JP5505747B2 - パルスレーザ装置、透明部材溶接方法及び透明部材溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、高ピークパワー短パルスレーザを出力するレーザ装置、該レーザ装置を用いた透明部材溶接方法及び装置に関する。詳しくは、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力するパルスレーザ装置、該レーザ装置を用いた透明部材溶接方法及び装置に関する。

高パワー短パルスレーザ装置は、様々な分野において実用上重要である。特にピークパワーの大きな高ピークパワー超短パルスレーザは、医学や産業における透明材料の加工や治療に実用されている。

実用されてきたこれまでの高ピークパワー超短パルスレーザ装置は、モードロックファイバーレーザ発振器から出力される高繰り返し周波数のレーザパルス列を光変調器で低繰り返し周波数に変調した後、増幅器で増幅するものであった（例えば、特許文献１参照。）。

また、加工応用では、上記高ピークパワー超短パルスレーザによる透明材料（ガラス、サファイア、等）の割断が注目されている（例えば、特許文献２参照。）。

最近、互いに接触する透明部材の内側部分に高ピークパワー超短パルスレーザを集光照射して多光子吸収を起こして溶接する方法が開発された（例えば、特許文献３参照。）。

特表２００７−５３２００５号公報 特開２００４−３５１４６６号公報 特開２００５−１１７２号公報

上記のような透明材料の割断は、パルス幅がピコ秒〜フェムト秒オーダでパルスエネルギがマイクロジュールオーダ、ピークパワーがメガワット〜ギガワットオーダの高ピークパワー超短パルスレーザによる多光子吸収を利用してクラックを発生させて割断するものであった。

また、最近開発された透明材料の溶接は、互いに接触する透明材料の界面部分内に高ピークパワー超短パルスレーザを集光照射して多光子吸収を起こさせるものであった。

これまで、高ピークパワー超短パルスレーザによる多光子吸収を利用してガラス等の透明材料を割断することはできても、クラックの発生のない溶接強度の高い良好な溶接を行うことは難しかった。透明体材料の界面に高ピークパワー超短パルスレーザを照射した際、界面に少しでも隙間（〜２００ｎｍ）があると界面にクラックが発生する、もしくは界面がアブレーションされるだけで溶接されない。つまり、非熱加工を特徴とするパルス幅がピコ秒〜フェムト秒オーダの高ピークパワ超短パルスレーザのみで溶接を行う為には、透明体材料の界面が光学的に接触している状態を作り出しておく必要がある。したがって、高ピークパワー超短パルスレーザのみで溶接を行うことは、非常に限られた状態（光学的に接触している状態）でのみ可能である。そのため、高ピークパワ超短パルスレーザのみで溶接を行うことを実用化することは非現実的である。また、仮に透明体界面間が光学的に接触していた状態（界面の隙間＜〜１５０ｎｍ）で溶接できたとしても、高ピークパワー超短パルスレーザのみを照射した場合には、照射による熱の伝播距離が短いので照射部とその近傍との温度差が急激に増大する。その為に、照射できるレーザのエネルギ或いはフルーエンスは限られてしまう。例えば、溶接のビード幅を広くするために、レーザのエネルギ或いはフルーエンスを必要以上に上げると、クラックが発生し、溶接強度が低下する。

熱加工を特徴とする長パルスレーザ（例えばナノ秒レーザ）のみを用いて透明体材料同士の界面を選択的に溶融し、溶接を行おうとしても、長パルスレーザは線形吸収が主な吸収である為、界面だけを溶接することができない。すなわち、長パルスレーザは界面だけでなく、表面や材料全体で吸収されるので、長パルスレーザのみで透明体材料を溶接することができない。これを解決する為に、透明体材料界面にレーザを吸収する材料を塗布して溶接する方法も提案されている。すなわち、この方法は、塗布した材料にナノ秒レーザを照射し、吸収材料を溶かして溶接する方法である。しかし、この方法は、複雑で溶接コストの高騰をもたらす。

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑み創案されたもので、透明材料の溶接ができるレーザパルスを出力する安価なパルスレーザ装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、クラックの発生がなく溶接強度の高い良好な溶接ができる透明部材溶接方法及び装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するためになされた本発明のパルスレーザ装置は、繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、を有し、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力することを特徴とする。

レーザ光源を、低繰り返し周波数、長パルスレーザを出力するレーザ光源とし、第１パルス列生成手段でパルス幅を伸張し、合波器で合波した後、増幅及び圧縮することで、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザ（２種類のパルス列が空間的・時間的に重なった）を出力することができる。

高ピークパワー超短パルスレーザでの多光子吸収による改質プロセスと低ピークパワーパルスレーザでの蓄熱効果による溶融プロセスを時系列的に行わせることで、透明材料をクラックの発生なしに溶接することができる。

上記のパルスレーザ装置において、前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段を備えてもよい。

レーザ光源を、低繰り返し周波数、長パルスレーザを出力するレーザ光源とし、第１パルス列生成手段でパルス幅を伸張及び増幅し、第２パレス列生成手段で増幅及び圧縮し、合波器で合波することで、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力することができる。

また、前記第１パルス列生成手段は、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザの繰り返し周波数より小さい繰り返し周波数に変更する第１光変調器を備えるとよい。

第１パルス列の繰り返し周波数が小さいので、ピークパワーを大きくする増幅器の飽和が起こり難くなる。したがって、レーザ光源を高繰り返し短パルスレーザを出力するレーザ光源とすることで、低繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに高繰り返し低ピークパワー短パルスレーザが重畳したパルスレーザを出力することができる。

また、前記第２パルス列生成手段は、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザの繰り返し周波数より小さい繰り返し周波数に変更する第２光変調器を備えるとよい。

第２パルス列の繰り返し周波数が小さいので、ピークパワーを大きくする増幅器の飽和が起こり難くなる。したがって、レーザ光源を高繰り返し短パルスレーザを出力するレーザ光源とすることで、低繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに高繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力することができる。

また、前記第１パルス列生成手段と前記第２パルス列生成手段の少なくとも一方は、伸張器を備え、前記合波器の後にチャープを調整するチャープ調整手段を備えるとよい。

第１パルス列生成手段と第２パルス列生成手段の少なくとも一方が伸張器を備えているので、ピークパワーを大きくする増幅器の飽和を抑制することができる。また、チャープ調整手段を備えているので、第１パルス列と第２パルス列の少なくとも一方のチャープを調整してパルス時間幅を圧縮することができる。

また、前記第１光変調器は、前記第２光変調器より小さい繰り返し周波数に変更するとよい。

第１パルス列を改質用とし、第２パルス列を溶融用とすることができる。

また、前記第１光変調器は、１ＭＨｚ未満の繰り返し周波数に変更するとよい。

パルスとパルスの間隔が１μｓｅｃ以上離れているので、前のパルスで改質された領域に次のパルスが照射されてもアブレーション等のダメージが生じ難い。

また、前記第２光変調器は、前記第１パルス列の繰り返し周波数以上の繰り返し周波数に変更するとよい。

第１パルス列のパルスとパルスの間に第２パルス列のパルスを少なくとも１つ配置することができる。その結果、第１パルス列のパルスで多光子吸収による改質を行った後に少なくとも１つの第２パルス列のパルスで加熱することができる。

上記の課題を解決するためになされた本発明の透明部材溶接方法は、繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、を有するパルスレーザ装置から、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力するレーザ出力ステップと、前記レーザ出力ステップで出力される前記繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを該レーザの波長に透明な二つの部材の接触部近傍に集光照射する照射ステップと、前記高ピークパワー超短パルスレーザで前記接触部近傍が多光子吸収を起こして改質する改質ステップと、前記改質ステップで改質した前記接触部近傍が前記低ピークパワーパルスレーザで溶融する溶融ステップと、
を有することを特徴とする。

上記の透明部材溶接方法において、前記パルスレーザ装置は、前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段を備えるとよい。

上記の課題を解決するためになされた本発明の透明部材溶接装置は、繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、を有し、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力するパルスレーザ装置と、前記パルスレーザ装置から出力される前記繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを該レーザの波長に透明な二つの部材の接触部近傍に集光して集光スポットを形成する集光レンズと、前記集光スポットを走査するステージと、を有することを特徴とする。

上記の透明部材溶接装置において、前記パルスレーザ装置は、前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段を備えるとよい。

レーザ光源を、低繰り返し周波数、長パルスレーザを出力するレーザ光源とし、第１パルス列生成手段でパルス幅を伸張し、合波器で合波した後、増幅及び圧縮することで、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳した（２種類のパルス列が空間的・時間的に重なった）パルスレーザを出力することができる。

高ピークパワー超短パルスレーザでの多光子吸収による改質プロセスと低ピークパワーパルスレーザでの蓄熱効果による溶融プロセスを時系列的に行わせることで、透明材料をクラックの発生なしに溶接することができる。

実施形態１のパルスレーザ装置のブロック図である。 図１の第１パルス列生成手段の詳細ブロック図である。 実施形態１のパルスレーザ装置を備えた透明部材溶接装置の概略構成図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 実施形態２のパルスレーザ装置のブロック図である。 図５の第２パルス列生成手段の詳細ブロック図である。 実施形態３のパルスレーザ装置のブロック図である。 実施形態４のパルスレーザ装置のブロック図である。 実施形態４のパルスレーザ装置の変形態様のブロック図である。 実施例１のパルスレーザ装置の概略構成図である。 実施例２のパルスレーザ装置の概略構成図である。 ギャップがある透明ガラスの界面にフェムト秒パルスレーザ単体を集光照射した場合の顕微鏡写真である。 ギャップがある透明ガラスの界面にフェムト秒パルスレーザ照射後ナノ秒パルスレーザを集光照射した場合の顕微鏡写真である。 ギャップがある透明ガラスの界面にフェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを集光照射した場合の顕微鏡写真である。 ギャップがない透明ガラスの界面にフェムト秒パルスレーザ単体を集光照射した場合と、フェムト秒パルスレーザ単体を集光照射した後にナノ秒パルスレーザを集光照射した場合の顕微鏡写真である。 ギャップがない透明ガラスの界面にフェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを集光照射した場合の顕微鏡写真である。 ギャップがない透明ガラスの界面に図１５の場合の２倍のパルスエネルギを持つフェムト秒パルスレーザ単体を集光照射した場合の顕微鏡写真である。

本発明の実施形態を図面を参照して詳しく説明する。
（実施形態１）
本実施形態のパルスレーザ装置は、図１に示すように、繰り返し短パルスレーザ（種パルス列）Ｌ０を出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から出力される種パルス列Ｌ０を二つの短パルスレーザ（第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２）に分波する分波器２と、分波器２で分波された第１種パルス列Ｌ０１の繰り返し周波数とピークパワーとを変更して第１パルス列Ｌ１を生成する第１パルス列生成手段３と、分波器２で分波された第２種パルス列Ｌ０２と第１パルス列生成手段３で生成された第１パルス列Ｌ１とを合波する合波器４と、を有する。

また、第１パルス列生成手段３は、図２に示すように、第１種パルス列Ｌ０１の繰り返し周波数ｆ０を、ｆ０より小さい周波数ｆ１に変更する第１光変調器３ａと、第１種パルス列Ｌ０１のピークパワーＰ０１を、Ｐ０１より大きいピークパワーＰ１に増幅する第１光増幅手段３ｂを備えている。

レーザ光源１には、モードロックファイバレーザ、モードロックチタンサファイアレーザ、Ｑスイッチレーザ等を用いることができる。しかし、モードロックファイバレーザを用いる方が装置全体の小型化、高信頼性化の点で好ましい。

分波器２には、ファイバ分波器、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を用いることができる。

第１光変調器３ａには、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、磁気光学変調器（ＭＯＭ）等を用いることができる。

第１光増幅手段３ｂは、光増幅器を備えている。光増幅器がファイバ増幅器の場合、飽和を防ぐためにファイバ増幅器の前にパルスを伸ばす伸張器を備えるとよい。伸張器にはファイバ、チャープ格子、チャープファイバ格子等、入射した光パルスをチャープさせ、パルス幅を伸張させる光学要素が使用される。

合波器４には、ファイバ合波器、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を用いることができる。

次に、本実施形態のパルスレーザ装置の動作を説明する。レーザ光源１から出力されるピークパワーＰ０、繰り返し周波数ｆ０の種パルス列Ｌ０は、分波器２でピークパワーＰ０１、繰り返し周波数ｆ０の第１種パルス列Ｌ０１とピークパワーＰ０２、繰り返し周波数ｆ０の第２種パルス列Ｌ０２とに分波される。

第１種パルス列Ｌ０１は、第１光変調器３ａでパルスが間引かれて繰り返し周波数ｆ１（＜ｆ０）のパルス列Ｌ１０にされる。

パルス列Ｌ１０は、第１光増幅手段３ｂで増幅され、ピークパワーＰ１（＞Ｐ０）の第１パルス列Ｌ１になる。

第１パルス列Ｌ１と第２種パルスＬ０２とは、合波器４で合波されて第１パルス列Ｌ１に第２種パルスＬ０２が重畳したパルス列Ｌ３となる。

本実施形態において、レーザ光源１として繰り返し周波数ｆ０＝５ＭＨｚ、パルス幅τ０＝１５０ｆｓ、ピークパワーＰ０＝１．３３ＭＷ（平均パワーＰｍ＝１Ｗ）の種パルス列Ｌ０が出力されるフェムト秒パルスレーザ発振器を使用する。

また、分波器２として２０：８０に分波する分波器を用いると、第１種パルス列Ｌ０１のピークパワーＰ０１＝０．２７ＭＷであり、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷである。

また、第１光変調器３ａとして、種パルス列Ｌ０の繰り返し周波数ｆ０＝５ＭＨｚを１ＭＨＺに間引く変調器を使用すると、パルス列Ｌ１０の繰り返し周波数ｆ１０＝１ＭＨｚとなる。

また、第１光増幅手段３ｂとして、増幅率１００倍の増幅器を用いると、第１パルス列Ｌ１のピークパワーＰ１＝２７０ＭＷとなる。

したがって、本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３は、繰り返し周波数ｆ１０＝１ＭＨｚ、ピークパワーＰ１＝２７０ＭＷの第１パルス列Ｌ１に、繰り返し周波数ｆ０＝５ＭＨｚ、ピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷの第２種パルス列Ｌ０２（第２パルス列Ｌ２）が重畳したパルス列である。

透明体材料の溶接において、高価な吸収剤を用いずに透明体材料同士の界面を直接、しかも容易に溶接するには、下記のようにすればよい。

すなわち、先ず、高ピークパワーの超短パルスレーザで多光子吸収による材料の改質（屈折率等の改変）を行い、レーザ光を吸収できるようにする。その後、通常の状態（改質前）では吸収の無い長パルスレーザもしくは、低ピークパワーの高繰り返し短パルスレーザによる熱蓄積効果で加熱溶融させることで、透明材料を溶接する。したがって、透明材料のレーザ溶接等の場合、多光子吸収による材料の改質（屈折率等の改変）プロセスと、多数パルス或いは長パルスによる熱の蓄積効果による溶融プロセスといった２つの加工プロセスを必要とする。

従来のパルスレーザ装置では、動作条件を変えて多光子吸収を起こさせる高ピークパワー超短パルスレーザと蓄熱による溶融を起こさせる低ピークパワーパルスレーザとを発生させ、２回に分けてレーザを照射する必要がある。

しかしながら、多光子吸収によって改変された透明材料の屈折率は、数μｓのオーダで元の屈折率に戻ることが報告されている（Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｈｏｒｎ等のＪＬＭＮ−Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｅｎｇｉｎｅｒｒｉｎｇ Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．２，２００８ 参照。）。また、材料の吸収率が、超短パルスレーザ照射による光イオン化によって過渡的に上がることも報告されている（Ｌｏｃａｌ Ｍｅｌｔｉｎｇ ｏｆ Ｇｌａｓｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｄｉｒｅｃｔ Ｆｕｓｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｂｙ Ｐｓ−ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ Ｉｓａｍｕ ＭＩＹＡＭＯＴＯ＊，Ａｌｅｘａｎｄｅｒ ＨＯＲＮ ＊＊，Ｊｅｎｓ ＧＯＴＴＭＡＮＮ＊＊ ＪＬＭＮ−Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１，２００７参照。）。また、別の文献には、材料表面加工において、超短パルスレーザ照射による過渡的な吸収率変化の持続時間が長くても数１０ｎｓであることが記載されている（Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ ｄｕａｌ−ｂｅａｍｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ２４９０ ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１４／Ｊｕｌｙ １５，２０１０参照。）。また、フェムト秒レーザ照射により材料にクラック、もしくは変色等の恒久的な材質変化を与えてから長パルスレーザを照射する事により溶接強度を向上させる方法が開示されている（特開２００５−１１７２号公報参照。）。この方法では少なくとも黒化現象の起きないガラスの場合、吸収率の急激な増大を望めことができない。したがって、この方法は、黒化現象の起きないガラスの場合、効果的でない。そのため、上記のように高ピークパワー超短パルスレーザの直後に低ピークパワー短パルスレーザを照射することが必要であるがその実現は困難である。

したがって、上記従来のパルスレーザ装置で２つの加工プロセスを行わせるためには、低繰り返し周波数、高ピークパワー超短パルスレーザを出力するレーザ装置と、高〜低繰り返し周波数、低ピークパワー短パルスレーザを出力するレーザ装置と、を同期させて使う必要がある。しかも、それら２台のレーザ装置から出力されるレーザを空間的、時間的に重ね合わせる必要がある。

それに対して、本実施形態のパルスレーザ装置は、繰り返し周波数ｆ１０＝１ＭＨｚ、ピークパワーＰ１＝２７０ＭＷの第１パルス列Ｌ１に、繰り返し周波数ｆ０＝５ＭＨｚ、ピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷの第２種パルス列Ｌ０２（第２パルス列Ｌ２）が重畳したパルス列Ｌ３を出力する。したがって、以下のように、第１パルス列Ｌ１で改質して第２パルス列Ｌ２で加熱溶融させて透明材料を溶接することができる。

図３は、透明部材溶接装置の概略構成図である。透明部材溶接装置は、本実施形態のパルスレーザ装置１０と、パルスレーザ装置１０から出力されるパルスレーザを石英ガラス１０ａ、１０ｂの突合せ部近傍に集光して集光スポットＳｉを形成する集光レンズ２０と、集光スポットＳｉを走査するステージ３０と、を有している。図４は、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。図３及び図４を使って透明部材の溶接方法が以下に説明される。

本実施形態のパルスレーザ装置１０において、第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２の光路差がわずかであるので、第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２の位相があっている。したがって、パルス列Ｌ３は、図３に模式的に示すように、第１パルス列Ｌ１の先頭パルスｕ１１と第２パルス列Ｌ２の先頭パルスｕ２１は重なっている。なお、光路差が異なり位相が合わない場合は、短い方の光路に光遅延線が挿入されて光路が長くされる。

また、第１パルス列Ｌ１の繰り返し周波数ｆ１０＝１ＭＨｚであるので、第１パルス列Ｌ１のパルス間隔は１μｓｅｃである。第２パルス列Ｌ２の繰り返し周波数ｆ２０＝ｆ０＝５ＭＨｚであるので、第２パルス列Ｌ２のパルス間隔は、０．２μｓｅｃである。したがって、第１パルス列Ｌ１のパルス間（例えば、ｕ１１とｕ１２との間）に第２パルス列Ｌ２のパルスが４個（例えば、ｕ２２、ｕ２３、ｕ２４、ｕ２５）配列される。

図４の円形スポットＳｉ（ｉ＝１，２，３，・・・）は、レンズ２０による集光スポットを示しており、Ｓ１は第１パルス列Ｌ１のパルスｕ１１による集光スポット、Ｓ２は、ｕ１２による集光スポット、・・・・である。第１パルス列Ｌ１のパルス間隔（例えば、ｕ１１とｕ１２の時間間隔）は１μｓであり、多光子吸収による改質状態の緩和時間が数μｓであるので、集光スポットＳ１とＳ２、Ｓ２とＳ３、・・・・が重なると、改質が緩和する前に第１パルス列Ｌ１の次のパルスが照射され、アブレーション等のダメージが生じる恐れがある。したがって、図４に示すように、集光スポットＳ１とＳ２、Ｓ２とＳ３、・・・・が重ならないように照射されるとよい。

スポットＳｉの直径２ａは、レンズ２０の焦点距離によって変わるが、回折限界以下には小さくできない。レーザの波長を高パワー超短パルスレーザでポピュラーな１μｍとすると、２ａ〜１μｍである。したがって、図４のような（隣り合うスポットが接する）集光スポットを形成するためには、ガラス１０ａ、１０ｂを矢印Ａ１方向に１ｍ／ｓの速度で走査する必要がある。

以上のような条件でガラス１０ａ、１０ｂの突き合わせ溶接を行う場合の動作を説明する。先ず、ガラス１０ａ、１０ｂを矢印Ａ１方向に１ｍ／ｓの速度で移動させ、同時にパルス列Ｌ３を照射する。すると、ピークパワーＰ１＝２７０ＭＷ、パルス幅τ０＝１５０ｆｓのパルスｕ１１とピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２１がスポットＳ１に集光され、多光子吸収によりその領域が改質される。０．２μｓｅｃ後、改質されたスポットＳ１（厳密には０．２μｍずれた位置）にピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２２が集光され、線形吸収される（改質されているので）。吸収されたエネルギは熱になって蓄積される。次に、０．２μｓｅｃ後、ピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２３が集光され、線形吸収される。次に、０．２μｓｅｃ後、ピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２４が集光され、線形吸収される。次に、０．２μｓｅｃ後、ピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２５が集光され、線形吸収される。次に、０．２μｓｅｃ後、ピークパワーＰ１＝２７０ＭＷ、パルス幅τ０＝１５０ｆｓのパルスｕ１２とピークパワーＰ０２＝１．１ＭＷのパルスｕ２６がスポットＳ２に集光され、多光子吸収によりその領域が改質され、以下繰り返される。パルスｕ２２、ｕ２３、ｕ２４、ｕ２５による熱は蓄積されてガラスが軟化・溶融され、突合せ部が接合されていく。

第１パルス列Ｌ１のパルス間隔が１μｓであり、改質が緩和する時間（数μｓ）より短いので、スポットが重ならないように高速（上記の場合、１ｍ／ｓｅｃ）で走査される必要があった。また、高速で走査されると、第２パルス列Ｌ２のパルスｕ２２、ｕ２４・・・の集光位置のずれが大きく（上記の場合、０．２μｍ）、蓄熱効果が有効に働き難かった。

第１パルス列Ｌ１のパルス間隔を数μｓ以上にすれば、最初のパルスによる改質領域に次のパルスが集光されても、改質が緩和しているので、低速走査、極端な場合、走査しなくてもよい。材料の改質の緩和時間は一般的に数μ秒以下である。したがって、Ｌ１パルスによる材料の改質とＬ２パルスによる熱蓄積を効率的に繰り返す為には、Ｌ１パルスの間隔は材料の改質の緩和時間と同程度が望ましい。したがって、第１パルス列Ｌ１の繰り返し周波数ｆ１０は、１ＭＨｚ未満、好ましくは３００ｋＨｚ未満、より好ましくは２００ｋＨｚ未満がよい。

第１パルス列Ｌ１で改質した後、第２パルス列Ｌ２で加熱するためには、第１パルス列Ｌ１のパルスとパルスの間に第２パルス列Ｌ２のパルスが少なくとも１つ配置されなければならない。したがって、第１パルス列Ｌ１の繰り返し周波数ｆ１０が１ＭＨｚ以下の場合、第２パルス列Ｌ２の繰り返し周波数ｆ２０は５００ｋＨｚ以上がよい。また、第１パルス列Ｌ１の繰り返し周波数ｆ１０が３００ｋＨｚ以下の場合は、第２パルス列Ｌ２の繰り返し周波数ｆ２０は３００ｋＨｚ以上が好ましい。また、第１パルス列Ｌ１の繰り返し周波数ｆ１０が２００ｋＨｚ以下の場合は、第２パルス列Ｌ２の繰り返し周波数ｆ２０は２００ｋＨｚ以上が望ましい。

以上は、レーザ光波長に透明なガラス板の突き合わせ溶接であったが、重ね合わせ溶接も可能である。重ね合わせ部（上のガラス板と下のガラス板の重ね合わせ部で、上のガラス板の上面から厚さ分、中に入った位置）に集光スポットＳｉができるようにレンズ２０と上のガラス板との距離を調整すればよい。

本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３を使用すると、上記のような透明材料の溶接の外に、透明材料のアニーリングも行うことができる。

透明な薄膜は膜が形成されたままでは、結晶性が悪く、アニーリングして結晶性を高める必要がある。第１パルス列のパルスで薄膜材料の吸収率を上げ、第２パルス列のパルスで加熱してアニーリングする。
（実施形態２）
本実施形態のパルスレーザ装置は、図５に示すように、分波器２Ａと合波器４の間に第１パルス列生成手段３と並列に第２パルス列生成手段５を備える点が実施形態１のパルスレーザ装置と大きく異なる。

第２パルス列生成手段５は、図６に示すように、第２種パルス列Ｌ０２の繰り返し周波数ｆ０を、ｆ０より小さい周波数ｆ２に変更する第２光変調器５ａと、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーＰ０２を、Ｐ０２より大きいピークパワーＰ２に増幅する第２光増幅手段５ｂを備えている。

第２光変調器５ａには、音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、磁気光学変調器（ＭＯＭ）等を用いることができる。

第２光増幅手段５ｂは、光増幅器を備えている。光増幅器がファイバ増幅器の場合、飽和を防ぐためにファイバ増幅器の前にパルス時間幅を伸ばす伸張器を備えるとよい。伸張器にはファイバ、チャープ格子、チャープファイバ格子等、入射した光パルスをチャープさせてパルス幅を伸張させる光学要素が使用される。この場合、パルスの伸張量は例えば第１増幅手段における伸張量と同一にされる。それによって最終的にチャープ調整手段によってチャープが調整されて圧縮された第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２とは同一のパルス時間幅を持つようになる。

次に、本実施形態のパルスレーザ装置の動作が説明される。レーザ光源１Ａから出力されるピークパワーＰ０、繰り返し周波数ｆ０の種パルス列Ｌ０は、分波器２でピークパワーＰ０１、繰り返し周波数ｆ０の第１種パルス列Ｌ０１とピークパワーＰ０２、繰り返し周波数ｆ０の第２種パルス列Ｌ０２とに分波される。

第１種パルス列Ｌ０１は、第１光変調器３ａでパルスが間引かれて繰り返し周波数ｆ１（＜ｆ０）のパルス列Ｌ１０になる。パルス列Ｌ１０は、第１光増幅手段３ｂで増幅され、ピークパワーＰ１（＞Ｐ０）の第１パルス列Ｌ１になる（図２参照。）。

第２種パルス列Ｌ０２は、第２光変調器５ａでパルスが間引かれて繰り返し周波数ｆ２（＞ｆ１）のパルス列Ｌ２０になる。パルス列Ｌ２０は、第２光増幅手段５ｂで増幅され、ピークパワーＰ２（＜Ｐ１）の第２パルス列Ｌ２になる（図６参照。）。

第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２とは、合波器４で合波されて第１パルス列Ｌ１に第２パルスＬ２が重畳したパルス列Ｌ３となる。

本実施形態において、ピークパワーＰ０＝４０Ｗ、繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚ、パルス幅τ０＝１０ｐｓ、平均パワーＰ０＝２０ｍＷの種パルス列Ｌ０が出力されるピコ秒パルスレーザ光源１Ａを使用する。

また、分波器２Ａとして５０：５０に分波する分波器を用いると、第１種パルス列Ｌ０１のピークパワーＰ０１＝２０Ｗであり、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーＰ０２＝２０Ｗである。

また、第１光変調器３ａとして、第１種パルス列Ｌ０１の繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚを１００ｋＨｚに間引く変調器を使用すると、パルス列Ｌ１０の繰り返し周波数ｆ１０＝１００ｋＨｚとなる。

また、第１光増幅手段３ｂとして、増幅率１００００倍の増幅器を用いると、第１パルス列Ｌ１のピークパワーＰ１＝１Ｍｗとなる。

また、第２光変調器５ａとして、第２種パルス列Ｌ０２の繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚを５ＭＨｚに間引く変調器を使用すると、パルス列Ｌ２０の繰り返し周波数ｆ２０＝５ＭＨｚとなる。

また、第２光増幅手段５ｂとして、増幅率１０００倍の増幅器を用いると、第２パルス列Ｌ２のピークパワーＰ２＝２０ｋＷとなる。

したがって、本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３は、繰り返し周波数ｆ１０＝１００ｋＨｚ、ピークパワーＰ１＝１Ｍｗの第１パルス列Ｌ１に、繰り返し周波数ｆ２０＝５ＭＨｚ、ピークパワーＰ２＝２０ｋＷの第２パルス列Ｌ２が重畳したパルス列である。

光変調器は、ゲートであり、例えば、第２光変調器５ａで不連続に間引いてパルス列Ｌ２０Ａとすることもできる（図６参照。）。すると、パルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３Ａは、図５に示すように第１パルス列Ｌ１のパルスとパルスの間に余裕をもつことができる。したがって、第１パルス列Ｌ１のパルスとパルスの間に第２パルス列Ｌ２のパルスを５個入れる必要がある場合でも、余裕をもって入れることができる。
（実施形態３）
本実施形態のパルスレーザ装置は、図７に示すように、合波器４の後にチャープ調整手段８を備える点が実施形態２のパルスレーザ装置と大きく異なる。本実施形態のパルスレーザ装置は、実施形態２の第１パルス列よりも長い時間幅を持つ第２パルス列を作り出すようにしたものである。

第１パルス列生成手段３は、第１種パルス列Ｌ０１の繰り返し周波数ｆ０を、ｆ０より小さい周波数ｆ１に変更する第１光変調器３ａと、第１種パルス列Ｌ０１のピークパワーＰ０１を、Ｐ０１より大きいピークパワーＰ１に増幅する第１光増幅手段３ｂを備えている。

第１光増幅手段３ｂは、伸張器３１ｂと、増幅器３２ｂを備えている。

第２パルス列生成手段５ｂは、第２種パルス列Ｌ０２の繰り返し周波数ｆ０を、ｆ０より小さい周波数ｆ２に変更する第２光変調器５ａと、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーＰ０２を、Ｐ０２より大きいピークパワーＰ２に増幅する第２光増幅手段５ｂを備えている。

第２光増幅手段５ｂは、伸張器５１ｂと光増幅器５２ｂとを備えている。第２光増幅手段５ｂの伸張器５１ｂによるパルスの伸張量が第１光増幅手段３ｂの伸張器３１ｂによるパルスの伸張量と異なるようにされる。すると、第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２が合波器４で合波された後、チャープ調整手段８でチャープが調整される際のパルス時間幅は、第１パルス列Ｌ１が最小時間幅になるようにチャープが調整される場合、第２パルス列Ｌ２の時間幅は十分に圧縮されない、もしくは逆チャープ方向に伸張される。つまり、第２パルス列Ｌ２のチャープ調整前のピークパワーが増幅器の飽和／非線形ピークパワーに対して十分に小さい時には、第２パルス列Ｌ２の伸張量を第１パルス列Ｌ２の伸張量より小さくし、第２パルス列Ｌ２のピークパワーが大きくなる時にはその伸張量を第１パルス列Ｌ１の伸張量よりも大きくすると良い。それにより、最終的に第１パルス列Ｌ１を最短に圧縮するように最適化されたチャープ調整手段８から出た第１パルス列Ｌ１は超短パルスになっており、第２パルス列Ｌ２は長パルスになっている為、同一光軸内に２種類の時間幅のパルスを混在させることができる。すなわち、本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３Ｃは、超短パルスレーザに長パルスレーザが重畳したパルスとなる。

伸張器３１ｂ、５１ｂには、ファイバ、チャープ格子、チャープファイバ格子等、入射した光パルスをチャープさせてパルス幅を伸張させる光学要素が使用される。

チャープ調整手段８には、回折格子対、チャープ格子、ブラッグ格子等が使用される。

次に、本実施形態のパルスレーザ装置の動作を説明する。レーザ光源１Ａから出力されるピークパワーＰ０、繰り返し周波数ｆ０の種パルス列Ｌ０は、分波器２ＡでピークパワーＰ０１、繰り返し周波数ｆ０の第１種パルス列Ｌ０１とピークパワーＰ０２、繰り返し周波数ｆ０の第２種パルス列Ｌ０２とに分波される。

第１種パルス列Ｌ０１は、第１光変調器３ａでパルスが間引かれて繰り返し周波数ｆ１（＜ｆ０）のパルス列Ｌ１０になる。パルス列Ｌ１０は、伸張器３１ｂで伸張された後、光増幅器３２ｂで増幅され、ピークパワーＰ１（＞Ｐ０）の第１パルス列Ｌ１になる。

第２種パルス列Ｌ０２は、第２光変調器５ａでパルスが間引かれて繰り返し周波数ｆ２（＞ｆ１）のパルス列Ｌ２０になる。パルス列Ｌ２０は、伸張器５１ｂで伸張された後、光増幅器５２ｂで増幅され、ピークパワーＰ２（＜Ｐ１）の第２パルス列Ｌ２になる。

第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２とは、合波器４で合波されて第１パルス列Ｌ１に第２パルスＬ２が重畳したパルス列Ｌ３となり、共通のチャープ調整手段８を通ることにより、第１パルス列Ｌ１は超短パルスにまで圧縮され、第２パルス列Ｌ２は十分に圧縮されないか、もしくは逆チャープを持つことにより、第１パルス列Ｌ１よりも長い時間幅を持つようになる。

態において、ピークパワーＰ０＝４０Ｗ、繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚ、パルス幅τ０＝５００ｆｓ、平均パワーＰ０＝２０ｍＷの種パルス列Ｌ０が出力されるフェムト秒パルスレーザ光源１Ａを使用する。

また、分波器２Ａとして５０：５０に分波する分波器を用いると、第１種パルス列Ｌ０１のピークパワーＰ０１＝２０Ｗであり、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーＰ０２＝２０Ｗである。

また、第１光変調器３ａとして、第１種パルス列Ｌ０１の繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚを１００ｋＨｚに間引く変調器を使用すると、パルス列Ｌ１０の繰り返し周波数ｆ１０＝１００ｋＨｚとなる。

また、伸張器３１ｂにより、パルス列Ｌ１０のパルス幅を５００ｆｓから２００ｐｓに伸張した後、光増幅器３２ｂとして、増幅率５０００倍の増幅器を用いると、第１パルス列Ｌ１のピークパワーＰ１＝１００ｋＷとなる。

また、第２光変調器５ａとして、第２種パルス列Ｌ０２の繰り返し周波数ｆ０＝５０ＭＨｚを１ＭＨｚに間引く変調器を使用すると、パルス列Ｌ２０の繰り返し周波数ｆ２０＝１ＭＨｚとなる。

また、伸張器５１ｂにより、パルス列Ｌ２０のパルス幅を５００ｆｓから４００ｐｓに伸張した後に、増幅率１０００倍の増幅器５２ｂで増幅すると、第２パルス列Ｌ２のピークパワーＰ２＝２０ｋＷとなる。

また、パルス列Ｌ１、Ｌ２を共通のチャープ調整手段８に通すことによって、第１パルス列Ｌ１は再度５００ｆｓに圧縮されるのに対して、第２パルス列Ｌ２は０．２ｎｓまでしか圧縮されない。

したがって、本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルス列Ｌ３Ｃは、繰り返し周波数ｆ１０＝１００ｋＨｚ、パルス時間幅＝５００ｆｓ、ピークパワーＰ１＝１００ｋＷの第１パルス列Ｌ１に、繰り返し周波数ｆ２０＝１ＭＨｚ、パルス時間幅＝０．２ｎｓ、ピークパワーＰ２＝２０ｋＷの第２パルス列Ｌ２が重畳したパルス列である。
（実施形態４）
本実施形態のパルスレーザ装置は、図８に示すように、繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源１と、レーザ光源１から出力されるパルスレーザＬ０を二つのパルスレーザＬ０１、Ｌ０２に分波する分波器２と、分波器２で分波された二つのパルスレーザＬ０１、Ｌ０２の一方のパルスレーザＬ０１の少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列Ｌ１１を生成する第１パルス列生成手段と、分波器２で分波された二つのパルスレーザＬ０１、Ｌ０２の他方のパルスレーザＬ０２と第１パルス列生成手段３で生成された第１パルス列Ｌ１１とを合波する合波器４と、を備えている。

本実施形態のレーザ光源１は、レーザ発振器１１から出力される繰り返しパルスレーザのパルス幅を伸張する伸張器と、繰り返し周波数を下げる変調器１３とを備えている。

また、本実施形態の第１パルス生成手段３は伸張器を備えており、パルスレーザＬ０１はパルス幅の大きなパルス列Ｌ１１にされる。

また、本実施形態のパルスレーザ装置は、合波器４の後に増幅器６と圧縮器８を備えている。

パルス列Ｌ１１は、増幅器６で増幅され、圧縮器８でパルス幅が圧縮されてパルスｕ１１、ｕ１２、ｕ１３、・・・・となる。

パルスレーザＬ０２は、増幅器６で増幅され、圧縮器８でパルス幅が圧縮されてパルスｕ２１、ｕ２２、ｕ２３、・・・・となる。

レーザ発振器１１のレーザ特性（繰り返し周波数、パルス幅、平均パワー）、伸張器１２の伸張率及び変調器１３の変調率を適当に選定することで、所定の種パルスＬ０とすることができる。また、第１パルス列生成手段３の伸張器の伸張率、合波器４の合波率、増幅器６の増幅率、圧縮器８の圧縮率を適当に選定することで、本実施形態のパルスレーザ装置は、例えば、パルス幅が５００ｆｓでパルスエネルギーが０．５μＪ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、平均パワーが０．５Ｗのパルス（ｕ２１、ｕ２２、ｕ２３、・・・）に、パルス幅が１ｎｓでパルスエネルギが２μＪ、繰り返し周波数が１ＭＨｚ、平均パワーが２Ｗのパルス（ｕ１１、ｕ１２、ｕ１３、・・・）が重畳したパルスレーザＬ３を出力することができる。

本実施形態のパルスレーザ装置から出力されるパルスレーザでは、パルス幅が５００ｆｓの高ピークパワー超短パルスｕ２１の次に、パルス幅が１ｎｓの長パルスｕ１１が続き、パルスｕ１１の次にパルスｕ２２が続く。例えば、合波器の手前のファイバ長（光路長）を変える事によってｕ２１からｕ１１までの時間遅れｄを調整する事が可能である。したがって、本実施形態のパルスレーザ装置ではそれぞれのパルスの繰り返し周波数が１ＭＨｚであるので、時間遅れｄは−０．５μｓ＜ｄ＜０．５μｓの間で調整可能である。

本実施形態のパルスレーザ装置の変形態様を図９に示す。変形態様のパルスレーザ装置では、第１パルス列生成手段３が伸張器３１の後に増幅器３２を備えている。また、パルスレーザＬ０２から第２パルス列Ｌ１２を生成する第２パルス列生成手段５を備えている。

第１パルス列生成手段３は、伸張器３１と増幅器３２とを備えており、分波器２で分波された二つのパルスレーザＬ０１、Ｌ０２の一方のパルスレーザＬ０１のパルス幅を伸張し、パワーを増幅して第１パルス列Ｌ１１を生成する。第２パルス列生成手段５は、増幅器５１と圧縮器５２とを備えており、パルスレーザＬ０２のパワーを増幅し、パルス幅を圧縮して第２パルス列Ｌ１２を生成する。

第１パルス列Ｌ１１と第２パルス列Ｌ１２とは合波器４で合波されて繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザＬ１２に繰り返し低ピークパワー長パルスレーザＬ１１が重畳したパルスレーザＬ１３となる。

本実施例のパルスレーザ装置は、図１０に示すように、レーザ光源１と、分波器２と、第１パルス列生成手段３と、第２パルス列生成手段５と、合波器４とを備えている。本実施例のパルスレーザ装置は、合波されてできるパルス列Ｌ３を増幅する増幅器６と、ファイバ中を導波してくるパルス列をコリメートするコリメータ７と、コリメートされたパルス列のチャープを調整する回折格子対８Ａとを備えている。

レーザ光源１は、モードロックファイバレーザで、パルス幅１５０ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、平均パワー１０ｍＷ（ピークパワー１．３３ｋＷ、パルスエネルギ０．２ｎＪ）、波長１．０μｍの種パルス列Ｌ０を出力する。

分波器２は、ファイバ合波器で、５０：５０に分波する。したがって、第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーは、共に０．６７ｋＷである。第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２の平均パワーは、共に５ｍＷである。

第１光変調器３ａは、音響光学変調器で、５０ＭＨｚを１００ｋＨｚに変調する。したがって、パルス列Ｌ１０の平均パワーは、１０μＷとなる。

第１光増幅手段３ｂは、増幅器３２ｂの飽和を防ぐためにパルス幅を伸張する伸張器３１ｂを備えている。

伸張器３１ｂは、コア径６μｍ、長さ５００ｍの石英ファイバで、ＧＶＤ＝５０ｐｓ／ｎｍ・ｋｍであり、パルス幅を１５０ｆｓから１００ｐｓに伸張する。

増幅器３２ｂは、コア径３０μｍのＹｂドープファイバー３２１ｂと励起用半導体レーザ３２３ｂと波長多重カップラー３２２ｂとを備えており、増幅率は１０００倍（１０μＷから１０ｍＷに増幅）である。

第２光変調器５ａも音響光学変調器であり、この変調器は５０ＭＨｚを５ＭＨｚに変調する。したがって、パルス列Ｌ２０の平均パワーは、０．５ｍＷとなる。

第２光増幅手段５ｂも、増幅器５２ｂの飽和を防ぐためにパルス幅を伸張する伸張器５１ｂを備えている。

伸張器５１ｂは、伸張器３１ｂと同じであり、パルス幅を１５０ｆｓから１００ｐｓに伸張する。

増幅器５２ｂは、コア径３０μｍのＹｂドープファイバー５２１ｂと励起用半導体レーザ５２３ｂと波長多重カップラー５２２ｂとを備えており、増幅率は１０倍（０．５ｍＷから５ｍＷに増幅）である。

合波器４は、分波器２と同じファイバ合波器で、第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２を合波して、パルス列Ｌ３を出力する。

増幅器６は、コア径３０μｍのＹｂドープファイバ６１と励起用半導体レーザ６３と波長多重カップラー６２とを備えており、増幅率は１００倍（５ｍＷから５００ｍＷに、１０ｍＷから１Ｗに増幅）である。

コリメータ７は、レンズ系を備え、ファイバ端面から出射されるパルス列を平行ビームのパルス列Ｌ３Ａにする。

回折格子対８Ａは、入射される光パルスのチャープを調整して伸張器３１ｂ、５１ｂで１５０ｆｓから１００ｐｓに伸張されたパルス幅を５００ｆｓに圧縮する。

以上の説明から明らかなように、回折格子対８Ａから出力されるパルス列Ｌ３Ｂは、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅５００ｆｓ、平均パワー１Ｗ（ピークパワー２ＭＷ、パルスエネルギ１０μＪ）のパルス列に、繰り返し周波数５ＭＨｚ、パルス幅５００ｆｓ、平均パワー５００ｍＷ（ピークパワー２０ｋＷ、パルスエネルギ０．１μＪ）のパルス列が重畳したものである。

図１１に示す本実施例のパルスレーザ装置は、増幅器以外はバルク光学部品で構成した点が実施例２と大きく異なる。また、レーザ光源１にピコ秒パルス列を出力するレーザを使用し、チャープ調整手段である回折格子対８Ａを削除した点が実施例１と異なる。

レーザ光源１Ａは、モードロックファイバレーザで、パルス幅１０ｐｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、平均パワー２０ｍＷ（ピークパワー４００Ｗ、パルスエネルギ０．４ｎＪ）、波長１μｍの種パルス列Ｌ０を出力する。

分波器２は、ビームスプリッタであり、５０：５０に分波する。したがって、第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２のピークパワーは、共に２００Ｗである。第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２の平均パワーは、共に１０ｍＷである。第１種パルス列Ｌ０１、第２種パルス列Ｌ０２のパルスエネルギーは、共に０．２ｎＪである。

第１光変調器３ａは、音響光学変調器で、５０ＭＨｚを１００ｋＨｚに変調する。すると、パルス列Ｌ１０の平均パワーは、０．０２ｍＷとなる。

増幅器３ｂは、コア径３０μｍのＹｂドープファイバ３１ｂと励起用半導体レーザ３２ｂと２色ミラー３３ｂとを備えており、増幅率は２５０倍（０．０２ｍＷから５ｍＷに増幅）である。

第２光変調器５ａも音響光学変調器であり、この変調器は５０ＭＨｚを５ＭＨｚに変調する。すると、パルス列Ｌ２０の平均パワーは、１ｍＷとなる。

増幅器５ｂは、コア径３０μｍのＥｒドープファイバ５１ｂと励起用半導体レーザ５２ｂと２色ミラー５３ｂとを備えており、増幅率は１０倍（１ｍＷから１０ｍＷに増幅）である。

合波器４Ａは、分波器２Ａと同じビームスプリッタで、第１パルス列Ｌ１と第２パルス列Ｌ２を合波して、パルス列Ｌ３を出力する。

増幅器６は、コア径３０μｍのＹｂドープファイバ６１と励起用半導体レーザ６３と２色ミラー６２とを備えており、増幅率は１００倍（５ｍＷから５００ｍＷに、１０ｍＷから１Ｗに増幅）である。

以上の説明から明らかなように、増幅器６から出力されるパルス列Ｌ３Ａは、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅１０ｐｓ、平均パワー５００ｍＷ（ピークパワー０．５ＭＷ、パルスエネルギ５μＪ）のパルス列に、繰り返し周波数５ＭＨｚ、パルス幅１０ｐｓ、平均パワー１Ｗ（ピークパワー２０ｋＷ、パルスエネルギ０．２μＪ）のパルス列が重畳したものである。
（透明部材溶接方法の検証実験）

＜ギャップありの場合＞
フェムト秒／ナノ秒パルスの組合せ効果を知る為に、最初、２枚の透明ガラスを重ねて重ね合せ界面間にギャップを持つ（隙間がある）ガラスの溶接比較実験が行なわれた。

この比較実験で用いられたガラスは、厚さ２ｍｍのソーダガラスである。２枚のガラス板が約２μｍのギャップを有するように重ね合わせられた。レーザ光は重ね合わせられたガラスの一方のガラスの界面と反対側表面から入射され、ガラス界面に焦点を結ぶように集光レンズ（２０倍対物レンズ、ＮＡ＝０．４）位置が調整された。

図１２は、平均出力：１Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：１μＪ、パルス時間幅：５００ｆｓ、ピークパワー：２ＭＷのフェムト秒パルスレーザを走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射した場合のガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。

図１２からガラス界面に面する表面にクラックが発生しているだけで、溶接には至っていないことがわかる。つまり、フェムト秒パルスのみの照射では界面に隙間があるとき溶接することができなかった。

図１３は、図１２の状態（フェムト秒パルスレーザ照射後）のガラス界面に平均出力：２Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：２μＪ、パルス時間幅：１ｎｓ、ピークパワー：２ＫＷのナノ秒パルスレーザを走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射した場合のガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。

図１３から、フェムト秒パルスレーザを界面に照射してクラックを発生させた後に、ナノ秒レーザを照射しても溶接されないことがわかる。すなわち、フェムト秒レーザでガラス界面にクラックを発生させた後にナノ秒レーザを照射して溶接する方法（特開２００５−１１７２号公報参照。）では溶接することができなかった。

図１４は、ガラス界面に実施形態４のパルスレーザ装置から出力されるフェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射した場合のガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。すなわち、フェムト秒パルスレーザは、平均出力：０．５Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：０．５μＪ、パルス時間幅：５００ｆｓ、ピークパワー：１ＭＷであり、ナノ秒パルスレーザは、上記ナノ秒パルスレーザと同様である。なお、フェムト秒パルスからナノ秒パルスまでの時間遅れは、実施形態４のパルスレーザ装置において、分波器２と合波器４の間の光路長を調整することで、０．５ｎｓとされた。

図１４から、フェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを照射すると、ガラス全面が暗く見え、僅かにレーザスポットが走査された黒い帯状パターン（溶接ビード？）が見えることがわかる。ガラス全面が暗く見えるのは、ガラスが溶接されて界面のギャップがなくなり、界面からの反射光がなくなるためである。したがって、フェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを照射することにより、界面にギャップ（隙間）があっても良好に溶接されることが検証された。

図１２〜図１４は、上記したように重ね合わせたガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真であるが、サンプルを肉眼観察すると、図１２、１３のサンプルの場合、干渉パターンが鮮明に観察され、界面のギャップが残っていた。図１４のサンプルの場合、レーザ照射部周辺の干渉パターンが観察されず、溶接によりギャップがなくなったことがわかる。

なお、この光学系でのレーザ照射ではフェムト秒パルスでの加工閾値は０．５−１．０μＪの間であり、図１４の場合のフェムト秒パルスエネルギーではプラズマは発生するものの、フェムト秒単体では加工に至らない（照射後に恒久的な材料の改質は起こっていなかった）。また、ナノ秒パルスでの加工閾値は２μＪよりも大きく、ナノ秒パルス単体では全く加工はできないことが確かめている。つまり、加工閾値以下のフェムト秒パルス照射を行ってから、少なくとも数１００ピコ秒の間は過渡的な材質変化が起きており、その間にナノ秒パルスを照射することにより効率的にナノ秒パルスレーザを吸収させられることがわかった。
＜ギャップなしの場合＞

次に、２枚のガラス板が完全に密着している状態（界面隙間＜１５０ｎｍ）での溶接状態の比較実験を行った。実験条件は、ガラス板が完全に密着している以外は、上記＜ギャップありの場合＞と同じである。

図１５は、レーザパルスを集光照射した後、ガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。上の矢印方向には平均出力：１Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：１μＪ、パルス時間幅：５００ｆｓ、ピークパワー：２ＭＷのフェムト秒パルスレーザが走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射された。下の矢印方向には上記フェムト秒パルスレーザが照射された後、平均出力：２Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：２μＪ、パルス時間幅：１ｎｓ、ピークパワー：２ＫＷのナノ秒パルスレーザが走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射された。

図１６は、フェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射した場合のガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。

図１５の上側矢印方向に溶接ビードが観察され、ギャップがない場合はフェムト秒パルスレーザのみで溶接されることがわかる。しかし、フェムト秒パルスレーザのみでは、溶接のビード幅はせいぜい２０−３０μｍであった。

図１５の下側矢印方向を見ると、溶接ビード幅はフェムト秒パルスレーザのみの場合とほとんど変らないことがわかる。したがって、特開２００５−１１７２号公報に記載されているような、溶融部が吸収体となって超短パルスレーザが局所的に吸収されるという現象はガラスでは観察されなかった。

図１６の矢印方向を見ると、幅の広い（約７５μｍの）溶接ビードが観察される。したがって、フェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザを集光照射した場合、フェムト秒パルスレーザ単体に比べて溶接ビード幅が倍以上広くなっていることがわかる。このことは、密着したガラス界面における溶接でも、フェムト秒パルスレーザにナノ秒パルスレーザが重畳したパルスレーザは、フェムト秒パルスレーザ単体に比べて強力な溶接が可能であることを示している。

フェムト秒パルスレーザ単体で溶接を行う場合、今回はパルスエネルギ：１μＪ、繰り返し周波数：１ＭＨｚのパルス列を用いた。しかし、さらに大きなパルスエネルギーを用いて溶接することによりフェムト秒パルスレーザ単体でも幅の広い溶接ビードが得られるかもしれない。

図１７は、平均出力：２Ｗ、繰り返し周波数：１ＭＨｚ、パルスエネルギー：２μＪ、パルス時間幅：５００ｆｓ、ピークパワー：４ＭＷのフェムト秒パルスレーザを走査速度１０ｍｍ／ｓで集光照射した場合のガラス板を上方から撮影した顕微鏡写真である。

図１７から、フェムト秒パルスレーザ単体の場合、例えばパルスエネルギーを２倍の２μＪに上げて溶接を行うと、クラックが発生してしまい、逆に溶接強度が弱くなってしまうことがわかる。

１、１Ａ・・・・・・レーザ光源
２、２Ａ・・・・・・分波器
３・・・・・・・・・第１パルス列生成手段
３ａ・・・・・・・第１光変調器
３１ｂ・・・・・・伸張器
４、４Ａ・・・・・・合波器
５・・・・・・・・・第２パルス列生成手段
５Ａ・・・・・・・第２光変調器
５１ｂ・・・・・・伸張器
８、８Ａ・・・・・・チャープ調整手段
Ｌ１・・・・・・・・第１パルス列
Ｌ２・・・・・・・・第２パルス列

Claims (9)

1. 繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と
   前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、
   前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、
   前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段と、
   を有し、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力し、
   前記第１パルス列生成手段と前記第２パルス列生成手段の少なくとも一方は、伸張器を備え、前記合波器の前にチャープを調整するチャープ調整手段を備えることを特徴とするパルスレーザ装置。
2. 前記第１パルス列生成手段は、前記レーザ光源から出力されるパルスレーザの繰り返し周波数より小さい繰り返し周波数に変更する第１光変調器を備える請求項１に記載のパルスレーザ装置。
3. 前記第２パルス列生成手段は、前記レーザ光源から出力される短パルスレーザの繰り返し周波数より小さい繰り返し周波数に変更する第２光変調器を備える請求項１に記載のパルスレーザ装置。
4. 前記第２パルス列生成手段は、前記レーザ光源から出力される短パルスレーザの繰り返し周波数より小さい繰り返し周波数に変更する第２光変調器を備え、
   前記第１光変調器は、前記第２光変調器より小さい繰り返し周波数に変更する請求項２に記載のパルスレーザ装置。
5. 前記第１光変調器は、１ＭＨｚ以下の繰り返し周波数に変更する請求項２に記載のパルスレーザ装置。
6. 前記第２光変調器は、前記第１パルス列の繰り返し周波数以上の繰り返し周波数に変更する請求項４に記載のパルスレーザ装置。
7. 繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、を有するパルスレーザ装置から、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力するレーザ出力ステップと、
   前記レーザ出力ステップで出力される前記繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを該レーザの波長に透明な二つの部材の接触部近傍に集光照射する照射ステップと、
   前記高ピークパワー超短パルスレーザで前記接触部近傍が多光子吸収を起こして改質する改質ステップと、
   前記改質ステップで改質した前記接触部近傍が前記低ピークパワーパルスレーザで溶融する溶融ステップと、
   を有することを特徴とする透明部材溶接方法。
8. 前記パルスレーザ装置は、前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段を備える請求項７に記載の透明部材溶接方法。
9. 繰り返しパルスレーザを出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力される前記パルスレーザを二つのパルスレーザに分波する分波器と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの一方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第１パルス列を生成する第１パルス列生成手段と、前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザと前記第１パルス列生成手段で生成された第１パルス列とを合波する合波器と、前記合波器の前に前記分波器で分波された二つのパルスレーザの他方のパルスレーザの少なくともピークパワー及び或いはパルス幅を変更して第２パルス列を生成する第２パルス列生成手段とを有し、繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを出力するパルスレーザ装置と、
   前記パルスレーザ装置から出力される前記繰り返し高ピークパワー超短パルスレーザに繰り返し低ピークパワーパルスレーザが重畳したパルスレーザを該レーザの波長に透明な二つの部材の接触部近傍に集光して集光スポットを形成する集光レンズと、
   前記集光スポットを走査するステージと、
   を有し、
   前記第１パルス列生成手段と前記第２パルス列生成手段の少なくとも一方は、伸張器を備え、前記合波器の前にチャープを調整するチャープ調整手段を備えることを特徴とする透明部材溶接装置。