JP2005072131A - Laser oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ発振器に係り、特にQスイッチを用いて高出力のパルスレーザ光を得るレーザ発振器に関する。 The present invention relates to a laser oscillator, and more particularly to a laser oscillator that obtains high-power pulsed laser light using a Q switch.
従来からレーザビーム加工機等に用いられるような高エネルギーのレーザ光は、例えばQスイッチを用いたレーザ発振器によって作られている。このレーザ発振器は、例えば図4に示すように固体レーザ媒質(例えばNd:YAG)1およびQスイッチ2を第一の反射鏡(全反射ミラー)3と第二の反射鏡(部分反射ミラー)4とを挟み込んで形成されている。この固体レーザ媒質1は、クリプトンランプ等の励起源5によりエネルギーが与えられて上記光路中に励起光を射出するようになっている。
Conventionally, a high-energy laser beam used for a laser beam processing machine or the like is produced by, for example, a laser oscillator using a Q switch. For example, as shown in FIG. 4, this laser oscillator includes a solid-state laser medium (for example, Nd: YAG) 1 and a
このように構成されたレーザ発振器は、Qスイッチ2をオフして固体レーザ媒質1を励起する。そして励起が充分に進んで固体レーザ媒質1の反転分布が最高域に達したとき、Qスイッチ2をオンする。すると、固体レーザ媒質1によって励起されて射出された励起光は、全反射ミラー3と部分反射ミラー4との間で往復する。この励起光は、全反射ミラー3および部分反射ミラー4との間で反射を繰り返して光共振を起こす。この光共振によって光のエネルギーが増幅されて、部分反射ミラー4からパルス状の高エネルギーレーザ光が出射される。そして、固体レーザ媒質1の反転分布が解消されると、Qスイッチ2はオフされ、再び固体レーザ媒質1の励起を行う。このような過程を連続的に繰り返すことで誘導放出が連続的に効率よく発生し、高エネルギーのレーザ光を得ることができる。
The laser oscillator configured as described above turns off the
ところで、上述したように構成されたレーザ発振器から出力されるレーザ光のパルス幅は、全反射ミラー3と部分反射ミラー4との間の距離に比例することが知られている(例えば、非特許文献1を参照)。この原理を応用して、レーザ光の出力エネルギーとパルス幅とを制御するレーザ装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このレーザ装置は、出力エネルギーとパルス幅とを連続的に可変制御する目的で全反射ミラーと部分反射ミラーとの距離を連続的に可変できるようにしたものである。また、光共振器でレーザ共振したレーザ光を検出して、この検出結果に基づいて光共振器の共振器長を調整し、パルス幅を可変するレーザ装置が知られている(例えば、特許文献2を参照)。
しかしながら、上述したレーザ発振器のレーザ光のパルス幅を変えるには、光共振器長を変化させればよいものの、光共振器長を変化させることによってレーザビーム径および拡がり角度などの空間特性が変化することが否めない。このためレーザ光のパルス幅を変えるには、単に光共振器長を変えるだけでなく空間特性をも考慮する必要があり、光共振器の設計が複雑になるという問題があった。また、レーザ媒質によっては、光共振器長を自由に設計することができず、所望のパルス幅を得るレーザ発振器を作ることが困難であるという問題もあった。 However, to change the pulse width of the laser beam of the laser oscillator described above, the optical resonator length can be changed, but the spatial characteristics such as the laser beam diameter and the spread angle change by changing the optical resonator length. I can't deny that. For this reason, in order to change the pulse width of the laser light, it is necessary to consider not only the optical resonator length but also the spatial characteristics, and there is a problem that the design of the optical resonator becomes complicated. Further, depending on the laser medium, the optical resonator length cannot be freely designed, and there is a problem that it is difficult to produce a laser oscillator that obtains a desired pulse width.
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、所望のパルス幅のレーザ光を出力することのできる簡易に設計可能なレーザ発振器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a laser oscillator that can be easily designed and can output laser light having a desired pulse width.
上述した目的を達成するため、本発明に係るレーザ発振器は、レーザ媒質を挟んで設けられる一対のミラーからなる光共振器と、
この光共振器内に励起されるレーザ光をスイッチングするQスイッチと、
上記光共振器内に配置されて該光共振器内に励起された所定位置の光の像を所定距離離れた位置に転写して前記光共振器の共振器長を調整する像転写光学系と
を具備したことを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, a laser oscillator according to the present invention includes an optical resonator including a pair of mirrors provided with a laser medium interposed therebetween,
A Q switch for switching the laser light pumped in the optical resonator;
An image transfer optical system that is disposed in the optical resonator and transfers an image of light at a predetermined position excited in the optical resonator to a position separated by a predetermined distance to adjust a resonator length of the optical resonator; It is characterized by comprising.
好ましくは、前記像転写光学系は、前記レーザ媒質または前記Qスイッチと前記光共振器の一方のミラーとの間に所定の距離を隔てて同軸に設けられた複数のレンズからなり、入力光の像に対する出力光の像を一定に保持するものとして構成されることが望ましい。
より好ましくは、前記像転写光学系は、前記Qスイッチと対峙する前記光共振器の一方のミラーとの間に所定の距離を隔てて同軸に設けられた二枚のレンズからなり、入力光の像に対する出力光の像を一定に保持することが望ましい。
Preferably, the image transfer optical system includes a plurality of lenses provided coaxially with a predetermined distance between the laser medium or the Q switch and one mirror of the optical resonator, It is desirable to be configured to hold the image of the output light with respect to the image constant.
More preferably, the image transfer optical system includes two lenses provided coaxially with a predetermined distance between one mirror of the optical resonator facing the Q switch, It is desirable to keep the output light image relative to the image constant.
このように構成されたレーザ発振器によれば、励起された光の像を所定距離離れた位置に転写して前記光共振器の共振器長を調整する像転写光学系が光共振器内に介挿されているので、共振器内のレーザ光の空間特性を変えることなく所望のパルス幅のレーザ光を出力するレーザ発振器を簡易に設計することができる。 According to the laser oscillator configured as described above, an image transfer optical system that adjusts the resonator length of the optical resonator by transferring the excited light image to a position separated by a predetermined distance is provided in the optical resonator. Therefore, it is possible to easily design a laser oscillator that outputs laser light having a desired pulse width without changing the spatial characteristics of the laser light in the resonator.
以下、本発明の一実施形態に係るレーザ発振器に関し、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明に係るレーザ発振器の概略構成を示す機能構成図である。この図において図4の構成と同一部材は図4と同一の番号を付してその説明を略述する。
図1において3および4は、全反射ミラーおよび部分反射ミラーであって、それぞれが対峙するように設けられて光共振器6が形成される。この光共振器6には、全反射ミラー3および部分反射ミラー4によって挟まれたレーザ媒質1が設けられている。このレーザ媒質1は、例えばクリプトンランプ等の励起源5により励起されるようになっている。また、光共振器6内には、励起源5によって励起されてレーザ媒質1から射出される励起光を透過または反射させるQスイッチ2が設けられている。そして、光共振器6内のレーザ光の光路中には、光共振器6の共振器長を調整する像転写光学系10が設けられている。この像転写光学系10は、複数のレンズからなり、この像転写光学系10に入力された入力光の像に対する出力光の像を一定に保持する役割を担う。
Hereinafter, a laser oscillator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional configuration diagram showing a schematic configuration of a laser oscillator according to the present invention. In this figure, the same members as those in FIG. 4 are assigned the same reference numerals as in FIG.
In FIG. 1,
基本的には上述したように構成されたレーザ発振器において、本発明が特徴とするところは、光共振器6内の光路内に、像転写光学系10を介挿すると共に、この像転写光学系に入力された入力光の像に対する出力光の像を一定に保持する点にある。つまりレーザ媒質1を挟んで設けられる一対のミラー3,4からなる光共振器6と、この光共振器6に励起されるレーザ光をスイッチングするQスイッチ2とからなる基本光学系の光共振器6内に光共振器6内に励起された所定位置の光の像を所定距離離れた位置に転写して前記光共振器6の共振器長を調整する像転写光学系10を配置したことを特徴としている。
Basically, in the laser oscillator configured as described above, the present invention is characterized in that the image transfer
このような特徴ある本発明に係るレーザ発振器において、このレーザ発振器が出力するレーザ光のパルス幅を変更するには、所望のパルス幅になるよう全反射ミラー3と部分反射ミラー4との間隔(共振器長)を変更すればよい。これは、上述したように光学的な共振器長とレーザ光のパルス幅には相関関係があることによる。具体的には、図2に示すレーザ発振器(以下、基準レーザ発振器と称する)から得られるレーザ光のパルス幅が[w]であり、このパルス幅の2倍のパルスの幅[2w]のレーザ光を得たい場合は、基準レーザ発振器に設けられた全反射ミラー3と部分反射ミラー4との間隔(距離)Lを2倍にすればよい。
In the laser oscillator according to the present invention having such a characteristic, in order to change the pulse width of the laser light output from the laser oscillator, the interval between the
このとき、パルス幅以外の基準レーザ発振器の空間特性を維持しつつパルス幅の異なるレーザ発振器を得るため、基準レーザ発振器の光路中に所定の基準点Bを定める。例えばこの基準点Bは、図2に示すようにQスイッチ2と部分反射ミラー4との間に定める。このとき基準点BとQスイッチ2の端面との距離が[a]、基準点Bと部分反射ミラー4の端面との距離が[b]であったとする。
At this time, in order to obtain laser oscillators having different pulse widths while maintaining the spatial characteristics of the reference laser oscillator other than the pulse width, a predetermined reference point B is determined in the optical path of the reference laser oscillator. For example, the reference point B is defined between the
次に所望のパルス幅を得るための共振器長(全反射ミラー3と部分反射ミラー4との距離)を計算によって求める。例えば基準レーザ発振器の共振器長が[L]、パルス幅が[w]であり、所望するパルス幅をこの2倍の[2w]にする場合は、共振器長を2倍の[2L]とすればよい。
一方、第一のレンズ11の焦点距離を[f1]、第二のレンズ12の焦点距離を[f2]とすれば、次式を満足するようそれぞれのレンズの焦点距離を設定すればよい。
Next, a resonator length (a distance between the
On the other hand, if the focal length of the
[2L−L=2(f1+f2)]
∴[L=f1+f2]
そして、この式で求められる焦点距離を有する二つのレンズ11,12で形成される像転写光学系10を図3に示すようにQスイッチ2と部分反射ミラー4との間の光路中に挿入すればよい。
[2L−L = 2 (f1 + f2)]
∴ [L = f1 + f2]
Then, the image transfer
この像転写光学系10の挿入位置は、第1のレンズ11の焦点距離[f1]が、前述した基準点BとQスイッチ2の端面との距離[a]となるように位置づける。そして、第一のレンズ11の焦点距離[f1]と第二のレンズ12の焦点距離[f2]との和[f1+f2]の位置に第二のレンズ12を位置づける。すると、像転写光学系10の第二のレンズ12の焦点距離[f2]は、基準点Bと部分反射ミラー4の端面との距離[b]に一致する。
The insertion position of the image transfer
このとき、第一のレンズ11の焦点距離[f1](基準点B)に形成されるレーザ光の像は、像転写光学系10を介して、第二のレンズ12の焦点距離[f2](投影点P)に同じ空間特性を有するレーザ光の像として投影される。この像は、基準レーザ発振器の光路中の基準点Bと部分反射ミラー4の端面との距離[b]に一致した点に形成されるので、基準レーザ発振器によって部分反射ミラー4に形成されるレーザ光と空間特性が一致した像を得ることができる。
At this time, the image of the laser beam formed at the focal length [f1] (reference point B) of the
逆に部分反射ミラー4によって反射されたレーザ光にあっても、元の基準点BとQスイッチ2の端面との距離[a]に一致した点に同じ像が形成されるので、そのレーザ光の空間特性が変化しない。つまり、本発明に係るレーザ発振器は、光共振器6中に所定の距離を隔てて同軸に設けられた複数のレンズからなる像転写光学系10によって、入力光の像に対する出力光の像を一定に保持するため、共振器長を変えたとしても上述したように像転写光学系10の焦点距離を設定すれば、光学特性を変化させることなく任意のパルス幅のレーザ光を得ることが可能となる。
Conversely, even in the laser light reflected by the partial reflection mirror 4, the same image is formed at a point corresponding to the distance [a] between the original reference point B and the end face of the
尚、光学的特性の変化をより少なくするため、好ましくは第一および第二のレンズ11,12は、同じ光学特性を有するレンズを用いることが望ましい。例えば、上述したようにパルス幅を基準パルス発振器の2倍にする場合、それぞれのレンズの焦点距離が等しく[f=f1=f2]であるとすれば、[f=L/4=0.25L]を満足するようレンズの焦点距離を設定すればよい。
In order to reduce the change in optical characteristics, it is preferable to use lenses having the same optical characteristics as the first and
尚、上述した実施形態においては、Qスイッチ2と部分反射ミラー4との間に像転写光学系10を介挿したが、光共振器6のレーザ光路内の任意の箇所に介挿してもかまわない。例えば、レーザ媒質1とQスイッチ2との間の光路中、或いはレーザ媒質1と全反射ミラー3との間の光路中に像転写光学系10を挿入してもよい。いずれの場合であっても、上述した実施形態と同様に所望の共振器長を満たす像転写光学系10を用いればよい。
In the above-described embodiment, the image transfer
また、上述した実施形態においては、理解を容易にするため二枚のレンズ(第一のレンズ11および第二のレンズ12)とで構成された像転写光学系10について説明したが、入力光の像に対する出力光の像を一定に保持するものであれば、二枚以上の複数枚のレンズを組み合わせて構成してもよいということは言うまでもない。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
In the above-described embodiments, the image transfer
In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
1 レーザ媒質
2 Qスイッチ
3 全反射ミラー
4 部分反射ミラー
5 励起源
6 光共振器
10 像転写光学系
11 第一のレンズ
12 第二のレンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser medium 2
Claims (3)
この光共振器内に励起されるレーザ光をスイッチングするQスイッチと、
上記光共振器内に配置されて該光共振器内に励起された所定位置の光の像を所定距離離れた位置に転写して前記光共振器の共振器長を調整する像転写光学系と
を具備したことを特徴とするレーザ発振器。 An optical resonator comprising a pair of mirrors provided with a laser medium in between;
A Q switch for switching the laser light pumped in the optical resonator;
An image transfer optical system which is disposed in the optical resonator and transfers an image of light at a predetermined position excited in the optical resonator to a position separated by a predetermined distance to adjust the resonator length of the optical resonator; A laser oscillator comprising:
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JP2003297490A JP2005072131A (en) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | Laser oscillator |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2003-08-21 JP JP2003297490A patent/JP2005072131A/en active Pending
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