JP4439487B2 - Pulse laser apparatus and pulse laser beam generation method - Google Patents
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Description
本発明はパルスレーザ装置及びパルスレーザビーム生成方法に関し、特に、波長変換素子により高調波を生成するパルスレーザ装置及びパルスレーザビーム生成方法に関する。 The present invention relates to a pulse laser device and a pulse laser beam generation method, and more particularly to a pulse laser device and a pulse laser beam generation method that generate harmonics using a wavelength conversion element.
高調波レーザビームを出射するパルスレーザ光源がレーザ加工に用いられている(例えば特許文献1参照)。このようなレーザ光源では、レーザ媒質から出射される基本波を波長変換素子により高調波に変換する。波長変換素子として非線形光学結晶が用いられる。 A pulsed laser light source that emits a harmonic laser beam is used for laser processing (see, for example, Patent Document 1). In such a laser light source, a fundamental wave emitted from a laser medium is converted into a harmonic by a wavelength conversion element. A nonlinear optical crystal is used as the wavelength conversion element.
高調波レーザビームの出力を最大化する方法の一つとして、温度位相整合が用いられる。温度位相整合では、波長変換素子の温度が、高調波レーザビームの出力を最大とする温度に保たれる。 As one method for maximizing the output of the harmonic laser beam, temperature phase matching is used. In temperature phase matching, the temperature of the wavelength conversion element is maintained at a temperature that maximizes the output of the harmonic laser beam.
パルス幅を所望の値に制御してレーザ加工を行いたい場合もある。しかし、上述のような従来のレーザ光源ではパルス幅が制御されない。 In some cases, laser processing may be performed by controlling the pulse width to a desired value. However, the pulse width is not controlled in the conventional laser light source as described above.
本発明の目的は、パルス幅が制御された高調波レーザビームを得ることができるパルスレーザ装置及びパルスレーザビーム生成方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a pulse laser apparatus and a pulse laser beam generation method capable of obtaining a harmonic laser beam with a controlled pulse width.
本発明の第1の観点によれば、光共振器と、前記光共振器内に配置されたレーザ媒質と、前記レーザ媒質を励起させるパワーを供給する励起装置と、前記光共振器の品質因子Qが相対的に高い第1の状態と相対的に低い第2の状態とを切り換えるQスイッチと、前記光共振器内に配置され、非線形光学結晶を含み、前記第1の状態で前記レーザ媒質から放出された基本波が入射し、該基本波の高調波を生成する波長変換素子と、前記波長変換素子の温度を変化させる温度調節器と、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係であるパルス幅温度依存性を記憶するとともに、目標パルス幅を記憶し、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパワーとの対応関係であるパワー温度依存性を記憶するとともに、該波長変換素子で生成される高調波のパワーの許容範囲及び該パワー温度依存性から得られ該パワーの許容範囲に対応する温度範囲を記憶し、前記パルス幅温度依存性が前記目標パルス幅に対応する温度を前記温度範囲に複数個含み、これら複数個の温度の最低の温度及び最高の温度のうち、該温度範囲から外れたときに前記パワー温度依存性のパワー低下幅が小さい方の温度を、目標温度として選択し、該波長変換素子の温度が、該目標温度となるように、前記温度調節器を制御する第1の制御を行う制御装置とを有するパルスレーザ装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, an optical resonator, a laser medium disposed in the optical resonator, a pumping device that supplies power for pumping the laser medium, and a quality factor of the optical resonator A Q switch that switches between a first state having a relatively high Q and a second state having a relatively low Q; and a non-linear optical crystal disposed in the optical resonator, wherein the laser medium is in the first state. A wavelength conversion element that generates a harmonic wave of the fundamental wave, a temperature controller that changes a temperature of the wavelength conversion element, a temperature of the wavelength conversion element, and the wavelength conversion element. Stores the pulse width temperature dependency, which is a correspondence relationship with the pulse width of the generated harmonic, and stores the target pulse width, and the harmonic power generated by the temperature of the wavelength conversion element and the wavelength conversion element Power temperature And the temperature range corresponding to the allowable range of power obtained from the power temperature dependency and the allowable range of the power generated by the wavelength conversion element, and the pulse width temperature dependency The temperature range includes a plurality of temperatures corresponding to the target pulse width, and the power dependent on the power temperature when the temperature is out of the temperature range among the minimum temperature and the maximum temperature of the plurality of temperatures. the temperature towards decline is small is selected as the target temperature, the temperature of the wavelength conversion element, so that with the target temperature, pulse and a control unit that performs a first control for controlling the temperature controller A laser device is provided.
本発明の第2の観点によれば、(a)非線形光学結晶を含む波長変換素子を有し、レーザ媒質から放出される基本波を該波長変換素子により高調波に変換し、該高調波のパルスレーザビームを出射するパルスレーザ装置を準備する工程と、(b)前記パルスレーザ装置について、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係であるパルス幅温度依存性を測定する工程と、(c)前記パルスレーザ装置について、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパワーとの対応関係であるパワー温度依存性を測定する工程と、(d)前記パワー温度依存性に基づいて、パワーの許容範囲及び該許容範囲に対応する温度範囲を求める工程と(e)前記パルス幅温度依存性が目標パルス幅に対応する温度を前記温度範囲に複数個含み、これら複数個の温度の最低の温度及び最高の温度のうち、該温度範囲から外れたときに前記パワー温度依存性のパワー低下幅が小さい方の温度を、目標温度として選択する工程と、(f)前記目標温度となるように、前記波長変換素子の温度を制御する工程とを有するパルスレーザビーム生成方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, (a) a wavelength conversion element including a nonlinear optical crystal is provided, a fundamental wave emitted from a laser medium is converted into a harmonic by the wavelength conversion element, A step of preparing a pulse laser device that emits a pulse laser beam; and (b) a correspondence relationship between a temperature of the wavelength conversion element and a pulse width of a harmonic generated by the wavelength conversion element for the pulse laser device. A step of measuring a pulse width temperature dependency; and (c) a power temperature dependency which is a correspondence relationship between a temperature of the wavelength conversion element and a harmonic power generated by the wavelength conversion element. A step of measuring, (d) a step of obtaining an allowable power range and a temperature range corresponding to the allowable range based on the power temperature dependency, and (e) the pulse width temperature dependency being a target pulse width. A plurality of corresponding temperatures included in the temperature range, and a temperature having a smaller power decrease width depending on the power temperature when the temperature falls outside the temperature range among the minimum temperature and the maximum temperature of the plurality of temperatures. Is selected as a target temperature, and (f) a pulse laser beam generation method is provided which includes a step of controlling the temperature of the wavelength conversion element so as to be the target temperature.
第1及び第2の観点のパルスレーザ装置及びパルスレーザビーム生成方法によれば、パルス幅温度依存性から得られた目標温度となるように波長変換素子の温度を制御することにより、パルス幅を制御することができる。 According to the pulse laser device and the pulse laser beam generation method of the first and second aspects, the pulse width can be reduced by controlling the temperature of the wavelength conversion element so as to be the target temperature obtained from the pulse width temperature dependency. Can be controlled.
図1を参照して、本発明の実施例によるパルスレーザ装置について説明する。反射鏡1a〜1dが光共振器1を構成し、反射鏡1aと1dとが光共振器1の両端を画定する。反射鏡1aで反射された光が、反射鏡1b及び1cで順次反射されて反射鏡1dに入射するように、反射鏡1a〜1dが配置されている。反射鏡1aから1bまでの間に、レーザ媒質2及びQスイッチ3が配置されている。レーザ媒質2として、例えばYLFロッドが用いられる。
A pulse laser apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The reflecting
励起源5が、例えばダイオードレーザから構成される。励起源5から入射したレーザビームによりレーザ媒質2が励起される。励起源5から出射されるレーザビームのパワーを、制御装置100が制御する。制御装置100は、例えばパーソナルコンピュータを用いて構成される。
The excitation source 5 is composed of a diode laser, for example. The laser medium 2 is excited by the laser beam incident from the excitation source 5. The
反射鏡1cから1dまでの間に、波長変換素子4が配置されている。波長変換素子4として、非線形光学効果を有する結晶、例えばリチウムトリボレート(LiB3O5)結晶(LBO結晶)が用いられる。レーザ媒質2から放出された基本波を波長変換素子4に入射させることにより、この基本波の第2高調波を生成することができる。例えば、YLFロッドからなるレーザ媒質2から波長1054nmの基本波が放出され、波長変換素子4で波長527nmの第2高調波が生成される。 The wavelength conversion element 4 is arranged between the reflecting mirrors 1c to 1d. As the wavelength conversion element 4, a crystal having a nonlinear optical effect, for example, a lithium triborate (LiB 3 O 5 ) crystal (LBO crystal) is used. By making the fundamental wave emitted from the laser medium 2 enter the wavelength conversion element 4, the second harmonic of this fundamental wave can be generated. For example, a fundamental wave having a wavelength of 1054 nm is emitted from the laser medium 2 composed of a YLF rod, and a second harmonic having a wavelength of 527 nm is generated by the wavelength conversion element 4.
反射鏡1cは、基本波を反射させ第2高調波を透過させるダイクロイックミラーである。反射鏡1dは、基本波及び第2高調波の双方を反射させる。第2高調波は、ダイクロイックミラー1cを透過して光共振器1の外に出射されるので、反射鏡1a及び1bには入射しない。反射鏡1a及び1bは基本波を反射させる。
The reflecting mirror 1c is a dichroic mirror that reflects the fundamental wave and transmits the second harmonic. The reflecting mirror 1d reflects both the fundamental wave and the second harmonic. Since the second harmonic wave passes through the dichroic mirror 1c and is emitted out of the optical resonator 1, it does not enter the reflecting
光共振器1の品質因子Qが相対的に低い状態と相対的に高い状態(相対的に高い状態をオン状態と呼ぶこととする)とを、Qスイッチ23が切り換える。オン状態で、レーザ媒質2から誘導放出により基本波が出射され、基本波が波長変換素子4で第2高調波に変換され、第2高調波がダイクロイックミラー1cから光共振器1の外に出射される(オン状態でレーザ発振させる)。 The Q switch 23 switches between a state where the quality factor Q of the optical resonator 1 is relatively low and a state where the quality factor Q is relatively high (a relatively high state is referred to as an on state). In the ON state, a fundamental wave is emitted from the laser medium 2 by stimulated emission, the fundamental wave is converted into the second harmonic by the wavelength conversion element 4, and the second harmonic is emitted from the dichroic mirror 1c to the outside of the optical resonator 1. (Laser oscillation in the on state)
制御装置100がQスイッチ3に契機信号sigを送出する。契機信号sigにより所定の繰り返し周波数(例えば1kHz)でQスイッチ3がオン状態にされ、所定の繰り返し周波数を有する第2高調波のパルスレーザビームL1がダイクロイックミラー1cから出射される。
The
温度調節器6が、波長変換素子4の温度を変化させる。温度調節器6として、例えばヒータが用いられる。なお、温度調節器6として、ペルチエ素子等の加熱及び冷却の双方が可能なものを用いてもよい。波長変換素子4が所望の温度となるように、制御装置100が温度調節器6を制御する。
The
光共振器1の一端を画定する反射鏡1dは、基本波及び第2高調波の双方を反射させるが、反射鏡1dを透過する漏れ光L2が存在する。漏れ光L2がフィルタ7に入射する。フィルタ7は、基本波を透過させず第2高調波を透過させる。フィルタ7を透過した第2高調波が、フォトディテクタ8に入射する。 The reflecting mirror 1d that defines one end of the optical resonator 1 reflects both the fundamental wave and the second harmonic, but there is leakage light L2 that passes through the reflecting mirror 1d. The leaked light L2 enters the filter 7. The filter 7 transmits the second harmonic wave without transmitting the fundamental wave. The second harmonic transmitted through the filter 7 enters the photodetector 8.
フォトディテクタ8は、入射光のパワーに対応する電気信号を生成してオシロスコープ9に出力する。オシロスコープ9が、入力された電気信号に基づいて、漏れ光L2の第2高調波成分のパルス幅を測定する。このパルス幅は、ダイクロイックミラー1cから出射したパルスレーザビームL1のパルス幅と等しい。オシロスコープ9で測定されたパルス幅に対応するデータが、制御装置100に入力される。
The photodetector 8 generates an electrical signal corresponding to the power of incident light and outputs it to the oscilloscope 9. The oscilloscope 9 measures the pulse width of the second harmonic component of the leakage light L2 based on the input electrical signal. This pulse width is equal to the pulse width of the pulse laser beam L1 emitted from the dichroic mirror 1c. Data corresponding to the pulse width measured by the oscilloscope 9 is input to the
ダイクロイックミラー1cから出射したパルスレーザビームL1が、振り分け光学系20に入射する。振り分け光学系20は、パルスレーザビームL1を、加工対象物21に入射する光路とパワーメータ10に入射する光路とに振り分ける。振り分け光学系20として、例えばガルバノミラーを用いることができる。制御装置100が、振り分け光学系20を制御する。パワーメータ10は、入射したパルスレーザビームの平均パワーを測定する。パワーメータ10で測定される平均パワーは、単位時間当たりにダイクロイックミラー1cから出射するエネルギである。パワーメータ10で測定された平均パワーに対応するデータが、制御装置100に入力される。
The pulse laser beam L1 emitted from the dichroic mirror 1c enters the sorting
図2は、パルスレーザビームL1の平均パワーの波長変換素子4の温度に対する依存性、及びパルスレーザビームL1のパルス幅の波長変換素子4の温度に対する依存性を測定したデータの一例を示すグラフである。レーザ媒質2はYLFロッドであり、波長変換素子4はLBO結晶である。グラフの横軸が華氏単位で表した波長変換素子4の温度であり、グラフ左側の縦軸がW単位で表した平均パワーであり、グラフ右側の縦軸がns単位で表したパルス幅である。曲線C1が平均パワーの温度依存性を示し、曲線C2がパルス幅の温度依存性を示す。なお、励起源5からレーザ媒質2に供給されるパワーは一定である。 FIG. 2 is a graph showing an example of data obtained by measuring the dependence of the average power of the pulse laser beam L1 on the temperature of the wavelength conversion element 4 and the dependence of the pulse width of the pulse laser beam L1 on the temperature of the wavelength conversion element 4. is there. The laser medium 2 is a YLF rod, and the wavelength conversion element 4 is an LBO crystal. The horizontal axis of the graph is the temperature of the wavelength conversion element 4 expressed in Fahrenheit, the vertical axis on the left side of the graph is the average power expressed in W units, and the vertical axis on the right side of the graph is the pulse width expressed in ns units. . A curve C1 shows the temperature dependence of the average power, and a curve C2 shows the temperature dependence of the pulse width. The power supplied from the excitation source 5 to the laser medium 2 is constant.
まず、平均パワーの温度依存性について説明する。平均パワーは、華氏324.5度付近で最大の21.0Wとなっている。最大の平均パワーを最大パワーと呼ぶこととする。華氏323.0度〜325.8度の範囲(図中に示す範囲A)は、常に最大パワーの95%以上の平均パワーが得られる温度範囲である。範囲Aより温度が高くなっても低くなっても、最大パワーの95%より低い平均パワーしか得られない。 First, the temperature dependence of average power will be described. The average power is 21.0 W, the maximum around 324.5 degrees Fahrenheit. The maximum average power is called maximum power. The range of 323.0 degrees to 325.8 degrees Fahrenheit (range A shown in the figure) is a temperature range in which an average power of 95% or more of the maximum power is always obtained. Whether the temperature is higher or lower than range A, only an average power lower than 95% of the maximum power can be obtained.
パルスレーザビームL1の平均パワーは、波長変換素子4による基本波から第2高調波への変換効率に対応する。パルスレーザビームL1の平均パワーが高いほど第2高調波への変換効率が高く、平均パワーが低いほど第2高調波への変換効率が低い。第2高調波への変換効率が低下することにより、相対的に光共振器1内の基本波のパワーが増加する。これに起因して、光共振器の損傷等が生じ得る。パルスレーザビームL1の出力を高水準に保ち、かつ装置の損傷を防止するために、波長変換素子4の温度は範囲A内に保つことが好ましい。 The average power of the pulse laser beam L1 corresponds to the conversion efficiency from the fundamental wave to the second harmonic by the wavelength conversion element 4. The higher the average power of the pulse laser beam L1, the higher the conversion efficiency to the second harmonic, and the lower the average power, the lower the conversion efficiency to the second harmonic. By reducing the conversion efficiency to the second harmonic, the power of the fundamental wave in the optical resonator 1 is relatively increased. This can cause damage to the optical resonator. In order to keep the output of the pulse laser beam L1 at a high level and prevent damage to the apparatus, it is preferable to keep the temperature of the wavelength conversion element 4 within the range A.
次に、範囲A内におけるパルス幅の温度依存性について説明する。パルス幅は、範囲A内で変化し、範囲Aの両端付近で相対的に短く、範囲Aの中央付近で相対的に長い。範囲A内で最短のパルス幅は150nsであり、華氏323.0度で得られる。範囲A内で最長のパルス幅は195nsであり、華氏324.5度付近で得られる。 Next, the temperature dependence of the pulse width within the range A will be described. The pulse width varies within the range A, is relatively short near both ends of the range A, and is relatively long near the center of the range A. The shortest pulse width within the range A is 150 ns, which is obtained at 323.0 degrees Fahrenheit. The longest pulse width within the range A is 195 ns, and is obtained around 324.5 degrees Fahrenheit.
以上より、最大パワーに近い水準の平均パワーが得られる温度範囲内で波長変換素子4の温度を変化させることにより、高い水準の平均パワーを保ちかつ装置の損傷が抑制された状態でパルス幅を変化させられることがわかる。図2に示す例では、波長変換素子4の温度を範囲A内で変化させることにより、パルス幅を150nsから195nsまで変化させることができる。 As described above, by changing the temperature of the wavelength conversion element 4 within a temperature range in which an average power level close to the maximum power is obtained, the pulse width can be increased while maintaining a high average power level and suppressing damage to the apparatus. You can see that it can be changed. In the example shown in FIG. 2, the pulse width can be changed from 150 ns to 195 ns by changing the temperature of the wavelength conversion element 4 within the range A.
なお、Qスイッチ3が1回オン状態になっている期間中に、レーザビームの1つのパルスが出射される。Qスイッチ3がオン状態となる1回分の期間は、パルス幅より充分に長くなるように(例えば5μs程度)に設定されている。 Note that one pulse of the laser beam is emitted during the period in which the Q switch 3 is turned on once. The period for which the Q switch 3 is turned on is set to be sufficiently longer than the pulse width (for example, about 5 μs).
次に、実施例のパルスレーザ装置を用いたパルス幅の制御方法について説明する。まず、パルスレーザビームL1の平均パワーの波長変換素子4の温度に対する依存性と、パルスレーザビームL1のパルス幅の波長変換素子4の温度に対する依存性とを測定する。これらの測定データが、制御装置100に記憶される。
Next, a pulse width control method using the pulse laser device of the embodiment will be described. First, the dependence of the average power of the pulse laser beam L1 on the temperature of the wavelength conversion element 4 and the dependence of the pulse width of the pulse laser beam L1 on the temperature of the wavelength conversion element 4 are measured. These measurement data are stored in the
次に、平均パワーの温度依存性に基づいて最大パワーを求め、最大パワーの一定割合以上を平均パワーの許容範囲(これをパワー許容範囲と呼ぶこととする)とする。パワー許容範囲の下限は、例えば最大パワーの95%に設定される。また、平均パワーの温度依存性に基づいて、パワー許容範囲に対応する温度範囲が求められる。パワー許容範囲及びパワー許容範囲に対応する温度範囲が、制御装置100に記憶される。
Next, the maximum power is obtained based on the temperature dependence of the average power, and a certain percentage or more of the maximum power is defined as an average power allowable range (referred to as a power allowable range). The lower limit of the power allowable range is set to 95% of the maximum power, for example. Further, a temperature range corresponding to the power allowable range is obtained based on the temperature dependence of the average power. The power allowable range and the temperature range corresponding to the power allowable range are stored in the
次に、所望のパルス幅(これを目標パルス幅と呼ぶこととする)が制御装置100に入力される。制御装置100は、パルス幅の温度依存性に基づき、目標パルス幅に対応する波長変換素子の温度を検出する。さらに、制御装置100は、検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれているかどうかを判定する。
Next, a desired pulse width (referred to as a target pulse width) is input to the
検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれている場合に、検出された目標パルス幅に対応する温度が目標温度として定められる。波長変換素子4の温度が目標温度に制御されることにより、パルス幅が目標パルス幅となるように制御される。なお、検出された目標パルス幅に対応する温度がパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれていない場合は、制御装置100が警告を発する。
When the temperature corresponding to the detected target pulse width is included in the temperature range corresponding to the power allowable range, the temperature corresponding to the detected target pulse width is determined as the target temperature. By controlling the temperature of the wavelength conversion element 4 to the target temperature, the pulse width is controlled to be the target pulse width. Note that if the temperature corresponding to the detected target pulse width is not included in the temperature range corresponding to the allowable power range, the
なお、目標パルス幅に対応する波長変換素子の温度が複数個検出される場合もある。このような場合、複数個検出された温度のそれぞれがパワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれるかどうか判定される。パワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれると判定された温度が複数個存在する場合は、そのうちいずれかを目標温度として選択することができる。例えば、パワー許容範囲に対応する温度範囲に含まれると判定された温度のうち、最低のものを目標温度として選択することができる。 In some cases, a plurality of temperatures of the wavelength conversion elements corresponding to the target pulse width are detected. In such a case, it is determined whether each of a plurality of detected temperatures is included in a temperature range corresponding to the power allowable range. When there are a plurality of temperatures determined to be included in the temperature range corresponding to the power allowable range, any one of them can be selected as the target temperature. For example, the lowest temperature among the temperatures determined to be included in the temperature range corresponding to the power allowable range can be selected as the target temperature.
例えば、図2に示した平均パワー及びパルス幅の温度依存性について考える。最大パワーの95%以上をパワー許容範囲としたとき、温度範囲Aがパワー許容範囲に対応する温度範囲となる。目標パルス幅を170nsとする。パルス幅170nsに対応する温度として、範囲A内に華氏323.4度及び華氏325.5度の2つが存在する。従って、例えば華氏323.4度を目標温度とすることができる。 For example, consider the temperature dependence of the average power and pulse width shown in FIG. When 95% or more of the maximum power is set as the allowable power range, the temperature range A is a temperature range corresponding to the allowable power range. The target pulse width is set to 170 ns. Two temperatures corresponding to a pulse width of 170 ns exist in the range A: 323.4 degrees Fahrenheit and 325.5 degrees Fahrenheit. Therefore, for example, the target temperature can be 323.4 degrees Fahrenheit.
なお、パルス幅の温度依存性に基づき、パワー許容範囲に対応する温度範囲内の温度で得られるパルス幅の範囲(これをパルス幅可変範囲と呼ぶこととする)を求めることができる。目標パルス幅はパルス幅可変範囲に含まれる必要がある。予めパルス幅可変範囲を求めておけば、この範囲から目標パルス幅を選択することができる。例えば図2に示したパルス幅の温度依存性では、パルス幅可変範囲が150nsから195nsまでとなる。 Based on the temperature dependence of the pulse width, a pulse width range (referred to as a pulse width variable range) obtained at a temperature within the temperature range corresponding to the power allowable range can be obtained. The target pulse width needs to be included in the pulse width variable range. If the pulse width variable range is obtained in advance, the target pulse width can be selected from this range. For example, in the temperature dependence of the pulse width shown in FIG. 2, the pulse width variable range is from 150 ns to 195 ns.
なお、パルス幅の温度依存性は、光学部品の劣化等に起因して経時変化する可能性がある。このため、制御装置100に記憶されたパルス幅の温度依存性(これを基準特性と呼ぶこととする)が測定された時点と、実際にパルスレーザビームを出射させる時点とが離れるに従い、パルス幅制御の精度が悪化することが懸念される。 Note that the temperature dependence of the pulse width may change over time due to deterioration of the optical components. For this reason, as the temperature dependence of the pulse width stored in the control device 100 (referred to as a reference characteristic) is measured and the time when the pulse laser beam is actually emitted is separated, the pulse width is increased. There is a concern that the accuracy of control deteriorates.
次に、パルス幅の温度依存性が経時変化してもパルス幅を良好に制御できる方法について説明する。まず、上述のような方法により、基準特性に基づいて波長変換素子4の目標温度を決定し、波長変換素子4の温度を目標温度に制御する。ただし、パルス幅の温度依存性が経時変化するとき、目標温度におけるパルス幅は、目標パルス幅からずれている可能性がある。 Next, a method for controlling the pulse width satisfactorily even when the temperature dependence of the pulse width changes with time will be described. First, the target temperature of the wavelength conversion element 4 is determined based on the reference characteristics by the method as described above, and the temperature of the wavelength conversion element 4 is controlled to the target temperature. However, when the temperature dependence of the pulse width changes with time, the pulse width at the target temperature may deviate from the target pulse width.
次に、オシロスコープ9により、目標温度におけるパルス幅を測定する。制御装置100に、目標パルス幅を含むパルス幅の許容範囲を記憶させておく。制御装置100は、目標温度におけるパルス幅が許容範囲内の値であるかどうかを判定する。パルス幅が許容範囲内であれば、波長変換素子4の温度をそのまま維持する。
Next, the pulse width at the target temperature is measured by the oscilloscope 9. The
パルス幅が許容範囲から外れていたら、波長変換素子4の温度を基準特性に基づいて求められた目標温度とする制御を解除し、充分に微小な量(例えば華氏0.1度)だけ波長変換素子4の温度を上昇させて再びパルス幅を測定する。測定結果が目標パルス幅に近づいていたら、パルス幅が許容範囲内に収まるまで、さらに波長変換素子4の温度を上昇させる。波長変換素子4の温度を上昇させることによりパルス幅が目標パルス幅から離れる場合は、波長変換素子4の温度を下降させることによりパルス幅を目標パルス幅に近づけて、パルス幅を許容範囲内に収めればよい。 If the pulse width is out of the allowable range, the control to cancel the temperature of the wavelength conversion element 4 to the target temperature obtained based on the reference characteristics is canceled, and the wavelength is converted by a sufficiently small amount (for example, 0.1 degree Fahrenheit). The temperature of the element 4 is raised and the pulse width is measured again. If the measurement result approaches the target pulse width, the temperature of the wavelength conversion element 4 is further increased until the pulse width falls within the allowable range. When the pulse width deviates from the target pulse width by increasing the temperature of the wavelength conversion element 4, the pulse width is brought closer to the target pulse width by decreasing the temperature of the wavelength conversion element 4, and the pulse width is within the allowable range. Just keep it.
このように、パルス幅の測定結果に基づき波長変換素子4の温度を調整するフィードバック制御を行うことにより、パルス幅を目標パルス幅に近づけることができる。このようなフィードバック制御を行う場合の波長変換素子4の初期の温度として、基準特性から決定される目標温度を用いることができる。 Thus, by performing feedback control for adjusting the temperature of the wavelength conversion element 4 based on the measurement result of the pulse width, the pulse width can be brought close to the target pulse width. The target temperature determined from the reference characteristics can be used as the initial temperature of the wavelength conversion element 4 when performing such feedback control.
なお、温度を一定に維持していてもパルス幅が時間的に変動して許容範囲を外れる可能性もあるが、このような場合についてもパルス幅の測定結果に基づき波長変換素子4の温度を調整するフィードバック制御を行うことにより、パルス幅を許容範囲内に維持することができる。 Even if the temperature is kept constant, there is a possibility that the pulse width fluctuates with time and falls outside the allowable range. In such a case as well, the temperature of the wavelength conversion element 4 is adjusted based on the measurement result of the pulse width. By performing the feedback control to be adjusted, the pulse width can be maintained within an allowable range.
なお、必要に応じ、所定頻度で基準特性を測定し直して基準特性を更新してもよい。基準特性を測定した直後であれば、基準特性に基づいて決定された目標温度におけるパルス幅が、充分に目標パルス幅に近い。 If necessary, the reference characteristic may be updated by measuring the reference characteristic again at a predetermined frequency. If it is immediately after measuring the reference characteristic, the pulse width at the target temperature determined based on the reference characteristic is sufficiently close to the target pulse width.
以上説明したように、実施例のパルスレーザ装置を用いれば、パルス幅が所望の値に制御された高調波パルスレーザビームを得ることができる。また、パルス幅を時間的に一定に維持することができる。パルス幅を所望の値に制御できるので、実施例のパルスレーザ装置を複数台用いたとき、複数台のパルスレーザ装置のパルス幅を等しくすることもできる。なお、パルス幅が時間的に変化するように制御することも可能である。 As described above, by using the pulse laser device of the embodiment, a harmonic pulse laser beam whose pulse width is controlled to a desired value can be obtained. In addition, the pulse width can be kept constant over time. Since the pulse width can be controlled to a desired value, when a plurality of pulse laser devices of the embodiment are used, the pulse widths of the plurality of pulse laser devices can be made equal. It is also possible to control the pulse width to change with time.
なお、波長変換素子4の温度を変化させることにより、パルス幅とともに平均パワーも変化する。上述したように、パルスレーザビームL1の平均パワーの低下に起因して装置が損傷する可能性がある。 Note that by changing the temperature of the wavelength conversion element 4, the average power also changes with the pulse width. As described above, the apparatus may be damaged due to a decrease in the average power of the pulsed laser beam L1.
次に、このような損傷を予防できる方法について説明する。実施例のパルスレーザ装置でレーザ加工を行うとき、振り分け光学系20によりパルスレーザビームL1を加工対象物21に入射する光路に振り分ける。
Next, a method for preventing such damage will be described. When laser processing is performed by the pulse laser apparatus of the embodiment, the distribution
加工の合間に、振り分け光学系20によりパルスレーザビームL1をパワーメータ10に入射する光路に振り分け、平均パワーの測定を行う。制御装置100は、測定された平均パワーがパワー許容範囲の下限値以上であるかどうかを判定し、パワー許容範囲の下限値よりも低かったら警告を発する。このようにして、平均パワーの低下に起因する装置の損傷が予防される。
During the processing, the distribution
なお、図2に示した平均パワーの温度依存性を持つパルスレーザ装置では、例えば、温度範囲Aに対応する平均パワーの範囲がパワー許容範囲となる。波長変換素子4の温度が範囲Aを外れると、平均パワーが許容範囲よりも低下する。範囲Aの上限から華氏0.5度程度上側の温度までの平均パワーの低下幅と、範囲Aの下限から華氏0.5度程度下側の温度までの平均パワーの低下幅とを比べると、範囲Aの上側での低下幅の方が、範囲Aの下側での低下幅よりも大きい。 In the pulse laser device having the temperature dependence of the average power shown in FIG. 2, for example, the average power range corresponding to the temperature range A is the power allowable range. When the temperature of the wavelength conversion element 4 is out of the range A, the average power is lower than the allowable range. Comparing the range of decrease in average power from the upper limit of range A to a temperature about 0.5 degrees Fahrenheit and the range of decrease in average power from the lower limit of range A to a temperature about 0.5 degrees Fahrenheit, The range of decrease on the upper side of range A is larger than the range of decrease on the lower side of range A.
図2に示したパルス幅の温度依存性を基準特性として用いる場合について考える。例えば目標パルス幅を170nsとすると、波長変換素子4の目標温度として、相対的に低温側の華氏323.4度及び相対的に高温側の華氏325.5度のいずれかを選択することができる。 Consider the case where the temperature dependence of the pulse width shown in FIG. 2 is used as a reference characteristic. For example, if the target pulse width is 170 ns, the target temperature of the wavelength conversion element 4 can be selected from 323.4 degrees Fahrenheit on the relatively low temperature side and 325.5 degrees Fahrenheit on the relatively high temperature side. .
ただし、相対的に高温側の目標温度を初期の温度として選択して、波長変換素子4の温度のフィードバック制御を行う場合の方が、相対的に低温側の目標温度を初期の温度として選択してフィードバック制御を行う場合よりも、波長変換素子4の温度が範囲Aより高温側になりやすい。これに起因して、相対的に高温側の目標温度を選択する方が、平均パワーの低下幅が大きくなる危険性が高いと考えられる。従って、相対的に低温側の目標温度を選択する方が、平均パワーの低下に起因する装置損傷の危険性を低くできるであろう。 However, when the target temperature on the relatively high temperature side is selected as the initial temperature and the feedback control of the temperature of the wavelength conversion element 4 is performed, the target temperature on the relatively low temperature side is selected as the initial temperature. Therefore, the temperature of the wavelength conversion element 4 tends to be higher than the range A than when feedback control is performed. Due to this, it is considered that selecting the target temperature on the relatively high temperature side has a higher risk of increasing the average power reduction range. Therefore, selecting a target temperature on the relatively low temperature side can reduce the risk of equipment damage due to a decrease in average power.
次に、励起源5からレーザ媒質2に供給されるパワーを変化させることにより、パルスレーザビームL1の平均パワーを調整する方法について説明する。励起源5からレーザ媒質2に入射するレーザビームのパワーを増加させると、パルスレーザビームL1のパワーを増加させることができ、励起源5からレーザ媒質2に入射するレーザビームのパワーを減少させると、パルスレーザビームL1のパワーを減少させることができる。 Next, a method for adjusting the average power of the pulsed laser beam L1 by changing the power supplied from the excitation source 5 to the laser medium 2 will be described. When the power of the laser beam incident on the laser medium 2 from the excitation source 5 is increased, the power of the pulse laser beam L1 can be increased, and when the power of the laser beam incident on the laser medium 2 from the excitation source 5 is decreased. The power of the pulse laser beam L1 can be reduced.
制御装置100に、パルスレーザビームL1の所望の平均パワー(これを目標パワーと呼ぶこととする)が記憶されている。制御装置100は、パルスレーザビームL1の測定された平均パワーを目標パワーと比較し、測定された平均パワーが目標パワーよりも低かった場合は、パルスレーザビームL1の平均パワーが目標パワーに近づくようにレーザ媒質2に入射するレーザビームのパワーを増加させ、パルスレーザビームL1の測定された平均パワーが目標パワーよりも高かった場合は、パルスレーザビームL1の平均パワーが目標パワーに近づくようにレーザ媒質2に入射するレーザビームのパワーを減少させる。このようにして、パルスレーザビームL1の平均パワーを調整することができる。
The
図2に示した平均パワー及びパルス幅の温度依存性を持つパルスレーザ装置について考える。例えば、パルス幅を195nsとする場合(温度華氏324.5度)の平均パワーよりも、パルス幅を150nsとする場合(温度華氏323.0度)の平均パワーの方がやや低い。上述のようにして平均パワーを調整することにより、パルス幅150ns及び195nsの平均パワーを等しくすることができる。
Consider the pulse laser apparatus having the temperature dependence of the average power and pulse width shown in FIG. For example, the average power when the pulse width is 150 ns (323.0 degrees Fahrenheit) is slightly lower than the average power when the pulse width is 195 ns (temperature 324.5 degrees Fahrenheit). By adjusting the average power as described above, the average power of the
なお、パルスエネルギは、パルスエネルギ=平均パワー/繰り返し周波数という式で定められ、また、パルスエネルギ=パルス幅×ピークパワーという式で見積もることができる。例えば、平均パワー及び繰り返し周波数が一定という条件の下で(すなわちパルスエネルギが一定という条件の下で)パルス幅を変えることにより、ピークパワーを変化させることができる。パルス幅を長くすればピークパワーが減少し、パルス幅を短くすればピークパワーが増加する。 The pulse energy is determined by a formula of pulse energy = average power / repetition frequency, and can be estimated by a formula of pulse energy = pulse width × peak power. For example, the peak power can be changed by changing the pulse width under the condition that the average power and the repetition frequency are constant (that is, under the condition that the pulse energy is constant). Increasing the pulse width decreases the peak power, and decreasing the pulse width increases the peak power.
また例えば、パルス幅一定という条件の下でパルスエネルギを変えることにより、ピークパワーを変化させることができる。パルスエネルギが増加すればピークパワーも増加し、パルスエネルギが減少すればピークパワーも減少する。 Also, for example, the peak power can be changed by changing the pulse energy under the condition that the pulse width is constant. If the pulse energy increases, the peak power increases, and if the pulse energy decreases, the peak power also decreases.
なお、LBO結晶と同様に、基本波から高調波への変換効率を温度により制御できる非線形光学結晶(温度位相整合が可能な非線形光学結晶)であれば、実施例のパルスレーザ装置の波長変換素子として用いることができると考えられる。結晶の種類によってパルス幅の波長変換素子温度に対する依存性は異なると考えられるが、LBO結晶の場合と同様に、一定水準以上の平均パワーを確保できる温度範囲内で波長変換素子の温度を変化させることにより、パルス幅を変化させることは可能であろう。 Similarly to the LBO crystal, the wavelength conversion element of the pulse laser apparatus of the embodiment is applicable to any nonlinear optical crystal (nonlinear optical crystal capable of temperature phase matching) in which the conversion efficiency from the fundamental wave to the harmonic can be controlled by temperature. It can be used as Although the dependence of the pulse width on the wavelength conversion element temperature is considered to vary depending on the type of crystal, as with the LBO crystal, the temperature of the wavelength conversion element is changed within a temperature range in which an average power above a certain level can be secured. Thus, it may be possible to change the pulse width.
なお、上記実施例ではレーザ媒質としてYLFを用いたが、他のレーザ媒質、例えばYAG等を用いることもできる。 In the above embodiment, YLF is used as the laser medium. However, other laser mediums such as YAG can be used.
なお、上記実施例ではレーザ媒質の励起源としてダイオードレーザを用いたが、他の励起源、例えばフラッシュランプ等を用いることもできる。 In the above embodiment, the diode laser is used as the excitation source of the laser medium. However, other excitation sources such as a flash lamp may be used.
なお、パルスレーザ装置の光共振器内に、安全のため、必要に応じてレーザ発振を妨げることができるシャッタを配置してもよい。 For safety, a shutter capable of preventing laser oscillation may be disposed in the optical resonator of the pulse laser device as necessary.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
1a〜1d 反射鏡
2 レーザ媒質
3 Qスイッチ
4 波長変換素子
5 励起源
6 温度調節器
7 フィルタ
8 フォトディテクタ
9 オシロスコープ
10 パワーメータ
20 振り分け光学系
21 加工対象物
100 制御装置
L1 パルスレーザビーム
L2 漏れ光
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光共振器内に配置されたレーザ媒質と、
前記レーザ媒質を励起させるパワーを供給する励起装置と、
前記光共振器の品質因子Qが相対的に高い第1の状態と相対的に低い第2の状態とを切り換えるQスイッチと、
前記光共振器内に配置され、非線形光学結晶を含み、前記第1の状態で前記レーザ媒質から放出された基本波が入射し、該基本波の高調波を生成する波長変換素子と、
前記波長変換素子の温度を変化させる温度調節器と、
前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係であるパルス幅温度依存性を記憶するとともに、目標パルス幅を記憶し、
前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパワーとの対応関係であるパワー温度依存性を記憶するとともに、該波長変換素子で生成される高調波のパワーの許容範囲及び該パワー温度依存性から得られ該パワーの許容範囲に対応する温度範囲を記憶し、
前記パルス幅温度依存性が前記目標パルス幅に対応する温度を前記温度範囲に複数個含み、これら複数個の温度の最低の温度及び最高の温度のうち、該温度範囲から外れたときに前記パワー温度依存性のパワー低下幅が小さい方の温度を、目標温度として選択し、
該波長変換素子の温度が、該目標温度となるように、前記温度調節器を制御する第1の制御を行う制御装置と
を有するパルスレーザ装置。 An optical resonator;
A laser medium disposed in the optical resonator;
An excitation device for supplying power for exciting the laser medium;
A Q switch for switching between a first state in which the quality factor Q of the optical resonator is relatively high and a second state in which the quality factor Q is relatively low;
A wavelength conversion element that is disposed in the optical resonator, includes a nonlinear optical crystal, and receives a fundamental wave emitted from the laser medium in the first state, and generates a harmonic of the fundamental wave;
A temperature controller for changing the temperature of the wavelength conversion element;
Stores the pulse width temperature dependency which is a correspondence relationship between the temperature of the wavelength conversion element and the pulse width of the harmonic generated by the wavelength conversion element, and stores the target pulse width,
Storing power temperature dependency which is a correspondence relationship between the temperature of the wavelength conversion element and the power of the harmonics generated by the wavelength conversion element, and an allowable range of the power of the harmonics generated by the wavelength conversion element; Storing the temperature range obtained from the power temperature dependence and corresponding to the allowable range of the power;
The temperature range includes a plurality of temperatures corresponding to the target pulse width in the pulse width temperature dependency, and the power is output when the temperature is out of the temperature range among the minimum temperature and the maximum temperature of the plurality of temperatures. Select the temperature with the smaller temperature-dependent power drop as the target temperature,
Temperature of the wavelength conversion element, so that with the target temperature, pulse laser device and a control device that performs a first control for controlling the temperature controller.
前記制御装置は、前記目標パルス幅を含むパルス幅の許容範囲を記憶し、前記第1の制御が行われている状態において前記パルス幅測定器で測定された第1のパルス幅が、該パルス幅の許容範囲から外れているかどうかを判定し、該第1のパルス幅が該パルス幅の許容範囲から外れていた場合に、前記第1の制御を解除し、前記温度調節器を制御して、該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅が該パルス幅の許容範囲内の値となるように、該波長変換素子の温度を変化させる第2の制御を行う請求項1に記載のパルスレーザ装置。 Furthermore, it has a pulse width measuring device for measuring the pulse width of the harmonics generated by the wavelength conversion element,
The control device stores an allowable range of a pulse width including the target pulse width, and the first pulse width measured by the pulse width measuring device in the state where the first control is performed is the pulse width. A determination is made as to whether or not the width is out of the allowable range, and if the first pulse width is out of the allowable range of the pulse width, the first control is canceled and the temperature controller is controlled. 2. The second control according to claim 1, wherein the second control is performed to change the temperature of the wavelength conversion element so that the pulse width of the harmonic generated by the wavelength conversion element is a value within an allowable range of the pulse width. Pulse laser device.
前記制御装置は、前記パワー測定器で測定されたパワーが、前記パワーの許容範囲から外れているかどうかを判定し、パワーが該許容範囲から外れていた場合に警告を発する請求項1または2に記載のパルスレーザ装置。 Furthermore, having a power measuring device for measuring the power of the harmonics generated by the wavelength conversion element,
The control device is power measured in the previous SL power meter, to determine whether out-of-tolerance of the power, or claim 1 power emit a warning if it was out from the allowable range 2 The pulse laser device described in 1.
前記制御装置は、目標パワーを記憶し、前記パワー測定器で測定されたパワーが前記目標パワーよりも低い場合は前記レーザ媒質に供給されるパワーを増加させるように前記励起装置を制御し、前記パワー測定器で測定されたパワーが前記目標パワーよりも高い場合は前記レーザ媒質に供給されるパワーを減少させるように前記励起装置を制御する請求項1または2に記載のパルスレーザ装置。 Furthermore, having a power measuring device for measuring the power of the harmonics generated by the wavelength conversion element,
The control device stores a target power, and controls the excitation device to increase the power supplied to the laser medium when the power measured by the power measuring device is lower than the target power, 3. The pulse laser device according to claim 1, wherein when the power measured by a power measuring device is higher than the target power, the excitation device is controlled so as to reduce the power supplied to the laser medium.
(b)前記パルスレーザ装置について、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパルス幅との対応関係であるパルス幅温度依存性を測定する工程と、
(c)前記パルスレーザ装置について、前記波長変換素子の温度と該波長変換素子で生成される高調波のパワーとの対応関係であるパワー温度依存性を測定する工程と、
(d)前記パワー温度依存性に基づいて、パワーの許容範囲及び該許容範囲に対応する温度範囲を求める工程と
(e)前記パルス幅温度依存性が目標パルス幅に対応する温度を前記温度範囲に複数個含み、これら複数個の温度の最低の温度及び最高の温度のうち、該温度範囲から外れたときに前記パワー温度依存性のパワー低下幅が小さい方の温度を、目標温度として選択する工程と、
(f)前記目標温度となるように、前記波長変換素子の温度を制御する工程と
を有するパルスレーザビーム生成方法。 (A) A pulse laser device having a wavelength conversion element including a nonlinear optical crystal, converting a fundamental wave emitted from a laser medium into a harmonic by the wavelength conversion element, and emitting a pulse laser beam of the harmonic is prepared. And a process of
(B) for the pulse laser device, measuring a pulse width temperature dependency which is a correspondence relationship between the temperature of the wavelength conversion element and the pulse width of a harmonic generated by the wavelength conversion element;
(C) for the pulse laser device, measuring power temperature dependency which is a correspondence relationship between the temperature of the wavelength conversion element and the power of the harmonics generated by the wavelength conversion element;
(D) obtaining a power allowable range and a temperature range corresponding to the allowable range based on the power temperature dependency;
(E) When the temperature range includes a plurality of temperatures corresponding to the target pulse width in the pulse width temperature dependence, and the temperature falls outside the temperature range among the lowest temperature and the highest temperature of the plurality of temperatures. Selecting a temperature having a smaller power decrease width of the power temperature dependency as a target temperature;
(F) A pulse laser beam generation method including a step of controlling the temperature of the wavelength conversion element so as to be the target temperature.
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