JP2003023196A

JP2003023196A - Ｌｄ励起レーザ装置

Info

Publication number: JP2003023196A
Application number: JP2001205843A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sakurai; 努櫻井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-24
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP4604408B2

Abstract

(57)【要約】【課題】端面励起型ＬＤ励起レーザでは、熱によるレ
ーザ媒体のクラック発生等により、平均出力が５０Ｗを
超えるレーザの実現は困難であった。【解決手段】複数のＬＤアレイバー２とこのＬＤアレ
イバー２の発散角が大きい出射光を同一光軸方向にライ
ンコリメートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズ３と
を積層して構成されたＬＤスタック１と、このＬＤスタ
ック１を出射した光を絞って平行光にするダウンコリメ
ータ５と、この平行光を入射させ前記ＬＤアレイバー２
の配列方向と垂直な方向に凸形状を有するシリンドリカ
ルレンズ６と、このシリンドリカルレンズ６を通過した
光を端面から入射させ、この端面がレーザ発振波長の全
反射コートされたレーザ媒体９と、このレーザ媒体９の
端面を含む部分を透明な流体で冷却する冷却手段とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は従来のランプ励起に
代わり、高出力半導体レーザ（以下ＬＤと省略）を用い
て励起する、高効率・高出力の端面励起型ＬＤ励起レー
ザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来の端面励起型ＬＤ励起レーザ
を示す。

【０００３】従来、空気中で高出力なレーザ装置を得よ
うとすると、ＹＡＧロッド３６の発熱を押さえるため、
例えば、ＬＤレーザ照射器４１を２つ設け、ミラー３９
を介して端面励起し、出力ミラー３８とリアミラー３７
を用いて発振させていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、端面励
起型ＬＤ励起レーザでは、熱によるレーザ媒体のクラッ
ク発生や、コート膜ダメージにより、平均出力が５０Ｗ
を超えるレーザの実現は困難であった。また、５０Ｗ級
になると、レーザ媒体もＬＤビーム照射部がかなりの高
温となるため、熱レンズ効果により、出力安定性の低下
やビームモードの劣化を防止することも困難であった。
そして、ＬＤスタックからのＬＤビームは縞状の長方形
であるため、そのままレーザ媒体に端面照射すると、縞
状の長方形のＬＤ励起光となり、ビームモードも縞状と
なるため、丸い均質なＬＤ励起ビームにすることが必要
な場合もあった。さらに、一般のレーザ溶接では、５０
Ｗを超えるレーザをＬＤ励起で実現しようとすると、か
なり大きな構造体になり、微小ワーク溶接をするために
は光ファイバと出射鏡筒を使用しなければならず、この
光ファイバとレーザのカプリングや、光ファイバの扱い
に専門ツールや専門技術・技能が必要なため、万一のト
ラブル時は専門家が対応せねばならないという問題点も
あった。

【０００５】また、高出力を得るためにレーザ媒体を高
速ジェット水流で冷却しようとすると、従来のレーザ媒
体の保持方法では、ジェット水流の振動により、出力が
変動するという問題点もあった。そして、小型にしよう
とすると、共振器長を短くせざるを得ないが、共振器長
を短くすると、ビーム拡がり角が大きくなるため、集光
性が落ち、小さなナゲットを得るのが困難になるという
問題点もあった。

【０００６】本発明は、上記従来のような問題点を解決
し、高出力・高安定な小型出射鏡筒型ＬＤ励起レーザを
提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、複数のＬＤアレイバーとこのＬＤアレイバ
ーの発散角が大きい出射光を同一光軸方向にラインコリ
メートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズとを積層し
て構成されたＬＤスタックと、このＬＤスタックを出射
した光を絞って平行光にするダウンコリメータと、この
平行光を入射させ前記ＬＤアレイバーの配列方向と垂直
な方向に凸形状を有するシリンドリカルレンズと、この
シリンドリカルレンズを通過した光を端面から入射さ
せ、この端面がレーザ発振波長の全反射コートされたレ
ーザ媒体と、このレーザ媒体の端面を含む部分を透明な
流体で冷却する冷却手段とを有した構成としたものであ
る。

【０００８】これにより、熱の影響を回避することがで
き、高出力・高安定な小型出射鏡筒型ＬＤ励起レーザが
得られる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の、ＬＤ励起レーザ装置に
ついて、以下幾つかの実施例を示しながら具体的に説明
する。

【００１０】図１は、本発明の実施の形態に係るＬＤ励
起レーザ装置の上面図と側面図である。

【００１１】ＬＤスタック１は、波長８０８ｎｍ、定格
５０Ｗ、１ｃｍ×１μｍの発光面を有する複数のＬＤア
レイバー２と、この出射光を同一光軸方向にラインコリ
メートするＦＡＳＴ方向用コリメートレンズ３を積層し
て構成されている。ＬＤスタック１から出射される複数
のラインコリメート光４を、平凸レンズ３０と両凹レン
ズ３１から構成されるダウンコリメータ５により、ビー
ムサイズを小さくしている。そして、前記ＬＤアレイバ
ー２の配列方向と垂直な方向に凸形状をしたシリンドリ
カルレンズ６、透明ウインドウ８を介して、長方形ＬＤ
光７を得て、ＹＡＧロッド９端面に照射する。

【００１２】ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部は水没してお
り、配管コネクタ１０よりジェット水流１１をＹＡＧロ
ッド９のＬＤ励起部に当てることにより、高効率の水冷
を実現している。そして、ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部
端面には、レーザ発振波長１０６４ｎｍのワイドレンジ
全反射コートと８０８ｎｍのワイドレンジＡＲコート
が、イオンアシスト法により複合コートされており、緻
密かつ堅固で、水による波長シフトや、コート膜の劣化
を極めて小さくしている。

【００１３】またＹＡＧロッド９の側面には研磨を施し
て乱反射を防止し、端面から入射したＬＤ光を、側面の
研磨面の全反射作用を利用して閉じ込めることにより、
ＬＤ励起効率をあげている。そして、ＹＡＧロッド９に
は、外周が４５度テーパ、内周がＹＡＧロッド９の外周
と同曲率な形状で、硬質材料のアルミからなる２つ割し
た台形円錐体１２を回転リングねじ１３で締め付けてい
る。これにより、ジェット水流をＬＤ照射部にあてても
ふらつかず、時間変動の小さい安定したレーザ発振を実
現している。

【００１４】なお、ＹＡＧロッド９はステンレスの円筒
１４内に配置され、円筒１４の端面１５は垂直に研磨さ
れており、光軸センタ１６を中心に２分配された位置の
研磨面にタップ穴１７が設けられている。そして、出力
ミラー２０の保持体１８は、光軸センタ１６を中心に４
分配された位置で、各々対象にボールプランジャ１９
と、六角穴付ボルト２２を配置し、出力ミラー２０とＹ
ＡＧロッド９の全反射コート面２３を平行にアライメン
トした後、レーザ出力パワーが最大になるように六角穴
付ボルト２２とボールプランジャ１９の締め付け力を調
整する。その後、レーザ出力変動が１％、望ましくは
０．２％以下になるまで調整し、クリープによる出力低
下の影響を軽減している。

【００１５】なお、出力ミラー２０の出力コート面は、
曲率が１ｍから５ｍ程度の凹面の方がレーザ発振効率も
あがり、またアライメント機構のクリープによる影響を
受けにくく好適である。さらに、出力ミラー保持体１８
の光軸センタ上にアクロマティック集光レンズ２１を配
置して、レーザ溶接用に一般的に用いられる出射鏡筒形
状にした後、ＬＤスタック１も搭載することにより、フ
ァイバレスな高集光溶接器を実現することも可能であ
る。

【００１６】本発明によれば、３００ＷのＬＤレーザポ
ンプ時にデューティ比１／３のパルス駆動をさせた時
に、平均５０Ｗ、ピークパワー１５０Ｗと溶接や薄板金
属の切断に十分なレーザパワーを得た。このときのＬＤ
光−励起レーザ光変換効率は、約５０％であった。さら
に、側面研磨したＹＡＧロッドでＬＤ光を封じ込めるこ
とにより、効率はさらに２〜３％ＵＰした。

【００１７】これらにより、長方形から正方形、丸型の
ビームが手ごろに得られ、従来のＬＤ励起レーザより遥
かに小さく、安く、扱いやすく、長期、短期ともに従来
の一般のパワーメータでは測定困難な程度（推定±０．
１％）の高安定な小型高出力出射鏡筒型レーザを、提供
することができた。

【００１８】本発明のさらに優れている点は、水没した
ＹＡＧロッド端面に照射した形状通りのＬＤ励起レーザ
ビームが得られるので、ＬＤ照光７がライン状になるよ
うに平凸レンズ３０と両凹レンズ３１間の距離を調整す
ることにより、高ピークのラインビームが得られる。そ
して、アクロマティック集光レンズ２１で集光すること
により、数十μｍ×０．２ｍｍ程度のナイフ状集光ビー
ムが得られるため、０．２ｍｍ程度のタングステンワイ
ヤを３８００度という高融点にもかかわらず、瞬時に切
断することができる。

【００１９】また、グリッド状のマルチビームをあてる
ことにより、グリッド状ビームが得られるため、マルチ
集光レンズで集光することにより、同時多点のグリッド
状マイクロスポットが得られる。この同時多点のグリッ
ド状マイクロスポットは数十ミクロンオーダの金属箔を
接合に好適である。

【００２０】図２に、図１のＬＤ励起レーザ装置におい
て、丸型のＬＤ励起レーザビームを得て、しかもビーム
密度と品質を向上させたＬＤ励起部の構成図を示す。

【００２１】図１のシリンドリカルレンズ６通過後のＬ
Ｄ光が正方形になるように、平凸レンズと両凹レンズ間
の距離を調整する。そして、図２に示すように、メガホ
ン状カライド３２に、正方形ＬＤ光の対角線と同じ直径
で入射し、この正方形ＬＤ光の一辺と同じ直径で出射さ
せることで、カライド効果により均質な丸型ビームＬＤ
ビーム３３を得ている。この出射光を隣接したＹＡＧロ
ッド９の端面２３に照射すると、端面励起のＬＤ励起レ
ーザは、端面２３から数ｍｍ間のＬＤレーザ吸収部で吸
収された通りのＬＤ励起ビームが得られるので、ＬＤ励
起ビームも均質な丸型ビームとなる。すなわち、メガホ
ン状カライドを追加して四角を丸に変換することによ
り、レーザパワーは同等であるが、丸に変換した分、ビ
ーム密度が高くでき、従来の丸型ビームが必要な出射鏡
筒の置き換えを実現している。

【００２２】図３に、図１のＬＤ励起レーザ装置におい
て、ビーム密度と品質を向上させたＬＤ励起部の構成図
を示す。

【００２３】ダウンコリメータの通過光７を、透明ウイ
ンドウを介して、１０６４ｎｍの全反射コートと８０８
ｎｍのＡＲコート端面に一部あてると共に、残りのＬＤ
光を４５度近傍の傾きを有するコーン状ミラー４０で反
射させて、端面と側面でＬＤ励起させることにより、均
質な丸型状の励起レーザビームを得ている。

【００２４】なお、この場合、配管コネクタよりジェッ
ト水流１１をコーン状ミラー４０の水路部を切り欠い
て、ＹＡＧロッド９のＬＤ励起部に照射し、高効率の水
冷をしている。

【００２５】上記において、励起光学レンズは丸型が一
般的なので、ＬＤからのビームは、正方形が最も、丸型
光学系に対しスペース効率が良いのは自明である。よっ
て、ＬＤスタック発光ピッチは０．９ｍｍの時、ＬＤア
レイバー幅が１ｃｍであると（６＋５）×０．９＝９．
９ｍｍとなり、６個のバーのとき、ほぼ１ｃｍ角の正方
形となるので、好適である。

【００２６】図４に、図１のＬＤ励起レーザ装置におい
て、ビーム密度を数倍に向上させた、ＬＤ励起部の構成
図を示す。

【００２７】ＬＤスタック１からのラインコリメートＬ
Ｄ光４を、８０８ｎｍ用の１／λ波長板３４にて、ＦＡ
ＳＴ方向の偏向光を９０度回転し、図４のように、波長
８０８ｎｍ用偏向ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと略）
を２つ貼り合わせた構成で、光を加算するＰＢＳ加算器
３３により、ＳＬＯＷ方向を半分にして倍密ビーム３５
を生成する。

【００２８】これによって、ＳＬＯＷ方向はＰＢＳ加算
なしの時には、１ｃｍライン状発光体の集光限界である
１ｃｍ×１／３＝３．３ｍｍのビームサイズであるが、
ＰＢＳ加算によってさらに半分の１／６に集光される。
そして、倍密ビーム３５をＹＡＧロッド９内のＬＤ励起
部で、ＦＡＳＴ方向に１／６になるようにダウンコリメ
ータ５を調整することにより、上記の実施例の１／４の
ＬＤ励起レーザビームサイズになるので、１／４の集光
スポット、４倍密度で集光が可能となる。

【００２９】また、均質かつ倍密度の長方形状ＬＤ励起
ビームを得るために、発光部が約５０％のＬＤスタック
を２台、半ピッチずらして設け、インターリーブ加算器
で加算して、均質な長方形ＬＤ照射光をつくるのも好適
である。

【００３０】このように、数十ミクロンから１００ミク
ロン程度の小さな集光スポットを得るために、ＳＬＯＷ
方向用ＰＢＳ加算器をＬＤ照射光に設けることにより、
１／４以下にＬＤ励起レーザビームを小さくさせること
が可能となる。

【００３１】さらに、ＰＢＳ加算器やインターリーブ加
算器により、励起ビームサイズを小さくするでき、共振
器内部の光密度がかなり高くなるので、ＫＴＰやＬＢＯ
などの非線形結晶を共振器内部に配置することのより、
高い効率の倍波発振が可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、長時間の
水没による波長シフトの影響を極力減らしたコートした
レーザ媒体をジェット水流で、ＬＤ励起部を照射するこ
とにより、高出力かつ、熱レンズ効果のないＬＤ励起レ
ーザが得られるという有利な効果が得られる。

【００３３】また、メガホン状カライドをＬＤ照射部に
配置することや、コーン状ミラーにより、均質な丸型ビ
ームのＬＤ励起レーザ光が得られ、さらに、ＳＬＯＷ方
向用ＰＢＳ加算器とアクロマティック集光レンズによ
り、数十ミクロン程度の小さな集光スポットが得られる
という効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＬＤ励起レー
ザ装置の上面図と側面図

【図２】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置
における丸型のＬＤ励起レーザビームを得るＬＤ励起部
の構成図

【図３】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置
における丸型のＬＤ励起レーザビームを得るＬＤ励起部
の構成図

【図４】本発明の実施の形態に係るＬＤ励起レーザ装置
におけるビーム密度を数倍に向上させたＬＤ励起部の構
成図

【図５】従来の端面励起型ＬＤ励起レーザの構成図

【符号の説明】

１ＬＤスタック２ＬＤアレイバー３ＦＡＳＴ方向用コリメートレンズ５ダウンコリメータ６シリンドリカルレンズ９ＹＡＧロッド１２台形円錐体１３回転リングネジ１９ボールプランジャ２０出力ミラー３２メガホン状カライド３３ＰＢＳ加算器４０コーン状ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＬＤアレイバーとこのＬＤアレイ
バーの出射光を同一光軸方向でビームの発散角が大きい
方向（以下ＦＡＳＴ方向）にラインコリメートするＦＡ
ＳＴ方向用コリメートレンズとを積層して構成されたＬ
Ｄスタックと、このＬＤスタックを出射した光を絞って
平行光にするダウンコリメータと、この平行光が入射し
前記ＬＤアレイバーの配列方向と垂直な方向に凸形状を
有するシリンドリカルレンズと、このシリンドリカルレ
ンズを通過した光が入射するレーザ媒体と、このレーザ
媒体の端面を含む部分を透明な流体で冷却する冷却手段
とを有し、前記レーザ媒体の端面から光が入射し、レー
ザ発振波長に対し全反射コートされたことを特徴とする
ＬＤ励起レーザ装置。
【請求項２】透明な流体が水であることを特徴とする
請求項１に記載のＬＤ励起レーザ装置。
【請求項３】レーザ媒体の側面が研磨されていること
を特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のＬＤ励起
レーザ装置。
【請求項４】シリンドリカルレンズの出射光を入射す
るメガホン状カライドを有し、このメガホン状カライド
への入射光は正方形形状で、この正方形の対角線を入射
直径とし、出射光はこの正方形の一辺の長さを出射直径
とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
のＬＤ励起レーザ装置。
【請求項５】レーザ媒体の側面に接し、シリンドリカ
ルレンズ側に開いた形状をしたコーン状ミラーを有し、
端面よりシリンドリカルレンズの出射光が大であること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＬＤ励起
レーザ装置。
【請求項６】コーンの角度がレーザ媒体に対し４５度
であることを特徴とする請求項５に記載のＬＤ励起レー
ザ装置。
【請求項７】全反射コートは、流体中で発振波長に対
して全反射し、かつ、ＬＤ励起光に対して反射防止コー
トであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記
載のＬＤ励起レーザ装置。
【請求項８】全反射コートは、イオンアシストコート
法により形成したことを特徴とする請求項１〜７のいず
れかに記載のＬＤ励起レーザ装置。
【請求項９】レーザ媒体と同軸上に配置した出力ミラ
ーと、この出力ミラーを保持する出力ミラー保持部と、
この出力ミラー保持部の中心に対し４分配された位置の
それぞれ対向する部分にプランジャとねじとを有したこ
とを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＬＤ励
起レーザ装置。
【請求項１０】出力ミラーからの出射光の光軸上に配
置した集光レンズを有することを特徴とする請求項９に
記載のＬＤ励起レーザ装置。
【請求項１１】レーザ媒体を保持し、内周がこのレー
ザ媒体の外周と同曲率で、外周がテーパ形状で２つ割り
したレーザ媒体保持部と、このレーザ媒体保持部のテー
パ部を押圧して固定するレーザ媒体固定部とを有するこ
とを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のＬＤ
励起レーザ装置。
【請求項１２】ビームの発散角が小さい方向（以下Ｓ
ＬＯＷ方向）の長さを１／２以下にするＳＬＯＷ方向用
偏向ビームスプリッタ加算器をＬＤ照射光に設け、ダウ
ンコリメータでＦＡＳＴ方向長さもＳＬＯＷ方向に合わ
せて集光して、元の１／４以下のＬＤ励起ビームを得る
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のＬ
Ｄ励起レーザ装置。