JP2000196170A - レ―ザ用ｑスイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械式回転チョッパで構成されたレーザ用Ｑ
スイッチ装置において、レーザビームが通過する円盤の
透過部の面積を実質的に狭くすることなく、円盤を容易
に、かつ、確実にテレスコープの焦点位置に配置するこ
とができ、レーザ発振出力の低下を確実に防止すること
ができるＱスイッチ装置を提供する。 【解決手段】 周縁部に１以上の透過部及び遮蔽部を有
する円盤１と円盤１を回転させる駆動手段とからなる機
械式回転チョッパで構成され、テレスコープ８の焦点位
置で円盤１の透過部及び遮蔽部がレーザビーム５をチョ
ッピングしてＱスイッチ発振を行うレーザ用Ｑスイッチ
装置において、円盤１をその回転軸４がテレスコープ８
を通過するレーザビームのビーム軸１０と平行になるよ
うに配置し、円盤１の遮蔽部には円盤の回転軸４に対す
る鋭角側傾斜角５０〜８８°の傾斜反射面を形成したレ
ーザ用Ｑスイッチ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高いピーク出力を
もつパルスレーザビームを得るためのレーザ発振装置に
おいて、レーザビームをチョッピングしてＱスイッチ発
振を行うために用いられるレーザ用Ｑスイッチ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高ピーク出力をもつパルスレーザビーム
は、高密度のエネルギーを短時間の内に物質に照射でき
るので、連続波レーザビームに比べて加工や化学反応等
の種々のレーザ技術の応用において効果的である。

【０００３】例えば、レーザによって樹脂加工を行う
際、工業的に応用が可能なレーザとしては、ＹＡＧレー
ザ、ＣＯ₂ レーザ等が挙げられるが、樹脂を分解又は燃
焼させて除去する上で、樹脂に単位時間あたり高密度エ
ネルギーのレーザビームを照射する必要があり、このた
めにレーザビームをパルス発振化してパルスレーザビー
ムとして使用することが知られている。このようなパル
スレーザビームを得る方法としては、連続波レーザの放
電励起にパルス変調をかけてパルス化してノーマルパル
スとする方法があるが、このノーマルパルスでは、得ら
れるピーク出力が比較的小さい。

【０００４】そこで、高いピーク出力をもつパルスレー
ザビームを得る方法として、レーザ発振装置においてＱ
スイッチ発振を行う方法が知られている（例えば、特開
平４−２５９２７８号公報や特開平６−３２６３９５号
公報等）。すなわち、図９に示すように、レーザ共振器
中に設けられたＺｎＳｅレンズ７及びＺｎＳｅ凹ミラー
６からなるテレスコープ８の焦点位置に、周縁部に透過
部と遮蔽部を有する円盤１とこの円盤１を回転させるモ
ータ９とからなる機械式回転チョッパを配置し、この円
盤１を回転させてその透過部及び遮蔽部によりテレスコ
ープ８の焦点位置でレーザビーム５をチョッピングし、
これによってＱスイッチ発振を行う方法が知られてい
る。このようなＱスイッチ発振を行う方法は、高いピー
ク出力をもつパルスレーザビームを得るのに適してお
り、また、高ピーク出力動作時のＱスイッチの耐久性
や、パルス繰り返しの制御性等の点からも最も有効であ
る。

【０００５】そして、このようなＱスイッチ装置で用い
られる機械式回転チョッパは、平らな円盤１の周縁部に
一定間隔で切り欠きからなる透過部を設け、この円盤１
をモータ９によって回転させ、円盤１の透過部でレーザ
ビームを通過させると共に、これら透過部の間に形成さ
れた遮蔽部でレーザビームを遮断し、これによってレー
ザビームをチョッピングしてＱスイッチ発振を行うよう
になっている。

【０００６】しかるに、上記円盤１の遮蔽部において
は、照射されたレーザビームによって円盤１が熱変形し
ないように、レーザビームを吸収することなく反射させ
なければならないが、その際、この遮蔽部で反射したレ
ーザビームが、入射行光路と同じ光路を通ってレーザ共
振器内に戻ることのないようにする必要がある。もし、
円盤１の遮蔽部で反射したレーザビームがレーザ共振器
内に戻った場合には、引き続きレーザ発振が行われ、Ｑ
スイッチとして動作しなくなるという問題が起こる。

【０００７】そこで、この問題を解消するため、従来に
おいては、図９にも示されているように、平らな円盤１
は、円盤平面がテレスコープ８を通過するレーザビーム
のビーム軸１０に対して垂直にならないように、すなわ
ち、円盤１の回転軸４がレーザビームのビーム軸１０と
平行にならないように傾斜させて配置され、円盤１の遮
蔽部で反射したレーザビームが入射光路と同じ光路を通
ってレーザ共振器内に戻ることがないようにされてい
た。

【０００８】しかしながら、上記のように、円盤平面が
レーザビームのビーム軸１０に対して垂直にならないよ
うに円盤１を傾斜させて配置されると、レーザビームは
円盤１の透過部を斜め方向から通過するこになり、円盤
平面がレーザビームのビーム軸１０に対して垂直になる
ように円盤１を配置した場合に比べて、レーザビームが
通過できる円盤１の透過部面積は実質的に狭くなる。そ
して、このようにレーザビームが通過できる円盤１の透
過部面積が狭くなると、円盤１の透過部の側面がレーザ
ビームを遮断してしまい、全てのレーザビームが円盤１
の透過部を通過できない場合が発生し、その結果、レー
ザ発振出力を低下させるという問題を引き起こす原因と
なっている。

【０００９】しかも、円盤平面がレーザビームのビーム
軸１０に対して垂直にならないように円盤１を傾斜させ
ながら、テレスコープを通過するレーザビームの焦点位
置と円盤１の透過部とが一致するように、この円盤１を
配置することは容易ではなく、たとえ、そのように配置
できたとしても、テレスコープを構成するレンズやミラ
ーの熱レンズ効果によりテレスコープの焦点位置が変化
する現象が起こるため、レーザビームがテレスコープの
焦点位置において確実に円盤１の透過部を通過するよう
に、円盤１あるいは機械式回転チョッパの配置を調整す
る必要が生じてくる。

【００１０】この場合の焦点位置の変化はレーザビーム
のビーム軸１０に対して平行方向の変化に限られず、垂
直方向へ変化することもあるので、テレスコープを通過
するレーザビームの焦点位置がレーザ発振出力やレーザ
発振時間によって様々な方向へ変化することとなる。そ
のため、レーザビームがテレスコープの焦点位置におい
て確実に円盤１の透過部を通過するように円盤１の配置
を調整する際には、円盤１をレーザビームのビーム軸１
０に対して垂直方向に調整すると同時に平行方向にも調
整しなければならず、円盤１をその平面がレーザビーム
のビーム軸１０に対して垂直にならないように傾斜させ
ながらレーザビームが正確に透過部を通過するように円
盤１の配置を微調整することは極めて困難となってい
た。このため、テレスコープの焦点位置と円盤１の透過
部との位置が確実に一致しない場合には、レーザ発振の
際の出力の低下を導くという問題が生じていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、上記のような問題を解決するための手段を開発すべ
く鋭意研究した結果、円盤の回転軸をテレスコープを通
過するレーザビームのビーム軸と平行に配置すると共
に、上記円盤の遮蔽部に円盤の回転軸に対して特定の角
度を有する傾斜反射面を形成することにより、円盤をそ
の平面がテレスコープを通過するレーザビームのビーム
軸に対して垂直になるように配置することが可能とな
り、目的を達成できることを見出し、本発明を完成し
た。

【００１２】従って、本発明の目的は、機械式回転チョ
ッパで構成されたレーザ用Ｑスイッチ装置において、レ
ーザビームが通過する円盤の透過部の面積を実質的に狭
くすることなく、この円盤を容易に、かつ、確実にテレ
スコープの焦点位置に配置することができ、レーザ発振
出力の低下を確実に防止することができるＱスイッチ装
置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、レ
ーザ共振器中に設けられたテレスコープの焦点位置に配
置され、周縁部に少なくとも１以上の透過部及び遮蔽部
を有する円盤と、この円盤を回転させる駆動手段とから
なる機械式回転チョッパで構成され、テレスコープの焦
点位置で上記円盤の透過部及び遮蔽部がレーザビームを
チョッピングしてＱスイッチ発振を行うレーザ用Ｑスイ
ッチ装置において、上記円盤をその回転軸がテレスコー
プを通過するレーザビームのビーム軸と平行になるよう
に配置し、少なくとも円盤の遮蔽部には円盤の回転軸に
対する鋭角側傾斜角５０〜８８°の傾斜反射面を形成し
たレーザ用Ｑスイッチ装置である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて、本発
明を詳細に説明する。図１は、本発明のレーザ用Ｑスイ
ッチ装置を使用してＱスイッチ発振を行う装置の一例を
示す構成図である。このレーザ用Ｑスイッチ装置におい
て使用されているレーザ用Ｑスイッチ装置は、レーザ共
振器中に設けられたＺｎＳｅレンズ７及びＺｎＳｅ凹ミ
ラー６からなるテレスコープ８の焦点位置に、周縁部に
透過部と遮蔽部を有する円盤１とこの円盤１を回転させ
る駆動手段であるモータ９とからなる機械式回転チョッ
パを、円盤１の回転軸４がテレスコープ８を通過するレ
ーザビームのビーム軸１０と平行になるように配置し、
円盤１をモータ９によって回転させて円盤１の透過部及
び遮蔽部によりテレスコープ８の焦点位置でレーザビー
ム５をチョッピングし、これによってＱスイッチ発振を
行うようになっている。

【００１５】上記円盤１は、図２に示すように、周縁部
に１以上の透過部２及び遮蔽部３を有しており、この円
盤１をモータ等の駆動手段に取り付けて回転軸４を中心
に回転させ、円盤１の透過部２でレーザビーム５を通過
させると共に、これら透過部２の間に形成された遮蔽部
３でレーザビーム５を遮断し、これによってレーザビー
ム５をチョッピングしてＱスイッチ発振が行われる。こ
の透過部２としては、図２に示す開口状のものに限ら
ず、例えば、特開平４−２５９２７８号公報に図示され
ている切り欠き状のもの等であってもよい。

【００１６】また、上記円盤１としては、その材質は、
金属等、熱によって容易に変形しないものであればよい
が、例えば、ＹＡＧレーザやＣＯ₂ レーザを使用する場
合は、これらレーザの発振波長に対して反射率の高い材
質、例えば、金等であるか、あるいは、上記波長に対し
て反射率の高い金等の材質で表面がコーティングされて
いるものであることが望ましい。

【００１７】また、円盤１の大きさは特に限定されない
が、必要なレーザパルス繰り返し周波数によっては６０
００ｒｐｍを超える回転数で回転させる場合もあるの
で、高速で回転できるという点で直径が３００ｍｍ以下
であることが望ましい。

【００１８】上記円盤１の厚みについては、その透過部
２の側縁の厚みが２ｍｍ以下であるのがよく、より好ま
しくは１ｍｍ以下である。円盤１の透過部２の側縁の厚
みが２ｍｍより厚くなると、この透過部２内に斜めに入
射するレーザビームが透過部２の側縁に衝突し、その透
過が遮られる場合が発生し、結果として、テレスコープ
８の焦点位置においてレーザビーム５の通過が制限され
ることがあり好ましくない。

【００１９】また、円盤１の厚みは、テレスコープ８を
通過するレーザビーム５の焦点位置にならない部分にお
いては特に制限されるものではないが、円盤１を作成す
る際に簡便であるという点から、円盤１の透過部２の側
縁の厚みとほぼ同じであることが望ましい。

【００２０】更に、円盤１の透過部２の形状は特に限定
されないが、Ｑスイッチを作動させた場合に円盤１の遮
蔽部３から透過部２へのレーザビーム５の移行をなるべ
く速くする、すなわち、Ｑスイッチ速度をなるべく速く
してパルスレーザビームのピーク出力を高くするため
に、矩形状のものが好ましい。

【００２１】また、円盤１の透過部２の大きさについて
は、テレスコープ８の焦点位置において全てのレーザビ
ーム５が透過部２を通過するように、透過部２は、テレ
スコープ８の焦点位置におけるレーザビーム５のスポッ
トよりも広い面積であることが必要であり、例えば、透
過部２が正方形の場合、一辺が０．１ｍｍ以上、好まし
くは１ｍｍ以上であるのがよい。もし、円盤１の透過部
２の面積が、テレスコープ８の焦点位置におけるレーザ
ビーム５のスポットより狭いと、全てのレーザビーム５
が円盤１の透過部２を通過することが不可能になるた
め、レーザ発振の出力が低下し、好ましくない。

【００２２】また、上記円盤１における透過部２の数
は、少なくとも１以上存在すればよいが、透過部２の数
が少ないとレーザ発振効率が悪くなり、また、透過部２
の数が多いと円盤１の作成が困難となるため、１０〜５
００が好ましい。

【００２３】次に、図３は、図２に示された円盤１の周
縁部の一部を拡大して示すものであり、この周縁部には
多数の透過部２及び遮蔽部３が交互に設けられており、
また、各遮蔽部３には、所定の傾斜角度を有する傾斜反
射面３ａが形成されている。また、図４は、図２におけ
る円盤１のＡ−Ａ’線円周断面図を示すものであり、本
発明における円盤１の遮蔽部３に形成されている傾斜反
射面３ａを表している。

【００２４】本発明における円盤１の遮蔽部３には、円
盤１の回転軸４に対する鋭角側傾斜角５０〜８８°の傾
斜反射面３ａが形成されていることが必要であり、好ま
しくは６０〜７５°の傾斜反射面３ａが形成されている
のがよい。ここで、鋭角側傾斜角とは、回転軸４と遮蔽
部３に形成された傾斜反射面３ａとがなす最も小さな角
度、言い換えれば、傾斜反射面３ａに入射するレーザビ
ーム５のビーム軸１０がこの傾斜反射面３ａに対して形
成する最も小さな角度（θ）をいう。

【００２５】ここで、上記円盤１の遮蔽部３における傾
斜反射面３ａにおいて、円盤１の回転軸４、すなわち、
レーザビームのビーム軸１０に対して鋭角側傾斜角が５
０°未満である場合は、円盤１の遮蔽部３に形成された
傾斜反射面３ａで反射されたレーザビーム５が隣の遮蔽
部に反射して共振器側に戻る場合があり、その結果、レ
ーザ発振出力低下の原因となり好ましくない。また、こ
の場合、円盤１がかさ高くなり、回転時に空気抵抗を受
けて高速で回転させることができなくなったり、また透
過部２の側縁の厚みが厚くなるので好ましくない。一
方、上記の鋭角側傾斜角が８８°を超えた場合は、円盤
１の遮蔽部３に形成された傾斜反射面３ａで反射された
レーザビーム５の一部、あるいは、ほぼ全部がレーザ共
振器中に戻ってしまい、安定したレーザ発振出力が得ら
れないので好ましくない。

【００２６】また、上記円盤１の遮蔽部３に形成された
傾斜反射面３ａについては、特に平面に形成されていな
ければならないというものではなく、鋭角側傾斜角が５
０〜８８°という条件を満たせば、例えば、図５に示す
ように、曲面に形成されていてもよい。

【００２７】更に、上記傾斜反射面３ａについては、上
記図４及び図５のように、遮蔽部３の円周方向中央から
透過部２の側縁方向に向けて下り勾配に傾斜した形状の
ものに限らず、図６のように、遮蔽部３の円周方向中央
から透過部２の側縁方向に向けて上り勾配に傾斜した形
状のものであってもよい。

【００２８】そして、この円盤１の遮蔽部３形成される
傾斜反射面３ａについては、図７及び図８に示すよう
に、透過部２及び遮蔽部３を含む周縁部全体が、円盤１
の中心方向上り又は中心方向下りに傾斜した形状であっ
てもよい。

【００２９】なお、本発明による機械式回転チョッパを
用いたＱスイッチ装置を使用してＱスイッチ発振を行う
と、上記円盤の遮蔽部における傾斜反射面で反射された
レーザビームが周辺に散乱して他の装置等へレーザビー
ムが照射される可能性があるが、必要により、レーザビ
ームが散乱して照射される場所にレーザビームを吸収す
る耐熱板（例えば耐火レンガ等）を設置してもよい。

【００３０】また、本発明で使用するレーザ共振器、テ
レスコープ及び円盤の駆動手段等や、本発明のレーザ用
Ｑスイッチ装置が用いられるレーザ発振装置の構成は、
例えば、特開平６−３２６３９５号公報に示されるよう
な公知のものを用いることができる。

【００３１】

【実施例】実施例１ 図２〜４に示すように、直径１５３ｍｍのステンレス製
円盤の中心から半径方向７３ｍｍの円周上（周縁部）
に、一辺２ｍｍの略正方形の開口部（透過部２）を約
３．８ｍｍのピッチで１２０個設け、これら各開口部
（透過部２）の間に形成された各遮蔽部３には、その円
周方向中央を円盤半径方向に延びる稜線部の厚み（最大
厚み）が約０．７ｍｍで、開口部（透過部２）の側縁の
厚み（最小厚み）が０．２ｍｍとなる傾斜反射面３ａを
形成し、表面を金めっきして円盤１を作成した。

【００３２】この円盤１を通常の電気モータに取り付け
て１２０００ｒｐｍで回転できるようにし、機械式回転
チョッパを構成した。円盤１の遮蔽部３に形成された傾
斜反射面３ａは、円盤１の回転軸４に対する鋭角側傾斜
角が７５°となっている。

【００３３】図１に示すように、２ｋＷの連続発振ＣＯ
₂ レーザ共振器の後方に、焦点距離７．５インチのＺｎ
Ｓｅレンズ７と、曲率半径７．５インチのＺｎＳｅ凹ミ
ラー６を１５インチの間隔を置いて配置し、テレスコー
プ８を設けた。更に、この焦点位置に電気モータ９と円
盤１から構成される機械式回転チョッパを配置した。円
盤１の回転軸４がレーザビーム５のビーム軸１０と平行
になるように、また、円盤１に設けた開口部（透過部）
が丁度レーザビームの焦点位置に合うように円盤１の配
置を調節した。

【００３４】本発明のＱスイッチ装置を用いることで、
パルス繰り返し周波数２４ｋＨｚの高繰り返しレーザパ
ルスビームが得られることを次のように確認した。すな
わち、このＱスイッチ装置を備えたレーザ発振器を用い
て、パルスエネルギー２１ｍＪ、平均出力６００Ｗのパ
ルスレーザの２４時間の連続発振試験を行ったところ、
鋭い立ち上がりを持つＱスイッチパルスが２４時間後も
安定して得られ、更に、パルスエネルギー及び平均出力
共に低下することはなかった。

【００３５】比較例１ 遮蔽部の断面形状が平坦である以外は、開口部（透過
部）の形状や配置等の全てを実施例１と同様に平坦な円
盤を作成し、この円盤を用いて、実施例１と同様に機械
式回転チョッパを作成した。

【００３６】この機械式回転チョッパを用いて、図９に
示すように、円盤１をレーザビーム５の焦点位置に配置
する際に、レーザビームのビーム軸１０に対して円盤１
の回転軸４が平行にならないように配置して実施例１と
同様の試験を行ったところ、２０．８ｍＪのパルスエネ
ルギーで平均出力が５００Ｗであった。また、このとき
円盤１の開口部（透過部）位置合わせに要した時間は約
２５分であり、円盤平面をレーザビームのビーム軸１０
に対して垂直に配置した実施例１の本発明による場合の
約５倍の時間であった。これらの結果を表１に示した。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、機械式回転チョッパで
構成されたレーザ用Ｑスイッチ装置において、レーザビ
ームが通過する円盤の透過部の面積を実質的に狭くする
ことなく、この円盤を容易に、かつ、確実にテレスコー
プの焦点位置に配置することができ、レーザ発振出力の
低下を確実に防止することができるので、安定したレー
ザ発振出力を容易に、しかも効率的に得ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明のＱスイッチ装置の一例を示
す構成図である。

【図２】 図２は、本発明のＱスイッチ装置において、
機械式回転チョッパに用いられる円盤の斜視図である。

【図３】 図３は、図２の円盤の周縁部の一部を示す部
分斜視説明図である。

【図４】 図４は、図２のＡ−Ａ’線断面説明図であ
る。

【図５】 図５は、円盤の周縁部の変形例を示す、図４
と同様の断面説明図である。

【図６】 図６は、円盤の周縁部の変形例を示す、図４
と同様の断面説明図である。

【図７】 図７は、円盤の他の変形例を示す断面説明図
である。

【図８】 図８は、円盤の他の変形例を示す断面説明図
である。

【図９】 図９は、従来のＱスイッチ装置の一例を示す
構成図である。

【記号の簡単な説明】

１…円盤、２…透過部、３…遮蔽部、３ａ…傾斜反射
面、４…回転軸、５…レーザビーム、６…ＺｎＳｅ凹ミ
ラー、７…ＺｎＳｅレンズ、８…テレスコープ、９…電
気モータ、１０…ビーム軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 充 千葉県木更津市築地１番地、新日鐵化学株 式会社電子材料開発センター内 (72)発明者 田中 隆 千葉県木更津市築地１番地、新日鐵化学株 式会社電子材料開発センター内 (72)発明者 今井 浩文 千葉県富津市新富20−１、新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Ｆターム(参考） 5F072 FF09 HH07 KK18 KK30 MM06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ共振器中に設けられたテレスコー
   プの焦点位置に配置され、周縁部に少なくとも１以上の
   透過部及び遮蔽部を有する円盤と、この円盤を回転させ
   る駆動手段とからなる機械式回転チョッパで構成され、
   テレスコープの焦点位置で上記円盤の透過部及び遮蔽部
   がレーザビームをチョッピングしてＱスイッチ発振を行
   うレーザ用Ｑスイッチ装置において、上記円盤をその回
   転軸がテレスコープを通過するレーザビームのビーム軸
   と平行になるように配置し、少なくとも円盤の遮蔽部に
   は円盤の回転軸に対する鋭角側傾斜角５０〜８８°の傾
   斜反射面を形成したことを特徴とするレーザ用Ｑスイッ
   チ装置。