(57)【要約】【課題】  １系統の固体レーザを用いて異波長重畳を実現すること。【解決手段】  このレーザ溶接装置は、終端ミラー１０，１２、活性媒質１４、波長変換結晶１６、偏光素子１８および高調波分離出力ミラー２０を配置する構成に加えて、所定位置にビーム合成部２４を配置している。ビーム合成部２４において、ミラー２６は、偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する。ミラー２８は、高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する。ミラー２８を透過した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとミラー２８で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧとは実質的に同一の光路上で重畳して一緒に被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに照射される。【選択図】  図４
2005317743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して前記レーザ発振器の外に向けて反射する偏光素子と、
前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記第１の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、
前記高調波分離出力ミラーから取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部と
を有するレーザ装置。
【請求項２】
前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、前記第１の光ビームに対しては透過性で前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーで反射して前記第２のミラーを透過し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーで反射し、前記第２のミラーを透過した前記第１の光ビームと前記第２のミラーで反射した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、前記第１の光ビームに対しては反射性で前記第２の光ビームに対して透過性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーおよび前記第２のミラーで順次反射し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーを透過し、前記第２のミラーで反射した前記第１の光ビームと前記第２のミラーを透過した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対しては反射性で前記第２の光ビームに対して透過性の第１のミラーと、前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーで反射して前記第１のミラーを透過し、前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーで反射し、前記第１のミラーを透過した前記第２の光ビームと前記第１のミラーで反射した前記第１の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記ビーム合成部が、前記第１の光ビームに対しては透過性で前記第２の光ビームに対して反射性の第１のミラーと前記第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、
前記偏光素子からの前記第１の光ビームが前記第１のミラーを透過し、前記高調波分離出力ミラーからの前記第２の光ビームが前記第２のミラーおよび前記第１のミラーで順次反射し、前記第１のミラーを透過した前記第１の光ビームと前記第１のミラーで反射した前記第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記レーザ発振器が、
光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、
前記光共振器の光路上に配置された活性媒体と、
前記第１の光ビームを生成するために前記活性媒体をポンピングする励起部と
を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記励起部が、可変のパルス幅を有する前記第１の光ビームを生成するために前記活性媒体を前記パルス幅の持続時間だけポンピングする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記活性媒質が、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれた固体活性媒質である請求項６または請求項７に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記偏光素子が、前記光共振器の光路上で前記活性媒体と前記波長変換結晶との間に配置される請求項６〜８のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記波長変換結晶がＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶である請求項６〜９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記波長変換結晶がその光学軸を前記第１の偏光成分に対して４５度傾けて配置される請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記第１の光ビームにおいて、前記第１の偏光成分はＰ偏光で、前記第２の偏光成分はＳ偏光であり、前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏光とは前記第１の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分である請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記偏光素子が、前記第１の光ビームのうち、前記Ｐ偏光を略１００％透過し、前記Ｓ偏光を略１００％反射する請求項１２に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器の外に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、
前記レーザ発振器と前記波長変換結晶との間に配置され、前記レーザ発振器から前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して所定の方向へ反射する偏光素子と、
前記波長変換結晶から取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部と
を有するレーザ装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のレーザ装置により得られる合成光ビームを被加工物に照射して、前記被加工物の材料特性の変更、前記被加工物の成形加工または前記被加工物の材料除去を行うレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基本波長のレーザ光を高調波の光ビームに波長変換するためのレーザ装置および高調波の光ビームを用いるレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザは、製造業、特に溶接、切断および表面処理の分野で利用されている。実際、レーザ溶接技術は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪みが小さいこと、高度の自動化が可能であることから、益々その重要度を増している。現在、レーザ溶接に最も多用されている固体レーザは、波長約１μｍのレーザ光を発生するＹＡＧレーザである。ＹＡＧレーザは母材としてＹＡＧ（Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）結晶に希土類活性イオン（Ｎｄ3+、Ｙｂ3+等）をドープしたものであり、代表的なＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波長は１０６４ｎｍである。ＹＡＧレーザは、連続発振、パルス発振あるいはＱスイッチによるジャイアントパルス発振で動作可能である。
【０００３】
ところで、レーザ溶接法においては、被溶接材とレーザ光の光学的な結合性が重要である。光学的な結合性が良くないと、反射率が高くなって、レーザエネルギーの吸収率が低下し、良好な溶接接合を得るのが難しい。この点、基本波長（たとえば１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光は、銅、金、アルミニウム等に対して光学的結合性が良くない。これらの金属に対しては、むしろ第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光が高い光学的結合性を有することが知られている。
【０００４】
本出願人は、特許文献１で、第１のＹＡＧレーザにより基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧパルスレーザ光を生成するとともに、第２のＹＡＧレーザにより第２高調波（５３２ｎｍ）のＱスイッチレーザ光を生成し、両者を同軸上に重畳して被溶接材に照射する異波長重畳レーザ溶接法を開示している。この異波長重畳レーザ溶接法によれば、レーザエネルギーの吸収効率を高めて、銅、金、アルミニウム等の被溶接物において良好な溶接接合を得ることができる。すなわち、この種の被溶接物に基本波長（１０６４ｎｍ）のＹＡＧレーザ光と第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光とを重畳して照射すると、先ず吸収率の高い第２高調波のＹＡＧレーザ光によって溶接部にキーホールが形成され、次いで基本波長のＹＡＧレーザ光がこのキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、小さなレーザパワーでも確実に溶融接合させることができる。このため、銅、金、アルミニウム等の精密溶接への利用が期待されている。
【特許文献１】特開２００２−２８７９５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の異波長重畳レーザ溶接法は、２系統のＹＡＧレーザを必要とするため、レーザ装置が大掛かりなものとなり、調整やメンテナンス等も煩雑になるという不利点がある。また、第２高調波（５３２ｎｍ）のＹＡＧレーザ光をＱスイッチ方式により１μｓ以下のパルス幅でしか生成できないため、つまり第２高調波の持続的な入熱時間が短いため、銅や金等の被加工物に対する第２高調波の作用が十分に発揮されないという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、１系統の固体レーザを用いて異波長重畳を実現するレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の別の目的は、ロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力するレーザ装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、銅や金等の被加工物に対するレーザ加工を飛躍的に発展させるレーザ加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明のレーザ装置は、基本波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、前記レーザ発振器内に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により高調波の第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、前記レーザ発振器内に配置され、前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して前記レーザ発振器の外に向けて反射する偏光素子と、前記レーザ発振器内に配置され、前記第２の光ビームを前記第１の光ビームから分離して前記レーザ発振器の外へ出力する高調波分離出力ミラーと、前記高調波分離出力ミラーから取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部とを有する。
【００１０】
上記の構成においては、偏光素子で第１の光ビームから第１および第２の偏光成分を分離し、第１の偏光成分を高調波の第２の光ビームを生成するための波長変換結晶との非線形相互作用に用いる一方で、第２の偏光成分を無駄に捨てることなくビーム合成部において第２の光ビームに重畳させる。これにより、１系統の固体レーザを用いて基本波長と高調波との異波長重畳を実現することができる。
【００１１】
本発明の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、第１の光ビームに対しては透過性で第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーで反射して第２のミラーを透過し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーで反射し、第２のミラーを透過した第１の光ビームと第２のミラーで反射した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。
【００１２】
別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対して反射性の第１のミラーと、第１の光ビームに対しては反射性で第２の光ビームに対して透過性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーおよび第２のミラーで順次反射し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーを透過し、第２のミラーで反射した第１の光ビームと第２のミラーを透過した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。
【００１３】
別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対しては反射性で第２の光ビームに対して透過性の第１のミラーと、第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーで反射して第１のミラーを透過し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーで反射し、第１のミラーを透過した第２の光ビームと第１のミラーで反射した第１の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。
【００１４】
別の好適な一態様によれば、ビーム合成部が、第１の光ビームに対しては透過性で第２の光ビームに対して反射性の第１のミラーと第２の光ビームに対して反射性の第２のミラーとを有し、偏光素子からの第１の光ビームが第１のミラーを透過し、高調波分離出力ミラーからの第２の光ビームが第２のミラーおよび第１のミラーで順次反射し、第１のミラーを透過した第１の光ビームと第１のミラーで反射した第２の光ビームとが実質的に同一の光路上で重畳する。
【００１５】
また、本発明の好適な一態様によれば、レーザ発振器が、光学的に対向して配置された第１および第２の終端ミラーを有する光共振器と、この光共振器の光路上に配置された活性媒体と、第１の光ビームを生成するために活性媒体をポンピングする励起部とを有する。ここで、励起部が、可変のパルス幅を有する第１の光ビームを生成するために活性媒体をパルス幅の持続時間だけポンピングしてよい。この場合、活性媒質は、Ｎd：ＹＡＧ、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4およびＹb：ＹＡＧからなる群より選ばれるのが好ましく、波長変換結晶はＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶であるのが好ましい。これにより、ロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力することができる。
【００１６】
本発明の好適な一態様において、偏光素子は、光共振器の光路上で活性媒体と波長変換結晶との間に配置される。この場合、波長変換結晶がその光学軸を偏光素子で分離される第１の偏光成分に対して４５度傾けて配置されるのが好ましい。典型的には、第１の光ビームにおいて、第１の偏光成分はＰ偏光で、第２の偏光成分はＳ偏光であり、Ｐ偏光とＳ偏光とは第１の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長に対して、偏光素子の偏光フィルタ特性がＰ偏光透過率が略１００％、Ｓ偏光反射率が略１００％に選ばれてよい。
【００１７】
本発明の別の観点によるレーザ装置は、第１の波長を有する第１の光ビームを生成するレーザ発振器と、前記レーザ発振器の外に配置され、前記第１の光ビームとの非線型相互作用により第２の波長を有する第２の光ビームを生成する波長変換結晶と、前記レーザ発振器と前記波長変換結晶との間に配置され、前記レーザ発振器から前記波長変換結晶に向かう前記第１の光ビームを受光し、前記第１の光ビームから第１の偏光成分を分離して前記波長変換結晶側に通すとともに第２の偏光成分を分離して所定の方向へ反射する偏光素子と、前記波長変換結晶から取り出された前記第２の光ビームと前記偏光素子で反射された前記第１の光ビームとを光学的に合成するビーム合成部とを有する。
【００１８】
この装置構成においても、偏光素子で第１の光ビームから第１および第２の偏光成分を分離し、第１の偏光成分を高調波の第２の光ビームを生成するための波長変換結晶との非線形相互作用に用いる一方で、第２の偏光成分を無駄に捨てることなくビーム合成部において第２の光ビームに重畳させる。これにより、１系統の固体レーザを用いて基本波長と高調波との異波長重畳を実現することができる。
【００１９】
本発明のレーザ加工方法は、本発明のレーザ装置により得られる合成光ビームを被加工物に照射して、該被加工物の材料特性の変更、該被加工物の成形加工または該被加工物の材料除去を行う。本発明のレーザ加工方法によれば、高調波の光ビームと基本波長の光ビームとの相乗効果によって被加工物をレーザ加工することができる。特に、銅や金等の被加工物に対しては、小さなレーザエネルギーでもって加工性を精細に制御することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成と作用により、１系統の固体レーザを用いて異波長重畳を実現することができ、さらにはロングパルス方式で高調波の光ビームと基本波光ビームとを合成して出力することも可能である。また、本発明のレーザ加工方法によれば、上記のような構成と作用により、銅や金等の被加工物に対するレーザ加工を飛躍的に発展させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００２２】
図１に、本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置の構成を示す。このレーザ溶接装置は、支持台（図示せず）の上に直線配列型で一対の終端ミラー１０，１２、固体レーザ活性媒質１４、波長変換結晶１６、偏光素子１８および高調波分離出力ミラー２０を配置する構成に加えて、該支持台の側方または上方の所定位置にビーム合成部２４を配置している。
【００２３】
両終端ミラー１０，１２は互いに向かい合って光共振器を構成している。一方の終端ミラー１０の反射面１０ａには、後述する基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。他方の終端ミラー１２の反射面１２ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされるとともに、後述する第２高調波（５３２ｎｍ）に対して高反射性の膜もコーティングされている。
【００２４】
活性媒質１４はたとえばＮd：ＹＡＧロッドからなり、一方の終端ミラー１０寄りに配置され、電気光学励起部２２によって光学的にポンピングされる。電気光学励起部２２は、活性媒質１４に向けて励起光を発生するための励起光源（たとえば励起ランプまたはレーザダイオード）を有し、この励起光源を励起電流で点灯駆動することにより、活性媒質１４を持続的または断続的にポンピングする。活性媒質１４で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー１０，１２の間に閉じ込められて増幅される。このように、両終端ミラー（光共振器）１０，１２、活性媒質１４および電気光学励起部２２によって基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームまたはレーザ光を生成するレーザ発振器が構成されている。
【００２５】
偏光素子１８は、たとえばポラライザまたはブリュースタ板等からなり、活性媒質１４からの基本波長の光ビームが非法線方向で入射するように光共振器の光路または光軸に対して所定の斜めの角度で配置されている。活性媒質１４からの基本波長の光ビームのうち、Ｐ偏光は偏光素子１８をまっすぐ透過して波長変換結晶１６に入射し、Ｓ偏光ＬＢSは偏光素子１８で所定の方向つまりビーム合成部２４のミラー２６に向けて反射されるようになっている。ここで、Ｐ偏光およびＳ偏光は基本波長の光ビームの進行方向に垂直な面内で振動方向が互いに直交する直線偏光成分（電界成分）である。たとえば、Ｐ偏光は鉛直方向で振動する直線偏光成分であり、Ｓ偏光は水平方向で振動する直線偏光成分である。好ましくは、基本波長（１０６４ｎｍ）においてＰ偏光透過率は略１００％でＳ偏光反射率は略１００％であるような偏光フィルタ特性が選ばれる。
【００２６】
波長変換結晶１６は、ＫＴＰ結晶からなり、他方の終端ミラー１２寄りに配置され、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、基本波長との非線型相互作用により第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧを光共振器の光路上に生成する。
【００２７】
波長変換結晶１６より終端ミラー１２側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、終端ミラー１２で戻されて、波長変換結晶１６を通り抜ける。波長変換結晶１６より終端ミラー１２の反対側に出た第２高調波の光ビームＳＨＧは、光共振器の光路または光軸に対して所定の角度（たとえば４５゜）で斜めに配置されている高調波分離出力ミラー２０に入射し、このミラー２０で所定の方向つまりビーム合成部２４のミラー２８に向けて反射または分離出力されるようになっている。
【００２８】
ビーム合成部２４において、ミラー２６は、その主面２６ａに基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされており、偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する向きに配置されている。ミラー２８は、その主面２８ａに基本波長に対して高反射性の膜がコーティングされており、高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射する向きに配置されている。また、ミラー２８には第２高調波（５３２ｎｍ）に対して透過性の膜がコーティングされており、ミラー２６で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSはミラー２８を背後からまっすぐ透過する。ここで、ミラー２８を透過した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとミラー２８で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧとは実質的に同一の光路上で重畳して一緒に被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに照射されるようになっている。
【００２９】
被溶接物Ｗは任意の金属からなるものでよいが、特に銅、金またはアルミニウムからなる場合に本発明の大なる利点が得られる。すなわち、銅、金またはアルミニウムからなる被溶接物Ｗにおいては、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとが溶接ポイントＰに同時照射または重畳照射されることで、先ず吸収率の高い第２高調波の光ビームＳＨＧによって溶接ポイントＰ付近にキーホールが形成され、次いで基本波長の光ビームＬＢSがこのキーホール内で多重反射しながら内奥へ進むことにより、溶接ポイントＰ付近が良好かつ確実に溶融する。
【００３０】
このように、この実施形態では、１系統のＹＡＧレーザから基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとを重畳または合成した異波長重畳ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を出力するようにしたので、銅、金またはアルミニウム等の精密溶接に好適なレーザ溶接装置を小型かつ低コストで提供することができる。
【００３１】
さらに、この実施形態における重要な特徴は、基本波長（１０６４ｎｍ）の光ビームＬＢSと第２高調波（５３２ｎｍ）の光ビームＳＨＧとがパルス幅可変のロングパルスで生成されることである。
【００３２】
ここで、本発明者がロングパルス方式の高調波パルスレーザ装置を実現する至った経緯を説明する。
【００３３】
強度の高いレーザ光を非線形光学結晶に入力（入射）すると、光学的な非線形効果により入射光の２倍や３倍などの周波数をもつ光つまり高調波の光が発生する。このような非線形光学結晶は波長変換結晶とも称され、表１に例示するように各種の波長変換結晶が知られている。
【表１】
2005317743.tif 000003
【００３４】
強度の高いレーザ光をこの種の波長変換結晶に与えるために、従来はＱスイッチ方式を用いていた。Ｑスイッチ方式によれば、エネルギー準位の反転分布が極力高くなるようにレーザ活性媒質を十分に励起してから、ＱスイッチをＯＮにして共振器のＱ値を急激に高くすることにより、共振器内で瞬間的で大きな発振を起こし、パルス幅が狭くピークパワーの高いレーザ出力を得ることができる。このようなＱスイッチ型のレーザ装置で生成されるＱスイッチレーザ光はジャイアントパルスと呼ばれる。
【００３５】
一般に、波長変換結晶により波長変換された（たとえば入射波または基本波の２倍の周波数を持つ第２高調波の）高出力レーザ光を加工などに応用する際に、最も重要な特性値はダメージしきい値である。変換効率を左右する非線形光学定数が高くても、ダメージしきい値（損失閾値：damage threshold）が小さいと非実用的である。なぜなら、ダメージしきい値を超えるピークエネルギー密度（単位は通常、ＧＷ／ｃｍ2）をもつレーザ光が与えられると波長変換結晶にダメージ（多くは亀裂）が発生して、使用不能になるからである。
【００３６】
従来より、Ｑスイッチ型レーザで生成した高出力のジャイアントパルスを第２高調波（ＳＨＧ：second harmonic generation）に波長変換するために最も多く用いられている波長変換結晶はＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶であり、そのダメージしきい値（１８．９ＧＷ／ｃｍ2）は十分に高い。一方、この種の波長変換結晶としてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶も知られているが、表２に示すように、ＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）はＬＢＯのそれと比較して約１／４であり、かなり低い。
【表２】
2005317743.tif 000004
【００３７】
この意味で、上記特許文献１（特開２００２−２８７９５号公報）に記載のＱスイッチＹＡＧレーザにおける波長変換器としてＬＢＯ結晶は好適な素材であった。これに対して、ＫＴＰ結晶は、基本波ジャイアントパルスのピークエネルギー（尖頭値エネルギー密度）がある程度以上小さくないと、つまりＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下でない限り、波長変換結晶として不適当であった。換言すれば、基本波ジャイアントパルスの尖頭値エネルギー密度をＫＴＰ結晶のダメージしきい値以下に設定すれば、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキング（ダークニングとも呼ばれる結晶が黒く変質する現象）等の損傷を与えることなく、ＫＴＰ結晶から第２高調波のレーザ光を生成することはできる。しかし、その場合の第２高調波のレーザ光は、レーザ出力が低く、加工対象によっては十分な加工能力を持ち得ないという制限があった。
【００３８】
以上の点に鑑み、本発明者は、高調波パルスレーザ装置を研究開発するに当たり、ダメージしきい値が比較的高い高出力用の波長変換結晶であるＬＢＯ結晶について、ＹＡＧパルスレーザより生成される基本波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）生成の実験を行った。
【００３９】
残念なことに、ＬＢＯ結晶に亀裂（cracking）が入り、ＬＢＯ結晶は使用不能になった。理由は完全には明らかでないが、ダメージしきい値の条件は問題なくクリアされているものの、ＬＢＯ結晶がもつ熱膨張／収縮特性のために、亀裂が入ったと考えられる。すなわち、ＬＢＯ結晶の熱膨張係数は異方性が大きく、ｘ軸方向はαX＝１０８×１０-6／Ｋでかなりの膨張率を有し、ｙ軸方向はαX＝−８８×１０-6／Ｋでかなりの収縮率を有し、１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓのロングパルスレーザ光の入射または入力により、ＬＢＯ結晶内部に相当な熱ストレスが局所的に発生し、結果として亀裂が発生するものと推定される。
【００４０】
他の幾つかの実験とともに、ダメージしきい値が比較的低い低出力用の波長変換結晶であるＫＴＰ結晶について、ＹＡＧパルスレーザにより生成される波長１０６４ｎｍの比較的パルス幅が長いロングパルス（１００μｓ以上、典型的には１〜３ｍｓ）のレーザ光を入射してＳＨＧ（第２高調波）発生の実験を行った。
【００４１】
驚くべきことに、ＫＴＰ結晶にグレイトラッキングの損傷は発生せず、また亀裂も発生せずに、第２高調波（波長５３２ｎｍ）のパルスレーザ光を生成することができた。理由は明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光は、パルス当たりのエネルギーは通常数ジュール程度で、決して小さくはないが、ジャイアントパルスと比較して尖頭値ないしピークエネルギーが格段に低く（通常、数ｋＷ程度）、そのエネルギー密度はＱスイッチまたはジャイアントパルスを前提にしたＫＴＰ結晶のダメージしきい値（４．６ＧＷ／ｃｍ2）を超えることはない。その一方で、基本波ＹＡＧパルスレーザは所要の非線形光学効果をＫＴＰ結晶に発生させるに十分なレーザ出力を有している。そして、ＫＴＰ結晶は、ロングパルスの基本波ＹＡＧパルスレーザ光を与えられても、その熱膨張率が低いため、問題になるような熱ストレスは発生せず、亀裂は生じなかったものと考えられる。
【００４２】
図２に、本発明における波長変換方法の基本原理を示す。本発明の波長変換方法は、波長変換結晶１６にタイプII位相整合角にカットされたＫＴＰ結晶を使用し、タイプIIの位相整合で基本波から第２高調波への波長変換を行う。より詳細には、固体パルスレーザたとえばＹＡＧパルスレーザ（図示せず）で生成された１００μｍ以上のパルス幅を有するパルス（以下、「ロングパルス」と称する。）の基本波パルスレーザ光（たとえば１０６４ｎｍ）を楕円偏光（好ましくは円偏光）またはランダム偏光の形態でＫＴＰ結晶１６に入射させる。そうすると、入射光のうち基本波光の垂直偏光成分と水平偏光成分のみが直線偏光としてＫＴＰ結晶１６を通過する。ＫＴＰ結晶１６は、基本波ＹＡＧパルスレーザと光学的に結合し、非線形光学効果により基本波光の垂直偏光成分と同じ方向に直線偏光したロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧ（５３２ｎｍ）を生成する。
【００４３】
しかしながら、上記のような波長変換方法（図２）においては、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性があったりすると、波長変換効率が低下し、第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧのレーザ出力が下がったり変動することがある。特に、活性媒質１４に対する電気光学励起部２２のポンピング（励起光の照射）が不均一であると、基本波パルスレーザ光の偏光分布に偏りまたは異方性が生じる。
【００４４】
図３に、本発明の好適な一態様（本実施形態）における波長変換方法を示す。この波長変換方法は、基本波のＰ偏光を透過させると同時にＳ偏光を反射する偏光素子１８をその直線偏光化方向（Ｐ偏光の振動方向）がＫＴＰ結晶１６の光学軸に対して相対的に４５度傾くように配置する。実施形態のレーザ溶接装置（図１）では、図３に示すように、偏光素子１８の直線偏光化方向を鉛直方向に設定し、ＫＴＰ結晶１６の方をその光学軸が鉛直方向に対して４５゜傾くように配置している。
【００４５】
このように偏光素子１８の直線偏光化方向とＫＴＰ結晶１６の光学軸とを相対的に４５度傾けて配置する構成によれば、偏光素子１８からのＰ偏光がＫＴＰ結晶１６の座標系において見かけ上直交する等強度の２つの基本波光成分として非線形光学効果に作用する。仮に偏光素子１８を省くと、Ｐ偏光と直交するＳ偏光もＫＴＰ結晶１６に入射することになり、それによってＫＴＰ結晶１６の座標系において垂直偏光成分と水平偏光成分とのバランスが崩れ、タイプIIの波長変換効率は低下する。こうして、偏光素子１８の直線偏光化により、高効率のタイプII波長変換が可能であり、安定かつ高出力でロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成することができる。これにより、銅や金等の被溶接材Ｗに対しては、第２高調波の入熱時間をパルス幅で任意に制御し、第２高調波の作用（特にキーホール形成作用）を存分に発揮させ、良好な溶接接合を得ることができる。
【００４６】
しかも、本発明では、偏光素子１８で反射させたロングパルスの基本波パルスレーザ光（Ｓ偏光）ＬＢSを無駄に捨てるのではなく、ビーム合成部２４において高調波分離出力ミラー２０からのロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧと合成してレーザパワー密度を増大させており、基本波パルスレーザ光のエネルギーをフルに有効利用している。これにより、溶接加工における入熱効率を一層向上させることができる。一例として、ビーム合成部２４で得られる合成ビーム（ＳＨＧ，ＬＢS）においては、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧのエネルギーが約２ジュールに対して、基本波パルスレーザ光ＬＢSのエネルギーは２〜５ジュールである。つまり、第２高調波のパルスレーザ光ＳＨＧに少なくともこれと同程度のエネルギーを有する基本波パルスレーザ光ＬＢSを重畳させて被溶接物Ｗに照射することになり、異波長重畳方式の作用効果を十全に発揮させることができる。本発明によれば、銅や金等の精密溶接を飛躍的に発展させることができる。
【００４７】
図４に、上記した実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す。このレーザ溶接装置は、レーザ発振器を折り返し型または三角型に構成している。より詳細には、支持台（図示せず）上に終端ミラー１０，１２および高調波分離出力ミラー２０'が三角形に配置される。中間に位置する高調波分離出力ミラー２０'は、基本波長の光ビームを反射し、波長変換結晶１６からの第２高調波の光ビームＳＨＧを透過して光共振器の外へ出力するようになっている。
【００４８】
図５に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、終端ミラー１０、高調波分離出力ミラー３０、活性媒質１４、波長変換結晶１６および偏光素子１８を同一直線配列で配置する。より詳細には、活性媒質１４が終端ミラー１０寄りに配置され、波長変換結晶１６が高調波分離出力ミラー３０寄りに配置される。終端ミラー１０の主面１０ａには、やはり基本波長（１０６４ｎｍ）に対して高反射性の膜がコーティングされている。高調波分離出力ミラー３０の主面３０ａには、基本波長（１０６４ｎｍ）に対して反射性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して透過性の膜とがコーティングされている。そして、波長変換結晶１６と活性媒質１４との間に、高調波ミラー３２が高調波分離出力ミラー２２と対向して配置される。この高調波ミラー３２の主面３２ａには基本波長（１０６４ｎｍ）に対して透過性の膜と第２高調波（５３２ｎｍ）に対して反射性の膜とがコーティングされている。
【００４９】
この装置構成において、活性媒質１４で生成される基本波長の光ビームは、終端ミラー１０と高調波分離出力ミラー３０との間に閉じ込められて増幅される。このように、高調波分離出力ミラー３０が光共振器ミラーを兼ねる。波長変換結晶１６は、この光共振器で励起された基本モードに光学的に結合され、ロングパルスの基本波長との非線型相互作用によりロングパルスの第２高調波パルスレーザ光ＳＨＧを生成する。波長変換結晶１６からの第２高調波の光ビームＳＨＧが高調波分離出力ミラー３０に入射すると、このミラー３０を透過して光共振器の外へ出力される。また、高調波ミラー３２で反射した第２高調波の光ビームＳＨＧは、波長変換結晶１６に戻されて、波長変換結晶１６を透過し、さらに高調波分離出力ミラー３０を透過して、光共振器の外へ出力される。
【００５０】
上記のようにして光共振器の外へ出力された第２高調波の光ビームＳＨＧはビーム合成部２４のミラー３６を透過して被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに入射する。一方、偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSは、ビーム合成部２４のミラー２６，３４，３６での反射を順次経て、被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに入射する。ここで、ミラー３６を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧとミラー３６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとが実質的に同一の光路上で重畳して合成されるようになっている。
【００５１】
図６に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、光ビームシャッタ機能を備えるものである。図示の例では、偏光素子１８とビーム合成部２４のミラー２６との間の光路上に光シャッタ３８を設け、高調波分離出力ミラー２０とビーム合成部２４のミラー２８との間の光路上に光シャッタ４０を設けている。光シャッタ３８をＯＦＦ（閉状態）にし光シャッタ４０をＯＮ（開状態）にすることで、基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを遮断して第２高調波の光ビームＳＨＧだけを被溶接物Ｗに照射することができる。また、光シャッタ４０をＯＦＦ（閉状態）にし光シャッタ３８をＯＮ（開状態）にすることで、第２高調波の光ビームＳＨＧを遮断して基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSだけを被溶接物Ｗに照射することができる。
【００５２】
図７に、別の変形例によるレーザ溶接装置の構成を示す。この装置は、ビーム合成部２４で得られる合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を入射ユニット４２および光ファイバ４４を介して遠隔の出射ユニット４６に伝送し、出射ユニット４６より被溶接物Ｗに向けて照射するものである。入射ユニット４２内には、合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を光ファイバ４４の一端面に入射させるための光学レンズが設けられている。出射ユニット４６内には、光ファイバ４４の他端面より出射された合成ビーム（ＬＢS，ＳＨＧ）を収束させて被溶接物Ｗの溶接ポイントに照射するための光学レンズが設けられている。
【００５３】
図示省略するが、別の変形例として、高調波分離出力ミラー２０で分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧと偏光素子１８で分離出力された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとをそれぞれ個別の光ファイバ伝送系を介して共通の出射ユニットに伝送し、その出射ユニット内で両光ビームＳＨＧ，ＬＢSを重畳または合成することも可能である。
【００５４】
他にも種々の変形が可能である。たとえば、ビーム合成部２４においては、第２高調波の光ビームＳＨＧと基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとを合成するために使用するミラーの個数、種類、配置位置等を任意に選択できる。
【００５５】
たとえば、図１の装置構成において、被溶接物Ｗがビーム合成部２４の右側に配置されている場合は、ミラー２６を偏光素子１８からの基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを該被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射するように配置し、ミラー２８を高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧを該被溶接物Ｗの溶接ポイントＰに向けて反射するように配置する。そして、ミラー２６が背後のミラー２８からの第２高調波の光ビームＳＨＧを透過させ、ミラー２６を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧがミラー２６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSと重畳するようにすればよい。
【００５６】
また、高調波分離出力ミラー２０で分離出力された第２高調波の光ビームＳＨＧの進行方向において、あるいは偏光素子１８で反射された基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSの進行方向において両ビームの合成を行うことも可能である。たとえば、図１の装置構成において、ミラー２８が、高調波分離出力ミラー２０からの第２高調波の光ビームＳＨＧをまっすぐ透過させるとともに、ミラー２６からの基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSを直角に反射し、ミラー２８を透過した第２高調波の光ビームＳＨＧとミラー２６で反射した基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとが同一の光路上で合成されるようにしてもよい。
【００５７】
また、レーザ発振器内の各部においても種々の変形が可能である。たとえば、光共振器の光路上にＱスイッチを配置してＱスイッチ方式のパルスレーザを構成し、ジャイアントパルスの形態で第２高調波の光ビームＳＨＧと基本波長の光ビーム（Ｓ偏光）ＬＢSとを合成することも可能である。活性媒体１４の材質は上記実施形態のＮd：ＹＡＧに限定されるものではなく、Ｎd：ＹＬＦ、Ｎd：ＹＶＯ4、Ｙb：ＹＡＧ等も可能であり、ＹＡＧ以外の結晶でもよい。また、波長変換結晶１６もＫＴＰ結晶に限定されるわけではなく、ＬＢＯ結晶、ＢＢＯ（β−ＢaＢ2Ｏ4）結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ6Ｏ10）結晶等も可能である。
【００５８】
上記した実施形態では、レーザ発振器内に波長変換結晶を配置したが、レーザ発振器の外に波長変換結晶を配置して、レーザ発振器より発振出力させた基本波長のレーザ光を外部の波長変換結晶に入射させて波長変換結晶より高調波の光ビームを生成することも可能である。この場合は、偏光素子をレーザ発振器の出力ミラーと波長変換結晶との間の光路上に配置すればよい。上記実施形態はレーザ溶接に係わるものであったが、本発明は他の用途たとえばレーザ曲げ加工やレーザ熱処理その他の物理的プロセスにも適用可能であり、加熱を必要とする多種多様なレーザ用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザ溶接装置の構成を示す図である。
【図２】本発明における波長変換方法の基本原理を示す図である。
【図３】本発明の波長変換方法を示す図である。
【図４】実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。
【図５】実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。
【図６】実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。
【図７】実施形態におけるレーザ溶接装置の一変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０    終端ミラー
１２    終端ミラー
１４    固体レーザ活性媒体
１６    波長変換結晶
１８    偏光素子
２０    高調波分離出力ミラー
２２    電気光学励起部
２４    ビーム合成部
２６，２８    ミラー
３０    高調波分離出力ミラー
３２    高調波ミラー
３４，３６  ミラー
３８，４０    光シャッタ
４２    入射ユニット
４４    光ファイバ
４６    出射ユニット
【図１】
2005317743.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005317743.tif 000008
【図５】
2005317743.tif 000009
【図６】
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【図７】
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