JP2005332989A - レーザ発振装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
レーザ結晶、波長変換結晶等の光学結晶の冷却、特に励起光が入射する端面での冷却を効果的に行える様にする。
【解決手段】
光学結晶８を有するレーザ発振装置に於いて、少なくとも励起光１７が入射する光学結晶の端面に、該光学結晶よりも熱伝導性が大きい放熱膜３１を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザを励起源としたレーザ発振装置に関するものである。
先ず、レーザ発振装置１の概略を説明する。
図８はレーザ発振装置１の一例である、１波長発振のＬＤ励起固体レーザを示している。
図８中、２は発光部、３は光共振部である。前記発光部２はＬＤ発光器４、集光レンズ５を具備し、更に前記光共振部３は第１の誘電体反射膜７が形成された第１光学結晶（レーザ結晶８）、第２光学結晶（非線形光学結晶（ＮＬＯ）（波長変換結晶９））、第２の誘電体反射膜１１が形成された凹面鏡１２であり、前記光共振部３に於いてレーザ光線をポンピングし、共振、増幅して出力している。尚、前記レーザ結晶８としては、Ｎｄ：ＹＶＯ4 、前記波長変換結晶９としてはＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 リン酸チタニルカリウム）が挙げられる。
更に説明すると以下の通りである。
レーザ発振装置１は、例えば波長８０９ｎｍのレーザ光線を射出する為のものであり、半導体レーザである前記ＬＤ発光器４が使用されている。又、該ＬＤ発光器４が励起光を発生させるポンプ光発生装置としての機能を有する。尚、前記レーザ発振装置１は半導体レーザに限ることなく、レーザ光線を生じさせることができれば、何れの光源手段をも採用することができる。
前記レーザ結晶８は光の増幅を行う為のものである。該レーザ結晶８には、発振線が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ4 が使用される。その他、Ｎｄ3+イオンをドープしたＹＡＧ（イットリウム アルミニウム ガーネット）等が採用され、ＹＡＧは、９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ等の発振線を有している。又、発振線が７００〜９００ｎｍのＴｉ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）等を使用することができる。
前記レーザ結晶８の前記ＬＤ発光器４側には、第１の誘電体反射膜７が形成されている。該第１の誘電体反射膜７は、前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線に対して高透過であり、且つ前記レーザ結晶８の発振波長に対して高反射であると共に、２次高調波（ＳＨＧ：ＳＥＣＯＮＤ ＨＡＲＭＯＮＩＣ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ）に対しても高反射となっている。
前記凹面鏡１２は、前記レーザ結晶８に対向する様に構成されており、前記凹面鏡１２のレーザ結晶８側は、適宜の半径を有する凹面球面鏡の形状に加工されており、第２の誘電体反射膜１１が形成されている。該第２の誘電体反射膜１１は、前記レーザ結晶８の発振波長に対して高反射であり、２次高調波に対して高透過となっている。
以上の様に、前記レーザ結晶８の前記第１の誘電体反射膜７と、前記凹面鏡１２の第２の誘電体反射膜１１とを組合わせ、前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線を前記集光レンズ５を介して前記レーザ結晶８にポンピングさせると、該レーザ結晶８の第１の誘電体反射膜７と、前記第２の誘電体反射膜１１との間で光が往復し、光を長時間閉込めることができるので、光を共振させて増幅させることができる。
前記レーザ結晶８の第１の誘電体反射膜７と、前記凹面鏡１２とから構成された光共振器内に前記波長変換結晶９が挿入されている。該波長変換結晶９に特定のレーザ光線が入射すると、光周波数を２倍にする２次高調波が発生する。該２次高調波の発生は、ＳＥＣＯＮＤ ＨＡＲＭＯＮＩＣ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮと呼ばれている。従って、前記レーザ発振装置１からは波長５３２ｎｍのレーザ光線が射出される。
前記したレーザ発振装置１は前記波長変換結晶９を、前記レーザ結晶８と凹面鏡１２とから構成された光共振器内に挿入しているので、内部型ＳＨＧと呼ばれており、変換出力は、励起光電力の２乗に比例するので、光共振器内の大きな光強度を直接利用できるという効果がある。
一般的に半導体レーザには大出力のレーザ光線を射出するものはなく、従って前記ＬＤ発光器４からのレーザ光線を励起光とするＬＤ励起固体レーザとしても大きな出力は得られないものであるが、近年の大出力化の要望に対応して、ＬＤ発光器４を複数の半導体レーザ１３で構成したものがある。
例えば、特許文献１に示されるレーザ発振装置では、図９に示される様に、ＬＤ発光器４が複数の半導体レーザ１３を具備し、該複数の半導体レーザ１３をアレイ状に配設し、各半導体レーザ１３から射出されたレーザ光線をロッドレンズ１４で対応する光ファイバ１５に集光させ、該光ファイバ１５を束ねてファイバケーブル１６とし高光強度の励起光１７としてレーザ結晶８に入射させ、高出力化を図っている。
該レーザ結晶８に励起光１７を入射させると、前記レーザ結晶８に吸収されて該レーザ結晶８の端面で励起発振し、又吸収されなかった励起光１７のエネルギの一部が熱となる。この為、端面励起型のレーザ発振装置ではレーザ結晶８の入射端面が最も温度が上昇する。
該レーザ結晶８に入射させる励起光の光強度、即ち励起光のエネルギ密度が増大すると、前記レーザ結晶８の温度、特に端面温度が局部的に上昇し、而もレーザ結晶８自体熱伝導性は悪いので、光学的、機械的な歪みが生じ、レーザ発振しなくなる虞れがあり、又更に歪みが増大することで結晶の破壊に至る虞れが生じる。
励起光の光強度の増大に起因するレーザ結晶８、波長変換結晶９の温度上昇に対して、該レーザ結晶８、波長変換結晶９を冷却することが行われており、特許文献１では図１０で示される冷却構造を有している。図１０中、図８、図９中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
発光部２、光共振部３はヒートシンクであるベース１９に固着され、前記発光部２、光共振部３は光軸１０（図８参照）上に配設され、前記発光部２と前記光共振部３との間には前記集光レンズ５を含むレンズユニット２１が配設されている。
前記ベース１９に光共振器ブロック２２が固着され、該光共振器ブロック２２は前記光軸１０上にレーザ結晶８を具備し、前記光共振器ブロック２２の反レンズユニット２１側には凹面鏡１２が設けられている。
前記光共振器ブロック２２には上方から凹部２３が形成され、該凹部２３内には波長変換結晶ホルダ２４に保持された波長変換結晶９が収納されている。前記波長変換結晶ホルダ２４は、球面座２５を介して前記光共振器ブロック２２に傾動可能に取付けられており、前記光軸１０と前記波長変換結晶ホルダ２４との光軸合せが可能となっている。又、前記光共振器ブロック２２には前記波長変換結晶９を冷却する為のペルチェ素子２６が設けられている。
前記レーザ結晶８の熱は、前記光共振器ブロック２２を介して前記ベース１９から放熱され、前記波長変換結晶９は前記ペルチェ素子２６によって冷却される構造となっている。
前記レーザ結晶８の冷却は、該レーザ結晶８から前記光共振器ブロック２２へ、更に該光共振器ブロック２２から前記ベース１９への熱伝導により行われる。前記レーザ結晶８自体は熱伝導性が悪く、機械強度も低いので、該レーザ結晶８と前記光共振器ブロック２２の熱伝達性を向上させる為にインジウム等の軟質の金属を介在してレーザ結晶８と光共振器ブロック２２との密着性を向上させることも考えられている。
ところが、前記レーザ結晶８で温度が最も高くなるのは励起光１７が入射する端面であり、該励起光１７は高エネルギで、エネルギ密度が高く、而もレーザ結晶８自体の熱伝導率が小さいことから、該レーザ結晶８の励起光１７の入射点での入熱量は熱伝導による熱移動量に比して大きくなる。この為、レーザ結晶８から光共振器ブロック２２への熱伝導による冷却ではレーザ結晶８の端面の温度上昇を抑制することが難しく、入射点での温度が高温に上昇すると共に、入射点周辺との間で急激な温度勾配を生じてしまう。
従って、従来のレーザ結晶８から前記光共振器ブロック２２への熱伝導を介する冷却構造ではレーザ結晶８、特に励起光１７の入射点について充分な冷却を行うことが難しいという問題があった。
特開２００３−１２４５５３号公報
本発明は斯かる実情に鑑み、レーザ結晶、波長変換結晶等の光学結晶の冷却、特に励起光が入射する端面での冷却を効果的に行える様にするものである。
本発明は、光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、少なくとも励起光が入射する光学結晶の端面に、該光学結晶よりも熱伝導性が大きい放熱膜を形成したレーザ発振装置に係り、又前記光学結晶の側面に端面の前記放熱膜に連続する放熱膜を形成し、前記光学結晶をヒートシンクにより前記側面で保持したレーザ発振装置に係り、又前記端面に冷却ガスを流したレーザ発振装置に係り、又励起光が入射する放熱膜の部分には開口部が設けられているレーザ発振装置に係り、又励起光が入射する放熱膜の部分には開口部が設けられ、該開口部はスリット状であるレーザ発振装置に係り、又放熱膜は蒸着により形成されるレーザ発振装置に係り、更に又放熱膜が入射側端面及び射出側端面に形成され、射出側端面の開口部の大きさは、集光された励起光の直径より２倍以上大きい開口部であるレーザ発振装置に係るものである。
本発明によれば、光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、少なくとも励起光が入射する光学結晶の端面に、該光学結晶よりも熱伝導性が大きい放熱膜を形成したので、入射端面からの放熱特性が向上し、入射端面の温度上昇が抑制される。
又本発明によれば、前記光学結晶の側面に端面の前記放熱膜に連続する放熱膜を形成し、前記光学結晶をヒートシンクにより前記側面で保持したので、光学結晶側面からの放熱特性が向上し、光学結晶の温度上昇が抑制される。
又本発明によれば、前記端面に冷却ガスを流したので、入射端面からの放熱特性が向上し、入射端面の温度上昇が抑制される等の優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
図１により本発明の第１の実施の形態の概略を説明する。図１は、光共振部３内で波長変換を行わず発振された基本波を射出するレーザ発振装置について示しており、図１中、発光部を省略して示し、図９、図１０中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
Ｎｄ：ＹＶＯ4 等のレーザ結晶８の励起光１７が入射する端面には該励起光１７に対して高透過であり、レーザ結晶８の発振波（基本波）に対して高反射の第１の誘電体反射膜７が形成され、又前記レーザ結晶８の他端面には発振波に対して高透過な第２の誘電体反射膜１１が形成され、前記レーザ結晶８が光共振部３として機能する様になっている。
金属等高熱伝導性を有する材料により前記第１の誘電体反射膜７上に重ねて放熱膜３１を形成する。該放熱膜３１の材質としては、例えば金属のＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｉｎ、或はダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等が挙げられる。又、膜生成の方法としては電鋳、蒸着等、第１の誘電体反射膜７と放熱膜３１との間に物理的な隙間が生じない方法が採用される。
該放熱膜３１には、励起光１７が入射できる開口３２が設けられ、該開口３２の形状は図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示される様に、円形であっても、スリット状であってもよい。
前記レーザ結晶８の端面に励起光１７が入射すると、該励起光１７の一部が熱に変換され、熱は熱伝導性の高い前記放熱膜３１に移動し、該放熱膜３１から周囲に放熱される。又、該放熱膜３１は熱伝導性が高いので、レーザ結晶８端面での熱温度分布が発生することを抑制し、光学歪み、機械歪みの発生を抑制する。
尚、前記放熱膜３１は放熱面を拡大させる意味で、図４に示される様にレーザ結晶８の側面、レーザ光線の射出側端面にも形成してもよい。放熱膜３１が射出側端面に形成される場合は、回折の影響が出ない様に開口の大きさは出力ビーム径が１／ｅ2 で定義されることから２倍以上が好ましい。
図３に示す第２の実施の形態では、前記開口３２に集光レンズ３３を装着した場合を示しており、前記開口３２が円形の場合はボールレンズ、又はシリンダレンズ、ファイバーレンズが用いられる。シリンダレンズ或はファイバーレンズは半導体レーザ１３の速軸方向（活性層に垂直な方向）を集光する為に使用される。
図４に示す第３の実施の形態は、内部型ＳＨＧのレーザ発振装置を示しており、レーザ結晶８と波長変換結晶９とを一体化したものである。例えば、レーザ結晶８としてはＮｄ：ＹＶＯ4 、前記波長変換結晶９としてはＫＴＰが使用される。
前記レーザ結晶８の入射端面には励起光１７に対して高透過で、基本波、２次高調波に対して高反射の第１の誘電体反射膜７が形成され、前記波長変換結晶９の射出端面には基本波に対して高反射、２次高調波に対して高透過の第２の誘電体反射膜１１が形成される。
前記レーザ結晶８に入射した励起光１７はレーザ結晶８端面で発振し、第１の誘電体反射膜７と第２の誘電体反射膜１１間でポンピングされ、前記波長変換結晶９で波長変換され、第２の誘電体反射膜１１を透過して射出される。
第１の誘電体反射膜７に形成された放熱膜３１により放熱が促進され、レーザ結晶８の入射端面の温度上昇を抑制する。又、第２の誘電体反射膜１１にも放熱膜３１と同質の放熱膜３４が形成され、該放熱膜３４からも放熱が促進される。尚、レーザ結晶８、波長変換結晶９の側面にも放熱膜を形成し、側面からも放熱が促進される様にしてもよい。
図５で示す第４の実施の形態では、レーザ結晶８と波長変換結晶９とを一体化し、更にレーザ結晶８と波長変換結晶９間に第３の誘電体反射膜３５を形成したものである。該第３の誘電体反射膜３５は基本波に対して高透過であり、２次高調波に対しては高反射となっている。又、前記第３の誘電体反射膜３５を設ける場合は、前記レーザ結晶８と前記波長変換結晶９の光学的連続性を遮断する為にスペーサ３６を介在させる。該スペーサ３６は例えば金属膜を蒸着させ、レーザ光線の光路部分に開口を形成したものである。開口の大きさはレーザ光線のビーム径の２倍以上とする。尚、前記スペーサ３６を前記放熱膜３１と同材質とし、又レーザ結晶８、波長変換結晶９の側面に放熱膜を形成し、側面の放熱膜と前記スペーサ３６とを連続させレーザ結晶８と波長変換結晶９間の熱を第３の誘電体反射膜３５を介して側面の放熱膜から放熱させる様にしてもよい。
図６はレーザ結晶８の保持構造を示すものである。
ヒートシンクを兼ねる光共振器ブロック２２にＶ形状の凹部を形成し、該凹部の斜面３７にＶ溝３８を形成し、又ヒートシンクを兼ねるレーザ結晶ホルダ３９に前記Ｖ溝３８と対応するＶ溝４１を形成し、レーザ結晶８を前記Ｖ溝３８、前記Ｖ溝４１間に保持し、前記レーザ結晶ホルダ３９を前記斜面３７にボルト４２で固定している。
上記保持構造では、レーザ結晶８の２側面が前記Ｖ溝４１に、他の２側面が前記Ｖ溝３８に確実に押圧されることで、前記レーザ結晶８から前記光共振器ブロック２２、前記レーザ結晶ホルダ３９への熱伝達率が向上する。更に、前記レーザ結晶８と前記光共振器ブロック２２、前記レーザ結晶８と前記レーザ結晶ホルダ３９間には密着性を向上させる為、インジウム等の軟質金属を介在させる。又、前記レーザ結晶８の少なくとも入射端面に放熱膜３１が形成され、又レーザ結晶８の側面には前記放熱膜３１に連続する放熱膜が形成される。
前記レーザ結晶８の入射端面の熱は放熱膜３１から周囲に拡散すると共に側面の放熱膜を経て光共振器ブロック２２、レーザ結晶ホルダ３９へ移動し、入射端面の温度上昇が抑制される。
図７は第５の実施の形態を示すものであり、放熱膜３１からの放熱特性を更に改善したものである。半導体レーザ１３から射出された励起光１７は集光レンズ５により、レーザ結晶８の入射側端面に集光される。該レーザ結晶８の入射端面近傍に開口するノズル４４を設け、該ノズル４４から前記入射端面に沿って流動させる様に冷却ガス４５を吐出する。前記放熱膜３１に隣接するガスが流動することで、ガスと前記放熱膜３１間の熱伝達特性が向上し、レーザ結晶８端面からの放熱特性が向上し、レーザ結晶８端面の温度上昇が抑制される。
本発明の第１の実施の形態の要部を示す概略図である。 （Ａ）（Ｂ）は本発明の第１の実施の形態に於ける入射端面を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態の要部を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態の要部を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態の要部を示す概略図である。 本発明に於けるレーザ結晶の保持構造を示す斜視図である。 本発明の第５の実施の形態の要部を示す概略図である。 レーザ発振装置の概略図である。 レーザ発振装置の発光部が複数の半導体レーザを有する場合の概略図である。 従来のレーザ発振装置を示す断面図である。
符号の説明
１ レーザ発振装置
２ 発光部
３ 光共振部
４ ＬＤ発光器
５ 集光レンズ
８ レーザ結晶
９ 波長変換結晶
１２ 凹面鏡
１３ 半導体レーザ
１７ 励起光
２６ ペルチェ素子
３１ 放熱膜
３２ 開口
３３ 集光レンズ
３４ 放熱膜
３９ レーザ結晶ホルダ
４４ ノズル
４５ 冷却ガス

Claims (7)

  1. 光学結晶を有するレーザ発振装置に於いて、少なくとも励起光が入射する光学結晶の端面に、該光学結晶よりも熱伝導性が大きい放熱膜を形成したことを特徴とするレーザ発振装置。
  2. 前記光学結晶の側面に端面の前記放熱膜に連続する放熱膜を形成し、前記光学結晶をヒートシンクにより前記側面で保持した請求項１のレーザ発振装置。
  3. 前記端面に冷却ガスを流した請求項１のレーザ発振装置。
  4. 励起光が入射する放熱膜の部分には開口部が設けられている請求項１のレーザ発振装置。
  5. 励起光が入射する放熱膜の部分には開口部が設けられ、該開口部はスリット状である請求項１のレーザ発振装置。
  6. 放熱膜は蒸着により形成される請求項１のレーザ発振装置。
  7. 放熱膜が入射側端面及び射出側端面に形成され、射出側端面の開口部の大きさは、集光された励起光の直径より２倍以上大きい開口部である請求項４又は請求項５のレーザ発振装置。
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