JP2010003755A - 波長変換レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高調波パルスレーザ光をビームスプリッターで２分割し、一方のレーザビームを遅延光路手段に通して再度元のレーザビームと重畳して周波数を倍増する波長変換レーザ装置において、元のレーザビームのポインティングが変動しても、分割ビームの合流点では両ビームのポインティングおよびビーム径を一致させることができ、遅延合成したレーザビームの品質が安定し、安定性の高いレーザ加工が実現できる波長変換レーザ装置を得る。
【解決手段】 遅延光路手段１００によるビームスプリッター２のレーザビームの分岐点から合流点までの光路長を４ｆとした場合、遅延光路手段１００を通過するレーザビームの光路上に焦点距離ｆの２つのレンズ４１，４２を配置するとともに、その２つのレンズ間の光路長を２ｆとすることで、遅延光路手段１００においてレーザビームの分岐点と合流点を像転写接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体レーザ素子で発生されたレーザ光を非線形結晶で波長変換して出力する波長変換レーザ装置に関するものである。

波長変換レーザ装置は、非線形結晶に基本波レーザ光を入射し、波長が１／Ｎの高調波レーザ光に変換して出力するものである。１／２波長に変換されたレーザ光を２倍波、１／３、１／４波長に変換されたレーザ光は各々３倍波、４倍波と呼び、特に３倍波以上の高調波レーザ光は紫外波長の光に相当する為、ＵＶレーザと呼ばれる。基本波レーザとしては、Ｑスイッチを用いた高出力のパルス発振が可能なＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＶＯ４レーザが用いられる。基本波レーザ光を波長変換し高調波レーザ光が得られる割合（以降、波長変換効率と呼ぶ）は、非線形結晶に照射する基本波レーザ光のパルスピークの高さに依存する。すなわち、高ピークパルスの基本波レーザ光であれば高効率で波長変換され高出力の高調波レーザ光が得られるが、低ピークパルスの基本波レーザ光であれば低出力の高調波レーザ光しか得られない。

ここで、Ｑスイッチパルス固体レーザの特徴として、繰り返し周波数に応じてパルス幅が変化し、繰り返し周波数が高い程ロングパルスの発振をする特性を持つことがあげられる。更にパルスエネルギーは繰り返し周波数に反比例して繰り返し周波数が高い程パルスエネルギーが低下する関係があり、その結果、低繰り返し周波数では高エネルギー短パルス発振となり尖塔値の高い高ピークパルスが得られるが、高繰り返し周波数では低エネルギー長パルスの低ピークパルス発振となる。繰り返し周波数が高くなるほどパルスピークは指数関数的に低くなる特性を持つ。

波長変換レーザでは波長変換効率が基本波レーザ光のパルスピークに大きく依存し、パルスピークが低いと波長変換効率が低下する為、高繰り返し周波数では高出力の高調波レーザ光が得られない。繰り返し周波数が高いほど高調波レーザ光の出力は指数関数的に低くなる傾向を持つ。例えば、基本波レーザとしてＱスイッチ発振のＮｄ：ＹＡＧレーザを例にすると、繰り返し周波数５０ｋＨｚと１００ｋＨｚとで比較した場合、１００ｋＨｚの方がパルス幅が１．５〜２倍程度長く、かつ１パルス当りのエネルギーが半分となる為、パルスピークは約１／３〜１／４に減少する。その結果、高調波レーザ光の出力も１／３〜１／４にまで低下する。

尚、繰り返し周波数に応じて基本波レーザのパルス幅が変化する割合はレーザ媒質の特性（誘導放出断面積等）によって決まり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザよりも誘導放出断面積係数の高いＮｄ：ＹＶＯ４レーザの方が高繰り返し周波数での短パルス高ピーク発振が可能である。一方、高出力発振には大型サイズのレーザ結晶が実用化されているＮｄ：ＹＡＧレーザが有利である。この為一般的には、高繰り返し周波数向けにはＮｄ：ＹＶＯ４レーザ、低周波高出力向けにはＮｄ：ＹＡＧレーザが基本波レーザとして採用される。特に３倍波ＵＶレーザでは、約５０ｋＨｚ以下の低繰り返し周波数仕様ではＮｄ：ＹＡＧレーザが、５０ｋＨｚ以上の高繰り返し周波数仕様ではＮｄ：ＹＶＯ４レーザが使われることが多い。

ところで、ＵＶレーザの主要用途であるプリント基板の穴あけ加工において、装置の加工性能、生産能力を向上する為に、できるだけ繰り返し周波数が高く高出力のＵＶレーザ発振器が求められている。通常ＵＶレーザによるプリント基板のビア加工では、基板材料に応じた最適エネルギー条件のパルスビームを数十〜百ショット程度照射して一穴を加工する為、出来るだけ高い繰り返し周波数で所定のショット数のパルスビームを照射することが加工の高速化につながる。現実的には繰り返し周波数１００ｋＨｚ程度での高出力ＵＶレーザが求められており、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザによる平均出力２０Ｗの３倍波ＵＶレーザが実用化されているが、更に高出力のＵＶレーザが求められている。

一方、色素レーザの出力を効率よく増幅する為のパルスストレッチ技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の図１に示されたように、色素レーザ発振器から出たパルスビームをビームスプリッターによって２分割し、一方のビームのみ２枚の球面ミラーからなる遅延光路で遅延伝搬させた後、再度ビームスプリッターで１本のビームに合成して、時間がわずかにずれた２つのパルスビームを重畳することで、擬似的にパルス幅を拡大する技術であり、これによりパルス幅を最適化することで出力増幅の高効率化を可能にしている。

特開平１−１４２５２４号公報（第１図）

この技術を波長変換レーザに応用し、高調波パルスレーザ光をビームスプリッターで２分割して、一方のビームを伝搬時間が十分に長い遅延光路に通して遅延伝搬し再度元のビームと重畳して、タイミングのずれた２つのパルスビームを遅延合成することで、１つのパルスを２パルスに時分割して周波数を倍増する技術が考えられる。

完全な形でパルス周波数を倍増するには元のパルス周波数の周期の半分の時間に相当する長い遅延時間（例えば５０ｋＨｚのパルス周波数であれば１０μ秒の遅延時間）を与える必要があり、空間伝搬でこれほどの長さの遅延時間を作る場合３０００ｍ規模の光路長となり実際に構成することは困難であるが、そのような長い遅延時間でなくても、レーザ加工時のワークの熱影響が時間的に独立する数百ナノ秒程度の時間間隔を置いたダブルパルスに変換すれば、擬似的に２倍の繰り返し周波数に変換したのと同等の効果を得ることが出来る。数百ナノ秒程度の遅延時間であれば約１００ｍの光路長で十分であり、実現可能な長さである。また、パルスを時分割して周波数を変換しているだけである為、元の高調波レーザ光の平均出力は保持される。

先に述べた様に、基本波レーザ光の繰り返し周波数を２倍にして高繰り返し周波数の高調波レーザ光を得る場合、波長変換効率の低下により平均出力は約１／４に低下してしまうが、高調波レーザ光のパルスを時分割してパルス周波数を倍増する場合は平均出力は変化しない。高い繰り返し周波数の高調波パルスレーザ光を得るのに非常に効率的な手法と言える。この遅延合成によるパルス周波数倍増技術と、高出力化に有利なＮｄ：ＹＡＧレーザを基本波レーザとする波長変換レーザとを組み合わせることで、高繰り返し周波数で高出力の高調波レーザ光を合成することができる。

例えば波長変換レーザとして３倍波ＵＶレーザを例にした場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを基本波とするＵＶレーザでは５０ｋＨｚで４０Ｗ以上の高出力ＵＶレーザが設計可能であり、このレーザ発振器に遅延合成技術を適用することで、原理的には繰り返し周波数１００ｋＨｚで４０Ｗ以上の高出力ＵＶレーザを作り出すことが出来、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザによるＵＶレーザ発振器よりも高出力のＵＶレーザ装置を作ることが考えられる。

しかしながら遅延合成でパルス周波数を倍増する場合、非常に長距離の遅延光路が必要となる為、遅延光路を通過したビームの品質が低下したり、ポインティング変動が激しくなってしまう等の問題があった。上述したように、遅延光路としては少なくとも１００ｍ程度の光路長が必要であり、２枚の対向配置したミラーによる多重折返し光路によってそのような長距離の遅延光路を実現できるが、このような遅延光路をビームが通過する際、元のレーザビームのわずかなポインティング変動やビーム発散角の変化が遅延合成するビームに非常に大きな影響を与えてしまうという問題である。

この発明に係る波長変換レーザ装置においては、高調波パルスレーザ光を遅延光路を用いて遅延合成し、２倍の繰り返し周波数のパルスビームに変換する技術において、遅延光路の始点から終点までの間を像転写接続するようにしたものである。

この発明は、遅延光路の始点と終点が像転写接続するように構成される為、元のレーザビームのポインティングが変動しても遅延光路の終点、すなわち分割ビームの合流点では常に両ビームのポインティング、ビーム径が一致する為、遅延合成したビームの品質が安定し、安定性の高いレーザ加工が実現できる。

以下に、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態１の構成を示す図である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの３倍波ＵＶレーザである波長変換レーザ発振器１から出射された高調波パルスレーザビーム１０（図１の太い実線）は、ベンドミラー３ａによりビーム分岐手段である偏光ビームスプリッター２に導かれ、偏光ビームスプリッター２で２方向に分岐される。ビーム分岐手段としては、偏光子を用いても良い。偏光ビームスプリッター２に対してＳ偏光となる偏光成分が反射ビームとなり、Ｐ偏光成分が透過ビームとなる。ここで、レーザビーム１０が偏光ビームスプリッター２に入射するときの入射光軸と、偏光ビームスプリッター２の反射面の法線がなす面に対して、垂直な偏光成分がＳ偏光、平行な偏光成分がＰ偏光である。本発明では、偏光ビームスプリッター２で分岐したビームの一方を遅延させるので、遅延させるビームを遅延ビーム１２、遅延させないビームを順ビーム１１と呼ぶことにする。図１では透過したビームを遅延させるので、反射ビームが順ビーム１１（図１の破線）、透過ビームが遅延ビーム１２となる。

偏光ビームスプリッター２を透過した遅延ビーム１２は遅延光路１００を通過し、再度偏光ビームスプリッター２の側面に入射するが、Ｐ偏光なので再び透過する。そして、偏光ビームスプリッター２で反射された順ビーム１１と合流して、一本のビームに重畳される。ここでは、偏光ビームスプリッター２は２つのビームを合成する手段として機能している。重畳されたビームは、ベンドミラー３ｂで加工レンズ８に導かれ、そのまま加工レンズ８で加工テーブル４上に配置された加工ワーク９上に集光、照射されレーザ加工に利用される。

ここで、遅延光路１００を通過する遅延ビーム１２の伝播時間をｔとすると、順ビーム１１に対し遅延ビーム１２は遅延時間ｔの遅れを持って順ビーム１１に合流する。この為、図２に示したように、時間間隔ｔのダブルパルス波形が形成され、擬似的に２倍の繰り返し周波数のパルスビームに遅延合成される。尚、光速は３．０×１０＾８ｍ／ｓであるから、例えば１００ｍの光路長の遅延光路であれば３３３ｎ秒の遅延時間が得られる。高調波パルスレーザのパルス幅を５０ｎ秒程度とすると、約５０ｎ秒の幅のパルスが３３３ｎ秒の時間間隔で２つ並んだダブルパルス波形となる。
尚、遅延時間ｔが短く、従来の特許文献１にあるように２つのパルスが半分重なるように重畳する場合はロングパルスを合成する為のパルス幅変換技術となる。

図１に示したように、遅延光路１００は、対向配置した２枚の全反射ミラー３１、３２からなる多重折返し光路ユニット５をレーザ光軸上に直列に２つ並べて形成している。折り返し光路ユニット５は、２枚の全反射ミラー３１、３２の間を数十回多重反射する光路を形成することによってコンパクトな構成で長距離光路を実現している。例えば、２枚の全反射ミラー３１、３２は１ｍの距離を置いて対向配置され、平行に向き合うように厳密に角度調整されている。全反射ミラー３１の側部から全反射ミラー３２に向けて遅延ビーム１２を導入し、全反射ミラー３１、３２間を２５回折返し反射して全反射ミラー３２の側部から出射するように遅延ビーム１２の入射角度を調整する。これにより、１ユニット当たり５０ｍの距離の遅延光路が実現できる。そして、図１に示したように折返し光路ユニットを２個用い、ベンドミラー３ｃ、３ｄ、３ｅで偏光ビームスプリッター２を透過した遅延ビーム１１を第１の折り返し光路ユニット５ａに入射させ、第１の折り返し光路ユニット５ａから出てきたビームを第２の折り返し光路ユニット５ｂに導き、第２の折り返し光路ユニット５ｂから出てきたビームを再度偏光ビームスプリッター２へ入射させることで、合計１００ｍ以上の長距離遅延光路１００が形成できる。

更に、図１に示したように、遅延光路１００の内部には、第１の折り返し光路ユニット５ａの手前と、第２の折り返し光路ユニット５ｂの手前との２箇所に、焦点距離ｆの凸レンズ４１，４２が配置されている。この２枚の凸レンズ４１、４２は像転写光路を形成し、遅延光路１００の始点から終点までの間を像転写接続している。

ここで像転写について説明する。図３に、像転写光路の種類とその模式図を示す。図３の分岐点および合流点はそれぞれ、偏光ビームスプリッター２におけるレーザビーム１０が順ビーム１１と遅延ビーム１２に分岐する点、および偏光ビームスプリッター２における順ビーム１１と遅延ビーム１２が合流する点を示しており、図１に示したように実際には略同じ位置の点を示している。図３（ａ）はレンズ２枚構成による像転写光路であり、レンズ４１、４２が共に焦点距離ｆの凸レンズ、その間の距離が２ｆ、遅延光路の全光路長が４ｆに設定してある。この場合、上記光路系は倒立の像転写光路を形成する。このときの光路系の光線行列は（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）＝（−１，０，０，−１）で表される。光路の始点と終点で、像が反転することから“倒立”と称される。図１の遅延光路は、この倒立の像転写光路により構成されている。それに対し、図３（ｂ）は正立の像転写光路と呼ばれ、図３（ａ）の像転写光路を２個直列に並べて構成している。この光路系の光線行列は（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）＝（１，０，０，１）であり、倒立型のように像が反転することはない。

図１の構成における遅延光路１００を、図３と同様な模式図で表した場合、図４（ａ）に示したように、分岐点→第１のレンズ４１→第１の折り返し光路ユニット５ａ→第２のレンズ４２→第２の折り返し光路ユニット→合流点、の順番で光路が構成されている。ここで、２枚のレンズ４１，４２の焦点距離をｆとし、１つの折り返し光路ユニット５の光路長をほぼ２ｆとすることで、２枚のレンズ４１，４２間の光学距離が２ｆ、分岐点から合流点までの光学距離が４ｆとすることができ、倒立の像転写光路が形成される。 なお、図４（ｂ）に示したように、分岐点→第１の折り返し光路ユニット５ａ→第１のレンズ４１→第２の折り返し光路ユニット５ｂ→第２のレンズ４２→合流点、との順番にしても図３（ａ）に示した像転写の条件を満たすので、同様の効果が得られる。

また、図１の構成では、偏光ビームスプリッター２で透過したＰ偏光成分のレーザビームを遅延ビーム１２としたが、偏光ビームスプリッター２で反射したＳ偏光成分のレーザビームを遅延ビーム１２としても良い。この場合の、波長変換レーザ装置の構成を図５に示す。図５に示したように、偏光ビームスプリッター２で透過したＰ偏光成分は、順ビーム１１として、ベンドミラー３ｆ、３ｂにより、加工レンズ８を経て加工ワーク９へ導かれる。一方、偏光ビームスプリッター２で反射したＳ偏光成分は、遅延ビーム１２として、ベンドミラー３ｇ、３ｈで遅延光路１００に導かれる。遅延光路１００から出てきた遅延ビーム１２は、偏光ビームスプリッター２に入射され、再び反射されて、順ビーム１１と合流して、一本のビームに重畳される。以下の実施の形態においては、偏光ビームスプリッター２で反射されるビームを順ビーム１１、透過されるビームを遅延ビーム１２として説明するが、図５のように反射ビームを遅延ビーム、透過ビームを順ビームとして用いても良い。

次に、図３（ｂ）に示した正立の像転写光路を用いた波長変換レーザ装置の構成を図６に示す。図１との違いは遅延光路のみであるので、遅延光路１０１について説明する。
図６に示したように、折返し光路ユニットを４個、レンズを４枚用いて、遅延光路１０１を構成する。ベンドミラー３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｉ、３ｊ、３ｋ、３ｌで偏光ビームスプリッター２を透過した遅延ビーム１１を以下の通りに導く。まず、遅延ビーム１１を第１のレンズ４１に入射させ、第１のレンズ４１を透過したビームを第１の折り返し光路ユニット５ａに入射させる。その後、第１の折り返し光路ユニット５ａ→第２のレンズ４２→第２の折り返し光路ユニット５ｂ→第３のレンズ４３→第３の折り返し光路ユニット５ｃ→第４のレンズ４４→第４の折り返し光路ユニット５ｄ、の順番にビームを導き、第４の折り返し光路ユニット５ｂから出てきたビームを再度偏光ビームスプリッター２へ入射させている。
ここで、４枚のレンズ４１，４２，４３，４４の焦点距離をｆとし、１つの折り返し光路ユニット５の光路長をほぼ２ｆとすることで、第１のレンズ４１と第２のレンズ４２間および第３のレンズ４３と第４のレンズ４４間の光学距離をそれぞれ２ｆ、分岐点から合流点までの光学距離を８ｆとすることができ、図３（ｂ）に示した正立の像転写光路が形成される。

図６の構成における遅延光路１０１を、図３と同様な模式図で表した場合、図７（ａ）のようになる。正立の像転写を形成するには、第１のレンズ４１と第２のレンズ４２との光学距離、第３のレンズ４３と第４のレンズ４４の光学距離、および分岐点から合流点までの光学距離が、図７（ａ）に示した所定の距離になっていれば良いので、他の構成も考えられる。例えば、図７（ｂ）に示したように、分岐点→第１の折り返し光路ユニット５ａ→第１のレンズ４１→第２の折り返し光路ユニット５ｂ→第２のレンズ４２→第３の折り返し光路ユニット５ｃ→第３のレンズ４３→第４の折り返し光路ユニット５ｄ→第４のレンズ４４→合流点、としても良い。また、図７（ｃ）に示したように、分岐点→第１のレンズ４１→第１の折り返し光路ユニット５ａ→第２のレンズ４２→第２の折り返し光路ユニット５ｂ→第３の折り返し光路ユニット５ｃ→第３のレンズ４３→第４の折り返し光路ユニット５ｄ→第４のレンズ４４→合流点、としても良い。また、図７（ｃ）において、第２の折り返し光路ユニット５ｂと第３の折り返し光路ユニット５ｃを一体として、光路長４ｆの折り返し光路ユニットとしても良い。いずれにしても、４枚のレンズを用いて正立型像転写光路を形成するには、図３（ｂ）に示す光学距離を満足すれば良い。

尚、図６に示した遅延光路１０１は、４枚のレンズを用いて正立型の像転写光路を形成した例であるが、３枚のレンズで形成することも可能である。図８（ａ）に、３枚のレンズで正立型像転写光路を構成した遅延光路１０２の構成図を、図８（ｂ）にその模式図を示す。図６に比較しレンズの配置が異なっており、図６（ａ）に示したように、第１の折り返し光路ユニット５ａと第２の折り返し光路ユニット５ｂの間に焦点距離ｆの第１のレンズ４１を配置し、第２の折り返し光路ユニット５ｂと第３の折り返し光路ユニット５ｃの間に焦点距離ｆ／２の第２のレンズ４５を配置し、第３の折り返し光路ユニット５ｃと第４の折り返し光路ユニット５ｅの間に焦点距離ｆの第３のレンズ４３を配置する構成となっている。これにより、図８（ｂ）に示したように、第１のレンズ４１と第２のレンズ４５間の光学距離、および第２のレンズ４５と第３のレンズ４３間の光学距離を２ｆとし、分岐点と合流点間の光学距離を８ｆとなり、光線行列は（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）＝（１，０，０，１）となるので、正立型像転写光路が形成できる。

次に、本発明の効果について説明する。
本発明の特徴は、遅延光路の始点から終点までの間を像転写接続するように構成している点であり、これにより遅延合成する順ビーム１１と遅延ビーム１２のビーム径の差異、ポインティング変動の影響を解消し、優れたビーム品質の合成パルスビームを形成することができる。この点について以下で説明する。

図９に遅延合成した際のポインティング変化の影響とビーム径の変化について、特許文献１の技術を適用した場合（以下、従来方式と呼ぶ）と本発明との間で比較した。図９（ａ）が従来方式の遅延光路９９のケース、図９（ｂ）が倒立の像転写光学系を適用した場合の本発明、図９（ｃ）が正立の像転写光学系を適用した場合の本発明のケースである。ここで、従来方式の遅延光路９９は、例えば図１の遅延光路１００において２枚のレンズ４１，４２が無い構成である。それぞれのケースにおいて、元のレーザビーム１０が角度ポインティング変化した場合の変化光軸を、順ビーム１１は破線で、遅延ビーム１２は実線で、本来の光軸を一点鎖線で表している。また、遅延合成後の光路中に設置した仮想ターゲット６上の２つの円は、仮想ターゲット６上に照射される順ビーム１１のビームスポット１１１と遅延ビーム１２のビームスポット１１２を表しており、その円の大きさはビーム径を表している。

図９（ａ）の従来方式の場合、元のレーザビーム１０にわずかな角度ポインティング変化が生じると、遅延ビーム１２は遅延光路９９内の非常に長い光路を経てくるため、遅延ビーム１２の光軸は大きく変化してしまい順ビーム１１の光軸と大きく分離してしまう。その結果、例え一本のビームに重畳するように光軸調整をしても、温度変化や周囲の振動による機械変動での経時的なずれにより、時間経過と共に元のレーザビーム１０のポインティングが変化し、遅延合成ビームの光軸が２つに分離してしまう現象が発生する。一方、図９（ｂ）（ｃ）では像転写光学系が適用されている為、元のレーザビーム１０にポインティング変化が生じても、偏光ビームスプリッター２の合流点において遅延ビーム１２の光軸と順ビーム１１の光軸は常に一致するように変化する。尚、図９（ｂ）は倒立型の像転写である為、遅延ビーム１２の光軸は順ビーム１１の光軸とは逆方向の傾き成分を持つ為、合流点から離れるに従って遅延ビーム１２と順ビーム１１は僅かながら分離してしまう。しかし、合流点からワークまでの光路長は数ｍもしくは１ｍ以下であり、遅延ビーム１２と順ビーム１１との照射位置のずれはほとんど問題にならないレベルである。図９（ｃ）の場合は正立型の像転写であり、遅延合成後の光路のどの位置でも遅延ビーム１２と順ビーム１１の光軸は常に一致し、完全なビーム合成が為される。

補足として、図１０に遅延光路長と合流点での光軸変異量との関係を示す。これは、元のレーザビーム１０に１００μｒａｄのポインティング変化が生じたと仮定した場合の計算結果である。図１０に示したように、従来方式の場合は遅延光路長に比例して光軸変異量が増大し、例えば遅延光路長が１００メートルの場合に合流点での光軸変異量は１０ｍｍに達する。一方、像転写光路を適用した場合の光軸変異量は０であり光軸が変動しないことがわかる。

また、図１１に順ビーム１１と遅延ビーム１２の合流点でのビーム径の差異を従来方式と本発明の方式とでシミュレーション計算にて比較した結果を示す。遅延光路長は１００メートル、元のレーザビームのビーム径はφ５ｍｍ、レーザビームの波長は３５５ｎｍとして計算した。遅延ビームは遅延光路長に応じてビーム径が拡大する為、長距離の遅延光路を組んだ場合ビーム径はかなり増大してしまう。上記の計算では、従来方式の場合、遅延ビームは順ビームの２倍以上のビーム径にまで拡大してしまう。一方、像転写光路を適用した本発明の場合は、分離点でのビーム径がそのまま合流点に転写される為、長距離の遅延光路でもビーム径は変化せず、順ビームと遅延ビームは同じビーム径で合成される。

すなわち、パルス周波数変換技術として遅延合成技術を適用する場合、長距離の遅延光路が必要となるが、その際ポインティング変動の影響が顕著になってしまう。しかし像転写接続した遅延光路では、原理的に遅延光路の長さによらず合流点での光軸変異量は０であり、元のレーザビームのポインティング変動の影響は受けないことを意味している。

このように長距離の遅延光路を組んでも、像転写光路を適用した本実施の形態の構成ではポインティング変動の影響を受けず、かつ、ビーム径も順ビームと遅延ビームとが同一の状態で合成される為、高品質で安定したパルスビームを合成することができ、高品質のレーザ加工が実現できる。

尚、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば本実施の形態と同等の効果が得られる。具体的には遅延光路全体のＡＢＣＤ光線行列をメートル単位で数値計算したときの行列値Ｂの値が１０以内の値であれば効果的である。通常、光軸が数ｍｍ以上変位し光学部品の中心から外れたり、ビームの裾野が光学部品のエッジに照射したりするとビームが不安定となり問題が発生するが、一般的な波長変換レーザのポインティング変動量が０．１μｒａｄ以下であることを考えるとＢの値が１０以内であれば変位量は１ｍｍ以下に抑制され、問題ない範囲に収まると言える。

また、上記実施の形態では、波長変換レーザ発振器としてＮｄ：ＹＡＧレーザの３倍波ＵＶレーザを適用して説明してきたが、２倍波グリーンレーザや４倍波ＵＶレーザ等の他の高調波レーザでも効果が期待でき、３倍波レーザに限定するものではない。

実施の形態２．
図１２は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態２を示す図であり、図１２（ａ）は波長変換レーザ装置の構成図であり図１２（ｂ）は遅延光路の模式図である。図１と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図１の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路内に１／２波長板等の９０度偏光回転手段を設置し、遅延ビームが１つの折り返し光路ユニットを２回繰返して通過するようにした点が異なる。この構成の動作原理を以下で述べる。

まず、図１２（ａ）においては、レーザビーム１０が偏光ビームスプリッター２に入射後、Ｓ偏光成分は反射され順ビーム１１となり、Ｐ偏光成分は透過して遅延ビーム１２となって遅延光路１０３に入射する。遅延ビーム１２は、遅延光路１０３内に設置された１／２波長板２０を通過しＳ偏光の遅延ビーム１２ａに変換され、ベンドミラー３ｃにより焦点距離ｆのレンズ４１に導かれ、レンズ４１と光路長が略２ｆの折返し光路ユニット５ａを通過し、ベンドミラー３ｄ、３ｅにより偏光ビームスプリッター２の側面に入射される。このとき遅延ビーム１２ａの偏光はＳ偏光である為、偏光ビームスプリッター２で反射されて再度遅延光路１０３に入射する。そして、再度１／２波長板２０を通過して、今度は分岐された直後と同じＰ偏光の遅延ビーム１２に変換される。そのまま遅延光路１０３を同じように通過して、偏光ビームスプリッター２の側面に入射した遅延ビーム１２は、Ｐ偏光であるので偏光ビームスプリッター２を透過し、順ビーム１１に合流し重畳される。すなわち、遅延光路１０３内に１／２波長板２０を挿入することで遅延ビーム１２は遅延光路を２回繰り返して通過することになる。なお、１／２波長板２０の挿入位置は遅延光路中であればどこでも良い。

また遅延光路内のレンズ４１は、遅延ビームが遅延光路を２回繰り返し通過することで、遅延光路の分岐点から合流点までの間が像転写接続されるような設計値になっている。遅延光路１０３の模式図を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）に示したように、レンズ４１の焦点距離はｆ、折り返し光路ユニット５ａの光路長は略２ｆなので、遅延光路１周分の光路長をＬとした場合、Ｌ＝２ｆの関係を満たすように設計されている。これにより、遅延光路を２回通過することによる分岐から合流までの全遅延光路長は２Ｌ（＝４ｆ）となり、またレンズ４１を２回通過する間の光路長は２ｆとなるので、分岐点から合流点までの間を像転写接続する条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは１枚であるが、見かけ上遅延光路上には２枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。
尚、レンズ４１の位置は、図１３では折り返し光路ユニット５ａの手前としているが、折り返し光路ユニット５ａの後に配置しても、像転写接続の条件は満たされる。

図１２に示した構成は、倒立型の像転写構成の遅延光路であるが、次に正立型の像転写構成の遅延光路を説明する。
図１３は、図１２と同様に遅延光路を２回通過する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図１３（ａ）は波長変換レーザ装置の構成図であり図１３（ｂ）は遅延光路の模式図である。図１３（ａ）に示したように、構成は略図１と同じであり、１／２波長板２０を遅延光路１０４内に配置した点が異なる。遅延光路１０４中に１／２波長板を配置することで、図１２と同様に、遅延ビーム１２は遅延光路を２回通過することになる。２枚のレンズ４１，４２の焦点距離をｆ、２つの折り返し光路ユニット５ａ，５ｂの光路長を約２ｆ、遅延光路１０４の光路長をＬとすると、遅延光路１０４の模式図は図１３（ｂ）のようになる。図１３（ｂ）に示したように、Ｌ＝４ｆであり、２枚のレンズ４１，４２間の光路長は２ｆとなるので、全遅延光路長は２Ｌ＝８ｆとなり、分岐点から合流点までの間を正立で像転写接続する条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは２枚であるが、見かけ上遅延光路上には４枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。
尚、図１４では、２枚のレンズ４１、４２を第１の折り返しユニット５ａの前後に配置しているが、第２の折り返し光路ユニット５ｂの前後に配置しても、像転写接続の条件は満たされる。

図１２または図１３に示した構成により、遅延ビーム１２は遅延光路１０４を２回繰り返して通過する為、倒立型像転写の場合は実施の形態１の図１と比べて、正立型の像転写の場合は実施の形態１の図６と比べて、折り返し光路ユニットの数や像転写用のレンズの数を半減することができ、コンパクトな構成で図１または図６と同等の長距離遅延光路を実現できる。

尚、本実施例における１／２波長板２０は、偏光方向を９０度回転させる手段であれば、ローテータや１／４板を２枚用いる等の他の手段であっても良く、本構成に限定するものではない。また、レンズ４１の１枚で像転写光路を形成する構成について述べたが、遅延光路の始点と終点を像転写接続する構成であればレンズ２枚構成でも３枚構成でもよく、本実施例の構成に限定するものではない。また、実施の形態１で述べたように、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば良い。

実施の形態３．
図１４は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態３を示す図で、図１４（ａ）は波長変換レーザ装置の構成図であり、図１４（ｂ）は遅延光路の模式図である。図１と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図１の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路内に２枚の１／４波長板と２枚の全反射ミラーを設置し、遅延ビームが遅延光路を往復して通過するようにした点が異なる。図１の構成に対し、よりコンパクトな構成で長距離の遅延光路を実現するのが目的という点で図６の構成と同じ効果を奏するものであるが、図６とは異なる光路構成で同様の効果を実現したものである。この点について以下で述べる。

図１４（ａ）において、レーザビーム１０のＰ偏光成分が偏光ビームスプリッター２を透過し、遅延光路１０５に導かれ遅延ビーム１２となる。遅延ビーム１２は第１の１／４波長板５１を通過して円偏光に変換さる。円偏光に変換された遅延ビーム１２ｂは、ベンドミラー３ｃにより光路長ｆの第１の折り返し光路ユニット７ａに導かれ、第１の折り返し光路ユニット７ａを通過した後、ベンドミラー３ｄ，３ｅにより焦点距離ｆのレンズ４２と、光路長ｆの第２の折返し光路ユニット７ｂを順番に通過する。第２の折り返し光路ユニット７ｂを通過した遅延ビーム１２ａは、第１の全反射ミラー６１で反射される。反射された遅延ビーム１２ｂは、逆に第２の折返し光路ユニット７ｂ、レンズ４２、第１の折り返し光路ユニット７ｂの順番に通過して、第１の１／４波長板５１でＳ偏光の遅延ビーム１２ｃに変換され、偏光ビームスプリッター２に帰還する。遅延ビーム１２ｃはＳ偏光なので、偏光ビームスプリッター２で一旦順ビーム１１と逆方向に反射され、第２の１／４波長板５２を通過して円偏光に変換される。円偏光に変換された遅延ビーム１２ｂは、第２の全反射ミラー６２で逆方向に折返し反射され、再度第２の１／４波長板５２を通過し、今度は元のＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に戻された遅延ビーム１２は、再度偏光ビームスプリッター２の側面に入射し、今度はＰ偏光である為そのまま透過し順ビーム１１と合流して一本のビームに重畳される。

図１４（ａ）の遅延光路１０５の模式図を図１４（ｂ）に示す。遅延ビーム１２は、分岐点→第１の折り返しユニット７ａ→レンズ４２→第２の折り返しユニット７ｂ→第１の全反射ミラー６１→第２の折り返しユニット７ｂ→レンズ４２→第１の折り返しユニット７ａ→合流点（分岐点）→第２の全反射ミラー６２→合流点、の順番に通過する。図１４（ｂ）に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態１の図１の折り返し光路ユニット５の光路長の半分の約ｆとすることで、第１の全反射ミラーを介してレンズ４２を２回通過する間の光路長は２ｆとなり、遅延光路１０５の全遅延光路長は４ｆとなる。レンズ４２の焦点距離はｆなので、分岐点から合流点までを倒立型像転写接続する設計条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは１枚であるが、見かけ上遅延光路上には２枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。

図１４に示した構成により、遅延ビーム１２は遅延光路１０５を往復して通過する為、実施の形態１の図１と比べて、光路長が半分の折り返し光路ユニットを用いることができるとともに像転写用のレンズの数が半分の１枚でよく、コンパクトな構成または寸法で図１と同等の長距離遅延光路を実現できる。

図１４に示した構成は、倒立型の像転写構成の遅延光路であるが、次に正立型の像転写構成の遅延光路を説明する。
図１５は、図１４と同様に遅延光路を往復する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図１５（ａ）は波長変換レーザ装置の構成図であり図１５（ｂ）は遅延光路の模式図である。図１５（ａ）に示したように、構成は略図１４と同じであり、遅延光路１０６内の２つの折り返し光路ユニットの光路長が、実施の形態１と同様に約２ｆである点と、第１の１／４波長板５１と第１の折り返し光路ユニット５ａの間に、焦点距離ｆのレンズ４１を挿入している点が異なる。遅延光路１０６中に２つの１／４波長板５１，５２と全反射ミラー６１，６２を配置することで、図１４と同様に、遅延ビーム１２は遅延光路を往復することになる。よって、遅延ビーム１２は、分岐点→第１のレンズ４１→第１の折り返しユニット５ａ→第２のレンズ４２→第２の折り返しユニット５ｂ→第１の全反射ミラー６１→第２の折り返しユニット５ｂ→第２のレンズ４２→第１の折り返しユニット５ａ→第１のレンズ４１→合流点（分岐点）→第２の全反射ミラー６２→合流点、の順番に通過する。

また、図１５（ｂ）に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態１の図１の折り返し光路ユニット５の光路長と同じ約２ｆとすることで、２つのレンズ４１，４２間の光路長は２ｆとなり、遅延光路１０６の全遅延光路長は８ｆとなる。２枚のレンズ４１、４２の焦点距離はｆなので、分岐点から合流点までを正立型像転写接続する設計条件が満たされる。すなわち、実際のレンズは２枚であるが、見かけ上遅延光路上には４枚のレンズが配置されているのと同等の構成となるのである。

図１５に示した構成により、遅延ビーム１２は遅延光路１０６を往復して通過する為、実施の形態１の図６と比べて、折り返し光路ユニットの数および像転写用のレンズの数を半分にすることができ、コンパクトな構成または寸法で図６と同等の長距離遅延光路を実現できる。

尚、上記実施の形態では１枚のレンズや２枚のレンズ構成での像転写接続構成について説明したが、それ以外の枚数のレンズを用いた構成や、全反射ミラー６１を球面ミラーとしレンズと組合せて像転写光学系を形成する構成も考えられ、上記のような構成に限定するものではない。一例として、球面ミラーを用いた場合の遅延光路を、図１６を用いて説明する。

図１６は、図１５と同様に遅延光路を往復する場合の、正立型の像転写構成の遅延光路を備えた波長変換レーザ装置を示す図で、図１６（ａ）は波長変換レーザ装置の構成図であり図１６（ｂ）は遅延光路の模式図である。図１６（ａ）に示したように、構成は略図１５と同じであり、遅延光路１０６内の第１の全反射ミラーが曲率半径ｆの球面ミラー６３に置き換わっている点と、第１の１／４波長板５１と第１の折り返し光路ユニット５ａの間にレンズ４１を挿入していない点が異なる。遅延光路１０６中に２つの１／４波長板５１、５２と全反射ミラー６２、球面ミラー６３を配置することで、図１５と同様に、遅延ビーム１２は遅延光路を往復することになる。この場合、遅延ビーム１２は、分岐点→第１の折り返しユニット５ａ→レンズ４２→第２の折り返しユニット５ｂ→球面ミラー６３→第２の折り返しユニット５ｂ→レンズ４２→第１の折り返しユニット５ａ→合流点（分岐点）→全反射ミラー６２→合流点、の順番に通過する。

また、図１６（ｂ）に示したように、折り返し光路ユニットの光路長を実施の形態１の図１の折り返し光路ユニット５の光路長と同じ約２ｆとすることで、レンズ４２と球面ミラー間の光路長は２ｆとなり、遅延光路１０６の全遅延光路長は８ｆとなる。レンズ４２の焦点距離および球面ミラーの曲率半径は共にｆなので、図８（ｂ）と同等の構成となり、分岐点から合流点までを正立型像転写接続する設計条件が満たされる。

なお、実施の形態１で述べたように、上記像転写光路は、遅延光路の分岐点から合流点までの間を完全に像転写接続するものでなくてもよく、略像転写となる光路系であれば良い。

実施の形態４．
図１７は、本発明にかかる波長変換レーザ装置の実施の形態４の構成を示す図である。図１と同構成の部分には同番号を付している。本構成は、図１の構成と同じ原理に基づき、同様の効果を有するが、遅延光路を密封筐体で覆った構造となっている点が異なる。

図１７において、２つの折返し光路ユニット５ａ，５ｂと２つの像転写用のレンズ４１，４２を備える遅延光路１００は、全体が密閉筐体７０に覆われている。遅延ビーム１２は密閉筐体７０に設けられた第１のウィンドー７１から遅延ユニット内に進入し、第２のウィンドー７２から出射して、偏光ビームスプリッター２を通り抜けて、順ビーム１１と合流する。

ここで、２つの折返し光路ユニット５ａ，５ｂからなる遅延光路は全長で１００ｍ以上の光路長を持ち、例えば図１のような光路がむき出しの構成の場合は、光路中の空気の揺らぎによる収差変動の影響を強く受けてしまう。通常の数ｍ程度の光路では、図１８（ａ）の順ビームに示したように、収差変動の影響を受けることはまず無いが、１００ｍ規模の長距離光路の場合は、図１８（ａ）の遅延ビームに示したようにパルスのばらつきが発生し無視できない影響が生じる。このような遅延光路１００内での収差変動は像転写光学系でもキャンセルすることはできず、合流点でのビームのポインティングがゆらゆらと揺らぐ現象となって現れ、加工ビームのパルス安定性が低下してしまう。

光路中の収差変動の原因は温度差のついた空気の対流によるものであり、装置周辺の空調設備からの気流などで変動してしまう。従って、遅延光路部を密閉筐体で覆い、装置周辺からの気流の影響を受けなくすることが効果的である。図１８（ｂ）に密閉筐体を適用しない方式の場合と密閉筐体を適用した場合とで、遅延ビームのパルスばらつきを比較した。ここで、パルスのばらつきとして、図１８（ａ）の遅延ビームで示したようにパルスの高さのばらつきΔＰを指標として用いる。図１８（ｂ）において、一番左が（１）通常設計の遅延光路でかつ非密閉すなわち図１において像転写用のレンズ４１，４２が無い場合、中央が（２）実施の形態１の図１に相当する像転写接続で非密閉の場合、一番右が（３）像転写接続の遅延光路でかつ密閉筐体を適用したすなわち図１７の構成の場合である。ケース（１）に比べ、ケース（２）のように像転写接続するだけでもパルスばらつきは半減するが、更にケース（３）のように密閉筐体を適用することで、パルスばらつきはケース（１）の１／４程度に低減される。その結果、レーザ加工の品質が安定するなどの効果が得られる。

尚、上記で説明した密閉筐体とは、外気の気流を遮断する構造となっていれば良く、ガス封入チャンバーや真空容器のような厳密なリークレート管理を要する容器である必要は無い。板金部材の張り合わせによるカバー構造でも十分である。また、図１７では実施の形態１の図１に密閉筐体７０を適用したが、その他の実施の形態に適用しても同様の効果が得られる。

この発明に係る波長変換レーザ装置は、高繰り返し周波数で高出力でのレーザ加工が要求される分野のレーザパルス合成手段として用いられるのに適している。

この発明の実施の形態１を示す波長変換レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１である波長変換レーザ装置によるパルスビームを示す図である。 像転写光路の構成を説明する模式図である。 この発明の実施の形態１である波長変換レーザ装置の倒立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態１を示す他の波長変換レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１を示す他の波長変換レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１である波長変換レーザ装置の正立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態１である他の波長変換レーザ装置の正立型像転写の遅延光路の構成図および模式図である。 この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、光軸およびビーム径の変化を比較した図である。 この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、光軸変化量の計算結果を比較したグラフである。 この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装置と従来技術を適用したものとで、ビーム径変化量の計算結果を比較したグラフである。 この発明の実施の形態２を示す波長変換レーザ装置の構成図および倒立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態２を示す波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態３を示す波長変換レーザ装置の構成図および倒立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態３を示す波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態３を示す他の波長変換レーザ装置の構成図および正立型像転写の遅延光路の模式図である。 この発明の実施の形態４を示す波長変換レーザ装置の構成図である。 この発明の実施の形態４の波長変換レーザ装置とこの発明の実施の形態１のものと従来技術を適用したものとで、パルス安定性の実験結果を比較した図である。

符号の説明

１ 波長変換レーザ発振器
２ 偏光ビームスプリッター
５、７ 折り返し光路ユニット
１０ レーザビーム
１１ 順ビーム
１２ 遅延ビーム
２０ １／２波長板
４１ 第１のレンズ
４２、４５ 第２のレンズ
４３ 第３のレンズ
４４ 第４のレンズ
５１ 第１の１／４波長板
５２ 第２の１／４波長板
６１ 第１の全反射ミラー
６２ 第２の全反射ミラー
６３ 球面ミラー
７０ 密閉筐体
７１ 第１のウィンドー
７２ 第２のウィンドー
１００，１０１，１０２，１０３，１０４ 遅延光路
１１１ 順ビームのビーム径
１１２ 遅延ビームのビーム径

Claims (10)

1. 高調波レーザビームを出力する波長変換レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出力された高調波レーザビームを複数のレーザビームに分岐するレーザビーム分岐手段と、
   前記分岐された複数のレーザビームを重畳させて合成するレーザビーム合成手段と、
   前記分岐された複数のレーザビームのうち少なくとも１つのレーザビームの光路長を他のレーザビームの光路長よりも長くする遅延光路手段と、
   前記遅延光路手段に配置され前記分岐手段のレーザビームの分岐点と前記合成手段のレーザビームの合流点との間を像転写接続する像転写手段とを、
   備えた波長変換レーザ装置。
2. 前記像転写手段は、
   倒立型像転写を行うものである、
   請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
3. 前記像転写手段は、
   前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を４ｆとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離ｆのレンズを２つ配置するとともに、その２つのレンズ間の光路長が２ｆとなるようにしたものである、
   請求項２に記載の波長変換レーザ装置。
4. 前記像転写手段は、
   正立型像転写を行うものである、
   請求項１に記載の波長変換レーザ装置。
5. 前記像転写手段は、
   前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を８ｆとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離ｆのレンズを４つ配置するとともに、前記４つのレンズを前記分岐点側のレンズとそれに隣接するレンズ間の光路長を２ｆ、前記合流点側のレンズとそれに隣接するレンズ間の光路長を２ｆとなるようにしたものである、
   請求項４に記載の波長変換レーザ装置。
6. 前記像転写手段は、
   前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を８ｆとした場合、前記遅延光路手段を通過するレーザビームの光路上に焦点距離ｆの２つのレンズおよび焦点距離ｆ／２のレンズを、焦点距離ｆのレンズ、焦点距離ｆ／２のレンズ、焦点距離ｆのレンズの順番に配置するとともに、前記焦点距離ｆのレンズと前記焦点距離ｆ／２のレンズ間の光路長を２ｆとなるようにしたものである、
   請求項４に記載の波長変換レーザ装置。
7. 前記遅延光路手段は、
   前記分岐されたレーザビームをミラーで反射させ前記合成手段へ導くことでこのレーザビームの光路長を延長するものであり、
   前記像転写手段は、
   前記遅延光路手段による前記分岐点から前記合流点までのレーザビームの光路長を８ｆとした場合、前記ミラーを曲率半径ｆの球面ミラーとし、この球面ミラーの入射および出射するレーザビームの光路上に焦点距離ｆのレンズを配置するとともに、前記レンズと前記球面ミラー間の光路長を２ｆとなるようにしたものである、
   請求項４に記載の波長変換レーザ装置。
8. 前記遅延光路手段を覆いレーザビームの入射または出射用のウィンドーが設けられた密閉筐体を備えた、
   請求項１から７のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
9. 前記波長変換レーザ発振器は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを基本波レーザとして高調波レーザビームを出力するものである、
   請求項１から８のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
10. 前記遅延光路手段の光線行列（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をメートル単位で表した場合、この光線行列のＢの値が１０以内である、
    請求項１から９のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。

Images