(57)【要約】【課題】  高調波のレーザ光をモニタするパワーモニタを校正することができるとともに、パワーモニタを別途追加することなく基本波の出力をモニタすることができる波長変換レーザ発振器を得る。【解決手段】  高調波レーザ光を出力するときに、この高調波レーザ光の出力を測定する第１の測定手段と、高調波レーザ光を出力するときに、波長変換素子を透過した基本波レーザ光の出力を測定するとともに、高調波レーザ光を出力しないときには、高調波レーザ光と基本波レーザ光の出力をともに測定する第２の測定手段とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波レーザ光を複数の波長変換素子により所望の高調波レーザ光に変換し出力する波長変換レーザ発振器において、
前記高調波レーザ光を前記レーザ発振器から出力するときに、この高調波レーザ光の出力を測定する第１の測定手段と、
前記高調波レーザ光を前記レーザ発振器から出力するときに、前記波長変換素子を透過した前記基本波レーザ光の出力を測定し、前記高調波レーザ光を前記レーザ発振器から出力しないときには、前記高調波レーザ光と前記基本波レーザ光の出力をともに測定する第２の測定手段と、
を備えた波長変換レーザ発振器。
【請求項２】
前記波長変換素子から出力される所望の高調波レーザ光とそれ以外のレーザ光を分離するかもしくは分離しないかを切り替えることにより、分離するときにはこの所望の高調波レーザ光を出力し、分離しないときにはこの所望の高調波レーザ光を出力しないとする切り替え手段を備えた請求項１に記載の波長変換レーザ発振器。
【請求項３】
前記切り替え手段により前記所望の高調波レーザ光とそれ以外のレーザ光が分離された場合には、前記それ以外のレーザ光からさらに前記基本波レーザ光を分離し、前記切り替え手段により前記所望の高調波レーザ光とそれ以外のレーザ光が分離されない場合には、前記所望の高調波レーザ光とそれ以外のレーザ光から前記所望の高調波レーザ光と前記基本波レーザ光を分離する分離手段を備え、
この分離手段により分離された前記基本波レーザ光または前記所望の高調波レーザ光と前記基本波レーザ光を前記第２の測定手段が測定する請求項２に記載の波長変換レーザ発振器。
【請求項４】
前記所望の高調波レーザ光を出力しないときの、前記第２の測定手段が測定した、前記所望の高調波レーザ光と基本波レーザ光の出力値と、
前記所望の高調波レーザ光を出力するときの、前記第２の測定手段が測定した、基本波レーザ光の出力値と、
の差分から得られる前記所望の高調波レーザ光の出力値を用い、前記第１の測定手段の校正を行う制御装置を備えた請求項１乃至３いずれかに記載の波長変換レーザ発振器。
【請求項５】
前記所望の高調波レーザ光を出力するときの、前記第１の測定手段が測定した、所望の高調波レーザ光の出力値を用いて、前記所望の高調波レーザ光の出力を制御する制御装置を備えた請求項１乃至４いずれかに記載の波長変換レーザ発振器。
【請求項６】
前記所望の高調波レーザ光を出力するときの、前記第１の測定手段が測定した、基本波レーザ光の出力値を用いて、前記基本波レーザ発振器の不具合を判断する制御装置を備えた請求項１乃至５いずれかに記載の波長変換レーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長変換素子を用いたレーザ発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ出力モニタ装置による測定値をレーザ装置にフィードバックしパワー制御を行うレーザ装置においては、光軸等のズレによりモニタ用の光センサへのビーム入射位置が変化した場合、当該センサの再校正が必須となる。この再校正を行う装置として、ビームスプリッタから取り出された出力光の一部を光センサで受光し、レーザ出力をモニタするレーザ装置において、出力光を標準パワーメータに直接入力し、光センサの出力を校正するレーザ出力モニタ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１６４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＬＢＯ等の波長変換素子を用い、基本波となるレーザ光の波長を２倍や３倍の高調波に変換して出力する波長変換レーザ発振器が存在する。この波長変換レーザ発振器の寿命は、基本波と波長変換素子の劣化に大きく起因する。そのため、基本波と波長変換素子の劣化を判断するために、パワーモニタを用いた基本波の出力の監視を常時行う必要がある。しかし、特許文献１の構成を波長変換レーザ発振器に適用した場合、高調波用の光センサや標準パワーメータ以外に、基本波の出力監視用のパワーモニタが別途必要になるため、装置が複雑になるという問題があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高調波のレーザ光をモニタするパワーモニタを校正することができるとともに、パワーモニタを別途追加することなく基本波の出力をモニタすることができる波長変換レーザ発振器を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る波長変換レーザ発振器においては、高調波レーザ光を出力するときに、この高調波レーザ光の出力を測定する第１の測定手段と、高調波レーザ光を出力するときに、波長変換素子を透過した基本波レーザ光の出力を測定するとともに、高調波レーザ光を出力しないときには、高調波レーザ光と基本波レーザ光の出力をともに測定する第２の測定手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、高調波レーザ光を出力するときに、波長変換素子を透過した基本波レーザ光の出力を測定するとともに、高調波レーザ光を出力しないときには、高調波レーザ光と基本波レーザ光の出力をともに測定する測定手段を備えたことにより、当該測定手段は基本波のモニタと高調波のパワーモニタの校正を兼ねることができる。このため、別途追加でパワーモニタを設けること無く２つのパワーモニタで、高調波の出力の制御を行えるとともに、高調波の出力測定用パワーモニタの校正を行うことができ、更に基本波のモニタも行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１を示す波長変換レーザ発振器の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１である波長変換レーザ発振器の動作を示すフローチャート図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す波長変換レーザ発振器の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３を示す波長変換レーザ発振器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における波長変換レーザ発振器の構成を示すものである。ここで、波長変換レーザ発振器とは、ＹＡＧ等をレーザ素子とした固体レーザから出力されたレーザビーム（以下、基本波もしくは単にωと記載する）が、波長変換素子によって波長が２倍の第２次高調波（以下、２ωと記載する）や波長が３倍の第３次高調波（以下、３ωと記載する）に変換されるレーザ発振器のことである。なお、第４次以上の高調波も存在する。本実施の形態においては、波長変換素子の一例であるＬＢＯ結晶を２個用い、所望の高調波としての第３次高調波とその基本波の出力を標準でモニタする波長変換レーザ発振器について説明する。
【００１０】
図１（ａ）は、波長変換レーザ発振器から３ωが出力されている状態を示したものであり、外部シャッタ４が閉じている状態である。一方、図１（ｂ）は、波長変換レーザ発振器からは３ωは出力されておらず、３ωの出力をモニタする標準パワーモニタ８の校正を行う状態を示したものであり、外部シャッタ４が開いている状態である。ここで、外部シャッタ１４はωと２ωを透過し、３ωを全反射するミラーであり、例えば表面のコーティングにより透過や反射する波長をコントロールされている。
【００１１】
まず、図１（ａ）について説明する。図１（ａ）において、例えばＹＡＧレーザ発振器からなる基本波レーザ発振器１から出射されたω１００は、第１のＬＢＯ結晶２に入射される。第１のＬＢＯ結晶２によって、ω１００の１部は、２ω２００に変換される。変換されなかったω１０１と変換された２ω２００は同軸上に出射され、第２のＬＢＯ結晶３に入射する。第２のＬＢＯ結晶によって、一部のω１０１と２ω２００が３ω３００に変換される。第２のＬＢＯ結晶３で変換されなかったω１０２と２ω２０１、および変換された３ω３００は同軸上に出射され、外部シャッタ４に入射される。外部シャッタ４はω１０２および２ω２０１を透過し、３ω３００を反射する。
【００１２】
外部シャッタ４を透過したω１０２および２ω２０１は、ミラー５に入射する。ミラー５はωを透過し２ωを全反射するミラーであり、例えば表面のコーティングにより透過や反射する波長をコントロールされている。よって、ω１０２はミラー５を透過し、２ω２０１はミラー５により反射される。ミラー５を透過したω１０２は、校正用パワーモニタ６へ入射し、ミラー５を反射した２ω２０１は、ダンパ７に入射する。校正用パワーモニタ６はサーモパイルで、時定数が十分落ち着くのを待ってからω１０２の出力を測定する。校正用パワーモニタ６は、ω１０２の出力を測定し、測定値Ａを制御装置１０に送る。制御装置１０においては、測定値Ａは後述するように標準パワーモニタ８の校正に用いられるが、校正以外に基本波レーザ発振器１の監視にも用いられる。例えば、測定値Ａが低下した場合、基本波レーザ発振器１に不具合が発生した場合が考えられるので、制御装置１０は警告等を発する。
【００１３】
一方、外部シャッタ４にて反射した３ω３００は、全反射ミラー９により反射され、波長変換レーザ発振器外に３ω３０１として出射される。この全反射ミラー９はごく一部のレーザ光を透過するので（透過率１％とする）、透過した３ω３０２は標準パワーモニタ８に入射される。標準パワーモニタ８はフォトダイオードであり、例えばフォトダイオードで測定した複数のレーザ光パルスの平均値を出力値として用いる。標準パワーモニタ８は、３ω３０２の出力を測定し、測定値Ｂを制御装置１０に送る。
【００１４】
次に、図１（ｂ）について説明する。図１（ｂ）において、外部シャッタ４が開いている。この場合、ω１００、１０１、１０２と、２ω２００、２０１の光路は、図１（ａ）と同じである。一方、３ω３００は、外部シャッタ４が開いているためミラー５に入射する。ここでミラー５は、ωを透過し２ωを全反射するが、更に３ωを透過するように設定されている。よって、よってω１０２と３ω３００はミラー５を透過し、２ω２０１はミラー５によって反射される。ω１０２と３ω３００は、校正用パワーモニタ６へ入射する。一方、２ω２０１は、ダンパ７に入射される。校正用パワーモニタ６は、ω１０２と３ω３００の合計の出力を測定し、測定値Ｃを制御装置１０に送る。
【００１５】
次に、本実施の形態における波長変換レーザ発振器の動作、特に標準パワーモニタ８の校正動作について説明する。
波長変換レーザ発振器は、３ωを出力する通常の動作時には、図１（ａ）に示すように外部シャッタ４は閉じており、３ωの出力を標準パワーモニタ８で測定し、その測定値を制御装置１０にて所望の出力値と比較し、基本波レーザ発振器１の出力にフィードバック制御を行う。そして、この標準パワーモニタ８を校正する場合には、図２に示すフローにて動作する。以下、図２のフローチャートに従って説明する。
【００１６】
まず、外部シャッタ４を閉じて、３ωを出力する状態、すなわち図１（ａ）の状態とする（Ｓ０１）。
次に、標準パワーモニタ８の測定値Ｂを制御装置１０にて記憶する（Ｓ０２）。
次に、校正用パワーモニタ６の測定値Ｃを制御装置１０にて記憶する（Ｓ０３）。
なお、Ｓ０２とＳ０３は、いずれを先に処理してもよく、同時に処理してもかまわない。
次に、外部シャッタ４を開いて、３ωを外部に出力しない状態、すなわち図１（ｂ）の状態とする（Ｓ０４）。
次に、校正用パワーモニタ６の測定値Ａを制御装置１０にて記憶する（Ｓ０５）。
なお、Ｓ０１からＳ０３までの処理と、Ｓ０４からＳ０５までの処理とは、いずれを先に行っても良い。
【００１７】
次に、制御装置１０にて、ＡとＣの差分を計算しＥとする（Ｅ＝Ａ−Ｃ）（Ｓ０６）。すなわち、Ｃはωと３ωの合計の出力測定値であり、Ａはωの出力測定値であるので、Ｅは３ωの出力測定値となる。
次に、制御装置１０にて、ＥとＢの差分を計算しＦとする（Ｆ＝Ｅ−Ｂ）（Ｓ０７）。ここで、Ｂは標準パワーモニタ８の測定値であるが、全反射ミラー９での１％の透過光（３ω３０２）を測定している。一方、Ｅは第２のＬＢＯで発生した３ω３００そのままの出力の測定値なので、ＥとＢの差分を計算する場合、制御装置１０内にて標準パワーモニタ８の測定値を１００倍にしたものをＢとしてＥとの差分を計算する。もちろん、全反射ミラー９の透過率によって、測定値を何倍にしたものをＢとするかは適宜設定すればよい。
【００１８】
次に、制御装置１０にて、Ｆが０より大きいか否かを判断する（Ｓ０８）。
理想的にはＢとＥは等しいはずであるが、Ｆが０より大きい場合、すなわちＢがＥよりも小さい場合、標準パワーモニタ８においてレーザ光の光軸ずれが発生し、標準パワーモニタ８での測定値が実際のレーザ光の出力よりも小さく測定されたと判断する。この場合、標準パワーモニタ８の測定値ＢにＥ／ＢをかけたＤ（Ｄ＝Ｂ×Ｅ／Ｂ）を標準パワーモニタ８の校正後の測定値として、制御装置１０にて３ωの出力フィードバック制御に用いるべく、Ｅ／Ｂを校正係数として制御装置１０は記憶する（Ｓ０９）。
一方、Ｆが０より小さい場合、すなわちＢがＥよりも大きい場合、標準パワーモニタ８におけるレーザ光の光軸ずれではＦは０より小さくなることはないので、光軸ずれ以外の問題が考えられる。この場合は、バックグラウンドを含む標準パワーモニタ８の測定誤差である可能性が高いため、校正係数は１として制御装置１０は記憶する（Ｓ１０）。
Ｆ＝０の場合も、ＢとＥは等しいので校正は不要であり、校正係数は１とする。校正係数が１の場合は、Ｄ＝Ｂとなる。
【００１９】
以上により、標準パワーセンサ８の校正のための校正係数を求めることができる。そして、３ωを出力する通常の動作時には、制御装置１０において、別途求めて記憶しておいた校正係数を標準パワーモニタ８の測定値ＢにかけたＤを所望の出力値と比較し、基本波レーザ発振器１の出力にフィードバック制御を行う。
なお、標準パワーモニタ８の測定値Ｂに校正係数をかけたＤは、３ωのフィードバック制御に用いられるだけでなく、３ωの出力値が必要な場合に用いられ、単に出力を表示する場合にも用いられる。
【００２０】
また、本実施の形態においては、外部シャッタ４はωと２ωを透過し３ωを反射し、ミラー５はωと３ωを透過し２ωを反射するとしたが、その逆に、外部シャッタ４はωと２ωを反射し３ωを透過し、ミラー５はωと３ωを反射し２ωを透過するとしてもよい。結果的に、外部シャッタ４にてωおよび２ωと３ωが分離でき、ミラー５にてωおよび３ωと２ωが分離できれば良い。
【００２１】
本実施の形態においては、上記構成と動作によって次の効果が得られる。
校正用パワーモニタ６は、波長変換レーザ発振器のビームＯＮ時（３ω出力時）にωの出力をモニタし、波長変換レーザ発振器のビームＯＦＦ時（３ω停止時）にωと３ωの出力をモニタすることで、ωのモニタと３ωの標準パワーモニタ８の校正を兼ねることが可能となる。これにより、別途追加でパワーモニタを設けること無く２つのパワーモニタで、３ωの出力の制御を行えるとともに、３ωの出力測定用標準パワーモニタ８の校正を行え、更にωのモニタも行うことができる。また、パワーモニタを追加する必要が無いので、装置が複雑になることを防止することができる。
【００２２】
実施の形態２．
図３は、この発明を実施するための実施の形態２における波長変換レーザ発振器の構成を示すものである。
実施の形態１においては、第３次高調波を出力する場合を例に説明したが、図３は、例えば第４次高調波（以下、４ωと記載する）を発生する波長変換レーザ発振器に本願発明を適用したものである。図３（ａ）は、波長変換レーザ発振器から４ωが出力されている状態を示したものであり、外部シャッタ４１が閉じている状態である。一方、図３（ｂ）は、波長変換レーザ発振器からは４ωは出力されておらず、４ωの出力をモニタする標準パワーモニタ８の校正を行う状態を示したものであり、外部シャッタ４１が開いている状態である。
【００２３】
図３において、実施の形態１の図１と同構成のものに関しては同じ符号を付している。ここでは、図１と異なっている点について説明する。本実施の形態では、第３次高調波を発生する波長変換素子３の後段に、更に４ωを発生する波長変換素子２０を配置している。また、外部シャッタ４１はωと２ωおよび３ωを透過し、４ωを全反射するミラーであり、ミラー５１はωと４ωを透過し、２ωと３ωを全反射するミラーである。全反射ミラー９１は４ωの一部を透過し大部分を反射するミラーである。
【００２４】
図３（ａ）に示すごとく、４ωを外部に出力する場合には、外部シャッタ４１が閉じた状態となり、波長変換素子２０を透過したω１０３は、外部シャッタ４１およびミラー５１を透過し、校正用パワーモニタ６に入射する。また、波長変換素子２０を透過した２ω２０２および３ω３０１は、外部シャッタ４１を透過しミラー５１で反射され、ダンパ７に入射する。波長変換素子２０で発生した４ω４００は、外部シャッタ４１で反射され、全反射ミラー９１で一部（例えば１％）が透過し、透過した４ω４０２は標準パワーモニタ８に入射する。一方、全反射ミラー９１を反射した大部分の４ω４０１は、レーザ発振器外部に出力されて加工等に用いられる。標準パワーモニタ８の４ωの測定値を用いて、制御装置１０において出力のフィードバック制御を行う点は、３ωと４ωの違いはあるが実施の形態１と同様な制御である。
【００２５】
次に、図３（ｂ）に示すごとく、４ωを外部に出力せずに、標準パワーモニタ８を校正する場合には、外部シャッタ４１が開いた状態となり、波長変換素子２０を透過したω１０３および波長変換素子２０で発生した４ω４００は、ミラー５１を透過し、校正用パワーモニタ６に入射する。波長変換素子２０を透過した２ω２０２および３ω３０１は、ミラー５１で反射され、ダンパ７に入射する。よって、校正用パワーモニタ６では、ω１０３と４ω４００の合計の出力を測定する。
【００２６】
これにより、校正用パワーモニタ６において、４ωの出力時にはωの出力を測定し、校正時には４ωとωの合計の出力を測定するので、その差分から４ωの出力を得ることができる。この４ωの出力を用いて、標準パワーモニタ８を校正するのである。これは、３ωと４ωの違いはあるが、実施の形態１と同様な校正方法である。よって、実施の形態１と同様に別途追加でパワーモニタを設けることなく、ωのモニタと標準パワーモニタ８の校正を行うことができるという効果を有する。
【００２７】
なお、実施の形態１と同様に、外部シャッタ４１ではω、２ωおよび３ωと４ωが分離できればよく、ミラー５ではωおよび４ωと２ωおよび３ωが分離できればよく、いずれを反射するかもしくは透過するかは上記説明と逆でも良く適宜設定すればよい。
【００２８】
本実施の形態では、第４高調波を例にして説明を行ったが、本願発明は更なる高調波を出力するレーザ発振器にも適用可能である。例えば図３において、基本波レーザ発振器１と外部シャッタとの間に所望の高調波が得られる波長変換素子を配置し、外部シャッタ４１は所望の波長のレーザ光のみを反射し、その他の波長のレーザ光は透過する構成とし、その後段のミラー５１は基本波と所望の高調波を透過し、その他の波長のレーザ光を反射する構成とすればよい。このようにすれば、外部シャッタ４１が閉じているときは、校正用パワーモニタ６は基本波のみを測定し、外部シャッタ４１が開いているときは、基本波と所望の高調波の合計の出力を測定することができ、実施の形態１同様に、パワーモニタを追加することなく、基本波のモニタを行うとともに標準パワーモニタ８の校正を行うことができる。
【００２９】
実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３における波長変換レーザ発振器の構成を示すものである。
実施の形態１および２においては、校正用パワーモニタ６で常にωを測定していた。これは、波長変換レーザ発振器の寿命に基本波の劣化が大きく起因するからである。一方、波長変換素子の劣化も波長変換レーザ発振器の寿命に起因することになるが、複数の波長変換素子が備わっている場合は、ωの測定だけでは波長変換素子に問題があることは分かっても、いずれの波長変換素子が劣化しているのかを判断できないという問題がある。そこで、本実施の形態においては、いずれの波長変換素子が劣化しているかを、パワーモニタの数を増やさずに判断できるようにしたものである。
【００３０】
図４において、実施の形態１の図１と同構成のものに関しては同じ符号を付している。ここでは、図１と異なっている点について説明する。本実施の形態では、ωと３ωを透過し２ωを反射するミラー５を、２ωを透過しωを反射するミラー５２に切り替えることができるように構成されている。また、ミラー５２は、３ωについては透過しても反射してもどちらでもかまわない。切り替え手段としては、例えば図４において紙面垂直方向にミラー５とミラー５２を並んで配置し、紙面垂直方向にスライドして切り替わる構成でもよく、適宜適切な切り替え手段を適用すればよい。
【００３１】
本実施の形態においては、通常はミラー５がレーザ光の光路中に配置され、実施の形態１の図１と全く同じ構成となり、実施の形態１と同様にωと３ωをモニタすることができるとともに、標準パワーモニタ８の構成を行うことができる。一方、波長変換素子である第１のＬＢＯ結晶２の劣化を判断する場合には、ミラー５をミラー５２に切り替えて、図４のような構成とする。この場合、ミラー５２はωを反射し２ωを透過するので、ωがダンパ７に入射し、２ωが校正用パワーモニタ６に入射する。これにより２ωの出力を測定することができる。
【００３２】
次に、３ωの出力低下が起こったときの原因の切り分けについて説明する。３ωの出力低下の原因としては、以下の３点が考えられる。
（１）基本波発振器の劣化によるωの出力低下。
（２）第１のＬＢＯ結晶２の劣化による２ωの出力低下。
（３）第２のＬＢＯ結晶３の劣化による３ωの出力低下。
図１（ａ）の構成によりωを測定している状態では、（１）について判断が可能であるが、ωの出力が変化していない場合は、図４の構成に切り替え２ωを測定する。２ωが変化していれば（２）が原因であり、２ωも変化していないようであれば（３）が原因と考えられる。
【００３３】
このように、通常はωを校正用パワーモニタ６で測定し、波長変換素子の劣化を確認したいときには、２ωを校正用パワーモニタ６で測定できるようにミラー５とミラー５２を切り替えることで、簡単な構成で容易に、複数の波長変換素子がある場合いずれの波長変換素子が劣化しているか判断することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、波長変換素子を２つ備え３ωを出力する波長変換レーザ発振器を例に説明したが、例えば図３に示したような４ωを出力する波長変換レーザ発振器に適用しても良い。この場合は、図３において、ミラー５１を２ωを透過するミラーと３ωを透過するミラーとの合計３枚のミラーを切り替えるようにすれば、いずれの波長変換素子が劣化しているかの判断が可能となる。もちろん、さらに高調波を出力する波長変換レーザ発振器にも適用できることは明らかである。
【符号の説明】
【００３５】
１  基本波レーザ発振器
２  第１のＬＢＯ結晶
３  第２のＬＢＯ結晶２
４、４１  外部シャッタ
５、５１、５２  ミラー
６  校正用パワーモニタ
７  ダンパ
８  標準パワーモニタ
９、９１  全反射ミラー
１０  制御装置
１００、１０１、１０２、１０３  基本波（ω）
２００、２０１、２０２  第２次高調波（２ω）
３００、３０１、３０２  第３次高調波（３ω）
４００、４０１、４０２  第４次高調波（４ω）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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