JP2001111143A - レーザーダイオード励起型固体レーザー発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】固体レーザー媒体の冷却手段をレーザーダイオ
ードの温度制御手段に共用して構成を簡素化し、コスト
ダウンを図ったレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器を提供する。 【解決手段】固体レーザー媒体２４の励起源として、２
５℃での発振波長が809〜810 ｎｍであるレーザーダイ
オード１３を用いる。固体レーザー媒体２４およびレー
ザーダイオード１３を共に２５℃未満の所定温度に冷却
する単一の冷却手段３３を設ける。レーザーダイオード
１３を、冷却手段３３による冷却により、固体レーザー
媒体２４の吸収波長と一致する発振波長で動作するよう
に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザー媒体
を励起源としてのレーザーダイオードから出力するレー
ザー光を励起光として励起するようになったレーザーダ
イオード励起型固体レーザー発振器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体レーザー発振器としては、フ
ラッシュランプやアークランプを励起源として固体レー
ザー媒体を励起するランプ励起型のものに代わって、レ
ーザーダイオードから出力するレーザー光（固体レーザ
ー媒体の吸収波長を有している）を励起光として固体レ
ーザー媒体を励起するレーザーダイオード励起型のもの
が用いられるようになっている。その理由は、レーザー
ダイオード励起型固体レーザー発振器がランプ励起型固
体レーザー発振器に比較して、供給電力が少ない上に、
ランプ交換などの面倒なメンテナンスが不要であり、ま
た、発振器全体を小型化できるなどの多くの利点を有し
ているからである。さらに、現在のレーザーダイオード
励起型固体レーザー発振器では、ＣＷ（連続波）40Ｗ出
力のレーザーダイオードが実用化されたのに伴って高出
力化が促進されており、今後ますます多用されるものと
思われる。また、現在では、波長変換素子、例えばＫＴ
Ｐなどを用いて発振波長を短波長にすることにより、銅
などの素材に孔開け加工を施すことが可能なレーザーダ
イオード励起型固体レーザー発振器も出現している。

【０００３】上述のような従来のレーザーダイオード励
起型固体レーザー発振器としては、図４に概略断面図を
示すような構成となったものが知られている（米国特許
第5267252 号参照）。このレーザー発振器は、レーザー
ダイオード１から出力されたレーザー光が、レンズ２に
より集光されたのちに固体レーザー媒体３に対し励起光
として供給されることにより、固体レーザー媒体３が励
起される。この固体レーザー媒体３の発振光は波長変換
素子４を通過するときにその波長が変換されて短波長と
なる。この短波長化された光は、出力ミラー７と、固体
レーザー媒体３のレーザーダイオード１側の端面にコー
ティングされた反射膜３ａとを光共振器として増幅さ
れ、出力ミラー７から出力される。なお、反射膜３ａ
は、レーザーダイオード１からの励起光を透過させ、且
つ固体レーザー媒体３の発振波長の光とその２倍波の光
とを反射させる。

【０００４】上記レーザー発振器では、固体レーザー媒
体３および波長変換素子４が共に配置されているベース
板８が、温度制御手段９により常温よりも低い所定の一
定温度になるようコントロールされていることにより、
固体レーザー媒体３および波長変換素子４が共に同一の
一定温度を保持するよう冷却されている。これは、固体
レーザー媒体３および波長変換素子４の出力が温度制御
することによって安定化するからである。なお、温度制
御手段９は、温度センサ１０からのベース板８の検出温
度データに基づきペルチェ素子１１の温度を電気的に低
下させるよう制御することにより、ベース板８を所定の
一定温度になるようフィードバック制御する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のレー
ザーダイオード励起型固体レーザー発振器では、固体レ
ーザー媒体３の材料として吸収波長が808 ｎｍであるＮ
ｄ：ＹＡＧが一般的に用いられており、それに伴いレー
ザーダイオード１として、その常温（２５℃）での発振
波長が808 ｎｍ±３ｎｍのものが一般的に用いられてい
る。これは、レーザーダイオード１のレーザー光の発振
波長を固体レーザー媒体３の吸収波長の808 ｎｍに合わ
すことによって効率の良いレーザー発振を行えるからで
ある。

【０００６】しかしながら、上記従来のレーザー発振器
に一般的に用いられているレーザーダイオード１は、常
に所定の一定温度を保つように温度制御しないと、レー
ザー発振時において発振波長が固体レーザー媒体の吸収
波長からずれてしまい、効率の良いレーザー発振を行え
なくなる。そのため、従来のレーザー発振器では、レー
ザーダイオード１の温度制御手段を別途必要とし、その
分だけコスト高になるという問題がある。すなわち、従
来のレーザー発振器には、図４に示した温度制御手段
９、ペルチエ素子１１およびベース板８などから構成さ
れて固体レーザー媒体３および波長変換素子４を共に冷
却する温度制御機構が設けられているが、レーザーダイ
オード１は、固体レーザー媒体３および波長変換素子４
の冷却温度とは異なる常温に近い所定温度に制御しなけ
ればならないので、上記温度制御機構の他に、レーザー
ダイオード１専用の温度制御手段を設けなければならな
い。

【０００７】そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み
てなされたもので、固体レーザー媒体の冷却手段をレー
ザーダイオードの温度制御手段に共用して構成を簡素化
し、コストダウンを図ったレーザーダイオード励起型固
体レーザー発振器を提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザーダイオード励起型固体レーザー発
振器は、２５℃での発振波長が809 〜810 ｎｍであるレ
ーザーダイオードと、前記レーザーダイオードから出力
するレーザー光を集光する集光光学系および集光された
レーザー光の導光手段と、前記集光手段で集光されたレ
ーザー光を透過させ、且つ1064ｎｍの波長の光を反射す
るダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラー
を透過したレーザー光による光励起法によって励起され
るＮｄ：ＹＡＧを材料とする固体レーザー媒体と、1064
ｎｍの波長の光を反射するリアミラーと1064ｎｍの波長
の光を部分透過する出力ミラーとから構成されてレーザ
ー光を増幅する光共振器と、レーザー光をパルス化する
Ｑスイッチと、前記固体レーザー媒体および前記レーザ
ーダイオードを共に２５℃未満の所定温度に冷却する単
一の冷却手段とを備えてなり、前記レーザーダイオード
が、前記冷却手段による冷却により前記固体レーザー媒
体の吸収波長と一致する発振波長で動作するように制御
されていることを特徴としている。

【０００９】このレーザーダイオード励起型固体レーザ
ー発振器では、常温（２５℃）での発振波長が809 〜81
0 ｎｍであるレーザーダイオードを用いているので、常
温での発振波長が809 ｎｍおよび810 ｎｍの各レーザー
ダイオードは、最大定格電流を供給しながら21°Ｃおよ
び17°Ｃにそれぞれ冷却することにより、Ｎｄ：ＹＡＧ
を材料とする固体レーザー媒体の吸収波長の808 ｎｍと
一致する発振波長で動作する。そのため、レーザーダイ
オードを、電流制御部から最大定格電流を供給しなが
ら、固体レーザー媒体の冷却手段を共用しながら冷却し
て、固体レーザー媒体の吸収波長と一致する発振波長と
なる一定温度に制御することにより、効率良くレーザー
発振を行わせることができる。これにより、レーザーダ
イオードの温度制御手段を別途設ける必要がなくなり、
コストダウンを達成することができる。また、レーザー
ダイオードを常温よりも低い温度に冷却して発振動作を
させることにより、レーザーダイオードの長寿命化を図
ることができ、メンテナンスコストをも低減できる。

【００１０】上記発明において、固体レーザー媒体とし
て、Ｎｄ：ＹＡＧに代えて、Ｎｄ：ＹＶＯ４を材料とす
るものを用いることができる。これにより、Ｎｄ：ＹＶ
Ｏ４を材料とする固体レーザー媒体は吸収波長が808.9
ｎｍであるから、常温での発振波長が809 〜810 ｎｍで
あるレーザーダイオードを、電流制御部から最大定格電
流を供給しながら冷却手段で常温よりも低い一定温度を
保つように冷却して808.9 ｎｍの発振波長に設定するこ
とにより、レーザーダイオード専用の温度制御手段を削
減してコストダウンを達成できる効果を得られるのに加
えて、Ｑスイッチでパルス化されたときのパルス幅を短
く設定できる効果をも得ることができる。

【００１１】また、上記発明において、リアミラーと出
力ミラーとの間に波長変換素子が配設されているととも
に、前記波長変換素子が、単一の冷却手段によってレー
ザーダイオードおよび固体レーザー媒体と共に同一温度
に冷却されている構成とすることができる。

【００１２】これにより、波長変換素子を、単一の冷却
手段によってレーザーダイオードおよび固体レーザー媒
体と共に同一温度に冷却するので、より一層のコストダ
ウンを図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明
の一実施の形態に係るレーザーダイオード励起型固体レ
ーザー発振器におけるレーザーダイオード励起ユニット
１２を示す一部破断した斜視図である。このレーザーダ
イオード励起ユニット１２は、実施の形態のレーザー発
振器における後述の固体レーザー媒体の励起源として用
いられるものであって、構成を大別すると、レーザーダ
イオード１３、マイクロレンズ１４、複数本の光ファイ
バ１７を束ねてなるファイババンドル１８およびシング
ルファイバ１９とを有して構成されており、これら構成
要素がユニットケース２０に内装されている。レーザー
ダイオード１３としては、従来のこの種のレーザー発振
器に使用されているものとは異なるものが用いられてい
るが、これについての詳細は後述する。なお、ファイバ
バンドル１８は一対の中継コネクタ（図示せず）を介し
てシングルファイバ１９に連結されて、光結合されてい
る。

【００１４】レーザーダイオード１３は、数10個（図で
は４個み図示）のエミッタ領域２１がアレイ状に配列さ
れてエミッタベース２２に固定された構成を有してい
る。エミッタ領域２１から放出されるレーザー光のうち
の比較的大きな広がり角で広がる垂直方向の光成分は、
円筒状のマイクロレンズ１４に導光される。マイクロレ
ンズ１４は、屈折率が周端部に向かって徐々に大きくな
る、いわゆるグレーデッドインデックスコアからなるコ
ア層の外周面がクラッド層で覆われた構成になってい
る。このようなマイクロレンズ１４としては、例えば、
商品名「ドリックレンズ」を用いることができる。この
マイクロレンズ１４は、その軸線がエミッタ領域２１か
らのレーザー光の放出方向に対し直交するよう配置され
ている。したがって、マイクロレンズ１４は、光源であ
るエミッタ領域２１から出射したレーザー光のうちの垂
直方向に広がる光成分のみを通過させることによって、
レーザー光を平行光に変換する。

【００１５】各光ファイバ１７は、エミッタ領域２１と
同一形状を有し、エミッタ領域２１と同数だけ設けられ
て、それぞれ各エミッタ領域２１に相対向するよう同一
間隔で配置されている。したがって、各光ファイバ１７
には、相対向するエミッタ領域２１からそれぞれ出射し
たレーザー光が、マイクロレンズ１４で平行光になるよ
う集光されたのちに、個々に導光される。各光ファイバ
１７は、束ねられて、断面形状が約１ｍｍの径を有する
円形のファイババンドル１８になっている。シングルフ
ァイバ１９は、ファイババンドル１８と同一径を有する
単一の筒状体であり、その光導入側端部が中継コネクタ
を介してファイババンドル１８に連結されていることに
より、ファイババンドル１８に光結合している。また、
シングルファイバ１９の光導出側端部は、図示していな
いが、レーザー発振器本体を構成するレーザーヘッドに
対しコネクタを介して連結されており、レーザーヘッド
では、シングルファイバ１９から出射したレーザー光が
一対のコリメートレンズ２３により集光されたのちに固
体レーザー媒体（図示せず）に入射する。

【００１６】図２は、同上の一実施の形態に係るレーザ
ーダイオード励起型固体レーザー発振器の全体構成を示
すブロック構成図であり、同図において、図１と同一の
ものには同一の符号を付してある。同図には、レーザー
ダイオード励起ユニット１２、シングルファイバ１９お
よび一対のコリメートレンズ２３を二組備えて高出力化
を図ったレーザー発振器を例示してある。固体レーザー
媒体２４は、この実施の形態においてＮｄ：ＹＡＧを材
料として用いて808 ｎｍの吸収波長を有する一般的なも
のが用いられている。この固体レーザー媒体２４とこれ
の両側の一対のコリメートレンズ２３との各間にはダイ
クロイックミラー２７がそれぞ配置されている。一対の
コリメートレンズ２３によって集光されたレーザー光の
うちの808 ｎｍの波長の光成分は、固体レーザー媒体２
４に対し励起光として入射する。これにより、固体レー
ザー媒体２４は、入射したレーザー光によって励起され
て入射レーザー光をコヒーレントに増幅してレーザー光
を発する。

【００１７】同図における上方に図示のダイクロイック
ミラー２７は、入射したレーザー光のうちの波長が1064
ｎｍの光成分を反射し、この反射光は、Ｑスイッチ２８
を通過してリアミラー２９で反射され、再びＱスイッチ
２８を通過してダイクロイックミラー２７に入射する。
一方、下方に図示のダイクロイックミラー２７は、入射
したレーザー光のうちの波長が1064ｎｍの光成分を反射
し、この反射光は、波長変換素子３０を通過したのち、
その一部分が出力ミラー３１を透過して出力され、且つ
大部分が出力ミラー３１で反射されて波長変換素子３０
を通過し、再びダイクロイックミラー２７に入射する。
これにより、固体レーザー媒体２４で入射光を増幅して
出射された光ビームは、リアミラー２９と出力ミラー３
１からなる光共振器の間で正帰還されて増幅され、固体
レーザー媒体２４による利得が光発振器内の全損失を上
回ったときに、レーザー発振が生じて出力ミラー３１か
ら出力光が出射する。この出力光は、Ｑスイッチ２８に
よりパルス化され、且つ波長変換素子３０によって固体
レーザー媒体２４の発振波長の半分に短波長化されたも
のとなる。

【００１８】両側のレーザーダイオード励起ユニット１
２内の各々のレーザーダイオード１３は、電流制御部３
２により供給電流を制御されて出力を一定化されている
とともに、冷却手段３３により所定の温度を保つよう冷
却されて、発振波長が固体レーザー媒体２４の吸収波長
と同じ808 ｎｍに設定されている。上記冷却手段３３
は、レーザーダイオード１３と共に固体レーザー媒体２
４および波長変換素子３０をも同時にそれぞれ同一温度
になるよう冷却しており、つぎに、この点について詳述
する。

【００１９】図３は、レーザーダイオード１３の温度と
発振波長との関係を示した特性図であり、Ａ〜Ｃの各特
性曲線は、常温（２５℃）での発振波長がそれぞれ810
ｎｍ、809 ｎｍおよび807 ｎｍである３種類のレーザー
ダイオード１３に何れも最大定格電流（例えば50Ａ）を
供給しながら温度を変化させたときの発振波長の変化を
示したものである。レーザーダイオード１３は、温度の
変化に伴い発振波長が変化し、一般に温度が１°Ｃ変化
するごとに発振波長が約0.25ｎｍ変化する。

【００２０】同図において、常温での発振波長が810 ｎ
ｍであるレーザーダイオード１３は、Ａの特性曲線に示
すように、17°Ｃの温度になるように冷却したときに発
振波長が808 ｎｍとなって固体レーザー媒体２４のＮ
ｄ：ＹＡＧの吸収波長と一致し、効率の良いレーザー発
振が得られる。また、常温での発振波長が809 ｎｍであ
るレーザーダイオード１３は、Ｂの特性曲線に示すよう
に、21°Ｃの温度になるように冷却したときに発振波長
が808 ｎｍとなって固体レーザー媒体２４のＮｄ：ＹＡ
Ｇの吸収波長と一致し、効率の良いレーザー発振が得ら
れる。この実施の形態では、上記ＡまたはＢの特性を有
するレーザーダイオード１３、つまり常温での発振波長
が809 〜810 ｎｍであるレーザーダイオードが用いられ
ている。

【００２１】したがって、図２において、各レーザーダ
イオード１３は、電流制御部３２により最大定格電流値
である例えば50Ａを供給されるとともに、冷却手段３３
によって常に常温よりも低い17°Ｃまたは21°Ｃの一定
温度を保つように冷却されて、発振波長が808 ｎｍが設
定されている。また、固体レーザー媒体２４および波長
変換素子３０は、冷却手段３３によりレーザーダイオー
ド１３と同一の温度を保つよう冷却されて、出力が安定
化されている。換言すると、この実施の形態のレーザー
発振器は、レーザーダイオード１３として、固体レーザ
ー媒体２４および波長変換素子３０と同一温度に冷却す
ることによって発振波長が固体レーザー媒体２４の吸収
波長と同一の808 ｎｍとなるものを選定したことによ
り、単一の冷却手段３３によってレーザーダイオード１
３、固体レーザー媒体２４および波長変換素子３０を共
に同一温度に冷却することを可能とし、従来のレーザー
発振器に設けられていたレーザーダイオード専用の温度
制御手段を削減してコストダウンを達成している。

【００２２】なお、図３に示した常温での発振波長が80
7 ｎｍであるレーザーダイオードは、Ｃの特性曲線に示
すように、29°Ｃの温度を保つように温度制御すれば、
発振波長を固体レーザー媒体２４の吸収波長と一致する
808 ｎｍに設定することが可能であるが、その場合、固
体レーザー媒体２４および波長変換素子３０の冷却手段
３３とは別に、レーザーダイオード専用の温度制御手段
が必要となる。

【００２３】また、レーザーダイオード１３は、高い温
度で動作させると、低い温度で動作させる場合に比較し
て寿命が短くなることが知られている。したがって、上
記実施の形態のレーザー発振器では、図３のＡまたはＢ
の特性を有するレーザーダイオード１３を用いて、この
レーザーダイオード１３を常温よりも低い温度に冷却し
て発振動作をさせるので、レーザーダイオード１３の長
寿命化を図ることができ、メンテナンスコストをも低減
できる。

【００２４】上記実施の形態では、Ｎｄ：ＹＡＧを材料
とする固体レーザー媒体２４を用いた場合を例示した
が、これに代えて、固体レーザー媒体２４としてＮｄ：
ＹＶＯ４を材料とするものを用いてもよい。このＮｄ：
ＹＶＯ４を材料とする固体レーザー媒体２４を用いた場
合には、これの吸収波長が808.9 ｎｍであるから、常温
での発振波長が809 〜810 ｎｍであるレーザーダイオー
ド１３を、電流制御部３２から最大定格電流を供給しな
がら冷却手段３３で常温よりも低い一定温度を保つよう
に冷却して808.9 ｎｍの発振波長に設定し、且つ冷却手
段３３により固体レーザー媒体２４および波長変換素子
３０をレーザーダイオード１３と同一温度に冷却するこ
とにより、一実施の形態と同様の効果を得ることがで
き、それに加えて、Ｑスイッチ２８でパルス化されたと
きのパルス幅を短く設定できる効果をも得ることができ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明のレーザーダイオ
ード励起型固体レーザー発振器によれば、常温（２５
℃）での発振波長が809 〜810 ｎｍであるレーザーダイ
オードを用いた構成としたので、レーザーダイオード
を、電流制御部から最大定格電流を供給しながら、固体
レーザー媒体の冷却手段を共用して、固体レーザー媒体
の吸収波長と一致する発振波長となる所定温度に冷却す
ることにより、効率良く発振動作を行わせることができ
る。これにより、レーザーダイオードの温度制御手段を
別途設ける必要がなくなり、コストダウンを達成するこ
とができる。また、レーザーダイオードを常温よりも低
い温度に冷却して発振動作をさせることにより、レーザ
ーダイオードの長寿命化を図ることができ、メンテナン
スコストをも低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザーダイオー
ド励起型固体レーザー発振器におけるレーザーダイオー
ド励起ユニットを示す一部破断した斜視図。

【図２】同上のレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器における光学系の全体構成を示すブロック構成
図。

【図３】同上レーザー発振器に用いるレーザーダイオー
ドの温度と発振波長との関係を示した特性図。

【図４】従来のレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器を示す概略断面図。

【符号の説明】

１３ レーザーダイオード １４ マイクロレンズ（集光手段） １７ 光ファイバ（導光手段） １８ ファイババンドル（導光手段） １９ シングルファイバ（導光手段） ２３ コリメートレンズ（集光手段）） ２４ 固体レーザー媒体 ２７ ダイクロイックミラー ２８ Ｑスイッチ ２９ リアミラー ３０ 波長変換素子 ３１ 出力ミラー ３２ 電流制御部 ３３ 冷却手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K002 AB12 BA03 GA04 HA20 5F072 AB02 KK01 KK06 KK12 KK30 PP07 RR01 TT05 TT12 TT13 TT15 TT22 TT29

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２５℃での発振波長が809 〜810 ｎｍで
   あるレーザーダイオードと、 前記レーザーダイオードから出力するレーザー光を集光
   する集光手段および集光されたレーザー光の導光手段
   と、 前記集光手段で集光されたレーザー光を透過させ、且つ
   1064ｎｍの波長の光を反射するダイクロイックミラー
   と、 前記ダイクロイックミラーを透過したレーザー光による
   光励起法によって励起されるＮｄ：ＹＡＧを材料とする
   固体レーザー媒体と、 1064ｎｍの波長の光を反射するリアミラーと1064ｎｍの
   波長の光を部分透過する出力ミラーとから構成されてレ
   ーザー光を増幅する光共振器と、 レーザー光をパルス化するＱスイッチと、 前記固体レーザー媒体および前記レーザーダイオードを
   共に２５℃未満の所定温度に冷却する単一の冷却手段と
   を備えてなり、 前記レーザーダイオードが、前記冷却手段による冷却に
   より前記固体レーザー媒体の吸収波長と一致する発振波
   長で動作するように制御されていることを特徴とするレ
   ーザーダイオード励起型固体レーザー発振器。
2. 【請求項２】 固体レーザー媒体として、Ｎｄ：ＹＡＧ
   に代えて、Ｎｄ：ＹＶＯ４を材料とするものを用いる請
   求項１に記載のレーザーダイオード励起型固体レーザー
   発振器。
3. 【請求項３】 リアミラーと出力ミラーとの間に波長変
   換素子が配設されているとともに、前記波長変換素子
   が、単一の冷却手段によってレーザーダイオードおよび
   固体レーザー媒体と共に同一温度に冷却されている請求
   項１または２に記載のレーザーダイオード励起型固体レ
   ーザー発振器。