(57)【要約】レーザ活性媒体（１０）と、該媒体（１０）を励起するポンプ装置（１１）と、前記媒体（１０）に対して軸平行な方向にそれぞれ１つのエンドミラー（１４）及び１つの出力結合ミラー（１５）を備えた、前記媒体（１０）を発振させる共振器（１３）と有する、レーザパルスを放射するレーザ光線源において、レーザ光線源の作動により直ちに一定のパルスエネルギーを有するレーザパルスが放射されるように、共振器ミラーのうちの一方（１４）が回転可能であり、選択可能な時点においてアクチュエータ（１９）により共振器位置から回転させられ、また共振器位置に回転し戻される。
2004517490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
例えば材料加工のための、レーザパルスを放射するレーザ光線源であって、レーザ活性媒体（１０）と、該媒体（１０）を励起するポンプ装置（１１）と、前記媒体（１０）に対して軸平行な方向にそれぞれ１つのエンドミラー（１４）及び１つの出力結合ミラー（１５）を備えた、前記媒体（１０）を発振させる共振器（１３）と、パルス数、パルス周波数及びパルス幅を制御する制御ユニット（１２）とを有する形式のレーザ光線源において、
一方の共振器ミラー（１４）は回転可能であり、回転可能な該共振器ミラー（１４）には、選択可能な時点に、該共振器ミラー（１４）を共振器位置から回転させ、また該共振器ミラー（１４）を再び共振器位置に戻すアクチュエータ（１８）が取り付けられている、ことを特徴とするレーザ光線源。
【請求項２】
前記レーザ活性媒体（１０）と共振器ミラーのうちの一方（１５）との間に鎧戸（２０）が設けられており、該鎧戸（２０）には、選択可能な時点に、該鎧戸（２０）を開閉するアクチュエータ（１８）が取り付けられている、請求項１の上位概念によるレーザ光線源。
【請求項３】
前記鎧戸（２０）は、前記アクチュエータ（１８）により作動される、前記共振器ミラー（１５）を前記媒体（１０）から遮蔽する遮蔽板（２３）を有しており、
前記遮蔽板（２３）は、前記鎧戸を開けるために前記共振器（１３）から取り出し、前記鎧戸を閉めるために前記共振器（１３）に挿入することが可能である、請求項３記載のレーザ光線源。
【請求項４】
前記アクチュエータ（１８）は、前記共振器ミラー（１４）を回転し戻す又は前記ポンプ装置（１１）の２つの励起パルスの間に前記鎧戸（２０）を開くように、前記制御ユニット（１２）により制御されている、請求項１から３のいずれか１項記載のレーザ光線源。
【請求項５】
前記アクチュエータ（１８）はピエゾアクチュエータ（１９）を有している、請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ光線源。
【請求項６】
前記共振器（１３）の出力結合ミラー（１５）に対して、保護シャッタ（１６）がレーザ放射方向に後置されており、
前記保護シャッタ（１６）は、前記共振器ミラー（１４）が回転し戻される前に又は前記鎧戸（２０）が開く前に開くように前記制御ユニット（１２）により制御されている、請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ光線源。
【請求項７】
前記共振器（１３）の出力結合ミラー（１５）の後ろのレーザ光路に、有利には前記出力結合ミラー（１５）に対して後置された前記保護シャッタ（１６）の後ろに、可制御の偏向器（２５）が配置されており、
前記偏向器（２５）は、活動化すると、レーザパルスの放射方向を変える、請求項１記載のレーザ光線源。
【請求項８】
前記偏向器（２５）は、前記アクチュエータ（１８）により２つの回転位置に移すことのできる偏向ミラー（２７）として形成されている、請求項７記載のレーザ光線源。
【請求項９】
回転位置における前記偏向ミラー（２７）の方向は、レーザパルスの放射方向が、一方の回転位置においては加工品（２４）上の加工位置（２８）を向き、他方の回転位置においてはビームサンプ（２６）の方を向くように、決められている、請求項８記載のレーザ光線源。
【請求項１０】
前記アクチュエータ（１８）は前記偏向ミラー（２７）に取り付けられたピエゾアクチュエータ（１９）を有している、請求項８又は９記載のレーザ光線源。
【請求項１１】
前記偏向器（２５）は音響光学変調器（２９）として形成されている、請求項７記載のレーザ光線源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術の状況
本発明は、請求項１の上位概念による、とりわけ材料加工のための、レーザパルスを放射するレーザ光線源に関する。
【０００２】
例えばフラッシュランプ又はダイオードにより励起される固体レーザとして形成されているこの種のレーザ光線源は、とりわけ材料加工において、例えば溶接、穿孔又は裁断において使用される（Ｈ．Ｈｕｅｇｅｌ“Ｓｔｒａｈｌｗｅｒｋｚｅｕｇ  Ｌａｓｅｒ”，Ｔｅｕｂｎｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，１９９２）。レーザ光線源に後置された保護目的で使用される可制御の鎧戸、いわゆるシャッタは、まずシャッタが開き、つぎにパルス制御されたフラッシュランプ又はダイオードによりレーザ活性媒体が、固体レーザの場合にはレーザ結晶が励起される（ポンプされる）ように、ポンプ装置の制御により同期される。このシーケンスは、閉じられたシャッタがレーザパルスにより燃焼するのを防ぐために維持されるが、ポンプ装置の活動化後に放射される第１のレーザパルスに、レーザ活性媒体の熱的過渡状態に起因するパルスエネルギーの変動が生じるという結果をもたらす。このエネルギー変動は、とりわけ単一パルス加工の際、例えば溶接又は穿孔の際に、加工プロセスに対して非常に不利に作用する。
【０００３】
発明の利点
請求項１に記載された特徴を備えた、本発明によるレーザパルスを放射するレーザ光線源の利点は、例えばレーザ活性結晶のようなレーザ活性媒体は常時励起され、それにより熱的平衡状態にあるが、共振器ミラーを共振器位置から回転させることにより、レーザ発振が中断され、レーザパルスが生成されないことである。レーザパルスが放射されるとすぐに、共振器ミラーが共振器位置に回転し戻され、それにより媒体の発振立上がりプロセスが解放される。なお、共振器位置では、鏡面の法線は、他方の共振器ミラーの鏡面の法線と整列するか、又は他方の共振器ミラーの鏡面の法線と平行になる。放射されたすべてのレーザパルスは−第１のレーザパルスの放射時でも熱的過渡状態はすでに終わっているので−同じパルスエネルギーを有し、これにより、加工の結果は始めから所望の品質に相当するものであることが保証される。
【０００４】
同じ利点を請求項２に記載された特徴を備えた本発明によるレーザ光線源も有している。この場合にも、レーザ活性媒体と共振器ミラーとの間に配置された鎧戸により、共振器ミラー間でのレーザ発振のプロセスは、鎧戸の閉止により阻止され、鎧戸の開放により開始される。
【０００５】
請求項１又は請求項２に示されているレーザ光線源の有利な発展形態及び改良は、別の請求項３〜６で実施されている措置により可能である。
【０００６】
発振立上りプロセスを中断させるには、回転可能な共振器ミラーの小さな偏角しか必要ない。したがって、本発明の有利な実施形態によれば、アクチュエータとしてピエゾアクチュエータを使用することができる。その場合、アクチュエータと回転可能な共振器ミラーは有利にはつぎのように結合されている。すなわち、ピエゾアクチュエータが励起されていないときには発振立上がりプロセスは中断されており、したがって、共振器ミラーは共振器位置から回転されており、レーザパルスが要求されるときには、制御ユニットにより励起されたピエゾアクチュエータを介して共振器ミラーが共振器位置に回転し戻される、ように結合されている。
【０００７】
請求項７に記載された特徴を備えた、本発明によるレーザパルスを放射するレーザ光線源の利点は、レーザ光線源がつねに完全作動の状態にあり、レーザパルスの放射方向が変えられるだけで、加工の一時停止の際にレーザパルスが加工位置に達することがないことである。
【０００８】
請求項７に示されたレーザ光線源の有利な発展形態及び改良は、別の請求項８〜１１で実施されている措置により可能である。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば、偏向器は、アクチュエータにより２つの回転位置に移される偏向ミラーとして形成されており、前記回転位置における偏向ミラーの向きは、レーザパルスの放射方向が、一方の回転位置では加工位置を向き、他方の回転位置ではいわゆるビームサンプの方を向くように、決められている。レーザパルスのエネルギーはビームサンプで消滅させられる。この場合でも、偏向ミラーの必要な回転角は相対的に小さく、アクチュエータとしてピエゾアクチュエータを使用することができる。
【００１０】
本発明の択一的な実施形態によれば、偏向器は音響光学変調器として形成されており、この音響光学変調器は、いわゆるブラッグセルへの高周波音響出力の印加により、ブラッグセルを透過するレーザ光線を１次回折させ、それにより加工位置からそらす。
【００１１】
図面
本発明は、図面に示された実施例に基づいて、以下の記述において詳細に説明される。
【００１２】
図１〜４は、それぞれ４つの異なる実施例におけるレーザ光線源のブロック回路図を示している。
【００１３】
実施例の説明
図１に示されている、とりわけ原料又は材料の加工に使用されるレーザパルスを放射するレーザ光線源は、周知のように、エネルギーの供給により熱平衡の状態からレーザ活性状態へ移行するレーザ活性媒体１０を有している。このエネルギー供給は、制御ユニット１２により同期される可制御ポンプ装置１１を用いて行われる。その際、制御パルスのクロックレート及び持続時間により、レーザ光線源のパルス数、パルス周波数及びパルス幅を変化させることができる。いわゆる固体レーザ、例えば工業的な材料加工において最も重要な代表的レーザであるＮｄ：ＹＡＧレーザの場合には、レーザ活性媒体１０は、レーザ活性媒体として金属イオン又は希土類元素のイオンがドープされた結晶により実現されている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合、いわゆる母体結晶はイットリウム−アルミニウム−ガーネットであり、結晶格子においてＹイオンはＮｄイオン（ネオジム）に置き換えられる。ポンプ装置１１は、固体又は結晶を照明するパルス制御のフラッシュランプ又はダイオードであってよい。ポンプ装置により使用される励起エネルギーの一部は、最も簡単には全反射するエンドミラー１４と部分透過性の出力結合ミラー１５とから成る共振器１３を用いて、レーザ効果によりレーザパルスの形の電磁放射として出力結合される。共振器１３は、ここでは、レーザ活性媒体１０を通して何重にもレーザ光を送る任務を有している。これにより、増幅プロセスが始まり、レーザの発振立上がり、つまりレーザ発振が始まる。この状態で、レーザ活性媒体１０に供給されるエネルギーと出力結合ミラー１５を通ってレーザ光線の形で放射されるエネルギーとの間に平衡が生じる。出力結合ミラー１５には、放射方向にさらに１つのいわゆるシャッタ１６が後置されている。シャッタ１６は、保護機能を有しており、レーザ光線源がオフのときには閉じている。シャッタ１６は、レーザ光線源のスイッチオンとともに開くように制御ユニット１２により制御される。レーザ活性媒体１０と出力結合ミラー１５との間に配置された、窓２２付きの絞り２１は、レーザ光線の光線品質の改善に使用される。
【００１４】
レーザパルスによるシャッタ１６の燃焼を防ぐために、シャッタ１６の制御は、まずシャッタ１６が開き、つぎにポンプ装置１１がレーザ活性媒体１０を励起するように、ポンプ装置１１の制御と同調される。レーザ活性媒体１０がまだ熱平衡状態になく、ポンプ作用の開始時に始まる熱的過渡状態にあるときに、パルスエネルギーの変動するレーザパルスが放射されないように、共振器１３にレーザ活性媒体１０の発振立上がりプロセスを抑制するブロッキング手段が設けられている。これらのブロッキング手段は、選択可能な時点に選択可能な期間にわたって非活動化させることができる。ブロッキング手段の非活動化の期間は、レーザ活性媒体１０の熱的過渡状態が終了し、レーザ活性媒体１０が熱平衡に達するまでの長さに設定されている。選定される期間は加工継続時間に左右される。非活動化は有利にはフラッシュランプ又はダイオードの２つの照明パルスの間に行われる。
【００１５】
図１の実施例では、ブロッキング手段は、共振器１３内のエンドミラー１４の回転軸受け１７と回転可能なエンドミラー１４の位置を調整するアクチュエータ１８とを有している。アクチュエータ１８はここでは制御ユニット１２により制御されるピエゾアクチュエータ１９として実施されている。レーザ活性媒体１０の発振立上がりプロセスが、ポンプ装置１１によるポンプ作用にもかかわらず抑制されたままである間、つまりブロッキング手段が効いている間は、エンドミラー１４は図１に破線で示されている位置をとっており、この位置ではエンドミラー１４は共振器位置から回転された状態である。共振器位置は、２つの共振器ミラー１４，１５の法線が互いに整列する又は互いに平行であることにより定義されている。そのため、レーザ活性媒体１０内に自然に放射される電磁波の波列は、２つの共振器ミラー１４，１５における反射により媒体１０を何重にも透過し、誘導された放射によって、いわゆるレーザ発振が始まるまで増幅される。エンドミラー１４が図１に破線で示されている位置に移ると、レーザ活性媒体１０から軸方向に放射されたエンドミラー１４に達する波列が別の方向に反射し、再び媒体１０に達することはない。これにより、増幅プロセスが開始せず、レーザの発振が立ち上がらないようにすることができる。
【００１６】
材料加工のためにレーザパルス列が必要な場合、制御ユニット１２がピエゾアクチュエータ１９を駆動し、ピエゾアクチュエータ１９がエンドミラー１４を図１に実線で示されている共振器位置へ回転させ、この共振器位置において前記増幅プロセスが開始し、レーザ光線源がパルス列を放射する。ピエゾアクチュエータ１９の駆動は、フラッシュランプ又はダイオードの順次連続する２つの照明パルスの間に行われるので、２番目の照明パルスが放射されるときには、エンドミラー１４の復帰プロセスは終了している。媒体１０の発振立上がりプロセスだけがブロックされ、ポンプ装置１１による媒体１０のポンプ作用はブロックされないので、媒体１０はエンドミラー１４が回転して共振器位置に入るとき熱平衡の状態にあり、レーザ光線源により放射されるすべてのレーザパルスは同じ一定のパルスエネルギーを有する。
【００１７】
もちろん、エンドミラー１４の代わりに、出力結合ミラー１５にも回転軸受けを設け、ピエゾアクチュエータ１９と結合してもよい。動作の仕方は上記と同様である。
【００１８】
図２の実施例では、ブロッキング手段はレーザ活性媒体１０の発振立上がりプロセスの抑制のために鎧戸２０と鎧戸２０を動かすアクチュエータ１８とを有している。またアクチュエータ１８はピエゾアクチュエータ１９として実施されており、鎧戸２０の開閉のために制御ユニット１３２により駆動される。出力結合ミラー１５とレーザ活性媒体１０との間に配置された鎧戸２０も同様に閉じた状態では媒体１０の発振立上がりを防ぐ。というのも、出力結合ミラー１５の媒体１０に対する遮蔽により、前記の増幅及び発振プロセスが開始することができないからである。鎧戸２０が開いてはじめて、レーザの発振立上がり条件が整い、レーザ光線源がレーザパルスを放射する。その際、すでに第１のレーザパルスは後続のレーザパルスと同じパルスエネルギーを有している。
【００１９】
鎧戸２０はさまざまな仕方で実施することができる。図２の実施例では、鎧戸２０は絞り２１と絞り窓２２を覆う遮蔽板２３とを有しており、遮蔽板２３は、ピエゾアクチュエータ１９により共振器軸を横切って動かされ、このようにして共振器１３から外へ又は共振器１３の中へ動かすことができる。この動きは遮蔽板２３の横シフト又は回転により行われる。レーザパルス列を呼び出す際、制御ユニット１２はまずシャッタ１６が開くよう制御し、つづいて遮蔽板２３を共振器位置から動かす。そうすることにより、共振器１３内で発振立上がりの条件が整う。
【００２０】
もちろん、鎧戸２０又は遮蔽板２３をレーザ活性媒体１０とエンドミラー１４との間に配置し、同様に制御ユニット１２により制御されるピエゾアクチュエータ１９を用いて操作することも可能である。
【００２１】
図３及び４によるレーザ光線源の実施例では、パルスエネルギーが一定で変動のないレーザパルスを発生させるために、偏向器２４は、共振器１３内に挿入するのではなく、レーザ光線源から加工すべき加工品までのレーザ光線路内に配置されている。偏向器２４は、活動化されると、レーザパルスが加工品２４にではなく、いわゆるビームサンプ２６に達するように、レーザパルスの放射方向を変える。レーザパルスを加工品２４に呼び戻すために、偏向器２５の活動化が再び取り消され、その結果、レーザパルスは加工品２４上の加工位置に当たる。第１のレーザパルスが加工位置２８に呼び戻されるときには、レーザはすでに作動中なので、すべてのレーザパルスは始めから同じパルスエネルギーを有している。フラッシュランプ１１、制御ユニット１２、出力結合ミラー１５に前置された絞り２１及び後置されたシャッタ１６による共振器１３の構成は不変なので、同じ構成部材には同じ参照記号が付されている。
【００２２】
図３の実施例では、偏向器２５は、アクチュエータ１８により２つの回転位置に移すことのできる偏向ミラー２７として形成されている。これら２つの回転位置における偏向ミラー２７の向きは、すでに述べたように、レーザパルスの放射方向が一方の回転位置においては加工品２４上の加工位置２８を向き、他方の回転位置においてはビームサンプ２６の方を向くように決められている。また、アクチュエータ１８は有利にはピエゾアクチュエータ１９として形成されている。このピエゾアクチュエータ１９は偏向ミラー２７を小さな回転角だけ位置調整できなければならない。もちろん、ピエゾアクチュエータ１９が励起されていないときには図３に破線で示されている位置をとり、制御ユニット１２によりピエゾアクチュエータ１９に制御信号が印加されると図３に実線で示された回転位置に移されるように、偏向ミラー２７を方向付けることも可能である。
【００２３】
図４の実施例では、偏向器２５は音響光学変調器２９として形成されている。この種の音響光学変調器は、例えばＥＬＳ  Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ  Ｌａｓｅｒｓｙｓｔｅｍ  ＧｍｂＨ社のカタログ“Ａｋｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｋ”，１９９９，Ｇｒｏｓｓ−Ｚｉｍｍｅｒｎに、その構造と機能が記載されている。この種の音響光学変調器はブラッグセルから成っており、ブラッグセル内で音と光の間の相互作用が生じる。音響出力はトランスデューサを用いてブラッグセルに入力結合される。ブラッグセルが相応の高周波出力により励起されると、セルの内部に周期的な屈折率の変化が生じる。射出するレーザ光線又はレーザパルスはこの屈折率の変化により回折し、加工位置２８から離れてビームサンプ２６に導かれる。その他の点では、レーザ光線源の構造は図３に示されているレーザ光線源と同じであり、したがって同じ構成部材には同じ参照記号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
レーザ光線源のブロック回路図を示す。
【図２】
レーザ光線源のブロック回路図を示す。
【図３】
レーザ光線源のブロック回路図を示す。
【図４】
レーザ光線源のブロック回路図を示す。
【国際公開パンフレット】
2004517490.tif 000003
2004517490.tif 000004
2004517490.tif 000005
2004517490.tif 000006
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2004517490.tif 000008
2004517490.tif 000009
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2004517490.tif 000011
2004517490.tif 000012
2004517490.tif 000013
2004517490.tif 000014
2004517490.tif 000015
2004517490.tif 000016
2004517490.tif 000017
2004517490.tif 000018
2004517490.tif 000019
2004517490.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517490.tif 000021
2004517490.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成15年1月27日(2003.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
例えば材料加工のための、レーザパルスを放射するレーザ光線源であって、レーザ活性媒体（１０）と、該媒体（１０）を励起するポンプ装置（１１）と、前記媒体（１０）に対して軸平行な方向にそれぞれ１つのエンドミラー（１４）及び１つの出力結合ミラー（１５）を備えた、前記媒体（１０）を発振させる共振器（１３）と、パルス数、パルス周波数及びパルス幅を制御する制御ユニット（１２）とを有する形式のレーザ光線源において、
一方の共振器ミラー（１４）は回転可能であり、回転可能な該共振器ミラー（１４）には、選択可能な時点に、該共振器ミラー（１４）を共振器位置から回転させ、また該共振器ミラー（１４）を再び共振器位置に戻すアクチュエータ（１８）が取り付けられている、ことを特徴とするレーザ光線源。
【請求項２】
前記アクチュエータ（１８）は、前記共振器ミラー（１４）が前記ポンプ装置（１１）の２つの励起パルスの間に回転し戻されるように、前記制御ユニット（１２）により制御される、請求項１記載のレーザ光線源。
【請求項３】
前記アクチュエータ（１８）はピエゾアクチュエータ（１９）を有している、請求項１又は２記載のレーザ光線源。
【請求項４】
前記共振器（１３）の出力結合ミラー（１５）には、レーザ放射装置内に保護シャッタ（１６）が後置されており、該保護シャッタ（１６）は、前記共振器ミラー（１４）が回転し戻される前又は鎧戸（２０）が開く前に開くように前記制御ユニット（１２）により制御されている、請求項１から３のいずれか１項記載のレーザ光線源。
【国際調査報告】
2004517490.tif 000023
2004517490.tif 000024
2004517490.tif 000025
2004517490.tif 000026
2004517490.tif 000027
2004517490.tif 000028