JP2001244526A - 半導体レーザ励起固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １度のパスで固体レーザロッドに吸収されな
かった励起光をレーザロッド内に高い効率で戻すことに
より、励起効率の高いＬＤ励起固体レーザ装置を提供す
る。 【解決手段】 ＬＤ励起固体レーザ装置は、励起光６
ａ、６ｂを吸収し所定波長の光を発生又は増幅する透明
円柱状のレーザロッド１と、レーザロッド１と同軸で該
レーザロッド１の外面との間に冷却媒質用の隙間２を形
成する透明な冷却チューブ３とを備える。ＬＤ励起固体
レーザ装置は、冷却チューブ３の外周側に同軸に配置さ
れ、励起光源からの励起光を冷却チューブ３を通してレ
ーザロッド１に与えるための貫通溝７が形成された実質
的に円筒形状を有する円筒状部材４と、円筒状部材４の
内面における、貫通溝７から放射状に出射される励起光
がレーザロッド１を通って最も集光する位置又はその近
傍に設けられた反射面１４とを備える。反射面１４は、
レーザロッド１に吸収されずに通過した励起光を実質的
に正反射する鏡面として形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ励起
固体レーザ装置に関し、より詳細には、高効率で高輝度
のレーザビームを発生する半導体レーザ励起固体レーザ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎｄ：ＹＡＧをはじめとする固体レーザ
媒質の光による励起方式として、ランプに比べてレーザ
媒質への吸収効率が高い、半導体レーザ励起固体レーザ
装置が近年注目されている。この固体レーザ装置では、
励起光源に、小型・高効率・長寿命の半導体レーザ（以
下、ＬＤと呼ぶ）が用いられる。特に、ＬＤ特有の線状
の発光分布と形状的に整合性の良い励起方式としては、
多数個のＬＤを、長尺な固体レーザ媒質（円筒状のもの
を以下、固体レーザロッドと呼ぶ）の側面にそのレーザ
発振光軸に沿って配列する側面励起方式と呼ばれる固体
レーザ装置が多数提案され、製作されている。

【０００３】図１６は、１９９２年発行のIEEE Journal
of Quantum Electronics誌、第２８巻の４号における
９８５〜９９７頁に記載された、ＬＤによる側面励起方
式の一例を示す断面図である。このＬＤは、紙面と垂直
な方向に長い円柱形状のＮｄ：ＹＡＧレーザロッド（固
体レーザロッド）１を有しており、この固体レーザロッ
ド１（以下、単にレーザロッドとも呼ぶ）は、内径が大
きい円柱形状の冷却チューブ３で覆われている。レーザ
ロッド１の外周面と冷却チューブ３の内面との間の隙間
には、レーザロッド１を冷却するための冷却媒質２が充
填されている。

【０００４】冷却チューブ３の外面近傍には、単位長さ
当たり４方向からレーザロッド１を取り囲むＬＤ１００
ａ〜１００ｄが配置される。この例では、固体レーザロ
ッド１の軸方向にずらして別のＬＤを設けることができ
る。例えば、固体レーザロッド１の中心軸を中心に全体
に４５°ずらしてレーザロッド１を軸方向に見た際に、
実効的に８方向（１００ａ〜１００ｈ）から励起光を照
射することができ、その場合、レーザロッド１内での励
起光吸収分布の軸対称性を高めることができる。

【０００５】同様に、特開平10-326927号公報や特開平1
0-84150号公報にも、固体レーザロッドの側面にＬＤを
近接配置する例がそれぞれ記載されている。しかし、こ
れらの公報に記載の例では、ＬＤから出射した光が、出
射直後にその半導体の発光層（活性層）に垂直な方向
に、全角３０゜程度の大きな広がり角で広がるので、Ｌ
Ｄ光を直接に、効率よくレーザ結晶内に入射させるため
には、ＬＤ自体をレーザロッド１に十分近づける必要が
ある。

【０００６】図１６の例では、ＬＤの発光位置（半導体
チップの励起光出射端面）と冷却チューブ３との間の距
離が１ｍｍまで接近されている。しかしＬＤは、発光す
る半導体チップ自体が小さくても、それを固定・放熱す
るための土台部分（マウント）やペルチエ素子や冷却水
路などのチップの冷却機構がその直ぐ周囲に必要なの
で、ＬＤ全体がレーザロッド１のロッド径と同等の大き
さになる。そのため、レーザロッド１の周囲には、単位
長さ当たりあまり多くの数のＬＤを配置することが出来
ず、高出力化が困難になっている。

【０００７】そこで、より多くの数のＬＤからの励起光
を固体レーザロッド１側面に効率よく入射させるため
に、ＬＤを直接に固体レーザロッド１に近づけるのでは
なく、励起光だけを、レンズ等の光学素子を用いて拡散
させないように整形し空間伝播させてレーザロッド１に
照射する手法が知られている。或いは、励起光を媒質内
で伝播する透明で薄い光導波媒質（以下、板状のものを
光導波板又は導波板とも呼ぶ）をレーザロッド１の側面
四方から取り囲むように配置し、光導波媒質のレーザ結
晶に相対する一端から励起光を光導波媒質中に入射さ
せ、レーザロッド１まで伝播させる手法も知られてい
る。

【０００８】図１７は、１９９５年発行のOptics Lette
rs誌（OSA）の２０巻１０号における１１４８〜１１５
０頁に記載された側面励起固体レーザ装置の一例を示す
断面図である。この固体レーザ装置では、ＬＤ１００ａ
に近接して配置された円筒レンズ１０１ａを用いて、Ｌ
Ｄの出射光１０６ａの半導体発光層（活性層）に垂直な
方向（進相軸）の成分を平行光線にする（コリメートす
る）ことで、ＬＤからの励起光を散逸させることなくレ
ーザロッド側面まで空間伝播させる。これにより、ＬＤ
本体とレーザロッド１との距離をあけることが出来るた
め、円周方向により多くのＬＤ、この例では最大９個の
ＬＤを固体レーザロッド１の単位長さあたりに配置する
ことに成功している。

【０００９】また、図１７の上記従来例では、１度の透
過で固体レーザロッド１に吸収されなかった励起光を再
びロッド方向へ反射させるための反射鏡１０４ａ、１０
４ｂ、１０４ｅ〜１０４ｇが、冷却チューブ３の外側に
固体レーザロッド１を取り囲むように配設されている。
励起光１０６ａは、反射鏡１０４ｅと１０４ｆとの間に
設けられたスリットを通して固体レーザロッド１に照射
され、レーザロッド１を透過した光は、その励起光とレ
ーザロッド１の中心とを結ぶ軸１０３ａ上に位置する円
筒面の反射鏡１０４ａの内面でロッド方向に反射する。

【００１０】同様に、レンズを用いてＬＤからの励起光
を固体レーザロッドに照射する従来例のうち、レーザロ
ッドに１回の透過で吸収されなかった光を再びロッド方
向へ効果的に反射させる構成のＬＤ励起固体レーザ装置
が特開平11-284256号公報及び特開平11-284253号公報に
それぞれ記載されている。

【００１１】特開平11-284256号公報に記載のＬＤ励起
固体レーザ装置を図１８に示す。この固体レーザ装置で
は、ロッドレンズ（図示せず）によって進相軸方向成分
がコリメートされた励起光６を、固体レーザロッド１を
取り囲む筒状体１３３の外側面に設けたスリット１３５
を通してレーザロッド１内に照射する。その際に、レー
ザロッド１の周囲に冷却媒質を流し且つ凸レンズ作用を
抑制するための筒状体１３３に励起光が通過すること
で、レーザロッド１に吸収されなかった励起光６ｔがレ
ーザロッド１を通過してから、レーザロッド１の形状等
に起因する凸レンズ作用によってロッド近傍で一旦集光
する。

【００１２】集光した励起光６ｔは、再びそれほど広が
らないうちにレーザロッド１の中心軸に対し励起光の入
射方向と相対する方向に設けられた反射鏡１３４ｒに到
達して、レーザロッド１側に反射する。これにより、レ
ーザロッド１の中心軸に垂直な方向での反射面上の長さ
ｄを小さく出来るので、より数多くのスリットをレーザ
ロッド１の周囲に設けても、スリット１３５から励起光
が外部に漏れることは少なく、高効率で高出力動作させ
ることが可能である。

【００１３】また、特開平11-284253号公報に記載のＬ
Ｄ励起固体レーザ装置を図１９に示す。この固体レーザ
装置は、固体レーザロッド１を囲む冷却チューブ３の外
周の一部に、励起光を反射するための反射層１４４が設
けられ、冷却チューブ３の一部に配設された反射層が無
い領域から、励起光をレーザロッド１に照射する構成を
備える。

【００１４】図２０は、特開平4-35077号公報に記載さ
れた側面励起固体レーザ装置を示す断面図である。これ
は、結合光学系（いわゆるレンズ）による結合空間伝播
ではなく、光導波媒質を用いた例である。この固体レー
ザ装置では、平行平板状の光伝導体である光導波媒質１
０５ａ〜１０５ｃが、レーザロッド１の側面に一端面を
密着又は近接させて配置されている。光導波媒質１０５
ａ〜１０５ｃの他端面に近接する励起用の半導体レーザ
１００ａ〜１００ｃから発せられた励起光が、光導波媒
質１０５ａ〜１０５ｃに導波されつつ固体レーザロッド
１に向かう。

【００１５】また、特開平7-94813号公報、特開平10-13
5539号公報、あるいは特開平11-17252号公報には、ＬＤ
と導波媒質との光エネルギーの結合を改善するために、
ＬＤ側で開口部が大きい楔型のガラスプレートを導波媒
質として固体レーザロッドの周囲に配置する方式が記載
されている。

【００１６】ここで、光導波媒質を用いて側面励起を行
った従来例のうちで、固体レーザロッドに１回の透過で
吸収されなかった光をロッド側へ反射させる構成のもの
を図２１、図２２にそれぞれ示す。図２１は、特開平8-
181368号公報に記載されたＬＤ励起固体レーザ装置の要
部を示す図である。この固体レーザ装置は、固体レーザ
ロッド１の側面の相対する２方向から、板状の光導波板
１１５ａ、１１５ｂを通してレーザロッド１に励起光を
照射する構成を有する。ＬＤが、光導波板１１５ａ、１
１５ｂの一端に近接し、或いは、レンズを通して光導波
板１１５ａ、１１５ｂに励起光を導くように配置され
る。この例では、固体レーザロッド１及び冷却チューブ
３の外側に拡散型の反射体１１４を設けたことで、光導
波板１１５ａ、１１５ｂからロッド方向へ放射された励
起光が、レーザロッド１内で直接吸収されるよりも、周
囲の拡散反射体で一度あるいは複数回反射されてレーザ
ロッド１に到達し吸収されることで、レーザロッド１内
の励起光吸収分布をレーザロッド１の径方向に対して均
一化している。

【００１７】また、図２２に、特開平10-275952号公報
に記載されたＬＤ励起固体レーザ装置の要部を示す。こ
の固体レーザ装置では、４方向から固体レーザロッド１
に励起光１１６を照射して固体レーザロッド１の励起を
行うが、光導波板１１５ａ〜１１５ｄを介して励起光を
固体レーザロッド１に導入する際に、レーザロッド１の
中心と照射される励起光との光軸をずらしている。つま
り、個々のＬＤから発射される励起光の光導波板１１５
中での励起光軸１１７は、固体レーザロッド１の中心軸
から所定距離１１８だけずれており、さらにこの軸ずれ
量を一定にして、固体レーザロッド１の断面内での発熱
分布をほぼ均一にしている。

【００１８】図２３は、特開平11-163446号公報に記載
されたＬＤ励起固体レーザ装置を示す断面図である。こ
の固体レーザ装置では、光導波板１２５のレーザロッド
１側の励起光出射端面が、光導波板１２５からの励起光
の光軸に直交する方向に対して傾斜し、出射される励起
光１２６ｔをレーザロッド１から大きくずらすことで、
光導波板１２５から出射された励起光エネルギーのほと
んどをレーザロッド１に直接に入射させない方式を採
る。この例では、固体レーザロッド１への入射に先立っ
て、励起光エネルギーが、拡散反射効果を持つ反射面１
２４で、一旦広い範囲に拡散し（矢印１２６ｒ）、レー
ザロッド１の周囲から分散して吸収され、これにより、
励起光吸収分布が軸方向で平坦化される。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来のＬＤ励起
固体レーザ装置は何れも、以下に示すような課題を有す
る。まず第１に、固体レーザロッドを一旦通過した励起
光の再利用効率が低い、長期間にわたって高い利用効率
を維持することが難しい、或いは、所要の構成を達成す
るためには技術的な難度が高く高価格や製作トレランス
が狭くなる等の点である。

【００２０】例えば、図１６や図２０に示した従来例で
は、励起光を反射させる機構が存在せず、励起光を導入
するための開口があるので、レーザロッド１を一旦透過
しレーザロッド１に吸収されなかった励起光は、その大
部分が外部に散逸して励起に寄与しないため、レーザ装
置の効率が損なわれることになる。

【００２１】図１９に示した従来例では、円筒形状の冷
却チューブ３の外側面にスリットを有する反射膜を形成
することが技術的に難しく、これに伴って高価格を招
く。また、励起光に対する反射防止膜をスリット領域に
設けない場合には、励起光の一部が反射して固体レーザ
ロッド１に到達せず励起効率が低下することになり、反
射防止膜を設けた場合には却って価格がより高くなる。
さらに、装置組立て時には、ＬＤの励起光とチューブ側
面のスリット領域との厳密な位置合わせが必要で組立て
工程が複雑になり、高度な組立て精度が必要となる。

【００２２】また、図１７に示した従来例では、ＬＤと
対向する方向の冷却チューブ３の外側に別途反射鏡を設
けているが、一般に平行光線で円筒形状の固体レーザロ
ッド１に入射させた場合、励起光は固体レーザロッド１
を透過した後、一旦集光しそこから大きく発散する。こ
のため、反射鏡１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｅ〜１０４
ｇで反射して再度レーザロッド１内に到達する前に、他
のスリットから外部に散逸する可能性がある。さらに、
励起光の方向を増やし、或いは、励起光の入射トレラン
スを大きくするためにスリットを大きくすると、外部に
励起光が漏れ出る割合が増大する。

【００２３】図１８に示した従来例では、透過した励起
光はそれほど広がらずに反射鏡１３４ｒに到達するとあ
るが、図１７に示した従来例と同様に、固体レーザロッ
ドの凸レンズ効果によってレーザロッド透過後に一旦集
光してから、反射鏡面上では幅が小さいとはいえ広がっ
ている。このため、多方向から励起光を供給するために
開口を増やした場合には、反射鏡１３４ｒのレーザロッ
ド１の光軸に垂直な方向の幅が狭くなり、励起光を反射
している反射鏡の直ぐ隣りの開口から励起光が大きく漏
れ出すおそれがあるので、励起光の照射方向の増加が困
難である。また、凸レンズ効果を緩和するための筒状体
１３３が厚肉となるため、重量が重くなって取り扱いが
難しく、高価格を招く。

【００２４】図２１〜図２３に示した従来例では、固体
レーザロッド１に吸収されなかった励起光が、集光器内
面に設けられた拡散反射面で反射し、最終的には高い確
率で再び固体レーザロッド１内に入射することを期待す
る設計となっている。この構成では、固体レーザロッド
１を透過した光、或いは直接に反射鏡に到達した光が、
拡散反射面で広い角度にわたって反射するので、励起光
の外部への逃げを少なくするために拡散反射面に励起光
を導入する開口を小さくし、その数も少なくする必要が
ある。

【００２５】しかしながら、拡散反射面自体の反射率が
高くても反射した光は広い範囲に拡散されるので、励起
光が必ずしも直ぐにレーザロッド方向に反射するとは限
らず、レーザロッドに吸収されずにレーザロッドの周り
を周回するような光路も存在する。拡散光の吸収率は、
固体レーザロッド１の断面積と拡散反射面の断面積との
比で決まることがよく知られており、反射光を有効に固
体レーザロッド１に吸収させるためには、レーザロッド
１及び拡散反射面の双方の断面積を同程度にする必要が
ある。

【００２６】しかし実際には、冷却水や冷却水を流すた
めの冷却用チューブ３が、レーザロッド１と拡散反射面
との間に必要であるため、レーザロッド１内に吸収され
ない励起光の割合がさらに高くなる。加えて、長時間に
わたって使用した場合には、拡散反射面の時間的な変質
や汚れ、或いは、光による変質や汚れによって反射率が
著しく低減し、反射光が有効に吸収されない割合が一層
増大する可能性がある。

【００２７】光導波媒質を用いた従来例においてもまっ
たく同様な課題がある。また、拡散反射方式では励起光
を導入する開口を小さくする必要があることから、特に
高出力動作を可能にするために、より多くのＬＤ励起光
を光導波板内に絞り込む必要がある。そのためレンズを
用いるが、レンズ部分では必ず５〜１０％の光の損失が
発生すると同時に、位置合わせなどの調整が必要にな
る。また、レンズの分だけコストが余分にかかることに
なる。

【００２８】さらに、従来例における第２の課題とし
て、加工用ＬＤ励起固体レーザとして最適な励起光吸収
分布が得られないという点が挙げられる。固体レーザ装
置の産業的な高性能化としては、励起エネルギーに対す
る固体レーザ出力エネルギーの比、いわゆるエネルギー
変換効率を向上させることと、出射されるレーザビーム
の輝度が高い、いわゆるその後の光学系によって細く絞
れるビームであることとの２点が重要である。これらを
満たすために、励起と固体レーザロッドとに課せられる
条件を以下に示す。

【００２９】まず、エネルギー変換効率を高めるために
は、固体レーザロッド内の発振モード体積と励起光の吸
収分布との重なりが良好であることが重要である。固体
レーザロッド内の発振モード体積は、最も広がる場合で
もレーザロッドの側面では回折や散乱損失（いわゆるア
パーチャ効果）によって、レーザロッドの全体よりもや
や中央よりに小さくなることが知られている。すなわ
ち、レーザロッド側面近傍で吸収された励起光エネルギ
ーは、レーザエネルギーには変換されず無駄になる。

【００３０】従って、同じ励起であれば、励起光はでき
るだけレーザロッドの中心付近で吸収させた方がエネル
ギー変換効率が高い。また、レーザビームの輝度を上げ
るためには、同じレーザモード体積でも、より低次横モ
ードの電界成分を多くする必要がある。良く知られるよ
うに、低次の横モードの電界は、レーザロッドの光軸の
より中心に大きな電界振動成分を有するので、同じく励
起光をよりレーザロッドに中心で吸収させ利得を上げる
ことにより、低次の横モードが優先的に発振する。逆
に、レーザロッド周囲で励起光吸収エネルギーが減少す
れば、高次モードの発振が抑えられるので、レーザビー
ムの輝度は向上する。

【００３１】上記観点で従来例を見る。図２４及び図２
５は、従来例の構成において目標又は結果として得られ
るレーザロッド内の励起光吸収強度分布を示すグラフで
ある。図２４は図１７の構成で得られた結果である。横
軸６３、６４はレーザロッドの径方向をそれぞれ示し、
縦軸６１は励起光吸収強度を示す。レーザロッドの中心
位置を６２、レーザロッドの側面の位置を６３ｅ、６４
ｅ、得られたレーザロッド内の励起光吸収強度を６７で
それぞれ示す。

【００３２】既に、エネルギー変換効率やビームの輝度
を上げるためには励起光の吸収をよりレーザロッドの中
心部分に集中させる必要があると述べた。発明者は、実
験的見地から、図２４に示すようなロッド周囲に比べ、
中心部で４倍以上高い励起密度で極端に励起光を中央部
に集中した分布や、励起光吸収エネルギーが１５×１０
⁸Ｗ／ｍ³より高い場合、逆にレーザ特性が大きく劣化
し、レーザ出力が低下し、或いは、ビーム輝度が劣化す
る現象を見い出した。これは、ロッド側面に比してロッ
ド中央の励起吸収エネルギーを上げ過ぎると非常に大き
な温度勾配が発生し、熱レンズ効果が大きくなると同時
に、屈折率の温度依存性の非線形性から非線形のレンズ
効果が大きくなることに起因する。また、同時に温度勾
配による歪みによって大きな複屈折が生じ、回折損失が
大きくなるからと考えられる。

【００３３】一方、図２５は、図２１及び図２２の従来
例の構成において目標とするレーザロッド内の励起光吸
収強度を示す。各符号が示す対象は図２４と同様であ
る。図２５から、レーザロッドの径方向でほぼ一様にし
たのでは、先に述べた理由によって高効率で高輝度のレ
ーザ光を得ることが困難であることが分かる。また、図
１６及び図１７の従来例でも、ロッド中心部分の励起分
布を高めるということが明記されているが、これらの従
来例が産業的に優位であるのは、単にロッド中心だけが
高ければ良いという、励起分布では最適ではないという
ことである。

【００３４】従来例における第３の課題は、励起分布に
おける制御の自由度の幅が狭いという点である。図２２
の従来例では、固体レーザロッドの中心に光導波板から
出射された励起光が集中しないように、光導波板内を導
波する励起光の光軸をレーザロッドの中心軸に対して特
定の距離を有するように配設する方式が提案されてい
る。この従来例における励起強度分布は、本発明が目的
とする分布とは全く異なるが、そのレーザロッドの中心
軸に対する励起光の軸ずれ量というものが、光導波板を
固定・保持する集光器で決定されるので、それを変更す
る場合には集光器ごとに新しく作り替える必要がある。

【００３５】固体レーザロッド内における発熱分布を均
一化するための励起光の軸とレーザロッドの軸芯との最
適なずれ量は、レーザロッドの径や発振元素の密度、励
起波長や導波板から出射した励起光強度、強度分布、ロ
ッド側面に流す冷却媒質の温度、流速などの条件によっ
て大きく変化する。従って、それらの条件が変更される
度に最適なずれ量をもつ集光器をすべて新しく作製する
必要があり、非効率的で、装置の製造コストの低下が極
めて困難である。

【００３６】さらに、図２３に示した従来例では、光導
波板のレーザロッド側の励起光出射端面を所定の角度に
傾斜させ、励起光の光軸をレーザロッドから大きくずら
し、ほとんどの励起光をロッド周囲の拡散反射面に一旦
当てることにより、効果的に励起光をレーザロッドの周
囲で拡散させ、レーザロッド内での吸収を均一にするこ
とを目的としている。しかし、前述したように、効率や
レーザ光の輝度を向上させるには、レーザロッドの中心
に高い吸収分布を持たせることが重要であり、図２３に
示した励起方法では加工に有用なレーザビームを得るこ
とが出来ない。

【００３７】また、図１６に示したＬＤ光を直接照射す
る構成、或いは、図１７に示した円筒レンズを用いた構
成では、ＬＤの放射角のばらつきなどで励起の形状がば
らつく等の第４の課題を抱えている。このため、固体レ
ーザの動作が不安定になり、或いは、レーザごとに出力
特性が大きく変化する等の問題が発生する。また、ＬＤ
やレンズの取り付けの誤差に起因して、固体レーザロッ
ドへの励起光の位置や励起ビームの大きさ、形状が大き
く変化するおそれがある。これは、励起光の伝搬に用い
られる光学系が結像光学系であるからである。さらに、
結像光学系であるが故に光学系を介して、レーザロッド
で反射された励起光の戻り光がＬＤの発光位置である活
性層に集中して、ＬＤの動作が不安定になり、或いは、
寿命が著しく短くなる可能性がある。

【００３８】非結像光学系である光導波板を用いた、上
記第４の課題を避け得る図２１〜図２３の従来例では、
光導波板から励起光が再び外部へ漏れ出るのを防ぐため
に、光導波板の厚みを極力薄く、しかも洩れ光を少なく
するために数を削減する必要がある。しかし、これでは
光導波板１枚当たりに、より多くの励起光を注入すると
共に、レンズで励起光を細く絞り込む必要がある。この
場合に、上述したアライメントが難しくなり、光学的な
損失の問題が避けられない。

【００３９】本発明は、上記に鑑み、１度のパスで固体
レーザロッドに吸収されなかった励起光をレーザロッド
内に高い効率で戻すことにより、励起効率の高い半導体
レーザ励起固体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００４０】本発明はさらに、上記目的を達成した上
で、簡素な構成を有しながらも、レーザ光線を用いた加
工に好適な高ビーム品質のレーザ光線を発生し、装置信
頼性を向上させることができる半導体レーザ励起固体レ
ーザ装置を提供することを目的とする。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、励起
光を吸収し所定波長の光を発生又は増幅する透明円柱状
のレーザロッドと、該レーザロッドと同軸で該レーザロ
ッドの外面との間に冷却媒質用の隙間を形成する透明な
冷却チューブとを備えた半導体レーザ励起固体レーザ装
置において、前記冷却チューブの外周側に同軸に配置さ
れ、励起光源からの励起光を前記冷却チューブを通して
前記レーザロッドに与えるための光出射口が形成された
実質的に円筒形状を有する円筒状部材と、前記円筒状部
材の内面における、前記光出射口から放射状に出射され
る励起光が前記レーザロッドを通って最も集光する位置
又はその近傍に設けられた反射面とを備え、前記反射面
が、前記レーザロッドに吸収されずに通過した励起光を
実質的に正反射する鏡面に形成されることを特徴とす
る。

【００４２】本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置
では、光出射口から放射状に出射される励起光がレーザ
ロッドを通って最も集光する位置又はその近傍に反射面
を有するので、光出射口と反射面とがほぼ共役の関係を
満たす構造が可能になる。この場合、光出射口から出射
された励起光が、レーザロッド内をその中心軸と直交す
る方向に平行光線として進行することになり、レーザロ
ッド内で吸収されずに通過した励起光が反射面上又はそ
の近傍で最も集束し、実質的に拡散することなく反射す
ることができる。これにより、反射された励起光が、同
様の経路を通ってレーザロッド側に戻るので、透過した
励起光のほとんどのエネルギーを再度レーザロッド内に
効率良く戻して吸収させることが出来、励起固体レーザ
装置の効率を大幅に向上させることが出来る。

【００４３】これは、適切に配置されたレンズによって
光線が集光と発散とを繰り返す光学原理を利用してお
り、ちょうどレーザロッドあるいはその周囲の冷却水、
冷却チューブなどが円筒レンズとして機能し、励起光が
光出射口から発散しながらレーザロッド内に入射する。
励起光はレーザロッド内ではコリメートされて進行し、
吸収されなかった励起光は、反射面上又はその近傍に集
光して反射され、全体としてほぼ元の光路を遡って固体
レーザロッドに再度入射する。例えば、励起光源からの
励起光を光出射口に導く光導波媒質を円筒状部材に支持
した場合、反射面上では、励起光が光導波媒質の開口
（スリット）程度にまで集光されることになるので、狭
い幅の反射面でも励起光を十分にレーザロッドに向けて
反射することが出来る。従って、レーザロッドの単位長
さ当たりの励起密度を上げるために光導波媒質の数を多
くし、開口部の数が増え必然的に隣り合う光導波媒質の
間隔が狭くなり、反射面の幅が狭くなるような場合で
も、励起光が他の光導波媒質から外部へ漏れることが少
なく、効果的にレーザロッドへ反射吸収させることが出
来る。これにより、励起効率が大幅に高まる。

【００４４】ここで、前記円筒状部材に支持され、前記
励起光源からの励起光を前記光出射口に導く光導波媒質
を更に備え、前記光導波媒質は、前記冷却チューブを臨
む励起光出射端面まで励起光を媒質内部に閉じ込めて伝
播させるための対向する表面と裏面とが略平行に形成さ
れ、励起光を導入する励起光導入端面及び前記励起光出
射端面の双方における厚みが略同じ平行平板形状を有す
ることが好ましい。

【００４５】光導波媒質の励起光導入端面の近傍に、励
起光源を成す半導体レーザ素子が配設される場合、半導
体レーザ素子から出射された励起光をレンズを介さずに
光導波媒質に直接に入射することが出来る。光導波媒質
は、レーザロッドの光軸方向に投影した面上で、レーザ
ロッドの中心軸と光導波媒質からの励起光の光軸とを結
んだ線に平行な平板形状であれば製造が容易になり、部
品価格の低下と共に高い寸法精度も実現することが出来
る。その際、半導体レーザ素子を光導波媒質の厚みの１
／２程度の距離まで近づけることで、励起光をレンズ等
を介さずに９８％以上のエネルギーを光導波媒質内に入
射させることが可能であり、レンズによる光学的な損失
を低減し、部品点数の削減による低価格化の実現を図る
ことができる。

【００４６】具体的には、光導波媒質を、励起光出射端
面がレーザロッドの延在方向と平行な長方形状を成し、
厚みが１．３ｍｍ以上１．８ｍｍ以下の形状にすること
ができる。つまり、光導波板の厚みを厚くすることで、
光導波板と半導体レーザとの相対位置の許容範囲幅が広
がり、組立て時のトレランスが大きくなるが、レーザロ
ッドの周囲に配置することを考えると、レーザロッドの
径と励起方向の数とが同じであれば、光導波板の厚みが
増すほど、対向する反射面の面積が小さくなるために、
励起光が他の開口から外部に抜け出る可能性が高くな
る。従って、光導波板の厚みには実用的に最適な値が存
在する。

【００４７】図７は、本発明の請求項３による作用効果
を説明するものとして、レーザロッドの中心軸方向に見
た際の光導波板と励起用の半導体レーザ（ＬＤ）との位
置関係を示す図である。光導波板２５はレーザロッド
（図示せず）の中心軸に垂直な方向に１．５ｍｍの厚み
２８を有し、半導体レーザチップ２０は活性層の発光点
２１から励起光６を特定の広がり角、典型的には３０度
全角で放出する。励起光６の光軸２３と光導波板２５の
中心２４とのズレ量を２６、ＬＤチップ２０の発光端面
と光導波板２５の入射面との距離を２７とする。

【００４８】また図８は、ＬＤチップ２０から出射され
た励起光が光導波板２５に伝搬し、レーザロッドに向け
て照射される透過率を測定した結果を示す図である。縦
軸３１は励起光透過率を示す。横軸はＬＤチップ２０の
光軸と光導波板２５の中心とのズレ量２６を示し、横軸
３３は図７におけるヒートシンク２２と反対の方向、横
軸３４はヒートシンク側の方向を示す。３７は、ＬＤチ
ップ２０と光導波板２５との距離２７が０．５ｍｍの
時、３８は距離２７が１ｍｍの時における透過特性をそ
れぞれ示す。これにより、距離２７が０．５ｍｍであれ
ば、ＬＤチップ２０の光軸と光導波板２５の中心軸との
ズレ量２６のトレランス３５が１．０ｍｍであることが
分かった。

【００４９】距離２７を１ｍｍにした場合でも、トレラ
ンスとして０．５ｍｍが得られた。ＬＤチップ２０と光
導波板２５との結合にレンズを使わなければ、これらの
トレランス内で透過率は９８％以上得られることが分か
った。これらのトレランスは、図７に示す光導波板２５
の励起光入射端面（励起光導入端面）２５ｉと、光導波
板２５の厚み２８と、ＬＤチップ２０の発光点との距離
２７との比でほぼ決定されるため、光導波板が薄くなる
とそれと同じ割合でＬＤチップ２０を光導波板に近づけ
ないと同じ透過率が得られず、しかもこれに比例してト
レランスが狭くなる。従って、光導波板が厚いほどトレ
ランスは大きくなるが、反射面における開口が大きくな
るために、励起光の外部への漏れが大きくなり、或い
は、導入できる光導波板の数が多くできなくなる。本発
明者は、理論的及び実験の結果から、９方向から励起す
る場合の光導波板の厚みとして１．３ｍｍ以上、１．８
ｍｍ以下が最適条件であることを見出した。

【００５０】また、前記円筒状部材に支持され、前記励
起光源からの励起光を前記光出射口に導く光導波媒質を
更に備え、前記光導波媒質は、前記冷却チューブを臨む
励起光出射端面まで励起光を媒質内部に閉じ込めて伝播
させるための対向する表面と裏面とが所定の角度をな
し、励起光を導入する励起光導入端面における厚み寸法
が前記励起光出射端面の厚み寸法よりも大きい略くさび
形状を有することも好ましい態様である。この場合、励
起光源からの励起光の導入効率を一層向上させることが
できる。

【００５１】ここで、前記励起光出射端面を、前記光導
波媒質から出射される励起光の光軸と直交し且つ前記レ
ーザロッドの中心軸と平行な平坦面に形成することがで
きる。

【００５２】或いは、上記に代えて、光導波媒質から出
射される励起光の光軸と直交し且つレーザロッドの中心
軸と平行な平面に対して、励起光出射端面が所定の角度
を有するように構成することも好ましい態様である。こ
れにより、励起光出射端面を、励起光の光軸をレーザロ
ッドの中心軸から所定距離離隔させ得る傾斜面とする。
この場合、励起光出射端面から出射される励起光は、回
折によってレーザロッドの中心軸に対する所定の角度で
進行するので、レーザロッド内に入射する際にはレーザ
ロッドの中心軸に対して特定の距離だけずれることにな
る。ここで、光導波媒質の傾斜した励起光出射端面から
出射される励起光のエネルギーの７０％以上９９％以下
が、反射されることなくレーザロッド内に入射すること
が好ましい。

【００５３】励起光出射端面が傾斜面とされる場合、レ
ーザロッドに入射する励起光の強度ピークとロッド中心
との距離のずれ量は、光導波板の励起光出射端面の傾
き、及び、レーザロッドと光導波板の励起光出射端面と
の間の距離によって自由に可変制御することが出来る。
つまり、光導波板以外の集光器本体の構造は同一でも、
光導波板単独でずれ量を変更することが出来る。このた
め、レーザロッドの径や発振元素の密度、励起波長や光
導波板から出射した励起光強度、強度分布、レーザロッ
ド側面に流す冷却媒体の温度、流速や所要のレーザ出力
などによって、最適条件の変化する励起光ピークの位置
とレーザロッドの中心軸との距離を変える必要が生じた
場合でも、励起光出射端面が所望の角度傾いた光導波板
を用いることで対応することが出来、集光器本体の交換
を不要にできる。

【００５４】また、量産した同一構造の集光器を用い
て、光導波板のみを交換するだけで様々な励起条件を実
現出来るので、様々な仕様のレーザ装置を廉価に製作す
ることが出来る。なお、本発明では、上述のように、光
導波媒質から出射された励起光のエネルギーのうち少な
くとも７０％以上がレーザロッド内に入射することを目
的としており、図２３に示した従来例のように、励起光
を直接にレーザロッドに照射しないように単に光路を大
きく変えることが目的ではない。

【００５５】図１３は、光導波板の励起光出射端面の傾
きを変えることで、レーザロッド内の励起光の吸収分布
が様々に可変できる様子を計算で示したものである。こ
れは、外径φ５ｍｍのNd:YAGレーザロッドの周囲から等
角度間隔の９方向から励起した場合のレーザロッド内の
径方向の吸収分布を計算したものである。横軸６３、６
４はレーザロッドの径方向をそれぞれ示し、縦軸６１は
励起光エネルギー吸収密度を示す。レーザロッドの中心
位置を６２、レーザロッドの側面の位置を６３ｅ、６４
ｅ、得られたレーザロッド内の励起光吸収強度を６７
ａ、６７ｂでそれぞれ示す。６７ａは励起光出射端面を
傾斜させず励起光の光軸がレーザロッドの中心軸に一致
している場合、６７ｂは出射端面を５度傾けた場合の励
起光吸収強度分布をそれぞれ示す。光導波板の励起光出
射端面とレーザロッドの中心との距離は５ｍｍを仮定し
た。

【００５６】光導波板の励起光出射端面を５度傾けるこ
とにより、ロッド中心部分での急峻な吸収ピークがなだ
らかになり、熱レンズ効果の緩和が期待できる。また、
上記計算結果からは、さらに傾斜角度を大きくした場合
に、ロッド中心部分での強度が低下し且つ周囲が持ち上
がった、図２５に示したような平坦に近い吸収分布が得
られる。この場合には、吸収エネルギーがロッド周囲に
分散し、レーザ発振効率が低下することになる。

【００５７】さらに、前記円筒状部材には、前記光導波
媒質が前記レーザロッドの中心軸を中心として所定角度
間隔で複数個支持されることが好ましい。この場合、励
起光源及び光導波媒質によって、レーザロッドを中心と
する複数の方向からレーザロッドを効果的に励起するこ
とが出来る。各光導波媒質の前記励起光出射端面は、円
周方向に見て同じ方向に傾斜していることが好ましい。

【００５８】ここで、前記光導波媒質が、前記レーザロ
ッドを中心とする少なくとも９カ所に配設されることが
好ましい。レーザロッドを中心として等角度間隔でより
多くの方向に励起光源を配置すれば、より対称性の良い
励起光吸収分布が形成できる。本発明者により、レーザ
ロッドを中心として等角度間隔にそれぞれ３方向、５方
向、９方向から励起した場合のワンパスの励起光吸収分
布を計算した結果、９方向から励起することで、３方向
又は５方向のときに顕著にみられる励起光方向に盛り上
がる励起光吸収分布が平均化されて消失し、ほぼ同心円
状の分布が形成されることが解明された。この分布が同
心円状であるということは、外部に設けたレンズなどに
よって熱レンズ効果によるレーザビームの波面の変形が
低損失に補正でき、レーザ発振を安定に、しかも高いビ
ーム品質で動作させることができる。

【００５９】また、レーザロッドの外周面の曲率半径を
ｒ、レーザロッドの屈折率をｎとするとき、レーザロッ
ドの中心軸から光導波媒質の励起光出射端面までの距
離、及び、レーザロッドの中心軸から反射面までの距離
の双方が、ｎｒ／（ｎ−１）の値を満たすことが望まし
い。しかし、実際には、ｎｒ／（ｎ−１）は、特に冷却
水や冷却チューブの屈折率がレーザロッドに比して低い
場合によく近似される関係式であり、ｎｒ／（ｎ−１）
の値は、厳密には冷却水や冷却チューブ側面での屈折を
も含めて考慮する必要がある。従って、ｎｒ／（ｎ−
１）の値の±３０％以内の値、より好ましくは±２０％
以内の値を満たすように双方の距離を設定する必要があ
る。これにより、光導波媒質から出射された励起光が、
レーザロッド内ではほぼコリメートされ、レーザロッド
を透過した光がその対向する反射面に向かって集光する
ように進行し、しかも反射面近傍で最も集光する構造が
実現する。

【００６０】更に、前記反射面が、前記円筒状部材の内
面に沿った一様な曲面形状を有することが好ましい。こ
の場合、簡単な工程で反射面を得ることができる。

【００６１】或いは、上記に代えて、前記円筒状部材の
内面が前記レーザロッドを中心とした正多角形状を成
し、該正多角形状の各面に前記反射面が形成されること
も好ましい態様である。この場合、レーザロッドの中心
軸に関して各光導波媒質の励起光出射端と対応する反射
面がそれぞれ平坦面となるので、反射面の母材や支持材
の製造が極めて容易になって歩留まりが向上すると共
に、価格の低下が実現出来る。また、反射面の製作精度
が一層向上し、性能のばらつきが小さくなるので、装置
全体の製作精度がより向上する。従来例では、反射面は
すべて曲率を有していた。本発明では、反射面近傍で励
起光が集光するような構成にすることで、反射面の曲率
にあまり依存せず、反射面がたとえ平面であってもそこ
で反射した励起光は散乱することなく再びロッド内に導
くことができる。

【００６２】また、前記反射面は、前記円筒状部材の内
面に少なくとも１μｍ以上３μｍ以下の厚みで形成され
た金を含む金属膜で構成されることが好ましい。この場
合、反射面上に金属膜をメッキ又は蒸着・スパッタ等で
形成できるので、周知の製造方法を用いて、励起光を良
好に反射させる反射面を廉価に得ることが出来る。ま
た、金属膜の厚みを１μｍ以上３μｍ以下とすること
で、励起光の確実な反射が可能になり、しかも厚みをや
や厚くすることで膜表面の平坦度も改善出来るので、反
射率をさらに高めることができる。

【００６３】ここで、前記光導波媒質の励起光出射端面
には、励起光の波長において光線の垂直入射（入射角
０）状態から入射角が増大するに従って反射率が増大す
るコーティング膜が施されていることが好ましい。具体
的には、コーティング膜は、励起光の励起光出射端面へ
の入射角が２０゜のときに少なくとも５０％以上８０％
以下の反射率を有する。

【００６４】この場合、光導波媒質から一旦出射した励
起光がレーザロッドに吸収されずに光導波媒質に戻って
きた場合でも、角度が大きくずれた光は光導波媒質内に
は入射せずにロッド側に再び反射する。光導波媒質から
一旦出射された励起光は、ほとんどがレーザロッド内に
入射するが、一部は冷却チューブやロッド側面などで反
射する。これらの光が他の光導波媒質の励起光出射端面
に到達する際に、通常２０゜よりも大きな入射角度を有
すると考えられる。従って、上述のようなコーティング
膜を励起光出射端面に施すことにより、それらの励起光
を効果的に反射して再びレーザロッド内に戻すことが出
来る。

【００６５】具体的には、前記レーザロッド中心におけ
る励起光エネルギー吸収密度を、５×１０⁷Ｗ／ｍ³以上
１５×１０⁸Ｗ／ｍ³以下として、前記レーザロッド側面
における励起光エネルギー吸収密度よりも２〜３倍高く
する。この場合、発生するレーザビームとの良好なビー
ム重なりを有する励起光吸収分布で、且つ、低次の横モ
ードを優先的に発振させることが出来、さらに熱歪みに
よる光学損失やレーザロッドの機械的強度を産業的に実
用的な範囲内に納めて、高効率で高い輝度を有するＬＤ
励起固体レーザ装置を構成することが出来る。

【００６６】図１７に示した従来例は、図２４に示した
ようにロッド中心で側面の４倍以上の励起光エネルギー
吸収密度の差を持つように設計されているが、本発明者
の実験的知見によれば、図１２に示すように、ロッド中
心における励起光エネルギー吸収密度とロッド側面の励
起光エネルギー吸収密度との比が２倍から３倍（２倍以
上３倍以下）の間でロッド中心の励起光エネルギー吸収
密度が高い場合が最適である。これより比率が高いと
き、同じ励起エネルギーでもレーザ出力が低下し、不安
定になり、或いは、ビームの輝度が劣化する等の現象が
観測された。また逆に、上記比率が小さいとき、同じ励
起でもレーザ出力が低下し、或いは、出射ビーム品質が
劣化する等の現象が観測された。これは主に、エネルギ
ー変換効率の低下や高次モードの発振比率が増加したこ
とによると考えられる。さらに、励起のロッド周囲と中
心との比率が保たれていても、励起エネルギーを全体に
上昇させた場合に、ロッド中心の励起光エネルギー吸収
密度が１５×１０⁸Ｗ／ｍ³以上まで高くなると、レーザ
出力が低下し、或いは、不安定になる等の現象が観測さ
れた。

【００６７】また、前記光導波媒質の励起光導入端面に
おける励起光のエネルギーが、各光導波媒質における１
ｃｍあたり１０Ｗ以上２０Ｗ以下であることが好まし
い。この場合、レンズ等を用いて光導波板内に複数の半
導体レーザからの光を集光させることなく、現在最も普
及している単体チップの半導体レーザを直接に光導波媒
質に近接して用いることが出来るので、高効率のＬＤ励
起固体レーザ装置を廉価に構成することができる。しか
も近年、１ｃｍ当たり４０Ｗ以上のレーザ出力を供給で
きる半導体レーザも普及してきており、それらを定格の
半分以下の光出力で用いることで寿命の１桁程度の大幅
な増加が期待でき、レーザ装置の信頼性も向上できる。

【００６８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１
は、本発明の第１実施形態例のＬＤ励起固体レーザ装置
におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で断面
した図である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド１は、供給さ
れる励起光を吸収し所定波長の光を発生又は増幅するも
ので、半径（ｒ）が２．５ｍｍの透明な円柱形状を呈す
る。固体レーザロッド１の周囲には、外径半径が５ｍｍ
の石英ガラス製の透明な冷却チューブ３が同軸に配設さ
れ、レーザロッド１と冷却チューブ３の間の隙間２に
は、レーザロッド１を冷却するための純水がレーザロッ
ド１の軸方向に流れるように充填されている。

【００６９】レーザロッド１の外側面は、励起光の散乱
を回避するために凹凸無く十分に研磨されている。ま
た、冷却チューブ３の内側面及び外側面も同様に凹凸無
く研磨され、冷却チューブ３の外側面には、励起光に対
して反射率を下げる反射防止膜が誘電体で形成されて、
励起光が冷却チューブ３に入射する際に反射で散逸する
現象を回避している。冷却チューブ３の周囲には、内径
半径が６ｍｍでステンレス製の、実質的に円筒形状を有
する円筒状部材４が、所定の保持手段によって、冷却チ
ューブ３と所定の隙間をあけて同軸に配置されている。
レーザロッド１と冷却チューブ３とは中心軸方向に略同
じ長さを有しており、円筒状部材４は、中心軸方向に冷
却チューブ３よりやや短い寸法を有する。円筒状部材４
の内側面（１４）は、鏡面状に十分に加工された後に金
メッキが施されており、入射角と反射角とが等しい正反
射が得られる反射面（反射鏡）１４を成している。円筒
状部材４と冷却チューブ３との間の隙間には、汚れ、
錆、腐食や変質による反射面１４の反射率の低下を回避
するために、乾燥した清浄空気が充填されている。

【００７０】円筒状部材４の２カ所には、レーザロッド
１の中心軸を中心として９０度間隔で軸方向に細長い貫
通溝７（光出射口）が形成されており、各貫通溝７に
は、レーザロッド１に外部から励起光を伝搬させるため
の光導波板５ａ、５ｂが、円筒状部材４の内面側に励起
光出射端面を臨ませた状態でそれぞれ挿入固定されてい
る。光導波板５ａ、５ｂの双方は、レーザロッド１の延
在方向と平行な長方形状の励起光出射端面及び励起光入
射端面（励起光導入端面）を有し、それぞれに出射する
励起光の光軸がレーザロッド１の中心軸に一致する位
置、つまり、励起光の光軸をレーザロッド１の中心軸に
交差させる位置に配置される。円筒状部材４内の反射面
１４は、レーザロッド１の中心軸に関する光出射口
（７）との略対称位置に設けられ、光出射口（７）の光
導波板５ａ、５ｂから放射状に出射される励起光がレー
ザロッド１を通って最も集光する位置又はその近傍に位
置している。

【００７１】光導波板５ａ、５ｂは、励起光出射端面ま
で励起光を媒質内部に閉じ込めて伝播させるための対向
する表面と裏面とが平行な平行平板形状のガラス材から
成り、レーザロッド１の中心軸に対する垂直方向での厚
みが１ｍｍである。各光導波板５ａ、５ｂのレーザロッ
ド１に相対する励起光出射端面と、この励起光出射端面
と逆側の励起光入射端面とには、励起光の波長に対する
反射率を最低にするための反射防止膜が誘電体でそれぞ
れ形成されている。また、ロッド中心軸方向を向いた光
導波板５ａ、５ｂの他の面にも、励起光が外部に漏れな
いようなコーティングが必要に応じて施される。

【００７２】光導波板５ａ、５ｂの各励起光入射端面に
は、半導体レーザ（図示せず）から励起光６ａ、６ｂが
入射する。この場合、１個の半導体レーザのチップを光
導波板に直接近づけて励起光を光導波板内に導入しても
よく、また、チップから出射された励起光を一旦レンズ
等で整形し複数のチップからの光を集めて光導波板に導
入してもよい。導入された励起光６ａ、６ｂは光導波板
５ａ、５ｂ内を、一部が直進し、他の一部が光導波板の
側面で反射しながらジグザグに進行し、励起光出射端面
から出射されてレーザロッド１に到達する。

【００７３】図２は、図１におけるレーザロッド１、冷
却水、冷却チューブ３、光導波板５、反射面を所定の条
件下で配置した際の励起光６の光路を模式的に示す図で
ある。励起光６は、光導波板５の励起光出射端面から放
射状に出射されてレーザロッド１の側面に入射する過程
で、屈折によりレーザロッド１内ではほぼコリメートさ
れて、励起光透過光線６ｔのように進行する。

【００７４】光強度が最も大きい励起光の光路を励起光
の光軸と呼ぶとすると、本実施形態例では、レーザロッ
ド１内を通過する励起光６の光軸６Ａが、レーザロッド
１の中心軸１Ａに一致している。１度のパスで吸収され
なかった励起光６は、レーザロッド１の側部で屈折し、
レーザロッド１の中心軸１Ａに関し光導波板５と対称位
置にある（共役の関係にある）反射面１４上で集光す
る。この集光した励起光６は、光軸６Ａとレーザロッド
１の中心軸１Ａとを結ぶ線に関して対称に、反射光６ｒ
としてロッド１側に反射する。この際に、１度のパスで
吸収されなかったほとんどの励起光６が、ロッド１以外
の方向に散逸されることなく、１度の反射でロッド１内
へ再び入射するので、吸収効率が大幅に向上する。しか
も、反射面１４上で、光導波板５の出射端面における開
口程度の小さなスポットに絞られるため、後述の実施形
態例でも説明するように、反射面は小さくて十分であ
る。このため、他の反射面上に開口を設けても、そこか
ら励起光が外部に洩れることが極めて少ない。

【００７５】図３は、本発明の第２実施形態例のＬＤ励
起固体レーザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂
直する方向で断面した図である。本実施形態例におい
て、Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド１、冷却チューブ３、円
筒状部材４の構成及びサイズ、レーザロッド１と冷却チ
ューブ３との間の隙間に冷却水が充填されている点は、
第１実施形態例と同様である。

【００７６】レーザロッド１の励起光が照射される側面
は、第１実施形態例と同様に、研磨又は表面処理され、
冷却チューブ３の内側面及び外側面も同様に研磨又は表
面処理され、さらに、冷却チューブ３の外側面に、励起
光に対して反射率を下げる反射防止膜が誘電体で形成さ
れて、励起光が冷却チューブ３に入射する際にロッド方
向以外に反射で散逸する現象を回避している。

【００７７】円筒状部材４には、レーザロッド１の中心
軸回りに１２０度間隔で、レーザロッド１の長手方向に
沿う細長い貫通溝７が形成されており、各貫通溝７に
は、励起光を外部からレーザロッド１に伝搬させるため
の光導波板１５ａ〜１５ｃがそれぞれ挿入固定されてい
る。光導波板１５ａ〜１５ｃ内をそれぞれ通過する励起
光の光軸は、レーザロッド１の中心軸に一致している。
反射面１４は、レーザロッド１の中心軸に関する光出射
口（７）との略対称位置に設けられ、光出射口（７）の
光導波板１５ａ〜１５ｃから放射状に出射される励起光
がレーザロッド１を通って最も集光する位置又はその近
傍に位置している。

【００７８】光導波板１５ａ〜１５ｃはそれぞれ、励起
光出射端面まで励起光を媒質内部に閉じ込めて伝播させ
るための対向する表面と裏面とが平行な平行平板形状の
ガラス材から成り、レーザロッド１の中心軸に対して垂
直な方向での厚みが１ｍｍある。光導波板１５ａ〜１５
ｃのレーザロッド１に相対する各励起光出射端面は、円
周方向に見て同じ方向に傾斜している。つまり、各励起
光出射端面は、光導波板１５ａ〜１５ｃからの励起光の
光軸に直交し且つレーザロッド１の中心軸に平行な平面
から、円筒状部材４の円周一方向に向かって徐々に離れ
る形状の傾斜面として形成され、その傾斜角度は例えば
５°に設定されている。

【００７９】各光導波板１５ａ〜１５ｃの励起光出射端
面及び励起光入射端面には、第１実施形態例と同様の反
射防止膜が形成される。各光導波板１５ａ〜１５ｃに
は、励起光入射端面からＬＤの励起光６ａ〜６ｃが導入
される。励起光の導入も第１実施形態例と同様に、ＬＤ
のチップを直接に近づけて光導波板内に導入してもよい
し、チップから出た励起光を一旦レンズ等で整形し複数
のチップからの光を集めて導入してもよい。

【００８０】図４は、図３に示したレーザロッド１、冷
却水、冷却チューブ３、光導波板１５、反射面の位置関
係における励起光の透過光路の様子を模式的に示す図で
ある。光導波板１５から出射された励起光６は、傾斜し
た励起光出射端面１５ｕで屈折することによって出射の
光軸方向が一方向に傾くが、レーザロッド１に入射する
過程で、ロッド側面での屈折などによりロッド内ではほ
ぼコリメートされて進行する。傾いた励起光出射端面１
５ｕから出射する励起光の光軸は、レーザロッド１の中
心軸から０．７ｍｍ程度ずれるが、光導波板１５から出
射した励起光のエネルギーのうち９０％は、他に一度も
反射を受けることなくレーザロッド１内に入射する。こ
こでは、レーザロッド１内への入射率を９０％とした
が、励起光のエネルギーの少なくとも７０％以上９９％
以下が反射されることなくレーザロッド１内に入射すれ
ば、目的が達成できる。

【００８１】上記構成では、図３に示したように、すべ
ての光導波板１５ａ〜１５ｃの各励起光出射端面を同じ
角度５°ずつ同じ方向に傾斜させ、励起光出射端面から
出射する励起光の光軸をレーザロッド１の中心軸から適
宜ずらすことで、高くなりすぎるロッド中心部での励起
光吸収パワーを適度に低く、しかもロッド周囲のあまり
発振に寄与しない領域への励起を極力抑えることができ
る。１度のパスで吸収されなかった励起光は、さらにレ
ーザロッド１の側面で屈折し、光導波板１５ａ〜１５ｃ
とそれぞれ対称の位置にある反射面１４上で集光する。

【００８２】集光した光は、図４の反射光６ｒに示すよ
うに、各光導波板１５ａ〜１５ｃとレーザロッド１の中
心軸とを結ぶ各線に関してそれぞれ対称に、再びレーザ
ロッド１側に反射する。これにより、１度のパスで吸収
されなかったほとんどの励起光６ｔがレーザロッド１以
外の方向に散逸することなく、１度の反射で再びレーザ
ロッド１内へ入射するので、吸収効率が大幅に向上す
る。しかも、反射面上で光導波板１５ａ〜１５ｃの各出
射端面の開口程度の小さなスポットに絞られるので、反
射面を極めて小さくすることができる。これにより、他
の反射面上に開口を設けても、そこから励起光が外部に
洩れる現象を大幅に減少できる。

【００８３】ところで、第１及び第２実施形態例では、
Ｎｄ：ＹＡＧレーザロッド１の屈折率ｎが１．８２であ
るが故に、ｎｒ／（ｎ−１）が５．５ｍｍとなり、反射
面１４の内径半径６ｍｍが１０％程度大きな値となる。
つまり、レーザロッド１の外周の曲率半径をｒ、レーザ
ロッド１の屈折率をｎとするとき、レーザロッド１の中
心から光導波板の励起光出射端面１５ｕまでの距離、及
び、レーザロッド１の中心から反射面１４までの距離の
双方がｎｒ／（ｎ−１）の値、又は、ｎｒ／（ｎ−１）
の値を中心とする±３０％以内の値を満たすように配置
される。

【００８４】上記条件式は、中央のレーザロッド１のみ
がロッドレンズのような役目をなすと仮定し、光導波板
の励起光出射端面を１つの焦点とした場合に、反射面上
で再び焦点を形成するための式である。しかし通常、レ
ーザロッド１の周囲には屈折率が１より大きい冷却媒質
や冷却チューブ３が存在するので、ｒは実際にはレーザ
ロッド径よりも大きな値をとることが望ましい。しか
し、第１及び第２実施形態例のように、冷却媒質に水を
用いた場合や、冷却チューブ３に石英やガラスなどを用
いた場合には、その屈折率がレーザロッド１よりも小さ
ければ近似的にこの式でよく表すことが出来る。

【００８５】図５は、本発明の第３実施形態例のＬＤ励
起固体レーザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂
直する方向で断面した図である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザロ
ッド１は、半径ｒが２．５ｍｍの円筒形状を有し、その
周囲には、外径半径が５ｍｍの石英ガラス製の冷却チュ
ーブ３が配設され、レーザロッド１と冷却チューブ３と
の間の隙間２には、レーザロッド１を冷却するための純
水がレーザロッド１の軸方向に流れるように充填されて
いる。

【００８６】冷却チューブ３の周囲には、内径半径６ｍ
ｍのステンレスの円筒状部材４が、レーザロッド１及び
冷却チューブ３と同軸に配置されている。円筒状部材４
の内面には、レーザロッド１に吸収されなかった励起光
をレーザロッド側へ反射するための、１μｍの厚みで金
をコーティングした反射面１４が形成されている。円筒
状部材４には、レーザロッド１の中心軸回りに４０゜間
隔で、レーザロッド１の長手方向に沿う細長い貫通溝７
が９カ所形成されており、各貫通溝７には、励起光を外
部からレーザロッド１に伝搬させる光導波板５ａ〜５ｉ
が挿入固定されている。

【００８７】各光導波板５ａ〜５ｉ内を通過する励起光
の光軸は、レーザロッド１の中心軸に一致している。光
導波板５ａ〜５ｉは、第１実施形態例と同様のガラス材
から成り、円筒状部材４の円周方向に沿う各厚みが１．
５ｍｍとされる。各光導波板５ａ〜５ｉの励起光入射端
面には、ＬＤが０．５ｍｍまで近接して配置され、この
ＬＤから出射される励起光６ａ〜６ｉがそれぞれ導入さ
れる。これらすべての光導波板５ａ〜５ｉのレーザロッ
ド１に相対する励起光出射端面は、各光導波板からの励
起光の光軸と直交し且つレーザロッド１の中心軸と平行
な平坦面に形成されている。反射面１４と光出射口
（７）との位置関係は、第１実施形態例と同様である。

【００８８】本発明者の励起光吸収分布の理論計算によ
れば、励起方向が９方向であれば、ロッド内での励起光
の導入光軸に沿った励起光吸収量の持ち上がりを少なく
することができる。これにより、レーザロッド１の中心
付近を通過するレーザ発振光が受ける波面の乱れを小さ
くでき、レーザ共振器の損失を小さくできるので、高出
力動作及び高効率のレーザ発振が可能になる。加えて、
各光導波板から導入される励起光の出力や、波長の微妙
な差に起因する吸収特性の違いや、光導波板の取り付け
精度に起因する励起光軸とレーザロッド１の中心軸との
ずれなどに対するトレランスが大きくなり、出力やビー
ムの角度・放射方向のより安定性、再現性に優れたレー
ザ発振特性を得ることが出来る。

【００８９】図５で説明したような光導波板５ａ〜５
ｉ、冷却チューブ３、冷却水、レーザロッド１の位置関
係においては、光導波板５ａ〜５ｉから広がった各励起
光がレーザロッド１内で一旦コリメートされ、１度のパ
スで吸収されなかった励起光は光導波板５ａ〜５ｉ内を
進行する励起光の光軸とレーザロッド１の中心軸とを結
ぶ線の延長上の反射面１４上で、光導波板５ａ〜５ｉの
開口幅程度に集光され、そのほとんどの励起光がレーザ
ロッド１内に反射される。これにより、吸収されなかっ
た励起光が、他の励起光の光導波路に漏れて励起光が外
部に漏れ出る現象が大幅に減少し、励起効率が大幅に向
上する。

【００９０】図６は、本発明の第４実施形態例のＬＤ励
起固体レーザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂
直する方向で断面した図である。本実施形態例における
ＬＤ励起固体レーザ装置は、第３実施形態例におけるＬ
Ｄ励起固体レーザ装置とほぼ同様の構成を有するが、光
導波板１５ａ〜１５ｉの各励起光出射端面が傾斜してい
る点で第３実施形態例とは異なる。

【００９１】円筒状部材４の９カ所に形成された貫通溝
７のそれぞれには、励起光を外部からレーザロッド１に
伝搬させるための光導波板１５ａ〜１５ｉが挿入固定さ
れている。各光導波板１５ａ〜１５ｉ内を通過する励起
光の光軸は、レーザロッド１の中心軸に一致しており、
各光導波板のレーザロッド１と対向する励起光出射端面
と反対の励起光入射端面には、０．５ｍｍまで近接して
配置されたＬＤから励起光６ａ〜６ｉが挿入され、光導
波板内を導波する。反射面１４と光出射口（７）との位
置関係は、第２実施形態例と同様である。

【００９２】すべての光導波板５ａ〜５ｉの励起光出射
端面は、レーザロッド１の中心軸と各光導波板５ａ〜５
ｉの中心軸（励起光の光軸）とを結ぶ線に垂直な面に対
して５°傾斜している。各光導波板５ａ〜５ｉの傾斜
は、図３と同様に、同じ方向を向いている。この構成に
より、傾いた励起光出射端面から出射される励起光の光
軸は、レーザロッド１の中心軸から０．７ｍｍ程度ずれ
て通過する。このように、励起光の光軸をレーザロッド
１の中心軸からずらすことで、非常に高い対象性で、高
くなりすぎるロッド中心部での励起光吸収パワーを適度
に低く、しかもロッド周囲のあまり発振に寄与しない領
域への励起を極力抑えることができる。

【００９３】しかも、第３実施形態例でも説明したよう
に、励起方向が９方向であれば、レーザロッド１内での
励起光の導入光軸に沿った励起光吸収量の持ち上がりを
少なくできるので、レーザロッド１の中心付近を通過す
るレーザ発振光が受ける波面の乱れを小さくでき、レー
ザ共振器の損失を小さくすることができる。これによ
り、高出力動作及び高効率のレーザ発振が可能になる。
加えて、各光導波板から導入される励起光の出力や、波
長の微妙な差に起因する吸収特性の違いや、導波板の取
り付け精度に起因する励起光軸とレーザロッド１の中心
軸とのずれなどに対するトレランスが大きくなり、出力
やビームの角度・放射方向のより安定性、再現性に優れ
たレーザ発振特性を得ることが出来る。

【００９４】さらに、第２実施形態例で説明したよう
に、このような光導波板、冷却チューブ、冷却水、レー
ザロッドの位置関係においては、光導波板から広がった
励起光がレーザロッド内で一旦コリメートされ、１度の
パスで吸収されなかった励起光が光導波板内を進行する
励起光の光軸とレーザロッド１の中心軸とを結ぶ線の延
長上に設けられた反射板で光導波板の開口幅程度に集光
されると共に、そのほとんどの励起光がレーザロッド１
内に再び反射される。このため、吸収されなかった励起
光が、他の励起光の光導波路に漏れて励起光が外部に漏
れ出ることが少なく、励起効率を大幅に向上させること
ができる。

【００９５】図９は、本発明の第５実施形態例のＬＤ励
起固体レーザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂
直する方向で断面した図である。本実施形態例における
ＬＤ励起固体レーザ装置は、第３実施形態例（図５）と
ほぼ同様の構成を有するが、ステンレス製の円筒状部材
４の内側面に、平坦状の反射面が複数形成される点で異
なる。

【００９６】つまり、冷却チューブ３の周囲に配設され
た円筒状部材４は内側面が正九角形に形成されており、
その各面に１μｍの厚みで金メッキが施されて反射面１
４ａ〜１４ｉが形成されている。反射面１４ａ〜１４ｉ
はそれぞれ、光導波板５ａ〜５ｉ内を進行する励起光の
光軸とレーザロッド１の中心軸とを結ぶ線の延長上にあ
り、このロッド中心軸に平行で且つレーザロッド１と光
導波板の中心（光軸）とを結ぶ線に垂直な平面として形
成される。反射面１４ａ〜１４ｉはそれぞれ、第１及び
第３実施形態例と同様に、対応する光導波板５ａ〜５ｉ
の各励起光出射端面と共役の関係にあり、レーザロッド
１で吸収されずに通過した励起光をレーザロッド１側へ
正反射させる。各光導波板５ａ〜５ｉの励起光出射端面
は、第１及び第３実施形態例と同様に、傾斜を有しな
い。９方向から励起する構成による利点については、図
５で説明した通りである。

【００９７】このような本実施形態例の構成において
も、第３実施形態例と同様の作用効果を得ることができ
る。さらに、レーザロッド１の中心軸に関して各光導波
板５ａ〜５ｉの励起光出射端と対応する反射面１４ａ〜
１４ｉがそれぞれ平坦面であるので、反射面の母材や支
持材の製造が極めて容易になって歩留まりが向上すると
共に、価格の低下が実現出来る。また、反射面１４ａ〜
１４ｉの製作精度が上がり、性能のばらつきが小さくな
るので、装置全体の製作精度が向上する。

【００９８】図１０は、本発明の第６実施形態例のＬＤ
励起固体レーザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と
垂直する方向で断面した図である。本実施形態例におけ
るＬＤ励起固体レーザ装置は、第５実施形態例（図９）
とほぼ同様の構成を有するが、光導波板１５ａ〜１５ｉ
の各励起光出射端面が、対応する光導波板１５ａ〜１５
ｉの光軸に対して垂直でなく傾斜する点で異なる。

【００９９】つまり、光導波板１５ａ〜１５ｉそれぞれ
の励起光出射端面は、第４実施形態例（図６）と同様に
５°ずつ同じ方向に傾斜している。このような本実施形
態例の構成においても、第４実施形態例（図６）と同様
の作用効果を得ることができる。さらに、平坦状の反射
面１４ａ〜１４ｉにより、第５実施形態例（図９）と同
様の作用効果が得られる。

【０１００】ところで、光導波板１５ａ〜１５ｉの励起
光出射端面に、励起光の波長において光線の垂直入射
（入射角０）時に最も反射率が低く、光線が励起光出射
端面に対して垂直からずれるに従って反射率が増大する
コーティング膜を施すことができる。具体的には、コー
ティング膜は、励起光の入射角が２０゜のときに少なく
とも５０％以上８０％以下の反射率を有する。この場合
における、光導波板のレーザロッドに対向する励起光出
射端面のコーティング膜の反射率の励起光入射角と透過
率との関係を図１１のグラフに示す。

【０１０１】グラフは、光導波板の励起光出射端面１５
ｕに施した誘電体多層膜の透過率の入射角依存性の一例
を示しており、横軸５２は励起光あるいは励起光と同じ
波長を有する光５６の入射角度を、縦軸５１は透過率を
それぞれ示す。入射角が０度近傍の時、すなわち励起光
出射端面にほぼ垂直に励起光が入射するときは、透過率
がほぼ９９％でほとんどの光が透過する。これは、励起
光が光導波板内を導波し、レーザロッドに向けて照射さ
れるときの状態である。

【０１０２】透過率は、入射角が０度から大きくなるに
従って急激に減少し、２０゜では５０％以下となり、半
分以上の光のエネルギーが透過せずに反射する。光導波
板の励起光出射端面に、このような透過率の角度依存性
を持たせることで、光導波板内からレーザロッド１に向
けて照射される励起光は、反射することなく透過し、一
旦光導波板から照射された励起光のうち、レーザロッド
１に吸収されず反射、屈折などの様々な光路を経て光導
波板端面に到達した励起光のうちで、入射角度成分の大
きなものについては、レーザロッド１側へ反射させて戻
すことで、光導波板を通しての励起光の逃げを低減し、
励起光吸収率を高めることができる。

【０１０３】ところで、前述の各実施形態例では、光導
波板の励起光出射端面から出射されレーザロッド１を透
過し更に反射面で反射してレーザロッド１に戻り、ここ
でも吸収されなかった数％の励起光は、出射元の出射端
面上で集光し円筒状部材３の外部に抜けることになる
が、この抜ける励起光は極めて僅かであり何ら問題にな
らない。しかし、例えば図９、図１０における光導波板
５ａ〜５ｉ、１５ａ〜１５ｉの各励起光出射端面に夫々
対応する反射面１４ａ〜１４ｉを、光導波板５ａ〜５
ｉ、１５ａ〜１５ｉから出射される励起光の光軸に対し
て円周方向に僅かに（例えば±５゜）傾けた構成とする
と、例えば光導波板５ａから出射された励起光を、対応
する反射面１４ａで集光させた後、僅かな角度をつけて
レーザロッド１側に戻すことができる。これにより、反
射後もレーザロッド１で吸収されずに励起光出射端面側
に戻る上記数％の反射励起光をも、励起光出射端面から
僅かにずれた反射面１４ｅ又は１４ｆ上で集光・反射さ
せ、レーザロッド１側に再度戻して吸収させることが可
能になる。

【０１０４】以上の各実施形態例では、Ｎｄ：ＹＡＧを
レーザ媒質とした例を挙げたが、他のいかなるレーザ発
振元素、例えばＹｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｃｒ、Ｔｉを含むも
のを用いてもよい。また、母材として他にＹＬＦやＹＶ
Ｏ４、ＧＧＧを用いたものでも、ＧＳＧＧのような結晶
を用いたものでもよく、ガラス材やセラミック材のよう
な非晶質のものを用いたものでもよい。光導波板の材料
としてガラス材を例に挙げたが、励起光に対して高い透
過率を有するものであれば他の材料でもよい。特に、鉛
を添加した高屈折率のガラスを用いれば、光導波板内を
伝搬する励起光が全反射により効率的に伝搬することが
できる。

【０１０５】屈折率の高い透明な材料として、サファイ
アや、レーザ元素を含まないＹＡＧなどの結晶材料を用
いることができる。レーザロッドの径は、前述の実施形
態例では半径２．５ｍｍとしたが、他のサイズでもよ
く、必要とされるレーザ装置の構成上最適な径が選ばれ
る。また、励起に用いるＬＤの発振波長も８０８ｎｍ以
外でもよく、レーザ結晶や励起分布の構成を考慮して最
適な波長が選ばれる。

【０１０６】また、前述の実施形態例では、励起光出射
端面が傾斜しない平行平板から成る光導波板、或いは、
励起光出射端面が傾斜する平行平板から成る光導波板を
用いたが、これに限らず、励起光出射端面における厚み
よりも励起光入射端面における厚みを厚くした略くさび
形状の光導波板を用いることができる。

【０１０７】図１４は、第１実施形態例における光導波
板を略くさび形状にした変形例を示す断面図、図１５
は、第２実施形態例における光導波板を略くさび形状に
した変形例を示す断面図である。図１４及び図１５双方
の変形例において、光導波板以外の要素は図１及び図３
とそれぞれ同様である。

【０１０８】図１４では光導波板５ａ、５ｂ、図１５で
は光導波板１５ａ〜１５ｃがそれぞれ、励起光出射端面
における厚みよりも励起光入射端面における厚みが厚く
された略くさび形状を有している。これらの場合、前述
の実施形態例と同様の作用効果を得ることができると共
に、励起光源からの励起光の導入効率を一層向上させる
ことができるという作用効果も得ることができる。光導
波板を略くさび形状にした上記構成は、第１及び第２実
施形態例に限らず、他の実施形態例に適用することがで
きる。

【０１０９】また、前述の各実施形態例では、冷却チュ
ーブ３を囲む反射面として、ステンレス製の円筒状部材
４の内面に金をコーティングしたものを用いたが、これ
に限らず、励起光を効率よく反射するものであればどの
ような組み合わせでもよく、また材料そのものでも良
い。例えば、アルミニウム、銅、セラミック等のいずれ
でも使用することができる。また、光導波板の励起光出
射端面の傾斜角度、傾いている光導波板の数、位置、及
びレーザロッドの中心軸と光導波板の励起光出射端面と
の間の距離は、レーザ装置の用途に応じて最適な励起光
吸収分布が形成されるように選択される。

【０１１０】また、レーザロッド１の光軸方向に長い１
枚の光導波板を円筒状部材３の貫通溝７に挿入固定し、
この光導波板の励起光入射端面に対向させて複数のＬＤ
をレーザロッド１の光軸方向（延在方向）に並べ、各Ｌ
Ｄからの励起光を同時にレーザロッド１へ導波させる構
成とすることもできる。

【０１１１】要するに本発明の骨子は、レーザロッド、
冷却水、冷却チューブがいわゆるロッドレンズの役割を
なして、光導波板から出射される励起光をほぼコリメー
トし、さらに１度のパスで吸収されずに透過した励起光
を対向する反射面上で集光し、反射した励起光の大部分
をレーザロッド内へ戻すための光学的位置関係に光学部
品を配設することで、励起光の吸収効率を大幅に改善
し、開口数を増やした場合でも発振効率の低下を抑制出
来るということにある。

【０１１２】ここで、再び図５を参照して、本発明に係
るＬＤ励起固体レーザ装置の実施例を説明する。この実
施例では、各光導波板に導入する励起光のエネルギーを
それぞれ１ｃｍあたり２０Ｗとすることで、レーザロッ
ド１内に、前述の図１２に示すような励起光吸収分布を
形成する。同図において、横軸６３、６４は径方向を、
６３ｅ、６４ｅはレーザロッド側面の位置を、縦軸６１
は励起光吸収密度をそれぞれ示す。光線追跡により理論
的に計算される吸収強度の絶対値６５は、レーザロッド
１の中心６２で最大値１５×１０⁸Ｗ／ｍ³、ロッド側面
６６では６×１０⁸Ｗ／ｍ³となる。

【０１１３】本発明者の実験によると、レーザロッド中
心の励起光エネルギー吸収密度とレーザロッド側面の励
起光エネルギー吸収密度との比が２倍から３倍の間で、
レーザロッド中心の励起光エネルギー吸収密度が高けれ
ば、励起光とレーザ発振光とのエネルギー変換効率が３
５％から４０％を維持することができる。しかも低次横
モードを優先的に発振させることが出来るので、レーザ
のより高い性能を維持することが出来る。

【０１１４】また、図５の構成において、励起光のエネ
ルギーを２０Ｗよりも上げ、ロッド中心部分の励起光吸
収密度を１５×１０⁸Ｗ／ｍよりも高くした場合、急激
に励起光に対するレーザ発振光エネルギーの変換効率が
低下し、同時にレーザ出力の時間変動が大きくなる傾向
が確認された。これは、中心での励起光密度が高くな
り、熱複屈折や熱複レンズ効果が大きくなり、レーザ発
振光の回折損失が急激に大きくなったためと考えられ
る。このように、高出力で高安定なレーザ装置を実現す
るためには、レーザロッド１の中心の励起光エネルギー
吸収密度が１５×１０⁸Ｗ／ｍ³以下であることが重要で
ある。

【０１１５】さらに、本発明に係るＬＤ励起固体レーザ
装置の別の実施例を、再び図５または図６を参照して説
明する。ＬＤ素子としては、例えば米国ＳＤＬ社のＳＤ
Ｌ３４７０Ｓを用いる。光導波板に１．５ｍｍの厚みの
ものを用いる際に、図７の構成においてＬＤ端面と光導
波板の励起光入射端面との距離２７を０．５ｍｍ程度に
接近させれば、双方の軸ズレ量２６としての１．０ｍｍ
がトレランスとして確保できる。

【０１１６】用いるＬＤ素子としては、他に米国オプト
パワー社製のＯＰＣ−Ａ０２０−ＭＭＭ−ＣＬでも、フ
ランスＴｏｍｓｏｎ−ＣＳＦ社製のＴＨ−Ｃ１７２０−
Ｐでも良い。また、１枚の光導波板を用い、複数のＬＤ
を入射端面側におけるレーザロッドの光軸方向に並べ、
全ＬＤから同時に導波させる構成としても良いので、Ｌ
Ｄも予めアレイ状に７個並べたフランスＴｏｍｓｏｎ−
ＣＳＦ社製のＴＨ−Ｃ１７２０−Ｒ（７）ＷＰを用いる
ことができる。更に、ＬＤから１ｃｍあたり２０Ｗ以下
であればよいので、３０Ｗ用ＬＤでも４０Ｗ用ＬＤでも
用いることができる。この場合、定格出力の半分以下の
出力で使用することから、ＬＤの寿命を３倍から９倍程
度にまで延ばすことが出来、ＬＤ固体レーザ装置の信頼
性を向上させることができる。

【０１１７】なお、前述の各実施形態例において励起光
にネオジウム（Ｎｄ）レーザを用いる際には、ネオジウ
ム濃度が例えば０．６ａｔ％以上あれば、レーザロッド
１への二度の入射によって９８％以上の吸収が可能にな
る。この場合、反射面で反射し更にレーザロッド１を透
過して光導波板側に戻る反射励起光を大幅に減少させ、
励起効率を一層向上させることができる。

【０１１８】以上、本発明をその好適な実施形態例（実
施例）に基づいて説明したが、本発明の半導体レーザ励
起固体レーザ装置は、上記実施形態例（実施例）の構成
にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例（実施
例）の構成から種々の修正及び変更を施した半導体レー
ザ励起固体レーザ装置も、本発明の範囲に含まれる。

【０１１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザ励起固体レーザ装置によると、簡素な構成を有しな
がらも、レーザ光線を用いた加工に好適な高ビーム品質
のレーザ光線を発生することができ、装置信頼性を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例のＬＤ励起固体レーザ
装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で
断面した図である。

【図２】図１におけるレーザロッド、冷却水、冷却チュ
ーブ、光導波板、反射面を所定の条件下で配置した際の
励起光の光路を模式的に示す図である。

【図３】本発明の第２実施形態例のＬＤ励起固体レーザ
装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で
断面した図である。

【図４】図３におけるレーザロッド、冷却水、冷却チュ
ーブ、光導波板、反射面の位置関係における励起光の透
過光路の様子を模式的に示す図である。

【図５】本発明の第３実施形態例のＬＤ励起固体レーザ
装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で
断面した図である。

【図６】本発明の第４実施形態例のＬＤ励起固体レーザ
装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で
断面した図である。

【図７】レーザロッドの中心軸方向に見た際の光導波板
と励起用のＬＤとの位置関係を示す図である。

【図８】ＬＤチップから出射された励起光が光導波板に
伝搬し、レーザロッドに向けて照射される透過率を測定
した結果を示す図である。

【図９】本発明の第５実施形態例のＬＤ励起固体レーザ
装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向で
断面した図である。

【図１０】本発明の第６実施形態例のＬＤ励起固体レー
ザ装置におけるレーザ発振光の光軸方向と垂直する方向
で断面した図である。

【図１１】本発明の主に請求項１５、１６の記載に対応
する特性例を示すグラフである。

【図１２】本発明の主に請求項１７の記載に対応する特
性例を示すグラフである。

【図１３】本発明に係る光導波板の励起光出射端面の傾
きを変えることでレーザロッド内の励起光の吸収分布を
可変する様子を示すグラフである。

【図１４】第１実施形態例における光導波板を略くさび
形状にした変形例を示す断面図である。

【図１５】第２実施形態例における光導波板を略くさび
形状にした変形例を示す断面図である。

【図１６】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図１７】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図１８】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図１９】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図２０】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図２１】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図２２】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図２３】従来のＬＤ励起固体レーザ装置における励起
光透過光路をレーザロッドの光軸に垂直な面で断面した
図である。

【図２４】従来例のＬＤ励起固体レーザ装置の励起光吸
収エネルギー分布を示したグラフである。

【図２５】従来例のＬＤ励起固体レーザ装置の励起光吸
収エネルギー分布を示したグラフである。

【符号の説明】

１：固体レーザロッド ２：隙間 ３：冷却チューブ ４：円筒状部材 ５ａ〜５ｉ、１５ａ〜１５ｉ、２５：光導波板（光導波
媒質） ６ａ〜６ｉ：励起光 ６ｔ：励起光透過光線 ６ｒ：励起光反射光線 ７：貫通溝（光出射口） １１：ロッド外形半径 １２：反射面内径半径 １４：反射面 １５ｕ：励起光出射端面 ２０：ＬＤチップ ２１：ＬＤ発光点 ２２：ＬＤマウント ２３：励起光光軸 ２４：光導波板中心軸 ２５ｉ：励起光入射端面 ２５ｕ：励起光出射端面 ２６：ＬＤ励起光光軸と光導波板の中心軸との軸ズレ ２７：光導波板とＬＤ出射端面との距離 ３１：励起光透過率 ３２：ＬＤ励起光光軸と光導波板の中心軸との軸ズレが
０の位置 ３３、３４：ＬＤ励起光光軸と光導波板の中心軸との軸
ズレ量 ３５：高透過率への軸ズレトレランス ３６：最大透過率（９８％） ３７：軸ズレ透過率特性（光導波板とＬＤ出射端面との
距離が0.5ｍｍ） ３８：軸ズレ透過率特性（光導波板とＬＤ出射端面との
距離が１ｍｍ） ５１：励起光透過率 ５２：励起光入射角 ５３：励起光入射角−透過率特性 ５６：励起光光線 ６１：励起光エネルギー吸収密度 ６２：ロッド中心 ６３、６４：ロッド径方向 ６３ｅ、６４ｅ：ロッド側面位置 ６５：ロッド中心励起光エネルギー吸収密度 ６６：ロッド側面励起光エネルギー吸収密度 ６７、６７ａ：ロッド径−励起光エネルギー吸収密度特
性（傾き０度の場合） ６７ｂ：ロッド径−励起光エネルギー吸収密度特性（傾
き５度の場合） １００ａ〜１００ｈ：ＬＤ １０１ａ、１０１ｂ：ロッドレンズ １０３ａ、１０３ｂ：励起光光軸 １０４ａ、１０４ｂ、１０４ｅ〜１０４ｇ：反射面 １０５ａ〜１０５ｃ：光導波板 １０６ａ、１０６ｂ：励起光 １１４ 拡散型反射板 １１５ａ〜１１５ｄ：光導波板 １１６ａ〜１１６ｄ：励起光 １１７ａ：導波板の光軸 １１８ａ：レーザロッドの中心と励起光光軸との距離 １２４：拡散反射面 １２５：光導波板 １２６：励起光 １２６ｔ：励起光透過光線 １２６ｒ：励起光反射光線 １３３：筒状媒質 １３４：反射面 １３４ｒ：反射面 １３５：スリット １４４：反射膜 １４４ｒ：反射面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 秀悦 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 向原 克治 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 森部 英征 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 大山 隆 神奈川県横浜市神奈川区新浦島町１丁目１ 番地25 日本電気ロボットエンジニアリン グ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F072 AB02 PP07 TT22

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励起光を吸収し所定波長の光を発生又は
   増幅する透明円柱状のレーザロッドと、該レーザロッド
   と同軸で該レーザロッドの外面との間に冷却媒質用の隙
   間を形成する透明な冷却チューブとを備えた半導体レー
   ザ励起固体レーザ装置において、 前記冷却チューブの外周側に同軸に配置され、励起光源
   からの励起光を前記冷却チューブを通して前記レーザロ
   ッドに与えるための光出射口が形成された実質的に円筒
   形状を有する円筒状部材と、 前記円筒状部材の内面における、前記光出射口から放射
   状に出射される励起光が前記レーザロッドを通って最も
   集光する位置又はその近傍に設けられた反射面とを備
   え、 前記反射面が、前記レーザロッドに吸収されずに通過し
   た励起光を実質的に正反射する鏡面に形成されることを
   特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記円筒状部材に支持され、前記励起光
   源からの励起光を前記光出射口に導く光導波媒質を更に
   備え、 前記光導波媒質は、前記冷却チューブを臨む励起光出射
   端面まで励起光を媒質内部に閉じ込めて伝播させるため
   の対向する表面と裏面とが略平行に形成され、励起光を
   導入する励起光導入端面及び前記励起光出射端面の双方
   における厚みが略同じ平行平板形状を有することを特徴
   とする、請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ
   装置。
3. 【請求項３】 前記光導波媒質は、前記励起光出射端面
   がレーザロッドの延在方向と平行な長方形状を成し、厚
   みが１．３ｍｍ以上１．８ｍｍ以下であることを特徴と
   する、請求項２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装
   置。
4. 【請求項４】 前記円筒状部材に支持され、前記励起光
   源からの励起光を前記光出射口に導く光導波媒質を更に
   備え、 前記光導波媒質は、前記冷却チューブを臨む励起光出射
   端面まで励起光を媒質内部に閉じ込めて伝播させるため
   の対向する表面と裏面とが所定の角度をなし、励起光を
   導入する励起光導入端面における厚み寸法が前記励起光
   出射端面の厚み寸法よりも大きい略くさび形状を有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ励起
   固体レーザ装置。
5. 【請求項５】 前記励起光出射端面が、前記光導波媒質
   から出射される励起光の光軸と直交し且つ前記レーザロ
   ッドの中心軸と平行な平坦面に形成されることを特徴と
   する、請求項１〜４の何れかに記載の半導体レーザ励起
   固体レーザ装置。
6. 【請求項６】 前記励起光出射端面が、前記光導波媒質
   から出射される励起光の光軸と直交し且つ前記レーザロ
   ッドの中心軸と平行な平面に対して所定の角度を有し、
   励起光の光軸を前記レーザロッドの中心軸から所定距離
   離隔させる傾斜面に形成されることを特徴とする、請求
   項１〜４の何れかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ
   装置。
7. 【請求項７】 前記光導波媒質から出射される励起光の
   エネルギーの７０％以上が反射されることなく前記レー
   ザロッド内に入射することを特徴とする、請求項６に記
   載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
8. 【請求項８】 前記円筒状部材には、前記光導波媒質が
   前記レーザロッドの中心軸を中心として所定角度間隔で
   複数個支持されることを特徴とする、請求項２〜７の何
   れかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
9. 【請求項９】 各光導波媒質の前記励起光出射端面が、
   円周方向に見て同じ方向に傾斜していることを特徴とす
   る、請求項８に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装
   置。
10. 【請求項１０】 前記光導波媒質が、前記レーザロッド
    を中心とする少なくとも９カ所に配設されることを特徴
    とする、請求項８又は９に記載の半導体レーザ励起固体
    レーザ装置。
11. 【請求項１１】 前記レーザロッドの外周面の曲率半径
    をｒ、前記レーザロッドの屈折率をｎとするとき、前記
    レーザロッドの中心軸から前記光導波媒質の励起光出射
    端面までの距離、及び、前記レーザロッドの中心軸から
    前記反射面までの距離の双方が、ｎｒ／（ｎ−１）の
    値、又は、該ｎｒ／（ｎ−１）の値の±３０％以内の値
    を満たすことを特徴とする、請求項１〜１０の何れかに
    記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
12. 【請求項１２】 前記反射面が、前記円筒状部材の内面
    に沿った一様な曲面形状を有することを特徴とする、請
    求項１〜１１の何れかに記載の半導体レーザ励起固体レ
    ーザ装置。
13. 【請求項１３】 前記円筒状部材の内面が前記レーザロ
    ッドを中心とした正多角形状を成し、該正多角形状の各
    面に前記反射面が形成される、請求項１〜１２の何れか
    に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
14. 【請求項１４】 前記反射面は、前記円筒状部材の内面
    に少なくとも１μｍ以上３μｍ以下の厚みで形成された
    金を含む金属膜で構成されることを特徴とする、請求項
    １〜１３の何れかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ
    装置。
15. 【請求項１５】 前記光導波媒質の励起光出射端面に
    は、励起光の波長において光線の垂直入射（入射角０）
    状態から入射角が増大するに従って反射率が増大するコ
    ーティング膜が施されていることを特徴とする、請求項
    １〜１４の何れかに記載の半導体レーザ励起固体レーザ
    装置。
16. 【請求項１６】 前記コーティング膜は、励起光の前記
    励起光出射端面への入射角が２０゜のときに少なくとも
    ５０％以上８０％以下の反射率を有することを特徴とす
    る、請求項１５に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装
    置。
17. 【請求項１７】 前記レーザロッド中心における励起光
    エネルギー吸収密度が、５×１０⁷Ｗ／ｍ³以上１５×１
    ０⁸Ｗ／ｍ³以下であり、前記レーザロッド側面における
    励起光エネルギー吸収密度よりも２〜３倍高いことを特
    徴とする、請求項１〜１６の何れかに記載の半導体レー
    ザ励起固体レーザ装置。
18. 【請求項１８】 前記光導波媒質の励起光導入端面にお
    ける励起光のエネルギーが、各光導波媒質における１ｃ
    ｍあたり１０Ｗ以上２０Ｗ以下であることを特徴とす
    る、請求項１７に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装
    置。