JP2007220717A - 固体レーザロッドおよび大出力レーザ光発生方法ならびに大出力レーザ光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を効率良く励起でき、しかも、簡単に製造できる安価な固体レーザロッドと、その固体レーザロッドを用いた大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置を提供すること。
【解決手段】レーザロッド４は、均一外径の円柱状のロッド本体４０２を備えている。ロッド本体４０２の外周面の周方向に等間隔をおいた３箇所にそれぞれロッド本体４０２の長さ方向に延在する凹部４０４が設けられている。各凹部４０４は同一の断面形状で形成されている。各凹部４０４は、互いに対向する側面４１０と、それら側面４１０の下端を接続する底面４１２とで形成されている。大出力レーザ光を発生させる際には、ロッド本体４０２の外周面の凹部４０４の底面４１２に励起用レーザ光を照射する。
【選択図】図４

Description

本発明は大出力レーザ光を発生させるに好適な固体レーザロッドと、それを用いた大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置に関する。

大出力のレーザ光を発生させるために、レーザロッドの長さ方向の一方の端面にハーフミラー（レーザロッドの端面にコーティングされたハーフミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立したハーフミラー）を設け、他方の端面に全反射ミラー（レーザロッドの端面にコーティングされた全反射ミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立した全反射ミラー）を設け、レーザロッドの外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所に設けた半導体レーザアレイから前記レーザロッドの外周面へ向けて励起用レーザ光を照射し、ハーフミラー６と全反射ミラー８との間でレーザロッドの内部を励起状態にすることにより、ハーフミラーが設けられたレーザロッドの端面から大出力のレーザ光を出射させることが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開平７−９４８１３ 特開平９−２６０７５４

ところで、半導体レーザアレイからレーザロッドの外周面へ向けて励起用レーザ光を照射した際、励起用レーザ光のエネルギーは、レーザロッドの内部に至るまでに外周部において吸収され、内部を効率良く励起することができない不具合がある。
そこで、外周部をエネルギーが吸収されにくい母材となる第１の部材で形成し、内部を励起され易いネオジウムなどを添加した第２の部材で形成したレーザロッドが提供されているが、このようなレーザロッドは２重構造であるため、製造が難しく極めて高価なものとなっている。
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、内部を効率良く励起でき、しかも、簡単に製造できる安価な固体レーザロッドと、その固体レーザロッドを用いた大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の固体レーザロッドは、励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記ロッド本体の長さ方向に延在して設けられた凹部とを備えることを特徴とする。
また、本発明の固体レーザロッドは、励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に形成されたハーフミラーと、前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に形成された全反射ミラーと、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部とを備えることを特徴とする。
また、本発明の大出力レーザ光発生方法は、励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部とを有する固体レーザロッドを設け、前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面を支持手段により支持することで前記ロッド本体を支持し、前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面を冷却しつつ励起用レーザ光を前記凹部に照射し前記ロッド本体の内部を励起させ前記ハーフミラーを通して大出力レーザ光を出射するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の大出力レーザ光発生装置は、励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部とを有する固体レーザロッドと、前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面に密着し該外周面を支持することで前記ロッド本体を支持する支持手段と、前記外周面を介して前記ロッド本体を冷却するように前記支持手段を冷却する冷却手段と、前記凹部に励起用レーザ光を照射するレーザ照射手段とを備えることを特徴とする。

本発明の固体レーザロッドによれば、ロッド本体の外周面の凹部に励起用レーザ光を照射させることで、ロッド本体の内部をエネルギーロスを生じることなく効果的に励起でき、大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。また、ロッド本体の外周面に凹部を形成した簡単な構造であるので、レーザロッドを安価に製造することが可能となる。
また、本発明の大出力レーザ光発生方法によれば、ロッド本体の外周面の凹部の底面４１２に励起用レーザ光を照射するようにしたので、エネルギーロスを生じることなくロッド本体の内部を効果的に励起でき、大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。
また、本発明の大出力レーザ光発生装置によれば、ロッド本体の外周面の凹部の底面４１２に励起用レーザ光を照射するようにしたので、エネルギーロスを生じることなくロッド本体の内部を効果的に励起でき、大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。
また、凹部の間に残存するロッド本体の外周面を介してロッド本体を冷却するので、レーザロッドを効率よく冷却でき、大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。
また、レーザロッドは、ロッド本体の外周面に凹部を形成した簡単な構造であるので、安価に製造でき、大出力レーザ光発生装置のコストダウンを図る上で有利となる。

以下、本発明の固体レーザロッドと、その固体レーザロッドを用いた大出力レーザ光発生方法および大出力レーザ光発生装置を添付図面に従って説明する。
図１は固体レーザ光発生装置の側面図、図２はその断面正面図、図３は図２のＡＡ線断面図、図４（Ａ）はレーザロッドの正面図、（Ｂ）は斜視図を示す。
半導体レーザを励起手段として用いた固体レーザ光発生装置（大出力レーザ光発生装置）２は、レーザロッド（固体レーザロッド）４と、レーザロッド４を支持するための複数の（３つの）レーザロッド支持用ホルダー１０と、励起用レーザ光をレーザロッド４に照射するための半導体レーザアレイ２０と、レーザロッド支持用ホルダー１０を冷却する冷却手段３０と、レーザロッド支持用ホルダー１０の両側に配設された基板４０と、両側の基板４０を連結する連結部材５０と、複数のレーザロッド支持用ホルダー１０にわたって装着された２つのリング６０を含んで構成されている。

図４に示すように、レーザロッド４は、均一外径の円柱状のロッド本体４０２を備えている。
ロッド本体４０２には、励起されることでレーザ光を発生し易い材料、例えば、ネオジウムなどが添加されたＹＡＧなどが用いられる。
ロッド本体４０２の外周面の周方向に等間隔をおいた複数箇所（本実施の形態では３箇所）にそれぞれ均一の幅でロッド本体４０２の長さ方向に直線状に延在する凹部４０４が設けられている。
凹部４０４は、後述するように、励起用レーザ光によりロッド本体４０２を励起する際に機能する箇所なので、励起用レーザ光が照射される範囲にわたって、例えば、ロッド本体４０２の両端を除いたロッド本体４０２の箇所に形成すればよいが、実施の形態のように、凹部４０４をロッド本体４０２の長手方向の全長にわたって延在形成すると、励起用レーザ光を照射する半導体レーザアレイを変更する場合にも対応できて便利となり、また、また、加工上も有利となる。
各凹部４０４は同一の断面形状で形成されている。
各凹部４０４は、互いに対向する側面４１０と、それら側面４１０の下端を接続する底面４１２とで形成されている。
底面４１２は平坦面で形成され、底面４１２の幅方向の中心で底面４１２と直交する仮想線Ｌは、ロッド本体４０２の軸心Ｏ１を通るように形成されている。
したがって、ロッド本体４０２の外周面には、３つの凹部４０４の間にそれぞれ円筒面４２０が残存することになる。
また、各凹部４０４の底面４１２を通る仮想円Ｃ１を断面としロッド本体４０２の長手方向に延在する円柱部分Ｐ１が励起用レーザ光により励起される部分となる。
そして、ロッド本体４０２の長さ方向の一方の端面にハーフミラー６（レーザロッドの端面にコーティングされたハーフミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立したハーフミラー）が配設され、レーザロッド４の長さ方向の他方の端面に全反射ミラー８（レーザロッドの端面にコーティングされた全反射ミラー膜、あるいは、レーザロッドの端面の外側に設けられた独立した全反射ミラー）が配設されている。
すなわち、ハーフミラー６や全反射ミラー８は、レーザロッド４とは別に設けられる場合もあり、また、ロッド本体４０２の両端面に形成される場合もあり、本実施例では、ハーフミラー６や全反射ミラー８は、適宜物質をレーザロッド４のそれぞれの端面にコーティングし膜を形成することで構成されている。

図２、図３に示すように、レーザロッド支持用ホルダー１０は、例えば、銅などのような熱伝導率の大きい金属材料で形成されている。
レーザロッド支持用ホルダー１０は、レーザロッド４の外周面の周りに周方向に等間隔をおいて３つ配設されている。
各レーザロッド支持用ホルダー１０はその断面が扇形を呈しており、レーザロッド４とほぼ同じ長さで形成されている。
各レーザロッド支持用ホルダー１０がレーザロッド４の円筒面４２０に臨む箇所に、レーザロッド４の円筒面４２０に密着可能な円筒面状の密着当接面１００２が形成され、レーザロッド４は各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２により支持されている。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の長さ方向の両端は平坦な端面１００４として形成され、これら両端面１００４には、レーザロッド４の軸心を中心とした円周上を通るようにリング装着用の溝１００６が側方に開放状に形成されている。
溝１００６は、レーザロッド４の軸心を中心とした円周溝であり、その半径は、例えば、レーザロッド４の軸心から各レーザロッド支持用ホルダー１０の円筒面状の外周面までの距離の半分程度である。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の両端面１００４には、その扇形の幅方向の中心およびレーザロッド４の軸心を通る仮想線上に互いに間隔をおいて２本のガイドピン１００８が突設されている。
なお、図２、図３に示すように、各レーザロッド支持用ホルダー１０には冷却パイプ１２が組み込まれ、冷却パイプ１２に冷却媒体を循環させることで各レーザロッド支持用ホルダー１０が効率よく冷却されるように構成され、本実施例では、冷却パイプ１２によりレーザロッド支持用ホルダー１０を冷却する冷却手段３０が構成され、例えば、−７０℃に各レーザロッド支持用ホルダー１０が冷却されるように構成されている。

基板４０は、レーザロッド支持用ホルダー１０の長さ方向の両端を挟むように配設され、両側の基板４０は連結部材５０により連結されている。
各基板４０は、図１に示すように、中心孔４００２が形成された環板状を呈し、２つの基板４０は同形同大で形成されている。
中心孔４００２は、レーザロッド４から出射したレーザ光が通過するように、レーザロッド４の直径よりも大きな寸法で形成されている。
各基板４０がレーザロッド支持用ホルダー１０に臨む面は平坦面４００２で形成され、この平坦面４００２には、レーザロッド４の軸心を通り周方向に１２０度ずらした３本の仮想線上にガイド溝４００４がそれぞれ延在形成されている。
各ガイド溝４００４には、対応するレーザロッド支持用ホルダー１０のガイドピン１００８が滑動可能に挿入され、これにより各レーザロッド支持用ホルダー１０は、レーザロッド４の半径方向に移動可能に案内されることになり、本実施例では、ガイドピン１００８とガイド溝４００４によりレーザロッド支持用ホルダー１０の案内手段が構成されている。
なお、両側の基板４０のうちの一方の基板４０には、図面では省略されているが冷却パイプ１２を挿通するための切り欠きが設けられている。

連結部材５０は、各レーザロッド支持用ホルダー１０の外周面の外側において円筒壁状に延在し、その両端がそれぞれ基板４０の外周部に結合されている。
連結部材５０の一側は切りかかれ、この部分に基台５２が取着され、レーザ光発生装置２を平坦な面の上に載置できるように構成されている。
なお、基板４０および連結部材５０ならびに基台５２は、熱伝導率の小さい材料で形成され、本実施例では、ガラスエポキシ樹脂などのような合成樹脂が用いられている。これは、冷却パイプ１２によりレーザロッド支持用ホルダー１０のみを集中して冷却させ、レーザロッド４の冷却効率を高めるためである。
また、各レーザロッド支持用ホルダー１０の間に位置する箇所で連結部材５０の周方向に等間隔をおいた３箇所に、半導体レーザアレイ２０を取り付けるための切り欠き５００２が設けられている。

半導体レーザアレイ２０は本実施例では３つ設けられ、各半導体レーザアレイ２０は、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２の上に４つの半導体レーザ２００４がレーザロッド４の長さ方向に沿って並べられ取着されることで構成されている。
各半導体レーザアレイ２０は、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２が各切り欠き５００２に取着されることで配設され、４つの半導体レーザ２００４から出射した励起用レーザ光が、すなわち、各半導体レーザアレイ２０から出射した励起用レーザ光がレーザロッド支持用ホルダー１０の間を通ってレーザロッド４の凹部４０４の底面４１２を照射するように構成されている。
半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２は銅などのような熱伝導率の大きい材料で形成され、半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２には、図２、図３に示すように、冷却パイプ２２が組み込まれ、冷却パイプ２２に冷却用媒体を循環させることで各半導体レーザ取り付け用ホルダー２００２が効率よく冷却されるように構成されている。
なお、隣り合うレーザロッド支持用ホルダー１０の間にそれぞれライトガイドを配設し、各レーザアレイ２０から出射する励起用レーザ光をそのライトガイドを介してレーザロッド４の凹部４０４の底面４１２に導くようにするなど任意であり、この場合には、ライトガイドの端部を凹部４０４の底面４１２に当て付けるようにしてもよい。

リング６０は、各レーザロッド支持用ホルダー１０の両側の溝１００６に装着されることで配設されている。
リング６０は、レーザロッド支持用ホルダー１０よりも熱膨張率の大きい材料で形成されている。このような材料として、例えば、ナイロンなどのような合成樹脂を用いることができる。
リング６０の内径は、使用時に、すなわち、レーザロッド支持用ホルダー１０の冷却時に溝１００６の内径よりも大きく収縮しようとし、溝１００６を介して各レーザロッド支持用ホルダー１０をレーザロッド４の軸心に付勢し、各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面に密着させる寸法で形成されている。言い換えると、冷却時においてリング６０はレーザロッド支持用ホルダー１０よりも大きな収縮率（収縮量）で収縮しようとし、それによりレーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の外周面に確実に密着させるように構成されている。

このような構成のリング６０を用いることで固体レーザ光発生装置２は次のような利点を有している。
リング６０により各レーザロッド支持用ホルダー１０の密着当接面１００２をレーザロッド４の円筒面４２０に密着させてレーザロッド４を支持し、冷却パイプ１２に冷却用媒体を循環させることで各レーザロッド支持用ホルダー１０のみを集中して冷却し、これにより密着当接面１００２、円筒面４２０を介してレーザロッド４を効率よく冷却できる。
また、リング６０と各レーザロッド支持用ホルダー１０の収縮により複数のレーザロッド支持用ホルダー１０をレーザロッド４の軸心に向けて付勢するようにし、ねじなどによりレーザロッド支持用ホルダー１０を取り付ける場合に比べ、密着当接面１００２をレーザロッド４の円筒面４２０にその周方向から均等な力で確実に密着でき、レーザロッド４の冷却効率を高めることができる。
また、リング６０は、レーザロッド４の温度上昇によりレーザロッド４が膨張してもその膨張に追従して変形できるので、レーザロッド４の損傷防止が図られる。
また、レーザ光発生装置２の組み立ては常温のもとで行われ、リング６０は、レーザロッド支持用ホルダー１０よりも熱膨張率の大きい材料で形成されているので、収縮していない状態のリング６０を用いて組み立てを行え、したがって、固体レーザ光発生装置２の組み立てを簡単に行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、ロッド本体４０２を支持する支持手段が、リング６０やレーザロッド支持用ホルダー１０などを含んで構成され、また、支持手段を冷却する冷却手段３０が、冷却パイプ１２などを含んで構成され、また、励起用レーザ光を照射するレーザ照射手段が、半導体レーザアレイ２０などを含んで構成されている場合について説明したが、本発明はレーザロッド４の構成に特徴を有するものであり、上述の支持手段や、冷却手段３０、レーザ照射手段として、従来公知の様々な構成のものを使用可能である。

本実施の形態によれば、ロッド本体４０２の外周面の凹部４０４の底面４１２に励起用レーザ光を照射するようにしたので、底面４１２を通る仮想円Ｃ１を断面としロッド本体４０２の長手方向に延在する円柱部分Ｐ１を、ハーフミラー６と全反射ミラー８との間でエネルギーロスを生じることなく効果的に励起でき、ハーフミラー６を通して大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。
また、凹部４０４の間には円筒面４２０が残存しており、この円筒面４２０を介してロッド本体４０２を冷却できるので、レーザロッド４を効率よく冷却でき、大出力レーザ光を効率良く発生させる上で有利となる。
また、ロッド本体４０２の外周面に凹部４０４を形成した簡単な構造であるので、レーザロッド４を安価に製造することが可能となり、固体レーザ光発生装置２のコストダウンを図る上で有利となる。

なお、凹部４０４の数は３つに限らず任意であり、凹部４０４の数に応じて半導体レーザアレイ２０などの数が決定される。
また、ロッド本体４０２の断面形状も円形に限らず任意であるが、実施の形態のように円柱状である場合には、その円筒面を利用して効率よく冷却する上で有利となる。
また、凹部４０４の形状も、例えば、ロッド本体４０２の軸心に向かって凸の湾曲面で形成したり、あるいは、底面４１２を、ロッド本体４０２の軸心を中心とした円筒面で形成するなど、凹部４０４の形状は、互いに対向する側面４１０と、それら側面４１０の下端を接続する底面４１２とで形成されたものに限定されず任意であるが、実施の形態のような形状にすると、ロッド本体４０２を効果的に励起する上で、また、加工上有利となる。

本発明に係るレーザ光発生装置の側面図である。 図１のレーザ光発生装置の断面正面図である。 図２のＡＡ線断面図である。 （Ａ）はレーザロッドの正面図、（Ｂ）は斜視図である。

符号の説明

２……固体レーザ光発生装置、４……レーザロッド、４０４……凹部、４１０……側面、４１２……底面、１０……レーザロッド支持用ホルダー、２０……半導体レーザアレイ、３０……冷却手段、４０……基板、５０……連結部材、６０……リング。

Claims (10)

1. 励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、
   前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記ロッド本体の長さ方向に延在して設けられた凹部と、
   を備えることを特徴とする固体レーザロッド。
2. 励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、
   前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に形成されたハーフミラーと、
   前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に形成された全反射ミラーと、
   前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部と、
   を備えることを特徴とする固体レーザロッド。
3. 前記凹部は外周面の周方向に等間隔をおいた複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザロッド。
4. 前記複数箇所にそれぞれ設けられ凹部は同一の断面形状で設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザロッド。
5. 前記ロッド本体は円柱状を呈し、前記凹部の間に位置する前記ロッド本体の外周面は円筒面として残存していることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザロッド。
6. 前記凹部は、互いに対向する側面と、それら側面の下端を接続する底面とで形成され、前記底面は平坦面で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザロッド。
7. 前記両側面の中心に位置する前記底面の箇所に直交する仮想線は、前記ロッド本体の軸心を通ることを特徴とする請求項６記載の固体レーザロッド。
8. 前記凹部は、前記ロッド本体の長手方向の全長にわたって延在していることを特徴とする請求項１または２記載の固体レーザロッド。
9. 励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部とを有する固体レーザロッドを設け、
   前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面を支持手段により支持することで前記ロッド本体を支持し、
   前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面を冷却しつつ励起用レーザ光を前記凹部に照射し前記ロッド本体の内部を励起させ前記ハーフミラーを通して大出力レーザ光を出射するようにした、
   ことを特徴とする大出力レーザ光発生方法。
10. 励起されることでレーザ光を発生し易い材料で形成されたロッド本体と、前記ロッド本体の長さ方向の一方の端面に配設されたハーフミラーと、前記ロッド本体の長さ方向の他方の端面に配設された全反射ミラーと、前記ロッド本体の外周面の周方向に間隔をおいた複数箇所にそれぞれ前記長さ方向に延在して設けられた凹部とを有する固体レーザロッドと、
    前記凹部を除く前記ロッド本体の外周面に密着し該外周面を支持することで前記ロッド本体を支持する支持手段と、
    前記外周面を介して前記ロッド本体を冷却するように前記支持手段を冷却する冷却手段と、
    前記凹部に励起用レーザ光を照射するレーザ照射手段と、
    を備えることを特徴とする大出力レーザ光発生装置。
    

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