JP6503435B1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の出力強度に調整されたレーザ光をアプリケーション用の機器に供給可能なレーザ装置を実現する。
【解決手段】レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光３３を供給するためのレーザ装置であって、第一の入力光３１及び第二の入力光３２の入射を受けてそれら入力光３１、３２とは波長が異なる出力光３３を出射し当該出力光３３を利用する機器に向けて供給する非線形光学結晶１と、前記非線形光学結晶１に入射しようとする第二の入力光３２の同結晶１に入射しようとする第一の入力光３１に対する光路長を変化させることを通じて同結晶１から出射する出力光３３の強度を増減させる光路長調整器２とを具備するレーザ装置を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置に関する。

被加工物にレーザ光を照射して穿孔や切削その他の加工を施す加工機、レーザ光による走査で所望の文字や図形を描画するレーザマーカ、レーザ光を使用する計測装置及び医療用機器等といった各種のアプリケーションに必要なレーザ光を提供するレーザ装置が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。

近時では、ピコ秒レーザやサブピコ秒レーザ、サブナノ秒レーザのような、パルス幅の狭くピークの高い極短パルスレーザを供給可能なレーザ装置が求められている。

レーザ装置が出力するレーザ光の強度を増減調整した上でアプリケーション用の機器に提供しようとする場合、通常はアッテネータ（減衰器）を使用する。だが、アッテネータの応答性（速応性）は必ずしも高くない。また、アッテネータが介在することによるレーザ光の伝送効率の低下、アッテネータによるエネルギ損失の問題もある。

アプリケーション用の機器に提供するレーザ光の強度を、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、音響光学変調器）やＥＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、電気光学変調器）等によって調整することも考えられるが、やはりレーザ光の伝送効率が低下することは否めない。加えて、ＡＯＭ等を通過して機器に供給されるレーザ光の横モード（レーザ光束の横断面における強度分布）が変化するという副作用もある。

国際公開第２００３／０３４５５４号公報 特開２０１６−０９２３２３号公報

本発明は、所望の出力強度に調整されたレーザ光をアプリケーション用の機器に供給可能なレーザ装置を実現しようとするものである。

本発明では、レーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置であって、パルスレーザである第一の入力光及びパルスレーザである第二の入力光の入射を受けて位相整合を通じてそれら入力光とは波長が異なる出力光を出射し当該出力光を利用する機器に向けて供給するＮＬＯ（Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ、非線形光学）結晶と、前記ＮＬＯ結晶に入射しようとする第二の入力光の同結晶に入射しようとする第一の入力光に対する光路長を変化させることを通じて同結晶から出射する出力光の強度を増減させる光路長調整器とを具備し、前記光路長調整器が、前記ＮＬＯ結晶に向かう前記第二の入力光の伝搬の経路上に存在し第二の入力光を反射または透過させる光学要素と、当該光学要素の変位を惹起して第二の入力光の光路長を伸縮させるモータとを備えており、前記モータにより前記光学要素を変位させて前記第二の入力光の光路長を伸縮させることにより、前記ＮＬＯ結晶に入射する直前における第二の入力光の前記第一の入力光に対する相対的なパルスタイミングを変化させ、前記出力光の強度を所望の強度に増減調整するレーザ装置を構成した。

前記ＮＬＯ結晶は、例えば、前記出力光として、前記第一の入力光若しくは前記第二の入力光の第二高調波を発生させ、または第一の入力光と第二の入力光との和周波を発生させる。

本発明によれば、所望の出力強度に調整されたレーザ光をアプリケーション用の機器に供給可能なレーザ装置を実現することができる。

本発明の第一実施形態のレーザ装置の構成を示す図。 本発明の第一実施形態のレーザ装置の構成を示す図。 本発明のレーザ装置の要素となる光路長調整器の変形例を示す図。

＜第一実施形態＞本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態のレーザ装置は、第一の入力光３１及び第二の入力光３２の入射を受けてそれら入力光３１、３２とは波長が異なる出力光３３を出射するＮＬＯ結晶１と、ＮＬＯ結晶１に入射する第二の入力光３２の光路長を変化させる光路長調整器２とを主たる構成要素とし、ＮＬＯ結晶１から出力される出力光３３を当該出力光３３を利用する各種の機器に供給するものである。レーザ光３３を供給する対象となるアプリケーション用機器の具体例としては、レーザ加工機、レーザマーカ、計測装置や医療用機器等を挙げることができる。

本実施形態において、ＮＬＯ結晶１は、入力光３１、３２から第二高調波３３を生じさせる非線形光学現象であるＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、第二高調波発生）を具現し、その第二高調波を出力光３３として出力する。第一の入力光３１の波長と第二の入力光３２との波長とは等しく、出力光３３の波長はそれら入力光３１、３２の波長の半分、周波数は二倍となる。第二種（ＴｙｐｅII）の位相整合により強度の大きい第二高調波３３を得ようとする場合、ＮＬＯ結晶１に入射する直前の第一の入力光３１の偏光方向と第二の入力光３２の偏光方向とは互いに直交する直線偏光であることが望ましい。

第一の入力光３１及び第二の入力光３２は、例えば、単一のレーザ発振器を光源とするパルスレーザ光３０を偏光ビームスプリッタ（または、ビームスプリッタ、ハーフミラー）４で二つのレーザ光３１、３２に分割することによって得る。そして、それら入力光３１、３２を、全反射ミラー５１、５２や偏光ビームコンバイナ（または、ビームコンバイナ）５３、光ファイバ等の所要の光学要素を介してＮＬＯ結晶１へと導く。

ＮＬＯ結晶１には、種々のものが現存している。その具体例としては、水晶（α−ＳｉＯ₂）、ＫＤＰ（ＫＨ₂ＰＯ₄）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、ＫＮ（ＫＮｂＯ₃）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）、ＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₅）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）、ＺＧＰ（ＺｎＧｅＰ₂）、ＡｇＧａＳ₂、ＧａＡｓ、ＧａＮ、その他の有機結晶やポリマー等を挙げることができる。ＮＬＯ結晶１は、機器に向けて供給するべき出力光３３の波長や出力強度等に応じて適宜選択する。入力光３１、３２の光源となるレーザについても、同様である。

光路長調整器２は、ＮＬＯ結晶１に向かう第二の入力光３２の伝搬の経路上に配置する。光路長調整器２は、例えば、第二の入力光３２の光軸と平行な方向から第二の入力光３２の入射を受けて同方向と平行な方向に第二の入力光３２を反射する全反射ミラー２１、２２と、これらミラー２１、２２を支持するユニット２０を同方向と平行な方向（図中白矢印で表す）に沿って変位させるモータ２３とを備える。

ユニット２０及びミラー２１、２２が変位すると、ＮＬＯ結晶１に至る第二の入力光３２の光路長が伸縮し、ＮＬＯ結晶１に入射する直前における第二の入力光３２の第一の入力光３１に対する相対的なレーザパルスタイミングが変化する。結果、ＮＬＯ結晶１において発生する第二高調波即ち出力光３３の強度が増減する。つまり、光路長調整器２は、機器に向けて供給するべき出力光３３の強度を調整する役割を担う。

光路長調整器２のユニット２０は、リニアモータ２３により駆動されるリニアモータ台車である。リニアモータ台車は、１ピコ秒あたり０．１５ｍｍ以上、１０００ピコ秒あたり１５０ｍｍ以上移動できる。換言すれば、ＮＬＯ結晶１に向かう第二の出力光３２の光路長が、１ピコ秒あたり０．３ｍｍ以上、１０００ピコ秒あたり３００ｍｍ以上伸縮する。これにより、ＮＬＯ結晶１に入射する直前の第二の入力光３２のレーザパルスタイミングを高速で変化させることができ、ひいては出力光３３の強度を速やかに増減させることができる。

ＮＬＯ結晶１からは、入力光３１、３２及び出力光３３がともに出射する。その中から必要な出力光３３のみを抽出するためには、出力光３３と同等の波長の光を反射しそれ以外の波長の光３１、３２を透過させる、あるいは出力光３３と同等の波長の光を透過させそれ以外の波長の光３１、３２を反射する、ダイクロイックミラー（または、プリズム）６を使用すればよい。勿論、出力光３３以外の光３１、３２を遮断して除去するカラーフィルタを用いることもできる。

本実施形態では、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光３３を供給するためのレーザ装置であって、第一の入力光３１及び第二の入力光３２の入射を受けてそれら入力光３１、３２とは波長が異なる出力光３３を出射し当該出力光３３を利用する機器に対して供給するＮＬＯ結晶１と、前記ＮＬＯ結晶１に入射しようとする第二の入力光３２の同結晶１に入射しようとする第一の入力光３１に対する光路長を変化させることを通じて同結晶１から出射する出力光３３の強度を増減させる光路長調整器２とを具備するレーザ装置を構成した。

本実施形態によれば、所望の出力強度に調整されたレーザ光３３をアプリケーション用の機器に供給できる好適なレーザ装置を実現できる。特に、ピコ秒レーザ、サブピコ秒レーザ、サブナノ秒レーザのような、パルス幅の狭くピークの高い極短パルスレーザ３３の出力を、高速かつ高効率に制御することが可能である。

また、出力光３３の強度を調整するためのアッテネータを別途設置する必要がないので、アッテネータによるエネルギ損失を回避でき、部品点数の削減、コストの低減にも奏効する。

＜第二実施形態＞第一実施形態のレーザ装置は、ＳＨＧにより生ずる高出力の第二高調波を出力光３３としてアプリケーション用機器に向けて供給するものであった。これより述べる第二実施形態のレーザ装置は、第一の入力光３１と第二の入力光３２とのＳＦＧ（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ、和周波発生）により生ずる高出力の和周波を出力光３３としてアプリケーション用機器に向けて供給するものである。以降、第一実施形態との相違点を中心に説明する。第一実施形態と共通する要素については、その説明を割愛する。

図２に示すように、本実施形態のレーザ装置もまた、第一の入力光３１及び第二の入力光３２の入射を受けてそれら入力光３１、３２とは波長が異なる出力光３３を出射するＮＬＯ結晶１と、ＮＬＯ結晶１に入射する第二の入力光３２の光路長を変化させる光路長調整器２とを主たる構成要素とする。

本実施形態において、ＮＬＯ結晶１は、入力光３１、３２から和周波３３を生じさせる非線形光学現象であるＳＦＧを具現し、その和周波を出力光３３として出力する。第一実施形態と異なり、本実施形態では、第一の入力光３１の波長と第二の入力光３２との波長とが等しいとは限らない。しかして、第一の入力光３１の周波数と第二の入力光３２の周波数との和が、出力光３３の周波数となる。

第一の入力光３１及び第二の入力光３２は、例えば、互いに別個のレーザ発振器を光源とするパルスレーザ光である。そして、それら入力光３１、３２を、全反射ミラー５４やビームコンバイナ（または、偏光ビームコンバイナ）５５、光ファイバ等の所要の光学要素を介してＮＬＯ結晶１へと導く。

ＮＬＯ結晶１は、機器に向けて供給するべき出力光３３の波長や出力強度等に応じて適宜選択する。入力光３１、３２の光源となるレーザについても、同様である。

光路長調整器２は、ＮＬＯ結晶１に向かう第二の入力光３２の伝搬の経路上に配置する。光路長調整器２は、第二の入力光３２の光軸と平行な方向から第二の入力光３２の入射を受けて同方向と平行な方向に第二の入力光３２を反射する全反射ミラー２１、２２と、これらミラー２１、２２を支持するユニット２０を同方向と平行な方向（図中白矢印で表す）に沿って変位させるモータ２３とを備える。

ユニット２０及びミラー２１、２２が変位すると、ＮＬＯ結晶１に至る第二の入力光３２の光路長が伸縮し、ＮＬＯ結晶１に入射する直前における第二の入力光３２の第一の入力光３１に対する相対的なレーザパルスタイミングが変化する。結果、ＮＬＯ結晶１において発生する第二高調波即ち出力光３３の強度が増減する。つまり、光路長調整器２は、機器に向けて供給するべき出力光３３の強度を調整する役割を担う。

ＮＬＯ結晶１からは、入力光３１、３２及び出力光３３がともに出射する。その中から必要な出力光３３のみを抽出するためには、ダイクロイックミラー６を使用すればよい。勿論、出力光３３以外の光３１、３２を遮断して除去するカラーフィルタを用いることもできる。

本実施形態では、レーザ加工機その他のレーザ光を利用する機器にレーザ光３３を供給するためのレーザ装置であって、第一の入力光３１及び第二の入力光３２の入射を受けてそれら入力光３１、３２とは波長が異なる出力光３３を出射し当該出力光３３を利用する機器に対して供給するＮＬＯ結晶１と、前記ＮＬＯ結晶１に入射しようとする第二の入力光３２の同結晶１に入射しようとする第一の入力光３１に対する光路長を変化させることを通じて同結晶１から出射する出力光３３の強度を増減させる光路長調整器２とを具備するレーザ装置を構成した。

本実施形態によれば、所望の出力強度に調整されたレーザ光３３をアプリケーション用の機器に供給できる好適なレーザ装置を実現できる。特に、ピコ秒レーザ、サブピコ秒レーザ、サブナノ秒レーザのような、パルス幅の狭くピークの高い極短パルスレーザ３３の出力を、高速かつ高効率に制御することが可能である。

そして、出力光３３の強度を調整するためのアッテネータを別途設置する必要がないので、アッテネータによるエネルギ損失を回避でき、部品点数の削減、コストの低減にも奏効する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態における光路長調整器２は、全反射ミラー２１、２２を支持するユニット２０をモータ２３により駆動して第二の入力光３２の光軸と平行な方向に変位させるものであったが、光路長調整器２の態様はこのようなものに限定されない。

図３に、光路長調整器２の変形例の一を示す。本変形例の光路長調整器２は、第二の入力光３２を透過させる基板２４、２５と、これら基板２４、２５の各々を回転させるモータ２６、２７とを備える。

基板２４、２５に入射する入力光３２は、その入射面において屈折する。基板２４、２５から出射する入力光３２もまた、その出射面において屈折する。上流側の基板２４に入射する入力光３２、上流側の基板２４から出射し下流側の基板２５に入射する入力光３２、下流側の基板２５から出射する入力光３２のそれぞれの光軸は、互いに平行となる。

モータ２６、２７は、例えばガルバノモータ（ガルバノスキャナモータ）である。モータ２６は、上流側の基板２４を、入力光３２の光軸と直行する軸回りに回転させる。同様に、モータ２７は、下流側の基板２５を、入力光３２の光軸と直行する軸回りに回転させる。

その上で、上流側の基板２４及び下流側の基板２５を互いに相反する方向に回転させるとともに、両基板２４、２５の入力光３２の光軸に対する交差角度を変化させることにより、ＮＬＯ結晶１に向かう第二の入力光３２の光路長を伸縮させることができる。図３（ａ）は光路長が比較的短い状態を表しており、図３（ｂ）は光路長が比較的長い状態を表している。第二の入力光３２の光路長が伸縮することで、ＮＬＯ結晶１に入射する直前における第二の入力光３２の第一の入力光３１に対する相対的なレーザパルスタイミングが変化し、ひいてはＮＬＯ結晶１から出射する出力光３３の強度が増減する。

また、光路長調整器は、ＡＯＭやＥＯＭ等を用いたものであってもよい。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、レーザ光を利用する各種機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置に適用することができる。

１…非線形光学（ＮＬＯ）結晶
２…光路長調整器
２１、２２、２４、２５…光学要素（ミラー、基板）
２３、２６、２７…モータ（リニアモータ、ガルバノモータ）
３１…第一の入力光
３２…第二の入力光
３３…出力光

Claims (2)

1. レーザ光を利用する機器にレーザ光を供給するためのレーザ装置であって、
   パルスレーザである第一の入力光及びパルスレーザである第二の入力光の入射を受けて位相整合を通じてそれら入力光とは波長が異なる出力光を出射し当該出力光を利用する機器に向けて供給する非線形光学結晶と、
   前記非線形光学結晶に入射しようとする第二の入力光の同結晶に入射しようとする第一の入力光に対する光路長を変化させることを通じて同結晶から出射する出力光の強度を増減させる光路長調整器とを具備し、
   前記光路長調整器が、前記非線形光学結晶に向かう前記第二の入力光の伝搬の経路上に存在し第二の入力光を反射または透過させる光学要素と、当該光学要素の変位を惹起して第二の入力光の光路長を伸縮させるモータとを備えており、
   前記モータにより前記光学要素を変位させて前記第二の入力光の光路長を伸縮させることにより、前記非線形光学結晶に入射する直前における第二の入力光の前記第一の入力光に対する相対的なパルスタイミングを変化させ、前記出力光の強度を所望の強度に増減調整するレーザ装置。
2. 前記非線形光学結晶が、前記出力光として、前記第一の入力光若しくは前記第二の入力光の第二高調波を発生させ、または第一の入力光と第二の入力光との和周波を発生させる請求項１記載のレーザ装置。

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