JP2004007012A

JP2004007012A - 固体レーザ装置およびレーザ加工装置

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Publication number: JP2004007012A
Application number: JP2003327739A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yasui; 安井　公治; Shuichi Fujikawa; 藤川　周一; Tetsuo Kojima; 小島　哲夫; Keisuke Furuta; 古田　啓介; Masaki Seguchi; 瀬口　正記
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP4003726B2

Abstract

【課題】工業的に安定に得られる固体素子の長さで，最大出力が制限される上に，長い固体素子を用いるほど，ビーム品質を低下させないと，出力の増加ができない課題があった．発振効率を損なうことなく，さらにビーム品質を損なうことなく，レーザ出力を任意に増大させることができる固体レーザ装置を得る。
【解決手段】半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、かつ冷却媒体通路を設けた集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えた。
【選択図】　　　　図５

Description

　この発明は、指向性が高く、出力の大きい高出力レーザ光の発生装置に関するものである。

　図１８、および１９は、例えば特開平５−２５９５４０号公報に記載された従来の固体レーザ装置を示す側面図、および縦断面図であり、図において、１は全反射ミラーで、例えば石英からなる基板上に誘電体多層膜を配置して形成される。２は、部分反射ミラーで、同じく、例えば石英からなる基板上に誘電体多層膜を配置して形成され、反射率が５０％程度である。３は半導体レーザで、半導体レーザ基台３５の上に例えばＧａＡｌＡｓを主成分とし、波長８０８ｎｍ程度で出力２００Ｗ程度を発生する半導体レーザチップ３０を備えたものである。４は、内面が拡散反射状の集光器で、たとえばセラミックや、白色の樹脂で構成される。５は、固体素子で、ＹＡＧレーザを例に取れば、ＮｄやＹｂをドーピングしたＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）、すなわちＮｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧである。６は、ミラー１、２で構成されたレーザ共振器中に発生したレーザビーム、７は、部分反射ミラー２により外部に取り出されたレーザビームである。３１は、集光器４内に備えられた開口部である。また、８は固体素子５を覆うように配置されたフローチューブで、内部を固体素子を冷却する冷媒が流れる。

　つぎに動作について説明する。半導体レーザ基台３５上に配置され、この基台により冷却された半導体レーザチップ３０は、およそ８００−９００ｎｍ近くで２００W程度のレーザ出力を発生する。このレーザ出力は、指向性が悪く、すなわち、短距離の伝播で大きく広がる性格を持つ。このために、そのままでは、レンズ等での集光が難しく、集光してレーザ加工等に用いることができない。

　この半導体レーザチップ３０から発せられた光は、半導体レーザチップ３０の近傍に配置された開口部３１を通して集光器内に導かれ、フローチューブ８を通過後に、固体素子５を励起する。一回の固体素子通過で、およそ、５０％の光が固体素子に吸収される。固体素子に吸収されずに、固体素子を通過する残り５０％の光は、集光器内で拡散反射され、再び、固体素子の励起を行なう。このようにして、半導体レーザチップ３０から発せられた光は、集光器内で複数回の反射を繰り返しながら、固体素子５の励起を行ない、これをレーザ媒質とする。

　レーザ媒質となった固体素子５から発生した放出光は、反射ミラー１と２からなる共振器中に閉じこめられ、２つの反射ミラー間を往復する毎に、励起された固体素子により増幅され、出力の向上とともに、指向性も整えられ、レーザビーム６となる。このレーザビームは、ある一定以上の大きさになると、部分反射ミラー２からレーザビーム７として外部に取り出される。

特開平５−２５９５４０号公報（第３−４頁、第１−９図）

　従来の固体レーザ装置は以上のように構成されているが、高出力化をするためには、長い固体素子を用いる必要があった。また、複数の固体素子を用いるための技術が確立していなかった。以下で詳しく説明する。

　固体素子に吸収された半導体レーザ光のうち、３０％程度が固体素子に熱として吸収される。この吸収された熱のために、固体素子が熱変形し、著しい場合には、その破壊に至ることがあった。その破壊限界の指標は、長さあたりの照射パワーであらわされ、ＮｄをドープしたＹＡＧ固体素子を例に取ると、１ｃｍあたり、およそ２００Ｗを超えると破壊に至るとされている。このために、例えば４００Ｗの半導体レーザ４つ、合計１６００Ｗの半導体レーザ出力を用いた図１８の例では、固体素子の長さは８ｃｍ以上必要であった。この場合のレーザ出力は、６４０Ｗ程度となる。ＹＡＧ固体素子を例にとると、工業的に安定して製造できる長さは２５０ｍｍ程度であり、従って、６４０Ｗの３倍程度、すなわち、１９２０Ｗ程度の出力しか得られないという問題があった。

　さらに、熱変形した固体素子のレンズ作用により、固体素子内でのビーム形状が図２０のようになり、固体素子端部にレーザビームが通過しない、すなわちレーザビームを取り出せないデッドゾーン５０が発生し、効率の低下を招くが、長い固体素子を用いた場合には、このデッドゾーンが急増し、発振効率が著しく低下するという問題があった。この問題は、反射ミラー１、２の間の距離を短くすることにより実現できるが、この場合、レーザビームの集光性が悪化するという問題があった。

　以上で説明した従来の固体レーザ装置の問題点をまとめると、工業的に安定に得られる固体素子の長さで、最大出力が制限される上に、長い固体素子を用いるほど、ビーム品質を低下させないと、出力の増加ができない。さらには、複数の固体素子を用いた場合、ビーム品質を低下させずに高出力化する技術が確立していなかった。もちろん、ランプ励起の固体レーザにおいて複数の固体素子を用いて高出力化する方式は良く知られているが、この場合はビーム品質が極端に悪く、また効率も悪いため多大な電源入力を必要とするという決定的な問題点があった。

　この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、発振効率を損なうことなく、さらにビーム品質を損なうことなく、レーザ出力を任意に増大させても安定に動作する固体レーザ装置を得ることを目的とする。

　この発明に係る請求項１に記載の固体レーザ装置は、半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、かつ冷却媒体通路を設けた集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えたものである。

　この発明に係る請求項２に記載の固体レーザ装置は、半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、水冷された冷却板を押しつけた集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えたものである。

　この発明に係る請求項３に記載の固体レーザ装置は、半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有した集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを有し、上記固体素子の周囲を囲むように円筒状のフローチューブを設けこのフローチューブ内に冷却媒体を流すとともに、集光器内面の断面形状を円形に形成し、上記フローチューブの外面と集光器内面の隙間を０．２ｍｍ以下として、集光器の熱の一部を冷却媒体に伝えるようにしたものである。

　この発明に係る請求項４に記載の固体レーザ装置は、集光器の開口部に、半導体レーザの光を伝送する光学素子を備えたものである。

　この発明に係る請求項５に記載の固体レーザ装置は、以上のいずれかの固体レーザ装置において、出力を１ｋＷ以上としたものである。

　この発明の請求項６に記載のレーザ加工装置は、以上のいずれかの固体レーザ装置を備えたものである。

　以上のように請求項１に記載の発明では、半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、かつ冷却媒体通路を設けた集光器と、集光器内に配置され、半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えるようにしたので、高出力化による固体素子近傍の部材の熱変形を防止することができ、安定に複数の固体素子を連結して、高出力化することができる。

　請求項２に記載の固体レーザ装置は、半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、水冷された冷却板を押しつけた集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えたので、集光器を冷却することができる。

　請求項３に記載の発明では、固体素子の周囲を囲むように円筒状のフローチューブを設けこのフローチューブ内に冷却媒体を流すとともに、集光器内面の断面形状を円形に形成し、フローチューブの外面と集光器内面の隙間を０．２ｍｍ以下として、集光器の熱の一部を冷却媒体に伝えるようにしたので、高出力化による固体素子近傍の部材の熱変形をより確実に防止することができる。

　請求項４に記載の発明では、集光器の開口部に、上記半導体レーザの光を伝送する光学素子を備えたので、単純な構成で半導体レーザの光を確実に、効率良く集光器内に導くことができ、効率の良いものが得られる。

　請求項５に記載の発明では、以上の固体レーザ装置において出力が１ｋＷ以上としたため、コンパクトな構成で、高出力のレーザビームを得ることができる。

　請求項６に記載の発明では、レーザ加工装置において、以上の固体レーザ装置を備えたので、安定に高品質のレーザ加工を行うものが得られる。

実施の形態１．
　以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１は本発明の実施の形態１を示す側面図、図２は断面図である。図１および図２において、１は全反射ミラー、２は部分反射ミラー、３は半導体レーザで、半導体レーザ基台３５に、例えば出力２００Ｗ程度を発生する半導体レーザチップ３０がマウントされたものである。４は内面が拡散反射状の集光器で、例えば白色のセラミックや樹脂で構成され、半導体レーザチップ３０からのレーザ光を集光器内に導入する開口部３１を有する。５は固体素子で、例えばＮｄ：ＹＡＧである。６はレーザ光学系であるミラー１，２で構成されたレーザ共振器中に発生したレーザビーム、７は部分反射ミラー２により外部に取り出されたレーザビームである。８は固体素子５を覆うように配置されたフローチューブで、内部に固体素子を冷却するための水等の冷媒を流す。１００は基台である。ここで、半導体レーザ３と集光器４から構成された励起ブロック５０と、１個の固体素子５との集合体である固体レーザモジュール５５を４個、基台１００の上に励起ブロックの中心の間隔がＬとなるように等間隔に配置している。ここで励起ブロックの中心とは、固体素子５の軸方向に拡がる半導体レーザ励起光分布の重心を意味する。また、励起密度が１００Ｗ／ｃｍ以上となるよう高励起密度になるようにしている。

　ここで、励起ブロックの中心の間隔が等間隔に配置されているため、固体素子間でのビームの振る舞いを考慮することで、効率を低下させずに出力を増大させるよう固体レーザモジュールの数を増加させるときの設計が容易になる。また、複数の固体素子を用いた場合、各固体素子の方向を微調整する必要があるが、これは、図１に示す固体素子間の距離Ｄが短いほどに容易であり、従って安定に動作させることができる。しかしながら、固体素子間の距離が短い場合には、ビーム品質を高めることがむつかしい。

　ここでは、ビーム品質の指標値として一般に用いられているＭ²値を用いる。Ｍ²＝４０を発生する固体素子間の距離Ｄを、固体素子としてＮｄ：ＹＡＧロッドを用いた場合を例に取り、ロッドの直径の関数として計算して図３に示す。直径０．４ｃｍロッドの場合には、固体素子間の距離は１８ｃｍ以上となるが、ロッドの直径が増大するほどに、必要な固体素子間の距離は増大し、直径０．８ｃｍロッドでは、７２ｃｍ以上となった。固体素子1本当たり６４０Wのレーザ出力が得られることから、例えば、２ｋW以上の出力を得るには、４本以上の固体素子を用いる必要があり、直径０．８ｃｍのロッドを用いた場合には、共振器ミラー間の距離が３２８ｃｍ以上となった。

　固体素子間の距離が増大すると、固体素子間でビームが拡散し、効率が低下するという問題があった。このために、固体素子間の距離が７５ｃｍを超える条件では、レーザ出力の変動が急増し、安定な動作の実現が難しかった。このことから、Ｍ²＝４０以下のビームを発生する場合には、直径０．８ｃｍ以下の固体素子を用いる必要があった。

　工業的な用途では、Ｍ²＝１００程度の少し低品質のビームでも実用的なことがある。この場合には、固体素子の直径に対する固体素子間の距離は、同じく図３に示すようになった。この場合においては、ビーム品質が悪いことにより、さらにビームの発散性が強く、固体素子間の距離を、おおむね５０ｃｍ以下に設定しないと安定な発振が難しかった。

　このことから、固体素子間の距離が、以下の式を満たすときに、ほぼ効率的な安定発振が可能であることがわかった。

　　固体素子間の距離＜５００（ｃｍ）／√Ｍ²　　　　　　　　　　　（１）

ただし、これを満たす固体素子間の距離で、同じビーム品質、すなわちＭ²を同じとするには、図３に示すように、固体素子間の距離を短くするほど固体素子の直径は小さくする必要がある。

　さらに、固体素子の振動を考えると、ビーム品質によらず、固体素子間の距離を、おおむね４０ｃｍ以下にする必要があった。図３を参照すれば、Ｍ²＝４０では固体素子の直径０．５５ｃｍ以下、Ｍ²＝６０では０．７ｃｍ以下、Ｍ²＝１００では０．９７ｃｍ以下にする必要がある。このことから、固体素子の直径としては、近似式として、以下の式が導出された。

　　固体素子の直径＜０．１（ｃｍ）×√Ｍ²　　　　　　　　　　　　（２）

　すなわち、固体素子間の距離を４０ｃｍ以下でＭ²＝４０以下の高品質のレーザビームを得ようとすると固体素子の直径は５．５ｍｍ以下にすればよい。さらにコンパクトな構成にするためには固体素子の直径は５ｍｍ以下、さらに好ましくは４．５ｍｍ以下にすれば良い。また、固体素子の直径が細くなれば、熱レンズ値が大きくなり、共振器設計が難しくなるため、励起密度が１００Ｗ／ｃｍ以上となるような高励起密度にするためには、固体素子の直径はおおよそ０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上とする必要がある。

　次に、本発明における、固体素子を内面が拡散反射状の集光器内で励起した構成の複数の固体素子の配置での効果を確認するために、市販の固体レーザに用いられている、光源をランプ、または半導体レーザとし、集光器が、金属の反射板で構成されたものの結果を説明する。

　この場合、ランプ励起では光が時間的な揺らぎが多い上に、光源を半導体レーザにしても、集光器が金属の反射板で構成されているので固体素子を均一に励起できないことから、固体素子が収差を持った光学系として作用した。このために、１つの固体素子を用いた場合には、安定した出力が得られたが、高出力化を図って、複数の固体素子を用いて１ｋＷ以上の出力を得ようとした場合には、ビーム品質をＭ²＞１００としなければ安定に動作しなかった。すなわち式（１）、（２）は、均一に励起できる拡散反射の集光器、かつ光の時間的揺らぎが少なく固体素子の熱発生も少なくなる半導体レーザ励起を用いた場合で、出力１ｋＷ以上で、またＭ²＜１００の場合に特に有効であることがわかった。

実施の形態２．
　図４は本発明の実施の形態２を示す横側面図である。実施の形態１では励起ブロック５０には固体素子５の軸方向に半導体レーザ３を１個だけ配置した例を説明したが、一つの半導体レーザ３の出力が数１０Ｗといったようにやや小さい場合は、図４に示すように、励起ブロック５０には、半導体レーザ３を固体素子５の軸方向に複数個並べてもよい。この場合、励起ブロックの中心は、複数個並んだ半導体レーザから発せられる励起光における、固体素子の軸方向励起光分布の重心で定義される。

実施の形態３．
　通常は、半導体レーザから出射されたレーザ出力のうち、ほとんどが固体素子に吸収されるために、集光器の温度が極端に上昇することはないが、例えば非常に細い固体素子を用いたり、励起分布の均一化のため、内径の大きな集光器を用いた場合、半導体レーザから出された出力の数１０％程度が集光器に吸収されることもある。また、半導体レーザの出力が大きい場合にも集光器に吸収される熱量は多くなる。実施の形態３では、図５に示すように、集光器４中に冷却媒体通路４０を配置し、この中に例えば水を流し、集光器４を冷却して集光器の温度上昇を防ぐ。

実施の形態４．
　図６は本発明の実施の形態４を示す縦断面図である。図５に示す実施例では、集光器に冷却媒体通路を設けて集光器を冷却する構成を示したが、図６に示すように、アルミやステンレス等の金属でできた、例えば水冷された冷却板４１を集光器に押しつけて、集光器を冷却するようにしてもよい。

実施の形態５．
　さらに、集光器表面の熱を廃熱するためには、図７に示すように、フローチューブと集光器の間の距離を狭く、好ましくは0.2mm以下にすることで、集光器表面とフローチューブ間の空気層による断熱の影響が小さくなり、集光器表面の熱をフローチューブ内のロッド冷却水へ廃熱することができる。

　本実施の形態を実現するためには、ＬＤによる励起光３１が照射される領域において、集光器表面とフローチューブの間隔を精密にあわせる必要がある。通常フローチューブ８は冷却水のシールのために、Oリング等で支持されているので、精度よく位置あわせすることが難しい。そこで、例えばフローチューブの形状を図８に示すような両端に段を持つ形状にし、集光器とフローチューブの位置関係はフローチューブの段の部分８１で集光器内面と接触させれば、両者の位置関係を機械的に再現できるので、フローチューブの部分８２と集光器内面との隙間を制御することができる。

　半導体レーザの光により励起された固体素子はレンズとして作用しているため、これを通過するレーザビームの出射方向は、固体素子の位置ずれにより大きく変動する。以上の実施の形態３から実施の形態５のように、固体素子周囲の構成部品である集光器を冷却することにより、その熱変形による固体素子の位置ずれを防ぐことが可能となり、レーザの発振軸のずれ、発振不安定さの発生を防ぎ、より安定な発振を実現することができる。

　また、上記で説明した、集光器冷却の効果は、固体素子が一つの場合にも発揮されるが、複数の固体素子を備えた場合には、特に各固体素子の位置精度が要求されるため、本発明の効果が増す。さらに、実施の形態３から実施の形態５の２つあるいは全てを併用すれば、さらに冷却効果が上がるのは言うまでもない。

実施の形態６．
　図９は本発明の実施の形態６を示す縦断面図である。図９では、半導体レーザの光を、集光器の開口部に挿入された、例えば、サファイアや活性媒質をドープしていないＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）やガラスを材質とする薄いガラス板よりなる光学素子３２により伝送している。半導体レーザの光は薄い板の上下面で全反射しながら伝送される。実験的に得られた伝送効率は９７％以上であった。この光学素子の配置により、開口部での損失が減少し、より効率的な動作をさせることができる。

　半導体レーザへ反射光が入射すると、著しい場合には半導体レーザの発振が不安定になったり、波長が変動することがある。集光器からの反射光の程度は、開口部の設置精度のために必ずしも均一にはならないために、その影響にアンバランスが発生し、各半導体レーザの出力にアンバランスが発生し、極端な場合には、固体素子内の励起分布が断面内で偏りを持つことがある。この偏りがあると、複数の固体素子の位置ずれが発生したことと等価となり、出力の低下や変動を招くことがある。

　この実施例での光学素子は、全反射を利用しているために、一定の入射角以上の光を通過させない。このために、出射角が半角で４０度程度の半導体レーザから発散される光は、そのほとんどが光学素子を通過する。しかしながら、集光器内から反射する光は、その出射角が１８０度あり、ほとんど光学素子を通過しない。このために、半導体レーザへの集光器からの反射光の入射を軽減することができる。反射光の影響が軽減でき、安定に複数の固体素子を配置することができる。

実施の形態７．
　図１０は本発明の実施の形態７を示す縦断面図である。実施の形態７では、光学素子として、上下面にテーパのついたウエッジ形状のガラス３３を用いている。この場合、発光面積の大きな、例えば２次元アレイのような一個当たりの出力の大きな半導体レーザチップ３３０を用いて、単位長さ当たりの励起密度を上げることが可能となり、より短い固体素子を用いることができる。このことにより装置が安価になるばかりでなく、従来の動作例で図２０を用いて説明したデッドゾーン５０を減少させ、効率的なレーザ発振をさせることができる。

実施の形態８．
　また、実施の形態６と同様、光学素子として薄板状のガラスを用い、さらに、図１１に示すように、半導体レーザの光をレンズ３４で集光して、この薄いガラス板３２により伝送しても良い。この場合も、図１０の実施例と同様に、発光面の大きな半導体レーザを用いて、単位長さ当たりの励起密度を上げることが可能となり、従ってより短い固体素子を用いることができる。このことにより装置が安価になるばかりでなく、従来の動作例で図２０を用いて説明したデッドゾーン５０を減少させ、効率的なレーザ発振をさせることができる。

実施の形態９．
　上記実施の形態では、いずれもレーザ共振器により、励起された固体素子からレーザビームを取り出す実施の形態を示したが、励起された固体素子を増幅器として用いても良い。図１２に実施の形態９を示す。図１で示した、複数個の固体レーザモジュール５５と全反射ミラー１および部分反射ミラー２からなる発振器からのレーザビーム７を、励起ブロックの中心が等間隔になるよう配置された複数個の固体レーザモジュール５５の列に入射して増幅させる構成にしている。この実施の形態９では発振器からのレーザビーム７を２つの折り返しミラー２０で折り曲げているが、折り返しミラー２０を用いずにすべての固体レーザモジュール５５を一直線上に配置してもよい。このような増幅器構成においては、共振器構成を取る場合にくらべて、固体素子の位置ずれによる発振光軸の変動を減少させることができる。しかし、増幅器構成で十分な出力を固体素子から取り出すには、固体素子へ入射させるレーザ出力がある一定以上の大きさである必要がある。例えば、直径６ｍｍの固体素子を用いると、発振器からのレーザ出力が２ｋＷ程度あれば、増幅器から出力が十分取り出せる。従って、４つの固体素子を発振器に、４つの固体素子を増幅器に用いても、８つの固体素子を発振器に用いても、ほぼ同等の出力が得られ、増幅器構成のほうが安定に動作できる。さらに直径の小さな固体素子を用いれば、発振器の出力は小さくてもよく、２つの固体素子、すなわち２つの固体レーザモジュールで発振器を構成し、その後増幅器に入力する構成でも良い。

実施の形態１０．
　図１３にこの発明の実施の形態１０の固体レーザ装置を示す。図１３では発振器に２個の固体レーザモジュール５５を配置し、増幅器に２個の固体レーザモジュール５５を発振器とレーザ光軸が直線状になるよう配置したものである。７７は共振器外部の固体レーザモジュールにより増幅されたレーザビームである。また、ｄは表裏両面が平面に形成された部分反射ミラー２のレーザビーム７の伝搬方向の厚み、ｎは部分反射ミラー２のレーザビーム７の波長における屈折率を表す。

　図１３において、全反射ミラー１と部分反射ミラー２で構成された共振器間には、半導体レーザ３と集光器４から構成された励起ブロック５０と、１個の固体素子５との集合体である固体レーザモジュール５５を２個配置しており、共振器外部にも固体レーザモジュール５５を２個配置している。共振器間の２個の固体レーザモジュール５５、および、共振器外部の２個の固体レーザモジュール５５は、それぞれ励起ブロックの中心の間隔がＬとなるように配置している。また、部分反射ミラー２を間にはさむ２個の励起ブロック５５は、励起ブロックの中心の間隔がＬ＋ｄ（ｎ−１）／ｎとなるように配置している。このような配置間隔にすることにより、４個の固体レーザモジュール５５は、光学的に等間隔に配置されていることになる。

　部分反射ミラー２から共振器外部に取り出されたレーザービーム７は、共振器外部の２個の固体レーザモジュール５５内の固体素子５を通過するうちに増幅されレーザビーム７７となり、固体レーザ装置外部に取り出される。

　以上のような固体レーザ装置においては、共振器間に２個の固体レーザモジュール５５を配置していることから、固体素子１本当たりの出力が例えば５００Ｗ以上の場合、レーザビーム７の出力は１ｋＷ以上となることから、固体素子の直径を例えば４ｍｍとすれば、レーザビーム７が共振器外部の２個の固体レーザモジュール５５内の固体素子５を通過するときの抽出効率が５０〜１００％の高い値となり、また、固体レーザモジュール５５を各励起ブロックの中心の間隔が光学的にほぼ等間隔になるように配置していることから、複数の固体素子の出力をほとんどロスなく確実に結合できるため、結果として、２ｋＷ以上の出力を持つレーザビーム７７を安定に効率良く発生させることができる。

　なお、ここでは、発振器、増幅器共にも固体レーザモジュール５５が２個配置されたものについて説明したが、発振器に３個、増幅器に２個、あるいは発振器に２個、増幅器に３個の固体レーザモジュールを配置してもよいし、発振器、増幅器それぞれにさらに多数の固体レーザモジュールを配置してもよい。この場合も全ての励起ブロックの中心の間隔が光学的にほぼ等間隔になるよう配置する。

実施の形態１１．
　図１４にこの発明の実施の形態１１の固体レーザ装置を示す。図において、５Ａ、５Ｃは共振器内にある固体素子、５Ｅ、５Ｇは増幅器の固体素子を示す。また固体素子５Ａを励起する半導体レーザを３ａ、３ｂ、５Ｃを励起する半導体レーザを３ｃ、３ｄ、５Ｅを励起する半導体レーザを３ｅ、３ｆ、５Ｇを励起する半導体レーザを３ｇ、３ｈとする。９は半導体レーザ３ａ〜３ｈを駆動するための電源、９１は電源９を制御するための制御装置（制御手段）であり、９２は半導体レーザ３を駆動する電流を流すための電線、９３は制御装置９１から電源９に制御信号を伝送するための電線である。電源９は各半導体レーザ３ａ〜３ｈにそれぞれ別々に電流を供給するように多出力になっている。また、半導体レーザ毎に個別の電源を用いても良い。

　図１５は、例えば半導体レーザ３ａの部分を光軸方向から見た断面図であり、図１５において、９０１は電源９の＋端子、９０２は電源９の―端子であり、３０１は半導体レーザ３ａ１〜３ａ４のアノード端子、３０２は半導体レーザ３ａ１〜３ａ４のカソード端子である。このように、半導体レーザ３ａは、固体素子５の光軸方向にほぼ同位置で固体素子を囲むように４個の半導体レーザ３ａ１〜３ａ４を配置し、これら４個の半導体レーザを直列に配線接続したものである。すなわち、電源９の＋端子９０１から半導体レーザ３ａ１のアノード端子３０１、半導体レーザ３ａ１のカソード端子３０２から次の半導体レーザ３ａ２のアノード端子３０１へと電線９２により配線され、最後の半導体レーザ３ａ４のカソード端子３０１と電源９の―端子９０２が電線９２により接続されている。その他の半導体レーザ３ｂ〜３ｈも同様の構造になっている。

　制御装置９１は、電源９から各半導体レーザ３ａ〜３ｈに通電し始める時間を制御している。複数の固体素子を有する固体レーザにおいては、各固体素子の励起の立ちあがりのずれが問題となることを本発明者らは見出した。各固体素子の励起の立ちあがりのずれ、すなわち半導体レーザの発光開始のずれが１ｍｓ（ミリ秒）以下では安定に発振するが、ずれが１ｍｓ以上程度になると発振が不安定になる現象が生じる場合があることがわかった。半導体レーザの発光開始のずれを１ｍｓ以下、すなわち半導体レーザへの通電開始のずれを１ｍｓ以下にすることが電源によっては難しいことがある。この場合には発振が不安定になる場合があるが、以下に説明するように、半導体レーザの通電開始の順番を制御すれば、半導体レーザの通電開始にずれがあっても発振が安定になることがわかった。

　すなわち、共振器内に複数の固体素子が配置され、固体素子１個当たり光軸方向に複数の半導体レーザが並んで配置されているものにおいて、それぞれの固体素子への入熱位置が上記励起ブロックの列の中央に対してほぼ対称となるような順番で通電開始すればよい。

　それぞれの固体素子への入熱位置が上記固体レーザモジュールの列の中央に対してほぼ対称となるように、とは、最初に通電開始した（発光させた）半導体レーザの次に、最初に通電開始した半導体レーザと、励起ブロックの中央に対して対称な位置にある半導体レーザを通電開始し、しかも励起ブロックの中央に対して対称な位置にある固体素子への入熱の積分値が等しくなるように各半導体レーザの通電開始の順番を制御することである。

　具体的には、図１４において、まず固体素子５Ａの片方の半導体レーザ３ａに通電開始し、次にΔｔ秒遅れて固体素子５Ｃの２個の半導体レーザのうち、固体レーザモジュールの列の中央ＣＣに対して３ａの対称な位置にある３ｄに通電開始する。さらにΔｔ秒遅れて半導体レーザ３ｃに通電開始する。さらにΔｔ秒遅れて半導体レーザ３ｂに通電開始する。このようにすることで、１個の半導体レーザの出力が５００Ｗとすると、最初に点灯する半導体レーザ３ａが点灯してから、最後に点灯する３ｂが点灯するまでの間に固体レーザ素子５Ａには500Wｘ3Δｔの励起エネルギーが投入され、固体レーザ素子５Ｃにも500Wx(2+1)Δｔ＝500Wｘ3Δｔの励起エネルギーが投入される。このように、この間に固体素子５Ａおよび５Ｃに投入される励起エネルギーが等しくなるため、固体素子５Ａおよび５Ｃの熱履歴が略等しくなって２つの固体素子の熱レンズの時間変化もほぼ同じとなる。しかも、励起ブロックの列の中央に対して対称な位置にある半導体レーザを大きな時間遅れなく点灯するため、スイッチオン時の過渡的な熱レンズ変化時でも、各固体素子の熱レンズは時間的に変化するが、励起ブロックの列の中央に対して対称に時間変化するので、固体素子を等間隔に配置して設計した共振器設計が生き、安定な動作が確保できる。

　なお、半導体レーザを通電開始する順番は上記したものに限らず、３ｂ→３ｃ→３ｄ→３ａ、あるいは３ｃ→３ｂ→３ａ→３ｄ、あるいは３ｄ→３ａ→３ｂ→３ｃの順であっても良い。

　増幅器の固体レーザモジュールの半導体レーザ３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈについては、共振器内の固体レーザモジュールの全ての半導体レーザへの通電開始後に通電開始するのが好ましい。これは、増幅器を発振器段よりも前に励起すると、増幅器で寄生発振を起こす恐れがあるからである。このように、増幅器の半導体レーザを発振器段の半導体レーザの後に通電開始するよう制御することで、安定な高出力レーザビーム７７が得られる。

実施の形態１２．
　本実施の形態１２では、図１６のように共振器段の固体レーザモジュールが３個ある場合の半導体レーザの通電開始の順番について述べる。それぞれの固体レーザモジュールの光軸方向に２個の半導体レーザが配置されている場合において、半導体レーザを全反射ミラー１側から３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、固体素子を全反射ミラー１側から５Ａ、５Ｃ、５Ｅとする。まず３ｂに通電開始すれば、それと全反射ミラー１と部分反射ミラー２との間、すなわち発振器にある励起ブロックの列の中央ＣＣに対して対称な位置にある３ｅに通電開始し、次にまだ入熱のない中央の固体レーザモジュールの半導体レーザ３ｄ、その次は３ｄとＣＣに対して対称な位置にある３ｃ、次に２番目に通電開始した半導体レーザ３ｅがある固体レーザモジュールにあるもう一方の半導体レーザ３ｆ、最後に３ａを通電開始する。このような順番で通電開始することで、それぞれの固体素子への入熱位置が上記固体レーザモジュールの列の中央ＣＣに対してほぼ対称となり、しかも各固体素子への入熱の積分値が等しくなる。以上の場合は３ｃと３ｄの順番は逆であってもよい。さらに、次のような順番でも良い。まず中央の固体レーザモジュールにある３ｃに通電開始し、次に３ｃの対称位置の３ｄ、次に３ａ、その次に３ａと対称位置の３ｆ、次に３ｅ、最後に３ｂという順番に通電開始してもよい。この場合は、中央の固体素子５Ｃに入熱量が他の２個の入熱量より多くなるが、この固体素子５Ｃは共振器の中央に位置し、この固体素子の熱レンズが他の固体素子の熱レンズと少し異なっていても、発振に及ぼす影響は小さい。固体素子５Ａと５Ｅのように固体レーザモジュールの中央に対して対称な位置にある固体素子の熱レンズ、すなわち入熱量の積分値が等しくなるような順番であればよい。

　ここで、電源９から各半導体レーザ３に通電し始める時間のずれΔｔを例えば１秒以下となるように制御することにより、熱変形した各固体素子５Ａ，５Ｃ、５Ｅのレンズの強さの時間的な差が小さくなり、高出力のレーザビーム７を安定に発生することができる。

　増幅器の固体レーザモジュールの半導体レーザ３ｇ、３ｈ、３ｉ、３ｊについては、実施の形態１１と同様、共振器内の固体レーザモジュールの全ての半導体レーザへの通電開始後に通電開始するのが好ましい。このように、増幅器の半導体レーザを発振器段の半導体レーザの後に通電開始するよう制御することで、安定な高出力レーザビーム７７が得られる。

実施の形態１３．
　図１７はこの発明の実施の形態１３の固体レーザ装置を示す概略図である。これまでの実施の形態では、いずれもレーザ光学系が２枚の対向する共振器ミラーによりレーザ共振器を構成する実施の形態を示したが、本実施の形態では片側の全反射ミラー１のみを配置して、その反対側の固体素子の端面からレーザビーム７７７を取り出す構成になっている。多段に配置した活性媒質を含む固体素子の端面からの微小な反射光により、全反射ミラー１と固体素子端面との間でレーザ発振が生じ、部分透過ミラーを配置することなくレーザ出力が得られる。また、レーザ媒質の内部側面のガイド効果により、ある一定のビーム品質以上の共振モードのみが発振し、結果としてビーム品質の良いレーザ光が得られる。実際の実験結果により、本構成において、１kW以上の出力をM2=50程度のビーム品質で取り出すことができた。

　なお、上記のすべての実施の形態では、光学部品のレーザビーム入射、出射面の光学コーティングについては触れなかったが、光学素子や、フローチューブなど、レーザビームの通過箇所の任意の箇所に無反射コーティングを施せば発振効率の向上が計れる。

　また、固体素子の回りに、半導体レーザが４つのものを示したが、これに限るものでなく、複数であれば同様の効果が得られる。さらに、内面が拡散反射面の集光器により均一に励起するものを示したが、実施の形態３、４および５以外の実施の形態では、拡散反射面の集光器を用いずに均一に励起するものであってもよく、例えば、半導体レーザを固体素子の周りに６個とか多数配置し、集光器を用いないものであるとか、半導体レーザのレーザ光をファイバーで導き均一に励起する等、ほぼ均一に励起できるものであれば同様の効果が発揮できる。

実施の形態１４．
　以上の実施の形態１ないし１３の固体レーザ装置をレーザ加工装置に適用すれば、高ビーム品質で安定なレーザ加工装置が得られ、安定で高品質な加工ができる。また、ファイバー伝送によるレーザ加工装置にあっては、ビーム位置が安定なため、ファイバーへの入射位置がずれず、安定にファイバー入射できる。

本発明の実施の形態１の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態１の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の固体レーザ装置の動作を説明する図。本発明の実施の形態２の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態３の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態４の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態５の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態５の固体レーザ装置のフローチューブを示す概略斜視図。本発明の実施の形態６の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態７の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態８の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態９の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態１０の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態１１の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態１１の固体レーザ装置を示す縦断面図。本発明の実施の形態１２の固体レーザ装置を示す横側面図。本発明の実施の形態１３の固体レーザ装置を示す横側面図。従来の固体レーザ装置を示す横側面図。従来の固体レーザ装置を示す縦断面図。従来の固体レーザ装置の動作を説明する図。

符号の説明

１　全反射ミラー
３、３ａ〜３ｊ、３ａ１〜３ａ４　半導体レーザ
４　集光器
４０　冷却媒体通路
５、５Ａ、５Ｃ、５Ｅ、５Ｇ、５Ｉ　固体素子
３１　開口部
３２、３３　光学素子
５０　励起ブロック
５５　固体レーザモジュール
９　電源
９１　制御手段
Ｌ　励起ブロックの中心の間隔
Ｄ　固体素子間の距離

Claims

半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、かつ冷却媒体通路を設けた集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えた固体レーザ装置。
半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有し、水冷された冷却板を押しつけた集光器と、水冷された冷却板を押しつけた上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを備えた固体レーザ装置。
半導体レーザと、内面が拡散反射状に形成され、上記半導体レーザからの光を内部に導入する開口部を有した集光器と、上記集光器内に配置され、上記半導体レーザの光により励起された活性媒質を含む固体素子と、この励起された固体素子からレーザ光を取り出すレーザ光学系とを有し、上記固体素子の周囲を囲むように円筒状のフローチューブを設けこのフローチューブ内に冷却媒体を流すとともに、上記集光器内面の断面形状を円形に形成し、上記フローチューブの外面と上記集光器内面の隙間を０．２ｍｍ以下として、上記集光器の熱の一部を上記冷却媒体に伝えるようにしたことを特徴とする固体レーザ装置。
上記集光器の開口部に、上記半導体レーザの光を伝送する光学素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし３記載の固体レーザ装置。
出力が１ｋＷ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の固体レーザ装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の固体レーザ装置を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。