JP2000340868A

JP2000340868A - 固体レーザ装置及びこれを用いたレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2000340868A
Application number: JP2000121476A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yasui; 公治安井; Kuniaki Iwaki; 邦明岩城; Taku Yamamoto; 卓山本; Akira Ishimori; 彰石森; Tetsuo Kojima; 哲夫小島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-09-16
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】固体素子３の熱レンズ作用の結果、レーザ共
振器内のレーザ光１４の断面積は小さくなり、さらに射
出レーザビーム１５は、電源５における投入電力の変化
に伴うこの熱レンズ差容量の変化により、不規則に発散
するため、レーザビーム１５の焦点の位置を正確に定め
られず安定な加工ができない等の問題点があった。【解決手段】固体素子を、その周囲から、固体素子の
屈折率より低い屈折率をもつ液体により冷却し、励起光
源からの光を光学系により構成される光励起装置によ
り、この固体素子に導いてこれを励起するとともに、固
体素子表面のあらさを調整して、固体素子断面内の励起
分布を調整するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は品質の良い高出力
のレーザビームを発生する固体レーザ装置及びこれを用
いたレーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２４は、例えばレーザ学会編，「レー
ザハンドブック」，第２２２頁，オーム社，（1982年）
に示された、従来の固体レーザ装置を示す断面図であ
る。図において、１は全反射ミラー、２は部分反射ミラ
ーで、これら両者によりレーザ共振器が構成されてい
る。また、３は固体レーザのレーザ媒質となる固体素
子、４は固体素子３を励起するアークランプ等の励起光
源、５は励起光源４を点灯する電源、６は励起光源４の
集光器、７は固体素子３の周面と集光器６の接触部を封
止するＯリングなどのシール材、８は基台、１４はこの
レーザ共振器内で発生するレーザ光、１５はこのレーザ
装置から射出されるレーザビームである。

【０００３】固体素子３はレーザ活性物質を含み、ＹＡ
Ｇ(Yttrium Aluminum Garnet) 固体レーザの場合は、レ
ーザ活性物質としてＮｄ³⁺をドーピングしたＮｄ：ＹＡ
Ｇ結晶を用いる。集光器６は、例えば断面形状が楕円
で、その２つの焦点にそれぞれ固体素子３と励起光源４
を配置し、内面を光反射面とすることにより励起光源４
からの光を固体素子３に集光する。

【０００４】次に動作について説明する。固体素子３
は、励起光源４から所定波長の光を吸収すると、レーザ
遷移によりレーザ光１４を発生するが、このレーザ光１
４は、レーザ共振器内で２つのミラー１，２間を往復す
る間に増幅され、一定の強度に達すると、指向性のよい
レーザビーム１５として、部分反射ミラー２を通して外
部に放出される。

【０００５】また、図２５は、例えば米国特許第３，８
０３，５０９号に示された従来のレーザ装置を示す断面
図である。図において、１，２，４，５，６，７，８，
１４，１５は、図２４のレーザ装置と同一のものであ
る。３は活性固体媒質を含む固体素子で、寄生発振を防
ぐために、その表面は５０μインチＲＭＳ程度にあらさ
れている。ここで、ＲＭＳ（Root Mean Square）はあら
さの単位で、２乗平均値を表す。例えば、「５０μイン
チＲＭＳ」とは、「１インチの間のあらさの２乗平均値
が５０ミクロン」ということである。また、９、９００
は光源４、活性媒質を含む固体素子３の周囲を冷却する
媒体７０の流れを整える筒管で、９００については、そ
の表面があらされている。８１、８２は冷却媒体７０の
流入口、流出口である。

【０００６】次に動作について説明する。上記構成の固
体レーザ装置では、励起光源４と固体素子３は、断面形
状が楕円状の集光器６の焦点に配置され、電源５により
点灯された光源４から発せられた光は、その表面があら
された筒管９００を通過する段階で拡散され、固体媒質
中に周囲から均一に入射する。固体素子３は、この光に
より励起されレーザ媒質となる。レーザ媒質より発生さ
れた自然放出光は、ミラー１と２により構成される共振
器間を往復する間に増幅され、一定以上の大きさに達す
ると指向性の良いレーザビーム１５として外部に放出さ
れる。また光源４と固体素子３は、周囲から筒管９００
のなかを循環する冷却媒体７０により周囲より冷却され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体レーザ装置
は以上のように構成されているので、固体素子３に吸収
される励起光源４の光（エネルギー）は、特定の波長の
もののみがレーザ出力に利用されるのであり、他の波長
のものは固体素子３に吸収されて固体素子３を加熱す
る。このため、固体素子３は冷却の必要があるが、固体
レーザ装置の構造上、固体素子３はその周囲から冷却せ
ざるを得ない。その結果、固体素子３の断面には、中央
部が高温で、周辺部はそれより低温という温度分布が生
ずる。すると、固体素子３の屈折率は、断面内でこの温
度分布に対応した分布を有するようになり、固体素子３
を通過するレーザ光１４の波面には歪みが生ずる。この
ため、共振器内のレーザ光１４は一般には集光されるよ
うになる。このような固体素子３によるレーザビーム集
光作用は、「固体素子の熱レンズ作用」と呼ぶが、この
固体素子３の熱レンズ作用は、レーザ共振器の動作を不
安定にする。その結果、レーザ共振器内のレーザ光１４
の断面積は小さくなり、さらに射出レーザビーム１５
は、電源５における投入電力の変化に伴うこの熱レンズ
差容量の変化により、不規則に発散することになる。こ
のため、伝送ミラーを使ってレーザビームをこれを利用
する加工ステージ等へ導く際、レーザビーム１５が伝送
ミラーからはみ出したり、レーザビーム１５をレンズで
集光して加工に用いる際、熱レンズ作用が安定するまで
は、レーザビーム１５の焦点の位置を正確に定められず
安定な加工ができない等の問題点があった。

【０００８】また、上記のような従来のレーザ装置で
は、励起光源４からの光は、固体素子３をその周囲から
均一に照射、励起するが、固体素子３の中央付近が強く
励起され、従って励起に分布が発生し、発生するレーザ
媒質の品質が断面内で一定せず、集光性の良い高品質ビ
ームを得ることができないなどの問題点があった。

【０００９】図２６には光共振器を構成しないで固体素
子３の軸方向から自然放出光を観測した実験結果を示
す。この実験結果は、米国特許第３，８０３，５０９号
に基づいて行われた実験結果の、アプライドオプティ
クス（Applied Optics）,vol．１４，No．５，pp．１１
９２に開示されたものである。同図は、自然放出光の強
度を等高線表示しており、中央部の光強度が高く、断面
方向の周囲部に向けて光強度が下がっている。表面にあ
らしの入った筒管９００の作用により、光源からの光は
固体素子３を周囲から均一に照射するために、周囲方向
に均一な分布が得られているが、その断面方向には、特
にその周囲部で激しい分布が発生していることがわか
る。

【００１０】この発明は、固体素子中に光を均一に導く
と共に、均一なレーザ媒質を得て、高出力かつ品質の良
いレーザビームを発生することができる固体レーザ装置
を得ること、さらにこのレーザビームを用いて効率良
く、品質の良いレーザ加工を行うことができるレーザ加
工装置を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る固体レー
ザ装置は、固体素子を、その周囲から、固体素子の屈折
率より低い屈折率をもつ液体により冷却し、励起光源か
らの光を光学系により構成される光励起装置により、こ
の固体素子に導いてこれを励起するとともに、固体素子
表面のあらさを調整して、固体素子断面内の励起分布を
調整するようにしたものである。

【００１２】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子表面のあらさを１００μインチＲＭＳ以上に設定した
ものである。

【００１３】この発明に係る固体レーザ装置は、光励起
装置として、励起光源の光を閉じ込める集光器を用いた
ものである。

【００１４】この発明に係る固体レーザ装置は、光励起
装置として、内部が拡散反射面よりなる集光器を用いた
ものである。

【００１５】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子を複数、光軸方向に並べて配設したものである。

【００１６】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子を複数、光軸方向に並べて配設するとともに、各固体
素子間の少なくとも一箇所に、少なくとも一枚の光学レ
ンズよりなる熱レンズ修正光学装置を挿入したものであ
る。

【００１７】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子から、安定型共振器を用いてレーザビームを取り出す
ようにしたものである。

【００１８】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子から、不安定型共振器を用いてレーザビームを取り出
すようにしたものである。

【００１９】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子から、中央が部分反射部で、周囲が無反射部となった
出口ミラーと、一つの反射ミラー若しくは複数のレーザ
光学系から構成されるレーザ共振器を用いてレーザビー
ムを取り出すようにしたものである。

【００２０】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子から、中央が部分反射部で、周囲が無反射部とされ、
且つ、両部を通過するレーザビームの位相差を補償する
位相差解消手段を備えた出口ミラーと、一つの反射ミラ
ー若しくは複数のレーザ光学系から構成されるレーザ共
振器とを用いてレーザビームを取り出すようにしたもの
である。

【００２１】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子に、別に用意した固体レーザ装置から発生されたレー
ザビームを導入して、増幅されたレーザビームを取り出
すようにしたものである。

【００２２】この発明に係る固体レーザ装置は、レーザ
光学系の一部として、複数の光学素子からなり、その光
学素子の間の距離の少なくとも一箇所を、励起光源の光
出力に対応して変化させるように制御する光学系を用い
たものである。

【００２３】この発明に係る固体レーザ装置は、レーザ
光学系の一部として、複数の光学素子からなり、その光
学素子の間の距離の少なくとも一箇所を、励起光源の光
出力に対応して変化させるように制御する、反射型もし
くは透過型の像転写光学系を用いたものである。

【００２４】この発明に係る固体レーザ装置は、励起光
源として、半導体レーザを用いたものである。

【００２５】この発明に係る固体レーザ装置は、半導体
レーザの波長と固体素子の表面あらさを、固体素子内の
励起分布が均一となるように調整したものである。

【００２６】この発明に係る固体レーザ装置は、固体素
子の表面のあらさを固体素子の長手方向に変化させるこ
とにより、固体素子断面の励起分布を調整したものであ
る。

【００２７】この発明に係るレーザ加工装置は、請求項
１から１６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置
から発生されたレーザビームを、光学系により光ファイ
バーの端面に導き、反対の端面から出射されたレーザビ
ームを用いて、レーザ加工を行うようにしたものであ
る。

【００２８】この発明に係るレーザ加工装置は、請求項
１から１６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置
から発生されたレーザビームを、集光光学系により集光
して、レーザ加工を行うようにしたものである。

【００２９】この発明に係るレーザ加工装置は、請求項
１から１６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置
から発生されたレーザビームを加工物近傍まで光学系に
より伝送し、同光学系から出射されたレーザビームを加
工物上に像転写しながらレーザ加工を行うようにしたも
のである。

【００３０】この発明に係るレーザ加工装置は、請求項
１から１６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装置
から発生されたレーザビームを、加工物近傍まで伝送す
る光学系と、この光学系から出射されたレーザビームを
集光する第１集光光学系と、この第１集光光学系の焦点
近傍に配置された開口と、この開口の後の再び広がった
レーザビームを再度集光して加工物に導く第２集光光学
系とを備えるものである。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１（ａ）はこの発明の実施の形態１に
よる固体レーザ装置を示す側断面図、（ｂ）は同横断面
図である。図において、２、４、５、６、７、８、９、
１４、１５、７０、８１、８２は、前述した図２５に示
した従来装置と同一のものである。また、１１は曲率半
径Ｒの全反射ミラー、１２は集光レンズ、１３ａ，１３
ｂはそれぞれ全反射ミラー１１と集光レンズ１２を部分
反射ミラー２に対して前後に移動させるための移動ステ
ージである。また、３００は表面があらされた固体素
子、９は透明ガラス製の筒管である。

【００３２】次に動作について説明する。このレーザ装
置においては、励起光源４と、表面をあらされた固体素
子３００は、断面形状が楕円状の集光器６の焦点に配置
され、電源５により点灯された励起光源４から発せられ
た光により固体素子３００に光が照射される。固体素子
３は、この照射された光により励起され、レーザ媒質と
なる。レーザ媒質より発生された自然放出光は、ミラー
２、１１、集光レンズ１２により構成される共振器間を
往復する間に増幅され、一定以上の大きさに達すると、
指向性の良いレーザビーム１５として外部に放出され
る。

【００３３】ミラー２、１１と集光レンズ１２により構
成された安定型共振器は、固体素子３００の内部に、断
面内でほぼ均一な強度分布を持つレーザビーム１５を発
生させる。励起光源４と固体素子３００は、流入口８１
から導入され冷却媒体７０により、その周囲から冷却さ
れる。固体素子３００および励起光源４を冷却して温度
上昇した冷却媒体（冷却用の液体）７０は、流出口８２
から外部に排出される。また、固体素子３００はその端
部でシール材７により冷却媒体からシールされている。

【００３４】次に、表面があらされた固体素子３００の
作用について説明する。固体素子３００の周囲に入射す
る励起光源４からの光は、実験結果として図２６に示し
たように、断面内で励起分布、つまり断面内での熱レン
ズ分布を発生させ、その結果、通過するレーザビーム１
５に波面収差を与えてしまう。

【００３５】発明者は、この原因として、固体素子３０
０の表面のあらさが十分でなく、光がその表面で図２に
示すように屈折しているためであると推測し、固体素子
３００の表面をさらにあらし、光が固体素子３００表面
で屈折する成分に比較して、散乱する成分を増大させ、
従って屈折作用にもとづく断面の熱レンズ分布をなく
し、結果としてレーザビーム１５に波面収差を与えるこ
となく、これを通過させることができる固体レーザ装置
を案出した。

【００３６】図３は、固体素子３００の表面あらさを変
化させて、熱レンズ分布による固体素子３００の透過波
面収差を測定した実験結果を示す。ここでは固体素子３
００として屈折率１．８２のＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅
Ｏ₁₂）ロッドを、屈折率１．３の水により周囲から冷却
する場合と、大気中においた場合を比較した実験結果を
示している。この実験においては、Ｎｄ：ＹＡＧロッド
を、水中でアークランプ光源により励起し、これに軸方
向からＨｅＮｅレーザビームを透過させ、その出射した
レーザビームの断面内収差の最大値を実測した。

【００３７】固体素子３００を大気中においた場合に
は、表面のあらさを５０μインチＲＭＳ以上にすれば、
ほぼ励起分布による波面収差を、固体素子３００そのも
のが持っている限界の値まで減少させることがわかる。

【００３８】実際、従来の固体素子は、その表面状態
を、研磨された透明状態から５０μインチＲＭＳのあら
さまでの範囲に設定してあるが、これは、固体素子側面
を光路とする寄生発振を防ぐ、もしくは周方向の光強度
分布の均一性を向上させるためであり、目視ですりガラ
ス状に見える２０〜５０μインチＲＭＳのあらし状態に
設定すれば、それらの目的が達成されることが知られて
いる。

【００３９】しかしながら、高出力レーザビームを発生
させるためにその周囲を冷却する場合においては、表面
のあらさを、固体素子を大気中においた場合の数倍の例
えば１３０μインチＲＭＳ以上にして初めて、固体素子
の断面内の透過波面収差を、固体素子そのものが持つ収
差程度に減少させることができることがわかった。これ
は、水の屈折率が大気の屈折率よりも高く、従って固体
素子とその周囲媒体の屈折率差が減少し、これにより表
面での散乱効果が減少するためであると考えられる。

【００４０】上記の、波面収差が表面の散乱効果の増大
効果により減少したとする考えの正しさを証明するため
に、さらに第２の実験を行った。この実験では、図４に
示す構成により、光源による励起を行わない場合におい
て、固体素子側面からコリメートされたＨｅＮｅレーザ
ビーム７００を照射し、その断面内での光の伝播状態を
観測した。Ｎｄ：ＹＡＧロッドは、円柱状であるから、
その表面で光が屈折すれば、ＨｅＮｅレーザビーム７０
０は、図５（ａ）に示すように、集光されながらロッド
断面内を進行する。しかしながら、表面があらされ、散
乱が増大すると、図５（ｂ）に示すように、集光状のレ
ーザビームの進行は観測されずに、断面内で拡散状に進
行するＨｅＮｅレーザビーム７００が観測されるはずで
ある。実験を行ったところ、大気中では、５０μインチ
ＲＭＳの表面あらし状態で図５（ｂ）に示す拡散状態が
観測された。しかし、固体素子３００を水中に配置した
場合には、５０μインチＲＭＳの表面あらし状態では図
５（ａ）の状態となり、さらにあらし度合いを増大させ
て１００μインチＲＭＳ以上にして初めて、ほぼ完全に
図５（ｂ）に示す発散状のレーザビームの進行が観測で
きた。

【００４１】この実験結果は、上記で説明した励起光源
４による励起実験の結果を説明するものとして提案した
「水の屈折率が大気の屈折率よりも高く、従って固体素
子とその周囲媒体の屈折率差が減少し、これにより表面
での散乱結果が減少するためであると考えられる」とす
る考えの正しさを証明したものであり、固体素子の表面
あらさを通常の倍以上である１００〜１３０μインチＲ
ＭＳ以上にして初めて、固体素子の断面内の透過波面収
差を、固体素子そのものが持つ収差程度に減少させるこ
とができることがわかった。

【００４２】固体素子表面での散乱作用は、固体素子の
屈折率と周囲冷却媒体の屈折率の比で規定されると考え
られる。従って、ここでの実験結果は、水を主成分とす
る冷却媒体と、屈折率が１．８程度もしくはそれ以下の
固体素子、例えば、Ｌi ＹＦ ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｂe Ａl
₂Ｏ₄，ガラス，Ｌi Ｓr Ａl Ｆ₆，Ｌi Ｃa Ａl Ｆ₆
を主成分とする固体素子に適用できるものである。

【００４３】また、表面あらしは励起光源４の光が到達
する場所にのみ施されていればよい。例えば、端部のシ
ール材７の当たり部は、あらさない実施の形態も考えら
れる。こうすると、シール材７の固体素子への接触面積
が増大し、安定的に冷却媒体７０をシールできるように
なる。

【００４４】また、レーザビームの強度分布に対応し
て、表面あらしの度合いを固体素子の軸方向に変化させ
て、断面の強度分布の軸方向の積分値を均一化する方法
も考えられる。

【００４５】さらに、図１に示した、光源の光を固体素
子３００に導く光学系について説明を加える。固体素子
の表面あらさを増大させると、通常レーザ発振効率が減
少する。これは、固体素子３００の周囲に導かれた光の
一部が、そのあらされた表面で後方散乱され、損失とな
るからである。

【００４６】それを防ぐために、実施の形態１では、集
光器６を用いて励起光源４からの光を閉じ込める構成を
とっている。この構成によれば、固体素子３００の表面
で後方散乱された光は、集光器により再び反射され、再
び固体素子３００の表面に導かれ、これを励起する。従
って、従来問題となっていた固体素子表面をあらすこと
によるレーザ発振効率の減少を防ぐことができる。

【００４７】また、実施の形態１では、集光器６の内面
が拡散反射面から構成されるようにしている。従来例に
おける反射型の集光器では、光源と固体素子は楕円型の
集光器の焦点に配置されている。この場合、固体素子３
で吸収されずに通過した励起光源４からの光は、楕円の
焦点位置を通過するために、集光器内で３〜４回反射を
繰り返せば、再び固体素子３に入射し、これを励起する
ことができる。しかし、固体素子３の表面で散乱された
励起光源４からの光は、散乱により進行方向が変わり、
楕円の焦点位置を通過しないために、再び固体素子３に
入射するには、多数回の反射往復を繰り返す必要があ
る。反射面の反射率は有限であるために、反射後とに光
量が失われ、結局散乱された光のほとんどが、固体素子
３に導かれる前に反射内面で吸収されることになる。

【００４８】実施の形態１では、内面を拡散反射面にし
ているので、固体素子３００の表面で散乱された光は、
集光器６の内面で拡散反射され、少なくとも毎回その一
部が固体素子３００に導かれ、これを励起する。また、
集光器６内部で光強度を均一化するため、固体素子３０
０の表面をあらすことによる従来観測されたレーザ発振
効率の低下が緩和される。実際、Ｎｄ：ＹＡＧロッドと
アークランプを用いた実験結果によると、固体素子３０
０の表面あらさを５０〜２００μインチＲＭＳの間で変
化させても、実験精度内で発振特性の変化は全く観測さ
れなかった。

【００４９】さらに、実施の形態１では、従来の全反射
ミラー１に変えて、全反射ミラー１１と集光レンズ１２
により構成された光学系を用いている。これについて説
明を加える。従来例と同様に全反射ミラー１を用いて
も、波面収差の減少した固体素子３００の作用で、より
ビーム品質の良いレーザビーム１５が得られる。しか
し、励起光源４の出力を変化させると、固体素子３００
の熱レンズの値が変化し、これによりレーザビーム１５
の品質が若干変化する。全反射ミラー１１と集光レンズ
１２により構成された光学系は、この変化を打ち消す目
的で挿入されている。全反射ミラー１１と集光レンズ１
２は、まず像転写条件を満たす位置に配置される。例え
ば反射ミラーの曲率＝Ｒ、レンズの焦点距離＝ｆ、両者
間の距離＝Ｌ＝Ｒ＋ｆとすると、レンズの前面Ｌの位置
の像が反射により転写されることになる。

【００５０】ここで両者間の距離を、例えば移動ステー
ジ１３ａまたは１３ｂにより微小量変化させると、この
光学系は曲率を持つ反射ミラーと同等の作用をする。具
体的に説明すると、移動ステージ１３ａ，１３ｂを備え
た全反射ミラー１１と集光レンズ１２からなる像転写光
学系は、固体素子３の内部に反射可変曲率ミラーを配置
したのと同一の動作を行う。つまり、電源５の投入電力
が変化すると、励起光源４からの励起光の強度が変化
し、これに伴って固体素子３の熱レンズ作用量が変化す
るが、移動ステージ１３ａ，１３ｂを移動させれば、全
反射ミラー１１と集光レンズ１２からなる像転写光学系
の等価曲率半径を微少変化させることができる。したが
って、電源５の投入電力が変化しても、この曲率半径の
変化により、固体素子３のレーザ出力に応じた熱レンズ
作用を補償してレーザ光１４の進路を正し、レーザ光１
４の断面積を広く保って、固体素子３の熱レンズ作用を
共振器内で打ち消すことができる。すなわち、実質的光
学伝搬距離がゼロの像転写系のおかげで、レーザ光１４
の熱レンズ変化を、その発生場所の近傍で、他の共振器
部分に影響を与えずに高い精度で補正することができる
ため、共振器の動作を一定に保つことができる（レーザ
ビームが発散しない）。

【００５１】特に、この実施の形態１では、固体素子３
００の熱レンズ量は、上記あらした表面の作用により断
面内でほぼ一定で、したがって収差がほとんどないため
に、この像転写光学系により、断面内全体にわたり熱レ
ンズを補正することができ、従って固体素子の断面一杯
から効率良く、高出力の高品質レーザビーム１４を発生
させることができる。

【００５２】なお、像転写光学系は、反射ミラーとレン
ズの組み合わせに限られるものではなく、光学的に曲率
を持ち、固体素子近傍に配置されたと同じとみなせるよ
うに作用する光学系であれば良く、図６、図７のような
変形例が考えられる。

【００５３】図６（ａ）〜（ｄ）においては、像転写光
学系を構成する集光レンズ１２を全反射ミラー１１等で
置き換えた変形例を示す。この変形例に見られるよう
に、図１に示した反射ミラーとレンズの組み合わせに限
らずに、要は、像転写条件が満たされるように、複数の
光学系を組合わせて用いるようにすればよい。

【００５４】図７に示す例においては、全反射ミラー１
１と集光レンズ１２よりなる組み合わせの光学系を、容
器６０の中に入れている。これにより、光学系中に大気
中のゴミが混入すること、したがってゴミが光学系中の
集光点で加熱され、周囲の大気を局所加熱させ、これが
レーザビーム１４の品質を悪化させることが防止され
る。

【００５５】また、この例ではさらに容器６０が通気口
６１を備え、容器６０内を減圧することができるように
なっている。このようにすると、あらした固体素子３０
０の効果により、高品質化されたレーザビーム１４が、
全反射ミラー１１とレンズ１２の間で小さいスポットに
集光されることにより気中破壊が発生するのを防ぐこと
ができる。

【００５６】実施の形態２．図８（ａ）はこの発明の実
施の形態２による固体レーザ装置を示す側断面図、
（ｂ）は同横断面図である。この例においては、部分反
射ミラーのかわりに、拡大反射ミラー１６とメニカス状
の部分反射ミラー１７を用い、これらと全反射ミラー１
１、集光レンズ１２からなる像転写可変曲率ミラーを含
む不安定型共振器を構成している。

【００５７】不安定型共振器を用いると、その回折作用
により、発生するレーザビーム１９を安定型共振器を用
いた場合よりもさらに均一な強度分布のレーザビームと
することができる。

【００５８】図９には、安定型共振器を用いた場合と、
不安定型共振器を用いた場合に得られる、固体素子３０
０内のレーザビーム１９の強度分布を比較して示す。
（ａ）は前者の場合、（ｂ）は後者の場合を示す。

【００５９】レーザビーム１９の断面形状が均一である
ため、レーザビーム１９の一部が固体素子３００に吸収
される。そして、固体素子３００を内部から加熱するよ
うな高出力域においても、均一なレーザビーム１９が固
体素子３００を均一に加熱することになり、従って表面
のあらしにより、その断面内が均一に励起されて、発生
したレーザ媒質の均一性を乱すことがなく、レーザビー
ムの品質を高出力領域においても保つことができる。

【００６０】本実施の形態においても、全反射ミラー１
１と集光レンズ１２からなる像転写光学系が用いられて
いる。不安定型共振器を用いたレーザ装置では、共振器
から取り出されるレーザビーム１９の波面曲率が、共振
器中に配置された固体素子の熱レンズの作用により変化
するため、このような像転写光学系を用いて、その波面
曲率の変化を安定させれば、外部での伝播状態が安定し
たレーザビーム１９が得られる。

【００６１】実施の形態３．図１０（ａ）はこの発明の
実施の形態３による固体レーザ装置を示す側断面図、
（ｂ）は同横断面図である。この実施の形態において
は、実施の形態２の拡大反射ミラー１６のかわりに、中
央が部分反射ミラー２６であり、その周囲が無反射部２
７から構成される拡大出口ミラー２５を用い、これらと
全反射ミラー１１、集光レンズ１２とからなる共振器を
構成している。

【００６２】このように構成されると、内部には図８に
示したものとほぼ同じ形状の強度分布を持つレーザビー
ムが得られるのに加えて、外部に例えば図１１に示すよ
うな中づまり状、従って集光性の良いレーザビームが得
られる。このために、同一の集光性を得るために必要な
レーザビーム２９の強度を下げることができ、固体素子
３００にレーザビーム２９が吸収されて発生する熱量を
少なくすることができ、従って固体素子３００の発熱を
下げ、その結果、高出力域でも安定に高品質レーザビー
ム２９が発生する。

【００６３】実施の形態４．図１２（ａ）はこの発明の
実施の形態４による固体レーザ装置を示す側断面図、
（ｂ）は同横断面図である。この実施の形態４において
は、中央の部分反射ミラー２６を通過するレーザビーム
２９と、無反射部２７を通過するレーザビーム２９間の
位相差を、例えば部分反射ミラー２６の厚みを通常の数
倍の厚みにしたり、さらに図１３に示すように、ミラー
外面に段差（位相差解消手段）３５を設けたりして打ち
消して、位相のそろった中づまり状のレーザビーム３６
を得るように構成している。

【００６４】こうすると、さらにレーザビーム３６の集
光性が向上するために、同一の集光性を得るために必要
なレーザビーム３６の強度を実施の形態３の場合よりも
下げることができ、固体素子３００にレーザビーム３６
が吸収されて発生する熱量を少なくすることができ、従
って固体素子３００の発熱を下げ、その結果、高出力域
でも安定に高品質レーザビーム３６が発生する。

【００６５】実施の形態５．図１４はこの発明の実施の
形態５による固体レーザ装置を示す側断面図である。こ
の実施の形態５においては、表面があらされた固体素子
３００を励起してレーザ媒質としたものを、レーザビー
ム１５の増幅器として用いている。

【００６６】図において、左側の発振器であるレーザ装
置は、図１に示したものと同じであるが、右側の増幅器
であるレーザ装置は、共振器が組み合わされておらず、
左側のレーザ装置から発生されたレーザビーム１５を増
幅してレーザビーム１５０として外部に発生させるよう
になっている。

【００６７】このような発振器と増幅器の組み合わせに
よるレーザビームの高出力化は、特に励起光源４がパル
ス状に固体素子３００を励起する場合に有効である。表
面があらされた固体素子３００の効果により、レーザビ
ーム１５は断面内で収差なく増幅される。すなわちレー
ザビーム１５のビーム品質を保ったままで高出力化して
レーザビーム１５０として取り出される。

【００６８】なお、この実施の形態においては、実施の
形態１に示すレーザ共振器を用いた固体レーザ装置を例
にして説明したが、実施の形態２、３、４のいずれかに
記載の固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を有
する。

【００６９】実施の形態６．図１５はこの発明の実施の
形態６による固体レーザ装置を示す側断面図である。こ
の実施の形態６においては、固体素子３００を複数本、
光軸方向にならべた構成を示す。このようにすればレー
ザ媒質を長く構成でき、結果として高出力のレーザ出力
が実現できる。

【００７０】各固体素子３００が収差を持つ場合には、
このように複数の固体素子３００を組み合わせることは
難しく、複数の固体素子収差の一部が互いに打ち消すよ
うに、固体素子３００の選別が通常必要であった。

【００７１】この実施の形態においては、固体素子表面
のあらしにより、固体素子３００の断面内の収差が小さ
くなるために、固体素子３００を選別することなく、複
数の固体素子３００を組み合わせて長いレーザ媒質を実
現できる。これを用いて、安価に高出力のレーザビーム
１５が発生させられる。

【００７２】さらに、実施の形態６では複数の固体素子
３００の間に集光レンズ（熱レンズ修正光学系）１２
ａ，１２ｂを挿入して固体素子３００の熱レンズを修正
している構成を示している。この２つの集光レンズ１２
ａ，１２ｂの間隔を調整することにより、わずかな収束
あるいは発散の作用を持たせることができる。各固体素
子３００は収差がほとんどないために、各固体素子３０
０の間にレンズ１２を挿入することにより、固体素子３
００の熱レンズを容易に修正することができる。

【００７３】さらに、この実施の形態のように集光レン
ズ１２を移動ステージ１３ｂ上に配置すれば、集光レン
ズ１２間の距離を励起光源４の出力に対応して、従って
固体素子３００の熱レンズの大きさに対応して変化さ
せ、この複数の固体素子３００を通過するレーザビーム
に与える複数の固体素子３００の影響が、励起光源４の
出力にしたがって発生させられるレーザ出力にかかわら
ず一定になるように制御できる。

【００７４】なお、この実施の形態においては、実施の
形態１に示すレーザ共振器を用いた固体レーザ装置を例
にして説明したが、実施の形態２、３、４のいずれかに
記載の固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を有
する。

【００７５】実施の形態７．図１６（ａ）はこの発明の
実施の形態７による固体レーザ装置を示す側断面図、
（ｂ）は同横断面図である。この実施の形態７において
は、励起光源４として半導体レーザ４００を用いてい
る。励起光源４に半導体レーザ４００を用いた場合、レ
ーザビーム１５の波長に近く、より短波長の波長を持つ
半導体レーザ４００を用いることにより、固体素子３０
０の熱吸収を、励起光源４にランプを用いた場合に比較
して小さくできる。４１０は半導体の光を閉じ込めて集
光器６内に導くガラス等でできた光学素子である。

【００７６】この実施の形態の場合、固体素子３００の
断面内の熱レンズ分布を減少させることができ、表面を
あらしたロッドの効果と合わせて、高出力で品質の良い
レーザビーム１５が得られる。

【００７７】さらに、半導体レーザ４００を用いた場合
には、波長を変化させて、固体素子３００への半導体レ
ーザ４００の吸収係数を変化させて、固体素子３００の
断面内の励起分布を調整することができる。

【００７８】例えば、固体素子３００の吸収帯に近い波
長で励起すれば、固体素子３００の表面近くで励起光源
４の出力の多くが吸収され、表面近くに強い励起分布が
形成される。

【００７９】逆に、固体素子３００の吸収帯から離れた
波長で励起すれば、固体素子３００の中に奥深く入って
吸収されるために、固体素子３００の中央近くに比較的
励起分布が形成される。

【００８０】従って、励起光源４である半導体レーザ４
００の波長を、固体素子３００の表面のあらし状態に対
応して、調整すれば、固体素子３００の断面内で、より
均一性の高い強度分布を持つ励起分布、従って均一なレ
ーザ媒質、収差のないレーザ媒質を得ることができる。

【００８１】なお、この実施の形態においては、実施の
形態１に示すレーザ共振器を用いた固体レーザ装置を例
にして説明したが、実施の形態２、３、４のいずれかに
記載の固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を有
する。

【００８２】実施の形態８．図１７（ａ）はこの発明の
実施の形態８によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態８のレーザ加工装置は、固体レーザ装置から発
生されたレーザビーム１５を、集光レンズ１２ａ１で集
光して光ファイバー２００の端部に入射させ、これによ
り離れた場所まで伝送し、光ファイバー２００の反対側
端部より出射したレーザビーム１５を、集光レンズ（集
光光学系、像転写光学系）１２ａ２により再度集光し、
この集光されたレーザビーム１５を用いて加工物８００
のレーザ加工を行うものである。ここで、８２０は加工
ガスの導入口、８１０は加工ノズルである。

【００８３】この実施の形態においては、固体素子表面
のあらしにより、固体素子の断面内の収差が小さいため
に、発生するレーザビーム１５は、小さいスポットに集
光される。この小さく集光されたレーザビーム１５は、
光ファイバー２００端部へ効率良く入射し、レーザ出力
を失うことなく、光ファイバー２００の反対側端部から
出射して、加工物８００のレーザ加工を効率良く、品質
良く行うことができる。

【００８４】なお、この実施の形態においては、実施の
形態１に示すレーザ共振器を用いた固体レーザ装置を例
にして説明したが、実施の形態２、３、４のいずれかに
記載の固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を有
する。

【００８５】実施の形態９．図１８（ａ）はこの発明の
実施の形態９によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態９のレーザ加工装置は、固体レーザ装置から発
生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた場所まで
伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変えた後、集
光レンズ（集光光学系、像転写光学系）１２ａ２により
集光し、この集光されたレーザビームを用いて加工物８
００のレーザ加工を行うものである。

【００８６】この実施の形態において、固体素子３００
表面のあらしにより、固体素子３００の断面内の収差が
小さいために、本実施の形態の固体レーザ装置から発生
されたレーザビーム１５は、小さいスポットに集光さ
れ、この集光されたレーザビーム１５は、加工物８００
のレーザ加工を効率良く、品質良く行うことができる。

【００８７】なお、この実施の形態においては、実施の
形態１に示すレーザ共振器を用いた固体レーザ装置を例
にして説明したが、実施の形態２、３、４のいずれかに
記載の固体レーザ装置を用いた場合にも同様の効果を有
する。

【００８８】実施の形態１０．図１９（ａ）はこの発明
の実施の形態１０によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態１０のレーザ加工装置は、固体レーザ装置から
発生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた場所ま
で伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変えた後、
集光レンズ（集光光学系）１２ａ１により集光し、この
集光されたレーザビーム１５を、さらに集光レンズ（集
光光学系、像転写光学系）１２ａ２により集光し、この
集光されたレーザビーム１５を用いて加工物８００のレ
ーザ加工を行うものである。

【００８９】この実施の形態においては、固体素子３０
０表面のあらしにより、固体素子３００の断面内の収差
が小さいために、発生するレーザビーム１５は小さいス
ポットに集光される。このようにして小さく集光された
レーザビーム１５で加工物８００のレーザ加工を行う。

【００９０】この実施の形態において、特徴的であるレ
ンズを複数枚用いた構成について説明を加える。固体レ
ーザ装置から発生されたレーザビーム１５は、レーザ共
振器内に配設された固体素子や、レーザミラーの端など
にあたり回折波を発生する。この回折波は、集光される
とレーザビーム１５の周囲上に強度分布を持ち、図２０
（ａ）のようにレーザビームが集光された場合の周辺ビ
ームとなる。このような周辺ビームのために、これを用
いてレーザ加工を行う場合に、例えば切断加工に用いた
場合に、切断面がだれたり、溶け込み加工では、不要な
入熱が加工対象周辺部に発生するなど、効率良く、品質
良いレーザ加工が行えない問題があった。

【００９１】この実施の形態においては、レンズを複数
枚用いることで、回折波を発生している場所近傍のレー
ザビーム１５を加工物８００上に像転写することによ
り、上記の問題を解決している。上記したように、回折
波はおもにレーザ装置内の、固体素子３００の端や、ミ
ラーの端部で発生する。従ってこれらの場所近傍のレー
ザビーム１５が、加工物８００の上に像転写されるよう
に光学系を設定すれば、この回折波の影響がない集光レ
ーザビームを得ることができる。

【００９２】実施の形態１０では、２つの集光レンズ１
２を用いた構成例を示している。それぞれのレンズの焦
点距離を調整することにより、レーザ装置の任意の場所
のレーザビーム１５を転送して、例えば図２０（ｂ）に
示すような周辺ビームのない、集光レーザビームを得る
ことができる。

【００９３】この実施の形態においては、レンズを２枚
用いる構成を示したが、反射ミラーなどを組み合わせて
もよく、要は周辺ビームが発生しないように、レーザ装
置の内部近傍に発生したレーザビームを像転写する光学
系を組めばよい。

【００９４】実施の形態１１．図２１（ａ）はこの発明
の実施の形態１１によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態１１のレーザ加工装置では、金属、セラミッ
ク、ガラスの筒、光ファイバーなどからなる開口５００
をレーザビームの光路上に配置して、この開口５００に
より端切りされたレーザビームを像転写するようにして
いる。

【００９５】本実施の形態は、レーザ共振器内にミラー
の端部が存在する、実施の形態２、３、４に示す固体レ
ーザ装置を用いた場合に、特に有効に作用する。

【００９６】実施の形態１２．図２２（ａ）はこの発明
の実施の形態１２によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態１２のレーザ加工装置は、固体レーザ装置から
発生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた場所ま
で伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変えた後、
集光レンズ（第１集光光学系）１２ａ１により集光し、
この集光されたレーザビーム１５を、金属、セラミッ
ク、ガラスの筒、光ファイバーなどからなる開口５００
を通過させた後、さらに集光レンズ（第２集光光学系）
１２ａ２により集光し、この集光されたレーザビームを
用いて加工物８００のレーザ加工を行うものである。

【００９７】この実施の形態においては、固体素子３０
０表面のあらしにより、固体素子３００の断面内の収差
が小さいために、発生するレーザビーム１５は、小さい
スポットに集光される。したがって、この小さく集光さ
れたレーザビーム１５により、加工物８００のレーザ加
工を行うことができる。また、レーザビーム１５を光路
上で集光すると同時に開口５００に通過させ、この開口
５００により回折波を切り去るようにしているので、回
折波のないレーザビーム１５によりレーザ加工を行うこ
とができる。

【００９８】この実施の形態は、レーザ共振器内にミラ
ーの端部が存在する、実施の形態２、３、４に示す固体
レーザ装置を用いた場合に、特に有効に作用する。

【００９９】実施の形態１３．図２３（ａ）はこの発明
の実施の形態１３によるレーザ加工装置を示す構成図、
（ｂ）は固体レーザ装置部分の横断面図である。この実
施の形態１３のレーザ加工装置は、固体レーザ装置から
発生されたレーザビーム１５を、大気中を離れた場所ま
で伝送し、全反射ミラー１１ａにより方向を変えた後、
集光レンズ（第１集光光学系）１２ａ１により集光し、
この集光されたレーザビーム１５を、過飽和吸収体３０
００を通過させた後、さらに集光レンズ（第２集光光学
系）１２ａ２により集光し、この集光されたレーザビー
ム１５を用いて加工物８００のレーザ加工を行うもので
ある。

【０１００】この実施の形態においては、実施の形態１
２と同様にレーザ加工を行うことができる。また、レー
ザビーム１５を光路上で集光すると同時に、過飽和吸収
体３０００に通過させている。ここで、ＹＡＧレーザビ
ームを例に取ると、過飽和吸収体３０００としては、例
えばＣr⁴⁺：ＹＡＧ、若しくはＬiＦ：Ｆ^2-から構成され
るものを利用する。過飽和吸収体３０００は、通常反射
体であるが、強いレーザビームが入射すると、これを吸
収して透過性を持つようになる。従って、図２０（ａ）
のようなレーザビーム１５のうち、中心部の強度の強い
部分のみが通過し、これにより回折波の成分である、周
囲部を除去できる。

【０１０１】この実施の形態は、レーザ共振器内にミラ
ーの端部が存在する、実施の形態２、３、４に示す固体
レーザ装置を用いた場合に、特に有効に作用する。な
お、実施の形態９〜１３に記されたレーザ加工装置によ
り小さく絞られたレーザビーム１５を、実施の形態８で
示した光ファイバー２００の端部に導けば、効率良くフ
ァイバーにレーザビーム１５を導入して、遠隔地へ安全
にレーザビーム１５を伝送することができる。

【０１０２】また、上記いずれの実施の形態において
も、固体素子は、その断面が円形のものについて説明し
たが、円形に限るものでなく、矩形、楕円でもよい。

【０１０３】また、上記いずれの実施の形態において
も、特に説明しなかったが、光学素子のうち特に指示の
ない部分にも、レーザビームが通過する部分には通常の
光学素子のように無反射薄膜を施せば、共振器内のロス
が減少し、効率の良いレーザ発振を実現することができ
る。

【０１０４】

【発明の効果】以上のように、この発明の固体レーザ装
置によれば、液体中の固体素子の表面のあらさを調整し
て、固体素子断面内の励起分布を調整するように構成し
たので、断面内でほぼ均一に発光する、収差のないレー
ザ媒質が得られ、これよりレーザ共振器を用いて大出力
で高品質なレーザビームを安定して得ることができると
いう効果がある。

【０１０５】この発明の固体レーザ装置によれば、固体
素子の表面のあらさを１００μインチＲＭＳ以上に設定
するように構成したので、断面内でほぼ均一に発光す
る、収差のないレーザ媒質が得られ、これよりレーザ共
振器を用いて大出力で高品質なレーザビームを安定して
得ることができるという効果がある。

【０１０６】この発明の固体レーザ装置によれば、光源
の光を閉じ込める集光器からなる光励起装置を用いて、
光源の光を固体素子へ導くように構成したので、固体素
子表面で散乱されたレーザビームを、集光器により再び
反射させ、集光器内での複数回の往復後に固体素子に導
くようにすることができる。したがって、固体素子の表
面をあらすことによる光源の光の固体素子への転送効率
を下げず、レーザ効率の減少を防ぐことができるという
効果がある。

【０１０７】この発明の固体レーザ装置によれば、光源
の光を閉じ込める、内面が拡散反射面からなる集光器か
らなる光励起系を用いて、光源の光を固体素子へ導くよ
うに構成したので、固体素子表面で散乱されたレーザビ
ームを、集光器により再び拡散反射させることができ
る。したがって、反射ごとにその一部を固体素子に導く
ことができ、固体素子の表面をあらすことによる光源の
光の固体素子への転送効率を下げず、レーザ効率の減少
を防ぐことができる。また、拡散反射面は、集光器内で
光源の光を均一化し、固体素子を周囲から均一に照射
し、結果として断面内、周方向に均一なレーザ媒質を発
生させることができ、これによりレーザ共振器を用いて
大出力で、高品質なレーザビームを安定して得ることが
できるという効果がある。

【０１０８】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子を、複数個、光軸方向にならべて長
い励起部を生成するように構成したので、固体素子の選
別を行うことなく、レーザ媒質の長さを増大させること
ができ、従って安価に大出力のレーザビームを得ること
ができるという効果がある。

【０１０９】この発明の固体レーザ装置によれば、各固
体素子の間に熱レンズ修正光学系を挿入するように構成
したので、固体素子の熱レンズに影響されずに安定して
大出力のレーザビームを発生させることができるという
効果がある。

【０１１０】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子から、安定型共振器を用いてレーザ
出力を取り出すように構成したので、固体素子内には、
ほぼ均一な強度分布を持つレーザビームを発生させるこ
とができ、従って、レーザ出力が増大して、その一部が
固体素子に吸収され、これを加熱する場合においても、
これを均一に加熱し、断面内の均質性を乱さず、結果と
して安定して大出力のレーザビームを発生させることが
できるという効果がある。

【０１１１】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子から、不安定型共振器を用いてレー
ザビームを取り出すように構成したので、固体素子内に
は、安定型共振器を用いた場合よりも、さらに均一な強
度分布を持つレーザビームを発生させることができ、従
って、レーザ出力が増大して、その一部が固体素子に吸
収され、これを加熱する場合においても、これを均一に
加熱し、断面内の均質性を乱さず、結果として安定して
大出力のレーザビームを発生させることができるという
効果がある。

【０１１２】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子から、中央部が部分反射部で、周囲
部が無反射部を持つ出口ミラーと、一つの反射ミラー、
もしくは複数のレーザ光学系から構成されるレーザ共振
器を用いてレーザビームを取り出すように構成したの
で、固体素子内には、安定型共振器を用いた場合より
も、さらに均一な強度分布を持つレーザビームを発生さ
せることができるとともに、不安定型共振器を用いた場
合に比べて集光性の良いレーザビームを発生させること
ができる。その結果、レーザ出力が増大して、その一部
が固体素子に吸収され、これを加熱する場合において
も、これを均一に加熱し、断面内の均質性を乱さず、結
果として安定に大出力のレーザビームを発生させること
ができるという効果がある。

【０１１３】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子から、中央部が部分反射部で、周囲
が無反射部を持ち、かつ両部を通過するレーザビームの
位相差を補償する手段を備えた出口ミラーと、一つの反
射ミラー、もしくは複数のレーザ光学系から構成される
レーザ共振器を用いてレーザビームを取り出すように構
成したので、固体素子内には、安定型共振器を用いた場
合よりも、さらに均一な強度分布を持つレーザビームを
発生させることができるとともに、、不安定型共振器を
用いた場合に比べて集光性の良いレーザビームを発生さ
せることができる。その結果、レーザ出力が増大して、
その一部が固体素子に吸収され、これを加熱する場合に
おいても、これを均一に加熱し、断面内の均質性を乱さ
ず、安定して大出力のレーザビームを発生させることが
できるという効果がある。

【０１１４】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子に、別に用意した固体レーザ装置か
ら発生されたレーザビームを導入し、増幅されたレーザ
ビームを外部に取り出すように構成したので、収差を与
えずにレーザビームを増幅することができ、高品質で、
大出力のレーザビームを容易に得ることができるという
効果がある。

【０１１５】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子からレーザ共振器を用いてレーザ出
力を取り出す構成において、共振器を構成する光学系の
一つとして、複数の光学素子よりなり、その光学素子の
間の距離の少なくとも一箇所を、上記光源の出力に対応
して変化させるように制御する光学系を用いるように構
成したので、光源の出力が変化して、固体素子の熱レン
ズが変化する場合においても、この変化を、上記光学素
子の間の距離の少なくとも一箇所を変化させて打ち消す
ことができ、従って、光源の出力、発生されるレーザ出
力に拘らずに、安定なビーム品質を持つレーザビームを
発生させることができるという効果がある。

【０１１６】この発明の固体レーザ装置によれば、表面
をあらした固体素子からレーザ共振器を用いてレーザ出
力を取り出す構成において、共振器を構成する光学系の
一つとして、反射型、もしくは透過型の像転写光学系を
用いるように構成したので、光源の出力が変化して、固
体素子の熱レンズが変化する場合においても、この変化
を、上記光学素子の間の距離の少なくとも一箇所を、微
小距離のみ変化させて打ち消すことができ、従って、光
源の出力、発生されるレーザ出力に拘らずに、高速に制
御して、安定なビーム品質を持つレーザビームを発生さ
せることができるという効果がある。

【０１１７】この発明の固体レーザ装置によれば、光源
として半導体レーザを用いるように構成したので、固体
素子に発生する熱レンズ量を小さくして、熱レンズ分布
を小さすることができ、また、半導体レーザの波長を調
整して固体素子断面内の強度分布、従って熱レンズ分布
が均一となるように調整することができ、これらにより
均質なレーザ媒質を得て、高品質のレーザビームを発生
させることができるという効果がある。

【０１１８】この発明の固体レーザ装置によれば、半導
体レーザの波長と固体素子の表面あらさを調整して、固
体素子内の励起分布が均一となるように構成したので、
固体素子に発生する熱レンズ量をさらに小さくして、熱
レンズ分布を小さくすることができ、より高品質のレー
ザビームを発生させることができるという効果がある。

【０１１９】この発明の固体レーザ装置によれば、固体
素子の表面のあらさを長手方向に変化させることによ
り、固体素子断面の励起分布を調整するように構成した
ので、例えば冷却媒体をシールする、シール材が当たる
面のあらさを少なく調整して、確実にシールすることに
より、装置の安定性を向上させることができるという効
果がある。

【０１２０】この発明のレーザ加工装置によれば、レー
ザビームを光ファイバーに導入して、遠隔地まで伝送
し、遠隔地でファイバーから出射したレーザビームを用
いてレーザ加工を行うように構成したので、ファイバー
に効率良く、安全に光を導入して、効率良く、安全なレ
ーザ加工を実現することができるという効果がある。

【０１２１】この発明のレーザ加工装置によれば、レー
ザビームを集光光学系により集光してレーザ加工を行う
ように構成したので、小さいスポットに集光されたレー
ザビームを得ることができ、これを用いて効率良くレー
ザ加工を実現することができるという効果がある。

【０１２２】この発明のレーザ加工装置によれば、レー
ザビームを加工物近傍まで伝送し、レーザビームを加工
物上に像転写しながらレーザ加工を行うように構成した
ので、レーザビームの集光点での回折波の影響の周辺ビ
ームを除去して、効率良く、品質の高いレーザ加工を実
現することができるという効果がある。

【０１２３】この発明のレーザ加工装置によれば、請求
項１から１６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装
置から発生されたレーザビームを、加工物近傍まで伝送
する光学系と、この光学系から出射されたレーザビーム
を集光する第１集光光学系と、この第１集光光学系の焦
点近傍に配置された開口と、この開口の後の再び広がっ
たレーザビームを再度集光して加工物に導く第２集光光
学系とを備えるので、上記段落０１０４から上記段落０
１１９の効果を同時に奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による固体レーザ装
置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面
図である。

【図２】実施の形態１の作用説明に用いるもので、表
面があらされていない固体素子の表面での光の屈折状況
を示す図である。

【図３】実施の形態１の作用説明に用いるもので、固
体素子の表面あらさを変化させた場合の大気中と水中で
の透過波面収差の測定結果を示すグラフ図である。

【図４】実施の形態１の作用説明に用いるもので、固
体素子側面からコリメートされたレーザビームを照射し
た場合の光の伝播状態を示す図である。

【図５】実施の形態１の作用説明に用いるもので、
（ａ）は表面があらされていない固体素子におけるレー
ザビームの光の伝播状況を示す図、（ｂ）は表面があら
されている場合のレーザビームの光の伝播状況を示す図
である。

【図６】実施の形態１の固体レーザ装置における像転
写光学系の他の例を示す図である。

【図７】実施の形態１の固体レーザ装置における像転
写光学系のさらに他の例を示す図である。

【図８】この発明の実施の形態２による固体レーザ装
置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面
図である。

【図９】この発明の実施の形態２の作用説明に用いる
もので、（ａ）は安定型共振器を用いた場合の固体素子
内のレーザビームの強度分布を示す図、（ｂ）は不安定
型共振器を用いた場合の固体素子内のレーザビームの強
度分布を示す図である。

【図１０】この発明の実施の形態３による固体レーザ
装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断
面図である。

【図１１】実施の形態３の固体レーザ装置における固
体素子内のレーザビームの強度分布を示す図である。

【図１２】この発明の実施の形態４による固体レーザ
装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断
面図である。

【図１３】この発明の実施の形態４の変形例を示す
図、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図である。

【図１４】この発明の実施の形態５による固体レーザ
装置の側断面図である。

【図１５】この発明の実施の形態６による固体レーザ
装置の側断面図である。

【図１６】この発明の実施の形態７による固体レーザ
装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断
面図である。

【図１７】この発明の実施の形態８によるレーザ加工
装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固体
レーザ装置部分の横断面図である。

【図１８】この発明の実施の形態９によるレーザ加工
装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固体
レーザ装置部分の横断面図である。

【図１９】この発明の実施の形態１０によるレーザ加
工装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固
体レーザ装置部分の横断面図である。

【図２０】実施の形態１０の作用説明に用いるもの
で、（ａ）は回折波の影響が発生したレーザビームの強
度分布を示す図、（ｂ）は回折波の影響を排したレーザ
ビームの強度分布を示す図である。

【図２１】この発明の実施の形態１１によるレーザ加
工装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固
体レーザ装置部分の横断面図である。

【図２２】この発明の実施の形態１２によるレーザ加
工装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固
体レーザ装置部分の横断面図である。

【図２３】この発明の実施の形態１３によるレーザ加
工装置の構成図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は固
体レーザ装置部分の横断面図である。

【図２４】従来の固体レーザ装置の一例を示す側断面
図である。

【図２５】従来の固体レーザ装置の他の例を示す構成
図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は横断面図であ
る。

【図２６】従来の固体レーザ装置における固体素子内
のレーザビームの強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１全反射ミラー、２部分反射ミラー、３，３００
固体素子、４励起光源、５電源、６集光器、７
シール材、８基台、９筒管、１１全反射ミラー、
１２，１２ａ，１２ａ１，１２ａ２，１２ｂ集光レン
ズ（熱レンズ修正光学系、像転写光学系、第１集光光学
系、第２集光光学系）、１３ａ，１３ｂ移動ステージ
（移動手段）、１４レーザ光、１５，１９，２９，３
６、１５０レーザビーム、１６拡大反射ミラー、１
７メニカス状の部分反射ミラー、２５拡大出口ミラ
ー、２６部分反射ミラー、２７無反射部、３５段
差（位相差解消手段）、６０容器、６１通気口、７
０冷却媒体、８１流入口、８２流出口、２００
光ファイバー、４００半導体レーザ、４１０光学素
子、５００開口、８００加工物、８１０加工ノズ
ル、８２０導入口、３０００過飽和吸収体。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 3/131 Ｈ０１Ｓ 3/094 Ｓ (72)発明者山本卓尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者石森彰尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内 (72)発明者小島哲夫尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却用の液体中に配され、且つ、同液体
よりも屈折率が大きい固体素子と、この固体素子の励起
光源及び同励起光源の光を固体素子へ伝送する光学系か
らなる光励起装置とを備えた固体レーザ装置において、
上記固体素子の表面のあらさを調整することにより、上
記固体素子断面内の励起分布を調整したことを特徴とす
る固体レーザ装置。
【請求項２】冷却用の液体中に配され、且つ、同液体
よりも屈折率が大きい固体素子と、この固体素子の励起
光源及び同励起光源の光を固体素子へ伝送する光学系か
らなる光励起装置とを備えた固体レーザ装置において、
上記固体素子の表面あらさを１００μインチＲＭＳ以上
に設定したことを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項３】光励起装置の光学系は、励起光源の光を
閉じ込める集光器であることを特徴とする請求項１又は
２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】光励起装置の光学系は、励起光源の光を
閉じ込める拡散反射型の集光器であることを特徴とする
請求項１又は２記載の固体レーザ装置。
【請求項５】固体素子を複数個、光軸方向にならべて
配設したことを特徴とする請求項１から請求項４のうち
のいずれか１項記載の固体レーザ装置。
【請求項６】複数の固体素子間に少なくとも一枚の光
学レンズからなる熱レンズ修正光学系を挿入したことを
特徴とする請求項５記載の固体レ−ザ装置。
【請求項７】固体素子からレーザビームを取り出す安
定型レーザ共振器を備えたことを特徴とする請求項１か
ら請求項６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装
置。
【請求項８】固体素子からレーザビームを取り出す不
安定型レーザ共振器を備えたことを特徴とする請求項１
から請求項６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装
置。
【請求項９】固体素子からレーザビームを取り出すレ
ーザ共振器を設け、このレーザ共振器として、中央が部
分反射部でその周囲が無反射部となった出口ミラーと、
一つの反射ミラー若しくは複数のレーザ光学系から構成
されるレーザ共振器を用いたことを特徴とする請求項１
から請求項６のうちのいずれか１項記載の固体レーザ装
置。
【請求項１０】固体素子からレーザビームを取り出す
レーザ共振器を設け、このレーザ共振器として、中央が
部分反射部で周囲が無反射部とされ、且つ、両部を通過
するレーザビームの位相差を補償する位相差解消手段を
備えた出口ミラーと、一つの反射ミラー若しくは複数の
レーザ光学系から構成されるレーザ共振器を用いたこと
を特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１
項記載の固体レーザ装置。
【請求項１１】固体素子に、別に用意した固体素子か
ら発生したレーザビームを導入し、増幅されたレーザビ
ームを外部に取り出すようにしたことを特徴とする請求
項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の固体レー
ザ装置。
【請求項１２】複数の光学素子よりなり、その光学素
子の間の距離の少なくとも一箇所を、励起光源の出力に
対応して変化するように制御する光学系を備えた請求項
６から請求項１１のうちのいずれか１項記載の固体レー
ザ装置。
【請求項１３】光学系は反射型、若しくは透過型の像
転写光学系であることを特徴とする請求項１２記載の固
体レーザ装置。
【請求項１４】励起光源が半導体レーザである請求項
１から請求項１３のうちのいずれか１項記載の固体レー
ザ装置。
【請求項１５】半導体レーザの波長と、固体素子の表
面あらさを、固体素子内の励起分布が均一となるように
調整したことを特徴とする請求項１４記載の固体レーザ
装置。
【請求項１６】固体素子の表面のあらさを固体素子の
長手方向に変化させることにより、固体素子断面の励起
分布を調整したことを特徴とする請求項１記載の固体レ
ーザ装置。
【請求項１７】請求項１から請求項１６のうちのいず
れか１項記載の固体レーザ装置から発生するレーザビー
ムを伝送し、出口端面から該レーザビームを加工物に対
して出射する光ファイバーと、この光ファイバーの入口
端面に上記レーザビームを導入する光学系とを備えたレ
ーザ加工装置。
【請求項１８】請求項１から請求項１６のうちのいず
れか１項記載の固体レーザ装置から発生するレーザビー
ムを加工物上に集光する集光光学系を備えたレーザ加工
装置。
【請求項１９】請求項１から請求項１６のうちのいず
れか１項記載の固体レーザ装置から発生するレーザビー
ムを、加工物近傍まで伝送する光学系と、この光学系か
ら出射されたレーザビームを加工物上に像転写する像転
写光学系とを備えたレーザ加工装置。
【請求項２０】請求項１から１６のうちのいずれか１
項記載の固体レーザ装置から発生されたレーザビーム
を、加工物近傍まで伝送する光学系と、この光学系から
出射されたレーザビームを集光する第１集光光学系と、
この第１集光光学系の焦点近傍に配置された開口と、こ
の開口の後の再び広がったレーザビームを再度集光して
加工物に導く第２集光光学系とを備えたレーザ加工装
置。