专利名称：激光脉冲发生装置及方法
技术领域：
本发明涉及固体激光振荡器，提供一种Q开关脉沖的激光振荡方法 及装置，该方法及装置适用于采用掺杂了含Yb、 Nd的稀土类离子的薄 板形状之类的低放大增益激光介质的情况，虽然脉冲振荡频率较高但仍 能实现高稳定性。
背景技术：
使激光光束沿光硬化树脂液体的水平截面形状的轨迹来照射激光聚 光光束，通过在水平面内依次反复由计算机控制的图案来制成三维立体 形状的光造型技术正被实用化。在该技术中，用激光光束沿细曲线状扫 描而产生自由曲面。由于使用的光硬化树脂较多采用紫外线硬化树脂， 因此照射激光采用紫外区域的激光。紫外激光是将通常振荡波长为 1.06/xm的Nd:YAG等激光用非线性光学晶体进行三倍频变换产生的，并 与造型用紫外线硬化树脂的光吸收特性配合使用。由于采用非线性光学
以采用能够获得高峰值功率的脉沖激光器。为了在保持光造型的形状精 度的同时提高造型速度，提高脉沖激光的重复频率，使照射点的聚光点 在没有相互分离的状态下连续重叠照射形成平滑的照射曲线。
通常，来自连续光激发的固体激光介质采用Q开关控制技术在数十 kHz的重复频率下产生激光脉冲。另外，在用非线性光学晶体将该激光 脉冲波长变换到紫外区域后，在检流计上安装有反射镜的光束扫描器将 聚光点一边照射在硬化树脂面上一边高速地描绘形状轨迹。虽然是采用 现有的棒形固体激光器来产生高速重复脉冲，但是从小型化、高品质化 的观点出发，由于盘形激光器能够消除该棒形激光器的缺点，所以正对 其加以研究。
盘形激光器具有将薄板状激光介质隔着腔镜贴合到作为热冷却介质
4的导热性好的衬底上的结构，沿被贴合的薄板状激光介质的板厚方向照 射激发光，从激光介质的表面射出激光放大光。背面的衬底吸收由激发 光照射而导致的激光介质的发热并为了冷却而进行散热，防止激光介质 的温度上升。因此，由于消除了激光介质内的薄板面内方向的温度梯度， 激光介质内的振荡放大光束的光学不均匀性得以消除，能够获得聚光性 优良的高质量的激光束。
但是，将盘形Q开关激光器用作上述的光造型用高重复率激光光源 时也具有缺点。缺点在于，由于采用的是在相对于薄板状激光介质的薄 板在垂直方向形成激光振荡或i文大光路，所以激光通过放大介质的》文大 光程短，不能得到充分的放大增益。所以，如果在数十kHz的高频下重
复Q开关的开、关动作，Q开关脉沖的产生无法追随该重复频率，经常 发生脉冲输出缺失。故此，不能用由Q开关高速重复操作产生的激光脉 冲来进行平滑的高精度光造型作业的树脂成型。另一方面，如果为了防 止发生脉冲输出缺失而低速重复，会产生作业效率及精度不充分的问题。
专利文件1美国专利第6002695号说明书
专利文件2美国专利第6172996号说明书
专利文件3美国专利第6922419号说明书
发明内容
发明要解决的课题
本发明要解决的课题是，即使对于采用薄板形状等低放大增益的激 光介质的情况，也可以使Q开关输出的固体激光以稳定的脉沖能量实现 高重复频率工作。此外，还在于提高由激光进行的材料处理的速度以及 处理精度。
解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明提供以预定的重复频率产生脉冲的激光 脉冲发生装置，其特征在于，具有激光谐振腔，具有多个反射体；激 光介质；Q开关，设置在上述激光谐振腔内的光路上；激发源，对上述 激光介质进行光激发；控制部，驱动上述Q开关，上述控制部具有在激光振荡过程中将上述Q开关从开通变成关断的装置。
另一方面，本发明提供一种激光脉冲发生方法，其特征在于，包括
以下的步骤，对激光介质进行激发；将Q开关置于开通状态；使来自所 述激光介质的激光振荡开始；在上述激光振荡过程中将上述Q开关切换 到关断状态以中断上述激光振荡；以及以预定的频率重复上述Q开关的 开通及关断。
发明效果
在本申请的发明中，由于通过将产生的脉沖由Q开关在振荡过程中 强制地中断振荡，能够将反转分布总是保持在较高状态，所以可以产生 高重复频率的脉冲。特别是，能够产生比与被添加到激光介质中的活性 物质的上能级密度短的周期对应的频率的脉沖。
图1为本发明涉及的高重复率Q开关脉沖的第 一 实施方式的构成图。 图2为第二实施方式的构成图。 图3为本发明的工作说明图。
图4为使图1的构成中的RF闸门时间变化时的特性示例，(a)显示 与工作频率为100kHz的RF闸门时间相对应的输出稳定性，(b)显示了 稳定区域的脉冲串，(c)显示了不稳定区域的脉沖串。
图5为图2的构成中的二次谐波的高重复率工作的特性示例，(a) 显示了与50kHz及100kHz工作的能量相对应的脉冲宽度稳定性，(b)显 示了低能量侧的脉冲波形，(c)显示了高能量侧的脉冲波形。
具体实施例方式
图1为表示根据本发明的第一实施方式的高重复频率的稳定的Q开 关脉沖激光振荡中采用的装置。优选采用薄板状激光介质作为激光介质 1。原因在于，在沿激光光轴(即与板厚小的薄板表面垂直的方向)的光 程较短，故放大增益较小。但即使对于一般采用的棒形介质，在其活性 物质的添加量较少时也特别有效。采用薄板状激光介质时，激光介质1^C固定在导热性好冷却能力优异的衬底2上。激光介质1采用掺杂具有 比成为对象的重复工作周期长的上能级寿命的活性物质的介质。或者， 用重复工作周期与比活性物质的上能级寿命短的周期相对应的装置加以
驱动。激光介质1的活性物质为例如是Yb、 Nd等稀土类离子。衬底2 与激光介质1之间形成有采用熔敷法的AuSn (金锡)等接合用薄层(未 图示)，并配置有反射从激光介质1的表面入射的激光波长的光的镜17。 激光介质1被光激发用的激发光源12发出的激发光16从表面侧照射， 激发激光介质内掺杂的活性物质。在激光介质1的前方设置有聚光镜3， 用来使激光谐振腔的衍射损失最小化。还设置有与激光介质1相向的输 出侧镜6，该镜6与镜17共同形成激光谐振腔。此外，声光工作的Q开 关5被设置在激光谐振腔内的光路8上，还设置有Q开关的RF控制部 13,用来驱动Q开关5内的作为衍射介质的高频压电元件。另外，可以 根据需要在谐振腔内的光路8上设置偏振片4。
激光介质1被来自激光二极管等激发光源12的激发光16聚光照射 在激光介质1的激光谐振光轴上。激发光源12的波长被选择为对于向激 光介质1的激光振荡的上能级的激发有效的波长。激光介质1内的活性 物质被光激发，形成内部二能级反转分布。
通过RF控制部13来开通、关断RF电源以控制Q开关5的变换器 (未图示)，进行Q开关5的开、关。对于RF电源处于开通状态的情况， 由于妨碍了激光谐振腔内的光路8的前进，所以Q开关5关闭，导致激 光谐振腔内的光学损耗增加、Q值下降，振荡中断。由于只要RF电源关 断或功率低下就不会妨碍激光谐振腔内的光路的前进，从而Q开关5变 成开通动作。当Q开关5进行开通动作时，如果在激光介质1有激光放 大增益则达到振荡，在构成谐振腔的镜6和17之间Q开关脉沖上升，能 够获得透过输出侧镜6的输出光束7。
在本发明中，如上述方式工作的Q开关脉沖在从振荡时到高重复率 工作为止可以得到稳定的Q开关脉沖。原因在于，通过控制Q开关的开、 关时间，以及利用上能级寿命长的活性物质，能够高效地产出剩余能量、 切实得到高密度的反转分布。该状态以图3加以说明。
图3 ( a )示出了激光介质内的激光振荡能级间的反转分布数Ni的概念。设没有反转分布时为0级，为了能够稳定工作而必须的反转分布数
为Nl ，振荡之前的反转分布数较多的状态为N2。
设从时刻tO之前的激光介质1由激发光源12激发。t0以后反转分布 数Ni逐渐增加20。在反转分布比振荡阈值大的某一时刻tl由RF控制部 13切断RP电源从而使谐振腔的损耗减少，则激光谐振腔内的激光振荡 开始上升，在时刻t2发生如图3(b)的倾斜所示脉冲上升27。如果保持 RF电源的切断状态，则由于光的受激辐射导致反转分布低至0级附近， 此时产生下降部分28从而振荡Q开关脉沖的尾部。
如果，如图3(c)所示，在时刻t15、 tl6及tl7进^f亍向RF电源的开 通(Q开关动作为关)的切换。此时，可以看到从时刻t3到t15之间的 下降部28的脉冲导致能量被释放，从而反转分布数Ni大幅减少21。在 时刻t15打开RF电源，希望从这一时刻直至下一个脉冲发生的时刻t6 为止能够由光激发导致向上能级的逐渐激发，从而得到反转分布数Ni的 增加24。对于采用薄板形状等激光介质时激光介质放大增益较低的情况， 在时刻t6还没有达到稳定的振荡上升所需的必要反转分布数，Q开关振 荡的上升变成不充分或不可能的状态。因此，从t6开始的Q开关脉冲或 成为比前一个脉沖能量低的脉冲29，或变成脉冲缺失。
之后，在接下来的时刻t9再度将RF电源置于关闭状态而使Q开关 开通时，由于在之前的时刻t6的振荡不充分而没有受激辐射，所以在反 转分布被保持的状态下，在tl6 tl0期间被施加光激发能量，导致反转 分布进一步增加。因此，由于反转分布数超过了 N2，所以在tlO发生急 剧脉冲上升30。另外，此后，由急剧脉沖导致受激辐射量增大，剩余的 反转分布数再次减少，不能再得到稳定输出。
通常，Q开关脉沖激光装置被设计成按如下的方式工作，即，在RF 电源关闭期间产生振荡所需的充分的反转分布能量被蓄积再被释放。当 采用薄板状激光介质等放大增益较小的介质时，由于为了给予充分反转 分布能量所必须的时间较长，所以由棒形固体激光器进行的高重复率脉 沖振荡的频率的上限降低。
在本申请发明中，关闭RF电源而开通Q开关之后，在激光脉冲开 始振荡的时刻，通过强制地将Q开关切换到关断来中断激光振荡，以使高重复脉冲振荡的频率的上限不会降低。以下，用图3(b)和(d)加以 说明。如果在时刻t2开始激光脉冲振荡，则在t3时在振荡过程中强制地 将Q开关切换到关断来中断激光振荡。
当采用薄板状激光介质等低放大增益的介质时，如果关断Q开关则 可立即停止脉沖振荡。在图3 (d)示出的时刻t3、 t7及tll进行Q开关 关断以及振荡停止。这样，通过在振荡过程中使振荡中断，反转分布数 Ni可以总是被维持在比0级高的Nl和N2之间。从开启RF电源的时刻 t3开始，经过下一次关断RF电源的时刻t5,直到下一个脉沖的上升时刻 t6为止，反转分布数持续增加23，反转分布数一直增加到之前的Q开关 脉冲振荡开始时的值后，开始振荡。从时刻t6振荡开始后，在振荡过程
向Q开关脉冲的迁移，从而反转分布余留。从时刻t7的脉冲振荡停止到 下一个脉沖工作开始时刻t10为止，使反转分布数增加。这样，在Q开 关脉冲的振荡动作中将Q开关关闭，使激光介质内的反转分布剩余，由 于可以在总是维持较高的反转分布状态的同时持续重复脉冲工作，所以， 至高重复率为止，具有稳定的上升27的脉沖串的振荡得以持续。
为了高效地维持反转分布，只需采用上能级寿命相对于重复工作的 周期足够长的活性物质。例如，当重复工作的重复频率大于20kHz即周 期不足50]tis时，可采用上能级寿命大约为lms的Yb作为活性物质来实 现对反转分布的维持。
另外，将打开RF电源强制地将Q开关切换到关断的时机设在Q开 关脉冲振荡过程中进行是重要的。该方法通过Q开关元件的RF控制部 13将RF电源/人关断(图3中的tl、 t5、 t9)到开启(t3、 t7、 tll )的时 间控制在预定值即可简单地实现。预定值可以由实验来确定。另一方面， 可以另外添加检测激光振荡的传感器等器件。而且还可以是如下的构成， 即，在RF控制部13中设置接收来自传感器的振荡检测信号、并通过适 当的延时装置来关断RF电源的装置。
图2示出了本发明的第二实施方式。采用同一标号表示具有与第一 实施方式相同功能的构成部件。本实施方式为对第一实施方式添加了对 产生的激光脉冲进行高频变换的功能。在该实施方式中，45度倾斜的波长选择镜14对激光振荡的基波11具有全反射特性，而对由设置在谐振
腔内的高次谐波变换装置9、 10将基波变换成高次谐波的波长具有透过
特性。可以采用非线性光学晶体等非线性光学元件作为高次谐波变换装
置9、 10。为了在非线性光学元件中产生非线性作用，输入光为偏振光(被 起偏)是必要的。对于谐振腔内具有带偏振光要素(可产生偏振光)的 情况，由于即使不特别设置偏振装置也能够得到偏振光振荡，所以也可 以不放入偏振片4。但是，当激光介质不具有带偏振光要素的情况则必须 设置偏振片4。
波长选择镜14具有反射基波、透射高次谐波的性质。对基波而言， 镜6、 17及波长选择镜14构成谐振腔。光路上的基波11被波长选择镜 14反射并被朝向高次谐波变换装置9、 10，在通过高次谐波变换装置9、 10的过程中被变换成二次谐波或三次谐波。短波长的高次谐波作为高重 复率Q开关脉冲透过波长选择镜14，作为高次谐波输出光束15出射。 因此，采用基波的振荡波长为1.03/mi的Yb:YAG作为激光介质，利用高 次谐波变换装置9、 10，如果输出二次谐波则为可见光区域的波长为 515nm的激光脉冲，如果输出三次谐波则为紫外区域的波长为343nm的 激光脉沖。 (试验例1 )
图4为采用第一实施方式中的Yb:YAG的薄板状激光介质，使以脉 沖频率为100kHz工作的RF电源的时序变化时的输出功率和稳定性的特 性变化的一个示例。该激光介质的厚度为30(^m，作为激发光源采用波 长为940/mi的激光二极管。激光的振荡波长为1.03]Lim，这与能量能级为 10327cm—1和612cnT1的跃迁对应，上能级寿命为950/xs。图4(a)中横 轴表示RF的关断期间，即意味着图3中的tl至t3、t5至t7以及t9至tl1。 虽然增大RF的关断期间输出能量亦会增加，但如果超过最佳点X则会 导致能量的稳定性恶化。原因在于，能量重复地在中途被不够彻底地放 出和不释放，从而不能得到稳定的反转分布。当RF的关断期间在最佳点 X以下的稳定区域时，由于可以由剩余的能量获得足够的反转分布，从 而可以是如(b)所示稳定工作，但是在超过最佳点X的不稳定区域则变 成如(c)所示的重复涨落的不稳定工作。(试验例2 )
图5所表示的是第二实施方式中的脉沖频率为50kHz及100kHz工作 的二次谐波(波长为515nm)的特性示例，该实施方式与第一实施例同 样地采用Yb:YAG薄板状激光介质。在高次谐波变换装置9、 10中采用 LiB305作为非线性光学晶体。(a)中的横轴为一个二次谐波脉冲的平均 能量。如图5(b)、 (c)所示，脉冲波形在随后的尾部处切断，即使在高 次谐波振荡时也可以强制地控制输出，实现稳定的工作。
在本发明中，在采用了添加有活性物质的激光介质的Q开关的重复 工作中，Q开关的光路变成透过状态，在激光脉冲振荡过程中将Q开关 光路置为中断状态强制地中断激光脉冲。这样，来自激光介质内的能量 释放被中途停止，使得剩余的激发上能级能量密度增加。由于得到的振 荡方法能够维持满足以下条件的上能级激发密度，即，只要Q开关处于 开通状态就能使Q开关脉冲振荡，所以能够实现稳定的高重复率的脉冲 振荡。可以实现在与比活性物质的上能级寿命短的周期相当的重复频率 下产生激光脉冲。采用该高重复率的能量光束可以-提高激光的材料处理 速度以及处理精度。
在现有的使用薄板形状之类的低放大增益的激光介质的激光器中， 由于激光振荡增益较小，所以在短时间内振荡上升较为困难，所以其工 作-故限制在例如为lkHz至10kHz等的^f氐重复频率的重复频率范围内。在 根据本发明的激光脉冲发生装置中，在Q开关脉沖的发生过程中，通过 在上能级的状态密度比振荡阈值高的状态下强制地中断振荡以维持较高 的激光放大增益的状态，由于是以在比一定能级高的反转分布的形成条 件下进行高重复率工作的方式来控制Q开关工作，所以可以实现在高重 复频率下的稳定脉沖的产生。本申请发明对盘形激光器效果很好。原因 在于，在盘形激光器中采用薄板介质，与薄板厚度相当的激光谐振腔的 增益光程短，从而导致放大增益较低。
当将根据本发明的激光发生装置用作使用光硬化树脂的三维光造型 树脂模型制作工艺中的光源时，可以在光硬化树脂液面上用细线来描绘 细微的高精度图像形状，因此，可以进行高精度的三维造型。由于可以 得到Q开关脉沖的重复频率为高重复率的稳定的脉冲输出能量，故此能够使脉冲激光的聚光点重叠着进行高速扫描，从而可以描绘平滑的曲线， 能够高速地形成形状精度高的三维树脂模型。此外，可以实现能够适用 于高重复频率的Q脉冲的与半导体相关的微细加工及加工处理能力强的 激光系统。
以上为对本发明实施例的说明。不言而喻，在不脱离权利要求记载 的发明技术思想的情况下，可以对上述实施例施加改变。
产业上的可利用性
根据本发明，由于可以得到红外、可见、紫外等高重复率和高稳定 性的小型激光振荡器，所以可以用在使用光硬化树脂的三维光造型工艺 中。另外，可以用在太阳能电池的电极形成工艺、液晶等显示器件中使 用的透明电极膜的加工、各种电子器件的修正加工、半导体存储器的硅 晶片冗余电路的导电链接的电路元件的加工，以及其他的去除加工、划 线(7—《乂夕')、热处理等要求高速扫描的激光加工领域。
权利要求
1.激光脉冲发生装置，以预定的重复频率产生脉冲，其特征在于，具有具有多个反射体的激光谐振腔；激光介质；设置在所述激光谐振腔内的光路上的Q开关；对所述激光介质进行光激发的激发源；以及驱动所述Q开关的控制部；所述控制部具有在激光振荡期间将所述Q开关从开通变到关断的装置。
2. 根据权利要求1所述的激光脉冲发生装置，其特征在于，在所述 激光介质中添加有活性物质，所述活性物质的上能级寿命比与所述重复 频率对应的周期长。
3. 根据权利要求1或2所述的激光脉沖发生装置，其特征在于，所 述激光介质为设置在所述激光谐振腔内的至少一个反射体上的薄^1状激 光介质。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的激光脉冲发生装置，其特征 在于，还具有高次谐波变换装置。
5. 根据权利要求2至4中任一项所述的激光脉冲发生装置，其特征 在于，所述活性物质包含至少一种稀土类离子，该稀土类离子包含Yb、 Nd。
6. 根据权利要求5所述的激光脉沖发生装置，其特征在于，所述重 复频率在20kHz以上。
7. 激光脉沖发生方法，包括以下步骤 对激光介质进行激发， 将Q开关置于开通状态，使来自所述激光介质的激光振荡开始，在所述激光振荡过程中将所述Q开关切换到关断状态，中断所述激 光振荡，以及以预定的频率重复所述Q开关的开通及关断。
8. 根据权利要求7所述的激光脉沖发生方法，其特征在于，在所述 激光介质中添加有活性物质，将所述预定的重复频率设定成与比该活性 物质的上能级寿命短的周期对应的频率。
9. 根据权利要求7或8所述的激光脉沖发生方法，其特征在于，还 具有将产生的激光脉冲变换成高次谐波的步骤。
全文摘要
提供一种采用薄板形状之类的低放大增益的激光介质的稳定脉冲高重复率激光发生装置。在固体激光振荡器中具有至少一对激光谐振腔；作为激光介质采用薄板形状的激光介质，其内添加有具有比重复工作的周期长的上能级寿命的活性物质；在激光谐振腔内的至少一个反射体上设置的薄板形状的激光介质和谐振腔内设置的Q开关元件；对激光介质进行光激发的激发源；驱动Q开关元件的控制部。通过该控制部，在Q开关元件处于开通状态时，振荡开始，在激光介质内的活性物质的上能级密度得以余留的振荡中将Q开关元件切换到关来中断振荡。由于是按照只要Q开关处于开通状态就能够使Q开关脉冲振荡的方式维持上能级的激发密度，所以能够实现稳定的高重复脉冲。
文档编号H01S3/16GK101584094SQ20088000241
公开日2009年11月18日 申请日期2008年1月11日 优先权日2007年1月16日
发明者今鉾友洋, 住吉哲实 申请人:彩覇阳光株式会社