[发明专利]激光振荡装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光振荡装置，特别涉及能够可变Q开关脉冲宽度的激光振荡装置及其控制方法。

背景技术

利用了发生连续波(Continuous Wave，后面，也称为CW)的超声波等的声光Q开关(Acoust-Optic Q-Switch，后面，也记为AOQ-SW)激光振荡装置，可得到脉冲宽度窄且峰值高的连续波脉冲。因此，广泛普及在激光微调加工、激光制标加工等领域。

以往，AOQ-SW激光振荡装置存在不能自由改变Q开关(后面，也称为Q-SW)激光脉冲宽度的缺点。例如，在5kHz的重复频率下，设一定的激励用LD(激光二极管：Laser Diode)的电流为固定，则Q开关脉冲宽度被自动决定。从而，在电流一定的条件下，其值不能变长或变短。

在激光的原理上，可由例如以下的3种方法对Q开关脉冲宽度进行可变控制。首先，第1方法是在小于激光激活离子的荧光寿命状态下，对激光介质的激励时间进行控制，使其延长至荧光寿命为止。由此，能够提高峰值功率，且缩短Q开关脉冲宽度。相反，若将激励时间从荧光寿命时间开始缩短，则峰值功率也减少，且还能够延长Q开关脉冲宽度。

该第1方法是利用图11所示的Q开关激光的特性的方法。图11中，横轴取Q开关频率，纵轴取Q开关脉冲的峰值输出和Q开关脉冲宽度，是表示激励光强固定情况下的Q开关脉冲的特性的曲线图。如图11所示，Q开关脉冲宽度具有，在激励光强一定的情况下，Q开关振荡频率越高则越长，相反，在变低的方向变短的特性。存在若Q开关振荡频率减低，则Q开关脉冲宽度饱和的倾向。利用该原理，例如在需要1kHz的Q开关脉冲频率的情况下，构成为能够将实际的Q开关频率以1kHz、5kHz、10kHz、15kHz、20kHz的5个级振荡。在5kHz以上的频率上，利用外部的高速光快门(shutter)等，将激光脉冲列分别拉长间隔为1/5、1/10、1/15、1/20。这样，可得到Q开关脉冲宽度不同的5级的1kHz的脉冲列。但是，如图11所示，Q开关脉冲的峰值输出在每个Q开关振荡频率具有较大不同的性质。因此，在需要合成峰值输出的情况下，需要用于衰减峰值输出的外部衰减器(attenuator)。此外，由于通过衰减不能有效利用峰值输出，因此存在激光振荡装置大型化等作为产业用激光装置所重视的成本方面的问题。

第2方法是提高对激励激光介质的激励光密度的方法。由此，能够缩短Q开关脉冲宽度。即，通过增大激励用LD的电流值，且增大LD输出光强度，或者若输入的LD激励光功率固定，则通过使LD激励光聚光为较小，从而能够缩短Q开关脉冲宽度。

如图12所示，该第2方法利用在LD激励光强度上升时Q开关脉冲宽度缩短的特性。在图12中，横轴取LD激励光强度，纵轴取Q开关脉冲宽度，是表示两者的关系的曲线图。通过增大LD电流值而LD激励光强度能够变大。利用该特性，通过在能够得到期望的脉冲宽度(图12所示的tp)的电流值下使用的方法，能够选择某一程度的脉冲宽度。但是，此时也与第1方法相同，在以相同峰值输出并用宽脉冲宽度和窄脉冲宽度的情况下，需要用衰减器衰减输出。

第3方法是通过伸缩光谐振器长度，从而改变光谐振器中的往返时间。原理上，伸缩光谐振器，对改变Q开关脉冲宽度具有显著的效果。例如，通过缩短光谐振器长度，从而即使在具有相同增益的活性介质中往返的情况下，往返时间也缩短，即往返次数增大。由此，脉冲上升时间缩短，从而整体Q开关脉冲宽度缩短。但是，由于在实际的装置中难以自由改变谐振器长度，因此从脉冲宽度的外部控制这一观点出发，则是一种非常困难的方法。

因此，作为现今市场上所实施的脉冲宽度可变方法，存在如专利文献1所公开的方式。该方式，与一般的AOQ-SW元件的连续波的Q开关振荡器相同，但在Q开关振荡信号的定时之前的时间(Ta)控制该AOQ-SW元件的ON(导通)/OFF(截止)。即控制对高能级的激励积累时间。这样，利用通过控制激光振荡装置的增益，从而控制所发生的Q开关脉冲宽度的方法。