JP4285243B2 - レーザ装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置およびレーザ加工装置に関し、特にレーザ光出力およびレーザパルスエネルギーの精密な制御が可能なレーザ装置およびレーザ加工装置に関するものである。

従来のレーザ装置は、例えば特許文献１の図１に示されるように、レーザ光の一部を受光素子で検出し、かかる検出信号をコントローラに送出し、コントローラは検出信号に基づいてレーザ共振器内部の光軸上に配置された内部Ｑスイッチ素子の回折効率を時間に依存させて制御していた。この結果、レーザ光のエネルギーが時間に応じて制御可能となって、レーザパルス光出力および平均光出力の安定性の向上を図っていた。

米国特許第５３３９３２３号明細書（図１）

従来のレーザ装置は、レーザ光をレーザ共振器内部のＱスイッチ素子のみで制御していたため、レーザ加工に使用した場合、微小な漏れ光が加工対象物（ワーク）を傷つける場合があった。また、レーザパルス間の光出力を安定に制御することが難しく、特に高出力動作時における高精度のレーザ光出力制御が極めて困難であった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、レーザ光出力およびレーザパルスエネルギーの精密な制御が可能なレーザ装置およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器内の光軸上に配置されたＱスイッチ素子と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光の光路上に配置されたレーザ光回折手段と、前記レーザ光回折手段を経た前記レーザ光の光強度を検出するレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段から出力される検出信号に応じて前記レーザ光回折手段の回折効率と前記Ｑスイッチ素子の駆動を前記レーザ発振器の停止時に前記レーザ発振器からの漏れ光を低減し、前記レーザ発振器の発振時に前記レーザ光のパルスエネルギーの変動を低減するようにそれぞれ制御する制御信号を連動的に発する制御手段と、を備えることとした。

レーザ装置を上記構成としたので、レーザ光出力およびレーザパルスエネルギーの精密な制御が可能で、しかも、多様なパルス波を発生させることができるレーザ装置を容易に提供できる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。赤外レーザ発振器１は、図１に示すように、レーザ結晶１９を励起するレーザ結晶励起装置２０と、波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光２１に対して部分透過である部分反射ミラー１６と、赤外レーザ光２１に対して全反射である全反射ミラー１７とで構成され、さらに、レーザ共振器内部にはＱスイッチ素子（以下「内部Ｑスイッチ素子」と言う）１８が光軸上に配置され、かかる内部Ｑスイッチ素子１８を用いてＱスイッチ発振を行うことにより赤外レーザ光２１を発生させる。

なお、上述のＱスイッチ素子１８の具体例としては，例えば音響光学素子、電気光学素子、磁気光学素子等が挙げられる。

赤外レーザ光２１は折り返しミラー２、３を経て、レーザ発振器１の外部の光路上に配置されたレーザ発振器外部音響光学素子（レーザ光回折手段、以下「外部ＡＯ素子」と言う）４を経て、集光レンズ５へ入射する。なお、ＡＯ素子は、電圧が印加されない状態では入射したレーザ光２１を単に透過させるだけであるが、高周波電圧を印加するとＡＯ素子内に光弾性効果による屈折率の周期的な分布が形成され、この屈折率によって入射したレーザ光の一部を回折して光路から外してしまう機能を具備する。

赤外レーザ光２１は集光レンズ５によって集光されつつ第２高調波発生用波長変換結晶（波長変換手段）６へ入射し、赤外レーザ光２１の一部は波長５３２ｎｍの第２高調波レーザ光２２へ波長変換される。赤外レーザ光２１のうち波長変換されなかった残余の赤外レーザ光２１と第２高調波レーザ光２２は集光レンズ７を通過して集光されつつ第３高調波発生用波長変換結晶（波長変換手段）８へ入射し、一部は波長３５５ｎｍの第３高調波レーザ光１３へとさらに波長変換される。

第３高調波レーザ光１３は、第３高調波レーザ光１３に対して全反射する一方、赤外レーザ光２１、第２高調波レーザ光２２に対しては全透過であるビームスプリッター１０を通過した後、レーザ加工用の光源として使用される。一方、ビームスプリッター１０で全反射された第３高調波レーザ光１３は、再度ビームスプリッター９によって全反射されてビームスプリッター１１に入射する。ビームスプリッター１１からの漏れ光（透過光）はパルス検出装置（レーザ光検出手段）１２に入射する。かかる入射光はビームスプリッター９，１０を経たため、波長３５５ｎｍのレーザ光成分が全てである。パルス検出装置１２からの出力信号、すなわち検出信号２３はコントローラ（制御手段）１４に送出され、コントローラ１４は上記検出信号２３に応じて外部ＡＯ素子４の回折効率を時間に依存して制御するための制御信号２４を、外部ＡＯ素子ドライバー（駆動手段）１５に送信する。外部ＡＯ素子４の回折効率がパルス検出装置１２からの検出信号２３に応じて制御されることによって、赤外レーザ光２１の光強度、ひいては、第２高調波レーザ光２２の光強度、第３高調波レーザ光１３の光強度がそれぞれ時間に応じて精密に制御可能となり、この結果、レーザパルス間の光出力安定性と平均光出力の安定性が向上できる。

かかる制御の一例として、赤外レーザ光２１の光強度増大に起因してパルス検出装置１２の検出信号２３の強度が大きくなった場合は、コントローラ１４から外部ＡＯ素子４の回折効率をより高める制御信号２４をＡＯ素子ドライバー１５に送信して、外部ＡＯ素子４による回折効率を高めて赤外レーザ光２１の光強度を低下させることにより、全体としてレーザ光出力を安定化させる方法が挙げられる。

また、本実施の形態のレーザ装置では、レーザ発振が停止している間の漏れ光をＡＯ素子４によって効果的に遮断できるため、例えば、本実施の形態のレーザ装置をレーザ加工用の光源に適用すると、従来のレーザ装置においてワーク移動中や、ワークへ照射するレーザ光の照射位置の変更中に生じ易かった漏れ光によるワークへの損傷を有効に回避できる。

さらに、本実施の形態のレーザ装置では、図１に示すように、コントローラ１４が制御信号２４と連動的に発する制御信号２６によって、Ｑスイッチ素子ドライバー２７を介してレーザ共振器１内部に配置された内部Ｑスイッチ素子１８を制御することにより、より精密な光出力制御を行っても良い。つまり、内部Ｑスイッチ素子１８と外部ＡＯ素子４の双方の回折効率の制御によって、相乗的にレーザ光出力のより一層の安定化を図ることができる。

また、コントローラ１４が検出信号２３に依存して制御信号２４，２６を発生するだけでなく、レーザ共振器１内部の内部Ｑスイッチ素子１８へのトリガー信号と外部ＡＯ素子４の制御を組み合わせ、より多様なパルス波形を発生させることもできる。さらに、例えば、本実施の形態のレーザ装置をレーザ加工に使用した場合には、レーザ加工装置のガルバノミラーによるレーザ光移動信号やレーザ加工装置中のワーク移動信号に応じて、外部ＡＯ素子４の動作を制御しても良い。

本実施の形態においては波長３５５ｎｍ近傍の第３高調波レーザを用いたレーザ装置について示したが、本実施の形態によるレーザ装置の構成は、第２高調波レーザ装置や、第４高調波レーザ装置等の波長変換レーザであっても、また、波長変換を施さない基本波レーザであっても容易に適用可能である。また、上述の説明では便宜上、波長１０６４ｎｍの赤外発振レーザ波長を一例としたが、本実施の形態によるレーザ装置の発振レーザ波長は１０６４ｎｍに何ら限定されるものではなく、また、構成の一要素であるレーザ結晶も、Ｎｄ：ＹＡＧ等に何ら限定されるものでもなく、その他の波長あるいはその他のレーザ結晶であっても同様な効果を奏する。

実施の形態１のレーザ装置の動作について図２のレーザ装置のタイミングチャートに基づき説明する。図２には、上下に並んで３つのタイミングチャートが示されており、全て時間を示す横軸を揃えて図示されている。最上部のタイミングチャートは内部Ｑスイッチ素子１８の回折効率の時間変化を示すタイミングチャートであり、中途まで定常的なＱスイッチ発振を行った後、内部Ｑスイッチ素子１８の回折効率を最も高い状態にするホールドオフと呼ばれる発振停止状態になる動作モードを示している。

３つのタイミングチャートのうち中央の図は、外部ＡＯ素子４の回折効率の時間変化を示している。内部Ｑスイッチ素子１８が定常Ｑパルス発振を行っている間は高周波（ＲＦ）パワーを印加しない回折効率ゼロの状態であり、内部Ｑスイッチ素子１８が上述のホールドオフ状態に入った直後に外部ＡＯ素子４の回折効率は最大の状態に変化している。

タイミングチャート最下部の図は、図中のＡに示す外部ＡＯ素子４による変調制御を加えない場合（点線）と、図中のＢに示す変調制御を加えた場合（実線）のレーザ光強度の時間変化をそれぞれ示している。図中のＢに示されるように、レーザ発振停止時に外部ＡＯ素子４を使用して赤外レーザ光２１を回折させて停止することにより、レーザ装置外部へのレーザ光出力停止がより完全に実現できる。この結果、レーザ光の一部による漏れ光が加工対象物（ワーク）に照射されて生じる加工対象物の損傷等の弊害を避けることができる。レーザ装置が高出力レーザ、高ピークレーザであるほど、かかる効果は相対的に向上する。

また、本実施の形態においては、図１に示すように外部ＡＯ素子４を波長変換レーザ光２２の光路上でなく赤外レーザ光２１の光路上に配置する構成としているが、波長変換効率はレーザ光強度に比例するので、波長変換結晶６，８へ入射される基本波光強度が低下する効果は、波長変換効率の低下と、基本波強度の低下に二重に作用するため、レーザ光使用時と非使用時のピーク強度の差を一層大きくできる効果がある。

実施の形態２．
図３は、実施の形態１と同一の装置構成で実施される別の駆動方法を示すタイミングチャートであり、３つのタイミングチャートが時間に対応する横軸を揃えて示されている。図３中、最上部に示されたタイミングチャートは、外部ＡＯ素子４の回折効率の時間変調無しにレーザ装置をレーザ共振器１内部の内部Ｑスイッチ素子１８のみで駆動した場合のレーザパルス列である。かかる従来の駆動方法では、レーザパルス列に対して５００Ｈｚ程度で振動するような包絡的な振動成分が重畳されてしまう不具合があった。

一方、図３の中央部に示されたタイミングチャートは、図１中に示したパルス検出装置１２で検出されたレーザパルス列の検出信号２３に応じて、外部ＡＯ素子４の回折効率の時間変調を加えてレーザ装置を駆動した場合のレーザパルス列である。本実施の形態のレーザ装置の駆動方法では、パルス検出装置１２の検出信号２３がコントローラ（制御手段）１４に送出され、コントローラ（制御手段）１４では、パルス検出装置１２からの検出信号２３に応じて上述の変動成分を打ち消すように外部ＡＯ素子４の回折効率を変調制御させるべく時間に依存した制御信号２４をＡＯ素子ドライバー１５に送信する。この結果、図３の最下部に示したタイミングチャートのように、外部ＡＯ素子４の回折効率がパルス検出装置１２の検出信号２３に応じて変調制御されるため、より遅い周波数帯域、とりわけ１ｋＨｚ程度およびそれ以下の周波数帯域の変動成分であるレーザパルス振動を効果的に抑制でき、レーザ光出力およびレーザパルスエネルギーの精密な制御が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３のレーザ装置の駆動方法を以下に説明する。まず、外部ＡＯ素子４の回折効率の時間変調無しの状態でレーザ装置を駆動して、レーザパルス列をサンプリングする。コントローラ１４によって、サンプリングしたレーザパルス列の時間に依存したレーザパルス強度の変動成分を解析して、かかる変動を相殺するような外部ＡＯ素子４の回折効率の変調制御パターンを決定する。

レーザ装置の実動作時には、コントローラ１４から発した上記解析結果に基づく制御信号２４をＡＯ素子ドライバー１５に送信して、外部ＡＯ素子４を駆動する。この結果、変動成分が相殺され、極めて精密に制御されたレーザ光出力およびレーザパルスエネルギーが容易に得られる。

実施の形態４．
図４は、実施の形態１と同一の装置構成で実施される別の駆動方法を示すタイミングチャートであり、２つのタイミングチャートが時間に対応する横軸を揃えて示されている。図４において、上下のタイミングチャートは時間に対応する横軸を揃えて示されており、上側のタイミングチャートはＱスイッチ動作時における内部Ｑスイッチ素子１８の回折効率の時間変化を示している。また、下側のタイミングチャートはＱスイッチレーザパルス列を示している。図４の上部のタイミングチャートに示されている時間幅Ｇは、内部Ｑスイッチ素子１８の回折効率が高い値となってレーザ共振器１のＱ値が低い状態となり、励起によりレーザ活性媒質に１回のレーザパルス発生に必要なエネルギーが蓄積される時間を表す。

図５は本実施の形態を説明するためのレーザパルス幅と時間幅Ｇの関係を示す図である。また、図６はレーザパルスエネルギーと時間幅Ｇの関係を示す図である。同一の励起エネルギーで考えた場合、図５に示すように時間幅Ｇとレーザパルス幅の間にはレーザ結晶の物性、共振器構成、励起強度で決まってしまう一定の関係が存在するため、電気的な信号だけでレーザパルス幅を変調するのは難しかった。また、図６に示すように時間幅Ｇとレーザパルスエネルギーの間にもレーザ結晶の物性、励起強度、共振器構成で決まってしまう一定の関係が存在するため、電気的な信号だけでレーザパルスエネルギーを変調するのが難しかった。

図５，６よりレーザ装置を一定の励起エネルギーで使用する場合、レーザパルスエネルギーとレーザパルス幅に図７に示すような一定の関係が存在し、従来のレーザ装置構成およびその駆動方法では、かかる関係を満たす条件以外で使用するのは困難であった。

図８、図９、図１０は実施の形態１の図１に示す外部ＡＯ素子４を使用して赤外レーザ光を変調した場合の時間幅Ｇとレーザパルス幅、時間幅Ｇとレーザパルスエネルギー、およびレーザパルス幅とレーザパルスエネルギーの関係をそれぞれ示した図である。レーザパルス幅は外部ＡＯ素子４を使用して回折しても変化しないため、図８に示すように外部ＡＯ素子４を使用して赤外レーザ光を変調しても時間幅Ｇとレーザパルス幅の関係は一定である。しかし、図９に示すように外部ＡＯ素子４による変調により一定範囲でレーザパルスエネルギーを変化させることができる。つまり、外部ＡＯ素子４によるレーザ光の回折作用により、外部ＡＯ素子４を透過するレーザ光成分を制御できるからである。この結果、図１０のように、外部ＡＯ素子４の回折効率を制御すれば、レーザパルス幅とレーザパルスエネルギーの関係を一定の範囲内で変化させることが容易に実現できる。

本実施の形態においては、このようにレーザパルス幅とレーザパルスエネルギーの関係を変化させることにより、種々の条件に合わせたレーザ光をより容易に発生させることが可能な構成としているため、さらにレーザ光出力およびレーザパルスエネルギーの精密な制御が可能となる。

実施の形態１〜４においては、レーザ光回折手段の一例として音響光学素子を挙げたが、例えば光弾性素子やプラズマシャッタを用いても同様の効果が得られる。

実施の形態１のレーザ装置の構成図である。 実施の形態１のレーザ装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態２のレーザ装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態４のレーザ装置の駆動方法を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態４におけるレーザパルス幅と時間幅Ｇの関係を示す図である。 実施の形態４におけるレーザパルスエネルギーと時間幅Ｇの関係を示す図である。 実施の形態４におけるレーザパルス幅とレーザパルスエネルギーの関係を示す図である。 実施の形態４におけるレーザパルス幅と時間幅Ｇの関係を示す図である。 実施の形態４におけるレーザパルスエネルギーと時間幅Ｇの関係を示す図である。 実施の形態４におけるレーザパルス幅とレーザパルスエネルギーの関係を示す図である。

符号の説明

１ レーザ発振器、 ２ 折り返しミラー、 ３ 折り返しミラー、 ４ レーザ共振器外部ＡＯ素子（レーザ光回折手段）、 ５ 集光レンズ、 ６ 第２高調波発生用波長変換結晶（波長変換手段）、 ７ 集光レンズ、 ８ 第３高調波発生用波長変換結晶（波長変換手段）、 ９ ビームスプリッター、 １０ ビームスプリッター、 １１ ビームスプリッター、 １２ パルス検出装置（レーザ光検出手段）、 １３ 第３高調波レーザ光、 １４ コントローラ（制御手段）、 １５ 外部ＡＯ素子ドライバー（駆動手段）、 １６ 部分透過ミラー、 １７ 全反射ミラー、 １８ レーザ共振器内部Ｑスイッチ素子、 １９ レーザ結晶、 ２０ レーザ結晶励起装置、 ２１ 赤外レーザ光、 ２２ 第２高調波レーザ光、 ２３ 検出信号、 ２４ 制御信号、 ２５ 高周波（ＲＦ）パワー、 ２６ 制御信号、 ２７ Ｑスイッチ素子ドライバー、 ２８ 高周波（ＲＦ）パワー。

Claims (3)

1. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器内の光軸上に配置されたＱスイッチ素子と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザ光の光路上に配置されたレーザ光回折手段と、
   前記レーザ光回折手段を経た前記レーザ光の光強度を検出するレーザ光検出手段と、
   前記レーザ光検出手段から出力される検出信号に応じて前記レーザ光回折手段の回折効率と前記Ｑスイッチ素子の駆動を前記レーザ発振器の停止時に前記レーザ発振器からの漏れ光を低減し、前記レーザ発振器の発振時に前記レーザ光のパルスエネルギーの変動を低減するようにそれぞれ制御する制御信号を連動的に発する制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
2. レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器内の光軸上に配置されたＱスイッチ素子と、
   前記レーザ発振器から出射されたレーザ光の光路上に配置され前記レーザ光の波長を変換
   する波長変換手段と、
   前記レーザ発振器と前記波長変換手段との間の光路上に配置されたレーザ光回折手段と、
   前記波長変換手段を経たレーザ光の光強度を検出するレーザ光検出手段と、
   前記レーザ光検出手段から出力される検出信号に応じて前記レーザ光回折手段の回折効率と前記Ｑスイッチ素子の駆動を前記レーザ発振器の停止時に前記レーザ発振器からの漏れ光を低減し、前記レーザ発振器の発振時に前記レーザ光のパルスエネルギーの変動を低減するようにそれぞれ制御する制御信号を連動的に発する制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ装置を備えたレーザ加工装置。

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