WO2023276064A1 - レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

レーザ装置およびレーザ加工装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2023276064A1
WO2023276064A1 PCT/JP2021/024817 JP2021024817W WO2023276064A1 WO 2023276064 A1 WO2023276064 A1 WO 2023276064A1 JP 2021024817 W JP2021024817 W JP 2021024817W WO 2023276064 A1 WO2023276064 A1 WO 2023276064A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
acousto
laser
optic modulator
light
output
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/024817
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
幸治 船岡
達也 山本
譲 田所
政之 佐伯
寛公 三原
芳晴 黒崎
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to PCT/JP2021/024817 priority Critical patent/WO2023276064A1/ja
Priority to US18/027,632 priority patent/US11958128B2/en
Priority to JP2021566595A priority patent/JP7066073B1/ja
Priority to CN202180062857.4A priority patent/CN116194239B/zh
Priority to DE112021005438.4T priority patent/DE112021005438B4/de
Publication of WO2023276064A1 publication Critical patent/WO2023276064A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
    • H01S3/073—Gas lasers comprising separate discharge sections in one cavity, e.g. hybrid lasers
    • H01S3/076—Folded-path lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/02—ASE (amplified spontaneous emission), noise; Reduction thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/22—Gases
    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308—Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325—Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/2333—Double-pass amplifiers

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser device and laser processing device using an acousto-optic modulator.
  • An acousto-optic modulator is an element that is used as a diffraction grating by using the property that the refractive index of a substance changes when it is vibrated with ultrasonic waves.
  • the acousto-optic modulator can control the grating constant of the diffraction grating by the frequency of applied ultrasonic waves.
  • the frequency of the diffracted light output by the acousto-optic modulator is shifted by the frequency of the ultrasonic wave due to the Doppler effect.
  • Patent Document 1 discloses a light source device using two acousto-optic modulators. This light source device has two acousto-optic modulators in the resonator, and the direction in which the frequency shift occurs differs for each acousto-optic modulator to reduce the frequency shift of emitted light, thereby suppressing output fluctuations.
  • the acousto-optic modulator is arranged within the resonator. Since acousto-optic modulators have lower light resistance than other optical elements such as mirrors, when an acousto-optic modulator is placed inside a resonator, the input to the resonator is adjusted to the light resistance of the acousto-optic modulator. There is a problem that the intensity of the emitted laser light has to be lowered, resulting in a decrease in the intensity of the emitted light.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a laser device capable of suppressing output fluctuation and increasing laser output.
  • a laser device includes a laser oscillator, and a first acoustooptic device that diffracts laser light from the laser oscillator when a first ultrasonic wave is applied.
  • the propagation direction of the first ultrasonic wave with respect to the diffraction direction of the high-order light emitted by the second acousto-optic modulator is different from the propagation direction of the second ultrasonic wave with respect to the diffraction direction of the high-order light emitted from the second acousto-optic modulator; and an amplifier for amplifying the laser light from the unit.
  • the laser device according to the present disclosure has the effect of suppressing output fluctuations and increasing laser output.
  • FIG. 1 shows a configuration of a laser device according to a first embodiment
  • FIG. Explanatory diagram showing frequency change when mode hopping occurs A diagram schematically representing the state transition shown in FIG. Explanatory diagram showing frequency change when mode hop and Doppler shift overlap
  • FIG. 2 shows changes in laser output when the acousto-optic modulator shown in FIG. 1 is used
  • FIG. 2 shows a configuration of a laser device according to a second embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a laser device 100 according to the first embodiment.
  • the laser device 100 has a laser oscillator 101 , an acousto-optic modulator 102 and an amplifier 103 .
  • the laser device 100 is an externally modulated oscillator that converts continuous wave laser light output from a laser oscillator 101 into pulsed laser light using an acousto-optic modulator 102 and then amplifies the pulsed laser light in an amplifier 103 .
  • a laser oscillator 101 has a total reflection mirror 14 , a partial reflection mirror 15 and a Brewster window 13 .
  • the acousto-optic modulator 102 has a first acousto-optic modulator 3 and a second acousto-optic modulator 4 connected in series.
  • Amplifier 103 has windows 34 , 35 and mirror 33 .
  • the laser oscillator 101 and the amplifier 103 are arranged in the housing 1, and the laser gas G is supplied to the inside of the housing 1.
  • the housing 1 blocks the laser gas G from the outside air.
  • the optical axis direction of the laser oscillator 101 and the amplifier 103 is the Y direction
  • the direction in which the laser gas G is supplied is the Z direction
  • the direction perpendicular to the Y and Z directions is the X direction.
  • FIG. 1 mainly shows the configuration of the optical element, and may include components not shown.
  • the housing 1 is provided with a heat exchanger, a blower, and the like (not shown).
  • the blower circulates the laser gas G enclosed in the internal space of the housing 1 .
  • the laser gas G cooled by forced convection is supplied along the Z direction of the arrow.
  • the laser gas G is maintained at a pressure lower than the atmospheric pressure inside the housing 1, and moves at a speed of about 100 m/s, for example.
  • the molecules or atoms in the laser gas G When the molecules or atoms in the laser gas G are excited to the laser upper level by the discharge, they exhibit a light amplification effect.
  • a mixed gas containing CO 2 molecules is used as the laser gas G, laser oscillation light with a wavelength of 10.6 ⁇ m is obtained due to the transition between vibrational levels of the CO 2 molecules.
  • the laser gas G is a mixed gas containing CO 2 will be described, but instead of the mixed gas containing CO 2 , CO, N 2 , He—Cd, HF, Ar + , ArF, KrF, XeCl, Other laser media such as XeF, YAG, and some glasses may also be used.
  • a discharge electrode (not shown) for discharging and exciting the laser gas G is attached to the housing 1 .
  • a discharge space having a rectangular parallelepiped shape of, for example, about 3 cm ⁇ 3 cm ⁇ 100 cm is formed, and the laser gas G present in this discharge space is discharge excitation, which is a laser medium exhibiting a light amplification effect.
  • the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 are arranged to face each other with the discharge excitation gas 2 interposed therebetween to form an optical resonator.
  • Each of the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 is attached to the housing 1 via an angle fine adjustment mechanism for optical axis adjustment.
  • the Brewster window 13 of the laser oscillator 101 is provided on the optical axis between the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 .
  • the Brewster window 13 is a window having a high reflectance for S-polarized light and a low reflectance for P-polarized light, such as less than 1%.
  • laser light having linearly polarized light 54 parallel to the YZ plane is selectively oscillated.
  • the linearly polarized laser light 54 can be input to the acousto-optic modulator 102, and input to the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4, respectively.
  • the polarization direction of the applied laser light can be matched with the propagation direction S of the ultrasonic wave applied to each of the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 .
  • the laser oscillator 101 may have a deflection lock mirror instead of the Brewster window 13 .
  • the laser device 100 includes a down collimator 9 arranged on an optical path between a laser oscillator 101 and an acousto-optic modulator 102, dampers 5 and 6 that absorb input light, and a pulse output from the acousto-optic modulator 102. It further has an expander 12 for enlarging the beam diameter of the laser light.
  • the down collimator 9 has a positive lens 7 and a negative lens 8, reduces the beam diameter of the laser light L1 output from the laser oscillator 101, and inputs it to the acoustooptic modulation section .
  • the beam diameter of the laser light output from the down collimator 9 is a beam diameter that can be incident on the first acousto-optic modulator 3, and is, for example, about ⁇ 8 mm. Since the diffraction efficiency of the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 differs depending on the incident angle, the beam profile of the emitted light changes when the incident light is not parallel light. Incident light is assumed to be parallel light.
  • each of the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 is used as a diffraction grating.
  • the first acousto-optic modulator 3 receives the first ultrasonic wave, diffracts the laser light L1 from the laser oscillator 101, and outputs 0th-order light L2 and 1st-order light L3.
  • the zero-order light L2 output from the first acousto-optic modulator 3 is light-absorbed by the damper 5 .
  • the primary light L3 output from the first acoustooptic modulator 3 is input to the second acoustooptic modulator 4 .
  • the primary light L3 is used here as an example of the high-order light, secondary light or the like may be used.
  • the first acousto-optic modulator 3 is arranged such that the propagation direction S1 of the first ultrasonic wave is opposite to the diffraction direction D1 of the primary light L3.
  • the second acousto-optic modulator 4 receives the second ultrasonic wave, diffracts the first-order light L3 output from the first acousto-optic modulator 3, and converts the zero-order light L5 and the first-order light L4 to Output.
  • the zero-order light L5 output from the second acousto-optic modulator 4 is light-absorbed by the damper 6 .
  • the primary light L4 output from the second acousto-optic modulator 4 is input to the expander 12 .
  • the second acousto-optic modulator 4 is arranged such that the propagation direction S2 of the second ultrasonic wave is the same as the diffraction direction D2 of the primary light L4.
  • the diffraction direction D1 and the propagation direction S1 are opposite directions, and the diffraction direction D2 and the propagation direction S2 are the same. It is sufficient if it is different from the propagation direction S2.
  • the expression that the propagation direction S1 with respect to the diffraction direction D1 is different from the propagation direction S2 with respect to the diffraction direction D2 does not mean that the propagation direction S1 and the propagation direction S2 are different directions, but rather that the direction S1 is different from the propagation direction S2 with respect to the diffraction direction D1. It means that the propagation direction S1 is different from the propagation direction S2 with respect to the diffraction direction D2.
  • the diffraction direction D1 and the propagation direction S1 may be the same direction, and the diffraction direction D2 and the propagation direction S2 may be opposite directions.
  • the direction of the frequency shift produced by the first acousto-optic modulator 3 and the direction of the frequency shift produced by the second acousto-optic modulator 4 are opposite to each other. It is possible to reduce the frequency shift that occurs in the pulsed laser light output by 102 .
  • the acousto-optic modulator 102 having the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 converts the continuous wave laser light L1 output from the laser oscillator 101 into pulsed laser light. Specifically, the acousto-optic modulator 102 intermittently operates at least one of the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 to convert the laser light L1 from the laser oscillator 101 into a pulse laser beam. It can be converted into light.
  • the first acousto-optic modulator 3 is intermittently operated, the AC voltage is intermittently supplied to the first acousto-optic modulator 3 from a driver circuit (not shown).
  • the primary light L3 is input to the second acousto-optic modulator 4, and when the AC voltage is not supplied, the laser beam L1 travels straight through the damper 5. absorbed by When the second acousto-optic modulator 4 is intermittently operated, the second acousto-optic modulator 4 is intermittently supplied with an AC voltage from the driver circuit.
  • the primary light L4 is input to the expander 12, and when the AC voltage is not supplied, the primary light L3 from the first acousto-optic modulator 3 is input. goes straight and is absorbed by the damper 6.
  • the power consumption of the acousto-optic modulator 102 can be reduced more than when only one of them is intermittently operated.
  • the expander 12 has lenses 10 and 11.
  • the expander 12 is arranged on the optical path between the acousto-optic modulator 102 and the amplifier 103, and expands the beam diameter of the primary light L4 output by the second acousto-optic modulator 4 of the acousto-optic modulator 102. .
  • the amplification factor of the amplifier 103 can be increased.
  • the aperture diameter of an acousto-optic modulator is about several millimeters, and the expander 12 can expand the beam diameter to about 20 mm, for example.
  • the space between the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 is filled with the discharge excitation gas 2 having a light amplification effect, and the optical path between the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 is filled with the discharge excitation gas 2. Since the Brewster window 13 is arranged at , a laser beam L1 that is a continuous wave of linearly polarized light 54 is output. A laser beam L 1 output from the partially reflecting mirror 15 of the laser oscillator 101 is reduced in beam diameter by the down collimator 9 and input to the first acousto-optic modulator 3 of the acousto-optic modulator 102 .
  • the laser light L1 is diffracted in the first acousto-optic modulator 3, the first-order light L3 is input to the second acousto-optic modulator 4, and the zero-order light L2 is absorbed by the damper 5.
  • the first-order light L3 input to the second acousto-optic modulator 4 is diffracted, the first-order light L4 is input to the expander 12, and the zero-order light L5 is absorbed by the damper 6.
  • the beam diameter of the primary light L4 input to the expander 12 is expanded through the lenses 10 and 11 and output toward the mirror 31 .
  • the light output from the expander 12 is changed in direction by the mirrors 31 and 32 and is input to the window 34 of the amplifier 103 .
  • the laser light input to the window 34 is amplified by passing through a space filled with the discharge excitation gas 2 having an optical amplification effect, reflected by the mirror 33, and extracted from the laser device 100 through the window 35.
  • the laser light extracted from the window 35 is used for laser processing or the like, for example.
  • the acousto-optic modulator 102 in this embodiment has two acousto-optic modulators, and the primary light L3 of the first acousto-optic modulator 3 is transmitted to the second acousto-optic modulator 4. , and the primary light L 4 of the second acousto-optic modulator 4 is input to the window 34 of the amplifier 103 .
  • the reason for using the primary light here is to prevent the beam from being output when the beam is off.
  • the diffraction efficiency of the acousto-optic modulator is about 90%, so 10% is output as the 0th order light. If this is amplified, when the laser beam output by the laser device 100 is used for laser processing, excess heat that does not contribute to processing is accumulated in the processing object, resulting in deterioration of processing quality.
  • Mode hop is a phenomenon in which the oscillation frequency of the resonator changes instantaneously due to changes in the optical path length between the mirrors that make up the resonator due to temperature changes in structural parts and media.
  • the optical path length between the mirrors forming the resonator is referred to as the resonator length.
  • the cavity length is the optical path length between the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 .
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing frequency changes when mode hopping occurs.
  • the horizontal axis of FIG. 2 is frequency, and the vertical axis is gain.
  • the thick dashed line in FIG. 2 represents the highest gain longitudinal mode, and the laser oscillator 101 oscillates at this frequency.
  • FIG. 2B shows a state in which the cavity length is changed by 1/4 wavelength from the state shown in FIG. The length is shown to have changed by another quarter wavelength. That is, the right diagram (C) shows a state in which the cavity length is changed by half a wavelength from the state of the left diagram (A).
  • the longitudinal mode frequency decreases, and the thick dashed line in the figure shifts to the left.
  • the oscillation frequency is +32.6 MHz
  • the oscillation frequency is ⁇ 0 MHz
  • the oscillation frequency is ⁇ 32.6 MHz. is.
  • the frequency of the longitudinal mode is further decreased from (C)
  • the gain of the longitudinal mode with the higher frequency by one becomes higher, so the laser oscillator 101 transitions to the state of (A).
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the state transitions shown in FIG.
  • the laser oscillator 101 transitions from state (A) to state (B), and from state (B) to state (C). Also, the laser oscillator 101 transitions from the state (C) to the state (A). At this time, since the frequencies of the state (C) and the state (A) are symmetrical with respect to the gain peak, the gains are the same, and the laser oscillator 101 changes from the state (C) to the state (A). The transition does not change the output.
  • the higher the output of the laser oscillator 101 and the longer the cavity length the narrower the frequency interval between longitudinal modes, and the smaller the output change caused by mode hopping. Therefore, if there is only mode hopping, output fluctuations of the laser device 100 rarely pose a problem.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing frequency changes when mode hopping and Doppler shift overlap. If the acousto-optic modulator 102 has only one acousto-optic modulator, the influence of Doppler shift cannot be reduced, so mode hopping and Doppler shift may overlap.
  • the horizontal axis of FIG. 4 is frequency, and the vertical axis is gain.
  • the thick dashed line in FIG. 4 represents the longitudinal mode with the highest gain, and the laser oscillator 101 oscillates at this frequency.
  • a thick solid line in FIG. 4 represents incident light to the amplifier 103 .
  • the light incident on the amplifier 103 is shifted in frequency from the light emitted from the laser oscillator 101 by the Doppler shift ⁇ S in the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 of the acousto-optic modulator 102 .
  • the Doppler shift ⁇ S is ⁇ 40 MHz.
  • the central diagram (E) of FIG. 4 shows a state in which the cavity length has changed by a quarter wavelength from the state in the left diagram (D), and the right diagram (F) shows the state in the central diagram (E).
  • the length is shown to have changed by another quarter wavelength. That is, the right figure (F) shows a state in which the cavity length is changed by half a wavelength from the state of the left figure (D).
  • the oscillation frequency is the same as that shown in FIG. 2. In the state (D), the oscillation frequency is +32.6 MHz, in the state (E), the oscillation frequency is ⁇ 0 MHz, and (F). In the state, the oscillation frequency is -32.6 MHz.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the state transitions shown in FIG.
  • the laser oscillator 101 transitions from the state (D) to the state (E), and from the state (E) to the state (F). Also, the laser oscillator 101 transitions from the state of (F) to the state of (D).
  • the state (D) and the state (F) are asymmetric with respect to the frequency at which the gain peaks, the gain differs greatly. Therefore, when the state of (F) changes to the state of (D), the gain changes greatly.
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in laser output accompanying the state changes shown in FIG.
  • the state (F) transitions to the state (D) the laser output O 103 from the amplifier 103 undergoes discontinuous and rapid output fluctuations. This output fluctuation is larger than that of the laser output O 101 from the laser oscillator 101 .
  • the intensity of the laser output changes instantaneously in this manner, the laser output cannot be stabilized even if feedback control is performed by measuring the laser output with a sensor.
  • the relationship between the frequency shift and the amount of gain reduction is non-linear, the gain is reduced more greatly than when the frequency is simply increased. Since the fluctuation range of the laser output is also large, there is a problem that the rated output becomes small.
  • FIG. 7 is a diagram showing changes in laser output when the acousto-optic modulator 102 shown in FIG. 1 is used.
  • the acousto-optic modulator 102 can cancel the Doppler shift because the directions of the frequency shifts generated by the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 are opposite to each other. It is possible. Therefore, as shown in FIG. 7, the difference between the laser output O 103 from the amplifier 103 and the laser output O 101 from the laser oscillator 101 is smaller than the example shown in FIG.
  • the propagation direction S1 of the first ultrasonic wave with respect to the diffraction direction D1 of the first-order light L3 emitted from the first acousto-optic modulator 3 is the first-order light emitted from the second acousto-optic modulator 4.
  • the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 4 are arranged so that the propagation direction S2 of the second ultrasonic wave with respect to the diffraction direction D2 of L4 is different.
  • the Doppler shift of the emitted light can be reduced by making the propagation direction S2 opposite to the diffraction direction D2.
  • the Doppler shift of the emitted light can be reduced by making the propagation direction S2 the same as the diffraction direction D2.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the frequency shift occurring in the emitted light of the first acousto-optic modulator 3 shown in FIG.
  • the vector of incident light to the first acousto-optic modulator 3 is assumed to be k i
  • the vector of outgoing light is assumed to be k d1 .
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the frequency shift occurring in the emitted light of the second acousto-optic modulator 4 shown in FIG.
  • the influence of the Doppler shift on the incident light to the amplifier 103 is reduced. Therefore, even when mode hopping occurs, discontinuous and instantaneous output fluctuations are suppressed, and feedback control of the laser output can be performed.
  • the output fluctuation width is also reduced, it is not necessary to provide an output margin for the fluctuation width, and the rated output can be increased. Therefore, the laser device 100 with stable high output can be realized, and when laser processing is performed using this laser device 100, high-quality and high-speed laser processing becomes possible.
  • the lens 10 at the input end of the expander 12 is a positive lens.
  • the case where the first lens 10 counted from the input side of the expander 12 is a positive lens and the case where it is a negative lens will be compared.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example using a negative lens for the expander 12.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example using a positive lens for the expander 12.
  • the distance l1 between the second acousto-optic modulator 4 and the negative lens 21 is is a distance sufficient to separate the 0th-order light L5 from the 1st-order light L4, and must be long enough to secure a space for arranging the damper 23 that absorbs the 0th-order light L5.
  • the thermal lens is generated, the gradient ⁇ 1 of the primary light L4 changes in the negative direction.
  • the beam diameter x2 of the laser beam incident on the expander 12 changes and becomes smaller than the beam diameter x1 in the second acousto-optic modulator 4, and is emitted from the expander 12.
  • beam diameter x3 becomes smaller.
  • the expander 12 is configured using the negative lens 21 and the positive lens 22, the emitted beam diameter x3 becomes smaller when the gradient ⁇ 1 of the incident light changes in the negative direction.
  • the beam diameter x2 decreases as the distance l1 increases, and when the gradient ⁇ 1 changes in the negative direction, the gradient ⁇ 2 of the light emitted from the negative lens 21 and the gradient ⁇ 3 of the light emitted from the positive lens 22 also changes in the negative direction, and the beam diameter x3 of the light emitted from the expander 12 becomes smaller.
  • the diameter of the beam input to the amplifier 103 is reduced, and the laser output after amplification is reduced.
  • the expander 12 is configured using positive lenses 24 and 25 .
  • the 0th-order light L5 and the 1st-order light L4 near the focal point of the positive lens 24 are sufficiently separated that a damper 26 can be placed near the focal point.
  • the distance l1 between the second acousto-optic modulator 4 and the positive lens 24 can be made shorter than in the example shown in FIG. Since the longer the distance l1, the smaller the beam diameter x2, the smaller the distance l1, the smaller the beam diameter x2 can be suppressed.
  • the focus of the positive lens 24 shifts forward when the gradient .theta.1 of the incident light changes in the negative direction.
  • the distance from the positive lens 24 to the focal point of the positive lens 24 is Lf2
  • the distance from the focal point of the positive lens 24 to the positive lens 25 is Lf3.
  • the distance from the positive lens 24 to the focal point of the positive lens 24 is Lf2s
  • the distance from the focal point of the positive lens 24 to the positive lens 25 is Lf3s.
  • Lf2>Lf2s and Lf3 ⁇ Lf3s the beam diameter x3 at the positive lens 25 becomes large when thermal lensing occurs.
  • a beam diameter x3 at the positive lenses 22 and 25 of the expander 12 is represented by the following formula (1).
  • focal length f1 of the thermal lens, focal length f2 of the negative lens 21 or the positive lens 24, distance l2 from the negative lens 21 to the positive lens 22 or from the positive lens 24 to the positive lens 25, the first acousto-optic modulator 3 , and the incident angle ⁇ 0 of the incident light to the first acousto-optic modulator 3 is assumed to be x0.
  • the beam diameter x4 at the exit of the amplifier 103 is expressed by the following formula (2).
  • the focal length of the positive lenses 22 and 25 be f3.
  • Table 1 shows the parameters used in the above calculations.
  • “Positive” in Table 1 indicates the value of each parameter in the configuration of FIG. shows the value of each parameter in the configuration of Table 2 shows the calculation results of formulas (1) and (2) when the parameters shown in Table 1 are used.
  • “Positive” in Table 2 represents the calculation results for the configuration of FIG. 11 using positive lens 24 as lens 10
  • “Negative” in Table 2 represents the configuration of FIG. It shows the calculation result in
  • the beam diameter passing through the amplifier 103 is the average value of the beam diameter x3 at the entrance and the beam diameter x4 at the exit, and the rate of change for a beam radius of 12 mm is calculated in a state where no thermal lens is generated. According to Table 2, the change in beam diameter after expansion by the thermal lens is 10.3% in the configuration shown in FIG. 10, whereas it is suppressed to 2.9% in the configuration shown in FIG. I understand.
  • the expander 12 using the positive lenses 24 and 25 can reduce the influence of thermal lensing more than the case where the negative lens 21 is used.
  • the focal position changes, so the beam diameter at a specific position changes. If the influence of the thermal lens is large and the beam diameter changes greatly during processing, the mode volume in the amplifier 103 changes, the beam output changes, and the condensed diameter and focus at the processing point change, resulting in deterioration of processing quality. do. Since the input end of the expander 12 is composed of the positive lens 24, the laser device 100 can suppress changes in the beam diameter and realize high-quality laser processing.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of a laser device 200 according to the second embodiment. Differences from the laser device 100 according to the first embodiment are mainly described below.
  • the laser device 200 has a damper 41 instead of the dampers 5 and 6 of the laser device 100 and a second acousto-optic modulator 40 instead of the second acousto-optic modulator 4 .
  • the propagation direction S1 of the first ultrasonic wave is the opposite direction to the diffraction direction D1 of the first-order light of the first acousto-optic modulator 3, and It is the same as the laser device 100 in that the propagation directions S2 of the two ultrasonic waves are the same.
  • the second acousto-optic modulator 40 is arranged such that the diffraction direction D2 of the first-order light is the same as the diffraction direction D1 of the first-order light of the first acousto-optic modulator 3. ing. Therefore, the zero-order light L5 of the first acousto-optic modulator 3 and the first-order light L7 of the second acousto-optic modulator 40 are emitted in different directions.
  • a damper 41 is placed after the lens 10 and near the focal point to absorb the 0th order light L5 of the first acoustooptic modulator 3 and the 0th order light L6 of the second acoustooptic modulator 40. , and the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 40 can be arranged in close proximity.
  • the damper 5 is omitted in the configuration of the laser device 100 shown in FIG. It travels in the same direction as the primary light L4 of the acousto-optic modulator 4.
  • the 0-order light L2 of the first acousto-optic modulator 3 overlaps the first-order light L4.
  • the next light L2 cannot be removed.
  • the diffraction direction D1 of the first acousto-optic modulator 3 and the diffraction direction D2 of the second acousto-optic modulator 40 are set in the same direction, so that the first acousto-optic modulation
  • the 0th-order light L5 of the modulator 3 and the 1st-order light L7 of the second acousto-optic modulator 40 travel in different directions. Therefore, the damper 41 can be placed near the focal point of the lens 10, and the first acousto-optic modulator 3 and the second acousto-optic modulator 40 can be placed close to each other.
  • the propagation distance of the laser light from the first acousto-optic modulator 3 to the expander 12 is shortened, the extraction caused by the change in the gradient ⁇ 1 when the thermal lens is generated in the first acousto-optic modulator 3 is reduced. It becomes possible to suppress the change in the beam diameter x2 incident on the panda 12 . Therefore, the beam diameter of the laser device 200 is further stabilized, and the laser output is stabilized, so that the processing quality can be maintained in a favorable state.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus 300 according to the third embodiment.
  • the laser processing device 300 has a laser device 100 , an optical path 61 , a processing head 62 , a drive section 63 , a detection section 64 and a control section 65 .
  • the laser processing device 300 has a function of irradiating the object W to be processed with a pulsed laser beam and cutting the object W to be processed.
  • the laser device 100 is the laser device 100 shown in Embodiment 1, and laser light extracted from the window 35 is supplied to the processing head 62 via the optical path 61 .
  • the optical path 61 is a path for transmitting the laser light output from the laser device 100 to the processing head 62, and may be a path for propagating the laser light in the air, or a path for transmitting the laser light through an optical fiber. good too.
  • the optical path 61 is designed according to the characteristics of the laser light output by the laser device 100 .
  • the processing head 62 has an optical system that converges the laser light onto the object W to be processed.
  • the processing head 62 preferably has an optical system that focuses near the surface of the object W to be processed.
  • the drive unit 63 can control and change the relative positional relationship between the processing head 62 and the workpiece W.
  • FIG. In the laser processing apparatus 300, the drive unit 63 changes the relative positional relationship between the processing head 62 and the workpiece W by changing the position of the processing head 62.
  • the drive unit 63 The position of the table on which the workpiece W is placed may be changed, or the positions of both the processing head 62 and the table may be changed. In other words, the driving section 63 only needs to have a function of changing the position of at least one of the processing head 62 and the workpiece W.
  • the detection unit 64 is a sensor that detects the state of the workpiece W or the state of the laser processing device 300 .
  • the detection unit 64 measures the position of the workpiece W being processed, the intensity and wavelength of light generated during processing, and the measurement values of physical quantities such as sound waves and ultrasonic waves as time-series signals.
  • the detection unit 64 includes, for example, a capacitance sensor, a photodiode, a CCD (Charge Coupled Device) sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, a spectrum spectrometer, an acoustic sensor, an acceleration sensor, a gyro sensor, a distance sensor, and a position detection instruments, temperature sensors, humidity sensors, etc.
  • the detection unit 64 inputs to the control unit 65 a time-series signal indicating the measured value.
  • the control unit 65 controls the laser device 100, the driving unit 63, etc. so that the pulsed laser light scans the processing path on the workpiece W according to the set processing conditions and the measurement values transmitted from the detection unit 64. do.
  • the processing conditions include, for example, the material, thickness, and surface state of the object W to be processed.
  • the processing conditions further include laser output intensity, laser output frequency, laser output duty ratio, mode, waveform, and wavelength of the laser device 100 .
  • the processing conditions may include the focal position of the pulsed laser beam, the condensed diameter of the pulsed laser beam, the distance between the workpiece W and the processing head 62, temperature, humidity, and other measured values input from the detector 64. can.
  • the processing head 62 irradiates the processing head 62 with the pulse laser beam while the driving unit 63 changes the relative positional relationship between the processing head 62 and the processing object W, thereby The object W can be cut.
  • the laser processing apparatus 300 has the laser device 100 in the third embodiment, it may have the laser device 200 according to the second embodiment instead of the laser device 100 .
  • the down collimator 9 is used to adjust the beam diameter of the output light from the laser oscillator 101, but the present embodiment is not limited to such an example.
  • the down collimator 9 may be omitted and the total reflection mirror 14 and the partial reflection mirror 15 may be designed so that the beam diameter of the light emitted from the laser oscillator 101 can enter the acousto-optic modulator.
  • the laser oscillator 101 and the amplifier 103 share a laser medium and are arranged in one housing 1, but the present embodiment is not limited to this example.
  • the laser oscillator 101 and amplifier 103 may be arranged in separate housings.
  • the illustrated propagation directions S1 and S2 of the ultrasonic waves are examples, and the propagation directions S1 and S2 may be opposite to the illustrated directions.
  • acousto-optic modulator 102 is provided with two acousto-optic modulators in the above description, the present embodiment is not limited to such an example.
  • acousto-optic modulator 102 may comprise three or more acousto-optic modulators. In this case, if at least two of the plurality of acousto-optic modulators output first-order light, and the two acousto-optic modulators that output first-order light have different propagation directions of ultrasonic waves with respect to the diffraction direction, good.
  • the first acousto-optic modulator 3 diffracts the laser light L1 from the laser oscillator 101 when the first ultrasonic wave is applied.
  • the laser light L1 from the laser oscillator 101 is not limited to the laser light L1 directly input from the laser oscillator 101 .
  • the laser light L1 from the laser oscillator 101 may be the laser light L1 input via the down collimator 9 as shown in FIG. In the case of including the above, the laser light L1 input via another acousto-optic modulator may be used.
  • the second acousto-optic modulator 4 diffracts the primary light L3 output from the first acousto-optic modulator 3 when the second ultrasonic wave is applied.
  • the primary light L3 output from the first acousto-optic modulator 3 is directly input from the first acousto-optic modulator 3 to the second acousto-optic modulator 4 as shown in FIG. It may be the next light L3, or, for example, when the acousto-optic modulator 102 includes three or more acousto-optic modulators, the first-order light L3 input via other acousto-optic modulators good too.
  • the laser beam L1 output from the laser oscillator 101 is assumed to be a continuous wave. Intermittent operation may reduce energy consumption. In this case, the laser light L1 output from the laser oscillator 101 is no longer a continuous wave.
  • the acousto-optic modulator 102 can convert even such a laser beam L1 into a pulsed laser beam.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

レーザ装置（１００）は、レーザ発振器（１０１）と、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器（１０１）からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器（３）、および、第２の超音波が印加されると第１の音響光学変調器（３）から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器（４）を有し、第１の音響光学変調器（３）が出射する高次光の回折方向（Ｄ１）に対する第１の超音波の伝搬方向（Ｓ１）は、第２の音響光学変調器（４）が出射する高次光の回折方向（Ｄ２）に対する第２の超音波の伝搬方向（Ｓ２）と異なる音響光学変調部（１０２）と、音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器（１０３）と、を備える。

Description

レーザ装置およびレーザ加工装置
　本開示は、音響光学変調器を用いたレーザ装置およびレーザ加工装置に関する。
　音響光学変調器は、物質を超音波で振動させると物質の屈折率が変化する性質を利用して、回折格子として利用される素子である。音響光学変調器は、印加する超音波の周波数によって回折格子の格子定数を制御することができる。音響光学変調器が出力する回折光の周波数は、ドップラー効果によって、超音波の周波数の分だけシフトする。
　特許文献１には、２つの音響光学変調器を用いる光源装置が開示されている。この光源装置は、共振器内に２つの音響光学変調器を備え、音響光学変調器ごとに周波数シフトが生じる方向を異ならせ、出射光の周波数シフトを低減することで、出力変動を抑制している。
特開２０１１－１８７９４７号公報
　しかしながら、上記従来の技術によれば、音響光学変調器が共振器内に配置されている。音響光学変調器は、ミラーなどの他の光学素子と比較して耐光強度が低いため、共振器内に音響光学変調器を配置した場合、音響光学変調器の耐光強度に合わせて共振器に入力されるレーザ光の強度を下げる必要があり、出射光の強度が低下してしまうという問題があった。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、出力変動を抑制するとともに、レーザ出力を高めることが可能なレーザ装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ装置は、レーザ発振器と、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器、および、第２の超音波が印加されると第１の音響光学変調器から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器を有し、第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する第１の超音波の伝搬方向は、第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する第２の超音波の伝搬方向と異なる音響光学変調部と、音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器と、を備えることを特徴とする。
　本開示にかかるレーザ装置は、出力変動を抑制するとともに、レーザ出力を高めることが可能であるという効果を奏する。
実施の形態１にかかるレーザ装置の構成を示す図 モードホップが生じた場合の周波数変化を示す説明図 図２に示す状態遷移を模式的に表す図 モードホップとドップラーシフトとが重なった場合の周波数変化を示す説明図 図４に示す状態遷移を模式的に表す図 図４に示す状態変化に伴うレーザ出力の変化を示す図 図１に示す音響光学変調部を用いた場合のレーザ出力の変化を示す図 図１に示す第１の音響光学変調器の出射光に発生する周波数シフトの説明図 図１に示す第２の音響光学変調器の出射光に発生する周波数シフトの説明図 エキスパンダに負レンズを用いた例を示す図 エキスパンダに正レンズを用いた例を示す図 実施の形態２にかかるレーザ装置の構成を示す図 実施の形態３にかかるレーザ加工装置の構成を示す図
　以下に、本開示の実施の形態にかかるレーザ装置およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態によって本開示の技術的範囲が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかるレーザ装置１００の構成を示す図である。レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１と、音響光学変調部１０２と、増幅器１０３とを有する。レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１から出力される連続波であるレーザ光を、音響光学変調部１０２を用いてパルスレーザ光に変換したのち、増幅器１０３において増幅する外部変調型発振器である。レーザ発振器１０１は、全反射ミラー１４と、部分反射ミラー１５と、ブリュースターウィンドウ１３とを有する。音響光学変調部１０２は、直列に接続される第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４を有する。増幅器１０３は、ウィンドウ３４，３５およびミラー３３を有する。
　レーザ発振器１０１および増幅器１０３は、筐体１に配置されており、筐体１の内部にはレーザガスＧが供給される。筐体１は、レーザガスＧを外気と遮断する。ここで理解容易のため、レーザ発振器１０１および増幅器１０３の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
　図１では、主に光学素子の構成が示されており、図示しない構成要素を含むことができる。例えば、筐体１には、熱交換器、ブロワなど（不図示）が設けられる。ブロワは、筐体１の内部空間に封入されたレーザガスＧを循環させる。ブロワがレーザガスＧを循環させることによって、強制対流により冷却されたレーザガスＧが矢印のＺ方向に沿って供給される。レーザガスＧは、筐体１の内部で大気圧よりも低い圧力に維持されており、例えば、速度１００ｍ／ｓ程度で移動する。
　放電によってレーザガスＧ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスＧとして、ＣＯ2分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ2分子の振動準位間の遷移によって波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザガスＧがＣＯ2を含む混合ガスである場合について説明するが、ＣＯ2を含む混合ガスの代わりに、ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ－Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ，一部のガラスなどの他のレーザ媒質を用いてもよい。
　筐体１には、レーザガスＧを放電励起するための放電電極（不図示）が取り付けられる。放電電極に高周波交流電圧を印加すると、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状からなる放電空間が形成され、この放電空間内に存在するレーザガスＧが光増幅作用を示すレーザ媒質である放電励起ガス２となる。
　全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５は、放電励起ガス２を挟んで対向するように配置され、光共振器を構成する。全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５のそれぞれは、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。
　レーザ発振器１０１のブリュースターウィンドウ１３は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間の光軸上に設けられる。ブリュースターウィンドウ１３は、Ｓ偏光の反射率が高く、Ｐ偏光の反射率が、例えば１％未満など低いウィンドウである。ここでは、ＹＺ面に対して平行な直線偏光５４を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。ブリュースターウィンドウ１３を設けることで、直線偏光５４であるレーザ光を音響光学変調部１０２に入力することができ、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれに入力されるレーザ光の偏光方向と、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれに印加される超音波の伝搬方向Ｓとを一致させることができる。レーザ発振器１０１は、ブリュースターウィンドウ１３の代わりに、偏向ロックミラーを有してもよい。
　レーザ装置１００は、レーザ発振器１０１および音響光学変調部１０２の間の光路上に配置されたダウンコリメータ９と、入力される光を吸収するダンパ５，６と、音響光学変調部１０２が出力するパルスレーザ光のビーム径を拡大するエキスパンダ１２とをさらに有する。
　ダウンコリメータ９は、正レンズ７および負レンズ８を有し、レーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１のビーム径を縮小して音響光学変調部１０２に入力する。ダウンコリメータ９が出力するレーザ光のビーム径は、第１の音響光学変調器３に入射可能なビーム径とし、例えば、φ８ｍｍ程度である。第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４は、入射角度によって回折効率が異なるため、入射される光が平行光でない場合、出射光のビームプロファイルが変化するため、ここでは入射光を平行光としている。
　第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４は、超音波が印加されると、透明材料内部の粗密波により屈折率変化が生じる。このため、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれは、回折格子として利用される。
　第１の音響光学変調器３は、第１の超音波が印加されて、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１を回折させ、０次光Ｌ２および１次光Ｌ３を出力する。第１の音響光学変調器３が出力する０次光Ｌ２は、ダンパ５によって光吸収される。第１の音響光学変調器３が出力する１次光Ｌ３は、第２の音響光学変調器４に入力される。なお、ここでは高次光の一例として１次光Ｌ３が用いられることとしたが、２次光などであってもよい。第１の音響光学変調器３は、第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が、１次光Ｌ３の回折方向Ｄ１と逆向きとなるように配置される。
　第２の音響光学変調器４は、第２の超音波が印加されて、第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３を回折させ、０次光Ｌ５および１次光Ｌ４を出力する。第２の音響光学変調器４が出力する０次光Ｌ５は、ダンパ６によって光吸収される。第２の音響光学変調器４が出力する１次光Ｌ４は、エキスパンダ１２に入力される。第２の音響光学変調器４は、第２の超音波の伝搬方向Ｓ２が、１次光Ｌ４の回折方向Ｄ２と同一となるように配置される。
　なお上記では、回折方向Ｄ１と伝搬方向Ｓ１とが逆方向であり、回折方向Ｄ２と伝搬方向Ｓ２とが同一方向である例について示したが、回折方向Ｄ１に対する伝搬方向Ｓ１が、回折方向Ｄ２に対する伝搬方向Ｓ２と異なっていればよい。回折方向Ｄ１に対する伝搬方向Ｓ１が、回折方向Ｄ２に対する伝搬方向Ｓ２と異なるとは、伝搬方向Ｓ１と伝搬方向Ｓ２とが異なる方向であることを指すのではなく、回折方向Ｄ１を基準としたときの伝搬方向Ｓ１の向きと、回折方向Ｄ２を基準としたときの伝搬方向Ｓ２の向きとが異なることを指す。例えば、回折方向Ｄ１と伝搬方向Ｓ１とが同一方向であり、回折方向Ｄ２と伝搬方向Ｓ２とが逆方向であってもよい。このように、第１の音響光学変調器３で生じる周波数シフトの方向と、第２の音響光学変調器４で生じる周波数シフトの方向とが逆向きとなるようにすることで、音響光学変調部１０２が出力するパルスレーザ光に生じる周波数シフトを低減することが可能になる。
　第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４を有する音響光学変調部１０２は、レーザ発振器１０１から出力された連続波であるレーザ光Ｌ１をパルスレーザ光に変換する。具体的には、音響光学変調部１０２は、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４の少なくとも一方を間欠運転することで、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１をパルスレーザ光に変換することができる。第１の音響光学変調器３が間欠運転される場合、第１の音響光学変調器３には、不図示のドライバ回路から交流電圧が間欠的に供給される。第１の音響光学変調器３に交流電圧が供給された場合、第２の音響光学変調器４に１次光Ｌ３が入力され、交流電圧が供給されない場合、レーザ光Ｌ１は直進してダンパ５に吸収される。第２の音響光学変調器４が間欠運転される場合、第２の音響光学変調器４には、ドライバ回路から交流電圧が間欠的に供給される。第２の音響光学変調器４に交流電圧が供給された場合、エキスパンダ１２に１次光Ｌ４が入力され、交流電圧が供給されない場合、第１の音響光学変調器３からの１次光Ｌ３は直進してダンパ６に吸収される。なお、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４の両方を間欠運転する場合、片方だけを間欠運転するよりも音響光学変調部１０２の消費電力を低減することができる。
　エキスパンダ１２は、レンズ１０，１１を有する。エキスパンダ１２は、音響光学変調部１０２と増幅器１０３との間の光路上に配置され、音響光学変調部１０２の第２の音響光学変調器４が出力した１次光Ｌ４のビーム径を拡大する。エキスパンダ１２がビーム径を拡大することで、増幅器１０３における増幅率を大きくすることができる。一般的に音響光学変調器の開口径は数ミリ程度であり、エキスパンダ１２は例えば２０ｍｍ程度にビーム径を拡大することができる。
　レーザ装置１００のレーザ発振器１０１は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間が光増幅作用を有する放電励起ガス２で満たされており、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５の間の光路上にブリュースターウィンドウ１３が配置されているため、直線偏光５４の連続波であるレーザ光Ｌ１を出力する。レーザ発振器１０１の部分反射ミラー１５から出力されるレーザ光Ｌ１は、ダウンコリメータ９においてビーム径が縮小されて、音響光学変調部１０２の第１の音響光学変調器３に入力される。
　レーザ光Ｌ１は、第１の音響光学変調器３において回折されて、１次光Ｌ３が第２の音響光学変調器４に入力され、０次光Ｌ２がダンパ５に吸収される。第２の音響光学変調器４に入力された１次光Ｌ３は、回折されて１次光Ｌ４はエキスパンダ１２に入力され、０次光Ｌ５がダンパ６に吸収される。エキスパンダ１２に入力された１次光Ｌ４は、レンズ１０，１１を介してビーム径が拡大されてミラー３１に向けて出力される。エキスパンダ１２から出力された光は、ミラー３１，３２によって進行方向が変化し、増幅器１０３のウィンドウ３４に入力される。ウィンドウ３４に入力されたレーザ光は、光増幅作用を有する放電励起ガス２で満たされた空間を通過することで増幅され、ミラー３３で反射され、ウィンドウ３５からレーザ装置１００の外部に取り出すことができる。ウィンドウ３５から取り出されたレーザ光は、例えば、レーザ加工等に利用される。
　上記の通り、本実施の形態において音響光学変調部１０２は、２つの音響光学変調器を有しており、第１の音響光学変調器３の１次光Ｌ３が第２の音響光学変調器４に入力され、第２の音響光学変調器４の１次光Ｌ４が増幅器１０３のウィンドウ３４に入力される。ここで１次光を用いる理由としては、ビームオフのときにビームが出力されないようにするためである。０次光を用いた場合には、音響光学変調器の回折効率は９０％程度であるため、１０％は０次光に出力される。これが増幅されると、レーザ装置１００が出力するレーザ光がレーザ加工に用いられる場合、加工に寄与しない余分な熱が加工対象物に蓄積されて、加工品質が低下する。
　音響光学変調器が出力する１次光は、超音波のエネルギーによって周波数シフトが起こることが知られている。しかしながら、レーザ発振器１０１と増幅器１０３との間に音響光学変調器を配置する場合、わずかに出力が低下するだけであって、大きな問題とはならない場合が多い。本願発明者らは、音響光学変調器における周波数シフトと、レーザ発振器１０１におけるモードホップと呼ばれる現象とが重なった場合、急激な出力変動が発生することを発見した。
　モードホップとは、構造部品の温度変化、媒質の温度変化などに起因して、共振器を構成するミラー間の光路長が変化することで、共振器の発振周波数が瞬間的に変化する現象である。以下、共振器を構成するミラー間の光路長を共振器長と称する。レーザ発振器１０１においては、共振器長は、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５間の光路長となる。
　図２は、モードホップが生じた場合の周波数変化を示す説明図である。図２の横軸は周波数であり、縦軸はゲインである。図２中の太い破線はゲインの最も高い縦モードを表しており、レーザ発振器１０１はこの周波数で発振する。図２の中央図（Ｂ）は、左図（Ａ）の状態から共振器長が４分の１波長変化した状態を示し、右図（Ｃ）は、中央図（Ｂ）の状態から共振器長がさらに４分の１波長変化した状態を示す。つまり、右図（Ｃ）は、左図（Ａ）の状態から共振器長が半波長変化した状態を示す。
　共振器長が長くなるにつれて、縦モードの周波数は小さくなり、図中の太い破線は左にシフトしていく。具体的には、（Ａ）の状態では、発振周波数は＋３２．６ＭＨｚであり、（Ｂ）の状態では、発振周波数は±０ＭＨｚであり、（Ｃ）の状態では、発振周波数は－３２．６ＭＨｚである。（Ｃ）からさらに縦モードの周波数が小さくなった場合、１つ周波数が高い側の縦モードのゲインの方が高くなるため、レーザ発振器１０１は（Ａ）の状態に遷移する。
　図３は、図２に示す状態遷移を模式的に表す図である。レーザ発振器１０１は、（Ａ）の状態から（Ｂ）の状態に遷移し、（Ｂ）の状態から（Ｃ）の状態に遷移する。またレーザ発振器１０１は、（Ｃ）の状態から（Ａ）の状態に遷移する。このとき、（Ｃ）の状態と（Ａ）の状態とは周波数がゲインのピークに対して対称であるため、ゲインが等しく、レーザ発振器１０１は、（Ｃ）の状態から（Ａ）の状態に遷移しても出力の変化はない。また、レーザ発振器１０１が高出力であり、共振器長が長いほど、縦モードの周波数間隔が狭いため、モードホップにより生じる出力変化は小さくなる。このため、モードホップだけであれば、レーザ装置１００の出力変動が問題となることは少ない。
　続いて、モードホップとドップラーシフトとが重なった場合について説明する。図４は、モードホップとドップラーシフトとが重なった場合の周波数変化を示す説明図である。音響光学変調部１０２が音響光学変調器を１つしか有さない場合、ドップラーシフトの影響を低減することができないため、モードホップとドップラーシフトとが重なる状態が生じうる。図４の横軸は周波数であり、縦軸はゲインである。図４中の太い破線はゲインの最も高い縦モードを表しており、レーザ発振器１０１はこの周波数で発振する。また図４中の太い実線は増幅器１０３への入射光を表している。増幅器１０３への入射光は、レーザ発振器１０１の出射光から音響光学変調部１０２の第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４におけるドップラーシフトνＳの分だけ周波数がシフトしている。実施の形態１では、ドップラーシフトνＳは－４０ＭＨｚとする。
　図４の中央図（Ｅ）は、左図（Ｄ）の状態から共振器長が４分の１波長変化した状態を示し、右図（Ｆ）は、中央図（Ｅ）の状態から共振器長がさらに４分の１波長変化した状態を示す。つまり、右図（Ｆ）は、左図（Ｄ）の状態から共振器長が半波長変化した状態を示す。発振周波数は、図２に示したものと同様であり、（Ｄ）の状態では、発振周波数は＋３２．６ＭＨｚであり、（Ｅ）の状態では、発振周波数は±０ＭＨｚであり、（Ｆ）の状態では、発振周波数は－３２．６ＭＨｚである。
　増幅器１０３への入射光の周波数は、（Ｄ）の状態では、＋３２．６－４０＝－７．４ＭＨｚであり、（Ｅ）の状態では、０－４０＝－４０ＭＨｚであり、（Ｆ）の状態では、発振周波数は－３２．６－４０＝－７２．６ＭＨｚである。
　図５は、図４に示す状態遷移を模式的に表す図である。レーザ発振器１０１は、（Ｄ）の状態から（Ｅ）の状態に遷移し、（Ｅ）の状態から（Ｆ）の状態に遷移する。またレーザ発振器１０１は、（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移する。この場合、（Ｄ）の状態と（Ｆ）の状態とではゲインがピークとなる周波数に対して非対称であるため、ゲインが大きく異なる。したがって、（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移するときに、ゲインが大きく変化する。
　図６は、図４に示す状態変化に伴うレーザ出力の変化を示す図である。（Ｆ）の状態から（Ｄ）の状態に遷移するとき、増幅器１０３からのレーザ出力Ｏ１０３は、不連続で急激な出力変動が発生する。この出力変動は、レーザ発振器１０１からのレーザ出力Ｏ１０１の出力変動よりも大きい。このようにレーザ出力の強度が瞬時に変化する場合、レーザ出力をセンサで計測してフィードバック制御をおこなったとしても、レーザ出力を安定させることができない。また、周波数ずれとゲインの低下量との関係は非線形であるため、単に周波数が増加した以上に大きくゲインは低下する。レーザ出力の変動幅も大きいため、定格出力が小さくなってしまうという問題がある。
　図７は、図１に示す音響光学変調部１０２を用いた場合のレーザ出力の変化を示す図である。上記の通り、音響光学変調部１０２は、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４のそれぞれが生じさせる周波数シフトの方向が逆であるため、ドップラーシフトをキャンセルすることが可能である。このため、図７に示されるように、増幅器１０３からのレーザ出力Ｏ１０３とレーザ発振器１０１からのレーザ出力Ｏ１０１との差異が図６に示す例よりも低減している。
　具体的には、第１の音響光学変調器３が出射する１次光Ｌ３の回折方向Ｄ１に対する第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４の回折方向Ｄ２に対する第２の超音波の伝搬方向Ｓ２と異なるように、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４が配置される。回折方向Ｄ１に対して伝搬方向Ｓ１が同一方向である場合、回折方向Ｄ２に対して伝搬方向Ｓ２を逆方向とすることで、出射光のドップラーシフトを低減することができる。回折方向Ｄ１に対して伝搬方向Ｓ１が逆方向である場合、回折方向Ｄ２に対して伝搬方向Ｓ２を同一方向とすることで、出射光のドップラーシフトを低減することができる。
　図８は、図１に示す第１の音響光学変調器３の出射光に発生する周波数シフトの説明図である。第１の音響光学変調器３への入射光のベクトルをｋｉとし、出射光のベクトルをｋｄ１とする。このとき回折方向Ｄ１＝ｋｄ１－ｋｉと第１の超音波の伝搬方向Ｓ１とは逆方向であるため、出射光の周波数νｄ１は、エネルギー保存則からνｄ１＝νｉ－νｓ１に減少する。図９は、図１に示す第２の音響光学変調器４の出射光に発生する周波数シフトの説明図である。第２の音響光学変調器４において、回折方向Ｄ２＝ｋｄ２－ｋｄ１は、第２の超音波の伝搬方向Ｓ２と同一方向であるため、出射光の周波数νｄ２は、νｄ２＝νｄ１＋νｓ２に増加する。したがって、νｄ２＝νｄ１＋νｓ２＝（νｉ－νｓ１）＋νｓ２であり、第１の音響光学変調器３で発生する周波数シフト－νｓ１は、第２の音響光学変調器４で発生する周波数シフト＋νｓ２と打ち消しあい、音響光学変調部１０２からの出射光に生じる周波数シフトは低減する。第１の超音波の周波数νｓ１が第２の超音波の周波数νｓ２と等しい場合、νｄ２＝νｉとなり、ドップラーシフトはキャンセルされる。
　音響光学変調部１０２からの出射光に生じる周波数シフトを低減することで、増幅器１０３への入射光へのドップラーシフトの影響は低減されている。このため、モードホップが生じた場合であっても、不連続で瞬間的な出力変動は抑制され、レーザ出力のフィードバック制御をおこなうことが可能になる。また、出力変動幅も低減されるため、変動幅の分の出力マージンをとる必要がなくなり、定格出力を大きくすることが可能になる。したがって、安定して高出力なレーザ装置１００を実現することができ、このレーザ装置１００を使用してレーザ加工を行う場合、高品質で高速なレーザ加工が可能になる。
　音響光学変調器への入射光は、ビーム径が小さいため、光強度が高くなり、熱レンズが発生し易い。また、ＣＯ2レーザなどの赤外光用の音響光学変調器では、吸収率が３％程度と大きいゲルマニウムが使用されている。このため、実施の形態１のように２つの音響光学変調器を用いる場合、特に熱レンズの影響が懸念される。そこで、本実施の形態では、エキスパンダ１２の入力端のレンズ１０を正レンズとした。ここで、エキスパンダ１２の入力側から数えて１枚目のレンズ１０を正レンズとした場合と、負レンズとした場合とを比較して説明する。図１０は、エキスパンダ１２に負レンズを用いた例を示す図である。図１１は、エキスパンダ１２に正レンズを用いた例を示す図である。
　図１０に示すように、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４が負レンズ２１に入力される場合、第２の音響光学変調器４と負レンズ２１との間の距離ｌ１は、０次光Ｌ５が１次光Ｌ４と分離するために十分な距離であり、かつ、０次光Ｌ５を吸収するダンパ２３を配置するスペースを確保可能な程度に長くする必要がある。図１０の破線で示すように、熱レンズが発生すると１次光Ｌ４の光線の勾配θ１は、負方向に変化する。このため、距離ｌ１が長いほど、エキスパンダ１２に入射されるレーザ光のビーム径ｘ２が変化して、第２の音響光学変調器４におけるビーム径ｘ１よりも小さくなり、エキスパンダ１２から射出されるビーム径ｘ３は小さくなる。また、エキスパンダ１２を負レンズ２１および正レンズ２２を用いて構成する場合、入射光の勾配θ１が負方向に変化すると、出射されるビーム径ｘ３が小さくなる。このように、距離ｌ１が長くなるにつれてビーム径ｘ２が小さくなり、さらに、勾配θ１が負方向に変化したとき、負レンズ２１から出射する光の勾配θ２および正レンズ２２から出射する光の勾配θ３も負方向に変化し、エキスパンダ１２からの出射光のビーム径ｘ３は小さくなる。このため、増幅器１０３に入力されるビーム径が小さくなり、増幅後のレーザ出力が低下してしまう。
　図１１に示す例では、エキスパンダ１２が正レンズ２４，２５を用いて構成される。この場合、第２の音響光学変調器４が出射する１次光Ｌ４および０次光Ｌ５が正レンズ２４に入射した後、正レンズ２４の焦点付近で、０次光Ｌ５と１次光Ｌ４とが十分に分離しているため、焦点付近にダンパ２６を配置することができる。この場合、図１０に示す例よりも、第２の音響光学変調器４と正レンズ２４との間の距離ｌ１を短くすることが可能である。距離ｌ１が長くなるほどビーム径ｘ２が小さくなるため、距離ｌ１を短くすることで、ビーム径ｘ２が小さくなることを抑制することができる。また、正レンズ２４，２５を用いてエキスパンダ１２を構成する場合、入射光の勾配θ１が負方向に変化するとき、正レンズ２４の焦点が手前にずれる。熱レンズが発生していない場合、正レンズ２４から正レンズ２４の焦点までの距離Ｌｆ２、正レンズ２４の焦点から正レンズ２５までの距離Ｌｆ３とする。また、熱レンズが発生した場合、正レンズ２４から正レンズ２４の焦点までの距離Ｌｆ２ｓ、正レンズ２４の焦点から正レンズ２５までの距離Ｌｆ３ｓとする。この場合、Ｌｆ２＞Ｌｆ２ｓ且つＬｆ３＜Ｌｆ３ｓとなるため、正レンズ２５におけるビーム径ｘ３は、熱レンズが発生した場合大きくなる。つまり、図１０に示す負レンズ２１を用いた例と比較して、正レンズ２４を用いる場合、熱レンズが発生して勾配θ１が負方向に変化したときに、距離ｌ１の間に生じるビーム径ｘ２の減少を抑制することが可能であるとともに、エキスパンダ１２からの出射光のビーム径ｘ３は大きくなり、レーザ装置１００から出射するレーザ光における熱レンズの影響を低減することが可能である。
　以下、エキスパンダ１２の入力端を正レンズ２４とした場合と負レンズ２１とした場合とのビーム径変化の差を試算する。第１の音響光学変調器３に入射するビーム径ｘ０、入射角度θ０とした場合、ＡＢＣＤ光線行列を用いてビームの伝搬を導出する。エキスパンダ１２の正レンズ２２，２５におけるビーム径ｘ３は、以下の数式（１）で表される。熱レンズの焦点距離ｆ１、負レンズ２１または正レンズ２４の焦点距離ｆ２、負レンズ２１から正レンズ２２までの距離または正レンズ２４から正レンズ２５までの距離ｌ２、第１の音響光学変調器３への入射光のビーム径ｘ０、第１の音響光学変調器３への入射光の入射角度θ０とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　エキスパンダ１２から増幅器１０３の出口までの距離ｌ３とした場合、増幅器１０３の出口におけるビーム径ｘ４は、以下の数式（２）で表される。正レンズ２２，２５の焦点距離ｆ３とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、第１の音響光学変調器３への入射光は平行光であるため、θ０＝０とした。表１は、上記の計算に用いられるパラメータを示している。表１の「正」は、レンズ１０に正レンズ２４を用いた図１１の構成における各パラメータの値を示しており、表１の「負」は、レンズ１０に負レンズ２１を用いた図１０の構成における各パラメータの値を示している。表２は、表１に示すパラメータを用いた場合の数式（１），（２）の計算結果を表している。表２の「正」は、レンズ１０に正レンズ２４を用いた図１１の構成における計算結果を表しており、表２の「負」は、レンズ１０に負レンズ２１を用いた図１０の構成における計算結果を表している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　増幅器１０３内を通るビーム径は、入り口におけるビーム径ｘ３と出口におけるビーム径ｘ４との平均値とし、熱レンズが発生していない状態でのビーム半径１２ｍｍに対する変化率を算出している。表２によれば、熱レンズによる拡大後のビーム径変化は、図１０に示す構成では１０．３％であるのに対して、図１１に示す構成では２．９％と抑制されていることがわかる。
　以上説明したように、熱レンズが発生しやすい構成の場合、正レンズ２４，２５を用いたエキスパンダ１２は、負レンズ２１を用いた場合よりも熱レンズの影響を低減することができる。熱レンズが発生すると、焦点位置が変化するため、特定の位置におけるビーム径が変化する。熱レンズの影響が大きく、加工中にビーム径変化が大きくなると、増幅器１０３におけるモードボリュームが変化し、ビーム出力が変化するとともに、加工点における集光径および焦点が変化するため、加工品質が低下する。レーザ装置１００は、エキスパンダ１２の入力端が正レンズ２４で構成されているため、ビーム径変化を抑制することができ、高品質なレーザ加工を実現することができる。
実施の形態２．
　図１２は、実施の形態２にかかるレーザ装置２００の構成を示す図である。以下、実施の形態１にかかるレーザ装置１００との差異について主に説明する。レーザ装置２００は、レーザ装置１００のダンパ５，６の代わりにダンパ４１を有し、第２の音響光学変調器４の代わりに第２の音響光学変調器４０を有する。第１の音響光学変調器３の１次光の回折方向Ｄ１に対する第１の超音波の伝搬方向Ｓ１が反対方向であり、第２の音響光学変調器４０の１次光の回折方向Ｄ２に対する第２の超音波の伝搬方向Ｓ２が同一方向である点は、レーザ装置１００と同様である。レーザ装置２００においては、第２の音響光学変調器４０は、１次光の回折方向Ｄ２が、第１の音響光学変調器３の１次光の回折方向Ｄ１と同一方向となるように配置されている。このため、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と、第２の音響光学変調器４０の１次光Ｌ７とが異なる方向に出射される。この場合、レンズ１０の後段であって焦点付近に、ダンパ４１を配置し、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と第２の音響光学変調器４０の０次光Ｌ６とを吸収させ、第１の音響光学変調器３および第２の音響光学変調器４０を接近させた状態で配置することができる。
　仮に、図１に示すレーザ装置１００の構成においてダンパ５を省略した場合、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ２は、第２の音響光学変調器４を透過した後、第２の音響光学変調器４の１次光Ｌ４と同一方向に進む。この場合、第１の音響光学変調器３と第２の音響光学変調器４とを近づけると、０次光Ｌ２が１次光Ｌ４と重なっているため、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ２を除去することができない。これに対して、レーザ装置２００は、第１の音響光学変調器３の回折方向Ｄ１と第２の音響光学変調器４０の回折方向Ｄ２とを同一方向としたことで、第１の音響光学変調器３の０次光Ｌ５と第２の音響光学変調器４０の１次光Ｌ７とが異なる方向に進む。したがって、ダンパ４１をレンズ１０の焦点付近に配置し、第１の音響光学変調器３と第２の音響光学変調器４０とを接近させた状態で配置することができる。この場合、第１の音響光学変調器３からエキスパンダ１２までのレーザ光の伝搬距離が短くなるため、第１の音響光学変調器３に熱レンズが発生した場合の勾配θ１の変化によって生じるエキスパンダ１２に入射するビーム径ｘ２の変化を抑制することが可能になる。したがって、レーザ装置２００のビーム径はさらに安定し、レーザ出力が安定するため、加工品質を良好な状態に維持することができる。
実施の形態３．
　図１３は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置３００の構成を示す図である。レーザ加工装置３００は、レーザ装置１００と、光路６１と、加工ヘッド６２と、駆動部６３と、検知部６４と、制御部６５とを有する。
　レーザ加工装置３００は、加工対象物Ｗにパルスレーザ光を照射して、加工対象物Ｗの切断加工を行う機能を有する。レーザ装置１００は、実施の形態１に示したレーザ装置１００であり、ウィンドウ３５から取り出したレーザ光が光路６１を介して加工ヘッド６２に供給される。光路６１は、レーザ装置１００が出力したレーザ光を加工ヘッド６２まで伝送する経路であり、レーザ光を空中で伝搬させる経路であってもよいし、光ファイバを通じてレーザ光を伝送させる経路であってもよい。光路６１は、レーザ装置１００が出力するレーザ光の特性に応じて設計される。
　加工ヘッド６２は、レーザ光を加工対象物Ｗに集光する光学系を有している。加工ヘッド６２は、加工対象物Ｗの表面付近に焦点を結ぶような光学系を備えていることが望ましい。駆動部６３は、加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御して変化させることができる。なお、レーザ加工装置３００において、駆動部６３は、加工ヘッド６２の位置を変化させることで、加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させることとしたが、駆動部６３は、加工対象物Ｗを載置するテーブルの位置を変化させてもよいし、加工ヘッド６２とテーブルとの両方の位置を変化させてもよい。つまり、駆動部６３は、加工ヘッド６２および加工対象物Ｗの少なくとも１つの位置を変化させる機能を有していればよい。
　検知部６４は、加工対象物Ｗの状態またはレーザ加工装置３００の状態を検知するセンサである。検知部６４は、加工中の加工対象物Ｗの位置、加工中に発生する光の強度および波長、音波、超音波といった物理量の計測値を時系列信号として計測する。検知部６４は、例えば、静電容量センサ、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）センサ、スペクトル分光器、音響センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、距離センサ、位置検出器、温度センサ、湿度センサなどである。検知部６４は、計測値を示す時系列信号を制御部６５に入力する。
　制御部６５は、設定された加工条件および検知部６４から送信される計測値に従って、パルスレーザ光が加工対象物Ｗの上の加工経路を走査するようにレーザ装置１００、駆動部６３などを制御する。加工条件は、例えば、加工対象物Ｗの材質、厚み、および表面の状態を含む。加工条件は、さらに、レーザ装置１００のレーザ出力強度、レーザ出力周波数、レーザ出力のデューティ比、モード、波形、および波長などを含む。加工条件は、パルスレーザ光の焦点位置、パルスレーザ光の集光径、加工対象物Ｗと加工ヘッド６２との間の距離、温度、湿度など検知部６４から入力される計測値を含むこともできる。
　制御部６５からの制御に従って、駆動部６３が加工ヘッド６２と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させながら、加工ヘッド６２が加工対象物Ｗにパルスレーザ光を照射することで、加工対象物Ｗの切断加工を行うことができる。
　なお、上記の実施の形態３では、レーザ加工装置３００は、レーザ装置１００を有することとしたが、レーザ装置１００の代わりに、実施の形態２にかかるレーザ装置２００を有してもよい。
　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　例えば、図１，１２においては、ダウンコリメータ９を用いてレーザ発振器１０１からの出力光のビーム径を調整しているが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、ダウンコリメータ９を省略して、レーザ発振器１０１からの出射光のビーム径が、音響光学変調器に入射可能となるように、全反射ミラー１４および部分反射ミラー１５を設計してもよい。
　また、上記の実施の形態では、レーザ発振器１０１および増幅器１０３がレーザ媒質を共用しており、１つの筐体１内に配置されているが、本実施の形態はかかる例に限定されない。レーザ発振器１０１と増幅器１０３とは、別々の筐体に配置されてもよい。
　また、図示した超音波の伝搬方向Ｓ１，Ｓ２は一例であり、伝搬方向Ｓ１，Ｓ２は、図示した方向と逆方向であってもよい。
　また、上記では音響光学変調部１０２は、２つの音響光学変調器を備えることとしたが、本実施の形態はかかる例に限定されない。例えば、音響光学変調部１０２は、３つ以上の音響光学変調器を備えてもよい。この場合、複数の音響光学変調器のうちの少なくとも２つが１次光を出力し、１次光を出力する２つの音響光学変調器において、回折方向に対する超音波の伝搬方向が互いに異なっていればよい。
　なお、第１の音響光学変調器３は、第１の超音波が印加されるとレーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１を回折させる。ここで、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１は、レーザ発振器１０１から直接入力されるレーザ光Ｌ１に限らない。例えば、レーザ発振器１０１からのレーザ光Ｌ１は、図１に示すようにダウンコリメータ９を介して入力されるレーザ光Ｌ１であってもよいし、音響光学変調部１０２が音響光学変調器を３つ以上含む場合には、他の音響光学変調器を介して入力されるレーザ光Ｌ１であってもよい。同様に、第２の音響光学変調器４は、第２の超音波が印加されると、第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３を回折させる。ここで第１の音響光学変調器３から出力される１次光Ｌ３は、図１に示すように、第１の音響光学変調器３から直接第２の音響光学変調器４に入力される１次光Ｌ３であってもよいし、例えば、音響光学変調部１０２が音響光学変調器を３つ以上含む場合には、他の音響光学変調器を介して入力される１次光Ｌ３であってもよい。
　なお、上記ではレーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１は、連続波であることとしたが、パルスの間隔が広く、ビームオフの時間が長い場合には、放電をオフしてレーザ発振器１０１のビームを間欠運転し、消費エネルギーを低減する場合がある。この場合、レーザ発振器１０１が出力するレーザ光Ｌ１は、連続波ではなくなる。このようなレーザ光Ｌ１であっても、音響光学変調部１０２は、パルスレーザ光に変換することができる。
　１　筐体、２　放電励起ガス、３　第１の音響光学変調器、４，４０　第２の音響光学変調器、５，６，４１　ダンパ、７　正レンズ、８　負レンズ、９　ダウンコリメータ、１０，１１　レンズ、１２　エキスパンダ、１３　ブリュースターウィンドウ、１４　全反射ミラー、１５　部分反射ミラー、３１，３２，３３　ミラー、３４，３５　ウィンドウ、５４　直線偏光、６１　光路、６２　加工ヘッド、６３　駆動部、６４　検知部、６５　制御部、１００，２００　レーザ装置、１０１　レーザ発振器、１０２　音響光学変調部、１０３　増幅器、３００　レーザ加工装置、Ｄ１，Ｄ２　回折方向、ｆ１，ｆ２，ｆ３　焦点距離、Ｇ　レーザガス、Ｌ１　レーザ光、Ｌ２，Ｌ５，Ｌ６　０次光、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ７　１次光、ｌ１，ｌ２，ｌ３，Ｌｆ２，Ｌｆ２ｓ　距離、Ｏ１０１，Ｏ１０３　レーザ出力、Ｓ１，Ｓ２　伝搬方向、Ｗ　加工対象物、ｘ０，ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４　ビーム径、θ０　入射角度、θ１，θ２，θ３　勾配。

Claims (6)

  1. 　レーザ発振器と、
    　第１の超音波が印加されると前記レーザ発振器からのレーザ光を回折させる第１の音響光学変調器、および、第２の超音波が印加されると前記第１の音響光学変調器から出力される高次光を回折させる第２の音響光学変調器を有し、前記第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する前記第１の超音波の伝搬方向は、前記第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向に対する前記第２の超音波の伝搬方向と異なる音響光学変調部と、
    　前記音響光学変調部からのレーザ光を増幅させる増幅器と、
    　を備えることを特徴とするレーザ装置。
  2. 　前記音響光学変調部および前記増幅器の間の光路上に配置され、前記レーザ光のビーム径を拡大するエキスパンダ、
    　をさらに備え、
    　前記エキスパンダの入力端は正レンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 　前記音響光学変調部は、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光をパルスレーザ光に変換することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 　前記エキスパンダの前記正レンズの後段に配置され、前記第１の音響光学変調器が出射する０次光を吸収するダンパ、
    　をさらに備え、
    　前記第１の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向は、前記第２の音響光学変調器が出射する高次光の回折方向と同一方向であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
  5. 　前記高次光は、１次光であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ装置を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
PCT/JP2021/024817 2021-06-30 2021-06-30 レーザ装置およびレーザ加工装置 WO2023276064A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/024817 WO2023276064A1 (ja) 2021-06-30 2021-06-30 レーザ装置およびレーザ加工装置
US18/027,632 US11958128B2 (en) 2021-06-30 2021-06-30 Laser apparatus and laser machining apparatus
JP2021566595A JP7066073B1 (ja) 2021-06-30 2021-06-30 レーザ装置およびレーザ加工装置
CN202180062857.4A CN116194239B (zh) 2021-06-30 2021-06-30 激光装置及激光加工装置
DE112021005438.4T DE112021005438B4 (de) 2021-06-30 2021-06-30 Laservorrichtung und Laser-Bearbeitungsvorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/024817 WO2023276064A1 (ja) 2021-06-30 2021-06-30 レーザ装置およびレーザ加工装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023276064A1 true WO2023276064A1 (ja) 2023-01-05

Family

ID=81584937

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/024817 WO2023276064A1 (ja) 2021-06-30 2021-06-30 レーザ装置およびレーザ加工装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11958128B2 (ja)
JP (1) JP7066073B1 (ja)
CN (1) CN116194239B (ja)
DE (1) DE112021005438B4 (ja)
WO (1) WO2023276064A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117518537A (zh) * 2023-11-21 2024-02-06 爱司凯科技股份有限公司 一种基于双声光调制器的直接制版机打印方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05199374A (ja) * 1992-01-21 1993-08-06 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 光ビーム走査方法
JPH09275236A (ja) * 1996-04-04 1997-10-21 Hitachi Metals Ltd レーザ装置およびレーザ応用装置
US20020136524A1 (en) * 2001-03-14 2002-09-26 Nabeel Agha Riza High speed fiber-optic attenuation modules
JP2005161398A (ja) * 2003-09-12 2005-06-23 Orbotech Ltd マルチビーム微細加工システムおよびその方法
JP2012182397A (ja) * 2011-03-03 2012-09-20 Mitsubishi Electric Corp レーザ装置およびレーザ加工装置
JP2013541201A (ja) * 2010-09-13 2013-11-07 カルマー オプトコム、インコーポレイティッド ディービーエー カルマー レーザー チャープ・パルス増幅に基づくレーザー・パルスの発生
US20170023843A1 (en) * 2015-07-20 2017-01-26 Coherent Kaiserslautern GmbH Apparatus for beam-dividing using acousto-optic modulators
JP2021030249A (ja) * 2019-08-19 2021-03-01 武井電機工業株式会社 レーザー加工装置、及びレーザー加工方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5825793A (en) * 1995-06-05 1998-10-20 Hitachi Metals, Ltd. Laser and laser applied units
US7606274B2 (en) 2001-09-20 2009-10-20 The Uab Research Foundation Mid-IR instrument for analyzing a gaseous sample and method for using the same
US7372612B2 (en) 2003-05-03 2008-05-13 Paxera Corporation High performance compact external cavity laser (ECL) for telecomm applications
WO2004107567A1 (ja) * 2003-05-29 2004-12-09 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 光制御型フェーズドアレーアンテナ装置
US20060050747A1 (en) 2004-09-08 2006-03-09 Trutna William R Jr Frequency-tunable light sources and methods of generating frequency-tunable light
US20060182156A1 (en) 2005-02-15 2006-08-17 Geraint Owen Tuning a laser
WO2007007389A1 (ja) * 2005-07-11 2007-01-18 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha スペックル除去光源および照明装置
US10307862B2 (en) * 2009-03-27 2019-06-04 Electro Scientific Industries, Inc Laser micromachining with tailored bursts of short laser pulses
EP2417546B1 (en) 2009-04-10 2018-01-03 Koninklijke Philips N.V. Combined authentication of a device and a user
US20120307257A1 (en) 2010-02-12 2012-12-06 Canon Kabushiki Kaisha Swept light source apparatus and imaging system including the same
CN103746285B (zh) * 2013-12-27 2016-09-21 中国科学院国家授时中心 一种基于声光调制器的高稳定性激光频率扫描装置
JP6251602B2 (ja) * 2014-02-28 2017-12-20 ダイハツ工業株式会社 車両用変速装置
CN103920993B (zh) * 2014-04-18 2015-12-09 苏州东山精密制造股份有限公司 多平台激光加工系统
DE102014013567B3 (de) 2014-09-18 2015-10-08 Iai Industrial Systems B.V. Gütegeschaltetes CO2-Laser-Materialbearbeitungssystem mit akustooptischen Modulatoren
JP6676168B2 (ja) * 2016-07-14 2020-04-08 三菱電機株式会社 レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置
WO2018044500A1 (en) * 2016-09-01 2018-03-08 Imra America, Inc. Ultra low noise photonic phase noise measurement system for microwave signal
US10408925B1 (en) 2017-07-19 2019-09-10 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Low probability of intercept laser range finder
CN111958108A (zh) * 2020-07-20 2020-11-20 华中科技大学 一种用于激光加工的声光双焦点镜头及激光加工系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05199374A (ja) * 1992-01-21 1993-08-06 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 光ビーム走査方法
JPH09275236A (ja) * 1996-04-04 1997-10-21 Hitachi Metals Ltd レーザ装置およびレーザ応用装置
US20020136524A1 (en) * 2001-03-14 2002-09-26 Nabeel Agha Riza High speed fiber-optic attenuation modules
JP2005161398A (ja) * 2003-09-12 2005-06-23 Orbotech Ltd マルチビーム微細加工システムおよびその方法
JP2013541201A (ja) * 2010-09-13 2013-11-07 カルマー オプトコム、インコーポレイティッド ディービーエー カルマー レーザー チャープ・パルス増幅に基づくレーザー・パルスの発生
JP2012182397A (ja) * 2011-03-03 2012-09-20 Mitsubishi Electric Corp レーザ装置およびレーザ加工装置
US20170023843A1 (en) * 2015-07-20 2017-01-26 Coherent Kaiserslautern GmbH Apparatus for beam-dividing using acousto-optic modulators
JP2021030249A (ja) * 2019-08-19 2021-03-01 武井電機工業株式会社 レーザー加工装置、及びレーザー加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE112021005438T5 (de) 2023-08-03
DE112021005438B4 (de) 2024-06-06
CN116194239B (zh) 2023-10-03
JPWO2023276064A1 (ja) 2023-01-05
JP7066073B1 (ja) 2022-05-12
US20230271273A1 (en) 2023-08-31
US11958128B2 (en) 2024-04-16
CN116194239A (zh) 2023-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8625645B2 (en) Solid-state laser apparatus and laser system
US6477188B1 (en) Light source
US20150014286A1 (en) Co2 laser with rapid power control
US7426223B2 (en) Coherent light source and optical device
WO2011027617A1 (ja) パルス幅変換装置および光増幅システム
TWI761081B (zh) 波長變換雷射裝置及波長變換雷射加工機
TWI499147B (zh) Ｃｏ2雷射裝置及ｃｏ2雷射加工裝置
WO2023276064A1 (ja) レーザ装置およびレーザ加工装置
CN112805886B (zh) 激光器装置
JP2010093078A (ja) 光学素子、レーザ光発振装置及びレーザ光増幅装置
US20140300950A1 (en) Laser apparatus
JPH03272188A (ja) 固体レーザ
KR100809271B1 (ko) 파장가변 레이저 장치
JPS6290618A (ja) 光変調装置
JP3621623B2 (ja) レーザ共振器
JP5410344B2 (ja) レーザ装置
JP2002252401A (ja) レーザ装置
KR102210160B1 (ko) 펄스 레이저 장치
JP5213368B2 (ja) レーザ光第２高調波発生装置
CN111869020B (zh) 使用损耗调制装置作为克尔介质通过基于克尔透镜的锁模来产生激光脉冲的装置和方法
JP5524381B2 (ja) パルス幅変換装置および光増幅システム
RU2622243C1 (ru) Акустооптическая электронно-управляемая мягкая лазерная диафрагма (варианты)
JP2021132070A (ja) パルスレーザ光生成伝送装置およびレーザ加工装置
JP2004071583A (ja) レーザ装置
JP2008042061A (ja) レーザー再生増幅器

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021566595

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21948369

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21948369

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1