JPH10163550A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シャッタ閉時における固体レーザ媒質内の熱
蓄積を緩和し、固体レーザ媒質の熱応力による破壊を防
ぐ。 【解決手段】 シャッタ１５を閉じたときには固体レー
ザ媒質１１内の熱蓄積が増大するため、励起ランプ１４
の励起入力を定常状態に比べて低減して励起する。ま
た、シャッタを開けると同時に定常状態の励起入力に戻
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガラスやＹＡＧ
等を媒質とする固体レーザ装置に関し、特に反射鏡また
は出力鏡とレーザ媒質との間に光路遮断を可能とするた
めのシャッタを設置した内部シャッタ式固体レーザ装置
にかかる。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工またはレーザ溶接等の分野に
使用される固体レーザ装置は、図５の如く、スラブ
（板）状またはロッド（棒）状の固体レーザ媒質１内に
Ｎｄ³⁺やＥｒ³⁺等の活性イオンを均一に混入し、その両
先端方向に反射鏡２及び出力鏡３を正しく光軸調整して
設置し、さらにフラッシュランプ（放電管）４を固体レ
ーザ媒質１の近傍に配置したものである。そして、フラ
ッシュランプ４による光照射励起によってレーザを発振
したときに固体レーザ媒質１から放出された誘導放出光
が、反射鏡２と出力鏡３との間で往復することで、レー
ザ光が発生する。

【０００３】ここで、特にレーザ照射作業の途中で一時
的にレーザ発振を停止させたい場合があり得るが、その
度にフラッシュランプ４の電源をオフにする方法だと、
励起光の立ち下がりが乱れるため、レーザ光の出力停止
が鈍くなる。同様に、後にレーザ発振を再開する場合
も、フラッシュランプ４からの励起光の立ち上がりが乱
れるため、レーザ光の出力再開が鈍くなる。このような
弊害を考慮して、一般にレーザ発振の停止に関して、反
射鏡または出力鏡とレーザ媒質との間で光路遮断を可能
とするため、図５のように回転式またはエア式等のシャ
ッタ５を設置した内部シャッタ式のものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来例のよう
な内部シャッタ式固体レーザ装置では、シャッタ５を閉
じてレーザ発振を停止すると、レーザ光となって外部に
放出されていたエネルギーが蓄積され、固体レーザ媒質
１内で熱に変ってしまう。そのため、固体レーザ媒質１
内に発生する熱応力も大きくなり、動作条件によっては
固体レーザ媒質１の破壊が発生する恐れがあった。

【０００５】そこで、この発明の課題は、シャッタを閉
じてレーザ発振を停止しても、熱応力の過剰な増大を緩
和し得る内部シャッタ式固体レーザ装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
この発明は、固体レーザ媒質と、前記固体レーザ媒質に
励起光を照射するための励起ランプと、前記励起ランプ
に電源を供給するランプ電源と、前記ランプ電源の電源
電力量を、第１の電力量と、該第１の電力量より所定の
低減量または所定の低減率で低減された第２の電力量と
に切換調整する電源電力量調整手段と、前記固体レーザ
媒質の両先端方向に配置された反射鏡および出力鏡と、
前記固体レーザ媒質内でのレーザ発振を停止させる際に
光路を遮断するよう前記反射鏡または前記出力鏡と前記
固体レーザ媒質との間に配置されたシャッタと、前記シ
ャッタの開閉切換を行うシャッタ駆動回路と、前記シャ
ッタ駆動回路がシャッタを開状態にしている間は前記ラ
ンプ電源の電源電力量が前記第１の電力量に設定され、
前記シャッタ駆動回路がシャッタを閉状態にしている間
は前記ランプ電源の電源電力量が前記第２の電力量に設
定されるよう、前記電源電力量調整手段および前記シャ
ッタ駆動回路の少なくとも一方の駆動タイミングを調整
するタイミング調整手段とを備えるものである。

【０００７】そして、前記所定の低減量または前記所定
の低減率は、前記シャッタを開状態にした際の前記固体
レーザ媒質内の熱蓄積に比較して、仮に電源電力量を変
化させずに前記シャッタを閉状態にした際の前記固体レ
ーザ媒質内の熱蓄積の増加割合に基づいて予め設定され
るものである。

【０００８】望ましくは、前記電源電力量調整手段は、
電源電圧値または電源電流値を変化させることで電源電
力量を調整する。

【０００９】あるいは、前記電源電力量調整手段は、前
記電源電流または前記電源電圧のデューティー比を変化
させることで電源電力量を調整する。

【００１０】また、さらに望ましくは、前記励起ランプ
の起動時から固体レーザ媒質の熱レンズ効果が飽和する
までの所定時間は、前記シャッタ駆動回路はシャッタを
閉状態にするとともに、前記電源電力量調整手段は励起
ランプの電源電力量を前記第２の電力量に設定するよう
にする。

【００１１】

【発明の実施の形態】

｛第１実施形態｝ ＜構成＞図１はこの発明の第１実施形態の固体レーザ装
置を示す図である。この実施形態の内部シャッタ式固体
レーザ装置は、シャッタを閉じたときに励起ランプの励
起入力を定常状態に比べて例えば２割程度低減して励起
し、シャッタを開けると同時に定常状態の励起入力に戻
すように電源制御を行うものである。以下、この固体レ
ーザ装置の構成について詳述する。

【００１２】この固体レーザ装置は、図１の如く、Ｎｄ
−ＹＡＧ等からなる固体レーザ媒質１１の両先端方向に
反射鏡１２及び出力鏡１３を正しく光軸調整して設置
し、一対の励起ランプとしてのフラッシュランプ（放電
管）１４を固体レーザ媒質１１の近傍に配置し、さらに
反射鏡１２とレーザ媒質との間に光路遮断を可能とする
ためのシャッタ１５を設置して、これらを駆動制御装置
１６によって駆動してレーザ発振するように構成されて
いる。

【００１３】固体レーザ媒質１１は、スラブ型の形状を
有するＮｄ−ＹＡＧ結晶またはガラス柱が用いられてい
る。

【００１４】反射鏡１２は、固体レーザ媒質１１から発
散された光を再び固体レーザ媒質１１に反射させるもの
で、反射率が例えば９９．９％に設定されたフラットミ
ラーが使用される。また出力鏡１３は、反射率が例えば
４０〜８０％程度の半透光性のフラットミラーが使用さ
れる。

【００１５】シャッタ１５は、回転式またはエア式等の
駆動機構が内蔵された一般的なものが使用されている。

【００１６】駆動制御装置１６は、フラッシュランプ１
４に電源供給するフラッシュランプ電源２１と、このフ
ラッシュランプ電源２１で供給する電源の電力量を調整
する電源電力量調整手段２２と、シャッタ１５の開閉を
駆動するシャッタ駆動回路２３と、電源電力量調整手段
２２およびシャッタ駆動回路２３の駆動タイミングを調
整するタイミング調整手段２４とを備えている。

【００１７】フラッシュランプ電源２１は、そのプラス
（＋）電極が各フラッシュランプ１４の一方の端部端子
に接続され、マイナス（−）電極が各フラッシュランプ
１４の他方の端部端子に接続されており、電源電力量調
整手段２２で調整された電力量の電源を所定のデューテ
ィー比で供給する。

【００１８】電源電力量調整手段２２は、図２（ａ）の
如く、タイミング調整手段２４からの第１のタイミング
指示信号Ｓｇ１に基づいて、フラッシュランプ電源２１
が供給する電源の電力量を、定常状態（シャッタ開状
態）Ｒ１の第１の電力量Ｐ１と、この第１の電力量Ｐ１
よりも所定の低減量δだけ低減した第２の電力量Ｐ２
（＝Ｐ１−δ）とに切換えるものである。ここで、第１
の電力量Ｐ１と第２の電力量Ｐ２との差分値である所定
の低減量δは、仮に電源電力量を変化させずにシャッタ
１５を閉じた場合の固体レーザ媒質１１内の熱蓄積の増
加割合に基づいて予め設定されるものであって、固体レ
ーザ媒質１１の材質や厚みやフラッシュランプ電源２１
のパルス周波数等の諸条件によって決定される。具体的
には、図２（ａ）のように、定常状態Ｒ１における電源
電圧Ｖ１を１００％として、シャッタ閉状態Ｒ２の電源
電圧Ｖ２を例えば２割（＝δ／Ｖ１）減の８０％に低減
するよう構成している。ここでは、電源波形のデューテ
ィー比は変化させていない。一般に、電力量は電圧値の
積分値であるため、上記の設定により定常状態（シャッ
タ開状態）Ｒ１とシャッタ閉状態Ｒ２との電源電力比
（Ｐ２／Ｐ１）が８０％に設定されることになる。

【００１９】シャッタ駆動回路２３は、タイミング調整
手段２４からの第２のタイミング指示信号Ｓｇ２に基づ
いてシャッタ１５の開閉切換を行うものである。

【００２０】タイミング調整手段２４は、シャッタ駆動
回路２３にシャッタ１５の閉切換指示を与えると同時に
電源電力量調整手段２２の電力量を第１の電力量Ｐ１か
ら第２の電力量Ｐ２に切換える第１のタイミング指示機
能と、シャッタ駆動回路２３にシャッタ１５の開切換指
示を与えると同時に電源電力量調整手段２２の電力量を
第２の電力量Ｐ２から第１の電力量Ｐ１に切換える第２
のタイミング指示機能とを有せしめられている。そし
て、特にフラッシュランプ１４の起動時から暫くは、固
体レーザ媒質の熱レンズ効果による影響が変化し、レー
ザ出力光の指向特性が安定しないため、フラッシュラン
プ１４の起動時から所定時間ｔ０が経過するまでは第２
のタイミング指示信号Ｓｇ２をシャッタ駆動回路２３に
与えることでシャッタ１５を閉状態にするとともに、電
源電力量調整手段２２に第１のタイミング指示信号Ｓｇ
１を与えてフラッシュランプ１４の電源電力量を第２の
電力量Ｐ２に設定するようにされている。なお、このタ
イミング調整手段２４は、ＲＯＭおよびＲＡＭ等が接続
された一般的なＣＰＵ内において所定のソフトウェアプ
ログラムによって動作する機能要素である。

【００２１】＜動作＞次に、上記構成の固体レーザ装置
の動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。な
お、一般に固体レーザ装置の始動時には、熱レンズ効果
による影響で固体レーザ媒質１１の内部屈折率の分布が
変化するので、初期の一時期においてレーザ光の指向特
性が定らない。したがって、固体レーザ装置の始動時に
暫くシャッタ１５を閉じておき、レーザの指向特性が安
定する時点、すなわち熱レンズ効果が一定となった時点
でシャッタ１５を開けてレーザを出力するようにし、そ
の後必要に応じてシャッタ１５を閉塞制御するものとす
る。

【００２２】まず動作を開始すると、フラッシュランプ
電源２１はパルス状の電源電圧をフラッシュランプ１４
に印加してこれを点灯させる。ここで、ステップＳ１の
初期設定段階においては、電源電力量調整手段２２はフ
ラッシュランプ電源２１の電源電力量を第１の電力量Ｐ
１に予め設定（すなわち、電源電圧をＶ２に設定）して
おく（図２（ａ））。また、この段階でシャッタ１５は
閉状態となっている（図２（ｃ））。したがって、フラ
ッシュランプ１４が点灯しても、固体レーザ媒質１１内
の光発振はシャッタ１５によって妨げられ、故にレーザ
は出力されない（図２（ｄ））。

【００２３】フラッシュランプ１４が点灯し続けると、
固体レーザ媒質１１内ではフラッシュランプ１４からの
光照射に伴って熱が蓄積され、固体レーザ媒質１１の内
部屈折率の分布が変化することから、図２（ｂ）のよう
に熱レンズ効果が徐々に現れる。しかしながら、フラッ
シュランプ電源２１の電源電力は電源電力量調整手段２
２によって低減されて第２の電力量Ｐ２に設定されてい
るので、固体レーザ媒質１１内の熱の蓄積は緩和されて
いる。

【００２４】そして、フラッシュランプ１４の点灯開始
から所定時間ｔ０が経過すると、熱レンズ効果は飽和状
態になり安定する。かかるｔ０経過時点で、タイミング
調整手段２４はその旨を検知し（ステップＳ２）、続い
てステップＳ３において、電源電力量調整手段２２に定
常状態切換を示す第１のタイミング指示信号Ｓｇ１を出
力して、図２（ａ）のようにフラッシュランプ電源２１
の電源電圧をＶ２からＶ１に切換えることで、電源電力
量を第２の電力量Ｐ２から定常状態の第１の電力量Ｐ１
に切換える。これと同時に、シャッタ駆動回路２３に開
動作指示を示す第２のタイミング指示信号Ｓｇ２を出力
し、これに基づいてシャッタ駆動回路２３はシャッタ１
５を開状態に切換える。

【００２５】その結果、図２（ｃ）のようにｔ０の時点
からシャッタ１５が開動作を行い始め、図２（ｄ）の如
く、定常状態（シャッタ開状態）Ｒ１においてレーザ出
力が実行され（ステップＳ４）、所望のレーザ加工また
はレーザ溶接等の作業が遂行される。

【００２６】ここで、作業を終了させたい場合、または
レーザ出力を一時的に停止させたい場合には、ステップ
Ｓ５において、作業者のパネル操作等による指示、また
は予め組込まれたプログラム等に基づいてその旨を判断
し、続いてステップＳ６において、タイミング調整手段
２４から電源電力量の低減を示す第１のタイミング指示
信号Ｓｇ１が出力され、これに基づいて電源電力量調整
手段２２はフラッシュランプ電源２１の電源電力量を第
１の電力量Ｐ１から第２の電力量Ｐ２に切換える。これ
と同時に、タイミング調整手段２４からシャッタ閉動作
指示を示す第２のタイミング指示信号Ｓｇ２が出力さ
れ、これに基づいてシャッタ駆動回路２３はシャッタ１
５に閉状態に切換える。

【００２７】この際もフラッシュランプ１４は点灯し続
けるため、固体レーザ媒質１１内ではフラッシュランプ
１４からの光照射に伴って熱が蓄積される。かかる熱は
レーザ出力エネルギーに変換されずに蓄積されるため、
定常状態（シャッタ開状態）Ｒ１のときよりも熱の蓄積
は増大する。

【００２８】しかしながら、図２（ａ）のように電源電
力量を第１の電力量Ｐ１から第２の電力量Ｐ２に低減し
ているので、固体レーザ媒質１１内の熱の過剰な蓄積を
回避でき、したがって、固体レーザ媒質１１の熱応力に
よる破壊を防止できる。

【００２９】そして、ステップＳ７においてレーザ出力
を再開すべきか否かを、さらにステップＳ８においてそ
のまま作業を終了すべきか否かを判断し、再開する場合
はステップＳ３以降の処理を繰返す。

【００３０】以上のように、シャッタ１５を閉状態にし
ても、過剰な熱応力の発生を防止できるため、固体レー
ザ媒質１１の熱応力による破壊を防止できる。

【００３１】｛第２実施形態｝第１実施形態では、フラ
ッシュランプ電源２１の電源電圧値を変化させることで
電源電力量を変化させていたが、この発明の第２実施形
態の固体レーザ装置は、図４のタイミングチャートの如
く、パルス状の電源電流のデューティー比を低減させる
ことで電源電力量を変化させるものである。すなわち、
固体レーザ装置の全体構成は図１に示した第１実施形態
と同様であるが、電源電力量調整手段２２による電力量
の設定変更が、図４（ａ）の如く、シャッタ閉状態Ｒ２
における電源電流のハイ状態のパルス幅Ｗｐ２を定常状
態（シャッタ開状態）Ｒ１のときのパルス幅Ｗｐ１より
所定の割合で低減している。ここで、短縮すべき所定の
割合は、仮に電源電力量を変化させずにシャッタ１５を
閉じた場合の固体レーザ媒質１１内の熱蓄積の増加割合
に基づいて予め設定されるものであって、固体レーザ媒
質１１の材質や厚みやフラッシュランプ電源２１のパル
ス周波数等の諸条件によって決定され、具体的には、定
常状態Ｒ１における電源電流のパルス幅Ｗｐ１を１００
％として、シャッタ閉状態Ｒ２の電源電流のパルス幅Ｗ
ｐ２を例えば２割減の８０％に低減するよう構成してい
る。ここでは、電源波形の周期および周波数は変化させ
ていない。一般に、電力量は電圧値の積分値であるた
め、上記の設定により定常状態（シャッタ開状態）Ｒ１
とシャッタ閉状態Ｒ２との電源電力比（Ｐ２／Ｐ１）が
８０％に設定されることになる。

【００３２】その他の構成は第１実施形態と同様のた
め、説明を省略する。この実施形態によっても、第１実
施形態と同様に電源電力量を切換えることで、シャッタ
１５を閉状態にしても、過剰な熱応力の発生を防止でき
るため、固体レーザ媒質１１の熱応力による破壊を防止
できる。

【００３３】｛変形例｝以上のように、第１実施形態で
は電源電圧値を変化させ、あるいは第２実施形態ではデ
ューティー比を変化させることで電源電力量を変化させ
ていたが、これに限るものではなく、例えば電源電流値
を変化させたり、繰返し周期やパルス幅等を変化させる
ことで電源波形自体を変化させたり、あるいはこれらの
要素変化の組合わせにより電力量を変化させてもよい。

【００３４】また、上記実施形態では、フラッシュラン
プ電源２１、電源電力量調整手段２２、シャッタ駆動回
路２３およびタイミング調整手段２４を１個の駆動制御
装置１６として構成していたが、例えばフラッシュラン
プ電源２１とシャッタ駆動回路２３とを別々の構成要素
として分離して構成してもよい。この場合、タイミング
調整手段２４は、フラッシュランプ電源２１と同一のケ
ースに収納してもよいし、あるいはシャッタ駆動回路２
３と同一のケースに収納してもよい。

【００３５】さらに、シャッタの開閉状態を検出する検
出センサーを設け、その検出結果に基づいてタイミング
調整手段２４が電源電力量調整手段２２にタイミング指
示を与える構成としてもよい。逆に、電源電力量調整手
段２２の電源電力量を検出する検出回路を設け、その検
出結果に基づいてタイミング調整手段２４がシャッタ駆
動回路２３にタイミング指示を与えるようにしてもよ
い。

【００３６】さらにまた、例えばレーザ出力停止時には
シャッタの開閉状態を検出する検出センサーの検出結果
に基づいてタイミング調整手段２４が電源電力量調整手
段２２にタイミング指示を与え、レーザ出力開始時には
電源電力量調整手段２２の電源電力量を検出する検出回
路の検出結果に基づいてタイミング調整手段２４がシャ
ッタ駆動回路２３にタイミング指示を与えるようにして
もよい。

【００３７】また、上記実施形態では、パルス電源にお
ける電力量の調整について説明したが、連続波（ＣＷ）
レーザにおけるＣＷ電源において電圧値または電流値を
変化させることによって電力量を変化させてもよい。

【００３８】

【発明の効果】請求項１ないし請求項４に記載の発明に
よれば、内部シャッタ式固体レーザ装置において、固体
レーザ媒質内での熱蓄積が増大するシャッタ閉状態の際
に電力量を低減するよう構成しているので、シャッタ閉
時における固体レーザ媒質内の熱の過剰な蓄積を回避で
きる。したがって、固体レーザ媒質の熱応力による破壊
を防止できる。

【００３９】また、請求項５に記載の発明によれば、励
起ランプの起動時から固体レーザ媒質の熱レンズ効果が
飽和するまでの所定時間、シャッタ駆動回路によりシャ
ッタを閉状態にしてレーザ出力を停止しているので、励
起ランプの起動直後に熱レンズ効果が変化してレーザ出
力光の指向特性が安定しないといった事態を回避でき
る。この場合、電源電力量調整手段により励起ランプの
電源電力量を低減するようにしているので、シャッタが
閉状態であることに起因する固体レーザ媒質内の熱の過
剰な蓄積を防止でき、固体レーザ媒質の熱応力による破
壊を防止できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態の固体レーザ装置の概
略を示す模式図である。

【図２】この発明の第１実施形態の固体レーザ装置の動
作を示すタイミングチャートである。

【図３】この発明の第１実施形態の固体レーザ装置の動
作を示すフローチャートである。

【図４】この発明の第２実施形態の固体レーザ装置を示
す図である。

【図５】従来の固体レーザ装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１ 固体レーザ媒質 １２ 反射鏡 １３ 出力鏡 １４ フラッシュランプ １５ シャッタ １６ 駆動制御装置 ２１ フラッシュランプ電源 ２２ 電源電力量調整手段 ２３ シャッタ駆動回路 ２４ タイミング調整手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体レーザ媒質と、 前記固体レーザ媒質に励起光を照射するための励起ラン
   プと、 前記励起ランプに電源を供給するランプ電源と、 前記ランプ電源の電源電力量を、第１の電力量と、該第
   １の電力量より所定の低減量または所定の低減率で低減
   された第２の電力量とに切換調整する電源電力量調整手
   段と、 前記固体レーザ媒質の両先端方向に配置された反射鏡お
   よび出力鏡と、 前記固体レーザ媒質内でのレーザ発振を停止させる際に
   光路を遮断するよう前記反射鏡または前記出力鏡と前記
   固体レーザ媒質との間に配置されたシャッタと、 前記シャッタの開閉切換を行うシャッタ駆動回路と、 前記シャッタ駆動回路がシャッタを開状態にしている間
   は前記ランプ電源の電源電力量が前記第１の電力量に設
   定され、前記シャッタ駆動回路がシャッタを閉状態にし
   ている間は前記ランプ電源の電源電力量が前記第２の電
   力量に設定されるよう、前記電源電力量調整手段および
   前記シャッタ駆動回路の少なくとも一方の駆動タイミン
   グを調整するタイミング調整手段とを備える固体レーザ
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の固体レーザ装置であっ
   て、前記第１の電力量に対する前記第２の電力量Ｐ２に
   ついての所定の低減量または所定の低減率は、前記シャ
   ッタを開状態にした際の前記固体レーザ媒質内の熱蓄積
   に比較して、仮に電源電力量を変化させずに前記シャッ
   タを閉状態にした際の前記固体レーザ媒質内の熱蓄積の
   増加割合に基づいて予め設定されることを特徴とする固
   体レーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の固体レ
   ーザ装置であって、前記電源電力量調整手段は、電源電
   圧値または電源電流値を変化させることで電源電力量を
   調整することを特徴とする固体レーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２に記載の固体レ
   ーザ装置であって、前記ランプ電源は前記励起ランプに
   パルス状の電源電流または電源電圧を供給するようにさ
   れ、 前記電源電力量調整手段は、前記電源電流または前記電
   源電圧のデューティー比を変化させることで電源電力量
   を調整することを特徴とする固体レーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２に記載の固体レ
   ーザ装置であって、前記励起ランプの起動時から前記固
   体レーザ媒質の熱レンズ効果が飽和するまでの所定時間
   は、前記シャッタ駆動回路はシャッタを閉状態にすると
   ともに、前記電源電力量調整手段は励起ランプの電源電
   力量を前記第２の電力量に設定するようにしたことを特
   徴とする固体レーザ装置。