(57)【要約】【課題】簡単な構成で逓倍波のレーザ光を生成するレーザ装置を提供すること。【解決手段】レーザ共振器２１は、励起光ＬＰにより所定帯域の波長を持つ光（発振波）を誘導放出するレーザ結晶３１と、レーザ結晶３１から出射される光を反射する一対の反射ミラー３２，３３と、一対の反射ミラー３２，３３間に配置され出射ミラー３３に対するレーザ光の反射・透過を制御するＱスイッチ３４と、一対の反射ミラー３２，３３間にレーザ光の光軸に対して傾けて配置され、レーザ結晶３１の出射光の基本波長を含む波長帯域の中の所望の波長以外の波長に対して損失を与えて所望の波長を選択する波長選択素子３５とを備えている。レーザ共振器２１から出射される基本波長を持つレーザ光Ｌ１を、逓倍波長を持つレーザ光Ｌ２に変換する非線形光学結晶２３がレーザ共振器２１の外に配置されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光により励起されるレーザ結晶と、前記レーザ結晶の両側に配置され前記レーザ結晶の出射光を反射する一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラー間に配置され前記反射ミラーに対して前記一対の反射ミラー間で増幅されるレーザ光の通過・反射を制御するＱスイッチと、前記一対の反射ミラー間に前記レーザ光の光軸に対して傾けて配置され、前記レーザ結晶の出射光の基本波長を含む波長帯域の中の所望の波長以外の波長に対して損失を与えて所望の波長を選択する波長選択素子と、を備えて構成されたレーザ共振器と、
前記レーザ共振器から出射される光の光路上に配置され、非線形光学効果により、前記レーザ共振器から出射される光から、前記レーザ共振器から出射された光の波長と異なる波長を有する光を生成する非線形光学結晶と、
を備えたことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記波長選択素子は、前記レーザ共振器の光軸に対してブリュースター角に配置されると共に法線方向を軸に回転可能に支持された複屈折フィルタであり、
前記複屈折フィルタは、前記非線形光学結晶により逓倍化される波長の基本波長となるように回転角度が設定される、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記非線形光学結晶は、前記レーザ光の光路上から待避可能とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
生成する波長が異なる複数の非線形光学結晶を備え、前記複数の非線形光学結晶は前記レーザ光の光路上に切換配置可能とされていることを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項３記載のレーザ装置。
【請求項５】
請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置から出射されたレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダから出射された平行光の方向を変更する光走査機構と、
前記光走査機構により方向を変更された光を収束する収束レンズとを備え、
前記収束レンズにより収束された光を前記光走査機構により加工対象物上で走査し当該加工対象物を加工するレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置及びレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ結晶を用いた固体レーザ共振器を備えたレーザ光源からのレーザ光を加工対象物に照射して加工を行うレーザ加工装置がある。このようなレーザ加工装置において、加工対象物の多様化により、様々な種類（材質）の加工対象物に加工されるようになってきている。特に、レーザ加工の１つとしてレーザマーキングがあるが、マーキングに関しては、樹脂などの加工対象物に発色印字される場合がある。従って、レーザマーキングでは、得たい加工結果や材質により、レーザ光のパワーや加工スピードはもちろん、最適なレーザ光の波長が異なる。
【０００３】
従って、このようなレーザ加工装置においては、共振器内部に非線形光学結晶を備えた内部共振器型の第二高調波レーザ光を生成するものがある（例えば、特許文献１参照）。非線形光学結晶を用いたレーザ加工装置は、基本波の１／２、或いは１／３の波長を生成するものである。これは、例えば、レーザマーキング装置の波長の基本波：１０６４ｎｍから、２倍波：５３２ｎｍや３倍波：３５４ｎｍを生成する。
【特許文献１】特開２０００−０９１６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、非線形光学結晶で生成（変換）される波長に対して、レーザ結晶から出射される波長の位相整合をとる、つまり、基本波にあわせておく必要があり、そのために、共振器内部に複屈折フィルタを挿入して、望ましい波長（基本波）を取り出すようにしている。
【０００５】
しかしながら、上記のような特許文献１で示される内部共振器型の構成では、共振器内部に複屈折フィルタ及び非線形光学結晶を備える構成であるため、共振器内部でレーザ結晶から出射されたレーザ光（基本波）と非線形光学結晶を通って変換された２倍波のレーザ光とが混在する。このため、共振器を構成する共振ミラー、複屈折フィルタ、非線形光学結晶をこの２つの波長の増幅に適した光学設計をしなくてはならず、そのように設計（反射波長・反射率等）された光学素子は高価である。更に、各光学部品の位置・角度等の配置調整が非常に困難である。
【０００６】
また、非線形光学結晶は、他の共振器の光学部品（共振ミラー、レーザ結晶、複屈折フィルタ）よりも寿命が短い。具体的には、１／３くらいである。このため、寿命により劣化した非線形光学結晶を交換する場合に、共振器を解体して、新たな非線形光学結晶に交換して、再び、共振器を組み直さなければならない。
【０００７】
本発明は、以上の点を鑑みて、簡単な構成で逓倍波のレーザ光を生成するレーザ装置及びレーザ加工装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、励起光により励起されるレーザ結晶と、前記レーザ結晶の両側に配置され前記レーザ結晶の出射光を反射する一対の反射ミラーと、前記一対の反射ミラー間に配置され前記反射ミラーに対して前記一対の反射ミラー間で増幅されるレーザ光の通過・反射を制御するＱスイッチと、前記一対の反射ミラー間に前記レーザ光の光軸に対して傾けて配置され、前記レーザ結晶の出射光の基本波長を含む波長帯域の中の所望の波長以外の波長に対して損失を与えて所望の波長を選択する波長選択素子と、を備えて構成されたレーザ共振器と、前記レーザ共振器から出射される光の光路上に配置され、非線形光学効果により、前記レーザ共振器から出射される光から、前記レーザ共振器から出射された光の波長と異なる波長を有する光を生成する非線形光学結晶と、を備えた。
【０００９】
従って、請求項１に記載の発明によれば、レーザ共振器から出射される基本波長を持つレーザ光を、逓倍波長を持つレーザ光に変換する非線形光学結晶がレーザ共振器の外に配置されているため、レーザ共振器を構成する光学素子は、レーザ結晶の出射光及びレーザ結晶に供給する励起光に対応した設計ですみ、簡単な構成で逓倍波長を有するレーザ光を得ることができる。また、非線形光学結晶がレーザ共振器の外に配置されているため、非線形光学結晶を交換する場合にもレーザ共振器を解体する必要がなく、容易に非線形光学結晶を交換することが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記波長選択素子は、前記レーザ共振器の光軸に対してブリュースター角に配置されると共に法線方向を軸に回転可能に支持された複屈折フィルタであり、前記複屈折フィルタは、前記非線形光学結晶により逓倍化される波長の基本波長となるように回転角度を設定する。
【００１１】
従って、請求項２に記載の発明によれば、非線形光学結晶に対してレーザ共振器から出射されるレーザ光の位相整合をとるように複屈折フィルタを操作すればよく、非線形光学結晶の温度調整を行う必要がなくなる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載のレーザ装置において、前記非線形光学結晶は、前記レーザ光の光路上から待避可能とされたものである。
従って、請求項３に記載の発明によれば、非線形光学結晶をレーザ光の光路上から退避可能としたため、基本波長を有するレーザ光と、逓倍波長を有するレーザ光とを、切り替えて発生させることが容易にできる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１，請求項２又は請求項３記載のレーザ装置において、生成する波長が異なる複数の非線形光学結晶を備え、前記複数の非線形光学結晶は前記レーザ光の光路上に切換配置可能とされたものである。
【００１４】
従って、請求項４に記載の発明によれば、複数の非線形光学結晶をレーザ光の光路上に切換配置可能としたため、互いに発振波長が異なる複数のレーザ光を発生させることが容易にできる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１，請求項２，請求項３又は請求項４に記載のレーザ装置と、前記レーザ装置から出射されたレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダから出射された平行光の方向を変更する光走査機構と、前記光走査機構により方向を変更された光を収束する収束レンズとを備え、前記収束レンズにより収束された光を前記光走査機構により加工対象物上で走査し当該加工対象物を加工するレーザ加工装置である。
【００１６】
従って、請求項５に記載の発明によれば、レーザ共振器から出射される基本波長を持つレーザ光を、逓倍波長を持つレーザ光に変換する非線形光学結晶がレーザ共振器の外に配置されているため、レーザ共振器を構成する光学素子は、レーザ結晶の出射光及びレーザ結晶に供給する励起光に対応した設計ですみ、簡単な構成で逓倍波長を有するレーザ光を得ることができる。また、非線形光学結晶がレーザ共振器の外に配置されているため、非線形光学結晶を交換する場合にもレーザ共振器を解体する必要がなく、容易に非線形光学結晶を交換することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上記述したように、本発明によれば、簡単な構成で逓倍波のレーザ光を生成するレーザ装置及びレーザ加工装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図２は、本実施の形態のレーザ加工装置１０の構成ブロック図である。
レーザ加工装置１０は、加工対象物Ｗの表面に文字・記号・図形などをマーキング加工するものである。
【００１９】
レーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光を出射するレーザ装置としてのレーザ光源１１を備えている。制御回路１２は、レーザ光源１１の発振を制御する。
レーザ光源１１の後段には、ビームエキスパンダ（ＢＥ）１３が配設されている。ビームエキスパンダ１３は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光のビーム径を拡大する。
【００２０】
ビームエキスパンダ１３の後段には、光走査機構１４が配設されている。光走査機構１４は例えば例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとからなるガルバノミラーにより構成され、ビーム径が拡大されたレーザ光を反射してその照射方向を変更する。駆動回路１５は、制御回路１２の制御に基づき各ミラーの回動角度を制御し、各ミラーの回動によりレーザ光がマーキングする文字や記号、図形などに基づいて２次元走査される。
【００２１】
光走査機構１４の後段には、収束レンズ（ｆθレンズ）１６が配設されている。収束レンズ１６は、ビームエキスパンダ１３にて一旦ビーム径が拡大されたレーザ光を加工対象物Ｗの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、マーキング加工に適したエネルギー密度まで高める。
【００２２】
図１は、レーザ光源の概略構成を示すブロック図である。
レーザ光源１１は、レーザ共振器２１と、励起光源２２と、非線形光学結晶２３とを有している。
【００２３】
レーザ共振器２１は、レーザ結晶３１を有している。レーザ結晶３１は、互いに対向する一対の第１面及び第２面を有している。レーザ結晶３１は、所定の元素（例えば希土類（例えばＥｒ））が添加された結晶であり、第１面（又は第２面）から入射される励起光により所定帯域（例えば中心波長１０６４ｎｍ）の波長を持つ光（発振波）を誘導放出する。第１面及び第２面と直交する光軸に沿って、該レーザ結晶３１の両側には一対の反射ミラー（入射ミラー３２及び出射ミラー３３）が配置されている。入射ミラー３２には励起光を透過しレーザ結晶３１の出射光を反射する膜が形成されている。出射ミラー３３にはレーザ結晶３１の出射光を所定の割合（例えば９７％）にて反射する膜が形成されている。レーザ結晶３１の出射光は、入射ミラー３２と出射ミラー３３により反射され、これによりレーザ結晶３１の出射光が増幅される。
【００２４】
レーザ結晶３１の第２面と出射ミラー３３との間にはＱスイッチ３４が配置されている。Ｑスイッチ３４は、例えば音響光学効果を奏する素子（音響光学変調素子：ＡＯＭ）であり、外部からオン−オフ変調する高周波電力が供給されている。Ｑスイッチ３４がオンオフすることにより所定強度を持つレーザ光が出射ミラー３３から出射される。つまり、Ｑスイッチ３４は、出射ミラー３３に対してレーザ共振器内で増幅されるレーザ光の通過・反射を制御する。尚、Ｑスイッチ３４として電気光学効果を奏する素子（電気光学変調素子：ＥＯＭ）等を用いても良い。
【００２５】
Ｑスイッチ３４と出射ミラー３３との間には、波長選択素子３５が配置されている。波長選択素子３５は所定厚さを持つ水晶板からなる複屈折フィルタであり、光軸に対してブリュースター角に配置されると共に法線方向を軸に回転可能に支持されている。波長選択素子３５は、回転に従って共振器内の所定帯域の波長の中から望ましい波長以外の波長に対して損失を与え、所望の波長を選択する。従って、レーザ共振器２１は、波長選択素子３５により選択された波長を持つレーザ光Ｌ１を出射する。以下、この選択された波長を基本波長という。この基本波長は、波長選択素子３５の回転に従って変化する。つまり、波長選択素子３５を回転させることで、レーザ共振器２１から出射されるレーザ光の波長を変更することが可能である。
【００２６】
レーザ共振器２１の入射ミラー３２側には励起光源２２が配置されている。励起光源２２はレーザ結晶３１に添加された元素に対して適切な波長の励起光ＰＬを出射するように構成されている。励起光源２２とレーザ共振器２１との間には、励起光源２２から出射される励起光ＰＬを平行光にするためのコリメータレンズ２４と、励起光ＰＬをレーザ結晶３１に集光する集光レンズ２５とが配置されている。
【００２７】
レーザ共振器２１の出射ミラー３３側には非線形光学結晶２３がレーザ共振器２１の光軸上に配置されている。つまり、本実施形態のレーザ光源１１は、レーザ共振器２１の外に非線形光学結晶２３が配置されている。従って、本実施形態のレーザ共振器２１を構成する各光学素子は、レーザ結晶３１の出射光及びレーザ結晶３１に供給される励起光ＰＬの透過・反射に適した設計（例えば反射膜・無反射膜の設定）がなされている。
【００２８】
非線形光学結晶２３は、レーザ共振器２１から出射される基本波長を持つレーザ光Ｌ１を、高調波（第二高調波）を持つレーザ光Ｌ２に変換する性質を持つ結晶（ＳＨＧ）であり、例えば周期分極反転非線形結晶（例えばＰＰＬＮ(Periodically Poled Lithium Niobate)）が用いられる。例えば、非線形光学結晶２３に入射するレーザ光Ｌ１の波長が１０６４ｎｍの場合、非線形光学結晶２３はそのレーザ光Ｌ１の波長を２逓倍した５３２ｎｍの波長を持つレーザ光Ｌ２に変換する。非線形光学結晶２３として入射されるレーザ光を第三高調波以上のレーザ光に変換する結晶を用いても良い。
【００２９】
一般的に、波長が短いほどスポット径を小さくすることができる。このため、基本波長を持つレーザ光と比べて、高次の高調波を持つレーザ光を発生させ、加工対象物Ｗに照射するレーザ光のスポット径を小さくすることで、基本波長を持つレーザ光を照射する場合に比べて印字品質を高めることができる。また、加工対象物Ｗの材質により非線形光学結晶２３を設定しても良い。例えば、基本波長を１０６４ｎｍとした場合は、２倍波の波長は５３２ｎｍとなり、３倍波の波長は３５４ｎｍとなる。２倍波の波長を持つレーザ光の場合、樹脂よりなる加工対象物Ｗに対して印字品質が基本波長を持つレーザ光に比べて良くなる。３倍波を持つレーザ光（紫外線）は、ガラス等の基本波長を持つレーザ光を透過させる、つまり基本波長を持つレーザ光では加工できない加工対象物Ｗを加工することができる。
【００３０】
レーザ共振器２１と非線形光学結晶２３との間にはレーザ光Ｌ１を集光して非線形光学結晶２３に入力する集光レンズ２６が配置されている。レーザ光源１１は、制御部２７を備えている。制御部２７は、励起光源２２に駆動電源を供給し、励起光源２２を連続発振させる。また、制御部２７は、Ｑスイッチ３４に高周波電力を供給し、該Ｑスイッチ３４をオンオフする。
【００３１】
ところで、非線形光学結晶２３は生成（変換）する波長に対して入射光の波長の位相が整合している必要がある。しかし、非線形光学結晶２３は、周囲の温度に従って生成（変換）される光の波長が変動する。このため、通常ではオーブン等の温度調整機構により非線形光学結晶を温度制御する必要があるが、温度調整機構は高価であり、レーザ光源の大型化を招く。
【００３２】
これに対し、本実施形態のレーザ光源１１は、レーザ共振器２１から出射されるレーザ光Ｌ１の波長（基本波長）を、波長選択素子３５を操作することで変更することができるように構成されている。従って、非線形光学結晶２３の温度に応じて波長選択素子３５を操作してレーザ光Ｌ１の波長（基本波長）を変更する。これにより、非線形光学結晶２３の温度調整機構が不要であり、レーザ光源１１を小型化することができる。
【００３３】
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）レーザ光源１１は、レーザ共振器２１の外に配置され、レーザ共振器２１から出射される基本波長を持つレーザ光Ｌ１を逓倍波長を持つレーザ光Ｌ２に変換する非線形光学結晶２３を備えている。従って、レーザ共振器２１を構成する光学素子は、レーザ結晶３１の出射光及びレーザ結晶３１に供給する励起光に対応した設計ですみ、簡単な構成で逓倍波長を有するレーザ光Ｌ２を得ることができる。また、非線形光学結晶２３がレーザ共振器２１の外に配置されているため、例えば劣化した非線形光学結晶２３を交換する場合にもレーザ共振器２１を解体する必要がなく、容易に非線形光学結晶２３を交換することができる。
【００３４】
（２）非線形光学結晶に対してレーザ共振器２１から出射されるレーザ光Ｌ２の位相整合をとるように波長選択素子３５（複屈折フィルタ）を操作すればよく、非線形光学結晶２３の温度調整を行う必要がない。このため、非線形光学結晶２３の温度調整機構が不要となってレーザ光源１１ひいてはレーザ加工装置１０を小型化することができる。
【００３５】
尚、上記実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態において、図１に示すように、レーザ光源１１を非線形光学結晶２３が移動可能に構成し、非線形光学結晶２３をレーザ光源１１から出射されるレーザ光の光路上から待避可能としてもよい。例えば、非線形光学結晶２３をリニヤガイドにて移動可能に支持する。尚、制御部２７によりモータ等の駆動源を駆動制御して移動可能に支持した非線形光学結晶２３を移動させる構成としてもよい。このようにレーザ光源を構成すると、基本波長を持つ出力光と逓倍波長を持つ出力光とを切り替えて出力することができ、スポット径を容易に変更することができるとともに、材質が異なる加工対象物Ｗを加工可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００３６】
また、基本波長に対する逓倍数が異なる複数の非線形光学結晶を交換可能に備える構成としてもよい。上記と同様に、複数の非線形光学結晶を例えばリニヤガイドにて往復移動可能に支持し、モータ等の駆動源を駆動制御してレーザ光源１１の光軸上に配置する非線形光学結晶を切り替える。更に、非線形光学結晶が光軸上に配置されないように駆動源を制御する。複数の非線形光学結晶の支持方法として、モータ等の駆動源により回転可能に支持された支持板に、その回転方向に沿って複数の非線形光学結晶を配置するようにしてもよい。このようにレーザ光源を構成すると、基本波長に対して逓倍数が異なる波長（例えば、２倍波と３倍波）を持つレーザ光を発生させることができる。また、基本波長と逓倍数が異なる波長（例えば、基本波，２倍波及び３倍波）を持つレーザ光を発生させることができる。従って、出力光と逓倍波長を持つ出力光とを切り替えて出力することができ、スポット径を容易に変更することができるとともに、材質が異なる加工対象物Ｗを加工可能なレーザ加工装置を提供することができる。
【００３７】
・上記実施形態において、レーザ光源１１を制御する制御部２７を、レーザ加工装置１０を制御する制御回路１２に含める構成としてもよい。
・上記実施形態では、１枚の複屈折フィルタにより波長選択素子３５を構成したが、複数の複屈折フィルタにより波長選択素子３５を構成するようにしてもよい。
【００３８】
・上記実施形態において、複屈折フィルタとエタロンにより波長選択素子３５を構成するようにしてもよい。このような構成とすることで、単一の縦モードにて発振するレーザ光源を得ることができる。つまり、通常、非線形光学結晶の基本波長に対してレーザ光源の出射光の波長を複屈折フィルタにて合わせているが、出射光の波長帯域は幅（Δλ）を持っている。つまり、レーザ光源は基本波長を含み互いに異なる発振波長を持つ複数の光を出射光として出射している。例えば、１０１０ｎｍの波長を選択した場合、λ＝１０１０ｎｍに対してΔλ＝０．８〜１．２ｎｍの幅があり、出射光は１０１０ｎｍを含む複数の発振波長の光が混在している（縦モードを複数持っている）。このため、エタロンを加えることで、より出射光の波長帯域を狭くすることができるようになり、単一の縦モード、つまり、より１つの波長を基本波長として取り出すことができるようになる。
【００３９】
・上記実施形態では、レーザ光Ｌ１を集光して非線形光学結晶２３に入力する集光レンズ２６を備えたが、この集光レンズ２６を省略しても良い。レーザ光源１１はパルスレーザ光を出射するように構成されており、パルスレーザ光の場合集光レンズ２６を用いなくても非線形光学結晶２３に十分な強度を持つレーザ光を入射することが可能であり、できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一実施形態のレーザ光源の概略構成図。
【図２】一実施形態のレーザ加工装置の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１１…レーザ光源、１３…ビームエキスパンダ、１４…光走査機構、１６…収束レンズ、２１…レーザ共振器、２２…励起光源、２３…非線形光学結晶、３１…レーザ結晶、３２…入射ミラー、３３…出射ミラー、３４…Ｑスイッチ、３５…波長選択素子、Ｌ１，Ｌ２…レーザ光、ＰＬ…励起光、Ｗ…加工対象物。
【図１】
2006324601.tif 000003
【図２】
2006324601.tif 000004