JP7066073B1 - レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

レーザ装置（１００）は、レーザ発振器（１０１）と、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器（１０１）からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器（３）、および、第２の超音波が印加されると第１の音響光学変調器（３）から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器（４）を有し、第１の音響光学変調器（３）が出射する高次光の回折方向（Ｄ１）に対する第１の超音波の伝搬方向（Ｓ１）は、第２の音響光学変調器（４）が出射する高次光の回折方向（Ｄ２）に対する第２の超音波の伝搬方向（Ｓ２）と異なる音響光学変調部（１０２）と、音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器（１０３）と、を備える。

Description

本開示は、音響光学変調器を用いたレーザ装置およびレーザ加工装置に関する。

音響光学変調器は、物質を超音波で振動させると物質の屈折率が変化する性質を利用して、回折格子として利用される素子である。音響光学変調器は、印加する超音波の周波数によって回折格子の格子定数を制御することができる。音響光学変調器が出力する回折光の周波数は、ドップラー効果によって、超音波の周波数の分だけシフトする。

特許文献１には、２つの音響光学変調器を用いる光源装置が開示されている。この光源装置は、共振器内に２つの音響光学変調器を備え、音響光学変調器ごとに周波数シフトが生じる方向を異ならせ、出射光の周波数シフトを低減することで、出力変動を抑制している。

特開２０１１－１８７９４７号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、音響光学変調器が共振器内に配置されている。音響光学変調器は、ミラーなどの他の光学素子と比較して耐光強度が低いため、共振器内に音響光学変調器を配置した場合、音響光学変調器の耐光強度に合わせて共振器に入力されるレーザ光の強度を下げる必要があり、出射光の強度が低下してしまうという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、出力変動を抑制するとともに、レーザ出力を高めることが可能なレーザ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ装置は、モードホップが生じるレーザ発振器と、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器、および、第２の超音波が印加されると第１の音響光学変調器から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器を有し、第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する第１の超音波の伝搬方向が、第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する第２の超音波の伝搬方向と異なることによって、第１の音響光学変調器で発生する周波数シフトが第２の音響光学変調器で発生する周波数シフトと打ち消し合う音響光学変調部と、音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器と、を備えることを特徴とする。

本開示にかかるレーザ装置は、出力変動を抑制するとともに、レーザ出力を高めることが可能であるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ装置の構成を示す図 モードホップが生じた場合の周波数変化を示す説明図 図２に示す状態遷移を模式的に表す図 モードホップとドップラーシフトとが重なった場合の周波数変化を示す説明図 図４に示す状態遷移を模式的に表す図 図４に示す状態変化に伴うレーザ出力の変化を示す図 図１に示す音響光学変調部を用いた場合のレーザ出力の変化を示す図 図１に示す第１の音響光学変調器の出射光に発生する周波数シフトの説明図 図１に示す第２の音響光学変調器の出射光に発生する周波数シフトの説明図 エキスパンダに負レンズを用いた例を示す図 エキスパンダに正レンズを用いた例を示す図 実施の形態２にかかるレーザ装置の構成を示す図 実施の形態３にかかるレーザ加工装置の構成を示す図

以下に、本開示の実施の形態にかかるレーザ装置およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態によって本開示の技術的範囲が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の構成を示す図である。レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１と、音響光学変調部１０２と、増幅器１０３とを有する。レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１から出力される連続波であるレーザ光を、音響光学変調部１０２を用いてパルスレーザ光に変換したのち、増幅器１０３において増幅する外部変調型発振器である。レーザ発振器１０１は、全反射ミラー１４と、部分反射ミラー１５と、ブリュースターウィンドウ１３とを有する。音響光学変調部１０２は、直列に接続される第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４を有する。増幅器１０３は、ウィンドウ３４，３５およびミラー３３を有する。

レーザ発振器１０１および増幅器１０３は、筐体１に配置されており、筐体１の内部にはレーザガスＧが供給される。筐体１は、レーザガスＧを外気と遮断する。ここで理解容易のため、レーザ発振器１０１および増幅器１０３の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

図１では、主に光学素子の構成が示されており、図示しない構成要素を含むことができる。例えば、筐体１には、熱交換器、ブロワなど（不図示）が設けられる。ブロワは、筐体１の内部空間に封入されたレーザガスＧを循環させる。ブロワがレーザガスＧを循環させることによって、強制対流により冷却されたレーザガスＧが矢印のＺ方向に沿って供給される。レーザガスＧは、筐体１の内部で大気圧よりも低い圧力に維持されており、例えば、速度１００ｍ／ｓ程度で移動する。

放電によってレーザガス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、レーザガスＧとして、ＣＯ₂分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ₂分子の振動準位間の遷移によって波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザガスＧがＣＯ₂を含む混合ガスである場合について説明するが、ＣＯ₂を含む混合ガスの代わりに、ＣＯ，Ｎ_２，Ｈｅ－Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ^＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ，一部のガラスなどの他のレーザ媒質を用いてもよい。

筐体１には、レーザガスＧを放電励起するための放電電極（不図示）が取り付けられる。放電電極に高周波交流電圧を印加すると、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状からなる放電空間が形成され、この放電空間内に存在するレーザガスＧが光増幅作用を示すレーザ媒質である放電励起ガス２となる。

全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５は、放電励起ガス２を挟んで対向するように配置され、光共振器を構成する。全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５のそれぞれは、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。

レーザ発振器１０１のブリュースターウィンドウ１３は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間の光軸上に設けられる。ブリュースターウィンドウ１３は、Ｓ偏光の反射率が高く、Ｐ偏光の反射率が、例えば１％未満など低いウィンドウである。ここでは、ＹＺ面に対して平行な直線偏光５４を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。ブリュースターウィンドウ１３を設けることで、直線偏光５４であるレーザ光を音響光学変調部１０２に入力することができ、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれに入力されるレーザ光の偏光方向と、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれに印加される超音波の伝搬方向Ｓとを一致させることができる。レーザ発振器１０１は、ブリュースターウィンドウ１３の代わりに、偏向ロックミラーを有してもよい。

レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１および音響光学変調部１０２の間の光路上に配置されたダウンコリメータ９と、入力される光を吸収するダンパ５，６と、音響光学変調部１０２が出力するパルスレーザ光のビーム径を拡大するエキスパンダ１２とをさらに有する。

ダウンコリメータ９は、正レンズ７および負レンズ８を有し、レーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１のビーム径を縮小して音響光学変調部１０２に入力する。ダウンコリメータ９が出力するレーザ光のビーム径は、第１の音響光学変調器３に入射可能なビーム径とし、例えば、φ８ｍｍ程度である。第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４は、入射角度によって回折効率が異なるため、入射される光が平行光でない場合、出射光のビームプロファイルが変化するため、ここでは入射光を平行光としている。

第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４は、超音波が印加されると、透明材料内部の粗密波により屈折率変化が生じる。このため、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれは、回折格子として利用される。

第１の音響光学変調器３は、第１の超音波が印加されて、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１を回折させ、０次光Ｌ２および１次光Ｌ３を出力する。第１の音響光学変調器３が出力する０次光Ｌ２は、ダンパ５によって光吸収される。第１の音響光学変調器３が出力する１次光Ｌ３は、第２の音響光学変調器４に入力される。なお、ここでは高次光の一例として１次光Ｌ３が用いられることとしたが、２次光などであってもよい。第１の音響光学変調器３は、第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が、１次光Ｌ３の回折方向Ｄ１と逆向きとなるように配置される。

第２の音響光学変調器４は、第２の超音波が印加されて、第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３を回折させ、０次光Ｌ５および１次光Ｌ４を出力する。第２の音響光学変調器４が出力する０次光Ｌ５は、ダンパ６によって光吸収される。第２の音響光学変調器４が出力する１次光Ｌ４は、エキスパンダ１２に入力される。第２の音響光学変調器４は、第２の超音波の伝搬方向Ｓ２が、１次光Ｌ４の回折方向Ｄ２と同一となるように配置される。

なお上記では、回折方向Ｄ１と伝搬方向Ｓ１とが逆方向であり、回折方向Ｄ２と伝搬方向Ｓ２とが同一方向である例について示したが、回折方向Ｄ１に対する伝搬方向Ｓ１が、回折方向Ｄ２に対する伝搬方向Ｓ２と異なっていればよい。回折方向Ｄ１に対する伝搬方向Ｓ１が、回折方向Ｄ２に対する伝搬方向Ｓ２と異なるとは、伝搬方向Ｓ１と伝搬方向Ｓ２とが異なる方向であることを指すのではなく、回折方向Ｄ１を基準としたときの伝搬方向Ｓ１の向きと、回折方向Ｄ２を基準としたときの伝搬方向Ｓ２の向きとが異なることを指す。例えば、回折方向Ｄ１と伝搬方向Ｓ１とが同一方向であり、回折方向Ｄ２と伝搬方向Ｓ２とが逆方向であってもよい。このように、第１の音響光学変調器３で生じる周波数シフトの方向と、第２の音響光学変調器４で生じる周波数シフトの方向とが逆向きとなるようにすることで、音響光学変調部１０２が出力するパルスレーザ光に生じる周波数シフトを低減することが可能になる。

第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４を有する音響光学変調部１０２は、レーザ発振器１０１から出力された連続波であるレーザ光Ｌ１をパルスレーザ光に変換する。具体的には、音響光学変調部１０２は、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４の少なくとも一方を間欠運転することで、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１をパルスレーザ光に変換することができる。第１の音響光学変調器３が間欠運転される場合、第１の音響光学変調器３には、不図示のドライバ回路から交流電圧が間欠的に供給される。第１の音響光学変調器３に交流電圧が供給された場合、第２の音響光学変調器４に１次光Ｌ３が入力され、交流電圧が供給されない場合、レーザ光Ｌ１は直進してダンパ５に吸収される。第２の音響光学変調器４が間欠運転される場合、第２の音響光学変調器４には、ドライバ回路から交流電圧が間欠的に供給される。第２の音響光学変調器４に交流電圧が供給された場合、エキスパンダ１２に１次光Ｌ４が入力され、交流電圧が供給されない場合、第１の音響光学変調器３からの１次光Ｌ３は直進してダンパ６に吸収される。なお、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４の両方を間欠運転する場合、片方だけを間欠運転するよりも音響光学変調部１０２の消費電力を低減することができる。

エキスパンダ１２は、レンズ１０，１１を有する。エキスパンダ１２は、音響光学変調部１０２と増幅器１０３との間の光路上に配置され、音響光学変調部１０２の第２の音響光学変調器４が出力した１次光Ｌ４のビーム径を拡大する。エキスパンダ１２がビーム径を拡大することで、増幅器１０３における増幅率を大きくすることができる。一般的に音響光学変調器の開口径は数ミリ程度であり、エキスパンダ１２は例えば２０ｍｍ程度にビーム径を拡大することができる。

レーザ装置１００のレーザ発振器１０１は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間が光増幅作用を有する放電励起ガス２で満たされており、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間の光路上にブリュースターウィンドウ１３が配置されているため、直線偏光５４の連続波であるレーザ光Ｌ１を出力する。レーザ発振器１０１の部分反射ミラー１５から出力されるレーザ光Ｌ１は、ダウンコリメータ９においてビーム径が縮小されて、音響光学変調部１０２の第１の音響光学変調器３に入力される。

レーザ光Ｌ１は、第１の音響光学変調器３において回折されて、１次光Ｌ３が第２の音響光学変調器４に入力され、０次光Ｌ２がダンパ５に吸収される。第２の音響光学変調器４に入力された１次光Ｌ３は、回折されて１次光Ｌ４はエキスパンダ１２に入力され、０次光Ｌ５がダンパ６に吸収される。エキスパンダ１２に入力された１次光Ｌ４は、レンズ１０，１１を介してビーム径が拡大されてミラー３１に向けて出力される。エキスパンダ１２から出力された光は、ミラー３１，３２によって進行方向が変化し、増幅器１０３のウィンドウ３４に入力される。ウィンドウ３４に入力されたレーザ光は、光増幅作用を有する放電励起ガス２で満たされた空間を通過することで増幅され、ミラー３３で反射され、ウィンドウ３５からレーザ装置１００の外部に取り出すことができる。ウィンドウ３５から取り出されたレーザ光は、例えば、レーザ加工等に利用される。

上記の通り、本実施の形態において音響光学変調部１０２は、２つの音響光学変調器を有しており、第１の音響光学変調器３の１次光Ｌ３が第２の音響光学変調器４に入力され、第２の音響光学変調器４の１次光Ｌ４が増幅器１０３のウィンドウ３４に入力される。ここで１次光を用いる理由としては、ビームオフのときにビームが出力されないようにするためである。０次光を用いた場合には、音響光学変調器の回折効率は９０％程度であるため、１０％は０次光に出力される。これが増幅されると、レーザ装置１００が出力するレーザ光がレーザ加工に用いられる場合、加工に寄与しない余分な熱が加工対象物に蓄積されて、加工品質が低下する。

音響光学変調器が出力する１次光は、超音波のエネルギーによって周波数シフトが起こることが知られている。しかしながら、レーザ発振器１０１と増幅器１０３との間に音響光学変調器を配置する場合、わずかに出力が低下するだけであって、大きな問題とはならない場合が多い。本願発明者らは、音響光学変調器における周波数シフトと、レーザ発振器１０１におけるモードホップと呼ばれる現象とが重なった場合、急激な出力変動が発生することを発見した。

モードホップとは、構造部品の温度変化、媒質の温度変化などに起因して、共振器を構成するミラー間の光路長が変化することで、共振器の発振周波数が瞬間的に変化する現象である。以下、共振器を構成するミラー間の光路長を共振器長と称する。レーザ発振器１０１においては、共振器長は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５間の光路長となる。

図２は、モードホップが生じた場合の周波数変化を示す説明図である。図２の横軸は周波数であり、縦軸はゲインである。図２中の太い破線はゲインの最も高い縦モードを表しており、レーザ発振器１０１はこの周波数で発振する。図２の中央図（Ｂ）は、左図（Ａ）の状態から共振器長が４分の１波長変化した状態を示し、右図（Ｃ）は、中央図（Ｂ）の状態から共振器長がさらに４分の１波長変化した状態を示す。つまり、右図（Ｃ）は、左図（Ａ）の状態から共振器長が半波長変化した状態を示す。

共振器長が長くなるにつれて、縦モードの周波数は小さくなり、図中の太い破線は左にシフトしていく。具体的には、（Ａ）の状態では、発振周波数は＋３２．６ＭＨｚであり、（Ｂ）の状態では、発振周波数は±０ＭＨｚであり、（Ｃ）の状態では、発振周波数は－３２．６ＭＨｚである。（Ｃ）からさらに縦モードの周波数が小さくなった場合、１つ周波数が高い側の縦モードのゲインの方が高くなるため、レーザ発振器１０１は（Ａ）の状態に遷移する。

図３は、図２に示す状態遷移を模式的に表す図である。レーザ発振器１０１は、（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態に遷移し、（Ｂ）の状態から（Ｃ）の状態に遷移する。またレーザ発振器１０１は、（Ｃ）の状態から（Ａ）の状態に遷移する。このとき、（Ｃ）の状態と（Ａ）の状態とは周波数がゲインのピークに対して対称であるため、ゲインが等しく、レーザ発振器１０１は、（Ｃ）の状態から（Ａ）の状態に遷移しても出力の変化はない。また、レーザ発振器１０１が高出力であり、共振器長が長いほど、縦モードの周波数間隔が狭いため、モードホップにより生じる出力変化は小さくなる。このため、モードホップだけであれば、レーザ装置１００の出力変動が問題となることは少ない。

続いて、モードホップとドップラーシフトとが重なった場合について説明する。図４は、モードホップとドップラーシフトとが重なった場合の周波数変化を示す説明図である。音響光学変調部１０２が音響光学変調器を１つしか有さない場合、ドップラーシフトの影響を低減することができないため、モードホップとドップラーシフトとが重なる状態が生じうる。図４の横軸は周波数であり、縦軸はゲインである。図４中の太い破線はゲインの最も高い縦モードを表しており、レーザ発振器１０１はこの周波数で発振する。また図４中の太い実線は増幅器１０３への入射光を表している。増幅器１０３への入射光は、レーザ発振器１０１の出射光から音響光学変調部１０２の第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４におけるドップラーシフトν_Ｓの分だけ周波数がシフトしている。実施の形態１では、ドップラーシフトν_Ｓは－４０ＭＨｚとする。

図４の中央図（Ｅ）は、左図（Ｄ）の状態から共振器長が４分の１波長変化した状態を示し、右図（Ｆ）は、中央図（Ｅ）の状態から共振器長がさらに４分の１波長変化した状態を示す。つまり、右図（Ｆ）は、左図（Ｄ）の状態から共振器長が半波長変化した状態を示す。発振周波数は、図２に示したものと同様であり、（Ｄ）の状態では、発振周波数は＋３２．６ＭＨｚであり、（Ｅ）の状態では、発振周波数は±０ＭＨｚであり、（Ｆ）の状態では、発振周波数は－３２．６ＭＨｚである。

増幅器１０３への入射光の周波数は、（Ｄ）の状態では、＋３２．６－４０＝－７．４ＭＨｚであり、（Ｅ）の状態では、０－４０＝－４０ＭＨｚであり、（Ｆ）の状態では、発振周波数は－３２．６－４０＝－７２．６ＭＨｚである。

図５は、図４に示す状態遷移を模式的に表す図である。レーザ発振器１０１は、（Ｄ）の状態から（Ｅ）の状態に遷移し、（Ｅ）の状態から（Ｆ）の状態に遷移する。またレーザ発振器１０１は、（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移する。この場合、（Ｄ）の状態と（Ｆ）の状態とではゲインがピークとなる周波数に対して非対称であるため、ゲインが大きく異なる。したがって、（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移するときに、ゲインが大きく変化する。

図６は、図４に示す状態変化に伴うレーザ出力の変化を示す図である。（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移するとき、増幅器１０３からのレーザ出力Ｏ_１０３は、不連続で急激な出力変動が発生する。この出力変動は、レーザ発振器１０１からのレーザ出力Ｏ_１０１の出力変動よりも大きい。このようにレーザ出力の強度が瞬時に変化する場合、レーザ出力をセンサで計測してフィードバック制御をおこなったとしても、レーザ出力を安定させることができない。また、周波数ずれとゲインの低下量との関係は非線形であるため、単に周波数が増加した以上に大きくゲインは低下する。レーザ出力の変動幅も大きいため、定格出力が小さくなってしまうという問題がある。

図７は、図１に示す音響光学変調部１０２を用いた場合のレーザ出力の変化を示す図である。上記の通り、音響光学変調部１０２は、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれが生じさせる周波数シフトの方向が逆であるため、ドップラーシフトをキャンセルすることが可能である。このため、図７に示されるように、増幅器１０３からのレーザ出力Ｏ_１０３とレーザ発振器１０１からのレーザ出力Ｏ_１０１との差異が図６に示す例よりも低減している。

具体的には、第１の音響光学変調器３が出射する１次光Ｌ３の回折方向Ｄ１に対する第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４の回折方向Ｄ２に対する第２の超音波の伝搬方向Ｓ２と異なるように、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４が配置される。回折方向Ｄ１に対して伝搬方向Ｓ１が同一方向である場合、回折方向Ｄ２に対して伝搬方向Ｓ２を逆方向とすることで、出射光のドップラーシフトを低減することができる。回折方向Ｄ１に対して伝搬方向Ｓ１が逆方向である場合、回折方向Ｄ２に対して伝搬方向Ｓ２を同一方向とすることで、出射光のドップラーシフトを低減することができる。

図８は、図１に示す第１の音響光学変調器３の出射光に発生する周波数シフトの説明図である。第１の音響光学変調器３への入射光のベクトルをｋ_ｉとし、出射光のベクトルをｋ_ｄ１とする。このとき回折方向Ｄ１＝ｋ_ｄ１－ｋ_ｉと第１の超音波の伝搬方向Ｓ１とは逆方向であるため、出射光の周波数ν_ｄ１は、エネルギー保存則からν_ｄ１＝ν_ｉ－ν_ｓ１に減少する。図９は、図１に示す第２の音響光学変調器４の出射光に発生する周波数シフトの説明図である。第２の音響光学変調器４において、回折方向Ｄ２＝ｋ_ｄ２－ｋ_ｄ１は、第２の超音波の伝搬方向Ｓ２と同一方向であるため、出射光の周波数ν_ｄ２は、ν_ｄ２＝ν_ｄ１＋ν_ｓ２に増加する。したがって、ν_ｄ２＝ν_ｄ１＋ν_ｓ２＝（ν_ｉ－ν_ｓ１）＋ν_ｓ２であり、第１の音響光学変調器３で発生する周波数シフト－ν_ｓ１は、第２の音響光学変調器４で発生する周波数シフト＋ν_ｓ２と打ち消しあい、音響光学変調部１０２からの出射光に生じる周波数シフトは低減する。第１の超音波の周波数ν_ｓ１が第２の超音波の周波数ν_ｓ２と等しい場合、ν_ｄ２＝ν_ｉとなり、ドップラーシフトはキャンセルされる。

音響光学変調部１０２からの出射光に生じる周波数シフトを低減することで、増幅器１０３への入射光へのドップラーシフトの影響は低減されている。このため、モードホップが生じた場合であっても、不連続で瞬間的な出力変動は抑制され、レーザ出力のフィードバック制御をおこなうことが可能になる。また、出力変動幅も低減されるため、変動幅の分の出力マージンをとる必要がなくなり、定格出力を大きくすることが可能になる。したがって、安定して高出力なレーザ装置１００を実現することができ、このレーザ装置１００を使用してレーザ加工を行う場合、高品質で高速なレーザ加工が可能になる。

音響光学変調器への入射光は、ビーム径が小さいため、光強度が高くなり、熱レンズが発生し易い。また、ＣＯ₂レーザなどの赤外光用の音響光学変調器では、吸収率が３％程度と大きいゲルマニウムが使用されている。このため、実施の形態１のように２つの音響光学変調器を用いる場合、特に熱レンズの影響が懸念される。そこで、本実施の形態では、エキスパンダ１２の入力端のレンズ１０を正レンズとした。ここで、エキスパンダ１２の入力側から数えて１枚目のレンズ１０を正レンズとした場合と、負レンズとした場合とを比較して説明する。図１０は、エキスパンダ１２に負レンズを用いた例を示す図である。図１１は、エキスパンダ１２に正レンズを用いた例を示す図である。

図１０に示すように、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４が負レンズ２１に入力される場合、第２の音響光学変調器４と負レンズ２１との間の距離ｌ１は、０次光Ｌ５が１次光Ｌ４と分離するために十分な距離であり、かつ、０次光Ｌ５を吸収するダンパ２３を配置するスペースを確保可能な程度に長くする必要がある。図１０の破線で示すように、熱レンズが発生すると１次光Ｌ４の光線の勾配θ１は、負方向に変化する。このため、距離ｌ１が長いほど、エキスパンダ１２に入射されるレーザ光のビーム径ｘ２が変化して、第２の音響光学変調器４におけるビーム径ｘ１よりも小さくなり、エキスパンダ１２から射出されるビーム径ｘ３は小さくなる。また、エキスパンダ１２を負レンズ２１および正レンズ２２を用いて構成する場合、入射光の勾配θ１が負方向に変化すると、出射されるビーム径ｘ３が小さくなる。このように、距離ｌ１が長くなるにつれてビーム径ｘ２が小さくなり、さらに、勾配θ１が負方向に変化したとき、負レンズ２１から出射する光の勾配θ２および正レンズ２２から出射する光の勾配θ３も負方向に変化し、エキスパンダ１２からの出射光のビーム径ｘ３は小さくなる。このため、増幅器１０３に入力されるビーム径が小さくなり、増幅後のレーザ出力が低下してしまう。

図１１に示す例では、エキスパンダ１２が正レンズ２４，２５を用いて構成される。この場合、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４および０次光Ｌ５が正レンズ２４に入射した後、正レンズ２４の焦点付近で、０次光Ｌ５と１次光Ｌ４とが十分に分離しているため、焦点付近にダンパ２６を配置することができる。この場合、図１０に示す例よりも、第２の音響光学変調器４と正レンズ２４との間の距離ｌ１を短くすることが可能である。距離ｌ１が長くなるほどビーム径ｘ２が小さくなるため、距離ｌ１を短くすることで、ビーム径ｘ２が小さくなることを抑制することができる。また、正レンズ２４，２５を用いてエキスパンダ１２を構成する場合、入射光の勾配θ１が負方向に変化するとき、正レンズ２４の焦点が手前にずれる。熱レンズが発生していない場合、正レンズ２４から正レンズ２４の焦点までの距離Ｌｆ２、正レンズ２４の焦点から正レンズ２５までの距離Ｌｆ３とする。また、熱レンズが発生した場合、正レンズ２４から正レンズ２４の焦点までの距離Ｌｆ２ｓ、正レンズ２４の焦点から正レンズ２５までの距離Ｌｆ３ｓとする。この場合、Ｌｆ２＞Ｌｆ２ｓ且つＬｆ３＜Ｌｆ３ｓとなるため、正レンズ２５におけるビーム径ｘ３は、熱レンズが発生した場合大きくなる。つまり、図１０に示す負レンズ２１を用いた例と比較して、正レンズ２４を用いる場合、熱レンズが発生して勾配θ１が負方向に変化したときに、距離ｌ１の間に生じるビーム径ｘ２の減少を抑制することが可能であるとともに、エキスパンダ１２からの出射光のビーム径ｘ３は大きくなり、レーザ装置１００から出射するレーザ光における熱レンズの影響を低減することが可能である。

以下、エキスパンダ１２の入力端を正レンズ２４とした場合と負レンズ２１とした場合とのビーム径変化の差を試算する。第１の音響光学変調器３に入射するビーム径ｘ０、入射角度θ０とした場合、ＡＢＣＤ光線行列を用いてビームの伝搬を導出する。エキスパンダ１２の正レンズ２２，２５におけるビーム径ｘ３は、以下の数式（１）で表される。熱レンズの焦点距離ｆ１、負レンズ２１または正レンズ２４の焦点距離ｆ２、負レンズ２１から正レンズ２２までの距離または正レンズ２４から正レンズ２５までの距離ｌ２、第１の音響光学変調器３への入射光のビーム径ｘ０、第１の音響光学変調器３への入射光の入射角度θ０とする。

エキスパンダ１２から増幅器１０３の出口までの距離ｌ３とした場合、増幅器１０３の出口におけるビーム径ｘ４は、以下の数式（２）で表される。正レンズ２２，２５の焦点距離ｆ３とする。

なお、第１の音響光学変調器３への入射光は平行光であるため、θ０＝０とした。表１は、上記の計算に用いられるパラメータを示している。表１の「正」は、レンズ１０に正レンズ２４を用いた図１１の構成における各パラメータの値を示しており、表１の「負」は、レンズ１０に負レンズ２１を用いた図１０の構成における各パラメータの値を示している。表２は、表１に示すパラメータを用いた場合の数式（１），（２）の計算結果を表している。表２の「正」は、レンズ１０に正レンズ２４を用いた図１１の構成における計算結果を表しており、表２の「負」は、レンズ１０に負レンズ２１を用いた図１０の構成における計算結果を表している。

増幅器１０３内を通るビーム径は、入り口におけるビーム径ｘ３と出口におけるビーム径ｘ４との平均値とし、熱レンズが発生していない状態でのビーム半径１２ｍｍに対する変化率を算出している。表２によれば、熱レンズによる拡大後のビーム径変化は、図１０に示す構成では１０．３％であるのに対して、図１１に示す構成では２．９％と抑制されていることがわかる。

以上説明したように、熱レンズが発生しやすい構成の場合、正レンズ２４，２５を用いたエキスパンダ１２は、負レンズ２１を用いた場合よりも熱レンズの影響を低減することができる。熱レンズが発生すると、焦点位置が変化するため、特定の位置におけるビーム径が変化する。熱レンズの影響が大きく、加工中にビーム径変化が大きくなると、増幅器１０３におけるモードボリュームが変化し、ビーム出力が変化するとともに、加工点における集光径および焦点が変化するため、加工品質が低下する。レーザ装置１００は、エキスパンダ１２の入力端が正レンズ２４で構成されているため、ビーム径変化を抑制することができ、高品質なレーザ加工を実現することができる。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２にかかるレーザ装置２００の構成を示す図である。以下、実施の形態１にかかるレーザ装置１００との差異について主に説明する。レーザ装置２００は、レーザ装置１００のダンパ５，６の代わりにダンパ４１を有し、第２の音響光学変調器４の代わりに第２の音響光学変調器４０を有する。第１の音響光学変調器３の１次光の回折方向Ｄ１に対する第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が反対方向であり、第２の音響光学変調器４０の１次光の回折方向Ｄ２に対する第２の超音波の伝搬方向Ｓ２が同一方向である点は、レーザ装置１００と同様である。レーザ装置２００においては、第２の音響光学変調器４０は、１次光の回折方向Ｄ２が、第１の音響光学変調器３の１次光の回折方向Ｄ１と同一方向となるように配置されている。このため、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と、第２の音響光学変調器４０の１次光Ｌ７とが異なる方向に出射される。この場合、レンズ１０の後段であって焦点付近に、ダンパ４１を配置し、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と第２の音響光学変調器４０の０次光Ｌ６とを吸収させ、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４０を接近させた状態で配置することができる。

仮に、図１に示すレーザ装置１００の構成においてダンパ５を省略した場合、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ２は、第２の音響光学変調器４を透過した後、第２の音響光学変調器４の１次光Ｌ４と同一方向に進む。この場合、第１の音響光学変調器３と第２の音響光学変調器４とを近づけると、０次光Ｌ２が１次光Ｌ４と重なっているため、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ２を除去することができない。これに対して、レーザ装置２００は、第１の音響光学変調器３の回折方向Ｄ１と第２の音響光学変調器４０の回折方向Ｄ２とを同一方向としたことで、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と第２の音響光学変調器４０の１次光Ｌ７とが異なる方向に進む。したがって、ダンパ４１をレンズ１０の焦点付近に配置し、第１の音響光学変調器３と第２の音響光学変調器４０とを接近させた状態で配置することができる。この場合、第１の音響光学変調器３からエキスパンダ１２までのレーザ光の伝搬距離が短くなるため、第１の音響光学変調器３に熱レンズが発生した場合の勾配θ１の変化によって生じるエキスパンダ１２に入射するビーム径ｘ２の変化を抑制することが可能になる。したがって、レーザ装置２００のビーム径はさらに安定し、レーザ出力が安定するため、加工品質を良好な状態に維持することができる。

実施の形態３．
図１３は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置３００の構成を示す図である。レーザ加工装置３００は、レーザ装置１００と、光路６１と、加工ヘッド６２と、駆動部６３と、検知部６４と、制御部６５とを有する。

レーザ加工装置３００は、加工対象物Ｗにパルスレーザ光を照射して、加工対象物Ｗの切断加工を行う機能を有する。レーザ装置１００は、実施の形態１に示したレーザ装置１００であり、ウィンドウ３５から取り出したレーザ光が光路６１を介して加工ヘッド６２に供給される。光路６１は、レーザ装置１００が出力したレーザ光を加工ヘッド６２まで伝送する経路であり、レーザ光を空中で伝搬させる経路であってもよいし、光ファイバを通じてレーザ光を伝送させる経路であってもよい。光路６１は、レーザ装置１００が出力するレーザ光の特性に応じて設計される。

加工ヘッド６２は、レーザ光を加工対象物Ｗに集光する光学系を有している。加工ヘッド６２は、加工対象物Ｗの表面付近に焦点を結ぶような光学系を備えていることが望ましい。駆動部６３は、加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御して変化させることができる。なお、レーザ加工装置３００において、駆動部６３は、加工ヘッド６２の位置を変化させることで、加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させることとしたが、駆動部６３は、加工対象物Ｗを載置するテーブルの位置を変化させてもよいし、加工ヘッド６２とテーブルとの両方の位置を変化させてもよい。つまり、駆動部６３は、加工ヘッド６２および加工対象物Ｗの少なくとも１つの位置を変化させる機能を有していればよい。

検知部６４は、加工対象物Ｗの状態またはレーザ加工装置３００の状態を検知するセンサである。検知部６４は、加工中の加工対象物Ｗの位置、加工中に発生する光の強度および波長、音波、超音波といった物理量の計測値を時系列信号として計測する。検知部６４は、例えば、静電容量センサ、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ、スペクトル分光器、音響センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、距離センサ、位置検出器、温度センサ、湿度センサなどである。検知部６４は、計測値を示す時系列信号を制御部６５に入力する。

制御部６５は、設定された加工条件および検知部６４から送信される計測値に従って、パルスレーザ光が加工対象物Ｗの上の加工経路を走査するようにレーザ装置１００、駆動部６３などを制御する。加工条件は、例えば、加工対象物Ｗの材質、厚み、および表面の状態を含む。加工条件は、さらに、レーザ装置１００のレーザ出力強度、レーザ出力周波数、レーザ出力のデューティ比、モード、波形、および波長などを含む。加工条件は、パルスレーザ光の焦点位置、パルスレーザ光の集光径、加工対象物Ｗと加工ヘッド６２との間の距離、温度、湿度など検知部６４から入力される計測値を含むこともできる。

制御部６５からの制御に従って、駆動部６３が加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させながら、加工ヘッド６２が加工対象物Ｗにパルスレーザ光を照射することで、加工対象物Ｗの切断加工を行うことができる。

なお、上記の実施の形態３では、レーザ加工装置３００は、レーザ装置１００を有することとしたが、レーザ装置１００の代わりに、実施の形態２にかかるレーザ装置２００を有してもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

例えば、図１，１２においては、ダウンコリメータ９を用いてレーザ発振器１０１からの出力光のビーム径を調整しているが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、ダウンコリメータ９を省略して、レーザ発振器１０１からの出射光のビーム径が、音響光学変調器に入射可能となるように、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５を設計してもよい。

また、上記の実施の形態では、レーザ発振器１０１および増幅器１０３がレーザ媒質を共用しており、１つの筐体１内に配置されているが、本実施の形態はかかる例に限定されない。レーザ発振器１０１と増幅器１０３とは、別々の筐体に配置されてもよい。

また、図示した超音波の伝搬方向Ｓ１，Ｓ２は一例であり、伝搬方向Ｓ１，Ｓ２は、図示した方向と逆方向であってもよい。

また、上記では音響光学変調部１０２は、２つの音響光学変調器を備えることとしたが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、音響光学変調部１０２は、３つ以上の音響光学変調器を備えてもよい。この場合、複数の音響光学変調器のうちの少なくとも２つが１次光を出力し、１次光を出力する２つの音響光学変調器において、回折方向に対する超音波の伝搬方向が互いに異なっていればよい。

なお、第１の音響光学変調器３は、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１を回折させる。ここで、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１は、レーザ発振器１０１から直接入力されるレーザ光Ｌ１に限らない。例えば、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１は、図１に示すようにダウンコリメータ９を介して入力されるレーザ光Ｌ１であってもよいし、音響光学変調部１０２が音響光学変調器を３つ以上含む場合には、他の音響光学変調器を介して入力されるレーザ光Ｌ１であってもよい。同様に、第２の音響光学変調器４は、第２の超音波が印加されると、第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３を回折させる。ここで第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３は、図１に示すように、第１の音響光学変調器３から直接第２の音響光学変調器４に入力される１次光Ｌ３であってもよいし、例えば、音響光学変調部１０２が音響光学変調器を３つ以上含む場合には、他の音響光学変調器を介して入力される１次光Ｌ３であってもよい。

なお、上記ではレーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１は、連続波であることとしたが、パルスの間隔が広く、ビームオフの時間が長い場合には、放電をオフしてレーザ発振器１０１のビームを間欠運転し、消費エネルギーを低減する場合がある。この場合、レーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１は、連続波ではなくなる。このようなレーザ光Ｌ１であっても、音響光学変調部１０２は、パルスレーザ光に変換することができる。

１ 筐体、２ 放電励起ガス、３ 第１の音響光学変調器、４，４０ 第２の音響光学変調器、５，６，４１ ダンパ、７ 正レンズ、８ 負レンズ、９ ダウンコリメータ、１０，１１ レンズ、１２ エキスパンダ、１３ ブリュースターウィンドウ、１４ 全反射ミラー、１５ 部分反射ミラー、３１，３２，３３ ミラー、３４，３５ ウィンドウ、５４ 直線偏光、６１ 光路、６２ 加工ヘッド、６３ 駆動部、６４ 検知部、６５ 制御部、１００，２００ レーザ装置、１０１ レーザ発振器、１０２ 音響光学変調部、１０３ 増幅器、３００ レーザ加工装置、Ｄ１，Ｄ２ 回折方向、ｆ１，ｆ２，ｆ３ 焦点距離、Ｇ レーザガス、Ｌ１ レーザ光、Ｌ２，Ｌ５，Ｌ６ ０次光、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ７ １次光、ｌ１，ｌ２，ｌ３，Ｌｆ２，Ｌｆ２ｓ 距離、Ｏ_１０１，Ｏ_１０３ レーザ出力、Ｓ１，Ｓ２ 伝搬方向、Ｗ 加工対象物、ｘ０，ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４ ビーム径、θ０ 入射角度、θ１，θ２，θ３ 勾配。

Claims (6)

1. モードホップが生じるレーザ発振器と、
   第１の超音波が印加されると前記レーザ発振器からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器、および、第２の超音波が印加されると前記第１の音響光学変調器から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器を有し、前記第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する前記第１の超音波の伝搬方向が、前記第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する前記第２の超音波の伝搬方向と異なることによって、前記第１の音響光学変調器で発生する周波数シフトが前記第２の音響光学変調器で発生する周波数シフトと打ち消し合う音響光学変調部と、
   前記音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記音響光学変調部および前記増幅器の間の光路上に配置され、前記レーザ光のビーム径を拡大するエキスパンダ、
   をさらに備え、
   前記エキスパンダの入力端は正レンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記音響光学変調部は、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光をパルスレーザ光に変換することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記エキスパンダの前記正レンズの後段に配置され、前記第１の音響光学変調器が出射する０次光および前記第２の音響光学変調器が出射する０次光を吸収するダンパ、
   をさらに備え、
   前記第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向は、前記第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向と同一方向であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
5. 前記高次光は、１次光であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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