JP2004103618A - Ｙａｇロッド及びｙａｇレーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＹＡＧロッドにおける、ＹＡＧレーザの反射、あるはポンピング光源からの励起光の反射の少なくとも一方をより低減することで、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができるＹＡＧロッド及びＹＡＧレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】ＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ垂直な両端面２０ａ、あるいはＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方における少なくとも一部の面に、超微細錐形２０ｂを２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射面を形成する。または、超微細錐形２０ｂを２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射部材を、ＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ垂直な両端面、あるいはＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方の少なくとも一部の面に張り付ける。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＹＡＧレーザの発振源として用いるＹＡＧロッド、及びＹＡＧロッドを用いてＹＡＧレーザを出力するＹＡＧレーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＹＡＧロッドを用いたＹＡＧレーザ発振装置が金属加工等に利用されている。
ＹＡＧレーザ発振装置では、ＹＡＧロッドにポンピング光源（半導体レーザあるいは励起ランプ等）から励起光を照射し、照射された励起光のエネルギーの一部がＹＡＧロッド内でレーザ光に変換される。
ＹＡＧロッドは直径１０ｍｍ程度、長さが１５０ｍｍ程度の円筒状の形状をしており、内部で変換されたレーザ光は、ＹＡＧロッドの軸方向に進行する。このレーザ光を出力として取り出すために、ＹＡＧロッドの両端面と向い合せてミラーを配置している。そして、一方のミラーはレーザ光を全反射させて再びＹＡＧロッドに戻し、他方のミラーはレーザ光の一部を通過させて出力として取り出し、残りのレーザ光を反射させて再びＹＡＧロッドに戻している。
【０００３】
従来のＹＡＧロッド２０について、図７（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。ＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ垂直な両端面ではＹＡＧレーザが入出射するので、ＹＡＧレーザの反射を抑制するＡＲコート２０ｚ（Ａｎｔｉ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　コーティング）が施されている（図７（Ａ））。例えば、ＡＲコート２０ｚの厚さ（ｔ１）は、レーザ光の波長（λ）の１／４の厚さである。このため、図７（Ｂ）に示すように、入射されたレーザ光がＡＲコート２０ｚの表面で反射した「ＡＲコート表面反射レーザ光」と、入射されたレーザ光がＹＡＧロッド表面で反射した「ＹＡＧロッド表面反射レーザ光」とが、位相差により互いに相殺する（図７（Ｂ）では説明のために各「光軸」をずらして記載しているが、実際には各「光軸」は同一である）。つまり、ＡＲコート表面、及びＹＡＧロッド表面ではＹＡＧレーザの反射が実際には発生しているが、発生した反射レーザ光を相殺させることで、反射レーザ光を実質的には無くしている。
【０００４】
このＡＲコート２０ｚは、レーザ光の入射角（図７（Ｃ）における角度「θ」）がゼロの場合は、図７（Ｂ）に示すように、「ＡＲコート表面反射レーザ光」と、「ＹＡＧロッド表面反射レーザ光」とを同一光軸上で、その位相差により互いに相殺する。しかし、入射角「θ」がゼロでない場合は、図７（Ｃ）に示すように、「ＡＲコート表面反射レーザ光」の「光軸」と、「ＹＡＧロッド表面反射レーザ光」の「光軸」がずれ、且つ双方の位相差も相殺可能な位相差になることはほとんどない。このため、ＡＲコート２０ｚを有効に利用できないので、ポンピング光源からの入射角「θ」がゼロとは限らないＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ平行な側面は、「スリ面（スリガラス状表面）」とすることで、ポンピング光源（半導体レーザあるいは励起ランプ等）から照射される励起光の反射を抑制している。
【０００５】
なお、上記に説明した、ＹＡＧロッドの「両端面へのＡＲコート」、及びＹＡＧロッドの「側面のスリ面」は、従来より一般的に行われているので、あえて先行技術文献を記載しない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ垂直な両端面に施されているＡＲコート２０ｚは、発生させたＹＡＧレーザの反射を極力少なくしているが、実際にはＹＡＧレーザの反射は発生している。ＹＡＧロッド２０の両端面における、ＹＡＧレーザの反射を更に少なくすれば、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。
また、従来のＹＡＧロッド２０の軸方向に対してほぼ平行な側面に施されている「スリ面」は、ポンピング光源からの励起光の反射を少なくしているが、実際には励起光の反射は発生している。ＹＡＧロッド２０の側面における、ポンピング光源から照射される励起光の反射を更に少なくすれば、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、ＹＡＧロッドにおける、ＹＡＧレーザの反射、あるはポンピング光源からの励起光の反射の少なくとも一方をより低減することで、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができるＹＡＧロッド及びＹＡＧレーザ発振装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのＹＡＧロッドである。
請求項１に記載のＹＡＧロッドでは、軸方向に対してほぼ垂直な両端面、あるいは軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方における少なくとも一部の面に、超微細な錐形を２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射面を形成する。
この無反射面は、実際に反射された光を相殺するのでなく、実際に反射する光をＡＲコートよりも更に少なくするので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。特に、ＹＡＧロッドの側面では、従来の「スリ面」より非常に反射率を小さくすることができるので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのＹＡＧロッドである。
請求項２に記載のＹＡＧロッドでは、ＹＡＧロッドの表面に無反射面を形成する請求項１に対して、超微細な錐形を２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射部材をＹＡＧロッドとは別の部材に形成し、ＹＡＧロッドの軸方向に対してほぼ垂直な両端面、あるいは軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方の少なくとも一部の面に張り付ける。
このため、より容易にＹＡＧロッドの表面に無反射面を備えることができる。これにより、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。特に、ＹＡＧロッドの側面では、従来の「スリ面」より非常に反射率を小さくすることができるので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を効果的に向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりのＹＡＧレーザ発振装置である。
請求項３に記載のＹＡＧレーザ発振装置を用いれば、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができるＹＡＧレーザ発振装置を容易に実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明のＹＡＧロッド２０を用いたＹＡＧレーザ発振装置１０を、レーザ加工装置に適用した一実施の形態の概略構成図を示している。
●［全体構成（図１）］
図１に示すレーザ加工装置は、ＹＡＧレーザ発振装置１０と、加工位置制御装置３０とで構成されている。
ＹＡＧレーザ発振装置１０は、ＹＡＧレーザの発振源としてのＹＡＧロッド２０を内部に有しており、制御手段１５によって制御され、ＹＡＧレーザを出力する。出力されたＹＡＧレーザは、光ファイバ１４等に入射され、当該光ファイバ１４から出射される際、出射部１６にて光学レンズ等で集光され、被加工部材４０に照射される。
加工位置制御装置３０は、制御手段３５によって制御され、ＹＡＧレーザの出射部１６を任意の位置に移動可能である。
【００１１】
●［ＹＡＧロッドへの励起光の照射（図２）］
次に図２を用いて、ＹＡＧロッド２０に励起光を照射する概要について説明する。ＹＡＧロッド２０は、ポンピング光源（半導体レーザ、励起ランプ等）から励起光を照射されてエネルギーを注入され、ＹＡＧロッド２０の軸方向に進行するＹＡＧレーザを出力する。本実施の形態では、ポンピング光源として半導体レーザアレイ２１を用いている。
図２（Ａ）は、ＹＡＧロッド２０の軸方向にほぼ垂直な３方向に各々半導体レーザアレイ２１を配置し、当該３方向から半導体レーザ光を照射する例を示している。ここで、ＹＡＧロッド２０の軸方向は、図中に示すｚ軸の方向であり、このｚ軸の方向にＹＡＧレーザが出力される。
【００１２】
また、図２（Ｂ）は、ＹＡＧロッド２０をｚ軸の方向から見た詳細図である。
図２に示すように、ＹＡＧロッド２０の軸方向（ｚ軸方向）に対してほぼ垂直な３方向に、半導体レーザアレイ２１を配置し、より多くの励起光（この場合、半導体レーザ光）を、ＹＡＧロッド２０に照射する。このとき、半導体レーザアレイ２１から照射される半導体レーザ光は、所定の方向に拡散しながら進行するので、光学レンズ２２（この場合、ｚ軸方向を軸とするシリンドリカルレンズ等）を用いて、拡散を抑制させながらＹＡＧロッド２０に照射する。また、ＹＡＧロッド２０の側面は反射鏡２３で囲まれており、照射された半導体レーザ光の反射光が外部に漏れることを抑制し、再度ＹＡＧロッド２０に照射される構造を有している。
【００１３】
●［ＹＡＧロッドの端面におけるＹＡＧレーザの反射（図３）］
ＹＡＧロッド２０から出力されるＹＡＧレーザは、ＹＡＧロッドの軸方向にほぼ垂直な両端面と向い合せて配置した２枚のミラー（全反射ミラー２４、出力ミラー２５）を用いてＹＡＧレーザ出力として取り出される（図３）。当該２枚のミラー（全反射ミラー２４、出力ミラー２５）は、ＹＡＧロッドの軸方向にほぼ垂直（ＹＡＧレーザの進行方向に対して垂直）に配置され、且つその間隔はＹＡＧレーザの波長（λ）に基づいて設定される。
また、全反射ミラー２４は入射されたＹＡＧレーザをほぼ全反射するミラーであり、ＹＡＧロッド２０の一方の端面から出射されたＹＡＧレーザを、再度ＹＡＧロッド２０の当該一方の端面に戻す。出力ミラー２５は入射されたＹＡＧレーザの一部を通過させて残りのＹＡＧレーザを反射するハーフミラーであり、ＹＡＧロッド２０の他方の端面から出射されたＹＡＧレーザの一部を通過させて、残りのＹＡＧレーザを再度ＹＡＧロッド２０の当該他方の端面に戻す。
出力ミラー２５から取り出されたＹＡＧレーザ出力は、光ファイバ等に入射され、加工位置制御装置３０により、被加工部材４０の所定の位置に照射される。
【００１４】
このとき、ＹＡＧレーザが入出射するＹＡＧロッド２０の両端面では、従来のＡＲコート（Ａｎｔｉ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　コーティング）では、図７の説明のように、実際にはＹＡＧレーザの反射が発生している。
そこで、図４に示すように、超微細な錐形を２次元配列状に複数立ち並べた無反射面をＹＡＧロッド２０の端面に形成し、ＹＡＧレーザの反射を、従来のＡＲコートよりも更に少なくする。
【００１５】
●［ＹＡＧロッドの端面への無反射面の形成（図４）］
ＹＡＧロッド２０の両端面に形成する無反射面は、超微細錐形２０ｂ（円錐、多角錐等）を２次元配列状に複数立ち並べた構造を有している（図４）。超微細錐形２０ｂの軸方向はＹＡＧロッド２０の軸方向とほぼ平行である。この超微細錐形２０ｂのピッチ（隣り合う錐形の中心の間隔）「ｐ１」は、数百ｎｍ［ナノメートル］程度（例えば約１５０ｎｍ）であり、高さ「ｈ１」も数百ｎｍ程度（例えば約３５０ｎｍ）である。この寸法は、ＹＡＧレーザ光の波長等に合わせて適切な値に設定される。
【００１６】
例えば、（ｐ１、ｈ１、錐形形状）を、（１５０ｎｍ、３５０ｎｍ、円錐形）とした場合と、（２００ｎｍ、３７０ｎｍ、円錐形状）とした場合の実験例について説明する。どちらの場合も、可視光領域を含む波長１０００ｎｍ以下の光において、全体的（実験では２００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の光）に反射率を非常に低く抑えることができた。また、ピッチ「ｐ１」が１５０ｎｍの方が、ピッチ「ｐ１」が２００ｎｍの方よりも、反射率が小さいことを実験にて確認した。また、特定の波長（この実験では、波長４００ｎｍ）においては、非常に低い反射率（０．５％以下）であることを確認できた。
また、入射角に対する反射率の特性においても、入射角が０°〜６０°程度において、反射率を数％以下に抑制できることを確認できた（この実験例は、ＹＡＧロッドの側面に超微細錐形を備えた場合に有効である）。
【００１７】
なお、この無反射面は、ＹＡＧロッド２０の端面全体に形成することなく、少なくともＹＡＧレーザが実際に入出射される部分のみに形成するようにしてもよい。また、ＹＡＧロッド２０の表面に形成することなく、他の部材（シート状部材等）に無反射面を形成して、ＹＡＧロッド２０の端面に張り付けるようにしてもよい。
【００１８】
この無反射面は、電子線描画によるパターニングにより形成が可能であり、汎用の電子線描画装置にて形成が可能である。また、超微細錐形２０ｂのテーパを形成するには、例えば半導体加工プロセスで用いるＦＡＢ（Ｆａｓｔ　Ａｔｏｍ　Ｂｅａｍ）加工装置でエッチングすることにより、滑らかなテーパ断面形状を形成することができる。
上記のように形成された無反射面は、実際に反射されたＹＡＧレーザを相殺するのでなく、実際に反射されるＹＡＧレーザを、従来のＡＲコートよりも更に少なくするので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。
【００１９】
●［ＹＡＧロッドの側面における励起光の反射（図５）］
ＹＡＧロッド２０の側面に照射される励起光は、図２（Ｂ）に示すように、ＹＡＧロッド側面の曲面に対して、所定の幅を有する励起光（この場合、半導体レーザ）が照射されるので、励起光の入射角がゼロとならない部分が多い。このため、従来のＹＡＧロッド２０の側面には、ＡＲコートを有効に使用することができず、「スリ面（スリガラス状の表面）」が形成されている。つまり、従来のＹＡＧロッド２０の側面においては、ＡＲコートよりも大きな反射率で励起光が反射される（図５）。
そこで、図６に示すように、超微細錐形２０ｄを２次元配列状に複数立ち並べた無反射面をＹＡＧロッド２０の側面に形成し、励起光の反射を従来のスリ面よりも更に少なくする。
【００２０】
●［ＹＡＧロッドの側面への無反射面の形成（図６）］
ＹＡＧロッド２０の側面に形成する無反射面は、図４と同様に、超微細錐形２０ｄ（円錐、多角錐等）を２次元配列状に複数立ち並べた構造を有している（図６）。超微細錐形２０ｄの軸方向はＹＡＧロッド２０の軸（ｚ軸）にほぼ垂直である。この超微細錐形２０ｄのピッチ「ｐ２」及び高さ「ｈ２」の寸法は、励起光（この場合、半導体レーザ）の波長等に合わせて適切な値に設定される。
なお、この無反射面は、ＹＡＧロッド２０の側面全体に形成することなく、少なくとも励起光が実際に照射される部分のみに形成するようにしてもよい。また、ＹＡＧロッド２０の表面に形成することなく、他の部材（シート状部材等）に無反射面を形成して、ＹＡＧロッド２０の側面に張り付けるようにしてもよい。
また、超微細錐形２０ｄのピッチ「ｐ２」及び高さ「ｈ２」の寸法及びその無反射特性は、既に説明した内容と同様であるので、省略する。
【００２１】
この無反射面は、既に説明したように、電子線描画によるパターニングにより形成が可能であり、汎用の電子線描画装置にて形成が可能である。また、既に説明したように、超微細錐形２０ｄのテーパを形成するには、例えば半導体加工プロセスで用いるＦＡＢでエッチングすることにより、滑らかなテーパ断面形状を形成することができる。
上記のように形成された無反射面は、実際に反射される励起光を、従来のスリ面よりも更に少なくするので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。
【００２２】
本発明のＹＡＧロッド及びＹＡＧレーザ発振装置は、本実施の形態で説明した構成、形状、配置等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本発明のＹＡＧロッド及びＹＡＧレーザ発振装置は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
本実施の形態で説明した超微細錐形２０ｂ、２０ｄの形状、寸法、材質は種々のものを用いることが可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載のＹＡＧロッドを用いれば、ＹＡＧロッドにおける、ＹＡＧレーザの反射、あるはポンピング光源からの励起光の反射の少なくとも一方をより低減することができるので、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができる。
また、請求項３に記載のＹＡＧレーザ発振装置を用いれば、ＹＡＧレーザのエネルギー効率を更に向上させることができるＹＡＧレーザ発振装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＹＡＧロッド２０を用いたＹＡＧレーザ発振装置１０を、レーザ加工装置に適用した一実施の形態の概略構成図である。
【図２】ＹＡＧロッド２０に励起光を照射する概要について説明する図である。
【図３】ＹＡＧロッド２０と全反射ミラー２４と出力ミラー２５との配置と、ＹＡＧレーザの反射を説明する図である。
【図４】本発明の、超微細錐形２０ｂを２次元配列状に複数立ち並べた無反射面を端面に形成したＹＡＧロッド２０の例を説明する図である。
【図５】ＹＡＧロッド２０と半導体レーザアレイ２１（ポンピング光源）との配置と、半導体レーザ（励起光）の反射を説明する図である。
【図６】本発明の、超微細錐形２０ｄを２次元配列状に複数立ち並べた無反射面を側面に形成したＹＡＧロッド２０の例を説明する図である。
【図７】従来のＡＲコートを施したＹＡＧロッド、及びＡＲコートの原理について説明する図である。
【符号の説明】
１０　　ＹＡＧレーザ発振装置
２０　　ＹＡＧロッド
２０ａ　ＹＡＧロッド端面
２０ｃ　ＹＡＧロッド側面
２０ｂ、２０ｄ　超微細錐形
２１　　半導体レーザアレイ（ポンピング光源）
２４　　全反射ミラー
２５　　出力ミラー

Claims (3)

1. ＹＡＧレーザの発振源として用いる、柱状の形状を有するＹＡＧロッドであって、
   軸方向に対してほぼ垂直な両端面、あるいは軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方における少なくとも一部の面に、超微細な錐形を２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射面を形成する、
   ことを特徴とするＹＡＧロッド。
2. ＹＡＧレーザの発振源として用いる、柱状の形状を有するＹＡＧロッドであって、
   超微細な錐形を２次元配列状に複数立ち並べて光をほぼ無反射する無反射部材を、軸方向に対してほぼ垂直な両端面、あるいは軸方向に対してほぼ平行な側面の少なくとも一方の少なくとも一部の面に張り付ける、
   ことを特徴とするＹＡＧロッド。
3. ＹＡＧレーザの発振源として用いるＹＡＧロッドと、ＹＡＧレーザを励起する半導体レーザまたはランプと、ＹＡＧロッドの一方の端面から出力されるＹＡＧレーザを全反射する全反射ミラーと、ＹＡＧロッドの他方の端面から出力されるＹＡＧレーザの一部をＹＡＧレーザ出力として通過させて残りを反射する出力ミラーとを備え、
   請求項１または２に記載のＹＡＧロッドを用いてＹＡＧレーザ出力を得る、
   ことを特徴とするＹＡＧレーザ発振装置。

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