JPH05198882A

JPH05198882A - Ｑスイッチレーザ装置

Info

Publication number: JPH05198882A
Application number: JP746192A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Niitsuma; 正行新妻
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1992-01-20
Publication date: 1993-08-06
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JP2973673B2

Abstract

(57)【要約】【目的】第１パルスの尖頭値を下げ、繰り返し周波数
が高い場合でも尖頭値の安定したレーザ出力を得られる
ようにする。【構成】レーザ励起手段２により励起されるレーザ媒
体１に対し、全反射鏡４ａおよび出力鏡５ａを配置して
第１の共振器を構成したＱスイッチレーザ装置におい
て、さらに全反射鏡４ｂ，出力鏡５ｂおよび部分透過鏡
７ａ，７ｂからなる第２の共振器を設け、Ｑスイッチパ
ルスがオフのときにこの第２の共振器を介して反転分布
エネルギーを放出することにより、尖頭値がほぼ一定な
Ｑスイッチパルスを得られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、尖頭値の極めて高い
Ｑスイッチレーザパルスを集光することにより得られる
熱エネルギーによって金属，半導体またはプラスチック
などを蒸発，溶融，変色させてマーキングするレーザマ
ーキング装置や、薄膜抵抗トリミング装置などに利用し
て好適なＱスイッチレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１）Ｑスイッチを使用した固体レーザ装
置は、尖頭値の高いレーザパルスによりマーキングやト
リミングなどの精密加工に利用されているが、このＱス
イッチレーザパルスは、レーザ共振器内で発振をオフさ
せている間に蓄積されるレーザ媒体内の反転分布エネル
ギーを、発振オンと同時に一挙に放出することによって
発生する高ピークのレーザパルスである。なお、反転分
布エネルギーは発振オフで徐々に増加し、０．５〜１．
ｍｓでほぼ飽和する。Ｑスイッチの繰り返し周波数が２
ＫＨｚ以上である場合、反転分布エネルギーは飽和には
至らずに低くなっている。そして、反転分布エネルギー
が大きいほどレーザパルスも大きくなるため、Ｑスイッ
チの繰り返し周波数を高くして使用する用途では、発振
オフの状態からオンになった第１発目のＱスイッチパル
スの尖頭値が高く、この個所だけ大きな加工痕跡を残
し、マーキングではその品質の悪化や、トリミングでは
基板の損傷を引き起こすなどのおそれがある。

【０００３】２）ところで、反転分布値は蓄積時の値が
大きいと放出時の値もより大きな値となるため、次に蓄
積される反転分布値は小さくなってその放出時の値も小
さくなり、結果的に反転分布値は交互に大小を繰り返
し、Ｑスイッチパルスの尖頭値も交互に大小を繰り返す
ことになる。このような現象はＱスイッチの繰り返し周
波数が高い程顕著となり、所望するＱスイッチパルス周
波数が得られないばかりでなく、加工が不安定となる。
そこで、従来は上記１）の問題を解決すべく、例えば特
公昭６３−３０７９１号に示すような方法が提案されて
いる（以下、従来方法１ともいう）。これは、Ｑスイッ
チパルスを発生させる直前にＱスイッチへの駆動電力を
低下させ、Ｑスイッチの印加損失を小さくして弱い連続
発振を起こさせ、飽和した反転分布エネルギーの一部を
放出することで、第１パルスの尖頭値を抑制するもので
ある。また、上記２）の問題を解決するための手法とし
ては、例えばレーザ媒体，出力鏡および全反射鏡との光
軸を僅かに狂わせ、Ｑスイッチパルス発生時の反転分布
値を適度にするものがある（以下、従来方法２ともい
う）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来方
法１ではＱスイッチへの駆動電力を低下させて弱い連続
発振を起こさせるようにしているため、この弱い連続発
振によって加工物が熱的に物性が変化し易いプラスチッ
ク等ではダメージとなるおそれがある。また、Ｑスイッ
チの繰り返し周波数が高い場合の、Ｑスイッチパルス尖
頭値の変動を抑制することができず、安定な加工ができ
ないという問題がある。一方、従来方法２では特定の周
波数の場合にしか適用できず、実用的でないという問題
がある。したがって、この発明の課題は第１パルスの尖
頭値を下げるとともに、繰り返し周波数の高いＱスイッ
チでも尖頭値が安定したレーザ光を発生し得るようにす
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、第１の発明では、励起手段にて励起されるレー
ザ媒体を挟むように全反射鏡および出力鏡を配置して共
振系を構成し、この共振系の光軸上に音響光学的Ｑスイ
ッチを設けて前記出力鏡よりＱスイッチパルスを取り出
すＱスイッチレーザ装置において、前記全反射鏡および
出力鏡とは別の第２の全反射鏡および第２の出力鏡を設
けるとともに、これら第２の全反射鏡および第２の出力
鏡と前記レーザ媒体との光軸上にこのレーザ媒体を挟む
ように１対の部分透過鏡を配置して第２の共振系を構成
し、前記Ｑスイッチパルスが発生していないときのレー
ザ媒体の反転分布エネルギーが一定となるよう、前記第
２の共振系によってエネルギーを放出し、Ｑスイッチパ
ルスの第１パルス発振に寄与する反転分布量を低く抑え
て第１パルスの尖頭値を抑制し、尖頭値がほぼ一定なＱ
スイッチパルスを得ることを特徴としている。

【０００６】第２の発明では、励起手段にて励起される
レーザ媒体を挟むように全反射鏡および出力鏡を配置し
て共振系を構成し、この共振系の光軸上に音響光学的Ｑ
スイッチを設けて前記出力鏡よりＱスイッチパルスを取
り出すＱスイッチレーザ装置において、前記出力鏡とは
別の第２の出力鏡、さらには部分透過鏡を設けるととも
に、前記レーザ媒体と全反射鏡，第２の出力鏡および部
分透過鏡からなる第２の共振系を構成し、前記Ｑスイッ
チパルスが発生していないときのレーザ媒体の反転分布
エネルギーが一定となるよう、前記第２の共振系によっ
てエネルギーを放出し、Ｑスイッチパルスの第１パルス
発振に寄与する反転分布量を低く抑えて第１パルスの尖
頭値を抑制し、尖頭値がほぼ一定なＱスイッチパルスを
得ることを特徴としている。

【０００７】第３の発明では、第１または第２の発明に
おいて、前記第２の共振系内に第２の音響光学的Ｑスイ
ッチを設け、既に設けられている音響光学的Ｑスイッチ
の繰り返し周波数に応じて前記第２の音響光学的Ｑスイ
ッチの駆動電力を変化させることを特徴としている。第
４の発明では、第１または第２の発明において、前記第
２の共振系内に第２の音響光学的Ｑスイッチを設け、既
に設けられている音響光学的Ｑスイッチによるパルスが
発生していない間に、所定の繰り返し周波数で前記第２
の音響光学的Ｑスイッチを駆動することを特徴としてい
る。

【０００８】

【作用】Ｑスイッチパルスの停止期間中にレーザ媒体内
に蓄積される反転分布量を、その停止期間中にそのレー
ザ媒体を共有する別の共振系で放出し、その放出量を制
御することで反転分布量をほぼ一定としてＱスイッチパ
ルスの尖頭値を安定化させ、実用性を高める。

【０００９】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例を示す構成図で
ある。同図において、１はレーザ媒体、２は励起ラン
プ、３はキャビティ（収納器）、４ａ，４ｂは第１，第
２反射鏡、５ａ，５ｂは第１，第２出力鏡、６ａは第１
Ｑスイッチ、７ａ，７ｂは第１，第２部分透過鏡、８は
レーザ吸収器、９ａはミキサー、１０ａは増幅器、ＨＰ
は高周波電力、ＭＳは変調信号、ＲＳはレーザ光（単に
レーザともいう）、ＱＰはＱスイッチパルスをそれぞれ
示している。すなわち、第１の全反射鏡４ａと第１の出
力鏡５ａとの間に配置されるレーザ媒体１は、これに励
起ランプ２からの光を効率良く集光させるためのキャビ
ティ３に収納されている。第１の全反射鏡４ａは通常９
９．８％以上の反射特性を有し、第１の出力鏡５ａは９
０％反射で１０％透過のものが用いられる。第１の出力
鏡５ａ，第１の全反射鏡４ａおよびレーザ媒体１にて第
１の共振器または共振系が構成されてレーザの増幅が行
なわれ、第１の出力鏡５ａからレーザが出力される。さ
らに、第１の全反射鏡４ａと第１の出力鏡５ａとの間に
は、これらの光軸上にレーザ媒体１を挟むように第１の
部分透過鏡７ａと第２部分透過鏡７ｂとが配置される。
これらの部分透過鏡７ａ，７ｂによる部分反射光は、第
２出力鏡５ｂおよび第２の全反射鏡４ｂとレーザ媒体１
とで第２の共振器を構成するように、その光軸が調整さ
れている。

【００１０】また、第１の部分透過鏡７ａと第１の出力
鏡５ａとの間には、第１Ｑスイッチ６ａが配置される。
このＱスイッチ６ａは溶融石英等の結晶に圧電素子を接
着させ、その圧電素子に数１０ＭＨｚの高周波電圧を印
加することにより、光路を変えるようにしている。そし
て、高周波電力ＨＰと変調信号ＭＳとをミキサー９ａに
より合成し、増幅器１０ａにより増幅した信号でＱスイ
ッチ６ａを制御することにより、レーザ発振のオン，オ
フを制御する。レーザ発振がオフの間も励起ランプ２は
連続点灯しており、これによってレーザ媒体１にはエネ
ルギーが蓄積され、反転分布エネルギーが増加する。大
きくなった反転分布エネルギーは、変調信号オンと同時
にＱスイッチによる光路変化が解除され、発振が起こ
る。このように、Ｑスイッチのオン，オフによりピーク
値の高いレーザ出力、いわゆるＱスイッチパルスが出力
されることになる。

【００１１】図２はＱスイッチレーザ装置の動作を説明
するための波形図である。これは、図１から第２反射鏡
４ｂ、第２出力鏡５ｂ、第１，第２部分透過鏡７ａ，７
ｂおよびレーザ吸収器８を省略した図３の如き従来装置
と比較して説明するためのもので、従来装置による反転
分布波形例を同図（ロ）に、そのＱスイッチパルス波形
例を同図（ハ）に示す。すなわち、図３の装置で図２
（イ）の如き変調パルスが与えられない時刻ｔ０以前に
は、反転分布エネルギーは同図（ロ）に示すように飽和
状態で高いレベルにある。その後、第１発目の変調パル
スによって発振が起こると、Ｑスイッチパルスの第１発
目は同図（ハ）にＰ１で示すように通常のピーク値より
も高いパルスとなる。

【００１２】これに対し、図１に示す実施例ではＱスイ
ッチ６ａがオフの間、第１の出力鏡５ａと第２反射鏡４
ｂとの間での発振が停止している状態でも、反転分布エ
ネルギーが徐々に蓄積され、第２の部分透過鏡７ｂおよ
び第２の全反射鏡４ｂで構成される共振しきい値を越え
ると発振が起こる。この発振は部分透過鏡７ａ，７ｂを
通してレーザ吸収器８に導かれ、熱となって消失する。
上記第２の全反射鏡４ｂで構成される共振しきい値は一
定であることから、連続（ＣＷ）発振が開始される反転
分布の値はほぼ一定となり、図２（ニ）にＱ１〜Ｑ６，
Ｑ７〜Ｑ１２で示すようにＱスイッチパルスの出力はほ
ぼ一定となる。なお、Ｑ１〜Ｑ６は繰り返し周波数が比
較的低い場合のＱスイッチパルスを示し、Ｑ７〜Ｑ１２
は繰り返し周波数が比較的高い場合のＱスイッチパルス
を示している。

【００１３】図４にこの発明の第２の実施例を示す。こ
の実施例は同図からも明らかなように、図１に示すもの
から第２部分透過鏡７ｂおよび第２反射鏡４ｂを削除し
て構成される。すなわち、第１の全反射鏡４ａ，第１出
力鏡５ａおよびレーザ媒体１からなる第１の共振系の光
軸上に、第１部分透過鏡７ａおよび第２出力鏡５ｂとか
らなる第２の共振器を配置したものである。このように
しても、図１の場合と同じく図２（ホ）に示すように、
Ｑスイッチパルスをほぼ一定にすることができる。

【００１４】図５はこの発明の第３の実施例を示す構成
図、図６はその動作を説明するための波形図である。こ
の実施例は、図１または図４に示すものにおいて、第１
の部分透過鏡７ａと第２出力鏡５ｂとの間に第２のＱス
イッチ６ｂを設けた点が特徴で、レーザ媒体１と第１の
反射鏡４ａとは図示を省略されている。これは、変調パ
ルスＭＳの周波数に対応する電圧Ｖにより、例えば抵抗
Ｒを変化させるなどして増幅器１０ｃの増幅率を変化さ
せ、これに応じて高周波電力ＨＰ１を変化させたもの
を、増幅器１０ｂを介して第２のＱスイッチ６ｂに導く
ようにしたものである。ここに、第２のＱスイッチ６ｂ
は第２の出力鏡５ｂと図示されていないレーザ媒体１，
第１の反射鏡４ａとで構成される連続発振器のしきい値
を制御することができるようになっている。

【００１５】その結果、図６（イ）に示すような変調パ
ルスの周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３（ｆ３＞ｆ１＞ｆ２）に
応じて同図（ロ）のように第２のＱスイッチ６ｂの駆動
電力が変えられ、第２のＱスイッチパルスを同図（ハ）
のように変化させることができるので反転分布の値はほ
ぼ一定となり、図２（ニ）にＱ１〜Ｑ１２で示すように
Ｑスイッチパルスの出力はほぼ一定となる。特に、変調
パルスの周波数が高い場合、従来は図２（ロ）に示すよ
うに反転分布値に大小が生じ、ＱスイッチパルスではＰ
７〜Ｐ１２に示すような高低が生じていたが、この実施
例では反転分布が一定値を越えると連続発振を起こさせ
てこれを一定に保つことができるので、波高値一定のＱ
スイッチパルスを得ることができるというわけである。

【００１６】図７はこの発明の第４の実施例を示す構成
図、図８はその動作を説明するための波形図である。こ
の実施例は図５の場合と同じく第１の部分透過鏡７ａと
第２出力鏡５ｂとの間に第２のＱスイッチ６ｂを設け、
これに第２の変調パルスＭＳ１により変調される高調波
電力ＨＰ１を導くようにした点が特徴である。この第２
の変調パルスＭＳ１は図８（ロ）に示すように、同図
（イ）に示す第１の変調パルスＭＳが与えられていない
間に第２のＱスイッチ６ｂに与えられる。これにより、
第２のＱスイッチ６ｂからＱスイッチパルスを発生さ
せ、その出力をレーザ吸収器８に出力することにより、
レーザ媒体１による反転分布の値を同図（ハ）に示すよ
うにほぼ一定とするものである。

【００１７】

【発明の効果】この発明によれば、Ｑスイッチパルスの
停止期間中にレーザ媒体内に蓄積される反転分布量を、
その停止期間中にそのレーザ媒体を共有する別の共振系
で放出し、その放出量を制御することで反転分布量をほ
ぼ一定としてＱスイッチパルスの尖頭値を安定化させる
ようにしたので、プラスチックやモールドパッケージな
ど、熱に弱い材料に対するマーキングの場合でも第１パ
ルスの尖頭値が過大にならず、その結果、穴明けや焼け
のない高品質のマーキングが可能となる利点が得られ
る。また、高周波のＱスイッチパルスを使用した金属の
穴明けや変色加工において、Ｑスイッチパルスの出力が
一定になることから、むらのない優れた加工が可能とな
る利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示す装置と従来装置とを比較して説明す
るための波形図である。

【図３】従来装置を示すブロック図である。

【図４】この発明の第２実施例を示すブロック図であ
る。

【図５】この発明の第３実施例を示すブロック図であ
る。

【図６】図５の動作を説明するための波形図である。

【図７】この発明の第４実施例を示すブロック図であ
る。

【図８】図７の動作を説明するための波形図である。

【符号の説明】

１…レーザ媒体、２…励起ランプ、３…キャビティ、４
ａ，４ｂ…反射鏡、５ａ，５ｂ…出力鏡、６ａ，６ｂ…
Ｑスイッチ、７ａ，７ｂ…部分透過鏡、８…レーザ吸収
器、９ａ，９ｂ…ミキサー、１０ａ，１０ｂ…増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起手段にて励起されるレーザ媒体を挟
むように全反射鏡および出力鏡を配置して共振系を構成
し、この共振系の光軸上に音響光学的Ｑスイッチを設け
て前記出力鏡よりＱスイッチパルスを取り出すＱスイッ
チレーザ装置において、前記全反射鏡および出力鏡とは別の第２の全反射鏡およ
び第２の出力鏡を設けるとともに、これら第２の全反射
鏡および第２の出力鏡と前記レーザ媒体との光軸上にこ
のレーザ媒体を挟むように１対の部分透過鏡を配置して
第２の共振系を構成し、前記Ｑスイッチパルスが発生し
ていないときのレーザ媒体の反転分布エネルギーが一定
となるよう、前記第２の共振系によってエネルギーを放
出し、Ｑスイッチパルスの第１パルス発振に寄与する反
転分布量を低く抑えて第１パルスの尖頭値を抑制し、尖
頭値がほぼ一定なＱスイッチパルスを得ることを特徴と
するＱスイッチレーザ装置。
【請求項２】励起手段にて励起されるレーザ媒体を挟
むように全反射鏡および出力鏡を配置して共振系を構成
し、この共振系の光軸上に音響光学的Ｑスイッチを設け
て前記出力鏡よりＱスイッチパルスを取り出すＱスイッ
チレーザ装置において、前記出力鏡とは別の第２の出力鏡、さらには部分透過鏡
を設けるとともに、前記レーザ媒体と全反射鏡，第２の
出力鏡および部分透過鏡からなる第２の共振系を構成
し、前記Ｑスイッチパルスが発生していないときのレー
ザ媒体の反転分布エネルギーが一定となるよう、前記第
２の共振系によってエネルギーを放出し、Ｑスイッチパ
ルスの第１パルス発振に寄与する反転分布量を低く抑え
て第１パルスの尖頭値を抑制し、尖頭値がほぼ一定なＱ
スイッチパルスを得ることを特徴とするＱスイッチレー
ザ装置。
【請求項３】前記第２の共振系内に第２の音響光学的
Ｑスイッチを設け、既に設けられている音響光学的Ｑス
イッチの繰り返し周波数に応じて前記第２の音響光学的
Ｑスイッチの駆動電力を変化させることを特徴とする請
求項１または２のいずれかに記載のＱスイッチレーザ装
置。
【請求項４】前記第２の共振系内に第２の音響光学的
Ｑスイッチを設け、既に設けられている音響光学的Ｑス
イッチによるパルスが発生していない間に、所定の繰り
返し周波数で前記第２の音響光学的Ｑスイッチを駆動す
ることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載
のＱスイッチレーザ装置。