TWI555291B - 脈衝雷射振盪器及脈衝雷射振盪控制方法 - Google Patents

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Description

脈衝雷射振盪器及脈衝雷射振盪控制方法
本發明關於一種具備有對應於所施加之電壓來使光線偏光的電氣光學元件之脈衝雷射振盪器及脈衝雷射振盪控制方法，詳細來說係關於一種使施加在電氣光學元件之電壓隨著時間變化，來增加雷射光的脈衝寬幅，以降低所輸出之脈衝雷射光的尖峰能量之脈衝雷射振盪器及脈衝雷射振盪控制方法。
作為傳統的脈衝雷射振盪器有一種具有雷射媒質、將其激發之激發用光源以及使雷射媒質所放射的光往返增幅之共振器來獲得脈衝雷射光之結構，其係於雷射媒質的一側配設有高反射率透鏡，且於另一側配設有低反射率透鏡所構成的共振器間配設有Q開關元件及傾腔(Cavity-Dumped)元件，而在將雷射光完全地封入在共振器內之狀態下進行Q開關振盪，並在共振器內所累積之脈衝雷射光的尖峰層級附近，持續使傾腔元件動作來進行傾腔，藉以使累積在共振器內部的能量瞬間地釋放至外部之結構(參閱例如日本特開2003-69118號公報)。
但傳統的脈衝雷射振盪器由於係使得累積在共振器內部的能量瞬間地釋放至外部，因此會有所輸出之脈衝雷射光的尖峰能量過大，而損傷到雷射所照射的 對象物之虞。
是以，有鑑於上述問題點，本發明所欲解決之課題在於提供一種可藉由增加脈衝寬幅，來降低所輸出之脈衝雷射光的尖峰能量之脈衝雷射振盪器及脈衝雷射振盪控制方法。
為解決上述課題，本發明之脈衝雷射振盪器係具備有對應於所施加之電壓來使光線偏光之第1電氣光學元件，與對該第1電氣光學元件施加電壓並控制電壓之電壓控制裝置；其中係藉由該電壓控制裝置來使對該第1電氣光學元件所施加之電壓值隨著時間變化，以控制雷射光的脈衝寬幅。
此情況下，亦可具備有複數個該第1電氣光學元件，其中係使對各個該複數第1電氣光學元件所施加之電壓值分別隨著時間變化。
較佳地，該電壓控制裝置係使得對該第1電氣光學元件所施加之電壓的變化率階段性地變化乃為所期望的。
又，亦可具備有2個該第1電氣光學元件，而藉由該電壓控制裝置來對該2個第1電氣光學元件分別施加相互相反方向的電壓。
再者，該電氣光學元件亦可為勃克爾盒(Pockels cells)，且更進一步地具備有λ/4波長板。
又再者，於該雷射光的光線路徑上亦可另具備有雷射用衰減器，該雷射用衰減器包含有：以正交偏光(Crossed Nico)方式所配置之2個偏光元件；配置於該2個偏光元件之間，而藉由電壓的施加來使通過內部之雷射光的偏光面旋轉之第2電氣光學元件；以及控制針對該第2電氣光學元件的施加電壓值及施加時間點之控制部。
此情況下，該第2電氣光學元件亦可為勃克爾盒(Pockels cells)。
又，該勃克爾盒亦可串聯地並排配置為複數個。
較佳地，該雷射用衰減器亦可為設置於該雷射光的光線路徑上之光增幅器的下游側所具備。
然後，本發明之脈衝雷射振盪控制方法係使得對第1電氣光學元件所施加之電壓變化，藉以控制雷射光的振盪，其中該第1電氣光學元件會對應於所施加之電壓來使光線偏光；其中係使對該第1電氣光學元件所施加之電壓值隨著時間變化，來控制雷射光的脈衝寬幅。
此情況下，該第1電氣光學元件亦可具備有複數個該第1電氣光學元件，其中係使對各個該複數第1電氣光學元件所施加之電壓值分別隨著時間變化。
較佳地，使得對該第1電氣光學元件所施加之電壓值的變化率階段性地變化乃為所期望的。
又，亦可具備有2個該第1電氣光學元件，而藉 由該電壓控制裝置來對該2個第1電氣光學元件分別施加相互相反方向的電壓。
以下，依據添附圖式來詳細說明本發明實施型態。圖1係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第1實施型態之圖式。該脈衝雷射振盪器係一種利用藉由切換Q值(累積在後述光共振器3內之能量/喪失至光共振器3的外部之能量)來產生巨脈衝之Q開關法來產生巨脈衝之YAG雷射，其具備有YAG棒1、閃光燈2、光共振器3、偏振器4、λ/4波長板5、勃克爾盒(Pockels cells)6、以及電壓控制裝置7。
上述YAG棒1係藉由從後述之閃光燈2受到光的照射來釋放光，並藉由感應釋放來使所釋放的光增幅，如圖1所示，其係一種沿著光軸L釋放光之固體的雷射媒質。亦可取代該YAG棒1，而使用Nd：YAG棒或Er：YAG棒等其他的雷射媒質。
YAG棒1的側面(圖1中之YAG棒1的上側)係設置有閃光燈2。該閃光燈2會將光照射在YAG棒1，來使來自YAG棒1之光的釋放開始，其係使用例如氙閃光燈或雷射二極體。
圖1中之YAG棒1的左右兩側係設置有前鏡3a及後鏡3b。該前鏡3a及後鏡3b係用以使從YAG棒1釋放的光在2片鏡間往返，藉由前鏡3a與後鏡3b， 便構成了會使感應釋放產生於YAG棒1內來使同調光增幅之光共振器3。
上述前鏡3a係一種會使入射光的一部分穿透之部分穿透鏡，其係設置於從YAG棒1所釋放出之光之光軸L上的雷射光所被釋放出之一側。藉由Q開關法而被瞬間地增幅之雷射光的一部分會通過該前鏡3a而從光共振器3內被引出。
又，上述後鏡3b係一種將YAG棒1挾置其中而設置在與前鏡3a為相反側的光軸L上之全反射鏡，其會在與前鏡3a間使光軸L上的光往返。
上述後鏡3b與YAG棒1之間的光軸L上係設置有偏振器4。該偏振器4係藉由反射入射光當中之相對於入射面為垂直的偏光成分之s偏光，來使得僅有相對於入射面為平行的偏光成分之p偏光會穿透，其係一種具有Q開關法中之快門的作用之偏光片。偏振器4的材質為玻璃或塑膠，入射光的入射角θ係以會成為p偏光的反射率成為0之布魯斯特角(Brewster’s angle)之方式，而相對於光軸L呈傾斜設置。該偏振器4亦可設置為複數個。又，偏振器4只要是會使得僅有s偏光或p偏光當中的任一者穿透即可，除了上述以外，亦可使用例如偏光陵鏡或偏光濾片等之偏光片。
此外，以下的說明中所使用之s偏光及p偏光的名詞係指相對於該偏振器4為s偏光及p偏光。
上述偏振器4與後鏡3b之間係設置有λ/4波長板 5。該λ/4波長板5係藉由使得入射光的偏光成分產生90°(π/2)的相位差，來將直線偏光(上述s偏光或p偏光)轉換成圓偏光，而將圓偏光轉換成直線偏光，如圖1所示，其係設置於偏振器4左側的光軸L上。從YAG棒1釋放而穿透偏振器4的p偏光會藉由該λ/4波長板5而被轉換成圓偏光。
上述λ/4波長板5與後鏡3b之間係設置有勃克爾盒6。該勃克爾盒6係一種會對應於所施加之電壓來使光線偏光之第1電氣光學元件，如圖1所示，其係設置於λ/4波長板5左側的光軸L上。勃克爾盒6在未被施加電壓之狀態雖不會使光線偏光，但若被施加電壓，便會使光線偏光，其偏光程度係依存於施加電壓。
上述勃克爾盒6係電連接有電壓控制裝置7。電壓控制裝置7會對勃克爾盒6施加電壓，並控制所施加之電壓，其係由電壓施加電路7a與控制電路7b所構成。
電壓施加電路7a會對勃克爾盒6施加電壓，其係電連接於勃克爾盒6。該電壓施加電路7a係連接有藉由控制電壓施加電路7a之對勃克爾盒6的電壓施加，來使入射至勃克爾盒6之光的偏光程度變化，且控制雷射光的振盪之控制電路7b。
接下來，針對上述方式所構成之脈衝雷射振盪器的動作及脈衝雷射振盪控制方法，參照圖1~圖5來加 以說明。
藉由該脈衝雷射振盪器來振盪脈衝雷射時，首先，控制電路7b會將訊號傳送至電壓施加電路7a，而將電壓施加電路7a控制為對勃克爾盒6的施加電壓會成為0V。此狀態下，當閃光燈2發光，而將光照射在YAG棒1後，YAG棒1內的一部分原子便會成為激發狀態，而從YAG棒1沿著光軸L釋放出光。從YAG棒1往偏振器4方向(箭頭A方向)被釋放出的光會如圖1所示般地，以成為布魯斯特角(Brewster’s angle)之入射角θ入射至偏振器4。所入射之光的當中，p偏光會穿透偏振器4，而s偏光及圓(或橢圓)偏光則會藉由偏振器4而被反射並朝向光軸L的外側前進。
穿透偏振器4的p偏光會入射至λ/4波長板5而產生90°(π/2)的相位差，且被轉換成圓偏光，再入射至勃克爾盒6。此處，由於勃克爾盒6未被施加電壓，因此會使入射光在未偏光之狀態下穿透。於是，入射至勃克爾盒6的上述圓偏光便會如圖1所示般地，仍然是以圓偏光之狀態穿透勃克爾盒6，且被後鏡3b反射，而再度穿透勃克爾盒6，並入射至λ/4波長板5。
當圓偏光入射至λ/4波長板5後，會更加產生90°(π/2)的相位差，且被轉換成s偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移180°(π)之狀態)，而以成為布魯斯特角(Brewster’s angle) 之入射角θ入射至偏振器4。由於偏振器4如上所述地，係具有反射s偏光之功能，因此入射後的s偏光便會被偏振器4反射而朝向光軸L的外側前進。
如此地，在未對勃克爾盒6施加電壓之狀態下，由於從YAG棒1釋放出的光會藉由偏振器4而被反射，並不會再度入射至YAG棒1，因此光共振器3內便不會發生共振，而抑制脈衝雷射的振盪。
接下來，維持上述電壓非施加狀態直到YAG棒1內之被激發的原子數量成為希望作為脈衝雷射光而輸出的能量成為所需的量(反轉分佈變得十分地大)為止後，藉由控制電路7b來使得電壓施加電路7a對勃克爾盒6的施加電壓變化。藉由電壓施加電路7a來對勃克爾盒6施加特定的電壓後，勃克爾盒6便會作為λ/4波長板5而發揮功能。
在對勃克爾盒6施加電壓之狀態下，從YAG棒1往箭頭A方向被釋放出的光會如圖2所示，與上述電壓非施加狀態同樣地，藉由偏振器4而被轉換成p偏光，並藉由λ/4波長板5而被轉換成圓偏光，再入射至勃克爾盒6。入射至勃克爾盒6的光由於如上所述地，勃克爾盒6會作為λ/4波長板5而發揮功能，因此便會產生90°(π/2)的相位差，而被轉換成s偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移180°(π)之狀態)。
此s偏光會藉由後鏡3b而被反射，並再度入射至 勃克爾盒6，且更加產生90°的相位差，而被轉換成圓偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移270°(3π/2)之狀態)。該圓偏光會入射至λ/4波長板5，且更加產生90°的相位差，而被轉換成p偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移360°(2π)之狀態)。
此p偏光會以成為布魯斯特角(Brewster’s angle)之入射角θ入射至偏振器4，並穿透偏振器4。穿透偏振器4的光會從圖2中之YAG棒1的左側入射，來使感應釋放產生於YAG棒1內，再從圖2中之YAG棒1的右側釋放，而被前鏡3a反射，並從圖2中之右側往左側通過YAG棒1。以下，依同樣的順序來使光在光共振器3內往返，則藉由感應釋放而被增幅之同調光的一部分便會從前鏡3a往箭頭B方向，作為雷射而被輸出。
圖3係顯示對勃克爾盒6所施加之電壓的變化，與所輸出之脈衝雷射光輸出能量的關係一例之圖表。 本發明之脈衝雷射振盪器的實施型態中，當藉由控制電路7b來使電壓施加電路7a對勃克爾盒6的施加電壓從約0V至約-4000V以約100ns變化後，則脈衝雷射光的尖峰能量便成為約13.0mJ，而脈衝寬幅則成為約10ns。
又，圖4係顯示對勃克爾盒6所施加之電壓的變化，與所輸出之脈衝雷射光輸出能量的關係其他例之 圖表。本實施例中係藉由控制電路7b來使電壓施加電路7a對勃克爾盒6的施加電壓從約0V至約-3000V以約800ns而較上述圖3所示之實施例要和緩地變化，則脈衝雷射光的尖峰能量便成為0.6mJ，而脈衝寬幅則成為約70ns。如此地，藉由控制電路7b來使電壓施加電路7a所施加之電壓的變化率較小，便可增加脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低尖峰能量。
再者，圖5係顯示對勃克爾盒6所施加之電壓的變化，與所輸出之脈衝雷射光輸出能量的關係再一其他例之圖表。本實施例中係藉由控制電路7b來使電壓施加電路7a對勃克爾盒6的施加電壓從約0V至約-1500V以約300ns變化後，再從約-1500V至約-4500V更進一步地以600ns變化。
如圖5所示，從約0V至約-1500V的電壓變化，與從約-1500V至約-4500V的電壓變化之間，電壓的變化率係改變1次。亦即，圖5中之約-1500V前後處之電壓圖形的梯度有改變。如此地，若使電壓的變化率階段性地變化，便可藉由控制電路7b而在使電壓的變化率改變之點(以下稱為「控制點」)C之後亦會產生尖峰。本實施例中，脈衝雷射光的第1尖峰能量為約0.5~0.6mJ，而第2尖峰能量亦同樣地為約0.5~0.6mJ，脈衝寬幅為約150ns。如此地，藉由控制電路7b來使電壓施加電路7a對勃克爾盒6之施加電壓的變化率階段性地變化，便可增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬 幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。
此外，藉由電壓施加電路7a所施加之電壓的變化率及控制點C的數量只要對應於所需的脈衝寬幅及輸出能量來設定即可。又，亦可不使用λ/4波長板5，而取代勃克爾盒6，使用對應於電壓的施加而作為λ/2波長板發揮功能之第1電氣光學元件。
圖6係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第2實施型態之圖式。此處，與第1實施型態相同的構成要素則賦予相同符號，而僅針對與第1實施型態相異的部分加以說明。
此第2實施型態中，λ/4波長板5與後鏡3b之間係設置有第1勃克爾盒6a與第2勃克爾盒6b。該等2個勃克爾盒6a、6b係對應於所施加之電壓來使光線偏光之第1電氣光學元件，如圖6所示，λ/4波長板5左側的光軸L上，從λ/4波長板5側係依序設置有第1勃克爾盒6a、第2勃克爾盒6b。該等2個勃克爾盒6a、6b在未被施加電壓之狀態下並不會使光線偏光，但若被施加電壓，便會使光線偏光，其偏光程度係相依於所施加之電壓。
上述第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b係電連接有電壓控制裝置7。電壓控制裝置7係用以分別對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b施加電壓並且控制所施加之電壓，其係由第1電壓施加電路8a、第2電壓施加電路8b、第1控制電路9a及第2控制電路 9b所構成。
第1電壓施加電路8a係用以對第1勃克爾盒6a施加電壓，其係電連接於第1勃克爾盒6a。該第1電壓施加電路8a係連接有藉由控制第1電壓施加電路8a之對於第1勃克爾盒6a的電壓施加，來使入射至第1勃克爾盒6a之光線的偏光程度變化，以控制雷射光的振盪之第1控制電路9a。
第2電壓施加電路8b係用以對第2勃克爾盒6b，其係電連接於第2勃克爾盒6b。該第2電壓施加電路8b係連接有藉由控制第2電壓施加電路8b之對於第2勃克爾盒6b的電壓施加，來使入射至第2勃克爾盒6b之光線的偏光程度變化，以控制雷射光的振盪之第2控制電路9b。
接下來，針對依上述方式所構成之脈衝雷射振盪器之第2實施型態的動作及脈衝雷射振盪控制方法加以說明。
藉由該脈衝雷射振盪器來振盪脈衝雷射時，首先，第1控制電路9a及第2控制電路9b會分別將訊號傳送至第1電壓施加電路8a及第2電壓施加電路8b，而控制為對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b的施加電壓會成為0V。此狀態下，當閃光燈2發光，而將光照射在YAG棒1後，則YAG棒1內的一部分原子便會成為激發狀態，而從YAG棒1沿著光軸L釋放光。從YAG棒1往偏振器4方向(箭頭A方向)被釋 放出的光會如圖6所示般地，以成為布魯斯特角(Brewster’s angle)之入射角θ入射至偏振器4。所入射之光的當中，p偏光會穿透偏振器4，而s偏光及圓(或橢圓)偏光則會藉由偏振器4而被反射並朝向光軸L的外側前進。
穿透偏振器4的p偏光會入射至λ/4波長板5而產生90°(π/2)的相位差，且被轉換成圓偏光，再入射至第1勃克爾盒6a。此處，由於第1勃克爾盒6a未被施加電壓，因此會使入射光在未偏光之狀態下穿透。於是，入射至第1勃克爾盒6a的上述圓偏光便會如圖1所示般地，仍然是以圓偏光之狀態穿透第1勃克爾盒6a。穿透後的圓偏光關於第2勃克爾盒6b亦與前述同樣地會以圓偏光之狀態穿透，而被後鏡3b反射，且再度穿透第2勃克爾盒6b及第1勃克爾盒6a，再入射至λ/4波長板5。
當圓偏光入射至λ/4波長板5後，會更加產生90°(π/2)的相位差，而被轉換成s偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移180°(π)之狀態)，並以成為布魯斯特角(Brewster’s angle)之入射角θ入射至偏振器4。由於偏振器4如上所述地，係具有反射s偏光之功能，因此入射後的s偏光便會被偏振器4反射而朝向光軸L的外側前進。
如此地，在未對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b施加電壓之狀態下，由於從YAG棒1釋放出的光 會藉由偏振器4而被反射，並不會再度入射至YAG棒1，因此光共振器3內便不會發生共振，而抑制脈衝雷射的振盪。
接下來，維持上述電壓非施加狀態直到YAG棒1內之被激發的原子數量成為希望作為脈衝雷射光而輸出的能量成為所需的量(反轉分佈變得十分地大)為止後，藉由第1控制電路9a及第2控制電路9b來使得第1電壓施加電路8a及第2電壓施加電路8b對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b的施加電壓變化。藉由第1電壓施加電路8a及第2電壓施加電路8b來對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b施加電壓後，第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b便會對應於所施加之電壓來使光線偏光。分別對該等2個勃克爾盒6a、6b施加特定的電壓後，2個勃克爾盒6a、6b整體來說便會作為λ/4波長板而發揮功能。此時，對上述2個勃克爾盒6a、6b所施加之電壓的大小、方向及變化之時間點可藉由第1控制電路9a及第2控制電路9b來控制為會成為相同，或是亦可控制為不同。
在對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b施加電壓之狀態下，從YAG棒1往偏振器4方向(箭頭A方向)被釋放出的光會如圖7所示，與上述電壓非施加狀態同樣地，僅有p偏光會穿透偏振器4，而s偏光及圓(橢圓)偏光則會被偏振器4反射。穿透偏振器4的p偏光會藉由λ/4波長板5而被轉換成圓偏光，且入射 至第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b。由於入射至第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b的圓偏光會因電壓的施加，使得第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b整體來說作為λ/4波長板而發揮功能，因此便會因穿透該等2個勃克爾盒6a、6b而產生90°(π/2)的相位差，且被轉換成s偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移180°(π)之狀態)。
此s偏光會藉由後鏡3b而被反射，並再度入射至第2勃克爾盒6b及第1勃克爾盒6a，且更加產生90°的相位差，而被轉換成圓偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移270°(3π/2)之狀態)。該圓偏光會入射至λ/4波長板5，且更加產生90°的相位差，而被轉換成p偏光(亦即，相較於從YAG棒1釋放且穿透偏振器4的p偏光為相位偏移360°(2π)之狀態)。
此p偏光會以成為布魯斯特角(Brewster’s angle)之入射角θ入射至偏振器4，並穿透偏振器4。穿透偏振器4的光會從圖2中之YAG棒1的左側入射，來使感應釋放產生於YAG棒1內，再從圖2中之YAG棒1的右側釋放，而被前鏡3a反射，並從圖2中之右側往左側通過YAG棒1。以下，依同樣的順序來使光在光共振器3內往返，則藉由感應釋放而被增幅之同調光的一部分便會從前鏡3a往箭頭B方向，作為雷射而被輸出。
此處，當藉由第1控制電路9a來使僅有第1電壓施加電路8a對第1勃克爾盒6a的施加電壓(未對第2勃克爾盒6b施加電壓)，如圖3所示般地從約0V至約-4000V以約100ns變化後，則脈衝雷射光的尖峰能量便成為約13.0mJ，而脈衝寬幅則成為約10ns。
又，藉由第1控制電路9a來使第1電壓施加電路8a對第1勃克爾盒6a的總計施加電壓，如圖4所示般地從約0V至約-3000V以約800ns而較圖3所示之實施例要和緩地變化後，則脈衝雷射光的尖峰能量便成為約0.6mJ，而脈衝寬幅則成為約70ns。如此地，藉由第1控制電路9a來使第1電壓施加電路8a所施加之電壓的變化率較小，便可增加脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低尖峰能量。此在僅對第2勃克爾盒6b施加電壓(未對第1勃克爾盒6a施加電壓)的情況亦相同。又，對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b兩者皆施加電壓的情況亦相同。亦即，藉由第1控制電路9a及第2控制電路9b來使對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b的施加電壓變化，便可增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。
再者，如圖5所示，亦可藉由第1控制電路9a，來使第1電壓施加電路8a對第1勃克爾盒6a的施加電壓從約0V至約-1500V以約300ns變化後，再從約-1500V至約-4500V更進一步地以600ns變化。
圖5中，從約0V至約-1500V的電壓變化，與從 約-1500V至約-4500V的電壓變化之間，電壓的變化率係改變1次。亦即，圖5中之約-1500V前後處之電壓圖形的梯度會改變。如此地，若使電壓的變化率階段性地變化，便可藉由第1控制電路9a而在使電壓的變化率改變之控制點C之後亦會產生尖峰。本實施例中，脈衝雷射光的第1尖峰能量為約0.5~0.6mJ，而第2尖峰能量亦同樣地為約0.5~0.6mJ，脈衝寬幅為約150ns。
如此地，藉由第1控制電路9a來使第1電壓施加電路8a對第1勃克爾盒6a所施加之電壓的變化率階段性地變化，便可增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。此在僅對第2勃克爾盒6b施加電壓(對第1勃克爾盒6a未施加電壓)的情況亦相同。又，對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b兩者皆施加電壓的情況亦相同。亦即，藉由第1控制電路9a及第2控制電路9b來使第1電壓施加電路8a及第2電壓施加電路8b對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b所施加之電壓的變化率階段性地變化，便可增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。
此外，上述控制點C的數量只要對應於所欲脈衝寬幅及尖峰能量來任意地決定即可。
圖8係概略顯示對2個勃克爾盒6a、6b的電壓控制之圖表。如圖8(a)所示，藉由第1控制電路9a來控 制對第1勃克爾盒6a的施加電壓，且藉由第2控制電路9b來控制對第2勃克爾盒6b的施加電壓，便可錯開對該等2個勃克爾盒6a、6b施加電壓的時間點。如此地，錯開對2個勃克爾盒6a、6b施加電壓的時間點之電壓控制就2個勃克爾盒6a、6b整體來說，係如圖8(b)所示般地，與使得對2個勃克爾盒6a、6b之總施加電壓的變化率階段性地改變1次(控制點C為1個)之電壓控制為等效。亦即，藉由錯開對2個勃克爾盒6a、6b施加電壓的時間點，便可與使得對其中一勃克爾盒所施加之電壓的變化率階段性地變化之情況同樣地，增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。此時，由於第1控制電路9a及第2控制電路9b不須使得對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b所施加之電壓的變化率分別階段性地變化，因此控制較為容易。於是，便可使用簡單構造的控制電路。
又，如圖9(a)所示，亦可一邊錯開對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b施加電壓的時間點，一邊使得所施加之電壓的變化率分別階段性地變化。如此地，一邊錯開對2個勃克爾盒6a、6b施加電壓的時間點，一邊使得所施加之電壓的變化率分別階段性地變化之電壓控制就2個勃克爾盒6a、6b整體來說，係與針對第1勃克爾盒6a或第2勃克爾盒6b當中的任一者，而如圖9(b)所示般地使得電壓的變化率階段性地 改變3次(控制點C為3個)之電壓控制為等效。
如圖10及圖11所示，對2個勃克爾盒6a、6b相互地施加相同方向的電壓之情況下，為了僅對其中一勃克爾盒施加電壓來使其作為λ/4波長板而發揮功能，則藉由分別對2個勃克爾盒6a、6b施加較所需電壓要低的電壓，便可使2個勃克爾盒6a、6b整體來說作為λ/4波長板而發揮功能。
例如，第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b皆為藉由施加3.6kV的電壓來使其作為λ/4波長板而發揮功能的勃克爾盒之情況下，為了僅對任一勃克爾盒施加電壓(對另一者未施加電壓)來獲得100%脈衝雷射光的輸出能量，由於必須使得被施加電壓之其中一勃克爾盒作為λ/4波長板而發揮功能，因此便必須如圖10(a)所示般地施加3.6kV的電壓。相對於此，為了對2個勃克爾盒6a、6b相互地施加相同方向且相同大小的電壓，來獲得100%脈衝雷射光的輸出能量，由於只要使2個勃克爾盒6a、6b整體來說作為λ/4波長板發揮功能即可，因此便如圖10(b)所示般地只要施加1.8kV的電壓即可。亦即，對2個勃克爾盒6a、6b相互地施加相同方向的電壓之情況下，可為了獲得100%脈衝雷射光的輸出能量而降低所需電壓。
再者，亦可對第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b相互地施加相反方向的電壓。如圖11所示，相對於對2個勃克爾盒6a、6b施加相同方向的電壓之情況 下的第1個尖峰P1的尖峰能量為約0.6mJ，錯開針對2個勃克爾盒6a、6b使得電壓變化之時間點而相互地施加相反方向的電壓之情況下的第1個尖峰P2的尖峰能量為約0.2mJ。亦即，若錯開使得電壓變化之時間點而施加相互相反方向的電壓，便可降低第1個尖峰能量。
此外，上述實施型態中，第1勃克爾盒6a及第2勃克爾盒6b雖係使用藉由電壓的施加便會作為λ/4波長板而發揮功能的勃克爾盒，但該等2個勃克爾盒6a、6b只要是藉由電壓的施加而整體來說會作為λ/4波長板發揮功能者即可，例如亦可使用會藉由電壓的施加而作為λ/2波長板發揮功能的勃克爾盒，或勃克爾盒以外的電氣光學元件。
又，亦可在對其中一勃克爾盒施加特定電壓來使其作為λ/4波長板發揮功能之狀態下使得對另一勃克爾盒的施加電壓變化，或是藉由對2個勃克爾盒6a、6b整體來說施加特定電壓來使其作為λ/2波長板發揮功能，來控制脈衝雷射的振盪。此情況下，由於不需λ/4波長板5，因此可減少脈衝雷射的零件個數。
如此地，依據上述第1及第2實施型態，藉由電壓控制裝置來使對第1電氣光學元件所施加之電壓值隨著時間變化，便可控制雷射光的脈衝寬幅。從而，便可增加所輸出之脈衝雷射光的脈衝寬幅，且降低脈衝雷射光的尖峰能量。
又，由於可在不使用將雷射光分光之分束器或延遲光學系統用的透鏡之情況下增加脈衝寬幅，因此可將脈衝雷射振盪器形成為較小型。
再者，在使用脈衝雷射振盪器之際，由於不須調整上述分束器或延遲光學系統用的透鏡，因此使用脈衝雷射振盪器之作業便變得容易。
然後，藉由使得對電氣光學元件所施加之電壓的變化率階段性地變化，便可產生脈衝寬幅更長之長脈衝的雷射光，且更加降低脈衝雷射光的尖峰能量。
圖12係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第3實施型態之平面圖。此處，與第1實施型態相同的構成要素則賦予相同符號，而僅對與第1實施型態相異的部分加以說明。
此第3實施型態係從雷射光的行進方向上游朝向下游依序配置而具備有共振器3、光增幅器11及雷射用衰減器(attenuator)12。
上述共振器3係具有與上述第1實施型態的共振器相同之功能，其係構成為在前鏡3a及後鏡3b之間具備有藉由省略圖示的閃光燈而被激發、產生雷射光之作為雷射媒質的例如ND：YAG棒1、配置在該ND：YAG棒1的後方之作為偏光元件的偏振器4、以及由λ/4波長板5及勃克爾盒6所構成的Q開關10。
此情況下，藉由省略圖示的控制機構而與上述第1實施型態同樣地控制對上述勃克爾盒6的施加電 壓，便可放大脈衝雷射光的脈衝寬幅。
上述光增幅器11係用以增幅並輸出雷射光的脈衝能量，其係使用例如ND：YAG棒。
又，上述雷射用衰減器12會選擇性地降低1脈衝雷射光之特定時間的能量。
上述雷射用衰減器12的具體結構例如圖13所示，係具備有：於雷射光的光線路徑上以正交偏光(Crossed Nico)方式所配置之作為偏光元件的第1及第2偏光分束器13a、13b；在該第1及第2偏光分束器13a、13b之間，配置為光學軸係相對於所入射之直線偏光(例如P偏光)呈45°，而藉由電壓的施加來使通過內部之雷射光的偏光面旋轉之作為第2電氣光學元件的勃克爾盒14；以及控制針對該勃克爾盒14的施加電壓值及施加時間點之控制部15。
本第3實施型態中所使用之勃克爾盒14，作為一例係可藉由最大-3.6kV的電壓施加來獲得λ/4波長板的效果，藉由將第3及第4勃克爾盒14a、14b串聯地並排配置並以最大-3.6kV來並聯控制施加電壓，便可以第3及第4勃克爾盒14a、14b的組合來獲得λ/2波長板的效果。此情況下，使得第3及第4勃克爾盒14a、14b的施加電壓從例如0Kv至-3.6kV變化時，雷射用衰減器12的透光率會從0%至100%變化。
此外，圖12中，元件符號16為第2偏振器，元件符號17為擴張雷射束的束徑之擴束器，元件符號 18為反射鏡。
接下來，針對上述方式所構成之第3實施型態的動作，特別是雷射用衰減器12的動作加以說明。
首先，針對雷射用衰減器12使得100%的雷射光穿透之情況加以說明。此情況下，雷射用衰減器12的第3及第4勃克爾盒14a、14b係分別被施加-3.6kV的電壓。
此時，入射至雷射用衰減器12的雷射光，首先，會在第1偏光分束器13a的反射面19a處被分離成相對於該反射面19a具有平行於入射面的偏光面而穿透反射面19a之直線偏光(p偏光)，與具有垂直於上述入射面的偏光面而在上述反射面19a被反射之直線偏光(s偏光)。
穿透第1偏光分束器13a之p偏光會入射至第3勃克爾盒14a。此情況下，第3勃克爾盒14a係被施加-3.6kV的電壓而發揮λ/4波長板的效果。於是，入射至第3勃克爾盒14a之p偏光的雷射光便會在通過第3勃克爾盒14a中產生90°的相位差而成為圓偏光並從第3勃克爾盒14a射出。
接著，上述圓偏光會入射至第4勃克爾盒14b。由於此時亦係對第4勃克爾盒14b施加-3.6kV的電壓，因此第4勃克爾盒14b便會發揮λ/4波長板的效果。於是，入射至該第4勃克爾盒14b之圓偏光的雷射光便會在通過第4勃克爾盒14b的內部中更加產生 90°的相位差。藉此，則穿透第1偏光分束器13a的p偏光便會藉由第3及第4勃克爾盒14a、14b而偏光面旋轉90°並入射至第2偏光分束器13b。
此處，由於第1偏光分束器13a與第2偏光分束器13b係配置為正交(Crossed Nico)的關係，因此各偏光分束器13a、13b的反射面19a、19b便會以光軸為中心而為相互地旋轉90°之關係。於是，入射至第2偏光分束器13b的直線偏光便會相對於第2偏光分束器13b的反射面19b而成為p偏光的關係，且穿透該反射面19b。
另一方面，在未對第3及第4勃克爾盒14a、14b施加電壓時，由於通過該勃克爾盒14之直線偏光的偏光面並不會旋轉，因此穿透第1偏光分束器13a的p偏光便會直接入射至第2偏光分束器13b。此情況下，由於上述p偏光係相對於第2偏光分束器13b的反射面19b而成為s偏光的關係，因此便會在該反射面19b被反射至圖13的例如前側(或後側)而被省略圖示的光吸收材吸收，並不會從雷射用衰減器12射出。
如此地，藉由使得第3及第4勃克爾盒14a、14b的施加電壓在0kV~-3.6kV之間適當地變化，並使通過勃克爾盒14之直線偏光的偏光面旋轉，來引出相對於第2偏光分束器13b的反射面19b而呈p偏光的關係之偏光成分，便可將從雷射用衰減器12所輸出之雷射光的能量強度調整在0%~100%之間。
另一方面，本發明之脈衝雷射振盪器若針對Q開關10的勃克爾盒6漸減控制施加電壓，便可例如圖4或圖5所示般地增加所產生之雷射光的脈衝寬幅。但是，由於如此般生成的長脈衝雷射光會在特定時間釋放出過大的脈衝能量，因此在針對例如半導體基板的非晶矽進行退火處理來聚矽化之情況下，便會有無法進行均勻的退火處理之虞。
因此，本發明之脈衝雷射振盪器係藉由控制雷射用衰減器12之對於勃克爾盒14的施加電壓值及施加時間點，來選擇性地降低1脈衝雷射光之特定時間的脈衝能量，以使1脈衝內的雷射能量為略一定。以下，說明雷射用衰減器12的上述動作。
當雷射用衰減器12被輸入有例如圖14(a)所示般會在時間tn內釋放出過大的脈衝能量之長脈衝雷射光的情況下，例如欲將此脈衝能量降低50%時，如圖15(a)所示，係使時間tn內之對第3及第4勃克爾盒14a、14b的施加電壓為-1.8kV，且在經過時間tn後，係控制為-3.6kV。
藉此，如圖15(b)所示，則在最初的時間tn內穿透雷射用衰減器3之雷射光的穿透率便會降低為50%，而在經過時間tn後，則穿透率會成為100%。於是，圖14(a)所示之長脈衝的雷射光，在最初的時間tn內之雷射強度便會降低50%，而在經過時間tn後的雷射強度則會維持原先的強度。其結果，便會如圖14(b) 所示般地1脈衝內的雷射強度為略一定。
如此地，依據第3實施型態，便可選擇性地降低長脈衝雷射光之特定時間的過大能量。於是，便可遍佈脈衝寬幅整體而獲得大致一定的能量。藉此，則將該雷射光使用於加工時，便可防止過大能量局部地集中，而對加工物造成燒損等之損傷。
此外，上述第3實施型態中雖已針對雷射用衰減器12係具備有第3及第4勃克爾盒14a、14b之情況加以說明，但只要是能夠藉由電壓的施加來發揮λ/2波長板的效果之電氣光學元件，則亦可為一個。
又，上述第3實施型態中雖已針對將雷射用衰減器12設置在光增幅器11的下游側之情況加以說明，但本發明不限於此，而亦可設置在光增幅器11的上游側。但設置在光增幅器11的上游側之情況，由於所選擇之特定時間內的降低後雷射能量會與雜訊一起因後段的光增幅器11而被增幅，因此會有S/N變差之可能性。因此，較佳係如上述第3實施型態般地將雷射用衰減器12設置在光增幅器11的下游側。又，亦可設置有雷射用衰減器12來降低從脈衝雷射振盪器所射出之雷射光的能量。
然後，本發明之脈衝雷射振盪器不僅是退火處理，而亦可使用於開孔加工等之任何的雷射加工。
1‧‧‧YAG棒
2‧‧‧閃光燈
3‧‧‧光共振器
3a‧‧‧前鏡
3b‧‧‧後鏡
4‧‧‧偏振器
5‧‧‧λ/4波長板
6‧‧‧勃克爾盒
7‧‧‧電壓控制裝置
7a‧‧‧電壓施加電路
7b‧‧‧控制電路
8a‧‧‧第1電壓施加電路
8b‧‧‧第2電壓施加電路
9a‧‧‧第1控制電路
9b‧‧‧第2控制電路
L‧‧‧光軸
圖1係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第1實施型態之電壓非施加狀態之概略圖。
圖2係顯示上述第1實施型態的電壓施加狀態之概略圖。
圖3係顯示針對上述第1實施型態的勃克爾盒所施加之電壓的變化，與所輸出之脈衝雷射光輸出能量的關係一例之圖表。
圖4係顯示圖3所記載之關係的其他例之圖表。
圖5係顯示圖3及圖4所記載之關係的再一其他例之圖表。
圖6係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第2實施型態之電壓非施加狀態之概略圖。
圖7係顯示上述第2實施型態之電壓施加狀態之概略圖。
圖8係概略顯示針對上述第2實施型態的2個勃克爾盒之電壓控制之圖表，(a)係顯示針對2個勃克爾盒分別施加電壓之控制，(b)係顯示(a)時的2個勃克爾盒的總施加電壓之圖表。
圖9係顯示圖8所記載之電壓控制的其他例之圖表。
圖10係顯示針對上述第2實施型態的勃克爾盒所施加之電壓，與脈衝雷射光輸出能量的關係一例之圖表，(a)係顯示僅針對1個勃克爾盒施加電壓的情況，(b)係顯示針對2個勃克爾盒施加相同方向電壓的情況 之圖表。
圖11係比較針對上述第2實施型態的2個勃克爾盒施加相同方向電壓的情況，與施加相反方向電壓的情況下所輸出之脈衝雷射光的輸出能量之圖表。
圖12係顯示本發明之脈衝雷射振盪器的第3實施型態之平面圖。
圖13係顯示上述第3實施型態的雷射用衰減器的一結構例之平面圖。
圖14係顯示藉由上述雷射用衰減器來選擇性地降低1脈衝雷射光之特定時間的能量之樣態之說明圖，(a)係顯示降低前的狀態，(b)係顯示降低後的狀態。
圖15係顯示藉由上述雷射用衰減器來選擇性地降低1脈衝雷射光之特定時間的能量之電壓控制之說明圖，(a)係顯示施加電壓的時間變化，(b)係顯示該時之穿透率的時間變化。
1‧‧‧YAG棒
2‧‧‧閃光燈
3‧‧‧光共振器
3a‧‧‧前鏡
3‧‧‧b後鏡
4‧‧‧偏振器
5‧‧‧λ/4波長板
6‧‧‧勃克爾盒
7‧‧‧電壓控制裝置
7a‧‧‧電壓施加電路
7b‧‧‧控制電路
L‧‧‧光軸

Claims (11)

  1. 一種脈衝雷射振盪器，其具備有構成Q開關且對應於所施加之電壓來使光線偏光之第1電氣光學元件，與對該第1電氣光學元件施加電壓並控制電壓之電壓控制裝置；其特徵為：係藉由該電壓控制裝置來在因輸出雷射光而使得反轉分佈變得十分地大後，使對該第1電氣光學元件所施加之電壓值隨著時間變化，並以至少一個控制點來使得隨著時間變化的該電壓值的變化率階段性地變化，而增加控制雷射光的脈衝寬幅。
  2. 如申請專利範圍第1項之脈衝雷射振盪器，其係具備有複數個該第1電氣光學元件，其中係使對各個該複數第1電氣光學元件所施加之電壓值分別隨著時間變化。
  3. 如申請專利範圍第2項之脈衝雷射振盪器，其係具備有2個該第1電氣光學元件，而藉由該電壓控制裝置來對該2個第1電氣光學元件分別施加相互相反方向的電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項之脈衝雷射振盪器，其中該第1電氣光學元件為勃克爾盒(Pockels cells)，且更進一步地具備有λ/4波長板。
  5. 如申請專利範圍第1項之脈衝雷射振盪器，其中 於該雷射光的光線路徑上係另具備有雷射用衰減器，該雷射用衰減器包含有：以正交偏光(Crossed Nico)方式所配置之2個偏光元件；配置於該2個偏光元件之間，而藉由電壓的施加來使通過內部之雷射光的偏光面旋轉之第2電氣光學元件；以及控制針對該第2電氣光學元件的施加電壓值及施加時間點之控制部。
  6. 如申請專利範圍第5項之脈衝雷射振盪器，其中該第2電氣光學元件為勃克爾盒(Pockels cells)。
  7. 如申請專利範圍第6項之脈衝雷射振盪器，其中該勃克爾盒係串聯地並排配置為複數個。
  8. 如申請專利範圍第5項之脈衝雷射振盪器，其中該雷射用衰減器係為設置於該雷射光的光線路徑上之光增幅器的下游側所具備。
  9. 一種脈衝雷射振盪控制方法，係使得對第1電氣光學元件所施加之電壓變化，藉以控制雷射光的振盪，其中該第1電氣光學元件會構成Q開關且對應於所施加之電壓來使光線偏光；其特徵為：係在因輸出雷射光而使得反轉分佈變得十分地大後，使對該第1電氣光學元件所施加之電壓值隨著時間變化，並以至少一個控制點來使得隨著時間變化的該電壓值的變化率階段性地變化，而增加控制雷射光的脈衝寬幅。
  10. 如申請專利範圍第9項之脈衝雷射振盪控制方法，其係具備有複數個該第1電氣光學元件，其中係使對各個該複數第1電氣光學元件所施加之電壓值分別隨著時間變化。
  11. 如申請專利範圍第10項之脈衝雷射振盪控制方法，其係具備有2個該第1電氣光學元件，而藉由電壓控制裝置來對該2個第1電氣光學元件分別施加相互相反方向的電壓。
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