JP5120712B2

JP5120712B2 - Ｑスイッチレーザ発振器

Info

Publication number: JP5120712B2
Application number: JP2008174961A
Authority: JP
Inventors: 良治小関
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: JP2010016194A

Description

本発明はＱスイッチレーザ発振器に関し、詳しくは共振器を構成する出力鏡及びリヤミラーと、これらの間に形成されるレーザ光の光路上に設けられたＱスイッチ手段を備えるＱスイッチレーザ発振器に関する。

従来、共振器を構成する出力鏡及びリヤミラーと、これらの間に形成されるレーザ光の光路上に設けられたＱスイッチ手段とを備えたＱスイッチレーザ発振器が知られている。
このようなＱスイッチ手段として、可飽和吸収結晶、可飽和吸収色素溶液を用いたものが知られ、これら可飽和吸収結晶、可飽和吸収色素溶液を共振器内に設けることで、所定強度のレーザ光がＱスイッチパルス発振するようになっている（特許文献１、２）。
また、他のＱスイッチ手段として、スリットの形成された回転チョッパを用いたものが知られ、上記回転チョッパを回転させることでレーザ光を断続的に遮断し、Ｑスイッチパルスレーザ発振を得るものも知られている（特許文献３）。
特開平９−２９８３３３号公報特公昭５９−１７８７３号公報特許３１０３００９号公報

このうち、特許文献１、２における可飽和吸収結晶、可飽和吸収色素溶液は、波長域が遠赤外領域のレーザ光をよく吸収する性質を有していることから、ＣＯ_２レーザ光をＱスイッチパルス発振することができないという問題があった。
また、レーザ光の波長域に制限されない方式として、特許文献３の回転チョッパを用いたＱスイッチ手段があるが、この装置では回転チョッパの回転を細かく制御することができないという問題があった。
また、このような特許文献３のＱスイッチ手段の場合、回転チョッパのスリットの位置にレーザ光の焦点を形成するためのテレスコープレンズが必要とされているが、このテレスコープレンズの熱レンズ効果が問題とされていた。
このような問題に鑑み、本発明は高出力の遠赤外波長のレーザ光であっても精度良く発振タイミングを制御することができるＱスイッチレーザ発振器を提供するものである。

すなわち、請求項１におけるＱスイッチレーザ発振器は、共振器を構成する出力鏡及びリヤミラーと、これらの間に形成されるレーザ光の光路上に設けられたＱスイッチ手段とを備えたＱスイッチレーザ発振器において、
上記Ｑスイッチ手段を、上記レーザ光の光路上に充満した可飽和吸収ガスに超音波振動を印加又は消勢する超音波振動発生手段から構成し、
該超音波振動発生手段は、可飽和吸収ガスに超音波振動を印加して上記光路上におけるレーザ光の透過を遮断し、超音波振動を消勢することによりレーザ光を透過させることを特徴としている。

まず、上記可飽和吸収ガスは、圧力が低いとレーザ光を透過させ、圧力が高いとレーザ光を吸収する性質を有している。
上記発明によれば、Ｑスイッチ手段としての超音波振動発生手段が可飽和吸収ガスに超音波振動を印加すると、可飽和吸収ガスに高圧の部分と低圧の部分とからなる圧力の高低が層状に形成されるようになっている。
従って、レーザ光は高圧力となった部分の可飽和吸収ガスに吸収されて遮断されることとなり、逆に上記超音波振動を消勢すると、上記圧力の高低が解消されてレーザ光は可飽和吸収ガスを透過することとなる。
そして、超音波振動の印加と消勢とを繰り返せば、可飽和吸収ガスによるレーザ光の遮断と透過を繰り返すこととなる。
つまり、超音波振動発生手段による超音波振動を制御すれば、レーザ光の発振を精度良く制御することができる。また上記発明によれば、回転チョッパやテレスコープレンズを設ける必要がなく、レーザ発振器の構成を簡素化することができしかも安価に製造することができる。

以下図示実施例について説明すると、図１はレーザ光Ｌを発振するＱスイッチＣＯ_２レーザ発振器１を示している。
Ｑスイッチレーザ発振器１は、レーザガスの充満された放電チャンバ２と、可飽和吸収ガスの充満された可飽和吸収ガスチャンバ３と、共振器を構成する出力鏡４およびリヤミラー５と、可飽和吸収ガスチャンバ３に設けられたＱスイッチ手段６とを備えている。
上記放電チャンバ２と可飽和吸収ガスチャンバ３とは隣接して設けられており、上記出力鏡４は放電チャンバ２に、上記リヤミラー５は可飽和吸収ガスチャンバ３のそれぞれに設けられ、放電チャンバ２と可飽和吸収ガスチャンバ３との間にはレーザ光Ｌを透過させるレーザ光透過部材７が設けられている。

上記放電チャンバ２内にはＣＯ_２，Ｎ_２，Ｈｅを主成分とするレーザガスが封入されている。
そして、上記放電チャンバ２内のレーザガスを放電励起することによって発生したレーザ光Ｌは、上記レーザ光透過部材７を透過しながら、共振器を構成する出力鏡４とリヤミラー５との間で反射を繰り返すことで増幅され、そのレーザ光の一部が波長１０．６μｍのレーザ光として出力鏡４から出力されるようになっている。

上記可飽和吸収ガスチャンバ３内には、６弗化硫黄（ＳＦ_６），２酸化炭素（ＣＯ_２），フレオン系ガス（Ｃ_４Ｆ_８、ＦＣ１１５）等の可飽和吸収ガスが充満されている。
上記可飽和吸収ガスは、低圧ではレーザ光Ｌを透過させるが、高圧になるとレーザ光Ｌを吸収して遮断する性質を有し、可飽和吸収ガスチャンバ３内には、例えば大気（７６０ｔｏｒｒ）に対し、６弗化硫黄を分圧：１〜２０ｔｏｒｒで混合するか、またはフレオン系ガスを分圧：１０〜４００ｔｏｒｒで混合したものが充満されている。なお、大気に代えて、ヘリウムやチッ素などの不活性ガスを充満してもよい。
そして上記分圧で可飽和吸収ガスチャンバ３に充満された可飽和吸収ガスは、エネルギ密度が１〜１００ｍＪ／ｃｍ^２のレーザ光Ｌを透過させるようになっている。

上記Ｑスイッチ手段６は上記可飽和吸収ガスチャンバ３の内部に設けられており、上記可飽和吸収ガスに超音波振動を印加または消勢する超音波振動発生手段となっている。
Ｑスイッチ手段６は、上記可飽和吸収ガスチャンバ３に固定された樹脂製のバッキング材１１と、バッキング材１１に固定された超音波振動子１２と、超音波振動子１２に設けられた振動増幅用ホーン１３と、振動増幅用ホーン１３の先端に設けられた円筒部材１４とから構成されている。
上記バッキング材１１は超音波振動による可飽和吸収ガスチャンバ３の共振を抑えるために設けられ、振動増幅用ホーン１３は上記超音波振動子１２による超音波振動を増幅して上記円筒部材１４に伝播させるようになっている。
上記円筒部材１４は円筒状で、図示左右方向に所定の長さを有しており、その中央をレーザ光Ｌが通過するように設けられている。またその中心軸はレーザ光Ｌの光軸に対して若干角度にして１〜２°傾けて設けられている。
そして、上記超音波振動子１２は図示しない制御手段によって制御されるようになっている。

このような構成を有するＱスイッチレーザ発振器１の動作について説明する。
まず、制御手段がＱスイッチ手段６の超音波振動子１２を超音波振動させ、上記振動増幅用ホーン１３を介して円筒部材１４が振動し、円筒部材１４の内部の可飽和吸収ガスに超音波振動が印加される。
これにより、円筒部材１４の内部には可飽和吸収ガスの圧力が定在波状に分布し、可飽和吸収ガスの圧力の高低が層状に形成される。ここで、図２では色の濃い部分が圧力の高い部分を、色の薄い部分が圧力の低い部分を示している。
続いて、この状態から放電チャンバ２内のレーザガスをＣＷ放電励起する。このとき、Ｑスイッチ手段６により可飽和吸収ガスに超音波振動を印加しているため、上記レーザ光ＬがＱスイッチ手段６における円筒部材１４の内部を通過しようとしても、該レーザ光Ｌは円筒部材１４の内部に形成された可飽和吸収ガスの高圧力となった部分に瞬時に吸収される。
また上記円筒部材１４の中心軸がレーザ光Ｌの光軸に対して斜めに設けられていることから、レーザ光Ｌは必ず可飽和吸収ガスの高圧力となった部分に吸収されるようになっている。
このように、レーザ光ＬはＱスイッチ手段６を透過しないようになっているため、レーザ光Ｌは出射されないようになっており、励起のエネルギーが共振器内に蓄えられることとなる。。

この状態から、制御手段はレーザ光の出射指令を受けると、Ｑスイッチ手段６の超音波振動子１２の振動を瞬間的に停止させる。
超音波振動子１２による超音波振動を消勢すると、瞬時に円筒部材１４内における可飽和吸収ガスの圧力の高低が解消され、レーザ光Ｌは円筒部材１４を通過し、出力鏡５から発振される。
そして図３に示すように超音波振動子１２による超音波振動の印加と消勢とを繰り返すことで、断続的にＱスイッチ発振を行うことが可能となる。
また上記制御手段は、上記超音波振動子１２による超音波振動の印加および消勢のタイミングを自在に変化することができ、これによりＱスイッチレーザ発振器１からは所要の出力のレーザ光Ｌを自在にパルス発振することができるようになっている。
例えば、Ｑスイッチレーザ発振器１をビアホール加工に用いる場合、レーザ光照射位置を所要の加工位置に設定するまでの間、可飽和吸収ガスに超音波振動を印加し続けることで、その間、レーザ光Ｌの出射を停止させることができ、設定完了直後にレーザ光Ｌを照射することができる。

以上のように、可飽和吸収ガスへの超音波振動の印加および消勢を交互に繰り返すことにより、レーザ光Ｌのパルス制御を容易に行うことができ、しかもその発振タイミングを自在に制御することができる。
これに対し、上記特許文献１、２のＱスイッチレーザ発振器は、ＣＯ_２レーザ光のような遠赤外波長域のレーザ光ではＱスイッチ発振することができないうえ、いわゆる受動発振であることから、パルス制御を精密に行うことができず、また上記特許文献３のＱスイッチ手段を有するＱスイッチレーザ発振器では、回転チョッパのスリットの間隔や回転速度が決められているため、パルス制御を瞬時に変更することができないという問題があった。
また、本実施例のＱスイッチレーザ発振器１では、円筒部材１４を超音波振動子１２によって超音波振動させるだけであり、またレーザ光Ｌが直接照射される部材も備えていないことから、組立調整を容易に行うことが可能である。
これに対し、特許文献３のＱスイッチレーザ発振器では、上記回転チョッパを回転させる駆動手段や、スリットの位置にレーザ光の焦点を形成するテレスコープレンズが必要であり、可動部のメンテナンスやテレスコープレンズの調整が煩雑であるという問題があった。また回転チョッパには断続的にレーザ光Ｌが局部的に照射されるため、交換が必要となっている。

図４は第２実施例にかかるＱスイッチレーザ発振器１のＱスイッチ手段６を示し、このＱスイッチ手段６も上記第１実施例と同様、可飽和吸収ガスチャンバ３内に充満された可飽和吸収ガスに超音波振動を印加する超音波振動発生手段となっている。
Ｑスイッチ手段６は円筒状の超音波振動子２１と、該超音波振動子２１の内周に設けられた円筒部材としての内周電極２２と、超音波振動子２１の外周に設けられた外周電極２３とから構成されている。
そして、制御手段の制御により内周電極２２と外周電極２３との間に電圧を印加すると上記超音波振動子２１を超音波振動させることができ、この超音波振動が内周電極２２に伝播することで、内周電極２２の内側の可飽和吸収ガスに超音波振動が印加されるようになっている。
また上記内周電極２２の中心軸は、上記第１実施例の円筒部材１４と同様、レーザ光Ｌの光軸に対してわずかに傾斜して設けられている。
このような構成を有する本実施例のＱスイッチ手段６を備えたＱスイッチレーザ発振器１は、上記第１実施例におけるＱスイッチ手段６を備えたＱスイッチレーザ発振器１と同様にレーザ光Ｌを発振するので、動作についての詳細な説明は省略する。

図５は第３実施例にかかるＱスイッチレーザ発振器１を示し、このＱスイッチレーザ発振器１は上記可飽和吸収ガスチャンバ３を備えておらず、Ｑスイッチ手段６は図示しない放電チャンバ内に収容されている。
放電チャンバ内には、上記レーザガスと可飽和吸収ガスとが混合して充満されており、本実施例では可飽和吸収ガスとして６弗化硫黄が充満されている。そしてＱスイッチ手段６はこの可飽和吸収ガスに超音波振動を印加する超音波振動発生手段となっている。なお、放電チャンバ内にはレーザガスとしての二酸化炭素も充満されているが、圧力が低く可飽和吸収ガスとして機能しないようになっている。
放電チャンバの両端には、共振器を構成する出力鏡４およびリヤミラー５が設けられており、この出力鏡４とリヤミラー５との間に形成されるレーザ光Ｌは同じく放電チャンバの両端に設けられた複数の反射鏡３１で反射するようになっている。

上記Ｑスイッチレーザ発振器１は、上記出力鏡４、リヤミラー５、反射鏡３１によって形成される共振器内の光路を挟むように設けられた超音波振動板３２および音響反射板３３とから構成されている。
超音波振動板３２および音響反射板３３はそれぞれステンレス等の金属やセラミックス製となっており、これらの相対する面は相互に平行となるように保持されている。
上記超音波振動板３２は図示しない超音波振動子１２によって振動し、この超音波振動が可飽和吸収ガスに印加されると、該超音波振動は可飽和吸収ガスを伝播して上記音響反射板３３で反射するようになっている。
このため、超音波振動板３２と音響反射板３３との間には可飽和吸収ガスの圧力の高低が定在波状に分布するようになり、図５では色の濃い部分が圧力の高い部分を、色の薄い部分が圧力の低い部分を示し、このように可飽和吸収ガスの圧力の高低が層状に形成されることとなる。
なお、上記音響反射板３３を設けなくとも、一定の範囲で可飽和吸収ガスの圧力の高低を形成することは可能である。
そして、上記構成を有するＱスイッチレーザ発振器１によっても、上記第１、第２実施例と同様にレーザ光Ｌを発振することができるので、動作についての詳細な説明は省略する。

なお、上記第１、第２実施例では上記円筒部材１４および内周電極２２の中心軸をレーザ光Ｌの光軸に対して傾斜させているが、これを一致させることも可能である。
この場合、レーザ光Ｌは可飽和吸収ガスの低圧力となる部分を通過してしまうおそれがあるが、レーザ光Ｌは実際には若干拡散しているため、円筒部材１４の全長を長めに設定すれば、レーザ光Ｌを可飽和吸収ガスの高圧力の部分に吸収させることができ、上記実施例同様、レーザ光Ｌを遮断することができる。

第１実施例にかかるＱスイッチレーザ発振器の構成図。Ｑスイッチ手段をレーザ光の光軸方向から見た図。超音波振動子による超音波振動の様子と、これに伴うレーザ光の出力との関係を示す図。第２実施例にかかるＱスイッチ手段をレーザ光の光軸方向から見た図。第３実施例にかかるＱスイッチレーザ発振器の構成図。

符号の説明

１Ｑスイッチレーザ発振器２放電チャンバ
３可飽和吸収ガスチャンバ６Ｑスイッチ手段
１２超音波振動子１４円筒部材
２１超音波振動子２２内周電極

Claims

共振器を構成する出力鏡及びリヤミラーと、これらの間に形成されるレーザ光の光路上に設けられたＱスイッチ手段とを備えたＱスイッチレーザ発振器において、
上記Ｑスイッチ手段を、上記レーザ光の光路上に充満した可飽和吸収ガスに超音波振動を印加又は消勢する超音波振動発生手段から構成し、
該超音波振動発生手段は、可飽和吸収ガスに超音波振動を印加して上記光路上におけるレーザ光の透過を遮断し、超音波振動を消勢することによりレーザ光を透過させることを特徴とするＱスイッチレーザ発振器。
上記超音波振動発生手段は、その内部をレーザ光の光路が通過する円筒部材と、該円筒部材の内部の可飽和吸収ガスに超音波振動を印加する超音波振動子とを有することを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチレーザ発振器。
上記円筒部材の中心軸をレーザ光の光軸に対して傾斜させることを特徴とする請求項２に記載のＱスイッチレーザ発振器。
上記超音波振動発生手段は、超音波振動する超音波振動板と、上記レーザ光の光路を挟んで上記超音波振動板に平行に設けられた音響反射板とを備え、
超音波振動板が振動すると、超音波振動板と音響反射板との間の可飽和吸収ガスに超音波振動が印加されることを特徴とする請求項１に記載のＱスイッチレーザ発振器。
上記出力鏡及びリヤミラーの間に、レーザガスが充満した放電チャンバと、可飽和吸収ガスが充満した可飽和吸収ガスチャンバとを設け、該可飽和吸収ガスチャンバ内にＱスイッチ手段を設けるとともに、上記放電チャンバと可飽和吸収ガスチャンバとの間にレーザ光を透過するレーザ光透過部材を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＱスイッチレーザ発振器。
上記可飽和吸収ガスは、６弗化硫黄（ＳＦ_６）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、フレオン系ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＱスイッチレーザ発振器。