JP2002164596A

JP2002164596A - 固体レーザ装置およびレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2002164596A
Application number: JP2000357787A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Akiyama; 靖裕秋山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-06-07

Abstract

(57)【要約】【課題】マルチロッド方式の固体レーザ装置で、各励
起モジュールのバランスを保って良好な発振をおこなう
レーザ装置とそれを用いたレーザ加工装置を提供するこ
と。【解決手段】固体レーザ媒質３ａ、３ｂ、３ｃの離間
した周囲に、固体レーザ媒質３ａ、３ｂ、３ｃから発す
る蛍光を検出するための複数のモニタ手段６ａ、６ｂ〜
６ｒが設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザ媒質を
光励起してレーザ光を発生させる固体レーザ装置および
それを用いたレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来技術】一般に、固体レーザ装置は固体レーザ媒質
としてのレーザロッドを具え、このレーサロッドをラン
プやＬＤ（レーザダイオード）等の励起手段によって光
励起することでレーザ光を発生している。したがって、
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、光共振器によって増幅さ
れて発振して出力される。

【０００３】このような固体レーザ装置においては、大
きなレーザ出力を取り出すためには、光共振器内に複数
のレーザロッドを直列に並べるマルチロッド方式が採用
される。例えば、特開平８−２５０７９７号公報に開示
された技術においては、光共振器内に複数のレーザロッ
ドを直列に配置し、高出力で高品質なレーザビームを取
り出す方法が開示されている。なお、ここでは、レーザ
ロッドの中の熱複屈折効果を補償する為に、共振器内に
補償光学系が挿入されている。

【０００４】また、実用新案第２５２４１９９号公報に
開示された技術では、大出力レーザビームを取り出すた
めに、複数のレーザロッドを直列に配置したマルチロッ
ド方式の共振器が開示されている。ここでは、レーザロ
ッドの一部の曲率を凹面とすることにより、安定した出
力を取り出すように工夫されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】固体レーザ装置では、
励起エネルギーによって、レーザ光発生用のレーザロッ
ドが加熱されてその温度が高くなるために、熱膨張差の
発生や内部応力による屈折率の変化等にもとづいて、光
学的に凸レンズの性質を持つ熱レンズ効果という現象が
起こりやすい。特に、複数のレーザロッドを直列に配置
したマルチロッド方式では、それぞれのレーザロッド間
のレーザ光のパスが、光軸に対して屈折角を持つように
なり、それにより、光共振器としての所定の機能が得ら
れなくなる。

【０００６】そのため、マルチレーザロッドから高出力
のレーザビームを取り出すためには、各レーザロッドと
励起手段で形成した励起モジュールの熱レンズ効果のバ
ランスを調整し、各励起モジュールの熱レンズ効果を常
に一定にする必要がある。

【０００７】特に、励起モジュールの励起手段にＬＤを
用いる場合は、ＬＤ個々の経時的な劣化の差により、励
起モジュールの熱レンズ効果のバランスが崩れることが
発生して、良好な光共振器としての機能が得られなくな
る。

【０００８】これについて、上述の特開平８−２５０７
９７号公報に開示された技術や、実用新案第２５２４１
９９号公報に開示された技術は、何れも励起手段自体
は、正常にバランスして作用していることを前提として
いる技術であるので、励起手段の経時変化で発生するバ
ランスの崩れに対しての配慮はなされていない。したが
って、これらの励起手段の経時変化に対しては、十分に
対処することはできない。

【０００９】本発明は、これらの事情にもとづいてなさ
れてもので、マルチロッド方式の固体レーザ装置で、各
励起モジュールのバランスを保って良好な発振をおこな
うレーザ装置とそれを用いたレーザ加工装置を提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、固体レーザ媒質をその周囲に離間して配置
した複数のレーザダイオードで光励起させる固体レーザ
装置において、前記固体レーザ媒質の離間した周囲に
は、前記固体レーザ媒質から発する蛍光を検出するため
の複数のモニタ手段が設けられていることを特徴とする
固体レーザ装置である。

【００１１】また請求項２の発明による手段によれば、
前記モニタ手段からの蛍光の検出結果にもとづいて前記
レーザダイオードの電流を調整して光励起量を制御する
ように構成されていることを特微とする固体レーザ装置
である。

【００１２】また請求項３の発明による手段によれば、
前記固体レーザ媒質は、複数備わり、かつ、直列に配設
されていることを特徴とする固体レーザ装置である。

【００１３】また請求項４の発明による手段によれば、
直列に配設されている複数の前記固体レーザ媒質個々の
光励起量が等しくなるように構成されていることを特徴
とする固体レーザ装置である。

【００１４】また請求項５の発明による手段によれば、
前記モニタ手段はフォトダイオードを用いていることを
特徴とする固体レーザ装置である。

【００１５】また請求項６の発明による手段によれば、
前記固体レーザ媒質はＹＡＧロッドであることを特徴と
する固体レーザ装置である。

【００１６】また請求項７の発明による手段によれば、
レーザ装置に上記の固体レーザ装置を用いていることを
特徴とするレーザ加工装置である。

【００１７】なお、本願発明において蛍光とは、広義に
励起状態から基底状態に電子が遷移するときに放出され
る光のことを意味する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１９】固体レーザ装置の励起モジュールでは、レ
ーザ励起光量とレーザロッドからの蛍光とが比例してい
ることを発明者は確認している。したがって、レーザロ
ッドの各周方向からの蛍光量が等しければ、光軸を中心
にレーザロッドからの励起光量が全周にわたって等しく
分布していることを確認できる。それにより、レーザロ
ッドが熱レンズ効果の影響を受けているか否かも確認で
きる。

【００２０】レーザロッドの各周方向からの蛍光量の検
出には、レーザロッドの周囲の所定個所にＰＤ（フォト
ダイオード）を配置することで検出をおこなうことがで
きる。

【００２１】一方、通常のＬＤは、1万時間から２万時間
程度で劣化が発生している。したがって、最初の状態で
は、熱レンズ効果の影響を受けていないレーザロッド
も、経時的に熱レンズ効果の影響を受けることになるの
で、本発明では、それを常時監視して正確に把握して、
ＬＤ電源からの各ＬＤへの電流値を制御したり、また、
劣化したＬＤを交換して対処し、レーザロッド内の励起
分布を均一にし、レーザロッドの励起が偏りのない励起
モジュールを形成している。

【００２２】これらにより、単独の励起モジュールにつ
いての励起の偏りを調整することができる。

【００２３】また、複数の励起モジュールを直列に接続
して高出力のレーザ装置を構成した場合は、個々の励起
モジュールごとにレーザロッド内の励起分布を均一に調
整し、さらに、励起モジュール相互間のバランス調整を
おこなって、高出力の固体レーザ装置を得ることができ
る。

【００２４】図１は、本発明の実施の形態を示すＬＤ励
起による複数の励起モジュールを直列に接続した固体レ
ーザ装置の構成を示す模式側面図である。また、図２
は、そのＡ−Ａ´正面図である。

【００２５】固体レーザ装置は、光共振器を形成する出
力ミラー１と全反射ミラー２との間の光軸Ｌ上に、３本
のＹＡＧロッドであるレーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃを
具えた励起モジュール４ａ、４ｂ、４ｃが直列に配置さ
れている。この励起モジュール４ａ、４ｂ、４ｃは、各
レーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃの外周の離間した位置
に、それぞれ、１２０度間隔で３つの励起手段であるＬ
Ｄ５ａ、５ｂ〜５ｉと、励起モニタであるＰＤとがそれ
ぞれ配設されている。なお、各ＬＤ５ａ、５ｂ〜５ｉと
各ＰＤ６ａ、６ｂ〜６ｉとは、それぞれ、６０度づつの
位相の位置関係で配設されている。各ＬＤ５ａ、５ｂ〜
５ｉはＬＤ５ａ、５ｂ〜５ｉ電源に接続されている。ま
た、ＰＤ６ａ、６ｂ〜６ｒの受光面側には可視光領域の
波長を吸収する光学フィルタ（不図示）が設けられてい
る。

【００２６】これらの構成により、レーザロッド３ａ、
３ｂ、３ｃが、その周囲の３方向からＬＤ電源７に接続
されたＬＤ５ａ、５ｂ〜５ｉにより励起され、その励起
光は光共振器よって増幅されて発振し、出力ミラー１か
ら出力される。

【００２７】励起モニタであるＰＤ６ａ、６ｂ〜６ｒ
は、レーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃの周囲の３方向に配
置されており、レーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃから発す
る蛍光を検出している。その検出により、レーザロッド
３ａ、３ｂ、３ｃ１３の励起量をモニタしている。ま
た、ＰＤ６ａ、６ｂ〜６ｒから得られた信号は演算・制
御部（不図示）により演算処理され、各レーザロッド３
ａ、３ｂ、３ｃの熱レンズが均一になるようにＬＤ５
ａ、５ｂ〜５ｉの励起量が調整される。

【００２８】図３は、レーザロッド３ａ、（３ｂ、３
ｃ）の励起の偏りを、３方向からモニタした際の概念図
である。例えば、レーザロッド３ａの励起分布に、図３
に示すような偏りが生じている場合、各ＰＤ６ａ、６
ｂ、６ｃによるモニタの受光量が異なる。すなわち、Ｐ
Ｄ６ａ、６ｂの受光量は、ＰＤ６ｃの受光量より多くな
る。これにより、レーザロッド３ａ内の不均一な励起分
布をモニタすることができる。

【００２９】このモニタ結果から、各モニタの出力値が
等しくなるように、ＬＤ電源７からの各ＬＤ５ａ、５
ｂ、５ｃへの電流値を制御して、ＬＤ５ａ、５ｂ、５ｃ
の励起量を調整することにより、レーザロッド３ａ内の
励起分布を均一にすることができる。

【００３０】次に、マルチレーザロッド３ａ、３ｂ、３
ｃから高出力レーザビームを取り出すためには、各励起
モジュール４ａ、４ｂ、４ｃの熱レンズ効果を一定にす
る必要がある。そのために、各励起モジュール４ａ、４
ｂ、４ｃの熱レンズ効果のバランスを調整する。このバ
ランスの調整は、各励起モジュール４ａ、４ｂ、４ｃで
のＰＤ６ａ、６ｂ〜６ｒによるモニタの出力値の総和
値、もしくは、平均値が各励起モジュール４ａ、４ｂ、
４ｃ間で等しくなるように励起量を調整することにより
実現できる。

【００３１】なお、ＬＤ５ａ、５ｂ〜５ｉの励起量の調
整は、ＬＤ電源７からの各ＬＤ５ａ、５ｂ〜５ｉへの電
流値を制御しておこなう。これらにより、レーザ装置か
ら高出力レーザビームを高効率で取り出すことが可能に
なる。

【００３２】なお、レーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃから
発する蛍光をより精密に検出するためには、図４に示す
ように、光共振器の光軸上にシャッタ８を設けて、シャッ
タ８を閉じた際の発振がおこなわれていないタイミング
でモニタにより検出すればよい。なお、図４は、図１に
シャッタ８を追加したものであるので、図1と同一符号
は、同一機能部品を示し、その個々の説明を省略する。

【００３３】上述のように、レーザロッド３ａ、３ｂ、
３ｃの熱レンズ作用をモニタし、その結果にもとづい
て、複数のレーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃの励起入力を
調整することにより、安定した高出力レーザビームを取
り出すことができる。

【００３４】なお、上述のレーザロッド３ａ、３ｂ、３
ｃとしてＹＡＧレーザロッド３ａ、３ｂ、３ｃを用いた
が、ルビーロッド等の他の固体レーザ媒質を用いること
もできる。

【００３５】また、上述のレーザロッド３ａ、３ｂ、３
ｃの形状は、円柱状であったが、スラブレーザに対して
も、同様に本発明の調整法を適用することができる。

【００３６】次に、本発明のレーザ装置を用いたレーザ
加工装置について説明する。

【００３７】図５は、本発明のレーザ装置を用いたレー
ザ加工装置の模式図である。上述のレーザ装置により構
成されているレーザ発振器１１の出力側の光軸上の所定
個所には、光ファイバ入射用レンズ１２が配置されてい
る。この光ファイバ入射用レンズ１２の焦点の位置には
光ファイバ１３の端面が光ファイバ固定ユニット１４に
より固定されている。また、光ファイバ１３の他端には
加工用集光レンズ（不図示）を具えた加工ヘッド１５が
接続されている。

【００３８】これらの構成では、レーザ発振器１から放
射されたレーザビームＬ_５は、被加工体１６の所定個所
に照射することで、被加工体１６に対して、所定の熱加
工（たとえば、溶接、切断又は焼入れ等）を施すことが
できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、経時的に安定した高出
力のレーザ装置と、それを用いたレーザ加工装置を形成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の固体レーザ装置の構成を示す模
式側面図。

【図２】図1の部分正面図。

【図３】レーザロッドを、３方向からモニタした際の概
念図。

【図４】本発明の実施の固体レーザ装置の変形例の構成
を示す模式側面図。

【図５】本発明のレーザ装置を用いたレーザ加工装置の
模式図。

【符号の説明】

１…出力ミラー、２…全反射ミラー、３ａ、３ｂ、３ｃ
…レーザロッド、４ａ、４ｂ、４ｃ…励起モジュール、
５ａ、５ｂ〜５ｉ…ＬＤ、６ａ、６ｂ〜６ｒ…ＰＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体レーザ媒質をその周囲に離間して配
置した複数のレーザダイオードで光励起させる固体レー
ザ装置において、前記固体レーザ媒質の離間した周囲には、前記固体レー
ザ媒質から発する蛍光を検出するための複数のモニタ手
段が設けられていることを特徴とする固体レーザ装置。
【請求項２】前記モニタ手段からの蛍光の検出結果に
もとづいて前記レーザダイオードの電流を調整して光励
起量を制御するように構成されていることを特微とする
請求項１記載の固体レーザ装置。
【請求項３】前記固体レーザ媒質は、複数備わり、か
つ、直列に配設されていることを特徴とする請求項1又
は請求項２記載の固体レーザ装置。
【請求項４】直列に配設されている複数の前記固体レ
ーザ媒質個々の光励起量が等しくなるように構成されて
いることを特徴とする請求項３記載の固体レーザ装置。
【請求項５】前記モニタ手段はフォトダイオードを用
いていることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の
固体レーザ装置。
【請求項６】前記固体レーザ媒質はＹＡＧロッドであ
ることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の固体レ
ーザ装置。
【請求項７】レーザ装置に請求項１乃至請求項６のい
ずれか１項に記載の固体レーザ装置を用いていることを
特徴とするレーザ加工装置。