JP5278746B2 - Optical damage avoidance device for laser equipment - Google Patents
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Description
本発明は、高出力レーザ光を発生するレーザ装置の光損傷回避装置に関する。詳しくは、発振部と発振部から発生したレーザ光を増幅する増幅部とを有するレーザ装置の光損傷回避装置に関する。 The present invention relates to an optical damage avoidance device for a laser device that generates high-power laser light. More specifically, the present invention relates to an optical damage avoidance device for a laser device having an oscillation unit and an amplification unit that amplifies laser light generated from the oscillation unit.
レーザ装置に用いられるミラー、レンズ、光ファイバー、光学結晶と云った光学部品は、レーザ光が高出力になると光損傷を被る恐れがある。通常、発振が正常な場合は、光損傷を被ることはないが、様々な原因で発振が不安定になると、レーザ光のピークパワーが増大し、光損傷を起こすことがある。特に、発振が不安定になって増大したピークパワーが後段の増幅部で増幅されると、ピークパワーがさらに増大し、光学部品を損傷させてしまう。 Optical components such as mirrors, lenses, optical fibers, and optical crystals used in laser devices may suffer optical damage when the laser light becomes high power. Normally, when the oscillation is normal, the optical damage is not caused. However, when the oscillation becomes unstable due to various causes, the peak power of the laser beam is increased and the optical damage may be caused. In particular, if the peak power increased due to unstable oscillation is amplified by the subsequent amplification unit, the peak power further increases and the optical components are damaged.
発振が不安定になる原因としては、励起手段のオン(接続)、オフ(切断)による過渡状態での不安定なスパイク状発振と光学部品からの反射戻り光による定常状態での寄生発振とが知られている。 Causes of unstable oscillation include unstable spike-like oscillation in the transient state due to on (connected) and off (disconnected) excitation means and parasitic oscillation in the steady state due to reflected light from optical components. Are known.
最近、励起手段のオン時における過渡状態での単発的なスパイク状発振と、戻り光による定常状態での寄生発振に基づくスパイク状発振とを回避するレーザ装置が開発された(たとえば、特許文献1参照。)。 Recently, a laser apparatus has been developed that avoids a single spike-like oscillation in a transient state when the excitation means is on and a spike-like oscillation based on a parasitic oscillation in a steady state due to return light (for example, Patent Document 1). reference.).
上記従来のレーザ装置は、レーザ装置のレーザ光出口に機械的なシャッターを配置して、過渡状態でのレーザ光を一定時間遮断することで単発的なスパイク状発振を回避している。また、レーザ増幅部の増幅器の個数をレーザ発振部の増幅器の個数よりも少なくし定常状態の寄生発振を回避している。 The conventional laser device described above avoids a single spike-like oscillation by disposing a mechanical shutter at the laser beam exit of the laser device and blocking the laser beam in a transient state for a certain period of time. In addition, the number of amplifiers in the laser amplification unit is smaller than the number of amplifiers in the laser oscillation unit to avoid steady-state parasitic oscillation.
レーザ光出口に機械的なシャッターを配置する従来の装置では、レーザ装置からピークパワーの高いスパイク状レーザ光を外部に出さないようにすることはできても、レーザ装置内の光学部品の光損傷を回避することができない。また、励起手段オフ時の過渡的なスパイク状レーザ光については、言及していないが、前記機械的なシャッターを動作させて外部に出さないようにすることはできる。しかし、オン時のスパイク状レーザ光と同様に、外に出さないことはできても、レーザ装置内の光学部品の損傷を回避することができない。さらに、励起手段のオフは、レーザ装置が動作中の停電や電源コードの抜けなどによっても起こるが、その際は、シャッターを動作させることできず、レーザ装置の外にスパイク状レーザ光が出てしまう。当然、その際も、レーザ装置内の光学部品の光損傷を回避することができない。 In conventional devices that place a mechanical shutter at the laser beam exit, it is possible to prevent spiked laser beams with high peak power from being emitted from the laser device, but optical damage to optical components in the laser device Cannot be avoided. Further, although there is no mention of a transient spike laser beam when the excitation means is off, the mechanical shutter can be operated so as not to be emitted outside. However, as with the spike-like laser light at the time of turning on, damage to the optical components in the laser device cannot be avoided even though it cannot be exposed. In addition, the excitation means may be turned off due to a power failure or disconnection of the power cord while the laser device is operating, but in that case, the shutter cannot be operated, and spike laser light is emitted outside the laser device. End up. Of course, even in this case, optical damage of the optical components in the laser apparatus cannot be avoided.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、励起手段のオン、オフに伴うスパイク状発振による光損傷を回避する光損傷回避装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical damage avoidance device that avoids optical damage due to spike-like oscillation associated with on / off of excitation means.
また、停電時等の励起手段オフに伴うスパイク状発振による光損傷を回避する光損傷回避装置を提供することを課題とする。 It is another object of the present invention to provide an optical damage avoidance device that avoids optical damage due to spike-like oscillation caused by turning off excitation means during a power failure or the like.
上記の課題を解決するためになされた本発明のレーザ装置の光損傷回避装置は、外部電源に接続されてモードロック発振する発振部の利得媒質を励起する発振部励起手段と、前記外部電源に接続されて前記発振部からのレーザ光を増幅する増幅部の利得媒質を励起する増幅部励起手段と、前記発振部励起手段及び前記増幅部励起手段を前記外部電源に接続する及び或いは前記外部電源から切断する順番を制御する接続・切断制御手段と、を有し、前記接続・切断制御手段は、接続時に前記発振部励起手段を先に接続し、切断時に前記増幅部励起手段を先に切断することを特徴とする。 An optical damage avoidance device for a laser device according to the present invention, which has been made to solve the above-described problems, includes an oscillation unit excitation unit that excites a gain medium of an oscillation unit that is connected to an external power source and performs mode-lock oscillation, and the external power source. Amplifying unit excitation means for exciting the gain medium of the amplifying unit connected to amplify the laser light from the oscillating unit; and connecting the oscillating unit excitation unit and the amplifying unit excitation unit to the external power source and / or the external power source anda connection and disconnection control means for controlling the order to disconnect from the connection-disconnection control means, the oscillating portion excitation means connected to the above at the time of connection, disconnecting the amplifier section excitation means above at the time of cutting It is characterized by doing.
上記のレーザ装置の光損傷回避装置において、前記接続・切断制御手段は、前記外部電源に接続する際に、前記発振部励起手段を先に接続し、接続によるスパイク状レーザ光が発生する期間よりも長い所定時間経過した後に、前記増幅部励起手段の接続を行い、前記外部電源から切断する際には、前記増幅部励起手段を切断した後に、前記発振部励起手段の切断を行うものである。 In photodamage avoid the above fitting Symbol Les chromatography The device, the connection-disconnection control means, wherein when connecting to an external power source, and connecting the oscillating portion excitation means previously spiked laser beam generated by the connection After a predetermined time longer than a period of time elapses, the amplification unit excitation unit is connected. When disconnecting from the external power supply, the amplification unit excitation unit is disconnected and then the oscillation unit excitation unit is disconnected. Is.
また、前記発振部励起手段が前記外部電源から切断されると、前記発振部励起手段に所定の時間電気量を供給し続ける補助電源を有するとよい。 Also, when the pre-Symbol oscillation unit exciting means is disconnected from the external power source, it may have an auxiliary power is continuously supplied for a predetermined time quantity of electricity to the oscillating unit excitation means.
上記の光損傷回避装置において、前記接続・切断制御手段は、リレーを備えるとよい。 In the above optical damage avoidance device, the connection / disconnection control means may include a relay.
また、前記補助電源は、コンデンサーを備えるとよい。 The auxiliary power source may include a capacitor.
発振部励起手段及び増幅部励起手段を外部電源に接続する及び或いは外部電源から切断する順番を制御する接続・切断制御手段で、接続時、発振部励起手段を先に接続することで接続(オン)時のスパイク状レーザ光が後段の増幅部で増幅されないのでピークパワーが増大せず、光損傷を回避することができる。また、切断時、増幅部励起手段を先に切断することで切断(オフ)時のスパイク状レーザ光が後段の増幅部で増幅されないのでピークパワーが増大せず、光損傷を回避することができる。 A connection / disconnection control unit that controls the order in which the oscillation unit excitation unit and the amplification unit excitation unit are connected to and / or disconnected from the external power source. ) Is not amplified in the subsequent amplification section, so that the peak power does not increase and optical damage can be avoided. Further, by cutting the amplification unit excitation means first at the time of cutting, the spiked laser beam at the time of cutting (off) is not amplified by the subsequent amplification unit, so that the peak power does not increase and optical damage can be avoided. .
発振部励起手段が外部電源から切断されると、発振部励起手段に所定の時間電気量を供給し続ける補助電源を有するので、停電等で発振部励起手段と増幅部励起手段が同時に切断されても、発振部が実質的に後から切断されることになるから、切断(オフ)時のスパイク状レーザ光が後段の増幅部で増幅されることがない。その結果、光損傷を回避することができる。 When the oscillating unit excitation means is disconnected from the external power supply, it has an auxiliary power supply that continues to supply electricity to the oscillating unit excitation unit for a predetermined time. However, since the oscillating unit is substantially cut later, the spiked laser beam at the time of cutting (off) is not amplified by the subsequent amplification unit. As a result, optical damage can be avoided.
停電等で発振部励起手段と増幅部励起手段が同時に切断される場合でも接続・切断手段がリレーを備えていると、リレーのバネによる復帰作用により切断を自動的に検出して、補助電源による発振部の励起が開始される。 Even if the oscillation unit excitation means and the amplification unit excitation means are disconnected at the same time due to a power failure, etc., if the connection / disconnection means has a relay, the disconnection is automatically detected by the return action of the spring of the relay, and the auxiliary power supply Excitation of the oscillation unit is started.
補助電源がコンデンサーを備えていると、発振部の利得媒質を励起する時間がコンデンサーの容量で決まる。したがって、補助電源が励起する所定の時間を満たすように、コンデンサーの容量を選定すればよい。 When the auxiliary power supply includes a capacitor, the time for exciting the gain medium of the oscillation unit is determined by the capacitance of the capacitor. Therefore, the capacitance of the capacitor may be selected so as to satisfy a predetermined time when the auxiliary power source is excited.
本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施形態1)図1は、本発明の実施形態1によるレーザ装置の光損傷回避装置を模式的に示す概略構成図である。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing an optical damage avoidance apparatus for a laser apparatus according to
本実施形態の光損傷回避装置は、図1に示すように、発振部1の利得媒質11を励起する発振部励起手段2と、増幅部の利得媒質3を励起する増幅部励起手段4と、発振部励起手段2及び増幅部励起手段4を外部電源に接続する及び或いは外部電源から切断する順番を制御する接続・切断制御手段5と、を有している。
As shown in FIG. 1, the optical damage avoidance apparatus of the present embodiment includes an oscillation
発振部1は、利得媒質11と共振器ミラー12、13を備えている。利得媒質11は、たとえば、Nd:YAG結晶等である。
The oscillating
増幅部の利得媒質3は、利得媒質11がNd:YAG結晶である場合は、通常同じNd:YAG結晶である。
The
発振部励起手段2は、励起光源21と駆動手段22とを備えている。励起光源21は、たとえば、レーザダイオードである。駆動手段22はレーザダイオード21に定電流を供給する定電流ドライバーである。
The oscillation
増幅部励起手段4は、励起光源41と駆動手段42とを備えている。励起光源41は、レーザダイオードであり、駆動手段42は、定電流ドライバーである。
The amplification unit excitation unit 4 includes an
接続・切断制御手段5は、制御部51と、発振部リレー52と、増幅部リレー53と、を備えている。制御部51は、たとえば、ロジック回路(タイミング発生回路)である。ロジック回路の他にCPUを中心としたマイクロプロセッサで構成される電子制御ユニット(ECU)でもよい。
The connection / disconnection control means 5 includes a
6は、直流電源であり、7はメインスイッチである。 6 is a DC power supply, and 7 is a main switch.
次に、本実施形態の光損傷回避装置の動作を説明する。まず、メインスイッチ7がオンすると、直流電源6が通電され、ロジック回路51が動作する。ロジック回路51がリレー52のコイル52aを通電し、図示しないバネに抗して接片52bがコイル52aに吸引され、リレー52がオンする。リレー52がオンすると、定電流ドライバー22が通電され、レーザダイオード21からの励起光がNd:YAG結晶11を励起し、発振部1からレーザ光が出射される。
Next, the operation of the optical damage avoidance apparatus of this embodiment will be described. First, when the
次に、ロジック回路51がリレー53のコイル53aを通電し、図示しないバネに抗して接片53bがコイル53aに吸引され、リレー53がオンする。リレー53がオンすると、定電流ドライバー42が通電され、レーザダイオード41からの励起光がNd:YAG結晶3を励起し、発振部1からのレーザ光がNd:YAG結晶3で増幅される。
Next, the
以上がレーザ装置を運転するときの光回避装置の動作である。上記のように、最初に発振部1を動作させ、次に増幅部の利得媒質3を励起するので、発振部1の動作初期の不安定な発振は、増幅部の利得媒質3で増幅されない。したがって、光損傷を回避することができる。
The above is the operation of the light avoidance device when operating the laser device. As described above, since the
レーザ装置の運転を終了させるときは、ロジック回路51がリレー53のコイル53aの通電を停止し、接片53bが図示しないバネに吸引されオープン状態になり、リレー53がオフする。
When ending the operation of the laser device, the
次に、ロジック回路51がリレー52のコイル52aの通電を停止し、接片52bが図示しないバネに吸引されオープン状態になり、リレー52がオフする。最後にメインスイッチ7がオフされ、終了する。
Next, the
上記のように、レーザ装置の運転を終了させるときは、最初に増幅部の利得媒質3の励起を停止させ、次に発振部1を停止させるので、発振部1の発振停止時の不安定な発振は、増幅部で増幅されない。したがって、光損傷を回避することができる。
As described above, when the operation of the laser device is terminated, the excitation of the
制御部51が上記のように、ロジック回路の場合は、リレー52オン→リレー53オン→リレー53オフ→リレー52オフのように、制御がシーケンシャルに行われる。
When the
(実施形態2)図2は、本発明の実施形態2によるレーザ装置の光損傷回避装置を模式的に示す概略構成図である。本実施形態の光損傷回避装置は、実施形態1の光損傷回避装置において、リレー52と発振部励起手段2との間にコンデンサーを備える補助電源8を設けた以外、実施形態1の光損傷回避装置と同じである。同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
(Embodiment 2) FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing an optical damage avoidance apparatus for a laser apparatus according to
レーザ装置を運転中、停電になった際の動作につて以下に説明する。 The operation when a power failure occurs during operation of the laser device will be described below.
レーザ装置が運転状態の場合、リレー52がオンなので定電流ドライバー22が通電され、同時に補助電源8のコンデンサーが充電される。
When the laser device is in an operating state, since the
停電になると、リレー52及びリレー53が同時にオフになり、直流電源6からの定電流ドライバー22及び定電流ドライバー42への通電が同時にオフになる。しかし、リレー52がオフになっても補助電源8のコンデンサーに蓄えられた電気量が定電流ドライバー22には供給され続けるため、発振部1は停電後もしばらく発振し続ける。そしてコンデンサーが空になると、発振が停止するが、その前に増幅部の励起が停止しているので、発振停止時の不安定な発振が増幅部で増幅されることがない。その結果、光損傷が回避される。
When a power failure occurs, the
図3は、モードロックファバーレーザ装置の光損傷回避装置の概略構成図である。図4は、実施例の光損傷回避装置の動作タイミングチャート図である。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical damage avoidance device of the mode-locked fiber laser device. FIG. 4 is an operation timing chart of the optical damage avoidance apparatus according to the embodiment.
本実施例の光損傷回避装置は、図3に示すように、発振部1の利得媒質11Aを励起する発振部励起手段2と、増幅部の利得媒質3Aを励起する増幅部励起手段4と、発振部励起手段2及び増幅部励起手段4を外部電源に接続する及び或いは外部電源から切断する順番を制御する接続・切断制御手段9と、補助電源8と、を有している。
As shown in FIG. 3, the optical damage avoidance apparatus according to the present embodiment includes an oscillation
利得媒質11Aは、Erドープファイバーで、レーザダイオード21からの励起光がファイバーカップラー14を介して結合される。12Aは、可飽和吸収体ミラーである。
The
増幅部の利得媒質3AもErドープファイバーで、レーザダイオード41からの励起光がファイバーカップラー31を介して結合される。
The
レーザダイオード21、41は、一般的なバタフライタイプのレーザダイオードである。
The
レーザダイオード21、41を駆動する定電流ドライバー22、42としては、たとえば、米国ウエイブレングス社製やトーラボ社製を使用することができる。レーザダイオード21、41は、最大電流が1Aクラスのため、定電流ドライバー22、42は、それ以上の電流が流せるものであればよい。
As the constant
接続・切断制御手段9は、タイミング発生回路91と、1極双投の接点をもつパワーリレー92と、通常のリレー93と、を備えている。リレー92、93の接片92b、93bの動作時間は、約30〜50msである。
The connection / disconnection control means 9 includes a
リレー92、93のリレーコイル92a、93aは、タイミング発生回路91に接続され、図5のタイミングチャートに示されるように駆動される。
Relay coils 92a and 93a of
リレー92の接点NO(ノーマルオフ)は、定電流ドライバー22に接続され、途中で抵抗R1を介してコンデンサー8に分岐し、抵抗R2を介して合流している。
A contact point NO (normally off) of the
コンデンサー8は、抵抗R1とダイオードD1を介してリレー92の接点NC(ノーマルコンタクト)に接続されている。ダイオードD1は、AC100vが遮断されたときに、コンデンサー8に充電した電気量が直流電源6に逆流するのを防止するために配置してある。
The
コンデンサー8の容量は、CR時定数で150ms、余裕度を2倍として300ms通電可能な値であればよい。
The capacity of the
次に、図4のタイミングチャートを使って、動作を説明する。 Next, the operation will be described with reference to the timing chart of FIG.
メインスイッチ7をオンにすると、直流電源6にAC100vが通電され、出力電圧が発生する。また、同時にタイミング発生回路91にも電力が供給されるため、リレー92、リレー93の駆動信号が出力され、以下のタイミングでリレー92、リレー93が動作する。すなわち、直流電源6の出力電圧が発生すると同時に、リレー92の接片92bは、図示しないバネに抗して接点NCから接点NOに切り替わる(切り換え時間は、約30msである。)。
When the
すると、ドライバー22は通電されて、所定の電流をレーザダイオード21に供給する。また、リレー92の接片92bが図示しないバネに抗して接点NCから接点NOに切り替わると、抵抗R1を介して補助電源であるコンデンサー8に電気量を充電しながら、ドライバー22、レーザダイオード21を駆動させる。
Then, the
レーザダイオード21が駆動されると、レーザダイオード21からの励起光がカップラー14を介してErドープファイバー11Aに結合されて、レーザが発振する。モードロックがかかって安定にモードロック発振するまでの約50msの間、スパイク状発振が起きる。この50msの間が光損傷を起こす可能性が高い期間である。なお、この期間は、発振部1の光学系の特性によって決まる。
When the
次に、メインスイッチ7をオンにしてから80ms経過すると、タイミング発生回路91により、接片93が図示しないバネに抗して駆動され、リレー93がオンになり、ドライバー42、レーザダイオード41が駆動される。
Next, when 80 ms elapses after the
スパイク状発振が終了してからレーザダイオード41が駆動されるので、スパイク状発振が増幅部のErドープファイバー3Aで増幅されることがない。その結果、光損傷が回避される。すなわち、上記のように、AC100v電源が供給されている場合は、初段の発振部1→後段の増幅部の順に動作するので光損傷が起きない。また、AC100v電源が供給されているときのレーザ装置の運転停止は、リレー53オフ→リレー52オフの順に作動し、ドライバー42→ドライバー22の順で通電をオフにすることで、発振停止時のスパイク状発振による光損傷を回避することができる。
Since the
次に、メインスイッチ7がオンでレーザ装置が運転中に、停電等でAC100v電源が供給されなくなる場合についての動作を説明する。
Next, the operation when the AC 100v power is not supplied due to a power failure or the like while the
矢印の時点で停電になると、直流電源6がダウンし、出力電圧がゼロになる。同時にタイミング発生回路91にも電源が供給されなくなり、リレーコイル92a、93aへの通電も停止される。すると、接片92bは、図示しないバネの復帰作用で接点NC側に切り替わる。同様に、接片93bは、図示しないバネの復帰作用で駆動され、リレー93がオフにされる。
When a power failure occurs at the time of the arrow, the
停電になると、リレー93のオン・オフに関わりなく、ドライバー42への通電が瞬時にオフになり、レーザダイオード41も瞬時に停止する
一方、停電になると、直流電源6からドライバー22への電力供給は瞬時になくなるが、コンデンサー8に充電された電気量がドライバー22に供給されるので、レーザダイオード21の出力は約150msの間持続する。
When a power failure occurs, power to the
レーザダイオード21が停止すると、スパイク状発振が発生するが、上記のようにレーザダイオード41がその前に停止しているので、スパイク状発振が増幅部のErドープファイバー3Aで増幅されることがない。その結果、光損傷が回避される。
When the
1・・・・・・発振部
11・・・・利得媒質
2・・・・・・発振部励起手段
3・・・・・・増幅部の利得媒質
4・・・・・・増幅部励起手段
5・・・・・・接続・切断制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記外部電源に接続されて前記発振部からのレーザ光を増幅する増幅部の利得媒質を励起する増幅部励起手段と、
前記発振部励起手段及び前記増幅部励起手段を前記外部電源に接続する及び或いは前記外部電源から切断する順番を制御する接続・切断制御手段と、を有し、
前記接続・切断制御手段は、接続時に前記発振部励起手段を先に接続し、切断時に前記増幅部励起手段を先に切断することを特徴とするレーザ装置の光損傷回避装置。 Oscillating unit excitation means for exciting a gain medium of an oscillating unit that is connected to an external power source and mode-locked oscillating ;
Amplifying unit excitation means for exciting the gain medium of the amplifying unit connected to the external power source and amplifying the laser light from the oscillating unit;
Connection / disconnection control means for controlling the order of connecting the oscillation unit excitation unit and the amplification unit excitation unit to the external power source and / or disconnecting from the external power source, and
The apparatus for avoiding optical damage of a laser device, wherein the connection / disconnection control unit connects the oscillation unit excitation unit first when connected, and disconnects the amplification unit excitation unit first when disconnected.
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