JP4003994B2 - 固体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、Qスイッチパルスレーザ光を発振出力するQスイッチ型の固体レーザ装置に関する。
【0020】
【従来の技術】
YAGレーザ装置等の固体レーザ装置は、Qスイッチを用いることで、連続発振を尖頭出力値の高い高速繰返しパルス発振に変えることが可能である。YAGレーザ装置には、一般に、超音波によるブラッグ回折を利用する音響光学Qスイッチが使われている。
【0030】
図11に示すように、音響光学Qスイッチ100は、入射面および出射面に反射防止膜102を施された偏光媒体である合成石英ガラス104と、この石英ガラス104の一面(底面)に接着層106を介して結合された超音波発生用の圧電体108と、高周波整合回路110とから構成される。
【0040】
Qスイッチ・ドライバ112よりたとえば24MHz、50Wの高周波電気信号ESが整合回路110を介して圧電体108に与えられると、ピエゾ効果によって高周波電気信号ESが超音波ASに変換され、その超音波ASが石英ガラス104内を伝播する。そうすると、光弾性効果により石英ガラス104内に周期的な屈折率分布が生じ、ここに適当な角度で光LBi を入射させると、入射した光LBi がLBR のように回折される(音響光学効果)。
【0050】
図12にYAGレーザ共振器の構成を示す。楕円反射鏡筒114内の一対の楕円焦点位置にYAGロッド116および励起ランプ118が平行に配置される。YAGロッド116の両端面と対向して出力ミラー120および全反射ミラー122が配置され、YAGロッド116の一端面と出力ミラー120との間にQスイッチ100が配置される。
【0060】
上記のように高周波電気信号ESがQスイッチ100に入力されて石英ガラス104内を超音波ASが伝播すると、YAGロッド116からのレーザ光LBi の一部がQスイッチ100で回折され、レーザ共振器の損失が増加してQ値が下がり、レーザ発振が停止する。
【0070】
しかし、レーザ発振が止まっても、励起ランプ118によるYAGロッド116の励起は継続されているため、YAGロッド116内の反転分布(熱平衡状態の低いエネルギーレベルにある原子の数よりも励起状態の高いエネルギーレベルにある原子の数が多い割合)は増大する。この反転分布が十分に大きくなった時に高周波電気信号ESを遮断して急激にQ値を戻すと、レーザ共振器でパルス発振が起こり、きわめて尖頭出力の高いQスイッチパルスレーザ光LBQ が得られる。
【0080】
実際の応用では、図13に示すような所望の周波数(変調周波数)を有するパルス信号MPで変調されてパルス信号MPのLレベルに応じたオン期間とパルス信号MPのHレベルに応じたオフ期間とを有する高周波電気信号ESをQスイッチ100に供給し、これによって変調周波数に等しい繰返し周波数でQスイッチパルスレーザ光LBQ を発振出力させるようにしている。
【0090】
ところが、このようなQスイッチ型の固体レーザ装置では、高周波電気信号ESのオン期間の長さに依存して、その直後のQスイッチング開始時の反転分布が変化し、Qスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値(レーザ出力ピーク値)が変化するという特性がある。
【0100】
このため、レーザ発振の開始または再開直後では概して反転分布が飽和値になっている状態でQスイッチングが行われるのに対して、それ以降の定常時では概して反転分布が飽和値に達する前にQスイッチングが行われるので、図13に示すように最初のQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値が定常時のものよりも異常に高くなりやすい。
【0110】
このようなQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値における不所望なばらつきは、実際の応用たとえばレーザマーキング装置では印字ドットのばらつきを来すため、好ましくない現象とされている。
【0120】
そこで、Qスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を自在に可変制御するための技法が従来より種々考案されている。その中の1つの方式は、図14に示すように、パルス信号MPのパルスをLレベルからHレベルに瞬時に立ち上げるのではなく、適当な傾斜度を有するアップスロープ波形にして、高周波電気信号ESの振幅を減衰させながらオフにする方法である。
【0130】
この方式によれば、高周波電気信号ESの振幅が或るしきい値を割った時点でQスイッチングのパルス発振が起こる。パルス信号MPにおけるアップスロープの傾斜度または勾配を小さくするほど高周波電気信号ESの振幅がしきい値を割るまでの時間が長くなって(それだけQスイッチング開始時の反転分布の損失が大きくなって)、Qスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値が低くなる。
【0140】
この方式を用いると、図14に示すように、レーザ発振の開始または再開直後からQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を一定に揃えることができる。あるいは、定常時において、特定のQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を他のものの尖頭値よりも所定値だけ高くしたり低くすることも可能である。
【0150】
従来のこの種固体レーザ装置では、上記の方式を実現するために、変調用パルス信号を生成するための回路を演算増幅器からなる積分回路で構成して、該演算増幅器の入力または帰還ループに可変抵抗を設け、この可変抵抗の抵抗値(つまり積分定数)を適当な値に選ぶことにより、アップスロープ勾配の可変制御可能な変調用パルス信号MPを得るようにしていた。
【0160】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の固体レーザ装置では、変調用パルス信号を生成するための積分回路において演算増幅器のゼロ点変動等により積分定数が変動しやすく、変調用パルス信号のアップスロープ勾配を安定かつ高精度に制御するのが難しく、ひいてはQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を自在に制御するのが難しかった。また、安定度および精度を上げるための補正回路を該演算増幅器回りに付加するとなると、回路全体が複雑・高価で大掛かりなものになってしまうという問題がある。
【0170】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、変調用パルス信号の立ち上げ時のアップスロープ勾配を安定かつ高精度に制御し、Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を設定通りに制御できるようにした固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【0180】
また、本発明は、簡単な構成でもって、Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を設定通りに制御できるようにした固体レーザ装置を提供することを目的とする。
【0190】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のうち請求項1に記載の発明は、レーザ共振器内にQスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で変調されて前記パルス信号の第1の論理値レベルに応じたオン期間と前記パルス信号の第2の論理値レベルに応じたオフ期間とを有する一定周波数の高周波電気信号を前記Qスイッチ供給し、前記パルス信号の第1の論理値レベルから第2の論理値レベルへ移行する速度を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるQスイッチパルスレーザ光の尖頭値を制御するようにした固体レーザ装置において、前記繰り返し周波数を有し、かつ一定のパルス幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、それぞれの制御端子を互いに共通接続された第1および第2のトランジスタを有するカレントミラー回路と、第1の電源電圧の端子と前記カレントミラー回路との間に接続され、前記基準パルスを入力し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ導通して前記カレントミラー回路に前記第1の電源電圧を供給せしめるスイッチ手段と、第2の電源電圧の端子と前記第1のトランジスタとの間に接続されたコンデンサと、前記第2の電源電圧の端子と前記第2のトランジスタとの間に接続された抵抗値可変型の抵抗回路と、前記抵抗回路の抵抗値を所望の値に選択するための抵抗値選択手段と、前記コンデンサと閉回路を形成し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ前記コンデンサを充電可能とし、前記時間の終了後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、前記コンデンサの電圧を前記パルス信号として出力するパルス信号出力手段とを具備することを特徴とする。
【0200】
また、請求項2に記載の発明は、レーザ共振器内にQスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で変調されて前記パルス信号の第1の論理値レベルに応じたオン期間と前記パルス信号の第2の論理値レベルに応じたオフ期間とを有する一定周波数の高周波電気信号を前記Qスイッチに供給し、前記パルス信号の第1の論理値レベルから第2の論理値レベルへ移行する速度を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるQスイッチパルスレーザ光の尖頭値を制御するようにした固体レーザ装置において、前記繰り返し周波数を有し、かつ一定のパルス幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、それぞれの制御端子を互いに共通接続された第1および第2のトランジスタを有するカレントミラー回路と、第1の電源電圧の端子と前記カレントミラー回路との間に接続され、前記基準パルスを入力し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ導通して前記カレントミラー回路に前記第1の電源電圧を供給せしめるスイッチ手段と、第2の電源電圧の端子と前記第1のトランジスタとの間に接続されたコンデンサと、前記第2の電源電圧の端子と前記第2のトランジスタとの間に接続された電流値可変型の定電流源と、前記定電流源の電流値を所望の値に選択するための電流値選択手段と、前記コンデンサと閉回路を形成し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ前記コンデンサを充電可能とし、前記時間の終了後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、前記コンデンサの電圧を前記パルス信号として出力するパルス信号出力手段とを具備することを特徴とする。
【0210】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図10を参照して本発明の実施例を説明する。
【0220】
図1に、本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のQスイッチ型YAGレーザ加工装置の要部の構成を示す。
【0230】
このYAGレーザ加工装置において、YAGロッド10、励起ランプ12、出力ミラー14、全反射ミラー16およびQスイッチ18は、図12に示したものと同様のYAGレーザ共振器(発振器)19を構成する。
【0240】
励起ランプ12は、電源回路20より直流ランプ電流の供給を受けて連続発光する。YAGロッド10は、励起ランプ12より照射された光で励起され、その両端面より軸方向に光を出射する。Qスイッチ18において高周波電気信号ESの印加が止められると、YAGロッド10の両端面より出た光は、Qスイッチ18を通って出力ミラー14と全反射ミラー16との間で反射を繰り返して共振増幅ののちQスイッチパルスレーザ光LBQ として出力ミラー14を軸方向に抜け出る。出力ミラー14より出射されたQスイッチパルスレーザ光LBQ は、ミラーまたは光ファイバ等の伝送光学系(図示せず)を通ってスキャニングユニット22へ送られる。
【0250】
スキャニングユニット22は、Qスイッチパルスレーザ光LBQ のビームスポットを被加工材W上で所望の描画パターンでスキャニングするための光学スキャニング機構およびスキャング駆動回路等を内蔵している。
【0260】
Qスイッチ18は、図11に示したものと同様の構成および機能を有する音響光学Qスイッチでよい。したがって、このQスイッチ18は、Qスイッチ制御部24の制御の下でQスイッチ・ドライバ26より高周波電気信号ESを供給されている間はYAGロッド10からの入射光LBi を音響光学効果により回折させて(Q値を下げて)共振器内の反転分布を蓄積増大させておき、高周波電気信号ESの供給を断たれると入射光LBi を直進させて(Q値を戻して)Qスイッチパルスレーザ光LBQ を発振出力させるように機能する。
【0270】
主制御部28はマイクロコンピュータからなり、内蔵のメモリに蓄積されている所要のプログラムおよび設定部30より設定入力された各種設定値にしたがって、電源回路20、スキャニングユニット22およびQスイッチ制御部24等の動作を制御する。
【0280】
図2に、本実施例におけるQスイッチ制御部24の回路構成を示す。このQスイッチ制御部24は、パルス発生器32、パルス整形回路34、変調パルス生成回路36、高周波発振器38および変調回路40で構成されている。
【0290】
パルス発生器32は、たとえばV−F(電圧−周波数)コンバータからなり、主制御部28からの周波数制御電圧VS を入力し、この制御電圧VS の電圧レベルに比例した繰り返し周波数でパルス信号SPを発生する。
【0300】
図3に模式的に示すように、パルス発生器32より発生されるパルス信号SPにおいては、そのパルス幅TSPが繰り返し周波数に反比例して変化する。すなわち、繰り返し周波数が低いほどパルス幅TSPが大きく、繰り返し周波数が高くなるほどパルス幅TSPが小さくなる。
【0310】
パルス整形回路34はたとえばワンショット・マルチバイブレータからなり、パルス発生器32からのパルス信号SPを入力し、図3に示すようにパルス信号SPの立ち上がりエッジに応動して一定のパルス幅TW を有するパルス信号CPを出力する。
【0320】
本実施例では、パルス発生器32およびパルス整形回路34が基準パルス信号生成手段を構成し、パルス整形回路34より出力される一定パルス幅のパルス信号CPが基準パルスとなる。
【0330】
なお、図3では、本実施例における基準パルス信号生成手段の機能を説明するうえでパルス発生器32に対する周波数制御電圧VS のレベルを時間的に単調増加させているが、実際の応用ではQスイッチパルスレーザ光LBQ の繰り返し周波数の設定値に対応した電圧レベルに周波数制御電圧VS を選ぶ。
【0340】
変調パルス生成回路36は、パルス整形回路34からのパルス信号CPを入力し、図3に模式的に示すようにパルス信号CPに同期し、かつ個々のパルスについて立ち上がり部の勾配(速度)を可変制御できる変調用のパルス信号MPを生成する。変調パルス生成回路36は本実施例の主たる特徴をなす部分であり、その構成および作用については後に詳述する。
【0350】
変調回路40は、変調パルス生成回路36からの変調用パルス信号MPを入力するとともに、高周波発振器38よりたとえば24MHz、50Wで連続的に出力される高周波電気信号ES0 を搬送波として入力し、図13および図14に示したものと同様の仕方で高周波電気信号ES0 をパルス信号MPで変調して、Qスイッチング用の高周波電気信号ESを生成する。
【0360】
これら3つの信号MP,ES0 ,ESの間には次のような関係がある。すなわち、MPがLレベルになっている間はESがオン(出力)期間となってES0 がそのままESとして出力され、MPがHレベルになっている間はESがオフ(中断)期間となってES0 が遮断されESの振幅は零レベルとなる。そして、MPがLレベルからHレベルに立ち上がり、これに応動してESがオン期間からオフ期間に切り替わる際には、MPの立ち上がり速度の大きさ、つまりアップスロープ勾配に比例した減衰率でESの振幅が減衰する。
【0370】
Qスイッチ・ドライバ26は、図11に示すものと同様の構成および機能を有するパワーアンプ型の駆動回路でよく、変調回路40からの高周波電気信号ESを電力増幅してQスイッチ18に供給する。
【0380】
図4に、第1の実施例における変調パルス生成回路36の回路構成を示す。
【0390】
この変調パルス生成回路36において、それぞれのベース端子を互いに共通接続された一対のPNP型トランジスタ42,44はカレントミラー回路46を構成する。
【0400】
両トランジスタ42,44のエミッタ端子は互いに共通接続され、NPN型トランジスタ48を介してたとえば+5Vの電源電圧VB (第1の電源電圧)の端子に電気的に接続されている。第1のトランジスタ42のコレクタ端子は、コンデンサ50を介してグランド電位(第2の電源電圧)の端子に接続されている。第2のトランジスタ44のコレクタ端子は、抵抗値可変型の抵抗回路52を介してグランド電位の端子に接続されている。
【0410】
抵抗回路52は抵抗値選択部53に電気的、光学的または機械的に接続されており、主制御部28からの抵抗値選択信号RSに応じて抵抗値選択手段53が抵抗回路52の抵抗値RF を所望の値に選択または切換するようになっている。
【0420】
両トランジスタ42,44の共通接続されたベース端子は、第2のトランジスタ44のコレクタ端子に接続されるとともに、コンデンサ54を介してトランジスタ48のエミッタ端子に接続されている。
【0430】
トランジスタ48は、抵抗56を介してパルス整形回路34からの基準パルスCPをベース端子に入力し、基準パルスCPがHレベルになっている間だけ導通するスイッチである。トランジスタ48が導通すると、このトランジスタを介して電源電圧VB がカレントミラー回路46に供給されるようになっている。
【0440】
コンデンサ50には、ダイオード58および抵抗60からなる放電回路61が閉回路を形成するように接続されている。より詳細には、ダイオード58のアノード端子がコンデンサ50のグランド側とは反対の端子50aに接続され、カソード端子がトランジスタ48のエミッタ端子に接続されるとともに抵抗60を介してコンデンサ50のグランド側端子50bに接続されている。
【0450】
コンデンサ50の端子50aは、抵抗62を介してNPN型トランジスタ64のベース端子にも接続されている。このトランジスタ64はNPN型トランジスタ66とダーリントン接続されており、両トランジスタ64,66とバイアス抵抗68,70および負荷抵抗72とによってパルス信号出力回路74が構成されている。
【0460】
次に、図5および図6を参照して上記構成の変調パルス生成回路36の作用を説明する。
【0470】
パルス整形回路34より与えられる基準パルスCPがLレベルになっている間は、トランジスタ・スイッチ48がオフ(遮断)状態にあり、カレントミラー回路46に電流は流れない。コンデンサ50には充電電荷がほとんどなく、その電圧(端子50aの電位)Vc はほぼ0V(Lレベル)にある。パルス信号出力回路74においては、両増幅トランジスタ64,66がそれぞれオフ状態であり、トランジスタ66のエミッタ端子より得られる変調用の出力パルス信号MPはほぼ0V(Lレベル)になっている。
【0480】
基準パルスCPがLレベルからHレベルに変化すると、トランジスタ・スイッチ48がオン(導通)する。この基準パルスCPのLレベルからHレベルへの変化(立ち上がり)は、本実施例で制御対象となっている変調用パルス信号MPのLレベルからHレベルへの立ち上がり(アップスロープ部)の勾配からみれば、ほとんど常時直角(90゜)の勾配で瞬時に移行するとみてよい。
【0490】
トランジスタ・スイッチ48がオンすると、電源電圧VB がトランジスタ48を介してカレントミラー回路46に供給され、両トランジスタ42,44が同時にオンし、それぞれコレクタ電流I1 ,I2 が流れ始める。この際、コンデンサ54は、トランジスタ48のオン直後に両トランジスタ42,44のエミッタ・ベース間に電圧を印加し、両トランジスタ42,44のオンを早める(促進する)ように作用する。
【0500】
トランジスタ44がオンすることによって、このトランジスタ44と抵抗回路52とを通ってグランド電位へと至る電流パスに電流I2 が流れる。図5に示すように、抵抗回路52の抵抗値RF とこの電流I2 との間には一定の逆比例関係がある。主制御部28は、この抵抗−電流特性に基づき電流I2 が所望の電流値で流れるよう抵抗値選択部53を介して抵抗回路52の抵抗値RF を予め所定の値に選択している。
【0510】
このようにしてトランジスタ44側の電流パスで電流I2 が所望の電流値で流れると、カレントミラー効果によりトランジスタ42側の電流パスでも電流I2 と等しい電流値で電流I1 が流れる。そして、この電流I1 のほとんどがコンデンサ50に供給される。電流I1 のうちパルス信号出力回路74のトランジスタ64のベース端子に流れる分は相対的に非常に小さく、無視できる。
【0520】
これにより、コンデンサ50はほぼ一定の電流I1 で充電され、その電圧VC が次式(1)にしたがってほぼ直線的に上昇する。
VC =I1 ・t/C ………(1)
【0530】
ここで、Cはコンデンサ50の容量(ファラド)であり、tはスイッチ・トランジスタ48がオンしてからの経過時間(秒)である。
【0540】
そして、コンデンサ50の電圧VC が電源電圧VB 近くの所定レベルに達すると、放電回路61においてダイオード58が導通し、コンデンサ50から溢れた電荷がダイオード58および抵抗60を通ってグランドへ放電される。この放電電荷量と電流I1 による充電量とが平衡すると、コンデンサ50の電圧VC は平坦なレベル(Hレベル)となる。
【0550】
パルス信号出力回路74は、コンデンサ50の電圧VC を抵抗62を介して入力し、両トランジスタ64,66で増幅して、電圧VC と相似な波形の出力電圧をパルス信号MPとして出力する。
【0560】
その後、入力側で基準パルスCPがHレベルからLレベルに変化すると、トランジスタ・スイッチ48がオフ状態に変わり、電源電圧VB の端子とカレントミラー回路46とを遮断する。これにより、カレントミラー回路46では、両トランジスタ42,44の双方で電流I1 ,I2 が止まる。
【0570】
すると、コンデンサ50の充電も止まり、コンデンサ50に蓄積されていた電荷は全て放電回路61(58,60)で一瞬に放電され、コンデンサ電圧VC は瞬時にそれまでのHレベルからLレベル(0ボルト)へ立ち下がる。これに応動して、パルス信号出力回路74の出力電圧(パルス信号MP)もHレベルからLレベルに急速に立ち下がる。
【0580】
こうして、変調パルス生成回路36より、図6に示すように、矩形波形の入力パルス(基準パルスCP)に同期し、かつ立ち上がり時のアップスロープ勾配θを可変制御可能な変調用のパルス信号MPが得られる。
【0590】
この変調パルス生成回路36において、パルス信号MPのアップスロープ勾配θは上式(1)の係数(I1 /C)で規定され、I1 がパラメータ(変数)である。そして、I1 を可変制御するために、これと等しいI2 を規定する抵抗回路52の抵抗値RF を主制御部28が抵抗値選択部53を介して適当な値に選択するように構成されている。
【0600】
図5および図6に示すように、抵抗回路52の抵抗値RF を比較的小さな値Ra に選ぶことでアップスロープ勾配θを比較的大きな値θa とし、抵抗値RF を比較的大きな値Rb に選ぶことでアップスロープ勾配θを比較的小さな値θb とすることができる。
【0610】
上記したように、本実施例の変調パルス生成回路36にはカレントミラー回路46が設けられ、このカレントミラー回路46を構成する一対のトランジスタ42,44のうち第1のトランジスタ42側の電流パスにはコンデンサ50が接続されるとともに、第2のトランジスタ44側の電流パスには抵抗値可変型の抵抗回路52が接続される。また、カレントミラー回路46を基準パルスCPのパルス時間中だけ動作させるためのトランジスタ48からなるスイッチ手段も設けられている。
【0620】
そして、抵抗回路52の抵抗値RF が抵抗値選択部53を介して主制御部28により適当な値に選択されることで、基準パルスCPのパルス時間中に第2のトランジスタ44側の電流パスに流れる電流I2 ひいてはカレントミラー効果でこれと等しい大きさで第1のトランジスタ42側の電流パスに流れる電流I1 が所望の電流値に選択され、コンデンサ50の充電電圧の立ち上がりの勾配(速度)が所望の大きさに制御されるようになっている。
【0630】
コンデンサ50の電圧VC は、ダイオード58および抵抗60からなる放電回路61によって基準パルスCPに同期したパルス波形となる。そして、コンデンサ50の電圧VC は、パルス信号出力回路74によって増幅され、変調用のパルス信号MPとして出力される。
【0640】
このように、本実施例では、カレントミラー回路46における安定な電流I1 (I2 )をパラメータとして変調用パルス信号MPの立ち上がり時のアップスロープ勾配を制御するようにしたので、安定かつ高精度な制御が可能であり、Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を設定通りに制御することが可能である。
【0650】
図7に、本実施例における抵抗回路52および抵抗値選択部53の具体的な回路構成例を示す。この例では、抵抗回路52が直列接続された3つの抵抗74,76,78で構成され、抵抗値選択部53が抵抗76,78にそれぞれ並列接続されたアナログスイッチ80,82で構成されている。
【0660】
アナログスイッチ80,82は、主制御部28からの抵抗値選択信号RS1 ,RS2 によってそれぞれオン・オフ制御される。抵抗74,76,78のそれぞれの抵抗値をR74,R76,R78とすると、スイッチ80,82の双方をオフ状態にしたとき、抵抗回路52の抵抗値R53は(R74+R76+R78)で与えられる。スイッチ80をオン、スイッチ82をオフにすると、抵抗回路52の抵抗値R53は(R74+R78)となる。スイッチ80をオフ、スイッチ82をオンにすると、全抵抗値R53は(R74+R76)となる。両スイッチ80,82の双方をオンにすると、全抵抗値R53はR74となる。
【0670】
このように、この構成例では、抵抗回路52の抵抗値R53を4通りの値(R74+R76+R78)、(R74+R76)、(R74+R78)、R74に選択することが可能であり、したがって変調用パルス信号MPの立ち上がり時のアップスロープ勾配またはQスイッチパルスレーザ光の尖頭値を4通りの値に可変制御することができる。
【0680】
一般に、レーザマーキング加工では、図13に示したようにレーザ発振開始または再開直後の最初の1発ないし数発のQスイッチパルスレーザ光LBQ が定常時のものよりも異常に高くなるのが問題とされている。すなわち、マーキング始点付近のドットが後続の描画点のドットよりも異常に大きく形成されるという問題である。
【0690】
このような問題に対処するには、最初の1発ないし数発のQスイッチパルスレーザ光LBQ に対応する変調用パルス信号MPのアップスロープ勾配θだけを比較的小さな値にすればよく、定常時のQスイッチパルスレーザ光LBQ に対応する変調用パルス信号MPのアップスロープ勾配θは一定の値としてよい。したがって、アップスロープ勾配θを4通りの値で選択できる機能があれば十分に対応できる。その意味で、図7の例は回路構成が簡単で実用性に優れている。
【0700】
もっとも、抵抗回路52をより複雑な抵抗回路網たとえばラダー抵抗回路網や重み抵抗回路網で構成し、該抵抗回路網内の所要の分岐部に抵抗値選択部53のスイッチ素子を設ける構成によって、抵抗回路52の抵抗値RF の分解能ひいては変調用パルス信号MPのアップスロープ勾配θの分解能を高くすることができる。
【0710】
また、抵抗回路52を光の照射強度によって抵抗値が変化するような抵抗素子たとえばCdS素子で構成するとともに、抵抗値選択部53を該CdS素子に光を照射するための発光素子たとえばLEDとこのLEDに可変制御可能な駆動電流を供給するための可変電流源とで構成することによって、抵抗回路52の抵抗値RF ひいては変調用パルス信号MPのアップスロープ勾配θを連続的に可変制御することもできる。
【0720】
図8に、別の実施例による変調パルス生成回路36の回路構成を示す。図中、図4のものと同様の構成・機能を有する部分には同一の符号を付している。
【0730】
この第2の実施例では、図4の回路構成において、抵抗値可変型の抵抗回路52を電流値可変型の定電流源84で置き換えるとともに、抵抗値選択部53に代えて定電流源84の電流値IF を適宜選択するための電流値選択部86を設けている。
【0740】
この第2の実施例による変調パルス生成回路36において、スイッチ・トランジスタ48がオフ状態の間は、カレントミラー回路46の両トランジスタ42,44もオフ状態にあるため、定電流源84も非アクティブ状態にあり、電流IF を流さない。
【0750】
基準パルスCPに応動してスイッチ・トランジスタ48がオンし、カレントミラー回路46の両トランジスタ42,44もオンすると、定電流源84がアクティブ状態に変わり、所定の定電流IF を流す。
【0760】
これにより、カレントミラー回路46において、第2のトランジスタ44側の電流パスには定電流IF と同じ電流I2 が流れ、カレントミラー効果により第1のトランジスタ42側の電流パスでも定電流IF (I2 )に等しい電流I1 が流れる。その他の作用は図4の実施例と同様である。
【0770】
この実施例では、定電流源84によって、カレントミラー回路46で流れる電流I1 ,I2 を厳密に一定に制御し、コンデンサ50の充電電圧の立ち上がりの直線性を厳密に一定に制御できるため、より安定かつ高精度に変調用パルス信号MPのアップスロープ勾配θひいてはQスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を可変制御することができる。
【0780】
図9に、図8の実施例における定電流源84および電流値選択部86の具体的構成例を示す。
【0790】
この構成例は、定電流源84をそれぞれI/2n ,I/2n-1 ,…,I/4,I/2の重み定電流値を流すn個の重み定電流源88(n) ,88(n-1) ,…,88(2) ,88(1) で構成し、電流値選択部86を各重み定電流源に1つずつ割り当てられたn個の切換スイッチ90(n) ,90(n-1) ,…,90(2) ,90(1) と各切換スイッチの切換位置を制御するためのレジスタ92とで構成している。
【0800】
各切換スイッチ90(i) の固定端子は各対応する重み定電流源88(i) のグランド側と反対側の端子に接続され、可動端子がレジスタ92の各対応する出力端子Y(i) より与えられる切換制御信号に応じて端子91もしくは93のいずれかに接続されるようになっている。端子91は、カレントミラー回路46の第2のトランジスタ44のエミッタ端子に接続されている。端子91には適当な電位(たとえば0ボルト)が与えられる。
【0810】
レジスタ92は、たとえばnビットのシリアル入力/パラレル出力のシフトレジスタで構成され、主制御部28からのnビットの電流値選択データISを格納し、このデータISの各桁のビットに対応する切換制御信号Y(i) を各切換スイッチ90(i) に与える。
【0820】
この構成例では、I/2n の分解能で0(アンペア)から(2n −1)・I/2n (アンペア)まで定電流源84の電流値IF (I2)つまりコンデンサ50の充電電流I1 を可変調整できる。
【0830】
図10に、Qスイッチパルスレーザ光LBQ の尖頭値を各パルス毎に制御するための主制御部28の機能的構成を示す。主制御部28は、パルス発生器32、パルス整形回路34あるいは変調パルス生成回路36より出力されるパルスSP(CP,MP)をカウンタ94で計数することで、次のパルスが何番目のものかを識別し、その次パルスに対応する電流設定値ISを設定値記憶部98に保持されている各種設定値(たとえば尖頭値の設定値)から演算で求め、求めた電流設定値ISをディジタルデータのまま、あるいはアナログ信号に変換したうえで、電流値選択部86に与える。
【0840】
上記した抵抗値可変方式(図4,図7)でも、主制御部28は図10のような構成を採ることができる。
【0850】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体レーザ装置によれば、カレントミラー回路により安定化された電流を用いて変調用パルス信号の立ち上げ時のアップスロープ勾配を制御するようにしたので、安定かつ高精度な可変制御が可能であり、Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を設定通りに制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のQスイッチ型YAGレーザ加工装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図2】実施例におけるQスイッチ制御部の回路構成を示すブロック図である。
【図3】実施例のQスイッチ制御部におけるパルス発生器、パルス整形回路および変調パルス生成回路の機能を説明するための各部の信号の波形を示す波形図である。
【図4】第1の実施例における変調パルス生成回路の回路構成を示す回路図である。
【図5】実施例の抵抗値可変型の抵抗回路における抵抗値と電流値との関係を示す図である。
【図6】実施例における変調パルス生成回路の作用を説明するための入力パルスおよび出力パルスの波形を示す図である。
【図7】第1の実施例における変調パルス生成回路の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図8】第2の実施例における変調パルス生成回路の回路構成を示す回路図である。
【図9】第2の実施例における変調パルス生成回路の具体的な回路構成を示す回路図である。
【図10】Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を各パルス毎に制御するための実施例における主制御部の機能的構成を示すブロック図である。
【図11】音響光学Qスイッチの構成を示す図である。
【図12】YAGレーザ共振器の構成を示す斜視図である。
【図13】音響光学Qスイッチに供給する高周波電気信号をパルス信号で変調する方式を説明するための波形図である。
【図14】Qスイッチパルスレーザ光の尖頭値を制御するために変調用パルス信号の立ち上げ部にアップスロープ勾配を与える方式を説明するための波形図である。
【符号の説明】
18 Qスイッチ
19 YAGレーザ共振器(発振器)
24 Qスイッチ制御部
28 主制御部
46 カレントミラー回路
48 トランジスタ
50 コンデンサ
52 抵抗回路
53 抵抗値選択部
61 放電回路
74 パルス信号出力回路
84 定電流源
86 電流値選択部
Claims (2)
- レーザ共振器内にQスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で変調されて前記パルス信号の第1の論理値レベルに応じたオン期間と前記パルス信号の第2の論理値レベルに応じたオフ期間とを有する一定周波数の高周波電気信号を前記Qスイッチに供給し、前記パルス信号の第1の論理値レベルから第2の論理値レベルへ移行する速度を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるQスイッチパルスレーザ光の尖頭値を制御するようにした固体レーザ装置において、
前記繰り返し周波数を有し、かつ一定のパルス幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、
それぞれの制御端子を互いに共通接続された第1および第2のトランジスタを有するカレントミラー回路と、
第1の電源電圧の端子と前記カレントミラー回路との間に接続され、前記基準パルスを入力し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ導通して前記カレントミラー回路に前記第1の電源電圧を供給せしめるスイッチ手段と、
第2の電源電圧の端子と前記第1のトランジスタとの間に接続されたコンデンサと、
前記第2の電源電圧の端子と前記第2のトランジスタとの間に接続された抵抗値可変型の抵抗回路と、
前記抵抗回路の抵抗値を所望の値に選択するための抵抗値選択手段と、
前記コンデンサと閉回路を形成し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ前記コンデンサを充電可能とし、前記時間の終了後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、
前記コンデンサの電圧を前記パルス信号として出力するパルス信号出力手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。 - レーザ共振器内にQスイッチを設け、所望の繰り返し周波数を有するパルス信号で変調されて前記パルス信号の第1の論理値レベルに応じたオン期間と前記パルス信号の第2の論理値レベルに応じたオフ期間とを有する一定周波数の高周波電気信号を前記Qスイッチに供給し、前記パルス信号の第1の論理値レベルから第2の論理値レベルへ移行する速度を制御することにより、前記レーザ共振器より発振出力されるQスイッチパルスレーザ光の尖頭値を制御するようにした固体レーザ装置において、
前記繰り返し周波数を有し、かつ一定のパルス幅を有する矩形波形の基準パルスを生成する基準パルス信号生成手段と、
それぞれの制御端子を互いに共通接続された第1および第2のトランジスタを有するカレントミラー回路と、
第1の電源電圧の端子と前記カレントミラー回路との間に接続され、前記基準パルスを入力し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ導通して前記カレントミラー回路に前記第1の電源電圧を供給せしめるスイッチ手段と、
第2の電源電圧の端子と前記第1のトランジスタとの間に接続されたコンデンサと、
前記第2の電源電圧の端子と前記第2のトランジスタとの間に接続された電流値可変型の定電流源と、
前記定電流源の電流値を所望の値に選択するための電流値選択手段と、
前記コンデンサと閉回路を形成し、前記基準パルスのパルス幅に対応する時間の間だけ前記コンデンサを充電可能とし、前記時間の終了後に前記コンデンサを放電させる放電手段と、
前記コンデンサの電圧を前記パルス信号として出力するパルス信号出力手段とを具備することを特徴とする固体レーザ装置。
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