JP5720405B2 - Ｑスイッチレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明はＱスイッチレーザ発振器に関し、詳しくはレーザ光の光路上に設けたＱスイッチによりレーザ光をパルス発振させるＱスイッチレーザ発振器に関する。

従来、レーザ光をパルス発振するレーザ発振器として、Ｑスイッチによりフロントミラーからのレーザ光の発振を抑制する抑制状態と、レーザ光の発振を許容する発振状態とを交互に切替えてレーザ光をパルス発振させる発振部と、該発振部よりパルス発振されたレーザ光を増幅させるとともに該レーザ光を外部に出射させる出力ウィンドウを備えた増幅部とを備えたものが知られている（特許文献１）。
そしてこのようなＱスイッチレーザ発振器では、最初に発振されるレーザ光の出力が２回目以降に発振されるレーザ光の出力よりも高くなるといういわゆるファーストパルス問題が指摘されている。
このファーストパルス問題を解消するため、Ｑスイッチレーザ発振器より発振されるレーザ光の光路上に音響光学素子を設けて、ファーストパルスだけを遮断することが行われている（特許文献２）。

特開平８−６４８９６号公報 特開平１０−３０５３８４号公報

しかしながら、上記特許文献２の場合、Ｑスイッチレーザ発振器の外部に音響光学素子を設けて、Ｑスイッチレーザ発振器と同期するように音響光学素子の制御を行わなければならず、構成および制御が煩雑になるという問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は簡易な構成でファーストパルス問題を解消することが可能なＱスイッチレーザ発振器を提供するものである。

すなわち、請求項１にかかるＱスイッチレーザ発振器は、励起手段により励起される励起領域を挟んで対向配置されたフロントミラーおよびリヤミラーと、フロントミラーおよびリヤミラーとの間に設けられたＱスイッチとからなり、上記Ｑスイッチにより上記フロントミラーからのレーザ光の発振を抑制する抑制状態と、レーザ光の発振を許容する発振状態とを交互に切替えてレーザ光をパルス発振させる発振部および、該発振部よりパルス発振されたレーザ光を増幅させる励起領域が形成されるとともに該レーザ光を外部に出射させる出力ウィンドウを備えた増幅部とを備えたＱスイッチレーザ発振器において、
上記発振部の発振状態において、上記Ｑスイッチはレーザ光の光路を上記増幅部の出力ウィンドウから出射させる出射状態と、レーザ光の光路を上記増幅部へ入射させるものの上記出力ウィンドウから出射させない非出射状態とに切替え可能となっており、
上記発振部からレーザ光の最初のパルス発振を行う際、上記Ｑスイッチはレーザ光の光路を上記非出射状態とし、２回目以降のパルス発振を行う際には上記出射状態とすることを特徴としている。

請求項２にかかるＱスイッチレーザ発振器は、請求項１の発明にかかるＱスイッチレーザ発振器において、上記Ｑスイッチは音響光学素子により構成され、
上記非出射状態の際、上記音響光学素子によりレーザ光を上記出射状態におけるレーザ光の光路に対して回折させ、該レーザ光の光路を上記出力ウィンドウから逸らせることで上記出力ウィンドウから出射させないようにすることを特徴としている。

上記請求項１の発明によれば、発振部より発振される最初のレーザ光を、発振部のＱスイッチを非出射状態とすることで、上記増幅部に入射させるものの出力ウィンドウより出射されないようにすることができる。
その結果、上記増幅部では入射したレーザ光によって蓄積されたエネルギが開放されるため、その後Ｑスイッチを抑制状態と出射状態とで交互に切替えることにより、２回目以降に発振される出力の安定したレーザ光を出射させることが可能となり、上記ファーストパルス問題を解消することができる。

上記請求項２の発明によれば、上記Ｑスイッチを音響光学素子とすることにより、Ｑスイッチを非出射状態とした際にレーザ光を出射状態とした際におけるレーザ光の光路に対して容易に回折させることが可能であり、またパルス発振を行う際に上記抑制状態および出射状態へも容易に切替えることが可能である。

本実施例にかかるＱスイッチレーザ発振器の斜視図 レーザ光の光路を説明するための概念図

以下図示実施例について説明すると、図１、図２はそれぞれＱスイッチレーザ発振器１を示しており、図１はＱスイッチレーザ発振器１の構成を示した斜視図を、図２はＱスイッチレーザ発振器１におけるレーザ光Ｌの光路を説明する概念図をそれぞれ示している。
Ｑスイッチレーザ発振器１は、ガス状のレーザ媒質（炭酸ガス）が封入された円筒状の放電管２と、上記レーザ媒質を励起する励起手段としての図示しない電極から構成され、上記放電管２の内部には、レーザ光Ｌをパルス発振する発振部３と、放電管２の内部に形成されて該発振部３より出射されたレーザ光Ｌを増幅して出射させる増幅部４とが形成されている。
上記放電管２は円筒状を有するとともにレーザ媒質が漏出しないように密封され、また上記電極は放電管２の内部に設けられるとともに、放電によりレーザ媒質を励起させて励起領域を形成するようになっている。

上記発振部３は、上記放電管２の中心軸上に設けられたフロントミラー１１およびリヤミラー１２と、フロントミラー１１とリヤミラー１２との間に設けられたＱスイッチ１３と、上記フロントミラー１１から出射されたレーザ光Ｌを上記増幅部４に導光する導光ミラー１４とを備えている。
上記フロントミラー１１およびリヤミラー１２は上記放電管２の内部に形成される励起領域を挟むように配置され、フロントミラー１１は所定の出力を超えたレーザ光Ｌだけを透過させ上記リヤミラー１２は上記レーザ光Ｌを全反射させるようになっている。
上記フロントミラー１１におけるリヤミラー１２側の面は球面状の凹部１１ａに加工され、後述するようにレーザ光Ｌの光路が多少回折されても、フロントミラー１１とリヤミラーとの間にレーザ光Ｌの光路を形成させるようになっている。
上記Ｑスイッチ１３は、後に詳述するが上記フロントミラー１１からのレーザ光Ｌの発振を抑制する抑制状態と、レーザ光Ｌの発振を許容する発振状態とに切替え可能となっており、この抑制状態と発振状態とを交互に切替えることで、発振部３からはレーザ光Ｌがパルス発振されるようになっている。
上記導光ミラー１４は放電管２におけるフロントミラー１１側の端部に設けられるとともに放電管２の中心軸上に設けられており、フロントミラー１１を透過したレーザ光Ｌを放電管２の外周側に向けて反射させるようになっている。

上記増幅部４は、上記発振部３より出射されたレーザ光Ｌを反射させる第１〜第７反射ミラー１５Ａ〜１５Ｇと、放電管２の一端に設けられてレーザ光Ｌを外部に透過させる出力ウィンドウ１６とから構成されている。
上記第１、第３、第５、第７反射ミラー１５Ａ，１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｇは上記放電管２における上記フロントミラー１１側の端部に、上記フロントミラー１１を囲繞するように設けられ、第２、第４、第６反射ミラー１５Ｂ，１５Ｄ，１５Ｆおよび出力ウィンドウ１６は、上記リヤミラー１２側の端部に、該リヤミラー１２を囲繞するように設けられている。
上記第１反射ミラー１５Ａは上記発振部３の導光ミラー１４によって導光されたレーザ光Ｌをリヤミラー１２側の第２反射ミラー１５Ｂへと反射させ、その後第２〜第７反射ミラー１５Ｂ〜１５Ｇもレーザ光Ｌを放電管２の反対側の端部に向けて反射させ、これによりレーザ光Ｌは第１〜第７反射ミラー１５Ａ〜１５Ｇの順序で反射しながら導光されて、最終的に出力ウィンドウ１６を透過するようになっている。
以上の構成により、上記第１、第３、第５、第７反射ミラー１５Ａ，１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｇと第２、第４、第６反射ミラー１５Ｂ，１５Ｄ，１５Ｆおよび出力ウィンドウ１６とは、上記放電管２の内部に形成された励起領域を挟むように配置され、レーザ光Ｌが励起領域を複数回通過して増幅されることから、増幅部４をコンパクトに構成することができる。
さらに本実施例のＱスイッチレーザ発振器１の場合、上記第１〜第７反射ミラー１５Ａ〜１５Ｇおよび出力ウィンドウ１６からなる増幅部４は、上記フロントミラー１１およびリヤミラー１２からなる発振部３を囲繞するように構成されていることから、上記発振部３の励起領域と上記増幅部４の励起領域とを上記放電管２の内部に一体的に形成することができ、Ｑスイッチレーザ発振器１をコンパクトに構成することができる。

本実施例において上記発振部３を構成するＱスイッチ１３は、上記フロントミラー１１とリヤミラー１２との間に設けられるとともに、上記リヤミラー１２に近接した位置に配置されている。
また上記Ｑスイッチ１３は、レーザ光Ｌの光路上に設けた２つの第１、第２音響光学素子１３Ａ，１３Ｂによって構成され、本実施例では第１音響光学素子１３Ａが上記リヤミラー１２側に配置されている。
各音響光学素子は、強誘電性を有する二酸化テルルやモリブデン酸鉛などの結晶と、該結晶に接着されるとともに図示しない制御手段によって制御される圧電素子とから構成され、上記制御手段が圧電素子に電気信号を加えて超音波を発生させることにより、上記結晶を通過するレーザ光Ｌを回折させるものとなっている。
そして本実施例のＱスイッチ１３は、上記発振部３からのレーザ光Ｌの発振を抑制する抑制状態と、発振部３からのレーザ光Ｌの発振を許容する発振状態とに切替え可能であるのに加え、上記発振状態において、上記発振部３より発振されたレーザ光Ｌを上記増幅部４の出力ウィンドウ１６より出射させる出射状態と、レーザ光Ｌを増幅部４に入射させるものの上記出力ウィンドウ１６より逸らせる非出射状態とに切替え可能となっている。

上記各状態について具体的に説明すると、まず上記抑制状態では、レーザ光Ｌの光路を上記発振部３のフロントミラー１１から逸らせるよう、レーザ光Ｌを光路に対して第１角度に回折させるようになっており、このとき上記第１、第２音響光学素子１３Ａ，１３Ｂの両方を作動させるようになっている（図２のレーザ光Ｌ２の状態）。
このように抑制状態としてレーザ光Ｌの光路を第１角度に回折させてフロントミラー１１より逸らせると、フロントミラー１１とリヤミラー１２との間でレーザ光Ｌが形成されず、上記発振部３からはレーザ光Ｌが発振されないようになっている。
次に上記発振状態における出射状態では、レーザ光Ｌを回折させることなく光路に沿って通過させるよう、上記第１、第２音響光学素子１３Ａ，１３Ｂの両方を非作動とするようになっており、その結果レーザ光Ｌは発振部３から出射されるようになっている。
そして光路の回折されていないレーザ光Ｌは、その後上記増幅部４に入射した後、増幅部４の第１〜第７反射ミラー１５Ａ〜１５Ｇで順次反射した後、出力ウィンドウ１６より出射されるようになっている。

そして上記発振状態における非出射状態では、レーザ光Ｌを光路に対して第２角度に回折させ、これによりレーザ光Ｌの光路をフロントミラー１１を介して増幅部４に入射させるものの、上記出力ウィンドウ１６からは逸らせるようになっており、このとき上記第２音響光学素子１３Ｂだけを作動させるようになっている（図２のレーザ光Ｌ３の状態）。
上記第２角度は上記抑制状態における第１角度よりも小さく設定されており、これにより回折されたレーザ光Ｌは上記フロントミラー１１から逸れず、またフロントミラー１１のリヤミラー１２側には球面状の凹部１１ａが形成されていることから、フロントミラー１１とリヤミラー１２との間でレーザ光Ｌ３が形成されるようになっている。
このようにして上記フロントミラー１１より出射されたレーザ光Ｌ３の光路は、上記出射状態におけるレーザ光Ｌの光路に比べて出射角度がずれるものの、上記導光ミラー１４によって上記増幅部４に導光されるようになっている。
しかしながら、その後レーザ光Ｌ３は増幅部４を構成する第１〜第７反射ミラー１５Ａ〜１５Ｇで反射するたびに出射状態におけるレーザ光Ｌの光路よりずれてゆき、第５反射ミラー１４Ｅで反射したレーザ光Ｌ３は第６反射ミラー１４Ｆから逸れて放電管２の側面で吸収される。
つまり、上記Ｑスイッチ１３を非出射状態としてレーザ光Ｌを第２角度に回折させると、レーザ光Ｌ３は発振部３より発振されて上記増幅部４に入射するものの、上記出力ウィンドウ１６からは逸れて増幅部４より出射されないようになっている。

上記構成を有するＱスイッチレーザ発振器１の動作について説明する。
上記Ｑスイッチレーザ発振器１は例えば電子部品等の被加工物の表面に凹部を形成する加工装置に設けられており、レーザ光Ｌをパルス発振することで、被加工物の表面の一部を溶融させ、上記凹部を形成するものとなっている。
最初に、上記電極に電流を流していない状態から、電極に連続的に電流を流すと、該電極により放電管２内部に放電が生じてレーザガスが励起され、放電管２の内部に発振部３および増幅部４に励起領域が形成される。
このとき制御手段は、レーザ媒質の励起開始から所定時間が経過するまで、Ｑスイッチを抑制状態としており、これにより上記発振部３においてレーザ光Ｌの光路が第１角度に回折される。
上記第１角度に回折されたレーザ光Ｌの光路はフロントミラー１１から逸れることとなり、レーザ光Ｌがフロントミラー１１とリヤミラー１２との間に形成されないため、レーザ光Ｌは発振部３より発振されることはない。
しかし、この間も上記電極の放電によるレーザ媒質の励起が継続されているので、上記発振部３および増幅部４における励起領域の励起エネルギ蓄積量が飽和レベルまで高められることとなる。
この励起エネルギ蓄積量が飽和レベルに達した状態でＱスイッチレーザ発振器１よりレーザ光Ｌが発振されると、そのレーザ光Ｌの出力が所望の出力を超過してしまい、該レーザ光Ｌによって所望の加工状態が得られないという、いわゆるファーストパルス問題が発生する。

そこで本実施例では、励起の開始から所定時間の経過後、最初にレーザ光を発振する際には、制御手段は上記Ｑスイッチ１３を上記抑制状態から第２音響光学素子１３Ｂを作動させた上記非出射状態とする。
これにより上記発振部３においてはＱスイッチ１３によってレーザ光Ｌ３の光路が上記第２角度に回折され、該レーザ光Ｌ３はフロントミラー１１から逸れずに該フロントミラー１１の凹部１１ａで反射して元の光路に戻るため、光路が回折されているものの、レーザ光Ｌはフロントミラー１１とリヤミラー１２との間に形成されることとなる。
そして形成されたレーザ光Ｌが一定の出力を超えると、該レーザ光Ｌは上記フロントミラー１１から発振され、導光ミラー１４によって上記増幅部４へと導光される。
しかしながら、レーザ光Ｌは上記発振部３より出射される際にＱスイッチ１３によって第２角度に回折されているため、増幅部４ではレーザ光Ｌは上記第１〜第５反射ミラー１４Ａ〜１４Ｅで反射するものの、第６反射ミラー１４Ｆから逸れ、放電管２の内壁によって吸収され、上記出力ウィンドウ１６からは出射されないこととなる。
つまり、励起開始後に最初に発振される高出力のレーザ光３が増幅部４より出射されないようにして、該高出力のレーザ光Ｌによって被加工物が加工されないようにしている。
さらにＱスイッチ１３を非出射状態とすることにより、発振部３より増幅部４にはレーザ光Ｌが入射されるため、このレーザ光Ｌによって増幅部４の励起領域に蓄積された励起エネルギが開放されるようになっている。

このように励起開始後、Ｑスイッチ１３を非出射状態として発振部３より最初のレーザ光Ｌを発振した後は、再びＱスイッチ１３を抑制状態として、増幅部４の励起領域にエネルギを再度蓄積する。
そして増幅部４の励起エネルギが飽和レベルに達する前に、Ｑスイッチ１３を発振状態における出射状態とすることで、発振部３からは２回目のレーザ光Ｌが発振され、このレーザ光Ｌは上記増幅部４の第１〜第７反射ミラー１４Ａ〜１４Ｇで反射した後、上記出力ウィンドウ１６から出射される。
その後、Ｑスイッチ１３を上記抑制状態と発振状態における出射状態とを所定の周波数で繰り返し切替えることにより、Ｑスイッチレーザ発振器１からはレーザ光Ｌがパルス照射されることとなる。

このように上記実施例では、最初に上記Ｑスイッチ１３を非出射状態として、レーザ光Ｌの光路をフロントミラー１１を介して増幅部４に入射させるものの上記出力ウィンドウ１６より逸らせるようにしている。
このようなＱスイッチレーザ発振器１を用いることで、いわゆるＱスイッチレーザ発振器１におけるファーストパルス問題を解消することができ、加工当初から被加工物に対して安定した加工を行うことが可能となっている。
上記ファーストパルス問題とは、Ｑスイッチレーザ発振器１の作動直後やパルス発振を再開させる際に最初に発振されるレーザ光Ｌの出力が、その後の２回目以降に発振されるレーザ光Ｌの出力よりも異常に高くなり、加工当初における加工精度が落ちてしまうという問題である。
詳しく説明すると、２回目以降のレーザ光Ｌがパルス発振される際、上記増幅部４の励起領域に蓄積される励起エネルギは、飽和値に達する前に発振部３より間欠的に発振させることで開放される。
これに対し、最初のレーザ光Ｌが発振される際、増幅部４の励起領域に蓄積される励起エネルギは飽和レベルに達していることから、初めて発振部３より発振されるレーザ光Ｌをより強く増幅してしまうため、出力ウィンドウ１６からは高出力のレーザ光Ｌが出射されてしまい、所要の加工結果が得られないものとなっている。
このようなファーストパルス問題に対し、本実施例では最初にＱスイッチ１３を非出射状態として、レーザ光Ｌを発振部３より出射させて上記増幅部４において増幅させるものの、該レーザ光Ｌを出力ウィンドウ１６より出射させないようにしており、これにより増幅部４の励起領域に蓄積される励起エネルギを一旦開放し、その後Ｑスイッチ１３を抑制状態と出射状態とに交互に切替えることによって、出力の安定したレーザ光Ｌをパルス発振するものとなっている。

１ Ｑスイッチレーザ発振器 ２ 放電管
３ 発振部 ４ 増幅部
１１ フロントミラー １２ リヤミラー
１３ Ｑスイッチ １５Ａ〜１５Ｇ 第１〜第７反射ミラー
１６ 出力ウィンドウ Ｌ レーザ光（出射状態）
Ｌ２ レーザ光（抑制状態） Ｌ３ レーザ光（非出射状態）

Claims (2)

1. 励起手段により励起される励起領域を挟んで対向配置されたフロントミラーおよびリヤミラーと、フロントミラーおよびリヤミラーとの間に設けられたＱスイッチとからなり、上記Ｑスイッチにより上記フロントミラーからのレーザ光の発振を抑制する抑制状態と、レーザ光の発振を許容する発振状態とを交互に切替えてレーザ光をパルス発振させる発振部および、該発振部よりパルス発振されたレーザ光を増幅させる励起領域が形成されるとともに該レーザ光を外部に出射させる出力ウィンドウを備えた増幅部とを備えたＱスイッチレーザ発振器において、
   上記発振部の発振状態において、上記Ｑスイッチはレーザ光の光路を上記増幅部の出力ウィンドウから出射させる出射状態と、レーザ光の光路を上記増幅部へ入射させるものの上記出力ウィンドウから出射させない非出射状態とに切替え可能となっており、
   上記発振部からレーザ光の最初のパルス発振を行う際、上記Ｑスイッチはレーザ光の光路を上記非出射状態とし、２回目以降のパルス発振を行う際には上記出射状態とすることを特徴とするＱスイッチレーザ発振器。
2. 上記Ｑスイッチは音響光学素子により構成され、
   上記非出射状態の際、上記音響光学素子によりレーザ光を上記出射状態におけるレーザ光の光路に対して回折させ、該レーザ光の光路を上記出力ウィンドウから逸らせることで上記出力ウィンドウから出射させないようにすることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチレーザ発振器。

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