(57)【要約】【課題】レーザ発生装置及びレーザ加工装置において、簡単な構成で超短パルス光の増幅を可能にする。【解決手段】レーザ媒体２３は種光の光軸Ｌと直交する断面積が、励起光Ｅによって励起されたレーザ媒体２３中を進むほど徐々に大きくなっていく種光のビームパワーに対応して、入射側端部（基端部）から出射側端部（先端部）にかけて大きくなるように形成され、励起光源２４は、レーザ媒体２３の入射側端部から出射側端部にかけて照射する前記励起光Ｅの光量が、レーザ媒体２３の断面積に対応して大きくなるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光元素がドープされた固体よりなるレーザ媒体及び該レーザ媒体に励起光を照射して前記発光元素を励起させる励起光源からなり、励起された前記発光元素が励起状態から基の状態に戻る際に放出するレーザ光により増幅して該レーザ媒体の先端部から増幅されたレーザ光を出射する光増幅器を備えて構成され、
前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が、その基端部から先端部にかけて大きくなるように形成され、
前記励起光源は、前記レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量が、前記レーザ媒体の断面積に対応して大きくなるように構成されたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ発生装置において、
前記励起光源は、前記レーザ媒体の先端側から基端側に向けて前記励起光を照射させて、前記レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量が、前記レーザ媒体の断面積に対応して大きくなるように設けられたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ発生装置において、
前記励起光源は複数設けられ、
それら複数の励起光源は、前記レーザ媒体が出射するレーザ光の光軸と直交する方向から前記レーザ媒体の断面積に応じた光量の励起光をそれぞれ照射することを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、
前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸方向に複数並設されたレーザ媒体片からなり、それら複数のレーザ媒体片は、後段に配置された前記レーザ媒体片の入射面の面積が、前段に配置された前記レーザ媒体片の出射面の面積以上にそれぞれ形成されたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、
前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が円形状をなし、
前記励起光源は、該光軸の周方向において等間隔に複数設けられたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、
前記発光元素にレーザ光を放出させるための種光を前記レーザ媒体に入射する種光源を備えたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６に記載のレーザ発生装置から出射されたレーザ光を用いて加工対象物に加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短パルス発振可能なレーザ発生装置及びレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発生装置において、種光源から出射された種光（実際に得たい波長のレーザ光）を誘導放出という現象を利用して増幅する光増幅器を備えたものがある。光増幅器は、発光元素をドープした結晶等よりなるレーザ媒体と、発光元素を励起可能な波長を有する励起光をレーザ媒体に照射する励起光源とからなる。このようなレーザ発生装置では、励起光をレーザ媒体に照射して発光元素をエネルギーが高い状態に励起し、そのレーザ媒体に種光を入射する。すると、レーザ媒体内の発光元素は、エネルギー、位相及び進行方向がそれぞれ種光と揃ったレーザ光を放出（誘導放出）し、これにより、種光はレーザ媒体内においてビーム径を拡大させながら増幅伝搬され出射される。
【０００３】
しかしながら、このようなレーザ発生装置では、レーザ媒体内における種光の増幅伝搬途中で、そのビームパワーがレーザ媒体損傷の限界値を越えてしまうとレーザ媒体が破損してしまう。そのため、ビームパワーが非常に短い時間幅に集中されて極めて強くなる超短パルス（例えばフェムト秒パルス）のレーザ光を増幅することは困難であった。
【０００４】
そこで、従来では、レーザ媒体の破損を抑制しつつ超短パルス光を増幅する方法として、所謂チャープパルス増幅法（ＣＰＡ法）が用いられている（例えば特許文献１参照）。ＣＰＡ法では、まず、種光としての超短パルス光のパルス幅をパルスストレッチャーにより引き延ばした後、そのレーザ光を発光元素が励起されたレーザ媒体によって増幅する。このとき、超短パルス光のパルス幅が引き延ばされているため、増幅されるレーザ光のビームパワーを抑えることができ、これによりレーザ媒体への負担が軽減される。その後、増幅されたレーザ光のパルス幅をパルスコンプレッサにより圧縮して元のパルス幅に戻す。すると、パルス幅が短くなった分、パルスの高さ（ビームパワー）が高くなり、結果としてレーザ媒体損傷の限界値よりも高い超高出力、超短パルスのレーザ光が得られる。ＣＰＡ法では、このような過程を経て種光を増幅させることで、レーザ媒体の損傷を抑制しつつも超短パルス光の増幅が可能となっている。
【特許文献１】特表２００４−５２７００１号公報
【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、上記のようなレーザ発生装置では、超短パルス光のパルス幅を伸縮するためのパルスストレッチャー及びパルスコンプレッサ等の装置を用いて複数の手順を踏んで光を増幅しているため構成が複雑となり、ひいてはレーザ発生装置の大型化、高コスト化に繋がる要因となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、レーザ発生装置及びレーザ加工装置において、簡単な構成で超短パルス光の増幅を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、発光元素がドープされた固体よりなるレーザ媒体及び該レーザ媒体に励起光を照射して前記発光元素を励起させる励起光源からなり、励起された前記発光元素が励起状態から基の状態に戻る際に放出するレーザ光により増幅して該レーザ媒体の先端部から増幅されたレーザ光を出射する光増幅器を備えて構成され、前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が、その基端部から先端部にかけて大きくなるように形成され、前記励起光源は、前記レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量が、前記レーザ媒体の断面積に対応して大きくなるように構成されたことをその要旨とする。
【０００８】
この発明では、レーザ媒体は出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が、励起光によって励起されたレーザ媒体中を進むほど徐々に大きくなっていくレーザ光のビームパワーに対応して、基端部から先端部にかけて大きくなるように形成される。このため、レーザ媒体は光軸方向全体に亘って増幅されるレーザ光のビームパワーに耐えうる形状をなし、その結果、増幅されたレーザ光によりレーザ媒体が破損されるのを抑制することができる。また、レーザ媒体は、高い耐久性が必要のない基端部の断面積が小さく形成されているため、レーザ媒体を効率的に小型にすることができ、その結果、レーザ発生装置の大型化を抑制できる。さらに、励起光源は、レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量が、レーザ媒体の断面積に対応して大きくなるように構成されるため、レーザ媒体を効率的に励起させることができる。従って、レーザ光のパルス幅を伸縮するためのパルスストレッチャー及びパルスコンプレッサ等の装置を用いなくてもよいため、簡単な構成で超短パルス光の増幅が可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発生装置において、前記励起光源は、前記レーザ媒体の先端側から基端側に向けて前記励起光を照射させて、前記レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量が、前記レーザ媒体の断面積に対応して大きくなるように設けられたことをその要旨とする。
【００１０】
この発明では、励起光源はレーザ媒体の先端側から基端側に向けて励起光を照射するように設けられるため、レーザ媒体が受ける励起光の光量は励起光源から離れた基端部ほど少なくなる。従って、例えば１つの励起光源のみを用いても、レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する励起光の光量を、レーザ媒体の断面積に対応して大きくすることができるため、レーザ発生装置の部品点数を抑えることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発生装置において、前記励起光源は複数設けられ、それら複数の励起光源は、前記レーザ媒体が出射するレーザ光の光軸と直交する方向から前記レーザ媒体の断面積に応じた光量の励起光をそれぞれ照射することをその要旨とする。
【００１２】
この発明では、複数設けられた励起光源は、レーザ媒体が出射するレーザ光の光軸と直交する方向から断面積に応じた光量の励起光をそれぞれ照射するように設けられる。これにより、レーザ媒体の基端部から先端部にかけて照射する前記励起光の光量を、レーザ媒体の断面積に対応して大きくすることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸方向に複数並設されたレーザ媒体片からなり、それら複数のレーザ媒体片は、後段に配置された前記レーザ媒体片の入射面の面積が、前段に配置された前記レーザ媒体片の出射面の面積以上にそれぞれ形成されたことをその要旨とする。
【００１４】
この発明では、複数のレーザ媒体片は、後段に配置されたレーザ媒体片の入射面の面積が、前段に配置されたレーザ媒体片の出射面の面積以上にそれぞれ形成されるため、複数のレーザ媒体片を用いたレーザ光の増幅が可能となる。そして、例えばレーザ媒体に結晶を用いる場合、形成できる結晶の大きさには限りがあり増幅できるビームパワーにも限界があるが、複数のレーザ媒体片を用いることで、レーザ光をより高いビームパワーまで増幅させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、前記レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が円形状をなし、前記励起光源は、該光軸の周方向において等間隔に複数設けられたことをその要旨とする。
【００１６】
この発明では、レーザ媒体は、出射するレーザ光の光軸と直交する断面積が円形状をなすため、レーザ媒体から出射されるレーザ光のビームスポットを円形にすることができる。また、励起光源は、レーザ媒体から出射されるレーザ光の光軸の周方向において等間隔に複数設けられるため、レーザ光をバランス良く増幅させることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ発生装置において、前記発光元素にレーザ光を放出させるための種光を前記レーザ媒体に入射する種光源を備えたことをその要旨とする。
【００１８】
この発明では、種光源から出射される種光によりレーザ媒体からレーザ光を出射させることができる。
請求項７に記載の発明は、レーザ加工装置において、請求項１〜６に記載のレーザ発生装置から出射されたレーザ光を用いて加工対象物に加工を行うことをその要旨とする。
【００１９】
この発明では、レーザ発生装置を簡単な構成な超短パルス光の増幅が可能とすることができ、ひいては、レーザ加工装置の簡素化に貢献することができる。
【発明の効果】
【００２０】
従って、上記記載の発明によれば、レーザ発生装置及びレーザ加工装置において、簡単な構成で超短パルス光の増幅を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に概略構成を示す本実施形態のレーザ加工装置１０は、制御部１１の制御に基づいて、搬送されるワーク（加工対象物）Ｗの表面に文字・記号・図形等をマーキング加工するものである。
【００２２】
レーザ加工装置１０のレーザ発生装置１２は、種光として超短パルスのレーザ光を発振可能な種光源２１と、その種光源２１から出射された種光を誘導放出により増幅する光増幅器２２とから構成されている。尚、種光源２１は制御部１１によりその発振が制御されている。
【００２３】
光増幅器２２において種光源２１の後段に設けられたレーザ媒体２３は、発光元素としてのイッテリビウム（Ｙｂ）がドープされたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶からなるとともに、その内部に種光が入射されるように設置されている。図１において、レーザ媒体２３の側方視の形状を図示している。レーザ媒体２３は、側方視及び平面視において、レーザ光を出射する先端側にかけて拡がる台形状をなすとともに、種光が入射される入射側端面及び出射側端面がそれぞれ種光の光軸Ｌと直交するように設けられている。即ち、レーザ媒体２３は、種光の光軸Ｌと直交する断面が矩形をなすとともに、その断面積が種光を入射する入射側端部（基端部）から出射側端部（先端部）にかけて大きくなるように形成されている。また、レーザ媒体２３は光軸Ｌに対して対称形状をなしている。尚、レーザ媒体２３は、例えば紙面直交方向長さが、入射側端面では１００μｍ以下に形成され、出射側端面はその入射側端面長さの５０倍以上の長さに形成されている。
【００２４】
レーザ媒体２３の出射側の斜め上方及び斜め下方にはそれぞれ、レーザ媒体２３とともに光増幅器２２を構成する励起光源２４が設けられている。図１では紙面直交方向に重なっているが、同方向に所定間隔をあけてそれぞれ一対の励起光源２４が配設され、光増幅器２２には励起光源２４が、例えばレーザ媒体２３の出射側端部の各角部に対応させて、全部で４つ設けられている。
【００２５】
各励起光源２４は、発光元素としてのイッテリビウムを励起可能な波長を有する励起光Ｅを、レーザ媒体２３の出射側から入射側に向けて斜めに入射させ、その励起光Ｅはレーザ媒体２３の出射側端面及び側面全体に亘って照射される。尚、各励起光源２４は制御部１１によりその発振が制御されている。各励起光源２４から出射された励起光Ｅはレーザ媒体２３内を進むにつれて光量が減少するため、レーザ媒体２３が受ける励起光Ｅの光量は励起光源２４から離れた箇所ほど少ない。即ち、レーザ媒体２３が受ける励起光Ｅの光量は、入射側端部が最も少なく出射側端部にかけて徐々に多くなっている。励起光Ｅの照射によりレーザ媒体２３中の発光元素はエネルギーの高い状態に励起される。レーザ媒体２３が励起光Ｅから吸収するエネルギーは、その入射側端部から出射側端部にかけて大きくなっている。また、励起光源２４は、レーザ媒体２３において断面積が小さいために吸収率が高い先端側ほど照射される光量が少なくなるように励起光Ｅを照射するため、レーザ媒体２３に対して無駄なく効率的に励起光Ｅを照射することができる。
【００２６】
このように励起されたレーザ媒体２３に種光源２１から出射された種光が入射すると、その種光は励起光源２４からの励起光Ｅが照射されたレーザ媒体２３内で増幅伝搬され、レーザ媒体２３中を進むほどそのビームパワーが増していく。レーザ媒体２３は、種光の光軸Ｌと直交する断面積が入射側端部から出射側端部にかけて大きくなるように形成されているため、光軸Ｌ方向全体に亘って増幅される種光のビームパワーに耐えうる形状をなし、その結果、増幅された種光により破損されないようになっている。尚、このとき、レーザ媒体２３中を増幅伝搬する種光はそのビーム径を拡大させながら進む。このように増幅された種光はレーザ媒体２３の端面から出射される。
【００２７】
このような光増幅器２２では、レーザ媒体２３は、高い耐久性が必要のない入射側の断面積が小さく形成されているため、レーザ媒体２３を効率的に小型にすることができる。また、励起光源２４は、レーザ媒体２３の入射側端部から出射側端部にかけて照射する励起光Ｅの光量が、レーザ媒体２３の断面積に対応して大きくなるように設けられているため、レーザ媒体２３を効率的に励起させることができる。このようなレーザ発生装置１２では、種光のパルス幅を伸縮するためのパルスストレッチャー及びパルスコンプレッサ等の装置を用いなくてもよいため、簡単な構成で超短パルス光の増幅が可能となる。
【００２８】
レーザ媒体２３にて増幅され出射されたレーザ光は、レーザ媒体２３の後段に配置されたコリメータレンズ２５によって平行光にされ、そのレーザ光がレーザ発生装置１２から出射される。
【００２９】
レーザ発生装置１２の後段に配置されたガルバノミラー３１は、該レーザ発生装置１２から出射されるレーザ光を反射してその照射方向を変更するものであり、例えば対をなすＸ軸ミラーとＹ軸ミラーとで構成されている。ガルバノミラー３１は、制御部１１の制御に基づく駆動装置３２の駆動により角度制御され、マーキングする文字や記号、図形等に基づいて２次元でレーザ光を走査する。
【００３０】
ガルバノミラー３１の後段に配置された収束レンズ（ｆθレンズ）３３は、レーザ発生装置１２から出射されるレーザ光をワークＷの表面において所定のスポット径となるまで収束させ、これによりレーザ光がマーキング加工に適したエネルギー密度まで高められる。そして、このようにしてワークＷ表面にマーキング加工が施されるようになっている。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）レーザ媒体２３は種光の光軸Ｌと直交する断面積が、励起光Ｅによって励起されたレーザ媒体２３中を進むほど徐々に大きくなっていく種光のビームパワーに対応して、入射側端部（基端部）から出射側端部（先端部）にかけて大きくなるように形成される。このため、レーザ媒体２３は光軸Ｌ方向全体に亘って増幅される種光のビームパワーに耐えうる形状をなし、その結果、増幅された種光によりレーザ媒体２３が破損されるのを抑制することができる。また、レーザ媒体２３は、高い耐久性が必要のない入射側の断面積が小さく形成されているため、レーザ媒体２３を効率的に小型にすることができ、その結果、レーザ発生装置１２の大型化を抑制できる。従って、種光のパルス幅を伸縮するためのパルスストレッチャー及びパルスコンプレッサ等の装置を用いなくてもよいため、簡単な構成で超短パルス光の増幅が可能となる。
【００３２】
（２）励起光源２４は、レーザ媒体２３の入射側端部から出射側端部にかけて照射する前記励起光Ｅの光量が、レーザ媒体２３の断面積に対応して大きくなるように構成されるため、レーザ媒体２３を効率的に励起させることができる。
【００３３】
（３）レーザ媒体２３の出射側から入射側に向けて励起光Ｅを照射するように設けられるため、レーザ媒体２３が受ける励起光Ｅの光量は励起光源２４から離れた入射側端部ほど少なくなる。従って、励起光源の設置数を少なくしても、レーザ媒体２３の入射側端部から出射側端部にかけて照射する励起光Ｅの光量を、レーザ媒体２３の断面積に対応して大きくすることができるため、レーザ発生装置１２の部品点数を抑えることができる。
【００３４】
（４）レーザ媒体２３は１つのみ設けられるため、レーザ発生装置１２をより簡単に構成できる。
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
【００３５】
・上記実施形態では、励起光源２４はレーザ媒体２３の出射側から入射側に向けて斜めに励起光Ｅを照射するように設けられた。しかし、これ以外に例えば、図２に示すように、複数の励起光源４０をレーザ媒体２３の側方に設け、種光の光軸Ｌと直交する方向からレーザ媒体２３の断面積に応じた光量の励起光をそれぞれ照射するように構成してもよい。
【００３６】
・上記実施形態では、励起光源２４はレーザ媒体２３の出射側端部の各角部に対応させて設けられたが、これ以外に例えば、光軸Ｌ方向から見てレーザ媒体２３の上下左右に配置してもよい。
【００３７】
・上記実施形態では、励起光源２４はレーザ媒体２３より出射側において光軸Ｌ周方向に４つ設けられたが、これに限定されるものではなく、１〜３つ、又は５つ以上設けてもよい。
【００３８】
・上記実施形態では、励起光源２４は、レーザ媒体２３の入射側端部から出射側端部にかけて照射する励起光Ｅの光量が、レーザ媒体２３の断面積に対応して大きくなるように設けられたが、これ以外に例えば、入射側端部から出射側端部にかけて均一な光量を照射してもよい。
【００３９】
・上記実施形態のレーザ媒体２３を、図３に示すような種光の光軸Ｌ方向に複数（図３においては３つ）並設されたレーザ媒体片５０ａ，５０ｂ，５０ｃにて構成してもよい。レーザ媒体片５０ａ〜５０ｃはそれぞれ密着して設けられている。また、最も種光源２１側に配置されたレーザ媒体片５０ａの出射面の面積と、その後段のレーザ媒体片５０ｂの入射面の面積とは略等しく形成されるとともに、レーザ媒体片５０ｂの出射面の面積とその後段のレーザ媒体片５０ｃの入射面の面積も略等しく形成されている。このような構成によれば、レーザ媒体を全体として大きく形成することができ、種光をより高いビームパワーまで増幅させることができる。また、図４に示すように、複数のレーザ媒体片６０ａ，６０ｂ，６０ｃをそれぞれ光軸Ｌ方向に離間させて設けてもよい。また、最も種光源２１側に配置されたレーザ媒体片６０ａの出射面の面積よりも、その後段のレーザ媒体片５０ｂの入射面の面積の方が大きく形成されるとともに、レーザ媒体片５０ｂの出射面の面積よりもその後段のレーザ媒体片５０ｃの入射面の面積の方が大きく形成されている。また、レーザ媒体片６０ａ〜６０ｃのそれぞれに対し、上記実施形態と同様な構成の励起光源６１が設けられている。このような構成としても、上記したような図３に示す構成と同様の作用効果が得られる。尚、図３及び図４に示す構成において、レーザ媒体片を２つ、又は４つ以上で構成してもよい。
【００４０】
・上記実施形態では、レーザ媒体２３としてイッテリビウムがドープされたＹＡＧ結晶を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、例えばチタン（Ｔｉ）がドープされたサファイヤ結晶を用いてもよく、また、他の物質から構成されたものを用いてもよい。
【００４１】
・上記実施形態では、レーザ媒体２３は光軸Ｌと直交する断面が矩形に形成されたが、これに限定されず、例えば断面円形でもよい。この構成によれば、レーザ媒体２３から出射されるレーザ光のビームスポットを円形にすることができる。また、この構成において、励起光源２４を光軸Ｌの周方向において等間隔に複数設けた場合、レーザ光をバランス良く増幅させることができる。
【００４２】
・上記実施形態では、種光を出射する種光源２１を備え、レーザ媒体２３に種光を入射することで発光元素がレーザ光を放出（誘導放出）するようになっているが、種光源２１を設けない構成として、種光の替わりに励起された発光元素の自然放出によりレーザ光を得るようにしてもよい。
【００４３】
・上記実施形態では、マーキング加工を行うレーザ加工装置を例にとって説明したが、これ以外に例えば、ワークに対して切断加工や溶接加工等を行うものにも同様に用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態におけるレーザ加工装置を示す概略構成図である。
【図２】別例のレーザ発生装置を示す概略構成図である。
【図３】別例のレーザ発生装置を示す概略構成図である。
【図４】別例のレーザ発生装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
Ｅ…励起光、Ｌ…種光の光軸、Ｗ…加工対象物としてのワーク、１０…レーザ加工装置、１２…レーザ発生装置、２１…種光源、２２…光増幅器、２３…レーザ媒体、２４，４０，６１…励起光源、５０ａ〜５０ｃ，６０ａ〜６０ｃ…レーザ媒体片。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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