultrasonic waves and a high-frequency matching circuit 110 coupled via 106 are formed.
[0040]
When a high frequency electrical signal ES of 24 MHz, 50 W, for example, is given from the Q switch driver 112 to the piezoelectric body 108 via the matching circuit 110, the high frequency electrical signal ES is converted into an ultrasonic wave AS by the piezoelectric effect, and the ultrasonic wave AS is converted into the ultrasonic wave AS. Propagates through the quartz glass 104. Then, a periodic refractive index distribution is generated in the quartz glass 104 by the photoelastic effect, and when the light LBi is incident at an appropriate angle, the incident light LBi is diffracted as LBR (acoustooptic effect). .
[0050]
FIG. 9 shows the configuration of the YAG laser resonator. A YAG rod 116 and an excitation lamp 118 are arranged in parallel at a pair of elliptical focal positions in the elliptical reflecting column 114. The output mirror 120 and the total reflection mirror 122 are disposed to face both end surfaces of the YAG rod 116, and the Q switch 100 is disposed between the one end surface of the YAG rod 116 and the output mirror 120.
[0060]
As described above, when the high frequency electrical signal ES is input to the Q switch 100 and the ultrasonic wave AS propagates in the quartz glass 104, a part of the laser light LBi from the YAG rod 116 is diffracted by the Q switch 100, and the laser resonator. Loss increases, the Q value decreases, and laser oscillation stops.
[0070]
However, even when the laser oscillation stops, the excitation of the YAG rod 116 by the excitation lamp 118 is continued, so that the excitation energy in the laser oscillator increases and is accumulated. When the accumulated excitation energy becomes sufficiently large and the high-frequency electrical signal ES is cut off and the Q value is rapidly returned, pulse oscillation occurs in the laser resonator, and the peak power (peak output) is extremely high. Q-switched pulsed laser light LBQ is obtained.
[0080]
In actual application, a high-frequency electric signal ES amplitude-modulated with a pulse signal MP having a desired repetition frequency (modulation frequency) as shown in FIG. 10 is supplied to the Q switch 100, thereby Q-switch pulse at the repetition frequency. The laser beam LBQ is oscillated and output.
[0090]
However, in such a Q-switch type solid-state laser device, the inversion distribution at the start of Q switching immediately after that changes depending on the length of the excitation energy storage time (the on period of the high-frequency electrical signal ES), and Q There is a characteristic that the peak power of the switch pulse laser beam LBQ changes.
[0100]
Therefore, immediately after the start or restart of laser oscillation, Q switching is generally performed in a state where the stored energy in the laser resonator is at a saturation value, whereas the stored energy is generally at a saturation value in the subsequent steady state. Since Q switching is performed before reaching the peak value, the peak power of the first Q-switch pulse laser beam LBQ tends to be abnormally higher than that in the steady state as shown in FIG.
[0110]
Such an undesired variation in the peak power of the Q-switched pulsed laser beam LBQ is an undesirable phenomenon because it causes variations in printed dots in an actual application such as a laser marking device.
[0120]
Therefore, various techniques for variably controlling the peak power of the Q switch pulse laser beam LBQ have been devised. One method is to variably control the amplitude of the pulse signal MP as shown in FIG. 11 so that the amplitude of the high-frequency electrical signal ES during the off period is a steady level (level during the on period) and zero level. Is a method of selecting a desired level between.
[0130]
According to this method, when the amplitude level of the modulation pulse MP is higher than the predetermined threshold value AS, the amplitude level of the high-frequency electric signal ES during the off period becomes zero, and the Q value of the laser resonator is the maximum value. Returned to However, when the amplitude level of the modulation pulse MP is lower than the threshold value AS, the amplitude level of the high-frequency electric signal ES amplitude-modulated by the modulation pulse MP is not lowered to zero and is incompletely off, and the Q value is It only returns to the intermediate value. Thereby, the Q switch pulse oscillation is weakened and the peak power of the Q switch pulse laser beam LBQ is suppressed.
[0140]
When this method is used, as shown in FIG. 11, the peak power of the Q-switch pulse laser beam LBQ can be made constant immediately after the start or restart of laser oscillation. Alternatively, the peak power of a specific Q-switch pulse laser beam LBQ can be made higher or lower by a predetermined value than the other peak powers in a steady state.
[0150]
In this type of conventional solid-state laser device, in order to realize the above method, in the modulation pulse generation circuit, the input resistance or feedback resistance connected to the operational amplifier constituting the pulse amplification circuit is switched by a switching means such as an analog switch. Thus, the amplitude of the modulation pulse MP is variably controlled by variably controlling the amplification factor.
[0160]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional Q-switch type laser device as described above, the input resistance or feedback resistance of the operational amplifier can be switched only in stages (usually about 2 to 3 stages) due to limitations on circuit scale, frequency characteristics, etc. It is difficult to finely variably control the amplitude of the modulation pulse MP, and it is difficult to finely variably control the peak power of the Q switch pulse laser beam.
[0170]
The present invention has been made in view of such problems, and controls the amplitude of a modulation pulse signal for amplitude-modulating a high-frequency electric signal supplied to a Q switch in a laser oscillator with high precision and precision. It is an object of the present invention to provide a Q-switch type laser device that can control the peak power of a switch pulse laser beam precisely and with high precision.
[0180]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention is a high-frequency electric device having a constant frequency which is provided with a Q switch in a laser resonator and amplitude-modulated with a pulse signal having a desired repetition frequency. In a Q-switch type laser apparatus configured to control a peak power of a Q-switch pulse laser beam oscillated and output from the laser resonator by supplying a signal to the Q switch and controlling an amplitude of the pulse signal, A reference pulse signal generating means for generating a reference pulse having a rectangular waveform having a repetition frequency and a constant amplitude; an operational amplifier; and an input resistor and a feedback resistor connected to the operational amplifier; The reference pulse is amplified at an amplification factor corresponding to the ratio between the resistance value of the feedback resistor and the resistance value of the feedback resistor, and the pulse signal is output. A circuit, a light emitting element that is electrically driven to emit light, and a first photoconductive resistance element that is included in the feedback resistor and whose resistance value changes according to illuminance when irradiated with light from the light emitting element And a light output control circuit that electrically drives the light emitting element and controls the light output of the light emitting element so that the pulse signal having a desired amplitude is obtained from the output terminal of the operational amplifier. The configuration.
[0190]
According to a second aspect of the present invention, a Q switch is provided in the laser resonator, a high-frequency electric signal having a constant frequency modulated with a pulse signal having a desired repetition frequency is supplied to the Q switch, and the pulse In the Q-switch type laser device that controls the peak power of the Q-switch pulse laser beam oscillated and output from the laser resonator by controlling the amplitude of the signal, the Q-switch type laser device has the repetition frequency and has a constant amplitude. A reference pulse signal generating means for generating a reference pulse having a rectangular waveform having an operational amplifier, an input resistor and a feedback resistor connected to the operational amplifier, and a resistance value of the input resistor and a resistance value of the feedback resistor; A pulse amplification circuit for amplifying the reference pulse at an amplification factor according to the ratio of the output and outputting the pulse signal; A light-emitting element that is included in the input resistor and that changes its resistance according to the illuminance when irradiated with light from the light-emitting element, and electrically drives the light-emitting element And a light output control circuit for controlling the light output of the light emitting element so that the pulse signal having a desired amplitude is obtained from the output terminal of the operational amplifier.
[0200]
According to a third aspect of the present invention, in the Q-switched laser device according to the first or second aspect, the light output control circuit has a voltage level for controlling the light output of the light emitting element. A differential amplifier that inputs a signal and a constant reference voltage and amplifies the difference; and a current booster that amplifies an output current of the differential amplifier and outputs a driving current for driving the light emitting element. The configuration.
[0210]
According to a fourth aspect of the present invention, in the Q-switched laser apparatus according to the third aspect, the optical output control circuit includes an input terminal for inputting the control signal of the differential amplifier and a predetermined reference voltage. A second photoconductive resistive element connected between the first and second photoconductive resistive elements, and having a resistance value that varies in accordance with the illuminance when irradiated with light from the light emitting element together with the first photoconductive resistive element. It was set as the structure which has.
[0220]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0230]
FIG. 1 shows a configuration of a main part of a Q-switch type YAG laser processing apparatus for scanning marking according to an embodiment of the present invention.
[0240]
In this YAG laser processing apparatus, the YAG rod 10, the excitation lamp 12, the output mirror 14, the total reflection mirror 16, and the Q switch 18 constitute a YAG laser resonator (oscillator) 19 similar to that shown in FIG.
[0250]
The excitation lamp 12 receives continuous power from the power supply circuit 20 and continuously emits light. The YAG rod 10 is excited by the light irradiated from the excitation lamp 12, and emits light in the axial direction from both end faces thereof.
[0260]
When the application of the high-frequency electrical signal ES is stopped in the Q switch 18, the light emitted from both end faces of the YAG rod 10 repeats reflection between the output mirror 14 and the total reflection mirror 16 through the Q switch 18 and resonates. After amplification, the output mirror 14 exits in the axial direction as Q-switched pulsed laser light LBQ. The Q-switch pulse laser beam LBQ emitted from the output mirror 14 is sent to the scanning unit 22 through a transmission optical system (not shown) such as a mirror or an optical fiber.
[0270]
The scanning unit 22 includes an optical scanning mechanism for scanning the beam spot of the Q switch pulse laser beam LBQ with a desired drawing pattern on the workpiece W, a scanning drive circuit, and the like.
[0280]
The Q switch 18 may be an acousto-optic Q switch having the same configuration and function as those shown in FIG. Therefore, the Q switch 18 diffracts the incident light LBi from the YAG rod 10 by the acoustooptic effect while the high frequency electrical signal ES is supplied from the Q switch driver 26 under the control of the Q switch control unit 24. (Lowering the Q value), the excitation energy (inversion distribution) in the laser resonator is accumulated and increased, and when the supply of the high-frequency electric signal ES is cut off, the incident light LBi advances straight (returns the Q value). ) It functions to oscillate and output the Q-switched pulsed laser beam LBQ at once by laser oscillation with the accumulated excitation energy.
[0290]
The main control unit 28 is composed of a microcomputer, and in accordance with a required program stored in a built-in memory and various setting values set and inputted from the setting unit 30, the power supply circuit 20, the scanning unit 22, the Q switch control unit 24, etc. To control the operation.
[0300]
FIG. 2 shows a circuit configuration of the Q switch control unit 24 in the present embodiment. The Q switch control unit 24 includes a pulse generator 32, a pulse shaping circuit 34, a modulation pulse generation circuit 36, a high frequency oscillator 38, and a modulation circuit 40.
[0310]
The pulse generator 32 is composed of, for example, a VF (voltage-frequency) converter, receives the frequency control voltage vs from the main control unit 28, and outputs the pulse signal SP at a repetition frequency proportional to the voltage level of the control voltage vs. appear.
[0320]
As schematically shown in FIG. 3, in the pulse signal SP generated by the pulse generator 32, the pulse width TSP changes in inverse proportion to the repetition frequency. That is, the lower the repetition frequency, the larger the pulse width TSP, and the higher the repetition frequency, the smaller the pulse width TSP.
[0330]
The pulse shaping circuit 34 is composed of, for example, a one-shot multivibrator, receives the pulse signal SP from the pulse generator 32, and has a constant pulse width TW and responsive to the rising edge of the pulse signal SP as shown in FIG. A pulse signal CP having a constant amplitude A0 is output.
[0340]
In the present embodiment, the pulse generator 32 and the pulse shaping circuit 34 constitute reference pulse signal generation means, and the pulse signal CP output from the pulse shaping circuit 34 becomes the reference pulse.
[0350]
In FIG. 3, the level of the frequency control voltage vs. the pulse generator 32 is monotonically increased with time in order to explain the function of the reference pulse signal generation means in this embodiment. The frequency control voltage vs is maintained at a voltage level corresponding to the set value of the repetition frequency of the pulse laser beam LBQ.
[0360]
The modulation pulse generation circuit 36 receives the pulse signal CP from the pulse shaping circuit 34, synchronizes with the pulse signal CP as schematically shown in FIG. 3, and can modulate the amplitude level of each pulse. A pulse signal MP is generated. The modulation pulse generation circuit 36 is a main feature of the present embodiment, and its configuration and operation will be described in detail later.
[0370]
The modulation circuit 40 receives the modulation pulse signal MP from the modulation pulse generation circuit 36, and also inputs, as a carrier wave, a high-frequency electrical signal ES0 that is continuously output from the high-frequency oscillator 38 at, for example, 24 MHz and 50 W. In a manner similar to that shown in FIG. 11, the high frequency electrical signal ES0 is amplitude-modulated with the pulse signal MP to generate a high frequency electrical signal ES for Q switching.
[0380]
The Q switch driver 26 may be a power amplifier type drive circuit having the same configuration and function as those shown in FIG. 8, and amplifies the high frequency electrical signal ES from the modulation circuit 40 and supplies it to the Q switch 18.
[0390]
FIG. 4 shows a circuit configuration of the modulation pulse generation circuit 36 in the present embodiment. In the modulation pulse generating circuit 36, the operational amplifier 42 and the input resistor 44, bias resistor 46, and feedback resistor 48 connected to the operational amplifier constitute a non-inverting pulse amplifier circuit 50.
[0400]
More specifically, the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 42 is connected to the output terminal of the pulse shaping circuit 34 (FIG. 2) via the input resistor 44. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier 42 is connected to the ground potential via the bias resistor 46. A feedback resistor 48 is connected between the output terminal of the operational amplifier 42 and the non-inverting input terminal (+).
[0410]
The feedback resistor 48 includes resistors 52, 54, 56 and 58. Among these resistors, 54 and 58 are ordinary fixed resistors, 56 is a manual variohm resistor, and 52 is a photoconductive resistor element such as a CdS resistor element.
[0420]
The resistors 52, 54, and 56 are connected in series, and the series resistor (52, 54, and 56) and the resistor 58 are connected in parallel. Therefore, if the resistance values of the resistors 52, 54, 56, and 58 are R52, R54, R56, and R58, respectively, the resistance value R0 of the feedback resistor 48 is given by the following equation (1).
R0 = (R52 + R54 + R56) .R58 / (R52 + R54 + R56 + R58) (1)
[0430]
When the resistance value of the input resistor 44 is R44, the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50 is given by the following equation (2).
μ = R0 / R44 (2)
[0440]
In this embodiment, as will be described later, the resistance value R52 of the Cds resistance element 52 on the right side of the above equation (1) can be continuously variably controlled by the control signal hc from the main control unit 28. The control signal hc can continuously and variably control the total resistance value R0 of the feedback resistor 48 and the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50.
[0450]
From the above formulas (1) and (2), the resistance value R52 of the CdS resistance element 52 and the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50 are substantially proportional to each other as schematically shown in FIG. μ increases, and as R52 decreases, μ decreases.
[0460]
The CdS resistance element 52 is optically coupled to the light emitting diode (LED) 60 to constitute a photocoupler. When the LED 60 emits light, a part La of the light is applied to the CdS resistance element 52, and the resistance value R52 of the CdS resistance element 52 changes in a substantially proportional relationship according to the illuminance. Therefore, when the illuminance of the light La is increased, R52 is decreased, and when the illuminance of the light La is decreased, R52 is increased.
[0470]
In this embodiment, the light output control circuit 62 for driving the LED 60 and controlling its light output includes a differential amplifier circuit 70 comprising an operational amplifier 64, an input resistor 63 and bias resistors 66 and 68, a transistor 72 and a current booster 78 composed of resistors 74 and 76, and an LED protection diode 80.
[0480]
A control signal hc supplied as an analog voltage signal from the main control unit (FIG. 2) via a DA converter (not shown) is divided by the input resistor 63 and the bias resistor 68 and the operational amplifier 64 is turned off. Input to the inverting input terminal (+). The inverting input terminal (−) of the operational amplifier 64 is connected to the ground potential via the bias resistor 66. The operational amplifier 64 amplifies the difference between the voltage input to the non-inverting input terminal (+) and the voltage (ground potential) input to the inverting input terminal (−) with a predetermined amplification factor.
[0490]
The current booster 78 amplifies the output current of the operational amplifier 64 with a predetermined amplification factor, and supplies the amplified current to the LED 60 as the drive current Id.
[0500]
A bias resistor 68 connected between the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 64 and the negative power supply voltage −Vc is composed of a photoconductive resistance element such as a CdS resistance element, and is optically coupled to the LED 60. And constitutes a photocoupler.
[0510]
Similarly to the CdS resistor element 52 in the feedback resistor 48 in the pulse amplifier circuit 50, when the LED 60 emits light, a part Lb of the light irradiates the CdS resistor element 68. The resistance value R68 changes in an inversely proportional relationship. R68 increases as the illuminance of Lb increases, and R68 increases as the illuminance of Lb decreases.
[0520]
Due to the above characteristics, the bias resistor 68 constitutes a negative feedback circuit in the light output control circuit 62. That is, when the voltage level of the control signal hc is increased, the input voltage of the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 64 is increased, the drive current Id is increased, the light output of the LED 60 is increased, and the bias resistance (CdS) is increased. The illuminance of the light Lb with respect to the resistance element 68 increases, and the resistance value R68 of the bias resistance (CdS resistance element) 68 decreases. As a result, the voltage dividing ratio of the bias resistor 68 with respect to the control signal hc is reduced, which acts to reduce the input voltage at the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 64.
[0530]
The bias resistor (CdS resistor element) 68 is covered with a plastic resin mold 82 together with the LED 60 and the CdS resistor element 52 in the feedback resistor 48 in the pulse amplification circuit 50. As a result, the bias resistor (CdS resistor element) 68 is thermally coupled to the Cds resistor element 52 in the feedback resistor 48 and functions to compensate for the temperature characteristics of the CdS resistor element 52.
[0540]
That is, as the ambient temperature increases, the resistance value R52 of the CdS resistance element 52 increases at a predetermined temperature-resistance change rate. This rise in R52 acts to undesirably increase the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50. However, at this time, the CdS resistance element 68 also rises to the same extent at the same temperature-resistance change rate. As a result, the voltage dividing ratio of the bias resistor 68 with respect to the control signal hc increases, and the input voltage of the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 64 increases. This acts to increase the drive current Id, increase the light output of the LED 60, and lower the resistance value R52 of the CdS resistance element 52.
[0550]
When the ambient temperature becomes low, the resistance value R52 of the CdS resistance element 52 tends to decrease, but the temperature characteristic of the CdS resistance element 52 is compensated by the CdS resistance element 68 acting in the opposite direction. .
[0560]
FIG. 6 shows the characteristics of the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50 with respect to the voltage level of the control signal hc supplied from the main controller 28 in the optical output control circuit 62 and the pulse amplifier circuit 50 of the present embodiment.
[0570]
As described above, in the light output control circuit 62, the LED 60 is driven by the drive current Id that is substantially proportional to the voltage level of the control signal hc, and emits light with a light output corresponding to the current value of the drive current Id. In the pulse amplifier circuit 50, the resistance value R52 of the CdS resistance element 52 in the feedback resistor 48 is in inverse proportion to the illuminance of light from the LED 60, and in proportion to the amplification factor μ.
[0580]
Therefore, as shown in FIG. 6, the voltage level of the control signal hc and the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50 are in inverse proportion, and μ decreases as hc decreases, and μ decreases as hc increases. As described above, due to the temperature compensation function of the CdS resistance element 68, this relationship (characteristic) is stable with respect to the ambient temperature.
[0590]
As a result, the main control unit 28 variably controls the amplification factor μ of the pulse amplifier circuit 50 by variably controlling the voltage level of the control signal hc, thereby finely controlling the amplitude of the modulation pulse signal MP. In addition, variable control can be performed with high accuracy.
[0600]
For example, when the amplitude A0 of the reference pulse CP generated by the pulse shaping circuit 34 is set to a level higher than the amplitude modulation threshold value As in the modulation circuit 40, as shown in FIG. And variably control μ, and the amplitude A of the modulation pulse signal MP may be variably controlled within the range of A ≦ As.
[0610]
In general, in laser marking processing, as shown in FIG. 10, the first one or several Q-switched pulsed laser beams LBQ immediately after the start or restart of laser oscillation are higher than those in the steady state. It is said that. That is, there is a problem that the dots near the marking start point are formed abnormally larger than the dots at the subsequent drawing points.
[0620]
In this embodiment, the main control unit 28 manages the sequence of the laser marking operation, and selects the voltage level of the control signal hc for each individual pulse in each marking stroke, thereby allowing each modulation pulse to be changed. The amplitude A of the MP can be selected to a desired value, and the peak power of each Q switch pulse laser beam LBQ can be finely suppressed as set. As a result, the peak power of the first to several Q-switched pulsed laser beams LBQ immediately after the start or restart of laser oscillation can be suppressed with moderate adjustment, and can be aligned with the peak power in the steady state with high accuracy.
[0630]
Therefore, in laser marking, the peak power of each Q-switch pulse laser beam LBQ can be made substantially uniform, marking dots in each stroke can be formed in a substantially uniform size, and marking quality can be improved.
[0640]
Further, the light output control circuit 62 and the pulse amplifier circuit 50 of the present embodiment do not include switching means such as an analog switch as means for variably controlling the amplification factor, and are realized with a relatively simple and small circuit configuration. .
[0650]
In the embodiment described above, the CdS resistance element 52 and the light output control circuit 62 are provided in the feedback resistor 48 of the pulse amplifier circuit 50. However, even when the CdS resistance element 52 and the light output control circuit 62 are provided in the input resistor 44 of the pulse amplifier circuit 50, the same effect as described above can be obtained.
[0660]
Also, the configuration of the whole or each part in the Q switch control unit 24 and the main control unit 28 can be variously modified. The configuration of the laser oscillator 19 can be variously modified. For example, the pump lamp 12 can be replaced with a semiconductor laser. The YAG laser processing apparatus for laser marking in the above embodiment is an example, and the present invention can be applied to any Q-switch type laser apparatus.
[0670]
【The invention's effect】
As described above, according to the Q switch type laser apparatus of the present invention, a photoconductive resistance element is provided in a feedback resistor or an input resistor of an operational amplifier in a pulse amplification circuit for generating a modulation pulse signal, and the light The resistance value of the photoconductive resistance element is continuously variably controlled by electrically controlling the light output of the light emitting element that irradiates light to the conductive resistance element. The peak power of the switch pulse laser beam can be controlled precisely and with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a main part of a Q-switch type YAG laser processing apparatus for scanning marking according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a circuit configuration of a Q switch control unit in the embodiment.
FIG. 3 is a waveform diagram showing signal waveforms of respective units for explaining functions of a pulse generator, a pulse shaping circuit, and a modulation pulse generating circuit in the Q switch control unit of the embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a circuit configuration in a modulation pulse generating circuit in the embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a resistance value of a Cds resistance element and an amplification factor in the pulse amplifier circuit according to the embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a voltage level of a control signal and an amplification factor of a pulse amplifier circuit in the embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the amplitude of a reference pulse and the amplitude of a modulation pulse signal in the embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an acousto-optic Q switch.
FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of a YAG laser resonator.
FIG. 10 is a waveform diagram for explaining a method of modulating a high-frequency electrical signal supplied to an acousto-optic Q switch with a pulse signal.
FIG. 11 is a waveform diagram for explaining a method of variably controlling the amplitude of a modulation pulse signal in order to control the peak power of a Q-switch pulse laser beam.
[Explanation of symbols]
18 Q switch
19 YAG laser resonator (oscillator)
24 Q switch controller
28 Main control unit
32 Pulse generator
34 Pulse shaping circuit
36 Modulation pulse generation circuit
38 high frequency oscillator
40 Modulation circuit
42 operational amplifier
44 Input resistance
48 Feedback resistance
50 pulse amplification circuit
52 Photoconductive resistance element (CdS resistance element)
62 Optical output control circuit
68 Bias resistance (CdS resistance element)
70 Differential amplifier circuit
78 Current Booster

Claims

By providing a Q switch in the laser resonator, supplying a high frequency electric signal having a constant frequency modulated with a pulse signal having a desired repetition frequency to the Q switch, and controlling the amplitude of the pulse signal, the laser In the Q-switch type laser device that controls the peak power of the Q-switch pulse laser beam that is oscillated and output from the resonator,
A reference pulse signal generating means for generating a reference pulse of a rectangular waveform having the repetition frequency and having a constant amplitude;
An operational amplifier and an input resistor and a feedback resistor connected to the operational amplifier, amplifying the reference pulse at an amplification factor according to a ratio between a resistance value of the input resistor and a resistance value of the feedback resistor, A pulse amplification circuit that outputs a pulse signal;
A light emitting element that is electrically driven to emit light;
A first photoconductive resistive element that is included in the feedback resistor and has a resistance value that changes in accordance with the illuminance when irradiated with light from the light emitting element;
A light output control circuit that electrically drives the light emitting element and controls the light output of the light emitting element so that the pulse signal having a desired amplitude is obtained from the output terminal of the operational amplifier. A Q-switch type laser device characterized.

By providing a Q switch in the laser resonator, supplying a high frequency electric signal having a constant frequency modulated with a pulse signal having a desired repetition frequency to the Q switch, and controlling the amplitude of the pulse signal, the laser In the Q-switch type laser device that controls the peak power of the Q-switch pulse laser beam that is oscillated and output from the resonator,
A reference pulse signal generating means for generating a reference pulse of a rectangular waveform having the repetition frequency and having a constant amplitude;
An operational amplifier and an input resistor and a feedback resistor connected to the operational amplifier, amplifying the reference pulse at an amplification factor according to a ratio between a resistance value of the input resistor and a resistance value of the feedback resistor, A pulse amplification circuit that outputs a pulse signal;
A light emitting element that is electrically driven to emit light;
A first photoconductive resistance element that is included in the input resistance and has a resistance value that changes depending on the illuminance when irradiated with light from the light emitting element;
A light output control circuit that electrically drives the light emitting element and controls the light output of the light emitting element so that the pulse signal having a desired amplitude is obtained from the output terminal of the operational amplifier. A Q-switch type laser device characterized.

The optical output control circuit inputs a control signal having a voltage level for controlling the optical output of the light emitting element and a constant reference voltage, a differential amplifier for amplifying the difference, and an output of the differential amplifier The Q-switch type laser apparatus according to claim 1, further comprising a current booster that amplifies a current and outputs a driving current for driving the light emitting element.

The light output control circuit is connected between an input terminal for inputting the control signal of the differential amplifier and a terminal for supplying a predetermined reference voltage, and emits light together with the first photoconductive resistance element. 4. The Q-switch type laser device according to claim 3, further comprising a second photoconductive resistive element that is irradiated with light from the element and whose resistance value changes in accordance with the illuminance.