(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｑスイッチを含むレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に連続発振のための電力を供給する電源部と、
一定周波数の高周波電気信号を発生する高周波発振手段と、
前記高周波電気信号を変調するための所望の繰り返し周波数を有する変調基準パルスを生成する基準パルス生成手段と、
前記基準パルス生成手段より生成された所定の変調基準パルスについて、そのパルス期間が開始する時点まで前記高周波電気信号が定常レベルの振幅を持続してきた時間を前記レーザ発振器におけるＱスイッチパルス発振のための励起エネルギーの蓄積時間として計時する蓄積時間計時手段と、
前記蓄積時間計時手段により計時された蓄積時間に基づいて前記所定の変調基準パルスに対応する変調度を割り出す変調度割出手段と、
前記変調基準パルスに基づいて、かつ前記変調度割出手段で割り出された変調度に応じて前記高周波電気信号を変調する変調手段と、
前記変調された高周波電気信号にしたがって前記Ｑスイッチを駆動し、前記レーザ発振器より前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じたピークパワーを有するＱスイッチパルスレーザ光を発振出力させるＱスイッチ駆動手段とを具備するＱスイッチ型レーザ装置。
【請求項２】
Ｑスイッチを含むレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に連続発振のための電力を供給する電源部と、
一定周波数の高周波電気信号を発生する高周波発振手段と、
前記高周波電気信号を変調するための所望の繰り返し周波数を有する変調基準パルスを生成する基準パルス生成手段と、
前記基準パルス生成手段より生成された所定の変調基準パルスについて、そのパルス期間が開始する時点まで前記高周波電気信号が定常レベルの振幅を持続してきた時間を前記レーザ発振器におけるＱスイッチパルス発振のための励起エネルギーの蓄積時間として計時する蓄積時間計時手段と、
時間的に等間隔な一組のパルス列における前記所定の変調基準パルスの順位を計数するパルス順位計数手段と、
前記蓄積時間計時手段によって計時された蓄積時間と前記パルス順位計数手段により計数された順位とに基づいて前記所定の変調基準パルスに対応する変調度を割り出す変調度割出手段と、
前記変調基準パルスに基づいて、かつ前記変調度割出手段で割り出された変調度に応じて前記高周波電気信号を変調する変調手段と、
前記変調された高周波電気信号にしたがって前記Ｑスイッチを駆動し、前記レーザ発振器より前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じたピークパワーを有するＱスイッチパルスレーザ光を発振出力させるＱスイッチ駆動手段とを具備するＱスイッチ型レーザ装置。
【請求項３】
前記蓄積時間計時手段は、前記高周波電気信号の供給開始時点から最初に与えられる前記変調基準パルスの始端時点までの経過時間を計時するための第１のタイマ手段と、前記高周波電気信号の供給中に与えられる連続する２つの前記変調基準パルスの間で先の変調基準パルスの終端時点から後の変調基準パルスの始端時点までの経過時間を計時するための第２のタイマ手段とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のＱスイッチ型レーザ装置。
【請求項４】
前記変調手段が、前記変調基準パルスに同期し、かつパルス始端部に前記変調度に応じたアップスロープ勾配を有する変調パルスを生成する変調パルス生成手段と、前記高周波電気信号を前記変調パルスで振幅変調する振幅変調手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のＱスイッチ型レーザ装置。
【請求項５】
前記変調手段が、前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じた振幅を有する変調パルスを生成する変調パルス生成手段と、前記高周波電気信号を前記変調パルスで振幅変調する振幅変調手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のＱスイッチ型レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【００１０】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｑスイッチパルスレーザ光を発振出力するＱスイッチ型のレーザ装置に関する。
【００２０】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ装置等の固体レーザ装置は、Ｑスイッチを用いることで、連続発振をピークパワー（尖頭出力）の高い高速繰返しパルス発振に変えることが可能である。ＹＡＧレーザ装置には、一般に、超音波によるブラッグ回折を利用する音響光学Ｑスイッチが使われている。
【００３０】
図１０に示すように、音響光学Ｑスイッチ１００は、入射面および出射面に反射防止膜１０２を施された偏光媒体である合成石英ガラス１０４と、この石英ガラス１０４の一面（底面）に接着層１０６を介して結合された超音波発生用の圧電体１０８と、高周波整合回路１１０とから構成される。
【００４０】
Ｑスイッチ・ドライバ１１２よりたとえば２４ＭＨｚ、５０Ｗの高周波電気信号ＥＳが整合回路１１０を介して圧電体１０８に与えられると、ピエゾ効果によって高周波電気信号ＥＳが超音波ＡＳに変換され、その超音波ＡＳが石英ガラス１０４内を伝播する。そうすると、光弾性効果により石英ガラス１０４内に周期的な屈折率分布が生じ、ここに適当な角度で光ＬＢi を入射させると、入射した光ＬＢi がＬＢR のように回折される（音響光学効果）。
【００５０】
図１１にＱスイッチ型ＹＡＧレーザ発振器の構成を示す。楕円反射鏡筒１１４内の一対の楕円焦点位置にＹＡＧロッド１１６および励起ランプ１１８が平行に配置される。ＹＡＧロッド１１６の両端面と対向して出力ミラー１２０および全反射ミラー１２２が配置され、ＹＡＧロッド１１６の一端面と出力ミラー１２０との間にＱスイッチ１００が配置される。
【００６０】
上記のように高周波電気信号ＥＳがＱスイッチ１００に入力されて石英ガラス１０４内を超音波ＡＳが伝播すると、ＹＡＧロッド１１６からのレーザ光ＬＢi の一部がＱスイッチ１００で回折され、レーザ共振器の損失が増加してＱ値が下がり、レーザ発振が停止する。
【００７０】
しかし、レーザ発振が止まっても、励起ランプ１１８によるＹＡＧロッド１１６の励起は継続されているため、レーザ発振器内の励起エネルギーは増大し、かつ蓄積される。そして、この蓄積された励起エネルギーが十分に大きくなった時に高周波電気信号ＥＳを遮断して急激にＱ値を戻すと、レーザ発振器でパルス発振が起こり、きわめてピークパワー（尖頭出力）の高いＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ が得られる。
【００８０】
実際の応用では、任意の繰り返し周波数を有する変調用のパルスで変調された高周波電気信号ＥＳがＱスイッチ１００に供給され、各変調パルスによってそのパルス期間中は高周波電気信号ＥＳの供給が一時的に断たれることで、変調パルスに同期したＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ が得られる。
【００９０】
図１２に示すように、Ｑスイッチパルス発振が行われる直前にレーザ発振器内に蓄積されている励起エネルギーは、変調パルスのパルス間隔または周期ＴQ に比例し、パルス周期ＴQ が長くなるほど増大するが、飽和基準時間Ｔs （たとえば５００μｓ）以上では一定の値ＥM で飽和する。
【０１００】
したがって、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーは、図１３の（Ａ）に示すようにパルス周期ＴQ がＴs 以上のときは最大または飽和レベルＰM となり、図１３の（Ｂ）に示すようにパルス周期ＴQ がＴs よりも短いときは最大レベルＰM に対してＴQ とＴs との比率（ＴQ ／Ｔs ）に応じた分の大きさとなる。
【０１１０】
【発明が解決しようとする課題】
実際の応用では、上記のようなＱスイッチ型のレーザ発振器を基準時間Ｔs よりも短い周期ＴQ でＱスイッチ動作させることがよくある。
【０１２０】
その場合、図１４に示すように、電源投入直後またはＱスイッチング再開直後の最初のＱスイッチパルスレーザ光いわゆるファーストパルスＬＢQ(1)のピークパワーが他（後続）のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ(2)，ＬＢQ(3)，…のピークパワーよりも異常に高くなるという問題がある。
【０１３０】
これは、定常時ではレーザ発振器内の励起エネルギー蓄積量が飽和値ＥM に達する前に（飽和基準時間Ｔs 以下の周期で）Ｑスイッチングが行われるのに対して、電源投入直後またはレーザ発振出力再開直後のファーストパルスでは励起エネルギー蓄積量が飽和値レベルＥM になっている状態の下でＱスイッチングが行われるためである。
【０１４０】
精密なレーザ加工では、そのようなファーストパルスＬＢQ(1)の突出したピークパワーは加工品質上の障害となる。
【０１５０】
たとえば、レーザマーキング加工において、図１５に示すように、マーキング加工点がある線（ストローク）ＪA から次の線（ストローク）ＪB へジャンプする場合、ＪA の終点ｊA(N)とＪB の始点ｊB(1)との間でＱスイッチングの時間間隔Ｔk が大きく開く。
【０１６０】
この場合、両ストロークＪA ，ＪB 描画中のパルス周期ＴQ がそれぞれＴs よりも短いときは、図１５に示すように、始点ｊB(1)に対応するＱスイッチパルスレーザ光つまりファーストパルスＬＢQB(1) のピークパワーが他のＱスイッチパルスレーザ光…，ＬＢQA(N-1) ，ＬＢQA(N) ，ＬＢQB(2) ，ＬＢQB(3),…のピークパワーよりも異常に高く、結果として始点ｊB(1)のドットが他の描画点…，ｊA(N-1), ｊA(N)，ｊB(2), ｊB(3), …のドットよりも異常に大きくなり、マーキング品質が下がるという不具合がある。
【０１７０】
かかる不具合に対処するため、ファーストパルスに対しては変調度（振幅低減度または減衰度）を適度に低減することによって、そのピークパワーを抑制し、定常時のピークパワーに揃える方法が考えられている。
【０１８０】
しかしながら、概して、ファーストパルスＬＢQ(1)１発だけでは蓄積励起エネルギーの全部が出尽くすことはなく、余った励起エネルギーが後続のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ(2)，ＬＢQ(3)…に乗り移って、図１４に点線で示すようにそれらのピークパワーが突出してしまうという現象が生じやすい。
【０１９０】
しかも、この現象は、ファーストパルスＬＢQ(1)が発振出力されるまでの蓄積時間やパルス周期（Ｑスイッチング周期）ＴQ に応じて変化する。つまり、蓄積時間が飽和基準時間Ｔs を越えたばかりのときよりもその時間Ｔs を越えてしばらく経っているときのほうが、またパルス周期ＴQ が短いほど、ファーストパルスＬＢQ(1)から後続パルスＬＢQ(2)，ＬＢQ(3)…へ励起エネルギーの乗り移る度合いまたは範囲が大きい。
【０２００】
従来は、試行錯誤的な設定で各Ｑスイッチパルスレーザ光に対する変調度に適宜の変化をもたせていた。しかし、この方式では、実際のアプリケーションに有効に対応することはできない。たとえば、上記のようなレーザマーキング加工では、異なるストローク間のＱスイッチング中断時間ＴK は常に一定というわけではなく、むしろ描画パターンにしたがって大きくばらつくのであり、試行錯誤的な変調設定や固定化された変調制御では対応できない。このため、均一なピークパワーでＱスイッチパルスレーザ光を発振出力し、均一なドットで描画することが非常に困難となっている。
【０２１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、レーザ発振器における実際の励起エネルギー蓄積量に応じて最適な変調制御を行うようにしたＱスイッチ型レーザ装置を提供することを目的とする。
【０２２０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の第１のＱスイッチ型レーザ装置は、Ｑスイッチを含むレーザ発振器と、前記レーザ発振器に連続発振のための電力を供給する電源部と、一定周波数の高周波電気信号を発生する高周波発振手段と、前記高周波電気信号を変調するための所望の繰り返し周波数を有する変調基準パルスを生成する基準パルス生成手段と、前記基準パルス生成手段より生成された所定の変調基準パルスについて、そのパルス期間が開始する時点まで前記高周波電気信号が定常レベルの振幅を持続してきた時間を前記レーザ発振器におけるＱスイッチパルス発振のための励起エネルギーの蓄積時間として計時する蓄積時間計時手段と、前記蓄積時間計時手段により計時された蓄積時間に基づいて前記所定の変調基準パルスに対応する変調度を割り出す変調度割出手段と、前記変調基準パルスに基づき、かつ前記変調度割出手段で割り出された変調度に応じて前記高周波電気信号を変調する変調手段と、前記変調された高周波電気信号にしたがって前記Ｑスイッチを駆動し、前記レーザ発振器より前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じたピークパワーを有するＱスイッチパルスレーザ光を発振出力させるＱスイッチ駆動手段とを具備する。
【０２３０】
また、本発明の第２のＱスイッチ型レーザ装置は、Ｑスイッチを含むレーザ発振器と、前記レーザ発振器に連続発振のための電力を供給する電源部と、一定周波数の高周波電気信号を発生する高周波発振手段と、前記高周波電気信号を変調するための所望の繰り返し周波数を有する変調基準パルスを生成する基準パルス生成手段と、前記基準パルス生成手段より生成された所定の変調基準パルスについて、そのパルス期間が開始する時点まで前記高周波電気信号が定常レベルの振幅を持続してきた時間を前記レーザ発振器におけるＱスイッチパルス発振のための励起エネルギーの蓄積時間として計時する蓄積時間計時手段と、時間的に等間隔な一組のパルス列における前記所定の変調基準パルスの順位を計数するパルス順位識別手段と、前記蓄積時間計時手段によって計時された蓄積時間と前記パルス順位識別手段により計数された順位とに基づいて前記所定の変調基準パルスに対応する変調度を割り出す変調度割出手段と、前記変調基準パルスに基づき、かつ前記変調度割出手段で割り出された変調度に応じて前記高周波電気信号を変調する変調手段と、前記変調された高周波電気信号にしたがって前記Ｑスイッチを駆動し、前記レーザ発振器より前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じたピークパワーを有するＱスイッチパルスレーザ光を発振出力させるＱスイッチ駆動手段とを具備する。
【０２４０】
また、本発明の第３のＱスイッチ型レーザ装置は、上記第１または第２のＱスイッチ型レーザ装置の構成において、前記蓄積時間計時手段が、前記高周波電気信号の供給開始時点から最初に与えられる前記変調基準パルスの始端時点までの経過時間を計時するための第１のタイマ手段と、前記高周波電気信号の供給中に与えられる連続する２つの前記変調基準パルスの間で先の変調基準パルスの終端時点から後の変調基準パルスの始端時点までの経過時間を計時するための第２のタイマ手段とを含むことを特徴とする。
【０２５０】
また、本発明の第４のＱスイッチ型レーザ装置は、上記第１または第２のＱスイッチ型レーザ装置の構成において、前記変調手段が、前記変調基準パルスに同期し、かつパルス始端部に前記変調度に応じたアップスロープ勾配を有する変調パルスを生成する変調パルス生成手段と、前記高周波電気信号を前記変調パルスで振幅変調する振幅変調手段とを有することを特徴とする。
【０２６０】
また、本発明の第５のＱスイッチ型レーザ装置は、上記第１または第２のＱスイッチ型レーザ装置の構成において、前記変調手段が、前記変調基準パルスに同期し、かつ前記変調度に応じた振幅を有する変調パルスを生成する変調パルス生成手段と、前記高周波電気信号を前記変調パルスで振幅変調する振幅変調手段とを有することを特徴とする。
【０２７０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して本発明の実施例を説明する。
【０２８０】
図１に、本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のＱスイッチ型ＹＡＧレーザ加工装置の要部の構成を示す。
【０２９０】
このＹＡＧレーザ加工装置において、ＹＡＧロッド１０、励起ランプ１２、出力ミラー１４、全反射ミラー１６およびＱスイッチ１８は、図１１に示したものと同様のＹＡＧレーザ発振器１９を構成する。
【０３００】
励起ランプ１２は、電源回路２０より連続発振用の電力の供給を受けて連続発光する。ＹＡＧロッド１０は、励起ランプ１２より照射されたほぼ一定の光で励起され、その両端面より軸方向にほぼ一定の光を出射する。
【０３１０】
Ｑスイッチ１８において高周波電気信号ＥＳの印加が止められると、ＹＡＧロッド１０の両端面より出た光は、Ｑスイッチ１８を通って出力ミラー１４と全反射ミラー１６との間で反射を繰り返して共振増幅ののちＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ として出力ミラー１４を軸方向に抜け出る。出力ミラー１４より出射されたＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ は、ミラーまたは光ファイバ等の伝送光学系（図示せず）を通ってスキャニングユニット２２へ送られる。
【０３２０】
スキャニングユニット２２は、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のビームスポットを被加工材Ｗ上で所望の描画パターンでスキャニングするための光学スキャニング機構およびスキャング駆動回路等を内蔵している。
【０３３０】
Ｑスイッチ１８は、図１０に示したものと同様の構成および機能を有する音響光学Ｑスイッチでよい。したがって、このＱスイッチ１８は、Ｑスイッチ制御部２４の制御の下でＱスイッチ・ドライバ２６より高周波電気信号ＥＳを供給されている間はＹＡＧロッド１０からの入射光ＬＢi を音響光学効果により回折させて（Ｑ値を下げて）共振器内の励起エネルギー（反転分布）を蓄積増大させておいて、高周波電気信号ＥＳの供給を断たれると入射光ＬＢi を直進させて（Ｑ値を戻して）蓄積していた励起エネルギーで一気にレーザ発振させ、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ を生成せしめるように機能する。
【０３４０】
主制御部２８はマイクロコンピュータからなり、内蔵のメモリに蓄積されている所要のプログラムおよび入力部３０より入力された各種設定値またはコマンド等にしたがって、電源回路２０、スキャニングユニット２２、Ｑスイッチ制御部２４等の各部の動作を制御する。
【０３５０】
図２に、本実施例におけるＱスイッチ制御部２４の回路構成を示す。このＱスイッチ制御部２４は、パルス発生器３２、パルス整形回路３４、変調パルス生成回路３６、高周波発振器３８および変調回路４０を有している。
【０３６０】
パルス発生器３２は、たとえばＶ−Ｆ（電圧−周波数）コンバータからなり、主制御部２８よりＱスイッチング制御信号ｑｃおよび周波数制御電圧ｖｓを入力し、ｑｃがアクティブ状態（たとえばＨレベル）の期間中に繰り返し周波数制御電圧ｖｓの電圧レベルに比例した繰り返し周波数でパルスＳＰを発生する。
【０３７０】
図３に模式的に示すように、パルス発生器３２より発生されるパルスＳＰにおいては、そのパルス幅Ｔspが繰り返し周波数に反比例して変化する。すなわち、繰り返し周波数が低いほどパルス幅Ｔspが大きく、繰り返し周波数が高くなるほどパルス幅Ｔspが小さくなる。
【０３８０】
パルス整形回路３４はたとえばワンショット・マルチバイブレータからなり、パルス発生器３２からのパルスＳＰを入力し、図３に示すようにパルスＳＰの立ち上がりエッジに応動して一定のパルス幅ＴW および一定の振幅を有するパルスＣＰを出力する。
【０３９０】
本実施例では、パルス発生器３２およびパルス整形回路３４が基準パルス生成手段を構成し、パルス整形回路３４より出力される一定パルス幅のパルスＣＰが変調基準パルスとなる。
【０４００】
なお、図３では、本実施例における基準パルス生成手段の機能を説明するうえでパルス発生器３２に対する繰り返し周波数制御電圧ｖｓのレベルを時間的に単調増加させているが、実際の応用ではＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ の繰り返し周波数（Ｑスイッチ周波数）の設定値に対応した一定電圧レベルに周波数制御電圧ｖｓを維持する。
【０４１０】
変調パルス生成回路３６は、パルス整形回路３４からのパルスＣＰを入力し、図３に模式的に示すようにパルスＣＰに同期し、かつ主制御部２８からの変調度制御信号ｍｃに応じたアップスロープ勾配θを有する変調用のパルスＭＰを生成する。
【０４２０】
変調回路４０は、変調パルス生成回路３６からの変調パルスＭＰを入力するとともに、高周波発振器３８よりたとえば２４ＭＨｚ、５０Ｗで連続的に出力される高周波電気信号ＥＳ0 を搬送波として入力し、高周波電気信号ＥＳ0 を変調パルスＭＰで振幅変調して、Ｑスイッチング用の高周波電気信号ＥＳを生成する。
【０４３０】
本実施例では、変調パルス生成回路３６および変調回路４０が変調手段を構成している。
【０４４０】
なお、高周波発振器３８は、主制御部２８からの高周波発振制御信号ｅｃによって高周波電気信号ＥＳ0 のオン／オフを制御され、たとえばｅｃがアクティブ状態（Ｈレベル）になっている間だけ高周波電気信号ＥＳ0 を出力するようになっている。
【０４５０】
Ｑスイッチ・ドライバ２６は、図１０に示すものと同様の構成および機能を有するパワーアンプ型の駆動回路でよく、変調回路４０からの高周波電気信号ＥＳを電力増幅し、増幅した高周波電気信号によってＱスイッチ１８を駆動する。
【０４６０】
ここで、図４および図５につき本実施例におけるＱスイッチング変調制御の前提となる基本変調制御方式を説明する。
【０４７０】
図４に示すように、所定レベル以上の電圧を有する矩形波形の変調パルスＭＰを変調回路４０に与えると、変調パルスＭＰのＬレベルに応じたオン期間と変調パルスＭＰのＨレベルに応じたオフ期間（完全遮断期間）とを有する振幅一定の高周波電気信号ＥＳが得られる。この高周波電気信号ＥＳでＱスイッチ１８を駆動すると、オフ期間の開始時にレーザ発振器１９でＱスイッチングのパルス発振が起こり、出力ミラー１４よりＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ が出力される。
【０４８０】
電源回路２０より常時一定の連続発振用電力がレーザ発振器１９に供給されるとすると、各Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ(i)のピークパワーは各対応変調パルスＭＰ(i）に先立つ高周波電気信号ＥＳのオン期間、つまり直前の変調パルスＭＰ(i-1) の終端から当該変調パルスＭＰ(i) の始端までの経過時間で規定される励起エネルギー蓄積時間ＴG(i)に比例する。ただし、この蓄積時間ＴG(i)が基準時間Ｔs 以上の長さになると、ピークパワーは所定の飽和レベルに止まる。
【０４９０】
このような所与のパルス間隔またはパルス周期の下でＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを任意に可変制御するための方法が種々知られている。その中の１つの方式は、図５に示すように、変調パルスＭＰをＬレベルからＨレベルに瞬時に立ち上げるのではなく、適当な傾斜度または勾配θを有するアップスロープ波形（ＭＰ’）にして、高周波電気信号ＥＳの振幅を減衰（ＥＳ’）させながらオフにする方法である。
【０５００】
この方式によれば、高周波電気信号ＥＳの振幅が或るしきい値を割った時点でＱスイッチングのパルス発振（ＬＢQ'）が起こる。パルス信号（ＭＰ’）における立ち上がり部のアップスロープの勾配θを小さくするほど高周波電気信号（ＥＳ’）の振幅がしきい値を割るまでの時間が長くなって（それだけＱスイッチング開始時の励起エネルギーの損失が大きくなって）、Ｑスイッチパルスレーザ光（ＬＢQ'）のピークパワーが低くなる。
【０５１０】
本実施例では、後述するように、主制御部２８において、基準パルスＣＰを基に各変調パルスＭＰ(i）に先立つ蓄積時間ＴG が計時されるとともに、Ｑスイッチング制御信号ｑｃを基に時間的に等間隔な１組のパルス列における各基準パルスＣＰの順位が計数され、それらの蓄積時間および順位の計測値に応じた変調度［ＭＤ］が求められる。そして、その変調度［ＭＤ］に応じた変調度制御信号ｍｃがＱスイッチ制御部２４の変調パルス生成回路３６に与えられ、変調パルス生成回路３６において変調度［ＭＤ］に応じたアップスロープ勾配θを有する変調パルスＭＰが生成される。
【０５２０】
図６に、本実施例のＱスイッチング変調制御に係わる主制御部２８内の機能的構成を示す。
【０５３０】
本実施例におけるＱスイッチング変調制御関連で、主制御部２８は、シーケンス制御部４２、設定部４４、蓄積時間計時部４６、パルス順位計数部４８および変調度制御部５０を有している。
【０５４０】
設定部４４は、入力部３０より入力されたマーキング加工用の各種設定値のデータを保持する。シーケンス制御部４２は、設定部４４より与えられるマーキング描画データ、マーキング速度、Ｑスイッチ周波数等の設定値にしたがい、Ｑスイッチ制御部２４内のパルス発生器３２に対してＱスイッチング制御信号ｑｃおよび繰り返し周波数制御電圧ｖｓを供給し、高周波発振器３８に対して高周波発振制御信号ｅｃを供給する。
【０５５０】
通常、発振制御信号ｅｃは、電源が投入されている間はアクティブ（Ｈレベル）になり、高周波発振器３８に高周波電気信号ＥＳ0 を継続的に出力させる。
【０５６０】
Ｑスイッチング制御信号ｑｃは、通常は１ストローク（線分）のマーキング期間毎にアクティブ（Ｈレベル）になる。たとえば、図７に示すように、２つの連続するストロークＪA ，ＪB をマーキングする場合、ストロークＪA をマーキングしている期間中はｑｃをＨレベルに維持し基準パルス発生器３２よりパルスＳＰを出力させ（つまりＱスイッチングを行わせ）、ストロークＪA のマーキングが終了するとｑｃをいったんＬレベルにしてパルスＳＰを中断させた状態（つまりＱスイッチングを止めた状態）でスキャニングユニット２２においてマーキング点を次のストロークＪB の始端へジャンプ移動させ、ストロークＪB のマーキングが開始するとｑｃを再びＨレベルにしてパルスＳＰを出力（つまりＱスイッチングを再開）させる。
【０５７０】
周波数制御電圧ｖｓは、Ｑスイッチ周波数の設定値に対応した電圧レベルを有する。通常、１回のマーキング加工においてＱスイッチ周波数は一定値に選ばれるため、周波数制御電圧ｖｓの電圧レベルも設定レベルに維持される。
【０５８０】
蓄積時間計時部４６は、Ｑスイッチ制御部２４のパルス整形回路３４からの基準パルスＣＰと、シーケンス制御部４２からの発振制御信号ｅｃとを計時タイミング信号として入力する。
【０５９０】
基準パルスＣＰについては各パルス始端および終端を検出し、連続する２つの基準パルスＣＰ(i-1) ，ＣＰ(i) の間で先のパルスＣＰ(i-1) のパルス終端から後のパルスＣＰ(i) のパルス始端までの経過時間ＴG(i)を後のパルスＣＰ(i) に対応する蓄積時間として計時する。
【０６００】
また、発振制御信号ｅｃについてはそれがアクティブになったタイミング（通常は電源投入直後またはマーキング動作開始時）を検出し、その検出時点から最初の基準パルスＣＰ(1) のパルス始端までの経過時間ＴG(1)をその先頭基準パルスＣＰ(1) に対応する蓄積時間として計時し、その計時データを逐次出力する。
【０６１０】
パルス順位計数部４８は、パルス成形回路２４からの基準パルスＣＰをカウント対象信号として入力するとともに、シーケンス制御部４２からのＱスイッチング制御信号ｑｃをカウント期間制御信号として入力する。
【０６２０】
１ストロークのマーキングを開始させる時、Ｑスイッチング制御信号ｑｃがＬレベルからＨレベルに立ち上がり、これに応動してパルス順位計数部４８は基準パルスＣＰのカウントを開始する。以後、基準パルスＣＰを入力する度毎に＜１＞，＜２＞，＜３＞，＜４＞，…とカウント値または順位値＜ｉ＞をインクリメントし、その計数データを逐次出力する。そして、１ストロークのマーキングを終了させる時、Ｑスイッチング制御信号ｑｃがＨレベルからＬレベルに立ち上がり、これに応動してパルス順位計数部４８は１回のカウント動作を終了する。なお、カウント開始時または終了時のいずれかでリセットを行う。
【０６３０】
変調度制御部５０は、各基準パルスＣＰ(i) について蓄積時間計時部４６およびパルス順位計数部４８よりそれぞれ与えられる蓄積時間計時データＴG(i)および順位値計数データ＜ｉ＞を受け取り、それらの計測データＴG(i)、＜ｉ＞および設定部４４からの所要の設定値（一定値）に基づいてその基準パルスＣＰ(i) に対応する変調度［ＭＤ］を演算によって、あるいはテーブル検索により割り出す。そして、割り出した変調度［ＭＤ］に応じた変調度制御信号ｍｃを変調パルス生成回路３６に与える。
【０６４０】
変調パルス生成回路３６では、パルス整形回路３４からの当該基準パルスＣＰ(i) に同期し、かつ変調度制御部５０からの変調度制御信号ｍｃに応じたアップスロープ勾配θを有する変調パルスＭＰを生成する。そして、変調回路４０がその変調パルスＭＰで高周波電気信号ＥＳ0 を振幅変調して、変調パルスＭＰのアップスロープ勾配θに応じた減衰率で減衰する高周波電気信号ＥＳを生成する。
【０６５０】
上記したように、レーザ発振部におけるＱスイッチング時の励起エネルギー蓄積量のばらつきに起因して、電源投入直後またはＱスイッチング再開直後の最初のＱスイッチパルスレーザ光いわゆるファーストパルスＬＢQ(1)ないし２，３発目のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ(2)，ＬＢQ(3)のピークパワーが定常時のピークパワーよりも異常に高く突出しやすい。レーザマーキング加工では、それが各ストロークにおける始端部の異常な濃さとなって現れる。
【０６６０】
本実施例では、蓄積時間計時部４６が、レーザ発振器１９において各Ｑスイッチングが開始するまでの励起エネルギーの蓄積時間ＴG を計時する。変調度制御部５０は、この蓄積時間ＴG の値をパラメータとし、図１２に示すような特性曲線を参照したうえで、所定の演算を実行し、または所定のルックアップテーブルを検索し、飽和基準時間ＴS を超えるようなファーストパルスＬＢQ(1)に対してはそのピークパワーを抑制するような変調度を得ることができる。
【０６７０】
また、蓄積時間ＴG が飽和基準時間ＴS を超える場合でも、その超える分の時間の長さに応じて、変調度を可変制御してもよい。たとえば、飽和基準時間ＴS よりも所定時間ｔa ，ｔb （ただしｔa ＜ｔb ）だけ長い第２および第３比較基準時間Ｔa ，Ｔb を設定し、▲１▼ＴS ＜ＴG ＜Ｔa ，▲２▼Ｔa ＜ＴG ＜Ｔb ，▲３▼Ｔb ＜ＴG の各場合で変調度を異なる値に選んでもよい。
【０６８０】
これにより、ファーストパルスＬＢQ(1)のピークパワーを抑制するにしても、電源投入後やストローク間隔が大きく空いていて蓄積時間ＴG が相当長かった場合（▲３▼の場合）は変調度ないしアップスロープ勾配θを最小制御値に選んで抑制度を最大に強め、ストローク間隔が狭くて蓄積時間ＴG が基準時間ＴS を僅かに超えたような場合（▲１▼の場合）は変調度ないしアップスロープ勾配θを最小制御値よりも大きな値に選んで抑制度を弱めることができる。
【０６９０】
さらに、本実施例では、パルス順位計数部４８が、時間的に等間隔な１組のパルス毎、つまりマーキング加工では１ストローク毎に、各基準パルスＣＰ(1) ，ＣＰ(2) ，…の順位を計数する。変調度制御部５０は、各順位の値＜ｉ＞もパラメータに含めて、各パルスに対する変調度を可変制御することができる。
【０７００】
たとえば、上記▲３▼の場合は、ファーストパルスＬＢQ(1)のピークパワーを定常時レベルまで強く抑制すると、そこで放出し切れなかった励起エネルギーが後続のセカンドパルスＬＢQ(2)，サードパルスＬＢQ(3)，…に乗り移りやすい。そこで、セカンドパルスＬＢQ(2)、サードパルスＬＢQ(3)，…についても適当にアップスロープ勾配θを小さくして、それぞれのピークパワーを抑制するような変調制御をかけてよい。
【０７１０】
その際、セカンドパルスＬＢQ(2)、サードパルスＬＢQ(3)、…についても蓄積時間計時部４６より得られる蓄積時間ＴG あるいは設定部４４より与えられるＱスイッチ周波数も考慮してよい。つまり、蓄積時間ＴG が短いほど（Ｑスイッチ周波数が高いほど）、ファーストパルスＬＢQ(1)から後続のパルスに励起エネルギーの乗り移る度合いおよび範囲が大きい。
【０７２０】
なお、蓄積時間計時部４６より得られる蓄積時間ＴG のほうが、設定部４４より与えられるＱスイッチ周波数よりも実際の励起エネルギー蓄積状態を正確に表すパラメータである。
【０７３０】
そこで、蓄積時間計時部４６からの蓄積時間ＴG とパルス順位計数部４８からのパルス順位＜ｉ＞とをパラメータとして所定の関数またはテーブルにしたがって各順位のＱスイッチパルスレーザ光ＬＢQ(1)，ＬＢQ(2)，ＬＢQ(3)，…に対する変調度を適切に可変制御し、それぞれのピークパワーを定常時のピークパワーに揃えることができる。
【０７４０】
図８に、本実施例において図７に示すように２つの連続するストロークＪA ，ＪB をマーキングする場合の各部の波形の一例を示す。この例では、ストロークＪB においてファーストパルスＬＢQ(1)およびセカンドパルスＬＢQ(2)だけにピークパワー抑制制御をかけている。
【０７５０】
すなわち、先頭の変調パルスＭＰ(1) においてアップスロープ勾配θを定常値（ほぼ９０゜）よりも相当小さくして変調度を大きく緩め、ファーストパルスＬＢQ(1)のピークパワーを強く抑制している。さらに、２番目の変調パルスＭＰ(2) についてはアップスロープ勾配θを定常値よりも幾らか小さくするだけで変調度を少し緩め、セカンドパルスＬＢQ(2)のピークパワーを弱く抑制している。
【０７６０】
３番目のパルス以降は、アップスロープ勾配θを定常値（ほぼ９０゜）に固定し、ピークパワーの抑制を解除している。
【０７７０】
図８に示すような各部の波形、特に変調パルスＭＰおよび高周波電気信号ＥＳの波形は、上記したような主制御部２８内の蓄積時間計時部４６、パルス順位計数部４８および変調度制御部５０等により、各変調パルスＭＰ(i) に係る蓄積時間ＴG(i)やパルス順位＜ｉ＞に応じて制御されている。
【０７８０】
このようにして、本実施例によれば、レーザマーキングにおいて、各Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーをほぼ均一に揃え、図７に示すように各ストローク内のマーキングドットをほぼ均一の大きさに形成し、マーキング品質を向上させることができる。
【０７９０】
なお、上記のように各Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを均一に揃えるための変調制御は本実施例の固体レーザ装置の１つの態様または応用にすぎない。本実施例のＱスイッチング変調制御機能によれば、各パルス毎に変調度を個別的に制御し、各Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを個別的または独立的に可変制御することも可能である。
【０８００】
また、上記した実施例では、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーを可変制御するために、変調度に応じて変調パルスＭＰの立ち上がり部のアップスロープ勾配θを可変制御する方法（図５）を採用している。このため、Ｑスイッチ制御部２４において変調パルス生成回路３６は、パルス整形回路３４からのパルスＣＰに同期し、かつ主制御部２８（変調度制御部５０）からの変調度制御信号ｍｃに応じたアップスロープ勾配θを有する変調用のパルスＭＰを生成するように構成されている。
【０８１０】
しかし、他の基本的変調制御方法またはピークパワー制御方法として、たとえば図９に示すように、変調度に応じて変調パルスＭＰの振幅レベルＡを可変制御する方法を用いても、上記と同様の変調制御を実現できる。その方法を採用した場合、Ｑスイッチ制御部２４において変調パルス生成回路３６は、パルス整形回路３４からのパルスＣＰに同期し、かつ主制御部２８（変調度制御部５０）からの変調度制御信号ｍｃに応じた振幅レベルＡを有する変調用のパルスＭＰを生成するように構成される。変調回路４０等の他の回路は上記実施例と同様の構成でよい。
【０８２０】
図９において、変調パルスＭＰの振幅レベルＡが所定のしきい値ＡS よりも高いときは、変調回路４０における振幅変調により、オフ期間中の高周波電気信号ＥＳの振幅レベルは零になり、レーザ共振器１９のＱ値は最大値に戻される。しかし、変調パルスＭＰの振幅レベルＡがしきい値ＡS よりも低いときは、その変調パルスＭＰで振幅変調された高周波電気信号ＥＳの振幅レベルは零まで下がらず不完全なオフ状態となり、Ｑ値は中間値までしか戻らない。これにより、Ｑスイッチパルス発振が弱まり、Ｑスイッチパルスレーザ光ＬＢQ のピークパワーが抑制される。
【０８３０】
上記した実施例において、主制御部２８内の蓄積時間計時部４６およびパルス順位計数部４８はパルス整形回路３４からの基準パルスＣＰをそれぞれ計時タイミング信号およびカウント対象信号として入力したが、同様のタイミングを有する他のパルスまたは信号を入力してもよい。たとえば、パルス発生器３２より出力されるパルスＳＰをカウント対象信号としてパルス順位計数部４８に与えてもよい。
【０８４０】
また、上記実施例におけるよりも変調制御の精度は低下するが、パルス順位計数部４８を省き、変調度制御部５０が蓄積時間計時部４６からの蓄積時間ＴG に基づいて変調度を演算することも可能である。
【０８５０】
Ｑスイッチ制御部２４および主制御部２８内の全体または各部の構成は種々変形可能である。レーザ発振器１９の構成も種々変形可能である。たとえば、励起ランプ１２を半導体レーザに置き換えることができる。上記実施例のレーザマーキング用ＹＡＧレーザ加工装置は一例であり、本発明は任意のＱスイッチ型レーザ装置に適用可能である。
【０８６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＱスイッチ型レーザ装置によれば、各Ｑスイッチング開始までの励起エネルギー蓄積時間を計時し、その蓄積時間に基づいてＱスイッチングの変調度を制御するようにしたので、レーザ発振器内の実際の励起エネルギー蓄積量に応じて最適な変調制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるスキャニングマーキング用のＱスイッチ型ＹＡＧレーザ加工装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例におけるＱスイッチ制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】実施例のＱスイッチ制御部におけるパルス発生器、パルス整形回路および変調パルス生成回路の機能を説明するための各部の信号の波形を示す波形図である。
【図４】実施例におけるＱスイッチング変調制御の前提となる基本変調制御方式を説明するための波形図である。
【図５】実施例におけるＱスイッチング変調制御の前提となる基本変調制御方式を説明するための波形図である。
【図６】実施例のＱスイッチング変調制御に係わる主制御部内の機能的構成を示すブロック図である。
【図７】実施例のレーザマーキングにおいて、２つの連続するストロークの間の移行部分を示す図である。
【図８】実施例において図７のパターンに対応する各部の波形を示す波形図である。
【図９】実施例における基本的Ｑスイッチング変調制御方式の一変形例を示す波形図である。
【図１０】音響光学Ｑスイッチの構成を示す図である。
【図１１】Ｑスイッチ型ＹＡＧレーザ発振器の構成を示す斜視図である。
【図１２】Ｑスイッチ型レーザ装置におけるパルス周期と励起エネルギー蓄積量との関係を示す図である。
【図１３】Ｑスイッチ型レーザ装置におけるパルス周期とＱスイッチパルスレーザ光のピークパワーとの関係を示す図である。
【図１４】Ｑスイッチ型固体レーザにおいてファーストパルスないしセカンドパルス等でピークパワーが異常に突出する現象を示す図である。
【図１５】図１４の現象がレーザマーキング加工で不具合になることを示す図である。
【符号の説明】
１４    Ｑスイッチ
１９    レーザ発振器
２０    電源回路
２４    Ｑスイッチ制御部
２９    Ｑスイッチドライバ
３０    入力部
３２    パルス発生器
３４    パルス整形回路３４
３６    変調パルス生成回路
３８    高周波発振器
４０    変調回路
４２    シーケンス制御部
４４    設定部
４６    蓄積時間計時部
４８    パルス順位計数部
５０    変調度制御部
【図１】
0004003996.tif 000002
【図２】
0004003996.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004003996.tif 000007
【図７】
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【図９】
0004003996.tif 000009
【図８】
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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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【図１４】
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【図１５】
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