JP2004363296A

JP2004363296A - 固体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004363296A
Application number: JP2003159510A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sakurai; 努櫻井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】励起用ランプを単一のみ備える構成としながらも、３００Ｗ以上の高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形に制御した場合にも不具合が発生しない構成を備えた固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】２本の励起用ランプで励起する場合の励起長の４／３以上の励起長を確保できる長さを有し、ランタノイド希土元素をレーザ材料の中心軸に対して両側のドープ量が対称となるようにドープしたレーザ媒質１３と、レーザ媒質１３に対応する長さを有する単一の励起用ランプ１４と、楕円形集光ミラー４１または放物線形ミラーの２つの焦点軸位置にレーザ媒質１３および励起用ランプ１４がそれぞれ配置された集光器ケース４０と、複数本設ける場合の励起用ランプへの印加電圧の１．２倍以上の電圧を励起用ランプ１４に印加するランプ駆動電源３０とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起用ランプを単一備えるだけであるにも拘わらず励起用ランプを２本備えたものと同等のレーザパワーを有したランプ励起型のものであって、例えばアルミニウム製部材をレーザ溶接する用途などに特に適した固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、リチウムイオン二次電池は、携帯電話機を始めとして多くの携帯型電子機器の内蔵電源に採用されており、一般にアルミニウム製の電池ケースにより外装されている。この電池ケースの封口は、固体レーザ装置を用いたレーザ溶接により行われているが、電池ケースの素材であるアルミニウムは高い光反射率を有しているので、図３に示すように、レーザ出力を３００Ｗ以上の高いピークパワーまで高速で瞬時に立ち上げる波形となるように制御する必要がある。
【０００３】
このようなレーザ溶接に励起用ランプを単一のみ有するランプ励起型固体レーザ装置を用いる場合には、上述の高いピークパワーを得るために、ランプ径の大きな励起用ランプを用いなければならないが、そのような励起用ランプを用いると、レーザ出力取出用の光ファイバに対するカップリングが困難となるだけでなく、高いピークパワーまで高速で瞬時に立ち上げる波形に制御することから、励起用ランプの電極の損傷や劣化の発生が著しく、比較的高価な励起用ランプの寿命が短くなり、さらに、レーザ媒質としてのＹＡＧロッドが単一の励起用ランプによって片側からのみ光照射されるので、ＹＡＧロッドに熱影響による反りや膨張が発生するのに伴い、光ファイバの入光端面におけるレーザの集光位置が比較的大きく変動して、光ファイバへのレーザビームの伝達が不十分となる。
【０００４】
そこで、従来では、上記電池ケースのようなアルミニウム製部材を３００Ｗ以上の高いピークパワーに高速で瞬時立ち上がる波形に制御したレーザビームによりレーザ溶接するに際しては、複数の励起用ランプを有するランプ励起型固体レーザ装置が一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。この固体レーザ装置は、光共振器を構成する全反射ミラーと出力ミラーとの間に図４の断面図に示すような固体レーザ発振器本体１を配置した固体レーザ発振器を有している。固体レーザ発振器本体１は、２つの楕円形をそれらの一部が重ね合わさる配置で組み合わせた双楕円形状の孔を有する筒状の集光器ケース２を備え、この集光器ケース２の内面は金めっきにより双楕円形集光ミラー３に形成されている。集光器ケース２には、図の左右両側の各楕円形における各焦点軸位置にそれぞれ励起用ランプ４が配置され、センター軸位置にレーザ媒質としての板状のＹＡＧロッド７が配置されている。励起用ランプ４はランプ用フローチューブ８内に収納され、ＹＡＧロッド７はロッド用フローチューブ１０内に収納されて保持体９により保持されている。
【０００５】
この固体レーザ装置では、固体レーザ発振器において、双方の励起用ランプ４から出射した光が双楕円形集光ミラー３で反射してＹＡＧロッド７に集光され、光照射により励起されたＹＡＧロッド７から出射したレーザビームが、全反射ミラーと出力ミラーとの間で共振して、出力ミラーから外部に取り出される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−６４８８９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記固体レーザ装置は、２つの励起用ランプ４が放電管であることから、この２つの励起用ランプ４を直列接続または並列接続して単一の電源装置で同時に駆動することができないので、２つの励起用ランプ４を個々に駆動するための２台の電源装置が必要となり、コスト高になるとともに発振器全体の形状が大型化する。
【０００８】
また、励起用ランプ４は、放電管であることから大きな電流を流すことができ、１本だけでもＹＡＧロッド７を破壊する程の光パワーを出力することが可能であるが、当然のことながらＹＡＧロッド７の耐力に基づき各励起用ランプ４の出力パワーを自体の最大出力パワーに対し数分の１に制御して使用している。すなわち、上記固体レーザ装置では、高価な励起用ランプ４をこれが有する光パワーの能力を十分に発揮できない状態で複数本同時に使用しているので、ランニングコストが高くつく。
【０００９】
さらに、上記固体レーザ装置では、それぞれ２つ備えた励起用ランプ４またはランプ駆動電源の何れか一方に異常が発生した場合に、固体レーザ装置自体の故障となることから、信頼性が低い。しかも、２つの励起用ランプ４および電源装置には、何れもばらつきが存在するので、図３のような波形に制御する場合に、その制御波形が上記２つのばらつきの合成となるため、どうしても精密な波形制御ができない問題もある。
【００１０】
さらにまた、上記固体レーザ装置では、集光器ケース２のセンター軸位置にＹＡＧロッド７を配置することから、双楕円形集光ミラー３を大き目の形状に形成する必要があり、この形状に伴って、図４に矢印で示すように、励起用ランプ４から出射した励起光１１のうちのＹＡＧロッド７に集光できない励起光１１が存在するので、この励起光の損失がＹＡＧロッド７の励起効率を１０〜２０％程度低下させる要因になっている。
【００１１】
そこで本発明は、励起用ランプを単一のみ備えるランプ励起型の構成を採用して、コストダウン、小型化、信頼性および励起効率の向上を図りながらも、３００Ｗ以上の高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形に制御した場合にも不具合が発生しない構成を備えた固体レーザ装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体レーザ装置は、２本の励起用ランプで励起する場合の励起長の４／３以上の励起長を確保できる長さを有し、ランタノイド希土元素をレーザ材料の中心軸に対して両側のドープ量が対称となるようにドープしたレーザ媒質と、前記レーザ媒質に対応する長さを有して前記レーザ媒質に励起光を与える単一の励起用ランプと、楕円形集光ミラーまたは放物線形ミラーの２つの焦点軸位置に前記レーザ媒質および励起用ランプをそれぞれ配置して収納した集光器ケースと、低インピーダンスのチョッパインバータ電流制御方式によって、複数本設ける場合の励起用ランプへの印加電圧の１．２倍以上の電圧を前記励起用ランプの電極に印加するランプ駆動電源とを備えることを特徴としている。
【００１３】
この固体レーザ装置では、２本の励起用ランプを備えたランプ励起型固体レーザ装置が本来有している欠点、つまり、コスト高になるとともに発振器全体の形状が大型化し、信頼性が低く、レーザ出力の精密な波形制御が困難であり、励起効率が低いといった種々の欠点が解消されている。そして、楕円形集光レンズによってレーザ媒質への励起光の集光効率が向上するとともに、レーザ媒質は、単一の励起用ランプによって光照射されるにも拘わらず、２本の励起用ランプで光照射された場合の励起体積とほぼ同じ励起体積となって、２本の励起用ランプにより光照射される励起時とほぼ同じパワーのレーザビームを出射することができるので、平均出力が３００Ｗを超える場合であっても、単一の励起用ランプを用いる構成でありながらも２本の励起用ランプを備えたものと同等の性能を得ることができる。
【００１４】
また、励起用ランプは、２本の励起用ランプを用いる場合よりもレーザ媒質の熱レンズ効果によって大きな反りが発生し易くなるが、レーザ媒質は、自体の中心軸に対してドープ量が対称となるようにランタノイド希土元素がドープされていることにより熱レンズ効果の発生が規制されるため、励起用ランプの反りの発生が可及的に抑制される。さらに、ランプ駆動電源は、低インピーダンスのチョッパインバータ電流制御方式に構成されて、２個の励起用ランプを個々に駆動するランプ駆動電源の出力電圧の１．２倍以上の高電圧を励起用ランプに印加するので、レーザ媒質からの出力レーザビームを高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形になるよう制御できるとともに、高電圧を励起用ランプに印加することにより、励起用ランプの封入ガス圧を高くした場合にも、それに伴って電気的インピーダンスが上昇することに起因して電流が低減するのを補償できる。したがって、この固体レーザ装置は、アルミニウム製部材のレーザ溶接を良好に行えるものとなる。
【００１５】
上記発明において、励起用ランプは、複数本設ける場合の励起用ランプよりも高い封入ガス圧でクリプトンガスまたはキセノンガスが封入されたものであることが好ましい。この構成によれば、励起用ランプは、２本用いる場合の励起用ランプよりも高い封入ガス圧でガスが封入されているので、高電圧を印加された場合における電極の損傷や劣化の発生が効果的に防止されて、所要の寿命を確保することができる。
【００１６】
同上の構成において、ランプ駆動電源に設けられて励起用ランプの電極に直列接続されるリアクタンス素子は、複数本設ける励起用ランプに直列接続される場合よりも小さなリアクタンスに設定されていることが好ましい。この構成によれば、励起用ランプは、封入ガス圧が高くなったのに対応して電気的インピーダンスが高くなっているから、この電気的インピーダンスが高いのに伴い励起用ランプの応答時間が長くなるのを、リアクタンス素子のリアクタンスを低くしたことによって補償することができ、励起用ランプを高速応答させて、レーザ媒質の出力レーザビームを高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形に制御することが可能となる。
【００１７】
上記発明において、レーザ媒質から出射したレーザビームを通過させる円形の光通過孔を有するアパーチャを備え、このアパーチャの前記光通過孔が、レーザ媒質の直径よりも小さな内径に設定されていることが好ましい。この構成によれば、アパーチャによるレーザビームの損失を低減することができる。
【００１８】
上記発明において、励起用ランプの外装管、前記励起用ランプを収納するランプ用フローチューブまたはレーザ媒質を収納するロッド用フローチューブのうちの少なくとも一つに、セリウムがドープされていることが好ましい。この構成によれば、ドープしたセリウムは紫外線のエネルギを遮断するから、紫外線がレーザ媒質内で熱に変わるのを規制することができ、レーザ媒質の熱レンズ効果を効果的に抑制できる。
【００１９】
上記発明において、レーザ媒質から出射したレーザビームの光径を拡大するビームエキスパンダと、拡大されたレーザビームを光ファイバの受光端面に集光する集光レンズとを備え、前記ビームエキスパンダは、間隔を存して対置された凹面レンズと凸面レンズとを備えてなり、前記凹面レンズと凸面レンズとの間隔が前記光ファイバでのレーザビームの通過率が最大となるように調整されていることが好ましい。この構成によれば、例えば、レーザ媒質として、レーザ材料にランタノイド希土元素をドープしたＮｄ：ＹＡＧなどの丸棒状であって、ロッド径が７〜１０ｍｍのものを用い、励起用ランプとして、ランプボア径が７〜９ｍｍのものを用い、レーザビーム２０の光径を７〜９ｍｍに設定して、５００Ｗの平均レーザパワーのレーザビームを直径が０．６ｍｍの光ファイバに確実に入射することが可能となる。
【００２０】
同上の構成において、ビームエキスパンダで拡大されたレーザビームをこれの光軸に対し直交方向に反射させて集光レンズに向けて光路を変更させる透明反射ミラーと、この透明反射ミラーのレーザビームの反射方向とは反対側からレーザビームの光ファイバの受光端面への集光点を前記透明反射ミラーを通じて透視できる位置に設けられた観察系とを備え、前記光ファイバが変位可能または前記透明反射ミラーが回動可能に設けられていることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、レーザビームを用いた加工、例えばレーザ溶接を連続的に行う際に、レーザ出力を３００Ｗ以上に向けて徐々に増大させていき、それに伴ってレーザビームの光ファイバの受光端面への集光点が眩しく光りながら再現性良く変位していくのを作業者が観察系を通して正確に確認し、レーザ出力が所定の最大パワーに達した時点で、光ファイバと集光レンズとを一体的に変位させるか、或いは透明反射ミラーを回動させて傾斜角度を変えることにより、レーザビームの集光点が光ファイバの受光端面の中心に合致するように補正することができる。そのため、例えば、１７０ｍｍ以上の比較的長いレーザ媒質が一方側のみから励起用ランプによる光励起を受けることに起因してレーザ媒質に熱歪による反りが発生した場合であっても、そのレーザ媒質の反りに伴うレーザビームの光ファイバの受光端面への集光点の変位を正確に補正することができる。
【００２２】
上記発明において、レーザ媒質の光軸上において前記レーザ媒質の両側に配置されたリア反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器の共振器長が５００ｍｍ以上に設定され、長さが１５０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が８〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられている構成とすることができる。この構成によれば、平均出力が３００Ｗまでは、直径が０．６ｍｍの光ファイバにレーザビームを確実に入射させることができる。
【００２３】
上記発明において、レーザ媒質の光軸上において前記レーザ媒質の両側に配置されたリア反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器の共振器長が５００ｍｍ以上に設定され、長さが１７０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が８〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられている構成とすることができる。この構成によれば、平均出力が３００Ｗ以上の場合に、直径が０．６ｍｍの光ファイバにレーザビームを確実に入射させることができる。
【００２４】
上記発明において、長さが２００ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が９〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられて、直径が０．８ｍｍ以上の光ファイバにレーザビームを入射するように構成されていることが好ましい。この構成によれば、平均出力の大小とは無関係に、直径が０．８ｍｍ以上の光ファイバにレーザビームを確実に入射させることができる。
【００２５】
上記発明において、単一の励起用ランプとレーザ媒質とを収納した集光器ケースを複数備え、これら各集光器ケースが、各々の光軸が同軸上で合致する配置で連設されていることが好ましい。この構成によれば、出力ロスが若干増加するが、一つの集光器ケースのレーザ媒質からのレーザ出力に集光器ケースの設置数を乗算したレーザ出力を得られるので、大きなレーザ出力を容易に得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る固体レーザ装置を示す概略構成図であり、先ず、同図の固体レーザ装置の構成の概略について説明する。この固体レーザ装置の本体部分である固体レーザ発振器１２は、丸棒状のレーザ媒質１３と、このレーザ媒質１３の近傍箇所に平行に配置された単一の励起用ランプ１４と、レーザ媒質１３および励起用ランプ１４を収納した集光器ケース４０と、レーザ媒質１３の光軸上の両側に配置されたリア反射ミラー１８と出力ミラー１９とで構成されて励起用ランプ１４からの光照射によって励起されたレーザ媒質１３から発生するレーザビーム２０を正帰還してレーザ発振を実現する光共振器１７と、ランプ励起されたレーザビーム２０を通過させる円形の光通過孔を有するアパーチャ２１とを備えて構成されている。
【００２７】
上記アパーチャ２１および出力ミラー１９を通過したレーザビーム２０は、ビームエキスパンダ２２によって非平行に拡大される。すなわち、ビームエキスパンダ２２は、間隔を存して対置された凹面レンズ２３と凸面レンズ２４とにより構成されて、アパーチャ２１および出力ミラー１９を通過したレーザビーム２０を１〜２倍の光径に拡大する。この拡大されたレーザビーム２０は、このレーザビーム２０の光軸に対し４５°の傾斜角度に配置された透明反射ミラー２７によって自体の光軸に対し直交方向に向け反射するように光路変更されて、焦点距離が３０〜５０ｍｍである回折限界集光レンズ２８によって光ファイバ２９の受光端面に焦点を結ぶように集光されて入射し、光ファイバ２９を通して取り出される。
【００２８】
励起用ランプ１４に駆動電力を供給するランプ駆動電源３０は、交流電源３１の商用交流電力を整流回路３２によって直流電力に変換し、この直流電力により電解コンデンサ３３を充電し、この電解コンデンサ３３の充電電荷を、チョッパ回路３５によって所定のチョッピング周期でスイッチング制御されるスイッチング素子３４を介して放電させたのち、この放電電流をリアクタンス素子３７および逆流防止用ダイオード３８を介して励起用ランプ１４の電極に供給している。したがって、励起用ランプ１４はフラッシュ制御されてレーザ媒質１３がパルス励起される。上記スイッチング素子３４としては、この実施の形態において電圧制御形トランジスタであるＩＧＢＴが用いられている。このスイッチング素子３４は印加電圧が制御されることによって電解コンデンサ３３の放電電流を定電流制御する。また、リアクタンス素子３７は、電流チョッピング周期を最適化するよう機能する。
【００２９】
図２は、上記固体レーザ発振器１２を集光器ケース４０の箇所で切断した拡大断面図であり、図１と同一のものには同一の符号を付して、重複する説明を省略する。レーザ媒質１３および励起用ランプ１４を内部に収納する集光器ケース４０は、楕円形の孔を有し、その孔の内面が金めっきされて楕円形集光ミラー４１が形成されている。楕円形集光ミラー４１には２つの焦点軸が存在し、そのうちの一方の焦点軸位置にレーザ媒質１３が、且つ他方の焦点軸位置に励起用ランプ１４がそれぞれ配置されている。楕円形集光ミラー４１は、図４の双楕円形集光ミラー３とは異なり、幾何学の原理によって一方の焦点軸位置に配置された励起用ランプ１４から出射した励起光１１の全てを反射させてレーザ媒質１３に集光させることができ、１本の励起用ランプ１４から出射する励起光に対するレーザ媒質１３の励起効率が格段に向上する。なお、集光器ケース４０には、上記楕円形集光ミラー４１に代えて、放物線形集光ミラーなどを形成してもよい。要は励起用ランプ１４から出射した励起光１１の全てをレーザ媒質１３に集光できるものであればよい。
【００３０】
レーザ媒質１３としては、この実施の形態において、丸棒状のＹＡＧロッドが用いられている。このレーザ媒質１３は、ロッド用フローチューブ４２内に収納して集光器ケース４０に保持されている。一方、励起用ランプ１４としては、クリプトンガス封入ランプまたはキセノン封入ランプが用いられており、この励起用ランプ１４はランプ用フローチューブ４３内に収納して、集光器ケース４０に保持されている。
【００３１】
つぎに、上記固体レーザ装置の特徴とする構成について詳細に説明する。この固体レーザ装置は、単一の励起用ランプ１４を備えたランプ励起型の構成としながらも、２本の励起用ランプを備えたランプ励起型のものと同等の性能を得られるようにして、アルミニウム製部材のレーザ溶接を良好に行えるように図ったものであり、これの詳細については後述する。したがって、この固体レーザ装置は、２本の励起用ランプを備えたランプ励起型固体レーザ装置が本来有している欠点、つまり、コスト高になるとともに発振器全体の形状が大型化し、信頼性が低く、レーザ出力の精密な波形制御が困難であり、励起効率が低いといった種々の欠点が解消されたものである。
【００３２】
一方、上記固体レーザ装置は、励起用ランプ１４を単一のみ有する構成でありながら、アルミニウム製部材のレーザ溶接を良好に行えることを可能にするために、レーザ出力を３００Ｗ以上の高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上げる波形となるように良好に制御できる構成を備えている。すなわち、この固体レーザ装置は、光ファイバ２９に対する良好なカップリング、高ピークパワまで高速で瞬時に立ち上げる波形に制御したときの励起用ランプ１４における電極の損傷や劣化の防止、レーザ媒質１３であるＹＡＧロッドに熱影響によって発生し易い反りや膨張の防止といった課題を解決しており、この点について、以下に詳述する。
【００３３】
レーザ媒質１３としては、２本の励起用ランプで励起する場合の励起長の４／３以上の励起長を確保できる比較的長いものであって、２本の励起用ランプによる発光体積で励起された場合と同等の励起体積を有するものを用いる。レーザ媒質１３として用いるＹＡＧロッドは、ネナオジウムなどのランタノイド希土元素をレーザ材料の中心軸に対して両側のドープ量が対称となるように０．８％から１％ドープしたものである。
【００３４】
これにより、レーザ媒質１３は、単一の励起用ランプ１４によって光照射されるにも拘わらず、２本の励起用ランプで光照射された場合の励起体積とほぼ同じ励起体積となって、２本の励起用ランプにより光照射される励起時とほぼ同じパワーのレーザビーム２０を出射する。したがって、平均出力が３００Ｗを超える場合であっても、単一の励起用ランプ１４を用いる構成でありながらも２本の励起用ランプを備えたものと同等の性能を得ることができる。また、励起用ランプ１４は、２本の励起用ランプを用いる場合よりもレーザ媒質１３の熱レンズ効果によって大きな反りが発生し易くなるが、レーザ媒質１３は、自体の中心軸に対してドープ量が対称となるようにランタノイド希土元素がドープされていることにより熱レンズ効果の発生が規制される。これにより、励起用ランプ１４の反りの発生は可及的に抑制される。
【００３５】
また、励起用ランプ１４としては、２本用いる場合の励起用ランプよりも高い封入ガス圧でクリプトンガスまたはキセノンガスが封入されたものを用いる。これにより、励起用ランプ１４は、高電圧を印加された場合における電極の損傷や劣化の発生が効果的に防止されて、所要の寿命を確保することができる。
【００３６】
この励起用ランプ１４に駆動電力を供給するランプ駆動電源３０は、低インピーダンスのチョッパインバータ電流制御方式に構成されて、２個の励起用ランプを個々に駆動するランプ駆動電源の出力電圧の１．２倍以上の高電圧を励起用ランプ１４に印加して、レーザ媒質１３からの出力レーザビーム２０を高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形になるよう制御する。このように、ランプ駆動電源３０は、高電圧を励起用ランプ１４に印加することにより、励起用ランプ１４の封入ガス圧が高くなったのに伴い電気的インピーダンスが上昇したことに起因して電流が低減するのを補償できる。
【００３７】
上記励起用ランプ１４に直列接続されるリアクタンス素子３７としては、２本の励起用ランプを個々に駆動するランプ駆動電源に用いられているリアクタンス素子よりも小さいリアクタンスのものが用いられている。上述のように励起用ランプ１４は、封入ガス圧が高くなったのに対応して電気的インピーダンスが高くなっているから、この電気的インピーダンスが高いのに伴い励起用ランプ１４の応答時間が長くなるのを、リアクタンス素子３７のリアクタンスを低くしたことによって補償するように図っている。これにより、励起用ランプ１４を高速応答させて、レーザ媒質１３の出力レーザビームを高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形に制御することを可能としている。
【００３８】
上記リアクタンス素子３７の実際の設定数値について説明する。励起用ランプ１４の放電長が２００ｍｍにもなると、この励起用ランプ１４のインピーダンス係数Ｋｏは、２５〜３０となって、図４に示したように２本設ける場合の５００Ｗ級励起用ランプ４のインピーダンス係数Ｋｏ＝１５〜２０に比較して約１．５倍となる。そこで、ランプ駆動電源３０からは、２本設ける場合の励起用ランプ４に供給する駆動電圧に対し１．２倍の駆動電圧を励起用ランプ１４に印加することにより、出力レーザパワーを５００Ｗ以上に設定している。
【００３９】
また、励起用ランプ１４として、上述したように、２本の励起用ランプで励起する場合の励起長の４／３以上の励起長を確保できるレーザ媒質１３に対応した比較的長いものを用いるようにしているが、これは、リアクタンス素子３７のリアクタンスが１．２倍以上に大きくなったことに相当するため、アルミニウム製部材をレーザ溶接する際に必要となる条件、つまり１００μｓｅｃ以内に５ＫＷ以上のピークパワーを得ようとすれば、リアクタンス素子３７のリアクタンスを７５〜１５０μＨに設定して、励起用ランプ１４の両電極間に７００Ｖ以上の電圧を印加する必要がある。上記固体レーザ装置では、以下のように設定すれば、光ファイバ２９に対するカップリングが良好とする。すなわち、平均出力が３００Ｗ以下のレーザービーム２０を直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９に入射する場合には、光共振器１７の共振器長（リア反射ミラー１８と出力ミラー１９との間の間隔）Ｌを５００ｍｍ以上に設定し、レーザ媒質１３として、長さが１５０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのものを用い、光共振器１７内のアパーチャ２１として、内径が８〜９．５ｍｍのものを用いる。平均出力が３００Ｗ以上のレーザービーム２０を直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９に入射する場合には、光共振器１７の共振器長Ｌを５００ｍｍ以上に設定し、レーザ媒質１３として、長さが１７０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのものを用い、上記アパーチャ２１として、内径が８〜９．５ｍｍのものを用いる。一方、直径が０．８ｍｍ以上の光ファイバ２９に入射する場合には、レーザ出力の大小とは無関係に、レーザ媒質１３として、長さが２００ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのものを用い、光共振器１７内のアパーチャ２１として、内径が９〜９．５ｍｍのものを用いる。
【００４０】
比較的長い励起用ランプ１４の反りの発生は、上述したように、レーザ媒質１３のレーザ材料の中心軸に対してドープ量が対称となるようにランタノイド希土元素がドープすることによってレーザ媒質１３の熱レンズ効果を規制していることにより、可及的に抑制しているが、これに加えて、この実施の形態では、励起用ランプ１４の外装体である石英管（図示せず）、ランプ用フローチューブ４３およびロッド用フローチューブ４２のうちの少なくとも何れかに、セリウムをドープするようにしている。これにより、ドープしたセリウムは紫外線のエネルギを遮断するので、紫外線がレーザ媒質１３であるＹＡＧロッド内で熱に変わるのを規制して、レーザ媒質１３の熱レンズ効果を効果的に抑制できる。
【００４１】
さらに、この実施の形態のレーザ媒質１３は、単結晶でなく多結晶のレーザ材料を用いて形成されている。これにより、単一の励起用ランプ１４により一方側からのみ光励起されることに起因して発生するレーザ媒質１３の反りは、一層効果的に抑制される。また、セラミックＹＡＧは、単結晶のいわゆるガラスＹＡＧよりも１．２倍の耐力を有しているため、例えば、通常５００Ｗ用に用いるロッドサイズのＹＡＧロッドで６００Ｗを得ることができる。
【００４２】
ところで、光ファイバ２９によって取り出すレーザビーム２０によってアルミニウム製部材のレーザ溶接などの加工を連続的に行う際には、パワーアップしていくに従ってレーザビーム２０の光ファイバ２９の受光端面への集光点が一方向に移動していく。このレーザビーム２０の集光点の位置ずれは、レーザ媒質１３のランタノイド希土元素のドープ量のばらつきや、励起用ランプ１４からの励起光１１がレーザ媒質１３における励起用ランプ１４との対向面側に多く照射することによる光アンバランスによってレーザ媒質１３に生じる反りに起因して発生する。
【００４３】
そこで、上記固体レーザ装置では、固体レーザ発振器１２からのレーザビーム２０を透明反射ミラー２７によってレーザビーム２０の光軸に対し直交方向に反射させたのち回折限界集光レンズ２８で光ファイバ２９の受光端面に集光させる構成とすることにより、透明反射ミラー２７のレーザビーム２０の反射方向とは反対側からレーザビーム２０の光ファイバ２９の受光端面への集光点を透明反射ミラー２７を通じて透視できるようにして、透明反射ミラー２７に対し光ファイバ２９とは反対側におけるレーザビーム２０の延長線上に、作業者がレーザビーム２０の集光点を正確に視認できる観察系３９を設ける。
【００４４】
そして、上述のレーザビーム２０を用いた加工、例えばレーザ溶接を連続的に行う際に、レーザ出力を３００Ｗ以上に向けて徐々に増大させていき、それに伴ってレーザビーム２０の光ファイバ２９の受光端面への集光点が眩しく光りながら再現性良く変位していくのを作業者が観察系３９を通して正確に確認し、レーザ出力が所定の最大パワーに達した時点で、光ファイバ２９と回折限界集光レンズ２８とを一体的に変位させるか、或いは透明反射ミラー２７を回動させて傾斜角度を変えることにより、レーザビーム２０の集光点が光ファイバ２９の受光端面の中心に合致するように補正する。これにより、１７０ｍｍ以上の比較的長いレーザ媒質１３が励起用ランプ１４による光励起を一方側からのみ受けることに起因してレーザ媒質１３に熱歪による反りが発生し、そのレーザ媒質１３の反りに伴いレーザビーム２０の光ファイバ２９の受光端面への集光点が比較的大きく変位しても、その変位を正確に補正することができる。
【００４５】
なお、上記レーザビーム２０の集光点の補正は最初に１回行うだけでよい。また、観察系３９として、例えば撮像管やイメージセンサを設けて、これらの観察系３９が検出したレーザビーム２０の集光点の位置ずれに応じて光ファイバ２９と回折限界集光レンズ２８とを自動的に変位させることにより、レーザビーム２０の集光点の補正を行うように構成することもできる。
【００４６】
上記アパーチャ２１の光通過孔はレーザ媒質１３であるＹＡＧロッドの外径よりも小さく設定している。具体的には、アパーチャ２１の光通過孔の径は励起用ランプ１４の発光断面径±０．５ｍｍ程度に設定している。これにより、アパーチャ２１によるレーザビーム２０の損失を低減することができる。
【００４７】
さらに、上記固体レーザ装置では、固体レーザ発振器１２から出射したレーザビーム２０をビームエキスパンダ２２よって光径を１〜２倍に拡大したのち、焦点距離が３０〜５０ｍｍの回折限界集光レンズ２８を用いて直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９の受光端面に集光するに際して、ビームエキスパンダ２２の凹面レンズ２３と凸面レンズ２４との間隔を、上記光ファイバ２９でのレーザビーム２０の通過率が最大となるように調整している。これにより、レーザ媒質１として、レーザ材料にランタノイド希土元素をドープしたＮｄ：ＹＡＧなどの丸棒状であって、ロッド径が７〜１０ｍｍのものを用い、励起用ランプ１４として、ランプボア径が７〜９ｍｍのものを用い、レーザビーム２０の光径を７〜９ｍｍに設定して、５００Ｗの平均レーザパワーのレーザビーム２０を直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９に入射することが可能となる。
【００４８】
また、図１における単一の励起用ランプ１４とレーザ媒質１３とを収納した集光器ケース４０を複数備えて、これら各集光器ケース４０を、各々の光軸が同軸上で合致する配置で連設すれば、出力ロスが若干増加するが、一つの集光器ケース４０によるレーザ出力を５００Ｗとすると、５００Ｗに集光器ケース４０の設置数を乗算したレーザ出力を得られることになり、大きなレーザ出力を容易に得ることができる。
【００４９】
つぎに、上記固体レーザ装置のメリットについて、理論的に説明する。この固体レーザ装置における単一の励起用ランプ１４の電極に供給する電圧および電流をＶ１、Ｉ１とし、ランプ抵抗係数をＫ１とする。一方、比較例として、２本の励起用ランプを備えた既存の固体レーザ装置における励起用ランプの電極に供給する電圧および電流をＶ２、Ｉ２とし、ランプ抵抗係数をＫ２とする。上記固体レーザ装置の単一の励起用ランプ１４により既存の固体レーザ装置の２本の励起用ランプと同じ発光体積を得る場合において、単一の励起用ランプ１４のランプボア径を２本用いる励起用ランプと同一に設定すると、単一の励起用ランプ１４の長さは、２本用いる励起用ランプの各々の長さの和に設定する必要があり、ランプ抵抗係数は励起用ランプのアーク長に比例するから、Ｋ２＝２×Ｋ１となる。
【００５０】
ランプ電圧は電流の１／２乗に比例し、比例乗数すなわちランプ抵抗係数は乗数として、上記固体レーザ装置と比較例の固体レーザ装置との各々の励起パワーＰが同じであると仮定すると、下記の式が成立する。
【００５１】
Ｐ（Ｉ×Ｖ）＝Ｋ１×（Ｉ１）^３／２＝Ｋ２×（Ｉ２）^３／２
この式にＫ２＝２×Ｋ１を代入すると、（Ｉ１）^３／２＝２×（Ｉ２）^３／２となり、したがって、Ｉ１≒０．６３×Ｉ１となる。このことは、同一の励起パワーを得るために単一の励起用ランプ１４に供給する電流Ｉ１を、２本設ける励起用ランプの電流Ｉ２の２倍に設定する必要がないことを示している。一般に、励起用ランプを駆動する電源の銅損は電流の２倍に比例するので、（０．６３）^２≒０．４となり、図１のランプ駆動電源３０の銅損は、既存の２本の励起用ランプを駆動するランプ駆動電源の銅損の４０％に低減するので、上記ランプ駆動電源３０は効率が格段に改善されたものとなる。
【００５２】
また、アルミニウム製部材をレーザ溶接するに際しては、共振器長Ｌが６００ｍｍの一般的なパルスＹＡＧレーザから５００Ｗの平均出力を得て、この出力を、直径が０．６ｍｍの光ファイバで取り出している。この場合には、レーザ媒質の熱レンズ効果により集光サイズが大きくなるので、ＹＡＧロッドのロッド径を６．３〜７ｍｍ、励起用ランプのランプボア径を７ｍｍ以下に設定しなければならない。
【００５３】
２本の励起用ランプを備えた既存の固体レーザ装置において、ランプボア径を７ｍｍ、アーク長を１４２ｍｍにそれぞれ設定した場合、本発明の固体レーザ装置では、既存の固体レーザ装置に備えた２本の励起用ランプと同じランプボア径の励起用ランプ１４を単一用いるのみで同じ発光体積を得ようとすれば、計算上のアーク長は、１４２×２＝２８４ｍｍとなるが、上述したように、本発明の固体レーザ装置における集光器ケース４０が有する楕円形集光ミラー４１は、図４の双楕円形集光ミラー３よりも集光効率が１〜２割程度向上するため、上記アーク長は２３０〜２５０ｍｍ程度でよいことになる。また、本発明の固体レーザ装置では、ランプ駆動電源３０の銅損が励起用ランプを２本備えた既存の固体レーザ装置のランプ駆動電源の銅損の４０％に低減されるので、既存の固体レーザ装置と同じランプ駆動電源を用いた場合には、既存の固体レーザ装置の２．５倍の励起パワーを得ることができる。
【００５４】
一方、ＹＡＧロッドの長さが２倍になると、熱レンズ効果が半分に低減するので、ＹＡＧロッドのロッド径を上述の６．３〜７ｍｍで、励起用ランプ１４のランプボア径を上述の７ｍｍ以下に設定しなくてもよい。本発明者らが行った実験では、ビームエキスパンダ２２によりレーザビーム２０を１０：６〜７の割合に拡大したのち、焦点距離が３０〜５０ｍｍの回折限界集光レンズ２８を用いて、直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９に入射する際に、光ファイバ２９におけるレーザビーム２０の通過率が最大となるようにビームエキスパンダ２２の凹面レンズ２３と凸面レンズ２４との間隔を調節すれば、ロッド径が７〜１０ｍｍのＹＡＧロッドと、ランプボア径が７〜９ｍｍの励起用ランプ１４とを用いて、５００Ｗの平均出力を得ながら、７〜９ｍｍのビーム径に設定したレーザビーム２０を、直径が０．６ｍｍの光ファイバ２９で取り出せることを検証できた。
【００５５】
これにより、励起用ランプ１４のランプボア径は、（９〜７）／７＝１．３〜１倍大きくでき、ＹＡＧロッドのロッド径を増大でき、上述の楕円形集光ミラー４１によって集光効率が１〜２割程度向上することとの相乗効果により、励起用ランプを２本備えた既存の固体レーザ装置におけるＹＡＧロッドの長さの４／３以上の長さを有するＹＡＧロッドを用いることにより、単一の励起用ランプ１４を備える構成としながらも励起用ランプを２本備えた既存の固体レーザ装置と同等の性能を得ることができる。
【００５６】
また、本発明の固体レーザ装置は、励起用ランプ１４を単一備えるだけであるから、上述したように、固体レーザ発振器１２の簡素化、効率アップ、ランプ駆動電源３０の銅損の６０％低減または電源能力の２．５倍向上といった種々の効果が得られるのに加えて、省エネルギによるランニングコストの低減に伴い大きな経済的効果を得ることができる。
【００５７】
例えば、携帯電話機の内蔵電源などに用いられているリチウムイオン二次電池のアルミニウム製電池ケースをレーザ溶接により封口する場合には、２４時間生産で１週間に１億個のリチウムイオン二次電池を製造すると仮定すると、励起用ランプを１週間毎に交換する必要がある。励起用ランプの価格は固体レーザ装置の種別に関係なく約５万円程度であるから、励起用ランプ１４を単一備えるだけの本発明の固体レーザ装置では、２本の励起用ランプを備えた既存の固体レーザ装置に比較して励起用ランプ１４の交換数が半分で済み、１年間の励起用ランプ１４の費用として、５万円×（３６５／７）＝２６０万円を節減できる。一方、年間電気消費量は金額にして４０〜５０万程度節減できるので、上記励起用ランプ１４の費用を加えると、年間約３００万円のコスト削減が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明の固体レーザ装置によれば、２本の励起用ランプを備えたランプ励起型固体レーザ装置が本来有している欠点、つまり、コスト高になるとともに発振器全体の形状が大型化し、信頼性が低く、精密な波形制御が困難であり、励起効率が低いといった種々の欠点が解消されている。そして、楕円形集光レンズによってレーザ媒質への励起光の集光効率が向上するとともに、レーザ媒質は、単一の励起用ランプによって光照射されるにも拘わらず、２本の励起用ランプで光照射された場合の励起体積とほぼ同じ励起体積となって、２本の励起用ランプにより光照射される励起時とほぼ同じパワーのレーザビームを出射することができるので、平均出力が３００Ｗを超える場合であっても、単一の励起用ランプを用いる構成でありながらも２本の励起用ランプを備えたものと同等の性能を得ることができる。
【００５９】
また、励起用ランプは、２本の励起用ランプを用いる場合よりもレーザ媒質の熱レンズ効果によって大きな反りが発生し易くなるが、レーザ媒質は、自体の中心軸に対してドープ量が対称となるようにランタノイド希土元素がドープされていることにより熱レンズ効果の発生が規制されるため、励起用ランプの反りの発生が可及的に抑制される。励起用ランプは、２本用いる場合の励起用ランプよりも高い封入ガス圧でガスが封入されているので、励起用ランプは、高電圧を印加された場合における電極の損傷や劣化の発生が効果的に防止されて、所要の寿命を確保することができる。さらに、ランプ駆動電源は、低インピーダンスのチョッパインバータ電流制御方式に構成されて、２個の励起用ランプを個々に駆動するランプ駆動電源の出力電圧の１．２倍以上の高電圧を励起用ランプに印加するので、レーザ媒質からの出力レーザビームを高ピークパワーまで高速で瞬時に立ち上がる波形になるよう制御できるとともに、高電圧を励起用ランプに印加することにより、励起用ランプの封入ガス圧が高くなったのに伴い電気的インピーダンスが上昇したことに起因して電流が低減するのを補償できる。したがって、この固体レーザ装置は、アルミニウム製部材のレーザ溶接を良好に行えるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る固体レーザ装置を示す概略構成図。
【図２】同上の固体レーザ装置における固体レーザ発振器を示す拡大断面図。
【図３】アルミニウム製部材をレーザ溶接する場合に必要な固体レーザ装置の出力パワーの波形を示す図。
【図４】複数の励起用ランプを有する従来の固体レーザ装置を示す断面図。
【符号の説明】
１３レーザ媒質
１４励起用ランプ
１７光共振器
１８リア反射ミラー
１９出力ミラー
２０レーザビーム
２１アパーチャ
２２ビームエキスパンダ
２３凹面レンズ
２４凸面レンズ
２７透明反射ミラー
２８集光レンズ
２９光ファイバ
３０ランプ駆動電源
３７リアクタンス素子
３９観察系
４０集光器ケース
４１楕円形集光ミラー
４２ロッド用フローチューブ
４３ランプ用フローチューブ

Claims

２本の励起用ランプで励起する場合の励起長の４／３以上の励起長を確保できる長さを有し、ランタノイド希土元素をレーザ材料の中心軸に対して両側のドープ量が対称となるようにドープしたレーザ媒質と、
前記レーザ媒質に対応する長さを有して前記レーザ媒質に励起光を与える単一の励起用ランプと、
楕円形集光ミラーまたは放物線形ミラーの２つの焦点軸位置に前記レーザ媒質および励起用ランプをそれぞれ配置して収納した集光器ケースと、
低インピーダンスのチョッパインバータ電流制御方式によって、複数本設ける場合の励起用ランプへの印加電圧の１．２倍以上の電圧を前記励起用ランプの電極に印加するランプ駆動電源とを備えることを特徴とする固体レーザ装置。
励起用ランプは、複数本設ける場合の励起用ランプよりも高い封入ガス圧でクリプトンガスまたはキセノンガスが封入されたものである請求項１に記載の固体レーザ装置。
ランプ駆動電源に設けられて励起用ランプの電極に直列接続されるリアクタンス素子は、複数本設ける励起用ランプに直列接続される場合よりも小さなリアクタンスに設定されている請求項２に記載の固体レーザ装置。
レーザ媒質から出射したレーザビームを通過させる円形の光通過孔を有するアパーチャを備え、このアパーチャの前記光通過孔が、レーザ媒質の直径よりも小さな内径に設定されている請求項１ないし３の何れかに記載の固体レーザ装置。
励起用ランプの外装管、前記励起用ランプを収納するランプ用フローチューブまたはレーザ媒質を収納するロッド用フローチューブのうちの少なくとも一つに、セリウムがドープされている請求項１ないし４の何れかに記載の固体レーザ装置。
レーザ媒質から出射したレーザビームの光径を拡大するビームエキスパンダと、拡大されたレーザビームを光ファイバの受光端面に集光する集光レンズとを備え、
前記ビームエキスパンダは、間隔を存して対置された凹面レンズと凸面レンズとを備えてなり、前記凹面レンズと凸面レンズとの間隔が前記光ファイバでのレーザビームの通過率が最大となるように調整されている請求項１ないし５の何れかに記載の固体レーザ装置。
ビームエキスパンダで拡大されたレーザビームをこれの光軸に対し直交方向に反射させて集光レンズに向けて光路を変更させる透明反射ミラーと、この透明反射ミラーのレーザビームの反射方向とは反対側からレーザビームの光ファイバの受光端面への集光点を前記透明反射ミラーを通じて透視できる位置に設けられた観察系とを備え、
前記光ファイバが変位可能または前記透明反射ミラーが回動可能に設けられている請求項６に記載の固体レーザ装置。
レーザ媒質の光軸上において前記レーザ媒質の両側に配置されたリア反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器の共振器長が５００ｍｍ以上に設定され、長さが１５０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が８〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられている請求項１ないし７の何れかに記載の固体レーザ装置。
レーザ媒質の光軸上において前記レーザ媒質の両側に配置されたリア反射ミラーと出力ミラーとからなる光共振器の共振器長が５００ｍｍ以上に設定され、長さが１７０ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が８〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられている請求項１ないし７の何れかに記載の固体レーザ装置。
長さが２００ｍｍ以上で直径が８〜１０ｍｍのサイズのレーザ媒質と、内径が９〜９．５ｍｍのアパーチャが設けられて、直径が０．８ｍｍ以上の光ファイバにレーザビームを入射するように構成されている請求項１ないし７の何れかに記載の固体レーザ装置。
単一の励起用ランプとレーザ媒質とを収納した集光器ケースを複数備え、これら各集光器ケースが、各々の光軸が同軸上で合致する配置で連設されている請求項１ないし１０の何れかに記載の固体レーザ装置。