JPH08186311A - 固体レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な制御を行なうことなく、パルスの変調
度に対して出力を正比例させることができ、励起光源の
適正な出力制御を行なうことのできる固体レーザ加工装
置を提供する。 【構成】 光を受けることにより内部に励起エネルギを
蓄積するＹＡＧロッド１に電源部４からの電力供給によ
り励起用の光を照射する励起光源３とを有し、前記電源
部４から前記励起光源３に対して変調パルスの波形の周
波数を変化させて出力する周波数変調スイッチング器１
１を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体レーザ加工装置に係
り、特に、光励起によりレーザ光の出力を制御するよう
にした固体レーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザは、原子や分子による放
射の誘導放出を利用して、光の増幅、発振を行なうこと
をいう。したがって、多くの原子の集まった物質を光励
起させることにより高エネルギ状態の原子を多くして光
の吸収よりも誘導放出を多くしなければならない。そし
て、さらに光強度が強く、指向性の高い固体レーザ光を
得るためには、光を閉じ込めて光の励起エネルギを増幅
させる共振器が必要である。

【０００３】そして、従来から、例えば、固体のレーザ
活性媒質としてＮｄ：ＹＡＧの結晶を用いて共振器によ
り光を増幅させ、このレーザ光を出射させることにより
被加工物に所望のマーキング、トリミング、切断、溶接
等の加工を行なう固体レーザ加工装置が多く用いられて
いる。

【０００４】図５はこのような従来の固体レーザ加工装
置を示したもので、光学特性に優れたレーザ結晶の一つ
である円柱状のＮｄ：ＹＡＧロッド１は、楕円鏡筒から
なるキャビティ２の内部の一方の焦点位置に収容されて
おり、このキャビティ２の内部の他方の焦点位置には、
このＹＡＧロッド１の原子を光励起させるための、例え
ば、クリプトン、キセノン、またさらには半導体レーザ
等からなる励起光源３が前記ＹＡＧロッド１と平行に配
設されている。前記励起光源３には、この励起光源３に
電力を供給する電源部４が接続されており、この電源部
４には、前記励起光源３への電力供給のタイミングを制
御して前記励起光源３を点灯、消灯動作させる制御部５
が接続されている。

【０００５】前記電源部４は、図６に示すように、図示
しないＤＣ電源に接続される端子６を有するとともに、
ＤＣ入力を方形のパルス信号に変調するＳＣＲやトラン
ジスタ等のスイッチング回路７を有しており、このスイ
ッチング回路７には、フライホイルダイオード８および
コイル９とコンデンサ１０からなる平滑フィルタを介し
て励起光源３が接続されている。そして、前記ＤＣ電源
からのＤＣ入力を前記スイッチング回路７によりパルス
変調し、前記フライホイルダイオード８およびコイル９
とコンデンサ１０からなる平滑フィルタにより方形波形
のパルスを平均化して励起光源３に供給するものであ
る。また、前記スイッチング回路７によりパルス変調す
る方式としては、パルス幅変調方式が採用されている。
すなわち、図７（ａ）に示すように、パルス変調により
形成される方形波形により、励起光源３を動作させるも
のであるが、励起光源３の出力を変える場合は、パルス
幅を変化させて変調を行なうようにしている。例えば、
出力を２倍にする場合には、図８（ａ）に示すように、
パルス幅が２倍とされた方形波形を形成し、この変調パ
ルスにより励起光源３を動作させるものである。

【０００６】そして、このような変調パルス電力によ
り、前記励起光源３を点灯させ、これにより、ＹＡＧロ
ッド１のレーザ結晶が励起エネルギを蓄積し、前記ＹＡ
Ｇロッド１の励起原子が基底状態に戻る際に光を放出す
るようになっている。

【０００７】このような従来の固体レーザ加工装置にお
いては、まず、前記制御部５からの制御信号に応じて前
記電源部４から励起光源３に変調パルスの電力を供給す
ることにより励起光源３を発光させる。このとき、前記
励起光源３の光は放射状に進行するため、前記ＹＡＧロ
ッド１へ向かって直接進行せずに前記キャビティ２の内
壁に向かって衝突してしまうものもあるが、前記キャビ
ティ２が楕円鏡筒により形成されており、かつ、前記励
起光源３およびＹＡＧロッド１がキャビティ２の楕円鏡
筒内の各焦点に配置されているため、前記キャビティ２
の内壁に衝突し反射される光はすべてＹＡＧロッド１に
集中することとなり、前記ＹＡＧロッド１内の原子を効
率的に励起することができる。

【０００８】そして、前記励起光源３による照射時間に
比例して前記ＹＡＧロッド１内の励起エネルギは増大
し、時間の経過に伴い固体レーザ光を発振できる励起エ
ネルギを蓄積し、さらに定常パルスを発するために必要
な励起エネルギを蓄積する状態を経て飽和状態に達す
る。このように励起されて高エネルギ状態となった原子
はもとの基底状態に戻る過程の際に一部エネルギを光と
して放出する。これらの光は自然放出による発光である
が、これらの光のうち前記ＹＡＧロッド１の軸方向に放
出された自然放出光により位相のそろった共振姿態が形
成されると、これにより、誘導放出が引き起こされて光
強度を増し固体レーザ光を発振することとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の固
体レーザ加工装置においては、励起光源３の出力制御を
行なう場合に、図７および図８に示すように、パルス幅
変調を行なうようにしているが、現実的に形成される波
形は、図７（ｂ）および図８（ｂ）にそれぞれ示すよう
に、完全な方形波形とはならない。そして、このような
現実的な波形は、回路内のある時定数に応じてパルスの
立上り、立下り時間を有しているため、パルス幅を２倍
にしたパルス幅変調を行なったとしても、現実的にはパ
ルス幅が正確に２倍にならず、図９に示すように、パル
ス幅の変調度に対して出力が正比例せず、励起光源３の
適正な出力制御を行なうことができないという問題を有
している。

【００１０】そのため、従来、フィードバックループを
設け、負帰還をかけることによりパルス幅の変調度に対
して出力が正比例するように制御しているが、フィード
バック制御の効果を大きくすると、高速に動作させるこ
とが困難となり、さらには、過渡応答性に問題を生じた
り、寄生発振を引き起こす場合もあるという問題を有し
ている。

【００１１】本発明は前記した点に鑑みなされたもの
で、フィードバックループ等の複雑な制御を行なうこと
なく、パルスの変調度に対して出力を正比例させること
ができ、励起光源の適正な出力制御を行なうことのでき
る固体レーザ加工装置を提供することを目的とするもの
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明に係る固体レーザ加工装置は、光を受けることに
より内部に励起エネルギを蓄積する固体レーザ活性媒質
と、この固体レーザ活性媒質に制御部からの制御信号に
基づいて制御される電源部からの電力供給により励起用
の光を照射する励起光源とを有し、前記固体レーザ活性
媒質を２枚の共振器ミラーの間に配置させてレーザ発振
させ、そのレーザ光を被加工材の表面に照射させて所望
の加工を行なう固体レーザ加工装置において、前記電源
部から前記励起光源に対して変調パルスの周波数を変化
させて出力する周波数変調スイッチング器を設けたこと
を特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明に係る固体レーザ加工装置によれば、例
えば、励起光源の出力を２倍にする場合は、周波数変調
スイッチング器により、パルスの周波数を２倍に形成
し、単位時間当りのパルス数を２倍とすることにより、
２倍の出力で励起光源を動作させるものであり、単位時
間当りのパルス数を増加した場合に、それと同じ割合で
立上り、立下りの箇所も増加することになり、これによ
り、パルス周波数の変調度に対して出力を正比例させる
ことができるものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図４を参照
して説明する。

【００１５】図１は本発明に係る固体レーザ加工装置の
励起光源の電源部に適用される周波数変調スイッチング
器の一実施例を示したもので、本実施例においては、周
波数変調スイッチング器１１は、所定の制御信号が印加
されてこの制御信号に応じたパルス幅の方形波形を形成
するＶ−Ｆコンバータ１２と、このＶ−Ｆコンバータ１
２から出力されるパルス波形の幅を一定の幅に揃える、
例えば、１ショットマルチバイブレータ等からなる波形
整形回路１３とにより構成されており、図２に示すよう
に、前記制御信号に応じてＶ−Ｆコンバータ１２によ
り、パルス列を形成して出力し、波形整形回路１３によ
り、Ｖ−Ｆコンバータ１２から出力されるパルス列のパ
ルス幅を一定の幅に揃えて図示しない励起光源に出力す
るようになされている。

【００１６】次に、本実施例の作用について説明する。

【００１７】本実施例においては、図２に示すように、
前記周波数制御信号に応じてＶ−Ｆコンバータ１２によ
り、所定のパルス幅のパルス列を形成して出力し、波形
整形回路１３により、Ｖ−Ｆコンバータ１２から出力さ
れるパルス波形の幅を一定の幅に揃えて励起光源に出力
するようになっている。

【００１８】このようにＶ−Ｆコンバータ１２から出力
される変調パルスは、理論的には、図３（ａ）に示すよ
うな所定周期の方形波形として形成されるものである
が、前記変調パルスは、現実的には、図３（ｂ）に示す
ように、完全な方形波として形成されるものではなく、
この図３（ｂ）に示すような変調パルスにより励起光源
がＯＮ、ＯＦＦ動作されるものである。

【００１９】そして、励起光源の出力を２倍にする場合
は、本実施例においては、図４（ａ）に示すように、Ｖ
−Ｆコンバータ１２により形成されるパルスの周波数を
２倍に形成し、このＶ−Ｆコンバータ１２から出力され
る２倍の周波数に形成されたパルス列のパルス幅を、波
形整形回路１３により一定の幅に揃えて励起光源に出力
するようになっている。これにより、単位時間当りのパ
ルス数は２倍となり、２倍の出力で励起光源を動作させ
ることができるものである。

【００２０】そして、この場合においても、変調パルス
は、現実的には、図４（ｂ）に示すように、完全な方形
波として形成されるものではなく、この図４（ｂ）に示
すような変調パルスにより励起光源がＯＮ、ＯＦＦ動作
されるものである。

【００２１】この場合に、変調パルスの波形は、回路内
のある時定数による立上り、立下り時間をもっているの
は、いずれの変調方式でも同様であるが、本実施例にお
いては、単位時間当りのパルス数を２倍とすることによ
り、２倍の出力で励起光源を動作させるようにしている
ので、単位時間当りのパルス数を増加した場合に、それ
と同じ割合で立上り、立下りの箇所も増加することにな
り、これにより、パルス周波数の変調度に対して出力を
正比例させることができるものである。

【００２２】したがって、本実施例においては、出力を
２倍に制御する場合に、パルスの周波数を２倍に形成
し、単位時間当りのパルス数を２倍とすることにより、
２倍の出力で励起光源を動作させるようにしているの
で、単位時間当りのパルス数を増加させることにより、
立上り、立下りの箇所も増加することになり、これによ
り、パルス周波数の変調度に対して出力を正比例させる
ことができ、励起光源の適正な出力制御を行なうことが
できる。その結果、従来のように複雑なフィードバック
制御を行なう必要がなくなり、高速で、かつ、安定した
制御を行なうことができる。

【００２３】本発明は、パルス発振および連続発振のレ
ーザ装置に適用することができ、立上り、立下りの頻度
の高いパルス発振を行なう場合に特に効果的である。

【００２４】なお、本発明は前記実施例のものに限定さ
れるものではなく、必要に応じて種々変更することが可
能である。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように本発明に係る固体レー
ザ加工装置は、出力を２倍に制御する場合に、パルス波
形を２倍の周波数に形成し、単位時間当りのパルス数を
２倍とすることにより、２倍の出力で励起光源を動作さ
せるようにしたので、パルス周波数の変調度に対して出
力を正比例させることができ、励起光源の適正な出力制
御を行なうことができ、その結果、従来のように複雑な
フィードバック制御を行なう必要がなくなり、高速で、
かつ、安定した制御を行なうことができる等の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体レーザ加工装置の励起光源の
電源部に適用される周波数変調スイッチング器の一実施
例を示す回路図

【図２】本発明の周波数変調スイッチング器によるパル
ス波形の形成状態を示す説明図

【図３】図３（ａ）は本発明の理論的な変調パルスを示
す説明図、図３（ｂ）は本発明の現実的な変調パルスを
示す説明図

【図４】図４（ａ）は本発明の出力を２倍にした場合の
理論的な変調パルスを示す説明図、図４（ｂ）は本発明
の出力を２倍にした場合の現実的な変調パルスを示す説
明図

【図５】従来の一般的な固体レーザ加工装置を示す概略
構成図

【図６】従来の電源部を示す回路図

【図７】図７（ａ）は従来の理論的な変調パルスを示す
説明図、図７（ｂ）は従来の現実的な変調パルスを示す
説明図

【図８】図８（ａ）は従来の出力を２倍にした場合の理
論的な変調パルスを示す説明図 、図８（ｂ）は従来の出力を２倍にした場合の現実的な
変調パルスを示す説明図

【図９】従来のパルス幅変調度と出力との関係を示す線
図

【符号の説明】

１１ 周波数変調スイッチング器 １２ Ｖ−Ｆコンバータ １３ 波形整形回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を受けることにより内部に励起エネル
   ギを蓄積する固体レーザ活性媒質と、この固体レーザ活
   性媒質に制御部からの制御信号に基づいて制御される電
   源部からの電力供給により励起用の光を照射する励起光
   源とを有し、前記固体レーザ活性媒質を２枚の共振器ミ
   ラーの間に配置させてレーザ発振させ、そのレーザ光を
   被加工材の表面に照射させて所望の加工を行なう固体レ
   ーザ加工装置において、前記電源部から前記励起光源に
   対して変調パルスの周波数を変化させて出力する周波数
   変調スイッチング器を設けたことを特徴とする固体レー
   ザ加工装置。