(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子がレーザ媒質と光共振器の間に配置され、前記パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子に印加するＲＦ電源の供給電力波形を制御する機能が付加されたＱスイッチングパルス固体レーザ発振器と、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器からのレーザ光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割されたレーザ光をそれぞれ反射する２つの全反射鏡と、
前記２つの全反射鏡で反射されたレーザ光を合成する合成鏡とを備え、
前記パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子とは別のＱスイッチ素子を前記ビームスプリッタと前記２つの全反射鏡の一方との間に配置し、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を分離合成する時、異なった経路を伝搬したパルスレーザ光のピーク位置のずれをレーザ発振器設定パルス幅の２０％以内とするレーザ装置。
【請求項２】
パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子がレーザ媒質と光共振器の間に配置され、前記パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子に印加する電界波形を制御する機能が付加されたＱスイッチングパルス固体レーザ発振器と、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器からのレーザ光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割されたレーザ光をそれぞれ反射する２つの全反射鏡と、
前記２つの全反射鏡で反射されたレーザ光を合成する合成鏡とを備え、
前記パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子とは別のＱスイッチ素子を前記ビームスプリッタと前記２つの全反射鏡の一方との間に配置し、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を分離合成する時、異なった経路を伝搬したパルスレーザ光のピーク位置のずれをレーザ発振器設定パルス幅の２０％以内とするレーザ装置。
【請求項３】
前記別のＱスイッチ素子が音響光学素子である請求項１または２記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記別のＱスイッチ素子が電気光学素子である請求項１または２記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器から出力されるレーザ光の波長が、４００ｎｍ以下である請求項１または２記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種加工に使用されるレーザ光を発生するパルスレーザ発振器および基本波を波長変換するための波長変換素子、レーザ装置の光制御方法に関係したレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ装置の安定性及び加工品質の向上を図る手段として、レーザ光の平均出力或いはピーク出力を観測し、観測値を基にレーザ装置の出力指令を変化させる方法が用いられてきた。固体レーザを用いたレーザ加工において、近年プリント基板のビアホールの穴あけ、フィルム・金属の切断、マーキング等の微細加工を必要とする分野において、レーザ光が用いられるようになり、レーザ加工の応用範囲が広がりつつある。レーザ加工の拡がりと共にレーザ装置に対する安定性及び加工に対する信頼性へのさらなる要求及び加工品質の向上が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このレーザ加工装置において、さらなる加工安定性の向上及び微細加工時に生じる熱影響を緩和する加工工法の実現が要求されている。
【０００４】
特に、レーザ加工装置の経時変化、環境変化に対する出力、ビーム品質の安定化が要求されている。
【０００５】
したがって、この発明の目的は、レーザ加工装置において従来行われてきたレーザ出力の観測による加工品質安定化だけでなく、レーザ発振光の時間的或いは環境的な変化によって生じるレーザ発振の時間的な不安定性、加工品質の低下を防止する手段を付加することによって、レーザ光を用いた装置に経時変化、環境変化が生じても出力、ビーム品質が安定した加工信頼性の高いレーザ装置を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載のレーザ装置は、パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子がレーザ媒質と光共振器の間に配置され、前記パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子に印加するＲＦ電源の供給電力波形を制御する機能が付加されたＱスイッチングパルス固体レーザ発振器と、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器からのレーザ光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割されたレーザ光をそれぞれ反射する２つの全反射鏡と、
前記２つの全反射鏡で反射されたレーザ光を合成する合成鏡とを備え、
前記パルス光を発生させるための音響光学Ｑスイッチング素子とは別のＱスイッチ素子を前記ビームスプリッタと前記２つの全反射鏡の一方との間に配置し、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を分離合成する時、異なった経路を伝搬したパルスレーザ光のピーク位置のずれをレーザ発振器設定パルス幅の２０％以内とする。
また、この発明の請求項２記載のレーザ装置は、パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子がレーザ媒質と光共振器の間に配置され、前記パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子に印加する電界波形を制御する機能が付加されたＱスイッチングパルス固体レーザ発振器と、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器からのレーザ光を分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分割されたレーザ光をそれぞれ反射する２つの全反射鏡と、
前記２つの全反射鏡で反射されたレーザ光を合成する合成鏡とを備え、
前記パルス光を発生させるための電気光学Ｑスイッチング素子とは別のＱスイッチ素子を前記ビームスプリッタと前記２つの全反射鏡の一方との間に配置し、
前記Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器から出力されたレーザ光を分離合成する時、異なった経路を伝搬したパルスレーザ光のピーク位置のずれをレーザ発振器設定パルス幅の２０％以内とする。
【００２９】
請求項１、２記載のレーザ装置によれば、レーザ発振器から出力されたレーザ光を分割し、分割されたレーザ光をＱスイッチング素子によってレーザ光の通過を制御する事によって、最終的に合成されたレーザ光の時間的な強度分布を変化させることによってレーザ加工の精度及び応用範囲を向上させることができるレーザ装置を提供するという作用が得られる。
【００３０】
また、レーザ光の発振タイミングと外部に設けたＱスイッチング素子を連携することによって合成されたレーザ光の時間的な強度分布を精度良く変化させることができるレーザ装置を提供するという効果が得られる。
【００３３】
以上のようにレーザ発振器の内部あるいは外部にＱスイッチング素子を配することにより、Ｑスイッチング素子の動作制御を行うことにより、レーザ発振器からの出力波形を高速に制御すること可能な構成となる。
【００３４】
請求項３記載のレーザ装置は、請求項１または２記載のレーザ装置において、別のＱスイッチ素子が音響光学素子である。
【００３５】
請求項４記載のレーザ装置は、請求項１または２記載のレーザ装置において、別のＱスイッチ素子が電気光学素子である。
【００３７】
請求項５記載のレーザ装置は、請求項１または２記載のレーザ装置において、レーザ発振器から出力されるレーザ光の波長が、４００ｎｍ以下である。
【００５８】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態における受光センサを有するレーザ装置を示す構成図を示す。このレーザ装置は、固体レーザ発振器により被加工物にレーザ光を照射する構成において、被加工物に照射するレーザ光の一部を分離する光学素子と、分離されたレーザ光の強度分布を測定する受光センサとを備えている。図１において、１は、レーザ発振器、２は、レーザ電源、２０は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を分割する光学素子であるビームスプリッタ、３は、分離されたレーザ光の一方のレーザ光強度を測定するための受光センサである。
【００５９】
この実施の形態によれば、レーザ装置の出力フィードバック以外にレーザ発振器１から出力されたレーザ光の一部をビームスプリッタ２０によって強度分布測定に必要な出力のみを被加工物４に照射されるレーザ光の一部から分離し受光センサ３へ入力することによって、レーザ光の加工性能にとって重要なパラメータであるレーザ光の空間的な強度分布及び時間的な強度分布変化を測定することにより、被加工物４に設定されたレーザ出力で、設定されたビーム形状のレーザ光が入射されたかを判断することが可能となる。
【００６０】
この発明の第２の実施の形態を図２に基づいて説明する。図２は、この発明の第２の実施の形態における受光センサを有する第二高調波発生レーザ装置の構成図を示す。このレーザ装置は、固体レーザ発振器と波長変換素子である非線形結晶により第二高調波のレーザ光を発生させ、このレーザ光を被加工物に照射する構成において、非線形結晶を通過し高調波変換されなかった基本波のレーザ光の強度分布を測定する受光センサを備えている。図２において、１は、レーザ発振器、２は、レーザ電源、５は、高調波を発生させるためのＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ等の非線形結晶６にレーザ発振器１から出力された基本波であるレーザ光を効率よく集光するための集光レンズ、１９は非線形結晶６によって発生したレーザ光を反射し、レーザ発振器１から出力され非線形結晶６を通過し高調波変換されなかった基本波を透過するダイクロイックミラー、３は、ダイクロイックミラー１９を通過したレーザ光強度を測定するための受光センサである。
【００６１】
この実施の形態によれば、レーザ装置の出力フィードバック以外にレーザ発振器１から出力されたレーザ光の内非線形結晶６によって変換されなかった基本波をダイクロイックミラー１９によって分離し、受光センサ３に入射させることによって、レーザ光の加工性能にとって重要なパラメータであるレーザ光の空間的な強度分布及び時間的な強度分布変化を測定するができる。非線形結晶６に入射する基本波光と非線形結晶６によって変換される高調波光は、波長及び出力以外は相関関係があり、レーザ発振器１から出力されるレーザ光によって非線形結晶変換される高調波出力も予測出来、基本波のレーザ光の強度分布を受光センサによって測定することによって、被加工物４に設定された高調波レーザ出力とビーム形状が入射されたかを判断することが可能となる。
【００６２】
なお、以上の説明では、受光センサ３に入射させるレーザ光を基本波としたが、非線形結晶６によって変換されたレーザ光の一部をダイクロイックミラー１９の代わりにビームスプリッタを用いて分離し、変換光を受光させても同様の効果が得られる。
【００６３】
この発明の第３の実施の形態を図３に基づいて説明する。図３は、この発明の第３の実施の形態における受光センサを有する和周波発生レーザ装置の構成図を示す。このレーザ装置は、固体レーザ発振器と波長変換素子である複数の非線形結晶により和周波のレーザ光を発生させ、このレーザ光を被加工物に照射する構成において、複数の非線形結晶を通過し高調波変換されなかった基本波および第二高調波の少なくとも一方のレーザ光の強度分布を測定する受光センサを備えている。図３において、１は、レーザ発振器、２は、レーザ電源、７は、第二高調波を発生させるためのＫＴＰ、ＬＢＯ等の第一の非線形結晶８にレーザ発振器１から出力された基本波であるレーザ光を効率よく変換させるための第一の集光レンズ、９は、和周波により第三高調波を発生させるためのＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ等の第二の非線形結晶１０にレーザ光を効率よく変換させるための第二の集光レンズ、１９は、第三高調波光を反射し、基本波光及び第二高調波光の両方或いはどちらか一方を透過するダイクロイックミラー、３は、ダイクロイックミラー１９を通過したレーザ光強度を測定するための受光センサである。
【００６４】
この実施の形態によれば、レーザ装置の出力フィードバック以外にレーザ発振器１から出力されたレーザ光の内非線形結晶によって変換されなかった基本波或いは第二高調波をダイクロイックミラー１９によって分離し、受光センサ３に入射させることによって、レーザ光の加工性能にとって重要なパラメータであるレーザ光の空間的な強度分布及び時間的な強度分布変化を測定するができる。第二の非線形結晶１０に入射する基本波或いは第二高調波光と第二の非線形結晶１０によって変換された第三高調波光は、相関関係があり、基本波或いは第二高調波のレーザ光の強度分布を受光センサ３によって測定することによって、被加工物４に設定された高調波レーザ出力とビーム形状が入射されたかを判断することが可能となる。
【００６５】
なお、以上の説明では、受光センサ３に入射させるレーザ光を基本波としたが、非線形結晶によって変換されたレーザ光の一部をダイクロイックミラー１９の代わりにビームスプリッタを用いて分離し、変換光を受光させても同様の効果が得られる。また、第二の非線形結晶１０を第四高調波発生が可能な結晶に置き換えても同様の効果が得られる。
【００６６】
この発明の第４の実施の形態を説明する。この実施の形態では、上記実施の形態において、受光センサがＣＣＤ素子あるいは複数のフォトダイオードで構成されたフォトセンサである。このように、受光センサにＣＣＤ素子等を用いることにより、素子の画素数を最適な値にすることにより、より正確なレーザ光強度分布の変動を測定することが可能となり、レーザ発振器の光学的なダメージ等を検出可能となる効果が得られる。
【００６７】
この発明の第５の実施の形態を図４に基づいて説明する。図５は、この発明の第５の実施の形態における非線形結晶照射位置を自動的に移動するレーザ装置の構成図である。このレーザ装置は、受光センサからの信号および固体レーザ発振器からの出力信号を受け、非線形結晶の基本波を受光する位置を自動的に変化させる演算回路を備えた。図４において、１０は非線形結晶に入射させる基本波を発生するレーザ装置、５は非線形結晶６において最適な波長変換を行うために基本波を非線形結晶６に集光するための集光レンズ、１１は、非線形結晶６に照射される基本波のレーザ光の照射点を変化させるための可動結晶ホルダ、１９は非線形結晶６によって発生したレーザ光を反射し、レーザ発振器１から出力され非線形結晶６を通過し高調波変換されなかった基本波を透過するダイクロイックミラー、３はダイクロイックミラー１９を通過したレーザ光強度を測定するための受光センサ、１２は受光センサからの信号及びレーザ発振器１からの出力信号を受け、レーザ出力低下およびレーザ強度分布が変化した場合に自動的に非線形結晶の位置を変化させるための結晶ホルダ制御演算回路である。
【００６８】
この実施の形態によれば、非線形結晶６はレーザ光を長時間照射することによってダメージを受けレーザ出力の低下やレーザ光の強度分布変化を生じるが本機能により設定した加工特性が得られなくなる前に事前に非線形結晶６に入射する基本波の位置を結晶内において変化させることにより、安定レーザ光が得られるという効果を有する。
【００６９】
この発明の第６の実施の形態を図５に基づいて説明する。図５は、この発明の第６の実施の形態における励起用半導体レーザの出力調整機能を有するレーザ装置の構成図である。このレーザ装置は、固体レーザ発振器は複数の半導体レーザ素子によってレーザ媒質を励起する構成であり、受光センサからの信号により、個々の半導体レーザ素子への供給電流量を制御する演算回路を設けた。図５において、１４は受光センサ３からの信号を基に個々のレーザ媒質励起用半導体レーザへの供給電流を制御するための演算回路、１３は、レーザ発振器１に供給する半導体レーザ駆動電源である。
【００７０】
この実施の形態によれば、半導体励起の固体レーザにおいて励起光の強度バランスによりレーザ光の空間的強度分布が変化することを利用して、受光センサ３からの信号をもとに半導体レーザへの供給電流量を変化させることによってレーザ光強度を一定の範囲内に保持或いは任意の強度分布に調整する。
【００７１】
この発明の第７の実施の形態を図６に基づいて説明する。図６は、この発明の第７の実施の形態における励起用レーザ光をレーザ媒質に集光するコリメートレンズの焦点位置を可変する機能を有するレーザ装置の構成図である。このレーザ装置では、固体レーザ発振器は半導体レーザ素子と半導体レーザ素子を最適なビーム径に変換するコリメートレンズとを備え、半導体レーザ素子によってレーザ媒質を励起する構成であり、受光センサから信号により、コリメートレンズの駆動を制御する演算回路を設けた。図６において、１６は励起用半導体レーザ、１７は半導体レーザからの励起光をレーザ媒質に最適なビーム径で照射するためのコリメータレンズ、１８は、２枚以上の光レンズで構成されるコリメータレンズ１７内のレンズ距離を変化或いは、コリメータレンズ１７の位置を変化させるためのレンズ駆動制御装置、１５は受光センサ３の信号を基にコリメータレンズ１７を制御するための演算回路である。
【００７２】
この実施の形態によれば、コリメータレンズ１７内のレンズ構成位置を変化させる事によってコリメータレンズ１７の焦点距離を変化させる或いはコリメータレンズ１７の位置を変化させることによって、レーザ媒質であるＹＡＧ、ＹＬＦ、ＹＶＯ4 等のレーザ媒質への励起光照射強度を変化させることによってレーザ媒質ないの励起状態を変化させることにより、レーザ発振器から出力されるレーザ光の空間的強度分布が変化する事を利用して、受光センサ３からの信号をもとにコリメータレンズ１７の状態を変化させることによってレーザ光強度を一定の範囲内に保持或いは任意の強度分布に調整する。
【００７３】
この発明の第８の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は、この発明の第８の実施の形態における非線形結晶素子の概念図である。この波長変換素子は、波長変換の基本波となるレーザビームの波長を変換する非線形結晶として異なった結晶カット角を有する二つのＬＢＯ結晶を備え、波長変換される基本波が入射する第一の結晶は、第二高調波発生が可能な非臨界位相整合が最適となるようにカットされ、第二の結晶は、第一の結晶を通過した基本波と第二高調波によって和周波の発生に最適な位相角にカットされ、第一の結晶の出射面と第二の結晶の入射面がオプティカルコンタクトにより接合される。図７において、３０は波長変換される基本波が入射するＬＢＯ等の非臨界位相整合が可能な第一の非線形結晶、３１は前記第一の非線形結晶３０を通過した基本波と第二高調波によって和周波の発生に最適な位相角にカットされたＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ等の第二の非線形結晶であり、３２は、第一の非線形結晶３０の出射面と第二の非線形結晶３１のレーザ光入射をオプティカルコンタクトされる接合部である。
【００７４】
この実施の形態によれば、レーザ発振器から出力されたレーザ光は、第一の非線形結晶３０に入射し、第二高調波を発生する。第一の非線形結晶３０内で発生した第二高調波と第一の非線形結晶３０内部で変換されずに通過した基本波が、第二の非線形結晶３１に入射することによって、第二の非線形結晶３１内部において第三高調波が発生する。非線形結晶を用いた高調波発生において高調波への変換効率は、非線形結晶の温度及び入射レーザ光の角度によって変動するため、二つの非線形結晶を物理的に結合することによって一括に結晶温度を管理することによって、個々の非線形結晶の温度変動によって生じる高調波レーザ光の出力変動を抑制し、かつ、第一の非線形結晶３０と第二の非線形結晶３１を光学的に結合する場合に生じる結晶間の温度、振動に対するずれを防止することができる。
【００７５】
この発明の第９の実施の形態を説明する。図７に示す第８の実施の形態において、第二の非線形結晶３１を第四高調波発生に最適な位相整合となるように結晶をカットし同様に第一の非線形結晶３０とオプティカルコンタクトすることによって、二つの非線形結晶を物理的に結合することによって一括に結晶温度を管理することによって、個々の非線形結晶の温度変動によって生じる高調波レーザ光の出力変動を抑制し、かつ、第一の非線形結晶３０と第二の非線形結晶３１を光学的に結合する場合に生じる結晶間の温度、振動に対するずれを防止することができる。
【００７６】
この発明の第１０の実施の形態を図８に基づいて説明する。図８は、この発明の第１０の実施の形態における偏光光学素子を有する非線形結晶素子の概念図である。この波長変換素子は、第一の結晶と第二の結晶の接合面に吸湿性の少ない材料からなる平板状の偏光光学素子を挿入した。図８において、３３は第一の非線形結晶と第二の非線形結晶の間に挿入された偏光素子、３４は、第一の非線形結晶の出射面と偏光光学素子及び第二の非線形結晶のレーザ光入射面をオプティカルコンタクトされる接合部である。
【００７７】
この実施の形態によれば、レーザ発振器から出力された偏光レーザ光は、ＴｙｐｅＩ非臨界位相整合が可能なように結晶をカットされた第一の非線形結晶３０に入射し、第二高調波を発生する。この時第一の非線形結晶３０と第二の非線形結晶３１の間に挟まれた偏光光学素子３３によって基本波と直交した偏光成分を有する第一の非線形結晶３０内で発生した第二高調波のみが第二の非線形結晶に入射することによって、第二の非線形結晶３１内部において第四高調波が発生する。この時、第一の非線形結晶３０内において変換されなかった基本波は、第一の非線形結晶３０と第二の非線形結晶３１の間に挟まれ両非線形結晶とオプティカルコンタクトされた偏光光学素子３３によって第二の非線形結晶３１への入射を制限される。非線形結晶を用いた高調波発生において高調波への変換効率は、非線形結晶の温度及び入射レーザ光の角度によって変動するため、二つの非線形結晶を物理的に結合することによって、一括に結晶温度を管理することが可能となり、個々の非線形結晶の温度変動によって生じる高調波レーザ光の出力変動を抑制し、かつ、第一の非線形結晶３０と第二の非線形結晶３１を光学的に結合する場合に生じる結晶間の温度、振動に対するずれを防止することができる。また、第二の非線形結晶内部に高調波発生に不必要な波長のレーザ光の入射を抑制することによって安定した高調波発生を可能とする。
【００７８】
この発明の第１１の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は、この発明の第１１の実施の形態におけるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。このレーザ発振器は、音響光学Ｑスイッチング素子を用いてパルス光を発生させる構成において、音響光学Ｑスイッチング素子に印加するＲＦ電源の供給電力波形を制御する機能を付加した。または、電気光学Ｑスイッチング素子を用いてパルス光を発生させる構成において、電気光学Ｑスイッチング素子に印加する電界波形を制御する機能を付加した。図９において、４０は励起用半導体レーザ、４１は前記半導体レーザ４０の光をレーザ媒質４３に最適な条件で照射するための励起光集光レンズ、４２は光共振器を形成する全反射鏡で励起光を透過させ、レーザ光の波長に対しては全反射するコーティングが光共振器側面になされている。４６は光共振器を形成する出力鏡であり、発生したレーザ光の一部を透過し、一部を光共振器内部に戻す様なコーティングが施されている。４４はレーザ発振器の出力鏡を偏光させるために共振器内部に配された偏光素子、４５はレーザ発振器をパルス発振させるために光の通過を制御する音響光学素子或いは電気光学素子を用いたＱスイッチング素子、４７はダンパ、４８は前記Ｑスイッチング素子４５を制御するためのＱスイッチング素子駆動電源である。
【００７９】
この構成において、レーザ光のパルス波形は、Ｑスイッチング素子４５を通過するレーザ光の強度或いはＱスイッチング素子４５を通過するレーザ光の時間によって決まる。Ｑスイッチング素子４５の特性は、音響光学素子では印加するＲＦ電力の強度、電気光学素子では、印可する電圧強度によって素子を通過するレーザ光の偏光角が変化するためレーザ発振器内部に偏光素子４４を有するレーザ発振器においては印加電圧を変化させることにより、レーザ共振器内部を往復するレーザ光の強度が変化するため等価的にＱスイッチング素子４５を通過するレーザ光が変化することを用いて、Ｑスイッチング素子４５を駆動するＱスイッチング素子素子駆動電源４８からのＱスイッチング素子４５へのＲＦ電力供給波形或いは電圧波形を任意制御することにより、１パルス内におけるレーザ発振器から出力されるレーザ光の強度分布を任意に変化させることが可能となる。
【００８０】
また、レーザ発振器の外部にＱスイッチング素子を設け、同様にＱスイッチング素子への供給電力形態を制御しても同様の働きを実現できることはいうまでもない。
【００８１】
この発明の第１２の実施の形態を図１０および図１１に基づいて説明する。図１０は、この発明の第１２の実施の形態におけるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。このレーザ装置は、Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器と、レーザ光を分割する第１の光学鏡と、分割されたレーザ光を合成する第２の光学鏡とを備え、分割されたレーザ光の少なくとも一方の経路の第１の光学鏡と第２の光学鏡の間にＱスイッチング素子を配置した。また、パルス発振指令から任意の時間経過後にＱスイッチング素子を動作させるための制御回路を設けた。図１０において、５１はレーザ発振器であり、内部に主要構成品として、４０は励起用半導体レーザ、４１は前記半導体レーザ４０の光をレーザ媒質４３に最適な条件で照射するための励起光集光レンズ、４２は光共振器を形成する全反射鏡で励起光を透過させ、レーザ光の波長に対しては全反射するコーティングが光共振器側面になされている。４６は光共振器を形成する出力鏡であり、発生したレーザ光の一部を透過し、一部を光共振器内部に戻す様なコーティングが施されている。４５はレーザ発振器をパルス発振させる働きをするために光の通過を制御するＱスイッチング素子、４８は前記Ｑスイッチング素子４５を動作させるためのＱスイッチング素子駆動電源である。２０はレーザ発振器から出力されたレーザ光を分割するためのビームスプリッタ、４９はレーザ発振器の外部に設けられたレーザ光の通過を制御するためのＱスイッチング素子、５０は、前記Ｑスイッチング素子４９を動作させるためのＱスイッチング素子駆動電源である。５３はレーザ光を反射する全反射鏡、５５はレーザ光を合成するための合成鏡である。
【００８２】
図１１は、レーザ光を分割合成する場合におけるパルス波形の合成光の一例を表す図である。６３は、ビームスプリッタ２０によって反射されたレーザ光の光波形１であり、６４は、前記ビームスプリッタ２０を通過し、レーザ共振器外部に設けたレーザ発振器からのレーザ出力からΔｔ後にＱスイッチング素子４９により遅延されたレーザ光の光波形２である。
【００８３】
以上の構成とすることによって、一つのＱスイッチング素子では不可能であったパルス強度の高速制御が容易に実現することが可能となり、特に微細加工時に生じる加工物の熱影響を抑制する可能なレーザ装置を実現する。
【００８４】
この発明の第１３の実施の形態を図１２および図１３に基づいて説明する。図１２は、この発明の第１３の実施の形態におけるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。このレーザ装置は、Ｑスイッチングパルス固体レーザ発振器と、レーザ光を分割する一枚以上の第１の光学鏡と、分割されたレーザ光を合成する一枚以上の第２の光学鏡と、分割されたレーザ光の光軸上に非線形結晶とを備え、分割されたレーザ光の少なくとも一方の経路の第１の光学鏡と非線形結晶の間にＱスイッチング素子を配置した。また、パルス発振指令から任意の時間経過後にＱスイッチング素子を動作させるための制御回路を設けた。図１２において、５１はレーザ発振器であり、内部に主要構成品として、４０は励起用半導体レーザ、４１は前記半導体レーザ４０の光をレーザ媒質４３に最適な条件で照射するための励起光集光レンズ、４２は光共振器を形成する全反射鏡で励起光を透過させ、レーザ光の波長に対しては全反射するコーティングが光共振器側面になされている。４６は光共振器を形成する出力鏡であり、発生したレーザ光の一部を透過し、一部を光共振器内部に戻す様なコーティングが施されている。４５はレーザ発振器をパルス発振させる働きをするために光の通過を制御するＱスイッチング素子、４８は前記Ｑスイッチング素子４８を動作させるためのＱスイッチング素子駆動電源１である。２０はレーザ発振器から出力されたレーザ光を分割するためのビームスプリッタ、４９はレーザ発振器の外部に設けられたレーザ光の通過を制御するためのＱスイッチング素子、５０は、前記Ｑスイッチング素子４９を動作させるためのＱスイッチング素子駆動電源である。５３はレーザ光を反射する全反射鏡、５５はレーザ光を合成するための合成鏡、５６は第一の非線形結晶５８にレーザ発振器５１からのレーザ光を集光するための集光レンズ、５７は、第二の非線形結晶５９にレーザ発振器５１からのレーザ光を集光するための集光レンズである。
【００８５】
この構成において、一つのＱスイッチング素子では不可能であったパルス強度の高速制御が容易に実現することが可能となり、特に微細加工時に生じる加工物の熱影響を抑制する可能なレーザ装置を実現する。
【００８６】
図１３は、高調波発生装置６２の構成図であり、６０は、レーザ発振器からの基本波であるレーザ光を透過し、非線形結晶６によって発生する高調波光に対しては全反射する様にコーティングが施された外部共振器鏡、６１は、非線形結晶６によって発生した高調波光を透過し、レーザ発振器から出力された基本波光に対しては全反射する様なコーティングを施された外部共振器鏡であり、前記第一の非線形結晶５８及び第二の非線形結晶５９の代わりに前記高調波発生装置６２を用いることによって、基本波のレーザ光を効率良く変換する事によって高効率なレーザ装置を実現する。
【００８７】
なお、レーザ発振器から出力されたレーザ光を分離合成する時、異なった経路を伝搬したパルスレーザ光のピーク位置のずれをレーザ発振器設定パルス幅の２０％以内としてもよい。また、レーザ発振器から出力されるレーザ光の波長が、４００ｎｍ以下としてもよい。
【００８８】
この発明の第１４の実施の形態を図１４に基づいて説明する。図１４は、この発明の第１４の実施の形態における非線形結晶ユニットの断面図である。この波長変換装置は、レーザ発振器から出力されるレーザ光を基本波として非線形結晶である高調波発生素子を用いて波長変換を行う構成において、第二高調波を発生する高調波発生素子と、第二高調波を入射させることにより第四高調波を発生させる別の高調波発生素子とを有し、二つの高調波発生素子が同一の非線形結晶ユニットにより温度管理される。図１４において、６９は、入射するレーザ光を基本波として第二高調波を発生する非線形結晶である高調波発生結晶、７０は、整形光学素子７１によって第四高調波発生に最適なビーム形状にされた前記高調波発生結晶６９によって発生した第二高調波を第四高調波に変換するための高調波発生結晶、８２は、前記高調波発生結晶６９を保持断熱するための非線形結晶ユニットホルダ、６８は、前記高調波発生結晶７０を保持断熱するための非線形結晶ユニットホルダ、８３は、前記整形光学素子７１を保持すると共に周りからの熱影響を遮断するための断熱材からなる整形光学素子ホルダ、６７は、前記高調波発生結晶６９，７０の温度を一定に保持するための温調ヒータ、６６は、非線形結晶ユニットを熱的に遮断するための断熱材、６５は、非線形結晶ユニットをレーザ装置等に取り付けるための非線形結晶ユニットベースである。
【００８９】
この構成において、温調ヒータの設定温度を一定に制御することによって、前記非線形結晶ユニットホルダ８２，６９の熱伝導率を各々の非線形結晶に合わせて最適な材料を選択する事によって、高調波発生素子６９，７０が異なった最適温度を必要とする場合においても、一つの温調ヒータによって両高調波発生素子の温度を最適な値に保持することが可能となり、また、複数の非線形結晶を用いる場合に生じる振動等の外乱に対してもユニット化することによって安定した波長変換を実現できる波長変換装置を実現する。
【００９０】
なお、個々の非線形結晶ユニットホルダを同一の材質し、厚みを変化させることによって結晶への熱伝導を変化させる、或いは、異なった材料を積層した構成によって非線形ユニットホルダを形成しても同様の効果が得られることは明白である。
【００９１】
この発明の第１５の実施の形態を説明する。この波長変換装置は、レーザ発振器から出力されるレーザ光を基本波として非線形結晶である高調波発生素子を用いて波長変換を行う構成において、第二高調波を発生する高調波発生素子と、基本波と第二高調波を入射させることにより和周波発生により第三高調波を発生させる別の高調波発生素子とを有し、二つの高調波発生素子が同一の非線形結晶ユニットにより温度管理される。この場合、図１４の構成において、６９は、入射するレーザ光を御基本波として第二高調波を発生する非線形結晶である高調波発生結晶、７０は、整形光学素子７１によって和周波発生に最適なビーム形状にされた前記高調波発生結晶６９によって発生した第二高調波と基本波によって第三高調波に変換するための高調波発生結晶、８２は、前記高調波発生結晶６９を保持断熱するための非線形結晶ユニットホルダ、６８は、前記高調波発生結晶７０を保持断熱するための非線形結晶ユニットホルダ、８３は、前記整形光学素子７１を保持すると共に周りからの熱影響を遮断するための断熱材からなる整形光学素子ホルダ、６７は、前記高調波発生結晶６９，７０の温度を一定に保持するための温調ヒータ、６６は、非線形結晶ユニットを熱的に遮断するための断熱材、６５は、非線形結晶ユニットをレーザ装置等に取り付けるための非線形結晶ユニットベースである。
【００９２】
この構成において、温調ヒータの設定温度を一定に制御することによって、前記非線形結晶ユニットホルダ８２，６８の熱伝導率を各々の非線形結晶に合わせて最適な材料を選択する事によって、高調波発生素子６９，７０が異なった最適温度を必要とする場合においても、一つの温調ヒータによって両高調波発生素子の温度を最適な値に保持することが可能となり、また、複数の非線形結晶を用いる場合に生じる振動等の外乱に対してもユニット化することによって安定した波長変換を実現できる波長変換装置を実現する。
【００９３】
なお、個々の非線形結晶ユニットホルダを同一の材質し、厚みを変化させることによって結晶への熱伝導を変化させる、或いは、異なった材料を積層した構成によって非線形ユニットホルダを形成しても同様の効果が得られることは明白である。
【００９４】
また、第１４および１５の実施の形態において、一方の高調波発生素子が、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ3 Ｏ5 ）結晶、他方の高調波発生素子がＬＢＯ結晶あるいはＧｄＹＣＯＢ結晶（ＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＧｄＣＯＢ）とＹＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＹＣＯＢ）の個融体）であってもよく、一方の高調波発生素子が、ＬＢＯ結晶（ＬｉＢ3 Ｏ5 ）結晶、他方の高調波発生素子がＢＢＯ結晶（β−ＢａＢ2 Ｏ4 ）あるいはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10）であってもよい。
【００９５】
この発明の第１６の実施の形態を説明する。図１４の形態において、高調波発生素子６９としてＬｉＢ3 Ｏ5 結晶を使用し、ＴｙｐｅＩ位相整合を前記ＬｉＢ3 Ｏ5 結晶の温度をおよそ１４８℃によって非臨界位相整合を実現可能なＬｉＢ3 Ｏ5 結晶を使用し、高調波発生素子７０としてＣｓＬｉＢ6 Ｏ10結晶を使用する構成とする。
【００９６】
この発明の第１７の実施の形態を説明する。図１４の形態において、高調波発生素子６９としてＬｉＢ3 Ｏ5 結晶を使用し、ＴｙｐｅＩ位相整合を前記ＬｉＢ3 Ｏ5 結晶の温度をおよそ１５０℃によって非臨界位相整合を実現可能なＬｉＢ3 Ｏ5 結晶を使用し、高調波発生素子７０としてＧｄＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＧｄＣＯＢ）結晶とＹＣａ4 Ｏ（ＢＯ3 ）3 （ＹＣＯＢ）結晶の比率をおよそ１５０℃において基本波と第二高調波による和周波発生によって第三高調波が非臨界位相整合可能な様に制作したＧｄＹＣＯＢ結晶を使用する構成とする。
【００９７】
この発明の第１８の実施の形態を図１５に基づいて説明する。図１５はこの発明の第１８の実施の形態における出力補正波長変換装置の構成図であり、（ａ）、（ｂ）は電気光学素子７３の配置場所を変えた場合の構成上の相違を表す図である。この波長変換装置は、高調波発生素子である非線形結晶を用いたレーザ発振器から出力される直線偏光された基本波であるレーザ光を波長変換する構成において、非線形結晶に入射するレーザ光の偏光角を変化させる電気光学素子と、変換された高調波レーザ光の出力を測定するパワーメータと、パワーメータの出力値を検出して電気光学素子に印加する電圧を変化させる出力制御回路とを備えた。図１５において、７３は電気光学素子、７５は第一の整形光学素子、７７は、第一の非線形素子、７６は第二の整形光学素子、７８は、第二の非線形素子、７９は、波長変換されなかった不必要なレーザ光を分離するための波長選択光学素子、４７は不必要なレーザ光を吸収させるダンパ、２０は、レーザ光の一部を出力測定のために分離するビームスプリッタ、８０は分離されたレーザ光の出力を測定するためのパワーメータ、７４は前記パワーメータからの信号から変換されたレーザ光の出力を計算し、設定された出力になるようにＥＯＭ駆動電源７２に指令を出す出力制御回路、前記ＥＯＭ駆動電源７２は、前記出力制御回路からの信号をもとに電気光学素子７３に印加する電圧を変化させることによって、第一或いは第二の非線形素子７７，７８の変換率を変化させることによって、最終的に取り出す高調波レーザ光の出力が一定となるようにする。ω１は基本波、ω２は第２高調波、ω３は第３高調波、ω４は第４高調波である。
【００９８】
図１５に示す構成の波長変換装置を有するレーザ装置としてもよい。
【００９９】
また、パルスレーザ発振器を用いたＰＷＢ加工により少なくとも一つの穴加工を行う際に、複数のパルス光を照射することによって穴加工を行うレーザ加工方法において、前記実施の形態を用いることにより、パルス光のピーク出力を徐々に強くすることにより穴加工を行うことができる。この場合、パルスレーザ発振器が、炭酸ガスレーザ発振器、固体レーザ発振器である。
【０１１６】
請求項１、２では、レーザ発振器から出力されたレーザ光を分割し、分割されたレーザ光をＱスイッチング素子によってレーザ光の通過を制御する事によって、最終的に合成されたレーザ光の時間的な強度分布を変化させることによってレーザ加工の精度及び応用範囲を向上させることができるレーザ装置を提供するという効果が得られる。
【０１１７】
また、パルス発振指令から任意の時間経過後にＱスイッチング素子を動作させるための制御回路を設けたので、レーザ光の発振タイミングと外部に設けたＱスイッチング素子を連携することによって合成されたレーザ光の時間的な強度分布を精度良く変化させることができるレーザ装置を提供するという効果が得られる。
【０１１９】
以上のようにレーザ発振器の内部あるいは外部にＱスイッチング素子を配することにより、Ｑスイッチング素子の動作制御を行うことにより、レーザ発振器からの出力波形を高速に制御すること可能な構成となる。
【０１２０】
また、パルス発振指令から任意の時間経過後にＱスイッチング素子を動作させるための制御回路を設けたので、レーザ光の発振タイミングと外部に設けたＱスイッチング素子を連携することによって合成されたレーザ光の時間的な強度分布を精度良く、高速に変化させることができるレーザ装置を提供するという効果が得られる。この場合、微細加工時に生じる熱影響によるレーザ加工の精度を緩和するためのレーザ装置を提供することにより、熱影響による歪みの少ないレーザ加工装置を提供するという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態による受光センサを有するレーザ装置を示す構成図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態による受光センサを有する第二高調波発生レーザ装置の構成図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態による受光センサを有する和周波発生レーザ装置の構成図である。
【図４】この発明の第５の実施の形態による非線形結晶照射位置を自動的に移動するレーザ装置の構成図である。
【図５】この発明の第６の実施の形態による励起用半導体レーザの出力調整機能を有するレーザ装置の構成図である。
【図６】この発明の第７の実施の形態による励起用レーザ光をレーザ媒質に集光するコリメートレンズの焦点位置を可変する機能を有するレーザ装置の構成図である。
【図７】この発明の第８の実施の形態による非線形結晶素子の概要図である。
【図８】この発明の第１０の実施の形態による非線形結晶素子の概要図である。
【図９】この発明の第１１の実施の形態によるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。
【図１０】この発明の第１２の実施の形態によるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。
【図１１】レーザ光を分割合成する場合のパルス波形の合成例を表す図である。
【図１２】この発明の第１３の実施の形態によるレーザ光を時間的に強度変化させる機能を有するレーザ装置の構成図である。
【図１３】この発明の第１３の実施の形態による高調波発生装置の構成図である。
【図１４】この発明の第１４の実施の形態による非線形結晶ユニットの断面図である。
【図１５】この発明の第１８の実施の形態による出力補正波長変換装置の構成図である。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２  レーザ電源
３  受光センサ
４  被加工物
５  集光レンズ
６  非線形結晶
７  第一の集光レンズ
８  第一の非線形結晶
９  第二の集光レンズ
１０  第二の非線形結晶
１１  可動結晶ホルダ
１２  結晶ホルダ制御演算回路
１３  半導体レーザ駆動電源
１４  演算装置
１５  演算装置
１６  励起用半導体レーザ
１７  コリメータレンズ
１８  レンズ駆動制御装置
１９  ダイクロイックミラー
２０  ビームスプリッタ
３０  第一の非線形結晶
３１  第二の非線形結晶
３２  オプティカルコンタクト
３３  偏光素子
３４  オプティカルコンタクト
４０  励起用半導体レーザ
４１  励起光集光レンズ
４２  全反射鏡
４３  レーザ媒質
４４  偏光素子
４５  Ｑスイッチング素子
４６  出力鏡
４７  ダンパ
４８  Ｑスイッチング素子駆動電源
４９  Ｑスイッチング素子
５０  Ｑスイッチング素子駆動電源
５１  Ｑスイッチングパルスレーザ発振器
５３  全反射鏡
５５  合成鏡
５６  集光レンズ
５７  集光レンズ
５８  第一の非線形結晶
５９  第二の非線形結晶
６０  外部共振器鏡
６１  外部共振器鏡
６２  高調波発生装置
６３  光波形
６４  光波形
６５  非線形結晶ユニットベース
６６  断熱材
６７  温調ヒータ
６８  非線形結晶ユニットホルダ
６９  高調波発生結晶
７０  高調波発生結晶
７１  整形光学素子
７２  ＥＯＭ駆動電源
７３  電気光学素子
７４  出力制御回路
７５  第一の整形光学素子
７６  第二の整形光学素子
７７  第一の非線形素子
７８  第二の非線形素子
７９  波長選択光学素子
８０  パワーメータ
８１  ビームスプリッタ
８２  非線形結晶ユニットホルダ
８３  整形光学素子ホルダ
【図１】
0004162876.tif 000002
【図２】
0004162876.tif 000003
【図３】
0004162876.tif 000004
【図４】
0004162876.tif 000005
【図５】
0004162876.tif 000006
【図６】
0004162876.tif 000007
【図７】
0004162876.tif 000008
【図８】
0004162876.tif 000009
【図９】
0004162876.tif 000010
【図１０】
0004162876.tif 000011
【図１１】
0004162876.tif 000012
【図１２】
0004162876.tif 000013
【図１３】
0004162876.tif 000014
【図１４】
0004162876.tif 000015
【図１５】
0004162876.tif 000016