レーザ装置およびレーザ加工装置
【課題】高出力ビームが得られ、エネルギー効率に優れたレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置は、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための音響光学素子２１と、ウィンドウ１４，ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７を含むレーザ増幅器などで構成される。レーザ光は、レーザ増幅器内に配置された放電励起ガス２を複数回通過する。
【解決手段】レーザ装置は、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための音響光学素子２１と、ウィンドウ１４，ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７を含むレーザ増幅器などで構成される。レーザ光は、レーザ増幅器内に配置された放電励起ガス２を複数回通過する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ光を発生するレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１では、連続レーザ光を出力する光源（レーザダイオード等）と、前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器（光ファイバ増幅器等）と、前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器（光ファイバ増幅器等）とを備えるパルスレーザ装置が提案されている。光変調器として、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器を使用している。
【０００３】
下記特許文献２では、１個のレーザ発振器から出力されるレーザ光を複数の加工ヘッドへ供給するようにしたレーザ加工機が提案されており、レーザ光の光路を偏向可能な光路偏向手段を加工ヘッドの数と同数設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５８３２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２６３２７１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Frantz et al., "Theory of Pulse Propagation in a Laser Amplifier", Journal of Applied Physics Vol.34, Num.8, pp.2346-2349 (1963)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係るパルスレーザ装置は、信号伝送におけるＡＳＥ光などの雑音を抑制することを目的としており、レーザ加工に必要な高出力ビームを発生することは想定していない。
【０００７】
また、特許文献２に係るレーザ加工機は、光路偏向手段で切り出したパルスレーザを増幅することなく材料加工に直接用いているため、加工に使用できるビーム出力は、光路偏向手段の許容入力パワー（例えば、数１００Ｗ）以下に制限されてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、高出力ビームが得られ、エネルギー効率に優れたレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ発振器と、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための分配装置と、
分配装置によって分配されたレーザ光を増幅するためのレーザ増幅器とを備え、
レーザ光は、レーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配することによって、レーザ増幅器においてパルスレーザ光の増幅を効率的に行うことが可能になる。また、レーザ光はレーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することによって、エネルギー効率に優れた高出力ビームが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】偏光回転ミラーの一例を示す斜視図である。
【図３】レーザビームの時間変化を示すグラフである。
【図４】レーザ増幅器の増幅能力を示すグラフである。
【図５】連続波レーザビームを使用した動作パターンを示す。
【図６】パルス状のレーザビームを使用した動作パターンを示す。
【図７】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。レーザ装置は、筐体１と、レーザガスＧと、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、分配装置として機能する音響光学素子２１と、光吸収用のダンパ２２と、ミラー３１，３２と、ポラライザ３４と、ウィンドウ１４，ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７を含むレーザ増幅器などで構成される。ここで理解容易のため、レーザ発振器およびレーザ増幅器の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
【００１３】
筐体１は、レーザガスＧを外気と遮断する役割を有し、筐体内部には、熱交換器、ブロワなど（不図示）が設けられる。ブロワは、筐体１の内部空間に封入されたレーザガスＧを循環させる。これにより強制対流によって冷却されたレーザガスＧが矢印のＺ方向に沿って供給される。レーザガスＧは、筐体１内で大気圧より低い圧力に維持されており、例えば、速度１００ｍ／ｓ程度で移動する。
【００１４】
放電によってレーザガスＧ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスＧとして、ＣＯ２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザガスＧとしてＣＯ２を使用した場合を例示するが、他のレーザ物質、例えば、ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ，一部のガラスなどを使用した場合も本発明は適用可能である。
【００１５】
筐体１内には、レーザガスＧを放電励起するための放電電極（不図示）が取り付けられる。放電電極に高周波交流電圧を印加すると、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状からなる放電空間が形成され、この放電空間内に存在するレーザガスＧが光増幅作用を示す放電励起ガス２となる。
【００１６】
全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、放電励起ガス２を挟んで互いに対向するように配置され、レーザ発振器を構成する。全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。
【００１７】
レーザ発振器内部の光軸上には、偏光制御素子としてブリュースターウィンドウ１３が設けられる。ブリュースターウィンドウ１３は、Ｓ偏光の反射率が高く、Ｐ偏光の反射率が、例えば１％未満と低いウィンドウであり、ここでは紙面平行なＹＺ面に対して平行な直線偏光を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。
【００１８】
以上の構成により、レーザ発振器は、直線偏光を有するＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する。
【００１９】
レーザ発振器の出射側で筐体１の外部には、分配装置として音響光学素子２１が設けられる。音響光学素子２１は、透明材料内部の粗密波による屈折率変化を回折格子として利用して、レーザビームＬ１の出射方向を高速に制御する機能を有する。音響光学素子２１には、ドライバ回路から数１０ＭＨｚの交流電圧が間欠的に供給され、交流電圧が供給された場合、入射したレーザビームＬ１の進路を曲げ、レーザビームＬ２として出射する。一方、交流電圧が供給されない場合、入射したレーザビームＬ１はそのまま直進し、レーザビームＬ４となってダンパ２２に吸収され、熱に変換される。
【００２０】
こうして音響光学素子２１は、交流電圧の有無に応じて、入射したレーザビームＬ１をレーザビームＬ２またはレーザビームＬ４に時間的に分配することができる。
【００２１】
ミラー３１，３２は、光軸調整のための角度微調機構を介して取り付けられ、レーザビームＬ２の進路を変える機能を有する。
【００２２】
ミラー３２とレーザ増幅器の間の光軸上には、偏光制御素子としてポラライザ３４が設けられる。ポラライザ３４は、筐体等に取り付けられ、Ｓ偏光の９５％以上を反射し、Ｐ偏光の９０％以上を透過させる機能を有する。従って、ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームＬ２は、ポラライザ３４をそのまま通過することになる。
【００２３】
次にレーザ増幅器において、ウィンドウ１４は、レーザビームに対して高い透過率を示す材料で形成され、筐体１に気密に固定される。ミラー１５，１６は、レーザビームに対して高い反射率を示す材料で形成される。
【００２４】
偏光回転ミラー１７は、例えば、図２に示すように、２つの反射面が開き角９０度で交差した複合ミラーで構成される。反射面が交差する谷線１７ａを光軸周りにＹＺ面に対して４５度傾けて設置することにより、ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームが入射すると、ＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２を有するレーザビームが反射され、結果として、レーザビームの偏光方向を光軸周りに９０度回転させることができる。
【００２５】
ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。ウィンドウ１４とミラー１５、ミラー１５とミラー１６、およびミラー１６と偏光回転ミラー１７は、放電励起ガス２を挟んで互いに略対向するようにそれぞれ配置され、レーザ増幅器を構成する。即ち、レーザビームＬ２が、ウィンドウ１４→ミラー１５→ミラー１６→偏光回転ミラー１７の順で進行した後、偏光回転ミラー１７で反射すると偏光方向が９０度回転し、続いてミラー１６→ミラー１５→ウィンドウ１４の順で進行する。こうしてレーザビームは、放電励起ガス２を計６回通過することになり、高い出力レベルまで増幅される。なお、ここでは２個の折り返しミラー１５，１６を使用した場合を例示したが、１個または３個以上の折り返しミラーを使用することによって、放電励起ガス２の通過回数を変更することが可能である。
【００２６】
レーザ増幅器から出射したレーザビームは、ＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２を有するため、ポラライザ３４で反射してレーザビームＬ３として外部に取り出され、例えば、レーザ加工等に利用される。
【００２７】
次に、動作について説明する。レーザガスＧは、高周波交流電圧によって実質的に連続励起されており、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状の空間内で常に放電励起されたガス２が存在している。こうした放電励起ガス２は、レーザ発振器およびレーザ増幅器の両方において一体的に利用される。
【００２８】
レーザ発振器では、ブリュースターウィンドウ１３の存在により、ＹＺ面に対して平行な直線偏光を有するＣＷ（連続波）レーザビームＬ１が発振する。レーザビームＬ１の出力は、部分反射ミラー１２の出射後で５０Ｗ程度である。
【００２９】
続いて、レーザビームＬ１は、音響光学素子２１に入射する。音響光学素子２１には、ドライバ回路から数１０ＭＨｚの交流電圧が間欠的に供給され、例えば、オン期間＝３μｓ、オフ期間＝７μｓのタイミングで駆動する。このとき、レーザビームＬ２は、パルス幅＝３μｓ、周期＝１０μｓ（即ち、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、デューティ３０％）のパルスレーザとして、レーザビームＬ１から分配される（図３）。ここで、音響光学素子２１の回折効率を８０％と仮定すると、分配されるレーザビームＬ２の平均出力は１２Ｗ（＝５０Ｗ×３０％×８０％）程度となる。
【００３０】
分配されたレーザビームＬ２は、ポラライザ３４に入射するときも依然としてＹＺ面に対して平行な直線偏光であり、ポラライザ３４はその９０％以上を透過させる。透過したレーザビームは、ウィンドウ１４を透過してレーザ増幅器の放電励起ガス２へ進入する。増幅前のレーザビームの平均出力は１０Ｗ程度である。
【００３１】
レーザ増幅器では、ウィンドウ１４を透過して入射したレーザビームを増幅し、ウィンドウ１４から出力する。ウィンドウ１４→ミラー１５→ミラー１６→偏光回転ミラー１７入射前までは、レーザビームはＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１である。また、前述した偏光回転ミラー１７の働きにより、偏光回転ミラー１７出射後→ミラー１６→ミラー１５→ウィンドウ１４では、レーザビームはＸＹ面に対して垂直な直線偏光Ｐ２である。
【００３２】
上述のように、レーザビームは、レーザ増幅器において、ウィンドウ１４→ミラー１５（往路）の経路を進み、後に再びミラー１５→ウィンドウ１４（復路）の経路を進む。２つの光学部品Ａ，Ｂを結ぶ経路であれば、光軸が幾何学的に完全に重ならなくとも略同一の経路とみなせば、本実施形態では、レーザビームはウィンドウ１４〜ミラー１５間の経路、ミラー１５〜ミラー１６間の経路、ミラー１６〜偏光回転ミラー１７間の経路を２回ずつ通過している。
【００３３】
こうした増幅されたレーザビームは、平均出力が約１ｋＷとなってウィンドウ１４から出力され、さらにポラライザ３４によって９５％以上が反射されて、レーザビームＬ３として取り出される。
【００３４】
図３は、レーザビームＬ１〜Ｌ３の時間変化を示すグラフである。縦軸はレーザビームの瞬時出力であり、横軸は時間である。レーザビームＬ１は、レーザ発振器から出力された連続波レーザの状態である。レーザビームＬ２は、音響光学素子２１によって時間分配されたパルスレーザの状態である。レーザビームＬ３は、時間分配されたパルスレーザが増幅され、大出力のパルスレーザとなる。
【００３５】
本実施形態では、レーザ発振器およびレーザ増幅器がレーザガスＧを共有することにより、レーザ発振器とレーザ増幅器とで別々にガスを励起する場合と比べて、ガス励起機構の数を削減できるため、安価で簡便な構成で高い効率のパルスレーザが得られる。また、ガス励起機構の数が少なくなるため、故障確率の低減化が図られる。
【００３６】
また、レーザ増幅器において、レーザビームが略同一の経路を複数回通って、放電励起ガス２を複数回通過することにより、エネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００３７】
また、本実施形態では、パルスレーザの発生をＱスイッチ方式ではなく、分配装置を用いてレーザビームを切り出す方式を採用している。レーザビームを分配する時間は、音響光学素子２１に印加する高周波交流電圧の持続時間で直接決定できるため、パルス幅制御が容易で、自由度が高い。一方、連続波発振時より大きなピーク出力を取り出すことができるＱスイッチ方式と比べて、分配装置を用いてレーザビームを切り出す方式では、パルスレーザビームＬ２のピーク出力は、連続波発振のレーザビームＬ１の出力を超えないため、ピーク出力が低い。
【００３８】
レーザ媒質中で、低出力のレーザを増幅する部分は、放電励起等によってレーザ媒質に与えたエネルギーのうちレーザの増幅に使われる割合が小さく、レーザ媒質に与えたエネルギーを有効に使いきれない（この性質は、Ｆｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋのレーザ増幅に関する研究で知られている。上記非特許文献１を参照）。
【００３９】
図４は、レーザ増幅器の増幅能力を示すグラフである。横軸は、レーザ増幅器に入射するレーザ光の出力Ｐｉｎであり、縦軸は、レーザ増幅器によって増幅されたレーザ光の出力増加分Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎである。グラフにおいて、レーザ増幅器から取り出すことのできる出力は、レーザ増幅器に与えたエネルギーなどで決まるＰｃａｐであり、Ｐｉｎが大きくなるほど、出力増加分はＰｃａｐで飽和するようになる。逆に、Ｐｉｎが小さくなると、レーザ媒質に与えたエネルギーを有効に使いきれない。
【００４０】
特に、ウィンドウ１４→ミラー１５の順で進行したレーザビームは、レーザ増幅器に入射したばかりの低出力のレーザビームであり、ウィンドウ１４→ミラー１５の１パスだけでは、ウィンドウ１４〜ミラー１５間のレーザ媒質に与えたエネルギーをレーザ増幅に有効利用できない。そこで、本実施形態では、ウィンドウ１４〜ミラー１５の経路を２度通過させる構成により、ウィンドウ１４〜ミラー１５間のレーザ媒質に与えたエネルギーをレーザ増幅に有効利用することが可能になる。
【００４１】
このように、レーザビームがレーザ増幅器において、略同一の経路を複数回通る構成は、入射レーザビームの出力が低い場合に有効である。そのため、パルス幅制御が容易であるが出力が低い特徴を有する、本実施形態のパルス発生方式と親和性が高い。即ち、本実施形態では、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００４２】
なお、本実施形態において、レーザ媒質となるガスを強制対流させる構成を例示したが、スラブ型などに見られる拡散冷却レーザでもよく、また、レーザ媒質が気体でなく、例えば、固体、液体であっても同様の効果を奏する。
【００４３】
また、本実施形態では、分配装置として音響光学素子２１を使用した構成を例示したが、デジタルミラーデバイスや可動式ミラーを用いても同様の効果を奏する。さらに、分配装置として、ナノ秒オーダのスイッチング速度を有する電気光学素子と偏光選択素子との組み合わせを用いてもよく、音響光学素子（マイクロ秒オーダのスイッチング速度）の場合よりもパルスの立ち上がり・立ち下がりが速く、パルス幅制御の自由度がさらに高いといった効果を奏する。
【００４４】
また、本実施形態では、レーザ発振器がＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する構成を例示したが、パルス状のレーザビームＬ１を出力する構成も可能である。
【００４５】
図５は、連続波レーザビームＬ１を使用した動作パターンを示す。Ｅは、ガスを励起する放電のオン・オフを表す動作パターンであり、本実施形態では連続的に放電励起し、連続波レーザビームＬ１を得ている。Ｄは、分配装置の動作パターンであり、分配装置に交流電圧が供給される時間に対応したパルス状のレーザビームＬ２が得られる。レーザビームＬ２は、レーザ増幅器において増幅され、最終的に高出力のレーザビームＬ３が得られる。
【００４６】
図６は、パルス状のレーザビームＬ１を使用した動作パターンを示す。レーザビームＬ３を利用する態様として、レーザパルスを必要としない停止時間が予め定まっている場合、その停止時間に応じて放電励起を休止させることにより、パルス状の放電励起に対応したパルス状のレーザビームＬ１が得られる。続いて、分配装置によって、レーザビームＬ１のパルス幅よりも短いパルス幅を有するレーザビームＬ２が得られる。レーザビームＬ２は、レーザ増幅器において増幅され、最終的に高出力のレーザビームＬ３が得られる。こうした間欠的な放電励起を採用することによって、エネルギー効率をより改善することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。レーザ装置は、筐体１と、レーザガスＧと、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、分配装置として機能する音響光学素子２１と、光吸収用のダンパ２２と、ミラー３１，３２と、ポラライザ３４と、ウィンドウ１４，１８およびミラー１５，１６を含むレーザ増幅器と、ポラライザ３５と、ミラー３６，３７，３８と、１／２波長板４１などで構成される。ここで理解容易のため、レーザ発振器およびレーザ増幅器の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
【００４８】
本実施形態において、レーザ発振器から出射したレーザビームＬ１が音響光学素子２１によって分配され、レーザビームＬ２がミラー３１，３２で反射されるところまでは、実施の形態１と同じ構成であるため、重複説明を省く。
【００４９】
レーザ増幅器において、ウィンドウ１４，１８は、レーザビームに対して高い透過率を示す材料で形成され、筐体１に気密に固定される。ミラー１５，１６は、レーザビームＬ２に対して高い反射率を示す材料で形成され、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。ウィンドウ１４とミラー１５、ミラー１５とミラー１６、およびミラー１６とウィンドウ１８は、放電励起ガス２を挟んで互いに略対向するようにそれぞれ配置され、レーザ増幅器を構成する。
【００５０】
ウィンドウ１８の後方には、レーザ増幅器から出射したレーザビームをレーザ増幅器のウィンドウ１４に再入射させるためのミラー３６，３７，３８が設けられる。こうした再入射経路の途中に、ポラライザ３４，３５および１／２波長板４１が配置され、それぞれ筐体等に取り付けられる。ポラライザ３４，３５は、Ｓ偏光の９５％以上を反射し、Ｐ偏光の９０％以上を透過させる機能を有する。１／２波長板４１は、レーザビームの偏光方向を光軸周りに９０度回転させる機能を有する。
【００５１】
次にレーザ増幅器の動作を説明する。ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームＬ２は、ポラライザ３４を９０％以上透過し、ウィンドウ１４（このとき偏光Ｐ１）→ミラー１５→ミラー１６→ウィンドウ１８（このとき偏光Ｐ１）の順で進行し、続いてポラライザ３５を９０％以上透過し、ミラー３６→ミラー３７を経て、１／２波長板４１によってＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２に変換され、ミラー３８を経て、ポラライザ３４によって９５％以上反射され、再びウィンドウ１４に入射し（このとき偏光Ｐ２）、ミラー１５→ミラー１６→ウィンドウ１８（このとき偏光Ｐ２）の順で進行し、続いてポラライザ３５によって９５％以上反射される。
【００５２】
こうした２パス過程により、レーザビームは、ウィンドウ１４〜ミラー１５間の経路、ミラー１５〜ミラー１６間の経路、ミラー１６〜ウィンドウ１７間の経路を２回ずつ通って、放電励起ガス２を計６回通過する度に増幅され、ポラライザ３５によってレーザビームＬ３として外部に取り出され、例えば、レーザ加工等に利用される。なお、ここでは２個の折り返しミラー１５，１６を使用した場合を例示したが、１個または３個以上の折り返しミラーを使用することによって、放電励起ガス２の通過回数を変更することが可能である。
【００５３】
本実施形態におけるレーザビームＬ１〜Ｌ３の時間変化は、図３に示したグラフと同様になる。即ち、レーザビームＬ１は、レーザ発振器から出力された連続波レーザの状態である。レーザビームＬ２は、音響光学素子２１によって時間分配されたパルスレーザの状態である。レーザビームＬ３は、時間分配されたパルスレーザが増幅され、大出力のパルスレーザとなる。
【００５４】
本実施形態においても、レーザ発振器およびレーザ増幅器がレーザガスＧを共有することにより、レーザ発振器とレーザ増幅器とで別々にガスを励起する場合と比べて、ガス励起機構の数を削減できるため、安価で簡便な構成で高い効率のパルスレーザが得られる。また、ガス励起機構の数が少なくなるため、故障確率の低減化が図られる。
【００５５】
また、本実施形態では、実施形態１と同様、分配装置でレーザビームを切り出すパルス発生方式を用いるとともに、レーザ増幅器において略同一の経路を複数回通る構成であり、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００５６】
なお、本実施形態において、レーザ媒質となるガスを強制対流させる構成を例示したが、スラブ型などに見られる拡散冷却レーザでもよく、また、レーザ媒質が気体でなく、例えば、固体、液体であっても同様の効果を奏する。
【００５７】
また、本実施形態では、分配装置として音響光学素子２１を使用した構成を例示したが、デジタルミラーデバイスや可動式ミラーを用いても同様の効果を奏する。さらに、分配装置として、ナノ秒オーダのスイッチング速度を有する電気光学素子と偏光選択素子との組み合わせを用いてもよく、音響光学素子（マイクロ秒オーダのスイッチング速度）の場合よりもパルスの立ち上がり・立ち下がりが速く、パルス幅制御の自由度がさらに高いといった効果を奏する。
【００５８】
また、本実施形態では、偏光Ｐ１から偏光Ｐ２に変換するために１／２波長板４１を用いた構成を例示したが、反射型のリターダを用いても同様の効果を奏するとともに、１／２波長板４１による熱レンズ効果がなくなるため、高安定なパルスレーザが得られる。
【００５９】
また、本実施形態においても、レーザ発振器がＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する構成（図５）だけでなく、パルス状のレーザビームＬ１を出力する構成（図６）も可能である。間欠的な放電励起を採用することによって、エネルギー効率をより改善することができる。
【００６０】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。本実施形態では、上述したレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成した例を説明する。なお図８では、実施の形態１の構成を例示しているが、実施の形態２の構成も同様に適用可能である。
【００６１】
レーザ加工装置は、実施の形態１〜２に係るレーザ装置と、後続の伝送光学系６１と、ガルバノミラー７１などで構成される。
【００６２】
伝送光学系６１は、複数のミラー、レンズ、ビームスプリッタ、マスク、偏光制御素子等で構成され、レーザ増幅器から出力されたレーザビームＬ３を、加工処理に適したビーム形状に整形し、加工処理に適した偏光に変換する機能を有し、必要に応じてビーム分割を行ってもよい。
【００６３】
ガルバノミラー７１は、所望の角度で位置決め可能な可動ミラー等で構成され、伝送光学系６１から供給されたレーザビームを被加工物の所望の位置に照射する機能を有する。駆動装置７２は、モータ等で構成され、ガルバノミラー７１を回転駆動する。
【００６４】
本実施形態の構成によって、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工を実施することができる。なお、パルス幅、パルスエネルギー、パルス数およびビーム形状は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。
【００６５】
本実施形態では、実施の形態１または２に示した、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成するため、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工の種類や被加工物の種類を広範に選ぶことができ、高速な加工を実現できる。
【００６６】
本実施形態では、分配装置によって時間的に分配されたレーザ光を増幅しているため、加工に用いるパルスレーザ出力を少なくとも数１０ｋＷまでは拡張した構成が可能である。また、分配装置は、入射するレーザビームの出力が大きくなると、焼損の可能性があるため、分配装置の後にレーザ増幅器を設けることによって、従来よりも高信頼なレーザ加工を実現できる。
【００６７】
近年、穴あけ加工などの材料処理における生産性の需要向上により、材料処理用のレーザ装置はより高い出力が求められている。また、加工の多様化によって、パルス幅の制御自由度が高い装置が求められている。また、環境配慮型製品への希求の高まりにより、エネルギー効率の良い製品が求められている。
【００６８】
本実施形態では、加工に用いるパルスレーザ出力の拡張性に優れ、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザ装置を提供できる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 筐体、 ２ 放電励起ガス、 １１ 全反射ミラー、 １２ 部分反射ミラー、
１３ ブリュースターウィンドウ、 １４，１８ ウィンドウ、
１５，１６ ミラー、 １７ 偏光回転ミラー、 １７ａ 谷線、
２１ 音響光学素子、 ２２ ダンパ、 ３１，３２，３６，３７，３８ ミラー、
３４，３５ ポラライザ、 ４１ １／２波長板、 ６１ 伝送光学系、
７１ ガルバノミラー、 ７２ 駆動装置、 Ｇ レーザガス、
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レーザビーム、 Ｐ１ ＹＺ面に平行な偏光、
Ｐ２ ＸＹ面に平行な偏光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザ光を発生するレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１では、連続レーザ光を出力する光源（レーザダイオード等）と、前記光源に接続し前記連続レーザ光を増幅して出力する前段光増幅器（光ファイバ増幅器等）と、前記前段光増幅器に接続し、前記増幅した連続レーザ光を変調してパルスレーザ光を生成する光変調器と、前記光変調器に接続し前記パルスレーザ光を増幅して出力する後段光増幅器（光ファイバ増幅器等）とを備えるパルスレーザ装置が提案されている。光変調器として、音響光学素子を用いて前記増幅した連続レーザ光を周期的に回折することによって該増幅した連続レーザ光を強度変調する音響光学型の光変調器を使用している。
【０００３】
下記特許文献２では、１個のレーザ発振器から出力されるレーザ光を複数の加工ヘッドへ供給するようにしたレーザ加工機が提案されており、レーザ光の光路を偏向可能な光路偏向手段を加工ヘッドの数と同数設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２５８３２３号公報
【特許文献２】特開２０００−２６３２７１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Frantz et al., "Theory of Pulse Propagation in a Laser Amplifier", Journal of Applied Physics Vol.34, Num.8, pp.2346-2349 (1963)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に係るパルスレーザ装置は、信号伝送におけるＡＳＥ光などの雑音を抑制することを目的としており、レーザ加工に必要な高出力ビームを発生することは想定していない。
【０００７】
また、特許文献２に係るレーザ加工機は、光路偏向手段で切り出したパルスレーザを増幅することなく材料加工に直接用いているため、加工に使用できるビーム出力は、光路偏向手段の許容入力パワー（例えば、数１００Ｗ）以下に制限されてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、高出力ビームが得られ、エネルギー効率に優れたレーザ装置およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、レーザ発振器と、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための分配装置と、
分配装置によって分配されたレーザ光を増幅するためのレーザ増幅器とを備え、
レーザ光は、レーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配することによって、レーザ増幅器においてパルスレーザ光の増幅を効率的に行うことが可能になる。また、レーザ光はレーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することによって、エネルギー効率に優れた高出力ビームが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】偏光回転ミラーの一例を示す斜視図である。
【図３】レーザビームの時間変化を示すグラフである。
【図４】レーザ増幅器の増幅能力を示すグラフである。
【図５】連続波レーザビームを使用した動作パターンを示す。
【図６】パルス状のレーザビームを使用した動作パターンを示す。
【図７】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示す構成図である。レーザ装置は、筐体１と、レーザガスＧと、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、分配装置として機能する音響光学素子２１と、光吸収用のダンパ２２と、ミラー３１，３２と、ポラライザ３４と、ウィンドウ１４，ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７を含むレーザ増幅器などで構成される。ここで理解容易のため、レーザ発振器およびレーザ増幅器の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
【００１３】
筐体１は、レーザガスＧを外気と遮断する役割を有し、筐体内部には、熱交換器、ブロワなど（不図示）が設けられる。ブロワは、筐体１の内部空間に封入されたレーザガスＧを循環させる。これにより強制対流によって冷却されたレーザガスＧが矢印のＺ方向に沿って供給される。レーザガスＧは、筐体１内で大気圧より低い圧力に維持されており、例えば、速度１００ｍ／ｓ程度で移動する。
【００１４】
放電によってレーザガスＧ中の分子または原子がレーザ上準位に励起されると、光の増幅作用を示すようになる。例えば、レーザガスＧとして、ＣＯ２分子を含む混合ガスを使用した場合、ＣＯ２分子の振動準位間の遷移により波長１０．６μｍのレーザ発振光が得られる。ここでは、レーザガスＧとしてＣＯ２を使用した場合を例示するが、他のレーザ物質、例えば、ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ，一部のガラスなどを使用した場合も本発明は適用可能である。
【００１５】
筐体１内には、レーザガスＧを放電励起するための放電電極（不図示）が取り付けられる。放電電極に高周波交流電圧を印加すると、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状からなる放電空間が形成され、この放電空間内に存在するレーザガスＧが光増幅作用を示す放電励起ガス２となる。
【００１６】
全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、放電励起ガス２を挟んで互いに対向するように配置され、レーザ発振器を構成する。全反射ミラー１１および部分反射ミラー１２は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。
【００１７】
レーザ発振器内部の光軸上には、偏光制御素子としてブリュースターウィンドウ１３が設けられる。ブリュースターウィンドウ１３は、Ｓ偏光の反射率が高く、Ｐ偏光の反射率が、例えば１％未満と低いウィンドウであり、ここでは紙面平行なＹＺ面に対して平行な直線偏光を有するレーザ光が選択的に発振するようになる。
【００１８】
以上の構成により、レーザ発振器は、直線偏光を有するＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する。
【００１９】
レーザ発振器の出射側で筐体１の外部には、分配装置として音響光学素子２１が設けられる。音響光学素子２１は、透明材料内部の粗密波による屈折率変化を回折格子として利用して、レーザビームＬ１の出射方向を高速に制御する機能を有する。音響光学素子２１には、ドライバ回路から数１０ＭＨｚの交流電圧が間欠的に供給され、交流電圧が供給された場合、入射したレーザビームＬ１の進路を曲げ、レーザビームＬ２として出射する。一方、交流電圧が供給されない場合、入射したレーザビームＬ１はそのまま直進し、レーザビームＬ４となってダンパ２２に吸収され、熱に変換される。
【００２０】
こうして音響光学素子２１は、交流電圧の有無に応じて、入射したレーザビームＬ１をレーザビームＬ２またはレーザビームＬ４に時間的に分配することができる。
【００２１】
ミラー３１，３２は、光軸調整のための角度微調機構を介して取り付けられ、レーザビームＬ２の進路を変える機能を有する。
【００２２】
ミラー３２とレーザ増幅器の間の光軸上には、偏光制御素子としてポラライザ３４が設けられる。ポラライザ３４は、筐体等に取り付けられ、Ｓ偏光の９５％以上を反射し、Ｐ偏光の９０％以上を透過させる機能を有する。従って、ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームＬ２は、ポラライザ３４をそのまま通過することになる。
【００２３】
次にレーザ増幅器において、ウィンドウ１４は、レーザビームに対して高い透過率を示す材料で形成され、筐体１に気密に固定される。ミラー１５，１６は、レーザビームに対して高い反射率を示す材料で形成される。
【００２４】
偏光回転ミラー１７は、例えば、図２に示すように、２つの反射面が開き角９０度で交差した複合ミラーで構成される。反射面が交差する谷線１７ａを光軸周りにＹＺ面に対して４５度傾けて設置することにより、ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームが入射すると、ＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２を有するレーザビームが反射され、結果として、レーザビームの偏光方向を光軸周りに９０度回転させることができる。
【００２５】
ミラー１５，１６および偏光回転ミラー１７は、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。ウィンドウ１４とミラー１５、ミラー１５とミラー１６、およびミラー１６と偏光回転ミラー１７は、放電励起ガス２を挟んで互いに略対向するようにそれぞれ配置され、レーザ増幅器を構成する。即ち、レーザビームＬ２が、ウィンドウ１４→ミラー１５→ミラー１６→偏光回転ミラー１７の順で進行した後、偏光回転ミラー１７で反射すると偏光方向が９０度回転し、続いてミラー１６→ミラー１５→ウィンドウ１４の順で進行する。こうしてレーザビームは、放電励起ガス２を計６回通過することになり、高い出力レベルまで増幅される。なお、ここでは２個の折り返しミラー１５，１６を使用した場合を例示したが、１個または３個以上の折り返しミラーを使用することによって、放電励起ガス２の通過回数を変更することが可能である。
【００２６】
レーザ増幅器から出射したレーザビームは、ＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２を有するため、ポラライザ３４で反射してレーザビームＬ３として外部に取り出され、例えば、レーザ加工等に利用される。
【００２７】
次に、動作について説明する。レーザガスＧは、高周波交流電圧によって実質的に連続励起されており、例えば、３ｃｍ×３ｃｍ×１００ｃｍ程度の直方体形状の空間内で常に放電励起されたガス２が存在している。こうした放電励起ガス２は、レーザ発振器およびレーザ増幅器の両方において一体的に利用される。
【００２８】
レーザ発振器では、ブリュースターウィンドウ１３の存在により、ＹＺ面に対して平行な直線偏光を有するＣＷ（連続波）レーザビームＬ１が発振する。レーザビームＬ１の出力は、部分反射ミラー１２の出射後で５０Ｗ程度である。
【００２９】
続いて、レーザビームＬ１は、音響光学素子２１に入射する。音響光学素子２１には、ドライバ回路から数１０ＭＨｚの交流電圧が間欠的に供給され、例えば、オン期間＝３μｓ、オフ期間＝７μｓのタイミングで駆動する。このとき、レーザビームＬ２は、パルス幅＝３μｓ、周期＝１０μｓ（即ち、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、デューティ３０％）のパルスレーザとして、レーザビームＬ１から分配される（図３）。ここで、音響光学素子２１の回折効率を８０％と仮定すると、分配されるレーザビームＬ２の平均出力は１２Ｗ（＝５０Ｗ×３０％×８０％）程度となる。
【００３０】
分配されたレーザビームＬ２は、ポラライザ３４に入射するときも依然としてＹＺ面に対して平行な直線偏光であり、ポラライザ３４はその９０％以上を透過させる。透過したレーザビームは、ウィンドウ１４を透過してレーザ増幅器の放電励起ガス２へ進入する。増幅前のレーザビームの平均出力は１０Ｗ程度である。
【００３１】
レーザ増幅器では、ウィンドウ１４を透過して入射したレーザビームを増幅し、ウィンドウ１４から出力する。ウィンドウ１４→ミラー１５→ミラー１６→偏光回転ミラー１７入射前までは、レーザビームはＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１である。また、前述した偏光回転ミラー１７の働きにより、偏光回転ミラー１７出射後→ミラー１６→ミラー１５→ウィンドウ１４では、レーザビームはＸＹ面に対して垂直な直線偏光Ｐ２である。
【００３２】
上述のように、レーザビームは、レーザ増幅器において、ウィンドウ１４→ミラー１５（往路）の経路を進み、後に再びミラー１５→ウィンドウ１４（復路）の経路を進む。２つの光学部品Ａ，Ｂを結ぶ経路であれば、光軸が幾何学的に完全に重ならなくとも略同一の経路とみなせば、本実施形態では、レーザビームはウィンドウ１４〜ミラー１５間の経路、ミラー１５〜ミラー１６間の経路、ミラー１６〜偏光回転ミラー１７間の経路を２回ずつ通過している。
【００３３】
こうした増幅されたレーザビームは、平均出力が約１ｋＷとなってウィンドウ１４から出力され、さらにポラライザ３４によって９５％以上が反射されて、レーザビームＬ３として取り出される。
【００３４】
図３は、レーザビームＬ１〜Ｌ３の時間変化を示すグラフである。縦軸はレーザビームの瞬時出力であり、横軸は時間である。レーザビームＬ１は、レーザ発振器から出力された連続波レーザの状態である。レーザビームＬ２は、音響光学素子２１によって時間分配されたパルスレーザの状態である。レーザビームＬ３は、時間分配されたパルスレーザが増幅され、大出力のパルスレーザとなる。
【００３５】
本実施形態では、レーザ発振器およびレーザ増幅器がレーザガスＧを共有することにより、レーザ発振器とレーザ増幅器とで別々にガスを励起する場合と比べて、ガス励起機構の数を削減できるため、安価で簡便な構成で高い効率のパルスレーザが得られる。また、ガス励起機構の数が少なくなるため、故障確率の低減化が図られる。
【００３６】
また、レーザ増幅器において、レーザビームが略同一の経路を複数回通って、放電励起ガス２を複数回通過することにより、エネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００３７】
また、本実施形態では、パルスレーザの発生をＱスイッチ方式ではなく、分配装置を用いてレーザビームを切り出す方式を採用している。レーザビームを分配する時間は、音響光学素子２１に印加する高周波交流電圧の持続時間で直接決定できるため、パルス幅制御が容易で、自由度が高い。一方、連続波発振時より大きなピーク出力を取り出すことができるＱスイッチ方式と比べて、分配装置を用いてレーザビームを切り出す方式では、パルスレーザビームＬ２のピーク出力は、連続波発振のレーザビームＬ１の出力を超えないため、ピーク出力が低い。
【００３８】
レーザ媒質中で、低出力のレーザを増幅する部分は、放電励起等によってレーザ媒質に与えたエネルギーのうちレーザの増幅に使われる割合が小さく、レーザ媒質に与えたエネルギーを有効に使いきれない（この性質は、Ｆｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋのレーザ増幅に関する研究で知られている。上記非特許文献１を参照）。
【００３９】
図４は、レーザ増幅器の増幅能力を示すグラフである。横軸は、レーザ増幅器に入射するレーザ光の出力Ｐｉｎであり、縦軸は、レーザ増幅器によって増幅されたレーザ光の出力増加分Ｐｏｕｔ−Ｐｉｎである。グラフにおいて、レーザ増幅器から取り出すことのできる出力は、レーザ増幅器に与えたエネルギーなどで決まるＰｃａｐであり、Ｐｉｎが大きくなるほど、出力増加分はＰｃａｐで飽和するようになる。逆に、Ｐｉｎが小さくなると、レーザ媒質に与えたエネルギーを有効に使いきれない。
【００４０】
特に、ウィンドウ１４→ミラー１５の順で進行したレーザビームは、レーザ増幅器に入射したばかりの低出力のレーザビームであり、ウィンドウ１４→ミラー１５の１パスだけでは、ウィンドウ１４〜ミラー１５間のレーザ媒質に与えたエネルギーをレーザ増幅に有効利用できない。そこで、本実施形態では、ウィンドウ１４〜ミラー１５の経路を２度通過させる構成により、ウィンドウ１４〜ミラー１５間のレーザ媒質に与えたエネルギーをレーザ増幅に有効利用することが可能になる。
【００４１】
このように、レーザビームがレーザ増幅器において、略同一の経路を複数回通る構成は、入射レーザビームの出力が低い場合に有効である。そのため、パルス幅制御が容易であるが出力が低い特徴を有する、本実施形態のパルス発生方式と親和性が高い。即ち、本実施形態では、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００４２】
なお、本実施形態において、レーザ媒質となるガスを強制対流させる構成を例示したが、スラブ型などに見られる拡散冷却レーザでもよく、また、レーザ媒質が気体でなく、例えば、固体、液体であっても同様の効果を奏する。
【００４３】
また、本実施形態では、分配装置として音響光学素子２１を使用した構成を例示したが、デジタルミラーデバイスや可動式ミラーを用いても同様の効果を奏する。さらに、分配装置として、ナノ秒オーダのスイッチング速度を有する電気光学素子と偏光選択素子との組み合わせを用いてもよく、音響光学素子（マイクロ秒オーダのスイッチング速度）の場合よりもパルスの立ち上がり・立ち下がりが速く、パルス幅制御の自由度がさらに高いといった効果を奏する。
【００４４】
また、本実施形態では、レーザ発振器がＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する構成を例示したが、パルス状のレーザビームＬ１を出力する構成も可能である。
【００４５】
図５は、連続波レーザビームＬ１を使用した動作パターンを示す。Ｅは、ガスを励起する放電のオン・オフを表す動作パターンであり、本実施形態では連続的に放電励起し、連続波レーザビームＬ１を得ている。Ｄは、分配装置の動作パターンであり、分配装置に交流電圧が供給される時間に対応したパルス状のレーザビームＬ２が得られる。レーザビームＬ２は、レーザ増幅器において増幅され、最終的に高出力のレーザビームＬ３が得られる。
【００４６】
図６は、パルス状のレーザビームＬ１を使用した動作パターンを示す。レーザビームＬ３を利用する態様として、レーザパルスを必要としない停止時間が予め定まっている場合、その停止時間に応じて放電励起を休止させることにより、パルス状の放電励起に対応したパルス状のレーザビームＬ１が得られる。続いて、分配装置によって、レーザビームＬ１のパルス幅よりも短いパルス幅を有するレーザビームＬ２が得られる。レーザビームＬ２は、レーザ増幅器において増幅され、最終的に高出力のレーザビームＬ３が得られる。こうした間欠的な放電励起を採用することによって、エネルギー効率をより改善することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２を示す構成図である。レーザ装置は、筐体１と、レーザガスＧと、全反射ミラー１１，部分反射ミラー１２およびブリュースターウィンドウ１３を含むレーザ発振器と、分配装置として機能する音響光学素子２１と、光吸収用のダンパ２２と、ミラー３１，３２と、ポラライザ３４と、ウィンドウ１４，１８およびミラー１５，１６を含むレーザ増幅器と、ポラライザ３５と、ミラー３６，３７，３８と、１／２波長板４１などで構成される。ここで理解容易のため、レーザ発振器およびレーザ増幅器の光軸方向をＹ方向、レーザガスＧを供給する方向をＺ方向、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。
【００４８】
本実施形態において、レーザ発振器から出射したレーザビームＬ１が音響光学素子２１によって分配され、レーザビームＬ２がミラー３１，３２で反射されるところまでは、実施の形態１と同じ構成であるため、重複説明を省く。
【００４９】
レーザ増幅器において、ウィンドウ１４，１８は、レーザビームに対して高い透過率を示す材料で形成され、筐体１に気密に固定される。ミラー１５，１６は、レーザビームＬ２に対して高い反射率を示す材料で形成され、光軸調整のための角度微調機構を介して筐体１に取り付けられる。ウィンドウ１４とミラー１５、ミラー１５とミラー１６、およびミラー１６とウィンドウ１８は、放電励起ガス２を挟んで互いに略対向するようにそれぞれ配置され、レーザ増幅器を構成する。
【００５０】
ウィンドウ１８の後方には、レーザ増幅器から出射したレーザビームをレーザ増幅器のウィンドウ１４に再入射させるためのミラー３６，３７，３８が設けられる。こうした再入射経路の途中に、ポラライザ３４，３５および１／２波長板４１が配置され、それぞれ筐体等に取り付けられる。ポラライザ３４，３５は、Ｓ偏光の９５％以上を反射し、Ｐ偏光の９０％以上を透過させる機能を有する。１／２波長板４１は、レーザビームの偏光方向を光軸周りに９０度回転させる機能を有する。
【００５１】
次にレーザ増幅器の動作を説明する。ＹＺ面に対して平行な直線偏光Ｐ１を有するレーザビームＬ２は、ポラライザ３４を９０％以上透過し、ウィンドウ１４（このとき偏光Ｐ１）→ミラー１５→ミラー１６→ウィンドウ１８（このとき偏光Ｐ１）の順で進行し、続いてポラライザ３５を９０％以上透過し、ミラー３６→ミラー３７を経て、１／２波長板４１によってＸＹ面に対して平行な直線偏光Ｐ２に変換され、ミラー３８を経て、ポラライザ３４によって９５％以上反射され、再びウィンドウ１４に入射し（このとき偏光Ｐ２）、ミラー１５→ミラー１６→ウィンドウ１８（このとき偏光Ｐ２）の順で進行し、続いてポラライザ３５によって９５％以上反射される。
【００５２】
こうした２パス過程により、レーザビームは、ウィンドウ１４〜ミラー１５間の経路、ミラー１５〜ミラー１６間の経路、ミラー１６〜ウィンドウ１７間の経路を２回ずつ通って、放電励起ガス２を計６回通過する度に増幅され、ポラライザ３５によってレーザビームＬ３として外部に取り出され、例えば、レーザ加工等に利用される。なお、ここでは２個の折り返しミラー１５，１６を使用した場合を例示したが、１個または３個以上の折り返しミラーを使用することによって、放電励起ガス２の通過回数を変更することが可能である。
【００５３】
本実施形態におけるレーザビームＬ１〜Ｌ３の時間変化は、図３に示したグラフと同様になる。即ち、レーザビームＬ１は、レーザ発振器から出力された連続波レーザの状態である。レーザビームＬ２は、音響光学素子２１によって時間分配されたパルスレーザの状態である。レーザビームＬ３は、時間分配されたパルスレーザが増幅され、大出力のパルスレーザとなる。
【００５４】
本実施形態においても、レーザ発振器およびレーザ増幅器がレーザガスＧを共有することにより、レーザ発振器とレーザ増幅器とで別々にガスを励起する場合と比べて、ガス励起機構の数を削減できるため、安価で簡便な構成で高い効率のパルスレーザが得られる。また、ガス励起機構の数が少なくなるため、故障確率の低減化が図られる。
【００５５】
また、本実施形態では、実施形態１と同様、分配装置でレーザビームを切り出すパルス発生方式を用いるとともに、レーザ増幅器において略同一の経路を複数回通る構成であり、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザが得られる。
【００５６】
なお、本実施形態において、レーザ媒質となるガスを強制対流させる構成を例示したが、スラブ型などに見られる拡散冷却レーザでもよく、また、レーザ媒質が気体でなく、例えば、固体、液体であっても同様の効果を奏する。
【００５７】
また、本実施形態では、分配装置として音響光学素子２１を使用した構成を例示したが、デジタルミラーデバイスや可動式ミラーを用いても同様の効果を奏する。さらに、分配装置として、ナノ秒オーダのスイッチング速度を有する電気光学素子と偏光選択素子との組み合わせを用いてもよく、音響光学素子（マイクロ秒オーダのスイッチング速度）の場合よりもパルスの立ち上がり・立ち下がりが速く、パルス幅制御の自由度がさらに高いといった効果を奏する。
【００５８】
また、本実施形態では、偏光Ｐ１から偏光Ｐ２に変換するために１／２波長板４１を用いた構成を例示したが、反射型のリターダを用いても同様の効果を奏するとともに、１／２波長板４１による熱レンズ効果がなくなるため、高安定なパルスレーザが得られる。
【００５９】
また、本実施形態においても、レーザ発振器がＣＷ（連続波）レーザビームＬ１を出力する構成（図５）だけでなく、パルス状のレーザビームＬ１を出力する構成（図６）も可能である。間欠的な放電励起を採用することによって、エネルギー効率をより改善することができる。
【００６０】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３を示す構成図である。本実施形態では、上述したレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成した例を説明する。なお図８では、実施の形態１の構成を例示しているが、実施の形態２の構成も同様に適用可能である。
【００６１】
レーザ加工装置は、実施の形態１〜２に係るレーザ装置と、後続の伝送光学系６１と、ガルバノミラー７１などで構成される。
【００６２】
伝送光学系６１は、複数のミラー、レンズ、ビームスプリッタ、マスク、偏光制御素子等で構成され、レーザ増幅器から出力されたレーザビームＬ３を、加工処理に適したビーム形状に整形し、加工処理に適した偏光に変換する機能を有し、必要に応じてビーム分割を行ってもよい。
【００６３】
ガルバノミラー７１は、所望の角度で位置決め可能な可動ミラー等で構成され、伝送光学系６１から供給されたレーザビームを被加工物の所望の位置に照射する機能を有する。駆動装置７２は、モータ等で構成され、ガルバノミラー７１を回転駆動する。
【００６４】
本実施形態の構成によって、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工を実施することができる。なお、パルス幅、パルスエネルギー、パルス数およびビーム形状は、レーザ加工条件、加工材料等に応じて適宜選択できる。
【００６５】
本実施形態では、実施の形態１または２に示した、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザ装置を用いてレーザ加工装置を構成するため、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着、表面改質などのレーザ加工の種類や被加工物の種類を広範に選ぶことができ、高速な加工を実現できる。
【００６６】
本実施形態では、分配装置によって時間的に分配されたレーザ光を増幅しているため、加工に用いるパルスレーザ出力を少なくとも数１０ｋＷまでは拡張した構成が可能である。また、分配装置は、入射するレーザビームの出力が大きくなると、焼損の可能性があるため、分配装置の後にレーザ増幅器を設けることによって、従来よりも高信頼なレーザ加工を実現できる。
【００６７】
近年、穴あけ加工などの材料処理における生産性の需要向上により、材料処理用のレーザ装置はより高い出力が求められている。また、加工の多様化によって、パルス幅の制御自由度が高い装置が求められている。また、環境配慮型製品への希求の高まりにより、エネルギー効率の良い製品が求められている。
【００６８】
本実施形態では、加工に用いるパルスレーザ出力の拡張性に優れ、パルス幅制御が容易で自由度が高く、かつエネルギー効率に優れたパルスレーザ装置を提供できる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 筐体、 ２ 放電励起ガス、 １１ 全反射ミラー、 １２ 部分反射ミラー、
１３ ブリュースターウィンドウ、 １４，１８ ウィンドウ、
１５，１６ ミラー、 １７ 偏光回転ミラー、 １７ａ 谷線、
２１ 音響光学素子、 ２２ ダンパ、 ３１，３２，３６，３７，３８ ミラー、
３４，３５ ポラライザ、 ４１ １／２波長板、 ６１ 伝送光学系、
７１ ガルバノミラー、 ７２ 駆動装置、 Ｇ レーザガス、
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ レーザビーム、 Ｐ１ ＹＺ面に平行な偏光、
Ｐ２ ＸＹ面に平行な偏光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための分配装置と、
分配装置によって分配されたレーザ光を増幅するためのレーザ増幅器とを備え、
レーザ光は、レーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
レーザ発振器およびレーザ増幅器は、レーザ媒質を共有することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
レーザ媒質を励起する際、レーザ媒質を励起しない休止期間が設定されることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
分配装置として、音響光学素子を用いたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】
分配装置として、電気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項６】
レーザ発振器の内部には、発振レーザ光を直線偏光に規定するための偏光制御素子が設けられ、
レーザ増幅器では、直交する２つの直線偏光レーザ光が増幅されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ装置から出力されるレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を時間的に分配するための分配装置と、
分配装置によって分配されたレーザ光を増幅するためのレーザ増幅器とを備え、
レーザ光は、レーザ増幅器内に配置されたレーザ媒質を複数回通過することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
レーザ発振器およびレーザ増幅器は、レーザ媒質を共有することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
レーザ媒質を励起する際、レーザ媒質を励起しない休止期間が設定されることを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
【請求項４】
分配装置として、音響光学素子を用いたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項５】
分配装置として、電気光学素子を用いたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項６】
レーザ発振器の内部には、発振レーザ光を直線偏光に規定するための偏光制御素子が設けられ、
レーザ増幅器では、直交する２つの直線偏光レーザ光が増幅されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ装置から出力されるレーザ光を用いて、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１８２３９７（Ｐ２０１２−１８２３９７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５８２１（Ｐ２０１１−４５８２１）
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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