JPH06310795A - Q switch method for co2 laser - Google Patents

Q switch method for co2 laser

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JPH06310795A
JPH06310795A JP9342993A JP9342993A JPH06310795A JP H06310795 A JPH06310795 A JP H06310795A JP 9342993 A JP9342993 A JP 9342993A JP 9342993 A JP9342993 A JP 9342993A JP H06310795 A JPH06310795 A JP H06310795A
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井 辰 彦 坂
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Abstract

PURPOSE:To obtain a laser pulse train having pulse peak outputs variable at the period of pumping discharge pulse by outputting a pulse laser light obtained directly from pulse discharge and a pulse laser light obtained after oscillation thereof. CONSTITUTION:A laser oscillator is constituted of a total reflection mirror 6 and a partial transmission mirror 7. A Q switch device, i.e., a rotary chopper 8, is disposed in a laser resonator along with a cofocal telescopic lens 9 for performing Q switching at a high rate. A slit detector 1 generates a repetitive signal for opening/closing the slit of the rotary chopper 8. A frequency division circuit 2 divides the frequency of the repetitive signal. A delay pulse generating circuit 3 generates a pulse signal using an output signal from the frequency division circuit 2 as a drive trigger signal. A laser pumping power supply 4 can perform pulse modulation at the repetitive frequency and generates a pulse voltage for pumping a laser medium.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属の溶接あるいは切
断,レーザ光化学等で用いられるパルスQスイッチCO
2レーザにおいて、時間的な入熱パターンを制御し、レ
ーザ照射効果を向上させるため、パルスレーザ光のピー
ク出力を数十μsオーダーの周期で制御するCO2レーザ
のQスイッチ方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pulse Q switch CO used for welding or cutting metal, laser photochemistry and the like.
The present invention relates to a CO 2 laser Q-switch method for controlling the peak output of pulsed laser light at a cycle of several tens of μs in order to control the heat input pattern over time in two lasers and improve the laser irradiation effect.

【0002】[0002]

【従来の技術】パルス発振CO2レーザは、高密度のエ
ネルギーを短時間の内に気体,固体等に照射することが
可能であり、従来、連続波CO2レーザでは難しかった
レーザ熱加工または非熱的なレーザ光化学への適用が可
能である。例としてAl,Cu等の難加工金属の加工
や、赤外多光子解離反応を利用したC,N,O等のレー
ザ同位体分離が挙げられる。
2. Description of the Related Art A pulsed CO 2 laser is capable of irradiating a gas, a solid or the like with a high density of energy in a short time, and it has been difficult to perform laser thermal processing or non-thermal treatment which has been difficult with a continuous wave CO 2 laser. It can be applied to thermal laser photochemistry. Examples include processing of difficult-to-process metals such as Al and Cu, and laser isotope separation of C, N, and O using infrared multiphoton dissociation reaction.

【0003】CO2レーザにおいてパルスレーザ光を得
るためには、一般的には、TEA(横方向励起大気圧動
作)方式が用いられ、ピーク出力として50MW以上が比較
的容易に得られる。この様な大きなピーク出力が得られ
ることから特にレーザ光化学の研究では一般的に用いら
れてきた。しかしレーザガスを励起するために100kV以
上の高電圧のパルス放電を行うことから、ガスの劣化,
電極の消耗が激しく、また高ピークパルスレーザ光を透
過する窓部材に損傷が発生しやすい。その結果TEA
CO2レーザはランニングコストおよび信頼性の面で工
業応用には問題がある。
In order to obtain a pulsed laser beam in a CO 2 laser, a TEA (transverse excitation atmospheric pressure operation) system is generally used, and a peak output of 50 MW or more can be obtained relatively easily. Since such a large peak output can be obtained, it has been generally used especially in the study of laser photochemistry. However, since high-voltage pulse discharge of 100 kV or more is performed to excite the laser gas, the gas deterioration,
The electrodes are heavily worn, and the window member that transmits the high peak pulse laser light is easily damaged. As a result TEA
CO 2 lasers have problems in industrial application in terms of running cost and reliability.

【0004】そこでパルスCO2レーザ光を得るもう一
つの方法としてQスイッチ法がある。この手法は連続発
振を行うレーザ装置を用いてパルスレーザ光を得るパル
スレーザ発振の基本的な技術である。連続波CO2レー
ザは、現在広く産業応用に用いられていることからもわ
かるように、ランニングコストおよび信頼性の双方でT
EA CO2レーザを大きく凌駕している。従ってQスイ
ッチCO2レーザはパルス発振CO2レーザの応用技術の
工業化に適したレーザ装置である。
Therefore, there is a Q-switch method as another method for obtaining pulsed CO 2 laser light. This technique is a basic technique of pulsed laser oscillation in which pulsed laser light is obtained using a laser device that performs continuous oscillation. Continuous-wave CO 2 lasers are widely used in industrial applications at present, and as can be seen from the viewpoint of running cost and reliability, T
It greatly surpasses the EA CO 2 laser. Therefore, the Q-switched CO 2 laser is a laser device suitable for industrializing the application technology of the pulsed CO 2 laser.

【0005】CO2レーザのQスイッチの手法は例えば
文献IEEE J. Quantum Electronics,Vol.QE-4, p762,196
8にまとめられており、その代表的な手法として電気光
学結晶,回転ミラー,回転チョッパを用いるものが挙げ
られる。これらの手法の中で円周上にスリットを持った
回転円盤を共振器内に挿入する回転チョッパ方式は、光
軸上に設けた等価的な光シャッタを機械的に開閉するQ
スイッチ手法であり、装置が比較的簡単でまた高平均出
力動作でも安定なレーザ発振が可能であり、Qスイッチ
CO2レーザの工業応用を考えた場合最適なQスイッチ
手法である。
A method of Q-switching a CO 2 laser is described in, for example, the document IEEE J. Quantum Electronics, Vol.QE-4, p762,196.
It is summarized in Section 8, and a typical method is to use an electro-optic crystal, a rotating mirror, and a rotating chopper. Among these methods, the rotary chopper method in which a rotary disk having a slit on the circumference is inserted in the resonator is a Q that mechanically opens and closes an equivalent optical shutter provided on the optical axis.
This is a switching method, and the device is relatively simple, and stable laser oscillation is possible even at high average output operation, and is an optimal Q switching method when industrial application of the Q switch CO 2 laser is considered.

【0006】回転チョッパを用いた一般的なQスイッチ
CO2レーザは例えばGas Flow andChemical Lasers (GC
L) Conference Proceedings, Viena, 1988, Vol.1031,
SPIE, P48にあるように、直流放電によるレーザ励起方
法を採用し、10kHz以上の高パルス繰り返しで一定のピ
ーク出力を持ったパルス列を得るものである。
A general Q-switched CO 2 laser using a rotary chopper is, for example, Gas Flow and Chemical Lasers (GC
L) Conference Proceedings, Viena, 1988, Vol.1031,
As in SPIE, P48, the laser excitation method by DC discharge is adopted, and a pulse train with a constant peak output is obtained by high pulse repetition of 10 kHz or more.

【0007】ところで、QスイッチCO2レーザを難加
工材料の加工やレーザ光化学へ適用する際に、パルスレ
ーザ光のエネルギ−やピーク出力を数十μsオーダーの
周期で変化させ、時間的な入熱パターンを制御すること
ができれば、加工性能や反応効率等のレーザ照射効果が
大きく改善されることが最近明らかになってきた。例え
ば熱伝導率が高く、且つCO2レーザ波長に対して反射
率が高いためにレーザ加工が困難であったAlのレーザ
溶接が挙げられる。ここではピーク出力が数十μsで経
時的に減少する様な周期的レーザパルス群を用いて、ま
ずピーク出力の大きなパルスレーザ光で瞬時にAl表面
に微小な溶融スポットを作り、その点のレーザ光吸収率
を増加させ、後続の低ピーク出力のパルスレーザ光で高
効率にAlを溶接することが可能である。ここで前出の
QスイッチCO2レーザ装置の従来例では、平均的な放
電入力を調整することでパルスレーザ光のピーク出力を
制御することは可能である。
By the way, when the Q-switch CO 2 laser is applied to the processing of difficult-to-process materials and laser photochemistry, the energy and peak output of the pulsed laser light are changed at a cycle of several tens of μs, and the heat input with time is changed. It has recently become clear that laser irradiation effects such as processing performance and reaction efficiency can be greatly improved if the pattern can be controlled. For example, there is laser welding of Al, which is difficult to perform laser processing because of its high thermal conductivity and high reflectance for the CO 2 laser wavelength. Here, by using a periodic laser pulse group whose peak output decreases with time of several tens of μs, a minute melting spot is instantly created on the Al surface with a pulsed laser light with a large peak output, and the laser at that point is generated. It is possible to increase the light absorption rate and to weld Al with high efficiency by the subsequent pulsed laser light having a low peak output. Here, in the conventional example of the Q-switch CO 2 laser device described above, it is possible to control the peak output of the pulsed laser light by adjusting the average discharge input.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし電源の入力調整
速度には限界があり、照射効果を改善するために要求さ
れるような、短時間でのピーク出力制御は不可能であっ
た。
However, the input adjustment speed of the power source is limited, and it is impossible to control the peak output in a short time as required for improving the irradiation effect.

【0009】本発明の目的は、難加工材料の加工,レー
ザ光化学等で用いられるQスイッチCO2レーザ装置に
おいて、レーザ光照射効果を向上させるために要求され
る数十μsオーダーで経時的にパルスレーザ光のピーク
出力が減少する周期的レーザパルス群を簡便な装置構成
で得るQスイッチ方法を提供することにある。
The object of the present invention is to provide a Q-switched CO 2 laser device used for processing difficult-to-process materials, laser photochemistry, etc., in order to improve the laser light irradiation effect by pulsing with time. It is an object of the present invention to provide a Q-switch method for obtaining a periodic laser pulse group in which the peak output of laser light is reduced with a simple device configuration.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、回転チョッパ
を用いてQスイッチ発振を行うCO2レーザ装置におい
て、レーザ媒質はCO2,N2を含む混合気体であり、且
つCO2とN2の各成分比は調整可能であり、当該レーザ
媒質は回転チョッパのスリットの開閉繰り返し信号を分
周した信号に同期してパルス変調された直流または高周
波の放電により励起され、1回のパルス励起放電終了か
ら次回のパルス励起放電開始までに少なくとも2回以上
回転チョッパのスリットが開閉されることにより、回転
チョッパのスリットの開閉繰り返し周期で発振し、且つ
ピーク出力が経時的に減少するレーザパルス群をパルス
放電周期で得るCO2レーザのQスイッチ方法である。
The present invention SUMMARY OF], in CO 2 laser apparatus for performing Q-switch oscillation using a rotary chopper, the laser medium is a mixed gas containing CO 2, N 2, and CO 2 and N 2 The component ratio of each is adjustable, and the laser medium is excited by direct-current or high-frequency discharge pulse-modulated in synchronism with a signal obtained by frequency-dividing the opening / closing repeating signal of the slit of the rotary chopper. By opening and closing the slit of the rotary chopper at least two times from the end to the start of the next pulsed excitation discharge, a laser pulse group that oscillates at the opening and closing repetition cycle of the slit of the rotary chopper and the peak output decreases with time is generated. This is a Q-switch method for a CO 2 laser obtained with a pulse discharge cycle.

【0011】[0011]

【作用】以下に、本発明の原理を説明する。図3はCO
2レーザの発振原理を説明するために示したCO2分子と
2分子の振動エネルギー準位の模式図である。CO2
子は対称伸縮モードn1,屈曲モードn2および非対称モー
ドn3の3つの振動モードを有し、その振動エネルギー準
位は(n1,n2,n3)で表される。CO2レーザの代表的な
発振波長である10.6μm帯での発振は(0 00 1)振動準
位をレーザ上準位とし、(1 00 0)振動準位をレーザ下
準位として反転分布を形成しレーザ発振を得るものであ
る。一方、N2分子も同様に振動準位を持ち、その第一
振動励起準位(V=1)はCO2レーザの上準位とほぼ同じ
エネルギ−レベルにあり、そのエネルギー差は放電中の
ガスの熱エネルギー分布よりも十分小さく、約18 〔1/c
m〕である。よってレーザ上準位にあるCO2分子と(V=
1)準位にあるN2分子間では、衝突により極めて効率よ
くエネルギーの移剰が起こる。よってCO2レーザ媒質
にN2を混合することにより放電励起期間中においてC
2レーザ上準位のより高効率な形成が行われる。また
2の(V=1)準位は準安定状態であることから励起寿命
はQスイッチCO2レーザの動作圧力程度では100μs以
上と比較的長く、一旦CO2レーザ発振が開始された後
はCO2レーザ上準位数密度の減少をエネルギー移剰に
より補うことが可能であり、N2分子はいわばCO2レー
ザ上準位形成のためのエネルギータンクの作用を持つ。
The principle of the present invention will be described below. Figure 3 is CO
FIG. 3 is a schematic diagram of vibration energy levels of CO 2 molecule and N 2 molecule shown for explaining the oscillation principle of two lasers. The CO 2 molecule has three vibration modes, a symmetric stretching mode n1, a bending mode n2, and an asymmetric mode n3, and the vibration energy levels thereof are represented by (n1, n2, n3). Oscillation in the 10.6 μm band, which is a typical oscillation wavelength of a CO 2 laser, is inverted with the (0 0 0 1) vibrational level as the laser upper level and the (1 0 0 0) vibrational level as the laser lower level. A distribution is formed and laser oscillation is obtained. On the other hand, the N 2 molecule also has a vibrational level, and the first vibrational excitation level (V = 1) is at almost the same energy level as the upper level of the CO 2 laser, and the energy difference between them is during discharge. It is much smaller than the heat energy distribution of gas, about 18 [1 / c
m]. Therefore, with CO 2 molecule in the upper level of the laser (V =
1) Between N 2 molecules in the level, energy transfer occurs extremely efficiently due to collision. Therefore, by mixing N 2 with the CO 2 laser medium, C is generated during the discharge excitation period.
More efficient formation of the upper level of the O 2 laser is performed. Since the (V = 1) level of N 2 is in a metastable state, the pump life is relatively long at 100 μs or more at the operating pressure of the Q-switch CO 2 laser, and once the CO 2 laser oscillation is started, It is possible to compensate the decrease in the number density of the CO 2 laser upper level by energy transfer, and the N 2 molecule has a function of an energy tank for forming the CO 2 laser upper level.

【0012】ここでN2からCO2へのエネルギー移剰時
定数は、分子間の衝突確率、すなわちレーザガスの圧力
によってほぼ決定される。文献Rev. Mod. Phys., 41, 2
6, 1969によると、その時定数の圧力依存係数は1.9×10
4/torr/secである。QスイッチCO2レーザの動作圧力
は一般に100torr以下であり、その時定数は10〜50μsと
比較的に長い。一方、QスイッチCO2レーザのパルス
時間幅は100〜300nsであることからN2からCO2へのエ
ネルギー移剰の効果は、パルスレーザ発振が終了した後
に顕著になる。すなわちN2からのエネルギー移剰の効
果は、Qスイッチパルス発振により消費されたレーザ上
準位にあるCO2分子数を補い、反転分布の再形成に寄
与するものである。従ってQスイッチCO2レーザ発振
過程においてN2は放電励起中のCO2レーザ反転分布の
高効率形成とレーザ発振により消費される反転分布の再
形成という二つの作用を持つ。
Here, the energy transfer time constant from N 2 to CO 2 is almost determined by the collision probability between molecules, that is, the pressure of the laser gas. Reference Rev. Mod. Phys., 41, 2
6, According to 1969, the pressure dependence coefficient of the time constant is 1.9 × 10
4 / torr / sec. The operating pressure of a Q-switch CO 2 laser is generally 100 torr or less, and its time constant is 10 to 50 μs, which is relatively long. On the other hand, since the pulse time width of the Q-switch CO 2 laser is 100 to 300 ns, the effect of energy transfer from N 2 to CO 2 becomes remarkable after the pulse laser oscillation is completed. That is, the effect of energy transfer from N 2 supplements the number of CO 2 molecules in the laser upper level consumed by the Q-switch pulse oscillation, and contributes to the reformation of population inversion. Therefore, in the Q-switched CO 2 laser oscillation process, N 2 has two functions of highly efficient formation of the CO 2 laser population inversion during discharge excitation and reformation of the population inversion consumed by laser oscillation.

【0013】ところでCO2レーザ媒質の励起方法とし
ては連続放電とパルス放電の二つがある。連続放電励起
をQスイッチCO2レーザに適用した場合、定常的に放
電が行われているためN2の二つの作用は同時に起こ
り、Qスイッチを行う瞬間には常に一定の反転分布量が
形成される。その結果一定のピーク値を持ったレーザパ
ルスが出力される。一方パルス放電励起では二つの作用
は明確に区別され、放電励起中に形成された反転分布量
と、その反転分布を用いてQスイッチ発振を行った後再
形成される反転分布量には、差が生じることになる。
There are two methods of exciting the CO 2 laser medium, continuous discharge and pulse discharge. When continuous discharge excitation is applied to a Q-switched CO 2 laser, two discharges of N 2 occur at the same time because the discharge is performed steadily, and a constant population inversion is always formed at the moment of Q-switching. It As a result, a laser pulse having a constant peak value is output. On the other hand, in pulse discharge excitation, the two effects are clearly distinguished, and there is a difference between the population inversion distribution formed during discharge excitation and the population inversion distribution that is re-formed after performing Q-switch oscillation using the population inversion. Will occur.

【0014】本発明では、以上説明した原理に基づき、
パルス放電により直接形成された反転分布から得られる
本来のQスイッチパルスレーザ光と、その発振後にN2
からのエネルギー移剰により再形成された反転分布を利
用して得られる後続のQスイッチパルスレーザ光を出力
でする構成とすることにより、パルスピーク出力が励起
放電パルスの周期で変化するレーザパルス列を得る。
In the present invention, based on the principle described above,
The original Q-switched pulse laser light obtained from the population inversion formed directly by the pulse discharge and N 2 after the oscillation.
A laser pulse train whose pulse peak output changes in the cycle of the excitation discharge pulse can be obtained by using a configuration in which the subsequent Q-switched pulsed laser light obtained by utilizing the population inversion regenerated by energy transfer from obtain.

【0015】以下に図1および図2を用いて、本発明の
Qスイッチ方法を詳細に説明する。図2に示す、Qスイ
ッチタイミングをモニタするためのスリット検出器1か
ら出力される、回転チョッパ8のスリット開閉繰り返し
信号(a)により分周回路2が駆動され分周信号(b)
を出力する。信号(a),(b)等は図1に示す。図1
には例として1/4分周の場合について図示してある。分
周信号(b)により遅延パルス発生回路3が駆動され
て、分周信号(b)に同期し且つ特定の遅延時間とパル
ス時間幅をもつパルス変調信号(c)を出力する。レー
ザ励起放電電源4においてパルス変調信号(c)により
レーザ励起放電電圧がパルス変調され、パルス変調放電
電圧(d)がレーザ媒質5に印加される。この電圧
(d)によるレ−ザ媒質5の放電により、CO2レーザ
の反転分布(e)が形成される。図1にはレーザ発振が
起こり得るためのしきい値反転分布(g)もあわせて示
した。
The Q-switch method of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 and 2. The frequency dividing circuit 2 is driven by the slit opening / closing repeating signal (a) of the rotary chopper 8 output from the slit detector 1 for monitoring the Q switch timing shown in FIG.
Is output. Signals (a), (b), etc. are shown in FIG. Figure 1
In the figure, as an example, the case of 1/4 frequency division is shown. The delayed pulse generation circuit 3 is driven by the frequency-divided signal (b) and outputs a pulse-modulated signal (c) which is synchronized with the frequency-divided signal (b) and has a specific delay time and pulse time width. The laser excitation discharge voltage is pulse-modulated by the pulse modulation signal (c) in the laser excitation discharge power supply 4, and the pulse modulation discharge voltage (d) is applied to the laser medium 5. By the discharge of the laser medium 5 by this voltage (d), the population inversion (e) of the CO 2 laser is formed. FIG. 1 also shows the population inversion distribution (g) for causing laser oscillation.

【0016】ここで遅延パルス発生回路3により分周信
号(b)とパルス変調信号(c)との間に任意の遅延時
間を設定し、パルス放電電圧(d)の終了タイミングと
回転チョッパ8のスリット開放タイミングを同期させ、
十分な反転分布が形成された時点でQスイッチを行うこ
とが可能である。この様なQスイッチ方法によりQスイ
ッチCO2レーザパルス列(f)が得られる。
Here, the delay pulse generation circuit 3 sets an arbitrary delay time between the frequency-divided signal (b) and the pulse-modulated signal (c), the end timing of the pulse discharge voltage (d) and the rotation chopper 8. Synchronize the slit opening timing,
Q-switching can be performed when a sufficient population inversion is formed. With such a Q-switch method, a Q-switch CO 2 laser pulse train (f) can be obtained.

【0017】次に、上述示したQスイッチ方法で得られ
るパルス励起放電の一周期tDの間に得られるレーザパ
ルス列f1,f2,f3,f4の発振機構について説明す
る。パルス放電(d)により初期反転分布量e1が形成
され、パルス放電(d)の終了直後の、回転チョッパ8
のスリット開放a1により第一のレーザパルスf1が得ら
れる。Qスイッチレーザパルスは、反転分布が発振しき
い値を下回る瞬間にそのパルスピーク値を取るため、こ
の第一レーザ発振によりQスイッチレーザパルスの時間
幅300ns以下の短時間の内に、反転分布は発振しきい値
(g)以下まで急激に減少する。一方準安定状態である
2分子の(V=1)準位は、100μs以上の寿命を持ってい
る。従って第一レーザ発振が終了した直後は、図3に示
されるCO2分子のレーザ上準位数密度とN2分子の(V=
1)準位数密度の間には大きな密度勾配が発生し、先に
説明したように10〜50μsの時定数でN2からCO2への
エネルギー移剰が起こる。その結果CO2分子のレーザ
反転分布は増加し、発振しきい値を越える反転分布e2
が再形成される。ここで第一レーザ発振から時間tQS
の第二のスリット開放a2により、第二パルスレーザ発
振f2が得られる。ここで再形成される反転分布量e
2は、パルス放電中に形成される反転分布量e1に比べ小
さいためf2のピーク出力はf1のそれに比べ小さくな
る。更に、第二パルスレーザ発振が終了した後、f2
同様の発振機構により第三,第四パルスレーザ発振
3、f4が得られる。
Next, the oscillation mechanism of the laser pulse trains f 1 , f 2 , f 3 and f 4 obtained during one period t D of the pulsed excitation discharge obtained by the Q switch method described above will be explained. The initial population inversion amount e 1 is formed by the pulse discharge (d), and the rotary chopper 8 immediately after the end of the pulse discharge (d).
The first laser pulse f 1 is obtained by the slit opening a 1 of. Since the Q-switch laser pulse has its pulse peak value at the moment when the population inversion falls below the oscillation threshold, the population inversion occurs within a short time of 300 ns or less in the time width of the Q-switch laser pulse due to this first laser oscillation. It sharply decreases below the oscillation threshold (g). On the other hand, the (V = 1) level of the N 2 molecule in the metastable state has a lifetime of 100 μs or more. Therefore, immediately after the completion of the first laser oscillation, as shown in FIG. 3 CO on 2 molecular laser of level number density and N 2 molecules (V =
1) A large density gradient occurs between the level number densities, and energy transfer from N 2 to CO 2 occurs with a time constant of 10 to 50 μs as described above. As a result, the laser population inversion of CO 2 molecules increases, and the population inversion e 2 exceeding the oscillation threshold value e 2
Are reformed. Here, the second pulse laser oscillation f 2 is obtained by the second slit opening a 2 after the time t QS from the first laser oscillation. Population inversion e reformed here
Since 2 is smaller than the population inversion amount e 1 formed during pulse discharge, the peak output of f 2 is smaller than that of f 1 . Furthermore, after the second pulse laser oscillation is completed, the third by the same oscillation mechanism and f 2, the fourth pulse laser oscillation f 3, f 4 is obtained.

【0018】以上説明したレーザ発振機構により、本発
明のQスイッチ方法では、回転チョッパ8のスリットの
開閉繰り返し周期tQSで発振し且つピーク出力が経時的
に減少する様なCO2レーザパルス群を、レーザ励起パ
ルス放電の周期tDで得ることが出来る。また本発明の
Qスイッチ方法では、1回のパルス放電励起で1回のQ
スイッチレーザパルスを得る方法ではほとんど利用され
ていなかったN2分子の(V=1)準位に蓄積されたエネル
ギーを有効に利用することが出来るため、同じ放電入力
に対して得られるレーザ出力が大きく、高効率なQスイ
ッチCO2レーザ発振を行えるという利点も有する。
With the laser oscillation mechanism described above, in the Q-switch method of the present invention, a CO 2 laser pulse group that oscillates at the opening / closing repetition cycle t QS of the rotary chopper 8 and whose peak output decreases with time is generated. , Laser excitation pulse discharge period t D can be obtained. Further, in the Q switch method of the present invention, one Q discharge is generated by one pulse discharge excitation.
The energy accumulated in the (V = 1) level of the N 2 molecule, which was hardly used in the method of obtaining the switch laser pulse, can be effectively used, so that the laser output obtained for the same discharge input is There is also an advantage that large and highly efficient Q-switched CO 2 laser oscillation can be performed.

【0019】また本発明のQスイッチ方法は、回転チョ
ッパを用いた従来のQスイッチ方法と同様に、回転チョ
ッパ8の回転速度を変えることでパルス繰り返し周期t
QSを制御することが可能であり、また分周回路2による
分周比率も当然自由に選ぶことができるため、N2分子
中にレーザ発振しきい値を越えるだけの反転分布を再形
成できるエネルギーが持続する間はtQSとtDをそれぞ
れ任意に選択することができ、これによりパルス励起放
電の一周期内に含まれるレーザパルス数を自由に制御す
ることが可能である。
Further, in the Q switch method of the present invention, similar to the conventional Q switch method using the rotary chopper, the pulse repetition period t is changed by changing the rotation speed of the rotary chopper 8.
Since QS can be controlled and the frequency dividing ratio by the frequency dividing circuit 2 can be selected freely, energy that can reform the population inversion enough to exceed the laser oscillation threshold in N 2 molecules. There during sustained can be selected arbitrarily t QS and t D, respectively, it is possible to thereby freely control the number of laser pulses contained in one cycle of the pulse excitation discharge.

【0020】更に、パルス励起放電の一周期内でのパル
スのピーク出力の変化は本発明の原理から考えてN2
子に蓄えられるエネルギー、すなわち(V=1)準位にあ
るN2分子数、に依存する。従って図4に示すように、
レーザ媒質の成分組成におけるN2の相対的比率を変え
ることにより、パルスピーク出力の減少率を調整し、多
様なピーク出力変化を持ったレーザパルス列を出力する
ことが可能である。
Further, the change in the peak output of the pulse within one cycle of the pulse excitation discharge is the energy stored in the N 2 molecule in view of the principle of the present invention, that is, the number of N 2 molecules in the (V = 1) level. , Depends on. Therefore, as shown in FIG.
By changing the relative ratio of N 2 in the component composition of the laser medium, it is possible to adjust the reduction rate of the pulse peak output and output a laser pulse train having various peak output changes.

【0021】[0021]

【実施例】図1は、本発明のQスイッチ方法を一態様で
実施した際の各制御信号の時間関係を例示したものであ
り、図2は本発明に係わるCO2レーザのQスイッチ方
法の実施に用いた装置構成を示す。QスイッチCO2
ーザの基本装置とした連続発振CO2レーザは励起方式
として高周波放電を用いている。レーザ共振器は全反射
ミラー6と部分透過ミラー7によって構成され、共振器
長は約6mである。レーザ媒質はCO2,N2およびHe
の混合ガスで、全圧力は約90torrで放電ガラスチュー
ブに封入されている。またレーザ媒質のガス組成は(C
2+N2):He=27:73の比率制限内で任意に調整す
ることが可能である。レーザ共振器内に、Qスイッチ装
置として回転チョッパ8を配設している。また、高速で
Qスイッチを行うために、共焦点テレスコープレンズ9
を設け、その焦点位置で、回転チョッパ8によりレーザ
光をチョッピングすることでQスイッチを行っている。
回転チョッパ8のスリットの開閉繰り返し信号(a)を
スリット検出器1が発生する。分周回路2は繰り返し信
号(a)を分周した信号(b)を出力する装置である。
図1には分周回路2で1/4分周を行った場合の各部の信
号波形を示す。ここで用いた分周回路2は、フリップフ
ロップIC回路を組み合わせた単純な回路であり、分周
率は2のベキ乗である。しかしパルスカウンターIC等
を用いることにより任意の分周率を得る分周回路を作製
することが可能であることは言うまでもない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an example of the time relationship of control signals when the Q switching method of the present invention is carried out in one mode. FIG. 2 shows the Q switching method of a CO 2 laser according to the present invention. The apparatus structure used for implementation is shown. A continuous wave CO 2 laser, which is a basic device of the Q-switched CO 2 laser, uses a high frequency discharge as an excitation method. The laser resonator is composed of a total reflection mirror 6 and a partial transmission mirror 7, and the resonator length is about 6 m. The laser medium is CO 2 , N 2 and He.
The mixed gas is a total pressure of about 90 torr and is enclosed in a discharge glass tube. The gas composition of the laser medium is (C
It can be arbitrarily adjusted within the ratio limit of O 2 + N 2 ): He = 27: 73. A rotary chopper 8 is provided as a Q switch device in the laser resonator. Also, in order to perform Q switch at high speed, a confocal telescope lens 9
Is provided, and the Q-switch is performed by chopping the laser light by the rotary chopper 8 at the focal position.
The slit detector 1 generates a slit opening / closing repeating signal (a) of the rotary chopper 8. The frequency dividing circuit 2 is a device that outputs a signal (b) obtained by dividing the repetitive signal (a).
FIG. 1 shows the signal waveform of each part when the frequency dividing circuit 2 performs 1/4 frequency division. The frequency dividing circuit 2 used here is a simple circuit in which flip-flop IC circuits are combined, and the frequency dividing rate is a power of 2. However, it goes without saying that it is possible to manufacture a frequency dividing circuit that obtains an arbitrary frequency dividing rate by using a pulse counter IC or the like.

【0022】遅延パルス発生回路3は、駆動トリガ信号
として分周回路2の出力信号(b)を用い、任意の時間
幅tWを持ったパルス信号(c)を発生する。またトリ
ガ信号(b)と出力パルス信号(c)の間に任意の時間
遅延を設定することが可能で、パルス信号(c)により
駆動されるレーザ励起パルス放電の終了と回転チョッパ
8のスリット開放タイミングを同期させている。
The delay pulse generating circuit 3 uses the output signal (b) of the frequency dividing circuit 2 as a drive trigger signal and generates a pulse signal (c) having an arbitrary time width t W. Further, an arbitrary time delay can be set between the trigger signal (b) and the output pulse signal (c), and the end of the laser excitation pulse discharge driven by the pulse signal (c) and the opening of the slit of the rotary chopper 8. Timing is synchronized.

【0023】レーザ励起用電源4は、キャリア周波数1
3.56MHzの高周波電源であり、繰り返し周波数100kHz迄
のパルス変調を行うことができる。本電源4は、パルス
信号(c)によりパルス変調が施されたパルス電圧
(d)を発生しレーザ媒質を放電励起するものである。
The laser excitation power source 4 has a carrier frequency of 1
It is a high frequency power supply of 3.56MHz and can perform pulse modulation up to a repetition frequency of 100kHz. The power supply 4 generates a pulse voltage (d) that is pulse-modulated by the pulse signal (c) and discharge-excites the laser medium.

【0024】以上のような装置設定において回転チョッ
パ8のスリット開閉繰り返し周期tQS、放電パルス変調
周期tDおよびレーザガス組成を可変パラメータにした
本発明による三つの実施例を次に示す。
Three examples according to the present invention in which the slit opening / closing repetition period t QS of the rotary chopper 8 and the discharge pulse modulation period t D and the laser gas composition are set as variable parameters in the above apparatus settings will be described below.

【0025】第一の実施例として、tQS=71μs(1/t
QS=14kHz)として1/4分周を行い、tD=286μs(1/
D=3.5kHz)、放電パルス時間幅tW=57μsおよびレ
ーザガス組成を比較的N2比率の高い組成CO2:N2
He=0.6:2.3:8.0に選び、本発明によるQスイッチ
CO2レーザ発振を行った。回転チョッパ8のスリット
開閉繰り返し信号,放電パルス電圧および出力レーザパ
ルス波形をそれぞれ図5の(a),(d)および(f)
に示す。この条件下では、パルス放電の一周期の間にf
1〜f4まで経時的にピーク出力が減少するパルス群がパ
ルス放電の周期で発生した。f1〜f4のパルスピーク出
力は、それぞれ495,153,55および18 kWであった。
As a first embodiment, t QS = 71 μs (1 / t
QS = 14kHz), 1/4 frequency division is performed, and t D = 286μs (1 /
t D = 3.5 kHz), discharge pulse time width t W = 57 μs, and laser gas composition having a relatively high N 2 ratio CO 2 : N 2 :
He = 0.6: 2.3: 8.0 was selected, and Q-switched CO 2 laser oscillation according to the present invention was performed. The slit opening / closing repeating signal, the discharge pulse voltage and the output laser pulse waveform of the rotary chopper 8 are shown in FIGS. 5 (a), (d) and (f), respectively.
Shown in. Under this condition, f during one cycle of pulse discharge
A pulse group whose peak output decreased with time from 1 to f 4 was generated in the cycle of pulse discharge. The pulse peak powers of f 1 to f 4 were 495, 153, 55 and 18 kW, respectively.

【0026】次に第二の実施例として、レーザガス成分
のN2比率を小さくし、CO2:N2:He=1.2:1.7:
8.0において発振を行ったところ、図6に示すように第
一の実施例と同様のレーザパルス群がf1〜f3まで得ら
れた。この場合のパルスピーク出力はそれぞれ541,148
および32 kWであった。ここではN2からのエネルギー移
剰効果が第一の実施例の場合に比べ小さくなったため、
第四のパルス発振は得られなかった。
Next, as a second embodiment, the N 2 ratio of the laser gas component is reduced and CO 2 : N 2 : He = 1.2: 1.7:
Was subjected to oscillation at 8.0, the same laser pulse group in the first embodiment are obtained to f 1 ~f 3 as shown in FIG. The pulse peak outputs in this case are 541 and 148, respectively.
And 32 kW. Here, the energy transfer effect from N 2 is smaller than in the case of the first embodiment,
The fourth pulse oscillation was not obtained.

【0027】また第三の実施例として、分周比率を1/2
に変えて、tQS=125μs(1/tQS=8kHz)、tD=250
μs(1/tD=4kHz)また放電パルスの時間幅tW=50μ
sに調整し発振を行った。ここでレーザガス組成は第二
の実施例と同じにした。この発振条件では、図7に示す
ようにパルス放電の一周期の間に2つのレーザパルスf
1およびf2が発生し、パルスピーク出力はそれぞれ480
および105 kWが得られた。
As a third embodiment, the frequency division ratio is 1/2
, T QS = 125μs (1 / t QS = 8kHz), t D = 250
μs (1 / t D = 4kHz) and discharge pulse time width t W = 50μ
Adjusted to s and oscillated. Here, the laser gas composition was the same as in the second embodiment. Under this oscillation condition, as shown in FIG. 7, two laser pulses f are generated during one cycle of the pulse discharge.
1 and f 2 occur and pulse peak output is 480 each
And 105 kW were obtained.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように回転チョッパを用い
たQスイッチCO2レーザ装置において、本発明のQス
イッチ方法により回転チョッパのスリット開閉周期で発
振し、且つパルスピーク出力が経時的に減少するレーザ
パルス群を励起パルス放電周期で得ることができるた
め、難加工材料のレーザ加工やレーザ光化学におけるレ
ーザ光照射効果を向上させることができる。
As described above, in the Q-switch CO 2 laser device using the rotary chopper, the Q-switch method of the present invention oscillates at the slit opening / closing cycle of the rotary chopper, and the pulse peak output decreases with time. Since the laser pulse group can be obtained in the excitation pulse discharge cycle, the laser light irradiation effect in laser processing of difficult-to-process materials and laser photochemistry can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 図2に示す回路要素等の出力信号等を示すタ
イムチャ−トであり、(a)は図1に示す回転チョッパ
8のスリット開閉繰り返し信号を、(b)は分周回路2
の出力信号を、(c)はパルス発生装置3の出力信号
を、(d)はレーザ励起放電電圧波形を、(e)は C
2分子の反転分布数密度の時間変化を、(f)はQス
イッチCO2レーザパルス時間波形を、(g)はCO2
ーザの反転分布密度しきい値を示す。
1 is a time chart showing output signals of the circuit elements and the like shown in FIG. 2, (a) is a slit opening / closing repeating signal of the rotary chopper 8 shown in FIG. 1, and (b) is a frequency dividing circuit 2;
Output signal of the pulse generator 3, (d) the laser excitation discharge voltage waveform, and (e) C
The time variation of the inversion number density of O 2 molecules, the (f) is Q-switched CO 2 laser pulse time waveform shows a population inversion density threshold (g) is a CO 2 laser.

【図2】 本発明を実施するための装置構成の一例を示
すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing an example of a device configuration for implementing the present invention.

【図3】 CO2およびN2分子の振動エネルギー準位を
示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing vibrational energy levels of CO 2 and N 2 molecules.

【図4】 本発明においてレーザ媒質のN2比率を変え
た場合のレーザパルスピーク出力の変化傾向を示すグラ
フである。
FIG. 4 is a graph showing a change tendency of the laser pulse peak output when the N 2 ratio of the laser medium is changed in the present invention.

【図5】 本発明の第一の実施例で得られたレーザパル
スピーク出力を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a laser pulse peak output obtained in the first embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の第二の実施例で得られたレーザパル
スピーク出力を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a laser pulse peak output obtained in the second embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の第三の実施例で得られたレーザパル
スピーク出力を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a laser pulse peak output obtained in the third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:回転チョッパのスリット開閉繰り返し信号モニター
用のスリット検出器 2:分周回路 3:遅延パ
ルス発生装置 4:レーザ励起用高周波電源 5:レーザ
媒質 6:全反射ミラー 7:部分透
過ミラー 8:回転チョッパ 9:テレスコ
ープレンズ tQS :回転チョッパのスリット開閉繰り返し周期 tD :レーザ励起パルス放電の周期 tW :レーザ励起パルス放電時間幅
1: Slit detector for rotating chopper slit open / close signal monitoring 2: Dividing circuit 3: Delay pulse generator 4: High frequency power source for laser excitation 5: Laser medium 6: Total reflection mirror 7: Partial transmission mirror 8: Rotation Chopper 9: Telescope lens t QS : Slit opening / closing repetition cycle of rotating chopper t D : Laser excitation pulse discharge period t W : Laser excitation pulse discharge time width

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】回転チョッパを用いてQスイッチ発振を行
うCO2レーザ装置において、レーザ媒質が直流または
高周波の放電により励起され、当該放電は回転チョッパ
のスリットの開閉繰り返し信号を分周した信号に同期し
てパルス変調され、1回のパルス放電終了から次回のパ
ルス放電開始までに少なくとも2回以上回転チョッパー
のスリットが開閉され、レーザパルスが回転チョッパの
スリットの開閉周期で発振し、当該レーザパルスのピー
ク出力が経時的に減少するレーザパルス群をパルス放電
周期で得ることを特徴とするCO2レーザのQスイッチ
方法。
1. A CO 2 laser device for performing Q-switch oscillation using a rotary chopper, wherein a laser medium is excited by a DC or high-frequency discharge, and the discharge is a signal obtained by dividing a signal for repeatedly opening and closing a slit of the rotary chopper. The pulse modulation is performed synchronously, and the slit of the rotary chopper is opened and closed at least twice from the end of one pulse discharge to the start of the next pulse discharge, and the laser pulse oscillates in the opening and closing cycle of the slit of the rotary chopper. A method of Q-switching a CO 2 laser, characterized in that a laser pulse group whose peak output decreases with time is obtained in a pulse discharge cycle.
【請求項2】レーザ媒質はCO2とN2を含む混合気体で
あり、CO2とN2の組成比を変更することを特徴とする
請求項1記載のCO2レーザのQスイッチ方法。
Wherein the laser medium is a mixed gas containing CO 2 and N 2, CO 2 and CO 2 laser Q switching method of claim 1, wherein changing the composition ratio of N 2.
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