(57)【要約】【課題】  光軸を同一にしているか又は実質的に同一にしている波長が異なる複数の光ビームの各ビーム強度レベルを任意に可変可能な光レベル制御器及びその制御方法並びにこれを用いたレーザ応用装置を提供する。【解決手段】  光レベル制御器１は、レーザ発振器２から出射された波長が異なる２つのビーム強度を独立に制御する。光レベル制御器１は、波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４とを備えている。波長依存性がある波長板３は、一方の光波に対しては１／２波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板として機能する。偏光ビームスプリッタ４の光軸回りの回転角度だけを調整して、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する他方の光波の強度を定める。次に、偏光ビームスプリッタ４を調整した角度に固定して、波長板３の光軸回りの回転角度を調整し、一方の光波の強度を定める。【選択図】      図１
2007093643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変可能な光レベル制御器において、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能する波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した前記２つの光波を更に透過する偏光ビームスプリッタとを有することを特徴とする光レベル制御器。
【請求項２】
実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変可能な光レベル制御器において、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、前記光軸の周りに回動可能な波長依存性のある波長板と、前記波長板を透過した前記２つの光波を更に透過し、前記光軸の周りに回動可能な偏光ビームスプリッタとを有し、前記２つの回動手段の回転角を調整して、前記偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の透過率を定めることを特徴とする光レベル制御器。
【請求項３】
前記波長板の前段に、更に、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する別の波長依存性がある波長板を設けたことを特徴とする請求項２に記載の光レベル制御器。
【請求項４】
前記偏光ビームスプリッタの後段に、更に、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、前記光軸の周りに回動可能な更に別の波長依存性がある波長板を設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光レベル制御器。
【請求項５】
前記請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光レベル制御器の制御方法において、前記２つの回動手段の回転角を調整して、前記偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の各光透過率を任意に定めることを特徴とする光レベル制御器の制御方法。
【請求項６】
前記２つの回動手段の回転角の調整は、前記波長板の回動手段を固定して、前記偏光ビームスプリッタの回動手段を回転させる工程と、前記偏光ビームスプリッタの回動状態を固定した状態で、前記波長板の回動手段を回転させる工程とを有することを特徴とする請求項５に記載の光レベル制御器の制御方法。
【請求項７】
前記光レベル制御器は、前記波長板の前段に、更に、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する別の波長依存性がある波長板を設けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の光レベル制御器の制御方法。
【請求項８】
前記偏光ビームスプリッタの後段に、更に、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、前記光軸の周りに回動可能な更に別の波長依存性がある波長板を設け、前記別の波長依存性がある波長板を回転させて、前記２つの光波の偏光の主軸の角度差を可変とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の光レベル制御器の制御方法。
【請求項９】
波長が異なる２つの光波を同一光軸に出力するレーザ発振器と、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光レベル制御器とを有するレーザビーム系を備えたことを特徴とするレーザ応用装置。
【請求項１０】
波長が異なる２つの光波を夫々発振する２つのレーザ発振器と、前記２つの光波を実質的に同一光軸に合波して出力する合波器と、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光レベル制御器とを有するレーザビーム系を備えたことを特徴とするレーザ応用装置。
【請求項１１】
波長が異なる請求項９又は１０に記載の複数のレーザビーム系と、前記複数のレーザビーム系から出力された複数のレーザビームを実質的に同一光軸に合波して出力する合波器とを有することを特徴とするレーザ応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる複数の光波の各光の強度を任意に可変可能な光レベル制御器及びその制御方法並びにこれを用いたレーザ応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光軸を同一にする波長が異なる複数の光ビームの夫々の強度を任意に可変する光レベル制御器の用途は多い。例えばレーザ加工もその一つである。レーザ加工は、対象物にレーザパルスを照射し、対象物の切断、穴あけ及び溶接等の加工を対象物に対して非接触で行う工法である。加工対象物のもつ光吸収及び反射特性並びに熱特性等の物理的な特性に応じて照射レーザパルスの波長、パルス幅、時間波形、ピークエネルギー及びビーム断面内の分布等を適宜設定して照射している。これに加えて、複数の波長の光を混合して使用する場合もある。複数の波長の光を用いる場合、各光の強度が任意に可変できると、加工対象物の吸収及び反射のスペクトル特性に合った加工条件を選び出すことができ、自由度が増す。また、近年注目されている生体及び医用へのレーザの応用の分野では、照射する生体の部位及び患部の種別等に合せて混合する光の割合を変えられることが望まれる。
【０００３】
波長吸収感度が異なった対象物に適正な加工を行うために、１つのレーザ発振装置から複数波長のレーザ光を切換えて取り出し加工物に照射するレーザ加工装置の技術が特許文献１、２に開示されている。
【０００４】
特許文献１が開示している技術は、高調波発生器によってＹＡＧレーザ発振出力光から複数の波長光を発生し、発生した複数の波長光を空間分離し、夫々の波長光を別々の光可変減衰器に透過し、透過後再び一本のビームに合流して加工ヘッドに導く構成のレーザ加工装置である。これによって、波長吸収感度の異なった試料の加工を適正に行うことができるというものである。
【０００５】
特許文献２に開示している技術は、基本波で発振する第１のレーザ装置からの出力ビームと、別のＱスイッチＳＨＧ光を出力する第２のレーザ装置からの出力ビームとをダイクロイックミラーによって合波し対象物に集光照射するレーザ溶接装置である。これによって、反射率及び熱拡散率がアルミニウム合金よりも高い純アルミニウム及び純銅等の金属に対して有効なレーザ溶接による接合が可能になるというものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−１０６３７８号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】特開２００２−０２８７９５号公報（第４−７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている光可変減衰器は、複数波長のレーザ光を切換えて取り出し加工物に照射するものであって、混合されている複数の波長光の強度の割合を自由に変えるものではない。
【０００８】
また、特許文献２では、２つのレーザ装置出力のいずれに対しても調節する手段を発明の構成要素としていないため、溶接条件を幅広く可変する自由度を欠く。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光軸を同一にしているか又は実質的に同一にしている波長が異なる複数の光ビームの各ビーム強度レベルを任意に可変可能な光レベル制御器及びその制御方法並びにこれを用いたレーザ応用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光レベル制御器は、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変可能な光レベル制御器において、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能する波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した２つの光波を更に透過する偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る他の光レベル制御器は、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変可能な光レベル制御器において、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、光軸の周りに回動可能な波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した前記２つの光波を更に透過し、前記光軸の周りに回動可能な偏光ビームスプリッタとを有し、２つの回動手段の回転角を調整して、偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の透過率を定めることを特徴とする。
【００１２】
波長依存性がある波長板の前段に、更に、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する別の波長依存性がある波長板を設けてもよい。
【００１３】
偏光ビームスプリッタの後段に、更に、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、光軸の周りに回動可能な更に別の波長依存性がある波長板を設けてもよい。
【００１４】
また、本発明に係る光レベル制御器の制御方法は、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、光軸の周りに回動可能な波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した２つの光波を更に透過し、光軸の周りに回動可能な偏光ビームスプリッタを有する光レベル制御器の制御方法であって、２つの回動手段の回転角を調整して、偏光ビームスプリッタを直進透過する２つの光波の各光透過率を任意に定めることを特徴とする。
【００１５】
２つの回動手段の回転角の調整は、波長依存性がある波長板の回動手段を固定して、偏光ビームスプリッタの回動手段を回転させる工程と、偏光ビームスプリッタの回動状態を固定した状態で、波長依存性がある波長板の回動手段を回転させる工程を有してもよい。
【００１６】
光レベル制御器は、波長依存性がある波長板の前段に、更に、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する別の波長依存性がある波長板を設けてもよい。
【００１７】
偏光ビームスプリッタの後段に、更に、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、光軸の周りに回動可能な更に別の波長依存性がある波長板を設け、前記別の波長依存性がある波長板を回転させ、２つの光波の偏光の主軸の角度差を可変とする工程を更に有してもよい。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ応用装置は、波長が異なる２つの光波を同一光軸に出力するレーザ発振器と、上記に記載の光レベル制御器のいずれかとを有するレーザビーム系を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、レーザ応用装置は、波長が異なる２つの光波を夫々発振する２つのレーザ発振器と、２つの光波を実質的に同一光軸に合波して出力する合波器と、上記に記載の光レベル制御器のいずれかとを有するレーザビーム系を備えていてもよい。
【００２０】
また、レーザ応用装置は、波長が異なる上記のレーザビーム系と、複数のレーザビーム系を出力する複数のレーザビームを実質的に同一光軸に合波して出力する合波器とを備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光レベル制御器によれば、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能する波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した２つの光波を更に透過する偏光ビームスプリッタとを有する。このため、光レベル制御器を透過する波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る光レベル制御器を示す模式的斜視図である。レーザ発振器２は波長が異なる２本の光ビームを同時に発振しており、２本のビームは光軸を同一にしている。このようなレーザ発振器は、一例として基本波レーザ共振器とこの基本波から高調波を発生する高調波発生素子からなる構成のレーザ装置をあげることができる。高調波発生素子が発生する高調波の基本波からの変換効率は１００％ではなく、例えば５０％であるとする。従って、レーザ発振器２の出力ビームは基本波と高調波の両成分を含み、エネルギー比は、基本波が５０％、高調波が５０％であって、かつ両波の光軸は同一となっている。
【００２３】
光レベル制御器１は、このレーザ発振器２が出力する２つのビーム強度を独立に制御する。この光レベル制御器１においては、レーザ発振器２から出射された同一光軸上の２本の光ビームが波長板３に入射し、更に波長板３を透過した光ビームが偏光ビームスプリッタ４に入射するように、波長板３及び偏光ビームスプリッタ４がレーザ発振器２からの光ビームの光軸上に配置されている。
【００２４】
光レベル制御器１の構成要素の１つである波長依存性がある波長板３は次の特性を有する。基本波又は高調波のうち一方の光波に対しては１／２波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板として機能する。そして波長依存性がある波長板３は、光を透過する光軸の回りで回動可能である。従って、波長板３を回転すると、１／２波長板の効果を受ける光波は、波長依存性がある波長板３の回転に伴って偏光面を回転して波長板３を出射する。しかしながら、全波長板の効果を受ける光波は波長板３を回転してもその偏光面は回転を受けることはなく波長板３から出射する。
【００２５】
波長板３は透明な複屈折結晶を使用して作成することができる。一例としては透過波長域の広い水晶を結晶のＣ軸とほぼ平行に研磨することによって波長板３を作成することができる。
【００２６】
光レベル制御器１の他の構成要素である偏光ビームスプリッタ４は、通常よく用いられている偏光ビームスプリッタであって、斜面に誘電体多層膜を設けた２つの直角プリズムの斜面同士を張り合わせた構造を有する。プリズム斜面に対してＰ波成分を透過し、Ｓ波成分を反射する。この偏光特性は波長依存性を持たない。青色ＬＤ（半導体レーザ）、赤色ＬＤ更に近赤外ＬＤの３つの光源を備え、高画質ＤＶＤ、通常画質のＤＶＤ及びＣＤ等の異なる方式の光ディスクを記録／再生する光ディスク装置の光ヘッドにこの偏光特性に波長依存性を持たない偏光ビームスプリッタは既に使用されている。
【００２７】
波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４とを光軸の回りに回転させることによって、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する基本波及び高調波の各強度を独立に制御することができる。
【００２８】
次に、この第１実施形態の光レベル制御器の動作について説明する。レーザ発振器２の基本波は水平な直線偏光であり、高調波発生素子は、２次高調波発生素子であって、より具体的には位相整合条件がタイプ１の２次高調波発生素子であるとする。従って基本波と共にレーザ発振器２から出力された２次高調波の偏光は、基本波に平行する直線偏光であるとする。そして、波長依存性がある波長板３は、基本波に対して全波長板として機能し、２次高調波に対して１／２波長板として機能するように波長板の厚さが設定されている。
【００２９】
先ず、偏光ビームスプリッタ４の光軸回りの回転角度だけを調整して、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する基本波の強度を定める。次に、偏光ビームスプリッタ４を調整した角度に固定して、波長板３の光軸回りの回転角度を調整し、２次高調波の強度を定める。
【００３０】
図２は、基本波直線偏光が、偏光ビームスプリッタ４を最大透過する角度（水平偏光：Ｐ偏光）を基準とし、その角度から偏光ビームスプリッタ４を光軸回りに回転させた角度θを横軸に取り、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する基本波の透過率を縦軸に取った図である。θ＝９０°とすると、基本波直線偏光は、偏光ビームスプリッタ４の斜面へＳ偏光で入射することになり、直進透過強度は最小となる。レーザ発振器２を出力する基本波は、波長依存性がある波長板３が基本波に対して全波長板として機能するため、波長板をそのＣ軸の方向に拘わることなく直線偏光の偏光方向を維持したまま透過し、偏光ビームスプリッタ４に入射する。
【００３１】
偏光ビームスプリッタ４を光軸の回りに回転させ、図２に示した直進透過強度を所望のレベルに設定する。すなわち、偏光ビームスプリッタ４の直進透過強度Ｉは、偏光ビームスプリッタ４を水平から光軸回りに回転させた角度θとは、  Ｉ＝ｃｏｓ２θ  の関係にある。偏光ビームスプリッタ４を透過する基本波の所望の強度をＩω＝１／２とする場合には、θ０＝４５°と設定する。
【００３２】
レーザ発振器２から出射された他方の光波である２次高調波も、水平に偏光している。波長依存性がある波長板３は、２次高調波に対して１／２波長板として機能する。波長板のＣ軸の方向を水平から傾けた角度をφとすると、波長板３を出射する直線偏光の偏光角度Ψは図３に示すように、Ψ＝２φとなる。従って、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２次光調波の強度は、波長板の回転角度φに対して図４に示すように変化する。偏光ビームスプリッタ４を透過する基本波の透過率を１／２とするために、すでに偏光ビームスプリッタ４をθ０＝４５°回転してあるため、φ＝２２．５°が、偏光ビームスプリッタ４を透過する２次高調波の透過率１を与える波長板の回転角度となる。波長板３を任意の角度φに回転することによって、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２次光調波の強度を基本波と独立に設定することが可能となる。
【００３３】
上記の実施例では、２つの光波を基本波と２次高調波の場合について記述したが、波長の関係はこれに限定されるものではない。今２つの波長を波長λ１とλ２とする。波長依存性がある波長板３は、λ１に対して全波長板、λ２に対して１／２波長板として機能するとする。波長板の厚さをｔとしたとき、波長板を出射する常光線と異常光線の位相差は、下記数式１及び２によって与えられる。
【００３４】
【数１】
2007093643.tif 000003
【００３５】
【数２】
2007093643.tif 000004
【００３６】
ここで、△ｎ１、△ｎ２は夫々波長λ１、λ２における複屈折の大きさ、ｐ、ｑは正整数である。数式１及び２よりｔを消去すると下記数式３が得られる。
【００３７】
【数３】
2007093643.tif 000005
【００３８】
そこで、波長λ１、λ２に用いる波長の実数値を、△ｎ１、△ｎ２に用いる光学結晶の複屈折の大きさの実数値を代入し、ｐに適当な正整数を代入しｑを求める（ｐとｑは逆でも良い）。ｑは必ずしも正整数とはならない。ｑの正整数からの誤差が所望の値以下となるようにｐの値を変える。ｑが正整数からの誤差が所望の値以下となるときのｐの値から波長板の厚さｔを決定することができる。この厚さのとき、波長λ１に対しては正確に全波長板となるが、波長λ２に対しては、ｑの正整数からの誤差に１／２波長を掛けた波長分だけ常光と異常光の位相差は１／２波長からずれることになる。
【００３９】
数値例として光学結晶に水晶を用い、上記の実施例の場合のようにλ１、λ２は基本波と２次高調波であって、λ１＝１．０６μｍ、λ２＝０．５３μｍについて計算してみる。水晶の複屈折を△ｎ１＝０．００８７、△ｎ２＝０．００９２とし、ｐ＝４７を代入すると、ｑ＝９８．９０２３となる。ｑの整数９９からの誤差は０．０９７となり、これは１／２０波長程度の誤差となる。このときｔ＝５．７ｍｍとなり、実現可能な厚さである。
【００４０】
上記の実施例の光レベル制御器は、２つの光波が同一光軸を有し、基本波と高調波の波長関係を有し、偏光方向も同一の場合を述べたが、これらの条件に限定されるものではない。２つの光波の光軸は合波器等で混合されるように実質的に同一であればよく、波長も任意であって良く、偏光状態も異なっていても本発明の光レベル制御器は有効に動作する。
【００４１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述の第１実施形態では、２次高調波発生素子の位相整合条件が、非線形波動方程式における位相整合条件タイプ１の場合についてのものであるが、別のタイプ、例えば位相整合条件タイプ２であってもよい。この場合には、２次高調波発生素子に入射する基本波は直線偏光であっても、２次高調波に変換し尽くされずに出射する基本波は、２次高調波に変換する非線形光学結晶のもつ複屈折の効果を受けて、一般的には楕円偏光となって出射する。このため、図２の偏光ビームスプリッタの回転角度θに対する偏光ビームスプリッタを直進透過する基本波の透過率は、最大値が１にならずこれより減少し、また、最小値は０とならずに増大して、光レベル制御器１を出力する基本波のダイナミックレンジが狭まることになる。
【００４２】
図５は、本発明の第２実施形態に係る光レベル制御器５の構成を示す模式的斜視図である。光レベル制御器５は、レーザ発振器２から出力される２つのビーム強度を独立に制御する。この光レベル制御器５は、光軸の回りに回動可能な波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４に加えて、更に、波長依存性がある波長板３の前段に設けた回動機構を持たない固定設置された第２の波長依存性がある波長板６とを備えている。第２の波長依存性がある波長板６は、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する。ここでは、基本波に対して１／４波長板、２次高調波に対して全波長板又は１／２波長板として機能するように波長板の厚さが設定してある。その設計方法は、第１の実施形態の（１）、（２）と同様に行うことができる。上述したように、レーザ発振器が出力する基本波と２次高調波のうち、２次高調波は直線偏光であるのに対し、基本波が楕円偏光であるような場合、基本波は第２の波長板６のもつ１／４波長板の機能によって直線偏光に変換される。これに対して２次高調波は、第２の波長板６のもつ全波長板又は１／２波長板の機能によって直線偏光のまま出射する。これによって、第１実施形態と同様、偏光ビームスプリッタ４と波長依存性がある波長板３を光軸の回りに回転して偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２つの光波のレベルを夫々任意に設定することができる。
【００４３】
図６は、本発明の第３実施形態に係る光レベル制御器７の構成を示す模式的斜視図である。光レベル制御器７は、レーザ発振器２を出力する２つのビーム強度を独立に制御し、更に２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に制御することができる。この光レベル制御器７は、光軸の回りに回動可能な第１の波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４に加えて、更に回動機構を持ち偏光ビームスプリッタ４の後段に設けた第３の波長依存性がある波長板８を備えている。第３の波長依存性がある波長板８は、第１の波長依存性がある波長板３と同様の機能を持っている。波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板のとして機能する。すなわち、図１の第１の実施形態の光レベル制御器１の光軸方向の後段に回動可能な波長依存性がある波長板８を追加した構成である。これによって、第１の実施形態の光レベル制御器１を出力する２つの光ビームが、偏光ビームスプリッタ４をＰ波で直進透過する同じ偏光方向の直線偏光であるのに対し、本実施例の光レベル制御器７を出力する２つの光ビームは、第３の波長依存性がある波長板８を回転することによって、２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に設定することができる。このため、本実施例の光レベル制御器をレーザ加工装置に用いることによって、加工対象の加工特性が波長依存性に加えて偏光依存性を有する場合には、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【００４４】
図７は、本発明の第４実施形態に係る光レベル制御器９の構成を示す模式的斜視図である。光レベル制御器９は、レーザ発振器２を出力する基本波、２次高調波の２つのビームのうち、基本波が楕円偏光であっても２つのビームの強度を独立に制御し、かつ制御のダイナミックレンジを低下させることなく、更に光レベル制御器を出力する２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に制御することができる。この光レベル制御器９は、図５の第２実施形態の光レベル制御器５の光軸方向の後段に光軸の回りに回動可能な波長依存性がある波長板８を追加した構成である。これによって、第２実施形態の光レベル制御器５を出力する２つの光ビームが同じ偏光方向の直線変更であるのに対し、本実施形態の光レベル制御器７を出力する２つの光ビームは、第３の波長依存性がある波長板８を回転させることによって、２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に設定することができる。このため、本実施例の光レベル制御器をレーザ加工装置に用いることによって、第３の実施形態と同様、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【００４５】
図８に、本発明の光レベル制御器を用いたレーザ応用装置、特にレーザ加工装置光学系の構成ブロック図を示す。
【００４６】
図８（ａ）のレーザ加工装置光学系１０は、基本波と２次高調波を同一光軸に出力するレーザ発振器１１と、本発明の実施例１乃至４に示した光レベル制御器１００と、集光光学系３０とを備える。基本波と２次高調波のレベルと偏光方向のいずれか又は両方を光レベル制御器１００によって制御して加工対象４０に照射する。
【００４７】
図８（ｂ）のレーザ加工装置光学系２０は、第１の波長のビームを出力するレーザ発振器２１と、第２の波長のビームを出力するレーザ発振器２２と、２つのビームを合波する合波器２３と、本発明の実施例１乃至４に示した光レベル制御器１００と、集光光学系３０とを備える。第１の波長の光のレベルと偏光方向のいずれか又は両方を光レベル制御器１００によって制御して加工対象４０に照射する。
【００４８】
本発明の光レベル制御器１００をレーザ加工装置に用いることによって、加工対象４０の加工特性が波長依存性に加えて偏光依存性を有する場合でも、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【００４９】
更に、図８（ａ）のレーザ発振器１１と光レベル制御器１００の組み合わせを複数備え、各光レベル制御器の出力光を合波器によって合波すれば、より多数のレーザ光のレベルと偏光方向を制御することができる。同様な構成は、図８（ｂ）ののレーザ発振器２１とレーザ発振器２１と合波器２３と光レベル制御器１００の組み合わせを複数備え、各光レベル制御器の出力光を合波器によって合波してもよい。
【００５０】
本発明の光レベル制御器を用いたレーザ応用装置は、図８においては、レーザ加工装置光学系を例に挙げて説明したが、このような光学系は、レーザ顕微鏡等のレーザ観察装置へも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光レベル制御器を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の光レベル制御器が備える偏光ビームスプリッタの回転角度に対する偏光ビームスプリッタを直進透過する基本波の透過率を示す図である。
【図３】本発明の光レベル制御器が備える波長板の回転角度に対する２次高調波の偏光回転角度を示す図である。
【図４】本発明の光レベル制御器が備える波長板の回転角度に対する偏光ビームスプリッタを直進透過する２次高調波の透過率を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光レベル制御器の構成を示す模式的斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光レベル制御器の構成を示す模式的斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る光レベル制御器の構成を示す模式的斜視図である。
【図８】本発明の光レベル制御器を用いたレーザ加工装置光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    光レベル制御器
２    レーザ発振器
３    波長依存性がある波長板
４    偏光ビームスプリッタ
５    光レベル制御器
６    波長依存性がある波長板
７    光レベル制御器
８    波長依存性がある波長板
９    光レベル制御器
１０    レーザ加工装置光学系
１１    レーザ発振器
２０    レーザ加工装置光学系
２１    レーザ発振器
２２    レーザ発振器
２３    合波器
１００    光レベル制御器
３０    集光光学系
４０    加工対象
【図１】
2007093643.tif 000006
【図２】
2007093643.tif 000007
【図３】
2007093643.tif 000008
【図４】
2007093643.tif 000009
【図５】
2007093643.tif 000010
【図６】
2007093643.tif 000011
【図７】
2007093643.tif 000012
【図８】
2007093643.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月19日(2006.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタは前記光軸の周りに回動可能であり、前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角を調整して、前記偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の透過率を定めることを特徴とする請求項１に記載の光レベル制御器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光レベル制御器の制御方法において、前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角を調整して、前記偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の各光透過率を任意に定めることを特徴とする光レベル制御器の制御方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角の調整は、前記波長板の回動角を固定して、前記偏光ビームスプリッタを回転させる工程と、前記偏光ビームスプリッタの回動角を固定した状態で、前記波長板を回転させる工程と、を有することを特徴とする請求項５に記載の光レベル制御器の制御方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
光軸を同一にする波長が異なる複数の光ビームの夫々の強度を任意に可変する光レベル制御器の用途は多い。例えばレーザ加工もその一つである。レーザ加工は、対象物にレーザパルスを照射し、対象物の切断、穴あけ及び溶接等の加工を対象物に対して非接触で行う工法である。加工対象物が有する光吸収及び反射特性並びに熱特性等の物理的な特性に応じて照射レーザパルスの波長、パルス幅、時間波形、ピークエネルギー及びビーム断面内の分布等を適宜設定して照射している。これに加えて、複数の波長の光を混合して使用する場合もある。複数の波長の光を用いる場合、各光の強度が任意に可変できると、加工対象物の吸収及び反射のスペクトル特性に合った加工条件を選び出すことができ、加工の自由度が増す。また、近時注目されている生体及び医用へのレーザの応用の分野では、照射する生体の部位及び患部の種別等に合せて混合する光の割合を変えられることが望まれる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
波長吸収感度が異なる対象物に適正な加工を行うために、１つのレーザ発振装置から複数波長のレーザ光を切換えて取り出し加工物に照射するレーザ加工装置の技術が特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
特許文献１に開示されている技術は、高調波発生器によってＹＡＧレーザ発振出力光から複数の波長光を発生し、発生した複数の波長光を空間分離し、夫々の波長光を別々の光可変減衰器に透過し、透過後再び一本のビームに合流して加工ヘッドに導く構成のレーザ加工装置である。これによって、波長吸収感度の異なった試料の加工を適正に行うことができるというものである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
特許文献２に開示されている技術は、基本波で発振する第１のレーザ装置からの出力ビームと、別のＱスイッチＳＨＧ光を出力する第２のレーザ装置からの出力ビームとをダイクロイックミラーによって合波し対象物に集光照射するレーザ溶接装置である。これによって、反射率及び熱拡散率がアルミニウム合金よりも高い純アルミニウム及び純銅等の金属に対して有効なレーザ溶接による接合が可能になるというものである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、特許文献２では、２つのレーザ装置出力のいずれに対しても強度等を調節する機構を発明の構成要素としていないため、溶接条件を幅広く可変する自由度を欠く。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタは前記光軸の周りに回動可能であり、前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角を調整して、前記偏光ビームスプリッタを直進透過する前記２つの光波の透過率を定めることが好ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明に係る光レベル制御器の制御方法は、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能し、光軸の周りに回動可能な波長依存性がある波長板と、前記波長板を透過した２つの光波を更に透過し、光軸の周りに回動可能な偏光ビームスプリッタを有する光レベル制御器の制御方法であって、前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角を調整して、偏光ビームスプリッタを直進透過する２つの光波の各光透過率を任意に定めることを特徴とする。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記波長板及び前記偏光ビームスプリッタの回転角の調整は、波長依存性がある波長板の回動角を固定して、偏光ビームスプリッタを回転させる工程と、偏光ビームスプリッタの回動角を固定した状態で、波長依存性がある波長板を回転させる工程を有してもよい。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明の光レベル制御器によれば、実質的に同一の光軸に合波された波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対して全波長板として機能する波長依存性がある波長板と、この波長板を透過した２つの光波を更に透過する偏光ビームスプリッタとを有しているため、光レベル制御器を透過する波長が異なる２つの光波の各光透過率を任意に可変することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光レベル制御器を示す模式的斜視図である。レーザ発振器２は波長が異なる２本の光ビームを同時に発振しており、２本のビームは光軸を同一にしている。このようなレーザ発振器は、一例として基本波レーザ共振器とこの基本波から高調波を発生する高調波発生素子からなる構成のレーザ装置をあげることができる。高調波発生素子が発生する高調波の基本波からの変換効率は１００％ではなく、例えば５０％であるとする。従って、レーザ発振器２の出力ビームは基本波と高調波の両成分を含み、エネルギー比は、基本波が５０％、高調波が５０％であって、且つ、両波の光軸は同一となっている。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
光レベル制御器１は、このレーザ発振器２が出力する２つのビーム強度を独立に制御する。この光レベル制御器１においては、レーザ発振器２から出射された同一光軸上の２本の光ビームが、波長依存性がある波長板３に入射し、更に、この波長板３を透過した光ビームが偏光ビームスプリッタ４に入射するように、波長板３及び偏光ビームスプリッタ４がレーザ発振器２からの光ビームの光軸上に配置されている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
光レベル制御器１の他の構成要素である偏光ビームスプリッタ４は、通常よく使用されている偏光ビームスプリッタであって、斜面に誘電体多層膜を設けた２つの直角プリズムの斜面同士を張り合わせた構造を有する。プリズム斜面に対してＰ波成分を透過し、Ｓ波成分を反射する。この構造を有する偏光ビームスプリッタの偏光特性は波長依存性を持たない。この偏光特性に波長依存性を持たない偏光ビームスプリッタは、既に、青色ＬＤ（半導体レーザ）、赤色ＬＤ及び近赤外ＬＤの３つの光源を備え、高画質ＤＶＤ、通常画質のＤＶＤ及びＣＤ等の異なる方式の光ディスクを記録／再生する光ディスク装置の光ヘッドに使用されている。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
レーザ発振器２から出射された他方の光波である２次高調波も、水平に偏光している。波長依存性がある波長板３は、２次高調波に対して１／２波長板として機能する。波長板のＣ軸の方向を水平から傾けた角度をφとすると、波長板３を出射する直線偏光の偏光角度Ψは図３に示すように、Ψ＝２φとなる。従って、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２次高調波の強度は、波長板の回転角度φに対して図４に示すように変化する。偏光ビームスプリッタ４を透過する基本波の透過率を１／２とするために、すでに偏光ビームスプリッタ４をθ０＝４５°回転してあるため、φ＝２２．５°が、偏光ビームスプリッタ４を透過する２次高調波の透過率＝１を与える波長板の回転角度となる。波長板３を任意の角度φに回転することによって、偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２次高調波の強度を基本波と独立に設定することが可能となる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
上記の実施形態では、２つの光波が基本波及び２次高調波である場合について記述したが、波長の関係はこれに限定されるものではない。ここで、２つの波長を波長λ１とλ２とする。波長依存性がある波長板３は、λ１に対して全波長板、λ２に対して１／２波長板として機能するとする。波長板の厚さをｔとしたとき、波長板を出射する常光線と異常光線の位相差は、下記数式１及び数式２によって与えられる。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
上述の実施形態の光レベル制御器は、２つの光波が同一光軸を有し、基本波と高調波の波長関係を有し、偏光方向も同一の場合を述べたが、これらの条件に限定されるものではない。２つの光波の光軸は合波器等で混合されるように実質的に同一であればよく、波長も任意であって良く、偏光状態も異なっていても本発明の光レベル制御器は有効に動作する。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係る光レベル制御器５の構成を示す模式的斜視図である。図５において、図１と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。上述の第１実施形態では、２次高調波発生素子の位相整合条件が、非線形波動方程式における位相整合条件タイプ１の場合についてのものであるが、別のタイプ、例えば位相整合条件タイプ２であってもよい。この場合には、２次高調波発生素子に入射する基本波は直線偏光であっても、２次高調波に変換し尽くされずに出射する基本波は、２次高調波に変換する非線形光学結晶の有する複屈折の効果を受けて、一般的には楕円偏光となって出射する。このため、図２の偏光ビームスプリッタの回転角度θに対する偏光ビームスプリッタを直進透過する基本波の透過率は、最大値が１にならず、これより減少し、また、最小値は０とならずに増大して、光レベル制御器１を出力する基本波のダイナミックレンジが狭まることになる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
本実施形態に係る光レベル制御器５は、レーザ発振器２から出力される２つのビーム強度を独立に制御する。この光レベル制御器５は、光軸の回りに回動可能な波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４に加えて、更に、波長依存性がある波長板３の前段に設けた回動機構を持たない固定設置された第２の波長依存性がある波長板６とを備えている。第２の波長依存性がある波長板６は、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／４波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板又は１／２波長板として機能する。ここでは、基本波に対して１／４波長板、２次高調波に対して全波長板又は１／２波長板として機能するように波長板の厚さが設定してある。その設計方法は、第１実施形態で説明した上記数式１及び数式２を使用し、上述の設計方法と同様に行うことができる。上述したように、レーザ発振器が出力する基本波と２次高調波のうち、２次高調波は直線偏光であるのに対し、基本波が楕円偏光であるような場合、基本波は第２の波長板６の有する１／４波長板の機能によって直線偏光に変換される。これに対して２次高調波は、第２の波長板６の有する全波長板又は１／２波長板の機能によって直線偏光のまま出射する。これによって、第１実施形態と同様、偏光ビームスプリッタ４と波長依存性がある波長板３を光軸の回りに回転して偏光ビームスプリッタ４を直進透過する２つの光波のレベルを夫々任意に設定することができる。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る光レベル制御器７の構成を示す模式的斜視図である。図６において、図１及び図５と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。本実施形態に係る光レベル制御器７は、レーザ発振器２を出力する２つのビーム強度を独立に制御し、更に２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に制御することができる。この光レベル制御器７は、光軸の回りに回動可能な第１の波長依存性がある波長板３と偏光ビームスプリッタ４に加えて、更に回動機構を持ち偏光ビームスプリッタ４の後段に設けた第３の波長依存性がある波長板８を備えている。第３の波長依存性がある波長板８は、第１の波長依存性がある波長板３と同様の機能を有し、波長が異なる２つの光波のうち、一方の光波に対して１／２波長板として機能し、他方の光波に対しては全波長板のとして機能する。即ち、図１に示す第１実施形態に係る光レベル制御器１の光軸方向の後段に回動可能な波長依存性がある波長板８を追加した構成である。これによって、第１実施形態に係る光レベル制御器１を出力する２つの光ビームが、偏光ビームスプリッタ４をＰ波で直進透過する同じ偏光方向の直線偏光であるのに対し、本実施形態に係る光レベル制御器７を出力する２つの光ビームは、第３の波長依存性がある波長板８を回転することによって、２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に設定することができる。このため、本実施形態に係る光レベル制御器７をレーザ加工装置に使用することによって、加工対象物の加工特性が波長依存性に加えて偏光依存性を有する場合には、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係る光レベル制御器９の構成を示す模式的斜視図である。図７において、図１、図５及び図６と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。本実施形態に係る光レベル制御器９は、レーザ発振器２を出力する基本波及び２次高調波の２つのビームのうち、基本波が楕円偏光であっても２つのビームの強度を独立に制御し、且つ制御のダイナミックレンジを低下させることなく、更に光レベル制御器を出力する２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に制御することができる。この本実施形態に係る光レベル制御器９は、図５に示す第２実施形態に係る光レベル制御器５の光軸方向の後段に光軸の回りに回動可能な波長依存性がある波長板８を追加した構成である。これによって、第２実施形態に係る光レベル制御器５を出力する２つの光ビームが同じ偏光方向の直線偏光であるのに対し、本実施形態に係る光レベル制御器９を出力する２つの光ビームは、第３の波長依存性がある波長板８を回転させることによって、２つの光ビームの偏光方向の角度差を任意に設定することができる。このため、本実施形態に係る光レベル制御器９をレーザ加工装置に使用することによって、第３実施形態と同様、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図８は、本発明に係る光レベル制御器を用いたレーザ応用装置、特にレーザ加工装置光学系を示す構成ブロック図である。図１及び図５乃至図７と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図８（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置光学系１０は、基本波及び２次高調波を同一光軸に出力するレーザ発振器１１と、本発明の実施形態１乃至４のいずれかに示した光レベル制御器１００と、集光光学系３０とを備えている。基本波、２次高調波のレベル及び偏光方向のいずれか又は両方を光レベル制御器１００によって制御して加工対象４０に照射する。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
また、図８（ｂ）に示すように、本実施形態に係るレーザ加工装置光学系２０は、第１の波長のビームを出力するレーザ発振器２１と、第２の波長のビームを出力するレーザ発振器２２と、２つのビームを合波する合波器２３と、本発明の実施形態１乃至４のいずれかに示した光レベル制御器１００と、集光光学系３０とを備えていてもよい。第１の波長の光のレベルと偏光方向のいずれか又は両方を光レベル制御器１００によって制御して加工対象４０に照射する。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
本発明に係る光レベル制御器１００をレーザ加工装置に使用することによって、加工対象４０の加工特性が波長依存性に加えて偏光依存性を有する場合でも、より有効なレーザ加工を行うことができる。
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
更に、図８（ａ）に示すレーザ発振器１１及び光レベル制御器１００の組み合わせを複数備え、各光レベル制御器の出力光を合波器によって合波すれば、より多数のレーザ光のレベル及び偏光方向を制御することができる。同様な構成は、図８（ｂ）のレーザ発振器２１、合波器２３及び光レベル制御器１００の組み合わせを複数備え、各光レベル制御器の出力光を合波器によって合波してもよい。
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
本発明に係る光レベル制御器を用いたレーザ応用装置は、図８（ａ）及び（ｂ）においては、レーザ加工装置光学系を例に挙げて説明したが、このような光学系は、レーザ顕微鏡等のレーザ観察装置へも応用することができる。
【手続補正２９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2007093643.tif 000014