JP2005051025A - 固体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ結合効率を格段に向上させることができる構成を備えた固体レーザ装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ３２における鏡面研磨された受光端面３２ａが、凹面をレーザ媒質１７に向けて設けられたリアミラー２０に対し平行に配置されて、リアミラー２０と光ファイバ３２の受光端面３２ａとにより外部光共振器が構成されている。固体レーザ発振器１４から出射したレーザビーム２３を１．４〜２倍の拡大倍率に非平行に拡大するビームエキスパンダ２７と、ビームエキスパンダ２７により拡大されたレーザビーム２３を光ファイバ３２の受光端面３２ａに集光させる集光レンズ３１とを備える。ビームエキスパンダ２７は、２種のレンズ２８，２９の間隔の可変により光ファイバ３２の受光端面３２ａへのレーザビーム２３の入射角が所定値に調整されて、光ファイバ３２でのレーザビーム２３の通過率が最大となるように設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバを透過させるパルスＹＡＧレーザなどの固体レーザの発振効率を高めて、見掛け上のファイバ結合効率の向上を図った固体レーザ装置に関するものである。

一般に、励起用ランプから励起光をレーザ媒質に照射してレーザ媒質を励起するランプ励起型の固体レーザ装置では、熱的影響やその他の要因により照射平面上のビーム照射位置が変位することがある。このような場合には、レーザビーム取り出し用の光ファイバへのレーザビームの伝達が不十分となり、効率的な利用をすることができないという問題が生じる。そこで、従来では、レーザビームの平面上の照射位置が変動しても、レーザビームを光ファイバの中心に自動的に入射できるように調整するようにした光ファイバ入射補正装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この光ファイバ入射補正装置は、図３に示すように、レーザ媒質２と一対の励起用ランプ３とリアミラー４と出力ミラー５とを備えて構成された固体レーザ発振器１から出力されたレーザビームの一部を分割するビームスプリッタ６と、このビームスプリッタ６で反射されたレーザビームを集光して光ファイバ８の受光口８ａに入射する集光レンズ７と、ビームスプリッタ６の次段に設けられて集光レンズ７と同一特性の修正用集光レンズ９と、この修正用集光レンズ９を通過したレーザビームを受光する検出部１０と、検出部１０および修正用集光レンズ９を光軸と直交する方向に移動する第１アクチュエータ１１と、光ファイバ８の受光口８ａおよび集光レンズ７を光軸と直交する方向に移動する第２アクチュエータ１２と、検出部１０の信号を受けて第１および第２アクチュエータ１１，１２の移動を制御する演算部１３とを備えて構成されている。

そして、上記光ファイバ入射補正装置の演算部１３は、主に光ファイバ８の交換やファイバテンション変動などに起因してレーザビームの照射位置がずれた場合に、この照射位置のずれを修正用集光レンズ９により検出部１０上に照射されたレーザビームの照射位置に基づき検出し、検出部１０および修正用集光レンズ９を光軸と直交する方向に移動させて検出部１０の中心位置にレーザビームが当たるように制御する。つぎに、演算部１３は、検出部１０および修正用集光レンズ９の移動量と同一量だけ集光レンズ７および光ファイバ８の受光口８ａを移動させる。これにより、レーザビームの中心は光ファイバ８の受光口８ａの中心に正確に入射して光ファイバ８への集光性を常時最適な状態に自動調整することができ、ファイバ結合効率の悪化を防止できる。
特開平５−１１１４６号公報

しかしながら、上記光ファイバ入射補正装置は、レーザビームの中心が光ファイバ８の受光口８ａの中心に合致するように自動調整しているだけであって、光ファイバ８を通過するレーザビームのパワーの向上について何ら考慮していないので、最大で８０〜９０％程度のファイバ結合効率しか得ることができない。換言すると、上記光ファイバ入射補正装置では、互いに平行に位置する光ファイバ８の受光口８ａとリアミラー４とが偶然に外部共振器を形成したと仮定しても、その外部共振器の発振ゲインを最適値に調整する手段を備えていないので、光ファイバ８を通過するレーザビームのパワーアップを期待できない。

また、上記光ファイバ入射補正装置を用いなくても、機械的変動に起因するレーザビームの照射位置の変位については、光ファイバ８の接続機構の剛性を高めれば解決することができる。一方、ＹＡＧロッドなどのレーザ媒質２の熱レンズ効果に起因するレーザビームの照射位置の変位については、このレーザビームの照射位置の変位が再現性を有していることから、レーザビームが最大パワーとなった時点でレーザビームが光ファイバ８の受光口８ａの中心に入射するように調整すれば足りることである。

そこで本発明は、ファイバ結合効率を格段に向上させることができる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。

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、レーザ媒質とこのレーザ媒質に励起光を与えて励起する励起用ランプとリアミラーおよび出力ミラーからなる内部光共振器とを備えて構成された固体レーザ発振器を有し、この固体レーザ発振器から出射したレーザビームを光ファイバの受光端面に導いて取り出す光励起型のものにおいて、前記光ファイバにおける鏡面研磨された受光端面が、凹面を前記レーザ媒質に向けて設けられた前記リアミラーに対し平行に配置されて、前記リアミラーと前記受光端面とにより外部光共振器が構成され、前記固体レーザ発振器から出射したレーザビームを１．４〜２倍の拡大倍率に非平行に拡大するビームエキスパンダと前記ビームエキスパンダにより拡大されたレーザビームを前記光ファイバの受光端面に集光させる集光レンズとを備え、前記ビームエキスパンダは、２種のレンズの間隔を可変して前記光ファイバの受光端面へのレーザビームの入射角が所定値に調整されることにより、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設定されていることを特徴としている。

この固体レーザ装置では、固定レーザ装置が一般的に備えている内部光共振器に加えて、光ファイバの受光端面を有効に活用して外部光共振器を別途設けるとともに、この外部光共振器の発振ゲインを、ビームエキスパンダによる光ファイバの受光端面ヘのレーザビームの入射角の調整によって向上するように設定していることから、発振効率の向上に伴って光ファイバ内を通過するレーザビームのパワーの増大を図ることができ、ファイバ結合効率が格段に向上する。

上記発明において、出力ミラーの曲率が無限大であり、凹面ミラーからなるリアミラーの曲率をＲＬ（ｍ）とし、内部光共振器の共振器長をＬ（ｍ）としたときに、曲率ＲＬが、−１３Ｌ＞ＲＬ＞−２３Ｌないし−１５Ｌ＞ＲＬ＞−２１Ｌの範囲内に設定され、且つ、レーザ媒質へのランタノイド希土元素のドープ量をＮｄ（％）とし、前記レーザ媒質の励起長をＰＬ（ｍ）としたときに、Ｎｄ＝−２ＰＬ＋４／３±０．１の関係式が成立する条件が設定されていることが好ましい。この構成によれば、固体レーザ発振器の発振効率が高まってレーザビームが常に安定して出力され、ファイバ結合効率がさらに向上する。

同上の構成において、さらに、−９≦ＲＬ≦−１１とし、０．１１≦ＰＬ≦０．２５ないし０．５５≦ＰＬ≦０．６５とし、９≦Ｎｄ（％）≦１．１とする条件が設定されていることが好ましい。この構成によれば、光ファイバの受光端面とリアミラーとからなる外部光共振器による外部共振が一層安定に行われて、ファイバ結合効率が格段に向上する。

以上のように本発明の固体レーザ装置によれば、既存の固定レーザ装置が一般的に備えている内部光共振器に加えて、光ファイバの受光端面を有効に活用して外部光共振器を別途設けるとともに、この外部光共振器の発振ゲインを、ビームエキスパンダによる光ファイバの受光端面ヘのレーザビームの入射角の調整によって向上するように設定していることから、発振効率の向上に伴って光ファイバ内を通過するレーザビームのパワーの増大を図ることができ、ファイバ結合効率が格段に向上する。

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概略構成について説明する。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１４は、丸棒状のレーザ媒質１７と、このレーザ媒質１７に対し近傍箇所で平行に配置された単一の励起用ランプ１８と、レーザ媒質１７および励起用ランプ１８を収納した集光器ケース１９と、レーザ媒質１７の光軸上の両側に配置されたリアミラー２０と出力ミラー２１とで構成されて励起用ランプ１８からの励起光によって励起されたレーザ媒質１７から発生するレーザビーム２３を正帰還してレーザ発振を実現する内部光共振器２２と、ランプ励起されたレーザビーム２３を通過させる円形の光通過孔を有するアパーチャ２４とを備えて構成されている。

上記アパーチャ２４および出力ミラー２１をそれぞれ通過したレーザビーム２３は、ビームエキスパンダ２７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２７は、間隔を存して対置された凹面レンズ２８と凸面レンズ２９とにより構成されて、アパーチャ２４および出力ミラー２１を通過したレーザビーム２３を１．４〜２倍の光径に拡大する。この拡大されたレーザビーム２３は、このレーザビーム２３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３０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３１によって光ファイバ３２の受光端面３２ａに焦点を結ぶように集光されて入射し、光ファイバ３２を通して取り出される。

励起用ランプ１８に駆動電力を供給するランプ駆動電源３３は、交流電源３４の商用交流電力を整流回路３７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３８を充電し、この電解コンデンザ３８の充電電荷を、チョッパ回路３９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４０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４１および逆流防止用ダイオード４２を介して励起用ランプ１８の電極に供給している。したがって、励起用ランプ１８はフラッシュ制御されてレーザ媒質１７がパルス励起される。上記スイッチング素子４０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４０は印加電圧が制御されることによって電解コンデンサ３８の放電電流を定電流制御する。また、リアクタンス素子４１は、電流チョッピング周期を最適化するよう機能する。

図２は、上記固体レーザ発振器１４の集光器ケース１９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１７および励起用ランプ１８を内部に収納する集光器ケース１９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４３が形成されている。この楕円形集光ミラー４３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１７が、且つ他方の焦点軸位置に励起用ランプ１８がそれぞれ配置されている。楕円形集光ミラー４３は、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１８から出射した励起光４４の全てを反射させて他方の焦点軸位置に配置されたレーザ媒質１７に集光させることができ、１本の励起用ランプ１８から出射する励起光４４に対するレーザ媒質１７の励起効率が格段に向上する。なお、集光器ケース１９には、上記楕円形集光ミラー４３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１８から出射した励起光４４の全てをレーザ媒質１７に集光できるものであればよい。

レーザ媒質１７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１７は、ロッド用フローチューブ４５内に収納された状態で集光器ケース１９に保持されている。一方、励起用ランプ１８としては、この実施の形態において、クリプトンガス封入ランプまたはキセノンガス封入ランプが用いらている。この励起用ランプ１８はランプ用フローチューブ４６内に収納された状態で集光器ケース１９に保持されている。

つぎに、上記固体レーザ装置の細部構成について説明する。レーザ媒質１７として用いているＹＡＧロッドは、ネ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り、これにより、レーザ媒質１７の熱レンズ効果の発生が抑制されている。一般に、単一のみ設ける励起用ランプ１８は、２本の励起用ランプを用いる場合よりもレーザ媒質１７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１７の熱レンズ効果の発生が上述のように抑制されていることにより、反りの発生が可及的に抑制される。上記励起用ランプ１８に駆動電力を供給するランプ駆動電源３３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１８に印加できる。

光ファイバ３２によって取り出すレーザビーム２３によりレーザ溶接などの加工を連続的に行う際には、レーザ出力をパワーアップしていくに従って光ファイバ３２の受光端面３２ａへのレーザビーム２３の集光点が一方向に向け移動していく。このレーザビーム２３の集光点の位置ずれは、レーザ媒質１７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１８からの励起光４４がレーザ媒質１７における励起用ランプ１８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でレーザ媒質１７に生じる反りなどに起因して発生する。

そこで、上記固体レーザ装置では、固体レーザ発振器１４からのレーザビーム２３を透明反射ミラー３０によってレーザビーム２３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３１で光ファイバ３２の受光端面３２ａに集光させる構成とすることにより、透明反射ミラー３０のレーザビーム２３の反射方向とは反対側から光ファイバ３２の受光端面３２ａへのレーザビーム２３の集光点を透明反射ミラー３０を通じて透視できるようにして、透明反射ミラー３０に対し光ファイバ３２とは反対側におけるレーザビーム２３の延長線上に、作業者がレーザビーム２３の集光点を正確に視認できる観察系４７を設ける。

そして、上述のレーザビーム２３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、それに伴って光ファイバ３２の受光端面３２ａへのレーザビーム２３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４７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３２と回折限界集光レンズ３１とを一体的に変位させるか、或いは透明反射ミラー３０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２３の集光点が光ファイバ３２の受光端面３２ａ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１７が励起用ランプ１８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１７に熱歪による反りが発生し、そのレーザ媒質１７の反りに伴いレーザビーム２３の光ファイバ３２の受光端面３２ａへの集光点が比較的大きく変位する場合であっても、その変位を正確に補正することができる。

つぎに、上記固体レーザ装置の特長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では、光ファイバ３２の受光端面３２ａが、鏡面研磨されて、入射するレーザビーム２３の例えば３．２％を自然反射させるミラーとして機能するとともに、凹面をレーザ媒質１７に向けて設けられたリアミラー２０に対し平行に配置されている。したがって、この固体レーザ装置は、リアミラー２０と出力ミラー２１とにより構成された既存の内部光共振器２２に加えて、光ファイバ３２の鏡面研磨された受光端面３２ａを共振器ミラーとして利用することにより、リアミラー２０と光ファイバ３２の受光端面３２ａとにより外部光共振器が構成されている。

しかも、上記のように構成した外部光共振器では、固体レーザ発振器１４から出射したレーザビーム２３を、ビームエキスパンダ２７によって光径が１．４〜２倍（レンズ比がｆ１００：−ｆ６０〜−Ｆ５０）になるように非平行に拡大したのち、焦点距離が３０〜５０ｍｍの回折限界集光レンズ３１を用いて直径が例えば０．６ｍｍの光ファイバ３２の受光端面３２ａに集光する際に、ビームエキスパンダ２７における凹面レンズ２８と凸面レンズ２９との間隔を可変することにより、光ファイバ３２の受光端面３２ａへのレーザビーム２３の入射角つまり光ファイバ３２のＮＡを調整して、光ファイバ３２でのレーザビーム２３の通過率が最大となるように設定されている。したがって、この固体レーザ装置では、内部光共振器２２に加えて、外部光共振器を設けるとともに、この外部光共振器の発振ゲインをビームエキスパンダ２７の調整によって最適に調整していることから、発振効率の向上に伴って光ファイバ３２内を通過するレーザビーム２３のパワーの増大を図ることができ、ファイバ結合効率が格段に向上する。

また、上記固体レーザ装置では、出力ミラー２１の曲率が無限大であり、凹面ミラーであるリアミラー２０の曲率をＲＬ（ｍ）とし、内部光共振器２２の共振器長をＬ（ｍ）としたときに、曲率ＲＬが、−１３Ｌ＞ＲＬ＞−２３Ｌないし−１５Ｌ＞ＲＬ＞−２１Ｌの範囲内に設定され、且つ、レーザ媒質１７へのランタノイド希土元素のドープ量をＮｄ（％）とし、レーザ媒質１７の励起長をＰＬ（ｍ）としたときに、Ｎｄ＝−２ＰＬ＋４／３±０．１の関係式が成立する条件に設定されている。これにより、固体レーザ発振器１４の発振効率が高まってレーザビーム２３が常に安定して出力され、ファイバ結合効率が一層向上する。

さらに、−９≦ＲＬ（ｍ）≦−１１とし、０．１１≦ＰＬ（ｍ）≦０．２５ないし０．５５≦ＰＬ（ｍ）≦０．６５とし、９≦Ｎｄ（％）≦１．１の条件に設定すれば、光ファイバ３２の受光端面３２ａとリアミラー２０からなる外部光共振器による外部発振が一層安定化されて、ファイバ結合効率が一層向上する。

つぎに、上記実施の形態における実験結果の具体的な数値を表１に示す。

表１の結果は、レーザ媒質１７として、直径が１０ｍｍで長さが２１０ｍｍのＹＡＧロッドにネオジウムを０．９％のドープ量にドープしたものを用い、出力ミラー２１として、曲率が無限大のものを用い、内部光共振器２２の共振器長Ｌを０．６ｍに設定し、ビームエキスパンダ２７の拡大倍率を１００／６０に設定し、回折限界集光レンズ３１として、焦点距離が４０ｍｍのものを用いて得られたものである。また、表１の透過率は、直径が０．６ｍｍで長さが２０ｍのＳＩ型ＹＡＧ用石英光ファイバ内に対し入射前のレーザビーム２３と出射後のレーザビームとの各々のレーザパワーを測定したものである。

この実験結果から明らかなように、従来の固体レーザ装置のファイバ結合効率（透過率）が８０〜９０％程度であるのに対し、実施の形態の固体レーザ装置では、見掛け上の透過率が１００％近くまで向上している。この良好な結果は、光ファイバ３２の受光端面３２ａとリアミラー２０とからなる外部光共振器を好適に外部発振するように設定したことによって発振効率が向上したのに伴い得られたものである。この場合、光ファイバ３２の受光端面３２ａでの反射損失が約７％と、光ファイバ３２に対するカップリング損失が約２％と、光ファイバ損失が約２％との計１１％程度の損失が生じるが、通常のランプ励起型ＹＡＧレーザの発振効率（投入電力に対するレーザビームの出力効率）が３％程度であって、この発振効率が外部光共振器による外部共振によって１０％程度改善されるので、３％×１１０％＝３．３％となり、このような結果が得られることを表１が示している。

上述したように、上記実施の形態の固体レーザ装置では、既存の固体レーザ装置による一般的なファイバ結合効率である８０〜９０％に対し１０％以上も見掛け上のファイバ結合効率が向上する結果を得ることができる。この１０％ものファイバ結合効率の向上は、発振効率が３％しかないＹＡＧレーザにとっては大きな改善である。例えば、出力が１ＫＷのＹＡＧレーザでは、１ＫＷ／０．０３＝３３．３ＫＷもの駆動電力が必要となるが、上記実施の形態では、３３．３ＫＷの１０％の３．３ＫＷの駆動電力を削減して同じ発振効率を得ることができるので、大きな省エネルギ効果を得ることができる。

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。 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。 従来の光ファイバ入射補正装置を示す概略構成図。

符号の説明

１４ 固体レーザ発振器
１７ レーザ媒質
１８ 励起用ランプ
２０ リアミラー
２１ 出力ミラー
２２ 内部光共振器
２３ レーザビーム
２７ ビームエキスパンダ
２８，２９ ビームエキスパンダのレンズ
３１ 回折限界集光レンズ（集光レンズ）
３２ 光ファイバ
３２ａ 受光端面
４４ 励起光

Claims (3)

1. レーザ媒質とこのレーザ媒質に励起光を与えて励起する励起用ランプとリアミラーおよび出力ミラーからなる内部光共振器とを備えて構成された固体レーザ発振器を有し、この固体レーザ発振器から出射したレーザビームを光ファイバの受光端面に導いて取り出す光励起型固体レーザ装置において、
   前記光ファイバにおける鏡面研磨された受光端面が、凹面を前記レーザ媒質に向けて設けられた前記リアミラーに対し平行に配置されて、前記リアミラーと前記受光端面とにより外部光共振器が構成され、
   前記固体レーザ発振器から出射したレーザビームを１．４〜２倍の拡大倍率に非平行に拡大するビームエキスパンダと
   前記ビームエキスパンダにより拡大されたレーザビームを前記光ファイバの受光端面に集光させる集光レンズとを備え、
   前記ビームエキスパンダは、２種のレンズの間隔を可変して前記光ファイバの受光端面へのレーザビームの入射角が所定値に調整されることにより、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設定されていることを特徴とする固体レーザ装置。
2. 出力ミラーの曲率が無限大であり、凹面ミラーからなるリアミラーの曲率をＲＬ（ｍ）とし、内部光共振器の共振器長をＬ（ｍ）としたときに、曲率ＲＬが、−１３Ｌ＞ＲＬ＞−２３Ｌないし−１５Ｌ＞ＲＬ＞−２１Ｌの範囲内に設定され、且つ、レーザ媒質へのランタノイド希土元素のドープ量をＮｄ（％）とし、前記レーザ媒質の励起長をＰＬ（ｍ）としたときに、Ｎｄ＝−２ＰＬ＋４／３±０．１の関係式が成立する条件が設定されている請求項１に記載の固体レーザ装置。
3. −９≦ＲＬ≦−１１とし、０．１１≦ＰＬ≦０．２５ないし０．５５≦ＰＬ≦０．６５とし、９≦Ｎｄ（％）≦１．１とする条件が設定されている請求項２に記載の固体レーザ装置。

Images