專利名稱：激光脈沖發生裝置及方法
技術領域：
本發明涉及固體激光振蕩器，提供一種Q開關脈沖的激光振蕩方法 及裝置，該方法及裝置適用于采用摻雜了含Yb、 Nd的稀土類離子的薄 板形狀之類的低放大增益激光介質的情況，雖然脈沖振蕩頻率較高但仍 能實現高穩定性。
背景技術：
使激光光束沿光硬化樹脂液體的水平截面形狀的軌跡來照射激光聚 光光束，通過在水平面內依次反復由計算機控制的圖案來制成三維立體 形狀的光造型技術正被實用化。在該技術中，用激光光束沿細曲線狀掃 描而產生自由曲面。由于使用的光硬化樹脂較多采用紫外線硬化樹脂， 因此照射激光采用紫外區域的激光。紫外激光是將通常振蕩波長為 1.06/xm的Nd:YAG等激光用非線性光學晶體進行三倍頻變換產生的，并 與造型用紫外線硬化樹脂的光吸收特性配合使用。由于采用非線性光學
以采用能夠獲得高峰值功率的脈沖激光器。為了在保持光造型的形狀精 度的同時提高造型速度，提高脈沖激光的重復頻率，使照射點的聚光點 在沒有相互分離的狀態下連續重疊照射形成平滑的照射曲線。
通常，來自連續光激發的固體激光介質采用Q開關控制技術在數十 kHz的重復頻率下產生激光脈沖。另外，在用非線性光學晶體將該激光 脈沖波長變換到紫外區域后，在檢流計上安裝有反射鏡的光束掃描器將 聚光點一邊照射在硬化樹脂面上一邊高速地描繪形狀軌跡。雖然是采用 現有的棒形固體激光器來產生高速重復脈沖，但是從小型化、高品質化 的觀點出發，由于盤形激光器能夠消除該棒形激光器的缺點，所以正對 其加以研究。
盤形激光器具有將薄板狀激光介質隔著腔鏡貼合到作為熱冷卻介質
4的導熱性好的襯底上的結構，沿被貼合的薄板狀激光介質的板厚方向照 射激發光，從激光介質的表面射出激光放大光。背面的襯底吸收由激發 光照射而導致的激光介質的發熱并為了冷卻而進行散熱，防止激光介質 的溫度上升。因此，由于消除了激光介質內的薄板面內方向的溫度梯度， 激光介質內的振蕩放大光束的光學不均勻性得以消除，能夠獲得聚光性 優良的高質量的激光束。
但是，將盤形Q開關激光器用作上述的光造型用高重復率激光光源 時也具有缺點。缺點在于，由于采用的是在相對于薄板狀激光介質的薄 板在垂直方向形成激光振蕩或i文大光路，所以激光通過放大介質的》文大 光程短，不能得到充分的放大增益。所以，如果在數十kHz的高頻下重
復Q開關的開、關動作，Q開關脈沖的產生無法追隨該重復頻率，經常 發生脈沖輸出缺失。故此，不能用由Q開關高速重復操作產生的激光脈 沖來進行平滑的高精度光造型作業的樹脂成型。另一方面，如果為了防 止發生脈沖輸出缺失而低速重復，會產生作業效率及精度不充分的問題。
專利文件1美國專利第6002695號說明書
專利文件2美國專利第6172996號說明書
專利文件3美國專利第6922419號說明書
發明內容
發明要解決的課題
本發明要解決的課題是，即使對于采用薄板形狀等低放大增益的激 光介質的情況，也可以使Q開關輸出的固體激光以穩定的脈沖能量實現 高重復頻率工作。此外，還在于提高由激光進行的材料處理的速度以及 處理精度。
解決課題的方法
為了解決上述課題，本發明提供以預定的重復頻率產生脈沖的激光 脈沖發生裝置，其特征在于，具有激光諧振腔，具有多個反射體；激 光介質；Q開關，設置在上述激光諧振腔內的光路上；激發源，對上述 激光介質進行光激發；控制部，驅動上述Q開關，上述控制部具有在激光振蕩過程中將上述Q開關從開通變成關斷的裝置。
另一方面，本發明提供一種激光脈沖發生方法，其特征在于，包括
以下的步驟，對激光介質進行激發；將Q開關置于開通狀態；使來自所 述激光介質的激光振蕩開始；在上述激光振蕩過程中將上述Q開關切換 到關斷狀態以中斷上述激光振蕩；以及以預定的頻率重復上述Q開關的 開通及關斷。
發明效果
在本申請的發明中，由于通過將產生的脈沖由Q開關在振蕩過程中 強制地中斷振蕩，能夠將反轉分布總是保持在較高狀態，所以可以產生 高重復頻率的脈沖。特別是，能夠產生比與被添加到激光介質中的活性 物質的上能級密度短的周期對應的頻率的脈沖。
圖1為本發明涉及的高重復率Q開關脈沖的第 一 實施方式的構成圖。 圖2為第二實施方式的構成圖。 圖3為本發明的工作說明圖。
圖4為使圖1的構成中的RF閘門時間變化時的特性示例，(a)顯示 與工作頻率為100kHz的RF閘門時間相對應的輸出穩定性，(b)顯示了 穩定區域的脈沖串，(c)顯示了不穩定區域的脈沖串。
圖5為圖2的構成中的二次諧波的高重復率工作的特性示例，(a) 顯示了與50kHz及100kHz工作的能量相對應的脈沖寬度穩定性，(b)顯 示了低能量側的脈沖波形，(c)顯示了高能量側的脈沖波形。
具體實施例方式
圖1為表示根據本發明的第一實施方式的高重復頻率的穩定的Q開 關脈沖激光振蕩中采用的裝置。優選采用薄板狀激光介質作為激光介質 1。原因在于，在沿激光光軸(即與板厚小的薄板表面垂直的方向)的光 程較短，故放大增益較小。但即使對于一般采用的棒形介質，在其活性 物質的添加量較少時也特別有效。采用薄板狀激光介質時，激光介質1^C固定在導熱性好冷卻能力優異的襯底2上。激光介質1采用摻雜具有 比成為對象的重復工作周期長的上能級壽命的活性物質的介質。或者， 用重復工作周期與比活性物質的上能級壽命短的周期相對應的裝置加以
驅動。激光介質1的活性物質為例如是Yb、 Nd等稀土類離子。襯底2 與激光介質1之間形成有采用熔敷法的AuSn (金錫)等接合用薄層(未 圖示)，并配置有反射從激光介質1的表面入射的激光波長的光的鏡17。 激光介質1被光激發用的激發光源12發出的激發光16從表面側照射， 激發激光介質內摻雜的活性物質。在激光介質1的前方設置有聚光鏡3， 用來使激光諧振腔的衍射損失最小化。還設置有與激光介質1相向的輸 出側鏡6，該鏡6與鏡17共同形成激光諧振腔。此外，聲光工作的Q開 關5被設置在激光諧振腔內的光路8上，還設置有Q開關的RF控制部 13,用來驅動Q開關5內的作為衍射介質的高頻壓電元件。另外，可以 根據需要在諧振腔內的光路8上設置偏振片4。
激光介質1被來自激光二極管等激發光源12的激發光16聚光照射 在激光介質1的激光諧振光軸上。激發光源12的波長被選擇為對于向激 光介質1的激光振蕩的上能級的激發有效的波長。激光介質1內的活性 物質被光激發，形成內部二能級反轉分布。
通過RF控制部13來開通、關斷RF電源以控制Q開關5的變換器 (未圖示)，進行Q開關5的開、關。對于RF電源處于開通狀態的情況， 由于妨礙了激光諧振腔內的光路8的前進，所以Q開關5關閉，導致激 光諧振腔內的光學損耗增加、Q值下降，振蕩中斷。由于只要RF電源關 斷或功率低下就不會妨礙激光諧振腔內的光路的前進，從而Q開關5變 成開通動作。當Q開關5進行開通動作時，如果在激光介質1有激光放 大增益則達到振蕩，在構成諧振腔的鏡6和17之間Q開關脈沖上升，能 夠獲得透過輸出側鏡6的輸出光束7。
在本發明中，如上述方式工作的Q開關脈沖在從振蕩時到高重復率 工作為止可以得到穩定的Q開關脈沖。原因在于，通過控制Q開關的開、 關時間，以及利用上能級壽命長的活性物質，能夠高效地產出剩余能量、 切實得到高密度的反轉分布。該狀態以圖3加以說明。
圖3 ( a )示出了激光介質內的激光振蕩能級間的反轉分布數Ni的概念。設沒有反轉分布時為0級，為了能夠穩定工作而必須的反轉分布數
為Nl ，振蕩之前的反轉分布數較多的狀態為N2。
設從時刻tO之前的激光介質1由激發光源12激發。t0以后反轉分布 數Ni逐漸增加20。在反轉分布比振蕩閾值大的某一時刻tl由RF控制部 13切斷RP電源從而使諧振腔的損耗減少，則激光諧振腔內的激光振蕩 開始上升，在時刻t2發生如圖3(b)的傾斜所示脈沖上升27。如果保持 RF電源的切斷狀態，則由于光的受激輻射導致反轉分布低至0級附近， 此時產生下降部分28從而振蕩Q開關脈沖的尾部。
如果，如圖3(c)所示，在時刻t15、 tl6及tl7進^f亍向RF電源的開 通(Q開關動作為關)的切換。此時，可以看到從時刻t3到t15之間的 下降部28的脈沖導致能量被釋放，從而反轉分布數Ni大幅減少21。在 時刻t15打開RF電源，希望從這一時刻直至下一個脈沖發生的時刻t6 為止能夠由光激發導致向上能級的逐漸激發，從而得到反轉分布數Ni的 增加24。對于采用薄板形狀等激光介質時激光介質放大增益較低的情況， 在時刻t6還沒有達到穩定的振蕩上升所需的必要反轉分布數，Q開關振 蕩的上升變成不充分或不可能的狀態。因此，從t6開始的Q開關脈沖或 成為比前一個脈沖能量低的脈沖29，或變成脈沖缺失。
之后，在接下來的時刻t9再度將RF電源置于關閉狀態而使Q開關 開通時，由于在之前的時刻t6的振蕩不充分而沒有受激輻射，所以在反 轉分布被保持的狀態下，在tl6 tl0期間被施加光激發能量，導致反轉 分布進一步增加。因此，由于反轉分布數超過了 N2，所以在tlO發生急 劇脈沖上升30。另外，此后，由急劇脈沖導致受激輻射量增大，剩余的 反轉分布數再次減少，不能再得到穩定輸出。
通常，Q開關脈沖激光裝置被設計成按如下的方式工作，即，在RF 電源關閉期間產生振蕩所需的充分的反轉分布能量被蓄積再被釋放。當 采用薄板狀激光介質等放大增益較小的介質時，由于為了給予充分反轉 分布能量所必須的時間較長，所以由棒形固體激光器進行的高重復率脈 沖振蕩的頻率的上限降低。
在本申請發明中，關閉RF電源而開通Q開關之后，在激光脈沖開 始振蕩的時刻，通過強制地將Q開關切換到關斷來中斷激光振蕩，以使高重復脈沖振蕩的頻率的上限不會降低。以下，用圖3(b)和(d)加以 說明。如果在時刻t2開始激光脈沖振蕩，則在t3時在振蕩過程中強制地 將Q開關切換到關斷來中斷激光振蕩。
當采用薄板狀激光介質等低放大增益的介質時，如果關斷Q開關則 可立即停止脈沖振蕩。在圖3 (d)示出的時刻t3、 t7及tll進行Q開關 關斷以及振蕩停止。這樣，通過在振蕩過程中使振蕩中斷，反轉分布數 Ni可以總是被維持在比0級高的Nl和N2之間。從開啟RF電源的時刻 t3開始，經過下一次關斷RF電源的時刻t5,直到下一個脈沖的上升時刻 t6為止，反轉分布數持續增加23，反轉分布數一直增加到之前的Q開關 脈沖振蕩開始時的值后，開始振蕩。從時刻t6振蕩開始后，在振蕩過程
向Q開關脈沖的遷移，從而反轉分布余留。從時刻t7的脈沖振蕩停止到 下一個脈沖工作開始時刻t10為止，使反轉分布數增加。這樣，在Q開 關脈沖的振蕩動作中將Q開關關閉，使激光介質內的反轉分布剩余，由 于可以在總是維持較高的反轉分布狀態的同時持續重復脈沖工作，所以， 至高重復率為止，具有穩定的上升27的脈沖串的振蕩得以持續。
為了高效地維持反轉分布，只需采用上能級壽命相對于重復工作的 周期足夠長的活性物質。例如，當重復工作的重復頻率大于20kHz即周 期不足50]tis時，可采用上能級壽命大約為lms的Yb作為活性物質來實 現對反轉分布的維持。
另外，將打開RF電源強制地將Q開關切換到關斷的時機設在Q開 關脈沖振蕩過程中進行是重要的。該方法通過Q開關元件的RF控制部 13將RF電源/人關斷(圖3中的tl、 t5、 t9)到開啟(t3、 t7、 tll )的時 間控制在預定值即可簡單地實現。預定值可以由實驗來確定。另一方面， 可以另外添加檢測激光振蕩的傳感器等器件。而且還可以是如下的構成， 即，在RF控制部13中設置接收來自傳感器的振蕩檢測信號、并通過適 當的延時裝置來關斷RF電源的裝置。
圖2示出了本發明的第二實施方式。采用同一標號表示具有與第一 實施方式相同功能的構成部件。本實施方式為對第一實施方式添加了對 產生的激光脈沖進行高頻變換的功能。在該實施方式中，45度傾斜的波長選擇鏡14對激光振蕩的基波11具有全反射特性，而對由設置在諧振
腔內的高次諧波變換裝置9、 10將基波變換成高次諧波的波長具有透過
特性。可以采用非線性光學晶體等非線性光學元件作為高次諧波變換裝
置9、 10。為了在非線性光學元件中產生非線性作用，輸入光為偏振光(被 起偏)是必要的。對于諧振腔內具有帶偏振光要素(可產生偏振光)的 情況，由于即使不特別設置偏振裝置也能夠得到偏振光振蕩，所以也可 以不放入偏振片4。但是，當激光介質不具有帶偏振光要素的情況則必須 設置偏振片4。
波長選擇鏡14具有反射基波、透射高次諧波的性質。對基波而言， 鏡6、 17及波長選擇鏡14構成諧振腔。光路上的基波11被波長選擇鏡 14反射并被朝向高次諧波變換裝置9、 10，在通過高次諧波變換裝置9、 10的過程中被變換成二次諧波或三次諧波。短波長的高次諧波作為高重 復率Q開關脈沖透過波長選擇鏡14，作為高次諧波輸出光束15出射。 因此，采用基波的振蕩波長為1.03/mi的Yb:YAG作為激光介質，利用高 次諧波變換裝置9、 10，如果輸出二次諧波則為可見光區域的波長為 515nm的激光脈沖，如果輸出三次諧波則為紫外區域的波長為343nm的 激光脈沖。 (試驗例1 )
圖4為采用第一實施方式中的Yb:YAG的薄板狀激光介質，使以脈 沖頻率為100kHz工作的RF電源的時序變化時的輸出功率和穩定性的特 性變化的一個示例。該激光介質的厚度為30(^m，作為激發光源采用波 長為940/mi的激光二極管。激光的振蕩波長為1.03]Lim，這與能量能級為 10327cm—1和612cnT1的躍遷對應，上能級壽命為950/xs。圖4(a)中橫 軸表示RF的關斷期間，即意味著圖3中的tl至t3、t5至t7以及t9至tl1。 雖然增大RF的關斷期間輸出能量亦會增加，但如果超過最佳點X則會 導致能量的穩定性惡化。原因在于，能量重復地在中途被不夠徹底地放 出和不釋放，從而不能得到穩定的反轉分布。當RF的關斷期間在最佳點 X以下的穩定區域時，由于可以由剩余的能量獲得足夠的反轉分布，從 而可以是如(b)所示穩定工作，但是在超過最佳點X的不穩定區域則變 成如(c)所示的重復漲落的不穩定工作。(試驗例2 )
圖5所表示的是第二實施方式中的脈沖頻率為50kHz及100kHz工作 的二次諧波(波長為515nm)的特性示例，該實施方式與第一實施例同 樣地采用Yb:YAG薄板狀激光介質。在高次諧波變換裝置9、 10中采用 LiB305作為非線性光學晶體。(a)中的橫軸為一個二次諧波脈沖的平均 能量。如圖5(b)、 (c)所示，脈沖波形在隨后的尾部處切斷，即使在高 次諧波振蕩時也可以強制地控制輸出，實現穩定的工作。
在本發明中，在采用了添加有活性物質的激光介質的Q開關的重復 工作中，Q開關的光路變成透過狀態，在激光脈沖振蕩過程中將Q開關 光路置為中斷狀態強制地中斷激光脈沖。這樣，來自激光介質內的能量 釋放被中途停止，使得剩余的激發上能級能量密度增加。由于得到的振 蕩方法能夠維持滿足以下條件的上能級激發密度，即，只要Q開關處于 開通狀態就能使Q開關脈沖振蕩，所以能夠實現穩定的高重復率的脈沖 振蕩。可以實現在與比活性物質的上能級壽命短的周期相當的重復頻率 下產生激光脈沖。采用該高重復率的能量光束可以-提高激光的材料處理 速度以及處理精度。
在現有的使用薄板形狀之類的低放大增益的激光介質的激光器中， 由于激光振蕩增益較小，所以在短時間內振蕩上升較為困難，所以其工 作-故限制在例如為lkHz至10kHz等的^f氐重復頻率的重復頻率范圍內。在 根據本發明的激光脈沖發生裝置中，在Q開關脈沖的發生過程中，通過 在上能級的狀態密度比振蕩閾值高的狀態下強制地中斷振蕩以維持較高 的激光放大增益的狀態，由于是以在比一定能級高的反轉分布的形成條 件下進行高重復率工作的方式來控制Q開關工作，所以可以實現在高重 復頻率下的穩定脈沖的產生。本申請發明對盤形激光器效果很好。原因 在于，在盤形激光器中采用薄板介質，與薄板厚度相當的激光諧振腔的 增益光程短，從而導致放大增益較低。
當將根據本發明的激光發生裝置用作使用光硬化樹脂的三維光造型 樹脂模型制作工藝中的光源時，可以在光硬化樹脂液面上用細線來描繪 細微的高精度圖像形狀，因此，可以進行高精度的三維造型。由于可以 得到Q開關脈沖的重復頻率為高重復率的穩定的脈沖輸出能量，故此能夠使脈沖激光的聚光點重疊著進行高速掃描，從而可以描繪平滑的曲線， 能夠高速地形成形狀精度高的三維樹脂模型。此外，可以實現能夠適用 于高重復頻率的Q脈沖的與半導體相關的微細加工及加工處理能力強的 激光系統。
以上為對本發明實施例的說明。不言而喻，在不脫離權利要求記載 的發明技術思想的情況下，可以對上述實施例施加改變。
產業上的可利用性
根據本發明，由于可以得到紅外、可見、紫外等高重復率和高穩定 性的小型激光振蕩器，所以可以用在使用光硬化樹脂的三維光造型工藝 中。另外，可以用在太陽能電池的電極形成工藝、液晶等顯示器件中使 用的透明電極膜的加工、各種電子器件的修正加工、半導體存儲器的硅 晶片冗余電路的導電鏈接的電路元件的加工，以及其他的去除加工、劃 線(7—《乂夕')、熱處理等要求高速掃描的激光加工領域。
權利要求
1.激光脈沖發生裝置，以預定的重復頻率產生脈沖，其特征在于，具有具有多個反射體的激光諧振腔；激光介質；設置在所述激光諧振腔內的光路上的Q開關；對所述激光介質進行光激發的激發源；以及驅動所述Q開關的控制部；所述控制部具有在激光振蕩期間將所述Q開關從開通變到關斷的裝置。
2. 根據權利要求1所述的激光脈沖發生裝置，其特征在于，在所述 激光介質中添加有活性物質，所述活性物質的上能級壽命比與所述重復 頻率對應的周期長。
3. 根據權利要求1或2所述的激光脈沖發生裝置，其特征在于，所 述激光介質為設置在所述激光諧振腔內的至少一個反射體上的薄^1狀激 光介質。
4. 根據權利要求1至3中任一項所述的激光脈沖發生裝置，其特征 在于，還具有高次諧波變換裝置。
5. 根據權利要求2至4中任一項所述的激光脈沖發生裝置，其特征 在于，所述活性物質包含至少一種稀土類離子，該稀土類離子包含Yb、 Nd。
6. 根據權利要求5所述的激光脈沖發生裝置，其特征在于，所述重 復頻率在20kHz以上。
7. 激光脈沖發生方法，包括以下步驟 對激光介質進行激發， 將Q開關置于開通狀態，使來自所述激光介質的激光振蕩開始，在所述激光振蕩過程中將所述Q開關切換到關斷狀態，中斷所述激 光振蕩，以及以預定的頻率重復所述Q開關的開通及關斷。
8. 根據權利要求7所述的激光脈沖發生方法，其特征在于，在所述 激光介質中添加有活性物質，將所述預定的重復頻率設定成與比該活性 物質的上能級壽命短的周期對應的頻率。
9. 根據權利要求7或8所述的激光脈沖發生方法，其特征在于，還 具有將產生的激光脈沖變換成高次諧波的步驟。
全文摘要
提供一種采用薄板形狀之類的低放大增益的激光介質的穩定脈沖高重復率激光發生裝置。在固體激光振蕩器中具有至少一對激光諧振腔；作為激光介質采用薄板形狀的激光介質，其內添加有具有比重復工作的周期長的上能級壽命的活性物質；在激光諧振腔內的至少一個反射體上設置的薄板形狀的激光介質和諧振腔內設置的Q開關元件；對激光介質進行光激發的激發源；驅動Q開關元件的控制部。通過該控制部，在Q開關元件處于開通狀態時，振蕩開始，在激光介質內的活性物質的上能級密度得以余留的振蕩中將Q開關元件切換到關來中斷振蕩。由于是按照只要Q開關處于開通狀態就能夠使Q開關脈沖振蕩的方式維持上能級的激發密度，所以能夠實現穩定的高重復脈沖。
文檔編號H01S3/16GK101584094SQ20088000241
公開日2009年11月18日 申請日期2008年1月11日 優先權日2007年1月16日
發明者今鉾友洋, 住吉哲實 申請人:彩覇陽光株式會社