JP4352871B2

JP4352871B2 - パルス駆動レーザダイオード励起ｑスイッチ固体レーザ発振器並びにその発振制御方法

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Description

本発明は、パルス駆動のレーザダイオードを励起光源に用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器並びにその発振制御方法に関する。

パルス励起のＱスイッチ発振の固体レーザ発振器は、数ナノ秒の短いパルス幅のレーザ光を発生するため、主に微細加工を中心とした高いピーク出力が必要なレーザ加工応用に用いられている。この種のレーザ発振器においても、従来のフラッシュランプを励起光源とする方式から最近の主流である高効率化、コンパクト化などの利点のあるレーザダイオードを励起光源とする方式に切り替わりが進んでいる。
パルス励起のＱスイッチ発振の固体レーザ発振器は、一般的にレーザダイオードをパルス電流駆動することにより、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４などの固体レーザ媒質を強励起し、Ｑスイッチによるレーザ発振停止状態の間に高いエネルギーを蓄積し、レーザ媒質のエネルギー蓄積可能時間である蛍光寿命の直前に近いタイミングでＱスイッチによってレーザ発振開始状態にすることにより高ピーク出力レーザを得ている。
パルス励起のＱスイッチ発振の固体レーザレーザ発振器の一般的な構成を図５に示す。レーザ共振器１、固体レーザ媒質２、励起用レーザダイオード３とＱスイッチ動作をするためのポッケルス素子４からなるレーザヘッド部１０と、レーザダイオードを駆動するためのパルス電流源５と励起用レーザダイオードを冷却し温度制御する機能７からなるレーザダイオード制御ユニット２０と、ポッケルス素子を駆動するための高電圧スイッチング電源６とレーザダイオードのパルス電流とポッケルス素子に印加される高電圧パルスの同期をとるための機能である同期部８からなるＱスイッチ素子制御ユニット３０とによって構成される。
この種のレーザ発振器をレーザ加工等の工業用途に利用する場合には、パルスレーザ光のパラメータである出力エネルギー、Ｑスイッチパルス幅、繰り返し周波数を最適な加工条件が得られるように自動的に制御できることが要求される。ここで、Ｑスイッチパルス幅については、共振器設計上の構成を決定すると、Ｑスイッチ発振の原理からほぼ一意的に決まるため加工時の調整自由度は少ないが、光エネルギーとレーザ光の繰り返し周波数は、加工形態、加工時間、加工品質に適するように切り換えて使用されることが多い。
例えば、液晶パネル基板などの微細な回路パターンの欠陥部分を修正するレーザリペア装置では、ポイント的に余分なパターンを除去するような場合のシングルショットまたは数ショットの加工やレーザ照射位置を移動しながら線状にパターンを切断する高繰り返しの加工など、加工条件によってレーザ照射条件を切り換えることが必要なため、出力エネルギーレベルと繰り返し周波数の制御が求められる。

上記のようにパルスレーザ光の出力エネルギーやＱスイッチパルス繰り返し周波数のレーザ光発生条件を変化させることが必要である場合、従来その方法としては励起源であるレーザダイオードのパルス駆動電流の電流値を上下することと、パルスの繰り返し周波数を変化させる方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１３５８７０号公報（第３−６頁、図１）

図６にパルス駆動電流１１とＱスイッチ素子印加電圧１２とＱスイッチパルス出力１３のタイミング・チャートを示す。レーザダイオードの電流パルス時間幅Ｗは、レーザ媒質固有の上準位蛍光寿命に近い値とすることにより、最大限のレーザ光のＱスイッチパルスエネルギーが得られるため固定としている。また、Ｑスイッチ制御を行うポッケルス素子に印加する高圧をスイッチングするタイミングΔｔは、レーザダイオードの電流パルスの終端付近に調整され固定されている。斜線部で示されるパルス電流値Ｉ_ＬＤとΔｔの積がレーザ媒質に蓄積されるエネルギーに対応し、発振するＱスイッチエネルギーが決定される。このため、パルス電流値Ｉ_ＬＤを調整することによりＱスイッチエネルギー１３が調節できる。
一方、レーザダイオードの発振波長は、レーザダイオードの半導体チップ温度によりシフトする。一般的なレーザダイオードでは、レーザダイオードのケース温度に対して、約０．３ｎｍ／℃のシフト量で変化することが知られている。また、一般的に市販されているレーザダイオードの発振波長は、ケース温度を同一温度に設定しても生産上の歩留まりにより約±３ｎｍの個体差がある。
レーザ媒質側の励起光の吸収特性に関しては、通常ある吸収ピークの中心波長に対して数ｎｍの範囲の波長しか有効に吸収されないという特性を有している。例えば、Ｎｄ：ＹＬＦ結晶では、一般に多用される波長７９８ｎｍの吸収ピークに対して半値全幅は２ｎｍ程度である。このため、一般的にはケース温度を調節してレーザダイオードの発振波長をレーザ媒質の吸収ピークに一致させることにより、効率的な励起を行ってレーザ出力を得ている。図５の構成図にもレーザダイオードのケース温度Ｔ_ＬＤを検知しながら設定値に一定に保つための温度制御する機能７が含まれている。
しかし、チップとケースとの間には熱抵抗があるため、チップ温度と制御系の検出温度であるケース温度との間には差が生じ、あるレーザダイオードの電流に対する抵抗負荷による熱発生量に対してケース温度を一定に保つ制御を行っても、熱源であるチップ温度は多少変化してしまう。また時間的にも過渡特性がある。このため、温度調整によるレーザダイオード発振波長の最適化は、特定の熱発生条件、つまりレーザダイオードの特定のパルス駆動電流値及び繰り返し周波数の駆動条件下にて行われる。特にパルス励起のレーザ発振器では、レーザダイオード駆動パルス電流の繰り返しを単発から数１０、ないし数１００Ｈｚまで変化させるため、熱発生量は数１０から数１００倍変化することになる。レーザダイオードの駆動パルスの電流値と周波数の双方を調節してレーザパルス出力レベルとレーザパルス繰り返し周波数を制御する従来技術では、上記の理由からある繰り返し条件では波長が最適であって効果的にレーザ出力が得られるが、他の繰り返し条件では波長が逸脱する方向となり、結果としてレーザ出力は低下していた。
この課題に対応するために、特性に個体差のあるレーザダイオード個々に対して、しかも多岐にわたる駆動パルス電流条件に合わせて波長一定となる温度条件を測定して記憶しておき、パルス電流値と繰り返しの条件が与えられたときに、記憶された温度条件にレーザダイオードを温度制御する方法も考えられるが、工業用レーザ発振器を生産する観点からは現実的ではない。

本発明は、上記のような従来のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の制御方法のもつ問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、パルス駆動のレーザダイオードを用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、レーザダイオードの発振波長の変動を抑制する手段と手法を備えることによって、Ｑスイッチパルスの繰り返し周波数と出力エネルギーを独立に指定できる制御性のよいレーザ光源を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器は、パルス駆動のレーザダイオードをレーザ媒質の光励起素子に用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器であって、レーザダイオードの複数からなるパルス駆動条件を所定の条件に固定してレーザダイオードを駆動するレーザダイオード駆動手段と、レーザダイオードを前記固定したパルス駆動条件で最適な温度に制御するレーザダイオード温度制御手段と、Ｑスイッチ発振を生起するＱスイッチ素子の駆動タイミングを可変するＱスイッチ素子制御手段と、を備え、前記Ｑスイッチ素子制御手段は、固体レーザ発振器の発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーと周期とを独立に可変制御することを特徴とする。
固定する複数のレーザダイオードのパルス駆動条件は、パルスの電流値とパルス時間幅とパルス繰り返し周期であることが好ましい。
また、一定に制御するレーザダイオードの最適な温度は、レーザダイオードの発振波長が、レーザ媒質の吸収ピーク波長となる温度であることが好ましい。
発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーの可変制御は、Ｑスイッチ素子の駆動タイミングをレーザダイオード駆動パルスのパルス時間幅内で可変することによって行うように構成することができる。
また、発振Ｑスイッチパルス周期の可変制御は、Ｑスイッチ素子の駆動周期をレーザダイオード駆動パルスのパルス周期のｎ倍（ｎは正の整数）で離散的に可変することによって行ってもよい。
レーザダイオードの駆動パルス時間幅は、レーザ媒質の上準位蛍光寿命であることが好ましい。
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期の離散的な可変は、レーザ光の繰り返し周波数の種類に対応して予め複数組設定された前記レーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数と前記Ｑスイッチ素子の繰り返し周波数との組み合わせから前記ｎの大きさに応じて１の組み合わせを選択し、選択したレーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数を外部から前記レーザダイオード駆動手段及び前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力し、選択したＱスイッチ素子の繰り返し周波数を外部から前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力することにより、前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期及び前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を設定することによって行うように構成することができる。

また、本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法は、パルス駆動のレーザダイオードをレーザ媒質の光励起素子に用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、レーザダイオードの複数からなるパルス駆動条件を所定の条件に固定してレーザダイオードを駆動し、レーザダイオードを前記固定したパルス駆動条件で最適な温度に制御し、Ｑスイッチ発振を生起するＱスイッチ素子の駆動タイミングを可変して、固体レーザ発振器の発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーと周期とを独立に可変制御することを特徴とする。
固定する複数のレーザダイオードのパルス駆動条件は、パルスの電流値とパルス時間幅とパルス繰り返し周期であることが好ましい。
また、一定に制御するレーザダイオードの最適な温度は、レーザダイオードの発振波長が、レーザ媒質の吸収ピーク波長となる温度であることが好ましい。
発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーの可変制御は、Ｑスイッチ素子の駆動タイミングをレーザダイオード駆動パルスのパルス時間幅内で可変することによって行うように構成することができる。
また、発振Ｑスイッチパルス周期の可変制御は、Ｑスイッチ素子の駆動周期をレーザダイオード駆動パルスのパルス周期のｎ倍（ｎは正の整数）で離散的に可変することによって行ってもよい。
レーザダイオードの駆動パルス時間幅は、レーザ媒質の上準位蛍光寿命であることが好ましい。
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期の離散的な可変は、レーザ光の繰り返し周波数の種類に対応して予め複数組設定された前記レーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数と前記Ｑスイッチ素子の繰り返し周波数との組み合わせから前記ｎの大きさに応じて１の組み合わせを選択し、選択したレーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数を外部から前記レーザダイオード駆動手段及び前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力し、選択したＱスイッチ素子の繰り返し周波数を外部から前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力することにより、前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期及び前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を設定することによって行うように構成することができる。

本発明の効果として第１の効果は、パルス駆動のレーザダイオードを用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、パルス繰り返し周波数を調整しても出力エネルギーは不変であるため、繰り返し周波数と出力エネルギーを独立に指定できる制御性のよいレーザ光源を提供する。
第２の効果は、レーザダイオードの駆動条件を半固定状態にし、レーザ媒質を最適な波長で励起することにより、一定の励起分布に対して共振器アライメントを最適状態に維持できるため、励起状態の変化による不安定要素を抑制し、レーザ光ビーム横モードの強度分布、出力エネルギーの安定性向上につながることである。
第３の効果は、レーザ発振器の制御性が向上することにより、加工装置の外部光学系に出力調整の減衰装置や、安定状態まで待機するための外部シャッタを用いずに加工出力の精密制御が可能となり加工装置のコンパクト化につながることである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の構成を示すブロック図である。
レーザ発振器は、レーザヘッド部１０とレーザダイオード制御ユニット２０とＱスイッチ素子制御ユニット３０で構成される。
レーザヘッド部１０は、レーザ共振器１、固体レーザ媒質２、励起用レーザダイオード３とＱスイッチ動作をするためのポッケルス素子４からなる。
レーザダイオード制御ユニット２０は、レーザダイオードを駆動するためのパルス電流源５と、励起用レーザダイオードを温度制御する温度制御部７と、一定のパルス繰り返し周波数ｆ_ＬＤを発振する発振器９を含む。
Ｑスイッチ素子制御ユニット３０は、ポッケルス素子を駆動するための高電圧スイッチング電源６とポッケルス素子に印加される高電圧パルスをレーザダイオード駆動パルスに同期をとるための同期部８とで構成される。

レーザダイオード制御ユニット２０では、発振器９の発振する繰り返し周波数一定ｆ_ＬＤの信号を受けて、パルス電流源５は、レーザダイオードのパルス駆動条件である繰り返し周波数ｆ_ＬＤに加えて、電流値Ｉ_ＬＤ及び電流パルス幅Ｗも一定値に固定して出力する。これらの積分値はレーザダイオードに与えられる平均電力量に相当する。この積分値を一定値に固定することは、すなわちレーザダイオードの平均的な熱発生量を一定に保つことになる。
温度制御部７は、レーザダイオードのパルス駆動条件である電流値Ｉ_ＬＤ及び電流パルス幅Ｗ及び繰り返し周波数ｆ_ＬＤが一定の条件において、個体差をもつレーザダイオードのケース温度Ｔ_ＬＤをレーザダイオードの発振波長が最適波長になるように合わせ固定する。すなわち、ダイオードチップ内の熱発生によるケース温度の変化を検知しながら、例えばペルチェ素子のような電子冷却素子により温度制御を行い、レーザダイオードの発振波長がレーザ媒質の吸収ピーク波長に一致するようにケース温度を制御する。
ここで付け加えると、レーザダイオードの駆動条件を固定している期間は、一連のレーザ加工処理を行う短期的な時間の範囲であり、例えばレーザダイオードの消耗による発生光量を補正するための電流値増加の機能をパルス電流源５は備えていることが望ましい。
Ｑスイッチ素子制御ユニット３０では、同期部８に外部からレーザダイオード駆動パルス立ち上がりからのＱスイッチ遅れ時間Δｔと、Ｑスイッチの繰り返し周波数ｆ_ＰＣとが入力される。また、発振器９からレーザダイオード駆動パルス繰り返しタイミング信号ｆ_ＬＤが入力される。これにより、同期部８は、レーザダイオード駆動パルス繰り返しタイミング信号ｆ_ＬＤに同期したＱスイッチ駆動信号１２を生成する。
高電圧スイッチング電源６は、生成された信号を高電圧信号ＨＶに変換してポッケルス素子４に印加する。

図２に本発明のレーザ発振器構成によるＱスイッチ動作のタイミング・チャートを示す。まず、外部から与えられるレーザダイオード開始信号ＳＴにより、発振器９によってレーザダイオードのタイミング信号ｆ_ＬＤが生成され、レーザダイオードの駆動は開始される。レーザダイオードの駆動パルス電流１１は、期待する最大のＱスイッチパルスエネルギーが得られる電流値Ｉ_ＬＤ及び電流パルス幅Ｗに設定されている。電流パルス幅Ｗは、レーザ媒質固有の上準位蛍光寿命に近い値とする。レーザダイオードの繰り返し周波数ｆ_ＬＤも、レーザダイオードの性能保証範囲内で、かつ固体レーザ出力をレーザ加工等に用いる場合の加工条件に必要な最大の値に設定する。
このようにレーザダイオードの駆動条件が決定されると、レーザダイオードの熱発生量が決まり、レーザダイオードのケース温度をＴ_ＬＤに調節することにより、発光部の半導体チップ温度Ｔ_ＣＨＩＰが最適温度に定まり、レーザダイオードの励起発振波長はレーザ媒質の吸収ピーク波長に一致させて固定させることができる。温度制御部７は、ダイオードチップ内の熱発生によるケース温度の変化を検知しながら、ケースを温度制御し、レーザダイオードの発振波長がレーザ媒質の吸収ピーク波長に一致するケース温度Ｔ_ＬＤに到達した時点で安定し、スタンバイ状態となる。
次に、外部から同期部８にＱスイッチ遅れタイミング時間ΔｔとＱスイッチの繰り返し信号ｆ_ＰＣが入力され、これにより、レーザダイオードのタイミング信号ｆ_ＬＤに同期した繰り返し信号ｆ_ＰＣのＱスイッチ素子駆動信号１２が生成され、高電圧信号ＨＶに変換されてポッケルス素子４に印加されることによりＱスイッチパルスレーザ光１３の発振が行われる。

レーザ発振の繰り返し周波数を変化させるには、Ｑスイッチ繰り返し信号ｆ_ＰＣを変更する。つまり、レーザダイオードのパルス電流の繰り返し周波数ｆ_ＬＤに対して１／ｎ分周の周波数条件をもつｆ_ＰＣ（ｆ_ＰＣ＝ｆ_ＬＤ／ｎ：ｎは整数）を与えると、この新たなｆ_ＰＣの繰り返し周波数のレーザ光が発生する。
レーザ光のパルスエネルギーを変化させるには、Ｑスイッチ遅れ時間Δｔを変更することにより制御することができる。つまり、Δｔをレーザダイオードの電流パルス幅Ｗとほぼ一致させると最大Ｑスイッチパルスエネルギーが得られ、Δｔを減少してＱスイッチをかけるタイミングを調整すると、Ｑスイッチエネルギーとして抽出されるレーザ媒質の蓄積エネルギーが減少し、レーザ光の出力エネルギーが調整できる。
本発明で創案した機能は、上記に示した一連の制御が可能なレーザダイオード制御ユニット２０のレーザダイオード駆動制御機能、及びポッケルス素子を駆動するためのＱスイッチ素子制御ユニット３０のＱスイッチタイミング制御機能を複合したものである。

次に、温度制御部７の動作を説明する。
図３は、固定レーザ発振器組立前に予め測定することができるレーザダイオードのパルス電流の繰り返し周波数ｆ_ＬＤに対する発振波長λの変化の傾向を示す。
従来のケース温度を調節してレーザダイオード発振波長を最適化する方式は、前述の如く特定の熱発生条件、つまりレーザダイオードの特定のパルス駆動電流値及び繰り返し周波数の駆動条件下にて行われている。この温度制御方法について図３を用いて説明すると、特性曲線２１は、レーザダイオードの室温等の基準となるケース温度におけるλ−ｆ_ＬＤ特性である。従来の温度制御機能は、特定のパルス繰り返し周波数ｆ_ｍｉｄにおいて、レーザダイオードの発振波長が、レーザ媒質の吸収ピーク波長λ_ａｂに一致するようにレーザダイオードのケース温度をＴ_２に設定し、λ−ｆ_ＬＤの特性を２１から２２に移行させて一定値に制御する方法である。レーザダイオードのケース温度をＴ_２に設定し一定値に制御しても、熱源である半導体チップ部の熱発生量が繰り返しの変化によって増減すると、ケースと半導体チップには熱抵抗があるためチップ温度Ｔ_ＣＨＩＰは変化する。チップ温度Ｔ_ＣＨＩＰの変化は、レーザダイオードの発振波長λの変化を生じさせる。特にレーザダイオードをパルス駆動した場合は、使用する繰り返し周波数の範囲が広いほど、熱発生量の増減範囲は大きくなり、レーザ媒質の吸収ピークの幅（斜線部）よりもっと広い範囲の波長変化が生じ、レーザ出力の低下が起こる。
これに対して、本発明の方式では、先述のようにレーザダイオードの駆動繰り返し周波数ｆ_ＬＤは、レーザダイオードの性能保証範囲内であり、かつ例えば発振器出力をレーザ加工条件等に必要な最大の周波数ｆ_ＭＡＸ（特性２３）に固定している。この一定条件下で、温度制御部７は、レーザダイオードのケース温度Ｔ_ＬＤをＴ_１に制御してレーザダイオードの発振波長をレーザ媒質の吸収ピーク波長λ_ａｂに安定させる。
本方式では、ＱスイッチのタイミングΔｔを変化させてレーザ出力を制御しても、またＱスイッチ繰り返し周波数ｆ_ｐｃを変化させても、ｆ_ＬＤはｆ_ＭＡＸのままで変化しないため波長の逸脱がない。

以上に構成と動作について述べた本発明のレーザ発振器の出力制御と発振繰り返し制御の特長を説明する。
Ｑスイッチ遅れ時間Δｔとパルス電流値Ｉ_ＬＤで決まる斜線部が、Ｑスイッチを行う時点のレーザ媒質の蓄積エネルギーに相当し、レーザ発振器出力光のパルスエネルギー１３と相関性がある。このため、予めＱスイッチ遅れ時間Δｔと出力エネルギーの特性を予め測定してテーブル化しておくことにより、このテーブルによりレーザ発振器出力の制御が可能である。
この出力制御方式を従来の固体レーザ発振器出力制御をレーザダイオードの電流値による制御によって行う方式と比較すると、従来方式では励起波長シフトが必然的に課題となって生じ、これによってレーザ媒質の吸収エネルギーの変化を引き起こし、レーザ媒質に励起光が侵入したときの吸収の傾向、つまり励起分布の変化として現れ、レーザ光ビーム横モードの強度分布のずれ、揺らぎによる不安定性につながっているが、本発明のように励起状態固定の場合にはこの効果が抑制される。

また、レーザ発振繰り返しを変化させる場合にはＱスイッチ繰り返し信号ｆ_ＰＣをレーザダイオードのパルス電流の繰り返し周波数ｆ_ＬＤに対して分周された周波数条件を持ったｆ_ＰＣ（ｆ_ＰＣ＝ｆ_ＬＤ／ｎ：ｎは整数）を与えることにより低繰り返しのレーザ光が発生する。図２ではｎ＝２の状態を示している。
このとき、レーザ発振を間引いていることと同じであり、繰り返し周波数を変化させても出力レーザパルスエネルギーは変化しない。また、繰り返し周波数を変化させても励起されるレーザ媒質の熱的状態は変化せず一定であるため、共振器アライメントを常に最適調整の状態に保ことができる。これは従来技術のようにパルス電流の繰り返し周波数ｆ_ＬＤによる励起分布や熱的歪みの変化が引き起こす共振器アライメントのずれがないため出力安定度の向上につながる。
ただし、この方式では繰り返し周波数を同じ変化量で細かく調整をすることはできないが、通常のレーザ加工では数種もしくはシングルショットなどの切り換えで十分であることが多く、最大繰り返しであるｆ_ＭＡＸを励起用レーザダイオードの繰り返し周波数ｆ_ＬＤに選定することで実用上の弊害は少ない。

以上の説明のように、本発明のレーザ発振器は以下の効果を奏す。
第１の効果は、パルス駆動のレーザダイオードを用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、パルス繰り返し周波数を調整しても出力エネルギーは不変であるため、繰り返し周波数と出力エネルギーを独立に指定できる制御性のよいレーザ光源を提供する。
第２の効果は、レーザダイオードの駆動条件を固定しレーザ媒質を最適な波長で励起することにより、一定の励起分布に対して共振器アライメントを最適状態に維持できるため、励起による不安定要素を抑制しレーザ光ビーム横モードの強度分布、出力エネルギーの安定性向上につながることである。
第３の効果は、レーザ発振器の制御性が向上することにより、加工装置の外部光学系に出力調整の減衰装置や、安定状態まで待機するための外部シャッタを用いずに加工出力の精密制御が可能となり加工装置のコンパクト化につながることである。

なお、一般的にＱスイッチの方式として、高電圧を印加したときにレーザ発振するオンスイッチ方式と、高電圧を印加しレーザ発振停止した後に高電圧を切ったとき発振するオフスイッチ方式があるがいずれの方式でもよい。また、電気光学効果型の素子のみならず、必要に応じて音響効果型の素子を用いてもよい。

次に、本発明の第２の実施例について図４を参照して詳細に説明する。
図４は、図１のレーザ発振器の構成のうち、レーザヘッド部１０を除くレーザダイオード制御ユニット２０とＱスイッチ素子制御ユニット３０を示している。
上述の第１の実施例ではレーザダイオードの繰り返し周波数ｆ_ＬＤを固定するとしていたが、例えば高繰り返し周波数と低繰り返し周波数でのみしか使用しない場合には、低繰り返し時に発振に寄与しないレーザダイオードの発光が多いため、レーザダイオードの寿命への影響が懸念される面もある。図４に示す実施例はこれに対応するため機能を拡張したものである。
レーザダイオードの繰り返し周波数ｆ_ＬＤを高繰り返し時には、その最大値をｆ１_ＬＤに選定し、低繰り返し時にはその最大値をｆ２_ＬＤに選定する。各々に対して最適励起波長となるレーザダイオードのケース温度Ｔ１_ＬＤ、Ｔ２_ＬＤを測定しておき記憶する。これは図３に示す調整点２３の他に調整点２４を設けることである。この各繰り返し信号に対して、分周するＱスイッチの繰り返し信号ｆ_ＰＣがｆ_ＰＣ＝ｆ_ＬＤ／ｎ（ｎは整数）の条件を満たし、各分周の割合ｎによって決まる複数のｆ１_ＰＣ、ｆ２_ＰＣを設けると高低の多種にわたるパルス繰り返しの選定が可能となる。

外部から低繰り返しのｆ２_ＰＣを指定した場合には、レーザダイオード開始信号ＳＴと共にレーザダイオードの低繰り返し時の最大周波数の駆動信号ｆ２_ＬＤがパルス電流源５に与えられ、レーザダイオードの設定温度Ｔ２_ＬＤが温度制御機能７に与えられてレーザダイオードの駆動は開始される。そしてレーザダイオードの波長は、図３の調整点２４に安定化される。その後、パルスエネルギーを決定するＱスイッチ遅れ時間ΔｔとＱスイッチの繰り返し信号ｆ２_ＰＣが高電圧スイッチング電源６に与えられるとレーザ発振する。このとき、レーザダイオードの発振に寄与しない発光は、高繰り返し時の最大周波数の駆動信号ｆ１_ＬＤで駆動したときよりも少ないため、レーザダイオードの消耗は少なくなる。
上記の例は調整点を２個とした場合であるが、加工条件に要求されるレーザ光の繰り返し周波数の種類に対応してｆ_ＬＤ、ｆ_ＰＣ、Ｔ_ＬＤの複数の組み合わせを外部入力できるようにしておくことで、効率よく無駄な発光を減らしてレーザダイオードの駆動をすることも可能である。

本第２の実施例は以下の効果を奏す。
第１の効果は、パルス駆動のレーザダイオードを用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、パルス繰り返し周波数を調整しても出力エネルギーは不変であるため、繰り返し周波数と出力エネルギーを独立に指定できる制御性のよいレーザ光源を提供する。
第２の効果は、レーザ発振器の制御性が向上することにより、加工装置の外部光学系に出力調整の減衰装置や、安定状態まで待機するための外部シャッタを用いずに加工出力の精密制御が可能となり加工装置のコンパクト化につながることである。

本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の第１の実施例の構成図である。本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器のＱスイッチ動作を表すタイミング・チャート図である。レーザダイオードの繰り返し動作における波長変化を示す図である。本発明のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の第２の実施例の制御ユニットの構成図である。従来技術のレーザ発振器の構成図である。従来技術のレーザ発振器のＱスイッチ動作を表すタイミング・チャート図である。

符号の説明

１レーザ共振器
２レーザ媒質
３レーザダイオード
４ポッケルス素子
５パルス電流源
６高電圧スイッチング電源
７温度制御機能
８同期部
９発振器
１０レーザヘッド部
１１レーザダイオードの駆動パルス電流
１２Ｑスイッチ素子駆動信号
１３パルスレーザ光
２０レーザダイオード制御ユニット
３０Ｑスイッチ素子制御ユニット

Claims

パルス駆動のレーザダイオードをレーザ媒質の光励起素子に用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器であって、
前記レーザダイオードの複数からなるパルス駆動条件を所定の条件に固定して前記レーザダイオードを駆動するレーザダイオード駆動手段と、
前記レーザダイオードを前記固定したパルス駆動条件で最適な温度に制御するレーザダイオード温度制御手段と、
前記Ｑスイッチ発振を生起するＱスイッチ素子の駆動タイミングを可変するＱスイッチ素子制御手段と、
を備え、
前記Ｑスイッチ素子制御手段は、前記固体レーザ発振器の発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーと周期とを独立に可変制御する、
ことを特徴とするパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
前記固定する複数の前記レーザダイオードのパルス駆動条件は、
パルスの電流値とパルス時間幅とパルス繰り返し周期である、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
一定に制御する前記レーザダイオードの最適な温度は、
前記レーザダイオードの発振波長が、前記レーザ媒質の吸収ピーク波長となる温度である、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
前記発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーの可変制御は、
前記Ｑスイッチ素子の駆動タイミングを前記レーザダイオード駆動パルスのパルス時間幅内で可変することによって行う、
ことを特徴とする請求項２に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
前記発振Ｑスイッチパルス周期の可変制御は、
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期のｎ倍（ｎは正の整数）で離散的に可変することによって行う、
ことを特徴とする請求項２に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
前記レーザダイオードの駆動パルス時間幅は、
前記レーザ媒質の上準位蛍光寿命である、
ことを特徴とする請求項２に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期の離散的な可変は、
レーザ光の繰り返し周波数の種類に対応して予め複数組設定された前記レーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数と前記Ｑスイッチ素子の繰り返し周波数との組み合わせから前記ｎの大きさに応じて１の組み合わせを選択し、選択したレーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数を外部から前記レーザダイオード駆動手段及び前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力し、選択したＱスイッチ素子の繰り返し周波数を外部から前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力することにより、
前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期及び前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を設定することによって行う、
ことを特徴とする請求項５に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器。
パルス駆動のレーザダイオードをレーザ媒質の光励起素子に用いたＱスイッチ発振の固体レーザ発振器において、
前記レーザダイオードの複数からなるパルス駆動条件を所定の条件に固定して前記レーザダイオードを駆動し、
前記レーザダイオードを前記固定したパルス駆動条件で最適な温度に制御し、
前記Ｑスイッチ発振を生起するＱスイッチ素子の駆動タイミングを可変して、
前記固体レーザ発振器の発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーと周期とを独立に可変制御する、
ことを特徴とするパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
前記固定する複数の前記レーザダイオードのパルス駆動条件は、
パルスの電流値とパルス時間幅とパルス繰り返し周期である、
ことを特徴とする請求項８に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
一定に制御する前記レーザダイオードの最適な温度は、
前記レーザダイオードの発振波長が、前記レーザ媒質の吸収ピーク波長となる温度である、
ことを特徴とする請求項８に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
前記発振Ｑスイッチパルスの出力エネルギーの可変制御は、
前記Ｑスイッチ素子の駆動タイミングを前記レーザダイオード駆動パルスのパルス時間幅内で可変することによって行う、
ことを特徴とする請求項９に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
前記発振Ｑスイッチパルス周期の可変制御は、
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期のｎ倍（ｎは正の整数）で離散的に可変することによって行う、
ことを特徴とする請求項９に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
前記レーザダイオードの駆動パルス時間幅は、
前記レーザ媒質の上準位蛍光寿命である、
ことを特徴とする請求項９に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。
前記Ｑスイッチ素子の駆動周期の離散的な可変は、
レーザ光の繰り返し周波数の種類に対応して予め複数組設定された前記レーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数と前記Ｑスイッチ素子の繰り返し周波数との組み合わせから前記ｎの大きさに応じて１の組み合わせを選択し、選択したレーザダイオード駆動パルスの繰り返し周波数を外部から前記レーザダイオード駆動手段及び前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力し、選択したＱスイッチ素子の繰り返し周波数を外部から前記Ｑスイッチ素子制御手段に入力することにより、
前記レーザダイオード駆動パルスのパルス周期及び前記Ｑスイッチ素子の駆動周期を設定することによって行う、
ことを特徴とする請求項１２に記載のパルス駆動レーザダイオード励起Ｑスイッチ固体レーザ発振器の発振制御方法。