WO2003084009A1 - Solid state laser device - Google Patents

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WO2003084009A1
WO2003084009A1 PCT/JP2003/000230 JP0300230W WO03084009A1 WO 2003084009 A1 WO2003084009 A1 WO 2003084009A1 JP 0300230 W JP0300230 W JP 0300230W WO 03084009 A1 WO03084009 A1 WO 03084009A1
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crystal
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Nobuaki Iehisa
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Kataoka Corporation
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Abstract

A solid state laser device for performing the laser oscillation by exciting Nd:YAG crystal which is a solid state laser active medium by a laser diode or a light source of a lamp or the like. By disposing inside a laser resonator a compensation optical element in which generation of the concave thermal lens effect is changed in proportion to the output level of the oscillated laser beam, the convex thermal lens effect generated inside the Nd:YAG crystal is compensated and a dynamic range is expanded, thereby obtaining high brightness of the emitted laser beam and stable laser output.

Description

明 細書  Specification
固 体 レ ー ザ装 置 技術分 野  Solid laser device technology
本発 明 は 、 レー ザ ダイ オ ー ド （ L D ) あ る い は ラ ン プ 等 の 光 源 に よ り 固 体 レ ー ザ活 性 媒 体 を 励 起 し て レ ー ザ発振 を 行な う 固体 レ ー ザ装 置 に お い て 、 熱 レ ン ズ 補 償 に よ り そ の 固 体 レ ー ザ 出 力 の 安 定 化 な ら び に ビ ー ム 品 質 を 大 幅 に 向 上 さ せ た 固 体 レ ー ザ 装 置 に 関 す る も の で あ る 。 背 景技術  In the present invention, laser light is emitted by exciting a solid laser active medium by a laser diode (LD) or a light source such as a lamp. In a solid-state laser device, thermal lens compensation stabilizes the output of the solid-state laser and greatly enhances the beam quality. It also relates to solid-state laser devices. Background technology
近年 、 固体 レー ザユ ニ ッ ト の 高 出 力化 、 高輝度化 技術が進展 し 、 両性 能 を 同 時 に 満足す る 固体 レ ー ザ ュ ニ ッ 卜 が実現 し た こ と に よ り 、 従来 の 加 工装 置 で は 成 し 得 な か っ た 精 密 溶 接 や 微 細 除 去 加 工 が 高 速 か つ 高精度で得 ら れ る よ う に な つ て き た 。 こ の た め に 、 高 出 力 · 高輝度 固体 レ ー ザユ ニ ッ ト は電気 · 電 子 部 品 の ス ポ ッ ト 溶 接 や シ ー ム 溶 接 加 工 に 使 用 さ れ た り 、 金属 、 半導体 、 セ ラ ミ ッ ク 等 の ス ク ラ イ ビ ン グゃ 切 断加 工 に 活 発 に 適 用 さ れ る よ う に な っ た 。  In recent years, the technology for increasing the output and the brightness of solid-state laser units has been advanced, and the solid-state laser unit that satisfies both performances at the same time has been realized. High-speed and high-precision welding and fine-removal processing, which could not be achieved by conventional processing equipment, have been developed. For this purpose, high-output, high-brightness solid-state laser units are used for spot welding and seam welding of electrical and electronic components. It is now being actively applied to scribing and cutting of metals, semiconductors, ceramics, and so on.
従来 の 固体 レ ー ザユ ニ ッ ト の 代表例 と し て 、 最 も 市 場 に 普 及 し て い る レ ー ザ 活 性 媒 体 が ロ ッ ド 型 の Nd : YAG 結 晶 で 、 平 均 出 力 が 300W ク ラ ス の LD ( レ ー ザ ダイ オー ド ） 励起 Nd : YAG レ ー ザ装置 の 構成 を 第 3 図 に 示す 。 As a typical example of a conventional solid laser unit, the laser active medium most widely used in the market is a rod-type Nd: YAG crystal, which is an average. The configuration of an LD (laser diode) pumped Nd: YAG laser device with an output of 300 W It is shown in the figure.
こ こ で 、 Nd : YAG 結 晶 1 は 、 励起 源で あ る LD2 力 ら 射 出 し た LD 光 3 に よ り 励起 さ れ、 レ ー ザ共振器 4 を 構 成 す る 全 反 射鏡 5 と 出 力 結 合 鏡 6 と の 間 で N d： Y A G結 晶 1 か ら 放 射 し た 1. 06 m の光 が選択 的 に 増 幅 さ れ 、 出 力 結合鏡 6 カゝ ら Nd： YAG レ ーザ光 7 と な り 射 出 す る 。 ま た 、 用 途 に 応 じ た Nd : YAG レ ーザ 出 力 の 制御 は 、 L D 2 と 電 気 的 に 結合 さ れ た 直 流安 定 化 電源 8 に よ り 行わ れ、 所 望 Nd : YAG レ ーザ出 力 に 対 応す る 一定 LD 励起電 流 が LD に 供給 さ れ る よ う に 構 成 さ れ て い る 。 ま た 、 連続的 に 一定 の Nd : YAG レ 一ザ出 力 を維持す る た め に Nd : YAG結 晶 1 お よ び LD2 は 、 直 接 も し く はそれ ら の 周 辺 部が一定 の温度 に な る よ う に 冷却媒体供給装置 9 か ら 供給 さ れた 冷却媒 体 を介 し て温度管理 さ れ て い る 。 ま た 、 Nd : YAG レ ー ザ光 7 は加工 の 必要で な い 時 に は、 安全 シ ャ ッ タ ー 10 に よ り ビ ー ム ダ ン バ 一 11 に 同 レ ー ザ光 7 が照射 さ れて い る 。  Here, the Nd: YAG crystal 1 is excited by the LD light 3 emitted from the LD 2, which is an excitation source, and the total reflection mirror 5 forming the laser resonator 4 is formed. The 1.06 m light emitted from the Nd: YAG crystal 1 is selectively amplified between the Nd: YAG crystal 1 and the output coupling mirror 6, and the output coupling mirror 6 Nd: YAG The laser beam 7 is emitted. Further, the output of the Nd: YAG laser according to the application is controlled by a DC stabilizing power supply 8 electrically coupled to the LD 2, and the desired Nd: YAG laser is controlled. A constant LD excitation current corresponding to the laser output is configured to be supplied to the LD. Also, in order to maintain a continuously constant Nd: YAG laser output, the Nd: YAG crystal 1 and LD2 must be either directly or with a constant peripheral area. The temperature is controlled via the cooling medium supplied from the cooling medium supply device 9 so that the temperature becomes the temperature. Also, when the Nd: YAG laser light 7 does not require processing, the safety shutter 10 irradiates the beam damper 11 with the same laser light 7. It is.
レ ー ザ加工 を 行な う 場 合 に は 、 N d Y A G レ 一 ザ光 7 は 入射集光光学系 12 に よ り コ ア 径 0. 3mm の伝 送用 光 フ ァ イ バ 13 の伝送条 件 を 満足す る よ う に 集光 さ れ 、 光 フ ' 13 か ら 射 出 し た レ ー ザ光 は 、 C N C テ 一 ブル 14 に 置か れ た 被 加工 物 15 上 で加 工 に 適 し た ビ ー ム 形 状 に な る よ う に 射 出集 光光学系 16 に よ り 整 形 あ る い は集光 さ れ 、 所望 の レ ー ザ加 工が行 わ れ る 。 When laser processing is performed, the Nd YAG laser beam 7 is transmitted by the incident light condensing optical system 12 to the transmission optical fiber 13 having a core diameter of 0.3 mm. The laser beam emitted from the optical fiber 13 was focused so as to satisfy the above conditions, and was suitable for processing on the workpiece 15 placed on the CNC table 14. The light is converged or condensed by the emission / collection optical system 16 so as to form a beam, and the desired laser processing is performed. .
し 力、 し な が ら 、 LD 光 に よ り 励起 さ れ る Nd : YAG 結 晶 は 、 吸収 し た 全 エ ネ ルギ ー が レ ーザ光 エ ネ ルギ ー と し て 結 晶 外部 に 放出 さ れ る 分 け で はな く 、 主 と し て 量子欠 陥 （ Quan t um De f ec t) 効果 に よ る エ ネ リレ ギ 一損 失 が 熱 エ ネ ル ギ ー と な り 結 晶 内 部 に 蓄 積 さ れ る 。 一般 的 に 、 こ の 内部 に 熱 と し て 蓄積 さ れる 量 は、 結 晶 内 部 で 吸 収 さ れた LD 光 エ ネ ル ギ ー の 約 30〜 40 % に も な る （参考 ： Spr i nger Ser i es i n Opt i ca l Sc i ences, Wa l t er Koechner ¾ 「 So l i d-S t at e Laser Engi neer, 5 th Ed i t i on, pp406-407」 ） 。 よ っ て 、 前 述 し た よ う に 同 結 晶 の 周 囲 は 効 率 良 く 冷 却 媒体 に よ り 冷却 し 、 レ ーザ発振効率 の 低下や 結晶 の 熱破 壊等 が発 生 し な い よ う に し て い る 。  However, in the Nd: YAG crystal excited by the LD light, all the absorbed energy is emitted to the outside of the crystal as laser light energy. Rather, the energy loss due to the quantum defect (Quan tum Defect) effect mainly becomes thermal energy, and the energy inside the crystal is reduced. It is stored in In general, the amount of heat accumulated inside this is about 30 to 40% of the LD light energy absorbed inside the crystal (Reference: Spri nger Series in Opt iCal Sciences, Walter Koechner ner “SolidSt at e Laser Engineer, 5th Edition, pp406-407”). Therefore, as described above, the periphery of the crystal is efficiently cooled by the cooling medium, so that the laser oscillation efficiency is not reduced and the crystal is not thermally broken. I am doing it.
し た が っ て 、 同 結 晶 内 部 に は 中 心部が最 も 温度が 高 く 、 外周 部 に 向 か っ て 除 序 に 温度が低下す る 温度 の 不 均 一 分 布 が発 生 す る こ と に な る 。 こ の 結 果 、 Nd： YAG 結 晶 は温度 に よ り 屈 折率 が変化 （ dn/d t = 7. 3 X 10-6/k) す る の で 、 結 晶 内 部 に 凸 型 の 熱 レ ン ズ効 果 が発 生す る 。 ま た 、 結 晶 内 部で は 同 時 に 熱 ス ト レ ス に よ り 径 方 向 と そ れ と 直 交 す る 傾 斜 方 向 に 屈 折 率 が異 な る 複屈 折現象 も 発 生 し て し ま い 、 複雑 な 凸 型 の 熱 レ ン ズ効果 が現 れ る 。 Therefore, the temperature in the center of the crystal is highest in the center of the crystal, and the temperature is unevenly distributed such that the temperature gradually decreases toward the outer periphery. It will be. Result of this, Nd: YAG crystal than refractive Oriritsu Ri by the temperature you change (dn / dt = 7. 3 X 10- 6 / k), convex heat les into crystal Internal The effect of this occurs. At the same time, inside the crystal, a birefringence phenomenon occurs in which the bending stress differs in the radial direction and the inclination direction perpendicular to it due to thermal stress at the same time. As a result, a complex convex thermal lens effect appears.
従来 、 複 屈 折現 象 を 低減す る 手 法 は数 多 く 報 告 さ れ （参考 ： Spr i nger Ser i es i n Op t i ca l Sc i ences , Wa l te r Koechner 著 「 So l i d-S t at e Laser Engi neer, 5 t h Ed i t i on, pp425— 428」 ） 商用 技術 と し て も 広 く 使 用 さ れ る 技術が あ る が、 熱 レ ン ズ効果 の 抑 制 に つ い て は あ る 一 定 条 件 で の 熱 レ ン ズ 効 果 を 補 償 す る 技 術 が あ る の み で 、 レ ー ザ 出 力 に 応 じ て 変 化 す る 様 々 な 凸 レ ン ズ効果 を 補償 す る 商用 技術 は 、 開 発 さ れ て い な か っ た 。 Conventionally, a number of methods for reducing the birefringence phenomenon have been reported (refer to “Springer Series in Optic Sciences, Walter Koechner, "Solid State Laser Engineer, 5th Edition, pp 425-428") There is a technology that is widely used as a commercial technology. As for the suppression of the laser effect, there is a technology that compensates for the heat lens effect under certain conditions, and it changes according to the laser output. Commercial techniques to compensate for various convex lens effects have not been developed.
こ の た め 、 前述 し た 従来構成 の Nd : YAG レ ー ザ装 置 で は、 レ ー ザ発振器 の 出 力 安定性が レ ーザ 出 カ レ ベ ル の 増減 に よ り 変化 す る だ け で な く 、 ビー ム 品質 も 同 レ ベ ル の 増減 に よ り 変化 し て し ま っ て い た 。  For this reason, in the Nd: YAG laser device having the conventional configuration described above, the output stability of the laser oscillator changes only by increasing or decreasing the laser output level. Rather, the beam quality also changed as the level increased or decreased.
前記 Nd :YAG レ ーザ装置 に お い て は 、 定格最大 レ — ザ 出 力 レ ベ ル の 定 常 状 態 で 発 生 す る 凸 型 熱 レ ン ズ効果 を 補償す る た め に 、 Nd： YAG レ ー ザ結 晶 の 両端 面 に 凹型 の 曲 率 （ R=lm) を 設 け る こ と に よ り 結 晶 自 身 を 凹 レ ン ズ に し て対処 し て い る 。 こ の 定常 状態 で 発 生 す る 結 晶 内 部 の 凸 型 熱 レ ン ズ を 考 慮 に 入 れ て レ ー ザ発振器 を構成 し て い る の で 、 こ の 定常状態 で は レ ー ザ 出 力 は 安 定 に 且 つ ビ ー ム 品 質 も 所 望 の 数 値 が得 ら れ る 。 し か し な が ら 、 N d： Y A G レ ーザ光 出 力 の 射 出 開 始 直後の よ う な 状 況下 で は 、 結 晶 内 部で の 凸 型 熱 レ ン ズ効果 の 発 生量 が少 な い た め に 、 N d： Y A G レ ー ザ結 晶 の 両端面 に 設 け た 凹 型 の 曲 率 （ R = 1 m ) で は 、 補償量が過大 と な り レ ー ザ 出 力 が極端 に 不安 定 に な る 。 し た が っ て 、 L D に よ る 励起 直後 の N d： Y A G レ ー ザ 光 出 力 は低 く 、 不安定 に 出 力 さ れ な が ら 、 結 晶 の 内 部温度 上 昇 に 伴 い 除序 に Nd： YAG レ ー ザ光出 力 が増 大 し 、 数秒か ら 数分 間 経過 後 に 漸 く レ ー ザ光 が安定 に 出 力 さ れ る 傾 向 と な っ て い た 。 In the Nd: YAG laser device, the Nd: YAG laser device is provided with a Nd: YAG laser device for compensating for the convex thermal lens effect that occurs in a steady state of the rated maximum laser output level. : By setting concave curvatures (R = lm) on both end faces of the YAG laser crystal, the crystal itself is treated as a concave lens. The laser oscillator is constructed by taking into account the convex thermal lens inside the crystal generated in this steady state, so that the laser output in this steady state is taken into account. The power is stable and the beam quality is as high as desired. However, in the situation immediately after the start of the Nd: YAG laser light output, the amount of the convex heat lens effect generated inside the crystal is generated. In the case of the concave curvature (R = 1 m) provided at both end faces of the Nd: YAG laser crystal, the compensation amount becomes excessive and the laser output power becomes small. Becomes extremely unstable. Therefore, the Nd: YAG laser light output immediately after excitation by the LD is low, and while the output is unstable, it is removed as the internal temperature of the crystal rises. First, the output of the Nd: YAG laser light increased, and after a few seconds to a few minutes, the laser light was gradually output stably.
こ の よ う に 、 Nd： YAG レ ー ザ光射 出 直 後 か ら 数 秒か ら 数分 間 は 、 定常 状態 に は見 ら れ な い 不 安定 出 力 期 間 が あ る た め に 、 例 え ば同 レ ーザ光 を 適 用 し た レ ー ザ接合加 工で は 、 加工 開 始 直後 に お い て は接合強度 不 足 と な り 加 工 不 良 が発 生 し て し ま う と い う 問 題 が あ っ た 。  As described above, several seconds to several minutes immediately after the Nd: YAG laser beam is emitted, there is an unstable output period that cannot be seen in the steady state. For example, in laser bonding using the same laser light, shortly after the start of processing, the bonding strength will be insufficient and processing will be poor. There was a problem.
ま た 、 上記 し た 問題 を解決す る た め に 、 一般 的 に 知 ら れて い る よ う に 制御対象量 と な る Nd :YAG レー ザ光 出 力 を 測 定 し 、 そ の 結果 を 制御指令 系 に フ ィ 一 ド ノ' ッ ク し て 同 出 力 の 目 標 設 定 値 力ゝ ら の 偏 差 が最 小 に な る よ う に L D 励起電流 を 増減制御 す る フ ィ ー ド ノ ッ ク 制御 手法 が あ る が、 レ ー ザ出 力 の偏差 を 補 う た め に 過大 な LD 電流 を 通電す る 必要 も あ り LD を 破壊 し た り 、 寿命 を 大 幅 に 短 く し た り し て い た 。 ま た 、 本 手 法 に よ り L D の 信頼性 を 低下 さ せ る こ と な く レ ー ザ 出 力 を ほ ぼ 一 定 に す る こ と が 可 能 に な つ た と し て も 、 ビ ー ム 品 質 ま で一定 に 制御 す る こ と は 不 可能 で あ っ た 。  In addition, in order to solve the above-mentioned problem, as is generally known, the Nd: YAG laser light output, which is a controlled object, is measured, and the result is measured. Feed to the control command system by feed-in control to increase or decrease the LD excitation current so that the deviation from the target set value of the output is minimized. There is a knock control method.However, it is necessary to supply an excessive LD current to compensate for the deviation of the laser output, so that the LD is destroyed and the life is greatly shortened. I was reluctant. Also, even if the laser output could be made almost constant without deteriorating the reliability of LD by this method, It was impossible to achieve constant control up to the room quality.
ま た 、 レ ー ザ加 工 を 行 な う 前 に 実加工 で使 用 す る 条 件 で暖気運転 を 常時 実 施す る こ と に よ り 、 LD お よ び レ ー ザ結晶 を 安定 な 定常 状態 に 保 ち 、 実加 工 に 移 行 す る 技 術 も あ る 。 し か し こ れ で は 、 加工 も 行な わ な い の に 不要 な エ ネ ル ギー を 消 費 し て し ま い 、 エ ネ ル ギ 一 の 浪 費 と 不 要 に 周 囲 環 境 を 温 暖 化 し て し ま う と レゝ ぅ 欠点 が あ っ た 。 発 明 の 開 示 Also, before laser machining, the warm-up operation is always performed under the conditions used in actual machining. There is also a technology that keeps the laser crystal in a stable steady state and moves to actual processing. However, in this method, unnecessary energy is consumed even though the processing is not performed, so that the energy is wasted and the surrounding environment is unnecessarily warmed. There was a drawback to warming up. Disclosure of the invention
本発 明 は、 前記 し た L D 励起 固 体 レ ー ザ装置 に お い て 問 題 と な る 固 体 レ ー ザ 出 力 の 増 減 を 実 施 し た 場 合 に 発 生 す る レ ー ザ 出 力 の 不 安 定 性 な ら び に ビ — ム 品 質 の 変 化 問 題 を 以 下 に 示 す 手 法 で 解 決 す る こ と に よ り 、 レ ーザ 出 力 の フ ィ ー ド ノ ッ ク 制御 を 行 な う こ と な く レ ー ザ 出 力 を 安 定 に 且 つ ビ ー ム 品 質 を 一 定 に 保 持 す る こ と が 可 能 な レ ー ザ 装 置 を 提 供 し 、 常 に 安定 し た 加 工 品 質 が得 ら れ る レ ー ザ加工 装 置 を 提供す る も の で あ る 。  The present invention provides a laser which is generated when the output of a solid laser, which is a problem in the LD-excited solid laser device described above, is increased or decreased. By solving the output instability and changes in beam quality using the methods described below, the feedback of the laser output can be obtained. To provide a laser device capable of stably maintaining a laser output without performing knock control and maintaining a constant beam quality. In addition, it is intended to provide a laser processing device capable of always obtaining a stable processing quality.
本発 明 は上記課題 を 解決す る た め に 、 レ ー ザ共 振 器 内 部 に 発 振 レ ー ザ 光 の 出 力 レ ベ ル に 比 例 し て 凹 型 の 熱 レ ン ズ効 果 の 発 生 量 が 変 化 す る 光 学 素 子 を 少 な く と も 一個配置 す る こ と に よ り 、 該 レ ー ザ活 性 媒体 内部 で発 生す る 凸 型 の 熱 レ ン ズ効果 を 補 償 し 、 レ ー ザ 射 出 光 の 高 輝 度 化 と 安 定 な レ ー ザ 出 力 が 得 ら れ る ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 拡 大 が 行 な え る 技 術 を 提 供す る も の で あ る 。  In order to solve the above-mentioned problem, the present invention has a concave-shaped heat lens effect inside the laser resonator that is proportional to the output level of the laser light. By arranging at least one optical element that changes the amount of generated heat, the convex thermal lens effect generated inside the laser active medium is reduced. To compensate, we will provide a technology that can increase the laser emission light's brightness and expand the dynamic range to obtain a stable laser output. It is to be provided.
本 発 明 に 係 る レ ー ザ 出 力 の 安 定 化 技 術 を 適 用 す る こ と に よ り 、 加 工 の 高 精度化 や 高 速性化が 同 時 に 達成す る こ と がで き 、 レ ー ザ加 工効 率 を 大幅 に 向 上 さ せ る こ と がで き る だ け で な く 、 加 工 時 間 と レ ー ザ 加 工 装 置 の 運 転 コ ス ト を 大 幅 に 低 減 す る こ と が で き る 。 図 面 の 簡単な 説 明 Apply the laser output stabilization technology according to the present invention. As a result, high precision and high speed processing can be achieved at the same time, and the laser processing efficiency can be greatly improved. Not only that, but also the processing time and the operating costs of the laser processing equipment can be significantly reduced. Brief explanation of the drawing
第 1 図 は、 本発 明 の一実施例 に お け る レー ザ加 工 装 置 の 構成 図 で あ る 。 第 2 図 は 、 本発 明 の一実施例 に お け る 凸 型 熱 レ ン ズ 補 償 光 学 素 子 の 模 式 図 で あ る 。 第 3 図 は 、 従来例 の 構成 に お け る レ ーザ加 工装 置 の構成 図で あ る 。 発 明 を 実施す る た め の 最 良 の 形態  FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of a convex thermal lens compensation optical element according to one embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram of the laser processing apparatus in the configuration of the conventional example. Best mode for carrying out the invention
以下 、 本発 明 の一実施 例 に お け る 構成 に つ い て 以 下 説 明 す る 。  Hereinafter, a configuration according to an embodiment of the present invention will be described below.
Nd： YAG レ ー ザ結 晶 の 温度 に 対 す る 屈 折率 の 変化 率 d n / d t 力 7. 3 X 10— 6 / k で あ っ て 、 中 心軸 上 か ら 径 方 向 に 向 か っ て 温 度 が 低 下 す る 不 均 一 分 布 を 持 つ て い る の で 、 結 晶 内 部 に お い て 凸型 の 熱 レ ン ズ効果 が発 生す る こ と は前述 し た 。 し た が っ て 、 d n / d t が 負 で あ り Nd : YAG レ ー ザ結 晶 と 同 程度 の 量 を 発 生す る こ と がで き 、 且つ Nd : YAG レ ー ザ光 を あ る 程度 吸 収 す る 透 明 な 光学材料 が あ れ ば、 上記 結 晶 と は逆 に レ ー ザ 出 力 に 応 じ て 凹 型 の 熱 レ ン ズ 効 果 を 発 生 さ せ る こ と がで き る こ と は 明 白 で あ る 。 し カゝ し な が ら 、 水 や グ リ セ リ ン 等 は 負 の d π / d t 値 で 各 々 し 0 x l (T4/k、 2.3 X 10— 4/k と レ う 数 値 を 有 す る が 、 Nd : YAG レ ー ザ 光 の 1.06 _t m に お け る 吸 収 率 が 各 々 1.59 % /mm, 2. 27% /mm あ り 、 損 失 が大 き く て 使 用 で き な か つ た 。 Nd: Either Tsu Oh in YAG les chromatography The rate of change dn / dt force refractive Oriritsu you pair crystal temperature 7. 3 X 10- 6 / k, on whether we diameter Direction centered axis direction As described above, since it has an uneven distribution of the temperature that drops in temperature, a convex heat lens effect occurs inside the crystal. . Therefore, dn / dt is negative, it can produce the same amount as Nd: YAG laser crystal, and it emits Nd: YAG laser light to a certain extent. If there is a transparent optical material that absorbs, a concave thermal lens effect will be generated in response to the laser output, contrary to the above crystal. What you can do is clear. And mosquitoesゝand such but al, water and grayed Li cell Li down like a negative d [pi / dt values each tooth 0 xl (T 4 / k, 2.3 X 10- 4 / k and have a les cormorants number value However, the absorption of Nd: YAG laser light at 1.06 _t m is 1.59% / mm and 2.27% / mm, respectively, and the loss is large and it can be used. It was not.
と こ ろ が 、 近 年 通 信 用 光 フ ァ イ バ一素 線 の 接合 材 料 と し て 開 発 さ れ た Nye Opt i ca l Produc t s 社製 造 の ゲ ル ま た は 液体 状 物 質 で 、 負 の d n / d t 値 2.0〜 4.0 Χ Ι Ο— 4 / k を 有 し 、且 つ 1.06 m に お け る 吸 収 率 が 0. 1 ~ 0. 3 % /mm と 損 失 を 無 視 で き る 程 度 に 小 さ い 光 学 材料 が 市 販 さ れ る よ う に な っ た 。  This is a gel or liquid material manufactured by Nye Optics Products, which was recently developed as a bonding material for optical fiber wires for communication. It has a negative dn / dt value of 2.0 to 4.0 Χ Ι 4—4 / k, and has an absorption rate of 0.1 to 0.3% / mm at 1.06 m, ignoring the loss. Optical materials that are as small as possible have become commercially available.
本 実 施 例 で ίま 、 589nm に お レ て n =l .46> dn/d t=-3. 6 X 10 /k、 1.06 m に お レ て 0. 1〜 0.3 % /mm と レ う 物 理 定 数 を 有 す る 同 社 製 の 0CK- 433 を 第 2 図 に 示す 光 学 セ ル に 注 入 し 、 凸 型 レ ン ズ補 償光 学 素 子 を 作製 し 、 こ の 補 償光 学 素子 17 を 第 1 図 に 示 し た よ う に レ 一ザ 共 振 器 中 に 配 置 し た 。  In this example, n = l.46> dn / dt = -3.6 X10 / k at 589 nm and 0.1 to 0.3% / mm at 1.06 m. The 0CK-433 manufactured by the same company having a theoretical constant is poured into the optical cell shown in Fig. 2 to produce a convex lens compensation optical element, and the compensation optical element is manufactured. Element 17 was placed in the laser resonator as shown in FIG.
こ こ で 、 0CK— 433 (100) ま 589nm に お レ て n = 1. 46 な の で 同 一 の 屈 折 率 を 有 す る 石英 製 の 外 形 20mm、 厚 み 6.54mm の 平 板 102 で 両 側 面 か ら 接 触 保 持 さ せ る こ と に よ り 両 界 面 の 反 射損 失 を 無 く し た 。 ま た 両 平 板 102 の 大 気 と 接触 す る 外 側 面 に は 1 · 06 ^ m に お け る 無 反 射 コ ー テ ィ ン グ を 施 し 、 レ ー ザ光 に 対 す る 反 射 率 を 低 減 さ せ た 。 ま た 、 こ れ ら の 平 板 102 を 保 持 す る た め に ア ル ミ 製 の 保持 リ ン グ 103 を 外周 に 設 け た 。 こ れ ら の 条 件 は式① を 満足 す る も の で あ る 。 Here, since n = 1.46 at 589 nm up to 0CK-433 (100), a flat plate 102 of 20 mm in outer diameter and 6.54 mm in thickness made of quartz having the same refractive index is used. By maintaining contact from both sides, reflection loss on both sides has been eliminated. The outer surfaces of both flat plates 102 that come into contact with the atmosphere are provided with a non-reflective coating at 1 に 06 ^ m to reflect laser light. The rate has been reduced. In addition, these flat plates 102 are retained. The aluminum retaining ring 103 is installed on the outer circumference to make it easier. These conditions satisfy equation (2).
石英製 の 平板 102 間 の ギ ャ ッ プが総合 的 な 吸収 長 と な り 、 損 失 に も 凹 レ ン ズ の 発 生 量 に も 関 与 す る の で 、 0. 1 mm か ら 5.00mm の 間 で 種 々 の 補償光学素 子 17 を 製作 し 試行錯誤 を 繰 り 返 し な が ら 、 最適 な ギ ヤ ッ プ長 を 実験 的 に 求 め た 。 結果 と し て 0CK-433 の 場 合 、 最適ギ ャ ッ プが 0. 5〜 0. 7 m m で あ れ ば、 ほ ぼ完 全 に レ ー ザ 結 晶 内 部 で 発 生 す る 凸 型 熱 レ ン ズ効 果 を 打 ち 消 す 凹型 熱 レ ン ズ効果 が発 生 し 、 同補償光学 素 子 を 挿 入 す る 以 前 の 定 格 最 大 レ ー ザ 出 力 の 低 下 も 5 % 以 内 で実 現で き た 。  The gap between the quartz flat plates 102 is the overall absorption length and affects both the loss and the amount of concave lens generated, so 0.1 mm to 5.00 mm In the meantime, various types of adaptive optics elements 17 were manufactured, and the optimum gap length was experimentally determined while repeating trial and error. As a result, in the case of 0CK-433, if the optimum gap is 0.5 to 0.7 mm, the convex heat generated almost completely inside the laser crystal A concave thermal lens effect that counteracts the lens effect occurs, and the maximum rated laser output before or after the insertion of the adaptive optics element is also reduced by 5% or less. Within.
ま た 、 こ の 補償光学素子 を レ ー ザ共振器 内 部 に 配 置 し な い 場 合 、 定格最大 出 力 の 10， 20、 30、 40、 50 、 75、 100 % に 相 当 す る 出 力 レ ベ ル で の 安 定性 は 、 各 々 士 3.5、 ± 3.0、 士 1.5、 ± 1. 2、 ± 1.0、 ± 0.8、 土 0.8 以下で あ っ た も の が、 最適 ギ ャ ッ プ を 有 す る 補 償光学 素子 17 を 配 置 し た 場合 に は 10〜 100¾の レ 一 ザ 出 力 レ ベ ル に お い て 全 て ± 0. 8 % 以 下 で 安 定 し た 結果 が得 ら れた 。  Also, if this adaptive optics is not placed inside the laser resonator, the output will be equivalent to 10, 20, 30, 40, 50, 75, and 100% of the rated maximum output. The stability at the force level is less than 3.5, ± 3.0, 1.5, ± 1.2, ± 1.0, ± 0.8, and 0.8 earth, respectively, but has the optimal gap. In the case where the compensation optical element 17 is disposed, stable results are obtained at a laser output level of 10 to 100 mm, which is ± 0.8% or less in all cases. Was
さ ら に 、 ビ ー ム 品 質 に つ い て は 、 こ の 補償 光学 素 子 17 を レ ー ザ共振器 内部 に 配 置 し な い 場合 、 定 格 最大 出 力 の 10， 20、 30、 40、 50、 75、 100% に 相 当 す る 出 カ レ べ リレ に お い て 、 各 々 20、 25、 30、 38、 43 、 50、 60mm * mrad 以下 で あ っ た も の が 、 最適 ギ ヤ ッ プ を 有 す る 補償光 学 素子 17 を 配置 し た 場合 に は 10 〜 100%の レ 一 ザ出 力 レ ベ ル に お い て 全て 30mm' mrad 以下 と な り 、 高 出 力 レ ベ ル に お い て 大幅 な ビ ー ム 品 質 の 向 上 を 図 る こ と がで き た 。 Further, regarding the beam quality, when the compensating optical element 17 is not disposed inside the laser resonator, the rated maximum output of 10, 20, 30, 40 , 50, 75, and 100% of output level, each of which is less than 20, 25, 30, 38, 43, 50, 60 mm * mrad Ya When the compensating optical element 17 having a pump is arranged, the laser output level is 30 mm 'mrad or less at the laser output level of 10 to 100%, and the high output level As a result, it was possible to significantly improve the beam quality.
尚 、 本 実施例 で は Nye Op t i ca l Produc t s 社製造 の 0 C K - 433 に 限 り 平板 ギ ヤ ッ プ等 の 最適化 を 行 い 、 レ ー ザ 出 力 の 安 定 化 と ビ ー ム 品 質 の 向 上 を 行 っ た が、 0 C K - 433 以外 の ゲル ま た は液体 の光学材料 を 用 い て 最 適 な 平 板 間 ギ ヤ ッ プ を 調 整 す る こ と に よ つ て も 、 本実施例 と 同 様 の 改善 が期待 で き る 。  In this embodiment, the flat plate gap and the like are optimized only for 0CK-433 manufactured by Nye Optical Products, to stabilize the laser output and beam. The quality has been improved, but by using a gel or liquid optical material other than 0 CK-433, the optimal gap between the flat plates has been adjusted. Also, the same improvement as in the present embodiment can be expected.
さ ら に 、 上 記 実 施 例 で は 、 レ ー ザ 活 性 媒 体 が Nd : YAG 結 晶 の Nd : YAG レ ーザ の 場合 に つ い て 説 明 を 行 っ た が 、 レ ーザ活性媒体が Y b： Y A G、 N d： Y V 04 等 の 単 一 固 体 結 晶 あ る い は そ れ ら の 組 合 せ で 構 成 さ れ る 固体結 晶 、 あ る い はセ ラ ミ ッ ク 結 晶 で あ っ て も 本 実施例 と 同様 の効果 が期 待で き る 。  Further, in the above embodiment, the case where the laser active medium is an Nd: YAG laser having an Nd: YAG crystal was described, but the laser activity was described. The medium is a solid crystal composed of a single solid crystal such as Yb: YAG, Nd: YV04, or a solid crystal composed of a combination thereof, or a ceramic. Even in the case of a crystal, the same effect as in the present embodiment can be expected.
そ の他 の構 成 も 、 本発 明 の趣 旨 を 逸脱 し な い 範 囲 で 種 々 変 形が 可能 で あ る 。 産業 上 の 利用 可能性  Other configurations can be variously modified without departing from the spirit of the present invention. Industrial applicability
本発 明 は 、 以上 説 明 し た 構成 で あ る か ら 、 レ ー ザ 加 工 の 精 度 や 高 速 性 を 大 幅 に 改 善 す る こ と が で き だ け で な く 、 暖気運 転 も 不要 と な り 、 よ り 省資 源化 に 寄 与 で き る レ ー ザ 装 置 を 提 供 す る こ と が で き る 。  Since the present invention has the configuration described above, it is not only possible to greatly improve the accuracy and high speed of laser processing, but also to increase the warm air. This also eliminates the need for rotation, and can provide a laser device that can contribute to resource saving.

Claims

請求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . レ ー ザ ダイ オー ド （ L D ) あ る い は ラ ン プ等 の 光 源 に よ り 固 体 レ ー ザ活 性 媒 体 を 励 起 し て レ ー ザ 発振 を 行な う 固体 レ ー ザ装 置 に お い て 、 レ ー ザ共振 器 内 部 に 発 振 レ ー ザ 光 の 出 力 レ ベ ル に 比 例 し て 凹 型 の 熱 レ ン ズ効 果 の 発 生 量 が 変 化 す る 光 学 素 子 を 少 な く と も 一個配置す る こ と に よ り 、 該 レ ー ザ活性 媒体 内 部で発 生す る 凸 型 の 熱 レ ン ズ効果 を 補償 し 、 レ ー ザ 射 出 光 の 高 輝 度 化 と 安 定 な レ ー ザ 出 力 が得 ら れ る ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ の 拡 大 を 行 っ た こ と を 特徴 と す る 固体 レ ーザ装置。 1. Laser diode (LD) or solid-state laser that excites the solid-state laser active medium by a light source such as a lamp and performs laser oscillation. In the laser device, the amount of generation of the concave heat lens effect changes in proportion to the output level of the oscillating laser light inside the laser resonator. By arranging at least one optical element, the convex thermal lens effect generated inside the laser active medium is compensated, and the laser radiation is compensated. A solid-state laser device characterized by the expansion of the dynamic range that can increase the intensity of emitted light and obtain a stable laser output.
2 . 前記 レ ーザ装置 の レ ー ザ共振器内 部 に 配置 さ れ る 凹型熱 レ ンズ効果発 生用 の光学素子 は、 透過型 の 光学素子で あ っ て 、 凹 レ ン ズ効果発生 媒体が該 レ 一ザ発 振 光 に 対 し て 透 明 な 光 学 材 料 で 構 成 さ れ る 平 板 に よ り 両 側 面 か ら 光 学 的 な 損 失 を 発 生 さ せ る こ と な く 接触 、 保持 さ れた構成 を 有 し て い る こ と を 特徴 と し た 請求の 範 囲第 1 項記載 の 固体 レ ー ザ装置  2. The concave thermal lens effect generating optical element disposed inside the laser resonator of the laser device is a transmission type optical element, and is a concave lens effect generating medium. However, due to the flat plate made of the optical material transparent to the laser oscillation light, optical loss is generated from both sides. The solid-state laser device according to claim 1, wherein the solid-state laser device has a configuration in which it is in contact with and held by the solid laser
3 . 前記 凹 レ ン ズ効果発 生媒体 の 該 レ ーザ発振光 波 長 に お け る 屈折率 n, と 該 媒体 を 両側 面 か ら 保持 す る 平板材料 の 同 波長 に お け る 屈 折率 n 2 は 、 3. The refractive index n of the concave lens effect generating medium at the wavelength of the laser oscillation light, and the bending of the flat plate material holding the medium from both side surfaces at the same wavelength. The rate n 2 is
(n,-n2) 2/ (n, + n2) 2< 0. 05 · · · 式① (n, -n 2 ) 2 / (n, + n 2 ) 2 <0.05
を 満 足 さ せ る こ と に よ り 接 触 面 に お け る 反 射 率 を 低減 さ せ 、 凹 レ ン ズ効果発 生媒体 の 該保持平板 と 接 触 す る 内 面 に は 反 射 防 止 膜 の コ ー テ ィ ン グ を 施 し て い な い こ と を特徴 と し た 請求 の 範囲第 1 項 ま た は 第 2 項記載 の 固体 レ ー ザ装置。 The reflection rate at the contact surface by satisfying The inner surface of the concave lens effect generating medium which comes into contact with the holding plate is not coated with an anti-reflection film. The solid-state laser device according to claim 1 or 2.
4 . 前記保持平板 の 大気 と 接触す る 側 面 に は 、 該 レ ー ザ 発 振 光 波 長 に 対 し て 反 射 防 止 膜 が コ ー テ ィ ン グ さ れて い る こ と を 特徴 と し た 請求の 範 囲 第 1 項 、 第 2 項 ま た は第 3 項記載 の 固体 レーザ装置。  4. The anti-reflection film is coated on the side surface of the holding plate that comes into contact with the atmosphere, against the laser oscillation light wave length. The solid-state laser device according to claim 1, 2, or 3.
5 . 前記 凹 レ ン ズ効果発 生媒体 と し て 、 同 材料 の 屈 折 率 η , が 該 レ ー ザ発 振 光 波 長 に お い て 1 . 40〜 1 . 50 の 範 囲 に あ り 、 温度変化 に 対す る 屈 折率変化率 dn/d t が 室 温 付 近 に お い て 、 - 1 . 0 X 10— 4〜 - 5. 0 X 10_4/k の 範 囲 に あ り 、 且 つ 該 レ ー ザ発振光波 長 に お け る 吸収率が 1. 0 % /mra 以下 の 液体、 半 固 溶体 、 ま た は 固体光学材料 、 ま た はそれ ら の 組合せ に よ り 構 成 さ れ る 混 合 体 か ら な る 光 学 材 料 で あ る こ と を 特 徵 と し た 請求 の範 囲 第 1 項 、 第 2 項 、 第 3 項 ま た は 第 4 項記載 の 固体 レ ー ザ装置。 5. As the concave lens effect generating medium, the refractive index η of the same material is in the range of 1.40 to 1.50 at the laser oscillation light wavelength. , refraction index change rate dn / dt against a change in temperature is have you in the near with room temperature, -. 1 0 X 10- 4 ~ - 5. Ri Oh in the range of 0 X 10_ 4 / k,且And a liquid, a semi-solid solution, or a solid optical material having an absorptance of 1.0% / mra or less at the laser oscillation wavelength, or a combination thereof. The solid laser according to any one of claims 1, 2, 3 or 4 which claims that it is an optical material consisting of a mixture of apparatus.
6 . 該 固体 レ ーザ装置 の レ ー ザ活性媒体が Nd : YAG 、 Yb： YAG, Nd： YV0 等 の 単一 固 体結晶 あ る い はそれ ら の 組合せで構成 さ れ る 固体結 晶 、 あ る い はセ ラ ミ ッ ク 結 晶 で あ る こ と を 特徴 と す る 請求 の 範 囲第 1 項 、 第 2 項 、 第 3 項 、 第 4 項 ま た は第 5 項記載 の 固 体 レ ー ザ装 置。  6. A solid crystal comprising a single solid crystal such as Nd: YAG, Yb: YAG, Nd: YV0 or a combination thereof as a laser active medium of the solid laser apparatus; Claims characterized in that the solid body is a ceramic crystal or a ceramic crystal according to claim 1, 2, 3, 4, or 5. Laser device.
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