JPH01185987A - パルスレーザ発振方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ランプを用いた光励起型パルスレーザの発振
方法及び発振装置に関する。

［従来の技術］ 制御性、指向性に優れたレーザ光は、計測、加工、分析
、医療等の幅広い分野で研究開発、応用か進められてい
る。レーザ光をこれら各分野に用いる場合、応用の種類
に応してレーザ光に様々な変調を施す必要がある。

これらの中、特にレーザ加工については、切断、穴開け
、溶接等の各種加工毎に、レーザエネルギーの密度、レ
ーザ照射時間に第２図に示されるような最適領域が存在
する事が知られている。

即ち、切断、穴開は等の除去加工では、短時間に高いエ
ネルギーを投入する事により被加工物を瞬時に蒸発させ
る事ができ、良好な加工結果が得られる。また溶接にお
いては、融点より少し高めの温度を、熱伝導による十分
な溶は込みが得られる時間維持できるような照射条件が
選ばれる。このように、レーザ照射時間はレーザ加工に
おける重要なパラメータであるが、この事は時間領域に
おけるレーザ光の発振形態と密接な関係を持っている。

第３図に時間領域におけるレーザ光発振形態を分類して
示す。第３ａ図は連続（ＣＷ）発振出力であり、−様な
励起条件のもとて一定の出力か連続して維持される。第
３ｂ図の単一パルス発振では、励起はある短時間だけ行
われる。第３ｃ図の繰返しパルス発振は、短時間の励起
が繰返して行われた場合、あるいは連続励起条件下で共
振器にある種の変調をかけた場合に得られる。

このような励起及び変調条件と、レーザ発振形態の関係
はレーザ媒質の種類によっても異なる。

昭和５５年発行テレビジョン学会編のｒレーザの基礎と
応用Ｊに記載されているが、第１表は固体レーザの一種
であるＹＡＧレーザの発振形態を分類して示したもので
ある。この中で繰返し連続パルス発振出力を得る方法は
、以下の２つに大別出来る。

■連続励起Ｑスイッチパルス（第４ａ図）ＹＡＧロッド
７はアークランプ８によって連続励起される。ここでＱ
スイッチ９の作用によって光共振器の損失を一時的に増
大させレーザ発振を抑制すると、その間に光励起によっ
てロッド７内部に反転分布状態が維持され、エネルギー
が蓄積される。エネルギー蓄積後、共振器損失を瞬時に
取り除くと、それまで蓄積されていたエネルギーか放出
され、結果的に連続発振出力よりも１０３倍程慶大きな
パルス出力が得られる。このＱスイッチ動作を繰返す事
により、最高で５０　ｋＨｚ程度のパルス周波数か可能
となる。なおＱスイッチ９としては回転鏡、ポッケルス
セル、音響光学素子等が用いられる。パルス幅はパルス
周波数に若干の依存性を示すが、一般に制御は困難であ
る。

■ノーマルパルス（第４ｂ図） フラッシュランプ１０のパルス光によってＹＡＧロッド
７を一定周期で繰返し励起し、パルス光の強度、パルス
幅等に応じた繰返しパルス発振を行う。発振周波数はフ
ラッシュランプ１０のパルス発光周波数によって決定さ
れ、最高２００　ｐｐｓ（Ｈｚ）程度である。ランプ電
流波形の制御により、レーザパルス幅を制御する事が出
来る。

ＹＡＧレーザのパルス発振方式は以北の２つに大別され
るが、第１表に示したように得られるパルスの特性（パ
ルスエネルギー、パルス幅、周波数）も異なるために、
それぞれ異なる加工分野に応用されている。即ち、高い
パルスピーク値（１０〜５０ｋｗ）と短いパルス幅（１
００〜５００ｎｓ　）が得られるＱスイッチパルスはス
クライビング、トリミング等の高速除去加工に用いられ
るのに対し、比較的ピーク値が低く（〜１０ｋｗ）、長
いパルス幅（０，１〜２０ｍ５）が得られるノーマルパ
ルスは溶接、穴開は等の溶融加工に使用される。

［発明が解決しようとする課題］ 前記のごとく、パルスＹＡＧレーザを用いて溶融加工を
行う場合には、繰返し周波数が比較的遅いノーマルパル
スを用いなければならず、加工処理速度に上限か生じる
。

そこで本発明は、上記に示した従来のパルスＹＡＧレー
ザの短所を解決しうる、新しいＹＡＧレーザの発振方法
と発振装置を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決し、高
繰返しパルスＹＡＧレーザを用い、高速で溶融加工を行
うためになされたものであって、その要旨とするところ
は、 ランプを用いた光励起型のレーザ発振方法において、ア
ークランプを用い発振閾条件まで連続光励起し、ランプ
にパルス電流を重畳する事により、またはこねに更に光
共振器のＱ値を上げ、発振閾電流を大きくする事により
パルス励起し、レーザ出力のパルス出力が１〜２０ｍＪ
／パルス、周波数１〜５０　ｋＨｚ、パルス幅１〜１０
μｓｅｃに変調可能なレーザを発振するパルスレーザ発
振方法と、ランプを用いた光励起型のレーザ発振装置に
おいて、ランプに対してそれぞれ並列に接続されたラン
プ点火用トリガー回路及びシマー電源回路と、かつ互い
の干渉を抑制するためランプに並列に接続されたパルス
トランスを介して結合されているパルス電流回路とを備
えた事を特徴とするパルスレーザ発振装置にある。

［作用］ 第１図に本発明によるレーザ全県器の励起用ランプ電源
回路のブロックダイアダラムを示す。ランプには点火用
トリガー発生回路、シマー電源回路、パルス電流回路が
並列に接続されている。以下に各ブロックの機能を示す
。

・ＳＣＲ制御回路定電流制御部１ ランプにシマー電流を供給する。これによりランプの導
通状態を維持し、かつＹＡＧロッドをレーザ発振閾値近
くまで励起する。

・トリガー発生回路２ ランプ点灯開始時に、ランプに放電経路を形成させるた
めの高圧トリガーを発生する。

・ブースト電圧発生回路３ トリガーにより形成したランプ内の放電経路を、シマー
電源が立上るまでの間維持するブースト電圧を供給する
。

・パルス発振部４、ＦＥＴ　５及びパルストランス６（
ＰＴ） ランプに供給するパルス電流を制御する。パルス電流は
ＦＥＴ　５により制御し、パルストランス６（ＰＴ）を
経てランプに供給される。

・逆電流防止用ダイオード（ＤＩ、Ｄ２）シマー電源部
及びパルス電源部の保護用ダイオード ・バラスト抵抗（Ｒ１） パルス電流の放電によるランプインピーダンス変動に対
し、シマー電流を安定化する。

・真空リレー（ＲＹＩ） ランプ点灯時のトリガーパルス及びブースト電圧に対し
、パルス電源部をシマー電源部から遮断、保護する。

次に、本発明によるレーザのパルス発振原理について説
明する。パルス発振の基本原理そのものはノーマルパル
ス方式と類似ぞあるが、本発明においてはＹＡＧロッド
は予めシマー電流によってレーザ発振閾値付近にまで励
起されている。このため本発明では、従来のノーマルパ
ルス方式に比べ低いパルス電流値を重畳する事により、
パルス発振を達成出来る。更にランプ内には常に放電路
が形成されており、低インピータンス状態で発光可能の
ため、ランプ印加電圧も同時に低くする事が出来る。即
ち、パルス出力と周波数を一定と考えた場合、ランプに
人力されるエネルギーの平均値は減少する。したがって
本発明によれば、ランプの人力制限内において、パルス
電流の繰返し周波数を上げる事が可能となる。

更に本発明においては、光共振器用力ミラーの透過率を
変化させ、共振器のＱ値によってレーザ発振閾値を変化
させる事が出来、これによってレーザ全体の励起状、聾
を制御する事が出来る。

また第１図では、１本のランプにシマー電流とパルス電
流を重畳して供給する場合を示したが、更に第８図に示
すように、こわらシマー電流とパルス電流を重畳して供
給ざｊる２本のランプによってＹＡＧロッドを励起した
場合には、ランプ１本の場合よりも励起入力が増加し、
その結果高いレーザ出力が得られる。

［実施例］ ここでは第１図に示したランプ電源回路を用いて、実際
にＹＡＧレーサをパルス発振させた結果について具体例
をあげて説明する。

電源回路ににｒアークランプを接続し、ランプを楕円集
光器の内部にＹＡＧロットと平行に設置した。同装置を
用いて、ランプ励起条件、共振器条件を変化させてレー
ザ発振を行った結果を、第２表にまとめて示す。

■てはシマー電流２０Ａ（発振閾値１８Ａ　）　、パル
ス電流＋５０Ａ、パルス電流幅ｓ　ｕｓｅｃ、パルス電
流周波数１０ｋＨｚの励起条件下で、レーザのパルスピ
ーク値０．８　ｋｗ、パルス半値幅４　ｊＪｓｅｃ、周
波数１０ｋＨｚか得られた。次に■、■はパルス電流値
、パルス電流幅をそれぞれ変化させた場合である。パル
ス電流値を■よりも増加させた■では、パルスピーク値
も上昇する。また■はパルス電流値を増加させた例であ
り、これによりレーザパルス幅を大きくする事が出来る
。このように本発明では、パルス電流条件によってレー
ザのパルス発振形態を制御する事が可能であり、パルス
ピーク値、パルス幅の最大値はそれぞれｌｋｗ、１０μ
ｓｅｃ程度である。

更に■は、■の条件から共振器出力ミラー（ウィンドウ
）の透過率を上げた場合である。この結果発振閾値は増
加し、■よりも高いシマー電流条件下でパルスピーク値
、パルス幅はそれぞれ増大、小さくなる傾向を示した。

したかって本発明では、共振器条件によってもレーザパ
ルス発振形態を制御出来る。

次に本発明によるパルスレーザを用いた応用加工例につ
いて報告する。第５ｂ図は加工エネルギー源にレーザを
用いた、圧延ロールのダル加工装置を示したものである
。ダル加工とは冷延鋼板製造プロセスにおいて、その表
面に微小な凹凸を有する圧延ロールを用いて鋼板を圧延
する事により、鋼板表面に粗度（粗さ）を付与する加工
である。鋼板粗度は鋼板の加工性、塗装鮮映性と密接な
関係を持つ事が知られている。そのため、近年において
特開昭５４−６１０４３号公報に示されたごとく、ダル
加工のエネルギー源として制御性に優れたレーザ光を用
いたレーザダル加工法が注目されるに至フている。

実施例ではレーザ発振器１６に、ｉ）ＱスイッチＹＡＧ
レーザ（平均出力１００Ｗ）　、或いは　ｉｉ）本発明
によるパルスＹＡＧレーザのいずれかを用いて、ダル加
工結果の比較検討を行フた。いずれの場合においてもレ
ーザ光りは複数のベンディングミラー１７及び集光レン
ズ１８を経てロール表面１９に照射される。レーザ光照
射ヘッド２０はロール軸方向に送り装置（図示しない）
により送られる。レーザ光照射ヘッド２０の先端にはガ
スＧが噴出するノズルが設けられ、窒素、アルゴン、酸
素等のガスがガス供給装置（図示しない）から供給され
る。

次に、上記のように構成された装置により、ロール表面
１９のダル加工を行う方法について説明する。ロールを
定速で回転させながら、その表面に第５ａ図に示した一
定周波数Ｆで発娠させたパルスレーザ光りを照射する。

このときレーザ光りのピーク値Ｐｐ、パルス幅Ｔｐ及び
ガスＧの圧力、吹付角度等を適当に選ぶ事によって、第
６図に示したようなりレータ状のモチーフを形成出来る
。このモチーフのリング状突起部分２１は、ｌｚ−ザ照
射によるロール母材２２の溶融物が、レーザ照射終了後
に急速に再凝固する事によって形成される。したがって
、このリング状突起物２１の形状等を制御するには、レ
ーザ照射時の溶融現象を制御する事が必要である。

第３表は前記のｉ）　、　ｉｔ）の各場合について、レ
ーザ加工条件と加工結果（リング状モチーフの形状）を
対比して示したものである。表中■、■では、レーザ発
振器１６の形式は異なるものの、レーザパルスの照射時
間（パルス幅）　Ｔｐ以外の加工条件はほぼ同一である
。加工結果を比較すると、■よりも■の方がリング状突
起物２１の高さが高い事が解る。更に■では■と同じレ
ーザ発振器１６を用い、パルス幅Ｔｐを更に広くした場
合であるが、突起物２１の高さは■の場合よりも更に大
きくなる。

以上の加工結果から以下の事が判明した。

・■→■→■とレーザパルス幅Ｔｐの増大に伴い、溶融
再凝固物の形成が促進される。

・本発明によるパルスＹＡＧレーザでは、パルス幅Ｔｐ
を制御する事により溶融再凝固物の形状を制御出来る。

一集光レンズ焦点距離：５０ｍ　　・加工ガス：酸素レ
ーザダル加工においては、ロール表面の溶融再凝固物の
形状制御により、最終的に得られる圧延鋼板の粗度を制
御する事が可能となる。したがって本発明によるパルス
ＹＡＧレーザを用いたレーザダル加工装置では、溶融加
工に適したパルス照射時間を達成出来ると同時に、パル
ス幅を制御する事により従来のＱスイッチＹＡＧレーザ
を用いた装置に比較して、鋼板の粗度制御性が大幅に向
上する。

［発明の効果コ 本発明により、高繰返ｂパルスＹＡＧレーザを用いて、
溶融加工を従来よりも高速で行う事が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるパルスレーザ発振器の励起用ラン
プ電源回路のブロックダイアグラム、第２図はレーザ照
射条件とレーザ加工の関係を示すグラフ、第３ａ図、第
３ｂ図、第３ｃ図はそれぞれ時間領域におけるレーザ全
県形態の種類を示すグラフ、第４ａ図及び第４ｂｉｌは
パルスＹＡＧレーザの構造を示す模式図、第５ａ図、第
５ｂ図はレーザダル加工装置の模式図、第６図はレーザ
照射後にロール表面に形成されるモチーフ形状の断面図
と平面図、第７ａ−図は励起用ランプの電流波形図、第
７ｂ図はレーザの発振出力波形図、第８図は本発明実施
例である２本のランプを用いたレーザの構造を示す模式
図である。 １・・・ＳＣＲ制御回路定電流制御部、２・・・トリガ
ー発生回路、３・・・ブースト電圧発生回路、４・・・
パルス発振部、５・・・ＦＥＴ、６・・・パルストラン
ス、７・・・ＹＡＧロッド、８・・・アークランプ、９
・・・Ｑスイッチ、１０・・・フラッシュランプ、１１
・・・楕円集光器、１２・・・共振器リアミラー、１３
・・・共振器出力ミラー、１４・・・定電流ランプ電源
、１５・・・パルス電流ランプ電源、１６・・・レーザ
発振器、１７・・・ベンディングミラー、１８・・・集
光レンズ、１９・・・ロール表面、２０・・・レーザ照
射ヘツド、２１・・・リング状突起物、２２−・・ロー
ル母材。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．ランプを用いた光励起型レーザ発振方法において、
   アークランプを用い発振閾条件まで連続光励起し、更に
   ランプにパルス電流を重畳することによりパルス励起し
   、レーザ出力のパルス出力が１〜２０ｍＪ／パルス、周
   波数１〜５０ｋＨｚ、パルス幅１〜１０μｓｅｃに変調
   可能なレーザ光を発振する事を特徴とするパルスレーザ
   発振方法。
2. ２．ランプを用いた光励起型レーザ発振方法において、
   アークランプを用い発振閾条件まで連続光励起し、ラン
   プにパルス電流を重畳し、更に光共振器のＱ値を上げ、
   発振閾電流を大きくする事によりパルス励起し、レーザ
   出力のパルス出力が１〜２０ｍＪ／パルス、周波数１〜
   ５０ｋＨｚ、パルス幅１〜１０μｓｅｃに変調可能なレ
   ーザ光を発振する事を特徴とするパルスレーザ発振方法
   。
3. ３．２本のランプを用いてレーザ発振する請求項１また
   は２記載のパルスレーザ発振方法。
4. ４．ランプを用いた光励起型のレーザ発振装置において
   、ランプに対してそれぞれ並列に接続されたランプ点火
   用トリガー回路及びシマー電源回路と、かつ互いの干渉
   を抑制するためにランプに並列に接続されたパルストラ
   ンスを介して結合されているパルス電流回路とを備えた
   事を特徴とするパルスレーザ発振装置。