JP2007214487A - 固体レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 固体レーザ発振装置１は円板状のレーザ媒質２を備えており、その中央側となるドープエリアＤＡには、円柱状をした複数のドープ部７を並列で点在させている。上記ドープ部７を挟むように、リヤミラーとしての全反射膜８を配置し、他方、レーザ媒質２に対向させてフロントミラー５を配設している。
レーザ媒質２に向けて半導体レーザ４から励起光を照射すると、各ドープ部７の数だけレーザ光Ｌａが発振され、それら複数のレーザ光Ｌａはフロントミラー５を透過すると単一のレーザ光Ｌａとして重畳されてから外部へ発振される。
【効果】 固体レーザ発振装置１の全長を短縮したとしても、良好な品質のレーザ光Ｌａを得ることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は固体レーザ発振装置に関し、より詳しくは、レーザ媒質に複数のドープ部を設けて、それらで励起した複数のレーザ光を重畳させて単一のレーザ光として発振するようにした固体レーザ発振装置に関する。

従来、固体レーザ発振装置として、例えば特許文献１が知られている。この特許文献１の装置のように、レーザ媒質を薄肉の板状にすると、その内部の熱歪みを抑制してレーザ光の品質の悪化を防いで、装置全体を小型化することができる。
特許第３５０３５８８号公報

ところで、図１２および図１３に簡略化して示したように、上述したような従来の装置においては、薄板状のレーザ媒質２の中央部に１箇所のドープ部７を設けている。この図１２において、３は冷却用のヒートシンク、５はフロントミラーであり、レーザ媒質２のヒートシンク３と接する側の端面には、リヤミラーとしての全反射膜８を設けている。全反射膜８とフロントミラー５の間で共振器が構成されることになり、全反射膜８とフロントミラー５が隔てた距離をＬとする。ドープ部７に向けてレーザ媒質２の周囲から励起光を照射すると、ドープ部７からレーザ光Ｌａが発生されて、そのレーザ光Ｌａは全反射膜８とフロントミラー５によって増幅されてからフロントミラー５を透過して外部へ発振されるようになっている。
このような従来の装置において、装置を小型化するために上記距離Ｌを短縮すると、このレーザ発振器から発振されるレーザ光Ｌａは、拡がり角が大きく、光軸に直交する方向の強度分布が台形状になるので、レーザ光Ｌａの品質が悪くなるという欠点が生じる。
そこで、本発明の目的は、小型化のために全長を短縮しても良好な品質のレーザ光を発振できる固体レーザ発振装置を提供することである。

上述した事情に鑑み、本発明は、ドープ部と非ドープ部を有するレーザ媒質と、このレーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、上記レーザ媒質を挟んで配設された一対のフロントミラーおよびリヤミラーとを備えて、上記レーザ媒質から発生したレーザ光を上記両ミラー間で共振させてフロントミラーから発振させるようにした固体レーザ発振装置において、
上記レーザ媒質に光軸と直交する方向に複数のドープ部を点在するように配設して、上記励起光源からレーザ媒質へ励起光を照射して各ドープ部から発生したレーザ光を上記両ミラー間でそれぞれ共振させるようにしたものである。

このような構成によれば、各ドープ部とそれらを挟んだ一対のフロントミラーとリヤミラーとによって、上記各ドープ部と対応する数の共振器が構成されることになり、しかもそれぞれの共振器から発振された複数のレーザ光は徐々に重畳されて実質的に単一のレーザ光として、加工や治療および検査などに用いられることになる。
したがって、全長を短くして小型化しても良好な品質のレーザ光を発振できる固体レーザ発振装置を提供できる。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１ないし図４において、１はレーザ光Ｌａを発振する固体レーザ発振装置であり、本実施例ではセラミックス製で円板状のレーザ媒質２を用いている。
固体レーザ発振装置１は、冷却手段としての銅からなるヒートシンク３と、このヒートシンク３の鉛直方向に伸びる平坦な冷却面３ａに左方側の端面を接着された上記レーザ媒質２と、レーザ媒質２の円周面の外方位置となる４箇所に配設されてレーザ媒質２に向けて励起光ＰＬを照射する励起光源としての４個の半導体レーザ４と、上記レーザ媒質２の同軸上に対向して配置されてレーザ光Ｌａを図面上の右方側に向けて出力するフロントミラー５とを備えている。
上述した固体レーザ発振器１の各構成部材は図示しないケーシング内に配置してあり、フロントミラー５を透過したレーザ光Ｌａは図示しない開口部からケーシングの外部へ発振されるようになっている。

本実施例のレーザ媒質２は、その軸心を囲む所定半径の仮想円内をドープエリアＤＡとしてあり、またレーザ媒質２におけるドープエリアＤＡよりも外方側の領域を非ドープ部６としている。
本実施例のレーザ媒質２は、その厚さ方向に複数の円柱状をしたドープ部７を埋設している。図４にドープエリアＤＡの要部を拡大して示したように、各ドープ部７は、媒質としてのＹＡＧ等に活性元素として希土類イオン又は遷移金属イオンを添加して構成されている。

レーザ媒質２の左方側の端面にはリヤミラーとしての全反射膜８をコーティングしてあり、この全反射膜８によって上記ヒートシンク３の冷却面３ａを覆っている。上記全反射膜８は、誘電体多層膜からなりレーザ光Ｌａを全反射させるようになっている。他方、レーザ媒質２のフロントミラー５側の端面には、励起光ＰＬを反射してレーザ光Ｌａを透過させる誘電体多層膜からなる部分反射膜９をコーティングしている。そして、円板状としたレーザ媒質２の円周面は、励起光ＰＬを通過させるための入光部１１としている。

各半導体レーザ４とレーザ媒質２の入光部１１との間には、集光手段としての集光レンズ１２がそれぞれ配置されており、この集光レンズ１２により励起光ＰＬがドープエリアＤＡに効率よく照射されるように集光するようになっている。なお、フロントミラー５のレーザ媒質２側の面は僅かに曲率を有するように形成されている。
本実施例においては、ドープエリアＤＡに複数のドープ部７を隣接させて並列となるように点在させてあり、それらドープ部７を挟んでフロントミラー５とリヤミラーとしての全反射膜８を配置している。つまり、実質的に各ドープ部７の数と対応する数の共振器を配設した構成となっている。
半導体レーザ４から放射されて入光部１１からレーザ媒質へ入光する励起光ＰＬは、非ドープ部６を通過して直接各ドープ部７に入射されるので各ドープ部７からレーザ光Ｌａが発光されるとともに、この発光された複数のレーザ光Ｌａはフロントミラー５とリヤミラーとしての全反射膜８とで共振された後に所定出力に達したらフロントミラー５から発振されるようになっている。その際、本実施例においては、上記各ドープ部７の配置はタルボット配置としてあるので、フロントミラー５を透過した各レーザ光Ｌａは回折による拡がりが付与されて徐々に重畳されるようになっている（図３参照）。
このときのレーザ光Ｌａの状態を模式図で示したものが図３である。この図３に示すように、レーザ光Ｌａは、共振器の外部へ進行することに伴ってタルボット配置からの回折により徐々に重畳される。このように、レーザ光Ｌａの光軸に直交する方向の強度分布はガウシアンモードに近いものとなっている。つまり、本実施例によれば、良好な品質のレーザ光Ｌａを発振できるようになっている。

上述したように、本実施例においては、複数のドープ部７をレーザ媒質２のドープエリアＤＡに点在させ、それら複数のドープ部７を挟んでフロントミラー５とリヤミラーとしての全反射膜８を配置することで、上記ドープ部７の数と対応する数の実質的な共振器を構成している。本実施例をこのように構成したのは、次のような理由からである。
即ち、レーザ発振装置の共振器においては、フレネル数Ｋが小さいとレーザ光の品質が良くなることは知られている。数式で表現すると次のようになる。
Ｋ＝ａ^２／（λ＊Ｌ）
ここで、ａはレーザ媒質２から発光されたレーザ光の直径、λはそのレーザ光Ｌａの波長であり、さらにＬは共振器を構成するリヤミラーとフロントミラーとが隔てた距離である（図３、図１２参照）。つまり、レーザ光の品質は共振器の長さを長くすれば良くなり、またレーザ光の断面積を小さくすれば良くなることを意味する。
そこで、本実施例においては、前述したようにドープエリアＤＡに複数のドープ部７を並列に点在させ、それらをフロントミラー５とリヤミラーとしての全反射膜８で挟むようにすることで、実質的に複数の共振器を並列に配置したものと同様な構成としたものである。

近年では、レーザ発振装置をできるだけ小型化することが要望されているが、前述したように図１２、図１３に示した従来方式のレーザ発振装置では、共振器の全長を短縮化するために、リヤミラーとフロントミラーとが隔てた距離Ｌを短くすると、レーザ光Ｌａの強度分布が略台形状となる。
これに対して、図１ないし図４に示したように、本実施例においては、リヤミラーとしての全反射膜８とフロントミラー５とが隔てた距離Ｌを図１２、図１３に示した従来のものと同じ寸法に設定しても、レーザ光Ｌａの強度分布がガウシアンモードに近いものとなる。そのため、本実施例によれば、共振器の全長（上記距離Ｌ）を短縮したとしても、良好な品質のレーザ光を発振させることができる。

上記固体レーザ発振装置１においては、レーザ光Ｌａを発振させることに伴って各ドープ部７が発熱してくるが、各ドープ部７はヒートシンク３によって冷却されるようになっている。なお、このヒートシンク３は、その内部に冷却通路を形成してそこに冷却水を流通させることで冷却性能を向上させるようにしても良い。

次に、図５ないし図６は本発明の第２実施例を示したものである。
この第２実施例においては、上述した第１実施例と比較して各ドープ部７の径を小さくすることで、ドープエリアＤＡ内に多数のドープ部７を並列状態で点在させるようにしたものである。なお、各ドープ部７は上記第１実施例の場合と同様に同一種類のものを用いている。このような第２実施例においても、各ドープ部７の数と対応する共振器が構成されたものと同様の構成となる。その他の構成は、図１〜図４に示した第１実施例のものと同じである。
このような第２実施例であっても、上述した第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。

次に、図７ないし図９は、本発明の第３実施例を示したものである。上述した第１実施例においては、レーザ媒質２のドープエリアＤＡに同じ種類のドープ部７を点在させて配置していたが、この第３実施例においては、ＹｂとＥｒの２種類のドープ部７をそれぞれ均等になるようにドープエリアＤＡの厚み方向中間部に多数点在させたものである。また、この第３実施例においては、半導体レーザとして波長が異なる２種類のものを配置している。
これにより、第３実施例では、異なる種類の半導体レーザからの励起光をタイミングをずらして別々にレーザ媒質２に照射することで、別々に波長が異なるレーザ光を発振させることができる。その他の構成は、上述した第１実施例と同じである。
このような第３実施例であっても、上記第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。しかも、この第３実施例においては波長が異なる２種類のレーザ光Ｌａを得ることができる。

次に、図１０ないし図１１は本発明の第４実施例を示したものである。上述した各実施例においては励起光の光源として半導体レーザ４を用いているが、その代わりに、この第４実施例においてはフラッシュランプ１５を用いている。そして、この第４実施例においては、レーザ媒質２を正方形の板状に形成するともに、このレーザ媒質２の四辺２Ａの対向位置にそれぞれフラッシュランプ１５を配置したものである。フラッシュランプ１５の長さは、上記レーザ媒質２の一辺の寸法と同じ寸法にしている。また、この第４実施例においては、ドープエリアＤＡには二種類の材料からなるドープ部７を点在させている。その他の構成は、上述した第１の実施例と同じである。
このような第４実施例によれば、材料が異なる二種類のドープ部７をドープエリアＤＡに設けているので、二種類のドープ部７を同時に励磁させることができる。これは、フラッシュランプの波長に幅があるために可能となるものである。そして、この第４実施例であっても上述した他の実施例と同様の作用・効果を得ることができる。

なお、上述した各実施例において、励起光としての光源（４、１５）のレーザ媒質２への入射方向は、レーザ媒質２の側面からでも背面からでも前面からでも良い。
また、上述した実施例においては、レーザ媒質２は粉状のＹＡＧを焼成したセラミックス製のものを用いているので、レーザ媒質２そのものを従来よりも安価に製造することができる。
また、円柱状とした各ドープ部７を嵌合させる複数の有底孔を母材のドープエリアＤＡに形成して、それら有底孔に各ドープ部７をはめ込んでから、母材としてのセラミックスを焼成することで、レーザ媒質２を容易に製造することができる。

要部を断面で示した本発明の一実施例を示す正面図。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う側面図。 図１の要部の模式図。 図３の要部の右側面図。 本発明の第２実施例を示す模式図。 図５の要部の右側面図。 本発明の第３実施例を示す要部の斜視図。 図７の要部の断面図。 図７の要部の正面図。 本発明の第４実施例を示す模式図。 図１０の要部の右側面図。 従来技術を示す模式図。 図１２の要部の右側面図。

符号の説明

１…固体レーザ発振装置 ２…レーザ媒質
４…半導体レーザ（励起光源） ５…フロントミラー
６…非ドープ部 ７…ドープ部
８…全反射膜（リヤミラー） Ｌａ…レーザ光

Claims (4)

1. ドープ部と非ドープ部を有するレーザ媒質と、このレーザ媒質に励起光を照射する励起光源と、上記レーザ媒質を挟んで配設された一対のフロントミラーおよびリヤミラーとを備えて、上記レーザ媒質から発生したレーザ光を上記両ミラー間で共振させてフロントミラーから発振させるようにした固体レーザ発振装置において、
   上記レーザ媒質に光軸と直交する方向に複数のドープ部を点在するように配設して、上記励起光源からレーザ媒質へ励起光を照射して各ドープ部から発生したレーザ光を上記両ミラー間でそれぞれ共振させることを特徴とする固体レーザ発振装置。
2. 上記リヤミラーは、上記レーザ媒質の一方の端面にコーティングされた全反射膜からなることを特徴とする請求項１に記載の固定レーザ発振装置。
3. 上記複数のドープ部を異なる材料から形成して、異なる波長を有するレーザ光を発振させることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体レーザ発振装置。
4. 上記レーザ媒質は、粉末を焼結して形成されたセラミックスからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体レーザ発振装置。

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