JP2001127360A - 固体レーザ発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集光器の設置段数を制限する要素を排除する
ことにより、集光器の設置段数の枠を拡大して、レーザ
の大出力化を実現する。 【解決手段】 レーザ媒質１の端面を平面５ａ，凹面５
ｂに成形加工する。各々のレーザ媒質１は同一の励起を
与えたときに同一の熱レンズ強度になるように各々のレ
ーザ媒質１の端面の曲率を選定し、レーザ媒質の熱レン
ズ強度のばらつきを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被加工物にレーザ
ビームを照射することにより、金属等の溶融，接合，穴
あけ，アニール及び表面改質等の加工を行うレーザ加工
装置に用いられる固体レーザ発振器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体レーザ発振器の大出力化はめ
ざましく、炭酸ガスレーザでは４０ＫＷ級、ＹＡＧ（イ
ットリウム・アルミニュウム・ガーネット）レーザ（以
下、ＹＡＧレーザという）では４〜５ＫＷ級のものが産
業用として開発されている（「溶接技術」１９９９年５
月号）。

【０００３】ＹＡＧレーザは光ファイバを使用して被加
工物にレーザビームを伝送できるため、ロボット等と組
み合わせた３次元加工が可能であり、２次元的な加工が
主流である炭酸ガスレーザと比べて様々な応用が期待さ
れている。

【０００４】しかしながらＹＡＧレーザの現在の出力レ
ベルでは、未だ厚板の加工には不足しており、さらなる
大出力化が望まれている。

【０００５】最近のＫＷ級のＹＡＧレーザ装置は、複数
段の集光器をつないで共振器を構成し、これから発生し
たレーザビームを複数段の集光器からなる増幅器を通過
させる、いわゆるＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌ
ｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：マスタ
ー・オシレータ・パワー・アンプリファイア、以下ＭＯ
ＰＡという）方式か、または増幅器を用いず複数段の集
光器で共振器のみを構成するカスケード方式により大出
力化を図っている。

【０００６】これをさらに大出力化するためには、いず
れの場合も集光器の段数を増加させる必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらカスケー
ド方式においては、各集光器間の熱レンズにばらつきが
あると、途中の伝搬モードが一定でないため、ビーム径
が所望の値よりも大きくなる場合があり、ロッドの熱負
荷を増大させてこれを破壊したり、或いは所望の出力が
得られないという問題がある。これらの問題は、集光器
の段数が増加するに従い顕著に現れてくる。

【０００８】またＭＯＰＡ方式では、共振器から出力さ
れたレーザをあらゆる集光器の励起状態でも増幅器を通
過させなければならないが、これには、次段の増幅器へ
の入射条件であるレーザビーム径，拡がり角等を共振器
と一致させる必要がある。

【０００９】理論上はビーム品質（ウェスト径×拡がり
角）は保存され、増幅器の熱レンズ強度が共振器のそれ
と同じであるならば、レーザは共振器と同じ軌道にな
り、増幅器を何段増設しても伝搬することになる。

【００１０】しかし、実際にはアライメントのずれ及び
熱レンズのばらつき等で増幅器を通過するレーザビーム
の品質は劣化して軌道が徐々に変化するため、増幅器を
増設する段数には限界があった。

【００１１】したがってカスケード方式及びＭＯＰＡ方
式においては、熱レンズのばらつきにより集光器の設置
段数の増設限界が決定されてしまい、このことがレーザ
の大出力化を実現する障害となっている。

【００１２】本発明の目的は、集光器の設置段数を制限
する要素を排除することにより、集光器の設置段数の枠
を拡大して、レーザの大出力化を実現する固体レーザ発
振器を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る固体レーザ発振器は、レーザ媒質の端
面を平面，凹面又は凸面に成形加工し、各レーザ媒質に
同一の励起を与えたときに各レーザ媒質の熱レンズ強度
が同一になるように各レーザ媒質の端面の曲率を選定
し、レーザ媒質の熱レンズ強度のばらつきを補正するも
のである。

【００１４】また本発明に係る固体レーザ発振器は、発
振器の共振器から出射されたレーザビームを複数の増幅
器を通過させることにより出力を増大させる固体レーザ
発振器であって、前記共振器及び増幅器を構成するレー
ザ媒質の端面を、平面，凹面又は凸面に成形加工し、前
記共振器を通過した後のビーム品質の劣化割合に応じて
前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の曲率を選定してビ
ーム品質の劣化を補正するものである。

【００１５】また前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の
曲率は、前記共振器をなすレーザ媒質の端面の曲率より
も大きく設定するものである。

【００１６】また前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の
曲率は、前記共振器から離れるに従って拡大するもので
ある。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して詳細に説明する。

【００１８】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係るカスケード方式の固体レーザ発振器を説明する
図であり、図２は、レーザ媒質の端面を加工したときの
熱レンズ強度の補正を説明するものであり、励起入力と
熱レンズ焦点距離の関係を示す図である。

【００１９】図に示す本発明の実施形態１に係る固体レ
ーザ発振器は、レーザ媒質１の端面を平面，凹面又は凸
面に成形加工し、各レーザ媒質１に同一の励起を与えた
ときに各レーザ媒質１の熱レンズ強度が同一になるよう
に各レーザ媒質１の端面の曲率を選定し、レーザ媒質の
熱レンズ強度のばらつきを補正することを特徴とするも
のである。

【００２０】次に具体例を用いて本発明の実施形態１に
係る固体レーザ発振器を詳細に説明する。すなわち、図
１に示す本発明の実施形態１に係るカスケード方式の固
体レーザ発振器は、対をなす共振器ミラー２，３間にレ
ンズ媒質１ａ，１ｂ，１ｃを複数段に設置して共振器を
構成している。

【００２１】レンズ媒質１（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、共
振器として構成した場合に集光器として機能するもので
あり、図１に示す場合には、３個のレンズ媒質１を用い
ているが、その設置個数は図示したものに限定されるも
のではない。

【００２２】ところで、複数のレーザ媒質１を用いるレ
ーザ発振器のうちカスケード方式のものでは、同一の仕
様で作製した集光器としてのレーザ媒質であっても、そ
れぞれの熱レンズ強度を完全に一致させることは困難で
ある。

【００２３】また図１に示す共振器において、レンズ媒
質１の熱レンズ強度にばらつきがある場合、複数段のレ
ーザ媒質１を通過するビーム軌道が実線で示すレーザ軌
道４のように大きく揺らいでしまうという問題が指摘さ
れている。

【００２４】図２において、本発明者は端面形状を加工
していないレーザ媒質１の熱レンズ強度が強い側にばら
ついたときには図２の矢印Ｙ１の方向に特性が変化する
が、レーザ媒質１の端面を点線Ｔ１のように凹面に加工
することにより、レーザ媒質１の熱レンズ強度を補正す
ることが可能となるという知見を得た。

【００２５】さらに図２において、端面形状を加工して
いないレーザ媒質１の熱レンズ強度が弱い側にばらつい
たときには図２の矢印Ｙ２の方向に特性が変化するが、
レーザ媒質１の端面を細線Ｔ２のように凸面に加工する
ことにより、レーザ媒質１の熱レンズ強度を補正するこ
とが可能となるという知見を得た。

【００２６】またレーザ媒質１の熱レンズによるレンズ
ビームを集光するには、レーザ媒質１の端面の極率を無
限大、すなわち図２に太線Ｔ３のように平面に加工すれ
ばよいという知見を得た。

【００２７】そこで本発明の実施形態は図１に示すよう
に、レンズ媒質１の熱レンズ強度のばらつきを、レンズ
媒質１の端面を平面（レーザ媒質１ａ）５ａ，凹面（或
いは凸面（レーザ媒質１ｂ，１ｃ））５ｂに成形加工す
ることにより、レンズ媒質１の熱レンズ強度を補正する
ことを特徴とするものである。

【００２８】図１に示す本発明の実施形態では共振器ミ
ラー２，３側のレーザ媒質１ｂ，１ｃの端面を凹面５ｂ
に成形加工し、中央側のレーザ媒質１ａの端面を平面５
ａに成形加工している。

【００２９】図１において、レンズ媒質１の熱レンズ強
度にばらつきがある場合、共振器内におけるビーム軌道
が実線で示すレーザ軌道４のように大きく揺らいでしま
うが、本発明のようにレンズ媒質１の端面を平面（レー
ザ媒質１ａ）５ａ，凹面（或いは凸面（レーザ媒質１
ｂ，１ｃ））５ｂに成形加工することにより、点線６の
ようにレンズ媒質１の熱レンズ強度を補正することがで
きる。

【００３０】（実施形態２）本発明の実施形態２は、図
１に示す共振器の後段に増幅器を複数段に設置したＭＯ
ＰＡ方式の固体レーザ発振器に本発明を応用した場合の
例である。

【００３１】図１に示す本発明の実施形態１に係る固体
レーザ発振器は、レーザ媒質１の端面を平面５ａ，凹面
（又は凸面）５ｂに成形加工し、各レーザ媒質１に同一
の励起を与えたときに各レンズ媒質１の熱レンズ強度が
同一になるように各レーザ媒質１の端面の曲率を選定
し、レーザ媒質１の熱レンズ強度のばらつきを補正する
ものであるが、本発明の実施形態２に係る固体レーザ発
振器は、発振器の共振器Ｑから出射されたレーザを複数
の増幅器を通過させることにより出力を増大させる固体
レーザ発振器であって、共振器及び増幅器を構成するレ
ーザ媒質１の端面を、平面５ａ，凹面（又は凸面）５ｂ
に成形加工し、共振器Ｑを通過した後のビーム品質の劣
化割合に応じて増幅器をなすレーザ媒質１の端面の曲率
を選定してビーム品質の劣化を補正することを特徴とす
るものである。

【００３２】次に具体例を用いて本発明の実施形態２に
係る固体レーザ発振器を詳細に説明する。すなわち、本
発明の実施形態２に係るＭＯＰＡ方式の固体レーザ発振
器は、図１に示す共振器Ｑから出力されるレーザビーム
を増幅するために、共振器Ｑの後段に増幅器を複数段に
設置している。

【００３３】ここに、増幅器は、図１に示す共振器Ｑの
構成から共振器ミラー２，３を削除した構造のものであ
り、前後に配置した複数のレーザ媒質１ａ，１ｂ，１ｃ
は増幅器として機能するようになっている。したがっ
て、図１の構成を増幅器とした場合には、３個のレーザ
媒質１ａ，１ｂ，１ｃから３段の増幅器が構成されるこ
ととなる。

【００３４】図３は、本発明の実施形態２に係るＭＯＰ
Ａ方式の固体レーザ発振器のレーザ媒質１にＹＡＧ結晶
を用い、図１に示す共振器Ｑと、その後段に７個のレー
ザ媒質１からなる７段の増幅器との組合せを用い、増幅
器としてのレーザ媒質１を通過したときのビーム品質の
劣化状態を測定した図である。

【００３５】図３から明らかなように、増幅器としての
レーザ媒質１を通過するに従い、レーザビームのビーム
品質は劣化し、そのレーザビームの拡がり角は大きくな
る傾向を示している。

【００３６】図３では、５段目の増幅器（レーザ媒質
１）を通過した以降は、そのレーザビームのビーム拡が
り角の増大により増幅器（レーザ媒質１）を通過させら
れなかったことを示している。

【００３７】以上の実験結果から、ＭＯＰＡ方式のもの
では、増幅器としてのレーザ媒質１を通過することでレ
ーザビームの品質が劣化し、後段になればなるほど増幅
器（レーザ媒質１）を伝搬させることが困難になること
が分かった。

【００３８】そこで本発明の実施形態２においては、図
１に示す共振器Ｑと４段目の増幅器を構成するレーザ媒
質１は、その端面を凹面５ｂとし、かつ、その曲率を１
ｍに成形加工したものを用いている。

【００３９】ここで、増幅器を構成するレーザ媒質１
は、その端面を凹面５ｂとする場合に、その曲率を１ｍ
に成形加工したものを用いているが、増幅器をなすレー
ザ媒質１の端面の曲率は、共振器Ｑをなすレーザ媒質１
の端面の曲率よりも大きく設定したものであれば、その
曲率が１ｍである必要はないものである。さらに増幅器
をなすレーザ媒質１の端面の曲率は、共振器Ｑから離れ
るに従って拡大するように設定している。

【００４０】さらに５段目の増幅器を構成するレーザ媒
質１は、レーザ光を集束するために曲率無限大、すなわ
ち平面５ａの端面形状に成形加工したものを用いてい
る。

【００４１】実験の結果、５段目の増幅器（レーザ媒質
１）を通過させることができ、同様に６段目、７段目の
増幅器（レーザ媒質１）を、５段目の増幅器（レーザ媒
質１）と同じ端面形状のものを用いることにより、増幅
器にレーザ光を通過させることができることが確かめら
れている。

【００４２】なお、本実施形態においては、レーザ媒質
１としてＹＡＧ結晶を用い、その端面の加工形状として
曲率１ｍの凹面５ｂと平面５ａを用いたが、レーザビー
ムの品質を補正し、増幅器を通過させることが可能な形
状であれば、これに限らないことは明らかである。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、集光
器或いは増幅器を構成するレーザ媒質の端面を成形加工
することにより、集光器，増幅器の増設台数を増加する
ことができ、レーザの大出力化を容易に実現することが
でき、レーザ加工の応用範囲を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るカスケード方式の固
体レーザ発振器を説明する図である。

【図２】レーザ媒質の端面を加工したときの熱レンズ強
度の補正を説明するものであり、励起入力と熱レンズ焦
点距離の関係を示す図である。

【図３】ＭＯＰＡ方式の固体レーザ発振器における７段
増幅器のビーム品質と拡がり角の測定例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザ媒質 ２ 共振器ミラー ３ 共振器ミラー ４ レーザ媒質の熱レンズ強度が弱いときのレーザ軌道 ５ａ レーザ媒質の平面端面 ５ｂ レーザ媒質の凹面端面 ６ レーザ媒質の端面を凹面に加工して熱レンズ強度を
補正したときのレーザ軌道

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質の端面を平面，凹面又は凸面
   に成形加工し、 各レーザ媒質に同一の励起を与えたときに各レーザ媒質
   の熱レンズ強度が同一になるように各レーザ媒質の端面
   の曲率を選定し、レーザ媒質の熱レンズ強度のばらつき
   を補正することを特徴とする固体レーザ発振器。
2. 【請求項２】 発振器の共振器から出射されたレーザビ
   ームを複数の増幅器を通過させることにより出力を増大
   させる固体レーザ発振器であって、 前記共振器及び増幅器を構成するレーザ媒質の端面を、
   平面，凹面又は凸面に成形加工し、 前記共振器を通過した後のビーム品質の劣化割合に応じ
   て前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の曲率を選定して
   ビーム品質の劣化を補正することを特徴とする固体レー
   ザ発振器。
3. 【請求項３】 前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の曲
   率は、前記共振器をなすレーザ媒質の端面の曲率よりも
   大きく設定すること特徴とする請求項２に記載の固体レ
   ーザ発振器。
4. 【請求項４】 前記増幅器をなすレーザ媒質の端面の曲
   率は、前記共振器から離れるに従って拡大することを特
   徴とする前記請求項２に記載の固体レーザ発振器。