DE10308597A1

DE10308597A1 - Verbund-Laserstab, Verfahren zur Herstellung und damit ausgerüstete Laservorrichtung

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Publication number: DE10308597A1
Application number: DE10308597A
Authority: DE
Inventors: Hikaru Kouta; Yoshikazu Suzuki; Shuetsu Kudo; Masaki Tsunekane; Katsuji Mukaihara; Takagimi Yanagitani; Hideki Yagi
Original assignee: Konoshima Chemical Co Ltd; NEC Corp
Current assignee: Konoshima Chemical Co Ltd; NEC Corp
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2003-11-13
Also published as: US7496125B2; US20070280317A1; CN1441522A; JP2003258350A; CN100401598C; US20030214986A1; US7158546B2

Abstract

Als ein Verbundlaserstab, der die Positionsstabilität und Ausgangsleistungsstabilität eines Laserstrahls befriedigen kann, wird ein Laserstab, der mit einem laseraktiven Element dotiert ist, innig in einen hohlen Bereich eines nicht dotierten Keramikrohres, das die gleiche Kristallstruktur wie der Laserstab hat, eingeführt, gefolgt von Brennen, um so einen Abstand und Spannung an der Grenzfläche zwischen dem Laserstab und dem Keramikrohr zu beseitigen, nach dem Brennen weiter gefolgt von Polieren der Oberfläche des Keramikrohres, um eine keramische Außenhüllenschicht zu bilden, und dadurch wird ein Verbundlaserstab gebildet. In dem Verbundlaserstab wird ein Einfluß durch Schwankungen in der Kühlungskapazität von Kühlwasser oder einer Wärmesenke durch eine nicht dotierte Außenhüllenschicht gemittelt, Temperaturschwankungen des Laserstabs werden unterdrückt, und ein Einfluß von Vibrationen vom Kühlwasser oder einem Kühlventilator können unterdrückt werden. Wenn der Brechungsindex des Laserstabs höher gemacht wird als der des Keramikrohres, kann eine hocheffiziente Oszillation verwirklicht werden, und außerdem kann der thermische Linseneffekt vermindert werden, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Keramikrohres höher gemacht wird als die des Laserstabs.

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundlaserstab, ein Herstellungsverfahren für einen Verbundlaserstab und eine Laservorrichtung, die den Verbundlaserstab verwendet. Insbesondere kann der Verbundlaserstab eine Verschlechterung der Positionsstabilität und Ausgangsstabilität eines Laserstrahls verbessern, die durch thermische Fluktuation und Vibration eines Laserstabs während der Laserschwingung verursacht wird, kann den Absorptionswirkungsgrad des Lichts, das den Laserstab anregt, erhöhen und dadurch den Schwingungswirkungsgrad verbessern und kann den Kühlungswirkungsgrad erhöhen und dadurch den thermischen Linseneffekt unterdrücken.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Für Laserstäbe, die Laserstrahlen erzeugen, die zum Schweißen, Bohren, Reparieren, Mikroherstellung usw. eingesetzt werden, werden üblicherweise kristalline Materialien verwendet. Unter diesen werden vorwiegend Einkristalle mit Granatstruktur, wie etwa Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) usw., verwendet. Der Laserstab wird mit einem laseraktiven Element, wie etwa Neodym, Ytterbium, Thallium und Erbium, dotiert.
Vor kurzem ist ein Lasermaterial entwickelt worden, das durch Dotieren eines transparenten Materials aus keramischem YAG, das durch das Brennen eines Pulvers mit YAG- Zusammensetzung erhalten wird, mit einem laseraktiven Element erhalten wird, und es ist bestätigt worden, daß es Lasereigenschaften hat, die identisch mit einem Einkristall sind. Zum Beispiel offenbaren die japanischen Offenlegungsschriften (JP-A) H10-67555, H6- 235462, H5-286761 und H5-294723, daß ein transparentes keramisches Material durch Brennen eines Pulvers mit der Zusammensetzung von Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) im Vakuum erhalten werden kann.
Außerdem werden in The Review of Laser Engineering, Band 27, 1999, Seiten 593-598, die Lasereigenschaften berichtet. Ferner liegt in einem YAG-Einkristallstab die Obergrenze der Konzentration an Nd, das eingeführt werden kann, im wesentlichen bei 1,3 Atom%. Jedoch offenbaren Proceedings (Digest of Technical Papers) of 21^st Annual Meeting of The Laser Society of Japan (2001, Seite 40, Vortrag Nr. 30pV3), daß die Konzentration in dem keramischen YAG-Laserstab auf 2% oder mehr erhöht werden kann. Außerdem wird Y₂O₃ (Yttriumoxid) oder Sc₂O₃ als Lasermaterial in Aussicht gestellt, das wegen eines höheren Schmelzpunkts mit herkömmlichen Kristallzuchtmethoden nicht als Kristall mit hervorragender Qualität und großen Abmessungen gezüchtet werden kann, und eine Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 20 W/mK, das ist ungefähr das Doppelte von YAG, aufweist. Wenn feines und gleichförmiges Pulver aus Y₂O₃ oder Sc₂O₃ im Vakuum gebrannt wird, kann ein transparentes und hochqualitatives keramisches Material erhalten werden. Es wird in Proceedings (Digest of Technical Papers) of 22^nd Annual Meeting of the Laser Society of Japan (2002, Seite 40, Vortrag Nr. B3-24Pl2) berichtet, daß das keramische Material eine Laserschwingung ermöglichen kann, wenn das keramische Material mit Nd oder Yb dotiert ist.
Der Laserstab kann durch Verwendung einer Blitzlampe oder einer Laserdiode von einer Seitenfläche oder einer Endfläche angeregt werden, der daraus emittierte Strahl schwingt in einem Resonator, und dadurch wird eine Laserschwingung erreicht. Nicht die gesamte Energie des Anregungslichts, das vom laseraktiven Element während der Laserschwingung absorbiert wird, wird in Energie des Laserstrahls umgewandelt, sondern ein Teil davon wird in Wärme umgewandelt. Als Ergebnis wird der Laserstab während der Laserschwingung erhitzt, und dann steigt die Temperatur. Wenn sich die Temperatur des Laserstabs während der Laserschwingung ändert, ändert sich der Brechungsindex des Laserstabs. Als Ergebnis werden solche Probleme verursacht wie, daß die Positionsstabilität eines schwingenden Laserstrahls verschlechtert werden kann und die Ausgangsleistung stark schwanken kann. Demgemäß ist es üblich, den Laserstab zum Kühlen in engen Kontakt mit Wasser oder einer Wärmesenke zu bringen, so daß die Temperatur des Laserstabs so konstant wie möglich gehalten werden kann.
Da der Laserstab von seiner Oberfläche aus gekühlt wird, ist es unvermeidlich, daß sich ein Temperaturgradient in radialer Richtung einstellt. Wenn ein Temperaturgradient in radialer Richtung erzeugt wird, zeigt der Laserstab einen Effekt ähnlich einer Linse, da sich auch der Brechungsindex gemäß der Temperatur ändert. Als Ergebnis kann sich Licht im Stab nicht gradlinig ausbreiten. Um den thermischen Linseneffekt zu überwinden, wird erwogen, den Umfang eines einkristallinen Laserstabs, der mit einem laseraktiven Element dotiert ist, mit einer nicht dotierten einkristallinen Schicht zu bedecken. Es werden verschiedene Verfahren zur Herstellung dieses Verbundlaserstabs vorgeschlagen. Zum Beispiel ist ein Verfahren, in dem eine nicht dotierte einkristalline Schicht, die nicht mit einem aktiven Element dotiert ist, um den Laserstab aus einem Einkristall, der mit einem aktiven Element dotiert ist, gemäß einem Flüssigphasenepitaxie-(LPE)-Verfahren aufgebracht wird, in JP- A-62-140483 offenbart. Außerdem ist ein Verfahren, in dem ein Lasermaterial, das mit einem aktiven Element versetzt ist, und ein Lasermaterial, das nicht mit einem aktiven Element versetzt ist, laminiert oder durch Thermokompression verbunden werden, in USP 5,441,803 und USP 5,563,899 offenbart. Ferner ist ein Verfahren, in welchem ein Loch in einen nicht dotierten Kristall gebohrt wird, und ein dotierter Kristall, der den Kern bilden soll, dort hinein eingeführt wird, gefolgt von Integrierung, in JP-A S63-085152 oder JP-A H9-172217 offenbart.
In den letzten Jahren besteht eine Nachfrage nach höherer Präzision und höherer Geschwindigkeit in der Laserbearbeitung. Zum Beispiel besteht ein Bedarf, 1000 Löcher mit einer Größe von 50 µm in einer Sekunde mit einer Präzision von ± 1 µm auf einer gedruckten Leiterplatte zu bilden. Um eine Feinbearbeitung mit hoher Präzision in solch einer kurzen Zeitspanne auszuführen, wird eine Verbesserung der Positionsstabilität und eine Unterdrückung der Schwankung der Ausgangsleistung in einem Einmoden-Laserstrahl, der von einem Laseroszillator ausgegeben wird, mehr als je zuvor verlangt.
Da für die Feinbearbeitung eine kürzere Laserwellenlänge besser geeignet ist, wird in vielen Fällen ein Einmoden-Laserstrahl durch die Verwendung eines Wellenlängenwandlers in der Wellenlänge umgewandelt und verwendet. Der Wirkungsgrad der Wellenlängenumwandlung ändert sich im Verhältnis zu dem Quadrat der Ausgangsleistung des Laserstrahls bis zur Sättigung des Umwandlungswirkungsgrades. Wenn es eine Schwankung in der Ausgangsleistung des Laserstrahls der Grundwelle gibt, kann sich der Umwandlungswirkungsgrad folglich im Verhältnis zum Quadrat dieser Schwankung ändern. Wenn sich der Einfallswinkel von Licht auf einem nicht linearen Element ändert, nimmt außerdem der Anteil des Lichts zu, dessen Phasenanpassungswinkel nicht erreicht werden kann. Folglich ändert sich die Ausgangsleistung des wellenlängenkonvertierten Lichts stark, wenn sich die Positionsstabilität des Strahls ändert. Aus diesen Gründen muß im Fall eines Laserbearbeiters, der wellenlängenkonvertiertes Licht verwendet, die Positionsstabilität des Laserstrahls, der eine Grundwelle ist, verbessert werden und, die Schwankung der Ausgangsleistung muß so weit wie möglich verringert werden.
Eine Gegenmaßnahme zur Überwindung des Problems ist, die Kühlleistung von Kühlwasser und einer Wärmesenke, die den Laserstab kühlen, auf einem konstanten Niveau zu halten. Da jedoch bei der Steuerung der Kühlleistung die Temperatur an einem Temperaturmeßpunkt so gesteuert wird, daß sie in einem verträglichen Temperaturbereich liegt, ist es unmöglich, diesen Temperaturbereich auf ± 0°C festzusetzen. Insbesondere wenn Kühlwasser verwendet wird, ist es außerdem sehr schwierig, die Schwankung der Wassertemperatur vollständig auf 0 zu senken, da eine einmal erhöhte Wassertemperatur durch die Rückführung von Kühlwasser zu einem Kühler kontrolliert wird.
Außerdem gibt es eine Änderung des Wasserdrucks, wenn das Wasser umgewälzt wird.
Folglich kann durch das Konstruieren eines Kühlverfahrens des Laserstabs die verlangte Positionsstabilität des Laserstrahls oder dessen Ausgangsstabilität nur mit Schwierigkeit erfüllt werden.
Wenn der Laserstab mit Wasser gekühlt wird, gibt es außerdem ein Problem, daß eine Schwingung durch den Wasserstrom eine Komponente enthält, die mit der Resonanzfrequenz des Laserstabs übereinstimmt, so daß der Stab anfängt zu schwingen. Auch wenn ein Kühlkörper, der den Stab hält, luftgekühlt ist, kann der Laserstab außerdem die Schwingung durch den Kühlventilator aufnehmen usw.; als Ergebnis wird es ein Faktor, der die Positionsstabilität des Laserstrahls und dessen Ausgangsstabilität verschlechtert.
Wenn der Laserstab in seinem Durchmesser vergrößert wird und dadurch das Volumen des Laserstabs vergrößert wird, kann die Resonanzfrequenz des Laserstabs gesenkt werden und dadurch das Problem der Schwingung überwunden werden. Wenn jedoch ein Einmoden- Laserstrahl, der für Laserfeinbearbeitung notwendig ist, oszilliert wird, kann der Durchmesser des Laserstabs im wesentlichen nur bis auf 2 mm vergrößert werden. Folglich kann der Laserstab nicht bis zu einem Durchmesser vergrößert werden, der weniger von äußeren Schwingungen durch etwa Kühlwasser oder einen Kühlventilator beeinflußt wird.
Außerdem ist es auch ein großes Ziel, den Wirkungsgrad der Laserschwingung zu verbessern. Um die Schwingung eines Einmoden-Laserstrahls zu erleichtern, ist es notwendig, das Anregungslicht in der Umgebung des Zentrums des Laserstabs zu konzentrieren. In diesem Fall wird jedoch der Wirkungsgrad der Umwandlung des Anregungslichts in Schwingungslicht so niedrig wie im wesentlichen 10-15%. Folglich ist es eine Aufgabe, zu erleichtern, daß der Laserstab das Anregungslicht effizient absorbiert und dadurch den Schwingungswirkungsgrad des Einmoden-Laserstrahls zu erhöhen.
Wenn ein Einmoden-Laserstrahl oszilliert wird, ergibt sich außerdem der thermische Linseneffekt, da sich die Wärmezufuhr auf einen schlanken Stab konzentriert, so daß sich der ausgegebene Laserstrahl nicht geradlinig ausbreiten kann. Um dieses Problem zu überwinden, wird als bestehende Technologie erwogen, eine einkristalline nicht dotierte Schicht am Umfang eines einkristallinen Laserstabs aufzubringen. In der bestehenden Technologie war es jedoch sehr schwierig, die einkristalline nicht dotierte Schicht auf einen Laserstab mit einem Durchmesser von 2 mm oder weniger aufzubringen, der einen Einmodenbetrieb ermöglicht.
Folglich beabsichtigt die Erfindung, einen Verbundlaserstab bereitzustellen, dessen Umfang mit einem nicht dotierten Rohr verbunden ist, als einen Aufbau, der solche Probleme überwinden kann und weniger durch Änderungen der Kühlungskapazität von Kühlwasser und einer Wärmesenke, die den Laserstab kühlen, und den Schwingungen eines Kühlungsmediums beeinflußt wird. Das heißt, die Erfindung beabsichtigt, einen Verbundlaserstab bereitzustellen, der es erlaubt, eine Laservorrichtung mit hervorragender Ausgangsstabilität und Positionsstabilität des Strahls zu verwirklichen, und es dadurch erlaubt, Betriebseigenschaften wie die Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit eines Laserbearbeiters zu verbessern, es erlaubt, den Schwingungswirkungsgrad zu verbessern und es außerdem erlaubt, einen Laserstrahl mit hervorragender Strahlqualität zu oszillieren; ein Verfahren zu dessen Herstellung; und eine damit ausgerüstete Laservorrichtung.

Zusammenfassung der Erfindung

In der Erfindung wird ein Verbundlaserstab, in dem der Brechungsindex des Laserstabs höher gemacht wird, als der eines nicht dotierten Rohres, das an dessen Umfang aufgebracht ist, um eine Laservorrichtung mit hervorragender Ausgangsstabilität und Positionsstabilität des Strahls zu verwirklichen, so daß die Betriebseigenschaften wie Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit verbessert werden und um zu erlauben, daß der Laserstab Anregungslicht effizient absorbiert und dadurch den Schwingungswirkungsgrad zu verbessern, und ein nicht dotiertes Rohr mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der des Laserstabs mit dem Umfang des Laserstabs verbunden ist, um den thermischen Linseneffekt zu unterdrücken und dadurch zu ermöglichen, einen Laserstrahl mit hoher Strahlqualität zu oszillieren; ein Verfahren zu dessen Herstellung; und eine damit ausgerüstete Laservorrichtung offenbart.
In dem Laserstab ist der Bereich, der Anregungslicht absorbiert und Hitze erzeugt, ein Bereich, der mit einem aktiven Element dotiert ist. Wenn Kühlwasser oder ein Kühlkörper in direkten Kontakt mit dem Bereich kommt, hat eine Veränderung der Kühlkapazität einen direkten Einfluß auf eine Veränderung des Brechungsindex des Laserstabs. Wenn der Umfang eines Laserstabs, der mit einem laseraktiven Element dotiert ist, mit einem nicht dotierten Rohr umhüllt ist, wird folglich ein Einfluß einer Veränderung der Kühlkapazität durch das nicht dotierte Rohr übertragen, ohne direkt auf den Stab übertragen zu werden. Da eine leichte Veränderung der Kühlkapazität über das nicht dotierte Rohr gemittelt wird, kann demgemäß eine Temperaturveränderung des Stabs, der mit einem aktiven Element dotiert ist, unterdrückt werden.
Wenn der Durchmesser eines Laserstabs, der mit einem aktiven Element dotiert ist, kleiner als 2 mm gemacht wird, um einen Einmodenbetrieb zu ermöglichen, und ein Rohr aus einer nicht dotierten Schicht an dessen Umfang aufgebracht wird, kann außerdem der Durchmesser des Stabs vergrößert werden, während der Einmodenbetrieb der Laserschwingung beibehalten wird. Da sich die Eigenfrequenz des Stabs zu einer niedrigeren Frequenz hin verschiebt, wenn der Durchmesser des Stabs vergrößert wird, kann eine Komponente, die mit einer hochfrequenten Schwingungskomponente vom Kühlwasser und dem Kühlventilator außerhalb des Stabs schwingt, unterdrückt werden. Als Ergebnis kann die Vibration des Laserstabs unterdrückt werden, was zu einer merklichen Verbesserung der Eigenschaften des Laserstrahls wie etwa der Positionsstabilität und der Ausgangsstabilität führt.
Als Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus, in welchem ein nicht dotiertes Rohr am Umfang eines solchen Laserstabs angebracht wird, gibt es verschiedene Arten von Vorschlägen gemäß der Patentliteratur wie oben erwähnt. In all diesen Vorschlägen werden ein monokristalliner Laserstab und eine monokristalline nicht dotierte Schicht verbunden. In der Verbindungsstruktur von Kristall und Kristall ist es sehr schwierig, den Laserstab und die nicht dotierte Schicht an dessen Umfang vollständig zu integrieren.
In einem erfindungsgemäßen Verbundlaserstab wird ein keramisches Material mit der gleichen Kristallstruktur wie der des Laserstabs als Rohr einer nicht dotierten Schicht verwendet. Als Ergebnis können der Laserstab und das nicht dotierte Rohr vollständig integriert werden. Dafür wird zunächst ein keramisches Pulver, das nicht mit einem aktiven Element dotiert ist, vorgebrannt, um ein hohles Keramikrohr zu bilden. Anschließend wird ein Laserstab in das Rohr eingeführt, gefolgt von Brennen. Als Ergebnis schrumpft während des Brennens der Durchmesser des Rohrs, und dadurch werden der Laserstab und das Rohr integriert und verbunden. Da der Laserstab und das Keramikrohr die gleiche Kristallstruktur haben, erfolgt an der Grenzfläche zwischen diesen eine schwache Elementdiffusion, die zu deren Integrierung führt. Durch Bearbeitung des integrierten Materials zu einer vorbestimmten Form, gefolgt von Polieren, kann ein Verbundlaserstab hergestellt werden.
Wenn der Verbundlaserstab verwendet wird, der durch Verbinden des nicht dotierten Keramikrohrs mit dem Umfang des Laserstabs hergestellt wird, kann ein Einfluß durch Schwingungen vom Äußeren des Stabs und Wärmeerzeugung des Stabs unterdrückt werden. Folglich kann die Positionsstabilität und die Ausgangsstabilität des Laserstrahls, der vom Laserstab oszilliert wird, verbessert werden.
Für den Laserstab kann, anders als der monokristalline Stab, der verwendet worden ist, ein keramischer Laserstab verwendet werden.
Wenn ein Laserstab mit Granatstruktur in dem erfindungsgemäßen Laserstab verwendet wird, kann außerdem ein anderes Trioxid als Nd₂O₃ oder Yb₂O₃ des laseraktiven Elements, wie etwa Lu₂O₃ der Seltenerdelemente, Ga₂O₃ oder dergleichen zugefügt werden. Das heißt, der Brechungsindex kann, wie in Optics Communications, Band 115, 1995, Seite 491 oder Journal of Crystal Growth, Band 128, 1993, Seite 966 vorgeschlagen, sowohl in kristallinen als auch keramischen Laserstäben geändert werden.
Wenn der Brechungsindex des Laserstabs gegenüber dem des nicht dotierten Rohrs an seinem Umfang erhöht wird, um einen Unterschied des Brechungsindex an der Grenzfläche mit dem nicht dotierten Rohr zu erzeugen, bedeutet dies, daß das Anregungslicht, welches in den Laserstab hineingegeben wird, daran gehindert werden kann, in das nicht dotierte Rohr zu entweichen. Als Ergebnis kann ein Effekt, der das Anregungslicht im Laserstab auf ein Zentrum begrenzt, verstärkt werden, verglichen mit dem Fall, daß es keinen Unterschied im Brechungsindex gibt. Der Absorptionswirkungsgrad des Anregungslichts im Laserstab kann erhöht werden, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Schwingung zum Schwingungslicht führt.
Als ein Verfahren, den Brechungsindex des Laserstabs gegenüber dem des nicht dotierten Rohres zu erhöhen, kann im Laserstab Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) verwendet werden, das ein Lasermaterial mit einem höheren Brechungsindex als YAG ist, und im Rohr kann YAG verwendet werden. Außerdem kann der Schwingungswirkungsgrad verbessert werden, wenn der Brechungsindex des Laserstabs gegenüber dem des Keramikrohres durch das Kombinieren von Materialien mit kubischer Kristallstruktur erhöht wird. Wenn der Brechungsindex des Laserstabs um 0,3% oder mehr gegenüber dem des Keramikrohrs erhöht wird, beginnt Licht, das sich im Inneren des Laserstabs ausbreitet, an der Grenzfläche mit dem Keramikrohr reflektiert zu werden, und wenn der Unterschied im Brechungsindex größer als das wird, wird der Lichteinschlußeffekt noch größer.
Außerdem trägt in einem Laseroszillator ein Bereich, der den Laserstab hält, nicht zu Schwingung bei, da er nicht in der Lage ist, Anregungslicht von einer Seitenfläche zu absorbieren. Das aktive Element in dem Bereich des Laserstabs, der nicht angeregt werden kann, verursacht eine Abnahme des Schwingungswirkungsgrads, da es das Schwingungslicht absorbiert. Als Mittel zur Lösung dieses Problems ist z. B. in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 33, 1997, Seite 1592, ein Verfahren offenbart, wonach beide Enden des Laserstabs, die nicht angeregt werden, mit einem nicht dotierten Einkristall mit der gleichen Struktur wie der des Laserstabs verbunden werden. Wenn in Anwendung des Aufbaus auf den erfindungsgemäßen Verbundlaserstab nicht dotierte Keramikstäbe mit beiden Enden des Laserstabs verbunden werden, kann zugleich mit einer Verbesserung der Positionsstabilität und einer Unterdrückung der Ausgangsschwankungen eine Verbesserung des Schwingungswirkungsgrades erreicht werden.
Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Keramikrohres, das mit dem Umfang des Laserstabs verbunden ist, größer gemacht wird als die des Laserstabs, kann der Laserstab außerdem effizient gekühlt werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Y₂O₃ oder Sc₂O₃ ist ungefähr doppelt so groß wie die von Granatsystem-Materialien. Wenn ein Y₂O₃-System-Keramikrohr mit dem Umfang eines Granatsystem-Laserstabs verbunden wird, kann folglich der thermische Linseneffekt des Laserstabs unterdrückt werden.
Wenn ein nicht dotiertes Keramikrohr mit dem Umfang eines Laserstabs verbunden ist, können, wie oben erwähnt, Verbesserungen der Positionsstabilität, Ausgangsstabilität und des Schwingungswirkungsgrads und eine Unterdrückung des thermischen Linseneffekts erreicht werden.
Im folgenden werden dessen Arbeitsvorgänge beschrieben.
Ein in der Erfindung beschriebener Einkristall ist ein Material, das aus einer geschmolzenen Schmelze gemäß einer Kristallzuchtmethode wie einem Tiegelverfahren usw. gezüchtet wird und keine Korngrenzen aufweist. Ferner ist Keramik ein Material, das eine Agglomeration von einkristallinen feinen Partikeln mit einer Abmessung von Millimeter oder weniger ist, Korngrenzen aufweist und durch Sintern und dadurch Kornwachstum erhalten werden kann, ohne die Pulverpartikel, die das Ausgangsmaterial darstellen, vollständig zu schmelzen.
Das in der Erfindung verwendete Keramikrohr kann wirksam funktionieren, wenn das Kristallsystem der Partikel, die die Keramik bilden, das kubische System (oder isometrische System) ist. Dies liegt daran, daß eine Gitterkonstante eines Kristalls des kubischen Systems dreidimensional isotrop ist und der Wärmeausdehnungskoeffizient ebenfalls dreidimensional isotrop ist. Aus diesem Grund gibt es keine Restspannung, egal in welcher Richtung Körner der Partikel, die das keramische Material bilden, nach dem Sintern und der Integration miteinander verbunden sind. Da die physikalischen Eigenschaften der gesinterten Keramik im wesentlichen die gleichen sind wie die eines Einkristalls, wird keine Spannung in der Grenzfläche erzeugt, wenn der Einkristall und die Keramik integriert werden.
Als Kristalle, die als Laserkristalle anwendbar sind, können, anders als diejenigen mit Granatstruktur, Materialien genannt werden, die zum kubischen System unter Oxiden von dreiwertigen Metallen wie etwa Re (Rhenium) usw., zum Beispiel Re₂O₃, Y₂O₃, Sc₂O₃ usw., gehören. Die Erfindung kann darauf angewandt werden. Sogar wenn der Laserstab und das Keramikrohr verschiedene Zusammensetzungen oder Kristallstrukturen haben, können diese außerdem verbunden werden, wenn der Laserstab und das Keramikrohr aus Materialien des kubischen Systems hergestellt sind und keine Anisotropie der Wärmeausdehnung aufweisen und der Unterschied ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb 10% liegt.
Wenn das keramische Pulver gesintert wird und gefördert wird, die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die eines Kristalls zu zeigen, müssen Hohlräume entfernt werden. Um das keramische Material mit solchen kristallinen physikalischen Eigenschaften zu erhalten, ist es sehr wichtig, ein Ausgangsrohmaterial vorzubereiten, das eine hervorragende Einheitlichkeit der Zusammensetzung und der Partikelform aufweist. Es ist erwünscht, daß die Partikeldurchmesser des Ausgangsrohmaterials mehrere µm oder weniger betragen, und je kleiner der Partikeldurchmesser, desto besser. Wenn es einen Unterschied in den Partikeldurchmessern gibt, wird ein Unterschied im Sinterverhalten durch die Differenz des Partikeldurchmessers bewirkt, es ergibt sich eine Nichteinheitlichkeit in den Abmessungen der Körner nach dem Brennen, und die mechanischen Eigenschaften können sich an einigen Stellen unterscheiden. Wenn die Verteilung der Partikelgrößen auf ± 1 µm oder weniger herabgesetzt wird, kann dieses Problem überwunden werden.
Als Verfahren, Ausgangsrohmaterial mit einheitlichen Partikeldurchmessern zu erhalten, gibt es zwei Ansätze. In einem der beiden werden Rohmaterialien nach dem Wiegen, so daß sie die gleiche Zusammensetzung wie die eines Kristalls haben, gemischt und vorgebrannt, gefolgt von erneutem Pulverisieren bis zu einer Nanogrößenordnung herab mittels einer Kugelmühle. Durch mehrfaches Wiederholen des Verfahrens werden ultrafeine Partikel mit der gleichen Zusammensetzung wie der des Kristalls erhalten. Nach dem anderen Ansatz wird durch eine chemische Reaktion in Lösung ein Salz mit der gleichen Zusammensetzung wie der des Kristalls mitgefällt. Nach Auflösen von gewogenem Rohmaterialpulver in einer Lösung reagieren durch Einstellen eines vorgegebenen pH-Werts eine positive elektrische Ladung und eine negative elektrische Ladung eins zu eins, und dadurch kann ein keramisches Rohmaterial erhalten werden, das eine hervorragende Einheitlichkeit der Zusammensetzung aufweist. Durch Verarbeitung des Niederschlags kann ein Rohmaterial der Keramik erhalten werden.
Im Rohmaterial des Keramikrohrs wird das oben erwähnte keramische Material zusammen mit einem organischen bindenden Stoff, Bindemittel genannt, und einem Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol oder Toluol oder Xylol verrührt, und dadurch wird ein Zustand niedriger Viskosität, Aufschlämmung genannt, erhalten und verwendet. Nachdem das Wasser aus der Aufschlämmung entfernt worden ist, gefolgt von Vorbrennen, kann eine Rohrstruktur erhalten werden. In diesem Zustand sind die einzelnen Partikel, welche die Keramik bilden, nicht vollständig verbunden. Durch Ausführen des tatsächlichen Brennens werden jedoch die einzelnen Partikel, welche die Keramik bilden, miteinander gesintert, die Abstände an den Grenzflächen der Partikel werden verengt und verschwinden schließlich. Wenn die Partikelgrößen einheitlich sind, ohne irreguläres Kornwachstum, wächst eine Gesamtheit der Partikel gleichförmig.
Das vorgebrannte Keramikrohr verformt sich weiter in eine Richtung, in der sich der Innendurchmesser zusammenzieht, bis es mit einem ins Innere eingeführten Stab in Kontakt kommt. Wenn die Kontraktion zu einem gewissen Grad fortschreitet und das Keramikrohr mit dem darin eingeführten Laserstab in Kontakt kommt, wirkt eine Kontraktionskraft des Rohres nicht in der Richtung, in welcher die Kraft den Laserstab zusammenpreßt, sondern verteilt sich in einer radialen Richtung des Rohres. Dies wird plastischer Deformationseffekt genannt, der sich zeigt, wenn die keramischen Partikel gesintert werden. Der erfindungsgemäße Verbundlaserstab nutzt eine starke plastische Deformation aus, die eine charakteristische Erscheinung ist, die sich zeigt, wenn die keramischen Partikel gesintert werden. Folglich kann der Laserstab vollständig mit dem umgebenden Keramikrohr integriert werden, ohne eine Druckspannung auf den Laserstab zu bewirken, der in das Zentrum des Keramikrohres eingeführt worden ist. Plastizität ist ein Effekt, durch welchen sogar im Fall eines harten Materials an der Bindung zwischen Atomen oder Partikeln, die das Material bilden, Defekte und Verlagerung bewirkt werden und das Material dadurch verformt wird. Wenn die Keramik gesintert wird, ändert sich der Bindungszustand zwischen den Partikeln, und dadurch wird die plastische Verformung bewirkt.
Der Laserstab im Zentrum ändert sich nicht in seiner Form, da er bei den Temperaturen, bei denen die Keramik gesintert wird, chemisch stabil ist. In dem Bereich, in dem der Laserstab mit dem Keramikrohr verbunden wird, wird jedoch eine schwache Atomdiffusion bewirkt, die eine Bindung zur Folge hat. Folglich löst sich nach der Integrierung der Laserstab nicht von dem Keramikrohr.
Obwohl der Weg der Atomdiffusion an einer Bindungsgrenzfläche durch Temperatur und Zeitdauer des Sinterns von dem Laserstab und dem Keramikrohr bestimmt werden, ist der Effekt der Temperatur größer. Wenn die Sintertemperatur höher ist, diffundiert das laseraktive Element, mit dem der Laserstab dotiert ist, in das Keramikrohr, was zu einer Verschlechterung der Laserschwingungsmode führt. In der Erfindung wird jedoch die Temperatur, bei welcher der Verbundlaserstab gebildet wird, auf 90% oder weniger des Schmelzpunkts des Laserstabs in dessen Zentrum festgesetzt. Bei dieser Temperatur diffundiert das laseraktive Element im Laserstab kaum zu Seite des Keramikrohrs, und die Laserschwingungsmode wird nicht verschlechtert.
Die Laserschwingungsmode wird durch den Durchmesser des Laserstabs oder den thermischen Linseneffekt, der durch im Laserstab erzeugte Hitze bewirkt wird, bestimmt und außerdem durch das Anregungsverfahren oder die jeweiligen Krümmungen eines Ausgangsspiegels und eines hinteren Spiegels, die einen Resonator bilden. Die Laserschwingungsmode eines Laserstabs, der von einer Seitenfläche angeregt wird, hängt hauptsächlich vom Durchmesser des Laserstabs ab, in welchem das laseraktive Element enthalten ist. Wenn ein Einmodenlaser durch Verwendung von Seitenflächenanregung angeregt werden soll, muß der Durchmesser des Laserstabs notwendigerweise 2 mm oder weniger betragen. Wenn der Stabdurchmesser 2 mm oder weniger beträgt, werden Probleme wie Wärmeschwankungen oder Vibration verursacht, da der Kristall nur schwierig stabil befestigt werden kann, was zu Problemen in der Ausgangsstabilität und der Positionsstabilität des Strahls führt. Wenn jedoch das Keramikrohr mit dem Laserstab von 2 mm verbunden wird, kann ein Verbundlaserstab mit dem Schwingungsstrahl der Einzelmode und einem Durchmesser von 2 mm oder mehr verwirklicht werden. Folglich können dank der Erfindung die Probleme betreffend die Ausgangsstabilität und die Positionsstabilität überwunden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A bis 1C sind Diagramme, die eine Ausführungsart zum Erklären einer ersten Hälfte eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigen.
Fig. 2A bis 2C sind Diagramme, die eine Ausführungsart zum Erklären einer zweiten Hälfte eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigen.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Art einer Anordnung in einem Laseroszillator zeigt, in welchem ein Verbundlaserstab benutzt wird.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Stabilität einer Puls-zu-Puls- Ausgabe eines kristallinen YAG-Stabs mit 2 mm Durchmesser zeigt.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Stabilität einer Puls-zu-Puls- Ausgabe eines kristallinen YAG-Stabs mit 3 mm Durchmesser zeigt.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Art der Anordnung zeigt, in welcher eine Wellenlängenumwandlungsfunktion von Anregungslicht zu dem Laseroszillator in Fig. 3 hinzugefügt wird, um eine dritte Oberschwingung zu erhalten.
Fig. 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Schwankung einer Bestrahlungsposition einer dritten Oberschwingung eines Laserstrahls von je einem Verbund-YAG-Stab und einem kristallinen YAG-Stab.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Laseroszillatoranordnung zeigt, in welcher der Durchmesser eines schwingenden Laserstrahls durch den Laserstabdurchmesser im Verbundlaserstab bestimmt wird.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Laseroszillatoranordnung zeigt, in welcher der Durchmesser eines Schwingungslaserstrahls durch eine Blende in einem Resonator bestimmt wird.
Fig. 10A bis 10C sind Diagramme, die eine Ausführungsart zum Erklären eines Herstellungsverfahrens gemäß einer weiteren Erfindung zeigen, die sich von der in Fig. 1A bis 1C und Fig. 2A bis 2C unterscheidet.
Fig. 11A und 11B sind Diagramme, die jeweils ein Beispiel einer Verbundlaserstabanordnung zeigen, die sich von den unter Bezug auf Fig. 10A bis 10C unterscheiden und eine Anordnung eines Laseroszillators mit diesen.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verbundlaserstabanordnung zeigt, die sich von den unter Bezug auf Fig. 11A und 11B erklärten unterscheidet.
Fig. 13A und 13B sind Diagramme, die ein Beispiel einer Verbundlaserstabanordnung zeigen, die sich von der unter Bezug auf Fig. 12 erklärten unterscheidet und Teile, die sich davon im Herstellungsverfahren unterscheiden.
Fig. 14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Verbundlaserstabanordnung zeigt, die sich von der unter Bezug auf Fig. 13A und 13B erklärten unterscheidet.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Um die Erfindung genauer zu beschreiben, wird sie unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1A bis 1C und 2A bis 2C sind Diagramme, die in perspektivischen Ansichten eine Ausführungsart in einem Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Verbundlaserstabs beschreiben.
Gemäß dem in Fig. 1A bis 1C gezeigten Herstellungsverfahren eines Verbundlaserstabs werden Partikel, die eine Zusammensetzung haben, die Y₃Al₅O₁₂ sein soll, das heißt eine YAG-Zusammensetzung nach einem Mitfällungsverfahren hergestellt, die gefällten Artikel werden zurückgewonnen und gebrannt, und dadurch werden feine Partikel mit YAG- Zusammensetzung und einem Partikeldurchmesser von 100 µm erhalten. Das Pulver wird zusammen mit einem organischen Bindemittel und einem Lösungsmittel (Alkohole, Toluol, Xylol usw.) in einer Kugelmühle gemischt, um eine Aufschlämmung 4 des feinen YAG-Pulvers zu bereiten. Die so vorbereitete Aufschlämmung 4 wird, wie in Fig. 1A gezeigt, in ein Loch 2 aus Gips 1 gefüllt (Schritt S1-1) und darin für eine Stunde belassen, und dadurch wird Wasser in der Aufschlämmung 4 teilweise vom Gips 1 absorbiert (Schritt S1-2). Danach wird ein Bodendeckel 3 vom Loch 2 des Gips 1 entfernt, und die Aufschlämmung 4, die, wie in der Zeichnung gezeigt, in einem zentralen Bereich verbleibt und reich an Wasser ist, wird aus dem Loch 2 abgegeben. Die Menge der Aufschlämmung 4, die freigesetzt wird, ist dadurch bestimmt, zu welchem Grad das Wasser vom Gips 1 absorbiert wird. Wenn die Zeitdauer, während der die Aufschlämmung 4 in dem Loch 2 gehalten wird, genau gesteuert wird, kann die Ausflußmenge der Aufschlämmung 4 gesteuert werden.
Das heißt, die Ausflußmenge bestimmt den Durchmesser des Zentralbereichs eines Körperbereichs 5, der aus der Aufschlämmung 4 gebildet wird, die im Loch 2 verblieben ist. Folglich kann durch Steuerung der Haltezeit der Aufschlämmung 4 im Gips 1 die Abmessung des Lochs 2 des Körperbereichs 5 genau gesteuert werden. Die Zeit, während der die Aufschlämmung 4 nach dem Öffnen des Bodendeckels 3 ausfließt, beträgt 0,1 Sekunde oder weniger, und die Oberfläche der Innenwand des rohrartigen Körperbereichs 5, der im Loch 2 verblieben ist, wird als glatte Oberfläche erhalten. Der Körperbereich 5, der auf einer Innenfläche des Lochs 2 des Gips 1 verblieben ist, wird aus dem Gips 1 herausgenommen, nachdem das Wasser durch Dehydrierung vollständig entfernt worden ist (Schritt S1-3).
Anschließend wird der rohrartige Körperbereich 5 bei 800°C für zehn Stunden zum Entfetten vorgebacken (Schritt S1-4), und dadurch wird ein vorgebranntes keramisches YAG- Rohr 6 mit einem Innendurchmesser von 2,1 mm, einem Außendurchmesser von 4 mm und einer Länge von 50 mm erzeugt.
Als nächstes wird, wie in Fig. 2A bis 2C gezeigt, ein monokristalliner YAG-Laserstab 7 mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 35 mm, der mit einem aktiven Element, Nd, in einer Konzentration von 1 Atom% versehen worden ist, in das vorgebrannte Rohr 6 eingeführt (Schritt S1-5). Die Seitenfläche des Laserstabs 7 wird vor dem Einführen spiegelpoliert. Wenn das vorgebrannte Rohr 6, in das der Laserstab 7 eingeführt worden ist, bei 1.700°C für zehn Stunden gebrannt wird (Schritt S1-6), schrumpft das vorgebrannte Rohr durch das Brennen, und dadurch ergibt sich ein gebranntes Keramikrohr 8. Als Ergebnis können der Laserstab 7 und das Keramikrohr 8 durch die Wirkung des plastischen Verformungseffekts an der Verbundgrenzfläche integriert werden. Als Ergebnis einer genauen Untersuchung wurde bestätigt, daß sich in der verbundenen Grenzfläche nur in einem Bereich von mehreren zehn Ångström, das entspricht mehreren Atomschichten, der Laserstab 7 und das Keramikrohr 8 durch die Diffusion verbunden haben und daß die Diffusion von Nd-Atomen in den Bereich des Keramikrohrs 8 beinahe vernachlässigt werden kann.
Die Abmessungen des Materials, in das der Stab und das Rohr nach dem Brennen integriert sind, beträgt 3,9 mm und 50 mm für Außendurchmesser bzw. Länge. Das Material wird auf einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 30 mm bearbeitet, so daß die Dicke des Keramikrohrs als Schutzschicht am Umfang des Stabs durch Politur der seitlichen Oberfläche und der Endoberflächen auf 0,5 mm gebildet werden kann (Schritt S1-7), und dadurch kann ein Verbundlaserstab 10, in dem der Laserstab 7 und eine keramische Außenschicht 9, wie in der Zeichnung gezeigt, integriert sind, gebildet werden.
Als nächstes wird ein Ausführungsbeispiel eines Laseroszillators, das in Fig. 3 gezeigt ist und in dem der Verbundlaserstab 10 verwendet wird, erklärt werden.
In einem in der Zeichnung gezeigten Laseroszillator fließt Kühlwasser 12 entlang der Seitenfläche des Verbundlaserstabs 10, der an beiden Enden gehalten wird, und von dessen Außenseite wird eine Seitenflächenanregung mit einer Anregungs-LD (Laserdiode) 11 aufgebracht. Eine Pulsschwingung wird durch einen Q-Schalter 13 bewirkt, und ein Puls eines Pulslaserstrahls wird von einem Ausgabespiegel 15 ausgegeben.
Eine mit einem Oszilloskop angezeigte Signalverlaufsmessung jedes Pulses des ausgegebenen Pulslaserstrahls wird mit Eigenschaften verglichen, wenn ein herkömmlicher monokristalliner YAG-Laserstab, der nicht mit einem nicht dotierten Rohr versehen ist und einen Durchmesser von 2,0 mm hat, eine Länge von 30 mm und eine zugefügte Nd- Konzentration von 1 Atom%, verwendet wird.
Fig. 4 und 5 sind Diagramme, welche die Puls-zu-Puls-Stabilität des Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 1.064 µm, der mit 10 kHz schwingt, zeigen.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die Ausgangsstabilität im Fall eines herkömmlichen monokristallinen YAG-Laserstabs ± 7,5%, die Ausgangsstabilität im Fall eines YAG-Verbundlaserstabs 10 ist im Gegensatz dazu ± 2,5%, wie in Fig. 5 gezeigt. Das heißt, die Streuung der Ausgangsleistung beträgt ein Drittel von der eines herkömmlichen Stabs, was zu einer Verbesserung um den Faktor 3 der Ausgangsstabilität führt. Die Ausgangsmoden sind in beiden Fällen Einmoden.
Außerdem wird unter Bezug auf Fig. 6 eine weitere tatsächliche Messung mit dem Verbundlaserstab 10 erklärt werden. In Fig. 6 werden zu dem in Fig. 3 gezeigten Laseroszillator eine Linse, ein Frequenzverdopplungselement 16 und ein Frequenzverdreifachungselement 17 zu dem ausgegebenen Laserstrahl hinzugefügt.
In dem abgebildeten Laseroszillator wird ein Laserstrahl mit einer Linse fokussiert und in das Frequenzverdopplungselement 16 und das Frequenzverdreifachungselement 17 eingegeben, und 355 nm, das heißt von der erzeugten dritten Oberwelle, wird oszilliert. Die Positionsstabilität des Strahls gemäß der Apparatur wird unter Verwendung eines Strahlprofilmeßgerätes untersucht. Um die Größe der Schwankung beim Ausweiten zu untersuchen, läßt man einen Laserstrahl sich zwei Meter von der Ausgangsfläche eines Frequenzverdreifachers in den Raum ausbreiten, und der Strahl wird von einem Strahlprofilmeßgerät aufgefangen und untersucht.
Als Ergebnis, wie in Fig. 7 gezeigt, beträgt die Schwankung des Ausgangsstrahls eines herkömmlichen monokristallinen YAG-Laserstabs mit 2 mm Durchmesser ± 100 µm in Richtung der X-Achse und ± 75 µm in Richtung der Y-Achse, während die eines YAG- Verbundlaserstabs mit 3 mm Durchmesser ± 50 µm in Richtung der X-Achse und ± 50 µm in Richtung der Y-Achse beträgt. Das heißt, es wird bestätigt, daß die Positionsstabilität des Strahls aus wellenlängenkonvertiertem Licht um 50% in Richtung der X-Achse und 66 % in Richtung der Y-Achse verbessert wird. Aus den Ergebnissen kann bestätigt werden, daß nicht nur die Ausgangspositionsstabilität des Strahls verbessert wird, sondern auch der Unterschied der Positionsstabilität in Richtung der X- und Y-Achsen verringert wird und dadurch Schwankungen ausgeglichen werden. Es wird übrigens bestätigt, wenn die Laserbearbeitung mit dem Laserstrahl ausgeführt wird, daß die Bearbeitungsgenauigkeit im gleichen Verhältnis wie dem der Verbesserung der Positionsstabilität verbessert wird und das Seitenverhältnis der Form eines Lochs, das durch die Bearbeitung gebildet wird, von 4 : 3 auf ungefähr 1 : 1 verbessert wird.

Ausführungsbeispiel 2

Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 8 ein weiterer Verbundlaserstab 20 beschrieben werden, der sich von dem oben beschriebenen unterscheidet.
Der abgebildete Verbundlaserstab 20 wird wie folgt hergestellt. Um einen hochqualitativen schmalen Einmoden-Laserstrahl zu erhalten, wird als erstes ein monokristalliner YAG- Laserstab 21, der 0,7 Atom% Nd enthält und einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von 15 mm besitzt, hergestellt. Als nächstes wird der YAG-Laserstab 21 mit einem keramischen YAG-Rohr 22 gemäß dem gleichen Verfahren wie dem des obigen Ausführungsbeispiels verbunden, und dadurch wird ein Verbundlaserstab 20 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 15 mm hergestellt. Der Verbundlaserstab 20 ist, wie in der Zeichnung gezeigt, zwischen einem Ausgabespiegel 25 und einem hinteren Spiegel 24 angeordnet. Der Verbundlaserstab 20 wird, ähnlich wie in Fig. 3 gezeigt, von einer Seitenfläche mit einer Laserdiode angeregt, und dadurch kann, ohne eine Blende anzuordnen, ein Einmoden-Schwingungsstahl mit einem Strahldurchmesser von 1 mm ausgegeben werden.
Im Laseroszillator beträgt die Puls-zu-Puls-Ausgangsstabilität ± 2,5%, die Positionsstabilität des Laserstrahls beträgt ± 10 µm sowohl in Längs- als auch in Querrichtung an einer Stelle, nachdem der Laserstrahl sich 1 m im Raum ausgebreitet hat, und das Seitenverhältnis der Positionsstabilität beträgt 1 : 1.
Zu Vergleichszwecken wird ein monokristalliner YAG-Laserstab, der einen Durchmesser von 1 mm und eine Länge von 15 mm hat und 0,7 Atom% Nd enthält, hergestellt, und ein Schwingungsexperiment wird gemäß einer Resonatoranordnung wie in Fig. 8 ausgeführt. Wegen der Dünne des Laserstabs wird der Laserstab mit Schwierigkeit im Resonator befestigt, und der Laserstab wird durch die Schwingungen des Kühlwassers, das am Umfang des Stabs entlang fließt, zu Schwingungen angeregt, und die Puls-zu-Puls-Ausgangsstabilität ergibt sich zu ± 10%, obwohl er im Einmoden-Betrieb oszilliert.
Dann wird, wie in Fig. 9 gezeigt, ein monokristalliner YAG-Laserstab 31 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 15 mm hergestellt, eine Blende 36 mit einem Durchmesser von 1 mm wird vor einem Ausgabespiegel 35 angeordnet, und der Laserstab 31 wird, ähnlich dem obigen Verfahren, zu oszillieren angeregt. Als Ergebnis kann ein Einmoden-Schwingungsstrahl mit einem Stahldurchmesser von 1 mm ausgegeben werden. Die Puls-zu-Puls-Ausgangsstabilität beträgt jedoch ± 7% und der Schwingungswirkungsgrad von Anregungslicht zum Schwingungslicht nimmt im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 auf zwei Drittel ab. Dies liegt daran, daß es einen Nd-dotierten Bereich gibt, der nicht zur Schwingung in dem Stab beiträgt, aber Anregungslicht absorbiert.

Ausführungsbeispiel 3

Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 10A bis 10C ein Herstellungsverfahren noch eines weiteren Verbundlaserstabs 40, der sich von den obigen unterscheidet, erklärt werden.
Zunächst wird ein keramischer YAG-Laserstab 42 mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 30 mm, der ein aktives Element, Nd, zu 1,5 Atom% enthält, hergestellt.
Der keramische Laserstab 42 wird, wie in der Zeichnung gezeigt, im Zentralbereich eines zylindrischen Aufschlämmungsbehälters 41 angeordnet. In diesem Zustand wird die Aufschlämmung 4 zur Verwendung bei der Bildung von YAG-Keramik, die nach einem der oben erwähnten Verfahren hergestellt worden ist, ausgegossen und in den Behälter gefüllt (Schritt S2-1). Danach wird das Wasser in der Aufschlämmung 4 verdampft, gefolgt von Vorbrennen bei 800°C für 10 Stunden, und dadurch wird vorgebranntes Keramikmaterial 43 gebildet. Nachfolgend wird der Aufschlämmungsbehälter 41 entfernt (Schritt S2-2). Außerdem wird das vorgebrannte Keramikmaterial 43 mit dem eingeführten Laserstab 42 bei 1700°C für 10 Stunden gebrannt (Schritt S2-3), und dadurch wird der Umfang des Nddotierten keramischen YAG-Laserstabs 42 vom transparenten keramischen YAG-Material 44 umgeben. Das keramische YAG-Material 44 wird so poliert (Schritt S2-4), daß es ein Keramikrohr 45 mit einer Dicke von 0,5 mm als Außenschicht bildet, und dadurch wird der Verbundlaserstab 40 mit einem Außendurchmesser von 3 mm und einer Länge von 30 mm gebildet.
Wenn ein Schwingungsexperiment eines Laserstrahls mit dem Verbundlaserstab 40 ausgeführt wird, werden eine Laserstrahlausgangsstabilität von ± 2,5% bzw. eine Strahlpositionsstabilität der dritten Oberwelle von ± 0,75 µm erhalten. Das heißt, man erhält dieselben Ergebnisse wie die des Verbundlaserstabs, in dem der monokristalline YAG-Laserstab 7 verwendet wird. Da die Nd-Konzentration mit 1,5 Atom% um 0,5% höher ist als die 1,0% des monokristallinen YAG-Laserstabs 7, wird außerdem bestätigt, daß mit derselben Laserdiodenanregungsleistung die Schwingungsausgangsleistung um ungefähr 20% verbessert wird.

Ausführungsbeispiel 4

Als nächstes wird noch ein weiterer Verbundlaserstab 50, der sich von den obigen unterscheidet, und ein damit ausgerüsteter Laseroszillator unter Bezug auf Fig. 11A und 11B erklärt werden.
Ein Experiment wird durchgeführt, um einen Verbundlaserstab herzustellen, in dem der Brechungsindex des Laserstabs höher ist als der des Keramikrohrs. Ein keramische YAG- Stab, der 1 Atom% Nd, 10 Atom% Lu und 20 Atom% Ga enthält, eine Länge von 5 mm und einen Durchmesser 2 mm hat und eine spiegelpolierte Seitenoberfläche aufweist, wird hergestellt. Der keramische YAG-Stab wird in ein vorgebranntes keramische YAG-Rohr eingeführt, das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist und eine Länge von 10 mm, einen Innendurchmesser von 2,1 mm und einen Außendurchmesser von 5,1 mm hat, gefolgt von Brennen bei 1700°C für 10 Stunden. Nach dem Brennen wird sein Umfang bearbeitet und dadurch ein Verbundlaserstab 50 gebildet, so daß der Umfang des mit Nd, Lu, Ga dotierten keramischen YAG-Laserstabs 51 mit einem Durchmesser von 5,0 mm und einer Länge von 5 mm mit dem nicht dotierten keramischen YAG-Rohr 52 verbunden wird.
Im Verbundlaserstab 50 hat der keramische YAG-Laserstab 5 in seinem Zentrum einen Brechungsindex von 1,84, das ist 1, 1%, 0,02 als Brechungsindex mehr als 1,82 des keramischen YAG-Rohrs 52 in seinem Umfang. Folglich wird, wie in der Zeichnung gezeigt, Anregungslicht 57 im Verbundlaserstab 50, der durch eine Seitenfläche mit einer Anregungs-LD 56 angeregt wird, auf den mit Nd, Lu, Ga dotierten keramischen YAG-Laserstab 51 begrenzt. Als Ergebnis wird das Anregungslicht 57 vom keramischen YAG-Laserstab 51 effizient absorbiert.
Der Schwingungswirkungsgrad wird mit dem eines Verbundlaserstabs, in dem ein monokristalliner YAG-Laserstab, der mit 1 Atom% Nd dotiert ist, als Laserstab verwendet wird, verglichen. Als Ergebnis wird bestätigt, daß unter der gleichen Bedingung der Anregungslichtintensität der Anregungswirkungsgrad das 1,2-fache dessen eines mit 1 Atom% Nd dotierten monokristallinen YAG-Laserstabs ist, wenn der mit Nd, Lu, Ga dotierte keramische YAG-Laserstab 51 verwendet wird.
Wenn ein keramischer YAG-Stab, der 1 Atom% Nd und 70 Atom% Lu enthält und die gleichen Abmessungen hat, als Laserstab verwendet wird, wird der Brechungsindex des Stabs entsprechend 1,83, das heißt um 0,5% im Brechungsindex höher als der des keramischen YAG-Rohrs. Wenn das gleiche Experiment mit dem Laserstab durchgeführt wird, beträgt die Laserstrahlintensität das 1,1-fache derer des mit 1 Atom% Nd dotierten monokristallinen YAG-Laserstabs. Außerdem ist der Brechungsindex eines keramischen Laserstabs, der mit 1 Atom% Nd und 18 Atom% Ga dotiert ist, ebenfalls 1,83, und wenn die Eigenschaften des Laserstabs, der mit einem keramischen YAG-Rohr verbunden ist, durch das gleiche Experiment verglichen werden, wird bestätigt, daß die Laserstrahlintensität 1,1- fach höher wird als die des mit 1 Atom% Nd dotierten monokristallinen YAG-Laserstabs.

Ausführungsbeispiel 5

Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 12 ein Verbundlaserstab 60 beschrieben werden, der sich von den oben beschriebenen unterscheidet.
Zunächst wird ein monokristalliner Gadolinium-Gallium-Granat-(Gd₃Ga₅O₁₂; GGG) -Laserstab 61, der mit 1 Atom% Nd dotiert ist und einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 35 mm hat, hergestellt, und seine Seitenfläche wird spiegelpoliert. Am Umfang des Laserstabs 61 wird gemäß dem oben beschriebenen Verfahren ein nicht dotiertes keramisches YAG-Rohr 62 gebildet. Als Ergebnis wird der Verbundlaserstab 60 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 35 mm gebildet. Da der Brechungsindex von GGG 1,94 ist und der von YAG 1,82, gibt es zwischen ihnen eine Differenz des Brechungsindex von 6%. Folglich kann Licht, das von einer Seitenfläche des Verbundlaserstabs 60 eingestrahlt wird, auf das Zentrum des GGG-Laserstabs 61 begrenzt werden.
Der Laserstab wird mittels der Seitenflächenanregung in Schwingung versetzt, und die Ergebnisse werden verglichen mit denen eines Verbundlaserstabs, in dem die GGG-Keramik im Keramikrohr verwendet wird, so daß es keinen Unterschied im Brechungsindex gibt. Als Ergebnis kann unter der gleichen Bedingung der Anregungslichtintensität der Schwingungswirkungsgrad um 10% verbessert werden. Das Ergebnis bestätigt, daß, wenn der Brechungsindex des Laserstabs, der den Verbundlaserstab bildet, höher gemacht wird, als der des Keramikrohrs in seinem Umfang, die Positionsstabilität des Strahls und die Ausgangsstabilität, verglichen mit einem herkömmlichen Stab, verbessert werden können und der Schwingungswirkungsgrad im Vergleich mit einem Verbundlaserstab, in dem kein Unterschied im Brechungsindex vorhanden ist, verbessert wird.

Ausführungsbeispiel 6

Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 13A und 13B ein Verbundlaserstab 70 beschrieben werden, der sich von den oben beschriebenen unterscheidet.
Zunächst wird anstelle des obigen Nd-dotierten monokristallinen YAG-Laserstabs ein keramischer Y₂O₃ Laserstab 71 hergestellt, der 5 Atom% Yb enthält und einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 35 mm hat. Ein nicht dotiertes Keramikrohr in dessen Umfang wird mit einer Aufschlämmung hergestellt, in der Y₂O₃-Pulver verwendet wird. Nachdem der Yb-dotierte keramische Y₂O₃-Laserstab 71 in ein vorgebranntes keramisches Y₂O₃-Rohr 72 eingeführt worden ist, werden, wie in der Zeichnung abgebildet, nicht dotierte keramische Y₂O₃-Stäbe 73, die getrennt hergestellt worden sind und einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 5 mm haben, in einen hohlen Bereich des keramischen Y₂O₃-Rohrs 72 von dessen beiden Seiten eingeführt. Um die Bindung zwischen dem keramischen Y₂O₃-Laserstab 71 und den nicht dotierten Y₂O₃-Stäben 73 zu fördern, wird in einen Spalt in dem keramischen Y₂O₃-Rohr 72 eine Aufschlämmung von Y₂O₃ eingefüllt. Danach werden durch Brennen bei 1700°C für 10 Stunden die Stäbe 71 und 73 in dem keramischen Y₂O₃-Rohr 72 und das Rohr 72 integriert, und dadurch wird ein keramikbedeckter Körper 74, in dem die nicht dotierte Keramik den dotierten keramischen Y₂O₃-Laserstab 71 vollständig bedeckt, gebildet. Nach dem Brennen wird aus dem Muster der Verbundlaserstab 70 mit einer Länge von 45 mm und einem Durchmesser von 3 mm hergestellt.
Der Verbundlaserstab 70 bildet einen Stab, in dem an dessen beiden Enden das Rohr 72 und die Stäbe 73, die alle aus nicht dotierter Y₂O₃-Keramik hergestellt sind, vollständig integriert sind. Wenn die Schwingungseigenschaften des Verbundlaserstabs mit einem Resonator gemessen werden, in dem die Laserdiodenanregung von einer Seitenfläche erfolgt, wird festgestellt, daß die Ausgangsleistung um ungefähr 15% im Vergleich mit der eines Verbundlaserstabs verbessert wird, in dem keine nicht dotierten Bereiche an beiden Enden vorhanden sind.

Ausführungsbeispiel 7

Als nächstes wird unter Bezug auf Fig. 14 ein Verbundlaserstab 80 erklärt werden, der sich von den oben beschriebenen unterscheidet.
Als ein Laserstab wird ein monokristalliner YAG-Laserstab 81 mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 30 mm, der 0,8 Atom% Nd enthält, hergestellt. An dessen Umfang wird ein nicht dotiertes Keramikrohr, das aus einer Aufschlämmung von Y₂O₃ hergestellt wurde, hergestellt. In ein vorgebranntes Y₂O₃-Keramikrohr wird der monokristalline YAG-Laserstab 81 eingeführt, gefolgt von Brennen bei 1700°C für 10 Stunden und außerdem gefolgt von Bearbeitung, und dadurch wird der Verbundlaserstab 80 mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 30 mm, in dem mit dem Umfang des monokristallinen YAG-Laserstabs 81 das keramische Y₂O₃-Rohr 82 verbunden ist, hergestellt. Der Stab wird mit dem Resonator, ähnlich wie in Fig. 3 beschrieben, oszilliert, und der thermische Linseneffekt wird verglichen mit dem eines, in dem ein keramisches YAG- Rohr mit einem Umfang verbunden ist. Da die Wärmeleitfähigkeit des Y₂O₃-Rohrs doppelt so groß ist wie die des YAG-Rohrs, kann der Laserstab hervorragender gekühlt werden, was zu einer Verringerung des thermischen Linseneffekts um 30% oder mehr führt.
Wie oben erklärt, wird erfindungsgemäß ein Verbundlaserstab verwirklicht, in dem ein Laserstab und ein nicht dotiertes Keramikrohr, das eine Außenschicht am Umfang des Stabs wird, gebrannt werden und vollständig integriert werden. Der erfindungsgemäße Verbundlaserstab kann die Wärmeschwankungen des Laserstabs während der Laserschwingung, die mit der Änderung der Kühlkapazität verbunden sind, unterdrücken und kann den Einfluß der Schwingung, die vom Kühlmittel ausgeht, reduzieren. Folglich kann die Positionsstabilität und die Ausgangsstabilität des Laserstrahls, der vom Laserstab oszilliert wird, verbessert werden. Außerdem kann der Schwingungswirkungsgrad verbessert werden, wenn ein Verbundlaserstab mit einer Kombination hergestellt wird, in der der Brechungsindex des Laserstabs höher ist als der des Keramikrohrs, da das Anregungslicht effizient vom Laserstab absorbiert werden kann. Außerdem kann der thermische Linseneffekt verringert werden, wenn das Keramikrohr aus einem Material gebildet wird, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als der Laserstab. Wenn der erfindungsgemäße Laserstab auf einen Laserbearbeiter angewandt wird, kann hochgenaue und stabile Laserbearbeitung schnell und effizient ausgeführt werden.
Folglich wird z. B. die Bearbeitungsgenauigkeit beim Bohren eines Lochs in eine gedruckte Leiterplatte verbessert, und die Energie für einen Puls eines Laserstrahls wird ebenfalls erhöht. Als Ergebnis wird eine geringere Anzahl von Pulsen für die gleiche Bearbeitung benötigt, und die Bearbeitungsgeschwindigkeit wird ebenfalls erhöht. Außerdem wird bei einer Feinabgleichsvorrichtung, die einen Laserstrahl verwendet, ein Laserstrahl auf das Element gestrahlt, während die Eigenschaften des Elements, das abgeglichen wird, gemessen werden. Wenn der erfindungsgemäße Verbundlaserstab verwendet wird, kann eine genauere Steuerung der Elementeigenschaften verwirklicht werden. Außerdem kann auch bei einer Reparaturvorrichtung, einem Schweißgerät und einem Oberflächenmodifikator, die einen Laserstrahl verwenden, durch das Verbessern der Ausgangsstabilität und der Positionsstabilität des Laserstrahls die Bearbeitungsgenauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeit nennenswert verbessert werden. Dadurch trägt die Erfindung zur Entwicklung von Industriebereichen bei, in denen Laservorrichtungen angewandt werden.

Claims

1. Verbundlaserstab mit:
einem Laserstab, der ein laseraktives Element enthält und einen Laserstrahl oszilliert, und
einer Außenhüllenschicht, die sich am Umfang des Laserstabs befindet und in welcher Partikel in einer Grenzfläche mit dem Laserstab durch plastische Deformation vollständig mit dem Laserstab integriert sind.

2. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei die Außenhüllenschicht ein keramisches Material ist, das kein laseraktives Element enthält.

3. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei die Außenhüllenschicht aus einem Material mit einer Struktur hergestellt ist, die zum kubischen Kristallsystem gehört.

4. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei die Außenhüllenschicht aus einem Material mit Granatstruktur hergestellt ist.

5. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei die Außenhüllenschicht aus einem Material mit einer Zusammensetzung aus Re₂O₃ hergestellt ist, d. h. einem Oxid aus einem dreiwertigen positiven Ion Re.

6. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab aus einem monokristallinen Material hergestellt ist, das ein laseraktives Element enthält.

7. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab aus einem keramischen Material hergestellt ist, das ein laseraktives Element enthält.

8. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab aus einem Material mit einer kubischen Kristallstruktur hergestellt ist.

9. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab aus einem Material mit Granatstruktur hergestellt ist.

10. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab aus einem Material mit einer Zusammensetzung aus Re₂O₃ hergestellt ist, das heißt einem Oxid aus einem dreiwertigen positiven Ion Re.

11. Verbundlaserstab gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Laserstab entweder aus einem monokristallinen Material oder einem keramischen Material hergestellt ist, das sich aus Nd-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat zusammensetzt, zu welchem Lutetium oder Gallium oder beides hinzugefügt ist.

12. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des Laserstabs um mindestens 0,3% höher liegt als jener der Außenhüllenschicht am Umfang des Laserstabs.

13. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Außenhüllenschicht höher ist als jene des Laserstabs.

14. Verbundlaserstab gemäß Anspruch 1, wobei ein aus Keramikmaterial bestehender Stab, der kein laseraktives Element enthält, mit mindestens einem der beiden Enden des Verbundlaserstabs verbunden wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs mit:
Herstellung eines Laserstabs;
Herstellung eines Keramikrohres;
Einführen des Laserstabs in das Keramikrohr; und
Verbinden des Laserstabs und des Keramikrohres, in das der Laserstab eingeführt worden ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs gemäß Anspruch 15, wobei der Laserstab entweder ein monokristalliner Stab oder ein gebrannter Keramikstab ist, dessen Form sich vor und nach dem Brennen nicht ändert.

17. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs gemäß Anspruch 15, wobei die Herstellung des Keramikrohres die Herstellung eines nicht dotierten Keramikrohres umfaßt, das im voraus vorgebrannt wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs gemäß Anspruch 15, wobei die Verbindung des Keramikrohrs und des Laserstabs Brennen umfaßt.

19. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs mit:
Bereiten einer Aufschlämmung, in der pulverförmiges Rohmaterial zur Herstellung eines nicht dotierten Keramikrohres und ein Bindemittel in einem Lösungsmittel dispergiert werden;
Herstellung eines Keramikrohres unter Verwendung der Aufschlämmung;
Einführen eines Laserstabs in das Keramikrohr; und
Verbinden des Keramikrohres als eine Außenhüllenschicht mit dem Umfang des eingeführten Laserstabs.

20. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs gemäß Anspruch 15 oder 19, wobei das pulverförmige Rohmaterial, das zum Bereiten der Aufschlämmung verwendet wird, die für die Herstellung eines nicht dotierten Keramikrohrs verwendet wird, die gleiche Kristallstruktur wie die des Zielmaterials hat und die Partikeldurchmesser innerhalb ± 1 µm einheitlich sind.

21. Verfahren zur Herstellung eines Verbundlaserstabs gemäß Anspruch 15 oder 19, wobei beim Verbinden des nicht dotierten Rohres mit dem Umfang des Laserstabs das Brennen bei einer Temperatur ausgeführt wird, die 90% oder weniger der Schmelztemperatur des Laserstabs beträgt, um den Weg zu verringern, den ein im Laserstab enthaltenes laseraktives Element in das nicht dotierte Keramikrohr diffundiert.

22. Laservorrichtung,
wobei die Modensteuerung des Laserstrahls, der mit einem Verbundlaserstab oszilliert wird, durch den Durchmesser eines Laserstabs erfolgt, der den Verbundlaserstab bildet, und ein Einmoden-Laserstrahl oszilliert wird, und wobei der Verbundlaserstab einen Laserstab umfaßt, der ein laseraktives Element enthält und einen Laserstrahl oszilliert, und
eine Außenhüllenschicht, die sich am Umfang des Laserstabs befindet und in welcher Partikel in einer Grenzfläche mit dem Laserstab durch plastische Deformation vollständig mit dem Laserstab integriert sind.

23. Laservorrichtung,
wobei durch Verwendung eines Verbundlaserstabs die Übereinstimmung von charakteristischen Frequenzen einschließlich einer höheren Mode eines Laserstabs, der zur Kühlung des Laserstabs mit einem Kühlmodul verbunden ist, und Frequenzen, die von Kühlmitteln stammen, die das Kühlmodul am Laser kühlen, unterdrückt wird; und
wobei der Verbundlaserstab einen Laserstab umfaßt, der ein laseraktives Element enthält und einen Laserstrahl oszilliert, und eine Außenhüllenschicht, die sich am Umfang des Laserstabs befindet und in welcher Partikel in einer Grenzfläche mit dem Laserstab durch plastische Verformung vollständig mit dem Laserstab integriert sind.

24. Laservorrichtung mit:
einem Laserresonator, der einen Laserstab und eine Lichtquelle zur Anregung des Laserstabs umfaßt, und
einer Vorrichtung zum Kühlen des Laserstabs;
wobei der Laserstab einen Verbundlaserstab benutzt, der einen Laserstab umfaßt, der ein laseraktives Element enthält und einen Laserstrahl oszilliert, und eine Außenhüllenschicht, die sich am Umfang des Laserstabs befindet und in welcher Partikel in einer Grenzschicht mit dem Laserstab durch plastische Verformung vollständig mit dem Laserstab integriert sind.

25. Laservorrichtung gemäß Anspruch 24 mit zusätzlich:
einer Wellenlängenumwandlungsfunktion;
wobei der Verbundlaserstab verwendet wird, um ein Seitenverhältnis der Positionsstabilität des Strahls in einem Laserstrahl, der von einem Wellenlängenumwandlungselement ausgegeben wird, zu ermöglichen, das sich eins zu eins nähert.