JP2001085770A - Solid laser device, its manufacturing, method and laser diode array used therefor - Google Patents
Solid laser device, its manufacturing, method and laser diode array used thereforInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は固体レーザ媒質を
半導体レーザ(レーザダイオード:LD)からの光で励
起して、レーザ光を発生させる固体レーザ装置とその製
造方法およびそれに用いるレーザダイオードアレイに関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state laser device for generating a laser beam by exciting a solid-state laser medium with light from a semiconductor laser (laser diode: LD), a method of manufacturing the same, and a laser diode array used for the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に、固体レーザ装置(固体レーザ発
振装置や、固体レーザ増幅装置を含む概念を表す)は固
体レーザ媒質としてのレーザロッドを有し、このレーザ
ロッドを光励起することでレーザ光を発生するようにな
っている。従って、上記レーザロッドを光共振器内に配
置すれば、このレーザロッドから発生したレーザ光が上
記光共振器の内部で増幅されて、最終的なレーザ光が出
力されるようになっている。2. Description of the Related Art In general, a solid-state laser device (which represents a concept including a solid-state laser oscillation device and a solid-state laser amplification device) has a laser rod as a solid-state laser medium, and laser light is excited by optically exciting the laser rod. Is to occur. Therefore, if the laser rod is arranged in the optical resonator, the laser light generated from the laser rod is amplified inside the optical resonator, and the final laser light is output.
【0003】上記レーザロッドを光励起する励起光源と
しては、アークランプやフラッシュランプあるいはレー
ザダイオードなどが知られており、最近では、上記レー
ザロッドに吸収される所定の波長の励起光を出力するこ
とのできるレーザダイオードが特に用いられることが多
くなってきている。このレーザダイオードの登場によっ
て、上記レーザロッドについて光励起を効率よく行うこ
とが可能となっている。As an excitation light source that optically excites the laser rod, an arc lamp, a flash lamp, a laser diode, and the like are known. Recently, an excitation light having a predetermined wavelength to be absorbed by the laser rod is output. Laser diodes that can be used are increasingly used in particular. With the advent of this laser diode, it has become possible to efficiently excite the laser rod with light.
【0004】従来から、そのような固体レーザ装置とし
て、特開平9−260754号公報などでは、水などの
冷却媒体が流されるフローチューブ内に上記レーザロッ
ドが挿通保持されるとともに、このフローチューブ自体
は内面が拡散反射面に形成された集光器内に保持されて
いるものがあった。そして、この集光器の外部には、レ
ーザロッドを側面から励起する励起光源として、線状の
発光領域がレーザ媒質と平行な向きになるように、線状
の発光領域を持つようアレイ状に配列された複数のレー
ザダイオード(レーザダイオードアレイ)が配置されて
いる。Conventionally, as such a solid-state laser device, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-260754 discloses a laser rod that is inserted and held in a flow tube through which a cooling medium such as water flows, and the flow tube itself. In some cases, the inner surface was held in a light collector formed on a diffuse reflection surface. Then, outside the light collector, as an excitation light source for exciting the laser rod from the side surface, an array is formed so as to have a linear light emitting region so that the linear light emitting region is parallel to the laser medium. A plurality of laser diodes (laser diode arrays) are arranged.
【0005】また、本出願人が特願平10−81845
号明細書で開示している固体レーザ装置では、凸レンズ
効果を抑制する働きを有した肉厚のフローチューブの中
に挿入されたレーザロッドに対して、このフローチュー
ブの外周に配置され固体レーザ媒質の軸方向と水平な方
向に、線状の発光領域を持つようアレイ状に配列された
複数のレーザダイオード(レーザダイオードアレイ)を
励起光源として励起している。その際、これらのレーザ
ダイオードアレイの発光領域は、固体レーザ媒質の周囲
から等間隔で放射状に配置されている。Further, the present applicant has filed Japanese Patent Application No. 10-81845.
In the solid-state laser device disclosed in the specification, a laser rod inserted into a thick flow tube having a function of suppressing a convex lens effect is disposed on the outer periphery of the flow tube and a solid-state laser medium is disposed. A plurality of laser diodes (laser diode arrays) arranged in an array so as to have a linear light-emitting region in a direction parallel to the axial direction of the laser are excited as an excitation light source. At this time, the light emitting regions of these laser diode arrays are radially arranged at equal intervals from the periphery of the solid-state laser medium.
【0006】また、本出願人が特願平11−77430
号明細書で開示している固体レーザ装置でも、固体レー
ザ媒質の周囲にこの固体レーザ媒質の軸方向と垂直な方
向に、線状の発光領域を持った複数のレーザダイオード
(レーザダイオードアレイ)によって励起することによ
り、ロッド表面でのフレネル反射損失を抑制し、レーザ
発振の効率を高めている。Further, the applicant of the present invention has disclosed Japanese Patent Application No. 11-77430.
The solid-state laser device disclosed in the specification also includes a plurality of laser diodes (laser diode arrays) having a linear light-emitting region around the solid-state laser medium in a direction perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium. The excitation suppresses the Fresnel reflection loss on the rod surface and increases the efficiency of laser oscillation.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】固体レーザ装置におい
ては、励起光のパワーを増大させれば、高出力動作が可
能となり、さらに、発振しきい値よりも高いエネルギー
領域での発振動作が可能となるため、高効率な発振動作
をも可能となる。しかし、固体レーザ媒質に対して高い
パワーを持つ励起光を投入した場合、レーザ媒質がこの
励起光のもつパワーによって熱破壊を起こしてしまうと
いう問題点があった。In the solid-state laser device, if the power of the pumping light is increased, a high output operation becomes possible, and furthermore, an oscillation operation in an energy region higher than the oscillation threshold becomes possible. Therefore, a highly efficient oscillation operation can be performed. However, when excitation light having high power is applied to the solid-state laser medium, there is a problem that the laser medium is thermally destroyed by the power of the excitation light.
【0008】そして、特開平9−260754号公報や
特願平10−81845号明細書に記載の技術では、線
状の発光領域がレーザ媒質と平行な向きになるレーザダ
イオードアレイを配置し、一平面(アレイ)上で配置す
るレーザダイオードの数を変えることにより励起光のパ
ワーを制限している。しかしながら、この方法では、レ
ーザロッドなどのレーザ媒質の内部において、励起分布
が非対称となる場合があり、励起で発生する熱の不均一
さから固体レーザ媒質にひずみが生じ、出力されるレー
ザ光の質を低下させるような影響を及ぼす可能性があ
る。また、レーザロッド側面でのフレネル反射が大き
く、レーザロッドに入射する励起光のパワーが損失する
可能性もある。In the technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-260754 and Japanese Patent Application No. 10-81845, a laser diode array in which a linear light emitting region is oriented in parallel with a laser medium is arranged. The power of the excitation light is limited by changing the number of laser diodes arranged on a plane (array). However, in this method, the excitation distribution may be asymmetric inside a laser medium such as a laser rod, and the non-uniformity of the heat generated by the excitation may cause a distortion in the solid-state laser medium, and the output laser light may be distorted. It can have a negative impact. Further, Fresnel reflection on the side surface of the laser rod is large, and there is a possibility that the power of the excitation light incident on the laser rod is lost.
【0009】また、特願平11−77430号明細書に
記載の技術では、固体レーザ媒質の周囲に固体レーザ媒
質の軸方向に対してほぼ垂直な向きの線状の発光領域を
持った複数のレーザダイオードアレイを配置し、これら
のレーザダイオードアレイによって励起することによ
り、レーザロッド表面でのフレネル反射によるレーザロ
ッドに入射する励起光のパワーの損失を抑制し、発振効
率を高めている。しかし、現在の市場で主流となってい
るレーザダイオードアレイは実装密度が高いので、レー
ザ媒質の周囲に対称に多数個のレーザダイオードアレイ
を配置した際には、励起光のパワーが固体レーザ媒質の
熱破壊限界を上回って、レーザ媒質が破損する可能性が
ある。また、破損に至らないときであっても、熱レンズ
量が大きくなり共振器の性能を悪化させるおそれがあ
る。In the technique described in Japanese Patent Application No. 11-77430, a plurality of linear light-emitting regions having a linear light-emitting region around the solid-state laser medium and substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium are provided. By arranging laser diode arrays and exciting by these laser diode arrays, loss of power of excitation light incident on the laser rod due to Fresnel reflection on the surface of the laser rod is suppressed, and oscillation efficiency is increased. However, since the laser diode array, which is the mainstream in the current market, has a high mounting density, when a large number of laser diode arrays are symmetrically arranged around the laser medium, the power of the excitation light is reduced by the solid-state laser medium. Above the thermal breakdown limit, the laser medium can be damaged. Further, even when damage is not caused, the amount of the thermal lens may be increased and the performance of the resonator may be deteriorated.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
課題を解決するためになされたものであり、請求項1に
よると、固体レーザ媒質の軸方向に対してほぼ垂直な方
向に配置された線状の発光領域を複数有するレーザダイ
オードアレイから出射される励起光を前記固体レーザ媒
質の側面から照射しこの固体レーザ媒質を励起して前記
固体レーザ媒質からレーザ光を発生させる固体レーザ装
置において、前記レーザダイオードアレイは前記励起光
の入力により前記レーザ媒質が破壊を起こさないような
前記線状の発光領域の間隔に設定されていることを特徴
とする固体レーザ装置を提供するものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and according to the present invention, it is arranged in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium. Solid-state laser device that irradiates excitation light emitted from a laser diode array having a plurality of formed linear light-emitting regions from a side surface of the solid-state laser medium to excite the solid-state laser medium to generate laser light from the solid-state laser medium Wherein the laser diode array is set at an interval between the linear light emitting regions such that the laser medium is not destroyed by the input of the excitation light. .
【0011】請求項2によると、前記固体レーザ媒質の
周囲に、内部に上記固体レーザ媒質が収容される筒状体
を有し、この筒状体は前記固体レーザ媒質との間に冷却
媒体を流して、前記固体レーザ媒質を冷却できることを
特徴としている。According to a second aspect of the present invention, the solid-state laser medium has a cylindrical body surrounding the solid-state laser medium, and the cylindrical body has a cooling medium between the solid-state laser medium and the solid-state laser medium. The solid-state laser medium can be cooled by flowing.
【0012】請求項3によると、奇数個の前記レーザダ
イオードアレイが、前記筒状体の外周部の周方向に沿っ
てほぼ等しい間隔で配置されていることを特徴としてい
る。請求項4によると、前記レーザダイオードアレイと
前記固体レーザ媒質との間に前記励起光を収束させる円
筒面を有するレンズを配置したことを特徴としている。According to a third aspect of the present invention, an odd number of the laser diode arrays are arranged at substantially equal intervals along a circumferential direction of an outer peripheral portion of the cylindrical body. According to a fourth aspect, a lens having a cylindrical surface for converging the excitation light is disposed between the laser diode array and the solid-state laser medium.
【0013】請求項5によると、上記筒状体の外周部の
前記固体レーザ媒質の軸心を介して前記レーザダイオー
ドアレイと対称となる位置に設けられ前記レーザダイオ
ードアレイから出力されて前記固体レーザ媒質を透過し
た前記励起光を反射される反射手段とを具備したことを
特徴としている。According to a fifth aspect of the present invention, the solid-state laser is provided at an outer peripheral portion of the cylindrical body at a position symmetrical to the laser diode array via an axis of the solid-state laser medium and output from the laser diode array. Reflecting means for reflecting the excitation light transmitted through the medium.
【0014】請求項6によると、前記固体レーザ媒質と
して、円柱状のロッド材料を用いたことを特徴としてい
る。請求項7によると、前記固体レーザ媒質として、板
状のスラブ材料を用いたことを特徴としている。According to a sixth aspect, a columnar rod material is used as the solid-state laser medium. According to claim 7, a plate-shaped slab material is used as the solid-state laser medium.
【0015】請求項8によると、前記レーザダイオード
アレイは、前記線状の発光領域の間隔をd(cm)、一
つの前記線状の発光領域当たりで得られる出力をP
(W)、前記レーザ媒質の周囲に置かれたレーザダイオ
ードアレイの方向をm(箇所)、出射した励起光のパワ
ーのうち前記固体レーザ媒質に到達する割合をηとする
と、 95 ≦ P×m×η/d ≦ 500 の関係が成り立つように構成されていることを特徴とし
ている。According to an eighth aspect of the present invention, in the laser diode array, an interval between the linear light emitting regions is d (cm), and an output obtained per one linear light emitting region is P.
(W), assuming that the direction of the laser diode array placed around the laser medium is m (location) and the ratio of the power of the emitted pump light reaching the solid-state laser medium is η, 95 ≦ P × m It is characterized in that it is configured so that the relationship of × η / d ≦ 500 is satisfied.
【0016】請求項9によると、前記固体レーザ媒質と
してNd:YAGを用いたことを特徴としている。請求
項10によると、固体レーザ媒質の軸方向に対してほぼ
垂直な方向に配置された線状の発光領域を複数有するレ
ーザダイオードアレイを前記固体レーザ媒質の側面に沿
って配置する工程を具備する固体レーザ装置の製造方法
において、前記レーザダイオードアレイを前記励起光の
入力により前記レーザ媒質が破壊を起こさないような前
記線状の発光領域の間隔とする工程を有することを特徴
とする固体レーザ装置の製造方法を提供するものであ
る。According to a ninth aspect, Nd: YAG is used as the solid-state laser medium. According to a tenth aspect, there is provided a step of arranging a laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions arranged in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium along a side surface of the solid-state laser medium. A method of manufacturing a solid-state laser device, comprising a step of setting the laser diode array to an interval between the linear light-emitting regions so that the laser medium is not broken by the input of the excitation light. Is provided.
【0017】請求項11によると、固体レーザ媒質の側
面から励起光を入射するとともにこの固体レーザ媒質の
軸方向に対してほぼ垂直な方向に配置される線状の発光
領域を複数有するレーザダイオードアレイにおいて、前
記励起光の入力により前記固体レーザ媒質が破壊を起こ
さないような前記線状の発光領域の間隔となっているこ
とを特徴とするレーザダイオードアレイを提供するもの
である。According to an eleventh aspect, a laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions which are arranged to be excited in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium while receiving excitation light from the side surface of the solid-state laser medium. In the above, there is provided a laser diode array, wherein an interval between the linear light-emitting regions is such that the solid-state laser medium is not broken by the input of the excitation light.
【0018】上記の如き固体レーザ装置などによれば、
レーザダイオードアレイから固体レーザ媒質へと入力さ
れる励起光のパワーが、この固体レーザ媒質の破壊限界
以下となるように、線状の発光領域の間隔が調整された
レーザダイオードアレイを用い、固体レーザ媒質が破壊
することなく高効率・高出力の固体レーザ装置を得るこ
とができる。According to the solid-state laser device and the like as described above,
Using a laser diode array in which the distance between the linear light emitting regions is adjusted so that the power of the excitation light input from the laser diode array to the solid-state laser medium is equal to or less than the destruction limit of the solid-state laser medium, A high efficiency and high output solid-state laser device can be obtained without breaking the medium.
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】以下に本発明に係る実施の形態の
1つについて、図面を参照して説明する。図1と図2と
は固体レーザ装置を構成するレーザダイオードアレイ筐
体16の励起部分の構成図である。図1はこの励起部分
の縦断面図で、図2はこの励起部分を図1のA−A’線
で横断したときの断面図である。また、図3は、レーザ
ダイオードアレイ筐体16における線状の発光領域17
とレーザロッド11(固体レーザ媒質の例)とのみを抜
き出して、双方の位置関係を示したものである。ここ
で、本実施の形態ではレーザダイオードアレイ筐体16
と記しているが、これは集合しているレーザダイオード
アレイを納めたものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are configuration diagrams of an excitation portion of a laser diode array housing 16 constituting a solid-state laser device. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the exciting portion, and FIG. 2 is a sectional view of the exciting portion taken along line AA 'in FIG. FIG. 3 shows a linear light emitting region 17 in the laser diode array case 16.
Only the laser rod 11 (an example of a solid laser medium) is extracted to show the positional relationship between the two. Here, in the present embodiment, the laser diode array case 16
, Which contains the assembled laser diode array.
【0020】なお、以下で説明する実施の形態ではロッ
ド(円柱)型の固体レーザ媒質を用いているが、必ずし
もそれに限定されることはなく、スラブ(板)型の固体
レーザ媒質を用いてもよい。固体レーザ媒質に対して励
起光によって与えられる熱応力による影響の緩和を本発
明では問題としているからである。In the embodiment described below, a rod (cylinder) type solid laser medium is used. However, the present invention is not limited to this, and a slab (plate) type solid laser medium may be used. Good. This is because the present invention has a problem of alleviating the effect of the thermal stress given to the solid-state laser medium by the excitation light.
【0021】ここで、この実施の形態の各構成を説明す
る。まず、レーザロッド11の外周には冷却スリーブ1
2、更に外周には円筒面鏡13が配置されている。円筒
面鏡13には、スリット14が設けられており(本当は
図2では見えないが、円筒面鏡13に対応した点線で示
している)、スリット14の前面(励起光の進行方向)
には励起光を収束させコリメートする円筒面レンズ15
とアレイ状に配列された複数のレーザダイオードとを有
したレーザダイオードアレイ筐体16が配置されてい
る。レーザダイオードアレイ筐体16には、線状の発光
領域17が所定のピッチ間隔18で複数設けられてお
り、これら発光領域17からレーザロッド11の側面に
対して励起光が発せられる。Here, each configuration of this embodiment will be described. First, the cooling sleeve 1 is provided on the outer circumference of the laser rod 11.
2. Further, a cylindrical mirror 13 is arranged on the outer periphery. The cylindrical mirror 13 is provided with a slit 14 (which is not actually visible in FIG. 2 but is indicated by a dotted line corresponding to the cylindrical mirror 13), and the front surface of the slit 14 (the traveling direction of the excitation light).
A cylindrical lens 15 for converging and collimating the excitation light
And a laser diode array housing 16 having a plurality of laser diodes arranged in an array. The laser diode array housing 16 is provided with a plurality of linear light emitting regions 17 at a predetermined pitch interval 18, and excitation light is emitted from these light emitting regions 17 to the side surfaces of the laser rod 11.
【0022】また、スリーブ12および円筒面鏡13
は、端板19でお互いに固定されるとともに、レーザダ
イオードアレイ筐体16はこの端板19に対してレーザ
ロッド11と対向して固定される。この円筒面鏡13を
設け励起光を適切にレーザロッドへと反射させるために
レーザダイオードアレイ筐体16は、奇数個設けられる
のが通常である。そして、レーザロッド11もまた、ロ
ッド押さえ20を介して端板19に固定される構成とな
っている。加えて、レーザロッド11を冷却する冷却媒
体(ここでは冷却水)を通す水路21が、端板19中に
は設けられており、この冷却水でレーザロッド11を冷
却する構造となっている。なお冷却水は、Oリング22
によりシールされている。The sleeve 12 and the cylindrical mirror 13
Are fixed to each other by an end plate 19, and the laser diode array housing 16 is fixed to the end plate 19 so as to face the laser rod 11. Generally, an odd number of laser diode array housings 16 are provided to provide the cylindrical mirror 13 and appropriately reflect the excitation light to the laser rod. The laser rod 11 is also fixed to the end plate 19 via the rod holder 20. In addition, a water passage 21 through which a cooling medium (here, cooling water) for cooling the laser rod 11 passes is provided in the end plate 19, and the cooling water is used to cool the laser rod 11. The cooling water is O-ring 22
Sealed by
【0023】更に、レーザダイオードアレイ筐体16の
線状の発光領域17は、レーザロッド11の軸方向に対
して垂直な方向に形成されている。このような構成をと
ることにより、レーザロッド11に対して、レーザダイ
オードアレイ筐体16から出射される励起光をP偏光と
しながらレーザロッド11へ入力することが可能とな
り、円筒状の表面をもつレーザロッド11におけるフレ
ネル反射が少なくなる。従って、レーザロッド11での
発振効率を上げつつ、励起光をレーザロッド11に投入
することが可能となる。なお、固体レーザ媒質にレーザ
ロッド11ではなくてスラブ(板)型のものを用いた場
合には、入射面に曲面を持たずこのフレネル反射の影響
は少ないので、偏光の種類に関する制限は、ほとんど考
慮せずに励起光を入力することができる。Further, the linear light emitting area 17 of the laser diode array case 16 is formed in a direction perpendicular to the axial direction of the laser rod 11. By adopting such a configuration, it becomes possible to input the excitation light emitted from the laser diode array housing 16 to the laser rod 11 while making the laser beam 11 into the P-polarized light, so that the laser rod 11 has a cylindrical surface. Fresnel reflection at the laser rod 11 is reduced. Therefore, it becomes possible to input the excitation light to the laser rod 11 while increasing the oscillation efficiency of the laser rod 11. When a slab (plate) type solid laser medium is used instead of the laser rod 11, the incident surface does not have a curved surface and the influence of Fresnel reflection is small. Excitation light can be input without consideration.
【0024】次に、レーザダイオードアレイ筐体16に
複数が形成されている線状の発光領域17につき、各々
のピッチ間隔に着目して述べる。まず、レーザダイオー
ドアレイ筐体16から出射し、レーザロッド11へと入
力する励起光のパワーを制限する主な要因は、励起光の
投入によって引き起こされるレーザロッド11の熱破壊
である。つまり、レーザロッド11の熱破壊は、レーザ
ロッド11への励起光の入力に伴う、熱の入力(加熱)
によって生じるレーザロッド11の歪みで生ずる熱応力
が主たる原因となっている。レーザロッド11への励起
光による熱の入力の割合は、レーザダイオードアレイ筐
体16にから出射した励起光が持つパワーの30〜40
%になるとされている。Next, a description will be given of the linear light emitting region 17 in which a plurality of laser diode array housings 16 are formed, focusing on the respective pitch intervals. First, a main factor that limits the power of the excitation light emitted from the laser diode array housing 16 and input to the laser rod 11 is thermal destruction of the laser rod 11 caused by injection of the excitation light. That is, the thermal destruction of the laser rod 11 is caused by heat input (heating) accompanying the input of excitation light to the laser rod 11.
The main cause is the thermal stress caused by the distortion of the laser rod 11 caused by the above. The ratio of heat input by the excitation light to the laser rod 11 is 30 to 40 of the power of the excitation light emitted from the laser diode array housing 16.
%.
【0025】レーザロッド11の破壊限界は、励起光で
加熱されることによってレーザロッド11の内部で生ず
る熱応力と、レーザロッド11の表面状態(表面粗さな
ど)とによって決定され、破壊限界入熱量Pa(W)は下
式によって表される。The breaking limit of the laser rod 11 is determined by the thermal stress generated inside the laser rod 11 by being heated by the excitation light and the surface condition (surface roughness, etc.) of the laser rod 11, and the breaking limit is set. The amount of heat Pa (W) is represented by the following equation.
【0026】[式1]:Pa /L=8πR 但し、R={K×(1―ν)×σmax }/(α×E)と
する。[Equation 1]: P a / L = 8πR where R = {K × (1-ν) × σ max } / (α × E)
【0027】ここで、Rは熱衝撃パラメータ(W/c
m)であり、その値はレーザ媒質(ここではレーザロッ
ド11)の母材によって異なる。その値の目安は、ガラ
ス(石英)では“1”、YAGでは“7.9”、サファ
イアでは“100”である。また、L(cm)はレーザ
ロッド11における励起部分の長さ、K(W/cm・
K)はレーザロッド11の内部を等温面の単位面積を通
って単位時間に垂直に流れる熱量とこの方向における温
度勾配との比を示す熱伝達係数であり、νはレーザロッ
ド11の軸方向の単位長さ当たりの伸びに対する横方向
の単位長さ当たりの縮みの割合を示すポワソン比を表
す。そして、σmax (kg/cm2 )はレーザロッド1
1が破壊直前に受ける単位面積当たりの力である最大応
力、α(℃-1)はレーザロッド11の単位長さ当たりの
熱膨張の大きさを示す熱膨張係数、Eはレーザロッド1
1に対して与えられる伸び変形で得られる応力と歪みの
比を表すヤング率(kg/cm2 )である。Here, R is a thermal shock parameter (W / c)
m), and the value differs depending on the base material of the laser medium (here, the laser rod 11). The standard of the value is “1” for glass (quartz), “7.9” for YAG, and “100” for sapphire. L (cm) is the length of the excited portion of the laser rod 11, and K (W / cm ·
K) is a heat transfer coefficient indicating the ratio of the amount of heat flowing perpendicularly in a unit time through the unit area of the isothermal surface through the unit area of the laser rod 11 to the temperature gradient in this direction. The Poisson ratio indicates the ratio of the contraction per unit length in the lateral direction to the elongation per unit length. Σ max (kg / cm 2 ) is the value of laser rod 1
1 is the maximum stress that is the force per unit area received immediately before breaking, α (° C. −1 ) is the thermal expansion coefficient indicating the degree of thermal expansion per unit length of the laser rod 11, and E is the laser rod 1
It is a Young's modulus (kg / cm 2 ) representing a ratio of stress to strain obtained by elongation deformation given to 1.
【0028】この[式1]によれば、レーザロッド11
がNd:YAGの場合では、単位長さ(cm)当たりの
限界入熱量は、約200(W/cm)となる。また、本
願出願前の公知文献である「Solid-State Laser Engine
ering 4th edition, Springer-Verlag 1996,P391-426」
によると、経験的に見積られたNd:YAGのレーザロ
ッド11における単位長さ当たりの限界入熱量は、11
5(W/cm)であり、レーザロッド11の表面状態で
著しく異なる(3倍程度変化する)とされている。According to this [Equation 1], the laser rod 11
Is Nd: YAG, the critical heat input per unit length (cm) is about 200 (W / cm). In addition, `` Solid-State Laser Engine
ering 4th edition, Springer-Verlag 1996, P391-426 ''
According to the empirical estimate, the limit heat input per unit length in the laser rod 11 of Nd: YAG is 11
5 (W / cm), which is markedly different (changes about three times) in the surface state of the laser rod 11.
【0029】レーザーロッド11に対して入力できるレ
ーザダイオードアレイ筐体16から出射される励起光の
パワーの限界は、上述した検討により次のようになると
考えられる。つまり、レーザダイオードアレイ筐体16
から出射された励起光の持つパワーの約40%が熱に変
換されてしまうとする条件で、レーザロッド11が熱応
力で破壊されない限界入熱量を考えると、このパワーの
限界は[式1]から導出される場合では500(W/c
m)であり、上述した経験的な値によれば290(W/
cm)となる。更に、レーザロッド11の表面の状態に
起因して、レーザロッド11への限界入熱量が3倍程度
変化するという条件で考えると、レーザロッド11の破
壊限界に対応する、レーザダイオードアレイ筐体16か
ら出射された励起光のもつパワーは、95〜500(W
/cm)の間となる。The limit of the power of the pumping light emitted from the laser diode array housing 16 that can be input to the laser rod 11 is considered to be as follows from the above examination. That is, the laser diode array housing 16
Given that the laser beam 11 is not broken by thermal stress under the condition that about 40% of the power of the pump light emitted from the laser beam is converted into heat, the limit of this power is [Equation 1]. 500 (W / c
m), which is 290 (W /
cm). Furthermore, considering that the limit heat input to the laser rod 11 changes about three times due to the state of the surface of the laser rod 11, the laser diode array housing 16 corresponding to the breaking limit of the laser rod 11 is considered. The power of the excitation light emitted from the light source is 95 to 500 (W
/ Cm).
【0030】従って、レーザダイオードアレイ筐体16
における線状の発光領域18の各々のピッチ間隔をd
(cm)、線状の発光領域18のうちの一つから得られ
レーザダイオードアレイ筐体16が出射する励起光のパ
ワーをP(W)、レーザロッド11の周囲に配置された
レーザダイオードアレイ筐体16による、レーザロッド
16への励起光の入力方向をm(箇所)、レーザダイオ
ードアレイ筐体16から出射された励起光のパワーPの
うち、レーザロッド16にまで到達する割合をηとする
と、以下の関係式が成り立つ。Therefore, the laser diode array housing 16
The pitch interval between the linear light emitting regions 18 at d is
(Cm), the power of the excitation light obtained from one of the linear light-emitting regions 18 and emitted from the laser diode array housing 16 is P (W), and the laser diode array housing arranged around the laser rod 11. Assuming that the input direction of the excitation light to the laser rod 16 by the body 16 is m (location), and that the ratio of the power P of the excitation light emitted from the laser diode array housing 16 reaching the laser rod 16 is η. , The following relational expression holds.
【0031】 [式2] 95 ≦ (P×m×η)/d ≦ 500[Equation 2] 95 ≦ (P × m × η) / d ≦ 500
【0032】よって、本発明の固体レーザ装置(および
固体レーザ装置の製造方法とレーザダイオードアレイ)
によれば、レーザロッド11の表面状態に対応して、レ
ーザダイオードアレイ筐体16に形成された線状の発光
領域17の各々のピッチ間隔18を[式2]より求めら
れる数値に設定することにより、レーザロッド11に破
壊を生じることなく高出力でかつ高い励起効率の固体レ
ーザ装置を供給することができる。Therefore, the solid-state laser device of the present invention (and the method of manufacturing the solid-state laser device and the laser diode array)
According to the above, according to the surface state of the laser rod 11, each pitch interval 18 of the linear light emitting regions 17 formed in the laser diode array housing 16 is set to a numerical value obtained from [Equation 2]. Thereby, a solid-state laser device with high output and high excitation efficiency can be supplied without causing breakage of the laser rod 11.
【0033】以上に述べたことを具体的に、例えば、図
1で示した実施の形態の構成を有する固体レーザ装置に
対応して説明する。レーザロッド11の破壊限界が30
0(W/cm)の場合に、これら線状の発光領域17か
ら得られる励起光のパワーが40(W)で、これらの励
起光がレーザロッド11に入射する方向を3箇所とし、
レーザダイオードアレイ筐体16から出射される励起光
の持つパワーのうちで、レーザロッド11にまで到達す
る割合をここでは仮に90%とする。The above description will be specifically described with reference to, for example, a solid-state laser device having the configuration of the embodiment shown in FIG. The breaking limit of the laser rod 11 is 30
In the case of 0 (W / cm), the power of the excitation light obtained from these linear light-emitting regions 17 is 40 (W), and the directions in which these excitation lights are incident on the laser rod 11 are three places.
Here, of the power of the excitation light emitted from the laser diode array housing 16, the proportion of the power reaching the laser rod 11 is temporarily assumed to be 90%.
【0034】すると、[式2]に基づいて、レーザダイ
オードアレイ筐体16の線状の発光領域17の各々のピ
ッチ間隔18を0.36(cm)と設定できる。こうす
ることで、レーザロッド11で励起光の入力による熱破
壊が生じることなく、高出力でかつ高い励起効率の固体
レーザ装置を構成することができる。Then, based on [Equation 2], the pitch interval 18 between the linear light emitting regions 17 of the laser diode array case 16 can be set to 0.36 (cm). By doing so, it is possible to configure a solid-state laser device with high output and high pumping efficiency without causing thermal destruction by the input of pumping light in the laser rod 11.
【0035】[0035]
【発明の効果】以上で詳述したように、本発明は、固体
レーザ媒質の軸方向とほぼ垂直な方向に配置された線状
の発光領域を複数個有するレーザダイオードアレイであ
って、かつ、これら線状の発光領域の間隔について、レ
ーザダイオードアレイから固体レーザ媒質へと出射され
る励起光のパワーをこの固体レーザ媒質の熱応力による
破壊限界以下となるように調整するようにしている。本
発明によって、高出力・高効率の固体レーザ装置とその
製造方法およびそれに用いるレーザダイオードアレイを
供給することができる。As described in detail above, the present invention relates to a laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions arranged in a direction substantially perpendicular to the axial direction of a solid-state laser medium; The spacing between these linear light emitting regions is adjusted so that the power of the excitation light emitted from the laser diode array to the solid-state laser medium is equal to or less than the breaking limit of the solid-state laser medium due to thermal stress. According to the present invention, a high-power and high-efficiency solid-state laser device, a method of manufacturing the same, and a laser diode array used for the same can be provided.
【図1】本発明の固体レーザ装置における励起部分を示
す縦断面図。FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an excitation part in a solid-state laser device of the present invention.
【図2】図1のA−A’線で横断した横断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
【図3】固体レーザ媒質とそれに対向して配置されたレ
ーザダイオードアレイ筐体との位置関係を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a positional relationship between a solid-state laser medium and a laser diode array housing arranged opposite thereto.
11‥レーザロッド,12‥冷却スリーブ,13‥円筒
反射鏡,14‥スリット 15‥円筒面レンズ,16‥レーザダイオードアレイ筐
体,17‥発光領域 18‥発光領域のピッチ間隔,19‥端板,20‥ロッ
ド押さえ,21‥水路 22‥Oリング11 laser rod, 12 cooling sleeve, 13 cylindrical reflector, 14 slit 15 cylindrical lens, 16 laser diode array housing, 17 light emitting area 18 pitch pitch of light emitting area, 19 end plate, 20 ‥ rod holder, 21 ‥ waterway 22 ‥ O-ring
Claims (11)
垂直な方向に配置された線状の発光領域を複数有するレ
ーザダイオードアレイから出射される励起光を前記固体
レーザ媒質の側面から照射しこの固体レーザ媒質を励起
して前記固体レーザ媒質からレーザ光を発生させる固体
レーザ装置において、前記レーザダイオードアレイは前
記励起光の入力により前記レーザ媒質が破壊を起こさな
いような前記線状の発光領域の間隔に設定されることを
特徴とする固体レーザ装置。An excitation light emitted from a laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions arranged in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium is irradiated from a side surface of the solid-state laser medium. In a solid-state laser device that excites a solid-state laser medium and generates laser light from the solid-state laser medium, the laser diode array includes the linear light-emitting region such that the laser medium does not break down due to the input of the excitation light. A solid-state laser device which is set at intervals.
上記固体レーザ媒質が収容される筒状体を有し、この筒
状体は前記固体レーザ媒質との間に冷却媒体を流して、
前記固体レーザ媒質を冷却できることを特徴とした請求
項1記載の固体レーザ装置。2. A solid body in which the solid-state laser medium is accommodated inside the solid-state laser medium, wherein the cylindrical body flows a cooling medium between the solid-state laser medium and the solid-state laser medium,
The solid-state laser device according to claim 1, wherein the solid-state laser medium can be cooled.
が、前記筒状体の外周部の周方向に沿ってほぼ等しい間
隔で配置されていることを特徴とする請求項1または請
求項2に記載の固体レーザ装置。3. The laser diode array according to claim 1, wherein an odd number of the laser diode arrays are arranged at substantially equal intervals along a circumferential direction of an outer peripheral portion of the cylindrical body. Solid state laser device.
体レーザ媒質との間に前記励起光を収束させる円筒面を
有するレンズを配置したことを特徴とする請求項1ない
し請求項3のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。4. A lens according to claim 1, wherein a lens having a cylindrical surface for converging the excitation light is disposed between the laser diode array and the solid-state laser medium. The solid-state laser device according to claim 1.
媒質の軸心を介して前記レーザダイオードアレイと対称
となる位置に設けられ前記レーザダイオードアレイから
出力されて前記固体レーザ媒質を透過した前記励起光を
反射される反射手段とを具備したことを特徴とする請求
項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の固体レーザ
装置。5. An outer peripheral portion of the cylindrical body is provided at a position symmetrical to the laser diode array via an axis of the solid-state laser medium, and is output from the laser diode array and transmitted through the solid-state laser medium. The solid-state laser device according to claim 1, further comprising: a reflection unit configured to reflect the excitation light.
ロッド材料を用いたことを特徴とする請求項1ないし請
求項5のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。6. The solid-state laser device according to claim 1, wherein a cylindrical rod material is used as the solid-state laser medium.
ラブ材料を用いたことを特徴とする請求項1ないし請求
項5のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。7. The solid-state laser device according to claim 1, wherein a plate-shaped slab material is used as said solid-state laser medium.
線状の発光領域の間隔をd(cm)、一つの前記線状の
発光領域当たりで得られる出力をP(W)、前記レーザ
媒質の周囲に置かれたレーザダイオードアレイの方向を
m(箇所)、出射した励起光のパワーのうち前記固体レ
ーザ媒質に到達する割合をηとすると、 95 ≦ P×m×η/d ≦ 500 の関係が成り立つように構成されていることを特徴とす
る請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の固体
レーザ装置。8. The laser diode array, wherein the distance between the linear light emitting regions is d (cm), the output obtained per one linear light emitting region is P (W), and the laser diode array is arranged around the laser medium. Assuming that the direction of the placed laser diode array is m (location) and the ratio of the power of the emitted pump light reaching the solid-state laser medium is η, the relationship of 95 ≦ P × m × η / d ≦ 500 is established. The solid-state laser device according to claim 1, wherein the solid-state laser device is configured as described above.
AGを用いたことを特徴とする請求項1ないし請求項5
のいずれか1項に記載の固体レーザ装置。9. A solid-state laser medium comprising: Nd: Y
6. The method according to claim 1, wherein AG is used.
The solid-state laser device according to any one of the above.
ぼ垂直な方向に配置された線状の発光領域を複数有する
レーザダイオードアレイを前記固体レーザ媒質の側面に
沿って配置する工程を具備する固体レーザ装置の製造方
法において、前記レーザダイオードアレイを前記励起光
の入力により前記レーザ媒質が破壊を起こさないような
前記線状の発光領域の間隔とする工程を有することを特
徴とする固体レーザ装置の製造方法。10. A solid-state device comprising a step of disposing a laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions arranged in a direction substantially perpendicular to the axial direction of the solid-state laser medium along a side surface of the solid-state laser medium. A method of manufacturing a laser device, comprising the step of: setting the laser diode array to an interval between the linear light-emitting regions so that the laser medium is not broken by the input of the excitation light. Production method.
入射するとともにこの固体レーザ媒質の軸方向に対して
ほぼ垂直な方向に配置される線状の発光領域を複数有す
るレーザダイオードアレイにおいて、前記レーザダイオ
ードアレイは前記励起光の入力により前記固体レーザ媒
質が破壊を起こさないような前記線状の発光領域の間隔
となっていることを特徴とするレーザダイオードアレ
イ。11. A laser diode array having a plurality of linear light-emitting regions which are incident on a side surface of a solid-state laser medium and which are arranged in a direction substantially perpendicular to an axial direction of the solid-state laser medium. The laser diode array, wherein the diode array has an interval between the linear light-emitting regions so that the solid-state laser medium is not broken by the input of the excitation light.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25965299A JP2001085770A (en) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Solid laser device, its manufacturing, method and laser diode array used therefor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2586395A (en) * | 2018-03-08 | 2021-02-17 | Honda Motor Co Ltd | Power management system, power management method, and program |
-
1999
- 1999-09-14 JP JP25965299A patent/JP2001085770A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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GB2586395A (en) * | 2018-03-08 | 2021-02-17 | Honda Motor Co Ltd | Power management system, power management method, and program |
GB2586395B (en) * | 2018-03-08 | 2022-11-16 | Honda Motor Co Ltd | Power management system, power management method, and program |
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