JP2005317743A - Laser apparatus and laser processing method - Google Patents

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Shinichi Nakayama
伸一 中山
Takahiro Nagashima
崇弘 長嶋
Junpei Kase
純平 加瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To mutually superpose beams of different wavelengths by using a solid laser of one system. <P>SOLUTION: In the laser welding apparatus, a beam synthesizer 24 is arranged on a prescribed position in addition to constitution in which end mirrors 10, 12, an active medium 14, wavelength converted crystal 16, a polarizing element 18, and a higher harmonic separation output mirror 20 are arranged. In the beam synthesis 24, a mirror 26 reflects a light beam (S polarized light) LB<SB>S</SB>of a basic wavelength reflected by the polarizing element 18 to a welding point P of a workpiece W. A mirror 28 reflects a second higher harmonic light beam SHG from the higher harmonic separation output mirror 20 to the welding point of the workpiece W. The light beam (S polarized light) LB<SB>S</SB>of the basic wavelength which is transmitted through the mirror 28, and the second higher harmonic light beam SHG reflected by the mirror 28, are superposed to each other on substantially the same optical path, and irradiate the welding point P of the workpiece W together. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、基本波長のレーザ光を高調波の光ビームに波長変換するためのレーザ装置および高調波の光ビームを用いるレーザ加工方法に関する。   The present invention relates to a laser device for converting the wavelength of laser light having a fundamental wavelength into a harmonic light beam and a laser processing method using the harmonic light beam.

近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪みが小さいこと、高度の自動化が可能であることから、益々その重要度を増している。現在、レーザ溶接に最も多用されている固体レーザは、波長約１μｍのレーザ光を発生するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは母材としてＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）結晶に希土類活性イオン（Ｎｄ3+、Ｙｂ3+等）をドープしたものであり、代表的なＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。ＹＡＧレーザは、連続発振、パルス発振あるいはＱスイッチによるジャイアントパルス発振で動作可能である。 In recent years, lasers have been utilized in the manufacturing industry, particularly in the fields of welding, cutting and surface treatment. In fact, laser welding technology is becoming more and more important because it can realize high-precision and high-speed machining, low thermal strain on the workpiece, and high degree of automation. Currently, the solid-state laser most frequently used for laser welding is a YAG laser that generates laser light having a wavelength of about 1 μm. The YAG laser is a YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) crystal doped with rare earth active ions (Nd 3+ , Yb 3+, etc.) as a base material, and the fundamental wavelength of a typical Nd: YAG laser is 1064 nm. is there. The YAG laser can be operated by continuous oscillation, pulse oscillation, or giant pulse oscillation by a Q switch.

ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性が良くないと、反射率が高くなって、レーザエネルギーの吸収率が低下し、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光は、銅、金、アルミニウム等に対して光学的結合性が良くない。これらの金属に対しては、むしろ第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。   By the way, in the laser welding method, the optical connectivity between the workpiece and the laser beam is important. If the optical connectivity is not good, the reflectivity increases, the laser energy absorption rate decreases, and it is difficult to obtain a good weld joint. In this respect, YAG laser light having a fundamental wavelength (for example, 1064 nm) has poor optical connectivity with copper, gold, aluminum, and the like. For these metals, it is rather known that the second harmonic (532 nm) YAG laser light has high optical coupling.

本出願人は、特許文献１で、第１のＹＡＧレーザにより基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光を生成するとともに、第２のＹＡＧレーザにより第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチレーザ光を生成し、両者を同軸上に重畳して被溶接材に照射する異波長重畳レーザ溶接法を開示している。この異波長重畳レーザ溶接法によれば、レーザエネルギーの吸収効率を高めて、銅、金、アルミニウム等の被溶接物において良好な溶接接合を得ることができる。すなわち、この種の被溶接物に基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光と第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光とを重畳して照射すると、先ず吸収率の高い第２高調波のＹＡＧレーザ光によって溶接部にキーホールが形成され、次いで基本波長のＹＡＧレーザ光がこのキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、小さなレーザパワーでも確実に溶融接合させることができる。このため、銅、金、アルミニウム等の精密溶接への利用が期待されている。
特開２００２−２８７９５号 In the patent document 1, the present applicant generates a YAG pulsed laser beam having a fundamental wavelength (1064 nm) with the first YAG laser and a second harmonic (532 nm) Q-switched laser beam with the second YAG laser. Disclosed is a different wavelength superposition laser welding method in which both materials are superimposed on the same axis and irradiated onto a material to be welded. According to this different wavelength superposition laser welding method, the laser energy absorption efficiency can be increased, and a good weld joint can be obtained in an object to be welded such as copper, gold or aluminum. That is, when this type of work piece is irradiated with a YAG laser beam having a fundamental wavelength (1064 nm) and a YAG laser beam having a second harmonic (532 nm) superimposed, first, a second harmonic YAG laser having a high absorption rate. A keyhole is formed in the weld by light, and then the YAG laser beam having the fundamental wavelength travels inward while being multiple-reflected in the keyhole, so that it can be reliably melt-bonded even with a small laser power. For this reason, utilization for precision welding of copper, gold, aluminum, etc. is expected.
JP 2002-28795 A

しかしながら、上記のような従来の異波長重畳レーザ溶接法は、２系統のＹＡＧレーザを必要とするため、レーザ装置が大掛かりなものとなり、調整やメンテナンス等も煩雑になるという不利点がある。また、第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光をＱスイッチ方式により１μｓ以下のパルス幅でしか生成できないため、つまり第２高調波の持続的な入熱時間が短いため、銅や金等の被加工物に対する第２高調波の作用が十分に発揮されないという問題もある。   However, since the conventional different wavelength superposition laser welding method as described above requires two YAG lasers, there is a disadvantage that the laser apparatus becomes large and adjustment and maintenance are complicated. In addition, since the second harmonic (532 nm) YAG laser light can be generated only with a pulse width of 1 μs or less by the Q switch method, that is, since the continuous heat input time of the second harmonic is short, copper, gold, etc. There is also a problem that the action of the second harmonic on the workpiece is not sufficiently exhibited.

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、１系統の固体レーザを用いて異波長重畳を実現するレーザ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a laser device that realizes superposition of different wavelengths using a single solid-state laser.

本発明の別の目的は、ロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力するレーザ装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a laser device that synthesizes and outputs a harmonic light beam and a fundamental light beam by a long pulse method.

本発明の別の目的は、銅や金等の被加工物に対するレーザ加工を飛躍的に発展させるレーザ加工方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a laser processing method for dramatically developing laser processing for workpieces such as copper and gold.

上記の目的を達成するため、本発明のレーザ装置は、基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、前記レーザ発振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、前記レーザ発振器内に配置され、前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して前記レーザ発振器の外に向けて反射する偏光素子と、前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記第１の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、前記高調波分離出力ミラーから取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部とを有する。   In order to achieve the above object, a laser apparatus according to the present invention includes a laser oscillator that generates a first light beam having a fundamental wavelength, and a nonlinear mutual arrangement between the laser oscillator and the first light beam. A wavelength conversion crystal that generates a second light beam of higher harmonics by the action, the first light beam that is disposed in the laser oscillator and is directed to the wavelength conversion crystal, and receives the first light beam from the first light beam; A polarization element that separates the first polarization component and passes it to the wavelength conversion crystal side, and separates the second polarization component and reflects it toward the outside of the laser oscillator, and is disposed in the laser oscillator; A harmonic separation output mirror that separates the light beam from the first light beam and outputs the separated light beam to the outside of the laser oscillator, the second light beam extracted from the harmonic separation output mirror, and the polarization element Anti And a beam combining unit that combined with said first light beam optically.

上記の構成においては、偏光素子で第１の光ビームから第１および第２の偏光成分を分離し、第１の偏光成分を高調波の第２の光ビームを生成するための波長変換結晶との非線形相互作用に用いる一方で、第２の偏光成分を無駄に捨てることなくビーム合成部において第２の光ビームに重畳させる。これにより、１系統の固体レーザを用いて基本波長と高調波との異波長重畳を実現することができる。   In the above configuration, the polarizing element separates the first and second polarization components from the first light beam, and the first polarization component is used as a wavelength conversion crystal for generating a harmonic second light beam; On the other hand, the second polarization component is superposed on the second light beam in the beam combining unit without wasting it unnecessarily. Thereby, different wavelength superimposition of a fundamental wavelength and a harmonic can be realized using one system of solid-state laser.

本発明の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、第１の光ビームに対しては透過性で第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーで反射して第２のミラーを透過し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーで反射し、第２のミラーを透過した第１の光ビームと第２のミラーで反射した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。   According to a preferred aspect of the present invention, the beam combining unit includes a first mirror that is reflective to the first light beam, and a second light beam that is transmissive to the first light beam. The first light beam from the polarizing element is reflected by the first mirror and transmitted through the second mirror, and the second mirror from the harmonic separation output mirror. Are reflected by the second mirror, and the first light beam transmitted through the second mirror and the second light beam reflected by the second mirror are superimposed on the substantially same optical path.

別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、第１の光ビームに対しては反射性で第２の光ビームに対して透過性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーおよび第２のミラーで順次反射し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーを透過し、第２のミラーで反射した第１の光ビームと第２のミラーを透過した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。   According to another preferred aspect, the beam combiner includes a first mirror that is reflective to the first light beam, and a second light beam that is reflective to the first light beam. And a second light beam from the harmonic separation output mirror, the first light beam from the polarizing element being sequentially reflected by the first mirror and the second mirror. Transmits the second mirror, and the first light beam reflected by the second mirror and the second light beam transmitted by the second mirror are superimposed on the substantially same optical path.

別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対しては反射性で第２の光ビームに対して透過性の第１のミラーと、第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーで反射して第１のミラーを透過し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーで反射し、第１のミラーを透過した第２の光ビームと第１のミラーで反射した第１の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。   According to another preferred aspect, the beam combining unit includes a first mirror that is reflective to the first light beam and transmissive to the second light beam, and the second light beam. And a second light beam from the harmonic separation output mirror is reflected by the second mirror and transmitted through the first mirror, and the first mirror from the polarizing element is provided. The light beam is reflected by the first mirror, and the second light beam that has passed through the first mirror and the first light beam that has been reflected by the first mirror are superimposed on substantially the same optical path.

別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対しては透過性で第２の光ビームに対して反射性の第１のミラーと第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーを透過し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーおよび第１のミラーで順次反射し、第１のミラーを透過した第１の光ビームと第１のミラーで反射した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。   According to another preferred aspect, the beam combining unit is transmissive to the first light beam and reflective to the second light beam and to the first mirror and the second light beam. And a reflective second mirror, wherein the first light beam from the polarizing element is transmitted through the first mirror, and the second light beam from the harmonic separation output mirror is the second mirror and the second mirror. The first light beam sequentially reflected by one mirror and transmitted through the first mirror and the second light beam reflected by the first mirror are superimposed on substantially the same optical path.

また、本発明の好適な一態様によれば、レーザ発振器が、光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、この光共振器の光路上に配置された活性媒体と、第１の光ビームを生成するために活性媒体をポンピングする励起部とを有する。ここで、励起部が、可変のパルス幅を有する第１の光ビームを生成するために活性媒体をパルス幅の持続時間だけポンピングしてよい。この場合、活性媒質は、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれるのが好ましく、波長変換結晶はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶であるのが好ましい。これにより、ロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力することができる。 According to a preferred aspect of the present invention, a laser oscillator is disposed on an optical path of an optical resonator having first and second terminal mirrors that are optically opposed to each other, and the optical resonator. And an excitation unit for pumping the active medium to generate a first light beam. Here, the excitation unit may pump the active medium for the duration of the pulse width in order to generate a first light beam having a variable pulse width. In this case, the active medium is preferably selected from the group consisting of Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: YVO 4 and Yb: YAG, and the wavelength conversion crystal is preferably a KTP (KTiOPO 4 ) crystal. As a result, the harmonic light beam and the fundamental light beam can be synthesized and output by the long pulse method.

本発明の好適な一態様において、偏光素子は、光共振器の光路上で活性媒体と波長変換結晶との間に配置される。この場合、波長変換結晶がその光学軸を偏光素子で分離される第１の偏光成分に対して４５度傾けて配置されるのが好ましい。典型的には、第１の光ビームにおいて、第１の偏光成分はＰ偏光で、第２の偏光成分はＳ偏光であり、Ｐ偏光とＳ偏光とは第１の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長に対して、偏光素子の偏光フィルタ特性がＰ偏光透過率が略１００％、Ｓ偏光反射率が略１００％に選ばれてよい。   In a preferred aspect of the present invention, the polarizing element is disposed between the active medium and the wavelength conversion crystal on the optical path of the optical resonator. In this case, it is preferable that the wavelength conversion crystal is disposed with its optical axis inclined by 45 degrees with respect to the first polarization component separated by the polarizing element. Typically, in the first light beam, the first polarization component is P polarization, the second polarization component is S polarization, and P polarization and S polarization are perpendicular to the traveling direction of the first light beam. It is a linearly polarized light component whose vibration directions are orthogonal to each other in a simple plane. Preferably, the polarizing filter characteristics of the polarizing element may be selected so that the P-polarized light transmittance is approximately 100% and the S-polarized light reflectance is approximately 100% with respect to the fundamental wavelength.

本発明の別の観点によるレーザ装置は、第１の波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、前記レーザ発振器の外に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により第２の波長を有する第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、前記レーザ発振器と前記波長変換結晶との間に配置され、前記レーザ発振器から前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して所定の方向へ反射する偏光素子と、前記波長変換結晶から取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部とを有する。   A laser apparatus according to another aspect of the present invention includes a laser oscillator that generates a first light beam having a first wavelength, and a nonlinear interaction with the first light beam that is disposed outside the laser oscillator. A wavelength conversion crystal that generates a second light beam having a second wavelength by the first light that is disposed between the laser oscillator and the wavelength conversion crystal and that travels from the laser oscillator toward the wavelength conversion crystal. A polarizing element that receives a beam, separates a first polarization component from the first light beam, passes the first polarization component to the wavelength conversion crystal side, and separates a second polarization component to reflect in a predetermined direction; A beam combining unit configured to optically combine the second light beam extracted from the conversion crystal and the first light beam reflected by the polarizing element;

この装置構成においても、偏光素子で第１の光ビームから第１および第２の偏光成分を分離し、第１の偏光成分を高調波の第２の光ビームを生成するための波長変換結晶との非線形相互作用に用いる一方で、第２の偏光成分を無駄に捨てることなくビーム合成部において第２の光ビームに重畳させる。これにより、１系統の固体レーザを用いて基本波長と高調波との異波長重畳を実現することができる。   Also in this apparatus configuration, the polarizing element separates the first and second polarization components from the first light beam, and the first polarization component is used as a wavelength conversion crystal for generating a second harmonic light beam. On the other hand, the second polarization component is superposed on the second light beam in the beam combining unit without wasting it unnecessarily. Thereby, different wavelength superimposition of a fundamental wavelength and a harmonic can be realized using one system of solid-state laser.

本発明のレーザ加工方法は、本発明のレーザ装置により得られる合成光ビームを被加工物に照射して、該被加工物の材料特性の変更、該被加工物の成形加工または該被加工物の材料除去を行う。本発明のレーザ加工方法によれば、高調波の光ビームと基本波長の光ビームとの相乗効果によって被加工物をレーザ加工することができる。特に、銅や金等の被加工物に対しては、小さなレーザエネルギーでもって加工性を精細に制御することができる。   The laser processing method of the present invention irradiates a workpiece with a synthetic light beam obtained by the laser apparatus of the present invention, changes the material properties of the workpiece, molding the workpiece, or the workpiece. Remove material. According to the laser processing method of the present invention, the workpiece can be laser processed by the synergistic effect of the harmonic light beam and the fundamental wavelength light beam. In particular, for work pieces such as copper and gold, the workability can be precisely controlled with a small laser energy.

本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成と作用により、１系統の固体レーザを用いて異波長重畳を実現することができ、さらにはロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力することも可能である。また、本発明のレーザ加工方法によれば、上記のような構成と作用により、銅や金等の被加工物に対するレーザ加工を飛躍的に発展させることができる。   According to the laser device of the present invention, it is possible to realize superposition of different wavelengths by using one system of solid-state laser, and furthermore, a harmonic light beam and a fundamental wave light by a long pulse method. It is also possible to combine and output the beam. In addition, according to the laser processing method of the present invention, laser processing for a workpiece such as copper or gold can be drastically developed by the configuration and operation as described above.

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１に、本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、支持台（図示せず）の上に直線配列型で一対の終端ミラー１０，１２、固体レーザ活性媒質１４、波長変換結晶１６、偏光素子１８および高調波分離出力ミラー２０を配置する構成に加えて、該支持台の側方または上方の所定位置にビーム合成部２４を配置している。   In FIG. 1, the structure of the laser welding apparatus by one Embodiment of this invention is shown. This laser welding apparatus includes a pair of terminal mirrors 10 and 12, a solid laser active medium 14, a wavelength conversion crystal 16, a polarizing element 18, and a harmonic separation output mirror 20 in a linear arrangement type on a support base (not shown). In addition to the arrangement, the beam combining unit 24 is arranged at a predetermined position on the side or above the support base.

両終端ミラー１０，１２は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー１０の反射面１０ａには、後述する基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー１２の反射面１２ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされるとともに、後述する第２高調波（５３２ｎｍ）に対して高反射性の膜もコーティングされている。   Both terminal mirrors 10 and 12 face each other to form an optical resonator. The reflecting surface 10a of one terminal mirror 10 is coated with a highly reflective film with respect to a fundamental wavelength (1064 nm) described later. The reflective surface 12a of the other terminal mirror 12 is coated with a highly reflective film for the fundamental wavelength (1064 nm), and also coated with a highly reflective film for the second harmonic (532 nm) described later. Has been.

活性媒質１４はたとえばＮd：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー１０寄りに配置され、電気光学励起部２２によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部２２は、活性媒質１４に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプまたはレーザダイオード）を有し、この励起光源を励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質１４を持続的または断続的にポンピングする。活性媒質１４で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー１０，１２の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー（光共振器）１０，１２、活性媒質１４および電気光学励起部２２によって基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームまたはレーザ光を生成するレーザ発振器が構成されている。   The active medium 14 is made of, for example, an Nd: YAG rod, is disposed near one terminal mirror 10, and is optically pumped by the electro-optic excitation unit 22. The electro-optic excitation unit 22 has an excitation light source (for example, an excitation lamp or a laser diode) for generating excitation light toward the active medium 14, and the active medium 14 is driven to be lit with an excitation current. Pump continuously or intermittently. The light beam of the fundamental wavelength generated in the active medium 14 is confined between the terminal mirrors 10 and 12 and amplified. In this way, a laser oscillator that generates a light beam or laser light having a fundamental wavelength (1064 nm) is configured by the both end mirrors (optical resonators) 10 and 12, the active medium 14, and the electro-optical excitation unit 22.

偏光素子１８は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質１４からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質１４からの基本波長の光ビームのうち、Ｐ偏光は偏光素子１８をまっすぐ透過して波長変換結晶１６に入射し、Ｓ偏光ＬＢSは偏光素子１８で所定の方向つまりビーム合成部２４のミラー２６に向けて反射されるようになっている。ここで、Ｐ偏光およびＳ偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分（電界成分）である。たとえば、Ｐ偏光は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、Ｓ偏光は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長（１０６４ｎｍ）においてＰ偏光透過率は略１００％でＳ偏光反射率は略１００％であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。 The polarizing element 18 is made of, for example, a polarizer or a Brewster plate, and has a predetermined oblique angle with respect to the optical path or optical axis of the optical resonator so that the light beam having the fundamental wavelength from the active medium 14 is incident in a non-normal direction. Is arranged in. Of the light beam having the fundamental wavelength from the active medium 14, the P-polarized light passes through the polarizing element 18 and enters the wavelength conversion crystal 16. The S-polarized light LB S is transmitted through the polarizing element 18 in a predetermined direction, that is, in the beam combining unit 24. The light is reflected toward the mirror 26. Here, P-polarized light and S-polarized light are linearly polarized light components (electric field components) whose vibration directions are orthogonal to each other in a plane perpendicular to the traveling direction of the light beam having the fundamental wavelength. For example, P-polarized light is a linearly polarized light component that oscillates in the vertical direction, and S-polarized light is a linearly polarized light component that oscillates in the horizontal direction. Preferably, a polarizing filter characteristic is selected such that the P-polarized light transmittance is approximately 100% and the S-polarized light reflectance is approximately 100% at the fundamental wavelength (1064 nm).

波長変換結晶１６は、ＫＴＰ結晶からなり、他方の終端ミラー１２寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線型相互作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。   The wavelength conversion crystal 16 is made of a KTP crystal, is disposed near the other end mirror 12, is optically coupled to the fundamental mode excited by this optical resonator, and is second-harmoniced by nonlinear interaction with the fundamental wavelength. A light beam SHG of a wave (532 nm) is generated on the optical path of the optical resonator.

波長変換結晶１６より終端ミラー１２側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、終端ミラー１２で戻されて、波長変換結晶１６を通り抜ける。波長変換結晶１６より終端ミラー１２の反対側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５゜）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー２０に入射し、このミラー２０で所定の方向つまりビーム合成部２４のミラー２８に向けて反射または分離出力されるようになっている。   The second harmonic light beam SHG emitted from the wavelength conversion crystal 16 toward the terminal mirror 12 is returned by the terminal mirror 12 and passes through the wavelength conversion crystal 16. The second harmonic light beam SHG emitted from the wavelength conversion crystal 16 to the opposite side of the terminal mirror 12 is disposed obliquely at a predetermined angle (for example, 45 °) with respect to the optical path or optical axis of the optical resonator. The light is incident on the harmonic separation output mirror 20, and is reflected or separated and output by the mirror 20 in a predetermined direction, that is, toward the mirror 28 of the beam combining unit 24.

ビーム合成部２４において、ミラー２６は、その主面２６ａに基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされており、偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する向きに配置されている。ミラー２８は、その主面２８ａに基本波長に対して高反射性の膜がコーティングされており、高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する向きに配置されている。また、ミラー２８には第２高調波（５３２ｎｍ）に対して透過性の膜がコーティングされており、ミラー２６で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSはミラー２８を背後からまっすぐ透過する。ここで、ミラー２８を透過した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとミラー２８で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧとは実質的に同一の光路上で重畳して一緒に被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに照射されるようになっている。 In the beam combiner 24, the mirror 26 has a principal surface 26a coated with a highly reflective film with respect to the fundamental wavelength (1064 nm), and the fundamental wavelength light beam reflected by the polarizing element 18 (S-polarized light). It arrange | positions in the direction which reflects LB S toward the welding point P of the to-be-welded object W. FIG. The mirror 28 has a main surface 28a coated with a highly reflective film with respect to the fundamental wavelength, and the second harmonic light beam SHG from the harmonic separation output mirror 20 is welded to the welding point P of the workpiece W. It is arranged in the direction to reflect toward the. Further, the mirror 28 is coated with a film that is transparent to the second harmonic (532 nm), and the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S reflected by the mirror 26 passes straight through the mirror 28 from behind. To Penetrate. Here, the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S transmitted through the mirror 28 and the second-harmonic light beam SHG reflected by the mirror 28 are overlapped on substantially the same optical path and welded together. The welding point P of the object W is irradiated.

被溶接物Ｗは任意の金属からなるものでよいが、特に銅、金またはアルミニウムからなる場合に本発明の大なる利点が得られる。すなわち、銅、金またはアルミニウムからなる被溶接物Ｗにおいては、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとが溶接ポイントＰに同時照射または重畳照射されることで、先ず吸収率の高い第２高調波の光ビームＳＨＧによって溶接ポイントＰ付近にキーホールが形成され、次いで基本波長の光ビームＬＢSがこのキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、溶接ポイントＰ付近が良好かつ確実に溶融する。 Although the work piece W may be made of any metal, the great advantage of the present invention can be obtained particularly when it is made of copper, gold or aluminum. That is, in the workpiece W made of copper, gold, or aluminum, the light beam LB S having the fundamental wavelength (1064 nm) and the light beam SHG having the second harmonic (532 nm) are simultaneously irradiated or superimposed on the welding point P. Thus, first, a keyhole is formed in the vicinity of the welding point P by the second harmonic light beam SHG having a high absorption rate, and then the light beam LB S of the fundamental wavelength is inwardly reflected in the keyhole while being multiple-reflected. By proceeding, the vicinity of the welding point P is melted well and reliably.

このように、この実施形態では、１系統のＹＡＧレーザから基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとを重畳または合成した異波長重畳ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を出力するようにしたので、銅、金またはアルミニウム等の精密溶接に好適なレーザ溶接装置を小型かつ低コストで提供することができる。 Thus, in this embodiment, a different wavelength superposed beam (LB S ) obtained by superposing or synthesizing the light beam LB S of the fundamental wavelength (1064 nm) and the light beam SHG of the second harmonic (532 nm) from one YAG laser. , SHG), a laser welding apparatus suitable for precision welding of copper, gold, aluminum or the like can be provided in a small size and at low cost.

さらに、この実施形態における重要な特徴は、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとがパルス幅可変のロングパルスで生成されることである。 Furthermore, an important feature in this embodiment is that the light beam LB S having the fundamental wavelength (1064 nm) and the light beam SHG having the second harmonic (532 nm) are generated by a long pulse having a variable pulse width.

ここで、本発明者がロングパルス方式の高調波パルスレーザ装置を実現する至った経緯を説明する。   Here, the background of the inventor realizing the long pulse type harmonic pulse laser device will be described.

強度の高いレーザ光を非線形光学結晶に入力（入射）すると、光学的な非線形効果により入射光の２倍や３倍などの周波数をもつ光つまり高調波の光が発生する。このような非線形光学結晶は波長変換結晶とも称され、表１に例示するように各種の波長変換結晶が知られている。

Figure 2005317743
When high-intensity laser light is input (incident) into the nonlinear optical crystal, light having a frequency twice or three times that of incident light, that is, harmonic light is generated by an optical nonlinear effect. Such a nonlinear optical crystal is also called a wavelength conversion crystal, and various wavelength conversion crystals are known as exemplified in Table 1.
Figure 2005317743

強度の高いレーザ光をこの種の波長変換結晶に与えるために、従来はＱスイッチ方式を用いていた。Ｑスイッチ方式によれば、エネルギー準位の反転分布が極力高くなるようにレーザ活性媒質を十分に励起してから、ＱスイッチをＯＮにして共振器のＱ値を急激に高くすることにより、共振器内で瞬間的で大きな発振を起こし、パルス幅が狭くピークパワーの高いレーザ出力を得ることができる。このようなＱスイッチ型のレーザ装置で生成されるＱスイッチレーザ光はジャイアントパルスと呼ばれる。   Conventionally, a Q-switch system has been used to give a high-intensity laser beam to this type of wavelength conversion crystal. According to the Q switch method, the laser active medium is sufficiently excited so that the energy level inversion distribution is as high as possible, and then the Q switch is turned on to rapidly increase the Q value of the resonator. A large oscillation is instantaneously generated in the chamber, and a laser output with a narrow pulse width and a high peak power can be obtained. Q-switched laser light generated by such a Q-switch type laser device is called a giant pulse.

一般に、波長変換結晶により波長変換された（たとえば入射波または基本波の２倍の周波数を持つ第２高調波の）高出力レーザ光を加工などに応用する際に、最も重要な特性値はダメージしきい値である。変換効率を左右する非線形光学定数が高くても、ダメージしきい値（損失閾値：damage threshold）が小さいと非実用的である。なぜなら、ダメージしきい値を超えるピークエネルギー密度（単位は通常、ＧＷ／ｃｍ2）をもつレーザ光が与えられると波長変換結晶にダメージ（多くは亀裂）が発生して、使用不能になるからである。 Generally, when applying high-power laser light that has been wavelength-converted by a wavelength-converting crystal (for example, a second harmonic having a frequency twice that of the incident wave or the fundamental wave) to processing, the most important characteristic value is damage. It is a threshold value. Even if the nonlinear optical constant that affects the conversion efficiency is high, it is impractical if the damage threshold (loss threshold) is small. This is because if a laser beam having a peak energy density exceeding the damage threshold (usually GW / cm 2 ) is given, the wavelength conversion crystal will be damaged (mostly cracks) and become unusable. is there.

従来より、Ｑスイッチ型レーザで生成した高出力のジャイアントパルスを第２高調波（ＳＨＧ：second harmonic generation）に波長変換するために最も多く用いられている波長変換結晶はＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶であり、そのダメージしきい値（１８．９ＧＷ／ｃｍ2）は十分に高い。一方、この種の波長変換結晶としてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶も知られているが、表２に示すように、ＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）はＬＢＯのそれと比較して約１／４であり、かなり低い。

Figure 2005317743
Conventionally, the wavelength conversion crystal most frequently used for wavelength conversion of a high-power giant pulse generated by a Q-switched laser to second harmonic generation (SHG) is LBO (LiB 3 O 5 ). It is a crystal and its damage threshold (18.9 GW / cm 2 ) is sufficiently high. On the other hand, KTP (KTiOPO 4 ) crystal is also known as this type of wavelength conversion crystal, but as shown in Table 2, the damage threshold (4.6 GW / cm 2 ) of KTP crystal is compared with that of LBO. About 1/4, which is quite low.
Figure 2005317743

この意味で、上記特許文献１（特開２００２−２８７９５号公報）に記載のＱスイッチＹＡＧレーザにおける波長変換器としてＬＢＯ結晶は好適な素材であった。これに対して、ＫＴＰ結晶は、基本波ジャイアントパルスのピークエネルギー（尖頭値エネルギー密度）がある程度以上小さくないと、つまりＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下でない限り、波長変換結晶として不適当であった。換言すれば、基本波ジャイアントパルスの尖頭値エネルギー密度をＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下に設定すれば、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキング（ダークニングとも呼ばれる結晶が黒く変質する現象）等の損傷を与えることなく、ＫＴＰ結晶から第２高調波のレーザ光を生成することはできる。しかし、その場合の第２高調波のレーザ光は、レーザ出力が低く、加工対象によっては十分な加工能力を持ち得ないという制限があった。   In this sense, an LBO crystal is a suitable material as a wavelength converter in the Q-switched YAG laser described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-28795). On the other hand, the KTP crystal is not suitable as a wavelength conversion crystal unless the peak energy (peak energy density) of the fundamental wave giant pulse is smaller than a certain level, that is, not less than the damage threshold of the KTP crystal. It was. In other words, if the peak energy density of the fundamental wave giant pulse is set below the damage threshold value of the KTP crystal, damage such as gray tracking (a phenomenon in which the crystal, also called darkening, turns black) will be damaged. The second harmonic laser beam can be generated without using the KTP crystal. However, the second harmonic laser beam in that case has a low laser output and has a limitation that it cannot have a sufficient processing capability depending on the processing target.

以上の点に鑑み、本発明者は、高調波パルスレーザ装置を研究開発するに当たり、ダメージしきい値が比較的高い高出力用の波長変換結晶であるＬＢＯ結晶について、ＹＡＧパルスレーザより生成される基本波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）生成の実験を行った。   In view of the above points, the present inventor, when researching and developing a harmonic pulse laser device, generates an LBO crystal, which is a high-power wavelength conversion crystal having a relatively high damage threshold, from a YAG pulse laser. An experiment of SHG (second harmonic) generation was performed by injecting laser light of a long pulse (100 μs or more, typically 1 to 3 ms) having a relatively long pulse width of a fundamental wavelength of 1064 nm.

残念なことに、ＬＢＯ結晶に亀裂（cracking）が入り、ＬＢＯ結晶は使用不能になった。理由は完全には明らかでないが、ダメージしきい値の条件は問題なくクリアされているものの、ＬＢＯ結晶がもつ熱膨張／収縮特性のために、亀裂が入ったと考えられる。すなわち、ＬＢＯ結晶の熱膨張係数は異方性が大きく、ｘ軸方向はαX＝１０８×１０-6／Ｋでかなりの膨張率を有し、ｙ軸方向はαX＝−８８×１０-6／Ｋでかなりの収縮率を有し、１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓのロングパルスレーザ光の入射または入力により、ＬＢＯ結晶内部に相当な熱ストレスが局所的に発生し、結果として亀裂が発生するものと推定される。 Unfortunately, the LBO crystals cracked and the LBO crystals became unusable. The reason is not completely clear, but although the condition of the damage threshold has been cleared without any problem, it is considered that a crack has occurred due to the thermal expansion / contraction characteristics of the LBO crystal. That is, the thermal expansion coefficient of the LBO crystal is large in anisotropy, has a considerable expansion coefficient in the x-axis direction at α x = 108 × 10 −6 / K, and α x = −88 × 10 − in the y-axis direction. 6 / K has a considerable shrinkage rate, and the incidence or input of a long pulse laser beam of 100 μs or more, typically 1 to 3 ms, causes considerable thermal stress locally in the LBO crystal. It is estimated that cracks will occur.

他の幾つかの実験とともに、ダメージしきい値が比較的低い低出力用の波長変換結晶であるＫＴＰ結晶について、ＹＡＧパルスレーザにより生成される波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）発生の実験を行った。   Along with several other experiments, a long pulse (100 μs or more) having a relatively long pulse width of 1064 nm generated by a YAG pulse laser is used for a KTP crystal that is a wavelength conversion crystal for low output with a relatively low damage threshold (Typically, 1 to 3 ms) of laser light was incident to perform an experiment of SHG (second harmonic) generation.

驚くべきことに、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキングの損傷は発生せず、また亀裂も発生せずに、第２高調波（波長５３２ｎｍ）のパルスレーザ光を生成することができた。理由は明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光は、パルス当たりのエネルギーは通常数ジュール程度で、決して小さくはないが、ジャイアントパルスと比較して尖頭値ないしピークエネルギーが格段に低く（通常、数ｋＷ程度）、そのエネルギー密度はＱスイッチまたはジャイアントパルスを前提にしたＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）を超えることはない。その一方で、基本波ＹＡＧパルスレーザは所要の非線形光学効果をＫＴＰ結晶に発生させるに十分なレーザ出力を有している。そして、ＫＴＰ結晶は、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光を与えられても、その熱膨張率が低いため、問題になるような熱ストレスは発生せず、亀裂は生じなかったものと考えられる。 Surprisingly, it was possible to generate pulsed laser light of the second harmonic (wavelength 532 nm) without causing damage to gray tracking in the KTP crystal and without generating cracks. The reason is not clear, but it is thought as follows. In other words, the long pulse fundamental wave YAG pulsed laser light has an energy per pulse of usually about several joules and is never small, but has a peak value or peak energy much lower than that of a giant pulse (usually several The energy density does not exceed the damage threshold (4.6 GW / cm 2 ) of the KTP crystal based on the Q switch or the giant pulse. On the other hand, the fundamental YAG pulse laser has a laser output sufficient to generate the required nonlinear optical effect in the KTP crystal. And even if KTP crystal is given a long pulse fundamental wave YAG pulse laser beam, its thermal expansion coefficient is low. .

図２に、本発明における波長変換方法の基本原理を示す。本発明の波長変換方法は、波長変換結晶１６にタイプII位相整合角にカットされたＫＴＰ結晶を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第２高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばＹＡＧパルスレーザ（図示せず）で生成された１００μｍ以上のパルス幅を有するパルス（以下、「ロングパルス」と称する。）の基本波パルスレーザ光（たとえば１０６４ｎｍ）を楕円偏光（好ましくは円偏光）またはランダム偏光の形態でＫＴＰ結晶１６に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波光の垂直偏光成分と水平偏光成分のみが直線偏光としてＫＴＰ結晶１６を通過する。ＫＴＰ結晶１６は、基本波ＹＡＧパルスレーザと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（５３２ｎｍ）を生成する。   FIG. 2 shows the basic principle of the wavelength conversion method in the present invention. In the wavelength conversion method of the present invention, the wavelength conversion crystal 16 uses a KTP crystal cut to a type II phase matching angle, and performs wavelength conversion from the fundamental wave to the second harmonic by the type II phase matching. More specifically, a fundamental pulse laser beam (for example, 1064 nm) of a pulse having a pulse width of 100 μm or more (hereinafter referred to as “long pulse”) generated by a solid-state pulse laser, for example, a YAG pulse laser (not shown). Is incident on the KTP crystal 16 in the form of elliptically polarized light (preferably circularly polarized light) or random polarized light. Then, only the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the fundamental light of the incident light pass through the KTP crystal 16 as linearly polarized light. The KTP crystal 16 is optically coupled to the fundamental wave YAG pulse laser, and generates a long-pulse second harmonic pulsed laser beam SHG (532 nm) linearly polarized in the same direction as the vertical polarization component of the fundamental wave light by a nonlinear optical effect. To do.

しかしながら、上記のような波長変換方法（図２）においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が下がったり変動することがある。特に、活性媒質１４に対する電気光学励起部２２のポンピング（励起光の照射）が不均一であると、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性が生じる。   However, in the wavelength conversion method as described above (FIG. 2), if the polarization distribution of the fundamental pulse laser beam is biased or anisotropic, the wavelength conversion efficiency decreases, and the second harmonic pulse laser beam SHG. The laser output may decrease or fluctuate. In particular, if the pumping (irradiation of excitation light) of the electro-optical excitation unit 22 with respect to the active medium 14 is not uniform, the polarization distribution of the fundamental pulse laser beam is biased or anisotropic.

図３に、本発明の好適な一態様（本実施形態）における波長変換方法を示す。この波長変換方法は、基本波のＰ偏光を透過させると同時にＳ偏光を反射する偏光素子１８をその直線偏光化方向（Ｐ偏光の振動方向）がＫＴＰ結晶１６の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置する。実施形態のレーザ溶接装置（図１）では、図３に示すように、偏光素子１８の直線偏光化方向を鉛直方向に設定し、ＫＴＰ結晶１６の方をその光学軸が鉛直方向に対して４５゜傾くように配置している。   FIG. 3 shows a wavelength conversion method according to a preferred aspect (this embodiment) of the present invention. In this wavelength conversion method, the polarizing element 18 that transmits the P-polarized light of the fundamental wave and reflects the S-polarized light at the same time has a linear polarization direction (vibration direction of the P-polarized light) relative to the optical axis of the KTP crystal 16. Arrange to tilt 45 degrees. In the laser welding apparatus (FIG. 1) of the embodiment, as shown in FIG. 3, the linear polarization direction of the polarizing element 18 is set to the vertical direction, and the optical axis of the KTP crystal 16 is 45 with respect to the vertical direction. It is arranged to tilt.

このように偏光素子１８の直線偏光化方向とＫＴＰ結晶１６の光学軸とを相対的に４５度傾けて配置する構成によれば、偏光素子１８からのＰ偏光がＫＴＰ結晶１６の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分として非線形光学効果に作用する。仮に偏光素子１８を省くと、Ｐ偏光と直交するＳ偏光もＫＴＰ結晶１６に入射することになり、それによってＫＴＰ結晶１６の座標系において垂直偏光成分と水平偏光成分とのバランスが崩れ、タイプIIの波長変換効率は低下する。こうして、偏光素子１８の直線偏光化により、高効率のタイプII波長変換が可能であり、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成することができる。これにより、銅や金等の被溶接材Ｗに対しては、第２高調波の入熱時間をパルス幅で任意に制御し、第２高調波の作用（特にキーホール形成作用）を存分に発揮させ、良好な溶接接合を得ることができる。   Thus, according to the configuration in which the linear polarization direction of the polarizing element 18 and the optical axis of the KTP crystal 16 are inclined relative to each other by 45 degrees, the P-polarized light from the polarizing element 18 appears in the coordinate system of the KTP crystal 16. It acts on the nonlinear optical effect as two fundamental light components of equal intensity that are orthogonal to each other. If the polarizing element 18 is omitted, the S-polarized light orthogonal to the P-polarized light also enters the KTP crystal 16, thereby causing the balance between the vertical and horizontal polarized components in the coordinate system of the KTP crystal 16 to be lost. The wavelength conversion efficiency decreases. Thus, linear polarization of the polarizing element 18 enables highly efficient type II wavelength conversion, and it is possible to generate the long-pulse second harmonic pulsed laser light SHG with high stability and high output. As a result, for the workpiece W such as copper or gold, the second harmonic heat input time is arbitrarily controlled by the pulse width, and the second harmonic action (particularly the keyhole forming action) can be fully utilized. In this way, a good weld joint can be obtained.

しかも、本発明では、偏光素子１８で反射させたロングパルスの基本波パルスレーザ光（Ｓ偏光）ＬＢSを無駄に捨てるのではなく、ビーム合成部２４において高調波分離出力ミラー２０からのロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧと合成してレーザパワー密度を増大させており、基本波パルスレーザ光のエネルギーをフルに有効利用している。これにより、溶接加工における入熱効率を一層向上させることができる。一例として、ビーム合成部２４で得られる合成ビーム（ＳＨＧ，ＬＢS）においては、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧのエネルギーが約２ジュールに対して、基本波パルスレーザ光ＬＢSのエネルギーは２〜５ジュールである。つまり、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧに少なくともこれと同程度のエネルギーを有する基本波パルスレーザ光ＬＢSを重畳させて被溶接物Ｗに照射することになり、異波長重畳方式の作用効果を十全に発揮させることができる。本発明によれば、銅や金等の精密溶接を飛躍的に発展させることができる。 In addition, in the present invention, the long pulse fundamental wave laser beam (S-polarized light) LB S reflected by the polarizing element 18 is not wasted, but the long pulse from the harmonic separation output mirror 20 in the beam combining unit 24. The laser power density is increased by combining with the second harmonic pulse laser beam SHG, and the energy of the fundamental pulse laser beam is fully utilized effectively. Thereby, the heat input efficiency in welding can be further improved. As an example, in the combined beam (SHG, LB S ) obtained by the beam combining unit 24, the energy of the second harmonic pulse laser beam SHG is about 2 joules, whereas the energy of the fundamental pulse laser beam LB S is 2 to 5 joules. That is, the workpiece W is irradiated with the fundamental wave pulse laser beam LB S having at least the same energy as that of the second harmonic pulse laser beam SHG. Can be fully demonstrated. According to the present invention, precision welding of copper, gold or the like can be dramatically improved.

図４に、上記した実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す。このレーザ溶接装置は、レーザ発振器を折り返し型または三角型に構成している。より詳細には、支持台（図示せず）上に終端ミラー１０，１２および高調波分離出力ミラー２０'が三角形に配置される。中間に位置する高調波分離出力ミラー２０'は、基本波長の光ビームを反射し、波長変換結晶１６からの第２高調波の光ビームＳＨＧを透過して光共振器の外へ出力するようになっている。   FIG. 4 shows a modification of the laser welding apparatus in the above-described embodiment. In this laser welding apparatus, the laser oscillator is configured as a folded type or a triangular type. More specifically, the terminal mirrors 10 and 12 and the harmonic separation output mirror 20 ′ are arranged in a triangle on a support base (not shown). The harmonic separation output mirror 20 ′ positioned in the middle reflects the light beam of the fundamental wavelength, transmits the second harmonic light beam SHG from the wavelength conversion crystal 16, and outputs it to the outside of the optical resonator. It has become.

図５に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、終端ミラー１０、高調波分離出力ミラー３０、活性媒質１４、波長変換結晶１６および偏光素子１８を同一直線配列で配置する。より詳細には、活性媒質１４が終端ミラー１０寄りに配置され、波長変換結晶１６が高調波分離出力ミラー３０寄りに配置される。終端ミラー１０の主面１０ａには、やはり基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。高調波分離出力ミラー３０の主面３０ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して透過性の膜とがコーティングされている。そして、波長変換結晶１６と活性媒質１４との間に、高調波ミラー３２が高調波分離出力ミラー２２と対向して配置される。この高調波ミラー３２の主面３２ａには基本波長（１０６４ｎｍ）に対して透過性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜とがコーティングされている。   In FIG. 5, the structure of the laser welding apparatus by another modification is shown. In this apparatus, the terminal mirror 10, the harmonic separation output mirror 30, the active medium 14, the wavelength conversion crystal 16, and the polarizing element 18 are arranged in the same linear arrangement. More specifically, the active medium 14 is disposed near the terminal mirror 10, and the wavelength conversion crystal 16 is disposed near the harmonic separation output mirror 30. The main surface 10a of the terminal mirror 10 is also coated with a highly reflective film with respect to the fundamental wavelength (1064 nm). The main surface 30a of the harmonic separation output mirror 30 is coated with a film that is reflective to the fundamental wavelength (1064 nm) and a film that is transmissive to the second harmonic (532 nm). A harmonic mirror 32 is disposed between the wavelength conversion crystal 16 and the active medium 14 so as to face the harmonic separation output mirror 22. The main surface 32a of the harmonic mirror 32 is coated with a film that is transmissive to the fundamental wavelength (1064 nm) and a film that is reflective to the second harmonic (532 nm).

この装置構成において、活性媒質１４で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー１０と高調波分離出力ミラー３０との間に閉じ込められて増幅される。このように、高調波分離出力ミラー３０が光共振器ミラーを兼ねる。波長変換結晶１６は、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、ロングパルスの基本波長との非線型相互作用によりロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成する。波長変換結晶１６からの第２高調波の光ビームＳＨＧが高調波分離出力ミラー３０に入射すると、このミラー３０を透過して光共振器の外へ出力される。また、高調波ミラー３２で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧは、波長変換結晶１６に戻されて、波長変換結晶１６を透過し、さらに高調波分離出力ミラー３０を透過して、光共振器の外へ出力される。   In this device configuration, the fundamental wavelength light beam generated in the active medium 14 is confined between the termination mirror 10 and the harmonic separation output mirror 30 and amplified. Thus, the harmonic separation output mirror 30 also serves as an optical resonator mirror. The wavelength conversion crystal 16 is optically coupled to the fundamental mode excited by the optical resonator, and generates a long-pulse second harmonic pulse laser beam SHG by nonlinear interaction with the fundamental wavelength of the long pulse. When the second harmonic light beam SHG from the wavelength conversion crystal 16 is incident on the harmonic separation output mirror 30, it passes through the mirror 30 and is output outside the optical resonator. Further, the second harmonic light beam SHG reflected by the harmonic mirror 32 is returned to the wavelength conversion crystal 16, passes through the wavelength conversion crystal 16, and further passes through the harmonic separation output mirror 30 to cause optical resonance. Is output to the outside of the container.

上記のようにして光共振器の外へ出力された第２高調波の光ビームＳＨＧはビーム合成部２４のミラー３６を透過して被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに入射する。一方、偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSは、ビーム合成部２４のミラー２６，３４，３６での反射を順次経て、被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに入射する。ここで、ミラー３６を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧとミラー３６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとが実質的に同一の光路上で重畳して合成されるようになっている。 The second harmonic light beam SHG output to the outside of the optical resonator as described above passes through the mirror 36 of the beam combining unit 24 and enters the welding point P of the workpiece W. On the other hand, the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S reflected by the polarizing element 18 is sequentially reflected by the mirrors 26, 34, and 36 of the beam combining unit 24 and then incident on the welding point P of the workpiece W. To do. Here, the second harmonic light beam SHG transmitted through the mirror 36 and the light beam (S-polarized light) LB S of the fundamental wavelength reflected by the mirror 36 are superimposed and synthesized on substantially the same optical path. It has become.

図６に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、光ビームシャッタ機能を備えるものである。図示の例では、偏光素子１８とビーム合成部２４のミラー２６との間の光路上に光シャッタ３８を設け、高調波分離出力ミラー２０とビーム合成部２４のミラー２８との間の光路上に光シャッタ４０を設けている。光シャッタ３８をＯＦＦ（閉状態）にし光シャッタ４０をＯＮ（開状態）にすることで、基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを遮断して第２高調波の光ビームＳＨＧだけを被溶接物Ｗに照射することができる。また、光シャッタ４０をＯＦＦ（閉状態）にし光シャッタ３８をＯＮ（開状態）にすることで、第２高調波の光ビームＳＨＧを遮断して基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSだけを被溶接物Ｗに照射することができる。 In FIG. 6, the structure of the laser welding apparatus by another modification is shown. This apparatus has a light beam shutter function. In the illustrated example, an optical shutter 38 is provided on the optical path between the polarizing element 18 and the mirror 26 of the beam combining unit 24, and on the optical path between the harmonic separation output mirror 20 and the mirror 28 of the beam combining unit 24. An optical shutter 40 is provided. By turning the optical shutter 38 OFF (closed state) and the optical shutter 40 ON (open state), the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S is cut off and only the second harmonic light beam SHG is covered. The weldment W can be irradiated. Further, by turning off the optical shutter 40 (closed state) and turning on the optical shutter 38 (open state), the second harmonic light beam SHG is cut off and only the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S is obtained. Can be irradiated to the workpiece W.

図７に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、ビーム合成部２４で得られる合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を入射ユニット４２および光ファイバ４４を介して遠隔の出射ユニット４６に伝送し、出射ユニット４６より被溶接物Ｗに向けて照射するものである。入射ユニット４２内には、合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を光ファイバ４４の一端面に入射させるための光学レンズが設けられている。出射ユニット４６内には、光ファイバ４４の他端面より出射された合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を収束させて被溶接物Ｗの溶接ポイントに照射するための光学レンズが設けられている。 In FIG. 7, the structure of the laser welding apparatus by another modification is shown. This apparatus transmits a combined beam (LB S , SHG) obtained by the beam combining unit 24 to a remote output unit 46 via an incident unit 42 and an optical fiber 44, and is directed from the output unit 46 toward the workpiece W. Irradiation. An optical lens for making the combined beam (LB S , SHG) incident on one end surface of the optical fiber 44 is provided in the incident unit 42. An optical lens for converging the combined beam (LB S , SHG) emitted from the other end surface of the optical fiber 44 and irradiating the welding point of the workpiece W is provided in the emission unit 46.

図示省略するが、別の変形例として、高調波分離出力ミラー２０で分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧと偏光素子１８で分離出力された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとをそれぞれ個別の光ファイバ伝送系を介して共通の出射ユニットに伝送し、その出射ユニット内で両光ビームＳＨＧ，ＬＢSを重畳または合成することも可能である。 Although not shown in the drawings, as another modification, the second harmonic light beam SHG separated and output by the harmonic separation output mirror 20 and the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S separated and output by the polarization element 18 are used. Can be transmitted to a common output unit via individual optical fiber transmission systems, and both light beams SHG and LB S can be superimposed or combined in the output unit.

他にも種々の変形が可能である。たとえば、ビーム合成部２４においては、第２高調波の光ビームＳＨＧと基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとを合成するために使用するミラーの個数、種類、配置位置等を任意に選択できる。 Various other modifications are possible. For example, the beam combiner 24 arbitrarily selects the number, type, arrangement position, etc. of mirrors used to combine the second harmonic light beam SHG and the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S. it can.

たとえば、図１の装置構成において、被溶接物Ｗがビーム合成部２４の右側に配置されている場合は、ミラー２６を偏光素子１８からの基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを該被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射するように配置し、ミラー２８を高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを該被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射するように配置する。そして、ミラー２６が背後のミラー２８からの第２高調波の光ビームＳＨＧを透過させ、ミラー２６を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧがミラー２６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSと重畳するようにすればよい。 For example, in the apparatus configuration of FIG. 1, when the work W is arranged on the right side of the beam combining unit 24, the mirror 26 receives the light beam (S-polarized light) LB S of the fundamental wavelength from the polarizing element 18. It arrange | positions so that it may reflect toward the welding point P of the to-be-welded object W, and the mirror 28 reflects the light beam SHG of the 2nd harmonic from the harmonic isolation | separation output mirror 20 toward the welding point P of this to-be-welded object W. Arrange to do. Then, the mirror 26 transmits the second harmonic light beam SHG from the mirror 28 behind, and the second harmonic light beam SHG transmitted through the mirror 26 is reflected by the mirror 26 (S-polarized light beam). ) Superimpose with LB S.

また、高調波分離出力ミラー２０で分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧの進行方向において、あるいは偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSの進行方向において両ビームの合成を行うことも可能である。たとえば、図１の装置構成において、ミラー２８が、高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧをまっすぐ透過させるとともに、ミラー２６からの基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを直角に反射し、ミラー２８を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧとミラー２６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとが同一の光路上で合成されるようにしてもよい。 Further, both in the traveling direction of the second harmonic light beam SHG separated and output by the harmonic separation output mirror 20 or in the traveling direction of the light beam (S-polarized light) LB S of the fundamental wavelength reflected by the polarizing element 18. It is also possible to combine the beams. For example, in the apparatus configuration of FIG. 1, the mirror 28 transmits the second harmonic light beam SHG from the harmonic separation output mirror 20 straight and also transmits the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S from the mirror 26. The second harmonic light beam SHG transmitted through the mirror 28 and the fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S reflected by the mirror 26 are combined on the same optical path. Good.

また、レーザ発振器内の各部においても種々の変形が可能である。たとえば、光共振器の光路上にＱスイッチを配置してＱスイッチ方式のパルスレーザを構成し、ジャイアントパルスの形態で第２高調波の光ビームＳＨＧと基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとを合成することも可能である。活性媒体１４の材質は上記実施形態のＮd：ＹＡＧに限定されるものではなく、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4、Ｙb：ＹＡＧ等も可能であり、ＹＡＧ以外の結晶でもよい。また、波長変換結晶１６もＫＴＰ結晶に限定されるわけではなく、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ（β−ＢaＢ2Ｏ4）結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ6Ｏ10）結晶等も可能である。 In addition, various modifications can be made in each part in the laser oscillator. For example, a Q-switch type pulse laser is configured by arranging a Q switch on the optical path of an optical resonator, and a second harmonic light beam SHG and a fundamental wavelength light beam (S-polarized light) LB S in the form of a giant pulse. It is also possible to synthesize. The material of the active medium 14 is not limited to Nd: YAG in the above embodiment, and Nd: YLF, Nd: YVO 4 , Yb: YAG, etc. are also possible, and crystals other than YAG may be used. Further, the wavelength conversion crystal 16 is not limited to a KTP crystal, and an LBO crystal, a BBO (β-BaB 2 O 4 ) crystal, a CLBO (CsLiB 6 O 10 ) crystal, or the like is also possible.

上記した実施形態では、レーザ発振器内に波長変換結晶を配置したが、レーザ発振器の外に波長変換結晶を配置して、レーザ発振器より発振出力させた基本波長のレーザ光を外部の波長変換結晶に入射させて波長変換結晶より高調波の光ビームを生成することも可能である。この場合は、偏光素子をレーザ発振器の出力ミラーと波長変換結晶との間の光路上に配置すればよい。上記実施形態はレーザ溶接に係わるものであったが、本発明は他の用途たとえばレーザ曲げ加工やレーザ熱処理その他の物理的プロセスにも適用可能であり、加熱を必要とする多種多様なレーザ用途に適用できる。   In the above-described embodiment, the wavelength conversion crystal is disposed in the laser oscillator. However, the wavelength conversion crystal is disposed outside the laser oscillator, and the laser light having the fundamental wavelength emitted from the laser oscillator is output to the external wavelength conversion crystal. It is also possible to generate a harmonic light beam from the wavelength conversion crystal upon incidence. In this case, the polarizing element may be disposed on the optical path between the output mirror of the laser oscillator and the wavelength conversion crystal. Although the above-described embodiment has been related to laser welding, the present invention can be applied to other uses such as laser bending, laser heat treatment, and other physical processes. Applicable.

本発明の一実施形態におけるレーザ溶接装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser welding apparatus in one Embodiment of this invention. 本発明における波長変換方法の基本原理を示す図である。It is a figure which shows the basic principle of the wavelength conversion method in this invention. 本発明の波長変換方法を示す図である。It is a figure which shows the wavelength conversion method of this invention. 実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the laser welding apparatus in embodiment. 実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the laser welding apparatus in embodiment. 実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the laser welding apparatus in embodiment. 実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the laser welding apparatus in embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 終端ミラー
１２ 終端ミラー
１４ 固体レーザ活性媒体
１６ 波長変換結晶
１８ 偏光素子
２０ 高調波分離出力ミラー
２２ 電気光学励起部
２４ ビーム合成部
２６，２８ ミラー
３０ 高調波分離出力ミラー
３２ 高調波ミラー
３４，３６ ミラー
３８，４０ 光シャッタ
４２ 入射ユニット
４４ 光ファイバ
４６ 出射ユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Termination mirror 12 Termination mirror 14 Solid-state laser active medium 16 Wavelength conversion crystal 18 Polarization element 20 Harmonic separation output mirror 22 Electro-optical excitation part 24 Beam combining part 26, 28 Mirror 30 Harmonic separation output mirror 32 Harmonic mirror 34, 36 Mirrors 38 and 40 Optical shutter 42 Incident unit 44 Optical fiber 46 Output unit

Claims (15)

基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して前記レーザ発振器の外に向けて反射する偏光素子と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記第１の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、
前記高調波分離出力ミラーから取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部と
を有するレーザ装置。 A laser oscillator for generating a first light beam having a fundamental wavelength;
A wavelength converting crystal disposed in the laser oscillator and generating a second light beam of harmonics by non-linear interaction with the first light beam;
The first light beam that is disposed in the laser oscillator and that is directed to the wavelength conversion crystal is received, the first polarization component is separated from the first light beam, and is passed to the wavelength conversion crystal side. A polarizing element that separates and reflects the polarized component of the laser beam toward the outside of the laser oscillator,
A harmonic separation output mirror disposed in the laser oscillator for separating the second light beam from the first light beam and outputting the separated beam to the outside of the laser oscillator;
A laser apparatus comprising: a beam combining unit that optically combines the second light beam extracted from the harmonic separation output mirror and the first light beam reflected by the polarizing element. 前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、前記第１の光ビームに対しては透過性で前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーで反射して前記第２のミラーを透過し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーで反射し、前記第２のミラーを透過した前記第１の光ビームと前記第２のミラーで反射した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。 The beam combining unit includes a first mirror that is reflective to the first light beam, and a first mirror that is transmissive to the first light beam and reflective to the second light beam. Two mirrors,
The first light beam from the polarization element is reflected by the first mirror and transmitted through the second mirror, and the second light beam from the harmonic separation output mirror is the second mirror. The first light beam reflected by the second mirror and transmitted by the second mirror overlaps the second light beam reflected by the second mirror on substantially the same optical path. Laser equipment. 前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、前記第１の光ビームに対しては反射性で前記第２の光ビームに対して透過性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーおよび前記第２のミラーで順次反射し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーを透過し、前記第２のミラーで反射した前記第１の光ビームと前記第２のミラーを透過した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。 The beam combining unit includes a first mirror that is reflective to the first light beam, a first mirror that is reflective to the first light beam and is transmissive to the second light beam. Two mirrors,
The first light beam from the polarizing element is sequentially reflected by the first mirror and the second mirror, and the second light beam from the harmonic separation output mirror is transmitted through the second mirror. 2. The laser according to claim 1, wherein the first light beam reflected by the second mirror and the second light beam transmitted through the second mirror are superimposed on substantially the same optical path. apparatus. 前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対しては反射性で前記第２の光ビームに対して透過性の第１のミラーと、前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーで反射して前記第１のミラーを透過し、前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーで反射し、前記第１のミラーを透過した前記第２の光ビームと前記第１のミラーで反射した前記第１の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。 The beam combining unit includes a first mirror that is reflective to the first light beam and transmissive to the second light beam, and a first mirror that is reflective to the second light beam. Two mirrors,
The second light beam from the harmonic separation output mirror is reflected by the second mirror and transmitted through the first mirror, and the first light beam from the polarizing element is the first mirror. 2. The second light beam reflected by the first mirror and transmitted through the first mirror and the first light beam reflected by the first mirror are superposed on substantially the same optical path. Laser equipment. 前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対しては透過性で前記第２の光ビームに対して反射性の第１のミラーと前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーを透過し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーおよび前記第１のミラーで順次反射し、前記第１のミラーを透過した前記第１の光ビームと前記第１のミラーで反射した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。 A first mirror that is transmissive to the first light beam and reflective to the second light beam; and a second mirror that is reflective to the second light beam. And have a mirror
The first light beam from the polarizing element is transmitted through the first mirror, and the second light beam from the harmonic separation output mirror is sequentially reflected by the second mirror and the first mirror. 2. The laser according to claim 1, wherein the first light beam transmitted through the first mirror and the second light beam reflected by the first mirror are superimposed on substantially the same optical path. apparatus. 前記レーザ発振器が、
光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、
前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、
前記第１の光ビームを生成するために前記活性媒体をポンピングする励起部と
を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser oscillator is
An optical resonator having first and second terminating mirrors disposed optically opposite;
An active medium disposed on an optical path of the optical resonator;
The laser device according to claim 1, further comprising: an excitation unit that pumps the active medium to generate the first light beam. 前記励起部が、可変のパルス幅を有する前記第１の光ビームを生成するために前記活性媒体を前記パルス幅の持続時間だけポンピングする請求項６に記載のレーザ装置。   The laser apparatus according to claim 6, wherein the excitation unit pumps the active medium for a duration of the pulse width in order to generate the first light beam having a variable pulse width. 前記活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれた固体活性媒質である請求項６または請求項７に記載のレーザ装置。 8. The laser device according to claim 6, wherein the active medium is a solid active medium selected from the group consisting of Nd: YAG, Nd: YLF, Nd: YVO 4 and Yb: YAG. 前記偏光素子が、前記光共振器の光路上で前記活性媒体と前記波長変換結晶との間に配置される請求項６〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser device according to any one of claims 6 to 8, wherein the polarizing element is disposed between the active medium and the wavelength conversion crystal on an optical path of the optical resonator. 前記波長変換結晶がＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶である請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 6, wherein the wavelength conversion crystal is a KTP (KTiOPO 4 ) crystal. 前記波長変換結晶がその光学軸を前記第１の偏光成分に対して４５度傾けて配置される請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。   The laser device according to any one of claims 1 to 10, wherein the wavelength conversion crystal is arranged with its optical axis inclined at 45 degrees with respect to the first polarization component. 前記第１の光ビームにおいて、前記第１の偏光成分はＰ偏光で、前記第２の偏光成分はＳ偏光であり、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とは前記第１の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分である請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。   In the first light beam, the first polarization component is P polarization, the second polarization component is S polarization, and the P polarization and the S polarization are in the traveling direction of the first light beam. The laser device according to claim 1, wherein the laser devices are linearly polarized light components whose vibration directions are orthogonal to each other in a vertical plane. 前記偏光素子が、前記第１の光ビームのうち、前記Ｐ偏光を略１００％透過し、前記Ｓ偏光を略１００％反射する請求項１２に記載のレーザ装置。   The laser device according to claim 12, wherein the polarizing element transmits approximately 100% of the P-polarized light and reflects approximately 100% of the S-polarized light in the first light beam. 基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器の外に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、
前記レーザ発振器と前記波長変換結晶との間に配置され、前記レーザ発振器から前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して所定の方向へ反射する偏光素子と、
前記波長変換結晶から取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部と
を有するレーザ装置。 A laser oscillator for generating a first light beam having a fundamental wavelength;
A wavelength converting crystal disposed outside the laser oscillator and generating a second light beam of harmonics by non-linear interaction with the first light beam;
The first light beam is disposed between the laser oscillator and the wavelength conversion crystal, and is directed from the laser oscillator toward the wavelength conversion crystal, and a first polarization component is separated from the first light beam. A polarizing element that passes through the wavelength conversion crystal side and separates the second polarization component and reflects it in a predetermined direction;
A laser apparatus comprising: a beam combining unit that optically combines the second light beam extracted from the wavelength conversion crystal and the first light beam reflected by the polarizing element. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ装置により得られる合成光ビームを被加工物に照射して、前記被加工物の材料特性の変更、前記被加工物の成形加工または前記被加工物の材料除去を行うレーザ加工方法。   A synthetic light beam obtained by the laser device according to any one of claims 1 to 14 is irradiated to a workpiece, to change material characteristics of the workpiece, to form the workpiece, or to form the workpiece. A laser processing method for removing material from a workpiece.
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