JP4976892B2 - Laser marker - Google Patents

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本発明は、レーザマーキング装置等、レーザ光を加工対象物に照射して印字等の加工を行うレーザマーカに関する。 The present invention is a laser marking device, a laser marker for machining such as printing by irradiating a laser beam to the workpiece.

レーザ加工装置は、レーザ光を所定の領域内において走査して、部品や製品等の加工対象物(ワーク)の表面に対しレーザ光を照射して印字やマーキング等の加工を行う。レーザ加工装置の構成の一例を図33に示す。この図に示すレーザ加工装置は、レーザ制御部901とレーザ出力部902と入力部904とを備える。レーザ制御部901のレーザ励起部910で発生される励起光を、レーザ出力部902に伝送してレーザ共振部920で共振器を構成する固体レーザ媒質921に照射し、レーザ発振を生じさせる。レーザ発振光は固体レーザ媒質921の出射端面から出射され、ビームエキスパンダ936でビーム径を拡大されて、光学部材により反射されてレーザ光走査系930に導かれる。レーザ光走査系930は、レーザ光を反射させて所望の方向に偏光し、作業領域集光部940から出力されるレーザ光LBは、ワークWの表面で走査されて印字等の加工を行う。   The laser processing apparatus scans a laser beam within a predetermined region and irradiates the surface of a processing target (work) such as a component or product with a laser beam to perform processing such as printing or marking. An example of the configuration of the laser processing apparatus is shown in FIG. The laser processing apparatus shown in this figure includes a laser control unit 901, a laser output unit 902, and an input unit 904. The excitation light generated by the laser excitation unit 910 of the laser control unit 901 is transmitted to the laser output unit 902 and irradiated to the solid-state laser medium 921 constituting the resonator by the laser resonance unit 920 to cause laser oscillation. The laser oscillation light is emitted from the emission end face of the solid-state laser medium 921, the beam diameter is enlarged by the beam expander 936, reflected by the optical member, and guided to the laser light scanning system 930. The laser beam scanning system 930 reflects the laser beam and polarizes the laser beam in a desired direction, and the laser beam LB output from the work area condensing unit 940 is scanned on the surface of the workpiece W to perform processing such as printing.

固体レーザ媒質を励起する構成としては、固体レーザ媒質を励起する励起光を一方の端面のみから入射して励起させ、他方の端面からレーザ光を出射する、いわゆるエンドポンピングによる1方向励起方式が知られている。またこれに加え、固体レーザ媒質の前後の端面から各々励起光を照射する2方向励起システムも提案されている。2方向励起においては、各端面に励起光源である半導体レーザ(Laser Diode:LD)を各々配置する構成の他、図34に開示されるように、単一のLD928からの励起光を光ファイバ932で分岐して、固体レーザ媒質921の両端面からポンピングして出力カプラ918から出力する構成が知られている(例えば特許文献1参照)。
特表平11−505376号公報
As a configuration for exciting the solid-state laser medium, a so-called end-pumping one-way excitation method is known in which excitation light for exciting the solid-state laser medium is incident only from one end face to be excited, and laser light is emitted from the other end face. It has been. In addition, a two-way excitation system that irradiates excitation light from the front and rear end faces of the solid-state laser medium has been proposed. In the bi-directional excitation, in addition to a configuration in which a semiconductor laser (Laser Diode: LD) as an excitation light source is disposed on each end face, excitation light from a single LD 928 is transmitted to an optical fiber 932 as disclosed in FIG. Is known, and is pumped from both end faces of the solid-state laser medium 921 and output from the output coupler 918 (see, for example, Patent Document 1).
Japanese National Patent Publication No. 11-505376

このような2方向励起によれば、励起光を分散させて2つの端面から与えることで、各端面での励起光量を抑えることができ、熱レンズや強熱レンズ効果等の発生を抑制できる。しかしながら、近年レーザ加工装置の更なる出力向上が求められており、このためLDの更なる出力向上が要求されている。この結果、2方向励起においても各端面からの投入励起光量を増やす必要が生じ、各端面において熱レンズや強熱レンズ効果、熱複屈折や熱による破損が生じる虞があった。   According to such bi-directional excitation, the excitation light is dispersed and applied from the two end faces, so that the amount of excitation light at each end face can be suppressed, and the generation of the thermal lens, the ignition lens effect, and the like can be suppressed. However, in recent years, there has been a demand for further improvement of the output of the laser processing apparatus, and thus further improvement of the output of the LD is required. As a result, it is necessary to increase the amount of input excitation light from each end face even in the bi-directional excitation, and there is a possibility that the thermal lens, the igniting lens effect, thermal birefringence or heat damage may occur on each end face.

本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の主な目的は、2方向励起における熱レンズ等の発生を抑制或いは緩和させ、信頼性の向上を図ったレーザマーカを提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and the main object of the present invention is to suppress or alleviate the occurrence of a thermal lens or the like in two-way excitation, thereby improving reliability. It is to provide a laser marker.

課題を解決するための手段及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記の目的を達成するために、第1発明に係るレーザマーカは、励起光を発生させるためレーザ制御部と、レーザ制御部で発生された励起光を後記レーザ出力部に伝達するための励起光伝達媒体と、励起光伝達媒体で伝達された励起光に基づくレーザ発振により生成されたレーザ光を走査させるためのレーザ光走査系を含むレーザ出力部と、を備えるレーザマーカであって、レーザ出力部が一方向に延長され、2つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、励起光伝達媒体で伝達された励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、励起光の入射面を構成する第1端面と、第1端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第2端面と、を備える固体レーザ媒質と、励起光伝達媒体で伝達された励起光を、第1分岐経路を進む第1励起光及び第2分岐経路を進む第2励起光の2つ分岐し、第1分岐経路から固体レーザ媒質の第1端面に励起光の第1励起光を、第2分岐経路から第2端面に第2励起光を、第1励起光第2励起光よりも多くなるように各々入射させ分岐手段と、第1端面に対向させて第1分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を第1端面側に反射させる第1ダイクロイックミラーと、第2端面に対向させて第2分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第2ダイクロイックミラーと、分岐経路と干渉しない位置であって、第2ダイクロイックミラーから一方向と略直交する方向に離れた位置に配置され、第2ダイクロイックミラーで反射した反射光を出力するための出力ミラーと、第2ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間に配置され、レーザ出力のON/OFFを制御するQスイッチと、を備え、固体レーザ媒質と第1ダイクロイックミラーとの距離は、第2ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間の距離よりも短く、且つ、前記第1端面に入射される第1励起光が前記第2端面に入射される第2励起光よりも多くなるように構成できる。これにより、2方向励起において励起光の比率を出射面側が低くなるように規定することで、熱レンズの発生に起因する影響を緩和し、レーザ出力光の品質の低下を抑制して共振器の動作を安定させることができる。 To achieve the above object, a laser marker according to the first invention, the excitation for transmitting a laser control unit for generating excitation light, the excitation light generated by the laser control unit as hereinafter described laser output unit a laser marker comprising an optical transmission medium, and a laser output unit including a laser beam scanning system for scanning the laser beam generated by the laser oscillation based on the excitation light transmitted by the excitation light transfer medium, the laser output unit is extended in one direction, a crystalline solid state laser medium having two end faces, the excitation light transmitted by the excitation light transfer medium was poured from both end surfaces is intended to cause laser oscillation And a first end surface constituting the incident surface of the excitation light and a second end surface constituting the incident surface of the excitation light and the extraction surface of the excitation light as the end surface. Solid state laser medium If branches the excitation light transmitted by the excitation light transfer medium, the two second excitation light traveling in the first excitation light and second branch path travels first branch path, the solid-state laser medium from the first branch path first the end face of the first excitation light of the excitation light, the second excitation light from the second branch path to a second end surface, the branch means first excitation light Ru is respectively incident to be larger than the second excitation light A first dichroic mirror that is disposed on the first branch path so as to face the first end face, transmits the excitation light, and reflects the laser oscillation light toward the first end face, and a second facing the second end face. A second dichroic mirror that is disposed on the branch path and transmits the excitation light and reflects the laser oscillation light toward the output mirror described later; and a position that does not interfere with the branch path, and is unidirectional from the second dichroic mirror. It is located at a distance in a direction substantially orthogonal An output mirror for outputting the light reflected by the second dichroic mirror, disposed between the output mirror and the second dichroic mirror, comprising a Q switch for controlling ON / OFF of the laser output, a solid-state laser The distance between the medium and the first dichroic mirror is shorter than the distance between the second dichroic mirror and the output mirror, and the first excitation light incident on the first end surface is incident on the second end surface. It can comprise so that it may become more than 2nd excitation light . As a result, the ratio of the pumping light in the two-way pumping is regulated so that the exit surface side becomes lower, thereby mitigating the influence caused by the generation of the thermal lens and suppressing the deterioration of the quality of the laser output light. The operation can be stabilized.

また、第2発明に係るレーザマーカは、分岐手段が、入射光を第1励起光第2励起光に分岐させる比率を、略2:1〜略4:1に設定できる。これにより、レーザ出力の低下を最小限に抑えた高効率な動作が得られる。 The laser marker according to the second invention, the branch means, the ratio for splitting incident light into the first excitation light and second excitation light, approximately 2: can be set to 1: 1 to approximately 4. As a result, a highly efficient operation with a reduction in laser output minimized can be obtained.

さらに実施の形態に係るレーザマーカは、固体レーザ媒質が略直方体状で、端面を5mm×5mm以下、長さを18mm以下に設定できる。 Laser marker according to still embodiment, the solid-state laser medium is a substantially rectangular parallelepiped shape, the end surfaces 5mm × 5mm or less, set the length below 18 mm.

さらにまた第発明に係るレーザマーカは、固体レーザ媒質をNd:YVO4結晶とできる。 Furthermore laser marker according to the third invention, the solid-state laser medium Nd: can a YVO 4 crystal.

さらにまた他の実施の形態に係るレーザマーカは、固体レーザ媒質のNd濃度を1%以下とできる。これにより、高効率なレーザ発振が可能となる。 Furthermore laser marker according to another embodiment, a Nd concentration of the solid-state laser medium can than 1%. This enables highly efficient laser oscillation.

さらにまた第発明に係るレーザマーカは、出力ミラーの反射率を30%〜70%とできる。 Furthermore laser marker according to the fourth invention, the reflectivity of the output mirror may be 30% to 70%.

さらにまた他の実施の形態に係るレーザマーカは、励起光源が、半導体レーザを含むことができる。これにより、高効率でメンテナンスも容易なレーザマーカが実現できる。 Furthermore laser marker according to another embodiment, the excitation light source can include a semiconductor laser. Thus, maintenance with high efficiency easy laser marker can be realized.

さらにまた第発明に係るレーザマーカは、励起光源としての半導体レーザの平均出力を10W以上とできる。このような高出力の半導体レーザを用いても、熱レンズの発生を抑制し安定したレーザ出力光を得ることができる。 Furthermore laser marker according to the fifth invention, the average output of the semiconductor laser as an excitation light source can be a more 10 W. Even when such a high-power semiconductor laser is used, generation of a thermal lens can be suppressed and stable laser output light can be obtained.

さらにまた他の実施の形態に係るレーザマーカは、半導体レーザから出射される励起光を無偏光とできる。無偏光とすることで、偏光状態の変化を考慮する必要が無く設計上有利となる。 Furthermore laser marker according to another embodiment, the exciting light emitted from the semiconductor laser can unpolarized light. By making non-polarized light, it is not necessary to consider the change in polarization state, which is advantageous in design.

さらにまた第発明に係るレーザマーカはさらに、第1ダイクロイックミラーに対向させて第1分岐経路上の固体レーザ媒質と反対側に配置され、第1ダイクロイックミラーを透過した励起光の第1励起光が第1端面に照射される際のスポット径、固体レーザ媒質のTEM00モードよりも小さくなるように励起光を集光させる第1集光レンズと、第2ダイクロイックミラーに対向させて第2分岐経路上の固体レーザ媒質と反対側に配置され、第2ダイクロイックミラーを透過した励起光の第2励起光が第2端面に照射される際のスポット径、固体レーザ媒質のTEM00モードよりも小さくなるように励起光を集光させる第2集光レンズと、を備え、固体レーザ媒質の第1端面に、固体レーザ媒質のTEM 00 モードよりも小さいスポット径の励起光が投入され、且つ、固体レーザ媒質の第2端面に、固体レーザ媒質のTEM 00 モードよりも小さいスポット径の励起光が投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成できる。これにより、2方向励起において励起光のスポット径を固体レーザ媒質のTEM00モードよりも小さくして、高効率化を図ることができる。 Furthermore laser marker further according to the sixth invention, it is disposed on the opposite side of the solid-state laser medium on the first branch path to face the first dichroic mirror, a first excitation light of the excitation light transmitted through the first dichroic mirror There is the spot diameter at the time of being irradiated to the first end surface, a first condensing lens causes condensing the excitation light to be smaller than TEM 00 mode of the solid-state laser medium, a to face the second dichroic mirror 2 disposed opposite the solid-state laser medium on the branch path, the spot diameter when the second excitation light of the excitation light transmitted through the second dichroic mirror is irradiated on the second end face, than TEM 00 mode of the solid-state laser medium also and a second condensing lens causes condensing the excitation light so as to reduce, to the first end surface of the solid-state laser medium, small spot diameter than TEM 00 mode of the solid-state laser medium Excitation light is turned on, and, on the second end surface of the solid-state laser medium, solid excitation light small spot diameter than the laser medium TEM 00 mode is turned can be configured to the solid-state laser medium is excited. Thereby, in two-way excitation, the spot diameter of the excitation light can be made smaller than that of the TEM 00 mode of the solid-state laser medium, and high efficiency can be achieved.

さらにまた第発明に係るレーザマーカは、レーザ出力部がさらに、分岐手段で分岐された第1励起光又は第2励起光を、略垂直に反射させる第1反射ミラーと、第1反射ミラーで反射された反射光又は分岐手段で分岐された第2励起光或いは第1励起光を、さらに略垂直方向に反射させる第2反射ミラーと、第2反射ミラーで反射された反射光を、略垂直に反射させる第3反射ミラーとを備え、第1分岐経路及び第2分岐経路で構成される分岐経路は、分岐手段、第1反射ミラー、第2反射ミラー、第3反射ミラーによって矩形状に構成されており、且つ矩形状のいずれかの辺上に固体レーザ媒質及び第1、第2ダイクロイックミラーが配置され、尚且つ矩形状のいずれかの頂点であって、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、励起光源からの励起光が入射されるよう配置させることができる。これにより、2方向励起の分岐経路を矩形状に形成し、いずれかの辺上にレーザ共振器を配置すると共に、矩形状のいずれかの頂点に励起光源からの励起光の入射位置を配置できるので、固体レーザ媒質の2方向励起のための分岐経路を極めて簡素化でき、コンパクトにすると共にレイアウト上の自由度も増すことができる。 Furthermore laser marker according to the seventh invention, the laser output unit is further the first pumping light or the second pumping light branched by the branching unit, a first reflecting mirror for reflecting substantially vertically, the first reflecting mirror The reflected light reflected or the second excitation light or the first excitation light branched by the branching means is further reflected in a substantially vertical direction, and the reflected light reflected by the second reflection mirror is substantially perpendicular. A branch path constituted by the first branch path and the second branch path is formed into a rectangular shape by the branching means, the first reflection mirror, the second reflection mirror, and the third reflection mirror. The solid-state laser medium and the first and second dichroic mirrors are arranged on any one side of the rectangular shape, and are any one of the rectangular vertices, and any of the rectangular shapes forming the vertices On the extension of the side Excitation light from the excitation light source can be arranged to be incident. As a result, the bifurcated excitation bifurcation path can be formed in a rectangular shape, the laser resonator can be arranged on one of the sides, and the incident position of the excitation light from the excitation light source can be arranged at one of the rectangular vertices. As a result, the branch path for bi-directional excitation of the solid-state laser medium can be greatly simplified, making it compact and increasing the degree of freedom in layout.

さらにまた第発明に係るレーザマーカはさらに、励起光伝達媒体を分岐手段と光学的に結合するための励起光結合手段と、第2ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間に配置され、レーザ発振光を整形するためのアパーチャとを備えることができる。これにより、レーザ共振器の光学系を適切に調整できる。 Furthermore laser marker further according to the eighth invention, it is arranged between the branching means and pumping light transfer medium and the excitation light coupling means for optically coupling a second dichroic mirror and the output mirror, the laser oscillation light And an aperture for shaping. Thereby, the optical system of a laser resonator can be adjusted appropriately.

さらにまた第発明に係るレーザマーカは、レーザ出力部のレーザ光走査系が入射レンズと出射レンズを備え、レーザ共振部から照射されるレーザ光の光軸に入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なZ軸スキャナと、Z軸スキャナを透過するレーザ光を、X軸方向又はY軸方向に走査させるためのX軸スキャナ又はY軸スキャナと、X軸スキャナ又はY軸スキャナで走査されるレーザ光を、Y軸方向又はX軸方向に走査させるためのY軸スキャナ又はX軸スキャナとを備えることができる。このようなレーザ光走査系によってレーザ共振器で得られたレーザ出力光を作業領域内において3次元的に走査させることができる。 Furthermore laser marker according to the ninth invention, a laser beam scanning system of the laser output unit is provided with an exit lens and the incident lens, the optical axis of the incident lens and the exit lens in the optical axis of the laser beam emitted from the laser resonator portion A Z-axis scanner capable of adjusting the focal length of the laser light by changing the relative distance between the incident lens and the outgoing lens along these optical axes in a state of matching, and the laser light transmitted through the Z-axis scanner, X-axis scanner or Y-axis scanner for scanning in the X-axis direction or Y-axis direction, and Y-axis for scanning laser light scanned by the X-axis scanner or Y-axis scanner in the Y-axis direction or X-axis direction A scanner or an X-axis scanner. With such a laser beam scanning system, the laser output light obtained by the laser resonator can be scanned three-dimensionally within the work area.

さらにまた他の実施の形態に係る固体レーザ共振器は、励起光を発生させる一の励起光源と、一方向に延長され、2つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、励起光源からの励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、励起光の入射面を構成する第1端面と、第1端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第2端面とを備える固体レーザ媒質と、励起光源から出力される励起光を、第1分岐経路及び第2分岐経路の2つの経路に分岐し、第1分岐経路から固体レーザ媒質の第1端面に励起光の第1励起光を、第2分岐経路から第2端面に第2励起光を、第1励起光第2励起光よりも多くなるように各々入射させるための分岐手段と、第1端面に対向させて第1分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を第1端面側に反射させる第1ダイクロイックミラーと、第2端面に対向させて第2分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第2ダイクロイックミラーと、分岐経路と干渉しない位置であって、レーザ発振光と略直交する方向に配置され、第2ダイクロイックミラーからの反射光を出力するための出力ミラーとを備え、固体レーザ媒質の第1端面に励起光の第1励起光が、第2端面に第2励起光が、各々投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成できる。これにより、2方向励起において励起光の比率を出射面側が低くなるように規定することで、熱レンズの発生に起因する影響を緩和し、レーザ出力光の品質の低下を抑制して共振器の動作を安定させることができる。 Furthermore, a solid-state laser resonator according to another embodiment includes a pumping light source that generates pumping light, and a crystalline solid-state laser medium that extends in one direction and has two end faces. Excitation light from both end faces to cause laser oscillation, and the end face is a first end face that constitutes the incident face of the excitation light and the opposite side of the first end face, A solid-state laser medium having an incident surface and a second end surface constituting a pumping light extraction surface; and pumping light output from the pumping light source is branched into two paths, a first branch path and a second branch path; the first excitation light of the excitation light to the first end surface of the solid-state laser medium 1 branch path, a second pumping light from the second branch path to a second end surface, so that the first excitation light is larger than the second excitation light Branching means for making each incident on the first end face A first dichroic mirror that is disposed on the first branch path and transmits the excitation light and reflects the laser oscillation light to the first end face side, and is disposed on the second branch path so as to face the second end face. And a second dichroic mirror that reflects the laser oscillation light toward the output mirror, which will be described later, and a position that does not interfere with the branch path and is substantially orthogonal to the laser oscillation light, And an output mirror for outputting the reflected light, and the first pumping light of the pumping light is input to the first end face of the solid-state laser medium, and the second pumping light is input to the second end face to pump the solid-state laser medium. Can be configured. As a result, the ratio of the pumping light in the two-way pumping is regulated so that the exit surface side becomes lower, thereby mitigating the influence caused by the generation of the thermal lens and suppressing the deterioration of the quality of the laser output light. The operation can be stabilized.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのレーザマーカを例示するものであって、本発明はレーザマーカを以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments shown below are intended to illustrate the laser marker for embodying the technical idea of the present invention, the present invention does not specify the laser marker to the following. Further, the present specification by no means specifies the members shown in the claims to the members of the embodiments. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely explanations. It is just an example. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.

本明細書においてレーザ加工装置とこれに接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばIEEE1394、RS−232x、RS−422、RS−423、RS−485、USB、PS2等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは10BASE−T、100BASE−TX、1000BASE−T等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、IEEE802.1x、OFDM方式等の無線LANやBluetooth(登録商標)等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに観察像のデータ保存や設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。   In this specification, the connection between the laser processing apparatus and computers, printers, external storage devices and other peripheral devices for operation, control, input / output, display, and other processing connected thereto is, for example, IEEE 1394, RS- 232x, RS-422, RS-423, RS-485, USB, PS2, etc., serial connection, parallel connection, or 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, etc. I do. The connection is not limited to a physical connection using a wire, but may be a wireless connection using radio waves such as IEEE802.1x, OFDM, etc., Bluetooth (registered trademark), infrared rays, optical communication, or the like. Further, a memory card, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or the like can be used as a recording medium for storing observation image data or setting data.

以下の実施の形態では、本発明を具現化したレーザ加工装置の一例として、レーザマーカについて説明する。ただ、本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に拘わらずレーザ応用機器一般に利用でき、例えばレーザ共振器や各種のレーザ加工装置、穴あけ、マーキング、トリミング、スクライビング、表面処理等のレーザ加工や、レーザ光源として他のレーザ応用分野、例えば材料プロセス、分光、ウェハ検査、医療診断、レーザプリント等、レーザ照射を行う処理において広く適用可能であり、半導体等の微細加工やディスプレイリペア、トリミングシステム等の用途に利用できる。このように本明細書においてレーザ加工装置は、その名称に関わらず、このような処理を行うものも含めてレーザ加工装置と呼ぶ。また、本明細書においては加工の代表例として印字について説明するが、印字加工に限られず、溶融や剥離、表面酸化、切削、変色等のレーザ光を使ったあらゆる処理においても利用できる。
(実施の形態1)
In the following embodiments, a laser marker will be described as an example of a laser processing apparatus embodying the present invention. However, in this specification, the laser processing apparatus can be used in general for laser application equipment regardless of its name, for example, laser processing such as a laser resonator and various laser processing apparatuses, drilling, marking, trimming, scribing, surface treatment, As a laser light source, it can be widely applied in other laser application fields, such as material processing, spectroscopy, wafer inspection, medical diagnosis, laser printing, and other laser irradiation processes, and it can be used for fine processing of semiconductors, display repairs, trimming systems, etc. Available for use. Thus, in this specification, the laser processing apparatus is referred to as a laser processing apparatus including those that perform such processing regardless of its name. In this specification, printing will be described as a representative example of processing. However, the present invention is not limited to printing processing, and can be used in any processing using laser light such as melting, peeling, surface oxidation, cutting, and discoloration.
(Embodiment 1)

図1に実施の形態1に係るレーザ加工装置100を構成するブロック図を示す。この図に示すレーザ加工装置100は、レーザ制御部1とレーザ出力部2で構成される。レーザ制御部1はレーザ出力部2を制御するコントローラ部を構成し、レーザ出力部2と励起光伝達媒体3で光学的に接続される。またレーザ出力部2はレーザマーキングを行うヘッド部として、レーザ出力光を出力する。このレーザ制御部1は、励起光源を構成するレーザ励起部10を備える。またレーザ制御部1には、必要に応じて加工パターンを入力するための入力部4、各種設定画面を表示させるための表示部5を接続する。一方レーザ出力部2は、固体レーザ媒質に励起光を投入してレーザ共振を発生させるレーザ共振部20と、レーザ出力光を加工対象物(ワーク)Wの表面で走査させるためのレーザ光走査系30とを備える。また必要に応じて、レーザ光走査系30の出力側にfθレンズ等の作業領域集光部40を配置する。
(入力部4、表示部5)
FIG. 1 is a block diagram showing the laser processing apparatus 100 according to the first embodiment. A laser processing apparatus 100 shown in this figure includes a laser control unit 1 and a laser output unit 2. The laser control unit 1 constitutes a controller unit that controls the laser output unit 2, and is optically connected by the laser output unit 2 and the excitation light transmission medium 3. The laser output unit 2 outputs laser output light as a head unit for performing laser marking. The laser control unit 1 includes a laser excitation unit 10 that constitutes an excitation light source. In addition, an input unit 4 for inputting a machining pattern and a display unit 5 for displaying various setting screens are connected to the laser control unit 1 as necessary. On the other hand, the laser output unit 2 includes a laser resonance unit 20 that emits excitation light into a solid-state laser medium to generate laser resonance, and a laser beam scanning system for scanning the laser output light on the surface of the workpiece (workpiece) W. 30. If necessary, a work area condensing unit 40 such as an fθ lens is disposed on the output side of the laser beam scanning system 30.
(Input unit 4, display unit 5)

入力部4はレーザ制御部1に接続され、レーザ加工装置100を操作するための必要な設定を入力してレーザ制御部1に送信する。設定内容はレーザ加工装置100の動作条件や具体的な加工内容等である。入力部4はキーボードやマウス、コンソール等の入力デバイスである。また、入力部4で入力された入力情報を確認したり、レーザ制御部1の状態等を表示するための表示部を別途設けることもできる。表示部5はLCDやブラウン管等のモニタが利用できる。またタッチパネル方式を利用すれば、入力部と表示部を兼用することもできる。これによって、コンピュータ等を外部接続することなく入力部でレーザ加工装置100の必要な設定を行うことができる。
(レーザ制御部1)
The input unit 4 is connected to the laser control unit 1, inputs necessary settings for operating the laser processing apparatus 100, and transmits the settings to the laser control unit 1. The setting contents are operating conditions of the laser processing apparatus 100, specific processing contents, and the like. The input unit 4 is an input device such as a keyboard, a mouse, or a console. In addition, a display unit for confirming input information input by the input unit 4 and displaying the state of the laser control unit 1 and the like can be provided separately. The display unit 5 can be a monitor such as an LCD or a cathode ray tube. If a touch panel method is used, the input unit and the display unit can also be used. Thus, the necessary setting of the laser processing apparatus 100 can be performed at the input unit without externally connecting a computer or the like.
(Laser controller 1)

レーザ制御部1は、制御部50とメモリ部52とレーザ励起部10と電源回路54とを備える。入力部4から入力された設定内容は、メモリ部52に記録される。制御部50は必要時にメモリ部52から設定内容を読み込み、加工内容に応じた加工信号に基づいてレーザ励起部10を動作させてレーザ出力部2の固体レーザ媒質21を励起する。メモリ部52はRAMやROM等の半導体メモリが利用できる。またメモリ部52はレーザ制御部1に内蔵する他、挿抜可能なPCカードやSDカード(登録商標)等の半導体メモリカード、カード型ハードディスク等のメモリカードを利用することもできる。メモリカードで構成されるメモリ部52は、コンピュータ等の外部機器で容易に書き換え可能であり、コンピュータで設定した内容をメモリカードに書き込み、レーザ制御部1にセットすることで、入力部をレーザ制御部に接続することなく設定を行うことができる。特に半導体メモリはデータの読み込み・書き込みが高速で、しかも機械的動作部分がないため振動等に強く、ハードディスクのようなクラッシュによるデータ消失事故を防止できる。   The laser control unit 1 includes a control unit 50, a memory unit 52, a laser excitation unit 10, and a power supply circuit 54. The setting content input from the input unit 4 is recorded in the memory unit 52. The control unit 50 reads the setting content from the memory unit 52 when necessary, and operates the laser excitation unit 10 based on the processing signal corresponding to the processing content to excite the solid-state laser medium 21 of the laser output unit 2. The memory unit 52 can use a semiconductor memory such as a RAM or a ROM. In addition to the built-in memory unit 52 in the laser control unit 1, a semiconductor memory card such as a detachable PC card or SD card (registered trademark), or a memory card such as a card-type hard disk can be used. The memory unit 52 composed of a memory card can be easily rewritten by an external device such as a computer, and the contents set by the computer are written in the memory card and set in the laser control unit 1 so that the input unit is laser controlled. Settings can be made without connecting to the unit. In particular, a semiconductor memory is fast in reading and writing data and has no mechanical operation part, so it is resistant to vibrations and can prevent data loss accidents due to a crash like a hard disk.

さらに制御部50は、設定された加工を行うよう固体レーザ媒質21で発振されたレーザ光をワークW上で走査させるため、レーザ出力部2のレーザ光走査系30を動作させる走査信号をレーザ光走査系30に出力する。電源回路54は、定電圧電源として、レーザ励起部10へ所定電圧を印加する。加工動作を制御する加工信号は、そのHIGH/LOWに応じてレーザ光のON/OFFが切り替えられ、その1パルスが発振されるレーザ光の1パルスに対応するPWM信号である。PWM信号は、その周波数に応じたデューティ比に基づいてレーザ強度が定められるが、周波数に基づいた走査速度によってもレーザ強度が変化するよう構成することもできる。
(レーザ励起部10)
Further, the control unit 50 scans the laser beam oscillated by the solid-state laser medium 21 so as to perform the set processing on the workpiece W, and outputs a scanning signal for operating the laser beam scanning system 30 of the laser output unit 2 to the laser beam. Output to the scanning system 30. The power supply circuit 54 applies a predetermined voltage to the laser excitation unit 10 as a constant voltage power supply. The processing signal for controlling the processing operation is a PWM signal corresponding to one pulse of the laser light that is switched ON / OFF according to the HIGH / LOW and that one pulse is oscillated. Although the laser intensity of the PWM signal is determined based on a duty ratio corresponding to the frequency, the laser intensity may be changed depending on the scanning speed based on the frequency.
(Laser excitation unit 10)

レーザ励起部10は、光学的に接合された励起光源11と励起光集光部12を備える。レーザ励起部10の一例を図2の斜視図に示す。この図に示すレーザ励起部10は、励起光源11と励起光集光部12を励起ケーシング13内に固定している。励起ケーシング13は、熱伝導性に優れた銅等の金属で構成され、励起光源11を効率よく外部に放熱する。励起光源11は半導体レーザ(LD)やランプ等で構成される。図2の例では、複数のLD素子を直線状に並べたLDアレイやLDバーを使用しており、各素子からのレーザ発振がライン状に出力される。レーザ発振は励起光集光部12の入射面に入射されて、出射面から集光されたレーザ励起光として出力される。励起光集光部12はフォーカシングレンズ等で構成される。励起光集光部12からのレーザ励起光は、光ファイバ14等によりレーザ共振部20に入射される。励起光源11と励起光集光部12、光ファイバ14は、空間あるいは光ファイバを介して光学的に結合されている。またレーザ励起部10は、このような部材を予め組み込んだLDユニット或いはLDモジュールが使用できる。ここでは、出力40W〜50Wの高出力なLDユニットを使用し、分岐手段で励起光を分岐させている。またレーザ励起部10から出射される励起光は無偏光とすることができ、これにより偏光状態の変化を考慮する必要が無く設計上有利となる。特に、複数のLD素子を数十個配列したLDアレイから各々得られる光を光ファイバでバンドルして出力するLDユニット自体に出力光を無偏光とする機構を備えることが好ましい。あるいは、レーザ励起部10から光ファイバケーブルで伝送する過程、励起光結合手段等で分岐経路と光学的に結合する過程等において無偏光状態(ランダム偏光)とする構成としてもよい。   The laser excitation unit 10 includes an excitation light source 11 and an excitation light condensing unit 12 that are optically bonded. An example of the laser excitation unit 10 is shown in the perspective view of FIG. The laser excitation unit 10 shown in this figure has an excitation light source 11 and an excitation light condensing unit 12 fixed in an excitation casing 13. The excitation casing 13 is made of a metal such as copper having excellent thermal conductivity, and efficiently radiates the excitation light source 11 to the outside. The excitation light source 11 is composed of a semiconductor laser (LD), a lamp, or the like. In the example of FIG. 2, an LD array or an LD bar in which a plurality of LD elements are arranged in a straight line is used, and laser oscillation from each element is output in a line. Laser oscillation enters the incident surface of the excitation light condensing unit 12 and is output as laser excitation light collected from the exit surface. The excitation light condensing unit 12 is composed of a focusing lens or the like. The laser excitation light from the excitation light condensing unit 12 is incident on the laser resonance unit 20 through the optical fiber 14 or the like. The excitation light source 11, the excitation light condensing unit 12, and the optical fiber 14 are optically coupled through space or an optical fiber. Further, the laser excitation unit 10 can use an LD unit or an LD module in which such a member is incorporated in advance. Here, a high-power LD unit with an output of 40 W to 50 W is used, and the excitation light is branched by the branching means. Further, the excitation light emitted from the laser excitation unit 10 can be non-polarized, which is advantageous in design because it is not necessary to consider the change in the polarization state. In particular, it is preferable to provide a mechanism for making the output light non-polarized in the LD unit itself that bundles and outputs the light obtained from the LD array in which several tens of LD elements are arranged with an optical fiber. Or it is good also as a structure made into a non-polarization state (random polarization | polarized-light) in the process transmitted with the optical fiber cable from the laser excitation part 10, the process optically couple | bonded with a branch path | route by an excitation light coupling means, etc.

またレーザ励起部10は、励起光源11を温度調整するための温度調整機構を備える。特にLD素子等の半導体発光素子は、温度によって波長が変化する温度依存性があるため、所望の波長のレーザ励起光を得るよう、LD素子の温度を測定して適切な温度に維持するよう温度調整機構を制御する。温度調整機構は、ペルチェ素子等を利用できる。
(レーザ出力部2)
Further, the laser excitation unit 10 includes a temperature adjustment mechanism for adjusting the temperature of the excitation light source 11. In particular, since a semiconductor light emitting device such as an LD device has a temperature dependency in which the wavelength changes depending on the temperature, the temperature of the LD device is measured and maintained at an appropriate temperature so as to obtain laser excitation light having a desired wavelength. Control the adjustment mechanism. The temperature adjustment mechanism can use a Peltier element or the like.
(Laser output unit 2)

このようにしてレーザ励起部10で生成されたレーザ励起光は、励起光伝達媒体3でレーザ出力部2に伝達される。励起光伝達媒体3には光ファイバケーブル等が利用される。またレーザ励起部10の光ファイバ14を、そのまま励起光伝達媒体3として利用してもよい。レーザ出力部2は、レーザ共振部20にレーザ励起光を入射し、レーザ発振させてレーザ出力光を生成すると共に、レーザ光走査系30で作業領域上を所望の加工パターンにてレーザ光を走査させる。
(レーザ共振部20)
The laser excitation light generated in this way by the laser excitation unit 10 is transmitted to the laser output unit 2 by the excitation light transmission medium 3. An optical fiber cable or the like is used for the excitation light transmission medium 3. Further, the optical fiber 14 of the laser excitation unit 10 may be used as the excitation light transmission medium 3 as it is. The laser output unit 2 makes laser excitation light incident on the laser resonator 20 and oscillates the laser to generate laser output light, and the laser beam scanning system 30 scans the laser beam with a desired processing pattern on the work area. Let
(Laser resonator 20)

レーザ共振部20は、レーザ発振によりレーザ光を発生させる固体レーザ共振器又はレーザ発振器ユニットである。このレーザ共振部20は、励起光源11からの励起光を導入する励起光結合手段22と、励起光結合手段22から導入された励起光を第1分岐経路B1と第2分岐経路B2に分岐する分岐手段23と、第1分岐経路B1、第2分岐経路B2から各々の端面に励起光を入射して励起される固体レーザ媒質21と、固体レーザ媒質21が放出する誘導放出光の光路に沿って所定の距離を隔てて対向配置された第1ダイクロイックミラー24、第2ダイクロイックミラー25と、分岐経路と干渉しない位置に配置され、第2ダイクロイックミラー25からの反射光を出力するための出力ミラー26とを備える。ここでは、第1ダイクロイックミラー24をリア側ミラーRM、第2ダイクロイックミラー25を出射側ミラーFMと呼ぶ。リア側ミラーRMはレーザ発振光の進行方向に対して垂直に固定され、一方出射側ミラーFMは、レーザ発振光を出力ミラー26側に反射させるよう、入射方向に対して45°に傾斜されて固定される。   The laser resonator 20 is a solid laser resonator or a laser oscillator unit that generates laser light by laser oscillation. The laser resonator 20 splits excitation light coupling means 22 for introducing excitation light from the excitation light source 11 and excitation light introduced from the excitation light coupling means 22 into a first branch path B1 and a second branch path B2. Along the optical path of the branching means 23, the solid laser medium 21 that is excited by the excitation light incident on the respective end faces from the first branch path B1 and the second branch path B2, and the optical path of the stimulated emission light emitted by the solid laser medium 21. The first dichroic mirror 24 and the second dichroic mirror 25 that are arranged to face each other at a predetermined distance, and an output mirror that is arranged at a position that does not interfere with the branch path and outputs reflected light from the second dichroic mirror 25 26. Here, the first dichroic mirror 24 is referred to as a rear side mirror RM, and the second dichroic mirror 25 is referred to as an emission side mirror FM. The rear side mirror RM is fixed perpendicular to the traveling direction of the laser oscillation light, while the emission side mirror FM is inclined at 45 ° with respect to the incident direction so as to reflect the laser oscillation light to the output mirror 26 side. Fixed.

一方、出力ミラー26と出射側ミラーFMとの間にはアパーチャ27、Qスイッチ28、レーザシャッタ等が配置される。励起光結合手段22には励起光伝達媒体3である光ファイバケーブルが接続され、レーザ励起部10で発生された励起光がレーザ共振部20に導入されると共に、分岐手段23で分岐されて固体レーザ媒質21の各々の端面に入射される。固体レーザ媒質21が放出する誘導放出光を、出射側ミラーFMとリア側ミラーRMとの間での多重反射により増幅し、Qスイッチ28の動作により短周期にて通断しつつアパーチャ27によりモード選別して、出力ミラー26を経てレーザ光を出力する。このリア側ミラーRMから出射側ミラーFMを介した出力ミラー26まででレーザ共振器が構成される。   On the other hand, an aperture 27, a Q switch 28, a laser shutter, and the like are disposed between the output mirror 26 and the emission side mirror FM. An optical fiber cable that is the pumping light transmission medium 3 is connected to the pumping light coupling unit 22 so that pumping light generated by the laser pumping unit 10 is introduced into the laser resonance unit 20 and is branched by the branching unit 23 to be solid. The light is incident on each end face of the laser medium 21. The stimulated emission light emitted from the solid-state laser medium 21 is amplified by multiple reflection between the output side mirror FM and the rear side mirror RM, and is switched by the aperture 27 while being cut off in a short period by the operation of the Q switch 28. After sorting, the laser beam is output through the output mirror 26. A laser resonator is configured from the rear side mirror RM to the output mirror 26 via the emission side mirror FM.

アパーチャ27は、固体レーザ媒質21の口径よりも小さい開口を誘導放出光の光路の中心に合わせて配された遮蔽板であり、不要なモードの発振を抑えるモード選別作用をなすモードセレクタとして機能する。このモード選別によって、レーザ加工の品質向上を図る。   The aperture 27 is a shielding plate that is arranged with an aperture smaller than the aperture of the solid-state laser medium 21 aligned with the center of the optical path of the stimulated emission light, and functions as a mode selector that performs a mode selection function that suppresses unnecessary mode oscillation. . By this mode selection, the quality of laser processing is improved.

またQスイッチ28は、出力ミラー26と反射ミラーとの間を往復する誘導放出光の光路を短周期にて通断し、共振器としてのメリット数(Q値)を高めて、高速でレーザビームのON/OFFを制御する動作をなす。本実施の形態においては、Qスイッチ周波数は1kHz〜400kHzで可変であり、またCW発振も可能である。   The Q switch 28 cuts off the optical path of the stimulated emission light that travels back and forth between the output mirror 26 and the reflection mirror in a short period, and increases the number of merits (Q value) as a resonator. The operation to control ON / OFF of the. In the present embodiment, the Q switch frequency is variable from 1 kHz to 400 kHz, and CW oscillation is also possible.

出力ミラー26は、出射側ミラーFMからの反射光を出力するハーフミラーであって、分岐経路と干渉しない位置で、レーザ発振光と略直交する方向で第2ダイクロイックミラー25の反射位置に配置される。   The output mirror 26 is a half mirror that outputs the reflected light from the emission side mirror FM, and is disposed at a reflection position of the second dichroic mirror 25 in a direction substantially orthogonal to the laser oscillation light at a position that does not interfere with the branch path. The

一方、励起光結合手段22は、励起光伝達媒体3を分岐手段23と光学的に結合するための部材であり、光ファイバケーブルを接続する光ファイバ結合部22aと、光ファイバ結合部22aと分岐手段23との間に配置され、光ファイバ結合部22aを介して入射されたLDユニットからの励起光を平行光に整形するコリメートレンズ22bを備える。コリメートレンズ22bは平凸レンズ等が利用できる。   On the other hand, the pumping light coupling means 22 is a member for optically coupling the pumping light transmission medium 3 with the branching means 23, and is split between the optical fiber coupling part 22a for connecting the optical fiber cable and the optical fiber coupling part 22a. A collimating lens 22b is provided between the means 23 and for shaping the excitation light from the LD unit incident through the optical fiber coupling portion 22a into parallel light. A plano-convex lens or the like can be used as the collimating lens 22b.

コリメートレンズ22bで平行光とされた励起光は、第1分岐経路B1及び第2分岐経路B2を通じて固体レーザ媒質21の端面側まで伝送された後、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに入射される前に集光レンズで集光される。ここでは、リア側ミラーRMに対向させて第1分岐経路B1上に第1集光レンズ61が、出射側ミラーFMに対向させて第2分岐経路B2上に第2集光レンズ62が、それぞれ配置される。第1集光レンズ61は、後述するようにリア側ミラーRMを透過した励起光の第1励起光R1が固体レーザ媒質21の第1端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質21のTEM00モードよりも小さくするように集光する。また第2集光レンズ62は、出射側ミラーFMを透過した励起光の第2励起光R2が固体レーザ媒質21の第2端面に照射される際のスポット径を、固体レーザ媒質21のTEM00モードよりも小さくするように集光する。これら第1集光レンズ61、第2集光レンズ62は平凸レンズ等が利用できる。
(レーザ共振部20の配置)
The excitation light converted into parallel light by the collimator lens 22b is transmitted to the end face side of the solid-state laser medium 21 through the first branch path B1 and the second branch path B2, and then incident on the rear side mirror RM and the output side mirror FM. Before being collected by the condenser lens. Here, the first condenser lens 61 on the first branch path B1 facing the rear-side mirror RM, and the second condenser lens 62 on the second branch path B2 facing the output-side mirror FM, respectively. Be placed. As will be described later, the first condenser lens 61 determines the spot diameter when the first excitation light R1 of the excitation light transmitted through the rear-side mirror RM is applied to the first end surface of the solid-state laser medium 21, and determines the spot diameter. The light is condensed so as to be smaller than the TEM 00 mode. Further, the second condenser lens 62 determines the spot diameter when the second excitation light R2 of the excitation light transmitted through the emission side mirror FM is irradiated on the second end face of the solid-state laser medium 21, and the TEM 00 of the solid-state laser medium 21. Condensed so that it is smaller than the mode. The first condenser lens 61 and the second condenser lens 62 can be plano-convex lenses.
(Arrangement of laser resonator 20)

分岐手段23は、励起光源11から出力される励起光を、第1励起光R1と第2励起光R2に分岐する。分岐された第1励起光R1、第2励起光R2はそれぞれ、第1分岐経路B1及び第2分岐経路B2に振り分けられ、第1分岐経路B1から固体レーザ媒質21の第1端面に励起光の第1励起光R1を、第2分岐経路B2から第2端面に第2励起光R2を、各々入射させる。このような分岐手段23はハーフミラー等のビームスプリッタBSが利用できる。 The branching unit 23 branches the excitation light output from the excitation light source 11 into the first excitation light R1 and the second excitation light R2. The branched first pumping light R1 and second pumping light R2 are respectively distributed to the first branching path B1 and the second branching path B2, and the pumping light is transmitted from the first branching path B1 to the first end surface of the solid-state laser medium 21. The first excitation light R1 is incident on the second end surface from the second branch path B2 and the second excitation light R2 is incident thereon. Such a branching unit 23 can use a beam splitter BS such as a half mirror.

第1分岐経路B1、第2分岐経路B2は、各々ビームスプリッタBS、反射ミラー等の光学系部材で構成される。すなわち、ビームスプリッタBSで分岐された第1励起光R1又は第2励起光R2を、略垂直に反射させる第1反射ミラーM1と、第1反射ミラーM1で反射された反射光又はビームスプリッタBSで分岐された第2励起光R2又は第1励起光R1をさらに略垂直方向に反射させる第2反射ミラーM2と、第2反射ミラーM2で反射された反射光を、略垂直に反射させる第3反射ミラーM3とで分岐経路が形成される。このようにして分岐経路を矩形状に構成することで、固体レーザ媒質21の2方向励起のための分岐経路をコンパクトにでき、さらに各反射ミラーの配置や調整作業を容易にできる。特に、ビームスプリッタBS、第1反射ミラーM1、第2反射ミラーM2、第3反射ミラーM3を同一平面上に配置することにより、各部材の位置決めの調整作業を容易に行えるようになる。この例では、すべての光学部材を1枚の構造基板63に配置させており、シンプルな構成で固体レーザ共振器を設計できる。加えて、励起光源11を1個とすることで、該励起光源11をビームスプリッタBSまで光伝達する媒体を1本にでき、この点においても構成の簡素化に寄与できる。また励起光源11を1個として分岐する構成により、従来の2つのLDで各々の端面から励起する構成に比べ、安価に構成できる利点も得られる。 The first branch path B1 and the second branch path B2 are each composed of an optical system member such as a beam splitter BS and a reflection mirror. That is, the first reflection mirror M1 that reflects the first excitation light R1 or the second excitation light R2 branched by the beam splitter BS substantially vertically and the reflected light reflected by the first reflection mirror M1 or the beam splitter BS. A second reflection mirror M2 that further reflects the branched second excitation light R2 or first excitation light R1 in a substantially vertical direction, and a third reflection that reflects the reflection light reflected by the second reflection mirror M2 substantially vertically. A branch path is formed with the mirror M3. By configuring the branch path in a rectangular shape in this way, the branch path for bi-directional excitation of the solid-state laser medium 21 can be made compact, and the arrangement and adjustment work of each reflecting mirror can be facilitated. In particular, by arranging the beam splitter BS, the first reflecting mirror M1, the second reflecting mirror M2, and the third reflecting mirror M3 on the same plane, it is possible to easily adjust the positioning of each member. In this example, all the optical members are arranged on one structural substrate 63, and a solid-state laser resonator can be designed with a simple configuration. In addition, by using only one excitation light source 11, it is possible to use one medium for transmitting the excitation light source 11 to the beam splitter BS. This also contributes to simplification of the configuration. In addition, the branching configuration with one excitation light source 11 provides an advantage that it can be configured at a lower cost than the configuration in which excitation is performed from each end face by two conventional LDs.

また上記構成は、固体レーザ媒質21や励起光結合手段22等の各部材のレイアウト上の自由度も増すことができる。すなわち、固体レーザ媒質21及びリア側ミラーRM、出射側ミラーFMを矩形状のいずれかの辺上に配置することができ、一方で矩形状のいずれかの頂点で、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、励起光源11からの励起光が入射されるよう配置できる。このように、部材の配置を変更できるので、レーザ共振部20として与えられたスペースや形状に応じた、適切なレイアウトを適宜採用できる利点が得られる。   The above configuration can also increase the degree of freedom in layout of each member such as the solid-state laser medium 21 and the excitation light coupling means 22. That is, the solid-state laser medium 21, the rear-side mirror RM, and the emission-side mirror FM can be arranged on any one side of the rectangular shape, and on the other hand, the rectangular shape that forms the vertex at any vertex of the rectangular shape. It can arrange | position so that the excitation light from the excitation light source 11 may inject into the extension line | wire of either side. As described above, since the arrangement of the members can be changed, there is an advantage that an appropriate layout according to the space or shape given as the laser resonator 20 can be appropriately adopted.

具体的な光学系部材の配置例を、図3に示す。この図に示すレーザ共振部201は、長方形状の分岐経路の一方の長辺側(図3において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置し、かつ他方の長辺側(図3において右側)であって、リア側ミラーRMと近い側の頂点にビームスプリッタBS1を配置し、ビームスプリッタBS1と近接させて励起光結合手段22を、励起光が長辺と垂直な方向から入射するように配置している。すなわち図3において、縦方向に長い長方形状の右下の頂点にビームスプリッタBS1を、左下の頂点に第1反射ミラーM11を、右上の頂点に第2反射ミラーM21を、左上の頂点に第3反射ミラーM31を、それぞれ配置している。また第1、第2、第3反射ミラーM11〜M31は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させて固定されている。一方ビームスプリッタBS1は、入射光に対して、直進する透過光と直角に反射させる反射光とに分岐するために、各辺に対して内角45°の方向に傾斜させて固定されている。ビームスプリッタBS1の右側に励起光結合手段22が配置され、光ファイバケーブルと連結された光ファイバ結合部22aを介して入射されたLDユニットからの励起光がコリメートレンズ22bで平行光に整形されて、ビームスプリッタBS1に向かって(図3において左方向に)励起光が入射される。ビームスプリッタBS1は入射光に対して45°の角度で傾斜姿勢に固定されており、直進方向の透過光を第1励起光R1、上方に反射させる反射光を第2励起光R2として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタBS1の左側には、入射光に対して45°に傾斜して第1反射ミラーM11が固定されており、第1励起光R1を上方向に反射させる。この反射光は、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がL字状に形成される。 A specific arrangement example of the optical system members is shown in FIG. The laser resonator 201 shown in this figure has a solid-state laser medium 21, a rear-side mirror RM, and an emission-side mirror FM arranged on one long side (left side in FIG. 3) of a rectangular branch path, and the other length. A beam splitter BS1 is arranged at the apex on the side side (right side in FIG. 3) and close to the rear side mirror RM, and the excitation light coupling means 22 is placed close to the beam splitter BS1 so that the excitation light is perpendicular to the long side. It arranges so that it may enter from various directions. In other words, in FIG. 3, a vertically long rectangular rectangular beam splitter BS1 at the lower right vertex, the first reflection mirror M11 at the lower left vertex, the second reflection mirror M21 at the upper right vertex, and the third at the upper left vertex. Reflective mirrors M31 are respectively arranged. The first, second, and third reflecting mirrors M11 to M31 are fixed by being inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side, so as to reflect incident light at a right angle. Has been. On the other hand, the beam splitter BS1 is fixed by being inclined in the direction of an inner angle of 45 ° with respect to each side in order to branch the incident light into transmitted light traveling straight and reflected light reflected at right angles. Excitation light coupling means 22 is arranged on the right side of the beam splitter BS1, and the excitation light from the LD unit incident through the optical fiber coupling portion 22a connected to the optical fiber cable is shaped into parallel light by the collimator lens 22b. The excitation light is incident on the beam splitter BS1 (to the left in FIG. 3). The beam splitter BS1 is fixed in an inclined posture at an angle of 45 ° with respect to the incident light, and the excitation light is obtained by using the transmitted light in the straight traveling direction as the first excitation light R1 and the reflected light reflecting upward as the second excitation light R2. Fork. A first reflecting mirror M11 is fixed to the left side of the beam splitter BS1 at an angle of 45 ° with respect to the incident light, and reflects the first excitation light R1 upward. The reflected light is condensed by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in an L shape.

一方、ビームスプリッタBS1で上方向に反射された第2励起光R2は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM21で、水平方向(図3において左方向)に反射される。反射光はビームスプリッタBS1の透過光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM31で下方向に反射される。この第2励起光R2の反射光が、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆L字状に形成される。この結果、第1反射ミラーM11で反射された第1励起光R1の反射光と、第3反射ミラーM31で反射された第2励起光R2の反射光とが同一軸線上で対向する。そして第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入され、これらのダイクロイックミラー間に配置された固体レーザ媒質21によりレーザ発振され、誘導放出光が出射側ミラーFMから取り出される。すなわち、レーザ発振光は45°に傾斜されて固定された出射側ミラーFMで水平方向(図3において左方向)に反射され、Qスイッチ28、アパーチャ27を介して出力ミラー26に到達し、レーザ出力光が出力される。
(実施の形態2)
On the other hand, the second pumping light R2 reflected upward by the beam splitter BS1 is horizontally directed (leftward in FIG. 3) by the second reflecting mirror M21 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. Reflected. The reflected light travels parallel to the transmitted light of the beam splitter BS1 and is reflected downward by the third reflecting mirror M31 fixed to the incident light at an inclination of 45 °. The reflected light of the second excitation light R2 is collected by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted L shape. As a result, the reflected light of the first excitation light R1 reflected by the first reflection mirror M11 and the reflected light of the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M31 face each other on the same axis. Then, the first excitation light R1 and the second excitation light R2 are respectively input to the rear side mirror RM and the emission side mirror FM, and are laser-oscillated by the solid laser medium 21 disposed between these dichroic mirrors, and the stimulated emission light is emitted. It is taken out from the side mirror FM. That is, the laser oscillation light is reflected in the horizontal direction (left direction in FIG. 3) by the output-side mirror FM inclined at 45 °, reaches the output mirror 26 via the Q switch 28 and the aperture 27, and then lasers. Output light is output.
(Embodiment 2)

以上のレイアウトは一例であって、ビームスプリッタBSや励起光結合手段22、固体レーザ媒質21の配置は変更することができる。次に、励起光結合手段22の位置を変更したレイアウト例として、実施の形態2に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図4に示す。この図に示すレーザ共振部202も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図4において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置し、ビームスプリッタBS2を、他方の長辺側(図4において左側)の、リア側ミラーRMと近い側の頂点に配置している。ここでビームスプリッタBS2と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光が長辺上と一致する方向から入射するように配置している。なお、光学部材の配置は、図3と同様、縦方向に長い長方形状の右下の頂点にビームスプリッタBS2、左下の頂点に第1反射ミラーM12、右上の頂点に第2反射ミラーM22、左上の頂点に第3反射ミラーM32を、それぞれ配置している。また第1、第2、第3反射ミラーM12〜M32は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させて固定されている。一方ビームスプリッタBS2は、図3と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。このビームスプリッタBS2の下側に配置された励起光結合手段22から(図4において上方向に)励起光が入射される。ビームスプリッタBS2は図3と90°異なる傾斜姿勢に固定され、直進方向の透過光を第2励起光R2、水平方向(図4において左向き)に反射させる反射光を第1励起光R1として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタBS2の左側には、図3と同様に入射光に対して45°に傾斜して第1反射ミラーM12が固定されており、第1励起光R1を上方向に反射させる。この反射光は、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がL字状に形成される。 The above layout is an example, and the arrangement of the beam splitter BS, the excitation light coupling means 22, and the solid-state laser medium 21 can be changed. Next, FIG. 4 shows an arrangement example of the optical system members of the solid-state laser oscillator according to the second embodiment as a layout example in which the position of the excitation light coupling unit 22 is changed. The laser resonator 202 shown in this figure also has a solid-state laser medium 21, a rear-side mirror RM, and an emission-side mirror FM arranged on one long side (left side in FIG. 4) of a branch path formed in a rectangular shape. The splitter BS2 is disposed at the apex on the other long side (left side in FIG. 4) on the side close to the rear side mirror RM. Here, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS2 is arranged so that the excitation light enters from a direction coinciding with the long side. The arrangement of the optical members is the same as in FIG. 3. The beam splitter BS2 is at the lower right vertex of the rectangular shape that is long in the vertical direction, the first reflection mirror M12 is at the lower left vertex, the second reflection mirror M22 is at the upper right vertex, and the upper left. The third reflecting mirror M32 is arranged at the apex of each. The first, second, and third reflecting mirrors M12 to M32 are fixed by being inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at a right angle. Has been. On the other hand, the beam splitter BS2 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that causes the incident light to travel straight and the reflected light that is reflected at a right angle, as in FIG. ing. Excitation light is incident (upward in FIG. 4) from the excitation light coupling means 22 disposed below the beam splitter BS2. The beam splitter BS2 is fixed at an inclination different from that of FIG. 3 by 90.degree., And the excitation light is reflected with the second excitation light R2 reflecting the light transmitted in the straight direction and the first excitation light R1 reflecting the reflected light in the horizontal direction (leftward in FIG. 4). Split light. On the left side of the beam splitter BS2, as in FIG. 3, a first reflection mirror M12 is fixed with an inclination of 45 ° with respect to the incident light, and reflects the first excitation light R1 upward. The reflected light is condensed by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in an L shape.

一方、ビームスプリッタBS2で上方向に透過された第2励起光R2は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM22で、水平方向(図4において左向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS2の反射光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM32で下方向に反射される。この第2励起光R2の反射光が、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆L字状に形成される。以下図3と同様に、第1反射ミラーM12で反射された第1励起光R1の反射光と、第3反射ミラーM32で反射された第2励起光R2の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態3)
On the other hand, the second excitation light R2 transmitted upward by the beam splitter BS2 is reflected in the horizontal direction (leftward in FIG. 4) by the second reflection mirror M22 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. Is done. The reflected light travels in parallel with the reflected light of the beam splitter BS2, and is reflected downward by the third reflecting mirror M32 fixed at a 45 ° inclination with respect to the incident light. The reflected light of the second excitation light R2 is collected by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted L shape. Hereinafter, similarly to FIG. 3, the reflected light of the first excitation light R1 reflected by the first reflection mirror M12 and the reflected light of the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M32 face each other on the same axis. Then, the first excitation light R1 and the second excitation light R2 are input to the rear side mirror RM and the emission side mirror FM, respectively, and are oscillated.
(Embodiment 3)

さらに他のレイアウト例として、実施の形態3に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図5に示す。この図に示すレーザ共振部203も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図5において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS3を、同じ長辺側で、リア側ミラーRMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS3と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺上と一致する方向から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の左下の頂点にビームスプリッタBS3、右下の頂点に第1反射ミラーM13、右上の頂点に第2反射ミラーM23、左上の頂点に第3反射ミラーM33を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM13〜M33は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS3は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。図4と同様、ビームスプリッタBS3の下側に配置された励起光結合手段22から(図5において上方向に)励起光が入射され、直進方向の透過光を第1励起光R1、水平方向(図5において右向き)に反射させる反射光を第2励起光R2として、励起光を分岐させる。透過光である第1励起光R1は、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。この例では、第1分岐経路B1が直線状に形成される。 As yet another layout example, FIG. 5 shows an arrangement example of the optical system members of the solid-state laser oscillator according to the third embodiment. Also in the laser resonator 203 shown in this figure, the solid-state laser medium 21, the rear side mirror RM, and the emission side mirror FM are arranged on one long side (left side in FIG. 5) of the branch path formed in a rectangular shape. . Here, the beam splitter BS3 is arranged on the same long side and at the apex on the side close to the rear side mirror RM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS3 is arranged so that the excitation light enters from a direction coinciding with the long side. Also, the optical member is arranged in a rectangular shape that is long in the vertical direction, the beam splitter BS3 at the lower left vertex, the first reflection mirror M13 at the lower right vertex, the second reflection mirror M23 at the upper right vertex, and the third reflection at the upper left vertex. Mirrors M33 are respectively arranged. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M13 to M33 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at right angles. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS3 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that makes the incident light travel straight and the reflected light that reflects at right angles, like FIG. Has been. As in FIG. 4, the excitation light is incident (upward in FIG. 5) from the excitation light coupling unit 22 disposed on the lower side of the beam splitter BS3, and the transmitted light in the straight traveling direction is converted into the first excitation light R1 and the horizontal direction ( The excitation light is branched with the reflected light reflected rightward in FIG. 5 as the second excitation light R2. The first excitation light R1, which is transmitted light, is condensed by the first condenser lens 61 and input to the rear side mirror RM. In this example, the first branch path B1 is formed linearly.

一方、ビームスプリッタBS3で水平方向(図5において右向き)に反射された第2励起光R2は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM13で、垂直方向(図5において上向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS3の透過光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM23で水平方向(図5において左向き)に反射される。さらに入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM33で、垂直方向(図5において下向き)に反射される。この第2励起光R2の反射光が、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆コ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタBS3で透過された第1励起光R1と、第3反射ミラーM33で反射された第2励起光R2の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態4)
On the other hand, the second excitation light R2 reflected in the horizontal direction (rightward in FIG. 5) by the beam splitter BS3 is vertical (see FIG. 5) by the first reflection mirror M13 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. (Upward at 5). The reflected light travels parallel to the transmitted light of the beam splitter BS3, and is reflected in the horizontal direction (leftward in FIG. 5) by the second reflecting mirror M23 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. Further, the light is reflected in the vertical direction (downward in FIG. 5) by the third reflection mirror M33 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. The reflected light of the second excitation light R2 is collected by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted U shape. In this way, the first excitation light R1 transmitted by the beam splitter BS3 and the reflected light of the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M33 face each other on the same axis, and the first excitation light R1. The second excitation light R2 is input to the rear-side mirror RM and the emission-side mirror FM, respectively, and oscillates.
(Embodiment 4)

さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態4に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図6に示す。この図に示すレーザ共振部204も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図6において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS4を、同じ長辺側で、リア側ミラーRMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS4と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺と直交する方向(図6において頂点の左側)から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図5と同様に縦方向に長い長方形状の左下の頂点にビームスプリッタBS4、右下の頂点に第1反射ミラーM14、右上の頂点に第2反射ミラーM24、左上の頂点に第3反射ミラーM34を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM14〜M34は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS4は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。図5と同様、ビームスプリッタBS4の左側に配置された励起光結合手段22から、図6において右向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第2励起光R2、垂直方向(図6において上向き)に反射させる反射光を第2励起光R2として、励起光を分岐させる。反射光である第1励起光R1は、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。この例でも第1分岐経路B1は直線状に形成される。 Furthermore, as another layout example, FIG. 6 shows an arrangement example of optical system members of the solid-state laser oscillator according to the fourth embodiment. Also in the laser resonator 204 shown in this figure, the solid-state laser medium 21, the rear side mirror RM, and the emission side mirror FM are arranged on one long side (left side in FIG. 6) of the branch path formed in a rectangular shape. . Here, the beam splitter BS4 is arranged on the same long side and at the apex on the side close to the rear side mirror RM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS4 is arranged so that the excitation light enters from a direction orthogonal to the long side (left side of the apex in FIG. 6). Similarly to FIG. 5, the optical members are arranged in a vertically long rectangular shape with the beam splitter BS4 at the lower left vertex, the first reflecting mirror M14 at the lower right vertex, the second reflecting mirror M24 at the upper right vertex, and the upper left corner. A third reflecting mirror M34 is arranged at the apex. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M14 to M34 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at a right angle. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS4 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the interior angle of the rectangle in order to divide into the transmitted light that causes the incident light to travel straight and the reflected light that is reflected at a right angle as in FIG. Has been. As in FIG. 5, the excitation light is incident in the right direction in FIG. 6 from the excitation light coupling means 22 disposed on the left side of the beam splitter BS4, and the transmitted light in the straight traveling direction is converted into the second excitation light R2 in the vertical direction (in FIG. 6). The reflected light reflected upward) is used as the second excitation light R2, and the excitation light is branched. The first excitation light R1, which is reflected light, is collected by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. Also in this example, the first branch path B1 is formed in a straight line.

一方、ビームスプリッタBS4を透過して図6において右向きに直進する第2励起光R2は、図5と同様に入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM14で、垂直方向(図6において上向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS4の反射光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM24で水平方向(図6において左向き)に反射される。さらに入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM34で、垂直方向(図6において下向き)に反射される。この第2励起光R2の反射光が、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆コ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタBS4で反射された第1励起光R1と、第3反射ミラーM34で反射された第2励起光R2の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態5)
On the other hand, the second pumping light R2 that passes through the beam splitter BS4 and goes straight to the right in FIG. 6 is perpendicular to the first reflecting mirror M14 that is fixed at an inclination of 45 ° with respect to the incident light as in FIG. Reflected in the direction (upward in FIG. 6). The reflected light travels parallel to the reflected light of the beam splitter BS4, and is reflected in the horizontal direction (leftward in FIG. 6) by the second reflecting mirror M24 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. Further, the light is reflected in the vertical direction (downward in FIG. 6) by the third reflecting mirror M34 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. The reflected light of the second excitation light R2 is collected by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted U shape. In this way, the first excitation light R1 reflected by the beam splitter BS4 and the reflection light of the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M34 face each other on the same axis, and the first excitation light R1. The second excitation light R2 is input to the rear-side mirror RM and the emission-side mirror FM, respectively, and oscillates.
(Embodiment 5)

さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態5に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図7に示す。この図に示すレーザ共振部205も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図7において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS5を、同じ長辺側で、出射側ミラーFMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS5と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺と直交する方向(図7において頂点の左側)から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の左上の頂点にビームスプリッタBS5、右上の頂点に第1反射ミラーM15、右下の頂点に第2反射ミラーM25、左下の頂点に第3反射ミラーM35を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM15〜M35は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS5は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタBS5の左側に配置された励起光結合手段22から、図7において右向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第1励起光R1、垂直方向(図7において下向き)に反射させる反射光を第2励起光R2として、励起光を分岐させる。反射光である第2励起光R2は、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。この例では第2分岐経路B2が直線状に形成される。 Furthermore, as another layout example, FIG. 7 shows an arrangement example of optical system members of the solid-state laser oscillator according to the fifth embodiment. The laser resonator 205 shown in this figure also has a solid-state laser medium 21, a rear-side mirror RM, and an emission-side mirror FM arranged on one long side (left side in FIG. 7) of a rectangular branch path. . Here, the beam splitter BS5 is arranged on the same long side and at the apex on the side close to the emission side mirror FM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS5 is arranged so that the excitation light enters from a direction orthogonal to the long side (left side of the apex in FIG. 7). Further, the optical member is arranged in a rectangular shape that is long in the vertical direction, the beam splitter BS5 at the top left vertex, the first reflection mirror M15 at the top right vertex, the second reflection mirror M25 at the bottom right vertex, and the third reflection at the bottom left vertex. Mirrors M35 are respectively arranged. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M15 to M35 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at right angles. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS5 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that makes the incident light travel straight and the reflected light that reflects at right angles, as in FIG. Has been. Here, the excitation light is incident in the right direction in FIG. 7 from the excitation light coupling means 22 disposed on the left side of the beam splitter BS5, and the transmitted light in the straight traveling direction is the first excitation light R1 in the vertical direction (downward in FIG. 7). The reflected light to be reflected is used as the second excitation light R2, and the excitation light is branched. The second excitation light R2, which is reflected light, is collected by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. In this example, the second branch path B2 is formed in a straight line.

一方、ビームスプリッタBS5を透過して図7において右向きに直進する第1励起光R1は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM15で、垂直方向(図7において下向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS5の反射光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM25で水平方向(図7において左向き)に反射される。さらに入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM35で、垂直方向(図7において上向き)に反射される。この第1励起光R1の反射光が、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がコ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタBS5で反射された第2励起光R2と、第3反射ミラーM35で反射された第1励起光R1の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態6)
On the other hand, the first pumping light R1 that passes through the beam splitter BS5 and goes straight to the right in FIG. 7 is a first reflecting mirror M15 that is fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light, and is in the vertical direction (in FIG. 7). Reflected downward). The reflected light travels in parallel with the reflected light of the beam splitter BS5, and is reflected in the horizontal direction (leftward in FIG. 7) by the second reflecting mirror M25 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. Further, the light is reflected in the vertical direction (upward in FIG. 7) by the third reflecting mirror M35 fixed at a 45 ° inclination with respect to the incident light. The reflected light of the first excitation light R1 is collected by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in a U shape. In this way, the second excitation light R2 reflected by the beam splitter BS5 and the reflection light of the first excitation light R1 reflected by the third reflection mirror M35 face each other on the same axis, and the first excitation light R1. The second excitation light R2 is input to the rear-side mirror RM and the emission-side mirror FM, respectively, and oscillates.
(Embodiment 6)

さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態6に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図8に示す。この図に示すレーザ共振部206も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図8において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS6を、同じ長辺側で、出射側ミラーFMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS6と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺と一致する方向(図8において頂点の上側)から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図7と同様に縦方向に長い長方形状の左上の頂点にビームスプリッタBS6、右上の頂点に第1反射ミラーM16、右下の頂点に第2反射ミラーM26、左下の頂点に第3反射ミラーM36を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM16〜M36は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS6は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタBS6の上側に配置された励起光結合手段22から、図8において下向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第2励起光R2、水平方向(図8において右向き)に反射させる反射光を第1励起光R1として、励起光を分岐させる。透過光である第2励起光R2は、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。この例でも第2分岐経路B2が直線状に形成される。 Furthermore, as another layout example, FIG. 8 shows an arrangement example of the optical system members of the solid-state laser oscillator according to the sixth embodiment. Also in the laser resonator 206 shown in this figure, the solid-state laser medium 21, the rear-side mirror RM, and the emission-side mirror FM are arranged on one long side (left side in FIG. 8) of the branch path formed in a rectangular shape. . Here, the beam splitter BS6 is arranged on the same long side and at the apex on the side close to the emission side mirror FM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS6 is arranged so that the excitation light enters from the direction (upper side of the apex in FIG. 8) coincident with the long side. Similarly to FIG. 7, the arrangement of the optical members is a beam splitter BS6 at the upper left vertex of the rectangular shape that is long in the vertical direction, the first reflection mirror M16 at the upper right vertex, the second reflection mirror M26 at the lower right vertex, and the lower left corner. A third reflecting mirror M36 is arranged at the apex. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M16 to M36 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at right angles. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS6 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that makes the incident light travel straight and the reflected light that reflects at right angles, as in FIG. Has been. Here, the excitation light is incident downward in FIG. 8 from the excitation light coupling means 22 disposed on the upper side of the beam splitter BS6, and the transmitted light in the straight traveling direction is directed to the second excitation light R2 in the horizontal direction (rightward in FIG. 8). The reflected light to be reflected is the first excitation light R1, and the excitation light is branched. The second excitation light R2, which is transmitted light, is condensed by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. Also in this example, the second branch path B2 is formed in a straight line.

一方、ビームスプリッタBS6で反射されて図8において右向きに直進する第1励起光R1は、図7と同様に入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM16で、垂直方向(図8において下向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS6の透過光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM26で水平方向(図8において左向き)に反射される。さらに入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第3反射ミラーM36で、垂直方向(図8において上向き)に反射される。この第1励起光R1の反射光が、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がコ字状に形成される。このようにして、ビームスプリッタBS6で透過された第2励起光R2と、第3反射ミラーM36で反射された第1励起光R1の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態7)
On the other hand, the first pumping light R1 reflected by the beam splitter BS6 and traveling straight to the right in FIG. 8 is perpendicular to the first reflecting mirror M16 fixed at a 45 ° inclination with respect to the incident light as in FIG. Reflected in the direction (downward in FIG. 8). The reflected light travels parallel to the transmitted light of the beam splitter BS6, and is reflected in the horizontal direction (leftward in FIG. 8) by the second reflecting mirror M26 fixed at a 45 ° inclination with respect to the incident light. Further, the light is reflected in the vertical direction (upward in FIG. 8) by the third reflecting mirror M36 fixed at an inclination of 45 ° with respect to the incident light. The reflected light of the first excitation light R1 is collected by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in a U shape. In this way, the second excitation light R2 transmitted by the beam splitter BS6 and the reflected light of the first excitation light R1 reflected by the third reflection mirror M36 face each other on the same axis, and the first excitation light R1. The second excitation light R2 is input to the rear-side mirror RM and the emission-side mirror FM, respectively, and oscillates.
(Embodiment 7)

さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態7に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図9に示す。この図に示すレーザ共振部207も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図9において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS7を、他方の長辺側(図9において右側)の、出射側ミラーFMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS7と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺と一致する方向(図9において頂点の上側)から入射するように配置している。また光学部材の配置は、縦方向に長い長方形状の右上の頂点にビームスプリッタBS7、右下の頂点に第1反射ミラーM17、左下の頂点に第2反射ミラーM27、左上の頂点に第3反射ミラーM37を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM17〜M37は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS7は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタBS7の上側に配置された励起光結合手段22から、図9において下向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第1励起光R1、水平方向(図9において左向き)に反射させる反射光を第2励起光R2として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタBS7の左側には、入射光に対して45°に傾斜して第3反射ミラーM37が固定されており、第2励起光R2を下方向に反射させる。この反射光は、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆L字状に形成される。 Furthermore, as another layout example, FIG. 9 shows an arrangement example of optical system members of the solid-state laser oscillator according to the seventh embodiment. Also in the laser resonator 207 shown in this figure, the solid-state laser medium 21, the rear side mirror RM, and the emission side mirror FM are arranged on one long side (left side in FIG. 9) of the branch path formed in a rectangular shape. . Here, the beam splitter BS7 is arranged at the apex on the other long side (right side in FIG. 9) on the side close to the emission side mirror FM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS7 is arranged so that the excitation light enters from a direction (upper side of the apex in FIG. 9) coincident with the long side. Further, the optical member is arranged in a vertically long rectangular shape with a beam splitter BS7 at the upper right vertex, a first reflecting mirror M17 at the lower right vertex, a second reflecting mirror M27 at the lower left vertex, and a third reflection at the upper left vertex. Mirrors M37 are respectively arranged. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M17 to M37 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at a right angle. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS7 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that makes the incident light travel straight and the reflected light that reflects at right angles, as in FIG. Has been. Here, the excitation light is incident downward in FIG. 9 from the excitation light coupling means 22 disposed on the upper side of the beam splitter BS7, and the transmitted light in the straight traveling direction is the first excitation light R1 in the horizontal direction (leftward in FIG. 9). The reflected light to be reflected is used as the second excitation light R2, and the excitation light is branched. On the left side of the beam splitter BS7, a third reflection mirror M37 is fixed with an inclination of 45 ° with respect to the incident light, and reflects the second excitation light R2 downward. This reflected light is condensed by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted L shape.

一方、ビームスプリッタBS7で透過されて図9において下向きに直進する第1励起光R1は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM17で、水平方向(図9において左向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS7の反射光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM27で垂直方向(図9において上向き)に反射される。この第1励起光R1の反射光が、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がU字状に形成される。このようにして、第3反射ミラーM37で反射された第2励起光R2と、第2反射ミラーM27で反射された第1励起光R1の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。
(実施の形態8)
On the other hand, the first excitation light R1 transmitted through the beam splitter BS7 and traveling straight downward in FIG. 9 is a horizontal direction (in FIG. 9) by the first reflection mirror M17 fixed at a 45 ° inclination with respect to the incident light. Reflected left). The reflected light travels parallel to the reflected light of the beam splitter BS7, and is reflected in the vertical direction (upward in FIG. 9) by the second reflecting mirror M27 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. The reflected light of the first excitation light R1 is collected by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in a U shape. In this way, the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M37, and the reflected light of the first pumping light R1 reflected by the second reflecting mirror M27 is opposite in the same axis, the first excitation The light R1 and the second excitation light R2 are input to the rear side mirror RM and the emission side mirror FM, respectively, and are oscillated.
(Embodiment 8)

さらにまた、他のレイアウト例として、実施の形態8に係る固体レーザ発振器の光学系部材の配置例を、図10に示す。この図に示すレーザ共振部208も、長方形状に形成された分岐経路の一方の長辺側(図10において左側)に固体レーザ媒質21、リア側ミラーRM、出射側ミラーFMを配置している。ここではビームスプリッタBS8を、他方の長辺側(図10において右側)の、出射側ミラーFMと近い側の頂点に配置している。またビームスプリッタBS8と近接させて配置する励起光結合手段22を、励起光がこの長辺と直交する方向(図10において頂点の右側)から入射するように配置している。また光学部材の配置は、図9と同様に縦方向に長い長方形状の右上の頂点にビームスプリッタBS8、右下の頂点に第1反射ミラーM18、左下の頂点に第2反射ミラーM28、左上の頂点に第3反射ミラーM38を、それぞれ配置している。さらに第1、第2、第3反射ミラーM18〜M38は、各々入射光を直角に反射させるよう、各頂点を面取りする方向に、すなわち各辺に対して内角135°の方向に傾斜させた姿勢で固定されている。一方ビームスプリッタBS8は、図3等と同様、入射光を直進させる透過光と、直角に反射させる反射光とに分岐するために、長方形状の内角を等分するように45°の角度で固定されている。ここではビームスプリッタBS8の右側に配置された励起光結合手段22から、図10において左向きに励起光が入射され、直進方向の透過光を第2励起光R2、垂直方向(図10において下向き)に反射させる反射光を第1励起光R1として、励起光を分岐させる。ビームスプリッタBS8の左側には、入射光に対して45°に傾斜して第3反射ミラーM38が固定されており、透過した第2励起光R2を下方向に反射させる。この反射光は、第2集光レンズ62で集光されて出射側ミラーFMに投入される。以上のようにして、第2分岐経路B2が逆L字状に形成される。 Furthermore, as another layout example, FIG. 10 shows an arrangement example of the optical system members of the solid-state laser oscillator according to the eighth embodiment. Also in the laser resonator 208 shown in this figure, the solid-state laser medium 21, the rear-side mirror RM, and the emission-side mirror FM are arranged on one long side (left side in FIG. 10) of the branch path formed in a rectangular shape. . Here, the beam splitter BS8 is arranged at the apex on the other long side (right side in FIG. 10) on the side close to the exit side mirror FM. Further, the excitation light coupling means 22 arranged close to the beam splitter BS8 is arranged so that the excitation light is incident from a direction orthogonal to the long side (right side of the apex in FIG. 10). Similarly to FIG. 9, the optical members are arranged in a vertically long rectangular shape with a beam splitter BS8 at the upper right vertex, a first reflecting mirror M18 at the lower right vertex, a second reflecting mirror M28 at the lower left vertex, and an upper left corner. A third reflecting mirror M38 is arranged at the apex. Further, the first, second, and third reflecting mirrors M18 to M38 are inclined in the direction of chamfering each vertex, that is, in the direction of an inner angle of 135 ° with respect to each side so as to reflect incident light at right angles. It is fixed with. On the other hand, the beam splitter BS8 is fixed at an angle of 45 ° so as to equally divide the rectangular interior angle in order to branch into the transmitted light that makes the incident light travel straight and the reflected light that reflects at right angles, like FIG. Has been. Here, the excitation light is incident in the left direction in FIG. 10 from the excitation light coupling means 22 arranged on the right side of the beam splitter BS8, and the transmitted light in the straight traveling direction is the second excitation light R2 in the vertical direction (downward in FIG. 10). The reflected light to be reflected is the first excitation light R1, and the excitation light is branched. On the left side of the beam splitter BS8, a third reflecting mirror M38 is fixed at an angle of 45 ° with respect to the incident light, and the transmitted second excitation light R2 is reflected downward. This reflected light is condensed by the second condenser lens 62 and is input to the exit side mirror FM. As described above, the second branch path B2 is formed in an inverted L shape.

一方、ビームスプリッタBS8で反射されて図10において下向きに進行する第1励起光R1は、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第1反射ミラーM18で、水平方向(図10において左向き)に反射される。反射光はビームスプリッタBS8の透過光と平行に進み、入射光に対して45°の傾斜姿勢に固定された第2反射ミラーM28で垂直方向(図10において上向き)に反射される。この第1励起光R1の反射光が、第1集光レンズ61で集光されてリア側ミラーRMに投入される。以上のようにして、第1分岐経路B1がU字状に形成される。このようにして、第3反射ミラーM38で反射された第2励起光R2と、第2反射ミラーM28で反射された第1励起光R1の反射光とが同一軸線上で対向し、第1励起光R1、第2励起光R2が各々リア側ミラーRM、出射側ミラーFMに投入されてレーザ発振される。 On the other hand, the first excitation light R1 that is reflected by the beam splitter BS8 and travels downward in FIG. 10 is a first reflection mirror M18 that is fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light, and in the horizontal direction (in FIG. Reflected left). The reflected light travels in parallel with the transmitted light of the beam splitter BS8, and is reflected in the vertical direction (upward in FIG. 10) by the second reflecting mirror M28 fixed in an inclined posture of 45 ° with respect to the incident light. The reflected light of the first excitation light R1 is collected by the first condenser lens 61 and is input to the rear side mirror RM. As described above, the first branch path B1 is formed in a U shape. In this way, the second excitation light R2 reflected by the third reflection mirror M38, and the reflected light of the first pumping light R1 reflected by the second reflecting mirror M28 is opposite in the same axis, the first excitation The light R1 and the second excitation light R2 are input to the rear side mirror RM and the emission side mirror FM, respectively, and are oscillated.

以上のように、励起光の分岐経路を長方形状に構成することで、固体レーザ媒質21とこれに励起光を投入する励起光源11の配置を簡素化できる。このような配置パターンの変形例を纏めて図11の模式図に示す。この図において、括弧内の数字は実施の形態の番号に対応させている。このように、第1分岐経路と第2分岐経路とを合わせた分岐経路Bを長方形状に構成し、長方形状の一辺(ここでは長辺)の軸上に固体レーザ媒質21を配置し、さらに長方形状のいずれかの隅部で、いずれかの辺に沿って励起光を入射するよう配置することができる。このため、分岐経路Bを長方形状に維持したまま励起光源11の配置位置を容易に変更できる。このように、レイアウトの設計変更を容易に行うことができ、極めて簡素で且つコンパクトな構成で2方向励起を実現できる。   As described above, the arrangement of the excitation light source 11 for injecting the excitation light into the solid-state laser medium 21 can be simplified by configuring the excitation light branch path in a rectangular shape. A modified example of such an arrangement pattern is collectively shown in the schematic diagram of FIG. In this figure, the numbers in parentheses correspond to the numbers in the embodiment. In this way, the branch path B, which is a combination of the first branch path and the second branch path, is formed in a rectangular shape, the solid-state laser medium 21 is arranged on the axis of one side (here, the long side) of the rectangle, It can arrange | position so that excitation light may inject along any side in any rectangular corner. For this reason, the arrangement position of the excitation light source 11 can be easily changed while maintaining the branch path B in a rectangular shape. As described above, the layout can be easily changed, and bi-directional excitation can be realized with a very simple and compact configuration.

固体レーザ媒質21は、図11に示すように長方形状のいずれかの長辺上に配置することが望ましい。固体レーザ媒質21を配置する辺は、固体レーザ媒質21に加えてリア側ミラーRM、出射側ミラーFM等を配置するため、ある程度の長さが必要な一方、短辺上にはこれらを配置する必要がないため、この部分を短くして分岐経路の長方形状をコンパクトにでき、レーザ共振器の小型化を実現できるからである。ただ、レーザ共振器のレイアウトによっては、図12に示すように短辺側に配置することもできる。また分岐経路は長方形状に限られず、図13に示すように正方形状に構成しても良い。これにより、固体レーザ媒質21をいずれの辺にも配置できるので、レイアウトの自由度が一層高められる。すなわち、各光学部材の配置を物理的なスペースやレイアウトの要求に応じて適切に配分し、効率的な配置を採用できる。   As shown in FIG. 11, it is desirable that the solid-state laser medium 21 be disposed on any long side of a rectangular shape. The sides on which the solid-state laser medium 21 is arranged need a certain length because the rear-side mirror RM, the emission-side mirror FM, and the like are arranged in addition to the solid-state laser medium 21, and these are arranged on the short side. This is because there is no need to make this portion short, so that the rectangular shape of the branch path can be made compact, and the laser resonator can be miniaturized. However, depending on the layout of the laser resonator, it can be arranged on the short side as shown in FIG. Further, the branch path is not limited to a rectangular shape, and may be formed in a square shape as shown in FIG. Thereby, since the solid-state laser medium 21 can be disposed on any side, the degree of freedom in layout is further increased. That is, the arrangement of the optical members can be appropriately distributed according to physical space and layout requirements, and an efficient arrangement can be adopted.

なお後述するように、固体レーザ媒質21のリア面側に励起光の分岐成分を多く投入する観点からは、反射ミラーによる反射回数が少なく損失の少ない実施形態3や実施形態4、あるいは実施形態1、2が好ましいと言える。特に実施形態3では、リア面側に投入する第1分岐成分を反射させることなく第1端面に投入できるので、損失低減の観点からは好ましい。ただ、ビームスプリッタによる分岐の比率の調整によって、他の実施形態でも同様の効果を得られることはいうまでもない。ビームスプリッタ側の調整によって、反射ミラーによる損失等を考慮して設計でき、レイアウトの制約を受けることなく自由な配置が可能となる。
(固体レーザ媒質21)
As will be described later, from the viewpoint of adding a lot of excitation light branching components to the rear surface side of the solid-state laser medium 21, the third embodiment, the fourth embodiment, or the first embodiment in which the number of reflections by the reflection mirror is small and the loss is small. 2 is preferable. In particular, the third embodiment is preferable from the viewpoint of reducing loss because the first branch component input to the rear surface side can be input to the first end surface without being reflected. However, it goes without saying that the same effect can be obtained in other embodiments by adjusting the branching ratio by the beam splitter. The adjustment on the beam splitter side can be designed in consideration of the loss due to the reflection mirror, and a free arrangement is possible without being restricted by the layout.
(Solid laser medium 21)

固体レーザ媒質21は、一方向に延長され、長手方向に2つの端面を有する結晶である。ここで端面は、励起光の入射面を構成する第1端面と、第1端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第2端面とで構成される。図3の例では第2端面を取り出し面(出射面)といい、第1端面をリア面(入射面)という。また出射面は出射側ミラーFMと、リア面はリア側ミラーRMと、それぞれ対向させている。さらにビームスプリッタBSで第1励起光R1、第2励起光R2に分岐された励起光の内、第1励起光R1がリア面側に、第2励起光R2が出射面側に、それぞれ入射される。 The solid-state laser medium 21 is a crystal that extends in one direction and has two end faces in the longitudinal direction. Here, the end face is composed of a first end face constituting the excitation light incident face and a second end face opposite to the first end face and constituting the excitation light incidence face and the excitation light extraction face. . In the example of FIG. 3, the second end face is referred to as a take-out face (outgoing face), and the first end face is referred to as a rear face (incident face). The exit surface is opposed to the exit side mirror FM, and the rear surface is opposed to the rear side mirror RM. Further, out of the excitation light branched into the first excitation light R1 and the second excitation light R2 by the beam splitter BS, the first excitation light R1 is incident on the rear surface side, and the second excitation light R2 is incident on the emission surface side. The

上記の例では、固体レーザ媒質21としてロッド状のNd:YVO4結晶を用いた。また固体レーザ媒質21の励起用半導体レーザの波長は、このNd:YVO4の吸収スペクトルの中心波長である808nm近傍に設定した。ただ、この例に限られず他の固体レーザ媒質21として、例えば希土類をドープしたYAG、LiSrF、LiCaF、YLF、NAB、KNP、LNP、NYAB、NPP、GGG等も用いることもできる。また、固体レーザ媒質21に波長変換素子を組み合わせて、出力されるレーザ光の波長を任意の波長に変換できる。波長変換素子としては、例えばKTP(KTiPO4)、有機非線形光学材料や他の無機非線形光学材料、例えばKN(KNbO3)、KAP(KAsPO4)、BBO、LBOや、バルク型の分極反転素子(LiNbO3(Periodically Polled Lithium Niobate :PPLN)、LiTaO3等)が利用できる。また、Ho、Er、Tm、Sm、Nd等の希土類をドープしたフッ化物ファイバを用いたアップコンバージョンによるレーザの励起光源用半導体レーザを用いることもできる。このように、本実施の形態においてはレーザ発生源として様々なタイプを適宜利用できる。
(Nd濃度)
In the above example, a rod-shaped Nd: YVO 4 crystal is used as the solid-state laser medium 21. The wavelength of the semiconductor laser for excitation of the solid-state laser medium 21 was set in the vicinity of 808 nm which is the central wavelength of the absorption spectrum of Nd: YVO 4 . However, the present invention is not limited to this example, and other solid-state laser medium 21 such as YAG doped with rare earth, LiSrF, LiCaF, YLF, NAB, KNP, LNP, NYAB, NPP, GGG or the like can also be used. Further, the wavelength of the laser beam to be output can be converted to an arbitrary wavelength by combining the solid-state laser medium 21 with a wavelength conversion element. Examples of the wavelength conversion element include KTP (KTiPO 4 ), organic nonlinear optical materials and other inorganic nonlinear optical materials such as KN (KNbO 3 ), KAP (KAsPO 4 ), BBO, LBO, and bulk polarization inversion elements ( LiNbO 3 (Periodically Polled Lithium Niobate: PPLN), LiTaO 3 or the like) can be used. Further, a semiconductor laser for an excitation light source of a laser by up-conversion using a fluoride fiber doped with rare earth such as Ho, Er, Tm, Sm, and Nd can be used. Thus, in this embodiment, various types can be appropriately used as a laser generation source.
(Nd concentration)

ロッド状の固体レーザ媒質21結晶は、円柱状、角柱状いずれの形状でも利用できる。ここでは角柱状の固体レーザ媒質21結晶として、端面が3mm(H)×3mm(W)で長さ(L)が15mmの直方体状としたNd:YVO4結晶を使用した。さらにNdの濃度は、1%以下とすることが好ましい。 The rod-shaped solid laser medium 21 crystal can be used in either a cylindrical shape or a prismatic shape. Here, an Nd: YVO 4 crystal having a rectangular parallelepiped shape with an end face of 3 mm (H) × 3 mm (W) and a length (L) of 15 mm was used as the prismatic solid laser medium 21 crystal. Further, the Nd concentration is preferably 1% or less.

一般に、Ndの濃度を高くするほど、レーザ光の吸収が良くなる。反面、濃度を高くしすぎると励起光が結晶の深部まで浸透せず、表面の狭い領域で励起されてしまう傾向がある。特にNd:YVO4結晶は熱伝導係数が小さいので、LDユニットが高出力になると、熱レンズを生じさせ破損する虞がある。またYVO4結晶は一軸性結晶で強いへき開を持つため、C軸に沿って割れやすい性質がある。このように、高濃度の結晶を用いることで強熱レンズが発生し易くなり、共振器の動作が不安定となってビーム品質の低下を招くと共に、急激な励起光の投入は結晶の割れを引き起こす虞もあった。特にYVO4結晶は一軸性結晶で強いへき開性を持つため、C軸に沿って割れやすいという性質を持つ。これを緩和するためにはNd濃度を低くすることが有効である。 In general, the higher the Nd concentration, the better the absorption of laser light. On the other hand, if the concentration is too high, the excitation light does not penetrate to the deep part of the crystal and tends to be excited in a narrow surface area. In particular, since the Nd: YVO 4 crystal has a small thermal conductivity coefficient, if the LD unit has a high output, a thermal lens may be generated and damaged. YVO 4 crystal is a uniaxial crystal and has a strong cleavage, so that it has a property of being easily broken along the C axis. As described above, the use of a high concentration crystal makes it easy to generate an overheated lens, which causes the operation of the resonator to become unstable, leading to a decrease in beam quality. There was also a risk of causing it. In particular, the YVO 4 crystal is a uniaxial crystal and has a strong cleavage property, and therefore has a property of being easily broken along the C axis. In order to alleviate this, it is effective to lower the Nd concentration.

ただ、Nd濃度を低くすると結晶へのトータルの吸収量は増加するものの、レーザビームモードと吸収部との空間マッチングが低下するために、励起光を有効に利用できない状態となって吸収効率が低下する。加えて、低濃度の結晶を用いた場合には、励起光源11であるLDの波長に対して敏感になり、安定した波長が得られないという問題もあった。したがって、これらを勘案した上でNdの濃度を適切に調整する必要がある。   However, if the Nd concentration is lowered, the total amount of absorption into the crystal increases, but the spatial matching between the laser beam mode and the absorption section decreases, so that the excitation light cannot be used effectively and the absorption efficiency decreases. To do. In addition, when a low concentration crystal is used, there is a problem that it becomes sensitive to the wavelength of the LD that is the excitation light source 11 and a stable wavelength cannot be obtained. Therefore, it is necessary to appropriately adjust the Nd concentration in consideration of these.

図14に、Nd:YVO4結晶において、励起光の波長に対する吸収効率の変化を示すグラフを示す。ここでは、Nd:YVO4結晶として端面が3mm×3mmの直方体状とし、結晶長とNd濃度を変化させた複数の結晶で、総励起光に対する吸収光の比率を比較した。具体的には、結晶長が15mmの場合のNd濃度を0.10%、0.20%、0.27%、0.30%、0.40%と変化させ、またNd濃度0.27%の場合で結晶長を10mmに変化させた例につき、それぞれ測定した。この図に示すように、概ねNd濃度を高くするほどレーザ光の吸収効率も高くなる。またいずれも励起光の波長が808nm〜809nm近傍で吸収効率のピークを示した。ただし、Nd濃度を上げすぎると熱による不安定化や破損を生じる。このため固体レーザ媒質21のNd濃度は1%以下とし、好ましくは0.1%〜0.4%の範囲とする。ただ、実際に製造される固体レーザ媒質21結晶のNd濃度には、±0.03%〜0.05%程度のばらつきがあるため、これらを考慮して0.22%〜0.32%程度に設定される。最も好ましくは0.27%付近とすることで、バランスよく吸収効率を維持できる。また結晶長(L)を短くすると吸収効率が低下する傾向が見られたことから、10mm〜20mm程度に設定し、好適には13mm〜17mm、より好ましくは15mm近傍の結晶を用いる。 FIG. 14 is a graph showing a change in absorption efficiency with respect to the wavelength of excitation light in an Nd: YVO 4 crystal. Here, the ratio of the absorbed light to the total excitation light was compared for a plurality of crystals having Nd: YVO 4 crystals with end faces of 3 mm × 3 mm and varying the crystal length and Nd concentration. Specifically, the Nd concentration when the crystal length is 15 mm is changed to 0.10%, 0.20%, 0.27%, 0.30%, 0.40%, and the Nd concentration is 0.27%. In this case, the measurement was performed for each of the examples in which the crystal length was changed to 10 mm. As shown in this figure, the higher the Nd concentration, the higher the laser beam absorption efficiency. In both cases, the absorption efficiency peaked when the wavelength of the excitation light was around 808 nm to 809 nm. However, if the Nd concentration is increased too much, instability or damage due to heat occurs. For this reason, the Nd concentration of the solid-state laser medium 21 is set to 1% or less, preferably 0.1% to 0.4%. However, the Nd concentration of the actually produced solid-state laser medium 21 crystal has a variation of about ± 0.03% to 0.05%, and considering these, about 0.22% to 0.32%. Set to Most preferably, the absorption efficiency can be maintained in a well-balanced manner by setting it to around 0.27%. Further, since the absorption efficiency tends to decrease when the crystal length (L) is shortened, the crystal is set to about 10 mm to 20 mm, preferably 13 mm to 17 mm, more preferably about 15 mm.

なお、固体レーザ媒質21結晶の断面は、励起光のスポット径よりも大きければ足り、また結晶形状も直方体状に限られず、円柱状その他の形状が適宜利用できる。例えば励起光のスポット径がφ1mmであれば、この大きさの円柱状としてもよい。ただ、固体レーザ媒質21結晶が細いと破損し易くなる等の問題があり、組み立て時における結晶の取り扱いの容易さを考慮して、結晶端面の面積や結晶の形状は、一定の大きさとすることが有利であるため、ここでは結晶端面を3mm×3mmの直方体状とした。   Note that the cross section of the crystal of the solid-state laser medium 21 need only be larger than the spot diameter of the excitation light, and the crystal shape is not limited to a rectangular parallelepiped shape, and a cylindrical shape or other shapes can be used as appropriate. For example, if the spot diameter of the excitation light is φ1 mm, it may be a cylindrical shape having this size. However, if the solid laser medium 21 crystal is thin, there is a problem that it is easy to break. Considering the ease of handling of the crystal during assembly, the area of the crystal end face and the shape of the crystal should be constant. In this case, the crystal end face is a rectangular parallelepiped shape of 3 mm × 3 mm.

また必要に応じてNd:YVO4結晶の側面に金メッキ等を施すことで熱レンズ効果を抑制し、固体レーザ媒質21の発振モードを強化することもできる。
(2方向励起方式)
If necessary, the thermal lens effect can be suppressed by applying gold plating or the like to the side surface of the Nd: YVO 4 crystal, and the oscillation mode of the solid-state laser medium 21 can be enhanced.
(Bidirectional excitation method)

固体レーザ媒質21を励起するレーザ加工装置では、量子効率の限界から、励起パワーのうち3割〜4割が熱となり失われてしまう。そのため極限的な性能を発揮させるためには、強励起により顕在化する熱複屈折や熱レンズ、熱複レンズ、更には熱による破壊等の様々な熱問題を解決する必要がある。特にLD励起固体レーザ加工装置においては、固体レーザ媒質21の励起光吸収に伴う発熱が結晶そのものにレンズ効果を誘起し、熱レンズを生じさせる。熱レンズはレーザ共振器の安定性を著しく阻害し、共振器の設計の大きな障害となる。このような問題に対し、本実施の形態では2方向励起方式を採用し、かつレーザ励起部10として一の励起光源11を使用し、これを分岐して各端面から投入する構成とすることで、熱レンズ等の発生を抑制することに成功した。またこれに加えて、励起波長に対する安定性や立ち上がり特性の改善の効果も得られる。
(波長変化に対する安定性)
In the laser processing apparatus that excites the solid-state laser medium 21, 30% to 40% of the excitation power is lost due to heat due to the limit of quantum efficiency. Therefore, in order to exhibit the extreme performance, it is necessary to solve various thermal problems such as thermal birefringence, thermal lens, thermal doublet lens, and destruction due to heat, which are manifested by strong excitation. In particular, in an LD-pumped solid-state laser processing apparatus, heat generated by the absorption of pumping light of the solid-state laser medium 21 induces a lens effect on the crystal itself, thereby generating a thermal lens. The thermal lens significantly impedes the stability of the laser resonator and becomes a major obstacle to the resonator design. In order to deal with such a problem, the present embodiment adopts a two-way excitation method, uses one excitation light source 11 as the laser excitation unit 10, and branches it from each end face. And succeeded in suppressing the generation of thermal lenses. In addition to this, an effect of improving the stability with respect to the excitation wavelength and the rise characteristic can be obtained.
(Stability against wavelength change)

図15に、LDユニットの波長に対するレーザ出力光の変化を、1方向励起と2方向励起で比較したグラフを示す。ここでも、Nd:YVO4結晶として端面が3mm×3mmの直方体状を使用し、1方向励起としてNd濃度が0.27%で結晶長が10mm、2方向励起としてNd濃度が0.27%で結晶長が15mmのものを使用した。この図から示すように、1方向励起では、808nmを中心として励起光の波長がずれるとレーザ出力光も大きく変化する。このため、LDユニットのピーク波長のばらつきによりレーザ出力が変化してしまい、均質なレーザ加工装置を得ることが困難となる。特に半導体発光素子は一般に個体差があり、波長ばらつきが生じやすい傾向にあるため、通常は±2nm〜3nm程度の誤差を考慮する必要がある。さらに励起光の波長は温度依存性もあるため、ペルチェ素子などを使用したLD素子の温度制御も必要となる。このようなことから、従来は波長ばらつきを考慮した上で、最もレーザ出力が低くなるものに合わせて設計することが行われており、本来の出力が生かされていなかった。 FIG. 15 shows a graph comparing the change in laser output light with respect to the wavelength of the LD unit by unidirectional excitation and bidirectional excitation. Here, a rectangular parallelepiped shape having an end face of 3 mm × 3 mm is used as the Nd: YVO 4 crystal, the Nd concentration is 0.27% as the unidirectional excitation, the crystal length is 10 mm, and the Nd concentration is 0.27% as the bidirectional excitation. A crystal length of 15 mm was used. As shown in this figure, in the unidirectional excitation, when the wavelength of the excitation light is shifted around 808 nm, the laser output light also changes greatly. For this reason, the laser output changes due to variations in the peak wavelength of the LD unit, making it difficult to obtain a homogeneous laser processing apparatus. In particular, semiconductor light-emitting elements generally have individual differences and tend to cause wavelength variations, so it is usually necessary to consider an error of about ± 2 nm to 3 nm. Furthermore, since the wavelength of the excitation light has temperature dependence, it is necessary to control the temperature of the LD element using a Peltier element or the like. For this reason, in the past, design was made in accordance with the lowest laser output in consideration of wavelength variation, and the original output was not utilized.

これに対し、2方向励起では、励起光が808nmからずれても、レーザ出力光が安定している。このことから、2方向励起により励起光の波長依存性を抑制し、LDユニットの波長変化によらず安定したレーザ出力光を得ることができることが確認できた。
(立ち上がり特性)
On the other hand, in the two-way excitation, the laser output light is stable even if the excitation light deviates from 808 nm. From this, it was confirmed that the wavelength dependence of the excitation light was suppressed by two-way excitation, and a stable laser output light could be obtained regardless of the wavelength change of the LD unit.
(Rise characteristics)

さらに図16に、レーザ出力光の時間変化を1方向励起と2方向励起で比較したグラフを示す。この図においても、Nd濃度が0.27%で端面3mm×3mmの直方体状Nd:YVO4結晶を使用し、LDユニットの波長を806nm、808nm、810nmに変化させ、1方向励起及び2方向励起それぞれのLDユニットの電流を0Aから35Aに変化させたときのレーザ出力光の時間変化を測定した。なお、結晶長は比較試験の都合上、10mm(一方向励起)、15mm(2方向励起)とした。この図から示すように、1方向励起では、励起波長が808nm、810nmのものではなだらかな上昇を示し、また806nmでは逆にオーバーシュートが発生しており、さらに出力の安定までに約1.4秒要している。一方、2方向励起では、いずれの波長においても急峻な立ち上がりと早期の安定性を示しており、レーザの立ち上がり特性が優れていることが確認された。また806nmでのオーバーシュートも、極低レベルに抑制されている。 Further, FIG. 16 shows a graph comparing the temporal change of the laser output light between the one-directional excitation and the two-directional excitation. Also in this figure, a rectangular parallelepiped Nd: YVO 4 crystal having an Nd concentration of 0.27% and an end face of 3 mm × 3 mm is used, and the wavelength of the LD unit is changed to 806 nm, 808 nm, and 810 nm, and one-directional excitation and two-directional excitation are performed. The time change of the laser output light when the current of each LD unit was changed from 0 A to 35 A was measured. The crystal length was set to 10 mm (unidirectional excitation) and 15 mm (bidirectional excitation) for convenience of the comparative test. As shown in this figure, in the unidirectional excitation, when the excitation wavelength is 808 nm or 810 nm, a moderate increase is observed. On the other hand, overshoot occurs at 806 nm, and about 1.4 until the output is stabilized. It takes seconds. On the other hand, in the bi-directional excitation, a steep rise and early stability were exhibited at any wavelength, and it was confirmed that the laser rise characteristics were excellent. Moreover, the overshoot at 806 nm is also suppressed to an extremely low level.

さらにこのことを確認すべく、図17に、図16と同じくNd濃度0.27%、3mmx3mmx15mmの直方体状Nd:YVO4結晶を使用した2方向励起における、LDユニットの電流を0Aから45Aに変化させた際のレーザ出力光の時間変化を、ホトダイオードで測定した波形を示す。この図からも明らかなように、約20ms程度の極めて短時間で所望のレーザ出力光のレベルに到達し、オーバーシュートを生じることなく安定した出力が得られていることが確認できた。このように、本実施の形態の条件に従えば、レーザ出力光の立ち上がり時に出力が安定するまでに要する時間を従来の1/10以下に高速化できる。またこの結果、加工精度を維持しつつ応答性、追従性を高め、待機時間を縮小した高速な加工も実現できる。従来のレーザ加工においては、レーザ出力の応答性の問題から、レーザ加工パターンのブロック毎にレーザ出力を変化させることができず、レーザ出力を変化させる際は出力が安定するまでの間待機する待機時間(例えば300ms)が必要であった。これに対し、上記構成では立ち上がり時の安定性に優れるため、高速な追従が可能で、従来困難であった、レーザ加工パターンのブロック毎にレーザ出力を変化させることも可能となる。 To confirm this, FIG. 17 shows that the LD unit current is changed from 0 A to 45 A in the bi-directional excitation using a rectangular Nd: YVO 4 crystal having a Nd concentration of 0.27% and 3 mm × 3 mm × 15 mm as in FIG. The waveform which measured the time change of the laser output light at the time of making it with the photodiode is shown. As is apparent from this figure, it was confirmed that the desired laser output light level was reached in an extremely short time of about 20 ms and a stable output was obtained without causing overshoot. As described above, according to the conditions of the present embodiment, the time required for the output to stabilize at the rise of the laser output light can be increased to 1/10 or less of the conventional time. As a result, it is possible to realize high-speed machining with improved responsiveness and follow-up while maintaining machining accuracy and reduced standby time. In conventional laser processing, due to the problem of responsiveness of laser output, the laser output cannot be changed for each block of the laser processing pattern, and when changing the laser output, it waits until the output stabilizes. Time (eg 300 ms) was required. On the other hand, since the above configuration is excellent in stability at the time of start-up, high-speed tracking is possible, and the laser output can be changed for each block of the laser processing pattern, which has been difficult in the past.

このように、上記構成を採用することでLDユニットの波長に対してレーザ出力の変化を抑制し、さらにレーザ出力値の変化に対して、出力されるレーザ光の追従性が速いという優れた利点を実現している。本発明者の行った試験によれば、従来例ではレーザ出力光の設定を0%から100%に変化させた際の、実際に出力されるレーザ出力光の追従性は300msecであったのに対し、本実施の形態では20msecを達成した。
(分岐手段23による分岐比率の調整)
In this way, by adopting the above configuration, it is possible to suppress the change in the laser output with respect to the wavelength of the LD unit, and further, the excellent advantage that the followability of the output laser light is fast with respect to the change in the laser output value. Is realized. According to the test conducted by the present inventor, in the conventional example, when the setting of the laser output light is changed from 0% to 100%, the followability of the actually output laser output light is 300 msec. On the other hand, 20 msec was achieved in this embodiment.
(Adjustment of branching ratio by branching means 23)

単一の励起光源11から2方向に分岐されたレーザ励起光は、固体レーザ媒質21の長手方向の各端面から各々ポンピングされる。この際、リア側ミラーRM側から入力する励起光の大きさを、出射側ミラーFM側から入力する励起光より大きくしている。本発明者は熱レンズについて鋭意研究した結果、固体レーザ媒質の出射側よりもリア側で発生した熱レンズの方が、共振器内部に与える影響が小さいとの知見を得た。図3の構成においては、ビームスプリッタBSの反射率によって、リア側ミラーRMと出射側ミラーFMへの分岐比率を調整している。すなわち、反射率が高いほど出射面側により多くの励起光が照射され、逆に反射率が低いほど、即ち透過率が高いほどリア面側に多くの励起光が照射される。ここでは、ビームスプリッタBSでの分岐比率は、リア面側の結晶端面に対して総パワーの50%以上が投入される構成とすることが好ましい。   The laser excitation light branched in two directions from the single excitation light source 11 is pumped from each end face in the longitudinal direction of the solid-state laser medium 21. At this time, the magnitude of the excitation light input from the rear side mirror RM side is made larger than the excitation light input from the output side mirror FM side. As a result of diligent research on the thermal lens, the present inventor has found that the thermal lens generated on the rear side of the solid-state laser medium has less influence on the inside of the resonator than the emission side. In the configuration of FIG. 3, the branching ratio to the rear side mirror RM and the output side mirror FM is adjusted by the reflectance of the beam splitter BS. That is, as the reflectivity is higher, more excitation light is irradiated on the emission surface side. Conversely, as the reflectivity is lower, that is, as the transmittance is higher, more excitation light is irradiated on the rear surface side. Here, it is preferable that the branching ratio at the beam splitter BS is such that 50% or more of the total power is input to the crystal end face on the rear face side.

また、反射率の更なる最適化を図るため、2方向励起方式においてビームスプリッタの反射率を変更して、励起光源のLDのパワーに対するレーザ出力光のパワーを測定した結果を、図18及び図19に示す。これらの図においては、ビームスプリッタの反射率を20%、33%、45%とした場合の典型的な出力特性を測定し、図18はCW動作時、図19はQスイッチ動作時の出力をそれぞれ示している。これらの図から明らかなように、励起光源のLDパワーが高くなるにつれてレーザ出力も上昇するが、CW動作時で45W付近、Qスイッチ動作時で40W付近より、熱レンズの特長である出力の飽和、低下が見られる。この状態では、ビームモードも悪化していることが観察された。このことから、反射率が低すぎてもレーザ出力の低下が顕著となることが確認された。実用レベルにおいては、反射率を30%〜50%の範囲とすることが好ましい。また、最も好ましくは反射率が33%付近、すなわちビームスプリッタが入射光をリア面と出射面に分岐させる比率を、ほぼ2:1に設定する。この値近傍で、最も高いレーザ出力を得ており、レーザ出力の低下を最小限に抑えた高効率な動作が得られることが確認できた。上記数値範囲の優位性は、CW動作時、Qスイッチ動作時のいずれにおいても確認された。なお、Qスイッチ動作の方が、CW動作時に比べて全体としてレーザ出力が低下しており、また励起光が低い段階から低下が生じていることから、熱レンズの影響を受け易いことが確認れた。 Further, in order to further optimize the reflectivity, the reflectivity of the beam splitter is changed in the two-way excitation method, and the result of measuring the power of the laser output light with respect to the power of the LD of the excitation light source is shown in FIGS. 19 shows. In these figures, typical output characteristics when the reflectivity of the beam splitter is 20%, 33%, and 45% are measured. FIG. 18 shows the output during CW operation, and FIG. 19 shows the output during Q switch operation. Each is shown. As is clear from these figures, the laser output increases as the LD power of the excitation light source increases, but the saturation of the output, which is a feature of the thermal lens, from around 45 W during CW operation and from around 40 W during Q switch operation. A decrease is seen. In this state, it was observed that the beam mode was also deteriorated. From this, it was confirmed that the decrease in the laser output becomes remarkable even when the reflectance is too low. In practical use, the reflectance is preferably in the range of 30% to 50%. Most preferably, the reflectance is set to around 33%, that is, the ratio at which the beam splitter splits the incident light into the rear surface and the output surface is set to approximately 2: 1. In the vicinity of this value, the highest laser output was obtained, and it was confirmed that high-efficiency operation with minimal reduction in laser output was obtained. The superiority of the above numerical range was confirmed both in CW operation and in Q switch operation. In addition, it is confirmed that the Q switch operation is more susceptible to the influence of the thermal lens because the laser output as a whole is lower than in the CW operation, and the excitation light is reduced from a low stage. It was.

なお、リア側に分岐させる比率を上げすぎると、励起光がリア側に偏在してこの面で熱レンズが発生する虞が高くなるため、入射光をリア面と出射面に分岐させる比率は4:1近傍を上限とする。
(出力ミラーの反射率)
If the ratio of branching to the rear side is increased too much, there is a high possibility that the excitation light is unevenly distributed on the rear side and a thermal lens is generated on this surface. Therefore, the ratio of branching incident light to the rear surface and the exit surface is 4. : 1 vicinity is the upper limit.
(Output mirror reflectivity)

一方で、出力ミラーの反射率によって、共振器から取り出せるエネルギーは決定される。このため、反射率を最適に設定する必要がある。一般に共振器の反射率を高くすると、共振器内部に閉じ込められるエネルギーが高くなるため、共振器内部を構成する光学部材を損傷する虞が高くなる。このため、光学部材への負荷を低減する観点から、出力ミラーの反射率を低い値に設計することが望ましいが、このためには結晶内部の励起密度を上げる必要があるところ、従来の1方向励起では熱レンズと結晶破損の観点から励起密度を上げるには限界がある。   On the other hand, the energy that can be extracted from the resonator is determined by the reflectance of the output mirror. For this reason, it is necessary to optimally set the reflectance. In general, when the reflectance of the resonator is increased, the energy confined inside the resonator is increased, so that there is a high possibility that the optical member constituting the inside of the resonator is damaged. For this reason, from the viewpoint of reducing the load on the optical member, it is desirable to design the reflectance of the output mirror to a low value. For this purpose, it is necessary to increase the excitation density inside the crystal. In excitation, there is a limit to increasing the excitation density from the viewpoint of thermal lens and crystal damage.

ここで、共振器内部のエネルギーを算出する式を図20に示す。この図に示すように、共振器内部に閉じ込められるエネルギーErsnは、出力ミラーから出射される出力をX、出力ミラーの反射率をRとすると、Ersn={(1+R)X}/(1−R)で表現できる。今仮に10Wのレーザ出力光を得るレーザ加工装置を設計するには、出力ミラーの反射率を90%とした場合には共振器内部に190Wのエネルギーが蓄積されることになる。このような高いエネルギーは共振器を構成する光学部材に熱を発生させる原因となり、場合によってはミラー等で発生する光学的な熱歪みのためにレーザビームの品質を悪化させることになる。特に、Qスイッチを搭載したパルスレーザにおいては、数十kWのピークパワーを発生させることになり、これによって共振器を構成する光学部材が損傷を受けることになる。 Here, FIG. 20 shows an equation for calculating the energy inside the resonator. As shown in this figure, the energy E rsn confined inside the resonator is represented by E rsn = {(1 + R) X} / (1 where X is the output emitted from the output mirror and R is the reflectance of the output mirror. -R). To design a laser processing apparatus that obtains 10 W of laser output light, if the output mirror has a reflectivity of 90%, energy of 190 W is accumulated inside the resonator. Such high energy causes heat to be generated in the optical member constituting the resonator, and in some cases, the quality of the laser beam is deteriorated due to optical thermal distortion generated in a mirror or the like. In particular, in a pulse laser equipped with a Q switch, a peak power of several tens of kW is generated, thereby damaging an optical member constituting the resonator.

そこで、出力ミラーの反射率を90%から70%に低減することで、共振器内部に蓄積されるエネルギーは3分の1程度に抑えることができる。さらに50%まで低減すれば2分の1程度にできる。このように、出力ミラーの反射率は低く設計する方が望ましい。好ましくは反射率を70%以下として、効率よくパワーを取り出すことができる。また安定性の観点から、反射率を50%程度に設定することで、多少出力が低下するものの、信頼性を高める利点が得られる。
(出力ミラー反射率下限の設定)
Therefore, by reducing the reflectivity of the output mirror from 90% to 70%, the energy accumulated in the resonator can be suppressed to about one third. If it is further reduced to 50%, it can be reduced to about a half. Thus, it is desirable to design the output mirror to have a low reflectance. Preferably, the reflectance can be made 70% or less, and the power can be taken out efficiently. Also, from the viewpoint of stability, setting the reflectance to about 50% can provide the advantage of improving reliability, although the output is somewhat reduced.
(Output mirror reflectance lower limit setting)

一方で、出力ミラーの反射率を低くしすぎると、却って弊害が生じる虞がある。図21に、2方向励起方式における出力ミラーの反射率に対するレーザ出力の変化を、図22に、出力ミラーの反射率に対する共振器内部エネルギーの変化を、それぞれ示す。   On the other hand, if the reflectivity of the output mirror is too low, there is a possibility that harmful effects may occur. FIG. 21 shows a change in laser output with respect to the reflectivity of the output mirror in the two-way excitation method, and FIG. 22 shows a change in resonator internal energy with respect to the reflectivity of the output mirror.

図21から、出力ミラーの反射率は70〜80%程度で最大出力を与えることが判る。また50〜60%でも、上記範囲の9割近くの出力を維持でき、また図22から共振器内部に閉じ込められるエネルギーを低く抑えることができる。このことから、共振器内部エネルギーを低減する観点からは、出力ミラーの反射率を50〜60%に設定することが好ましい。   It can be seen from FIG. 21 that the output mirror gives the maximum output when the reflectance is about 70 to 80%. Further, even at 50 to 60%, an output of nearly 90% of the above range can be maintained, and the energy confined inside the resonator from FIG. 22 can be kept low. For this reason, from the viewpoint of reducing the resonator internal energy, it is preferable to set the reflectance of the output mirror to 50 to 60%.

一方で、出力ミラー反射率を一層低く30〜50%に設定したとしても、出力としては図21によれば8割以上が見込まれる上、図22から共振器内部に閉じ込められるエネルギーが一層低減できると思われることから、出力を多少犠牲にしてでも信頼性を確保するという観点からは、一見好ましい構成のように思われる。しかしながら、反射率を30%以下に設定した場合には、出力を低下させた分だけ共振器内部に閉じ込められるエネルギーを低減することができない。   On the other hand, even if the output mirror reflectivity is set to a lower value of 30 to 50%, the output is expected to be 80% or more according to FIG. 21, and the energy confined inside the resonator can be further reduced from FIG. From the viewpoint of ensuring reliability even if the output is somewhat sacrificed, it seems to be a preferable configuration at first glance. However, when the reflectance is set to 30% or less, the energy confined inside the resonator cannot be reduced by the amount that the output is reduced.

特に、このように低い反射率を選択した場合には、最大励起パワーではある程度の出力を確保できたとしても、励起パワーを段階的に変化させる場合や、低出力で出力を変化させた場合に問題となる。一般には出力ミラー反射率の設計は、最大励起パワー=最大出力発生時と仮定して、このデータを元にして決定される。しかしながら実際のレーザ加工装置は常に最大出力で使用される訳でなく、これ以下の異なる励起範囲でも使用される。このような場合に、出力ミラー反射率が極端に低い場合には、レーザ発振閾値が上がってしまうという弊害が生じる。図23に、図18に比べビームスプリッタの反射率を大きくした場合(50%)と小さくした場合(3%)における、励起光源のLDのパワーに対するレーザ出力光のパワーを測定したグラフを示す。この図に示すように、反射率が低くなるとレーザ出力光が得られる励起光のレーザ発振閾値が約13Wから20Wに上昇している。これは、LDユニットのパワーが低い方が固体レーザ媒質内部のゲインが下がる、すなわち励起密度が下がるため、結果として最適な出力ミラー反射率が、LDユニットのパワーが高い場合と比較して相対的に大きくなってしまうためである。このためLDユニットのパワーが低い場合には、最適な反射率の設計からはずれ、効率の悪い発振を強いられることとなる。このような発振効率の場合には、出力が不安定になり、温度やミラーコーティングの経時劣化によるレーザ出力光の変化が大きくなるという問題が発生する。このため、出力ミラー反射率を極度に下げすぎると総体的にメリットが得られないことになる。このような点を勘案すると、出力ミラーの反射率は30%〜70%の範囲が好ましいといえる。より好ましくは、40%〜50%とする。
(出力ミラーの反射率を低減させる利点)
In particular, when such a low reflectance is selected, even if a certain level of output can be secured at the maximum excitation power, when the excitation power is changed stepwise or when the output is changed at a low output It becomes a problem. In general, the design of the output mirror reflectivity is determined based on this data on the assumption that the maximum excitation power is equal to the maximum output generation time. However, an actual laser processing apparatus is not always used at the maximum output, and is also used in a different excitation range below this. In such a case, when the output mirror reflectivity is extremely low, there is a problem that the laser oscillation threshold is increased. FIG. 23 shows a graph in which the power of the laser output light is measured with respect to the power of the LD of the excitation light source when the reflectivity of the beam splitter is increased (50%) and decreased (3%) compared to FIG. As shown in this figure, the laser oscillation threshold value of the excitation light from which the laser output light can be obtained increases from about 13 W to 20 W when the reflectance decreases. This is because the gain inside the solid-state laser medium decreases when the power of the LD unit is low, that is, the pumping density decreases. As a result, the optimum output mirror reflectivity is relative to the case where the power of the LD unit is high. This is because it becomes larger. For this reason, when the power of the LD unit is low, the optimum reflectance is not designed, and inefficient oscillation is forced. In the case of such oscillation efficiency, the output becomes unstable, and there arises a problem that the change in laser output light due to temperature and mirror coating deterioration with time increases. For this reason, if the output mirror reflectivity is excessively lowered, the overall merit cannot be obtained. Considering this point, it can be said that the reflectance of the output mirror is preferably in the range of 30% to 70%. More preferably, it is 40% to 50%.
(Advantage of reducing output mirror reflectivity)

ここで、レーザ出力Pの計算式を検討する。出力ミラーの透過率をT、共振器内部損失をLoss、固体レーザ媒質の断面積(有効励起断面積)をA、固体レーザ媒質の結晶長さ(有効励起長さ)をLとし、また固体レーザ媒質内部に発生する小信号利得をg0、飽和定数をIs(=hν/δτf)とする。このときレーザ出力Pは次の数1によって表現される。
[数1]
P=T・(T+Loss)・A・Is・g0・L−T・A・Is/2
Here, the calculation formula of the laser output P is examined. The transmittance of the output mirror is T, the internal loss of the resonator is Loss, the cross-sectional area of the solid-state laser medium (effective pumping cross-sectional area) is A, the crystal length of the solid-state laser medium (effective pumping length) is L, and the solid-state laser The small signal gain generated in the medium is g 0 , and the saturation constant is Is (= hν / δτ f ). At this time, the laser output P is expressed by the following equation (1).
[Equation 1]
P = T · (T + Loss) · A · Is · g 0 · L−T · A · Is / 2

上記数1をTの方程式と考えると、極大値を与えるToptのとき、出力ミラーから取り出せるパワーが最大となる。よってToptを計算すると、次式数2のようになる。
[数2]
opt=((sqrt(2・g0・L/Loss)−1)Loss
Considering the above equation 1 as an equation of T, the power that can be extracted from the output mirror becomes maximum when T opt gives a maximum value. Therefore, when T opt is calculated, the following equation (2) is obtained.
[Equation 2]
T opt = ((sqrt (2 · g 0 · L / Loss) −1) Loss

数2より、小信号利得g0が大きい方が最適な出力ミラーの透過率Toptも大きくなり、よって出力ミラーの反射率Rが小さくなる。以上から、小信号利得g0が大きくなるような設計をすれば、最も効率よくエネルギーを取り出せる出力ミラーの反射率Rを小さくできる。一方で、出力ミラーの反射率R、出力ミラーから取り出せる出力をXとすると、共振器内部に閉じ込められるパワーは、図20に示すように次式数3で表現できる。
[数3]
(1+R)・X/(1−R)
From Equation 2, the larger the small signal gain g 0 , the larger the optimum output mirror transmittance T opt becomes, and hence the output mirror reflectivity R becomes smaller. From the above, if the design is such that the small signal gain g 0 is increased, the reflectance R of the output mirror that can extract energy most efficiently can be reduced. On the other hand, if the reflectance R of the output mirror and the output that can be extracted from the output mirror are X, the power confined inside the resonator can be expressed by the following equation (3) as shown in FIG.
[Equation 3]
(1 + R) · X / (1-R)

このことから、出力ミラーの反射率Rが小さいほど、共振器内部に閉じ込められるエネルギーは小さくなり、出力ミラーやリア側ミラー、固体レーザ媒質端面におけるコーティング損傷のリスクは小さくなることが判る。   From this, it can be seen that the smaller the reflectivity R of the output mirror, the smaller the energy confined inside the resonator, and the lower the risk of coating damage on the output mirror, rear side mirror, and solid laser medium end face.

一方、上記小信号利得g0は次式数4によって表現される
[数4]
0=σ・N0・Wp・τf
On the other hand, the small signal gain g 0 is expressed by the following equation (4).
g 0 = σ · N 0 · Wp · τ f

上式において、σは誘導放出断面積、τfは蛍光寿命でいずれも物性値であり、固体レーザ媒質の種類(Nd:YVO4かNd:YLFかなど)によって決まる。一方、N0、Wpはそれぞれ単位体積に存在する励起源(原子数)のポンピングレートを意味し、その積N0・Wpは励起される原子の単位時間・単位体積当たりの数を意味することになる。よって、g0の大きなレーザ加工装置を設計するには、励起光を小さなボリュームに集光して励起し、単位体積内で励起される原子数を増やせばよいことになり、励起密度を上げればg0が大きいということに繋がる。これにより、励起ボリュームが小さくなるように設計し、励起密度を上げて励起を行えばg0が大きくなり、結果として出力ミラーの反射率を下げても、出力ミラーより効率的にレーザの取り出しが行えるようになる。これによって、共振器を構成する光学部材に使われているコーティングが損傷するリスクを低減できる。 In the above equation, σ is a stimulated emission cross-sectional area, and τ f is a fluorescence lifetime, both of which are physical property values, which are determined by the type of solid-state laser medium (Nd: YVO 4 or Nd: YLF, etc.). On the other hand, N 0 and Wp mean the pumping rate of the excitation source (number of atoms) existing in the unit volume, and the product N 0 · Wp means the number of excited atoms per unit time and unit volume. become. Therefore, in order to design a laser processing apparatus with a large g 0 , it is only necessary to increase the number of atoms excited in a unit volume by concentrating excitation light on a small volume and increasing the excitation density. g 0 leads to the fact that large. As a result, if the excitation volume is designed to be small and the excitation density is increased and excitation is performed, g 0 increases, and as a result, even if the output mirror reflectance is lowered, the laser can be extracted more efficiently than the output mirror. You can do it. As a result, the risk of damage to the coating used in the optical member constituting the resonator can be reduced.

以上の観点からは、励起密度を上げる設計が好ましいことになる。しかしながら、固体レーザ媒質内部に発生する熱レンズのために、現実には上記した計算式通りの出力が得られない。固体レーザ媒質内部に発生した熱レンズはモードを悪化させたり、場合によっては共振器の安定動作を妨げ、レーザが発振しないケースも生じ得る。よって、熱レンズの発生量が同一であるという前提のもとでは、上記理論に基づいて励起密度を高めるのが好ましいといえる。特に、従来の1方向励起に比べ2方向励起の方が、励起光を分散させることによってトータルの熱レンズ発生量を低下できる。これにより、2方向励起では、励起密度を高めても、従来の1方向励起と同等の熱レンズ発生状態を実現することが可能となり、その分出力ミラーの反射率を抑えることが可能となる。このように、2方向励起を用いて熱を分散させ、その分高い密度で励起することが可能となり、さらにこれによって出力ミラーの反射率を抑えることができ、共振器内部に蓄積されるエネルギーを抑制できる。
(モードマッチング)
From the above viewpoint, a design that increases the excitation density is preferable. However, because of the thermal lens generated inside the solid-state laser medium, the output according to the above calculation formula cannot actually be obtained. The thermal lens generated inside the solid-state laser medium may deteriorate the mode, and in some cases, the stable operation of the resonator may be hindered and the laser may not oscillate. Therefore, it can be said that it is preferable to increase the excitation density based on the above theory under the assumption that the generation amount of the thermal lens is the same. In particular, compared with the conventional one-way excitation, the two-way excitation can reduce the total amount of generated thermal lenses by dispersing the excitation light. Thereby, in the two-way excitation, even if the excitation density is increased, it is possible to realize a thermal lens generation state equivalent to the conventional one-way excitation, and it is possible to suppress the reflectance of the output mirror correspondingly. In this way, it is possible to dissipate heat using two-way excitation and excite it by a correspondingly high density, which can further reduce the reflectivity of the output mirror, and reduce the energy accumulated in the resonator. Can be suppressed.
(Mode matching)

さらに、2方向励起において励起光のスポット径を、固体レーザ媒質の有するTEM00ビームモードよりも小さくすることで、一層の高効率化を図ることができる。従来の2方向励起においては、固体レーザ媒質の各端面に対して、照射する励起光のスポット径を、固体レーザ媒質の持つTEM00モード径のサイズより若干大きくすることで、励起が励起が狭い範囲に集中して熱レンズや強熱レンズ効果が発生する問題を回避していた。しかしながらこの方法では、LDユニットの出力が低い場合には対応できても、高出力のLDユニットを使用する場合においては固体レーザ媒質結晶内でのゲインの増大を図ることが困難であった。そこで、共振器内部に発生するTEM00モードよりも細い励起スポット径として強密度励起することで、固体レーザ結晶内部に発生するゲインを増大させる。 Further, by making the spot diameter of the excitation light smaller than the TEM 00 beam mode of the solid-state laser medium in the two-way excitation, it is possible to further increase the efficiency. In the conventional bi-directional excitation, the excitation is narrowly excited by slightly increasing the spot diameter of the excitation light to be irradiated on each end face of the solid-state laser medium from the size of the TEM 00 mode diameter of the solid-state laser medium. The problem that the thermal lens and the hot lens effect are generated by concentrating on the range was avoided. However, this method can cope with the case where the output of the LD unit is low, but it is difficult to increase the gain in the solid-state laser medium crystal when the high output LD unit is used. Therefore, the gain generated inside the solid-state laser crystal is increased by performing high-density excitation with an excitation spot diameter narrower than the TEM 00 mode generated inside the resonator.

より詳細に説明すると、TEM00ビームモードとは、単一波長を発振できるモード(シングルモード)であり、このモードでレーザ発振させることでレーザ出力光の位相が揃い、乱れのない高品質な出力光を得ることができる。TEM00モードを得るためには、アパーチャ等を用いて、固体レーザ媒質の端面でTEM00モードの領域のみを励起する。ここで従来の発想では、狭い領域で励起させると熱レンズが発生し易いと考えられていた。また一旦熱レンズが発生すると、アパーチャ等で集光させてTEM00モードとしても、熱レンズ効果によって出力光が広がってしまう。このことから、TEM00モードよりも若干大きく励起して熱レンズ等を回避すること行われていた。ただ、広い領域で励起するとシングルモードからマルチモードが混在するようになる。一方でスポット径を細くして励起すると、上述の通り熱レンズが発生し、シングルモードが得られなくなる。例えば2〜3W程度といった出力の低いレーザ加工装置であれば、細く励起してもシングルモードが得られる。しかしながら、10Wクラスの出力になると、細く励起すると熱の影響によりシングルモードが得られない。そこで、上述の通り2方向励起方式を採用することで、熱の集中を緩和させ、この結果細いスポット径で励起しても、シングルモードで励起できるようになる。以上のように、2方向励起とスポット径の調整を併用することで、必要な領域のみを強調して励起し、高効率で高品質なレーザ出力光を得ることができる。例えば従来の方式では、30WのLDユニットの入力で9Wの共振器出力を得ていたのに対し、本実施の形態では2方向励起とモードマッチングの組み合わせにより効率を改善し、40WのLDユニットの入力で平均出力10W以上、ピークパワー30kW以上の共振器出力を得ることができる。さらに、平均出力を15W、ピークパワーを100kWとすることもできる。
さらにTEM00モードのスポット径を1.3以下としてシングルモード出力を可能としており、加えてレーザ出力光が0.5W〜15Wのすべての出力範囲でTEM00モードのスポット径1.3以下に抑えることができる。
More specifically, the TEM 00 beam mode is a mode that can oscillate a single wavelength (single mode). By oscillating laser in this mode, the phase of the laser output light is aligned and high quality output without disturbance Light can be obtained. To obtain a TEM 00 mode, using an aperture or the like, to excite only the area of the TEM 00 mode at the end face of the solid-state laser medium. Here, according to the conventional idea, it is considered that a thermal lens is likely to be generated when excited in a narrow region. Also, once a thermal lens is generated, the output light spreads due to the thermal lens effect even if it is condensed by an aperture or the like and set in the TEM 00 mode. For this reason, it has been practiced to avoid a thermal lens by exciting slightly larger than the TEM 00 mode. However, when excited over a wide area, single mode to multi-mode are mixed. On the other hand, if the spot diameter is reduced and excited, a thermal lens is generated as described above, and a single mode cannot be obtained. For example, if the laser processing apparatus has a low output of about 2 to 3 W, a single mode can be obtained even if it is excited finely. However, when the output is 10 W class, a single mode cannot be obtained due to the influence of heat if it is excited finely. Therefore, by adopting the two-way excitation method as described above, the concentration of heat is alleviated. As a result, even if excitation is performed with a narrow spot diameter, excitation can be performed in a single mode. As described above, by using two-way excitation and spot diameter adjustment in combination, it is possible to enhance and excite only a necessary region, and to obtain high-efficiency and high-quality laser output light. For example, in the conventional method, a 9 W resonator output is obtained at the input of the 30 W LD unit, but in this embodiment, the efficiency is improved by combining two-way excitation and mode matching, and the 40 W LD unit is improved. A resonator output with an average output of 10 W or more and a peak power of 30 kW or more can be obtained at the input. Further, the average output can be 15 W and the peak power can be 100 kW.
Furthermore, the TEM 00 mode spot diameter is 1.3 or less to enable single mode output. In addition, the laser output light is suppressed to a TEM 00 mode spot diameter of 1.3 or less in the entire output range of 0.5 W to 15 W. be able to.

スポット径の調整は、集光レンズで行う。集光レンズは、反射ミラーで反射された、あるいは分岐手段23で反射乃至透過された平行光を所定のスポット径に集光して、固体レーザ媒質の端面に投入する。
(レーザ光走査系30)
The spot diameter is adjusted with a condenser lens. The condensing lens condenses the parallel light reflected by the reflecting mirror or reflected or transmitted by the branching means 23 to a predetermined spot diameter, and puts it on the end face of the solid-state laser medium.
(Laser beam scanning system 30)

以上のようにしてレーザ共振部で生成されたレーザ出力光を、レーザ光走査系30で所望の加工パターンにてワークW上の作業領域内に走査して、加工を行う。レーザ共振部20とレーザ光走査系30は光学的に接続されており、例えば図3において出力ミラー26から出射されるレーザ出力光を折り返して、下方に配置したレーザ光走査系30に伝送する。   Processing is performed by scanning the laser output light generated by the laser resonator as described above into a work area on the workpiece W with a desired processing pattern by the laser beam scanning system 30. The laser resonator 20 and the laser beam scanning system 30 are optically connected. For example, the laser output light emitted from the output mirror 26 in FIG. 3 is folded and transmitted to the laser beam scanning system 30 disposed below.

レーザ光走査系30は、レーザ光を反射させて所望の方向に出力し、ワークWの表面でレーザ出力光を走査して加工するためのスキャナを備える。各スキャナは、光を反射する反射面として全反射ミラーであるガルバノミラーと、ガルバノミラーを回動軸に固定して回動するためのガルバノモータと、回動軸の回転位置を検出して位置信号として出力する位置検出部を備える。またスキャナは、スキャナを駆動するスキャナ駆動部35に接続される。スキャナ駆動部35は制御部50に接続され、スキャナを制御する制御信号を制御部50から受けて、これに基づいてスキャナを駆動する。例えばスキャナ駆動部35は、制御信号に基づいてスキャナを駆動する駆動電流を調整する。またスキャナ駆動部35は、制御信号に対する各スキャナの回転角の時間変化を調整する調整機構を備える。調整機構は、スキャナ駆動部35の各パラメータを調整する可変抵抗等の半導体部品で構成される。   The laser beam scanning system 30 includes a scanner that reflects and outputs the laser beam in a desired direction, and scans and processes the laser output beam on the surface of the workpiece W. Each scanner has a galvano mirror which is a total reflection mirror as a reflecting surface for reflecting light, a galvano motor for rotating with the galvano mirror fixed to the rotating shaft, and a position where the rotating shaft rotates. A position detector for outputting as a signal is provided. The scanner is connected to a scanner driving unit 35 that drives the scanner. The scanner driving unit 35 is connected to the control unit 50, receives a control signal for controlling the scanner from the control unit 50, and drives the scanner based on the control signal. For example, the scanner drive unit 35 adjusts the drive current for driving the scanner based on the control signal. The scanner driving unit 35 includes an adjustment mechanism that adjusts a temporal change in the rotation angle of each scanner with respect to the control signal. The adjustment mechanism is configured by a semiconductor component such as a variable resistor that adjusts each parameter of the scanner driving unit 35.

図1に示すレーザ光走査系30は、一対のX軸スキャナ31、Y軸スキャナ32と、これらをそれぞれ回動するガルバノモータ33、34とを備えている。ガルバノモータ33、34は、スキャナ駆動部35で駆動される。スキャナ駆動部35は、制御部50から与えられる走査信号に基づいて、ガルバノモータ33、34を駆動させることにより、ガルバノモータ33、34の出力軸に設けられたX軸スキャナ31、Y軸スキャナ32の全反射ミラーを回動させて、固体レーザ媒質21から発振されたレーザ出力光を偏向・走査する。偏向・走査されたレーザ出力光は、略偏向方向に設けられた作業領域集光部40を介してワークWの表面に照射されてマーキングする。作業領域集光部40は、スキャナがニュートラル位置にある状態において偏向されたレーザ出力光がその中央を平行光として入射されるように設けられている。   The laser beam scanning system 30 shown in FIG. 1 includes a pair of an X-axis scanner 31 and a Y-axis scanner 32, and galvano motors 33 and 34 that rotate them. The galvano motors 33 and 34 are driven by a scanner driving unit 35. The scanner driving unit 35 drives the galvano motors 33 and 34 based on the scanning signal given from the control unit 50, so that the X-axis scanner 31 and the Y-axis scanner 32 provided on the output shafts of the galvano motors 33 and 34. The total reflection mirror is rotated, and the laser output light oscillated from the solid-state laser medium 21 is deflected and scanned. The deflected / scanned laser output light is irradiated and marked on the surface of the workpiece W through a work area condensing unit 40 provided in a substantially deflecting direction. The work area condensing unit 40 is provided so that the laser output light deflected in a state where the scanner is in the neutral position is incident on the center as parallel light.

作業領域集光部40は、fθレンズ等の作業領域集光レンズが使用される。レーザビームは、ガルバノミラーにより反射された後、作業領域集光レンズにより集光して照射面に照射されるが、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図1に示すようにガルバノミラーにビームエキスパンダ36を前置し、レーザ発振部50から出力されるレーザビームのビーム径を拡げるようにしている。ビームエキスパンダ36からの出射ビームは、ミラーなどの光学部材により反射してレーザ光走査系30のガルバノミラーに導かれる。なおfθレンズ等の作業領域集光部は、後述するようにZ軸スキャナにその機能を代用させて、省略することもできる。
The work area condensing unit 40 uses a work area condensing lens such as an fθ lens. After the laser beam is reflected by the galvanometer mirror, it is condensed by the work area condensing lens and irradiated on the irradiation surface. As shown in FIG. A beam expander 36 is placed in front of the galvanometer mirror so that the beam diameter of the laser beam output from the laser oscillation unit 50 is expanded. The outgoing beam from the beam expander 36 is reflected by an optical member such as a mirror and guided to the galvanometer mirror of the laser beam scanning system 30. The work area condensing unit such as the fθ lens can be omitted by substituting the function of the Z-axis scanner as described later.

レーザ光走査系30の一例を図24、図25、図26に示す。これらの図において、図24はレーザ加工装置のレーザ光走査系30の構成を示す斜視図を、図25は図24を逆方向から見た斜視図を、図26は側面図を、それぞれ示している。これらの図に示すレーザ加工装置は、レーザ出力光を発生させるレーザ共振部20と光路を一致させたZ軸スキャナを内蔵するビームエキスパンダ36と、X軸スキャナ31と、X軸スキャナ31と直交するよう配置されたY軸スキャナ32とを備える。このレーザ光走査系30は、レーザ共振部20より出射されるレーザ出力光をX軸スキャナ31、Y軸スキャナ32で作業領域WS内で2次元的に走査させ、さらにZ軸スキャナ37で高さ方向にワーキングディスタンスすなわち焦点距離を調整することができ、3次元状に加工加工が可能となる。なお、X軸スキャナ、Y軸スキャナ、Z軸スキャナは、互いに入れ替えても同様に機能できることはいうまでもない。例えばZ軸スキャナを出射したレーザ出力光をY軸スキャナで受けるよう構成したり、あるいはX軸スキャナでY軸を制御し、Y軸スキャナでZ軸を制御するよう配置してもよい。なおこれらの図においては、作業領域集光レンズであるfθレンズは図示を省略している。   An example of the laser beam scanning system 30 is shown in FIG. 24, FIG. 25, and FIG. In these drawings, FIG. 24 is a perspective view showing the configuration of the laser beam scanning system 30 of the laser processing apparatus, FIG. 25 is a perspective view of FIG. 24 viewed from the reverse direction, and FIG. 26 is a side view. Yes. The laser processing apparatus shown in these drawings includes a beam expander 36 that incorporates a Z-axis scanner whose optical path coincides with a laser resonator 20 that generates laser output light, an X-axis scanner 31, and an X-axis scanner 31. And a Y-axis scanner 32 arranged to do so. The laser beam scanning system 30 causes the laser output light emitted from the laser resonator 20 to be scanned two-dimensionally within the work area WS by the X-axis scanner 31 and the Y-axis scanner 32, and further the height by the Z-axis scanner 37. The working distance, that is, the focal length can be adjusted in the direction, and processing can be performed three-dimensionally. Needless to say, the X-axis scanner, the Y-axis scanner, and the Z-axis scanner can function similarly even if they are interchanged. For example, the laser output light emitted from the Z-axis scanner may be received by the Y-axis scanner, or the Y-axis may be controlled by the X-axis scanner and the Z-axis may be controlled by the Y-axis scanner. In these drawings, the fθ lens which is a work area condensing lens is not shown.

レーザ加工装置においては一般に、Y軸スキャナで反射されたレーザ出力光を作業領域に照射させるよう集光するために、Y軸スキャナと作業領域の間には、fθレンズ等の作業領域集光レンズを配置している。fθレンズは、Z軸方向の補正を行う。具体的には、図27(a)に示すように、作業領域WSの端部に近付くほど焦点位置を伸ばし、ワークWの加工対象面上に位置させる補正である。レーザ出力光の焦点位置は円弧状の軌跡となるため、加工対象面が平面の場合、鉛直下の位置、図27(a)において加工対象面を示す平面WMの中心で焦点位置が合うように設定すると、中心から離れるほど、すなわち作業領域WSの周辺に近付くほど焦点位置が加工対象面から遠ざかり(レーザ出力光LB’)、焦点が合わず加工精度が低下する。そこで、図27(b)に示すように作業領域WSの端部に近付くほどレーザ出力光LBの焦点位置が長くなるよう、fθレンズで補正する。仮想的に加工対象面の平面WMが、WM’で示す凸状曲面の補正面となるよう変換することで、レーザ出力光LBの焦点位置を平面WM上に位置させることができる。   In general, in a laser processing apparatus, a work area condensing lens such as an fθ lens is provided between the Y axis scanner and the work area in order to collect the laser output light reflected by the Y axis scanner so as to irradiate the work area. Is arranged. The fθ lens performs correction in the Z-axis direction. Specifically, as shown in FIG. 27A, the focal position is extended as it approaches the end of the work area WS, and is corrected to be positioned on the processing target surface of the workpiece W. Since the focus position of the laser output light is an arc-shaped locus, when the processing target surface is a plane, the focus position is adjusted so that the focus position is at a position vertically below, the center of the plane WM indicating the processing target surface in FIG. When set, the farther away from the center, that is, the closer to the periphery of the work area WS, the farther the focal position is from the surface to be processed (laser output light LB ′), and the processing accuracy is lowered because the focus is not achieved. Therefore, as shown in FIG. 27 (b), correction is performed by the fθ lens so that the focal position of the laser output light LB becomes longer as it approaches the end of the work area WS. The focal position of the laser output light LB can be positioned on the plane WM by virtually converting the plane WM of the processing target surface into a convex curved correction surface indicated by WM ′.

レーザ加工装置において、例えばスポット径を約50μmより小さいビームを形成したい場合は、fθレンズを配置することが好ましい。一方、上述の小スポット径よりも大きい、スポット径が約100μm程度(通常良く使用されるスポット径)のビーム径を採用する場合は、Z軸スキャナ側のビームエキスパンダに備えられたZ軸集光レンズをZ軸方向に移動させることにより、fθレンズが行うべきZ軸方向の補正を、補正制御として行うことができる。これにより、スポット径が大きい場合はfθレンズを省略することも可能となる。上述した図27(a)の例では、fθレンズが行うべきZ軸方向の補正を、Z軸スキャナの補正制御に行わせている。一方、スポット径が小さい場合は、Z軸スキャナによる補正では焦点位置の調整が不十分となるため、上述の通りfθレンズを用いる。本実施の形態では、レーザ出力光のスポット径として小スポット、標準、ワイドスポットの3種類を用意しており、この内の小スポットタイプのみ、fθレンズで作業領域WS端部の歪みを矯正し、標準及びワイドスポットではfθレンズを使用せず、Z軸スキャナで補正している。   In the laser processing apparatus, for example, when it is desired to form a beam having a spot diameter smaller than about 50 μm, it is preferable to arrange an fθ lens. On the other hand, when a beam diameter larger than the small spot diameter described above and having a spot diameter of about 100 μm (usually used spot diameter) is adopted, the Z-axis assembly provided in the beam expander on the Z-axis scanner side is used. By moving the optical lens in the Z-axis direction, correction in the Z-axis direction that should be performed by the fθ lens can be performed as correction control. Thereby, when the spot diameter is large, the fθ lens can be omitted. In the example of FIG. 27A described above, correction in the Z-axis direction to be performed by the fθ lens is performed by correction control of the Z-axis scanner. On the other hand, when the spot diameter is small, the focus position is not sufficiently adjusted by the correction by the Z-axis scanner, so the fθ lens is used as described above. In this embodiment, there are three types of spot diameters of laser output light: small spot, standard, and wide spot. Only the small spot type of these is used to correct distortion at the end of the work area WS with the fθ lens. In standard and wide spots, the fθ lens is not used, and correction is performed by a Z-axis scanner.

Z軸スキャナのビームエキスパンダに備えられたZ軸集光レンズでZ軸方向の補正制御を行う場合も、上述したfθレンズによる補正と同様の補正を行う。図27(b)で説明した補正面WM’の高さ、すなわちZ座標は、XY座標によって一義的に決定される。このため、XY座標毎に、補正後のZ座標を関連付けておくことで、XY軸スキャナの移動に従いZ軸スキャナを関連付けられたZ座標に移動させれば、常に焦点位置での加工が可能となる。関連付けのデータは、図28に示すレーザ加工データ設定装置の記憶部72で保存する。あるいはレーザ加工装置のレーザ制御部1に備えられたメモリ部52に保存、転送することもできる。これによって、作業領域内におけるXY座標の移動に追従して、補正後のZ座標が決定されるので、作業領域内でほぼ均一に焦点位置が調整されたレーザ出力光を照射できる。
(Z軸スキャナ37)
Even when correction control in the Z-axis direction is performed by the Z-axis condenser lens provided in the beam expander of the Z-axis scanner, correction similar to the correction by the fθ lens described above is performed. The height of the correction surface WM ′ described in FIG. 27B, that is, the Z coordinate is uniquely determined by the XY coordinate. Therefore, by associating the corrected Z coordinate for each XY coordinate, if the Z-axis scanner is moved to the associated Z-coordinate according to the movement of the XY-axis scanner, processing at the focal position can always be performed. Become. The association data is stored in the storage unit 72 of the laser processing data setting device shown in FIG. Alternatively, the data can be stored and transferred to the memory unit 52 provided in the laser control unit 1 of the laser processing apparatus. As a result, the corrected Z coordinate is determined following the movement of the XY coordinate in the work area, so that it is possible to irradiate the laser output light whose focal position is adjusted almost uniformly in the work area.
(Z-axis scanner 37)

Z軸スキャナ37はレーザ出力光のスポット径を調整し、これによって焦点距離を調整するビームエキスパンダ36を構成している。すなわち、ビームエキスパンダ36で入射レンズと出射レンズとの相対距離を変化させることでレーザ出力光のビーム径を拡大/縮小し、焦点位置も変化させることができる。ビームエキスパンダ36は、小スポットへの集光を効果的に行わせるため、図24に示すようにガルバノミラーの前段に配置され、レーザ共振部20から出力されるレーザ出力光のビーム径を調整すると共に、レーザ出力光の焦点位置を調整可能としている。Z軸スキャナ37がワーキングディスタンスを調整する方法を、図29〜図31に基づいて説明する。図29、図30はレーザ光走査系30の側面図であり、図29はレーザ出力光の焦点距離を長くする場合、図30は焦点距離を短くする場合をそれぞれ示している。また図31はZ軸スキャナ37の正面図及び断面図を示している。これらの図に示すように、Z軸スキャナ37はレーザ共振部20側に面する入射レンズ38と、レーザ出射側に面する出射レンズ39を含んでおり、これらのレンズ間の距離を相対的に変化可能としている。図29〜図31の例では、出射レンズ39を固定し、入射レンズ38を光軸方向に沿って駆動モータ等で摺動可能としている。図31は出射レンズ39の図示を省略して、入射レンズ38の駆動機構を示している。この例では、コイルと磁石によって軸方向に可動子を摺動可能とし、可動子に入射レンズ38を固定している。ただ、入射レンズ側を固定して出射レンズ側を移動可能としたり、入射レンズ、出射レンズを共に移動可能とすることもできる。   The Z-axis scanner 37 constitutes a beam expander 36 that adjusts the spot diameter of the laser output light and thereby adjusts the focal length. That is, by changing the relative distance between the entrance lens and the exit lens by the beam expander 36, the beam diameter of the laser output light can be enlarged / reduced, and the focal position can also be changed. The beam expander 36 is arranged in front of the galvanometer mirror as shown in FIG. 24 and adjusts the beam diameter of the laser output light output from the laser resonator 20 so as to effectively collect light on a small spot. In addition, the focal position of the laser output light can be adjusted. A method for adjusting the working distance by the Z-axis scanner 37 will be described with reference to FIGS. 29 and 30 are side views of the laser beam scanning system 30. FIG. 29 shows a case where the focal length of the laser output light is increased, and FIG. 30 shows a case where the focal length is shortened. FIG. 31 shows a front view and a sectional view of the Z-axis scanner 37. As shown in these figures, the Z-axis scanner 37 includes an incident lens 38 facing the laser resonator 20 side and an exit lens 39 facing the laser exit side. It can change. In the example of FIGS. 29 to 31, the exit lens 39 is fixed, and the entrance lens 38 can be slid along the optical axis direction by a drive motor or the like. FIG. 31 shows the drive mechanism of the incident lens 38 with the illustration of the exit lens 39 omitted. In this example, the movable element can be slid in the axial direction by a coil and a magnet, and the incident lens 38 is fixed to the movable element. However, the incident lens side can be fixed and the exit lens side can be moved, or both the entrance lens and the exit lens can be moved.

図29に示すように、入射レンズ38と出射レンズ39との間の距離を近付けると、焦点位置が遠ざかり、焦点距離(ワーキングディスタンス)が大きくなる。逆に図30に示すように入射レンズ38と出射レンズ39との距離を離すと、焦点位置が近付き焦点距離が小さくなる。   As shown in FIG. 29, when the distance between the incident lens 38 and the outgoing lens 39 is made closer, the focal position becomes farther and the focal distance (working distance) becomes larger. On the contrary, as shown in FIG. 30, when the distance between the incident lens 38 and the outgoing lens 39 is increased, the focal position approaches and the focal distance becomes smaller.

なお、3次元加工、すなわちワークの高さ方向への加工が可能なレーザ加工装置は、上記図29、図30のようにZ軸スキャナを調整する方式の他、例えば物理的に作業領域集光レンズを移動させる、あるいはレーザ出力部やマーキングヘッド自体を移動可能とする、ワークを載置するステージを移動させる等、他の方式を利用することも可能である。
(ディスタンスポインタ)
Note that the laser processing apparatus capable of three-dimensional processing, that is, processing in the height direction of the workpiece, is not limited to the method of adjusting the Z-axis scanner as shown in FIGS. It is also possible to use other methods such as moving the lens, moving the laser output unit or the marking head itself, or moving the stage on which the workpiece is placed.
(Distance pointer)

また、3次元加工可能なレーザ加工装置の作業領域の中心に焦点位置を調整するために、レーザ出力光を作業領域WS内に走査させる際の照射位置を示すガイドパターンを表示することができる。図24〜図25に示すレーザ加工装置のレーザ光走査系30は、ディスタンスポインタとして、ガイド用光源64と、ガイド用光源64からのガイド光GLをレーザ光走査系30の光軸と一致させるためのガイド光光学系の一形態としてハーフミラー65を備えると共に、ポインタ光調整系として、ポインタ光PLを照射するためのポインタ用光源66と、Y軸スキャナ32の裏面に形成されたポインタ用スキャナミラー68と、ポインタ用スキャナミラー68で反射されたポインタ用光源66からのポインタ光PLをさらに反射させて焦点位置に向かって照射する固定ミラー67とを備えている。このディスタンスポインタは、レーザ出力光の焦点位置を示すポインタ光PLをポインタ用光源66から照射し、ガイド光GLで表示されるガイドパターンのほぼ中心に、ポインタ光PLを照射するよう調整することで、レーザ出力光の焦点位置が指示される。   Further, in order to adjust the focal position at the center of the work area of the laser processing apparatus capable of three-dimensional processing, a guide pattern indicating the irradiation position when the laser output light is scanned into the work area WS can be displayed. The laser beam scanning system 30 of the laser processing apparatus shown in FIGS. 24 to 25 serves as a distance pointer to align the guide light source 64 and the guide light GL from the guide light source 64 with the optical axis of the laser beam scanning system 30. And a pointer light source 66 for irradiating pointer light PL as a pointer light adjustment system, and a pointer scanner mirror formed on the back surface of the Y-axis scanner 32. 68 and a fixed mirror 67 for further reflecting the pointer light PL from the pointer light source 66 reflected by the pointer scanner mirror 68 and irradiating it toward the focal position. The distance pointer is adjusted by irradiating the pointer light PL indicating the focal position of the laser output light from the pointer light source 66 and irradiating the pointer light PL almost at the center of the guide pattern displayed by the guide light GL. The focal position of the laser output light is indicated.

なお、上記の例ではレーザ光走査系30に、レーザ出力光の焦点距離を調整可能な機構を設けることで3次元加工を可能としている。ただ、ワークを載置するステージの位置を上下方向に調整可能とすることで、レーザ出力光の焦点がワークの作業面で結ぶようにステージの高さを調整する制御を行うことでも、同様に3次元加工を行うこともできる。また、ステージをX軸あるいはY軸方向に移動可能とすることで、レーザ光走査系の該当するスキャナを省略できる。これらの構成は、ワークをライン上に搬送する形態でなく、ステージ上に載置して加工する形態において好適に利用できる。   In the above example, the laser beam scanning system 30 is provided with a mechanism capable of adjusting the focal length of the laser output light, thereby enabling three-dimensional processing. However, it is also possible to adjust the height of the stage so that the focus of the laser output light is tied to the work surface of the work by making the position of the stage on which the work is placed vertically adjustable. Three-dimensional processing can also be performed. Also, by making the stage movable in the X-axis or Y-axis direction, the corresponding scanner of the laser beam scanning system can be omitted. These configurations can be suitably used not only in a form in which the workpiece is conveyed on the line but also in a form in which the work is placed on the stage and processed.

以上の構成によれば、レーザ光走査系30によってレーザ共振器で得られたレーザ出力光を作業領域内において3次元的に走査させることができる。またXY軸スキャナに比べ、一般に応答特性の劣るZ軸スキャナの移動量を抑えることで、より高速で制御性の高い3次元加工が可能となる。さらに作業領域の各位置での焦点距離を一定に維持するようZ軸スキャナで補正しつつ、レーザ出力光の出射がOFFの間はこの補正を中断して、XY軸スキャナに比べ、一般に応答特性の劣るZ軸スキャナの移動量を抑えることができ、より高速で制御性の高い3次元加工が可能となる。さらにまた、作業領域内で焦点位置がほぼ均一になるようにZ軸スキャナで調整され、別途作業領域集光レンズ等を用意せずとも作業領域端縁近傍での加工精度低下を防止できる。加えて、次回の加工開始位置のZ座標を先読みして、この位置に移動させておくことにより次回の加工開始をスムーズに行わせることができる。あるいは、Z軸スキャナの追従動作を中断して一定の位置に保持できるので、XY軸スキャナはZ軸スキャナの応答時間に左右されることなく高速に次の加工位置まで移動でき、全体としての走査速度向上が図られる。   According to the above configuration, the laser output light obtained by the laser resonator by the laser light scanning system 30 can be scanned three-dimensionally in the work area. Further, by controlling the movement amount of the Z-axis scanner, which is generally inferior in response characteristics as compared to the XY-axis scanner, three-dimensional processing with higher speed and higher controllability is possible. In addition, while correcting with the Z-axis scanner so that the focal length at each position in the work area is kept constant, this correction is interrupted while the emission of the laser output light is OFF, and generally response characteristics compared with the XY-axis scanner. The amount of movement of the inferior Z-axis scanner can be suppressed, and three-dimensional machining with higher speed and higher controllability is possible. Furthermore, adjustment is made by the Z-axis scanner so that the focal position becomes substantially uniform in the work area, and it is possible to prevent a reduction in processing accuracy near the edge of the work area without preparing a separate work area condenser lens. In addition, the next machining start can be smoothly performed by prefetching the Z coordinate of the next machining start position and moving it to this position. Alternatively, the follow-up operation of the Z-axis scanner can be interrupted and held at a fixed position, so that the XY-axis scanner can move to the next processing position at a high speed regardless of the response time of the Z-axis scanner, and the entire scan can be performed. The speed is improved.

また一方で、固体レーザ媒質の熱レンズ特性により、出射光の拡がり角度が変わるため、加工点での焦点位置がパワーの設定によりずれるという問題が生じる。このずれを演算することで、Z軸スキャナでずれを補正し、熱レンズが発生しても高精度な加工を維持できる。
(レーザ加工装置のシステム構成)
On the other hand, since the spread angle of the emitted light changes due to the thermal lens characteristics of the solid-state laser medium, there arises a problem that the focal position at the processing point is shifted due to the power setting. By calculating this deviation, the deviation is corrected by the Z-axis scanner, and high-precision processing can be maintained even if a thermal lens is generated.
(System configuration of laser processing equipment)

次に図32に、3次元加工可能なレーザ加工装置のシステム構成を示す。この図に示すレーザ加工システムは、レーザ出力部を構成するマーキングヘッド2Aと、マーキングヘッド2Aと接続されてこれを制御するレーザ制御部1であるコントローラ1Aと、コントローラ1Aとデータ通信可能に接続され、コントローラ1Aに対して加工パターンを3次元のレーザ加工データとして設定するレーザ加工データ設定装置70とを備える。このマーキングヘッド2Aとコントローラ1Aとで、レーザ加工装置100が構成される。またレーザ加工データ設定装置70は、図32の例においてはコンピュータにレーザ加工データ設定プログラムをインストールして、レーザ加工データ設定機能を実現させている。レーザ加工データ設定装置は、コンピュータの他、タッチパネルを接続したプログラマブルロジックコントローラ(PLC)や、その他専用のハードウェア等を利用することもできる。またレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置の動作を制御する制御装置として機能させることもできる。例えば、一のコンピュータにレーザ加工データ設定装置としての機能と、レーザ出力部を備えるレーザ出力部のコントローラとしての機能を統合してもよい。さらにレーザ加工データ設定装置は、レーザ加工装置と別部材で構成する他、レーザ加工装置に統合することもでき、例えばレーザ加工装置に組み込まれたレーザ加工データ設定回路等とすることもできる。   Next, FIG. 32 shows a system configuration of a laser processing apparatus capable of three-dimensional processing. The laser processing system shown in this figure is connected to a marking head 2A that constitutes a laser output unit, a controller 1A that is a laser control unit 1 that is connected to and controls the marking head 2A, and a controller 1A that is capable of data communication. And a laser processing data setting device 70 that sets a processing pattern as three-dimensional laser processing data for the controller 1A. The marking head 2A and the controller 1A constitute a laser processing apparatus 100. In the example of FIG. 32, the laser processing data setting device 70 installs a laser processing data setting program in a computer to realize a laser processing data setting function. The laser processing data setting device can use a programmable logic controller (PLC) connected with a touch panel, other dedicated hardware, etc. in addition to a computer. The laser processing data setting device can also function as a control device that controls the operation of the laser processing device. For example, a function as a laser processing data setting device and a function as a controller of a laser output unit including a laser output unit may be integrated into one computer. Further, the laser processing data setting device is constituted by a member different from the laser processing device, and can also be integrated into the laser processing device, for example, a laser processing data setting circuit incorporated in the laser processing device.

さらにコントローラ1Aには、必要に応じて各種外部機器80を接続できる。例えばライン上に搬送されるワークの種別、位置等を確認するイメージセンサ等の画像認識装置、ワークとマーキングヘッド2Aとの距離に関する情報を取得する変位計等の距離測定装置、所定のシーケンスに従って機器の制御を行うPLC、ワークの通過を検出するPDセンサその他各種のセンサ等を設置し、これらとデータ通信可能に接続できる。
(レーザ加工データ設定装置)
Furthermore, various external devices 80 can be connected to the controller 1A as necessary. For example, an image recognition device such as an image sensor for confirming the type and position of a workpiece conveyed on the line, a distance measuring device such as a displacement meter for obtaining information on the distance between the workpiece and the marking head 2A, and a device according to a predetermined sequence It is possible to install a PLC that controls the above, a PD sensor that detects the passage of a workpiece, and other various sensors, and to be connected so that data communication is possible.
(Laser processing data setting device)

平面状の加工データを3次元状に加工するための設定情報であるレーザ加工データは、レーザ加工データ設定装置70により設定される。図28は、レーザ加工データ設定装置70の一例としてブロック図を示している。この図に示すレーザ加工データ設定装置70は、各種設定を入力するための入力部4と、入力部4から入力された情報に基づいてレーザ加工データを生成する加工データ生成手段を構成する演算部71と、設定内容や演算後のレーザ加工データを表示するための表示部5と、各種設定データを記憶するための記憶部72とを備える。表示部5は、加工対象面のイメージを3次元的に表示可能な加工イメージ表示部と、加工イメージ表示部に加工対象面のイメージを3次元的に表示させる際に、マーキングヘッド2Aのイメージを表示可能なヘッドイメージ表示手段を備える。入力部4は、所望の加工パターンで加工する加工条件を入力するための加工条件設定部として、ワークの加工面の3次元形状を示すプロファイル情報を入力するための加工面プロファイル入力手段と、加工パターン情報を入力するための加工パターン入力手段と、作業領域内に複数の加工ブロックを設定し、加工ブロック毎に加工パターンを設定可能な加工ブロック設定手段と、ブロック設定手段で設定された複数の加工ブロックを纏めた加工グループを設定するためのグループ設定手段、加工対象面上に配置される加工パターンの位置を調整可能な位置調整手段の機能を実現する。加工面プロファイル入力手段はさらに、加工対象面を表す基本図形を指定するための基本図形指定手段と、加工対象面を表す3次元形状データを外部から入力するための3次元形状データ入力手段の機能を実現する。記憶部72は、図1のメモリ部52に相当し、入力部4で設定されたプロファイル情報や加工パターン情報等の情報を記憶する部材であり、固定記憶装置等の記憶媒体や半導体メモリ等が利用できる。表示部5は、専用のディスプレイを設ける他、システムに接続されたコンピュータのモニタを利用してもよい。このレーザ加工データ設定装置70により設定された加工条件として、加工パワー(レーザ出力)やスキャンスピード(走査速度)の他、必要に応じてワーキングディスタンス、デフォーカス量、スポット径、ワークの種別(鉄への黒色加工、ステンレスへの黒色加工、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂、フェノール樹脂といったワークの材質、及び樹脂溶着、表面粗しといった加工目的)等を設定する。また複数の加工ブロックを設定し、加工ブロック単位で加工パターン情報を設定してもよい。特に、立ち上がり特性に優れたレーザ出力光を達成できるレーザ加工装置においては、加工ブロック毎に加工対象のワークの材質、加工パターン、仕上げ状態、加工時間等の設定項目について、レーザ出力光のパワーやビーム径を自由に変化させることができる。さらに、一旦設定された加工条件の加工パラメータを設定データとして保存し、必要時に呼び出すこともできる。   Laser processing data that is setting information for processing planar processing data into a three-dimensional shape is set by a laser processing data setting device 70. FIG. 28 shows a block diagram as an example of the laser processing data setting device 70. The laser processing data setting device 70 shown in this figure includes an input unit 4 for inputting various settings, and an arithmetic unit constituting processing data generating means for generating laser processing data based on information input from the input unit 4. 71, a display unit 5 for displaying setting contents and post-calculation laser processing data, and a storage unit 72 for storing various setting data. The display unit 5 displays the image of the marking head 2A when displaying the image of the processing target surface three-dimensionally on the processing image display unit and the processing image display unit. Displayable head image display means is provided. The input unit 4 is a machining condition setting unit for inputting machining conditions to be machined with a desired machining pattern, and a machining surface profile input unit for inputting profile information indicating a three-dimensional shape of the workpiece machining surface, A machining pattern input means for inputting pattern information, a plurality of machining blocks set in a work area, a machining block setting means capable of setting a machining pattern for each machining block, and a plurality of blocks set by the block setting means The function of the group setting means for setting the process group which put the process block together, and the position adjustment means which can adjust the position of the process pattern arrange | positioned on a process target surface is implement | achieved. The machining surface profile input means further includes a basic graphic designating means for designating a basic graphic representing the machining target surface, and a three-dimensional shape data input means for inputting the three-dimensional shape data representing the machining target surface from the outside. Is realized. The storage unit 72 corresponds to the memory unit 52 in FIG. 1 and is a member that stores information such as profile information and machining pattern information set by the input unit 4. A storage medium such as a fixed storage device, a semiconductor memory, or the like is used. Available. In addition to providing a dedicated display, the display unit 5 may use a computer monitor connected to the system. The machining conditions set by the laser machining data setting device 70 include, in addition to machining power (laser output) and scan speed (scanning speed), working distance, defocus amount, spot diameter, and workpiece type (iron Black processing on stainless steel, black processing on stainless steel, workpiece material such as ABS resin, polycarbonate resin and phenol resin, and processing purpose such as resin welding and surface roughening). A plurality of processing blocks may be set, and processing pattern information may be set for each processing block. In particular, in laser processing equipment that can achieve laser output light with excellent rise characteristics, the power of the laser output light and the setting items such as workpiece material, processing pattern, finishing state, and processing time for each processing block The beam diameter can be freely changed. Furthermore, the processing parameters of the processing conditions once set can be saved as setting data and recalled when necessary.

一般のレーザ光走査系においては、スキャナの応答特性、すなわちスキャナに動作指示が与えられてから実際に動作を完了するまでに要する応答時間は、スキャナによって異なることがある。例えばX、Y、Z軸スキャナを有する3次元加工可能なレーザ加工装置においては、一般にX、Y軸スキャナに比べ、Z軸スキャナの応答特性が劣る傾向にある。例えば図24等に示すように、X・Y軸スキャナはガルバノスキャナによって回転するミラーにてスキャンするが、これに対しZ軸スキャナは光軸方向へレンズ自体を平行移動させる機構となっている。このためZ軸スキャナは、モータを利用した回転運動を平行移動に変換させる動作機構により、Z軸スキャナの応答特性がX・Y軸スキャナに比べて不利となる。またZ軸スキャナにモータを使用せず、シリンダやピストン等で駆動することもできるが、この場合も応答速度的にはX・Y軸スキャナに比べて不利となる。この結果、Z軸スキャナ駆動用モータの応答時間がX・Y軸スキャナより後れる分、スキャナの制御に待ち時間が生じる。そこで使用するスキャナの応答特性やワークの形状等に応じて、適切な移動経路を選択するよう、制御部50が加工パターンに応じた最適な移動経路を選定する。好ましくは、応答性能の劣るスキャナの使用を可能な限り控える経路を選択することで、高速な移動が実現できる。   In a general laser beam scanning system, the response characteristics of the scanner, that is, the response time required to actually complete the operation after the operation instruction is given to the scanner may differ depending on the scanner. For example, in a laser processing apparatus capable of three-dimensional processing having an X, Y, and Z axis scanner, the response characteristics of the Z axis scanner tend to be inferior as compared to the X and Y axis scanners. For example, as shown in FIG. 24 and the like, an X / Y-axis scanner scans with a mirror rotated by a galvano scanner, whereas a Z-axis scanner has a mechanism for translating the lens itself in the optical axis direction. For this reason, the Z-axis scanner is disadvantageous in response characteristics of the Z-axis scanner compared to the X / Y-axis scanner due to the operation mechanism that converts the rotational motion using the motor into the parallel movement. The Z-axis scanner can be driven by a cylinder, a piston or the like without using a motor, but this case is also disadvantageous in terms of response speed compared to the X / Y-axis scanner. As a result, the response time of the Z-axis scanner driving motor lags behind that of the X / Y-axis scanner, so that a waiting time occurs in the scanner control. Therefore, the control unit 50 selects an optimal movement path according to the machining pattern so as to select an appropriate movement path according to the response characteristics of the scanner used, the shape of the workpiece, and the like. Preferably, a high-speed movement can be realized by selecting a path that refrains from using a scanner with poor response performance as much as possible.

また、Z軸スキャナで図27に示すような光学特性の補正を行うこともできる。すなわち、fθレンズによる焦点位置の補正をZ軸スキャナで行う場合にも、Z座標の関連付けを行ってZ軸スキャナの追従機能を利用できる。この場合においても、レーザ出力光の出射OFF時には追従機能をOFFさせることで、余計な待ち時間を省略して応答特性を改善し、加工に要する時間を短縮できる。このように、レーザ出力光の出射ON/OFFに応じてZ軸の軌跡を変化させ、特に出射OFFの際に余計なZ方向の動きを排除して処理時間を短縮でき、効率的なスキャナの駆動が実現できる。   Further, the optical characteristics can be corrected as shown in FIG. 27 with a Z-axis scanner. That is, even when the focal position is corrected by the fθ lens using the Z-axis scanner, the tracking function of the Z-axis scanner can be used by associating the Z coordinates. Even in this case, by turning off the tracking function when the output of the laser output light is turned off, an extra waiting time can be omitted, the response characteristics can be improved, and the time required for processing can be shortened. In this way, the Z-axis trajectory is changed according to the output ON / OFF of the laser output light, and the processing time can be shortened by eliminating unnecessary movement in the Z direction especially when the output is OFF. Driving can be realized.

本発明のレーザマーカは、例えばマーキング、穴あけ、トリミング、スクライビング、表面処理、材料プロセス、分光、ウェハ検査、医療診断、レーザプリント等、レーザ照射を行う処理において広く適用可能であり、半導体等の微細加工やディスプレイリペア、トリミングシステム等の用途に利用できる。 The laser marker of the present invention, for example marking, drilling, trimming, scribing, surface treatment, material processing, spectroscopy, wafer inspection, medical diagnosis, laser printing and the like, are widely applicable in the process of performing laser irradiation, the fine semiconductor such as It can be used for applications such as processing, display repair, and trimming systems.

本発明の実施の形態1に係るレーザ加工装置を構成するブロック図である。It is a block diagram which comprises the laser processing apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1のレーザ励起部の内部構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the internal structure of the laser excitation part of FIG. 実施の形態1に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。6 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態2に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。6 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonance unit according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。6 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態4に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to a fourth embodiment. 実施の形態5に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to a fifth embodiment. 実施の形態6に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view illustrating an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to a sixth embodiment. 実施の形態7に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to a seventh embodiment. 実施の形態8に係るレーザ共振部の光学系部材の配置例を示す平面図である。FIG. 20 is a plan view showing an arrangement example of optical system members of a laser resonator according to an eighth embodiment. 光学系部材の配置パターンの変形例を纏めた平面図である。It is the top view which summarized the modification of the arrangement pattern of an optical system member. 光学系部材の配置パターンの他の変形例を纏めた平面図である。It is the top view which summarized the other modification of the arrangement pattern of an optical system member. 光学系部材の配置パターンのさらに他の変形例を纏めた平面図である。It is the top view which put together the further modification of the arrangement pattern of an optical system member. Nd:YVO4結晶において、励起光の波長に対する吸収効率の変化を示すグラフである。Nd: In YVO 4 crystal is a graph showing changes in absorption efficiency for the wavelength of the excitation light. 励起源の波長に対するレーザ出力光の変化を、1方向励起と2方向励起で比較したグラフである。It is the graph which compared the change of the laser output light with respect to the wavelength of an excitation source by 1 direction excitation and 2 direction excitation. レーザ出力光の時間変化を1方向励起と2方向励起で比較したグラフである。It is the graph which compared the time change of the laser output light by 1 direction excitation and 2 direction excitation. 2方向励起において励起源の電流を0Aから45Aに変化させた際のレーザ出力光の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the laser output light at the time of changing the electric current of an excitation source from 0A to 45A in bi-directional excitation. 2方向励起方式のCW動作時においてビームスプリッタの反射率に応じて、励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。It is the graph which measured the laser output light with respect to the power of an excitation light source according to the reflectance of a beam splitter at the time of CW operation | movement of a two-way excitation system. 2方向励起方式のQスイッチ動作時においてビームスプリッタの反射率に応じて、励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。It is the graph which measured the laser output light with respect to the power of an excitation light source according to the reflectance of a beam splitter at the time of Q switch operation | movement of a two-way excitation system. 共振器内部のエネルギーを算出する式を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the type | formula which calculates the energy inside a resonator. 2方向励起方式における出力ミラーの反射率に対するレーザ出力の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the laser output with respect to the reflectance of the output mirror in a two-way excitation system. 出力ミラーの反射率に対する共振器内部エネルギーの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the resonator internal energy with respect to the reflectance of an output mirror. ビームスプリッタの反射率が高い場合及び低い場合での、2方向励起方式のCW動作時における励起光源のパワーに対するレーザ出力光を測定したグラフである。It is the graph which measured the laser output light with respect to the power of the excitation light source at the time of the CW operation | movement of a two-way excitation system in the case where the reflectance of a beam splitter is high and low. レーザ加工装置のレーザ光走査系を含むレーザ出力部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the laser output part containing the laser beam scanning system of a laser processing apparatus. 図24を背面方向から見た斜視図である。It is the perspective view which looked at FIG. 24 from the back direction. 図24を側面から見た側面図である。It is the side view which looked at FIG. 24 from the side. レーザ加工装置のレーザ出力光の焦点位置が、作業位置において変化する状態を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the state from which the focus position of the laser output light of a laser processing apparatus changes in a work position. レーザ加工システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows a laser processing system. 焦点距離を長くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。It is a side view which shows the laser beam scanning system in the case of lengthening a focal distance. 焦点距離を短くする場合のレーザ光走査系を示す側面図である。It is a side view which shows the laser beam scanning system in the case of shortening a focal distance. Z軸スキャナを示す正面図及び断面図である。It is the front view and sectional drawing which show a Z-axis scanner. 3次元加工可能なレーザ加工装置のシステム構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the system configuration | structure of the laser processing apparatus which can be processed three-dimensionally. 従来のエンドポンピング方式によるレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the laser processing apparatus by the conventional end pumping system. 2方向励起システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a two-way excitation system.

100…レーザ加工装置
1…レーザ制御部;1A…コントローラ
2…レーザ出力部;2A…マーキングヘッド
3…励起光伝達媒体;4…入力部;5…表示部
10…レーザ励起部
11…励起光源;12…励起光集光部;13…励起ケーシング;14…光ファイバ
20、201〜208…レーザ共振部;21…固体レーザ媒質
22…励起光結合手段;22a…光ファイバ結合部;22b…コリメートレンズ
23…分岐手段
24…第1ダイクロイックミラー;25…第2ダイクロイックミラー
26…出力ミラー;27…アパーチャ;28…Qスイッチ
30…レーザ光走査系
31…X軸スキャナ;32…Y軸スキャナ;33、34…ガルバノモータ
35…スキャナ駆動部;36…ビームエキスパンダ;37…Z軸スキャナ
38…入射レンズ;39…出射レンズ
40…集光部;50…制御部
52…メモリ部;54…電源回路
61…第1集光レンズ;62…第2集光レンズ;63…構造基板
64…ガイド用光源;65…ハーフミラー;66…ポインタ用光源
67…固定ミラー;68…ポインタ用スキャナミラー
70…レーザ加工データ設定装置
71…演算部;72…記憶部;80…外部機器
901…レーザ制御部;902…レーザ出力部;904…入力部;910…レーザ励起部
918…出力カプラ;920…レーザ共振部;921…固体レーザ媒質;928…LD
930…レーザ光走査系;932…光ファイバ;936…ビームエキスパンダ
940…作業領域集光部
LB、LB’…レーザ出力光;PL…ポインタ光;GL…ガイド光
W…ワーク;WS…作業領域;WM…加工対象面を示す平面;WM’…補正面
R1…第1励起光;R2…第2励起光
B…分岐経路;B1…第1分岐経路;B2…第2分岐経路
RM…リア側ミラー;FM…出射側ミラー
BS、BS1〜BS8…ビームスプリッタ
M1、M11〜M18…第1反射ミラー
M2、M21〜M28…第2反射ミラー
M3、M31〜M38…第3反射ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Laser processing apparatus 1 ... Laser control part; 1A ... Controller 2 ... Laser output part; 2A ... Marking head 3 ... Excitation light transmission medium; 4 ... Input part; 5 ... Display part 10 ... Laser excitation part 11 ... Excitation light source; DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Excitation light condensing part; 13 ... Excitation casing; 14 ... Optical fiber 20, 201-208 ... Laser resonance part; 21 ... Solid laser medium 22 ... Excitation light coupling means; 22a ... Optical fiber coupling part; 23: Branch means 24: First dichroic mirror; 25: Second dichroic mirror 26 ... Output mirror; 27 ... Aperture; 28 ... Q switch 30 ... Laser beam scanning system 31 ... X-axis scanner; 32 ... Y-axis scanner; 34 ... Galvano motor 35 ... Scanner drive unit; 36 ... Beam expander; 37 ... Z-axis scanner 38 ... Incident lens; 39 ... Out Lens 40 ... Condensing unit; 50 ... Control unit 52 ... Memory unit; 54 ... Power supply circuit 61 ... First condensing lens; 62 ... Second condensing lens; 63 ... Structural substrate 64 ... Light source for guide; 65 ... Half mirror 66 ... Pointer light source 67 ... Fixed mirror; 68 ... Pointer scanner mirror 70 ... Laser processing data setting device 71 ... Calculation unit; 72 ... Storage unit; 80 ... External device 901 ... Laser control unit; 902 ... Laser output unit; 904: input unit; 910: laser excitation unit 918 ... output coupler; 920 ... laser resonator; 921 ... solid laser medium; 928 ... LD
930 ... Laser beam scanning system; 932 ... Optical fiber; 936 ... Beam expander 940 ... Work area condensing unit LB, LB '... Laser output light; PL ... Pointer light; GL ... Guide light W ... Work; WS ... Work area WM: plane to be processed; WM ′: correction surface R1: first excitation light ; R2: second excitation light B: branch path; B1: first branch path; B2: second branch path RM: rear side Mirror: FM ... Exit-side mirror BS, BS1-BS8 ... Beam splitters M1, M11-M18 ... First reflection mirror M2, M21-M28 ... Second reflection mirror M3, M31-M38 ... Third reflection mirror

Claims (9)

励起光を発生させるためレーザ制御部と、
前記レーザ制御部で発生された励起光を後記レーザ出力部に伝達するための励起光伝達媒体と、
前記励起光伝達媒体で伝達された励起光に基づくレーザ発振により生成されたレーザ光を走査させるためのレーザ光走査系を含むレーザ出力部と、
を備えるレーザマーカであって、
前記レーザ出力部が
一方向に延長され、2つの端面を有する結晶状の固体レーザ媒質であって、前記励起光伝達媒体で伝達された励起光を両端面から投入してレーザ発振を生じさせるものであり、且つ該端面として、
励起光の入射面を構成する第1端面と、
前記第1端面の反対側であって、励起光の入射面及び励起光の取り出し面を構成する第2端面と、
を備える固体レーザ媒質と、
前記励起光伝達媒体で伝達された励起光を、第1分岐経路を進む第1励起光及び第2分岐経路を進む第2励起光の2つ分岐し、前記第1分岐経路から前記固体レーザ媒質の第1端面に励起光の第1励起光を、前記第2分岐経路から第2端面に第2励起光を、第1励起光第2励起光よりも多くなるように各々入射させ分岐手段と、
前記第1端面に対向させて第1分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を前記第1端面側に反射させる第1ダイクロイックミラーと、
前記第2端面に対向させて第2分岐経路上に配置され、励起光を透過し且つレーザ発振光を、後記出力ミラーに向かって反射させる第2ダイクロイックミラーと、
分岐経路と干渉しない位置であって、前記第2ダイクロイックミラーから前記一方向と略直交する方向に離れた位置に配置され、前記第2ダイクロイックミラーで反射した反射光を出力するための出力ミラーと、
前記第2ダイクロイックミラーと前記出力ミラーとの間に配置され、レーザ出力のON/OFFを制御するQスイッチと、
を備え、
前記固体レーザ媒質と第1ダイクロイックミラーとの距離が、前記第2ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間の距離よりも短く、且つ、前記第1端面に入射される第1励起光が前記第2端面に入射される第2励起光よりも多くなるように構成されてなることを特徴とするレーザマーカ
A laser controller for generating excitation light;
An excitation light transmission medium for transmitting excitation light generated by the laser control unit to a laser output unit described later;
A laser output unit including a laser light scanning system for scanning laser light generated by laser oscillation based on excitation light transmitted by the excitation light transmission medium;
A laser marker with a,
The laser output unit,
A crystalline solid-state laser medium extending in one direction and having two end faces, wherein the pumping light transmitted by the pumping light transmission medium is input from both end faces to cause laser oscillation; and As an end face,
A first end face constituting an incident surface of excitation light;
A second end surface that is opposite to the first end surface and forms an excitation light incident surface and an excitation light extraction surface;
A solid state laser medium comprising:
Splits the pumping light transmitted by the excitation light transfer medium, the two second excitation light traveling in the first excitation light and second branch path travels first branch path, said solid state laser from the first branch path a first pump light of the first end surface to the excitation light of the medium, the second excitation light from the second branch path to a second end surface, Ru is respectively incident to first excitation light is larger than the second excitation light Branching means;
A first dichroic mirror disposed on the first branch path so as to face the first end face and transmitting excitation light and reflecting laser oscillation light toward the first end face;
A second dichroic mirror that is disposed on the second branch path so as to face the second end face, transmits excitation light, and reflects laser oscillation light toward an output mirror described later;
An output mirror that is disposed at a position that does not interfere with the branch path and is separated from the second dichroic mirror in a direction substantially orthogonal to the one direction, and for outputting reflected light reflected by the second dichroic mirror; ,
A Q switch disposed between the second dichroic mirror and the output mirror for controlling ON / OFF of laser output;
With
The distance between the solid-state laser medium and the first dichroic mirror is shorter than the distance between the second dichroic mirror and the output mirror, and the first excitation light incident on the first end face is the second end face. the laser marker characterized by comprising configured to be larger than the second excitation light is incident on.
請求項1に記載のレーザマーカであって、
前記分岐手段が、入射光を第1励起光第2励起光に分岐させる比率を、略2:1〜略4:1に設定してなることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to claim 1,
The laser marker and characterized by being set to 1: the branch unit, the ratio for branching incident light into the first excitation light and second excitation light, approximately 2: 1 to approximately 4.
請求項1又は2に記載のレーザマーカであって、
前記固体レーザ媒質がNd:YVO4結晶であることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to claim 1 or 2,
The laser marker, characterized in that YVO a 4 crystal: the solid-state laser medium is Nd.
請求項1からのいずれか一に記載のレーザマーカであって、
前記出力ミラーの反射率が30%〜70%であることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker as claimed in any one of 3,
The laser marker, wherein the reflectivity of the output mirror is 30% to 70%.
請求項1から4のいずれか一に記載のレーザマーカであって、
前記励起光源としての半導体レーザの平均出力が10W以上であることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker as claimed in any one of 4,
The laser marker, wherein the average output of the semiconductor laser as the excitation light source is 10W or more.
請求項1からのいずれか一に記載のレーザマーカであって、さらに、
前記第1ダイクロイックミラーに対向させて第1分岐経路上の前記固体レーザ媒質と反対側に配置され、前記第1ダイクロイックミラーを透過した励起光の第1励起光が前記第1端面に照射される際のスポット径、前記固体レーザ媒質のTEM00モードよりも小さくなるように励起光を集光させる第1集光レンズと、
前記第2ダイクロイックミラーに対向させて第2分岐経路上の前記固体レーザ媒質と反対側に配置され、前記第2ダイクロイックミラーを透過した励起光の第2励起光が前記第2端面に照射される際のスポット径、前記固体レーザ媒質のTEM00モードよりも小さくなるように励起光を集光させる第2集光レンズと、
を備え
前記固体レーザ媒質の第1端面に、前記固体レーザ媒質のTEM 00 モードよりも小さいスポット径の励起光が投入され、且つ、前記固体レーザ媒質の第2端面に、前記固体レーザ媒質のTEM 00 モードよりも小さいスポット径の励起光が投入されて固体レーザ媒質が励起されるよう構成されてなることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to any one of claims 1-6, further
The first end face is irradiated with the first excitation light of the excitation light that is disposed opposite to the solid-state laser medium on the first branch path so as to face the first dichroic mirror and that has passed through the first dichroic mirror. spot diameter during comprises a first condenser lens causes condensing the excitation light to be smaller than TEM 00 mode of the solid-state laser medium,
The second end face is irradiated with the second excitation light of the excitation light that is disposed on the opposite side of the solid-state laser medium on the second branch path so as to face the second dichroic mirror and that has passed through the second dichroic mirror. spot diameter during comprises a second condensing lens causes condensing the excitation light to be smaller than TEM 00 mode of the solid-state laser medium,
Equipped with a,
The first end surface of said solid-state laser medium, the solid excitation light of a small spot diameter than the laser medium TEM 00 mode is turned, and, on the second end surface of said solid-state laser medium, TEM 00 mode of the solid-state laser medium the laser marker, wherein Rukoto such are configured to solid-state laser medium is excited is turned excitation light of a small spot diameter than.
請求項1からのいずれか一に記載のレーザマーカであって、
前記レーザ出力部がさらに、
前記分岐手段で分岐された第1励起光又は第2励起光を、略垂直に反射させる第1反射ミラーと、
前記第1反射ミラーで反射された反射光又は前記分岐手段で分岐された第2励起光或いは第1励起光を、さらに略垂直方向に反射させる第2反射ミラーと、
前記第2反射ミラーで反射された反射光を、略垂直に反射させる第3反射ミラーと、
を備え、
前記第1分岐経路及び第2分岐経路で構成される分岐経路は、前記分岐手段、第1反射ミラー、第2反射ミラー、第3反射ミラーによって矩形状に構成されており、且つ矩形状のいずれかの辺上に前記固体レーザ媒質及び第1、第2ダイクロイックミラーが配置され、
尚且つ矩形状のいずれかの頂点であって、該頂点をなす矩形状のいずれかの辺の延長線上に、前記励起光源からの励起光が入射されるよう配置されてなることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to any of claims 1 7,
The laser output unit further includes
A first reflection mirror that reflects the first excitation light or the second excitation light branched by the branching unit substantially vertically;
A second reflecting mirror that further reflects the reflected light reflected by the first reflecting mirror or the second excitation light or the first excitation light branched by the branching means in a substantially vertical direction;
A third reflecting mirror for reflecting the reflected light reflected by the second reflecting mirror substantially vertically;
With
The branch path constituted by the first branch path and the second branch path is configured in a rectangular shape by the branching means, the first reflecting mirror, the second reflecting mirror, and the third reflecting mirror, and any one of the rectangular shapes The solid-state laser medium and the first and second dichroic mirrors are disposed on the side,
In addition, any one of the vertices of the rectangular shape is arranged so that the excitation light from the excitation light source is incident on an extension line of any one of the rectangular shapes forming the vertex. laser marker.
請求項1からのいずれか一に記載のレーザマーカであって、さらに、
前記励起光伝達媒体を前記分岐手段と光学的に結合するための励起光結合手段と、
前記第2ダイクロイックミラーと出力ミラーとの間に配置され、レーザ発振光を整形するためのアパーチャと、
を備えることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to any one of claims 1-8, further
Excitation light coupling means for optically coupling the excitation light transmission medium with the branching means;
An aperture disposed between the second dichroic mirror and the output mirror for shaping laser oscillation light;
The laser marker, characterized in that it comprises a.
請求項1からのいずれか一に記載のレーザマーカであって、
前記レーザ出力部のレーザ光走査系が
入射レンズと出射レンズを備え、前記レーザ共振部から照射されるレーザ光の光軸に前記入射レンズ及び出射レンズの光軸を一致させた状態で、入射レンズと出射レンズ間の相対距離をこれらの光軸に沿って変化させてレーザ光の焦点距離を調整可能なZ軸スキャナと、
前記Z軸スキャナを透過するレーザ光を、X軸方向又はY軸方向に走査させるためのX軸スキャナ又はY軸スキャナと、
前記X軸スキャナ又はY軸スキャナで走査されるレーザ光を、Y軸方向又はX軸方向に走査させるためのY軸スキャナ又はX軸スキャナと、
を備えることを特徴とするレーザマーカ
A laser marker according to any one of claims 1-9,
The laser output scanning system of the laser output unit includes an entrance lens and an exit lens, and the entrance lens and the exit lens are aligned with the optical axes of the laser light emitted from the laser resonator. A Z-axis scanner capable of adjusting the focal length of the laser beam by changing the relative distance between the lens and the exit lens along these optical axes;
An X-axis scanner or a Y-axis scanner for scanning the laser beam transmitted through the Z-axis scanner in the X-axis direction or the Y-axis direction;
A Y-axis scanner or an X-axis scanner for scanning a laser beam scanned by the X-axis scanner or the Y-axis scanner in the Y-axis direction or the X-axis direction;
The laser marker, characterized in that it comprises a.
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