JP5599277B2

JP5599277B2 - レーザ装置およびレーザ加工装置

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Publication number: JP5599277B2
Application number: JP2010216496A
Authority: JP
Inventors: 陽一谷野; 順一西前; 周一藤川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: JP2012074434A

Description

本発明は、パルスレーザ光を発生するレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置に関する。

下記特許文献１では、光を発生し増幅するレーザ媒質（励起ヨウ素原子）と、１枚の部分透過鏡と少なくとも１枚の全反射鏡からなる光共振器と、該光共振器から出力するレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、複数枚の全反射鏡を前記レーザ媒質を挟んで対向配置することにより該レーザ媒質を複数回通過する増幅部を形成し、前記ビームエキスパンダからの光を該増幅部で増幅して出射するように構成された増幅器とを備える気体レーザ共振器が提案されている。光共振器内には、レーザ光をパルス発振させるための光学的スイッチ素子が設けられる。

特開平９−２４６６３２号公報特開２００２−１９８６０４公報

上述の気体レーザ共振器は、レーザ媒質をレーザ光の発振および増幅の両方に利用するとともに、光共振器でのパルス発振により高出力のパルスレーザ光を発生している。
しかしながら、連続的なパルス発振によってレーザ媒質の利得が低下してしまい、その結果、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を供給できないという問題がある。

本発明の目的は、高出力、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給できるレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、
第１方向に移動するレーザ媒質と、
レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、
第１方向と交差する第２方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、
第１方向および第２方向に交差する第３方向に沿った放電によってレーザ媒質を励起する放電領域を形成するための一対の放電電極と、
光共振器のＱ値を周期的に変化させるためのＱスイッチ素子と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備え、
前記発振領域は、レーザ媒質の移動方向に関して前記放電領域の上流側に配置され、
前記増幅領域は、レーザ媒質の移動方向に関して前記放電領域の下流側に配置され、
前記増幅領域の第１方向に沿った寸法は、前記放電領域の第１方向に沿った寸法よりも小さく設定され、
前記所定の時間幅は、レーザ媒質が増幅領域を横切る時間以上で、放電領域内に存在するガスが全て入れ替わる時間よりも短く設定されることを特徴とする。

本発明によれば、光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させることによって、レーザ媒質の利得低下を回避できるため、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。

本発明の実施の形態１を示す構成図である。増幅領域の配置を示すもので、図２（ａ）は光軸方向に観察した側面図であり、図２（ｂ）はレーザ媒質の上流側から観察した正面図である。Ｑスイッチング動作の様子を示すグラフであり、図３（ａ）はＱスイッチ素子の駆動波形、図３（ｂ）は光共振器のＱ値の変化、図３（ｃ）は光共振器から出射されるレーザ光のパワーＰ_ＯＳＣ（瞬時値）、図３（ｄ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰ_ａｍｐ（瞬時値）をそれぞれ示す。図４（ａ）は制御部の動作を示すフローチャートであり、図４（ｂ）は制御回路の動作を示すフローチャートである。比較例として、従来のレーザ装置のＱスイッチ動作を示すグラフであり、図５（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図５（ｂ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰ_ａｍｐをそれぞれ示す。横軸は時間である。本発明の実施の形態２を示す構成図である。本発明の実施の形態３を示す構成図である。本発明の実施の形態４を示す構成図である。本発明の実施の形態５を示す構成図である。Ｑスイッチ動作とガルバノミラーの動作タイミングを示すグラフであり、図１０（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図１０（ｂ）はガルバノミラーの角速度Ｖをそれぞれ示す。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１、５２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。ここで理解容易のため、光共振器および光増幅器の光軸方向をＸ方向、レーザ媒質Ｇを励起する放電の方向をＹ方向、レーザ媒質Ｇを供給する方向と平行な方向をＺ方向とする。

放電電極１，２は、金属プレートまたは、金属プレートと誘電体コートの組合せで形成されており、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間３の内部でＹ方向に沿ったグロー放電が発生する。放電電極１，２は、例えば、金属部分が３ｃｍ×１００ｃｍ程度の表面を有し、放電空間３は、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状である。

グロー放電によってレーザ媒質Ｇ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザ媒質Ｇとして、ＣＯ_２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ_２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザ媒質ＧとしてＣＯ_２を使用した場合を例示するが、他のレーザ媒質、例えば、ＣＯ，Ｎ_２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ^＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦなどを使用した場合も本発明は適用可能である。

レーザ装置は、レーザ媒質Ｇを外気と遮断するための筐体（不図示）を備え、筐体内部には、熱交換器、ブロワ、ダクトなどが設けられる。ブロワは、筐体内に封入されたレーザ媒質Ｇをダクト内面に沿って循環させる。これにより放電空間３に向けてレーザ媒質Ｇが−Ｚ方向に沿って供給される。放電空間３を通過したレーザ媒質Ｇは、熱交換器で冷却され、再びブロワに戻る。放電空間３では大気圧より低い圧力に維持されており、レーザ媒質Ｇは、図１の矢印の方向に空間的に均一な速度分布、例えば、１００ｍ／ｓ程度の速度で移動する。

ミラー１１，１２は、放電空間３を挟んで互いに対向するように配置される。ミラー１１として、例えば、凹面または平面の全反射鏡が用いられ、ミラー１２として、例えば、凹面または平面の部分反射鏡が用いられ、２つのミラー１１，１２で光共振器を構成している。光共振器は、レーザ媒質Ｇの移動方向（−Ｚ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＸ方向に沿った光軸を有する。光共振器の光軸上には、レーザ光のビームモードを制御するためのアパーチャ（不図示）が設けられ、アパーチャの開口部と、レーザ光が放電空間３を通過する距離とで規定される円柱状の空間が発振領域になる。発振領域は、レーザ媒質Ｇの上流側に位置している。

Ｑスイッチ素子２１は、光共振器のＱ値を高速に制御する機能を有し、光共振器の内部で放電空間３の外側に設けられる。Ｑスイッチ素子２１として、音響光学素子、電気光学素子、機械式シャッタ、チョッパなどが使用できる。Ｑスイッチ素子２１として音響光学素子を使用した場合、数１０ＭＨｚの交流電圧を供給する駆動回路３１が接続される。

駆動回路３１には、マイクロプロセッサ等で構成される制御回路３２が接続される。制御回路３２は、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御することによって、光共振器のＱ値を周期的に変化させる機能を有する。例えば、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１を５μｓに設定し、光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２を５μｓに設定してＱスイッチ動作を行うと、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、その一部がミラー１２から出力される。本実施形態では、平均出力１０Ｗ程度で、ミラー１２でのビーム半径が１ｍｍ程度のＱスイッチパルスレーザ光４１が出力される。

制御回路３２には、マイクロプロセッサ等で構成される制御部３３が接続される。制御部３３は、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御し、所定の周期で所定の時間幅だけ光共振器のＱ値を発振閾値未満に維持する機能を有する。なお、ここでは理解容易のため、制御回路３２と制御部３３を別個の構成要素として示したが、単一の構成要素として一体化したものでも構わない。

伝送ミラー５１，５２は、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器に入射させる折り返しミラーとして機能する。本実施形態では、伝送ミラー５１として凸面の全反射ミラー、伝送ミラー５２として凹面の全反射ミラーが用いられ、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。本実施形態では、ミラー１２上でビーム半径１ｍｍ程度のレーザ光４１を、放電空間３に再入射する直前でビーム半径４ｍｍ程度になるようにビーム径を拡大し、コリメートしている。こうした構成により、光共振器ではレーザ光のビーム径を小さくして、単一モード発振を確保するとともに、光増幅器ではビーム径を大きくして、レーザ光の増幅効率を向上させている。

ミラー５３〜５６は、放電空間３を挟むように配置され、光増幅器を構成している。レーザ光は、伝送ミラー５２→放電空間３→ミラー５３→放電空間３→ミラー５４→放電空間３→ミラー５５→ミラー５６→放電空間３の順で進行する際、励起されたレーザ媒質Ｇによって増幅される。本実施形態では、光増幅器に入射したレーザ光が、放電空間３を５回通過することによって増幅され、最終的に平均出力１ｋＷのレーザ光が取り出される。

光増幅器は、レーザ媒質Ｇの移動方向（−Ｚ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＸ方向に沿った複数（ここでは、５本）の折り返し光軸を有する。これらの折り返し光軸がＹ方向に沿って配列することによって、各光軸で受けるレーザ媒質Ｇの利得が均等化され、その結果、安定した増幅動作を実現できる。このときレーザ光が各光軸に沿って放電空間３を通過する空間が増幅領域４になる。増幅領域４は、レーザ媒質Ｇの下流側に位置している。

伝送ミラー５１，５２およびミラー５３〜５６は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体等に取り付けられる。

図２は、増幅領域４の配置を示すもので、図２（ａ）は光軸方向に観察した側面図であり、図２（ｂ）はレーザ媒質Ｇの上流側から観察した正面図である。図２（ｂ）において、光増幅器の折り返し光軸を細い実線で表示し、光ビームが進行する領域を点線で表示している。増幅領域４は、各光軸からビーム半径以内の空間であって、５つの円がシフトして重なり合ったような断面形状を有しており、放電空間３においてレーザ媒質Ｇの下流側に位置している。一方、発振領域１０は、上述したように、放電空間３においてレーザ媒質Ｇの上流側に位置している。例えば、増幅領域４に入射する直前でのビーム半径が４ｍｍ程度であり、増幅領域４は、Ｚ方向に約８ｍｍ、ＸＹ面において約２８ｍｍ×１ｍの広がりを持つ。

次に動作について説明する。Ｑスイッチ素子２１として音響光学素子を使用した場合、駆動回路３１から交流電圧が印加されると、音響光学素子を通過したビームは光軸から外れる方向に曲げられる。一方、交流電圧が印加されないときは、ビームは音響光学素子をそのまま直進する。光共振器のミラー１１，１２は、交流電圧が印加されない状態でアライメントされているため、交流電圧が印加されたときは光共振器のＱ値は発振閾値よりも高くなり、交流電圧が印加されないときは光共振器のＱ値は発振閾値よりも低くなる。

図３は、Ｑスイッチング動作の様子を示すグラフであり、図３（ａ）はＱスイッチ素子２１の駆動波形、図３（ｂ）は光共振器のＱ値の変化、図３（ｃ）は光共振器から出射されるレーザ光４１のパワーＰ_ＯＳＣ（瞬時値）、図３（ｄ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰ_ａｍｐ（瞬時値）をそれぞれ示す。横軸は時間である。

Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。ここでは、制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合を例示するが、これ以外の数値に設定しても構わない。オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。

図４（ａ）は制御部３３の動作を示すフローチャートであり、図４（ｂ）は制御回路３２の動作を示すフローチャートである。制御回路３２は、Ｔ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓのタイミングでＱスイッチ素子２１を周期的に駆動している。制御部３３は、制御回路３２の周期的駆動を間欠的に制御することによって、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光共振器のＱ値を発振閾値未満に維持している。ここでは、制御部３３によりＴｎ＝８０μｓ、Ｔｉ＝１０５μｓに設定した場合を例示するが、これ以外の数値に設定しても構わない。

例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いてオフ期間Ｔｎ＝８０μｓが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。

オフ期間Ｔｎは、レーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間をＴｇとして、Ｔｎ≧Ｔｇを満たすことが好ましい。例えば、放電空間３におけるレーザ媒質Ｇの移動速度が１００ｍ／ｓ、増幅領域４のＺ方向寸法が８ｍｍである場合、Ｔｇ＝８０μｓ（８ｍｍ÷１００ｍ／ｓ）と計算される。従って、１回のパルスパターンにつき８０μｓ以上のオフ期間Ｔｎを追加することによって、次のパルスパターンが開始するまでにレーザ媒質Ｇの置換が確実に完了することになる。

図５は、比較例として、従来のレーザ装置のＱスイッチ動作を示すグラフであり、図５（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図５（ｂ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰ_ａｍｐをそれぞれ示す。横軸は時間である。

特許文献１のような従来のレーザ装置では、連続的なＱスイッチ動作によって一定周期のレーザパルスを発生している。そのため、Ｑスイッチパルス発振開始直後の１パルス目は最高のパワーまで増幅されているが、２パルス目、３パルス目、…が続くと増幅後のパワーが徐々に低下し、最終的にパワーが低下した状態で飽和する現象が観測される。この現象は、連続的なパルス発振によってレーザ媒質の利得が低下することに起因している。

これに対して本実施形態では、図３に示したように、制御部３３によってＱスイッチ素子２１の動作を制御して、光共振器の発振動作および光増幅器の増幅動作を所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎ、好ましくは、少なくともレーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間だけ停止させている。これにより高出力、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。

また、光増幅器における複数の折り返し光軸をＹ方向に沿って配列して、増幅領域４の形状がレーザガス流方向に対して扁平（即ち、Ｚ方向寸法＜Ｙ方向寸法）になるように設定することによって、各光軸で受けるレーザ媒質Ｇの利得が均等化され、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。

また、本実施形態では、光共振器でのＱスイッチ素子２１の動作を制御することによって、パルス発振そのものを停止して光増幅器の増幅動作を一時的に停止しているため、比較的簡単な構成で信頼性の高いレーザ装置を提供できる。

また、本実施形態では、発振領域と増幅領域とで同じレーザ媒質を共用する場合を例示したが、発振領域で使用するレーザ媒質と増幅領域で使用するレーザ媒質を別々にしてもよい。例えば、発振領域ではスラブ型または導波路型のレーザ媒質を用い、増幅領域では上述のような強制対流させたレーザ媒質を用いた構成でも構わない。

近年、穴あけ加工などの材料処理における生産性の需要向上により、材料処理用のレーザ装置はより高い出力および繰り返し周波数が求められている。穴あけ加工であれば出力がｋＷ級、繰り返し周波数が１０ｋＨｚオーダとなる。そのうえ、加工の安定性の観点から、各穴加工に対して実質同等のエネルギーを注入するという仕様も同様に満足させる必要がある。

繰り返し周波数が数ｋＨｚのオーダであれば、放電領域のガスを全て入れ替えることが可能（例えば、特許文献２）であるが、繰り返し周波数が１０ｋＨｚのオーダでは対応が現実的に困難であった。そこで、本実施形態では、レーザガス流方向に扁平な領域の媒質を用いて増幅を行い、かつ、レーザガスが増幅領域を横切るのに要する時間だけ増幅領域にレーザ光を入射しない時間を設ける制御部３３を備えたことで、１０ｋＨｚオーダの繰り返し周波数で均一なエネルギーを持ったパルス群を提供することが可能になる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、可動ミラー８１と、伝送ミラー５２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。

本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として可動ミラー８１を設けている。制御部３３は、可動ミラー８１の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。

可動ミラー８１は、例えば、高速応答が可能なデジタル・マイクロミラー・デバイス等で構成でき、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。

動作に関して、図３と同様に、Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合、オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。

例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、可動ミラー８１のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。

なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、可動ミラー８１のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能である。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１，５２と、音響光学素子８３と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。

本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として音響光学素子８３を設けている。制御部３３は、音響光学素子８３の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。

音響光学素子８３は、光の伝搬方向を制御するビーム偏向素子として機能するものであり、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。

例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、音響光学素子８３のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。

なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、音響光学素子８３のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能である。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１，５２と、電気光学素子８４と、薄膜ポラライザ９２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。

本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として、電気光学素子８４を設けている。制御部３３は、電気光学素子８４の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。

電気光学素子８４は、光の偏光を制御する偏光制御素子として機能するものであり、後続の薄膜ポラライザ９２は、垂直方向（ＸＹ面）の直線偏光を透過し、水平方向（ＺＸ面）の直線偏光を反射する機能を有する。電気光学素子８４は、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。

例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、電気光学素子８４のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。

なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、電気光学素子８４のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。特に、電気光学素子などの偏光制御素子は、応答が数ｎｓと速く、ジッタも少ないため、高速で高い時間精度のスイッチング動作が可能になる。また、電気光学素子８４の偏光制御を３値以上のデジタル制御、望ましくは実質的に連続値のアナログ制御とすることによって、薄膜ポラライザ９２を透過するパルスの波形を任意に制御することができ、増幅領域４を透過した後のパルスの波形制御が可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能であり、さらにパルス波形の制御自由度が高くなる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。本実施形態では、上述したレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成した例を説明する。なお図９では、実施の形態１の構成を例示しているが、実施の形態２〜４の構成も同様に適用可能である。

レーザ加工装置は、実施の形態１〜４に係るレーザ装置と、後続の伝送光学系６１と、ガルバノミラー７１などで構成される。

伝送光学系６１は、複数のミラー、レンズ、ビームスプリッタ、マスク等で構成され、光増幅器から出力されたレーザ光を、加工処理に適したビーム形状に整形する機能を有し、必要に応じてビーム分割を行ってもよい。

ガルバノミラー７１は、所望の角度で位置決め可能な可動ミラー等で構成され、伝送光学系６１から供給されたレーザビームを被加工物の所望の位置に照射する機能を有する。駆動装置７２は、モータ等で構成され、ガルバノミラー７１を回転駆動する。

制御部３３は、制御回路３２を介してＱスイッチ素子２１の動作を制御するとともに、駆動装置７２への指令を通じてガルバノミラー７１の角度を制御する。

図１０は、Ｑスイッチ動作とガルバノミラーの動作タイミングを示すグラフであり、図１０（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図１０（ｂ）はガルバノミラー７１の角速度Ｖをそれぞれ示す。横軸は時間である。

図３に示したように、例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンで、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いてオフ期間Ｔｎ＝８０μｓが追加されて１つのシーケンスが終了する。

Ｑスイッチレーザパルスが発生する２５μｓの期間中は、ガルバノミラー７１は停止している。続いて、レーザパルスが発生しないオフ期間Ｔｎにおいて、ガルバノミラー７１は角変位してレーザビームを次の加工点へ移動させ、次のＱスイッチ動作が開始するまでに停止する。なお、オフ期間Ｔｎは、上述したように、レーザ媒質Ｇの移動速度と増幅領域４のＺ方向寸法の関係で設定しているが、加工点の間隔が大きく、ガルバノミラー７１の移動に不足する場合は、８０μｓより長く設定することが好ましい。

このシーケンスを繰り返すことによって、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。

１，２放電電極、３放電空間、４増幅領域、１０発振領域、
１１，１２，５３，５４，５５，５６ミラー、２１Ｑスイッチ素子、
３１駆動回路、３２制御回路、３３制御部、４１レーザ光、
５１，５２伝送ミラー、６１伝送光学系、７１ガルバノミラー、
７２駆動装置、８１可動ミラー、８２ダンパ、８３音響光学素子、
８４電気光学素子、９２薄膜ポラライザ、Ｇレーザ媒質。

Claims

第１方向に移動するレーザ媒質と、
レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、
第１方向と交差する第２方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、
第１方向および第２方向に交差する第３方向に沿った放電によってレーザ媒質を励起する放電領域を形成するための一対の放電電極と、
光共振器のＱ値を周期的に変化させるためのＱスイッチ素子と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備え、
前記発振領域は、レーザ媒質の移動方向に関して前記放電領域の上流側に配置され、
前記増幅領域は、レーザ媒質の移動方向に関して前記放電領域の下流側に配置され、
前記増幅領域の第１方向に沿った寸法は、前記放電領域の第１方向に沿った寸法よりも小さく設定され、
前記所定の時間幅は、レーザ媒質が増幅領域を横切る時間以上で、放電領域内に存在するガスが全て入れ替わる時間よりも短く設定されることを特徴とするレーザ装置。
前記所定の時間幅は、レーザ媒質が増幅領域を横切る時間と等しく設定されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
前記増幅領域には、第３方向に沿って配列した複数の折り返し光軸が設けられ、
前記増幅領域の光軸に垂直な断面形状は、第１方向の寸法が第３方向の寸法よりも短いことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子をさらに備え、
制御部は、Ｑスイッチ素子の動作を制御して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、光スイッチ素子の動作を制御して光増幅器において増幅されたパルスレーザ光を発生することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
光スイッチ素子は、可動ミラー、音響光学素子または電気光学素子であることを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
光スイッチ素子は電気光学素子であり、その偏光制御を３値以上のデジタル制御で行うことを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ装置から出力されるレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことを特徴とするレーザ加工装置。