(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｑスイッチ素子と、
固体レーザ活性媒質と、
前記Ｑスイッチ素子のパルス周期に同期し、当該パルスの間隔よりも短く、かつ蛍光寿命以下の短い時間で前記固体レーザ活性媒質を励起するとともにトリガー信号を発生する固体レーザ活性媒質励起源装置と、
前記固体レーザ活性媒質励起源装置から受け取るトリガー信号に時間遅れを施した信号をＱスイッチ素子駆動用電源へ送る信号発生装置と、
前記Ｑスイッチ素子のＱスイッチングおよび励起による前記固体レーザ活性媒質に蓄積されたエネルギーに基づき生成された基本波パルスレーザビームを高調波レーザビームに変換する波長変換結晶とを備えたことを特徴とする波長変換レーザ装置。
【請求項２】
前記固体レーザ活性媒質励起源装置の前記固体レーザ活性媒質の励起時間を制御する第１の制御装置と、
前記Ｑスイッチ素子の前記Ｑスイッチングが起こるタイミングを制御する第２の制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ装置。
【請求項３】
前記固体レーザ活性媒質は、第１の固体レーザ活性媒質と第２の固体レーザ活性媒質とから構成され、
前記固体レーザ活性媒質励起源装置は、前記第１の固体レーザ活性媒質を励起する第１の固体レーザ活性媒質励起源装置と前記第２の固体レーザ活性媒質を励起する第２の固体レーザ活性媒質励起源装置とから構成され、
前記第１の固体レーザ活性媒質励起源装置と前記第２の固体レーザ活性媒質励起源装置との間に、偏光方向回転素子が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の波長変換レーザ装置。
【請求項４】
前記偏光方向回転素子は９０度偏光方向回転素子であることを特徴とする請求項３記載の波長変換レーザ装置。
【請求項５】
前記偏光方向回転素子に対して非対称な構成であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の波長変換レーザ装置。
【請求項６】
前記Ｑスイッチ素子と前記固体レーザ活性媒質励起源装置と前記波長変換結晶とは、第１のレーザ共振器ミラーと第２のレーザ共振器ミラーとの間にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項７】
前記第１のレーザ共振器ミラーおよび前記第２のレーザ共振器ミラーは凹ミラーであることを特徴とする請求項６記載の波長変換レーザ装置。
【請求項８】
前記第１のレーザ共振器ミラーと前記固体レーザ活性媒質との距離は５００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６または請求項７記載の波長変換レーザ装置。
【請求項９】
前記固体レーザ活性媒質励起源装置と前記波長変換結晶との間に設けられ、入射された前記基本波パルスレーザビームを反射させ、入射された前記高調波レーザビームを透過させる第３のレーザ共振器ミラーを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１０】
前記固体レーザ活性媒質はロッド型の固体レーザ活性媒質であり、前記固体レーザ活性媒質をＯリングを介してキャビティーに固定するＯリング押さえと、前記ロッド型の固体レーザ活性媒質の中心軸と一致した開口部を有するアパーチャとを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１１】
前記高調波レーザビームは、２０ｍＪ／パルス以上のパルスエネルギーを有することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１２】
前記波長変換結晶により発生した高調波レーザビームを更に高次な高調波レーザビームに変換することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の波長変換レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の前記波長変換レーザ装置を光源に用いたことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザビームを高効率に発生する波長変換レーザ装置およびレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、Ｆ．Ｈａｎｓｏｎ  ａｎｄ  Ｐ．Ｐｏｉｒｉｅｒ、  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ／Ｖｏｌ．１９、ＮＯ．１９／Ｏｃｔｏｂｅｒ  １、１９９４、Ｐ１５２６−１５２８に示された従来の波長変換レーザ装置を示す構成図であり、より具体的にはレーザ共振器の概略図を模式的に示したものである。図１２において、３０は基本波レーザビームに対して高い反射率を有する全反射ミラー、３１はＱスイッチ素子、３２はレーザ活性媒質を励起するレーザダイオード、３３はロッド型レーザ活性媒質Ｎｄ：ＹＡＧ、３４は第２高調波レーザビームに対して高い透過率を有し、基本波レーザビームに対して高い反射率を有する、波長変換レーザビーム取り出しミラー兼共振器折り返しミラー、３５は第２高調波発生用波長変換結晶ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）、３６は波長変換レーザビームと基本波レーザビームに対して高い反射率を有する全反射共振器ミラー、３７は第２高調波レーザビーム、３８はλ／４板、３９はブリュ−スター板である。波長変換結晶３５には、波長変換結晶の角度、温度等を調整する装置等の、位相整合を起こす手段が設けられている。レーザダイオード３２はパルス電源によって駆動されパルス励起動作が可能である。共振器ミラー３０、３４、３６、レーザ活性媒質３３およびその励起源３２、Ｑスイッチ素子３１によって発生した基本波パルスレーザビームは、共振器内を往復する間に波長変換結晶３５によって第２高調波パルスレーザビームに変換される。発生した波長変換パルスレーザビームは波長変換レーザビーム取り出しミラー３４から取り出される。
【０００３】
図１３は、Ｓ．Ｐ．Ｖｅｌｓｋｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（２３）、Ｊｕｎｅ  ６、１９９４、Ｐ３０８６−３０８８に示された別の従来の波長変換レーザ装置の構成を示す図であり、図１３において、４０は集光レンズ、４１は偏光選択素子(Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ)、４２はスラブ型レーザ活性媒質（Ｎｄ：ＹＡＧ）、４３は部分透過ミラー、４４は基本波レーザビームと第２高調波レーザビームの光軸、４５は共振器内部の基本波レーザビームの光軸である。他の符号は、図１２で示されたものと同一あるいは相当するものである。図１３のように構成された外部波長変換レーザ装置においては、レーザ共振器ミラー３０、４３、偏光選択素子４１、レーザ活性媒質４２、Ｑスイッチ素子３１によって構成されるレーザ共振器によってＱパルス基本波ビームが発生し、部分透過ミラー４３から取り出される。取り出された基本波Ｑパルスレーザビームは集光レンズ４０によって集光され、第２高調波レーザビーム発生用波長変換結晶３５に入射し、入射した基本波レーザビームの一部は第２高調波レーザビームに変換され、基本波レーザビームとともに光軸４４として第２高調波レーザビーム発生用波長変換結晶３５から出射する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内部波長変換型Ｑパルスレーザ装置は、レーザ活性媒質励起エネルギーが低く、発生する第２高調波レーザビームのパルスエネルギーが２.６ｍＪと低く、より高いパルスエネルギーのパルスレーザビームを発生しようとした場合におきる、光学素子の損傷については全く考慮されていない。そのため、同様の構成では、２０ｍＪ以上といった高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザビームを長時間安定に発生することは不可能である。また、従来、共振器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部波長変換型の波長変換レーザ装置は、パルスエネルギーが２０ｍＪ／パルス以下であった。その理由は、高いパルスエネルギーの波長変換レーザビームを発生しようとすると、共振器内部に配置された光学素子が高いレーザビームフルエンスのため損傷を受け、長時間にわたって安定に動作することが難しく、２０ｍＪ／パルス程度の高いパルスエネルギーをもつＱスイッチ内部波長変換レーザを構成するのは難しいと考えられていたためである。そのため、高パルスエネルギーの波長変換レーザ装置は共振器の外に波長変換結晶を配置し波長変換を行う、外部波長変換方式によって構成されていたが、外部波長変換方式では共振器から部分透過ミラーによって取り出した赤外ビームを波長変換するため、波長変換効率が低く、結果として、励起源への投入電力から第２高調波レーザビーム出力への変換効率（以下、電気-光変換効率）は低かった。上記の従来例に示した外部波長変換レーザ装置も外部波長変換レーザ装置としては、高効率の波長変換を実現しているが、共振器から出射した基本波レーザビームから第２高調波レーザビームへの変換効率は５０％程度と内部波調変換方式のレーザ装置にくらべると変換効率が低い。
【０００５】
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、高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザビームを光学素子の損傷なく、長時間安定に発生可能である波長変換レーザ装置を提供することを目的としており、また、より高次の波長変換を高効率に行うこと、高速加工可能なレーザ加工装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の波長変換レーザ装置は、Ｑスイッチ素子と、レーザ活性媒質と、
Ｑスイッチ素子のパルスの間隔よりも短い時間でレーザ活性媒質を励起するレーザ活性媒質励起源装置と、Ｑスイッチ素子のＱスイッチングおよび励起によるレーザ活性媒質に蓄積されたエネルギーに基づき生成された基本波パルスレーザビームを高調波レーザビームに変換する波長変換結晶とを備えたものである。
また、レーザ活性媒質励起源装置は、蛍光寿命以下の短い時間でレーザ活性媒質を励起する。
また、レーザ活性媒質励起源装置のレーザ活性媒質の励起時間を制御する第１の制御装置と、Ｑスイッチ素子のＱスイッチングが起こるタイミングを制御する第２の制御装置とを備えたものである。
また、レーザ活性媒質は、第１のレーザ活性媒質と第２のレーザ活性媒質とから構成され、レーザ活性媒質励起源装置は、第１のレーザ活性媒質を励起する第１のレーザ活性媒質励起源装置と第２のレーザ活性媒質を励起する第２のレーザ活性媒質励起源装置とから構成され、第１のレーザ活性媒質励起源装置と第２のレーザ活性媒質励起源装置との間に、偏光方向回転素子が設けられている。
また、偏光方向回転素子は９０度偏光方向回転素子である。
また、偏光方向回転素子に対して非対称な構成である。
また、Ｑスイッチ素子とレーザ活性媒質励起源装置と波長変換結晶とは、第１のレーザ共振器ミラーと第２のレーザ共振器ミラーとの間にそれぞれ設けられている。
また、第１のレーザ共振器ミラーおよび第２のレーザ共振器ミラーは凹ミラーである。
また、第１のレーザ共振器ミラーとレーザ活性媒質との距離は５００ｍｍ以上である。
また、レーザ活性媒質励起源装置と波長変換結晶との間に設けられ、入射された基本波パルスレーザビームを反射させ、入射された高調波レーザビームを透過させる第３のレーザ共振器ミラーを備えたものである。
また、レーザ活性媒質はロッド型の固体レーザ活性媒質であり、固体レーザ活性媒質をＯリングを介してキャビティーに固定するＯリング押さえと、ロッド型の固体レーザ活性媒質の中心軸と一致した開口部を有するアパーチャとを設けたものである。
また、高調波レーザビームは、２０ｍＪ／パルス以上のパルスエネルギーを有する。
また、波長変換結晶により発生した高調波レーザビームを更に高次な高調波レーザビームに変換する。
この発明のレーザ加工装置は、上記した波長変換レーザ装置を光源に用いたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装置の構成を示した図であり、より具体的にはレーザ共振器の概略図および固体レーザ活性媒質励起源駆動用電源とＱスイッチ素子の駆動用電源を模式的に示したものである。
図１において、１は基本波レーザビームに対して高い反射率を有する全反射ミラー、２はＱスイッチ素子、３はランプやレーザダイオード等のレーザ活性媒質励起源、4はＮｄ：ＹＡＧなどのレーザ活性媒質、５は第２高調波レーザビームに対して高い透過率を有し、基本波レーザビームに対して高い反射率を有する、波長変換レーザビーム取り出しミラー兼共振器折り返しミラー、６は第２高調波発生用波長変換結晶、７は波長変換レーザビームと基本波レーザビームに対して高い反射率を有する全反射共振器ミラーである。8は第２高調波レーザビーム、9はＱスイッチ素子駆動用電源、１０は時間変調可能なレーザ活性媒質励起源駆動用電源、１１はレーザ活性媒質励起源駆動用電源１０から駆動トリガー信号を受け取り、該トリガー信号に対して時間遅れを施し、遅延を施した信号をＱスイッチ素子駆動用電源９へ出力する機能を備えた装置である。波長変換結晶6には、波長変換結晶の角度、温度を調整する装置等の位相整合を起こすための手段が設けられている。
【０００８】
図1のように構成された波長変換レーザ装置においては、以下に説明する方法で、高いパルスエネルギーを有する波長変換パルスレーザビームを高効率に発生することが可能である。
まず、共振器動作について説明する。共振器ミラー１、５、７、レーザ活性媒質4およびその励起源３、Ｑスイッチ素子２によって発生した基本波パルスレーザビームの一部は、共振器内を往復する間に波長変換結晶６を通過する際に第２高調波パルスレーザビームに変換される。発生した第２高調波パルスレーザビームは、第２高調波レーザビーム取り出しミラー５によって基本波レーザビームから分離され、共振器から取り出される。
【０００９】
以下にＱスイッチ素子とレーザ活性媒質励起源の動作タイミングについて説明する。図２は、Ｑパルス発振が起きる際の各装置の動作タイミングを説明するための図であり、図２（ａ）はＱスイッチ素子によってもたらされる共振器ロスの時間変化を模式的に示した図であり、図２（ｂ）はレーザ活性媒質励起強度の時間変化を模式的に示した図である。図２（ｃ）は波長変換レーザビーム強度の時間変化を模式的に示した図である。例えば、波長変換レーザ装置をｆ（Ｈｚ）で運転した場合には、１／ｆ秒に一度、図２に示したＱパルス発振過程が起こる。また、動作のタイミングをよりわかりやすく示すため、図２（ａ）〜図２（ｃ）は時間軸（横軸）をそろえて表示している。
【００１０】
図２（ａ）において、Ｔｄはレーザ活性媒質の励起が開始されてからＱスイッチ素子のロスが低下し始めるまでの時間である。ＴｇはＱスイッチ素子のロスが小さく、共振器のＱ値が高くなっている時間である。また、Ｔｐはレーザ活性媒質励起時間であり、レーザ活性媒質の蛍光寿命以下、もしくは長くとも蛍光寿命と同程度に設定される。Ｑスイッチ素子のパルスの間隔は、図２（ａ）に示したパルスの１周期分を示す。
【００１１】
Ｑスイッチ発振が行われる過程について以下に説明する。まず、Ｔｐの間、レーザ活性媒質励起が行われる。その間、共振器のＱ値が小さい状態のままであるため、レーザ発振は起きずにレーザ活性媒質にエネルギーが蓄積される。その後、Ｑスイッチ素子のロスが低下し、共振器のＱ値が高まることによって、レーザ活性媒質に蓄積されたエネルギーはＱパルスレーザビームとして取り出される。Ｑパルス発振終了後、再び、Ｑスイッチ素子のロスが高まり共振器のＱ値が低い状態となる。以上の過程を繰り返す。共振器のＱ値の切り替えをＱスイッチングと称す。
【００１２】
Ｑパルス発振が起こる間隔（１／ｆ秒）がレーザ活性媒質の蛍光寿命に比べて十分長い場合、このように、Ｑパルス発振が起こる直前に、蛍光寿命以下の短時間、高い強度でパルス的に励起を行うことは、高いパルスエネルギーのＱパルス波長変換レーザビームを高効率に発生するのに有利である。その理由は、Ｑパルスレーザビームとして取り出されるエネルギー（レーザ活性媒質に反転分布として蓄積されるエネルギーに依存する）は、図３に示すように、励起時間Ｔｐがレーザ活性媒質の蛍光寿命に対して短い場合には、Ｔｐを長くするほど増加するが、Ｔｐが蛍光寿命より長い場合、自然放出（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｄｅｃａｙ）の効果により、出射パルスエネルギーの増加に飽和傾向があらわれる。すなわち、蛍光寿命以上の時間、レーザ活性媒質を励起し続けても、励起したエネルギーの大部分はＱスイッチパルスエネルギーの増加に寄与しない。
【００１３】
従って、連続励起して、Ｑパルス発振の繰返し周波数を下げて、Ｑパルス発振の間隔、すなわち、励起時間を長くするのではなく、実施の形態１に示したような方法で、励起時間を蛍光寿命以下に保ち、その間の励起強度を上げることにより、パルスエネルギーを増加させることが可能である。
【００１４】
具体例を挙げると、Ｎｄ：ＹＡＧを活性媒質として用いた場合、蛍光寿命は２３０μｓ（Ｗ.Ｋｏｅｃｈｎｅｒ、Sｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、５ｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎに記載）であるため、Ｔｐはそれと同等の２００μｓ、またはそれ以下の時間に設定した場合、励起したエネルギーを、効率よくＱパルスレーザビームとして取り出すことが可能である。
【００１５】
実施の形態１に記したように、励起電源に変調を加えてパルス状の励起を行った場合、連続励起した場合に比べて、上記に記した励起エネルギーから出射パルスエネルギーへの変換効率を向上できる効果により、全励起エネルギーを低減することができ、結果として、レーザ活性媒質への熱負荷を下げることができる。そのため、ロッド状のレーザ活性媒質を用いた場合には、レーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離を長くすることができ、安定に発振可能な領域を連続励起した場合に比べて広げることが可能である。また、熱レンズ焦点距離を長くすることができるため、共振器長さを長くすることが可能である。Ｑパルスレーザ装置においては、共振器長さが長くなるほど、パルス幅が長くなるため、パルスピーク強度を下げ、光学素子への損傷の起きにくい装置を提供することができる。
【００１６】
実施の形態１のように、高いパルスエネルギーを持つパルスレーザビームを発生する場合、励起電源に変調を加えてパルス状の励起を行う方式を採用し、パルスピーク強度を下げ、光学素子への損傷の起きにくい装置とする必要性は、従来装置に比べ著しく高い。
【００１７】
共振器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部波長変換型のレーザにおいては、外部要因による擾乱により、波長変換効率が低下した場合、一時的に共振器内基本波パルスレーザビームのピーク強度が上がり、光学素子の損傷が起きることがある。そのため、励起電源に変調を加えてパルス状の励起を行う方式を採用し、パルスピーク強度を下げ、光学素子への損傷の起きにくい装置とする必要性は、従来装置に比べ著しく高い。
【００１８】
以上、示した理由から、共振器内にＱスイッチ素子と波長変換結晶を配置し、２０ｍＪ／パルス以上のパルスエネルギーを持つ波長変換パルスレーザビームを発生する際、実施の形態１のようにパルス状の励起方式を採用することにより、高効率かつ安定に長時間、光学素子への損傷なく動作可能な波長変換レーザ装置が構成できる。
【００１９】
装置１１の遅延時間Ｔｄを可変としてやり、固体レーザ活性媒質の励起波形、励起強度が変化し、最適の遅れ時間が変化した場合にも、高効率なＱパルスビームの取り出しが可能であるよう、遅れ時間を調整することが可能な装置を構成しても良い。
【００２０】
従来、共振器内部に波長変換結晶を配置して波長変換を行う、内部波長変換型の波長変換レーザ装置は、パルスエネルギーが２０ｍＪ／パルス以下であった。その理由は、高いパルスエネルギーの波長変換レーザビームを発生しようとすると、共振器内部に配置された光学素子が高いレーザビームフルエンスのため損傷を受け、長時間にわたって安定に動作することが難しく、２０ｍＪ／パルス程度の高いパルスエネルギーをもつＱスイッチ内部波長変換レーザを構成するのは難しいと考えられていたためである。そのため、高パルスエネルギーの波長変換レーザ装置は共振器の外に波長変換結晶を配置し波長変換を行う、外部波長変換方式によって構成されていたが、外部波長変換方式では共振器から部分透過ミラーによって取り出した赤外ビームを波長変換するため、波長変換効率が低く、結果として、励起源への投入電力から第2高調波レーザビーム出力への変換効率（以下、電気-光変換効率）は低かった。
【００２１】
この発明によって得られた知見をもとに、発明者らは、パルスエネルギー５０ｍＪ以上の高いパルスエネルギーを有する第２高調波パルスレーザビームを、通常の内部波長変換型第２高調波レーザ装置と同等の電気-光変換効率６％以上で発生させることに成功し、また、長時間安定に動作させることに成功した。
【００２２】
実施の形態１においては、共振器内部に第２高調波発生用波長変換素子を配置し、第２高調波レーザビームを発生させた場合について記したが、共振器内部に第２高調波発生用波長変換素子と第３高調波発生用波調変換素子を配置して、第３高調波発生用波長変換レーザ装置を構成するなど、より高次の波長変換レーザビームを発生する波長変換装置を構成しても良い。
【００２３】
レーザ活性媒質Ｎｄ：ＹＡＧは、機械的強度が強く、化学的に安定であり、熱破壊限界が高く、安価である。また、熱レンズがＮｄ：ＹＬＦ等に比べると大きいという性質を持つ。実施の形態１に示した構成では、従来の波長変換レーザ装置に比べ、レーザ活性媒質端面におけるビームフルエンスが高い条件下で波長変換レーザ装置を動作させる上、実施の形態１に示した構成は、レーザ活性媒質の熱レンズを緩和する効果があるため、実施の形態１に示した構成の持つ特性はレーザ活性媒質Ｎｄ：ＹＡＧと組み合わせて用いた場合、他レーザ活性媒質と組み合わせて用いた場合に比べてより大きく発揮される。
なお、蛍光寿命以下の短い時間で励起する場合を例にあげて示したが、蛍光寿命よりも長いが、Ｑスイッチのパルスの間隔よりも短い時間で励起する場合でも同様に高いパルスエネルギーのＱパルス波長変換レーザビームを高効率に発生することができる。
パルスエネルギー２０ｍＪ以上での高出力（高励起）動作時には、固体レーザ活性媒質への熱負荷をパルス励起方式を採用することによって下げることができる効果があり、固体レーザ活性媒質の熱レンズ焦点距離を長くすることによって、波長変換レーザ装置の安定発振領域を広げたり、共振器光学長の長い共振器を構成し、パルスピーク強度を低減することが可能である。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２の波長変換レーザ装置の構成を示す図である。図４において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図４において、１２は９０度偏光方向回転素子である。図４には記されていないが、レーザ活性媒質励起源の駆動電源や駆動電源間の時間調整素子等については、実施の形態1と同様の装置を備えている。また、共振器構成は励起部分（９０度偏光方向回転素子１２と２個のレーザ活性媒質）に関して対称に構成されている。また、波長変換結晶が片側に挿入されているため、波長変換結晶、Ｑスイッチ素子等の屈折率分だけ、光学長さを補正する手段をとることによって、共振器の構成を９０度偏光方向回転素子に関してさらに精度高く対称化しても良い。
【００２５】
実施の形態２のように高ピーク、高パルスエネルギーの波長変換レーザビームを内部波長変換によって発生する波長変換レーザ装置においては、共振器内部を往復するレーザビーム強度が高いため、不安定動作点において波長変換レーザ装置を動作させることは、即光学素子の損傷に結びつくため、広い安定発振を確保する必要性が、従来の波長変換レーザ装置に比べて著しく高い。
【００２６】
図４のように構成された波長変換レーザ装置においては、２つのレーザ活性媒質の間に配置された偏光方向９０度回転素子１２および対称に配置された共振器構成を採用しているため、ロッド状レーザ活性媒質内の周方向と動径方向の偏光方向に依存した複レンズを補償する効果が働き、より広い範囲の励起強度で安定発振が可能で、光学素子への損傷なしに長時間安定に動作を行うことが可能である装置を提供できる。
【００２７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、図４に示した波長変換レーザ装置を非対称としたものである。非対称とする手段としては、レーザ活性媒質端と共振器ミラーの距離を励起部分（９０度偏光方向回転素子と２個のレーザ活性媒質）の両側で異なる長さとしても良いし、共振器構成を励起部に関して対称な構成とし、９０度偏光方向回転素子の両側に配置された２個のレーザ活性媒質を異なる励起強度で励起してもよい。また、共振器構成を励起部に関して対称な構成とし、光学素子の屈折率が空気の屈折率と異なることを利用し、レーザ共振器の片一方にだけ光学素子を配置することによってレーザ活性媒質端と共振器ミラーの間の光学距離が９０度偏光方向回転素子の両側で異なるようにしても良い。図５は対称な共振器構成において取得したレーザ出力の励起強度依存性（Ａ）と共振器の光学長を９０度偏光方向回転素子の両側で非対象とすることによって非対称化させた共振器構成（Ｂ）において取得したレーザ出力の励起強度依存性を模式的に示した図である。
【００２８】
図５においては、対称な共振器構成の発振特性（Ａ）の不安定発振による出力低下が、非対称に共振器を構成したことによって、解消されている。図５に示すように、共振器を９０度偏光方向回転素子に関して非対称な構成とすることにより、共振器が対称に構成されている場合に比べて、不安定動作点におけるビームモードの変化、ビーム断面の真円度の低下、出力低下、出力の変動といった非定常発振の影響を小さくすることができる。この事実は、今回、発明者らによって実験的に発見された。
【００２９】
また、９０度偏光方向回転素子に関して両側で共振器長さが異なるようにすることによって共振器を非対称化する構成を採用した場合、共振器を構成するミラー等の光学素子を、一定の範囲で前後に移動できる手段と、各位置に固定できる手段を設けておき、波長変換レーザ装置を構成する部品の故障等に伴う変更、部品の特性の経時変化等によって、不安定発振の影響を最も小さくできる部品位置が変化した場合に、部品位置再調整が容易な装置を構成しても良い。
【００３０】
上述の実施の形態１に示した、レーザ共振器内部にＱスイッチ素子と波長変換結晶を配置し、波長変換レーザビームを発生させる内部波長変換型レーザ装置において、時間変調可能なレーザ活性媒質励起源駆動用電源を用いて、パルス励起方式によってレーザ活性媒質を励起しＱパルス発振を行う、Ｑパルス内部波長変換レーザ装置は、従来の波長変換レーザ装置に比べ、著しく共振器内部の基本波レーザビームフルエンスが高いため、従来、損傷の生じなかった不安定発振領域においてもモードの変形、出力の変動等により、共振器内部に配置された光学素子に損傷が生じることがあるため、実施の形態３に示した共振器構成を実施の形態１に示した波長変換レーザ装置に対して採用すれば、従来の波長変換レーザ装置に対して実施の形態３の発振器構成を採用した場合以上に大きな効果を発揮する。
【００３１】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態４の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。図６において、図１、図４と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図６には記されていないが、Ｑスイッチ素子およびレーザ活性媒質励起源の駆動電源や駆動電源間の時間調整素子等については、実施の形態1と同様の装置を備えている。図６においては、共振器ミラー１３は凹の曲率を持つミラーであり、レーザ活性媒質から凹ミラー１３までの距離は５００ｍｍ以上である。１４は共振器内ビームのモード形状を模式的に示したものである。レーザ共振器ミラー１３、５、レーザ活性媒質４、Ｑスイッチ素子２、９０度光方向回転素子１２、レーザ活性媒質励起源３によって発生した基本波パルスレーザビームは共振器内部を往復する間に、波長変換結晶６によって第２高調波レーザビームに変換され、波長変換レーザビーム取り出しミラー５によって基本波レーザビームと分離され、共振器の外へ第２高調波レーザビーム８として取り出される。
【００３２】
このように構成されたレーザ共振器では、１４に示したビームモードの形状のように、レーザ活性媒質と凹ミラー１３の間にビームが集光される位置（ビームウエスト）が存在し、光学素子の配置を工夫することにより、波長変換結晶をビーム径の細い位置へ、その他の光学素子をビーム径の太い位置に配置して、光学素子位置におけるレーザビームフルエンスを下げて、光学素子の損傷を避けつつ、波長変換効率を高めるようレーザ共振器を構成することが可能である。図６に示す実施の形態においてはレーザ活性媒質の近傍にＱスイッチ素子および折り返しミラーを配置することにより、Ｑスイッチ素子、折り返しミラー５の位置でのビーム径を大きくして光強度による損傷を避ける構成としている。また、凹ミラー１３位置でのビーム径を大きくし、光強度による凹ミラー１３の損傷を避ける構成としている。
【００３３】
上述の実施の形態１に記したパルス励起を伴った内部波長変換型Ｑパルスレーザ装置では共振器内光学素子上のフルエンスが高い状態で波長変換レーザ装置を動作させるため、実施の形態４に示した光学素子位置でのビーム径を太くして、損傷を避ける構成を採用することは、この発明の他の実施の形態と組み合わせて用いた場合に、従来の波長変換レーザ装置と組み合わせた場合以上に大きな効果を発揮する。
【００３４】
実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。図７においては、９０度折り返しミラーを用いて共振器を構成している。図７に示すように、９０度折り返しミラーを用いて共振器を構成することにより、図６に示した実施の形態４と同様の効果を発揮するとともに、コンパクトで組み立てが容易な装置を構成を得ることができる。
【００３５】
実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。図８においては、図６、図７のようにＱスイッチ素子２をレーザ活性媒質付近のビーム径の太い位置に配置するのではなく、ミラー１３付近のビーム径の太い位置に配置して損傷をさける構成としている。図８に示すようにＱスイッチ素子２をミラー１３付近のビーム径が太くなる位置に配置して光学素子の損傷の起きにくい構成として、図６および図７に示した他の実施の形態と同様の効果を発揮することができる。
【００３６】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７の波長変換レーザー装置の構成を示す図である。具体的には、ロッド型の固体レーザ活性媒質の中心軸（レーザビーム光軸）を通る平面で波長変換レーザ装置を切った断面を模式的に示したものである。図９において、１６は固体レーザ活性媒質が固定されているキャビティーの一部、１７はロッド状の固体レーザ活性媒質、１８は固体レーザ活性媒質を冷却している水等の冷媒をシールするためのＯリング、１９はＯリングを介してレーザ活性媒質をキャビティーに固定する部品（以下、Ｏリング押さえ）、２０はアパーチャである。アパーチャ２０とＯリング押さえ１９は、はめあい構造によって、十分な機械精度を持ってＯリング押さえ１９とアパーチャ２０の開口の中心軸がずれないよう固定することができる。具体的には誤差５０μｍ以下の精度で固定可能である。また、Ｏリング押さえ１９は、ロッド状固体レーザ活性媒質に滑らかに嵌め込むことができ、更に、固体レーザ活性媒質と隙間が十分小さくなるように孔が開けてある。具体的には固体レーザ活性媒質の径に対して１０〜２０μｍ程度大きな径となるよう設定されている。図中には示されていないが、Ｏリング押さえ１９、アパーチャ２０、キャビティーは、ねじ等で固定することが可能である。固体レーザ活性媒質１７、Ｏリング押さえ１９、アパーチャ２０をこの実施の形態７のように構成することにより、ロッド型固体レーザ活性媒質１７の中心軸とＯリング押さえ１９、アパーチャ２０開口部の中心軸が十分な精度で一致するように設計することができ、固体レーザ活性媒質１７とアパーチャ２０開口部の中心軸のずれに起因する、Ｏリングの損傷や、Ｏリングが焼けたことによって発生したガスに起因する固体レーザ活性媒質端面の損傷を避けることができる。また、固体レーザ活性媒質１７とアパーチャ２０開口部の中心軸のずれを低減することにより、アパーチャ２０挿入によるアパーチャ非挿入時に対するレーザ出力低下を最小限に押さえることが可能である。図９においては、固体レーザ活性媒質１７とアパーチャ２０の間の設置精度を確保するための手段として、はめあい構造を採用した場合について示したが、はめあい構造以外の、ピン等の機械的手段を用いて位置精度を確保してもよい。また、Ｏリング押さえ１９とアパーチャ２０の間に別の部品を介して両者を精度良く固定し、同様の効果を発揮しても良い。
【００３７】
実施の形態１〜６に示した、パルス励起方式によってレーザ活性媒質を励起し、波長変換結晶およびＱスイッチ素子を共振器内部に配置して、Ｑパルス波長変換ビームを発生する波長変換レーザ装置においては、フルエンスが高いため、ビームがＯリングにあたることによるＯリング損傷が従来の波長変換レーザ装置より頻繁に発生する。また、Ｏリングから発生したガスによる損傷も従来波長変換レーザ装置より起こりやすい。実施の形態７に示した固体レーザ活性媒質固定部品および、アパーチャ２０の構成を採用する効果は、従来の波長変換レーザ装置に比べて極めて高い。
【００３８】
実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８のレーザー加工装置の構成を示した図である。図１０において、２１は上述の実施の形態1〜７による波長変換レーザ装置、２２はレンズ等の集光素子、２３はＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４）等の第４高調波発生用波長変換結晶、２４は第２高調波レーザビームと第４高調波レーザビームの光軸、２５はビームスプリッタ−、２６は第４高調波レーザビーム、２７は第２高調波レーザビームである。波長変換結晶２３には波長変換結晶の温度や角度を調整する装置等の、位相整合を起こさせる手段が設けられている。図１０のように構成されたレーザ加工装置においては、２１より発生した第２高調波レーザビームを集光素子２２によって集光し、第４高調波発生用波長変換結晶２３へ入射させる。第４高調波発生用波長変換結晶２３において発生した第４高調波レーザビームはビームスプリッタ−２５によって第４高調波レーザビームへ変換されなかった第２高調波レーザビームと分離され、第４高調波レーザビーム２６として取り出される。第４高調波発生用波長変換結晶２３は入射第２高調波レーザビームのピークパワーが高いほど、高効率な波長変換が可能であるという特徴を有する。実施の形態８における波長変換レーザ装置２１は、パルスエネルギーの高い第２高調波Ｑパルスレ-ザビームを安定に長時間発生可能であるため、長時間にわたって、安定、高効率に第４高調波を発生することが可能である。
【００３９】
ここでは、第２高調波レーザビームを用いて第４高調波レーザビームを発生した場合について示したが、第３高調波等、その他の高調波をより高次の波長変換に用いても良いし、他の次数の波長変換レーザビームや基本波と組み合わせて和周波発生を行っても良い。
【００４０】
実施の形態９．
図１１は、この発明の実施の形態９のレーザー加工装置の構成を示す図である。図１１において、２１は上述の実施の形態１〜７に示した波長変換レーザ装置、２２はレンズ等の集光素子、２４は第２高調波レーザビーム、２８は加工対象（ワーク）、２９はビーム折り曲げミラーである。図１１のように構成されたレーザ加工装置においては、波長変換レーザー装置２１より発生したレーザビーム２４は、ビーム折り曲げミラー２９によって折り曲げられ、集光素子２２によって集光され、加工対象２８へ照射される。波長変換レーザー装置２１は、高パルスエネルギーの波長変換レーザビームを、長時間安定に発生することができるため、高パルスエネルギーが必要とされる加工を長時間安定に行うことができるレーザ加工装置を提供することができる。
【００４１】
高パルスエネルギーが必要とされる加工の具体例としては、広い面積を加工、アニ−ルする装置や、加工閾値が高い材料の孔開け加工等が挙げられる。
また、実施の形態９に示したレーザ加工装置は、高パルスエネルギーのレーザビームを発生可能であるため、パルスエネルギーが高くなるほど、１ショットあたりの加工量を大きくできる加工対象に対して、高速な加工を長時間、安定して行うことが可能なレーザ加工装置を提供できる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明による波長変換レーザ装置によれば、高パルスエネルギーの波長変換パルスレーザビームを光学素子の損傷なく、高効率に、長時間安定に発生することができ、また、より高次の波長変換を安定、高効率に行うこともできる。
また、この発明によるレーザ加工装置は、高速な加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の波長変換レーザ装置の構成を示した図である。
【図２】  Ｑパルス発振が起きる際の各装置の動作タイミングを説明するための図である。
【図３】  励起時間とＱパルスビームとして取り出されるエネルギーの関係を示した図である。
【図４】  この発明の実施の形態２の波長変換レーザ装置の構成を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態３の波長変換レーザ装置におけるレーザ出力と励起強度の関係を示した図である。
【図６】  この発明の実施の形態４の波長変換レーザ装置の構成を示した図である。
【図７】  この発明の実施の形態５の波長変換レーザ装置の構成を示した図である。
【図８】  この発明の実施の形態６の波長変換レーザ装置の構成を示した図である。
【図９】  この発明の実施の形態７の波長変換レーザ装置の構成を示した図である。
【図１０】  この発明の実施の形態８のレーザ加工装置の構成を示した図である。
【図１１】  この発明の実施の形態９のレーザ加工装置の構成を示した図である。
【図１２】  従来の波長変換レーザ装置の構成を示す図である。
【図１３】  従来の波長変換レーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  全反射ミラー、  ２  Ｑスイッチ素子、  ３  レーザ活性媒質励起源、  ４  レーザ活性媒質、  ５  波長変換レーザビーム取り出しミラー兼共振器折り返しミラー、  ６  第２高調波発生用波長変換結晶、  ７  全反射共振器ミラー、  ８  第２高調波レーザビーム、  ９  Ｑスイッチ素子駆動用電源、  １０  レーザ活性媒質励起源駆動用電源、  １１  信号発生装置、  １２  ９０度偏光方向回転素子、  １３  共振器ミラー、  １６  キャビティーの一部、  １７  ロッド状の固体レーザ活性媒質、  １８  Ｏリング、  １９  Ｏリング押さえ、２０  アパーチャ、  ２１  波長変換レーザ装置、  ２２  集光素子、  ２３第４高調波発生用波長変換結晶、  ２４  光軸、  ２５  ビームスプリッター、  ２６  第４高調波レーザビーム、  ２７  第２高調波レーザビーム、  ２８加工対象、  ２９  ビーム折り曲げミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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