專利名稱：激光振蕩裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光振蕩裝置，特別涉及能夠可變Q開關(guān)脈沖寬度的激光振 蕩裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
利用了發(fā)生連續(xù)波(Continuous Wave,后面，也稱為CW)的超聲波等 的聲光Q開關(guān)(Acoust-Optic Q-Switch,后面，也記為AOQ-SW)激光振蕩 裝置，可得到脈沖寬度窄且峰值高的連續(xù)波脈沖。因此，廣泛普及在激光微 調(diào)加工、激光制標(biāo)加工等領(lǐng)域。
以往，AOQ-SW激光振蕩裝置存在不能自由改變Q開關(guān)(后面，也稱為 Q-SW)激光脈沖寬度的缺點。例如，在5kHz的重復(fù)頻率下，設(shè)一定的激勵 用LD (激光二極管Laser Diode)的電流為固定，則Q開關(guān)脈沖寬度被自 動決定。從而，在電流一定的條件下，其值不能變長或變短。
在激光的原理上，可由例如以下的3種方法對Q開關(guān)脈沖寬度進行可變 控制。首先，第1方法是在小于激光激活離子的熒光壽命狀態(tài)下，對激光介 質(zhì)的激勵時間進行控制，使其延長至熒光壽命為止。由此，能夠提高峰值功 率，且縮短Q開關(guān)脈沖寬度。相反，若將激勵時間從熒光壽命時間開始縮短， 則峰值功率也減少，且還能夠延長Q開關(guān)脈沖寬度。
該第1方法是利用圖11所示的Q開關(guān)激光的特性的方法。圖11中，橫 軸取Q開關(guān)頻率，縱軸取Q開關(guān)脈沖的峰值輸出和Q開關(guān)脈沖寬度，是表示 激勵光強固定情況下的Q開關(guān)脈沖的特性的曲線圖。如圖11所示，Q開關(guān)脈 沖寬度具有，在激勵光強一定的情況下，Q開關(guān)振蕩頻率越高則越長，相反， 在變低的方向變短的特性。存在若Q開關(guān)振蕩頻率減低，則Q開關(guān)脈沖寬度 飽和的傾向。利用該原理，例如在需要1kHz的Q開關(guān)脈沖頻率的情況下， 構(gòu)成為能夠?qū)嶋H的Q開關(guān)頻率以lkHz、 5kHz、 10kHz、 15kHz、 20kHz的 5個級振蕩。在5kHz以上的頻率上，利用外部的高速光快門(shutter)等， 將激光脈沖列分別拉長間隔為1/5、 1/10、 1/15、 1/20。這樣，可得到Q開關(guān)脈沖寬度不同的5級的lkHz的脈沖列。但是，如圖11所示，Q開關(guān)脈沖的
值輸出的情況下，需要用于衰減峰值輸出的外部衰減器(attenuator)。此外， 由于通過衰減不能有效利用峰值輸出，因此存在激光振蕩裝置大型化等作為 產(chǎn)業(yè)用激光裝置所重視的成本方面的問題。
第2方法是提高對激勵激光介質(zhì)的激勵光密度的方法。由此，能夠縮短 Q開關(guān)脈沖寬度。即，通過增大激勵用LD的電流值，且增大LD輸出光強度， 或者若輸入的LD激勵光功率固定，則通過使LD激勵光聚光為較小，從而能 夠縮短Q開關(guān)脈沖寬度。
如圖12所示，該第2方法利用在LD激勵光強度上升時Q開關(guān)脈沖寬度 縮短的特性。在圖12中，橫軸取LD激勵光強度，縱軸取Q開關(guān)脈沖寬度， 是表示兩者的關(guān)系的曲線圖。通過增大LD電流值而LD激勵光強度能夠變大。 利用該特性，通過在能夠得到期望的脈沖寬度(圖12所示的tp)的電流值下 使用的方法，能夠選擇某一程度的脈沖寬度。但是，此時也與第l方法相同， 在以相同峰值輸出并用寬脈沖寬度和窄脈沖寬度的情況下，需要用衰減器衰 減輸出。
第3方法是通過伸縮光諧振器長度，從而改變光諧振器中的往返時間。 原理上，伸縮光諧振器，對改變Q開關(guān)脈沖寬度具有顯著的效果。例如，通 過縮短光諧振器長度，從而即使在具有相同增益的活性介質(zhì)中往返的情況下， 往返時間也縮短，即往返次數(shù)增大。由此，脈沖上升時間縮短，從而整體Q 開關(guān)脈沖寬度縮短。但是，由于在實際的裝置中難以自由改變諧振器長度， 因此從脈沖寬度的外部控制這一觀點出發(fā)，則是一種非常困難的方法。
因此，作為現(xiàn)今市場上所實施的脈沖寬度可變方法，存在如專利文獻1 所公開的方式。該方式，與一般的AOQ-SW元件的連續(xù)波的Q開關(guān)振蕩器 相同，但在Q開關(guān)振蕩信號的定時之前的時間(Ta)控制該AOQ-SW元件的 ON (導(dǎo)通)/OFF (截止)。即控制對高能級的激勵積累時間。這樣，利用通 過控制激光振蕩裝置的增益，從而控制所發(fā)生的Q開關(guān)脈沖寬度的方法。
圖13表示用于進行專利文獻1所公開的脈沖寬度可變方法的激光振蕩裝 置的結(jié)構(gòu)。圖13所示的激光振蕩裝置包括激光振蕩裝置頭(head) 11、外部 AOD元件(聲光偏向元件Acoust-Optic Deflector) 114、定時電路101、 102、 以及RF驅(qū)動器21、 121。如圖13所示，激光振蕩裝置頭11是側(cè)面激勵方式的激光振蕩裝置頭。而且，該光諧振器包括在振動器光軸50上依次配置的全 反射鏡15、 Nd:YAG桿(rod) 12、內(nèi)部AOQ-SW元件14以及輸出鏡16。此 外，配置對Nd:YAG桿12的側(cè)面照射激勵光的激勵用LD13。根據(jù)這樣的結(jié) 構(gòu)，專利文獻1的激光振蕩裝置具有能夠基于外部信號控制Q開關(guān)脈沖寬度 的特征。具體來說，通過縮短圖14的圖(2)所示的對高能級的積累時間Ta， 從而能夠縮短圖(7)所示的脈沖寬度。
專利文獻l:(日本)特開2001-353585號公報(第5頁、圖l)
但是在專利文獻1的脈沖寬度可變方法中，由于激勵光是連續(xù)光，因此 在Q開關(guān)成為ON的區(qū)域，產(chǎn)生CW光的振蕩。這樣，存在CW光從振蕩器 頭的出射口輸出的缺點。對此，參照圖14進行說明。圖14是表示使用了圖 13所示的激光振蕩裝置的脈沖寬度的可變控制的動作的定時圖。如圖14所 示，相當(dāng)于對內(nèi)部Q開關(guān)不施加RF (高頻Radio Frequency)功率(圖14 (3))的情況(RF; OFF)下的振蕩器輸出(圖14 (4))在粗線表示的范圍 內(nèi)出射連續(xù)波。即，在原來不應(yīng)該出射激光的地方，進行連續(xù)波振蕩。因此 需要在振蕩器頭外部設(shè)置某種快門。
在專利文獻l的例子中，由于應(yīng)用于激光微調(diào)裝置，因此需要該外部光 開關(guān)為高速開關(guān)。因此，使用開關(guān)速度高的AOD元件截止CW分量的振蕩 部分。如圖14的圖(5 )所示，將對外部AOD元件的RF功率控制信號154 設(shè)為ON至圖(4)的脈沖振蕩結(jié)束為止。接著，在圖(4)所示的連續(xù)波振 蕩的期間切換使得對外部AOD元件的RF功率控制信號154成為OFF。在該 例子中，如圖(5)、 (6)所示，通過將對外部AOD元件的RF功率155設(shè)為 OFF,從而外部Q開關(guān)成為ON,通過將對外部AOD元件的RF功率155設(shè) 為ON，從而外部Q開關(guān)成為OFF。通過將外部Q開關(guān)設(shè)為OFF從而截止 CW分量，如圖(7)所示，從外部AOD元件114僅輸出脈沖分量。圖(8) 所示的CW分量的光線由外部AOD元件114而折回，照射到吸收塊(block), 從而防止對加工面的出射。此后，如在圖(5)中箭頭所示，配合內(nèi)部Q開 關(guān)從ON切換為OFF的定時，外部Q開關(guān)從OFF切換為ON。
因此，在該方式中，需要使用光諧振器內(nèi)部的AOQ-SW元件和光諧振器 外部的AOD元件2組的AO(聲光Acoust-Optic )元件。AOD元件與AOQ-SW 元件同樣地還需要RF驅(qū)動器電路。因此，不僅控制變得復(fù)雜，而且存在成 本高的問題。此外，由于這些RF驅(qū)動器電路在其性質(zhì)上發(fā)生輻射噪聲，因此在裝置的規(guī)格上有時需要減小該輻射噪聲的結(jié)構(gòu)。這也成為成本上升的原因。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣的問題點而完成，其目的在于提供能夠簡化控制電路，
且能夠在低成本下可變控制Q開關(guān)脈沖寬度的激光振蕩裝置及其控制方法。
本發(fā)明的激光振蕩裝置，其特征在于包括光諧振器，具有在其光軸上 配置的固體激光介質(zhì)和Q開關(guān)元件，可進行激光振蕩以及Q開關(guān)脈沖振蕩； 激勵光源，對所述固體激光介質(zhì)照射激勵光，從而可進行所述激光振蕩；以 及激勵光控制部件，與所述光諧振器進行一次或多次所述Q開關(guān)脈沖振蕩的 定時同步地，將所述激勵光的強度降低直至成為比所述激光振蕩的閾值小的 規(guī)定的強度為止。
本發(fā)明的激光振蕩裝置的控制方法，其特征在于，與光諧振器進行一次 或多次的Q開關(guān)振蕩的定時同步地，將照射到所述光諧振器的固體激光介質(zhì) 的激勵光的強度降低直至成為比所述光諧振器的激光振蕩的閾值小的規(guī)定的 強度為止。
根據(jù)本發(fā)明，能夠得到不包含連續(xù)波分量的Q開關(guān)脈沖，而不使用內(nèi)置 在激光振蕩裝置的Q開關(guān)元件以外的外部元件，因此能夠提供可簡化控制電 路，且能夠以低成本可變控制Q開關(guān)脈沖寬度的激光振蕩裝置。
圖l是表示本發(fā)明的第1實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。 圖2 (1)至圖2 (7)是表示利用了圖1所示的激光振蕩裝置的Q開關(guān) 脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。
圖3是表示LD電流控制電路的結(jié)構(gòu)的方框圖。 圖4是表示LD電流的脈沖寬度Pw的定時圖。
圖5是表示本發(fā)明的第2實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。 圖6 (1)至圖6 (7)是表示利用了圖5所示的激光振蕩裝置的Q開關(guān) 脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。
圖7是表示本發(fā)明的第3實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。 圖8 (1)至圖8 (7)是表示利用了圖7所示的激光振蕩裝置的Q開關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。
圖9是表示本發(fā)明的第4實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖10 ( 1 )至圖10 (6)是表示利用了圖9所示的激光振蕩裝置的Q開 關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。
圖11是橫軸取Q開關(guān)頻率，縱軸取Q開關(guān)脈沖的峰值輸出和Q開關(guān)脈 沖寬度，表示在激勵光強度一定的情況下的Q開關(guān)脈沖的特性的曲線圖。
圖12是橫軸取LD激勵光強度，縱軸取Q開關(guān)脈沖寬度，表示兩者的關(guān) 系的曲線圖。
圖13是表示用于進行專利文獻1所公開的脈沖寬度可變方法的激光振蕩 裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖14 ( 1 )至圖14 ( 8 )是表示利用了圖13所示的激光振蕩裝置的Q開 關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。
標(biāo)號說明11激光振蕩器頭
12Nd:YAG桿
13激 勵用LD
14內(nèi)部AOQ-SW元件
15全反射鏡
16輸出鏡
17Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路
18LD電流控制電3各
19LD驅(qū)動器
20RF振幅控制電路
21RF驅(qū)動器
31最大電流設(shè)定電路
32最小電流設(shè)定電路
33電流斜率(slope)設(shè)定電路
34脈沖寬度設(shè)定電路
35激光振蕩器頭
36凸透鏡
37激勵用LD纖維(fiber)單元38:激勵用LD光纖
39:聚光透鏡
41:激光振蕩器頭
42:光快門
43:光快門驅(qū)動器
44: LD驅(qū)動器
46:通信用LD
50:振蕩器光軸
51:出射脈沖信號
52: Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號
53: LD電流控制信號
54: RF功率的調(diào)制控制信號
55: RF功率
56: LD驅(qū)動電流
57:振蕩器輸出
72:激勵用LD光纖輸出光
81:光快門驅(qū)動輸出信號
91: LD電源驅(qū)動
101:定時電^各
102:定時電3各
114:外部AOD元件
121: RF驅(qū)動器
151:對內(nèi)部AOQ-SW元件的RF功率控制信號 154:對外部AOD元件的RF功率控制信號 155:對外部AOD元件的RF功率 157:來自外部AOD元件的輸出 158:通過AOD元件偏向的CW光
具體實施例方式
本發(fā)明具有以下的特征。本發(fā)明的激光振蕩裝置，與光諧振器進行Q開 關(guān)脈沖振蕩的定時同步，控制施加到激勵用的激勵光源的電流，使其下降至比光諧振器的激光振蕩閾值小的規(guī)定的電流值為止。這樣，在可產(chǎn)生cw光
的AOQ-SW激光振蕩裝置中，能夠得到不含CW分量的Q開關(guān)脈沖，而無 需追加外部元件。
此時，可構(gòu)成為激勵光照射到與固體激光介質(zhì)中的光諧振器的光軸方向 正交的面，也可以構(gòu)成為激勵光照射到沿著固體激光介質(zhì)中的光諧振器的光 庫由方向的面。
此外，也可以與一次或多次的所述Q開關(guān)脈沖振動的定時同步地，控制 施加到所述激勵光源的電流，4吏其在比Q開關(guān)^0中的上升時間長的時間內(nèi)同 樣減少，直至比所述激光振蕩的閾值的電流值小的規(guī)定的電流值為止。
而且，也可以在激勵光源和激光介質(zhì)之間配置光快門，通過開關(guān)該光快 門來控制激勵光的強度。
此外，激勵光源可以設(shè)為激光二極管。
此外，也可以是激勵光源由多個激光二極管構(gòu)成，通過改變這些多個激 光二極管的發(fā)光個數(shù)，從而控制激勵光的強度。
此外，也可以與由于Q開關(guān)元件的動作而光諧振器的Q值成為低值的時 間同步，控制激勵光的強度使其比所述激光振蕩的閾值大。
接著，參照附圖具體說明本發(fā)明的實施方式。首先，說明本發(fā)明的第1 實施方式。圖1是表示本第1實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖，圖 2是表示使用了圖1所示的激光振蕩裝置的Q開關(guān)脈沖寬度控制方法的動作 的定時圖。
如圖1所示，本實施方式的激光振蕩裝置包括激光振蕩器頭ll、 Q開 關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17、 LD電流控制電路18、 LD驅(qū)動器19、 RF振幅控制 電路20、以及RF驅(qū)動器21。
激光振蕩器頭11是側(cè)面激勵方式的激光振蕩器頭。而且，該光諧振器包 括依次在振蕩器光軸50上配置的全反射鏡15、Nd:YAG桿12、內(nèi)部AOQ-SW 元件14以及輸出鏡16。此外，配置了對Nd:YAG桿12的側(cè)面照射激勵光的 激勵用LD13。激光出射側(cè)的輸出鏡16和其相反側(cè)的全反射鏡15相對配置。 內(nèi)部AOQ-SW元件14是能夠在高值/低值之間切換光諧振器的Q值的元件。 此外，激勵用LD13 ^L配置為能夠?qū)ρ刂鳱d:YAG桿12的光軸方向的面(側(cè) 面)照射激勵光。通過照射該激勵光，光諧振器可進行連續(xù)波的激光振蕩。
接著，參照圖1和圖2說明本實施方式的動作，如圖1所示，Q開關(guān)脈
10沖寬度設(shè)定電路17基于從外部輸入的出射脈沖信號51 (圖2 ( 1 )),設(shè)定Q 開關(guān)脈沖寬度。而且，Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17對激勵用LD13側(cè)的LD 電流控制電路18、和內(nèi)部AOQ-SW元件14側(cè)的RF振幅控制電路20輸出Q 開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52 (圖2 (2))。這里，圖2 (2)的時間Ta是將期望 的Q開關(guān)脈沖寬度的脈沖發(fā)生所需的能量積累到激光高能級的時間。在本實 施方式中，進行控制使得該時間Ta通過多次脈沖振蕩而分別固定。
LD電流控制電路18基于從Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17輸入的Q開關(guān) 脈沖寬度設(shè)定信號52，控制用于驅(qū)動激勵用LD13的電流(LD電流)。即， LD電流控制電路18與為了調(diào)整積累時間(Ta)而將RF功率設(shè)為OFF的時 間同步地控制激勵用LD13的驅(qū)動電流。而且，LD電流控制電^各18對LD 驅(qū)動器19輸出LD電流控制信號53 (圖2 (3))。如圖2(3)所示，本實施 方式的LD電流控制信號53，其High (高)電平和Low (低)電平變化為斜 坡狀，即變化為對于時間軸具有信號電平的梯度，從而相互切換。另外，在 本實施方式中，如后所述，圖2 (3 )的Low電平被設(shè)定為比LD驅(qū)動電流56 為0 (zero)的情況下的電平(LD0)高。
LD驅(qū)動器19基于從LD電流控制電路18輸入的LD電流控制信號53, 對激勵用LD13輸出LD驅(qū)動電流56 (圖2 (6))。如圖2(6)所示，LD驅(qū) 動電流56與LD電流控制信號53 —樣，LD電流的High電平和低電平以斜 坡狀的變化相互切換。LD驅(qū)動電流56的高電平與圖2( 3 )所示的高電平(LD High )對應(yīng)。在該高電平時，LD驅(qū)動電流56成為大于激光振蕩的振蕩閾值 (threshold)的電流值。此外，LD驅(qū)動電流56的J氐電平與圖2 (3)所示的 低電平(LDLow)對應(yīng)。在本實施方式中，低電平的電流值是大于0 (zero) 且稍微小于激光振蕩的振蕩閾值的值。激勵用LD13根據(jù)被輸入的LD驅(qū)動電 流56而驅(qū)動，且通過從側(cè)面激勵Nd:YAG桿12 ，從而使激光振蕩。
RF振幅控制電路20基于從Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17輸入的Q開關(guān) 脈沖寬度設(shè)定信號52，設(shè)定對內(nèi)部AOQ-SW元件14提供的RF功率的振幅， 并將光諧振器的Q值僅在時間(Ta)設(shè)為低值，因此進行控制以使將RF功 率設(shè)為ON狀態(tài)，所述時間(Ta)根據(jù)Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17而設(shè)定。 然后，對RF驅(qū)動器21輸出與被設(shè)定的RF功率的振幅對應(yīng)的RF功率的調(diào)制 控制信號54 (圖2 (4))。如圖2 (4)所示，RF功率的調(diào)制控制信號54具 有在與Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52對應(yīng)的定時切換High/Low電平的波形。另外，在本實施方式，在RF功率為ON時光諧振器的Q值成為低值，在RF 功率為OFF時光諧振器的Q值成為高值。
RF驅(qū)動器21基于從RF振幅控制電路20輸入的RF功率的調(diào)制控制信 號54，輸出被內(nèi)部AOQ-SW元件14調(diào)制的RF功率55 (圖2 (5))。如圖2 (5)所示，RF功率55在與RF功率的調(diào)制控制信號54對應(yīng)的定時切換 ON/OFF。在將RF功率設(shè)為ON時(圖(2)的時間Ta期間)，RF功率55 作為具有被設(shè)定的振幅以及規(guī)定的頻率的波形的RF功率而被提供給 AOQ-SW元件14。另外，在圖2(5)中，對RF波形進行簡化而圖示(在后 面的圖中也同樣)。
在從RF驅(qū)動器21輸入的RF功率55成為OFF時，內(nèi)部AOQ-SW元件 14將光諧振器的Q值急速地設(shè)為高值。由此，本實施方式的激光加工裝置輸 出作為與上述的時間Ta對應(yīng)的脈沖寬度的Q開關(guān)脈沖的振蕩器輸出57(圖2 (7))。另外，在圖2 (7)所示的振蕩器輸出57中，在向上突起的脈沖形狀 的波形以外的、由0 (zero)表示的水平部分中，不輸出脈沖分量、也不輸出 CW分量(在以后的圖中也同樣)。
接著，參照圖3和圖4詳細說明LD電流控制電路18。圖3是表示LD 電流控制電路18的結(jié)構(gòu)的方框圖，圖4是表示LD電流的脈沖寬度Pw的定 時圖。另外，圖4所示的LD電流的波形對應(yīng)于圖2(6)。如圖3所示，LD 電流控制電路18包括最大電流值設(shè)定電路31、最小電流值設(shè)定電路32、電 流斜率設(shè)定電路33以及脈沖寬度設(shè)定電路34。此外，從外部提供對于LD電 流控制電路18的Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52以外的輸入?yún)?shù)(最大電流值、 最小電流值、電流斜率r、以及電流脈沖寬度Pw)。
本實施方式的LD電流控制電路18具有以下兩種功能，即第一、將LD 電流值設(shè)定為High和Low兩級的電平而能夠進行控制；第二、在將LD電流 值在兩級間切換時對電流的變化提供斜率。如上所述，在本實施方式中，LD 電流的Low電平的設(shè)定值被設(shè)定為比激光振蕩的振蕩閾值稍微低的值。其結(jié) 果，本實施方式的激光振蕩裝置，即使使用l個AO元件，也能夠在將對內(nèi) 部AOQ-SW元件14的RF功率55設(shè)為OFF的時間，即在光諧振器的Q值 為高值的時間，也不輸出CW激光。
此外，對LD電流值的變化提供斜率是因為存在以下情況，即在高輸出 LD的情況下，若在LD電流值的時間變化(=AId/At)較大的狀態(tài)下使LD電流值ON/OFF，則LD元件產(chǎn)生的熱量較大地變化，爿t人而LD元件有時容易 劣化。因此，在本實施方式中對LD電流值的變化提供斜率，較小地抑制AId /△t，從而進行控制以盡量抑制劣化。為了抑制LD元件的劣化，電流值的 斜坡狀的變化所需的時間盡量長為好。但是，在Q開關(guān)脈沖的上升以及下降 后，LD電流大于振蕩閾值的情況下，直至電流值小于閾值為止，CW分量被 輸出。實際上，由于若輸出CW分量的時間短則對輸出光的影響較小，所以 考慮到這一點后決定斜坡狀的變化所需的時間即可。
如上說明那樣，在本實施方式中，不是以一定的電流值驅(qū)動激勵用LD， 而是與施加到內(nèi)部AOQ-SW元件14的RF功率55處于OFF狀態(tài)的時間同步 地進行控制，使得LED驅(qū)動電流56成為光諧振器的閾值電流值以下。由此， 能夠?qū)崿F(xiàn)消除與Q開關(guān)脈沖同時發(fā)生的CW激光功率分量，而無需如以往那 樣在諧振器的外部設(shè)置外部AOD元件。這意味著由于能夠省略1個AOD元 件和用于驅(qū)動它的RF驅(qū)動器方式，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大幅的成本削減。
此外，在使用外部AOD元件時，需要安裝用于控制這些AOQ-SW元件 和AOD元件的CPU (中央運算處理裝置Central Processing Unit)的控制電 路。相對于此，根據(jù)本實施方式，由于能夠通過通常的邏輯+模擬電路進行控 制，因此能夠簡化系統(tǒng)。在將本實施方式的激光振蕩裝置不搭載在激光微調(diào) 裝置等系統(tǒng)上，而以激光振蕩裝置單體形式使用的情況下，本效果尤其顯著。
而且，在本實施方式中，通過對LD電流值的ON/OFF 4是供斜率而進行
能夠期待不使LD電流值完全OFF,而是某一時間使它下降至閾值電流值以 下的規(guī)定的電流值為止，從而將斜坡的傾斜度變得緩慢且將激勵用LD的平 均驅(qū)動電流降低幾十％左右。由此，與以往相比能夠大幅延長激勵用LD的壽 命。另外，本效果在例如超過幾十W等級的大輸出的LD中尤其顯著。
此外，在本實施方式中，將對高能級的積累時間控制為一定。由此，能 夠自動地控制最初脈沖(first pulse )，所謂的最初脈沖是指在激光ON/OFF時 等最初的Q開關(guān)脈沖比此后的脈沖大數(shù)倍的脈沖。
接著，參照圖5和圖6說明本發(fā)明的第2實施方式。圖5是表示本第2 實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖。圖6是表示使用了圖5所示的激 光振蕩裝置的Q開關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。另外，在圖5和圖 6中，對與圖1至圖4所示的第1實施方式相同的結(jié)構(gòu)物附加相同的標(biāo)號，并省略其詳細i兌明。
本實施方式的激光振蕩裝置與第1實施方式的不同點在于，對與Nd:YAG 桿中的光諧振器的光軸方向正交的面(端面)照射激勵光，從而作為激勵 Nd:YAG桿的端面激勵方式的LD激勵激光而構(gòu)成。此外，在本實施方式中， 使用從光纖端部出射激勵光型的激勵用LD。
如圖5所示，本實施方式的激光振蕩裝置具有端面激勵方式的激光振蕩 器頭35。此外，本實施方式的激光振蕩裝置代替圖1所示的LD驅(qū)動器19和 激勵用LD13，由激勵用LD纖維單元37和激勵用LD纖維38構(gòu)成。激勵用 LD纖維38例如能夠使用安裝引線纖維(pigtail fiber)的型式。
激光振蕩器頭35是端面激勵方式的頭。而且，該光諧振器與第1實施方 式一樣，包括在振蕩器光軸50上依次配置的全反射鏡15、 Nd:YAG桿12、 內(nèi)部AOQ-Sw元件14、以及輸出鏡16。此外，配置了對Nd:YAG桿12的端 面照射激勵光的光纖38。在本實施方式中，為了經(jīng)由全反射鏡15對Nd:YAG 桿12的端面照射激勵用LD纖維輸出光72，因此安裝光纖38的輸出端。而 且，在光纖38的輸出端和全反射鏡15之間，設(shè)置用于使激勵用LD纖維輸 出光72成為平行光的凸透鏡36、以及用于在Nd:YAG桿12的端面聚光的聚 光透鏡39。另外，除了圖示的以外還可以設(shè)置透鏡等光學(xué)系統(tǒng)。
接著，對于本實施方式的動作，以與第1實施方式的不同點為中心進行 說明。在本實施方式中，來自LD電流控制電路18的信號的LD電流控制信 號53輸入到激勵用LD纖維單元37。在第1實施方式中，圖1所示的LD驅(qū) 動器19對激勵用LD13輸出LD驅(qū)動電流56，所述LD驅(qū)動電流56具有以 斜坡狀的變化在High/Low電平之間進行切換的波形。相對于此，在本實施方 式中，激勵用LD纖維單元37經(jīng)由光纖38對Nd:YAG桿12的端面照射激勵 用LD纖維輸出光72。如圖6(6)所示，該激勵用LD纖維輸出光72是，與 第1實施方式的LD驅(qū)動電流56(圖2( 6 ))同樣，以斜坡狀的變化在High/Low 電平之間進行切換的強度電平的光。激勵用LD纖維輸出光72的High電平 對應(yīng)于圖6 (3)所示的High電平(LD High )。該High電平時，激勵用LD 纖維輸出光72成為比激光振蕩的振蕩閾值大的光強度。此外，激勵用LD纖 維輸出光72的Low電平對應(yīng)于圖6(3)所示的Low電平(LD Low )。在本 實施方式中，Low電平的光強度是比O( zero)大且比激光振蕩的振蕩閾值稍 微低的光強度。該光激勵Nd:YAG桿12，從而使光諧振器進行激光振蕩。另外，內(nèi)部AOQ-SW元件14側(cè)的控制電路、以及圖6的圖(1)~(5)、 (7) 與第1實施方式相同。
如上所述，在本實施方式中，使用端面激勵方式的激光振蕩器頭，能夠 得到與第1實施方式同樣的效果。
接著，參照圖7和圖8說明本發(fā)明的第3實施方式。圖7是表示第3實 施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖，圖8是表示使用了圖7所示的激光 振蕩裝置的Q開關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。另外，在圖7和圖8 中，對于與圖1至圖6所示的第1和第2實施方式相同結(jié)構(gòu)物附加相同的標(biāo) 號，并省略其詳細說明。
本實施方式的激光振蕩裝置與第2實施方式相同，是端面激勵方式的振 蕩器，但具有用于遮擋激勵用LD纖維輸出光72的光快門42、以及驅(qū)動用的 光快門驅(qū)動器43，這一點與第2實施方式不同。如圖7所示，光快門42例 如能夠設(shè)置在凸透鏡36和聚光透鏡39之間。
接著，對于本實施方式的動作，以與第2實施方式的不同點為中心進行 說明。在第2實施方式中，LD電流控制信號53是具有斜坡狀的High/Low電 平的波形的信號。在本實施方式中，LD電流控制信號53以固定的電平(High 電平)從LD電流控制電路18輸出。由此，激勵用LD纖維單元37和激勵用 LD纖維38向Nd:YAG桿12的端面照射固定強度的激勵用LD纖維輸出光 72。
在本實施方式中，通過高速地開關(guān)光快門42，從而控制激勵用LD纖維 輸出光72的電平。因此，作為來自Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17的信號的Q 開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52輸入到光快門驅(qū)動器43。光快門驅(qū)動器43基于被 輸入的Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52,對光快門42輸出光快門驅(qū)動輸出信號 81 (圖8 (6))。光快門42基于^皮輸入的光快門驅(qū)動輸出信號81而開關(guān)，從 而被照射到Nd:YAG桿12的端面的激勵用LD纖維輸出光72被ON/OFF。
在本實施方式的動作中，光快門42機械地遮擋激勵用LD纖維輸出光 72。從而，光快門驅(qū)動輸出信號81并不是圖6 (6)所示的斜坡狀的變化， 而是被控制為如圖8(6)所示的與Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52的定時對應(yīng) 地成為OPEN (開)/CLOSE (關(guān))。在本實施方式中，配合脈沖振蕩的定時， 光快門42成為CLOSE (關(guān))。由此，不產(chǎn)生CW分量，因此如圖8(7)所 示，僅輸出脈沖分量。之后，光快門42進行切換，使得與Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52 (時間Ta的開始時)同步地成為OPEN (開)。
本實施方式，由于無需對激勵用LD的輸出光進行調(diào)制就能夠ON/OFF, 因此能夠延長具有頻繁O(jiān)N/OFF時壽命變短的可能性的大輸出的激勵用LD 的壽命。另外，作為光快門42，例如可以利用作為廉價光快門的旋轉(zhuǎn)隙縫、 使用聚合物分散液晶(PDLC: Polymer Dispersed Liquid Crystal)的光快門、 以及使用了透光性陶資PLZT ( Pb 1 -yLayZrxTil-x03 )的光快門等。
接著，參照圖9和圖IO說明本發(fā)明的第4實施方式。圖9是表示該第4 實施方式的激光振蕩裝置的結(jié)構(gòu)的方框圖，圖IO是表示使用了圖9所示的激 光振蕩裝置的Q開關(guān)脈沖寬度控制方法的動作的定時圖。另外，在圖9和圖 10中，對于與圖1至圖8所示的第1至第3實施方式相同的結(jié)構(gòu)物附加相同 的標(biāo)號，并省略其"^細i兌明。
本實施方式的激光振蕩裝置是與第2實施方式相同的端面激勵方式的振 蕩器，但在以下結(jié)構(gòu)上與第2實施方式不同。即，在本實施方式中，代替圖 5所示的LD電流控制電i 各18、激勵用LD纖維38以及激勵用LD纖維38， 而設(shè)置了 LD驅(qū)動器44、通信用LD46。通信用LD46由多個通信用LD被捆 而成。此外，在本實施方式中，被構(gòu)成為對RF振幅控制電路20輸入出射脈 沖信號51,而不是來自Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17的信號。
接著，對于本實施方式的動作，以與第2實施方式的不同點作為中心進 行說明。LD驅(qū)動器44基于從Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路17輸入的Q開關(guān)脈 沖寬度設(shè)定信號52，對通信用LD46輸出LD電流驅(qū)動91 (圖10 (3 ))。這 里，通信用LD46是高可靠性的纖維輸出型式的LD,因此能夠進行非常高速 的調(diào)制。由此，在本實施方式中，進行控制，使得LD電流驅(qū)動91具有與Q 開關(guān)脈沖寬度設(shè)定信號52 (圖10 (2))對應(yīng)的定時的階梯狀波形，而不是斜 坡狀。通信用LD46基于被輸入的LD電流驅(qū)動91 ，對Nd:YAG桿12的端面 照射激勵用LD纖維輸出光72。此時，通過控制被捆的多個通信用LD的發(fā) 光個數(shù)，從而進行激勵用LD纖維輸出光72的強度電平。在本實施方式中， 如圖10 (5)所示，激勵用LD纖維輸出光72的強度電平也成為與圖10 (3) 的LD電流驅(qū)動91相同的階梯狀。另外，也可以通過控制上述的多個通信用 LD的發(fā)光個數(shù)，與第1和第2實施方式一樣，以斜坡狀的變化控制激勵用 LD纖維輸出光72的強度電平。此外，在本實施方式中，由于以LD的發(fā)光 個數(shù)進行控制，因此如第1實施方式那樣，Low電平(圖10 (3)、 (5))可以是比激光振蕩的閾值稍微低的電平，也可以是0 (zero)。
此外，RF振幅控制電路20基于被輸入的出射脈沖信號51,對RF驅(qū)動 器21進行RF功率調(diào)制控制信號54的輸出。RF驅(qū)動器21基于被輸入的RF 功率調(diào)制控制信號54,對內(nèi)部AOQ-SW元件14輸出被調(diào)制的RF功率55。 如圖10 (4)所示，本實施方式的RF功率55與第2實施方式的不同點在于， 在與圖(1 )對應(yīng)的定時ON/OFF被控制。此時，在出射Q開關(guān)脈沖的定時， 使對內(nèi)部AOQ-SW元件14施加的RF功率55在OFF規(guī)定的時間(例如lO(is ) 之外都ON。通過這樣控制，由于沒有必要同時控制激勵用LD的電流和RF 功率雙方，因此能夠相應(yīng)地簡化控制。
另夕卜，本實施方式的通信用LD46，當(dāng)前較多的是幾百mW級左右的通 信用LD。在作為產(chǎn)業(yè)用激光振蕩裝置的輸出為幾W 10W級的情況下，激勵 用LD的輸出至少需要約2倍的5 20W。從而，為了將通信用LD46應(yīng)用于 激勵用LD，需要以上那樣將多條的LD捆綁而使用。但是，如果考慮能夠10 萬時間以上無故障地使用的可靠性，則如本實施方式那樣將通信用LD作為 產(chǎn)業(yè)用激光的激勵光源來使用的優(yōu)點較大。另夕卜，也可以根據(jù)單體的LD的 輸出和作為激光振蕩裝置的輸出之間的關(guān)系，以1個LD構(gòu)成通信用LD46。
本發(fā)明能夠適宜地利用于例如，薄膜微調(diào)器(trimmer)和芯片電阻電容 器等激光微調(diào)(trimming)裝置、陶瓷劃線器(ceramics scriber)、玻璃切割 器(glass cutter )、多層基板的通孔(via hole )力口工機、激光晶片標(biāo)記器(marker )、 對金屬的激光標(biāo)記(marking )、對樹脂封裝的標(biāo)志裝置、對太陽能電池用非 晶Si的再結(jié)晶化(退火annealing)裝置、以及對于Cu和Au等的薄膜切割 (cutting)裝置等。
權(quán)利要求
1、一種激光振蕩裝置，其特征在于，包括光諧振器，具有在其光軸上配置的固體激光介質(zhì)和Q開關(guān)元件，可進行激光振蕩和Q開關(guān)脈沖振蕩；激勵光源，通過對所述固體激光介質(zhì)照射激勵光從而可進行所述激光振蕩；以及激勵光控制部件，與所述光諧振器進行一次或多次的所述Q開關(guān)脈沖振蕩的定時同步地，將所述激勵光的強度降低至成為比所述激光振蕩的閾值小的規(guī)定的強度為止。
2、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光照射與 所述固體激光介質(zhì)中的所述光諧振器的光軸方向正交的面。
3、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光照射沿 著所述固體激光介質(zhì)中的所述光諧振器的光軸方向的面。
4、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光控制部 件包括電流控制部件，與1次或多次的所述Q開關(guān)脈沖振蕩的定時同步地， 使施加到所述激勵光源的電流在比Q開關(guān)脈沖的上升時間長的時間內(nèi) 一致減 少至成為比所述激光振蕩的閾值的電流值小的規(guī)定的電流值為止。
5、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于， 還包括配置在所述激勵光源和所述激光介質(zhì)之間的光快門，所述激勵光控制部件通過開關(guān)所述光快門從而控制所述激勵光的強度。
6、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光源為激 光二極管。
7、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光源由多 個激光二極管構(gòu)成，所述激勵光控制部件通過改變所述激光二極管的發(fā)光個 數(shù)，從而控制所述激勵光的強度。
8、 如權(quán)利要求1所述的激光振蕩裝置，其特征在于，所述激勵光控制部為低值的時間同步地，所述激勵光的強度成為比所述激光振蕩的閾值大。
9、 一種激光振蕩裝置的控制方法，其中所述激光振蕩裝置包括光諧振 器，具有在其光軸上配置的固體激光介質(zhì)和Q開關(guān)元件，可進行激光振蕩和 Q開關(guān)脈沖振蕩；激勵光源，通過對所述固體激光介質(zhì)照射激勵光從而可進 行所述激光振蕩，所述激光振蕩裝置的控制方法包括與所述光諧振器進行一次或多次的 Q開關(guān)脈沖振蕩的定時取同步的步驟；以及進行控制，使得在所述同步的定 時照射到所述固體激光介質(zhì)的激勵光的強度降低直至成為比所述光諧振器的 激光振蕩的閾值'J 、的規(guī)定的強度。
10、如權(quán)利要求9所述的激光振蕩裝置的控制方法，其特征在于，通過 將施加到所述激勵光源的電流在比Q開關(guān)脈沖的上升時間長的時間 一致減少 直至成為比所述激光振蕩的閾值的電流值小的規(guī)定的電流值為止，進行所述 激勵光的強度的控制。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠簡化控制電路，且以低成本可變控制Q開關(guān)脈沖寬度的激光振蕩裝置及其控制方法。本發(fā)明的激光振蕩裝置包括具有內(nèi)部AOQ-SW元件(14)和激勵用LD(13)的激光振蕩器頭(11)、Q開關(guān)脈沖寬度設(shè)定電路(17)、LD電流控制電路(18)、LD驅(qū)動器(19)、RF振幅控制電路(20)、以及RF驅(qū)動器(21)。激光振蕩器頭(11)內(nèi)的光諧振器與一次或多次的Q開關(guān)脈沖振蕩的定時同步地，控制LD電流控制電路(18)和LD驅(qū)動器(19)對激勵用LD(13)施加的電流成為激光振蕩的閾值以下。
文檔編號H01S3/102GK101442178SQ200810181838
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月22日
發(fā)明者久所之夫 申請人:歐姆龍株式會社