专利名称：激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光装置，特别涉及适用于加工机器和曝光装置等的可长时间稳定输出大功率激光的激光装置，以及可显示激光输出功率的激光装置。
背景技术：
以往，固态激光介质和非线性光学晶体组合起来的发出短波长的光的小型固态激光装置，被用作细微加工装置和曝光用照明装置。作为这种固态激光装置，要求其小型且具有高功率输出，并且为了在稳定的状态下对被加工物进行加工，要求其激光的输出变动极小，此外，还要求其能够进行正确的输出控制。作为激励固态激光介质的激励光源而使用的半导体激光光源，正在向高功率输出化发展，与此同时，对于固态激光装置也正在向高功率输出化和高效率化的方向进行研究开发。并且，随着高功率输出化和高效率化，也要求激光装置小型化，并期望即使在激光装置的使用状态下，也能够确保安全并且能够调整激光输出。以下，举出若干以往的激光装置的例子。
在日本专利第56-76587号公报中公开了一种通过利用棱镜，使谐振腔小型化的固态激光装置。该固态激光装置，如图1所示，在反射镜200和梯形柱棱镜202之间的第1光轴上具有固态激光介质204和偏光镜206。在反射镜208和梯形柱棱镜202之间的第2光轴上具有普克尔盒(Pockelscell)210和1/4波片212。在该固态激光装置中，在反射镜200和反射镜208之间的谐振腔中，从由激励单元激励的固态激光介质204内诱导放出的光，在通过梯形柱棱镜202折叠的光轴上，进行在谐振腔内的往复传播，从而发生激光谐振。
在日本专利第9-199394号公报中揭示了一种不使用机械快门便可正确控制曝光时的光量的曝光用照明装置。如图2所示，曝光用照明装置的光源300发生规定的偏振光状态的紫外光。使用作为偏振光控制单元的1/2波片302，改变来自光源300的光的偏振状态。使用作为光强度控制单元的偏光镜304，通过控制单元306的控制，使光的强度随着偏振状态而变化。使用分光器308，使来自光强度控制单元的光的一部分反射。使用光检测器310检测来自分光器308的反射光的光量。控制偏振光控制单元，使由光检测器310检测的光量保持一定。
在日本专利第11-97782号公报中揭示了一种即使在输出高功率的激光谐振光时也能稳定控制强度的固态激光装置。如图3所示，在偏光镜400和第1反射镜402之间的第1光轴上设置有具有固态激光介质404和第一1/4波片406的第1光学系统。第1反射镜402的反射面与第1光轴垂直。在偏光镜400和第2反射镜408之间的第2光轴上设置有具有普克尔盒(Pockels cell)410和第二1/4波片412的第2光学系统。第2反射镜408的反射面与第2光轴垂直。偏光镜400使沿着第1光轴入射的光中的第1偏振光分量透过。使与第1偏振光正交的第2偏振光分量在第2光轴方向反射。使用激励光源，对固态激光介质进行光激励，并产生反转分布。使用旋转驱动部，以第1光轴为中心轴，使第一1/4波片406旋转。使用分光器413使透过偏光镜400而输出的激光谐振光的一部分形成分支。使用光检测器414检测形成分支的光的强度。根据所检测的光的强度，使用控制电路416控制旋转驱动部。通过调整第一1/4波片406的旋转角，可调整从固态激光装置输出的激光谐振光的强度。
然而，在日本专利第56-76587号公报中揭示的固态激光装置中，虽然通过控制激励单元，可在某种程度上调整激光谐振光的强度，然而存在的问题是，稳定控制激光谐振光的强度是困难的。
并且，在日本专利第11-97782号公报中揭示的固态激光装置中，由于需要具备第1光学系统和具有1/4波片的第2光学系统，因而具有光学系统复杂的问题。而且由于通过调整谐振腔内的激光输出，使得在谐振腔内的激光介质内吸收的激光输出也发生变化，所以激光介质内部的热梯度变化，使谐振腔内的光路也发生变化，导致被输出到谐振腔外的激光的光束形状和性质改变。另一方面，当激光装置的使用者在容器外部配设输出调整单元时，与从容器输出的激光光轴对准是必要的，而且要求防尘对策和安全对策。
在日本专利第9-19939号公报中揭示的装置中，尽管考虑了调整激光输出或者将其保持恒定，然而没有考虑由于长期使用引起激励光源的劣化、振动或者非线性光学晶体的劣化等，从而使被加工物的加工所要求的激光功率自身比所要求的规定值低的情况的对策。即，LD(激光二极管)激励固态激光装置由于激励光源LD的寿命和LD激励固态激光装置的振动，使得谐振腔的光轴发生偏离，从而使激光的输出功率随着时间而下降。为了长时间稳定控制激光输出，随着激光输出的下降而使LD电流上升的方法是已知技术，然而即使使用该技术，使LD保持在恒定输出功率的时间也只有很短的5000小时，因此受此影响的LD激励固态激光装置也只有同等程度的短的寿命，因而要求有更长的激光输出的稳定性。
产业用途的LD激励固态激光装置大多是在保持某个设定值的状态下使用激光输出，而如果使用使LD电流上升的方法进行激光输出稳定控制，则当LD的激光输出由于LD的寿命而大幅降低时，激光输出不能满足设定值的输出。处于该状态下，为了修理LD激励固态激光装置，必须停止LD激励固态激光装置。并且，由于在修理人员到来之前花费时间，因而作业工程发生大幅延误。因此，要求具有在即将不满足激光输出的设定值之前发生警报的功能，并事先与LD激励激光装置制造商联络，迅速进行修理。然而，在上述输出稳定控制中，由于预测或测定可把LD激光输出控制成恒定的时间是非常困难的，因而在即将不满足激光输出的设定值之前发出警报是不可能的。另外，不仅LD，而且非线性光学晶体的劣化也是同样的。
当使用全反射镜使LD激励固态激光装置的激光的光轴折曲时，例如当与光轴成45°的角度配置全反射镜，并使激光在90°方向折曲时的反射率随着激光的偏光面(P波，S波)而变化，因而为了在高功率输出状态下使光轴折曲，有必要调整偏光面的角度。如图4所示，与光轴成45°的角度配置全反射镜并使用全反射镜使激光的光轴折曲90°时的反射率随着激光的偏光面(P波，S波)，如图4B所示反射率发生变化。尽管有为了调整偏光面的角度而把1/2波片插入到激光的光轴内的已知技术，然而问题是，由于光学部件增加，使得空间变大，成本增加。
另一方面，在研究用途的LD激励固态激光装置中，有时通过在使输出保持恒定的状态下连续改变偏光面，来测定在很大程度上依赖于偏光面的非线性晶体和偏光镜的特性。作为已知技术，具有一种把1/2波片插入到LD激励固态激光的出射口内并使其以光轴为中心旋转的方法。当改变激光输出时，由于是对LD电流进行了调整，因而可能会导致光束的形状和性质发生变化。如果改变输出，则由于LD的寿命影响，不能长时间稳定保持激光输出。因而存在着在自由改变激光输出并长时间保持输出恒定的状态下，不能连续改变偏光面的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述以往的问题，即使在输出高功率输出的激光谐振光的情况下，也能安全且容易地长期使激光输出在稳定状态下输出，而并不改变激光束的形状和性质，并且可在长时间保持激光输出的状态下，使激光的偏光面连续变化。
本发明的另一目的是提供一种使光学部件得到削减，使光学部件的对准变得容易，并使激光输出稳定的激光装置。
本发明的另一目的是提供一种可适当判断修理时间，并且工作效率高的激光装置。
本发明的另一目的是提供一种可在长时间使激光输出保持恒定的状态下连续变更偏光面的角度的激光装置。
本发明的又一目的是提供一种可在长时间保持激光输出的状态下，使激光的偏光面连续变化，并可容易目视动作状态的激光装置。
本发明的又一目的是提供一种可使激光输出稳定，同时可容易监视激光装置的动作状态的激光装置。
本发明的又一目的是提供一种在1/2波片或偏光镜损伤时，角度与功率曲线的关系不成为cos2(2θ)，可确认光学部件的状态的激光装置。
本发明的又一目的是提供一种通过构成为具有谐振腔输出显示部，始终能监视谐振腔输出并能成为维护容易的激光装置的激光装置。
本发明的又一目的是提供一种通过构成为具有显示谐振腔输出与当前输出形成规定比率的警报显示部，可实时进行谐振腔输出和当前输出的对比，因而可确实判断修理时间，并可提高工作效率的激光装置。
为了达到上述目的，本发明的激光装置具有1/2波片，接收来自谐振腔的激光并使偏光面旋转；偏光镜，接收透过了上述1/2波片的激光并输出作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光；光检测单元，检测从该偏光镜输出的激光的强度；驱动控制单元，根据上述光检测器的输出，对上述1/2波片进行驱动控制，以使从上述偏光镜输出的激光的强度达到规定值；容器，收容上述激光介质、上述一对反射镜、上述1/2波片和上述偏光镜；以及输出窗，设置在上述容器上，用于把上述第1偏振光输出到外部。
而且，为了进一步达到上述目的，本发明的另一种激光装置具有1/2波片，接收来自谐振腔的激光并使偏光面旋转；偏光镜，把上述激光分离成作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光并将其输出；光检测单元，检测通过了上述1/2波片和上述偏光镜的输出激光的强度；控制电路，根据上述光检测器的输出，对上述1/2波片进行驱动控制，以使上述输出激光的强度达到规定值；最大输出显示部，显示来自上述谐振腔的激光的最大输出；以及当前输出显示部，显示通过了上述偏光镜的输出激光的输出。
图1是表示以往的固态激光装置的第1例的构成的概念图；图2是表示以往的固态激光装置的第2例的构成的概念图；图3是表示以往的固态激光装置的第3例的构成的概念图；图4A和图4B是表示激光装置的分光器以及S波和P波的反射率的图；图5是本发明的实施方式的固态激光装置的整体构成图；
图6是在本发明第1实施方式的固态激光装置中所使用的输出可变单元的概略图；图7A和图7B是表示在本发明第1实施方式的固态激光装置中，使1/2波片倾斜角度θ时的激光的水平偏振光激光输出相对值的图，和表示使1/2波片倾斜角度θ时的激光的输出特性的图；图8是表示本发明第1实施方式的固态激光装置的激光输出相对值和1/2波片的旋转角度的时间关系的图；图9是本发明第2实施方式的固态激光装置的输出可变单元的概略图；图10是第3实施方式的固态激光装置的输出可变单元的概略图；以及图11是第3实施方式的固态激光装置的设定操作和显示装置的显示部的概略图。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(第1实施方式)本发明的第1实施方式是使用偏光镜把来自激光谐振腔的激光分离成直进光和分支光，根据分支光的强度检测值，使设置在激光谐振腔的正后面的1/2波片旋转，并使直进光的强度保持恒定的固态激光装置。
图5是本发明第1实施方式的固态激光装置的构成图。图5中，反射镜10、11是一对反射镜。激光棒13、14是发生1064nm基波的激光介质。基波可以采用其他波长。激励模块15、16是激励光的单元。激光二极管17、18是使用激光激励激光介质的装置。分光器19是通过高次谐波激光而反射基波激光的光学元件。Q开关20是控制激光谐振的开关。非线性光学晶体21、22是从基波激光生成谐波激光的光学元件。高次谐波生成模块23是生成高次谐波激光的单元。输出可变单元A是调整激光强度的单元。光轴L1是基波激光的光轴。谐振腔R是使激光谐振的谐振腔。容器T是收容激光发生部件的容器。第1臂T1是容器中收容激励部分的臂部。第2臂T2是容器中收容高次谐波生成部分的臂部。第3臂T3是容器中收容输出调整单元的臂部。输出窗W是把激光从容器导出到外部的窗口。
在该固态激光装置中，在形成谐振腔R的一对反射镜10、11之间的光轴L1上，串联配置有发生1064nm基波的具有作为激光介质的激光棒13、14的激励模块15、16。激光棒13、14例如是Nd:YVO4。这些激励模块15、16在各激光棒的侧面具有激光二极管17、18，以便激励激光棒13、14。该例中，串联配置2个激励模块，然而可以是3个。在反射镜10和激励模块15之间配置Q开关20。
在激励模块16和反射镜11之间设置分光器19和生成3次谐波的由非线性光学晶体21、22组成的高次谐波生成模块23。该例中，使用生成3次谐波的LBO类型II。在生成2次谐波时，使用LBO类型I。可以使用其他非线性光学晶体KTP，KDP，LNO，BBO，CLBO。反射镜10、11、激励模块16、17、分光器19、高次谐波生成模块23等的光学部件被收容在T字状的容器T内。在该容器T内还收容有对从分光器19分离的谐波激光的功率进行调整的输出可变单元A。
以分光器19为边界，在T字状的第1臂T1的部分收容有激励模块15、16和Q开关20。在T字状的第2臂T2的部分收容有高次谐波生成模块23。在T字状的第3臂T3的部分收容有输出可变单元A。为了使激光稳定谐振，在容器T内封入氮气等的惰性气体。如图5所示，输出可变单元A配置在分光器19和设置于T字状的第3臂T3上的输出窗W之间。
图6是在本发明第1实施方式的固态激光装置中使用的输出可变单元的概略图。图6中，1/2波片30是使来自谐振腔R的输出激光的偏光面旋转的单元。偏光镜31是使水平偏振光分量和垂直偏振光分量分离的单元。电动机32是使1/2波片30旋转的装置。电动机33是使偏光镜31旋转的装置。光检测器36是检测由偏光镜31形成分支的激光的强度(功率)的单元。驱动控制装置38是控制电动机32、33的装置。逻辑电路40是对光检测器36的输出信号进行逻辑运算，并输出与来自偏光镜31的输出对应的规定信号的电路。驱动电路42是根据逻辑电路40的运算结果来驱动电动机32、33的电路。驱动控制装置38含有逻辑电路40和驱动电路42，并与光检测器36耦接。开关44是用于从外部驱动电动机33的切换单元。设置在驱动电路42和偏光镜31的电动机33之间的开关44是用于根据需要从容器T的外部单独驱动电动机33的开关。警报单元45是根据逻辑电路40的运算结果来发出警报的单元。输出可变单元A包含1/2波片30、偏光镜31、电动机32、电动机33、光检测器36以及驱动控制装置38，1/2波片30和偏光镜31位于激光光轴L2上。
图7是表示在本发明第1实施方式的固态激光装置中，使1/2波片倾斜角度θ时的激光的水平偏振光的激光输出相对值(功率)的图(图7A)，并且是表示使1/2波片倾斜角度θ时的激光的输出特性(振幅)的图(图7B)。图8是表示固态激光装置的激光输出相对值和1/2波片的旋转角度的时间关系的图。
对上述构成的本发明的第1实施方式的固态激光装置的动作进行说明。首先，参照图5和图6，对固态激光装置的功能进行概略说明。如图5所示，通过使激光在第1反射镜10和第2反射镜11之间重复反射，按照基波频率进行谐振。该基波激光由高次谐波生成模块23转换成3次谐波。仅该转换后的3次谐波由分光器19通过输出可变单元A取出到容器T的外部。
如图6所示，透过了内装在输出可变单元A中的1/2波片30的激光(光轴L2)入射到偏光镜31。偏光镜31与作为3次谐波的波长355nm的光对应。偏光镜31按照水平偏振光的透过强度为最大的角度保持在透过了1/2波片30的激光的光轴L2上。该偏光镜31与1/2波片30配合并作为光强度控制单元行使功能。透过偏光镜31的激光的强度根据透过了1/2波片30的激光(光轴L2)的偏光面的角度而变化。通过透过偏光镜31而使强度改变的激光(光轴L3)从容器T的输出窗出射并照射到被加工物上，供进行各种加工而利用。
下面，参照图7A、图7B和图8，对输出激光的强度调整方法进行说明。对以来自光源的光作为水平偏振光的例子进行说明，然而垂直偏振光也同样。来自光源的光可以是特定角度的直线偏振光。在该例中，假定从谐振腔R输出的激光是水平偏振光。为了使作为第1偏振光的水平偏振光透过，并使作为第2偏振光的垂直偏振光形成分支，调整偏光镜31的旋转角度。偏光镜31保持成使水平偏振光透过并使垂直偏振光形成分支。如果使1/2波片30旋转，则入射到偏光镜31的激光的偏光面旋转。当使用1/2波片30使来自谐振腔R的激光(光轴L2)的偏光面旋转，并且激光(光轴L3)的输出为最大时，把此时的1/2波片30的角度θ设定为0°。如果使来自1/2波片30的偏振光通过偏光镜31，则水平偏振光分量透过。使用偏光镜31使垂直偏振光分量在光检测器36的方向形成分支。
在该激光装置中，把1/2波片30的旋转角度设定为θ，并把从谐振腔R输出的强度设定为Fin。透过偏光镜31而输出的激光(光轴L2)的强度Fout为Fout＝Fincos2(2θ)即，在该激光装置中，如图7A和图7B所示，所输出的光的强度Fout依赖于1/2波片30的旋转角度θ而变化。当从驱动控制装置38向电动机32提供信号，使1/2波片30旋转角度θ时，透过了1/2波片30的激光(光轴L2)成为偏光面角度为2θ的直线偏振光。透过偏光镜31而输出的激光(光轴L3)的强度Fout与1/2波片30的旋转角度θ对应而连续变化。这样，可使从偏光镜31出射的激光(光轴L3)的强度连续变化。作为该偏光镜的例子，具有Glan-Laser棱镜，Glan-Taylor棱镜，Glan-Thompson棱镜，偏振光分光器等。
下面参照图8，对把输出激光的强度维持在规定值的方法进行说明。把光轴L2的激光的强度设定为Fin。把光轴L2的激光的最大强度设定为Fmax。把光轴L3的激光的强度设定为Fout。把以Fmax为基准的相对值设定为激光输出相对值。设定逻辑电路40的逻辑，使激光(光轴L3)的强度Fout始终与激光(光轴L2)的最大输出Fmax保持规定比例(例如80％)。关于规定比例，激光输出相对值可以在0.3～0.95的范围内。如果设定为接近1.0的值，则不能立刻控制，因而不实用。如图8所示，在激光装置的使用初期，谐振腔R为最大输出，激光输出相对值为1。在经过某个时间后，随着激光介质和激励光源的老化，谐振腔R的激光的激光输出相对值下降。例如，如果把Fout的激光输出相对值设定为0.8，则在激光装置的使用初期，1/2波片30的旋转角度约为13.5°。在谐振腔R的激光输出相对值为0.9的状态下，1/2波片30的旋转角度约为10°。
具体地说，使用光检测器36对从偏光镜31形成分支的垂直偏振光分量进行检测，使用根据来自光检测器36的检测输出而从驱动控制装置38的驱动电路42输出的信号，驱动电动机32并使1/2波片30旋转。根据该旋转角度，来自谐振腔R的激光(光轴L2)的偏光面旋转。即使来自谐振腔R的激光的强度随着时间而减少，通过使1/2波片30的旋转角度θ随着来自谐振腔R的激光的强度减少而减小，可使激光(光轴L3)的强度保持恒定。例如，根据1/2波片30的旋转角度θ和由光检测器36检测的垂直偏振光的强度Fv，使用下式求出谐振腔R的激光的强度FinFin＝FV(1/sin2(2θ))通过使用Fin求解以下方程，求出Fout为Fmax×0.8的1/2波片30的旋转角度θ’Fout＝Fincos2(2θ’)＝Fmax×0.8如果把1/2波片30的旋转角度设定为θ’，则可使激光(光轴L3)的强度保持恒定。由于使用光检测器36对由本来设置在激光装置内的偏光镜31形成分支的光进行检测，因而没有必要在激光的光轴L2上单独设置分光器，供光检测器36用。因此，光学部件的对准工作简单，可防止输出降低，并实现成本降低。
当Fin的激光输出相对值例如为0.85时，由逻辑电路40通知警报单元45发出警告，并通知使用者有必要修理激光装置。在固态激光装置稳定控制激光输出的状态下，根据围绕1/2波片30的光轴的旋转角度θ，可得知激光输出相对值。假定由于老化而从初始的激光光源的最大输出值(Fmax)降低到当前的激光输出(Fin)。使用下式算出来自谐振腔R的激光的输出值(Fin)Fin＝(Fout)×(1/cos2(2θ))当目前的激光输出(Fin)接近设定值(Fout)，并且稳定控制输出变得困难时可发出警报。例如，当谐振腔R的输出相对值接近0.8，并且稳定控制输出变得困难时，发出警报。这对激光装置的早期修理是大有裨益的。
接着，对使激光的偏光面旋转的方法进行说明。如果使1/2波片30围绕光轴旋转角度θ，则从1/2波片30出射的激光的偏光面旋转角度2θ。如果使偏光镜31围绕光轴旋转角度θ，则所出射的激光的偏光面旋转角度θ。将使偏光镜31旋转的电动机33的旋转角速度和使1/2波片30旋转的电动机32的旋转角速度的比设定为2∶1，并同时旋转。如果通过电动机32的旋转而使1/2波片30旋转角度θ，则1/2波片30和偏光镜31之间的激光的偏光面旋转角度2θ。如果通过电动机33的旋转而使偏光镜31仅旋转2θ角度，则所出射的激光的偏光面仅旋转2θ角度。这样，由于在偏光面的旋转中，激光输出不变化，因而如果将偏光镜31和1/2波片30的旋转角速度比设定为2∶1，同时旋转并使偏光面旋转，则可长时间使激光输出保持恒定。这样，可一面使激光输出保持恒定，一面使偏光面角度连续变化。此时，使开关44的接点与a接点侧连接。当对1/2波片30和偏光镜31的对准进行调节时，开关44与接点b侧连接，从而可以使偏光镜31的电动机33从外部单独旋转驱动。
如上所述，在本发明的第1实施方式中，由于把固态激光装置构成为，使用偏光镜把来自激光谐振腔的激光分离成直进光和分支光，根据分支光的强度检测值，使设置在激光谐振腔的正后面的1/2波片旋转，并使直进光的强度保持恒定，因而可削减光学部件，可使光学部件的对准变得容易，并可使激光输出稳定。
(第2实施方式)本发明的第2实施方式是使用分光器使来自偏光镜的输出激光形成分支，把分支光引导到光检测器检测强度，驱动1/2波片，并把输出激光的强度控制为恒定的固态激光装置。
图9是在本发明第2实施方式的固态激光装置中使用的输出可变单元A的概略图。图9中，分光器50是使激光的一部分形成分支的光学元件。阻尼器52是吸收由偏光镜31形成分支的光的单元。输出可变单元A具有1/2波片30，偏光镜31，电动机32，电动机33，光检测器36，驱动控制装置38，逻辑电路40，电动机的驱动电路42，以及开关44。逻辑电路40与警报单元45连接。1/2波片30和偏光镜31位于激光输出光轴L2上。电动机32使1/2波片30旋转驱动。电动机33使偏光镜31旋转驱动。驱动控制装置38与光检测器36耦接。逻辑电路40内装在驱动控制单元中。尽管未图示，然而与第1实施方式同样，在驱动电路42和电动机33之间，根据需要设置用于从容器T的外部对电动机33进行驱动控制的开关44。驱动控制装置38包含接收光检测器36的输出的逻辑电路40和电动机32、33的驱动电路42。与第1实施方式一致的部分用相同参照编号来表示。与图2所示的第1实施方式不同的部分为，分光器50配置在作为偏光镜31的输出的激光的光轴L3上，并且由该分光器50形成分支的光被引导到光检测器36。
对上述构成的本发明的第2实施方式的固态激光装置的动作进行说明。由于使1/2波片30旋转来调整输出激光的强度的方法与第1实施方式相同，因而省略说明。
对把输出激光的强度维持在规定值的方法进行说明。使用配置在光轴L3上的分光器50使作为偏光镜31的输出的激光的一部分(例如1％)形成分支。使用光检测器36检测形成分支的激光的强度。为了使激光(光轴L3)的强度Fout与激光(光轴L2)的最大输出Fmax始终保持规定比例(例如80％)，设定逻辑电路40的逻辑。为了使来自光检测器36的检测输出保持恒定，使用从驱动控制装置38的驱动电路42输出的信号，驱动电动机32并使1/2波片30旋转。根据该旋转角度，来自谐振腔R的激光(光轴L2)的偏光面旋转。即使来自谐振腔R的激光的强度随着时间而减少，通过使1/2波片30的旋转角度θ随着来自谐振腔R的激光的强度减少而减小，可把激光(光轴L3)的强度保持恒定。由于该控制是简单的反馈控制，因而逻辑电路40的逻辑比第1实施方式简单。
在稳定控制激光输出的状态下，根据围绕1/2波片30的光轴的旋转角度θ，可得知来自谐振腔R的激光输出。来自谐振腔R的激光输出由于老化而比初始的激光光源的最大输出值下降。使用下式算出来自谐振腔R的激光输出(Fin)
Fin＝Fout×(1/cos2(2θ))Fout是0.8×Fmax。当来自谐振腔R的激光输出(Fin)接近Fout，失去了控制余地，难于对输出进行稳定的控制时，则发出警报。例如，在把Fout的设定值按激光输出相对值设定为0.8时，如果Fin的输出相对值为0.85，则发出警报。这对激光装置的早期修理是有效的。
对激光偏光面的旋转方法进行说明。如果使1/2波片30围绕光轴仅旋转θ角度，则所出射的激光的偏光面仅旋转2θ角度。使用电动机32和电动机33，使偏光镜31和1/2波片30按照旋转角速度比2∶1同时旋转。在长时间使激光输出保持恒定的状态下，可使偏光面的角度连续变化。由于这点与第1实施方式相同，因而省略详细说明。
如上所述，在本发明的第2实施方式中，由于把固态激光装置构成为，使用分光器使来自偏光镜的输出激光形成分支，把分支光引导到光检测器检测强度，驱动1/2波片，并把输出激光的强度控制为恒定，因而可削减光学部件，可使光学部件的对准变得容易，并可使激光输出稳定。
(第3实施方式)本发明的第3实施方式是按照当前输出激光的功率检测值，使设置在激光谐振腔的正后面的1/2波片旋转，使来自激光谐振腔的激光的偏光面旋转，使用偏光镜把该激光分离成直进光和分支光，并使直进光的功率保持恒定，同时显示谐振腔输出等的装置状态的固态激光装置。
图10是在本发明第3实施方式的固态激光装置中所使用的输出可变单元的概略图。另外，与第1和第2实施方式的激光装置相同的构成部件使用相同表示编号。在图10中，1/2波片30是使来自谐振腔R的输出激光的偏光面旋转的单元。偏光镜31是使水平偏振光分量和垂直偏振光分量分离的单元。电动机32是使1/2波片30旋转的单元，并根据来自下述电动机驱动电路的脉冲数而被驱动。电动机33是使偏光镜31旋转的单元。分光器50是使激光的一部分形成分支的光学元件。光检测器36是检测由分光器50形成分支的激光的强度(功率)的单元。另外，输出可变单元A包含1/2波片30、偏光镜31、电动机32、电动机33、光检测器36以及驱动控制装置，1/2波片30和偏光镜31位于激光光轴L2上。
信号处理电路70是对分光器50中的光损失进行补偿，并把光检测器36的输出放大，并将模拟值转换成数字值的电路。控制电路72是内置有微计算机的控制电路，与电动机驱动电路74连接，并通过RS232C通信单元与操作设定和显示装置76连接。电动机驱动电路74是使用其脉冲输出对电动机32进行脉冲驱动的电路。例如使用9000个脉冲驱动电动机32进行一周的旋转。尽管未图示，然而与脉冲数对应的1/2波片30的旋转角度θ被提供给运算电路。
第1运算信号处理电路80是接收来自电动机驱动电路74的输出脉冲和来自信号处理电路70的输出，并对脉冲数，即电动机32的旋转角度和激光功率的关系进行运算处理的电路。第二运算信号处理电路82是根据当前输出值和1/2波片30的旋转角度来求出谐振腔输出的电路。接收来自电动机驱动电路74的输出脉冲数(电动机32的旋转角度)和来自信号处理电路70的输出，并通过对输出激光的功率除以符合电动机32的旋转角度的函数值，来获得谐振腔输出。第1显示驱动电路84是接收第1运算信号处理电路80的输出并把角度对功率图形显示在显示部86上的单元。第2显示驱动电路88是接收第2运算信号处理电路82的输出，并驱动显示谐振腔输出的谐振腔输出显示部90的单元。
存储电路92是接收来自第1运算信号处理电路80的输出并存储谐振腔输出的最大值的存储器。比较电路94是把存储电路92的输出和第2运算信号处理电路82的输出进行比较的单元。第3显示驱动电路96是接收比较电路94的输出，在警报显示部98上显示谐振腔输出降低到规定值，并对激光装置的使用者进行警告的单元。第4显示驱动电路100是接收存储电路92的输出，并在最大输出显示部102上显示激光装置的谐振腔的最大输出值的单元。第5显示驱动电路104是接收信号处理电路70的输出，并把从分光器50输出的当前输出显示在当前输出显示部106上的单元。
另外，各显示部86、90、98、102和106设置在操作设定和显示装置76上。操作设定和显示装置76包含使电动机驱动电路74起动的指令单元，以及设定来自分光器50的激光输出的单元。
由于如上述构成的固态激光装置的输出调整与在第1和第2实施方式(图5，图6，图7A，图7B和图8)说明的调整动作相同，因而省略其详细说明，把1/2波片30的旋转角度设定为θ，并把从谐振腔R输出的激光的强度设定为谐振腔输出Fin。把透过偏光镜31而输出的激光的强度设定为当前输出Fout。当前输出为Fout＝Fincos2(2θ)即，在该固态激光装置中，如图7A和图7B所示，作为所输出的激光的强度的当前输出Fout依赖于1/2波片30的旋转角度θ而变化。
根据来自操作设定和显示装置76的指令，通过控制电路72和电动机驱动电路74把驱动信号提供给电动机32。如果使1/2波片30旋转角度θ，则透过了1/2波片30的激光成为偏光面角度为2θ的直线偏振光。作为透过偏光镜31而输出的激光的强度的当前输出Fout与1/2波片30的旋转角度θ对应而连续变化。这样，可使从偏光镜31出射的激光的强度(当前输出)连续变化。
把谐振腔R的输出激光的最大强度设定为最大输出Fmax，并把谐振腔R的输出激光的强度设定为谐振腔输出Fin。把输出到外部的激光的强度设定为当前输出Fout。把以最大输出Fmax为基准的相对值设定为激光输出相对值。为了使当前输出Fout与最大输出Fmax始终保持规定比例(例如80％)，根据来自操作设定和显示装置76的指令，设定控制电路72的逻辑。对于规定比例，当前输出的激光输出相对值可以在0.3～0.95的范围内。如果设定为接近1.0的值，则不能立刻控制，因而不实用。如图8所示，在激光装置的使用初期，谐振腔R为最大输出，谐振腔输出的激光输出相对值为1。在经过某个时间后，随着激光介质和激励光源的老化，谐振腔输出的激光输出相对值下降。例如，如果把当前输出Fout的激光输出相对值设定为0.8，则在激光装置的使用初期，1/2波片30的旋转角度约为13.5°。在谐振腔输出的激光输出相对值为0.9的状态下，1/2波片30的旋转角度约为10°。在激光使用初期，根据来自操作设定和显示装置76的指令，经由控制电路72和电动机驱动电路74使1/2波片30旋转，并在角度对功率图形显示部86上显示功率图形。此时的图形的峰值是最大输出Fmax。把该峰值表示的角度设定为1/2波片30的旋转角度的基准值0°。
在最大输出值设定后，使用光检测器36检测从分光器50形成分支的光。根据来自光检测器36的检测输出，使用从控制电路72输出的信号，对电动机32进行脉冲驱动，并使1/2波片30旋转。根据该旋转角度，来自谐振腔R的激光的偏光面旋转。即使来自谐振腔R的激光的强度随着时间而减少，也可以通过使1/2波片30的旋转角度θ随着来自谐振腔R的激光的强度减少而减小，使当前输出保持恒定。
例如，根据1/2波片30的旋转角度θ和由光检测器36检测的当前输出Fout，使用下式求出谐振腔输出FinFin＝Fout(1/cos2(2θ))使用谐振腔输出Fin，求解以下方程，求出当前输出Fout为最大输出Fmax×0.8的1/2波片30的旋转角度θ’Fout＝Fincos2(2θ’)＝Fmax×0.8如果把1/2波片30的旋转角度设定为θ’，则可使当前输出保持恒定。即，为了使控制电路的输入值与设定值一致，可以对1/2波片的角度进行反馈控制。
参照图10和图11，对显示部进行说明。第1运算信号处理电路80是用于将当前输出Fout对1/2波片30的旋转角度θ进行图形显示的运算单元。通过信号处理电路70，提供光检测器36的输出和从电动机驱动电路74输出的脉冲。如图11所示，以1/2波片30的旋转角度θ为横轴的当前输出通过第1显示驱动电路84显示在角度对功率图形显示部86上。当1/2波片30的旋转角度θ为0°时的最大输出Fmax被存储在存储电路92内。最大输出Fmax时的1/2波片30的旋转位置作为0°被存储在存储电路内。最大输出Fmax的值也被存储在存储电路92内。如图11所示，该值通过第4显示驱动电路100显示在显示部102上。
第2运算信号处理电路82是用于显示谐振腔输出Fin的运算单元。通过信号处理电路70的光检测器36的输出(当前输出Fout)和从电动机驱动电路74输出的脉冲(电动机32的角度θ)被输入。根据以下运算式进行运算处理，并获得谐振腔输出FinFin＝Fout(1/cos2(2θ))如图11所示，该运算结果通过第2显示驱动电路88显示在谐振腔输出显示部90上。经由信号处理电路70和第5显示驱动电路104，提供由光检测器36检测的当前输出值，如图11所示，当前输出Fout显示在当前输出显示部106上。
存储电路92和第2运算信号处理电路82的输出被提供给比较电路94。当谐振腔输出Fin的激光输出相对值例如为0.85时，从比较电路94经由第3显示驱动电路96在警报显示部98上显示警告，并向使用者通知有必要修理激光装置。在固态激光装置的激光输出被稳定控制的状态下，根据围绕1/2波片30的光轴的旋转角度θ，可得知谐振腔输出的激光输出相对值。假定由于老化而从初始的激光光源的最大输出(Fmax)降低到当前的谐振腔输出(Fin)。使用第2运算信号处理电路82，并使用下式算出谐振腔输出(Fin)Fin＝(Fout)×(1/cos2(2θ))当谐振腔输出(Fin)接近当前输出(Fout)，并且难于对输出进行稳定控制时，可发出警报。例如，当谐振腔输出的激光输出相对值接近0.8，并且难于对输出进行稳定控制时发出警报。这对激光装置的早期修理是非常有利的。
如上所述，在本发明的实施方式中，由于把固态激光装置构成为，根据当前输出激光的功率检测值，使设置在激光谐振腔的正后面的1/2波片旋转，使来自激光谐振腔的激光的偏光面旋转，使用偏光镜把该激光分离成直进光和分支光，并使直进光的功率保持恒定，同时显示谐振腔输出等的装置状态，因而可削减光学部件，可使激光输出稳定，同时始终能把握装置的状态。
权利要求
1.一种激光装置，具有，使被配置于一对反射镜间的激光介质内被激励的激光在上述一对反射镜间进行反射并放大的谐振腔，其特征在于，包括1/2波片，接收来自上述谐振腔的激光并使偏光面旋转；偏光镜，接收透过了上述1/2波片的激光并输出作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光；光检测单元，检测从该偏光镜输出的激光的强度；驱动控制单元，根据上述光检测器的输出，对上述1/2波片进行驱动控制，以使从上述偏光镜输出的激光的强度达到规定值；容器，收容上述激光介质、上述一对反射镜、上述1/2波片和上述偏光镜；以及输出窗，设置在上述容器上，用于把上述第1偏振光输出到外部。
2.一种激光装置，具有，使被配置于一对反射镜间的激光介质内被激励的激光在上述一对反射镜间进行反射并放大的谐振腔，其特征在于，包括1/2波片，接收来自上述谐振腔的激光并使偏光面旋转；偏光镜，接收透过了上述1/2波片的激光并输出作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光；分光器，使上述第1偏振光的一部分形成分支；光检测单元，检测由上述分光器形成分支的激光的强度；驱动控制单元，根据上述光检测器的输出，对上述1/2波片进行驱动控制，以使从上述偏光镜输出的激光的强度达到规定值；容器，收容上述激光介质、上述一对反射镜、上述1/2波片、上述偏光镜和上述分光器；以及输出窗，设置在上述容器上，用于把上述第1偏振光输出到外部。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，还设置报知单元，根据上述光检测器的输出，报知上述第1偏振光的强度已接近来自上述谐振腔的激光的强度的情况。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的激光装置，其特征在于，上述驱动控制单元具有当来自上述谐振腔的激光输出下降并已接近来自上述输出窗的激光输出时，向上述报知单元输出警告信号的逻辑电路。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的激光装置，其特征在于，上述规定值是来自上述谐振腔的激光输出的最大值的30％～95％。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的激光装置，其特征在于，在上述驱动控制单元内设置有使上述偏光镜随着上述1/2波片的旋转而旋转，并能够调整偏光面而不改变上述第一偏振光的光束形状和性质的调整单元。
7.根据权利要求6所述的激光装置，其特征在于，上述偏光镜的旋转角速度是上述1/2波片的旋转角速度的2倍。
8.一种激光装置，具有，使被配置于一对反射镜间的激光介质内被激励的激光在上述一对反射镜间进行反射并放大的谐振腔，其特征在于，包括1/2波片，接收来自上述谐振腔的激光并使偏光面旋转；偏光镜，把上述激光分离成作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光并将其输出；光检测单元，检测通过了上述1/2波片和上述偏光镜的输出激光的强度；控制电路，根据上述光检测器的输出，对上述1/2波片进行驱动控制，以使上述输出激光的强度达到规定值；最大输出显示部，显示来自上述谐振腔的激光的最大输出；以及当前输出显示部，显示通过了上述偏光镜的输出激光的输出。
9.根据权利要求8所述的激光装置，其特征在于，具有第1运算电路，输入上述1/2波片的旋转角度和来自上述光检测器的输出；以及角度与功率的关系图形显示部，根据上述运算电路的运算输出，对应上述1/2波片的旋转角度，显示来自上述光检测器的输出。
10.根据权利要求8所述的激光装置，其特征在于，具有第2运算电路，当把来自上述谐振腔的激光输出设定为谐振腔输出Fin，把通过了上述偏光镜的输出激光的功率设定成当前输出Fout时，输入上述1/2波片的旋转角度和来自上述光检测器的输出，进行Fin＝Fout(1/cos2(2θ))的运算处理；以及谐振腔输出显示部，把由上述运算电路求出的值作为上述谐振腔输出来显示。
11.根据权利要求10所述的激光装置，其特征在于，具有比较电路，把上述当前输出Fout和上述谐振腔输出Fin进行比较；以及警报显示部，根据上述比较电路的输出，显示上述谐振腔输出Fin相对上述当前输出Fout达到了规定的比率。
全文摘要
本发明提供一种激光装置。把激光介质、一对反射镜和输出可变单元收容在容器内，能够调整激光的输出功率而不会改变激光特性。使用1/2波片接收在激光介质内被激励的激光，使偏光面旋转，使用偏光镜接收透过了1/2波片的激光，并把该激光分离成作为直进光的第1偏振光和作为分支光的第2偏振光。使用光检测单元检测第2偏振光的强度，并根据光检测器的输出，对1/2波片进行旋转控制，以使第1偏振光的强度保持恒定。而且还具有显示激光的最大输出的最大输出显示部和显示通过了上述偏光镜的激光的输出的当前输出显示部。
文档编号H01S3/13GK1574515SQ20041006947
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月23日 优先权日2003年6月23日
发明者布川洋, 宫崎保, 天野觉 申请人:株式会社Orc制作所