JP2003258338A - スラブ型レーザ媒体を用いた固体レーザ装置 - Google Patents

スラブ型レーザ媒体を用いた固体レーザ装置

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JP2003258338A
JP2003258338A JP2002053453A JP2002053453A JP2003258338A JP 2003258338 A JP2003258338 A JP 2003258338A JP 2002053453 A JP2002053453 A JP 2002053453A JP 2002053453 A JP2002053453 A JP 2002053453A JP 2003258338 A JP2003258338 A JP 2003258338A
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laser medium
excitation
laser
light
gas
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Keisuke Fukugaki
啓介 福垣
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MEISHO KIKO KK
SAIFASHA YUGEN
Original Assignee
MEISHO KIKO KK
SAIFASHA YUGEN
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 励起レーザ光の更なる高出力を得ることがで
きる。 【解決手段】 励起チャンバー30から露出しているレ
ーザ媒体10の光入出射面11,12を有する端部15
を、ガス噴射口51からガス噴射により冷却している。
この結果、レーザ媒体10の上昇温度が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却手段を内蔵す
る励起チャンバーを貫通するスラブ型レーザ媒体を用い
た固体レーザ装置に関し、特に、スラブ型レーザ媒体の
内部に発生する温度をより一層低減させることができる
固体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の固定レーザ装置には、Y
AG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)結晶
中にネオジウム(Nd)イオンを含有させたレーザ媒体
が用いられたYAGレーザ装置があり、1μmの波長の
YAGレーザ装置が産業用に広く実用化されている。
【0003】しかしながら、YAGレーザ装置では、金
属などの溶接、切断などに応用する場合、実用的加工速
度を得るために必要な数kWの大きな平均出力を得るこ
とが困難である。その理由は、YAG結晶がランプ光ま
たはレーザ光などで周囲から光励起されるのでこの励起
光を吸収して熱が内部に発生するからである。
【0004】この結果、結晶内部に生じる温度勾配と応
力分布とによる熱光学効果が作用してレーザ光の屈折ま
たは偏光の解消を引き起こす。従って、大出力を得るた
めに光励起の強度を大きくした場合には、十分な冷却能
力と熱光学効果を補償する光学系が必要である。
【0005】近年、図2に示されるような、スラブ型の
レーザ媒体10を用い、レーザ光を内部に閉じ込めてジ
グザグ光路を形成させるYAGレーザ装置が実用化の域
に達した。
【0006】図示されているスラブ型のレーザ媒体10
は、一般に採用される形状のものであり、Z軸である長
さ方向に対してY軸を厚さ方向、またX軸を幅方向とす
る板状体の光学的に透明な結晶体である。すなわち、レ
ーザ媒体10は、レーザ光の伝搬方向(Z軸方向)に対
し垂直に切断して得られる矩形断面が有する幅方向(X
軸方向)および厚さ方向(Y軸方向)に対し、X−Z平
面に平行な二つの平面を励起面13とし、また、Y‐Z
平面に平行な二つの幅方向における端面を側面14とす
る。 また、レーザ媒体10は、励起されるレーザ光2
0の伝搬方向である長さ方向(Z軸方向)に対する両方
の先端面でX軸に平行でかつY軸およびZ軸に斜めな平
面をなす光入出射面11,12を有している。
【0007】従って、図3に示されるように、Z軸に平
行なレーザ光21が光入出射面11に対して入射角度γ
で入射した場合、入射した内部のレーザ光22は、レー
ザ媒体10の光屈折率のため、厚さ方向(Y軸方向)に
屈折するとともにY軸方向に垂直な二つの平行なX−Z
平面の励起面13を内部全反射面として全反射するジグ
ザグ光路を形成し、光入出射面12からZ軸に平行にレ
ーザ光23として出射する。
【0008】この構造では、励起面(X−Z平面)13
を介して投入される励起光を吸収することによりレーザ
媒体10の内部に温度勾配がY軸方向に発生する一方、
ジグザグ光路もY−Z平面に平行に形成されるので、上
述した熱光学効果が補償されるという優れた特性を有し
ている。更に、幅方向(X軸方向)の寸法を大きくする
ことによってX−Z平面である内部全反射面を形成する
励起面13の冷却表面積が大きくなるので、大強度の励
起光を受け入れることができる。従って、この構造は高
出力を得るのに適している。
【0009】従って、図4に示されるように、上述した
スラブ型のレーザ媒体10は励起用ランプを励起面に照
射すると共に励起面を冷却する構造を有する励起チャン
バー30の内部に収められる。しかし、スラブ型のレー
ザ媒体10はレーザ光20の光入出射面11,12が斜
面を形成するため端部15を励起チャンバー30から露
出させている。
【0010】ここで、特開平2−246388号公報に
開示された光ポンプレーザから、上述したスラブ型のレ
ーザ媒体を内部に収めた励起チャンバーの内部構造およ
び冷却水の流路に対する一例について図5を参照して説
明する。
【0011】図示されるように、スラブ結晶であるレー
ザ媒体10は、外部応力の影響を避けるためにシリコン
ゴムのような弾性体用具を介してカセット31の内部で
定位置に正確に保持される。また、レーザ媒体10を保
持する弾性体用具は同時にレーザ媒体10を冷却する冷
却水を封止する役割を担う。また、レーザ媒体10は両
面の励起面13に励起ランプが発光する励起光をガラス
板またはサファイア板による透光板32を介して光励起
される。
【0012】従って、冷却水は、励起面13と透光板3
2との間隙を流路としてレーザ媒体10を冷却すると共
に、励起光を放射する励起ランプ(図示省略)および励
起光の光路を形成する反射鏡33の周囲を流路として励
起ランプおよび反射鏡33をも同時に冷却する。また、
間隙を流れる冷却水の流れ方向は、レーザ媒体10の励
起面13の長さ方向(Z軸方向)に対して両面とも同一
方向、または、励起面13における一方の面の流れ方向
が幅方向(X軸方向)に対して他方の面が反対方向であ
るように設定されている。
【0013】上述したような構造で、励起面13を介し
て光励起と冷却とを受けるレーザ媒体10は、内部に、
スラブ形状の中心部で最大温度となり、中心から厚さ方
向(Y軸方向)の距離の二乗に比例して減少する放物線
の形状を有する温度分布を発生する。すなわち、温度勾
配が厚さ方向(Y軸方向)に生じる。
【0014】しかしながら、上述する厚さ方向(Y軸方
向)では放物線状を有する温度分布が、幅方向(X軸方
向)で一様でない場合、伝搬するレーザ光はX−Z平面
内で熱レンズ効果を受ける。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】上述した固体レーザ装
置では、スラブ型のレーザ媒体の幅方向(X軸方向)は
有限なため、幅方向(X軸方向)の両方の側面からスラ
ブの中心部へ向かって温度勾配が生じる。この結果、長
さ方向(Z軸方向)へ進むレーザ光は熱レンズ効果によ
りX−Z平面に平行な面内で屈折し、レーザ光の中心軸
に対し発散または収束する。従って、レーザ光の出力向
上が妨げられる。また、断熱材を配備した場合でも、断
熱材が励起光に対して完全な反射体ではないため、側面
と接する表面で励起光を吸収することにより表面の温度
が高く上昇して温度勾配が生じるという問題も生じる。
【0016】このような問題を解決する手段として励起
チャンバー内の温度を制御する技術が、例えば特開20
01−15844号公報に提案されているが、なお、出
力を上昇させることが期待されている。
【0017】本発明の課題は、従来の装置に対して更に
高出力を得るために、レーザ媒体の温度上昇を抑え、レ
ーザ媒体の温度分布を制御することができる固体レーザ
装置を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記出力上昇の期待につ
いて、励起チャンバー内の温度分布の制御後に、共振器
内のレーザ光の発振モードに特に大きく影響あるとされ
るスラブ媒体の入出射両端の複雑な温度分布形状が注目
される。
【0019】本発明による固体レーザ装置は、冷却手段
を内蔵する励起チャンバーを貫通するスラブ型レーザ媒
体の、励起チャンバーから露出している部分を、レーザ
媒体を励起する励起光及びレーザ光のいずれにも分解さ
れず、かつレーザ媒体表面に付着しない化学的に安定な
ガス、例えば窒素ガスのようなガスを吹き付けて冷却す
るガス噴射冷却手段を備えている。
【0020】本発明は、このような構成により、上記入
出射両端の温度上昇の分布を制御してレーザ光出力の上
昇を得るものである。
【0021】上記ガス噴射冷却手段は噴射するガスの吐
出量および湿度の少なくとも一方を調節可能であること
が望ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図の形状もしくは形体また
は相対寸法などについては説明の理解を助けるために作
成されているものであり、変形されているので、同一部
分の形状不一致があることはご理解を頂きたい。
【0023】図1は本発明の側面、平面、および説明用
ブロックの実施の一形態を示す概要図である。レーザ媒
体10および励起チャンバー30は、図2から図5まで
を参照して説明したものと同一の機能および構成を有す
るものとする。
【0024】図示されるように、レーザ光20を入出射
するレーザ媒体10は、励起チャンバー30を貫通して
高出力の励起レーザ光を発生している。この励起に基く
熱の発生を抑えるため、冷却水供給装置40により励起
チャンバー30内部に冷却水を循環供給している。
【0025】しかしながら、レーザ媒体10の光入出射
面11,12を含む端部15を露出している。従って、
露出する端部15を冷却することにより、レーザ媒体1
0を更に冷却することができる。
【0026】すなわち、本発明では、上述した冷却水供
給装置40による冷却手段に更に追加して窒素ガス供給
装置50を備え、窒素ガス供給装置50がレーザ媒体1
0両端の端部15を冷却している。
【0027】図示される例では、レーザ媒体10の両端
部15それぞれの側面14に向けて4つのガス噴射口5
1が配置され、ガス噴射口51が窒素ガスを噴射する。
この結果、実測では1kWの出力状態で、ほぼ10パー
セントの出力向上を確認することができた。噴射する窒
素ガスは他のガス、例えばヘリウムガスでもよい。ま
た、ガス噴射口の大きさおよびガス噴射速度の調整して
ガス噴射量を制御することにより、冷却程度を制御する
こともできる。
【0028】上記説明では、冷却用ガスをレーザ媒体の
端部両側で斜め方向から噴射するとしているが、レーザ
媒体の側面に垂直方向に噴射してもよい。このように、
上記説明ではガス噴射口の数と位置とを図示している
が、一例を示したものである。従って、上記記載では、
図面それぞれを参照し適切な条件を示して説明している
が、図示され説明された形状大きさおよび相互位置など
の構成並びに組み合わせについては、環境条件と共に相
互に関連があるが上述した機能を満たす限り自由であ
り、本発明は上記記載に限定されるものではない。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来、励起チャンバーから空中に露出したままで、冷却対
象ではなかったレーザ媒体の光入出射面を有する端部を
も、ガス噴射により冷却することにより、レーザ媒体の
上昇温度を安価で確実に抑えることができる。この結
果、励起レーザ光の更なる高出力を得ることができるの
で経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における側面、平面、およびブロックの
実施の一形態を示す図である。
【図2】スラブ形レーザ媒体の一形態を示す斜視図であ
る。
【図3】図2におけるレーザ媒体内部を伝搬するレーザ
光の一形態を示す図である。
【図4】従来の固体レーザ装置における主要部分の一例
を示す図である。
【図5】励起チャンバーおよびレーザ媒体における断面
の一例を示す図である。
【符号の説明】
10 レーザ媒体 11、12 光入出射面 13 励起面 14 側面 15 端部 20 レーザ光 30 励起チャンバー 40 冷却水供給装置 50 窒素ガス供給装置 51 ガス噴射口
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成14年3月8日(2002.3.8)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項2
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0021
【補正方法】変更
【補正内容】
【0021】上記ガス噴射冷却手段は噴射するガスの吐
出量および温度の少なくとも一方を調節可能であること
が望ましい。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冷却手段を内蔵する励起チャンバーを貫
    通するスラブ型レーザ媒体を用いた固体レーザ装置にお
    いて、ガスを吹き付けて前記スラブ型レーザ媒体の前記
    励起チャンバーから露出する部分を冷却するガス噴射冷
    却手段を更に備えることを特徴とする固体レーザ装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記ガス噴射冷却手
    段は噴射するガスの吐出量および湿度の少なくとも一方
    を調節可能であることを特徴とする固体レーザ装置。
  3. 【請求項3】 請求項1において、噴射するガスがレー
    ザ媒体を励起する励起光及びレーザ光のいずれにも分解
    されず、かつレーザ媒体表面に付着しない化学的に安定
    なガスであることを特徴とする固体レーザ装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016072346A (ja) * 2014-09-29 2016-05-09 三菱重工業株式会社 レーザ発振冷却装置
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