JPS63115390A - パルスレ−ザの電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はパルスレーザの電源装置に関し、特にパルスレ
ーザ光の瞬時的なレーザ出力に変動があっても設定通り
のレーザエネルギを各パルスについて得るようにしたも
のである。

（従来の技術） ＹＡＧ　（イツトリウム・アルミニウム・ガーネット）
レーザやガラスレーザ等の固体レーザは、主トしてレー
ザ発振を起こすＹＡＧロッドやカラスロッド等のレーザ
ロッド（発振素子）と、そのレーザロッドに光を照射し
て発振用のエネルギを注入する励起用ランプとで構成さ
れる。また、レーザロッドにおいて大部分の励起エネル
ギは熱に変わってしまい、温度が高くなると発振しにく
くなるため、レーザロッドを冷やすための冷却装置も大
抵備えられる。

このような固体レーザでパルス状のレーザ光を得るには
、励起用ランプにキセノンフラッシュランプまたはクリ
プトンフラッシュランプを使用するとともに、電源装置
にコンデンサを設け、そのコンデンサを充電させた後に
放電させることによってパルス状のランプ電流をフラッ
シュランプに供給する。そうすると、フラッシュランプ
がパルス点灯し、レーザロッドを励起してパルス状のレ
ーザ発振を起こさせる。

パルスレーザ光は、例えば切断、穴開け、シーム溶接、
スポット溶接等の瞬間的に高いレーザ出力を要する加工
に用いられ、一般には１〜５０パルス／秒等の時間間隔
で繰り返し発せられることが多く、パルス幅は約０．１
ｍｓ〜２０　ｍ　ｓの範囲内で選ばれる。

（発明が解決しようとする問題点） 上記のようなパルスレーザ光の発生原理にしたがえば、
パルスレーザ光のレーザ出力はパルス状ランプ電流のレ
ベルに対応し、ひいてはコンデンサの充放電電荷量に対
応する。

したがって、各パルスレーザ光による加工品質のバラツ
キをなくすために、従来は、コンデンサの充電電圧を一
定にしてレーザ出力を一定に維持しようとしていた。

ところが、コンデンサの充電電圧が一定に制御され、し
たがってランプ電流のレベルが一定に制御されても、レ
ーザロッドの発振特性や冷却水の温度に変動が生じるた
め、最終的に得られるパルスレーザ光の出力も不安定で
なかなか設定通りにはならなかった。特に、繰り返し発
振の場合、最初の数パルスのレーザ出力はレーザロッド
の熱レンズ効果によって非常に不安定である。熱レンズ
効果とは、励起エネルギによって熱せられたレーザロッ
ドの芯部と冷却水によって冷やされたレーザロッド表面
部との温度差によってロッドの屈折率が変化し、いわば
凸レンズが形成される現象であり、その温度差が不安定
なうちはレーザ出力も不安定で変動する。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、パル
スレーザ光のレーザ出力に変動があっても設定通りのレ
ーザエネルギを各パルスについて得るようにしたパルス
レーザの電源装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成する本発明の構成は、レーザ媒体がパル
ス状のレーザ発振を起こすよう励起用のフラッシュラン
プをパルス点灯させるパルスレーザの電源装置において
、フラッシュランプに点灯用のランプ電流を供給する手
段と；レーザ媒体より発せられたパルスレーザ光の出力
を検出し、その出力の大きさに応じたレベルをもつ電気
的なレーザ出力検出信号を生成する光センサ手段と；各
パルスレーザ光に対してレーザ出力検出信号を時間積分
する積分手段と；各パルスレーザ光に対してレーザエネ
ルギの設定値に対応した比較基準値を与える手段と；積
分手段の出力と比較基準値とを比較し、前者が後者に一
致したときに所定の比較出力信号を発生する比較手段と
；比較出力信号に応動してランプ電流の供給を停止する
手段とを具備することを特徴とする。

本発明において、パルスレーザ光の出力とは、単位時間
当たりのレーザエネルギ（ワット）を意味し、瞬時的な
値である。また、レーザエネルギとは１つのレーザパル
ス光がその持続時間（パルス幅）中に与える総エネルギ
（ジュール）を意味し、累積的な値である。

（作用） 概して、レーザ光の出力はランプ電流に対応（比例）す
るのであるが、レーザロッドの発振特性や冷却水温度の
変動等によりレーザ出力に変動ないしバラツキが生じる
ことがある。

本発明は、そのようなレーザ出力の変動ないしバラツキ
に関係な（、各パルスレーザ光のレーザエネルギを設定
通りに制御するように作用する。

すなわち、レーザ発振が開始されると、光センサ手段が
当該パルスレーザ光の出力（ワット）に対応した電気的
なレーザ出力検出信号を生成し、積分手段はそのレーザ
出力検出信号を時間積分する。したがって、積分手段の
出力（積分値信号）は、パルスレーザ光が発生してから
現時刻までの間のレーザ出力の累積値、すなわちレーザ
エネルギ（ジュール）を表す。しかして、積分手段の出
力がレーザエネルギ設定値に対応した比較基準値に一致
したところで、ランプ電流が断たれ、ノ＜パルスレーザ
光の持続時間が断たれれば、その１つのパルスレーザ光
の総エネルギは設定値に等しくなる。

（実施例） 以下、添付図を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は、この実施例によるパルスレーザの電源装置の
構成を示す。電源回路１０は商用交流電圧を昇圧、整流
して高圧の直流電圧を出力し、大容量のコンデンサ１２
を充電する。このコンデンサ１２の充電電圧Ｖは、サイ
リスタ１６が導通した時にそれとダイオード２４とを介
してフラ・ソシュランプ２６に印加される。サイリスタ
１６は、ゲート−ターン・オフ型（ＧＴＯ）で、そのゲ
ートに正電流を受けると導通（オン）シ、負電流を受け
ると遮断（オフ）するようになっている。サイリスタ１
６に並列に接続されたダイオード１８゜抵抗２０．コン
デンサ２２は、過大な逆電圧に対してサイリスタ１６を
保護する回路である。

この電源装置には、フラッシュランプ２６内の放電路を
安定化させるためのシマー回路２８が設けられている。

トリガ電極３４にトリガ回路３６からトリガ信号ＴＲが
与えられるとトリガがかかり、シマー回路２８より抵抗
３０．ダイオード３２を介して１００〜２００ｍＡの微
弱な予備電流（シマー電流）ｉがフラッシュランプ２６
内を流れる。

そして、上記のようにサイリスタ１６が導通してコンデ
ンサ１２の充電電圧Ｖが印加されると、フラッシュラン
プ２６は点灯してレーザロッド４０に光を照射する。こ
れによって、レーザロッド４０は発振してレーザ光を発
し、そのレーザ光は共振ミラー４２Ａ、４２Ｂで反射し
て十分に増幅されてから外部に出力される。出力された
レーザ光ＬＢは、例えば１％の反射率をもつ低反射ビー
ムスプリッタ４４に入射し、そこを透過した大部分（９
９％）のレーザ光ＬＢａは所定の用途に使用される。な
お、レーザロッド４０は冷却装置（図示せず）内に配置
され、冷却水の中に浸されている。

上述のようにサイリスタ１６が導通してランプ２６が点
灯することにより発振出力されたレーザ光ＬＢは、サイ
リスタ１６が遮断してランプ２６が消灯することによっ
て断ち切られ、パルス状のレーザ光となる。本実施例で
は、次に説明するような制御部により、各パルスレーザ
光に対してレーザエネルギが一定（均一）になるように
サイリスタ１６の遮断のタイミングが制御される。

先ず、ビームスプリッタ４４で反射された１％のレーザ
光ＬＢｂは光センサ６０の受光面に入射される。この光
センサ６０は、例えばＰＩＮフォトダイオードからなり
、レーザ光ＬＢのレーザ出力ＰＬ　　（ワット）に対応
（比例）した光電流ＩＬを出力する。そして、この光電
流ＩＬはレーザ出力検出回路６２に供給され、ここで電
流−電圧変換を受ける。しかして、レーザ出力検出回路
６２の出力端子にはレーザ光ＬＢの出力ＰＬを表す直流
電圧のレーザ出力検出信号ＳＬが得られ、とのレーザ出
力検出信号ＳＬは積分回路６４に入力される。

この積分回路６４には、フラッシュランプ２６の各点灯
開始時に、したがって各パルスレーザ光ＬＢの発生開始
時に、タイミング回路７２より積分開始を指示するタイ
ミング信号Ｔ３が与えられる。積分回路６４は、このタ
イミング信号Ｔ３に応答し、各パルスレーザ光ＬＢにつ
いてレーザ出力検出信号ＳＬを時間積分し、その積分値
を表す積分値信号ＩＳＬを比較回路８２の一方の入力端
子に与える。理解されるように、この積分値信号ＩＳＬ
は、当該パルスレーザ光ＬＢが発生してから現時刻まで
の間のレーザ出力ＰＬの累積値、すなわちレーザエネル
ギＥＬ　　（ジュール）を表す。

比較回路８２の他方の入力端子には、レーザエネルギ設
定回路８０より一定のレーザエネルギ設定値ＥＳ（ジュ
ール）を表す設定値信号ＪＣが与えられる。比較回路８
２は、両人力信号Ｉ　ＳＬ、Ｊ　Ｃのレベルを比較し、
前者が後者に達したときに１”の比較出力信号ＣＯを発
生する。

この比較出力信号Ｇｏ（“１”）が発生されると、放電
停止回路８４はパルス発生回路７６に作用してパルス信
号ＰＱの出力を止めさせる。そうすると、パルス信号Ｐ
Ｑの立ち下がりに応動してゲート制御回路７８はサイリ
スタ１６のゲートに負の電流ＧＩ−を供給してサイリス
タ１６を遮断（ターンオフ）させる。その結果、フラッ
シュランプ２６にランプ電流■が流れなくなり、フラッ
シュランプ２６は消灯し、レーザロッド４０の発振も止
まる。このようにして、パルスレーザ光ＬＢの瞬時的な
出力ＰＬに関係なく　（ＰＬが変動しても）、設定値Ｅ
Ｓに等しい一定量のレーザエネルギＥＬが各パルスにつ
いて得られる。

なお、スタート回路７０は、各パルスレーザ光ＬＢの発
生開始を指示するもので、タイミング回路７２にスター
ト信号ＳＴを与える。そうするとタイミング回路７２は
、先ずトリガ回路３６にトリガ信号ＴＲを発生させるタ
イミング信号ＴＩを与えたのち、放電開始回路７４に放
電（パルス点灯）開始を指示するタイミング信号Ｔ２を
与え、積分回路６４に上記のように積分開始を指示する
タイミング信号Ｔ３を与える。放電開始回路７４は、タ
イミング信号Ｔ２に応動してパルス発生回路７６にゲー
ト駆動用のパルスＰＱを“１″に立ち上げさせる。それ
によって、ゲート制御回路７８はサイリスタ１６のゲー
トに正のトリガ電流Ｇ■＋を与えてそれを導通させる。

また、タイミング回路７２はパルス幅制限回路８６にも
作動開始のタイミング信号Ｔ４を与える。このパルス幅
制限回路８６は、一種の保護回路で、レーザエネルギ設
定回路８０から設定値ＥＳを受け、タイミング信号Ｔ４
を入力した時から設定値ＥＳに対応した上限のパルス幅
（点灯時間）に達した時点で放電停止回路８４に対して
上記の比較出力信号ＣＯ（“’１”）と同様に作用し、
放電を停止させる。

また、レーザ出力モニタ装置６６は積分回路６４からレ
ーザ出力ＰＬ、積分値ＥＬなどのデータを受け、それを
ディスプレイに表示したり、あるいは後のモニタのため
メモリに蓄積する。

次に、第２図を参照して本実施例の作用をより詳細に説
明する。

第２図（Ａ）に示すようにランプ電流工が一定しベルＩ
ｏに制御されても、レーザロッド４０の発振特性や冷却
水の温度変化等により、第２図（Ｂ）に示すようにレー
ザ出力ＰＬは各パルス毎に変動する。本実施例では、各
パルスレーザ光Ｌ　Ｂ　Ｉ、ＬＢ２．ＬＢ３　　（３個
だけ例示）について、それぞれのレーザ出力ＰＬＩ、Ｐ
Ｌ２．ＰＬ３にバラツキがあっても、各パルス毎のレー
ザ出力の累積値（斜線で示す面積に相当）であるレーザ
エネルギＥ　Ｌｌ。

ＥＬ２．　　Ｅ、Ｌ３は一定に制御される。

すなわち、各レーザ出力ＰＬＩに相似なレーザ出力検出
信号Ｓｌｊが時間積分されることによってレーザエネル
ギの瞬時値に対応した積分値信号ｌ５Ｉｊが得られ、こ
の積分値信号ＩＳＬ＋が一定のエネルギ設定値ＥＳに対
応した一定しベルＪＣに一致したところで、ランプ電流
Ｉが断たれ、各パルスレーザ光ＬＢ！の発振出力が停止
する。

なお、必要に応じて、各パルスレーザ光のレーザエネル
ギを、一定（均一）に限定せず、個々に設定したほうが
都合の良い場合がある。そのような要求に対しては、第
１図においてレーザエネルギ設定回路８０がタイミング
回路７２からのタイミング信号を受けて各パルスレーザ
光毎のエネルギ設定値に対応した設定値信号ＪＣを比較
回路８２に逐次与えるように構成すればよい。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、パルスレーザ光の出力
に変動ないしバラツキがあっても、設定通りのレーザエ
ネルギを各パルスについて得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるパルスレーザ電源装
置の構成を示すブロック図、および第２図は、第１図の
装置の動作を説明するためのタイミング図である。 １０・・・・電源回路、 １２・・・・コンデンサ、 １６・・・・サイリスタ（ＧＴＯ）、 ２６・・・・フラッシュランプ、 ２８・・・・シマー回路、 ３６・・・・トリガ回路、 ４０・・・・レーザロッド、 ４４・・・・低反射率ビームスプリッタ、６０・・・・
光センサ、 ６２・・・・レーザ出力検出回路、 ６４・・・・積分回路、 ７２・・・・タイミング回路、 ７４・・・・放電開始回路、 ７６・・・・パルス発生回路、 ７８・・・・ゲート制御回路、 ８０・・・・レーザエネルギ設定回路、８２・・・・比
較回路、 ８４・・・・放電停止回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ媒体がパルス状のレーザ発振を起こすよう励起用
   のフラッシュランプをパルス点灯させるパルスレーザの
   電源装置において、 前記フラッシュランプに点灯用のランプ電流を供給する
   手段と、 前記レーザ媒体より発せられたパルスレーザ光の出力を
   検出し、その出力の大きさに応じたレベルをもつ電気的
   なレーザ出力検出信号を生成する光センサ手段と、 各パルスレーザ光に対して前記レーザ出力検出信号を時
   間積分する積分手段と、 各パルスレーザ光に対してレーザエネルギの設定値を与
   える手段と、 前記積分手段の出力と前記設定値とを比較し、前者が後
   者に一致したときに所定の比較出力信号を発生する比較
   手段と、 前記比較出力信号に応動して前記ランプ電流の供給を停
   止する手段と、 を具備することを特徴とする電源装置。