JP2003198012A - レーザ光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体レーザ媒質の冷却効率を向上させ、容易
に高出力化を実現したレーザ光発生装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光発生装置２１は、励起光２６ａ
を発する励起光源２６と、励起光源２６からの励起光２
６ａが照射される固体レーザ媒質２２とを備えている。
固体レーザ媒質２２は、少なくとも一部が切頭円錐形ま
たは切頭角錐形をなしている。固体レーザ媒質２２の底
面２２ｃには、光軸２４が通る部分近傍に開口部２３ｂ
を有する冷却機構２３が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、励起光源からの励
起光を受けてレーザ光を発生するレーザ光発生装置に係
り、とりわけ固体レーザ媒質の冷却効率を向上させ、ま
た高出力化を実現したレーザ光発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来のレーザ光発生装置を示し
ている。

【０００３】図５に示すように、従来のレーザ光発生装
置１として、励起光６ａを発生するレーザダイオード６
と、レーザダイオード６の発する励起光６ａを集光して
固体レーザ媒質２に入射させる集光装置７と、集光装置
７からの励起光６ａを受けて誘導放出光１１ｂを発する
固体レーザ媒質２とを備えたものが知られている。ま
た、固体レーザ媒質２の底面２ｃには全反射コーティン
グが施され、さらに固体レーザ媒質２を冷却する冷却機
構３が設けられている。

【０００４】そして、固体レーザ媒質２の上面２ｄに対
向して部分反射ミラー９が設けられていて、この部分反
射ミラー９は、固体レーザ媒質２の底面２ｃに施された
全反射コーティング面とで共振器を構成する。つまり、
レーザダイオード６の励起光６ａによって固体レーザ媒
質２から発生された誘導放出光１１ｂは、共振器間を往
復する間に増幅され、指向性の良いレーザ光１１ａとな
って部分反射ミラー９より外部に放出され、不図示の光
学系を介して対象物１０に照射されるものである。

【０００５】なおレーザダイオード６には、レーザダイ
オード６に電力を供給する電源装置８が接続されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に固体レーザ媒質
を励起して光の増幅効果を得る場合、固体レーザ媒質の
冷却が必要である。例えば、ディスク状固体レーザ媒質
を冷却する場合、ディスク状固体レーザ媒質の一対の端
面のうち片方の端面に冷却機構が設置されている。この
ため、レーザ光の高出力化を実現するためにディスク状
固体レーザ媒質をレーザ光の光軸上に複数設置し、多段
化を行なった場合に、冷却機構が障害となる。

【０００７】すなわち、上述した構成のディスク状固体
レーザ媒質を単純に並べて配置しただけだと、途中に配
置されたディスク状固体レーザ媒質に設けられた冷却機
構が障害となり、各ディスク状固体レーザ媒質にて発生
した誘導放出光等がその冷却機構を通過することができ
ず、結果的に高出力は得られない。

【０００８】このため複数の固体レーザ媒質を設けて高
出力のレーザ光を得ようとした場合、複数の固体レーザ
媒質およびレーザダイオードの配置関係が複雑となり、
困難であった。

【０００９】また、ディスク状固体レーザ媒質の冷却機
構側の端面上には、先に述べた共振器を形成するために
全反射コーティングが施されており、ディスク状固体レ
ーザ媒質と冷却機構の接触面には、この全反射コーティ
ング部分が介在することとなる。このため、冷却機構に
よる固体レーザ媒質の冷却効果が低下する。

【００１０】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、容易にレーザ光の高出力化を可能とした
レーザ光発生装置を提供することを目的とする。

【００１１】さらに本発明は、固体レーザ媒質の冷却効
率を向上させることができるレーザ光発生装置を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、励起光を発す
る励起光源と、この励起光源からの励起光が照射される
固体レーザ媒質と、を備え、固体レーザ媒質の底面に、
レーザ光の光軸が通る部分近傍が開口した冷却機構を設
けたことを特徴とするレーザ光発生装置である。

【００１３】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態 以下、図１を参照して本発明によるレーザ光発生装置の
第１の実施の形態について説明する。

【００１４】図１は、本発明によるレーザ光発生装置の
第１の実施の形態を示す図である。

【００１５】図１に示すように、本発明によるレーザ光
発生装置２１は、励起光２６ａを発生する励起光源２６
と、励起光源２６からの励起光２６ａを受けて誘導放出
光２１ｂを発する固体レーザ媒質２２とを備えている。

【００１６】このうち励起光源２６としては、レーザダ
イオード２６が用いられているが、他の励起光源を用い
てもよい。

【００１７】またレーザダイオード２６は、固体レーザ
媒質２２の側方に設置されており、レーザダイオード２
６には、レーザダイオード２６に電力を供給する電源装
置２８が接続されている。また、レーザダイオード２６
と固体レーザ媒質２２との間には、レーザダイオード２
６の発する励起光２６ａを集光して固体レーザ媒質２２
に入射させる集光装置２７が設置されている。なお固体
レーザ媒質２２の側方周囲に、複数のレーザダイオード
２６が配置されるようにしても良い。

【００１８】レーザダイオード２６が発生する励起光２
６ａは、集光装置２７によって集光されて固体レーザ媒
質２２内の中心部２２ｈを焦点として入射されている
が、励起光２６ａを固体レーザ媒質２２内のいずれの部
分に入射しても良い。集光装置２７を調整することによ
って、レーザダイオード２６の発する励起光２６ａを、
固体レーザ媒質２２内のいずれの部分にも入射すること
ができるようになっている。

【００１９】次に固体レーザ媒質について詳述する。

【００２０】固体レーザ媒質２２は、全体として略切頭
円錐形をなしているが、切頭円錐形の側面２２ｅはわず
かに湾曲していても良い。また固体レーザ媒質２２は、
全体として略切頭角錐形をなしていてもよい。ここで固
体レーザ媒質２２は上面２２ｄと、底面２２ｃを有し、
これら上面２２および底面２２ｃは、レーザ光発生装置
２１が出力するレーザ光２１ａの光軸２４に対して垂直
面とされる。なお必ずしも、固体レーザ媒質２２の上面
２２ｄおよび底面２２ｃは、レーザ光発生装置２１が出
力するレーザ光２１ａの光軸２４に対して垂直面となる
必要はない。

【００２１】図１において、固体レーザ媒質２２の上面
２２ｄ側の光軸２４上には部分反射ミラー２９が設けら
れている。この部分反射ミラー２９は、後述する固体レ
ーザ媒質２２の底面２２ｃに施される全反射コーティン
グとで共振器を構成する。

【００２２】また固体レーザ媒質２２の上面２２ｄおよ
び底面２２ｃのうち、光軸２４が通過する部分には、光
学研磨が施され、さらに上面２２ｄには無反射コーティ
ング２５ａが施され、また底面２２ｃには全反射コーテ
ィング２５ｂがそれぞれ施されている。ここで光学研磨
とコーティングが施される面積は、固体レーザ媒質２２
から発生した誘導放出光２１ｂの所定の利得断面積と等
しくなっている。ここで利得断面積とは、レーザダイオ
ード２６の励起光２６ａにより固体レーザ媒質２２より
発生した誘導放出光２１ｂが全反射コーティング面２５
ｂと部分反射ミラー２９とで構成される共振器間で有効
に往復移動を行うに有効な光軸２４に垂直な面積をい
う。

【００２３】つまりコーティングは、固体レーザ媒質２
２の上面２２ｄと底面２２ｃの全面に施す必要はなく、
固体レーザ媒質２２内の励起分布から考えて、所定の面
積以上であればよい。

【００２４】さらに固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと
底面２２ｃに施す各コーティング２５ａ、２５ｂの面積
は、同一でなくてもよいし、同一形状でなくてもよい。

【００２５】固体レーザ媒質２２は、レーザダイオード
２６からの励起光２６ａを受けると発熱し、冷却が必要
となる。そこで固体レーザ媒質２２の底面２２ｃには、
固体レーザ媒質２２の底面２２ｃのうち光軸２４が通る
部分近傍に開口部２３ｂを有する冷却機構２３が設けら
れている。

【００２６】冷却機構２３は冷却機構２３内を冷却媒体
２３ａが循環することにより、固体レーザ媒質２２の冷
却を行なうものである。冷却機構２３には、冷却媒体２
３ａとして液体が用いられているが、液体の代わりに気
体を用いてもよい。

【００２７】冷却機構２３は、固体レーザ媒質２２の底
面２２ｃと接することにより熱交換を行なって、固体レ
ーザ媒質２２の冷却を行なっている。固体レーザ媒質２
２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面に全反射コーテ
ィングが施されている場合、固体レーザ媒質２２と冷却
機構２３との間の熱伝導率が低下することも考えられる
ので、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３
の接触面には、全反射コーティングを施さないことが好
ましい。さらに、固体レーザ媒質２２と冷却機構２３と
の間の熱伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２
２の底面２２ｃと冷却機構２３の接触面との間には、固
体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の間の熱
伝導率を向上させるヒートシンカを設けることが好まし
い。さらに固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構
２３の接触面に、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷
却機構２３の間の熱伝導率を向上させる接着剤を設けた
り、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３の
接触面のいずれかに熱伝導性の高いコーティングまたは
表面処理を施してもよい。

【００２８】ところで固体レーザ媒質２２の底面２２ｃ
と冷却機構２３の接触面との間の接触面積を大きくし熱
伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２２の底面
２２ｃと、冷却機構２３の接触面の各々に、粗面化処理
を施してもよい。また固体レーザ媒質２２の底面２２ｃ
と冷却機構２３の接触面との間の接触面積を大きくし熱
伝導率を向上させるために、固体レーザ媒質２２の底面
２２ｃと冷却機構２３の接触面の各々に溝を設けてもよ
いし、接触する各々の面を両者が嵌合するような曲面と
してもよく、さらに各々の面を互いに嵌合するような複
数の面から構成してもよい。

【００２９】次に固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと底
面２２ｃの面積について説明する。

【００３０】固体レーザ媒質２２は切頭円錐形または切
頭角錐形を有しているが、固体レーザ媒質２２の側面２
２ｅにレーザダイオード２６からの励起光２６ａが入射
し、励起光２６ａの焦点が固体レーザ媒質２２の中心部
２２ｈに位置するように設定したとき（必ずしも、中心
部２２ｈに焦点を位置づける必要はないが）、固体レー
ザ媒質２２の中心部２２ｈに高い励起密度が得られる。
そこで、固体レーザ媒質２２の中心部２２ｈに高い励起
密度を持つ励起分布を用いて、固体レーザ媒質２２が発
する誘導放出光２１ｂの最適な利得断面積を算出する。
算出された固体レーザ媒質２２が発する誘導放出光２１
ｂの利得断面積から固体レーザ媒質２２の上面２２ｄの
面積を算出する。また、固体レーザ媒質２２の底面２２
ｃの面積については、上述したように固体レーザ媒質２
２の冷却効率をどの位に設定するかによって決定され
る。すなわち、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃを大き
くし、固体レーザ媒質２２の底面２２ｃと冷却機構２３
の接触面との間の接触面積を大きくすれば、固体レーザ
媒質２２の冷却効率を向上させることができる。

【００３１】さらに固体レーザ媒質２２の上面２２ｄと
底面２２ｃが光軸２４に対して垂直である必要がないこ
とは、前述した通りである。

【００３２】次にこのような構成からなる実施の形態の
作用について説明する。

【００３３】まず電源装置２８からレーザダイオード２
６へ電力が供給される。この際レーザダイオード２６
は、電源装置２８からの電力により、励起光２６ａを発
する。レーザダイオード２６によって発せられた励起光
２６ａは、集光装置２７により集光し、その後励起光２
６ａは、固体レーザ媒質２２内の中心部２２ｈを焦点と
して入射する。固体レーザ媒質２２に励起光２６ａが照
射されると、固体レーザ媒質２２からは誘導放出光２１
ｂが発生する。そしてこの誘導放出光２１ｂは、固体レ
ーザ媒質２２の底面２２ｅに施された全反射コーティン
グ面２５ｂと部分反射ミラー２９との間で構成される共
振器間を往復する間に増幅され、指向性のよいレーザ光
２１ａとなる。指向性の良くなったレーザ光２１ａは、
部分反射ミラー２９より外部に放出され、不図示の光学
系を介して対象物１０に入射し、対象物１０に対して所
望のレーザ加工を施す。

【００３４】以上説明したように第１の実施の形態によ
れば、固体レーザ媒質２２は、少なくとも一部が略切頭
円錐形または略切頭角錐状をなしていることから、固体
レーザ媒質２２と冷却機構２３の接触面積を大きくする
ことができ、固体レーザ媒質２２の冷却効率を向上させ
ることができ、レーザ光出力の安定化を図ることができ
る。

【００３５】また、第１の実施の形態において、固体レ
ーザ媒質２２の底面２２ｃ全面に全反射コーティング２
５ｂを施すのではなく、固体レーザ媒質２２から発生し
た誘導放出光２１ｂの共振器間における往復動に有効に
係わる部分だけに施す。これにより、冷却機構２３と固
体レーザ媒質２２の底面２２ｃとは、全反射コーティン
グ部分が介在することなく接触させることが可能となる
ため、冷却効率をさらに向上させることができる。

【００３６】次に図２により本発明の変形例について説
明する。

【００３７】図１において、冷却機構２３として冷却媒
体２３ａが循環する機構を用いているが、これに限らず
図２に示すように、冷却機構としてペルチェ素子等の機
能デバイスを用いてもよい。図２は、冷却機構２３とし
て、ペルチェ素子２３ｃを用いた変形例を示す図であ
る。

【００３８】図２に示すレーザ発生装置３１において、
固体レーザ媒質２２の底面２２ｃには、固体レーザ媒質
２２内の熱を吸収するペルチェ素子２３ｃが設けられて
いる。また、ペルチェ素子２３ｃには、ペルチェ素子２
３ｃ内の熱を放熱する放熱フィン２３ｄが設けられてい
る。ペルチェ素子２３ｃへは、電源装置３２から駆動用
電力が供給される。

【００３９】第２の実施の形態 次に図３により本発明の第２の実施の形態について説明
する。

【００４０】図３は、本発明の第２の実施の形態を示す
図である。

【００４１】図３において、レーザ光発生装置４１は、
レーザ光２１ａの光軸２４上に設置された２つの固体レ
ーザ媒質２２ｆ、２２ｇを有している。この場合、固体
レーザ媒質２２ｆは、前方に位置する固体レーザ媒質で
あり、固体レーザ媒質２２ｇは、後方に位置する固体レ
ーザ媒質となっている。

【００４２】図３において、他の構成は図１に示す第１
の実施の形態と略同一である。図３において、図１に示
す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して
詳細な説明は省略する。

【００４３】各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇの底面２
２ｃには、開口部２３ｂを有する冷却機構２３、２３が
設けられている。また各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇ
の側方には、レーザダイオード２６、２６が設けられて
いる。更に各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇと固体レー
ザ媒質２２ｆ、２２ｇに対応するレーザダイオード２
６、２６との間には集光装置２７、２７が設けられてい
る。

【００４４】電源装置２８は、各レーザダイオード２
６、２６に電力を供給し、各レーザダイオード２６、２
６は、電源装置２８から電力が供給されると、励起光２
６ａを発する。各レーザダイオード２６、２６によって
発せられた励起光２６ａは、各集光装置２７、２７によ
り集光し、固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇ内に入射す
る。

【００４５】ここで後方に位置する固体レーザ媒質２２
ｇにおいて、その上面２２ｄには無反射コーティング２
５ａが、また底面２２ｃには全反射コーティング２５ｂ
がそれぞれ施される点は図１に示した固定レーザ媒質２
２と同様であるが、前方に位置する固体レーザ媒質２２
ｆにおいては、その上面２２ｄと底面２２ｃのいずれに
も無反射コーティング２５ａが施されている。そして後
方に位置する固体レーザ媒質２２ｇの底面２２ｃの全反
射コーティング面２５ｂと部分反射ミラー２９とで、共
振器を構成する。なお、後方に位置する固体レーザ媒質
２２ｇの上面２２ｄと底面２２ｃともに無反射コーティ
ングを施し、この固体レーザ媒質２２ｇの底面２２ｃと
対向するように全反射ミラーを配置し、この全反射ミラ
ーと部分反射ミラー２９とで共振器を構成するようにし
てもよい。

【００４６】そこで、この構成のレーザ光発生装置４１
においては、各レーザダイオード２６、２６からの励起
光２６ａが各固体レーザ媒質２２ｆ、２２ｇに照射され
ると、誘導放出光２１ｂが発生し、そして共振器間を往
復する間に増幅される。この往復動は、冷却機構２３の
開口部２３ｂを通って行われる。共振器間を往復し、増
幅された誘導放出光２１ｂは、指向性の良い高出力のレ
ーザ光２１ａとなって部分反射ミラー２９より外部に放
出される。その後、高出力のレーザ光２１ａは不図示の
光学系により集光され、対象物１０に対して入射する。

【００４７】以上説明したように第２の実施の形態によ
れば、第１の実施の形態が有する効果に加え、固体レー
ザ媒質２２ｆ、２２ｇの各底面２２ｃに、レーザ光２１
ａの光軸２４が通る部分近傍に開口部２３ｂを有する冷
却機構２３を設けたことにより、光軸２４上に固体レー
ザ媒質２２ｆ、２２ｇを複数配置することが可能とな
る。このことにより、容易に固体レーザ媒質２２ｆ、２
２ｇの多段化が可能となり、レーザ光発生装置４１が発
するレーザ光２１ａの高出力化が可能となる。また、レ
ーザ光２１ａの光軸２４方向に対する厚さの薄い固体レ
ーザ媒質２２ｆ、２２ｇおよび冷却機構２３を多段化す
ることにより、光軸２４方向に対する厚さの薄いレーザ
ダイオード励起固体レーザヘッドを得ることができ、レ
ーザダイオード励起固体レーザヘッドのコンパクト化が
可能となる。

【００４８】次に本発明の変形例について説明する。

【００４９】レーザ光発生装置４１は、レーザ光２１ａ
の光軸２４上に配置された３つ以上の固体レーザ媒質２
２を有していてもよい。光軸２４上に配置される固体レ
ーザ媒質２２の数は、必要とするレーザ光２１ａの所望
の出力に基づいて決定することができる。すなわち固体
レーザ媒質２２の数を増加させれば、それだけレーザ光
発生装置４１から生じるレーザ光２１ａの出力を増加さ
せることができる。

【００５０】第３の実施の形態 次に図４により本発明の第３の実施の形態について説明
する。

【００５１】図４は、本発明の第３の実施の形態を示す
図である。

【００５２】図４においてレーザ光発生装置５１は、固
体レーザ媒質５２と、固体レーザ媒質５２に両端面に設
けられ固体レーザ媒質５２を冷却するとともに開口部２
３ｂを有する一対の冷却機構２３、２３とを備えてい
る。また、固体レーザ媒質５２の側方には、レーザダイ
オード２６が設けられている。さらにレーザダイオード
２６と固体レーザ媒質５２の間には、集光装置２７が設
けられている。

【００５３】次に固体レーザ媒質５２の構造について説
明する。固体レーザ媒質５２の形状は、一対の略切頭円
錐形を、その両者の切頭部分を向き合わせて円柱部分を
介在させて互いに連結されたものとされる。このような
構成からなる固体レーザ媒質５２は、全体として糸巻き
状の形状を有している。固体レーザ媒質５２の糸巻き状
の形状の側面は、回転平面でなくてもよいし、一つの面
で構成されていなくてもよい。

【００５４】図４において、他の構成は図１に示す第１
の実施の形態と略同一である。図４において、図１に示
す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を符して
詳細な説明は省略する。

【００５５】図４に示す第３の実施の形態において、第
１の実施の形態が有する効果に加え、一対の冷却機構２
３、２３によって固体レーザ媒質５２を冷却することに
より、固体レーザ媒質５２の冷却効率をより向上させる
ことができる。

【００５６】なお固体レーザ媒質５２の形状を一対の略
切頭円錐形を互いに連結されたものとする例を示した
が、これに限らず一対の略切頭角錐形を互いに連結して
構成してもよい。

【００５７】また、図３に示した第２の実施の形態と同
様に、固体レーザ媒質５２を光軸２４に沿って複数配置
すれば、高出力のレーザ光２１ａを得ることもできる。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、容易にレーザ光の高出
力化が可能となる。

【００５９】さらに本発明によれば、固体レーザ媒質を
効率的に冷却することができ、レーザ光出力の安定化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ光発生装置の第１の実施の
形態を示す全体構成図

【図２】冷却機構の他の例を示す図

【図３】本発明によるレーザ光発生装置の第２の実施の
形態を示す全体構成図

【図４】本発明によるレーザ光発生装置の第３の実施の
形態を示す全体構成図

【図５】従来のレーザ光発生装置を示す図

【符号の説明】

２１ レーザ光発生装置 ２１ａ レーザ光 ２２ 固体レーザ媒質 ２２ｃ 底面 ２２ｄ 上面 ２２ｆ 固体レーザ媒質 ２２ｇ 固体レーザ媒質 ２３ 冷却機構 ２３ｂ 開口部 ２５ａ 無反射コーティング ２５ｂ 全反射コーティング ２６ 励起光源 ２７ 集光装置 ２８ 電源装置 ２９ 部分反射ミラー ３１ レーザ光発生装置 ４１ レーザ光発生装置 ５１ レーザ光発生装置 ５２ 固体レーザ媒質

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】励起光を発する励起光源と、 この励起光源からの励起光が照射される固体レーザ媒質
   と、を備え、 固体レーザ媒質の底面に、レーザ光の光軸が通る部分近
   傍が開口した冷却機構を設けたことを特徴とするレーザ
   光発生装置。
2. 【請求項２】固体レーザ媒質は、少なくともその一部が
   略切頭円錐形または略切頭角錐形をなしていることを特
   徴とする請求項１記載のレーザ光発生装置。
3. 【請求項３】レーザ光の光軸上に固体レーザ媒質が複数
   配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ
   光発生装置。
4. 【請求項４】固体レーザ媒質は、全体が略切頭円錐形ま
   たは略切頭角錐形をなしていることを特徴とする請求項
   ２記載のレーザ光発生装置。
5. 【請求項５】固体レーザ媒質は、一対の略切頭円錐形ま
   たは一対の略切頭角錐形が互いの切頭部分で連結された
   形状をしていることを特徴とする請求項２記載のレーザ
   光発生装置。
6. 【請求項６】励起光を発する励起光源と、 この励起光源からの励起光が照射される固体レーザ媒質
   と、を備え、 前記固体レーザ媒質は、少なくともその一部が略切頭円
   錐形または略切頭角錐形をなし、その上面と底面におけ
   るレーザ光軸が通る部分にはコーティングが施され、 さらに前記底面には、前記レーザ光軸が通る部分近傍に
   開口部を有する冷却機構が、その開口部が前記コーティ
   ングが施された部分に対応するようにして設けられたこ
   とを特徴とするレーザ光発生装置。
7. 【請求項７】前記底面と冷却機構との接触面には、両者
   の接触面積を大きくする処理が施されていることを特徴
   とする請求項６記載のレーザ光発生装置。