JP2001111144A - 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】大掛かりな冷却手段を用いることなく、高出力
化と高い繰り返し周波数とを得ることができるレーザー
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】808.9 ｎｍの吸収波長を有するＮｄ：ＹＶ
Ｏ４からなる第１の固体レーザー媒体１３Ａおよび808
ｎｍの吸収波長を有するＮｄ：ＹＡＧからなる第２の固
体レーザー媒体１３Ｂと、第１および第２の各固体レー
ザー媒体１３Ａ，１３Ｂの吸収波長と同一の波長のレー
ザー光を発光する第１および第２のレーザーダイオード
１７，１８とを備える。

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
力化が促進されたり、波長変換素子、例えばＫＴＰ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ものも出現してお
り、今後ますます多用されるものと思われる。

【０００３】また、近年では、上記レーザー発振器が基
板の孔開け加工などの用途に利用され始めたのに伴っ
て、多数個の孔を短時間で加工して高い生産性を実現で
きるレーザー発振器の出現が要望されている。このよう
な要望の実現には、高出力化と高い繰り返し周波数とを
達成したレーザー発振器が必要であり、レーザー発振器
の高出力化はレーザー光の短波長化や短パルス化を図る
ときの基本技術となる。このレーザー発振器の高出力化
を得るには、固体レーザー媒体の励起源としてのレーザ
ーダイオード自体の高出力化も必要となるが、レーザー
発振器自体の高出力化には、固体レーザー媒体を複数個
用いる方式が多く採用されており、このような方式を採
用した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に示すような構成を備えたものが知られて
いる（米国特許5412683 号公報参照）。

【０００４】このレーザー発振器は、高出力のレーザー
光を得ることを目的として、２個の固体レーザー媒体１
Ａ，１Ｂを備えている。この各固体レーザー媒体１Ａ，
１Ｂは、各々の両側の光照射端面に、個別のレーザーダ
イオード励起ユニット２Ａ〜２Ｄ内にそれぞれに設けら
れたレーザーダイオード（図示せず）から出射したレー
ザー光が照射されて励起される。すなわち、各レーザー
ダイオードから出射したレーザー光は、シングルファイ
バ３に導光され、このシングルファイバ３の光導出側端
部から出射したレーザー光が一対のコリメートレンズ４
により集光されたのちに、レーザーダイオードの発振波
長である808 ｎｍの光成分はダイクロイックミラー７を
透過して固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂに励起光として入
射する。これにより、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧを材料とす
る固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂは、入射したレーザー光
によって励起されてレーザー光をコヒーレントに増幅す
る。なお、コリメートレンズ４で集光されたレーザー光
のうちの1064ｎｍの波長の光成分はダイクロイックミラ
ー７で反射される。

【０００５】固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂで増幅された
光ビームは、光共振器を構成するリアミラー８と出力ミ
ラー９との間で正帰還されて増幅されるとともに、発振
制御素子であるＱスイッチ１０により出力波形をパルス
化するよう制御され、固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂによ
る利得が光共振器内の全損心を上回ったときに、レーザ
ー発振が生じる。また、各レーザーダイオード励起ユニ
ット２Ａ〜２Ｄ内における各々のレーザーダイオード
は、電流制御部１１により供給電流を制御されることに
よって一定の光強度のレーザー光を出射し、且つ温度制
御手段１２により所定の一定温度にコントロールされる
ことによって固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂの吸収波長に
一致する発振波長のレーザー光を出射する。なお、固体
レーザー媒体１Ａ，１Ｂとしては、吸収波長（励起波
長）が808 ｎｍで発振波長が1064ｎｍであるＮｄ：ＹＡ
Ｇ、吸収波長が792 ｎｍで発振波長が1064ｎｍであるＮ
ｄ：ＹＬＦ、吸収波長が808.9 ｎｍで発振波長が1064ｎ
ｍであるＮｄ：ＹＶＯ４などが用いられている。これら
固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂの励起用のレーザーダイオ
ードとしては、固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂの吸収波長
に合った発振波長を有するものを選定して用いられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成としたレーザー発振器は、高出力を得ることはできる
が、多数個の孔を短時間で加工して高い生産性を得たい
場合に問題がある。例えば、固体レーザー媒体１Ａ，１
ＢとしてＮｄ：ＹＡＧを材料とするものを選定した場合
には、その上準位寿命が230 μｓｅｃであるために、繰
り返し周波数が約４ＫＨｚを超えた時点からパルスエネ
ルギが徐々に低下し始める。また、固体レーザー媒体１
Ａ，１ＢとしてＮｄ：ＹＬＦを材料とするものを選定し
た場合には、その上準位寿命が460 μｓｅｃであるため
に、繰り返し周波数が約２ＫＨｚを超えた時点からパル
スエネルギが徐々に低下し始める。したがって、固体レ
ーザー媒体１Ａ，１ＢとしてＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＬ
Ｆを材料とするものを用いた場合には高い繰り返し周波
数を期待できない。

【０００７】一方、固体レーザー媒体１Ａ，１Ｂとして
Ｎｄ：ＹＶＯ４を材料とするものを選定した場合には、
その上準位寿命が90μｓｅｃであるから、繰り返し周波
数が約10ＫＨｚを超えないと、パルスエネルギの低下が
始まらないので、高い繰り返し周波数を得るのに最適で
ある。ところが、Ｎｄ：ＹＶＯ４を材料とする固体レー
ザー媒体１Ａ，１Ｂは、結晶自体の熱伝達が上述の他の
２種のものに比較して悪いため、冷却能力を上げる必要
があり、図４の例では２個の固体レーザー媒体１Ａ，１
Ｂを効率良く冷却しなければならないので、冷却手段が
大掛かりとなってレーザー発振器自体が大型化し、且つ
コスト高となる欠点がある。

【０００８】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、大掛かりな冷却手段を用いることな
く、高出力化と高い繰り返し周波数とを得ることができ
る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。

【０００９】

【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、808.9 ｎｍの吸収波長を有するＮｄ：ＹＶＯ４
からなる第１の固体レーザー媒体および808 ｎｍの吸収
波長を有するＮｄ：ＹＡＧからなる第２の固体レーザー
媒体と、前記第１および第２の各固体レーザー媒体の吸
収波長と同一の波長のレーザー光を発光する第１および
第２のレーザーダイオードと、前記各レーザーダイオー
ドから出射するレーザー光の集光手段およびレーザー光
の導光手段と、前記集光手段で集光された808.9 ｎｍの
波長の光および808 ｎｍの波長の光をそれぞれ透過させ
て前記第１および第２の各固体レーザー媒体を個々に励
起させ、且つ1064ｎｍの波長の光を反射する複数個のダ
イクロイックミラーと、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、前記リアミラーと前記出力ミラーとの間に配置され
てレーザー光をパルス化するＱスイッチと、前記各レー
ザーダイオードの供給電流を一定に制御する電流制御部
とを備えて構成されていることを特徴としている。

【００１０】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、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなる固体レーザー媒
体とＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒体とを組み合
わせて用いているので、高い繰り返し周波数において高
い出力パルスエネルギを得ることができる。しかも、熱
伝達が悪いＮｄ：ＹＶＯ４からなる固体レーザー媒体は
１個のみ使用するだけであるから、大掛かりな冷却手段
を必要としない。これにより、この固体レーザー発振器
は、大掛かりな冷却手段を必要とせずに高出力で高い繰
り返し周波数を有したものとなり、基板の孔開け加工な
どに用いて、多数の孔を短時間に加工して高い生産性を
実現することができる。

【００１１】上記発明において、第１および第２のレー
ザーダイオードをこれらの発振波長がそれぞれ808.9 ｎ
ｍおよび808 ｎｍとなる一定温度に制御する温度制御手
段を備えた構成とすることができる。

【００１２】これにより、レーザーダイオードとして
は、常温において固体レーザー媒体の吸収波長と一致す
る発振波長を有するものを選定する必要がなく、レーザ
ーダイオードの温度を制御することにより、レーザーダ
イオードの発振波長を、対応する固体レーザー媒体の吸
収波長に一致するように設定することができる。

【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４と同一のものには同一の符号を付し
てある。一方の固体レーザー媒体１３Ａとしては、吸収
波長が808.9 ｎｍで発振波長が1064ｎｍであるＮｄ：Ｙ
ＶＯ４を材料とするものが用いられ、他方の固体レーザ
ー媒体１３Ｂとしては、吸収波長が808 ｎｍで発振波長
が1064ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧを材料とするものが用い
られている。これに対応して、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなる
固体レーザー媒体１３Ａの励起源である二つのレーザー
ダイオード励起ユニット１４Ａ，１４Ｂには、常温（２
５℃）での発振波長が固体レーザー媒体１３Ａの吸収波
長と同じ808.9 ｎｍであるレーザーダイオード１７を有
し、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒体１３Ｂの励
起源である二つのレーザーダイオード励起ユニット１４
Ｃ，１４Ｄには、常温での発振波長が固体レーザー媒体
１３Ｂの吸収波長と同じ808 ｎｍであるレーザーダイオ
ード１８を有している。

【００１４】４個のレーザーダイオード励起ユニット１
４Ａ〜１４Ｄは、用いられているレーザーダイオード１
７，１８の種類が相違するだけで、以下に説明するよう
な周知の同一構成をそれぞれ有している。すなわち、各
レーザーダイオード１７，１８は、図示していないが、
数10個のエミッタ領域（発光領域）がアレイ状に配列さ
れてエミッタベースに固定された構成を有している。各
レーザーダイオード励起ユニット１４Ａ〜１４Ｄでは、
レーザーダイオード１７，１８のエミッタ領域から放出
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のみが円柱状のマイクロレンズに導
光され、マイクロレンズは入射レーザー光を平行光に変
換して出射する。

【００１５】マイクロレンズから出射するレーザー光を
導光する光ファイバは、エミッタ領域と同一形状を有し
てエミッタ領域と同数だけ設けられ、それぞれ各エミッ
タ領域に相対向する配置で設けられている。各光ファイ
バには、相対向するエミッタ領域からそれぞれ出射した
レーザー光が、マイクロレンズ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。各光ファイバは、束
ねられて、断面形状が約１ｍｍ程度の径を有する円形の
ファイババンドルとされる。各レーザーダイオード励起
ユニット１４Ａ〜１４Ｄは、何れも以上の構成を有して
いる。これらの各レーザーダイオード励起ユニット１４
Ａ〜１４Ｄにおけるファイババンドルの光導出側端部
は、ファイババンドルと同一の径を有する単一の筒状体
であるシングルファイバ３に対し中継コネクタ（図示せ
ず）を介して連結されることにより、光結合されてい
る。

【００１６】シングルファイバ３から出射したレーザー
光は、一対のコリメートレンズ４により集光されたのち
に、レーザーダイオード１７，１８の発振波長であって
対応する固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂの吸収波長で
ある808.9 ｎｍおよび808 ｎｍの光成分を透過し、且つ
固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂの発振波長である1064
ｎｍの光成分を反射するダイクロイックミラー７を透過
して対応する固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂに励起光
として入射する。これにより、固体レーザー媒体１３
Ａ，１３Ｂは、入射したレーザー光によって励起され
て、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】図の下方に図示のダイクロイックミラー７
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、Ｑスイッチ１０を通過して
リアミラー８で反射され、再びＱスイッチ１０を通過し
てダイクロイックミラー７で反射されて固体レーザー媒
体１３Ａの光照射端面に入射する。一方、図の上方に図
示のダイクロイックミラー７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、この反射光の
一部分が出力ミラー９を透過して出力され、且つ大部分
が出力ミラー９で反射されて再びダイクロイックミラー
７で反射されて固体レーザー媒体１３Ｂの光照射端面に
入射する。中央部の二つのダイクロイックミラー７は、
入射したレーザー光のうちの波長が1064ｎｍの光成分を
相互に反射する。これにより、二つの固体レーザー媒体
１３Ａ，１３Ｂで入射光を増幅して出射された光ビーム
は、リアミラー８と出力ミラー９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１３Ａ，１
３Ｂ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９からレーザー光
が出射される。このレーザー光は、Ｑスイッチ１０によ
りパルス化されたものとなる。

【００１８】計四つのレーザーダイオード励起ユニット
１４Ａ〜１４Ｄ内の各々のレーザーダイオード１７，１
８は、電流制御部１１により供給電流を後述するように
制御されているとともに、温度制御手段１２により後述
する所定の温度を保つよう冷却されていることにより、
発振波長を対応する固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂの
吸収波長と同じ808.9 ｎｍおよび808 ｎｍにそれぞれ設
定されている。これにより、このレーザー発振器は効率
の良い発振動作を行う。

【００１９】図３はレーザーダイオード１７，１８の温
度と発振波長の関係を示す特性図である。同図に示すよ
うに、Ｎｄ：ＹＶＯ４からなる固体レーザー媒体１３Ａ
の励起源である２個のレーザーダイオード１７は、温度
制御手段１２によって28°Ｃの一定温度になるようコン
トロールされて、対応する固体レーザー媒体１３Ａの吸
収波長である808.9 ｎｍに発振波長を設定される。一
方、Ｎｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒体１３Ｂの励
起源である２個のレーザーダイオード１８は、温度制御
手段１２によって25°Ｃの一定温度になるようコントロ
ールされて、対応する固体レーザー媒体１３Ｂの吸収波
長である808 ｎｍに発振波長を設定される。これによ
り、各固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂは、各々の吸収
波長である808.9 ｎｍおよび808 ｎｍとそれぞれ一致す
る波長の励起光によって最適に励起されて、何れも1064
ｎｍの発振波長のレーザー光を効率良く出射する。

【００２０】また、この実施の形態のレーザー発振器の
出力レーザー光は、Ｑスイッチ１０によりパルス化され
ており、図２は、固体レーザー媒体１３Ａ，１３Ｂの繰
り返し周波数とパルスエネルギとの関係を示す特性図で
ある。同図において、ＡはＮｄ：ＹＶＯ４からなる固体
レーザー媒体１３ＡとＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザ
ー媒体１３Ｂとを組み合わせ用いた場合の特性曲線、Ｂ
はＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒体１３Ｂを２個
用いた場合の特性曲線、ＣはＮｄ：ＹＶＯ４からなる固
体レーザー媒体１３Ａを１個単独で用いた場合の特性曲
線、ＤはＮｄ：ＹＡＧからなる固体レーザー媒体１３Ｂ
を１個単独で用いた場合の特性曲線をそれぞれ示す。

【００２１】この実施の形態のようにＮｄ：ＹＶＯ４か
らなる固体レーザー媒体１３ＡとＮｄ：ＹＡＧからなる
固体レーザー媒体１３Ｂとを組み合わせ用いた場合に
は、Ａの特性曲線から明らかなように、従来において採
用されていたＢ〜Ｄの特性曲線の場合と比較して、高い
繰り返し周波数において高い出力パルスエネルギを得る
ことができる。しかも、熱伝達が悪いＮｄ：ＹＶＯ４か
らなる固体レーザー媒体１３Ａは１個のみ使用するだけ
であるから、大掛かりな冷却手段を必要としない。これ
により、実施の形態のレーザーダイオード励起型固体レ
ーザー発振器は、大掛かりな冷却手段を必要とせずに高
出力で高い繰り返し周波数を有したものとなり、基板の
孔開け加工などに用いて、多数の孔を短時間に加工して
高い生産性を実現することができる。

【００２２】

【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、Ｎｄ：ＹＶＯ
４からなる固体レーザー媒体とＮｄ：ＹＡＧからなる固
体レーザー媒体とを組み合わせ用いる構成としたので、
高い繰り返し周波数において高い出力パルスエネルギを
得ることができる。しかも、熱伝達が悪いＮｄ：ＹＶＯ
４からなる固体レーザー媒体は１個のみ使用するだけで
あるから、大掛かりな冷却手段を必要としない。これに
より、この固体レーザー発振器は、大掛かりな冷却手段
を必要とせずに高出力で高い繰り返し周波数を有したも
のとなり、基板の孔開け加工などに用いて、多数の孔を
短時間に加工して高い生産性を実現することができる。

【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の全体構成を示すブロック
構成図。

【図２】同上レーザー発振器における固体レーザー媒体
の繰り返し周波数とパルスエネルギとの関係を示す特性
図。

【図３】同上レーザー発振器の励起源として用いられる
レーザーダイオードの温度と発振波長との関係を示す特
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
発振器の全体構成を示すブロック構成図。

【符号の説明】

３ シングルファイバ（導光手段） ４ コリメートレンズ（集光手段） ７ ダイクロイックミラー ８ リアミラー ９ 出力ミラー １０ Ｑスイッチ １１ 電流制御部 １２ 温度制御手段 １３Ａ 第１の固体レーザー媒体 １３Ｂ 第２の固体レーザー媒体 １７ 第１のレーザーダイオード １８ 第２のレーザーダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 808.9 ｎｍの吸収波長を有するＮｄ：Ｙ
   ＶＯ４からなる第１の固体レーザー媒体および808 ｎｍ
   の吸収波長を有するＮｄ：ＹＡＧからなる第２の固体レ
   ーザー媒体と、 前記第１および第２の各固体レーザー媒体の吸収波長と
   同一の波長のレーザー光を発光する第１および第２のレ
   ーザーダイオードと、 前記各レーザーダイオードから出射するレーザー光の集
   光手段およびレーザー光の導光手段と、 前記集光手段で集光された808.9 ｎｍの波長の光および
   808 ｎｍの波長の光をそれぞれ透過させて前記第１およ
   び第２の各固体レーザー媒体を個々に励起させ、且つ10
   64ｎｍの波長の光を反射する複数個のダイクロイックミ
   ラーと、 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、 前記リアミラーと前記出力ミラーとの間に配置されてレ
   ーザー光をパルス化するＱスイッチと、 前記各レーザーダイオードの供給電流を一定に制御する
   電流制御部とを備えて構成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】 第１および第２のレーザーダイオードを
   これらの発振波長がそれぞれ808.9 ｎｍおよび808 ｎｍ
   となる一定温度に制御する温度制御手段を備えている請
   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。