JP2005327839A - Method and apparatus for generating harmonic laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高調波のレーザ光を発生する方法および装置に係わり、特に光共振器内の光学系を調整する技術に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for generating harmonic laser light, and more particularly to a technique for adjusting an optical system in an optical resonator.
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と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 material to be welded 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。さらに、本出願人は、ジャインアントパルスではなく（つまりＱスイッチを使用しないで）ロングパルスの高調波レーザ光を生成してレーザ溶接に用いるレーザ溶接装置を提案している。ここで、ロングパルスは可変のパルス幅であり、典型的には１〜３ｍｓである。
In the
一般に、高調波レーザ光を生成する高調波レーザ装置は、光共振器内に活性媒体と一緒に波長変換結晶を配置して光共振器内で基本波長を高調波に変換する方式（共振器内部変換方式）を採用している。この方式は、基本波長の光ビームを光共振器内に閉じ込めたまま高調波の光ビームまたはレーザ光だけを光共振器の外へ取り出す。上記のようなレーザ溶接等のアプリケーションでは、高調波レーザ光の出力またはパワーが溶接加工を左右する溶接条件となる。このため、高調波レーザ光の出力が設定通りになるように光共振器内の光学系を調整する必要がある。
従来の高調波レーザ装置では、光共振器内の光学系を調整する際には、現場の作業者等が共振器外部から分かる（モニタできる）高調波レーザ光の出力のみを頼りに光学系の各部の調整、特に共振器ミラーの光軸調整や波長変換結晶の角度（向き）調整を手動で、しかもランダムな手順で行うようにしている。しかしながら、各部を調整する毎に高調波レーザ光の出力が変わるため、各部の調整を統合して全体の調整を最適化するのが難しかった。また、電気系が正常であるにも拘わらず高調波レーザ光の出力が異常に低くなっているときは、原因が光学系の何処にあるのか究明するのが難しく、調整や修理に多くの手間と時間を費やすはめになっていた。 In the conventional harmonic laser device, when adjusting the optical system in the optical resonator, the workers in the field etc. rely only on the output of the harmonic laser light that can be seen (monitored) from the outside of the resonator. Adjustment of each part, especially the optical axis adjustment of the resonator mirror and the angle (orientation) adjustment of the wavelength conversion crystal are performed manually and in a random procedure. However, since the output of the harmonic laser beam changes each time each part is adjusted, it is difficult to integrate the adjustments of each part and optimize the overall adjustment. Also, if the output of the harmonic laser beam is abnormally low even though the electrical system is normal, it is difficult to determine where the cause is in the optical system, and much effort is required for adjustment and repair. And was supposed to spend time.
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あり、光共振器内の光学系の調整を簡単かつ適確に行えるようにした高調波レーザ発生方法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 provides a harmonic laser generation method capable of easily and accurately adjusting an optical system in an optical resonator. With the goal.
本発明の別の目的は、光共振器内の光学系の調整を自動化して高調波の出力を安定に維持するようにした高調波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 harmonic laser apparatus that automates the adjustment of the optical system in the optical resonator and maintains the harmonic output stably.
上記の目的を達成するために、本発明の高調波レーザ発生方法は、光共振器内に活性媒体と波長変換結晶とを配置し、前記活性媒体をポンピングして基本波長を有する第１の光ビームを生成し、前記波長変換結晶と前記第１の光ビームとの非線形相互作用により高調波の第２の光ビームを生成し、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光共振器の外へ出力する高調波レーザ発生方法において、前記第１の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第１の光ビームを生成するための第１の光学系を調整する第１の光学系調整工程と、前記第１の光学系調整工程の後に、前記第２の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第２の光ビームを生成するための第２の光学系を調整する第２の光学系調整工程とを有する。 In order to achieve the above object, a harmonic laser generation method according to the present invention includes an active medium and a wavelength conversion crystal disposed in an optical resonator, and the active medium is pumped to generate a first light having a fundamental wavelength. Generating a second light beam of higher harmonics by non-linear interaction between the wavelength conversion crystal and the first light beam, and separating the second light beam from the first light beam. In the harmonic laser generating method for outputting to the outside of the optical resonator, a first output for measuring the output of the first light beam and generating the first light beam based on the output measurement value After the first optical system adjustment step for adjusting the optical system and the first optical system adjustment step, the output of the second light beam is measured, and the second light beam is measured based on the output measurement value. Second optical system for adjusting the second optical system for generating And a conditioning step.
また、本発明の高調波レーザ装置は、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、前記光共振器内に配置された活性媒体と、基本波長を有する第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、前記光共振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線形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、前記光共振器の光軸上に配置され、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光共振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、前記第１の光ビームの出力を測定するための第１のパワーモニタ部と、前記第１のパワーモニタ部で得られる前記第１の光ビームの出力測定値に基づいて前記第１の光ビームを生成するための第１の光学系を調整する第１の光学系調整部と、記第２の光ビームの出力を測定するための第２のパワーモニタ部と、前記第２のパワーモニタ部で得られる前記第２の光ビームの出力測定値に基づいて前記第２の光ビームを生成するための第２の光学系を調整する第２の光学系調整部とを有する。 In addition, the harmonic laser device of the present invention includes an optical resonator having first and second terminal mirrors that are optically opposed to each other, an active medium that is disposed in the optical resonator, and a fundamental wavelength. A pumping unit for pumping the active medium to generate a first light beam having a first optical beam, and a second light of higher harmonics disposed in the optical resonator by nonlinear interaction with the first light beam A wavelength converting crystal that generates a beam and a harmonic separation that is disposed on an optical axis of the optical resonator and that separates the second optical beam from the first optical beam and outputs the first optical beam out of the optical resonator; An output mirror; a first power monitor for measuring an output of the first light beam; and a first output of the first light beam obtained by the first power monitor. Adjust the first optical system to generate one light beam A first optical system adjustment unit, a second power monitor unit for measuring the output of the second light beam, and an output measurement of the second light beam obtained by the second power monitor unit. And a second optical system adjustment unit that adjusts the second optical system for generating the second light beam based on the value.
本発明では、同一の光共振器内で同時に生成される基本波および高調波のそれぞれの出力を個別にモニタし、基本波光学系の調整と高調波光学系の調整とをそれぞれ独立して行えるようにしている。そして、本発明の高調波レーザ発生方法によれば、光共振器の光学系を調整する際には、先ず基本波光学系の調整を行い、その後に高調波光学系の調整を行う。これにより、基本波光学系および高調波光学系の調整が各々一回きりで済み、何度も交互にやり直すようなことはない。また、本発明の高調波レーザ装置によれば、第１のパワーモニタ部と第１の光学系調整部とによって基本波光学系の調整を行い、第２のパワーモニタ部と第２の光学系調整部とによって高調波光学系の調整を行うことにより、人手の要らない自動調整を実現することができる。波長変換結晶の温度を制御する温度調整機能を有する場合は、波長変換結晶の温度を設定温度に合わせてから高調波光学系の調整を行うことで、波長変換効率を安定化させ、ひいては高調波の出力を安定化させることができる。 In the present invention, the outputs of the fundamental wave and the harmonic wave generated simultaneously in the same optical resonator are individually monitored, and the adjustment of the fundamental wave optical system and the adjustment of the harmonic wave optical system can be performed independently. I am doing so. According to the harmonic laser generation method of the present invention, when adjusting the optical system of the optical resonator, the fundamental wave optical system is adjusted first, and then the harmonic optical system is adjusted. As a result, the adjustment of the fundamental wave optical system and the harmonic optical system can be performed only once, and it is not possible to repeat again and again. Further, according to the harmonic laser device of the present invention, the fundamental power optical system is adjusted by the first power monitor unit and the first optical system adjustment unit, and the second power monitor unit and the second optical system are adjusted. By adjusting the harmonic optical system with the adjusting unit, it is possible to realize automatic adjustment that does not require human intervention. If you have a temperature adjustment function to control the temperature of the wavelength conversion crystal, adjust the harmonic optical system after adjusting the temperature of the wavelength conversion crystal to the set temperature, thereby stabilizing the wavelength conversion efficiency, and thus the harmonics. Can be stabilized.
基本波光学系の調整では、好ましくは、第１の光ビームの出力測定値が最大値になるように光共振器における第１の光ビームの光軸を調整するか、あるいは共振器ミラーの光学的な平行度を調整してよい。 In the adjustment of the fundamental optical system, preferably, the optical axis of the first light beam in the optical resonator is adjusted so that the output measurement value of the first light beam becomes the maximum value, or the optical of the resonator mirror is adjusted. The parallelism may be adjusted.
また、高調波光学系の調整では、好ましくは、第２の光ビームの出力測定値が設定範囲内の値または最大値になるように第１の光ビームの光軸に対して波長変換結晶の角度を調整してよい。この波長変換結晶の角度調整は、好ましくは、波長変換結晶の中心部を通る鉛直線を回転軸線とする第１の回転方向で波長変換結晶の角度を調整する第１の結晶角度調整工程と、波長変換結晶の中心部を光軸と直交して通る水平線を回転軸線とする第２の回転方向で波長変換結晶の角度を調整する第２の結晶角度調整工程とを含むものであってよい。 Further, in the adjustment of the harmonic optical system, preferably, the wavelength conversion crystal is adjusted with respect to the optical axis of the first light beam so that the measured output value of the second light beam is a value within the setting range or the maximum value. The angle may be adjusted. The angle adjustment of the wavelength conversion crystal is preferably a first crystal angle adjustment step of adjusting the angle of the wavelength conversion crystal in a first rotation direction with a vertical line passing through the center of the wavelength conversion crystal as a rotation axis. And a second crystal angle adjustment step of adjusting the angle of the wavelength conversion crystal in a second rotation direction with a horizontal line passing through the center of the wavelength conversion crystal perpendicular to the optical axis as the rotation axis.
本発明の高調波レーザ装置において、好ましい一態様によれば、第１のパワーモニタ部が、第１の終端ミラーもしくは第２の終端ミラーの背後に抜けた第１の光ビームの漏れ光を受光してその光強度を電気信号に変換する光電変換素子を有する。また、第２のパワーモニタ部が、高調波分離出力ミラーより取り出された第２の光ビームを所定の方向に反射するミラーの背後に抜けた漏れ光を受光してその光強度を電気信号に変換する光電変換素子を有する。 In the harmonic laser device of the present invention, according to a preferred aspect, the first power monitor unit receives the leaked light of the first light beam that has passed through the back of the first terminal mirror or the second terminal mirror. And a photoelectric conversion element that converts the light intensity into an electrical signal. Further, the second power monitor unit receives the leaked light that has passed through the mirror that reflects the second light beam extracted from the harmonic separation output mirror in a predetermined direction, and converts the light intensity into an electric signal. It has a photoelectric conversion element for conversion.
本発明の高調波レーザ発生方法によれば、上記のような構成と作用により、光共振器内の光学系の調整を簡単かつ適確に行うことができる。また、本発明の高調波レーザ装置によれば、上記のような構成と作用により、光共振器内の光学系の調整を自動化して高調波の出力を安定に維持することができる。 According to the harmonic laser generation method of the present invention, the optical system in the optical resonator can be easily and accurately adjusted by the configuration and operation as described above. Further, according to the harmonic laser device of the present invention, the adjustment of the optical system in the optical resonator can be automated and the harmonic output can be stably maintained by the configuration and operation as described above.
図１に、本発明の一実施形態による高調波レーザ装置の全体構成を上面図で模式的に示す。この高調波レーザ装置は、ほぼ平坦な上面を有する支持台（図示せず）上に折り返し配置型で一対の終端ミラー１０，１２、固体レーザ活性媒体１４、Ｑスイッチ１６、波長変換結晶１８および中間ミラー２０，２２を配置している。
FIG. 1 is a top view schematically showing the overall configuration of a harmonic laser device according to an embodiment of the present invention. This harmonic laser device is a folded arrangement type on a support base (not shown) having a substantially flat upper surface, a pair of
両終端ミラー１０，１２は、中間ミラー２０，２２を介して光学的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と中間ミラー２０の反射面には、ＹＡＧレーザの基本波（１０６４ｎｍ）に対して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の反射面には、基本波（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされているだけでなく、第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜もコーティングされている。中間ミラー２２は、高調波分離出力ミラーであり、その反射面には基本波（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜がコーティングされており、第２高調波（５３２ｎｍ）に対しては透過性の膜がコーティングされている。
Both
活性媒体１４は、たとえばＮd：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー１０と中間ミラー２０との間に配置され、電気光学励起部２４によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部２４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、制御部２６の制御の下で該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。図示の構成例では電気光学励起部２４からの励起光を活性媒質１４の側面に照射するが、活性媒質１４の端面に照射する方式（端面励起方式）も可能である。活性媒質１４で生成される基本波長の光ビームは、中間ミラー２０，２２を介して両終端ミラー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、中間ミラー２０，２２、活性媒質１４および電気光学励起部２４によって基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームまたは基本波レーザ光ＬＢを光共振器内に生成するＹＡＧレーザ発振器が構成されている。
The
Ｑスイッチ１６は、たとえば音響光学Ｑスイッチからなる。制御部２６がＱスイッチドライバ２８を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりＱスイッチ１６を駆動する。このＱスイッチ動作により、光共振器内で高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパルスの基本波レーザ光ＬＢが生成される。
The
波長変換結晶１８は、たとえば角柱状のＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶からなり、高調波分離出力ミラー２２と終端ミラー１２との間に配置され、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
波長変換結晶１８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１８を通り抜ける。波長変換結晶１８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、高調波分離出力ミラー２２に入射し、このミラー２２をまっすぐ透過して光共振器の外へ出力されるようになっている。
The second harmonic light beam SHG emitted from the
光共振器の外には、高調波分離出力ミラー２２より取り出された第２高調波の光ビームＳＨＧを被加工物Ｗに向けて伝送ないし照射するための光学系として、たとえばミラー３０，３２が設けられている。被加工物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大なる利点が得られる。
Outside the optical resonator, as an optical system for transmitting or irradiating the second harmonic light beam SHG taken out from the harmonic
波長変換結晶１８は、結晶ホルダ３４に着脱可能に保持されている。結晶角度調整機構３６は、制御部２６の制御の下で光共振器の光軸つまり基本波レーザ光ＬＢの光軸に対する結晶ホルダ３４内の波長変換結晶１８の角度（向き）を調整するようになっている。
The
図２に、結晶ホルダ３４の基本構成を模式的に示す。この結晶ホルダ３４は、波長変換結晶１８を直接保持する第１のホルダ部３８と、この第１のホルダ部３８を所定の方向で回転可能に支持する第２のホルダ部４０とを有する。
FIG. 2 schematically shows the basic configuration of the
第２のホルダ部４０は、支持台（図示せず）に対して鉛直軸線Ｖを回転中心として一定範囲（たとえば±５°）内でθXの方向に回転可能となっている。より具体的には、たとえば、第２のホルダ部４０の下面には垂直下方に延びる回転軸４０ａが設けられ、支持台の軸受（図示せず）にこの回転軸４０ａが回転可能に挿着される。これにより、第２のホルダ部４０は、この回転軸４０ａの軸線Ｖを回転中心として支持台上でθX方向に回転可能となっている。好ましくは、鉛直軸線Ｖが、第１のホルダ部３８に保持されている波長変換結晶１８の中心部を鉛直方向に通るように構成される。
The
第１のホルダ部３８は、第２のホルダ部４０に対して水平軸線Ｈを回転中心として一定範囲（たとえば±５°）内でθY方向に回転可能に取り付けられている。より具体的には、たとえば、第２のホルダ部４０に固定されている支持部材４２の水平支持軸４２ａが第１のホルダ部３８の軸受３８ａに挿着されており、第１のホルダ部３８は水平支持軸４２ａの軸線Ｈを回転中心としてθY方向に回転可能となっている。好ましくは、水平軸線Ｈが、第１のホルダ部３８に保持されている波長変換結晶１８の中心部を光共振器の光軸と直交して水平方向に通るように構成される。
The
上記のような結晶ホルダ３４の構成により、支持台上で第２のホルダ部４０がθX方向に任意の角度だけ回転すると、波長変換結晶１８および第１のホルダ部３８もθX方向に同じ角度だけ回転するようになっている。また、第２のホルダ部４０上で第１のホルダ部３８がθY方向に任意の角度だけ回転すると、波長変換結晶１８もθY方向に同じ角度だけ回転するようになっている。
With the configuration of the
再び図１において、結晶角度調整機構３６は、結晶ホルダ３４に保持されている波長変換結晶１８をそれぞれθY方向およびθX方向で任意の角度（向き）に調整するための第１および第２のアクチエータ４４，４６を備えている。第１のアクチエータ４４は、結晶ホルダ３４の第１のホルダ部３８に結合されており、制御部２６の制御の下で第１のホルダ部３８をθY方向で所望の角度（向き）に合わせるように動作する。第２のアクチエータ４６は、結晶ホルダ３４の第２のホルダ部４０に結合されており、制御部２６の制御の下で第２のホルダ部４０をθX方向で所望の角度（向き）に合わせるように動作する。
Referring again to FIG. 1, the crystal
このように、結晶ホルダ３４、結晶角度調整機構３６および制御部２６により、光共振器内で波長変換結晶１８の中心部を通る鉛直線Ｖを回転軸線とする回転方向（θX）と、波長変換結晶１８の中心部を光軸と直交して通る水平線Ｈを回転軸線とする回転方向（θY）とで、波長変換結晶１８の角度（向き）を任意に調整できるようになっている。
As described above, the
また、この高調波レーザ装置では、光共振器の光軸を調整するために、片方の終端ミラー１０を可動のミラーホルダ４８に取り付けている。このミラーホルダ４８は、図示省略するが、上述した結晶ホルダ３４（図２）と同様の構成を有している。そして、このミラーホルダ４８には、上記結晶角度調整機構３６と同様の構成および機能を有するミラー角度調整機構５０の第１および第２アクチエータ５２，５４が結合されている。ミラーホルダ４８、ミラー角度調整機構５０および制御部２６により、終端ミラー１０の中心部を通る所定の鉛直線を回転軸線とする回転方向（θX）と終端ミラー１０の中心部を光軸と直交して通る所定の水平線を回転軸線とする回転方向（θY）とで終端ミラー１０の角度（向き）を調整し、ひいては両終端ミラー１０，１２間の光学的な平行度を調整できるようになっている。
In this harmonic laser device, one
また、この高調波レーザ装置は、基本波の光ビームＬＢのレーザパワー（出力）と第２高調波の光ビームＳＨＧのレーザパワー（出力）とをそれぞれ個別に測定するための第１および第２のパワーモニタ部５６，５８を備えている。第１のパワーモニタ部５６は、ミラー角度調整機構５０の後方に配置され、終端ミラー１０の背後に漏れた基本波の漏れ光ＭLBを受光してその光強度を電気信号に変換する光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、該光電変換素子の出力信号（基本波パワー測定値信号）ＳLBを制御部２６に与える。第２のパワーモニタ部５８は、伝送ないし照射光学系のミラー３２の後方に配置され、このミラー１０の背後に漏れた第２高調波の漏れ光ＭSHGを受光してその光強度を電気信号に変換する光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、該光電変換素子の出力信号（第２高調波パワー測定値信号）ＳSHGを制御部２６に与える。
In addition, the harmonic laser apparatus includes first and second lasers for individually measuring the laser power (output) of the fundamental light beam LB and the laser power (output) of the second harmonic light beam SHG. Power monitor
制御部２６は、後述するように、第１のパワーモニタ部５６より得られる基本波パワー測定値信号ＳLBをフィードバック信号としてミラー角度調整機構５０による光共振器の光軸調整を制御し、第２のパワーモニタ部５８より得られる第２高調波パワー測定値信号ＳSHGをフィードバック信号として結晶角度調整機構３６による波長変換結晶１８の角度調整を制御するようになっている。
As will be described later, the
さらに、この高調波レーザ装置では、結晶ホルダ３４に保持されている波長変換結晶１８の温度を一定に制御するための結晶温度調整機構６０を備えている。この結晶温度調整機構６０は、波長変換結晶１８に近接して配置される発熱素子たとえばペルチェ素子６２と温度センサたとえばサーミスタ６４とを有している。好ましくは、波長変換結晶１８を直接保持する第１のホルダ３４が熱伝導率の高い材質（たとえば銅）からなり、この第１のホルダ３４に発熱素子６２および温度センサ６４が熱的に結合された状態で取り付けられてよい。この結晶温度調整機構６０では、温度センサ６４からの出力信号（温度検出信号）をフィードバック信号として、波長変換結晶１８付近の温度を設定温度（たとえば５０°Ｃ）に合わせるように、制御部２６が発熱素子６２の発熱量を制御するようになっている。このように波長変換結晶１８の温度を一定に制御するのは、光共振器の光軸に対して最大の波長変換効率が得られる波長変換結晶１８の角度（向き）が温度によって変わるためである。
Further, this harmonic laser device includes a crystal
制御部２６は、マイクロコンピュータからなり、この高調波レーザ装置内の各部だけでなく、入力装置や表示装置（図示せず）等にも接続されている。
The
図３〜図５に、この実施形態の高調波レーザ装置において光共振器の光学系を自動調整するための制御部２６の制御手順を示す。ここで、光共振器の光学系は、基本波レーザ光ＬＢを生成するための基本波光学系と、この基本波光学系をベースとして第２高調波レーザ光ＳＨＧを生成するための高調波光学系とに大別される。基本波光学系には、両終端ミラー１０，１２、中間ミラー２０，２２、活性媒体１４およびＱスイッチ１６が含まれる。高調波光学系には、波長変換結晶１８、終端ミラー１２および高調波分離出力ミラー２２が含まれる。
3 to 5 show a control procedure of the
図３に基本手順を示す。この実施形態では、電気系（電気光学励起部２４等）の出力を一定に制御したうえで、先ず第２のパワーモニタ部５８を通じて第２高調波の光ビームＳＨＧのレーザパワーＰSHGを測定し（ステップＡ1）、そのパワー測定値ＰSHGが所定の基準値または下限値ＰREFよりも低いか否かを検査する（ステップＡ2）。この検査でＰSHG≧ＰREFのときはパワー正常と判断して調整を中止し（ステップＡ3）、ＰSHG＜ＰREFのときはパワー不良と判断して各部の調整を順次実行し（ステップＡ4〜Ａ6）、各段階で何等かの異常または機能不全が判明したときは、強制終了して警報メッセージを出力する（ステップＡ7）。なお、ステップＡ3を省き、所定のコマンド入力に応じて各部の調整（ステップＡ4〜Ａ6）を無条件で実行することも可能である。
FIG. 3 shows the basic procedure. In this embodiment, the laser power P SHG of the second harmonic light beam SHG is first measured through the
この実施形態における特徴の一つは、各部調整の実行順序である。すなわち、最初に基本波光学系の調整が行われ（ステップＡ4）、次いで波長変換結晶１８の温度調整が行われ（ステップＡ5）、最後に高調波光学系調整が行われる（ステップＡ6）という手順が重要である。
One of the features in this embodiment is the execution order of each part adjustment. That is, the fundamental optical system is first adjusted (step A 4 ), the temperature of the
図４に、基本波光学系の調整（ステップＡ4）の詳細な手順を示す。基本波光学系の調整では、所要の初期化を行ったうえで、基本波レーザ光ＬＢのレーザパワーＰLBを最大値に合わせる調整を行う。具体的には、第１のパワーモニタ部５６を通じて基本波レーザ光ＬＢのレーザパワーＰLBをモニタしながら、ミラー角度調整機構５０により終端ミラー１０の角度（向き）を一定のピッチで振って（スキャンして）、最大の基本波レーザパワーＰLBが得られる終端ミラー１０の角度（向き）を割り出し、かつその角度（向き）に合わせる。
FIG. 4 shows a detailed procedure for adjusting the fundamental wave optical system (step A 4 ). In the adjustment of the fundamental wave optical system, necessary initialization is performed, and then the adjustment of adjusting the laser power P LB of the fundamental wave laser beam LB to the maximum value is performed. Specifically, while monitoring the laser power P LB of the fundamental wave laser beam LB through the first
より詳細には、ミラー角度調整機構５０により終端ミラー１０の角度（向き）を所望のポジションに合わせ、第１のパワーモニタ部５６により基本波レーザ光ＬＢのレーザパワーＰLBを測定し（ステップＢ1）、そのポジションにおけるレーザパワー測定値ＰLBを暫定最大値Ｐmaxと比較し（ステップＢ2）、今回の測定値ＰLBが暫定最大値Ｐmaxを超えるときはＰmaxをＰLBで置換（更新）する（ステップＢ3）。ここで、暫定最大値Ｐmaxは、初期ポジションから前回のポジションまでのスキャニングで得られたレーザパワー測定値ＰLBの中の最大値である。相直交（独立）する２つの回転方向θX，θYで測定ポジションを１ピッチずつインクリメントして上記の処理を繰り返すことで（ステップＢ1〜Ｂ8）、全ポジションの中での最大値［Ｐmax］を確定することができる。このトータルの最大値［Ｐmax］を基本波パワーの基準値または下限値Ｐrefと比較し、［Ｐmax］≧Ｐrefのときは［Ｐmax］が得られたポジションに終端ミラー１０の角度（向き）を合わせる（ステップＢ11）。
More specifically, the angle (orientation) of the
しかし、［Ｐmax］＜Ｐrefのときは、基本波光学系が機能不全または調整不能になっていると判断して、その旨の警報メッセージを出す（ステップＡ7）。すなわち、終端ミラー１０の角度（向き）を最大の基本波レーザパワーが得られるポジションに合わせても、その最大レーザパワーが基準値または下限値Ｐrefに達しない場合は、基本波光学系の何処かで物理的な異常または機能上の故障があると判定してよい。
However, if [P max ] <P ref , it is determined that the fundamental optical system is malfunctioning or cannot be adjusted, and an alarm message to that effect is issued (step A 7 ). In other words, if the maximum laser power does not reach the reference value or the lower limit value P ref even if the angle (direction) of the
上記のように、基本波光学系の調整（ステップＡ4）では、高調波光学系の状態つまり第２高調波のレーザパワーＰSHGや波長変換結晶１８の角度（向き）等を無視して、基本波のレーザパワーＰLBを最大にするように、終端ミラー１０の角度（向き）を最適化し、両終端ミラー１０，１２間の光学的な平行度を合わせる。
As described above, in the adjustment of the fundamental optical system (step A 4 ), the state of the harmonic optical system, that is, the laser power P SHG of the second harmonic, the angle (direction) of the
次に、波長変換結晶１８の温度調整（ステップＡ5）では、結晶温度調整機構６０により波長変換結晶１８の温度をフィードバック制御で設定温度（たとえば５０°Ｃ）に合わせる。装置の立ち上げ時は、設定温度に達するまで相当の時間を要する。定常動作中は、波長変換結晶１８の温度が常時設定温度に維持されている筈であるが、一応このステップで確認しておくのが好ましい。もし設定温度になっていない、あるいは設定温度に到達できないことが判明した場合は、結晶温度調整機構６０に何らかの異常または故障があるものと判断して、警報メッセージを出す（ステップＡ7）。
Next, in the temperature adjustment of the wavelength conversion crystal 18 (step A 5 ), the temperature of the
図５に、高調波光学系の調整（ステップＡ6）の詳細な手順を示す。高調波光学系の調整では、所要の初期化を行ったうえで、第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰSHGを適正値ないし最大値に合わせる調整を行う。具体的には、第２のパワーモニタ部５８を通じて第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰSHGをモニタしながら、結晶角度調整機構３６により波長変換結晶１８の角度（向き）を一定のピッチで振って（スキャンして）、最大の第２高調波レーザパワーが得られる波長変換結晶１８の角度（向き）を割り出し、かつその角度（向き）に合わせる。
FIG. 5 shows a detailed procedure for adjusting the harmonic optical system (step A 6 ). In adjustment of the harmonic optical system, necessary initialization is performed, and then adjustment is performed to adjust the laser power P SHG of the second harmonic laser beam SHG to an appropriate value or a maximum value. Specifically, while monitoring the laser power P SHG of the second harmonic laser beam SHG through the second
より詳細には、結晶角度調整機構３６により波長変換結晶１８の角度（向き）を所望のポジションに合わせ、第２のパワーモニタ部５８により第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰSHGを測定し（ステップＣ1）、そのポジションにおけるレーザパワー測定値ＰSHGを暫定最大値ＰMAXと比較し（ステップＣ2）、今回の測定値ＰSHGが暫定最大値ＰMAXを超えるときはＰMAXをＰSHGで置換（更新）する（ステップＣ3）。ここで、暫定最大値ＰMAXは、初期ポジションから前回のポジションまでのスキャニングで得られたレーザパワー測定値ＰSHGの中の最大値である。相直交（独立）する２つの回転方向θX，θYで測定ポジションを１ピッチずつインクリメントして上記の処理を繰り返すことで（ステップＣ1〜Ｃ8）、全ポジションの中での最大値［ＰMAX］を確定することができる。そして、このトータルの最大値［ＰMAX］を第２高調波パワーの基準値または下限値ＰREFと比較し、［ＰMAX］≧ＰREFのときは［ＰMAX］が得られたポジションに波長変換結晶１８の角度（向き）を合わせる（ステップＣ11）。これで、波長変換結晶１８の角度調整（ステップＡ6）を終了するとともに、光共振器内の全体の調整（ステップＡ4，Ａ5，Ａ6）も首尾よく終了する。
More specifically, the angle (orientation) of the
しかし、［ＰMAX］＜ＰREFのときは、今回の調整は無駄に終わったことになる。もっとも、この場合は、原因が基本波光学系側ではなく高調波光学系側に存在すること、たとえば波長変換結晶１８が劣化しているか、あるいは結晶角度調整機構３６が正常に機能しないことが判明したので、その旨の警報メッセージを出すことができる（ステップＡ7）。
However, when [P MAX ] <P REF , this adjustment is in vain. However, in this case, it is found that the cause is not on the fundamental optical system side but on the harmonic optical system side, for example, the
上記のように、この実施形態の高調波レーザ装置では、基本波レーザ光ＬＢおよび第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰLB，ＰSHGをそれぞれモニタするためのパワーモニタ部５６，５８を設け、各パワーモニタ部５６，５８を通じて基本波光学系の調整（たとえば光共振器の光軸調整）と高調波光学系の調整（たとえば波長変換結晶１８の角度調整）とを独立して行えるようにしている。
As described above, the harmonic laser device of this embodiment includes the
そして、光共振器の光学系を調整する際には、先ず基本波レーザ光ＬＢのレーザパワーＰLBが最大になるように基本波光学系の調整を行い、その後に第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰSHGが適正ないし最大になるように高調波光学系の調整を行う。これにより、基本波光学系および高調波光学系の調整が各々一回きりで済み、何度も交互にやり直すようなことはない。 When adjusting the optical system of the optical resonator, first, the fundamental wave optical system is adjusted so that the laser power P LB of the fundamental wave laser beam LB becomes maximum, and then the second harmonic laser beam SHG. The harmonic optical system is adjusted so that the laser power P SHG becomes appropriate or maximum. As a result, the adjustment of the fundamental wave optical system and the harmonic optical system can be performed only once, and the adjustment is not repeated over and over again.
また、第２高調波レーザ光ＳＨＧのレーザパワーＰLBが設定通りにならないときは、その原因が高調波光学系または基本波光学系のいずれにあるのか、原因要素を明確に分別または特定することができる。しかも、制御部２６の制御の下でミラー角度調整機構５０および結晶角度調整機構３６により光共振器の光軸調整（基本波光学系の調整）および波長変換結晶１８の角度調整（高調波光学系の調整）をそれぞれ自動的に行うので、人手（熟練や手間）を不要にすることができる。さらには、結晶温度調整機構６０により結晶温度を設定値に保った状態で波長変換結晶１８の角度調整を行うので、周囲温度に影響されることなく第２高調波レーザパワーの安定化を図ることができる。
Also, when the laser power P LB of the second harmonic laser beam SHG does not match the set value, clearly identify or identify the cause of whether the cause is the harmonic optical system or the fundamental optical system. Can do. In addition, under the control of the
以上、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるわけではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the technical idea.
たとえば、基本手順（図３）において、基本波光学系の調整（ステップＡ4）と波長変換結晶１８の温度調整（ステップＡ5）の実行順序を入れ替えること、つまり波長変換結晶１８の温度調整を先に行ってから基本波光学系の調整を行うことも可能である。また、波長変換結晶１８の温度調整（結晶温度調整機構６０）を省いて、任意の結晶温度に対してミラー角度調整機構５０および結晶角度調整機構３６を動的または常時作動させ、基本波のレーザパワーＰLBおよび第２高調波のレーザパワーＰSHGをそれぞれ最大値ないし最適値に維持する構成とすることも可能である。
For example, in the basic procedure (FIG. 3), the execution order of the adjustment of the fundamental wave optical system (step A 4 ) and the temperature adjustment of the wavelength conversion crystal 18 (step A 5 ) is changed, that is, the temperature adjustment of the
また、光共振器の構成または方式においても種々の変形が可能なのはもちろん、基本波光学系または高調波光学系の調整機構を種々変形することも可能である。たとえば、ミラー角度調整機構５０および結晶角度調整機構３６を上記実施形態ではアクチエータ（５２，５４）、（４４，４６）を用いて自動化したが、調整ネジ等を用いて手動型に変形することも可能である。基本波のレーザパワーＰLBおよび第２高調波のレーザパワーＰSHGを個別に測定するための第１および第２のパワーモニタ部５６，５８は、任意の適当な位置に配置されてよい。たとえば、終端ミラー１２の背後には基本波および第２高調波の重畳した光が漏れるので、たとえばダイクロイックミラーにより基本波の漏れ光と第２高調波の漏れ光とを分離して、それぞれの漏れ光を第１および第２のパワーモニタ部５６，５８に受光させるようにしてもよい。
In addition, various modifications can be made in the configuration or method of the optical resonator, and the adjustment mechanism of the fundamental wave optical system or the harmonic optical system can be variously modified. For example, although the mirror
また、上記した実施形態はＱスイッチ方式の高調波レーザ装置に係るものであったが、Ｑスイッチを使用しないロングパルス方式の高調波レーザ装置にも本発明を適用することができる。また、本発明は、第２高調波の光ビームを生成する高調波レーザ装置に限るものでもなく、他の高調波たとえば第３高調波や第４高調波の光ビームを生成する高調波レーザ装置にも適用可能である。 Moreover, although the above-described embodiment relates to a Q-switch type harmonic laser device, the present invention can also be applied to a long-pulse type harmonic laser device that does not use a Q switch. Further, the present invention is not limited to the harmonic laser apparatus that generates the second harmonic light beam, and other harmonics such as the third harmonic or the fourth harmonic light beam are generated. It is also applicable to.
１０，１２ 終端ミラー
１４ 活性媒体
１８ 波長変換結晶
２０ 中間ミラー
２２ 高調波分離出力ミラー
２４ 電気光学励起部
２６ 制御部
３０，３２ 伝送ないし照射系ミラー
３４ 結晶ホルダ
３６ 結晶角度調整機構
３８ 第１のホルダ部
４０ 第２のホルダ部
４４，４６ アクチエータ
４８ ミラーホルダ
５０ ミラー角度調整機構
５２，５４ アクチエータ
５６ 第１のパワーモニタ部
５８ 第２のパワーモニタ部
６０ 結晶温度調整機構
６２ 発熱素子
６４ 温度センサ
10, 12
Claims (16)
前記第１の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第１の光ビームを生成するための第１の光学系を調整する第１の光学系調整工程と、
前記第１の光学系調整工程の後に、前記第２の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第２の光ビームを生成するための第２の光学系を調整する第２の光学系調整工程と
を有する高調波レーザ発生方法。 An active medium and a wavelength conversion crystal are disposed in an optical resonator, the active medium is pumped to generate a first light beam having a fundamental wavelength, and the nonlinearity between the wavelength conversion crystal and the first light beam is generated. In a harmonic laser generation method of generating a second light beam of harmonics by interaction, separating the second light beam from the first light beam, and outputting it out of the optical resonator,
A first optical system adjusting step of measuring an output of the first light beam and adjusting a first optical system for generating the first light beam based on the output measurement value;
After the first optical system adjusting step, a second optical system for measuring the output of the second light beam and adjusting the second optical system for generating the second light beam based on the output measurement value is measured. A method of generating a harmonic laser, comprising:
前記第１の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第１の光ビームを生成するための第１の光学系を調整する第１の光学系調整工程と、
前記波長変換結晶の温度を設定温度に合わせる結晶温度調整工程と、
前記第１の光学系調整工程および前記結晶温度調整工程の後に、前記第２の光ビームの出力を測定し、その出力測定値に基づいて前記第２の光ビームを生成するための第２の光学系を調整する第２の光学系調整工程と
を有する高調波レーザ発生方法。 An active medium and a wavelength conversion crystal are arranged in an optical resonator, the active medium is pumped to generate a first light beam having a fundamental wavelength, a temperature of the wavelength conversion crystal is controlled, and the wavelength conversion crystal A second light beam of higher harmonics is generated by nonlinear interaction between the first light beam and the first light beam, and the second light beam is separated from the first light beam and output to the outside of the optical resonator. In the harmonic laser generation method to
A first optical system adjusting step of measuring an output of the first light beam and adjusting a first optical system for generating the first light beam based on the output measurement value;
A crystal temperature adjusting step for adjusting the temperature of the wavelength conversion crystal to a set temperature;
After the first optical system adjustment step and the crystal temperature adjustment step, a second light beam for measuring the output of the second light beam and generating the second light beam based on the output measurement value A harmonic laser generation method comprising: a second optical system adjustment step of adjusting the optical system.
前記波長変換結晶の中心部を通る鉛直線を回転軸線とする第１の回転方向で前記波長変換結晶の角度を調整する第１の結晶角度調整工程と、
前記保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を光軸と直交して通る水平線を回転軸線とする第２の回転方向で前記波長変換結晶の角度を調整する第２の結晶角度調整工程と
を有する請求項５または請求項６に記載の高調波レーザ発生方法。 Adjusting the angle of the wavelength conversion crystal with respect to the optical axis of the first light beam,
A first crystal angle adjusting step of adjusting an angle of the wavelength conversion crystal in a first rotation direction with a vertical line passing through a central portion of the wavelength conversion crystal as a rotation axis;
A second crystal angle adjustment that adjusts the angle of the wavelength conversion crystal in a second rotation direction with a horizontal line passing through a central portion of the wavelength conversion crystal held by the holding unit orthogonal to the optical axis as a rotation axis. The method for generating a harmonic laser according to claim 5, further comprising:
前記光共振器内に配置された活性媒体と、
基本波長を有する第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、
前記光共振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線形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、
前記光共振器の光軸上に配置され、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光共振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、
前記第１の光ビームの出力を測定するための第１のパワーモニタ部と、
前記第１のパワーモニタ部で得られる前記第１の光ビームの出力測定値に基づいて前記第１の光ビームを生成するための第１の光学系を調整する第１の光学系調整部と、
前記第２の光ビームの出力を測定するための第２のパワーモニタ部と、
前記第２のパワーモニタ部で得られる前記第２の光ビームの出力測定値に基づいて前記第２の光ビームを生成するための第２の光学系を調整する第２の光学系調整部と
を有する高調波レーザ装置。 An optical resonator having first and second terminating mirrors disposed optically opposite;
An active medium disposed in the optical resonator;
An excitation section for pumping the active medium to generate a first light beam having a fundamental wavelength;
A wavelength converting crystal disposed in the optical resonator and generating a second light beam of higher harmonics by nonlinear interaction with the first light beam;
A harmonic separation output mirror disposed on the optical axis of the optical resonator and separating the second light beam from the first light beam and outputting the separated light beam to the outside of the optical resonator;
A first power monitor for measuring the output of the first light beam;
A first optical system adjustment unit that adjusts a first optical system for generating the first light beam based on an output measurement value of the first light beam obtained by the first power monitor unit; ,
A second power monitor for measuring the output of the second light beam;
A second optical system adjustment unit that adjusts a second optical system for generating the second light beam based on an output measurement value of the second light beam obtained by the second power monitor unit; Harmonic laser device.
前記波長変換結晶を保持する保持部と、
前記保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を通る鉛直線を回転軸線とする第１の回転方向で前記波長変換結晶の角度を調整する第１の角度調整部と、
前記保持部に保持されている前記波長変換結晶の中心部を光軸と直交して通る水平線を回転軸線とする第２の回転方向で前記波長変換結晶の角度を調整する第２の角度調整部と
を有する請求項１３または請求項１４に記載の高調波レーザ装置。 The second optical system adjustment unit is
A holding unit for holding the wavelength conversion crystal;
A first angle adjusting unit that adjusts an angle of the wavelength conversion crystal in a first rotation direction with a vertical line passing through a central portion of the wavelength conversion crystal held by the holding unit as a rotation axis;
A second angle adjustment unit that adjusts the angle of the wavelength conversion crystal in a second rotation direction with a horizontal line passing through a central portion of the wavelength conversion crystal held by the holding unit orthogonal to the optical axis as a rotation axis. The harmonic laser apparatus of Claim 13 or Claim 14 which has these.
The harmonic laser device according to any one of claims 8 to 15, further comprising a crystal temperature control unit configured to adjust a temperature of the wavelength conversion crystal to a set temperature.
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| WO2011114907A1 (en) * | 2010-03-18 | 2011-09-22 | 株式会社Ｑｄレーザ | Laser system |
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