JP2012074434A - Laser device and laser processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルスレーザ光を発生するレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser apparatus that generates pulsed laser light and a laser processing apparatus using the same.
下記特許文献１では、光を発生し増幅するレーザ媒質（励起ヨウ素原子）と、１枚の部分透過鏡と少なくとも１枚の全反射鏡からなる光共振器と、該光共振器から出力するレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、複数枚の全反射鏡を前記レーザ媒質を挟んで対向配置することにより該レーザ媒質を複数回通過する増幅部を形成し、前記ビームエキスパンダからの光を該増幅部で増幅して出射するように構成された増幅器とを備える気体レーザ共振器が提案されている。光共振器内には、レーザ光をパルス発振させるための光学的スイッチ素子が設けられる。 In Patent Document 1 below, a laser medium (excited iodine atom) that generates and amplifies light, an optical resonator including one partial transmission mirror and at least one total reflection mirror, and a laser output from the optical resonator A beam expander that expands the beam diameter of the light and a plurality of total reflection mirrors are arranged opposite to each other with the laser medium interposed therebetween, thereby forming an amplifying unit that passes the laser medium a plurality of times. There has been proposed a gas laser resonator including an amplifier configured to amplify and emit light at the amplification unit. In the optical resonator, an optical switch element for pulsing laser light is provided.
上述の気体レーザ共振器は、レーザ媒質をレーザ光の発振および増幅の両方に利用するとともに、光共振器でのパルス発振により高出力のパルスレーザ光を発生している。
しかしながら、連続的なパルス発振によってレーザ媒質の利得が低下してしまい、その結果、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を供給できないという問題がある。
The gas laser resonator described above uses a laser medium for both oscillation and amplification of laser light, and generates high-power pulse laser light by pulse oscillation in the optical resonator.
However, the gain of the laser medium is lowered by continuous pulse oscillation, and as a result, there is a problem that a pulse group with high repetition and high reproducibility cannot be supplied.
本発明の目的は、高出力、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給できるレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser device capable of stably supplying a pulse group having high output, high repetition, and high reproducibility, and a laser processing apparatus using the same.
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、第１方向に移動するレーザ媒質と、
レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、
第１方向と交差する第２方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、
光共振器のＱ値を周期的に変化させるためのＱスイッチ素子と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser apparatus according to the present invention includes a laser medium that moves in a first direction,
An optical resonator having an oscillation region for oscillating pulsed laser light in a laser medium;
An optical amplifier having an optical axis along a second direction intersecting the first direction, and having an amplification region in the laser medium for amplifying the pulsed laser light from the optical resonator;
A Q switch element for periodically changing the Q value of the optical resonator;
And a control unit for stopping the amplification operation of the optical amplifier by a predetermined time width at a predetermined period.
また本発明は、パルスレーザ光を発生するレーザ装置であって、
レーザ光を発振する光共振器と、
光共振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備えることを特徴とする。
The present invention is also a laser device for generating pulsed laser light,
An optical resonator that oscillates laser light;
An optical amplifier for amplifying the laser light from the optical resonator;
And a control unit for stopping the amplification operation of the optical amplifier by a predetermined time width at a predetermined period.
本発明によれば、光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させることによって、レーザ媒質の利得低下を回避できるため、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。
According to the present invention, the gain operation of the laser medium can be avoided by stopping the amplification operation of the optical amplifier for a predetermined period of time at a predetermined period, so that a highly repetitive and highly reproducible pulse group is stably supplied. be able to.
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１、５２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。ここで理解容易のため、光共振器および光増幅器の光軸方向をＸ方向、レーザ媒質Ｇを励起する放電の方向をＹ方向、レーザ媒質Ｇを供給する方向と平行な方向をＺ方向とする。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing Embodiment 1 of the present invention. The laser device includes discharge electrodes 1 and 2, a laser medium G, an optical resonator including mirrors 11 and 12, transmission mirrors 51 and 52, an optical amplifier including mirrors 53, 54, 55, and 56, and a Q switch. It comprises an element 21, a drive circuit 31 that drives the Q switch element 21, a control circuit 32 that controls the drive circuit 31, a control unit 33 that controls the amplification operation of the optical amplifier, and the like. Here, for easy understanding, the optical axis direction of the optical resonator and the optical amplifier is the X direction, the discharge direction for exciting the laser medium G is the Y direction, and the direction parallel to the direction of supplying the laser medium G is the Z direction. .
放電電極１，２は、金属プレートまたは、金属プレートと誘電体コートの組合せで形成されており、高周波電源（不図示）から交番電圧が印加されると、電極間の放電空間３の内部でＹ方向に沿ったグロー放電が発生する。放電電極１，２は、例えば、金属部分が３ｃｍ×１００ｃｍ程度の表面を有し、放電空間３は、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状である。 The discharge electrodes 1 and 2 are formed of a metal plate or a combination of a metal plate and a dielectric coat. When an alternating voltage is applied from a high-frequency power source (not shown), the discharge electrodes 1 and 2 inside the discharge space 3 between the electrodes A glow discharge is generated along the direction. The discharge electrodes 1 and 2 have, for example, a metal portion having a surface of about 3 cm × 100 cm, and the discharge space 3 has a rectangular parallelepiped shape of about 3 cm × 3 cm × 100 cm, for example.
グロー放電によってレーザ媒質Ｇ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザ媒質Ｇとして、ＣＯ２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザ媒質ＧとしてＣＯ２を使用した場合を例示するが、他のレーザ媒質、例えば、ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦなどを使用した場合も本発明は適用可能である。 When molecules or atoms in the laser medium G are excited to a laser upper level by glow discharge, the light amplification effect is exhibited. For example, when a mixed gas containing CO 2 molecules is used as the laser medium G, laser oscillation light having a wavelength of 10.6 μm can be obtained by transition between vibration levels of the CO 2 molecules. Here, the case where CO 2 is used as the laser medium G is illustrated, but another laser medium such as CO, N 2 , He—Cd, HF, Ar + , ArF, KrF, XeCl, XeF, or the like is used. Even in this case, the present invention is applicable.
レーザ装置は、レーザ媒質Ｇを外気と遮断するための筐体（不図示）を備え、筐体内部には、熱交換器、ブロワ、ダクトなどが設けられる。ブロワは、筐体内に封入されたレーザ媒質Ｇをダクト内面に沿って循環させる。これにより放電空間３に向けてレーザ媒質Ｇが−Ｚ方向に沿って供給される。放電空間３を通過したレーザ媒質Ｇは、熱交換器で冷却され、再びブロワに戻る。放電空間３では大気圧より低い圧力に維持されており、レーザ媒質Ｇは、図１の矢印の方向に空間的に均一な速度分布、例えば、１００ｍ／ｓ程度の速度で移動する。 The laser device includes a housing (not shown) for blocking the laser medium G from the outside air, and a heat exchanger, a blower, a duct, and the like are provided inside the housing. The blower circulates the laser medium G sealed in the casing along the inner surface of the duct. As a result, the laser medium G is supplied toward the discharge space 3 along the −Z direction. The laser medium G that has passed through the discharge space 3 is cooled by the heat exchanger and returns to the blower again. The discharge space 3 is maintained at a pressure lower than atmospheric pressure, and the laser medium G moves in the direction of the arrow in FIG. 1 at a spatially uniform velocity distribution, for example, a velocity of about 100 m / s.
ミラー１１，１２は、放電空間３を挟んで互いに対向するように配置される。ミラー１１として、例えば、凹面または平面の全反射鏡が用いられ、ミラー１２として、例えば、凹面または平面の部分反射鏡が用いられ、２つのミラー１１，１２で光共振器を構成している。光共振器は、レーザ媒質Ｇの移動方向（−Ｚ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＸ方向に沿った光軸を有する。光共振器の光軸上には、レーザ光のビームモードを制御するためのアパーチャ（不図示）が設けられ、アパーチャの開口部と、レーザ光が放電空間３を通過する距離とで規定される円柱状の空間が発振領域になる。発振領域は、レーザ媒質Ｇの上流側に位置している。 The mirrors 11 and 12 are disposed so as to face each other with the discharge space 3 interposed therebetween. For example, a concave or flat total reflection mirror is used as the mirror 11, and a concave or flat partial reflection mirror is used as the mirror 12, and the two mirrors 11 and 12 constitute an optical resonator. The optical resonator has an optical axis along the direction that intersects the moving direction (−Z direction) of the laser medium G, preferably the X direction that is orthogonal. An aperture (not shown) for controlling the beam mode of the laser beam is provided on the optical axis of the optical resonator, and is defined by the aperture opening and the distance through which the laser beam passes through the discharge space 3. A cylindrical space becomes an oscillation region. The oscillation region is located on the upstream side of the laser medium G.
Ｑスイッチ素子２１は、光共振器のＱ値を高速に制御する機能を有し、光共振器の内部で放電空間３の外側に設けられる。Ｑスイッチ素子２１として、音響光学素子、電気光学素子、機械式シャッタ、チョッパなどが使用できる。Ｑスイッチ素子２１として音響光学素子を使用した場合、数１０ＭＨｚの交流電圧を供給する駆動回路３１が接続される。 The Q switch element 21 has a function of controlling the Q value of the optical resonator at high speed, and is provided outside the discharge space 3 inside the optical resonator. As the Q switch element 21, an acousto-optic element, an electro-optic element, a mechanical shutter, a chopper, or the like can be used. When an acousto-optic element is used as the Q switch element 21, a drive circuit 31 that supplies an AC voltage of several tens of MHz is connected.
駆動回路３１には、マイクロプロセッサ等で構成される制御回路３２が接続される。制御回路３２は、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御することによって、光共振器のＱ値を周期的に変化させる機能を有する。例えば、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１を５μｓに設定し、光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２を５μｓに設定してＱスイッチ動作を行うと、繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、その一部がミラー１２から出力される。本実施形態では、平均出力１０Ｗ程度で、ミラー１２でのビーム半径が１ｍｍ程度のＱスイッチパルスレーザ光４１が出力される。 A control circuit 32 composed of a microprocessor or the like is connected to the drive circuit 31. The control circuit 32 has a function of periodically changing the Q value of the optical resonator by controlling the operation of the Q switch element 21. For example, when the on-period T1 in which the Q value of the optical resonator is high is set to 5 μs and the off-period T2 in which the Q value of the optical resonator is low is set to 5 μs and the Q switch operation is performed, a pulse with a repetition frequency of 100 kHz The laser beam oscillates and a part of the laser beam is output from the mirror 12. In the present embodiment, the Q switch pulse laser beam 41 having an average output of about 10 W and a beam radius at the mirror 12 of about 1 mm is output.
制御回路３２には、マイクロプロセッサ等で構成される制御部３３が接続される。制御部３３は、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御し、所定の周期で所定の時間幅だけ光共振器のＱ値を発振閾値未満に維持する機能を有する。なお、ここでは理解容易のため、制御回路３２と制御部３３を別個の構成要素として示したが、単一の構成要素として一体化したものでも構わない。 To the control circuit 32, a control unit 33 configured by a microprocessor or the like is connected. The control unit 33 has a function of controlling the operation of the Q switch element 21 and maintaining the Q value of the optical resonator below the oscillation threshold for a predetermined time width in a predetermined cycle. Here, for ease of understanding, the control circuit 32 and the control unit 33 are shown as separate components, but may be integrated as a single component.
伝送ミラー５１，５２は、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器に入射させる折り返しミラーとして機能する。本実施形態では、伝送ミラー５１として凸面の全反射ミラー、伝送ミラー５２として凹面の全反射ミラーが用いられ、レーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。本実施形態では、ミラー１２上でビーム半径１ｍｍ程度のレーザ光４１を、放電空間３に再入射する直前でビーム半径４ｍｍ程度になるようにビーム径を拡大し、コリメートしている。こうした構成により、光共振器ではレーザ光のビーム径を小さくして、単一モード発振を確保するとともに、光増幅器ではビーム径を大きくして、レーザ光の増幅効率を向上させている。 The transmission mirrors 51 and 52 function as folding mirrors that allow the laser light 41 from the optical resonator to enter the optical amplifier. In this embodiment, a convex total reflection mirror is used as the transmission mirror 51, and a concave total reflection mirror is used as the transmission mirror 52, thereby constituting a beam expander that expands the beam diameter of the laser light. In the present embodiment, the laser beam 41 having a beam radius of about 1 mm on the mirror 12 is collimated by expanding the beam diameter so that the beam radius is about 4 mm immediately before reentering the discharge space 3. With such a configuration, the optical resonator reduces the beam diameter of the laser light to ensure single mode oscillation, and the optical amplifier increases the beam diameter to improve the amplification efficiency of the laser light.
ミラー５３〜５６は、放電空間３を挟むように配置され、光増幅器を構成している。レーザ光は、伝送ミラー５２→放電空間３→ミラー５３→放電空間３→ミラー５４→放電空間３→ミラー５５→ミラー５６→放電空間３の順で進行する際、励起されたレーザ媒質Ｇによって増幅される。本実施形態では、光増幅器に入射したレーザ光が、放電空間３を５回通過することによって増幅され、最終的に平均出力１ｋＷのレーザ光が取り出される。 The mirrors 53 to 56 are arranged so as to sandwich the discharge space 3 and constitute an optical amplifier. The laser light is amplified by the excited laser medium G when traveling in the order of transmission mirror 52 → discharge space 3 → mirror 53 → discharge space 3 → mirror 54 → discharge space 3 → mirror 55 → mirror 56 → discharge space 3. Is done. In this embodiment, the laser light incident on the optical amplifier is amplified by passing through the discharge space 3 five times, and finally the laser light with an average output of 1 kW is extracted.
光増幅器は、レーザ媒質Ｇの移動方向（−Ｚ方向）と交差する方向、好ましくは直交するＸ方向に沿った複数（ここでは、５本）の折り返し光軸を有する。これらの折り返し光軸がＹ方向に沿って配列することによって、各光軸で受けるレーザ媒質Ｇの利得が均等化され、その結果、安定した増幅動作を実現できる。このときレーザ光が各光軸に沿って放電空間３を通過する空間が増幅領域４になる。増幅領域４は、レーザ媒質Ｇの下流側に位置している。 The optical amplifier has a plurality of (here, five) folded optical axes along a direction that intersects the moving direction (−Z direction) of the laser medium G, and preferably in the orthogonal X direction. By arranging these folded optical axes along the Y direction, the gain of the laser medium G received by each optical axis is equalized, and as a result, a stable amplification operation can be realized. At this time, the space where the laser light passes through the discharge space 3 along each optical axis becomes the amplification region 4. The amplification region 4 is located on the downstream side of the laser medium G.
伝送ミラー５１，５２およびミラー５３〜５６は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体等に取り付けられる。 The transmission mirrors 51 and 52 and the mirrors 53 to 56 are attached to a housing or the like via an angle fine adjustment mechanism for optical axis adjustment.
図２は、増幅領域４の配置を示すもので、図２（ａ）は光軸方向に観察した側面図であり、図２（ｂ）はレーザ媒質Ｇの上流側から観察した正面図である。図２（ｂ）において、光増幅器の折り返し光軸を細い実線で表示し、光ビームが進行する領域を点線で表示している。増幅領域４は、各光軸からビーム半径以内の空間であって、５つの円がシフトして重なり合ったような断面形状を有しており、放電空間３においてレーザ媒質Ｇの下流側に位置している。一方、発振領域１０は、上述したように、放電空間３においてレーザ媒質Ｇの上流側に位置している。例えば、増幅領域４に入射する直前でのビーム半径が４ｍｍ程度であり、増幅領域４は、Ｚ方向に約８ｍｍ、ＸＹ面において約２８ｍｍ×１ｍの広がりを持つ。 2 shows the arrangement of the amplification regions 4, FIG. 2 (a) is a side view observed in the optical axis direction, and FIG. 2 (b) is a front view observed from the upstream side of the laser medium G. . In FIG. 2B, the folded optical axis of the optical amplifier is indicated by a thin solid line, and the region where the light beam travels is indicated by a dotted line. The amplification region 4 is a space within the beam radius from each optical axis, has a cross-sectional shape in which five circles are shifted and overlapped, and is positioned downstream of the laser medium G in the discharge space 3. ing. On the other hand, the oscillation region 10 is located upstream of the laser medium G in the discharge space 3 as described above. For example, the beam radius immediately before entering the amplification region 4 is about 4 mm, and the amplification region 4 has an extent of about 8 mm in the Z direction and about 28 mm × 1 m in the XY plane.
次に動作について説明する。Ｑスイッチ素子２１として音響光学素子を使用した場合、駆動回路３１から交流電圧が印加されると、音響光学素子を通過したビームは光軸から外れる方向に曲げられる。一方、交流電圧が印加されないときは、ビームは音響光学素子をそのまま直進する。光共振器のミラー１１，１２は、交流電圧が印加されない状態でアライメントされているため、交流電圧が印加されたときは光共振器のＱ値は発振閾値よりも高くなり、交流電圧が印加されないときは光共振器のＱ値は発振閾値よりも低くなる。 Next, the operation will be described. When an acoustooptic element is used as the Q switch element 21, when an AC voltage is applied from the drive circuit 31, the beam that has passed through the acoustooptic element is bent in a direction away from the optical axis. On the other hand, when no AC voltage is applied, the beam travels straight through the acoustooptic device. Since the mirrors 11 and 12 of the optical resonator are aligned in a state where no AC voltage is applied, when the AC voltage is applied, the Q value of the optical resonator becomes higher than the oscillation threshold and no AC voltage is applied. Sometimes the Q value of the optical resonator is lower than the oscillation threshold.
図３は、Ｑスイッチング動作の様子を示すグラフであり、図３（ａ）はＱスイッチ素子２１の駆動波形、図３（ｂ）は光共振器のＱ値の変化、図３（ｃ）は光共振器から出射されるレーザ光４１のパワーＰＯＳＣ（瞬時値）、図３（ｄ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰａｍｐ（瞬時値）をそれぞれ示す。横軸は時間である。 FIG. 3 is a graph showing the state of the Q switching operation. FIG. 3A is a drive waveform of the Q switch element 21, FIG. 3B is a change in the Q value of the optical resonator, and FIG. The power P OSC (instantaneous value) of the laser beam 41 emitted from the optical resonator and FIG. 3 (d) show the power P amp (instantaneous value) of the laser beam emitted from the optical amplifier. The horizontal axis is time.
Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。ここでは、制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合を例示するが、これ以外の数値に設定しても構わない。オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。 By the pulse driving of the Q switch element 21, an ON period T1 in which the Q value of the optical resonator is increased and an OFF period T2 in which the Q value of the optical resonator is decreased appear alternately. Here, a case where T1 = 5 μs and T2 = 5 μs are set by the control circuit 32 is exemplified, but other values may be set. In the on period T1, pulse laser light having a repetition frequency of 100 kHz oscillates in the optical resonator, and the power of the laser light is increased by the optical amplifier at the subsequent stage.
図４（ａ）は制御部３３の動作を示すフローチャートであり、図４（ｂ）は制御回路３２の動作を示すフローチャートである。制御回路３２は、Ｔ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓのタイミングでＱスイッチ素子２１を周期的に駆動している。制御部３３は、制御回路３２の周期的駆動を間欠的に制御することによって、Ｑスイッチ素子２１の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光共振器のＱ値を発振閾値未満に維持している。ここでは、制御部３３によりＴｎ＝８０μｓ、Ｔｉ＝１０５μｓに設定した場合を例示するが、これ以外の数値に設定しても構わない。 FIG. 4A is a flowchart showing the operation of the control unit 33, and FIG. 4B is a flowchart showing the operation of the control circuit 32. The control circuit 32 periodically drives the Q switch element 21 at a timing of T1 = 5 μs and T2 = 5 μs. The controller 33 controls the operation of the Q switch element 21 by intermittently controlling the periodic drive of the control circuit 32, and oscillates the Q value of the optical resonator for a predetermined time width Tn with a predetermined period Ti. Maintained below threshold. Here, a case where Tn = 80 μs and Ti = 105 μs are set by the control unit 33 is illustrated, but other values may be set.
例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いてオフ期間Ｔｎ＝８０μｓが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。 For example, in a pulse pattern of an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, and an on period of 5 μs, three laser pulses with a repetition frequency of 100 kHz are generated, and then an off period of Tn = 80 μs is added and 1 One sequence ends. By repeating this sequence, desired laser processing can be performed. Note that the pulse width and the number of pulses of such a pulse pattern can be appropriately selected according to the laser processing conditions, the processing material, and the like.
オフ期間Ｔｎは、レーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間をＴｇとして、Ｔｎ≧Ｔｇを満たすことが好ましい。例えば、放電空間３におけるレーザ媒質Ｇの移動速度が１００ｍ／ｓ、増幅領域４のＺ方向寸法が８ｍｍである場合、Ｔｇ＝８０μｓ（８ｍｍ÷１００ｍ／ｓ）と計算される。従って、１回のパルスパターンにつき８０μｓ以上のオフ期間Ｔｎを追加することによって、次のパルスパターンが開始するまでにレーザ媒質Ｇの置換が確実に完了することになる。 The off period Tn preferably satisfies Tn ≧ Tg, where Tg is the time during which the laser medium G crosses the amplification region 4. For example, when the moving speed of the laser medium G in the discharge space 3 is 100 m / s and the dimension in the Z direction of the amplification region 4 is 8 mm, Tg = 80 μs (8 mm ÷ 100 m / s) is calculated. Therefore, by adding an off period Tn of 80 μs or more per pulse pattern, the replacement of the laser medium G is surely completed before the next pulse pattern starts.
図５は、比較例として、従来のレーザ装置のＱスイッチ動作を示すグラフであり、図５（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図５（ｂ）は光増幅器から出射されるレーザ光のパワーＰａｍｐをそれぞれ示す。横軸は時間である。 FIG. 5 is a graph showing the Q-switch operation of a conventional laser device as a comparative example. FIG. 5A shows a change in the Q value of the optical resonator, and FIG. 5B shows a laser emitted from the optical amplifier. The light power P amp is shown respectively. The horizontal axis is time.
特許文献１のような従来のレーザ装置では、連続的なＱスイッチ動作によって一定周期のレーザパルスを発生している。そのため、Ｑスイッチパルス発振開始直後の１パルス目は最高のパワーまで増幅されているが、２パルス目、３パルス目、…が続くと増幅後のパワーが徐々に低下し、最終的にパワーが低下した状態で飽和する現象が観測される。この現象は、連続的なパルス発振によってレーザ媒質の利得が低下することに起因している。 In a conventional laser apparatus such as Patent Document 1, a laser pulse having a constant period is generated by a continuous Q switch operation. Therefore, the first pulse immediately after the start of the Q switch pulse oscillation is amplified to the maximum power, but if the second pulse, third pulse,... Continues, the amplified power gradually decreases, and finally the power is reduced. A phenomenon of saturation in a lowered state is observed. This phenomenon is caused by a decrease in gain of the laser medium due to continuous pulse oscillation.
これに対して本実施形態では、図３に示したように、制御部３３によってＱスイッチ素子２１の動作を制御して、光共振器の発振動作および光増幅器の増幅動作を所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎ、好ましくは、少なくともレーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間だけ停止させている。これにより高出力、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, the operation of the Q switch element 21 is controlled by the control unit 33 so that the oscillation operation of the optical resonator and the amplification operation of the optical amplifier are performed at a predetermined period Ti. The laser beam is stopped for a predetermined time width Tn, preferably at least the time that the laser medium G crosses the amplification region 4. As a result, a pulse group having high output, high repetition, and high reproducibility can be stably supplied.
また、光増幅器における複数の折り返し光軸をＹ方向に沿って配列して、増幅領域４の形状がレーザガス流方向に対して扁平（即ち、Ｚ方向寸法＜Ｙ方向寸法）になるように設定することによって、各光軸で受けるレーザ媒質Ｇの利得が均等化され、高繰り返しかつ再現性の高いパルス群を安定に供給することができる。 Also, a plurality of folded optical axes in the optical amplifier are arranged along the Y direction, and the shape of the amplification region 4 is set to be flat with respect to the laser gas flow direction (that is, the Z direction dimension <the Y direction dimension). As a result, the gain of the laser medium G received at each optical axis is equalized, and a highly repetitive and highly reproducible pulse group can be stably supplied.
また、本実施形態では、光共振器でのＱスイッチ素子２１の動作を制御することによって、パルス発振そのものを停止して光増幅器の増幅動作を一時的に停止しているため、比較的簡単な構成で信頼性の高いレーザ装置を提供できる。 Further, in the present embodiment, by controlling the operation of the Q switch element 21 in the optical resonator, the pulse oscillation itself is stopped and the amplification operation of the optical amplifier is temporarily stopped. A highly reliable laser device can be provided with the configuration.
また、本実施形態では、発振領域と増幅領域とで同じレーザ媒質を共用する場合を例示したが、発振領域で使用するレーザ媒質と増幅領域で使用するレーザ媒質を別々にしてもよい。例えば、発振領域ではスラブ型または導波路型のレーザ媒質を用い、増幅領域では上述のような強制対流させたレーザ媒質を用いた構成でも構わない。 In this embodiment, the same laser medium is shared between the oscillation region and the amplification region. However, the laser medium used in the oscillation region and the laser medium used in the amplification region may be separated. For example, a slab type or waveguide type laser medium may be used in the oscillation region, and the above-described forced convection laser medium may be used in the amplification region.
近年、穴あけ加工などの材料処理における生産性の需要向上により、材料処理用のレーザ装置はより高い出力および繰り返し周波数が求められている。穴あけ加工であれば出力がｋＷ級、繰り返し周波数が１０ｋＨｚオーダとなる。そのうえ、加工の安定性の観点から、各穴加工に対して実質同等のエネルギーを注入するという仕様も同様に満足させる必要がある。 In recent years, due to an increase in productivity demand in material processing such as drilling, a laser device for material processing is required to have higher output and repetition frequency. In the case of drilling, the output is kW class and the repetition frequency is on the order of 10 kHz. In addition, from the viewpoint of machining stability, it is also necessary to satisfy the specification that substantially equivalent energy is injected into each hole machining.
繰り返し周波数が数ｋＨｚのオーダであれば、放電領域のガスを全て入れ替えることが可能（例えば、特許文献２）であるが、繰り返し周波数が１０ｋＨｚのオーダでは対応が現実的に困難であった。そこで、本実施形態では、レーザガス流方向に扁平な領域の媒質を用いて増幅を行い、かつ、レーザガスが増幅領域を横切るのに要する時間だけ増幅領域にレーザ光を入射しない時間を設ける制御部３３を備えたことで、１０ｋＨｚオーダの繰り返し周波数で均一なエネルギーを持ったパルス群を提供することが可能になる。 If the repetition frequency is on the order of several kHz, it is possible to replace all of the gas in the discharge region (for example, Patent Document 2). However, if the repetition frequency is on the order of 10 kHz, it is practically difficult to cope with it. Therefore, in the present embodiment, the control unit 33 performs amplification using a medium in a region flat in the laser gas flow direction, and provides a time during which the laser beam is not incident on the amplification region for a time required for the laser gas to cross the amplification region. It is possible to provide a pulse group having uniform energy at a repetition frequency on the order of 10 kHz.
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、可動ミラー８１と、伝送ミラー５２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing Embodiment 2 of the present invention. The laser apparatus includes discharge electrodes 1 and 2, a laser medium G, an optical resonator including mirrors 11 and 12, a movable mirror 81, a transmission mirror 52, and an optical amplifier including mirrors 53, 54, 55, and 56. , Q switch element 21, drive circuit 31 for driving Q switch element 21, control circuit 32 for controlling drive circuit 31, control section 33 for controlling the amplification operation of the optical amplifier, and the like.
本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として可動ミラー８１を設けている。制御部３３は、可動ミラー８１の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。 This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment with respect to the optical resonator and the optical amplifier, but a movable mirror 81 is provided as an optical switch element for controlling optical transmission from the optical resonator to the optical amplifier. . The control unit 33 controls the operation of the movable mirror 81 and blocks the laser light from entering the optical amplifier for a predetermined time width Tn at a predetermined period Ti.
可動ミラー８１は、例えば、高速応答が可能なデジタル・マイクロミラー・デバイス等で構成でき、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。 The movable mirror 81 can be composed of, for example, a digital micromirror device capable of high-speed response, and is turned on to reflect the laser light 41 from the optical resonator in the optical axis direction of the optical amplifier in response to a command from the control unit 33. Alternatively, two types of pointing operations are performed, that is, an off operation in which the damper 82 is irradiated so as to be off the optical axis of the optical amplifier.
動作に関して、図３と同様に、Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合、オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。 With respect to the operation, as in FIG. 3, by the pulse driving of the Q switch element 21, an on period T1 in which the Q value of the optical resonator becomes high and an off period T2 in which the Q value of the optical resonator becomes low alternately appear. When T1 = 5 μs and T2 = 5 μs are set by the control circuit 32, during the on period T1, pulse laser light having a repetition frequency of 100 kHz is oscillated in the optical resonator, and the power of the laser light is increased by the subsequent optical amplifier.
例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、可動ミラー８１のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。 For example, in a pulse pattern with an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, and an on period of 5 μs, three laser pulses with a repetition frequency of 100 kHz are generated, and then the movable mirror 81 is turned off. A period Tn is added to complete one sequence. By repeating this sequence, desired laser processing can be performed. Note that the pulse width and the number of pulses of such a pulse pattern can be appropriately selected according to the laser processing conditions, the processing material, and the like.
オフ期間Ｔｎは、レーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間をＴｇとして、Ｔｎ≧Ｔｇを満たすことが好ましい。例えば、放電空間３におけるレーザ媒質Ｇの移動速度が１００ｍ／ｓ、増幅領域４のＺ方向寸法が８ｍｍである場合、Ｔｇ＝８０μｓ（８ｍｍ÷１００ｍ／ｓ）と計算される。従って、１回のパルスパターンにつき８０μｓ以上のオフ期間Ｔｎを追加することによって、次のパルスパターンが開始するまでにレーザ媒質Ｇの置換が確実に完了することになる。 The off period Tn preferably satisfies Tn ≧ Tg, where Tg is the time during which the laser medium G crosses the amplification region 4. For example, when the moving speed of the laser medium G in the discharge space 3 is 100 m / s and the dimension in the Z direction of the amplification region 4 is 8 mm, Tg = 80 μs (8 mm ÷ 100 m / s) is calculated. Therefore, by adding an off period Tn of 80 μs or more per pulse pattern, the replacement of the laser medium G is surely completed before the next pulse pattern starts.
なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、可動ミラー８１のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能である。 In the configuration of the present embodiment, the Q switch element 21 is always turned on to generate CW laser light in the optical resonator, and then the laser light from the optical resonator is switched by switching the pointing operation of the movable mirror 81. Can be intermittently incident on the optical amplifier to extract the amplified pulsed laser light. In such operation, since Q-switch oscillation is not performed, there is no sudden start of oscillation peculiar to the Q-switch resonator, and it is possible to supply laser light having a low peak and long pulse as compared with the first embodiment. is there. Therefore, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to supply a high-power pulse laser having a wide range of peak output and pulse length with one laser device.
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１，５２と、音響光学素子８３と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing Embodiment 3 of the present invention. The laser device includes discharge electrodes 1 and 2, a laser medium G, an optical resonator including mirrors 11 and 12, transmission mirrors 51 and 52, an acoustooptic element 83, and mirrors 53, 54, 55 and 56. The optical amplifier, the Q switch element 21, a drive circuit 31 that drives the Q switch element 21, a control circuit 32 that controls the drive circuit 31, a control unit 33 that controls the amplification operation of the optical amplifier, and the like.
本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として音響光学素子８３を設けている。制御部３３は、音響光学素子８３の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。 This embodiment has the same configuration as that of the first embodiment with respect to the optical resonator and the optical amplifier, but an acousto-optic element 83 is provided as an optical switch element for controlling optical transmission from the optical resonator to the optical amplifier. Yes. The control unit 33 controls the operation of the acoustooptic device 83 to block the laser light from entering the optical amplifier for a predetermined time width Tn with a predetermined period Ti.
音響光学素子８３は、光の伝搬方向を制御するビーム偏向素子として機能するものであり、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。 The acousto-optic element 83 functions as a beam deflection element that controls the propagation direction of light, and is turned on to reflect the laser light 41 from the optical resonator in the optical axis direction of the optical amplifier in response to a command from the control unit 33. Alternatively, two types of pointing operations are performed, that is, an off operation in which the damper 82 is irradiated so as to be off the optical axis of the optical amplifier.
動作に関して、図３と同様に、Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合、オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。 With respect to the operation, as in FIG. 3, by the pulse driving of the Q switch element 21, an on period T1 in which the Q value of the optical resonator becomes high and an off period T2 in which the Q value of the optical resonator becomes low alternately appear. When T1 = 5 μs and T2 = 5 μs are set by the control circuit 32, during the on period T1, pulse laser light having a repetition frequency of 100 kHz is oscillated in the optical resonator, and the power of the laser light is increased by the subsequent optical amplifier.
例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、音響光学素子８３のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。 For example, in a pulse pattern with an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, and an on period of 5 μs, three laser pulses with a repetition frequency of 100 kHz are generated, and subsequently, the acoustooptic element 83 is turned off, The off period Tn is added and one sequence is completed. By repeating this sequence, desired laser processing can be performed. Note that the pulse width and the number of pulses of such a pulse pattern can be appropriately selected according to the laser processing conditions, the processing material, and the like.
オフ期間Ｔｎは、レーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間をＴｇとして、Ｔｎ≧Ｔｇを満たすことが好ましい。例えば、放電空間３におけるレーザ媒質Ｇの移動速度が１００ｍ／ｓ、増幅領域４のＺ方向寸法が８ｍｍである場合、Ｔｇ＝８０μｓ（８ｍｍ÷１００ｍ／ｓ）と計算される。従って、１回のパルスパターンにつき８０μｓ以上のオフ期間Ｔｎを追加することによって、次のパルスパターンが開始するまでにレーザ媒質Ｇの置換が確実に完了することになる。 The off period Tn preferably satisfies Tn ≧ Tg, where Tg is the time during which the laser medium G crosses the amplification region 4. For example, when the moving speed of the laser medium G in the discharge space 3 is 100 m / s and the dimension in the Z direction of the amplification region 4 is 8 mm, Tg = 80 μs (8 mm ÷ 100 m / s) is calculated. Therefore, by adding an off period Tn of 80 μs or more per pulse pattern, the replacement of the laser medium G is surely completed before the next pulse pattern starts.
なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、音響光学素子８３のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能である。 In the configuration of the present embodiment, the Q switch element 21 is always turned on to generate CW laser light in the optical resonator, and then the laser from the optical resonator is switched by switching the pointing operation of the acoustooptic element 83. It is also possible to perform an operation in which light is intermittently incident on the optical amplifier and the amplified pulsed laser light is extracted. In such operation, since Q-switch oscillation is not performed, there is no sudden start of oscillation peculiar to the Q-switch resonator, and it is possible to supply laser light having a low peak and long pulse as compared with the first embodiment. is there. Therefore, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to supply a high-power pulse laser having a wide range of peak output and pulse length with one laser device.
実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４を示す構成図である。レーザ装置は、放電電極１，２と、レーザ媒質Ｇと、ミラー１１，１２を含む光共振器と、伝送ミラー５１，５２と、電気光学素子８４と、薄膜ポラライザ９２と、ミラー５３，５４，５５，５６を含む光増幅器と、Ｑスイッチ素子２１と、Ｑスイッチ素子２１を駆動する駆動回路３１と、駆動回路３１を制御する制御回路３２と、光増幅器の増幅動作を制御する制御部３３などで構成される。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing Embodiment 4 of the present invention. The laser device includes discharge electrodes 1 and 2, a laser medium G, an optical resonator including mirrors 11 and 12, transmission mirrors 51 and 52, an electro-optic element 84, a thin film polarizer 92, mirrors 53, 54, An optical amplifier including 55 and 56, a Q switch element 21, a drive circuit 31 for driving the Q switch element 21, a control circuit 32 for controlling the drive circuit 31, a control unit 33 for controlling the amplification operation of the optical amplifier, etc. Consists of.
本実施形態は、光共振器および光増幅器に関して実施の形態１と同様な構成を有するが、光共振器から光増幅器への光伝送を制御するための光スイッチ素子として、電気光学素子８４を設けている。制御部３３は、電気光学素子８４の動作を制御し、所定の周期Ｔｉで所定の時間幅Ｔｎだけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止する。 The present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment with respect to the optical resonator and the optical amplifier, but an electro-optical element 84 is provided as an optical switch element for controlling optical transmission from the optical resonator to the optical amplifier. ing. The control unit 33 controls the operation of the electro-optical element 84 and blocks the laser light from entering the optical amplifier for a predetermined time width Tn with a predetermined period Ti.
電気光学素子８４は、光の偏光を制御する偏光制御素子として機能するものであり、後続の薄膜ポラライザ９２は、垂直方向（ＸＹ面）の直線偏光を透過し、水平方向（ＺＸ面）の直線偏光を反射する機能を有する。電気光学素子８４は、制御部３３の指令によって、光共振器からのレーザ光４１を光増幅器の光軸方向に反射するオン動作、あるいは光増幅器の光軸から外れるようにダンパ８２に照射させるオフ動作という２通りのポインティング動作を行う。 The electro-optic element 84 functions as a polarization control element that controls the polarization of light, and the subsequent thin film polarizer 92 transmits linearly polarized light in the vertical direction (XY plane) and linear in the horizontal direction (ZX plane). It has a function of reflecting polarized light. The electro-optic element 84 is turned on to reflect the laser light 41 from the optical resonator in the direction of the optical axis of the optical amplifier or off to irradiate the damper 82 so as to deviate from the optical axis of the optical amplifier according to a command from the control unit 33. Two types of pointing operations are performed.
動作に関して、図３と同様に、Ｑスイッチ素子２１のパルス駆動によって、光共振器のＱ値が高くなるオン期間Ｔ１と光共振器のＱ値が低くなるオフ期間Ｔ２が交互に出現する。制御回路３２によりＴ１＝５μｓ、Ｔ２＝５μｓに設定した場合、オン期間Ｔ１のとき、光共振器において繰り返し周波数１００ｋＨｚのパルスレーザ光が発振し、後段の光増幅器によってレーザ光のパワーが増大する。 With respect to the operation, as in FIG. 3, by the pulse driving of the Q switch element 21, an on period T1 in which the Q value of the optical resonator becomes high and an off period T2 in which the Q value of the optical resonator becomes low alternately appear. When T1 = 5 μs and T2 = 5 μs are set by the control circuit 32, during the on period T1, pulse laser light having a repetition frequency of 100 kHz is oscillated in the optical resonator, and the power of the laser light is increased by the subsequent optical amplifier.
例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンでは、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いて、電気光学素子８４のオフ動作により、オフ期間Ｔｎが追加されて１つのシーケンスが終了する。このシーケンスを繰り返すことによって所望のレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。 For example, in a pulse pattern with an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, and an on period of 5 μs, three laser pulses with a repetition frequency of 100 kHz are generated, and then the electro-optic element 84 is turned off. The off period Tn is added and one sequence is completed. By repeating this sequence, desired laser processing can be performed. Note that the pulse width and the number of pulses of such a pulse pattern can be appropriately selected according to the laser processing conditions, the processing material, and the like.
オフ期間Ｔｎは、レーザ媒質Ｇが増幅領域４を横切る時間をＴｇとして、Ｔｎ≧Ｔｇを満たすことが好ましい。例えば、放電空間３におけるレーザ媒質Ｇの移動速度が１００ｍ／ｓ、増幅領域４のＺ方向寸法が８ｍｍである場合、Ｔｇ＝８０μｓ（８ｍｍ÷１００ｍ／ｓ）と計算される。従って、１回のパルスパターンにつき８０μｓ以上のオフ期間Ｔｎを追加することによって、次のパルスパターンが開始するまでにレーザ媒質Ｇの置換が確実に完了することになる。 The off period Tn preferably satisfies Tn ≧ Tg, where Tg is the time during which the laser medium G crosses the amplification region 4. For example, when the moving speed of the laser medium G in the discharge space 3 is 100 m / s and the dimension in the Z direction of the amplification region 4 is 8 mm, Tg = 80 μs (8 mm ÷ 100 m / s) is calculated. Therefore, by adding an off period Tn of 80 μs or more per pulse pattern, the replacement of the laser medium G is surely completed before the next pulse pattern starts.
なお本実施形態の構成では、Ｑスイッチ素子２１を常時オンに設定して光共振器においてＣＷレーザ光を発生させ、続いて、電気光学素子８４のポインティング動作の切り替えによって、光共振器からのレーザ光を光増幅器に断続的に入射させて、増幅されたパルスレーザ光を取り出すような運転も実施可能である。このような運転では、Ｑスイッチ発振を行っていないため、Ｑスイッチ共振器特有の急激な発振開始がなく、実施の形態１に比べて低ピーク・長パルスのレーザ光を供給することも可能である。特に、電気光学素子などの偏光制御素子は、応答が数ｎｓと速く、ジッタも少ないため、高速で高い時間精度のスイッチング動作が可能になる。また、電気光学素子８４の偏光制御を３値以上のデジタル制御、望ましくは実質的に連続値のアナログ制御とすることによって、薄膜ポラライザ９２を透過するパルスの波形を任意に制御することができ、増幅領域４を透過した後のパルスの波形制御が可能である。従って、本実施形態では、実施の形態１の効果に加えて、１台のレーザ装置で広範囲のピーク出力とパルス長を持つ高出力パルスレーザを供給することが可能であり、さらにパルス波形の制御自由度が高くなる。 In the configuration of the present embodiment, the Q switch element 21 is always turned on to generate CW laser light in the optical resonator, and then the laser from the optical resonator is switched by switching the pointing operation of the electro-optical element 84. It is also possible to perform an operation in which light is intermittently incident on the optical amplifier and the amplified pulsed laser light is extracted. In such operation, since Q-switch oscillation is not performed, there is no sudden start of oscillation peculiar to the Q-switch resonator, and it is possible to supply laser light having a low peak and long pulse as compared with the first embodiment. is there. In particular, since a polarization control element such as an electro-optical element has a fast response of several ns and little jitter, a high-speed switching operation with high time accuracy is possible. In addition, by controlling the polarization of the electro-optic element 84 to a digital control of three or more values, preferably a substantially continuous value analog control, the waveform of a pulse transmitted through the thin film polarizer 92 can be arbitrarily controlled. The waveform of the pulse after passing through the amplification region 4 can be controlled. Therefore, in this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to supply a high-power pulse laser having a wide range of peak output and pulse length with one laser device, and further control of the pulse waveform The degree of freedom increases.
実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５を示す構成図である。本実施形態では、上述したレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成した例を説明する。なお図９では、実施の形態１の構成を例示しているが、実施の形態２〜４の構成も同様に適用可能である。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing Embodiment 5 of the present invention. In this embodiment, an example in which a laser processing apparatus is configured using the above-described laser apparatus will be described. Although FIG. 9 illustrates the configuration of the first embodiment, the configurations of the second to fourth embodiments are also applicable.
レーザ加工装置は、実施の形態１〜４に係るレーザ装置と、後続の伝送光学系６１と、ガルバノミラー７１などで構成される。 The laser processing apparatus includes the laser apparatus according to Embodiments 1 to 4, a subsequent transmission optical system 61, a galvano mirror 71, and the like.
伝送光学系６１は、複数のミラー、レンズ、ビームスプリッタ、マスク等で構成され、光増幅器から出力されたレーザ光を、加工処理に適したビーム形状に整形する機能を有し、必要に応じてビーム分割を行ってもよい。 The transmission optical system 61 is composed of a plurality of mirrors, lenses, beam splitters, masks, etc., and has a function of shaping the laser light output from the optical amplifier into a beam shape suitable for processing, as necessary. Beam splitting may be performed.
ガルバノミラー７１は、所望の角度で位置決め可能な可動ミラー等で構成され、伝送光学系６１から供給されたレーザビームを被加工物の所望の位置に照射する機能を有する。駆動装置７２は、モータ等で構成され、ガルバノミラー７１を回転駆動する。 The galvanometer mirror 71 includes a movable mirror that can be positioned at a desired angle, and has a function of irradiating a laser beam supplied from the transmission optical system 61 to a desired position of the workpiece. The drive device 72 is composed of a motor or the like and rotationally drives the galvanometer mirror 71.
制御部３３は、制御回路３２を介してＱスイッチ素子２１の動作を制御するとともに、駆動装置７２への指令を通じてガルバノミラー７１の角度を制御する。 The control unit 33 controls the operation of the Q switch element 21 via the control circuit 32 and controls the angle of the galvanometer mirror 71 through a command to the drive device 72.
図１０は、Ｑスイッチ動作とガルバノミラーの動作タイミングを示すグラフであり、図１０（ａ）は光共振器のＱ値の変化、図１０（ｂ）はガルバノミラー７１の角速度Ｖをそれぞれ示す。横軸は時間である。 FIG. 10 is a graph showing the Q switch operation and the operation timing of the galvanometer mirror. FIG. 10A shows the change in the Q value of the optical resonator, and FIG. 10B shows the angular velocity V of the galvanometer mirror 71. The horizontal axis is time.
図３に示したように、例えば、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓ、オフ期間５μｓ、オン期間５μｓのパルスパターンで、繰り返し周波数１００ｋＨｚの３つのレーザパルスが発生し、続いてオフ期間Ｔｎ＝８０μｓが追加されて１つのシーケンスが終了する。 As shown in FIG. 3, for example, three laser pulses with a repetition frequency of 100 kHz are generated in a pulse pattern of an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, an on period of 5 μs, an off period of 5 μs, and an on period of 5 μs, followed by an off period. One sequence is completed by adding Tn = 80 μs.
Ｑスイッチレーザパルスが発生する２５μｓの期間中は、ガルバノミラー７１は停止している。続いて、レーザパルスが発生しないオフ期間Ｔｎにおいて、ガルバノミラー７１は角変位してレーザビームを次の加工点へ移動させ、次のＱスイッチ動作が開始するまでに停止する。なお、オフ期間Ｔｎは、上述したように、レーザ媒質Ｇの移動速度と増幅領域４のＺ方向寸法の関係で設定しているが、加工点の間隔が大きく、ガルバノミラー７１の移動に不足する場合は、８０μｓより長く設定することが好ましい。 The galvano mirror 71 is stopped during the period of 25 μs when the Q-switch laser pulse is generated. Subsequently, in the off period Tn in which no laser pulse is generated, the galvanometer mirror 71 is angularly displaced to move the laser beam to the next processing point, and stops until the next Q switch operation starts. As described above, the off period Tn is set based on the relationship between the moving speed of the laser medium G and the dimension of the amplification region 4 in the Z direction, but the interval between the processing points is large and the galvanometer mirror 71 is not sufficiently moved. In such a case, it is preferable to set it longer than 80 μs.
このシーケンスを繰り返すことによって、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工を実施することができる。なお、こうしたパルスパターンのパルス幅およびパルス数は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。 By repeating this sequence, laser processing such as cutting, marking, drilling, welding, welding, and surface modification can be performed. Note that the pulse width and the number of pulses of such a pulse pattern can be appropriately selected according to the laser processing conditions, the processing material, and the like.
１，２ 放電電極、 ３ 放電空間、 ４ 増幅領域、 １０ 発振領域、
１１，１２，５３，５４，５５，５６ ミラー、 ２１ Ｑスイッチ素子、
３１ 駆動回路、 ３２ 制御回路、 ３３ 制御部、 ４１ レーザ光、
５１，５２ 伝送ミラー、 ６１ 伝送光学系、 ７１ ガルバノミラー、
７２ 駆動装置、 ８１ 可動ミラー、 ８２ ダンパ、 ８３ 音響光学素子、
８４ 電気光学素子、 ９２ 薄膜ポラライザ、 Ｇ レーザ媒質。
1, 2 discharge electrodes, 3 discharge space, 4 amplification region, 10 oscillation region,
11, 12, 53, 54, 55, 56 mirror, 21 Q switch element,
31 drive circuit, 32 control circuit, 33 control unit, 41 laser beam,
51, 52 transmission mirror, 61 transmission optical system, 71 galvanometer mirror,
72 driving device, 81 movable mirror, 82 damper, 83 acoustooptic device,
84 electro-optic element, 92 thin film polarizer, G laser medium.
Claims (9)
レーザ媒質中にパルスレーザ光を発振する発振領域を備えた光共振器と、
第１方向と交差する第２方向に沿った光軸を有し、レーザ媒質中に、光共振器からのパルスレーザ光を増幅する増幅領域を備えた光増幅器と、
光共振器のＱ値を周期的に変化させるためのＱスイッチ素子と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備えることを特徴とするレーザ装置。 A laser medium moving in a first direction;
An optical resonator having an oscillation region for oscillating pulsed laser light in a laser medium;
An optical amplifier having an optical axis along a second direction intersecting the first direction, and having an amplification region in the laser medium for amplifying the pulsed laser light from the optical resonator;
A Q switch element for periodically changing the Q value of the optical resonator;
And a control unit for stopping the amplification operation of the optical amplifier at a predetermined period for a predetermined time width.
制御部は、光スイッチ素子の動作を制御し、所定の時間幅だけ光増幅器へのレーザ光入射を阻止することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。 An optical switch element for controlling optical transmission from the optical resonator to the optical amplifier;
2. The laser device according to claim 1, wherein the control unit controls the operation of the optical switch element to block the laser light from entering the optical amplifier for a predetermined time width.
レーザ光を発振する光共振器と、
光共振器からのレーザ光を増幅する光増幅器と、
光増幅器の増幅動作を所定の周期で所定の時間幅だけ停止させるための制御部とを備えることを特徴とするレーザ装置。 A laser device for generating pulsed laser light,
An optical resonator that oscillates laser light;
An optical amplifier for amplifying the laser light from the optical resonator;
And a control unit for stopping the amplification operation of the optical amplifier at a predetermined period for a predetermined time width.
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